WO1994021425A1 - Tool life management method by estimation of disturbance load - Google Patents

Description

明 細 書

外乱負荷推定による工具寿命管理方法

技 術 分 野

本発明は、 工作機械の工具が寿命に達したこ とを検出 する工具寿命管理方法、 特に外乱負荷推定によ る工具寿 命管理方法に関する。

背 景 技 術

工作機械において、 工具を長期間使用する と工具の磨 耗が進行し、 切削能力が低下する。 そ こで、 使用工具を 管理して寿命を終えた工具は交換する必要があ る。 こ の 寿命管理は、 従来、 一般的には、 工具それ自体、 又はヮ ー ク の切削状況を観察し、 工具が磨耗 し寿命に達してい ないかを判断する こ と によ り行なわれる。 また、 各工具 の使用時間を積算し、 積算使用時間が所定の寿命時間に 達 した と き工具を交換する等の工具管理を行な う こ と も 特開平 1 一 1 8 3 3 3 8号公報等から公知であ る。

工具を目視して工具の磨耗を測定した り 、 ワーク の切 削状況を観察して工具の磨耗を監視し、 工具交換時期を 判断 して工具管理を行な う方法は、 工具管理を行な う者 の経験と勘に依存する も のであ り 、 正確さ に欠け工具管 理と しての客観的な基準がない。 また、 工具の使用時間 を積算 し、 その積算時間が所定の寿命時間に達 している と工具を交換する工具管理方法に於いては、 実際の工具 摩耗が小さ く 寿命に達してな く て も、 寿命時間に達 した と して工具が交換される場合もあ る。 逆に、 実際の工具 磨耗が激 し く 既に工具交換時期に達しているに もかかわ らず、 使用時間が寿命時間に達 していないため工具交換 がな されずに、 加工精度の低下を起こ した り 、 無駄なェ ネルギゃ時間を消費する とい う 問題がある。 すなわち、 使用時間で工具寿命を管理する場合で も、 寿命管理と し ては正確ではな く 絶対的ではない。

発 明 の 開 示

本発明は、 工具に加わる推定負荷の大き さ に基づいて 工具寿命が客観的且つ的確に判断される工具寿命管理方 法を提供する。

本発明の工具の寿命管理方法は、 工作機械を用いて予 め定め られたワーク に対 し予め定め られた加工を実行す るステ ッ プと、 こ の加工実行中に、 主軸を駆動するモー 夕 と送り軸を駆動するモータの少な く と も一つに加わる 外乱負荷 ト ルク を外乱推定オブザーバを用いて推定する ステ ッ プと、 推定された外乱負荷 トルクを設定基準値と 比較 し、 推定外乱負荷 ト ルクが設定基準値まで達 したと き に工具寿命終了信号を出力するステ ッ プとを備える。

本発明の一態様によれば、 外乱推定オブザーバはモ一 夕 に指令される トルク指令値とモー タ の実速度から外乱 負荷 ト ルク を推定する。

工具の磨耗が進むにつれて工具の切削能力が低下する ため、 摩耗 していない工具を用いて加工を行な った場合 と摩耗 した工具を用いて同一のワーク に対 して同一の加 ェを行な っ た場合とでは工具に加わる負荷が変化する。 こ のため主軸を駆動するモータや送り 軸を駆動するモー 夕 に加わる負荷も工具の磨耗度合いによって増減する。 本発明では このモー タ に加わる外乱負荷 ト ルク を外乱推 定オブザーバによ って推定する こ とによ り 、 工具に加わ る負荷が推定される。 推定外乱負荷 ト ルク が変化する と い う こ とは、 工具に加わる負荷が変化 したこ とを意味し、 工具の摩耗が進行している こ とになる。 従って本発明で は、 所定の ワー ク に対 して所定の加工を行なっ たと き、 推定外乱負荷 ト ルク の値が設定時間以上継続して変化す る場合に、 工具が磨耗 し寿命に達 している と判断 し、 ェ 具交換等の工具寿命指令を出力する。

工具磨耗によ って切削負荷が増大するよ う な工具及び 加工では、 設定基準値以上の推定外乱負荷 トルクが設定 時間以上継続する場合に工具が寿命に達している と判断 する。 又、 工具が磨耗したと き工具がワー ク面をすベり 切削負荷が極度に低下するよ う な工具及び加工では、 設 定基準値以下の推定外乱負荷 トルクが設定時間以上継続 する場合に工具が寿命に達している と判断する。

図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明によ るモー タの制御系と外乱推定ォブ ザーバを示すプロ ッ ク線図、

図 2 は、 本発明を実施するための工作機械の制御装置 の要部ブロ ッ ク 図、

図 3 は、 本発明の一実施例における速度ループ処理周 期毎の速度ル―ブ処理及び外乱推定オブザーバの処理を 示すフ ロ ー チヤ一 ト 、

図 4 は、 数値制御装置が実行する工具寿命判断処理を 示すフ ロ ーチヤ一 トであ る。

発明を実施するための最良の形態 図 1 は、 位置に対 し比例制御 （ P制御） を行ない、 速 度に対 し比例積分制御 （ P I 制御） を行な って工作機械 の送り 軸を駆動するサーボモータ制御系と、 こ の制御系 に適用 される外乱負荷 トルク を推定するオブザーバ 6 を 示す。 項 1 の K P は位置ループにおける比例ゲイ ン、 項 2 は速度ループにおける伝達関数で、 K 1 は積分定数、 K 2 は比例定数であ る。 ま た、 項 3及び項 4 はモー タの 伝達関数で、 K t は トルク定数、 J はイ ナ一 シ ャであ り、 項 5 は速度 V を積分 して位置 0 を算出する伝達関数であ る。 ま た、 T L は外乱 トノレクであ る。 なお、 S はラブラ ス演算子である。

位置指令値 0 r から現在位置 5 のフ ィ ー ドバッ ク値を 減算して得た位置偏差 ε ( = 6 τ - Θ ) に、 比例定数 Κ Ρ を乗 じて速度指令値 V c m dを求める。 速度指令値 V c mdと 実速度 V との差 （速度偏差） によ って P I 制御を行な つ て ト ルク指令 （電流指令） I を求め、 求め られた ト ルク 指令 I に基づいてモータ電流を制御 してモータを駆動す る。 モータ は速度 V で回転し、 こ の速度 V を積分して位 置 が得られる。

このよ う なサーボモー タ制御系において、 外乱負荷 ト ルクを推定する場合、 ト ルク指令 I とモー タ速度 V に基 づいて外乱負荷 ドルクを推定する外乱推定オブザーバ 6 が組み込まれる。

項 6 2の K 3及び項 6 3の K 4は外乱推定オブザーバの バラ メ ータであ る。 項 6 1 は実際にサーボモータに出力 される トルク指令と しての電流値 I に乗じ るパラ メ ータ であ り 、 モー タ の ト ルク 定数の推定値 Kt*をイ ナー シャ の推定値 J *で除 した値である。 6 4は積分項である。

図 1 のブロ ッ ク図を K t= K t*、 J = J *と して解析す る と、

{1 · K t+ T L} ( 1 Z J · S ) = V … （ 1 )

{I-(K t/J )+ (v -v a)K 3+ (v -v a)(K 4/S )} (l/S)

= v a … （ 2 )

(なお、 V a は積分項 6 4の出力で推定速度） 式 （ 1 ) よ り

1 = ( v - J - S - TL) / K t … （ 3 ) 式 （ 2 ) に式 （ 3 ) を代入 し整理する と、

( V · J · S -T L)/ J + (v -v a)K 3+ (v - v a) (K4/S)

= v a - S … （ 4 ) S (v -v a) + (v -v a)-K 3+ (v -v a)(K 4/S )

= T L/ J - ( 5 ) 式 （ 5 ) よ り

Verr= (v — v a)

= (T L/ J ) [ 1 / { S + K 3+ (K4/ S )}]

… ( 6 ) 上記式 （ 6 ) よ り項 6 3の出力 Tdlは次の式 （ 7 ) で 示される。

T dl = V err- (K 4/ S )

= (T L/ J ) {K 4/ ( S ²+ K 3· S + K 4)}

… ( 7 ) 式 （ 7 ) において、 バラメ ータ Κ 3及び Κ 4を極が安定 するよ う に選択する と、 T dl= T LZ J と近似する こ と ができ、 全外乱 トルク T Lを推定する こ とができ る こ と を示 している。

そ して、 次式 （ 8 ) に従って、 全推定外乱値 Tdlから 摩擦 ト ルク相当分と して速度 V に比例する値 （ k · V ) を減 じ、 得られた値に項 6 5でパラ メ ータ J *Z K t*を 乗 じて、 推定外乱負荷 ト ルク T d2を求める。

T d2 = (T cU- k · V ) ( J ソ K tつ … （ 8 ) そ して、 予め決め られたワーク に対 し、 予め決め られ た加工プロ グラ ムによる加工を実行し、 こ のと き得られ る上記推定外乱負荷 トルク T d2の大き さ によ って、 工具 が寿命に達 しているか否かが判断される。

図 2 は本発明の方法を実施するサーボモータ制御系の 要部ブロ ッ ク図で、 工作機械を制御する数値制御装置 1 0から移動指令、 各種制御信号が共有メ モ リ 1 1 を介し てディ ジタルサーボ回路 1 2 に出力される。 ディ ジタル サ一ボ回路 1 2 は、 プロセ ッ サ、 R O M及び R A Mを備 え、 位置、 速度等のサ一ボ制御をディ ジタ ル的に制御 し、 ト ラ ン ジス タィ ンバータ等で構成されるサーボア ンブ 1 3を介 して各軸のサーボモー タ 1 4を制御する。 ま た、 位置及び速度を検出する位置 速度検出器 1 5 は、 サー ボモー タ の出力軸に取り付け られたパルス コーダ等で構 成され、 ディ ジタルサーボ回路 1 2 に位置、 速度フ ィ ー ドバッ ク信号を出力する。 なお、 これらの構成は、 従来 か ら公知のディ ジタルサ一ボ回路の構成と同一であ る。

そこで、 工具が寿命に達しているか否かを検査するた め、 予め決め られたワー ク に対 し、 予め決め られた加工 プロ グラムによ る加工を実行する。

なお、 予め、 オブザーバ 6 の定数 K 3、 K 4、 トルク定 数推定値 K t *、 イ ナ— シ ャ推定値 J *及び推定摩擦 ト ル ク の係数 k をディ ジタルサーボ回路 1 2 内に設定してお く 。 ま た、 数値制御装置には、 工具寿命を検出するため の基準値 T s 及び'負荷変化持続時間 t 0を予め設定して お く 。

図 3 は、 ディ ジタルサ一ボ回路 3 のプロセ ッ サが速度 ループ処理周期毎に実施する速度ループ処理及び上記外 乱推定オブザーバの処理のフ ローチャ ー トであ り 、 加工 が開始される と、 ディ ジタルサ一ボ回路 1 2 のブロセ ッ サは速度ル一ブ処理周期毎にこ の処理を実行する。

まず、 ステッ プ S 1 に於いて位置ループ処理によ って 求められた速度指令 V cmd と位置速度検出器 1 5 からフ ィ 一 ドバッ ク されるサーボモー タ の実速度を表わす速度 フ ィ 一 ドバッ ク値 V を読み取る。 ステ ッ プ S 2 に於いて こ の速度指令 V c ra d と速度フ ィ ー ドバッ ク値 V よ り前述 の如く 速度ループ処理を行ない ト ルク指令 I を求め、 電 流ループに引 き渡す。 次に、 外乱推定オブザーバの処理 を開始する。 ステ ッ プ S 3 に於いて、 ステ ッ プ S 1で読 み取っ た速度フ ィ 一 ドバッ ク値 V から レ ジスタ R ( V a) に記憶された推定速度 V aを減じて実速度と推定速度の 差 V err を求める。 更に、 ステ ッ プ S 4 に於いて、 上記 求め られた差 V err に設定定数 K 4 を乗 じた値を全外乱 推定値 T dlを記憶するアキュム レー タ に加算 し当該周期 における全外乱推定値 T dlを求める。 こ のステ ッ プ S 4 の処理は図 1 における要素 6 3 による処理であ る。

次に、 ス テ ッ プ S 5 に於いて、 推定速度 v aを記憶す る レ ジスタ R ( V a ) にステ ッ プ S 4で求めた全外乱推 定値 T dlを加算す る と 共に、 ステ ッ プ S 3で求めた差 V err に定数 K 3 を乗 じた値を加算 し、 更に、 レ ジス タ R ( I ) に記憶する前周期で読み込んだ ト ルク指令 I に 推定 ト ルク定数と推定イ ナ一 シャ の比 （ K t*Z J *) を 乗 じた値を加算 し当該周期の速度推定値 V aを求め、 レ ジス 夕 R ( V a ) に格納する。 こ のステ ッ プ S 5の処理 は、 図 1 における要素 6 1、 6 2及び 6 4等の処理によ つて推定速度 V aを求める処理である。

ステ ッ プ S 6 に於いて、 ステ ッ プ S 2で読み込んだ ト ルク指令値 I を レ ジスタ R ( I ) に格納する。 ステ ッ プ S 7 に於いては.、 ス テ ッ プ S 4で求めた全推定外乱値 T d 1か ら速度に比例する摩擦 トルク （ k · V ) を減 じた 値に推定イ ナ一シ ャ と推定 ト ルク定数の比 （ J *ZK t*) を乗じて摩擦 ト ルク を除去した推定外乱負荷 ト ルク Td2 を求める。 即ち、 全推定外乱値 T dl、 設定係数 k、 及び ステ ッ プ S 1で読み込んだ速度フ ィ 一 ドバ ッ ク値 V、 推 定イ ナ一シ ャ と推定 トルク定数の比 （ J *Z K t*) よ り、 上述の式 （ 8 ) の演算を行な って推定外乱負荷 ト ルク T d2を求める。

こ う して求め られた推定外乱負荷 ト ルク Td2をステツ ブ S 8 に於いて共有メ モ リ 1 1 に書き込み、 当該速度ル —プの処理を終了する。

以下、 速度ループ処理周期毎上記処理が実行され、 時 事刻々 変化す る推定外乱負荷 ト ルク T d2が共有メ モ リ 1 1 に書き込まれる こ と にな る。

一方、 数値制御装置 1 0内の シーケ ンス制御を実行す る P M C (プロ グラ マブル ' マ シ ン コ ン ト ロー ラ） 用ブ 口セ ッ サは、 上記速度ループ処理周期よ り 長い所定周期 毎、 図 4 に示す処理を実行する。

まず、 ステ ッ プ A 1 に於いて共有メ モ リ 1 1 よ り推定 外乱負荷 ト ルク T d2を読み取り 、 ステ ッ プ A 2 に於いて 推定外乱負荷 ト ルク T d2の絶対値が設定された基準値 T s以上か否かを判断する。 T d2の絶対値が設定基準値 T s よ り小さい と き にはステ ッ プ A 3 に進み、 工具が寿 命に達 していないと して、 フ ラ グ Fを 「 0」 にセ ッ ト し て当該周期の処理を終了する。 一方、 推定外乱負荷 トル ク T d2の絶対値が設定基準値 T s 以上であ る と き には、 ステ ッ プ A 4に進み、 フ ラ ク Fカ 「 1 」 にセ ッ ト されて いるか否か判断する。 フ ラ ク Fが 「 1 」 にセ ッ ト されて な ければ、 ステ ッ プ A 5 に於いてタイ マ t e を リ セ ッ ト してス ター ト させ、 ステ ッ プ A 6 に於いてフラ グ Fを 「 1」 にセ ッ トする。 そ して、 次の周期で も推定外乱負 荷 トルク T d2の絶対値が設定された基準値 T s以上であ る と、 フラ グ Fは前周期に於いて 「 1 」 にセ ッ 卜 されて いるからステ ッ プ A 4力、らステッ プ A 7 に移行する。 ス テ ツ ブ A 7 に於いて、 タイ マ t e が設定時間 t o 以上か 否か判断 し、 設定時間 t 0 まで達 してなければ、 当該周 期の処理を終了する。

以下、 推定外乱負荷 ト ルク T d2の絶対値が設定された 基準値 T s以上を持続する限り 、 前述のステ ッ プ A 1、 A 2、 A 4及び A 7の処理を繰り返す。 そ して、 タ イ マ t e の値が設定時間 t o 以上にな っ た こ とがステ ッ プ A 7で判断される と、 ステ ッ プ A 8に於いて工具が寿命 に達 している と して工具寿命信号と しての工具交換指令 を出力 し、 表示装置等に工具が寿命に達している こ と及 び工具交換すべきである こ との表示をさせる。 そ して、 ステ ッ ブ A 9 に於いて加工停止指令を出力 し加工を停止 させる。

しか し、 推定外乱負荷 トルク T d2の絶対値が設定され た基準値 T s以上にな ってタ イ マ t e が計時を開始 して も、 タ イ マ t e が設定時間 t o を計時する前に推定外乱 負荷 .ト ルク T d2の絶対値が設定された基準値 T s よ り小 さ く な る と、 ステ ッ プ A 3でフラ グ Fカ 「 0」 にセ ッ ト され、 ステ ッ プ A l、 A 2及び A 3の処理を繰り返すこ と にな り 、 工具交換指令が出力される こ と はない。 そ し て、 再び、 推定外乱負荷 トルク T d2の絶対値が設定され た基準値 T s以上になる と、 ステ ッ プ A l、 A 2、 A 4 〜 A 6の処理が実行されてタ イ マ t e が再びリ セ ッ 卜 さ れて計時を開始する こ と になる。

すなわち、 工具交換指令は、 推定外乱負荷 ト ルク Td2 の絶対値が所定時間 t e 以上継続 して基準値 T s以上で あ る と きのみ出力される ものであ り 、 瞬間的に推定外乱 負荷 ト ルク Td2が基準値 T s を越えた と しても、 工具交 換指令は出力されない。

上記実施例では、 工具が磨耗したと き、 負荷が増大す る よ う な工具および加工の場合に工具磨耗を検出する例 を述べた。 これとは逆に、 工具が磨耗 した と き工具がヮ — ク面を滑って、 負荷が減少するよ う に場合には、 図 4 に示 した工具寿命検出処理に於いて、 ステ ッ プ A 2が、 推定外乱負荷 ト ルク T d2の絶対値が設定値 T s ' 以下に な っ た と きステ ッ プ A 4 に移行する処理となる点が相違 するだけである。

また、 上記実施例では、 工作機械の送り 軸によ ってェ 具寿命を検出する例を述べたが、 主軸にかかる負荷を外 乱推定ケォブザーバによ って検出 して、 工具寿命を検出 するよ う に して もよい。 この場合、 主軸は通常位置制御 を行なわないか ら、 図 1 において位置のフ ィ 一 ドバッ ク 制御がな く な り 、 要素 1 はな く な る。 そ して、 直接、 要 素 2 に速度指令が入力される こ と になる点が相違するだ けで、 他の点は図 1 に示す処理と同様であ り 、 外乱推定 オブザーバ 6 も何等変わる ものはない。 ま た、 主軸の場 合には、 図 2 において要素 1 2が主軸を制御するディ ジ タル回路に変り 、 要素 1 3 のサ一ボア ンブが主軸ア ンプ に変り モー タが主軸モータ に変るだけであ る。

本発明によれば、 工具に加わる推定負荷の大き さ に基 づいて工具が寿命に達しているか否かが判断されるので、 工具寿命及び工具交換の時期を客観的且つ的確に判断す る こ と がで き る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 主軸及び送り軸を有する工作機械における工具寿命 を管理する方法であ つて、

( a ) 前記工作機械を用いて予め定め られた ワー ク に 対 し予め定め られた加工を実行するステ ッ プと、

( b ) 前記加工実行中に、 前記主軸を駆動するモータ 及び送り 軸を駆動するモータのう ちの少な く と も一つに 加わる外乱負荷 トルクを外乱推定オブザーバを用いて推 定するステ ッ プと、

( c ) 前記推定された外乱負荷 トルクを設定基準値と 比較 し、 前記推定外乱負荷 トルクが設定基準値まで達し た と き に工具寿命終了信号を出力するステ ッ プとを備え た、 工作機械における工具の寿命管理方法。

2 . 前記ステ ッ プ （ c ) は、 前記推定外乱負荷 トルクが 所定時間以上継続して所定基準値以上の値を持続したと き に工具寿命信号を出力するステ ッ プを含む、 請求の範 囲第 1 項に記載の工作機械における工具の寿命管理方法。

3 . 前記ステ ッ プ （ c ) は、 上記推定外乱負荷 トルクが 設定時間以上継続して設定基準値以下の値を持続したと き に工具寿命信号を出力するステ ッ プを含む、 請求の範 囲第 1 項に記載の工作機械における工具の寿命管理方法。

4 . 前記ステ ッ プ （ b ) は、 前記モー タ に指令される ト ルク指令値と前記モー タ の実速度とに基づいて前記外乱 推定オブザーバによ って前記外乱負荷 トルクを推定する ステ ッ プを含む、 請求の範囲第 1 項に記載の工作機械に おける工具の寿命管理方法。

5 . 前記ステ ッ プ （ c ) は、 前記推定外乱負荷 トルクが 設定時間以上継続して設定基準値以上の値を持続したと き に工具寿命信号を出力するステ ッ プを含む、 請求の範 囲第 4 項に記載の工作機械における工具の寿命管理方法。

6 . 前記ステ ッ プ （ c ) は、 上記推定外乱負荷 ト ルク が 設定時間以上継続して設定基準値以下の値を持続したと き に工具寿命信号を出力するステ ッ プを含む、 請求の範 囲第 4項に記載の工作機械における工具の寿命管理方法。