JP2016151951A - 機械の負荷を低減する数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時間をタクトタイム内に収めつつ、機械に発生する衝撃をできるかぎり抑えるように調整することが可能な数値制御装置を提供すること。【解決手段】本発明の数値制御装置は、加工プログラムを解析して指令データを出力するプログラム解析部と、加工プログラム実行時に機械に発生した衝撃の最大値を取得する衝撃解析部と、該衝撃の最大値が所定の閾値を超えている場合、指令データに基づいて衝撃の最大値が発生した箇所の加減速時定数を特定する加減速時定数特定部と、特定した加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する加減速時定数変更部と、変更した加減速時定数に基づいて加工プログラムのサイクルタイムを計算するサイクルタイム再計算部と、再計算したサイクルタイムが予め設定されたタクトタイム以内である場合に、変更した時定数を特定した指令ブロックと関連付けて記憶する更新時定数記憶部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、機械の負荷を低減する数値制御装置に関する。

通常、機械の送り軸や主軸の加減速を調整する場合は、なるべく短時間で加減速を行うように加減速に要する時間を設定することが一般的である。これにより加工プログラム全体のサイクルタイムを可能な限り短くすることができる。しかしながら、加速度が大きくなればなるほど、機械的なショックが大きくなり、機械の寿命を短くする要因となる。なお、加減速の調整を自動的に行う従来技術として、例えば特許文献１に開示される技術が知られている。

一方で、図９に示すように自動車製造ラインなどにおいては、各工程に要するサイクルタイム（以下、タクトタイム）が決まっている。タクトタイム内で加工が終われば良いので、必ずしもサイクルタイムが早いことが良いとは限らない。従ってタクトタイム内であれば、むしろ送り軸や主軸の負荷をなるべく少なくするよう、加減速に要する時間を大きくして加減速の傾きを緩やかにした方が良い場合もある。

特開２０１０−２５０６９７号公報

従来、加減速の傾きを緩やかにするために加減速の時定数を大きくするように設定するには、人手による調整が必要であり現場で調整することは難しかった。特許文献１に開示される技術では自動的に加減速の調整を行うことが可能であるが、当該技術は、省エネを実現するために、サイクルタイムとモータ負荷電流および周辺機器の消費電力量の総和の相関関係により加減速時定数を調整するものであり、機械の振動やショックを抑えることについては考慮されていない。

また、衝撃センサやモータの負荷電流の入力情報からＰＭＣラダープログラム等により自動的にかつダイナミックに送り速度を切り換えて、機械の振動やびびりを抑えることは従来技術でも可能であるが、このようなダイナミックな送り速度の切り換えにより最終的にサイクルタイムがどれだけかかるようになるかが考慮されていない。

そこで本発明の目的は、加工時間をタクトタイム内に収めつつ、機械に発生する衝撃をできるかぎり抑えるように調整することが可能な数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工プログラムに基づいて機械を制御する数値制御装置において、前記加工プログラムを解析して指令データを出力するプログラム解析部と、前記加工プログラムの実行時において前記機械に発生した衝撃の大きさを示す履歴データを解析して前記加工プログラムの実行時における衝撃の最大値を取得する衝撃解析部と、前記衝撃解析部が解析した前記衝撃の最大値が、予め設定されている第１の閾値を超えているか否かを判定する第１判定部と、前記第１判定部により前記衝撃の最大値が前記第１の閾値を超えていると判定された場合、前記指令データに基づいて前記衝撃の最大値が発生した実行時の指令ブロックを特定し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速時定数を特定する加減速時定数特定部と、前記加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する加減速時定数変更部と、前記加減速時定数変更部が変更した加減速時定数に基づいて、前記加工プログラムのサイクルタイムを計算するサイクルタイム再計算部と、前記サイクルタイム再計算部が計算した前記サイクルタイムが予め設定されたタクトタイム以内であるか判定し、前記タクトタイム以内である場合に前記変更した加減速時定数を前記特定した指令ブロックと関連付けて記憶する更新時定数記憶部と、を備えたことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記衝撃の大きさは、衝撃センサにより測定された衝撃値により特定される、ことを特徴とする請求項１に記載された数値制御装置である。
本願の請求項３に係る発明は、前記衝撃の大きさは、モータ負荷により特定される、ことを特徴とする請求項１に記載された数値制御装置である。

本願の請求項４に係る発明は、前記加工プログラムの実行時における前記機械が備えたモータの負荷を示すモータ負荷履歴データを解析し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速範囲におけるモータ負荷の最大値を取得するモータ負荷解析部と、前記モータ負荷解析部が解析したモータ負荷の最大値が、予め設定されている第２の閾値を超えているか否かを判定する第２判定部と、を更に備え、前記加減速時定数変更部は、前記第２判定部により前記モータ負荷の最大値が前記第２の閾値を超えていると判定された場合、前記特定した加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する、ことを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置である。

本願の請求項５に係る発明は、少なくとも２つの数値制御装置が通信回線を介して接続されて構成された数値制御システムにおいて、前記数値制御装置はそれぞれ加工プログラムに基づいて機械を制御しており、前記それぞれの加工プログラムを解析して指令データを出力するプログラム解析部と、前記それぞれの加工プログラムの実行時において前記それぞれの機械で発生した衝撃の大きさを示す履歴データを解析して前記それぞれの加工プログラムの実行時における衝撃の最大値を取得する衝撃解析部と、前記衝撃解析部が解析した前記衝撃の最大値が、予め設定されている第１の閾値を超えているか否かを判定する第１判定部と、前記第１判定部により前記衝撃の最大値が前記第１の閾値を超えていると判定された場合、前記指令データに基づいて前記衝撃の最大値が発生した前記加工プログラムと、前記衝撃の最大値が発生した該加工プログラムの実行時の指令ブロックとを特定し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速時定数を特定する加減速時定数特定部と、前記加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する加減速時定数変更部と、前記加減速時定数変更部が変更した加減速時定数に基づいて、前記それぞれの加工プログラムのサイクルタイムの合計値を計算するサイクルタイム再計算部と、前記サイクルタイム再計算部が計算した前記サイクルタイムの合計値が予め設定されたタクトタイム以内であるか判定し、前記タクトタイム以内である場合に前記変更した加減速時定数を、前記特定した加工プログラムおよび前記特定した指令ブロックと関連付けて記憶する更新時定数記憶部と、を備えたことを特徴とする数値制御システムである。

本発明により、加工時間をタクトタイム内に収めつつ、機械にかかる負荷を低減することができ、機械の経年変化を抑えられることにより設備コストの低減につながる。

本発明の加減速時定数の変更手法の技術的概念を説明する図である。 本発明の一実施形態における数値制御装置のブロック図である。 本発明の第１実施例におけるモータの送り速度、衝撃センサ値、モータ負荷の関係を示す図である。 本発明の第１実施例における衝撃センサ値と加工プログラムのブロックの関係を示す図である。 本発明の第１実施例における加減速時定数を調整した後の送り速度、衝撃センサ値、モータ負荷の関係を示す図である。 本発明の第２実施例における衝撃センサ値、モータ負荷と加工プログラムのブロックの関係を示す図である。 本発明の第２実施例における加減速時定数を調整した後の送り速度、衝撃センサ値、モータ負荷の関係を示す図である。 本発明の一実施形態における数値制御装置上で実行される処理のフローチャートである。 加工における工程におけるタクトタイムを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
本発明では、加工プログラム全体のタクトタイムを予め与えておき、試運転を行い、加工プログラム全体の送り軸、主軸の負荷状態、および機械に取り付けた衝撃センサの値を履歴データとして記録する。なお、ここでいう衝撃センサとは、物体が動くときの加速度を検出できるセンサのことである。

そして、サイクルタイムがタクトタイム内でありサイクルタイムを延長しても問題が無い場合は、図１に示すように、衝撃センサの値が大きい部分（例えば、閾値を超える部分）を検出し、その箇所の加減速の時間をサイクルタイムがタクトタイムをオーバしない範囲で大きくするよう、加減速の時定数の変更情報を内部メモリに記録する。加工プログラムに指令として変更情報を埋め込んでも良い。次回運転時からは記録した加減速の時定数を使って加工プログラムを実行する。

なお、衝撃センサが付かない機械においては、モータの負荷が高い箇所が機械への衝撃も大きい箇所となる傾向があることから、モータ負荷のみに着目して、モータの負荷が高い箇所の加減速の時間を大きくすることで、機械への負荷を軽減できる。すなわち、送り軸や主軸のモータ負荷が大きい部分を検出し、その箇所の加減速の時間をサイクルタイムがタクトタイムをオーバしない範囲で大きくするよう加減速の時定数を変更し、次回運転時からは変更した加減速の時定数を使って加工プログラムを実行することで、機械への負荷を軽減する。

図２は、本発明の衝撃センサの値が大きい箇所の加減速度の変更を実施する一実施形態における数値制御装置（ＣＮＣ）の機能ブロック図である。
本実施形態の数値制御装置１は、プログラム解析部１１、衝撃センサ値解析部１２、モータ負荷解析部１３、加減速時定数変更部１４、サイクルタイム再計算部１５、更新時定数記憶部１６、加工プログラム実行部１７を備えている。

プログラム解析部１１は、数値制御装置１が備えるメモリなどに記憶されている加工プログラム２１を読み出し、該加工プログラム２１を解析して指令データを生成する。
衝撃センサ値解析部１２は、予め加工プログラム２１を実行した際に衝撃センサ２からの出力を記録した衝撃センサ値履歴データ２２から、予め指定した閾値を超えている部分がないか検出する。
モータ負荷解析部１３は、予め加工プログラム２１を実行した際に送り軸モータ、主軸モータの負荷を記録したモータ負荷履歴データ２３から、予め指定したモータ負荷の閾値を超えていないか判定する。

加減速時定数変更部１４は、衝撃センサ値解析部１２、もしくはモータ負荷解析部１３が予め指定した閾値を超えていると判定した箇所について、プログラム解析部１１が生成した指令データに基づいて、該箇所が加減速実行部分かどうか判定し、加減速実行部分であれば予め指定した割合だけ加減速の時定数を大きくする。
サイクルタイム再計算部１５は、加減速時定数変更部１４で変更された時定数をもとに、加工プログラム２１のサイクルタイムを再計算する。

更新時定数記憶部１６は、加減速時定数変更部１４で変更された時定数を加工プログラム２１の実行箇所と関連付けて更新時定数テーブル２４記憶する。
そして、加工プログラム実行部１７は、更新時定数記憶部１６で更新時定数テーブル２４に記憶した時定数をもとに、加工プログラム２１を実行する。

図２に示す数値制御装置１の動作について説明する。本実施形態の数値制御装置１では、まず加工プログラム２１の実行時に、自動的に送り軸モータ３と主軸モータ４のモータ負荷電流、および機械の衝撃センサ２の情報を取得する。

加工プログラムの実行時間が予め与えられたタクトタイム内であれば、衝撃センサ２の数値の予め決められた閾値を超える箇所について、予め決められた割合、もしくは数値だけ加減速の時定数を延し、加工プログラム２１の実行箇所と対応づけた加減速時定数、もしくはその変化量を更新時定数テーブル２４に記憶しておき、加工プログラム２１の実行時に更新時定数テーブル２４を参照しながら加減速を変更する。なお、更新時定数テーブル２４に記憶する代わりに、加工プログラム２１の指令として変更した加減速時定数の情報を埋め込むようにしてもよい。

以下に、本実施形態の動作例を示す。
図３に示すように、予め加工プログラム２１を実行した時に記憶した衝撃センサ値履歴データ２２から、衝撃センサ２の値が最大となっている箇所の値Ｓ_max1を取得し、Ｓ_max1が予め指定した衝撃センサの閾値Ｓ_lmtを超えていないか判定する。なお、衝撃センサ２の値は負値も取り得る場合があるので、その場合はマイナス側の値の最大値についても閾値を超えていないか確認が必要である。

Ｓ_max1がＳ_lmtを超えている場合、図４に示すようにＳ_max1の位置が加工プログラム上のどのブロックを実行中か判定し、その指令と送り速度の変化状態からその部分が加減速中か否かを判定する。

該当部分が加減速中である場合、その加減速時定数Ｔ_a1を取得する。そして、モータ負荷を小さくし衝撃を抑えるために、加減速時定数を変更する。予め指定した時定数の増加割合αを用いる場合、例えば数１式に従って加減速時定数の値を変更する。なお、数１式において、Ｔ_a2は変更後の時定数、αは予め指定した時定数の増加量を表す。

その後、変更した加減速時定数Ｔ_a2に基づいてサイクルタイムを算出する。なお、変更した加減速時定数の記憶、および記憶した加減速時定数からサイクルタイムを見積もる手法については、特許文献１等で述べられているような手段で実現できる。

変更した加減速時定数Ｔ_a2に基づいてから算出したサイクルタイムが、予め指定したタクトタイムを超えてない場合には、次に衝撃センタ値履歴データ２２の中で、衝撃センサの値が２番目に大きな値となっている箇所の値Ｓ_max2を取得し、Ｓ_max2がＳ_lmtを超えていないか判定し、同様に時定数を変更する処理を行う。
これを衝撃センサ閾値Ｓ_lmtを超える箇所がなくなる、もしくは算出したサイクルタイムがタクトタイムより大きくなるまで繰り返す。

なお、算出したサイクルタイムがタクトタイムより大きくなった場合でも、数１式に述べた増加割合αを、例えば１／２×αのように小さくして時定数を求めることでサイクルタイムがタクトタイム内に収まるのであれば、この時定数を採用することで機械への負荷を極力減らすことが可能となる。
このようにして算出した変更後の加減速時定数データを使用して次回の加工を行うことで、機械への負荷を軽減した加工が実現できる。

なお、衝撃センサ２の値が予め指定した閾値Ｓ_lmtを超えている場合でも、その衝撃が送り軸や主軸を動作させたことにより生じたものではなく、その他の周辺機器を動作させたこと起因して発生したものである可能性もある。

このような場合、さらにＳ_max1がＳ_lmtを超えている箇所の該当ブロックに相当するモータ負荷のピーク値Ｍ_a1と予め指定したモータ負荷の閾値Ｍ_lmtを比較し、Ｍ_a1が予め指定した閾値Ｍ_lmtを超えていない場合は、その衝撃はモータの加減速によるものではないと判断し、加減速時定数の変更対象から除外する。一方で、図６に示すように、Ｍ_a1が予め指定したＭ_lmtを超える場合は、図７に示すように、数１式により加減速時定数を変更する。
なお、モータ負荷の値は負値も取り得る場合があるので、その場合はマイナス側の値のピーク値についても閾値を超えていないか確認が必要である。

また、衝撃センサ２を備えていない機械においても、同様な手法で実現できる。衝撃センサ２を備えていない機械の場合、まず加工プログラム２１の実行時に、自動的に送り軸モータ３と主軸モータ４のモータ負荷電流の情報を取得する。
そして、加工プログラムの実行時間が予め与えられたタクトタイム内であれば、モータ負荷電流値の予め決められた閾値を超える箇所について、予め決められた割合、もしくは数値だけ加減速の時定数を延し、加工プログラム２１の実行箇所と対応づけた加減速時定数、もしくはその変化量を更新時定数テーブル２４に記憶しておき、実行時に参照する。もしくは変更した加減速時定数で加工プログラム２１を変更する。

この場合の実現手段は、衝撃センサ２の履歴データを記録する場合の処理と同様であるが、衝撃センサ値の判定は行わず、代わりにモータの負荷に着目し、その最大値から順次検索して時定数を変更していくことで実現する。

なお、上記手法では、１台の数値制御装置に着目してサイクルタイムをタクトタイム内に収める方法を記載しているが、複数の装置、あるいはライン全体のサイクルタイムの合計を所定のサイクルタイム（合計のタクトタイム）に収めたい場合でも本発明が適用できる。

例えば、数値制御装置間に通信手段を設け、対象となる全ての数値制御装置の中で最大となる衝撃センサ値を判定し、その該当箇所について時定数の変更を行う。変更した時定数をもとにその装置におけるサイクルタイムを算出し、他の装置のサイクルタイムと合計した値が合計のタクトタイムを超えていなければ、次に最大となる衝撃センサ値を判定し時定数を変更する処理を行う。これを全体のサイクルタイムが合計のタクトタイムを超えない範囲で繰り返すことで実現できる。

また、機械構成の違いにより、同じ衝撃センサの値であっても機械に与える影響が大きくなる場合は、個々の装置で設定する閾値を低くすることが考えられるので、このような場合は、前述のように各装置間の最大の衝撃センサ値から時定数の変更を始めるのではなく、衝撃センサの値と閾値との差が最も大きい箇所から時定数を変更する手法の方が良い。

図８は、本実施形態における数値制御装置１上で実行される、加減速時定数の変更処理のフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］加工プログラム２１による加工時間が予め与えられているタクトタイム以内であるか否かを判定する。タクトタイム以内である場合には、ステップＳＡ０２へ進み、そうでない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＡ０２］衝撃センサ値履歴データ２２を参照し、衝撃センサの値が最大となっている箇所を検索する。

●［ステップＳＡ０３］検索した衝撃センサ値の最大値が、あらかじめ設定された衝撃センサの閾値Ｓ_lmtを超えているか否かを判定する。閾値Ｓ_lmtを超えている場合にはステップＳＡ４へ進み、超えていない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＡ０４］ステップＳＡ０２で検索した衝撃センサ値が最大値を示している箇所が、加工プログラム２１におけるいずれの指令ブロックに該当するかを特定し、更に該指令ブロックを解析して該箇所（以下、対象箇所）が加減速実行部分であるか否かを判定する。加減速実行部分である場合にはステップＳＡ０５へ進み、そうでない場合にはステップＳＡ１０へ進む。

●［ステップＳＡ０５］モータ負荷履歴データ２３を参照し、対象箇所においてモータ負荷が予め設定されているモータ負荷値Ｍ_lmtを超えているか否かを判定する。閾値Ｍ_lmtを超えている場合にはステップＳＡ０６へ進み、超えていない場合にはステップＳＡ１０へ進む。
●［ステップＳＡ０６］対象箇所の加減速時定数の値を予め指定した割合だけ大きくする。

●［ステップＳＡ０７］ステップＳＡ０６で変更した加減速時定数で加工プログラム２１のサイクルタイムを計算する。
●［ステップＳＡ０８］ステップＳＡ０７で計算したサイクルタイムが、予め与えられているタクトタイム以内であるか否かを判定する。タクトタイム以内である場合にはステップＳＡ０９へ進み、タクトタイムを超えている場合には本処理を終了する。

●［ステップＳＡ０９］加工プログラム２１の実行箇所（ステップＳＡ０４で特定した指令ブロック）とステップＳＡ０６で変更した加減速時定数の値とを関連付けて、内部メモリに設けられた更新時定数テーブル２４に格納する。
●［ステップＳＡ１０］衝撃センサ値履歴データ２２を参照し、ステップＳＡ０２で検索した衝撃センサ値の最大値に次いで大きい値を示している衝撃センサ値のピーク値を取得し、ステップＳＡ０３へ戻る。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１ 数値制御装置
２ 衝撃センサ
３ 送り軸モータ
４ 主軸モータ
１１ プログラム解析部
１２ 衝撃センサ値解析部
１３ モータ負荷解析部
１４ 加減速時定数変更部
１５ サイクルタイム再計算部
１６ 更新時定数記憶部
１７ 加工プログラム実行部
２１ 加工プログラム
２２ 衝撃センサ値履歴データ
２３ モータ負荷履歴データ
２４ 更新時定数テーブル

Claims (5)

1. 加工プログラムに基づいて機械を制御する数値制御装置において、
   前記加工プログラムを解析して指令データを出力するプログラム解析部と、
   前記加工プログラムの実行時において前記機械に発生した衝撃の大きさを示す履歴データを解析して前記加工プログラムの実行時における衝撃の最大値を取得する衝撃解析部と、
   前記衝撃解析部が解析した前記衝撃の最大値が、予め設定されている第１の閾値を超えているか否かを判定する第１判定部と、
   前記第１判定部により前記衝撃の最大値が前記第１の閾値を超えていると判定された場合、前記指令データに基づいて前記衝撃の最大値が発生した実行時の指令ブロックを特定し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速時定数を特定する加減速時定数特定部と、
   前記加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する加減速時定数変更部と、
   前記加減速時定数変更部が変更した加減速時定数に基づいて、前記加工プログラムのサイクルタイムを計算するサイクルタイム再計算部と、
   前記サイクルタイム再計算部が計算した前記サイクルタイムが予め設定されたタクトタイム以内であるか判定し、前記タクトタイム以内である場合に前記変更した加減速時定数を前記特定した指令ブロックと関連付けて記憶する更新時定数記憶部と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記衝撃の大きさは、衝撃センサにより測定された衝撃値により特定される、
   ことを特徴とする請求項１記載された数値制御装置。
3. 前記衝撃の大きさは、モータ負荷により特定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載された数値制御装置。
4. 前記加工プログラムの実行時における前記機械が備えたモータの負荷を示すモータ負荷履歴データを解析し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速範囲におけるモータ負荷の最大値を取得するモータ負荷解析部と、
   前記モータ負荷解析部が解析したモータ負荷の最大値が、予め設定されている第２の閾値を超えているか否かを判定する第２判定部と、
   を更に備え、
   前記加減速時定数変更部は、前記第２判定部により前記モータ負荷の最大値が前記第２の閾値を超えていると判定された場合、前記特定した加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
5. 少なくとも２つの数値制御装置が通信回線を介して接続されて構成された数値制御システムにおいて、
   前記数値制御装置はそれぞれ加工プログラムに基づいて機械を制御しており、
   前記それぞれの加工プログラムを解析して指令データを出力するプログラム解析部と、
   前記それぞれの加工プログラムの実行時において前記それぞれの機械で発生した衝撃の大きさを示す履歴データを解析して前記それぞれの加工プログラムの実行時における衝撃の最大値を取得する衝撃解析部と、
   前記衝撃解析部が解析した前記衝撃の最大値が、予め設定されている第１の閾値を超えているか否かを判定する第１判定部と、
   前記第１判定部により前記衝撃の最大値が前記第１の閾値を超えていると判定された場合、前記指令データに基づいて前記衝撃の最大値が発生した前記加工プログラムと、前記衝撃の最大値が発生した該加工プログラムの実行時の指令ブロックとを特定し、前記衝撃の最大値が発生した箇所の加減速時定数を特定する加減速時定数特定部と、
   前記加減速時定数を予め設定された時定数調整値を用いて変更する加減速時定数変更部と、
   前記加減速時定数変更部が変更した加減速時定数に基づいて、前記それぞれの加工プログラムのサイクルタイムの合計値を計算するサイクルタイム再計算部と、
   前記サイクルタイム再計算部が計算した前記サイクルタイムの合計値が予め設定されたタクトタイム以内であるか判定し、前記タクトタイム以内である場合に前記変更した加減速時定数を、前記特定した加工プログラムおよび前記特定した指令ブロックと関連付けて記憶する更新時定数記憶部と、
   を備えたことを特徴とする数値制御システム。