JP2016193469A - 工作機械の当接検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正常運転時におけるモータの出力トルクの増大に影響されることなく、ワーク検出具とワークとの当接や工具とワークとの衝突ないし干渉をより確実にかつ速やかに検出することができる技術手段を提供する。【解決手段】ワークｗの計測箇所ｐの検出や工具４の衝突検出において、主軸台３ｂの送りモータ５や刃物台１１の送りモータ６、７の異常負荷のしきい値（検出レベル）をこれらのモータの出力トルクに関連する物理量の単位時間当りの増加量の値で設定し、検出された前記物理量の単位時間当たりの変化量をしきい値と比較することにより、刃物台の加速時やワークの重切削時に生ずる大きな出力トルクより低いトルクでの検出を可能にした。【選択図】図１

Description

この発明は、刃物台に装着した工具やワーク検出具がワークや主軸チャックなどに当接したことを検出する方法及び装置に関するものである。

工作機械にワークが正しい姿勢で装填されたことを確認するために、あるいは素材寸法や素材の先端の位置を計測するために、更にはワークが正しく加工されたかどうかを確認するために、工作機械の機内でワークの位置や寸法を計測することが行われる。ＮＣ工作機械は、制御器が刃物台の位置を認識しているので、刃物台の定められた位置に所定寸法のワーク検出具を装着し、当該ワーク検出具がワークに当接したときの刃物台の位置を読み取ることによって、ワークの位置や寸法を計測することができる。

すなわち、ワーク検出具を装着した刃物台をワークに向けて移動し、ワーク検出具がワークに当接したときに刃物台を停止させると共に、そのときの刃物台の位置を読み取ることによって、ワークの位置を計測し、装填されたワークの基準位置から当接位置までの差によって、ワーク寸法を計測するのである。

また、加工プログラムに従って多数のワークを連続加工する場合、プログラムミスによって加工中に工具がワークやワークを把持しているチャックなどに衝突するのを避けるために、加工プログラムを１ステップずつ実行するテスト加工が行われる。このテスト加工の際に、工具がワークやチャックに衝突したときに、刃物台を直ちに停止しないと工具の破損などの重大事故が発生する。そこで工具が衝突したときに刃物台の移動を直ちに停止する必要があり、そのために工具とワークやチャックとの当接を検出する必要がある。

ワーク検出具や工具がワークに当接すると、刃物台の送り抵抗が増加する。刃物台は各軸方向の送りモータによって移動しているので、送りモータの出力トルクが増加する。そこで刃物台の送り移動中に送りモータのトルクを監視し、トルクが予め設定したしきい値に達したときに、当接ないし衝突と判断して直ちに刃物台を停止させるという制御が行われている。

モータのトルクは、モータを流れる電流値と相関関係があるので、モータ電流を検出することによって出力トルクの変化を検出することができる。モータがサーボモータやそれに類似した制御系を備えたモータ（例えば一部の主軸モータ）であれば、特許文献１や２に記載されているように、制御器からサーボアンプに与えられる位置指令（送り移動指令）と実際に刃物台が動いた値を示す位置フィードバック信号との差信号である位置偏差を用いて刃物台の移動状態を監視することができる。

すなわち、刃物台が制御器の指令通りに動いているときは、制御器から次々と出力される位置指令に従って刃物台が移動するから、位置指令と位置フィードバック信号の差信号である位置偏差はゼロに近いほぼ一定の値を維持する。一方、ワーク検出具がワークに当接したり、工具とワークやチャックとの予期しない衝突が生じたときには、刃物台の移動が妨げられるので、刃物台は位置指令に従って動くことができなくなり、位置指令より少ない位置フィードバック信号しか返ってこなくなるので、位置偏差が増大する。

そこで、制御器に位置偏差のしきい値を設定しておいて、位置偏差がしきい値に達したことを当接の判定条件とすることも行われている。位置偏差を安定条件とする制御は、電流値を安定条件とする制御に比べて速やかにかつ正確にワーク検出具や工具の当接を検出することができる。

特開平５−２４５７４０号公報 特許第４２７１２７２号公報

工作機械の多機能化に伴って刃物台の重量が増大する。例えば、多くの工具を装着可能にしたタレット刃物台や大径の回転工具を装着可能にした複合刃物台などでは、タレットの大型化や工具駆動モータの大型化により、刃物台の重量が増大する。刃物台の重量が増大すると、その移動に必要な送りモータのトルク、特に移動開始時の送りモータのトルクが増大し、それに伴って、位置指令に対する刃物台の移動に遅れが生じ、位置偏差が増大する。

ワーク検出具や工具の当接を検出するしきい値は、正常運転時に生ずる最大値よりも高く設定する必要がある。刃物台の重量が増大したり、生産性や稼働率を向上させるために刃物台の移動速度、特に早送り時の刃物台の移動速度を速くしたときには、移動開始時に大きな慣性力が作用して送りモータの出力トルクが大きくなるから、当接検出用のしきい値を高くせざるを得ない。

しかし、このしきい値を高くすると、ワーク検出具や工具が当接したときに、ワーク検出具や工具に作用する応力が増大する。そのため、繰り返し大きな応力が作用することによってワーク検出具が疲労破壊したり、衝突によって小型の工具が折損するというようなことが起こる。

そこでこの発明は、正常運転時におけるモータの出力トルクの増大に影響されることなく、ワーク検出具とワークとの当接や工具とワークとの予定していない当接（衝突ないし干渉）をより確実にかつ速やかに検出することができる技術手段を提供することを課題としている。

この発明は、モータの出力トルクないし出力トルクに関連する物理量の単位時間当りの増加量（以下、「トルク増加率」と言う。）を制御器３１に設定されたしきい値と比較してワーク検出具８とワークｗとの当接や工具４とワークｗないしチャック２（２ａ、２ｂ）との衝突を検出することによって上記課題を解決したものである。

すなわち、ワークｗの計測箇所ｐの検出や工具４の衝突検出において、主軸台３ｂの送りモータ５や刃物台１１の送りモータ６、７の異常負荷のしきい値（検出レベル）をこれらのモータのトルク増加率の値で設定し、検出される当該モータの出力トルクないし出力トルクに関連する物理量の単位時間当たりの変化量（以下、「トルク変化率」と言う。）をしきい値と比較することにより、刃物台の加速時やワークの重切削時に生ずる大きな出力トルクより低いトルクでの検出を可能にしたものである。

この発明の工作機械の当接検出装置は、工具４やワーク検出具８とワークｗや主軸チャック２との当接を検出する工作機械の当接検出装置であって、制御対象となるモータ５、６、７、９のトルク変化率を演算ないし検出する微分器３３ないし差分検出器２４と、当該モータのトルク増加率のしきい値を設定する設定器３５と、微分器３３や差分検出器２４から出力されたトルク変化率と前記しきい値とを比較する比較器３４とを備え、比較器３４は、微分器３３ないし差分検出器２４の出力がしきい値に達したときに当接信号ｉを出力するというものである。

すなわちこの発明は、工具４ないしワーク検出具８とワークｗとの当接を判定するためのしきい値として、主軸台送りモータ５や工具送りモータ６、７のトルク増加率をしきい値とするというものである。

ＮＣ工作機械では、主軸台送りモータ５や工具送りモータ６、７は、サーボモータである。この場合のトルク増加率のしきい値としては、これらの送りモータに与える位置指令ａと当該モータから返される位置フィードバック信号ｂとの差信号（位置偏差）ｃの単位時間当たりの変化量をしきい値とすること、又はこれらの送りモータに与える速度指令ｄと当該モータから返される速度フィードバック信号ｅとの差信号（速度偏差）ｆをしきい値とすることで、特別な機器（ハードウェア）を設けることなく、正確な当接検出が可能になる。

ワーク検出具８とワークｗとの当接検出を行うためのしきい値（検出レベル）をモータ５、６、７、９の負荷トルクの値とするのではなく、トルク増加率とすることで、より低いトルクで当接検出を行うことができ、当接時のワーク検出具８やワークｗに作用する衝撃力を軽減することができる。

また、工具４の衝突検出の検出レベルとしてモータ５、６、７、９のトルク増加率を用いることも可能であり、常時監視により衝突検出と衝突検出時の刃物台１１の移動停止を行うことにより、機械衝突時の損傷を軽減することができる。

この発明の第１実施例のブロック図 工具とワークの衝突の説明図 第２実施例の要部のブロック図

以下、図１に示す２主軸対向旋盤を例にして、この発明の実施形態を説明する。図の２主軸対向旋盤は、同一主軸軸線ｓ上で対向する左主軸１ａと右主軸１ｂを備えている。左主軸１ａと右主軸１ｂの互いが対向する端部には、左チャック２ａと右チャック２ｂとが装着されている。左主軸１ａは、ベッド（図示されていない。）に固定された左主軸台３ａに軸支されている。右主軸１ｂは、ベッドに設けた主軸軸線方向（Ｚ軸方向）のガイドに移動自在に搭載された右主軸台３ｂに軸支されている。右主軸台３ｂは、主軸台送りモータ５で正逆回転するＺ軸方向の主軸送りねじ１５に螺合している。

主軸軸線ｓの側方には、刃物台１１が配置されている。２主軸対向旋盤には、通常、複数の刃物台が装着されるが、図はそのうちの１個のみを示している。刃物台１１は、タレット１２を備えている。タレット１２は、加工に必要な工具４の装着箇所として複数の工具装着ステーションを備えている。図の例では、刃物台１１の工具装着ステーションの１箇所に、ワーク検出具８が装着されている。

刃物台１１は、サドル（Ｚ軸方向の送り台）１３を介して装着されている。サドル１３は、前記ベッドに搭載されたＺ軸送りモータ７により正逆回転駆動されるＺ軸送りねじ１７に螺合している。刃物台１１は、サドル１３に搭載されたＸ軸送りモータ６により正逆回転駆動されるＸ軸送りねじ１６に螺合している。左主軸１ａ及び右主軸１ｂは、それぞれの主軸台に搭載された左主軸モータ９ａ及び右主軸モータ９ｂで回転駆動される。主軸モータ９ａ、９ｂは、位相制御（回転角制御）される低速回転と位相制御されない高速回転（旋削加工時の回転）とに切換可能である。

主軸台送りモータ５、Ｚ軸送りモータ７及びＸ軸送りモータ６は、サーボアンプ２１を介して制御されるサーボモータである。図には、Ｚ軸送りモータ７の制御系のみを示しているが、主軸台送りモータ５及びＸ軸送りモータ６も同様な制御系を備えている。

サーボアンプ２１は、差分検出器２３、２４、補償回路２５、パワーアンプ２６及び微分器２７を備えている。差分検出器２３は、ＮＣ装置３１から与えられる位置指令ａとＺ軸送りモータ７に装着されたパルスエンコーダ１４から与えられる位置フィードバック信号ｂとの差信号（位置偏差）ｃを補償回路２５に与えている。補償回路２５は、位置偏差ｃに基づく速度指令ｄを算出して差分検出器２４に与えている。差分検出器２４は、補償回路２５から与えられた速度指令ｄと位置フィードバック信号ｂを微分器２７で微分して得られた速度フィードバック信号ｅとの差信号（速度偏差）ｆをパワーアンプ２６に与えている。パワーアンプ２６から出力される電流は、最大電流設定器２８の設定値で制限される。ＮＣ装置３１はこの設定値を必要なタイミングで増減する。

ＮＣ装置３１は、微分器３３、比較器３４及びしきい値設定器３５を備えている。差分検出器２３から出力される位置偏差ｃは、微分器３３で微分されて、すなわち位置偏差ｃの増減率（単位時間当たりの位置偏差の変化率）ｇに換算されて、比較器３４に与えられている。一方、Ｚ軸送りモータ７のトルク増加率の判定値ｈは、しきい値設定器３５に設定されて比較器３４に与えられている。比較器３４は、位置偏差ｃの増減率ｇが判定値ｈに達したときに制御出力ｉを出力する。ＮＣ装置３１は、制御出力ｉが出力されたとき、Ｚ軸送りモータ７を停止させると共に、刃物台１１の座標（制御対象が主軸台送りモータや主軸モータのときは、主軸台の座標や主軸の位相）を読み取ってメモリに記憶する。

次に、上記構成を備えた２主軸対向旋盤における左チャック２ａに把持されたワークｗの寸法計測動作について説明する。タレット１２の工具取付ステーションの１箇所にワーク検出具８を装着し、タレット１２の割出動作と刃物台１１の移動により、ワーク検出具８の先端をワークｗの計測箇所ｐの直近に設定した計測開始位置に位置させる。計測位置は、ワークｗの寸法のばらつきの範囲外でかつできるだけ計測箇所ｐに近い位置に設定する。

次に、最大電流設定器２８でＺ軸送りモータ７（Ｘ軸方向の寸法を計測するときはＸ軸送りモータ６）のトルクを制限した状態で、刃物台１１をワークｗに向けて低速移動する。刃物台１１の移動時においては、ＮＣ装置３１の位置カウンタ３２に目標位置が次々と設定される。刃物台１１がそれに従って移動する通常状態では、位置指令ａと位置フィードバック信号ｂとの差信号である位置偏差ｃはほぼ一定の値を維持している。

この状態でワーク検出具８がワークｗに当接すると、Ｚ軸送りモータ７にかかる負荷トルクの増大によって、Ｚ軸送りモータ７は強制的に停止させられる。すると位置カウンタ３２のカウント値が変化し続けるのに対して位置フィードバック信号ｂがこれに追従できないので、位置偏差ｃが急激に増加する。この増加の程度（増加率）が設定器３５に設定されたしきい値に達すると、比較器３４が制御出力ｉを出力し、Ｚ軸送りモータ７を停止させると共に刃物台１１の座標をメモリに記憶する。

刃物台の基準位置（ＮＣ装置が認識している位置）とワーク検出具の先端との距離及び左チャックの位置は分かつているので、記録された刃物台の座標からワーク寸法を演算できる。

以上の説明は、刃物台１１に装着したワーク検出具８でワークｗの位置や寸法を計測する例であるが、主軸台送りモータ５について同様の制御を行うことにより、右チャック２ｂに把持されたワークの先端を検出できる。例えば、左チャック２ａから右チャック２ｂへのワーク受け渡し時に、左チャック２ａで把持されたワークｗの先端が右チャック２ｂの基準面に当接したことを検出することができ、ワークｗが右チャック２ｂに確実に挿入されたことを検出できると共に、そのときの刃物台１１の位置から、ワーク先端の位置やワークの長さを検出できる。

次に、図２を参照して、ワーク加工中における衝突検出について説明する。図２は、段差ｒを有するワークｗをタレット１２に装着したバイト４で旋削している状態を示している。加工プログラムが、バイト４をＺ軸マイナス方向（段差に接近する方向）に送りかつ加工終了位置が段差ｒの位置よりマイナス側になっていると、加工途中でバイト４が段差ｒに衝突する。工具が衝突すると、Ｚ軸送りモータ７に次々と送り指令ａが与えられるにも関わらず刃物台が強制的に停止させられるので、位置偏差ｃが増加する。この増加の程度（増加率）が設定器３５に設定されたしきい値に達すると、比較器３４が制御出力ｉを出力し、Ｚ軸送りモータ７を停止させるから、工具の損傷やワークが加工不良品となるのを防止できる。衝突対象物の硬度や剛性が高ければ高いほど、衝突したときに位置偏差ｃの増加率は急激になるので、位置偏差ｃの値によって衝突を検出する従来手段に比べてより早く刃物台を停止させることができ、工具やワークの損傷をより確実に防止できる。

図１の例では、工具送りモータ７の出力トルクの単位時間当たりの変化量をサーボアンプ２１から取得した位置偏差ｃを微分器３３で微分することによって取得している。サーボアンプ２１の差分検出器２４は、補償回路２５から与えられた速度指令ｄと位置フィードバック信号ｂを微分器２７で微分して得られた速度フィードバック信号ｅとの差信号（速度偏差）ｆを検出している。従って、この検出値ｆを比較器３４に直接与えて判定値ｈと比較して制御出力ｉを出力させる制御も可能である。

以上は、サーボモータのトルク変動に応じて位置偏差ｃや速度偏差ｆが変化することを利用して、Ｚ軸送りモータ７のトルク変動を監視し、負荷トルクの増加率が判定レベルを超えたことを検出する例を示したものである。モータの負荷トルクは、モータを流れる電流値によって検出することもできる。図３は、その場合の例を示したものである。すなわち、電流計３６で検出したパワーアンプ２６の出力電流を微分器３３で電流の増減率に変換し、比較器３４でしきい値設定器３５に設定された判定値と比較し、電流の増加率が判定値に達したときに制御出力ｉを出力する例である。

上記のように、この発明は、モータを流れる電流値を検出することによっても実施可能であるが、前述した位置偏差や速度偏差を用いる方法は、より正確なトルク変動の検出が可能で、この発明の実施により適している。

上記と同様な制御は、主軸台送りモータ５や主軸モータ９ａ、９ｂにも適用することができる。前述したように、ワークｗを左チャック２ａから右チャック２ｂに受け渡すときの右主軸台３ｂのワークｗへの接近時に、上記と同様にして、主軸台送りモータ５の負荷トルクの増加率を監視することで、ワークｗが右チャック２ｂに挿入されたことを速やかに検出して右チャック２ｂの接近動作を停止することができる。また主軸モータについて同様な制御を行うことにより、例えば、主軸を低速回転して行うコンタリング加工時の工具の衝突の検出や、刃物台に装着したワーク検出具８をワークｗの周面に接近させてワークｗを低速回転することで、その周面に設けた突出部の位相を計測することが可能である。

２（２ａ、２ｂ） チャック
３（３ａ、３ｂ） 主軸台
４ 工具
５ 主軸台送りモータ
６ Ｘ軸送りモータ
７ Ｚ軸送りモータ
８ ワーク検出具
９ 主軸モータ
２３ 検出器
１１ 刃物台
３１ 制御器
３３ 微分器
３４ 比較器
３５ しきい値設定器
ａ 位置指令
ｂ 位置フィードバック信号
ｃ 差信号（位置偏差）
ｆ 差信号（速度偏差）
ｉ 制御出力（当接信号）
ｐ 計測箇所
ｗ ワーク

Claims (4)

1. 工具ないしワーク検出具とワークとの当接を検出する工作機械の当接検出装置において、制御対象となるモータの出力トルクに関連する物理量の単位時間当たりの変化量であるトルク変化率を演算ないし検出する検出器と、増加する側の当該変化率であるトルク増加率のしきい値を設定する設定器と、前記検出器から出力されたトルク変化率と前記しきい値とを比較する比較器とを備え、当該比較器は、前記検出器の出力がしきい値に達したときに当接信号を出力する、工作機械の当接検出装置。
2. 工具ないしワーク検出具とワークとの当接を検出する工作機械の当接検出方法において、当接を判定するためのしきい値として、工具送りモータの出力トルクの単位時間当たりの増加量をしきい値とする、工作機械の工具ないしワーク検出具とワークとの当接検出方法。
3. 前記工具送りモータがサーボモータである請求項２記載の当接検出方法において、前記しきい値が、当該モータに与える位置指令と当該モータから与えられる位置フィードバック信号との差信号の単位時間当たりの増加量に対するしきい値である、請求項２記載の当接検出方法。
4. 前記工具送りモータがサーボモータである請求項２記載の当接検出方法において、前記しきい値が、当該モータに与える速度指令と当該モータから返される速度フィードバック信号との差信号についてのしきい値である、請求項２記載の当接検出方法。

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