JP2023141961A - 工作機械及び工作機械の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、主軸を駆動する駆動部の状態を参照することで、誤差過大アラームの発生を容易に回避することが可能な工作機械及び工作機械の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】ワークを回転可能に保持する主軸を駆動する駆動部と、主軸に保持される前記ワークを加工するために工具を駆動するサーボモータと、少なくとも駆動部、及び、サーボモータへ電力を供給する電源と、サーボモータに入力される電流値を検出する電流検出部と、サーボモータに入力される上限電流値を記憶する記憶部と、サーボモータを制御して工具の駆動制御を実行する制御部と、を具備し、制御部は、主軸の起動直後に、電流検出部によって検出された電流値が上限電流値を超えた場合、加減速時定数を第1時定数から、第1時定数より電力消費が低い第2時定数に変化させてサーボモータの制御を実行する。【選択図】図2
Description
本発明は、工作機械及び工作機械の制御装置に関する。
一般に、ワークを回転可能に支持する主軸及びワークを加工するための工具等を含んで構成される工作機械が知られている。工作機械の工具駆動機構には、サーボモータが設けられており、サーボモータに所定の電流を入力することで、工作機械の工具を動作することが可能である。
ところで、工作機械の電源電圧が低下すると、位置の指令値に対してサーボモータの実際の位置が異なる誤差過大アラームが発生するという問題がある。
特許文献1では、入力電圧の変動に応じて、電動モータの加速又は減速の反応性を調整する加減速時定数を増加又は減少させる制御を実行することによって、電動モータの安定動作を実現している。特許文献2では、モータへ入力される交流電源の電圧に基づいて、モータの駆動に悪影響を及ぼさないモータ出力の制限値を演算し、その制限を行うための加減速時定数、又は、送りオーバライドの制御パラメータを決定している。
工作機械の電源電圧の変動は、最大の消費電力を有する主軸を駆動する駆動部に起因する場合が多く、特に主軸を駆動する駆動部の起動時に起きやすい。しかしながら、主軸を駆動する駆動部の制御に応じて、工具を駆動するサーボモータの加減速時定数を制御することは行われていない。
本発明は、主軸を駆動する駆動部の状態を参照することで、誤差過大アラームの発生を容易に回避することが可能な工作機械及び工作機械の制御装置を提供することを目的とする。
本開示の実施形態に係る工作機械は、ワークを回転可能に保持する主軸を駆動する駆動部と、主軸に保持されるワークを加工するために工具を駆動するサーボモータと、少なくとも駆動部、及び、サーボモータへ電力を供給する電源と、サーボモータに入力される電流値を検出する電流検出部と、サーボモータに入力される上限電流値を記憶する記憶部と、サーボモータを制御して工具の駆動制御を実行する制御部と、を具備し、制御部は、主軸の起動直後に、電流検出部によって検出された電流値が上限電流値を超えた場合、加減速時定数を第1時定数から、第1時定数より電力消費が低い第2時定数に変化させてサーボモータの制御を実行する。
本開示の実施形態に係る工作機械において、電源から入力される電源電圧値を検出する電圧検出部をさらに具備し、制御部は、主軸の起動直後に、電流検出部によって検出された電流値が上限電流値以下であり、且つ、電圧検出部によって検出された電源電圧値が閾値電圧値以下である場合、加減速時定数を第1時定数から、第1時定数より電力消費が低く、且つ、第2時定数より電力消費が高い第3時定数に変化させてサーボモータの制御を行うことが好ましい。
本開示の実施形態に係る工作機械の制御装置は、ワークを回転可能に保持する主軸を駆動する駆動部と、主軸に保持されるワークを加工するために工具を駆動するサーボモータと、少なくとも駆動部、及び、サーボモータへ電力を供給する電源と、を含む工作機械の制御装置であって、サーボモータに入力される電流値を検出する電流検出部と、サーボモータに入力される上限電流値を記憶する記憶部と、サーボモータを制御して工具の駆動制御を実行する制御部と、を具備し、制御部は、主軸の起動直後に、電流検出部によって検出された電流値が上限電流値を超えた場合、加減速時定数を第1時定数から、第1時定数より電力消費が低い第2時定数に変化させてサーボモータの制御を実行する。
本開示の実施形態に係る工作機械の制御装置において、電源から入力される電源電圧値を検出する電圧検出部をさらに具備し、制御部は、主軸の起動直後に、電流検出部によって検出された電流値が上限電流値以下であり、且つ、電圧検出部によって検出された電源電圧値が閾値電圧値以下である場合、加減速時定数を第1時定数から、第1時定数より電力消費が低く、且つ、第2時定数より電力消費が高い第3時定数に変化させてサーボモータの制御を行うことが好ましい。
本開示の実施形態に係る工作機械によれば、主軸を駆動する駆動部の状態を参照することで、誤差過大アラームの発生を容易に回避することが可能な工作機械及び工作機械の制御装置を提供することが可能である。
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る工作機械について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図1は、本実施形態に係る工作機械1の部分斜視図である。図1に示す工作機械1は、丸棒状の長尺の棒材であるワークWを加工するための装置である。工作機械1は、ワークWを回転可能に支持する主軸2、B軸回転工具装置3等を含んで構成される回転工具駆動装置13、及び、後述する数値制御(Numerically Controlled、NC)装置5等を含んで構成される。
主軸2は、支持台6に設けられている。主軸2は、Z軸方向を軸線として、Z軸を中心としてワークWを回転可能に保持すると共に、駆動部DUを構成する主軸モータ(第4サーボモータ)MT4で発生する動力によってワークWを支持台6の正面側に移動可能に保持する。支持台6は、ベッド7に固定支持される。
支持台6の正面側には、Z軸方向に直交するX軸方向(水平方向とも称される)に沿って延びるレール8が設置される。レール8には、第1サーボモータMT1で発生する動力によって矢印α1の方向にスライドするベース10が装着される。ベース10には、Z軸方向及びX軸方向に直交するY軸方向(鉛直方向とも称される)に沿って延びるレール11が設置される。レール11には、第2サーボモータMT2で発生する動力によって矢印α2の方向にスライドする回転工具駆動装置13が装着される。
回転工具駆動装置13は、ワークWの加工を行うための工具を保持する装置である。この回転工具駆動装置13は、工具131、132、並びに、第1工具31及び第2工具32を有するB軸回転工具装置3を有する。工具131、132は、先端を下方に向けた状態で、X軸方向に沿って並設される。第1工具31及び第2工具32は、B軸回転工具装置3を構成するB軸回転工具本体部33に回転可能に保持され、先端を側方に向けた状態で、X軸方向に沿って並設される。本実施形態に係る工作機械1は、主軸2によってワークWをZ軸方向に移動させ、回転工具駆動装置13を矢印α1又は矢印α2の方向に移動させることによって、所定の工具でワークWの加工を行うことができる。B軸回転工具本体部33は、旋回モータ(第3サーボモータ)MT3で発生する動力によって旋回モータMT3の旋回軸Aを中心として矢印α3の方向に旋回可能に支持される。
工作機械1内に設けられる各サーボモータMT1~MT4は、電源PSから供給される電力によって作動する。この電源PSは、家庭用又は商用電源から供給される電力を本実施形態に係る工作機械1において使用可能な電力に変換して、少なくとも各サーボモータMT1~MT4に、変換した電力を供給する。
図2は、図1に示す工作機械1の内部構成を示すブロック図である。図2に示すように、B軸回転工具装置3は、B軸回転工具本体部33、水平方向移動機構M1、第1サーボモータMT1、鉛直方向移動機構M2、第2サーボモータMT2、旋回機構M3、及び、旋回モータMT3等を含んで構成される。
水平方向移動機構M1は、B軸回転工具本体部33を含む回転工具駆動装置13全体を矢印α1の方向に移動可能とする。第1サーボモータMT1は、入力される電流を機械的出力(トルク及び回転数等の動力)に変換し、水平方向移動機構M1に与える。これにより、水平方向移動機構M1は、B軸回転工具本体部33を矢印α1の方向に進退移動する。第1サーボモータMT1の動作は、モーションコントローラC1によって制御される。
モーションコントローラC1は、電源PSからの電力供給を受けて、後述するNC装置5から伝達される制御信号に応じて、第1サーボモータMT1に所定の電流を入力する。モーションコントローラC1に伝達される制御信号は、少なくとも、第1サーボモータMT1の回転量(rad又はステップ数)及び回転数(rpm)を含む。第1サーボモータMT1には、センサSe1が設けられ、センサSe1によって第1サーボモータMT1の実回転量及び実回転数が検出され、モーションコントローラC1に伝達される。モーションコントローラC1は、制御信号に含まれる第1サーボモータMT1の回転量及び回転数の数値と、センサSe1によって検出される第1サーボモータMT1の実回転量及び実回転数の数値とを比較し、これらの数値の偏差が無くなるように第1サーボモータMT1に所定の電流を入力する。以下、モーションコントローラC2~C4の制御方法はモーションコントローラC1の制御方法と同様であるので、詳細な説明を省略する。
鉛直方向移動機構M2は、B軸回転工具本体部33を含む回転工具駆動装置13全体を矢印α2の方向に上下移動可能とする。第2サーボモータMT2は、鉛直方向移動機構M2を動作させるための動力を発生する。第2サーボモータMT2の動作は、モーションコントローラC2によって制御される。モーションコントローラC2による第2サーボモータMT2の制御方法はモーションコントローラC1による第1サーボモータMT1の制御方法と同様であるので、詳細な説明を省略する。
旋回機構M3は、旋回モータMT3の旋回軸Aを中心として矢印α3の方向にB軸回転工具本体部33を旋回可能とする。旋回モータMT3は、旋回機構M3を動作させるための動力を発生する。旋回モータMT3の動作は、モーションコントローラC3によって制御される。モーションコントローラC3による旋回モータMT3の制御方法はモーションコントローラC1による第1サーボモータMT1の制御方法と同様であるので、詳細な説明を省略する。
図2に示すように、主軸2は、駆動部DUを構成する主軸駆動機構M4、及び、主軸モータMT4等を含んで構成される。主軸駆動機構M4は、Z軸方向を軸線として、Z軸を中心としてワークWを回転自在に支持すると共に、主軸モータMT4で発生する動力によってワークWを支持台6の正面側に移動可能に支持する。主軸モータMT4は、主軸駆動機構M4を動作させるための動力を発生する。主軸モータMT4の動作は、モーションコントローラC4によって制御される。モーションコントローラC4による主軸モータMT4の制御方法はモーションコントローラC1による第1サーボモータMT1の制御方法と同様であるので、詳細な説明を省略する。なお、主軸モータMT4は、安定した回転を得られるのであれば、サーボモータでなくても良い。
NC装置5は、主軸2、及び、B軸回転工具装置3各々の動作を制御するための装置である。図2に示すように、NC装置5は、インターフェース部51、記憶部52、入力部53、出力部54、電流検出部55、電圧検出部56、及び、制御部57等を含んで構成される。インターフェース部51、記憶部52、入力部53、出力部54、電流検出部55、電圧検出部56、及び、制御部57は、バス58を介して相互に接続される。制御部57からの各種制御信号は、インターフェース部51を介してモーションコントローラC1~C5に伝達される。モーションコントローラC1~C4から対応するサーボモータMT1~MT4に出力された複数の電流値は、インターフェース部51を介して電流検出部55へ伝達される。
記憶部52は、例えば、半導体記憶装置を含み、制御部57での処理に用いられるプログラム及びデータ等を記憶する。記憶部52は、少なくとも、主軸2、及び、B軸回転工具装置3によって行われる一連のワーク加工工程を制御部57に実行させるためのプログラムを記憶する。プログラムは、CD-ROM等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部52にインストールされてもよい。
また、記憶部52は、モーションコントローラC1~C4からサーボモータMT1~MT4に入力される上限電流値を予め記憶する。上限電流値は、サーボモータが破損する虞のある電流値である。
入力部53は、データの入力が可能であれば一般に知られているどのようなデバイスでもよく、工作機械1のオペレータによる操作に対応する信号を生成する。生成された信号は、オペレータの指示として、制御部57に供給される。
出力部54は、映像や画像等の表示が可能であれば一般に知られているどのようなデバイスでもよく、制御部57から供給される映像データに応じた映像や、画像データに応じた画像等を表示する。
電流検出部55は、モーションコントローラC1~C4からサーボモータMT1~MT4に入力される電流値を検出して、検出結果を制御部57へ伝達する。電圧検出部56は、電源PSから主軸2、及び、B軸回転工具装置3に入力される電源電圧値を検出して、検出結果を制御部57へ伝達する。
制御部57は、工作機械1の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit)である。制御部57は、記憶部52に記憶されるプログラムに従って、一連のワーク加工工程を実行する。制御部57は、一連のワーク加工工程を実行するための制御信号を、インターフェース部51を介して、モーションコントローラC1~C4に伝達することによって、サーボモータMT1~MT4を制御して、工具の駆動制御を実行する。制御信号は、各サーボモータの回転量(rad又はステップ数)及び回転数(rpm)を含む。
図3は、本実施形態に係る工作機械1において実行される一連のワーク加工工程を示すフローチャートである。
所定の手順によってワーク加工の指令が入力されると、最初に制御部57は、記憶部52に記憶されるプログラムに従って、主軸2の動作制御を実行する(ステップS10)。具体的には、制御部57は、インターフェース部51を介して所定の制御信号(主軸モータMT4の回転量(rad又はステップ数)及び回転数(rpm))をモーションコントローラC4に伝達する。モーションコントローラC4は、制御部57から伝達される制御信号に応じて、主軸モータMT4を制御して、主軸駆動機構M4を駆動することによって、Z軸を中心としてワークWを回転させて、ワークWを支持台6の正面側に移動させる。
次に、制御部57は、工具の動作制御を実行する(ステップS11)。具体的には、制御部57は、サーボモータMT1、及び、MT2のうちの少なくとも一つを制御し、B軸回転工具装置3を移動させて、B軸回転工具本体部33を矢印α1又は矢印α2の方向に移動させる。これにより、本実施形態に係る工作機械1は、回転しているワークWに工具131、132、並びに、第1工具31及び第2工具32を押し当てて、ワークWを加工することが可能になる。
最後に、制御部57は、一連のワーク加工工程が終了したか否かを判定する(ステップS12)。ワーク加工工程が終了していない場合(ステップS12のNo)、ステップS10に戻り、一連のワーク加工工程が終了した場合(ステップS12のYes)、一連のワーク加工工程が終了する。
図4は、図3に示す一連のワーク加工工程における、第2サーボモータMT2の時定数決定処理を示すフローチャートである。図4に示す処理は、図3に示す一連のワーク加工工程において、一定の時間間隔で実行される。図4では、一例として、第2サーモモータMT2について説明するが、他のサーボモータMT1、及び、MT3についても同様の処理を行ってもよい。
最初に制御部57は、主軸2が起動した直後であるか否かを判定する(ステップS20)。なお、本実施形態において、主軸2が起動した直後とは、モーションコントローラC4へ主軸2の回転動作開始のための制御信号が入力されてから、主軸2が定格動作し始めるまでの期間を指す。主軸2が起動した直後でない場合(ステップS20のNo)、加減速時定数を第1時定数に設定して(ステップS23)、一連の処理を終了する。
主軸2が起動した直後である場合(ステップS20のYes)、制御部57は、電流検出部55によって検出される第2サーボモータMT2へ供給される電流値が記憶部52に記憶される上限電流値を超えるか否かを判定する(ステップS21)。第2サーボモータMT2の電流値が上限電流値を超える場合(ステップS21のYes)、第2サーボモータMT2が破損する虞があるため、制御部57は、加減速時定数を第2時定数に設定して(ステップS25)、一連の処理を終了する。
次に、第2サーボモータMT2の電流値が上限電流値を超えない場合(ステップS21のNо)、制御部57は、電圧検出部56によって検出される電源PSの電源電圧値が閾値電圧値以下となるか否か(すなわち、電源PSにおいて電圧降下が生じているか否か)を判定する(ステップS22)。電源PSの電源電圧値が閾値電圧値を超える場合(ステップS22のNo)、第2サーボモータMT2が破損する虞はなく、且つ、電源PSにおいて電圧降下が生じていないため、制御部57は、加減速時定数を第1時定数に設定して(ステップS23)、一連の処理を終了する。
次に、電源PSの電源電圧値が閾値電圧値以下である場合(ステップS22のYes)、第2サーボモータMT2が破損する虞はないものの、電源PSにおいて電圧降下が生じているため、制御部57は、加減速時定数を第3時定数に設定して(ステップS24)、一連の処理を終了する。
ここで、加減速時定数は、サーボモータの回転速度が設定した回転速度に達するまでの到達時間に対応する値を指す。第1時定数は、通常動作時において、最短時間で、第2サーボモータMT2の回転速度が設定した回転速度に達するまでの到達時間に対応する。第2時定数は、第2サーボモータMT2の回転速度が設定した回転速度に達するまでの到達時間が、第1時定数より遅く、その結果、第2サーボモータMT2の単位時間当たりの電力消費量が第1時定数の場合よりも低い。第3時定数は、第2サーボモータMT2の回転速度が設定した回転速度に達するまでの到達時間が、第1時定数より遅く、且つ、第2時定数より早く、その結果、第2サーボモータMT2の単位時間当たりの電力消費量が第1時定数の場合よりも低く、且つ、第2時定数の場合よりも高い。
図4に示す処理フローにより、第2サーボモータMT2に関して、主軸2の起動直後以外では第1時定数が設定され、主軸2の起動直後では第2サーボモータMT2への電流値や電源電圧値に応じて、第1~第3時定数の何れかが設定されることとなる。
図5は、図4に示す電流値の制御によって変化する第2サーボモータMT2の回転速度の経時的変化の一例を示す波形図である。図4において、横軸は時間(時刻t1~t3)(ms)を示し、縦軸はサーボモータの回転速度(r/min)を示している。
制御部57は、図3に示す一連のワーク加工工程において、第2サーボモータMT2を制御する場合には、そのときに設定されている時定数に基づいた制御信号を生成してモーションコントローラC2に伝達する。モーションコントローラC2は、伝達された制御信号に応じて、第2サーボモータMT2に入力される電流値を調整する。これにより、本実施形態に係る工作機械1は、入力電圧値及び電源電圧値の変動を気にせず、第2サーボモータMT2を動作させることが可能となる。
図5の実線61は、第1時定数に応じた第2サーボモータMT2の回転速度の経時的変化を示しており、例えば、回転速度P(r/min)に達するまで、第1時定数に設定された場合には、動作開始からt1=70msが必要となる。図5の一点鎖線62は、第2時定数に応じた第2サーボモータMT2の回転速度の経時的変化を示しており、例えば、回転速度P(r/min)に達するまで、動作開始からt2=100msが必要となる。図5の破線63は、第3時定数に応じた第2サーボモータMT2の回転速度の経時的変化を示しており、例えば、回転速度P(r/min)に達するまで、第3時定数に設定された場合には、動作開始からt3=90msが必要となる。
第1時定数に設定された場合と比較して、第2時定数に設定された場合には、第2サーボモータMT2の回転数を急激に上げなくてもよいので、供給される電流値が上限電流値を超えることがない。その結果、第1時定数に設定された場合と比較して、第2時定数に設定された場合には、第2サーボモータMT2が破損する、及び、誤差過大アラームが発生する可能性が低くなる。同様に、第1時定数に設定された場合と比較して、第3時定数に設定された場合には、第2サーボモータMT2の回転数の上昇を緩やかに設定することができるので、供給される電流値が上限電流値を超えることがない。その結果、第1時定数に設定された場合と比較して、第3時定数に設定された場合には、第2サーボモータMT2が破損する、及び、誤差過大アラームが発生する可能性がさらに低くなる。
ここで、本実施形態に係る工作機械1において、第2サーボモータMT2を例として示しているが、他のサーボモータMT1、及び、MT3についても同様である。
また、本実施形態に係る工作機械1において、加減速時定数として、3つの時定数を示しているが、サーボモータの電流値及び電源PSの電源電圧値等のパラメータに応じて、2つ、又は、4つ以上の時定数を設定しても良い。
また、本実施形態に係る工作機械1において、主に主軸2及びB軸回転工具装置3の動作を行うサーボモータMT1~MT4について説明したが、工具を駆動するサーボモータ等、上記以外の他のサーボモータについても上記制御を適用可能である。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明及び技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点及び欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神及び範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
1 工作機械
2 主軸
3 B軸回転工具装置
5 数値制御装置(NC装置)
51 インターフェース部
52 記憶部
53 入力部
54 出力部
55 電流検出部
56 電圧検出部
57 制御部
MT1~MT4 第1サーボモータ~第4サーボモータ
2 主軸
3 B軸回転工具装置
5 数値制御装置(NC装置)
51 インターフェース部
52 記憶部
53 入力部
54 出力部
55 電流検出部
56 電圧検出部
57 制御部
MT1~MT4 第1サーボモータ~第4サーボモータ
Claims (4)
- ワークを回転可能に保持する主軸を駆動する駆動部と、
前記主軸に保持される前記ワークを加工するために工具を駆動するサーボモータと、
少なくとも前記駆動部、及び、前記サーボモータへ電力を供給する電源と、
前記サーボモータに入力される電流値を検出する電流検出部と、
前記サーボモータに入力される上限電流値を記憶する記憶部と、
前記サーボモータを制御して前記工具の駆動制御を実行する制御部と、を具備し、
前記制御部は、前記主軸の起動直後に、前記電流検出部によって検出された電流値が前記上限電流値を超えた場合、加減速時定数を第1時定数から、前記第1時定数より電力消費が低い第2時定数に変化させて前記サーボモータの制御を実行する、
工作機械。 - 前記電源から入力される電源電圧値を検出する電圧検出部をさらに具備し、
前記制御部は、前記主軸の起動直後に、前記電流検出部によって検出された前記電流値が前記上限電流値以下であり、且つ、前記電圧検出部によって検出された前記電源電圧値が閾値電圧値以下である場合、前記加減速時定数を前記第1時定数から、前記第1時定数より電力消費が低く、且つ、前記第2時定数より電力消費が高い第3時定数に変化させて前記サーボモータの制御を行う、
請求項1に記載の工作機械。 - ワークを回転可能に保持する主軸を駆動する駆動部と、前記主軸に保持される前記ワークを加工するために工具を駆動するサーボモータと、少なくとも前記駆動部、及び、前記サーボモータへ電力を供給する電源と、を含む工作機械の制御装置であって、
前記サーボモータに入力される電流値を検出する電流検出部と、
前記サーボモータに入力される上限電流値を記憶する記憶部と、
前記サーボモータを制御して前記工具の駆動制御を実行する制御部と、を具備し、
前記制御部は、前記主軸の起動直後に、前記電流検出部によって検出された電流値が前記上限電流値を超えた場合、加減速時定数を第1時定数から、前記第1時定数より電力消費が低い第2時定数に変化させて前記サーボモータの制御を実行する、
工作機械の制御装置。 - 前記電源から入力される電源電圧値を検出する電圧検出部をさらに具備し、
前記制御部は、前記主軸の起動直後に、前記電流検出部によって検出された前記電流値が前記上限電流値以下であり、且つ、前記電圧検出部によって検出された前記電源電圧値が閾値電圧値以下である場合、前記加減速時定数を前記第1時定数から、前記第1時定数より電力消費が低く、且つ、前記第2時定数より電力消費が高い第3時定数に変化させて前記サーボモータの制御を行う、
請求項3に記載の工作機械の制御装置。
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