JP5819812B2 - 工作機械の負荷表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械状態監視を利用し、異常負荷検出時の機械の状態の確認を可能にした数値制御装置に関する。

機械状態監視機能を有する数値制御装置においては、加工プログラム運転中の任意のタイミングで数値制御装置の状態を記録することができる。この機械状態監視が可能な数値制御において、モータの異常負荷を検出した場合、その時の機械状態を記録しておくことで、異常負荷が発生した原因の究明を行っている。

工具先端部の位置と加工時の位置偏差とを対応付けて表示する方法として、工具軌跡と各軸ごとの波形データにおける時間軸上の位置との対応点を視覚的にとらえる方法が、特許文献１により公知である。また、負荷情報の使用方法として、加工のシミュレーションと負荷情報とを対応付けて表示する方法が、特許文献２により公知である。

特許第４６４８４７１号公報 特開２００９−１１６７４５号公報

数値制御装置により加工を行っている最中に、主軸の衝突により、機械またはワークが破損する場合がある。その原因の調査を行うためには、機械状態監視を利用し機械の状態を確認する必要がある。しかしながら、機械の状態を示す数値について、単にある瞬間の数値を表示するだけでは、実際にどのようなことが生じたのかを認識することが難しく、原因の特定が困難である。一方機械の状態を時系列で表示したとしても、その情報のみからどのような加工がなされたのかを認識することは難しい。

座標と機械情報とを対応付けて表示する方法として、特許文献１には、工具先端点の３次元軌跡と位置偏差情報、トルク指令を対応付けて表示する方法が提案されているが、ここで扱われている情報は工具の座標にかかわる情報とトルク指令のみであり、主軸に対してどの向きにどれほどの大きさの力が加わったのかを表現するものではなかった。また、特許文献２に開示される技術は、負荷情報を数値として表現しており、どのような方向からの力が加わっているのかを表現するものではなかった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、加工中の工具軌跡と負荷の大きさと向きをベクトルとして同時に表示し、工具の経路における負荷の大きさと向きの推移を視覚的に確認可能とすることで、異常負荷の原因と場所の特定が容易となる機能を有する多軸加工機の負荷表示装置を提供することにある。

本発明は、加工プログラムを実行して各軸を駆動することによって工具および加工物の位置を相対移動させる工作機械の負荷を表示する工作機械の負荷表示装置において、所定時間毎に前記各軸の機械座標値および各軸の負荷値を取得し記憶するデータ取得手段と、前記各軸の各所定時間毎の機械座標値および前記工作機械の機械構成の情報から前記工具の先端部の３次元座標値を計算して工具軌跡を表示する工具軌跡表示手段と、前記工具軌跡上に前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷値をベクトルで表示する負荷表示手段と、とを備えている。
本発明による負荷表示装置は、以上の構成を有するので、加工中に異常負荷が発生した場合の原因の把握および場所の特定を正確かつ迅速に行うことができ、また、加工に精度不良があった場合には、主軸に異常な負荷がかかっていなかったかを容易に確認することができる。

本願の請求項１に係る発明は、テーブルに取り付けられたワークに対して少なくとも前記のワークに対する工具の位置を制御する直線軸３軸と、前記工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸の回転軸２軸と、を備え、加工プログラムを実行し各軸を駆動することによって、前記ワークに対する工具の位置と方向とを制御して前記ワークの加工を行う多軸加工機の負荷表示装置において、所定時間毎に前記各軸の機械座標値および各軸の負荷値を取得して記憶するデータ取得手段と、前記取得した各軸の各所定時間毎の機械座標値および前記多軸加工機の機械構成の情報から前記工具の先端点の３次元座標値を計算して工具軌跡を表示する工具軌跡表示手段と、前記工具軌跡上に前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷値を各軸の負荷電流のベクトルまたは主軸に取り付けられた衝撃センサから取得した主軸にかかる３軸方向の振動値のベクトルで表示する負荷表示手段と、を備え、前記負荷表示手段は、前記テーブル上に定義されるテーブル座標系において直線軸の負荷電流値または振動値については、前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷電流値または振動値に基づいて、前記所定時間毎に直線軸３軸の負荷電流値または振動値の合成ベクトルを生成し、それぞれの前記合成ベクトルについて、該合成ベクトルの大きさ、および、該合成ベクトルと該合成ベクトルに対する１つ前の時間の合成ベクトルとが為す角度の大きさにより、表示属性（色・太さ・背景色）を変更して、また、回転軸に関しては、前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷電流値または振動値に基づいて、前記所定時間毎に回転軸２軸の負荷値を合成したものを生成し、それぞれの前記合成した負荷値について、該合成した負荷値の状態によって前記回転軸の負荷値を示す環状矢印の表示属性（色・太さ・背景色）を変更して、前記先端点の軌跡および前記負荷値をベクトルで示した座標系ベクトルを表示することを特徴とする多軸加工機の負荷表示装置である。

請求項２に係る発明は、前記負荷表示手段は、前記各軸の負荷値の合成ベクトルを表示することを特徴とする請求項１に記載の多軸加工機の負荷表示装置である。
請求項３に係る発明は、前記工具軌跡表示手段は、前記負荷値の大きさに応じて工具軌跡の色を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の多軸加工機の負荷表示装置である。

請求項４に係る発明は、前記負荷表示装置は数値制御装置の表示装置であることを特徴
とする請求項１乃至３何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置である。
請求項５に係る発明は、前記負荷表示装置はパーソナルコンピュータの表示装置である
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置である
。
請求項６に係る発明は、前記データ取得手段は、前記各軸の座標値および負荷値と同時
に、実行中プログラムのブロック番号を取得し、前記負荷表示手段は前記ベクトルと共に
前記ベクトルに対応する前記ブロック番号を表示することを特徴とする請求項１乃至５の
何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置である。

本発明により、加工中の工具軌跡と負荷の大きさと向きをベクトルとして同時に表示し、工具の経路における負荷の大きさと向きの推移を視覚的に確認可能とすることで、異常負荷の原因と場所の特定が容易となる機能を有する多軸加工機の負荷表示装置を提供できる。

本発明を適用した工作機械を制御する数値制御装置の構成を概略で示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第２の実施形態の要部ブロック図である。 本発明に係る工具軌跡とそれに対応するブロック番号、各駆動軸の直線軸の負荷電流値をベクトルで示した表示例である。 本発明に係る表示処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 振動値に基づいて表示属性を選択する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明に係る工具軌跡と各駆動軸の直線軸の負荷電流値を座標系ベクトルで示した表示例である。 本発明に係る工具軌跡と各駆動軸の直線軸の負荷電流値を各軸方向ベクトルで示した表示例である。 本発明に係る工具軌跡と各駆動軸の直線軸の負荷電流値の合成ベクトルと、回転軸の負荷電流値の表示例である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明を適用した工作機械を制御する数値制御装置１０の構成を概略で示すブロック図である。プロセッサであるＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１２に格納されたシステムプログラムに従って数値制御装置１０全体を制御する。ＲＡＭ１１３には、各種のデータ、あるいは入出力信号が格納される。不揮発性メモリ１１４に格納された各種のデータは、電源遮断後もそのまま保持される。不揮発性メモリ１１４には、後述する位置情報、速度情報、加速度情報、位置偏差、トルク指令、負荷電流値、および振動値の各情報が、それらが取得された時間情報に従って、時系列的に格納される。

グラフィック制御回路１１５は、デジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置１１６に与える。キーボード１１７は、数値キー、文字キーなどを有する各種設定データを入力する手段である。ＣＰＵ１１１により、前記各情報を処理することによって、工作機械２０に取り付けられている工具の工具軌跡、その軌跡に対応した前記各情報を表示装置１１６に表示する。

軸制御回路１１８は、ＣＰＵ１１１から各軸の移動指令を受けて、軸の指令をサーボアンプ１１９に出力する。このサーボアンプ１１９は、軸制御回路１１８からの移動指令を受けて、工作機械２０に設置されているサーボモータ２１を駆動する。これらの構成要素はバス１２１で互いに結合されている。工作機械２０に設置されている各送り軸を駆動するサーボモータ２１には、位置検出装置２２が内蔵されており、検出した位置検出信号を位置フィードバック信号として信号経路（図示省略）を介して軸制御回路１１８に出力する。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１２２は、加工プログラムの実行時に、バス１２１経由でＴ機能信号（工具選択指令）などを受け取る。そして、この信号を、シーケンス・プログラムで処理して、動作指令として信号を出力し、工作機械２０を制御する。また、工作機械２０から状態信号を受けて、ＣＰＵ１１１に必要な入力信号を転送する。

さらに、バス１２１には、システムプログラム等によって機能が変化するソフトウェアキー１２３、ＮＣデータを記憶装置などに送るインタフェース１２４が接続されている。このソフトウェアキー１２３は、表示装置１１６、キーボード１１７とともに、表示装置／ＭＤＩパネル１２５に設けられている。

図２は、本発明の第１実施形態の要部ブロック図である。第１の実施形態は、工作機械の工具軌跡表示装置が工作機械の数値制御装置１０に備えられている形態である。数値制御装置１０には、軸駆動制御部１１、データ取得部１２、および表示部１３を備えている。

工作機械２０は、送り軸を駆動するサーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂを備えている。数値制御装置１０の軸駆動制御部１１からのトルク指令によりサーボアンプ（図示省略）が制御され、サーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂは、サーボアンプ（図示省略）により駆動される。

また、各サーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂにはそれぞれ位置検出装置２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ，２２Ａ，２２Ｂが備えられており、位置検出装置２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ，２２Ａ，２２Ｂから各サーボモータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂの位置情報が軸駆動制御部１１にフィードバックされる。２１ｘ，２１ｙ，２１ｚは直線軸用のサーボモータ、２１Ａ，２１Ｂは回転軸用のサーボモータである。

軸駆動制御部１１は、数値制御装置１０の加工プログラムを解析し処理する数値制御部から指令される移動指令とサーボモータ２１からフィードバックされる位置情報Ｓａにより、各駆動軸の速度情報Ｓｂ、加速度情報Ｓｃ、トルク指令Ｓｅの計算と、サーボアンプ（図示省略）にかかる負荷電流値Ｓｆの取得と、各スピンドルモータに装着された衝撃センサ（図示省略）から振動値Ｓｇの取得とを行い、前記フィードバックされた位置情報Ｓａとともにデータ取得部１２に出力する。なお、この位置情報Ｓａ、速度情報Ｓｂ、加速度情報Ｓｃ、トルク指令Ｓｅ、負荷電流値Ｓｆ、振動値Ｓｇは、工作機械を制御する数値制御装置において従来から取得されている情報であるので、計算方法など詳細な記載は省略する。

データ取得部１２は、軸駆動制御部１１からの各情報を各時間ごと同時に取得する。また、データ取得部１２は、軸駆動制御部１１からの各情報を各時間ごと同時に取得すると共に、数値制御装置１０内で取得可能な加工プログラムの実行中のブロック番号を取得してもよい。取得した情報は、メモリ（図示省略）に記録する。表示部１３は、データ取得部１２で取得した情報に基づき、工具の先端部の３次元の移動軌跡を負荷電流値と振動値の直線軸の合成ベクトルと、回転軸の向きと大きさを示す図の少なくとも一つとともに表示する。また、表示部１３に表示されるベクトル、工具軌跡と前記工具軌跡に対応するブロック番号を表示してもよい。

工作機械２０は、例えば、テーブルに取り付けられたワークに対して少なくとも前記のワークに対する工具の位置を制御する直線軸３軸と、前記工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸の回転軸２軸によって、前記ワークに対する工具の位置と方向とを制御して加工を行う多軸加工機である。そして、表示部１３には、前記テーブル上に定義されるテーブル座標系において先端点の軌跡および前記負荷値をベクトルで示した座標系ベクトルが表示される。

図３は、本発明の第２実施形態の要部ブロック図である。第２実施形態は、工作機械の数値制御装置１０に含まれない工作機械の工具軌跡表示機能が、外部機器３０に備えられている形態である。数値制御装置１０は、軸駆動制御部１１、データ通信部１４を備えている。外部機器３０は、データ通信部３１、データ取得部３２、および、表示部３３を備えている。外部機器３０の具体例としては例えばパーソナルコンピュータである。パーソナルコンピュータの表示装置に、工具軌跡や各軸毎の負荷値をベクトルで表示する。

図４は、本発明に係る工具軌跡とそれに対応するブロック番号、各駆動軸から得られた直線軸の負荷ベクトルの表示例である。この表示例は、例えば、図１の表示装置１１６に表示される。この表示例では、各軸ごとの負荷電流値の負荷ベクトルが工具軌跡とともにＸＹＺの３次元表示されている。工具軌跡上に書かれている３桁の各数値は、各終点におけるブロック番号である。

本発明の実施形態は、直線軸の負荷電流値、振動値については異常負荷ベクトルの大きさと、前回取得時の合成ベクトルとの角度の大きさにより、合成ベクトルと工具軌跡の表示属性（色・太さ・背景色）を変更する機能を有する（図５，図６のフローチャートの処理を参照）。このように、状態によって表示属性を変更することにより、工具軌跡のどの部分で異常負荷が発生したかを容易に視認できる。
なお、図４において符号５０は緑色の表示、符号５１は紫色の表示、符号５２は赤色の表示、符号５３は赤色の表示である。

次に、合成ベクトルと工具軌跡を表示装置に表示する際の表示属性を決定するために、負荷電流値の大きさを閾値として計算する方法について説明する。
＜負荷電流値＞
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸が直線軸である加工機について考える。時間ｔにおける、これら３軸の座標をｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）とし、３軸にかかる負荷電流値をそれぞれＦｘ（ｔ）、Ｆｙ（ｔ）、Ｆｚ（ｔ）とする。この時、主軸にかかる負荷電流値の合成ベクトルＦ（ｔ）は数１式で表され、大きさの計算が可能となる。

図５は、本発明に係る表示処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。この処理のアルゴリズムは、負荷電流値の合成ベクトルが、設定された閾値よりも大きくなった場合に、工具軌跡の表示属性を変更する場合の例である。この処理は、例えば数値制御装置１０によって制御される工作機械２０によってワークの加工が開始し、各時系列データが取得可能となるとともに実行開始される。以下、各ステップに従って説明する。
［ステップＳＳ１００］時間情報ｔと、ｔに対応する各軸の位置情報Ｓａおよび、負荷電流値Ｓｆを取得する。
［ステップＳＳ１０１］時間情報ｔにおける工具の先端点の３次元座標を計算する。
［ステップＳＳ１０２］時間情報ｔにおける負荷電流値の合成ベクトルを計算する。
［ステップＳＳ１０３］負荷電流値の合成ベクトルの大きさおよび合成ベクトルのなす角は閾値よりも小さいか否かを判断し、小さい場合にはステップＳＳ１０４へ、そうでない場合にはステップＳＳ１０５へ移行する。なお、この閾値はあらかじめ設定しておくものである。
［ステップＳＳ１０４］通常の表示属性で工具軌跡とその時の負荷電流値合成ベクトルを３次元座標に表示する。
［ステップＳＳ１０５］通常とは異なる表示属性で工具軌跡とその時の負荷電流値合成ベクトルを３次元座標に表示する。
［ステップＳＳ１０６］工作装置によるワークの加工終了か、または、表示終了の信号があるか否かを判断し、ＹＥＳの場合には処理を終了し、ＮＯの場合にはステップＳＳ１０７へ移行する。
［ステップＳＳ１０７］表示装置に表示するための所定時間が経過するまで待ち、時間が経過したらステップＳＳ１００へ戻り、処理を継続する。

次に、工具軌跡を表示装置に表示する際の表示属性の決定に合成ベクトルの角度の変化を閾値として用いる場合の実施形態について説明する。
＜ベクトルのなす角＞
時間情報ｔの１つ前の取得時の時間をｔ’とする。その時の合成ベクトルＦ（ｔ）およびＦ（ｔ’）はそれぞれ数１式、数２式で表される。数１式は前記のとおりである。

そして、Ｆ（ｔ）とＦ（ｔ’）のなす角をθとすると数３式が成り立つ。

図６は振動値に基づいて表示属性を選択する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。振動値は、衝撃時の直接的なデータを用いることができるという利点を有する。図５に示すフローチャートの対応する部分の説明と相違する点のみを説明する。ステップＳＴ１００において、位置情報Ｓａとともに、振動値Ｓｇを取得する。ステップＳＴ１０２では、ステップＳＴ１００で取得した主軸にかかるＸＹＺの３軸方向の振動値の合成ベクトルを計算する。そして、ステップＳＴ１０３では、ステップＳＴ１０２で計算した合成ベクトルと、あらかじめ設定された振動値に関する大きさと角度の閾値との比較がなされる。

図７〜図９は、本発明に係る工具軌跡と各駆動軸から得られた直線軸の負荷電流値の座標系ベクトル（図７）、各軸のベクトル（図８）、合成ベクトルと、回転軸の負荷電流値（図９）の表示例である。これらの表示例は、例えば、図１の表示装置１１６に表示される。図９の表示例では、直線軸の負荷電流値の合成ベクトルが工具軌跡とともにＸＹＺの３次元表示され、回転軸の負荷電流値は環状矢印で表示されている。
図７，図８，図９を補足して説明する。図７は直線軸３軸に関してその時々のモータにかかる負荷の大きさと方向をそのままベクトルで表示している。そのため、ある時間ｔのＸ＿ｔ，Ｙ＿ｔ，Ｚ＿ｔと別の時間ｔ’のＸ＿ｔ’，Ｙ＿ｔ’，Ｚ＿ｔ’とではベクトルの向きが異なる。図８は上記各軸のベクトル量である負荷を所定の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換して、各Ｘ，Ｙ，Ｚ軸毎に足し合わせたものである。図９は直線軸各軸にかかるベクトル量である負荷を一つに合成したものと、回転軸の負荷値を合成したものを表示している。なお、図７，図８の加工でも回転軸は存在しているが、表示する際にそれらを無視している。
時間ｔにおける工具軌跡Ｘ（ｔ）は直線軸の機械座標値ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）、回転軸の座標値α（ｔ）、β（ｔ）を用いて数４式によって計算される。

本発明の実施形態は、直線軸の負荷電流値、振動値についてはベクトルの大きさと、前回取得時の合成ベクトルとの角度の大きさにより、表示属性（色・太さ・背景色）を変更する機能を有する。また、回転軸に関しては、大きさの差により図の表示属性（色・太さ・背景色）を変更する機能を有する。このように状態によって表示属性を変更することにより、工具軌跡のどの部分でどのような力が発生したかを容易に視認できる。

１０ 数値制御装置
１１ 軸駆動制御部
１２ データ取得部
１３ 表示部
１４ データ通信部
２０ 工作機械
２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ，２１Ａ，２１Ｂ サーボモータ
２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ，２２Ａ，２２Ｂ 位置検出装置
２１ サーボモータ
２２ 位置検出装置

３０ 外部機器
３１ データ通信部
３２ データ取得部
３３ 表示部

１１１ ＣＰＵ
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ 不揮発性メモリ
１１５ グラフィック制御回路
１１６ 表示装置
１１７ キーボード
１１８ 軸制御回路
１１９ サーボアンプ

１２１ バス
１２２ ＰＭＣ
１２３ ソフトウェアキー
１２４ インタフェース
１２５ 表示装置／ＭＤＩパネル

Claims (6)

1. テーブルに取り付けられたワークに対して少なくとも前記のワークに対する工具の位置を制御する直線軸３軸と、前記工具からテーブルへの機械構成上の軸順における第１回転軸、第２回転軸の回転軸２軸と、を備え、加工プログラムを実行し各軸を駆動することによって、前記ワークに対する工具の位置と方向とを制御して前記ワークの加工を行う多軸加工機の負荷表示装置において、
   所定時間毎に前記各軸の機械座標値および各軸の負荷値を取得して記憶するデータ取得手段と、
   前記取得した各軸の各所定時間毎の機械座標値および前記多軸加工機の機械構成の情報から前記工具の先端点の３次元座標値を計算して工具軌跡を表示する工具軌跡表示手段と、
   前記工具軌跡上に前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷値を各軸の負荷電流のベクトルまたは主軸に取り付けられた衝撃センサから取得した主軸にかかる３軸方向の振動値のベクトルで表示する負荷表示手段と、
   を備え、
   前記負荷表示手段は、前記テーブル上に定義されるテーブル座標系において直線軸の負荷電流値または振動値については、前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷電流値または振動値に基づいて、前記所定時間毎に直線軸３軸の負荷電流値または振動値の合成ベクトルを生成し、それぞれの前記合成ベクトルについて、該合成ベクトルの大きさ、および、該合成ベクトルと該合成ベクトルに対する１つ前の時間の合成ベクトルとが為す角度の大きさにより、表示属性（色・太さ・背景色）を変更して、また、回転軸に関しては、前記所定時間毎に記憶した各軸毎の負荷電流値または振動値に基づいて、前記所定時間毎に回転軸２軸の負荷値を合成したものを生成し、それぞれの前記合成した負荷値について、該合成した負荷値の状態によって前記回転軸の負荷値を示す環状矢印の表示属性（色・太さ・背景色）を変更して、前記先端点の軌跡および前記負荷値をベクトルで示した座標系ベクトルを表示する
   ことを特徴とする多軸加工機の負荷表示装置。
2. 前記負荷表示手段は、前記各軸の負荷値の合成ベクトルを表示することを特徴とする請求項１に記載の多軸加工機の負荷表示装置。
3. 前記工具軌跡表示手段は、前記負荷値の大きさに応じて工具軌跡の色を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の多軸加工機の負荷表示装置。
4. 前記負荷表示装置は数値制御装置の表示装置であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置。
5. 前記負荷表示装置はパーソナルコンピュータの表示装置であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置。
6. 前記データ取得手段は、前記各軸の座標値および負荷値と同時に、実行中プログラムのブロック番号を取得し、
   前記負荷表示手段は前記ベクトルと共に前記ベクトルに対応する前記ブロック番号を表示することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の多軸加工機の負荷表示装置。

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