JP7256686B2

JP7256686B2 - 回転テーブル装置

Info

Publication number: JP7256686B2
Application number: JP2019095451A
Authority: JP
Inventors: 有奏藤森
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2023-04-12
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: JP2020190891A

Description

本発明は、回転テーブル装置に関する。

例えば工作機械においてワークを保持し、ワークを各加工工程に最適な向きに回転位置決めする等の目的で、回転テーブル装置（回転割出し装置）が用いられている。例として、特許文献１には、ワークを載置し固定する回転テーブルと、該回転テーブルをクランプするクランプ機構と、回転位置、速度を制御するモータ制御部を備え前記回転テーブルを回転駆動する駆動モータとから構成された回転割出し装置が開示されている。

特許文献１の回転割出し装置を備えた工作機械の制御装置は、前記駆動モータの出力トルクを検出する駆動モータ出力トルク検出手段と、前記モータ制御部から位置偏差を検出する位置偏差検出手段と、前記クランプ機構によって前記回転テーブルを所定の回転角度位置の目標位置にクランプし、回転テーブルに載置されたワークを加工中に、前記駆動モータ出力トルク検出手段により検出した駆動モータの出力トルクが、予め設定された許容トルク以上で所定時間経過するか、または予め設定された上限トルクに達したことを条件として、前記検出した出力トルクが許容トルク以上のときは、駆動モータの出力トルクが０になる方向に、前記検出した出力トルクが許容トルクより小さい場合は検出された位置偏差を０にする方向に、一定量ずつ目標位置を変更する目標位置変更手段と、を有することを特徴とする。

特開２０１５－８７８２０号公報

特許文献１の回転テーブル装置は、駆動モータ出力トルク検出手段と目標位置変更手段を有することにより、回転テーブルを目標回転角度位置に固定している間にモータが過負荷となることを防止している。しかしながら、回転テーブル装置では、回転テーブルを目標回転角度位置に移動している間にも、モータが過負荷となることを抑制することが望まれる。

本開示の一態様に係る回転テーブル装置は、モータと、前記モータにより回転駆動される回転テーブルと、前記モータの負荷を検出する負荷検出部と、前記モータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記回転テーブルを目標回転角度位置に移動するときの前記負荷検出部の検出値に基づいて、前記回転テーブルの回転角度位置毎に前記モータの負荷が小さくなる回転方向を判定する回転方向判定部を有する。

本開示の別の態様に係る回転テーブル装置は、モータと、前記モータにより回転駆動される回転テーブルと、前記モータの負荷を検出する負荷検出部と、前記モータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷検出部の検出値と前記モータの許容負荷との比較により前記モータの過負荷を検知する過負荷検知部を有する。

本開示に係る回転テーブル装置によれば、回転テーブルを目標回転角度位置に移動している間にモータが過負荷となることを抑制することができる。

本開示の一実施形態の回転テーブル装置の構成を示す模式図である。図１の回転テーブル装置に作用する重力を説明する模式図である。

以下、本開示に係る回転テーブル装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の一実施形態の回転テーブル装置１００の構成を示す模式図である。

回転テーブル装置１００は、モータ１と、モータ１により回転駆動される回転テーブル２と、モータ１の負荷を検出する負荷検出部３と、モータ１を制御する制御部４と、を備える。回転テーブル装置１００は、さらにオペレータにモータ１の過負荷を報知する報知部５をさらに備える。回転テーブル装置１００は、回転テーブル２に、ワークＷを保持させ、ワークＷを回転位置決めさせる装置である。回転テーブル装置１００は、例えば、工作機械に設けられ、ワークＷの加工すべき面を工具に対して正対させるために用いられる。

モータ１は、一端に回転テーブル２が接続される出力軸を有するサーボモータによって構成することができる。また、モータ１は、例えば軸接手、伝動機構、減速機構等を介して回転テーブル２に接続されてもよい。

回転テーブル２は、ワークＷを支持する支持面に垂直な回転軸Ｃの周りに回転するようモータ１に接続される。通常、回転軸Ｃは、回転テーブル２の重心を通り、回転テーブル２の慣性モーメントが最も小さくなるよう設定される。一方、ワークＷは、その重心Ａが回転軸Ｃに対して偏心した状態で回転テーブル２に取り付けられることがある。

負荷検出部３は、例えば、モータ１と回転テーブル２との間に設けられて負荷トルクを検出するトルクセンサ、モータ１の負荷電流を検出する電流計又は負荷電力を検出する電力計等によって構成することができる。

制御部４は、専用集積回路によっても構成することができるが、ＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ装置に適切なプログラムを読み込ませることによって実現することができる。制御部４は、例えば工作機械の数値制御装置を構成するコンピュータ等と一体であってもよい。

制御部４は、プログラム解析部４１、駆動指令生成部４２、回転方向判定部４３、過負荷検知部４４、報知部４５、最大加速度算出部４６、及び駆動情報修正部４７を備える。これらの構成部は、機能的に区別されるものであって、物理的構造及びプログラム構造において明確に区分できる必要はない。

プログラム解析部４１は、ワークＷの処理に必要な動作を記述する動作プログラムを解析し、回転テーブル２の時刻毎の目標回転角度位置を特定する駆動情報を生成する。

駆動指令生成部４２は、プログラム解析部４１が生成した駆動情報における現在の目標回転角度位置に回転テーブル２を回転位置決めするようモータ１を駆動する駆動指令を生成する。具体的には、駆動指令生成部４２は、駆動指令の値をモータ１のエンコーダの検出位置と目標回転角度位置との偏差を小さくするようフィードバック制御するよう構成することができる。

回転方向判定部４３は、回転テーブル２を目標回転角度位置に移動するときの負荷検出部３の検出値に基づいて、回転テーブル２の回転角度位置毎にモータ１の負荷が小さくなる回転方向を判定する。

回転テーブル２の回転軸Ｃが鉛直でない場合において、ワークＷの重心Ａが回転軸Ｃからずれていると、ワークＷに作用する重力が、回転テーブル２を回転させようとする力となり得る。図２に、回転軸Ｃの方向から見たワークＷに作用する重力を図示する。ワークＷの質量をＭ［ｋｇ］、重力加速度をＧ「ｍ／ｓ^２」とすると、ワークＷに作用する重力Ｆｇ［Ｎ］は、Ｆｇ＝Ｍ・Ｇとして表すことができる。

ワークＷに作用する重力Ｆｇのうち、回転テーブル２を回転させようとする成分Ｆｒ［Ｎ］は、回転テーブル２の角度位置をθ［ｒａｄ］、ワークＷの重心Ａの回転テーブル２に対する角度位置をβ［ｒａｄ］とすると、Ｆｒ＝Ｆｇ・ｓｉｎ（θ＋β）として表すことができる。なお、回転テーブル２の角度位置θは、回転軸Ｃの真上を０ｒａｄとし、角度は時計回りとする。ワークＷの偏心量（重心Ａと回転軸Ｃとの距離）をＲ［ｍ］とすると、ワークＷに作用する重力Ｆｇが回転テーブル２を回転させようとするトルクＴｇ［Ｎ・ｍ］は、Ｔｇ＝Ｍ・Ｇ・Ｒ・ｓｉｎ（θ＋β）として表すことができる。

モータ１の回転子及び出力軸、回転テーブル２並びにワークＷの回転軸Ｃを中心とする慣性モーメントをＩ［ｋｇ・ｍ^２］、モータ１の負荷トルクをＴｍ［Ｎ・ｍ］とすると、回転テーブル２の角加速度α［ｒａｄ／ｓ^２］は、α＝（Ｔｍ＋Ｔｇ）／Ｉとして表すことができる。ここで、角加速度αは駆動指令により定められる値（目標回転角度位置の二階微分値）であり、重力によるトルクＴｇは回転テーブル２の回転角度位置に依存する値である。慣性モーメントＩは、ワークＷの加工によって僅かに減少するが、一定であるものと考えても差し支えない。このため、モータ１の負荷トルクＴｍは、重力によるトルクＴｇと相補的に増減する値となる。したがって、角加速度αに対するモータ１の負荷トルクＴｍの大きさから、ワークＷの重心Ａの回転テーブル２に対する角度位置βを推測することができる。

さらに、回転テーブル２の加速度と減速度とは、通常、同じ大きさの一定の値に設定される。この場合、回転テーブル２の加速中及び減速中に負荷検出部３が検出したモータ１の負荷トルクＴｍの回転テーブル２の角度位置に対する変化波形は、正弦波状となることから、比較的簡単にワークＷの重心Ａの回転テーブル２に対する角度位置βを推定することができる。なお、例えば回転テーブル２の最大加加速度が設定され、加速度が一定でない場合、回転テーブル２の加速度が一定である間の負荷検出部３の検出値だけを用いて、ワークＷの重心Ａの回転テーブル２に対する角度位置βを推定してもよい。

回転テーブル２の目標回転角度位置が変更されて回転テーブル２を加速するときに回転テーブル２の回転方向が正方向（時計回り）である場合、回転テーブル２の現在の回転角度位置（変更前の目標回転角度位置）におけるワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）が０ｒａｄ超πｒａｄ未満であれば重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが減少し、ワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）がπｒａｄ超２πｒａｄ未満であれば重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが増大する。逆に、回転テーブル２の目標回転角度位置が変更されて回転テーブル２を加速するときに回転テーブル２の回転方向が負方向（反時計回り）である場合、回転テーブル２の現在の回転角度位置（変更前の目標回転角度位置）におけるワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）が０ｒａｄ超πｒａｄ未満であれば重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが増大し、ワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）がπｒａｄ超２πｒａｄ未満であれば重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが減少する。

また、回転テーブル２を目標回転角度位置に停止、つまり回転テーブル２を減速するときに回転テーブル２の回転方向が正方向である場合、回転テーブル２の目標回転角度位置におけるワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）が０ｒａｄ超πｒａｄ未満であれば、重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが増大し、ワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）がπｒａｄ超２πｒａｄ未満であれば、重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが減少する。逆に、回転テーブル２を目標回転角度位置に停止するときに回転テーブル２の回転方向が負方向である場合、回転テーブル２の目標回転角度位置におけるワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）が０ｒａｄ超πｒａｄ未満であれば、重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが減少し、ワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）がπｒａｄ超２πｒａｄ未満であれば、重力によるトルクＴｇの分だけモータ１の負荷トルクＴｍが増大する。

回転方向判定部４３は動作プログラムに従って回転テーブル２を変更前の目標回転角度位置から変更後の目標回転角度位置まで移動させる間に、必要となるモータ１の負荷トルクＴｍの最大値が小さくなる回転方向を導出する。回転テーブル２の加速度と減速度とが同じ大きさである場合、回転方向判定部４３は、回転テーブル２を変更前の目標回転角度位置と変更後の目標回転角度位置とのうち、ワークＷの重心Ａの絶対角度位置（θ＋β）が１／２π又は３／２πに近い方におけるモータ１の負荷トルクＴｍを小さくできる回転方向を導出してもよい。なお、回転テーブル２の負荷トルクＴｍに回転方向による差がなかった場合、変更前の目標回転角度位置から変更後の目標回転角度位置までの移動距離が短くなる回転方向を導出してもよい。

過負荷検知部４４は、負荷検出部３の検出値と予め設定されるモータ１の許容負荷との比較により、モータ１の過負荷を検知する。つまり、過負荷検知部４４は、負荷検出部３の検出値が予めモータ１の許容負荷を超えた場合に、モータ１が過負荷であると判定する。

報知部４５は、過負荷検知部４４がモータ１の過負荷を検知した場合に、過負荷の報知を行う。具体的には、報知部４５は、過負荷検知部４４がモータ１の過負荷を検知した場合に、後述する報知部５に報知を行わせる過負荷報知信号を出力する構成とすることができる。これにより、オペレータに動作プログラムの変更を促すことができる。

また、報知部４５は、過負荷報知信号を出力する際に、回転方向判定部４３が判定したモータ１の負荷が小さくなる回転方向を合わせて報知することが好ましい。これにより、回転方向の変更だけで容易にモータ１の負荷が許容負荷を超えないよう動作プログラムを修正することができる場合に、その旨をオペレータに報知することができる。

また、報知部４５は、後述する駆動情報修正部４７又は最大加速度算出部４６による処理結果を合わせて報知してもよい。これにより、オペレータに回転テーブル装置１００の状態を正確に伝えることができる。

最大加速度算出部４６は、モータ１の負荷を許容負荷以下に抑制できるモータ１の最大加速度を算出する。最大加速度算出部４６は、最大加速度の値を、加速度を制限できる他のパラメータ、例えばモータ１の最大回転速度、制御のゲイン等の値として算出又は算出した加速度の値をこれらの値に換算してもよい。これにより、オペレータにモータ１の負荷を許容負荷以下に抑制することができるパラメータの設定値として提示することができる。つまり、最大加速度算出部４６が算出した値は、報知部４５に報知させてもよい。

最大加速度算出部４６は、過負荷検知部４４がモータ１の過負荷を検知した場合にモータ１の最大加速度を算出するよう構成されてもよい。このように、実際に過負荷が生じてから最大加速度を算出することで、不必要に演算負荷を増大させないようにできる。

駆動情報修正部４７は、回転方向判定部４３が判定したモータ１の負荷が小さくなる回転方向に回転テーブル２を駆動するよう、プログラム解析部４１が動作プログラムに基づいて生成した駆動情報を修正する。これにより、モータ１の過負荷を抑制することができる。

駆動情報修正部４７は、過負荷検知部４４がモータ１の過負荷を検知した場合に、負荷が小さくなる回転方向に回転テーブル２を駆動するよう駆動情報を修正してもよい。これにより、モータ１が過負荷とならない限り、動作プログラムに従って回転テーブル２を駆動するので、オペレータが意図的に回転方向を指定している場合に、不必要に回転方向を変更しないようにできる。

駆動情報修正部４７は、プログラム解析部４１が動作プログラムに基づいて生成した駆動情報におけるモータ１の加速度の値を、最大加速度算出部４６が算出した最大加速度以下の値に修正してもよい。これにより、オペレータが操作しなくても、モータ１が過負荷となることを防止することができる。

報知部５は、報知部４５からの信号に応じて、オペレータが認知可能な方法で情報を提供する。具体的には、報知部５は、視覚信号（回転灯、モニタ表示等）、聴覚信号（ビープ音、音声アナウンス等）などを用いて報知を行うよう構成され得る。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る回転テーブル装置１００は、制御部４が、回転テーブル２を目標回転角度位置に移動するときの負荷検出部３の検出値に基づいて回転テーブル２の回転角度位置毎にモータ１の負荷が小さくなる回転方向を判定する回転方向判定部４３を有する。これにより、モータ１の負荷が小さくなる回転テーブル２の回転方向を選択して、モータ１の負荷を抑制することができる。

以上、本開示に係る回転テーブル装置の実施形態について説明したが、本開示に係る回転テーブル装置は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示に係る回転テーブル装置による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本開示に係る回転テーブル装置において、制御部は、回転方向判定部又は過負荷検知部を有していればよく、プログラム解析部、駆動指令生成部、駆動情報修正部及び最大加速度算出部はいずれも省略可能である。

本開示に係る回転テーブル装置は、複数のモータと、各モータによってそれぞれ駆動される複数の回転テーブルと、各モータの負荷を検出する複数の負荷検出部と、複数のモータを制御する単一の制御部とを有する構成とされてもよい。複数の回転テーブルに同じワークが保持される場合、制御部は、複数の負荷検出部の検出値に基づいて各モータを制御してもよい。また、個々に制御部を有する複数の回転テーブル装置が上位の制御装置によって制御されてもよい。また、本開示に係る回転テーブル装置は、一つの回転テーブル上に別の回転テーブルが保持された、２軸構成の回転テーブル装置であってもよい。

１００回転テーブル装置
１モータ
２回転テーブル
３負荷検出部
４制御部
５報知部
４１プログラム解析部
４２駆動指令生成部
４３回転方向判定部
４４過負荷検知部
４５報知部
４６最大加速度算出部
４７駆動情報修正部

Claims

モータと、
前記モータにより回転駆動される回転テーブルと、
前記モータの負荷を検出する負荷検出部と、
前記モータを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記回転テーブルを目標回転角度位置に移動するときの前記負荷検出部の検出値に基づいて、前記回転テーブルの時刻毎の回転角度位置における前記モータの負荷が小さくなる回転方向を判定する回転方向判定部を有し、さらに、
前記負荷検出部の検出値と前記モータの許容負荷との比較により前記モータの過負荷を検知する過負荷検知部、及び前記過負荷検知部が前記モータの過負荷を検知した場合に、過負荷の報知と、前記回転方向判定部が判定した前記モータの負荷が小さくなる回転方向の報知とを合わせて行う報知部と、
前記回転方向判定部が判定した前記モータの負荷が小さくなる回転方向に前記回転テーブルを駆動するよう、動作プログラムに基づいて生成される駆動情報を修正する駆動情報修正部と、の少なくとも一方を有する、回転テーブル装置。
前記制御部は、前記モータの負荷を前記許容負荷以下に抑制できる前記モータの最大加速度を算出する最大加速度算出部をさらに有する、請求項１に記載の回転テーブル装置。