JPH04129646A - 工作機械の位置決め軸制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工作機械の加工ヘッド、工具、工作物等の位
置決め用軸の制御装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の工作機械として、例えば第４図に示すよ
うなワイヤ放電加工装置を挙げることができる。同図は
ワイヤ放電加工装置の外観図で、図において、（ｌ〉は
工作物、（２〉はワイヤ電極、（３）は加工テーブル、
（４）はＸＹクロステーブル、（５）は機械本体、（６
）はＺ軸駆動装置で、下端に加工ヘッド（７）及び上部
ワイヤガイド部（８ａ）を装着し、これら加工ヘッド（
７）及び上部ワイヤガイド部（８ａ）が機械本体（５）
に対し昇降動作するようになっている。（３０）は加工
液噴出ノズルで、上部ワイヤガイド部（８ａ）の下端に
取り付けられ、ワイヤ放電加工に供する加工液を噴出す
る。（８ｂ）は下部ワイヤガイド部で、下部アーム（９
）により機械本体（５）に固定されている。

第５図は２軸駆動装置（６）の詳細を示す断面図で、（
１０）はモータ、（１１）、（１２）はタコジェネレー
タ及びパルスジェネレータで、モータ（１０）に同軸状
に取り付けられている。（１８）はボールネジで、モー
タ（１０）側に取り付けられたビニオンギア（１４）か
らボールネジ（１３）側に取り付けられたギア（１５）
を介して動力が伝達されるようになっている。

（１８ａ）はボールネジ（１３）と螺合するナツト部材
で、ボールネジ（１３）の回転を軸方向の直線運動に変
換する。（１６）は図示しないリニアガイドによって上
下方向に案内されるとともに、ナツト部材（１３ａ）と
一体化されたタイルで、その下端には加工ヘッド（７）
及び上部ワイヤガイド部（８ａ）が取り付けられ、これ
ら加工ヘッド（７）及び上部ワイヤガイド部（８ａ）を
ボールネジ（１３）の回転により直線運動するナツト部
材（１３ａ）と共に昇降駆動するようになっている。

第６図はＺ軸駆動装置の制御回路を示すブロック図で、
（２０）はＮＣ制御装置、（２１）はポジションコント
ローラ、（２２）はサーボコントローラである。

ＮＣプログラムまたは手動入力によるＺ軸の昇降は、先
ずＮＣ制御装置（２０）によりパルス列指令またはデー
タ指令により単位時間当りのＺ軸の移動量が信号として
ポジションコントローラ（２１）へ送出される。移動量
の指令値は、通常０．１秒以下の一定サイクルで送出さ
れるため、Ｚ軸の移動速度も同時に制御可能となってい
る。

ポジションコントローラ（２１）は、移動量の指令値に
基づいてサーボコントローラ（２２）に速度指令として
信号を送出する。サーボコントローラ（２２）は、モー
タ（１０）に速度指令に相当する電圧を印加してモータ
（１０）を回転させ、Ｚ軸を昇降駆動させる。

また、モータ（ｌＯ）に取り付けられたタコジェネレー
タ（１１）は、モータ（ｌＯ）の回転数に比例した電圧
を出力し、サーボコントローラ（２２）に信号を送出す
る。サーボコントローラ（２２）は速度指令値と実際の
速度との偏差を計算しつつ、一定の速度に制御する。

更に、タコジェネレータ（１１）と共にモータ（１０）
に取り付けられたパルスジェネレータ（１２）は、モー
タ（ｌＯ）の回転角度をパルスに変換し、ポジションコ
ントローラ（２１）に信号を送出する。ポジションコン
トローラ（２１）は、移動量指令と実際の移動量との偏
差を計算しつつ、正確な位置決め制御を行う。

このようなものにおいて、各ワイヤガイド部（８ａ）　
、　（８ｂ）には、通常、一対のワイヤガイド及び加工
液噴出ノズルがそれぞれ設けられており、各ワイヤガイ
ド間におけるワイヤ電極（２）の撓みや、加工時に発生
するスラッジを加工液噴出ノズルから工作物（１）の加
工溝に向けて高圧で噴出される加工液により速やかに放
電加工領域から排除できるようにするため、各ワイヤガ
イド部（８ａ）　、　（８ｂ）は、工作物（１）に近接
した最適な距離に位置決めされ、加工に臨むようになっ
ている。これによって、ワイヤ電極（２）の撓みによる
精度不良を極力小さくできるようになっている。

下部アーム（９）により機械本体（５）に固定された下
部ワイヤガイド部（８ｂ）は、加工テーブル（３）に取
り付けられた工作物（１）の下面に対し、上述したよう
な一定距離が保たれるようになっている。

したがって、工作物（１）の厚みの変化に対しては、上
部ワイヤガイド部（８ａ）の位置のみが可変であるよう
に構成されている。

一般に、ワイヤ放電加工に際しては、予め工作物（１）
の加工テーブル（３）への搭載、工作物取り付けの平行
度及び直角度の位置決め等の段取り作業が必要となるが
、これら作業中は適宜Ｚ軸を昇降しながら行われる。そ
の後、上部ワイヤガイド部（８ａ）を工作物（１）に近
接した上述の最適な位置に設定し、加工を開始する。

また、複数の厚みの異なる工作物を順次自動で加工を進
行する場合、Ｚ軸の位置はＮＣプログラムにより自動的
に変更しながら、加工を続行する。

更に、工作物の上面が段差になっていたり、自由曲面状
に厚みが変化する場合には、徐々に上部ワイヤガイド部
（８ａ）の高さを変更するＮＣプログラムを用いること
もある。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のワイヤ放電加工装置等の工作機械は以上のように
構成され、上述したようなＺ軸の移動に際しては、事前
に工作物（１）や治工具への干渉が無いことを確認して
動作させることが必要であるが、作業者の不注意やＮＣ
プログラムの不備によって、上部ワイヤガイド部（８ａ
）あるいは加工ヘッド（７）等が工作物（１）や治工具
に衝突し、工作物（１）や機械構成部材の変形、破損と
いった重大な事故を発生することがある。

ところで、ワイヤ放電加工装置においては、通常第６図
に示したサーボコントローラ（２２）にコンパレータ等
のモータ電流検出器が備えられており、モータ（１０）
の電流値が一定の値（しきい値）を超え過負荷と判別し
た場合は、アラーム信号がサーボコントローラ（２２）
からＮＣ制御装置（２０）に送出され、以後の移動指令
を停止する過負荷停止機能が備わっている。

しかし、上述した従来の過負荷検出は次に述べるような
問題点があった。

すなわち、第７図にＺ軸移動中のモータ電流波形を示す
が、Ｚ軸の起動、停止、加減速時においては、Ｚ軸駆動
装置の慣性モーメントと加速度の大きさに依存した電流
のオーバーシュートが発生する。ここで軸移動に要する
モータトルクＴは下式で表される。

Ｔ−Ｔｖ　＋Ｔｆ　＋Ｔｊ・・・・・・・・・・・・・
・・・■ここで、Ｔｖは軸方向の荷重を支えるトルク、
Ｔｆは摩擦トルク、Ｔｊは加速度に伴う負荷トルクであ
る。

軸が等速移動を行っている場合は、Ｔｊ−０となり、モ
ータはＴｗ　＋Ｔｆを発生するだけである。

第７図中のＩｗ及びＩｆはそれぞれＴｖとＴｆ’を発生
するモータ電流に相当し、構成部材の重量、摺動部の摩
擦係数によって可変の値である。例えば従来装置の場合
、Ｉｗ、Ｉｆとも０，５人程度となっている。

次に、軸が加減速中は負荷トルクＴｊがさらに必要にな
る。

負荷トルクＴｊは下式で表される。

Ｔｊ　＝Ｊｍ　・ω・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・■ここで、Ｊ■はモータに加わる慣性モー
メント、ωはモータの角加速度である。

また、モータの角加速度ωは下式で表される。

ω閤２πＩｌｎ／６０・ｔ・・・・・・・・・・・・・
・・・■ここで、ｎはモータ回転数、ｔは加速時間であ
る。

また、モータ回転数ｎは下式で表される。

ｎ＝ｆ・η／Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・■ここで、ｆは軸方向の到達速度、ηはボール
ネジ側とモータ側のギア比、Ｌはボールネジのリードで
ある。

ここで、従来装置の設計値を式■■■に代入し、慣性モ
ーメントＪ　ｍ　−０，００７ｋｇ　・ａｎ　會５ｅｅ
２、加速時間ｔ　−０，０５ｓｅｃ　ｓ到達速度ｆ　−
３００ｍ＋ｓ／ｇｉｎ。

ギア比η−５、リードＬ＝０．５ｃｏ＋とすると、ω−
６２８ｒａｄ／５ｅｅ２、従ってＴｊ　−４，４０ｋｇ
　”　Ｃｌ１１となり、モータのトルク定数Ｋｔ　＝２
．０　ｋｇ−ｃｍ／　Ａとすると、モータ電流１ｊは約
２．２人となる。第７図中の１ｊは上述した加速度に伴
う負荷トルクを発生するためのモータ電流に相当する。

この加速度の大きさに依存した電流のオーバーシュート
Ｉｊは、正常な動作中に発生するものであるから、この
正常な動作中に発生する電流のオーバーシュートＩｊに
よって上述の過負荷停止機能が働かないように、従来は
上述のしきい値が正常動作中の電流のオーバーシュート
Ｉｊを検出しない値に設定されている。したがって、上
述のしきい値は軸移動時の定常電流に対しては大幅に大
きな値が設定され、Ｚ軸が障害物に衝突し、モータ（１
０）の負荷トルクが相当大きくならないと上述の過負荷
停止機能が働かず、工作物（１）及び上部ワイヤガイド
部（８ａ）の変形、損傷を未然に防止することができな
かった。

これを解決するには、例えば加減速時に、単位時間当り
の移動量指令を直線的に変化させる直線加減速制御によ
り加速度を緩和させて上述のオーバーシュートエｊを減
少させればよいが、加減速時間を無制限に延長すること
は、高速応答性が犠牲になるため、それ程オーバーシュ
ートの減少を望めなく、上述のしきい値を定常移動中の
電流値に近ずけるのは困難であった。

本発明は斜上の点に鑑み、軸の加減速に伴うモータ電流
のオーパージニートに無関係に軸が受ける負荷の判別し
きい値を設定することのできる工作機械の位置決め軸制
御装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る工作機械の位置決め軸制御装置は、位置決
め軸駆動モータへの出力電流値または電圧値を検出する
検出装置と、位置決め軸の加減速時を除いて、上記検出
装置の検出結果から軸移動中におけるモータの負荷トル
クの増大を算出し、位置決め軸の構成部材が障害物と衝
突したことを検出する負荷算出装置とを設けたものであ
る。

［作用コ 本発明においては、位置決め軸の加減速時を除きモータ
電流の値を検出して過負荷判定するようにしているので
、位置決め軸移動中に従来より大幅に小さな負荷を検出
でき、工作物及び機械構成部材の変形、損傷を未然に防
止することが可能となる。

［実施例コ 以下、図示実施例により本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る工作機械の位置決め軸
制御装置の制御回路を示すブロック図で、図中従来に相
当する部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略
する。図において、（２Ｂ）はモータ電流検出回路で、
２軸駆動モータ（１０）に流れる電流値を、モータ（１
０）と直列に結合した図示しない精密抵抗器により電圧
値に変換し、さらにＡ／Ｄ変換により、バイナリ−信号
に変換し、ＮＣ制御装置（２０）に設けられた負荷算出
装置（２４）に送出する。

負荷算出装置（２４）は、パラレルまたはシリアル入出
力インターフェース用集積回路もしくはＲＡＭかＲＯＭ
の記憶用集積回路等で構成され、モータ電流検出回路（
２３）から入力された信号を計算処理するように構成さ
れている。

第２図はＺ軸の動作中のモータ電流値を示したもので、
Ａ部はＺ軸が停止中、Ｂ部はＺ軸が上昇中、０部はＺ軸
が下降中、Ｄ部はＺ軸が障害物に衝突した時の電流値を
、それぞれ示している。

Ｚ軸が停止中は、上部ワイヤガイド部（８ａ）、タイル
（１６）等の荷重が軸の下向きに加わるため、これと吊
合う反対方向の軸推力を要する。このため、Ｚ軸の停止
中にはモータ（１０）のＺ軸上昇方向に一定の電流１ｗ
が流れる。

この停止中の電流の値は、上部ワイヤガイド部（８ａ）
、タイル（１６）等の重量、または公知のワイヤ電極供
給装置等の付属品の取り付けの有無によって決定される
。

Ｚ軸の上昇中または下降中においては、タイル（１Ｂ）
のリニアガイドとの摺動抵抗や、ビニオンギア（１４）
、ギア（１５）による伝達効率に係わる力の損失のため
、上昇方向または下降方向に等速移動中は、停止中の電
流値Ｉｓに対し摩擦力に相当するある一定電流Ｉｆを加
減した電流値となる。

また、Ｚ軸上界・下降の起動、停止の過渡状態では加速
度の発生、及び静止摩擦に打ち勝つ力を発生するため、
等速移動中の電流値に対し前述のオーバーシュートｌｊ
が見られる。

Ｚ軸が障害物に衝突した場合は、サーボコントローラ（
２２）の出力に対し移動方向から反力を受け、軸の推進
が急激に妨げられるため、パルスジェネレータ（１２）
のパルス数が定常移動時の値より減少してポジションコ
ントローラ（２１）に送出される。

このためポジションコントローラ（２１）内では移動量
指令値とＺ軸の実際の移動量との偏差を格納する偏差カ
ウンタの内容が増大する。したがって、ポジションコン
トローラ（２１）からサーボコントローラ（２２）へ送
出される速度指令値も増大し、毎回の演算処理において
速度指令値の増大が繰り返されるため、モータ（１０）
の電流値は直線的に増大していく。

次に、本実施例装置における負荷算出装置の動作を第３
図のフローチャートに基づき第１図及び第２図をも参照
しながら説明する。先ず、Ｚ軸が静止している場合、負
荷算出装置ｆ　（２４）は、ＮＣ制御装置（２０）から
ポジションコントローラ（２１）に移動量の指令が送出
されていないか、すなわちＺ軸は静止中であるか否かを
判別しくステップ１）、静止中であればモータ電流検出
回路（２３）にてサーボコントローラ（２２）からモー
タ（１０）に送られるモータ電流値Ｉｒを順次計測しく
ステップ２）、図示しないレジスタ１〜レジスタｎにシ
フトさせて順次格納し、次いで、レジスタ１からレジス
タｎまでのデータをすべて加算した後、これをレジスタ
の個数ｎで除算してモータ電流の平均値を求め（ステッ
プ３）、求めた平均値Ｉｍを図示しないメモリ内に格納
する。以上の動作をＺ軸の静止中に常に繰り返す。

次に、ステップ１にてＺ軸が起動したと判断した場合、
負荷算出装置（２４）は、ＮＣ制御装置（２０）からポ
ジションコントローラ（２１）に移動量が初めて指令さ
れてからｍ番目のデータが送出されたか否かを判断しく
ステップ４）、ｍ番目のデータが送出されていないなら
ばＮ　ＯＰ　（Ｎｏ　０ｐｅｒａｔｉｏｎ）をかけ（ス
テップ５）、データを参照しないようにし、次いでＺ軸
が停止したか否かを判断しくステップ６）、停止してい
なければステップ４に戻る。以上の動作をｍ番目のデー
タが送出されるまで繰り返す。また、ステップ６にてＺ
軸が停止したと判断すると、ステップ１に処理を移す。

次に、ステップ４にてｍ番目のデータが送出されたと判
断した場合、負荷算出装置（２４）は、モータ電流検出
回路（２３）にてサーボコントローラ（２２）からモー
タ（１０）に送られるモータ電流値１ｒを逐次計測しく
ステップ７）、Ｚ軸が上昇中であるかを判断しくステッ
プ８）、上昇中であると判断されると以下の処理を行う
。

すなわち、モータ電流の計測値ｌ「は、モータ（１０）
のある一定負荷トルクに相当する電流値Ｉｓを設定し、
Ｚ軸が上昇する回転方向に電流を正とすると、上昇中は
Ｉｇ＋＋Ｉｓと比較しくステップ９）、しきい値ＩＲＩ
がＩＲＩ≧Ｉｍ＋Ｉｓでなければ、つまりＩＲＩ＜１厘
＋Ｉｓの場合は正常と判定してステップ６に処理を移し
、ＩＲＩ≧Ｉｓ−＋ｌｓと判断した場合は衝突と判断す
る。

また、ステップ８にて下降中であると判断された場合は
ｌ５−Ｉｓと比較しくステップ１０）　、Ｌきい値ＩＲ
２がＩＲ２≦ｌｍ−ｌ５でなければ、っまりＩＲ２＞ｌ
５−Ｉｓの場合は正常と判定してステップ６に処理を移
し、ＩＲ２≦ｌ５−Ｉｓと判断した場合は衝突と判断す
る。

ステップ９又はステップ１０にて衝突と判断すると、ア
ラーム信号を送出しくステップ１１）、以後のＺ軸移動
指令を停止させ（ステップ１２）、処理を終了する。

電流値Ｉｓの値はできうる限り小さい方がより小さな衝
突に伴う負荷を検出できるが、Ｚ軸が定常移動中のモー
タ電流は、リニアガイドの摺動抵抗のバラ付きやギアの
噛み合い、モータ、ボールネジの取り付は精度のバラ付
きにより一定の変動が存在するため、これを加味して決
定される。例えば、電流値Ｉｓを０．５　Ａに設定した
場合、モータ電流値と軸推力の関係式Ｑは下式で表され
る。

Ｑ−２π・η・Ｔｍ／Ｌ・・・・・・・・・・・・・・
■ここで、Ｔｍはモータの出力トルクである。

また、モータの出力トルクＴｌｌは下式で表される。

Ｔｍ　−Ｋｔ−Ｉｍ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・■ここでボールネジ側とモータ側のギア比η−
５、ボールネジのリードＬ−０，５ｃｘｎ、モータのト
ルク定数Ｋｔ　＝２．０　ｋｇ−ｃｍ／　Ａを式■■に
代入すると、Ｑ−６２，１１１（ｋｇｆ）が得られ、即
ち軸が移動中に衝突し軸推進方向の負荷が約８２．８ｋ
ｇ　ｆに至った時、Ｚ軸の衝突を判定し軸の移動が停止
されることを示す。

次に、Ｚ軸が移動中から停止する場合は、Ｚ軸への移動
量指令が減少しはじめた時、または移動量指令が消滅し
た時に、ステップ６では停止を判別し、それ以後１番目
の移動量指令が送出されるまでは、データを参照しない
ようにする。

以上の実施例では軸の加減速時の電流を参照しない期間
として、移動量指令の変化が開始されてから、単位時間
に送出される移動量指令の回数がｍまたは１番目、即ち
単位時間の回数として設定されており、前述のオーバー
シュートの期間に見合った値が設定される。

なお、Ｚ軸が移動中に速度を変更する場合の加減速時に
も適応可能にするために、その移動量の指令が変更また
は、一定の値を越えて変化した時から、データ参照禁止
区間を設定する様にしてもよい。

また、移動量指令が変化している間をデータ参照禁止期
間としたり、移動量指令の変化率がある一定の値を越え
た時をデータ参照禁止区間としても良い。

更に、上述した実施例ではＺ軸が静止しているときは常
時モータ電流の値を計測し、平均値を求めているが、静
止時の電流は経時変化が殆どないことから、静止時のモ
ータ電流の計測、平均値の演算は、静止中の一定時間の
み行うか、ＮＣ制御装置への電源投入時に１回実施して
、電源遮断まで行わないか、あるいは固定データとして
メモリに格納して置く等としても良い。

また、検出レベルを決定する電流値Ｉｓは、移動速度に
応じて定常移動中の電流値も多少増減するため、移動速
度に応じて可変としても良く、更に位置決め軸に荷重が
かからない場合等は、計測値Ｉｒと電流値Ｉｓを比較し
判別するようにしても良い。

更にまた、上述した実施例では検出装置としてモータ電
流検出回路を用い、位置決め軸駆動モータへの出力電流
値を検出し、その検出結果に基づいて負荷算出装置が位
置決め軸の構成部材が障害物と衝突したことを検出する
ようにしたものを示したが、これに限るものでなく、例
えば検出装置としてモータ電圧検出回路を用い、位置決
め軸駆動モータへの出力電圧値を検出し、その検出結果
に基づいて負荷算出装置が位置決め軸の構成部材が障害
物と衝突したことを検出するようにしても良い。

また、上述した実施例において過負荷と判定した場合に
、その後自動的にある一定距離を後退移動してから停止
したり、ポジションコントローラ（２１）の移動量指令
値とＺ軸の実際の移動量との偏差を格納する偏差カウン
タの内容を消去したり、誤差信号の出力を禁止するなど
、衝突を判定した後はそれ以上軸が移動しない制御等を
行うことは好ましく、このようにすることによって更に
信頼性が向上する。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、位置
決め軸移動中に、加減速時を除いて位置決め軸駆動モー
タの電流値または電圧値を検出して過負荷判定するよう
にしたので、軸の加減速に伴うモータ電流のオーバーシ
ュートに無関係に軸が受ける負荷の判別しきい値を設定
でき、従来より大幅に小さな負荷が検出可能となり、工
作物や機械構成部材の変形、破損を未然に防止すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る工作機械の位置決め軸
制御装置の制御回路を示すブロック図、第２図はその位
置決め軸動作中のモータ電流を説明する説明図、第３図
は本発明における負荷算出装置の動作を説明するフロー
チャート、第４図は従来の工作機械の一例であるワイヤ
放電加工装置の構成を示す外形図、第５図は第４図のワ
イヤ放電加工装置の２軸駆動装置を詳細に示す断面図、
第６図は従来の２軸駆動装置の制御回路を示すブロック
図、第７図は従来の位置決め軸動作中のモータ電流を説
明する説明図である。 図において、（１）は工作物、（６）は２軸駆動装置、
（７）は加工ヘッド、（１０）はモータ、（１３）はボ
ールネジ（位置決め軸）　、（２３）はモータ電流検出
回路（検出装Ｗ）　、（２４）は負荷算出装置である。 なお、 各図中、 同一符号は同−又は相当部分を 示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加工ヘッド、工具、工作物等を移動し位置決めする工作
   機械の位置決め軸制御装置において、位置決め軸駆動モ
   ータへの出力電流値または電圧値を検出する検出装置と
   、位置決め軸の加減速時を除いて、上記検出装置の検出
   結果から軸移動中におけるモータの負荷トルクの増大を
   算出し、位置決め軸の構成部材が障害物と衝突したこと
   を検出する負荷算出装置とを設けたことを特徴とする工
   作機械の位置決め軸制御装置。