JPH0751996A - Cncの過剰負荷検出方式 - Google Patents

Cncの過剰負荷検出方式

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JPH0751996A
JPH0751996A JP19646293A JP19646293A JPH0751996A JP H0751996 A JPH0751996 A JP H0751996A JP 19646293 A JP19646293 A JP 19646293A JP 19646293 A JP19646293 A JP 19646293A JP H0751996 A JPH0751996 A JP H0751996A
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disturbance load
servo motor
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JP19646293A
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Takashi Nagatomi
隆志 永冨
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工作業中に工具や機械要素にかかる過剰負
荷を検出するCNCの過剰負荷検出方式において、工具
等の破損を確実に防止する。 【構成】 外乱負荷トルク推定手段1は、サーボモータ
63の速度信号X1zとサーボモータ63への電流指令
値U1zを基にして、サーボモータ63に働く外乱負荷
トルクYzを推定する。変化率演算手段2は、推定した
外乱負荷トルクYzの変化率αをサンプリング周期毎に
演算する。速度指令値制御手段3は、外乱負荷トルクY
zの変化率αが最も低い基準値α1を越えた場合には、
所定量M1だけサーボモータ63の回転を減速させる。
また、変化率αが基準値α1よりも大きい基準値α2を
越えた場合には、所定量M1よりも例えば2倍大きい所
定量M2だけサーボモータ63の回転を減速させる。さ
らに、変化率αが最も高い基準値α3を越えた場合に
は、サーボモータ63の回転を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はCNCの過剰負荷検出方
式に関し、特に加工作業中に工具や機械要素にかかる過
剰負荷を検出するCNCの過剰負荷検出方式に関する。
【0002】
【従来の技術】CNCで制御される工作機械では、加工
作業中に生じる異常負荷によって工具やその他の機械要
素が破損することがある。その破損を未然に防止するた
め、従来は、軸制御用のモータにかかる負荷トルクを検
出し、この負荷トルクが基準値を越えた場合には、モー
タの回転を減速または停止させるようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような技
術では、同じ基準値においてはモータの減速を負荷トル
クの変化量に係わらず一律に行っていたので、負荷トル
クが急激に増大して基準値を越えた場合には、すぐには
モータの回転を減速させることはできないため、負荷ト
ルクも直ぐには減少せず、工具等への負担を迅速に取り
除くことができないという問題点があった。
【0004】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、より確実に過剰負荷検出処理を行うことので
きるCNCの過剰負荷検出方式を提供することを目的と
する。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、加工作業中に工具や機械要素にかかる過
剰負荷を検出するCNCの過剰負荷検出方式において、
軸制御用のモータに働く外乱負荷トルクを推定する外乱
負荷トルク推定手段と、前記推定した外乱負荷トルクの
変化率を演算する変化率演算手段と、前記演算された変
化率に応じて前記モータの速度指令値を制御する速度指
令値制御手段と、を有することを特徴とするCNCの過
剰負荷検出方式が提供される。
【0006】
【作用】軸制御用のモータに働く外乱負荷トルクを外乱
負荷トルク推定手段により推定し、推定した外乱負荷ト
ルクの変化率を変化率演算手段により演算する。速度指
令値制御手段は、演算された変化率に応じてモータの速
度指令値を制御する。
【0007】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図2は本発明のCNCの機械要素寿命推定方式
を実施するための数値制御装置(CNC)のハードウェ
アのブロック図である。図において、10は数値制御装
置である。プロセッサ(CPU)11は、数値制御装置
10全体の制御の中心となるプロセッサであり、バス2
1を介して、ROM12に格納されたシステムプログラ
ムを読み出し、このシステムプログラムに従って、数値
制御装置10全体の制御を実行する。RAM13には一
時的な計算データ、表示データ等が格納される。RAM
13にはDRAMが使用される。CMOS14には、加
工プログラム及び各種パラメータ等が格納される。ま
た、CMOS14には、後述する基準値α1等が格納さ
れている。CMOS14は、図示されていないバッテリ
でバックアップされ、数値制御装置10の電源がオフさ
れても不揮発性メモリとなっているので、それらのデー
タはそのまま保持される。
【0008】インタフェース15は外部機器用のインタ
フェースであり、紙テープリーダ、紙テープパンチャ
ー、紙テープリーダ・パンチャー等の外部機器31が接
続される。紙テープリーダからは加工プログラムが読み
込まれ、また、数値制御装置(CNC)10内で編集さ
れた加工プログラムを紙テープパンチャーに出力するこ
とができる。
【0009】PMC(プログラマブル・マシン・コント
ローラ)16はCNC10に内蔵され、ラダー形式で作
成されたシーケンスプログラムで機械を制御する。すな
わち、加工プログラムで指令された、M機能、S機能及
びT機能に従って、これらをシーケンスプログラムで機
械側で必要な信号に変換し、I/Oユニット17から機
械側に出力する。この出力信号は機械側のマグネット等
を駆動し、油圧バルブ、空圧バルブ及び電気アクチュエ
ータ等を作動させる。また、機械側のリミットスイッチ
及び機械操作盤のスイッチ等の信号を受けて、必要な処
理をして、プロセッサ11に渡す。
【0010】グラフィック制御回路18は各軸の現在位
置、アラーム、パラメータ、画像データ等のディジタル
データを画像信号に変換して出力する。この画像信号は
CRT/MDIユニット25の表示装置26に送られ、
表示装置26に表示される。インタフェース19はCR
T/MDIユニット25内のキーボード27からのデー
タを受けて、プロセッサ11に渡す。
【0011】インタフェース20は手動パルス発生器3
2に接続され、手動パルス発生器32からのパルスを受
ける。手動パルス発生器32は機械操作盤に実装され、
手動で機械稼働部を精密に位置決めするのに使用され
る。
【0012】軸制御回路41〜43はプロセッサ11か
らの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアン
プ51〜53に出力する。サーボアンプ51〜53はこ
の移動指令を受けて、各軸のサーボモータ61〜63を
駆動する。Z軸の送りを制御するサーボモータ63に
は、位置検出用のパルスコーダ631が内蔵されてお
り、このパルスコーダ631から位置信号がパルス列と
して軸制御回路43にフィードバックされる。ここでは
図示されていないが、X軸の送りを制御するサーボモー
タ61、Y軸の送りを制御するサーボモータ62にも、
上記サーボモータ63と同様に位置検出用のパルスコー
ダが内蔵され、そのパルスコーダから位置信号がパルス
列としてフィードバックされる。場合によっては、位置
検出器として、リニアスケールが使用される。また、こ
のパルス列をF/V(周波数/速度)変換することによ
り、速度信号X1zを生成することができる。
【0013】軸制御回路43は、ここでは図示されてい
ないプロセッサを備えてソフトウェア処理を行い、その
一部にオブザーバ410を有している。オブザーバ41
0は、上記の速度信号X1z等を受けてサーボモータ6
3に働く外乱負荷トルクYzを推定する。その推定外乱
負荷トルクYzはプロセッサ11に送られる。その詳細
は後述する。
【0014】スピンドル制御回路71はスピンドル回転
指令及びスピンドルのオリエンテーション等の指令を受
けて、スピンドルアンプ72にスピンドル速度信号を出
力する。スピンドルアンプ72はこのスピンドル速度信
号を受けて、スピンドルモータ73を指令された回転速
度で回転させる。また、オリエンテーション指令によっ
て、所定の位置にスピンドルを位置決めする。
【0015】スピンドルモータ73には、歯車あるいは
ベルトでポジションコーダ82が結合されている。また
は、スピンドルモータ73内部にポジションコーダ82
が結合されている。従って、ポジションコーダ82はス
ピンドルモータ73に同期して回転し、帰還パルスを出
力し、その帰還パルスはスピンドル制御回路71にフィ
ードバックされる。このパルス列をF/V(周波数/速
度)変換することにより、速度信号X1sを生成するこ
とができる。
【0016】スピンドル制御回路71は、上記軸制御回
路43と同様に、ここでは図示されていないプロセッサ
を備えてソフトウェア処理を行い、その一部にオブザー
バ710を有している。オブザーバ710は、上記の速
度信号X1s等を受けてスピンドルモータ73に働く外
乱トルクYsを推定する。その推定外乱負荷トルクYs
は、上記の推定外乱負荷トルクYzと同様に、プロセッ
サ11に送られる。
【0017】プロセッサ11は、これらの推定外乱負荷
トルクYz,Ysを受けて、所定のソフトウェアによっ
て後述する寿命管理処理を行う。図3は外乱負荷トルク
を推定するためのオブザーバのブロック図である。ここ
で、外乱負荷トルクは、切削負荷トルク、重力軸の重力
負荷トルク、機構部の摩擦トルク等の外乱負荷トルクを
含むものであり、サーボモータの全トルクから加減速の
ための加減速トルクを除いたものである。
【0018】このブロック図に示した処理は、上述した
ように、軸制御回路43のオブザーバ410及びスピン
ドル制御回路71のオブザーバ710において実行され
る。オブザーバ410及び710は、同一の構成を有し
ているので、ここではオブザーバ410について説明
し、オブザーバ710の説明は省略する。
【0019】図において、電流指令値U1zは、上述し
たプロセッサ11からの移動指令を受けてサーボモータ
63に出力されるトルク指令値であり、要素401に入
力されてサーボモータ63を駆動する。サーボモータの
出力トルクには演算要素402において、外乱負荷トル
クX2が加算される。演算要素402の出力は要素40
3によって、速度信号X1zとなる。ここで、Jはサー
ボモータ63のイナーシャである。
【0020】一方、電流指令値U1zはオブザーバ41
0に入力される。オブザーバ410は電流指令値U1z
とサーボモータ63の速度X1zから、外乱負荷トルク
を推定する。なお、ここではサーボモータ63の速度制
御については省略し、外乱負荷トルクを推定するための
演算のみを説明する。電流指令値U1zは要素411で
(Kt/J)をかけ、演算要素412へ出力される。演
算要素412では、後述する演算要素414からの帰還
信号を加え、さらに、演算要素413で演算要素415
からの帰還信号を加算する。演算要素412及び413
の出力単位は加速度である。演算要素413の出力は積
分要素416に入力され、サーボモータ63の推定速度
XX1として出力される。
【0021】推定速度XX1と実速度X1zとの差を演
算要素417で求め、それぞれ、演算要素414及び4
15に帰還する。ここで、比例要素414は比例定数K
1を有する。比例定数K1の単位はsec-1である。ま
た、積分要素415にも積分定数K2を有する。積分定
数の単位はsec-2である。
【0022】ここで、積分要素415の出力(XX2/
J)は図より、以下の式で求められる。 (XX2/J)=(X1z−XX1)・(K2/S) =(X2/J)・〔K2/(S2 +K1・S+K2)〕 したがって、極が安定するように定数K1,K2を選択
すると上記の式は、以下の式となる。
【0023】(XX2/J)≒(X2/J) XX2≒X2 すなわち、外乱負荷トルクX2をXX2で推定できる。
ただし、積分要素415の出力は推定外乱負荷トルクX
X2をJで除した推定加速度(XX2/J)であり、比
例要素420によって、電流値に変換される。ただし、
トルク表示をするために、この電流値を推定外乱負荷ト
ルクYzで表示する。ここで、Jは先の要素403のJ
と同じサーボモータ63のイナーシャであり、Ktは要
素401のトルク定数と同じである。Aは係数であり、
1以下の数値であり、推定加速度(XX2/J)を補正
するための係数である。このように、オブザーバ410
を用いてサーボモータ63の外乱負荷トルクYz(X
2)が推定できる。
【0024】スピンドルモータ73の外乱負荷トルクY
sも、同様にしてオブザーバ710を用いて推定でき
る。この場合、オブザーバ710は、電流指令値U1s
とスピンドルモータ73の速度信号X1sから外乱負荷
トルクYsを推定する。電流指令値U1sは、プロセッ
サ11からのスピンドル回転指令を受けてスピンドルモ
ータ73に出力されるトルク指令値である。
【0025】これらの推定外乱負荷トルクYz及びYs
は勿論、推定値であるが、以後のこれらの推定外乱負荷
トルクYz,Ysを外乱負荷トルクとして説明する。図
1はこのような構成を有するCNC10による過剰負荷
検出方式の概念図である。ここでは、穴空け加工を例と
して説明する。サーボモータ63はボールネジ64を回
転させてスピンドルモータ73に接続された主軸ヘッド
74のZ軸方向での位置および送り速度を制御する。サ
ーボモータ63の速度信号X1zは、軸制御回路43の
外乱負荷トルク推定手段(オブザーバ410)1に入力
される。
【0026】スピンドルモータ73の主軸ヘッド74に
は、ドリル75が取り付けられている。スピンドルモー
タ73の回転によって、ドリル75はワーク91を加工
する。スピンドルモータ73の速度信号X1sは、軸制
御回路71の外乱トルク推定手段(オブザーバ710)
4に入力される。
【0027】外乱負荷トルク推定手段1は、サーボモー
タ63の速度信号X1zとサーボモータ63への電流指
令値U1zを基にして、サーボモータ63に働く外乱負
荷トルクYzを推定する。変化率演算手段2は、推定し
た外乱負荷トルクYzの変化率αをサンプリング周期毎
に演算する。速度指令値制御手段3は、演算された変化
率αに応じてモータの速度指令値を制御する。速度指令
値制御手段3は、外乱負荷トルクYzがドリル75やボ
ールネジ64等に対して過剰なものであるか否かの判断
を行うための基準値α1,α2,α3を記憶保持してい
る。
【0028】速度指令値制御手段3は、外乱負荷トルク
Yzの変化率αを基準値α1,α2,α3と常時比較す
る。そして、変化率αが最も低い基準値α1を越えた場
合には、所定量M1だけサーボモータ63の回転を減速
させる。また、変化率αが基準値α1よりも大きい基準
値α2を越えた場合には、所定量M1よりも例えば2倍
大きい所定量M2だけサーボモータ63の回転を減速さ
せる。さらに、変化率αが最も高い基準値α3を越えた
場合には、サーボモータ63の回転を停止させる。ま
た、場合に応じて他のサーボモータ61,62、および
スピンドルモータ73の回転も停止させる。
【0029】このような速度指令値の制御を行う一方
で、速度指令値制御手段3は、外乱負荷トルクYzの変
化率αの状態を表示装置26等で表示してオペレータに
知らせる。
【0030】一方、外乱負荷トルク推定手段4は、スピ
ンドルモータ73の速度信号X1sとスピンドルモータ
73への電流指令値U1sを基にして、スピンドルモー
タ73に働く外乱負荷トルクYsを推定する。変化率演
算手段5は、推定した外乱負荷トルクYsの変化率βを
サンプリング周期毎に演算する。速度指令値制御手段6
は、演算された変化率βに応じてモータの速度指令値を
制御する。速度指令値制御手段6は、外乱負荷トルクY
sがドリル75や内部のベアリング等に対して過剰なも
のであるか否かの判断を行うための基準値β1,β2,
β3を記憶保持している。
【0031】速度指令値制御手段6は、外乱負荷トルク
Ysの変化率βを基準値β1,β2,β3と常時比較す
る。そして、変化率βが最も低い基準値β1を越えた場
合には、所定量N1だけサーボモータまたはスピンドル
モータ73の回転を減速させる。また、変化率βが基準
値β1よりも大きい基準値β2を越えた場合には、所定
量N1よりも例えば2倍大きい所定量N2だけサーボモ
ータまたはスピンドルモータ73の回転を減速させる。
さらに、変化率βが最も高い基準値β3を越えた場合に
は、スピンドルモータ73の回転を停止させる。また、
場合に応じて他のサーボモータ61から63の回転も停
止させる。
【0032】このような速度指令値の制御を行う一方
で、速度指令値制御手段6は、速度指令値制御手段3と
同様に外乱負荷トルクYsの変化率βの状態を表示装置
26等で表示してオペレータに知らせる。
【0033】図4は外乱負荷トルクの時間変化を示す図
であり、(A)は正常な加工状態のときの外乱負荷トル
クYzの時間変化を示す図、(B)は異常な加工状態の
ときの外乱負荷トルクYzの時間変化を示す図である。
外乱負荷トルクYzは、サンプリング周期T毎に推定さ
れ、新しく外乱負荷トルクYzが推定さると、その変化
率αが算出される。例えば図(A)において、時刻t1
での外乱負荷トルクYz値がd1、時刻t2での外乱負
荷トルクYz値がd2であったとすると、このときの変
化率αaは、 αa=(d2−d1)/(t2−t1) =D1/T となる。図(A)は正常な加工状態のときの特性である
ので、αa=D1/Tは常に基準値α1以下である。
【0034】一方、図(B)において、時刻t3と時刻
t4との間の外乱負荷トルクYzの変化率αbは、 αb=(d4−d3)/(t4−t3) =D2/T となる。図に示すように、D2=d4−d3はD=d2
−d1よりも明らかに大きい。したがって、変化率αb
も変化率αaよりも当然大きくなる。この変化率αaが
基準値α1,α2,α3のいずれかより大きければ、上
述したような減速または停止処理が施される。
【0035】なお、外乱負荷トルクYsについても同様
の処理が施される。図5はこのような過剰負荷検出方式
を行うためのプロセッサ側での処理手順を示すフローチ
ャートである。なお、ここでは、サーボモータ63の制
御についての例を示す。 〔S1〕オブザーバ410で推定された外乱負荷トルク
Yzを読み取る。 〔S2〕外乱負荷トルクYzの変化率αを演算する。 〔S3〕変化率αが最低の基準値α1以下であるか否か
を判断し、基準値α1以下であればステップS9に進
み、そうでなければステップS4に進む。
【0036】〔S4〕変化率αが最大の基準値α3より
も大きいか否かを判断し、大きければステップS5に進
み、そうでなければステップS6に進む。 〔S5〕少なくともサーボモータ63の動作を停止す
る。 〔S6〕変化率αが中間値の基準値α2よりも大きいか
否かを判断し、大きければステップS7に進み、そうで
なければステップS8に進む。 〔S7〕サーボモータ63の回転を大きく減速させる。 〔S8〕サーボモータ63の回転を小さく減速させる。 〔S9〕外乱負荷トルクYzの変化状態を表示する。
【0037】なお、スピンドルモータ73についても基
本的な手順の流れはほぼ同一である。このように、本実
施例では、外乱負荷トルクYz等の変化率αを計算し、
その変化率αを基準値α1,α2,α3と比較して軸制
御用のサーボモータ63等の速度指令値を減速制御する
ようにしたので、外乱負荷トルクが異常値に達する前に
その変化を察知することができ、モータの減速制御の応
答性を高めることができる。このため、工具等の破損を
より確実に防止することができる。
【0038】なお、本実施例では、基準値をサーボモー
タ63およびスピンドルモータ73についてそれぞれ3
個ずつ設けたが、この個数については設計に応じてその
都度変更することができる。
【0039】また、本実施例では、オブザーバ410等
で推定された外乱負荷トルクYz等に基づく寿命推定演
算をプロセッサ11によって行う例を示したが、この他
にも、PMC16や、図示されていない外部装置によっ
て行うようにしてもよい。
【0040】また、本実施例では、サーボモータ63お
よびスピンドルモータ73に連結された各機械要素の寿
命推定を行う例を示したが、他のサーボモータ61およ
び62についても同様の手順により寿命推定を行うこと
ができる。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、軸制御
用のモータに働く外乱負荷トルクを推定し、その外乱負
荷トルクの変化率を演算し、その変化率に応じてモータ
の速度指令値を制御するようにしたので、外乱負荷トル
クが異常値に達する前にその変化を察知することがで
き、モータの減速制御の応答性を高めることができる。
このため、工具等の破損をより確実に防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】CNCによる過剰負荷検出方式の概念図であ
る。
【図2】本発明の工具破損防止方式を実施するための数
値制御装置(CNC)のハードウェアのブロック図であ
る。
【図3】本発明に係るオブザーバのブロック図である。
【図4】外乱負荷トルクの時間変化を示す図であり、
(A)は正常な加工状態のときの外乱負荷トルクの時間
変化を示す図、(B)は異常な加工状態のときの外乱負
荷トルクの時間変化を示す図である。
【図5】過剰負荷検出を行うためのプロセッサ側での処
理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1,4 外部負荷トルク推定手段 2,5 変化率演算手段 3,6 速度指令値制御手段 10 数値制御装置(CNC) 11 プロセッサ(CPU) 14 CMOS 16 PMC 43 軸制御回路 53 サーボアンプ 63 Z軸サーボモータ 64 ボールネジ 71 スピンドル制御回路 72 スピンドルアンプ 73 スピンドルモータ 74 主軸ヘッド74 82 ポジションコーダ 91 ワーク 410,710 オブザーバ 631 パルスコーダ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加工作業中に工具や機械要素にかかる過
    剰負荷を検出するCNCの過剰負荷検出方式において、 軸制御用のモータに働く外乱負荷トルクを推定する外乱
    負荷トルク推定手段と、 前記推定した外乱負荷トルクの変化率を演算する変化率
    演算手段と、 前記演算された変化率に応じて前記モータの速度指令値
    を制御する速度指令値制御手段と、 を有することを特徴とするCNCの過剰負荷検出方式。
  2. 【請求項2】 前記速度指令値制御手段は、大きさの異
    なる複数個の所定値を有し、前記変化率が前記所定値の
    いずれかを越えると前記越えた所定値の大きさに応じて
    前記モータの出力を下げるように構成されていることを
    特徴とする請求項1記載のCNCの過剰負荷検出方式。
  3. 【請求項3】 前記速度指令値制御手段は、前記変化率
    が最大の所定値を越えた場合には前記モータを停止させ
    るように構成されていることを特徴とする請求項2記載
    のCNCの過剰負荷検出方式。
  4. 【請求項4】 前記速度指令値制御手段は、前記変化率
    に応じて前記工具や機械要素にかかる過剰負荷の状態を
    外部に表示する指令を行うように構成されていることを
    特徴とする請求項1記載のCNCの過剰負荷検出方式。
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