數字控制單元的製作方法
2023-10-23 01:18:42
專利名稱：數字控制單元的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及用於工具機的數字控制單元，更具體地說，涉及具有用於在機械加工操作期間，監視刀具驅動源上的負載的負載監視功能的數字控制單元。
背景技術：
在工具機領域中，已經提出了在機械加工操作期間，檢測作用於工具機上的切削阻力作為施加到用於轉動刀具的主軸或用於進給刀具的進給軸上的負載，以及根據負載的大小控制主軸或進給軸的操作，以便防止刀具斷裂的各種方法。一般來說，由於連續使用，刀具的刀刃將被磨損，以及最後將被折斷。在刀具的邊緣被磨損的情況下，在工件上由該刀具切削期間，施加到相應的刀具主軸或刀具進給軸上的負載將增加。因此，通過監視刀具主軸或刀具進給軸的驅動源上的負載、當負載增加超出預定參考值時判斷刀具斷裂易於發生，從而迅速採取措施，諸如停止驅動源來防止不期望的刀具斷裂。
例如，日本未審專利公開(Kokai)No.7-51991(JP7-51991A)公開了數控工具機中的防止刀具斷裂系統，其中，估算作用於轉動刀具的主軸以及進給刀具的進給軸的至少一個之上的擾動轉矩(disturbancetorque)，將所估算的擾動轉矩(或者，通過將主軸和進給軸的兩個估算的外部轉矩組合獲得的合成擾動轉矩)與預定參考轉矩進行比較，以及基於比較結果，降低刀具的進給速度，停止刀具進給，或輸出刀具更換命令。在這一系統的一個實施例中，在對有關比較結果進行判斷後，可以採取兩級措施，因為所估算(或合成的)擾動轉矩與大和小兩個預定參考轉矩(均處於異常負載可檢測水平)比較，以及在所估算的擾動轉矩位於這兩個參考轉矩之間的情況下，降低刀具進給軸的進給速度，以及在所估算的擾動轉矩超出較大的參考轉矩時，停止刀具進給或輸出刀具更換命令。
如在JP7-5199A中所公開的，在監視負載轉矩以便防止刀具斷裂的傳統方法中，預定作為相對於被監視負載轉矩的比較值的參考值處於異常負載可檢測水平(例如，該值相應於由刀具產生的負載轉矩，該刀具的磨損程度已經達到恰好在刀具斷裂之前的水平)。同時，上述傳統的方法構造成監視施加在主軸或進給軸上的負載轉矩，用於防止刀具斷裂，並且不監視刀具切削工件的狀態。在這一連接中，在切削期間作用在刀具上的切削阻力在刀具或工具機中出現某種異常時有時會瞬間暫時增加。在這種情況下，切削阻力增加的區域內切削表面精度趨向於局部劣化。然而，如果由於這種切削異常導致的主軸或進給軸上的負載增加未達到用於防止刀具斷裂預定的參考值，則傳統方法難以檢測這種切削異常。
一般來說，刀具磨損隨同刀具的使用逐步持續產生，以及作用在刀具上的切削阻力隨同磨損的發展而增加。在刀具為新(即磨損程度很低)的情況下，切削阻力很小，從而作用在主軸或進給軸上的負載也很小。在這種低磨損狀態中，當切削異常發生時，作用在主軸或進給軸上的暫時增加的負載將很少達到預定的用於防止刀具斷裂的參考值，因此，傳統方法難以檢測局部地降低機械加工精度的切削異常。換句話說，刀具的連續使用導致磨損發展以及作用在刀具上的切削阻力逐步增加，從而，如果判斷標準是固定的，則通過作用在主軸或進給軸上的負載大小，難以判斷正常切削狀態和異常切削狀態。
發明內容
因此，本發明的目的是提供具有能檢測切削異常的負載監視功能的數字控制單元。
為實現上述目的，本發明提供用於工具機的數字控制單元，包括用於監視電動機上的負載的負載監視部件；用於識別當前刀具磨損程度的磨損識別部件；用於存儲分別對應於預定的多個刀具磨損程度的多個預設的極限負載值的存儲部件；用於根據存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值來計算對應於在該磨損識別部件中識別的所述當前刀具磨損程度的當前極限負載值的計算部件；以及比較部件，用於將在該負載監視部件中監視到的、該電動機上的負載與在該計算部件中計算的該當前極限負載值進行比較，以及用於判斷該負載的異常。
在上述數字控制單元中，該磨損識別部件可以通過使用從刀具使用次數、刀具的切削持續時間、刀具的切削距離以及機械加工程序執行的次數中選擇的一個參數來識別該當前刀具磨損程度。
同樣，該負載監視部件可以在機械加工程序的某一過程中，監視該負載的最大值、平均值和最小值中的至少一個。
在這一配置中，存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值的每一個可以是該負載的預設的上限值，以及該比較部件可以將在該負載監視部件中監視到的該負載的最大值與基於多個預設的上限值在該計算部件中計算的該當前負載極限值進行比較。
同樣，存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值的每一個可以是該負載的預設的上限平均值，以及，該比較部件可以將在該負載監視部件中監視到的該負載的該平均值與基於多個預設的上限平均值在該計算部件中計算的該當前極限負載值進行比較。
另外，存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值的每一個可以是該負載的預設的下限平均值，以及，該比較部件可以將在該負載監視部件中監視到的該負載的該平均值與基於多個預設的下限平均值在該計算部件中計算的該當前極限負載值進行比較。
此外，存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值的每一個可以為該負載的預設的下限值，以及，該比較部件可以將在該負載監視部件中監視到的該負載的該最小值與基於多個預設的下限值在該計算部件中計算的該當前極限負載值進行比較。
從下述結合附圖的優選實施例的描述，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將變得更顯而易見，其中圖1是表示根據本發明的數字控制單元的基本原理的框圖；圖2是表示根據本發明的一個實施例的數字控制單元的硬體的具體結構的框圖；圖3是表示在圖2的數字控制單元中執行的負載監視處理例程的流程圖；圖4是表示在用於防止刀具斷裂的傳統方法中，在受控電動機中的極限負載值和負載曲線之間的關係的示例說明；以及圖5是表示在根據本發明的數字控制單元中，在受控電動機中的當前極限負載值和負載曲線之間的關係的示例說明。
具體實施例方式
下面，將參考附圖詳細地描述本發明的實施例。在這些圖中，用共同的標記表示相同或相似的元件。
參考附圖，圖1表示根據本發明的數字控制單元的基本原理的框圖。根據本發明的數字控制單元10包括用於監視電動機上的負載的負載監視部件12，用於識別當前刀具磨損程度的磨損識別部件14，用於存儲分別對應於預定的各種刀具磨損程度的多個預定極限負載值的存儲部件16，用於基於存儲在存儲部件16中的多個預定極限負載值，計算對應於在磨損識別部件14中識別的當前刀具磨損程度的當前極限負載值的計算部件18，以及比較部件20，用於將在負載監視部件12中監視的、電動機上的負載與在計算部件18中計算的當前極限負載值比較，以及用於判斷有關負載的異常性。
圖2表示根據本發明的一個實施例的數字控制單元100的硬體的結構。數字控制單元100包括構成上述磨損識別部件14、計算部件18和比較部件20的CPU(中央處理單元)30，以及構成上述存儲部件16的CMOS(互補金屬氧化物半導體)存儲器32。數字控制單元10還包括作為其他基本元件的ROM(只讀存儲器)34、RAM(隨機存取存儲器)36、PMC(可編程機控制器)38、多個控制電路40、42、44、46和多個放大器48、50、52和54。
CPU 30通過總線56讀出存儲在ROM 34中的系統程序，並根據該系統程序全面地指令數字控制單元100。RAM 36存儲通過顯示/MDI(多文檔界面)單元58，由操作員輸入的臨時計算數據、顯示數據和各種數據。CMOS存儲器32存儲經接口60讀入的機械加工程序和通過顯示/MDI單元58輸入的機械加工程序，以及存儲用於檢測切削異常的負載監視程序，如後所述。CMOS存儲器32由未示出的電池維持並構造為非易失性存儲器，即使當切斷數字控制單元100的電源時，也能維持其存儲狀態。接口60構成與用於輸入機械加工程序或各種數據的外部裝置的連接。
根據存儲在ROM 34中的序列程序，PMC 38通過I/O單元64將各信號輸出到工具機(例如致動器，諸如刀具更換機械手)的輔助設備62，以便控制該輔助設備62。另外，PMC 38接收在工具機(未示出)的主體中提供的控制面板中各種開關的信號，執行必要的信號處理，此後將信號發送到CPU 30。
顯示/MDI單元58是具有鍵盤、由液晶、CRT(陰極射線管)等等構成的顯示器的手動數據輸入設備，並通過接口66連接到總線56上。X軸、Y軸和Z軸控制電路40、42、44由處理器、存儲器等等構成，其從CPU 30接收用於各個軸的移動命令，以及將用於各個軸的行進信號輸出到相應的伺服放大器48、50、52。伺服放大器48、50、52具有在移動命令基礎上操作的X軸、Y軸和Z軸伺服馬達68、70、72。各個軸的伺服馬達68、70、72包括在此未示出的位置/速度檢測器，各個軸的控制電路40、42、44根據來自位置/速度檢測器的位置/速度反饋信號執行位置/速度的反饋控制。
用類似的方式，主軸控制電路46也由處理器、存儲器等等構成，其從CPU 30接收主軸旋轉命令，並將主軸速度信號輸出到主軸放大器54。主軸放大器54具有根據旋轉命令以指定旋轉速度操作的主軸馬達74。根據主軸馬達74設置位置編碼器76。位置編碼器76與主軸馬達74同步地將反饋脈衝反饋到主軸控制電路46，由此主軸控制電路60根據該反饋脈衝執行旋轉速度的反饋控制。
根據本發明的一個實施例的數字控制單元100除如上所述的用於工具機的基本運動控制外，還具有監視各個馬達上的負載以便檢測切削異常性的功能。下面將描述數字控制單元100的切削異常性檢測功能。
所示例的實施例的數字控制單元100包括安裝在主軸控制電路46中的擾動估算觀測器78。該擾動估算觀測器78是用於估算作用在主軸馬達74上的負載轉矩的軟體，在例如1999年8月10授予Iwashita等的U.S.專利No.5,936,369中公開了該觀測器的可適用的一個，其教導在此引入以供參考。因此，在數字控制單元100中，其中安裝有擾動估算觀測器78的主軸控制電路46構成如上所述的負載監視部件12，其監視主軸馬達74上的負載。因此，根據由擾動估算觀測器78估算的負載轉矩CPU 30執行後面將描述的過程，以便檢測切削異常性。
另一方面，構成磨損識別器部件14(圖1)的CPU 30將都與刀具有關的使用次數、切削持續時間、切削距離或機械加工程序執行的次數用作用來識別當前刀具磨損程度的參數。在基本上不改變刀具的單位使用次數(定義為從刀具安裝在主軸上到被另一刀具更換的周期，即單次使用)中刀具的切削的持續時間和距離的情況下，可以將刀具的使用次數(即，通過刀具更換將刀具安裝在主軸上的次數)用作該參數。在這種情況下，可以與刀具的使用次數一一對應地確定刀具的磨損程度，以便CPU 30能根據刀具使用的累積次數，識別當前刀具磨損程度。另外，在通過使用特定刀具重複執行相同的機械加工程序的情況下，可以與機械加工程序的執行次數一一對應地確定刀具的磨損程度。因此，在這種情況下，CPU 30能通過將刀具的機械加工程序的執行次數用作參數來識別當前刀具磨損程度。此外，刀具切削的每個持續時間和距離與刀具的磨損程度具有一對一的對應關係，而與機械加工程序的內容無關。因此，CPU 30能通過將刀具切削的持續時間或距離用作參數來識別當前刀具磨損程度。
構成存儲部件16(圖1)的CMOS存儲器32具有在其中準備的適當的刀具文件。因此，在通過CPU 30執行切削異常檢測處理前，經由顯示/MDI單元58，通過使用從上述各種參數選擇的所需參數，對於在可由數字控制單元100控制的工具機中可用的各種刀具中的每一個，將當前刀具磨損程度存儲在CMOS存儲器32的刀具文件中(即寫入累計寄存器)。同時，對於各種刀具中的每一個，當多個預定極限負載值分別對應於各個預定刀具磨損程度時，還存儲在機械加工程序中的某些部分或過程(例如，由刀具執行切削的過程)期間，作用在主軸馬達74上的負載轉矩的最大值的極限值(即，預定上限值)、平均值的上下限值(即，預定上限和下限平均值)以及最小值的極限值(即預定下限值)。在這一配置中，通過在上述某一過程中，分別與預定的各個刀具磨損程度(即，使用次數、切削持續時間、切削距離或機械加工程序的執行次數)相應地確定主軸馬達74上的負載的最大值、平均值和最小值，以及通過設定這些最大值、平均值和最小值的極限值(即，有關電動機上負載異常的判斷參考值)，根據機械加工精確度的要求(諸如尺寸精度、形狀精度、表面精確)，通過實驗獲得這些設定的極限負載值。
當將刀具的使用次數用作用來識別當前刀具磨損程度的參數時，每次通過刀具更換將刀具安裝在主軸上時，將用於當前刀具磨損程度的累計寄存器的計數遞增「1」。類似地，對於用在機械加工程序中的所有刀具，當將刀具的機械加工程序的執行的次數用作用來識別當前刀具磨損程度的參數時，每次執行機械加工程序時，將用於當前刀具磨損程度的累計寄存器的計數遞增「1」。當將刀具的切削持續時間用作用來識別當前刀具磨損程度的參數時，累計所測量的切削持續時間並存儲在用於刀具的當前刀具磨損程度的累計寄存器中。類似地，當將刀具的切削距離用作用來識別當前刀具磨損程度的參數時，累計所測量的切削距離並存儲在用於刀具的當前刀具磨損程度的累計寄存器中。
圖3是由數字控制單元100的CPU 30執行的負載轉矩監視和切削異常檢測過程的流程圖。在執行切削程序期間，數字控制單元100的CPU 30以預定時間間隔重複地執行在這一流程圖中示出的過程，以便允許測量負載轉矩的瞬時值。應注意，所示例說明的流程圖用於上述實施例，其中，與施加在主軸馬達74上的負載轉矩相關地監視主軸馬達74(圖2)，以便通過檢測主軸上的異常負載轉矩來檢測切削異常，從而將刀具使用次數用作用來識別當前刀具磨損程度的參數。因此，如上所述，在通過刀具更換將刀具安裝在主軸上時，使得在CMOS存儲器32中的刀具文件中提供的用於當前刀具磨損程度的累計寄存器的計數(即，相對於所安裝刀具存儲的使用次數)遞增「1」，以及刀具的當前刀具磨損程度(即，使用次數的累計值)被更新。
首先，在步驟S1中，在機械加工程序的某一部分或過程(例如通過刀具執行切削的過程)期間，從擾動估算觀測器78讀取由安裝在主軸控制電路46中的擾動估算觀測器78(圖2)估算的主軸74上的負載轉矩T。然後，例如，用下述方式，確定在該特定過程中讀取的負載轉矩T的最大值Tmax、平均值Tav以及最小值Tmin。
特別地，預先準備用於合計所讀取的負載轉矩T的寄存器S、用於計數讀取次數的寄存器C、用於保存最大值Tmax的寄存器Rmax以及用於保存最小值Tmin的寄存器Rmin。每次讀取負載轉矩T時，將轉矩值到合計寄存器S，以及使計數寄存器C遞增「1」。對寄存器Rmax和Rmin分別賦予由寄存器大小而定的零和最大值作為初始值，每次讀取負載轉矩T時，將所讀取的轉矩值與寄存器Rmax和Rmin的數值進行比較。如果所讀取的轉矩值大於Rmax的數值，則用所讀取的轉矩值替換Rmax的數值，而如果所讀取的轉矩值低於Rmin的數值，則用所讀取的轉矩值代替Rmin的數值。結果，當在某一過程中完成讀取主軸馬達74上的負載轉矩T時，將在這一部分中負載轉矩T的最大值Tmax存儲在寄存器Rmax以及將最小值Tmin存儲在寄存器Rmin中。同時，通過將存儲在合計寄存器S中的轉矩之和除以存儲在計數寄存器C中的計數，確定負載轉矩T的平均值Tav(步驟S1)。
接著，在步驟S2，從刀具文件中的累計寄存器讀取當前刀具磨損程度(或當前使用次數)，以及從該刀具文件讀出分別對應於高於和低於所讀取的當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的預定刀具磨損程度(或預定使用次數)的負載轉矩的兩個預定的上限值。然後，對這些預定上限值進行內插以便計算對應於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的當前最大負載轉矩的極限負載值(或當前上限值)。例如，如果用Mr表示當前使用次數，用MA表示低於並最接近於當前使用次數Mr的預定使用次數，用TAu表示相應於預定使用次數MA的預定上限值，用MB表示高於並最接近當前使用次數Mr的預定使用次數，以及用TBu表示相應於預定使用次數MB的預設的上限值，通過下述方程式1計算相應於當前使用次數Mr的當前上限值TruTru＝TAu+{(Mr-MA)·(TBu-TAu)/(MB-MA)}…(1)如果累計寄存器中的當前刀具磨損程度(當前使用次數)等於預定刀具磨損程度(預定使用次數)中的任何一個(例如Mr＝MA)，則將對應於這一預定使用次數的預設的上限值(例如TAu)用作當前上限值(例如Tru)，如將從方程式1所理解的。
然後，在步驟S3，將在步驟S1中確定的負載轉矩的最大值Tmax與在步驟S2中計算的當前上限值Tru進行比較，以便判斷是否滿足Tmax≤Tru。如果負載轉矩最大值Tmax超出當前上限值Tru(即，Tmax＞Tru)，例程進入步驟S8，發出表示出現切削異常的警告，於是完成負載轉矩監視和切削異常檢測過程。
另一方面，如果負載轉矩最大值Tmax不超出當前上限值Tru(即，負載轉矩最大值Tmax正常)，例程進入步驟S4。在步驟S4中，從刀具文件讀取分別相應於高於和低於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的預定刀具磨損程度(或預定使用次數)的負載轉矩的兩個預設的上限平均值。然後，對這些預設的上限平均值進行內插以便計算相應於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的平均負載轉矩的當前上限負載值(或當前上限平均值)。用相同的方式，在步驟S4中，讀出負載轉矩的兩個預設的下限平均值，並對其進行內插以便計算相應於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的平均負載轉矩的當前下限負載值(或當前下限平均值)。例如，如果用TAavu表示相應於低於並最接近於當前使用次數Mr的預定使用次數MA的預設的上限平均值，用TBavu表示相應於高於並最接近於當前使用次數Mr的預定使用次數MB的預設的上限平均值，用TAavd表示相應於預定使用次數MA的預設的下限平均值，以及用Tbavd表示相應於預定使用次數MB的預設的下限平均值，則分別通過下述方程式2和3計算相應於當前使用次數Mr的當前上限平均值Travu和當前下限平均值TravdTravu＝TAavu+{(Mr-MA)·(TBavu-TAavu)/(MB-MA)} …(2)Travd＝TAavd+{(Mr-MA)·(TBavd-TAavd)/(MB-MA)} …(3)如果累計寄存器中的當前刀具磨損程度(當前使用次數)等於預定刀具磨損程度(預定使用次數)中的任何一個(例如，Mr＝MA)，則將相應於這一預定使用次數的預設的上限平均值(例如TAavu)和預設的下限平均值(例如，TAavd)分別用作當前上限平均值(例如Travu)和當前下限平均值(例如Travd)，如將從方程式2和3所理解的。
然後，在步驟S5中，將在步驟S1中確定的負載轉矩平均值Tav與在步驟S4中計算的當前上限平均值Travu和當前下限平均值Travd進行比較，以便判斷是否滿足Travd≤Tav≤Travu。如果負載轉矩平均值Tav不在當前上限平均值Travu和當前下限平均值Travd之間的範圍內(即，Tav＞Travu或Tav＜Travd)，例程進入步驟S8，發出表示發生切削異常的警告，於是完成負載轉矩監視和切削異常檢測過程。
另一方面，如果負載轉矩平均值Tav未超出當前上限平均值Travu以及不低於當前下限平均值Travd(即，負載轉矩平均值Tav正常)，則例程進入步驟S6。在步驟S6中，從刀具文件讀出分別相應於高於和低於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的預定刀具磨損程度(或預定使用次數)的負載轉矩的兩個預設的下限值。然後，對這些預設的下限平均值進行內插以便計算相應於當前刀具磨損程度(或當前使用次數)的最小負載轉矩的當前極限負載值(或當前下限值)。例如，如果用TAd表示相應於低於並最接近於當前使用次數Mr的預定使用次數MA的預設的下限值，用TBd表示相應於高於並最接近於當前使用次數Mr的預定使用次數MB的預設的下限值，則通過下述方程式計算相應於當前使用次數Mr的當前下限值TrdTrd＝TAd+{(Mr-MA)·(TBd-TAd)/(MB-MA)} …(4)如果累計寄存器中的當前刀具磨損程度(當前使用次數)等於預定刀具磨損程度(預定使用次數)中的任何一個(例如Mr＝MA)，則將對應於這一預定使用次數的預設的下限值(例如TAd)用作當前下限值(例如Trd)，如將從方程式4中所理解到的。
然後，在步驟S7，將在步驟S1中確定的負載轉矩的最小值Tmin與在步驟S6中計算的當前下限值Trd進行比較，以便判斷是否滿足Tmin＜Trd。如果負載轉矩最小值Tmin低於當前下限值Trd(即Tmin＜Trd)，例程進入步驟S8，發出表示出現切削異常的警告，於是結束負載轉矩監視和切削異常檢測過程。另一方面，如果負載轉矩最小值Tmin不低於當前下限值(即，負載轉矩最小值Tmin正常)，則判定在這一特定過程中沒有出現切削異常，於是完成負載轉矩監視和切削異常檢測過程。
如上所述，在數字控制單元100中，通過相對於與各個刀具磨損程度一致地離散地預設的負載轉矩的預設的上限值、預設的上限平均值、預設的下限平均值以及預設的下限值分別進行的內插，在機械加工程序的某一部分或過程中計算相應於當前刀具磨損程度的負載轉矩的當前上限值、當前上限平均值、當前下限平均值和當前下限值的比較。此後，鑑於分別與當前上限值、當前上限/下限平均值以及當前下限值的比較，判斷是否可允許在擾動估算觀測器78的估算值的基礎上確定的負載轉矩的最大值、平均值和最小值，如果不允許，則斷定已經發生切削異常，以及輸出警告。
圖4和圖5通過舉例，分別表示在用於防止刀具斷裂的傳統方法中，在受控電動機(主軸馬達)中極限負載值(上限值Tu』)和負載曲線之間的關係，以及根據本發明的數字控制單元100中受控電動機(主軸馬達)中的當前極限負載值(當前上限值Tru)和負載曲線之間的關係。如圖4所示，在傳統方法中，作為判斷出現刀具斷裂的參考值的上限值Tu』是恆定的(在異常負載可檢測水平)，並且對於一個刀具，在根據刀具使用次數(刀具磨損程度)遞增，主軸馬達上的負載轉矩逐步增加達到上限值Tu』時的瞬間，用新的刀具更換該刀具。與此相反，在圖5所示的數字控制單元100的負載轉矩監視和切削異常檢測過程中，確定分別對應於當前刀具使用次數(刀具磨損程度)1至n的當前上限值Tlu至Tnu，以便根據刀具磨損程度，改變作為判斷出現切削異常的參考值的當前上限值Tru，如曲線Q所示。然後，對於一個刀具，在根據刀具使用次數的遞增主軸馬達上的負載轉矩逐步增加達到當前上限值的最大值Tnu的瞬間，用新的刀具代替該刀具。
在這種情況下，將考慮這種情形，即在由一個刀具重複執行機械加工操作期間，在刀具使用次數相對低的情況下，檢測對在某一過程中的最大負載來說異常大的負載轉矩Tx。這種異常負載會導致機械加工精確度的局部惡化。在這種情況下，在圖4所示的傳統方法中，異常負載轉矩Tx通常低於上限值Tu』，從而不能檢測異常負載，於是在假定切削正常進行的情況下繼續機械加工。
與此相反，在圖5所示的數字控制單元100的處理中，在出現異常負載轉矩Tx的瞬間，異常負載轉矩Tx通常超出相應於刀具使用次數的當前上限值Tru(在曲線Q中)，以便發出表示出現異常的警告，從而可以立即採取措施，諸如停止機械加工。另外，儘管在圖5中未出，但在數字控制單元100中，對於某一過程中的平均值和最小值，將隨刀具磨損程度而改變的當前上限/下限平均值和當前下限值確定為判斷出現切削異常的參考值。因此，在刀具使用次數相對低的條件下檢測對某一過程的平均負載來說異常高的負載轉矩的情況中，這種異常的負載轉矩通常超出相應於出現該異常負載轉矩的瞬間刀具使用次數的當前上限平均值，以便可以啟動表示出現異常，即，機械加工精度惡化的警告。另一方面，在檢測對某一過程中的平均或最小負載來說異常低的負載轉矩的情況下，這種異常負載轉矩通常小於相應於出現異常負載轉矩的瞬間刀具使用次數的當前下限平均值或當前下限值，根據這一結果，也可以發出表示出現異常的警告。這種異常低的負載轉矩表示在出現異常負載轉矩的瞬間刀具的刀刃斷裂，以便可以停止該機械加工以及用新的刀具更換該刀具。
如從上述說明可以理解到的，根據本發明，即使在刀具磨損程度相對低的初始階段，也可以檢測會導致機械加工精度惡化的切削異常，以及採取措施以便例如，操作員觀察其後的刀具狀況，如果他判斷可以連續機械加工則連續執行機械加工，或者，如果他判斷不可以連續機械加工，則立即更換刀具。因此，防止產生具有惡化的機械加工精度的工件，從而提高工件的合格率。另外，根據本發明，可以檢測表示刀具斷裂的切削異常，而與刀具磨損程度無關，以便可以避免由斷裂的刀具連續機械加工會導致的裝置損壞這一缺點。
在上述實施例中，在某一過程中負載轉矩的最大值、平均值和最小值均被監視，以便檢測異常負載或切削異常。然而，代替上述結構，本發明可以構造成監視從某一過程中的負載轉矩的最大值、平均值和最小值中選擇的一個或兩個所需值以便檢測切削異常。同時，在監視某一過程中的平均負載轉矩的情況下，當前上限平均值和當前下限平均值中的任何一個能被用作判斷切削異常的參考。
另外，在上述實施例中，用於控制主軸馬達74的主軸控制電路46具有擾動估算觀測器78，以及使用擾動估算觀測器78來監視作用在主軸馬達74上的負載。然而，代替提供擾動估算觀測器78，本發明也可以構造成通過監視流過主軸馬達上的驅動電流，或通過另外安裝專用於測量的轉矩傳感器，直接測量作用在主軸馬達上的負載轉矩。
此外，在上述實施例中，通過監視作用在主軸馬達74上的負載轉矩來檢測切削異常。另一方面，代替此種配置，本發明可以構造成通過監視作用在用於刀具進給軸的X軸、Y軸和Z軸的伺服馬達68、70、72上的負載轉矩來檢測切削異常。通過這一配置，擾動估算觀測器分別安裝在可操作地控制X軸、Y軸和Z軸伺服馬達68、70、72的軸控制電路40、42、44中，以及使用這些擾動估算觀測器來監視作用在各個伺服馬達上的負載轉矩。另外，如上所述，可通過監視流過各馬達的驅動電流，或通過另外地安裝專用於測量的轉矩傳感器，直接測量作用在各個馬達上的負載轉矩。
在監視作用在X軸、Y軸和Z軸伺服馬達68、70和72上的負載轉矩的情況下，通過將作用在各個伺服馬達上的負載轉矩組合獲得的合成負載轉矩也可以用於判斷切削異常。通過這一配置，也可以執行基本上與圖3中所示的過程相同的過程，除了將在步驟S1中讀取的主軸馬達上的負載轉矩改變為合成負載轉矩，以及稍微改變刀具文件中的預設的極限負載值以外。可替換地，如果需要簡化切削異常檢測過程，可以使用作用在X軸、Y軸和Z軸伺服馬達68，70，72上的負載轉矩中的最大負載轉矩，以代替在圖3的步驟S1中讀取的主軸馬達上的負載轉矩。
另外，代替監視所有刀具進給軸上的負載轉矩，可以根據機械加工程序的內容監視所需的一個或兩個刀具進給軸上的負載轉矩。更具體地說，在具有在其縱向方向中進給的刀具的機械加工中，諸如鑽孔或開孔，僅監視Z軸上的負載轉矩就足夠了。而在具有在與其縱軸相交的方向中進給的刀具的機械加工中，諸如通過立銑刀的端面或外周表面切削，則監視X軸和Y軸上的負載轉矩是很有利的。
儘管已經參考特定的優選實施例描述了本發明，但本領域的技術人員將理解，在不背離下述權利要求書的精神的範圍的情況下，可以做出各種改變和改進。
權利要求
1.一種用於工具機的數字控制單元，包括用於監視電動機上的負載的負載監視部件；用於識別當前刀具磨損程度的磨損識別部件；用於存儲分別對應於預定的多個刀具磨損程度的多個預設的極限負載值的存儲部件；計算部件，用於基於存儲在所述存儲部件中的所述多個預設的極限負載值，計算對應於在所述磨損識別部件中識別的所述當前刀具磨損程度的當前極限負載值；以及比較部件，用於將在所述負載監視部件中監視到的所述電動機上的負載與在所述計算部件中計算的所述當前極限負載值進行比較，以及用於判斷所述負載的異常。
2.如權利要求1所述的數字控制單元，其特徵在於，所述磨損識別部件通過使用從刀具使用次數、刀具的切削持續時間、刀具的切削距離以及機械加工程序執行次數中選擇的一個參數來識別所述當前刀具磨損程度。
3.如權利要求1所述的數字控制單元，其特徵在於，所述負載監視部件在機械加工程序的某一過程中，監視所述負載的最大值、平均值和最小值中的至少一個。
4.如權利要求3所述的數字控制單元，其特徵在於，存儲在所述存儲部件中的所述多個預設的極限負載值的每一個是所述負載的預設的上限值，以及，所述比較部件將在所述負載監視部件中監視到的所述負載的所述最大值與基於多個預設的上限值在所述計算部件中計算的所述當前極限負載值進行比較。
5.如權利要求3所述的數字控制單元，其特徵在於，存儲在所述存儲部件中的所述多個預設的極限負載值的每一個是所述負載的預設的上限平均值，以及，所述比較部件將在所述負載監視部件中監視到的所述負載的所述平均值與基於多個預設的上限平均值在所述計算部件中計算的所述當前極限負載值進行比較。
6.如權利要求3所述的數字控制單元，其特徵在於，存儲在所述存儲部件中的所述多個預設的極限負載值的每一個是所述負載的預設的下限平均值，以及，所述比較部件將在所述負載監視部件中監視到的所述負載的所述平均值與基於多個預設的下限平均值在所述計算部件中計算的所述當前極限負載值進行比較。
7.如權利要求3所述的數字控制單元，其特徵在於，存儲在所述存儲部件中的所述多個預設的極限負載值的每一個是所述負載的預設的下限值，以及，所述比較部件將在所述負載監視部件中監視到的所述負載的所述最小值與基於多個預設的下限值在所述計算部件中計算的所述當前極限負載值進行比較。
全文摘要
一種數字控制單元，具有用於在機械加工操作期間監視刀具驅動源上的負載的負載監視功能。數字控制單元包括用於監視電動機上的負載的負載監視部件；用於識別當前刀具磨損程度的磨損識別部件；用於存儲分別對應於預定多個刀具磨損程度的多個預設的極限負載值的存儲部件；用於基於存儲在該存儲部件中的該多個預設的極限負載值，計算對應於在該磨損識別部件中識別的該當前刀具磨損程度的當前極限負載值的計算部件；以及用於將在該負載監視部件中監視到的該電動機上的負載與在該計算部件中計算的該當前極限負載值進行比較，以及用於判斷該負載的異常的比較部件。
文檔編號G05B19/18GK1550287SQ20041000685
公開日2004年12月1日 申請日期2004年2月20日 優先權日2003年2月21日
發明者井上道也, 石井一 申請人:發那科株式會社