工具機控制裝置的製作方法

2023-10-07 19:29:04 1

專利名稱：工具機控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對加工中心等工具機進行控制的工具機控制裝置。
背景技術：
已知抑制加工工件時的消耗電能的裝置。在特開平6-161535號公報 (JP6-161535A)記載的裝置中，延長軸進給用伺服電動機的加速時間，降低所需要的電流的 最大值，由此抑制消耗電能。 但是，在這種工具機中，在加工工件時不僅驅動軸進給用電動機，還同時驅動切削液 供給用液壓泵等以恆定的功率進行動作的設備。因此，如JP6-161535A中記載的裝置那樣， 在延長軸進給用伺服電動機的加速時間的結構中，循環時間增長，上述設備的消耗電能增 加，難以把整個工具機的消耗電能抑制到最佳。

發明內容
根據本發明的一個形式，工具機的控制裝置具備第一消耗電能計算單元，其計算進 給軸驅動用電動機的消耗電能；第二消耗電能計算單元，其計算以恆定的功率進行動作的 設備的消耗電能；以及電動機控制單元，其根據第一消耗電能計算單元計算出的消耗電能 和第二消耗電能計算單元計算出的消耗電能的總和，決定與進給軸驅動用電動機的加速時 間以及減速時間中的至少一方具有相對關係的目標時間常數，根據該目標時間常數控制進 給軸驅動用電動機。


本發明的目的、特徵以及優點，通過與附圖關聯的以下的實施方式的說明會進一 步明了。附圖中，圖1是概要地表示應用本發明的實施方式的控制裝置的工具機的全體結構的圖。圖2是表示本發明的實施方式的控制裝置的結構的框圖。圖3是表示加工程序的一例的時序圖。圖4A是表示加工程序的圖形的圖。圖4B是表示與圖4A不同的加工程序的圖形的圖。圖5是表示通過本發明的實施方式的控制裝置而得到的加減速時間常數和循環 時間以及總消耗電能的關係的圖。圖6是表示在圖1的控制器中執行的處理的一例的流程圖。圖7是表示圖5的變形例的圖。圖8是表示通過本發明的變形例的控制裝置設定時間常數時的係數的關係的圖。
具體實施例方式以下，參照圖1 圖8說明本發明的實施方式。圖1是概要地表示應用了本發明實施方式的控制裝置的工具機的全體結構的圖。圖1所示的工具機，是在鉛直方向上配置了主軸的、所謂的立式的加工中心。通過主 軸電動機IOs對主軸進行旋轉驅動，通過主軸電動機IOs的驅動，對刀具11進行旋轉驅動。 刀具11是立銑刀(end mill)、銑刀(cutter)、鑽頭(drill)等切削刀具或者磨削刀具，以 可以裝卸的方式安裝在主軸頭12上。在刀具11的下方橫向設置工作檯13，在工作檯13上 固定了工件14。在工作檯13上，經由螺母15螺栓結合了滾珠螺杆16。通過進給軸電動機IOf對 滾珠螺杆16進行旋轉驅動，通過進給軸電動機IOf的驅動，工作檯13在水平方向(例如XY 方向)上移動。雖然省略了圖示，但在主軸側也設置了與之相同的進給機構，通過進給軸電 動機IOf的驅動，主軸頭12在上下方向上(Z方向)移動。即，在工具機上對應於正交3軸的 進給軸的方向(XYZ方向)設置多個進給軸電動機IOf，通過這些進給軸電動機IOf的驅動， 工件14相對於刀具11進行相對移動。 主軸電動機IOs由AC主軸電動機構成，進給軸電動機IOf由AC伺服電動機構成。 這些電動機10s、10f通過經由放大器供給的來自電源的功率進行驅動。主軸驅動用電動機 IOs和進給軸驅動用電動機IOf的結構不限於此。來自電源的功率還被提供給供給切削液 的液壓泵等周邊設備17。該周邊設備17在工件14的加工過程中通過恆定的功率進行動作。通過控制器20控制主軸電動機IOs以及進給軸電動機IOf的驅動。控制器20包 含運算處理裝置，該運算處理裝置具有CPU、ROM、RAM、以及其它周邊電路等。在控制器20 上連接了輸入與工件14的加工相關的各種指令的輸入裝置31、以及根據由控制器20執行 的處理來顯示各種信息的顯示裝置32。輸入裝置31可以由鍵盤或觸摸板等構成。圖2是表示本發明實施方式的控制裝置的結構的框圖，主要表示了控制器20的內 部結構。數據設定部21根據來自輸入裝置31的指令，設定基於進給軸驅動的進給速度(目 標進給軸速度)vf或目標移動量X、主軸的旋轉速度(目標主軸速度)vs、初始的時間常數、 電動機固有的物理特性、主軸以及進給軸的摩擦力矩、周邊設備17單位時間內消耗的消耗 功率PO等各種數據，並且設定在加工程序中包含的數據。速度、移動量、時間常數等也可以 通過加工程序的形式來設定。還把目標進給軸速度vf和目標主軸速度vs分別稱為設定速 度。圖3是表示通過數據設定部21設定的加工程序的一例的時序圖。在圖中，把從加 工程序開始到加工程序結束為止的循環時間τ分為tl tl3來表示。當詳細描述圖3時， 從加工程序的開始起在時間tl後主軸進行驅動，在時間t2後主軸速度達到設定速度vs。 並且，在時間t3後，進給軸在一個方向上驅動，在時間t4後，進給軸速度達到設定速度vf。 此後，進給軸在以設定速度vf驅動了時間t5後進行減速，在時間t6後停止。並且，在時間 t7後，進給軸在相反方向上驅動，在時間t8後，進給軸速度達到設定速度-vf。此後，進給 軸在以設定速度-vf驅動了時間t9後進行減速，在時間tlO後停止。另一方面，主軸在時 間til後減速，在時間tl2後停止，在時間tl3後加工程序結束。在此例中，把進給軸的加速時間t4、t8和減速時間t6、tlO全部設定為相等的值， 並且把以設定速度vf、-vf進行驅動的時間(恆定速度時間)t5、t9也設定為互相相等的 值。將主軸的加速時間t2和減速時間tl2也設定為互相相等的值。
以下，把進給軸速度達到設定速度Vf之前所需的時間定義為加減速時間常數tf， 將主軸速度達到設定速度VS之前所需的時間設定為加減速時間常數ts。在圖3的例子中， 加減速時間常數tf與加減速時間t4、t6、t8、tlO相等，加減速時間常數ts與加減速時間 t2、tl2相等。有時將加減速時間常數tf、ts簡稱為時間常數。如後所述，考慮工具機全體的 消耗電能來決定加減速時間常數tf、ts。
當使用加減速時間常數tf、ts時，進給軸的加速度af成為vf/tf，主軸的加速度 as成為vs/ts。即，加速度af、as是以加減速時間常數tf、ts為參數的變量。圖3的加減 速時間t2、t4、t6、t8、tlO、tl2與恆定速度時間t5、t9，根據加減速時間常數tf、ts來決 定，與之相對，其它時間tl、t3、t7、til、tl3預先被設定為固定時間。圖2的加減速時間計算部22，使用來自數據設定部21的數據，如下那樣分別計算 進給軸以及主軸的加減速時間tfl、tsl。恆定速度旋轉時間計算部23，使用來自數據設定 部21和加減速時間計算部22的數據，如下那樣分別計算進給軸以及主軸的恆定速度時間 tf2、ts2。當使用進給軸的加速度af(mm/SeC2)、移動量X(mm)、設定速度vf(mm/SeC)時，如 圖4A所示，可以通過下面的式子(I)分別求出進給軸速度達到設定速度vf時，即移動量X 大，X > vf2/af時的進給軸的加減速時間tfl以及恆定速度時間tf2。tfl = vf/aftf2 = X/vf-vf/af (I)另一方面，如圖4B所示，當進給軸速度未達到設定速度Vf時，即移動量X小， X ^ vf2/af時的進給軸的加減速時間tfl和進給軸的最高速度vfl，可以通過下面的式子 (II)來分別求出。tfl = sqrt (X/af)vfl = sqrt (X 『 af) (II)當使用主軸的加速度as(rad/sec2)、設定速度vs (rad/sec)時，主軸的加減速時間 tsl可以通過下面的式(III)求出。tsl = vs/as (III)可以通過把循環時間T內的進給軸的加減速時間tfl、恆定速度時間tf2、以及預 定的固定時間(圖3的t3、t7、tll)相加，來求出主軸的恆定速度時間ts2。在圖2的循環時間計算部24中，根據來自加減速時間計算部22和恆定速度旋轉 時間計算部23的信號，加法計算加工的循環時間T (圖3的tl tl3)。在計算循環時間T 時，考慮預定的加工程序。在圖3的例子中，例如通過將主軸以及進給軸的加減速時間tfl、 tsl ；進給軸的恆定速度時間tf2 ；固定時間(tl、t3、t7、tll、tl3)相加，或者將主軸的加減 速時間tsl、主軸的恆定速度時間ts2、以及固定時間(tl，tl3)相加，可以求出循環時間Τ。在第一消耗電能計算部25中，根據來自數據設定部21、加減速時間計算部22和恆 定速度旋轉時間計算部23的信號，如下那樣預測各電動機10f、10s的消耗電能。作為電動 機固有的物理特性，設進給軸電動機IOf的線圈電阻(一相)為R(Q)、轉矩常數為Kt (Nm/ Α)、負載慣量為J(kgm2)、設定速度vf中的進給軸電動機IOf的轉速為ω (rad/sec)、進給 軸的摩擦力矩為Tf(Nm)。此時，進給軸電動機IOf加速時的電流I(A)可以通過下面的式 (IV)求出。
I = (JX a)/Kt (IV)當作為電動機損失僅考慮了銅損時，進給軸電動機IOf的加速時的消耗電能 Ea(Ws)，可以使用加減速時間tfl通過下面的式(V)來求出。Ea = 1/2XJX co2+3XRXI2Xtfl= J · ω 2/2+ (3R · J2 · ω /Kt2) X a (V)當把表示再生運動能量的比例的係數設為Kr時，進給軸電動機IOf的減速時的消 耗電能Ed(Ws)可以通過下面的式(VI)求出。Ed = -1/2XJX co2XKr+3XRX I2Xtfl= -J · Kr · co2/2+(3R · J2 · ω/Kt2) Xa (VI)進給軸電動機IOf以恆定的速度進行旋轉時的消耗電能Ec可以使用恆定速度時 間tf2通過下面的式(VII)求出。Ec = TfX ω Xtf2+3XRX (Tf/Kt)2Xtf2= Tf · ω +tf2+3R · tf2 X (Tf/Kt)2 (VII)當在循環時間T內具有多個加減速以及恆定速度的區域時，將這些多個區域的各 個消耗電能相加即可，此時的進給軸電動機IOf的消耗電能Em可以通過下面的式(VIII) 求出。Em = Σ Ea+ Σ Ed+ Σ Ec (VIII)針對主軸電動機10s，也可以同樣地求出消耗電能Em。在第二消耗電能計算部26中，根據來自數據設定部21和循環時間計算部24的信 號，預測循環時間T內的周邊設備17的消耗電能EO (Ws)。在把周邊設備17消耗的功率設 為PO (W)時，消耗電能EO可以通過下面的式(IX)求出。EO = POXT (IX)在總消耗電能計算部27中，根據來自第一消耗電能計算部25和第二消耗電能計 算部26的信號，計算循環時間T內的工具機全體的總消耗電能E。在如本實施方式這樣存在 多個電動機的情況下，將各個電動機10f、10s的消耗電能Em相加即可，總消耗電能E可以 通過下面的式(X)求出。E=E Em+E0 (X)在加減速時間常數選擇部28中求出使總消耗電能E達到最小的目標時間常數ta。 圖5表示進給軸電動機IOf的加減速時間常數tf和循環時間T以及總消耗電能E的關係。 加減速時間常數選擇部28，預先在數據設定部21中決定的下限值tmin和上限值tmax之 間，以預定間隔△ t變更加減速時間常數tf，針對每個時間常數tf如上那樣計算總消耗電 能E和循環時間T，由此得到該圖。根據加工條件等，例如基於經驗等來決定tmin、tmax、 At0由圖可知，總消耗電能E成為向下凸出的特性，循環時間T成為右側上升的特性。由 該圖可以求出總消耗電能E達到最小的目標時間常數ta。針對主軸電動機IOs也可以同樣 地求出目標時間常數ta。在圖2的電 動機控制部29中，根據由加減速時間常數選擇部28求出的目標時間 常數ta控制各電動機的驅動。S卩，使用目標時間常數ta設定加減速時間tfl、tsl和恆定 速度時間tf2、ts2,計算出加減速圖形。進而，電動機控制部29根據計算出的加減速圖形 向各電動機10f、10s輸出控制信號，控制工件加工時的各電動機10f、10s的驅動。
圖6是表示由控制器20的CPU執行的處理、特別是與加減速時間常數tf、ts的設 定相關的處理的一例的流程圖。該流程圖所示的處理是在工件14的加工前進行的處理，例 如當通過輸入裝置31輸入了時間常數設定指令時開始。在初始狀態下，作為加減速時間常 數tf、ts而設定了下限值tmin。在步驟Sl中設定在加減速時間常數tf、ts的設定中所需的各種數據。這是數據 設定部21中的處理，作為設定的數據，為目標進給軸速度vf、目標移動量X、目標主軸速度 vs、電動機固有的物理特性(電動機的線圈電阻R、轉矩常數Kt、負載慣量J等)、主軸和進 給軸的摩擦力矩Tf、周邊設備17單位時間內消耗的消耗功率PO等。在步驟S2中，分析加工程序(圖3)，掌握應求出的加減速時間tfl、tsl和恆定速度時間tf2、ts2的變化的圖形(加工圖形)、即加工的順序、設定速度等。在步驟S3中，通過上述加減速時間計算部22中的處理，計算與加減速時間常數 tf、ts對應的各電動機10f、10s的加減速時間tfl、tsl。在這種情況下，如上所述，分為與 移動量X和Vf7af的大小對應的情況來計算加減速時間tfl、tsl。在步驟S4中，通過上述恆定速度旋轉時間計算部23中的處理，計算與加減速時間 常數tf、ts對應的各電動機10f、10s的恆定速度時間tf2、ts2。在步驟S5中，通過上述循環時間計算部24中的處理，計算與加減速時間常數tf、 ts對應的工件14的加工所需的循環時間T。將該循環時間T存儲在存儲器中。在步驟S6中，通過上述第一消耗電能計算部25中的處理，計算循環時間T內的各 電動機10f、10s的消耗電能Em(第一消耗電能)。在步驟S7中，通過上述第二消耗電能計算部26中的處理，計算循環時間T內的周 邊設備17的消耗電能EO (第二消耗電能)。在步驟S8中，通過上述總消耗電能計算部27中的處理，計算循環時間T內的工具機 全體的總消耗電能E。將該總消耗電能E存儲在存儲器中。在步驟S9中，判定加減速時間常數tf、ts是否為上限值tmax。當判定出不是上 限值tmax時，進入步驟S10。在步驟SlO中，對當前的加減速時間常數tf、ts加上預先決定的預定時間常數增 量At，將相加後的結果設定為新的加減速時間常數tf、ts，並返回步驟S3。使用該新的時 間常數tf、ts重複步驟S3 步驟S8的處理。在步驟S9中，當判定出時間常數tf、ts是上限值tmax時，進入步驟S11。在步驟 Sll中，使用在存儲器中存儲的總消耗電能E，通過上述加減速時間常數選擇部28中的處 理，選擇總消耗電能E達到最小的加減速時間常數tf、ts。然後，將選擇出的時間常數tf、 ts設定為目標時間常數ta，結束處理。例如，可以通過燈等的點亮來報知處理的結束。由 此，操作員可以在適當的時間開始工件14的加工。以下，對本實施方式的控制裝置的動作進行匯總。例如，在根據圖3的加工程序設 定目標時間常數ta時，首先，計算以時間常數tf、ts為參數的加減速時間tfl、ts2以及恆 定速度時間tf2、ts2，並且計算循環時間T (步驟S3 步驟S5)。接著，使用這些計算值計 算電動機10f、10s的消耗電能Em(步驟S6)。進而，使用循環時間T計算周邊設備17的消 耗電能EO (步驟S7)。在每次從下限值tmin到上限值tmax，通過預定的增量Δ t對時間常數tf、ts進行變更時進行這些計算，得到表示加減速時間常數tf、ts和總消耗電能E以及循環時間T的關係的特性(圖5)。根據該特性選擇總消耗電能E達到最小的時間常數tf、ts,並將其 設定為目標時間常數ta(步驟Sll)。使用該目標時間常數ta決定執行加工程序時的加減 速時間tfl、tsl以及恆定速度時間tf2、ts2。根據所決定的加減速時間tfl、tsl以及恆定 速度時間tf2、ts2，控制各電動機IOf、10s，進行工件14的加工。根據本實施方式可以起到以下的作用效果。(1)以加減速時間常數tf、ts作為參數，預測計算出電動機10f、10s的消耗電能 Em，並且對周邊設備17的單位時間內的消耗功率PO乘以循環時間T預測計算出周邊設備 17的消耗電能E0，設定使這些消耗電能Em、E0的總和即總消耗電能E達到最小的目標時間 常數ta，根據目標時間常數ta控制電動機10f、10s的加減速。由此，可以考慮工具機全體的 總消耗電能Em來最佳地控制電動機10f、10s的驅動。(2)以使總消耗電能E達到最小的方式控制電動機10f、10s，因此可以將消耗電能 E抑制到最小限度，可以最大限度地發揮節電的效果。在上述實施方式中，通過加減速時間常數選擇部28，以使總消耗電能E達到最小 的方式設定了目標時間常數ta，但時間常數的設定不限於此。例如，也可以如圖7所示設定 總消耗電能E的限制值Ea，把該限制值Ea內的時間常數Ata中的、循環時間T為最短的 時間常數設定為目標時間常數ta。由此，能夠在抑制消耗電能E的同時，以短的循環時間T 進行加工動作，可以高效地進行工件14的加工。還可以把表示加減速時間常數tf、ts與總消耗電能E的關係的函數設為f(t)，把 表示加減速時間常數tf、ts和循環時間T的關係的函數設為g(t)，把相加這些函數而得到 的函數設為p(t)，把P(t)達到最小的時間常數tf、ts設定為目標時間常數ta。此時，可以 使用係數kl、k2(>0)通過下面的式(XI)計算P(t)。P(t) = klXf (t) +k2Xg(t) (XI)關於上式(XI)的係數kl、k2，可以準備例如圖8所示的組合，根據目的來選擇某 一個。由此，可以改變總消耗電能E和循環時間T的權重，使P(t)成為最佳值。在圖5的 ta和圖7的ta之間，可以通過操作員選擇時間常數。與進給軸IOf相比，主軸電動機IOs在循環時間T內的恆定旋轉時間ts2的比例 大。考慮到這一點，在相對於恆定旋轉時間ts2可以忽視加減速時間tsl的情況下，可以把 主軸電動機IOs視為以恆定功率進行動作的設備，在作為第一消耗電能計算單元的第一消 耗電能計算部25中，僅計算進給軸電動機IOf的消耗電能Em。因此，可以在作為第二消耗 電能計算單元的第二消耗電能計算部26中，計算主軸電動機IOs的消耗電能Em，包含在周 邊設備的電能EO中。不僅是液壓泵或主軸電動機10s，還可以把以恆定功率進行動作的其 它設備(例如傳感器或燈等)包含在周邊設備17中。在本申請的進給軸驅動用電動機中， 不僅包含軸向的進給速度變化的進給軸電動機IOf，還包含旋轉進給速度變化的主軸電動 機 10s。在上述實施方式中，以使總消耗電能E達到最小的方式(圖5)、或者以在總消耗電 能E在設定值Ea以下的範圍內使循環時間T成為最短的方式(圖7)，控制電動機IOf、IOs 的加減速，但如果根據第一消耗電能Em和第二消耗電能EO的總和E決定目標時間常數ta， 根據該時間常數ta控制電動機10f、10s，則電動機控制單元的結構不限於此。也可以僅控制電動機10f、10s的加速或減速。在上述實施方式中，把進給軸速度以及主軸速度到達設定速度vf、vs 之前所需要 的時間作為加減速時間常數來計算第一消耗電能Em，但還可以使用與進給軸電動機10f的 加速時間以及減速時間的至少一方具有相對關係的其它時間常數來計算第一消耗電能Em。 根據循環時間T計算出第二消耗電能E0，但循環時間T的計算根據加工程序而不同。因此， 作為循環時間計算單元的循環時間計算部24的結構也不限於上述結構。在上述實施方式中，使用在數據設定部21中預先設定的各種數據，計算並預測與 加減速時間常數tf、ts對應的總消耗電能以及循環時間，但還可以實際地執行加工程序， 在總消耗電能以及循環時間的計算中使用實測數據。在以上的實施方式中，在加工中心中應用了本發明實施方式的控制裝置，但在具 有進給軸驅動用電動機的其它工具機中也可以同樣應用本發明的控制裝置。根據本發明，根據進給軸驅動用電動機的消耗電能和以恆定功率進行動作的設備 的消耗電能的總和，決定與進給軸驅動用電動機的加速時間以及減速時間的至少一方具有 相對關係的目標時間常數，根據該目標時間常數控制進給軸驅動用電動機，因此可以最佳 地抑制工具機全體的消耗電能。以上，與最佳實施方式相關聯地說明了本發明，但本領域技術人員應能理解，在不 超出後述的請求專利保護的範圍的公開範圍的情況下，可以進行各種修正以及變更。
權利要求
一種工具機控制裝置，其特徵在於，具備第一消耗電能計算單元(25)，其計算進給軸驅動用電動機的消耗電能；第二消耗電能計算單元(26)，其計算以恆定功率進行動作的設備的消耗電能；以及電動機控制單元(27；28；29)，其根據所述第一消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能和通過所述第二消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能的總和，決定與所述進給軸驅動用電動機的加速時間以及減速時間中的至少一方具有相對關係的目標時間常數，根據該目標時間常數控制所述進給軸驅動用電動機。
2.根據權利要求1所述的工具機控制裝置，其特徵在於，所述第一消耗電能計算單元將時間常數作為參數來計算所述消耗電能，所述電動機控制單元，根據該計算出的消耗電能控制所述進給軸驅動用電動機的加速 以及減速中的至少一方。
3.根據權利要求2所述的工具機控制裝置，其特徵在於，還具有計算工件的加工循環時間的循環時間計算單元(24)，所述第二消耗電能計算單元，根據由所述循環時間計算單元計算出的循環時間，預測 所述設備的消耗電能。
4.根據權利要求2所述的工具機控制裝置，其特徵在於，所述電動機控制單元，以所述第一消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能和所述第 二消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能的總和成為最小的方式，控制所述進給軸驅動 用電動機的加速以及減速中的至少一方。
5.根據權利要求3所述的工具機控制裝置，其特徵在於，所述電動機控制單元，以所述第一消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能和通過所 述第二消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能的總和成為最小的方式，控制所述進給軸 驅動用電動機的加速以及減速中的至少一方。
6.根據權利要求3所述的工具機控制裝置，其特徵在於，所述電動機控制單元，在所述第一消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能和所述第 二消耗電能計算單元計算出的所述消耗電能的總和為設定值以下的範圍內，以所述循環時 間計算單元計算出的所述循環時間成為最短的方式，控制所述進給軸驅動用電動機的加速 以及減速中的至少一方。
7.根據權利要求1 6的任意一項所述的工具機控制裝置，其特徵在於，所述設備是通過來自電源的功率驅動的液壓泵。
全文摘要
本發明提供一種工具機控制裝置，具備第一消耗電能計算部，其計算進給軸驅動用電動機的消耗電能；第二消耗電能計算部，其計算以恆定功率進行動作的設備的消耗電能；以及電動機控制部，其根據第一消耗電能計算部計算出的消耗電能、和第二消耗電能計算部計算出的消耗電能的總和，決定與進給軸驅動用電動機的加速時間以及減速時間中的至少一方具有相對關係的目標時間常數，根據該目標時間常數控制進給軸驅動用電動機。
文檔編號G05B19/416GK101866166SQ201010162669
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月16日 優先權日2009年4月17日
發明者巖下平輔, 手塚淳一, 置田肇 申請人:發那科株式會社