(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、
前記加工の前後に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャを比較し、加工後に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、加工前に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャよりも減少していれば、主軸に取り付けられた前記工具に折れが発生したと判定する工具折れ判定手段と、
を備えたことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の工具異常検出装置において、
前記工具折れ判定手段が、
前記主軸の回転の加速時を前記加工前とし、前記主軸の回転の減速時を前記加工後として、前記イナーシャ検出手段により検出された主軸のイナーシャを比較する
ことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項３】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、
該イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、前記主軸の回転中に変動しているときには前記工具のクランプ異常が発生していると判定するクランプ異常判定手段
を備えたことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項４】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、
該イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、工具を前記主軸に取り付けていない状態でのイナーシャと略同じときには工具が前記主軸に取り付けられていないと判定する無工具判定手段
を備えたことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項５】
複数の工具の中から所望の工具を主軸に取り付け該主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、
予めイナーシャを測定した工具を前記主軸に取り付けた際に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャと、主軸を回転中に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャとを比較した結果、両イナーシャが異なっていれば、誤った工具が主軸に取り付けられていると検出する工具判定手段
を備えたことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の工具異常検出装置において、
前記工作機械が、前記主軸の回転速度をサーボにより制御するものである
ことを特徴とする工具異常検出装置。
【請求項７】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出方法において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出すると共に、前記加工の前後に検出されたイナーシャを比較し、加工後に検出されたイナーシャが、加工前に検出されたイナーシャよりも減少していれば、前記主軸に取り付けられた工具に折れが発生したと判定することを特徴とする工具異常検出方法。
【請求項８】
請求項７に記載の工具異常検出方法において、
前記主軸の回転の加速時を前記加工前とし、前記主軸の回転の減速時を前記加工後として、前記イナーシャを比較することを特徴とする工具異常検出方法。
【請求項９】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出方法において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、前記工具が取り付けられた前記主軸のイナーシャを検出し、その検出したイナーシャが前記主軸の回転中に変動しているときには前記工具のクランプ異常が発生していると判定することを特徴とする工具異常検出方法。
【請求項１０】
工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出方法において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の主軸のイナーシャを検出し、その検出したイナーシャが、工具を前記主軸に取り付けていない状態でのイナーシャと、略同じときには工具が前記主軸に取り付けられていないと判定することを特徴とする工具異常検出方法。
【請求項１１】
複数の工具の中から所望の工具を主軸に取り付け該主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出方法において、
少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出すると共に、その検出したイナーシャを、予めイナーシャを測定した工具を前記主軸に取り付けた際に検出されたイナーシャと比較した結果、両イナーシャが異なっていれば誤った工具が前記主軸に取り付けられていると検出することを特徴とする工具異常検出方法。
【請求項１２】
請求項７から１１のいずれかに記載の工具異常検出方法において、
前記工作機械が、前記主軸の回転速度をサーボにより制御するものであることを特徴とする工具異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械に使用される工具異常検出装置、および工具異常検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械において、工具が折れる（工具の折損または単に折損ともいう）などの異常が発生したか否かは、その工作機械に予め設けられたタッチセンサに主軸に取り付けられた工具を触れさせることにより判定していた。すなわち、工具折れが発生していると、タッチセンサに工具が触れないので、これにより「工具折れが発生した」と判定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術によれば、工具折れを判定するためにタッチセンサが必要であり、しかも工具折れを判定するための時間を、加工時間とは別に確保する必要がある。
【０００４】
これとは異なる判定方法として、加工中にコントローラが発生させるトルク波形を監視し、工具折れの際に発生する波形の乱れを検出することにより工具折れを検出する技術がある。こうするとタッチセンサは必要ないものの、加工中に主軸に加わる様々な外乱によるノイズ波形と、本来検出すべき工具折れによる波形の乱れとの区別が困難という課題がある。
【０００５】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、加工負荷の影響を全く受けることなく、工具折れ等の異常が発生したか否かを判定することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
かかる課題を解決するためになされた請求項１に記載の本発明は、工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、前記加工の前後に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャを比較し、加工後に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、加工前に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャよりも減少していれば、前記工具に折れが発生したと判定する工具折れ判定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
このように構成された工具異常検出装置によれば、加工負荷の影響を全く受けることなく、工具折れが発生したか否かを判定することができる。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の工具異常検出装置において、前記工具折れ判定手段が、前記主軸の回転の加速時を前記加工前とし、前記主軸の回転の減速時を前記加工後として、前記イナーシャ検出手段により検出された主軸のイナーシャを比較するものであることを特徴とする。
【０００８】
このように構成された工具異常検出装置によれば、加工を行なう都度、工具折れが発生したか否かを判定でき、判定のための時間を特に確保する必要が無い。
請求項３に記載の本発明は、工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、該イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、前記主軸の回転中に変動しているときには前記工具のクランプ異常が発生していると判定するクランプ異常判定手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成された工具異常検出装置によれば、主軸を回転させればクランプ異常が発生しているか否かを検出できるので、例えば、加工時にこれを検出すれば、特に検出時間を確保することなく、クランプ異常を検出することができる。
【００１０】
請求項４に記載の本発明は、工具が取り付けられた主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、該イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャが、工具を前記主軸に取り付けていない状態でのイナーシャと略同じときには工具が前記主軸に取り付けられていないと判定する無工具判定手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように構成された工具異常検出装置によれば、主軸を回転させれば主軸に工具が取り付けられているか否かを検出できるので、例えば、加工時にこれを検出すれば、特に検出時間を確保することなく、無工具状態を検出することができる。
【００１２】
請求項５に記載の本発明は、複数の工具の中から所望の工具を主軸に取り付け該主軸を回転させることにより加工を行なう工作機械の前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、少なくとも前記工具が取り付けられた状態において、前記主軸を回転させる主軸モータを駆動するトルク指令信号及び前記主軸モータの回転速度に基づいて、回転中の前記主軸のイナーシャを検出するイナーシャ検出手段と、予めイナーシャを測定した工具を前記主軸に取り付けた際に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャと、主軸を回転中に前記イナーシャ検出手段により検出されたイナーシャとを比較した結果、両イナーシャが異なっていれば、誤った工具が主軸に取り付けられていると検出する工具判定手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
このように構成された工具異常検出装置によれば、誤った工具が主軸に取り付けられている（以下、工具間違いという）事を、主軸を回転させれば検出できるので、例えば、加工時にこれを検出すれば、特に検出時間を確保することなく、工具間違いを検出することができる。
【００１４】
請求項６に記載の本発明は、請求項１から５のいずれかに記載の工具異常検出装置において、前記工作機械が、前記主軸の回転速度をサーボにより制御するものであることを特徴とする。
【００１５】
このように構成された工具異常検出装置によれば、イナーシャ検出用の特別な構成を設けることなく、イナーシャを検出することができる。
なお、請求項１〜６の工具異常検出装置を工具異常検出方法として構成したのが、それぞれ請求項７〜１２に記載の本発明であり、それぞれ対応する工具異常検出装置と同様の効果を奏することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図面と共に説明する。まず、図１は本発明を適用した基板穴明け機１を図１に示す。基板穴明け機１の主軸を回転させる主軸モータ７は、ヘッド９に取り付けられており、同じくヘッド９に取り付けられたＺ軸モータ１１にて主軸とともに上下に移動可能にされている。ヘッド９は、Ｙ軸モータ１３がボールネジ１５を回転させることにより２本のレール１７に沿って左右に移動される。基板が固定されるテーブル１９は、図示しないＸ軸モータがボールネジ２１を回転させることにより２本のレール２５に沿って前後に移動される。
【００１７】
基板穴明け機１のブロック図を図２に示す。本図に示すように基板穴明け機１は、ＣＰＵ２３と、ＣＰＵ２３が解読・実行する基本的なプログラムなどが予め格納されたＲＯＭ２５と、プログラムで使用するワークエリア等の各種データストレージ機能を備えたＲＡＭ２７と、ＣＰＵ２３によって生成されたモーション指令を実行するＮＣ制御部２９とを、プログラム等を表示するためのディスプレイ３１と、基板穴明け機１に対する指令をするための操作盤３３とを主要部として構成されている。ＣＰＵ２３はＲＯＭ２５に記憶されたプログラムを読み込んで実行し、加工プログラムのデコード、モーション指令の生成、ディスプレイ３１、操作盤３３を経由したユーザインタフェース処理などの基板穴明け機１全体の制御を行なう。ＮＣ制御部２９には、主軸サーボアンプ３５、Ｘ軸サーボアンプ３７、Ｙ軸サーボアンプ３９、Ｚ軸サーボアンプ４１等が接続されており、これら各サーボアンプにはそれぞれ対応するモータ及びエンコーダＥが接続されている。サーボアンプ３５〜４１は、ＮＣ制御部から出力される速度指令と、エンコーダＥからフィードバックされる単位時間あたりの実際の回転数とから、対応するモータへ供給する電流値をコントロールする。なお、符号４３はＸ軸モータである。
【００１８】
主軸の制御系をブロック図として示したのが図３である。制御部５１はエンコーダＥ（図２参照）からの信号に基づく実速度（または実加速度）のフィードバックを受けて主軸モータ７を駆動する電流アンプ５２に対しトルク指令を出力する。この制御部５１から発生されたトルク指令信号とエンコーダＥからフィードバックされる単位時間当たりの実際の回転数に基づいて、負荷イナーシャ推定部５３が、主軸に掛かっている負荷５５のイナーシャを推定する。負荷イナーシャ推定部５３により推定されたイナーシャが変化しているとイナーシャ変化判断部５７が判定すると、エラーとして検出する。制御部５１、負荷イナーシャ推定部５３、イナーシャ変化判断部５７の各ブロックは、図２のＣＰＵ２３、ＮＣ制御部２９、主軸サーボアンプ３５、およびＣＰＵ２３が実行するプログラムにより実現されている。
【００１９】
この処理をフローチャートにしたものを図４に示す。本処理は、主軸を用いて加工を行なう都度、起動される。まずステップ（以下、単にＳと記す）１００では主軸に回転指令を出す。そして続くＳ１１０にて目標速度まで主軸モータ７を加速させる。この際に制御部５１から発生されたトルク指令信号と主軸モータの回転速度に基づいてＳ１２０にて工具のイナーシャを推定する。ここで推定されたイナーシャをＪ１とする。そしてＳ１３０にて実際に加工を行なう。加工が終了すると主軸モータ７を減速する（Ｓ１４０）。この際のトルク指令信号と主軸モータの回転速度に基づいて工具のイナーシャを再び推定する（Ｓ１５０）。ここで推定されたイナーシャをＪ２とする。
【００２０】
そして工具折損が発生していないかをＳ１６０にて判定する。ここでは、Ｊ２がＪ１に比べ小さくなっていないかを調べることにより判定が行なわれ、より具体的にはＪ２に安全係数Ｋを乗じたものよりもＪ１が小さいか否かを判定する。例えば、加工前には図５（ａ）のようになっていた工具６１が、加工後に図５（ｂ）に示すように折損していた場合、工具６１’のイナーシャは加工前よりも減少している。ここで安全係数Ｋ＞１としておけば、工具に全く異常がなければＪ２の方が大きくなる筈である。Ｊ１の方が小さい、すなわち工具に異常が無いと判定されたときにはＳ１７０に進み、次の動作への準備をし本処理を終了する。一方、Ｊ１の方が大きいと判定されたときにはＳ１８０に進み、工具に異常が発生したと判定して異常時の処理を行ない本処理を終了する。異常時の処理としては、警報音を発生する、ディスプレイ３１の画面に異常を告げる表示を行なうなどが挙げられる。
【００２１】
工具に折損が発生した時と発生しなかった時のトルク指令の違いを図６のグラフに示す。本図中、点線ｔｃｍｄが折損発生時のトルク指令、一点鎖線ａｍｏが折損発生時の加速度、実線ｔｃｍｄ２が工具異常が発生しなかった時のトルク指令、破線ａｍｏ２が工具異常が発生しなかった時の加速度の各信号を表す曲線である（横軸は時間）。なお、一点鎖線ａｍｏおよび破線ａｍｏ２の２曲線は、サーボループによる速度制御の結果、殆ど重なっており、本グラフの略全域に渡って最も下に位置する曲線がこれら２曲線が重なったものである。また時間１〜１１３においては工具に同じ状態であるため、点線ｔｃｍｄと実線ｔｃｍｄ２も重なっている。
【００２２】
なお、時間６５付近までが加速状態、時間１１３付近までが加工時間（ただし本図では加工を行なっていない）、時間１８５付近までが減速状態である。このグラフに示すように、折損が発生した点線ｔｃｍｄは実線ｔｃｍｄ２よりも減速時にかなりその絶対値が小さくなる。これは、工具のイナーシャが折損により小さくなった結果、減速に要するトルクが小さくなったためである。なお、前記工具異常検出処理では、折損が発生した時と発生しなかった時とを比較するのではなく、加速時と減速時とでトルク指令値の比較を行なっている。両者の信号波形は、たとえ工具折損が発生しなくても一般に一致しないが、前記処理ではイナーシャを推定する際に、主軸の動摩擦係数、粘性摩擦係数を考慮してイナーシャを算出し、それでも発生しうる誤差を安全係数Ｋにより吸収しているため、的確に折損の有無を判定する処理となっている。
【００２３】
以上のような基板穴明け機１によれば、加工の前後に検出されたイナーシャに基づいて工具折れの判定を行なうので、加工負荷の影響を全く受けることがない。しかも加工を行なう都度、工具折れが発生したか否かを判定でき、判定のための時間を特に確保する必要が無い。
【００２４】
ここで、本実施の形態の構成と本発明の必須要件との対応関係を示す。Ｓ１２０およびＳ１５０の処理が本発明のイナーシャ検出手段に相当し、Ｓ１６０およびＳ１８０の処理が本発明の工具折れ判定手段に相当する。
以上、本発明を適用した一実施形態として、基板穴明け機１について説明してきたが、本発明はこの実施形態に何等限定されるものではなく様々な態様で実施しうる。例えば、基板穴明け機１以外の工作機械（例：マシニングセンタ）にこの工具異常検出装置を適用しても良い。また、イナーシャの推定を、トルク指令値以外の信号や情報に基づいて行なっても良い。
【００２５】
また、予め想定したイナーシャと比較することにより工具の異常を検出するようにしても良い。この処理について図７のフローチャートを用いて説明する。本処理は、異常の発生を検査したい場合に操作者が操作盤３３を操作することにより起動される。想定イナーシャ（Ｊａとする）は、前回推定したイナーシャＪ１等から想定できる。こうして想定イナーシャＪａが算出されると、Ｓ２００で主軸に回転指令を出す。そしてＳ２１０にて目標速度まで主軸モータ７を加速させる。この際に制御部５１から発生されたトルク指令信号と主軸の回転速度に基づいてＳ２２０にて工具のイナーシャＪ１を推定する。ここまでは、図４の工具異常検出処理と全く同様である。そしてＳ２３０でＪ１がＪａに安全係数Ｋ１を乗じたものよりも小さいか否かを判定する。Ｊ１の方が大きければＳ２４０に進み、工具に異常が発生したと判定して異常時の処理を行ない本処理を終了する。ここで検出される異常の原因としては、工具のクランプ異常（図５（ｄ）参照。これを検出する場合が本発明のクランプ異常判定手段に相当する）、工具間違い等が考えられる。
【００２６】
Ｊ１の方が小さければ（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、Ｊ１がＪａに安全係数Ｋ２を乗じたものよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２５０）。Ｊ１の方が小さい又は同じであればＳ２４０に進み、工具に異常が発生したと判定して異常時の処理を行ない本処理を終了する。ここで検出される異常の原因としては、工具折損の他、工具の主軸からの落下（図５（ｃ）参照。これを検出する場合が本発明の無工具判定手段に相当する）、工具間違い（これを検出する場合が本発明の工具判定手段に相当する）等が考えられる。Ｊ１の方が大きければ（Ｓ２５０：ＹＥＳ）、すなわちＪ１がＪａ＊Ｋ１〜Ｊａ＊Ｋ２の範囲に収まっていれば、Ｓ２６０に進んで次の動作への準備（例えば、加工）をし本処理を終了する。
【００２７】
以上の処理によれば、工具に発生した異常を、加工を開始する前に検出することができる。なお、図５（ｄ）に示したクランプ異常が発生している場合は、推定中に工具のイナーシャが変動するので、この変動を検出して、クランプ異常が発生していると断定しても良い。なお、図７の処理は操作者からの操作により起動する、としたが、加工の都度行なっても良い。こうすれば工具異常を判定するための時間を確保する必要が無い。
【００２８】
次のようにするとイナーシャの推定精度を向上させることができる。まず、既知の値（主軸モータイナーシャＪｍ、カップリングイナーシャＪｃ、主軸イナーシャＪｓ）を工場出荷時に機械に設定しておき、Ｊｋ＝Ｊｍ＋Ｊｃ＋ＪｓによりイナーシャＪｋを求める。必要に応じ工具ホルダのイナーシャＪｈも加算する。
【００２９】
次に、主軸オリエント時などの低速一定回転時のトルク指令値Ｔｘより、動摩擦トルクＴ１を算出し、記憶しておく。そして高速な一定回転速度Ｖ２で回転時のトルク指令値Ｔ２より粘性摩擦計数ＫｂをＫｂ＝（Ｔ２−Ｔ１）／Ｖ２により算出し、記憶しておく。
【００３０】
上記値と加速時のトルク指令値Ｔ３と実加速度Ａ３と実速度Ｖ３から、次式が成り立つ。
Ｊｔ＋Ｊｋ＝（Ｔ３−Ｔ１−Ｋｂ＊Ｖ３）／Ａ３
これより工具イナーシャＪｔを推定する。なお、図４の処理に用いる場合、減速時にはＴ４を減速時のトルク指令値として、実加速Ａ４と実速度Ｖ４から次式が成り立つ
Ｊｔ＋Ｊｋ＝（Ｔ４＋Ｔ１＋Ｋｂ＊Ｖ４）／Ａ４
から工具イナーシャＪｔを推定する。こうすれば、イナーシャの推定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用した基板穴明け機１の正面図である。
【図２】  基板穴明け機１の概要を示すブロック図である。
【図３】  基板穴明け機１の制御系を示すブロック図である。
【図４】  工具異常検出処理のフローチャートである。
【図５】  工具に発生した異常の例を示す説明図である。
【図６】  工具異常検出処理により工具異常を発見する原理を説明するためのグラフである。
【図７】  第２の工具異常検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１…基板穴明け機            ７…主軸モータ
９…ヘッド                １１…Ｚ軸モータ
１３…Ｙ軸モータ            ２９…ＮＣ制御部
３５…主軸サーボアンプ          ５１…制御部
５３…負荷イナーシャ推定部        ５５…負荷
５７…イナーシャ変化判断部        ６１…工具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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