JP2017117252A - プレスの調整が容易な数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パンチプレス加工機のテーブル軸の動作設定を容易に行うことを可能とする数値制御装置を提供すること。【解決手段】本発明の数値制御装置１は、パンチプレスパラメータの設定を受け付けるパラメータ設定部１０と、パンチプレスパラメータに基づいてパンチプレス加工における軸制御用パラメータを算出するＮＣパラメータ算出部１１と、パンチプレスパラメータと軸制御用パラメータとを記憶するパラメータ記憶部１２と、プログラムの指令ブロックを解析して移動指令データを生成する指令解析部１３と、移動指令データに基づいて補間データを生成する補間部１４と、パンチプレスパラメータと軸制御用パラメータと指令ブロックにより指令される送り速度とに基づいて軸制御に用いる直線加減速時定数およびベル形加減速時定数を算出し、算出した各加減速時定数に基づいて補間後加減速処理を行う加減速部１５と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、数値制御装置に関し、特にパンチプレス加工機のテーブル軸の動作設定を容易に行うことを可能とする数値制御装置に関する。

パンチプレス加工機では、目的のヒットレート（１分あたりのプレス回数）を出すために、Ｘ軸およびＹ軸（テーブル軸）の移動量に応じて、テーブル軸の速度、加減速時定数、ポジションゲインを７段階に切換える「最適化速度による位置決め」という機能がある。この機能を用いる場合には、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの軸に対して切換えの境界となる移動量（以下、境界値）と、速度、加減速時定数、ポジションゲインの設定を行う。この設定においては、図９に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの軸に対して、境界値と、７段階分の速度、加減速時定数、ポジションゲインという多くの設定項目があるため、設定が難しく且つ時間がかかるという問題がある。

一方で、制御対象となる軸の加減速時定数の設定を支援する従来技術として、特許文献１には、図１０に示すように、移動量ｄのブロックでの早送り速度Ｆ、サーボモータの速度−トルク特性、負荷イナーシャから、加速トルクがモータ性能の上限Ｌ_maxとなる加速度から加減速時定数Ｔを求め、全ての駆動軸の中で最も大きい時定数を各軸の時定数とする技術が開示されている。

特許第３０８３８７０号公報

パンチプレス加工機では、ブロックの移動が完了した時点でプレスを行うが、このとき、サーボモータが整定していないと加工不良になる。特許文献１に開示される技術では、加速トルクがモータ性能の上限Ｌ_maxとなる加速度から加減速時定数Ｔを求めているが、パンチプレス加工機の場合には高い加減速度で軸を移動させた場合、図１１に示すように、テーブル軸の移動完了時にオーバシュートが発生するなどしてプレスのタイミングを遅らせなければならなくなり、特許文献１に開示される技術で設定した加減速度が最適値であると必ずしも言えない場合があり、パンチプレス加工機のテーブル軸の加減速時定数の設定に特許文献１に開示される技術を単純に適用することができないという問題がある。

また、「最適加速度による位置決め」機能を用いている場合、テーブル軸の移動量が境界値を越えると、テーブル軸の加速度（速度と加減速時定数の切換えにより加速度が切換わる）、ポジションゲインが切換わるため、図１２に示すように、境界値の前後では、移動量が少し違うだけで、テーブル軸の動作（加速度、ポジションゲイン）が大きく変わることがあるという問題がある。

そこで本発明の目的は、パンチプレス加工機のテーブル軸の動作設定を容易に行うことを可能とする数値制御装置を提供することである。

本発明の数値制御装置ではパンチプレス加工の制御において、従来技術のように直線加減速時定数を移動量に応じて変化させるのではなく、機械の構造とサーボモータの特性からテーブル軸の到達速度に応じた直線加減速時定数ｔ₁を自動的に算出する。また、パンチプレス加工機では一般的な評価基準として、テーブル軸の移動量がｄ_p（２５．４（ｍｍ）や２５．０（ｍｍ）など）で動作する場合の基準ヒットレートｈ_pがある（このｄ_pを基準ピッチとする）。また、最小の移動量（最小ピッチｄ_m）を設定し、そのときのヒットレートｈ_mから算出した移動可能時間とｔとから、それぞれのベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mを自動で算出する。図１３は、本発明の数値制御装置が自動的に算出する直線加減速時定数とベル形加減速時定数を示す図である。このように、直線加減速時定数を到達速度に応じて、ベル形加減速時定数を移動量に応じて線形に変化させるので、「最適加速度による位置決め機能」の移動量の境界値問題が解決できる。なお、速度は機械の仕様上の最大速度に、ポジションゲインは機械（サーボモータ）の初期調整で設定するポジションゲインの標準値に、それぞれ固定値として設定する。
また、従来技術では直線加減速時定数のみで移動量が大きくなるとオーバシュートが大きくなり、パンチできるまでの時間が不安定で制御することが難しいという問題があったが、本発明の数値制御装置ではヒットレートを満たす範囲内でベル形加減速時定数を掛けることによってオーバシュート量を減らして制御しやすくする。

そして、本願の請求項１に係る発明は、プログラムに基づいてパンチプレス加工を行う機械を制御する数値制御装置において、パンチプレス加工に係るパラメータであるパンチプレスパラメータの設定を受け付けるパラメータ設定部と、前記パラメータ設定部が受け付けた前記パンチプレスパラメータに基づいてパンチプレス加工における軸制御用パラメータを算出するＮＣパラメータ算出部と、前記パンチプレスパラメータと、前記軸制御用パラメータとを記憶するパラメータ記憶部と、前記プログラムから指令ブロックを読み出して解析して移動指令データを生成し、生成した前記移動指令データを出力する指令解析部と、前記移動指令データに基づいて補間処理を行って補間データを生成し、生成した補間データを出力する補間部と、前記パラメータ記憶部に記憶される前記パンチプレスパラメータと、前記軸制御用パラメータと、前記指令ブロックにより指令される送り速度とに基づいて、軸制御に用いる直線加減速時定数およびベル形加減速時定数を算出し、算出した直線加減速時定数およびベル形加減速時定数に基づいて前記補間データに対する補間後加減速処理を行い、補間後加減速処理を適用した補間データを出力する加減速部と、前記加減速部から出力された補間後加減速処理を適用した補間データに基づいて前記機械の軸を制御するサーボ制御部と、を備えたことを特徴とする数値制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記パンチプレスパラメータは、１回のパンチにかかる時間、基準ピッチとその時の目標ヒットレート、最小ピッチとその時の目標ヒットレート、機械の構造から得られる最大加速トルクと直線加減速時定数、を少なくとも含む、ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。

本願の請求項３に係る発明は、前記軸制御用パラメータは、直線加減速時定数調整用トルク波形、を少なくとも含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置である。

本願の請求項４に係る発明は、前記加減速部は、前記直線加減速時定数に対して線形である前記ベル形加減速時定数を算出する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置である。

本発明により、テーブル軸移動の移動量（基準ピッチ）ｄ_p（ｍｍ）とそのときの目標ヒットレートｈ_p（回／ｍｓｅｃ）、テーブル軸移動の移動量（最小ピッチ）ｄ_m（ｍｍ）とそのときの目標ヒットレートｈ_m（回／ｍｓｅｃ）、１回のパンチにかかる時間ｔ_p（ｍｓｅｃ）、テーブル軸のサーボモータのモータの特性、の４つのパラメータを設定するだけで、基準ピッチと最小ピッチ時のベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mを自動で算出、設定することができるため、作業者による項目入力の工数を減らすことができる。

本発明の数値制御装置によるパンチプレスに用いられるパラメータの関係を示す図である。 サーボモータの送り速度−トルク特性について説明する図である。 加速トルクと送り速度との関係について説明する図である。 移動距離が小さく、テーブル軸の到達速度が指令速度とならない場合におけるベル形加減速時定数の算出について説明する図である。 移動距離が大きく、テーブル軸の到達速度が指令速度となる場合におけるベル形加減速時定数の算出について説明する図である。 本発明の一実施形態による数値制御装置の機能ブロック図である。 図６の数値制御装置１上で実行されるパラメータ設定に係る処理のフローチャートである。 図６の数値制御装置１上で実行されるパンチプレス加工時の制御処理のフローチャートである。 従来技術でのパンチプレス加工における「最適化速度による位置決め」による速度、加減速時定数、ポジションゲインの設定について説明する図である。 特許文献１の技術について説明する図である。 特許文献１の技術をパンチプレス加工に適用した場合の課題について説明する図である。 従来技術でのパンチプレス加工における「最適化速度による位置決め」機能を用いた場合の課題について説明する図である。 本発明の数値制御装置により自動的に算出される直線加減速時定数と、ベル形加減速時定数を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。まず、本発明の数値制御装置における各処理について説明する。
＜目標ヒットレート、プレス時間からテーブル軸の動作時間ｔの算出＞
本発明の数値制御装置では、機械メーカが設定した基準ピッチ時と最小ピッチ時の目標とするヒットレートから、目標ヒットレートを達成できるテーブル軸の動作時間ｔ（ｍｓｅｃ）を求める。目標ヒットレートを達成できる加工プログラムでのプレスブロック１ブロックあたりのテーブル軸の動作時間ｔ（ｍｓｅｃ）は、図１に示すように、目標とする基準ヒットレートをｈ（回／ｍｓｅｃ）、目標ヒットレートを達成可能なプレスブロック１ブロックあたりの実行時間をｔ_b（ｍｓｅｃ）、１回のパンチにかかる時間をｔ_p（ｍｓｅｃ）とした時、以下に示す数１式で算出することができる。

＜加速トルクと加速度の関係＞
サーボモータの加速トルクと加速度との関係は以下の数２式で、モータの回転速度と軸の繰り速度との関係は以下の数３式により一般的に示される。

これら数２式、数３式に基づいて、サーボモータの加速トルクと加速度との関係は、以下に示す数４式で表すことができる。この数３式においてＴ_a、ｔ₁以外は機械の仕様により定まる定数項であるため、テーブル軸の加速度Ｖ／ｔ₁と、加速トルクＴ_aとは比例の関係にあることが分かる。

＜サーボモータの速度-トルク特性の登録＞
サーボモータには速度とトルクの関係を示した送り速度−トルク特性がある（図２参照）。この送り速度−トルク特性の特徴（最大加速トルクＴ_max、変化点Ｆ_pc、変化点からの傾きＡ）を、各サーボモータのモータ番号にそれぞれの紐付けて予めデータベースへ登録しておく。このように、送り速度−トルク特性の特徴をデータベースへ登録しておくことによってモータ番号を指定するだけで各サーボモータの送り速度−トルク特性を得ることができる。なお、データベースに登録されていないサーボモータを使用する場合のために、送り速度−トルク特性の特徴（最大加速トルクＴ_max、変化点Ｆ_pc、変化点からの傾きＡ）を直接入力できるようにしてもよい。直接入力できるようにすることによって、新しいサーボモータが使われる場合や、他社のサーボモータが使われる場合などにおいても柔軟に対応することができる。

＜直線加減速時定数の調整用トルク波形の算出＞
図３は、サーボモータの送り速度−トルク特性を示している。図３から、パンチプレス加工機で使用しているサーボモータの速度−トルク特性の上限トルク波形は、以下に示す数５式により表すことができる。

そして、上記数５式と、機械の構造から決定する最大偏荷重トルク（最大加速トルク）Ｔ_a（Ｎｍ）を用いることで直線加減速時定数を線形に制御するための調整用トルク波形ｌ（ｆ）とその波形の変化点Ｆ_c（ｍｍ／ｍｉｎ）とを以下の数６式、数７式のように表すことができる。なお、調整用トルク波形ｌ（ｆ）は、Ｔ_aとｌ_p（ｆ）の変化点Ｆ_pc（ｍｍ／ｍｉｎ）からの傾きＡ、上限トルク波形との割合Ｘ（％）（このパラメータは変化点Ｆ_c以降でトルクが飽和するのを防ぐためのものである）から求めればよい。

＜直線加減速時定数の算出＞
機械の構造から加減速時の最大トルクＴ_aと最大加速度（直線加減速時定数ｔ_1m）は決まっているが、調整用トルク波形ｌ（ｆ）の変化点Ｆ_cから上限トルクが減少するため、トルクが飽和しないようにするために直線加減速時定数を大きくする必要がある。最大トルクＴaと調整用トルク波形ｌ（ｆ）、上限トルクとの割合Ｘより直線加減速時定数ｔ₁は以下の数８式で求めることができる。

＜ベル形加減速時定数の算出＞
ベル形加減速時定数ｔ_2p，ｔ_2mを、上記で算出した直線加減速時定数ｔ₁と、最大移動可能時間ｔと、到達速度とにより算出する。図４に示すように、移動距離ｄが小さく、テーブル軸の到達速度が指令速度Ｆとならない場合、ベル形加減速時定数ｔ₂を以下のように求めることができる。即ち、図４からｄ＝ｔ₀／２×Ｆｔ₀／２ｔ₁であるから、これを直線加減速時定数のみの場合の位置決め時間ｔ₀について解くと、ｔ₀＝√（４ｄｔ₁／Ｆ）となる。また、ｔ＝ｔ₀＋ｔ₂より、ｔ＝√（４ｄｔ₁／Ｆ）＋ｔ₂となる。これをｔ₂について解くと、ｔ₂＝ｔ−√（４ｄｔ₁／Ｆ）となるため、基準ピッチと最小ピッチでのベル形加減速時定数は以下の数９式で表すことができる。従って、ｔ_2pとｔ_2mとは以下の数１０式で算出することができる。

また、ベル形加減速時定数ｔ_2p，ｔ_2mを、上記した直線加減速時定数ｔ₁と、最大移動可能時間ｔと、到達速度とに基づいて算出する。図５に示すように、移動距離ｄが十分大きく、テーブル軸の到達速度が指令速度Ｆとなる場合、ベル形加減速時定数ｔ₂は次に示す数１１式で表すことができる。従って、ｔ_2pとｔ_2mとは以下の数１２式で算出することができる。

そして、テーブル軸の移動量が基準ピッチｄ_pと最小ピッチｄ_mにおけるベル形加減速時定数ｔ_1p、ｔ_2pを基準に、テーブル軸の移動量に応じてベル形加減速時定数を線形に切換える。移動量ｄ（ｍｍ）における加減速時定数ｔ_2d（ｍｓｅｃ）を、以下数１３式で算出する。

本発明の数値制御装置では、上記の演算過程を経て直線加減速時定数ｔ₁、ベル形加減速時定数ｔ_2dを算出し、これら値を用いてテーブル軸の移動制御を行う。

図６は、本発明の一実施形態による数値制御装置の機能ブロック図である。本実施形態の数値制御装置１は、パラメータ設定部１０、ＮＣパラメータ算出部１１、パラメータ記憶部１２、指令解析部１３、補間部１４、加減速部１５、サーボ制御部１６を備える。

パラメータ設定部１０は、数値制御装置１が備える表示器／ＭＤＩユニット（図示せず）からのオペレータの操作に基づいて入力されたパンチプレスによる加工に用いられる各種パラメータの設定を受け付ける。パンチプレスの各種パラメータとしては、１回のパンチにかかる時間ｔ_p、基準ピッチｄ_pとその時の目標ヒットレートｈ_p、最小ピッチｄ_mとその時の目標ヒットレートｈ_m、機械の構造から得られる最大加速トルクＴ_aと直線加減速時定数ｔ_1m、などが挙げられる。
また、パラメータ設定部１０は、必要に応じてオペレータの操作に基づいてサーボモータの送り速度−トルク特性の設定を受け付ける。

ＮＣパラメータ算出部１１は、パラメータ設定部１０により設定された、パンチプレスによる加工に用いられる各種パラメータの設定に基づいて、上記した算出手順に従って直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）を算出し、算出した直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）をパラメータ設定部１０により設定された各種パラメータと共にパラメータ記憶部１２へと記憶する。

指令解析部１３は、図示しないメモリから読み出したプログラムに含まれる加工指令のブロックを解析して移動指令に係るデータを生成し、生成した移動指令に係るデータを補間部１４へと出力する。
補間部１４は、指令解析部１３から受け付けた移動指令に係るデータに基づいて、移動指令に係るデータにより指令される指令経路上の点を補間周期で補間計算した補間データを生成し、生成した補間データと移動指令に係るデータに含まれる到達速度とを加減速部１５へと出力する。

加減速部１５は、補間部１４から受け付けた到達速度と、パラメータ記憶部１２に記憶される各種パラメータと、及び直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）とに基づいて、直線加減速時定数ｔ₁、ベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mを算出し、更にベル形加減速時定数ｔ_2dを算出する。そして、算出した直線加減速時定数ｔ₁、ベル形加減速時定数ｔ_2dをに基づいて補間部１４から受け付けた補間データに対して補間後加減速処理を行って補間周期毎の各駆動軸の速度を算出し、算出結果を適用した加減速処理後の補間データをサーボ制御部１６へと出力する。
そして、サーボ制御部１６は、加減速部１５の出力に基づいて制御対象となる各軸を制御するサーボモータ２を制御する。

図７は、本発明の数値制御装置１上で実行されるパラメータ設定に係る処理のフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］パラメータ設定部１０は、オペレータの操作による、１回のパンチにかかる時間ｔ_p、基準ピッチｄ_pとその時の目標ヒットレートｈ_p、最小ピッチｄ_mとその時の目標ヒットレートｈ_mなどのパンチプレスの加工に用いられる各種パラメータと、機械の構造から得られる最大加速トルクＴ_aと直線加減速時定数ｔ_1mなどの設定を受け付け、ＮＣパラメータ算出部へと出力する。
●［ステップＳＡ０２］パラメータ設定部１０は、必要に応じて、オペレータの操作によるサーボモータの送り速度−トルク特性の設定を受け付け、ＮＣパラメータ算出部へと出力する。

●［ステップＳＡ０３］ＮＣパラメータ算出部１１は、ステップＳＡ０１，ＳＡ０２でオペレータにより設定された各種設定値に基づいて、直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）を算出し、算出した直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）をステップＳＡ０１，ステップＳＡ０２で設定された各種設定値と共にパラメータ記憶部１２へと記憶する。

図８は、本発明の数値制御装置１上で実行されるパンチ加工時の制御処理のフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］指令解析部１３は、図示しないメモリに記憶されるプログラムからブロックを読み込む。
●［ステップＳＢ０２］指令解析部１３は、ステップＳＢ０１で読み込んだブロックを解析して移動指令に係るデータを生成し、生成した移動指令に係るデータを補間部１４へと出力する。
●［ステップＳＢ０３］補間部１４は、ステップＳＢ０２で生成された移動指令に係るデータに対して補間処理を行って補間データを生成し、生成した補間データと移動指令に係るデータで指令される送り速度（到達速度）を加減速部１５へと出力する。
●［ステップＳＢ０４］加減速部１５は、補間部１４から受け付けた到達速度と、パラメータ記憶部１２に記憶される各種パラメータと、直線加減速時定数の調整用トルク波形ｌ（ｆ）とに基づいて、直線加減速時定数ｔ₁を算出する。
●［ステップＳＢ０５］加減速部１５は、ステップＳＢ０４で算出した直線加減速時定数ｔ₁と、パラメータ記憶部１２に記憶される各種パラメータとに基づいて、ベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mを算出する。
●［ステップＳＢ０６］加減速部１５は、ステップＳＢ０５で算出したベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mが共に０以上であるか否かを判定する。共に０以上である場合にはステップＳＢ０８へ処理を移行し、いずれかが０より小さい場合にはステップＳＢ０７へと処理を移行する。
●［ステップＳＢ０７］加減速部１５は、目標ヒットレートを達成できない旨警告を出力して、本処理を中断する。
●［ステップＳＢ０８］加減速部１５は、ステップＳＢ０５で算出したベル形加減速時定数ｔ_2p、ｔ_2mと、パラメータ記憶部１２に記憶される各種パラメータとに基づいて、ベル形加減速時定数ｔ_2dを算出する。
●［ステップＳＢ０９］加減速部１５は、ステップＳＢ０４で算出した直線加減速時定数ｔ₁と、ステップＳＢ０８で算出したベル形加減速時定数ｔ_2dとに基づいて、補間部１４から受け付けた補間データに対して補間後加減速処理を実行し、処理結果をサーボ制御部１６へと出力する。
●［ステップＳＢ１０］サーボ制御部１６は、加減速部１５の出力に基づいて制御対象となる各軸を制御するサーボモータ２を制御する。
●［ステップＳＢ１１］プログラムが終了したか否かを判定する。プログラムが終了した場合には本処理を終了し、終了していない場合にはステップＳＢ０１へ処理を移行する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例にのみ限定されるものでなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１ 数値制御装置
２ サーボモータ
１０ パラメータ設定部
１１ パラメータ算出部
１２ パラメータ記憶部
１３ 指令解析部
１４ 補間部
１５ 加減速部
１６ サーボ制御部

Claims (4)

1. プログラムに基づいてパンチプレス加工を行う機械を制御する数値制御装置において、
   パンチプレス加工に係るパラメータであるパンチプレスパラメータの設定を受け付けるパラメータ設定部と、
   前記パラメータ設定部が受け付けた前記パンチプレスパラメータに基づいてパンチプレス加工における軸制御用パラメータを算出するＮＣパラメータ算出部と、
   前記パンチプレスパラメータと、前記軸制御用パラメータとを記憶するパラメータ記憶部と、
   前記プログラムから指令ブロックを読み出して解析して移動指令データを生成し、生成した前記移動指令データを出力する指令解析部と、
   前記移動指令データに基づいて補間処理を行って補間データを生成し、生成した補間データを出力する補間部と、
   前記パラメータ記憶部に記憶される前記パンチプレスパラメータと、前記軸制御用パラメータと、前記指令ブロックにより指令される送り速度とに基づいて、軸制御に用いる直線加減速時定数およびベル形加減速時定数を算出し、算出した直線加減速時定数およびベル形加減速時定数に基づいて前記補間データに対する補間後加減速処理を行い、補間後加減速処理を適用した補間データを出力する加減速部と、
   前記加減速部から出力された補間後加減速処理を適用した補間データに基づいて前記機械の軸を制御するサーボ制御部と、
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記パンチプレスパラメータは、１回のパンチにかかる時間、基準ピッチとその時の目標ヒットレート、最小ピッチとその時の目標ヒットレート、機械の構造から得られる最大加速トルクと直線加減速時定数、を少なくとも含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記軸制御用パラメータは、直線加減速時定数調整用トルク波形、を少なくとも含む、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の数値制御装置。
4. 前記加減速部は、前記直線加減速時定数に対して線形である前記ベル形加減速時定数を算出する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。