專利名稱：數(shù)字控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于機(jī)床的數(shù)字控制單元，更具體地說，涉及具有用于在機(jī)械加工操作期間，監(jiān)視刀具驅(qū)動源上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視功能的數(shù)字控制單元。
背景技術(shù)：
在機(jī)床領(lǐng)域中，已經(jīng)提出了在機(jī)械加工操作期間，檢測作用于機(jī)床上的切削阻力作為施加到用于轉(zhuǎn)動刀具的主軸或用于進(jìn)給刀具的進(jìn)給軸上的負(fù)載，以及根據(jù)負(fù)載的大小控制主軸或進(jìn)給軸的操作，以便防止刀具斷裂的各種方法。一般來說，由于連續(xù)使用，刀具的刀刃將被磨損，以及最后將被折斷。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(yīng)的刀具主軸或刀具進(jìn)給軸上的負(fù)載將增加。因此，通過監(jiān)視刀具主軸或刀具進(jìn)給軸的驅(qū)動源上的負(fù)載、當(dāng)負(fù)載增加超出預(yù)定參考值時(shí)判斷刀具斷裂易于發(fā)生，從而迅速采取措施，諸如停止驅(qū)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(shù)控機(jī)床中的防止刀具斷裂系統(tǒng)，其中，估算作用于轉(zhuǎn)動刀具的主軸以及進(jìn)給刀具的進(jìn)給軸的至少一個(gè)之上的擾動轉(zhuǎn)矩(disturbancetorque)，將所估算的擾動轉(zhuǎn)矩(或者，通過將主軸和進(jìn)給軸的兩個(gè)估算的外部轉(zhuǎn)矩組合獲得的合成擾動轉(zhuǎn)矩)與預(yù)定參考轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，以及基于比較結(jié)果，降低刀具的進(jìn)給速度，停止刀具進(jìn)給，或輸出刀具更換命令。在這一系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，在對有關(guān)比較結(jié)果進(jìn)行判斷后，可以采取兩級措施，因?yàn)樗浪?或合成的)擾動轉(zhuǎn)矩與大和小兩個(gè)預(yù)定參考轉(zhuǎn)矩(均處于異常負(fù)載可檢測水平)比較，以及在所估算的擾動轉(zhuǎn)矩位于這兩個(gè)參考轉(zhuǎn)矩之間的情況下，降低刀具進(jìn)給軸的進(jìn)給速度，以及在所估算的擾動轉(zhuǎn)矩超出較大的參考轉(zhuǎn)矩時(shí)，停止刀具進(jìn)給或輸出刀具更換命令。
如在JP7-5199A中所公開的，在監(jiān)視負(fù)載轉(zhuǎn)矩以便防止刀具斷裂的傳統(tǒng)方法中，預(yù)定作為相對于被監(jiān)視負(fù)載轉(zhuǎn)矩的比較值的參考值處于異常負(fù)載可檢測水平(例如，該值相應(yīng)于由刀具產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，該刀具的磨損程度已經(jīng)達(dá)到恰好在刀具斷裂之前的水平)。同時(shí)，上述傳統(tǒng)的方法構(gòu)造成監(jiān)視施加在主軸或進(jìn)給軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，用于防止刀具斷裂，并且不監(jiān)視刀具切削工件的狀態(tài)。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機(jī)床中出現(xiàn)某種異常時(shí)有時(shí)會瞬間暫時(shí)增加。在這種情況下，切削阻力增加的區(qū)域內(nèi)切削表面精度趨向于局部劣化。然而，如果由于這種切削異常導(dǎo)致的主軸或進(jìn)給軸上的負(fù)載增加未達(dá)到用于防止刀具斷裂預(yù)定的參考值，則傳統(tǒng)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(xù)產(chǎn)生，以及作用在刀具上的切削阻力隨同磨損的發(fā)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(jìn)給軸上的負(fù)載也很小。在這種低磨損狀態(tài)中，當(dāng)切削異常發(fā)生時(shí)，作用在主軸或進(jìn)給軸上的暫時(shí)增加的負(fù)載將很少達(dá)到預(yù)定的用于防止刀具斷裂的參考值，因此，傳統(tǒng)方法難以檢測局部地降低機(jī)械加工精度的切削異常。換句話說，刀具的連續(xù)使用導(dǎo)致磨損發(fā)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(biāo)準(zhǔn)是固定的，則通過作用在主軸或進(jìn)給軸上的負(fù)載大小，難以判斷正常切削狀態(tài)和異常切削狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供具有能檢測切削異常的負(fù)載監(jiān)視功能的數(shù)字控制單元。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供用于機(jī)床的數(shù)字控制單元，包括用于監(jiān)視電動機(jī)上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視部件；用于識別當(dāng)前刀具磨損程度的磨損識別部件；用于存儲分別對應(yīng)于預(yù)定的多個(gè)刀具磨損程度的多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的存儲部件；用于根據(jù)存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值來計(jì)算對應(yīng)于在該磨損識別部件中識別的所述當(dāng)前刀具磨損程度的當(dāng)前極限負(fù)載值的計(jì)算部件；以及比較部件，用于將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的、該電動機(jī)上的負(fù)載與在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較，以及用于判斷該負(fù)載的異常。
在上述數(shù)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(shù)、刀具的切削持續(xù)時(shí)間、刀具的切削距離以及機(jī)械加工程序執(zhí)行的次數(shù)中選擇的一個(gè)參數(shù)來識別該當(dāng)前刀具磨損程度。
同樣，該負(fù)載監(jiān)視部件可以在機(jī)械加工程序的某一過程中，監(jiān)視該負(fù)載的最大值、平均值和最小值中的至少一個(gè)。
在這一配置中，存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)可以是該負(fù)載的預(yù)設(shè)的上限值，以及該比較部件可以將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的該負(fù)載的最大值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的上限值在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前負(fù)載極限值進(jìn)行比較。
同樣，存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)可以是該負(fù)載的預(yù)設(shè)的上限平均值，以及，該比較部件可以將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的該負(fù)載的該平均值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的上限平均值在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
另外，存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)可以是該負(fù)載的預(yù)設(shè)的下限平均值，以及，該比較部件可以將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的該負(fù)載的該平均值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的下限平均值在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
此外，存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)可以為該負(fù)載的預(yù)設(shè)的下限值，以及，該比較部件可以將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的該負(fù)載的該最小值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的下限值在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。


從下述結(jié)合附圖的優(yōu)選實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見，其中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制單元的基本原理的框圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字控制單元的硬件的具體結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是表示在圖2的數(shù)字控制單元中執(zhí)行的負(fù)載監(jiān)視處理例程的流程圖；圖4是表示在用于防止刀具斷裂的傳統(tǒng)方法中，在受控電動機(jī)中的極限負(fù)載值和負(fù)載曲線之間的關(guān)系的示例說明；以及圖5是表示在根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制單元中，在受控電動機(jī)中的當(dāng)前極限負(fù)載值和負(fù)載曲線之間的關(guān)系的示例說明。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。在這些圖中，用共同的標(biāo)記表示相同或相似的元件。
參考附圖，圖1表示根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制單元的基本原理的框圖。根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制單元10包括用于監(jiān)視電動機(jī)上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視部件12，用于識別當(dāng)前刀具磨損程度的磨損識別部件14，用于存儲分別對應(yīng)于預(yù)定的各種刀具磨損程度的多個(gè)預(yù)定極限負(fù)載值的存儲部件16，用于基于存儲在存儲部件16中的多個(gè)預(yù)定極限負(fù)載值，計(jì)算對應(yīng)于在磨損識別部件14中識別的當(dāng)前刀具磨損程度的當(dāng)前極限負(fù)載值的計(jì)算部件18，以及比較部件20，用于將在負(fù)載監(jiān)視部件12中監(jiān)視的、電動機(jī)上的負(fù)載與在計(jì)算部件18中計(jì)算的當(dāng)前極限負(fù)載值比較，以及用于判斷有關(guān)負(fù)載的異常性。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字控制單元100的硬件的結(jié)構(gòu)。數(shù)字控制單元100包括構(gòu)成上述磨損識別部件14、計(jì)算部件18和比較部件20的CPU(中央處理單元)30，以及構(gòu)成上述存儲部件16的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)存儲器32。數(shù)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(jī)存取存儲器)36、PMC(可編程機(jī)控制器)38、多個(gè)控制電路40、42、44、46和多個(gè)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(tǒng)程序，并根據(jù)該系統(tǒng)程序全面地指令數(shù)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(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和各種數(shù)據(jù)。CMOS存儲器32存儲經(jīng)接口60讀入的機(jī)械加工程序和通過顯示/MDI單元58輸入的機(jī)械加工程序，以及存儲用于檢測切削異常的負(fù)載監(jiān)視程序，如后所述。CMOS存儲器32由未示出的電池維持并構(gòu)造為非易失性存儲器，即使當(dāng)切斷數(shù)字控制單元100的電源時(shí)，也能維持其存儲狀態(tài)。接口60構(gòu)成與用于輸入機(jī)械加工程序或各種數(shù)據(jù)的外部裝置的連接。
根據(jù)存儲在ROM 34中的序列程序，PMC 38通過I/O單元64將各信號輸出到機(jī)床(例如致動器，諸如刀具更換機(jī)械手)的輔助設(shè)備62，以便控制該輔助設(shè)備62。另外，PMC 38接收在機(jī)床(未示出)的主體中提供的控制面板中各種開關(guān)的信號，執(zhí)行必要的信號處理，此后將信號發(fā)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(gòu)成的顯示器的手動數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，并通過接口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(gòu)成，其從CPU 30接收用于各個(gè)軸的移動命令，以及將用于各個(gè)軸的行進(jìn)信號輸出到相應(yīng)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(chǔ)上操作的X軸、Y軸和Z軸伺服馬達(dá)68、70、72。各個(gè)軸的伺服馬達(dá)68、70、72包括在此未示出的位置/速度檢測器，各個(gè)軸的控制電路40、42、44根據(jù)來自位置/速度檢測器的位置/速度反饋信號執(zhí)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(gòu)成，其從CPU 30接收主軸旋轉(zhuǎn)命令，并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(jù)旋轉(zhuǎn)命令以指定旋轉(zhuǎn)速度操作的主軸馬達(dá)74。根據(jù)主軸馬達(dá)74設(shè)置位置編碼器76。位置編碼器76與主軸馬達(dá)74同步地將反饋脈沖反饋到主軸控制電路46，由此主軸控制電路60根據(jù)該反饋脈沖執(zhí)行旋轉(zhuǎn)速度的反饋控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字控制單元100除如上所述的用于機(jī)床的基本運(yùn)動控制外，還具有監(jiān)視各個(gè)馬達(dá)上的負(fù)載以便檢測切削異常性的功能。下面將描述數(shù)字控制單元100的切削異常性檢測功能。
所示例的實(shí)施例的數(shù)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是用于估算作用在主軸馬達(dá)74上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的軟件，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(gè)，其教導(dǎo)在此引入以供參考。因此，在數(shù)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(gòu)成如上所述的負(fù)載監(jiān)視部件12，其監(jiān)視主軸馬達(dá)74上的負(fù)載。因此，根據(jù)由擾動估算觀測器78估算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩CPU 30執(zhí)行后面將描述的過程，以便檢測切削異常性。
另一方面，構(gòu)成磨損識別器部件14(圖1)的CPU 30將都與刀具有關(guān)的使用次數(shù)、切削持續(xù)時(shí)間、切削距離或機(jī)械加工程序執(zhí)行的次數(shù)用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)。在基本上不改變刀具的單位使用次數(shù)(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(xù)時(shí)間和距離的情況下，可以將刀具的使用次數(shù)(即，通過刀具更換將刀具安裝在主軸上的次數(shù))用作該參數(shù)。在這種情況下，可以與刀具的使用次數(shù)一一對應(yīng)地確定刀具的磨損程度，以便CPU 30能根據(jù)刀具使用的累積次數(shù)，識別當(dāng)前刀具磨損程度。另外，在通過使用特定刀具重復(fù)執(zhí)行相同的機(jī)械加工程序的情況下，可以與機(jī)械加工程序的執(zhí)行次數(shù)一一對應(yīng)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(jī)械加工程序的執(zhí)行次數(shù)用作參數(shù)來識別當(dāng)前刀具磨損程度。此外，刀具切削的每個(gè)持續(xù)時(shí)間和距離與刀具的磨損程度具有一對一的對應(yīng)關(guān)系，而與機(jī)械加工程序的內(nèi)容無關(guān)。因此，CPU 30能通過將刀具切削的持續(xù)時(shí)間或距離用作參數(shù)來識別當(dāng)前刀具磨損程度。
構(gòu)成存儲部件16(圖1)的CMOS存儲器32具有在其中準(zhǔn)備的適當(dāng)?shù)牡毒呶募Ｒ虼?，在通過CPU 30執(zhí)行切削異常檢測處理前，經(jīng)由顯示/MDI單元58，通過使用從上述各種參數(shù)選擇的所需參數(shù)，對于在可由數(shù)字控制單元100控制的機(jī)床中可用的各種刀具中的每一個(gè)，將當(dāng)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(jì)寄存器)。同時(shí)，對于各種刀具中的每一個(gè)，當(dāng)多個(gè)預(yù)定極限負(fù)載值分別對應(yīng)于各個(gè)預(yù)定刀具磨損程度時(shí)，還存儲在機(jī)械加工程序中的某些部分或過程(例如，由刀具執(zhí)行切削的過程)期間，作用在主軸馬達(dá)74上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值的極限值(即，預(yù)定上限值)、平均值的上下限值(即，預(yù)定上限和下限平均值)以及最小值的極限值(即預(yù)定下限值)。在這一配置中，通過在上述某一過程中，分別與預(yù)定的各個(gè)刀具磨損程度(即，使用次數(shù)、切削持續(xù)時(shí)間、切削距離或機(jī)械加工程序的執(zhí)行次數(shù))相應(yīng)地確定主軸馬達(dá)74上的負(fù)載的最大值、平均值和最小值，以及通過設(shè)定這些最大值、平均值和最小值的極限值(即，有關(guān)電動機(jī)上負(fù)載異常的判斷參考值)，根據(jù)機(jī)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(shí)驗(yàn)獲得這些設(shè)定的極限負(fù)載值。
當(dāng)將刀具的使用次數(shù)用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)時(shí)，每次通過刀具更換將刀具安裝在主軸上時(shí)，將用于當(dāng)前刀具磨損程度的累計(jì)寄存器的計(jì)數(shù)遞增“1”。類似地，對于用在機(jī)械加工程序中的所有刀具，當(dāng)將刀具的機(jī)械加工程序的執(zhí)行的次數(shù)用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)時(shí)，每次執(zhí)行機(jī)械加工程序時(shí)，將用于當(dāng)前刀具磨損程度的累計(jì)寄存器的計(jì)數(shù)遞增“1”。當(dāng)將刀具的切削持續(xù)時(shí)間用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)時(shí)，累計(jì)所測量的切削持續(xù)時(shí)間并存儲在用于刀具的當(dāng)前刀具磨損程度的累計(jì)寄存器中。類似地，當(dāng)將刀具的切削距離用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)時(shí)，累計(jì)所測量的切削距離并存儲在用于刀具的當(dāng)前刀具磨損程度的累計(jì)寄存器中。
圖3是由數(shù)字控制單元100的CPU 30執(zhí)行的負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程的流程圖。在執(zhí)行切削程序期間，數(shù)字控制單元100的CPU 30以預(yù)定時(shí)間間隔重復(fù)地執(zhí)行在這一流程圖中示出的過程，以便允許測量負(fù)載轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值。應(yīng)注意，所示例說明的流程圖用于上述實(shí)施例，其中，與施加在主軸馬達(dá)74上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相關(guān)地監(jiān)視主軸馬達(dá)74(圖2)，以便通過檢測主軸上的異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩來檢測切削異常，從而將刀具使用次數(shù)用作用來識別當(dāng)前刀具磨損程度的參數(shù)。因此，如上所述，在通過刀具更換將刀具安裝在主軸上時(shí)，使得在CMOS存儲器32中的刀具文件中提供的用于當(dāng)前刀具磨損程度的累計(jì)寄存器的計(jì)數(shù)(即，相對于所安裝刀具存儲的使用次數(shù))遞增“1”，以及刀具的當(dāng)前刀具磨損程度(即，使用次數(shù)的累計(jì)值)被更新。
首先，在步驟S1中，在機(jī)械加工程序的某一部分或過程(例如通過刀具執(zhí)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(fù)載轉(zhuǎn)矩T。然后，例如，用下述方式，確定在該特定過程中讀取的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的最大值Tmax、平均值Tav以及最小值Tmin。
特別地，預(yù)先準(zhǔn)備用于合計(jì)所讀取的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的寄存器S、用于計(jì)數(shù)讀取次數(shù)的寄存器C、用于保存最大值Tmax的寄存器Rmax以及用于保存最小值Tmin的寄存器Rmin。每次讀取負(fù)載轉(zhuǎn)矩T時(shí)，將轉(zhuǎn)矩值到合計(jì)寄存器S，以及使計(jì)數(shù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩T時(shí)，將所讀取的轉(zhuǎn)矩值與寄存器Rmax和Rmin的數(shù)值進(jìn)行比較。如果所讀取的轉(zhuǎn)矩值大于Rmax的數(shù)值，則用所讀取的轉(zhuǎn)矩值替換Rmax的數(shù)值，而如果所讀取的轉(zhuǎn)矩值低于Rmin的數(shù)值，則用所讀取的轉(zhuǎn)矩值代替Rmin的數(shù)值。結(jié)果，當(dāng)在某一過程中完成讀取主軸馬達(dá)74上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T時(shí)，將在這一部分中負(fù)載轉(zhuǎn)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(shí)，通過將存儲在合計(jì)寄存器S中的轉(zhuǎn)矩之和除以存儲在計(jì)數(shù)寄存器C中的計(jì)數(shù)，確定負(fù)載轉(zhuǎn)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(jì)寄存器讀取當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))，以及從該刀具文件讀出分別對應(yīng)于高于和低于所讀取的當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的預(yù)定刀具磨損程度(或預(yù)定使用次數(shù))的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)預(yù)定的上限值。然后，對這些預(yù)定上限值進(jìn)行內(nèi)插以便計(jì)算對應(yīng)于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的當(dāng)前最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的極限負(fù)載值(或當(dāng)前上限值)。例如，如果用Mr表示當(dāng)前使用次數(shù)，用MA表示低于并最接近于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)，用TAu表示相應(yīng)于預(yù)定使用次數(shù)MA的預(yù)定上限值，用MB表示高于并最接近當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)，以及用TBu表示相應(yīng)于預(yù)定使用次數(shù)MB的預(yù)設(shè)的上限值，通過下述方程式1計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的當(dāng)前上限值TruTru＝TAu+{(Mr-MA)·(TBu-TAu)/(MB-MA)}…(1)如果累計(jì)寄存器中的當(dāng)前刀具磨損程度(當(dāng)前使用次數(shù))等于預(yù)定刀具磨損程度(預(yù)定使用次數(shù))中的任何一個(gè)(例如Mr＝MA)，則將對應(yīng)于這一預(yù)定使用次數(shù)的預(yù)設(shè)的上限值(例如TAu)用作當(dāng)前上限值(例如Tru)，如將從方程式1所理解的。
然后，在步驟S3，將在步驟S1中確定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值Tmax與在步驟S2中計(jì)算的當(dāng)前上限值Tru進(jìn)行比較，以便判斷是否滿足Tmax≤Tru。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大值Tmax超出當(dāng)前上限值Tru(即，Tmax＞Tru)，例程進(jìn)入步驟S8，發(fā)出表示出現(xiàn)切削異常的警告，于是完成負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程。
另一方面，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大值Tmax不超出當(dāng)前上限值Tru(即，負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大值Tmax正常)，例程進(jìn)入步驟S4。在步驟S4中，從刀具文件讀取分別相應(yīng)于高于和低于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的預(yù)定刀具磨損程度(或預(yù)定使用次數(shù))的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)預(yù)設(shè)的上限平均值。然后，對這些預(yù)設(shè)的上限平均值進(jìn)行內(nèi)插以便計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩的當(dāng)前上限負(fù)載值(或當(dāng)前上限平均值)。用相同的方式，在步驟S4中，讀出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)預(yù)設(shè)的下限平均值，并對其進(jìn)行內(nèi)插以便計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩的當(dāng)前下限負(fù)載值(或當(dāng)前下限平均值)。例如，如果用TAavu表示相應(yīng)于低于并最接近于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)MA的預(yù)設(shè)的上限平均值，用TBavu表示相應(yīng)于高于并最接近于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)MB的預(yù)設(shè)的上限平均值，用TAavd表示相應(yīng)于預(yù)定使用次數(shù)MA的預(yù)設(shè)的下限平均值，以及用Tbavd表示相應(yīng)于預(yù)定使用次數(shù)MB的預(yù)設(shè)的下限平均值，則分別通過下述方程式2和3計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的當(dāng)前上限平均值Travu和當(dāng)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(jì)寄存器中的當(dāng)前刀具磨損程度(當(dāng)前使用次數(shù))等于預(yù)定刀具磨損程度(預(yù)定使用次數(shù))中的任何一個(gè)(例如，Mr＝MA)，則將相應(yīng)于這一預(yù)定使用次數(shù)的預(yù)設(shè)的上限平均值(例如TAavu)和預(yù)設(shè)的下限平均值(例如，TAavd)分別用作當(dāng)前上限平均值(例如Travu)和當(dāng)前下限平均值(例如Travd)，如將從方程式2和3所理解的。
然后，在步驟S5中，將在步驟S1中確定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值Tav與在步驟S4中計(jì)算的當(dāng)前上限平均值Travu和當(dāng)前下限平均值Travd進(jìn)行比較，以便判斷是否滿足Travd≤Tav≤Travu。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值Tav不在當(dāng)前上限平均值Travu和當(dāng)前下限平均值Travd之間的范圍內(nèi)(即，Tav＞Travu或Tav＜Travd)，例程進(jìn)入步驟S8，發(fā)出表示發(fā)生切削異常的警告，于是完成負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程。
另一方面，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值Tav未超出當(dāng)前上限平均值Travu以及不低于當(dāng)前下限平均值Travd(即，負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值Tav正常)，則例程進(jìn)入步驟S6。在步驟S6中，從刀具文件讀出分別相應(yīng)于高于和低于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的預(yù)定刀具磨損程度(或預(yù)定使用次數(shù))的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)預(yù)設(shè)的下限值。然后，對這些預(yù)設(shè)的下限平均值進(jìn)行內(nèi)插以便計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前刀具磨損程度(或當(dāng)前使用次數(shù))的最小負(fù)載轉(zhuǎn)矩的當(dāng)前極限負(fù)載值(或當(dāng)前下限值)。例如，如果用TAd表示相應(yīng)于低于并最接近于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)MA的預(yù)設(shè)的下限值，用TBd表示相應(yīng)于高于并最接近于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的預(yù)定使用次數(shù)MB的預(yù)設(shè)的下限值，則通過下述方程式計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前使用次數(shù)Mr的當(dāng)前下限值TrdTrd＝TAd+{(Mr-MA)·(TBd-TAd)/(MB-MA)} …(4)如果累計(jì)寄存器中的當(dāng)前刀具磨損程度(當(dāng)前使用次數(shù))等于預(yù)定刀具磨損程度(預(yù)定使用次數(shù))中的任何一個(gè)(例如Mr＝MA)，則將對應(yīng)于這一預(yù)定使用次數(shù)的預(yù)設(shè)的下限值(例如TAd)用作當(dāng)前下限值(例如Trd)，如將從方程式4中所理解到的。
然后，在步驟S7，將在步驟S1中確定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最小值Tmin與在步驟S6中計(jì)算的當(dāng)前下限值Trd進(jìn)行比較，以便判斷是否滿足Tmin＜Trd。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小值Tmin低于當(dāng)前下限值Trd(即Tmin＜Trd)，例程進(jìn)入步驟S8，發(fā)出表示出現(xiàn)切削異常的警告，于是結(jié)束負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程。另一方面，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小值Tmin不低于當(dāng)前下限值(即，負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小值Tmin正常)，則判定在這一特定過程中沒有出現(xiàn)切削異常，于是完成負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程。
如上所述，在數(shù)字控制單元100中，通過相對于與各個(gè)刀具磨損程度一致地離散地預(yù)設(shè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的預(yù)設(shè)的上限值、預(yù)設(shè)的上限平均值、預(yù)設(shè)的下限平均值以及預(yù)設(shè)的下限值分別進(jìn)行的內(nèi)插，在機(jī)械加工程序的某一部分或過程中計(jì)算相應(yīng)于當(dāng)前刀具磨損程度的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的當(dāng)前上限值、當(dāng)前上限平均值、當(dāng)前下限平均值和當(dāng)前下限值的比較。此后，鑒于分別與當(dāng)前上限值、當(dāng)前上限/下限平均值以及當(dāng)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(chǔ)上確定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值、平均值和最小值，如果不允許，則斷定已經(jīng)發(fā)生切削異常，以及輸出警告。
圖4和圖5通過舉例，分別表示在用于防止刀具斷裂的傳統(tǒng)方法中，在受控電動機(jī)(主軸馬達(dá))中極限負(fù)載值(上限值Tu’)和負(fù)載曲線之間的關(guān)系，以及根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制單元100中受控電動機(jī)(主軸馬達(dá))中的當(dāng)前極限負(fù)載值(當(dāng)前上限值Tru)和負(fù)載曲線之間的關(guān)系。如圖4所示，在傳統(tǒng)方法中，作為判斷出現(xiàn)刀具斷裂的參考值的上限值Tu’是恒定的(在異常負(fù)載可檢測水平)，并且對于一個(gè)刀具，在根據(jù)刀具使用次數(shù)(刀具磨損程度)遞增，主軸馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐步增加達(dá)到上限值Tu’時(shí)的瞬間，用新的刀具更換該刀具。與此相反，在圖5所示的數(shù)字控制單元100的負(fù)載轉(zhuǎn)矩監(jiān)視和切削異常檢測過程中，確定分別對應(yīng)于當(dāng)前刀具使用次數(shù)(刀具磨損程度)1至n的當(dāng)前上限值Tlu至Tnu，以便根據(jù)刀具磨損程度，改變作為判斷出現(xiàn)切削異常的參考值的當(dāng)前上限值Tru，如曲線Q所示。然后，對于一個(gè)刀具，在根據(jù)刀具使用次數(shù)的遞增主軸馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐步增加達(dá)到當(dāng)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(gè)刀具重復(fù)執(zhí)行機(jī)械加工操作期間，在刀具使用次數(shù)相對低的情況下，檢測對在某一過程中的最大負(fù)載來說異常大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tx。這種異常負(fù)載會導(dǎo)致機(jī)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(tǒng)方法中，異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tx通常低于上限值Tu’，從而不能檢測異常負(fù)載，于是在假定切削正常進(jìn)行的情況下繼續(xù)機(jī)械加工。
與此相反，在圖5所示的數(shù)字控制單元100的處理中，在出現(xiàn)異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tx的瞬間，異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tx通常超出相應(yīng)于刀具使用次數(shù)的當(dāng)前上限值Tru(在曲線Q中)，以便發(fā)出表示出現(xiàn)異常的警告，從而可以立即采取措施，諸如停止機(jī)械加工。另外，盡管在圖5中未出，但在數(shù)字控制單元100中，對于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(dāng)前上限/下限平均值和當(dāng)前下限值確定為判斷出現(xiàn)切削異常的參考值。因此，在刀具使用次數(shù)相對低的條件下檢測對某一過程的平均負(fù)載來說異常高的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況中，這種異常的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常超出相應(yīng)于出現(xiàn)該異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩的瞬間刀具使用次數(shù)的當(dāng)前上限平均值，以便可以啟動表示出現(xiàn)異常，即，機(jī)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(fù)載來說異常低的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下，這種異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常小于相應(yīng)于出現(xiàn)異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩的瞬間刀具使用次數(shù)的當(dāng)前下限平均值或當(dāng)前下限值，根據(jù)這一結(jié)果，也可以發(fā)出表示出現(xiàn)異常的警告。這種異常低的負(fù)載轉(zhuǎn)矩表示在出現(xiàn)異常負(fù)載轉(zhuǎn)矩的瞬間刀具的刀刃斷裂，以便可以停止該機(jī)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(jù)本發(fā)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(dǎo)致機(jī)械加工精度惡化的切削異常，以及采取措施以便例如，操作員觀察其后的刀具狀況，如果他判斷可以連續(xù)機(jī)械加工則連續(xù)執(zhí)行機(jī)械加工，或者，如果他判斷不可以連續(xù)機(jī)械加工，則立即更換刀具。因此，防止產(chǎn)生具有惡化的機(jī)械加工精度的工件，從而提高工件的合格率。另外，根據(jù)本發(fā)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(guān)，以便可以避免由斷裂的刀具連續(xù)機(jī)械加工會導(dǎo)致的裝置損壞這一缺點(diǎn)。
在上述實(shí)施例中，在某一過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值、平均值和最小值均被監(jiān)視，以便檢測異常負(fù)載或切削異常。然而，代替上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可以構(gòu)造成監(jiān)視從某一過程中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值、平均值和最小值中選擇的一個(gè)或兩個(gè)所需值以便檢測切削異常。同時(shí)，在監(jiān)視某一過程中的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下，當(dāng)前上限平均值和當(dāng)前下限平均值中的任何一個(gè)能被用作判斷切削異常的參考。
另外，在上述實(shí)施例中，用于控制主軸馬達(dá)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(jiān)視作用在主軸馬達(dá)74上的負(fù)載。然而，代替提供擾動估算觀測器78，本發(fā)明也可以構(gòu)造成通過監(jiān)視流過主軸馬達(dá)上的驅(qū)動電流，或通過另外安裝專用于測量的轉(zhuǎn)矩傳感器，直接測量作用在主軸馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
此外，在上述實(shí)施例中，通過監(jiān)視作用在主軸馬達(dá)74上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來檢測切削異常。另一方面，代替此種配置，本發(fā)明可以構(gòu)造成通過監(jiān)視作用在用于刀具進(jìn)給軸的X軸、Y軸和Z軸的伺服馬達(dá)68、70、72上的負(fù)載轉(zhuǎn)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(dá)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(jiān)視作用在各個(gè)伺服馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。另外，如上所述，可通過監(jiān)視流過各馬達(dá)的驅(qū)動電流，或通過另外地安裝專用于測量的轉(zhuǎn)矩傳感器，直接測量作用在各個(gè)馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
在監(jiān)視作用在X軸、Y軸和Z軸伺服馬達(dá)68、70和72上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下，通過將作用在各個(gè)伺服馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩組合獲得的合成負(fù)載轉(zhuǎn)矩也可以用于判斷切削異常。通過這一配置，也可以執(zhí)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(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩改變?yōu)楹铣韶?fù)載轉(zhuǎn)矩，以及稍微改變刀具文件中的預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值以外?？商鎿Q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(dá)68，70，72上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩中的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以代替在圖3的步驟S1中讀取的主軸馬達(dá)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
另外，代替監(jiān)視所有刀具進(jìn)給軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以根據(jù)機(jī)械加工程序的內(nèi)容監(jiān)視所需的一個(gè)或兩個(gè)刀具進(jìn)給軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。更具體地說，在具有在其縱向方向中進(jìn)給的刀具的機(jī)械加工中，諸如鉆孔或開孔，僅監(jiān)視Z軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩就足夠了。而在具有在與其縱軸相交的方向中進(jìn)給的刀具的機(jī)械加工中，諸如通過立銑刀的端面或外周表面切削，則監(jiān)視X軸和Y軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是很有利的。
盡管已經(jīng)參考特定的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不背離下述權(quán)利要求書的精神的范圍的情況下，可以做出各種改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于機(jī)床的數(shù)字控制單元，包括用于監(jiān)視電動機(jī)上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視部件；用于識別當(dāng)前刀具磨損程度的磨損識別部件；用于存儲分別對應(yīng)于預(yù)定的多個(gè)刀具磨損程度的多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的存儲部件；計(jì)算部件，用于基于存儲在所述存儲部件中的所述多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值，計(jì)算對應(yīng)于在所述磨損識別部件中識別的所述當(dāng)前刀具磨損程度的當(dāng)前極限負(fù)載值；以及比較部件，用于將在所述負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的所述電動機(jī)上的負(fù)載與在所述計(jì)算部件中計(jì)算的所述當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較，以及用于判斷所述負(fù)載的異常。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，所述磨損識別部件通過使用從刀具使用次數(shù)、刀具的切削持續(xù)時(shí)間、刀具的切削距離以及機(jī)械加工程序執(zhí)行次數(shù)中選擇的一個(gè)參數(shù)來識別所述當(dāng)前刀具磨損程度。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，所述負(fù)載監(jiān)視部件在機(jī)械加工程序的某一過程中，監(jiān)視所述負(fù)載的最大值、平均值和最小值中的至少一個(gè)。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，存儲在所述存儲部件中的所述多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)是所述負(fù)載的預(yù)設(shè)的上限值，以及，所述比較部件將在所述負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的所述負(fù)載的所述最大值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的上限值在所述計(jì)算部件中計(jì)算的所述當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
5.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，存儲在所述存儲部件中的所述多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)是所述負(fù)載的預(yù)設(shè)的上限平均值，以及，所述比較部件將在所述負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的所述負(fù)載的所述平均值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的上限平均值在所述計(jì)算部件中計(jì)算的所述當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
6.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，存儲在所述存儲部件中的所述多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)是所述負(fù)載的預(yù)設(shè)的下限平均值，以及，所述比較部件將在所述負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的所述負(fù)載的所述平均值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的下限平均值在所述計(jì)算部件中計(jì)算的所述當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
7.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字控制單元，其特征在于，存儲在所述存儲部件中的所述多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的每一個(gè)是所述負(fù)載的預(yù)設(shè)的下限值，以及，所述比較部件將在所述負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的所述負(fù)載的所述最小值與基于多個(gè)預(yù)設(shè)的下限值在所述計(jì)算部件中計(jì)算的所述當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較。
全文摘要
一種數(shù)字控制單元，具有用于在機(jī)械加工操作期間監(jiān)視刀具驅(qū)動源上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視功能。數(shù)字控制單元包括用于監(jiān)視電動機(jī)上的負(fù)載的負(fù)載監(jiān)視部件；用于識別當(dāng)前刀具磨損程度的磨損識別部件；用于存儲分別對應(yīng)于預(yù)定多個(gè)刀具磨損程度的多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值的存儲部件；用于基于存儲在該存儲部件中的該多個(gè)預(yù)設(shè)的極限負(fù)載值，計(jì)算對應(yīng)于在該磨損識別部件中識別的該當(dāng)前刀具磨損程度的當(dāng)前極限負(fù)載值的計(jì)算部件；以及用于將在該負(fù)載監(jiān)視部件中監(jiān)視到的該電動機(jī)上的負(fù)載與在該計(jì)算部件中計(jì)算的該當(dāng)前極限負(fù)載值進(jìn)行比較，以及用于判斷該負(fù)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(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者井上道也, 石井一 申請人:發(fā)那科株式會社