JP6346163B2

JP6346163B2 - ドア開閉装置を備えた工作機械

Info

Publication number: JP6346163B2
Application number: JP2015247269A
Authority: JP
Inventors: 佳太淺野
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: US10208522B2; DE102016124261B4; CN106891199A; US20170371313A9; DE102016124261A1; CN106891199B; US20170176969A1; JP2017109286A

Description

本発明は、工作機械に関し、特に低コストで安全性を担保できるドア開閉装置を備えた工作機械に関する。

工作機械は、加工時に使用するクーラント、加工時に発生する切粉、加工に使用するカッタやツーリング、被加工物などの飛散から作業者を保護するために、一般的にはスプラッシュガードなどと呼ばれる固定カバーで加工領域が覆われている。また、その固定カバーの一部は、作業者による被加工物の交換、機内清掃や定期点検などの保守作業を行うために、可動式ドアが設けられる。

この可動式ドアは、作業者が自ら開閉する手動ドアとする場合もあるが、ドア開閉時間の短縮やロボットなどによる自動化を目的として、サーボモータやエアシリンダを使用した自動ドアとする場合もある（例えば、特許文献１）。

特開２００６−０７５９１６号公報

ドア開閉が自動の場合、作業者の誤操作などの突発的な事故により、作業者やロボットがドアに挟まれる場合があり、怪我や破損に至る危険性が考えられる。このような事態を防ぐために、人や物が機内に存在する事を感知するセンサ（エリアセンサ）などが一般的に使用される。しかしながら、このようなセンサは高価な場合が多く、コスト面での課題があった。

そこで本発明の目的は、低コストで安全性を担保できるドア開閉装置を備えた工作機械を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、可動式ドアと、該可動式ドアを駆動するドア開閉用駆動モータと、該ドア開閉用駆動モータの動力を前記可動式ドアに伝達する伝動機構で構成されるドア開閉装置を備えた工作機械において、前記可動式ドアの開閉動作時に、前記ドア開閉用駆動モータに掛かる外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、該外乱トルク推定部によって推定された前記外乱トルクが予め定めた第１の上限値および第１の下限値と比較するトルク比較部と、該トルク比較部によって前記外乱トルクが前記第１の上限値を上回ったと判定された場合、または、前記外乱トルクが前記第１の下限値を下回った場合、前記可動式ドアの前記開閉動作を停止するモータ停止部と、を有することを特徴とするドア開閉装置を備えた工作機械である。

本願の請求項２に係る発明は、該トルク比較部によって前記外乱トルクが予め定めた第１の上限値を上回ったと判定された場合、前記モータ停止部によるドア開閉動作の停止後に、前記可動式ドアが停止する前の動作方向とは反対方向に予め定めた距離だけ前記可動式ドアを引き戻す動作を行うドア一定量引き戻し部をさらに有する、ことを特徴とする前記請求項１に記載のドア開閉装置を備えた工作機械である。

本願の請求項３に係る発明は、前記ドア一定量引き戻し部は、前記可動式ドアを予め定めた距離だけ引き戻す際、ドアに負荷が掛かっている場合に限り、その負荷の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる、ことを特徴とする請求項２に記載のドア開閉装置を備えた工作機械である。

本願の請求項４に係る発明は、可動式ドアと、該可動式ドアを駆動するドア開閉用駆動モータと、該ドア開閉用駆動モータの動力を前記可動式ドアに伝動する伝動機構で構成されるドア開閉装置を備えた工作機械において、前記可動式ドアの停止時に、前記該ドア開閉用駆動モータに掛かる外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、該外乱トルク推定部によって推定された前記外乱トルクが予め定めた第２の上限値と比較するトルク比較部と、該トルク比較部によって前記外乱トルクが前記第２の上限値を上回ったと判定された場合、前記工作機械の動作を停止する機械停止部と、を有することを特徴としたドア開閉装置を備えた工作機械である。

本願の請求項５に係る発明は、前記ドア開閉用駆動モータとして、サーボモータを使用する、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のドア開閉装置を備えた工作機械である。

本発明により、エリアセンサなどの高価な部品を使用せず、既存の構成部品により、安全なドア開閉装置を備えた工作機械を実現できる。

本発明の一実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の概略構成図である。本発明の第１の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の機能ブロック図である。本発明の第１の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の機能ブロック図である。本発明の第２の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明のドア開閉装置を備えた工作機械では、ドアの開閉時にドアの開閉動作を妨げる物体（障害物）にドアが衝突して負荷が掛かった場合、または、部品の破損、摩耗、部品同士の結合不良、などが原因でモータが空回りする場合、その負荷（外乱トルク）を、モータに関する情報（回転速度、電流、位置など）から判断して、ドアを停止させる。

本発明のドア開閉装置を備えた工作機械では、ドアに掛かった負荷が異常負荷であると判断するために、判断の基準となる値の上限値と下限値を予め定めておく。そして、ドア開閉中の外乱トルクの値が、前記上限値を上回った場合、もしくは、前記下限値を下回った場合に、異常負荷と判断しドアを停止する。また、前記上限値を上回ってドアが停止した場合には、低速でドアを一定距離引き戻し、その際、ドアに負荷が掛かっている場合に限り、その負荷の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる制御を行う。

図１は、本発明の第１の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の固定カバーに設けられた自動ドアの近辺の概略構成図であり、図１上は自動ドア全体図を示しており、また、図１下は図１上における点線枠内の拡大図を示している。一般に、工作機械を覆う固定カバーに設けられる自動ドアは、伝動機構、伝動機構とドアを連結する部材、ドアから構成され、モータを駆動源としてドア開閉を行う。また、伝動機構としては、ボールネジ、ラック＆ピニオン、プーリとベルトまたはチェーンが使用される。図１に示すドア開閉装置を備えた工作機械１では、加工領域を覆う固定カバー２にドア３が設けられている。固定カバー２の上部には、サーボモータ４と、該サーボモータ４の回転運動をナット６の直線運動へと変換する電動機構としてのボールねじ５が取り付けられている。また、ナット６はドア３の上部に設けられた連結部材としての板金７と固定されており、サーボモータ４が回転駆動するとナット６と共に板金７が移動し、該板金７と連結しているドア３が図中白抜き矢印方向へと移動し、ドア３が開閉するようになっている。

図２は、本発明の一実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の自動ドアの制御を行う機構の機能ブロック図である。なお、図２では、サーボモータ４に対して移動指令を出力してドア３の開閉を行う制御部については省略している。
加減速検出部１０は、サーボモータ４の速度及び加減速度を検出し、検出した速度及び加減速度を加減速比較部１２に対して出力する。加減速検出部１０は、サーボモータ４を制御する図示しないサーボ制御部から現在のサーボモータ４の速度及び加速度を検出するようにしても良いし、サーボモータ４が備える図示しない位置検出器からの出力に基づいて現在のサーボモータ４の速度及び加速度を検出するようにしても良い。

外乱トルク推定部１１は、サーボモータ４に係る負荷（外部トルク）の大きさを推定し、トルク比較部１３に対して出力する。外乱トルク推定部１１が外乱トルクを推定する手法に関しては、例えばサーボモータの実際の回転速度と制御装置からサーボモータへのトルク指令値(電流値)に基づいて推定したり、サーボモータ４に掛けられている電流値・電圧値に基づいて推定したりする方法などのように、特開平０６−０８２３４６号公報、特開平０７−０５１９９１号公報、特開平０８−１７４３８３号公報、特開２００７−２１９９９１号公報などに記載されている公知の手法を用いればよい。

加減速比較部１２は、加減速検出部１０から受け付けたサーボモータ４の速度及び加速度に基づいて、サーボモータ４が移動中であるか否かを判定し、移動中である場合にトルク比較部１３に対して外乱トルクに係る比較判定処理を行うように指令する。
トルク比較部１３は、加減速比較部１２から外乱トルクに係る比較判定処理を行うように指令されると、外乱トルク推定部１１から受け付けたサーボモータ４の外乱トルクを予め設定された上限値及び下限値とそれぞれ比較する。そして、サーボモータ４の外乱トルクが上限値を上回った場合、またはサーボモータ４の外乱トルクが下限値を下回った場合、その旨モータ停止部１４へと出力する。

モータ停止部１４は、トルク比較部１３からサーボモータ４の外乱トルクが上限値を上回ったことを受けた場合、サーボモータ４を停止する指令を生成し、生成した停止指令と、ドア３を予め定めた所定量だけ引き戻す指令と、外乱トルク推定部１１で推定された、サーボモータ４に係る負荷（外部トルク）の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる指令をサーボモータ４へと出力するようにモータ一定量引き戻し部１５に対して指令する。
また、モータ停止部１４は、トルク比較部１３からサーボモータ４の外乱トルクが下限値を下回ったことを受けた場合、サーボモータ４を停止する指令を生成し、生成した停止指令をサーボモータ４へと出力するようにモータ一定量引き戻し部１５に対して指令する。

モータ一定量引き戻し部１５は、モータ停止部１４から受け付けた停止指令をサーボモータ４へと出力する。また、モータ一定量引き戻し部１５は、モータ停止部１４からドア３を予め定めた所定量だけ引き戻すように指令された場合には、ドア３を予め定めた所定量だけ引き戻す指令をサーボモータ４へと出力し、さらに、モータ一定量引き戻し部１５は、モータ停止部１４から外乱トルク推定部１１で推定された、サーボモータ４に係る負荷（外部トルク）の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させるように指令された場合には、サーボモータ４に係る負荷（外部トルク）の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる指令をサーボモータ４へ出力する。

図３は、図２に示した本実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の自動ドアの制御処理を示すフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］加減速検出部１０は、サーボモータ４の速度及び加減速度を検出する。
●［ステップＳＡ０２］加減速比較部１２は、ステップＳＡ０１で検出したサーボモータ４の速度及び加速度に基づいてサーボモータ４が移動中であるか否かを判定する。サーボモータ４が移動中である場合にはステップＳＡ０３へ処理を移行し、移動中ではない場合にはステップＳＡ０６へと処理を移行する。

●［ステップＳＡ０３］外乱トルク推定部１１は、サーボモータ４の外乱トルクを推定する。
●［ステップＳＡ０４］トルク比較部１３は、ステップＳＡ０３で推定したサーボモータ４の外乱トルクが予め定めた基準となるトルクの上限値を上回っていないか否かを判定する。上回っていない場合にはステップＳＡ０５へと処理を移行し、上回っている場合にはステップＳＡ０７へと処理を移行する。
●［ステップＳＡ０５］トルク比較部１３は、ステップＳＡ０３で推定したサーボモータ４の外乱トルクが予め定めた基準となるトルクの下限値を下回っていないか否かを判定する。下回っていない場合にはステップＳＡ０６へと処理を移行し、下回っている場合にはステップＳＡ１０へと処理を移行する。

●［ステップＳＡ０６］ドアの開閉状態は正常であると判断し、ドアの開閉制御を継続しステップＳＡ０１へと処理を移行する。
●［ステップＳＡ０７］ドアの開閉状態は異常であると判断する。
●［ステップＳＡ０８］モータ停止部１４は、サーボモータ４を停止する指令を生成して出力する。
●［ステップＳＡ０９］ドア一定量引き戻し部１５は、ステップＳＡ０８で出力されたサーボモータ４の停止指令の後に、ドア３をあらかじめ定めらえた所定量だけ引き戻す指令と、サーボモータ４に係る負荷（外部トルク）の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる指令を出力する。

●［ステップＳＡ１０］ドアの開閉状態は異常であると判断する。
●［ステップＳＡ１１］モータ停止部１４は、サーボモータ４を停止する指令を生成して出力する。

上記した構成を備えた本実施形態のドア開閉機構を備えた工作機械１では、エリアセンサなどの高価な部品を使用せず、既存の構成部品により、安全なドア開閉装置を備えた工作機械を実現できる。また、従来技術のドア開閉時の異常を検知するために使用されるエリアセンサでは、工作機械の内部で発生した、被加工物や刃物などの飛散などの異常は検知できないが、本提案では、ドアに掛かる負荷（外乱トルク）をサーボモータに関する情報（回転速度、電流、位置など）から判断し、機械動作を停止させるなど工作機械の安全性を向上できる。

通常、障害物が挟まれた事を検出するには、外乱トルクの上限値のみを定めれば良い。しかし、同時に下限値も設定することで、ドア開閉機構部の部品の脱落（駆動機構からのドアの脱落など）も検出する事が可能となると言う特徴を有する。これは、部品の脱落による部品破損の回避、ドアの開閉状態を正確に検出することによる人やロボットなどの安全の確保などの効果がある。
また、異常負荷の上限値で停止した際には、人やロボットがドアに挟まれている可能性があるため、低速でドアを一定距離引き戻し、その際、ドアに負荷が掛かっている場合に限り、その負荷の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる動作を行い、人やロボットがドアに挟まれた状態から早急に脱出可能な状態への回避動作も付加出来るという特徴も有する。
更に、ドアの加減速時を除いて、上記異常負荷の判断を行えば、モータが停止する直前や作動した直後、もしくは低速運転時などに発生しやすいバックラッシュなどによる異常負荷の誤検出を回避することも可能となる。

本発明のドア開閉装置を備えた工作機械では、ドアの開閉動作以外の時にドアに負荷が掛かった場合、その負荷（外乱トルク）を、サーボモータに関する情報（回転速度、電流、位置など）から判断し、機械を停止させるように構成することもできる。

図４は、本発明の第２の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械の自動ドアの制御を行う機構の機能ブロック図である。なお、図４では、サーボモータ４に対して移動指令を出力してドア３の開閉を行う制御部については省略している。また、図４において、ドア３、サーボモータ４、および、加減速検出部１０、外乱トルク推定部１１、モータ停止部１４、モータ一定量引き戻し部１５の各機能手段については、上記した第１の実施形態と同様である。

加減速比較部１２は、加減速検出部１０から受け付けたサーボモータ４の速度及び加速度に基づいて、サーボモータ４が移動中であるか否かを判定し、移動中である場合にトルク比較部１３に対してドア３の開閉動作停止に係る外乱トルクの比較判定処理を行うように指令する。
また、加減速比較部１２は、加減速検出部１０から受け付けたサーボモータ４の速度及び加速度に基づいて、サーボモータ４が停止中であるか否かを判定し、停止中である場合にトルク比較部１３に対して工作機械１の停止に係る外乱トルクの比較判定処理を行うように指令する。

トルク比較部１３は、加減速比較部１２からドア３の開閉動作停止に係る外乱トルクの比較判定処理を行うように指令されると、外乱トルク推定部１１から受け付けたサーボモータ４の外乱トルクを予め設定された第１の上限値及び第１の下限値とそれぞれ比較する。そして、サーボモータ４の外乱トルクが第１の上限値を上回った場合、またはサーボモータ４の外乱トルクが第１の下限値を下回った場合、その旨モータ停止部１４へと出力する。
また、トルク比較部１３は、加減速比較部１２から工作機械１の停止に係る外乱トルクの比較判定処理を行うように指令されると、外乱トルク推定部１１から受け付けたサーボモータ４の外乱トルクを予め設定された第２の上限値と比較する。そして、サーボモータ４の外乱トルクが第２の上限値を上回った場合、その旨機械停止部１６へと出力する。

機械停止部１６は、トルク比較部１３からサーボモータ４の外乱トルクが第２の上限値を上回ったことを受けた場合、工作機械の各部を制御する図示しないサーボモータなどの駆動部に対する停止指令を生成し、生成した停止指令をそれぞれの駆動部に対して出力する。

図５は、図４に示した本実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械における機械停止に係る制御処理を示すフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］外乱トルク推定部１１は、サーボモータ４の外乱トルクを推定する。
●［ステップＳＢ０２］トルク比較部１３は、ステップＳＢ０１で推定したサーボモータ４の外乱トルクが予め定めた基準となるトルクの第２の上限値を上回っていないか否かを判定する。上回っていない場合にはステップＳＢ０３へと処理を移行し、上回っている場合にはステップＳＢ０４へと処理を移行する。

●［ステップＳＢ０３］工作機械１の動作状態は正常であると判断し、工作機械１の動作を継続しステップＳＢ０１へと処理を移行する。
●［ステップＳＢ０４］工作機械１の動作状態が異常であると判断する。
●［ステップＳＡ０５］機械停止部１６は、工作機械１の各駆動部を停止する指令を生成して出力する。

上記構成により、ドアの開閉動作以外の時において外乱トルク第２の上限値を上回った場合に工作機械１の動作を停止することができる。これは、加工中などのドア３閉時に、被加工部や刃物などが飛散する事故を検出可能とする。なお、飛散したものが、ドア３などの部品にぶつかり、その衝撃がサーボモータ４へと伝わる事で、サーボモータ４に外乱トルクが掛かり検出可能となる。また、ワーク交換中などのドア３開時に、ワーク交換を行うロボットが、誤って工作機械１に衝突する事故を検出可能とする。同様に、ロボットが工作機械１の各部へと衝突した際の衝撃が、サーボモータ４へと伝わる事で、サーボモータ４に外乱トルクが掛かり検出可能となる。

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のみに限定されることなく、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。
例えば、上記した実施形態では第２の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械１は、第１の実施形態によるドア開閉装置を備えた工作機械１が備える機能を包含するものとして説明したが、第２の実施形態において説明した工作機械１の異常を検出して停止させる機能を単独で実装するようにしても良い。

１工作機械
２固定カバー
３ドア
４サーボモータ
６ナット
７板金
１０加減速検出部
１１外乱トルク推定部
１２加減速比較部
１３トルク比較部
１４モータ停止部
１５モータ一定量引き戻し部
１６機械停止部

Claims

可動式ドアと、該可動式ドアを駆動するドア開閉用駆動モータと、該ドア開閉用駆動モータの動力を前記可動式ドアに伝達する伝動機構で構成されるドア開閉装置を備えた工作機械において、
前記可動式ドアの開閉動作時に、前記ドア開閉用駆動モータに掛かる外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、
該外乱トルク推定部によって推定された前記外乱トルクが予め定めた第１の上限値および第１の下限値と比較するトルク比較部と、
該トルク比較部によって前記外乱トルクが前記第１の上限値を上回ったと判定された場合、または、前記外乱トルクが前記第１の下限値を下回った場合、前記可動式ドアの前記開閉動作を停止するモータ停止部と、
を有することを特徴とするドア開閉装置を備えた工作機械。
該トルク比較部によって前記外乱トルクが予め定めた第１の上限値を上回ったと判定された場合、前記モータ停止部によるドア開閉動作の停止後に、前記可動式ドアが停止する前の動作方向とは反対方向に予め定めた距離だけ前記可動式ドアを引き戻す動作を行うドア一定量引き戻し部をさらに有する、
ことを特徴とする前記請求項１に記載のドア開閉装置を備えた工作機械。
前記ドア一定量引き戻し部は、前記可動式ドアを予め定めた距離だけ引き戻す際、ドアに負荷が掛かっている場合に限り、その負荷の大きさに応じて、引き戻し動作速度を速く変化させる、
ことを特徴とする請求項２に記載のドア開閉装置を備えた工作機械。
可動式ドアと、該可動式ドアを駆動するドア開閉用駆動モータと、該ドア開閉用駆動モータの動力を前記可動式ドアに伝動する伝動機構で構成されるドア開閉装置を備えた工作機械において、
前記可動式ドアの停止時に、前記該ドア開閉用駆動モータに掛かる外乱トルクを推定する外乱トルク推定部と、
該外乱トルク推定部によって推定された前記外乱トルクが予め定めた第２の上限値と比較するトルク比較部と、
該トルク比較部によって前記外乱トルクが前記第２の上限値を上回ったと判定された場合、前記工作機械の動作を停止する機械停止部と、
を有することを特徴としたドア開閉装置を備えた工作機械。
前記ドア開閉用駆動モータとして、サーボモータを使用する、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載のドア開閉装置を備えた工作機械。