JP7044734B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボ制御装置に関する。

従来より、加工方向に工具とワークとを相対的に揺動（振動）させることにより（揺動動作）、切屑を細分化する揺動加工が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１には、「切削工具１３０の往動時の切削加工部分と、復動時の切削加工部分とが一部重複し、ワークＷ周面のｎ＋１回転目の切削部分に、ｎ回転目に切削済みの部分が含まれ、この部分では、切削中に切削工具１３０が、ワークＷに対して何ら切削を行わずに空削りする所謂、空振り動作が生じる。 切削加工時にワークＷから生じる切屑は、前記空振り動作によって順次分断される。 工作機械１０は、切削工具１３０の切削送り方向に沿った前記往復振動によって切屑を分断しながら、ワークＷの外形切削加工等を円滑に行うことができる。」と記載されている。

また、特許文献２には、「加工中に移動経路に沿って加える振動の周波数と振幅とを規定した振動切削を行う指令を加工プログラムに設け、加工プログラム中の移動指令に基づくプログラム経路から、補正情報に基づいて加工対象に対する工具６２の基準位置の軌跡である補正経路を生成し、この補正経路での加工に対して、補正経路に沿った振動を加えるようにした。これによって、補正経路以外の位置を削ったり、加工対象を削りすぎたりすることを防ぐことができる。このとき、補正経路に沿った振動を、振幅が数百マイクロメートル以下かつ周波数が数百Ｈｚ以下の低周波振動とすることで、切削により発生する切屑を振動により細かく分断することができる。」と記載されている。

特許第６４１６２１８号公報 特許第５６０６６５８号公報

揺動加工において不必要な切り込みが発生してしまうことを抑えることが望まれている。

本発明は、揺動加工において不必要な切り込みが発生してしまうことを抑えることが可能なサーボ制御装置を提供することを目的とする。

（１） 本開示の一態様は、複数軸の協調動作によりワークを旋削加工する工作機械において、前記ワーク及び工具を相対的に揺動するための揺動指令を生成する揺動指令生成部と、前記ワークと前記工具とを相対的に移動させるための移動指令に基づく位置偏差に前記揺動指令を印可し、定常位置偏差を控除する偏差控除部と、前記定常位置偏差を控除した後の前記移動指令に基づく位置偏差から補正量を算出する学習制御部と、を備えるサーボ制御装置に関する。

本発明によれば、揺動加工において不必要な切り込みが発生してしまうことを抑えることが可能なサーボ制御装置を提供することができる。

本実施形態に係る工作機械のサーボ制御装置を備えた加工システムの構成を説明する図である。 揺動動作における送り量と回転角度との関係を示す図である。 揺動動作においてハイパスフィルタにより定常偏差を控除していない場合の工具の動作を示すグラフである。 揺動動作においてハイパスフィルタにより定常偏差を控除した後の工具の動作を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、工作機械１０のサーボ制御装置２０を備えた加工システム１の構成を説明する図である。図１に示す加工システム１は、工作機械１０と、工作機械１０を制御するサーボ制御装置２０とを備える。

工作機械１０は工具１１を有する。工具１１は、例えば円筒形、円柱形、円錐形、または円錐台形などを有するワークＷを旋削加工する。図１の例では、工具１１は、ワークＷの外周面を旋削加工する。図１の例では、ワークＷの回転軸となるワークＷの中心軸線をＺ軸、Ｚ軸に対して垂直な軸線をＸ軸としている。

工作機械１０は、Ｚ軸に沿う方向の形状が直線状に限られず、円弧状であるワークＷの加工も可能である。また、工作機械１０は、ワークＷの外周面に限られず、円筒形のようなワークＷの内周面の加工も可能である。また、工作機械１０は、旋削加工に限られず、切削、研削又は研磨などの加工も可能である。

工作機械１０は、モータ１２としての主軸Ｍ０と、主軸Ｍ０と協調動作する２つの送り軸Ｍ１、Ｍ２とを有する。主軸Ｍ０はスピンドルモータを含み、送り軸Ｍ１、Ｍ２はサーボモータを含む。主軸Ｍ０および送り軸Ｍ１、Ｍ２は、サーボ制御装置２０によって制御される。

主軸Ｍ０は、ワークＷを該ワークＷの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転させる。送り軸Ｍ１は、Ｚ軸方向（第一方向）に工具１１を送ることとＺ軸方向に工具１１を往復運動、すなわち揺動させることの両方を行うことができる。送り軸Ｍ２は、Ｘ軸方向（第二方向）に工具１１を送ることとＸ軸方向に工具１１を往復運動、すなわち揺動させることの両方を行うことができる。

円柱形または円筒形のワークＷを旋削加工する場合、ワークＷをワークＷの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転するとともに、工具１１はワークＷの外周面の母線に沿うＺ軸方向（この場合の加工方向）のみに送られる。

一方、円錐形または円錐台形、或いは円弧形のワークＷのように外径がＺ軸方向において異なるワークＷを旋削加工する場合、ワークＷが該ワークＷの中心軸線（Ｚ軸）まわりに回転するとともに、工具１１はワークＷの外周面の母線に沿う斜方向（Ｚ軸方向およびＸ軸方向の合成方向）（この場合の加工方向）に送られる。この場合、工具１１をワークＷの外周面の母線に沿って斜め方向に送るために、少なくとも２つの送り軸Ｍ１、Ｍ２が必要とされる。送り軸Ｍ１と送り軸Ｍ２の両方を制御することにより、工具１１はワークＷの外周面の母線に沿って斜め方向に送られる。

制御装置２０は、バスを介して互いに接続された、ＲＯＭ（read only memory)やＲＡＭ（random access memory）などのメモリ、ＣＰＵ（control processing unit）、および通信制御部を備えたコンピュータを用いて構成されている。さらに、サーボ制御装置２０は、位置指令作成部２２、揺動指令生成部２３（図示しない揺動振幅計算部、揺動周波数計算部、および後述する図２の揺動指令計算部２３１を含む）、制御部２６（後述する図１の加算器２４１、２４２、減算器２５１、学習制御器２７、および位置速度制御器２８を含む）、偏差控除部を構成するハイパスフィルタ３１、および図示しない記憶部を備え、それら各部の機能もしくは動作は、上記コンピュータに搭載されたＣＰＵ、メモリ、および該メモリに記憶された制御プログラムが協働することにより達成されうる。

図示しない記憶部には、ワークＷの加工条件などが記憶されている。ワークＷの加工条件には、ワークＷの中心軸線まわりにおけるワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度、工具１１およびワークＷの相対的な送り速度、および、送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令などが含まれる。

サーボ制御装置２０にはＣＮＣ(Computer Numerical Controller)、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等の上位コンピュータ（不図示）が接続されており、前述した回転速度や送り速度などは上位コンピュータから図示しない記憶部に入力されてもよい。また、図示しない記憶部または位置指令作成部２２はサーボ制御装置２０内ではなく、上記の上位コンピュータに備えられていてもよい。

また、図示しない記憶部は、工作機械１０に実行させる加工プログラムを記憶しており、サーボ制御装置２０内のＣＰＵ（不図示）が、その加工プログラムから前述の回転速度および送り速度を加工条件として読みだして位置指令作成部２２、揺動指令生成部２３に出力するようになっていてもよい。

位置指令作成部２２は、ワークＷと工具１１とを相対的に移動させる位置指令を作成する。具体的には、位置指令作成部２２は、ワークＷの中心軸線まわりにおけるワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度ならびに工具１１およびワークＷの相対的な送り速度に基づいて、送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令を作成する機能を有している。この位置指令は、工具１１およびワークＷをワークＷの外周面の母線に沿う方向（加工方向）に相対的に送るときの目標位置を指示する指令となるものである。

揺動指令生成部２３は、位置指令作成部２２からの位置指令を使用して、ワークＷと工具１１とを相対的に揺動させる揺動指令を生成する。具体的には、揺動指令生成部２３は、前述した回転速度および送り速度に基づいて、回転速度に対して正の非整数倍の揺動周波数になるように且つ工具１１がワークＷを断続切削するように、送り軸Ｍ１の揺動指令を作成する。揺動指令は、前述した中心軸線まわりにおける回転速度に対して非同期になるように作成された周期的な指令であり、揺動周波数と揺動振幅とを含んでいる。即ち、揺動動作の実行状態は、揺動周波数または揺動振幅によって表される。後述する揺動指令の式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項による値が揺動周波数に相当し、式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項による値が揺動振幅に相当する。

ここで、断続切削とは、工具１１が周期的にワークＷに接触およびワークＷから離間しながらワークＷを旋削加工することを意味し、揺動切削または振動切削ともいう。また、図１においてはワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷに対して揺動するようになっているが、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成であってもよい。また、図１において一つの送り軸Ｍ１，Ｍ２によりワークＷの送り動作と揺動動作の両方を行っているが、ワークＷの送り動作と揺動動作のそれぞれを別々の送り軸で行う構成であってもよい。

以下、揺動指令生成部２３について詳細に説明する。図２は、送り量と回転角度との関係を示す図である。図２における横軸はワークＷの回転角度を示し、縦軸は加工方向（すなわち、図１のワークＷの外周面の母線に沿った方向）における工具１１の送り量を示している。図２には斜方向に延びる複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…が示されている。図２から分かるように、破線Ｃ１と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ２の開始点における縦軸座標に相当する。同様に、破線Ｃ２と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ３の開始点における縦軸座標に相当する。これらの複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…は揺動指令が無い場合においてワークＷにおける工具１１の軌跡を示している。一方、図２に示される曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３…は、揺動指令がある場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示している。つまり、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等は、揺動指令が加算される前の位置指令（元の指令値）のみを示し、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３等は、揺動指令が加算された後の位置指令を示しているものとする。よって、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３により表される各位置指令に余弦波状の揺動指令を加算して得られる指令を示している。

また、曲線Ａ１はワークＷの第一回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ２はワークＷの第二回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ３はワークＷの第三回転目における工具１１の軌跡である。簡潔にする目的で、ワークＷの第四回転目以降の工具１１の軌跡は図示を省略している。

揺動指令生成部２３は以下のようにして揺動指令を作成する。揺動指令生成部２３は、位置指令作成部２２によって作成された送り軸Ｍ１，Ｍ２の位置指令である破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３のような指令を作成するため、余弦波状の揺動周波数を決定する。後述する式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項による値が揺動周波数となる。

上記の揺動周波数を決定する場合、図２に示されるように、或る破線、例えば破線Ｃ２を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ２の初期位相は、一つ前の破線、例えば破線Ｃ１を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ１に対して半周期ズレるのが好ましい。その理由は、半周期ズレた場合には、揺動指令の揺動振幅を最小限にでき、その結果、最も効率的に切屑を細断できるためである。

揺動指令生成部２３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３のような指令を作成するため、前述した揺動指令の揺動振幅を決定する。後述する式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項による値が揺動振幅となる。図２に示される曲線Ａ１と曲線Ａ２とは、回転角度が約０度の箇所Ｂ１と回転角度が約２４０度の箇所Ｂ２とにおいて互いに重なっている。図２から分かるように箇所Ｂ１、Ｂ２においては破線Ｃ１に対する曲線Ａ１の最大値は、破線Ｃ２に対する曲線Ａ２の最小値よりも大きい。言い換えれば、揺動指令生成部２３は、前の曲線Ａ１と後の曲線Ａ２とが部分的に互いに重なるように揺動振幅を決定するのが望ましい。なお、曲線Ａ１，Ａ２，Ａ３においては、送り速度が一定のため、各揺動指令の揺動振幅もすべて同じとなる。

この重なり箇所Ｂ１、Ｂ２においては、工具１１が曲線Ａ２の軌跡で加工しているときにワークＷから離間するので、ワークＷは加工されない。本実施形態においては、このような重なり箇所Ｂ１、Ｂ２が周期的に発生するので、いわゆる断続切削を行うことができる。図２に示される例においては、曲線Ａ２に従った動作により切屑が箇所Ｂ１、Ｂ２においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第二回転目の曲線Ａ２においては二つの切屑が発生する。このような断続切削が周期的に行われるので振動切削が可能となる。

さらに、破線Ｃ３に対して形成される曲線Ａ３は曲線Ａ１と同じ形状である。曲線Ａ２と曲線Ａ３とは、回転角度が約１２０°の箇所Ｂ３と約３６０°の箇所Ｂ４において重なっている。曲線Ａ３に従った動作により切屑が箇所Ｂ３、Ｂ４においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第三回転目の曲線Ａ３においては二つの切屑が発生する。以降、ワーク一回転毎に二つの切屑が発生する。ただし、一回転目では切屑は発生しない。

このようにして揺動周波数と揺動振幅とを定めることにより、制御部２６内の揺動指令生成部２３は揺動指令を作成する。
例えば、揺動指令は、次式（１）のように表される。

式（１）において、Ｋは揺動振幅倍率、ＦはワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量、すなわち毎回転送り量［mm/rev］、ＳはワークＷの中心軸線まわりの回転速度[min^-1],or [rpm]、Ｉは揺動周波数倍率、である。ここで、前述の揺動周波数は式（１）におけるＳ／６０×Ｉの項に相当し、前述の揺動振幅は式（１）におけるＫ×Ｆ／２の項に相当する。但し、揺動振幅倍率Ｋは１以上の数とし、揺動周波数倍率Ｉはゼロより大きい非整数とする（例えば０．５、０．８、１．２、１．５、１．９、２．３、または２．５、…等の正の非整数）。揺動振幅倍率Ｋおよび揺動周波数倍率Ｉは定数である（図２の例では、Ｉは１．５である）。
揺動周波数倍率Ｉを整数としない理由は、ワークＷの中心軸線まわりの回転数と全く同じになる揺動周波数の場合には、前述した重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等を発生させることができず、揺動切削による切屑の細断効果が得られなくなるからである。

また、式（１）によると、揺動指令は、位置指令を示す各破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を基準軸線とする余弦波に対して（Ｋ×Ｆ／２）の項がオフセット値として減じられた指令となっている。このため、位置指令に揺動指令を加算して得られる合成指令値に基づく工具１１の位置軌跡を、工具１１の加工方向において位置指令による位置を上限として制御することができる。そのため、図２の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等を＋方向（すなわち、工具１１の加工方向）において超えないようになっている。
さらに、式（１）で表されるような揺動指令とすることで、図２の曲線Ａ１から分かるように、工具１１の加工開始点（横軸の０°の位置）で工具１１の送り方向に初めから大きな揺動が出ないようにしている。
なお、揺動周波数と揺動振幅とを定める際に調整される各パラメータ（式（１）におけるＫ、Ｉ）の初期値は、工作機械１０の稼働前に図示しない記憶部に記憶されているものとする。ワークＷの回転速度（Ｓ）は、図示しない記憶部に加工条件として事前に記憶されている。毎回転送り量Ｆは、その回転速度（Ｓ）と位置指令作成部２２が作成した位置指令とから求められる。

例えば、ワークの加工形状が円筒形、円柱形の場合、ワークＷの外周面の母線に沿う送り軸Ｍ１（Ｚ軸）方向である加工方向に沿って、揺動が行われる。
一方、ワーク加工形状が円錐形、円錐台形（テーパ）の場合または円弧形を含む場合、例えば、ワークＷの外周面の母線に沿う斜め方向、すなわち送り軸Ｍ１（Ｚ軸）方向と送り軸Ｍ２（Ｘ軸）方向との合成方向である加工方向に沿って、揺動が行われる。
揺動指令生成部２３の揺動指令計算部２３１は、揺動振幅および揺動周波数に基づいて、式（１）より、揺動指令を計算する。

制御部２６は、前述の位置指令と送り軸Ｍ１，Ｍ２の実位置との差である位置偏差に前述の揺動指令を加算して得られる合成指令（例えば位置指令値）に基づいて、トルク指令を作成して送り軸Ｍ１，Ｍ２を制御する機能を有する。送り軸Ｍ１，Ｍ２の実位置は、その送り軸Ｍ１，Ｍ２に搭載されたエンコーダ等の位置検出部（不図示）により得られる位置フィードバック値に相当する。

制御部２６は、加算器２４１、２４２、減算器２５１、学習制御器２７、及び位置速度制御器２８を備える。
減算器２５１は、位置指令作成部２２により作成された位置指令（移動指令）と、送り軸Ｍ１，Ｍ２におけるエンコーダからの位置フィードバック（実位置）との差である位置偏差を求める。加算器２４１は、偏差控除部を構成し、減算器２５１から出力され積分されて得られた位置偏差と、揺動指令生成部２３により作成された揺動指令とを加算して、合成指令を作成する。
ハイパスフィルタ３１は、偏差控除部を構成し、加算器２４１から出力された直後の合成指令のうちの高周波数成分を通過させ、低周波成分を取り除くことにより、低周波成分に含まれる定常偏差（定常位置偏差）を取り除いて、合成指令を作成する。

学習制御器２７は、工具１１の揺動におけるＸ軸、Ｚ軸方向のうちのいずれか一方の揺動について学習を行う。学習制御器２７は、ハイパスフィルタ３１から出力された合成指令を入力し、合成指令の補正量が小さくなるように学習制御を行うことにより合成指令の補正量を求める。加算器２４２は、位置速度制御器２８に入力される直前の合成指令に、学習制御器２７により求められた補正量を加算する。

位置速度制御器２８は、学習制御器２７により補正された合成指令に基づいて、位置制御、速度制御および電流制御を行い、送り軸Ｍ１，Ｍ２におけるサーボモータを駆動制御する。

以上のような構成による加工システム１においては、前述のように、ハイパスフィルタ３１により加算器２４１から出力された直後の合成指令のうちの低周波成分が取り除かれることにより、低周波成分に含まれる定常偏差が取り除かれる。このため、図４に示すように、実位置（太線のグラフ）は、移動指令（細線のグラフ）から、横軸であるＸ軸方向において大きく外れておらず、移動指令とほぼ一致している。図４は、揺動動作においてハイパスフィルタ３１により定常偏差を控除した後の工具１１の動作を示すグラフである。

これに対してハイパスフィルタ３１による定常偏差の控除がなされない場合には、学習制御器２７は、定常偏差についても学習してしまうため、図３に示すように、実位置（太線のグラフ）は、移動指令（細線のグラフ）から、横軸であるＸ軸方向において大きく外れている。このため、例えば、ワークＷの断面形状がテーパ形状や円弧形状の場合には、ワークＷに対する不要な切り込みが発生する。図３は、揺動動作においてハイパスフィルタ３１により定常偏差を控除していない場合の工具１１の動作を示すグラフである。

以上説明した本実施形態は、以下のような効果を奏する。
本実施形態では、ワークＷと工具１１とを相対的に移動させるための移動指令に基づく位置偏差に前記揺動指令を印可し、定常位置偏差を控除する偏差控除部としてのハイパスフィルタ３１、加算器２４１と、前記定常位置偏差を控除した後の前記移動指令に基づく位置偏差から補正量を算出する学習制御部としての学習制御器２７と、を備える。これにより、学習制御器２７が定常偏差についても学習してしまうことにより移動指令に対して実位置が大きく突出することを抑えることが可能となる。このため、特に、揺動加工において不必要な切り込みが発生することを抑えることが可能となり、例えば、ワークＷの断面形状がテーパ形状や円弧形状の場合に、揺動加工において不必要な切り込みが発生することを抑えることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更および変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、ワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷの外周面の母線に沿って揺動する構成を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。
本発明に係る工作機械は、ワークＷと工具１１をワークＷの中心軸線まわりに相対的に回転させる主軸Ｍ０と、該中心軸線に沿った加工方向にワークＷと工具１１とを相対的に送る少なくとも二つの送り軸Ｍ１、Ｍ２等とを制御して、ワークＷを加工する構成であればよい。例えば、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成、あるいは、ワークＷが回転すると共に工具１１に対してワークＷがワークＷの外周面の母線に沿った方向に揺動する構成が想定されうる。本発明では、工具１１がワークＷの中心軸線まわりに回転してワークＷを切削する加工方法も加工の一種とする。

１ 加工システム
１０ 工作機械
１１ 工具
２０ サーボ制御装置
２３ 揺動指令生成部
２７ 学習制御器（学習制御部）
３１ ハイパスフィルタ（偏差控除部）
２４１ 加算器（加算部、偏差控除部）
２４２ 加算器（加算部）
２５１ 減算器（減算部）
Ｍ０ 主軸
Ｍ１，Ｍ２ 送り軸
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. 複数軸の協調動作によりワークを旋削加工する工作機械において、
   前記ワーク及び工具を相対的に揺動するための揺動指令を生成する揺動指令生成部と、
   前記ワークと前記工具とを相対的に移動させるための移動指令に基づく位置偏差に前記揺動指令を印可し、定常位置偏差を控除する偏差控除部と、
   前記定常位置偏差を控除した後の前記移動指令に基づく位置偏差から補正量を算出する学習制御部と、を備えるサーボ制御装置。
2. 前記偏差控除部は、ハイパスフィルタを有する請求項１に記載のサーボ制御装置。

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