CN112236729B - 数控装置 - Google Patents

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Abstract

数控装置(100‑1)具有伺服控制部(1)，该伺服控制部(1)基于位置指令(200)驱动与工作台(81)相连的电机(7)，以使得设有被加工物(90)的被驱动体即工作台(81)的位置追随位置指令(200)。数控装置(100‑1)具有测定或推定在工具(101)与被加工物(90)之间产生的切削力(203)并将其输出的切削力输出部(2)、基于工作台(81)的位置和切削力(203)来运算切削力矢量的切削力矢量运算部(3)、以及识别机械系统相对于切削力(203)的动态特性的机械特性识别部(5)。数控装置(100‑1)具有控制特性变更部(6)，该控制特性变更部(6)基于切削力矢量和在机械特性识别部(5)识别得到的机械系统的动态特性来变更伺服控制部(1)的控制特性。

Description

数控装置
技术领域
本发明涉及控制机床的数控装置。
背景技术
被数控的机床具有执行器、由执行器驱动的工作台、以及工具等被驱动体。执行器是旋转伺服电机、线性伺服电机等。根据从连接于机床的数控装置输出的表示位置、路径、速度、转矩等的指令来控制执行器，从而被驱动体动作。由此，由工具对固定于工作台的作为加工对象的被加工物进行加工。以工具相对于被加工物的位置准确地追随作为被指令的路径的指令轨迹的方式驱动被驱动体的控制，被称为轨迹控制或轮廓运动控制。轨迹控制或轮廓运动控制由数控装置精密地执行。通过执行轨迹控制或轮廓运动控制，与设置于机床的主轴、进给轴这样的多个轴分别相连的伺服电机动作来控制工具相对于被加工物的位置。
在机床中，在加工被加工物时，在工具与被加工物的接触部分产生切削力。为了延长工具的寿命并提高被加工物的加工精度，将切削力保持为一定是非常重要的。但是，在切削工具是例如立铣刀、钻头等的情况下，设置于切削工具的轴的切削刃相对于轴的旋转方向分离地排列配置，所以，加工中的工具的与被加工物的接触部分的切削阻力变动，断断续续地进行对被加工物的加工。因此，在采用立铣刀、钻头等切削工具的情况下，难以将切削力保持为一定，切削力的变动成为驱动主轴、进给轴的伺服电机的控制系统的干扰(日文：外乱)。在因切削力的变动而例如在与进给轴相连的伺服电机的控制系统产生了振动等的情况下，以被加工物为基准时的工具的相对位置也振动，从而不仅加工精度或加工面等级恶化，还会加剧工具的磨损。专利文献1公开了将控制电机的控制系统的频率响应频带设定为工具磨损处于容许范围内的频率响应频带来加工被加工物的技术。根据专利文献1所公开的技术，即使在因加工中的切削阻力的变动而对控制系统产生了干扰的情况下，也能将工具的磨损抑制在一定范围内，使加工品质稳定化并提高加工效率。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-250866号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1所公开的技术中，存在如下的课题：频率响应频带窄，从而工具位置对指令轨迹的追随性降低，存在给加工精度带来不良影响的可能性。
本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于得到能够抑制对指令轨迹的追随性降低的数控装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述的课题并达成目的，本发明的数控装置是对机械系统进行控制的数控装置，该机械系统通过对被加工物进行加工的工具来进行被加工物的加工，该数控装置具有伺服控制部，该伺服控制部基于位置指令驱动与被驱动体相连的电机，以使得设有被加工物的被驱动体的位置追随位置指令。数控装置具有：切削力输出部，测定或推定在工具与被加工物之间产生的切削力并将其输出；切削力矢量运算部，基于被驱动体的位置和切削力来运算切削力矢量；以及机械特性识别部，对机械系统相对于切削力的动态特性进行识别(日文：同定)。数控装置的特征在于：具有控制特性变更部，该控制特性变更部基于切削力矢量和用机械特性识别部识别出的机械系统的动态特性来变更伺服控制部的控制特性。
发明效果
根据本发明，起到能够抑制对指令轨迹的追随性降低的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的数控装置的结构的图。
图2是表示图1所示的电机和机械系统的结构的图。
图3是表示图1所示的模拟响应运算部的结构的图。
图4是表示图1所示的模拟响应运算部的变型例的图。
图5是用于说明在图1所示的机械特性识别部算出的机械特性信息的第1图。
图6是用于说明在图1所示的机械特性识别部算出的机械特性信息的第2图。
图7是用于说明图1所示的控制特性变更部的动作的流程图。
图8是表示因切削力而在图1所示的机械端位置产生了干扰振动的例子的第1图。
图9是表示因切削力而在图1所示的机械端位置产生了干扰振动的例子的第2图。
图10是表示本发明的实施方式2的数控装置的结构的图。
图11是表示本发明的实施方式3的数控装置的结构的图。
图12是用2惯性模型对图2所示的电机和机械系统进行近似的框图。
图13是表示实施方式1至3的数控装置的硬件结构例的图。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明的实施方式的数控装置进行详细说明。需要说明的是，本发明并非由该实施方式来限定。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1的数控装置的结构的图。图2是表示图1所示的电机和机械系统的结构的图。数控装置100-1基于位置指令200和机械端位置201来生成转矩指令202，并将生成的转矩指令202提供给设置于机床100的电机7，从而驱动作为控制对象的机械系统8。数控装置100-1具有伺服控制部1、切削力输出部2、切削力矢量运算部3、模拟响应运算部4、机械特性识别部5、控制特性变更部6和减法部9。
伺服控制部1与电机7相连并向电机7提供转矩指令202，从而驱动作为控制对象的机械系统8。如图2所示，电机7具有伺服电机71和电机位置检测器72。在伺服电机71的转子71a上设有轴71b。电机位置检测器72采用检测转子71a的旋转位置的旋转编码器。机械系统8具有工作台81、滚珠丝杠螺母82、滚珠丝杠83、联轴器84、机械端位置检测器85和机械端位置检测器头86。机械系统8的滚珠丝杠83经由联轴器84而与伺服电机71的轴71b相连。滚珠丝杠螺母82嵌合于滚珠丝杠83，作为被驱动体的工作台81固定于滚珠丝杠螺母82。工作台81由未图示的引导机构，在滚珠丝杠83延伸的方向将滚珠丝杠83支撑为能移动。机械端位置检测器85和机械端位置检测器头86是用于检测作为数控装置100-1的控制对象的工作台81的位置的编码器。机械端位置检测器85是例如线性编码器，机械端位置检测器头86是例如线性编码器头。输入伺服控制部1的机械端位置201表示由电机位置检测器72检测出的表示转子71a的旋转位置的信息、以及由机械端位置检测器85检测出的表示工作台81的位置的信息中的至少一方。
需要说明的是，用机械端位置检测器85测定工作台81的移动距离，用电机位置检测器72测定转子71a的旋转角度。但是，通过将该旋转角度乘以电机7每旋转1圈的工作台移动距离即滚珠丝杠导程再除以转子71a的旋转1圈的角度2π[rad]，从而用伺服控制部1将转子71a的旋转角度换算成工作台81的移动方向的长度。在实施方式1中，采用将转子71a的旋转角度换算为工作台81的移动方向而得到的值。
将仅采用由电机位置检测器72检测出的位置信息作为机械端位置201的反馈控制称为半闭环控制。将采用由电机位置检测器72检测出的位置信息和由机械端位置检测器85检测出的位置信息双方作为机械端位置201的反馈控制、或仅采用由机械端位置检测器85检测出的位置信息作为机械端位置201的反馈控制称为全闭环控制。实施方式1的数控装置100-1可以应用半闭环控制和全闭环控制的任一个。以下，对应用全闭环控制的数控装置100-1的结构例进行说明。另外，以下，将用于反馈控制的位置信息称为机械端位置。需要说明的是，机械系统8的结构是一个例子，机械系统8的结构不限于图2所示的例子，数控装置100-1也能将多个机械系统作为控制对象。
向图1所示的伺服控制部1输入位置指令200和机械端位置201。伺服控制部1生成使机械端位置201追随位置指令200的转矩指令202。伺服控制部1例如求出位置指令200与机械端位置201之差即位置偏差，对位置偏差执行例如比例控制这样的位置控制处理，算出速度指令。而且，对速度指令执行例如比例积分控制这样的速度控制处理，从而算出转矩指令202并将其输出。
图1所示的切削力输出部2在例如加工设置于工作台81的被加工物90时测定在工具101的与被加工物90的接触部分产生的切削力，并输出表示测定到的切削力的信息即切削力203。
切削力203的测定采用例如测力传感器、测力计等。测力传感器、测力计等是能直接测定切削力203的测定器。需要说明的是，切削力203也能根据电机电流来推定，在根据电机电流来推定切削力203的情况下，采用被称为干扰观察器的方法。需要说明的是，切削力输出部2也可以采用间接测定切削力203的手段来代替直接测定切削力203的手段。
切削力矢量运算部3基于测定到的切削力203和机械端位置201来运算例如3个切削力矢量。3个切削力矢量中的第1切削力矢量是例如以与机械的X轴、Y轴、Z轴等驱动轴平行的方向为基准的矢量。以下，将第1切削力矢量称为机械轴向切削力矢量。3个切削力矢量中的第2切削力矢量是与工具101的进给方向平行的切削力矢量。以下，将第2切削力矢量称为工具进给方向切削力矢量。3个切削力矢量中的第3切削力矢量是与工具101的进给方向垂直的方向的切削力矢量。以下，将第3切削力矢量称为垂直方向切削力矢量。
在此，对采用测力计来测定切削力的情况的例子进行说明。在采用测力计来测定切削力的情况下，一般来说，通过调整设置于机械的测力计的朝向来测定与机械的驱动轴、例如X轴、Y轴、Z轴各自延伸的方向平行的方向的切削力。因此，来自测力计的输出包括机械轴向切削力矢量的成分。需要说明的是，测力计不仅有能够测定与3个轴的方向相对应的机械轴向切削力矢量的测力计，也有仅能够测定与X轴、Y轴、Z轴中的1个轴的方向相对应的机械轴向切削力矢量的测力计。并且，未被测定的方向的切削力被看作是0。需要说明的是，在具有5个旋转轴的5轴控制机床中，有时测力计的设置方向根据旋转轴的朝向而变化，在这样的情况下，旋转轴的角度用于计算机械轴向切削力矢量。
用切削力矢量运算部3，能够通过对机械端位置201进行微分来计算多个工具101各自的轴的移动速度。在机床100具有例如3个工具101的情况下，切削力矢量运算部3运算以3个工具101各自的轴的移动速度为成分的移动速度矢量v。另外，用切削力矢量运算部3，通过(1)式和(2)式来运算工具进给方向切削力矢量Ft。“u”是单位矢量。“v”是移动速度矢量。“F”是机械轴向切削力矢量。“·”表示内积。另外，用切削力矢量运算部3，通过(1)式和(3)式来运算垂直方向切削力矢量Fn。
u＝v/|v|···(1)式
Ft＝(F·u)···(2)式
Fn＝F－Ft···(3)式
需要说明的是，切削力矢量运算部3也可以构成为，采用用于速度控制的速度反馈信息来代替对机械端位置201进行微分而得到的移动速度，运算工具进给方向切削力矢量和垂直方向切削力矢量。另外，切削力矢量运算部3运算机械轴向切削力矢量F的大小，并将运算出的机械轴向切削力矢量F的大小作为切削力的大小。
而且，切削力矢量运算部3保持从当前时刻到回溯一定时间的时刻运算出的表示与多个轴分别相对应的机械轴向切削力矢量的成分的数据，并利用保持的数据来计算切削力相对于各频率的功率谱(日文：パワースペクトル)。需要说明的是，相对于频率的功率谱能够通过进行傅里叶变换来运算。
切削力矢量运算部3将各切削力矢量、切削力的大小和各机械轴向切削力矢量的各成分的功率谱作为切削力矢量信息204，向控制特性变更部6输出。
图3是表示图1所示的模拟响应运算部的结构的图。模拟响应运算部4基于位置指令200来模拟机械端位置201的响应，算出机械端位置201应追随的理想位置的计算结果即模型位置205并将其输出。模拟响应运算部4具有位置控制模拟部41和积分运算部42。位置控制模拟部41对位置指令200与积分运算部42的输出之差执行与在伺服控制部1进行的位置控制处理相同的处理。积分运算部42通过对位置控制模拟部41的处理结果进行积分来求出机械端位置201的值并将其作为模型位置205输出。
图4是表示图1所示的模拟响应运算部的变型例的图。图4所示的模拟响应运算部4A除了具有图3所示的位置控制模拟部41和积分运算部42之外，还具有速度控制模拟部43、积分运算器44和比例常数运算部45。模拟响应运算部4A除了对模型位置205进行运算之外，还对表示机械系统8的理想速度的值的模型速度208、以及表示电机转矩的理想输出的信息即模型转矩209进行运算。用比例常数运算部45，通过将模型速度208乘以用于转矩变换的常数来运算模型转矩209。Kpp、Kvp、Kvi、Kt和J分别表示比例常数。s是表示微分的拉普拉斯算子。1/s表示积分。用位置控制模拟部41，进行一般的比例控制。用速度控制模拟部43，进行一般的比例积分控制。速度控制模拟部43的输出为加速度的量纲，速度控制模拟部43的输出被输入到积分运算器44，通过积分运算器44和积分运算部42进行2阶积分。由此，模拟机械端位置。另外，速度控制模拟部43的输出被输入到比例常数运算部45。比例常数运算部45通过将速度控制模拟部43的输出乘以比例常数Kt而将速度控制模拟部43的输出变换为转矩。
减法部9通过机械端位置201减去用模拟响应运算部4运算出的模型位置205来算出因切削力等对控制的干扰而产生的位置干扰206。
机械特性识别部5采用位置干扰206和切削力203来识别机床100相对于切削力203的机械特性。在实施方式1中，作为相对于切削力203的机械特性，说明对从切削力203到控制系统的位置干扰206为止的传递函数进行识别的例子。需要说明的是，机械特性识别部5也可以构成为，用由图4所示的模拟响应运算部4A运算的模型速度208、模型转矩209等代替位置干扰206，来算出速度干扰、转矩干扰等，并识别从切削力203到速度干扰为止的传递函数、或从切削力203到转矩干扰为止的传递函数。
机械特性识别部5对切削力203和位置干扰206进行傅里叶变换等数值处理来算出频率传递函数。机械特性识别部5将算出的频率传递函数作为机械特性信息207输出到控制特性变更部6。图5是用于说明在图1所示的机械特性识别部算出的机械特性信息的第1图。图5的横轴表示对数频率，图5的纵轴表示由分贝值(日文：デシベル値)所示的增益。在图5中，频率传递函数由增益线图表示。在增益线图中，共振点表示为正的峰值，反共振点表示为负的峰值。图6是用于说明在图1所示的机械特性识别部算出的机械特性信息的第2图。图6的横轴表示对数频率，图6的纵轴表示相位。在图6中，频率传递函数由相位线图表示。需要说明的是，频率传递函数也能够用横轴为对数频率且纵轴由傅里叶变换后的实部和虚部表示的波特线图(日文：コクアド線図)来表示。
控制系统的干扰除了切削力的变动所产生的干扰以外，还存在摩擦所产生的干扰，因摩擦还会产生位置干扰206。作为代表性的例子，在圆弧的象限变换位置，存在进给轴的移动方向反转时产生的象限突起。用机械特性识别部5，为了识别相对于切削力的机械特性，需要消除摩擦的影响。因此，希望除去进给轴的移动方向反转时产生的摩擦的影响或进给轴从停止状态起动时产生的摩擦的影响大的情况来识别相对于切削力的机械特性。
控制特性变更部6基于在切削力矢量运算部3运算出的切削力矢量信息204和用机械特性识别部5识别出的机械特性信息207来进行伺服控制部1的频率特性的变更。在机床100中以2轴以上进行的轨迹控制中，若控制的轴的目标值响应性不同，则相对于指令轨迹会产生轨迹误差。在实施方式1中，为了不产生这样的轨迹误差，在伺服控制部1采用2自由度控制。2自由度控制是指为了追随目标值和抑制干扰而利用2个独立的补偿器的控制方式。为了即使在用于干扰抑制的补偿器的频率响应因控制轴而异的情况下也不产生轨迹误差，控制特性变更部6通过变更作为用于抑制干扰的补偿器的干扰响应补偿器的频率响应来实现抑制干扰。干扰响应补偿器一般由P(Proportional，比例)控制器、PI(ProportionalIntegral，比例积分)控制器等构成。也就是说，在伺服控制部1，通过采用2自由度控制，能不产生轨迹误差地抑制切削力所产生的干扰。
用机械特性识别部5识别的频率传递函数存在峰值且该峰值为共振点的情况下，在机械端位置能观测的范围，可能因切削力而产生振动。在全闭环控制的情况下，在图2所示的电机7和机械系统8中产生振动，在半闭环控制的情况下，在电机7中产生振动。在此情况下，通过提高共振点处的干扰响应补偿器的响应性、即提高共振点处的干扰响应补偿器的控制增益，能够抑制干扰。
另一方面，在频率传递函数的峰值是反共振点的情况下，在机械端位置无法观测的范围，可能因切削力而产生振动。例如设置于工作台81上的被加工物90、工具101等可能振动。在此情况下，通过降低反共振点处的干扰响应补偿器的响应性、即降低反共振点处的干扰响应补偿器的控制增益，能够抑制切削力所产生的干扰。
接下来，对控制特性变更部6的动作进行说明。图7是用于说明图1所示的控制特性变更部的动作的流程图。首先，控制特性变更部6在机械特性识别部5算出的频率传递函数中，在数据采样频率的1/2的频率的范围查找峰值(步骤S1)。例如，在采样周期为1kHz的情况下，查找峰值的范围为到1kHz的1/2的频率为止的范围，即0～500Hz。并且，由于在从500Hz到1kHz为止的范围引起混淆，所以，控制特性变更部6不进行峰值的查找。
控制特性变更部6判定频率传递函数是否存在反共振点或共振点(步骤S2)。例如，通过是否存在增益的值从降低转向增加的第1峰值点、是否存在增益的值从增加转向降低的第2峰值点，来判断有无反共振点或共振点。
在频率传递函数不存在反共振点或共振点的情况下(步骤S2，否)，控制特性变更部6返回步骤S1、S2的处理。
在频率传递函数存在反共振点或共振点的情况下(步骤S2，是)，控制特性变更部6判定频率传递函数的峰值是共振点还是反共振点(步骤S3)。例如，在存在增益的值从降低转向增加的第1峰值点的情况下，控制特性变更部6判定为在频率传递函数存在反共振点。在存在增益的值从增加转向降低的第2峰值点的情况下，控制特性变更部6判定为在频率传递函数存在共振点。需要说明的是，在扫描中存在多个第1峰值点的情况下，控制特性变更部6存储多个第1峰值点并将其中最低的第1峰值点判断为反共振点。另外，在扫描中存在多个第2峰值点的情况下，控制特性变更部6存储多个第2峰值点并将其中最大的第2峰值点判断为共振点。
在频率传递函数的峰值为共振点的情况下(步骤S3，是)，控制特性变更部6判断用切削力矢量运算部3算出的、峰值的频率处的切削力的功率谱是阈值以上还是小于阈值(步骤S4)。
在切削力的功率谱小于阈值的情况下(步骤S4，否)，控制特性变更部6进行步骤S8的处理。在切削力的功率谱为阈值以上的情况下(步骤S4，是)，控制特性变更部6提高峰值的频率处的伺服控制部1的干扰响应补偿器的控制增益(步骤S6)。
在步骤S3中，在频率传递函数的峰值是反共振点的情况下(步骤S3，否)，控制特性变更部6判断用切削力矢量运算部3算出的、峰值的频率处的切削力的功率谱是阈值以上还是小于阈值(步骤S5)。
在切削力的功率谱小于阈值的情况下(步骤S5，否)，控制特性变更部6进行步骤S8的处理。在切削力的功率谱为阈值以上的情况下(步骤S5，是)，控制特性变更部6降低峰值的频率处的伺服控制部1的干扰响应补偿器的控制增益(步骤S7)。控制特性变更部6反复进行从步骤S1到S7为止的处理，直到在扫描对象的频率的范围内完成峰值的查找(步骤S8)。
在步骤S4和S5中通过切削力的功率谱来判定是否进行频率特性的变更的理由在于：在切削力小的频率的区域，相干性低，所以，无法正确地计算频率传递函数的峰值的可能性高，从而要防止不必要的频率特性的变更。在步骤S4和S 5的处理中，采用与变更控制特性的驱动轴相对应的机械轴向切削力矢量的各成分的功率谱。
需要说明的是，在步骤S1的处理中，也可以采用前述的波特线图所示的频率传递函数。另外，在步骤S4和S 5的处理中，也可以采用切削力的大小来代替切削力的功率谱。
提高步骤S6中的控制系统的干扰响应的手段也可以利用以下说明的第一手段。作为第一手段，能够例示出变更干扰响应补偿器的控制参数。伺服控制部1的干扰响应补偿器一般由P控制器、PI控制器等构成。例如，在PI控制的情况下，比例增益和积分增益为干扰响应补偿器的控制参数，比例增益和积分增益均被设定为高值，从而能够提高干扰响应补偿器的控制增益。但是，在该方法中，干扰响应补偿器的全频带的增益提高，有时控制系统会变得不稳定。
提高步骤S6中的控制系统的干扰响应的手段也可以利用以下说明的第二手段。作为第二手段，能够例示出将提高窄频带的增益的滤波器即逆陷波滤波器(日文：逆ノッチフィルタ)附加于干扰响应补偿器。逆陷波滤波器由例如(4)式的传递函数表示。s是表示微分的拉普拉斯算子，ω是提高增益的范围的中心的角频率。Q是决定提高增益的频段的系数，a是决定增益提高的量的系数。通过设定ω作为共振点的峰值的频率，能够提高干扰响应补偿器产生干扰的频率处的增益。
(s2+ωs/Q+ω2)/(s2+as+ω2)···(4)式
而且，提高步骤S6中的控制系统的干扰响应的手段也可以利用以下说明的第三手段。作为第三手段，能够例示出仅使特定的范围的频率通过且不使特定的范围的频率以外的频率通过的带通滤波器、或仅使特定的范围的频率通过且使特定的范围的频率以外的频率衰减的带通滤波器。通过使机械端位置201通过带通滤波器来变更干扰响应补偿器相对于通过了带通滤波器的机械端位置201的控制参数。例如，在PI控制的情况下，比例增益和积分增益为干扰响应补偿器的控制参数，比例增益和积分增益均被设定为高值。由于相对于未通过带通滤波器的机械端位置不变更控制参数，所以，与第一手段相比，控制系统不易变得不稳定。
在步骤S7中，也可以利用以下说明的第一手段。作为步骤S7的第一手段，能够例示出变更干扰响应补偿器的控制参数。在伺服控制部1的干扰响应补偿器为PI控制的情况下，对比例增益和积分增益设定低值。
另外，在步骤S7中，也可以利用以下说明的第二手段。作为步骤S7的第二手段，能够例示出将降低窄频带的增益的陷波滤波器附加于干扰响应补偿器。陷波滤波器由例如(5)式表示。s是表示微分的拉普拉斯算子，ω是降低增益的范围的中心的角频率。Q是决定降低增益的频段的系数，b是决定增益降低的量的系数。通过设定ω作为共振点的峰值的频率，能够降低干扰响应补偿器产生干扰的频率处的增益。
(s2+bs+ω2)/(s2+ωs/Q+ω2)···(5)式
而且，在步骤S7中，也可以利用以下说明的第三手段。作为第三手段，能够例示出仅使特定的范围的频率通过且不使特定的范围的频率以外的频率通过的带通滤波器、或仅使特定的范围的频率通过且使特定的范围的频率以外的频率衰减的带通滤波器。通过使机械端位置201通过带通滤波器来变更干扰响应补偿器相对于通过了带通滤波器的机械端位置201的控制参数。例如，在PI控制的情况下，比例增益和积分增益为干扰响应补偿器的控制参数，比例增益和积分增益均被设定为低值。
图8是表示因切削力而在图1所示的机械端位置产生了干扰振动的例子的第1图。图8示出表示时时刻刻变化的机械端位置的工具轨迹300，而且，在图8中用箭头表示变化的各机械端位置处的切削力矢量310。需要说明的是，在图8中仅示出峰值的频率处的切削力的功率谱为阈值以上时的切削力矢量310。
图9是表示因切削力而在图1所示的机械端位置产生了干扰振动的例子的第2图。图9放大显示出相对于位置指令200的切削力所产生的干扰振动。在图9中用箭头D表示工具的进给方向。如图9所示，若在切削中与工具的进给方向垂直的方向产生干扰振动，则由工具侧面加工的被加工物的加工面的面性状恶化。
在实施方式1的数控装置100-1中，在如上述那样产生了加工面的面性状恶化的干扰振动的情况下，通过由控制特性变更部6变更伺服控制部1的干扰响应特性来降低干扰振动。而且，在数控装置100-1中，以一定的周期进行切削力矢量运算部3、机械特性识别部5、控制特性变更部6的处理。这是为了根据加工位置的变化、以及进行切削加工所产生的被加工物、工具和机械的状态的变化而使切削力与应进行变更的频率的变化相对应。
如上所述，根据实施方式1的数控装置100-1，能够在切削加工中依次计算用于抑制干扰的传递函数，所以，能够基于在切削加工中计算的切削力矢量信息和机械特性信息来变更干扰响应补偿器的频率响应。由此，能够抑制切削力所产生的机械系统的位置干扰，能够提高加工的精度并抑制工具的磨损。
另外，根据实施方式1的数控装置100-1，能够在切削加工中依次计算用于抑制干扰的传递函数，所以，无需每当切削条件变更就预先测定频率响应频带。因次，无需频率响应频带的事前测定，并且，在切削加工时不再花费变更适当的频率响应频带的工夫，能够减轻数控装置100-1的用户的负担。
另外，在实施方式1的数控装置100-1中，以一定的周期进行切削力矢量运算部3、机械特性识别部5和控制特性变更部6各自的处理动作，所以，能够根据加工位置的变化、以及进行切削加工所产生的被加工物、工具和机械的状态的变化而使切削力对应地变更。
另外，在实施方式1的数控装置100-1的伺服控制部1采用2自由度控制的情况下，能不产生轨迹误差地抑制切削力所产生的干扰。
另外，根据实施方式1的数控装置100-1，无需如现有技术那样使频率响应频带变窄，所以，能够不使工具位置对指令轨迹的追随性降低地抑制切削力变动所产生的干扰。
实施方式2.
图10是表示本发明的实施方式2的数控装置的结构的图。实施方式2的数控装置100-2除了实施方式1的数控装置100-1所具有的结构之外，还具有显示部10和条件输入部11。在实施方式2中，对与实施方式1同样的构成要素采用与实施方式1相同的名称和标记进行说明。
利用条件输入部11，数控装置100-2的用户能够指定控制特性变更部6中用于变更控制特性的条件、以及是否允许控制特性变更部6中的控制特性的变更。用于变更控制特性的条件是指，例如前述的控制特性变更部6的步骤S4和步骤S5的处理动作中的功率谱的阈值、切削力的大小的阈值等。
另外，用于利用机床100来进行被加工物的加工的程序，一般采用被称为G代码的指令代码。G代码包括定位指令(G00)、直线插补切削指令(G01)、圆弧插补切削指令(G02、G03)等指令。一般来说，定位指令(G00)是在非切削时采用的指令。利用条件输入部11，用户能够指定例如在定位指令的情况下实施控制特性变更部6对控制特性的变更、或者在切削指令的情况下实施控制特性变更部6对控制特性的变更等、控制特性变更部6对控制特性的变更的允许条件。
另外，利用条件输入部11，也总是能够变更是否允许控制特性的变更，例如，仅在允许控制特性的变更且满足进行控制特性变更的条件的情况下，进行控制特性变更部6对伺服控制部1的控制特性的变更。
利用显示部10，显示作为机械特性识别部5的输出的机械特性信息207、以及作为切削力矢量运算部3的输出的切削力矢量信息204的一部分或全部的数据。数控装置100-2的用户能够把握在显示部10显示的这些信息。例如，在显示部10以特定的长度显示图7所示的工具轨迹300的单位长度(例如1mm)。另外，在显示部10以特定的长度显示图7所示的切削力矢量310的单位力(1N)。由此，用户能够确认切削力的大小和朝向，能够把握切削加工中的状况，并且，能够易于判定是否应在控制特性变更部6进行控制特性的变更。
另外，在显示部10以单位长度显示图5所示的增益线图和图6所示的相位线图各自的频率的常用对数的单位量。由此，用户能够确认以什么频率产生了振动，能够把握切削加工中的状况，并且，能够易于判定是否应在控制特性变更部6进行控制特性的变更。
如上所述，根据实施方式2的数控装置100-2，用户通过条件输入部11来指定进行控制特性的变更的条件，并且指定是否允许控制特性的变更，从而能够防止用户无意的处理。而且，通过在显示部10显示机械特性信息、切削力矢量信息等，用户能够易于判断是否应进行控制特性的变更。
实施方式3.
图11是表示本发明的实施方式3的数控装置的结构的图。在对位置的控制频带所含的频率的振动利用了陷波滤波器的情况下，由于对指令轨迹的追随性降低，所以，并不期望。于是，关于控制频带所含的低频率的振动，需要用不同的方法来抑制因切削力而产生的振动。于是，在实施方式3的数控装置100-3中，采用加法部12和干扰修正量算出部13来代替图1所示的控制特性变更部6。在实施方式3中，对与实施方式1同样的构成要素采用与实施方式1相同的名称和标记进行说明。
干扰修正量算出部13基于机械特性信息207和切削力矢量信息204来推定因切削力而产生的干扰，并根据推定出的干扰来算出修正量。算出的修正量由加法部12加到位置指令200上，加法部12的输出、即加上了修正量而得到的位置指令200，被输入到伺服控制部1和模拟响应运算部4。数控装置100-3采用加上了修正量而得到的位置指令200来控制机床100，从而在抑制工具位置对指令轨迹的追随性降低的同时抑制因切削力的变动所产生的干扰，由此能够抑制加工精度降低。
图12是在2惯性模型中对图2所示的电机和机械系统进行近似的框图。在图12所示的模型中，K是机械系统8的弹性要素的弹簧常数，C是机械系统8的阻尼要素的粘性摩擦系数，Jm是电机7的惯性，Jl是机械系统8的惯性。Jm的位置模拟电机端位置，Jl的位置模拟机械端位置。Tm是伺服电机71按照转矩指令而输出的转矩，xl是表示机械端位置的变量，xm是表示电机端位置的变量，s是表示微分的拉普拉斯算子。xm、xl和fc进行拉普拉斯变换后作为XM、XL和Fc。
弹性要素K、阻尼要素C等因切削力而变化，从而在工作台81产生位置干扰。而且，由于通过弹性要素K、阻尼要素C等传递切削力，所以，在电机位置也会产生位置干扰。在用2惯性模型将电机7、机械系统8模型化的情况下，从切削力到位置干扰为止的传递函数由例如(6)式表示。
G(s)＝1/(Jls2+Cs+K)···(6)式
干扰修正量算出部13对在机械特性识别部5识别的传递函数，采用例如最小二乘法、频谱分析法、子空间法(日文：部分空間法)等来识别(6)式的各系数。需要说明的是，在(6)式中，机械系统8在2惯性模型中近似，但也可以由比其低阶或高阶的模型来表现传递函数。干扰修正量算出部13对由切削力输出部2测定的切削力203应用上述那样识别得到的传递函数型的滤波器，从而能够算出因切削力而产生的干扰。在此计算的干扰的计算值也包括高频成分。由于高频成分无法控制，所以，利用干扰修正量算出部13，采用适当频率的低通滤波器来消除高频成分。干扰修正量算出部13以控制周期依次算出干扰。干扰修正量算出部13通过使算出的干扰的正负值反转而将反转后的干扰作为修正量。修正书量输入到加法部12，利用加法部12，将修正书量与位置指令200相加。修正量C通过(7)式和(8)式而算出。F是机械轴切削力矢量。T是低通滤波器的时间常数。
C＝－GLPF(s)G(s)F···(7)式
GLPF(s)＝1/(Ts+1)···(8)式
给加工面的面性状带来不良影响的是与工具的进给方向垂直的方向的振动。另一方面，在对工具的进给方向进行了修正的情况下，工具在工具的进给方向的移动速度不再是一定的，从而有可能给加工面的面性状带来不良影响。于是，利用干扰修正量算出部13，仅在与工具的进给方向垂直的方向进行修正。在此情况下，采用(3)式所示的垂直方向切削力矢量Fn来代替(7)式的机械轴向切削力矢量F即可。
如上所述，根据实施方式3的数控装置100-3，能够不使对指令轨迹的追随性降低地抑制位置控制的频带所含的低频的干扰振动。由此，能够延长工具寿命并提高被加工物的加工精度。另外，在数控装置100-3，与实施方式1的数控装置100-1同样地，以一定的周期进行切削力矢量运算部3、机械特性识别部5和控制特性变更部6各自的处理动作，所以，能够根据加工位置的变化、以及进行切削加工所产生的被加工物、工具和机械的状态的变化而使切削力对应地变更。
图13是表示实施方式1至3的数控装置的硬件结构例的图。数控装置100-1、100-2、100-3具有进行运算处理的CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)51、CPU51在工作区采用的存储器52、能存储程序、信息等的存储装置53、接受来自用户的输入的输入装置54、以及显示装置55。存储器52包括RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read OnlyMemory,可擦编程只读存储器)、EEPROM(注册商标)(Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory,带电可擦编程只读存储器)这样的非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、CD、MD、DVD(Digital Versatile Disk，数字通用光盘)。输入装置54例示有键盘、鼠标，显示装置55例示有监视器、显示器。需要说明的是，也可以是输入装置54和显示装置55一体化而由触摸面板等来实现。
通过由CPU51执行保存于存储装置53的程序，实现伺服控制部1、切削力矢量运算部3、模拟响应运算部4、机械特性识别部5、控制特性变更部6、减法部9、干扰修正量算出部13和加法部12。
以上的实施方式所示的结构示出本发明的内容的一个例子，也能与其它公知的技术组合，在不脱离本发明的要旨的范围内还能省略、变更结构的一部分。
附图标记说明
1伺服控制部、2切削力输出部、3切削力矢量运算部、4，4A模拟响应运算部、5机械特性识别部、6控制特性变更部、7电机、8机械系统、9减法部、10显示部、11条件输入部、12加法部、13干扰修正量算出部、41位置控制模拟部、42积分运算部、43速度控制模拟部、44积分运算器、45比例常数运算部、51CPU、52存储器、53存储装置、54输入装置、55显示装置、71伺服电机、71a转子、71b轴、72电机位置检测器、81工作台、82滚珠丝杠螺母、83滚珠丝杠、84联轴器、85机械端位置检测器、86机械端位置检测器头、90被加工物、100机床、100-1，100-2，100-3数控装置、101工具、200位置指令、201机械端位置、202转矩指令、203切削力、204切削力矢量信息、205模型位置、206位置干扰、207机械特性信息、208模型速度、209模型转矩、300工具轨迹、310切削力矢量。

Claims (9)

1.一种数控装置，其特征在于，所述数控装置对机械系统进行控制，该机械系统通过对被加工物进行加工的工具来进行所述被加工物的加工；
该数控装置具有：
伺服控制部，所述伺服控制部基于位置指令驱动与被驱动体相连的电机，以使得设有所述被加工物的所述被驱动体的位置追随所述位置指令；
切削力输出部，所述切削力输出部测定或推定在所述工具与所述被加工物之间产生的切削力并将其输出；
切削力矢量运算部，所述切削力矢量运算部基于所述被驱动体的位置和所述切削力来运算切削力矢量；
机械特性识别部，所述机械特性识别部对所述机械系统相对于所述切削力的机械特性进行识别；以及
控制特性变更部，所述控制特性变更部基于所述切削力矢量和由所述机械特性识别部识别出的所述机械系统的机械特性来变更所述伺服控制部的控制特性，
所述机械系统具有所述工具和所述被驱动体。
2.根据权利要求1所述的数控装置，其特征在于，
所述机械特性识别部对所述切削力以及由所述切削力产生的控制系统的干扰进行数值处理，算出表示所述伺服控制部的频率响应特性的频率传递函数，所述频率传递函数由增益和相位表示。
3.根据权利要求2所述的数控装置，其特征在于，
所述控制特性变更部通过在由所述机械特性识别部识别出的所述频率响应特性中查找所述频率响应特性的峰值形状相互不同的共振点或反共振点来确定干扰要因，根据确定的所述干扰要因来变更控制系统的频率特性。
4.根据权利要求2或3所述的数控装置，其特征在于，
所述控制特性变更部通过所述切削力矢量来判断可否变更所述频率响应特性。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的数控装置，其特征在于，
所述数控装置具有条件输入部，所述条件输入部对所述控制特性变更部输入变更所述伺服控制部的控制特性的条件。
6.一种数控装置，其特征在于，所述数控装置对机械系统进行控制，该机械系统通过对被加工物进行加工的工具来进行所述被加工物的加工；
该数控装置具有：
伺服控制部，所述伺服控制部基于位置指令驱动与被驱动体相连的电机，以使得设有所述被加工物的所述被驱动体的位置追随所述位置指令；
切削力输出部，所述切削力输出部测定或推定在所述工具与所述被加工物之间产生的切削力并将其输出；
切削力矢量运算部，所述切削力矢量运算部基于所述被驱动体的位置和所述切削力来运算切削力矢量；
机械特性识别部，所述机械特性识别部对所述机械系统相对于所述切削力的机械特性进行识别；以及
干扰修正量算出部，所述干扰修正量算出部基于由所述机械特性识别部识别出的所述机械系统的机械特性和所述切削力矢量算出对由所述切削力产生的控制系统的干扰进行修正的修正量，将该算出的修正量输入到所述伺服控制部，
所述机械系统具有所述工具和所述被驱动体。
7.根据权利要求6所述的数控装置，其特征在于，
所述机械特性识别部对所述切削力以及由所述切削力产生的控制系统的干扰进行数值处理，算出表示所述伺服控制部的频率响应特性的频率传递函数，所述频率传递函数由增益和相位表示；
所述干扰修正量算出部通过对所述切削力应用表示所述频率响应特性的传递函数型滤波器来运算用于修正干扰的修正量。
8.根据权利要求6或7所述的数控装置，其特征在于，
所述干扰修正量算出部基于所述切削力矢量来算出与所述工具的进给方向垂直的方向的修正量。
9.根据权利要求2、3、6、7所述的数控装置，其特征在于，
所述控制系统的干扰是包括所述位置指令、速度指令和转矩指令的任一个的干扰。
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