JP2005165408A - 工作機械の制御方法及びその制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小径の円弧補間を行う際、予め設定した閾値以下の場合は、従来の加速度一定の速度制限法によらず、高精度な切削加工を行うことができる工作機械の制御方法及びその制御装置を提供する。
【解決手段】コンピュータ100は円弧補間制御の指令半径が閾値を越える場合、加速度が一定となる円弧速度の制限速度を算出する。又、コンピュータ100は、円弧補間制御の指令半径rが閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出する。コンピュータ100は、円弧補間制御の指令半径rに応じていずれか一方の前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は、円弧補間制御を行う工作機械の制御方法及びその制御装置に係り、特に、従来の円弧速度制限法では得ることができない高精度な切削加工を行うことができる工作機械の制御方法及びその制御装置に関する。
近年、円弧補間制御を利用した新たな加工法が期待されている。ヘリカル動作によりねじ山を創生するダイレクトタップ、径の異なる円筒を1つの工具で加工するオービットボーリング、さらにはボーリングバーを用いないエンドミル加工などである。いずれの加工法においても、工具交換回数を減らすことにより加工能率を向上させることが狙いである。しかし、加工精度において、タップ加工やボーリング加工などの従来加工法に優るものはなく、新しい方法にすべて置き換わるというまでには至っていない。CNCの補間周期や補間単位の改善、サーボ制御処理の高速化によるハイゲイン化等の技術改良により円弧補間制御は高度になった。しかし、上記に挙げた加工アプリケーションに使われる円弧補間の多くが小径であるため、制御技術が向上したといえども要求精度を達成することが難しいというのが現実である。そのため、小径の円弧運動を高速で、制御する場合の高精度化が強く望まれている。
円弧補間における精度維持の手法として、円弧法線加速度を一定値以下に抑えるように送り速度を制限する方法が一般的に行われている。これは主にサーボシステムの追従遅れが原因で発生する円弧半径収縮現象に対して一定の効果を収めている。サーボ性能の向上により円弧半径収縮が改善されるようになってきたが、加工そのものが高速になり、円弧法線加速度が機械に対して大きな慣性力となって機械ひずみを引き起こし、円弧補間精度に大きな影響を及ぼすようになった。特に小円において、この現象が顕著になり、加工精度を維持することは困難になっている。
ここで、従来から行われている円弧速度制限法について説明する。従来の円弧速度制限法は円弧又は真円の加工精度向上を狙って用いられている。これは加速度が一定値より大きくならないように円弧速度を制御する方法で、位置ループ制御の遅れから次式で導かれる理論円弧半径減少誤差量ΔR(mm)に基づいている。
Figure 2005165408
ただし、F:送り速度(mm/min),R:円弧半径(mm),Kp:位置ループゲイン(s-1)、Kf:フィードフォワード係数である。
円運動(送り速度F)が高速になるにつれ、又は、円弧半径Rが小さくなるにつれ、加速度は大きくなり、円弧半径減少誤差量ΔRも大きくなる。そこで、従来の円弧速度制限法は加速度の上限を超えないように速度を制限して円弧半径減少誤差量ΔRを一定値以下に抑えようという方法である。
この方法は、円弧軌跡誤差の主原因が位置ループ制御の遅れである場合には、有効であるが、現在においては、フィードフォワード係数がほぼ1に設定され、位置ループ制御の遅れはほどんどない。
また、上記式(1)によれば、円弧軌跡誤差は生じないはずであるが、実際の円弧補間制御では要求精度を満たしていない問題がある。それは、式(1)では表されるものとは別の事象によるものである。図7(a)は、円弧半径と、速度をさまざまに変えた円弧補間の真円度である(実測値)。横軸に円弧半径をとり、縦軸に加速度(=速度の2乗/円弧半径)をとっており、図中の線(等真円度線)は同じ真円度を示している。仮に、真円度は加速度に比例するという考え方が正しければ、等真円度線は図7(a)において、真横に並んた縞模様となるはずであるが、実際は図7(a)に示すように円弧半径が小さくなるほど、真円度が悪くなっている。
本発明の目的は、小径の円弧補間を行う際、円弧補間制御の指令半径が予め設定した閾値以下の場合は、従来の円弧速度制限法によらず、高精度な切削加工を行うことができる工作機械の制御方法及びその制御装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、円弧補間制御を行う工作機械の制御装置において、前記円弧補間制御の指令半径rが閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出する制限速度算出手段と、前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする工作機械の制御装置を要旨とするものである。
請求項2の発明は、円弧補間制御を行う工作機械の制御装置において、前記円弧補間制御の指令半径rが閾値を越える場合、加速度が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記円弧補間制御の指令半径rが前記閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出する制限速度算出手段と、前記円弧補間制御の指令半径に応じていずれか一方の前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする工作機械の制御装置を要旨とするものである。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2において、前記閾値を格納する記憶手段を備え、前記制限速度算出手段は前記記憶手段に格納した閾値を使用して制限速度を算出することを特徴とする。
請求項4の発明は、円弧補間制御を行う工作機械の制御方法において、前記円弧補間制御の指令半径rが閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行うことを特徴とする工作機械の制御方法を要旨とするものである。
請求項5の発明は、円弧補間制御を行う工作機械の制御方法において、前記円弧補間制御の指令半径rが閾値を越える場合、加速度が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記円弧補間制御の指令半径rが前記閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記円弧補間制御の指令半径rに応じていずれか一方の前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行うことを特徴とする工作機械の制御方法を要旨とするものである。
ここで、本発明の原理を説明する。
図3は制御手段の位置指令部から機械端位置までの伝達関数Gを表すブロック図である。制御手段としてCNC(数値制御装置)を想定すると、その制御手段には円弧補間制御のために制御対象の位置指令を出力する位置指令部が設けられている。その位置指令部が出力する位置指令から機械端位置までの伝達関数を次のように表すことができる。
Figure 2005165408
ただし、s:ラプラス演算子、ω1:機械の固有振動数、ζ:減衰比、a:運動の加速度が振動に及ぼす影響度である。
s=jωとして伝達関数Gのゲインを求めると、角振動数ω<<機械の固有振動数ω1のとき、次式(3)となる。これは伝達関数Gを有理化し、実数部のみを取り出したものである。この際、1/(1−x)≒1+x(ただしx<<1)を用いて整理した。
Figure 2005165408
ここで、前記ゲインは、上記式に示すようにωの2乗の項,ωの4乗の項を持つことになる。実際の誤差は、伝達関数Gへの入力振幅である指令半径r(円弧半径)に比例するので、式の項に指令半径rをかけた値となる。指令半径r(円弧半径)が大きいときは、ωの2乗の項、すなわち、加速度の影響が大きい。しかし、指令半径r(円弧半径)が小さくなり、角振動数ω(角速度)が大きくなると、ωの4乗の項の影響が出てくる。
ここで、円弧補間制御は、x軸とy軸の2軸間における機械の剛性差がx軸、y軸の半径誤差となって現れる。このx軸とy軸の2軸間における円弧半径の誤差は、rω2と、rω4に比例する。
背景技術で説明した従来の円弧速度制限法においては、このx軸とy軸の2軸間における機械の剛性差がx軸、y軸の半径誤差となって現れていることは、図7(b)に示されている。図7(b)は、図7(a)から振幅差(前記x軸とy軸の半径誤差に相当)による誤差を抽出したものである。従来の円弧速度制限法において、振幅差による誤差は、加速度rω2に依存するが、指令半径(円弧半径)が小さくなるにつれ、前述したωの4乗項(正しくはrをさらに乗算した値)に比例した成分が大きくなっている。
一方、伝達関数Gの位相は、次式(4)となる。これは伝達関数Gを有理化し、虚数部のみを取り出したものである。
Figure 2005165408
上記のように、位相はωの3乗項、5乗項を持つが、角振動数ω<<機械の固有振動数ω1のとき、ωの3乗項の影響が大きい。ここで、x軸と、y軸間の応答位相差は円弧の45度方向の半径誤差となって現れる。ここでも、実際の誤差は、伝達関数への入力振幅である指令半径r(円弧半径)に比例するので、前記式(4)の項に指令半径rをかけた値となる。
従って、位相差の場合、円弧速度が高速になるにつれ、又、指令半径半径r(円弧半径)が小径になるにつれ、ωの3乗項の影響が大きいことが分かる。
背景技術で説明した従来の円弧速度制限法においては、この位相差による半径誤差となって現れていることは、図7(c)に示されている。図7(c)は、図7(a)から位相差による誤差を抽出したものである。この誤差は、rω3に比例する。
このため、本発明では、指令半径rが閾値以下の場合において、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出する。そして、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4のいずれか一方が一定となる前記制限速度をガード値とし、円弧速度がこの制限速度を超えないように円弧補間制御する。こうすることにより、円弧補間制御する際、指令半径rが閾値以下の場合においては、加速度の上限を超えないようにすることにより、円弧速度を制限する従来の円弧速度制限法とは異なり、高精度な制御が行われる。
請求項1乃至請求項5の発明によれば、小径の円弧補間を行う際、円弧補間制御の指令半径rが予め設定した閾値以下の場合は、従来の円弧速度制限法によらず、高精度に制御を行うことができる効果を奏する。この技術をエンドミルを用いた円筒穴仕上げ加工やヘリカル動作によりねじ山を創生するダイレクトタップ加工に採用すると、これらの加工が従来より高精度に行うことができる。
請求項2、請求項5の発明によれば、予め設定した閾値を境に、制限速度を切り換えることにより指令半径が閾値以下の場合、上記効果を奏し、指令半径が閾値を越える場合は、従来の円弧速度制限法にて、加工精度を上げることができる。
以下、本発明を具体化した工作機械の一実施形態を図1、図2、図4〜図6を参照して説明する。図1は工作機械の数値制御装置10(以下、単に数値制御装置という)の制御ブロック図である。図2はトルネード加工の概略説明図である。トルネード加工とは、エンドミルをz軸方向に移動しながらxy軸座標平面において、円弧補間制御を行う加工法である。
まず、トルネード加工の概略を図2を参照して説明する。図2において、エンドミルKは、主軸中心O1で示されている図示しない主軸に取り付けされている。トルネード加工においては、前記主軸とワークWとが、相対的にxy軸移動(xy軸座標平面における移動)により、円弧補間運動を行いつつ、z軸方向において直線補間運動を行う。この結果、主軸中心O1は、実際には、z軸方向に直線補間運動も行っているが、z軸方向に向かって見た場合、図2においてCで示す円弧補間軌跡を描く。又、この円弧補間軌跡Cに従ってエンドミルKにより、円弧補間運動の指令半径r(円弧半径)とエンドミルKの半径Lとの和である半径(r+L)の切削加工が行われることになる。
次に、数値制御装置を図1を参照して説明する。数値制御装置10は、CPU,ROM、RAM等を備えた、コンピュータ100にて構成されており、プログラム解析部11、補間部12、記憶部13を備えている。プログラム解析部11は、モーションプログラムPを先読みして、1ブロック毎の補間用データに解析する。プログラム解析部11は解析した1ブロック毎の補間用データを図示しないバッファメモリに格納する。補間部12は前記バッファメモリ(図示しない)から1ブロック毎の補間用データを読み出し、この補間用データに基づいて補間演算を行い、各制御軸の移動量、送り速度を算出し、円弧補間制御を行う。プログラム解析部11及び補間部12は前記CPUが、プログラムを実行することにより実現される構成である。記憶部13は補間演算に必要な各種制御パラメータを記憶する。記憶部13はRAMにて構成されており、記憶手段に相当する。コンピュータ100は、制御手段に相当する。
補間部12は、工作機械の各制御軸(本実施形態では、主軸、x軸、y軸、z軸)の位置指令(速度指令)を算出する。本実施形態において、補間部12は、位置指令部、及び制限速度算出手段に相当する。
算出された各制御軸の位置指令は、補間部12から、主軸制御部14、x軸制御部15、y軸制御部16、及びz軸制御部17に入力される。主軸モータ18、x軸モータ19、y軸モータ20、及びz軸モータ21は、それぞれ主軸制御部14、x軸制御部15、y軸制御部16、及びz軸制御部17に対して電気的に接続されている。主軸制御部14、x軸制御部15、y軸制御部16、及びz軸制御部17は入力された位置指令に基づいて、各モータを駆動制御する。前記各モータは、サーボモータにより構成されている。
図4は補間部12(CPU)が実行する指令速度設定のフローチャートである。補間部12は、S10において、記憶部13に予め記憶された制御パラメータとしての閾値Rcを読み込み、モーションプログラムPに基づく指令半径と閾値Rcとの大小関係を判定する。指令半径は、円弧補間運動を行う際の円弧半径となる値である。
なお、閾値Rcは、本実施形態では下記のように設定されている。
図5は、記憶部13に記憶されている制限速度マップの概略図である。図5に示すように、制限速度マップは指令半径r(円弧半径)に対する送り速度の制限速度Fcを決定するために横軸に指令半径(円弧半径)、縦軸に速度をとっており、図においてrω2,rω3,rω4のそれぞれが一定になる線を示している。補間部12から機械端までの伝達関数は、本実施形態の工作機械の仕様等に基づいて予め求められており、これらの線は、シミュレーションによる計算で得られる。
本実施形態では、閾値Rcである10mmのところで、各線が交差するようにrω2,rω3,rω4の値を決定している。なお、閾値Rcは、10mmに限定するものではなく、工作機械の仕様等に応じて他の値に設定してもよい。この閾値Rcは、図示しない、入力装置により、予め記憶部13に記憶させたり、或いは、モーションプログラムPに組み込んだりしてもよい。
ここで、前記マップ化される閾値Rcの求め方について説明する。例えば、R1=40mmにて誤差が許容値以下となる最大の送り速度F1を、従来の円弧速度制限法によって予め試験切削を行うことにより求める。これから、加速度一定値C1=F1 2/R1を求める。次に、R2=1mmにて誤差が許容値以下となる最大の送り速度F2を、従来の円弧速度制限法によって予め試験切削を行うことにより求める。このときの誤差の現れ方が、軸方向(0°,90°,180°,270°)に大きく出れば、rω4一定を適用し、誤差が、軸方向(45°,135°,225°,315°)に大きく出れば、rω3一定を適用することになる。
rω4一定の場合、一定値C2=F2 4/R2 3を、rω3一定の場合、一定値C2=F2 3/R2 2を求める。
rω4一定の場合の閾値Rcは、C1=F2/Rc,C2=F4/Rc3の連立方程式から、Fを消去し、閾値Rcを求める。
rω3一定の場合の閾値Rcも同様にして求める。
なお、図5中、rω2が一定の線を加速度一定線といい、rω2,rω4が一定の線をrωN一定線という(N=3,4)。
フローチャートに戻って、S10において、指令半径rが閾値Rcよりも大きい場合は、S20に移行し、制限速度マップにおいて、指令半径rと対応する加速度一定線から、指令半径rに対応する制限速度Fcを決定し、S30に移行する。又、S10において、指令半径rが閾値Rc以下の場合は、S50に移行し、制限速度マップにおいて、指令半径と対応するrωN一定線から、指令半径rに対応する制限速度Fcを決定し、S30に移行する。
本実施形態では、rωN一定線は、rω4一定線としているが、rω3一定線としてもよい。rω4一定線の場合は、rω4一定の制限速度Fcが決定されるため、x軸、y軸の2軸間の振幅差による半径誤差を一定値に抑えることができる。なお、rωN一定線として、rω3一定線とした場合は、rω3一定の制限速度Fcが決定されるため、x軸、y軸の2軸間の位相差による半径誤差を一定値に抑えることができる。
S30では、モーションプログラムPに基づく指令速度が、制限速度Fcを超えているか否かを判定する。S30において、モーションプログラムPに基づく指令速度が、制限速度Fcを超えている場合には、S40に移行し、制限速度Fcを指令速度としてガードをかけ、このルーチンを終了する。又、S30において、指令速度が制限速度Fc以下の場合、指令速度に制限をかけないでこのルーチンを終了する。このルーチンの終了後、補間部12は、図示しない補間処理ルーチンを開始する。補間部12は、補間処理ルーチンにおいて、前記算出した指令速度(S40で制限速度Fcを含む)、及び指令半径r等に基づいて、各制御軸の位置指令(速度指令)を演算する。なお、この演算については、本発明の要部ではなく、又、公知であるので、説明を省略する。
本実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1) 本実施形態では、指令半径rが閾値Rc以下の場合には、制限速度マップにて、rω4一定の制限速度Fcが決定されるため、x軸、y軸の2軸間の振幅差による半径誤差を一定値に抑えることができる効果を奏する。
図6(a)は、指令半径r(円弧半径)を28mm、円弧速度(送り速度)Fを7000mm/minとしたときの、真円精度を表している。図6(b)は、図6(a)の測定条件を同じとし、加速度一定線のみにより、指令半径r(円弧半径)を1.5mm、円弧速度(送り速度)Fを1600mm/minとしたときの真円精度を表している。図6(c)は、図6(a)の測定条件を同じとし、rω4一定線のみにより、指令半径r(円弧半径)を1.5mm、円弧速度(送り速度)Fを1000mm/minとしたときの真円精度を表している。図6(b)に示すように、加速度一定線のみの場合は、x軸、y軸の2軸間の振幅差、位相差の双方の誤差が現れて、軌跡が楕円状になっている。それに対して、図6(c)では、誤差は抑制されている。
(2) 又、本実施形態では、指令半径rが閾値Rc以下の場合、制限速度マップにて、rω4一定の制限速度Fcが決定されると、rω3一定の制限速度Fcよりも、円弧速度が制限されるため、rω3一定の制限速度Fcを決定した場合よりも、加工精度は高くなる。
なお、本実施形態の変形例として、指令半径rが閾値Rc以下の場合、制限速度マップにて、rω3一定の制限速度Fcを決定したときは、rω4一定の制限速度Fcよりも、円弧速度が緩和されるため、rω4一定の制限速度Fcよりも、加工効率は良くなる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のようにしてもよい。
○ 前記実施形態では、トルネード加工を行う数値制御装置10に具体化したが、円弧補間運動を行う工作機械であれば、限定されるものではない。例えば、ヘリカル動作によりねじ山を創生するダイレクトタップを行う工作機械の制御装置や、オービットボーリングや、エンドミルによる真円加工を行う制御装置に具体化してもよい。
○ 本発明が対象としている円弧補間制御のなかで、特に小円制御は、前記実施形態では指令半径(円弧半径)が10mm以下のものとしているが、この値に限定するものではなく、15mm以下や、20mm以下であってもよいが、指令半径(円弧半径)が小さくなるほど、その効果は大きく期待できる。
本発明を具体化した実施形態の工作機械の制御装置のブロック図。 トルネード加工の概略説明図。 制御手段の位置指令部から機械端位置までの伝達関数Gを表すブロック図。 補間部12(CPU)が実行する指令速度設定のフローチャート。 記憶部13に記憶されている制限速度マップの概略図。 (a)〜(c)は、それぞれ真円精度を表す説明図。 (a)は、円弧半径と、速度をさまざまに変えた円弧補間の真円度の説明図、(b)は、同じく振幅差の誤差を表す説明図、(c)は、同じく位相差の誤差を表す説明図。
符号の説明
10…数値制御装置
12…補間部(位置指令部、及び制限速度算出手段)
13…記憶部(記憶手段)
100…コンピュータ(制御手段)

Claims (5)

  1. 円弧補間制御を行う工作機械の制御装置において、
    前記円弧補間制御の指令半径rが閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出する制限速度算出手段と、前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。
  2. 円弧補間制御を行う工作機械の制御装置において、
    前記円弧補間制御の指令半径rが閾値を越える場合、加速度が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記円弧補間制御の指令半径rが前記閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる制限速度を算出する制限速度算出手段と、
    前記円弧補間制御の指令半径rに応じていずれか一方の前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする工作機械の制御装置。
  3. 前記閾値を格納する記憶手段を備え、
    前記制限速度算出手段は前記記憶手段に格納した閾値を使用して制限速度を算出することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の工作機械の制御装置。
  4. 円弧補間制御を行う工作機械の制御方法において、
    前記円弧補間制御の指令半径rが閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、
    前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行うことを特徴とする工作機械の制御方法。
  5. 円弧補間制御を行う工作機械の制御方法において、
    前記円弧補間制御の指令半径rが閾値を越える場合、加速度が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、前記円弧補間制御の指令半径rが前記閾値以下の場合、rω3(なお、ωは角振動数)、又はrω4が一定となる円弧速度の制限速度を算出し、
    前記円弧補間制御の指令半径rに応じていずれか一方の前記制限速度にて円弧速度に対してガードをかけるようにして円弧補間制御を行うことを特徴とする工作機械の制御方法。
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