JP2007034653A - Path controlling method for nc milling machine - Google Patents
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Description
本発明は、NCフライス盤の経路制御方法に関し、より詳しくは、静止座標系で表したシステムを回転座標変換と伸縮座標変換とを用いることで各軸を相互に協調させた経路制御を行う経路制御方法に関する。 The present invention relates to a path control method for an NC milling machine, and more specifically, path control for performing path control in which axes are mutually coordinated by using a rotation coordinate transformation and a stretch coordinate transformation in a system represented by a stationary coordinate system. Regarding the method.
近年、高速かつ高精度な性能実現を要求される複数軸のNC工作機械においては、位置制御のみならず経路制御の重要性も高まってきている。これに対し、本発明者は経路制御手法の一つとしてベクトル分解経路制御を提案している(非特許文献1)。これは、X-Y座標系で表されたシステムを回転座標系に変換して経路誤差成分(ゲイン成分)と進行方向成分(位相成分)とに分離すると共に、仮想的に目標経路を変換する伸縮座標変換を併用したもので、これまでに各軸のテーブルをモータに接続されたボールねじにより駆動させる卓上型NCフライス盤の実証実験でその有効性を確認してきている(非特許文献2)。
しかしながら、NCフライス盤では、経路のみならず、製品の切削面粗度を一定にするため、X-Yテーブルの接線方向速度と切削工具の回転速度との和で表される切削速度を一定に保つことも重要である。従来の手法においては、X-Yテーブルの接線方向速度と切削工具の回転速度はそれぞれ独立に一定化する制御を行っていたが、X-Yテーブルの接線方向速度は、ボールねじのバックラッシュ、テーブルの摩擦、切削負荷の変動等が原因して、必ずしも一定速度にはならず、また、切削工具が取り付けられた主軸の回転速度も、切削負荷変動が原因で速度が変動し、特に、切削負荷が強くなると変動する傾向が強くなる。このため、どちらか一方に速度変動が生じた場合、これが切削速度の変動につながり、加工製品の表面粗さが変動する問題があった。 However, in the NC milling machine, not only the path but also the cutting surface roughness of the product is made constant, so that the cutting speed represented by the sum of the tangential speed of the XY table and the rotational speed of the cutting tool is kept constant. It is also important. In the conventional method, the tangential speed of the XY table and the rotational speed of the cutting tool are controlled independently to be constant, but the tangential speed of the XY table is determined by the backlash of the ball screw, Due to table friction, cutting load fluctuations, etc., the speed is not always constant, and the rotation speed of the spindle to which the cutting tool is attached also fluctuates due to cutting load fluctuations. As the load increases, the tendency to fluctuate increases. For this reason, when a speed fluctuation occurs in one of the two, this leads to a fluctuation in the cutting speed, resulting in a problem that the surface roughness of the processed product fluctuates.
そこで、この発明においては、経路誤差を最小に抑えつつ、テーブルの送り速度と主軸の回転速度とを相互に協調させることで、切削速度を一定化する制御を実現し、加工製品の切削面粗度を一定にすることが可能なNCフライス盤の経路制御方法を提供することを主たる課題としている。 Therefore, in the present invention, the control of making the cutting speed constant is realized by coordinating the feed speed of the table and the rotational speed of the spindle while minimizing the path error. The main object is to provide a path control method for an NC milling machine capable of keeping the degree constant.
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、従来のベクトル分解経路制御に対して、被削材の送り速度と切削工具の刃先の速度との和で表される切削速度を一定に保つような制御系を構成するものである。即ち、NCフライス盤のテーブルと切削工具が装着される主軸とが相互協調を行う新たなベクトル分解経路制御を提案する。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a cutting speed represented by the sum of the feed speed of the work material and the speed of the cutting edge of the cutting tool compared to the conventional vector decomposition path control. The control system is configured to maintain a constant value. That is, a new vector decomposition path control is proposed in which the NC milling table and the spindle on which the cutting tool is mounted cooperate with each other.
これは,X-Y座標系で表されたシステムを、回転座標変換と伸縮座標変換を行うことで、システムを経路誤差成分と、接線方向速度+主軸速度成分の2つに分解し、これにより、経路誤差を最小に抑えつつ、テーブルの送り速度と主軸の回転速度とを相互に協調させ、切削速度を一定化する制御を実現するものである。具体的には、従来のベクトル分解経路制御に対して、主軸の回転速度を新たな制御量として加え、進行方向成分の速度と主軸の回転速度とを協調させるものである。 This is because the system expressed in the XY coordinate system is divided into two parts, a path error component and a tangential velocity + spindle velocity component, by performing rotation coordinate transformation and expansion coordinate transformation. In addition, while keeping the path error to a minimum, the table feed speed and the spindle rotation speed are coordinated with each other, thereby realizing a control for making the cutting speed constant. Specifically, the rotational speed of the main shaft is added as a new control amount to the conventional vector decomposition path control, and the speed of the traveling direction component and the rotational speed of the main shaft are coordinated.
したがって、本発明は、切削工具を回転可能な主軸に装着し、前記切削工具の刃部をテーブル上に固定された被削材(加工ワーク)に当接して該被削材に対して所定の加工経路に沿うよう相対的に走行動作させるNCフライス盤の経路制御方法において、静止座標系(X-Y軸座標系)で与えられたシステムを回転座標系(D-Q軸座標系)へ座標変換して経路誤差成分と進行方向成分とに分解し、前記回転座標系(D-Q軸座標系)に対して伸縮座標変換を行うと共に、前記進行方向成分を近似的に接線方向成分に変換し、前記伸縮座標変換された伸縮座標系上で前記加工経路の目標値を一定にすると共に、前記接線方向成分について構成された速度をベースにした位置制御系と前記主軸の回転速度について構成された速度制御系とを融合させた制御系において前記テーブルの接線方向速度と前記主軸の回転速度の和で表される切削速度を一定にすることを特徴とする(請求項1)。 Therefore, according to the present invention, a cutting tool is mounted on a rotatable main shaft, and a blade portion of the cutting tool is brought into contact with a work material (workpiece) fixed on a table so that a predetermined amount is applied to the work material. In the NC milling machine path control method that moves relatively along the machining path, the coordinate system converted from the stationary coordinate system (XY axis coordinate system) to the rotating coordinate system (DQ axis coordinate system) Then, it is decomposed into a path error component and a traveling direction component, and expansion / contraction coordinate conversion is performed on the rotating coordinate system (DQ axis coordinate system), and the traveling direction component is approximately converted to a tangential direction component. The target value of the machining path is made constant on the telescopic coordinate system converted into the telescopic coordinate system, and the position control system based on the speed configured for the tangential direction component and the rotational speed of the main shaft are configured. Combine with speed control system Cutting speed represented by the sum of the rotational speed of the tangential velocity and the main axis of the table in the control system, characterized in that the constant (Claim 1).
ここで、経路誤差成分の目標値を伸縮により仮想的に一定にすることで軸相互の時間遅れの差に起因する誤差を無くすことができることから、前記回転座標系(D-Q軸座標系)を、前記静止座標系(X-Y軸座標系)で与えられたシステムを現在位置がD軸上となるように座標変換し、前記伸縮座標変換は前記経路誤差成分に対して行うようにするとよい(請求項2)。 Here, by making the target value of the path error component virtually constant by expansion and contraction, it is possible to eliminate an error caused by the difference in time delay between the axes. Therefore, the rotational coordinate system (DQ axis coordinate system) The coordinate system of the system given in the stationary coordinate system (XY axis coordinate system) is transformed so that the current position is on the D axis, and the expansion and contraction coordinate transformation is performed on the path error component. Good (claim 2).
また、前記伸縮座標変換は、前記加工経路が閉曲線経路である場合に、目標経路を単位円に変換し(請求項3)、加工経路が開曲線経路である場合に、目標経路を直線に変換することが好ましい(請求項4)。このような構成においては、目標経路の目標値が一定となるので、どのような経路にあっても1型の制御系を構成すれば経路誤差を零にすることが可能となる。
The expansion / contraction coordinate conversion converts the target path to a unit circle when the processing path is a closed curve path (Claim 3), and converts the target path to a straight line when the processing path is an open curve path. (Claim 4). In such a configuration, since the target value of the target route is constant, it is possible to make the route error zero by configuring a
以上述べたように、この発明に係るNCフライス盤の経路制御方法によれば、被削材の送り速度と切削工具の刃先の速度を相互に協調させ、切削速度を一定に保ちつつ、経路誤差を最小に抑えることが可能になるので、加工製品の切削面粗度を一定にすることが可能となる。 As described above, according to the path control method of the NC milling machine according to the present invention, the feed speed of the work material and the speed of the cutting edge of the cutting tool are coordinated with each other, and the path error is maintained while keeping the cutting speed constant. Since it becomes possible to suppress to the minimum, it becomes possible to make the cutting surface roughness of a processed product constant.
以下、この発明の最良の実施形態を説明する。
本発明に係る経路制御を行うにあたり、次のような実験装置を用いる。
The best mode of the present invention will be described below.
In performing the route control according to the present invention, the following experimental apparatus is used.
[実験装置の仕様]
本研究では実験装置として、坂井技研製卓上型NCフライス盤SG−01を採用した。SG−01はX-Yテーブルにより平面方向移動、主軸が取り付けられているZ軸により垂直方向移動を行う。各テーブルは滑り摺動面を採用しており、モータに接続されているボールねじによって駆動される。表1にSG−01の仕様を示す。
[Experimental equipment specifications]
In this research, a desk NC milling machine SG-01 manufactured by Sakai Giken was used as an experimental device. SG-01 moves in a plane direction by an XY table and moves in a vertical direction by a Z axis to which a main shaft is attached. Each table employs a sliding surface and is driven by a ball screw connected to a motor. Table 1 shows the specifications of SG-01.
SG−01の各軸のモータには、ワコー技研製ACサーボモータが使用されている。X,Y,Z軸のモータにはCNEシリーズ、主軸のモータにはLNEシリーズが用いられている。モータには光学式ロータリエンコーダが接続されており、X,Y,Z軸の分解能は正確な位置決めのために2000Pulse/Rev、主軸の分解能は1000Pulse/Revとなっている。各サーボモータの仕様を表2に示す。 An AC servo motor manufactured by Wako Giken is used as the motor for each axis of SG-01. The CNE series is used for the X, Y, and Z axis motors, and the LNE series is used for the spindle motor. An optical rotary encoder is connected to the motor, and the resolution of the X, Y, and Z axes is 2000 Pulse / Rev for accurate positioning, and the resolution of the spindle is 1000 Pulse / Rev. Table 2 shows the specifications of each servo motor.
尚、SG−01の各テーブルには、稼動範囲を超えて移動できないようにリミット機構が備わっている。テーブルの先端に設けられている突起が、稼動限界位置に取り付けられているマイクロスイッチを作動させ、モータに与える電圧をゼロにする機構になっている。また、各軸が原点復帰する時に必要なマイクロスイッチもあり、すべてDMC−1740に接続されている。また、SG−01に制御を行っていない時や電源がOFFの時、Z軸の自重による落下を防ぐためにブレーキ機構が設けられている。Z軸を制御する時は、電磁ブレーキが通電することによりロックを解除する。DMC−1740にはリレー装置を介して接続されている。 Each table of SG-01 has a limit mechanism so that it cannot move beyond the operating range. The protrusion provided at the tip of the table is a mechanism for operating the microswitch attached to the operation limit position to zero the voltage applied to the motor. There are also microswitches required when each axis returns to the origin, and all are connected to the DMC-1740. A brake mechanism is provided to prevent the Z-axis from dropping due to its own weight when SG-01 is not being controlled or when the power is OFF. When controlling the Z-axis, the lock is released by energizing the electromagnetic brake. The DMC-1740 is connected via a relay device.
SG−01は、米国Galil社製モーションコントロールボードDMC−1740を使用してサーボモータを制御する。SG−01は、NCプログラムをDMC−1740の処理命令に変換して転送するソフトウエアSA100Mによって制御される。SA100MはDMC−1740の指令命令処理とNCプログラムの文法の処理の違いから市販されているNCと同等に処理することは不可能であるが、極力同じ動きを再現するようにプログラムされている。 SG-01 controls a servo motor using a motion control board DMC-1740 manufactured by Galil, USA. SG-01 is controlled by software SA100M that converts an NC program into a processing instruction of DMC-1740 and transfers it. The SA100M cannot be processed in the same way as a commercially available NC due to the difference in command instruction processing of the DMC-1740 and the grammar processing of the NC program, but is programmed to reproduce the same movement as much as possible.
製品状態としてのNCフライス盤SG−01は、専用の制御盤DMC−1740によって制御系が構成されているため、ベクトル分解経路制御のような任意の制御則を用いた経路制御実験を行うには、NCフライス盤SG-01を改造して、パソコンを新たなコントローラとする制御系を構成する必要がある。また、NCフライス盤SG−01の改造前後の加工精度の比較方法は、NCプログラムで加工した時のエンコーダパルスと、接線速度を考慮したベクトル分解経路制御で加工した時のエンコーダパルスをそれぞれ比較する。 The NC milling machine SG-01 as a product state has a control system constituted by a dedicated control board DMC-1740. Therefore, in order to conduct a path control experiment using an arbitrary control law such as vector decomposition path control, The NC milling machine SG-01 must be modified to configure a control system with a personal computer as a new controller. Moreover, the comparison method of the machining accuracy before and after remodeling of the NC milling machine SG-01 compares the encoder pulse when machined with the NC program and the encoder pulse when machined with vector decomposition path control considering the tangential speed.
そこでまず、NCプログラムで加工中の各軸のエンコーダパルスを取得するため、ドライバとDMC−1740間の配線からエンコーダ信号だけを分岐させ、一つをそのままDMC−1740に、もう一つをカウンタボードが接続されている別のパソコンに接続し、図1に示されるような構成とする。即ち、パソコンからD/Aボードに電圧指令が入力され、これが各軸のモータドライバへ出力される。次にドライバからは、回転しているモータのエンコーダパルスがCNTボードでカウントされ、パソコンの制御系にフィードバックされる。各テーブルのリミットスイッチ信号、Z軸ブレーキのリレー信号は、PIOボードからパソコンへ出力される。 Therefore, in order to obtain the encoder pulse of each axis being processed by the NC program, only the encoder signal is branched from the wiring between the driver and the DMC-1740, one is directly to the DMC-1740 and the other is the counter board. 1 is connected to another personal computer to which is connected, and the configuration as shown in FIG. That is, a voltage command is input from the personal computer to the D / A board, and this is output to the motor driver for each axis. Next, the encoder pulse of the rotating motor is counted by the CNT board from the driver and fed back to the control system of the personal computer. The limit switch signal of each table and the relay signal of the Z-axis brake are output from the PIO board to the personal computer.
[NCフライス盤のモデリング]
本発明の経路制御を行うにあたり、以下のモデルを想定する。
ここでは、NCフライス盤のモータとボールネジを用いた各軸のテーブルについてのモデリングを行う。モデリングはX,Y,Z軸の各軸について行う必要があるが、すべての場合において同様に行うことができるため、その中の一つを例に取った形で説明する。
[NC milling machine modeling]
In performing the route control of the present invention, the following model is assumed.
Here, modeling is performed on a table of each axis using an NC milling machine motor and a ball screw. Although modeling needs to be performed for each of the X, Y, and Z axes, it can be performed in the same manner in all cases, so one of them will be described as an example.
実験装置のテーブル位置をP(t)[m]、速度をv(t)[m/s]として図2に示すようにモデル化する。このモデルに基づきニュートンの法則に従い次の運動方程式が得られる。
式(3)と式(4)を式(1)に代入すると以下のようになる。
式(5)で得られる運動方程式から状態方程式、出力方程式は、
[回転座標系への変換]
ここでは、ベクトル分解経路制御を2自由度平面上で考え、仮にX軸とY軸が次のように与えられているときを考える。
Here, vector decomposition path control is considered on a two-degree-of-freedom plane, and suppose that the X-axis and Y-axis are given as follows.
しかし、式(14)、(16)におけるX軸、Y軸の各パラメータは必ずしも一致しているとは限らない。そこで各パラメータを見かけ上一致させ、そのパラメータをa,b,eとすると次のようになる。 However, the X-axis and Y-axis parameters in Equations (14) and (16) do not necessarily match. Therefore, when the parameters are apparently matched and the parameters are a, b, and e, the following is obtained.
・X軸
・Y軸
式(17)、(20)は行列表現すると、
また、式(13)、(15)は、
次に、上述した多軸メカニカルシステムに対して静止座標系(X-Y座標系)で表したシステムを、原点を中心に角度θだけ回転させたD-Q座標系へ回転座標変換する。
X-Y座標系で与えられたシステムをD-Q座標系に変換する場合において、X-Y座標系とD-Q座標系の間での位置、速度、加速度を単純投影したときの関係式は次のように表される。
When converting a system given in the XY coordinate system to the DQ coordinate system, the relational expression when the position, velocity, and acceleration between the XY coordinate system and the DQ coordinate system are simply projected. Is expressed as:
閉曲線経路に対しては図3のように、X-Y座標系をD-Q座標系に変換し、原点から現在位置に向かうベクトルとD軸とを一致させて応答させる。そしてD軸、θ角をそれぞれPd→Rd、θ→Rθとなるような制御を行う。ここで、RdはD軸と目標経路との交点とし、Rθは原点回りの目標角度とする。 For the closed curve path, as shown in FIG. 3, the XY coordinate system is converted to the DQ coordinate system, and the vector from the origin to the current position is matched with the D axis to respond. Then, control is performed so that the D axis and the θ angle become P d → R d and θ → R θ , respectively. Here, R d is an intersection of the D axis and the target route, and R θ is a target angle around the origin.
尚、X-Y座標系とD-Q座標系の関係式は、式(26)であることから、
式(31)、(32)から式(25)は、
式(33)、(34)をD-Q座標系の各成分で表すと、
以上のように回転座標変換を用いて運動方程式をゲイン成分と位相成分とに分離して非干渉化を行うベクトル分解経路制御は、回転座標変換を行ったD-Q座標により、D軸で経路誤差を評価し、Q軸で追従性を評価できるように評価対象を分離するようにしたもので、円や直線状の経路目標値に対しては良好な経路制御性能が得られ、外乱などの影響も位相成分でかなり吸収することができるが、任意曲線の経路目標値に対しては十分な性能が必ずしも得られなかった。 As described above, the vector decomposition path control in which the equation of motion is separated into the gain component and the phase component by using the rotation coordinate transformation and is made non-interfering is performed by using the DQ coordinate obtained by the rotation coordinate transformation and the path on the D axis. The evaluation target is separated so that the error can be evaluated and the followability can be evaluated on the Q axis. Good path control performance can be obtained for circular and linear path target values, and disturbances, etc. Although the influence can be considerably absorbed by the phase component, sufficient performance is not necessarily obtained for the path target value of the arbitrary curve.
これは、回転座標変換によりシステムを座標変換すると、直接D軸が経路誤差に影響を及ぼすので、D軸の目標値が時間的に変化する場合に、時間遅れによる誤差がそのまま経路誤差となってしまい、十分な経路制御を行うことができないからである。即ち、経路制御では、複数軸の応答で経路を表現しているので、軸相互の時間遅れに差が生じた場合などにおいては、経路応答は乱れてしまい、経路誤差を直接評価している軸の時間遅れは、それが直接経路誤差となってしまうからである。 This is because if the system is transformed by rotational coordinate transformation, the D axis directly affects the path error. Therefore, when the target value of the D axis changes with time, the error due to the time delay becomes the path error as it is. This is because sufficient path control cannot be performed. In other words, in the path control, the path is expressed by the response of multiple axes, so when there is a difference in the time delay between the axes, the path response is disturbed, and the axis that directly evaluates the path error. This is because the time delay is a direct path error.
そこで、経路誤差を直接評価している軸上(経路誤差成分であるD軸上)での目標値を自由に変化させ、仮想的に目標値を一定にし、時間遅れになどによって発生する誤差を低減するために、任意の軸を伸縮座標変換によりある比率によって伸縮させることが有効である。 Therefore, the target value on the axis that directly evaluates the path error (on the D axis that is the path error component) can be changed freely, the target value is virtually fixed, and the error caused by time delay etc. In order to reduce, it is effective to expand / contract an arbitrary axis by a certain ratio by expansion / contraction coordinate transformation.
[伸縮座標系への変換]
伸縮座標変換では、図4に示されるように、X-Y座標系と
座標系の間で位置、速度、加速度を単純投影したときの関係式は次のように表される。
に対し、図4に示されるように、
となるような制御を行う。
[Conversion to telescopic coordinate system]
In telescopic coordinate transformation, as shown in FIG.
The relational expression when the position, velocity and acceleration are simply projected between the coordinate systems is expressed as follows.
On the other hand, as shown in FIG.
Control is performed as follows.
[伸縮座標変換と回転座標変換との併用]
いま、D-Q座標上での運動方程式が、式(35)から(38)で与えられているとする。D-Q座標系と伸縮座標系である
座標系の間で位置、速度、加速度を単純投影したときの関係式は、次のように表される。
Now, it is assumed that the equation of motion on the DQ coordinate is given by equations (35) to (38). DQ coordinate system and telescopic coordinate system
The relational expression when the position, velocity and acceleration are simply projected between the coordinate systems is expressed as follows.
式(39)から式(35)は、
また、式(37)は、
[閉曲線経路への適用]
D-Q座標系
閉曲線経路では、図5に示されるように、位置応答を回転座標系のD軸に一致させ、また、D軸と単位円が交わったところをD軸の目標値αd(t)Rd(t)=1にすると、次の条件が成り立つ。
In the DQ coordinate system closed curve path, as shown in FIG. 5, the position response is made to coincide with the D axis of the rotational coordinate system, and the D axis target value α d ( t) When R d (t) = 1, the following condition holds.
式(44)より、式(35)、(40)、(41)はそれぞれ、
式(42)、(45)から、式(48)の一階微分は、
したがって、D軸成分について行列表現すると、
同様に、式(43)、(45)から、式(47)の一階微分は、
したがって、θ成分について行列表現すると、
これにより、(51)式のD軸成分がゲイン成分、(55)式のθ成分が位相成分に相当したものとなり、それぞれ非干渉として扱えることからゲイン成分と位相成分とでベクトル的に分離して考えることができる。ここで、(51)式は、伸縮座標変換を行っていることから、D軸の誤差が変換領域での経路誤差となり、またD軸制御系の目標値を常に1で一定にすることができる。このため、1型の制御系を構成すれば理想的には定常誤差を0にすることができる。
As a result, the D-axis component in equation (51) corresponds to the gain component, and the θ component in equation (55) corresponds to the phase component, which can be treated as non-interference. Can think. Here, since the equation (51) performs the expansion / contraction coordinate conversion, the D-axis error becomes a path error in the conversion region, and the target value of the D-axis control system can always be kept constant at 1. . For this reason, if a
D-L座標系への変換
ところで、上述の制御系では、楕円等の任意の目標経路に対して、接線速度が振動してしまい、加工製品の表面が粗くなってしまう。そこで、本発明においては、図6に示されるように、Δθ≒0の時に、Δl=PdΔθより
が成り立つため、D-Q座標系をD-L座標系に近似的に変換する。そして、D軸と円周の始点からの長さlを制御量とし、接線速度を一定にし、かつ最終的な位置も一致させるような速度ベース位置制御を構成する。この時、Pd → Rd、Pl →Rl となるような制御を行う。
By the way, in the above-described control system, the tangential speed vibrates with respect to an arbitrary target path such as an ellipse, and the surface of the processed product becomes rough. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 6, when Δθ≈0, Δl = P d Δθ
Therefore, the DQ coordinate system is approximately converted to the DL coordinate system. Then, the speed base position control is configured such that the length l from the starting point of the D axis and the circumference is set as the control amount, the tangential speed is made constant, and the final position is also matched. At this time, control is performed such that P d → R d and P l → R l .
以下、D-L座標系への変換手法を詳述すると、前述したように、ベクトル分解経路制御では進行方向成分の制御はθ成分で与えられ、例えθ成分の速度を一定にしたとしても、任意の目標経路に対して接線速度を一定にすることができないため、工作機械の経路制御のように接線速度の振動が問題となる場合においては、D-Q座標系をD-L座標系に近似的に変換し、直接、接線方向成分を制御量とすることにより接線速度を一定にする。D軸に関しては、D-Q座標系と同様に扱えるので省略する。 Hereinafter, the conversion method to the DL coordinate system will be described in detail. As described above, in the vector decomposition path control, the control of the traveling direction component is given by the θ component, and even if the speed of the θ component is made constant, Since the tangential speed cannot be made constant with respect to an arbitrary target path, when the vibration of the tangential speed becomes a problem as in the path control of a machine tool, the DQ coordinate system is changed to the DL coordinate system. Approximate conversion is performed, and the tangential velocity is made constant by directly setting the tangential direction component as the control amount. The D axis is omitted because it can be handled in the same manner as the DQ coordinate system.
L軸に関しては、まず、
したがって、接線方向成分(L軸成分)について行列表現すると、
前述の式(51)で表されるD軸成分の関係式は、式(60)で表される接線方向L成分の関係式と非干渉的に扱うことができ、前者の関係式に対しては位置制御系を構成し、後者の関係式に対しては速度をベースとした位置制御系を構成することになる。このため、接線速度を考慮しつつ経路誤差を最小とする制御を実現することが可能となる。 The relational expression of the D-axis component expressed by the above-described expression (51) can be handled in a non-interfering manner with the relational expression of the tangential direction L component expressed by the expression (60). Constitutes a position control system, and the latter relational expression constitutes a speed-based position control system. For this reason, it is possible to realize the control that minimizes the path error while considering the tangential velocity.
[開曲線経路への適用]
開曲線経路では、図7に示すような図5の単位円の半径を無限大とした直線状の目標経路を考える。図7では、D軸を点線で表された直線経路目標値と直交するように設定し、そのときの角度θによってD-Q座標系を固定し、その固定したD-Q座標系で制御を行う。このときにもD軸成分の誤差が経路誤差になり、D軸のみに伸縮座標変換を行い直線に変換させて同様に考える。
[Application to open curve path]
In the open curve path, a linear target path with the radius of the unit circle of FIG. 5 as shown in FIG. 7 infinite is considered. In FIG. 7, the D axis is set so as to be orthogonal to the straight line target value represented by the dotted line, the DQ coordinate system is fixed by the angle θ at that time, and control is performed using the fixed DQ coordinate system. Do. At this time as well, the error of the D-axis component becomes a path error, and the same consideration is made by converting the stretchable coordinate to only the D-axis to convert it into a straight line.
いま、θを固定した座標系で制御を行うので、θ角は次のような条件が成り立つ。
式(65)、(66)を次のように定義する。
式(63)、(67)から、式(69)の一階微分は、
同様に、式(64)、(68)から式(70)の一階微分は、
このように、閉曲線経路、開曲線経路共に、D軸成分が経路誤差を評価するので伸縮座標変換を行うのはD軸のみで十分であり、例えば軸伸縮比をαq=1、αd=1/Rdとすると、
軸の目標値は常に1で一定となる。通常αq=1なので、式(73),(74)は、次のように表せる。
The target value of the axis is always 1 and constant. Since α q = 1 normally, equations (73) and (74) can be expressed as follows.
[X-Yテーブルと主軸の協調(主軸回転速度と進行方向成分との協調)]
次に、製品の切削表面粗さを左右する切削速度を一定化するため、X-Yテーブルの接線速度と主軸の回転速度を協調させる。D-L座標変換によって表される接線速度は式(60)となり、主軸回転速度ωは一次遅れ要素として扱い、これにエンドミル半径rを考慮して、
Next, the tangential speed of the XY table and the rotation speed of the spindle are coordinated in order to make the cutting speed that affects the cutting surface roughness of the product constant. The tangential velocity represented by the D-L coordinate transformation is expressed by the equation (60), and the spindle rotational speed ω is treated as a first-order lag element, taking into account the end mill radius r,
具体的には、加工製品の表面粗さを一定化するため、切削工具が取り付けられている主軸の回転速度と、ベクトル分解経路制御の進行方向成分の速度を協調させる。主軸の基礎式は、以下のように表すことができる。
式(60)と式(78)より、
となるため、出力方程式は、
Therefore, the output equation is
[制御系の構成]
以上の変換領域において、制御則を導出する。制御系はどのような制御系を用いてもよいが、この例においては、最適サーボ系を用いるために、拡大系(エラーシステム)を用いて最適レギュレータ問題を解いて制御入力を得る。経路誤差成分に関しては通常の制御系を用いればよく、ここでは、接線方向成分の制御系について述べる。
[Control system configuration]
A control law is derived in the above transformation region. Although any control system may be used as the control system, in this example, in order to use the optimal servo system, the control input is obtained by solving the optimal regulator problem using an expansion system (error system). A normal control system may be used for the path error component, and here, a control system for the tangential direction component will be described.
まず、(59)、(78)を離散化すると、
式(81)については速度をベースとした位置制御系を構成し、式(82)については速度制御系を構成し、両者を融合させた制御系において切削速度を一定にする。 A speed-based position control system is configured for expression (81), a speed control system is configured for expression (82), and the cutting speed is made constant in a control system in which both are combined.
式(83)において主軸の回転速度vθ(k)の速度目標値を
とし、速度誤差eθ(k)を
And the speed error e θ (k) is
同様に、X-Yテーブルの接線方向位置l(k)及び速度
の目標値を
とし、それぞれの誤差ep(k),ev(k)を
Target value of
And each error e p (k), e v (k)
式(84)、(85)、(86)をまとめると、
および
は以下のようになる。ただし、Tはサンプリング周期を表す。
and
Is as follows. However, T represents a sampling period.
式(87)で表されたシステムは、誤差信号と状態変数の一階差分値を新たな状態変数とし、入力変数とする拡大系(エラーシステム)である。
ここで、速度目標値
と外乱信号
がステップ信号あるいは一定値をとるとすると、それらの値の変化する時刻以外では
であるので、式(87)は、
Where speed target value
And disturbance signal
, Taking a step signal or a constant value, other than the time when those values change
Therefore, the equation (87) is
式(95)において、適当な制御入力を加えることにより閉ループ系を安定に制御できれば、k→∞でXD(k)→0、したがってep(k)→0、ev(k)→0とできる。すなわち定常誤差を零にできる。しかも、制御対象のパラメータ変動があっても、閉ループが保たれている範囲のパラメータ変動であるならば、定常誤差が零であることは補償される。 In Equation (95), if the closed loop system can be stably controlled by adding an appropriate control input, X D (k) → 0, and therefore e p (k) → 0, e v (k) → 0, if k → ∞. And can. That is, the steady error can be made zero. Moreover, even if there is a parameter variation of the control target, if the parameter variation is in a range where the closed loop is maintained, it is compensated that the steady-state error is zero.
[最適制御入力]
式(95)で表されるエラーシステムを安定に制御することにより、定常ロバスト性を保証する最適サーボ系が構築されるが、ここではこのような制御入力を求めるために、最適レギュレータ理論を用いて適切な極配置を行うことにする。
ここでは、式(87)のエラーシステムに対して、次のような評価関数を定義する。
An optimal servo system that guarantees steady robustness is constructed by stably controlling the error system represented by Equation (95). Here, an optimal regulator theory is used to obtain such control input. Appropriate pole placement.
Here, the following evaluation function is defined for the error system of Expression (87).
式(87)の評価関数に対して、たとえばQとHを、
ここでqcutは、
の重みで、これを他の重みに比べて一番大きくすることで、切削速度を一定にした制御系が構成できる。
Where q cut is
By making this the largest weight compared to other weights, a control system with a constant cutting speed can be configured.
以上の運動方程式を利用して制御対象の動力学的解析を行うためには、正確な物理学的パラメータを有する運動方程式が必要となる。そこで、この例においては、逐次同定法によりパラメータを求め、次のような実験を試みた。 In order to perform dynamic analysis of a controlled object using the above equation of motion, an equation of motion having an accurate physical parameter is required. Therefore, in this example, parameters were obtained by the sequential identification method, and the following experiment was attempted.
[実験概要]
目標経路は、図8に示されるように、長軸方向(X軸方向)半径0.01m、短軸方向(Y軸方向)半径0.007mの楕円経路である。[x,y]=[-0.01,0]から、半時計回りに周期4sで制御し、それぞれ切削なしおよび切削ありの場合の2パターンで実験を行う。切削深さは5mmし、被削材にはサイコウッドを使用する。仕様エンドミルはハイス鋼スクェア2枚刃、主軸の目標速度は最適な切削条件を求める表より選び0.486[m/s]とした。
[Experiment Overview]
As shown in FIG. 8, the target route is an elliptical route having a major axis direction (X-axis direction) radius of 0.01 m and a minor axis direction (Y-axis direction) radius of 0.007 m. From [x, y] = [-0.01,0], control is performed with a period of 4 s in a counterclockwise direction, and the experiment is performed in two patterns with and without cutting, respectively. The cutting depth is 5mm and psychowood is used as the work material. The specification end mill was a high-speed steel square two-flute, and the target speed of the spindle was selected from the table for obtaining the optimum cutting conditions and was 0.486 [m / s].
[実験結果]
汎用NCコントローラによる制御と本手法による制御との比較を行い、実用面からの比較を行った。
汎用NCコントローラの実験結果を図9、図11に示し、本手法による実験結果を図10、図12に示す。また、図13において、テーブルの接線速度と主軸の回転速度との協調を行わない従来のベクトル分解経路制御の実験結果を示す。
[Experimental result]
We compared the control by the general-purpose NC controller and the control by this method, and compared from the practical aspect.
The experimental results of the general-purpose NC controller are shown in FIGS. 9 and 11, and the experimental results of this method are shown in FIGS. FIG. 13 shows the experimental results of conventional vector decomposition path control in which the tangential speed of the table and the rotational speed of the spindle are not coordinated.
それぞれ(a)は、経路誤差、(b)は切削速度、(c)はX-Yテーブルの接線速度、(d)は主軸の回転速度を示す。また、図9及び図10は切削がない場合の実験結果を示し、図11、図12、及び図13は切削がある場合の実験結果を示す。 (A) shows the path error, (b) shows the cutting speed, (c) shows the tangential speed of the XY table, and (d) shows the rotational speed of the spindle. 9 and 10 show experimental results when there is no cutting, and FIGS. 11, 12, and 13 show experimental results when there is cutting.
汎用NCコントローラでの実験結果と、接線速度と切削速度を考慮したベクトル分解経路制御(以下、提案手法と呼ぶ)の実験結果を見比べると次のようなことがわかる。
[経路誤差の結果]
切削なしの条件の図9、図10を見比べると、両者ともに、テーブルの反転が生じる1、2、3秒の点で大きな経路誤差が生じていることがわかる。このテーブル反転時に、汎用NCコントローラの最大誤差が0.01[mm]を超えているのに対し、提案手法では最大0.006[mm]に抑えられていることがわかり、それ以外の点の定常的な経路誤差に関しても、提案手法が汎用NCコントローラに比べて誤差を抑えていることがわかる。
また、切削ありの条件の図11、図12を見比べると、両者ともに、切削なしの場合に比べて経路誤差が大きくなっていることがわかる。汎用NCコントローラの定常誤差が約0.01[mm]なのに対し、提案手法では0.004[mm]に抑えられていることがわかる。
Comparing the experimental results of the general-purpose NC controller with the experimental results of vector decomposition path control (hereinafter referred to as the proposed method) in consideration of the tangential speed and cutting speed, the following can be understood.
[Result of path error]
Comparing FIG. 9 and FIG. 10 under the condition without cutting, it can be seen that a large path error occurs at
11 and 12 under the condition with cutting, it can be seen that the path error is larger in both cases than in the case without cutting. It can be seen that the steady-state error of the general-purpose NC controller is about 0.01 [mm], whereas the proposed method suppresses it to 0.004 [mm].
[切削速度の結果]
切削なしの条件の図9と図10を見比べると、両者ともに切削の速度が一定になっていることがわかる。また、切削速度の成分であるテーブル接線速度と主軸回転速度に関して、図9、図10を比較すると、汎用NCコントローラの両成分はそれぞれ一定である。しかしながら、提案手法のテーブル接線速度は振動が認められ、これに協調するように主軸回転速度が振動していることがわかる。
切削ありの条件の場合でも、それぞれの速度の振動幅は大きくなるが、切削なしの条件とほぼ同程度の結果が確認できる。
[Results of cutting speed]
Comparing FIG. 9 and FIG. 10 under the condition without cutting, it can be seen that the cutting speed is constant in both cases. Further, when comparing FIG. 9 and FIG. 10 with respect to the table tangential speed and the spindle rotation speed, which are components of the cutting speed, both components of the general-purpose NC controller are constant. However, it can be seen that the table tangential speed of the proposed method is observed to vibrate, and the spindle rotational speed vibrates to cooperate with this.
Even in the condition with cutting, the vibration width of each speed becomes large, but the result is almost the same as the condition without cutting.
尚、テーブル接線速度と主軸の回転速度とを協調させない図13で示す従来のベクトル分解経路制御においては、経路誤差をNCコントローラによる制御よりも小さく抑えることができるものの、切削速度が大きく変動することが認められる。 In the conventional vector decomposition path control shown in FIG. 13 in which the table tangential speed and the spindle rotation speed are not coordinated, the path error can be suppressed smaller than the control by the NC controller, but the cutting speed varies greatly. Is recognized.
[モータトルク指令値の結果]
X-Yテーブルのモータへ与えられるトルク指令値を、両制御手法で比較する。切削なしの条件下でのNCコントローラが一定幅を保っているのに対して、提案手法では振動が認められる。しかしながら、切削時における両者のトルクを見ると、提案手法は振動しつつも、モータに与えられるトルクの絶対値が同程度になっていることがわかる。
[Result of motor torque command value]
The torque command value given to the motor of the XY table is compared by both control methods. While the NC controller maintains a certain width under the condition without cutting, vibration is recognized in the proposed method. However, looking at the torque of both during cutting, it can be seen that while the proposed method vibrates, the absolute value of the torque applied to the motor is comparable.
以上の実験結果から、つぎのことが考察できる。
[経路誤差の考察]
汎用NCコントローラではX軸、Y軸のそれぞれに、経路誤差成分と進行方向成分が混在しており、これらを逐次制御していると考えられる。これに対して、提案手法は回転座標変換を行ったことで、経路誤差成分をD軸の1軸のみで評価可能とした。また、その際にD軸上の目標値変動をなくすために伸縮座標変換を行い、1型のサーボでの対応も可能とし、これの位置制御を最適制御で行っている。これらの要因が提案手法の経路誤差抑制の原因だと考えられる。
The following can be considered from the above experimental results.
[Consideration of path error]
In the general-purpose NC controller, the path error component and the traveling direction component are mixed in each of the X axis and the Y axis, and it is considered that these are sequentially controlled. On the other hand, the proposed method performed the rotation coordinate conversion, so that the path error component can be evaluated with only one D-axis. At that time, expansion / contraction coordinate conversion is performed to eliminate the target value fluctuation on the D axis, and it is possible to cope with a
[切削速度の考察]
汎用NCコントローラでは、切削の速度の成分であるテーブル接線速度と主軸の回転速度をそれぞれ独立に一定目標値に追従するように制御していると考えられる。この場合、どちらか一方に外乱負荷変動が生じた際に、切削速度が変動することは明白である。これに対し、提案手法はテーブル接線速度と主軸の回転速度が相互に協調するように制御系を設計しており、どちらか一方の応答の乱れに対しても、残りの一方が協調応答することで、両者の相対速度である切削の速度が一定になっていると考えられる。
[Consideration of cutting speed]
In the general-purpose NC controller, it is considered that the table tangential speed, which is a component of the cutting speed, and the rotational speed of the spindle are controlled so as to independently follow a certain target value. In this case, it is clear that the cutting speed fluctuates when disturbance load fluctuation occurs in either one of them. In contrast, in the proposed method, the control system is designed so that the tangential speed of the table and the rotational speed of the spindle are coordinated with each other. Thus, it is considered that the cutting speed, which is the relative speed between the two, is constant.
[モータトルク指令値の考察]
提案手法は座標変換を用いることで、X-Y座標系で表されたシステムを経路誤差成分と進行方向成分に分解している。この際、より経路誤差を重視した制御系にするため、経路誤差成分にかかる重みを強くし、進行方向成分の重みの一部を弱めている。こうすることで、X軸、Y軸に与えられるトルク指令値を一定量に保ったまま、経路誤差と進行方向の成分のバランスを決めることができ、汎用NCコントローラと同程度のトルク指令値にもかかわらず、経路誤差の抑制が実現できていると考えられる。
[Consideration of motor torque command value]
The proposed method uses coordinate transformation to decompose a system represented by an XY coordinate system into a path error component and a traveling direction component. At this time, in order to make the control system with more importance on the path error, the weight applied to the path error component is increased and a part of the weight of the traveling direction component is decreased. In this way, the balance between the path error and the component in the traveling direction can be determined while keeping the torque command values given to the X-axis and Y-axis constant, and the torque command value is comparable to that of a general-purpose NC controller. Nevertheless, it is considered that the path error can be suppressed.
Claims (4)
静止座標系(X-Y軸座標系)で与えられたシステムを回転座標系(D-Q軸座標系)へ座標変換して経路誤差成分と進行方向成分とに分解し、
前記回転座標系(D-Q軸座標系)に対して伸縮座標変換を行うと共に、前記進行方向成分を近似的に接線方向成分に変換し、
前記伸縮座標変換された伸縮座標系上で前記加工経路の目標値を一定にすると共に、前記接線方向成分について構成された速度をベースにした位置制御系と前記主軸の回転速度について構成された速度制御系とを融合させた制御系において、前記テーブルの接線方向速度と前記主軸の回転速度の和で表される切削速度を一定にすることを特徴とするNCフライス盤の経路制御方法。 A cutting tool is mounted on a rotatable spindle, and the blade part of the cutting tool is brought into contact with a work material fixed on a table so as to move relative to the work material along a predetermined machining path. In the NC milling machine path control method,
The system given in the stationary coordinate system (XY axis coordinate system) is transformed into a rotating coordinate system (DQ axis coordinate system) and decomposed into a path error component and a traveling direction component,
Performing expansion / contraction coordinate conversion on the rotating coordinate system (DQ axis coordinate system), and approximately converting the traveling direction component into a tangential direction component,
A position control system based on the speed configured for the tangential direction component and a speed configured for the rotation speed of the main shaft while making the target value of the machining path constant on the expanded / contracted coordinate system converted to the expandable coordinate system A path control method for an NC milling machine, wherein a cutting speed expressed by a sum of a tangential speed of the table and a rotation speed of the spindle is made constant in a control system integrated with a control system.
3. The NC milling machine path control method according to claim 1, wherein the expansion and contraction coordinate conversion is to convert a target path into a straight line when the machining path is an open curve path.
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