JP2010188499A - 工作機械および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークに作用する外力に対してテーブルの回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止すること。
【解決手段】ワーク１０の慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン自動設定装置１６と、ワーク１０を支持するテーブル５の回転に関するセンサ値を計測するセンサ８と、テーブル５の角度が目標角度に一致するように、その速度フィードバックゲインに基づいてテーブル５を回転させるモータをセンサ値に基づいてフィードバック制御する制御装置１７とを備えている。ワーク１０を支持するテーブル５の慣性モーメントは、ワーク１０の慣性モーメントにより変化する。このような工作機械１は、ワーク１０の慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインに適正な値が代入され、ワーク１０に作用する外力に対してテーブル５の回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械および加工方法に関し、特に、ワークを回転させながら加工するときに利用される工作機械および加工方法に関する。

ワークを回転させながらそのワークを加工する工作機械が知られている。このような工作機械としては、５軸加工機、歯車加工機が例示される。このような工作機械は、そのワークを支持するテーブルを回転させるモータをフィードバック制御することで、そのテーブルの回転角度を目標値に追従させている。

図１は、公知の工作機械を示している。その工作機械１０１は、工作機械本体１０２と工作機械制御装置１０３とを備えている。工作機械本体１０２は、テーブル１０５とモータ１０７とウォームギア１０８とエンコーダ１０９とを備えている。

テーブル１０５は、鉛直方向に平行である回転軸を中心に回転可能に土台に支持されている。テーブル１０５は、その回転軸に垂直である支持面を有し、その支持面に接触するワーク１１０を支持する。モータ１０７は、回転可能に支持されるシャフトを備え、工作機械制御装置１０３から出力される操作量に基づいてそのシャフトを回転させる。ウォームギア１０８は、モータ１０７のシャフトの回転動力をテーブル１０５に伝達し、テーブル１０５を回転させる。エンコーダ１０９は、モータ１０７のシャフトの回転速度を計測し、その回転速度を工作機械制御装置１０３に出力する。

工作機械１０１は、さらに、図示されていない工具を備えている。その工具としては、エンドミル、ホブが例示される。その工具は、図示されていないＮＣ装置により制御されて、ワーク１１０を加工（たとえば、切削）し、所定の形状に形成する。

工作機械制御装置１０３は、目標値算出部１１４と積分器１１５と制御装置１１７とを備えている。目標値算出部１１４は、ワーク１１０を加工するためのＮＣデータとその工具の動作とを収集し、そのＮＣデータと動作とに基づいて目標角度を算出する。積分器１１５は、エンコーダ１０９により計測されるモータ１０７のシャフトの回転速度を積分することにより、テーブル１０５の角度を算出する。

制御装置１１７は、角度差分算出部１２１と角度フィードバックゲイン乗算部１２２と回転速度差分算出部１２３と速度フィードバックゲイン乗算部１２４と比例制御部１２５と積分制御部１２６と加算部１２７とを備えている。

角度差分算出部１２１は、目標値算出部１１４により算出された目標角度から積分器１１５により算出されたテーブル１０５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部１２２は、角度差分算出部１２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部１２３は、角度フィードバックゲイン乗算部１２２により算出された回転速度量からエンコーダ１０９により計測されるモータ１０７のシャフトの回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部１２４は、回転速度差分算出部１２３により算出された回転速度差分に定数である速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部１２５は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部１２６は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部１２７は、比例制御部１２５により算出された比例操作量に積分制御部１２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

作業者は、まず、ワーク１１０をテーブル１０５に設置し、図示されていないＮＣ装置にワーク１１０を加工するためのＮＣデータを入力する。そのＮＣ装置は、そのＮＣデータを工作機械制御装置１０３に出力し、そのＮＣデータに基づいてその工具を駆動する。工作機械制御装置１０３の目標値算出部１１４は、ＮＣデータに基づいて目標角度を算出する。工作機械制御装置１０３の積分器１１５は、エンコーダ１０９により計測されるモータ１０７のシャフトの回転速度に基づいてテーブル１０５の角度を算出する。

制御装置１１７の角度差分算出部１２１は、目標値算出部１１４により算出された目標角度から積分器１１５により算出されたテーブル１０５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部１２２は、角度差分算出部１２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部１２３は、角度フィードバックゲイン乗算部１２２により算出された回転速度量からエンコーダ１０９により計測されるモータ１０７のシャフトの回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部１２４は、回転速度差分算出部１２３により算出された回転速度差分に定数である速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部１２５は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部１２６は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部１２７は、比例制御部１２５により算出された比例操作量に積分制御部１２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

モータ１０７は、加算部１２７により算出された操作量に基づいてシャフトを回転させる。ウォームギア１０８は、モータ１０７のシャフトの回転動力をテーブル１０５に伝達し、テーブル１０５を回転させる。工作機械１０１は、このような動作により、そのＮＣデータに示されるようにその工具がワーク１１０を切削し、ワーク１１０を所定の形状に形成する。

図２は、公知の他の工作機械を示している。その工作機械１３１は、工作機械本体１３２と工作機械制御装置１３３とを備えている。工作機械本体１３２は、テーブル１３５とダイレクトドライブモータ（以下、「ＤＤモータ」と記載される。）１３７とロータリーエンコーダ１３８とを備えている。

テーブル１３５は、鉛直方向に平行である回転軸を中心に回転可能に土台に支持されている。テーブル１３５は、その回転軸に垂直である支持面を有し、その支持面に接触するワーク１３９を支持する。ワーク１３９は、概ね円盤状に形成されている。ＤＤモータ１３７は、ＤＤモータロータ１４１とＤＤモータステータ１４２とを備えている。ＤＤモータロータ１４１は、テーブル１３５に固定されている。ＤＤモータステータ１４２は、その土台に固定されている。ＤＤモータ１３７は、工作機械制御装置１３３から出力される操作量に基づいてテーブル１３５を回転させる。ロータリーエンコーダ１３８は、テーブル１３５の角度を計測し、その角度を工作機械制御装置１３３に出力する。

工作機械１３１は、さらに、図示されていない工具を備えている。その工具としては、エンドミル、ホブが例示される。その工具は、図示されていないＮＣ装置により制御されて、ワーク１１０を加工（たとえば、切削）し、所定の形状に形成する。

工作機械制御装置１３３は、目標値算出部１１４と微分器１４５と制御装置１１７とを備えている。目標値算出部１１４は、ワーク１３９を加工するためのＮＣデータとその工具の動作とを収集し、そのＮＣデータと動作とに基づいて目標角度を算出する。微分器１４５は、ロータリーエンコーダ１３８により計測されるテーブル１３５の角度を微分することにより、テーブル１３５の回転速度を算出する。

制御装置１１７は、角度差分算出部１２１と角度フィードバックゲイン乗算部１２２と回転速度差分算出部１２３と速度フィードバックゲイン乗算部１２４と比例制御部１２５と積分制御部１２６と加算部１２７とを備えている。

角度差分算出部１２１は、目標値算出部１１４により算出された目標角度からロータリーエンコーダ１３８により計測されるテーブル１３５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部１２２は、角度差分算出部１２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部１２３は、角度フィードバックゲイン乗算部１２２により算出された回転速度量から微分器１４５により算出されたテーブル１３５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部１２４は、回転速度差分算出部１２３により算出された回転速度差分に定数である速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部１２５は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部１２６は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部１２７は、比例制御部１２５により算出された比例操作量に積分制御部１２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

本発明による加工方法の実施の形態は、工作機械１３１を用いて実行される。作業者は、まず、ワーク１３９をテーブル１３５に設置し、図示されていないＮＣ装置にワーク１３９を加工するためのＮＣデータを入力する。そのＮＣ装置は、そのＮＣデータを工作機械制御装置１３３に出力し、そのＮＣデータに基づいてその工具を回転させる。工作機械制御装置１３３の目標値算出部１１４は、ＮＣデータに基づいて目標角度を算出する。工作機械制御装置１３３の微分器１４５は、ロータリーエンコーダ１３８により計測されたテーブル１３５の回転角度に基づいてテーブル１３５の回転速度を算出する。

制御装置１１７の角度差分算出部１２１は、目標値算出部１１４により算出された目標角度から微分器１４５により算出されたテーブル１３５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部１２２は、角度差分算出部１２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部１２３は、角度フィードバックゲイン乗算部１２２により算出された回転速度量から微分器１４５により算出されるテーブル１３５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部１２４は、回転速度差分算出部１２３により算出された回転速度差分に定数である速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部１２５は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部１２６は、速度フィードバックゲイン乗算部１２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部１２７は、比例制御部１２５により算出された比例操作量に積分制御部１２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

ＤＤモータ１３７は、加算部１２７により算出された操作量に基づいてテーブル１３５を回転させる。工作機械１３１は、このような動作により、そのＮＣデータに示されるようにその工具がワーク１３９の縁を切削し、ワーク１３９を所定の形状に形成する。

これらのような工作機械は、フィードバック制御系の定数を調整することにより、たとえば、速度フィードバックのゲインを高くすることにより、テーブル回転方向の動剛性を確保することができる。しかし、ゲインを高く設定すると、制御系を起因とする振動現象が発生する。このため、これらのような工作機械は、対象とする全てのワークを加工する際に制御系を起因とする振動現象が発生しないように定数をセットし、全ての制御定数は出荷時に固定されている。工作機械は、テーブルの回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止することが望まれている。

特開２００６−１６６５９１号公報には、重力外乱などの一定外乱がモータにかかる場合においても、急激なトルクの変化を抑えることにより、イナーシャ比のオーバーシュートを抑制し、サーボ制御系の発振を抑制することができ、かつ、同定の収束速度を上げることができ、イナーシャ同定に利用するサンプリング時間を速度制御のサンプリング時間と同値にできない場合でも、同定結果を劣化させることがないモータ制御装置が開示されている。そのモータ制御装置は、速度指令Ｖｒｅｆを発生する指令発生部と、前記速度指令Ｖｒｅｆと実際のモータ速度Ｖｆｂによりトルク指令Ｔｒｅｆを決定し、モータ速度を制御する速度制御部と、モデルにより前記速度制御部をシミュレートして推定トルク指令Ｔｒｅｆ’を出力する推定部とを備え、前記トルク指令の時間積分値と前記推定トルク指令の時間積分値との比から総合イナーシャ値を同定し、前記速度制御部は、比例積分制御からなり、前記速度比例ゲインは前記総合イナーシャ値を使って調整するモータ制御装置において、１ステップ過去の前記総合イナーシャ値を現在の前記総合イナーシャ値で除算する手段と、前記除算の結果と前記比例積分制御の１ステップ過去の積分器出力値を乗算する手段と、前記乗算結果と、前記速度指令から前記モータ速度を減算した速度偏差をサンプリング時間で乗算し前記比例積分制御の積分時間で除算した結果とを加算する手段とを備えたことを特徴としている。

特開２００６−１６６５９１号公報

本発明の課題は、ワークに作用する外力に対してテーブルの回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止する工作機械および加工方法を提供することにある。

以下に、発明を実施するための形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による工作機械（１）（５１）は、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン自動設定装置（１６）（６６）と、ワーク（１０）（６０）を支持するテーブル（５）（５５）の回転に関するセンサ値を計測するセンサ（８）（５８）と、テーブル（５）（５５）の角度が目標角度に一致するように、その速度フィードバックゲインに基づいて、テーブル（５）（５５）を回転させるモータをセンサ値に基づいてフィードバック制御する制御装置（１７）とを備えている。ワーク（１０）（６０）を支持するテーブル（５）（５５）の慣性モーメントは、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントにより変化する。このような工作機械（１）（５１）は、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインに適正な値が代入され、ワーク（１０）（６０）に作用する外力に対してテーブル（５）（５５）の回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止することができる。

本発明による工作機械（１）（５１）は、ワーク（１０）（６０）からテーブル（５）（５５）に印加される荷重を測定する荷重センサ（６）（５６−１〜５６−５）をさらに備えている。速度フィードバックゲイン自動設定装置（１６）（６６）は、その荷重に基づいてその慣性モーメントを換算するワーク慣性モーメント換算部（２８）（６７）と、その慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン算出部（２９）とを備えている。このような荷重センサ（６）（５６−１〜５６−５）によれば、その速度フィードバックゲインを自動的に算出することができ、好ましい。

その荷重センサ（６）（５６−１〜５６−５）は、テーブル（５）（５５）のうちのワーク（１０）（６０）を支持する支持面の互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数のセンサ（６）（５６−１〜５６−５）から形成される。このような複数のセンサ（６）（５６−１〜５６−５）によれば、複数のセンサ（６）（５６−１〜５６−５）によりそれぞれ測定される複数の荷重に基づいてテーブル（５）（５５）の支持面のうちのワーク（１０）（６０）に接触している領域が算出可能であり、ワーク（１０）（６０）の形状を推測することができる。

その支持面は、テーブル（５５）の回転軸を中心とする複数の同心円により分割された複数の領域から形成されている。複数のセンサ（５６−１〜５６−５）は、それぞれ、その複数の領域に印加される複数の荷重を測定することが好ましい。

ワーク慣性モーメント換算部（２８）（６７）は、複数のセンサ（６）（５６−１〜５６−５）によりそれぞれ測定される複数の荷重に基づいて算出されるワーク（１０）（６０）の形状とワーク（１０）（６０）の質量とに基づいてその慣性モーメントを換算する。

速度フィードバックゲイン自動設定装置（１６）（６６）は、テーブル（５）（５５）が回転している最中にその慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを自動的に更新する。

その速度フィードバックゲインは、その慣性モーメントに関して単純に増加することが好ましい。

速度フィードバックゲイン自動設定装置は、ワークの形状とワークの密度とに基づいてその慣性モーメントを算出するワーク慣性モーメント換算部と、その慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン算出部とを備えている。

ワーク慣性モーメント換算部は、ワークを加工するためのデータからその形状とその密度とを抽出する。

本発明による加工方法は、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出するステップと、ワーク（１０）（６０）を支持するテーブル（５）（５５）の回転に関するセンサ値を計測するステップと、テーブル（５）（５５）の角度が目標角度に一致するように、その速度フィードバックゲインに基づいて、テーブル（５）（５５）を回転させるモータをセンサ値に基づいてフィードバック制御するステップとを備えている。ワーク（１０）（６０）を支持するテーブル（５）（５５）の慣性モーメントは、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントにより変化する。このような加工方法によれば、ワーク（１０）（６０）の慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインに適正な値が代入され、ワーク（１０）（６０）に作用する外力に対してテーブル（５）（５５）の回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止することができる。

本発明による加工方法は、ワーク（１０）（６０）からテーブル（５）（５５）に印加される荷重を測定するステップと、その荷重に基づいてその慣性モーメントを換算するステップとをさらに備えている。

本発明による加工方法は、テーブル（５）（５５）のうちのワーク（１０）（６０）を支持する支持面の互いに異なる複数の位置にそれぞれ印加される複数の荷重を測定するステップと、その複数の荷重に基づいてワーク（１０）（６０）の形状とワーク（１０）（６０）の質量とを算出するステップと、その形状とその質量とに基づいてその慣性モーメントを換算するステップとをさらに備えている。

その速度フィードバックゲインは、テーブル（５）（５５）加工開始前、加工中に慣性モーメントの変化量が閾値を越えた際に更新される。

その速度フィードバックゲインは、その慣性モーメントに関して単純に増加する。

本発明による加工方法は、ワークの形状とワークの密度とに基づいてその慣性モーメントを算出するステップと、その慣性モーメントに基づいてその速度フィードバックゲインを算出するステップとをさらに備えている。

本発明による加工方法は、ワークを加工するためのデータからその形状とその密度とを抽出するステップをさらに備えている。

本発明による工作機械および加工方法は、ワークの慣性モーメントに関して適切である速度フィードバックゲインを設定することができ、この結果、そのワークに作用する外力に対してテーブルの回転方向の動剛性を確保し、かつ、発振現象を防止することができる。

図１は、公知の工作機械を示すブロック図である。 図２は、公知の他の工作機械を示すブロック図である。 図３は、本発明による工作機械の実施の形態を示すブロック図である。 図４は、複数のロードセルを示す平面図である。 図５は、データテーブルを示す図である。 図６は、様々な速度フィードバックゲインを用いてモータをフィードバック制御するときにテーブルが回転するときの動剛性（コンプライアンス）の変化を示すグラフである。 図７は、本発明による工作機械の実施の他の形態を示すブロック図である。 図８は、他の複数のロードセルを示す平面図である。

図面を参照して、本発明による工作機械の実施の形態を記載する。その工作機械１は、図３に示されているように、工作機械本体２と工作機械制御装置３とを備えている。工作機械本体２は、テーブル５と複数のロードセル６とＤＤモータ７とロータリーエンコーダ８とを備えている。

テーブル５は、鉛直方向に平行である回転軸を中心に回転可能に土台に支持されている。テーブル５は、その回転軸に垂直である支持面を有し、その支持面に接触するワーク１０を支持する。複数のロードセル６は、それぞれ、その支持面のうちの互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置され、テーブル５に固定されている。すなわち、テーブル５は、複数のロードセル６を介して、ワーク１０を支持している。複数のロードセル６は、それぞれ、ワーク１０からその支持面に印加される荷重を測定し、その荷重を工作機械制御装置３に出力する。

ＤＤモータ７は、ＤＤモータロータ１１とＤＤモータステータ１２とを備えている。ＤＤモータロータ１１は、テーブル５に固定されている。ＤＤモータステータ１２は、その土台に固定されている。ＤＤモータ７は、工作機械制御装置３から出力される操作量に基づいてテーブル５を回転させる。ロータリーエンコーダ８は、テーブル５の角度を計測し、その角度を工作機械制御装置３に出力する。

工作機械１は、図示されていない工具をさらに備えている。その工具としては、エンドミル、ホブが例示される。その工具は、図示されていないＮＣ装置により駆動されることによりワーク１０を加工（切削）し、ワーク１０を所定の形状に形成する。

工作機械制御装置３は、目標値算出部１４と微分器１５と速度フィードバックゲイン自動設定装置１６と制御装置１７とを備えている。目標値算出部１４は、ワーク１０を加工するためのＮＣデータに基づいて目標角度を算出する。微分器１５は、ロータリーエンコーダ８により計測されるテーブル５の角度を微分することにより、テーブル５の回転速度を算出する。

速度フィードバックゲイン自動設定装置１６は、複数のロードセル６によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいて速度フィードバックゲインを更新する。すなわち、速度フィードバックゲイン自動設定装置１６は、ワーク慣性モーメント換算部２８と速度フィードバックゲイン算出部２９とを備えている。ワーク慣性モーメント換算部２８は、複数のロードセル６によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいて、ワーク１０の慣性モーメントを算出する。速度フィードバックゲイン算出部２９は、慣性モーメントを速度フィードバックゲインに対応付けるデータテーブルを記録する記憶装置を備えている。速度フィードバックゲイン算出部２９は、そのデータテーブルを参照して、ワーク慣性モーメント換算部２８により算出される慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出する。

制御装置１７は、目標値算出部１４により算出された目標角度と微分器１５により算出されたテーブル５の回転速度とロータリーエンコーダ８により計測されたテーブル５の角度と速度フィードバックゲイン自動設定装置１６により設定された速度フィードバックゲインとに基づいて、テーブル５の角度が目標値算出部１４により算出された目標角度に一致するように、ＤＤモータ７をフィードバック制御する。すなわち、制御装置１７は、角度差分算出部２１と角度フィードバックゲイン乗算部２２と回転速度差分算出部２３と速度フィードバックゲイン乗算部２４と比例制御部２５と積分制御部２６と加算部２７とを備えている。

角度差分算出部２１は、目標値算出部１４により算出された目標角度からロータリーエンコーダ８により計測されるテーブル５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部２２は、角度差分算出部２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部２３は、角度フィードバックゲイン乗算部２２により算出された回転速度量から微分器１５により算出されたテーブル５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部２４は、回転速度差分算出部２３により算出された回転速度差分に速度フィードバックゲイン算出部２９により算出される速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部２５は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部２６は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部２７は、比例制御部２５により算出された比例操作量に積分制御部２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

図４は、複数のロードセル６を示している。複数のロードセル６は、それぞれ、テーブル５の支持面に複数行複数列の格子状に配置され、テーブル５に固定されている。その複数列は、第１列〜第７列から形成されている。その複数行は、第１行〜第７行から形成されている。複数のロードセル６の各々は、その複数列のうちの１つの列に属し、かつ、その複数行のうちの１つの行に属している。その複数列のうちの１つの列に属し、かつ、その複数行のうちの１つの行に属しているロードセルは、複数のロードセル６に２個以上含まれていない。

このとき、ワーク慣性モーメント換算部２８は、複数のロードセル６によりそれぞれ計測される複数の荷重の総和を算出することによりワーク１０の質量Ｍを算出する。ワーク慣性モーメント換算部２８は、閾値を記憶装置に記録し、複数のロードセル６のうちのその閾値より大きい荷重を計測したロードセルの位置に基づいて、ワーク１０がテーブル５の支持面に接触している領域の形状を推測する。ワーク慣性モーメント換算部２８は、その形状として長方形が推測されたときに、ワーク１０の慣性モーメントＩを次式：
Ｉ＝Ｍ×（ａ^２／１２＋ｂ^２／１２）
により算出する。ここで、ａは、その長方形の横の長さを示している。ｂは、その長方形の縦の長さを示している。

図５は、速度フィードバックゲイン算出部２９により記録されるデータテーブルを示している。そのデータテーブル３１は、ワーク慣性モーメント集合３２を速度フィードバック集合３３に対応付けている。すなわち、ワーク慣性モーメント集合３２の任意の要素は、速度フィードバック集合３３の１つの要素に対応している。ワーク慣性モーメント集合３２の要素は、それぞれ、ワーク慣性モーメント換算部２８により算出され得る慣性モーメントを示している。速度フィードバック集合３３の要素は、それぞれ、制御装置１７で用いられ得る速度フィードバックゲインの値を示している。データテーブル３１は、ある慣性モーメントを有するワーク１０をテーブル５が支持するときに最適である速度フィードバックゲインの値がその慣性モーメンに対応するように、かつ、慣性モーメントに関して速度フィードバックゲインが単純に増加するように、形成されている。

このとき、速度フィードバックゲイン算出部２９は、データテーブル３１を参照して、速度フィードバックゲイン集合のうちからワーク慣性モーメント換算部２８により算出された慣性モーメントに対応する速度フィードバックゲインを算出する。

本発明による加工方法の実施の形態は、工作機械１を用いて実行される。作業者は、まず、ワーク１０をテーブル５に設置し、図示されていないＮＣ装置にワーク１０を加工するためのＮＣデータを入力する。そのＮＣ装置は、そのＮＣデータを工作機械制御装置３に出力し、そのＮＣデータに基づいてその工具を駆動する。工作機械制御装置３の目標値算出部１４は、そのＮＣデータとその工具の動作とを収集し、そのＮＣデータと動作とに基づいて目標角度を算出する。工作機械制御装置３の微分器１５は、ロータリーエンコーダ８により計測されたテーブル５の回転角度に基づいてテーブル５の回転速度を算出する。

速度フィードバックゲイン自動設定装置１６のワーク慣性モーメント換算部２８は、複数のロードセル６によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいてワーク１０の慣性モーメントを算出する。速度フィードバックゲイン算出部２９は、データテーブル３１を参照して、速度フィードバックゲイン集合のうちからワーク慣性モーメント換算部２８により算出された慣性モーメントに対応する速度フィードバックゲインを算出する。このような速度フィードバックゲインの算出は、周期的に間欠的に実行される。

制御装置１７の角度差分算出部２１は、目標値算出部１４により算出された目標角度から微分器１５により算出されたテーブル５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部２２は、角度差分算出部２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部２３は、角度フィードバックゲイン乗算部２２により算出された回転速度量から微分器１５により算出されるテーブル５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部２４は、回転速度差分算出部２３により算出された回転速度差分に速度フィードバックゲイン自動設定装置１６により設定される速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部２５は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部２６は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部２７は、比例制御部２５により算出された比例操作量に積分制御部２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

ＤＤモータ７は、加算部２７により算出された操作量に基づいてテーブル５を回転させる。工作機械１は、このような動作により、そのＮＣデータに示されるようにその工具がワーク１０の縁を切削し、ワーク１０の縁に歯を形成することによりワーク１０を形成する。

図６は、複数の速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときにテーブル５が回転するときの動剛性（コンプライアンス）の変化を示している。その変化４１は、ある値を示す速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときのテーブル５の回転に関する動剛性を示している。その変化４２は、変化４１の動剛性を示すときの速度フィードバックゲインより大きい速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときのテーブル５の回転に関する動剛性を示している。その変化４３は、変化４２の動剛性を示すときの速度フィードバックゲインより大きい速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときのテーブル５の回転に関する動剛性を示している。その変化４４は、変化４３の動剛性を示すときの速度フィードバックゲインより大きい速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときのテーブル５の回転に関する動剛性を示している。その変化４５は、変化４４の動剛性を示すときの速度フィードバックゲインより大きい速度フィードバックゲインを用いてＤＤモータ７をフィードバック制御するときのテーブル５の回転に関する動剛性を示している。

変化４１〜変化４５は、フィードバック制御に用いられる速度フィードバックゲインがある値であるときに、外乱の周波数に対して変化することを示している。変化４１〜変化４５は、さらに、速度フィードバックゲインを大きくしたときにテーブル５が回転するときの動剛性が大きくなることを示し、テーブル５の回転が外乱に対して影響されにくくなることを示している。

ワーク１０の質量は、加工により減少し、ワーク１０の慣性モーメントは、その質量の減少により、変化する。工作機械１は、ワーク１０の加工中にワーク１０の慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを更新することにより、加工中にワーク１０の慣性モーメントが変化することにより発生する不具合を低減することができる。その不具合としては、ワーク１０の慣性モーメントに対して速度フィードバックゲインが高く設定されたために発生する、制御系を起因とする振動現象が例示される。このため、工作機械１は、ワーク１０に作用する外力に対するテーブル５の回転方向の動剛性を確保することができ、かつ、制御系を起因とする発振現象を防止することができる。

図７は、本発明による工作機械の実施の他の形態を示している。その工作機械５１は、工作機械本体５２と工作機械制御装置５３とを備えている。工作機械本体５２は、テーブル５５とＤＤモータ５７とロータリーエンコーダ５８とを備えている。

テーブル５５は、鉛直方向に平行である回転軸を中心に回転可能に土台に支持されている。テーブル５５は、その回転軸に垂直である支持面を有し、その支持面に接触するワーク６０を支持する。ワーク６０は、概ね回転対称である立体に形成されている。その立体の軸とテーブル５５の回転軸とが一致するように、テーブル５５に配置される。複数のロードセル５６−１〜５６−５は、それぞれ、その支持面のうちの互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置され、テーブル５５に固定されている。すなわち、テーブル５５は、複数のロードセル５６−１〜５６−５を介して、ワーク６０を支持している。複数のロードセル５６−１〜５６−５は、それぞれ、ワーク６０からその支持面に印加される荷重を測定し、その荷重を工作機械制御装置５３に出力する。

ＤＤモータ５７は、ＤＤモータロータ６１とＤＤモータステータ６２とを備えている。ＤＤモータロータ６１は、テーブル５５に固定されている。ＤＤモータステータ６２は、その土台に固定されている。ＤＤモータ５７は、工作機械制御装置５３から出力される操作量に基づいてテーブル５５を回転させる。ロータリーエンコーダ５８は、テーブル５５の角度を計測し、その角度を工作機械制御装置５３に出力する。

工作機械５１は、図示されていない工具をさらに備えている。その工具としては、エンドミル、ホブが例示される。その工具は、図示されていないＮＣ装置により駆動されることによりワーク６０を加工（切削）し、ワーク６０を所定の形状に形成する。

工作機械制御装置５３は、目標値算出部１４と微分器６５と速度フィードバックゲイン自動設定装置６６と制御装置１７とを備えている。目標値算出部１４は、ワーク６０を加工するためのＮＣデータに基づいて目標角度を算出する。微分器６５は、ロータリーエンコーダ５８により計測されるテーブル５５の角度を微分することにより、テーブル５５の回転速度を算出する。

速度フィードバックゲイン自動設定装置６６は、複数のロードセル５６−１〜５６−５によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいて速度フィードバックゲインを更新する。すなわち、速度フィードバックゲイン自動設定装置６６は、ワーク慣性モーメント換算部６７と速度フィードバックゲイン算出部２９とを備えている。ワーク慣性モーメント換算部６７は、複数のロードセル５６−１〜５６−５によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいて、ワーク６０の慣性モーメントを算出する。速度フィードバックゲイン算出部２９は、既述の実施の形態におけるデータテーブル３１を記憶装置に記録し、データテーブル３１を参照して、ワーク慣性モーメント換算部６７により算出される慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出する。

制御装置１７は、目標値算出部１４により算出された目標角度と微分器６５により算出されたテーブル５５の回転速度とロータリーエンコーダ５８により計測されたテーブル５５の角度と速度フィードバックゲイン自動設定装置６６により設定された速度フィードバックゲインとに基づいて、テーブル５５の角度が目標値算出部１４により算出された目標角度に一致するように、モータ５７をフィードバック制御する。すなわち、制御装置１７は、角度差分算出部２１と角度フィードバックゲイン乗算部２２と回転速度差分算出部２３と速度フィードバックゲイン乗算部２４と比例制御部２５と積分制御部２６と加算部２７とを備えている。

角度差分算出部２１は、目標値算出部１４により算出された目標角度からロータリーエンコーダ５８により計測されるテーブル５５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部２２は、角度差分算出部２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部２３は、角度フィードバックゲイン乗算部２２により算出された回転速度量から微分器６５により算出されたテーブル５５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部２４は、回転速度差分算出部２３により算出された回転速度差分に速度フィードバックゲイン算出部２９により算出される速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部２５は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部２６は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部２７は、比例制御部２５により算出された比例操作量に積分制御部２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

図８は、複数のロードセル５６−１〜５６−５を示している。複数のロードセル５６−１〜５６−５は、それぞれ、リング状に形成されている。テーブル５５の支持面は、テーブル５５の回転軸を中心とする複数の同心円により複数の領域に分割されている。複数のロードセル５６−１〜５６−５は、それぞれ、その複数の領域にそれぞれ印加される複数の荷重を測定するように配置されている。すなわち、ロードセル５６−１は、テーブル５５の回転軸を囲むように、テーブル５５の支持面上に配置されている。ロードセル５６−２は、ロードセル５６−１を囲むように、テーブル５５の支持面上に配置されている。ロードセル５６−３は、ロードセル５６−２を囲むように、テーブル５５の支持面上に配置されている。ロードセル５６−４は、ロードセル５６−３を囲むように、テーブル５５の支持面上に配置されている。ロードセル５６−５は、ロードセル５６−４を囲むように、テーブル５５の支持面上に配置されている。

このとき、ワーク慣性モーメント換算部６７は、複数のロードセル５６−１〜５６−５によりそれぞれ計測される複数の荷重の総和を算出することによりワーク６０の質量Ｍを算出する。ワーク慣性モーメント換算部６７は、さらに、閾値を記憶装置に記録し、複数のロードセル５６−１〜５６−５のうちのその閾値より大きい荷重を計測したロードセルのリングの径に基づいて、ワーク６０の半径ｒを推測する。ワーク慣性モーメント換算部６７は、さらに、ワーク６０の慣性モーメントＩを次式：
Ｉ＝Ｍ×ｒ^２
により算出する。

本発明による加工方法の実施の形態は、工作機械５１を用いて実行される。作業者は、まず、ワーク６０をテーブル５５に設置し、図示されていないＮＣ装置にワーク６０を加工するためのＮＣデータを入力する。そのＮＣ装置は、そのＮＣデータを工作機械制御装置５３に出力し、そのＮＣデータに基づいてその工具を駆動する。工作機械制御装置５３の目標値算出部１４は、そのＮＣデータに基づいて目標角度を算出する。工作機械制御装置５３の微分器６５は、ロータリーエンコーダ５８により計測されたテーブル５５の回転角度に基づいてテーブル５５の回転速度を算出する。

速度フィードバックゲイン自動設定装置６６のワーク慣性モーメント換算部６７は、複数のロードセル５６−１〜５６−５によりそれぞれ計測される複数の荷重に基づいてワーク６０の慣性モーメントを算出する。速度フィードバックゲイン算出部２９は、データテーブル３１を参照して、速度フィードバックゲイン集合のうちからワーク慣性モーメント換算部６７により算出された慣性モーメントに対応する速度フィードバックゲインを算出する。このような速度フィードバックゲインの算出は、周期的に間欠的に実行される。

制御装置１７の角度差分算出部２１は、目標値算出部１４により算出された目標角度から微分器６５により算出されたテーブル５５の角度を減算することにより角度差分を算出する。角度フィードバックゲイン乗算部２２は、角度差分算出部２１により算出された角度差分に定数である角度フィードバックゲインを乗算して回転速度量を算出する。回転速度差分算出部２３は、角度フィードバックゲイン乗算部２２により算出された回転速度量から微分器６５により算出されるテーブル５５の回転速度を減算することにより回転速度差分を算出する。速度フィードバックゲイン乗算部２４は、回転速度差分算出部２３により算出された回転速度差分に速度フィードバックゲイン自動設定装置６６により設定される速度フィードバックゲインを乗算することにより速度操作量を算出する。比例制御部２５は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量に定数である比例フィードバックゲインを乗算して比例操作量を算出する。積分制御部２６は、速度フィードバックゲイン乗算部２４により算出された速度操作量を積分することにより積分制御量を算出し、その積分制御量に定数である積分フィードバックゲインを乗算することにより積分操作量を算出する。加算部２７は、比例制御部２５により算出された比例操作量に積分制御部２６により算出された積分操作量を乗算することにより操作量を算出する。

ＤＤモータ５７は、加算部２７により算出された操作量に基づいてテーブル５５を回転させる。工作機械５１は、このような動作により、そのＮＣデータに示されるようにその工具がワーク６０の縁を切削し、ワーク６０の縁に歯を形成することによりワーク６０を形成する。

工作機械５１は、既述の実施の形態における工作機械１と同様にして、加工中にワーク６０の慣性モーメントが変化することにより発生する不具合を低減することができ、この結果、ワーク６０に作用する外力に対するテーブル５５の回転方向の動剛性を確保することができ、かつ、制御系を起因とする発振現象を防止することができる。工作機械５１は、さらに、工作機械１に比較して、テーブル５５の回転軸に関して回転対称でない形状のワークに対して加工精度が低下するが、ロードセルの個数が少なく、より安価に作製されることができる。すなわち、工作機械５１は、回転対称であるワークを加工することに好適である。

なお、ワーク慣性モーメント換算部２８は、ロードセル６により計測される荷重と異なる情報に基づいてワーク１０の慣性モーメントを算出する他のワーク慣性モーメント換算部に置換されることもできる。たとえば、そのワーク慣性モーメント換算部は、速度フィードバックゲイン自動設定装置が備える入力装置を介して入力されるワークの形状と密度とをその入力装置から収集するそのワーク慣性モーメント換算部は、その収集されたワークの形状と密度とに基づいてワークの慣性モーメントを算出する。

このようなワーク慣性モーメント換算部を備えている工作機械は、ワークの慣性モーメントに対して適切である速度フィードバックゲインが採用されることにより、ワークに作用する外力に対するテーブル５の回転方向の動剛性を確保することができ、かつ、制御系を起因とする発振現象を防止することができる。このような工作機械は、さらに、ロードセルを備える必要がなく、より安価に作製されることができる。

さらに、ワーク慣性モーメント換算部２８は、ワークを設計するときに作成されたＣＡＤデータを収集して、そのＣＡＤデータを解析することによりワークの慣性モーメントを算出するさらに他のワーク慣性モーメント換算部に置換されることもできる。このようなワーク慣性モーメント換算部によれば、ユーザは、入力する手間が低減され、速度フィードバックゲインをより容易に更新することができる。

なお、既述の実施の形態における工作機械に適用されるＤＤモータは、ギアを介してテーブルを回転させる他のモータに置換されることもできる。このような工作機械も、既述の実施の形態と同様にして、加工中にワークの慣性モーメントが変化することにより発生する不具合を低減することができ、ワークに作用する外力に対するテーブルの回転方向の動剛性を確保することができ、かつ、制御系を起因とする発振現象を防止することができる。

１ ：工作機械
２ ：工作機械本体
３ ：工作機械制御装置
５ ：テーブル
６ ：ロードセル
７ ：ＤＤモータ
８ ：ロータリーエンコーダ
１０：ワーク
１１：ＤＤモータロータ
１２：ＤＤモータステータ
１４：目標値算出部
１５：微分器
１６：速度フィードバックゲイン自動設定装置
１７：制御装置
２１：角度差分算出部
２２：角度フィードバックゲイン乗算部
２３：回転速度差分算出部
２４：速度フィードバックゲイン乗算部
２５：比例制御部
２６：積分制御部
２７：加算部
２８：ワーク慣性モーメント換算部
２９：速度フィードバックゲイン算出部
３１：データテーブル
３２：ワーク慣性モーメント集合
３３：速度フィードバック集合
４１：変化
４２：変化
４３：変化
４４：変化
４５：変化
５１：工作機械
５２：工作機械本体
５３：工作機械制御装置
５５：テーブル
５６−１〜５６−５：複数のロードセル
５７：モータ
５８：ロータリーエンコーダ
６０：ワーク
６１：ＤＤモータロータ
６２：ＤＤモータステータ
６５：微分器
６６：速度フィードバックゲイン自動設定装置
６７：ワーク慣性モーメント換算部

Claims (16)

1. ワークの慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン自動設定装置と、
   前記ワークを支持するテーブルの回転に関するセンサ値を計測するセンサと、
   前記テーブルの角度が目標角度に一致するように、前記速度フィードバックゲインに基づいて、前記テーブルを回転させるモータを前記センサ値に基づいてフィードバック制御する制御装置
   とを具備する工作機械。
2. 請求項１において、
   前記ワークから前記テーブルに印加される荷重を測定する荷重センサをさらに具備し、
   前記速度フィードバックゲイン自動設定装置は、
   前記荷重に基づいて前記慣性モーメントを換算するワーク慣性モーメント換算部と、
   前記慣性モーメントに基づいて前記速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン算出部とを備える
   工作機械。
3. 請求項２において、
   前記荷重センサは、前記テーブルのうちの前記ワークを支持する支持面の互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数のセンサから形成される
   工作機械。
4. 請求項３において、
   前記支持面は、前記テーブルの回転軸を中心とする複数の同心円により分割された複数の領域から形成され、
   前記複数のセンサは、それぞれ、前記複数の領域にそれぞれ印加される複数の荷重を測定する
   工作機械。
5. 請求項３または請求項４のいずれかにおいて、
   前記ワーク慣性モーメント換算部は、前記複数のセンサによりそれぞれ測定される複数の荷重に基づいて算出される前記ワークの形状と前記ワークの質量とに基づいて前記慣性モーメントを換算する
   工作機械。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
   前記速度フィードバックゲイン自動設定装置は、前記テーブルが回転している最中に前記慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを自動的に更新する
   工作機械。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、
   前記速度フィードバックゲインは、前記慣性モーメントに関して単純に増加する
   工作機械。
8. 請求項１において、
   前記速度フィードバックゲイン自動設定装置は、
   前記ワークの形状と前記ワークの密度とに基づいて前記慣性モーメントを算出するワーク慣性モーメント換算部と、
   前記慣性モーメントに基づいて前記速度フィードバックゲインを算出する速度フィードバックゲイン算出部とを備える
   工作機械。
9. 請求項８において、
   前記ワーク慣性モーメント換算部は、前記ワークを加工するためのデータから前記形状と前記密度とを抽出する
   工作機械。
10. ワークの慣性モーメントに基づいて速度フィードバックゲインを算出するステップと、
    前記ワークを支持するテーブルの回転に関するセンサ値を計測するステップと、
    前記テーブルの角度が目標角度に一致するように、前記速度フィードバックゲインに基づいて、前記テーブルを回転させるモータを前記センサ値に基づいてフィードバック制御するステップ
    とを具備する加工方法。
11. 請求項１０において、
    前記ワークから前記テーブルに印加される荷重を測定するステップと、
    前記荷重に基づいて前記慣性モーメントを換算するステップ
    とをさらに具備する加工方法。
12. 請求項１１において、
    前記テーブルのうちの前記ワークを支持する支持面の互いに異なる複数の位置にそれぞれ印加される複数の荷重を測定するステップと、
    前記複数の荷重に基づいて前記ワークの形状と前記ワークの質量とを算出するステップと、 前記形状と前記質量とに基づいて前記慣性モーメントを換算するステップ
    とをさらに具備する加工方法。
13. 請求項１０〜請求項１２のいずれかにおいて、
    前記速度フィードバックゲインは、前記テーブルが回転している最中に更新される
    加工方法。
14. 請求項１０〜請求項１３のいずれかにおいて、
    前記速度フィードバックゲインは、前記慣性モーメントに関して単純に増加する
    加工方法。
15. 請求項１０において、
    前記ワークの形状と前記ワークの密度とに基づいて前記慣性モーメントを算出するステップと、
    前記慣性モーメントに基づいて前記速度フィードバックゲインを算出するステップ
    とをさらに具備する加工方法。
16. 請求項１５において、
    前記ワークを加工するためのデータから前記形状と前記密度とを抽出するステップ
    をさらに具備する加工方法。

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