JP2013086242A

JP2013086242A - 工作機械

Info

Publication number: JP2013086242A
Application number: JP2011231534A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shibata; 知宏柴田; Tomohisa Kameyama; 智寿亀山
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: US20130099719A1; US8988033B2; JP5802517B2; DE102012020453A1

Abstract

【課題】工作機械において、プローブの取り付けられた主軸を回転させてワークの計測を行う際の主軸の回転微振動を抑制し、計測精度を向上させる。
【解決手段】タッチプローブ１７の取り付けられる主軸３０と、主軸３０を回転駆動するモータ１５と、モータ１５の回転角度位置を検出する回転角度位置検出器１６と、制御装置２０とを含み、制御装置２０は、タッチプローブ１７によってワークの測定を行う測定モード指令が入力された際に、ｄ軸電流指令補正部４によってｄ軸電流指令値Ｉｄｃに１より小さいｄ軸電流補正係数Ｋを乗じてｄ軸電流指令値Ｉｄｃをｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘に低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの位置や寸法の計測を行う工作機械に関する。

工作機械において、主軸にタッチプローブ（タッチセンサ）を取り付け、段取り時などのワークの位置決めのための位置計測やワークの寸法測定などを行うことが行われている。タッチプローブは測定子としてのスライタスを有しており、このタッチプローブには、スライタスが測定面との接触によって傾斜することにより機械的な接点が変化する接点信号式のものと、スライタスが測定面との接触によってスライタスと測定面とが電気的に導通関係になることを検出する接触信号式のものとがある。何れの方式のタッチプローブによる計測でも、スライタスが測定面に接近する方向へタッチプローブとワークとを相対的に移動させることによりスライタスをワークの測定面に接触させ、この接触時のＮＣ座標を読み取ることによってワークの位置の計測や寸法測定を行う（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された様なタッチプローブによってワークの位置や寸法の測定を行う方法は、タッチプローブが直線的な移動をするため、曲率半径が小さなワーク表面や球体状のワーク表面の形状計測ができない場合があった。そこで、タッチプローブを、例えば、主軸に取り付け、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測で行い、タッチプローブの同一先端点でワークの表面と接触して計測を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−３１３２４２号公報特開２０１０−３２３７３号公報

ところで、特許文献２に記載された従来技術のように、主軸等にタッチプローブを取り付け、直動軸と回転軸を含む同時多軸計測によってワークの位置や寸法の計測を行う場合には、主軸の回転角度位置を高い精度で計測することが必要となる。しかし、主軸の回転角度位置を検出する位置検出器に微小なノイズが入力された場合には、その影響により主軸に回転方向の振動が発生してしまう場合がある。

このため、位置検出器の出力をフィルタでフィルタリングした値を位置検出値として使用することで、主軸を駆動するモータの微振動を抑制し、高い精度でワークの計測を行う方法が考えられる。しかし、フィルタリングの定数を大きくしてしまうと、通常の主軸回転時、位置決め動作においては角度位置の検出精度が低くなってしまうので、位置検出値のフィルタ定数を大きくするには限界がある。このため、フィルタ定数より高い周波数の微小ノイズが位置検出器に入力された場合は、フィルタによって微小ノイズを除去できず、微小ノイズ成分のトルクがモータに発生し、位置検出値の微小ノイズ成分に追従するように主軸が回転方向に微振動してしまい、高精度でワークの位置や寸法の測定ができないという問題がある。

本発明は、工作機械において、プローブの取り付けられた主軸を回転させてワークの計測を行う際の主軸の回転微振動を抑制し、ワークの計測精度を向上させることを目的とする。

本発明の工作機械は、プローブの取り付けられる主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記モータの回転角度位置を検出する回転角度位置検出器と、前記回転角度位置検出器によって検出したモータの回転角度位置に基づいて前記モータに供給する電力を調整する制御装置と、を含む工作機械であって、前記制御装置は、前記プローブによってワークの測定を行う測定モード指令が入力された際に、前記回転角度位置検出器の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替える切り替え手段を有すること、を特徴とする。

本発明の工作機械において、前記制御装置の前記切り替え手段は、前記モータへのｄ軸電流指令値を通常指令値よりも低い測定モード指令値に切り替えること、としても好適である。

本発明の工作機械において、前記モータに供給する電流を検出する電流検出器を備え、前記制御装置は、回転速度指令に基づくｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値に前記回転角度位置検出器の出力と前記電流検出器の出力とから計算したｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値をそれぞれフィードバックして前記モータに供給する電流を調整し、前記切り替え手段は、前記フィードバックのゲインを通常ゲインよりも小さい測定モードゲインに切り替えること、としても好適である。

本発明の工作機械において、前記回転角度位置検出器は、前記モータの回転軸に結合される被検出体と、前記被検出体の角度位置を検出する位置検出センサとを含むこと、としても好適である。

本発明の工作機械において、前記モータは、直流電源から供給された直流電力を変換した三相交流電力により駆動され、前記制御装置は、回転速度指令と前記回転角度位置検出器より得られる回転速度検出値よりｑ軸電流指令値とｄ軸電流指令値からなる二相の指令値を出力する電流指令演算部と、前記モータの三相の電流を検出しｑ軸電流検出値とｄ軸電流検出値からなる二相の検出値に変換する第１の座標変換部と、前記ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値よりｑ軸電圧指令を出力するｑ軸電圧誤差演算部と、前記ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値よりｄ軸電圧指令を出力するｄ軸電圧誤差演算部と、前記ｑ軸電圧指令と前記ｄ軸電圧指令からなる二相指令を前記モータの電流を制御するための三相電圧指令に変換する第２の座標変換部とを備え、前記切り替え手段は、前記ｑ軸電圧誤差演算部と前記ｄ軸電圧誤差演算部において前記ｑ軸電圧指令と前記ｄ軸電圧指令を演算する際の各ゲインをそれぞれ低減すること、としても好適である。

本発明の工作機械のモータ制御方法は、プローブの取り付けられる主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記モータの回転角度位置を検出する回転角度位置検出器と、を含む工作機械のモータ制御方法であって、前記回転角度位置検出器によってモータの回転角度位置を検出し、前記プローブによってワークの測定を行う測定モード指令が入力された際に、検出した前記回転角度位置検出器の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替えること、を特徴とする。

本発明は、工作機械において、プローブの取り付けられた主軸を回転させてワークの計測を行う際の主軸の回転微振動を抑制し、計測精度を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における工作機械のモータ制御装置のブロック図である。本発明の実施形態における工作機械のモータ制御装置の電圧誤差検出器のブロック図である。本発明の他の実施例における工作機械のモータ制御装置のブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施形態の工作機械１００は、タッチプローブ１７が取り付けられる主軸３０と、主軸３０を回転駆動するモータ１５と、モータ１５の回転軸３１に直結された被検出体である検出用歯車１６ａと検出用歯車１６ａによって変化する磁束密度を検出する位置検出センサである磁気抵抗センサ１６ｂとによって構成される回転角度位置検出器１６と、直流電源２３から供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータ１５を駆動するインバータ２２と、モータ１５に供給される三相交流電力のＵ相電流を検出するＵ相電流検出器１３と、Ｖ相電流を検出するＶ相電流検出器１４と、回転角度位置検出器１６、Ｕ相電流検出器１３、Ｖ相電流検出器１４の各検出器の出力が入力され、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力する制御装置２０と、制御装置２０から出力されたＵ，Ｖ，Ｗ各相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータ２２の各スイッチング素子のオンオフ信号とするＰＷＭ部２１とを含んでいる。また、工作機械１００は、制御装置２０に回転速度指令Ｒｃと測定モード指令とを出力する上位制御装置１を備えている。

制御装置２０は、第１の座標変換部１８と、微分器１９と、減算器２と、電流指令演算部３と、ｄ軸電流指令補正部４と、減算器５，７と、ｑ軸電圧誤差演算部６と、ｄ軸電圧誤差演算部８と、電圧フィードフォワード値演算部９と、加算器１０，１１と、第２の座標変換部１２と、微分器１９を含んでいる。

第１の座標変換部１８は、Ｕ相電流検出器１３で検出したＵ相電流Ｉｕと、Ｖ相電流検出器１４で検出したＶ相電流Ｉｖと、回転角度位置検出器１６によって検出した回転角度位置検出値Ｐｄに基づき、三相電流検出値を二相電流検出値であるｄ軸電流検出値Ｉｄｄとｑ軸電流検出値Ｉｑｄに変換する。

微分器１９は、回転位置検出値Ｐｄを微分してモータの回転速度検出値Ｒｄを出力し、
減算器２は、回転速度指令Ｒｃと回転速度検出値Ｒｄの偏差を求め、速度偏差Ｒｄｉｆとして出力する。電流指令演算部３は、該速度偏差Ｒｄｉｆより二相電流指令値であるｄ軸電流指令値Ｉｄｃとｑ軸電流指令値Ｉｑｃを出力する。

ｄ軸電流指令補正部４は、上位制御装置１から入力される測定中信号Ｍｏｄｅによりｄ軸電流指令値Ｉｄｃを通常指令値と測定モード指令値との間で切り替え、ｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘として出力する。図２に示すように、ｄ軸電流指令補正部４は、測定モード判定部４１とｄ軸電流補正値切換部４２を含み、測定モード判定部４１は、測定中信号Ｍｏｄｅが入力された場合には、ｄ軸電流補正値切換部４２のスイッチを測定モード側に切替え、ｄ軸電流補正係数Ｋを１以下の値とする。また、測定中信号Ｍｏｄｅが入力されていない場合には、ｄ軸電流補正値切換部４２のスイッチを通常側に切替え、通常のｄ軸電流補正係数Ｋを１としてｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘を出力する。

減算器５は、ｑ軸電流指令値Ｉｑｃとｑ軸電流検出値Ｉｑｄの偏差を求め、ｑ軸電流偏差として出力し、ｑ軸電圧誤差演算部６は、ｑ軸電流偏差と比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉに基づきｑ軸電流電圧誤差ΔＶｑｃを出力する。また、減算器７は、ｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘とｄ軸電流検出値Ｉｄｄの偏差を求め、ｄ軸電流偏差として出力し、ｄ軸電圧誤差演算部８は、ｄ軸電流偏差と比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉに基づきｄ軸電流電圧誤差ΔＶｄｃを出力する。

電圧フィードフォワード値演算部９は、回転速度検出値Ｒｄとｄ軸電流指令値Ｉｄｃとｑ軸電流指令値Ｉｑｃに基づき、ｄ軸電流電圧フィードフォワード値Ｖｄｆｆ及びｑ軸電流電圧フィードフォワード値Ｖｑｆｆを出力する。加算器１１は、ｄ軸電流電圧フィードフォワード値Ｖｄｆｆとｄ軸電流電圧誤差ΔＶｄｃよりｄ軸電圧指令Ｖｄｃを出力し、加算器１０は、ｑ軸電流電圧フィードフォワード値Ｖｑｆｆとｑ軸電流電圧誤差ΔＶｑｃよりｑ軸電圧指令Ｖｑｃを出力する。第２の座標変換部１２は、ｄ軸電圧指令Ｖｄｃとｑ軸電圧指令Ｖｑｃと回転角度位置検出値ＰｄよりＵ、Ｖ、Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力する。

測定中信号ＭｏｄｅがＯＦＦの場合は、すなわち、通常の主軸回転時の場合は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃに１を乗じるため、ｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘とｄ軸電流指令値Ｉｄｃは同値となり、工作機械１００の動作に変化はない。測定中信号ＭｏｄｅがＯＮの場合は、すなわち、加工中以外のタッチプローブ１７でワークの位置、寸法を測定する測定モード中では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃに１より小さいｄ軸電流補正係数Ｋを乗じるため、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃが低減される。つまり、回転角度位置検出器１６の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替える。モータ１５では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃを低減することで、その低減量に比例して、出力トルクが低下する。よって、加工中以外のタッチプローブ１７での測定モード中に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃを低減してｄ軸電流指令補正値Ｉｄｃ‘とすることで、回転角度位置検出値Ｐｄに微小ノイズが入っている場合においても、微小ノイズに基づく出力トルクが低減されるため、回転角度位置検出値Ｐｄのノイズ成分に追従するようにモータ１５、主軸３０の回転振動が抑制され、タッチプローブ１７で高精度にワークの位置や寸法の測定を行うことができる。

本発明の他の実施例について説明する。先に図１を参照して説明した実施形態と同様の部位には同様の符号を付して説明は省略する。図３に示すように、本実施形態では、図１で説明した実施形態のｄ軸電流指令補正部４を設けず、上位制御装置１から入力される測定中信号Ｍｏｄｅをｑ軸電圧誤差演算部６、ｄ軸電圧誤差演算部８に入力するように構成したものである。

ｑ軸電圧誤差演算部６、ｄ軸電圧誤差演算部８は、測定中信号ＭｏｄｅがＯＦＦの場合は、すなわち、通常の主軸回転時の場合は、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを通常のゲインとしてｑ軸電流電圧誤差ΔＶｑｃ、ｄ軸電流電圧誤差ΔＶｄｃを演算して出力するので工作機械１００の動作に変化はない。測定中信号ＭｏｄｅがＯＮの場合は、すなわち、加工中以外のタッチプローブ１７でワークの位置、寸法を測定する測定モード中では、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを通常のゲインより低減した測定モード比例ゲインＫｐ´と測定モード積分ゲインＫｉ´としてｑ軸電流電圧誤差ΔＶｑｃ、ｄ軸電流電圧誤差ΔＶｄｃを演算して出力する。つまり、回転角度位置検出器１６の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替える。すると、モータ１５に供給される交流電力のＵ，Ｖ，Ｗ各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが低減され、モータ１５の出力トルクが低減する。よって、加工中以外のタッチプローブ１７での測定モード中に、回転角度位置検出値Ｐｄに微小ノイズが入っている場合においても、微小ノイズに基づく出力トルクが低減されるため、回転角度位置検出値Ｐｄのノイズ成分に追従するようにモータ１５、主軸３０の回転振動が抑制され、タッチプローブ１７で高精度にワークの位置や寸法の測定を行うことができる。

以上、図１を参照して説明した実施形態では、ｄ軸電流指令補正部４において、上位制御装置１から測定中信号Ｍｏｄｅが入力された場合には、ｄ軸電流補正値切換部４２のスイッチを測定モード側に切替え、ｄ軸電流補正係数Ｋを１以下の値としてモータの出力トルクを低減することによって、回転角度位置検出値Ｐｄに微小ノイズが入っている場合においても、主軸３０の回転振動を抑制して、タッチプローブ１７で高精度にワークの位置や寸法の測定を行うようにすることとして説明し、図２に記載した実施形態では、測定中信号ＭｏｄｅがＯＮの場合は、ｑ軸電圧誤差演算部６、ｄ軸電圧誤差演算部８の比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉを通常のゲインより低減した測定モード比例ゲインＫｐ´と測定モード積分ゲインＫｉ´としてｑ軸電流電圧誤差ΔＶｑｃ、ｄ軸電流電圧誤差ΔＶｄｃを演算して出力することにより、モータの出力トルクを低減し、回転角度位置検出値Ｐｄに微小ノイズが入っている場合においても、主軸３０の回転振動を抑制して、タッチプローブ１７で高精度にワークの位置や寸法の測定を行うようにすることとして説明したが、更に他の実施形態として図１に示した実施形態のｄ軸電流指令補正部４を備えると共に、図２に示した実施形態のように測定中信号Ｍｏｄｅをｑ軸電圧誤差演算部６、ｄ軸電圧誤差演算部８に入力して比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉの低減を行うように構成し、測定中信号ＭｏｄｅがＯＮの場合には、ｄ軸電流補正係数Ｋを１以下の値とするともに、各ゲインＫｐ，Ｋｉの低減を行うように構成しても良い。

１上位制御装置、２，５，７減算器、３電流指令演算部、４ｄ軸電流指令補正部、６ｑ軸電圧誤差演算部、８ｄ軸電圧誤差演算部、９電圧フィードフォワード値演算部、１０，１１加算器、１２第２の座標変換部、１３Ｕ相電流検出器、１４Ｖ相電流検出器、１５モータ、１６回転角度位置検出器、１６ａ検出用歯車、１６ｂ磁気抵抗センサ、１７タッチプローブ、１８第１の座標変換部、１９微分器、２０制御装置、２１ＰＷＭ部、２２インバータ、２３直流電源、３０主軸、３１モータ回転軸、４１測定モード判定部、４２ｄ軸電流補正値切換部、１００工作機械。

Claims

プローブの取り付けられる主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、
前記モータの回転角度位置を検出する回転角度位置検出器と、
前記回転角度位置検出器によって検出したモータの回転角度位置に基づいて前記モータに供給する電力を調整する制御装置と、を含む工作機械であって、
前記制御装置は、前記プローブによってワークの測定を行う測定モード指令が入力された際に、前記回転角度位置検出器の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替える切り替え手段を有すること、
を特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械であって、
前記制御装置の前記切り替え手段は、
前記モータへのｄ軸電流指令値を通常指令値よりも低い測定モード指令値に切り替えること、
を特徴とする工作機械。
請求項１または２に記載の工作機械であって、
前記モータに供給する電流を検出する電流検出器を備え、
前記制御装置は、回転速度指令に基づくｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値に前記回転角度位置検出器の出力と前記電流検出器の出力とから計算したｄ軸電流検出値とｑ軸電流検出値をそれぞれフィードバックして前記モータに供給する電流を調整し、
前記切り替え手段は、前記フィードバックのゲインを通常ゲインよりも小さい測定モードゲインに切り替えること、
を特徴とする工作機械。
請求項１から３のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記回転角度位置検出器は、前記モータの回転軸に結合される被検出体と、前記被検出体の角度位置を検出する位置検出センサとを含むこと、
を特徴とする工作機械。
請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記モータは、直流電源から供給された直流電力を変換した三相交流電力により駆動され、
前記制御装置は、
回転速度指令と前記回転角度位置検出器より得られる回転速度検出値よりｑ軸電流指令値とｄ軸電流指令値からなる二相の指令値を出力する電流指令演算部と、
前記モータの三相の電流を検出しｑ軸電流検出値とｄ軸電流検出値からなる二相の検出値に変換する第１の座標変換部と、
前記ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値よりｑ軸電圧指令を出力するｑ軸電圧誤差演算部と、
前記ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値よりｄ軸電圧指令を出力するｄ軸電圧誤差演算部と、
前記ｑ軸電圧指令と前記ｄ軸電圧指令からなる二相指令を前記モータの電流を制御するための三相電圧指令に変換する第２の座標変換部とを備え、
前記切り替え手段は、前記ｑ軸電圧誤差演算部と前記ｄ軸電圧誤差演算部において前記ｑ軸電圧指令と前記ｄ軸電圧指令を演算する際の各ゲインをそれぞれ低減すること、
を特徴とする工作機械。
プローブの取り付けられる主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記モータの回転角度位置を検出する回転角度位置検出器と、を含む工作機械のモータ制御方法であって、
前記回転角度位置検出器によってモータの回転角度位置を検出し、
前記プローブによってワークの測定を行う測定モード指令が入力された際に、検出した前記回転角度位置検出器の出力変化割合に応じた前記モータへの供給電力の変化割合を通常の変化割合から測定モード変化割合に切り替えること、
を特徴とする工作機械のモータ制御方法。