JP2014048953A - 繰返し学習位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速同期軸を制御する繰返し学習位置制御装置において、形状急変部での学習制御効果を抑制できる繰返し学習位置制御装置を提供する。
【解決手段】学習動作中において、常時、指令値加速度を検出し、指令値加速度に応じて、収集された偏差値に低減演算を加える学習除去制御部３を具備し、低減された偏差値を用いて学習制御演算を実行する繰返し学習制御部２を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰返し学習位置制御装置、特に、数値制御機械において、加工物の回転角に応じて、刃具を加工物の径方向に高速同期動作させる制御軸（高速同期軸）に搭載される繰返し学習位置制御装置に関するものである。

図５は、高速同期軸を搭載した数値制御機械の従来構造の一例を概略で示した図である。加工物は、一端がチャックで把持され、他の一端は心押台で支持されている。このため、加工物は主軸回転にあわせて回転することになる。刃具は刃物台に固定され、刃物台は複数のボールネジ（図示しない）を介して、Ｘ軸方向（加工物の径方向）及びＺ軸方向（主軸回転軸方向）に駆動される。図５では、刃具のＸ軸方向の動作が高速同期軸になっている。刃具は、主軸回転の角度（主軸回転角）に同期して、Ｘ軸方向には前後動作し、Ｚ軸方向には一方向定速で送られることが多い。この様な複合動作により、加工物を、ロープネジ形状やカム形状に加工することができる。

加工物は、Ｚ軸方向に等間隔に並ぶ複数の断面（多断面）それぞれにおいて、一定角度ピッチ間隔の主軸回転角ごとに設定されるＸ軸方向の位置指令値によって形状定義される。これは、一定の角度ピッチ毎のＸ軸位置指令値データテーブル（以降、単に指令値テーブルと呼称する）として、ＣＡＤ装置などの上位制御装置（図示しない）で作成され、予め、高速同期軸の位置制御装置に設定されている。一般に、高速同期軸制御では、主軸を一定回転で制御して、例えば、（１回転内の）主軸回転角：０ｄｅｇ通過タイミングで、Ｘ軸（高速同期軸）方向とＺ軸方向を同時起動させることで、主軸とＸ軸（高速同期軸）及びＺ軸の位置同期を確立させている。

ここで、一定速で動作する主軸とＺ軸に対して、Ｘ軸（以降、高速同期軸の呼称を併用する）は、指令値変化量が急峻なため、位置指令値に対して、一般的な追従制御系を構成しても、高い加工精度が得られない。そこで、（位置指令値−位置検出値）である位置偏差Ｄｃを、主軸回転角に対応して全断面分収集し、学習演算操作を加えて補正値Ｃｃの作成を行う学習制御系を付加し、この補正値作成サイクルを繰返しながら、位置偏差Ｄｃの縮小化を達成する繰返し学習制御を採用した位置制御装置が多い。

図６は、繰返し学習制御部１０１を搭載した高速同期軸の繰返し学習位置制御装置１００の構成を説明するブロック図である。指令値発生部５０には、予め、上位制御装置(図示しない)から、多断面分の主軸回転角に対応して、一定の角度ピッチで作成された指令値テーブルが設定されている。高速同期軸の位置制御では、主軸回転角に対応して、指令値発生部５０から位置指令値Ｘｃが読み出される。

繰返し学習位置制御装置１００のフィードバック構成は次の様になっている。刃物台駆動部２００には、刃具の高速同期軸方向の位置を検出するための位置検出器（図示しない）が設置されており、その出力が位置検出値ｘｆである。減算器５１は、位置指令値Ｘｃから、位置帰還である位置検出値ｘｆを減算し、位置偏差Ｄｃを出力する。

位置偏差Ｄｃは、補正値発生部５４に設定されている補正値テーブルから、多断面分の主軸回転角に応じて読み出された補正値Ｃｃと加算器５６で加算され、位置偏差増幅器５７で位置ループゲインＫｐ倍に増幅され、速度指令値Ｖｃとなる。減算器５８は、速度指令値Ｖｃから、刃物台駆動部２００を駆動するサーボモータ（図示しない）のモータ速度ｖｍを減算して、速度偏差Ｖｅを出力する。

速度偏差Ｖｅは、速度偏差増幅器５９で、通常、比例積分増幅される。式（１）は、この速度ループゲインＧｖを示している（なお、Ｇｐは比例ゲイン、Ｇｉは積分ゲイン、ｓはラプラス変換の演算子である）。
Ｇｖ＝Ｇｐ＋（Ｇｉ/ｓ） ・・・・・ （１）
速度偏差増幅器５９の出力は、刃物台駆動部２００の制御入力ｕとなる。制御入力ｕは、前述のサーボモータの発生トルクに等しくなる様に、トルク制御される（図示しない）。

次に図６の繰返し学習制御部１０１について、図７の動作フローチャートを併用して説明する。繰返し学習制御が開始されると、最初にＳ１００で指令値テーブル位置制御：ＯＮとなる。これは、今回の学習サイクルが開始され、前述の指令値発生部５０の指令値テーブルから位置指令値Ｘｃが読み出され、位置制御動作が開始されることを示している。

Ｓ１０１偏差値収集：ＯＮは、前述の位置偏差Ｄｃを、図６の偏差値収集部５２で収集し、多断面分の主軸回転角に対応した偏差値テーブルの作成開始を示している。指令値テーブルに設定された多断面分の主軸回転角全ポイントに対応した位置指令値の読出しが全て終了し、全ポイントに対応した偏差値収集が終了すると、Ｓ１０２で偏差値テーブルの作成完了が成立して、Ｓ１０３で指令値テーブル位置制御：ＯＦＦとなる。尚、作成された偏差値テーブルは、偏差値収集部５２に記憶、設定される。

次に、学習制御部５３は、作成された偏差値テーブルから全ポイントの偏差値Ｄｅｆの絶対値平均（得られた全ての位置偏差Ｄｃの絶対値の平均値）を求め、予め上位制御装置(図示しない)から設定された偏差値収束基準値よりも、偏差値Ｄｅｆの絶対値平均が小さい場合は、Ｓ１０４で偏差値収束と判定し、繰返し学習制御を終了する。逆に、偏差値収束基準値よりも、偏差値Ｄｅｆの絶対値平均が大きい場合は、偏差値未収束と判定し、Ｓ１０５で、作成された偏差値テーブルに対して学習演算処理を実行する。

Ｓ１０５の学習演算処理は、通常、偏差値テーブルが含むノイズ成分を除去するためのフィルタリングや、位置制御系の応答遅れを考慮して、位相を進めた補正値を作成する位相進み補償処理等で構成され、学習制御部５３は、学習演算処理された今回学習サイクルの補正値Ｃｍｐ０を出力する。

Ｓ１０６の次回学習サイクル用の補正値テーブルの作成は、以下の手順で行う。まず、補正値発生部５４に設定された今回補正値テーブルの補正値Ｃｍｐｂを読み出し、図６の加算器５５で今回学習サイクルの補正値Ｃｍｐ０と加算し、次回学習サイクル用の補正値Ｃｍｐとする。多断面分の主軸回転角全ポイントに対して、この補正値Ｃｍｐを演算し、補正値発生部５４に、次回学習サイクル用の補正値テーブルを設定する。

補正値テーブル作成が終了すると、今回の学習サイクルは終了し、Ｓ１００に戻って、次回の学習サイクルが開始されることになる。尚、Ｓ１０６で作成された補正値テーブルは、次回の学習サイクルでは、主軸回転角に応じて読み出される補正値Ｃｃのテーブルとなる（すなわち、ｉ回目の学習サイクル時の補正値Ｃｃ（ｉ）は、（ｉ−１）回目の学習サイクル時に算出された補正値Ｃｍｐ(ｉ−１)となる）。

高速同期軸で加工される加工物の形状は、ＣＡＤ装置などで、Ｘ軸とＺ軸方向の２次元に展開され、更に、主軸１回転当りのＺ軸移動量から、Ｚ軸位置を多断面の主軸回転角に変換して、指令値テーブルとして設定される。この際、加工物形状がロープネジなどの場合は、一般的に、ネジの切入り部や切上げ部には、形状急変部が含まれることが多い。

図８は、多断面分の位置指令値を示す３次元グラフである。図８において、縦軸の「指令値」はＸ軸位置指令値を、「主軸回転角度」は一つの断面内での主軸回転角度を、「断面Ｎｏ」はＺ軸方向の等間隔で並ぶ断面のナンバーを、それぞれ示している。なお、表示する断面は、３断面ピッチで間引いている。また、指令値は、断面Ｎｏ毎に、主軸回転角方向に繋いで表示しているため、実際の指令値の通過軌跡を表現している。図８が示す様に、ロープネジの場合は、切入り部や切上げ部に形状急変部が含まれる。本例では、断面Ｎｏの第１５断面から第２５断面あたりが切入り部で、断面Ｎｏの第３１０断面から第３６０断面あたりが切上げ部になる。

ここで、指令値テーブルは、一定の角度ピッチで作成されているため、高速同期軸の指令値速度は、主軸回転速度に比例し、指令値加速度は、主軸回転速度の２乗に比例することになる。図９及び図１０は、主軸回転速度：８００ｍｉｎ^−１を選んだ時の、切上げ部の指令値と指令値加速度を、横軸に断面Ｎｏをとって示した図であり、特に、図１０は、第３３５断面から第３３７断面について拡大した図である。これより、毎回転、ほぼ一定のポイント（主軸回転角）で、正負各々の方向に、高速同期軸の物理的な加速限界を超過する５０Ｇの過大な指令値加速度が発生することがわかる。

次に、図１１は、同一の主軸回転速度での、図８の第１５０断面から第１５２断面について、指令値と指令値加速度を拡大した図である。この様に、同一の主軸回転速度下でも、完全ネジ部では、形状変化が緩やかなため、指令値加速度は１Ｇにも満たない程度になる。

図７の動作フローチャートで偏差値収束と判定され、図６の繰返し学習制御部１０１の動作が終了すると、最終的な補正値テーブルが完成する。図１２と図１３は、最終的な補正値テーブルを用いて、前記と同一の主軸回転速度で、加工動作を実行した際の、指令値Ｘｃと補正値Ｃｃ及び位置偏差Ｄｃを示した図である。図１２は、完全ネジ部であるから、正弦波状の緩やかな補正値Ｃｃにより、位置偏差Ｄｃは極小化できている。

一方で、図１３は、形状急変部を持つ切上げ部であり、過大な指令値加速度を含むため、急峻で振幅の大きい補正値Ｃｃが作成されるが、結局、数十μｍの振動振幅を持つ位置偏差Ｄｃが残ることになる。

以上説明した様に、高速同期動作させる制御軸に搭載される、従来の繰返し学習位置制御装置では、形状急変部で、物理的な加速限界を超過する過大指令加速度が発生するため、繰返し学習制御による十分な偏差値収束が得られず、急峻に作成された補正値によって振動が発生して加工面が粗くなる問題があった。本発明が解決しようとする課題は、形状急変部での学習制御効果を抑制する事で、振動の発生を軽減する繰返し学習位置制御装置を提供することである。

本発明は、学習サイクル動作中において、常時、指令値加速度を検出し、偏差値収集時の指令値加速度に応じて、偏差値テーブルに低減演算を加えて学習制御部へ出力する。これにより、形状急変部では、繰返し学習制御により作成される補正値が低減でき、学習制御効果が抑制されて、前記課題が解決できるものである。

本発明による繰返し学習位置制御装置では、形状急変部での学習制御効果を抑制することで、振動が軽減でき、加工面品位の向上を図る事ができる。

本発明の実施形態である繰返し学習位置制御装置の構成例を示すブロック図である。 図１の実施形態における学習除去制御部の構成例を示す図である。 図２の学習除去制御部の動作を説明する図である。 繰返し学習位置制御装置による、形状急変部での制御結果の一例を示す図である。 高速同期軸を搭載した数値制御機械の構造例の概略図である。 従来の繰返し学習位置制御装置の構成例を示すブロック図である。 繰返し学習制御の動作を説明するフローチャートである。 ロープネジの指令値テーブルの一例を３次元で表現した図である。 ロープネジ切上げ部における指令値と指令値加速度の一例を示す図である。 図９の断面Ｎｏの一部を拡大表現した図である。 ロープネジ完全ネジ部における指令値と指令値加速度の一例を示す図である。 完全ネジ部での制御結果の一例を示す図である。 従来の繰返し学習位置制御装置による、形状急変部での制御結果の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について例（以下実施例という）を用いて説明する。図１は、本発明による繰返し学習制御部２を搭載した繰返し学習位置制御装置１の構成を説明するブロック図である。以下、主に、これまでに説明した従来例と異なる部分について説明する。まず、指令値発生部５０には、一定の角度ピッチを持った多段面分の主軸回転角に対応した指令値テーブルが設定されている。

学習除去制御部３は、指令値発生部５０から、主軸回転角に対応した位置指令値Ｘｃを読み出し、角度ピッチ毎の位置指令値Ｘｃの変化量から、指令値加速度Ａを算出する。更に、学習除去制御部３は、指令値加速度Ａと、偏差値収集部５２で作成される偏差値テーブルの偏差値Ｄｅｆ０から、後述する学習除去制御に基づいて偏差値Ｄｅｆを演算し、学習制御部５３に出力する。

ここで、指令値速度Ｖと指令値加速度Ａを式（２）と式（３）で定義しておく。
下式において、ｎはテーブルポイント番号で、Ｘｃ（ｎ）はｎ番目のポイントのテーブルに設定された指令値を表すが、（ｎ）の表記は、下式以外では、これまで通り省略する。
Ｖ（ｎ）＝｛Ｘｃ（ｎ）−Ｘｃ（ｎ−１）｝（６Ｎ/Ｈ） ・・・・・ （２）
Ａ（ｎ）＝｛Ｖ（ｎ）−Ｖ（ｎ−１）｝（６Ｎ/Ｈ）＝｛Ｘｃ（ｎ）−２Ｘｃ（ｎ−１）＋Ｘｃ（ｎ−２）｝（６Ｎ/Ｈ）^２ ・・・・・ （３）
尚、Ｎは主軸回転速度[ｍｉｎ^−１]、Ｈは前述のテーブル角度ピッチ［ｄｅｇ/ｐｉｔｃｈ］である。

図２は、本発明の学習除去制御部３の構成を説明するブロック図である。要否判定部４には、予め、加速度基準値Ａｒｅｊと学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊが設定されている。要否判定部４は、まず、指令値発生部５０から、主軸回転角に対応した位置指令値Ｘｃを読み出す。次に、式（３）で算出した指令値加速度Ａが、加速度基準値Ａｒｅｊより大きい場合は、学習除去処理を必要と判断する。逆に、指令値加速度Ａが、加速度基準値Ａｒｅｊより小さい場合は、先ず、この状態が主軸１回転分継続するのを確認後、更に、学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊの間、継続確認を行って、学習除去処理を不要と判断する。

学習有効係数演算部５には、予め、学習除去フェードイン／フェードアウト時間Iｒｅｊが設定されており、要否判定部４からは、学習除去処理要否判定が入力される。学習有効係数Ｃｒｅｊは、初期値１であり、学習除去処理が不要と判断された場合は、学習有効係数Ｃｒｅｊを可変しない。一方で、学習除去処理が必要と判断された場合は、フェードイン／フェードアウト時間Iｒｅｊで、学習有効係数Ｃｒｅｊを、１→０に向かって直線的に推移させる。学習有効係数Ｃｒｅｊ＝０に到達以後も、学習除去処理の必要状態が継続中は、Ｃｒｅｊ＝０を維持する。

学習有効係数演算部５は、前述の学習有効係数Ｃｒｅｊを乗算器６に出力する。乗算器６は、式（４）に示す様に、学習有効係数Ｃｒｅｊと偏差値テーブルの偏差値Ｄｅｆ０を乗算して、偏差値Ｄｅｆを演算し、学習制御部５３に出力する。
Ｄｅｆ＝Ｃｒｅｊ ・Ｄｅｆ０ ・・・・・ （４）

前述の様に、ロープネジ切上げ部では、主軸１回転につき２ポイントで、過大な指令値加速度が発生する。図中のタイミングｔ１で、|Ａ|≧Ａｒｅｊが成立すると、学習除去処理が必要となって、以後、フェードイン／フェードアウト時間Iｒｅｊで、学習有効係数Ｃｒｅｊは１→０になる。

切上げ部を通過して、指令値加速度が減少してくると、学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊの間、|Ａ|＜Ａｒｅｊの状態続継が確認されたタイミングｔ２で、学習除去処理は不要となって、以後、Iｒｅｊ時間でＣｒｅｊは０→１に戻る。尚、図中の学習除去ＯＮ/ＯＦＦは、学習除去処理の有無を表しており、ＯＮは学習有効係数Ｃｒｅｊ＝１に、ＯＦＦは学習有効係数Ｃｒｅｊ≠１に対応している。

図４は、前述のロープネジの一例において、図１３で示した形状急変部を持つ切上部に対して、本発明の学習除去制御を加えた場合の、形状急変部を持つ切上げ部（第３３５断面から第３３７断面）の指令値Ｘｃと補正値Ｃｃ及び位置偏差Ｄｃを示した図である。本例では、加速度基準値Ａｒｅｊ＝６［Ｇ］、学習除去フェードイン／フェードアウト時間Iｒｅｊ＝３［ｓｅｃ］を設定しているため、図９から、本断面周辺では、学習有効係数Ｃｒｅｊ≒０．６程度が選定されている。

ここで、本切上げ部は、物理的な加速限界を超えた応答性が必要な領域のため、追従精度よりも振動抑制が求められる。従来の繰返し学習位置制御装置による同一断面の制御結果である図１３と比較すると、図４は、学習除去制御によって、滑らか且つ小振幅化された補正値Ｃｃが作成され、位置偏差Ｄｃの振幅は増大しているが、振動傾向は軽減できている。

以上説明した様に、本発明による繰返し学習位置制御装置では、学習動作中において、常時、指令値加速度から形状急変部を検出し、形状急変部での偏差値を低減することで、学習制御により得られる補正値を円滑化且つ縮小化させて、振動の軽減化による加工面品位の向上を実現できる。なお、上記の実施形態では、学習制御の除去の要否に対し、加速度基準値Ａｒｅｊを設定して指令加速度と比例することに加え、学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊと、フェードイン／フェードアウト時間Ｉｒｅｊを共に設定した形態を示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、加速度基準値Ａｒｅｊと学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊのみ設定したり、加速度基準値Ａｒｅｊのみ設定し学習除去終了待ち時間Ｗｒｅｊおよびフェードイン／フェードアウト時間Ｉｒｅｊの両方ともに設定しないようにして実行することも可能である。

１，１００ 繰返し学習位置制御装置、２，１０１ 繰返し学習制御部、３ 学習除去制御部、４ 要否判定部、５ 学習有効係数演算部、６ 乗算器、５０ 指令値発生部、５１ 減算器、５２ 偏差値収集部、５３ 学習制御部、５４ 補正値発生部、５５，５６ 加算器、５７ 位置偏差増幅器、５８ 減算器、５９ 速度偏差増幅器、２００ 刃物台駆動部。

図８は、多断面分の位置指令値を示す３次元グラフである。図８において、縦軸の「指令値」はＸ軸位置指令値を、「主軸回転角度」は一つの断面内での主軸回転角を、「断面Ｎｏ」はＺ軸方向の等間隔で並ぶ断面のナンバーを、それぞれ示している。なお、表示する断面は、３断面ピッチで間引いている。また、指令値は、断面Ｎｏ毎に、主軸回転角度方向に繋いで表示しているため、実際の指令値の通過軌跡を表現している。図８が示す様に、ロープネジの場合は、切入り部や切上げ部に形状急変部が含まれる。本例では、断面Ｎｏの第１５断面から第２５断面あたりが切入り部で、断面Ｎｏの第３１０断面から第３６０断面あたりが切上げ部になる。

前述の様に、ロープネジ切上げ部では、主軸１回転につき２ポイントで、過大な指令値加速度が発生する。図３中のタイミングｔ１で、|Ａ|≧Ａｒｅｊが成立すると、学習除去処理が必要となって、以後、フェードイン／フェードアウト時間Iｒｅｊで、学習有効係数Ｃｒｅｊは１→０になる。

Claims (3)

1. 主軸に把持された加工物の回転角に応じて、刃具を径方向に高速同期動作させる制御軸に搭載される繰返し学習位置制御装置であって、
   前記繰返し学習位置制御装置は、
   前記刃具の位置指令値と位置検出値の偏差である位置偏差を収集する偏差値収集部と、
   収集した偏差値に学習演算処理を加え、今回学習サイクルの補正値を出力する学習制御部と、
   今回学習サイクルで採用した補正値を読出し、前記今回学習サイクルの補正値に加算して次回学習サイクルで採用する補正値を決定する補正値発生部と、
   主軸回転角に対応した位置指令値から算出した指令値加速度と予め設定された加速度基準値とを比較して、前記指令値加速度が大きくなる場合は、学習除去を必要と判断し、前記収集した偏差値をゼロに置換して、学習制御部に出力する学習除去制御部と、
   を具備することを特徴とした繰返し学習位置制御装置。
2. 前記学習除去制御部には、前記指令値加速度が減少して、前記加速度基準値より大きい状態から小さい状態へ遷移した場合は、予め設定された学習除去終了待ち時間が経過する間、前記収集した偏差値のゼロ置換を継続し、経過後、学習除去を不要と判断し、前記収集した偏差値のゼロ置換を停止する機能を具備することを特徴とした請求項１記載の繰返し学習位置制御装置。
3. 前記学習除去制御部には、学習除去を必要と判断した場合は、予め設定されたフェードイン/フェードアウト時間で、前記収集した偏差値を徐々に減少させ、学習除去を不要と判断した場合は、前記フェードイン/フェードアウト時間で、前記収集した偏差値をゼロから徐々に増加させて、学習制御部に出力する機能を具備することを特徴とした請求項１または請求項２記載の繰返し学習位置制御装置。