JP2015100879A - Machine tool control apparatus, machine tool control method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新たな外部機器を用いずに、加工中に発生するびびり振動をリアルタイムに抑制することが可能な、工作機械制御装置、工作機械制御方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a machine tool control device, a machine tool control method, and a program capable of suppressing chatter vibration generated during machining in real time without using a new external device.
従来の一般的なＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ：数値制御）工作機械においては、工具軌道が生成され、各軸の位置が制御されて、切削や研削等の加工が行われる。
このようなＮＣ工作機械では、加工中に諸原因によって工具が振動する現象、即ち「びびり振動」が発生し、加工精度が悪化する場合がある。
In a conventional general NC (Numerically Controlled) machine tool, a tool path is generated, the position of each axis is controlled, and machining such as cutting and grinding is performed.
In such NC machine tools, a phenomenon in which the tool vibrates due to various causes during machining, that is, “chatter vibration” occurs, and machining accuracy may deteriorate.
このようなびびり振動を抑制する従来の技術としては、例えば、加工空間に付加的に設置された外部機器（マイクロフォンや加速度センサ等）が振動を検出し、その外部機器の検出結果に基づいて、回転数等の加工条件を変更する技術が存在する（例えば特許文献１参照）。
また例えば、従来の別の技術として、ピエゾアクチュエータを工具に付加的に取り付けて、刃先を楕円状に高速で振動させてびびり振動を抑制する技術も存在する。
As a conventional technique for suppressing such chatter vibration, for example, an external device (such as a microphone or an acceleration sensor) additionally installed in the processing space detects vibration, and based on the detection result of the external device, There is a technique for changing processing conditions such as the rotational speed (see, for example, Patent Document 1).
For example, as another conventional technique, there is a technique for suppressing chatter vibration by additionally attaching a piezo actuator to a tool to vibrate the cutting edge at high speed in an elliptical shape.
しかしながら、特許文献１を含む従来の技術は、加工中に発生するびびり振動をリアルタイムに抑制する類のものではなく、単に、次回以降の加工条件を変更することで、次回以降の加工におけるびびり振動を抑制する類のものである。つまり、特許文献１を含む従来の技術は、前回までの実績に基づいてびびり振動が抑制されると推定される加工条件を求め、当該加工条件を加工前に変更するものに過ぎず、加工中にびびり振動をリアルタイムに抑制する制御を伴うものではない。
さらに、特許文献１を含む従来の技術は、びびり振動を抑制するために、付加的なセンサやピエゾアクチュエータといった新たな外部機器を、ＮＣ工作機械に別途取り付ける必要もある。
However, the prior art including Patent Document 1 is not a kind of suppressing chatter vibration that occurs during machining in real time, but simply by changing the machining conditions for the next and subsequent times, It is the kind which suppresses. In other words, the conventional techniques including Patent Document 1 merely obtain a machining condition estimated that chatter vibration is suppressed based on the results up to the previous time, change the machining condition before machining, It does not involve control for suppressing chatter vibration in real time.
Furthermore, the conventional techniques including Patent Document 1 require that new external devices such as additional sensors and piezo actuators be separately attached to the NC machine tool in order to suppress chatter vibration.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、付加的なセンサやピエゾアクチュエータといった新たな外部機器を用いずに、加工中に発生するびびり振動をリアルタイムに抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to suppress chatter vibration generated during processing in real time without using a new external device such as an additional sensor or a piezoelectric actuator. To do.
本発明の一側面の工作機械制御装置は、
駆動手段の駆動力により、ワークに対する相対的な位置を移動させると共に加工力を発生させて当該ワークを加工する加工手段を備える工作機械に対して、制御を実行する工作機械制御装置において、
前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置の検出結果を示す検出位置信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御する位置制御手段と、
前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱から摩擦力を減算することにより、前記加工力の推定結果を示す加工力推定信号を生成する加工力推定手段と、
前記加工力推定信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する力制御手段と、
前記位置制御手段と前記力制御手段の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分する周波数帯域区分手段と、
を備えることを特徴とする。
A machine tool control device according to one aspect of the present invention is provided.
In a machine tool control apparatus that controls a machine tool including a machining unit that moves a relative position with respect to a workpiece and generates a machining force by the driving force of the driving unit to process the workpiece.
Position control means for controlling the relative position of the processing means with respect to the work based on a detection position signal indicating the detection result of the relative position of the processing means with respect to the work;
Estimating the disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and subtracting the frictional force from the estimated disturbance, thereby estimating the machining force Machining force estimation means for generating a machining force estimation signal indicating the result;
Force control means for controlling the machining force of the machining means based on the machining force estimation signal;
A frequency band dividing means for dividing a frequency band to be controlled by each of the position control means and the force control means;
It is characterized by providing.
ここで、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記周波数帯域区分手段は、
前記加工力推定信号のうち、直流成分を除く第１周波数帯域の成分信号を通過させる通過手段と、
前記検出位置信号のうち、前記第１周波数帯域を遮断することで、前記第１周波数帯域を除く第２周波数帯域の成分信号を通過させる遮断手段と、
を備え、
前記位置制御手段は、前記遮断手段から通過した前記第２周波数帯域の成分信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御し、
前記力制御手段は、前記通過手段から通過した前記第１周波数帯域の成分信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する、
こともできる。
Here, in the machine tool control device of one aspect of the present invention,
The frequency band dividing means is
Passing means for passing a component signal of a first frequency band excluding a DC component of the machining force estimation signal;
Blocking means for passing the component signal of the second frequency band excluding the first frequency band by blocking the first frequency band of the detection position signal;
With
The position control means controls the relative position of the processing means with respect to the workpiece based on the component signal of the second frequency band that has passed from the blocking means,
The force control means controls the processing force of the processing means based on the component signal of the first frequency band passed from the passing means;
You can also.
さらに、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記第１周波数帯域は、相互に離間する複数の周波数帯域からなる
ようにすることもできる。
Furthermore, in the machine tool control device according to one aspect of the present invention,
The first frequency band may be composed of a plurality of frequency bands separated from each other.
さらにまた、本発明の一側面の工作機械制御装置は、
前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱に基づいて、前記駆動信号の指令信号を補償する補償信号を生成する補償手段、
をさらに備えることもできる。
Furthermore, the machine tool control device according to one aspect of the present invention provides:
Compensation for estimating a disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and compensating the command signal of the driving signal based on the estimated disturbance Compensation means for generating a signal,
Can be further provided.
また、本発明の一側面の工作機械制御方法及びプログラムの夫々は、上述の本発明の一側面の工作機械制御装置に対応する方法及びプログラムの夫々である。 Each of the machine tool control method and program according to one aspect of the present invention is a method and program corresponding to the above-described machine tool control device according to one aspect of the present invention.
本発明によれば、付加的なセンサやピエゾアクチュエータといった新たな外部機器を用いずに、加工中に発生するびびり振動をリアルタイムに抑制することが可能になる。 According to the present invention, chatter vibration generated during machining can be suppressed in real time without using a new external device such as an additional sensor or a piezoelectric actuator.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の工作機械制御装置の一実施形態に係るコントローラ１１を含む、工作機械システム１の概要を示す模式図である。
図２は、図１の工作機械システム１の工作機械本体の外観構成の概略を示す斜視図である。
図３は、図１の工作機械システム１の工作機械本体の外観構成の概略を示す上面図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a machine tool system 1 including a controller 11 according to an embodiment of a machine tool control apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an outline of the external configuration of the machine tool main body of the machine tool system 1 of FIG.
FIG. 3 is a top view schematically showing the external configuration of the machine tool main body of the machine tool system 1 of FIG.
図１に示すように、本実施形態の工作機械システム１は、コントローラ１１と、サーボアンプ１２と、刃物台となるＸＺステージ１３と、ワークスピンドル１４とを備えている。 As shown in FIG. 1, the machine tool system 1 of the present embodiment includes a controller 11, a servo amplifier 12, an XZ stage 13 that serves as a tool post, and a work spindle 14.
コントローラ１１は、工作機械本体たるＸＺステージ１３及びワークスピンドル１４に対して位置および力制御を実行することができる制御装置（サーボコントローラ）である。
サーボアンプ１２は、工作機本体（ＸＺステージ１３のＸステージ２２及びＺステージ２３、並びにワークスピンドル１４）を駆動するためのモータ（Ｘステージ２２については後述するモータ２１）に対して、コントローラ１１からの指令値に応じた電流を流すことで、当該モータの推力（駆動力）の大きさを制御するドライブ装置である。
ＸＺステージ１３及びワークスピンドル１４は、工作機本体である。
The controller 11 is a control device (servo controller) that can execute position and force control on the XZ stage 13 and the work spindle 14 that are machine tool bodies.
The servo amplifier 12 is supplied from the controller 11 to a motor for driving the machine tool main body (the X stage 22 and the Z stage 23 of the XZ stage 13 and the work spindle 14). The drive device controls the magnitude of the thrust (driving force) of the motor by flowing a current corresponding to the command value.
The XZ stage 13 and the work spindle 14 are machine tool bodies.
具体的には、コントローラ１１は、ワークスピンドル１４に設置されたワークＷに対するＸＺステージ１３の相対的な位置の制御（以下、「位置制御」と呼ぶ）と、ワークＷに対する切削力の制御（以下、「力制御」と呼ぶ）とを、周波数帯域を区分することで、時間的に同時に並行してリアルタイムに実行する。このような位置制御と力制御とを同時に実行する制御を、以下、「ハイブリッド制御」と呼ぶ。
ここで、ハイブリッド制御は、ＸＺステージ１３のＸステージ２２及びＺステージ２３、並びにワークスピンドル１４の夫々に対して個別に適用することができる。ただし、以下、説明の便宜上、Ｘステージ２２に対するハイブリッド制御についてのみ説明する。
コントローラ１１は、ハイブリッド制御の指令値として、後述のＸステージ２２用のモータ２１に流す電流の指令値（以下、参照電流と呼ぶ）をサーボアンプ１２に対して出力すると共に、Ｘステージ２２の位置情報を入力する。この位置情報とは、従来のＮＣ工作機械でも一般的に利用されるステージ位置を計測するエンコーダからの出力情報であり、これをそのまま流用することができる。
ここで、コントローラ１１は、後述するように、ハイブリッド制御のうち力制御のフィードバック情報については、自身内部で推定（観測）するため、外部から入力する必要はない。
このように、本実施形態では、コントローラ１１の外部から入力するフィードバック情報は、従来のＮＣ工作機械で一般的に用いられている位置情報（及びワークスピンドル１４に適用する場合には角度情報）のみで足りる。また、本実施形態では、びびり振動の検知に、コントローラ１１内部で生成される力推定情報が利用される。従って、本実施形態の工作機械システム１の構成要素として、マイクロフォンや加速度センサ等の振動検知を行う付加的センサや力制御を行う付加的なセンサ（力制御のフィードバック情報を出力する外部機器）は不要である。
なお、ハイブリッド制御のさらなる詳細については、図５等を参照して後述する。
Specifically, the controller 11 controls the relative position of the XZ stage 13 with respect to the workpiece W installed on the workpiece spindle 14 (hereinafter referred to as “position control”), and controls the cutting force with respect to the workpiece W (hereinafter referred to as “position control”). , Referred to as “force control”), by dividing the frequency band, it is executed in parallel in time and in real time. Such control that simultaneously executes position control and force control is hereinafter referred to as “hybrid control”.
Here, the hybrid control can be applied individually to each of the X stage 22 and the Z stage 23 of the XZ stage 13 and the work spindle 14. However, only the hybrid control for the X stage 22 will be described below for convenience of explanation.
The controller 11 outputs a command value (hereinafter referred to as a reference current) of a current to be supplied to a motor 21 for the X stage 22 to be described later as a hybrid control command value to the servo amplifier 12 and the position of the X stage 22. Enter information. This position information is output information from an encoder that measures a stage position generally used in conventional NC machine tools, and can be used as it is.
Here, as will be described later, the controller 11 estimates (observes) the feedback information of the force control in the hybrid control inside itself, and therefore does not need to be input from the outside.
As described above, in the present embodiment, the feedback information input from the outside of the controller 11 is only position information (and angle information when applied to the work spindle 14) generally used in the conventional NC machine tool. Is enough. In the present embodiment, force estimation information generated inside the controller 11 is used to detect chatter vibration. Therefore, as a component of the machine tool system 1 of the present embodiment, an additional sensor for detecting vibrations such as a microphone and an acceleration sensor and an additional sensor for force control (external device that outputs feedback information of force control) are provided. It is unnecessary.
Further details of the hybrid control will be described later with reference to FIG.
ＸＺステージ１３は、図１〜図３に示すように、モータ２１と、Ｘステージ２２と、Ｚステージ２３と、切削工具２４とを含むように構成される。
ここで、以下、図２及び図３に示すように、ワークスピンドル１４の軸と平行な方向を「ｚ方向」と呼び、ｚ方向と垂直な方向のうち地面（旋盤１３が配置される面）に対して水平な方向を「ｘ方向」と呼ぶ。
モータ２１は、Ｘステージ２２を駆動するサーボアンプ１２からの電流の大きさに応じて、ｘ方向（直線方向）への推力を発することで、Ｘステージ２２をｘ方向に移動させるリニアモータである。なお、図示はしないが、サーボアンプ１２からの電流の大きさに応じて、ｚ方向（直線方向）への推力を発することで、Ｚステージ２３をｚ方向に移動させるリニアモータもＸＺステージ１３には設けられている。
Ｘステージ２２は、切削工具２４（より正確には、切削工具２４が取り付けられたＺステージ２３）を積載し、モータ２１の推力によりｘ方向に移動する台座である。具体的には、Ｘステージ２２は、Ｚステージ２３を積載するテーブルと、モータ２１の駆動によりテーブルをｘ方向に移動させるガイドと、テーブルの位置を検出して位置情報として出力するリニアエンコーダ等を有している。即ち、本実施形態では、位置情報は、Ｘステージ２２から出力されて、位置制御のフィードバック情報としてコントローラ１１に入力される。
Ｚステージ２３は、切削工具２４が取り付けられ、ｚ方向に移動する台座であり、本実施形態ではＸステージと同様の構成を有している。
切削工具２４は、旋削用バイトであり、シャンク部がＺステージ２３に固着されると共に、シャンク先端に取り付けられたチップ（スローアウェイチップ）でワークＷを切削する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the XZ stage 13 includes a motor 21, an X stage 22, a Z stage 23, and a cutting tool 24.
Here, hereinafter, as shown in FIGS. 2 and 3, the direction parallel to the axis of the work spindle 14 is referred to as the “z direction”, and the ground (surface on which the lathe 13 is disposed) out of the directions perpendicular to the z direction. The horizontal direction is called “x direction”.
The motor 21 is a linear motor that moves the X stage 22 in the x direction by generating thrust in the x direction (linear direction) in accordance with the magnitude of the current from the servo amplifier 12 that drives the X stage 22. . Although not shown, a linear motor that moves the Z stage 23 in the z direction by generating thrust in the z direction (linear direction) according to the magnitude of the current from the servo amplifier 12 is also applied to the XZ stage 13. Is provided.
The X stage 22 is a pedestal on which a cutting tool 24 (more precisely, a Z stage 23 to which the cutting tool 24 is attached) is loaded and moves in the x direction by the thrust of the motor 21. Specifically, the X stage 22 includes a table for loading the Z stage 23, a guide for moving the table in the x direction by driving the motor 21, and a linear encoder that detects the position of the table and outputs it as position information. Have. That is, in this embodiment, the position information is output from the X stage 22 and input to the controller 11 as position control feedback information.
The Z stage 23 is a pedestal to which a cutting tool 24 is attached and moves in the z direction. In the present embodiment, the Z stage 23 has the same configuration as the X stage.
The cutting tool 24 is a turning tool, the shank portion is fixed to the Z stage 23, and the work W is cut with a tip (slow away tip) attached to the tip of the shank.
ワークスピンドル１４は、例えば円柱状のワークＷが取り付けられ、ｚ方向に水平な軸を中心に、当該ワークＷを回転させる回転装置である。 The workpiece spindle 14 is a rotating device to which, for example, a cylindrical workpiece W is attached and rotates the workpiece W around an axis horizontal in the z direction.
即ち、図３に示すように、切削工具２４は、ワークスピンドル１４により回転するワークＷに対して、モータ２１（図３には図示せず）の推力によりｘ方向に移動する。そして、切削工具２４は、その刃がワークＷに当接すると切削力を発生して、当該切削力によりワークＷを切削する。
この切削中に、切削工具２４（Ｘステージ２２）のｘ方向に対する位置制御と、切削工具２４の切削力の力制御とを併せたハイブリッド制御が、コントローラ１１により実行される。これにより、びびり振動がリアルタイムに抑制される。
以下、このようなハイブリッド制御を実行するコントローラ１１について、さらに詳しく説明する。
That is, as shown in FIG. 3, the cutting tool 24 moves in the x direction with respect to the workpiece W rotated by the workpiece spindle 14 by the thrust of the motor 21 (not shown in FIG. 3). The cutting tool 24 generates a cutting force when the blade comes into contact with the workpiece W, and cuts the workpiece W with the cutting force.
During this cutting, the controller 11 executes hybrid control that combines position control of the cutting tool 24 (X stage 22) in the x direction and force control of the cutting force of the cutting tool 24. Thereby, chatter vibration is suppressed in real time.
Hereinafter, the controller 11 that performs such hybrid control will be described in more detail.
図４は、図１の工作機械システム１のうちコントローラ１１のハードウェアの構成を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing a hardware configuration of the controller 11 in the machine tool system 1 of FIG.
コントローラ１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３３と、バス３４と、入出力インターフェース３５と、入力部３６と、出力部３７と、記憶部３８と、通信部３９と、ドライブ４０とを備えている。 The controller 11 includes a CPU (Central Processing Unit) 31, a ROM (Read Only Memory) 32, a RAM (Random Access Memory) 33, a bus 34, an input / output interface 35, an input unit 36, an output unit 37, A storage unit 38, a communication unit 39, and a drive 40.
ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記録されているプログラム、又は、記憶部３８からＲＡＭ３３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。
ＲＡＭ３３には、ＣＰＵ３１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
The CPU 31 executes various processes according to a program recorded in the ROM 32 or a program loaded from the storage unit 38 to the RAM 33.
The RAM 33 appropriately stores data necessary for the CPU 31 to execute various processes.
ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２及びＲＡＭ３３は、バス３４を介して相互に接続されている。このバス３４にはまた、入出力インターフェース３５も接続されている。入出力インターフェース３５には、入力部３６、出力部３７、記憶部３８、通信部３９、及びドライブ４０が接続されている。 The CPU 31, ROM 32, and RAM 33 are connected to each other via a bus 34. An input / output interface 35 is also connected to the bus 34. An input unit 36, an output unit 37, a storage unit 38, a communication unit 39, and a drive 40 are connected to the input / output interface 35.
入力部３６は、キーボードやマウス等で構成され、ユーザの指示操作に応じて各種情報を入力する。
出力部３７は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や音声を出力する。
記憶部３８は、ハードディスク等で構成され、各種情報のデータを記憶する。
通信部３９は、ネットワークを介して他の端末（図示せず）との間で行う通信を制御すると共に、本実施形態では、サーボアンプ１２に対する指令値（参照電流）を出力したり、位置制御のフィードバック情報たる位置情報をＸＺステージ１３から入力するための通信を制御する。
The input unit 36 includes a keyboard, a mouse, and the like, and inputs various types of information according to user instruction operations.
The output unit 37 includes a display, a speaker, and the like, and outputs an image and sound.
The storage unit 38 is configured with a hard disk or the like, and stores data of various types of information.
The communication unit 39 controls communication performed with another terminal (not shown) via the network, and outputs a command value (reference current) to the servo amplifier 12 or position control in this embodiment. The communication for inputting position information as feedback information from the XZ stage 13 is controlled.
ドライブ４０には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア５１が適宜装着される。ドライブ４０によってリムーバブルメディア５１から読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部３８にインストールされる。また、リムーバブルメディア５１は、記憶部３８に記憶されている各種データも、記憶部３８と同様に記憶することができる。 A removable medium 51 composed of a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or the like is appropriately attached to the drive 40. The program read from the removable medium 51 by the drive 40 is installed in the storage unit 38 as necessary. The removable media 51 can also store various data stored in the storage unit 38 in the same manner as the storage unit 38.
図５は、図４のコントローラ１１の機能的構成のうち、ハイブリッド制御を実行する場合の機能的構成を示す機能ブロック図である。 FIG. 5 is a functional block diagram showing a functional configuration when executing hybrid control among the functional configurations of the controller 11 of FIG. 4.
コントローラ１１によりハイブリッド制御が実行される場合には、図５に示すように、切削力推定部６１と、バンドパスフィルタ６２と、力制御コントローラ６３と、バンドストップフィルタ６４と、位置制御コントローラ６５と、電流指令部６６と、電流補償部６７とが、ＣＰＵ３１等（図４）において機能する。 When hybrid control is executed by the controller 11, as shown in FIG. 5, a cutting force estimation unit 61, a bandpass filter 62, a force control controller 63, a band stop filter 64, a position control controller 65, The current command unit 66 and the current compensation unit 67 function in the CPU 31 and the like (FIG. 4).
ここで、これらの機能ブロック、即ち切削力推定部６１〜電流補償部６７の各機能の理解を容易なものとすべく、先ず、ハイブリッド制御の概要について説明する。 Here, first, an outline of hybrid control will be described in order to facilitate understanding of each function of these functional blocks, that is, the cutting force estimation unit 61 to the current compensation unit 67.
リアルタイムにびびり振動を抑制するためには、力制御を採用するのが好適である。その理由は次のとおりである。
即ち、切削工具２４により切り取られるワークＷの表面の厚さ（以下、「切り取り厚さ」と呼ぶ）は、びびり振動の発生前ではほぼ一定であったものが、びびり振動の発生後では変化してしまう。その結果として、切削力が変動し、表面に起伏が発生し、この起伏により切り取り厚さがさらに変化してしまう。つまり、びびり振動が発生すると、切り取り厚さ変化 → 切削力変動 → 表面の起伏発生 → さらなる切り取り厚さ変化、といった悪循環が繰り返されてしまう。
この悪循環を断ち切るためには、力制御で切削力の変動を抑制することが好適である。
In order to suppress chatter vibration in real time, it is preferable to employ force control. The reason is as follows.
That is, the thickness of the surface of the workpiece W cut by the cutting tool 24 (hereinafter referred to as “cut thickness”) is substantially constant before chatter vibration occurs, but changes after chatter vibration occurs. End up. As a result, the cutting force fluctuates and undulations occur on the surface, and the cut thickness further changes due to the undulations. In other words, when chatter vibration occurs, a vicious cycle of cutting thickness change → cutting force fluctuation → surface undulation generation → further cutting thickness change is repeated.
In order to break this vicious circle, it is preferable to suppress fluctuations in the cutting force by force control.
しかしながら、力制御単体は、いつ加工が終わるかわからないため、つまり加工時間を計算できないため、生産工程（特に切削）に適用すること自体困難である。
そのため、生産工程を管理できる「位置制御」が工作機械システムでは一般的に必要になる。
However, the force control unit itself is difficult to apply to the production process (especially cutting) because it does not know when the machining is finished, that is, the machining time cannot be calculated.
Therefore, “position control” that can manage the production process is generally required in the machine tool system.
一方、従来の一般的なＮＣ制御で採用されている位置制御単体でも、びびり振動を抑制することは困難である。位置制御は、上述のように加工時間を推測することができるものの、切削力（加工力）については、あくまでも結果として現れるものであり、制御できないからである。 On the other hand, it is difficult to suppress chatter vibration even with a single position control employed in conventional general NC control. This is because the position control can estimate the machining time as described above, but the cutting force (working force) appears only as a result and cannot be controlled.
そこで、本発明人らは、力制御と位置制御とを組み合わせる制御を発明した。しかしながら、力制御と位置制御とは相互に影響を及ぼすものであり、単純に組み合わせると干渉してしまい、システム全体として安定した制御が不可能になる。
そこで、本発明人らは、さらに、力制御と位置制御との周波数帯域を区分する手法を発明した。当該手法を適用することで、力制御と位置制御とを干渉することなく組み合わせることが可能になる。即ち、本発明人らが発明したハイブリッド制御とは、当該手法が適用された、力制御と位置制御との組み合わせの制御をいう。つまり、位置制御と力制御の周波数帯域を区分することで、位置制御と力制御との両制御を、時間的に同時に並行してリアルタイムに実行するものが、ハイブリッド制御である。
周波数帯域の区分の手法は、特に限定されないが、例えば、位置制御には、直流成分から低周波領域までの周波数帯域を割り当て、かつ、力制御には、びびり振動を抑制可能な特定の周波数帯域を割り当てると好適である。直流成分から低周波領域での周波数帯域で位置制御が実行されるので、必ず加工時間が推定されると共に、びびり振動を引き起こす領域の切削力の制御は特定の周波数帯域のみで可能になるからである。具体的には例えば、低周波領域として５Ｈｚを採用し、かつ、力制御に用いる特定の周波数帯域として５Ｈｚ〜１５Ｈｚを採用したところ、切削中に発生するびびり振動がリアルタイムに抑制されたことが本発明人らにより検証された（後述の図７〜図１０参照）。
Accordingly, the present inventors have invented control that combines force control and position control. However, force control and position control affect each other, and if they are simply combined, they interfere with each other, and stable control as a whole system becomes impossible.
Therefore, the inventors have further invented a method of dividing the frequency band of force control and position control. By applying this method, it is possible to combine force control and position control without interference. That is, the hybrid control invented by the present inventors refers to a combination control of force control and position control to which the method is applied. In other words, hybrid control is a system that executes both position control and force control simultaneously in real time in real time by dividing the frequency band of position control and force control.
The method of dividing the frequency band is not particularly limited. For example, a frequency band from a DC component to a low frequency region is assigned to position control, and a specific frequency band capable of suppressing chatter vibration is used for force control. Is preferably assigned. Because position control is performed in the frequency band in the low frequency region from the DC component, the machining time is always estimated, and the cutting force in the region causing chatter vibration can be controlled only in a specific frequency band. is there. Specifically, for example, when 5 Hz is adopted as a low frequency region and 5 Hz to 15 Hz is adopted as a specific frequency band used for force control, chatter vibrations generated during cutting are suppressed in real time. It was verified by the inventors (see FIGS. 7 to 10 described later).
ここで、ハイブリッド制御に用いる力制御として、従来から研究開発されている一般的な制御を採用してもよい。
しかしながら、従来の一般的な力制御とは、工作機械内部又は加工空間に力センサを配置して、当該力センサからの力情報をフィードバックして、切削加工する制御である。即ち、従来の一般的な力制御を採用した場合、力センサといった新たな外部機器が必要になる。
Here, as force control used for hybrid control, general control that has been researched and developed in the past may be employed.
However, the conventional general force control is control in which a force sensor is arranged in a machine tool or in a processing space, and force information from the force sensor is fed back to perform cutting. That is, when the conventional general force control is adopted, a new external device such as a force sensor is required.
そこで、本実施形態では、本発明者らにより発明されて特開２０１０−２７１８８０号公報に既に開示された手法、即ち切削力の制御系内における推定手法（以下、「切削力推定手法」と呼ぶ）が、力制御に適用されている。これにより、力センサといった新たな外部機器が不要になる。 Therefore, in the present embodiment, a method invented by the present inventors and already disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-271880, that is, an estimation method in a control system of cutting force (hereinafter referred to as “cutting force estimation method”). ) Is applied to force control. This eliminates the need for a new external device such as a force sensor.
以下、このような切削力推定手法の概要について、図６を参照して説明する。
図６は、切削力推定手法の概要を説明するための図であって、図１の工作機械システム１で端面切削を行う際にＸステージ２２に作用する力を示した図である。
Hereinafter, an outline of such a cutting force estimation method will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining an outline of the cutting force estimation method, and is a diagram illustrating a force acting on the X stage 22 when the end surface cutting is performed by the machine tool system 1 of FIG. 1.
図６には、同図に図示せぬモータ２１（図１等）の推力Ｆｍにより、摩擦力Ｆｆｒｉｃが存在することを前提に、質量Ｍのステージ（Ｘステージ２２及びＺステージ２３）がｘ方向に移動量ｘだけ移動し、ワークＷに対して切削工具２４が切り込むことにより、切削力Ｆｃｕｔが生ずるものとされている。
また、モータ２１の推力Ｆｍは、所定の推力定数Ｋｔと、（コントローラ１１からの指令値である）参照電流Ｉｒｅｆとの積により表されるものとする。
FIG. 6 shows that the stage of mass M (the X stage 22 and the Z stage 23) is in the x direction on the assumption that the friction force Ffric exists due to the thrust Fm of the motor 21 (FIG. 1 etc.) not shown in the figure. When the cutting tool 24 cuts into the workpiece W, the cutting force Fcut is generated.
Further, the thrust Fm of the motor 21 is represented by a product of a predetermined thrust constant Kt and a reference current Iref (which is a command value from the controller 11).
このような図６のモデルについての運動方程式は、次の式（１）に示されるようになる。
実際には質量Ｍと推力定数Ｋｔは、その公称値Ｍｎ，Ｋｔｎの夫々から△Ｍ，△Ｋｔの夫々だけ変動する。これらのパラメータ変動による変動力と、切削力Ｆｃｕｔと、摩擦力Ｆｆｒｉｃとの合計が、外乱Ｆｄｉｓとなり、次の式（２）で示される。この時、式（１）は式（３）のように変換される。
式（３）において、質量の公称値Ｍｎと推力定数の公称値Ｋｔｎは既知であり、移動量ｘは位置情報としてＸステージ２２からコントローラ１１にフィードバックされ、参照電流Ｉｒｅｆは指令値としてコントローラ１１により生成される。従って、コントローラ１１は、式（３）に基づいて、外乱Ｆｄｉｓを推定することができる。
さらに、コントローラ１１は、このようにして推定した外乱Ｆｄｉｓから、摩擦力Ｆｆｒｉｃを減算することで、切削力Ｆｃｕｔを推定することができる。
なお、摩擦力Ｆｆｒｉｃは、無負荷の状態でモータ２１を駆動した時の外乱Ｆｄｉｓと同値であるので、その値を予め求めてテーブルや関数等としてデータベース化しておき、切削力Ｆｃｕｔの推定時に当該データベースから参照できるようにしておくとよい。
In equation (3), the nominal mass value Mn and the nominal thrust constant value Ktn are known, the movement amount x is fed back as position information from the X stage 22 to the controller 11, and the reference current Iref is given as a command value by the controller 11. Generated. Therefore, the controller 11 can estimate the disturbance Fdis based on the equation (3).
Furthermore, the controller 11 can estimate the cutting force Fcut by subtracting the frictional force Ffric from the disturbance Fdis thus estimated.
Note that the frictional force Ffric has the same value as the disturbance Fdis when the motor 21 is driven in a no-load state. Therefore, the value is obtained in advance and stored in a database as a table, function, or the like, and when the cutting force Fcut is estimated. It should be possible to refer to it from the database.
このようにして、式（３）の外乱Ｆｄｉｓを推定し、さらに当該外乱Ｆｄｉｓから摩擦力Ｆｆｒｉｃを減算することで、切削力Ｆｃｕｔを推定する機能ブロックが、図５の切削力推定部６１である。
つまり、切削力推定部６１は、切削力推定手法に従って、切削力Ｆｃｕｔを推定する。これにより、力センサといった新たな外部機器が不要になる。
なお、切削力推定手法のさらなる詳細については、特開２０１０−２７１８８０号公報を参照するとよい。
In this way, the functional block for estimating the cutting force Fcut by estimating the disturbance Fdis of the equation (3) and further subtracting the frictional force Ffric from the disturbance Fdis is the cutting force estimating unit 61 of FIG. .
That is, the cutting force estimation part 61 estimates the cutting force Fcut according to the cutting force estimation method. This eliminates the need for a new external device such as a force sensor.
For further details of the cutting force estimation method, reference may be made to JP 2010-271880 A.
バンドパスフィルタ６２は、切削力推定部６１により推定された切削力Ｆｃｕｔの信号（以下、「切削力推定信号」と呼ぶ）のうち、所定の周波数帯域の成分信号ＦＢＰＦのみを通過させるフィルタである。
ここで、通過させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、本実施形態では、力制御に用いられる周波数帯域、例えば５〜１５Ｈｚが設定されている。
即ち、本実施形態では、切削力推定信号のうち、力制御に用いられる周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）の成分信号ＦＢＰＦが、バンドパスフィルタ６２から出力されて、力制御コントローラ６３に供給される。
The band pass filter 62 is a filter that passes only a component signal FBPF in a predetermined frequency band out of the cutting force Fcut signal estimated by the cutting force estimation unit 61 (hereinafter referred to as “cutting force estimation signal”). .
Here, the frequency band to be passed can be arbitrarily set, but in this embodiment, a frequency band used for force control, for example, 5 to 15 Hz is set.
That is, in this embodiment, the component signal FBPF in the frequency band (for example, 5 to 15 Hz) used for force control among the cutting force estimation signals is output from the bandpass filter 62 and supplied to the force controller 63. .
力制御コントローラ６３は、切削力の指令値Ｆｃｍｄに対する、切削力のフィードバック値の誤差が無くなるように制御するコントローラであって、制御結果を加速度単位に変換して出力する。
ここで、切削力のフィードバック値としては、切削力推定信号のうち、特定の周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）の成分信号ＦＢＰＦが入力される。これにより、特定の周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）においての力制御が可能になる。
なお、力制御コントローラ６３内の力制御としては、いわゆるＰ制御が採用されているが、特にこれに限定されず、任意の種類の制御を採用することができる。
The force control controller 63 is a controller for controlling the cutting force feedback value so that there is no error with respect to the cutting force command value Fcmd, and converts the control result into an acceleration unit and outputs it.
Here, as the feedback value of the cutting force, a component signal FBPF in a specific frequency band (for example, 5 to 15 Hz) is input from the cutting force estimation signal. Thereby, force control in a specific frequency band (for example, 5 to 15 Hz) becomes possible.
In addition, as force control in the force control controller 63, what is called P control is employ | adopted, However It is not limited to this in particular, Arbitrary types of control can be employ | adopted.
バンドストップフィルタ６４は、Ｘステージ２２の検出された位置ｘを示す位置情報の信号（以下、「検出位置信号」と呼ぶ）のうち、所定の周波数帯域の成分を遮断し、それ以外の周波数帯域の成分信号ｘＢＳＦを通過させるフィルタである。
なお、図５の各機能ブロック内には、ハイブリッド制御のモデル化による各制御ブロック（ブロック線図）が図示されており、モータ２１についても、同様に、上述の式（１）等に基づいてモデル化された制御ブロック（ブロック線図）が図示されている。このため、検出位置信号は、図５では（モデル上では）モータ２１から直接出力されるように図示されているが、実際には上述のようにＸステージ２２（図１等）の図示せぬリニアエンコーダから出力されて、コントローラ１１のバンドストップフィルタ６４に入力される。
バンドストップフィルタ６４において遮断させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、本実施形態では、力制御に用いられる周波数帯域、例えば５〜１５Ｈｚが設定されている。
即ち、本実施形態では、検出位置信号のうち、力制御に用いられる周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）の成分が遮断され、それ以外の周波数帯域（例えば、直流成分から５Ｈｚまでの周波数帯域と、１５Ｈｚを超えた周波数帯域）の成分信号ｘＢＳＦがバンドストップフィルタ６４から出力されて、位置制御コントローラ６５に供給される。
The band stop filter 64 blocks a component of a predetermined frequency band from a position information signal (hereinafter referred to as “detected position signal”) indicating the detected position x of the X stage 22, and other frequency bands. The component signal xBSF is passed through.
In addition, in each functional block of FIG. 5, each control block (block diagram) by modeling of hybrid control is illustrated, and the motor 21 is similarly based on the above-described formula (1) and the like. A modeled control block (block diagram) is shown. For this reason, the detection position signal is shown to be output directly from the motor 21 in FIG. 5 (on the model), but actually, the X stage 22 (FIG. 1 etc.) is not shown as described above. It is output from the linear encoder and input to the band stop filter 64 of the controller 11.
The frequency band to be blocked by the band stop filter 64 can be freely set, but in this embodiment, a frequency band used for force control, for example, 5 to 15 Hz is set.
That is, in the present embodiment, the component of the frequency band (for example, 5 to 15 Hz) used for force control is blocked from the detected position signal, and the other frequency band (for example, the frequency band from the DC component to 5 Hz), The component signal xBSF in the frequency band exceeding 15 Hz is output from the band stop filter 64 and supplied to the position controller 65.
位置制御コントローラ６５は、位置ｘの指令値ｘｃｍｄに対する、位置ｘのフィードバック値の誤差が無くなるように制御するコントローラであって、制御結果を加速度単位に変換して出力する。
ここで、位置ｘのフィードバック値としては、検出位置信号のうち、力制御に用いられる周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）の成分以外の周波数帯域（例えば、直流成分から５Ｈｚまでの周波数帯域と、１５Ｈｚを超えた周波数帯域）の成分信号ｘＢＳＦが入力される。
これにより、力制御に用いられる周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）の成分以外の周波数帯域（例えば、直流成分から５Ｈｚまでの周波数帯域と、１５Ｈｚを超えた周波数帯域）においての位置制御が可能になる。つまり、力制御と干渉が無い位置制御が可能になる。また、直流成分も位置制御の対象になっているので、ハイブリッド制御の終了時刻を確定することも可能になる。
なお、位置制御コントローラ６５内の位置制御としては、いわゆるＰＤ制御が採用されているが、特にこれに限定されず、任意の種類の制御を採用することができる。
The position controller 65 is a controller that controls the error of the feedback value of the position x with respect to the command value xcmd of the position x, and converts the control result into an acceleration unit and outputs it.
Here, as a feedback value of the position x, a frequency band (for example, a frequency band from a DC component to 5 Hz) other than a component of a frequency band (for example, 5 to 15 Hz) used for force control in the detected position signal, 15 Hz Component signal xBSF) is input.
Thereby, position control in frequency bands (for example, frequency band from DC component to 5 Hz and frequency band exceeding 15 Hz) other than frequency band components (for example, 5 to 15 Hz) used for force control becomes possible. . That is, position control without interference with force control becomes possible. Further, since the DC component is also subject to position control, it is possible to determine the end time of hybrid control.
In addition, as position control in the position controller 65, what is called PD control is employ | adopted, However It does not specifically limit but arbitrary types of control can be employ | adopted.
このように、本実施形態では、バンドパスフィルタ６２及びバンドストップフィルタ６４が、位置制御コントローラ６５と力制御コントローラ６３の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分する機能を有している。 As described above, in this embodiment, the band pass filter 62 and the band stop filter 64 have a function of distinguishing the frequency bands to be controlled by the position controller 65 and the force controller 63.
電流指令部６６は、力制御コントローラ６３の制御結果（加速度単位）と、位置制御コントローラ６５の制御結果（加速度単位）とを加算することで、全周波数帯域の加速度単位指令ａｒｅｆを生成する。さらに、電流指令部６６は、この加速度単位の指令ａｒｅｆに対して（Ｋｔ／Ｍ）を乗算することで電流単位の指令に変換する。そして、電流指令部６６は、この電流単位の指令から、後述の電流補償部６７から出力される補償電流を減算して参照電流Ｉｒｅｆを求め、当該参照電流Ｉｒｅｆを指令値として出力する。
なお、参照電流Ｉｒｅｆは、図５の例ではモータ２１に直接入力されているが、これは検出位置情報と同様の理由によるものであり、実際には上述のようにサーボアンプ１２に入力される。そして、サーボアンプ１２が、参照電流Ｉｒｅｆに応じた電流を、モータ２１に対して流す。
The current command unit 66 adds the control result (acceleration unit) of the force controller 63 and the control result (acceleration unit) of the position controller 65 to generate an acceleration unit command aref for the entire frequency band. Furthermore, the current command unit 66 multiplies the acceleration unit command aref by (Kt / M) to convert it into a current unit command. Then, the current command unit 66 subtracts a compensation current output from the current compensation unit 67 described later from the current unit command to obtain a reference current Iref, and outputs the reference current Iref as a command value.
The reference current Iref is directly input to the motor 21 in the example of FIG. 5, but this is for the same reason as the detected position information, and is actually input to the servo amplifier 12 as described above. . The servo amplifier 12 passes a current corresponding to the reference current Iref to the motor 21.
電流補償部６７は、切削力推定部６１と同様に、上述の式（３）の外乱Ｆｄｉｓを推定し、推定した外乱Ｆｄｉｓに基づいて、その外乱Ｆｄｉｓを補償してシステムのロバスト性を高めるための補償電流を生成して、電流指令部６６に供給する。即ち、電流補償部６７は、いわゆる外乱オブザーバにより構成される。
換言すると、電流補償部６７は、ハイブリッド制御を実現するために必須な構成要素ではないが、システムのロバスト性を高めるために採用すると好適である。
なお、電流補償部６７のさらなる詳細については、特開２０１０−２７１８８０号公報を参照するとよい。
Similarly to the cutting force estimation unit 61, the current compensation unit 67 estimates the disturbance Fdis of the above equation (3), and compensates the disturbance Fdis based on the estimated disturbance Fdis to improve the robustness of the system. Is supplied to the current command unit 66. That is, the current compensation unit 67 is configured by a so-called disturbance observer.
In other words, the current compensator 67 is not an essential component for realizing the hybrid control, but is preferably employed in order to increase the robustness of the system.
For further details of the current compensator 67, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-271880.
以上、図１〜図６を参照して、本実施形態の工作機械システム１について説明した。
本発明人らは、このような本実施形態の工作機械システム１を用いてワークＷを加工（切削）する試験として、２種類の方法の試験を行い、びびり振動が抑制されることを検証した。なお、以下、２種類の方法の試験の夫々を、「第１試験」及び「第２試験」の夫々と呼ぶ。
先ず、図７〜図９を参照して第１試験について説明し、次に、図１０を参照して第２試験について説明する。
The machine tool system 1 of the present embodiment has been described above with reference to FIGS.
As a test for machining (cutting) the workpiece W using the machine tool system 1 of the present embodiment, the present inventors have conducted tests of two kinds of methods and verified that chatter vibration is suppressed. . Hereinafter, each of the tests of the two types of methods will be referred to as “first test” and “second test”, respectively.
First, the first test will be described with reference to FIGS. 7 to 9, and then the second test will be described with reference to FIG.
図７は、第１試験の方法の概略を説明する図である。
ワークＷとしては、底面の半径Ｒ＝１０ｍｍの円柱状の金属片が採用された。
本発明人らは、第１試験として、ワークスピンドル１４（図１）によりワークＷを時計回り（図７の矢印の方向）に回転させた状態でワークＷの外周から中心に向かってｘ方向に切削工具２４を移動させながら、位置制御ａ→ハイブリッド制御ｂ→位置制御ｃの順で交互に制御方法を切り替えて、ワークＷの端面を切削する試験を行った。
なお、位置制御ａ、ハイブリッド制御ｂ、及び位置制御ｃの夫々の送り量（ｘ方向の移動量）は、何れも３．３ｍｍとされた。また、ここでいう位置制御ａ及び位置制御ｃとは、図５において、サーボ制御可能な全周波数帯域で位置制御コントローラ６５による位置制御を行うこと（何れの周波数帯域においても力制御コントローラ６３による力制御を行わない）ことを意味する。
FIG. 7 is a diagram for explaining the outline of the method of the first test.
As the workpiece W, a cylindrical metal piece having a bottom radius R = 10 mm was employed.
As a first test, the inventors of the present invention rotated the workpiece W clockwise (in the direction of the arrow in FIG. 7) by the workpiece spindle 14 (FIG. 1) in the x direction from the outer periphery to the center of the workpiece W. While moving the cutting tool 24, the control method was alternately switched in the order of position control a → hybrid control b → position control c, and a test for cutting the end face of the workpiece W was performed.
The feed amounts (movement amounts in the x direction) of the position control a, the hybrid control b, and the position control c were all set to 3.3 mm. In addition, the position control a and the position control c referred to here means that the position control by the position controller 65 is performed in all frequency bands in which servo control is possible in FIG. 5 (the force by the force controller 63 in any frequency band). Means no control).
図８は、第１試験の結果を示す図である。
図８（Ａ）はワークＷの実際の加工面の性状を示す図（写真）である。
図８（Ｂ）は表面粗さの比較結果を示す図（グラフ）である。図８（Ｂ）において、縦軸は算術平均粗さＲａ［μｍ］を示している。
図８に示すように、ハイブリッド制御ｂを実行することによって、位置制御ａ，位置制御ｃを実行した場合と比較して、平均表面粗さＲａを約７０％程度まで大幅に減少させ、良好な加工面を得ることが可能になる。
FIG. 8 is a diagram showing the results of the first test.
FIG. 8A is a diagram (photograph) showing the properties of the actual processed surface of the workpiece W. FIG.
FIG. 8B is a diagram (graph) showing the comparison results of the surface roughness. In FIG. 8B, the vertical axis represents the arithmetic average roughness Ra [μm].
As shown in FIG. 8, by executing the hybrid control b, the average surface roughness Ra is greatly reduced to about 70% compared with the case where the position control a and the position control c are executed. A machined surface can be obtained.
図９は、第１試験の結果として、切削力の周波数成分を示す図である。
図９（Ａ）は、位置制御ａ，位置制御ｃが実行された際の切削力の振動についての、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析結果、即ち周波数成分を示している。
図９（Ｂ）は、ハイブリッド制御ｂが実行された際の切削力の振動についての、ＦＦＴ解析結果、即ち周波数成分を示している。
図９（Ａ），図９（Ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸はスペクトルを示す。
位置制御a,位置制御cで見られる10Hz並びに170Hz付近の大きな振動スペクトルが、ハイブリッド制御bが実行されることで飛躍的に減少していることがわかる。
FIG. 9 is a diagram showing frequency components of the cutting force as a result of the first test.
FIG. 9A shows FFT (Fast Fourier Transform) analysis results, that is, frequency components, regarding the vibration of the cutting force when the position control a and the position control c are executed.
FIG. 9B shows the FFT analysis result, that is, the frequency component, regarding the vibration of the cutting force when the hybrid control b is executed.
9A and 9B, the horizontal axis indicates the frequency [Hz], and the vertical axis indicates the spectrum.
It can be seen that the large vibration spectrum around 10 Hz and 170 Hz seen in the position control a and the position control c is drastically reduced by executing the hybrid control b.
以上、図７〜図９を参照して第１試験について説明した。次に、図１０を参照して第２試験について説明する。
図１０は、第２試験の結果を示す図である。
図１０（Ａ）は、各切り込み深さに対する最大高さ粗さＲｙを示す図（グラフ）である。図１０（Ａ）において、横軸は切り込み深さ［μｍ］を示し、縦軸は最大高さ粗さＲｙ［μｍ］を示している。
図１０（Ｂ）は、各切り込み深さに対する算術平均粗さＲａを示す図（グラフ）である。図１０（Ｂ）において、横軸は切り込み深さ［μｍ］を示し、縦軸は算術平均粗さＲａ［μｍ］を示している。
The first test has been described above with reference to FIGS. Next, the second test will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a diagram showing the results of the second test.
FIG. 10A is a diagram (graph) showing the maximum height roughness Ry with respect to each cutting depth. In FIG. 10A, the horizontal axis indicates the cutting depth [μm], and the vertical axis indicates the maximum height roughness Ry [μm].
FIG. 10B is a diagram (graph) showing the arithmetic average roughness Ra with respect to each cutting depth. In FIG. 10B, the horizontal axis indicates the depth of cut [μm], and the vertical axis indicates the arithmetic average roughness Ra [μm].
本発明人らは、第２試験として、ワークスピンドル１４（図１）によりワークＷを時計回りに回転させた状態でワークＷの外周から中心に向かってｘ方向に切削工具２４を移動させながら、ワークＷの端面を切削していく過程で、びびり振動が発生する切り込み深さ（移動量z）を測定する試験を行った。
制御方法としては、位置制御と、ハイブリッド制御との夫々が採用された。位置制御は、第１試験の位置制御ａ，位置制御cと同様の制御である。ワークＷとしては、底面の半径Ｒ＝１０ｍｍの円柱状の金属片が採用された。
図１０に示すように、位置制御では、切り込み深さが７５μｍの段階でびびり振動が発生したのに対して、ハイブリッド制御では、切り込み深さが、それよりも４５μｍも深い１２０μｍの段階でびびり振動が発生した。
このように、ハイブリッド制御を用いることで、びびり振動の抑制効果が働き、その結果として、切り込み深さを延長すること（第２試験では４５μｍ延長すること）が可能になる。
As a second test, the inventors moved the cutting tool 24 in the x direction from the outer periphery of the workpiece W toward the center while rotating the workpiece W clockwise by the workpiece spindle 14 (FIG. 1). In the process of cutting the end face of the workpiece W, a test was performed to measure the depth of cut (movement amount z) at which chatter vibration occurs.
As the control method, each of position control and hybrid control was adopted. The position control is the same control as the position control a and the position control c in the first test. As the workpiece W, a cylindrical metal piece having a bottom radius R = 10 mm was employed.
As shown in FIG. 10, in the position control, chatter vibration occurred when the cut depth was 75 μm, whereas in the hybrid control, the chatter vibration occurred when the cut depth was 120 μm, which was 45 μm deeper than that. There has occurred.
Thus, by using hybrid control, an effect of suppressing chatter vibration works, and as a result, it becomes possible to extend the depth of cut (in the second test, extend by 45 μm).
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. That is, the present invention includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
例えば、上述の実施形態では、バンドパスフィルタ６２及びバンドストップフィルタ６４（図５）が採用されたが、特にこれに限定されず、位置制御と力制御との周波数帯域を区分する機能を有する任意のもの（ソフトウェアとハードウェアとは問わない）を採用することができる。 For example, in the above-described embodiment, the band pass filter 62 and the band stop filter 64 (FIG. 5) are employed. However, the present invention is not particularly limited thereto, and an arbitrary function having a function of dividing the frequency band between position control and force control. (Whether software or hardware) can be used.
具体的には例えば、切削力推定信号のうち、直流成分を除く第１周波数帯域の成分信号を通過させる通過手段の一例として、上述の実施形態ではバンドパスフィルタ６２が採用されていた。また、第１周波数帯域を遮断することで、第１周波数帯域を除く第２周波数帯域の成分信号を通過させる遮断手段の一例として、上述の実施形態ではバンドストップフィルタ６４が採用されていた。
ここで、第１周波数帯域とは、力制御の対象となる周波数帯域であり、以下、「力制御帯域」と呼ぶ。また、第２周波数帯域とは、位置制御の対象となる周波数帯域であり、以下、「位置制御帯域」と呼ぶ。
つまり、力制御帯域は、上述の実施形態では１つの連続した周波数帯域（例えば５〜１５Ｈｚ）とされたが、特にこれに限定されず、相互に離間する複数の周波数帯域からなるようにしてもよい。換言すると、力制御帯域は、１つに限定されず、複数の帯域とすることができる。
Specifically, for example, the bandpass filter 62 is employed in the above-described embodiment as an example of a passing unit that passes the component signal of the first frequency band excluding the DC component in the cutting force estimation signal. In addition, the band stop filter 64 is employed in the above-described embodiment as an example of a blocking unit that blocks the first frequency band and allows the component signals of the second frequency band excluding the first frequency band to pass.
Here, the first frequency band is a frequency band that is a target of force control, and is hereinafter referred to as a “force control band”. The second frequency band is a frequency band that is a target of position control, and is hereinafter referred to as a “position control band”.
That is, the force control band is one continuous frequency band (for example, 5 to 15 Hz) in the above-described embodiment, but is not particularly limited thereto, and may be composed of a plurality of frequency bands that are separated from each other. Good. In other words, the force control band is not limited to one, and can be a plurality of bands.
例えば、図１１には、２つの力制御帯域が設けられた場合のコントローラ１１の機能的構成例が示されている。即ち、図１１は、図４のコントローラ１１の機能的構成のうち、ハイブリッド制御を実行する場合の機能的構成を示す機能ブロック図であって、図５とは異なる例を示す機能ブロック図である。
図１１において、図５と対応する箇所（機能ブロック、制御ブロック、及び変数等）には同一の符号が付してある。これらの説明については省略する。
For example, FIG. 11 shows a functional configuration example of the controller 11 when two force control bands are provided. That is, FIG. 11 is a functional block diagram showing a functional configuration in the case where hybrid control is executed among the functional configurations of the controller 11 of FIG. 4, and is a functional block diagram showing an example different from FIG. .
In FIG. 11, the same reference numerals are assigned to portions (functional blocks, control blocks, variables, etc.) corresponding to FIG. 5. These descriptions are omitted.
図１１においては、切削力推定部６１の出力と力制御コントローラ６３の入力との間に、１つのバンドパスフィルタ６２（図５）の代わりに、２つのバンドパスフィルタ６２−１，６２−２が並列して設けられている。また、モータ２１の出力（より正確には、Ｘステージ２２のリニアエンコーダの出力）と位置制御コントローラ６５の入力との間には、１つのバンドストップフィルタ６４（図５）の代わりに、２つのバンドストップフィルタ６４−１，６４−２が直列して設けられている。 In FIG. 11, two band-pass filters 62-1 and 62-2 are provided between the output of the cutting force estimation unit 61 and the input of the force controller 63 instead of one band-pass filter 62 (FIG. 5). Are provided in parallel. Further, between the output of the motor 21 (more precisely, the output of the linear encoder of the X stage 22) and the input of the position controller 65, two band stop filters 64 (FIG. 5) are used instead of two. Band stop filters 64-1 and 64-2 are provided in series.
バンドパスフィルタ６２−１は、切削力推定部６１により推定された切削力Ｆｃｕｔの信号、即ち切削力推定信号のうち、所定の周波数帯域の成分信号ＦＢＰＦ１のみを通過させるフィルタである。
ここで、通過させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、２つの力制御帯域のうちの１つの帯域（以下、「第１力制御帯域」と呼ぶ）、例えば２〜１０Ｈｚが設定されている。
即ち、切削力推定信号のうち、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）の成分信号ＦＢＰＦ１が、バンドパスフィルタ６２−１から出力されて、力制御コントローラ６３に供給される。
The band pass filter 62-1 is a filter that passes only the component signal FBPF1 in a predetermined frequency band out of the cutting force Fcut signal estimated by the cutting force estimation unit 61, that is, the cutting force estimation signal.
Here, the frequency band to be passed can be arbitrarily set, but one of the two force control bands (hereinafter referred to as “first force control band”), for example, 2 to 2 10 Hz is set.
That is, the component signal FBPF1 in the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) in the cutting force estimation signal is output from the bandpass filter 62-1, and is supplied to the force controller 63.
バンドパスフィルタ６２−２は、切削力推定信号のうち、所定の周波数帯域の成分信号ＦＢＰＦ２のみを通過させるフィルタである。
ここで、通過させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、２つの力制御帯域のうちの第１力制御帯域以外の帯域（以下、「第２力制御帯域」と呼ぶ）、例えば所定の高周波帯域が設定されている。
即ち、切削力推定信号のうち、第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の成分信号ＦＢＰＦ２が、バンドパスフィルタ６２−２から出力されて、力制御コントローラ６３に供給される。
The band pass filter 62-2 is a filter that passes only the component signal FBPF2 in a predetermined frequency band in the cutting force estimation signal.
Here, the frequency band to be passed can be arbitrarily set, but the band other than the first force control band of the two force control bands (hereinafter referred to as “second force control band”). ), For example, a predetermined high frequency band is set.
That is, the component signal FBPF2 of the second force control band (for example, high frequency band) in the cutting force estimation signal is output from the bandpass filter 62-2 and supplied to the force controller 63.
力制御コントローラ６３は、切削力の指令値Ｆｃｍｄに対する、切削力のフィードバック値の誤差が無くなるように制御する。
ここで、図１１の例では、切削力のフィードバック値としては、切削力推定信号のうち、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）の成分信号ＦＢＰＦ１と、第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の成分信号ＦＢＰＦ２が入力される。
これにより、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）及び第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の夫々において力制御が可能になる。その結果、第１力制御帯域の力制御により、びびり振動の抑制効果が発揮すると共に、第２力制御帯域の力制御により、安定した加工の実現、切り屑排出性の向上、切削力低下等の各種効果が発揮すると期待される。
The force controller 63 performs control so that an error in the feedback value of the cutting force with respect to the command value Fcmd of the cutting force is eliminated.
Here, in the example of FIG. 11, as the feedback value of the cutting force, the component signal FBPF1 of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) and the second force control band (for example, the high frequency band) of the cutting force estimation signal. ) Component signal FBPF2 is input.
Thereby, force control is enabled in each of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) and the second force control band (for example, high frequency band). As a result, the chatter vibration suppression effect is exhibited by the force control in the first force control zone, and the stable control is realized, the chip discharging performance is improved, the cutting force is lowered, etc. by the force control in the second force control zone. It is expected that various effects will be exhibited.
なお、力制御帯域の数は、１つ（図５）や２つ（図１１）に特に限定されず、３つ以上でもよい。さらに、力制御帯域が複数存在する場合には、全ての帯域を力制御に用いる必要は特になく、任意のタイミングで、複数の力制御帯域のうち任意の単体或いは任意の２以上の組み合せを選択的に用いることができる。 The number of force control bands is not particularly limited to one (FIG. 5) or two (FIG. 11), and may be three or more. Further, when there are a plurality of force control bands, it is not particularly necessary to use all the bands for force control, and at any timing, select any single or a combination of two or more of the plurality of force control bands. Can be used.
バンドストップフィルタ６４−１は、Ｘステージ２２の検出された位置ｘを示す位置情報の信号、即ち検出位置信号のうち、所定の周波数帯域の成分を遮断し、それ以外の周波数帯域の成分信号ｘＢＳＦ１を通過させるフィルタである。
なお、図５の説明で上述したように、検出位置信号は、図１１では（モデル上では）モータ２１から直接出力されるように図示されているが、実際にはＸステージ２２（図１等）の図示せぬリニアエンコーダから出力されて、コントローラ１１のバンドストップフィルタ６４−１に入力される。
バンドストップフィルタ６４−１において遮断させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、ここでは、２つの力制御帯域のうち第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）が設定されている。
即ち、検出位置信号のうち、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）の成分が遮断され、それ以外の周波数帯域（例えば、直流成分から２Ｈｚまでの周波数帯域と、１０Ｈｚを超えた周波数帯域）の成分信号ｘＢＳＦ１がバンドストップフィルタ６４−１から出力されて、バンドストップフィルタ６４−２に供給される。
The band stop filter 64-1 blocks a component of a predetermined frequency band from a position information signal indicating the detected position x of the X stage 22, that is, a detected position signal, and a component signal xBSF1 of the other frequency band. It is a filter that passes through.
As described above with reference to FIG. 5, the detected position signal is shown in FIG. 11 as being directly output from the motor 21 (on the model). ) And a band stop filter 64-1 of the controller 11.
The frequency band to be cut off by the band stop filter 64-1 can be freely set, but here, the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) is set out of the two force control bands. ing.
That is, the component of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) is blocked from the detected position signal, and the other frequency bands (for example, the frequency band from the DC component to 2 Hz and the frequency band exceeding 10 Hz). Component signal xBSF1 is output from the band stop filter 64-1 and supplied to the band stop filter 64-2.
バンドストップフィルタ６４−２は、検出位置信号の成分信号ｘＢＳＦ１のうち、所定の周波数帯域の成分を遮断し、それ以外の周波数帯域の成分信号ｘＢＳＦ２を通過させるフィルタである。
遮断させる周波数帯域は、任意の設定が自在に可能とされているが、ここでは、２つの力制御帯域のうち第２力制御帯域（例えば高周波帯域）が設定されている。
即ち、検出位置信号の成分信号ｘＢＳＦ１（既に第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）の成分が既に遮断されている信号ｘＢＳＦ１）から、さらに第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の成分が遮断される。その結果、それ以外の周波数帯域（例えば、直流成分から２Ｈｚまでの周波数帯域と、１０Ｈｚを超えた範囲のうち高周波帯域を除く周波数帯域）の成分信号ｘＢＳＦ２が、バンドストップフィルタ６４−２から出力されて、位置制御コントローラ６５に供給される。
The band stop filter 64-2 is a filter that blocks a component of a predetermined frequency band from the component signal xBSF1 of the detection position signal and passes the component signal xBSF2 of the other frequency band.
The frequency band to be blocked can be arbitrarily set, but here, a second force control band (for example, a high frequency band) is set out of the two force control bands.
That is, the component of the second force control band (for example, high frequency band) is further blocked from the component signal xBSF1 of the detected position signal (the signal xBSF1 for which the component of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) has already been blocked). Is done. As a result, the component signal xBSF2 in the other frequency band (for example, the frequency band from the DC component to 2 Hz and the frequency band excluding the high frequency band in the range exceeding 10 Hz) is output from the band stop filter 64-2. And supplied to the position controller 65.
位置制御コントローラ６５は、位置ｘの指令値ｘｃｍｄに対する、位置ｘのフィードバック値の誤差が無くなるように制御する。
ここで、位置ｘのフィードバック値としては、検出位置信号のうち、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）及び第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の成分以外の周波数帯域（例えば、直流成分から２Ｈｚまでの周波数帯域と、１０Ｈｚを超えた範囲のうち高周波帯域を除く周波数帯域）の成分信号ｘＢＳＦ２が入力される。
これにより、第１力制御帯域（例えば２〜１０Ｈｚ）及び第２力制御帯域（例えば高周波帯域）の成分以外の周波数帯域（例えば、直流成分から２Ｈｚまでの周波数帯域と、１０Ｈｚを超えた範囲のうち高周波帯域を除く周波数帯域）における位置制御が可能になる。つまり、力制御と干渉が無い位置制御が可能になる。また、直流成分も位置制御の対象になっているので、ハイブリッド制御の終了時刻を確定することも可能になる。
The position controller 65 performs control so that the error of the feedback value of the position x with respect to the command value xcmd of the position x is eliminated.
Here, as a feedback value of the position x, a frequency band (for example, a direct current component) other than the components of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) and the second force control band (for example, a high frequency band) of the detected position signal. To 2 Hz and a component signal xBSF2 of a frequency band excluding a high frequency band in a range exceeding 10 Hz) are input.
As a result, frequency bands other than the components of the first force control band (for example, 2 to 10 Hz) and the second force control band (for example, the high frequency band) (for example, the frequency band from the DC component to 2 Hz and the range exceeding 10 Hz). Position control in a frequency band (except for a high frequency band) is possible. That is, position control without interference with force control becomes possible. Further, since the DC component is also subject to position control, it is possible to determine the end time of hybrid control.
このように、図１１の例では、バンドパスフィルタ６２−１，６２−２及びバンドストップフィルタ６４−１，６４−２が、位置制御コントローラ６５と力制御コントローラ６３の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分する機能を有している。 As described above, in the example of FIG. 11, the band pass filters 62-1 and 62-2 and the band stop filters 64-1 and 64-2 are frequencies to be controlled by the position controller 65 and the force controller 63, respectively. It has a function of dividing the band.
また例えば、上述のコントローラ１１による一連の処理は、本実施形態では、主にＣＰＵ３１（図４）により実行される処理としたが、特にこれに限定されず、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。
換言すると、上述した各部や各手段による一連の処理を全体として実行できる機能が工作機械システム１に備えられていれば足り、この機能を実現するためにどのように各機能ブロックを構成するのかについては特に限定されない。即ち、各機能ブロックは、図５や図７に示す形態に限定されず、図４又は図７に示す機能ブロックを任意に分割又は組み合わせしたり、任意の機能の削除又は付加をすることができる。また、各機能ブロックは、ハードウェア単体で構成してもよいし、ソフトウェア単体で構成してもよいし、それらの組み合わせで構成してもよい。
Further, for example, in the present embodiment, the series of processes by the controller 11 described above is mainly performed by the CPU 31 (FIG. 4). However, the present invention is not particularly limited thereto, and may be executed by hardware. It can also be executed by software.
In other words, it is sufficient that the machine tool system 1 has a function capable of executing a series of processes by the above-described units and means as a whole, and how each functional block is configured to realize this function. Is not particularly limited. That is, each functional block is not limited to the form shown in FIG. 5 or FIG. 7, and the functional blocks shown in FIG. 4 or FIG. 7 can be arbitrarily divided or combined, or arbitrary functions can be deleted or added. . Each functional block may be constituted by hardware alone, software alone, or a combination thereof.
一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コントローラ１１等のコンピュータに対して、ネットワークや記録媒体からインストールされる。
コンピュータは、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータであってもよい。また、コンピュータは、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能なコンピュータ、例えば汎用のパーソナルコンピュータであってもよい。
When a series of processing is executed by software, a program constituting the software is installed on a computer such as the controller 11 from a network or a recording medium.
The computer may be a computer incorporated in dedicated hardware. The computer may be a computer capable of executing various functions by installing various programs, for example, a general-purpose personal computer.
このようなプログラムを含む記録媒体は、ユーザにプログラムを提供するために装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア５１（図４）により構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体等で構成される。リムーバブルメディア５１は、例えば、磁気ディスク（フロッピディスクを含む）、光ディスク、又は光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ−Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体は、例えば、プログラムが記録されている図４のＲＯＭ３２や、ハードディスク等の記憶部３８で構成される。 The recording medium including such a program is not only configured by the removable medium 51 (FIG. 4) distributed separately from the apparatus main body in order to provide the program to the user, but is also preliminarily incorporated in the apparatus main body. It is composed of a recording medium provided to the user. The removable medium 51 is composed of, for example, a magnetic disk (including a floppy disk), an optical disk, a magneto-optical disk, or the like. The optical disk is composed of, for example, a CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory), a DVD (Digital Versatile Disk), or the like. The magneto-optical disk is configured by an MD (Mini-Disk) or the like. Further, the recording medium provided to the user in a state of being incorporated in advance in the apparatus main body includes, for example, the ROM 32 in FIG. 4 in which a program is recorded, and a storage unit 38 such as a hard disk.
また例えば、工作機械（本体）として、上述の実施形態では、切削工具２４を有するＸＺステージ１３と、ワークスピンドル１４とが採用されたが、特にこれに限定されない。
また例えば、上述の実施形態では、Ｘステージ２２用のリニアモータたるモータ２１のみが駆動手段として図示されたが、上述したように、Ｚステージ２３用のリニアモータやワークスピンドル１４用の通常（回転方向に動力を発する）モータもまた駆動手段に含まれる。これらのモータは、駆動手段の一例であって、その他駆動力を発生させる任意の機器を駆動手段として採用することができる。
即ち、駆動手段の駆動力により、ワークに対する相対的な位置を移動させると共に加工力を発生させて当該ワークを加工する加工手段を備える工作機械一般に対して、ハイブリッド制御を適用することが可能である。
ここで、加工手段の「ワークに対する相対的な位置を移動させる」とは、上述の実施形態のように、ワークＷを固定して切削工具２４（加工手段一例）側を移動させることの他、加工手段を固定してワーク側を移動させたり、加工手段とワークとの両者を移動させることを含む広義な概念である。
また、「加工」とあるように、加工手段によるワークの加工方法は、切削に特に限定されず、加工手段の加工力（上述の実施形態では切削力）を用いるもの、例えば研削・研磨等でもよい。
For example, as the machine tool (main body), the XZ stage 13 having the cutting tool 24 and the work spindle 14 are employed in the above-described embodiment, but the present invention is not particularly limited thereto.
Further, for example, in the above-described embodiment, only the motor 21 that is the linear motor for the X stage 22 is illustrated as the driving means. However, as described above, the linear motor for the Z stage 23 and the normal (rotational) for the work spindle 14 are illustrated. A motor that emits power in the direction is also included in the drive means. These motors are examples of driving means, and any other device that generates a driving force can be adopted as the driving means.
That is, the hybrid control can be applied to general machine tools including a processing unit that moves a relative position with respect to the workpiece and generates a processing force by the driving force of the driving unit to process the workpiece. .
Here, “moving the relative position with respect to the workpiece” of the processing means means that the work W is fixed and the cutting tool 24 (an example of the processing means) side is moved as in the above-described embodiment. This is a broad concept including moving the work side while fixing the processing means, or moving both the processing means and the work.
In addition, as described in “machining”, the method of machining a workpiece by the machining means is not particularly limited to cutting, and a method using the machining force of the machining means (cutting force in the above embodiment), for example, grinding / polishing, etc. Good.
以上まとめると、本発明が適用される工作機械制御装置は、以下のような構成を有すれば足り、各種各様の実施形態を採用することができる。
即ち、本発明が適用される工作機械制御装置は、駆動手段（例えば図１等のモータ２１）の駆動力により、ワーク（例えば図１等のワークＷ）に対する相対的な位置を移動させると共に加工力（例えば上述の実施形態でいう切削力）を発生させて当該ワークを加工する加工手段（例えば図１等の切削工具２４）を備える工作機械に対して、制御を実行する工作機械制御装置である。
そして、本発明が適用される工作機械制御装置は、次のような各手段、即ち、位置制御手段（例えば図５の位置制御コントローラ６５）と、加工力推定手段（例えば図５の電流補償部６７）と、力制御手段（例えば図５の力制御コントローラ６３）と、周波数帯域区分手段（例えば図５のバンドパスフィルタ６２とバンドストップフィルタ６４）とを備える。
位置制御手段は、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置の検出結果を示す検出位置信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御する。
加工力推定手段は、前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号（例えば上述の実施形態の参照電流Ｉｒｅｆ）及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱から摩擦力を減算することにより、前記加工力の推定結果を示す加工力推定信号（例えば上述の実施形態でいう切削力推定信号）を生成する。
力制御手段は、前記加工力推定信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する。
周波数帯域区分手段は、前記位置制御手段と前記力制御手段の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分する。
In summary, the machine tool control apparatus to which the present invention is applied only needs to have the following configuration, and various embodiments can be employed.
That is, the machine tool control apparatus to which the present invention is applied moves the relative position with respect to the workpiece (for example, the workpiece W in FIG. 1) by the driving force of the driving means (for example, the motor 21 in FIG. 1) and performs machining. A machine tool control device that performs control on a machine tool that includes a processing means (for example, the cutting tool 24 in FIG. 1) that generates a force (for example, the cutting force in the above-described embodiment) to process the workpiece. is there.
The machine tool control apparatus to which the present invention is applied includes the following means, that is, position control means (for example, the position control controller 65 in FIG. 5) and machining force estimation means (for example, the current compensation unit in FIG. 5). 67), force control means (for example, force control controller 63 in FIG. 5), and frequency band sorting means (for example, band pass filter 62 and band stop filter 64 in FIG. 5).
The position control means controls the relative position of the machining means with respect to the workpiece based on a detection position signal indicating the detection result of the relative position of the machining means with respect to the workpiece.
The processing force estimating means estimates a disturbance to the driving means based on a command signal (for example, the reference current Iref in the above-described embodiment) for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and estimates By subtracting the frictional force from the disturbance, a machining force estimation signal indicating the machining force estimation result (for example, a cutting force estimation signal in the above-described embodiment) is generated.
The force control means controls the machining force of the machining means based on the machining force estimation signal.
The frequency band classifying unit classifies the frequency bands to be controlled by the position control unit and the force control unit.
これにより、次のような効果を奏することができる。
即ち、従来のＮＣ工作機械に対する一般的な制御としては、全周波数帯域を位置フィードバックで制御する位置制御が採用されていた。このような位置制御は、高速かつ高精度な加工が可能となると共に、加工終了時刻がわかるという利点を有しているが、一方で、工具加工物への過負荷が生ずるという欠点を有している。当該欠点により、びびり振動が発生し易くなっている。
また、研究開発レベルであるが、全帯域を力フィードバックで制御する力制御も従来から存在した。このような力制御は、工具加工物への過負荷を抑制し得る利点を有しているが、一方で、加工終了時刻が予測不能でるため生産工程（特に切削）に適用すること自体困難であるという欠点を有している。
これに対して、本発明が適用される工作機械制御装置は、位置制御手段と力制御手段の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分することによって、位置制御と力制御とを同時に並行してリアルタイムに実行する制御、即ちハイブリッド制御を実現することができる。
この周波数帯域の区分手法は特に限定されない。そこで例えば、直流成分を含むような所定の周波数帯域を位置制御に割り当てることで、力制御の欠点（終了時刻を確定できない）を解消することができる。また例えば、切削力の振動を抑制できるような特定の周波数帯域を力制御に割り当てることで、位置制御の欠点（工具加工物への過負荷及びびびり振動の発生）を解消することができる。
つまり、ハイブリッド制御を実現することで、位置制御と力制御の相互の欠点を補完すると共に相互の利点を高め合うことができる。
さらに、ハイブリッド制御は、コントローラ側のソフトウェアを変更するだけで実現可能であり、加工中の位置及び加工力をフィードバックして制御することで、びびり振動をリアルタイムに抑制するものである。つまり、特許文献１等従来のびびり振動の抑制手法が有していた欠点、即ち、加工後に次回以降の加工のための切削条件を変更する（工作機械本体側の変更も必要になる）ことによる、非リアルタイムかつ非効率な加工になるという欠点を解消することもできる。
Thereby, the following effects can be produced.
That is, as general control for the conventional NC machine tool, position control for controlling the entire frequency band by position feedback has been adopted. Such position control has the advantage that high-speed and high-precision machining is possible and the machining end time can be known, but on the other hand, it has the disadvantage of overloading the tool workpiece. ing. Due to this drawback, chatter vibration is likely to occur.
At the research and development level, there has also been force control that controls the entire band with force feedback. Such force control has the advantage of suppressing overload on the tool workpiece, but on the other hand, since the machining end time is unpredictable, it is difficult to apply it to the production process (especially cutting). It has the disadvantage of being.
On the other hand, the machine tool control apparatus to which the present invention is applied is configured to perform position control and force control simultaneously in parallel by dividing the frequency bands to be controlled by the position control unit and the force control unit. Control executed in real time, that is, hybrid control can be realized.
The frequency band dividing method is not particularly limited. Therefore, for example, by assigning a predetermined frequency band including a direct current component to the position control, it is possible to eliminate the drawbacks of force control (the end time cannot be determined). Further, for example, by assigning a specific frequency band capable of suppressing the vibration of the cutting force to the force control, it is possible to eliminate the disadvantages of the position control (the occurrence of overload and chatter vibration on the tool workpiece).
That is, by realizing the hybrid control, it is possible to complement the mutual drawbacks of the position control and the force control and enhance the mutual advantages.
Furthermore, the hybrid control can be realized only by changing the software on the controller side, and chatter vibration is suppressed in real time by feedback and control of the position and processing force during processing. That is, it is due to the drawbacks of the conventional chatter vibration suppression methods such as Patent Document 1, that is, by changing the cutting conditions for the next and subsequent machining after machining (the machine tool main body side also needs to be changed). The disadvantage of non-real time and inefficient processing can also be solved.
さらに、本発明が適用される工作機械制御装置は、加工力推定手段を有しているので、力制御のための外部機器は特に不要である。つまり、制御対象としては、付加的なセンサやピエゾアクチュエータといった新たな外部機器を取り付けることなく従来のＮＣ工作機械をそのまま流用することが可能である。 Furthermore, since the machine tool control apparatus to which the present invention is applied has the machining force estimation means, an external device for force control is not particularly required. That is, as a control object, a conventional NC machine tool can be used as it is without attaching a new external device such as an additional sensor or a piezoelectric actuator.
このようにして、本発明が適用される工作機械制御装置は、付加的なセンサやピエゾアクチュエータといった新たな外部機器を用いずに、加工中に発生するびびり振動をリアルタイムに抑制することが可能になる。 In this way, the machine tool control apparatus to which the present invention is applied can suppress chatter vibration generated during machining in real time without using a new external device such as an additional sensor or a piezoelectric actuator. Become.
さらに、駆動手段の外乱を補償してシステムのロバスト性を高めたいという要望がある場合、本発明が適用される工作機械制御装置は、次のような補償手段（例えば図５の電流補償部６７）を備えるようにしてもよい。
補償手段は、駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号（例えば上述の実施形態の参照電流Ｉｒｅf）及び検出位置信号に基づいて駆動手段への外乱を推定し、推定した外乱に基づいて、駆動信号の指令信号を補償する補償信号を生成する。
Further, when there is a desire to compensate the disturbance of the driving means to improve the robustness of the system, the machine tool control apparatus to which the present invention is applied includes the following compensating means (for example, the current compensating unit 67 in FIG. 5). ) May be provided.
The compensating means estimates a disturbance to the driving means based on a command signal (for example, the reference current Iref in the above-described embodiment) and a detection position signal for generating a driving force of the driving means, and based on the estimated disturbance Then, a compensation signal for compensating the command signal of the drive signal is generated.
１・・・工作機械システム、１１・・・コントローラ、１２・・・サーボアンプ、１３・・・ＸＺステージ、１４・・・ワークスピンドル、２１・・・モータ、２２・・・Ｘステージ、２３・・・Ｚステージ、２４・・・切削工具、３１・・・ＣＰＵ、３２・・・ＲＯＭ、３３・・・ＲＡＭ、３４・・・バス、３５・・・入出力インターフェース、３６・・・入力部、３７・・・出力部、３８・・・記憶部、３９・・・通信部、４０・・・ドライブ、５１・・・リムーバブルメディア、６１・・・切削力推定部、６２，６２−１，６２−２・・・バンドパスフィルタ、６３・・・力制御コントローラ、６４，６４−１，６４−２・・・バンドストップフィルタ、６５・・・位置制御コントローラ、６６・・・電流指令部、６７・・・電流補償部、Ｗ・・・ワーク DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Machine tool system, 11 ... Controller, 12 ... Servo amplifier, 13 ... XZ stage, 14 ... Work spindle, 21 ... Motor, 22 ... X stage, 23. ..Z stage, 24 ... cutting tool, 31 ... CPU, 32 ... ROM, 33 ... RAM, 34 ... bus, 35 ... input / output interface, 36 ... input unit , 37 ... output unit, 38 ... storage unit, 39 ... communication unit, 40 ... drive, 51 ... removable media, 61 ... cutting force estimation unit, 62, 62-1, 62-2 ... band pass filter, 63 ... force control controller, 64, 64-1, 64-2 ... band stop filter, 65 ... position control controller, 66 ... current command section, 67 ... Current compensation , W ··· work
Claims (6)
前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置の検出結果を示す検出位置信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御する位置制御手段と、
前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱から摩擦力を減算することにより、前記加工力の推定結果を示す加工力推定信号を生成する加工力推定手段と、
前記加工力推定信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する力制御手段と、
前記位置制御手段と前記力制御手段の夫々の制御対象となる周波数帯域を区分する周波数帯域区分手段と、
を備える工作機械制御装置。 In a machine tool control apparatus that controls a machine tool including a machining unit that moves a relative position with respect to a workpiece and generates a machining force by the driving force of the driving unit to process the workpiece.
Position control means for controlling the relative position of the processing means with respect to the work based on a detection position signal indicating the detection result of the relative position of the processing means with respect to the work;
Estimating the disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and subtracting the frictional force from the estimated disturbance, thereby estimating the machining force Machining force estimation means for generating a machining force estimation signal indicating the result;
Force control means for controlling the machining force of the machining means based on the machining force estimation signal;
A frequency band dividing means for dividing a frequency band to be controlled by each of the position control means and the force control means;
A machine tool control device comprising:
前記加工力推定信号のうち、直流成分を除く第１周波数帯域の成分信号を通過させる通過手段と、
前記検出位置信号のうち、前記第１周波数帯域を遮断することで、前記第１周波数帯域を除く第２周波数帯域の成分信号を通過させる遮断手段と、
を備え、
前記位置制御手段は、前記遮断手段から通過した前記第２周波数帯域の成分信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御し、
前記力制御手段は、前記通過手段から通過した前記第１周波数帯域の成分信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する、
請求項１に記載の工作機械制御装置。 The frequency band dividing means is
Passing means for passing a component signal of a first frequency band excluding a DC component of the machining force estimation signal;
Blocking means for passing the component signal of the second frequency band excluding the first frequency band by blocking the first frequency band of the detection position signal;
With
The position control means controls the relative position of the processing means with respect to the workpiece based on the component signal of the second frequency band that has passed from the blocking means,
The force control means controls the processing force of the processing means based on the component signal of the first frequency band passed from the passing means;
The machine tool control device according to claim 1.
請求項２に記載の工作機械制御装置。 The first frequency band is composed of a plurality of frequency bands spaced from each other.
The machine tool control device according to claim 2.
をさらに備える請求項１乃至３のうちの何れか１項に記載の工作機械制御装置。 Compensation for estimating a disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and compensating the command signal of the driving signal based on the estimated disturbance Compensation means for generating a signal,
The machine tool control device according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置の検出結果を示す検出位置信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御する位置制御ステップと、
前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱から摩擦力を減算することにより、前記加工力の推定結果を示す加工力推定信号を生成する加工力推定ステップと、
前記加工力推定信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する力制御ステップと、
前記位置制御ステップと前記力制御ステップの夫々における制御対象となる周波数帯域を区分する周波数帯域区分ステップと、
を含む工作機械制御方法。 In a machine tool control method executed by a machine tool control device for a machine tool having a machining means for machining a workpiece by moving a relative position with respect to the workpiece and generating a machining force by a driving force of a driving means. ,
A position control step for controlling a relative position of the processing means with respect to the workpiece based on a detection position signal indicating a detection result of a relative position of the processing means with respect to the workpiece;
Estimating the disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and subtracting the frictional force from the estimated disturbance, thereby estimating the machining force A machining force estimation step for generating a machining force estimation signal indicating the result; and
A force control step for controlling the machining force of the machining means based on the machining force estimation signal;
A frequency band dividing step of dividing a frequency band to be controlled in each of the position control step and the force control step;
A machine tool control method including:
前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置の検出結果を示す検出位置信号に基づいて、前記加工手段の前記ワークに対する相対的な位置を制御する位置制御ステップと、
前記駆動手段の駆動力を発生させる駆動信号の指令信号及び前記検出位置信号に基づいて前記駆動手段への外乱を推定し、推定した当該外乱から摩擦力を減算することにより、前記加工力の推定結果を示す加工力推定信号を生成する加工力推定ステップと、
前記加工力推定信号に基づいて、前記加工手段の加工力を制御する力制御ステップと、
前記位置制御ステップと前記力制御ステップの夫々における制御対象となる周波数帯域を区分する周波数帯域区分ステップと、
を含む制御処理を実行させるプログラム。 A computer that controls a machine tool including a processing unit that moves a relative position with respect to the workpiece and generates a processing force by the driving force of the driving unit to process the workpiece.
A position control step for controlling a relative position of the processing means with respect to the workpiece based on a detection position signal indicating a detection result of a relative position of the processing means with respect to the workpiece;
Estimating the disturbance to the driving means based on the command signal of the driving signal for generating the driving force of the driving means and the detected position signal, and subtracting the frictional force from the estimated disturbance, thereby estimating the machining force A machining force estimation step for generating a machining force estimation signal indicating the result; and
A force control step for controlling the machining force of the machining means based on the machining force estimation signal;
A frequency band dividing step of dividing a frequency band to be controlled in each of the position control step and the force control step;
A program that executes control processing including
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