JP2018181210A - 揺動切削を行う工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】学習制御を適用している場合であっても、追従性を高める。【解決手段】工作機械（１０）の制御装置（２０）は、送り軸（Ｍ１、Ｍ２）の揺動指令を作成する揺動指令作成部（２３）と、位置指令と送り軸の検出位置との間の位置偏差に揺動指令を加算して合成指令を作成する第一加算部（２４）と、合成指令を正規化する正規化部（２５）と、揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令とに基づいて、合成指令の補正量を求めて合成指令に加算する学習制御部（２６）と、学習制御部からの出力を逆正規化する逆正規化部（２７）と、逆正規化部により逆正規化された出力を合成指令に加算する第二加算部（２８）とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、揺動切削を行う工作機械の制御装置に関する。

工作機械の工具によりワークを加工する際に切屑が連続して発生すると、切屑が工具に絡まる場合がある。このため、ワークを断続切削するように工具を揺動させる技術が知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

ところが、特許文献１および特許文献２では所定の加工停止位置で切削加工を終了することまでは考慮されていない。従って、切削工具が揺動し続けて所定の加工停止位置を越えてしまうという問題が生じる。このため、特許文献３には、「前記切削工具が前記加工送り方向におけるワーク上の所定の切削工具加工停止位置に到達する際、前記振幅制御手段が、前記加工送り方向への送り動作に伴って前記振動手段による往復振動の振幅を減少させる」ことが開示されている。

特許第５０３３９２９号公報 特許第５１３９５９２号公報 国際公開第２０１６／０４７４８５号

ところが、断続切削に学習制御を適用している場合には、揺動運動の振幅を加工停止位置近傍で小さくしたとしても、振幅は即時に追従して小さくならない。このため、切削工具が加工停止位置を越えるという問題を解決できない場合がある。また、ワークの形状によっては、ワークの加工停止位置近傍において、ワークに切込みが生じる可能性もある。

それゆえ、学習制御を適用している場合であっても、追従性を高めることのできる工作機械の制御装置が望まれている。

本開示の１番目の態様によれば、ワークおよび工具を前記ワークの中心軸線まわりに相対的に回転させる主軸と、前記ワークの外周面または内周面の母線に沿って前記工具および前記ワークを相対的に送る少なくとも一つの送り軸とを備えた工作機械を制御する制御装置であって、前記ワークおよび前記工具の相対的な回転速度ならびに前記工具および前記ワークの相対的な送り速度に基づいて、前記少なくとも一つの送り軸の位置指令を作成する位置指令作成部と、前記回転速度および前記位置指令に基づいて、前記回転速度に対して正の非整数倍になるように且つ前記工具が前記ワークを断続切削するように、前記少なくとも一つの送り軸の揺動指令を作成する揺動指令作成部と、前記位置指令と前記少なくとも一つの送り軸の実位置との差である位置偏差に前記揺動指令を加算して得られる合成指令を作成する第一加算部と、前記合成指令を正規化する正規化部と、前記揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令とに基づいて、前記合成指令の補正量を求めて前記合成指令に加算する学習制御部と、該学習制御部からの出力を逆正規化する逆正規化部と、該逆正規化部により逆正規化された出力を前記合成指令に加算する第二加算部とを具備する、制御装置が提供される。

１番目の態様においては、合成指令を代表値、例えば位置指令で正規化して学習制御部へ入力し、また、学習制御部からの出力を代表値、例えば位置指令で逆正規化している。このため、学習制御部への入力時の代表値が出力時の代表値と異なる場合であっても、出力時の代表値で逆正規化しているので、代表値、例えば位置指令の変化に容易に追従することができる。従って、学習制御を適用している場合であっても、追従性を高めることができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

第一の実施形態に基づく制御装置を含むシステムの図である。 第一のワークの断面図である。 第二のワークの断面図である。 第三のワークの断面図である。 第四のワークの断面図である。 典型的な実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。 第二の実施形態に基づく制御装置を含むシステムの図である。 送り量と回転角度との関係を示す図である。 従来技術における時間と工具の位置との関係を示す図である。 第一の実施形態における時間と工具の位置との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。
図１は第一の実施形態に基づく制御装置を含むシステムの図である。図１に示されるように、システム１は、工作機械１０と、工作機械１０を制御する制御装置２０と、制御装置２０に接続された上位制御装置３０とを含んでいる。工作機械１０は工具１１を有しており、工具１１は、少なくとも部分的に回転軸線Ｏまわりに回転対称なワークＷの外周面または内周面を切削加工する。また、図１などにおいては、ワークＷの回転軸線をＺ軸、Ｚ軸に対して垂直な軸線をＸ軸としている。

工作機械１０の主軸Ｍ０はワークＷをその回転軸線Ｏまわりに回転させる。さらに、工作機械１０の送り軸Ｍ１は工具１１をワークＷの母線に沿って送る。なお、後述するように、二つ以上の送り軸Ｍ１、Ｍ２が工具１１をワークＷの母線に沿って送る構成であってもよい。

主軸Ｍ０は主軸回転機構と該回転機構を駆動するサーボモータを含むものである。同様に、送り軸Ｍ１、Ｍ２は工具１１の送り機構と該送り機構を駆動するサーボモータとを含むものである。そして、送り軸Ｍ１、Ｍ２は主軸Ｍ０と協調動作しつつ工具１１を送ってワークＷを切削加工するものとする。なお、主軸Ｍ０および送り軸Ｍ１、Ｍ２の必要トルクは、切削負荷を除けばイナーシャと指令の角加速度より推定できるが、主軸Ｍ０、送り軸Ｍ１、Ｍ２の位置およびトルクを検出するための位置検出部Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２がそれぞれ備えられていても良い。位置検出部Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２はエンコーダであってもよい。

上位制御装置３０は例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）であるが、これに限定されるものではない。上位制御装置３０は、ワークＷの加工条件、例えばワークＷを回転させる主軸Ｍ０の回転速度、例えば回転速度指令Ｖｃおよび工具１１を送る送り軸Ｍ１、Ｍ２の位置指令Ｐｃを作成する。言い換えれば、上位制御装置３０は、ワークＷおよび工具１１の相対的な回転速度ならびに工具１１およびワークＷの相対的な送り速度に基づいて、少なくとも一つの送り軸Ｍ１、Ｍ２の位置指令を作成する位置指令作成部としての役目を果たす。位置指令Ｐｃは単位時間当たりの位置指令であるので、位置指令Ｐｃは一種の速度指令でありうる。主軸Ｍ０の回転速度として回転速度検出値を使用しても良い。以下においては、主軸Ｍ０の回転速度は回転速度指令Ｖｃであるものとする。

制御装置２０はＣＰＵ、メモリなどを備えたデジタルコンピュータであるが、これに限定されるものではない。制御装置２０は、主軸Ｍ０の回転速度および少なくとも一つの送り軸Ｍ１、Ｍ２の位置指令Ｐｃに基づいて、回転速度に対して正の非整数倍になるように且つ工具１１がワークＷを断続切削するように、少なくとも一つの送り軸Ｍ１、Ｍ２の揺動指令を作成する揺動指令作成部２３を含んでいる。揺動指令は揺動周波数と揺動振幅とを含んでいる。回転速度は、主軸Ｍ０の回転速度指令Ｖｃでも回転速度実際値でもよい。

なお、断続切削とは、工具１１が周期的にワークＷに接触およびワークＷから離間しながらワークＷを切削加工することを意味し、揺動切削または振動切削ともいう。また、図１においてはワークＷが回転すると共に工具１１がワークＷに対して揺動するようになっているが、工具１１が回転すると共にワークＷが工具１１に対して揺動する構成であってもよい。

さらに、制御装置２０は、位置指令Ｐｃと位置検出部Ｔ１、Ｔ２により検出された少なくとも一つの送り軸Ｍ１、Ｍ２の検出位置Ｐｄ（実位置）との間の差である位置偏差ΔＰに揺動指令を加算して得られる合成指令Ｓｃを作成する第一加算部２４を含んでいる。さらに、制御装置２０は、揺動指令が加算された後の位置偏差ΔＰである合成指令Ｓｃを正規化する正規化部２５と、揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令Ｓｃ'とに基づいて、合成指令Ｓｃの補正量を求めて合成指令Ｓｃに加算する学習制御部２６とを含んでいる。
学習制御部２６は、揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令とに基づいて補正量を繰返し求め、合成指令を補正することで、周期的な動作に対する追従性を向上させている。学習制御とは、１学習周期前までの積算偏差により移動指令を補正することで、周期的な指令への追従性を向上させる制御である。

さらに、制御装置２０は学習制御部２６からの出力を逆正規化する逆正規化部２７と、逆正規化部２７により逆正規化された出力を合成指令Ｓｃに加算する第二加算部２８とを含んでいる。さらに、制御装置２０は、逆正規化された出力が加算された合成指令Ｓｃ''に基づいて、送り軸Ｍ１、Ｍ２のための速度指令およびトルク指令を作成して、送り軸Ｍ１、Ｍ２に供給する位置速度制御部２９を含んでいる。制御装置２０のＣＰＵは、揺動指令作成部２３、第一加算部２４、正規化部２５、学習制御部２６、逆正規化部２７、第二加算部２８および位置速度制御部２９としての役目を果たす。

図２Ａ〜図２Ｄは第一〜第四のワークの断面図である。図２Ａに示されるワークＷは円筒形状部分Ｗ１と、円筒形状部分Ｗ１に結合されたフランジＷ２とを含んでいる。円筒形状部分Ｗ１とフランジＷ２との間には、断面が略直角なコーナ部Ｑが形成されている。これに対し、図２Ｂに示されるワークＷにおいては、円筒形状部分Ｗ１とフランジＷ２との間のコーナ部Ｑの断面は円弧状である。

さらに、図２Ｃに示されるワークＷは、円筒形状部分Ｗ１と、フランジＷ２と、円筒形状部分Ｗ１およびフランジＷ２の間に配置されたテーパ部分Ｗ３とを含んでいる。円筒形状部分Ｗ１とテーパ部分Ｗ３との間、およびテーパ部分Ｗ３とフランジＷ２との間には断面が鈍角のコーナ部Ｑがそれぞれ形成されている。また、図２Ｄに示されるワークＷは円筒形状であり、その端面には円錐台状凹部Ｗ４が形成されている。凹部Ｗ４の底部と内周面との間には断面が鈍角のコーナ部Ｑが形成されている。

図２Ａ〜図２Ｄに示されるワークＷの円筒形状部分Ｗ１、テーパ部分Ｗ３および円錐台状凹部Ｗ４は回転軸線Ｏまわりに回転対称である。つまり、図２Ａ〜図２Ｄに示されるワークＷは回転軸線Ｏまわりに回転対称な一部分を含んでいる。そして、ワークＷのコーナ部Ｑは回転軸線Ｏに沿った断面においてワークＷの半径方向最外方部分よりも半径方向内側に存在しており、これらコーナ部Ｑは、半径方向最外方部分に連続していない。言い換えれば、ワークＷは、回転軸線Ｏに沿った断面において、段部を有している。

図１に示される工具１１は、図２Ａ〜図２Ｃに示される円筒形状部分Ｗ１およびテーパ部分Ｗ３の外周面、ならびに図２Ｄに示される円錐台状凹部Ｗ４の内周面を切削加工するものとする。なお、フランジＷ２は必ずしも回転対称である必要はなく、半径方向に単に延びる突出部がフランジＷ２の代わりに備えられていてもよい。また、円筒形状部分Ｗ１の代わりに、テーパ部分が設けられていても良い。

図３は典型的な実施形態に基づく制御装置の動作を示すフローチャートである。理解を容易にする目的で、工具１１はワークＷの円筒形状部分Ｗ１のみの外周面を切削加工する場合について説明する。図３に示される処理は所定の制御周期毎に繰返し実施されるものとする。

はじめに、図３のステップＳ１１において、揺動指令作成部２３は、上位制御装置３０から供給された位置指令Ｐｃと主軸回転速度指令Ｖｃとに基づいて、送り軸Ｍ１の揺動指令を作成する。図１に示される例においては、工具１１は回転軸線Ｏに平行な直線のみに沿って揺動するので、送り軸Ｍ１のためだけの揺動指令が作成される。

ここで、図４は第二の実施形態に基づく制御装置を含む他のシステムの図である。図４に示される例においては、テーパ部分Ｗ３がフランジＷ２に結合されている。配置されている。この場合には、工具１１はテーパ部分Ｗ３の母線に沿って斜方向に揺動してテーパ部分Ｗ３の外周面を切削加工するようになっている。工具１１はＸ方向およびＺ方向の合成方向に移動するので、工具１１を移動させるために二つの送り軸Ｍ１、Ｍ２が必要とされる。この場合には、ステップＳ１１においては、二つの送り軸Ｍ１、Ｍ２のための揺動指令がそれぞれ作成されるものとする。なお、さらに多数の送り軸により工具１１を送る構成であっても本発明の範囲に含まれる。また、このような場合には、各送り軸毎に、図示される構成が存在するものとする。

以下においては、図１に示されるように工具１１がワークＷの円筒形状部分Ｗ１のみの外周面を切削加工する場合について説明する。ただし、以下の説明は、図２Ａ〜図２Ｄ、図４に示される場合にも概ね同様に適用されることが理解されるだろう。

図５は送り量と回転角度との関係を示す図である。図５における横軸はワークＷの回転角度を示し、縦軸はワークＷの中心軸線の方向（すなわち、Ｚ軸方向）における工具１１の送り量を示している。図５には斜方向に延びる複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…が示されている。図５から分かるように、破線Ｃ１と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ２の開始点における縦軸座標に相当する。同様に、破線Ｃ２と縦軸との間の交点の縦軸座標は、次の破線Ｃ３の開始点における縦軸座標に相当する。これら複数の直線状破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…は揺動指令が無い場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示している。一方、図５に示される曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３…は、揺動指令がある場合においてワークＷ上における工具１１の軌跡を示している。つまり、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等は、揺動指令が加算される前の位置指令（元の指令値）のみを示し、曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は、揺動指令が加算された後の位置指令（合成指令）を示しているものとする。よって、曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３により表される各位置指令に余弦波状の揺動指令を加算して得られる指令を示している。

また、曲線Ａ１はワークＷの第一回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ２はワークＷの第二回転目における工具１１の軌跡であり、曲線Ａ３はワークＷの第三回転目における工具１１の軌跡である。簡潔にする目的で、ワークＷの第四回転目以降の工具１１の軌跡は図示を省略している。これら曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３は破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を基準軸線とする余弦波に縦軸方向の送り量を加算したものであり、ワークＷの回転速度（回転数）に対して正の非整数倍の揺動周波数を有している。

図３のステップＳ１１において、揺動指令作成部２３は以下のようにして揺動指令を作成する。はじめに、上位制御装置３０において、送り軸Ｍ１の位置指令Ｐｃの破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が決定される。揺動指令作成部２３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３のような指令を生成するため、余弦波状の揺動指令における揺動周波数を決定する。後述する式（１）におけるＳ／６０×Ｉ の項による値が揺動周波数となる。

上記の揺動周波数を決定する場合、図５に示されるように、或る破線、例えば破線Ｃ２を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ２の初期位相は、一つ前の破線、例えば破線Ｃ１を基準軸線とする余弦波状の曲線Ａ１に対して半周期ズレるのが好ましい。その理由は、半周期ズレた場合には、揺動指令の揺動振幅を最小限にでき、その結果、最も効率的に切屑を細断できるためである。

次いで、揺動指令作成部２３は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の各々を基準軸線とする曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３のような指令を生成するため、前述した揺動指令の揺動振幅を決定する。後述する式（１）におけるＫ×Ｆ／２ の項による値が揺動振幅となる。図５に示される曲線Ａ１と曲線Ａ２とは、回転角度が約０度の箇所Ｂ１と回転角度が約２４０度の箇所Ｂ２とにおいて互いに重なっている。図５から分かるように箇所Ｂ１、Ｂ２においては破線Ｃ１に対する曲線Ａ１の最大値は、破線Ｃ２に対する曲線Ａ２の最小値よりも大きい。言い換えれば、揺動指令作成部２３は、前の曲線Ａ１と後の曲線Ａ２とが部分的に互いに重なるように揺動振幅を決定するのが望ましい。なお、曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３においては、送り速度が一定のため、各揺動指令の揺動振幅もすべて同じとなる。

この重なり箇所Ｂ１、Ｂ２においては、工具１１が曲線Ａ２の軌跡で加工しているときに工具１１がワークＷから離間するのでワークＷは加工されない。本実施形態においては、このような重なり箇所が周期的に発生するので、いわゆる断続切削を行うことができる。図５に示される例においては、曲線Ａ２に従った動作により切屑が箇所Ｂ１、Ｂ２においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第二回転目の曲線Ａ２においては二つの切屑が発生する。このような断続切削が周期的に行われるので振動切削が可能となる。

さらに、破線Ｃ３に対して形成される曲線Ａ３は曲線Ａ１と同じ形状である。曲線Ａ２と曲線Ａ３とは、回転角度が約１２０°の箇所Ｂ３と約３６０°の箇所Ｂ４において重なっている。曲線Ａ３に従った動作により切屑が箇所Ｂ３、Ｂ４においてそれぞれ発生することとなる。つまり、第三回転目の曲線Ａ３においては二つの切屑が発生する。以降、ワーク一回転毎に二つの切屑が発生する。ただし、一回転目では切屑は発生しない。

このようにして揺動周波数と揺動振幅とを定めることにより、揺動指令作成部２３は揺動指令を作成する（ステップＳ１１）。例えば、図５に示された曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等のような工具１１の軌跡を得るための揺動指令は、次式のように表される。

揺動指令＝（Ｋ×Ｆ／２）×ｃｏｓ（２π×Ｓ／６０×Ｉ×ｔ）−（Ｋ×Ｆ／２） ・・・式（１）
式（１）において、Ｋは揺動振幅倍率、ＦはワークＷの一回転当たりの工具１１の移動量、すなわち毎回転送り量［mm/rev］、ＳはワークＷの中心軸線まわりの回転速度[min-1],or [rpm]、Ｉは揺動周波数倍率、である。ここで、前述の揺動周波数は式（１）におけるＳ／６０×Ｉ の項に相当し、前述の揺動振幅は式（１）におけるＫ×Ｆ／２ の項に相当する。但し、揺動振幅倍率Ｋは１以上の数とし、揺動周波数倍率Ｉはゼロより大きい非整数とする（例えば０．５、０．８、１．２、１．５、１．９、２．３、又は２．５、…等の正の非整数）。揺動振幅倍率Ｋおよび揺動周波数倍率Ｉは定数である（図５の例では、Ｉは１．５である）。

揺動周波数倍率Ｉを整数としない理由は、ワークＷの中心軸線まわりの回転数と全く同じになる揺動周波数の場合には、前述した重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等を発生させることができず、揺動切削による切屑の細断効果が得られなくなるからである。

また、式（１）によると、揺動指令は、位置指令を示す各破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を基準軸線とする余弦波に対して（Ｋ×Ｆ／２）の項がオフセット値として減じられた指令となっている。このことにより、位置指令に揺動指令を加算して得られる指令値に基づく工具１１の位置軌跡を、工具１１の加工送り方向において位置指令による位置を上限として制御することができる。そのため、図５の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は、破線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３等を＋Ｚ軸方向（すなわち、工具１１の加工送り方向）において超えないようになっている。

さらに、式（１）で表されるような揺動指令とすることで、図５の曲線Ａ１から分かるように、工具１１の加工開始点（横軸の０°の位置）で工具１１の送り方向に初めから大きな揺動指令が出ないようにしている。
なお、揺動揺動周波数と揺動振幅とを定める際に調整される各パラメータ（式（１）におけるＫ、Ｉ）の初期値は、工作機械１０の稼働前に上位制御装置３０に記憶されているものとする。ワークＷの回転速度Ｖｃは、上位制御装置３０に加工条件として事前に記憶されている。毎回転送り量Ｆは、その回転速度Ｖｃと上位制御装置３０が作成した位置指令とから求められる。

次いで、図３のステップＳ１２においては、位置検出部Ｔ１が送り軸Ｍ１の実位置を検出位置Ｐｄとして検出する。次いで、ステップＳ１３においては、位置指令Ｐｃと検出位置Ｐｄとの間の位置偏差ΔＰを算出する。そして、ステップＳ１４においては、第一加算部２４において位置偏差ΔＰに揺動指令を加算して合成指令Ｓｃを作成する。

その後、ステップＳ１５においては、正規化部２５が、揺動指令が加算された後の位置偏差ΔＰである合成指令Ｓｃを代表値により正規化する。代表値は、ワークＷの被切削部位の形状に応じて異なる。図１に示されるように工具１１が円筒形状部分Ｗ１の外周面を切削する場合には、代表値は位置指令Ｐｃである。

図４に示されるように工具１１がテーパ部分Ｗ３の外周面を切削する場合には、代表値は位置指令Ｐｃであってもよく、主軸回転速度指令Ｖｃまたは主軸回転速度実際値であってもよい。その理由は、主軸回転速度指令Ｖｃ等は、円筒形状部分Ｗ１を切削するときには一定であるものの、テーパ部分Ｗ３を切削するときにはその切削位置におけるテーパ部分Ｗ３の回転半径に応じて変化するためである。

具体的には、切削位置におけるテーパ部分Ｗ３の周方向速度が一定になるように、主軸回転速度指令Ｖｃ等は変化する。従って、テーパ部分Ｗ３の回転半径が大きくなるにつれて、主軸回転速度指令Ｖｃ等は小さくなる。図２Ｄに示されるように円錐台状凹部Ｗ４の内周面を切削する場合も同様である。あるいは、位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度指令Ｖｃ等の両方で、または位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度指令Ｖｃ等の積で合成指令Ｓｃを正規化するようにしてもよい。

なお、正規化の一つの手法においては、例えば代表値としての位置指令Ｐｃを用いて合成指令Ｓｃを除算する。あるいは、二乗平均平方根が１になるように比例変換してもよく、あるいは、平均が０、分散が１になるように線形変換してもよい。このように正規化された合成指令Ｓｃ'は単位系に依存しない。そして、正規化された合成指令Ｓｃ'は学習制御部２６に供給される。

ところで、工具１１の駆動機構部にバックラッシが在る場合やその駆動機構部の剛性が低い場合には、サーボの応答性を向上させるために制御ゲインを高く設定すると振動が発生し、工具１１の位置精度が安定しないことがある。例えば、曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に対応した指令値に基づいて主軸Ｍ０および送り軸Ｍ１を駆動したとしても、工具１１の実位置は曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に完全には追従しない場合がある。この場合、図５に示される重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等において工具１１の実位置が曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等のような指令値と一致しないと、断続切削が起きず、その結果、切屑が良好に形成されなくなる。

このため、本実施形態では、図３のステップＳ１６に示されるように、学習制御を用いて揺動指令への追従性を向上させる。学習制御は「繰返しパターンの決まった周期指令」への追従性を向上する制御方式であり、１周期目より２周期目、２周期目より３周期目……と周期が進むにつれて位置偏差を減少させることができる。具体的には、ワークＷおよび工具１１の所定数の揺動周期分の位置偏差を学習し補正量とすることにより、揺動指令による周期的な位置偏差の増加を抑制する。

その結果、工具１１の実位置は、指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に次第に近づくようになり、最終的には指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等に一致する。この場合には、指令値の曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３等は前述の重なり箇所Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４等を有することとなるので、断続切削が確実に起こり、細断化された切屑を確実に形成することができる。

また、揺動指令を学習の対象とするため、学習帯域は揺動指令の揺動周波数に依存することとなる。学習制御を行うための学習帯域には上限があり、揺動周波数が上限を超えた場合、学習は収束せず位置偏差が残ってしまう。結果、切屑が良好に形成されないことになる。したがって、本実施形態においては、学習制御を実施することが可能な範囲内で、最適な揺動周波数および揺動振幅を求める必要がある。

具体的には、トルクの低減手法と同様、後述するように切屑の長さを調整する（長くする）ことで、揺動指令の揺動周波数を低く抑えることができ、学習帯域に収めることができる。もちろん、加工条件の変更が可能であるなら、送り速度を低減しても良い。

また、本実施形態の揺動切削においては、最適な揺動周波数および揺動振幅を求めているので、必要トルクを最小化できる。その一方、必要最小化できたとしても、トルク飽和は起こりえる現象であり、避ける必要がある。さらに、学習制御を適用するとトルクは増大し、より飽和しやすい傾向にある。したがって、本実施形態においては、トルク飽和を起こさない範囲内で、最適な揺動周波数および揺動振幅を求める必要がある。

具体的には、後述するように切屑の長さを調整する（長くする）ことで、揺動指令の揺動周波数を低く抑えることができ必要トルクを低減できる。もちろん、加工条件の変更が可能であるなら、送り速度を低減しても良い。

ところで、揺動振幅は可能な限り小さいのが好ましく、揺動周波数が低い場合には、より長い切屑が形成される。その際、主軸Ｍ０および送り軸Ｍ１、Ｍ２に要求されるトルクも小さくて済む。これに対し、揺動振幅が大きい場合には、送り軸Ｍ１、Ｍ２等に要求されるトルクも大きくなる。揺動周波数が高い場合には、切屑の長さは短くなり、送り軸Ｍ１、Ｍ２等に要求されるトルクも大きくなる。

操作者が所望長さの切屑を望んでいる場合には、操作者は切屑の所望の長さを揺動指令作成部２３に入力する。これにより、揺動指令作成部２３は切屑の所望長さに基づいて揺動周波数と揺動振幅とを作成する。例えば短い切屑が要求される場合にはワークＷが傷付くのを避けられ、長い切屑が要求される場合にはトルクおよび学習帯域を抑えて工具１１へかかる負荷を低減できるとともに学習を収束しやすくする。

再び図３を参照すると、ステップＳ１６においては、学習制御部２６が学習制御を前述したように実施する。学習制御部２６からの出力は逆正規化部２７に供給される。ステップＳ１７においては、学習制御部２６からの出力が逆正規化部２７において逆正規化される。

当然のことながら、逆正規化に使用される代表値は、正規化部２５で使用された代表値と同様である。例えば正規化部２５において代表値として位置指令Ｐｃが使用されていた場合には、逆正規化部２７においても位置指令Ｐｃが使用される。同様に、正規化部２５において代表値として位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度指令Ｖｃ等の積が使用されていた場合には、逆正規化部２７においても位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度指令Ｖｃ等の積が使用される。

そして、ステップＳ１８においては、第二加算部２８は、逆正規化された学習制御の出力を補正量として、合成指令Ｓｃに加算する。その後、位置速度制御部２９は、逆正規化された出力が加算された合成指令Ｓｃ''に基づいて、速度指令およびトルク指令を生成して、送り軸Ｍ１に供給する。このような指令に基づいて、送り軸Ｍ１が制御される。

図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ従来技術および第一の実施形態における時間と工具の位置との関係を示す図である。これら図面において、横軸は時間（秒）を示しており、縦軸は工具または送り軸Ｍ１の位置（ｍｍ）を示している。縦軸は図１および図４に示されるＺ方向に対応する。

また、破線は位置指令Ｐｃを示しており、正弦波状の実線曲線は合成指令Ｓｃ''を示している。ただし、図６Ａに示される合成指令Ｓｃ''の実線曲線は正規化部２５および逆正規化部２７による処理を受けていない。さらに、正弦波状の破線曲線は検出位置Ｐｄを示している。なお、従来技術においては、正規化部２５および逆正規化部２７を使用していない点で前述した実施形態とは主に異なる。

これら図面において、円筒形状部分Ｗ１の終端位置Ｐｚを示す直線が位置が５０ｍｍの箇所に示されている。終端位置Ｐｚは円筒形状部分Ｗ１とフランジＷ２との間のコーナ部Ｑに対応する。

図６Ａおよび図６Ｂにおいては、合成指令Ｓｃ''は終端位置Ｐｚを越えないように作成されている。しかしながら、図６Ａに示されるように従来技術においては検出位置Ｐｄの曲線は終端位置Ｐｚよりも局所的に大きくなっている。このような場合には、工具１１が終端位置Ｐｚを越えて局所的に移動するので、円筒形状部分Ｗ１に結合されたフランジＷ２に切込みが形成されることになる。従って、従来技術においては、合成指令Ｓｃ''に対する検出位置Ｐｄの追従性が低いといえる。

図６Ｂに示される第一の実施形態においては、正規化部２５および逆正規化部２７による処理を受けている。図６Ｂ等から分かるように、終端位置Ｐｚの直前においては、位置指令Ｐｃの変化率は徐々に小さくなる。言い換えれば、終端位置Ｐｚの直前においては、学習制御部２６からの出力が逆正規化部２７に供給されるときの位置指令Ｐｃの値は、合成指令Ｓｃ'が学習制御部２６に入力されるときの位置指令Ｐｃの値よりも小さい。

前述したように、学習制御部２６は、補正量を求めて記憶し、１揺動周期後または所定数の揺動周期後の合成指令Ｓｃにその補正量を適用している。そして、逆正規化部２７においては、学習制御部２６からの出力（補正量）が逆正規化部２７に供給されるときの位置指令Ｐｃの値を用いて前述した出力を逆正規化している。

従って、学習制御部２６からの出力は、学習制御部２６からの出力（補正量）が逆正規化部２７に供給されるときの位置指令Ｐｃの値に合うように適切に修正される。その結果、学習制御を適用している場合であっても、追従性を高められる。このため、図６Ｂに示されるように、検出位置Ｐｄの曲線は終端位置Ｐｚよりも大きくなることはなく、従って、フランジＷ２に切込みが形成されるのを防止できる。

前述したようにテーパ部分Ｗ３を有するワークＷを切削する場合には、位置指令ＰＣおよび／または主軸回転速度指令Ｖｃを用いて合成指令Ｓｃ'が正規化される。従って、ステップＳ１８において学習制御部２６からの出力（補正量）が逆正規化部２７に供給されるときの位置指令Ｐｃおよび／または主軸回転速度指令Ｖｃの値を用いて出力（補正量）が逆正規化される。

前述したように、位置指令ＰＣおよび／または主軸回転速度指令Ｖｃの値は、合成指令Ｓｃが学習制御部２６に入力されるときと、学習制御部２６からの出力が逆正規化部２７に供給されるときとで異なりうる。第二の実施形態においては、学習制御部から出力されるときの位置指令Ｐｃおよび／または主軸回転速度Ｖｃの値に合わせて、出力を修正でき、追従性を高められる。さらに、位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度Ｖｃの両方で、または位置指令Ｐｃおよび主軸回転速度Ｖｃの積で正規化した場合には、追従性をさらに高められるのが分かるであろう。

本開示の態様
１番目の態様によれば、ワーク（Ｗ）および工具（１１）を前記ワークの中心軸線まわりに相対的に回転させる主軸（Ｍ０）と、前記ワークの外周面または内周面の母線に沿って前記工具および前記ワークを相対的に送る少なくとも一つの送り軸（Ｍ１、Ｍ２）とを備えた工作機械（１０）を制御する制御装置（２０）であって、前記ワークおよび前記工具の相対的な回転速度ならびに前記工具および前記ワークの相対的な送り速度に基づいて、前記少なくとも一つの送り軸の位置指令を作成する位置指令作成部（３０）と、前記回転速度および前記位置指令に基づいて、前記回転速度に対して正の非整数倍になるように且つ前記工具が前記ワークを断続切削するように、前記少なくとも一つの送り軸の揺動指令を作成する揺動指令作成部（２３）と、前記位置指令と前記少なくとも一つの送り軸の実位置との差である位置偏差に前記揺動指令を加算して得られる合成指令を作成する第一加算部（２４）と、前記合成指令を正規化する正規化部（２５）と、前記揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令とに基づいて、前記合成指令の補正量を求めて前記合成指令に加算する学習制御部（２６）と、該学習制御部からの出力を逆正規化する逆正規化部（２７）と、該逆正規化部により逆正規化された出力を前記合成指令に加算する第二加算部（２８）とを具備する、制御装置が提供される。
２番目の態様によれば、１番目の態様において、前記揺動指令作成部は、前記回転速度から前記揺動指令の前記揺動周波数を算出すると共に、前記位置指令から前記揺動指令の揺動振幅を算出する。
３番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記正規化部は、前記位置指令および前記回転速度のうちの少なくとも一方を用いて、前記合成指令を正規化する。
４番目の態様によれば、３番目の態様において、前記逆正規化部は、前記正規化部の用いた前記位置指令および前記回転速度のうち少なくとも一つを用いて、前記学習制御部の出力を逆正規化する。
５番目の態様によれば、１番目から４番目のいずれかの態様において、前記揺動指令作成部は、余弦波の基準軸線に対して前記揺動振幅がオフセット値として減じられた前記揺動指令を作成する。
６番目の態様によれば、１番目から５番目のいずれかの態様において、前記揺動指令作成部は、前記回転速度に基づいて、前記ワークまたは前記工具が一回転する毎に半周期ずつズレるように前記揺動指令の揺動周波数を作成すると共に、前記送り速度に基づいて前記揺動指令の前記揺動振幅を作成する。
７番目の態様によれば、１番目から６番目のいずれかの態様において、前記揺動指令作成部は、前記少なくとも一つの送り軸のトルクが所定値を越えないように、前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する。
８番目の態様によれば、１番目から７番目のいずれかの態様において、前記揺動指令作成部は、前記学習制御の制御帯域に基づいて、学習が収束するように前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する。
９番目の態様によれば、１番目から８番目のいずれかの態様において、前記揺動指令作成部は、前記工具が前記ワークを加工することにより生じる切屑の所望長さに基づいて前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する。
１０番目の態様によれば、１番目から９番目のいずれかの態様において、前記ワークは少なくとも部分的に回転対称であり、前記ワークは少なくとも部分的に回転対称であり、前記回転軸線に沿った断面において段部を有している。

態様の効果
１番目の態様においては、合成指令を代表値、例えば位置指令で正規化して学習制御部へ入力し、また、学習制御部からの出力を代表値、例えば位置指令で逆正規化している。このため、学習制御部への入力時の代表値が出力時の代表値と異なる場合であっても、出力時の代表値で逆正規化しているので、代表値の変化に容易に追従することができる。代表値は例えば位置指令である。従って、学習制御を適用している場合であっても、追従性を高めることができる。
２番目の態様においては、揺動周波数および揺動振幅を適切に求められる。
３番目の態様においては、ワークが円筒形部分を有する場合には位置指令で正規化する。このため、学習制御部に入力されるときの位置指令と学習制御部から出力されるときの位置指令とが異なる場合であっても、学習制御部から出力されるときの位置指令に合わせて、出力を修正でき、追従性を高められる。さらに、ワークが円錐形または円錐台形部分を有する場合には位置指令および／または主軸回転速度で正規化する。このため、学習制御部に入力されるときの位置指令および／または主軸回転速度と学習制御部から出力されるときの位置指令および／または主軸回転速度とが異なる場合であっても、学習制御部から出力されるときの位置指令および／または主軸回転速度に合わせて、出力を修正でき、追従性を高められる。位置指令および主軸回転速度の両方で正規化した場合には、追従性をさらに高められる。
４番目の態様においては、正規化部で用いた代表値と同じ代表値で逆正規化しているので、学習制御部からの出力を適切に逆正規化できる。
１０番目の態様においては、ワークに切込みが形成されるのを防止することができる。
典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１０ 工作機械
１１ 工具
２０ 制御装置
２３ 揺動指令作成部
２４ 第一加算部
２５ 正規化部
２６ 学習制御部
２７ 逆正規化部
２８ 第二加算部
２９ 位置速度制御部
３０ 上位制御装置
Ｍ０ 主軸
Ｍ１、Ｍ２ 送り軸
Ｍ１、Ｍ２ 送り軸
Ｏ 回転軸線
Ｑ コーナ部
Ｗ ワーク
Ｗ１ 円筒形状部分
Ｗ２ フランジ
Ｗ３ テーパ部分
Ｗ４ 円錐台状凹部

Claims (10)

1. ワークおよび工具を前記ワークの中心軸線まわりに相対的に回転させる主軸と、
   前記ワークの外周面または内周面の母線に沿って前記工具および前記ワークを相対的に送る少なくとも一つの送り軸とを備えた工作機械を制御する制御装置であって、
   前記ワークおよび前記工具の相対的な回転速度ならびに前記工具および前記ワークの相対的な送り速度に基づいて、前記少なくとも一つの送り軸の位置指令を作成する位置指令作成部と、
   前記回転速度および前記位置指令に基づいて、前記回転速度に対して正の非整数倍になるように且つ前記工具が前記ワークを断続切削するように、前記少なくとも一つの送り軸の揺動指令を作成する揺動指令作成部と、
   前記位置指令と前記少なくとも一つの送り軸の実位置との差である位置偏差に前記揺動指令を加算して得られる合成指令を作成する第一加算部と、
   前記合成指令を正規化する正規化部と、
   前記揺動指令から求める揺動位相と正規化された合成指令とに基づいて、前記合成指令の補正量を求めて前記合成指令に加算する学習制御部と、
   該学習制御部からの出力を逆正規化する逆正規化部と、
   該逆正規化部により逆正規化された出力を前記合成指令に加算する第二加算部とを具備する、制御装置。
2. 前記揺動指令作成部は、前記回転速度から前記揺動指令の前記揺動周波数を算出すると共に、前記位置指令から前記揺動指令の揺動振幅を算出する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記正規化部は、前記位置指令および前記回転速度のうちの少なくとも一方を用いて、前記合成指令を正規化する、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記逆正規化部は、前記正規化部の用いた前記位置指令および前記回転速度のうち少なくとも一つを用いて、前記学習制御部の出力を逆正規化する、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記揺動指令作成部は、余弦波の基準軸線に対して前記揺動振幅がオフセット値として減じられた前記揺動指令を作成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記揺動指令作成部は、前記回転速度に基づいて、前記ワークまたは前記工具が一回転する毎に半周期ずつズレるように前記揺動指令の揺動周波数を作成すると共に、前記送り速度に基づいて前記揺動指令の前記揺動振幅を作成する、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 前記揺動指令作成部は、前記少なくとも一つの送り軸のトルクが所定値を越えないように、前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記揺動指令作成部は、前記学習制御の制御帯域に基づいて、学習が収束するように前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 前記揺動指令作成部は、前記工具が前記ワークを加工することにより生じる切屑の所望長さに基づいて前記揺動周波数と前記揺動振幅とを作成する、請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置。
10. 前記ワークは少なくとも部分的に回転対称であり、前記回転軸線に沿った断面において段部を有している、請求項１から９のいずれか一項に記載の制御装置。

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