JP2018516407A - 負荷に応じたゲインとｐコントローラとを用いた切削加工工程の制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、工作機械においてＰコントローラ（２０）を用いて切削加工工程（１０）を制御する方法に関し、制御量（ｙ（ｔ））と基準量（ｗ（ｔ））との間の制御偏差（ｅ（ｔ））に基づいて、切削加工工程（１０）を操作する操作量（ｕ（ｔ））を変更する。制御を改善するために、Ｐコントローラ（２０）のゲイン（Ｋ）は変更可能とされ、制御量（ｙ（ｔ））の瞬時値に応じ、予め決められた負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）を用いて算出され、負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）のそれぞれは、制御量（ｙ（ｔ））の決まった値または範囲に対して予め設定された一つのゲイン（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）を与える。同様にして、本発明はさらに、切削工作機械のための制御器、切削工作機械およびワークを切削加工する方法に関する。

Description

本発明は、切削工作機械における切削加工工程の制御方法に関する。

本発明は、さらに、切削工作機械のための制御器、切削工作機械およびワークの切削加工方法に関する。

切削ないし旋削を行うワーク加工時において、加工工程は、例えば必要とされるワークや部品の品質を確保するため且つ／又は効率的な加工工程を（例えばエネルギー消費、工具の損耗、加工時間等を鑑みて）保証するために閉ループ制御することができる。

切削加工工程の制御のために、工具とワーク間の変動する加工負荷（機械的で熱的な負荷）と相関する関連変数を制御中に信号検出により記録することができる。こういった変数は、例えば工作機械の機械軸上にかかる力および／または機械駆動の電流消費（Ｓｔｒｏｍａｕｆｎａｈｍｅ）や出力である。検出された信号から実際量（Ｉｓｔｇｒｏｅｓｓｅ）ないし制御量ｙ（ｔ）（Ｒｅｇｅｌｇｒｏｅｓｓｅ）を出すことができ、この量が、前もって規定された目標量（Ｓｏｌｌｇｒｏｅｓｓｅ）ないし基準量ｗ（ｔ）（Ｆｕｅｈｒｕｎｇｓｇｒｏｅｓｓｅ）と比較される。かくして閉ループ制御は、制御量ｙ（ｔ）と基準量ｗ（ｔ）を比較して得られる制御偏差ないし制御差ｅ（ｔ）が最小になるように操作量ｕ（ｔ）を変えることで行なわれることになるが、これが所謂コントローラを用いて実行される。切削工作機械では、通常はＰコントローラ（比例制御器）が用いられる。

本発明は、工作機械における切削加工工程の制御を改善することを目的とする。

この目的は、特許請求項１の特徴部による本発明の方法によって達成される。他の独立特許請求項により、本発明は、切削工作機械の制御器、切削工作機械およびワークの切削加工方法にも及ぶ。好ましい発展態様および実施態様は、本発明のあらゆる対象に対して同じように従属請求項と以下の説明の両方から得られる。

本発明による工作機械における切削加工工程の制御方法は、切削加工工程を操作する操作量ｕ（ｔ）を、制御量ｙ（ｔ）と基準量ｗ（ｔ）との間の制御偏差ｅ（ｔ）に基づいて決定ないし変更するＰコントローラを使用ないし利用するものである。本発明によれば、Ｐコントローラの利得（Ｖｅｒｓｔａｅｒｋｕｎｇ）ないしゲイン（制御率）（Ｒｅｇｅｌｆａｋｔｏｒ）Ｋは変更可能とされ、制御量ｙ（ｔ）の瞬時値に応じ、（自動的に）予め決められた負荷特性場（Ｂｅｌａｓｔｕｎｇｓｋｅｎｎｆｅｌｄｅｒ）を用いて算出されるか或いは予め決められたこれらの負荷特性場のうちから選択され、負荷特性場のそれぞれは、制御量ｙ（ｔ）の決まった値又は範囲に対して予め設定された一つのゲインＫを与えるものとされている。

Ｐコントローラは、操作量ｕ（ｔ）と、制御偏差ｅ（ｔ）ないし制御量ｙ（ｔ）の実際値との間に線形的な依存関係が存在するという特徴を持っている。制御偏差ｅ（ｔ）と操作量ｕ（ｔ）との間の関係は、Ｐコントローラ式ｕ（ｔ）＝Ｋ・ｅ（ｔ）（ここでｅ（ｔ）＝ｗ（ｔ）-ｙ（ｔ）である。）により記述することができる。Ｋの値は、ゲイン或いはまた利得と呼ばれる。ｗ（ｔ）の値は、基準量であり、この値は、限界値（Ｇｒｅｎｚｗｅｒｔ）として、また限界曲線（Ｇｒｅｎｚｋｕｒｖｅ）として決めることができる。制御量ｙ（ｔ）の実際値は、信号検出によって特定されるか、或いは測定により実測することができる。

本発明の範囲では、ＰＩコントローラ（さらに積分が作用する）やＰＩＤコントローラ（さらに積分および微分が作用する）もＰコントローラに該当する。

制御量ｙ（ｔ）として、工作機械の機械軸上にかかる力、あるいは工作機械の機械駆動の出力、とりわけ工具主軸の駆動力を用いることができる。

操作量ｕ（ｔ）として、工具、とりわけフライス加工工具または研削工具の送り速度、工具を収める工具主軸の送り速度、または工具の回転数を用いることができる。いずれも切削速度、特に切断ないし研削速度に影響する。

好ましくは三つの負荷特性場が用意されており、それぞれが切削加工の過負荷領域、切削加工の低負荷領域および切削加工の目標負荷領域に対するゲインを与える。特に好ましくは、目標負荷領域に対するゲインは、目標負荷領域における永続的な制御を回避するためにゼロ（０）の値を持つ。目標負荷領域では、事実上無制御、つまり事実上操作量の変更は行なわれない。低負荷領域に対するゲインは、過負荷領域に比べて低負荷領域で緩慢な制御応答（Ｒｅｇｅｌｖｅｒｈａｌｔｅｎ）となるように、過負荷領域に対するゲインに安全係数（＜１）を掛けて決めることができる。三つを下回る或いは上回る負荷特性場が用意されていてもよい。

他の独立特許請求項により求められる本発明による切削工作機械のための制御器（制御装置）は、対象の工作機械における切削加工工程の制御のために、Ｐコントローラを有して構成されており、Ｐコントローラは、基準量ｗ（ｔ）と制御量ｙ（ｔ）との間の制御偏差ｅ（ｔ）に基づいて、切削加工工程を操作する操作量ｕ（ｔ）を決定或いは変更し、ＰコントローラのゲインＫは変更可能とされ、制御量ｙ（ｔ）の瞬時値に応じ、予め決められた負荷特性場を用いて算出され、負荷特性場のそれぞれは、制御量ｙ（ｔ）の決まった値又は範囲に対して予め設定された一つのゲインＫを与えるようになっている。

本発明による制御器は、演算処理装置あるいは相応のソフトウェアプログラミングを実装したものなどにすることができる。本発明による制御器は、複数の部分制御器（Ｔｅｉｌｓｔｅｕｅｒｇｅｒａｅｔ）を有していてもよい。その他の発展態様および実施態様は、先に述べた説明と同様あるいはこれから述べる説明と同様に得られる。

さらに他の独立特許請求項により権利請求される本発明による切削工作機械は、本発明による制御器を有し、当該制御器が、この工作機械において切削加工工程の制御を本発明による方法に従って実現する。この工作機械は、好ましくもフライス加工機械及び／又は研削機械とりわけ歯車の歯を作製及び／又は加工するためのホブフライス加工機械及び／又はホブ研削機械である。

さらに他の独立特許請求項により求められるワークの切削加工方法は、本発明による切削加工工程の制御を含み且つ／又は本発明による工作機械において実施される。切削加工対象のワークは、特に、（連続して）歯をホブフライス加工又はホブ研削することで歯車を製造するための歯車用未加工鋳造品（Ｚａｈｎｒａｄｒｏｈｌｉｎｇ）である。発展態様および実施態様は、先に述べた説明或いはこれから述べる説明から同様に得られる。

以下に、図面中の図を参照して本発明を詳細に説明する。図に示された且つ／又は以下に述べる特徴は、具体的な特徴部分の組み合わせを解除しても本発明をさらに構成することができる。

負荷特性場に基づいてゲインが算出される本発明の工作機械における切削加工工程の制御を概略的に示す図である。 図１の制御においてゲインを決めるための負荷特性場をグラフで表す図である。

図１において、制御すべき切削加工工程は符号１０で示されている。外乱ｄ（ｔ）が作用することで、工具とワークの間の加工負荷（機械的で熱的な負荷）は変動を受けるが、この変動がＰコントローラ２０を用いた制御によって補整されなければならない。

そのために、加工工程中に制御量ｙ（ｔ）が検出ないし計測されるが、これは例えば、工作機械の機械軸上にかかる力であったり、工作機械の機械駆動の出力であったりする。制御量ｙ（ｔ）は、前もって規定された基準量ｗ（ｔ）と比較され、差分（ｗ（ｔ）−ｙ（ｔ））をとることで制御偏差ｅ（ｔ）が求められる。Ｐコントローラ２０は、この制御偏差ｅ（ｔ）に基づいて操作量ｕ（ｔ）（これは例えば工具の送り速度や回転数である。）を変更することで切削加工工程１０を操作し、制御差ｅ（ｔ）が最小になるようにする。操作量ｕ（ｔ）と制御差ｅ（ｔ）との間の関係は、Ｐコントローラ式ｕ（ｔ）＝Ｋ・ｅ（ｔ）によって記述され、このとき値Ｋをゲインと呼ぶ。

本発明は、Ｐコントローラ２０のゲインが一定ではなく、負荷に合わせたものであり、従って変更できるというものである。ゲインＫは、切削加工工程１０中に、制御量ｙ（ｔ）の瞬時値に応じて、予め決められた負荷特性場Ａ，ＢおよびＣを用いて算出されるが、このとき、負荷特性場Ａ，ＢおよびＣのそれぞれは、制御量ｙ（ｔ）の決まった値または範囲に対して予め設定された一つのゲインＫ１，Ｋ２またはＫ３を与える。これについては、以下に図２を参照しながら説明する。

図２は、切削加工工程１０のための予め決められた三つの負荷特性場Ａ，ＢおよびＣを示している。ここで、負荷特性場Ａ，ＢおよびＣは、加工時間ｔに従って（或いはこれに代えて例えば送り経路に従って）決められる。

最も上の負荷特性場Ａは、過負荷領域である。検出ないし計測された制御量ｙ（ｔ）の瞬時値がこの領域にあるときは、加工工程１０は過負荷状態にある（ｙ（ｔ）＞ｗ（ｔ））。つまり、加工負荷が高過ぎるため、例えば工具の磨耗が増え且つ／又は所望の加工品質が実現されない。過負荷領域Ａには、ゲインＫ１が割り当てられており、このゲインＫ１が自動的に選択されて目下の制御がＰコントローラ２０を用いて行なわれる。

下側の負荷特性場Ｂは、低負荷領域である。制御量ｙ（ｔ）の瞬時値がこの領域にあるときには、加工工程１０は低負荷になっており（ｙ（ｔ）＜ｗ（ｔ））、そのために例えば非効率的である。低負荷領域Ｂには、ゲインＫ２が割り当てられており、このゲインＫ２が自動的に選択されて目下の制御がＰコントローラ２０を用いて行なわれる。低負荷領域Ｂに対するゲインＫ２は、過負荷領域Ａに対するゲインＫ１に安全係数ＳＦを掛けることで作ることができる（Ｋ２＝ＳＦ・Ｋ１；ここでＳＦ＜１である。）。これにより、低負荷領域Ｂでは緩慢な制御応答が生み出されることになるので、加工負荷がゆっくりとしか増加せず、加工負荷限界ＯＧのオーバーシュートは可能な限り回避されることになる。

真ん中の負荷特性場Ｃは、目標負荷領域である。過負荷領域Ａに対する境界の推移ＯＧは、基準量ｗ（ｔ）の推移に対応し（ここで、推移が一定、つまりｗ（ｔ）＝一定というものであってもよいが、これは事実上の固定値に該当する。）、それ故に、この境界の推移ＯＧは加工負荷限界とも呼ぶことができる。低負荷領域Ｂに対する境界の推移ＵＧ、いわゆる制御限界は、加工負荷限界ＯＧを平行移動（オフセット）することによって、或いは所定の比率を使って生成することができる。制御限界ＯＧは、実現すべき補整精度を考慮して設定されることが好ましい。これにより目標負荷領域Ｃは、制御偏差（Ｒｅｇｅｌｄｉｆｆｅｒｅｎｚ）の補整精度の公差という一面を持つ。制御量ｙ（ｔ）の瞬時値が、この目標負荷領域Ｃ内にあるとき、所望の加工負荷が得られている。目標負荷領域Ｃには、値がゼロ（０）のゲインＫ３が割り当てられているので、操作量ｕ（ｔ）の変更は行なわれず、そのため、制御量ｙ（ｔ）の瞬時値が目標負荷領域Ｃの中にある間は、制御は事実上ストップされる。

各負荷特性場Ａ，ＢおよびＣは、制御量ｙ（ｔ）の決まった値または範囲に対して、予め設定された一つのゲインＫ１，Ｋ２およびＫ３を与える。この分類ないし割り当ては、いわばフィードフォワード部（Ｖｏｒｓｔｅｕｅｒｕｎｇ）３０（このフィードフォワード部により、目下の制御に対して有効なゲインＫ１，Ｋ２またはＫ３が求められ或いは特定され、Ｐコントローラ２０に引き渡される。）における比較により行なわれる。フィードフォワード３０は、特に後からでも既存の制御器に組み込むことができるハードウェアモジュール及び／又はソフトウェアモジュールとすることができる。負荷特性場Ａ，ＢおよびＣは、例えば工程に合せて及び／又はワークに合せて決定ないしプログラムし、保存し、そして必要になれば再び呼び出して用いることができる。特に、（仮想的な）目録を作成することも可能である。

本発明による負荷特性場に応じた制御の長所は、一つには、利用ないし使用される切削製造方法について特別な知識がなくてもＰコントローラを構築できるという点にある。その構築のためには、単にゲインＫを理論的に或いは試行錯誤により算出することしか要求されない。制御限界ＵＧと安全係数ＳＦは、必要な制御目的に従って総括的或いは個別的に決めることができる。こうして、Ｐコントローラを構築する手間がかなり低減される。さらに、Ｐコントローラにありがちな欠点、特に、恒常的に制御し続けること（完全な相殺制御ができないこと）および制御の際の柔軟性に欠くことが回避される。

１０ 加工工程
２０ Ｐコントローラ
３０ フィードフォワード部
Ａ 負荷特性場（過負荷領域）
Ｂ 負荷特性場（低負荷領域）
Ｃ 負荷特性場（目標負荷領域）
Ｋ ゲイン
Ｋ１ ゲイン（過負荷領域）
Ｋ２ ゲイン（低負荷領域）
Ｋ３ ゲイン（目標負荷領域）
ＯＧ 加工負荷限界
ＵＧ 制御限界
ＳＦ 安全係数
ｄ（ｔ） 外乱
ｅ（ｔ） 制御偏差
ｕ（ｔ） 操作量
ｙ（ｔ） 制御量
ｗ（ｔ） 基準量
ｔ 加工時間

Claims (10)

1. 工作機械においてＰコントローラ（２０）を用いて切削加工工程（１０）を制御する方法であって、Ｐコントローラは、制御量（ｙ（ｔ））と基準量（ｗ（ｔ））との間の制御偏差（ｅ（ｔ））に基づいて、切削加工工程（１０）を操作する操作量（ｕ（ｔ））を変更する方法において、
   Ｐコントローラ（２０）のゲイン（Ｋ）は変更可能とされ、制御量（ｙ（ｔ））の瞬時値に応じ、予め決められた負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）を用いて算出され、負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）のそれぞれは、制御量（ｙ（ｔ））の決まった値又は範囲に対して予め設定された一つのゲイン（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）を与えることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、制御量（ｙ（ｔ））として、工作機械の機械軸にかかる力、あるいは工作機械の機械駆動の出力を用いることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、操作量（ｕ（ｔ））として、工具の送り速度または工具の回転数を用いることを特徴とする方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法において、三つの負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）が設けられており、これらの負荷特性場が、過負荷領域、低負荷領域および目標負荷領域に対してそれぞれ一つのゲイン（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）を与えることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、目標負荷領域（Ｃ）に対するゲイン（Ｋ３）がゼロの値を有していることを特徴とする方法。
6. 請求項４または５に記載の方法において、低負荷領域（Ｂ）に対するゲイン（Ｋ２）は、過負荷領域（Ａ）に対するゲイン（Ｋ１）に安全係数（ＳＦ）を掛けることで求められることを特徴とする方法。
7. 切削工作機械のための制御器であって、工作機械における切削加工工程（１０）の制御のためにＰコントローラ（２０）を有して構成されており、Ｐコントローラ（２０）は、制御量（ｙ（ｔ））と基準量（ｗ（ｔ））との間の制御偏差（ｅ（ｔ））に基づいて、切削加工工程（１０）を操作する操作量（ｕ（ｔ））を変更し、Ｐコントローラ（２０）のゲイン（Ｋ）は変更可能とされ、制御量（ｙ（ｔ））の瞬時値に応じ、予め決められた負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）を用いて算出され、負荷特性場（Ａ，Ｂ，Ｃ）のそれぞれは、制御量（ｙ（ｔ））の予め決まった値または範囲に対して予め設定された一つのゲイン（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）を与える制御器。
8. 請求項７に記載の制御器を有する工作機械。
9. 請求項８に記載の工作機械において、フライス加工機械及び／又は研削機械であることを特徴とする工作機械。
10. 請求項１から６のいずれか一項に記載の切削加工工程（１０）を制御する方法を利用して、且つ／又は、請求項８または９に記載の工作機械を用いて、ワークを切削加工する方法。

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