JP3416019B2 - 機械システム安定化方法および装置 - Google Patents

機械システム安定化方法および装置

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  • Safety Devices In Control Systems (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械システムにお
ける振動を抑制するための能動制御法に関し、特に、回
転するワークピース（製造工程にある製品）の機械加工
中のツールピース（工具）の振動の抑制に関する。
【０００２】
【従来の技術】長年にわたって、好ましくない機械的振
動は、移動部品を含む機械システムや、使用時に振動ノ
イズ源に機械的に接続される機械システムの設計者を悩
ませている。このようなシステムには、特に、回転する
金属ワークピースを切削する機械がある。このようなシ
ステムとしてはさらに、ワークピースの減法整形のため
の機械や、光学機器とその支持フレーム、リソグラフィ
およびその他の製造工具とその支持フレーム、さまざま
な種類の画像システムとその支持フレーム、ならびに自
走式の乗物が含まれる。
【０００３】例えば、金属切削動作では、回転可能なワ
ークピースに対して達成される表面仕上げの品質は、
「びびり」（チャタ）あるいはその他の振動不安定性を
示す切削工具の性質によって制限されることが多い。こ
の問題はボーリング（穿孔）動作では特に重大である。
ボーリング動作は、切削工具が比較的長い片持ち支持棒
の端部に装着されることを必要とする。この種の構造は
問題のある機械的共振が多いため、チャタは、エンジン
や発射筒のような円筒状穿孔を有する機械加工物品内で
達成可能な表面仕上げに対する重大な制限となることが
分かっている。
【０００４】実時間信号処理が機械システムにおける好
ましくない振動の問題に適用されている。一般に、動き
センサを用いて、好ましくない振動に関する情報を含む
信号を生成する。この信号はディジタル信号プロセッサ
に送信される。ディジタル信号プロセッサは、送信され
た情報を用いて、電気機械アクチュエータを駆動する補
正信号を生成する。このようなアクチュエータは、機械
システムにおける応答を生成し、これは好ましくない振
動に対抗することになる。
【０００５】現代制御理論は、能動的な振動制御のため
の補正信号を生成するためにディジタル信号処理の過程
で適用される周知技術の１つである。略言すれば、現代
制御理論（Modern Control Theory, MCT）では、センサ
信号を、一定の実数値係数倍したものの線形結合から補
正アクチュエータ駆動信号を生成する。すなわち、補正
駆動信号は、エラーセンサ出力の状態のほぼ瞬時の表示
である。これにより、広帯域のフィードバック制御シス
テムが実現される。簡単に言えば、ＭＣＴは、単一セン
サ、単一アクチュエータのフィードバック制御の多次元
拡張である。
【０００６】例えば、ＭＣＴを機械工具要素に対する能
動制御デバイスに適用することが、米国特許第５，１７
０，１０３号（発行日：１９９２年１２月８日、発明
者：K.E. Rouch他）（以下「Rouch特許」という。）に
記載されている。このデバイスは、穿孔棒の変位および
速度の信号を生成するセンサと、穿孔棒の自由端付近に
装着した反作用質量と、反作用質量の変位および速度の
信号を生成するセンサと、穿孔棒の好ましくない振動を
打ち消すように反作用質量を変位させるアクチュエータ
とを有する。信号プロセッサでは、ＭＣＴの方法に従っ
て２つの速度信号および２つの変位信号をスケーリング
し結合して補正信号を生成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】現代制御理論のさまざ
まな適用例を通じて、実務家は、好ましくない振動の抑
制において大きな進歩を達成している。しかし、例えば
整合（マッチング）動作において、従来の方法によって
完全には抑制されていない振動源が残っている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明による機械システム安定化方法、すなわ
ち、機械システムの少なくとも１つの要素を機械的外乱
へのエコー状応答に対して安定化させる方法は、 ａ．前記機械システムの少なくとも１点における動きを
検知することにより、少なくとも１つのエラー信号を生
成するステップと、 ｂ．前記機械システムの動きに直接関係する少なくとも
１つの非先行基準信号を生成するステップと、 ｃ．適応フィルタを動作させることにより、前記エラー
信号および前記基準信号に応じた補正信号を生成するス
テップと、 ｄ．前記補正信号に応じて機械的アクチュエータを駆動
することにより、前記補正信号から導出される安定化の
ための一般化力を前記要素に加えるステップとを含む 。
【０００９】
【発明の実施の形態】［Ａ．用語の説明］ 以下では、以下の各用語は次に説明するような意味を有
する。
【００１０】適応フィルタとは、システムのパフォーマ
ンスを制御するための時変自己調整ディジタル信号処理
デバイスである。このデバイスは、入力信号（基準信号
ということもある。）に作用して出力信号を生成する。
システムのパフォーマンスは、少なくとも部分的には、
この出力信号に依存する。このフィルタは、実際のシス
テムパフォーマンスと所望のシステムパフォーマンスの
差を最小にするために、入力信号の処理を自動的に最適
化する（すなわち、適応する）。
【００１１】トランスバーサルフィルタと呼ばれる特定
のタイプの適応フィルタは、さまざまな固定遅延におけ
る入力信号の順次時間サンプルを、それぞれに可変重み
をつけて線形結合することによって、入力信号を処理す
る。
【００１２】システムの機械的外乱に対するエコー状応
答とは、１つまたは複数の時間遅延において検出可能な
自己相関を示す応答を意味する。ここで、自己相関は、
もとの機械的外乱の波形とは独立であって、代わりに、
システム自体のインパルス応答における時間相関の結果
である。
【００１３】一般化力とは、反応質量や構造内機械的ア
クチュエータを含む任意の手段によって生成される力、
擬似力、トルク、あるいは曲げモーメントのことであ
る。
【００１４】先行基準信号とは、適応レギュレータルー
プ内の適応フィルタに対する基準信号のことである。こ
れは、図１および図２を参照して理解される。
【００１５】図１に、コントローラ１．１を用いて補正
信号を生成し、プラント１．２で外乱ノイズｎと足し合
わせた結果のエラー信号ｅを縮小するようにしたものの
概略を示す。図示のように、プラント１．２は、外乱パ
ス１．３およびアクチュエータパス１．４からなる。プ
ラント１．２への信号入力がない場合、出力変位は（物
理的プラント上の特定の空間的位置に対する）エラー信
号ｅである。このエラー信号は、ノイズのみの変位応答
ｄと、アクチュエータのみの変位応答ｙの差を表す。す
なわち、ｅ＝ｄ−ｙである。線形のプラントの場合、応
答ｄおよびｙは、加算点１．５で表される物理的測定位
置で足し合わされる。
【００１６】コントローラ１．１の１つの形式は、当業
者に周知のＦＸＬＭＳ（フィルタリングしたｘの最小平
均二乗）アルゴリズムを実装した適応トランスバーサル
フィルタである。このコントローラの形式を図２に示
す。（ＦＸＬＭＳアルゴリズムの実装のいくつかの本質
的な特徴は、図を単純化するために省略してある。）
【００１７】理解されるように、図１と図２で同じ参照
符号で表される共通の要素がある。しかし、図２では、
コントローラ１．１の代わりに適応フィルタ２．１があ
る。さらに、分岐点２．２から、適応フィルタの基準入
力部へ基準信号ｘをもたらすライン２．３が追加されて
いる。
【００１８】図２に示した構成は１つの従来技術であ
る。基準信号ｘは、信号ｘの各（時間的）セグメントが
フィルタ２．１で受信されるのは、エラー信号ｅの対応
するセグメントがフィルタ２．１で受信されるより前で
あるという意味で、先行している。信号ｅは、外乱パス
１．３に固有のレイテンシによる遅延の後に到着する。
従来の適応レギュレータ構成では、フィルタ２．１の適
応プロセスとアクチュエータパス１．４に固有のレイテ
ンシを合わせたものを補償するために、信号ｘを先行さ
せることが好ましいと考えられている。これにより、フ
ィルタは、信号ｘと相関するノイズ成分を相殺すること
によってエラー信号から広帯域のノイズを除去すること
ができる。
【００１９】実装では、分岐点２．２は、機械的構造体
に対する外乱力の入力点にできるだけ物理的に近い構造
体上の点に位置する。例えば、エラーセンサおよびアク
チュエータは、地震負荷に対する高層ビルディングの揺
れを安定化させるために、ビルディングの屋上に配置さ
れる。このような場合、分岐点２．２の有用な位置は地
表レベルであり、そこで地震加速度計のような適切なト
ランスデューサが電気的基準信号を供給することにな
る。
【００２０】このように、基準信号が先行基準信号であ
るというとき意味していることは、基準位置における与
えられた信号の存在とエラー位置における同じあるいは
類似の信号の到着との間に正の時間遅延があることであ
る。換言すれば、外乱力の入力点において構造体に瞬間
力が加えられた場合、基準センサは、エラーセンサが構
造体応答の表示を生成する前に応答することになる。
【００２１】非先行基準信号について、図３を参照して
説明する。理解されるように、ライン２．３および分岐
点２．２は図３にはなく、その代わりに、エラー信号ｅ
は基準信号ｘとしても作用する。これは、基準信号がエ
ラー信号より前にフィルタ２．１に到達しないという点
で、従来技術の適応制御方法との相違を表している。こ
れは、非先行基準信号の一例である。
【００２２】実際には、非先行基準信号は、エラー信号
から直接とるだけではなく、例えば、安定化させるべき
回転機械のシャフト回転周波数に直接関係する狭帯域信
号（代表的には、正弦波）を生成するタコメータからと
ることも可能である。
【００２３】非先行基準信号のもう１つの例は、高層ビ
ルディングの屋上レベルセンサの出力である。このセン
サは、ビルディングの揺れに関係する広帯域信号を生成
し、ビルディング内または地上レベル付近に配置された
エラーセンサおよびアクチュエータと協力して作用す
る。
【００２４】一般的な意味で、先行基準信号が非先行で
あるとは、基準位置における与えられた信号の存在とエ
ラー位置における同じあるいは類似の信号の到着との間
に０または負の時間遅延があることである。このよう
に、基準センサは、外乱力入力点において加えられる衝
撃力に対して、同じ衝撃力に応答するエラーセンサと同
時に、またはそれより後に、応答する。
【００２５】再生フィードバックについて、図４を参照
して説明する。図４では、外乱パス１．３が、Ｈ
（ｓ）、Ａ（ｓ）ｅsT(s)およびμｅ-sTを含むように拡
張されている。Ｈ（ｓ）（ボックス４．４）は、無限イ
ンピーダンス（すなわち、無反射）境界条件を仮定する
構造応答関数である。Ａ（ｓ）ｅsT(s)（ボックス４．
１）は、周波数依存時間遅延Ｔ（ｓ）においてエコー状
応答を生成する構造境界条件応答を表し、構造共振ダイ
ナミクスを生じる。μｅ-sT（ボックス４．２）は、構
造共振とは独立の固定時間遅延Ｔを有するエコー効果を
表す。（このような固定時間遅延は、例えば、以下で説
明するような、機械加工システムの回転する工具の周期
である。）理解されるように、μは周波数に依存しない
振幅であり、Ａ（ｓ）は周波数依存の振幅であり、ｓは
ラプラス変換した周波数変数である。機械加工動作の具
体的な場合、μは、引き続く切削間の重畳率（０≦μ≦
１）である。
【００２６】図４に示したように、ボックス４．１およ
びボックス４．２はいずれも、構造ノイズ応答の一部を
加算点４．３に戻すそれぞれのフィードバックループに
含まれる。これらのループはいずれも、外乱ｎに対する
エコー状応答を生じる。しかし、ボックス４．１によっ
て表される共振フィードバックは、本明細書における用
語の意味による再生フィードバックではない。他方、ボ
ックス４．２によって表される固定時間遅延フィードバ
ックは、実数値で大きさ一定のシステムの応答の一部が
純粋に時間遅延により（周期的または準周期的に）外乱
ノイズに加えられる場合、再生フィードバックである。
【００２７】ボックス４．１によって表される共振フィ
ードバックは、フィルタリング機構Ａ（ｓ）ｅ-sT(s)を
介して外乱ノイズに加えられる。ただし、Ａ（ｓ）は複
素数値関数（複素数に値をとる関数）であり、周波数依
存時間遅延項Ｔ（ｓ）とともに、安定な共振ダイナミク
スを生じる。
【００２８】他方、再生フィードバックループは、不安
定な出力応答ｄを生じる。これは、関連するループ利得
が１を超えかつ外乱ノイズｎと変位応答ｄの間の位相角
が１８０°を超える場合に、起こる。
【００２９】重要なことは、正の再生フィードバックは
共振システムを容易に不安定化させることがあるという
ことである。その理由は、再生ループ利得は共振周波数
で高くなりやすいからである。このため、再生フィード
バックループ４．２が共振フィードバックループ４．１
とともに存在することにより不安定な出力応答ｄが生じ
得る。（不安定な出力応答は、例えば共振周期に比べて
長い時間間隔のようなかなり長い時間にわたって出力の
大きさが連続的に増大することによって特徴づけられ
る。）
【００３０】［Ｂ．エコー状機械的振動現象の適応制
御］ 図３に示したコントローラ構成は、エラー信号ｅから直
接分岐された（従って、エラー信号に対して先行も遅延
もしていない）基準信号ｘを適応フィルタ２．１の動作
と関連させている。理論的には、この構成が有効な振動
周波数の帯域幅は、外乱信号ｄにおける自己相関の程度
に依存する。その理由は、適応フィルタは、エラー信号
ｅに見出される自己相関（あるいは共振）成分を除去す
るという限りで有効に動作するからである。
【００３１】この理論的限界は、一般に、先行基準信号
を有する適応フィルタの従来の使用には当てはまらな
い。しかし、この点に関して注意すべき点であるが、図
３のように構成された、エラー信号から直接分岐された
基準信号を有する適応フィルタは、これまでは、機械的
構造体における振動を制御するためには使用されていな
い。そのような応用への１つの障害は、適応ＦＸＬＭＳ
コントローラを有効に動作させるためには先行基準信号
が必要であるという不正確な仮定である。
【００３２】これに対して、本発明の発明者は、構造共
振応答の制御は、再生フィードバック効果の制御ととも
に、フィルタへの基準入力としても作用する信号エラー
検知位置を用いて達成されることを示した。すなわち、
発明者は、図３の制御構造を用いて、ある振動制御問題
を解くことが実行可能であることを示した。
【００３３】この点に関して注意すべき点であるが、図
３の制御構造は、時間先行基準信号が物理的に得られな
い場合、例えば、実行可能な限りエラーセンサが切削チ
ップのできるだけ近くに配置されるべきであるような機
械加工動作のような場合に特に有用である。また、この
制御構造は、共振ダイナミクスを制御して単一センサの
アプローチによりコストが節減されるような場合に特に
有用である。
【００３４】図３に示したコントローラ構成、および、
さらに一般的には、非先行基準信号が適応フィルタに入
力されるような適応コントローラ構成は、図４に示した
ような広範囲の振動問題を解くために適用される。その
問題とは、１つまたは複数の構造応答（ボックス４．
１）の存在、あるいは、再生フィードバック（ボックス
４．２）の存在が、構造応答付近での振動不安定性を生
じるような問題である。
【００３５】適応フィルタによる、エラー信号からの自
己相関成分（１つのエラー／基準センサがある場合）ま
たは基準信号との相互相関成分（基準信号が非先行であ
り別のセンサから得られる場合）の除去は、時間遅延フ
ィードバックパス４．１および４．２に関連する信号成
分の除去として理解することができる。例えば、適応フ
ィルタ２．１（図３参照）がうまく適応しているとき、
エラー信号ｅは、近似的には、エコーパス効果（すなわ
ち、ボックス４．１および４．２による効果）が除去あ
るいはほとんどコントローラ帯域幅ＢＷcon以内に縮小
された場合の、ノイズ源ｎによって駆動された無反射構
造応答関数Ｈ（ｓ）（図４のボックス４．４）の出力の
ようにふるまう。
【００３６】コントローラ帯域幅は、以下の考察から評
価することができる。
【００３７】（ｉ）システムの自然の共振応答が制御可
能であるためには、全アクチュエータパス遅延Ｔ
DELは、共振周期ＴRESの半分より小さくなければならな
い。すなわち、ＴDEL＜ＴRES／２である。遅延Ｔ
DELは、コンピュータサンプリング遅延、フィルタ遅延
のような信号調整遅延、およびアクチュエータにおける
遅延からの寄与を含む。
【００３８】（ｉｉ）再生振動が制御可能であるために
は、アクチュエータパス遅延は、機械回転などの、不安
定性を駆動するエネルギーの周期入力の周期ＴREVより
小さくなければならない。すなわち、ＴDEL＜ＴREVであ
る。
【００３９】これらの考察から明らかに、動作時には、
非先行基準信号は、関係するエコー周期（ＴREVまたは
ＴRES、もしくは、場合によってはその倍数によって特
徴づけられる）に関して時間的に実質的に先行させられ
る。
【００４０】このように、振動コントローラの効果は、
プラントが有限帯域幅のノイズ源によって励振されたと
きにプラントの自然の共振挙動を除去するものとして理
解することができる。さらに、条件によっては、コント
ローラは、再生フィードバックの周期的影響を除去する
ものとして理解することができる。これが成立するの
は、適応フィルタの長さ（すなわち、フィルタのタップ
によって張られる時間の全長と、非使用タップの代わり
に介在する巡回バッファやその他のプログラムされた遅
延の和）が、少なくとも１周期Ｔを含むほど十分に長い
場合である。
【００４１】本発明の振動コントローラは、金属ワーク
ピースの切削、研削、フライス削り、および穿孔のため
の機械、光学的および電磁的映写システム、機体フレー
ム、橋梁、その他のトラスまたはビーム構造、回転推進
エンジン、ならびに宇宙船アンテナを含む（これらの例
に限定されない）広範囲の機械的構造における振動を縮
小するのに有用であると考えられる。（最後の例に関し
て、本発明の振動コントローラは、宇宙船アンテナにお
ける周知のジッタ現象を縮小するのに有用であると考え
られる。）
【００４２】このような応用例の一般的アプローチを図
５に例示する。Ｌ個のアクチュエータ５．１はそれぞれ
適応フィルタ５．２によって駆動される。Ｍ個のエラー
センサ５．３はそれぞれのエラー信号をＬ個の適応フィ
ルタのそれぞれへ送信する。各適応フィルタに対して、
Ｍ個のエラーセンサのうちの１つが、そのフィルタへの
基準入力を提供する。各適応フィルタの収束ステップ
は、Ｍ個のエラー信号のそれぞれからの寄与を含む。こ
の寄与のサイズは、関連するエラーセンサと関連アクチ
ュエータとの間の伝達関数の評価値に関係する。これに
ついての詳細は後述する。
【００４３】曲げモード（一般に、平行および接線と呼
ばれる２つの直交するタイプのモード）、ねじれモー
ド、軸モード（少なくとも実質的に軸方向に圧縮性の構
造部材において）、およびシェルモードを含むさまざま
な種類の機械的運動が、エラーセンサによって検知され
る。複数のエラーセンサはそれぞれ、同じ位置における
別々の種類の運動、あるいは、別々の位置における同じ
種類の運動を検出することが可能であり、また、これら
のさまざまな方式の組合せも可能である。同様に、Ｌ個
のアクチュエータは、同じ位置における別々の種類の運
動、別々の位置における同じ種類の運動、別々の位置に
おける別々の種類の運動、あるいはこれらの組合せを駆
動することが可能である。
【００４４】［Ｃ．機械加工動作における再生チャタ］ 機械加工動作における好ましくない振動の１つの源は、
工具の運動の過去の特徴が、後の時刻における工具運動
に対して強める寄与をするときに起こる再生フィードバ
ックである。このような時間遅延した正のフィードバッ
ク機構は、例えば、現在の切削幅が、先行するワークピ
ース回転中になされた切削の一部に重なるような、金属
回転動作中に生じることがある。
【００４５】結果として生じる工具の振動（「チャタ」
という。）は、ワークピースの加工表面に得られる仕上
げの品質を制限することになる。
【００４６】この現象に関する初期の理論的記述は、H.
E. Merritt, "Theory of Self-Excited Machine-Tool
Chatter", Journal of Engineering for Industry（１
９６５年１１月）で提案された。この研究で、Merritt
は、あるワークピース回転から次の回転への切削幅の重
畳率（重なり合いの比率）に基づいて再生フィードバッ
ク係数μMを導入した。
【００４７】Merrittのモデルの概略を図６に示す。図
示されているように、一次フィードバックパス１０は、
工具変位ｙd（ｓ）を瞬時切削深さｕ（ｓ）に関係づけ
る。（理解されるように、変数ｓは、周知のようにラプ
ラス変換法からの周波数変数である。）再生フィードバ
ックパス２０は、係数μMと遅延因子ｅ-sTによって特徴
づけられる。遅延因子ｅ-sTは、１回転周期Ｔによる遅
延を表す。図中に示した変数Ｆc（ｓ）は、周波数領域
の切削力を表し、切削スティフネスＫcを介して瞬時切
削深さに関係づけられる。工具の運動はこれらの力に対
する応答である。切削深さダイナミクスＧ（ｓ）は、工
具応答を、加えられた切削力に関係づける。このダイナ
ミクスは、一般に、比較的に硬いあるいは壁の厚いワー
クピースの機械加工中の工具の力学的性質を表す。
【００４８】本発明の発明者は、再生フィードバックに
よって駆動される少なくとも２種類のチャタがあること
を発見した。本明細書ではこれらのチャタをそれぞれ
「広帯域再生チャタ」および「狭帯域再生チャタ」とい
う。重要なことであるが、これらの種類のチャタはいず
れも、回転周期の倍数の時間遅延において大きな自己相
関を示す。この意味で、これらのチャタはいずれも、機
械的外乱に対するエコー状応答である。再生チャタの理
解の一部は、例えば、回転するワークピースの機械加工
中の工具変位のパワースペクトルから得られる。このス
ペクトルでは、広帯域および狭帯域のいずれのチャタ
も、回転周波数に等しい増分で規則的に間隔をおいたス
ペクトル線を有する微細構造を示す。
【００４９】狭帯域チャタは一般に、ニッケル合金およ
びチタンのような比較的硬い材料を低い回転速度で機械
加工している間に観測される。これに対して、広帯域チ
ャタは一般に、アルミニウムやスチールのような比較的
軟らかい金属を比較的高い回転速度で機械加工している
間に観測される。しかし、狭帯域チャタに関係のある硬
さおよび速度の領域と広帯域チャタに関係のある領域の
間に明確な区分はない。
【００５０】広帯域チャタと狭帯域チャタの間の１つの
区別は、上記のパワースペクトルから明らかになる。広
帯域チャタのスペクトルは、一般に、穿孔棒の自然の周
波数の１０％〜３０％上の周波数を中心とする主ピーク
を示す。このようなピークは、図７において、第１高調
波付近のピークとともに、３１８．５Ｈｚの基本周波数
において明らかである。（理解されるように、これらの
ピークはそれぞれ、上記の複数のスペクトル線の合成で
ある。）これに対して、狭帯域チャタのスペクトルは一
般に、工具あるいはワークピースの１つまたは複数の共
振周波数を中心とする狭いピークを示す。このようなス
ペクトルを図８に示す。
【００５１】Merrittモデルは、広帯域再生チャタの原
因となる機構の解明にある程度成功している。しかし、
これまでのところ、高度な機械加工動作のユーザによっ
て要求される十分な表面仕上げの品質を提供するため
に、能動的振動制御の技術を適用して広帯域または狭帯
域のチャタを縮小することは実現されていない。
【００５２】本発明の発明者は、比較的硬い金属を切削
するとき（狭帯域チャタが起きるような条件下で）、外
乱パスの再生ループ２０（図６参照）は構造応答のうち
の１つにおいて（与えられた時刻に）、プラント内に不
安定性を生じやすいことを発見した。発明者は、図３の
方法（例示的にエラー信号を非先行基準信号として用い
た）は、構造応答エネルギーを縮小しながら、再生フィ
ードバック効果を縮小するのに有効であることを発見し
た。これを、図９の理想パワースペクトルのさまざまな
特徴によって説明する。図９において、共振ピークは、
切削ノイズに対する自然共振応答による部分６００と、
再生フィードバックによる部分６１０に分けられてい
る。制御された帯域幅は、図中の領域６２０で示され、
機械的構造の制御された応答は、曲線部分６３０および
振幅６４０によって示されている。
【００５３】さらに、発明者は、軟らかい金属を比較的
高い回転速度で切削するとき（広帯域チャタが起きるよ
うな条件下で）、ループ２０（図１参照）は、自由棒共
振周波数の上の一群の周波数において、プラント内に不
安定性を生じやすいことを発見した。この場合、発明者
は、適応フィルタがワークピースの少なくとも１回転周
期にわたるほど十分に長い場合に限り、図３の方法は再
生ループに拮抗することを発見した。
【００５４】これを、図１０の理想パワースペクトルの
さまざまな特徴によって説明する。図１０において、曲
線７００は、理想化された自由棒衝撃応答を表し、曲線
７１０は、対応する、制御された切削動作を表す。領域
７３０は、制御された帯域幅を表す。
【００５５】［Ｄ．実施例］ 本発明の方法は、特に、アクチュエータ制御信号を生成
するために現代制御理論を適用しないという点で、Rouc
h特許の方法とは異なる。代わりに、上記のように、本
発明は、適応トランスバーサルフィルタを用いて、アク
チュエータに入力する補正信号を特徴づける係数を自動
的に更新する。本発明の方法は、多くの種類の機械的シ
ステムにおける機械的外乱に対するエコー状応答を抑制
するのに有効であると考えられる。機械加工動作の具体
例の場合、本発明は、広帯域および狭帯域の再生チャタ
を両方とも抑制するのに有効である。
【００５６】ＦＸＬＭＳアルゴリズムのような周知の計
算方法を適用することによって、適応フィルタは適当な
基準信号に作用して補正信号を生成する。各係数は、補
正信号の成分の一部の寄与（すなわち重み）を指定し、
補正信号は、それぞれの増分だけ基準信号を遅延させる
ことによって生成される。（これらの増分は一般にフィ
ルタに組み込まれて設計あるいはプログラムされる。ア
ナログ遅延線との類似により、各増分はフィルタの「タ
ップ」に関係づけて言及されることも多い。）これらの
重みは、エラー信号の大きさを下方に駆動するように周
期的に更新される。
【００５７】本発明の重要な特徴は、適応フィルタが非
先行基準信号を受信することである。実際、ある実施例
では、基準信号とエラー信号はいずれも、実質的に、工
具運動の同じ時変記述子に対応し、実際に、同じ工具運
動センサによって提供されることが可能である。この記
述子は一般に、工具の変位関数または加速度関数であ
る。（加速度関数は、変位関数の２階導関数である。）
【００５８】同じセンサを用いてエラー信号と基準信号
の両方を提供するという本発明の実施例は、特に、広帯
域チャタを抑制するのに有用である。このような応用例
では、再生フィードバックによって引き起こされる現在
の工具のたわみと１回転周期後に起こることになるたわ
みの間に既知の相関がある。ワークピースの回転周期に
最も良く一致する対応する遅延を有するフィルタタップ
は、一般に補正信号への実質的な寄与をなす。（回転周
期の約数付近のタップ、すなわち、回転周波数の倍数付
近のタップもまた、補正信号に実質的に寄与するが、そ
の寄与は一般に小さい。）実際、少なくともいくつかの
場合には、フィルタ係数の収束（すなわち、適応期間）
は、１回転周期だけ基準信号を遅延させる（従って、実
際には、各フィルタタップに１回転周期を加える）よう
に調整されたオプションの遅延線でフィルタを補強する
ことによって改善される。
【００５９】以下で、静止した工具が回転する金属ワー
クピースを切削するという機械加工動作におけるチャタ
を抑制するための、本発明の実施例について説明する。
なお、この説明は例示的なものであり、本発明はこの実
施例に限定されない。実際、本発明は、ワークピースが
固定され工具が回転する場合を含む他の種類の機械加工
動作や、フライス削り、穿孔、および研削の動作などに
おける振動を抑制するためにも適用されると考えられ
る。さらに一般的に、本発明は、上記のような多くの種
類の機械システムにおける機械的外乱に対するエコー状
応答を抑制するために適用されると考えられる。
【００６０】図１１に示したように、代表的な金属回転
設備は、一端３５に装着された穿孔棒３０を有する。穿
孔棒の他端には切削ビット４０が装着されている。穿孔
棒の台４５は可動キャリッジ５０上に装着されている。
キャリッジの移動により、切削ビットはワークピース５
５に接触することができる。回転周期Ｔおよび回転速度
Ｆ（Ｈｚ）でワークピースを回転させる手段（図示せ
ず）も設けられる。ここでＦ＝１／Ｔである。
【００６１】また、図には、信号プロセッサ６５から発
信され増幅器７０によって増幅された補正信号に従って
切削ビットを変位させるための電気機械的アクチュエー
タ６０が示されている。工具ビットあるいは穿孔棒の動
きを検知するための少なくとも１つのセンサが必要であ
る。
【００６２】例として２つのセンサが図示されている。
そのうちの一方は法線加速度計７５であり、工具ビット
付近の点で、ワークピース表面の法線方向に、穿孔棒の
（切削工具の作用点における）加速度を検知する。他方
のセンサは接線加速度計８０であり、ワークピース表面
に接する方向の（そして、穿孔棒の長軸に垂直な）、穿
孔棒の加速度を検知する。加速度信号は、工具ビット運
動の記述子として直ちに直接使用することができる。あ
るいは、速度または変位の信号のような関連する信号を
記述子として使用することも可能である。発明者は現在
のところ、変位信号Ｘ（ｔ）を使用するのが好ましいと
考える。その理由は、この信号は、結果として得られる
表面仕上げに直接関係するためである。
【００６３】動きセンサが加速度計である場合、変位信
号Ｘ（ｔ）を得るために、加速度計出力を２回積分する
必要がある。この操作は、以下で詳述するように、信号
プロセッサ６５によって実行される。
【００６４】理解されるように、本発明の方法の応用に
おいて、切削ビットおよび穿孔棒の、他のさまざまな機
械的運動に注目することができる。そのような他の運動
には、例えば、穿孔棒のねじれや、ワークピース表面の
法線および接線の方向における穿孔棒のたわみがある。
さらに、これらの運動を、工具の位置から離れた穿孔棒
上の位置で測定することも有益であることがある。さら
に、理解されるように、現在のところ好ましいのは加速
度計の使用であるが、他の種類の動きセンサも利用可能
であり、本発明におけるその使用は当業者には明らかで
ある。そのような他のセンサには、例えば、光センサお
よびピエゾ電気歪みゲージがある。
【００６５】重要なことは、発明者が、広帯域チャタを
制御するには一般に法線変位信号が有効であり、一方、
狭帯域チャタを制御するには一般に接線変位信号が有効
であることを発見したことである。
【００６６】上記のように、少なくとも１つのセンサの
出力が信号プロセッサに入力される。また、タコメータ
９０が設けられ、その出力もまた信号プロセッサに送ら
れる。タコメータの目的は、回転速度Ｆの現在の読みを
提供することである。
【００６７】アクチュエータ６０は、例えば、電気力学
的シェーカ（加震機）である。（このような装置では、
磁気巻線を流れる電流と、コイルおよびそのコイルに取
り付けられたピストンに加わる力とが正比例する。この
ピストンは「スティンガ」と呼ばれることもある。）理
解されるように、この場合に他の種類のアクチュエータ
も使用可能であり、それは当業者には明らかである。そ
のような他のアクチュエータには、例えば、慣性アクチ
ュエータ質量に対して、あるいは、穿孔棒の基台を通し
て作動力を伝える関節でつながったクランプに対して、
動力伝導部として使用されるピエゾ電気スタックがあ
る。
【００６８】重要なことは、発明者が、広帯域チャタを
制御するには、ワークピースの表面に垂直な工具変位を
生成するようにアクチュエータを調整することが一般に
非常に有効であることを発見したことである。他方、狭
帯域チャタを制御するには、発明者は、工具の接線変位
が一般に有効であることを発見した。
【００６９】図１２を参照すると、補正信号Ｆa（ｓ）
を提供する簡単な方法は、工具変位信号をフィードバッ
クすることである。広帯域チャタを補正するために（し
かし、一般に、狭帯域チャタを補正するためではな
い）、この信号は、回転周期Ｔにほぼ等しい遅延Δを加
えた後にフィードバックされる。この遅延は、信号処理
要素１００で生成される。信号処理要素１００は、アナ
ログ遅延線とすることが可能であるが、好ましくは、入
力端でアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換を行い出力
端でディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換を行うディジ
タル信号プロセッサである。
【００７０】補正信号は（必要に応じて遅延された
後）、反転増幅器１１０で増幅され、アクチュエータ
（図ではブロック１２０としてモデル化されている）に
送られ、補正変位ｙa（ｓ）を生成する。この補正変位
は、切削ビットにおいて切削システムに固有の他の変位
と加算されて、全変位ｙc（ｓ）を生成する。センサ
（例えば図１の加速度計７５または８０）は、（必要に
応じて、適当な信号積分器とともに用いられて）注目す
る切削ビット変位に比例する変位信号Ｘ（ｔ）を生成す
る。
【００７１】遅延Δおよび増幅器利得Ｋは、工具の観測
されるチャタを最小にするように（手動または自動で）
調節される。上記のように、この目的のためのΔの最適
値は、回転周期Ｔに等しくなる。
【００７２】図１２の補正システムはかなりのノイズ低
減ができるが、現在のところ好ましい図１３のシステム
によりさらに改善が可能である。このシステムでは、加
速度信号ｄ2Ｘ（ｔ）／ｄｔ2（すなわち、変位信号の２
階導関数）が、（ボックス２００におけるＡ／Ｄ変換の
後に）、エラー信号２１０および基準信号２１５として
ディジタル適応フィルタ２０５に入力される。
【００７３】上記のように、基準信号２１５は、オプシ
ョンとして、適応フィルタに入力される前に時間遅延Δ
を受ける。この遅延は、例えば、巡回バッファ２２０に
よって与えられる。回転周期Ｔの更新された推定値（Δ
はこの値に設定される）は、ボックス２２５に示したＡ
／Ｄ変換（必要な場合）の後にタコメータによって巡回
バッファに送られる。（上記のように、時間遅延要素２
２０は、狭帯域チャタに対する補正システムでは一般に
使用されない。）
【００７４】上記のように、適応フィルタ２０５は補正
信号２３０を生成し、これは、ボックス２３５に示した
Ｄ／Ａ変換の後、アクチュエータに送られる。図のボッ
クス２４０に記号Ｙで示した「プラント」は、工具の実
際の動きをアクチュエータへの電気的入力に関係づける
伝達関数である。プラント推定値Ｙ＾は、プラントＹの
数学的モデルであり、補正システムの構成要素として、
ボックス２４５に示されるように与えられる。基準信号
は、ボックス２４５でフィルタリングされて、フィルタ
リングされた基準信号２５０が生成される。信号２５０
およびエラー信号２１０は、ボックス２５５で表される
適応フィルタに入力され、この適応フィルタの重みを更
新する。重みは、以下で説明するアルゴリズムに従って
更新される。
【００７５】図示したように、適応フィルタ２０５、重
み更新ユニット２５５、プラント推定値２４５、オプシ
ョンの巡回バッファ２２０、Ａ／Ｄコンバータ２００お
よび２２５、ならびにＤ／Ａコンバータ２３５は、機能
要素２６０（以下「ディジタルコントローラ」とい
う。）内に含まれる。これらのさまざまな機能は、個別
にあるいは組合せとして、別々の構成要素によって提供
されることも可能であるが、１つまたは複数のディジタ
ル信号プロセッサによってこれらの機能を実行すること
が現在のところ好ましい。このようなプロセッサあるい
はプロセッサ群を、ディジタルコントローラ２６０とみ
なすことができる。
【００７６】信号サンプリング技術の当業者に周知のよ
うに、アンチエイリアシングフィルタ２６５および２７
０を含めることにより、それぞれ、エラー信号およびタ
コメータ信号から、サンプリングプロセスの夾雑物を除
去すると有利である。また、再構成フィルタ２７５を含
めることにより、補正信号２３０を平滑化し、ディジタ
ル処理段の間に導入されるディジタル夾雑物を除去する
と有利である。
【００７７】適応フィルタの重み係数を更新するには、
現在のところ、周知の「フィルタリングされたＸ最小平
均二乗」（ＦＸＬＭＳ）アルゴリズムを用いるのが好ま
しいと考える。このアルゴリズムは、例えば、B. Widro
w and S. D. Stearns, "Adaptive Signal Processing",
Prentice-Hall (1985)に記載されている。他の、さら
に計算量の多いアルゴリズムを用いて、例えば最適重み
ベクトルへの収束を速くすることも可能である。しか
し、そのようなアルゴリズムでは、ディジタルプロセッ
サの計算能力に対する要求が厳しくなる。この点に関し
て重要なことは、適応フィルタの動作に必要な計算量
は、フィルタタップの数の２乗とともに増大することで
ある。
【００７８】ＦＸＬＭＳアルゴリズムによれば、重み係
数の更新を支配する方程式は次式である。 ｗ(i) k+1＝αｗ(i) k＋２μfiltｅkｘ(i) k ただし、ｗ(i) k+1は、適応フィルタの更新された重みベ
クトルであり、ｗ(i) kは前のサンプル期間の重みベクト
ルであり、μfiltは適応フィルタの収束ステップサイズ
であり、ｅkは現在のサンプル期間のエラーであり、ｘ
(i) kはプラント推定値２４５を通してフィルタリングし
た後の基準信号ベクトルである。記号αはいわゆるリー
ク係数を表し、１以下の正の値をとる。われわれの検討
で用いたαの典型的な値は０．９である。
【００７９】さらに具体的には、ベクトルｘ(i) kは、次
式に従ってエラーｅkおよびプラント推定値Ｙ＾と関係
づけられる。 ｘ(1) k＝ｅk＊Ｙ＾ ｘ(i) k＝ｘ(i-1) k-1
【００８０】記号＊は畳込み演算を表す。通常、Ｙ＾と
畳込みされる信号は、別の基準センサからの基準信号で
ある。しかし、本発明では、Ｙ＾は、エラーセンサから
の信号ｅkと畳込みされる。
【００８１】添字ｉは１からＮまでを走る。ただし、Ｎ
は適応フィルタのタップの数である。Ｎの例示的な値は
１０２４である。発明者が見出したところでは、広帯域
チャタが優勢であるような応用例において再生フィード
バックを制御するための適応フィルタの動作において広
帯域の周波数を拒絶するためには、この値が有効であ
る。
【００８２】さらに一般的には、Ｎは、ワークピースの
少なくとも１回転周期を含むほどに大きくすべきであ
り、好ましくは、２以上の回転周期を含むべきである。
【００８３】複数のフィルタおよび複数のアクチュエー
タの場合、上記の方程式は次のように一般化される。
【数１】 ただし、Ｌはアクチュエータの数であり、Ｍはセンサの
数であり、添字λは１からＬまでを走り、添字ｍは１か
らＭまでを走る。量Ｙ＾λjは、アクチュエータλとセ
ンサｊの間の伝達関数推定値である。各適応フィルタご
とに、１つのエラーセンサが基準入力を提供するように
作用する。すなわち、出力（ｅk）mを有するセンサが、
伝達関数推定値と畳込みされる。
【００８４】一般的に、フィルタが適応され、重み係数
の値が安定化した後であっても、何らかの残留エラーが
工具変位信号に（あるいは、同じことであるが、加速度
計信号に）存在する。このエラーは、引き続くワークピ
ース回転の間の無相関ノイズを表す。これは、新しい材
料の切削に対する切削システムの応答の無相関部分とし
て説明することができる。
【００８５】オプションとして、上記の補正システム
は、適応フィルタ２０５を迂回する線形レギュレータフ
ィードバックループによって増強される。このようなフ
ィードバックループは、穿孔棒の自然のダイナミクスを
補償することができるため、エラー信号に残る線形応答
ノイズを抑制することによって表面仕上げをさらに改善
することが可能となる。
【００８６】この点に関して注意すべき点であるが、そ
れぞれのフィードバックループ（すなわち、ＦＸＬＭＳ
ループおよび線形レギュレータループ）は、互いのプラ
ント伝達関数に影響を与える。従って、それぞれのルー
プに対して安定なプラント推定値を決定するためには、
１つ以上の反復サイクルが必要となる。例示的なこのよ
うなループでは、適応フィルタをまず収束させた後、線
形レギュレータループに対するプラント推定値を決定
し、その後に、ＦＸＬＭＳループに対する新たなプラン
ト推定値を決定する。
【００８７】［例］ 発明者は、図１４に示した構成を用いて本発明のコント
ローラの実験的試験を実行した。穿孔棒３００をクラン
プ３０５に固定し、クランプ３０５は、旋盤モータによ
って一定送り速度で駆動される旋盤キャリッジ（図示せ
ず）に取り付けた。リングクランプ（図示せず）が、法
線シェーカ３１０および接線シェーカ３１５を穿孔棒に
固定する。穿孔棒の末端には、図示のように、接線方向
の棒運動を測定する加速度計３２０と、法線方向の棒運
動を測定する加速度計３２５を取り付けた。この場合、
法線方向とは、切削チップ３３０の作用点において、回
転するワークピース３２７の表面に垂直な方向であり、
接線方向とは、切削チップの作用点において、ワークピ
ースの動きに平行で、ワークピース表面に接する方向で
ある。図１４から明らかなように、第３の方向である軸
方向（すなわち、穿孔棒の長手軸に平行な方向）もま
た、ワークピース表面に平行とすることが可能である。
この実験では、この軸方向に関する切削チップの偏向を
制御しようとはしなかった。その理由は、そのような偏
向によるチャタよりも、法線チャタもしくは接線チャタ
またはその両方のほうがずっと大きいからである。軸方
向の制御は、大きい軸方向圧縮性を示す穿孔棒を有する
構造（あるいはその他の重要な構造要素）において容易
に実行可能である。
【００８８】［狭帯域チャタ試験］ ワークピースをInconel 718から作成した。この材料あ
るいはその他のニッケル合金を（対称な断面の穿孔棒を
用いて）切削するときに、背景切削ノイズに重なって、
まず、穿孔棒の基本周波数およびその高調波付近に集中
した接線方向のたわみとして狭帯域チャタが現れること
が分かった。
【００８９】しかし、このチャタが大きくなるにつれ
て、法線方向のたわみ（同じく棒の共振周波数に集中し
ている）が現れる。重要なことであるが、達成可能な表
面仕上げの品質に直接関係するのは法線チャタのほうで
ある。発明者は、接線方向のたわみを制御することは、
法線方向の１次モードチャタを縮小するのに有効であ
り、それにより、結果として得られる表面仕上げを改善
することができることを見出した。
【００９０】本発明によるコントローラは、標準的な、
基準パワーが正規化されたＦＸＬＭＳアルゴリズムを実
装し、各サンプル周期ごとに１回ずつ適応フィルタの重
みを更新した。基準信号は、エラーセンサの出力から分
岐させた。（この場合、エラーセンサは接線加速度計で
あった。）
【００９１】図１５は、コントローラをオフにした場合
と、コントローラをオンにした場合における、718 Inco
nel（ロックウェル硬度は３８）の機械加工中の法線チ
ャタの大きさの周波数スペクトルである。ワークピース
は０．４７Ｈｚで回転し、切削深さは０．５１ｍｍであ
り、送り速度は１回転あたり０．２５ｍｍである。穿孔
帽はスチールであり、張出し（オーバーハング）比は１
０である。接線加速度を（積分なし。必要なだけ積分す
れば加速度は例えば変位に変換される）エラー信号とし
て使用する。適応フィルタ長は２５６タップであった。
これは、８ｋＨｚのサンプルレートで全時間が３２ｍｓ
であることを表す。基本チャタ周波数は、１００Ｈｚ付
近に現れているが、これは穿孔棒の１次モード周波数で
ある。
【００９２】図１６は、対応する接線チャタの大きさの
周波数スペクトルである。
【００９３】発明者は、回転速度がさらに増大すると、
穿孔棒のさらに高い共振モードで、高次のチャタが現れ
ることを発見した。発明者は、基本モードより高いチャ
タを抑制する際には法線方向および接線方向のたわみを
両方とも制御することが好ましいことを見出した。発明
者は、法線方向制御ループと接線方向制御ループを、そ
れらの間の相互結合なしに独立に用いるのが有効である
ことを見出した。図５は、例えばエラーセンサｅ1を法
線エラーセンサとし、エラーセンサｅ2を接線エラーセ
ンサとし、ｅ1を適応フィルタ１のみに接続し、ｅ2を適
応フィルタ２のみに接続し、アクチュエータ１を法線ア
クチュエータとし、アクチュエータ２を接線アクチュエ
ータとした場合に、二重制御ループの使用を例示してい
る。
【００９４】［広帯域チャタ試験］ 発明者は、試験において、広帯域チャタを減少させるに
は接線方向の制御よりも法線方向の制御のほうが有効で
あることを見出した。
【００９５】図１７は、４１４０鋼の切削中にコントロ
ーラをオンおよびオフにした場合の、法線チャタの大き
さの周波数スペクトルである。ワークピースは５．７５
Ｈｚで回転し、切削深さは１ｍｍであり、送り速度は１
回転あたり０．１２５ｍｍである。適応フィルタ長は１
０２４タップであった。これは、４ｋＨｚのサンプルレ
ートで２５６ｍｓを表す。
【００９６】［慣性アクチュエータ］ また、発明者は、穿孔棒内に含まれる慣性アクチュエー
タをシェーカ（これは、例えば図１４に示したように穿
孔棒の外部に装着した）の代わりに用いたときにも定性
的に同様の結果を得た。穿孔棒４１０内の慣性アクチュ
エータ４００の位置を図１８に示す。
【００９７】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、機
械システムにおける好ましくない振動を効率的に制御す
ることが可能となる。本発明は、広帯域および狭帯域の
再生チャタを両方とも抑制するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】能動振動制御を実行するための一般的なレギュ
レータの概念図である。
【図２】能動振動制御のための適応レギュレータの概念
図である。
【図３】エラー信号と基準信号が同じであるような適応
レギュレータの概念図である。これは、非先行基準信号
を用いたレギュレータの特殊な場合である。
【図４】固定時間遅延再生フィードバックを有する共振
構造の振動挙動の概念図である。
【図５】複数のエラーセンサおよび複数の機械アクチュ
エータを有する適応レギュレータの概念図である。
【図６】H. E. Merrittによる理論的モデルによって、
金属回転動作中に存在する再生フィードバックシステム
の概略図である。
【図７】広帯域チャタを示す代表的な金属回転動作中の
工具変位のパワースペクトルの図である。この図で、ワ
ークピースの回転速度は５．７５Ｈｚであり、ワークピ
ース材料は４１３０鋼であり、切削深さは０．５ｍｍで
あり、送りレートは１回転あたり０．０３２５ｍｍであ
る。各切削とその前の切削の間には一般にいくらかのオ
ーバーラップ（重畳）がある。オーバーラップの正確な
量は一般に送りレートに依存する。工具ビットは張出し
比Ｌ／Ｄが６の片持ち穿孔棒に装着される。パラメータ
Ｌは穿孔棒の長さを表し、パラメータＤは穿孔棒の直径
を表す。
【図８】狭帯域チャタを示す代表的な金属回転動作中の
接線方向の工具変位のパワースペクトルの図である。イ
ンコネル製ワークピースは、切削深さ０．５１ｍｍ、送
りレートは１回転あたり０．２５ｍｍ、張出し比は１１
で、０．４７Ｈｚで回転する。
【図９】狭帯域チャタの理想化されたパワースペクトル
の図である。
【図１０】広帯域チャタの理想化されたパワースペクト
ルの図である。
【図１１】回転するワークピースを含む、金属回転機械
の概略図である。この図には、本発明の一実施例の方法
を実行する信号プロセッサおよび電気機械アクチュエー
タも示されている。
【図１２】図６のフィードバックシステムに追加される
制御システムの概略図である。この制御システムは、工
具変位を制御するための補正信号Ｆa（ｓ）を出力す
る。この補正信号は、一部は、調節可能遅延デバイスを
用いて工具変位信号を１回転周期だけ遅延させ、増幅器
利得Ｋを加えることによって導出される。
【図１３】本発明の一実施例による、適応フィルタを含
む制御システムの概略図である。
【図１４】本発明の実施例を実験的に評価するために用
いられる制御された金属切削装置の概略図である。
【図１５】狭帯域チャタ条件下で図１４の装置に対して
測定される法線方向のチャタの大きさの周波数スペクト
ルの図である。
【図１６】狭帯域チャタ条件下で図１４の装置に対して
測定される接線方向のチャタの大きさの周波数スペクト
ルの図である。
【図１７】広帯域チャタ条件下で図１４の装置に対して
測定される法線方向のチャタの大きさの周波数スペクト
ルの図である。
【図１８】図１４の金属切削装置の穿孔棒内の機械アク
チュエータの代替配置を示す概略図である。
【符号の説明】
１．１ コントローラ １．２ プラント １．３ 外乱パス １．４ アクチュエータパス １．５ 加算点 ２．１ 適応フィルタ ２．２ 分岐点 ２．３ ライン ４．１ 共振フィードバックループ ４．２ 再生フィードバックループ ４．３ 加算点 ５．１ アクチュエータ ５．２ 適応フィルタ ５．３ エラーセンサ １０ 一次フィードバックパス ２０ 再生フィードバックパス ３０ 穿孔棒 ４０ 切削ビット ４５ 台 ５０ 可動キャリッジ ５５ ワークピース ６０ 電気機械的アクチュエータ ６５ 信号プロセッサ ７０ 増幅器 ７５ 法線加速度計 ８０ 接線加速度計 ９０ タコメータ １００ 信号処理要素 １１０ 反転増幅器 １２０ アクチュエータ ２００ Ａ／Ｄコンバータ ２０５ ディジタル適応フィルタ ２１０ エラー信号 ２１５ 基準信号 ２２０ 巡回バッファ ２２５ Ａ／Ｄコンバータ ２３０ 補正信号 ２３５ Ｄ／Ａコンバータ ２４０ プラント ２４５ プラント推定値 ２５０ フィルタリングされた基準信号 ２５５ 重み更新ユニット ２６０ ディジタルコントローラ ２６５ アンチエイリアシングフィルタ ２７０ アンチエイリアシングフィルタ ２７５ 再構成フィルタ ３００ 穿孔棒 ３０５ クランプ ３１０ 法線シェーカ ３１５ 接線シェーカ ３２０ 加速度計 ３２５ 加速度計 ３２７ ワークピース ３３０ 切削チップ ４００ 慣性アクチュエータ ４１０ 穿孔棒
フロントページの続き (72)発明者 ダグラス ロイ ブラウニング アメリカ合衆国、07869 ニュージャー ジー、ランドルフ、オーク レーン 10 (72)発明者 ジョージ グスタフ ジプフェル，ジュ ニア アメリカ合衆国、07901 ニュージャー ジー、サミット、カヌー ブルック パ ークウェイ 164 (56)参考文献 特開 平７−186805（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−104770（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−6187（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−59684（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 19/00 - 19/02 G05B 19/18 - 19/46 F16F 15/02 B23Q 15/00 - 15/28

Claims (32)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 機械システムの少なくとも１つの要素を
    機械的外乱へのエコー状応答に対して安定化させる方法
    において、 ａ．前記機械システムの少なくとも１点における動きを
    検知することにより、少なくとも１つのエラー信号を生
    成するステップと、 ｂ．前記機械システムの動きに直接関係する少なくとも
    １つの非先行基準信号を生成するステップと、 ｃ．適応フィルタを動作させることにより、前記エラー
    信号および前記基準信号に応じた補正信号を生成するス
    テップと、 ｄ．前記補正信号に応じて機械的アクチュエータを駆動
    することにより、前記補正信号から導出される安定化の
    ための一般化力を前記要素に加えるステップと、 を含む 、機械システム安定化方法。
  2. 【請求項２】 前記要素は、回転する機械に機械的に結
    合されており、 前記ステップｃは、前記エラー信号に対して、前記回転
    する機械の約１回転周期の遅延量を示す補正信号を生成
    する、 請求項１の機械システム安定化方法。
  3. 【請求項３】 前記要素は、回転するワークピースに機
    械的に結合されており、 前記ステップｃは、前記エラー信号に対して、前記回転
    するワークピースの約１回転周期の遅延量を示す補正信
    号を生成する、 請求項１の機械システム安定化方法。
  4. 【請求項４】 前記ステップｂは、前記エラー信号の一
    部を分岐させるステップを含む、請求項１の機械システ
    ム安定化方法。
  5. 【請求項５】 前記要素は、回転する機械に機械的に結
    合されており、 前記ステップｃは、前記基準信号に対して、前記機械シ
    ステムの少なくとも１つの構造共振周波数または該構造
    共振周波数近辺におけるスペクトルエネルギーの量を示
    す補正信号を生成する、 請求項１の機械システム安定化方法。
  6. 【請求項６】 前記ステップａは、回転する金属ワーク
    ピースを工具が切削している間に該工具の動きを検知す
    るステップを含む、請求項１の機械システム安定化方
    法。
  7. 【請求項７】 前記ステップａは、前記ワークピースが
    前記工具に接触している該ワークピースの表面部分に垂
    直な方向の工具の動きを検知するステップを含む、請求
    項６の機械システム安定化方法。
  8. 【請求項８】 前記ステップａは、前記ワークピースが
    前記工具に接触している該ワークピースの表面部分に接
    する方向の工具の動きを検知するステップを含む、請求
    項６の機械システム安定化方法。
  9. 【請求項９】 前記ステップｄは、補正された一般化力
    が前記アクチュエータから前記工具に直接加えられるよ
    うに実行される、請求項６の機械システム安定化方法。
  10. 【請求項１０】 前記ステップｄは、補正された一般化
    力が前記アクチュエータから構造支持部材を通して前記
    工具に伝達されるように実行される、請求項６の機械シ
    ステム安定化方法。
  11. 【請求項１１】 補正された一般化力は前記アクチュエ
    ータから穿孔棒を通して前記工具に伝達される、請求項
    １０の機械システム安定化方法。
  12. 【請求項１２】 機械システムの少なくとも１つの要素
    を機械的外乱へのエコー状応答に対して安定化させる方
    法において、 ａ．少なくとも２点における前記機械システムの動きを
    検知することにより、少なくとも第１および第２のエラ
    ー信号を生成するステップと、 ｂ．少なくとも第１および第２の非先行基準信号を生成
    するステップであって、該第１および第２の非先行基準
    信号がそれぞれ、前記機械システムの動きに直接関係
    し、かつ、前記少なくとも第１および第２のエラー信号
    のうちの対応するエラー信号に対して先行していない、
    ステップと、 ｃ．少なくとも第１および第２の適応フィルタを動作さ
    せることにより、少なくとも第１および第２の補正信号
    を生成するステップであって、該第１および第 ２の補正
    信号がそれぞれ、少なくとも前記第１および第２のエラ
    ー信号のうちの対応するエラー信号に応じるとともに、
    少なくとも前記第１および第２の基準信号に応じる、ス
    テップと、 ｄ．前記少なくとも第１および第２の補正信号の対応す
    る補正信号に応じて少なくとも第１および第２の機械的
    アクチュエータをそれぞれ駆動することにより、少なく
    とも２つの安定化のための一般化力を前記少なくとも１
    つの要素に加えるステップであって、前記少なくとも２
    つの一般化力がそれぞれ、前記第１および第２のエラー
    信号のうちの対応するエラー信号から導出される、ステ
    ップと、を含む 、機械システム安定化方法。
  13. 【請求項１３】 前記第１および第２の機械的アクチュ
    エータはそれぞれ、前記機械システムの別個の要素に安
    定化のための一般化力を加える、請求項１２の機械シス
    テム安定化方法。
  14. 【請求項１４】 前記第１および第２のアクチュエータ
    はそれぞれ、前記機械システムの同一の要素に安定化の
    ための一般化力を互いに直交する方向に加える、請求項
    １２の機械システム安定化方法。
  15. 【請求項１５】 前記ステップｂは、前記第１のエラー
    信号から前記第１の基準信号を分岐させるとともに、前
    記第２のエラー信号から前記第２の基準信号を分岐させ
    るステップを含む、請求項１２の機械システム安定化方
    法。
  16. 【請求項１６】 回転するワークピースに接触すること
    が可能な切削チップを穿孔棒が支持するような金属切削
    装置の穿孔棒を安定化させる方法において、前記切削チ
    ップが前記ワークピースの表面に接触する点において前
    記ワークピースの表面に垂直な方向を法線方向と定義
    し、前記接触する点において前記ワークピースの表面に
    平行であるとともに前記ワークピースの表面の動きの方
    向に平行な方向を接線方向と定義し、前記方法は、 ａ．前記穿孔棒のたわみを検知することにより、少なく
    とも第１のエラー信号と該第１のエラー信号から分岐さ
    れる少なくとも第１の基準信号とを生成するステップ
    と、 ｂ．少なくとも第１の適応フィルタを動作させることに
    より、少なくとも前記第１のエラー信号に応じた少なく
    とも第１の補正信号を生成するステップと、 ｃ．前記第１の補正信号に応じて少なくとも第１の機械
    的アクチュエータを駆動することにより、前記補正信号
    から導出される安定化のための一般化力を前記穿孔棒に
    加えるステップと、 を含む 、方法。
  17. 【請求項１７】 前記ステップａは、前記穿孔棒の法線
    方向のたわみを検知することにより前記第１のエラー信
    号を生成し、前記穿孔棒の接線方向のたわみを検知する
    ことにより第２のエラー信号を生成するステップを含
    む、請求項１６の方法。
  18. 【請求項１８】 前記ステップｂは、前記第１の適応フ
    ィルタを動作させることにより少なくとも前記第１のエ
    ラー信号に応じた第１の補正信号を生成し、第２の適応
    フィルタを動作させることにより少なくとも前記第２の
    エラー信号に応じた第２の補正信号を生成するステップ
    を含み、 前記ステップｃは、前記第１の補正信号に応じて前記第
    １のアクチュエータを駆動することにより法線方向の一
    般化力を前記穿孔棒に加え、前記第２の補正信号に応じ
    て第２のアクチュエータを駆動することにより接線方向
    の一般化力を前記穿孔棒に加えるステップを含む、 請求項１７の方法。
  19. 【請求項１９】 前記第１の適応フィルタは、前記第１
    の補正信号が前記第１のエラー信号には応答するが前記
    第２のエラー信号には応答せず、かつ、前記第２の補正
    信号が前記第２のエラー信号には応答するが前記第１の
    エラー信号には応答しないように動作する、請求項１８
    の方法。
  20. 【請求項２０】 機械システムの少なくとも１つの要素
    を機械的外乱へのエコー状応答に対して安定化させる装
    置において、 エラー検知位置における前記機械システムの動きを示す
    エラー信号を生成する少なくとも１つのエラーセンサ
    と、 前記機械システムの動きに直接関係する少なくとも１つ
    の非先行基準信号を生成する基準信号生成手段と、 前記エラーセンサおよび前記基準信号生成手段からの信
    号に応じて動作する少なくとも１つの適応フィルタと、 前記適応フィルタから受信される補正信号から導出され
    る安定化のための一般化力を前記要素に加える少なくと
    も１つの機械的アクチュエータと、 を含む 、機械システム安定化装置。
  21. 【請求項２１】 前記基準信号生成手段は前記エラーセ
    ンサからのタップからなる、請求項２０の機械システム
    安定化装置。
  22. 【請求項２２】 前記機械システムは、回転周期をもつ
    回転する機械を有し、 前記基準信号生成手段は、前記エラーセンサから分岐さ
    れる信号を前記回転する機械の約１回転周期だけ遅延さ
    せる遅延要素をさらに含む、 請求項２１の機械システム安定化装置。
  23. 【請求項２３】 前記要素は、回転周期をもつ回転する
    ワークピースに機械的に結合されており、 前記基準信号生成手段は、前記エラーセンサから分岐さ
    れる信号を前記回転するワークピースの約１回転周期だ
    け遅延させる遅延要素をさらに含む、 請求項２１の機械システム安定化装置。
  24. 【請求項２４】 前記基準信号生成手段は、前記機械シ
    ステム中を伝搬する機械的信号の表示を生成する基準セ
    ンサを含み、 該基準センサは、前記エラーセンサが前記機械的信号に
    応答した後に該基準センサが前記機械的信号に応答する
    ように配置される、 請求項２０の機械システム安定化装置。
  25. 【請求項２５】 機械システムの少なくとも１つの要素
    を機械的外乱へのエコー状応答に対して安定化させる機
    械システム安定化装置において、各 エラー検知位置における前記機械システムの動きを示
    すエラー信号を生成する少なくとも２つのエラーセンサ
    と、前記機械システムの動きに直接関係する少なくとも２つ
    の非先行基準信号を生成する基準信号生成手段であっ
    て、前記少なくとも２つの非先行基準信号がそれぞれ、
    前記エラー信号のうちの少なくとも対応するエラー信号
    に対して先行しない、基準信号生成手段と、 少なくとも第１および第２の適応フィルタであって、該
    第１および第２の適応 フィルタがそれぞれ、前記エラー
    センサのうちの少なくとも対応するエラーセンサおよび
    前記基準信号生成手段のうちの少なくとも対応する基準
    信号生成手段からの信号に応じて動作する、 少なくとも
    第１および第２の適応フィルタと、少なくとも第１および第２の機械的アクチュエータであ
    って、該第１および第２の機械的アクチュエータがそれ
    ぞれ、前記適応フィルタのうちの対応する適応フィルタ
    から補正信号を受信し、該対応する適応フィルタから受
    信した補正信号から導出される安定化のための一般化力
    を前記機械システムの前記要素に加えるように配置され
    る、少なくとも第１および第２の機械的アクチュエータ
    と、 を含む 、機械システム安定化装置。
  26. 【請求項２６】 各アクチュエータは、別個の要素に安
    定化のための一般化力を加えるように配置される、請求
    項２５の機械システム安定化装置。
  27. 【請求項２７】 前記第１および第２のアクチュエータ
    は、互いに直交する安定化のための一般化力を同一の要
    素に加えるように配置される、請求項２５の機械システ
    ム安定化装置。
  28. 【請求項２８】 前記第１のアクチュエータは前記第１
    の適応フィルタからの信号を受信し、 前記第２のアクチュエータは前記第２の適応フィルタか
    らの信号を受信し、 前記第１の適応フィルタは、前記第１のエラーセンサか
    らの信号を受信するが、前記第２のエラーセンサからの
    信号は受信せず、 前記第２の適応フィルタは、前記第２のエラーセンサか
    らの信号を受信するが、前記第１のエラーセンサからの
    信号は受信しない、 請求項２５の機械システム安定化装置。
  29. 【請求項２９】 各基準信号生成手段は前記エラーセン
    サからのタップからなる、請求項２５の機械システム安
    定化装置。
  30. 【請求項３０】 回転するワークピースを切削整形する
    ワークピース切削整形装置において、 切削チップを支持しかつ該チップを前記ワークピースに
    対して保持する穿孔棒と、 前記穿孔棒の動きを検知する少なくとも１つのエラーセ
    ンサと、 前記エラーセンサからの信号に応じて基準信号を生成す
    る基準信号生成手段と、 前記エラーセンサおよび前記基準信号生成手段からの補
    正信号を受信する少なくとも１つの適応フィルタと、 前記適応フィルタから受信した補正信号から導出される
    安定化のための一般化力を前記穿孔棒に加える少なくと
    も１つの機械的アクチュエータと、 を含む 、ワークピース切削整形装置。
  31. 【請求項３１】 前記基準信号生成手段は、前記エラー
    センサからの信号を分岐するタップと、該分岐された信
    号を前記ワークピースの約１回転周期だけ遅延させる遅
    延要素とを含む、請求項３０のワークピース切削整形装
    置。
  32. 【請求項３２】 切削チップを回転するワークピースの
    表面に当てることによって該ワークピースを切削整形す
    るワークピース切削整形装置において、前記切削チップ
    が前記ワークピースの表面に接触する点で前記ワークピ
    ースの表面に垂直な方向を法線方向と定義し、前記接触
    する点で前記ワークピースの表面に平行であるとともに
    該ワークピースの表面の動きの方向に平行な方向を接線
    方向と定義し、前記ワークピース切削整形装置は、 前記切削チップを支持しかつ該切削チップを前記ワーク
    ピースに対して保持する穿孔棒と、 前記穿孔棒の法線方向の動きを検知する第１のエラーセ
    ンサおよび前記穿孔棒の接線方向の動きを検知する第２
    のエラーセンサと、 前記第１および第２のエラーセンサからの信号を受信し
    て第１および第２の基準信号を生成する第１および第２
    の基準信号生成手段と、少なくとも、 前記第１のエラーセンサおよび前記第１の
    基準信号生成手段からの信号を受信する第１の適応フィ
    ルタ、および前記第２のエラーセンサおよび前記第２の
    基準信号生成手段からの信号を受信する第２の適応フィ
    ルタと、 前記第１の適応フィルタから受信される補正信号から導
    出される法線方向の安定化のための一般化力を前記穿孔
    棒に加える第１の機械的アクチュエータと、 前記第２の適応フィルタから受信される補正信号から導
    出される接線方向の安定化のための一般化力を前記穿孔
    棒に加える第２の機械的アクチュエータと、 を含む 、ワークピース切削整形装置。
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