JP3578634B2 - 円弧状指令の作成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、工作機械によって工作物を円、円弧状または非球面状にに加工するのに好適な円弧状指令の作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械による工作物の切削または研削において、工作物を円形または円弧形状に加工する場合、直交する制御軸をそれぞれ駆動させて所定の円または円弧の軌跡に工具または工作物の制御点を追従させながら加工を行う。
工作機械の工具または工作物にモータ等の駆動手段の駆動力伝達するためのボールネジやスライダ等の送り機構等の機械系には、一般的にクーロン摩擦が存在する。
このため、円形または円弧形状の加工は、２つの制御軸の運動の合成であることから、たとえば、円の象限が切り替わるとき一方の制御軸は減速しながら静止し、移動方向を反転して再度動き出す動作を行う必要がある。
この制御軸の送り機構においては、減速中には摩擦は動摩擦として作用し、制御軸が停止すると、摩擦は静止摩擦に変化する。移動方向を反転して再度動き出す際には、この静止摩擦を打ち破る力が作用するまで、工具または工作物は移動することができない。
一方の制御軸が停止している間にも、他方の制御軸は移動しているため、送り機構を介した工具または工作物の移動軌跡は、所定の円または円弧の軌跡からずれてしまい、いわゆる象限突起と呼ばれる誤差が発生する。
この象限突起は、一般的には、一方の制御軸の移動方向の反転領域において、制御点の円弧軌跡の半径が所定の円弧軌跡の半径よりも大きくなるので突起と呼んでいるが、逆に、制御点の円弧軌跡の半径が減少する場合もある。
工具または工作物の軌跡に対して象限突起が発生すると、工作物の加工面に傷が発生してしまうという不利益が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来においては、象限突起を抑制するため、たとえば、実際に円形または円弧形状に加工したのち、工作物の形状を測定して象限突起の大きさや幅を測定し、この測定結果に基づいて制御装置における制御指令、たとえば、位置指令を補正していた。
しかしながら、象限突起の大きさや幅を実際に測定することは時間を要する作業であり、また、砥石車のような回転工具による加工においては、工作物形状は工具の形状の包絡面として創成されるために、測定結果と象限突起を補正するための補正量との対応関係が明確でなく、象限突起を補正するための補正量を最適に決定するのが難しかった。また、象限突起は、円弧形状の軌跡の半径や工具の送り速度によって変化するため、円弧形状の軌跡の半径や工具の送り速度に応じて象限突起に関する測定を行って補正量を決定する必要があるが、実際にはこのような補正量の決定は困難である。
また、工作物を加工する形状が各位置において半径の変化する非球面形状である場合には、半径の変化に対応して補正量を決定する必要があるが、各半径位置において最適な補正量を決定するのは非常に困難であった。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、工作機械によって工作物を円弧形状に加工する場合に発生するいわゆる象限突起を補正する制御指令の作成が容易でかつ補正を最適に調整することができる円弧状指令の作成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御対象を各軸方向に移動させる互いに直交する制御軸と、前記制御対象の位置および速度の検出値に基づいて前記制御対象の位置および速度を制御するサーボ制御手段とを有する工作機械において、
前記制御対象を前記各制御軸の合成運動により所定の円状または円弧状の軌跡に所定の速度で追従させる円弧形状指令の作成方法であって、
前記制御対象を前記軌跡に追従させる各制御軸毎の位置指令を作成するステップと、
前記制御対象を前記位置指令に従って駆動し、移動方向の反転する制御軸における前記制御対象の位置検出値と当該制御軸に対する位置指令との位置偏差を測定するステップと、
前記位置偏差の測定による位置偏差データに基づいて、前記制御軸のうち一方の制御軸の移動方向の反転時に生じる前記制御対象の前記軌跡からの非線形なずれを補正するための所定の指令値で所定の指令幅の矩形状の補正指令パターンを作成し、
前記補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を駆動して得られた前記制御対象の位置偏差と前記補正指令パターンとの相関関係に基づいて、前記補正指令パターンの指令値および指令幅を調整し、
前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、前記非直線領域における前記直線からのずれの大きさおよび前記非直線領域の幅に基づいて前記補正指令パターンの指令値および指令幅を決定する補正指令パターンを作成するステップと、
前記補正指令パターンを前記制御軸の位置指令に加算するステップとを有する。
【０００６】
本発明では、制御対象を２つの制御軸の合成運動による円弧状の軌跡に追従させる指令を作成するのに、制御対象の位置検出値と制御軸に対する位置指令との位置偏差を測定し、この位置偏差データを判断基準として象限突起を補正するための矩形状の補正指令パターンの指令値および指令幅を決定することから、補正指令パターンの作成が容易となる。
【０００９】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、前記非直線領域における位置偏差データの前記直線からのずれの大きさを前記補正指令パターンの指令値とし、前記非直線領域の幅を前記補正指令パターンの指令幅とする。
【００１０】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定するステップと、得られた位置偏差データを前記直線領域および非直線領域に分けるステップと、前記補正指令パターンの指令幅を前記非直線領域の幅よりも大きくとって前記補正指令パターンの指令幅を決定するステップと、前記補正指令パターンの指令値を変化させて補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定し、この位置偏差データの非直線領域の波形が前記直線に略平行となる補正指令パターンの指令値を最適な指令値とするステップとを有する。
【００１１】
前記補正指令パターンの指令幅を変化させ、補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データの直線領域に前記直線からのずれを生じさせない補正指令パターンの指令幅を最適な指令幅とする。
【００１２】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記矩形状の補正指令パターンと連続し、指令値が直線的に変化する所定の指令幅の三角形状の補正指令パターンを同時に作成する。
【００１３】
最適化された矩形状の補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データにおいて、前記矩形状の補正指令パターンの以降の位置偏差データに直線からのずれが発生する場合に、前記直線からのずれが発生する幅を前記三角形状の補正指令パターンの指令幅とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例を示す説明図である。
図１に示す工作機械１０１は、たとえば、研削砥石車Ｔによって非球面反射鏡である工作物２０１の鏡面２０１ａを研削加工する。
工作機械１０１は、鉛直方向に立設するコラム１０２と、コラム１０２に設けられた主軸ヘッド１０４と、主軸ヘッド１０４に対してＸ軸およびＹ軸方向に移動自在に設けられたテーブル１０７と、ＮＣ装置３０１とを有する。
【００１５】
主軸ヘッド１０４は、コラム１０２にＺ軸方向に沿って設けられたスライダ１０３上に移動自在に設けられており、主軸ヘッド１０４の一部に形成された図示しない雌ネジ部にボールネジ１０５が螺合されている。これらスライダ１０３およびボールネジ１０５等によって主軸ヘッド１０４をＺ軸方向に移動させる送り機構が構成されている。
ボールネジ１０５の一端には、Ｚ軸用サーボモータ１０６に接続されており、Ｚ軸用サーボモータ１０６を回転駆動することによって、主軸ヘッド１０４のＺ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
【００１６】
主軸ヘッド１０４の主軸には、研削砥石車Ｔが装着され、この主軸に装着された研削砥石車Ｔは、主軸ヘッド１０４に内蔵された主軸用モータを回転駆動することにより、所定速度で回転される。
主軸ヘッド１０４には、Ｚ軸方向に沿って可動部１２０ａと固定部１２０ｂとからなるリニアスケール１２０が設けられており、リニアスケール１２０による主軸ヘッド１０４のＺ軸方向の位置検出値がＮＣ装置３０１に取り込まれる。
【００１７】
コラム１０２の下部に設置されたテーブル１０７は、図示しないスライダによってＸ軸およびＹ軸方向に移動自在に設けられており、テーブル１０７の下部に設けられた可動部材１０９には、雌ネジ部が形成され、これにＸ軸方向に沿って設けられたボールネジ１１１が螺合している。
ボールネジ１１１の一端には、Ｘ軸用サーボモータ１１２が接続されており、Ｘ軸用サーボモータ１１２の回転駆動によってテーブル１０７はＸ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
なお、テーブル１０７は、Ｘ軸方向と同様の構成によってＹ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
テーブル１０７には、Ｘ軸方向に沿って可動部１０８ａと固定部１０８ｂとからなるリニアスケール１０８が設けられており、リニアスケール１０８によるテーブル１０７のＸ軸方向の位置検出値がＮＣ装置３０１に取り込まれる。
【００１８】
ＮＣ装置３０１は、リニアスケール１０８および１２０の位置検出値に基づいて、Ｘ軸用サーボモータ１１２およびＺ軸用サーボモータ１０６の位置および速度制御を行う。
【００１９】
上記構成の工作機械１０１では、たとえば、図２に示すように、研削砥石車Ｔを所定の回転数で回転させながら、Ｘ軸用サーボモータ１１２およびＺ軸用サーボモータ１０６を共に駆動して、研削砥石車Ｔの研削点Ｐを所定の円弧状の軌跡Ｒに送り速度Ｆで追従させて、工作物２０１の鏡面２０１ａを研削する。
研削砥石車ＴのＺ軸方向の移動方向が反転する領域では、研削砥石車ＴはＸ軸方向に略一定の速度で移動するとともに、−Ｚ軸方向に送り速度ＦのＺ軸方向の分速で移動し、Ｚ軸方向の最下点Ｚｂで停止する。
【００２０】
工作機械１０１のＺ軸方向の送り機構には、スライダやボールネジを使用していることから摩擦が存在する。また、研削砥石車ＴがＺ軸方向において一旦停止すると、Ｚ軸方向の送り機構に作用する摩擦は動摩擦から静止摩擦に変化する。このため、研削砥石車Ｔは方向を反転して＋Ｚ軸方向に移動しようとするが、Ｚ軸方向の送り機構に作用する静止摩擦を打ち破る力がＺ軸用サーボモータ１０６を通じて作用するまで研削砥石車Ｔは＋Ｚ軸方向に移動することができない。一方、研削砥石車ＴはＸ軸方向に略等速度で移動しているため、図２に示すように、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、点線で示すように、所定の円弧状の軌跡Ｒから外れてしまい、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、静止領域Ａでは軌跡ｒの半径ｒがｒ１ のように増加し、これが象限突起となる。
【００２１】
Ｚ軸方向の送り機構に作用する静止摩擦を打ち破る力がＺ軸用サーボモータ１０６を通じて作用すると、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、領域Ｂで示すように、突起が減少して軌跡Ｒに追従していく。
研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡に上記のような象限突起が発生すると、工作物２０１の鏡面２０１ａには、図３に示すように、象限突起によるキズＫが発生する。
【００２２】
図４は、研削砥石車ＴのＺ軸方向の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
研削砥石車Ｔを円弧状の軌跡Ｒに所定の送り速度Ｆで追従させる場合、クーロン摩擦等の非線形外乱が存在しない理想的な状態下では、Ｚ軸方向の反転領域における研削砥石車Ｔの速度は負から正に直線的に変化するため、円弧状の軌跡Ｒに対する研削砥石車Ｔの位置偏差ｅも負から正直線的に変化する。
実際には、図４に示すように、Ｚ軸方向において、研削砥石車Ｔの研削点Ｐと所定の円弧状の軌跡Ｒとの位置偏差ｅは、所定の直線Ｌに沿って変化していくが、研削砥石車Ｔが静止すると、図４の領域Ｗａに示すように、位置偏差ｅは直線Ｌからはずれて直線的に増加する。
位置偏差ｅが増加することによるフィードバック量の増加によって、研削砥石車Ｔが動き始めると、図４の領域Ｗｂに示すように、位置偏差ｅは増加しなくなり再度所定の直線Ｌに沿って変化するようになる。
【００２３】
図５は、本発明を実施するためのＮＣ装置３０１の制御ブロック図である。
なお、図５に示すＮＣ装置３０１は、Ｚ軸用サーボモータ１０６を駆動制御するための構成のみを示しており、他の軸については省略してある。
図５に示すＺ軸の制御ブロック図は、位置指令部１と、補正指令パターン作成部２と、位置制御部３と、速度制御部４と、電流制御部５と、Ｚ軸用サーボモータ１０６と、Ｚ軸送り機構６と、リニアスケール１２０とを有する。
【００２４】
位置指令部１は、上記した所定の円弧状の軌跡Ｒに追従させるためのＺ軸方向の位置指令ｒｃを生成する。
上記した所定の円弧状の軌跡Ｒのための制御指令は、たとえば、ＮＣ装置用のＧコード言語による円弧補間指令や軌跡Ｒを微小線分に分割して各線分毎に速度を付与する短線分指令により作成され、この制御指令がＸ軸およびＺ軸の各軸に分配される。
【００２５】
補正指令パターン作成部２は、上記した象限突起を補正するための補正指令パターンＭを生成して、加算点ａｄｄにおいて位置指令ｒｃに加算する。
加算点ａｄｄでは、位置指令ｒｃと補正指令パターンＭとの加算により補正された位置指令ｒＭ が得られる。なお、補正指令パターンの作成方法については後述する。
【００２６】
位置制御部３は、減算点ｄｅｃにおいて得られる位置指令ｒＭ とリニアスケール１２０によって検出されたＺ軸方向の位置検出値ｚとの位置偏差ｅに所定の位置ループゲインω０ を掛けて速度指令ｖｒとして速度制御部４に出力する。
【００２７】
速度制御部４は、速度指令ｖｒとリニアスケール１２０によって検出されたＺ軸方向の位置検出値ｚの時間微分値との偏差に比例、微分、積分動作の組合せを施して電流指令を生成し、電流制御部５に出力する。
電流制御部５は、上記の電流指令に応じた駆動電流をＺ軸用サーボモータ１０６に供給する。
【００２８】
次に、上記した補正指令パターン作成部２における補正指令パターンの作成方法について説明する。
本実施形態では、図６（ａ）に示す所定の円弧状の軌跡を構成する指令Ｒの象限突起の発生領域に対して、図６（ｂ）に示すような指令値がＭｈ、指令幅がＭｔの矩形状の補正指令パターンＭを加算する。
この補正指令パターンＭを円弧状指令Ｒに加算すると、図６（ｃ）に示すように、円弧状指令Ｒは象限突起発生領域で半径が減少した補正された補正指令ＲＭ となる。
【００２９】
上記の補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔは、たとえば、図４に示したＺ軸方向における研削砥石車Ｔの研削点Ｐと所定の円弧状指令Ｒとの位置偏差ｅのデータに基づいて決定する。
すなわち、図４に示したように、象限突起が発生する領域では、位置偏差ｅは所定の直線Ｌからずれる。このずれの最大値δを補正指令パターンＭの指令値Ｍｈとする。
また、図４に示したように、象限突起が発生する領域の幅Ｗを補正指令パターンＭの指令幅Ｍｔとする。
【００３０】
このように補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを決定することにより、円弧状指令Ｒに追従させるように研削砥石車Ｔを駆動した際に発生する象限突起を減少させることができる。
本実施形態では、円弧状指令Ｒに対して象限突起が発生する領域の位置偏差ｅを測定し、この位置偏差ｅのデータに基づいて象限突起を補正する補正指令パターンを作成するため、種々の送り速度Ｆに対応でき、また、円弧状指令Ｒの半径が変化しても容易に対応できる。
また、工作物２０１の加工形状を測定しなくても、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを決定することが可能になる。
【００３１】
補正指令パターンの調整方法
上記したように、補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔを決定して象限突起を補正しただけでは、逆に、円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に補正されることもあり、最適な補正が行われない場合も考えられる。
このため、補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔを最適化する調整方法について説明する。
まず、図７に示すように、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈを位置偏差ｅの所定の直線Ｌからのずれの最大値δよりも小さい値、たとえば、最大値δの半分の大きさに設定し、指令幅をＭｔを象限突起が発生する領域の幅Ｗよりも十分広くなるように設定する。
【００３２】
このように設定された補正指令パターンＭをＺ軸の位置指令ｒｃに加算して、工作機械１０１を実際に駆動する。
このときのＺ軸における位置偏差ｅの波形が、たとえば、図８に示すように変化したとする。
図８において、位置偏差ｅの領域Ｄ１ では指令値Ｍｈの補正量が不足しており、円弧状指令Ｒに対して未だ突起が発生する。また、位置偏差ｅの領域Ｄ２ では、補正幅が大きすぎるため、逆に円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に凹む。
このことから、位置偏差ｅに対して、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈはその値が不足しており、指令幅Ｍｔは大きすぎるという相関関係が分かる。
【００３３】
したがって、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈを前回より若干大きく設定して位置偏差ｅの領域Ｄ１ での値が、図９に示すように、直線Ｌに対して略平行となるように調整する。
同様に、補正指令パターンＭの指令幅Ｍｔを前回よりは短くして、円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に凹む誤差が生じなくなるまで調整する。
このようにして補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを設定することによって、最適な補正指令パターンＭが得られる。
【００３４】
上記のようにして最適な補正指令パターンＭを作成して円弧状指令Ｒを補正した場合に、円弧状指令Ｒに生じる象限突起は良好に補正されるが、補正指令パターンＭの以後に、図９の領域Ｄ３ に示すように、位置偏差ｅが所定の直線Ｌからずれる誤差が発生し、円弧状指令Ｒに対して僅かな突起となる場合がある。
これは、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に瞬時に遷移しない特性のために発生すると考えられる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、図６（ｄ）に示すように、上記した最適化された矩形状の補正指令パターンＭに連続的に指令値が直線的に変化する所定の指令幅Ｎｔの三角形状の補正指令パターンＮを同時に作成して補正指令パターンＭに付加する。
三角形状の補正指令パターンＮの指令幅Ｎｔは、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に移る遷移時間から決定する。
この遷移時間は、たとえば、図９に示すように、最適化された補正指令パターンＭの以降に発生する２つの突起を包含する幅から推定することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、工作機械１０２のＺ軸方向の位置偏差ｅに基づいて、象限突起を補正する補正指令パターンＭを作成することができ、工作物２０１の加工形状を実際に測定する必要がない。
また、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを位置偏差ｅとの相関関係から最適に調整することができ、より高精度に象限突起を抑制することができる。
さらに、本実施形態によれば、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に瞬時に遷移しない特性に起因する円弧状指令Ｒに対する突起を三角形状の補正パターンＮによって補正することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、工作機械によって工作物を円弧形状に加工する際に、いわゆる象限突起を補正する補正指令パターンの作成が容易で、かつ補正指令パターンの最適化が容易であり、より高精度に象限突起による工作物の加工誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例を示す説明図である。
【図２】象限突起を説明するための図である。
【図３】象限突起の生じた場合の工作物の状態を示す図である。
【図４】Ｚ軸の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
【図５】本発明を実施するための制御装置の一構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る指令作成方法を説明するための図である。
【図７】Ｚ軸の反転領域における位置偏差の波形に補正指令パターンを重ね合わせた図である。
【図８】補正指令パターンによって補正した位置指令によって駆動した場合のＺ軸の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
【図９】矩形状の補正指令パターンに三角形状の補正指令パターンを付加した状態を示す図である。
【符号の説明】
１…位置指令部
２…補正指令パターン作成部
３…位置制御部
４…速度制御部
５…電流制御部
６…Ｚ軸送り機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、工作機械によって工作物を円、円弧状または非球面状にに加工するのに好適な円弧状指令の作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械による工作物の切削または研削において、工作物を円形または円弧形状に加工する場合、直交する制御軸をそれぞれ駆動させて所定の円または円弧の軌跡に工具または工作物の制御点を追従させながら加工を行う。
工作機械の工具または工作物にモータ等の駆動手段の駆動力伝達するためのボールネジやスライダ等の送り機構等の機械系には、一般的にクーロン摩擦が存在する。
このため、円形または円弧形状の加工は、２つの制御軸の運動の合成であることから、たとえば、円の象限が切り替わるとき一方の制御軸は減速しながら静止し、移動方向を反転して再度動き出す動作を行う必要がある。
この制御軸の送り機構においては、減速中には摩擦は動摩擦として作用し、制御軸が停止すると、摩擦は静止摩擦に変化する。移動方向を反転して再度動き出す際には、この静止摩擦を打ち破る力が作用するまで、工具または工作物は移動することができない。
一方の制御軸が停止している間にも、他方の制御軸は移動しているため、送り機構を介した工具または工作物の移動軌跡は、所定の円または円弧の軌跡からずれてしまい、いわゆる象限突起と呼ばれる誤差が発生する。
この象限突起は、一般的には、一方の制御軸の移動方向の反転領域において、制御点の円弧軌跡の半径が所定の円弧軌跡の半径よりも大きくなるので突起と呼んでいるが、逆に、制御点の円弧軌跡の半径が減少する場合もある。
工具または工作物の軌跡に対して象限突起が発生すると、工作物の加工面に傷が発生してしまうという不利益が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来においては、象限突起を抑制するため、たとえば、実際に円形または円弧形状に加工したのち、工作物の形状を測定して象限突起の大きさや幅を測定し、この測定結果に基づいて制御装置における制御指令、たとえば、位置指令を補正していた。
しかしながら、象限突起の大きさや幅を実際に測定することは時間を要する作業であり、また、砥石車のような回転工具による加工においては、工作物形状は工具の形状の包絡面として創成されるために、測定結果と象限突起を補正するための補正量との対応関係が明確でなく、象限突起を補正するための補正量を最適に決定するのが難しかった。また、象限突起は、円弧形状の軌跡の半径や工具の送り速度によって変化するため、円弧形状の軌跡の半径や工具の送り速度に応じて象限突起に関する測定を行って補正量を決定する必要があるが、実際にはこのような補正量の決定は困難である。
また、工作物を加工する形状が各位置において半径の変化する非球面形状である場合には、半径の変化に対応して補正量を決定する必要があるが、各半径位置において最適な補正量を決定するのは非常に困難であった。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、工作機械によって工作物を円弧形状に加工する場合に発生するいわゆる象限突起を補正する制御指令の作成が容易でかつ補正を最適に調整することができる円弧状指令の作成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御対象を各軸方向に移動させる互いに直交する制御軸と、前記制御対象の位置および速度の検出値に基づいて前記制御対象の位置および速度を制御するサーボ制御手段とを有する工作機械において、
前記制御対象を前記各制御軸の合成運動により所定の円状または円弧状の軌跡に所定の速度で追従させる円弧形状指令の作成方法であって、
前記制御対象を前記軌跡に追従させる各制御軸毎の位置指令を作成するステップと、
前記制御対象を前記位置指令に従って駆動し、移動方向の反転する制御軸における前記制御対象の位置検出値と当該制御軸に対する位置指令との位置偏差を測定するステップと、
前記位置偏差の測定による位置偏差データに基づいて、前記制御軸のうち一方の制御軸の移動方向の反転時に生じる前記制御対象の前記軌跡からの非線形なずれを補正するための所定の指令値で所定の指令幅の矩形状の補正指令パターンを作成し、
前記補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を駆動して得られた前記制御対象の位置偏差と前記補正指令パターンとの相関関係に基づいて、前記補正指令パターンの指令値および指令幅を調整し、
前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、前記非直線領域における前記直線からのずれの大きさおよび前記非直線領域の幅に基づいて前記補正指令パターンの指令値および指令幅を決定する補正指令パターンを作成するステップと、
前記補正指令パターンを前記制御軸の位置指令に加算するステップとを有する。
【０００６】
本発明では、制御対象を２つの制御軸の合成運動による円弧状の軌跡に追従させる指令を作成するのに、制御対象の位置検出値と制御軸に対する位置指令との位置偏差を測定し、この位置偏差データを判断基準として象限突起を補正するための矩形状の補正指令パターンの指令値および指令幅を決定することから、補正指令パターンの作成が容易となる。
【０００９】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、前記非直線領域における位置偏差データの前記直線からのずれの大きさを前記補正指令パターンの指令値とし、前記非直線領域の幅を前記補正指令パターンの指令幅とする。
【００１０】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定するステップと、得られた位置偏差データを前記直線領域および非直線領域に分けるステップと、前記補正指令パターンの指令幅を前記非直線領域の幅よりも大きくとって前記補正指令パターンの指令幅を決定するステップと、前記補正指令パターンの指令値を変化させて補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定し、この位置偏差データの非直線領域の波形が前記直線に略平行となる補正指令パターンの指令値を最適な指令値とするステップとを有する。
【００１１】
前記補正指令パターンの指令幅を変化させ、補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データの直線領域に前記直線からのずれを生じさせない補正指令パターンの指令幅を最適な指令幅とする。
【００１２】
前記補正指令パターンを作成するステップは、前記矩形状の補正指令パターンと連続し、指令値が直線的に変化する所定の指令幅の三角形状の補正指令パターンを同時に作成する。
【００１３】
最適化された矩形状の補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データにおいて、前記矩形状の補正指令パターンの以降の位置偏差データに直線からのずれが発生する場合に、前記直線からのずれが発生する幅を前記三角形状の補正指令パターンの指令幅とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例を示す説明図である。
図１に示す工作機械１０１は、たとえば、研削砥石車Ｔによって非球面反射鏡である工作物２０１の鏡面２０１ａを研削加工する。
工作機械１０１は、鉛直方向に立設するコラム１０２と、コラム１０２に設けられた主軸ヘッド１０４と、主軸ヘッド１０４に対してＸ軸およびＹ軸方向に移動自在に設けられたテーブル１０７と、ＮＣ装置３０１とを有する。
【００１５】
主軸ヘッド１０４は、コラム１０２にＺ軸方向に沿って設けられたスライダ１０３上に移動自在に設けられており、主軸ヘッド１０４の一部に形成された図示しない雌ネジ部にボールネジ１０５が螺合されている。これらスライダ１０３およびボールネジ１０５等によって主軸ヘッド１０４をＺ軸方向に移動させる送り機構が構成されている。
ボールネジ１０５の一端には、Ｚ軸用サーボモータ１０６に接続されており、Ｚ軸用サーボモータ１０６を回転駆動することによって、主軸ヘッド１０４のＺ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
【００１６】
主軸ヘッド１０４の主軸には、研削砥石車Ｔが装着され、この主軸に装着された研削砥石車Ｔは、主軸ヘッド１０４に内蔵された主軸用モータを回転駆動することにより、所定速度で回転される。
主軸ヘッド１０４には、Ｚ軸方向に沿って可動部１２０ａと固定部１２０ｂとからなるリニアスケール１２０が設けられており、リニアスケール１２０による主軸ヘッド１０４のＺ軸方向の位置検出値がＮＣ装置３０１に取り込まれる。
【００１７】
コラム１０２の下部に設置されたテーブル１０７は、図示しないスライダによってＸ軸およびＹ軸方向に移動自在に設けられており、テーブル１０７の下部に設けられた可動部材１０９には、雌ネジ部が形成され、これにＸ軸方向に沿って設けられたボールネジ１１１が螺合している。
ボールネジ１１１の一端には、Ｘ軸用サーボモータ１１２が接続されており、Ｘ軸用サーボモータ１１２の回転駆動によってテーブル１０７はＸ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
なお、テーブル１０７は、Ｘ軸方向と同様の構成によってＹ軸方向の任意の位置に移動可能となっている。
テーブル１０７には、Ｘ軸方向に沿って可動部１０８ａと固定部１０８ｂとからなるリニアスケール１０８が設けられており、リニアスケール１０８によるテーブル１０７のＸ軸方向の位置検出値がＮＣ装置３０１に取り込まれる。
【００１８】
ＮＣ装置３０１は、リニアスケール１０８および１２０の位置検出値に基づいて、Ｘ軸用サーボモータ１１２およびＺ軸用サーボモータ１０６の位置および速度制御を行う。
【００１９】
上記構成の工作機械１０１では、たとえば、図２に示すように、研削砥石車Ｔを所定の回転数で回転させながら、Ｘ軸用サーボモータ１１２およびＺ軸用サーボモータ１０６を共に駆動して、研削砥石車Ｔの研削点Ｐを所定の円弧状の軌跡Ｒに送り速度Ｆで追従させて、工作物２０１の鏡面２０１ａを研削する。
研削砥石車ＴのＺ軸方向の移動方向が反転する領域では、研削砥石車ＴはＸ軸方向に略一定の速度で移動するとともに、−Ｚ軸方向に送り速度ＦのＺ軸方向の分速で移動し、Ｚ軸方向の最下点Ｚｂで停止する。
【００２０】
工作機械１０１のＺ軸方向の送り機構には、スライダやボールネジを使用していることから摩擦が存在する。また、研削砥石車ＴがＺ軸方向において一旦停止すると、Ｚ軸方向の送り機構に作用する摩擦は動摩擦から静止摩擦に変化する。このため、研削砥石車Ｔは方向を反転して＋Ｚ軸方向に移動しようとするが、Ｚ軸方向の送り機構に作用する静止摩擦を打ち破る力がＺ軸用サーボモータ１０６を通じて作用するまで研削砥石車Ｔは＋Ｚ軸方向に移動することができない。一方、研削砥石車ＴはＸ軸方向に略等速度で移動しているため、図２に示すように、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、点線で示すように、所定の円弧状の軌跡Ｒから外れてしまい、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、静止領域Ａでは軌跡ｒの半径ｒがｒ１ のように増加し、これが象限突起となる。
【００２１】
Ｚ軸方向の送り機構に作用する静止摩擦を打ち破る力がＺ軸用サーボモータ１０６を通じて作用すると、研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡は、領域Ｂで示すように、突起が減少して軌跡Ｒに追従していく。
研削砥石車Ｔの研削点Ｐの軌跡に上記のような象限突起が発生すると、工作物２０１の鏡面２０１ａには、図３に示すように、象限突起によるキズＫが発生する。
【００２２】
図４は、研削砥石車ＴのＺ軸方向の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
研削砥石車Ｔを円弧状の軌跡Ｒに所定の送り速度Ｆで追従させる場合、クーロン摩擦等の非線形外乱が存在しない理想的な状態下では、Ｚ軸方向の反転領域における研削砥石車Ｔの速度は負から正に直線的に変化するため、円弧状の軌跡Ｒに対する研削砥石車Ｔの位置偏差ｅも負から正直線的に変化する。
実際には、図４に示すように、Ｚ軸方向において、研削砥石車Ｔの研削点Ｐと所定の円弧状の軌跡Ｒとの位置偏差ｅは、所定の直線Ｌに沿って変化していくが、研削砥石車Ｔが静止すると、図４の領域Ｗａに示すように、位置偏差ｅは直線Ｌからはずれて直線的に増加する。
位置偏差ｅが増加することによるフィードバック量の増加によって、研削砥石車Ｔが動き始めると、図４の領域Ｗｂに示すように、位置偏差ｅは増加しなくなり再度所定の直線Ｌに沿って変化するようになる。
【００２３】
図５は、本発明を実施するためのＮＣ装置３０１の制御ブロック図である。
なお、図５に示すＮＣ装置３０１は、Ｚ軸用サーボモータ１０６を駆動制御するための構成のみを示しており、他の軸については省略してある。
図５に示すＺ軸の制御ブロック図は、位置指令部１と、補正指令パターン作成部２と、位置制御部３と、速度制御部４と、電流制御部５と、Ｚ軸用サーボモータ１０６と、Ｚ軸送り機構６と、リニアスケール１２０とを有する。
【００２４】
位置指令部１は、上記した所定の円弧状の軌跡Ｒに追従させるためのＺ軸方向の位置指令ｒｃを生成する。
上記した所定の円弧状の軌跡Ｒのための制御指令は、たとえば、ＮＣ装置用のＧコード言語による円弧補間指令や軌跡Ｒを微小線分に分割して各線分毎に速度を付与する短線分指令により作成され、この制御指令がＸ軸およびＺ軸の各軸に分配される。
【００２５】
補正指令パターン作成部２は、上記した象限突起を補正するための補正指令パターンＭを生成して、加算点ａｄｄにおいて位置指令ｒｃに加算する。
加算点ａｄｄでは、位置指令ｒｃと補正指令パターンＭとの加算により補正された位置指令ｒＭ が得られる。なお、補正指令パターンの作成方法については後述する。
【００２６】
位置制御部３は、減算点ｄｅｃにおいて得られる位置指令ｒＭ とリニアスケール１２０によって検出されたＺ軸方向の位置検出値ｚとの位置偏差ｅに所定の位置ループゲインω０ を掛けて速度指令ｖｒとして速度制御部４に出力する。
【００２７】
速度制御部４は、速度指令ｖｒとリニアスケール１２０によって検出されたＺ軸方向の位置検出値ｚの時間微分値との偏差に比例、微分、積分動作の組合せを施して電流指令を生成し、電流制御部５に出力する。
電流制御部５は、上記の電流指令に応じた駆動電流をＺ軸用サーボモータ１０６に供給する。
【００２８】
次に、上記した補正指令パターン作成部２における補正指令パターンの作成方法について説明する。
本実施形態では、図６（ａ）に示す所定の円弧状の軌跡を構成する指令Ｒの象限突起の発生領域に対して、図６（ｂ）に示すような指令値がＭｈ、指令幅がＭｔの矩形状の補正指令パターンＭを加算する。
この補正指令パターンＭを円弧状指令Ｒに加算すると、図６（ｃ）に示すように、円弧状指令Ｒは象限突起発生領域で半径が減少した補正された補正指令ＲＭ となる。
【００２９】
上記の補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔは、たとえば、図４に示したＺ軸方向における研削砥石車Ｔの研削点Ｐと所定の円弧状指令Ｒとの位置偏差ｅのデータに基づいて決定する。
すなわち、図４に示したように、象限突起が発生する領域では、位置偏差ｅは所定の直線Ｌからずれる。このずれの最大値δを補正指令パターンＭの指令値Ｍｈとする。
また、図４に示したように、象限突起が発生する領域の幅Ｗを補正指令パターンＭの指令幅Ｍｔとする。
【００３０】
このように補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを決定することにより、円弧状指令Ｒに追従させるように研削砥石車Ｔを駆動した際に発生する象限突起を減少させることができる。
本実施形態では、円弧状指令Ｒに対して象限突起が発生する領域の位置偏差ｅを測定し、この位置偏差ｅのデータに基づいて象限突起を補正する補正指令パターンを作成するため、種々の送り速度Ｆに対応でき、また、円弧状指令Ｒの半径が変化しても容易に対応できる。
また、工作物２０１の加工形状を測定しなくても、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを決定することが可能になる。
【００３１】
補正指令パターンの調整方法
上記したように、補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔを決定して象限突起を補正しただけでは、逆に、円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に補正されることもあり、最適な補正が行われない場合も考えられる。
このため、補正指令パターンＭの指令値ＭｈおよびＭｔを最適化する調整方法について説明する。
まず、図７に示すように、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈを位置偏差ｅの所定の直線Ｌからのずれの最大値δよりも小さい値、たとえば、最大値δの半分の大きさに設定し、指令幅をＭｔを象限突起が発生する領域の幅Ｗよりも十分広くなるように設定する。
【００３２】
このように設定された補正指令パターンＭをＺ軸の位置指令ｒｃに加算して、工作機械１０１を実際に駆動する。
このときのＺ軸における位置偏差ｅの波形が、たとえば、図８に示すように変化したとする。
図８において、位置偏差ｅの領域Ｄ１ では指令値Ｍｈの補正量が不足しており、円弧状指令Ｒに対して未だ突起が発生する。また、位置偏差ｅの領域Ｄ２ では、補正幅が大きすぎるため、逆に円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に凹む。
このことから、位置偏差ｅに対して、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈはその値が不足しており、指令幅Ｍｔは大きすぎるという相関関係が分かる。
【００３３】
したがって、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈを前回より若干大きく設定して位置偏差ｅの領域Ｄ１ での値が、図９に示すように、直線Ｌに対して略平行となるように調整する。
同様に、補正指令パターンＭの指令幅Ｍｔを前回よりは短くして、円弧状指令Ｒに対して半径が減少する方向に凹む誤差が生じなくなるまで調整する。
このようにして補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを設定することによって、最適な補正指令パターンＭが得られる。
【００３４】
上記のようにして最適な補正指令パターンＭを作成して円弧状指令Ｒを補正した場合に、円弧状指令Ｒに生じる象限突起は良好に補正されるが、補正指令パターンＭの以後に、図９の領域Ｄ３ に示すように、位置偏差ｅが所定の直線Ｌからずれる誤差が発生し、円弧状指令Ｒに対して僅かな突起となる場合がある。
これは、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に瞬時に遷移しない特性のために発生すると考えられる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、図６（ｄ）に示すように、上記した最適化された矩形状の補正指令パターンＭに連続的に指令値が直線的に変化する所定の指令幅Ｎｔの三角形状の補正指令パターンＮを同時に作成して補正指令パターンＭに付加する。
三角形状の補正指令パターンＮの指令幅Ｎｔは、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に移る遷移時間から決定する。
この遷移時間は、たとえば、図９に示すように、最適化された補正指令パターンＭの以降に発生する２つの突起を包含する幅から推定することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、工作機械１０２のＺ軸方向の位置偏差ｅに基づいて、象限突起を補正する補正指令パターンＭを作成することができ、工作物２０１の加工形状を実際に測定する必要がない。
また、補正指令パターンＭの指令値Ｍｈおよび指令幅Ｍｔを位置偏差ｅとの相関関係から最適に調整することができ、より高精度に象限突起を抑制することができる。
さらに、本実施形態によれば、Ｚ軸方向の送り機構６に発生する摩擦が静止摩擦から動摩擦に瞬時に遷移しない特性に起因する円弧状指令Ｒに対する突起を三角形状の補正パターンＮによって補正することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、工作機械によって工作物を円弧形状に加工する際に、いわゆる象限突起を補正する補正指令パターンの作成が容易で、かつ補正指令パターンの最適化が容易であり、より高精度に象限突起による工作物の加工誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例を示す説明図である。
【図２】象限突起を説明するための図である。
【図３】象限突起の生じた場合の工作物の状態を示す図である。
【図４】Ｚ軸の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
【図５】本発明を実施するための制御装置の一構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る指令作成方法を説明するための図である。
【図７】Ｚ軸の反転領域における位置偏差の波形に補正指令パターンを重ね合わせた図である。
【図８】補正指令パターンによって補正した位置指令によって駆動した場合のＺ軸の反転領域における位置偏差の波形を示す図である。
【図９】矩形状の補正指令パターンに三角形状の補正指令パターンを付加した状態を示す図である。
【符号の説明】
１…位置指令部
２…補正指令パターン作成部
３…位置制御部
４…速度制御部
５…電流制御部
６…Ｚ軸送り機構
Claims (6)
- 制御対象を各軸方向に移動させる互いに直交する制御軸と、前記制御対象の位置および速度の検出値に基づいて前記制御対象の位置および速度を制御するサーボ制御手段とを有する工作機械において、
前記制御対象を前記各制御軸の合成運動により所定の円状または円弧状の軌跡に所定の速度で追従させる円弧形状指令の作成方法であって、前記制御対象を前記軌跡に追従させる各制御軸毎の位置指令を作成するステップと、
前記制御対象を前記位置指令に従って駆動し、移動方向の反転する制御軸における前記制御対象の位置検出値と当該制御軸に対する位置指令との位置偏差を測定するステップと、
前記位置偏差の測定による位置偏差データに基づいて、前記制御軸のうち一方の制御軸の移動方向の反転時に生じる前記制御対象の前記軌跡からの非線形なずれを補正するための所定の指令値で所定の指令幅の矩形状の補正指令パターンを作成し、
前記補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を駆動して得られた前記制御対象の位置偏差と前記補正指令パターンとの相関関係に基づいて、前記補正指令パターンの指令値および指令幅を調整し、
前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、前記非直線領域における前記直線からのずれの大きさおよび前記非直線領域の幅に基づいて前記補正指令パターンの指令値および指令幅を決定する補正指令パターンを作成するステップと、
前記補正指令パターンを前記制御軸の位置指令に加算するステップと
を有する円弧状指令の作成方法。 - 前記補正指令パターンを作成するステップは、前記制御軸の移動方向の反転領域における前記位置偏差データを所定の直線上に沿って位置偏差が変化する直線領域と、前記直線からずれて変化する非直線領域とに分け、
前記非直線領域における位置偏差データの前記直線からのずれの大きさを前記補正指令パターンの指令値とし、前記非直線領域の幅を前記補正指令パターンの指令幅とする
請求項１に記載の円弧状指令の作成方法。 - 前記補正指令パターンを作成するステップは、前記位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定するステップと、
得られた位置偏差データを前記直線領域および非直線領域に分けるステップと、
前記補正指令パターンの指令幅を前記非直線領域の幅よりも大きくとって前記補正指令パターンの指令幅を決定するステップと、
前記補正指令パターンの指令値を変化させて補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して位置偏差を測定し、この位置偏差データの非直線領域の波形が前記直線に平行となる補正指令パターンの指令値を最適な指令値とするステップと
を有する請求項２に記載の円弧状指令の作成方法。 - 前記補正指令パターンの指令幅を変化させ、補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データの直線領域に前記直線からのずれを生じさせない補正指令パターンの指令幅を最適な指令幅とする
請求項３に記載の円弧状指令の作成方法。 - 前記補正指令パターンを作成するステップは、前記矩形状の補正指令パターンと連続し、指令値が直線的に変化する所定の指令幅の三角形状の補正指令パターンを同時に作成する
請求項１〜４のいずれかに記載の円弧状指令の作成方法。 - 最適化された矩形状の補正指令パターンによって補正された位置指令に従って前記制御対象を実際に駆動して得られた位置偏差データにおいて、前記矩形状の補正指令パターンの以降の位置偏差データに直線からのずれが発生する場合に、前記直線からのずれが発生する幅を前記三角形状の補正指令パターンの指令幅とする
請求項５に記載の円弧状指令の作成方法。
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