JP4137386B2 - 数値制御工作機械の制御方法及び数値制御工作機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸の送り軸、またはそれにＡ、Ｂ、Ｃ軸のうち少なくとも１つの回転軸を付加した複数の送り軸を有するフライス盤、マシニングセンタ、放電加工機等の数値制御工作機械の制御方法及び数値制御工作機械に関するものであり、機械の送り速度を高速にしても加工精度を劣化させない新規な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数値制御工作機械は、ワークを短時間に精度よく加工すること、つまり高能率、高精度加工を可能にすることが要求される。一般的に、機械の送り速度を上げると加工精度が低下することが知られている。これは送り軸のロストモーションや数値制御装置のサーボ制御の遅れに起因している。したがって、数値制御工作機械では、高速送りで加工を行っても高精度加工が達成できるように、送り軸のバックラッシ補正や摩擦補正を行ったり、ワーク重量や送り軸モータの温度に応じた送り軸の加減速制御を行っており、例えば次のような従来技術がある。
【０００３】
第１の従来技術として、特許文献１に開示のサーボシステムにおける加速制御方法及び装置がある。これは、バックラッシ、弾性変形、静摩擦に起因する送り軸のロストモーションをそれぞれの特性に対応した最適な加速制御を行い加工精度の劣化を低減することを目的として、送り軸の移動方向反転時に、送り系のバックラッシ、弾性変形、静摩擦に起因する各ロストモーションを補償する第１、第２、第３の加速速度をサーボ制御部の速度指令値に加え、いち早くロストモーションによる遅れを解消する技術を開示したものである。
【０００４】
第２の従来技術として、特許文献２に開示のサーボモータの制御方法がある。これは、切削条件等の変動があっても最適なバックラッシ補正を行うことを目的として、移動方向反転前の速度制御部の積分器の逆符号の値を目標値とし、目標値から速度制御部の積分器の値を減算した値に、定数を乗じたもの、例えば移動方向が反転した瞬間の位置偏差量の平方根に比例する値を乗じて得られた値を速度制御部におけるバックラッシ加速量とする技術を開示したものである。
【０００５】
第３の従来技術として、特許文献３に開示の工作機械の加減速制御方法および装置がある。これは、工具やワーク等の移動物を交換することによって移動物重量が変化する場合に高い加工精度を維持して加工時間を短縮することを目的として、工作機械の剛性、加工精度（許容誤差）、ワーク重量に見合った加速度で駆動系を制御する、すなわち予め設定された負荷イナーシャに合わせて加速度を変える技術を開示したものである。
【０００６】
第４の従来技術として、特許文献４に開示のサーボモータの速度制御装置がある。これは、送り軸モータの出力トルクと駆動対象の加速度とから負荷トルクを推定するトルクオブザーバに関する内容であり、負荷トルクの推定値の変化を検出して負荷イナーシャの推定を行い、トルクオブザーバ内に設定されている負荷イナーシャを更新する技術を開示したものである。
【０００８】
第１の従来技術は、加速速度を求めてそれをサーボ制御部の速度指令値に加えている。実際の数値制御工作機械では、送り軸モータ駆動手段にどれだけのトルク指令値または電流指令値を出力するかが最終的に要求されるのであって、第１の従来技術のようにサーボ制御途中の速度指令値を変えているのでは、その指令値がトルク指令値または電流指令値に変換されて送り軸モータ駆動手段に到達するのに遅れが存在する。
【０００９】
第２の従来技術は、位置偏差量に基づいて演算したバックラッシ加速量を速度制御部におけるバックラッシ加速量としているため、依然として位置フィードバック制御手段及び速度フィードバック制御手段によるサーボ系の遅れが存在する。
【００１０】
第３の従来技術は、負荷イナーシャを予め所定値に設定しているので、ワーク重量に合わせて加速度を変えるものである。すなわちワーク重量が大きい場合は、加速度を許容限度まで高くし、ワーク重量が小さい場合は、加速度を下げる制御をしている。加速度を下げるということは加工能率が悪化する問題点がある。
【００１１】
第４の従来技術は、一般的なサーボモータの負荷トルクを推定するトルクオブザーバに関する内容であり、速度指令値に基づいて負荷トルクを推定し、推定した負荷トルクに応じて負荷イナーシャを推定し、その値を機械系の伝達関数に送出するようにして送り制御を行う技術が開示されている。これは、負荷イナーシャはあくまでも推定値なので、機械の送り軸にゆらぎや遅れが発生し、加工精度に悪影響を及ぼす問題点は依然として存在する。
【００１３】
上述の従来技術の他に、従来のバックラッシ補正や摩擦補正は、移動体の速度や加速度を考慮していない一律の補正値を用いている。実加工時においては、同一形状を送り速度を変えて加工した場合、従来の補正では加工寸法に差が生じる。また同一送り速度で曲率の異なる曲面を複数の象限にわたって加工した場合、象限切換わり時、少なくとも１つの送り軸については、送り速度が一旦０になり、その後方向反転するので加速度が発生するが、曲率によりその加速度値が変わる。これに従来の補正を適用するとこれまた加工寸法に差が生じる。つまり移動方向反転時や一旦停止後の移動開始時においては、移動体の速度や加速度に応じた摩擦補正をしなければならない。
【００１４】
また、従来の数値制御装置の負荷イナーシャの値は、例えば最大積載ワーク重量の半分の重量のワークが積載されている場合の負荷イナーシャの値が一定値として採用されていた。この一定値にその時々の加速度値を掛けて求めた値がトルク指令値として送り軸モータ駆動手段に出力されていた。この様な制御下では重いワークが積載されて負荷イナーシャが大きくなっても、必要なトルク指令値が発生せず、実際の送り軸の移動が移動指令に対して遅れていた。また軽いワークが積載されて負荷イナーシャが小さくなっても、必要以上のトルク指令値が発生されて移動体に衝撃が加わり、送り速度にゆらぎが生じ加工の形状精度が悪くなった。更に加工によりワーク重量が刻々変化する、つまり負荷イナーシャが変化するのにトルク指令値が一定値のままでは、時間とともに変化する負荷条件にサーボ制御が追従していないので加工精度が変化することになる。
【００１５】
【特許文献１】
特許第２６０６７７３号公報
【特許文献２】
特許第２７０９９６９号公報
【特許文献３】
特開平１１−９０７６９号公報
【特許文献４】
特開平６−２８４７６３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明の目的は、上述の従来技術の問題点を解決するためのものであり、機械の移動体を高速で移動させても高精度な加工が行える数値制御工作機械の制御方法及び数値制御工作機械を得ることである。
【００１７】
他の目的は、複数の送り軸を同時に移動させて輪郭加工や自由曲面加工を行っている時の加工精度を向上させることである。
【００１８】
他の目的は、送り軸の移動方向反転時や、停止からの移動開始時における送り機構の動摩擦力や静摩擦力の変化を考慮して高精度な加工を行えるようにすることである。
【００１９】
他の目的は、送り軸の移動体に積載されるワークや取付具が交換された時や、一つのワークが加工されてその重量が時間とともに軽くなる時にも、その重量の変化を考慮して高精度な加工を行えるようにすることである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的に鑑みて、本願発明は、数値制御装置のサーボ制御部から取り出した数値制御プログラムデータの実行結果であるトルク指令値または電流指令値を用い、送り軸の送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、その予測演算値を送り軸モータ駆動手段に出力するようにしたものである。
【００２２】
本発明によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸の送り軸、またはそれにＡ、Ｂ、Ｃ軸のうち少なくとも１つの回転軸を付加した複数の送り軸を有した数値制御工作機械の制御方法において、
数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から前記送り軸の送り軸モータに出力し、
前記サーボ制御部から出力されるトルク指令値または電流指令値と前記移動指令分配制御部から出力される移動指令値に基づいて求めた前記送り軸の加速度値とから前記送り軸の送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、
予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力し、
前記送り軸モータを前記送り軸の送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じた指令値で駆動するようにした数値制御工作機械の制御方法が提供される。
【００２３】
更に、本発明によれば、数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から送り軸モータに出力し、送り機構を介して移動体を移動させる数値制御工作機械の制御方法において、
前記移動指令分配制御部から出力される前記送り軸の移動指令値に基づいてトルク指令値または電流指令値を前記サーボ制御部で演算し前記送り軸モータ駆動手段に出力して前記送り軸モータを駆動し、
前記サーボ制御部から前記送り軸モータ駆動手段に出力されるトルク指令値または電流指令値を取り込み、
取り込んだトルク指令値または電流指令値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、
予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力し、
予測演算した指令値で前記送り軸モータを駆動するようにした数値制御工作機械の制御方法が提供される。
【００２４】
前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値の予測演算は、前記取り込んだトルク指令値または電流指令値に基づく実電流値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算するようにできる。
【００２５】
更に、本発明によれば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸の送り軸、またはそれにＡ、Ｂ、Ｃ軸のうち少なくとも１つの回転軸を付加した複数の送り軸を有した数値制御工作機械において、
前記各送り軸の移動体を移動する送り機構と、
前記送り機構を駆動する送り軸モータ（Ｍ _x 、Ｍ _y 、Ｍ _z ）と、
前記送り軸モータを駆動するための送り軸モータ駆動手段（５４）と、
前記送り軸モータを駆動する数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部（５０）及びサーボ制御部（５２）で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段から前記送り軸モータに出力する数値制御手段（４０）と、
前記サーボ制御部から出力されるトルク指令値または電流指令値と前記移動指令分配制御部から出力される移動指令値に基づいて求めた前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算して前記送り軸モータ駆動手段に出力する演算制御手段（５６）と、
を具備して構成する数値制御工作機械が提供される。
【００２６】
数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から送り軸モータに出力し、送り機構を介して移動体を移動させる数値制御工作機械において、
前記各送り軸の移動体を移動する送り機構と、
前記送り機構を駆動する送り軸モータ（Ｍ _x 、Ｍ _y 、Ｍ _z ）と、
前記送り軸モータを駆動するための送り軸モータ駆動手段（５４）と、
前記送り軸モータを駆動する数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部（５０）及びサーボ制御部（５２）で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段から前記送り軸モータに出力する数値制御手段（４０）と、
前記送り軸モータを駆動している時の前記サーボ制御部から前記送り軸モータ駆動手段に出力されるトルク指令値または電流指令値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力する演算制御手段（５６）と、
を具備して構成する数値制御工作機械が更に提供される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本願発明の数値制御工作機械を説明する。図１において、数値制御工作機械１０は所謂横形マシニングセンタであり、工場等の床面に設置されるベッド１２を具備している。ベッド１２の上面には、Ｚ軸ガイドレール２８が水平なＺ軸方向（図１において左右方向）に延設されており、該Ｚ軸ガイドレール２８にはワークＷを固定するためのテーブル１４が摺動自在に取り付けられている。図１は、テーブル１４上にＢ軸方向に回転送り可能なＮＣロータリテーブルを固定し、その上にワークＷを積載している例を示しているが、ＮＣロータリテーブルを介在させることなくテーブル１４上に直接ワークＷを積載しても良い。ベッド１２の上面には、更に、Ｘ軸ガイドレール３６がＺ軸に対して垂直でかつ水平なＸ軸方向（図１の紙面に垂直方向）に延設されており、該Ｘ軸ガイドレール３６にはコラム１６が摺動自在に取り付けられている。コラム１６においてワークＷに対面する前面には、Ｘ軸およびＺ軸に対して垂直なＹ軸方向（図１において上下方向）にＹ軸ガイドレール３４が延設されており、該Ｙ軸ガイドレール３４には、主軸２０を回転自在に支持する主軸頭１８が摺動自在に取り付けられている。
【００２８】
ベッド１２内においてテーブル１４の下側にはＺ軸送り軸としてのＺ軸送りねじ２４がＺ軸方向に延設されており、テーブル１４の下面にはＺ軸送りねじ２４に螺合するナット２６が固定されている。Ｚ軸送りねじ２４の一端にはＺ軸送りサーボモータＭ_zが連結されており、該サーボモータＭ_zを駆動しＺ軸送りねじ２４を回転させることにより、テーブル１４はＺ軸ガイドレール２８に沿って移動する。同様にベッド１２内においてコラム１６の下側にはＸ軸送り軸としてのＸ軸送りねじ（図示せず）がＸ軸方向に延設されており、コラム１６の下面には前記Ｘ軸送りねじに螺合するナット（図示せず）が固定されている。前記Ｘ軸送りねじの一端にはＸ軸送りサーボモータＭ_xが連結されており、該サーボモータＭ_xを駆動し前記Ｘ軸送りねじを回転させることにより、コラム１６は前記Ｘ軸ガイドレール３６に沿って移動する。更に、コラム１６内にはＹ軸送り軸としてのＹ軸送りねじ３２がＹ軸方向に延設されており、主軸頭１８の背面にはＹ軸送りねじ３２に螺合するナット３０が固定されている。Ｙ軸送りねじ３２の上端にはＹ軸送りサーボモータＭ_yが連結されており、該サーボモータＭ_yを駆動しＹ軸送りねじ３２を回転させることにより、主軸頭１８はＹ軸ガイドレール３４に沿って移動する。
【００２９】
主軸２０の先端には工具２２、例えばエンドミルが装着されており、工具２２を回転させながら、コラム１６、主軸頭１８、テーブル１４を各々Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対動作させることにより、テーブル１４に固定されたワークＷを所望形状に切削加工する。ＮＣロータリテーブルが固定されている場合、数値制御工作機械１０は、更にＢ軸を有する４軸の数値制御工作機械と言える。
【００３０】
数値制御工作機械１０は、コラム１６、主軸頭１８、テーブル１４のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に３軸方向へ移動させるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸送りサーボモータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zを制御する数値制御部４０を具備している。もちろんＮＣロータリテーブルが固定されている場合には、Ｂ軸送りサーボモータＭＢ（図示せず）を具備している。数値制御部４０は、ＮＣプログラム４２を読取りこれを解釈するプログラム読取解釈部４４、解釈されたプログラムを一時的に記憶する解釈済みプログラム記憶部４６、解釈済みプログラム記憶部４６からプログラムを適宜引き出して実行プログラムデータを発するプログラム実行指令部４８、プログラム実行指令部４８からの実行プログラムデータに基づいてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々の方向への移動指令値を発する移動指令分配制御部５０、移動指令分配制御部５０からの移動指令値および後述するフィードバック信号に基づいて送り軸モータ駆動部５４へトルク指令値または電流指令値を発するサーボ制御部５２を含んでいる。送り軸モータ駆動部５４は、サーボ制御部５２からのトルク指令値または電流指令値に基づき電流を出力してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々の送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zを駆動する。更に、本実施形態では、サーボ制御部５２から送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値を補正する演算制御部５６が設けられている。
【００３１】
次に、図２を参照して、サーボ制御部５２および演算制御部５６の好ましい実施形態を説明する。図２の実施形態では、演算制御部５６は、その一態様として所謂バックラッシ加速補正を行う負荷トルク演算部７０を具備している。図２において図１の対応する構成要素には同じ参照符号にて指示されている。また、以下の記載ではテーブル１４に関するＺ軸の送り制御についてのみ説明するが、Ｘ軸およびＹ軸の送り制御についても同様に構成されていることは理解されよう。
【００３２】
サーボ制御部５２は、移動指令分配制御部５０からの移動指令値と、テーブル１４に取着したデジタル直線スケール等の位置検出器ＳＰからの位置フィードバック信号とを比較する減算器５８、減算器５８からの出力を増幅する位置制御部６０、位置制御部６０の出力値と送り軸モータＭ_zに設けたパルスコーダＰＣからの速度フィードバック信号を比較する減算器６２、減算器６２の出力を増幅する速度制御部６４を含んでいる。
【００３３】
一方、移動指令分配制御部５０からの移動指令値は、検出部６６および加速度演算部６８へも刻々と送出されている。検出部６６では、移動指令分配制御部５０からの移動指令を解析してテーブル１４の移動方向の変化を監視しており、テーブル１４の移動方向が反転したときに、移動方向反転信号を加速度演算部６８および演算制御部５６の一態様である負荷トルク演算部７０へ送出する。
【００３４】
負荷トルク演算部７０は、時定数演算部７２、負荷トルク補正量演算部７４、負荷トルク検出部７６を主要な構成要素として含んでいる。加速度演算部６８は移動指令値を二階微分して移動体の加速度値を算出しこれを時定数演算部７２に送出する。時定数演算部７２は加速度演算部６８からの加速度値に基づき時定数を演算する。一方、負荷トルク検出部７６は、検出部６６からの移動方向反転信号、およびサーボ制御部５２の速度制御部６４の出力であるトルク指令値または電流指令値を受取り、テーブル１４の移動方向の反転直前のトルク指令値または電流指令値を負荷トルク補正量演算部７４へ送出する。ここで、速度制御部６４から出力されるトルク指令値または電流指令値に基づき送り軸モータ駆動部５４から送り軸モータＭ_zに出力される実電流値を受取り、テーブル１４の移動方向の反転直前のトルク指令値または電流指令値を負荷トルク補正量演算部７４へ送出するようにしてもよい。負荷トルク補正量演算部７４は、時定数演算部７２における演算結果である時定数、および負荷トルク検出部７６からの移動方向の反転直前のトルク指令値または電流指令値に基づいて負荷トルク補正値を演算し、速度制御部６４へ送出する。移動方向の反転や加速度値の算出は、移動指令値から求めるのではなく、位置制御部６０からの出力信号を取り込んで行っても良いし、移動体に取付けた加速度センサで行っても良い。
【００３５】
ここで図６を参照すると、加速度一定の条件での送り制御の様子が時間に対する送り速度の変化（図６の上側のグラフ）、およびそれに対応する送り軸に印加される負荷トルクの変化（図６の下側のグラフ）が示されている。特に図６において、時間に対する速度の変化は、所定の時間差分ΔＴに対する速度差分ΔＶの変化を直線で結んで示している。
【００３６】
図６のグラフにおいて、送り速度Ｖが負から正に変化した瞬間（このとき送り速度は零となっている）がＴ _C にて指示されている。このとき負荷トルクの変化を見ると、負荷トルクは、Ｔ _C 以前の負荷トルクＱｐから目標負荷トルクＱｔに変化しており、図６に示す例では、加速度一定の条件の下、従前の負荷トルクＱｐと目標負荷トルクＱｔとは絶対値が同一で符号（＋−）が逆となっている。
【００３７】
このように、サーボモータの駆動方向の反転は、例えば、数値制御工作機械１０が円弧に沿って切削加工を行っている場合で、工具２２の移動経路が１つの象限から他の象限に移るときに生じる。このとき、送りねじのバックラッシや摩擦の影響のために、機械は即座に反転することができず一般に遅れを生じ、負荷トルク値は、従前の負荷トルクＱｐから目標負荷トルクＱｔへ破線で示すように緩慢に変化しワークの切削面に突起が形成される。
【００３８】
本願発明者等は数々の実験から、移動体の移動方向が反転する際に加工面に突起や凹みを生じさせない条件として、負荷トルク補正量と移動体の加速度の間には一定の相関関係があり、より詳細には、負荷トルク補正量の時定数を加速度の平方根に反比例する値とすることにより、上述した加工面における欠陥を良好に除去できることを見い出した。
【００３９】
この知見に基づき、本実施形態では以下のように負荷トルク補正値を求めるようにした。先ず、検出部６６によりテーブル１４の移動方向の変化を監視し、テーブル１４の移動方向が反転したときに、検出部６６から移動方向反転信号を加速度演算部６８および負荷トルク演算部７０へ送出する。加速度演算部６８は、移動方向反転信号を受けたときの移動体の加速度値を時定数演算部７２へ送出する。時定数演算部７２は、加速度演算部６８からの加速度値に基づき以下の式にて時定数を演算し、負荷トルク補正量演算部７４へ送出する。
τ＝ｋα ^-1/2
ここで、τは時定数、αは加速度であり、ｋは時定数に合わせるための係数である。
【００４０】
このとき、負荷トルク検出部７６は、移動方向反転信号を受けたときの速度制御部６４からの出力値を移動方向反転前の負荷トルクとして設定し負荷トルク補正量演算部７４へ送出する。負荷トルク補正量演算部７４は、負荷トルク検出部７６からの移動方向反転前の負荷トルクＱｐを負荷トルク基準値Ｑｓとして設定する。次いで、負荷トルク補正量演算部７４は、前記移動方向反転前の負荷トルクＱｐの符号を反転し（つまり、＋−を入れ替える）、この値に予め設定した定数を乗算した値を移動方向反転後の送り軸の負荷トルク目標値Ｑｔとして設定する。次いで、負荷トルク補正量演算部７４は、以下の式にて、速度制御部６４が移動指令値とフィードバック信号とから生成する負荷トルクに加える負荷トルク補正値ΔＱを求める。
ΔＱ＝ａ×Ｑｓ×１／τ＝ａ×Ｑｓ×１／ｋ×α ^1/2
ここで、定数ａは実験により求められる定数であり、例えば加速度演算部６８から得られる移動体の加速度値に関連づけてデータテーブルとして記憶、格納し、加速度αに応じて適宜に呼出して使用することができる。
【００４１】
このように、移動方向反転時の加速度αの関数として表わされる時定数τにより補正値ΔＱを演算し、それに基づいてテーブル１４の移動方向反転検出時に設定した負荷トルクの目標値Ｑｔに至るまでの移動方向反転後の負荷トルクＱの変化量を演算し、該負荷トルクＱに基づいて速度制御部６４が移動方向反転後の負荷トルクＱに応じた所望のトルク指令値または電流指令値を演算する。これを送り軸モータ駆動部５４に出力して送り軸モータＭ_zを回転駆動し、テーブル１４を移動させる。
【００４２】
図２の実施形態では、時定数を加速度の平方根に反比例する値として求めたが、この条件は、移動体としてのテーブル１４、コラム１６、主軸頭１８が比較的軽量の場合に良好な結果を得ることができる。然しながら、移動体としてのテーブル１４、コラム１６、主軸頭１８が比較的重量であったり、静摩擦が大きい場合には、時定数を加速度の平方根ではなく、例えば１／３乗や３／５乗として求めた方が良好な結果となることがある。また、設定した負荷トルクの目標値Ｑｔに至るまでの割合や移動方向反転時の送り軸の位置からの距離で負荷トルクの補正量ΔＱの演算を停止するようにしてもよい。
【００４３】
更に、静摩擦が大きな場合には、大小２つの時定数τ１、τ２を用いて移動方向が反転したときに小さな時定数τ１を選択し、次いで大きな時定数τ２を選択するようにしてもよい。これにより、図６の下側のグラフにおいて実線で示すように、移動方向反転直後には大きな負荷トルクを軸送りサーボモータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zに印加することができサーボ制御の遅れを低減可能となる。
【００４４】
また、静摩擦が大きい場合には図３に示すように図２の実施形態に、特に静摩擦補正部８０を設けてもよい。つまり、送り機構がもつ静摩擦力に応じた所望のトルク指令値、電流指令値または速度指令値を予め設定し、この予め設定した所望のトルク指令値、電流指令値または速度指令値に基づいて送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値を決定することができる。なお、図３において図１、２に対応する構成要素は同じ参照符号にて指示されている。
【００４５】
図３の実施形態において、静摩擦補正部８０は、検出部６６とサーボ制御部５２との間に設けられており、所望の速度指令値である速度補正値８２、所望のトルク指令値であるトルク補正値８４を各々減算器６２、速度制御部６４の下流の減算器９４へ送出する。ここで、静摩擦は、移動体としてのテーブル１４、コラム１６、主軸頭１８が静止した状態から移動を開始するときと、移動体の移動方向が反転したときに問題となるので、図３に示す実施形態では検出部６６は移動指令分配制御部５０からの移動指令値に基づいて、移動体の移動方向反転信号のみならず移動体が停止状態から移動を開始したときを示す移動開始信号を負荷トルク演算部７０および静摩擦補正部８０へ送出する。負荷トルク演算部７０は概ね図２の実施形態と同様に作用する。
【００４６】
静摩擦補正部８０が、検出部６６から移動方向反転信号または移動開始信号を受信すると、所定の速度指令値、すなわち時間に対して速度が直線的に増加し、次いで直線的に減少する山形または三角形状に変化する速度指令値を減算器６２に送出する。静摩擦補正部８０は、これと同時に矩形波から成る所定のトルク指令値を速度制御部６４の下流の減算器９４に送出して送り軸モータＭ_zの加速制御を行う。
【００４７】
従来技術では、負荷イナーシャ値を一定値として、その時々の加速度値を乗じて算出した値をトルク指令値として送り軸モータ駆動部５４に出力されているが、負荷イナーシャは、テーブル１４に固定されるワークＷの重さや加工の進捗により変化するのでトルク指令値が一定値のままでは加工精度を高めることができなくなる。
【００４８】
そこで、図４に示す実施形態では、負荷イナーシャの変化を演算し、これに基づいて送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値を決定する。なお、図４において、図２、３と同様の構成要素は同じ参照符号にて指示されている。
【００４９】
図４の実施形態は、図１の演算制御部５６としてイナーシャ演算部９６およびイナーシャ記憶部９８を具備している。更に、図４の実施形態では、サーボ制御部５２は、位置制御部６０、速度制御部６４に加えて速度フィードフォーワード制御部９０、加速度フィードフォーワード制御部９２を具備しており、速度フィードフォーワード制御部９０および加速度フィードフォーワード制御部９２は、移動指令分配制御部５０からの位置指令値に基づいて、速度フィードフォーワード値および加速度フィードフォーワード値を生成する。
【００５０】
速度フィードフォーワード制御部９０は、移動指令分配制御部５０からの移動指令値を一階微分することにより速度値を算出し、これをイナーシャ演算部９６へ出力する共に、速度フィードフォーワード値として位置制御部６０の下流の減算器６２に出力する。加速度フィードフォーワード制御部９２は、移動指令分配制御部５０からの移動指令値を二階微分することにより加速度値を算出し、これをイナーシャ演算部９６へ出力すると共に、算出した加速度値にイナーシャを乗じて加速度フィードフォーワード値を算出し、これを速度制御部６４の下流の減算器９４に出力する。
【００５１】
減算器６２において、該速度フィードフォーワード値と、位置制御部６０の出力値と、パルスコーダＰＣからの速度フィードバック信号の差分が速度制御部６４に入力される。速度制御部６４は、この差分にゲイン６４ａ、イナーシャ６４ｂを順次に乗じて負荷トルク値を出力する。この負荷トルク値に加速度フィードフォーワード制御部９２からの加速度フィードフォーワード値が加算されて、トルク指令値として送り軸モータ駆動部５４に出力される。
【００５２】
イナーシャ演算部９６は、速度フィードフォーワード制御部９０からの速度値、加速度フィードフォーワード制御部９２からの加速度値および送り軸モータ駆動部５４に入力されるトルク指令値または電流指令値に基づき以下のようにして負荷イナーシャを演算する。
【００５３】
図７を参照すると、静止状態から、移動体を所定の速度Ｖｒへ加速度一定の条件で加速した後に、速度Ｖｒにて早送りする場合の速度、加速度、トルクの変化が時間の関数にて示されている。以下、図７に示すような状況を想定して、図８Ａ、８Ｂに示すフローチャートを参照しつつ本実施形態の作用を説明する。
【００５４】
先ず、早送り信号を受けてステップＳ１０において軸送りが早送りであるか否かが、速度フィードフォーワード制御部９０からの速度値および加速度フィードフォーワード制御部９２からの加速度値により判断される。軸送りが早送りでない場合（ステップＳ１０においてＮｏの場合）、フローチャートは軸送りが早送りとなるのを待機する。軸送りが早送りの場合（ステップＳ１０においてＹｅｓの場合）、ステップＳ１２において、加速度フィードフォーワード制御部９２からの加速度値の変化から、軸送りが加速度一定の条件で加速中か否かが判断される。軸送りが加速度一定の場合（ステップＳ１２においてＹｅｓの場合）、ステップＳ１４において、送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値により、加速中のトルクがサンプリングされる。このサンプリングを所定回数Ｎ回行うと上記サンプリングが終了する（ステップＳ１６においてＹｅｓの場合）。サンプリングがＮ回に満たないときは（ステップＳ１６においてＮｏの場合）ステップＳ１０に戻って再びトルクのサンプリングを行う。
【００５５】
軸送りが加速度一定ではない場合（ステップＳ１２においてＮｏの場合）、ステップＳ１８において、速度フィードフォーワード制御部９０からの速度値の変化から、軸送りが速度一定で行われているか否かが判断される。軸送りが速度一定の場合（ステップＳ１８においてＹｅｓの場合）、ステップＳ２０において、送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値により、一定速度で軸送りがなされている間のトルクがサンプリングされる。このサンプリングを所定回数Ｍ回行うと上記サンプリングが終了する（ステップＳ２２においてＹｅｓの場合）。サンプリングの回数がＭ回に満たないときは（ステップＳ２２においてＮｏの場合）ステップＳ１０に戻って再びトルクのサンプリングを行う。
【００５６】
上記のようにして加速度一定または速度一定の元でのトルクのサンプリングが終了すると、ステップＳ２４において加速中のトルクの平均値Ｑｍと、一定速度中のトルクの平均値Ｑｒを算出する。次いで、ステップＳ２６およびステップＳ２８において以下の式から一定速度のトルクから加速中の速度に比例した摩擦トルクＱｆおよび加速トルクＱａを算出する。
【００５７】
Ｑｆ＝Ｑｒ×（Ｖｍ／Ｖｒ）
Ｑａ＝Ｑｍ−Ｑｆ＝Ｑｍ−Ｑｒ×（Ｖｍ／Ｖｒ）
ここで、
Ｖｒ：早送り中の一定の軸送り速度
Ｖｍ：一定加速度αにおける平均軸送り速度
α：加速中の一定加速度
Ｑｍ：加速度α中の平均トルク
Ｑｒ：早送り一定速度中の平均トルク
Ｑａ：加速トルク
である。
【００５８】
次いで、ステップＳ３０において以下の式により負荷イナーシャＪを算出する。
Ｊ＝Ｑａ／α−ＪＭ
ここで、Ｊは負荷イナーシャ、ＪＭはモータイナーシャである。
【００５９】
次いで、ステップＳ３２において、イナーシャ演算部９６は、この負荷イナーシャＪに関連した加速度フィードフォーワード値を算出し、イナーシャ記憶部９８に送出して記憶されている加速度フィードフォーワード値を書換える（ステップＳ３４）。
【００６０】
こうして算出されたイナーシャ値は速度制御部６４に出力されて、トルク指令値または電流指令値を演算する際に最新のイナーシャ値が用いられる。これと同時に加速度フィードフォーワード制御部９２にも算出されたイナーシャ値が出力され、加算器９４へ出力される加速度フィードフォーワード値を算出する際に最新のイナーシャ値が用いられる。また、送り軸モータ駆動部５４へのトルク指令値または電流指令値の変化率をみて、負荷イナーシャＪを演算することもできる。
【００６１】
図４の実施形態では、負荷イナーシャＪを算出するために、速度フィードフォーワード制御部９０および加速度フィードフォーワード制御部９２からの速度値および加速度値を用いたが、本発明はこれに限定されず、図５に示すように、例えばテーブル１４に取着した歪み計等の重量検出器１００を用いて、ワークＷの重量の変化を直接測定し、その測定値をイナーシャ演算部９８へ出力して、負荷イナーシャＪを算出するようにしてもよい。
【００６９】
本願発明の好ましい実施形態を説明したが、本願発明がこれに限定されず本願発明の精神と範囲内で種々の変更、修正が可能であることは当業者の当然とするところである。
例えば、既述の実施形態では、図２及び３に所謂バックラッシ加速補正制御、図４及び５にイナーシャ補正制御について個別に説明したが、これらを適宜に組み合わせることにより、更に高能率で高精度な加工が可能となる。
【００７０】
また、本願発明の数値制御工作機械として、図１に示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交する３軸を有する横形マシニングセンタを説明したが、本願発明はこれに限定されず、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸に加えてテーブル１４を水平な軸線まわりの回転動作であるＡ軸およびＢ軸に送り移動可能にした５軸構成の数値制御工作機械であってもよい。更には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸またはＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸の４軸を有した数値制御工作機械、その他６軸以上の数値制御工作機械にも本発明は適用可能である。更に、本発明は、図１に示すような横形マシニングセンタのみならず、立形マシニングセンタやフライス盤その他の数値制御工作機械に適用可能である。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を有した形彫放電加工機や、Ｘ、Ｙ、Ｕ、Ｖ軸を有したワイヤ放電加工機にも適用可能である。
【００７１】
本願発明の演算制御部５６、検出部６６、加速度演算部６８、負荷トルク演算部７０、静摩擦補正部８０、イナーシャ演算部９６、イナーシャ記憶部９８は、数値制御部４０とは機能的に独立している構成要素であり、数値制御部４０と框体を共にして設けても良いし、別置の機械制御装置等の框体内に設けても良い。
【００７２】
【発明の効果】
本願発明の作用は、数値制御装置のサーボ制御部から送り軸モータ駆動手段に出力される実際のトルク指令値または電流指令値を演算制御手段に取り込み、そのときの送り軸の加速度値も演算制御手段に取り込み、演算制御手段の中で送り機構がもつ摩擦力の変化や、積載されるワークの重量の変化に応じた所望のトルク指令値または電流指令値を予測演算する。この予測演算した所望のトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段に出力しているので、送り軸は摩擦力やワークの重量の変化に合ったトルクで駆動されることになり、移動指令から遅れを生じたり、送り速度のゆらぎが発生することのない送り動作が達成される。
【００７３】
また本願発明の数値制御工作機械は、移動指令分配制御部から出力される移動指令値から移動方向反転検出、停止からの移動開始検出、二階微分による加速度の演算、速度フィードフォワード制御、及び加速度フィードフォワード制御を行うことができるので、実際に送り軸モータが駆動されるのに先回りして上述の演算制御手段による制御が行われ、送り速度が速くても高精度加工が実現する。
【００７５】
上述のような構成及び作用により、本願発明では、機械の移動体を高速で移動させていても高精度な加工が行える数値制御工作機械の制御方法及び数値制御工作機械が得られる。そして複数の送り軸を同時に移動させて輪郭加工や自由曲面加工を行っている時に、ある送り軸の象限が切換わったとしても、またある送り軸のワーク重量が変わったとしても加工精度は良好に保たれる。
【００７６】
送り軸の移動反転時や、停止からの移動開始時における送り機構の動摩擦力や静摩擦力の変化があっても高精度な加工が行える。そして、送り軸の移動体に積載されるワークや取付具が交換された時や、一つのワークが加工されてその重量が時間とともに軽くなる時にも、その重量の変化によるイナーシャの変化に追従して所望のトルク指令値または電流指令値が送り軸モータ駆動手段に出力されて、加工精度は良好に保たれる。
【００７７】
本願発明と前述の四つの従来技術とを対比すると、第１の従来技術は、ロストモーションに起因する各種の加速速度をサーボ制御部の速度指令値に加え、その後速度制御部を通して送り軸モータを駆動しているのに対し、本願発明は所望のトルク指令値または電流指令値を予測演算して、その結果を直接送り軸モータ駆動手段に出力しているので、遅れのない送り軸モータ駆動が行える。第２の従来技術に依然として存在する位置フィードバック制御手段及び速度フィードバック制御手段によるサーボ系の遅れの影響は、本願発明では起きない。第３の従来技術は、送り軸の加速度を下げる制御をしているのに対し、本願発明では送り軸の加速度は適正な所定値に維持し、イナーシャ値の変更によって所望のトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段に出力しているので加工能率の悪化はない。第４の従来技術のトルクオブサーバは、速度指令値に基づき推定した負荷トルクの変化を検出して、負荷イナーシャを推定する構成をとっているのに対して、本願発明の構成は、実際に送り軸モータ駆動手段に出力されるトルク指令値または電流指令値を用いて負荷イナーシャの演算を行っているのでより実際的な負荷イナーシャが求まり、正確なトルク指令値を送り軸モータ駆動手段に出力できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施形態による数値制御工作機械の概略図である。
【図２】 本願発明の数値制御工作機械のバックラッシ加速補正を行う制御部の構成ブロック図である。
【図３】 本願発明の数値制御工作機械のバックラッシ加速補正及び静摩擦補正を行う制御部の構成ブロック図である。
【図４】 本願発明の数値制御工作機械のイナーシャ補正を行う制御部の構成ブロック図である。
【図５】 本願発明の数値制御工作機械のワーク重量検出器を用いてイナーシャ補正を行う制御部の構成ブロック図である。
【図６】 送り軸の方向反転を説明するための図であり、上側が時間に対する送り速度の変化を示すグラフであり、下側が時間に対する負荷トルクの変化を示すグラフである。
【図７】 負荷イナーシャの算出方法を説明するための図であり、上側が時間に対する送り速度の変化を示すグラフであり、中央が時間に対する加速度の変化を示すグラフであり、下側が時間に対する負荷トルクの変化を示すグラフである。
【図８Ａ】 負荷イナーシャの算出方法のフローチャートである。
【図８Ｂ】 負荷イナーシャの算出方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…数値制御工作機械
１２…ベッド
１４…テーブル
１６…コラム
１８…主軸頭
２０…主軸
２２…工具
２４…Ｚ軸送りねじ
２６…ナット
２８…Ｚ軸ガイドレール
３４…Ｙ軸ガイドレール
３６…Ｘ軸ガイドレール
４０…数値制御部
４２…ＮＣプログラム
４４…プログラム読取解釈部
４６…解釈済みプログラム記憶部
４８…プログラム実行指令部
５０…移動指令分配制御部
５２…サーボ制御部
５４…送り軸モータ駆動部
５６…演算制御部
Ｍ_x…Ｘ軸送りサーボモータ
Ｍ_y…Ｙ軸送りサーボモータ
Ｍ_z…Ｚ軸送りサーボモータ
Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸の送り軸、またはそれにＡ、Ｂ、Ｃ軸のうち少なくとも１つの回転軸を付加した複数の送り軸を有した数値制御工作機械の制御方法において、
   数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から前記送り軸の送り軸モータに出力し、
   前記サーボ制御部から出力されるトルク指令値または電流指令値と前記移動指令分配制御部から出力される移動指令値に基づいて求めた前記送り軸の加速度値とから前記送り軸の送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、
   予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力し、
   前記送り軸モータを前記送り軸の送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じた指令値で駆動することを特徴とした数値制御工作機械の制御方法。
2. 数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から送り軸モータに出力し、送り機構を介して移動体を移動させる数値制御工作機械の制御方法において、
   前記移動指令分配制御部から出力される前記送り軸の移動指令値に基づいてトルク指令値または電流指令値を前記サーボ制御部で演算し前記送り軸モータ駆動手段に出力して前記送り軸モータを駆動し、
   前記サーボ制御部から前記送り軸モータ駆動手段に出力されるトルク指令値または電流指令値を取り込み、
   取り込んだトルク指令値または電流指令値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、
   予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力し、
   予測演算した指令値で前記送り軸モータを駆動することを特徴とした数値制御工作機械の制御方法。
3. 前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値の予測演算は、前記取り込んだトルク指令値または電流指令値に基づく実電流値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算する請求項２に記載の数値制御工作機械の制御方法。
4. Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直交３軸の送り軸、またはそれにＡ、Ｂ、Ｃ軸のうち少なくとも１つの回転軸を付加した複数の送り軸を有した数値制御工作機械において、
   前記各送り軸の移動体を移動する送り機構と、
   前記送り機構を駆動する送り軸モータ（Ｍ _x 、Ｍ _y 、Ｍ _z ）と、
   前記送り軸モータを駆動するための送り軸モータ駆動手段（５４）と、
   前記送り軸モータを駆動する数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部（５０）及びサーボ制御部（５２）で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段から前記送り軸モータに出力する数値制御手段（４０）と、
   前記サーボ制御部から出力されるトルク指令値または電流指令値と前記移動指令分配制御部から出力される移動指令値に基づいて求めた前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算して前記送り軸モータ駆動手段に出力する演算制御手段（５６）と、
   を具備して構成することを特徴とした数値制御工作機械。
5. 数値制御装置の読取解釈部から取り込んだ数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部及びサーボ制御部で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を送り軸モータ駆動手段から送り軸モータに出力し、送り機構を介して移動体を移動させる数値制御工作機械において、
   前記各送り軸の移動体を移動する送り機構と、
   前記送り機構を駆動する送り軸モータ（Ｍ _x 、Ｍ _y 、Ｍ _z ）と、
   前記送り軸モータを駆動するための送り軸モータ駆動手段（５４）と、
   前記送り軸モータを駆動する数値制御プログラムデータを移動指令分配制御部（５０）及びサーボ制御部（５２）で実行し、その実行結果であるトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段から前記送り軸モータに出力する数値制御手段（４０）と、
   前記送り軸モータを駆動している時の前記サーボ制御部から前記送り軸モータ駆動手段に出力されるトルク指令値または電流指令値と前記送り軸の加速度値とから前記送り機構がもつ摩擦力またはワークの重量の変化に応じたトルク指令値または電流指令値を予測演算し、予測演算したトルク指令値または電流指令値を前記送り軸モータ駆動手段に出力する演算制御手段（５６）と、
   を具備して構成することを特徴とした数値制御工作機械。

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