JP4261470B2 - 制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械等の加工機械における被駆動体の位置または/及び速度を制御する制御装置に関する。
工作機械等の加工機械においては、工具等のツールを、加工しようとするワークに対して相対的に移動させて加工を行うものである。この加工位置や速度を制御するために、被駆動体(ワーク、ワークを取り付けたテーブルや工具等のツール)をサーボモータで駆動し、通常、位置フィードバック、速度フィードバックさらには電流フィードバック制御を行い被駆動体の位置や速度を制御している。
この位置、速度、電流のフィードバック制御により、加工位置、速度、加工トルク等が制御されることになるが、被駆動体の速度、加速度が急激に変化するとき、この急激な変化に起因して被駆動体に振動が発生する場合がある。特に、加工機械において、加工位置へ被駆動体を早送り等により位置決めした場合、停止時に急激な速度変化によって、振動が発生し、位置決めした後、直ちに切削加工等の加工動作を開始すると、被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)が振動している状態で加工等の次の動作がなされることになり、次の動作を精度高く実施できず、次の動作が切削加工であれば精度の高い加工を行うことができない。また、位置決め動作後の次の動作が工具交換動作の場合、位置決め動作で被駆動体が振動している状態では、工具交換が正常に実施できない。
そこで、従来、早送り動作等の位置決め動作から切削加工等の加工動作に移行するとき、位置決め完了後、予め設定された待ち時間だけ待機した後、次の切削加工等の動作を開始している。
また、被駆動体の加速度を検出する加速度センサを設け、該加速度センサからの信号を速度フィードバック制御により出力される電流指令から差し引き、電流フィードバック制御の電流指令を補正し被駆動体の振動を抑制するようにしたものが知られている(特許文献1参照)。
特開平6−91482号公報
被駆動体を早送り等の位置決め動作後、次の動作が切削加工等の加工動作や工具交換等のような場合、設定所定待ち時間だけ待ち、振動が収まり安定した状態になった後、次の切削加工や工具交換に移行する従来の方法では、この待ち時間の設定が難しい。待ち時間を長くすると、全体の加工時間が長くなり、逆に待ち時間を短くすると、被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)が振動している状態で次の切削加工動作や工具交換動作に入ることになり、所望する加工精度や正常な工具交換が得られないという問題があり、最適な待ち時間の設定が難しい。
また、切削加工等の加工動作の実行中においても、急激な速度変化がなされるような場合、被駆動体に振動が発生し、加工精度を低下させる恐れがある。
本発明は、このような問題点を改善することを目的とするものである。
被駆動体の位置または/及び速度を検出する検出手段を有し、被駆動体の位置または/及び速度を制御する加工機械の制御装置において、請求項に係る発明は、前記被駆動体の加速度を検出する加速度検出手段と、前記被駆動体の位置または速度を検出する手段からの検出値に基づいて加速度推定値を求める加速度推定手段とを備え、該加速度推定手段で推定された加速度値と前記加速度検出手段から得られた加速度検出値とを比較し、その差分の絶対値が予め定められたスレショルド値以上の場合に、被駆動体の速度指令または速度指令の変化率を下げるようにした。請求項に係る発明は、前記加速度推定手段を、前記被駆動体の位置または速度を検出する手段からの検出値に代えて、速度指令値に基づいて加速度推定値を求めるものとした。
本発明は、加減速時等における速度変化にともなって発生する被駆動体の振動を抑えるように速度指令の変化率を変えることにより、被駆動体の振動を抑え、より安定した動作制御ができる。
本発明を工作機械の制御装置として数値制御装置に適用したときの例をとって、以下説明する。
図1は本発明の一実施形態の要部ブロック図である。CPU11は数値制御を実行する制御装置10を全体的に制御するプロセッサである。CPU11は、ROM12に格納されたシステムプログラムを、バス19を介して読み出し、該システムプログラムに従って制御装置全体を制御する。RAM13には一時的な計算データや表示データ及びCRTや液晶等で構成される表示器とキーボード等で構成される手動入力手段とからなる表示器/手動入力手段ユニット20を介してオペレータが入力した各種データが格納される。CMOSメモリ14は図示しないバッテリでバックアップされ、制御装置10の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。CMOSメモリ14中には、インターフェイス15を介して読み込まれた加工プログラムや表示器/手動入力手段ユニット20を介して入力された加工プログラム等が記憶される。また、ROM12には、各種システムプログラムが予め格納されている。
インターフェイス15は、制御装置10と外部機器との接続を可能とするものである。
PMC(プログラマブル・マシン・コントローラ)16は、制御装置10に内蔵されたシーケンスプログラムで制御対象物の工作機械の補助装置(例えば、工具交換装置のアクチュエータ等)にI/Oユニット17を介して信号を出力し制御する。また、制御装置10で制御される制御対象物である工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、CPU11に渡す。
各軸(X,Y,Z軸)の軸制御回路30〜32はCPU11からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ40〜42に出力する。サーボアンプ40〜42はこの指令を受けて、機械(制御対象物)の各軸被駆動体のサーボモータ50〜52を駆動する。各軸のサーボモータ50〜52は位置・速度検出器70〜72を内蔵し、この位置・速度検出器70〜72からの位置、速度フィードバック信号を軸制御回路30〜32にフィードバックし、各軸制御回路30〜32で位置・速度のフィードバック制御を行う。この軸制御回路30〜32はプロセッサとROM,RAM等のメモリ等で構成され、位置、速度、さらには電流のフィードバック制御を行い、各軸のサーボモータ50〜52の位置、速度、電流を制御し、各軸サーボモータ50〜52で駆動される被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)60〜62の位置、速度を制御する。なお、位置・速度検出器70〜72を各軸サーボモータにそれぞれ取り付けるのではなく、被駆動体60〜62に設けて、直接被駆動体の位置、速度を検出しフィードバックするようにしてもよいものである。また、図1では、主軸を駆動する制御系については記載を省略している。
なお、上述した各構成は従来の数値制御装置及び数値制御装置で制御される機械の構成と同じである。本実施形態においては、さらに、各軸の被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)に加速度検出手段80〜82がそれぞれ配設され、該加速度検出手段80〜82で検出した加速度検出値がそれぞれの軸制御回路30〜32にフィードバックされている点、及び該フィードバックされた加速度検出値に基づいて後述する制御がなされる点で、従来の数値制御装置と異なるものである。
図2は、この制御装置10のCPU11が実施する第1の参考例のフローチャートである。この第1の参考例は、被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)60〜62を位置決め動作した後、振動が収まったことを加速度検出手段80〜82で判断し、次の動作を実行するようにしたものである。
CPU11は、CMOSメモリ14に予め格納された加工プログラムを先頭より1ブロックずつ読み出し(ステップa1)、プログラム終了指令か否か判断し(ステップa2)、終了でなければ、前のブロックの指令が位置決め指令かを判断する(ステップa3)。
位置決め指令でなければ、ステップa6に移行し、読み出したブロックで指令された動作を実行し(ステップa6〜a8)、このブロックでの指令を実行した後(ステップa9)、ステップa1に戻り次のブロックを読み出し実行することになる。図2では、ステップa6〜a9までが、読み出したブロックの実行処理に対応するものであるが、この図2では、ブロックの指令が移動指令である場合を中心に詳しく記載している。即ち、移動指令の場合には、この読み出したブロックでの指令に基づいて各軸への移動指令の分配処理がなされ(ステップa6)、かつ、加減速処理して(ステップa7)各軸の軸制御回路30〜32に出力される(ステップa8)。そして読み出したブロックで指令された位置まで移動指令の分配が完了したか判断し(ステップa9)、分配が完了するまで、このステップa6からステップa9までの処理を繰り返し実行し、分配が完了するとステップa1に戻る。
なお、読み出したブロックの指令が移動指令でなければ、このステップa6〜a9の処理は、その読み出した指令の処理に変わるものである。例えば、読み出しブロックの指令が工具交換指令であれば、工具交換処理が実行されるものである。
このように、加工プログラムから1ブロックを読み、該読み出したブロックで指令された処理を実行し、その実行が完了すると、次のブロックを読み出し、そのブロックの処理を実行するものである。
一方、ステップa3で、前ブロックの指令が位置決め指令であったとき、ステップa3からステップa4に移行し、CPU11は、各軸制御回路30〜32を介して各軸の被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)に取り付けられた加速度検出手段80〜82で検出されフィードバックされてくる加速度検出値を読み取る。そして、各軸の加速度検出値が予め設定されているスレショルド値αs以下か判断する(ステップa5)。被駆動体を位置決め動作で送り、その位置決め送りの移動指令の分配が完了した状態では、被駆動体は振動している可能性があり、振動していれば被駆動体の速度変化が生じ加速度が発生していることを意味するので、加速度検出手段80〜82で検出される加速度検出値は「0」ではなく、ある値を有している。
そこで、加速度検出手段80〜82で検出された各軸の被駆動体の加速度検出値を読み出し各加速度検出値がスレショルド値αs以下になるまで待つ。例えば、このスレショルド値αsを「0」とすれば、各加速度検出値が「0」となり完全に停止している状態を検出することができる。そして、各加速度検出値がスレショルド値以下になったことを確認して、ステップa1で読み出し指令の処理を開始するものである。そのため、位置決め動作をして切削送りする場合には、位置決め指令の分配が完了して、各加速度検出値がスレショルド値αs以下になった後で、初めて切削送りの移動指令の分配が行われることになるから、被駆動体(ワーク、テーブル、工具等)の振動が停止した後切削送りが開始されることになる。そのため、精度の高い加工を行うことができ、かつ、無駄な待ち時間を要することもない。また、工具交換指令であったときも、各加速度検出値がスレショルド値αs以下になった後に工具交換動作処理が開始されるから、安定した工具交換ができる。
なお、この第1の参考例において、位置決め動作後、次の動作が切削送りや工具交換指令等の被駆動体の振動が停止して動作を開始する必要のある動作指令に対してのみ、ステップa4,a5の処理をするようにしてもよい。この場合は、ステップa2の次に読み出したブロックの指令が振動停止の判断が必要のある指令かを判断し、必要のある場合はステップa4に移行し、必要がない場合には、ステップa6に移行するようにすればよい。
また、停止時に振動が発生する恐れが一番多いのは、早送り指令による位置決め動作時である。よって、ステップa3を、前のブロックが早送り指令かの判断に代え、前のブロックが早送り指令のときのみだけ、ステップa4,a5の処理を行い、振動が停止しているかの判断を行うようにしてもよいものである。また、振動が発生するのは送り動作が速い場合であるから、ステップa4,a5では、前のブロックで早送りした軸の加速度検出値のみを読み込み該加速度検出値がスレショルド値αs以下になったかを判別するようにしてもよい。
図3は、本発明の第2の参考例における制御装置10のCPU11が実施する処理のフローチャートである。この第2の参考例は、被駆動体の加減速中及び加減速終了後所定時間、振動発生を監視し、振動発生を抑制、防止する制御を行うことを特徴とするものである。
CPU11は、加工プログラムの先頭より1ブロックを読み出し(ステップb1)、プログラム終了指令か否か判断し(ステップb2)、終了でなければ、読み出したブロックで指令された処理を実行する。この参考例も指令が移動指令である場合を中心に記載している。読み出した指令が移動指令でない指令の場合は、ステップb3からステップb13の代わりにその読み出した指令の処理を従来と同様に実行し、ステップb14でその処理の終了を判別して、終了した後、ステップb1に戻る従来と同様の処理となる。読み出した指令が移動指令の場合について、図3は詳しく記載しており、かつ、この移動指令の場合における処理が従来と相違するものである。
読み出したブロックの指令が移動指令であると、この移動指令の各軸への分配処理を開始し、加減速処理した後の移動指令を各軸制御回路30〜32に出力する(ステップb3〜b5)。次に、加減速処理へ出力した分配指令と加減速処理後の出力、すなわち、加減速処理の入力と出力を比較し、一致しているか判断する(ステップb6)。加減速処理の入力と出力が一致しなければ加減速処理中であり、一致していれば、加減速が終了しているものである。
移動指令の分配開始時には、加減速処理の入力と出力は一致しておらず、加減速中であるから、ステップb15に移行し、加減速値監視中を示すフラグFを「1」にセットするとともに、加減速終了後の時間(分配周期数)を計時するカウントCを「0」にセットし、ステップb10に進み、各軸加速度検出手段80〜82で検出された加速度検出値を読み取り、この各軸の加速度検出値の評価処理を行う(ステップb11)。評価処理としては、各種平均化処理等を行う。そして各評価値(各軸における加速度検出値の平均値等)が予め設定されている基準値を超えているか判断し(ステップb12)、いずれの軸においても、評価値が基準値を超えてなければ、ステップb14に移行する。また、いずれかの軸の評価値が基準値を超えている場合、加速度が大きすぎ、振動が発生しているものとして、オーバライド値を所定量低下させ(ステップb13)、ステップb14に移行する。移動指令の分配処理は、加工プログラムで指令された速度にオーバライド値を掛けて実行されるものであるから、オーバライド値を所定量低下させると、速度指令値がプログラム指令よりも低下することになり、その低下した速度に応じて移動指令の分配が行われることになる。
ステップb14では、読み出したブロックの移動指令の分配を完了したか判断し、完了していないならば、ステップb3に戻り前述した処理を実行する。ステップb3〜b6、ステップb15、ステップb10〜b14の処理を分配周期毎繰り返し実行する過程で、加減速が終了し、ステップb6で加減速の入力と出力が同じとなると、ステップb6からステップb7に移行し、フラグFが「0」か判断する。該フラグFはステップb15で「1」にセットされているから、ステップb8に移行してカウンタCを「1」インクリメントし、該カウンタCの値が予め設定されている設定値C0以上か判断し、設定値C0に達していなければ、ステップb10に移行し、前述したステップb10以下の処理を行う。
以下、分配周期毎ステップb3〜ステップb14の処理を行い、ステップb9でカウンタCの値が設定値C0以上となったことが検出されると、フラグFを「0」にして(ステップb16)、ステップb14に移行する。その後は、ステップb3〜ステップb7の処理を行い、フラグFが「0」であるから、ステップb7からステップb14に移行する。
また、減速が開始され、ステップb6で加減速処理の入力と出力が一致しなくなると、ステップb6からステップb15に進み、フラグFが「1」にセットされ、カウンタCが「0」にセットされ、前述したように、加速度値の監視と評価が開始される。
かくして、読み出したブロックの移動指令の分配が完了すると(ステップb14)、ステップb1に戻り次のブロックを読み出し、前述したステップb1以下の処理を実行する。このように、加減速中及び加減速終了後所定時間は、各軸の加速度検出手段80〜82で検出される加速度検出値を読み出して、評価し、評価値が設定基準値を超えるような場合には、オーバライド値が所定量減少させ、指令速度を低下させるので、過度な速度変更がなされず振動発生を防止することができる。
なお、上述した第2の参考例ではステップb11、ステップb12で加速度検出値を評価処理し、評価結果に基づいて振動が発生しているか等の判断を行うようにしたが、ステップb11の評価処理を無くし、ステップb12では、ステップb10で検出した加速度評価値が設定基準値を超えていないか判断する評価処理にしてもよいものである。
図4は、本発明の第3の参考例における制御装置10のCPU11が実施する処理のフローチャートである。この第3の参考例は、第2の参考例と同様であるが、第2の参考例がオーバライド値を変更するようにした点を、この第3の参考例は、加減速時定数を変えることによって、即ち速度指令の変化率を変えることによって、被駆動体の振動を抑制したものである。
図3に示す第2の参考例のフローチャートと、この第3の参考例のフローチャートを比較し、図3のステップb1〜b16が図4のステップc1〜c16に対応するものであるが、ステップb13の「オーバライド値の変更」処理がステップc13の「加減速時定数の変更」処理に変わっている点のみが相違するものである。
加速度検出値の評価値が設定基準値を超えたときには、加減速時定数を変更(時定数を所定量長くする)し、速度変化を小さいものとする。ステップc4での加減速処理は、設定された加減速時定数で加減速処理が実行されるものであるが、加減速時定数が変更になると、その変更になった加減速時定数で加減速処理が実行されることになるから、加減速時定数が所定量長くなると、加減速時の速度変化率が小さくなり、緩やかな速度変化となることから、振動が抑制されるものである。
上述した第2、第3の参考例では、加減速中及び加減速終了後所定設定時間まで、加速度値を読み出し、読み出した加速度値に基づいて基準値を超えていないか判断し、振動が発生していないか判別するようにしたが、この加速度値を読み出し振動発生していないかの判別する期間を、加減速開始から所定設定時間の間だけ行うようにしてもよい。この場合は、図、図において、ステップb15,ステップc15の処理をフラグFを「1」にセットするとともにカウンタCを「1」インクリメントする処理に代え、ステップb16,ステップc16の処理をフラグFを「0」にセットするとともにカウンタCを「0」にセットする処理に代えればよい。
即ち、加減速開始時には、加減速処理の入力と出力は一致しないから、ステップb6,c6からステップb15、c15に移行し、フラグFが「1」にセットされるとともに、カウンタCを「1」インクリメントする処理が実施され、その後は、加速度値が読み出され、評価判断がなされる。そして、カウンタCの値が設定値C0以上となると、ステップb16、c16で、フラグFが「0」、カウンタCも「0」にセットされ、加速度値の読み出し及び評価判断は実行されない。そして、減速が開始され、加減速処理の入力と出力は一致しなくなると、再びステップb15、c15で、フラグFが「1」、及びカウンタCのカウントアップが実施されることになり、前述した加速度値の読み出し及び評価判断が実行されることになる。
なお、加減速開始時から、カウンタCをカウントアップして、加減速値を読み出し振動等発生等を判断する区間をこのカウンタ値が所定値C0以上に達したかによって判断する場合、図4に示す加減速時定数を変更し、長くした場合、加減速時間が長くなることから、これに連動して設定値C0をも長くするようにする。
また、加減速時に限らず、常に加速度値を読み出し、振動が発生していないか判断するようにしてもよい。この場合は、図3に示す処理フローチャートにおいてステップb6〜b9及びステップb15,b16は必要がなく、ステップb5からステップb10に移行するようにすればよい。また、図4に示す処理フローチャートにおいてステップc6〜c9及びステップc15,c16は必要がなく、ステップc5からステップc10に移行するようにすればよい。
図5は、本発明の第の実施形態における各軸制御回路30〜32のプロセッサが位置、速度制御処理周期毎に実施する処理のフローチャートである。
この第の実施形態は、各軸制御回路30〜32のプロセッサが、自己のサーボモータが駆動する被駆動体に振動が発生していないかを判断し、振動が発生していると判断されたときには、移動指令の分配等を行う数値制御部(CPU11)にオーバライドの変更、または加減速時定数の変更指令を出力するようにしたものである。
各軸制御回路30〜32のプロセッサは、移動指令の分配処理等の数値制御処理を行うCPU11からの移動指令値Pcを読み取り、かつ位置・速度検出器70〜72からの位置フィードバック値Pfを読み込み、位置ループ処理(位置フィードバック処理)して速度指令Vcを求める(ステップd1,d2,d3)。また、位置・速度検出器70〜72からの速度フィードバック値Vfを読み込み、該速度フィードバック値Vfと求められた速度指令Vcとにより、速度ループ処理(速度フィードバック処理)して電流指令を求め、電流ループ処理へ出力する(ステップd4,d5,d6)。なお、この電流指令を求めて電流ループ処理へ出力するまでの処理は、従来の軸制御回路による処理(位置、速度ループ処理)と同一である。また電流ループ処理も従来と同一である。
次に、加速度検出手段80〜82の出力である加速度検出値αfを読み出し、また、ステップd4で求めた速度フィードバック値Vfから、レジスタR(Vf)に記憶する前周期で求めた速度フィードバックを減じて、この位置・速度処理周期ΔTで除して推定加速度αを求める(ステップd8)。レジスタR(Vf)に、今周期で検出した速度Vfを記憶する(ステップd9)。そして、速度フィードバックから求めた推定加速度αと加速度検出手段で検出した加速度検出値αfとの差の絶対値が所定設定量Δα以上か判断する(ステップd10)。
速度フィードバックより求めた推定加速度αと加速度検出手段で求めた実際の加速度αfとの差が設定所定量Δαより大きいということは、被駆動体に振動が発生して、この振動分の影響が大きくなって、推定加速度αと実差異の加速度αfの差が大きくなっていることを意味するものであり、このときは、オーバライド値の変更(オーバライド値を所定量低下させる)、または加減速処理における加減速時定数の変更(加減速時定数を所定量長くする)を、数値制御部(CPU11)に指令する(ステップd11)。以下、各軸の軸制御回路30〜32のプロセッサは上述したステップd1〜d11の処理を位置、速度制御処理周期毎実行する。
移動指令の分配処理等の数値制御処理を行うCPU11は、各軸制御回路30〜32から、オーバライド値変更指令または加減速時定数変更指令を受けて、第2、第3の参考例で述べたように、オーバライド値を低下させて指令速度低下させて移動指令の分配処理を行う。または、加減速処理の加減速時定数を大きくして加減速時の速度変化率を小さくする。これによって、速度変化が少なくなることから、被駆動体の振動は抑制されるものとなる。
なお、上述した第の実施形態では、推定加速度値αを速度フィードバックVfに基づいて求めたが、位置フィードバックPfに基づいて求めてもよいものである。この場合を第の実施形態として図6に示す。図5に示したステップd1〜d7までの処理を行い、当該周期の位置フィードバック量Pfを位置、速度処理周期ΔTで除して、当該周期における速度Vを推定し(ステップe1)、該推定速度Vから、前周期において求めレジスタR(V)に記憶する前周期の推定速度を減じ、その差を位置、速度処理周期ΔTで除して推定加速度αを求める(ステップe2)。次にレジスタR(V)に当該周期のステップe1で求めた推定速度Vを記憶し、図5のステップd10に戻る。
以下、位置、速度制御処理周期毎に図5のステップd1〜d7、図6のステップe1〜e3、図5のステップd10,d11の処理を繰り返し実行するものである。
なお、第、第の実施形態では、速度フィードバックVf、位置のフィードバックPfより推定加速度αを求めたが、速度指令Vcの今周期と前周期の差より推定加速度αを求めるようにしても、さらには、位置フィードバックPfの代わりに位置指令Pcを用いて推定加速度αを求めてもよいものである。
また、上述した各実施形態の各制御装置は、被駆動体60〜62(またはサーボモータ50〜52)の位置、速度を制御する例を説明したが、位置制御のみ行うもの、速度制御のみ行うものにも本発明は適用できるものである。
図1は本発明の一実施形態の制御装置の要部ブロック図である。 同実施形態の数値制御処理を行うプロセッサが実施する第1の参考例のフローチャートである。 同実施形態の数値制御処理を行うプロセッサが実施する第2の参考例のフローチャートである。 同実施形態の数値制御処理を行うプロセッサが実施する第3の参考例のフローチャートである。 同実施形態の各軸制御回路のプロセッサが実施する第の実施形態のフローチャートである。 同実施形態の各軸制御回路のプロセッサが実施する第の実施形態の要部フローチャートである。
符号の説明
10 制御装置(数値制御装置)
50,51,52 サーボモータ
60,61,62 被駆動体
70,71,72 位置・速度検出器
80,81,82 加速度検出手段

Claims (2)

  1. 被駆動体の位置または/及び速度を検出する検出手段を有し、被駆動体の位置または/及び速度を制御する加工機械の制御装置において、前記被駆動体の加速度を検出する加速度検出手段と、前記被駆動体の位置または速度を検出する手段からの検出値に基づいて加速度推定値を求める加速度推定手段とを備え、該加速度推定手段で推定された加速度値と前記加速度検出手段から得られた加速度検出値とを比較し、その差分の絶対値が予め定められたスレショルド値以上の場合に、被駆動体の速度指令または速度指令の変化率を下げることを特徴とする制御装置。
  2. 前記加速度推定手段は、前記被駆動体の位置または速度を検出する手段からの検出値に代えて、速度指令値に基づいて加速度推定値を求める請求項1に記載の制御装置。
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