JP4879091B2

JP4879091B2 - 数値制御工作機械の制御方法及び数値制御工作機械

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Publication number: JP4879091B2
Application number: JP2007140684A
Authority: JP
Inventors: 順吉田; 義勝寺岡
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2007-05-28
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: JP2007226836A

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第５の従来技術として、特許文献５に開示の数値制御による機械装置の制御方法および装置がある。これは、送り軸モータを早送り等で頻繁な加減速を伴って連続運転してもその送り軸モータがオーバヒートしないことを目的として、送り軸モータの温度を測定して、予め設定した送り軸モータの許容される所定の温度データと比較し、その比較結果に応じて送り軸の加減速カーブを変更制御する技術を開示したものである。

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。

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。

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、加速度を許容限度はで高くし、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。

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。

第５の従来技術は、送り軸モータの温度に応じて加減速の時定数を制御し、指令送り速度を変更しないで送り軸モータのオーバヒートを防止する技術に関する内容であり、これは、送り軸モータのオーバヒートは防止できるが、加減速の時定数が大きくなり、加工精度が悪くなる問題点がある。

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。

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。

特許第２６０６７７３号公報特許第２７０９９６９号公報特開平１１−９０７６９号公報特開平６−２８４７６３号公報特許第２８５３０２３号公報

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。

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。

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。

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。

他の目的は、送り軸モータを頻繁な加減速を伴って連続運転しても送り軸モータがオーバヒートせず、高能率を保ったまま、高精度な加工が行えるようにすることである。

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を用い、送り軸の送り機構がもつ摩擦力や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。

すなわち本願発明によれば、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、
前記送り軸の移動方向反転を検出し、
前記送り軸の移動方向反転検出時の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に基づいて負荷トルクを演算して前記送り軸の移動方向反転前の負荷トルクとして設定し、
前記送り軸の移動方向反転前の負荷トルクの符号反転値に予め設定した定数を乗算した値を前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクの目標値として設定し、
前記送り軸の移動方向反転検出時から設定した負荷トルクの目標値に至るまでの前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクを前記送り軸の移動方向反転検出時に小さな時定数、次いで大きな時定数を用いて演算し、
演算した前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクに応じた負荷トルク補正値を加えたトルク指令値または電流指令値を演算し、
負荷トルク補正値を加え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、
前記送り軸モータと送り機構を介して前記移動体を移動させる数値制御工作機械の制御方法が提供される。

前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクの演算は、前記送り軸の移動方向反転検出時の加速度の平方根に反比例した時定数を用いて負荷トルクを演算するようにしてもよい。

また、前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクの演算は、前記送り軸の移動方向反転検出時の加速度の平方根に反比例した複数の時定数を用いて負荷トルクを演算するようにしてもよい。

前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクの演算は、設定した負荷トルクの目標値に至るまでの割合または前記送り軸の移動方向反転検出時の前記送り軸の位置からの距離で負荷トルクの演算を停止するようにしてもよい。

さらに本願発明によれば、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速度指令値を演算する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力される前記送り軸の速度指令値に基づいてトルク指令値または電流指令値を演算する速度制御手段と、
前記速度制御手段から出力される前記送り軸のトルク指令値または電流指令値に基づいて前記送り軸モータを駆動する電流を出力する送り軸モータ駆動手段と、
前記送り軸の移動方向反転を検出する検出手段と、
前記検出手段による前記送り軸の移動方向反転検出時の前記速度制御手段から出力されるトルク指令値または電流指令値と、前記送り軸の移動方向反転検出時に小さな時定数、次いで大きな時定数とを用いて前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクを演算し、演算した負荷トルクに応じた負荷トルク補正値を加えたトルク指令値または電流指令値を前記速度制御手段に出力する負荷トルク演算手段と、
を具備して構成する数値制御工作機械が提供される。

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。
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。
また本願発明は、送り軸モータの温度を予測演算し、予め設定した送り軸モータの許容される所定の温度データと比較し、その比較結果に応じて送り軸の加減速時定数を変更する制御と、上述の送り軸の摩擦力や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送り軸モータ駆動手段に出力する制御とを組み合わせて行うことができる。

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。
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。更に送り軸モータを頻繁な加減速を伴って連続運転しても送り軸モータがオーバヒートせず、高精度な加工が行える。

本願発明と前述の五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。第５の従来技術は、送り軸モータのオーバヒートを防止する技術であるのに対して、本願発明は更に送り機構の摩擦力や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送り軸モータ駆動手段に出力しているので、高精度な加工が行える。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで図７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７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７の下側のグラフ）が示されている。特に図７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。

図７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ＴＣ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、ＴＣ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７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。

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ュ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。

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。

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。

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／ｋα ^-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。

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。

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。

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７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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、これをイナーシャ制御部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。

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。

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。

図８を参照すると、静止状態から、移動体を所定の速度Ｖ１へ加速度一定の条件で加速した後に、速度Ｖ１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８に示すような状況を想定して、図９Ａ、９Ｂ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。

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。

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。

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Ｑ１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。

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。

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。

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）。

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。

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。

次に、図６を参照して、本願発明の更に他の実施形態を説明する。図６においても、既述した実施形態の対応する構成要素には同じ参照符号が付されている。

既述したように、サーボ制御部５２（図１〜図５）は、ＮＣプログラム４２をプログラム読取解釈部４４により読み取り解釈し、解釈済みプログラム記憶部４６に一時記憶されている解釈済みプログラムをプログラム実行指令部４８により引き出し、移動指令分配制御部５０が出力する移動指令値に従い数値制御工作機械１０（図１）の各送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの駆動を制御する。この駆動が短い周期で加減速を伴って繰り返し行われると、送り軸モータ駆動部５４および送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zが発熱し、その許容上限温度に達するとサーマルアラームとなり、数値制御工作機械１０の動作が非常停止する。

データ記憶部１１０に、数値制御工作機械１０に適合した送り軸の加減速時定数、サーボ制御部５２から取り出すトルク指令値または電流指令値と送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの温度との関係、送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zに定格電流を連続して供給したときの送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの温度の変化を表した温度曲線および温度曲線の傾きθと送り軸の加減速時定数との関係を予め実験などによって求め、記憶設定させておく。また、各送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zや送り軸モータ駆動部５４のサイズを表すパラメータ等も記憶設定する。温度演算部１１２は、サーボ制御部５２から取り出したトルク指令値または電流指令値を、データ記憶部１１０から取り出したトルク指令値または電流指令値と送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの温度との関係に照らして、刻々の送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_z等の駆動手段の温度を予測演算する。

加減速時定数演算部１１４は、温度演算部１１２からの演算結果を受けて、刻々の状態に合った送り軸の加減速時定数をデータ記憶部１１０に記憶してある温度曲線（図示せず）の傾きと加減速時定数との関係から演算し、出力する。加減速時定数指令部１１６は、加減速時定数演算部１１４から出力された刻々の状態に合った送り軸の加減速時定数を数値制御工作機械１０の動作の進捗にタイミングを合わせて移動指令分配制御部５０へ指令する。なお、制御の初期においては、データ記憶部１１０から移動指令分配制御部５０へ予め設定した送り軸の加減速時定数Ｔ０が直接送出される。

次に図１０を参照して本実施形態の作用を説明する。まず、データ記憶部１１０に必要データを設定する（ステップＳ５０）。必要データとは、既述したとおり、数値制御工作機械１０に適合した送り軸の加減速時定数、サーボ制御部５２から取り出すトルク指令値または電流指令値と送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの温度との関係、送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zに定格電流を連続して供給したときの送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zの温度の変化を表した温度曲線（図示せず）、温度曲線の傾きと送り軸の加減速時定数との関係および各送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_zや送り軸モータ駆動部５４のサイズを表すパラメータのことである。これらは予め実験等によって求め、数値制御工作機械１０の製造の段階で予め記憶、設定しておく。数値制御工作機械１０をＮＣプログラム４２で運転させたとき、サーボ制御部５２からトルク指令値または電流指令値を逐次温度演算部１１２に取り込む（ステップＳ５２）。

温度演算部１１２は、トルク指令値または電流指令値をデータ記憶部１１０に記憶されているトルク指令値または電流指令値と送り軸モータＭ_x、Ｍ_y、Ｍ_z等の駆動手段の温度との関係に照らして、刻々の駆動手段の温度を予測演算して時間経過に対する駆動手段の温度曲線、例えば図１１の温度曲線（１）、（２）を作成する（ステップＳ５４）。加減速時定数演算部１１４は、刻々作成した温度曲線の傾きθ（温度曲線（１）の場合θ₁、温度曲線（２）の場合θ₂と、ステップＳ５０で設定してある定格電流時の温度曲線の同温度（図１１の温度ＭＴ１）における傾きθ０とを比較し（ステップＳ５６）、比較した結果を図１２に示す温度曲線の傾きθと送り軸の加減速時定数Ｔとの関係に当てはめる。

θ＞θ０のとき（θ＝θ₁のようにステップＳ５８においてＹｅｓの場合）は、図１２の関係からＴ０より大きな加減速時定数を演算し（ステップＳ６０）、加減速時定数指令部１１６を介して移動指令分配制御部５０へ出力する（ステップＳ６２）。θ＜θ０のとき（θ＝θ₂のようにステップＳ５２においてＮｏの場合）は、ステップＳ５０で設定してある送り軸の加減速時定数Ｔ0を加減速時定数指令部１１６を介してそのまま移動指令分配制御部５０へ送出する（ステップＳ６４）。

図１２において、送り軸の加減速時定数Ｔは上限値Ｔmaxを有しており、この値は加減速を繰り返し連続して行わせても絶対に駆動手段がオーバーヒートしない加減速時定数のことであり、Ｔmaxに対応する温度曲線の最小の傾きθPが存在する。つまり、θがθPより大きい範囲ではＴはＴmaxとなる。なお、駆動手段の温度曲線とは、図１１のような形式のほか、時間と傾きθとの関係を所定の時間間隔で数表化した形式のものもある。本実施形態には、送り軸の加減速回数から送り軸モータの温度を予測演算したり、または温度検出センサで送り軸モータの温度を検出し、これらの温度と許容温度との比較結果に応じた送り軸の加減速制御を行う方法もある。

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、図６に送り軸モータの加減速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。

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。

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。

本願発明の数値制御工作機械の概略図である。本願発明の数値制御工作機械を制御する制御部の第１の実施形態の構成ブロック図である。本願発明の数値制御工作機械を制御する制御部の第２の実施形態の構成ブロック図である。本願発明の数値制御工作機械を制御する制御部の第３の実施形態の構成ブロック図である。本願発明の数値制御工作機械を制御する制御部の第４の実施形態の構成ブロック図である。本願発明の数値制御工作機械を制御する制御部の第５の実施形態の構成ブロック図である。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。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。は、負荷イナーシャの算出方法のフローチャートである。負荷イナーシャの算出方法のフローチャートである。本願発明第５の実施形態による制御方法を示すフローチャートである。は、本願発明第５の実施形態において作成する送り軸モータの温度曲線を示したグラフである。本願発明第５の実施形態における温度曲線の傾きθと加減速時定数τとの関係を示したグラフである。

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
２４Ｚ軸送りねじ
２６ナット
２８Ｚ軸ガイドレール
３４Ｙ軸ガイドレール
３６Ｘ軸ガイドレール
４０数値制御部
４２ＮＣ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

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、
前記送り軸の２移動方向反転を検出し、
前記送り軸の移動方向反転検出時の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に基づいて負荷トルクを演算して前記送り軸の移動方向反転前の負荷トルクとして設定し、
前記送り軸の移動方向反転前の負荷トルクの符号反転値に予め設定した定数を乗算した値を前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクの目標値として設定し、
前記送り軸の移動方向反転検出時から設定した負荷トルクの目標値に至るまでの前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクを前記送り軸の移動方向反転検出時に小さな時定数、次いで大きな時定数を用いて演算し、
演算した前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクに応じた負荷トルク補正値を加えたトルク指令値または電流指令値を演算し、
負荷トルク補正値を加え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、
前記送り軸モータと送り機構を介して前記移動体を移動させることを特徴とした数値制御工作機械の制御方法。
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速度指令値を演算する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力される前記送り軸の速度指令値に基づいてトルク指令値または電流指令値を演算する速度制御手段と、
前記速度制御手段から出力される前記送り軸のトルク指令値または電流指令値に基づいて前記送り軸モータを駆動する電流を出力する送り軸モータ駆動手段と、
前記送り軸の移動方向反転を検出する検出手段と、
前記検出手段による前記送り軸の移動方向反転検出時の前記速度制御手段から出力されるトルク指令値または電流指令値と、前記送り軸の移動方向反転検出時に小さな時定数、次いで大きな時定数とを用いて前記送り軸の移動方向反転後の負荷トルクを演算し、演算した負荷トルクに応じた負荷トルク補正値を加えたトルク指令値または電流指令値を前記速度制御手段に出力する負荷トルク演算手段と、
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。