JP6647422B2 - 工作機械の送り軸制御方法および送り軸制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の送り軸駆動用のサーボモータを制御する工作機械の送り軸制御方法および送り軸制御装置に関する。

フライス等の工作機械では、切削加工により発生する振動の周波数と等しい振動と、切削加工により工作機械の固有振動が励起され発生する振動に対し、送り軸のサーボモータを駆動するトルク指令を補正して振動による位置誤差を補償するようにした制御方法がある。

例えば、特許文献１には、位置フィードバックループの内側に、速度フィードバックループを設けてカスケード結合を形成するとともに、速度フィードバックループの出力に第１のゲインを乗算する速度ゲイン設定器と、位置フィードバックループの出力に第２のゲインを乗算する位置ゲイン設定器と、速度ゲイン設定器の出力と位置ゲイン設定器の出力とをトルク指令から減算し、減算後のトルク指令を制御対象に出力する位置制御装置が開示されている。

特開２０１６−１４０９６７号公報

従来技術では、予め設定された周波数、位相およびゲインに対して機械振動を抑制するようになっている。しかしながら、工作機械の固有振動により発生する振動は、切削加工の種類および加工条件によって励起される振動が変化すること、および、加工により発生する振動と等しい周波数の機械振動は、加工条件、特に主軸の回転数や工具の刃数によって変化するので、従来技術では、こうした切削加工の種類や加工条件の変化に対して十分な制振を行うことができない。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、加工の種類や、主軸の回転数、工具の刃数等の加工条件が変化しても、そうした変化に追従して機械の振動を抑制する工作機械の送り軸制御方法および送り軸制御装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、位置指令が入力される位置制御部と、該位置制御部から速度指令が入力される速度制御部と、該速度制御部から入力されるトルク指令に基づいて、工作機械の送り軸を駆動する電流を生成するサーボアンプとを有する工作機械の送り軸の制御方法において、前記工作機械の先端部分の振動加速度を検出し、前記振動加速度を周波数解析して振動の中心周波数を特定し、前記中心周波数に基づいて帯域通過フィルタの周波数を設定し、周波数解析した振動加速度に基づいて、前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度の位相を調整し、周波数解析した振動加速度に基づいて設定されたゲインを前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度に乗算して前記サーボアンプにフィードバックする工作機械の送り軸制御方法が提供される。

更に、本発明によれば、位置指令が入力される位置制御部と、該位置制御部から速度指令が入力される速度制御部と、該速度制御部から入力されるトルク指令に基づいて、工作機械の送り軸を駆動する電流を生成するサーボアンプとを有する工作機械の送り軸の制御装置において、前記工作機械の先端部分の振動加速度を検出する加速度検出器と、前記振動加速度を周波数解析して振動の中心周波数を特定する振動解析部と、前記中心周波数に基づいて設定された周波数の前記振動加速度を通過させる帯域通過フィルタと、周波数解析した振動加速度に基づいて、前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度の位相を調整する位相調整部と、周波数解析した振動加速度に基づいて設定されたゲインを前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度に乗算するゲイン調整部とを具備し、前記帯域通過フィルタに設定した周波数の振動加速度を前記サーボアンプにフィードバックする工作機械の送り軸制御装置が提供される。

本発明によれば、工作機械の先端部分の振動加速度を検出し、振動加速度を周波数解析して振動の中心周波数を特定し、中心周波数に基づいて帯域通過フィルタの周波数を設定し、前記帯域通過フィルタに設定した周波数の振動加速度をサーボアンプにフィードバックするようにしたので、振動加速度が変化しても、その変化に追従して機械の振動を抑制することが可能となる。これにより、更に、切削加工の切込み深さを大きくすることが可能となり、工作機械の切削能力を高めることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態による送り軸制御装置の略示ブロック図である。 図１の軸送り制御装置の振動制御部のブロック図である。 本発明の好ましい実施形態による工作機械の略図である。

図３を参照して、本発明の送り軸の制御方法を適用する工作機械の一例を説明する。
図３において、本発明の好ましい実施の形態による工作機械２００は、工場の床面に固定された基台としてのベッド２０２、ベッド２０２の上面で前後方向またはＺ軸方向（図３では左右方向）に移動可能に設けられたコラム２０４、該コラム２０４の前面で左右方向またはＸ軸方向（図３では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたＸ軸スライダ２０６、Ｘ軸スライダ２０６の前面で上下方向またはＹ軸方向に移動可能に取り付けられたＹ軸スライダ２０８、該Ｙ軸スライダ２０８に搭載され主軸２１２を回転可能に支持する主軸頭２１０を具備している。主軸２１２の先端に工具Ｔが装着される主軸頭２１０には加速度検出器２０が取付けられている。加速度検出器２０は、工作機械２００の制御装置１００に接続されている。

コラム２０４は、ベッド２０２の上面において水平なＺ軸方向（図３の左右方向）に延設された一対のＺ軸案内レール２１４に沿って往復動可能に設けられており、ベッド２０２には、コラム２０４をＺ軸案内レール２１４に沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ２２０と、該ボールねじ２２０の一端に連結されたＺ軸サーボモータ２２４が設けられており、コラム２０４には、ボールねじ２２０に係合するナット２２２がブラケット２０４ａを介して取り付けられている。工作機械２００は、また、コラム２０４のＺ軸方向の座標位置を検出する位置検出器としてＺ軸デジタルスケール２２６が取り付けられている。更に、Ｚ軸の移動速度を検出する速度検出器としてロータリーエンコーダ２２８がＺ軸サーボモータ２２４に取付けられている。

Ｘ軸スライダ２０６は、コラム２０４の前面においてＸ軸方向に延設された一対のＸ軸案内レール２１８に沿って往復動可能に設けられている。コラム２０４には、Ｘ軸スライダ２０６をＸ軸案内レールに沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、Ｘ軸スライダ２０６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。コラム２０４には、また、Ｘ軸スライダ２０６のＸ軸方向の座標位置を検出する位置検出器としてＸ軸デジタルスケール（図示せず）が取り付けられている。更に、Ｘ軸の移動速度を検出する速度検出器としてロータリーエンコーダ（図示せず）がＸ軸サーボモータに取付けられている。

Ｙ軸スライダ２０８は、Ｘ軸スライダ２０６の前面においてＹ軸方向（図３では上下方向）に延設された一対のＹ軸案内レール２１６に沿って往復動可能に設けられている。Ｘ軸スライダ２０６には、Ｙ軸スライダ２０８をＹ軸案内レール２１６に沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、Ｙ軸スライダ２０８には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。Ｘ軸スライダ２０６には、また、Ｙ軸スライダ２０８のＹ軸方向の座標位置を検出する位置検出器としてＹ軸デジタルスケール（図示せず）が取り付けられている。更に、Ｙ軸の移動速度を検出する速度検出器としてロータリーエンコーダ（図示せず）がＹ軸サーボモータに取付けられている。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ、ロータリーエンコーダおよびデジタルスケールは、工作機械２００を制御する制御装置１００に接続されている。制御装置１００は、加工プログラム１０２に従い、Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータ２２４へ供給される電流を制御する。

以下、図１、２を参照して、制御装置１００を一層詳細に説明する。
制御装置１００は、読取解釈部２、補間部３、位置制御部５、速度制御部７およびサーボアンプ９を備えたＮＣ装置を主要な構成要素として具備している。制御装置１００に与えられたＮＣ加工プログラム１０２は、読取解釈部２を介して補間部３へ入力される。補間部３は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の少なくとも１つの送り軸１１（例えばＺ軸）の駆動用サーボモータ１０に対する位置指令ｑｒを出力する。

補間部３から出力された位置指令ｑｒ（モータ回転位置指令）は加算器４に入力され、該位置指令ｑｒと送り軸１１のための位置検出器１２が検出した座標値との差分が位置制御部５に入力される。位置制御部５は速度指令ωｒ（モータ回転速度指令）を生成する。速度指令ωｒは加算器６に入力され、該速度指令ωｒと速度検出器１３が検出した速度値との差分が速度制御部７に入力される。速度制御部７はトルク指令τを生成する。トルク指令τは加算器８に入力され、該トルク指令τと後述する加工振動制御部１５０が生成した振動加速度との差分がサーボアンプ９に入力される。

サーボアンプ９は、入力されたトルク指令τに見合ったトルクを発生させるように制御電流をサーボモータ１０に供給する。この供給された電流によりサーボモータ１０が回転駆動され、送り軸１１が駆動される。

制御装置１００は、更に、加工振動制御部１５０を具備しており、加工振動制御部１５０は、加速度検出器２０からの振動加速度を振動解析する振動解析部３０、振動解析の結果に基づいて加速度検出器２０からの振動加速度を通過させる周波数帯域を調整するBPF調整部４０、振動解析の結果に基づいて加速度検出器２０からの振動加速度の位相を調整する位相調整部５０、および、振動解析の結果に基づいて加速度検出器２０からの振動加速度のためのゲインを調整するゲイン調整部６０を備えている。

加速度検出器２０は工作機械２００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り軸を駆動したときに、工作機械２００が振動し易い部位として工作機械２００の先端部分に取付けられる。一例として、図３に示す実施形態では、加速度検出器２０は工作機械の先端部分である主軸頭２１０の内部に取付けられている。図３とは異なるワークを載置するテーブルと送り軸で駆動する方式の工作機械の場合は、工作機械の先端部分としてテーブルが選択されることもある。

次に、図２を参照して加工振動制御部１５０を一層詳細に説明する。
振動解析部３０は、高速フーリエ変換器３１と、制振周波数決定部３２とを具備している。高速フーリエ変換器３１は加速度検出器２０からの振動加速度を高速フーリエ変換する。制振周波数決定部３２は、高速フーリエ変換器３１における振動解析の結果に基づいて、加速度検出器２０からの振動加速度のピーク値を与える周波数を特定し、その周波数を低減すべき制振周波数として決定する。

BPF調整部４０は、BPF調整器４１と、BPF処理部４２とを具備する。BPF調整器４１は、制振周波数決定部が決定した制振周波数を中心として所定の範囲の周波数を加速度検出器２０からの振動加速度を通過させるための周波数帯域として調整、決定する。BPF処理部４２は、加速度検出器２０からの振動加速度のうちBPF調整器４１によって調整された周波数帯域の振動加速度を出力し、フィードバックする振動加速度の周波数帯域を絞る。

位相調整部５０は、位相特性格納部５１と、位相調整器５２と、位相処理部５３とを具備する。位相特性格納部５１は、予め測定しておいた伝達関数に基づき、周波数毎の位相特性（位相線図）を格納している。位相調整器５２は、制振周波数に基づき、位相特性格納部５１に格納されている位相特性を参照して、低減（制振）すべき振動に対して逆位相となるように、加速度検出器２０からの振動加速度の位相を調整、決定する。位相処理部５３は、位相調整器５２の決定に従い、BPF処理部４２を通過した振動加速度の位相を調整する（変化させる）。

ゲイン調整部６０は、ゲイン特性格納部６１と、ゲイン調整器６２と、ゲイン処理部６３とを具備する。ゲイン特性格納部６１は、予め測定しておいた伝達関数に基づき、周波数毎のゲイン特性（ゲイン線図）を格納している。ゲイン調整器６２は、制振周波数に基づきゲイン特性格納部６１に格納されているゲイン特性を参照して、フィードバックする振動加速度のためのゲインを調整、決定する。ゲイン処理部６３は、BPF処理部４２および位相処理部５３を通過した振動加速度にゲイン調整器６２が調整、決定したゲインを乗算する。

こうして、BPF処理部４２、位相処理部５３およびゲイン処理部６３を通過した加速度検出器２０からの振動加速度が加算器８にフィードバックされる。これによって、ワークの切削加工による発生する振動が低減され、切削加工の切込み深さを大きくすることが可能となり、工作機械２００の切削能力を高めることが可能となる。

なお、伝達関数は予め測定して、位相特性およびゲイン特性を位相特性格納部５１およびゲイン特性格納部６１に格納しておくことができる。図２の例では、加工振動制御部１５０は、伝達関数演算回路として、伝達関数演算部７０、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２および第２の高速フーリエ変換器７３を具備している。第１のスイッチ７１は、高速フーリエ変換器３１と伝達関数演算部７０との間に配置されており、第１の接点Ｃ１と第２の接点Ｃ２とを有している。第１のスイッチは、伝達関数を演算する場合は接点Ｃ１側になっており、通常の切削加工を行う場合は接点Ｃ２側になっている。

伝達関数を演算する場合には、第１のスイッチ７１を第１の接点Ｃ１側にするとともに、第２のスイッチ７２を閉成する。この状態で、ワークを試験的に加工することによって、加速度検出器２０からの振動加速度は、高速フーリエ変換器３１で周波数解析されたのちに伝達関数演算部７０に出力され、サーボアンプ９からの出力が第２の高速フーリエ変換器７３で周波数解析されたのちに伝達関数演算部７０に出力される。こうして、伝達関数演算部７０は、高速フーリエ変換されたのちの加速度検出器２０からの振動加速度およびサーボアンプ９からのトルク指令τに基づいて、この技術分野で公知の方法を用いて位相特性およびゲイン特性を演算する。演算結果は、位相特性格納部５１およびゲイン特性格納部６１にそれぞれ格納される。

２ 読取解釈部
３ 補間部
５ 位置制御部
７ 速度制御部
９ サーボアンプ
１０ サーボモータ
１２ 位置検出器
１３ 速度検出器
２０ 加速度検出器
３０ 振動解析部
４０ BPF調整部
５０ 位相調整部
６０ ゲイン調整部
１００ 制御装置
１５０ 加工振動制御部
２００ 工作機械
２１０ 主軸頭

Claims (4)

1. 位置指令が入力される位置制御部と、該位置制御部から速度指令が入力される速度制御部と、該速度制御部から入力されるトルク指令に基づいて、工作機械の送り軸を駆動する電流を生成するサーボアンプとを有する工作機械の送り軸の制御方法において、
   前記工作機械の先端部分の振動加速度を検出し、
   前記振動加速度を周波数解析して振動の中心周波数を特定し、
   前記中心周波数に基づいて帯域通過フィルタの周波数を設定し、
   周波数解析した振動加速度に基づいて、前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度の位相を調整し、
   周波数解析した振動加速度に基づいて設定されたゲインを前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度に乗算して前記サーボアンプにフィードバックすることを特徴とした工作機械の送り軸制御方法。
2. 前記振動加速度を検出する加速度検出器が前記工作機械の主軸頭に取付けられている請求項１に記載の工作機械の送り軸制御方法。
3. 高速フーリエ変換によって周波数解析する請求項１に記載の工作機械の送り軸制御方法。
4. 位置指令が入力される位置制御部と、該位置制御部から速度指令が入力される速度制御部と、該速度制御部から入力されるトルク指令に基づいて、工作機械の送り軸を駆動する電流を生成するサーボアンプとを有する工作機械の送り軸の制御装置において、
   前記工作機械の先端部分の振動加速度を検出する加速度検出器と、
   前記振動加速度を周波数解析して振動の中心周波数を特定する振動解析部と、
   前記中心周波数に基づいて設定された周波数の前記振動加速度を通過させる帯域通過フィルタと、
   周波数解析した振動加速度に基づいて、前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度の位相を調整する位相調整部と、
   周波数解析した振動加速度に基づいて設定されたゲインを前記帯域通過フィルタを通過した振動加速度に乗算するゲイン調整部と、
   を具備し、前記帯域通過フィルタに設定した周波数の振動加速度を前記サーボアンプにフィードバックすることを特徴とした工作機械の送り軸制御装置。

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