JP7020974B2

JP7020974B2 - 構造体の振動抑制装置

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Publication number: JP7020974B2
Application number: JP2018056796A
Authority: JP
Inventors: 匡宮路
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: JP2019168970A

Description

本発明は、工作機械等の各種機械の構造体において生じる振動を抑制する装置に関する。

工作機械等の各種機械において、構造体に沿って移動する移動体を設けた場合、当該移動体が加減速する際の反力等によって構造体に振動が発生することがある。例えば工作機械の一例である門形マシニングセンタにおいては、ベッドに立設された構造体としてのコラムの前面に、水平なクロスレールを上下移動可能に設け、そのクロスレールの前面に、主軸頭を備えたサドルを移動体として水平移動可能に設けている。このサドルが水平移動する際の反力によって、コラムにたわみや振動が発生して、機械の精度が損なわれることになる。また、このような振動は、移動体の移動に伴う反力に限らず、外部からの力によっても生じることがある。
この問題解決の一例として、特許文献１には、移動体を駆動する装置とは別に、構造体に回転アクチュエータを設け、移動体の速度指令と同期した回転速度指令を回転アクチュエータに与えることで、構造体に加わる力を打ち消す回転トルクを発生させ、振動を抑制する構造体の振動抑制装置が開示されている。

特開２０１２－１７６４５６号公報

しかし、特許文献１の発明においては、構造体の振動を抑制するためには、回転アクチュエータが発生する振動を打ち消す力を、振動する構造体の全域に作用させる必要がある。よって、回転アクチュエータの設置場所が限定的となる。また、回転アクチュエータを加減速して振動を抑制するため、回転状態を維持するエネルギーに加えて、加速に必要なエネルギーを供給することができる出力容量を備えた電源装置が必要となっている。

そこで、本発明は、構造体の振動を抑制可能でありながらも、回転アクチュエータの設置場所に対する自由度を高め、更には、回転アクチュエータの駆動に必要となる電源装置の出力容量を小さくすることが可能な構造体の振動抑制装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、直線移動制御される移動体を備えた構造体に設けられ、移動体の直線移動に伴って構造体に加わる力によって構造体に発生する振動を抑制する装置であって、
構造体に設けられ、回転駆動によって回転トルクを発生可能な複数の回転アクチュエータと、各回転アクチュエータを、それぞれの回転速度指令に従い制御する制振手段と、を備え、
各回転アクチュエータは、回転軸方向が移動体の直線移動方向と交差する向きで配置され、
制振手段は、
移動体の直線移動制御に係る速度指令から、構造体の固有振動数を含む所定の周波数帯域成分をバンドパスフィルタで抽出し、制振ゲインで増幅して回転速度指令加減速成分を生成する加減速成分生成部と、
回転速度指令加減速成分に予め設定された回転速度指令定速成分を加算して一部の回転アクチュエータへの回転速度指令を算出する少なくとも１つの加算制振部と、
回転速度指令加減速成分から回転速度指令定速成分を減算して他の回転アクチュエータへの回転速度指令を算出する少なくとも１つの減算制振部と、を含んでなることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、直線移動制御される移動体を備えた構造体に設けられ、移動体の直線移動に伴って構造体に加わる力によって構造体に発生する振動を抑制する装置であって、
構造体に設けられ、回転駆動によって回転トルクを発生可能な複数の回転アクチュエータと、各回転アクチュエータを、それぞれの回転速度指令に従い制御する制振手段と、を備え、複数の回転アクチュエータの内の一部が、同一の回転速度指令に対し他の回転アクチュエータとは反対方向の回転トルクを発生するよう他の回転アクチュエータに対して回転軸方向を反転して配置され、
制振手段は、
移動体の直線移動制御に係る速度指令から、構造体の固有振動数を含む所定の周波数帯域成分をバンドパスフィルタで抽出し、制振ゲインで増幅して回転速度指令加減速成分を生成する加減速成分生成部と、
回転速度指令加減速成分に予め設定された回転速度指令定速成分を加算して、一部の回転アクチュエータへの回転速度指令を算出する少なくとも１つの加算制振部と、
回転速度指令定速成分から回転速度指令加減速成分を減算して、他の回転アクチュエータへの回転速度指令を算出する少なくとも１つの減算制振部と、を含んでなることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、加算制振部及び減算制振部をそれぞれ複数有し、複数の加算制振部でそれぞれ用いられる回転速度指令加減速成分の総和と、複数の減算制振部でそれぞれ用いられる回転速度指令加減速成分の総和とが等しくなるように、加算制振部及び／又は減算制振部の数、又は、加減速成分生成部における制振ゲインの増幅率が設定されていることを特徴とする。

本発明の構造体の振動抑制装置によれば、構造体の振動を抑制した上で、回転アクチュエータの設置場所に対する自由度を高めることができる。また、回転アクチュエータの駆動に必要となる電源装置の出力容量を小さくすることが可能となる。

形態１の振動抑制装置に係るブロック図である。形態１の制振用サーボモータの回転特性の一例を示した図である。形態２の振動抑制装置に係るブロック図である。形態２の制振用サーボモータの回転特性の一例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１は、一例として門形マシニングセンタに第１発明の構造体の振動抑制装置を搭載した実施形態を示した図である。
門形マシニングセンタ１において、ベース２上に立設される構造体としてのコラム３の前面には、クロスレール４が設けられ、そのクロスレール４の前面に、移動体としてのサドル５が水平方向へ直線移動可能に設けられている。このサドル５は、クロスレール４に設けられたボールネジ６及びサーボモータ７を介して後述する制御装置２０によって移動制御される。

一方、コラム３の上部には、回転アクチュエータとしての制振用サーボモータ８ａ，８ｂが組み込まれている。この制振用サーボモータ８ａ，８ｂは、次のような同様の構成をそれぞれ備えている。具体的には、ロータ１０を前向きにした姿勢でステータ９がコラム３と一体に連結されて、ロータ１０には、負荷イナーシャを付与するために、質量のある円盤１１が連結されている。よって、制振用サーボモータ８ａ，８ｂが駆動すると、それぞれにおいて、ステータ９を介してロータ１０及び円盤１１の回転方向と反対方向でコラム３に回転トルクが印加されることになる。この制振用サーボモータ８ａ，８ｂと後述する制振手段としての制振装置３０とによって振動抑制装置が構成される。

次に、制御装置２０は、ＮＣプログラムに基づいて上位装置（図示しない）で生成された位置指令値に基づいて速度指令値を出力する位置制御部２１と、位置制御部２１からの速度指令値に基づいてトルク指令値を出力する速度制御部２２と、トルク指令値に基づいてサーボモータ７を駆動制御する電流制御部２３とを備える。２４，２５は減算器で、ここでは、サーボモータ７に設けた回転検出器２６から得られる位置フィードバック信号と位置指令値との偏差が０となるような位置ループが組まれており、位置ループの内側には、回転検出器２６からの出力信号を微分器２７によって微分して得られる速度フィードバック信号と速度指令値との偏差を０とする速度ループが組まれている。

そして、制振用サーボモータ８ａ，８ｂは、制振手段としての制振装置３０によって制御される。この制振装置３０は、サーボモータ７への位置指令値の出力と同期して制振用サーボモータ８ａ，８ｂを駆動制御するもので、ここでは、位置指令値に基づいて制振用サーボモータ８ａ，８ｂに対する回転速度指令加減速成分としての制振用の速度指令値Ｖｃ０を算出する加減速成分生成部３１と、制振用サーボモータ８ａに対する回転速度指令を算出する加算制振部３２ａと、制振用サーボモータ８ｂに対する回転速度指令を算出する減算制振部３２ｂとをそれぞれ備えている。
加減速成分生成部３１は、サーボモータ７への位置指令値を微分する微分器３３と、微分器３３から得られる速度指令値から、コラム３の固有振動数を含む所定の周波数帯域での速度指令波形を抽出するバンドパスフィルタ３４と、その速度指令波形に予め設定した係数を乗じて制振用の速度指令値Ｖｃ０を出力する制振ゲイン３５とを備えている。

加算制振部３２ａは、加減速成分生成部３１から得られる速度指令値Ｖｃ０と、予め設定した回転速度指令定速成分としての回転速度オフセットとを加算する加算器３６ａを備えている。なお、バンドパスフィルタ３４を用いることで信号の遅れが生じる場合を考慮して、サーボモータ７の制御装置２０には、位置制御部２１への位置指令値の入力を遅らせるディレイ部２８が設けられている。

また、加算制振部３２ａにおいて、加算器３６ａで修正された制振用の速度指令値Ｖｃａは、速度制御部３７に入力されて、ここから出力されるトルク指令値に基づいて電流制御部３８が制振用サーボモータ８ａを駆動制御するものとなっている。なお、ここでも制振用サーボモータ８ａに回転検出器３９が設けられて、回転検出器３９からの出力信号を微分器４０によって微分して得られる速度フィードバック信号を減算器４１で減算して制振用の速度指令値Ｖｃａとの偏差を０とする速度ループが組まれている。

一方、減算制振部３２ｂは、加算制振部３２ａの加算器３６ａが減算器３６ｂに代わることを除いて、加算制振部３２ａと同様の構成となっている。なお、減算器３６ｂは、制振ゲイン３５が出力した速度指令値Ｖｃ０から予め設定した回転速度オフセットを減算することで制振用の速度指令値Ｖｃｂを生成する。これにより、制振用サーボモータ８ｂは制振用の速度指令値Ｖｃｂとの偏差が０となるよう制御される。
この加減速成分生成部３１と、加算制振部３２ａ及び制振用サーボモータ８ａと、減算制振部３２ｂ及び制振用サーボモータ８ｂとでコラム３の振動抑制装置が構成される。

このように構成された振動抑制装置では、サドル５への位置指令値が上位装置から出力されると、これと同期して、コラム３の固有振動数を含む所定の周波数成分から構成された制振用の速度指令値Ｖｃ０が、加減速成分生成部３１の微分器３３、バンドパスフィルタ３４、制振ゲイン３５を介して算出される。更に、制振用の速度指令値Ｖｃ０に従って、制振用サーボモータ８ａ，８ｂがそれぞれ加算制振部３２ａ、減算制振部３２ｂを介して加減速駆動されるため、各円盤１１に回転トルクが生じる。この時、コラム３には、各円盤１１の回転トルクと反対方向の回転トルクがサドル５の動作に合わせて印加されることとなり、サドル５の移動に伴ってコラム３に発生するたわみや振動を打ち消すことが可能となる。

また、加算器３６ａで加算、減算器３６ｂで減算される回転速度オフセットは、加減速を伴わないため、制振用サーボモータ８ａ，８ｂの回転トルクの発生には寄与しない一方、制振用の速度指令値Ｖｃ０によって発生する揺動運動を回避して、軸受け等におけるフレッチング摩耗の発生を防止する目的で印加される。

図２は、図１における制振用の速度指令値Ｖｃ０、Ｖｃａ、Ｖｃｂと、これにより制振用サーボモータ８ａ，８ｂで発生する回転トルクτａ、τｂの一例を示した図である。
図２で示される制振用の速度指令値Ｖｃ０に回転速度オフセットが加算器３６ａで加算され、値が常に正値となるＶｃａが生成される。同様に、制振用の速度指令値Ｖｃ０から回転速度オフセットが減算器３６ｂで減算され、値が常に負値となるＶｃｂが生成される。また、この時、制振用サーボモータ８ａ，８ｂで発生する回転トルクτａ、τｂは、Ｖｃａの微分値、Ｖｃｂの微分値にそれぞれ比例した応答となる。

ここで、Ｖｃａとτａとが同符号となるのは制振用サーボモータ８ａが加速状態にあることを意味しており、加速に必要な電気エネルギー（電力）が図示しない電源装置から制振用サーボモータ８ａへ供給される力行状態となっている。反対に、Ｖｃａとτａとが異符号となるのは制振用サーボモータ８ａが減速状態にあることを意味しており、奪った運動（回転）エネルギーが制振用サーボモータ８ａから電源装置へ流れ込む回生状態となっている。Ｖｃｂとτｂとについても同様である。

図２において加減速状態に着目すると、Ｖｃａが加速している時、Ｖｃｂは減速し、Ｖｃａが減速している時、Ｖｃｂは加速していることを確認できる。即ち、制振用サーボモータ８ａの加速に必要なエネルギーは制振用サーボモータ８ｂの減速で生じるエネルギーで、制振用サーボモータ８ｂの加速に必要なエネルギーは制振用サーボモータ８ａの減速で生じるエネルギーで、それぞれ賄うことが可能であり、電源装置は制振用サーボモータ８ａ，８ｂで発生する銅損などの損失分のエネルギー（電力）のみを供給することとなる。

このように、上記形態１の振動抑制装置によれば、サドル５への位置指令値に同期して制振用サーボモータ８ａ，８ｂで回転トルクを発生させることができるため、サドル５の移動に伴ってコラム３に発生するたわみや振動を打ち消すことができる。その上で、複数の加算制振部３２ａ及び減算制振部３２ｂ間で加速に必要なエネルギーを供給しあえるので、制振用サーボモータ８ａ，８ｂの駆動に必要となる電源装置の出力容量を小さくすることができる。また、複数の加算制振部３２ａ及び減算制振部３２ｂを備えることで、制振用サーボモータ一つあたりで必要となる回転トルクを小さくできるため、結果、制振用サーボモータ８ａ，８ｂ自体を小さくすることが可能であり、設置場所に対する自由度を高めることができる。

［形態２］
図３は、第２発明の構造体の振動抑制装置を搭載した実施形態を示した図である。
形態１に対し、ここでは制振用サーボモータ８ｂに代えて、軸芯方向を反転した制振用サーボモータ８ｃが配置されている点が異なる。また、形態１では減算制振部３２ｂの減算器３６ｂが速度指令値Ｖｃ０から回転速度オフセットを減算して制振用の速度指令値Ｖｃｂを生成していたのに対し、この減算制振部３２ｃでは、減算器３６ｃが回転速度オフセットから速度指令値Ｖｃ０を減算して制振用の速度指令値Ｖｃｃを生成する点が異なる。その他の構成については図１と同様であるため、説明を省略する。

図４は、図３における制振用の速度指令値Ｖｃ０、Ｖｃａ、Ｖｃｃと、これにより制振用サーボモータ８ａ、８ｃで発生する回転トルクτａ、τｃの一例を示した図である。
図４で示される制振用の速度指令値Ｖｃ０に回転速度オフセットが加算器３６ａで加算され、値が常に正値となるＶｃａが生成される。一方、減算器３６ｃでは、回転速度オフセットから速度指令値Ｖｃ０が減算されるため、速度指令値Ｖｃ０の符号を反転させた後、回転速度オフセットを加算した図４の中段のようなＶｃｃが生成される。なお、ＶｃｃはＶｃａと同様、値が常に正値となる。また、この時、制振用サーボモータ８ａ、８ｃで発生する回転トルクτａ、τｃは、Ｖｃａの微分値、Ｖｃｃの微分値にそれぞれ比例した応答となる。

図２と同様、図４において加減速状態に着目すると、Ｖｃａが加速している時、Ｖｃｃは減速し、Ｖｃａが減速している時、Ｖｃｃは加速していることを確認できる。即ち、制振用サーボモータ８ａの加速に必要なエネルギーは制振用サーボモータ８ｃの減速で生じるエネルギーで、制振用サーボモータ８ｃの加速に必要なエネルギーは制振用サーボモータ８ａの減速で生じるエネルギーで、それぞれ賄うことが可能であり、電源装置は制振用サーボモータ８ａ、８ｃで発生する銅損などの損失分のエネルギー（電力）のみを供給することとなる。

一方、図４から、制振用サーボモータ８ａ、８ｃで発生する回転トルクτａ、τｃは、符号を反転したような関係にあることが確認できる。これは、制振用サーボモータ８ａの回転方向と回転トルクτａの作用方向の関係に対し、制振用サーボモータ８ｃの回転方向と回転トルクτｃの作用方向の関係が正反対であることを意味する。

しかし、制振用サーボモータ８ｃは制振用サーボモータ８ａに対して、軸芯方向を反転して配置しているため、それぞれのサーボモータが正方向に回転していても、コラム３上では逆方向に回転していることになる。結果、回転トルクτａと回転トルクτｃの符号が反転していることによって、コラム３上では同方向の回転トルクが加えられることとなり、共にサドル５の動作に合わせてたわみや振動を打ち消す回転トルクを発生することとなる。

このように、上記形態２の振動抑制装置によれば、形態１と同様に、サドル５への位置指令値に同期して制振用サーボモータ８ａ、８ｃで回転トルクを発生させることができるため、サドル５の移動に伴ってコラム３に発生するたわみや振動を打ち消すことができる。その上で、複数の加算制振部３２ａ及び減算制振部３２ｃで加速に必要なエネルギーを供給しあえるので、制振用サーボモータ８ａ、８ｃの駆動に必要となる電源装置の出力容量を小さくすることができる。また、複数の加算制振部３２ａ及び減算制振部３２ｃを備えることで、制振用サーボモータ一つあたりで必要となる回転トルクを小さくできるため、結果、制振用サーボモータ８ａ，８ｃ自体を小さくすることが可能であり、設置場所に対する自由度を高めることができる。

なお、形態１，２に共通して、ここでは制振用サーボモータと対応する加算若しくは減算制振部とをそれぞれ１組ずつ設けた場合を例に説明したが、複数組であっても本発明の適用は可能である。この場合、複数の加算制振部３２ａで用いられる制振用の速度指令値Ｖｃ０の総和と、複数の減算制振部３２ｂ（あるいは減算制振部３２ｃ）で用いられる制振用の速度指令値Ｖｃ０の総和とが等しくなるよう、加算制振部３２ａ、減算制振部３２ｂ（あるいは減算制振部３２ｃ）の数、または制振ゲイン３５の増幅率が調整されていれば、加速に必要なエネルギーと減速で生じるエネルギーとを等しくすることが可能である。

但し、加算制振部と減算制振部との制振用の速度指令値Ｖｃ０の総和は、厳密に等しくなる必要は無く、多少異なっていても電源装置の出力容量を小さくする効果を得ることは可能である。例えば、全体で必要となる回転トルクの大きさを１０とした場合、加算制振部３２ａの構成が５、減算制振部３２ｂ（あるいは減算制振部３２ｃ）の構成が５の回転トルクを出力することが理想であるが、加算制振部３２ａの構成が６、減算制振部３２ｂ（あるいは減算制振部３２ｃ）の構成が４の回転トルクを出力する構成であっても、全体では１０の回転トルクを得ながら、電源装置に必要となるエネルギーは両者の差分である２の回転トルクに相当するエネルギー分のみで良いため、加減速動作で必要となる電源容量を１／５に抑えることができる。

その他、上記形態の振動抑制装置では、１つの加減速成分生成部を複数の加算制振部及び減算制振部で共用する格好となっているが、各加算制振部及び減算制振部ごとに加減速成分生成部を設けてもよい。また、各加算制振部及び減算制振部に入力される回転速度オフセットは、同一の値を入力する格好となっているが、各加算制振部及び減算制振部ごとに異なる値を入力してもよい。さらに、本発明は、門形マシニングセンタ以外の他の工作機械にも適用可能であるし、工作機械以外の他の産業機械等にも適用可能である。

１・・門形マシニングセンタ、２・・ベース、３・・コラム、４・・クロスレール、５・・サドル、６・・ボールネジ、７・・サーボモータ、８ａ，８ｂ，８ｃ・・制振用サーボモータ、９・・ステータ、１０・・ロータ、１１・・円盤、２０・・制御装置、２１・・位置制御部、２２，３７・・速度制御部、２３，３８・・電流制御部、２４，２５，３６ｂ，３６ｃ，４１・・減算器、２６，３９・・回転検出器、２７，３３，４０・・微分器、２８・・ディレイ部、３０・・制振装置、３１・・加減速成分生成部、３２ａ・・加算制振部，３２ｂ，３２ｃ・・減算制振部、３４・・バンドパスフィルタ、３５・・制振ゲイン、３６ａ・・加算器。

Claims

直線移動制御される移動体を備えた構造体に設けられ、前記移動体の直線移動に伴って前記構造体に加わる力によって前記構造体に発生する振動を抑制する装置であって、
前記構造体に設けられ、回転駆動によって回転トルクを発生可能な複数の回転アクチュエータと、
各前記回転アクチュエータを、それぞれの回転速度指令に従い制御する制振手段と、を備え、
各前記回転アクチュエータは、回転軸方向が前記移動体の直線移動方向と交差する向きで配置され、
前記制振手段は、
前記移動体の直線移動制御に係る速度指令から、前記構造体の固有振動数を含む所定の周波数帯域成分をバンドパスフィルタで抽出し、制振ゲインで増幅して回転速度指令加減速成分を生成する加減速成分生成部と、
前記回転速度指令加減速成分に予め設定された回転速度指令定速成分を加算して一部の前記回転アクチュエータへの前記回転速度指令を算出する少なくとも１つの加算制振部と、
前記回転速度指令加減速成分から前記回転速度指令定速成分を減算して他の前記回転アクチュエータへの前記回転速度指令を算出する少なくとも１つの減算制振部と、
を含んでなることを特徴とする構造体の振動抑制装置。
直線移動制御される移動体を備えた構造体に設けられ、前記移動体の直線移動に伴って前記構造体に加わる力によって前記構造体に発生する振動を抑制する装置であって、
前記構造体に設けられ、回転駆動によって回転トルクを発生可能な複数の回転アクチュエータと、
各前記回転アクチュエータを、それぞれの回転速度指令に従い制御する制振手段と、を備え、
複数の前記回転アクチュエータの内の一部が、同一の前記回転速度指令に対し他の前記回転アクチュエータとは反対方向の回転トルクを発生するよう前記他の回転アクチュエータに対して回転軸方向を反転して配置され、
前記制振手段は、
前記移動体の直線移動制御に係る速度指令から、前記構造体の固有振動数を含む所定の周波数帯域成分をバンドパスフィルタで抽出し、制振ゲインで増幅して回転速度指令加減速成分を生成する加減速成分生成部と、
前記回転速度指令加減速成分に予め設定された回転速度指令定速成分を加算して、前記一部の前記回転アクチュエータへの前記回転速度指令を算出する少なくとも１つの加算制振部と、
前記回転速度指令定速成分から前記回転速度指令加減速成分を減算して、前記他の前記回転アクチュエータへの前記回転速度指令を算出する少なくとも１つの減算制振部と、
を含んでなることを特徴とする構造体の振動抑制装置。
前記加算制振部及び前記減算制振部をそれぞれ複数有し、複数の前記加算制振部でそれぞれ用いられる前記回転速度指令加減速成分の総和と、複数の前記減算制振部でそれぞれ用いられる前記回転速度指令加減速成分の総和とが等しくなるように、前記加算制振部及び／又は前記減算制振部の数、又は、前記加減速成分生成部における前記制振ゲインの増幅率が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体の振動抑制装置。