JP7109490B2

JP7109490B2 - 数値制御方法及び数値制御装置

Info

Publication number: JP7109490B2
Application number: JP2020020681A
Authority: JP
Inventors: 隆太佐藤; 雅彦八木; 光成尾田; 利宗河合
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: JP2021126707A

Description

本発明は、工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させてワークを加工する数値制御方法及び数値制御装置に関する。

数値制御工作機械で加工を行うと、加工面に望まない凹凸や筋状の加工痕が現れることがある。これは、送り軸の運動方向が反転するときに生じる摩擦力や送り駆動系の弾性変形がその原因の一つである。特に、円弧、円、球面加工では複数送り軸の同時制御で円運動を生成するが、１送り軸の運動方向が反転すると、反転部である象限切替り部にいわゆる象限突起が生じる。ピックフィードをかけながら面加工を行うと、隣接する工具経路の象限切替り部にも同様の象限突起が生じ、象限突起が連なって筋状に見えることもある。ワークが金型の場合、金型表面の加工痕が成形品に転写されるため、象限突起などの加工痕や筋状に見える見た目の悪さは避けなければならない。

送り軸の送り方向反転時の運動誤差を打ち消するために、サーボ制御部に数値制御装置メーカーは、補正信号を付加する補正機能を用意している。この補正機能は通称バックラッシ加速補正と呼ばれ、各工作機械の特性に合うようそのパラメータを調整し、象限突起を小さくすることができる。工作機械メーカーでは、主軸とテーブルとの間に円運動精度測定器を取り付けて、測定結果を見ながら試行錯誤的にそのパラメータを調整している。この方法は、象限突起などの運動誤差の大きさを極力小さくすることはできるが、実際にワークを加工してみると、加工面に予期しない筋が見えることがある。この筋を見えなくすることについては、本出願人の先願である特許文献１に記載されている。

特開２０１８－１２６８４９号公報

上述したように、バックラッシ加速補正のパラメータ調整は、試行錯誤的に行われているので、熟練を要し、時間のかかる作業である。しかも、このパラメータなら象限突起の大きさはいくつになるかを定量的に知ることはできなかった。また、特許文献１では、ワーク加工面の見た目を良くする方法は、円運動精度測定器で測定した円運動軌跡やワーク加工面のプロファイルの実測値から法線方向変化率を算出し、法線方向変化率がヒトが視覚的に認識できる限界以下の値であれば象限突起はあっても筋は見えないことを解明している。そこで、法線方向変化率の大きさを実加工や実測をしなくても求めることが望まれる。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、送り軸の運動方向反転時にサーボ制御部に補正信号を付加したときの摩擦によって生じる運動誤差の大きさや、このときに加工されるワーク加工面の法線方向変化率の大きさを定量的に算出すること、及び運動誤差が小さく、かつワーク加工面の見た目も良い補正信号のパラメータ決定方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制御方法において、前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加し、前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを前記送り軸の運動半径、送り速度、サーボ制御部の位置ループ及び速度ループのゲイン、前記補正信号の補正量パラメータ及び補正時間パラメータを用いて定式化して算出し、前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を算出し、算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求める数値制御方法が提供される。
さらに、本発明によれば、工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制御方法において、前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加し、前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを算出し、前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を前記送り軸の運動半径、送り速度、サーボ制御部の位置ループ及び速度ループのゲイン、前記補正信号の補正量パラメータ及び補正時間パラメータを用いて定式化して算出し、算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求める数値制御方法が提供される。

さらに本発明によれば、工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制装置において、前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加する反転時摩擦補正部と、前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを算出する反転時運動誤差演算部と、前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を算出する法線方向変化率演算部と、算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求める補正パラメータ決定部と、前記送り軸の反転時の運動誤差を小さくする高精度加工モードと、前記送り軸の反転時の運動誤差を小さくする高精度加工モードと、前記運動誤差と前記法線方向変化率を共に小さくする高品位加工モードを切り換える加工モード選択部と、を具備する数値制御装置が提供される。

本発明によれば、送り軸の運動方向反転時の摩擦によって生じる象限突起などの運動誤差の大きさや、ワーク加工面の法線方向変化率の大きさが、実加工や実測を行わなくても定量的に求められる。従って補正信号のパラメータ調整を熟練を要せず迅速に行え、必要に応じて運動誤差の調整に加えて加工面の見た目の調整も同時に行うことができる。

本発明の好ましい実施形態による工作機械を制御する数値制御装置のブロック図である。Ｘ軸とＹ軸との同時２軸制御で、象限突起の現われた円運動軌跡を描いた説明である。ワークの加工面に立てた法線ベクトルで法線方向変化率を説明する図である。バックラッシ加速補正の説明図である送り軸の変位と摩擦トルクとの関係を示すヒステリシス線図である。バックラッシ加速補正のパラメータと位置偏差を示す第１の等値線図の一例である。バックラッシ加速補正のパラメータと法線方向変化率を示す第２の等値線図の一例である。

少なくとも直交３軸の送り軸を有し、主軸に装着した工具とワークとを相対運動させて該ワークを加工する工作機械を用いて、円筒面、Ｏリング溝のような円周溝、凸球面や凹球面のような金型を加工する場合、送り軸の運動方向が反転する象限切替わり部位では、図２のような象限突起３７が発生することが知られている。図２はＸ軸とＹ軸の同時２軸制御で円形ワークの外周を加工したときの工具の運動軌跡であり、図中３５は加工されるべき基準形状、３７は象限の切り替わる4箇所に発生する象限突起である。

図２の象限突起３７付近の工具の運動軌跡、すなわちワークＷの部分加工面の拡大図を図３に示す。特許文献１の図４にも説明してあるが、ワークＷの加工面に複数個の設定点４０を配置し、各設定点４０に法線ベクトルｎｉを立てる。各法線ベクトルｎｉとＹ軸とのなす角度をθｉとすると、法線方向変化率はｄθｉ／ｄｘとなる。ワークの加工面形状の曲率が小さいと隣接する設定点同士の法線方向変化率は大きくなり、図３のように加工面形状の曲率が大きいと法線方向変化率は小さくなる。象限突起を含むワークの加工面の品位を評価する場合、法線方向変化率の最大値が予め定められた値以下になると、見た目上加工面の不具合はないと判定される。

図１は本発明の数値制御装置１のブロック図である。ＮＣプログラムを読取り解釈部３、補間部５、サーボ制御部７を通して工作機械１３を運転する。サーボ制御部７は、補間部５から変位指令を受け速度指令を生成する位置制御部９と、位置制御部９から速度指令を受けてトルク指令に変換するとともに、トルク指令に見合う電流を出力して工作機械１３の送り軸モータを駆動する速度制御部１１とでなる。位置制御部９、速度制御部１１は、工作機械１３との間にそれぞれ位置ループ、速度ループが形成され、送り軸の刻々の位置情報及び速度情報を得て、フィードバック制御も行っている。

位置ループ、速度ループには、工作機械１３のサイズ、加工能力、加工精度に応じた位置ループゲインＫｐｐ、速度ループ比例ゲインＫｖｐ、速度ループ積分ゲインＫｖｉ、トルク乗数など諸々のゲインＧが設定される。これらの値は公知の方法で工作機械メーカーによって適正値が予め設定され、操作盤１７の入力部１９からデータベース記憶部１５に記憶される。

図４は、Ｘ軸とＹ軸で円運動をしているときのＹ軸の速度指令の波形を実線で表している。Ａ点及びＢ点で、Ｙ軸の運動方向が反転する。Ａ点及びＢ点直前でＹ軸は減速し、Ａ点及びＢ点でＹ軸は停止し、Ａ点及びＢ点直後にＹ軸は増速している。Ｙ軸はＡ点及びＢ点直後は、静摩擦力が案内面に作用して不動の時間を生じるが、Ｘ軸は等速で送られているので図２のような象限突起３７と呼ばれる運動誤差が発生する。これを軽減させるためにいわゆるバックラッシ加速補正を行う必要があり、点線で示すような矩形状の補正速度指令を付加する。すると送り軸モータを後押しする作用が働き、不動時間が短縮し、象限突起が小さくなる。このバックラッシ加速補正は、その補正量ＢＬａｃｃとその補正時間ｔ１がパラメータで可変となっている。このバックラッシ加速補正機能は、反転時摩擦補正部としてサーボ制御部７に内蔵されている。

バックラッシ加速補正を行っても若干の象限突起が残ることは多い。ピックフィード分離れた隣の工具経路上にも同様の象限突起が残り、光の加減で筋のように見える現象は依然として発生する問題がある。この問題は、象限突起部分を含んだ運動軌跡の法線方向変化率がヒトが筋を認識できない値に下げれば解決する。そこで象限突起の大きさと法線方向変化率を求める数式を定式化すること、更にその数式に円運動の大きさ、送り速度、バックラッシ加速補正のパラメータを代入するだけで象限突起の大きさと法線方向変化率を算出することを試みた。

サーボ制御部７及び工作機械１３の送り軸駆動系の位置ループ及び速度ループの制御系を伝達関数で表わし、ラプラス変換手法を用いて象限突起（運動誤差）の大きさに相当する位置偏差ｄ（ｔ）を算出する数式を数１のように定式化した。

ここで、位置ループゲインＫｐｐ、速度ループ比例ゲインＫｖｐ、速度ループ積分ゲインＫｖｉ、トルク乗数など諸々のゲインＧ、クーロン摩擦トルクｆｍ、摩擦の立上りを決める代表長さＬは、予め工作機械固有の値としてデータベース記憶部１５に入力、記憶されている。

摩擦の立上りを決める代表長さＬは、次のようにして求める。図５は、実測したＸ軸の変位とＸ軸送りモータに作用する摩擦トルクとのヒステリシス線図である。案内面には静摩擦力が作用するため、往路と復路が異なることを表わしている。この図面の摩擦トルクの立上り部分において、最大摩擦トルクＴｍａｘの約６３．２％の摩擦トルクになるときのＸ軸変位のことを摩擦の立上りを決める代表長さＬと定め、本実測値では約１５μｍである。

角速度ω、円運動の半径ＲはＮＣプログラムで指定される数値情報から求める。運動誤差演算部２９においてこれらの値と、バックラッシ加速補正の補正量ＢＬａｃｃ及び加速補正時間ｔ１を数１に代入し、位置偏差ｄ（ｔ）を算出する。このとき補正量ＢＬａｃｃ及び補正時間ｔ１について位置偏差を算出し、算出結果を第１等値線図作成部２５に送る。第１等値線図作成部２５は補正量ＢＬａｃｃを横軸、補正時間ｔ１を縦軸、位置偏差を第３軸とした第１の等値線図（図６）を作成する。

一方、法線方向変化率ＤｏＮＶ（Derivative of Normal Vector）は、象限切替え部では近似的に運動の加速度ａｃｃ／送り速度ｖ²で表わされることをつきとめた。数１と同様に、サーボ制御部７及び工作機械１３の送り駆動系の位置ループ及び速度ループの制御系を伝達関数で表わし、ラプラス変換手法を用いて法線方向変化率ＤｏＮＶ（ｔ）を算出する数式を数２のように定式化した。

法線方向変化率演算部３１において、データベース記憶部１５に記憶されている各数値、ＮＣプログラムの数値情報、バックラッシ加速補正の数値を数２に代入して法線方向変化率ＤｏＮＶ（ｔ）を算出する。このとき種々の補正量ＢＬａｃｃ及び補正時間ｔ１について法線方向変化率を算出し、算出結果を第２等値線図作成部２７に送る。第２等値線図作成部は、補正量ＢＬａｃｃを横軸、補正時間ｔ１を縦軸、法線方向変化率を第３軸とした第２の等値線図（図７）を作成する。

バックラッシ加速補正パラメータ決定部２３は、ワークに要求される加工精度や表面品位に基づき、第１、第２の等値線図を参照して最適なバックラッシ加速補正パラメータを決定する。操作盤の入力部１９又はＮＣプログラムから、ワークに対する要求が加工精度を重視する高精度加工モードであるのか、加工面の見た目を重視する高品位加工モードであるのかの選択情報をまず取得する。高精度加工モードのときは、第１等値線図作成部２５からの第１等値線図上で最も位置偏差が小さいバックラッシ加速補正量パラメータと補正時間パラメータの組み合わせを決定する。その時、操作盤の表示部２１に第１の等値線図を表示して、オペレータが視覚的に決定してもよいし、数値的に自動的に決定してもよい。例えば図６の第１の等値線図は、送り速度１５００ｍｍ／ｍｉｎ、円運動半径１００ｍｍにおいてバックラッシ加速量を０～２００の範囲で、加速時間を０～１００の範囲で５ずつ値を変え、位置偏差算出値を表示している。その結果は、バックラッシ加速補正量６５、バックラッシ加速時間４０のパラメータ組合せの時、最小の位置偏差０．６５３μｍとなる。

高品位加工モードの時は、バックラッシ加速補正パラメータ決定部２３は、第１、第２の等値線図から位置偏差が小さく、かつ法線方向変化率も小さいバックラッシ加速補正量と加速時間の組合せを決定する。例えば図７は、図６と同様にバックラッシ加速補正量と補正時間を変えた時の法線方向変化率の算出値を表示している。その結果図７からバックラッシ加速補正量５、バックラッシ加速時間３５の組合せのとき最小の法線方向変化率０．００２７３ｒａｄ／ｍｍとなる。そして第１と第２の等値線図から位置偏差が小さく、かつ法線方向変化率も小さい最適なバックラッシ加速補正量は、ヒトが形状の変化を視覚的に認識できる限界の法線方向変化率も考慮して、例えばバックラッシ加速補正量３５、加速時間３７であると決定できる。

第１、第２の等値線図は、送り速度、円運動半径、各種ゲインの値を種々変えて作図し、求めた最適なバックラッシ加速補正量又は／及びバックラッシ加速時間を適用した円運動精度測定器による実測を行った結果、象限突起の大きさや加工面の見た目の品位が良好であることを確認し、本発明の基礎となる数１、数２の妥当性を確認した。また、本実施の形態では、図４において速度指令に付加するバックラッシ加速補正の信号を矩形状にしたが、より象限突起を小さくするために台形状のバックラッシ加速補正信号を付加してもよい。

１数値制御装置
７サーボ制御部
１３工作機械
１５データベース記憶部
２３バックラッシ加速補正パラメータ決定部
２５第１等値線図作成部
２７第２等値線図作成部
２９運動誤差演算部
３１法線方向変化率演算部

Claims

工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制御方法において、
前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加し、
前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを前記送り軸の運動半径、送り速度、サーボ制御部の位置ループ及び速度ループのゲイン、前記補正信号の補正量パラメータ及び補正時間パラメータを用いて定式化して算出し、
前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を算出し、
算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求めることを特徴とした数値制御方法。
工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制御方法において、
前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加し、
前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを算出し、
前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を前記送り軸の運動半径、送り速度、サーボ制御部の位置ループ及び速度ループのゲイン、前記補正信号の補正量パラメータ及び補正時間パラメータを用いて定式化して算出し、
算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求めることを特徴とした数値制御方法。
前記補正信号の補正量パラメータと補正時間パラメータを２軸とした線図内に、前記運動誤差の大きさを第３軸として表わした第１の等値線図を作成し、
前記補正信号の補正量パラメータと補正時間パラメータを２軸とした線図内に、前記法線方向変化率を第３軸として表わした第２の等値線図を作成し、
前記運動誤差及び法線方向変化率が共に小さくなる前記補正信号の補正量パラメータと補正時間パラメータとの組合せを視覚的又は数値的に求める請求項１又は２に記載の数値制御方法。
工作機械の送り軸により、工具とワークとを相対的に運動させて前記ワークを加工する数値制装置において、
前記送り軸の運動方向反転時に、摩擦によって生じる運動誤差を小さくする補正信号をサーボ制御部に付加する反転時摩擦補正部と、
前記補正信号を付加した後の前記運動誤差の大きさを算出する反転時運動誤差演算部と、
前記工具の経路に基づいて前記ワークの加工面の法線方向変化率を算出する法線方向変化率演算部と、
算出した運動誤差又は法線方向変化率が小さくなる前記補正信号の補正量パラメータ又は／及び補正時間パラメータを求める補正パラメータ決定部と、
前記送り軸の反転時の運動誤差を小さくする高精度加工モードと、前記運動誤差と前記法線方向変化率を共に小さくする高品位加工モードを切り換える加工モード選択部と、
を具備することを特徴とした数値制御装置。