JP7184697B2 - 産業機械、寸法推定装置、および寸法推定方法 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図1は、第1の実施形態に係る研削盤の構成を示す上面図である。研削盤は、産業機械の一例である。
研削盤100は、基台110、支持装置120、砥石台130、定寸ゲージ140、制御装置150、表示装置160を備える。基台110は、工場の床面に設置される。支持装置120および砥石台130は、基台110の上面に設けられる。支持装置120は、ワークWの両端を支持し、ワークWを主軸回りに回転させる。砥石台130は、支持装置120に支持されたワークWを加工するための砥石131を支持する。
以下、基台110の上面において主軸と直交する方向をX方向とよび、主軸の伸びる方向をY方向とよび、基台110の上面に直交する方向をZ方向と呼ぶ。すなわち、以下の説明においては、X軸、Y軸、およびZ軸からなる三次元直交座標系を参照しながら研削盤100の位置関係を説明する。また、以下、研削盤100の主軸をC軸ともいう。
砥石131は、円盤状に形成され、回転モータ135によって中心軸回りに回転される。砥石131は、中心軸がY軸と平行になるように設けられる。砥石131の面には、修正錘を取り付けるための複数の取付孔が同一円周上に等間隔に設けられる。
X軸ガイド部132は、基台110に対して砥石台130をX軸方向にスライド可能に支持する。
X軸アクチュエータ133は、X軸ガイド部132に沿って砥石131をX軸方向に移動させる。X軸方向は砥石131の切り込み方向である。X軸アクチュエータ133は、直動モータによって構成されてもよいし、ボールねじと回転モータとの組み合わせによって構成されてもよい。
変位センサ134は、基台110に対する砥石台130のX軸方向の変位を計測する。変位センサ134は、例えばリニアエンコーダによって構成される。
回転モータ135は、砥石131を中心軸回りに回転させる。
回転角センサ136は、砥石131の回転角を計測する。回転角センサ136は、例えばロータリエンコーダによって構成される。
定寸ゲージ140は、砥石台130に設けられ、ワークWの外周面に接触しながらワークWの寸法を計測する。第1の実施形態に係る定寸ゲージ140は、ワークWのうち、砥石131による研削点と同一周面上において、寸法を計測する。
第1アーム142および第2アーム143は、ゲージ本体141の計測部が常にワークWのクランクピンW2部分に接触するようにゲージ本体141を支持する。クランクピンW2の中心軸は、研削盤100の主軸から離れた位置にあるため、ワークWの回転に伴って、計測部が当たる位置がクランクピンW2の断面円における同一位相(例えば、35度の位置)から±10度前後変化する。
図3は、第1の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置150は、Y軸アクチュエータ112、回転モータ123、X軸アクチュエータ133、および回転モータ135を制御する。制御装置150は、プロセッサ151、メインメモリ153、ストレージ155、インタフェース157を備える。プロセッサ151は、プログラムをストレージ155から読み出してメインメモリ153に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ151は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ153に確保する。
プログラムは、制御装置150に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ155に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置150は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてPLD(Programmable Logic Device)などのカスタムLSI(Large Scale Integrated Circuit)を備えてもよい。PLDの例としては、PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)が挙げられる。この場合、プロセッサ151によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
具体的には、計測位置補償部517は、メインメモリ153に記録された、クランクピンW2と砥石131の当たり点のピン角度Ψの中から、定寸ゲージ140が当たる角度Ψ~に最も近い角度を示すものを特定する。計測位置補償部517は、特定した角度に係る定寸ゲージ140が当たる角度Ψ~に関連付けられた、砥石131の目標切込量xr(Ψ~)、および輪郭誤差Δr(Ψ~)を特定する。
砥石131によるワークWの実際の切込量は、撓みによるワークWの変位量を考慮すると、目標切込量xrを入力、ワークWの実寸法に係る説明変数zを状態、およびT、Mを動特性パラメータとした状態方程式によって表すことができる。また、ワークWの寸法の計測値xは、ワークWの実寸法に係る説明変数zを状態、Nを動特性パラメータとした出力方程式によって表すことができる。なお、動特性パラメータT、MおよびNは、スカラーまたは行列である。
つまり、砥石131によるワークWの実際の切込量は、以下の式(3)によって表される。また、寸法の計測値xは、以下の式(4)によって表される。
式(3)は、クランクピンW2における砥石131の当たり点での状態方程式である。式(3)を、定寸ゲージ140の当たり点での状態方程式に変換するには、クランクピンW2における砥石131の当たり点と定寸ゲージ140の当たり点との位相差を時変むだ時間として表現すればよい。つまり,砥石131との当たり点で研削された部分は、ある時間(時変むだ時間)を経て定寸ゲージ140との当たり点で計測される。具体的には、式(3)の目標切込量xrに計測位置補償部517で特定したxr(Ψ~)を代入すればよい。
図4は、第1の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。
研削盤100がワークWの加工を開始すると、計測値取得部511は、主軸センサ124から主軸の回転角の計測値を、変位センサ134から砥石131のX軸方向の変位の計測値を、定寸ゲージ140からワークWの寸法の計測値をそれぞれ取得する(ステップS1)。目標切込量特定部512は、ステップS1で取得した主軸の回転角の計測値および砥石131のX軸方向の変位の計測値と上述の式(1)とに基づいて、ワークWの半径を算出する(ステップS2)。また目標切込量特定部512は、算出したワークWの半径とワークWの目標形状とに基づいて、ワークWの直径当たりの目標切込量を特定する(ステップS3)。目標切込量特定部512は、図2に示すクランクピンW2と砥石131の当たり点のピン角度Ψに関連付けて、特定した目標切込量をメインメモリ153に記録する。
第1の実施形態に係る制御装置150は、定寸ゲージ140による寸法の計測値と、砥石131の目標切込量とを、推定モデルに入力することで、ワークWの寸法の推定値を得る。このように、制御装置150は、定寸ゲージ140による寸法の計測値、砥石131の目標切込量、およびモデルに基づいてワークWの寸法を推定することで、ワークWの撓みなどの砥石131による研削の影響や計測外乱を除去してワークWの寸法を推定することができる。
図5は、第1の実施形態に係る制御装置による真円度の計測結果の例を示す図である。図5に示すように、制御装置150が図4に示す方法でリアルタイムに計測した真円度は、後工程において計測された真円度と同程度の精度が得られることがわかる。これに対して、定寸ゲージ140による寸法の計測値そのもの(定寸ゲージによるリアルタイム測定値)は、後工程において計測された真円度に対して大きく誤差を有する。このことから、第1の実施形態によれば、砥石131による研削の影響や計測外乱を除去してワークWの寸法を推定することができることがわかる。
例えば、第1の実施形態においては、研削盤100の制御装置150が真円度を計測するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、定寸ゲージ140を備え、真円度の表示機能を有する寸法推定装置を既存の研削盤100に取り付けてもよい。この場合、寸法推定装置は、第1の実施形態に係る制御装置150の目標状態量算出部514、指令値算出部515、および指令出力部516の構成を有しなくてよい。また他の実施形態において、定寸ゲージ140を備える研削盤100に、第1の実施形態に係る寸法推定機能を実現するためのプログラムをインストールしたPCを接続し、当該PCによってワークWの真円度を推定してもよい。
Claims (7)
- ワークに接触して前記ワークを加工する工具と、
前記工具を切り込み方向に移動させるアクチュエータと、
前記ワークの寸法を計測するゲージと、
前記アクチュエータを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記ゲージによる前記寸法の計測値を取得する計測値取得部と、
前記工具による目標切込量を特定する目標切込量特定部と、
前記ゲージによる前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルと、
前記寸法の計測値および前記目標切込量を前記推定モデルに入力することで、前記寸法の推定値を得る寸法推定部と
を備える産業機械。 - 前記アクチュエータの変位を計測する変位センサを備え、
前記制御装置は、前記アクチュエータの変位指令値と前記変位の計測値に基づいて前記アクチュエータの制御誤差によって生じる前記ワークの輪郭誤差を算出する誤差算出部を備え、
前記推定モデルは、前記寸法の計測値、前記目標切込量、および前記ワークの輪郭誤差を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する
請求項1に記載の産業機械。 - 前記ワークを主軸回りに回転させる回転モータと、
前記回転モータの回転角を計測する回転角センサと
を備え、
前記計測値取得部は、前記回転角センサによる前記回転角の計測値を取得し、
前記誤差算出部は、前記変位指令値および前記変位の計測値、前記回転モータの角度指令値および前記回転角の計測値、ならびに前記ワークの目標形状とに基づいて、前記アクチュエータの制御誤差によって生じる前記ワークの輪郭誤差を算出する
請求項2に記載の産業機械。 - 前記寸法推定部は、前記ワークが前記工具が当たる位置から前記ゲージが当たる位置まで移動するむだ時間に基づいて、前記輪郭誤差および前記目標切込量を前記推定モデルに入力する
請求項2または請求項3に記載の産業機械。 - 前記推定モデルは、前記寸法の計測値を変数に持つ観測モデルと、前記寸法の推定値と、前記目標切込量とを変数に持つ時間発展モデルとを有するカルマンフィルタである
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の産業機械。 - アクチュエータにより工具を切り込み方向に移動させることで加工されるワークの寸法を推定する寸法推定装置であって
前記寸法の計測値を取得する計測値取得部と、
前記アクチュエータの目標切込量を特定する目標切込量特定部と、
前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記アクチュエータの目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルと、
前記寸法の計測値および前記目標切込量を前記推定モデルに入力することで、前記寸法の推定値を得る寸法推定部と
を備える寸法推定装置。 - アクチュエータにより工具を切り込み方向に移動させることで加工されるワークの寸法推定方法であって
前記ワークの寸法の計測値を取得するステップと、
前記アクチュエータの目標切込量を特定するステップと、
前記寸法の計測値と前記目標切込量と前記寸法の計測値に乗る雑音との関係に基づいて生成された、前記寸法の計測値および前記アクチュエータの目標切込量を入力することで前記ワークの寸法の推定値を出力する推定モデルに、前記寸法の計測値および前記目標切込量を入力することで、前記寸法の推定値を得るステップと
を備える寸法推定方法。
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