JP7390643B2 - 振動抑制方法及び振動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動抑制方法及び振動抑制装置に関する。

特許文献１は振動抑制装置を開示する。振動抑制装置は、工作機械が送り軸指令に応じて駆動した時に発生する振動を抑制する為、送り軸指令に補償トルク指令を付加する。補償トルク指令は、振動の位相に対して逆位相となる波形を有する。該時、振動の振幅は補償トルク指令により減少するので、工作機械は振動を抑制できる。

特開２０１９－１５３０８５号公報

工作機械が送り軸指令に応じて駆動する時に生じる振動の周波数が、送り軸指令の条件に応じて複数発生する時がある。該時、特許文献１の如く補償トルク指令を用いる方法は複数の周波数の振動を全て抑制できない時がある。

本発明の目的は、工作機械が送り軸指令に応じて駆動する時に発生する振動を適切に抑制できる振動抑制方法、及び振動抑制装置を提供することである。

本発明の第一態様に係る振動抑制方法は、モータの加速度を制御する加速度指令に応じた加速度波形を示す入力情報を、前記モータにより駆動する機械装置の振動モデルに入力する入力工程と、前記入力工程により前記入力情報を前記振動モデルに入力した時に前記振動モデルが出力する情報であって、前記機械装置の振動波形の振幅を示す出力情報を取得する取得工程と、前記取得工程により取得した前記出力情報が所定要件を満たす時の前記加速度指令を決定する決定工程と、を備えた振動抑制方法であって、前記振動モデルは、前記機械装置をモデル化した伝達関数を含み、前記入力工程により入力した前記入力情報が示す前記加速度波形のパラメータを、前記モータの駆動に応じて前記機械装置が振動する時の前記振動波形の振幅に変換して前記出力情報を出力し、前記加速度指令は、連続する第一期間、第二期間、第三期間、第四期間に亘り前記モータの加速度を制御し、前記第一期間では、前記モータの加速度が零から第一加速度迄増加し、前記第二期間では、前記モータの加速度が前記第一加速度から零迄減少し、前記第三期間では、前記モータの加速度が零から第二加速度迄減少し、前記第四期間では、前記モータの加速度が前記第二加速度から零迄増加し、前記決定工程は、前記第一期間の長さである第一時間、前記第二期間の長さである第二時間、前記第三期間の長さである第三時間、前記第四期間の長さである第四時間の内何れか二つの時間が同一であり、且つ、他の二つの時間が同一である前記加速度指令を決定することを特徴とする。

第一態様によれば、振動抑制方法により決定した加速度指令で機械装置のモータを駆動することにより、モータの駆動時に発生する機械装置の振動を抑制できる。

第一態様において、前記決定工程は、同一な前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間の内何れか二つの時間を第一軸にとり、前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間の総和を第二軸にとり，前記振幅を第三軸にとったグラフに基づいて、前記二つの時間の組み合わせを決定し、前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間を決定してもよい。該時、最も効果的に振動を抑制できる時間の組み合わせを決定し、モータの駆動時に発生する機械装置の振動を抑制できる。

第一態様において、前記決定工程は、前記第一時間と前記第四時間とが同一であり、且つ、前記第二時間と前記第三時間とが同一である前記加速度指令を決定してもよい。該時、該方法で決定した加速度指令によりモータが駆動する機械装置の振動を、より適切に抑制できる。

第一態様において、前記決定工程は、前記第一時間と前記第四時間が、前記第二時間と前記第三時間より小さい前記加速度指令を決定してもよい。該時、該方法で決定した加速度指令によりモータが駆動する機械装置の振動を、更に抑制できる。

第一態様において、前記決定工程は、前記第一時間と前記第四時間が零である前記加速度指令を決定してもよい。該時、該方法で決定した加速度指令によりモータが駆動する機械装置の振動を、最大限抑制できる。

第一態様において、前記入力工程は、指定周波数を更に示す前記入力情報を前記振動モデルに入力し、前記取得工程は、前記入力工程により前記加速度指令及び前記指定周波数を示す前記入力情報を前記振動モデルに入力した時に前記振動モデルが出力する前記出力情報であって、前記モータの駆動に応じて前記機械装置が前記指定周波数で振動する時の前記振動波形の振幅を示す前記出力情報を取得し、前記決定工程は、前記取得工程により取得した前記出力情報が示す前記振動波形の振幅が所定閾値以下の前記加速度指令を決定してもよい。該時、モータの駆動に応じて機械装置が振動周波数で振動することを、加速度指令により適切に抑制できる。

本発明の第二態様に係る振動抑制装置は、第一態様に係る振動抑制方法により決定した前記加速度指令で前記機械装置の前記モータを制御する制御部を備えたことを特徴とする。第二態様によれば、第一態様と同様の効果を奏することができる。

工作機械１の斜視図。 数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を示すブロック図。 工具４の位置、速度波形、加速度波形を示すグラフ。 工作機械１の振動特性を示すグラフ。 （Ａ）第一条件、（Ｂ）第二条件、（Ｃ）第三条件の時の加速度波形を示すグラフ。 式（１－１）（１－２）の導出方法を説明する説明図。 主処理の流れ図。 振幅ｙを示す等高線図（第一条件且つ周波数３０Ｈｚの時） 振幅ｙを示す等高線図（第一条件且つ周波数９０Ｈｚの時） 振幅ｙを示す等高線図（第二条件且つ周波数３０Ｈｚの時） 振幅ｙを示す等高線図（第二条件且つ周波数９０Ｈｚの時） 振幅ｙを示す等高線図（第三条件且つ周波数３０Ｈｚの時） 振幅ｙを示す等高線図（第三条件且つ周波数９０Ｈｚの時） 最適化した加速度波形を示すグラフ。

本発明の実施形態を説明する。以下説明は、図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は夫々工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。図１に示す工作機械１は主軸９に装着した工具４を回転し、テーブル１３上面に保持した被削材３に切削加工を施す機械である。数値制御装置３０（図２参照）は工作機械１の動作を制御する。

＜工作機械１の概要＞
図１を参照し、工作機械１の構造を説明する。工作機械１は、基台２、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、テーブル装置１０、工具交換装置２０、制御箱６、操作パネル１５（図２参照）等を備える。基台２は金属製の略直方体状の土台である。コラム５は基台２上部後方に固定する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に移動可能に設ける。主軸ヘッド７は内部に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は主軸ヘッド７下部に装着穴（図示略）を有する。主軸９は該装着穴に工具４を装着し、主軸モータ５２（図２参照）の駆動で回転する。主軸モータ５２は主軸ヘッド７に設ける。主軸ヘッド７はコラム５前面に設けたＺ軸移動機構（図示略）でＺ軸方向に移動する。数値制御装置３０はＺ軸モータ５１（図２参照）の駆動を制御することで、主軸ヘッド７をＺ軸方向に移動制御する。

テーブル装置１０は、Ｙ軸移動機構（図示略）、Ｙ軸テーブル１２、Ｘ軸移動機構（図示略）、テーブル１３等を備える。Ｙ軸移動機構は基台２上面前側に設け、一対のＹ軸レール、Ｙ軸ボール螺子、Ｙ軸モータ５４（図２参照）等を備える。Ｙ軸レールとＹ軸ボール螺子はＹ軸方向に延びる。Ｙ軸レールは上面にＹ軸テーブル１２をＹ軸方向に案内する。Ｙ軸テーブル１２は略直方体状に形成し、底部外面にナット（図示略）を備える。該ナットはＹ軸ボール螺子に螺合する。Ｙ軸モータ５４がＹ軸ボール螺子を回転すると、Ｙ軸テーブル１２はナットと共にＹ軸レールに沿って移動する。故にＹ軸移動機構はＹ軸テーブル１２をＹ軸方向に移動可能に支持する。

Ｘ軸移動機構はＹ軸テーブル１２上面に設け、一対のＸ軸レール（図示略）、Ｘ軸ボール螺子（図示略）、Ｘ軸モータ５３（図２参照）等を備える。Ｘ軸レールとＸ軸ボール螺子はＸ軸方向に延びる。テーブル１３は平面視矩形板状に形成し、Ｙ軸テーブル１２上面に設ける。テーブル１３は底部にナット（図示略）を備える。該ナットはＸ軸ボール螺子に螺合する。Ｘ軸モータ５３がＸ軸ボール螺子を回転すると、テーブル１３はナットと共に一対のＸ軸レールに沿って移動する。故にＸ軸移動機構はテーブル１３をＸ軸方向に移動可能に支持する。故にテーブル１３は、Ｙ軸移動機構、Ｙ軸テーブル１２、Ｘ軸移動機構により、基台２上をＸ軸方向とＹ軸方向に移動する。

工具交換装置２０は主軸ヘッド７の前側に設け、円盤型の工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１は外周に複数の工具（図示略）を放射状に保持する。工具交換装置２０はマガジンモータ５５（図２参照）により工具マガジン２１を駆動し、工具交換指令が指示する工具を工具交換位置に位置決めする。工具交換指令はＮＣプログラムで指令する。工具交換位置は工具マガジン２１の最下部位置である。工具交換装置２０は主軸９に装着する工具４と工具マガジン２１に取り付けられた工具とを主軸ヘッド７の上昇、工具マガジン２１の回転、主軸ヘッド７の下降の一連の動作により入れ替え交換する。

制御箱６は数値制御装置３０（図２参照）を格納する。数値制御装置３０は、工作機械１に設けたＺ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４（図２参照）を夫々制御し、テーブル１３上に保持した被削材３と主軸９に装着した工具４を相対移動して各種加工を被削材３に施す。各種加工とは、ドリル、タップ等を用いた穴空け加工、エンドミル、フライス等を用いた側面加工等である。

操作パネル１５（図２参照）は、例えば工作機械１を覆うカバー（図示略）の外壁に設ける。操作パネル１５は入力部１６と表示部１７（図２参照）を備える。入力部１６は各種情報、操作指示等の入力を受け付け、数値制御装置３０に出力する。表示部１７は数値制御装置３０からの指令に基づき、各種画面を表示する。

＜電気的構成＞
図２を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０と工作機械１は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、記憶装置３４、入出力部３５、駆動回路５１Ａ～５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は、主プログラム等を記憶する。主プログラムは、主処理（図７参照）を実行する為のプログラムである。主処理は、ＮＣプログラムを一行ずつ読み込んで各種動作を実行する。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数行で構成し、工作機械１の軸移動、工具交換等を含む各種動作を行単位で制御する。ＲＡＭ３３は各種情報を一時的に記憶する。記憶装置３４は不揮発性であり、ＮＣプログラム、各種情報を記憶する。ＣＰＵ３１は作業者が操作パネル１５の入力部１６で入力したＮＣプログラムに加え、外部入力で読み込んだＮＣプログラム等を記憶装置３４に記憶できる。

駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２Ａは主軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａはマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。Ｚ軸モータ５１、主軸モータ５２、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４、マガジンモータ５５は何れもサーボモータである（以下、総称する場合は単にモータ５０と称す）。駆動回路５１Ａ～５５ＡはＣＰＵ３１から指令を受け、対応する各モータ５１～５５に駆動電流を夫々出力する。駆動回路５１Ａ～５５Ａはエンコーダ５１Ｂ～５５Ｂからフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力部３５は操作パネル１５の入力部１６と表示部１７に夫々接続する。

＜送り軸制御（加減速処理）＞
被削材３に対して工具４をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に夫々移動するＮＣプログラムの指令（以下、送り軸指令と称す。）に基づき、工作機械１が駆動する場合を例示する。以下、被削材３に対して工具４をＺ軸方向に沿って下向きに移動する時を例示して説明する。詳細説明は省略するが、被削材３に対して工具４をＸ軸方向、Ｙ軸方向に夫々移動して加工する時も同様である。図３に示すグラフの縦軸は、Ｚ軸方向の位置（図３（Ａ））、速度（図３（Ｂ）（Ｃ））、加速度（図３（Ｄ））を示す。図３（Ａ）～（Ｄ）は、縦軸において零より下側がＺ軸の正領域であり、零より上側がＺ軸の負領域である。図３（Ａ）において、所定の基準位置にある工具４の位置を示すＺ軸座標を零で示す。基準位置よりも下側にある工具４の位置を示すＺ軸座標を正の値で示す。図３（Ｂ）～（Ｄ）において、工具４が下向きに移動する時の速度及び加速度を正の値で示し、上向きに移動するときの速度及び加速度を負の値で示す。

ＣＰＵ３１はＮＣプログラムの送り軸指令を読み込んだ時、主軸９を保持した主軸ヘッド７を送り軸指令により指定した位置まで移動する為、主軸ヘッド７の目標位置の時系列データを生成する。ＣＰＵ３１は、所定周期で目標位置のデータを駆動回路５１Ａに出力する。駆動回路５１Ａは、ＣＰＵ３１が出力した目標位置のデータに基づき、Ｚ軸モータ５１を駆動する。Ｚ軸モータ５１は、主軸ヘッド７を介して工具４を目標位置までＺ軸方向に移動する。ＣＰＵ３１が駆動回路５１Ａに目標位置のデータを入力する都度、駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１を駆動する。これにより、工具４は、送り軸指令により指定した位置（以下、指令位置と称す。）に最終的に到達する（図３（Ａ）参照）。送り軸指令に基づきＣＰＵ３１が実行する上記の制御を、送り軸制御と称す。

上記において目標位置の時系列データを生成する時、初めにＣＰＵ３１は、指令位置まで工具４がＺ軸方向に移動する時の速度が一定に推移するように、各目標位置を決定する（図３（Ｂ）参照）。次にＣＰＵ３１は、速度の時系列変化を示す波形（以下、速度波形と称す。）の立ち上がり特性及び立ち下がり特性に対応する加減速特性を調整する（図３（Ｃ）（Ｄ）参照）。以下、速度波形の加減速特性を調整する処理を、加減速処理と称す。加減速処理を実行した速度波形の立ち上がり及び立ち下がりの夫々の傾きは、工具４の加速度に対応する。

ＣＰＵ３１は、加減速処理を実行した速度波形に基づき、所定周期毎の目標位置を決定する。ＣＰＵ３１は、決定した目標位置のデータを所定周期で駆動回路５０Ａに出力する。該時、図３（Ｃ）に示すように、駆動回路５１Ａが駆動するＺ軸モータ５１により移動する工具４は、移動開始時に加速期間Ｐａで加速し、移動終了時に減速期間Ｐｄで減速する。以下、加速期間Ｐａの長さを加速時間Ｔａと称し、減速期間Ｐｄの長さを減速時間Ｔｄと称す。

以下、ＣＰＵ３１がＮＣプログラムの送り軸指令に基づき駆動回路５０Ａに出力する制御指令を、加速度指令と称す。加速度指令は、工具４を加速する加速指令、及び、工具４が減速する減速指令を含む概念である。図３（Ｄ）は、加速度指令に応じて工具４が移動した時の加速度の時系列変化（以下、加速度波形と称す。）を示す。加速期間Ｐａにおいて工具４の加速度が増加する期間を第一期間Ｐ_１と称し、第一期間Ｐ_１の長さを第一時間Ｔ_１と称す。第一期間Ｐ_１では、モータ５０の加速度が零から第一加速度Ａ_１迄増加する。加速期間Ｐａにおいて工具４の加速度が減少する期間を第二期間Ｐ_２と称し、第二期間Ｐ_２の長さを第二時間Ｔ_２と称す。第二期間Ｐ_２では、モータ５０の加速度が第一加速度Ａ_１から零迄減少する。減速期間Ｐｄにおいて工具４の加速度が減少する期間を第三期間Ｐ_３と称し、第三期間Ｐ_３の長さを第三時間Ｔ_３と称す。第三期間Ｐ_３では、モータ５０の加速度が零から第二加速度Ａ_２迄減少する。減速期間Ｐｄにおいて工具４の加速度が増加する期間を第四期間Ｐ_４と称し、第四期間Ｐ_４の長さを第四時間Ｔ_４と称す。第四期間Ｐ_４では、モータ５０の加速度が第二加速度Ａ_２から零迄増加する。

加速度指令は、連続する第一期間Ｐ_１～第四期間Ｐ_４に亘りモータ５０の加速度を制御する。第一期間Ｐ_１の開始から第四期間Ｐ_４の終了迄の長さを、加減速時間Ｔｓｕｍと称す。第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４を、加減速時定数Ｔαと総称する。

尚、加速度指令に応じた加速度波形は、図３（Ｄ）に示す場合に限らず、例えば、第二期間Ｐ_２と第三期間Ｐ_３との間に加速度０で推移する期間を含む時もある。以下では、説明を容易化する為、図３（Ｄ）に示すように加速度０で推移する期間を含まない加速度波形であることを前提とする。

＜補償トルクによる振動抑制＞
加速度指令に応じて工具４が移動することで発生する工作機械１の振動を、加速度指令とは別の補正トルク指令により抑制する方法がある。補正トルク指令は、工作機械１の振動と逆位相の振動を発生する為の指令である。例えば、加速度指令により工具４がＺ軸方向に移動する時、工作機械１の主軸ヘッド７がＺ軸方向に９０Ｈｚで振動する時がある。該時、９０Ｈｚに振動のピークを有し、且つ、振動の位相と逆位相である補正トルク指令を用いて、主軸ヘッド７のＺ軸方向の振動を抑制する。

加速度指令により工具４がＺ軸方向に移動する時に発生する工作機械１の振動周波数の成分は、主軸ヘッド７がＺ軸方向に振動する時の周波数９０Ｈｚだけでなく、工作機械１全体が振動する時の周波数３０Ｈｚもある（図４参照）。又、工作機械１全体が振動する時の周波数は、工具４のＺ軸方向の移動距離に応じて３０Ｈｚから変動する時がある。該時、補正トルク指令により工作機械１全体の振動を抑制できない時がある。

＜加速度指令による振動抑制＞
数値制御装置３０のＣＰＵ３１は、補正トルク指令により抑制できない振動を抑制する為、送り軸指令に応じて駆動回路５０Ａに出力する加速度指令の加速度波形を決定する。より詳細には、ＣＰＵ３１は、工作機械１の振動モデルを用いて、補正トルク指令により抑制できない振動を加速度指令により抑制するのに適切な加速度波形を示すパラメータを決定する。該パラメータは、加減速時定数Ｔαである第一時間Ｔ_１、第二時間Ｔ_２、第三時間Ｔ_３、第四時間Ｔ_４の大小関係を含む。

図５に示すように、振動モデルは、工作機械１の振動特性をモデル化した伝達関数Ｇ（ｓ）を含む。伝達関数Ｇ（ｓ）は、加速度波形を示すパラメータ及び指定周波数を入力情報として振動モデルに入力した時、振動波形の振幅を生成する。振動波形の振幅は、加速度波形に基づいてモータ５０が駆動し工具４が移動したことに応じて工作機械１が指定周波数で振動する時の振動量を示す。言い換えれば、伝達関数Ｇ（ｓ）は、加速度波形を変換して振動波形を生成する。振動モデルは、伝達関数Ｇ（ｓ）が生成した振動波形を示す出力情報を出力する。

伝達関数Ｇ（ｓ）は、工作機械1の振動特性をモデル化したものである。ここでは、一般的な二次系の伝達関数である式（１－０）を用いる。

ここで、振動モデルは加減速時定数Ｔαである第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４の大小関係（以下、「加減速時定数Ｔαの大小関係」という。）毎に規定する。より詳細には、振動モデルは、以下で示す加減速時定数Ｔαの大小関係の三つの条件（第一条件～第三条件）の夫々で規定する。
・第一条件：Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３（図５（Ａ）参照）
・第二条件：Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４（図５（Ｂ）参照）
・第三条件：Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４（図５（Ｃ）参照）

＜第一条件：Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３＞
第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が同一且つ第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３が同一の時（Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３、図５（Ａ）参照）、振幅ｙは式（１－１）の関係を満たし、送り量Ｌは式（１－２）の関係を満たす。尚、振幅ｙは、モータ５０の駆動に応じて工作機械１が振動する時の振幅を示す。送り量Ｌは、工具４のＺ軸方向の送り量を示す。Ｊ_１は、加減速波形の第一期間Ｐ_１における躍度を示す。ω_ｎは、振動の角周波数であり、ω_ｎ＝２πｆ（ｆは指定周波数）である。ａは、第一時間Ｔ_１に対する第二時間Ｔ_２の比（Ｔ_２／Ｔ_１）を示す。

尚、式（１－１）の導出方法の概略は次の通りである。初めに、図６（Ａ）に示す４つのステップ入力波形Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４を定義する。ステップ入力波形Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４の加算結果は、図６（Ｂ）に示すように、第一条件における躍度波形Ｊである。ステップ入力波形Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４に対する伝達関数Ｇ（ｓ）の応答ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３，ｙ_４は、式（１－３）～（１－６）で導出する。

ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３，ｙ_４を加算して整理することで、躍度波形Ｊに対する伝達関数Ｇ（ｓ）の振幅を示す数式（１－１）を導出する。尚、演算容易化のためζ＝０とする。

式（１－２）の導出方法の概略は次の通りである。図６（Ｂ）に示す躍度波形Ｊを積分して加速度波形を示す数式を導出する。次に図６（Ｃ）に示す加速度波形を示す数式を積分して図６（Ｄ）に示す速度波形を示す数式を導出する。次に、速度波形を示す数式を積分して、図６（Ｅ）に示す送り量を示す数式を導出する。次に、導出した送り量の数式について、第一条件（Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３）を適用して変数を整理することにより、式（１－２）を導出する。

＜第二条件：Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４＞
第一時間Ｔ_１と第二時間Ｔ_２が同一且つ第三時間Ｔ_３と第四時間Ｔ_４が同一の時（Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４、図５（Ｂ）参照）、振幅ｙは式（２－１）の関係を満たし、送り量Ｌは式（２－２）の関係を満たす。ａは、第一時間Ｔ_１に対する第三時間Ｔ_３の比（Ｔ_３／Ｔ_１）を示す。尚、式（２－１）（２－２）の導出方法は、式（１－１）（１－２）の導出方法と略同一であるので、説明を省略する。

＜第三条件：Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４＞
第一時間Ｔ_１と第三時間Ｔ_３が同一且つ第二時間Ｔ_２と第四時間Ｔ_４が同一の時（Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４、図５（Ｃ）参照）、振幅ｙは式（３－１）の関係を満たし、送り量Ｌは式（３－２）の関係を満たす。ａは、第一時間Ｔ_１に対する第二時間Ｔ_２の比（Ｔ_２／Ｔ_１）を示す。尚、式（３－１）（３－２）の導出方法は、式（１－１）（１－２）の導出方法と略同一であるので、説明を省略する。

尚、式（１－２）（２－２）（３－２）に因れば、送り量Ｌを指定した時、第一加速度Ａ_１を第一時間Ｔ_１と加減速時間Ｔｓｕｍの二つの変数で表すことができる。躍度Ｊ_１は、Ｊ_１＝Ａ_１／Ｔ_１の関係を満たす。故に、躍度Ｊ_１は、第一時間Ｔ_１と加減速時間Ｔｓｕｍの二つの変数で表すことができる。

故に、ＣＰＵ３１は、加速度波形を示すパラメータとして、加減速時定数Ｔαの大小関係（第一条件～第三条件の何れか）、送り量Ｌ、第一時間Ｔ_１、加減速時間Ｔｓｕｍ、及び指定周波数を上式に代入し、振動波形の振幅ｙを算出する。ＣＰＵ３１は、パラメータを変更しながら、振動波形の振幅ｙを算出する処理を繰り返す。ＣＰＵ３１は、算出した振動波形の振幅ｙが所定閾値Ｔｈよりも小さくなる時の加速度波形を示すパラメータを、指定周波数の振動を抑制する為の加速度指令の加速度波形を示すパラメータとして決定できる。

＜主処理＞
図７を参照し、数値制御装置３０のＣＰＵ３１が実行する主処理について説明する。ＣＰＵ３１は、記憶装置３４に記憶したプログラムを読み出して実行することにより、主処理を実行する。

ＣＰＵ３１は、振動モデルに入力する入力情報として、加速度指令の加速度波形を示すパラメータを決定する（Ｓ１１）。決定するパラメータは、加減速時定数Ｔαの大小関係（第一条件（Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３）、第二条件（Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４）、第三条件（Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４）の何れか）、第一時間Ｔ_１、加減速時間Ｔｓｕｍである。送り量Ｌは工作機械の送り軸指令によって決定するパラメータである。指定周波数は工作機械1が振動しやすい周波数（固有振動数）に基づき決定するパラメータであり、主処理の前に決定済みであるものとする。ＣＰＵ３１は、決定したパラメータを含む入力情報を、振動モデルに入力する（Ｓ１３）。該時、振動モデルの伝達関数Ｇ（ｓ）は、入力情報が示す加速度波形に基づくモータ５０の駆動に応じて工作機械１が指定周波数で振動する振動波形を生成する。振動モデルは、振動波形の振幅ｙを示す出力情報を出力する。ＣＰＵ３１は、振動モデルが出力した出力情報を取得する（Ｓ１５）。

ＣＰＵ３１は、加速度指令の加速度波形を示すパラメータの組合せを、Ｓ１１の処理により全て決定したか判定する（Ｓ１７）。ＣＰＵ３１は、パラメータの組合せを全て決定していないと判定した時（Ｓ１７：ＮＯ）、処理をＳ１１に戻す。ＣＰＵ３１は、加減速時定数Ｔαの大小関係、第一時間Ｔ_１、加減速時間Ｔｓｕｍの各々を変更して別の組み合わせを決定し（Ｓ１１）、決定したパラメータに基づいてＳ１３、Ｓ１５の処理を繰り返す。ＣＰＵ３１は、パラメータの組合せを全て決定したと判定時（Ｓ１７：ＹＥＳ）、処理をＳ１９に進める。ＣＰＵ３１は、図８～図１３に示すグラフに基づき、指定周波数の振動を抑制する為の加速度指令に対応する加速度波形のパラメータを、以下の方法で特定する（Ｓ１９）。

図８～図１３は、振動モデルが出力した振動波形の振幅ｙを、第一時間Ｔ_１と加減速時間Ｔｓｕｍを変数として示したグラフである。グラフは、第一軸、第二軸、第三軸を基準軸とした三次元グラフを二次元的に示してある。第一軸は横軸に対応し、第一時間Ｔ_１を示す。第二軸は縦軸に対応し、加減速時間Ｔｓｕｍを示す。第三軸は、第一軸及び第二軸と直交し、振動波形の振幅ｙを示す。振幅ｙは等高線図で示してある。尚、第一軸で示す第一時間Ｔ_１は、第一条件において第四時間Ｔ_４と一致し、第二条件において第二時間Ｔ_２と一致し、第三条件として第三時間Ｔ_３と一致する。第二軸で示す加減速時間Ｔｓｕｍは、第一時間Ｔ_１、第二時間Ｔ_２、第三時間Ｔ_３、第四時間Ｔ_４の総和に対応する。

図８、図９は、加減速時定数Ｔαの大小関係として第一条件（Ｔ_１＝Ｔ_４、Ｔ_２＝Ｔ_３）を入力した時の結果を示す。図１０、図１１は、加減速時定数Ｔαの大小関係として第二条件（Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４）を入力した時の結果を示す。図１２、図１３は、加減速時定数Ｔαの大小関係として第三条件（Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４）を入力した時の結果を示す。図８、図１０、図１２は、送り量１ｍｍ、指定周波数３０Ｈｚを入力した時の結果を示す。図９、図１１、図１３は、送り量１ｍｍ、指定周波数９０Ｈｚを入力した結果を示す。

一例として、補正トルク指令により抑制できない工作機械１の振動の周波数が３０Ｈｚであることを前提とする（図８、図１０、図１２参照）。又、振幅ｙを判断する時の所定閾値Ｔｈとして５が予め設定してあることを前提とする。該時、ＣＰＵ３１は、図８、図１０、図１２に示すグラフの内振幅ｙが５以下の第一時間Ｔ_１及び加減速時間Ｔｓｕｍの組合せを決定する。又、ＣＰＵ３１は、対応する加減速時定数Ｔαの大小関係と、決定した第一時間Ｔ_１及び加減速時間Ｔｓｕｍに基づき、第二時間Ｔ_２、第三時間Ｔ_３、第四時間Ｔ_４を更に決定する。該パラメータは、指定周波数の振動を抑制する為の加速度指令に対応する加速度波形のパラメータに対応する。

尚、工作機械１による切削加工に要する時間を短縮化する為に、加減速時間Ｔｓｕｍは短い方が好ましい。故に、ＣＰＵ３１は、図８、図１０、図１２に示すグラフの内振幅ｙが５の等高線が第二軸と交差する点での加減速時間Ｔｓｕｍが最も小さい第一条件（図８参照）を、最も適切な加速度波形のパラメータとして決定する。より詳細には、ＣＰＵ３１は、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が同一且つ第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３が同一である第一条件（図８参照）を、加速度指令の加速度波形を示すパラメータとして決定する。

又、図８において振幅ｙが５の等高線は、第一時間Ｔ１が約０．０４から０に向けて減少する程、対応する加減速時間Ｔｓｕｍは短くなる。故に、ＣＰＵ３１は、図１４（Ａ）に示すように、第一条件において第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３よりも小さくなるパラメータを、加速度指令を示す最適な加減速波形のパラメータとして決定する。更にＣＰＵ３１は、図１４（Ｂ）に示すように、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が最も小さくなる時、即ち、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が零となるパラメータを、加速度波形を示すより最適な加速度波形のパラメータとして決定する。

ＣＰＵ３１は、上記にて決定した各要件を満たす第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４を更に決定し（Ｓ１９）、主処理を終了する。

＜本実施形態の主たる作用、効果＞
数値制御装置３０は、工作機械１のモータ５０を駆動する為の加速度波形のパラメータを入力情報として振動モデルに入力する（Ｓ１３）。振動モデルは、入力情報に応じ、振動波形の振幅ｙを含む出力情報を出力する。数値制御装置３０は、振動モデルが出力した出力情報を取得する（Ｓ１５）。数値制御装置３０は、取得した振幅ｙが所定閾値Ｔｈ以下となる時の加減速時定数Ｔαの大小関係を、モータ５０の駆動に応じて発生する工作機械１の振動を抑制する為の加速度波形のパラメータとして決定する（Ｓ１９）。該時、加減速時定数Ｔαの大小関係は、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４とが同一となり、且つ、第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３とが同一となる。数値制御装置３０は、決定したパラメータの加減速波形を示す加速度指令により工作機械１のモータ５０を駆動することにより、モータ５０の駆動時に発生する工作機械１の振動を抑制できる。特に数値制御装置３０は、上記パラメータの加速度波形を示す加速度指令により、補正トルク指令により抑制できない周波数の振動も効果的に抑制できる。

加減速時定数Ｔαの大小関係としては、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３よりも小さいほうが好ましい。より好適には、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が零となることが更に好ましい。該時、数値制御装置３０は、決定した加速度指令によりモータ５０が駆動する工作機械１の振動を、より適切に抑制できる。

数値制御装置３０は、指定周波数を更に示す入力情報を、振動モデルに入力する（Ｓ１３）。振動モデルは、モータ５０の駆動に応じて工作機械１が指定周波数で振動する時の振動波形の振幅ｙを、出力情報として出力する。数値制御装置３０は、振幅ｙが所定閾値Ｔｈ以下となるようなパラメータの加速度波形を示す加速度指令を決定する。該時、数値制御装置３０は、モータ５０の駆動に応じて工作機械１が指定周波数で振動することを、加速度指令により適切に抑制できる。例えば数値制御装置３０は、補正トルク指令により抑制できない周波数を指定周波数とすることにより、補正トルク指令により抑制できない工作機械１の振動を効果的に抑制できる。

数値制御装置３０は、振動モデルが出力した出力情報を示したグラフに基づき、加速度波形の第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４を決定する。該時、数値制御装置３０は、最も効果的に振動を抑制できる加減速時定数Ｔαの大小関係を容易に決定し、モータ５０の駆動時に発生する工作機械１の振動を抑制できる。

＜変形例＞
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。本発明は、数値制御装置３０のＣＰＵ３１により主処理を実行する場合に限らない。例えば、ＰＣ等により主処理を実行してもよい。該時、ＰＣ等により主処理を実行することで決定した加速度波形を示す情報を、数値制御装置３０に入力してもよい。数値制御装置３０は、入力した加速度波形を示す加速度指令により、工作機械１のモータ５０を制御してもよい。

数値制御装置３０が主処理により決定する加速度波形のパラメータのうち、加減速時定数Ｔαの大小関係は、上記に限らない。例えば数値制御装置３０は、第一時間Ｔ_１と第二時間Ｔ_２が同一且つ第三時間Ｔ_３と第四時間Ｔ_４が同一である加速度波形、即ち第二条件に対応する加減速時定数Ｔαの大小関係を有する加速度波形（Ｔ_１＝Ｔ_２、Ｔ_３＝Ｔ_４）を決定してもよい。又、例えば数値制御装置３０は、第一時間Ｔ_１と第三時間Ｔ_３が同一且つ第二時間Ｔ_２と第四時間Ｔ_４が同一である加速度波形、即ち第三条件に対応する加減速時定数Ｔαの大小関係を有する加速度波形（Ｔ_１＝Ｔ_３、Ｔ_２＝Ｔ_４）を決定してもよい。数値制御装置３０は、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が第二時間Ｔ_２と第三時間Ｔ_３よりも大きい加速度波形を示す加速度指令を決定してもよい。数値制御装置３０は、第一時間Ｔ_１と第四時間Ｔ_４が零より大きい加速度波形を示す加速度指令を決定してもよい。

数値制御装置３０が振動モデルに入力情報として入力する指定周波数は、補償トルク指令により工作機械１の振動を抑制できない周波数に限らない。例えば数値制御装置３０は、加速度指令により工具４がＺ軸方向に移動する時に発生する工作機械１の振動周波数のうち、補償トルク指令によって工作機械１の振動を抑制できる周波数を入力情報の指定周波数として振動モデルに入力してもよい。数値制御装置３０は、該時の出力情報に応じたグラフ（図９、図１１、図１３参照）に基づき、最適な加速度波形のパラメータを特定して加速度指令を決定してもよい。該時、数値制御装置３０は、工作機械１が指定周波数で振動することを抑制できる。故に、数値制御装置３０は、補償トルク指令による振動抑制制御を必要とせず、モータ５０の駆動時に発生する工作機械１の振動を抑制できる。

数値制御装置３０が振動モデルに入力情報として入力する指定周波数は、１つに限らない。例えば数値制御装置２０は、３０Ｈｚと９０Ｈｚの両方において、所定閾値Ｔｈを満足する加減速時定数Ｔα、第一時間Ｔ_１、加減速時間Ｔｓｕｍを決定しても良い。該時、所定閾値Ｔｈは夫々の指定周波数に対して、例えばＴｈ_３０Ｔｈ_９０のように指定しても良い。

数値制御装置３０が加減速時定数Ｔα、第一時間Ｔ_１、加減速時間Ｔｓｕｍを決定する時、該パラメータによって生成する送り軸指令により、工作機械１の送り軸のモータ５０の最大トルクを超えないことを条件として決定しても良い。また数値制御装置２０は、加減速時定数Ｔα、第一時間Ｔ_１に下限値を設けても良い。

数値制御装置３０は、振動モデルが出力した出力情報を示したグラフに基づき、加速度波形の第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４を決定した。これに対し、数値制御装置３０は、振動モデルが出力する振動波形の振幅ｙをそれぞれ所定閾値Ｔｈと比較することによって、加速度波形の第一時間Ｔ_１～第四時間Ｔ_４を決定してもよい。

＜その他＞
工作機械１は、本発明の「機械装置」の一例である。Ｓ１３の処理は、本発明の「入力工程」の一例である。Ｓ１５の処理は、本発明の「取得工程」の一例である。Ｓ１９の処理は、本発明の「決定工程」の一例である。数値制御装置３０は、本発明の「振動抑制装置」の一例である。

１ ：工作機械
４ ：工具
３０ ：数値制御装置
３１ ：ＣＰＵ
５０ ：モータ
５０Ａ ：駆動回路

Claims (6)

1. モータの加速度を制御する加速度指令に応じた加速度波形を示す入力情報を、前記モータにより駆動する機械装置の振動モデルに入力する入力工程と、
   前記入力工程により前記入力情報を前記振動モデルに入力した時に前記振動モデルが出力する情報であって、前記機械装置の振動波形の振幅を示す出力情報を取得する取得工程と、
   前記取得工程により取得した前記出力情報が所定要件を満たす時の前記加速度指令を決定する決定工程と、
   を備えた振動抑制方法であって、
   前記振動モデルは、
   前記機械装置をモデル化した伝達関数を含み、
   前記入力工程により入力した前記入力情報が示す前記加速度波形のパラメータを、前記モータの駆動に応じて前記機械装置が振動する時の前記振動波形の振幅に変換して前記出力情報を出力し、
   前記加速度指令は、
   連続する第一期間、第二期間、第三期間、第四期間に亘り前記モータの加速度を制御し、
   前記第一期間では、前記モータの加速度が零から第一加速度迄増加し、
   前記第二期間では、前記モータの加速度が前記第一加速度から零迄減少し、
   前記第三期間では、前記モータの加速度が零から第二加速度迄減少し、
   前記第四期間では、前記モータの加速度が前記第二加速度から零迄増加し、
   前記決定工程は、
   前記第一期間の長さである第一時間、前記第二期間の長さである第二時間、前記第三期間の長さである第三時間、前記第四期間の長さである第四時間の内何れか二つの時間が同一であり、且つ、他の二つの時間が同一である前記加速度指令として、同一な前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間の内何れか二つの時間を第一軸にとり、前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間の総和を第二軸にとり、前記振幅を第三軸にとったグラフに基づいて、前記二つの時間の組み合わせを決定し、前記第一時間、前記第二時間、前記第三時間、前記第四時間を決定することを特徴とする振動抑制方法。
2. 前記決定工程は、
   前記第一時間と前記第四時間とが同一であり、且つ、前記第二時間と前記第三時間とが同一である前記加速度指令を決定することを特徴とする請求項１に記載の振動抑制方法。
3. 前記決定工程は、
   前記第一時間と前記第四時間が、前記第二時間と前記第三時間より小さい前記加速度指令を決定することを特徴とする請求項２に記載の振動抑制方法。
4. 前記決定工程は、
   前記第一時間と前記第四時間が零である前記加速度指令を決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の振動抑制方法。
5. 前記入力工程は、指定周波数を更に示す前記入力情報を前記振動モデルに入力し、
   前記取得工程は、
   前記入力工程により前記加速度指令及び前記指定周波数を示す前記入力情報を前記振動モデルに入力した時に前記振動モデルが出力する前記出力情報であって、前記モータの駆動に応じて前記機械装置が前記指定周波数で振動する時の前記振動波形の振幅を示す前記出力情報を取得し、
   前記決定工程は、
   前記取得工程により取得した前記出力情報が示す前記振動波形の振幅が所定閾値以下の前記加速度指令を決定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の振動抑制方法。
6. 請求項１から５の何れかに記載の前記振動抑制方法により決定した前記加速度指令で前記機械装置の前記モータを制御する制御部を備えたことを特徴とする振動抑制装置。

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