JP7509881B2 - 工作機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の制御装置に関する。

従来、穴開け加工や旋削加工等の切屑対策として、揺動切削を適用することがある。例えば、揺動切削加工を実現するために、移動指令に揺動指令を重畳する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、移動指令に揺動指令を重畳することで生成される重畳指令により、切屑を細断しながら揺動切削加工が可能である。

特開２０１９－２８５９７号公報

ところで、移動指令に揺動指令を重畳開始／終了する際の揺動位相によっては、揺動指令の重畳により不連続な重畳指令が生成される。このような不連続な重畳指令により、加速度が急峻に変化し、工作機械にショックが発生することがある。工作機械にショックが発生すると、加工精度に悪影響を及ぼすおそれがある。

従って、揺動切削加工において工作機械に生じるショックを低減できる工作機械の制御装置が望まれる。

本開示の一態様は、工具とワークを相対的に揺動させながら加工する工作機械の制御装置であって、揺動条件に基づいて揺動指令を生成する揺動指令生成部と、前記揺動指令に基づいて揺動の開始／終了を判定する揺動開始／終了判定部と、前記揺動開始／終了判定部の判定結果に応じて前記揺動指令を移動指令に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備え、前記揺動開始／終了判定部は、前記揺動指令の絶対値が規定値以下である場合に揺動の開始／終了を判定する、工作機械の制御装置である。

本開示の一態様によれば、揺動切削加工において工作機械に生じるショックを低減できる工作機械の制御装置を提供できる。

本開示の第１実施形態に係る工作機械の制御装置の構成を示す図である。 移動指令の一例を示す図である。 揺動指令の一例を示す図である。 図２の移動指令に対する図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°からずれた場合の重畳指令を示す図である。 図２の移動指令に対する図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°からずれていない場合の重畳指令を示す図である。 揺動指令の他の例を示す図である。 図２の移動指令に対する図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが、揺動指令が０となる揺動位相からずれた場合の重畳指令を示す図である。 図２の移動指令に対する図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが、揺動指令が０となる揺動位相からずれていない場合の重畳指令を示す図である。 本開示の第２実施形態に係る工作機械の制御装置の構成を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、第２実施形態以降の説明において、第１実施形態と共通する構成、効果についてはその説明を省略し、第１実施形態と相違する構成、効果についてのみ説明する。また、本明細書において、揺動指令とは、ある揺動位相における指令の瞬時値を意味し、揺動振幅とは、正弦波又は余弦波の振幅値を意味する。

［第１実施形態］
図１は、本開示の第１実施形態に係る工作機械の制御装置１の機能ブロック図である。図１に示されるように、本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、サーボ制御装置１０を含んで構成され、送り軸を駆動するモータ３０を駆動制御する。

本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、図１に示されるように、第１加算器１１と、揺動条件設定部１２と、揺動指令生成部１３と、揺動開始／終了判定部１４と、第２加算器１５と、学習制御器１６と、第３加算器１７と、位置速度制御部１８と、を備える。

図１に示されるように、本実施形態に係る工作機械の制御装置１では、図示しない移動指令生成部によって加工条件に基づいて生成されるモータ３０に対する移動指令が、後述するサーボ制御装置１０の第１加算器１１に入力される。

第１加算器１１は、位置偏差を算出する。具体的には、第１加算器１１は、送り軸のモータ３０のエンコーダによる位置検出に基づいた位置フィードバックと位置指令との差分である位置偏差を算出する。

揺動条件設定部１２は、揺動条件を設定する。具体的に、揺動条件設定部１２は、揺動振幅又は揺動振幅倍率と、揺動周波数又は揺動周波数倍率を設定する。これら揺動振幅又は揺動振幅倍率と、揺動周波数又は揺動周波数倍率とからなる揺動条件は、後述の揺動指令生成部１３に入力される。

揺動指令生成部１３は、揺動条件に基づいて揺動指令を生成する。揺動指令生成部１３は、揺動振幅倍率及び揺動周波数倍率という揺動条件と加工条件から揺動指令を求めても良いし、揺動振幅及び揺動周波数という揺動条件から揺動指令を求めても良い。また、倍率と倍率ではない条件は任意で組み合わせてもよい。即ち、揺動軸が停止している場合等への適用も考慮して、揺動条件にて揺動振幅や揺動周波数をそのまま設定する形であれば加工条件を用いずに揺動指令を生成することもできる。

揺動開始／終了判定部１４は、揺動指令に基づいて揺動の開始／終了を判定する。この揺動開始／終了判定部１４による揺動の開始／終了の判定については、後段で詳述する。

第２加算器１５は、重畳指令を生成する。具体的には、第２加算器１５は、第１加算器１１で算出された位置偏差に対して、揺動指令生成部１３で生成された揺動指令を重畳することにより、重畳指令を生成する。なお、第２加算器１５は、揺動指令生成部１３で生成された揺動指令を移動指令に加算する構成としてもよい。あるいは、揺動指令生成部１３では揺動指令（速度指令）を生成し、第２加算器１５は揺動指令を移動指令（速度指令）に加算する構成としてもよい。

また、第２加算器１５は、揺動開始／終了判定部１４の判定結果に応じて、揺動指令を位置偏差に重畳する。即ち、第２加算器１５は、揺動開始／終了判定部１４により揺動開始と判定された場合には位置偏差に対する揺動指令の重畳を開始し、揺動開始／終了判定部１４により揺動終了と判定された場合には位置偏差に対する揺動指令の重畳を終了する。

学習制御器１６は、重畳指令に基づいて重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を第３加算器１７により重畳指令に加算することにより、重畳指令を補正する。この学習制御器１６は、メモリを有し、揺動の１周期もしくは複数周期内において揺動位相及び補正量を関係づけてメモリに記憶し、モータ３０の応答性に応じた揺動動作の位相遅れを補償できるタイミングにメモリに記憶された補正量を読み出して第３加算器１７に出力する。補正量を出力する揺動位相がメモリに記憶された揺動位相に存在しない場合、揺動位相の近い補正量から出力する補正量を算出しても良い。一般的に、揺動周波数が高くなるほど揺動指令に対する位置偏差は大きくなるため、この学習制御器１６による補正を行うことで、周期的な揺動指令に対する追従性を向上させることができる。結果として、重畳指令への追従性も向上し、揺動切削加工中に工作機械に生じるショックを低減できる。ひいては、加工精度を向上できる。

位置速度制御部１８は、補正量加算後の重畳指令に基づいて、送り軸を駆動するモータ３０に対するトルク指令を生成し、生成したトルク指令によりモータ３０を制御する。これにより、工具とワークとを相対的に揺動させながら加工が行われる。

次に、揺動開始／終了判定部１４による揺動の開始／終了の判定について詳しく説明する。
本実施形態の揺動開始／終了判定部１４は、揺動指令の絶対値が規定値以下である場合に、揺動の開始／終了の判定を行う。規定値は、例えば０や０近傍の値に設定され、加速度に基づいて算出しても良い。このタイミングにおいて、揺動開始／終了条件が満たされた場合に揺動開始／終了と判断する。例えば、揺動振幅、移動指令、加工プログラムを管理する上位制御装置からの通知、外部信号によって判断しても良い。揺動振幅や移動指令により判断する場合、規定値以上であれば開始、規定値未満であれば終了と判断してもよいし、開始／終了判断を行う規定値にヒステリシスを持たせても良い。上位制御装置からの通知や外部信号により判断する場合、開始（ＯＮ）が通知されれば開始と判断し、終了（ＯＦＦ）が通知されれば終了と判断すれば良い。位置偏差に重畳される揺動指令の絶対値が規定値以下であることにより、揺動開始／終了時における不連続な重畳指令の生成を抑制でき、工作機械に生じるショックを低減できる。

なお本実施形態では、揺動開始／終了判定部１４により揺動の開始／終了のタイミングが決定されるため、加工プログラムで規定した揺動開始／終了のタイミングからずれることがある。揺動開始／終了判定部１４は、加工プログラムで規定した揺動開始／終了のタイミングからのずれ量が所定範囲内になるように、揺動の開始／終了のタイミングを決定する構成としても良い。

図２～図８に示す具体例を参照して、揺動開始／終了判定部１４による揺動の開始／終了の判定について、より具体的に説明する。
図２は、移動指令の一例を示す図で移動指令が一定の場合の図である。図２に示す移動指令が一定速度の場合、時間と移動量が比例関係にある直線状の指令となる。また、図３は、揺動指令の一例を示す図で、正弦波状の指令の場合である。

図４は、図２の移動指令に対する図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°からずれた場合の重畳指令を示す図である。図３の揺動指令は正弦波であるため、揺動位相０°及び１８０°の場合に揺動指令は０となる。そのため、図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°からずれると、揺動指令は０以外の値となるため、図４に示すように重畳開始／終了時の指令が不連続なものとなる。図４中、破線で囲まれた部分が重畳開始／終了時を表しており、大きなショックが発生していることが分かる。

これに対して、図５は、図２の移動指令に対する図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°からずれていない場合の重畳指令を示す図である。図３の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°及び１８０°であると、揺動指令は０となるため、図５に示すように重畳開始／終了時の指令が連続的で滑らかなものとなる。図５中、破線で囲まれた部分が重畳開始／終了時を表しており、ショックが低減されていることが分かる。

また、図６は、揺動指令の他の例を示す図である。図６に示す揺動指令のように、余弦波状の指令で、かつ、縦軸の位置がオフセットされたものであっても良い。

図７は、図２の移動指令に対する図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが、揺動指令が０となる揺動位相からずれた場合の重畳指令を示す図である。図６の揺動指令は余弦波でありかつ縦軸の位置がオフセットされており、図６から明らかであるように揺動位相０°の場合に揺動指令は０となる。そのため、図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°からずれると、揺動指令は０以外の値となるため、図７に示すように重畳開始／終了時の指令が不連続なものとなる。図７中、破線で囲まれた部分が重畳開始／終了時を表しており、大きなショックが発生していることが分かる。

これに対して、図８は、図２の移動指令に対する図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが、揺動指令が０となる揺動位相からずれていない場合の重畳指令を示す図である。図６の揺動指令の重畳を開始／終了するタイミングが揺動位相０°であると、揺動指令は０となるため、図８に示すように重畳開始／終了時の指令が連続的で滑らかなものとなる。図８中、破線で囲まれた部分が重畳開始／終了時を表しており、ショックが低減されていることが分かる。

図２～８の説明の通り、揺動指令が小さいタイミングにて揺動を開始／終了することにより、工作機械に生じるショックを低減できることが分かる。

本実施形態に係る工作機械の制御装置１によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、揺動指令に基づいて揺動の開始／終了を判定する揺動開始／終了判定部１４を設けるとともに、揺動開始／終了判定部１４の判定結果に応じて揺動指令を移動指令に重畳して重畳指令を生成する構成とした。また、揺動指令の絶対値が規定値以下である場合に、揺動開始／終了判定部１４により揺動の開始／終了を判定する構成とした。
これにより、揺動指令の絶対値が規定値以下のときに、移動指令に対する揺動指令の重畳を開始／終了することになるため、不連続な指令の生成を抑制でき、工作機械に生じるショックを低減できる。ひいては、揺動切削加工の加工精度を向上できる。

［第２実施形態］
図９は、本開示の第２実施形態に係る工作機械の制御装置１Ａの構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態に係る工作機械の制御装置１Ａは、サーボ制御装置１０Ａを含んで構成され、揺動振幅算出部１２１及び揺動位相算出部１２２をさらに備える点が第１実施形態と相違している。また、揺動指令生成部１３Ａが第１実施形態の揺動指令生成部１３に対応し、揺動開始／終了判定部１４Ａが第１実施形態の揺動開始／終了判定部１４に対応しており、その他の構成については第１実施形態と同様である。

揺動振幅算出部１２１は、揺動条件に基づいて揺動振幅を算出する。例えば、揺動振幅算出部１２１は、揺動条件設定部１２で設定された揺動振幅倍率に基づいて、揺動振幅を算出する。

揺動位相算出部１２２は、揺動条件に基づいて揺動位相を算出する。例えば、揺動位相算出部１２２は、揺動条件設定部１２で設定された揺動周波数倍率に基づいて、揺動位相（揺動周波数）を算出する。

本実施形態の揺動指令生成部１３Ａは、揺動振幅算出部１２１で算出された揺動振幅及び揺動位相算出部１２２で算出された揺動位相に基づいて、揺動指令を生成する。

本実施形態の揺動開始／終了判定部１４Ａは、揺動振幅算出部１２１で算出された揺動振幅及び揺動位相算出部１２２で算出された揺動位相のうち、少なくとも一方に基づいて揺動の開始／終了を判定する。

より詳しくは、揺動開始／終了判定部１４Ａは、例えば揺動振幅（正弦波又は余弦波の振幅値）が規定値以下の時に、揺動の開始／終了を判定しても良い。これにより、揺動指令の重畳開始／終了時に不連続な指令となるのを抑制できる。

また、揺動開始／終了判定部１４Ａは、揺動指令の絶対値が規定値以下になる揺動位相の時に、揺動の開始／終了を判定しても良い。規定値を０にすることでショックをより低減することが可能になる。上述した図３に示す正弦波状の揺動指令の場合であれば、揺動位相が０°又は１８０°の時に揺動の開始／終了を判定すれば良い。また、上述した図６に示す縦軸の位置がオフセットされた余弦波状の揺動指令の場合であれば、揺動位相が０°の時に揺動の開始／終了を判定すれば良い。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、揺動指令の絶対値が規定値以下のときに、移動指令に対する揺動指令の重畳を開始／終了することになるため、不連続な指令の生成を抑制でき、工作機械に生じるショックを低減できる。ひいては、揺動切削加工の加工精度を向上できる。

なお、本開示は上記態様に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良は本開示に含まれる。
例えば第２実施形態では、揺動振幅算出部１２１及び揺動位相算出部１２２を備える構成としたが、これらのうちの一方のみを備える構成としても良い。

１，１Ａ 工作機械の制御装置
１０，１０Ａ サーボ制御装置
１１ 第１加算器
１２ 揺動条件設定部
１３，１３Ａ 揺動指令生成部
１４，１４Ａ 揺動開始／終了判定部
１５ 第２加算器
１６ 学習制御器（学習制御部）
１７ 第３加算器（学習制御部）
１８ 位置速度制御部（制御部）
３０ モータ
１２１ 揺動振幅算出部
１２２ 揺動位相算出部

Claims (6)

1. 工具とワークを相対的に揺動させながら加工する工作機械の制御装置であって、
   揺動条件に基づいて揺動指令を生成する揺動指令生成部と、
   前記揺動指令に基づいて揺動の開始／終了を判定する揺動開始／終了判定部と、
   前記揺動開始／終了判定部の判定結果に応じて前記揺動指令を移動指令に重畳することにより生成される重畳指令に基づいて、前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備え、
   前記揺動開始／終了判定部は、前記揺動指令の絶対値が規定値以下である場合に揺動の開始／終了を判定し、かつ、加工プログラムで規定した揺動開始／終了のタイミングからの、前記揺動開始／終了判定部により決定された揺動の開始／終了のタイミングのずれ量が所定範囲内になるように、揺動の開始／終了のタイミングを判定する、工作機械の制御装置。
2. 前記揺動条件に基づいて揺動振幅を算出する揺動振幅算出部をさらに備え、
   前記揺動指令生成部は、前記揺動振幅に基づいて前記揺動指令を算出し、
   前記揺動開始／終了判定部は、前記揺動振幅に基づいて揺動の開始／終了を判定する、請求項１に記載の工作機械の制御装置。
3. 前記揺動条件に基づいて揺動位相を算出する揺動位相算出部をさらに備え、
   前記揺動指令生成部は、前記揺動位相に基づいて前記揺動指令を生成し、
   前記揺動開始／終了判定部は、前記揺動位相に基づいて揺動の開始／終了を判定する、請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。
4. 前記揺動開始／終了判定部は、前記揺動指令が０になる揺動位相の時に揺動の開始／終了を判定する、請求項３に記載の工作機械の制御装置。
5. 前記揺動開始／終了判定部は、外部信号により揺動開始が通知されかつ所定の揺動開始条件を満たす場合に揺動開始と判定し、外部信号により揺動終了が通知されかつ所定の揺動終了条件を満たす場合に揺動終了と判定する、請求項１から４いずれかに記載の工作機械の制御装置。
6. 前記重畳指令に基づいて前記重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を前記重畳指令に加算することにより前記重畳指令を補正する学習制御部をさらに備える、請求項１から５いずれかに記載の工作機械の制御装置。
   

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