WO2019239594A1 - 数値制御装置 - Google Patents

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WO2019239594A1
WO2019239594A1 PCT/JP2018/022975 JP2018022975W WO2019239594A1 WO 2019239594 A1 WO2019239594 A1 WO 2019239594A1 JP 2018022975 W JP2018022975 W JP 2018022975W WO 2019239594 A1 WO2019239594 A1 WO 2019239594A1
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WO
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cutting force
unit
control
disturbance
characteristic
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/022975
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English (en)
French (fr)
Inventor
佐藤　剛
智哉 藤田
堀　淳志
森　健太郎
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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Priority to CN201880094345.4A priority patent/CN112236729B/zh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41376—Tool wear, flank and crater, estimation from cutting force

Definitions

  • the present invention relates to a numerical control device for controlling a machine tool.
  • a numerically controlled machine tool includes an actuator and a driven body such as a table or a tool driven by the actuator.
  • the actuator is a rotary servo motor, a linear servo motor, or the like.
  • the driven body is operated by controlling the actuator in accordance with a command indicating the position, path, speed, torque, and the like output from the numerical control device connected to the machine tool.
  • the workpiece which is a processing target fixed to the table is processed by the tool.
  • the control for driving the driven body so that the position of the tool with respect to the workpiece accurately follows the command trajectory that is the commanded path is called trajectory control or contour motion control.
  • Trajectory control or contour motion control is executed precisely by a numerical control device.
  • a servo motor connected to each of a plurality of axes such as a main shaft and a feed shaft provided in the machine tool operates to control the position of the tool with respect to the workpiece.
  • a cutting force is generated at the contact portion of the tool with the workpiece when the workpiece is machined.
  • the cutting force is, for example, an end mill or a drill
  • the cutting blade provided on the shaft of the cutting tool is arranged away from the rotation direction of the shaft.
  • the cutting force in the fluctuates and the workpiece is processed intermittently. Therefore, when a cutting tool such as an end mill or a drill is used, it is difficult to keep the cutting force constant, and the fluctuation of the cutting force becomes a disturbance in the control system of the servo motor that drives the main shaft and the feed shaft.
  • Patent Document 1 discloses a technique for processing a workpiece by setting a frequency response band of a control system for controlling a motor to a frequency response band in which tool wear is within an allowable range. According to the technique disclosed in Patent Document 1, even when a disturbance occurs in the control system due to fluctuations in cutting resistance during machining, tool wear is suppressed within a certain range, and machining quality is stabilized. At the same time, processing efficiency is improved.
  • Patent Document 1 has a problem that the frequency response band is narrowed, so that the followability of the tool position to the command trajectory is lowered, which may adversely affect the machining accuracy.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a numerical control device capable of suppressing a decrease in followability to a command trajectory.
  • the numerical control device of the present invention is a numerical control device that controls a mechanical system that processes a workpiece by a tool that processes the workpiece,
  • a servo control unit is provided that drives a motor connected to the driven body so that the position of the driven body on which the workpiece is provided follows the position command based on the command.
  • the numerical control device includes a cutting force output unit for measuring or estimating a cutting force generated between the tool and the workpiece, and a cutting force vector for calculating a cutting force vector based on the position and cutting force of the driven body.
  • a calculation unit and a mechanical characteristic identification unit that identifies dynamic characteristics of the mechanical system with respect to the cutting force are provided.
  • the numerical control device includes a control characteristic changing unit that changes the control characteristic of the servo control unit based on the cutting force vector and the dynamic characteristic of the mechanical system identified by the mechanical characteristic identification unit.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining mechanical characteristic information calculated by the mechanical characteristic identification unit shown in FIG.
  • FIG. 2 is a second diagram for explaining the mechanical characteristic information calculated by the mechanical characteristic identification unit shown in FIG.
  • FIG. 1 shows an example in which disturbance vibration is generated at the machine end position shown in FIG. 1 by cutting force.
  • FIG. 2 shows an example in which disturbance vibration is generated at the machine end position shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a numerical control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the motor and the mechanical system shown in FIG.
  • the numerical control device 100-1 generates a torque command 202 based on the position command 200 and the machine end position 201, and gives the generated torque command 202 to the motor 7 provided in the machine tool 100, so that the machine system that is a control target 8 is driven.
  • the numerical control apparatus 100-1 includes a servo control unit 1, a cutting force output unit 2, a cutting force vector calculation unit 3, a simulated response calculation unit 4, a mechanical characteristic identification unit 5, a control characteristic change unit 6, and a subtraction unit 9.
  • the servo control unit 1 is connected to the motor 7 and drives the mechanical system 8 to be controlled by giving a torque command 202 to the motor 7.
  • the motor 7 includes a servo motor 71 and a motor position detector 72.
  • the rotor 71a of the servo motor 71 is provided with a shaft 71b.
  • As the motor position detector 72 a rotary encoder that detects the rotational position of the rotor 71a is used.
  • the mechanical system 8 includes a table 81, a ball screw nut 82, a ball screw 83, a coupling 84, a machine end position detector 85, and a machine end position detector head 86.
  • the ball screw 83 of the mechanical system 8 is connected to the shaft 71 b of the servo motor 71 via the coupling 84.
  • a ball screw nut 82 is fitted to the ball screw 83, and a table 81 as a driven body is fixed to the ball screw nut 82.
  • a ball screw 83 is supported by a table 81 and a guide mechanism (not shown) so as to be movable in the extending direction.
  • the machine end position detector 85 and the machine end position detector head 86 are encoders for detecting the position of the table 81 to be controlled by the numerical controller 100-1.
  • the machine end position detector 85 is, for example, a linear encoder
  • the machine end position detector head 86 is, for example, a linear encoder head.
  • the machine end position 201 input to the servo control unit 1 is information indicating the rotational position of the rotor 71 a detected by the motor position detector 72 and information indicating the position of the table 81 detected by the machine end position detector 85. And at least one of them.
  • the machine end position detector 85 measures the moving distance of the table 81, while the motor position detector 72 measures the rotation angle of the rotor 71a. However, by multiplying this rotation angle by a ball screw lead, which is the table moving distance per rotation of the motor 7, and dividing by the angle 2 ⁇ [rad] of one rotation of the rotor 71a, the servo control unit 1 has the rotor 71a. Is converted into the length of the table 81 in the moving direction. In the first embodiment, a value obtained by converting the rotation angle of the rotor 71a into the moving direction of the table 81 is used.
  • the feedback control using only the position information detected by the motor position detector 72 as the machine end position 201 is called semi-closed loop control.
  • As the machine end position 201 feedback control using both position information detected by the motor position detector 72 and position information detected by the machine end position detector 85, or detected by the machine end position detector 85.
  • Feedback control using only position information is called fully closed loop control.
  • Either the semi-closed loop control or the full closed-loop control may be applied to the numerical control device 100-1 according to the first embodiment.
  • a configuration example of the numerical controller 100-1 to which the fully closed loop control is applied will be described.
  • position information used for feedback control is referred to as a machine end position.
  • the configuration of the mechanical system 8 is an example, and the configuration of the mechanical system 8 is not limited to the example shown in FIG. 2, and the numerical control device 100-1 can also control a plurality of mechanical systems. is there.
  • the position command 200 and the machine end position 201 are input to the servo control unit 1 shown in FIG.
  • the servo control unit 1 generates a torque command 202 that causes the machine end position 201 to follow the position command 200.
  • the servo control unit 1 obtains a position deviation that is a difference between the position command 200 and the machine end position 201, and executes a position control process such as proportional control on the position deviation to calculate a speed command.
  • the torque command 202 is calculated and output by executing speed control processing such as proportional integral control for the speed command.
  • the cutting force output unit 2 shown in FIG. 1 measures the cutting force generated at the contact portion of the tool 101 with the workpiece 90 when machining the workpiece 90 provided on the table 81, for example, and the measured cutting force is measured.
  • the cutting force 203 that is information to be output is output.
  • a load cell, a dynamometer or the like is used for the measurement of the cutting force 203.
  • a load cell, a dynamometer, etc. are measuring instruments which can measure cutting force 203 directly.
  • the cutting force 203 can also be estimated from the motor current.
  • a technique called a disturbance observer is used.
  • the cutting force output unit 2 may use means for indirectly measuring the cutting force 203 instead of means for directly measuring the cutting force 203.
  • the cutting force vector calculation unit 3 calculates, for example, three cutting force vectors based on the measured cutting force 203 and the machine end position 201.
  • the first cutting force vector is a vector based on a direction parallel to a drive axis such as the X axis, Y axis, or Z axis of the machine.
  • the first cutting force vector is referred to as a machine axial direction cutting force vector.
  • the second cutting force vector is a cutting force vector parallel to the feed direction of the tool 101.
  • a 2nd cutting force vector is called a tool feed direction cutting force vector.
  • the third cutting force vector is a cutting force vector in a direction perpendicular to the feed direction of the tool 101.
  • the third cutting force vector is referred to as a vertical cutting force vector.
  • the drive shaft of the machine for example, each of the X axis, the Y axis, and the Z axis is extended by adjusting the direction of the dynamometer installed in the machine.
  • the cutting force in a direction parallel to the direction is measured. Therefore, the output from the dynamometer includes a component of the cutting force vector in the machine axis direction.
  • the dynamometer is not only capable of measuring machine axis direction cutting force vectors corresponding to the directions of three axes, but also a machine axis corresponding to the direction of one of the X, Y, and Z axes.
  • Some devices can only measure the directional cutting force vector.
  • a cutting force in a direction that is not measured is regarded as zero.
  • the installation direction of the dynamometer may change depending on the direction of the rotation axis. In such a case, the angle of the rotation axis is determined by the cutting force vector of the machine axis direction. Used for calculation.
  • the cutting force vector calculation unit 3 can calculate the moving speed of each axis of the plurality of tools 101 by differentiating the machine end position 201.
  • the cutting force vector calculation unit 3 calculates a movement speed vector v having the movement speeds of the respective axes of the three tools 101 as components. Further, the cutting force vector calculation unit 3 calculates the tool feed direction cutting force vector Ft by the equations (1) and (2).
  • “U” is a unit vector.
  • “V” is a moving speed vector.
  • “F” is a cutting force vector in the machine axial direction. “ ⁇ ” Indicates an inner product. Further, the cutting force vector calculation unit 3 calculates the vertical cutting force vector Fn by the equations (1) and (3).
  • u v /
  • the cutting force vector calculation unit 3 uses the speed feedback information used for speed control instead of the moving speed obtained by differentiating the machine end position 201 to calculate the tool feed direction cutting force vector and the vertical direction cutting force vector. You may comprise so that it may calculate.
  • the cutting force vector calculation unit 3 calculates the magnitude of the machine axis direction cutting force vector F, and sets the calculated magnitude of the machine axis direction cutting force vector F as the magnitude of the cutting force.
  • the cutting force vector calculation unit 3 holds data indicating the components of the cutting force vector in the machine axis direction corresponding to each of a plurality of axes calculated up to a time point that is a predetermined time after the current time, and the held data Is used to calculate the power spectrum of the cutting force for each frequency.
  • the power spectrum with respect to the frequency can be calculated by performing Fourier transform.
  • the cutting force vector calculation unit 3 outputs the cutting force vector, the magnitude of the cutting force, and the power spectrum of each component of the cutting force vector in the machine axis direction as cutting force vector information 204 to the control characteristic changing unit 6. .
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the simulated response calculation unit shown in FIG.
  • the simulated response calculation unit 4 simulates the response of the machine end position 201 based on the position command 200, and calculates and outputs a model position 205 that is a calculation result of an ideal position that the machine end position 201 should follow.
  • the simulated response calculation unit 4 includes a position control simulation unit 41 and an integration calculation unit 42.
  • the position control simulation unit 41 performs the same process as the position control process performed by the servo control unit 1 on the difference between the position command 200 and the output of the integral calculation unit 42.
  • the integration calculation unit 42 integrates the processing result of the position control simulation unit 41 to obtain the value of the machine end position 201 and outputs it as the model position 205.
  • FIG. 4 is a diagram showing a modification of the simulated response calculation unit shown in FIG.
  • the simulated response calculation unit 4A shown in FIG. 4 includes a speed control simulation unit 43, an integration calculation unit 44, and a proportional constant calculation unit 45 in addition to the position control simulation unit 41 and the integration calculation unit 42 shown in FIG.
  • the simulated response calculation unit 4A calculates a model speed 208 indicating an ideal speed value of the mechanical system 8 and a model torque 209 that is information indicating an ideal output of the motor torque.
  • the proportional constant calculation unit 45 calculates the model torque 209 by adding a constant for torque conversion to the model speed 208.
  • Each of Kpp, Kvp, Kvi, Kt and J represents a proportionality constant.
  • s is a Laplace operator representing differentiation. 1 / s represents integration.
  • the position control simulation unit 41 performs general proportional control.
  • the speed control simulation unit 43 performs general proportional integration control.
  • the output of the speed control simulation unit 43 is in the dimension of acceleration.
  • the output of the speed control simulation unit 43 is input to the integration calculator 44 and is integrated in two stages by the integration calculator 44 and the integration calculation unit 42. This simulates the machine end position.
  • the output of the speed control simulation unit 43 is input to the proportional constant calculation unit 45.
  • the proportionality constant calculation unit 45 converts the output of the speed control simulation unit 43 into torque by multiplying the output of the speed control simulation unit 43 by the proportionality constant Kt.
  • the subtraction unit 9 calculates a position disturbance 206 caused by a disturbance to control such as cutting force by subtracting the model position 205 calculated by the simulated response calculation unit 4 from the machine end position 201.
  • the mechanical property identification unit 5 identifies the mechanical property of the machine tool 100 with respect to the cutting force 203 using the position disturbance 206 and the cutting force 203.
  • a transfer function from the cutting force 203 to the position disturbance 206 in the control system is identified as a mechanical characteristic with respect to the cutting force 203 will be described.
  • the mechanical characteristic identification unit 5 calculates a speed disturbance, a torque disturbance, and the like using the model speed 208, the model torque 209, and the like calculated by the simulated response calculation unit 4A shown in FIG. 4 instead of the position disturbance 206.
  • the transfer function from the cutting force 203 to the speed disturbance or the transfer function from the cutting force 203 to the torque disturbance may be identified.
  • the mechanical property identification unit 5 performs numerical processing such as Fourier transformation on the cutting force 203 and the position disturbance 206 to calculate a frequency transfer function.
  • the mechanical characteristic identification unit 5 outputs the calculated frequency transfer function as mechanical characteristic information 207 to the control characteristic changing unit 6.
  • FIG. 5 is a first diagram for explaining the mechanical characteristic information calculated by the mechanical characteristic identification unit shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 5 represents the logarithmic frequency, and the vertical axis in FIG. 5 represents the gain indicated by the decibel value.
  • the frequency transfer function is represented by a gain diagram. In the gain diagram, the resonance point appears as a positive peak and the anti-resonance point appears as a negative peak.
  • FIG. 5 is a first diagram for explaining the mechanical characteristic information calculated by the mechanical characteristic identification unit shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 5 represents the logarithmic frequency
  • the vertical axis in FIG. 5 represents the gain indicated by the decibel value.
  • the frequency transfer function is represented by a gain diagram. In the
  • FIG. 6 is a second diagram for explaining the mechanical characteristic information calculated by the mechanical characteristic identification unit shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 6 represents the logarithmic frequency
  • the vertical axis in FIG. 6 represents the phase.
  • the frequency transfer function is represented by a phase diagram.
  • the frequency transfer function can also be expressed as a quadrature diagram represented by a logarithmic frequency on the horizontal axis and a real part and an imaginary part after the Fourier transform on the vertical axis.
  • the position disturbance 206 is also generated due to the friction.
  • the mechanical property identification unit 5 needs to remove the influence of friction in order to identify the mechanical property with respect to the cutting force. Therefore, it is desirable to identify the mechanical characteristics with respect to the cutting force except when the influence of the friction generated when the moving direction of the feed shaft is reversed or the influence of the friction generated when the feed shaft starts moving from the stopped state is large.
  • the control characteristic change unit 6 changes the frequency characteristic of the servo control unit 1 based on the cutting force vector information 204 calculated by the cutting force vector calculation unit 3 and the mechanical characteristic information 207 identified by the mechanical characteristic identification unit 5. I do. In trajectory control performed on two or more axes in the machine tool 100, a trajectory error occurs with respect to a command trajectory if the target value responsiveness of the controlled axes is different. In the first embodiment, such a locus error does not occur, so that the servo control unit 1 employs two-degree-of-freedom control. Two-degree-of-freedom control is a control method that uses two independent compensators to follow a target value and suppress disturbance.
  • the disturbance response compensator is generally composed of a P (Proportional) controller, a PI (Proportional Integral) controller, and the like. That is, by adopting the two-degree-of-freedom control in the servo control unit 1, it is possible to suppress disturbance due to cutting force without causing a trajectory error.
  • vibration due to cutting force may occur in a range that cannot be observed at the machine end position.
  • the workpiece 90 and the tool 101 installed on the table 81 may be vibrating.
  • the disturbance due to the cutting force can be suppressed by reducing the response of the disturbance response compensator at the anti-resonance point, that is, by reducing the control gain of the disturbance response compensator at the anti-resonance point.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the operation of the control characteristic changing unit shown in FIG.
  • the control characteristic changing unit 6 searches for a peak in the frequency transfer function calculated by the mechanical characteristic identifying unit 5 within a frequency range that is 1 ⁇ 2 of the data sampling frequency (step S1). For example, when the sampling period is 1 kHz, the peak search range is a range up to 1/2 the frequency of 1 kHz, that is, 0 to 500 Hz. Since aliasing occurs in the range from 500 Hz to 1 kHz, the control characteristic changing unit 6 does not search for a peak.
  • the control characteristic changing unit 6 determines whether an antiresonance point or a resonance point exists in the frequency transfer function (step S2). For example, the anti-resonance point or the resonance point depends on whether there is a first peak point where the gain value changes from decrease to increase, or whether there is a second peak point where the gain value changes from increase to decrease. Presence or absence is determined.
  • step S2 No When no anti-resonance point or resonance point exists in the frequency transfer function (step S2, No), the control characteristic changing unit 6 repeats the processes of steps S1 and S2.
  • the control characteristic changing unit 6 determines whether the peak of the frequency transfer function is the resonance point or the anti-resonance point (Ste S3). For example, when there is a first peak point where the gain value changes from a decrease to an increase, the control characteristic changing unit 6 determines that an anti-resonance point exists in the frequency transfer function. When there is a second peak point where the gain value changes from increasing to decreasing, the control characteristic changing unit 6 determines that a resonance point exists in the frequency transfer function. When there are a plurality of first peak points during scanning, the control characteristic changing unit 6 stores the plurality of first peak points and determines the lowest one as an anti-resonance point. Further, when there are a plurality of second peak points during scanning, the control characteristic changing unit 6 stores the plurality of second peak points, and determines the largest one among them as the resonance point.
  • the control characteristic changing unit 6 calculates whether the power spectrum of the cutting force at the peak frequency calculated by the cutting force vector calculation unit 3 is greater than or equal to the threshold value. It is determined whether it is less than the threshold (step S4).
  • the control characteristic changing unit 6 When the power spectrum of the cutting force is less than the threshold (No at Step S4), the control characteristic changing unit 6 performs the process at Step S8. When the power spectrum of the cutting force is equal to or greater than the threshold (step S4, Yes), the control characteristic changing unit 6 increases the control gain of the disturbance response compensator of the servo control unit 1 at the peak frequency (step S6).
  • step S3 when the peak of the frequency transfer function is an anti-resonance point (step S3, No), the control characteristic changing unit 6 calculates the power spectrum of the cutting force at the peak frequency calculated by the cutting force vector calculating unit 3. It is determined whether it is greater than or less than a threshold value (step S5).
  • the control characteristic changing unit 6 When the power spectrum of the cutting force is less than the threshold (No at Step S5), the control characteristic changing unit 6 performs the process at Step S8. When the power spectrum of the cutting force is equal to or greater than the threshold (step S5, Yes), the control characteristic changing unit 6 decreases the control gain of the disturbance response compensator of the servo control unit 1 at the peak frequency (step S7). The control characteristic changing unit 6 repeats the processing from step S1 to step S7 until the search for the peak is completed within the frequency range to be scanned (step S8).
  • Steps S4 and S5 whether or not the frequency characteristics are changed is determined by the power spectrum of the cutting force because the coherent is low in the frequency region where the cutting force is small, and the peak of the frequency transfer function is correct. This is because it is highly possible that the calculation has not been performed, and an unnecessary change in frequency characteristics is prevented.
  • the power spectrum of each component of the cutting force vector in the machine axis direction corresponding to the drive shaft for changing the control characteristics is used.
  • step S1 the frequency transfer function shown in the aforementioned quadrature diagram may be used.
  • the magnitude of the cutting force may be used instead of the power spectrum of the cutting force.
  • the first means described below may be used.
  • the first means can be exemplified by changing the control parameter of the disturbance response compensator.
  • the disturbance response compensator of the servo control unit 1 is generally composed of a P controller, a PI controller, and the like.
  • the proportional gain and the integral gain are control parameters for the disturbance response compensator, and both the proportional gain and the integral gain are set to high values, thereby increasing the control gain of the disturbance response compensator. be able to.
  • the gain in the entire frequency range of the disturbance response compensator may increase, and the control system may become unstable.
  • second means described below may be used.
  • a filter for increasing a narrow band gain that is, an inverse notch filter
  • the inverse notch filter is expressed by, for example, a transfer function of equation (4).
  • s is a Laplace operator representing differentiation
  • ⁇ is an angular frequency at the center of a range where the gain is increased.
  • Q is a coefficient for determining the frequency band for increasing the gain
  • a is a coefficient for determining the amount for increasing the gain.
  • the third means is a band-pass filter that passes only a specific range of frequencies and does not pass frequencies other than a specific range of frequencies, or passes only a specific range of frequencies and is not a specific range of frequencies. It is possible to exemplify using a band-pass filter that attenuates the frequency of. By passing the machine end position 201 through the bandpass filter, the control parameter of the disturbance response compensator for the machine end position 201 that has passed through the bandpass filter is changed.
  • the proportional gain and the integral gain are the control parameters of the disturbance response compensator, and both the proportional gain and the integral gain are set to high values.
  • the control parameter is not changed, so that the control system is less likely to be unstable than the first means.
  • step S7 the first means described below may be used.
  • changing the control parameter of the disturbance response compensator can be exemplified.
  • the disturbance response compensator of the servo control unit 1 is PI control, low values are set for the proportional gain and the integral gain.
  • step S7 the second means described below may be used.
  • the notch filter is expressed by, for example, equation (5).
  • s is a Laplace operator representing differentiation
  • ⁇ is a central angular frequency in a range where the gain is reduced.
  • Q is a coefficient for determining the frequency band for decreasing the gain
  • b is a coefficient for determining the amount for decreasing the gain.
  • the third means described below may be used for step S7.
  • the third means is a band-pass filter that passes only a specific range of frequencies and does not pass frequencies other than a specific range of frequencies, or passes only a specific range of frequencies and is not a specific range of frequencies. It is possible to exemplify using a band-pass filter that attenuates the frequency of.
  • the control parameter of the disturbance response compensator for the machine end position 201 that has passed through the bandpass filter is changed.
  • the proportional gain and the integral gain are control parameters for the disturbance response compensator, and both the proportional gain and the integral gain are set to low values.
  • FIG. 8 is a first diagram showing an example in which disturbance vibration is generated at the machine end position shown in FIG. 1 due to the cutting force.
  • FIG. 8 shows a tool path 300 representing a machine end position that changes from moment to moment, and
  • FIG. 8 shows a cutting force vector 310 at each machine end position that changes with arrows.
  • FIG. 8 shows only the cutting force vector 310 when the power spectrum of the cutting force at the peak frequency is greater than or equal to the threshold value.
  • FIG. 9 is a second diagram showing an example in which disturbance vibration is generated at the machine end position shown in FIG. 1 due to the cutting force.
  • the disturbance vibration due to the cutting force with respect to the position command 200 is enlarged and displayed.
  • the feed direction of the tool is indicated by an arrow D.
  • FIG. 9 when disturbance vibration occurs in the direction perpendicular to the feed direction of the tool during cutting, the surface properties of the processed surface of the workpiece processed on the tool side surface deteriorate.
  • the numerical control apparatus 100-1 when the disturbance vibration in which the surface property of the machined surface deteriorates as described above, the disturbance response characteristic of the servo control unit 1 is changed by the control characteristic changing unit 6. Thus, disturbance vibration is reduced. Further, in the numerical control apparatus 100-1, the processes of the cutting force vector calculation unit 3, the mechanical characteristic identification unit 5, and the control characteristic change unit 6 are performed at a constant cycle. This is because the cutting force is made to correspond to the change of the frequency to be changed by the change of the processing position and the change of the state of the workpiece, the tool and the machine due to the cutting.
  • the transfer function used for disturbance suppression can be sequentially calculated during the cutting process. Therefore, the cutting force vector information and the mechanical characteristics calculated during the cutting process. Based on the information, the frequency response of the disturbance response compensator can be changed. Thereby, the position disturbance of the mechanical system due to the cutting force can be suppressed, the processing accuracy can be improved, and the wear of the tool can be suppressed.
  • the transfer function used for disturbance suppression can be calculated sequentially during the cutting process, it is not necessary to measure the frequency response band in advance every time the cutting condition changes. This eliminates the need for prior measurement of the frequency response band, eliminates the trouble of changing the appropriate frequency response band during cutting, and reduces the burden on the user of the numerical control device 100-1.
  • the processing operations of the cutting force vector calculation unit 3, the mechanical characteristic identification unit 5, and the control characteristic change unit 6 are performed at a constant cycle.
  • the cutting force can be changed in accordance with the change and the change in the state of the workpiece, tool, and machine due to the cutting process.
  • the numerical control device 100-1 of the first embodiment it is not necessary to narrow the frequency response band as in the prior art, and therefore, due to cutting force fluctuations without reducing the followability of the tool position to the command locus.
  • the generated disturbance can be suppressed.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the numerical controller according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the numerical control device 100-2 according to the second embodiment includes a display unit 10 and a condition input unit 11 in addition to the configuration included in the numerical control device 100-1 according to the first embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment will be described using the same names and symbols as those in the first embodiment.
  • the user of the numerical control device 100-2 specifies a condition for changing the control characteristic in the control characteristic changing unit 6 and whether or not to allow the control characteristic changing unit 6 to change the control characteristic. can do.
  • the conditions for changing the control characteristics are, for example, the threshold value of the power spectrum and the threshold value of the cutting force in the processing operations of Step S4 and Step S5 of the control characteristic changing unit 6 described above.
  • a command code generally called a G code is used.
  • the G code includes commands such as a positioning command (G00), a linear interpolation cutting command (G01), and a circular interpolation cutting command (G02, G03).
  • the positioning command (G00) is a command used during non-cutting.
  • the control characteristic is changed by the control characteristic changing unit 6 in the case of a positioning command, or the control characteristic is changed by the control characteristic changing unit 6 in the case of a cutting command.
  • the user can specify permission conditions for changing the control characteristics by the changing unit 6.
  • the condition input unit 11 can always change whether or not the change of the control characteristic is permitted. For example, only when the change of the control characteristic is permitted and the condition for changing the control characteristic is satisfied.
  • the control characteristic of the servo control unit 1 is changed by the control characteristic changing unit 6.
  • the display unit 10 displays mechanical characteristic information 207 that is an output of the mechanical characteristic identification unit 5 and a part or all of data of the cutting force vector information 204 that is an output of the cutting force vector calculation unit 3.
  • the user of the numerical control device 100-2 can grasp the information displayed on the display unit 10. For example, the unit length (for example, 1 mm) of the tool path 300 shown in FIG. 7 is displayed on the display unit 10 with a specific length. Further, the unit 10 (1N) of the cutting force vector 310 shown in FIG. 7 is displayed on the display unit 10 with a specific length. Thereby, the user can check the magnitude and direction of the cutting force, can grasp the situation during the cutting process, and can easily determine whether or not the control characteristic changing unit 6 should execute the control characteristic. Can do.
  • the unit 10 of the common logarithm of each frequency of the gain diagram shown in FIG. 5 and the phase diagram shown in FIG. 6 is displayed on the display unit 10 as a unit length. Thereby, the user can confirm at which frequency the vibration is generated, can grasp the situation during the cutting process, and can easily determine whether the control characteristic changing unit 6 should execute the control characteristic. it can.
  • the user designates the condition for changing the control characteristic from the condition input unit 11, and whether or not the change of the control characteristic is permitted.
  • the heel By specifying the heel, processing that is not intended by the user can be prevented.
  • the mechanical characteristic information, the cutting force vector information, and the like on the display unit 10, it is possible to easily determine whether or not the user should change the control characteristic.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the numerical control apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • a notch filter is used for vibration of a frequency included in the position control band, followability to the command trajectory is lowered, which is not desirable. Therefore, regarding the low-frequency vibration included in the control band, it is necessary to suppress the vibration caused by the cutting force by a different method. Therefore, in the numerical control device 100-3 according to the third embodiment, an adding unit 12 and a disturbance correction amount calculating unit 13 are used instead of the control characteristic changing unit 6 shown in FIG.
  • the same components as those in the first embodiment will be described using the same names and symbols as those in the first embodiment.
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 estimates a disturbance caused by the cutting force based on the mechanical characteristic information 207 and the cutting force vector information 204, and calculates a correction amount from the estimated disturbance.
  • the calculated correction amount is added to the position command 200 by the addition unit 12, and the output of the addition unit 12, that is, the position command 200 to which the correction amount is added is input to the servo control unit 1 and the simulated response calculation unit 4.
  • the numerical control device 100-3 controls the machine tool 100 by using the position command 200 to which the correction amount is added, thereby suppressing the decrease in the followability to the command locus of the tool position, and changing the cutting force. By suppressing the disturbance caused by the above, it is possible to suppress a decrease in machining accuracy.
  • FIG. 12 is a block diagram in which the motor and the mechanical system shown in FIG. 2 are approximated by a two-inertia model.
  • K is the spring constant of the elastic element of the mechanical system 8
  • C is the viscous friction coefficient of the damping element of the mechanical system 8
  • Jm is the inertia of the motor 7
  • Jl is the mechanical system. 8 inertia.
  • the position of Jm simulates the motor end position
  • the position of Jl simulates the machine end position.
  • Tm is a torque output from the servomotor 71 in accordance with the torque command
  • xl is a variable indicating the machine end position
  • xm is a variable indicating the motor end position
  • s is a Laplace operator indicating differentiation.
  • xm, the xl and fc those Laplace transform to X M, X L and Fc.
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 identifies each coefficient of the equation (6) using, for example, a least square method, a spectrum analysis method, a subspace method, or the like for the transfer function identified by the mechanical characteristic identification unit 5.
  • the mechanical system 8 is approximated to a two-inertia model, but the transfer function may be expressed by a lower-order or higher-order model.
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 calculates the disturbance caused by the cutting force by applying the transfer function type filter identified as described above to the cutting force 203 measured by the cutting force output unit 2. be able to.
  • the calculated value of the disturbance calculated here includes a high frequency component. Since the high frequency component cannot be controlled, the disturbance correction amount calculation unit 13 removes the high frequency component using a low-pass filter having an appropriate frequency.
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 sequentially calculates disturbances in the control cycle.
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 reverses the calculated positive and negative values of the disturbance, thereby setting the corrected disturbance as the correction amount.
  • the correction document is input to the addition unit 12, and the correction unit adds the correction document to the position command 200.
  • the correction amount C is calculated by the equations (7) and (8).
  • F is a machine axis cutting force vector.
  • T is a time constant of the low-pass filter.
  • C ⁇ G LPF (s) G (s) F (7) Equation
  • G LPF (s) 1 / (Ts + 1) (8) Equation
  • the disturbance correction amount calculation unit 13 performs correction only in the direction perpendicular to the feed direction of the tool.
  • the vertical cutting force vector Fn shown in the equation (3) may be used instead of the cutting force vector F in the machine axis direction of the equation (7).
  • the numerical control device 100-3 As described above, according to the numerical control device 100-3 according to the third embodiment, low-frequency disturbance vibrations included in the position control band can be suppressed without reducing the followability to the command locus. As a result, the tool life can be extended and the machining accuracy of the workpiece can be improved.
  • the processing operations of the cutting force vector calculation unit 3, the mechanical characteristic identification unit 5, and the control characteristic change unit 6 are constant. Therefore, the cutting force can be changed in accordance with the change in the machining position and the change in the state of the workpiece, tool, and machine due to the cutting process.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a hardware configuration example of the numerical control device according to the first to third embodiments.
  • the numerical control devices 100-1, 100-2, and 100-3 include a CPU (Central Processing Unit) 51 that performs arithmetic processing, a memory 52 that the CPU 51 uses as a work area, and a storage device 53 that can store programs, information, and the like. And an input device 54 that receives input from the user, and a display device 55.
  • the memory 52 includes RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM (Registered Trademark) (Electrically Promible Erasable Memory).
  • the input device 54 is exemplified by a keyboard and a mouse
  • the display device 55 is exemplified by a monitor and a display.
  • the input device 54 and the display device 55 may be integrated and realized by a touch panel or the like.
  • the servo control unit 1, the cutting force vector calculation unit 3, the simulated response calculation unit 4, the mechanical characteristic identification unit 5, the control characteristic change unit 6, the subtraction unit 9, the disturbance correction amount calculation unit 13, and the addition unit 12 are stored in the CPU 51. This is realized by executing the program stored in 53.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

Abstract

数値制御装置（１００－１）は、位置指令（２００）に基づいて、被加工物（９０）が設けられる被駆動体であるテーブル（８１）の位置が位置指令（２００）に追従するようにテーブル（８１）に接続されるモータ（７）を駆動するサーボ制御部（１）を備える。数値制御装置（１００－１）は、工具（１０１）と被加工物（９０）と間に生じる切削力（２０３）を測定又は推定して出力する切削力出力部（２）と、テーブル（８１）の位置と切削力（２０３）とに基づき切削力ベクトルを演算する切削力ベクトル演算部（３）と、切削力（２０３）に対する機械系の動特性を同定する機械特性同定部（５）を備える。数値制御装置（１００－１）は、切削力ベクトルと機械特性同定部（５）で同定された機械系の動特性とに基づき、サーボ制御部（１）の制御特性を変更する制御特性変更部（６）とを備えることを特徴とする。

Description

数値制御装置
　本発明は、工作機械を制御する数値制御装置に関する。
　数値制御される工作機械は、アクチュエータと、アクチュエータによって駆動されるテーブル、工具などの被駆動体とを備える。アクチュエータは、回転サーボモータ、リニアサーボモータなどである。工作機械に接続される数値制御装置から出力される位置、経路、速度、トルクなどを示す指令に従って、アクチュエータが制御されることによって、被駆動体が動作する。これにより、テーブルに固定される加工対象である被加工物が工具により加工される。被加工物に対する工具の位置が、指令された経路である指令軌跡に正確に追従するように、被駆動体を駆動する制御は、軌跡制御又は輪郭運動制御と呼ばれる。軌跡制御又は輪郭運動制御は、数値制御装置によって精密に実行される。軌跡制御又は輪郭運動制御が実行されることによって、工作機械に設けられる主軸、送り軸といった複数の軸のそれぞれに繋がるサーボモータが動作して、被加工物に対する工具の位置が制御される。
　工作機械では、被加工物の加工時に、工具の被加工物への接触部分に切削力が生じる。工具の寿命を延ばし、また被加工物の加工精度を向上させるためには、切削力を一定に保つことが重要である。しかしながら、切削工具が例えばエンドミル、ドリルなどである場合、切削工具の軸に設けられる切削刃が軸の回転方向に対して離れて配列されるため、加工中の工具の被加工物への接触部分における切削抵抗が変動して、被加工物への加工が断続的に行われる。従って、エンドミル、ドリルなどの切削工具が用いられる場合、切削力を一定に保つことが困難であり、切削力の変動が、主軸、送り軸を駆動するサーボモータの制御系の外乱となる。切削力の変動によって、例えば送り軸に繋がるサーボモータの制御系に振動等が生じた場合、被加工物を基準とした場合の工具の相対位置も振動的となり、加工精度又は加工面品位が悪化するだけでなく、工具の摩耗が進む。特許文献１には、モータを制御する制御系の周波数応答帯域を、工具摩耗が許容範囲内となるような周波数応答帯域に設定して、被加工物を加工する技術が開示される。特許文献１に開示される技術によれば、加工中の切削抵抗の変動に起因して制御系に外乱が生じた場合でも、工具の摩耗が一定範囲内に抑えられ、加工品質が安定化すると共に加工効率が向上する。
特開２０１３－２５０８６６号公報
　しかしながら、特許文献１に開示される技術では、周波数応答帯域が狭くなることによって、工具位置の指令軌跡への追従性が低下して、加工精度に悪影響を及ぼす可能性があるという課題がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、指令軌跡への追従性の低下を抑制することができる数値制御装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の数値制御装置は、被加工物を加工する工具により被加工物の加工を行う機械系を制御する数値制御装置であって、位置指令に基づいて、被加工物が設けられる被駆動体の位置が位置指令に追従するように被駆動体に接続されるモータを駆動するサーボ制御部を備える。数値制御装置は、工具と被加工物と間に生じる切削力を測定又は推定して出力する切削力出力部と、被駆動体の位置と切削力とに基づき切削力ベクトルを演算する切削力ベクトル演算部と、切削力に対する機械系の動特性を同定する機械特性同定部を備える。数値制御装置は、切削力ベクトルと機械特性同定部で同定された機械系の動特性とに基づき、サーボ制御部の制御特性を変更する制御特性変更部とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、指令軌跡への追従性の低下を抑制することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る数値制御装置の構成を示す図 図１に示すモータ及び機械系の構成を示す図 図１に示す模擬応答演算部の構成を示す図 図１に示す模擬応答演算部の変形例を示す図 図１に示す機械特性同定部で算出される機械特性情報を説明するための第１図 図１に示す機械特性同定部で算出される機械特性情報を説明するための第２図 図１に示す制御特性変更部の動作を説明するためのフローチャート 切削力により、図１に示す機械端位置に外乱振動が生じている例を示す第１図 切削力により、図１に示す機械端位置に外乱振動が生じている例を示す第２図 本発明の実施の形態２に係る数値制御装置の構成を示す図 本発明の実施の形態３に係る数値制御装置の構成を示す図 図２に示すモータ及び機械系を２慣性のモデルで近似したブロック図 実施の形態１から３に係る数値制御装置のハードウェア構成例を示す図
　以下に、本発明の実施の形態に係る数値制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る数値制御装置の構成を示す図である。図２は図１に示すモータ及び機械系の構成を示す図である。数値制御装置１００－１は、位置指令２００及び機械端位置２０１に基づきトルク指令２０２を生成し、生成したトルク指令２０２を工作機械１００に設けられるモータ７へ与えることにより、制御対象である機械系８を駆動する。数値制御装置１００－１は、サーボ制御部１、切削力出力部２、切削力ベクトル演算部３、模擬応答演算部４、機械特性同定部５、制御特性変更部６及び減算部９を備える。
　サーボ制御部１はモータ７に接続されており、モータ７にトルク指令２０２を与えることにより、制御対象である機械系８を駆動する。図２に示すようにモータ７は、サーボモータ７１と、モータ位置検出器７２とを備える。サーボモータ７１のロータ７１ａにはシャフト７１ｂが設けられる。モータ位置検出器７２には、ロータ７１ａの回転位置を検出するロータリエンコーダが用いられる。機械系８は、テーブル８１、ボールねじナット８２、ボールねじ８３、カップリング８４、機械端位置検出器８５及び機械端位置検出器ヘッド８６を備える。機械系８のボールねじ８３は、カップリング８４を介して、サーボモータ７１のシャフト７１ｂに接続される。ボールねじ８３には、ボールねじナット８２が嵌め合わされ、ボールねじナット８２には、被駆動体であるテーブル８１が固定される。テーブル８１、不図示の案内機構によって、ボールねじ８３が伸びる方向に移動可能に支持されている。機械端位置検出器８５及び機械端位置検出器ヘッド８６は、数値制御装置１００－１の制御対象であるテーブル８１の位置を検出するためのエンコーダである。機械端位置検出器８５は、例えばリニアエンコーダであり、機械端位置検出器ヘッド８６は、例えばリニアエンコーダヘッドである。サーボ制御部１に入力される機械端位置２０１は、モータ位置検出器７２により検出されたロータ７１ａの回転位置を示す情報と、機械端位置検出器８５により検出されたテーブル８１の位置を示す情報との少なくとも一方を示す。
　なお、機械端位置検出器８５ではテーブル８１の移動距離が測定されるのに対して、モータ位置検出器７２ではロータ７１ａの回転角度が測定される。しかし、この回転角度にモータ７の１回転当たりのテーブル移動距離であるボールねじリードを乗じて、ロータ７１ａの１回転の角度２π［ｒａｄ］で除することで、サーボ制御部１では、ロータ７１ａの回転角度が、テーブル８１の移動方向の長さに換算される。実施の形態１では、ロータ７１ａの回転角度をテーブル８１の移動方向に換算した値が用いられるものとする。
　機械端位置２０１として、モータ位置検出器７２により検出された位置情報のみ用いるフィードバック制御をセミクローズドループ制御と呼ぶ。機械端位置２０１として、モータ位置検出器７２により検出された位置情報と、機械端位置検出器８５により検出された位置情報との両方を用いるフィードバック制御、又は機械端位置検出器８５により検出された位置情報のみ用いるフィードバック制御を、フルクローズドループ制御と呼ぶ。実施の形態１に係る数値制御装置１００－１には、セミクローズドループ制御とフルクローズドループ制御との何れを適用してもよい。以下では、フルクローズドループ制御が適用される数値制御装置１００－１の構成例について説明する。また以下では、フィードバック制御に用いられる位置情報を機械端位置と呼ぶ。なお、機械系８の構成は一例であり、機械系８の構成は図２に示される例に限定されず、数値制御装置１００－１は、複数の機械系を制御対象とすることも可能である。
　図１に示すサーボ制御部１には位置指令２００及び機械端位置２０１が入力される。サーボ制御部１は、機械端位置２０１を位置指令２００に追従させるトルク指令２０２を生成する。サーボ制御部１は、例えば、位置指令２００と機械端位置２０１との差である位置偏差を求め、位置偏差に対して、例えば比例制御といった位置制御処理を実行して、速度指令を算出する。さらに、速度指令に対して、例えば比例積分制御といった速度制御処理を実行することによって、トルク指令２０２を算出して出力する。
　図１に示す切削力出力部２は、例えばテーブル８１に設けられる被加工物９０の加工時に、工具１０１の被加工物９０への接触部分に生じる切削力を測定し、測定された切削力を示す情報である切削力２０３を出力する。
　切削力２０３の測定には、例えばロードセル、動力計などが用いられる。ロードセル、動力計などは、切削力２０３を直接測定することが可能な測定器である。なお、切削力２０３はモータ電流からも推定することも可能であり、モータ電流から切削力２０３を推定する場合、外乱オブザーバと呼ばれる手法が用いられる。なお、切削力出力部２には、切削力２０３を直接測定する手段の代わりに、切削力２０３を間接的に測定する手段を用いてもよい。
　切削力ベクトル演算部３は、測定された切削力２０３と機械端位置２０１とに基づき、例えば、３つの切削力ベクトルを演算する。３つの切削力ベクトルの内、第１切削力ベクトルは、例えば機械のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸などの駆動軸に平行な方向を基準とするベクトルである。以下では、第１切削力ベクトルを機械軸方向切削力ベクトルと呼ぶ。３つの切削力ベクトルの内、第２切削力ベクトルは、工具１０１の送り方向に平行な切削力ベクトルである。以下では、第２切削力ベクトルを工具送り方向切削力ベクトルと呼ぶ。３つの切削力ベクトルの内、第３切削力ベクトルは、工具１０１の送り方向に垂直な方向の切削力ベクトルである。以下では、第３切削力ベクトルを垂直方向切削力ベクトルと呼ぶ。
　ここでは、動力計を用いて切削力を測定する場合の例について説明する。動力計を用いて切削力を測定する場合、一般的には、機械に設置される動力計の向きを調整することによって、機械の駆動軸、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれが伸びる方向と平行な方向の切削力が測定される。そのため、動力計からの出力には、機械軸方向切削力ベクトルの成分が含まれる。なお、動力計には、３つの軸の方向に対応する機械軸方向切削力ベクトルを測定できるものだけでなく、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の内、１つの軸の方向に対応する機械軸方向切削力ベクトルのみ測定できるものも存在する。そして、測定されない方向の切削力は０とみなされる。なお、５つの回転軸を有する５軸制御工作機械では、動力計の設置方向が回転軸の向きによって変化する場合があり、このような場合、回転軸の角度が、機械軸方向切削力ベクトルの計算に利用される。
　切削力ベクトル演算部３では、機械端位置２０１を微分することにより、複数の工具１０１のそれぞれの軸の移動速度を計算できる。工作機械１００が例えば３つの工具１０１を備える場合、切削力ベクトル演算部３は、３つの工具１０１のそれぞれの軸の移動速度を成分とする移動速度ベクトルｖを演算する。また切削力ベクトル演算部３では、工具送り方向切削力ベクトルＦｔが（１）式及び（２）式により演算される。「ｕ」は単位ベクトルである。「ｖ」は移動速度ベクトルである。「Ｆ」は機械軸方向切削力ベクトルである。「・」は内積を示す。また切削力ベクトル演算部３では、垂直方向切削力ベクトルＦｎが（１）式及び（３）式により演算される。
　ｕ＝ｖ／｜ｖ｜・・・（１）式
　Ｆｔ＝（Ｆ・ｕ）・・・（２）式
　Ｆｎ＝Ｆ－Ｆｔ・・・（３）式
　なお、切削力ベクトル演算部３は、機械端位置２０１を微分して得られる移動速度の代わりに、速度制御に用いる速度フィードバック情報を用いて、工具送り方向切削力ベクトル及び垂直方向切削力ベクトルを演算するように構成してもよい。また切削力ベクトル演算部３は、機械軸方向切削力ベクトルＦの大きさを演算し、演算された機械軸方向切削力ベクトルＦの大きさを、切削力の大きさとする。
　さらに、切削力ベクトル演算部３は、現時点から一定時間遡った時点までに演算された複数の軸のそれぞれに対応する機械軸方向切削力ベクトルの成分を示すデータを保持して、保持されたデータを利用して、各周波数に対する切削力のパワースペクトルを計算する。なお、周波数に対するパワースペクトルは、フーリエ変換を行うことにより演算することができる。
　切削力ベクトル演算部３は、各切削力ベクトル、切削力の大きさ、及び各機械軸方向切削力ベクトルの各成分のパワースペクトルを、切削力ベクトル情報２０４として、制御特性変更部６に出力する。
　図３は図１に示す模擬応答演算部の構成を示す図である。模擬応答演算部４は、位置指令２００に基づいて機械端位置２０１の応答を模擬し、機械端位置２０１が追従するべき理想的な位置の計算結果であるモデル位置２０５を算出して出力する。模擬応答演算部４は、位置制御模擬部４１及び積分演算部４２を備える。位置制御模擬部４１は、位置指令２００と積分演算部４２の出力との差に対して、サーボ制御部１で行われる位置制御処理と同じ処理を実行する。積分演算部４２は、位置制御模擬部４１の処理結果を積分することにより、機械端位置２０１の値を求めて、モデル位置２０５として出力する。
　図４は図１に示す模擬応答演算部の変形例を示す図である。図４に示す模擬応答演算部４Ａは、図３に示す位置制御模擬部４１及び積分演算部４２に加えて、速度制御模擬部４３、積分演算器４４及び比例定数演算部４５を備える。模擬応答演算部４Ａは、モデル位置２０５に加えて、機械系８の理想的な速度の値を示すモデル速度２０８と、モータトルクの理想的な出力を示す情報であるモデルトルク２０９とを演算する。比例定数演算部４５では、モデル速度２０８にトルク変換のための定数を積算することにより、モデルトルク２０９が演算される。Ｋｐｐ、Ｋｖｐ、Ｋｖｉ、Ｋｔ及びＪのそれぞれは比例定数を示す。ｓは微分を表すラプラス演算子である。１／ｓは積分を表す。位置制御模擬部４１では一般的な比例制御が行われる。速度制御模擬部４３では一般的な比例積分制御が行われる。速度制御模擬部４３の出力は加速度の次元になっており、速度制御模擬部４３の出力は、積分演算器４４に入力され、積分演算器４４及び積分演算部４２によって、２段積分される。これにより機械端位置が模擬される。また速度制御模擬部４３の出力は、比例定数演算部４５に入力される。比例定数演算部４５は、速度制御模擬部４３の出力に比例定数Ｋｔを掛けることにより、速度制御模擬部４３の出力をトルクに変換する。
　減算部９は、模擬応答演算部４で演算されたモデル位置２０５を機械端位置２０１から減算することにより、切削力等の制御への外乱によって生じる位置外乱２０６を算出する。
　機械特性同定部５は、位置外乱２０６及び切削力２０３を用いて、切削力２０３に対する工作機械１００の機械特性を同定する。実施の形態１では、切削力２０３に対する機械特性として、切削力２０３から制御系における位置外乱２０６までの伝達関数を同定する例について説明する。なお、機械特性同定部５は、位置外乱２０６の代わりに、図４に示す模擬応答演算部４Ａにより演算されるモデル速度２０８、モデルトルク２０９などを用いて、速度外乱、トルク外乱などを算出し、切削力２０３から速度外乱までの伝達関数、又は切削力２０３からトルク外乱までの伝達関数を同定するように構成してもよい。
　機械特性同定部５は、切削力２０３及び位置外乱２０６に対してフーリエ変換などの数値処理を行い、周波数伝達関数を算出する。機械特性同定部５は、算出した周波数伝達関数を機械特性情報２０７として制御特性変更部６に出力する。図５は図１に示す機械特性同定部で算出される機械特性情報を説明するための第１図である。図５の横軸は対数周波数を表し、図５の縦軸はデシベル値で示されるゲインを表す。図５では、周波数伝達関数がゲイン線図により表される。ゲイン線図では、共振点が正のピークとして表れ、反共振点が負のピークとして現れる。図６は図１に示す機械特性同定部で算出される機械特性情報を説明するための第２図である。図６の横軸は対数周波数を表し、図６の縦軸は位相を表す。図６では、周波数伝達関数が位相線図により表される。なお、周波数伝達関数は、横軸を対数周波数とし、縦軸をフーリエ変換後の実部及び虚部によって表されるコクアド線図でも表すことができる。
　制御系における外乱には、切削力の変動による外乱以外にも、摩擦による外乱が存在し、摩擦によっても位置外乱２０６が生じる。代表的な例として、円弧の象限切り替え位置において、送り軸の移動方向が反転する際に生じる象限突起がある。機械特性同定部５では、切削力に対する機械特性を同定するために、摩擦の影響を除去する必要がある。そのため、送り軸の移動方向が反転する際に生じる摩擦の影響、又は送り軸が停止状態から動き出すときに生じる摩擦の影響が大きい場合を除いて、切削力に対する機械特性を同定することが望ましい。
　制御特性変更部６は、切削力ベクトル演算部３で演算された切削力ベクトル情報２０４と、機械特性同定部５で同定された機械特性情報２０７とに基づき、サーボ制御部１の周波数特性の変更を行う。工作機械１００において２軸以上で行われる軌跡制御では、制御する軸の目標値応答性が異なると、指令軌跡に対して軌跡誤差が生じる。実施の形態１では、このような軌跡誤差を生じないため、サーボ制御部１に２自由度制御が採用される。２自由度制御とは、目標値への追従と外乱の抑制のために、２つの独立した補償器を利用する制御方式である。外乱抑制のための補償器の周波数応答が制御軸によって異なる場合でも軌跡誤差は生じないため、制御特性変更部６は、外乱抑制のための補償器である外乱応答補償器の周波数応答を変更することにより、外乱抑制を実現する。外乱応答補償器は、一般的にＰ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御器、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御器などで構成される。すなわち、サーボ制御部１において、２自由度制御を採用することにより、軌跡誤差を生じることなく、切削力による外乱を抑制することが可能となる。
　機械特性同定部５で同定される周波数伝達関数にピークが存在し、このピークが共振点である場合、機械端位置で観測可能な範囲において、切削力に起因する振動が生じている可能性がある。フルクローズドループ制御の場合、図２に示すモータ７及び機械系８において振動が生じており、セミクローズドループ制御の場合、モータ７において振動が生じていることとなる。この場合、共振点における外乱応答補償器の応答性を高める、すなわち、共振点における外乱応答補償器の制御ゲインを上げることにより、外乱を抑制することができる。
　一方、周波数伝達関数のピークが反共振点である場合、機械端位置では観測不可能な範囲において、切削力に起因する振動が発生する可能性がある。例えば、テーブル８１上に設置されている被加工物９０、工具１０１などが振動している可能性がある。この場合、反共振点における外乱応答補償器の応答性を下げる、すなわち、反共振点における外乱応答補償器の制御ゲインを下げることにより、切削力による外乱を抑制できる。
　次に制御特性変更部６の動作について説明する。図７は図１に示す制御特性変更部の動作を説明するためのフローチャートである。まず制御特性変更部６は、機械特性同定部５で算出された周波数伝達関数において、データサンプリング周波数の１／２の周波数の範囲で、ピークを探索する（ステップＳ１）。例えば、サンプリング周期を１ｋＨｚとした場合、ピークを探索する範囲は、１ｋＨｚの１／２の周波数までの範囲、すなわち０～５００Ｈｚとなる。そして、５００Ｈｚから１ｋＨｚまでの範囲ではエリアシングが起きているため、制御特性変更部６ではピークの探索が行われない。
　制御特性変更部６は、周波数伝達関数に反共振点又は共振点が存在するか否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、ゲインの値が低下から増加に転じる第１ピーク点が存在するか否か、ゲインの値が増加から低下に転じる第２ピーク点が存在するか否かにより、反共振点又は共振点の有無が判断される。
　周波数伝達関数に反共振点又は共振点が存在しない場合（ステップＳ２，Ｎｏ）、制御特性変更部６は、ステップＳ１，Ｓ２の処理を繰り返す。
　周波数伝達関数に反共振点又は共振点が存在する場合（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、制御特性変更部６は、周波数伝達関数のピークが共振点であるか、反共振点であるかを判定する（ステップＳ３）。例えば、ゲインの値が低下から増加に転じる第１ピーク点が存在する場合、制御特性変更部６は、周波数伝達関数に反共振点が存在すると判定する。ゲインの値が増加から低下に転じる第２ピーク点が存在する場合、制御特性変更部６は、周波数伝達関数に共振点が存在すると判定する。なお、走査中に複数の第１ピーク点が存在する場合、制御特性変更部６は、複数の第１ピーク点を記憶し、その中で最低のものを反共振点と判断する。また、走査中に複数の第２ピーク点が存在する場合、制御特性変更部６は、複数の第２ピーク点を記憶し、その中で最大のものを共振点と判断する。
　周波数伝達関数のピークが共振点の場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、制御特性変更部６は、切削力ベクトル演算部３で算出された、ピークの周波数における切削力のパワースペクトルが閾値以上であるか閾値未満であるかを判断する（ステップＳ４）。
　切削力のパワースペクトルが閾値未満の場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、制御特性変更部６はステップＳ８の処理を行う。切削力のパワースペクトルが閾値以上の場合（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、制御特性変更部６は、ピークの周波数におけるサーボ制御部１の外乱応答補償器の制御ゲインを上げる（ステップＳ６）。
　ステップＳ３において、周波数伝達関数のピークが反共振点の場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、制御特性変更部６は、切削力ベクトル演算部３で算出された、ピークの周波数における切削力のパワースペクトルが閾値以上であるか閾値未満であるかを判断する（ステップＳ５）。
　切削力のパワースペクトルが閾値未満の場合（ステップＳ５，Ｎｏ）、制御特性変更部６はステップＳ８の処理を行う。切削力のパワースペクトルが閾値以上の場合（ステップＳ５，Ｙｅｓ）、制御特性変更部６は、ピークの周波数におけるサーボ制御部１の外乱応答補償器の制御ゲインを下げる（ステップＳ７）。制御特性変更部６は、走査対象の周波数の範囲内でピークの探索が完了するまでステップＳ１からＳ７までの処理を繰り返す（ステップＳ８）。
　ステップＳ４，５において、周波数特性の変更を行うか否かを切削力のパワースペクトルにより判定されている理由は、切削力が小さい周波数の領域では、コヒーレントが低いため、周波数伝達関数のピークが正しく計算できていない可能性が高く、不要な周波数特性の変更を防ぐためである。ステップＳ４，５の処理では、制御特性を変更する駆動軸に対応する機械軸方向切削力ベクトルの各成分のパワースペクトルが用いられる。
　なお、ステップＳ１の処理では、前述したコクアド線図に示される周波数伝達関数を用いてもよい。またステップＳ４，５の処理では、切削力のパワースペクトルの代わりに切削力の大きさを用いてもよい。
　ステップＳ６における制御系の外乱応答を高める手段には、以下に説明する第一手段を利用してもよい。第一手段としては、外乱応答補償器の制御パラメータを変更することを例示できる。サーボ制御部１の外乱応答補償器は、一般的にＰ制御器、ＰＩ制御器などにより構成される。例えば、ＰＩ制御の場合、比例ゲインと積分ゲインとが外乱応答補償器の制御パラメータとなり、比例ゲインと積分ゲインとが共に、高い値に設定されることにより、外乱応答補償器の制御ゲインを上げることができる。しかし、この方法では、外乱応答補償器の全周波数域のゲインが上がり、制御系が不安定となる場合がある。
　ステップＳ６における制御系の外乱応答を高める手段には、以下に説明する第二手段を利用してもよい。第一手段としては、狭帯域のゲインを上げるフィルタ、すなわち逆ノッチフィルタを、外乱応答補償器に付加することを例示できる。逆ノッチフィルタは例えば、（４）式の伝達関数で表される。ｓは微分を表すラプラス演算子、ωはゲインを上げる範囲の中心の角周波数である。Ｑはゲインを上げる周波数帯を決定する係数、ａはゲインの上げる量を決定する係数である。共振点のピークの周波数としてωを設定することにより、外乱応答補償器の外乱が生じている周波数におけるゲインを上げることができる。
　（ｓ２＋ωｓ／Ｑ＋ω２）／（ｓ２＋ａｓ＋ω２）・・・（４）式
　さらに、ステップＳ６における制御系の外乱応答を高める手段には、以下に説明する第三手段を利用してもよい。第三手段としては、特定の範囲の周波数のみ通過させ、かつ、特定の範囲の周波数以外の周波数は通過させないバンドパスフィルタ、又は特定の範囲の周波数のみ通過させ、かつ、特定の範囲の周波数以外の周波数は減衰させるバンドパスフィルタを用いることを例示できる。機械端位置２０１をバンドパスフィルタに通過させることにより、バンドパスフィルタを通過した機械端位置２０１に対する外乱応答補償器の制御パラメータが変更される。例えば、ＰＩ制御の場合、比例ゲインと積分ゲインとが外乱応答補償器の制御パラメータとなり、比例ゲインと積分ゲインとが共に、高い値に設定される。バンドパスフィルタを通過しない機械端位置に対しては、制御パラメータが変更されないため、第一手段より制御系が不安定となりにくい。
　ステップＳ７においては、以下に説明する第一手段を利用してもよい。ステップＳ７の第一手段としては、外乱応答補償器の制御パラメータを変更することを例示できる。サーボ制御部１の外乱応答補償器がＰＩ制御の場合、比例ゲインと積分ゲインとに低い値が設定される。
　またステップＳ７においては、以下に説明する第二手段を利用してもよい。ステップＳ７の第二手段としては、狭帯域のゲインを下げるノッチフィルタを外乱応答補償器に付加することを例示できる。ノッチフィルタは、例えば（５）式で表される。ｓは微分を表すラプラス演算子、ωはゲインを下げる範囲の中心の角周波数である。Ｑはゲインを下げる周波数帯を決定する係数、ｂはゲインの下げる量を決定する係数である。共振点のピークの周波数としてωを設定することにより、外乱応答補償器の外乱が生じている周波数におけるゲインを下げることができる。
　（ｓ２＋ｂｓ＋ω２）／（ｓ２＋ωｓ／Ｑ＋ω２）・・・（５）式
　さらに、ステップＳ７には、以下に説明する第三手段を利用してもよい。第三手段としては、特定の範囲の周波数のみ通過させ、かつ、特定の範囲の周波数以外の周波数は通過させないバンドパスフィルタ、又は特定の範囲の周波数のみ通過させ、かつ、特定の範囲の周波数以外の周波数は減衰させるバンドパスフィルタを用いることを例示できる。機械端位置２０１をバンドパスフィルタに通過させることにより、バンドパスフィルタを通過した機械端位置２０１に対する外乱応答補償器の制御パラメータが変更される。例えば、ＰＩ制御の場合、比例ゲインと積分ゲインとが外乱応答補償器の制御パラメータとなり、比例ゲインと積分ゲインとが共に、低い値に設定される。
　図８は切削力により、図１に示す機械端位置に外乱振動が生じている例を示す第１図である。図８には、時々刻々に変化する機械端位置を表す工具軌跡３００が示され、さらに図８には、変化する各機械端位置における切削力ベクトル３１０が矢印で示される。なお、図８には、ピークの周波数における切削力のパワースペクトルが閾値以上のときの切削力ベクトル３１０のみ示される。
　図９は切削力により、図１に示す機械端位置に外乱振動が生じている例を示す第２図である。図９には、位置指令２００に対する切削力による外乱振動が拡大して表示されている。図９において、工具の送り方向は矢印Ｄで示される。図９に示すように切削中に工具の送り方向に垂直な方向に外乱振動が生じると、工具側面で加工される被加工物の加工面の面性状が悪化する。
　実施の形態１に係る数値制御装置１００－１では、このように加工面の面性状が悪化する外乱振動が生じた場合、制御特性変更部６によって、サーボ制御部１の外乱応答特性が変更されることにより、外乱振動が低減される。さらに、数値制御装置１００－１では、切削力ベクトル演算部３、機械特性同定部５、制御特性変更部６の処理が一定の周期で行われる。これは、加工位置の変化と、切削加工を行うことによる被加工物、工具及び機械の状態の変化とにより、切削力を、変更を行うべき周波数の変化に対応させるためである。
　以上のように、実施の形態１の数値制御装置１００－１によれば、外乱抑制に用いる伝達関数を切削加工中に逐次計算できるため、切削加工中に計算される切削力ベクトル情報及び機械特性情報に基づいて、外乱応答補償器の周波数応答を変更することができる。これにより、切削力による機械系の位置外乱を抑制することができ、加工の精度向上が向上し、また工具の摩耗を抑制することができる。
　また、実施の形態１の数値制御装置１００－１によれば、外乱抑制に用いる伝達関数を切削加工中に逐次計算できるため、切削条件が変わる度に周波数応答帯域を予め測定する必要がない。そのため、周波数応答帯域の事前測定が不要になり、また切削加工の際に適切な周波数応答帯域を変更する手間がなくなり、数値制御装置１００－１のユーザの負担を軽減することができる。
　また、実施の形態１の数値制御装置１００－１では、切削力ベクトル演算部３、機械特性同定部５及び制御特性変更部６のそれぞれの処理動作が一定の周期で行われるため、加工位置の変化と、切削加工を行うことによる被加工物、工具及び機械の状態の変化とにより、切削力を対応させて変えることができる。
　また実施の形態１の数値制御装置１００－１のサーボ制御部１に２自由度制御が採用される場合、軌跡誤差を生じることなく、切削力による外乱を抑制することが可能となる。
　また実施の形態１の数値制御装置１００－１によれば、従来技術のように周波数応答帯域を狭くする必要がないため、工具位置の指令軌跡への追従性を低下させることなく切削力変動によって生じる外乱を抑制できる。
実施の形態２．
　図１０は本発明の実施の形態２に係る数値制御装置の構成を示す図である。実施の形態２に係る数値制御装置１００－２は、実施の形態１に係る数値制御装置１００－１が備える構成に加えて、表示部１０及び条件入力部１１を備える。実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成要素については実施の形態１と同一の名称及び記号を用いて説明する。
　条件入力部１１では、数値制御装置１００－２のユーザが、制御特性変更部６における制御特性を変更するための条件と、制御特性変更部６における制御特性の変更を許可するか否かを指定することができる。制御特性を変更するための条件とは、例えば、前述した制御特性変更部６のステップＳ４及びステップＳ５の処理動作における、パワースペクトルの閾値、切削力の大きさの閾値などである。
　また工作機械１００を利用して被加工物の加工を行うためのプログラムは、一般的にＧコードと呼ばれる指令コードが用いられる。Ｇコードには、位置決め指令（Ｇ００）、直線補間切削指令（Ｇ０１）、円弧補間切削指令（Ｇ０２、Ｇ０３）などの指令がある。一般的に、位置決め指令（Ｇ００）は非切削時に用いられる指令である。条件入力部１１では、例えば、位置決め指令の場合に制御特性変更部６による制御特性の変更を実施させ、又は切削指令の場合に制御特性変更部６による制御特性の変更を実施させるなど、制御特性変更部６による制御特性の変更の許可条件をユーザが指定できる。
　また条件入力部１１では、常時、制御特性の変更を許可するか否かを変更することも可能であり、例えば、制御特性の変更が許可され、かつ、制御特性変更を行う条件を満たす場合のみ、制御特性変更部６によるサーボ制御部１の制御特性の変更が行われる。
　表示部１０では、機械特性同定部５の出力である機械特性情報２０７と、切削力ベクトル演算部３の出力である切削力ベクトル情報２０４の一部又は全部のデータとが表示される。数値制御装置１００－２のユーザは、表示部１０に表示されるこれらの情報を把握できる。例えば、表示部１０には、図７に示される工具軌跡３００の単位長さ（例えば１ｍｍ）が、特定の長さで表示される。また表示部１０には、図７に示される切削力ベクトル３１０の単位力（１Ｎ）が、特定の長さで表示される。これにより、ユーザは、切削力の大きさと向きを確認することができ、切削加工中の状況を把握できると共に、制御特性変更部６において制御特性の実行を行うべきかどうかを容易に判定することができる。
　また、表示部１０には、図５に示されるゲイン線図と図６に示される位相線図とのそれぞれの周波数の常用対数の単位量が、単位長さで表示される。これにより、ユーザは、どの周波数で振動が生じているかを確認でき、切削加工中の状況を把握できると共に、制御特性変更部６において制御特性の実行を行うべきかどうかを容易に判定することができる。
　以上のように、実施の形態２に係る数値制御装置１００－２によれば、ユーザが条件入力部１１より、制御特性の変更を行う条件と指定すると共に、制御特性の変更を許可するか否かとを指定することにより、ユーザの意図しない処理を防ぐことができる。さらに、表示部１０に機械特性情報、切削力ベクトル情報などを表示させることにより、ユーザが制御特性の変更を行うべきかどうかを容易に判断することができる。
実施の形態３．
　図１１は本発明の実施の形態３に係る数値制御装置の構成を示す図である。位置の制御帯域に含まれる周波数の振動に対してノッチフィルタを利用した場合、指令軌跡への追従性が低下するため、望ましくない。そこで、制御帯域に含まれる低周波数の振動に関しては、切削力に起因する振動を異なる方法で抑制する必要がある。そこで実施の形態３に係る数値制御装置１００－３では、図１に示される制御特性変更部６の代わりに、加算部１２及び外乱補正量算出部１３が用いられる。実施の形態３において、実施の形態１と同様の構成要素については実施の形態１と同一の名称及び記号を用いて説明する。
　外乱補正量算出部１３は、機械特性情報２０７と切削力ベクトル情報２０４とに基づき、切削力に起因する外乱を推定し、推定した外乱から補正量を算出する。算出された補正量は加算部１２により位置指令２００へ加算され、加算部１２の出力、すなわち補正量が加算された位置指令２００は、サーボ制御部１及び模擬応答演算部４に入力される。数値制御装置１００－３は、補正量が加算された位置指令２００を用いて、工作機械１００を制御することにより、工具位置の指令軌跡への追従性の低下を抑制しながら、切削力の変動に起因する外乱を抑制することで、加工精度の低下を抑制することができる。
　図１２は図２に示すモータ及び機械系を２慣性のモデルで近似したブロック図である。図１２に示されるモデルにおいて、Ｋは機械系８の弾性要素のバネ定数であり、Ｃは機械系８のダンピング要素の粘性摩擦係数であり、Ｊｍはモータ７のイナーシャであり、Ｊｌは機械系８のイナーシャである。Ｊｍの位置はモータ端位置を模擬しており、Ｊｌの位置は機械端位置を模擬している。Ｔｍは、トルク指令に従ってサーボモータ７１が出力するトルクであり、ｘｌは機械端位置を示す変数であり、ｘｍはモータ端位置を示す変数であり、ｓは微分を表すラプラス演算子である。ｘｍ、ｘｌ及びｆｃを、ラプラス変換したものはＸＭ、ＸＬ及びＦｃとする。
　切削力により弾性要素Ｋ、ダンピング要素Ｃなどが変化することにより、テーブル８１に位置外乱が生じる。さらに、弾性要素Ｋ、ダンピング要素Ｃなどにより、切削力が伝達されるためモータ位置にも位置外乱が生じる。モータ７、機械系８が２慣性モデルでモデル化される場合、切削力から位置外乱までの伝達関数は、例えば（６）式で表される。
　Ｇ（ｓ）＝１／（Ｊｌｓ２＋Ｃｓ＋Ｋ）・・・（６）式
　外乱補正量算出部１３は、機械特性同定部５で同定された伝達関数に対して、例えば最小二乗法、スペクトル解析法、部分空間法などを用いて（６）式の各係数を同定する。なお、（６）式では、機械系８が２慣性モデルに近似されているが、これよりも低次又は高次のモデルによって伝達関数を表現してもよい。外乱補正量算出部１３は、切削力出力部２により測定される切削力２０３に対して、上記のように同定された伝達関数型のフィルタを適用することにより、切削力により生じる外乱を算出することができる。ここで計算される外乱の計算値には、高周波成分も含まれている。高周波成分は制御できないため、外乱補正量算出部１３では、適当な周波数のローパスフィルタを用いて高周波成分が除去される。外乱補正量算出部１３は、制御周期で逐次外乱を算出する。外乱補正量算出部１３は、算出された外乱の正負の値を反転させることにより、反転後の外乱を補正量とする。補正書は加算部１２に入力され、加算部１２では、補正書が位置指令２００に加算される。補正量Ｃは（７）式及び（８）式により算出される。Ｆは機械軸切削力ベクトルである。Ｔはローパスフィルタの時定数である。
　Ｃ＝－ＧＬＰＦ（ｓ）Ｇ（ｓ）Ｆ・・・（７）式
　ＧＬＰＦ（ｓ）＝１／（Ｔｓ＋１）・・・（８）式
　加工面の面性状に悪影響を及ぼすのは、工具の送り方向に対して垂直な方向の振動である。一方、工具の送り方向に対して補正を行った場合、工具の送り方向に対する工具の移動速度が一定ではなくなり、加工面の面性状に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、外乱補正量算出部１３では、工具の送り方向に垂直な方向のみ補正が行われる。この場合、（７）式の機械軸方向切削力ベクトルＦの代わりに、（３）式に示される垂直方向切削力ベクトルＦｎを用いればよい。
　以上のように実施の形態３に係る数値制御装置１００－３によれば、指令軌跡への追従性を低下させることなく、位置制御の帯域に含まれる低周波な外乱振動を抑制できる。これにより、工具寿命が延び、また被加工物の加工精度を向上させることができる。また数値制御装置１００－３では、実施の形態１に係る数値制御装置１００－１と同様に、切削力ベクトル演算部３、機械特性同定部５及び制御特性変更部６のそれぞれの処理動作が一定の周期で行われるため、加工位置の変化と、切削加工を行うことによる被加工物、工具及び機械の状態の変化とにより、切削力を対応させて変えることができる。
　図１３は実施の形態１から３に係る数値制御装置のハードウェア構成例を示す図である。数値制御装置１００－１，１００－２，１００－３は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）５１と、ＣＰＵ５１がワークエリアに用いるメモリ５２と、プログラム、情報などを記憶可能な記憶装置５３と、ユーザからの入力を受け付ける入力装置５４と、表示装置５５とを備える。メモリ５２とは、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ）が該当する。入力装置５４は、キーボード、マウスが例示され、表示装置５５は、モニタ、ディスプレイが例示される。なお、入力装置５４と表示装置５５とが一体化されて、タッチパネルなどにより実現されてもよい。
　サーボ制御部１、切削力ベクトル演算部３、模擬応答演算部４、機械特性同定部５、制御特性変更部６、減算部９、外乱補正量算出部１３及び加算部１２は、ＣＰＵ５１が記憶装置５３に格納されたプログラムを実行することにより実現される。
　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　サーボ制御部、２　切削力出力部、３　切削力ベクトル演算部、４，４Ａ　模擬応答演算部、５　機械特性同定部、６　制御特性変更部、７　モータ、８　機械系、９　減算部、１０　表示部、１１　条件入力部、１２　加算部、１３　外乱補正量算出部、４１　位置制御模擬部、４２　積分演算部、４３　速度制御模擬部、４４　積分演算器、４５　比例定数演算部、５１　ＣＰＵ、５２　メモリ、５３　記憶装置、５４　入力装置、５５　表示装置、７１　サーボモータ、７１ａ　ロータ、７１ｂ　シャフト、７２　モータ位置検出器、８１　テーブル、８２　ボールねじナット、８３　ボールねじ、８４　カップリング、８５　機械端位置検出器、８６　機械端位置検出器ヘッド、９０　被加工物、１００　工作機械、１００－１，１００－２，１００－３　数値制御装置、１０１　工具、２００　位置指令、２０１　機械端位置、２０２　トルク指令、２０３　切削力、２０４　切削力ベクトル情報、２０５　モデル位置、２０６　位置外乱、２０７　機械特性情報、２０８　モデル速度、２０９　モデルトルク、３００　工具軌跡、３１０　切削力ベクトル。

Claims (9)

  1. 　被加工物を加工する工具により前記被加工物の加工を行う機械系を制御する数値制御装置であって、
    　位置指令に基づいて、前記被加工物が設けられる被駆動体の位置が前記位置指令に追従するように前記被駆動体に接続されるモータを駆動するサーボ制御部と、
    　前記工具と前記被加工物と間に生じる切削力を測定又は推定して出力する切削力出力部と、
    　前記被駆動体の位置と前記切削力とに基づき切削力ベクトルを演算する切削力ベクトル演算部と、
    　前記切削力に対する前記機械系の動特性を同定する機械特性同定部と、
    　前記切削力ベクトルと前記機械特性同定部で同定された前記機械系の動特性とに基づき、前記サーボ制御部の制御特性を変更する制御特性変更部と、
    　を備えることを特徴とする数値制御装置。
  2. 　前記機械特性同定部は、切削力から制御系の外乱までの周波数領域におけるゲインと位相により示される前記サーボ制御部の周波数応答特性を同定することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
  3. 　前記制御特性変更部は、前記機械特性同定部で同定された前記周波数応答特性において、前記周波数応答特性のピーク形状が互いに異なる共振点又は反共振点を探索することによって外乱要因を特定して、特定した前記外乱要因に応じて制御系の周波数特性を変更することを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
  4. 　前記制御特性変更部は、前記周波数応答特性の変更の可否を前記切削力ベクトルにより判断することを特徴とする請求項２又は３に記載の数値制御装置。
  5. 　前記制御特性変更部に対して、前記サーボ制御部の制御特性を変更する条件を入力する条件入力部を備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の数値制御装置。
  6. 　被加工物を加工する工具により前記被加工物の加工を行う機械系を制御する数値制御装置であって、
    　位置指令に基づいて、前記被加工物が設けられる被駆動体の位置が前記位置指令に追従するように前記被駆動体に接続されるモータを駆動するサーボ制御部と、
    　前記工具と前記被加工物と間に生じる切削力を測定又は推定して出力する切削力出力部と、
    　前記被駆動体の位置と前記切削力とに基づき切削力ベクトルを演算する切削力ベクトル演算部と、
    　前記切削力に対する前記機械系の動特性を同定する機械特性同定部と、
    　前記切削力により生じる制御系の外乱を補正する補正量を算出する外乱補正量算出部と、
    　を備えることを特徴とする数値制御装置。
  7. 　前記機械特性同定部は、前記切削力から制御系の外乱までの周波数応答特性を同定し、
    　前記外乱補正量算出部は、前記切削力に、前記周波数応答特性を示す伝達関数型フィルタを適用することにより、外乱を補正するための補正量を演算することを特徴とする請求項６に記載の数値制御装置。
  8. 　前記外乱補正量算出部は、前記切削力ベクトルに基づき前記工具の送り方向に直交する方向の補正量を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の数値制御装置。
  9. 　前記制御系の外乱は、前記位置指令、速度指令及びトルク指令の何れか１つに含まれる外乱であることを特徴とする請求項２、３、４、６、７又は８に記載の数値制御装置。
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