【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動切削加工装置において、切削工具を楕円振動させる直動アクチュエータ等を予め設定された出力パターンに基づく操作量でオープン駆動する状態と、切削工具の変位等の状態量に基づく操作量でフィードバック制御する状態とを、切り替え器によって切り替えて制御する安定性の高いフィードバック制御装置および加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータ等のＰＩＤ補償器等を用いたフィードバック制御系において、制御的に不安定になることを避けて高い精度のモータ制御等を維持する方法として、回転位置等に応じてオープン駆動に切り替える切り替え器が用いられている。この切り替え器を用いたフィードバック制御装置は、制御的に不安定になることが想定される状況で、切り替え器によって、予め設定された出力パターンによるオープン駆動に切り替えることで、制御的に不安定になることを回避するものである（特開平９−１４０１７９号公報参照）。
【０００３】
このように必要に応じてオープン駆動に切り替えることで、フィードバック制御系に不安定になりやすい入力が入らないことが保証されるので、フィードバック制御系の感度を高く設定することができ、フィードバック制御時に高い応答性と精度を得ることができる。
【０００４】
従って、フィードバック制御が不安定になることを避けると同時に、高速かつ高精度な駆動を実現できる。
【０００５】
図９は、上記の切り替え器を用いた制御装置の構成を示すブロック図である。フィードバック制御を行う閉ループ制御系は、駆動指令信号生成器１０１により生成された目標駆動指令Ｐ０ と、制御対象１０２となる例えばサーボモータの回転角等の状態量Ｐ１ との偏差ｄを、減算器１０３で求めてＰＩＤ補償器１０４に入力する。ＰＩＤ補償器１０４は、偏差ｄを用いて公知のＰＩＤ制御を行い、操作量ｕ１を出力するものである。
【０００６】
オープン駆動系のパターン発生装置１０５は、所定の駆動波形を記憶し所定のパターンで変化するいわゆるパターン指令Ｐによる操作量ｕ２を出力する。
【０００７】
切り替え器１０６は、閉ループ制御系の出力である操作量ｕ１とオープン駆動系の出力である操作量ｕ２を切り替え制御器１０７の出力信号によって適宜切り替えて、制御対象１０２に出力する。
【０００８】
制御対象１０２は速度コントローラやサーボモータなどを含む駆動系であり、切り替え制御器１０７は、フィードバック制御の時には操作量ｕ１を出力ｕとして選択し、オープン駆動時には操作量ｕ２を出力ｕとして選択する。
【０００９】
上記の切り替え制御の方法としては、タイマーによる方法と制御対象１０２の状態量に基づく方法の二種類が挙げられる。タイマーによる方法は、予めフィードバック制御モードおよびオープン駆動モードを時間毎にどちらを用いるか決定し、設定された時刻において切り替わるものである。偏差ｄが大きくなる等によりＰＩＤ補償器１０４による出力が制御モードを加振する時刻が既知である場合、この時刻にオープン駆動を選択すれば振動を回避できる。そしてオープン駆動時にはフィードバック制御時と比較して高い応答性を得られる。従って、オープン駆動による高い応答性とフィードバック制御による高精度駆動を両立できる。
【００１０】
また、制御対象１０２の状態による切り替え方法は、偏差ｄが大きくなる等によりＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振するときの制御対象１０２の状態量が既知である場合に、制御対象１０２の状態量から振動を予測してパターン発生装置１０５の出力である操作量ｕ２を制御対象１０２に出力することでオープン駆動し、制御対象１０２の状態量Ｐ１ を観測する。そして状態量Ｐ１ の値によりＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振しないことが判明した時点で、操作量ｕ１を制御対象１０２に出力するフィードバック制御に切り替える。こうすることで、ＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振するのを防ぎ、オープン駆動による高い応答性とフィードバック制御による高精度駆動を両立できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の切り替え器を用いてもフィードバック制御装置の感度を高く設定できず、切削工具を切削駆動する直動アクチュエータ等を高精度高速駆動できない場合がある。すなわち、切り替え方法としてタイマーを用いた場合、オープン駆動時の制御対象の状態量Ｐ１ がフィードバック制御時の目標駆動指令Ｐ０ と一致することが保証されていないため、オープン駆動からフィードバック制御への切り替え時に偏差ｄがステップ状になる。フィードバック制御系にステップ状の偏差が入力されると制御対象の出力は振動的になり、切り替え器を用いたフィードバック制御装置であってもフィードバック制御時の高精度駆動を安定して実現できない。
【００１２】
また、制御対象の状態量Ｐ１ による切り替え方法を用いた場合も同様で、制御対象の状態量Ｐ１ の値が所定の時刻で切り替えの条件とする値に到達することが保証されていないため、偏差ｄがステップ状になり、制御対象の出力は振動的になる。従ってこの場合もフィードバック制御時に高精度駆動を安定して実現するのは難しい。
【００１３】
このような制御装置を、例えば高精度な光学金型を切削加工するバイトのアクチュエータに用いると、振動切削駆動部が複雑な機構で構成されかつ要求される加工精度が高いために、前述のように、フィードバック制御時の振動が問題となり、必要以上にフィードバック制御装置の感度を低下させなければならず、その結果、制御系の応答性および精度が充分でないためにアクチュエータの駆動周波数を高められず、バイトの切削速度が低下して加工時間が長くなるという未解決の課題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、オープン駆動からフィードバック制御に切り替える時の偏差を低減し、光学金型等を加工する振動切削方式の加工装置の直動アクチュエータの駆動周波数を高くして切削速度を増大させることができるフィードバック制御装置および加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のフィードバック制御装置は、制御対象の目標駆動量を指令するための駆動指令信号と前記制御対象の状態量との偏差に基づく操作量を前記制御対象に出力する閉ループ制御系と、パターン発生装置のパターン指令信号に基づく操作量を前記制御対象に出力するオープン駆動系と、前記閉ループ制御系と前記オープン駆動系とを選択的に切り替えるための切り替え器と、前記切り替え器によって前記オープン駆動系から前記閉ループ制御系に切り替えるときの前記制御対象の状態量に基づいて、前記偏差を低減するように前記駆動指令信号を変化させ、前記制御対象を前記目標駆動量に滑らかに到達させる駆動指令変更手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
パターン発生装置による一定の駆動波形を用いるオープン駆動系とフィードバック制御を行う閉ループ制御系とを切り替えることで、切削工具を振動させる直動アクチュエータ等の制御対象を安定制御するフィードバック制御装置において、リアルタイムでフィードバック制御の駆動指令信号を変化させることができる可変型駆動指令信号生成器を用いる。
【００１７】
この可変型駆動指令信号生成器は、フィードバック制御時の駆動指令信号を、切り替え時の制御対象の状態量（変位信号）により決定することで、切り替え点での偏差を低減し、かつ目標駆動指令まで滑らかに変化する駆動指令信号を生成する。
【００１８】
駆動指令信号を生成する際の変数として例えば制御対象の位置、速度、加速度を選定した場合、フィードバック制御系の駆動指令値を五次関数で計算することで、切り替え点における位置、速度、加速度を連続的かつ滑らかに目標値に到達させる駆動指令信号を生成できる。
【００１９】
このようにして切り替え点における振動を低減し、オープン駆動からフィードバック制御に滑らかに移行させることで、フィードバック制御の応答性および感度を向上させることが可能になる。
【００２０】
このフィードバック制御装置を振動切削方式の切削工具の直動アクチュエータに用いれば、直動アクチュエータの駆動周波数を上げることが可能となり、切削速度を大幅に増大させて加工時間を短縮できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は一実施の形態による加工装置を示すもので、被加工物であるワークＷはＺ軸回りに回転するθテーブル１に搭載され、θテーブル１はＸ方向に移動自在なＸスライダ２に搭載され、Ｘスライダ２はＹ方向に移動自在なＹスライダ３に搭載される。θテーブル１、Ｘスライダ２、Ｙスライダ３を移動させることで、ワークＷはＺ軸回りの回転とＸ方向およびＹ方向の２次元移動が可能である。
【００２３】
また、切削工具であるバイト１１の運動機構である切削駆動ユニット２０は、Ｙ軸回りに回転可能なωＹ軸４に、カウンタウエイトを有する固定部材４ａを介して搭載される。ωＹ軸４は、Ｚ方向に移動自在なＺスライダ５に搭載されている。切削駆動ユニット２０は、ωＹ軸４の回転により、ωＹ軸４の回転中心を中心として回転移動を行い、ワークＷに対するＹ軸回りの角度が設定され、また、Ｚスライダ５によりＺ方向に移動される。
【００２４】
θテーブル１、Ｘ、Ｙスライダ２、３、ωＹ軸４およびＺスライダ５は、前記方向にのみ移動可能となるように、それぞれ図示していない軸受により支持され、切削駆動ユニット２０によって振動するバイト１１とワークＷとの相対位置を変更したり、送りを行うための相対移動機構を構成しており、ワークＷの任意の加工点にバイト１１を接触させて切削加工を行うことができる。
【００２５】
図２は、バイト１１を切削駆動するための切削駆動ユニット２０の構成を説明するものである。バイト１１の駆動手段は、電歪素子または磁歪素子によって構成される直動アクチュエータであるアクチュエータ２１ａ、２１ｂと冷却部２２ａ、２２ｂからなっており、アクチュエータ２１ａはＺ方向に伸縮し、アクチュエータ２１ｂはＸ方向に伸縮する方向に配置されている。また、各アクチュエータ２１ａ、２１ｂの発熱による熱変位の影響を極力減らし、短時間で熱的安定を図るために冷却部２２ａ、２２ｂにより冷却している。
【００２６】
切削工具であるバイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトを用い、バイト１１はバイトホルダ１２に固定され、バイトホルダ１２は可動部２３に結合されている。可動部２３には、アクチュエータ２１ａ、２１ｂが弾性ヒンジ２４ａ、２４ｂを介して接続されている。一方の弾性ヒンジ２４ａはヒンジ部分が１段であり、他方の弾性ヒンジ２４ｂは２段のヒンジである。また、可動部２３は板バネ２５ａ、２５ｂでメインフレーム２６に固定されている。
【００２７】
図３に示すように、板バネ２５ａは十字の形状をしておりＸ、Ｙ方向に剛であり、かつ、Ｚ方向に柔らかい板バネであり、また、そのＺ方向の取り付け位置は弾性ヒンジ２４ａのほぼ中央に配置されている。板バネ２５ｂはＹ方向に剛で、Ｘ、Ｚ方向に柔らかい板バネである。
【００２８】
このアクチュエータと板バネ、弾性ヒンジの構成により、可動部２３は、アクチュエータ２１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、同時に、アクチュエータ２１ｂの伸縮により板バネ２５ａの十字形状の中央を回転中心とした円弧運動を行う。そして、可動部２３と一体であるバイト１１は、例えば図４に示すような楕円軌道Ｔ１ 、Ｔ２ に沿って回動し、いわゆる擬似回転（楕円振動）による切削運動を行う。また、前記板バネの形状と配置により、バイト先端の移動方向以外の他成分方向の剛性を強化し、かつ、Ｘ方向のストロークを大きくすることが可能である。
【００２９】
図５はバイト１１の各アクチュエータ２１ａ、２１ｂの駆動を制御するフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。ディジタル制御器３０は、図６に示す可変型駆動指令信号生成器３１の駆動指令信号Ｐｅ と、バイト１１と一体的に移動する位置センサ２８による状態量であるバイトの変位信号Ｐ１ から各アクチュエータ２１（２１ａ、２１ｂ）への出力Ｉｒｅｆを生成して、電流アンプ等に代表されるアクチュエータ駆動装置２９に入力し、バイトホルダ１２を介してバイト１１を切削駆動するアクチュエータ２１を制御する。
【００３０】
図６はディジタル制御器３０の構成を示すブロック図である。可変型駆動指令信号生成器３１は、切り替え時にバイト１１の変位信号Ｐ１ からバイト１１の位置、速度および加速度等を算出し、これを用いて駆動指令信号Ｐｅ を生成する駆動指令変更手段を有する。駆動指令信号Ｐｅ は切り替え時のバイト１１の変位、速度および加速度を連続的かつ滑らかに変化させてフィードバック制御時の目標駆動量を指令する目標駆動指令Ｐ０ （図７参照）に到達する。
【００３１】
閉ループ制御系の減算器３２は駆動指令信号Ｐｅ と位置センサ２８により検出されるバイト１１の変位信号Ｐ１ の偏差ｄを求める働きをし、ＰＩＤ補償器３３は偏差ｄより操作量Ｉｒｅｆ１を計算し、操作量Ｉｒｅｆ１は、フィードバック制御時にアクチュエータ駆動装置２９の駆動制御のための出力Ｉｒｅｆとして選択される。
【００３２】
オープン駆動系のパターン発生装置３４は予め設定されたパターン指令信号Ｐによる操作量Ｉｒｅｆ２を切り替え器３５に導入し、出力Ｉｒｅｆ２はオープン駆動時に切り替え器３５によって選択され、アクチュエータ駆動装置２９への出力Ｉｒｅｆとして用いられる。
【００３３】
すなわち、切り替え器３５は駆動制御のための出力Ｉｒｅｆとして制御モードに応じて操作量Ｉｒｅｆ１または操作量Ｉｒｅｆ２を選択する。変更基準としてはバイトの変位信号Ｐ１ を用いる。
【００３４】
図７はアクチュエータ２１の駆動波形を表わしたものである。アクチュエータ駆動装置２９の駆動制御には時刻零から時刻Ｔ１までパターン発生装置３４からのパターン指令信号Ｐが用いられる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２では可変型駆動指令信号生成器３１の駆動指令信号Ｐｅ によるフィードバック制御が行われ、時刻Ｔ２では駆動指令信号Ｐｅ ＝Ｐ０ （目標駆動指令）となる。時刻Ｔ２以降は、目標駆動指令Ｐ０ によるフィードバック制御が行われる領域であり、バイト１１がワークＷにカッターマークを残すので位置精度が求められる。
【００３５】
すなわち、時刻零からバイトの変位信号Ｐ１ が切り替え点Ａに達する時刻Ｔ１まで切り替え器３５はオープン駆動系の操作量Ｉｒｅｆ２を選択しており、アクチュエータ２１の駆動量は一点鎖線のグラフで示すように変化するパターン指令信号Ｐにおおよそ追従している。バイト１１の位置を表わす変位信号Ｐ１ が切り替え点Ａに達する時刻Ｔ１から、切り替え器３５は閉ループ制御系の操作量Ｉｒｅｆ１を選択しフィードバック制御が始まる。
【００３６】
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの駆動指令信号Ｐｅ について説明する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、つまり切り替え点Ａから目標駆動指令Ｐ０ までは滑らかに駆動量を変化させる必要がある。従って時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の駆動指令信号Ｐｅ は、切り替え点Ａにおける偏差ｄを零にし、時刻Ｔ２において目標駆動指令Ｐ０ と連続になるように、切り替え点Ａでのバイト１１の変位信号Ｐ１ による位置、速度、加速度および時刻Ｔ２における目標駆動指令Ｐ０ による目標位置、目標速度、目標加速度を用いて可変型駆動指令信号生成器３１において算出される。例えば駆駆動指令信号Ｐｅ を時間の五次関数で定義し前記切り替え点Ａでのバイト１１の変位信号Ｐ１ による位置、速度、加速度および時刻Ｔ２における目標位置、目標速度、目標加速度から時間の五次関数の係数を求め、駆動指令信号Ｐｅ の時間波形を決定する。
【００３７】
時刻Ｔ２以降はバイト１１の変位が目標値に追従する必要があるので、可変型駆動指令信号生成器３１は駆動指令信号Ｐｅ ＝Ｐ０ を出力する。
【００３８】
図８は、Ｚ方向のアクチュエータ２１ａの駆動波形を示すもので、横軸は時間、縦軸は駆動指令である。駆動指令は、パターン指令信号Ｐによるオープン駆動の波形Ｃ１と、切り替え点Ａから目標駆動量（目標駆動指令Ｐ０ ）に滑らかに移行する駆動指令信号Ｐｅ による波形Ｃ２と、目標駆動指令Ｐ０ ＝Ｐｅ で位置精度を必要とするフィードバック制御の波形Ｃ３を繰り返す。
【００３９】
通常このようなＰＩＤ制御を行うと制御系の共振が不安定要因になるので、閉ループ制御系のＰＩＤ補償器は制御系の共振周波数より高い周波数成分の信号を取り除くような特性に設計される。その結果、ＰＩＤ制御で駆動されるバイトの応答性は制約を受ける。通常用いられる従来例のような切り替え器を用いたＰＩＤ制御装置を用いても、切削工具を駆動する周波数が数百Ｈｚと高速なため、切り替え時に発生する偏差ｄがステップ状の大きな値を持ってしまう。そのため切り替え後にＰＩＤ補償器が不安定になり切削工具先端の駆動軌跡が振動的になってしまう。
【００４０】
そこで前述のように切り替え点の偏差に着眼し、駆動指令信号生成器を可変型駆動指令信号生成器に置き換えて、切り替え点から状態量を目標値まで滑らかに変化させる駆動指令信号Ｐｅ を用いる。すなわち、駆動指令信号Ｐｅ は切り替え時のバイト１１の変位信号Ｐ１ による状態量を用いて可変型駆動指令信号生成器３１において算出されるもので、切り替え時の偏差ｄを零とし、かつ、切り替え後のＰｅ ＝Ｐ０ までの変化も滑らかに設定される。
【００４１】
このように、切り替え点で偏差ｄが零になることからＰＩＤ制御の感度を高く設定でき、バイト１１を高速高精度駆動できる。また、切り替え点から目標値まで滑らかに駆動できるので、図８の波形Ｃ３の領域でバイト１１は振動の無いカッターマークを残す。
【００４２】
なお、切り替え点における偏差ｄは零に限らず任意に設定可能で、偏差ｄによってＰＩＤ制御時の振動が変化する。
【００４３】
また、図８の波形Ｃ１の領域は図７の時刻零から時刻Ｔ１、波形Ｃ２の領域は図７の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２、波形Ｃ３の領域は図７の時刻Ｔ２以降に相当する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４５】
切り替え器を用いたフィードバック制御装置の駆動指令信号生成器を可変型とし、切り替え点の偏差を低減することでフィードバック制御器の感度を高く設定できる。その結果、フィードバック制御を用いるバイトのアクチュエータを高精度に制御することが可能となり、アクチュエータの駆動周波数を上昇させることでバイトの切削速度を増大させて、加工効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による加工装置を示す模式斜視図である。
【図２】図１の切削駆動ユニットを説明する図である。
【図３】図２の板バネを説明する図である。
【図４】バイトの擬似回転を説明する図である。
【図５】アクチュエータの制御系を説明するブロック図である。
【図６】ディジタル制御器を説明する図である。
【図７】アクチュエータの駆動波形を説明する図である。
【図８】Ｚ方向のアクチュエータの変位を示すグラフである。
【図９】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１ θテーブル
２ Ｘスライダ
３ Ｙスライダ
４ ωＹ軸
５ Ｚスライダ
１１ バイト
２０ 切削駆動ユニット
２１、２１ａ、２１ｂ アクチュエータ
２３ 可動部
２６ メインフレーム
２８ 位置センサ
２９ アクチュエータ駆動装置
３０ ディジタル制御器
３１ 可変型駆動指令信号生成器
３２ 減算器
３３ ＰＩＤ補償器
３４ パターン発生装置
３５ 切り替え器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a state in which a linear actuator or the like that elliptically vibrates a cutting tool is opened with an operation amount based on a preset output pattern and an operation amount based on a state amount such as a displacement of the cutting tool in a vibration cutting apparatus. This relates to a highly stable feedback control apparatus and processing apparatus that switch and control the state of feedback control with a switch.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a feedback control system using a PID compensator such as a servo motor, as a method of maintaining high-precision motor control etc. avoiding control instability, open drive according to the rotational position etc. A switcher to switch is used. The feedback control device using this switching device becomes unstable in control by switching to open driving with a preset output pattern by the switching device in a situation where control is unstable. (See Japanese Patent Laid-Open No. 9-14179).
[0003]
By switching to open drive as necessary in this way, it is guaranteed that inputs that tend to be unstable will not enter the feedback control system, so the sensitivity of the feedback control system can be set high, and during feedback control High responsiveness and accuracy can be obtained.
[0004]
Therefore, it is possible to prevent the feedback control from becoming unstable and at the same time to realize high-speed and high-precision driving.
[0005]
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a control device using the switch. The closed loop control system that performs feedback control subtracts a deviation d between the target drive command P 0 generated by the drive command signal generator 101 and the state quantity P 1 such as the rotation angle of the servo motor to be controlled 102. Obtained by the device 103 and input to the PID compensator 104. The PID compensator 104 performs known PID control using the deviation d and outputs an operation amount u1.
[0006]
The pattern generator 105 of the open drive system stores a predetermined drive waveform and outputs an operation amount u2 based on a so-called pattern command P that changes in a predetermined pattern.
[0007]
The switch 106 appropriately switches the operation amount u1 that is the output of the closed loop control system and the operation amount u2 that is the output of the open drive system according to the output signal of the switching controller 107, and outputs it to the controlled object 102.
[0008]
The control target 102 is a drive system including a speed controller, a servo motor, and the like. The switching controller 107 selects the operation amount u1 as an output u during feedback control, and selects the operation amount u2 as an output u during open drive.
[0009]
As the switching control method, there are two types: a method using a timer and a method based on the state quantity of the control target 102. In the timer method, the feedback control mode and the open drive mode are determined in advance for each time and switched at a set time. If the time at which the output from the PID compensator 104 vibrates the control mode is known because the deviation d becomes large, vibration can be avoided by selecting the open drive at this time. In the open drive, high responsiveness can be obtained compared with the feedback control. Therefore, it is possible to achieve both high responsiveness by open drive and high precision drive by feedback control.
[0010]
Further, the switching method according to the state of the control target 102 is a case where the state quantity of the control target 102 when the operation amount u1 which is the output of the PID compensator 104 vibrates the control mode is known because the deviation d becomes large. the opens driven by outputting the predicted vibration from the state variable of the controlled object 102 a manipulated variable u2 is the output of the pattern generator 105 to the control target 102, to observe the state quantity P 1 of the control target 102. When it is determined from the value of the state quantity P 1 that the operation amount u 1 that is the output of the PID compensator 104 does not vibrate the control mode, the control is switched to feedback control in which the operation quantity u 1 is output to the control object 102. By doing so, it is possible to prevent the operation amount u1 that is the output of the PID compensator 104 from exciting the control mode, and to achieve both high responsiveness by open drive and high-precision drive by feedback control.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the above switch is used, the sensitivity of the feedback control device cannot be set high, and there may be a case where a linear actuator or the like that drives the cutting tool cannot be driven with high precision and high speed. That is, when a timer as a switching method, since the state quantity P 1 of the control target at the time of the open drive coincides with the target drive command P 0 at the time of the feedback control is not assured, from the open drive to the feedback control The deviation d is stepped at the time of switching. When a step-like deviation is input to the feedback control system, the output of the controlled object becomes oscillating, and even a feedback control device using a switch cannot stably realize high-precision driving during feedback control.
[0012]
Moreover, since according to the state quantity P 1 of the control target the same when using a switching method, the value of the state quantity P 1 of the control target is not guaranteed to reach the value of the condition of switching at a given time The deviation d becomes stepped, and the output of the controlled object becomes oscillating. Therefore, in this case as well, it is difficult to stably realize high-precision driving during feedback control.
[0013]
When such a control device is used for, for example, an actuator of a cutting tool for cutting a high-precision optical mold, the vibration cutting drive unit is configured with a complicated mechanism and the required machining accuracy is high. In addition, vibration during feedback control becomes a problem, and the sensitivity of the feedback control device must be reduced more than necessary. As a result, the response frequency and accuracy of the control system are not sufficient, and the drive frequency of the actuator cannot be increased. There is an unsolved problem that the cutting speed of the cutting tool decreases and the processing time becomes longer.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and reduces the deviation when switching from open drive to feedback control, and processing apparatus of a vibration cutting method that processes optical molds and the like It is an object of the present invention to provide a feedback control device and a machining device that can increase the cutting speed by increasing the drive frequency of the linear actuator.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the feedback control device of the present invention outputs an operation amount based on a deviation between a drive command signal for commanding a target drive amount to be controlled and a state amount of the control target to the control target. A closed loop control system, an open drive system that outputs an operation amount based on a pattern command signal of a pattern generator to the control object, a switch for selectively switching between the closed loop control system and the open drive system, and Based on the state quantity of the control target when switching from the open drive system to the closed loop control system by a switch, the drive command signal is changed so as to reduce the deviation, and the control target is set to the target drive quantity. Drive command changing means for smoothly reaching.
[0016]
[Action]
In a feedback control device that stably controls a controlled object such as a linear actuator that vibrates a cutting tool by switching between an open drive system that uses a constant drive waveform by a pattern generator and a closed loop control system that performs feedback control, in real time A variable drive command signal generator capable of changing a drive command signal for feedback control is used.
[0017]
This variable drive command signal generator reduces the deviation at the switching point by determining the drive command signal at the time of feedback control based on the state quantity (displacement signal) of the control target at the time of switching, and the target drive command A drive command signal that changes smoothly until is generated.
[0018]
For example, if the position, speed, and acceleration of the control target are selected as variables when generating the drive command signal, the position, speed, and acceleration at the switching point can be calculated by calculating the drive command value of the feedback control system with a quintic function. A drive command signal for continuously and smoothly reaching the target value can be generated.
[0019]
In this way, it is possible to improve the responsiveness and sensitivity of the feedback control by reducing the vibration at the switching point and smoothly shifting from the open drive to the feedback control.
[0020]
If this feedback control device is used for a direct acting actuator of a vibration cutting type cutting tool, the drive frequency of the direct acting actuator can be increased, and the cutting speed can be greatly increased to shorten the machining time.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 shows a machining apparatus according to an embodiment. A workpiece W, which is a workpiece, is mounted on a θ table 1 that rotates about the Z axis, and the θ table 1 is mounted on an X slider 2 that is movable in the X direction. The X slider 2 is mounted on a Y slider 3 that is movable in the Y direction. By moving the θ table 1, the X slider 2, and the Y slider 3, the workpiece W can rotate around the Z axis and move two-dimensionally in the X and Y directions.
[0023]
Further, a cutting drive unit 20 that is a motion mechanism of the cutting tool 11 that is a cutting tool is mounted on a ωY axis 4 that can rotate around the Y axis via a fixing member 4 a having a counterweight. The ωY axis 4 is mounted on a Z slider 5 that is movable in the Z direction. The cutting drive unit 20 is rotated about the rotation center of the ωY axis 4 by the rotation of the ωY axis 4, an angle around the Y axis with respect to the workpiece W is set, and the cutting drive unit 20 is moved in the Z direction by the Z slider 5. The
[0024]
The θ table 1, X, Y sliders 2, 3, ωY shaft 4 and Z slider 5 are supported by bearings (not shown) so as to be movable only in the above-mentioned directions, and the cutting tool vibrates by the cutting drive unit 20. A relative movement mechanism for changing the relative position between the workpiece 11 and the workpiece W or feeding the workpiece 11 is configured, and cutting can be performed by bringing the cutting tool 11 into contact with an arbitrary machining point of the workpiece W.
[0025]
FIG. 2 illustrates a configuration of the cutting drive unit 20 for cutting and driving the cutting tool 11. The driving means of the cutting tool 11 includes actuators 21a and 21b which are linear motion actuators constituted by electrostrictive elements or magnetostrictive elements and cooling units 22a and 22b. The actuator 21a expands and contracts in the Z direction, and the actuator 21b It is arranged in a direction that expands and contracts in the direction. In addition, cooling is performed by the cooling units 22a and 22b in order to reduce the influence of thermal displacement caused by the heat generated by the actuators 21a and 21b as much as possible and to achieve thermal stability in a short time.
[0026]
The cutting tool 11, which is a cutting tool, uses an ultra-precise diamond cutting tool in which a diamond tip 11 b is fixed to the tip of the shank 11 a, the cutting tool 11 is fixed to the cutting tool holder 12, and the cutting tool holder 12 is coupled to the movable part 23. Actuators 21a and 21b are connected to the movable portion 23 via elastic hinges 24a and 24b. One elastic hinge 24a has a one-stage hinge portion, and the other elastic hinge 24b has a two-stage hinge. The movable portion 23 is fixed to the main frame 26 by leaf springs 25a and 25b.
[0027]
As shown in FIG. 3, the leaf spring 25a has a cross shape, is rigid in the X and Y directions, and is a soft leaf spring in the Z direction, and its attachment position in the Z direction is an elastic hinge 24a. Is located at the center of the center. The leaf spring 25b is a leaf spring that is rigid in the Y direction and soft in the X and Z directions.
[0028]
Due to the configuration of this actuator, leaf spring, and elastic hinge, the movable portion 23 moves in the Z direction by the expansion and contraction of the actuator 21a, and at the same time, the circular motion about the center of the cross shape of the leaf spring 25a by the expansion and contraction of the actuator 21b. I do. The cutting tool 11 integrated with the movable portion 23 rotates along elliptical trajectories T 1 and T 2 as shown in FIG. 4, for example, and performs a cutting motion by so-called pseudo rotation (elliptical vibration). In addition, the shape and arrangement of the leaf springs can enhance the rigidity in the direction of other components other than the moving direction of the cutting tool tip, and can increase the stroke in the X direction.
[0029]
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a feedback control device that controls driving of the actuators 21a and 21b of the cutting tool 11. As shown in FIG. Digital controller 30, each of the variable drive command and the drive command signal P e of the signal generator 31, byte 11 and byte displacement signal P 1 is the state amount by a position sensor 28 that moves integrally shown in FIG. 6 An output Iref to the actuator 21 (21a, 21b) is generated and input to an actuator driving device 29 typified by a current amplifier and the like, and the actuator 21 that drives the cutting tool 11 through the cutting tool holder 12 is controlled.
[0030]
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the digital controller 30. Variable drive command signal generator 31, the position of the displacement signal P 1 from byte 11 byte 11 when switching, to calculate the velocity and acceleration, etc., the drive command change means for generating a drive command signal P e by using the Have. Drive command signal P e reaches the displacement byte 11 when switching, the target drive command P 0 of the velocity and acceleration continuously and smoothly changed to instruct the target driving amount when the feedback control (see Figure 7).
[0031]
Subtractor 32 of the closed loop control system acts to determine the deviation d of the displacement signal P 1 byte 11 detected by the position sensor 28 and the drive instruction signal P e, PID compensator 33 calculates the operation amount Iref1 than deviation d The operation amount Iref1 is selected as an output Iref for driving control of the actuator driving device 29 during feedback control.
[0032]
The pattern generator 34 of the open drive system introduces an operation amount Iref2 based on a preset pattern command signal P to the switch 35, and the output Iref2 is selected by the switch 35 at the time of open drive, and the output Iref to the actuator drive device 29. Used as
[0033]
That is, the switch 35 selects the operation amount Iref1 or the operation amount Iref2 as the output Iref for drive control according to the control mode. The change reference uses a displacement signal P 1 byte.
[0034]
FIG. 7 shows a drive waveform of the actuator 21. For the drive control of the actuator driving device 29, the pattern command signal P from the pattern generating device 34 is used from time zero to time T1. Feedback control by the drive command signal P e of the variable drive command signal generator 31 at time T2 from time T1 is performed, to become the driving command signal at time T2 P e = P 0 (target drive command). After the time T2 is a region where the feedback control by the target drive command P 0 is performed, byte 11 is the positional accuracy since leaving cutter mark the workpiece W is determined.
[0035]
That is, switch 35 until the time T1 in which the displacement signal P 1 byte from time zero reaches the switching point A has selected the operation amount Iref2 open drive system, so that the driving amount of the actuator 21 is shown in the graph of dashed line Approximately follows the pattern command signal P that changes to. From the time T1 to the displacement signal P 1 representative of the position of the byte 11 reaches the switching point A, the switching device 35 starts the selected feedback control of the operation amount Iref1 closed-loop control system.
[0036]
It will be described drive command signal P e from the time T1 to time T2. From time T1 to time T2, that is, from the switching point A to the target drive command P 0 it is necessary to change smoothly driving amount. Therefore drive command signal P e at time T2 from the time T1, the deviation d at the switching point A to zero, so that the continuous target drive command P 0 at time T2, the displacement signal P byte 11 at the switching point A 1 is calculated by the variable drive command signal generator 31 using the position, speed, acceleration by 1 and the target position, target speed, and target acceleration by the target drive command P 0 at time T2. For example driving a drive command signal P e defined quintic function of time position due to the displacement signal P 1 byte 11 at the switching point A, the speed, the target position in the acceleration and the time T2, the target speed, the target acceleration time determine the coefficients of the quintic function, it determines the time waveform of the drive command signal P e.
[0037]
After time T2, since the displacement of the byte 11 needs to follow the target value, the variable drive command signal generator 31 outputs the drive command signal P e = P 0 .
[0038]
FIG. 8 shows a drive waveform of the actuator 21a in the Z direction, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents a drive command. Drive command includes a waveform C1 of the open drive by pattern command signal P, a waveform C2 by the drive command signal P e for a smooth transition from the switching point A to the target driving amount (target driving command P 0), the target drive command P 0 The waveform C3 of feedback control that requires positional accuracy is repeated at = P e .
[0039]
Normally, when such PID control is performed, the resonance of the control system becomes an unstable factor. Therefore, the PID compensator of the closed loop control system is designed so as to remove a signal having a frequency component higher than the resonance frequency of the control system. As a result, the responsiveness of bytes driven by PID control is limited. Even if a PID control device using a switching device such as a conventional example that is normally used is used, the deviation d generated at the time of switching has a large step-like value because the cutting tool is driven at a high frequency of several hundred Hz. End up. For this reason, the PID compensator becomes unstable after switching, and the drive locus of the cutting tool tip becomes oscillating.
[0040]
Therefore focuses the deviation of the switching point as described above, a drive command signal generator and replaced with a variable drive command signal generator, using a drive command signal P e changing smoothly from the switching point state quantity to the target value . That is, the drive command signal P e is intended to be calculated in variable drive command signal generator 31 using the state quantity by the displacement signal P 1 byte 11 when switching, and zero deviation d at the time of switching, and, The change up to P e = P 0 after switching is also set smoothly.
[0041]
Thus, since the deviation d becomes zero at the switching point, the sensitivity of the PID control can be set high, and the cutting tool 11 can be driven at high speed and high accuracy. Further, since it can be smoothly driven from the switching point to the target value, the cutting tool 11 leaves a cutter mark without vibration in the region of the waveform C3 in FIG.
[0042]
The deviation d at the switching point is not limited to zero and can be arbitrarily set, and the vibration during PID control changes depending on the deviation d.
[0043]
The region of the waveform C1 in FIG. 8 corresponds to the time zero to time T1 in FIG. 7, the region of the waveform C2 corresponds to the time T1 to time T2 in FIG. 7, and the region of the waveform C3 corresponds to the time after the time T2 in FIG.
[0044]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
[0045]
The sensitivity of the feedback controller can be set high by making the drive command signal generator of the feedback controller using the switch variable, and reducing the deviation of the switching point. As a result, it is possible to control the actuator of the tool using feedback control with high accuracy, and by increasing the drive frequency of the actuator, the cutting speed of the tool can be increased and the machining efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a processing apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining the cutting drive unit of FIG. 1;
FIG. 3 is a view for explaining a leaf spring of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating a pseudo rotation of a byte.
FIG. 5 is a block diagram illustrating an actuator control system.
FIG. 6 is a diagram illustrating a digital controller.
FIG. 7 is a diagram illustrating a drive waveform of an actuator.
FIG. 8 is a graph showing the displacement of the actuator in the Z direction.
FIG. 9 is a diagram illustrating a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 θ table 2 X slider 3 Y slider 4 ω Y axis 5 Z slider 11 Byte 20 Cutting drive unit 21, 21 a, 21 b Actuator 23 Movable portion 26 Main frame 28 Position sensor 29 Actuator drive device 30 Digital controller 31 Variable drive command signal Generator 32 Subtractor 33 PID compensator 34 Pattern generator 35 Switcher
