JP2021022272A - 数値制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、工作機械10は、ベッド部2、コラム5、主軸ヘッド7、主軸9、テーブル装置40、操作盤16(図2参照)等を備える。工作機械10は、テーブル装置40のテーブル50がX軸、Y軸の二軸方向に移動する。ベッド部2は、工作機械10の土台である。コラム5は、ベッド部2上面後部に固定する。主軸ヘッド7は、コラム5前面に沿ってZ軸方向に移動する。コラム5は前面にZ軸移動機構(図示略)を備える。Z軸移動機構は、Z軸モータ11(図2参照)を駆動源とする。Z軸移動機構は、後述するY軸移動機構と同様の構造である。主軸9は主軸ヘッド7内部をZ軸方向に延び、回転可能に設ける。主軸9の下端部に設けた工具装着穴(図示略)は、主軸9下部に設ける。工具4は工具装着穴に装着する。
図2に示すように、数値制御装置20は、CPU21、ROM22、RAM23、記憶装置24、入出力部25、駆動回路26〜29等を備える。CPU21は、数値制御装置20を統括制御する。ROM22は、CPU21が後述の主処理を実行する為のプログラム、設定値を記憶する。RAM23は、各種処理実行中の各種データを記憶する。記憶装置24は不揮発性メモリであり、NCプログラムの他、各種データを記憶する。入出力部25は、操作盤16に接続する。駆動回路26〜29はサーボアンプである。Z軸モータ11はエンコーダ11Aを備える。主軸モータ12はエンコーダ12Aを備える。X軸モータ13はエンコーダ13Aを備える。Y軸モータ14はエンコーダ14Aを備える。駆動回路26はZ軸モータ11とエンコーダ11Aに接続する。駆動回路27は主軸モータ12とエンコーダ12Aに接続する。駆動回路28はX軸モータ13とエンコーダ13Aに接続する。駆動回路29はY軸モータ14とエンコーダ14Aに接続する。
被削材Wに対して工具4をX軸方向又はY軸方向に相対移動させて加工するNCプログラムの指令(以下、「送り軸指令」と称す。)に基づき、工作機械10が駆動する場合を例示する。以下、被削材Wに対して工具4をY軸方向に相対移動させて加工する場合を例示して説明する。被削材Wに対して工具4をX軸方向に相対移動させて加工する場合については、工具4をY軸方向に相対移動させて加工する場合と同様であるので、説明は省略する。
CPU21は、送り軸制御の実行時にY軸モータ14に生じるトルクの最大値(以下、「最大トルク」と称す)を制限する為、トルク抑制時定数t1を有する第一フィルタFIR1を速度波形に適用する。尚、送り軸制御の実行時におけるY軸モータ14の最大トルクは、負荷質量M1に応じて変化する。負荷質量M1は、テーブル50自体の質量、送り機構の等価質量、及び積載質量Mの総和に対応する。ここで送り機構の等価質量とは、テーブル50の送り機構を構成するY軸モータ14、継手43、ボールねじ44、ナット46のイナーシャの合計を質量に換算したものである。積載質量Mとは、テーブル50に設けた治具の質量、及び、治具が保持する被削材Wの質量の合計である。テーブル50の質量及び送り機構の等価質量は定数である。故に負荷質量M1は積載質量Mが変化するときに変化する。よって、最大トルクを抑制する為のトルク抑制時定数t1も、積載質量Mに応じて変化する。CPU21は、積載質量Mに応じた適切なトルク抑制時定数t1及び第一フィルタFIR1を決定して速度波形に適用することにより、積載質量Mに応じてY軸モータ14の最大トルクが変化した時も、最大トルクを制限しつつ送り軸制御を実行できる。
Tmax = M1×a (1)
t1 = Vmax/a = Vmax/(Tmax/M1) (2)
CPU21は、送り軸制御の実行時において工作機械10に発生する振動を制限する為、可変制振時定数t2を有する第二フィルタFIR2、及び、固定制振時定数t3を有する第三フィルタFIR3を、夫々速度波形に適用する。尚、送り軸制御の実行により工作機械10に発生する振動は、移動物質量M2に応じて固有周波数が変化する振動(以下、「可変振動」という。)と、移動物質量M2に応じて固有周波数が変化しない振動(以下、「固定振動」という。)がある。移動物質量M2は、テーブル50の質量と積載質量Mの和である。この時テーブル50の質量は定数であるので、移動物質量M2は積載質量Mに応じて変化する。すなわち、可変振動は積載質量Mに応じて変化する。固定周波数とは、テーブル50が移動した時に工作機械10が最も振動し易い周波数であり、工作機械10の構成等に応じて定まる固有の周波数を意味する。固有周波数の逆数を時定数として有する移動平均フィルタを速度波形に適用することで、送り軸制御の実行時における工作機械10の振動を制限できる。以下、可変振動の固有周波数を、可変制振周波数Fvarと称し、固定振動の固有周波数を、固定制振周波数Ffixと称す。
2π×Fvar = √(k/M2) (3)
移動物質量M2が積載質量Mによって変化するので、Fvarは積載質量Mによって変化する。尚、kはテーブル50のY軸方向の剛性であり、設計値もしくは、式(3)に実測値を代入することで求められる係数である。図4は、積載質量Mと可変制振周波数Fvarとの関係を、式(3)に基づきグラフ化したものである。このように、積載質量Mと可変制振周波数Fvarとは、非線形の関係を有する。
t2=1/Fvar = 2π×√(M2/k) (4)
CPU21は、積載質量Mに応じた適切な可変制振時定数t2に基づき第二フィルタFIR2を決定し、速度波形に適用する。これにより、CPU21は、可変振動を抑制しつつ送り軸制御を実行できる。
t3=1/Ffix (5)
CPU21は、積載質量Mに依らず一定である固定制振時定数t3に基づき第三フィルタFIR3を決定して速度波形に適用する。これにより、CPU21は、固定振動を抑制しつつ送り軸制御を実行できる。
図5を参照し、主処理について説明する。CPU21は、ROM22に記憶したプログラムを読み出して実行することにより、主処理を開始する。CPU21は、主処理の実行時、ROM22に記憶した設定値を参照する。該設定値は、X軸に対応する定格トルクTmax、最大速度Vmax、係数k、固定制振周波数Ffixと、Y軸に対応する定格トルクTmax、最大速度Vmax、係数k、固定制振周波数Ffixと、最大積載質量Mmaxである。最大積載質量Mmaxは、工作機械10において許容する最大の積載質量Mである。
M1 = T/a (6)
CPU21は更に、加速度a(x)及びトルクT(x)に基づき推定した負荷質量M1である負荷質量M1(x)に対応する積載質量M(x)と、加速度a(y)及びトルクT(y)に基づき推定した負荷質量M1である負荷質量M1(y)に対応する積載質量M(y)との平均値を、積載質量Mとして推定する(S23)。なお、「積載質量M=負荷質量M1−送り機構の等価質量−テーブル50の質量」である。本推定処理はX軸及びY軸が同時に早送り動作を行わない場合も実行可能である。X軸のみが早送り動作を行う場合、推定可能な負荷質量M1(x)に対応する積載質量M(x)を積載質量Mとして推定する。Y軸のみが早送り動作を行う場合、推定可能な負荷質量M2(y)に対応する積載質量M(y)を積載質量Mとして推定する。
数値制御装置20は、積載質量M、最大速度Vmax、及び定格トルクTmaxに応じたトルク抑制時定数t1を決定し(S25)、トルク抑制時定数t1を有する第一フィルタFIR1を用いて加減速処理を実行する(S33)。故に、数値制御装置20は、積載質量Mの変化によってX軸モータ13及びY軸モータ14の加速度に応じたトルクが変化しても、X軸モータ13及びY軸モータ14の最大トルクが定格トルクTmaxを超えないように加減速処理を適切に実行できる。更に数値制御装置20は、工作機械10の可変振動を抑制するための可変制振時定数t2を決定し(S27)、可変制振時定数t2を有する第二フィルタFIR2を用いて加減速処理を実行する(S33)。故に、数値制御装置20は、積載質量Mに応じて可変振動の周波数が変化する場合でも、工作機械10の可変振動を適切に抑制できる。
図6を参照し、変形例における主処理について説明する。図5と異なる点は、使用者が入力部17(図2参照)を介して入力した積載質量Mに基づいてトルク抑制時定数t1(x)、t1(y)、可変制振時定数t2(x)、t2(y)、固定制振時定数t3(x)、t3(y)を決定する点である。該為、CPU21は積載質量の推定を行わない。以下、図5と相違する処理について詳細に説明し、同一処理についての説明は簡略化する。
本発明は上記実施形態に限らない。加減速制御に用いた時定数の数は3つ(トルク抑制時定数t1、可変制振時定数t2、固定制振時定数t3)に限らず、他の時定数が用いられてもよい。
t1 = (t1(100)−t1(0))×Ma/(100−0) (11−1)
t2 = (t2(100)−t2(0))×Ma/(100−0) (11−2)
t1 = (t1(250)−t1(100))×Mb/(250−100) (12−1)
t2 = (t2(250)−t2(100))×Mb/(250−100) (12−2)
工作機械1は本発明の「機械」の一例である。CPU21は本発明の「制御部」の一例である。S25、S53の処理を行うCPU21は本発明の「第一決定部」の一例である。S27、S55の処理を行うCPU21は本発明の「第二決定部」の一例である。S33、S65の処理を行うCPU21は本発明の「処理部」の一例である。S29、S57の処理を行うCPU21は本発明の「第三決定部」の一例である。S25、S53の処理は本発明の「第一決定工程」の一例である。S27、S55の処理は本発明の「第二決定工程」の一例である。S33、S65の処理は本発明の「処理工程」の一例である。
4 :工具
9 :主軸
10 :工作機械
13 :X軸モータ
14 :Y軸モータ
16 :操作盤
20 :数値制御装置
21 :CPU
50 :テーブル
FIR1 :第一フィルタ
FIR2 :第二フィルタ
FIR3 :第三フィルタ
Ffix :固定制振周波数
Fvar :可変制振周波数
M :積載質量
t1 :トルク抑制時定数
t2 :可変制振時定数
t3 :固定制振時定数
Claims (7)
- テーブルをモータで移動し、主軸に装着した工具で前記テーブル上に治具で支持した被削材を加工可能な機械の動作を制御し、前記テーブルの位置指令から生成した速度波形をフィルタで処理する加減速処理を実行可能な制御部を備えた数値制御装置において、
前記制御部は、
前記治具、及び、前記テーブル上の前記被削材を含む積載物の質量である積載質量に応じて変化する前記モータの最大トルクに応じた時定数であるトルク抑制時定数を決定する第一決定部と、
前記積載質量に応じて変化する前記機械に固有の振動周波数に応じた可変制振周波数の逆数を、可変制振時定数として決定する第二決定部と、
前記第一決定部により決定した前記トルク抑制時定数を有する第一フィルタと、前記第二決定部により決定した前記可変制振時定数を有する第二フィルタを用いて前記加減速処理を実行する処理部と
を備えたことを特徴とする数値制御装置。 - 前記積載質量と前記可変制振周波数とが非線形の関係を有することを特徴とする請求項1に記載の数値制御装置。
- 前記制御部は、
前記積載質量に応じて変化しない前記機械に固有の振動周波数に応じた固定制振周波数の逆数を、固定制振時定数として決定する第三決定部を更に備え、
前記処理部は、
前記第三決定部により決定した前記固定制振時定数を有する第三フィルタを更に用いて前記加減速処理を実行することを特徴とする請求項1又は2に記載の数値制御装置。 - 前記制御部は、
前記テーブルの移動時、前記モータのトルクと加速度とを取得する取得部と、
前記取得部により取得した前記トルクと前記加速度とに基づき、前記積載質量を推定する推定部と
を更に実行し、
前記第一決定部は、
前記推定部により推定した前記積載質量に基づき、前記トルク抑制時定数を決定し、
前記第二決定部は、
前記推定部により推定した前期積載質量に基づき、前記可変制振時定数を決定することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の数値制御装置。 - 前記テーブルは、交差する二軸方向へ移動可能であって、
前記モータは、前記二軸方向の軸毎に夫々設け、
前記第一決定部は、前記軸毎に前記トルク抑制時定数を決定し、
前記第二決定部は、前記軸毎に前記可変制振時定数を決定し、
前記処理部は、前記軸毎に前記加減速処理を実行可能であること
を特徴とする請求項1から4の何れかに記載の数値制御装置。 - 前記フィルタはFIRフィルタであることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の数値制御装置。
- テーブルをモータで移動し、主軸に装着した工具で前記テーブル上に治具で支持した被削材を加工可能な機械の動作を制御し、前記テーブルの位置指令から生成した速度波形をフィルタで処理する加減速処理を実行可能な制御方法であって、
前記治具、及び、前記テーブル上の前記被削材を含む積載物の質量である積載質量に応じて変化する前記モータの最大トルクに応じた時定数であるトルク抑制時定数を決定する第一決定工程と、
前記積載質量に応じて変化する前記機械に固有の振動周波数に応じた可変制振周波数の逆数を、可変制振時定数として決定する第二決定工程と、
前記第一決定工程により決定した前記トルク抑制時定数を有する第一フィルタと、前記第二決定工程により決定した前記可変制振時定数を有する第二フィルタを用いて前記加減速処理を実行する処理工程と
を備えたことを特徴とする制御方法。
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