JP4578732B2 - 工作機械送り系の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＣ工作機械の送り系を制御する制御装置に関し、更に詳しくは、前記送り系で生じる振動を効果的に抑制することができる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ＮＣ工作機械の送り系は、ＮＣプログラムに従って生成された動作指令信号、並びに当該送り系からフィードバックされる現在位置信号及び現在速度信号に基づいて制御される。具体的には、ＮＣプログラムに従って動作指令信号が生成され、生成された動作指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号が生成され、次いで生成された速度指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号が生成され、生成された電流指令信号に基づいて前記送り系の駆動モータが制御される。
【０００３】
上述した速度ループゲインは送り系の応答性への影響が大きく、したがって、送り系の高速，高精度化を図るためには、速度ループゲインを大きくする必要がある。その一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となり、送り系や工作機械全体の固有振動数付近で共振する事態に至る。
【０００４】
このため、従来では、速度ループゲインを大きくする一方、前記電流指令信号に含まれる振動成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を帯域消去フィルタによって除去することにより、送り系の振動を抑制するようにしている。即ち、送り系が振動すると、当該送り系からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される前記電流指令信号に前記振動周波数成分が含まれることになるため、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系や工作機械全体の振動が大きくなっても、共振状態に至るのを防止することができるのである。
【０００５】
そして、前記速度ループゲインの値及び帯域消去フィルタの除去帯域は、工作機械の製造時において、その送り系の動作状態が最適になるように設定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化するものである。したがって、製造時に最適に設定された前記速度ループゲインの値や帯域消去フィルタの除去帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。
【０００７】
このため、工作機械の剛性の変化によって送り系に振動を生じ、面粗度が悪くなるなど加工精度が悪化するという不具合を生じていた。また、振動が大きくなると、当該送り系や工作機械全体が共振状態となって、容易ならざる事態を招くことになる。
【０００８】
本発明は、以上の実情に鑑み成されたものであって、工作機械の剛性の変化如何に拘わらず、送り系の振動を防止してその最適な動作状態を長期に渡って維持し得る工作機械送り系の制御装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記課題を解決するための本発明は、
ＮＣ工作機械の送り系を制御する装置であって、ＮＣプログラムに従い動作指令信号を生成する動作指令生成部と、該動作指令生成部で生成された動作指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号を生成する位置制御部と、該位置制御部で生成された速度指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号を生成する速度制御部と、該速度制御部で生成された電流指令信号から特定の周波数帯域の周波数成分を除去するフィルタリング処理部とを備え、該フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に基づいて前記送り系の駆動モータを制御する制御装置において、
前記フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分を解析する処理、
解析された振動レベルを基準値と比較して、基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出する処理、
抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更する処理、
前記抽出周波数成分が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、前記速度ループゲインの値を下げる処理を行う調整手段を設けたことを特徴とする工作機械送り系の制御装置に係る。
【００１０】
本発明によれば、まず、前記動作指令生成部において、ＮＣプログラムに基づき動作指令信号が生成される。ついで、位置制御部において、前記動作指令生成部で生成された動作指令信号と送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号が生成され、更に、速度制御部において、前記位置制御部で生成された速度指令信号と送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号が生成される。
【００１１】
速度制御部で生成された電流指令信号は、次に、フィルタリング処理部において、特定の周波数帯域の周波数成分が除去され、除去処理後の電流指令信号に基づいて送り系の駆動モータが制御される。
【００１２】
上述したように、送り系の高速，高精度化を図るためには、速度ループゲインを大きくする必要がある一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となって送り系が振動し、送り系が振動すると、当該送り系からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される電流指令信号に振動周波数成分が含まれることになり、この振動が送り系や工作機械全体の固有振動数に近いと、当該送り系や工作機械全体が共振する事態に至る。上記フィルタリング処理部は、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系や工作機械全体が共振状態となるのを防止する役割を成す。
【００１３】
前記フィルタリング処理部で特定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号は、調整手段により、これに含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分が解析される。
【００１４】
そして、前記調整手段は、解析した振動レベルを基準値と比較して、振動レベルが基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出する。
【００１５】
ついで、前記調整手段は、抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更し、前記抽出周波数成分が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、前記速度ループゲインの値を下げる処理を行う。
【００１６】
前記フィルタリング処理部における除去帯域は、工作機械の製造時において、その送り系の動作状態が最適になるように設定されているが、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化する。したがって、製造時に最適に設定された前記除去帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。
【００１７】
そこで、本発明では、前記調整手段により、前記フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分を解析した後、解析した振動レベルを基準値と比較して、振動レベルが基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出した周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更している。
【００１８】
したがって、例え、送り系に生じる振動が工作機械の運転状態や経年的な変化によって変化しても、除去される周波数成分の帯域を調整することで、振動を生じている周波数成分を適切に除去することができ、送り系の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができる。これにより、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができ、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００１９】
尚、フィルタリング処理部によって特定の周波数帯域の成分が除去された電流指令信号には、通常、当該除去周波数帯域の成分が含まれることは無いが、それでも、かかるフィルタリング処理部において、除去対象の周波数成分を完全に除去できない場合がある。
【００２０】
そこで、本発明では、前記調整手段において、解析した振動レベルが基準値を超え、且つ抽出された周波数成分が除去周波数帯域に含まれる場合に、前記速度ループゲインの値を下げて、送り系の振動を抑えるようにしている。
【００２１】
斯くして、この発明によれば、工作機械の運転状態や経年的な変化によって送り系に振動を生じ、その振動レベルが一定以上になった場合に、振動周波数の変化に応じて、フィルタリング処理部で除去される周波数成分の帯域を調整したり、速度制御部で使用される速度ループゲインを下げるようにしているので、送り系の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができ、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができるとともに、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る工作機械送り系の制御装置の概略構成を示したブロック図であり、図２及び図３は、本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【００２３】
図１に示すように、本例の制御装置１は、ＮＣプログラム記憶部２，動作指令生成部３，位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７，サーボアンプ８，パラメータ記憶部９，象限突起補正部１０，振動調整処理部２０，送り系３０などから構成されている。以下、各部の詳細について説明する。
【００２４】
前記ＮＣプログラム記憶部２は、予め作成されたＮＣプログラムを格納する機能部である。また、前記動作指令生成部３は、送り系３０の時間当たりの移動目標位置に関する信号（動作指令信号）を生成する処理部であり、具体的には、ＮＣプログラム記憶部２に格納されたＮＣプログラムを解析して、前記送り系３０の送り速度，移動位置などに関する指令を抽出し、抽出した送り系３０の送り速度や移動位置に関する指令を基に予め定められた時定数を加味して、送り系３０の前記動作指令信号を生成し、これを前記位置制御部４に逐次送信する処理を行う。
【００２５】
また、前記位置制御部４は、前記動作指令生成部３から受信した動作指令信号と前記送り系３０からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号を生成する処理部であり、前記速度制御部５は、位置制御部４で生成された速度指令信号と送り系３０からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号を生成する処理部である。
【００２６】
また、前記フィルタリング処理部６は、前記速度制御部５で生成された電流指令信号から所定の周波数帯域の周波数成分を除去する処理部であり、前記電流制御部７は、フィルタリング処理部６で特定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号と前記サーボアンプ８からフィードバックされる現在電流信号との偏差に電流ループゲインを乗じて駆動指令信号を生成する処理部である。また、前記サーボアンプ８は、前記電流制御部７から送信され、図示しないＤ／Ａ変換器でデジタル信号からアナログ信号に変換された電流指令信号を駆動指令信号として受信した後、当該駆動指令信号を増幅して前記送り系３０に送信する処理部であり、前記送り系３０は受信した駆動指令信号に基づいてその作動が制御される。
【００２７】
送り系３０の高速，高精度化を図るためには、速度制御部５における速度ループゲインを大きくする必要がある一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となって送り系３０が振動し、送り系３０が振動すると、当該送り系３０からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される電流指令信号に振動周波数成分が含まれることになり、この振動が送り系３０や工作機械全体の固有振動数に近いと、当該送り系３０や工作機械全体が共振する事態に至る。前記フィルタリング処理部６は、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系３０や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系３０や工作機械全体が共振状態となるのを防止する役割を担っており、工作機械の製造時に、送り系３０の振動が最も小さくなるように前記除去周波数帯域が初期設定されている。
【００２８】
また、図１に示すように、前記送り系３０は、サーボモータ３１やロータリエンコーダ３２、更に、特に図示はしないが、ボールねじ，該ボールねじに螺合し、且つ被送り台に固設されたナットなどを備えている。サーボモータ３１は、前記駆動指令信号に基づきその作動が制御され、被送り台は、サーボモータ３１，ボールねじ及びナットの作動によって、図示しない適宜案内手段により案内され、その案内方向（送り軸方向）に移動する。
【００２９】
前記ロータリエンコーダ３２によって検出される位置データは、位置フィードバック信号として前記位置制御部４にフィードバックされるとともに、その適宜サンプリング間隔毎の差分値（微分値）が速度フィードバック信号として前記速度制御部５にフィードバックされる。
【００３０】
尚、図１では、送り系３０が１つの送り軸を備え、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７及びサーボアンプ８によって、この１つの送り軸を制御するようにした構成を図示しているが、これは図示を簡略化したものであり、実際には本例の送り系３０は、少なくとも２以上の送り軸（前記サーボモータ３１，ロータリエンコーダ３２やボールねじ等によって構成される送り軸）を備えており、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７及びサーボアンプ８はかかる複数の送り軸を制御するように構成されている。
【００３１】
前記象限突起補正部１０は、複数の送り軸によって送り制御される工具移動方向の象限が切り換る際に、当該象限切換部で突起が生じるのを防止すべく補正を行う処理部である。象限突起は、前記送り系３０の案内手段に存在する摩擦抵抗等の影響によって、送り方向を反転する際に、サーボモータ３１に、静摩擦に打ち勝つトルクが発生するまでに遅れ時間を生じることが原因となって生じる現象であり、この遅れ時間に起因して位置制御の誤差を生じるため、例えば、円弧切削の際の象限切換時に突起を生じるのである。輪郭精度について高精度な制御を行うには、このような追従遅れを解消する必要があり、前記象限突起補正部１０は、前記動作指令生成部３から動作指令信号を受信して、移動方向を反転する送り軸がある場合には、当該送り軸に関し前記位置制御部４で生成された速度指令信号に、所定の補正量を加えることにより、当該送り軸の送り速度を一時的に速くして、象限突起が生じるのを防止する。
【００３２】
また、前記パラメータ記憶部９は、所定のパラメータを格納する機能部であり、前記位置制御部４で使用される位置ループゲイン、速度制御部５で使用される速度ループゲイン、電流制御部７で使用される電流ループゲイン、及びフィルタリング処理部６で使用される除去周波数帯域に関する各データ、象限突起補正部１０で使用される補正量などが格納されている。斯くして、前記位置制御部４，速度制御部５，電流制御部７，フィルタリング処理部６及び象限突起補正部１０は、このパラメータ記憶部９に格納された各データを用いてそれぞれ上述した処理を行う。
【００３３】
また、前記振動調整処理部２０は、前記フィルタリング処理部６で所定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号を受信し、その振動レベル及び振動周波数を検出して、検出された振動レベル及び振動周波数に応じて、前記パラメータ記憶部９に格納された速度ループゲインの設定値やフィルタリング処理部６で使用される除去周波数帯域の値（フィルタ設定値）を変更する処理部である。
【００３４】
この振動調整処理部２０における処理を、図２及び図３を用いて更に詳しく説明する。これらの図に示すように、振動調整処理部２０は、適宜振動調整処理開始指令を受信して処理を開始し、カウンタｎを初期化した後（ステップＳ１）、前記動作指令生成部３に所定の動作データと共に駆動信号を送信する（ステップＳ２）。尚、この動作データはｎ番目の送り軸をテスト駆動するためのＮＣデータである。
【００３５】
駆動信号を受信すると、動作指令生成部３は前記動作データに基づいて動作指令信号を生成し、生成された動作指令信号は、前記位置制御部４，前記速度制御部５，前記フィルタリング処理部６，前記電流制御部７，前記サーボアンプ８を経て駆動指令信号に変換され、変換された駆動指令信号により、前記送り系３０のｎ番目の送り軸が駆動される。また、フィルタリング処理部６から出力された電流指令信号は、振動調整処理部２０にも送信される。
【００３６】
振動調整処理部２０は、フィルタリング処理部６から受信した電流指令信号を監視して、この電流指令信号が、即ち、当該送り軸の送り速度が前記動作データ中に指令された速度に達したかどうかを確認し（ステップＳ３）、当該送り軸の送り速度が指令速度に達した後、フィルタリング処理部６から受信した電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルと周波数成分の解析を行う（ステップＳ４）。
【００３７】
そして、振動調整処理部２０は、解析した振動レベルを所定の基準値と比較して（ステップＳ５）、振動レベルが前記基準値を超えている場合には、次に、周波数解析によって得られた結果から、電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出し、抽出された周波数と、前記フィルタリング処理部６における除去周波数帯域とを比較し、即ち、パラメータ記憶部９に格納された当該データと比較して、抽出された周波数が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、ステップＳ８に進み、そうでない場合にはステップＳ７に進む（ステップＳ６）。
【００３８】
ステップＳ７では、フィルタリング処理部６における除去周波数帯域が前記抽出周波数を含む帯域となるように、当該除去周波数帯域の値（フィルタ設定値）が変更される。これにより、以降の通常運転（加工）では、フィルタリング処理部６によって、電流指令信号から当該振動周波数成分が除去され、送り系３０の振動が抑えられる。ついで、変更された除去周波数帯域の値で前記パラメータ記憶部９に格納されたデータが更新され、かかる更新処理の後、次ステップＳ１０に進む。
【００３９】
一方、ステップＳ８では、前記速度制御部５で使用される速度ループゲインの値を、例えば、予め定められた割合だけ減ずる処理が成され、減算された速度ループゲインの値で前記パラメータ記憶部９に格納された速度ループゲインの設定値が更新され、ついで、同じく前記パラメータ記憶部９に格納された象限突起補正量が速度ループゲイン設定値の変更に伴って変更される（ステップＳ９）。速度ループゲインが変更されると、象限切り換えの際の、送り軸の加減速度が変更されるため、象限突起補正量をこれに合わせて適切な値に変更する必要があり、かかる象限突起補正量の変更量は、予め経験的に取得された速度ループゲインの値と象限突起補正量との相関関係を基にして算出される。
【００４０】
電流指令信号に含まれる振動成分は、フィルタリング処理部６によって、所定に設定された周波数帯域のものが除去されるため、通常、フィルタリング処理後の電流指令信号に、フィルタリング処理部６で設定された除去周波数帯域のものが含まれることは無いが、フィルタリング処理部６において、かかる周波数帯域の振動成分を完全に除去できない場合があり、ステップＳ６，Ｓ８及びＳ９は、このような場合を想定して設けられている。
【００４１】
そして、上記のようにして、速度ループゲインの設定値及び象限突起補正量の設定値を更新した後、次ステップＳ１０に進む。
【００４２】
ステップＳ１０では、振動調整処理を行なうべき他の送り軸があるか否かを判断し、振動調整処理を行なうべき他の送り軸がある場合には、カウンタｎを更新して（ステップＳ１１）、ステップＳ２以降の処理を繰り返し、振動調整処理を行なうべき他の送り軸が無い場合には、処理を終了する。
【００４３】
以上の構成を備えた本例の制御装置１によると、通常の運転（加工）状態では、動作指令生成部３により、ＮＣプログラム記憶部２に格納されたＮＣプログラムが解析されて、送り系３０の送り速度や移動位置などに関する指令が抽出され、抽出された指令に基づき予め定められた時定数を加味して、送り系３０の時間当たりの動作指令信号が生成され、生成された動作指令信号が位置制御部４に逐次送信される。そして、送信された動作指令信号は、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７，サーボアンプ８を経由して駆動指令信号に変換され、変換された駆動指令信号に基づいて送り系３０のサーボモータ３１が駆動，制御される。
【００４４】
そして、上述した振動調整処理部２０による振動調整処理が定期的若しくは不定期的に実行される。即ち、送り系３０の各送り軸についてテスト駆動させ、そのときに生成される電流指令信号を解析し、電流指令信号に含まれる振動成分のレベルが基準値を超えた場合、フィルタリング処理部６における除去周波数帯域に振動周波数が含まれるか否かを判断し、含まれる場合には、速度ループゲインの設定値を下げ、含まれない場合には、検出された振動周波数を含むように除去周波数帯域の設定値を変更する。
【００４５】
前記速度ループゲインやフィルタリング処理部６における除去周波数帯域は、工作機械の製造時において、その送り系３０の動作状態が最適になるように設定されているが、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化する。したがって、製造時に最適に設定された前記速度ループゲインや除去周波数帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。そこで、上述した振動調整処理を行って、送り系３０や工作機械全体の振動が大きくなるのを防止する。
【００４６】
以上詳述したように、本例の制御装置１によれば、前記フィルタリング処理部６で処理された電流指令信号の振動レベル及び振動周波数を、振動調整処理部によって検出し、更に、検出した振動レベル及び振動周波数に応じて、前記フィルタリング処理部６における除去周波数帯域の設定値や速度ループゲインの設定値を調整するようにしているので、例え、送り系３０に生じる振動が工作機械の運転状態や経年的な変化によって変化しても、上記調整を行うことにより、送り系３０の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができる。これにより、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができ、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る工作機械送り系の制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】 本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【図３】 本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１ 工作機械送り系の制御装置
２ ＮＣプログラム記憶部
３ 動作指令生成部
４ 位置制御部
５ 速度制御部
６ フィルタリング処理部
７ 電流制御部
８ サーボアンプ
９ パラメータ記憶部
１０ 象限突起補正部
２０ 振動調整処理部
３０ 送り系
３１ サーボモータ
３２ ロータリエンコーダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＣ工作機械の送り系を制御する制御装置に関し、更に詳しくは、前記送り系で生じる振動を効果的に抑制することができる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ＮＣ工作機械の送り系は、ＮＣプログラムに従って生成された動作指令信号、並びに当該送り系からフィードバックされる現在位置信号及び現在速度信号に基づいて制御される。具体的には、ＮＣプログラムに従って動作指令信号が生成され、生成された動作指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号が生成され、次いで生成された速度指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号が生成され、生成された電流指令信号に基づいて前記送り系の駆動モータが制御される。
【０００３】
上述した速度ループゲインは送り系の応答性への影響が大きく、したがって、送り系の高速，高精度化を図るためには、速度ループゲインを大きくする必要がある。その一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となり、送り系や工作機械全体の固有振動数付近で共振する事態に至る。
【０００４】
このため、従来では、速度ループゲインを大きくする一方、前記電流指令信号に含まれる振動成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を帯域消去フィルタによって除去することにより、送り系の振動を抑制するようにしている。即ち、送り系が振動すると、当該送り系からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される前記電流指令信号に前記振動周波数成分が含まれることになるため、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系や工作機械全体の振動が大きくなっても、共振状態に至るのを防止することができるのである。
【０００５】
そして、前記速度ループゲインの値及び帯域消去フィルタの除去帯域は、工作機械の製造時において、その送り系の動作状態が最適になるように設定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化するものである。したがって、製造時に最適に設定された前記速度ループゲインの値や帯域消去フィルタの除去帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。
【０００７】
このため、工作機械の剛性の変化によって送り系に振動を生じ、面粗度が悪くなるなど加工精度が悪化するという不具合を生じていた。また、振動が大きくなると、当該送り系や工作機械全体が共振状態となって、容易ならざる事態を招くことになる。
【０００８】
本発明は、以上の実情に鑑み成されたものであって、工作機械の剛性の変化如何に拘わらず、送り系の振動を防止してその最適な動作状態を長期に渡って維持し得る工作機械送り系の制御装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記課題を解決するための本発明は、
ＮＣ工作機械の送り系を制御する装置であって、ＮＣプログラムに従い動作指令信号を生成する動作指令生成部と、該動作指令生成部で生成された動作指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号を生成する位置制御部と、該位置制御部で生成された速度指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号を生成する速度制御部と、該速度制御部で生成された電流指令信号から特定の周波数帯域の周波数成分を除去するフィルタリング処理部とを備え、該フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に基づいて前記送り系の駆動モータを制御する制御装置において、
前記フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分を解析する処理、
解析された振動レベルを基準値と比較して、基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出する処理、
抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更する処理、
前記抽出周波数成分が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、前記速度ループゲインの値を下げる処理を行う調整手段を設けたことを特徴とする工作機械送り系の制御装置に係る。
【００１０】
本発明によれば、まず、前記動作指令生成部において、ＮＣプログラムに基づき動作指令信号が生成される。ついで、位置制御部において、前記動作指令生成部で生成された動作指令信号と送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号が生成され、更に、速度制御部において、前記位置制御部で生成された速度指令信号と送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号が生成される。
【００１１】
速度制御部で生成された電流指令信号は、次に、フィルタリング処理部において、特定の周波数帯域の周波数成分が除去され、除去処理後の電流指令信号に基づいて送り系の駆動モータが制御される。
【００１２】
上述したように、送り系の高速，高精度化を図るためには、速度ループゲインを大きくする必要がある一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となって送り系が振動し、送り系が振動すると、当該送り系からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される電流指令信号に振動周波数成分が含まれることになり、この振動が送り系や工作機械全体の固有振動数に近いと、当該送り系や工作機械全体が共振する事態に至る。上記フィルタリング処理部は、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系や工作機械全体が共振状態となるのを防止する役割を成す。
【００１３】
前記フィルタリング処理部で特定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号は、調整手段により、これに含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分が解析される。
【００１４】
そして、前記調整手段は、解析した振動レベルを基準値と比較して、振動レベルが基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出する。
【００１５】
ついで、前記調整手段は、抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更し、前記抽出周波数成分が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、前記速度ループゲインの値を下げる処理を行う。
【００１６】
前記フィルタリング処理部における除去帯域は、工作機械の製造時において、その送り系の動作状態が最適になるように設定されているが、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化する。したがって、製造時に最適に設定された前記除去帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。
【００１７】
そこで、本発明では、前記調整手段により、前記フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分を解析した後、解析した振動レベルを基準値と比較して、振動レベルが基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出した周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更している。
【００１８】
したがって、例え、送り系に生じる振動が工作機械の運転状態や経年的な変化によって変化しても、除去される周波数成分の帯域を調整することで、振動を生じている周波数成分を適切に除去することができ、送り系の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができる。これにより、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができ、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００１９】
尚、フィルタリング処理部によって特定の周波数帯域の成分が除去された電流指令信号には、通常、当該除去周波数帯域の成分が含まれることは無いが、それでも、かかるフィルタリング処理部において、除去対象の周波数成分を完全に除去できない場合がある。
【００２０】
そこで、本発明では、前記調整手段において、解析した振動レベルが基準値を超え、且つ抽出された周波数成分が除去周波数帯域に含まれる場合に、前記速度ループゲインの値を下げて、送り系の振動を抑えるようにしている。
【００２１】
斯くして、この発明によれば、工作機械の運転状態や経年的な変化によって送り系に振動を生じ、その振動レベルが一定以上になった場合に、振動周波数の変化に応じて、フィルタリング処理部で除去される周波数成分の帯域を調整したり、速度制御部で使用される速度ループゲインを下げるようにしているので、送り系の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができ、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができるとともに、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る工作機械送り系の制御装置の概略構成を示したブロック図であり、図２及び図３は、本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【００２３】
図１に示すように、本例の制御装置１は、ＮＣプログラム記憶部２，動作指令生成部３，位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７，サーボアンプ８，パラメータ記憶部９，象限突起補正部１０，振動調整処理部２０，送り系３０などから構成されている。以下、各部の詳細について説明する。
【００２４】
前記ＮＣプログラム記憶部２は、予め作成されたＮＣプログラムを格納する機能部である。また、前記動作指令生成部３は、送り系３０の時間当たりの移動目標位置に関する信号（動作指令信号）を生成する処理部であり、具体的には、ＮＣプログラム記憶部２に格納されたＮＣプログラムを解析して、前記送り系３０の送り速度，移動位置などに関する指令を抽出し、抽出した送り系３０の送り速度や移動位置に関する指令を基に予め定められた時定数を加味して、送り系３０の前記動作指令信号を生成し、これを前記位置制御部４に逐次送信する処理を行う。
【００２５】
また、前記位置制御部４は、前記動作指令生成部３から受信した動作指令信号と前記送り系３０からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号を生成する処理部であり、前記速度制御部５は、位置制御部４で生成された速度指令信号と送り系３０からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号を生成する処理部である。
【００２６】
また、前記フィルタリング処理部６は、前記速度制御部５で生成された電流指令信号から所定の周波数帯域の周波数成分を除去する処理部であり、前記電流制御部７は、フィルタリング処理部６で特定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号と前記サーボアンプ８からフィードバックされる現在電流信号との偏差に電流ループゲインを乗じて駆動指令信号を生成する処理部である。また、前記サーボアンプ８は、前記電流制御部７から送信され、図示しないＤ／Ａ変換器でデジタル信号からアナログ信号に変換された電流指令信号を駆動指令信号として受信した後、当該駆動指令信号を増幅して前記送り系３０に送信する処理部であり、前記送り系３０は受信した駆動指令信号に基づいてその作動が制御される。
【００２７】
送り系３０の高速，高精度化を図るためには、速度制御部５における速度ループゲインを大きくする必要がある一方、速度ループゲインを大きくしすぎると、制御系が不安定となって送り系３０が振動し、送り系３０が振動すると、当該送り系３０からフィードバックされる現在速度信号に振動周波数成分が付加され、これを基に算出される電流指令信号に振動周波数成分が含まれることになり、この振動が送り系３０や工作機械全体の固有振動数に近いと、当該送り系３０や工作機械全体が共振する事態に至る。前記フィルタリング処理部６は、電流指令信号に含まれる周波数成分の内、送り系３０や工作機械全体の固有振動数付近の周波数成分を除去することにより、送り系３０や工作機械全体が共振状態となるのを防止する役割を担っており、工作機械の製造時に、送り系３０の振動が最も小さくなるように前記除去周波数帯域が初期設定されている。
【００２８】
また、図１に示すように、前記送り系３０は、サーボモータ３１やロータリエンコーダ３２、更に、特に図示はしないが、ボールねじ，該ボールねじに螺合し、且つ被送り台に固設されたナットなどを備えている。サーボモータ３１は、前記駆動指令信号に基づきその作動が制御され、被送り台は、サーボモータ３１，ボールねじ及びナットの作動によって、図示しない適宜案内手段により案内され、その案内方向（送り軸方向）に移動する。
【００２９】
前記ロータリエンコーダ３２によって検出される位置データは、位置フィードバック信号として前記位置制御部４にフィードバックされるとともに、その適宜サンプリング間隔毎の差分値（微分値）が速度フィードバック信号として前記速度制御部５にフィードバックされる。
【００３０】
尚、図１では、送り系３０が１つの送り軸を備え、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７及びサーボアンプ８によって、この１つの送り軸を制御するようにした構成を図示しているが、これは図示を簡略化したものであり、実際には本例の送り系３０は、少なくとも２以上の送り軸（前記サーボモータ３１，ロータリエンコーダ３２やボールねじ等によって構成される送り軸）を備えており、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７及びサーボアンプ８はかかる複数の送り軸を制御するように構成されている。
【００３１】
前記象限突起補正部１０は、複数の送り軸によって送り制御される工具移動方向の象限が切り換る際に、当該象限切換部で突起が生じるのを防止すべく補正を行う処理部である。象限突起は、前記送り系３０の案内手段に存在する摩擦抵抗等の影響によって、送り方向を反転する際に、サーボモータ３１に、静摩擦に打ち勝つトルクが発生するまでに遅れ時間を生じることが原因となって生じる現象であり、この遅れ時間に起因して位置制御の誤差を生じるため、例えば、円弧切削の際の象限切換時に突起を生じるのである。輪郭精度について高精度な制御を行うには、このような追従遅れを解消する必要があり、前記象限突起補正部１０は、前記動作指令生成部３から動作指令信号を受信して、移動方向を反転する送り軸がある場合には、当該送り軸に関し前記位置制御部４で生成された速度指令信号に、所定の補正量を加えることにより、当該送り軸の送り速度を一時的に速くして、象限突起が生じるのを防止する。
【００３２】
また、前記パラメータ記憶部９は、所定のパラメータを格納する機能部であり、前記位置制御部４で使用される位置ループゲイン、速度制御部５で使用される速度ループゲイン、電流制御部７で使用される電流ループゲイン、及びフィルタリング処理部６で使用される除去周波数帯域に関する各データ、象限突起補正部１０で使用される補正量などが格納されている。斯くして、前記位置制御部４，速度制御部５，電流制御部７，フィルタリング処理部６及び象限突起補正部１０は、このパラメータ記憶部９に格納された各データを用いてそれぞれ上述した処理を行う。
【００３３】
また、前記振動調整処理部２０は、前記フィルタリング処理部６で所定の周波数帯域の周波数成分が除去された電流指令信号を受信し、その振動レベル及び振動周波数を検出して、検出された振動レベル及び振動周波数に応じて、前記パラメータ記憶部９に格納された速度ループゲインの設定値やフィルタリング処理部６で使用される除去周波数帯域の値（フィルタ設定値）を変更する処理部である。
【００３４】
この振動調整処理部２０における処理を、図２及び図３を用いて更に詳しく説明する。これらの図に示すように、振動調整処理部２０は、適宜振動調整処理開始指令を受信して処理を開始し、カウンタｎを初期化した後（ステップＳ１）、前記動作指令生成部３に所定の動作データと共に駆動信号を送信する（ステップＳ２）。尚、この動作データはｎ番目の送り軸をテスト駆動するためのＮＣデータである。
【００３５】
駆動信号を受信すると、動作指令生成部３は前記動作データに基づいて動作指令信号を生成し、生成された動作指令信号は、前記位置制御部４，前記速度制御部５，前記フィルタリング処理部６，前記電流制御部７，前記サーボアンプ８を経て駆動指令信号に変換され、変換された駆動指令信号により、前記送り系３０のｎ番目の送り軸が駆動される。また、フィルタリング処理部６から出力された電流指令信号は、振動調整処理部２０にも送信される。
【００３６】
振動調整処理部２０は、フィルタリング処理部６から受信した電流指令信号を監視して、この電流指令信号が、即ち、当該送り軸の送り速度が前記動作データ中に指令された速度に達したかどうかを確認し（ステップＳ３）、当該送り軸の送り速度が指令速度に達した後、フィルタリング処理部６から受信した電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルと周波数成分の解析を行う（ステップＳ４）。
【００３７】
そして、振動調整処理部２０は、解析した振動レベルを所定の基準値と比較して（ステップＳ５）、振動レベルが前記基準値を超えている場合には、次に、周波数解析によって得られた結果から、電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出し、抽出された周波数と、前記フィルタリング処理部６における除去周波数帯域とを比較し、即ち、パラメータ記憶部９に格納された当該データと比較して、抽出された周波数が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、ステップＳ８に進み、そうでない場合にはステップＳ７に進む（ステップＳ６）。
【００３８】
ステップＳ７では、フィルタリング処理部６における除去周波数帯域が前記抽出周波数を含む帯域となるように、当該除去周波数帯域の値（フィルタ設定値）が変更される。これにより、以降の通常運転（加工）では、フィルタリング処理部６によって、電流指令信号から当該振動周波数成分が除去され、送り系３０の振動が抑えられる。ついで、変更された除去周波数帯域の値で前記パラメータ記憶部９に格納されたデータが更新され、かかる更新処理の後、次ステップＳ１０に進む。
【００３９】
一方、ステップＳ８では、前記速度制御部５で使用される速度ループゲインの値を、例えば、予め定められた割合だけ減ずる処理が成され、減算された速度ループゲインの値で前記パラメータ記憶部９に格納された速度ループゲインの設定値が更新され、ついで、同じく前記パラメータ記憶部９に格納された象限突起補正量が速度ループゲイン設定値の変更に伴って変更される（ステップＳ９）。速度ループゲインが変更されると、象限切り換えの際の、送り軸の加減速度が変更されるため、象限突起補正量をこれに合わせて適切な値に変更する必要があり、かかる象限突起補正量の変更量は、予め経験的に取得された速度ループゲインの値と象限突起補正量との相関関係を基にして算出される。
【００４０】
電流指令信号に含まれる振動成分は、フィルタリング処理部６によって、所定に設定された周波数帯域のものが除去されるため、通常、フィルタリング処理後の電流指令信号に、フィルタリング処理部６で設定された除去周波数帯域のものが含まれることは無いが、フィルタリング処理部６において、かかる周波数帯域の振動成分を完全に除去できない場合があり、ステップＳ６，Ｓ８及びＳ９は、このような場合を想定して設けられている。
【００４１】
そして、上記のようにして、速度ループゲインの設定値及び象限突起補正量の設定値を更新した後、次ステップＳ１０に進む。
【００４２】
ステップＳ１０では、振動調整処理を行なうべき他の送り軸があるか否かを判断し、振動調整処理を行なうべき他の送り軸がある場合には、カウンタｎを更新して（ステップＳ１１）、ステップＳ２以降の処理を繰り返し、振動調整処理を行なうべき他の送り軸が無い場合には、処理を終了する。
【００４３】
以上の構成を備えた本例の制御装置１によると、通常の運転（加工）状態では、動作指令生成部３により、ＮＣプログラム記憶部２に格納されたＮＣプログラムが解析されて、送り系３０の送り速度や移動位置などに関する指令が抽出され、抽出された指令に基づき予め定められた時定数を加味して、送り系３０の時間当たりの動作指令信号が生成され、生成された動作指令信号が位置制御部４に逐次送信される。そして、送信された動作指令信号は、位置制御部４，速度制御部５，フィルタリング処理部６，電流制御部７，サーボアンプ８を経由して駆動指令信号に変換され、変換された駆動指令信号に基づいて送り系３０のサーボモータ３１が駆動，制御される。
【００４４】
そして、上述した振動調整処理部２０による振動調整処理が定期的若しくは不定期的に実行される。即ち、送り系３０の各送り軸についてテスト駆動させ、そのときに生成される電流指令信号を解析し、電流指令信号に含まれる振動成分のレベルが基準値を超えた場合、フィルタリング処理部６における除去周波数帯域に振動周波数が含まれるか否かを判断し、含まれる場合には、速度ループゲインの設定値を下げ、含まれない場合には、検出された振動周波数を含むように除去周波数帯域の設定値を変更する。
【００４５】
前記速度ループゲインやフィルタリング処理部６における除去周波数帯域は、工作機械の製造時において、その送り系３０の動作状態が最適になるように設定されているが、工作機械の剛性は、製造時から将来にかけて一定したものでは無く、工作機械の運転状態によって変化したり、経年的に変化する。したがって、製造時に最適に設定された前記速度ループゲインや除去周波数帯域は、かかる工作機械の剛性の変化により、その時点では必ずしも最適なものとはなっていない。そこで、上述した振動調整処理を行って、送り系３０や工作機械全体の振動が大きくなるのを防止する。
【００４６】
以上詳述したように、本例の制御装置１によれば、前記フィルタリング処理部６で処理された電流指令信号の振動レベル及び振動周波数を、振動調整処理部によって検出し、更に、検出した振動レベル及び振動周波数に応じて、前記フィルタリング処理部６における除去周波数帯域の設定値や速度ループゲインの設定値を調整するようにしているので、例え、送り系３０に生じる振動が工作機械の運転状態や経年的な変化によって変化しても、上記調整を行うことにより、送り系３０の振動が一定以上に大きくなるのを防止することができる。これにより、過度の振動によって面粗度などの加工精度が悪化するのを防止することができ、最適な動作状態を長期に渡って維持することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る工作機械送り系の制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】 本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【図３】 本実施形態に係る振動調整処理部における処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１ 工作機械送り系の制御装置
２ ＮＣプログラム記憶部
３ 動作指令生成部
４ 位置制御部
５ 速度制御部
６ フィルタリング処理部
７ 電流制御部
８ サーボアンプ
９ パラメータ記憶部
１０ 象限突起補正部
２０ 振動調整処理部
３０ 送り系
３１ サーボモータ
３２ ロータリエンコーダ
Claims (1)
- ＮＣ工作機械の送り系を制御する装置であって、ＮＣプログラムに従い動作指令信号を生成する動作指令生成部と、該動作指令生成部で生成された動作指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在位置信号との偏差に位置ループゲインを乗じて速度指令信号を生成する位置制御部と、該位置制御部で生成された速度指令信号と前記送り系からフィードバックされる現在速度信号との偏差に速度ループゲインを乗じて電流指令信号を生成する速度制御部と、該速度制御部で生成された電流指令信号から特定の周波数帯域の周波数成分を除去するフィルタリング処理部とを備え、該フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に基づいて前記送り系の駆動モータを制御する制御装置において、
前記フィルタリング処理部で処理された電流指令信号に含まれる振動成分の振動レベルとその周波数成分を解析する処理、
解析された振動レベルを基準値と比較して、基準値を超えている場合には、前記周波数解析によって得られた結果から、前記電流指令信号に最も多く含まれる周波数成分を抽出する処理、
抽出された周波数成分と前記除去周波数帯域とを比較し、抽出周波数成分が除去周波数帯域に含まれない場合には、抽出周波数を含むように前記除去周波数帯域を変更する処理、
前記抽出周波数成分が前記除去周波数帯域に含まれる場合には、前記速度ループゲインの値を下げる処理を行う調整手段を設けたことを特徴とする工作機械送り系の制御装置。
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