JP5332658B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具支持体を移動するためのサーボモータと、当該サーボモータを駆動するサーボドライブを備える工作機械に関するものである。

従来、工作機械の砥石台（以下、「工具支持体」と称する）などをサーボモータにより移動する場合に、特開２００５−３２７１９１号公報（特許文献１）に記載されているように、サーボモータを制御しているものがある。特許文献１には、サーボモータの回転角またはリニアスケールなどの工具支持体の位置を検出することで、サーボモータのフィードバック制御を行っていることが記載されている。つまり、工具支持体の位置のフィードバック制御を行っている。このように、工具支持体の位置のフィードバック制御を行うことで、工具支持体の位置を所望の位置に移動させることができる。

ところで、工作物および工具は、加工抵抗の影響により僅かながら撓み変形することがある。さらに、工作物および工具には、加工による熱変位が生じるおそれもある。工作物および工具の撓み変形および熱変位の影響は、上述したサーボモータの回転角や工具支持体の位置に基づくフィードバック制御を行ったとしても、取り除くことができない。そこで、これらの影響を考慮しながら加工を行うことができれば、より高精度な工作物の加工が可能となる。

ところで、特開２００５−２７９８８２号公報（特許文献２）には、工作物の内径を測定する定寸装置が記載されている。特許文献２には、定寸装置により測定された工作物の内径に基づいて、工程切替を行うことが記載されている。つまり、定寸装置による測定値が、予め設定された値に達したときに、工程を変更している。例えば、粗研削工程から精研削工程への切り替え、また、精研削工程から仕上げ研削工程への切り替えを行う。

特開２００５−３２７１９１号公報 特開２００５−２７９８８２号公報

ここで、本発明者らは、より高精度な加工を実現するために、定寸装置などの測定情報に基づいてサーボモータの駆動を行うことができれば、工作物および工具の撓み変形および熱変位の影響を考慮しながら加工を行うことができることを見いだした。さらには、仮に、定寸装置などの測定情報に基づいてサーボモータの駆動を行うことができれば、従来のようにリニアスケールなどの位置検出器の検出情報に基づくフィードバック制御に比べると、応答性を向上できることを見いだした。

しかし、定寸装置は、工程切替に用いるのみであるため、所定値に達したときのみに信号を出力する構成となっている。そのため、従来、定寸装置は、サーボモータを駆動するための制御には用いることができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より高精度な工作物の加工を実現することができる工作機械を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る工作機械は、砥石車を支持し、前記砥石車を回転駆動する回転駆動モータを備え、且つ、工作物に対して所定軸方向に相対移動可能に設けられた工具支持体と、前記工作物に対して前記工具支持体を前記所定軸方向へ相対移動させるサーボモータと、記工作物の加工部位形状を測定し、測定結果と目標形状との偏差を算出する形状測定センサと、前記形状測定センサにより算出された前記偏差に基づいてフィードバック制御を行って前記サーボモータを駆動するサーボドライブと、前記回転駆動モータによる前記砥石車の回転駆動力を検出する回転駆動力検出部とを備える。

さらに、本発明に係る工作機械において、前記サーボドライブは、前記偏差を零とするように前記偏差に対して位置制御を行うとともに、前記位置制御のゲインを可変に設定可能であり、前記位置制御のゲインは、前記工作物を前記工具により予め加工することにより設定するとともに、前記回転駆動力に応じて可変に設定する。

本発明に係る工作機械において、形状測定センサによる測定結果は、工作物および工具の撓み変形および熱変位の影響を受けた状態の情報である。従って、本発明によれば、工作物および工具の撓み変形および熱変位が生じたとしても、より高精度な加工ができる。さらに、本発明によれば、形状測定センサにより測定される測定値そのものに対して直接的にフィードバック制御を行っているため、当該測定値そのものに対して高速応答できる。つまり、高速に且つ高精度な加工が可能となる。

フィードバック制御を行う際に、位置制御のゲインが大きすぎると、高速に目的値に達する。ただし、目的値を超えないようにする必要がある。一方、位置制御のゲインが小さすぎると、目的値までの到達時間が長くなる。このように、位置制御のゲインの設定は重要である。ここで、例えば工作物の軸径が小さい場合、すなわち工作物の剛性が小さい場合には、工具を所定量だけ工作物に対して相対移動させたとしても、工作物が撓み変形して所望の加工量に達しない。また、工具の切れ味が善し悪しによっても影響を受ける。つまり、工具の切れ味が悪い場合には、工具を所定量だけ工作物に対して相対移動させたとしても、所望の加工量に達しない。このように、種々の要因によって、適切な位置制御のゲインが異なると考えられる。

さらに、工作物を工具により予め加工することにより、位置制御のゲインを設定することで、当該工作物および当該工具に応じた位置制御のゲインを設定することが可能となる。これにより、確実に、高精度且つ高速な加工が可能となる。

また、工作物の剛性や工具の切れ味などは、加工中に変化するものである。例えば、工作物の外周面を加工する場合に、工作物の軸径は、加工が進むにつれて細くなっていく。また、工具の切れ味は、一般に加工が進むにつれて悪くなっていく。また、多数の工作物を同一の工具により加工する場合には、この工具の切れ味の変化が顕著に現れてくる。そこで、位置制御のゲインを可変に設定可能とすることで、現在加工している状態における適切な位置制御のゲインに設定することができる。

ここで、砥石車の回転駆動力は、加工抵抗によって変化するものである。従って、現在加工している状態における適切な位置制御のゲインに設定することができる。

研削盤の模式図である。 研削盤の接続構成を示す図である。 研削盤を構成するマスタおよびスレーブのタイミングチャートである。 第一実施形態：Ｘ軸用サーボドライブ３３の制御ブロック図である。 （ａ）第一のフィードバック制御のみによる経過時間に対する工作物Ｗの外径の変化を示す図である。（ｂ）第二のフィードバック制御のみによる経過時間に対する工作物Ｗの外径の変化を示す図である。 （ａ）第一から第二のフィードバック制御へ切り替えた場合における経過時間に対する工作物Ｗの外径の変化を示す図である。（ｂ）第一ゲインと第二ゲインを示す図である。 第二実施形態：Ｘ軸用サーボドライブ１３３の制御ブロック図である。 第三実施形態：（ａ）第一から第二のフィードバック制御へ切り替えた場合における経過時間に対する工作物Ｗの外径の変化を示す図である。（ｂ）第一ゲインと第二ゲインを示す図である。 第四実施形態：（ａ）第一から第二のフィードバック制御へ切り替えた場合における経過時間に対する工作物Ｗの外径の変化を示す図である。（ｂ）トルク制限値を示す図である。（ｃ）第一ゲインと第二ゲインを示す図である。

以下、本発明の工作機械を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。また、本発明の工作機械として、研削盤を例に挙げて説明する。

＜第一実施形態＞
（研削盤の機械構成）
第一実施形態の研削盤の機械構成について、図１〜図２を参照して説明する。
図１に示すように、研削盤は、主軸装置１０と、砥石支持装置２０と、砥石台駆動装置３０と、砥石車４０と、定寸装置５０と、ＣＮＣ（Computer Numerical Control）装置６０とを備えている。ここで、研削盤により加工される工作物Ｗは、軸状の部材とし、研削盤は、当該工作物Ｗの外周面の研削加工を行う場合として説明する。

主軸装置１０は、主軸台１１と、主軸１２と、主軸モータ１３と、主軸エンコーダ１４と、主軸用サーボドライブ１５を備えている。主軸台１１は、ベッド（図示せず）上に固定されている。主軸台１１には、主軸１２がＺ軸周りに回転可能に挿通支持されている。この主軸１２には、工作物Ｗの軸方向の一端を把持するチャックが取り付けられている。主軸エンコーダ１４は、主軸モータ１３の回転角を検出する。主軸用サーボドライブ１５は、後述するＣＮＣ装置６０により出力される指令値に基づいて、主軸モータ１３に電力を供給することで、主軸モータ１３を回転駆動している。

砥石支持装置２０（本発明の「工具支持体」に相当する）は、砥石台２１と、砥石回転用モータ２２と、モータドライブ２３を備えている。砥石台２１は、円盤状の砥石車４０（本発明の「工具」に相当する）をＺ軸回りに回転可能に支持し、主軸チャックに把持された工作物Ｗに対してＸ軸方向およびＺ軸方向に相対移動可能に設けられている。砥石回転用モータ２２は、砥石台２１に設けられ、砥石車４０を回転駆動する。モータドライブ２３は、後述するＣＮＣ装置６０により出力される回転数の指令値に基づいて、砥石回転用モータ２２の回転数が当該回転数の指令値に一致するように、砥石回転用モータ２２を駆動する。一般に、この回転数の指令値は、一定値である。

砥石台駆動装置３０は、砥石台２１を工作物Ｗに対してＸ軸方向およびＺ軸方向へ相対移動させる装置である。ただし、図１においては、砥石台駆動装置３０は、Ｘ軸方向へ移動する構成のみ図示している。この砥石台駆動装置３０は、Ｘ軸ボールねじ３１と、Ｘ軸モータ３２（本発明の「サーボモータ」に相当する）と、Ｘ軸用サーボドライブ３３と、Ｘ軸エンコーダ３４（本発明の「位置検出器」に相当する）と、リニアスケール３５（本発明の「位置検出器」に相当する）を備えている。

Ｘ軸ボールねじ３１は、ベッドにＸ軸回りに回転可能に支持されている。このＸ軸ボールねじ３１のナット部材が、砥石台２１に固定されている。Ｘ軸モータ３２は、Ｘ軸ボールねじ３１を回転駆動する。つまり、Ｘ軸モータ３２は、Ｘ軸ボールねじ３１を介することで、砥石台２１を工作物Ｗに対してＸ軸方向へ相対移動させる。Ｘ軸用サーボドライブ３３は、後述するＣＮＣ装置６０により出力される指令値に基づいて、Ｘ軸モータ３２に電力を供給することで、Ｘ軸モータ３２を回転駆動している。Ｘ軸エンコーダ３４は、Ｘ軸モータ３２の回転角を検出する。リニアスケール３５は、ベッドに取り付けられており、ベッドに対する砥石台２１のＸ軸方向の位置を検出する。

なお、図示しないが、砥石台駆動装置３０において、砥石台２１を工作物Ｗに対してＺ軸方向へ相対移動させる構成は、上述したＸ軸方向への構成をＺ軸方向に置換した構成と実質的に同一である。

定寸装置５０（本発明の「形状測定センサ」に相当する）は、工作物Ｗの加工部位形状、すなわち、工作物Ｗの外径を測定し、測定結果と予め記憶された目標値との偏差（以下、「定寸偏差」と称する）を算出する。この目標値（目標形状）とは、工作物Ｗの仕上げ外径としている。つまり、当該定寸偏差は、工作物Ｗの仕上げ外径までの残りの直径に相当する。そして、定寸装置５０は、算出した定寸偏差が予め設定された複数の定寸値と一致した場合に、高速同期通信網７０（図２に示す）を介して、定寸信号をＣＮＣ装置６０およびＸ軸用サーボドライブ３３へ出力する。この定寸値とは、後述する第一、第二のゲイン調整部１０３、１０７のゲイン調整を開始するための基準値となる。なお、この定寸値は、従来の工程切替に用いるための値に相当する。さらに、定寸装置５０は、高速同期通信網７０（図２に示す）を介して、ＣＮＣ装置６０から出力される基準信号に同期して、算出した定寸偏差をＸ軸用サーボドライブ３３へ出力する。

ＣＮＣ装置６０は、加工プログラムに基づいて、各サーボドライブ１５、３３およびモータドライブ２３に指令値を出力し、Ｘ軸モータ３２および主軸モータ１３に対してＣＮＣ制御を行っている。さらに、ＣＮＣ装置６０は、高速同期通信網７０に接続されているスレーブに対して、周期性の基準信号を出力するマスタとして機能する。

ここで、図２に示すように、ＣＮＣ装置６０がマスタとして、主軸エンコーダ１４、主軸用サーボドライブ１５、砥石回転用モータ２２、Ｘ軸用サーボドライブ３３、Ｘ軸エンコーダ３４、リニアスケール３５、定寸装置５０がそれぞれスレーブとして、同一の高速同期通信網７０に接続されている。つまり、当該高速同期通信網７０に接続されているマスタおよびスレーブは、相互に同期通信が行われ、同期した処理が実行される。この高速同期通信網７０には、例えば、リアルタイムのイーサネット（登録商標）が適用される。

次に、図３を参照して、高速同期通信網７０に接続されているマスタおよびスレーブの処理動作について説明する。
まず、図３の第一段目に示すように、マスタとしてのＣＮＣ装置６０は、周期性の基準信号を各スレーブに出力する。そうすると、図３の第二段目に示すように、ＣＮＣ装置６０は、その基準信号を出力した後に、他のスレーブから各種信号を受信する受信処理を実行する。例えば、ＣＮＣ装置６０は、定寸装置５０から定寸信号を受信する。その後に、ＣＮＣ装置６０は、診断処理、演算処理を実行し、その後に各サーボドライブ１５、３３へ位置指令値の送信処理を行う。

図３の第三段目に示すように、定寸装置５０は、ＣＮＣ装置６０から基準信号を受信すると、次の基準信号を受信するまでの間に、診断処理、工作物Ｗの外径を測定するサンプリング処理を実行し、その後にＸ軸用サーボドライブ３３へのデータ送信処理を行う。

図３の第四段目に示すように、Ｘ軸エンコーダ３４とリニアスケール３５は、ＣＮＣ装置６０から基準信号を受信すると、次の基準信号を受信するまでの間に、診断処理、Ｘ軸モータ３２の回転角と砥石台２１のＸ軸位置をそれぞれ検出するサンプリング処理を実行し、その後にＸ軸用サーボドライブ３３へのデータ送信処理を行う。また、図３の第四段目に示すように、主軸エンコーダ１４は、ＣＮＣ装置６０から基準信号を受信すると、次の基準信号を受信するまでの間に、診断処理、主軸モータ１３の回転角を検出するサンプリング処理を実行し、その後に主軸用サーボドライブ１５へのデータ送信処理を行う。

図３の第五段目に示すように、各サーボドライブ１５、３３は、ＣＮＣ装置６０から基準信号を受信すると、他のスレーブから送信された信号を受信する。その後に、診断処理、演算処理を実行し、必要な情報についてマスタまたはスレーブに対して送信処理を行う。さらに、各サーボドライブ１５、３３は、上記の信号処理に加えて、各モータ１３、３２の駆動を実行している。

ここで、マスタおよび各スレーブには、受信処理および送信処理を同期して実行する相手装置が設定されている。つまり、マスタおよび各スレーブは、送受信の相手装置である他のマスタまたはスレーブに対して、直接にデータの送受信処理を行っている。

（Ｘ軸用サーボドライブ３３の制御ブロック図）
次に、図４を参照して、Ｘ軸用サーボドライブ３３の詳細について説明する。
図４の制御ブロック図に示すように、Ｘ軸用サーボドライブ３３は、減算器１０１と、第一、第二位置制御部１０２、１０６と、第一、第二ゲイン調整部１０３、１０７と、微分器１０４と、減算器１０５と、加算器１０８と、速度制御部１０９と、電流制御部１１０とから構成される。

Ｘ軸用サーボドライブ３３は、Ｘ軸エンコーダ３４およびリニアスケール３５による検出情報に基づいてＸ軸サーボモータ３２を駆動する第一のフィードバック制御と、定寸装置５０により算出された偏差を零とするようにＸ軸サーボモータ３２を駆動する第二のフィードバック制御とを実行することができる。より詳細には、Ｘ軸用サーボドライブ３３は、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御へ切り替えて実行する。

ここで、第一のフィードバック制御は、減算器１０１、第一位置制御部１０２、微分器１０４、減算器１０５、速度制御部１０９、電流制御部１１０により実行される制御である。第二のフィードバック制御は、第二位置制御部１０６、加算器１０８、速度制御部１０９、電流制御部１１０により実行される制御である。

以下、各構成について詳細に説明する。
減算器１０１は、ＣＮＣ装置６０から出力される位置指令値と、リニアスケール３５により検出される砥石台２１の現在位置との位置偏差を算出する。第一位置制御部１０２は、減算器１０１により算出された位置偏差に基づいて、例えば比例制御などの位置制御を行う。ここで、第一位置制御部１０２は、速度指令値を出力することになる。

第一ゲイン調整部１０３は、第一のフィードバック制御による影響度を調整する。つまり、第一ゲイン調整部１０３は、第一位置制御部１０２から出力された速度指令値に対して、第一ゲインを乗算した値を出力する。この第一ゲインは、０〜１の値、すなわち、０％〜１００％で設定される。例えば、第一ゲインが１００％の場合には、第一ゲイン調整部１０３は、第一位置制御部１０２から出力された速度指令値そのものを次へ出力する。一方、第一ゲインが０％の場合には、第一ゲイン調整部１０３は、第一位置制御部１０２から出力された速度指令値とは無関係に常にゼロ値を次へ出力する、もしくは、何も出力しない。この第一ゲイン調整部１０３は、初期値を１００％とし、徐々に減少していき、０％とする。この第一ゲイン調整部１０３は、定寸装置５０からの定寸信号Ｐ３を受けることで、第一ゲインの１００％からの減少を開始する。つまり、定寸信号Ｐ３が出力された後において、第一のフィードバック制御による影響度が徐々に下がっていく。

微分器１０４は、Ｘ軸エンコーダ３４により検出されたＸ軸モータ３２の回転角の微分値、すなわち、Ｘ軸モータ３２の回転角速度を算出する。減算器１０５は、第一ゲイン調整部１０３と微分器１０４により算出された回転角速度との速度偏差を算出する。

第二位置制御部１０６は、定寸装置５０から出力される定寸偏差に対して、例えば比例制御などの位置制御を行う。ここで、第二位置制御部１０６は、速度指令値を出力することになる。この位置制御ゲイン（例えば、比例ゲイン）は、予め設定されている。

第二ゲイン調整部１０７は、第二のフィードバック制御による影響度に調整する。つまり、第二ゲイン調整部１０７は、第二位置制御部１０６から出力された速度指令値に対して、第二ゲインを乗算した値を出力する。この第二ゲインは、０〜１の値、すなわち、０％〜１００％で設定される。例えば、第二ゲインが１００％の場合には、第二ゲイン調整部１０７は、第二位置制御部１０６から出力された速度指令値そのものを次へ出力する。一方、第二ゲインが０％の場合には、第二ゲイン調整部１０７は、第二位置制御部１０６から出力された速度指令値とは無関係に常にゼロ値を次へ出力する、もしくは、何も出力しない。この第二ゲイン調整部１０７は、第一ゲイン調整部１０３とは反対に、初期値を０％とし、徐々に増加していき、１００％とする。この第二ゲイン調整部１０７は、定寸装置５０からの定寸信号Ｐ３を受けることで、第二ゲインの０％からの増加を開始する。つまり、定寸信号Ｐ３が出力された後において、第二のフィードバック制御による影響度が徐々に上がっていく。

加算器１０８は、減算器１０５から出力される速度偏差と、第二ゲイン調整部１０７から出力される速度指令値とを加算する。つまり、速度制御部１０９は、加算器１０８から出力された速度指令値に対して、例えば比例積分制御などの速度制御を行う。ここで、速度制御部１０９は、電流指令値（トルク指令値に相当する）を出力することになる。電流制御部１１０は、速度制御部１０９から出力される電流指令値に基づいて、電流ループ制御を行って、Ｘ軸サーボモータ３２へ電力を供給する。

（各フィードバック制御についての説明）
次に、図５を参照して、第一、第二のフィードバック制御について説明する。なお、本実施形態においては、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御への切り替えを行っているが、ここでは、説明の容易化のため、それぞれのフィードバック制御のみを行った場合について説明する。また、図５（ａ）（ｂ）において、横軸は時間であり、縦軸が工作物Ｗの外径である。

まず、図５（ａ）を参照して、第一のフィードバック制御について説明する。ここでは、定寸装置５０が定寸信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を出力するものとする。定寸信号Ｐ３は、粗研削工程から精研削工程へ切り替える定寸信号であり、定寸信号Ｐ２は、精研削工程から微研削工程へ切り替える定寸信号であり、定寸信号Ｐ１は、仕上げ径の定寸信号である。

つまり、第一のフィードバック制御においては、定寸信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に基づいてＣＮＣ装置６０が出力する位置指令値を変更する。具体的には、各定寸信号間においては、ＣＮＣ装置６０は、砥石台２１のＸ軸方向への移動速度が各工程に応じた速度となるように、位置指令値を出力する。そして、定寸信号Ｐ１、Ｐ２が出力された際に、ＣＮＣ装置６０は、砥石台２１のＸ軸方向への移動速度を変更するように、位置指令値を出力する。このように、第一のフィードバック制御においては、ＣＮＣ装置６０からの位置指令値に基づいてＸ軸サーボモータ３２が制御される。

次に、図５（ｂ）を参照して、第二のフィードバック制御について説明する。ここでは、定寸装置５０が定寸信号Ｐ１を出力した場合に、第二のフィードバック制御を実行するものとする。また、図５（ｂ）において、実線、破線、一点鎖線は、それぞれ、第二位置制御部１０６における比例制御の比例ゲインを変化させた場合について示している。比例ゲインは、実線に示す場合が最も大きく、その次に破線が大きく、一点鎖線が最も小さくしている。

このように、第二のフィードバック制御においては、開始から仕上げ径に到達するまでの間、工作物Ｗの外径は非常に滑らかに変化することになる。また、第二位置制御部１０６における比例ゲインを大きくするほど、仕上げ径に到達するまでの時間が短くなる。このように、第二のフィードバック制御においては、ＣＮＣ装置６０からの位置指令値とは無関係に、定寸装置５０からの定寸偏差のみに基づいてＸ軸サーボモータ３２が制御される。

（第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御への切り替え説明）
次に、図６を参照して、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御へ切り替える場合について説明する。ここで、図６（ａ）において、本実施形態における挙動を実線にて示し、第一のフィードバック制御のみによる挙動を破線にて示し、第二のフィードバック制御のみによる挙動を一点鎖線にて示す。また、参考として、ＣＮＣ装置６０から出力される位置指令値を、二点鎖線にて示す。また、図６（ｂ）において、第一ゲインを実線にて示し、第二ゲインを破線にて示す。

第一ゲインは、図６（ｂ）の実線にて示すように、定寸信号Ｐ３までを１００％とし、定寸信号Ｐ３が出力された時から徐々に減少し、設定された所定時間を経過したときに０％としている。第一ゲインの減少率は、最初小さく、徐々に大きくなるようにしている。
第二ゲインは、図６（ｂ）の破線にて示すように、定寸信号Ｐ３までを０％とし、定寸信号Ｐ３が出力された時から徐々に増加し、設定された所定時間を経過したときに１００％としている。第二ゲインの増加率は、最初小さく、徐々に大きくなるようにしている。
つまり、定寸信号Ｐ３が出力された後に、第一ゲインが徐々に小さくなっていくと同時に、第二ゲインが徐々に大きくなっていく。

このように第一、第二ゲインが変化する場合、経過時間に対する工作物Ｗの外径は、図６（ａ）の実線に示すような挙動となる。つまり、定寸信号Ｐ３が出力されるまでは、第一のフィードバック制御による挙動となる。定寸信号Ｐ３が出力されてから設定された所定時間に達するまでの間は、第一のフィードバック制御による挙動から徐々に第二のフィードバック制御による挙動に移行していく。そして、設定された所定時間を経過した後は、第二のフィードバック制御による挙動となる。

（第一実施形態の効果）
以上説明した研削盤によれば、以下の効果を奏する。
上記構成により、Ｘ軸用サーボドライブ３３と定寸装置５０とは、ＣＮＣ装置６０からの基準信号に基づいて、高速同期通信が可能となる。このことにより、Ｘ軸用サーボドライブ３３は、定寸装置５０から出力される定寸偏差に基づいて、第二のフィードバック制御を行うことができる。

ここで、定寸装置５０による定寸偏差は、工作物Ｗおよび砥石車４０の撓み変形および熱変位の影響を受けた状態の情報である。従って、第二のフィードバック制御を行うことで、工作物Ｗおよび砥石車４０の撓み変形および熱変位が生じたとしても、より高精度な加工ができる。さらに、第二のフィードバック制御においては、定寸装置５０により測定される測定値そのものに対して直接的にフィードバック制御を行っているため、当該測定値そのものに対して高速応答できる。つまり、第二のフィードバック制御を行うことにより、高速に且つ高精度な加工が可能となる。

さらに、Ｘ軸用サーボドライブ３３は、定寸信号Ｐ３が出力されてから設定された所定時間の間に、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御へ切り替えている。つまり、第一のフィードバック制御は、砥石車４０が工作物Ｗに当接するまでの間、および、粗研削工程において実行される。第二のフィードバック制御は、工作物Ｗの外径が研削により変化している時でなければ実行できない。そこで、砥石車４０が工作物Ｗに当接するまでの間は、第一のフィードバック制御により実行することで、確実に砥石台２１のＸ軸制御が可能となる。また、砥石車４０が工作物Ｗに当接して、確実に工作物Ｗの外径が変化している時に、第二のフィードバック制御を行うことで、確実に第二のフィードバック制御を実行でき、且つ、それによる効果を奏する。

さらに、定寸信号Ｐ３が出力されてから設定された所定時間の間において、第一のフィードバック制御による影響度を徐々に下げ、同時に第二のフィードバック制御による影響度を徐々に上げていくことで、切り替えが非常に滑らかになる。これにより、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御へ切り替える際の問題が生じることを防止できる。

また、ＣＮＣ装置６０をマスタとして機能させている。ここで、ＣＮＣ装置６０は、全ての工作機械に搭載されるものである。つまり、ＣＮＣ装置６０をマスタとして機能させることで、どのような仕様の工作機械に対しても、確実に通信マスタを搭載することができる。つまり、汎用性を持たせることができる。

＜第一実施形態の第一変形態様＞
第一実施形態において、第二位置制御部１０６における位置制御ゲイン、すなわち比例ゲインは、予め設定することとした。
ここで、第二のフィードバック制御を行う際に、図５（ｂ）に示したように、位置制御ゲインが大きすぎると、高速に目的値に達する。ただし、目的値を超えないようにする必要がある。一方、位置制御ゲインが小さすぎると、目的値までの到達時間が長くなる。このように、位置制御ゲインの設定は重要である。ここで、例えば工作物Ｗの軸径が小さい場合、すなわち工作物Ｗの剛性が小さい場合には、砥石車４０を所定量だけ工作物Ｗに対して相対移動させたとしても、工作物Ｗが撓み変形して所望の加工量に達しない。また、砥石車４０の切れ味の善し悪しによっても影響を受ける。つまり、砥石車４０の切れ味が悪い場合には、砥石車４０を所定量だけ工作物Ｗに対して相対移動させたとしても、所望の加工量に達しない。このように、種々の要因によって、適切な位置制御ゲインが異なると考えられる。

そこで、第二位置制御部１０６における位置制御ゲインを、工作物Ｗを砥石車４０により予め加工することにより設定する。具体的には、第一のフィードバック制御のみにより実行されており、砥石車４０により工作物Ｗが加工されている時、すなわち粗研削工程において、現在加工している工作物Ｗおよび砥石車４０の状態に応じた位置制御ゲインを設定する。これにより、適切な位置制御ゲインを設定できる。

＜第一実施形態の第二変形態様＞
また、第二位置制御部１０６における位置制御ゲインは、可変に設定するようにしてもよい。具体的には、第二位置制御部１０６における位置制御ゲインは、定寸装置５０により算出される定寸偏差の単位時間あたりの変化量に基づいて可変に設定する。

ここで、工作物Ｗの剛性や砥石車４０の切れ味などは、加工中に変化するものである。つまり、工作物Ｗの軸径は、加工が進むにつれて細くなっていく。また、砥石車４０の切れ味は、加工が進むにつれて悪くなっていく。また、多数の工作物Ｗを同一の砥石車４０により加工する場合には、この砥石車４０の切れ味の変化が顕著に現れてくる。そこで、第二位置制御部１０６における位置制御ゲインを可変に設定可能とすることで、現在加工している状態における適切な位置制御ゲインに設定することができる。そして、定寸偏差の単位時間あたりの変化量は、実質的に、加工抵抗に応じたものとなる。従って、現在加工している状態における適切な位置制御ゲインに設定することができる。

＜第二実施形態＞
次に、第二実施形態の研削盤について図７を参照して説明する。第二実施形態の研削盤は、第一実施形態の研削盤に対して、Ｘ軸用サーボドライブ１３３に回転駆動力検出部１１１を新たに追加した点と、第二位置制御部１１６が相違する。以下、相違点のみについて説明する。

回転駆動力検出部１１１は、高速同期通信網７０を介して砥石回転用モータ２２に流れる電流値を入力し、砥石回転用モータ２２による砥石車４０の回転駆動力を検出している。ここで、砥石回転用モータ２２に流れる電流値は、砥石回転用モータ２２に設けられる電流センサにより検出される。つまり、当該電流情報は、電流センサから、モータドライブ２３および高速同期通信網７０を介して回転駆動力検出部１１１が入力する。
そして、第二位置制御部１１６は、回転駆動力検出部１１１により検出された砥石車４０の回転駆動力に基づいて、第二位置制御部１１６における位置制御ゲインを可変に設定する。

ここで、上述したように、工作物Ｗの剛性や砥石車４０の切れ味などは、加工中に変化するものである。そして、第二位置制御部１１６における位置制御ゲインを可変に設定可能とすることで、現在加工している状態における適切な位置制御ゲインに設定することができる。また、砥石車４０の回転駆動力は、加工抵抗によって変化するものである。従って、回転駆動力に基づいて、位置制御ゲインを可変に設定することで、現在加工している状態における適切な位置制御ゲインに設定することができる。

なお、上記において、回転駆動力検出部１１１は、電流センサ（図示せず）により検出される電流値に基づいて、砥石回転用モータ２２による砥石車４０の回転駆動力を検出した。この他に、砥石回転用モータ２２の回転軸に直接設けて、回転駆動力を検出できるセンサに置き換えることもできる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の研削盤について、図８を参照して説明する。図８は、第一実施形態の図６に対応するものである。第三実施形態の研削盤は、第一実施形態の研削盤に対して、第一ゲイン調整部１０３における第一ゲインと、第二ゲイン調整部１０７の第二ゲインとが相違する。以下、相違点のみについて説明する。ここで、図８（ａ）において、本実施形態における挙動を実線にて示し、第一のフィードバック制御のみによる挙動を破線にて示す。また、図８（ｂ）において、第一ゲインを実線にて示し、第二ゲインを破線にて示す。

第三実施形態における第一ゲインは、図８（ｂ）の実線にて示すように、定寸信号Ｐ３までを１００％とし、定寸信号Ｐ３が出力されると、その直後に瞬間的に０％としている。
第二ゲインは、図８（ｂ）の破線にて示すように、定寸信号Ｐ３が出力され、且つ、第一ゲインが０％に変更されるまでを０％とし、その後に徐々に増加し、設定された所定時間を経過したときに１００％としている。第二ゲインの増加率は、最初大きく、徐々に小さくなるようにしている。

つまり、定寸信号Ｐ３が出力された後に、第一ゲインが１００％から０％に変化した後に、第二ゲインが０％から徐々に大きくなっていく。換言すると、Ｘ軸用サーボドライブ３３は、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御への切り替えの際に、第一のフィードバック制御による影響度を下げた後に、第二のフィードバック制御による影響度を上げていくようにしている。

このように第一、第二ゲインが変化する場合、経過時間に対する工作物Ｗの外径は、図８（ａ）の実線に示すような挙動となる。つまり、定寸信号Ｐ３が出力されるまでは、第一のフィードバック制御による挙動となる。そして、定寸信号Ｐ３が出力されて、第二ゲインが増加していくまでの僅かな間、工作物Ｗは加工されない状態となる。

その後、設定された所定時間に達するまでの間は、徐々に、第二のフィードバック制御による挙動に移行していく。そして、設定された所定時間を経過した後は、第二のフィードバック制御による挙動となる。このように第一ゲインと第二ゲインを変更した場合にも、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御への切り替えを滑らかにすることができる。

＜第四実施形態＞
第四実施形態の研削盤について、図９を参照して説明する。図９（ａ）は、経過時間に対する工作物Ｗの外径を示す。また、図９（ｂ）は、Ｘ軸用サーボドライブ３３の電流制御部１１０のトルク制限値を示す。図９（ｃ）は、実線にて第一ゲインを示し、破線にて第二ゲインを示す。

電流制御部１１０は、Ｘ軸モータ３２に対するトルク制限をかけることができる。ここで、電流制御部１１０は、Ｘ軸モータ３２の各相に流れる電流が速度制御部１０９から出力された電流指令値となるように電流制御を行っている。ただし、電流制御部１１０においてトルク制限がかけられると、Ｘ軸モータ３２に出力する電流の上限値が制限されることになる。

この電流制御部１１０におけるトルク制限値は、図９（ｂ）に示すように、定寸信号Ｐ３までを出力可能な最大値とし、定寸信号Ｐ３が出力された直後に最大値の１０％程度に下げる。その後、トルク制限値は、最大値の１０％程度を所定時間維持した後に、徐々に増加させて、設定された所定時間に達するときに最大値となるようにしている。

そして、第一ゲインは、図９（ｃ）の実線にて示すように、定寸信号Ｐ３までを１００％とし、トルク制限値が最大値の１０％程度に維持されている間に、０％に小さくする。一方、第二ゲインは、図９（ｃ）の破線にて示すように、定寸信号Ｐ３までを０％とし、トルク制限値が最大値の１０％程度に維持されている間に、１００％に大きくする。つまり、トルク制限値を減少させた後に、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御へ切り替えている。

このように、トルク制限値と第一、第二ゲインを変化させる場合、経過時間に対する工作物Ｗの外径は、図９（ａ）に示すような挙動となる。つまり、定寸信号Ｐ３が出力されるまでは、第一のフィードバック制御による挙動となる。定寸信号Ｐ３が出力されてから、トルク制限値を最大値の１０％程度に維持している間は、工作物Ｗはほとんど加工されない状態となる。

その後、設定された所定時間に達するまでの間は、徐々に、第二のフィードバック制御による挙動に移行していく。そして、設定された所定時間を経過した後は、第二のフィードバック制御による挙動となる。このように、トルク制限値を変更し、且つ、第一ゲインと第二ゲインを変更した場合にも、第一のフィードバック制御から第二のフィードバック制御への切り替えを滑らかにすることができる。

＜その他の実施形態＞
定寸装置５０は、工作物Ｗの外径を測定するものとしたが、その他に、工作物Ｗの内径、端面位置、または軸方向幅を測定する場合にも同様に適用できる。
また、上記実施形態においては、工作機械として研削盤を例に挙げて説明したが、この他に、マシニングセンタおよび旋盤などの他の工作機械にも適用できる。マシニングセンタに本発明を適用した場合、本発明の工具には例えばエンドミル、フライス工具、ドリル、さらには砥石車が含まれる。また、旋盤に本発明を適用した場合、本発明の工具にはバイトの他、特に複合旋盤の場合にエンドミル、フライス工具、ドリル、砥石車などが含まれる。

１０：主軸装置、 １１：主軸台、 １２：主軸、 １３：主軸モータ
１４：主軸エンコーダ、 １５：主軸用サーボドライブ
２０：砥石支持装置、
２１：砥石台、 ２２：砥石回転用モータ、 ２３：モータドライブ
３０：砥石台駆動装置、 ３１：Ｘ軸ボールねじ、 ３２：Ｘ軸モータ（サーボモータ）
３３、１３３：Ｘ軸用サーボドライブ、 ３４：Ｘ軸エンコーダ（位置検出器）
３５：リニアスケール（位置検出器）
４０：砥石車
５０：定寸装置（形状測定センサ）
６０：ＣＮＣ装置
７０：高速同期通信網
１０１、１０５：減算器、 １０２：第一位置制御部、 １０３：第一ゲイン調整部
１０４：微分器、 １０６、１１６：第二位置制御部、１０７：第二ゲイン調整部
１０８：加算器、 １０９：速度制御部、 １１０：電流制御部
１１１：回転駆動力検出部

Claims (1)

1. 砥石車を支持し、前記砥石車を回転駆動する回転駆動モータを備え、且つ、工作物に対して所定軸方向に相対移動可能に設けられた工具支持体と、
   前記工作物に対して前記工具支持体を前記所定軸方向へ相対移動させるサーボモータと、
   前記工作物の加工部位形状を測定し、測定結果と目標形状との偏差を算出する形状測定センサと、
   前記形状測定センサにより算出された前記偏差に基づいてフィードバック制御を行って前記サーボモータを駆動するサーボドライブと、
   前記回転駆動モータによる前記砥石車の回転駆動力を検出する回転駆動力検出部と、
   を備え、
   前記サーボドライブは、前記偏差を零とするように前記偏差に対して位置制御を行うとともに、前記位置制御のゲインを可変に設定可能であり、
   前記位置制御のゲインは、前記工作物を前記工具により予め加工することにより設定するとともに、前記回転駆動力に応じて可変に設定することを特徴とする工作機械。

Images