JP5852467B2

JP5852467B2 - 数値制御装置

Info

Publication number: JP5852467B2
Application number: JP2012037442A
Authority: JP
Inventors: 茂樹上野
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: DE102013003066B4; CN103294006A; US9110455B2; CN103294006B; DE102013003066A1; ITRM20130021A1; US20130226355A1; JP2013174936A

Description

本発明は、予め記憶された変動周期を含む主軸回転変動データに基づき、主軸回転速度を指令された回転速度に対し所定の周期で変動させると共に、送り軸送り速度と主軸回転速度との比を一定に保ちながら送り軸送り速度を変動させる振動抑制手段を有する数値制御装置に関する。

切削加工におけるびびり振動を抑制する方法として、下記特許文献１記載の方法が知られている。これは、旋削加工時に予め設定しておいた変動振幅と変動周期で主軸の回転速度を変動させることで、びびり振動を抑制するものである。

他にもびびり振動を抑制する方法として特許文献２には、びびり振動が発生した場合に、主軸の回転速度と送り軸の送り速度の比率を一定に保ちながら、主軸の回転速度と送り軸の送り速度を変動させる方法が開示されている。また、特許文献３には、主軸の回転速度の増減パターンをあらかじめ設定しておき、設定された増減パターンに基づいて主軸の回転速度を変動させるとともに、送り軸の送り速度も合わせて変動させることも可能な方法が開示されている。

切削加工では主軸１回転当たりの切削送り量を一定にしないと切削面の状態にバラツキが生じるが、特許文献２および特許文献３の方法であれば、主軸１回転当たりの切削送り量を一定にすることが可能なため、びびり振動を抑制しつつ切削面の状態を均一にすることが可能である。

一方、特許文献１の方法は主軸の回転速度のみ変動させるものであるが、主軸に取り付けられた検出器などから主軸の実速度を入力して、この実速度を基に切削送り量が一定となる送り軸の送り速度を決定する方法が一般的に知られており、これを併用することによって特許文献２および特許文献３と同じようにびびり振動を抑制しつつ切削面の状態を均一にすることが可能である。

特開昭４９−１０５２７７号公報特開平１１−１２９１４４号公報特開２００５−１４４５８０号公報

数値制御装置が制御する送り軸は複数軸から成り、複数軸を任意に組み合わせて補間動作を行う。このとき、２次元もしくは３次元空間上の軌跡を保証するため、加減速時間一定制御（移動平均法による加減速）を行っており、補間動作を行うすべての軸に同じ加減速時間を適用している。これは、指令速度に達するまでには適用した加減速時間がかかることを意味する。一方、数値制御装置が制御する主軸は、指令された速度で回転することを保証すればよく、送り軸のように軌跡を保証する必要がない。したがって、加減速時間一定制御は行っておらず、指令された速度に達するまでの時間やその間の速度変化は状況によって変化する。

上記したように、主軸と送り軸では加減速制御が異なるため、特許文献２および特許文献３の方法によって主軸と送り軸の速度指令を同じように変動させても、実際の軸動作ではズレが生じることとなる。

また、特許文献１の方法では、主軸の回転速度を検出した時刻からこれに適する送り速度となる時刻までの時間差によるズレも生じることとなる。

上記ズレによって、実際には主軸の回転速度の変動と送り速度の変動には位相差が生じており、主軸１回転当たりの切削送り量も一定ではなく変動してしまう。これが原因で加工面に縞目が残りやすく、仕上げ面品位が低下するという課題があった。

本発明の数値制御装置は、予め記憶された変動周期を含む主軸回転変動データに基づき、主軸回転速度を指令された回転速度に対し所定の周期で変動させると共に、送り軸送り速度と主軸回転速度との比を一定に保ちながら送り軸送り速度を変動させる振動抑制手段を有する数値制御装置において、主軸回転速度の変動と送り軸送り速度の変動との位相差である遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、所定の周期で変動する主軸実回転速度を少なくとも１周期分、記憶する主軸回転速度記憶手段と、主軸回転速度記憶手段に記憶された主軸実回転速度と、主軸回転変動データの変動周期と、遅れ時間算出手段が算出する遅れ時間と、から遅れ時間分だけ先の主軸回転速度を推定演算する主軸回転速度推定手段と、推定された遅れ時間分だけ先の主軸回転速度との比を一定に保つように、指令された送り軸送り速度を変動させる送り軸変動制御手段と、を有することを特徴とする。

他の本発明は、予め記憶された変動周期を含む主軸回転変動データに基づき、主軸回転速度を指令された回転速度に対し所定の周期で変動させると共に、送り軸送り速度と主軸回転速度との比を一定に保ちながら送り軸送り速度を変動させる振動抑制手段を有する数値制御装置において、主軸回転速度の変動と送り軸送り速度の変動との位相差である遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、主軸回転速度検出手段により検出された主軸実回転速度と主軸回転速度指令との差分値と、主軸回転変動データと、遅れ時間算出手段が算出する遅れ時間と、から遅れ時間分だけ先の主軸回転速度を推定演算する主軸回転速度推定手段と、推定された遅れ時間分だけ先の主軸回転速度との比を一定に保つよう指令された送り軸送り速度を変動させる送り軸変動制御手段と、を有することを特徴とする。

好適な態様では、遅れ時間算出手段は、主軸回転速度の検出したタイミングから、主軸回転速度との比を一定に保つよう送り速度を変動させるタイミングまでの時間に基づき遅れ時間を算出する。他の好適な態様では、遅れ時間算出手段は、送り軸を加減速一定制御により加減速を行うための加減速時間に基づき遅れ時間を算出する。

本発明によれば、切削加工時のびびり振動を抑制するために主軸の回転速度を変動させて加工をする場合に、主軸回転速度の変動と送り速度の変動に生じる位相差を小さくすることにより、主軸１回転当たりの切削送り量の変動を低減できる。その結果、加工面の縞目発生を抑制することができ、仕上げ面品位の低下を避けることが可能となる。

本発明の第一実施形態である数値制御装置の構成を示すブロック図である。主軸回転速度記憶部の処理内容を説明するフローチャートである。主軸回転速度記憶部の記憶内容とタイミングを説明するタイミング図と内部構成図である。主軸回転速度推定部の処理内容を説明するフローチャートである。移動平均法による波形位相差の説明図である。時間（Ｐ−Ｔ）だけ過去の主軸速度を読み出す理由の説明図である。本発明の第二実施形態である数値制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である数値制御装置の構成を示すブロック図である。

はじめに主軸の動作について説明する。まず加工プログラム記憶部１より読み出された主軸回転速度プログラム指令Ｓ１が主軸回転速度制御部２に入力される。主軸回転速度制御部２では主軸回転速度プログラム指令Ｓ１に対して、種々の演算処理を行い主軸回転速度指令Ｓ２を算出し出力する。種々の演算処理とは、例えば、複数段の主軸ギアレンジを持つ場合に、現在の主軸ギアレンジ状態に従った許容回転数に収めること、外部にオーバーライドスイッチが設けられている場合に、オーバーライドスイッチの入力値に従って倍率を乗算する、等である。

主軸回転変動制御部３は主軸回転変動データ記憶部４より変動制御データＤ１を読み出し、入力された主軸回転速度指令Ｓ２を変動制御データＤ１に従って演算を行い、主軸回転変動速度指令Ｓ３を生成する。変動制御データＤ１とは、例えば、変動振幅と変動周期および波形（例えば、三角波・正弦波等）であったり、主軸の変動回転数割合を非常に短い時間（数ミリ秒から十数ミリ秒）毎に示した変動パターンであったり、等である。

主軸回転変動速度指令Ｓ３を生成する際の演算について説明する。例えば、変動制御データＤ１が変動振幅Ｑ・変動周期Ｐ・正弦波で構成されている場合は、以下の式１により算出できる。なお、ｔは主軸回転変動制御を開始してからの経過時間である。
Ｓ３＝Ｓ２×Ｑ×ｓｉｎ（（２×π／Ｐ）×ｔ）・・・式１

変動制御データＤ１が変動パターンである場合について説明する。例えば、上記変動振幅Ｑ・変動周期Ｐ・正弦波で構成されている場合と同じ変動制御を行う場合の変動パターンは、変動パターンのデータ間隔をＤとすると以下のデータ群である。

Ｑ×ｓｉｎ（（２×π／Ｐ）×Ｄ×１）
Ｑ×ｓｉｎ（（２×π／Ｐ）×Ｄ×２）
：
：
Ｑ×ｓｉｎ（（２×π／Ｐ）×Ｄ×（（Ｐ−１）／Ｄ））
Ｑ×ｓｉｎ（（２×π／Ｐ）×Ｄ×（Ｐ／Ｄ））

上記データをそれぞれＰＴ（ｎ）（ｎは１〜（Ｐ／Ｄ））とすると、主軸回転変動速度指令Ｓ３は以下の式２で表すことができる。なお、ｔは主軸回転変動制御を開始してからの経過時間、（ｔｍｏｄＰ）はｔをＰで割った余りである。
Ｓ３＝Ｓ２×ＰＴ（（（ｔｍｏｄＰ）＋１）／Ｄ）・・・式２

なお、変動制御データＤ１が変動パターンである場合の変動周期Ｐは、以下の式３により算出できる。
Ｐ＝データ群の個数／データ間隔Ｄ・・・式３

上述の式２に従い算出された主軸回転変動速度指令Ｓ３は、主軸サーボ制御部２１に入力される。この入力のタイミングは、数値制御装置内で生成されるＳＹＮＣ信号（補間信号）に同期して行われる。ＳＹＮＣ信号は数値制御装置とサーボ制御等周辺装置とのデータ入出力タイミングを規定する信号であり、例えば８ミリ秒周期の信号である。主軸サーボ制御部２１は入力した主軸回転変動速度指令Ｓ３で動作するよう主軸モータＳｍを制御する。

主軸には検出器Ｓｅ（磁気エンコーダ・パルスジェネレータ等）が取り付けられ、主軸の位置が検出可能であり、その検出データは主軸回転速度検出部２２に入力される。主軸回転速度検出部２２では、入力された検出データを主軸実速度Ｓａに変換して、主軸回転速度記憶部１２に出力する。前記検出データの主軸回転速度検出部２２への入力は一定の周期で行われているため、周期間の主軸の位置から主軸の速度が算出可能である。

主軸回転速度記憶部１２はＳＹＮＣ信号に同期して主軸実速度Ｓａを入力して記憶する。この処理内容について図２のフローチャートおよび図３のタイミング図（図３上）と内部構成図（図３下）で説明する。主軸回転速度記憶部１２は複数個の主軸実速度Ｓａを記憶する記憶領域と記憶したデータの最新の位置を示すポインタから構成され、ＳＹＮＣ信号に同期して以下の順に処理を行う。

まず、主軸実速度Ｓａを入力する（Ｓ１０）。続いて、最新データへのポインタを次の記憶領域へ進める（Ｓ１２）。その後、最新データへのポインタが示す記憶領域に入力した主軸実速度Ｓａを書き込む（Ｓ１４）。

上記処理をＳＹＮＣ信号に同期して行うことで、主軸回転速度記憶部１２にはＳＹＮＣ信号単位の主軸実速度Ｓａが記憶されていくことになる。例えば、図３の上段のタイミング図に示すようにＳＹＮＣ信号のｎ回目である時刻ｔ_ｎからｎ＋４回目である時刻ｔ_ｎ＋４までに主軸実速度ＳａがＳ_ｎ、Ｓ_ｎ＋１、Ｓ_ｎ＋２、Ｓ_ｎ＋３、Ｓ_ｎ＋４と入力されたとき、主軸回転速度記憶部１２にはＳ_ｎ、Ｓ_ｎ＋１、Ｓ_ｎ＋２、Ｓ_ｎ＋３、Ｓ_ｎ＋４がそれぞれ記憶され、次のＳＹＮＣ信号の時刻ｔ_ｎ＋５までの間は最新データのポインタはＳ_ｎ＋４が記憶された領域を示している状態となる。

次に主軸回転速度推定部１１が処理を行う。図４のフローチャートで処理内容を説明する。本処理はＳＹＮＣ信号に同期して行われるが、主軸回転速度記憶部１２で主軸実速度Ｓａの記憶が完了してから実行する。

図４に示すように、主軸回転速度推定部１１は、まず、主軸回転変動データ記憶部４より変動制御データＤ１に含まれる変動周期Ｐを読み出す（Ｓ２０）。続いて、加減速時間記憶部５より送り軸の加減速時間Ｔｃを読み出す（Ｓ２２）。そして、遅れ時間Ｔをシステム固有遅れ時間Ｔｓと加減速時間Ｔｃから算出する（Ｓ２４）。続いて、主軸回転速度記憶部１２より最新データから（Ｐ−Ｔ）だけ過去の主軸実速度を主軸速度推定値Ｓｏとして読みだす（Ｓ２６）。そして、主軸速度推定値Ｓｏを送り軸速度制御部６に出力する（Ｓ２８）。

なお、加減速時間Ｔｃは数値制御装置の起動時に初期化処理等でサーボ制御用のデータファイル等から読み込まれ、加減速時間記憶部５に記憶される。

また、遅れ時間Ｔは従来技術により実施した場合の主軸回転速度の変動と送り速度の変動の位相差である。遅れ時間Ｔの要因は２つある。第一の遅れ要因は、主軸回転毎送り制御による遅れである。主軸回転毎送り制御は送り軸の速度を加工プログラムに指令された主軸１回転当たりの切削送り量となるようにする制御である。本実施形態のように検出した主軸の速度から送り軸の速度を決定する場合は、主軸の速度を検出した時刻からこれに適する送り速度となる時刻までが遅れ時間となる。これはシステム固有に決まる時間であり、これをシステム固有遅れ時間Ｔｓとする。Ｔｓは主軸の速度を検出した時刻から送り軸モータＦｍがこれに適する送り速度にするために動き出す時刻までの時間である。なお、システム固有遅れ時間Ｔｓはシステム固有の時間であるため動作中に変化することはない。したがって数値制御装置の起動時に初期化処理等でデータファイル等から読み込まれ１回のみ設定される。また、この時間はこれを利用する主軸回転速度推定部１１の内部に保持される。

第二の遅れ要因は加減速時間一定制御による遅れである。加減速時間一定制御は加減速前の速度に対して移動平均法により加減速後の速度を決定する制御である。したがって、加減速前の速度変動と加減速後の速度変動には位相差が生じ、この位相差が遅れ時間となる。

図５は移動平均法による波形位相差の説明図である。例として周期１０・振幅１の正弦波が３周期続いた場合を実線で示した。これに対して１目盛分の時間で移動平均をとった波形を破線で示した。２つの波形は１目盛の半分だけ位相がズレていることがわかる。このように移動平均後の波形は移動平均前の波形よりも移動平均時間の半分だけ位相が遅れる特性がある。加減速時間一定制御は移動平均法によるものなので上記と同じ特性を持つ。つまり、第二の遅れ要因は加減速時間ＴｃのときＴｃ／２となる。

したがって、遅れ時間Ｔは第一の遅れ要因と第二の遅れ要因の合計であるから、システム固有遅れ時間Ｔｓと加減速時間Ｔｃを使用して次の式４で算出される。
Ｔ＝Ｔｓ＋（Ｔｃ／２）・・・式４

次に、時間（Ｐ−Ｔ）だけ過去の主軸速度を読み出す理由について図６を用いて説明する。例えば変動制御データＤ１に従い動作した主軸の過去から現在まで速度が図６のようになったとする。送り軸は遅れ時間Ｔだけ遅れて動作するので、この遅れを無くすには現在から時間Ｔ分だけ先の送り軸速度を演算する必要がある。これには「Ａ」の主軸速度が必要であるが、未来の速度であるためデータが無い。そこで主軸は変動制御データＤ１に従い繰り返し動作していることを利用する。「Ａ」の主軸速度は「Ａ’」の主軸速度とほぼ同じとなるはずであるから、これを送り軸速度演算に使用する。「Ａ’」は時間（Ｐ−Ｔ）だけ過去の主軸速度となっている。

時間（Ｐ−Ｔ）だけ過去の主軸速度を読み出す方法は、主軸回転速度記憶部１２の最新データへのポインタが示すデータから時間（Ｐ−Ｔ）だけ過去のデータを参照すればよい。データはＳＹＮＣ信号に同期して時系列で記憶されるので、（Ｐ−Ｔ）／（ＳＹＮＣ信号周期）で求めた個数分前のデータを読み出せば良い。読み出したデータが主軸速度推定値Ｓｏとなる。

続いて送り軸の動作について説明する。まず、加工プログラム記憶部１より読み出された送り速度プログラム指令Ｆ１が送り軸速度制御部６に入力されており、主軸回転速度推定部１１が出力した主軸速度推定値Ｓｏも合わせて入力される。送り軸速度制御部６は主軸１回転当たりの送り軸移動量がＦ１となる送り軸速度指令Ｆ２を算出する。これは、Ｆ２＝Ｓｏ×Ｆ１で算出できる。算出した送り軸速度指令Ｆ２をＳＹＮＣ信号に同期して送り軸サーボ制御部２３へ出力する。

また、加減速時間記憶部５から加減速時間ＴｃがＳＹＮＣ信号に同期して送り軸サーボ制御部２３へ出力される。送り軸サーボ制御部２３は入力した送り軸速度指令Ｆ２と加減速時間Ｔｃで加減速時間一定制御を行い送り軸モータＦｍの動作を制御する。

以上により、切削加工時にびびり振動を抑制するため主軸の回転速度を変動させて加工をする場合に、主軸回転速度の変動と送り速度の変動に生じる位相差を極力小さくすることにより、主軸１回転当たりの切削送り量の変動を極小化できる。その結果、加工面の縞目発生を抑制することができ、仕上げ面品位の低下を避けることが可能となる。

次に、第二実施形態について説明する。上述の第一実施形態では、主軸実速度Ｓａを順次記憶し、記憶した主軸実速度に基づき、遅れ時間Ｔだけ先の主軸速度を推定演算していた。一方、第二実施形態では、主軸回転変動データ記憶部４に記憶された変動制御データＤ１に基づき遅れ時間Ｔだけ先の主軸速度を推定演算する。

これについて、第一実施形態と相違する点を中心に、図７を参照して説明する。主軸回転速度制御部２は、算出した主軸回転速度指令Ｓ２を主軸回転変動制御部３と共に主軸回転速度推定部１１Ａへも出力する。

主軸回転速度推定部１１Ａは、主軸回転速度検出部２２より出力された現在の主軸実速度Ｓａから主軸回転速度制御部２にて算出された主軸回転速度指令Ｓ２を減算し、主軸回転速度指令との差分である変動制御データＤ１の変動振幅Ｑに対応する現在の実変動振幅を算出する。算出した現在の実変動振幅と主軸回転変動データ記憶部４に記憶された変動制御データＤ１の変動振幅Ｑとを比較し、変動振幅Ｑが現在の実変動振幅と一致する変動制御データＤ１上の変動制御点を、前回の処理で算出された前回の実変動振幅を参照して求める。すなわち、一般的には変動振幅が現在の実変動振幅と一致する変動制御データＤ１上の点は１周期内において複数存在しているため（図６参照）、前回の実変動振幅を参照し、上り勝手における変動制御点か下り勝手における変動制御点かを判断し、該当する変動制御点を求める。

さらに、求めた変動制御点から遅れ時間Ｔだけ先の変動制御データＤ１上の変動制御点を求め、その変動制御点の変動振幅を求め、主軸回転速度指令Ｓ２に加算することにより、主軸速度推定値Ｓｏを算出する。その後は、第一実施形態と同様に、算出された主軸速度推定値Ｓｏとの比を一定に保つような送り軸速度指令を算出する。

以上の通り、切削加工時にびびり振動を抑制するため主軸の回転速度を変動させて加工する場合、１周期以上の主軸実速度Ｓａを記憶することなく、主軸の回転速度を変動させるための主軸回転変動データを利用することにより、少ない記憶手段により、主軸回転速度の変動と送り軸送り速度の変動に生じる位相差を極めて小さくすることができる。

１加工プログラム記憶部、２主軸回転速度制御部、３主軸回転変動制御部、４主軸回転変動データ記憶部、５加減速時間記憶部、６送り軸速度制御部、１１主軸回転速度推定部、１２主軸回転速度記憶部、２１主軸サーボ制御部、２２主軸回転速度検出部、２３送り軸サーボ制御部、Ｓｍ主軸モータ、Ｓｅ主軸検出器、Ｆｍ送り軸モータ、Ｓ１主軸回転速度プログラム指令、Ｓ２主軸回転速度指令、Ｓ３主軸回転変動速度指令、Ｆ１送り速度プログラム指令、Ｆ２送り軸速度指令、Ｄ１変動制御データ、Ｐ変動周期、Ｓａ主軸実速度、Ｓｏ主軸速度推定値、Ｔｓシステム固有遅れ時間、Ｔｃ加減速時間。

Claims

予め記憶された変動周期を含む主軸回転変動データに基づき、主軸回転速度を指令された回転速度に対し所定の周期で変動させると共に、送り軸送り速度と主軸回転速度との比を一定に保ちながら送り軸送り速度を変動させる振動抑制手段を有する数値制御装置において、
主軸回転速度の変動と送り軸送り速度の変動との位相差である遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、
所定の周期で変動する主軸実回転速度を少なくとも１周期分、記憶する主軸回転速度記憶手段と、
主軸回転速度記憶手段に記憶された主軸実回転速度と、主軸回転変動データの変動周期と、遅れ時間算出手段が算出する遅れ時間と、から遅れ時間分だけ先の主軸回転速度を推定演算する主軸回転速度推定手段と、
推定された遅れ時間分だけ先の主軸回転速度との比を一定に保つように、指令された送り軸送り速度を変動させる送り軸変動制御手段と、
を有することを特徴とする数値制御装置。
予め記憶された変動周期を含む主軸回転変動データに基づき、主軸回転速度を指令された回転速度に対し所定の周期で変動させると共に、送り軸送り速度と主軸回転速度との比を一定に保ちながら送り軸送り速度を変動させる振動抑制手段を有する数値制御装置において、
主軸回転速度の変動と送り軸送り速度の変動との位相差である遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、
主軸回転速度検出手段により検出された主軸実回転速度と主軸回転速度指令との差分値と、主軸回転変動データと、遅れ時間算出手段が算出する遅れ時間と、から遅れ時間分だけ先の主軸回転速度を推定演算する主軸回転速度推定手段と、
推定された遅れ時間分だけ先の主軸回転速度との比を一定に保つよう指令された送り軸送り速度を変動させる送り軸変動制御手段と、
を有することを特徴とする数値制御装置。
遅れ時間算出手段は、主軸回転速度の検出したタイミングから、主軸回転速度との比を一定に保つよう送り速度を変動させるタイミングまでの時間に基づき遅れ時間を算出する請求項１または請求項２に記載の数値制御装置。
遅れ時間算出手段は、送り軸を加減速一定制御により加減速を行うための加減速時間に基づき遅れ時間を算出する請求項１または請求項２に記載の数値制御装置。