JP6441416B1

JP6441416B1 - 制御装置

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Publication number: JP6441416B1
Application number: JP2017125522A
Authority: JP
Inventors: 将司安田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: US10466682B2; DE102018004924B4; JP2019008665A; DE102018004924A1; CN109129176B; US20180373228A1; CN109129176A

Abstract

【課題】高精度オシレーション制御による加工を行う際の主軸の回転速度の変化に対応することが可能な制御装置を提供すること。
【解決手段】本発明の制御装置１は、制御周期毎の前記モータの位置を制御するための指令を出力する位置指令部１００と、予めパラメータとして設定された基準速度と、スピンドルモータの基準主軸回転速度及び実主軸回転速度とに基づいて、揺動動作の基準速度を決定するオシレーション基準速度決定部１２０と、予め設定された揺動動作に係る設定値と、オシレーション基準速度決定部１２０が決定した揺動動作の基準速度とに基づいて、制御周期毎の揺動動作の速度を計算するオシレーション指令計算部１３０と、位置指令部１００が出力した位置を制御するための指令に対して、オシレーション指令計算部１３０が計算した制御周期毎の揺動動作の速度を加算する加算器１５０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、制御装置に関し、特に主軸の回転速度に応じた揺動動作機能を有する制御装置に関する。

軸制御の手法の一つとして、軸を任意領域において正弦波状に揺動させる高精度オシレーション制御がある（例えば、特許文献１など）。高精度オシレーション制御の例として、時刻ｔ＝０において位相θ＝０から回転する主軸の回転に応じてＺ軸を主軸と同周期且つ同位相で揺動動作させる場合を考えると、Ｚ軸の揺動動作の上方向の揺動領域境界である端点を上死点Ｚ_U、下方向の揺動領域境界である端点を下死点Ｚ_Lとし、上死点Ｚ_Uと下死点Ｚ_Lとの間でのＺ軸の最大速度を基準速度Ｆ_Bとした時、所定の時刻ｔにおけるＺ軸の移動速度を以下の数１式で示される速度で制御することで、主軸の回転に応じたＺ軸の揺動動作を実現できる。高精度オシレーション制御では、上記した上死点Ｚ_U、下死点Ｚ_L、基準速度Ｆ_Bなどの各パラメータは、その目的に合わせてユーザが設定している。

高精度オシレーション制御を用いた加工の例として、特許文献２，３に開示されるように、砥石車を用いたクランクシャフトの研削加工が挙げられる（図３）。このような加工方法では、例えばクランクシャフトのジャーナルを回転軸としてピン部等を研削する際に、加工プログラム等により指令された主軸の回転速度に応じて砥石台をワークに対して前後進させながら研削する必要があり、その砥石台の移動の制御に高精度オシレーション制御が用いられる。

また、高精度オシレーション制御を用いた加工の他の例として、特許文献４に開示されるように、切り屑を細分化するために工具を揺動させながら移動させる加工が挙げられる（図４）。このような加工方法では、加工プログラム等により指令された主軸の回転速度に応じた揺動周波数での揺動動作を指令する揺動指令を作成し、工具の切削送り速度に対して揺動指令を加算した速度で工具を移動させる。

特開２０１１−２４８４７３号公報特開平０９−１６０６１９号公報特開２００２−１８２７１４号公報特開２０１７−０５６５１５号公報

高精度オシレーション制御では、上記したようにオシレーションの周期をユーザが設定してきめる必要があるため、オシレーションの周期を変化させる場合にはユーザがパラメータ設定をし直す必要がある。しかしながら、主軸の回転に応じたオシレーション動作をする際に、主軸の回転周期が一定とならない場合には、高精度オシレーション制御に同期誤差が生じ、加工がうまく行かなくなることがある。

例えば、図３に示すようなクランクシャフトの研削加工において、研削砥石と研削面とが常に接するようなオシレーション周期に設定して加工をしている際に、外乱等が原因で主軸の回転速度に一瞬の変化が生じた場合、図５に示すように、研削砥石の位置と研削面との位置とに位相のズレが生じて加工が研削砥石と研削面とが衝突するようなことが発生する。

また、図４に示すようなオシレーションによる切り屑の細分化をする場合、主軸の回転速度に応じてオシレーションの周期を設定する必要があるので、例えば円錐形のワークを旋削加工する際であっても主軸の回転速度を一定としなければならない。しかしながら、円錐形のワークを旋削加工する際に主軸の回転速度を一定とした場合、ワークと工具との周方向の相対速度が、工具がワークの太い所にある場合と工具がワークの細い所にある場合とで変化するため、ワークの加工面の品質を一定に保つことができないという問題が生じる。これに対して、図６に示すように、ワークの加工面の品質を一定に保つためにワークの周速度を一定となるように（すなわち、工具とワークとのワーク周方向での相対速度が略一定となるように）制御すると、ワークに対する工具の位置に応じて主軸の回転速度が変化するが、上記したようにオシレーションの周期はユーザが設定した値で一定となるため、切り屑の細分化がうまくいかない箇所が生じることになる。

そこで本発明の目的は、高精度オシレーション制御による加工を行う際の主軸の回転速度の変化に対応することが可能な制御装置を提供することである。

本発明では、高精度オシレーション制御において、主軸の回転周期の変化に対応できるように、主軸の実際の回転速度をもとに基準速度を変化させたオシレーション指令を生成する機能を制御装置に設けることにより上記課題を解決する。

そして、本発明の一態様は、モータにより駆動される軸を、主軸を駆動するスピンドルモータの回転に応じて揺動動作させる高精度オシレーション制御を行う制御装置において、制御周期毎の前記モータの位置を制御するための指令を出力する位置指令部と、予めパラメータとして設定された基準速度と、前記スピンドルモータの基準主軸回転速度と、前記スピンドルモータからフィードバックされる該スピンドルモータの実主軸回転速度とに基づいて、前記揺動動作の基準速度を決定するオシレーション基準速度決定部と、予め設定された揺動動作に係る設定値と、前記オシレーション基準速度決定部が決定した揺動動作の基準速度とに基づいて、制御周期毎の揺動動作の速度を計算するオシレーション指令計算部と、前記位置指令部が出力した位置を制御するための指令に対して、前記オシレーション指令計算部が計算した制御周期毎の揺動動作の速度を加算する加算器と、を備える制御装置である。

本発明により、高精度オシレーション制御を行っている際に主軸の回転速度が変化したとしても、主軸の回転速度の変化に追従してオシレーション指令の基準速度が変化するため、主軸の回転速度に対するオシレーション周期や位相のズレが生じることの無い加工を行うことができる。

一実施形態による制御装置と該制御装置によって駆動制御される加工機の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。一実施形態による制御装置の概略的な機能ブロック図である。従来技術によるクランクシャフトの研削加工について説明する図である。従来技術による切り屑を細分化加工について説明する図である。従来技術によるクランクシャフトの研削加工の課題について説明する図である。従来技術による切り屑を細分化加工について説明する図である。

以下に本発明を実現するための制御装置の構成例を示す。ただし、本発明の制御装置の構成は下記の例に限定されるものではく、本発明の目的を実現可能なものであれば、どのような構成を採用しても良い。

図１は一実施形態による制御装置と該制御装置によって駆動制御される加工機の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。本実施形態による制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、制御装置１を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステム・プログラムをバス２０を介して読み出し、該システム・プログラムに従って制御装置１全体を制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及び後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

不揮発性メモリ１４は、例えば図示しないバッテリでバックアップされるなどして、制御装置１の電源がオフされても記憶状態が保持されるメモリとして構成される。不揮発性メモリ１４には、インタフェース１５を介して読み込まれた加工プログラムや後述する表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラムに加えて、加工に使用する工具の切削条件の推奨値を含む工具データなどが記憶されている。不揮発性メモリ１４には更に、加工プログラムを運転するために用いられる加工プログラム運転処理用プログラム等が記憶されるが、これらプログラムは実行時にはＲＡＭ１３に展開される。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理などを実行するための各種のシステム・プログラム（揺動動作機能のシステム・プログラムを含む）があらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は、制御装置１とアダプタ等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは加工プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、制御装置１内で編集した加工プログラムは、外部機器７２を介して外部記憶手段に記憶させることができる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで加工機の周辺装置（例えば、工具交換用のロボットハンドといったアクチュエータ）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、加工機の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１１に渡す。

表示器／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８は表示器／ＭＤＩユニット７０のキーボードからの指令，データを受けてＣＰＵ１１に渡す。インタフェース１９は各軸を手動で駆動させる際に用いる手動パルス発生器等を備えた操作盤７１に接続されている。

加工機が備える軸を制御するための軸制御回路３０はＣＰＵ１１からの軸の移動指令量を受けて、軸の指令をサーボアンプ４０に出力する。サーボアンプ４０はこの指令を受けて、加工機が備える軸を移動させるサーボモータ５０を駆動する。軸のサーボモータ５０は位置・速度検出器を内蔵し、この位置・速度検出器からの位置・速度フィードバック信号を軸制御回路３０にフィードバックし、位置・速度のフィードバック制御を行う。なお、図１のハードウェア構成図では軸制御回路３０、サーボアンプ４０、サーボモータ５０は１つずつしか示されていないが、実際には制御対象となる加工機に備えられた軸の数だけ用意される。

スピンドル制御回路６０は、加工機への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、加工機のスピンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。
スピンドルモータ６２にはポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはＣＰＵ１１によって読み取られる。

図２は、本発明の揺動動作機能を実現するためのシステム・プログラムを図１で示した制御装置１に実装した場合の、本発明の一実施形態による制御装置の要部を示す概略的な機能ブロック図である。図２に示した各機能ブロックは、図１に示した制御装置１が備えるＣＰＵ１１が、揺動動作機能のシステム・プログラムを実行し、制御装置１の各部の動作を制御することにより実現される。本実施形態の制御装置１は、位置指令部１００、スピンドル制御部１１０、オシレーション基準速度決定部１２０、オシレーション指令計算部１３０、サーボ制御部１４０を備える。

位置指令部１００は、不揮発性メモリ１４から読み出された加工プログラムから読み出された位置指令や、制御装置１の上位制御装置から指令された位置指令などに基づいて、制御周期毎のサーボモータ５０の位置を制御するための指令を出力する機能手段である。位置指令部１００は、位置指令に基づいて制御周期毎のサーボモータ５０の位置を制御するための指令（制御周期毎のサーボモータ５０の移動量）を算出して出力するようにしても良い。

スピンドル制御部１１０は、不揮発性メモリ１４から読み出された加工プログラムから読み出されたスピンドル指令や、制御装置１の上位制御装置から指令されたスピンドル指令などに基づいてスピンドルモータ６２の回転速度を制御する機能手段である。スピンドル制御部１１０は、スピンドル指令に基づいて制御周期毎のスピンドルモータ６２の回転数を制御するようにしても良い。

オシレーション基準速度決定部１２０は、予め不揮発性メモリ１４等のメモリ上に設けられたオシレーション設定領域に設定されたオシレーションに係る設定値と、スピンドルモータ６２に対して指令値と、スピンドルモータ６２からフィードバックされる値とに基づいて、オシレーションの基準速度Ｆ_B（上死点と下死点との間における揺動動作させる軸の最大速度）を決定する。オシレーション基準速度決定部１２０は、オシレーション設定領域に設定されたオシレーションに係る基準速度の設定値Ｆ_pと、スピンドルモータに係る指令に基づく主軸の回転速度である基準主軸回転速度Ｓと、スピンドルモータ６２からフィードバックされる実際の主軸の回転速度である実主軸回転速度Ｓ_rとを用いて、以下の数２式に基づいて基準速度Ｆ_Bを算出するようにして良い。

オシレーション指令計算部１３０は、オシレーション基準速度決定部１２０が決定した基準速度Ｆ_Bと、予め不揮発性メモリ１４等のメモリ上に設けられたオシレーション設定領域に設定されたオシレーションに係る設定値とに基づいて制御周期毎の揺動動作の速度（制御周期毎の揺動動作分の移動量）を計算する機能手段である。オシレーション指令計算部１３０が行う制御周期毎の揺動動作の速度の計算は、本発明を適用する高精度オシレーション制御の対象に応じた計算方法にて計算されるが、その計算の際に用いられる基準速度Ｆ_Bをオシレーション基準速度決定部１２０が決定した値を用いる点が従来技術とは異なる。オシレーション指令計算部１３０が計算した制御周期毎の揺動動作の速度は、加算器１５０により位置指令部１００から出力される制御周期毎のサーボモータ５０の位置を制御するための指令に加算される。
そして、サーボ制御部１４０は、加算器１５０からの出力に基づいてサーボモータ５０を制御する。

上記した構成を備えた制御装置１では、高精度オシレーション制御を行う際に、スピンドルモータ６２からフィードバックされる主軸回転速度の変動に応じて、オシレーションの基準速度Ｆ_Bが変化するため、従来技術と比較して主軸の回転に応じたより精度の高い揺動動作を行わせることができる。

例えば、図３に示すようなクランクシャフトの研削加工に本発明を適用することで、実主軸回転速度Ｓ_rが指令値と一致していれば、パラメータとして設定をした基準速度Ｆ_pを基準速度Ｆ_Bとして揺動動作の制御が行われ、外乱等により実主軸回転速度Ｓ_rに変化があれば基準速度Ｆ_pを補正した値を基準速度Ｆ_Bとして揺動動作の制御が為される。

また、図４，６に示すようなオシレーションによる切り屑の細分化において円錐形のワークを加工する際に周速度を一定とする周速一定制御を用いる場合には、本発明を適用することで、周速一定制御により実主軸回転速度が上昇すると、その分揺動動作の基準速度Ｆ_Bも上昇するため、切り屑の細断に適したオシレーション周期に逐次的に変更することが可能になる。

更に、本発明を適用することで、加工中に作業者が主軸回転数のオーバライド値を変更した場合や、何らかの事情により主軸の回転を停止した場合等にも対応することができるようになる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。
例えば、上記した実施形態では制御装置１として一般的な制御装置を例として説明しているが、より小規模なサーボ制御装置内に本発明の機能を搭載することも可能である。

１制御装置
２切削工具
３ワーク
４ワーク
１１ＣＰＵ
１２ＲＯＭ
１３ＲＡＭ
１４不揮発性メモリ
１５，１８，１９インタフェース
１６ＰＭＣ
１７Ｉ／Ｏユニット
２０バス
３０軸制御回路
４０サーボアンプ
５０サーボモータ
６０スピンドル制御回路
６１スピンドルアンプ
６２スピンドルモータ
６３ポジションコーダ
７０表示器／ＭＤＩユニット
７１操作盤
７２外部機器
１００位置指令部
１１０スピンドル制御部
１２０オシレーション基準速度決定部
１３０オシレーション指令計算部
１４０サーボ制御部
１５０加算器

Claims

モータにより駆動される軸を、主軸を駆動するスピンドルモータの回転に応じて揺動動作させる高精度オシレーション制御を行う制御装置において、
制御周期毎の前記モータの位置を制御するための指令を出力する位置指令部と、
予めパラメータとして設定された基準速度と、前記スピンドルモータの基準主軸回転速度と、前記スピンドルモータからフィードバックされる該スピンドルモータの実主軸回転速度とに基づいて、前記揺動動作の基準速度を決定するオシレーション基準速度決定部と、
予め設定された揺動動作に係る設定値と、前記オシレーション基準速度決定部が決定した揺動動作の基準速度とに基づいて、制御周期毎の揺動動作の速度を計算するオシレーション指令計算部と、
前記位置指令部が出力した位置を制御するための指令に対して、前記オシレーション指令計算部が計算した制御周期毎の揺動動作の速度を加算する加算器と、
を備える制御装置。