JPH01257545A - 工具の位置を制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は旋盤のような工作機械を制御する方法および装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

旋盤のような工作機の制御が過去１０年間位に大幅に発
展した。しかし、１つの不変なもの、すなわち、切削工
具の半径方向を部品の回転に相関させて希望の形を製作
する要求が残っている。その相関は、初期のある種の旋
盤においては、機緘的なカムおよびカム従節系によシ行
われていた。

しかし、そのためには型板加工物を実際に回転させるこ
とを必要とする。そのために、ピストンのような埒々の
形の加工物を加工する場合に、そのようが工作機を簡単
に適合させることが阻害される０ ＣＮＣ装置を切削工作機に応用する一般的な技術思想が
後で発展された。その装置においては、コンピュータと
、帰還ループを有する数値制御装置が、工具の現在の位
置を表す位置信号をプログラム位置信号と比較して、工
具を駆動するりニヤモータの附勢を制御する誤差信号を
発生する。

ＣＮＣ装置を使用すると、横断面が長円形であるピスト
ンのような部品を１２０Ｏｒｐｍよシ高い速度で回転さ
せることができる。そのような装置においては、部品の
完全な１回転ごとに、切削具を部品の半径方向に往復さ
せなければならない。２４００ｒｐｍで回転するピスト
ンの場合には、これには切削具が８０Ｈｚの周波数で精
密な振動を制御されつつ行う必要がある。３６００ｒｐ
ｍで回転するピストンの場合には、切削具は１２０Ｈｚ
の周波数で振動せねばならない。２４００ｒｐｍにおい
ては、約０．０３８の（０，０１５インチ）の半径方向
移動を要求されたとすると、対応する加速度は約９５ｍ
／Ｓ”（３１５ｆｔ／Ｓｔ）になる。

撮動する切削具の制御は、切削具と回転している部品の
相互作用によシ複雑にされる。したがって、部品の希望
の輪郭を得ることができるように、工具のがたつきや偏
向のような副作用を起すことなしに１慣性、摩擦および
過渡的な切削力のような負荷に反応させるために工具を
構成および支持せねばならない。

ナのような旋盤の制御装置は、定常確度が約０．０５１
ｃＩｎ（２０マイクロインチ）またはそれより高く、ス
テップ指令に対するオーバーシュートは５％より小さく
、スチフネスは約５３５７４　ｋＱ／ｃｍ　（３０００
００１ｂｓ／１ｎｃｈ　）より小さくなく、１８００ｒ
ｐｍにおいては加工物の各回転度に１回更新することが
好ましい。

従来の技術は、ＣＮＣ装置を含むＣＮＣ旋盤を含む０こ
のＣＮＣ装置においては、回転動作の閉ループ制御が長
円形ピストンのような部品に対して行われる。切削具に
対する部品の相対的な軸方向位置と、回転軸を中心とす
る部品の回転位置が精密に制御され、かつそれらの位置
は常に判明している。ＣＮＣは閉ループ制御とともに部
品プログラムに作用して、ボイスコイルモータの制御に
用いられる相関させられた指令を発し、したがって、切
削具の半径方向振動がそれへ結合される。それらの指令
は高データリンクを介して位置輪郭コンピュータへ送ら
れる。その位置輪郭コンピュータはそれらの指令を適切
な態様へ変換して、部品の各回転ごとに、ボイスコイル
モータに切削具を二重振動させる。位置輪郭コンピュー
タは切削具の半径方向位置に専用に用いられ、切削具位
置の閉ループ制御器の一部を構成する。速度トランスデ
ユーサを含めた６福のセンサが帰還信号を閉ループ制御
器へ供給する。そのループはハードウェアで構成される
。米国特許第４．６５３．３６０号にはそのよう々従来
技術の例が開示されている。

テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒ
ｕ−ｍｅｎｔｓ　）　ＴＭ８　３２０マイクロプロセツ
サ拳フアミリイのようなデジタル信号処理マイクロプロ
セッサと、アメリカ合衆国カリホルニア州すンタφクラ
ラ（５ａｎｔａ　Ｃ１ａｒａ）所在のナショナル・セミ
コンダクタ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ　）製のＬＭ６２８チップを利用している装置と
の速度によって、マイクロプロセッサをベースとする制
御装置に複雑なアルゴリズムを使用できる。そのような
装置の可能性は、制御プログラムの差分方程式に含まれ
ている算術演算の数、とくに乗算の数の関数でちる。

デジタルフィルタというのは、線形および時間によシネ
変の回路またはコンピュータプログラムであって、個々
の時間信号を基にして動作する。

デジタルフィルタは従来のデジタルノ１−ドウエアで構
成でき、または適当な汎用もしくは専用のコンピュータ
あるいはマイクロコンピュータにおけるデジタルプログ
ラムとして実現することもできるＯ デジタルフィルタには、回帰フィルタすなわち無限イン
パルス応答フィルタと、非回帰フィルタすなわち有限イ
ンパルス応答フィルタとの基本的な種類の２つのフィル
タがある。それらのフィルタの種々の変更例を周知の多
くの方法で連続時間関数から発生できる。

〔発明の概要〕

本発明の方法は、工具位置帰還信号と、初期制御信号と
、最終制御信号とのようないくつかの個々の時間信号の
少くとも１つをＰ波する過程によシ特徴づけられ、結果
として得られた最終制御信号が工具の半径方向位置を工
具位置および速度の関数として制御する。

本発明の装置は、上記方法の過程を実行するデジタルフ
ィルタ手段によ＃）％徴づけられる。

本発明の利点は、速度トランスデユーサの必要を無くす
ためにデジタルフィルタを利用することによシ、旋盤の
ような工作機を制御する方法および装置を提供すること
である。

本発明の別の利点は、装置の信頼性を向上し、かつ簡単
にするために、装置の制御ループが装置のソフトウェア
部分内で閉じられるようにされている、旋盤のような工
作機を制御する方法と装置を得ることである。

本発明の更に別の利点は、不必要なハードウェアを無く
すために装置のソフトウェア部分によシフイードフォー
ワード補償を行う旋盤のような工作機を制御する方法と
装置を得ることである。

本発明の方法および装置の使用により生ずるその他の利
点は数多くある。たとえば、本発明の方法と装置は、横
断面が長円形であるピストンのような加工物を極めて高
い確度および低コストで自動的に機械加工できる。本発
明の方法および装置は自動車エンジン用のそのようなピ
ストンの大量生産にとくに有用である。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図には、本発明の制御方法および制御装置１０の制
御の下に工作機により機械加工する加工物が示されてい
る。と＜Ｋ、第１図は自動車のピストン１１を示す。そ
のピストンは本願出願人の所有する米国特許第４．６５
３．３６０号明細書に記載されているような旋盤の切削
具２０により回される。

ピストン１１の複雑な（すなわち、長円形）表面１１が
線図的に示されておシ、実際のピストンの各部の寸法比
に比例して誇張して示されている。

ピストン１１の長軸と短軸の実際の差は約００３８５１
（約０．０１５インチ）である。

米国特許第４．６５３．３６０号明細書に記載されてい
るように、表面は全体として円錐台形状にテーパーを成
しているものと考えることができる。表面の実際の横断
面は長円形である。このことは、ピストン１１の端部図
と横断面が示されている第１図かられかる。

表面１２は空間内の１組の個々の点として定めることが
好ましく、三次元座標系またはマトリックスで識別する
と便利である。その座標系においては、１つの座標がピ
ストン１１の長手軸１４を中心とする角度位置を表す。

別の座標が軸１４の長さＩｃ泊り縦方向（すなわち軸線
方向）位置を示す。第３の座標は表面１２から軸１２ま
での半径方向の長さを表す。このようにして、工具の角
度、軸線方向および半径方向の各位置座標によυ、ピス
トン１１の表面形状が定められる。しかし、半径方向位
置座標がピストン１１の軸線方向に変化しない時のよう
なある場合には、データマトリックス中に軸線方向位置
座標の必要はないことがある０ ピストン１１の表面形状の個々の漬の決定における精度
は、用いられている点の数の関数である。

いいかえると、点の分解度が甚くなるほど表面上の点の
決定ｆｆｆｆが高くなる。

ピストン１１は同軸状に適当にチャックで取付けられ、
通常の駆動および回りセンタースピンドル１６によシ軸
１４を中心として回転させられる。

スピンドル１６の角速度は比較的一定で、１２００ｒｐ
ｍまたはそれより高い速度でピストンを回転させること
が好ましい。

軸１４を中心としてピストン１１が回ると、軸１４を中
心とするピストン１１の角度位置がスピンドル符号器１
８によシ連続してモニタされる０アクチユエークモジユ
ール２２上の工具ホルダー２０に取付けられている切削
工具２４の軸１４に対する位置は既知であって、切削工
具の先端部が軸１４に対してほぼ半径方向に一致して撮
動してもほぼ一定である。したがって、ピストン１１が
回転している時の与えられた任意の時刻にピストン１１
が切削工具の先端部の所にもってこられる時に、ピスト
ン１１の真座標を決定するためにそのモニタされた角度
位置を使用できる。

アクチュエータモジュール２２はスライダと、ボイスコ
イルモータのような支持されるリニヤモータとを含む。

アクチュエータモジュール２２は前記米国特許明細書に
詳しく記載されているように、ボールサーボおよびナツ
ト組立体２８の上で２軸に治って動くように取付けられ
ている。ボールサーボおよびナツト組立体２８は２軸駆
動装償３０へ結合される。この２軸駆動装置はサーボモ
ータを含み、アクチュエータモジュール２２をＺ軸に氾
って動かす。Ｚ軸に泊り定常誤差は約０．００２５ｃｍ
　（０，００１インチ）より小さく、オーバーシュート
は１０％より小さいことが好ましい。

与えられた任意の時刻においては、ピストン１１の角度
位置と長手方向位置は、切削工具の先端部の所に置かれ
るピストン１１の点を定める。

切削工具２４に対するピストン１１の長手方向位置は２
軸杵号器２６によシ連続してモニタされる。２軸杵号器
２６はポールねじ２８の１回転ごとに約５１２個または
それ以上のパルスを生じ、直角出力を生ずることが好ま
しい。また、スピンドル符号器１８はスピンドル１６の
１回転ごとに約９００個のパルスを生じ、かつ直角出力
を生ずることも好ましい。

アクチュエータモジュール２２には直線位置トランスデ
ユーサすなわち位置符号器３２も取付けられる。この位
置符号器３２は、アクチュエータモジュール２２のペー
スに対するスライダの正確な位置を決定するために、非
接触電気光学的読取シヘッドを利用するガラス尺度基準
装置である。

あるいは鋼製尺度基準装置を使用することもできる０ 位置符号器３２は１儒（又は１インチ）の移動ととに約
５００個（又は約１２７０個）のパルスを生ずる。

デジタル制御器３６が２軸杵号器２６と、信号調整回路
３４と、スピンドル符号器１８とからパルスを受ける。

デジタル制御器３６は、軸制御ボード３８が挿入されて
いるアイビーエム（ＩＢＭ）ＰＣ−ＸＴの工業用を含む
ことが好ましい。軸制御ボード３８は、アメリカ合衆国
ミネソタ州ブリムス（Ｐｌｙｍｏｕｔｈ　）　所在のモ
ーション−リサーチ社（Ｍｏｔｉｏｎ　Ｒｅ５ｅａｒｃ
ｈ　Ｉｎｃ　）から市販されている型番号ＰＣ３０３、
部品番号Ｂｏｏ−Ｔ３０３−０１である。

制御ボード３８は、それに組込むことができるデジタル
−アナログ変換器回路４２へ入力されるデジタル最終制
御信号を線４０に出力する。デジタル−アナログ変換器
回路４２の出力はアナログフィルタ回路４４の入力端子
へ供給される。このアナログフィルタ回路は通常の帯域
消去フィルタを含むことが好ましい。

このアナログフィルタ回路４４の出力は直線電力増幅器
すなわちパワー駆動装置の入力端子へ供給される。この
パワー駆動装置はアクチュエータモジュール２２のリニ
ヤモータへ電力を供給する。

デジタル制御器３６は線５０を介して出力禁止回路４８
も制御する。この出力禁止回路は、異常が起きた時に、
出力を禁止する。

次に、各種のハードウェアと、デジタル制御器３６にお
いて行われる各種の機能とがブロックで示されている第
２図を参照する。とくに、デジタル制御器３６内の制御
ボード３８はスピンドル位置カウンタ５２を実際に含む
。このスピンドル位置カウンタ５２の前段にパルス増倍
回路５４が設けられる。このパルス増倍回路は、スピン
ドル符号器１８から受けたパルスを４倍にすることが好
ましい。

制御ボード３８はＸ軸カウンタす力わち工具軸カウンタ
５６を含む。この工具軸カウンタの前段に、信号調整回
路３４から受けたパルスの数を４倍にする掛算回路５８
が設けられる。

同様に１制御ボード３８は、２軸杵号器２６から受けた
パルスの数をカウントする２軸カウンタ６０も含む。

アイビーエムＰＣ−ＸＴはそれのメモリ内に、部品表面
の定義を行うデータマトリックスを含む。

プログラムきれたＰＣは、スピンドル位置カウンタ５２
と２軸カウンタ６０に含まれているカウントに応答して
、輪郭指令発生器６２の機能を実行する。ＰＣは２軸カ
ウンタ６０とスピンドル軸カウンタ５２から受けた軸線
方向位置信号と角度位置信号をデータマトリックスに相
関させて、初期制御信号を線６４に生ずる。

その初期制御信号は、Ｘ軸カウンタ５６に含まにおいて
比較され、誤制御信号すなわち最終制御信号を線６８に
生ずる。その最終制御信号はブロック７０．７２．γ４
へ供給される。それらのブロックはデジタルフィルタを
構成し、とくにＰＩＤｋプの利得を決定する。しかし、
このデジタルフィルタは他の無限または有限のパルス応
答型デジタルフィルタとすることができることがわかる
であろう。ブロック７０，７２．７４によシ供給される
機能は、制御ボード３８に含まれているデジタル信号処
理マイクロプロセッサの制御の下に、制御ボード３８で
行われる。

線６４上の初期制御信号はフィードフォーワード利得ブ
ロックＴ６の入力端子へ供給することが好ましい。その
利得ブロックγ６の出力は第２の加算点Ｔ８へ供給され
る。利得ブロック７６の出力は、ブロック７０，７２．
７４によシまとめて加算点Ｔ８へ供給される結果として
の看終制御信号を修正する。

最終制御信号を更に修正するために１部品速度補償利得
ブロック８０から別の種類のフィードフォーワード信号
を加算点７８へ供給することが好ましい。スピンドル位
置カウンタ５２のカウントが線８２を介して部品速度補
償利得ブロック８０へ入力され、そのブロックの出力が
加算点Ｔ８へ供給される。

結果としての最終制御信号が終８６を介して速度利得ブ
ロック８８へ供給され、増幅されてから線４０を介して
前記したようにデジタル−アナログ変換器４２へ供給さ
れる。

次に、本発明の装置１０の制御ソフトウェアの基本的な
流れ図が示されている第３図を参照する。

ピストンをピストン１１の電子的位置に、スピンドル符
号器１８を介して、機械的に整させるようにするために
１スピンドル位置は、機械的ゼロとスピンドル符号器１
８のマーカー位置との間の角度変位を表す、第１図にｒ
ａＪで示されているプログラム可卵なオフセットを有す
る。

ブロック９０において、スピンドル１６を回転させるた
めに低速指令がスピンドルアクチュエータへ供給される
。

ブロック９２において、スピンドルマーカーに達したか
どうかをデジタル制御器３６が調べる。

まだ達していなければ、デジタル制御器３６内の誤差カ
ウンタのカウントがブロック９４において減少させられ
る。誤差カウンタ内のカウントがブロック９６において
調べられ、そのカウントがゼロであれば、ブロック９８
に示されているように異常信号が発生される。

誤差カウンタ内のカウントがゼロでなければ、スピンド
ルマーカーがブロック９２で再び調べられ、そのスピン
ドルマーカーにまだ達していなければ、異常状態が指示
きれるか、スピンドルマーカーに達するまで誤差カウン
タのカウントが減少させられる。

ブロック１００においてスピンドルマーカーに達すると
、オフセットをスピンドルカウンタにロードすることに
よシスピンドルカウンタはゼロにされる。

ブロック１０２においては、高速速度指令がスピンドル
１６へ送られる。

ブロック１０４においては、２軸が特定の送シ速度で動
くことを指令される。

ブロック１０６においては、スピンドル位置カウンタ５
２のスピンドルカウントと２軸カウンタ６０の２軸杵号
器カウントからデータアドレス座標が形成されて、ピス
トン１１を粗く回す。

ブロック１０８においては、最後のデータ点がＸ軸サー
ボへ送られたかどうかの判定が行われる０もし送られな
ければ、ブロック１０６と１０８の動作が繰返えされる
。最後のデータ点がＸ軸サーボへ送られたならば、ブロ
ック１１２に示されているように、最後の送シ速度で２
軸の動きは逆にされる０ブロツク１１４において、最後
の回転動作の之めに１スピンドル位置カウンタ５２のス
ピンドル位置カウントと、２軸カウンタ６０の２軸杵号
器カウントからデータアドレスポインタが形成される。

ブロック１１６においては、アドレスポインタからのデ
ータが受けられ、Ｘ軸サーボへ送られる。

ブロック１１８においては、最後のデータ点が読出され
たかどうかの判定が行われる。その判定が否定であれば
ブロック１１４と１１６が繰返えされ、判定が肯定であ
れば２軸サーボはブロック１２０で停止させられる。

ブロック１２２においては、スピンドル１６からピスト
ン１１が外される前にスピンドル１６は向けられる。

本発明の以上説明した方法と装置は従来技術よう数多く
の利点を有する。たとえば、デジタル制御器３６は工具
の半径方向位置を表す帰還信号を受け、それをデジタル
ｆ波することによシ、工具の位置と速度の関数である指
令すなわち最終制御信号を生ずる。これによシ、速度ト
ランスデユーサを有する速度帰還ループをなくすことが
できる。

その速度トランスデユーサは装置を共振させるから、そ
のことは望ましいことである。また、本発明の方法と装
置の制御ループはソフトウェアで閉じられているから、
制御ループがハードウェアで閉じられている場合よシ信
頼性が高く、簡単である。また、フィードフォーワード
補償のために用いられる制御ハードウェアのような付加
制御ハードウェアを減少できる。

デジタルフィルタはハードウェアとソフトウェアのいず
れでも実現できるが、ソフトウェアで実現する方が好ま
しい。デジタルフィルタは無限応答型または有限応答型
のいずれでも良く、そのフィルタからＰＩＤ制御のよう
な制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御装置の一般化されたブロック図、
第２図は第１図のデジタル制御ブロックを含む装置部分
のより詳しいブロック図、第３図は本発明の方法と装置
により制御される旋盤のＸ軸の動作と同期を示す流れ図
である。 ２２・・・Φアクチュエータモジュール、２６・・・・
２軸杵号器、３０・・・・２軸駆動装置、３２・・・・
位置符号器、３４・・・・信号調整回路、３６・・・・
デジタル制御器、３８・・・・制御ボード、４２・・・
Φデジタルーアナログ変換器、４４・・会・アナログフ
ィルタ回路、４６・・・・パワー駆動装置、４８・・・
・出力禁止回路、５２ＩＩ・・拳スピンドル位置カウン
タ、５６・・−・Ｘ軸カウンタ、６０・―・−２軸カウ
ンタ、６２０・拳・輪郭指令発生器、６６．７８・・・
・加算点、７０・・・９比例利得ブロック、　　　　７
２拳・・・積分利得ブロック、Ｔ６・・・・フィードフ
ォーワード利得ブロック、８８・・拳・速度利得ブロッ
ク。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）加工物（１１）の角度位置を表す角度位置信号を
   発生する過程と、この角度位置信号の関数として初期制
   御信号を発生する過程と、直線軸に沿う工具の位置を表
   す工具位置帰還信号を発生する過程と、初期制御信号お
   よび工具位置帰還信号の関数として最終制御信号を発生
   して、直線軸に沿う工具の位置を工具位置と直線軸に沿
   う速度との関数として制御する過程とを備える、機械加
   工作業において回転軸（１４）を中心として回転できる
   加工物（１１）の表面に対する直線軸に沿つて動くこと
   ができる工具（２４）の位置を制御する方法において、 帰還信号と、初期制御信号と、最終制御信号との少くと
   も１つをデジタル的に濾波することを特徴とする直線軸
   に沿つて動くことができる工具の位置を制御する方法。
2. （２）加工物（１１）の角度位置を表す角度位置信号を
   発生する角度位置センサ手段（１８）と、この角度位置
   信号の関数である初期制御信号を発生する手段（６２）
   と、最終制御信号の関数として直線軸に沿つて工具（２
   ４）を動かすために工具（２４）へ結合される電気的リ
   ニヤモータ（２２）と、直線軸に沿う工具の位置を表す
   工具位置帰還信号を発生する工具位置帰還手段（３２、
   ３４）と、帰還信号と初期制御信号の関数として最終制
   御信号を発生して、直線軸に沿う工具の位置を工具位置
   と直線軸に沿う速度との関数として制御する手段（６６
   ）とを備える、回転軸（１４）を中心として回転できる
   加工物（１１）の表面に対する直線軸に沿つて動くこと
   ができる工具（２４）の位置を制御する装置（１０）に
   おいて、帰還信号と、初期制御信号と、最終制御信号と
   の少くとも１つをデジタル的に濾波するデジタルフィル
   タ手段（７０、７２、７４）を備えることを特徴とする
   直線軸に沿つて動くことができる工具の位置を制御する
   装置。