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JP3313643B2 - バイト工具によるオービット加工におけるサーボ制御方法およびオービット加工用のサーボ制御装置 - Google Patents

バイト工具によるオービット加工におけるサーボ制御方法およびオービット加工用のサーボ制御装置

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Publication number
JP3313643B2
JP3313643B2 JP12120498A JP12120498A JP3313643B2 JP 3313643 B2 JP3313643 B2 JP 3313643B2 JP 12120498 A JP12120498 A JP 12120498A JP 12120498 A JP12120498 A JP 12120498A JP 3313643 B2 JP3313643 B2 JP 3313643B2
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Japan
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feed
value
spindle
servo system
compensation
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JP12120498A
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実 濱村
定治 羽山
純 藤田
崇宏 船木
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Shibaura Machine Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Machine Co Ltd
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Publication date
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Priority to KR1019990015289A priority patent/KR100354878B1/ko
Priority to US09/301,304 priority patent/US6147468A/en
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    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B19/23—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control
    • G05B19/231—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using an incremental digital measuring device for point-to-point control the positional error is used to control continuously the servomotor according to its magnitude
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    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、バイト工具によ
るオービット加工におけるサーボ制御方法およびオービ
ット加工用のサーボ制御装置に関し、特に同時多軸制御
機能を有するＮＣ工作機械を使用してバイト工具により
行うバイト工具によるオービット加工におけるサーボ制
御方法およびオービット加工用のサーボ制御装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】バイト半径（工具径）に関係なく、一本
のバイト工具により任意の内径の穴加工、任意の外径の
外周面加工、その他、テーパ加工、球面加工、多角形加
工、ねじ切り加工、フランジ面加工、自由形状加工を回
転切削方式にて効率よく行う加工法として、バイト工具
を取り付けられた主軸と被加工物とを送り軸制御により
主軸の回転軸線に直交する平面に沿って相対変位させて
主軸と被加工物との間に相互補間運動を行わせ、前記主
軸の回転角を前記軸制御に対して所定の相関関係をもっ
て定量的に同期制御することにより主軸の全回転角位置
にて被加工物の加工面に対するバイト工具の刃先方向を
所定の方向に保って前記相互補間運動による補間軌跡に
より決まる形状に切削するオービット加工が既に提案さ
れており、これは、特開平８−１２６９３８号公報に示
されている。
【０００３】上述のようなオービット加工は、同時多軸
制御機能を有する汎用のＮＣ工作機械を使用し、送り軸
と主軸とをサーボモータを用いて制御している。
【０００４】サーボ制御では、位置ゲインにより送り軸
のモータサーボ系の制御追従遅れが存在し、この制御追
従遅れは送り速度の高速化に伴い顕著なものになり、送
り位置の定常誤差、ボーリング加工では切削半径が減少
し、指令値通りの加工が行われなくことが知られてい
る。
【０００５】このことに対して、（位置指令値の微分
値）／（送り軸モータサーボ系の位置ループゲン）なる
演算に決まるフィードフォワード補償値を送り軸の位置
指令値に加算して送り軸のモータサーボ系の制御追従遅
れをフィードフォワード補償することが提案されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】送り軸のモータサーボ
系の制御追従遅れがフィードフォワード補償されれば、
被加工物に対する主軸の運動軌跡（補間軌跡）は指令値
通りのものに補償されるが、しかし、モータサーボ系の
制御追従遅れは主軸の回転角制御用のモータサーボ系に
も存在するから、フィードフォワード補償によって送り
軸のモータサーボ系の制御追従遅れが解消されたことに
対して、主軸回転角制御用のモータサーボ系に制御追従
遅れが存在することにより、送り軸制御と主軸の回転角
制御との同期性が崩れ、機械の円弧補間運動に対して主
軸の回転角運動が遅れ、切削寸法の誤差が生じ、ボーリ
ング加工では切削半径が減少し、高精度のオービット加
工が行われない。
【０００７】また、工作機械では、送り軸系や主軸の慣
性力による弾性変形に起因する機械系誤差が存在し、こ
の誤差は、送り速度、主軸回転速度やこれらの加減速度
の高速化に伴い増加し、このことによってもオービット
加工の精度が低下する。
【０００８】この発明は、上述の如き問題点に着目して
なされたものであり、送り軸制御と主軸の回転角制御と
の同期性の崩れを解消し、また送り軸系や主軸の慣性力
による弾性変形に起因する機械系誤差をキャンセルし、
高速、高精度のオービット加工を実現するバイト工具に
よるオービット加工におけるサーボ制御方法およびオー
ビット加工用のサーボ制御装置を提供することを目的と
している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明のバイト工具によるオービ
ット加工におけるサーボ制御方法は、バイト工具を取り
付けられた主軸と被加工物とを送り軸制御により主軸の
回転軸線に直交する平面に沿って相対変位させて主軸と
被加工物との間に相互補間運動を行わせ、前記主軸の回
転角を前記送り軸制御に対して所定の相関関係をもって
定量的に同期制御することにより主軸の全回転角位置に
て被加工物の加工面に対するバイト工具の刃先方向を所
定の方向に保って前記相互補間運動による補間軌跡によ
り決まる形状に切削するオービット加工におけるサーボ
制御方法において、各送り軸のモータサーボ系の制御追
従遅れをフィードフォワード補償すると共に、前記主軸
のモータサーボ系の制御追従遅れをフィードフォワード
補償し、前記送り軸のフィードフォワード補償は、（位
置指令値の微分値）／（送り軸モータサーボ系の位置ル
ープゲイン）なる演算によって決まるフィードフォワー
ド補償値を位置指令値に加算し、前記主軸のフィードフ
ォワード補償は、（モータ回転角指令値の微分値）／
（主軸のモータ サーボ系の位置ループゲイン）なる演算
によって決まるフィードフォワード補償値をモータ回転
角指令値に加算するものである。
【００１０】この発明のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法では、送り軸モータサーボ系
の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主
軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォワード
補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が
確保される。
【００１１】また、（位置指令値の微分値）／（送り軸
モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって
決まるフィードフォワード補償値によって送り軸モータ
サーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償が行
われ、（モータ回転角指令値の微分値）／（主軸のモー
タサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって決ま
るフィードフォワード補償値が行われ、送り軸制御と主
軸の回転角制御との同期性が確保される。
【００１２】請求項２に記載の発明のバイト工具による
オービット加工におけるサーボ制御方法は、請求項１に
記載のバイト工具によるオービット加工におけるサーボ
制御方法において、前記送り軸のフィードフォワード補
償は、送り軸モータサーボ系の位置ループに与えられる
位置指令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラ
メータ設定される前記送り軸による移動機構の移動方向
振動の固有振動数と減衰定数とによりフィードフォワー
ド補償値を演算し、当該フィードフォワード補償値によ
り位置ループの指令値に対してフィードフォワード補償
を行うものである。
【００１３】この発明のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法では、送り軸モータサーボ系
の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主
軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォワード
補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が
確保され、更に、位置指令の微分値を入力変数とし、こ
の入力変数とパラメータ設定される送り軸による移動機
構の移動方向振動の固有振動数と減衰定数とにより決ま
るフィードフォワード補償値によるフィードフォワード
補償によって慣性力による送り軸の移動方向の弾性変形
による機械系の誤差が補償される。
【００１４】請求項３に記載の発明のバイト工具による
オービット加工におけるサーボ制御方法は、請求項１に
記載のバイト工具によるオービット加工におけるサーボ
制御方法において、前記送り軸のフィードフォワード補
償は、送り軸モータサーボ系の位置ループに与えられる
位置指令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラ
メータ設定される前記送り軸のねじれ振動の固有振動数
と減衰定数とによりフィードフォワード補償値を演算
し、当該フィードフォワード補償値により位置ループの
指令値に対してフィードフォワード補償を行うものであ
る。
【００１５】この発明のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法では、送り軸モータサーボ系
の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主
軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォワード
補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が
確保されると共に、慣性力による送り軸の移動方向の弾
性変形による機械系の誤差が補償され、更に、送り軸モ
ータサーボ系の位置ループに与えられる位置指令の微分
値を入力変数とし、この入力変数とパラメータ設定され
る送り軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数とにより
決まるフィードフォワード補償値によるフィードフォワ
ード補償によって慣性力による送り軸のねじり系の弾性
変形による機械系の誤差も補償される。
【００１６】請求項４に記載の発明のバイト工具による
オービット加工におけるサーボ制御方法は、請求項１〜
３の何れかに記載のバイト工具によるオービット加工に
おけるサーボ制御方法において、前記主軸のフィードフ
ォワード補償は、主軸モータサーボ系の位置ループに与
えられる回転角指令の微分値を入力変数とし、当該入力
変数とパラメータ設定される前記主軸のねじれ振動の固
有振動数と減衰定数とによりフィードフォワード補償値
を演算し、当該フィードフォワード補償値により位置ル
ープの指令値に対してフィードフォワード補償を行うも
のである。
【００１７】この発明のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法では、送り軸モータサーボ系
の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主
軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォワード
補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が
確保され、更に、主軸モータサーボ系の位置ループに与
えられる回転角指令の微分値を入力変数とし、当該入力
変数とパラメータ設定される前記主軸のねじれ振動の固
有振動数と減衰定数とによりフィードフォワード補償値
によるフィードフォワード補償によって慣性力による主
軸のねじり系の弾性変形による機械系の誤差が補償され
る。
【００１８】また、上述の目的を達成するために、請求
項５に記載の発明によるオービット加工用のサーボ制御
装置は、バイト工具を取り付けられた主軸と被加工物と
を送り軸制御により主軸の回転軸線に直交する平面に沿
って相対変位させて主軸と被加工物との間に相互補間運
動を行わせ、前記主軸の回転角を前記送り軸制御に対し
て所定の相関関係をもって定量的に同期制御することに
より主軸の全回転角位置にて被加工物の加工面に対する
バイト工具の刃先方向を所定の方向に保って前記相互補
間運動による補間軌跡により決まる形状に切削するオー
ビット加工用のサーボ制御装置において、各送り軸のモ
ータサーボ系の制御追従遅れをフィードフォワード補償
する送り軸モータサーボ系用のフィードフォワード補償
手段と、前記主軸のモータサーボ系の制御追従遅れをフ
ィードフォワード補償する主軸モータサーボ系用のフィ
ードフォワード補償手段とを有し、前記送り軸モータサ
ーボ系用のフィードフォワード補償手段は、（位置指令
値の微分値）／（送り軸モータサーボ系の位置ループゲ
ン）なる演算によってフィードフォワード補償値を決定
し、前記主軸モータサーボ系用のフィードフォワード補
償手段は、（モータ回転角指令値の微分値）／（主軸の
モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって
フィードフォワード補償値を決定するものである。
【００１９】この発明によるオービット加工用のサーボ
制御装置では、送り軸モータサーボ系用のフィードフォ
ワード補償手段による送り軸モータサーボ系の制御追従
遅れのフィードフォワード補償に加えて、主軸モータサ
ーボ系用のフィードフォワード補償手段によって主軸モ
ータサーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償
が行われ、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が
確保される。
【００２０】また、送り軸モータサーボ系用のフィード
フォワード補償手段は、（位置指令値の微分値）／（送
り軸モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によ
って決まるフィードフォワード補償値によって送り軸モ
ータサーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償
を行い、主軸モータサーボ系用のフィードフォワード補
償手段は、（モータ回転角指令値の微分値）／（主軸の
モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって
決まるフィードフォワード補償値を行い、送り軸制御と
主軸の回転角制御との同期性が確保される。
【００２１】請求項６に記載の発明によるオービット加
工用のサーボ制御装置は、請求項５に記載のオービット
加工用のサーボ制御装置において、前記送り軸モータサ
ーボ系用のフィードフォワード補償手段は、送り軸モー
タサーボ系の位置ループに与えられる位置指令の微分値
を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ設定される
前記送り軸による移動機構の移動方向振動の固有振動数
と減衰定数とによりフィードフォワード補償値を演算
し、当該フィードフォワード補償値により位置ループの
指令値に対してフィードフォワード補償を行うものであ
る。
【００２２】この発明によるオービット加工用のサーボ
制御装置では、送り軸モータサーボ系の制御追従遅れの
フィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制御追
従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制御と
主軸の回転角制御との同期性が確保され、更に、送り軸
モータサーボ系用のフィードフォワード補償手段が、位
置指令の微分値を入力変数とし、この入力変数とパラメ
ータ設定される送り軸による移動機構の移動方向振動の
固有振動数と減衰定数とにより決まるフィードフォワー
ド補償値によってフィードフォワード補償を行い、この
フィードフォワード補償によって慣性力による送り軸の
移動方向の弾性変形による機械系の誤差が補償される。
【００２３】請求項７に記載の発明によるオービット加
工用のサーボ制御装置は、請求項５に記載のオービット
加工用のサーボ制御装置において、前記送り軸モータサ
ーボ系用のフィードフォワード補償手段は、送り軸モー
タサーボ系の位置ループに与えられる位置指令の微分値
を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ設定される
前記送り軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数とによ
りフィードフォワード補償値を演算し、当該フィードフ
ォワード補償値により位置ループの指令値に対してフィ
ードフォワード補償を行うものである。
【００２４】この発明によるオービット加工用のサーボ
制御装置では、送り軸モータサーボ系の制御追従遅れの
フィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制御追
従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制御と
主軸の回転角制御との同期性が確保されると共に、慣性
力による送り軸の移動方向の弾性変形による機械系の誤
差が補償され、更に、送り軸モータサーボ系用のフィー
ドフォワード補償手段が、送り軸モータサーボ系の位置
ループに与えられる位置指令の微分値を入力変数とし、
この入力変数とパラメータ設定される送り軸のねじれ振
動の固有振動数と減衰定数とにより決まるフィードフォ
ワード補償値によってフィードフォワード補償を行い、
このフィードフォワード補償によって慣性力による送り
軸のねじり系の弾性変形による機械系の誤差も補償され
る。
【００２５】請求項８に記載の発明によるオービット加
工用のサーボ制御装置は、請求５〜７の何れかに記載の
オービット加工用のサーボ制御装置において、前記主軸
モータサーボ系用のフィードフォワード補償手段は、主
軸モータサーボ系の位置ループに与えられる回転角指令
の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ設
定される前記主軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数
とによりフィードフォワード補償値を演算し、当該フィ
ードフォワード補償値により位置ループの指令値に対し
てフィードフォワード補償を行うものである。
【００２６】この発明によるオービット加工用のサーボ
制御装置では、送り軸モータサーボ系の制御追従遅れの
フィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制御追
従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制御と
主軸の回転角制御との同期性が確保され、更に、主軸モ
ータサーボ系用のフィードフォワード補償手段が、主軸
モータサーボ系の位置ループに与えられる回転角指令の
微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ設定
される前記主軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数と
によりフィードフォワード補償値によってフィードフォ
ワード補償を行い、このフィードフォワード補償によっ
て慣性力による主軸のねじり系の弾性変形による機械系
の誤差が補償される。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面を用いて詳細に説明する。
【００２８】まず、図１を参照してオービット加工の概
要について説明する。図１において、１は自身の中心軸
線周りの回転角を定量的に制御可能な主軸を、３は主軸
１に取り付けられたバイト工具（シングルポイントバイ
ト工具）を示している。
【００２９】オービット加工は、主軸中心Ｃｓの被加工
物Ｗに対する相対的な移動軌跡が切削すべき形状に適合
したものになるように、主軸１と被加工物Ｗとを送り軸
制御、この場合、Ｘ軸制御とＹ軸制御とにより、主軸１
と被加工物Ｗとを主軸１の回転軸線に直交する平面に沿
って相対変位させて主軸１と被加工物Ｗとの間に真円の
相互補間運動を行わせ、主軸１の回転角をＸ軸制御とＹ
軸制御とに対して所定の相関関係をもって同期制御する
ことにより、主軸１の全回転角位置にて被加工物Ｗの内
周面に対するバイト工具３の刃先方向を所定の方向に保
ち、換言すれば刃先と内周面との角度βを一定に保ち、
前記相互補間運動による補間軌跡（主軸中心軌跡）Ｌに
より決まる形状、即ち、半径Ｒｗの真円の横断面形状に
切削する。
【００３０】なお、オービット加工について、より詳細
な説明が必要ならば、特開平８−１２６９３８号公報を
参照されたい。この発明によるサーボ制御方法、装置
は、特開平８−１２６９３８号公報に開示されている各
種のオービット加工に適用される。
【００３１】図２〜図５はこの発明によるオービット加
工用のサーボ制御装置を示している。
【００３２】図２はＸ軸制御とＹ軸制御のサーボ制御装
置を示しており、このサーボ制御装置は、位置制御器５
０と、送り軸モータサーボ系用のフィードフォワード補
償手段である前置補償部６０と、速度制御器８０と、電
流制御器９０と、Ｘ軸サーボモータ１０あるいはＹ軸サ
ーボモータ１２のモータ回転角度信号を出力するロータ
リエンコーダ２０を有している。
【００３３】電流制御器９０は、電流センサ３０が出力
する電流信号を電流フィードバック信号として与えら
れ、電流ループゲインＧｉによる電流ループを構成す
る。
【００３４】速度制御器８０は、ロータリーエンコーダ
２０が出力するモータ回転角度信号を微分器２２によっ
て微分して得られるモータ角速度信号を速度フィードバ
ック信号として与えられ、内在するローパスフィルタω
ｂ／（ωｂ＋Ｓ）と速度ループゲインＧｓにより速度ル
ープを構成する。
【００３５】位置制御器５０は、ロータリーエンコーダ
２０が出力するモータ回転角度信号をハイブリッド制御
用のローカットフィルタ５２を介してモータ角度位置フ
ィードバック信号として与えられ、位置ループゲインＧ
ｐによる位置ループを構成する。
【００３６】Ｘ軸サーボモータ１０あるいはＹ軸サーボ
モータ１２の回転は歯車減速比Ｇｒを介して送り軸の送
りねじ（図示省略）を回転駆動する。なお、サーボモー
タと送りねじとが直結されている場合には、Ｇｒ＝１で
あり、この回転は、ねじり系の伝達関数を経て送りねじ
の回転角になる。送りねじの回転角はＬ／２πを介して
直線移動系（Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向の移動量）の入
力となる。なお、Ｌは送りねじのリードである。直線移
動系は伝達関数を経て機械位置が定まる。
【００３７】送りねじの回転モーメントをＪｂ、これら
を回転駆動するねじり剛性（カップリングのねじり剛性
を含む）をＫｂ、等価回転粘性係数をＣｂとすると、ね
じり振動の固有振動数ωｎｂは（１）式により表わさ
れ、減衰定数ζｂは（２）式により表わされる。
【００３８】 ωｎｂ＝√（Ｋｂ／Ｊｂ） …（１） ζｂ＝Ｃｂ・ωｎｂ／２ …（２） 移動機構の剛性（直線移動の場合は直線方向の剛性であ
り、旋回移動の場合はねじり剛性である）をＫａ、直線
移動機構の質量をＭａ、旋回移動機構の慣性モーメント
をＪａ、これらの等価粘性係数をＣａとすると、移動方
向の固有振動数ωｎａは（３）式または（４）式により
表わされ、減衰定数ζａは（５）式により表わされる。
【００３９】 ωｎａ＝√（Ｋａ／Ｍａ） …（３） ωｎａ＝√（Ｋａ／Ｊａ） …（４） ζａ＝Ｃａ・ωｎａ／２ …（５） ねじり系の伝達関数は（６）式により表わされ、移動系
の伝達関数は（７）式により表わされる。
【００４０】
【数１】 １／｛１＋２ζｂ（Ｓ／ωｎｂ）｝＋（Ｓ2 /ωｎｂ2 ) …（６） １／｛１＋２ζａ（Ｓ／ωｎａ）｝＋（Ｓ2 /ωｎａ2 ) …（７） 但し、Ｓはラプラス演算子である。
【００４１】移動系の機械位置は、リニアスケール２４
により検出され、機械位置信号として電気系に戻され
る。
【００４２】送り軸モータサーボ系用のフィードフォワ
ード補償手段である前置補償器６０は、図３に示されて
いるように、移動系の前置補償器（第一の前置補償手
段）６２と、ねじり系の前置補償器（第二の前置補償手
段）６４と、モータサーボ系の前置補償器６６を含んで
いる。
【００４３】送り軸モータサーボ系の前置補償器６６
は、送り軸モータサーボ系のＳ／Ｇｐによるフィードフ
ォワード補償値演算部６６ａと、Ｓ2 /（Ｇｐ・Ｇｓ）
によるフィードフォワード補償部６６ｂと、Ｓ3 /（Ｇ
ｐ・Ｇｓ・ωｂ）によるフィードフォワード補償部６８
ｃとを有する。各フィードフォワード補償演算部６８ａ
〜６８ｃにより演算されたフィードフォワード補償値を
モータ回転角指令に加算する。なお、ωｂは速度制御器
８０に内在するローパス補償フィルタのコーナ周波数で
ある。
【００４４】送り軸モータサーボ系の前置補償部６６に
よるフィードフォワード補償により送り軸モータサーボ
系の制御の追従遅れが補償され、送り軸モータサーボ系
の前置補償部６６の入力信号通りのサーボモータ１０、
１２の回転角度位置に制御することが可能になる。
【００４５】ねじり系の前置補償器６４は、ねじり系の
伝達関数（６）に基づいてフィードフォワード補償を行
なうものであり、移動系の前置補償部６２によってフィ
ードフォワード補償された位置指令を演算器６８による
演算によって回転指令に変換したものを入力変数とし、
この入力変数の微分値とパラメータ設定されるねじり減
衰定数ζｂとの積の２倍値を、パラメータ設定されるね
じり固有振動数ωｎｂで除した値をフィードフォワード
補償値として演算する減衰補償フィードフォワード演算
部６４ａと、上述の入力変数の２階微分値をパラメータ
設定されるねじり固有振動数ωｂｎの２乗値で除した値
をフィードフォワード補償値として演算する慣性補償フ
ィードフォワード演算部６４ｂとを並列に有し、これら
演算部６４ａ、６４ｂにより演算されたフィードフォワ
ード補償値を入力変数に加算するフィードフォワード補
償を行なう。
【００４６】ねじり系の前置補償部６４の補償結果は、
演算器６９により（１／Ｇｒ）倍されて、送り軸モータ
サーボ系の前置補償部６６の入力信号となる。
【００４７】上述のねじり系の前置補償部６４によるフ
ィードフォワード補償により、ねじり系のねじり変形誤
差が補償され、ねじり系の前置補償部６４の入力変数通
りの送りねじの回転角度位置に制御することが可能にな
る。
【００４８】図２に示されているように、リニアスケー
ル２４によって得られる機械位置信号は、ハイブリッド
制御用のハイカットフィルタ５４によりハイブリッド制
御時定数Ｔの逆数以上の周波数の信号を減衰させて、補
間処理部４０により演算された位置信号（位置指令）か
ら差引かれ、前置補償部６０の入力信号、すなわち移動
系前置補償部６２の入力変数となる。
【００４９】移動系の前置補償器６２は、移動系の伝達
関数（７）に基づいてフィードフォワード補償を行なう
ものであり、上述の入力変数の微分値とパラメータ設定
される移動系減衰比Ｓａとの積の２倍値をパラメータ設
定される移動系固有振動数ωｎａで除した値をフィード
フォワード補償値として演算する減衰補償フィードフォ
ワード演算部６２ａと、入力変数の２階微分値をパラメ
ータ設定される移動系固有振動数ωｎａの２乗値で除し
た値をフィードフォワード補償値として演算する慣性補
償フィードフォワード演算部６２ｂとを並列に有し、こ
れら演算部６２ａ、６２ｂにより演算されたフィードフ
ォワード補償値を入力変数に加算するフィードフォワー
ド補償を行なう。
【００５０】移動系の前置補償部６２によるフィードフ
ォワード補償により、移動系の移動方向の変形誤差が補
償され、移動系の前置補償部６２の入力変数、すなわち
前置補償部６０の入力信号通りの機械位置に制御するこ
とが可能になる。
【００５１】以上はハイブリッド制御の場合を説明した
が、ハイブリッド制御時定数Ｔを無限大とすれば、セミ
クローズド制御となり、ハイブリッド制御時定数Ｔをゼ
ロにすれば、フルクローズド制御となる。
【００５２】図４は主軸回転角制御のサーボ制御装置を
示しており、このサーボ制御装置は、位置制御器１５０
と、主軸モータサーボ系用のフィードフォワード補償手
段である前置補償部１６０と、速度制御器１８０と、電
流制御器１９０と、主軸サーボモータ１４のモータ回転
角度信号を出力するロータリエンコーダ１２０を有して
いる。
【００５３】電流制御器１９０は、電流センサ１３０が
出力する電流信号を電流フィードバック信号として与え
られ、電流ループゲインＧｉによる電流ループを構成す
る。速度制御器１８０は、ロータリーエンコーダ１２０
が出力するモータ回転角度（主軸回転角）信号を微分器
１２２によって微分して得られるモータ角速度信号を速
度フィードバック信号として与えられ、内在するローパ
スフィルタωｂ／（ωｂ＋Ｓ）と速度ループゲインＧｓ
により速度ループを構成する。
【００５４】位置制御器１５０は、ロータリーエンコー
ダ１２０が出力するモータ回転角度信号をモータ角度位
置フィードバック信号として与えられ、位置ループゲイ
ンＧｐｐによる位置ループを構成する。
【００５５】主軸サーボモータ１４の回転は歯車減速比
Ｇｒを介して主軸１を回転駆動する。なお、主軸サーボ
モータ１４と主軸１とが直結されている場合には、Ｇｒ
＝１であり、この回転は、ねじり系の伝達関数を経て主
軸１の回転角になる。
【００５６】主軸１の回転モーメントをＪｃ、これらを
回転駆動するねじり剛性（カップリングのねじり剛性を
含む）をＫｃ、等価回転粘性係数をＣｃとすると、ねじ
り振動の固有振動数ωｎｃは（８）式により表わされ、
減衰定数ζｃは（９）式により表わされる。
【００５７】 ωｎｃ＝√（Ｋｃ／Ｊｃ） …（８） ζｃ＝Ｃｃ・ωｎｃ／２ …（９） ねじり系の伝達関数は（１０）式により表わされる。
【００５８】
【数２】 １／｛１＋２ζｃ（Ｓ／ωｎｃ）｝＋（Ｓ2 /ωｎｃ2 ) …（１０） 但し、Ｓはラプラス演算子である。
【００５９】主軸モータサーボ系用のフィードフォワー
ド補償手段である前置補償器１６０は、図５に示されて
いるように、ねじり系の前置補償器１６４と、モータサ
ーボ系の前置補償器１６６を含んでいる。
【００６０】主軸モータサーボ系の前置補償器１６６
は、主軸モータサーボ系のＳ／Ｇｐｐによるフィードフ
ォワード補償値演算部１６６ａと、Ｓ2 /（Ｇｐｐ・Ｇ
ｓ）によるフィードフォワード補償部１６６ｂと、Ｓ3
/（Ｇｐｐ・Ｇｓ・ωｃ）によるフィードフォワード補
償部１６６ｃとを有する。各フィードフォワード補償演
算部１６６ａ〜１６６ｃにより演算されたフィードフォ
ワード補償値をモータ回転角指令に加算する。なお、ω
ｃは速度制御器１８０に内在するローパス補償フィルタ
のコーナ周波数である。
【００６１】主軸モータサーボ系の前置補償部１６６に
よるフィードフォワード補償により主軸モータサーボ系
の制御の追従遅れが補償され、主軸モータサーボ系の前
置補償部１６６の入力信号（主軸回転角指令）通りに主
軸サーボモータ１４の回転角度位置を制御することが可
能になる。
【００６２】これにより、送り軸モータサーボ系の制御
追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主軸モー
タサーボ系の制御追従遅れがフィードフォワード補償さ
れ、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が確保さ
れるようになる。
【００６３】主軸モータサーボ系の制御の追従遅れ角θ
ｅは、θｅ＝（Ｓ／６０）（１／Ｇｐｐ）３６０度で表
わされる。
【００６４】ねじり系の前置補償器１６４は、ねじり系
の伝達関数（１０）に基づいてフィードフォワード補償
を行なうものであり、主軸回転角指令を入力変数とし、
この入力変数の微分値とパラメータ設定されるねじり減
衰定数ζｃとの積の２倍値を、パラメータ設定されるね
じり固有振動数ωｎｃで除した値をフィードフォワード
補償値として演算する減衰補償フィードフォワード演算
部１６４ａと、上述の入力変数の２階微分値をパラメー
タ設定されるねじり固有振動数ωｃｎの２乗値で除した
値をフィードフォワード補償値として演算する慣性補償
フィードフォワード演算部１６４ｃとを並列に有し、こ
れら演算部１６４ａ、１６４ｃにより演算されたフィー
ドフォワード補償値を入力変数に加算するフィードフォ
ワード補償を行なう。
【００６５】ねじり系の前置補償部１６４の補償結果
は、演算器１６９により（１／Ｇｒ）倍されて、主軸モ
ータサーボ系の前置補償部１６６の入力信号となる。
【００６６】上述のねじり系の前置補償部１６４による
フィードフォワード補償により、主軸１のねじり変形誤
差が補償され、ねじり系の前置補償部１６４の入力変数
通りに主軸１の回転角度位置を制御することが可能にな
る。
【００６７】以上に於ては、この発明を特定の実施の形
態について詳細に説明したが、この発明は、これに限定
されるものではなく、この発明の範囲内にて種々の実施
の形態が可能であることは当業者にとって明らかであろ
う。
【００６８】
【発明の効果】以上の説明から理解される如く、請求項
１のバイト工具によるオービット加工におけるサーボ制
御方法によれば、送り軸モータサーボ系の制御追従遅れ
のフィードフォワード補償に加えて、主軸モータサーボ
系の制御追従遅れがフィードフォワード補償が行われる
から、送り軸制御と主軸の回転角制御との同期性が確保
され、高速、高精度のオービット加工が行われ得るよう
になる。
【００６９】また、（位置指令値の微分値）／（送り軸
モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって
決まるフィードフォワード補償値によって送り軸モータ
サーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償が行
われ、（モータ回転角指令値の微分値）／（主軸のモー
タサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって決ま
るフィードフォワード補償値が行われるから、送り軸制
御と主軸の回転角制御との同期性が確保され、高速、高
精度のオービット加工が行われ得るようになる。
【００７０】請求項２のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法によれば、送り軸モータサー
ボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加え
て、主軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォ
ワード補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同
期性が確保され、更に、位置指令の微分値を入力変数と
し、この入力変数とパラメータ設定される送り軸による
移動機構の移動方向振動の固有振動数と減衰定数とによ
り決まるフィードフォワード補償値によるフィードフォ
ワード補償が行われるから、慣性力による送り軸の移動
方向の弾性変形による機械系の誤差が補償され、高速、
高精度のオービット加工が行われ得るようになる。
【００７１】請求項３のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法によれば、送り軸モータサー
ボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加え
て、主軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォ
ワード補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同
期性が確保されると共に、慣性力による送り軸の移動方
向の弾性変形による機械系の誤差が補償され、更に、送
り軸モータサーボ系の位置ループに与えられる位置指令
の微分値を入力変数とし、この入力変数とパラメータ設
定される送り軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数と
により決まるフィードフォワード補償値によるフィード
フォワード補償が行われるから、慣性力による送り軸の
ねじり系の弾性変形による機械系の誤差も補償され、高
速、高精度のオービット加工が行われ得るようになる。
【００７２】請求項４のバイト工具によるオービット加
工におけるサーボ制御方法によれば、送り軸モータサー
ボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償に加え
て、主軸モータサーボ系の制御追従遅れがフィードフォ
ワード補償され、送り軸制御と主軸の回転角制御との同
期性が確保され、更に、主軸モータサーボ系の位置ルー
プに与えられる回転角指令の微分値を入力変数とし、当
該入力変数とパラメータ設定される前記主軸のねじれ振
動の固有振動数と減衰定数とによりフィードフォワード
補償値によるフィードフォワード補償が行われるから、
慣性力による主軸のねじり系の弾性変形による機械系の
誤差が補償され、高速、高精度のオービット加工が行わ
れ得るようになる。
【００７３】請求項５によるオービット加工用のサーボ
制御装置によれば、送り軸モータサーボ系用のフィード
フォワード補償手段による送り軸モータサーボ系の制御
追従遅れのフィードフォワード補償に加えて、主軸モー
タサーボ系用のフィードフォワード補償手段によって主
軸モータサーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード
補償が行われるから、送り軸制御と主軸の回転角制御と
の同期性が確保され、高速、高精度のオービット加工が
行われ得るようになる。
【００７４】また、送り軸モータサーボ系用のフィード
フォワード補償手段は、（位置指令値の微分値）／（送
り軸モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によ
って決まるフィードフォワード補償値によって送り軸モ
ータサーボ系の制御追従遅れのフィードフォワード補償
を行い、主軸モータサーボ系用のフィードフォワード補
償手段は、（モータ回転角指令値の微分値）／（主軸の
モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演算によって
決まるフィードフォワード補償値を行うから、送り軸制
御と主軸の回転角制御との同期性が確保され、高速、高
精度のオービット加工が行われ得るようになる。
【００７５】請求項６によるオービット加工用のサーボ
制御装置によれば、送り軸モータサーボ系の制御追従遅
れのフィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制
御追従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制
御と主軸の回転角制御との同期性が確保され、更に、送
り軸モータサーボ系用のフィードフォワード補償手段
が、位置指令の微分値を入力変数とし、この入力変数と
パラメータ設定される送り軸による移動機構の移動方向
振動の固有振動数と減衰定数とにより決まるフィードフ
ォワード補償値によってフィードフォワード補償が行わ
れるから、慣性力による送り軸の移動方向の弾性変形に
よる機械系の誤差が補償され、高速、高精度のオービッ
ト加工が行われ得るようになる。
【００７６】請求項７によるオービット加工用のサーボ
制御装置によれば、送り軸モータサーボ系の制御追従遅
れのフィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制
御追従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制
御と主軸の回転角制御との同期性が確保されると共に、
慣性力による送り軸の移動方向の弾性変形による機械系
の誤差が補償され、更に、送り軸モータサーボ系用のフ
ィードフォワード補償手段が、送り軸モータサーボ系の
位置ループに与えられる位置指令の微分値を入力変数と
し、この入力変数とパラメータ設定される送り軸のねじ
れ振動の固有振動数と減衰定数とにより決まるフィード
フォワード補償値によってフィードフォワード補償が行
われるから、慣性力による送り軸のねじり系の弾性変形
による機械系の誤差も補償され、高速、高精度のオービ
ット加工が行われ得るようになる。
【００７７】請求項８によるオービット加工用のサーボ
制御装置によれば、送り軸モータサーボ系の制御追従遅
れのフィードフォワード補償と主軸モータサーボ系の制
御追従遅れのフィードフォワード補償によって送り軸制
御と主軸の回転角制御との同期性が確保され、更に、主
軸モータサーボ系用のフィードフォワード補償手段が、
主軸モータサーボ系の位置ループに与えられる回転角指
令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ
設定される主軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定数と
によりフィードフォワード補償値によってフィードフォ
ワード補償が行われるから、慣性力による主軸のねじり
系の弾性変形による機械系の誤差が補償され、高速、高
精度のオービット加工が行われ得るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オービット加工の概要を示す図である。
【図２】この発明によるオービット加工用のサーボ制御
装置のＸ軸、Ｙ軸制御部のの一つの実施の形態をブロッ
ク線図である。
【図３】この発明によるオービット加工用のサーボ制御
装置のＸ軸、Ｙ軸制御部の一つの実施の形態の要部のブ
ロック線図である。
【図４】この発明によるオービット加工用のサーボ制御
装置の主軸回転角制御部の一つの実施の形態をブロック
線図である。
【図５】この発明によるオービット加工用のサーボ制御
装置の主軸回転角制御部の一つの実施の形態の要部のブ
ロック線図である。
【符号の説明】
１ 主軸 ３ バイト工具 １０ Ｘ軸サーボモータ １２ Ｙ軸サーボモータ １４ 主軸サーボモータ ２０，１２０ ロータリエンコーダ ５０，１５０ 位置制御器 ６０，１６０ 前置補償器 ６２ 直線移動系の前置補償部 ６４，１６４ ねじり系の前置補償部 ６６，１６６ サーボ遅れ系の前置補償部
フロントページの続き (72)発明者 船木 崇宏 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株 式会社 沼津事業所内 (56)参考文献 特開 昭64−29908（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−126938（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−16265（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−118115（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/46 B23Q 15/00 - 15/28 B24B 9/00 - 19/28 B24B 41/00 - 51/00 G05B 11/32,11/36 G05D 3/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バイト工具を取り付けられた主軸と被加
    工物とを送り軸制御により主軸の回転軸線に直交する平
    面に沿って相対変位させて主軸と被加工物との間に相互
    補間運動を行わせ、前記主軸の回転角を前記送り軸制御
    に対して所定の相関関係をもって定量的に同期制御する
    ことにより主軸の全回転角位置にて被加工物の加工面に
    対するバイト工具の刃先方向を所定の方向に保って前記
    相互補間運動による補間軌跡により決まる形状に切削す
    るオービット加工におけるサーボ制御方法において、 各送り軸のモータサーボ系の制御追従遅れをフィードフ
    ォワード補償すると共に、前記主軸のモータサーボ系の
    制御追従遅れをフィードフォワード補償し、前記送り軸
    のフィードフォワード補償は、（位置指令値の微分値）
    ／（送り軸モータサーボ系の位置ループゲイン）なる演
    算によって決まるフィードフォワード補償値を位置指令
    値に加算し、前記主軸のフィードフォワード補償は、
    （モータ回転角指令値の微分値）／（主軸のモータサー
    ボ系の位置ループゲイン）なる演算によって決まるフィ
    ードフォワード補償値をモータ回転角指令値に加算する
    ことを特徴とするバイト工具によるオービット加工にお
    けるサーボ制御方法。
  2. 【請求項２】 前記送り軸のフィードフォワード補償
    は、送り軸モータサーボ系の位置ループに与えられる位
    置指令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメ
    ータ設定される前記送り軸による移動機構の移動方向振
    動の固有振動数と減衰定数とによりフィードフォワード
    補償値を演算し、当該フィードフォワード補償値により
    位置ループの指令値に対してフィードフォワード補償を
    行うことを特徴とする請求項１に記載のバイト工具によ
    るオービット加工におけるサーボ制御方法。
  3. 【請求項３】 前記送り軸のフィードフォワード補償
    は、送り軸モータサーボ系の位置ループに与えられる位
    置指令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメ
    ータ設定される前記送り軸のねじれ振動の固有振動数と
    減衰定数とによりフィードフォワード補償値を演算し、
    当該フィードフォワード補償値により位置ループの指令
    値に対してフィードフォワード補償を行うことを特徴と
    する請求項１に記載のバイト工具によるオービット加工
    におけるサーボ制御方法。
  4. 【請求項４】 前記主軸のフィードフォワード補償は、
    主軸モータサーボ系の位置ループに与えられる回転角指
    令の微分値を入力変数とし、当該入力変数とパラメータ
    設定される前記主軸のねじれ振動の固有振動数と減衰定
    数とによりフィードフォワード補償値を演算し、当該フ
    ィードフォワード補償値により位置ループの指令値に対
    してフィードフォワード補償を行うことを特徴とする請
    求項１〜３の何れかに記載のバイト工具によるオービッ
    ト加工におけるサーボ制御方法。
  5. 【請求項５】 バイト工具を取り付けられた主軸と被加
    工物とを送り軸制御により主軸の回転軸線に直交する平
    面に沿って相対変位させて主軸と被加工物との間に相互
    補間運動を行わせ、前記主軸の回転角を前記送り軸制御
    に対して所定の相関関係をもって定量的に同期制御する
    ことにより主軸の全回転角位置にて被加工物の加工面に
    対するバイト工具の刃先方向を所定の方向に保って前記
    相互補間運動による補間軌跡により決まる形状に切削す
    るオービット加工用のサーボ制御装置において、 各送り軸のモータサーボ系の制御追従遅れをフィードフ
    ォワード補償する送り軸モータサーボ系用のフィードフ
    ォワード補償手段と、 前記主軸のモータサーボ系の制御追従遅れをフィードフ
    ォワード補償する主軸モータサーボ系用のフィードフォ
    ワード補償手段と、を有し、 前記送り軸モータサーボ系用のフィードフォワード補償
    手段は、（位置指令値の微分値）／（送り軸モータサー
    ボ系の位置ループゲン）なる演算によってフィードフォ
    ワード補償値を決定し、前記主軸モータサーボ系用のフ
    ィードフォワード補償手段は、（モータ回転角指令値の
    微分値）／（主軸のモータサーボ系の位置ループゲイ
    ン）なる演算によってフィードフォワード補償値を決定
    する ことを特徴とするオービット加工用のサーボ制御装
    置。
  6. 【請求項６】 前記送り軸モータサーボ系用のフィード
    フォワード補償手段は、送り軸モータサーボ系の位置ル
    ープに与えられる位置指令の微分値を入力変数とし、当
    該入力変数とパラメータ設定される前記送り軸による移
    動機構の移動方向振動の固有振動数と減衰定数とにより
    フィードフォワード補償値を演算し、当該フィードフォ
    ワード補償値により位置ループの指令値に対してフィー
    ドフォワード補償を行うことを特徴とする請求項５に記
    載のオービット加工用のサーボ制御装置。
  7. 【請求項７】 前記送り軸モータサーボ系用のフィード
    フォワード補償手段は、送り軸モータサーボ系の位置ル
    ープに与えられる位置指令の微分値を入力変数とし、当
    該入力変数とパラメータ設定される前記送り軸のねじれ
    振動の固有振動数と減衰定数とによりフィードフォワー
    ド補償値を演算し、当該フィードフォワード補償値によ
    り位置ループの指令値に対してフィードフォワード補償
    を行うことを特徴とする請求項６に記載のオービット加
    工用のサーボ制御装置。
  8. 【請求項８】 前記主軸モータサーボ系用のフィードフ
    ォワード補償手段は、主軸モータサーボ系の位置ループ
    に与えられる回転角指令の微分値を入力変数とし、当該
    入力変数とパラメータ設定される前記主軸のねじれ振動
    の固有振動数と減衰定数とによりフィードフォワード補
    償値を演算し、当該フィードフォワード補償値により位
    置ループの指令値に対してフィードフォワード補償を行
    うことを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載のオー
    ビット加工用のサーボ制御装置。
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