JP6787950B2 - 数値制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、数値制御装置に関し、特に設定値を自動調節する数値制御装置に関する。
主軸の負荷が一定となるように送り速度を制御することにより、荒加工でのサイクルタイム短縮や切削工具の長寿命化をする従来技術がある（例えば、特許文献１など）。送り速度の制御方法はさまざまなものが考えられるが、一般的に対象の値を一定値に保つための制御としてＰＩＤ制御が広く使われている。ＰＩＤ制御による出力は一般に以下に示す数１式で算出することができ、比例項のゲインＫp、積分項のゲインＫi、微分項のゲインＫdの各ゲインを適切な値に設定することで、加工の状況にすばやく追従しつつ且つ安定的に主軸の負荷が一定となるように制御することができるようになる。
図３は、ＰＩＤ制御の制御ブロック線図の例を示す図である。主軸負荷を一定になるように制御するＰＩＤ制御では、図３に示したフィードバック制御を数値制御を行う工作機械に適用する場合には、フィードバック制御の制御周期毎に、目標主軸負荷と実際の加工による主軸負荷のフィードバックＬ（ｔ）とに従って今回の制御周期の出力値Ｏ（ｔ）が算出されて制御が行われる。なお、フィードバックＬ（ｔ）に掛かるフィルタは、フィードバックＬ（ｔ）に含まれるノイズを低減するために挿入されている。
主軸の負荷変動には、切削体積の変動による成分と主軸回転による成分があり、主軸回転による成分は制御の振動の原因となる可能性がある。例えば、図４上に示すように、主軸に工具を取付けて回転させた状態で、該主軸をワークの方向に移動させてワークを加工する場合を考える。この時、ａ秒（０秒）時点で工具がワークに接触し、ワークが加工されて、ｂ秒時点より工具がワークから抜けていくとした時の、時間（秒）と主軸負荷（％）の関係を表わすグラフが図４下に示されており、該グラフにおいて、黒細線で主軸負荷（ＰＩＤ制御においてフィードバックされる主軸負荷）が示されており、その中に白抜き太点線で切削体積の変動による主軸負荷の成分が示されている。
図４下に示されているグラフにおいて、黒細線と白抜き太点線との差分が、主軸回転による主軸負荷の成分である。この主軸回転による主軸負荷の成分は、主軸に取付けられて回転している工具の刃がワークに当たっている時と当たっていない時の負荷の差によって生じるものであり、工具の刃数と主軸の回転数に依存する周波数での振動成分である。そして、この主軸回転による主軸負荷の成分がノイズとしてフィードバック値に加わることによりＰＩＤ制御における出力値であるオーバライド（この場合、送り速度）にも振動が発生し、制御の安定性が保てなくなることがあるという課題があった。この振動については、図３に例示されるフィルタの設定によってある程度低減することが可能ではあるものの、フィルタにより周波数成分を低減させようとする場合、該フィルタの応答速度が問題となり、ＰＩＤ制御の応答速度自体が低下するため、安易に周波数を低減するフィルタを導入することはできないという問題が有る。
そこで本発明の目的は、主軸回転による振動成分が送り速度に影響しないようにＰＩＤ制御を行うことが可能な数値制御装置を提供することである。
本発明の数値制御装置は、振動の要因となりそうな成分を測定又は予測し、該振動の影響がＰＩＤ制御の出力に影響を受けないようなゲインを設定することにより、上記課題を解決する。
そして、本発明の一態様は、主軸に取付けられた工具によりワークを加工する工作機械を加工プログラムに基づいて制御する数値制御装置であって、主軸負荷が一定となるように送り速度をＰＩＤ制御する数値制御装置において、前記主軸負荷の内で、前記主軸の回転により前記工具の刃が所定の周期で前記ワークに接触することにより生じる振動成分の振幅を特定する振動振幅特定部と、前記振動振幅特定部が特定した前記振動成分の振幅に基づいて、該振幅が送り速度の出力に影響を与えないように前記ＰＩＤ制御のゲインを算出するゲイン算出部と、前記ゲイン算出部により算出されたゲインを用いて、前記ＰＩＤ制御により制御された前記主軸の送り速度を出力する速度制御部と、を備える数値制御装置である。
本発明により、工作機械や加工に応じたゲインを自動的に設定できる、設定したゲインの下でのＰＩＤ制御により主軸の移動の安定性が向上し、機械の振動抑制と工具寿命延伸の効果が見込まれる。また、ゲインの設定が自動的に行われるため、設定の簡便化による必要なノウハウや手間の削減が期待できる。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。
本実施形態による数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置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数値制御装置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、図示しない入力部を介してオペレータが入力した各種データ等が一時的に格納される。
図１は本発明の一実施形態による数値制御装置の要部を示す概略的なハードウェア構成図である。
本実施形態による数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１は、数値制御装置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数値制御装置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、図示しない入力部を介してオペレータが入力した各種データ等が一時的に格納される。
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、数値制御装置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を介して外部機器７２から読み込まれた制御用プログラムや表示器／ＭＤＩユニット７０を介して入力された制御用プログラム、数値制御装置１の各部や工作機械、センサ等から取得された各種データが記憶される。不揮発性メモリ１４に記憶された制御用プログラムや各種データは、実行時／利用時にはＲＡＭ１３に展開されても良い。また、ＲＯＭ１２には、公知の解析プログラムなどの各種のシステム・プログラムがあらかじめ書き込まれている。
インタフェース１５は、数値制御装置１とＵＳＢ装置等の外部機器７２と接続するためのインタフェースである。外部機器７２側からは制御用プログラムや各種パラメータ等が読み込まれる。また、数値制御装置１内で編集した制御用プログラムや各種パラメータ等は、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、数値制御装置１に内蔵されたシーケンス・プログラムで工作機械及び該工作機械の周辺装置（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、工作機械に取付けられているセンサ等）にＩ／Ｏユニット１７を介して信号を出力し制御する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチや周辺装置等の信号を受け、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。
工作機械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、工作機械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工作機械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、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、工作機械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、一実施形態による数値制御装置１の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に示した数値制御装置１が備えるＣＰＵ１１が、それぞれのシステム・プログラムを実行し、数値制御装置１の各部の動作を制御することにより実現される。
本実施形態の数値制御装置１は、指令解析部１００、速度制御部１１０、補間部１２０、加減速部１３０、サーボ制御部１４０、主軸負荷取得部１５０、振動周波数特定部１６０、振動振幅特定部１７０、ゲイン算出部１８０を備え、また、不揮発性メモリ１４に、該制御用プログラムによるワークの加工に係る加工条件を記憶する領域である加工条件記憶部２１０が設けられている。
指令解析部１００は、不揮発性メモリ１４に記憶される制御用プログラム等から制御対象となる機械の動作を指令するブロックを逐次読み出して解析し、解析結果に基づいてサーボモータ５０により駆動する軸の移動を指令する指令データを作成し、作成した該指令データを速度制御部１１０へと出力する。
速度制御部１１０は、主軸負荷取得部１５０により取得されたスピンドルモータ６２の主軸負荷に基づいて、該主軸負荷が一定となるように指令解析部１００から入力された指令データの送り速度に対するオーバライドを演算し、演算したオーバライドに基づいて速度が調整された指令データを補間部１２０へと出力する。速度制御部１１０は、（例えば図３に例示されるような）主軸負荷を一定に保つための速度制御を行う構成となっている。
補間部１２０は、速度制御部１１０から入力された速度調整後の指令データに基づいて、指令データによる指令経路上の補間周期毎の点として補間データを生成し、加減速部１３０へと出力する。
加減速部１３０は、補間部１２０から入力された補間データに基づいて補間周期毎の各軸の速度を算出し、結果データをサーボ制御部１４０へと出力する。
そして、サーボ制御部１４０は、加減速部１３０の出力に基づいて制御対象となる機械の軸を駆動するサーボモータ５０を制御する。
加減速部１３０は、補間部１２０から入力された補間データに基づいて補間周期毎の各軸の速度を算出し、結果データをサーボ制御部１４０へと出力する。
そして、サーボ制御部１４０は、加減速部１３０の出力に基づいて制御対象となる機械の軸を駆動するサーボモータ５０を制御する。
主軸負荷取得部１５０は、スピンドルモータ６２に取付けられている図示しないセンサで測定した、又は、サーボモータ５０に流れる電流値等を測定することにより推定された主軸負荷値を取得する。主軸負荷取得部１５０が取得した主軸負荷値は、速度制御部１１０、振動周波数特定部１６０、振動振幅特定部１７０等で用いられる。
振動周波数特定部１６０は、主軸負荷の主軸回転による振動成分の周波数Ｈを特定する機能手段である。振動周波数特定部１６０は、例えば加工条件記憶部２１０から取得した加工条件、及び指令解析部１００から取得した指令データから、主軸に取付けられている工具の刃数Ｎb及び主軸の回転速度Ｓ（ｍｉｎ-1）を特定し、特定した工具の刃数及び主軸の回転速度に基づいて以下の数２式を用いた演算により、主軸負荷の主軸負荷による振動成分の周波数Ｈ（Ｈｚ）を特定するようにしても良い。但し、主軸の偏心や工具の摩耗、欠け等の影響により工具回転の対称性が崩れ、主軸回転の周波数成分が大きくなることがあることを考慮し、周波数Ｈは数３式を用いた演算により算出しても良い。また、振動周波数特定部１６０は、例えば主軸負荷取得部１５０が取得した主軸負荷値の時系列データに対して周波数解析を行うことにより、主軸負荷の主軸回転による振動成分の周波数Ｈを特定するようにしても良い。
振動振幅特定部１７０は、主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗを特定する機能手段である。振動振幅特定部１７０は、例えば加工条件記憶部２１０から取得した加工条件及び指令解析部１００から取得した指令データから、ワークの材質（ワーク硬度）、切り込み深さ、切り込み幅（又は工具径）、主軸の送り速度を特定し、特定した工具の刃数及び主軸の回転速度に基づいて主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗを特定するようにしても良い。この様な手法を取る場合、予め実験等を行い、ワークの材質毎に切り込み深さ、切り込み幅（又は工具径）、及び主軸の送り速度と、主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗとの関係を多変量解析等の公知の手法で求めておくか、機能適用対象の加工で使用される特定の条件での振幅値Ｗを測定すると良い。また、振動振幅特定部１７０は、例えば主軸負荷取得部１５０が取得した主軸負荷値の時系列データを周波数解析することにより、主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗを特定するようにしても良い。
振動振幅特定部１７０は、上記のようにして特定した主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗを特定した後に、該振幅が速度制御部１１０内のフィルタ（図３の制御ブロック線図のフィルタに相当する）を経由した際にどれだけ低減するのかを求め、求めた低減後の振幅値Ｗfをゲイン算出部１８０へと出力する。振動振幅特定部１７０は、低減後の振幅値Ｗfを求める際に、予め設定されている速度制御部１１０内のフィルタのフィルタ特性（フィルタの種類やパラメータによって異なる）と、振動周波数特定部１６０が特定した主軸負荷の主軸回転による振動成分の周波数Ｈと、上記のようにして特定した主軸負荷の主軸回転による振動成分の振幅値Ｗとを用いる。例えば、フィルタのフィルタ特定により、振動成分の振動値Ｗ２０％低減する場合には、低減後の振幅値Ｗfとして０．８Ｗの値を出力するようにすればよい。なお、速度制御部１１０が、図３の制御ブロック線図のフィルタに相当する構成を持っていない場合には、上記処理は不要である。
ゲイン算出部１８０は、振動振幅特定部１７０から入力された主軸回転による振動成分の（フィルタによる低減後の）振幅値Ｗfに基づいて、速度制御部１１０内のゲイン（図３に示される比例ゲインＫp、必要に応じて更に積分ゲインＫi）を設定する。ゲイン算出部１８０は、例えば以下に例示される数４式を用いて算出された最大のＫpを設定する。数４式における定数Ｋmについては、予め実験等を行い、所定の振幅値Ｗfの時に速度制御部１１０から出力される送り速度に主軸負荷の主軸回転による振動成分の影響が表れない値を求めて設定しておけば良い。
ゲイン算出部１８０は、上記手法により比例ゲインＫpの設定を行った後に、速度制御部１１０から出力される送り速度に主軸負荷の主軸回転による振動成分の影響が出る場合には、更に、積分ゲインＫiの値を振動成分の影響が現れない値まで下げる必要がある。ＰＩＤ制御の積分成分は１次フィルタと同様の周波数特性を示すため、速度制御部１１０内のフィルタと同様に出力へ反映される主軸回転成分の振幅を推定可能であり、上記の比例ゲインＫpと同様にして積分ゲインＫiを設定することが可能である。
上記構成を備えた数値制御装置１では、主軸負荷の主軸回転による振動成分に基づいて該振動成分の影響がＰＩＤ制御の出力に表れないように自動的にゲインが調整されるため、主軸負荷の主軸回転による振動成分を考慮していない従来技術におけるＰＩＤ制御と比較して、より主軸の移動の安定性が向上し、機械の振動抑制と工具寿命延伸の効果が見込まれる。
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。
１ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／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 指令解析部
１１０ 速度制御部
１２０ 補間部
１３０ 加減速部
１４０ サーボ制御部
１５０ 主軸負荷取得部
１６０ 振動周波数特定部
１７０ 振動振幅特定部
１８０ ゲイン算出部
２１０ 加工条件記憶部
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／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 指令解析部
１１０ 速度制御部
１２０ 補間部
１３０ 加減速部
１４０ サーボ制御部
１５０ 主軸負荷取得部
１６０ 振動周波数特定部
１７０ 振動振幅特定部
１８０ ゲイン算出部
２１０ 加工条件記憶部
Claims (8)
- 主軸に取付けられた工具によりワークを加工する工作機械を加工プログラムに基づいて制御する数値制御装置であって、主軸負荷が一定となるように送り速度をＰＩＤ制御する数値制御装置において、
前記主軸負荷の内で、前記主軸の回転により前記工具の刃が所定の周期で前記ワークに接触することにより生じる振動成分の振幅を特定する振動振幅特定部と、
前記振動振幅特定部が特定した前記振動成分の振幅に基づいて、該振幅が送り速度の出力に影響を与えないように前記ＰＩＤ制御のゲインを算出するゲイン算出部と、
前記ゲイン算出部により算出されたゲインを用いて、前記ＰＩＤ制御により制御された前記主軸の送り速度を出力する速度制御部と、
を備える数値制御装置。 - 前記ゲイン算出部は、前記ＰＩＤ制御の比例項のゲインを算出する、
請求項１に記載の数値制御装置。 - 前記ゲイン算出部は、前記比例項のゲインの変更だけでは前記振動成分の振幅の送り速度の出力への影響を抑えることができない場合、更に前記ＰＩＤ制御の積分項のゲインを算出する、
請求項２に記載の数値制御装置。 - 前記振動成分の周波数を特定する振動周波数特定部を更に備え、
前記振動振幅特定部は、前記振動周波数特定部により特定された周波数に基づいて、前記振動成分の振幅のフィードバック時の低減を考慮した前記振動成分の振幅を特定する、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の数値制御装置。 - 前記工作機械による加工の加工条件を記憶する加工条件記憶部を更に備え、
前記振動周波数特定部は、前記加工条件記憶部に記憶された加工条件及び前記加工プログラムによる指令に基づいて、前記振動成分の周波数を特定する、
請求項４に記載の数値制御装置。 - 前記振動周波数特定部は、測定された前記主軸負荷に基づいて、前記振動成分の周波数を特定する、
請求項４に記載の数値制御装置。 - 前記工作機械による加工の加工条件を記憶する加工条件記憶部を更に備え、
前記振動振幅特定部は、前記加工条件記憶部に記憶された加工条件及び前記加工プログラムによる指令に基づいて、前記振動成分の振幅を特定する、
請求項１〜４のいずれか１つに記載の数値制御装置。 - 前記振動振幅特定部は、測定された前記主軸負荷に基づいて、前記振動成分の振幅を特定する、
請求項１〜４のいずれか１つに記載の数値制御装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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