特許 6243260 主軸モータの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6243260

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】主軸モータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 15/12 20060101AFI20171127BHJP

【ＦＩ】

   B23Q15/12 A

【請求項の数】4

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-40750(P2014-40750)

(22)【出願日】2014年3月3日

(65)【公開番号】特開2015-134400(P2015-134400A)

(43)【公開日】2015年7月27日

【審査請求日】2016年9月8日

(31)【優先権主張番号】特願2013-259086(P2013-259086)

(32)【優先日】2013年12月16日

(33)【優先権主張国】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２５年９月３日に電気学会研究会資料ＭＥＣ−１３−１５９（一般社団法人電気学会） 第１頁〜第６頁で発表

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000146847

【氏名又は名称】ＤＭＧ森精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104662

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 智司

(72)【発明者】

【氏名】藤本 博志

(72)【発明者】

【氏名】石橋 央成

(72)【発明者】

【氏名】石井 眞二

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩司

(72)【発明者】

【氏名】寺田 祐貴

【審査官】 永冨 宏之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２４０８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０５９８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９１２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 石橋央成, 藤本博志，ＮＣ工作機械における可変パルス数計時法を用いた主軸モータによる力センサレス切削抵抗制御，電気学会研究会資料，日本，一般社団法人電気学会，２０１３年 ３月 ７日，IIC-13, 17-32，67-72

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｑ １５／１２

Ｇ０５Ｂ １９／４１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の主軸を回転させる主軸モータを制御する制御装置であって、
前記主軸モータの目標回転速度に係る速度指令信号を受信し、該目標回転速度を中心として予め定めた振幅及び周期で変動する変動速度指令信号を生成して出力する変動速度信号生成部と、
前記変動速度信号生成部から入力される変動速度指令信号を基に、前記主軸モータを駆動するための電流指令信号を生成して出力する電流制御部と、
前記変動速度信号生成部から出力される変動速度指令信号と前記主軸モータの現在回転速度に係る信号との偏差を基に補正信号を生成して、前記電流指令信号に付加するフィードバック制御部と、
前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分を、前記主軸モータの予め定めた回転角度毎、即ち位相θ［ｉ］毎に順次算出して記憶するとともに、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分を、記憶した外乱成分から読み出して、該外乱成分を基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号に付加する学習制御部とを備えてなることを特徴とする主軸モータの制御装置。
但し、前記ｉは１からＮの整数である。

【請求項2】

前記学習制御部は、前記外乱成分をＦ_θ（ｚ）、前記補償信号をＣ_Ｆθ（ｚ）として、該外乱成分Ｆ_θ（ｚ）及び補償信号Ｃ_Ｆθ（ｚ）をそれぞれ下式によって算出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の主軸モータの制御装置。
Ｆ_θ（ｚ）＝ｅ_θ（ｚ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））／Ｐ（ｚ）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））
但し、Ｆ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの外乱成分、ｅ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの偏差、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの補償信号、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【請求項3】

前記学習制御部は、
前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分を、前記主軸モータの予め定めた回転角度毎、即ち位相θ［ｉ］毎に順次算出し、算出した外乱成分と、その位相θ［ｉ］における前記主軸モータの実回転速度とを、相互に関連付けて前記位相θ［ｉ］毎に記憶するとともに、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分及び実回転速度を、記憶した外乱成分及び実回転速度から読み出して、該外乱成分及び実回転速度、並びに前記変動速度指令信号を基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号に付加するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の主軸モータの制御装置。

【請求項4】

前記学習制御部は、前記外乱成分をＦ_θ（ｚ）、前記補償信号をＣ_Ｆθ（ｚ）として、該外乱成分Ｆ_θ（ｚ）及び補償信号Ｃ_Ｆθ（ｚ）をそれぞれ下式によって算出するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の主軸モータの制御装置。
Ｆ_θ（ｚ）＝ｅ_θ（ｚ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））／Ｐ（ｚ）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝ω（θ）・Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（ω_ｒｅｆ（θ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ）））
但し、Ｆ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの外乱成分、ｅ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの偏差、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの補償信号である。また、ω（θ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの前記実回転速度であり、スカラー値である。また、ω_ｒｅｆ（θ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの該変動速度指令信号に係る指令回転速度であり、スカラー値である。また、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の主軸モータを制御する制御装置であって、目標回転速度を中心として予め定めた振幅及び周期で前記主軸モータの回転速度を変動させるとともに、外乱によって生じる回転速度の追従誤差を補償するように構成された制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械を用いてワークを加工する際に、びびり振動によって加工精度（特に表面精度）が悪化することは旧来より良く知られている。このようなびびり振動は、強制びびり振動と自励びびり振動に大別され、強制びびり振動は過大な外力が作用すること、或いは外力の周波数と振動系の共振周波数が同期することによって発生し、一方、自励びびり振動は、切削抵抗の周期的変動と切り取り厚さの周期的変動の相互作用が互いに強め合う切削を継続すること（所謂再生効果）によって引き起こされると考えられている。

【0003】

そして、従来、前記びびり振動の内、自励びびり振動を抑制する方法として、主軸の回転速度を所定の振幅で周期的に変動させる手法が提案されており（特許文献１及び特許文献２）、更に、特許文献３には、主軸回転速度の変動振幅及び周期をパラメータ化し、びびり振動が生じた際に、パラメータ化した変動振幅及び周期を変更するといった手法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭４９−１０５２７７号公報

【特許文献2】特開２０００−１２６９９１号公報

【特許文献3】特開２０１２−９１２８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記特許文献１〜３に開示される手法では、切削抵抗の変動及び切り取り厚さの変動の周期性を崩すために、主軸の回転速度を所定の変動振幅及び周期で変動させるようにしており、これによって、自励びびり振動が抑制される。したがって、主軸回転速度の変動振幅を大きくするほど自励びびり振動が抑制され、逆に、変動周期は、これが短いほど自励びびり振動が抑制される。

【0006】

主軸回転速度を、図１４に示す如く、所定の変動振幅（２×Ｎ_Ａ）［ｒａｄ／ｓ］及び周期（Ｔ）［ｓ］で変動させて、ＣＡＥ解析手法などを用いた加工シミュレーションを行ったときの、工具の変位状態を図１５及び図１６に示す。図１５は、横軸に速度変動率ＲＶＡをとり、縦軸に速度変動周期比ＲＶＦをとって、工具の変位（振動）の大きさ（レベル）を、これに応じて色分けした状態図であって、更に、これをグレースケールで表わした状態図である。また、図１６は、縦軸に工具の変位をとり、横軸に速度変動率ＲＶＡ及び速度変動周期比ＲＶＦをとって、同様に、工具の変位の大きさに応じ色分けして３次元的に表した状態図であって、これをグレースケールで表わした状態図である。色分けは、変位が大きいほど濃い赤色、変位が小さいほど濃い青色、中間を黄色としている。尚、前記速度変動率ＲＶＡ及び速度変動周期比ＲＶＦは、次式によって表される。
ＲＶＡ＝Ｎ_Ａ／Ｎ_０
ＲＶＦ＝２π／（Ｎ_０×Ｔ）
但し、Ｎ_０は主軸の平均回転速度［ｒａｄ／ｓ］である。

【0007】

また、上記の加工シミュレーションでは、工具の送り速度Ｖｓを２×１０^−３［ｍ／ｓ］、切削幅ａを５×１０^−３［ｍ］、固有切削力Ｋｔを３００［ＭＰａ］、動的質量Ｍを１０［Ｎｓ^２／ｍ］、機械インピーダンスＢを２００［Ｎｓ／ｍ］、動的剛性Ｋを５×１０^５［Ｎ／ｍ］に設定するとともに、主軸の平均回転速度Ｎ_０を自励びびり振動が発生する２６２［ｒａｄ／ｓ］に設定し、速度変動率ＲＶＡ及び速度変動周期比ＲＶＦをそれぞれ０．００１以上１．０未満の範囲で変化させた。

【0008】

図１５及び図１６に示すように、速度変動率ＲＶＡ及び速度変動周期比ＲＶＦをそれぞれ大きくとるほど工具の変位、即ち、振動が小さくなることが分かる。また、速度変動率ＲＶＡが０．０５となる付近を境に急激に工具の自励びびり振動が抑圧され、速度変動率ＲＶＡがこれより小さい領域では、工具の変位が抑えられていることが分かる。

【0009】

また、この例で、速度変動率ＲＶＡを０．１に固定して速度変動周期比ＲＶＦを変化させたときの工具の変位を図１７に示す。この場合、ＲＶＦを０．５以上に設定することで、工具の自励びびり振動が抑えられることが分かる。

【0010】

これら、図１５〜図１７から分かるように、速度変動率ＲＶＡ及び速度変動周期比ＲＶＦをそれぞれ大きくとるほど、即ち、主軸回転速度の変動振幅を大きくするほど自励びびり振動が抑制され、逆に、変動周期は、これが短いほど自励びびり振動が抑制される。

【0011】

ところが、主軸回転速度の変動振幅を大きくすると、自励びびり振動を安定して抑制することができるというメリットがある反面、例えば、旋盤の場合には、ワーク１回転あたりの工具の送り量に大きな変動を生じ、また、同様に、マシニングセンタの場合には、工具１回転あたりの送り量に大きな変動を生じ、いずれの場合にも、ワーク加工面の表面粗さが不均一になる、即ち、加工精度が悪化するという問題を生じる。

【0012】

一方、主軸回転速度の変動周期についても同様に、これが短いほど自励びびり振動が抑制されるが、その反面、主軸回転速度を短い周期で変動させることによって、ワーク加工面の表面粗さにムラを生じて加工精度が悪化する傾向にあるものの、この変動周期については、これを短周期としても、上記変動振幅を大きくした場合に比べて、加工精度に与える影響は小さい。

【0013】

したがって、自励びびり振動を抑制しながら、好適な加工精度を得るには、可能な範囲で主軸回転速度の変動振幅をできるだけ小さくする一方、変動周期をできるだけ短周期とするのが好ましい。

【0014】

ところが、本発明者らの研究によれば、主軸回転速度の変動周期を短周期にすると、主軸モータに入力される外乱としての切削抵抗が短周期で変動するため、指令回転速度と実回転速度との偏差を補償する通常のフィードバック制御では、追従誤差を好適に補償することができず、自励びびり振動を予定通りに抑圧することができない虞があるという問題を知見するに至った。

【0015】

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、主軸モータの回転速度を予め定めた振幅及び周期で変動させるとともに、外乱によって生じる回転速度の追従誤差を、従来に比べてより安定的に補償することができる制御装置の提供を、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記課題を解決するための本発明は、工作機械の主軸を回転させる主軸モータを制御する制御装置であって、
前記主軸モータの目標回転速度に係る速度指令信号を受信し、該目標回転速度を中心として予め定めた振幅及び周期で変動する変動速度指令信号を生成して出力する変動速度信号生成部と、
前記変動速度信号生成部から入力される変動速度指令信号を基に、前記主軸モータを駆動するための電流指令信号を生成して出力する電流制御部と、
前記変動速度信号生成部から出力される変動速度指令信号と前記主軸モータの現在回転速度に係る信号との偏差を基に補正信号を生成して、前記電流指令信号に付加するフィードバック制御部と、
前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分を、前記主軸モータの予め定めた回転角度毎、即ち位相θ［ｉ］毎に順次算出して記憶するとともに、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分を、記憶した外乱成分から読み出して、該外乱成分を基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号に付加する学習制御部とを備えた主軸モータの制御装置に係る。但し、前記ｉは１からＮの整数である。

【0017】

この制御装置によれば、前記主軸モータを駆動する際に、まず、目標回転速度に係る速度指令信号が変動速度信号生成部に入力される。この目標回転速度は、例えば、ＮＣプログラムに従って駆動される場合には、当該ＮＣプログラム中に指定され、指定された目標回転速度に係る速度指令信号が適宜前記変動速度信号生成部に入力される。そして、速度指令信号が変動速度信号生成部に入力されると、当該変動速度信号生成部は、受信した目標回転速度を中心として予め定めた振幅及び周期で変動する変動速度指令信号を生成して、電流制御部に送信する。

【0018】

ついで、前記電流制御部は、前記変動速度信号生成部から入力される変動速度指令信号を基に、前記主軸モータを駆動するための電流指令信号を生成して出力し、主軸モータはこの電流指令信号に従って駆動される。その際、前記フィードバック制御部により、前記変動速度信号生成部から出力される変動速度指令信号と前記主軸モータの現在回転速度に係る信号との偏差を基に補正信号が生成され、生成された補正信号が前記電流指令信号に付加される。

【0019】

また、前記学習制御部により、前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分が、前記主軸モータの予め定めた位相θ［ｉ］毎に順次算出されて記憶されるとともに、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分を、記憶した外乱成分から読み出して、読み出した外乱成分を基に補償信号が成され、生成された補償信号が前記変動速度指令信号に付加される。

【0020】

斯くして、本発明に係る制御装置によれば、まず、前記フィードバック制御部によって、前記変動速度信号生成部から出力される変動速度指令信号と前記主軸モータの現在回転速度に係る信号との偏差、即ち、追従誤差に応じた補正信号が生成され、この補正信号によって補正が行われる。

【0021】

この追従誤差には、主軸モータの摩擦力や切削抵抗などの外乱によって生じる誤差が含まれ、この誤差が前記フィードバック制御部によって補正されるが、主軸モータの回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させた場合、当該回転速度の周期的な変動によって、切削抵抗にも周期的な変動が生じ、一般的なフィードバック制御では、このように周期的に変動する切削抵抗に起因した追従誤差を抑制しきれない場合が生じる。特に、上述した如く、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、前記変動周期を短周期にすると、切削抵抗に起因した追従誤差を抑制することができない。

【0022】

そこで、本発明では、上述したように、前記学習制御部により、前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分を、前記主軸モータの予め定めた回転角度毎、即ち位相θ［ｉ］毎に順次（逐次）算出（推定）して記憶する一方、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分、即ち１回転前に推定した外乱成分を読み出して、読み出した外乱成分を基に、これを打ち消すような補償信号を生成して前記変動速度指令信号に付加し、当該外乱成分によって生じるであろう追従誤差を予め補正、即ち、フィードフォワード制御するようにしている。これにより、フィードバック制御では抑制しきれない、切削抵抗に起因した追従誤差を抑制することができる。

【0023】

以上のように、本発明に係る制御装置によれば、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータの回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、切削抵抗に起因した追従誤差をより安定して補償することができる。

【0024】

尚、前記学習制御部は、前記外乱成分をＦ_θ（ｚ）、前記補償信号をＣ_Ｆθ（ｚ）として、該外乱成分Ｆ_θ（ｚ）及び補償信号Ｃ_Ｆθ（ｚ）をそれぞれ下式によって算出することができる。
Ｆ_θ（ｚ）＝ｅ_θ（ｚ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））／Ｐ（ｚ）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））
但し、Ｆ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの外乱成分、ｅ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの偏差、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの補償信号、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【0025】

また、本発明において、前記学習制御部は、
前記偏差を基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分を、前記主軸モータの予め定めた回転角度毎、即ち位相θ［ｉ］毎に順次算出し、算出した外乱成分と、その位相θ［ｉ］における前記主軸モータの実回転速度とを、相互に関連付けて前記位相θ［ｉ］毎に記憶するとともに、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相であって、前記主軸モータの実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分及び実回転速度を、記憶した外乱成分及び実回転速度から読み出して、該外乱成分及び実回転速度、並びに前記変動速度指令信号を基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号に付加するように構成されていても良い。

【0026】

前記切削抵抗は、切屑の厚さに比例するため、前記主軸モータの回転速度に反比例し、また、定常状態において、その大きさは、主軸モータの回転角θに依存しており、次式によって表される。
切削抵抗＝（ｋ×ｖ／ω）×ｇ（θ）
但し、ｋは切削抵抗係数（Ｎ）、ｇ(θ）は周期２πの主軸角度依存の関数、ｖは工具、即ち、主軸の送り速度（ｍ／ｓ）、ωは主軸の回転速度、即ち、主軸モータの回転速度（ｒａｄ／ｓ）である。

【0027】

このように、切削抵抗に起因した前記外乱成分は、主軸モータの回転速度に依存しているため、前記偏差を基に算出される外乱成分は、その時の主軸モータの実回転速度に応じた大きさとなっている。このため、前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの位相において、その１回転前に推定された外乱成分は、その時の主軸モータの実回転速度と、当該変動速度指令信号に係る値とが一致していなければ、当該変動速度指令信号によって生じるであろう外乱成分の正確な推定値とはならない。言い換えれば、前記推定外乱成分は、その時の前記実回転速度と変動速度指令信号に係る値との比を用いて、これを補正しなければ、正確な値とはならない。

【0028】

そこで、上記のように、前記補償信号を、変動速度指令信号に対応する前記主軸モータの位相に応じた前記外乱成分及び実回転速度と、当該変動速度指令信号を基に生成することで、より正確な補償信号を生成することができ、前記追従誤差をより効果的に抑制することができる。

【0029】

尚、この場合、前記学習制御部は、前記外乱成分をＦ_θ（ｚ）、前記補償信号をＣ_Ｆθ（ｚ）として、該外乱成分Ｆ_θ（ｚ）及び補償信号Ｃ_Ｆθ（ｚ）をそれぞれ下式によって算出することができる。
Ｆ_θ（ｚ）＝ｅ_θ（ｚ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））／Ｐ（ｚ）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝ω（θ）・Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（ω_ｒｅｆ（θ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ）））
但し、Ｆ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの外乱成分、ｅ_θ（ｚ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの偏差、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの補償信号である。また、ω（θ）は前記主軸モータの実回転角がθ、即ち前記主軸モータの実位相がθであるときの前記実回転速度であり、スカラー値である。また、ω_ｒｅｆ（θ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータの回転角がθ、即ち前記主軸モータの位相がθであるときの当該変動速度指令信号に係る指令回転速度であり、スカラー値である。また、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【発明の効果】

【0030】

本発明に係る制御装置によれば、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータの回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、切削抵抗に起因した追従誤差を従来に比べて安定して補償することができる。

【0031】

また、前記補償信号を、変動速度指令信号の回転角に対応した前記外乱成分及び実回転速度と、当該変動速度指令信号を基に生成することで、より正確な補償信号を生成することができ、前記追従誤差をより効果的に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る工作機械の概略構成を示した説明図である。

【図2】第１の実施形態に係る制御装置の構成を示したブロック図である。

【図3】第１の実施形態に係る学習制御部の機能を説明するための説明図である。

【図4】第１の実施形態に係る学習制御部の機能を説明するための説明図である。

【図5】第１の実施形態に係る学習制御部の機能を説明するための説明図である。

【図6】主軸モータの指令回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］の一定値として加工シミュレーションを行い、学習制御部による補償を行わない期間と、補償を行った期間とにおける、主軸モータの回転速度を示した説明図である。

【図7】図６に示した例の、学習制御部における補償信号を示した説明図である。

【図8】主軸モータの指令回転速度を正弦波状に変動させて加工シミュレーションを行い、学習制御部による補償を行わない期間と、補償を行った期間とにおける、主軸モータの回転速度を示した説明図である。

【図9】図８に示した例の、学習制御部における補償信号を示した説明図である。

【図10】主軸モータの回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］の一定値として切削し、学習制御部による補償を行わなかったときの、主軸モータの速度追従誤差を示した説明図である。

【図11】図１０に示した速度追従誤差をスペクトル解析した結果を示す説明図である。

【図12】主軸モータの回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］の一定値として切削し、学習制御部による補償を行ったときの、主軸モータの速度追従誤差を示した説明図である。

【図13】図１２に示した速度追従誤差をスペクトル解析した結果を示す説明図である。

【図14】主軸モータの回転速度の変動振幅及び変動周期を説明するための説明図である。

【図15】速度変動率ＲＶＡと、速度変動周期比ＲＶＦと、工具の変位（振動）との間の相関関係を示した状態図である。

【図16】速度変動率ＲＶＡと、速度変動周期比ＲＶＦと、工具の変位（振動）との間の相関関係を示した状態図である。

【図17】速度変動率ＲＶＡを０．１として速度変動周期比ＲＶＦを変化させたときの工具の変位を示した説明図である。

【図18】本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成を示したブロック図である。

【図19】第２の実施形態に係る学習制御部の機能を説明するための説明図である。

【図20】第２の実施形態に係る学習制御部の機能を説明するための説明図である。

【図21】第２の実施形態に係る学習制御部の効果を説明するための説明図である。

【図22】第２の実施形態に係る学習制御部の効果を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0034】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る工作機械の概略構成を示した説明図である。同図１に示すように、本例の工作機械１は、基台２、この基台２に回転自在に支持されるボールねじ４、ボールねじ４をその軸中心に回転させる送りモータ３、ボールねじ４に螺合し、当該ボールねじ４の回転によってその軸方向（Ｘ軸方向）に移動するテーブル５、テーブル５の上方領域に配設される主軸６、主軸６を軸中心に回転させる主軸モータ７、送りモータ３及び主軸モータ７を数値制御する制御装置１０などからなる。

【0035】

尚、図１では、便宜的に、テーブル５をＸ軸方向に移動させる送り機構（ボールねじ４及び送りモータ３）のみを図示しているが、当該工作機械１は、この他に、テーブル５と主軸６とを、図示Ｙ軸方向及びＺ軸方向に相対的に移動させる送り機構を備えており、この送り機構も前記制御装置１０によってその作動が制御される。

【0036】

斯くして、この工作機械１では、制御装置１０による制御の下で、送りモータ３及び主軸モータ７を含む送り機構によって、テーブル５と主軸６とが直交３軸方向であるＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸に沿って相対的に移動する。そして、テーブル５上にワークＷを載置し、主軸６に工具８を装着するとともに、当該主軸６を所定の回転速度で回転させた状態で、テーブル５と主軸６とを適宜相対的に移動させることで、ワークＷを加工することができる。

【0037】

尚、言うまでもなく、工作機械としては、上記の構成に限られるものではなく、ＮＣ旋盤の他、工具とワークとの相対的な回転によってワークを切削加工する公知のあらゆる工作機械が含まれる。

【0038】

前記制御装置１０は、図２に示すように、プログラム解析部１１、変動速度信号生成部１２、電流制御部１３、フィードバック制御部１４及び学習制御部１５などを備えている。尚、図２中に図示はしていないが、本例の制御装置１０は、この他に、ＮＣプログラムを記憶する記憶部や、前記送りモータ３等を制御する制御部を備えている。

【0039】

前記プログラム解析部１１は、前記記憶部に格納されたＮＣプログラムや、適宜入力されるＮＣプログラムを解析して、当該ＮＣプログラム中に含まれる主軸モータ７の回転速度に係る指令を抽出し、抽出した速度指令信号を前記変動速度信号生成部１２に送信する処理を行う。

【0040】

変動速度信号生成部１２は、前記プログラム解析部１１から受信した速度指令信号を基に、この速度指令信号に係る回転速度を目標回転速度とし、予め定めた振幅及び周期で変動する変動速度指令信号ω_ｒｅｆを生成して、前記電流制御部１３に出力する。回転速度を変動させる波形としては、図１４に示した三角波を例示することができるが、これに限られるものではなく、例えば、正弦波や台形波であっても良い。尚、上述したように、Ｎ_０は目標回転速度（平均回転速度）［ｒａｄ／ｓ］であり、変動振幅は２×Ｎ_Ａ［ｒａｄ／ｓ］、変動周期はＴ［ｓ］である。

【0041】

前記電流制御部１３は、前記変動速度信号生成部１２から受信した変動速度指令信号ω_ｒｅｆを基に、前記主軸モータ７を駆動するための電流指令信号を生成し、生成した電流指令信号を前記主軸モータ７に出力して、当該主軸モータ７を駆動する。尚、主軸モータ７には、前記電流制御部１３から出力される電流指令信号に応じた電流が供給される。図２中の、Ｂ^−１（Ｉ−ｚ^−１Ａ）、及びＨ（Ｔｕ）は、それぞれ伝達関数である。また、主軸モータ７に相当するブロック中のＫ_ｔ及び１／（Ｊｓ＋Ｄ）もそれぞれ伝達関数であり、Ｋ_ｔはトルク定数［Ｎｍ／Ａ］、Ｊｓは工具を含めた主軸６のイナーシャ［ｋｇ・ｍ^２］、Ｄは主軸モータ７の摩擦係数［Ｎｍ・ｓ］である。

【0042】

前記フィードバック制御部１４は、主軸モータ７に付設されたロータリエンコーダなどによって検出される主軸モータ７の実回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］と、変動速度信号生成部１２から出力される変動速度指令ω_ｒｅｆのノミナル値ω_０［ｒａｄ／ｓ］との偏差（追従誤差）ｅ［ｒａｄ／ｓ］を所定の時間間隔で算出し、得られた偏差ｅ［ｒａｄ／ｓ］を基に、この偏差ｅ［ｒａｄ／ｓ］を打ち消すような補正信号（電流指令信号）を逐次生成して、電流制御部１３から出力される信号に付加する処理を行う。図２中、Ｓ（Ｔｕ）は主軸モータ７の実回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を算出するための伝達関数であり、ｚ^−１Ｃ及びＨ（Ｔｕ）は、前記ノミナル値ω_０［ｒａｄ／ｓ］を算出するための伝達関数であり、また、Ｃ（ｚ）は、前記ｅ［ｒａｄ／ｓ］を基に前記補正信号を生成する際の伝達関数である。

【0043】

前記学習制御部１５は、前記フィードバック制御部１４において算出された偏差ｅ［ｒａｄ／ｓ］を基に、外乱成分である切削抵抗Ｆを、前記主軸モータ７の予め定めた回転角度（位相θ）毎に順次算出（推定）して周期信号発生器（ＰＳＧ；Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１６内のメモリに記憶するとともに、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する前記主軸モータ７の回転角（位相）に同期して、該回転角（位相）に対応した前記推定切削抵抗Ｆを基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加する処理部である。

【0044】

前記位相θは、図３に示すように、主軸モータ７の１回転をＮ（整数）分割して構成され、前記学習制御部１５は、各位相θ［ｉ］毎の推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）を、図５に示すようなデータテーブルとして前記メモリ内に記憶する。但し、ｉは１からＮの整数である。

【0045】

主軸モータ７の実回転角度（実位相θ）は、前記ロータリエンコーダなどによって検出され、或る位相θにおける切削抵抗Ｆ_θ（ｚ）と実回転速度ω（θ）との間には、次式が成立する。
（数式１）
ω（θ）＝ω_０（θ）−（Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ）））

【0046】

そして、上述したように、偏差ｅ（θ）は、ノミナル値ω_０（θ）と実回転速度ω（θ）との差、即ち、
（数式２）
ｅ（θ）＝ω_０（θ）−ω（θ）
であるから、前記切削抵抗Ｆ_θ（ｓ）は、前記数式１及び数式２から次式によって推定される。
（数式３）
Ｆ_θ（ｚ）＝ｅ_θ（ｚ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））／Ｐ（ｚ）
但し、Ｆ_θ（ｚ）は前記主軸モータ７の実回転角がθ、即ち前記主軸モータ７の実位相がθであるときの外乱成分、ｅ_θ（ｚ）は前記主軸モータ７の実回転角がθ、即ち前記主軸モータ７の実位相がθであるときの偏差、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部１４において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータ７の伝達関数である。

【0047】

前記学習制御部１５は、上記数式３に従って、各位相θ［ｉ］毎の推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）を順次算出して、算出した推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）を、上述した周期信号発生器１６のメモリ内に、図５に示すようなデータテーブル（切削抵抗テーブル）として、順次更新しながら格納する。

【0048】

一方、前記学習制御部１５は、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する前記主軸モータ７の位相θを算出し、該位相θに対応した前記推定切削抵抗Ｆ（θ）を前記メモリから読み出して、読み出した推定切削抵抗Ｆ（θ）を基に補償信号を生成し、生成した補償信号を前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加する。

【0049】

前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する主軸モータ７の位相θは、主軸モータ７の実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］であり、この位相θ［ｉ＋１］は、次式によって、算出される。
（数式４）
θ［ｉ＋１］＝θ［ｉ］＋（ω（θ［ｉ］）＋ω_ｒｅｆ（θ［ｉ］））・Ｔｕ／２
但し、Ｔｕは制御周期である。

【0050】

そして、学習制御部１５は、上記数式４によって算出される位相θ［ｉ＋１］を基に、この位相θ［ｉ＋１］対応する推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）を前記メモリから読み出し、読み出した推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）を基に、次式により補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）を生成する。
（数式５）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ））
但し、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応した前記主軸モータ７の回転角がθ、即ち前記主軸モータ７の位相がθであるときの補償信号、Ｆ_θ（ｚ）は、前記メモリに格納された前記主軸モータ７の位相がθであるときの外乱成分、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【0051】

尚、位相θ［ｉ＋１］の算出処理、推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）の格納処理、及び推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）の読み出し処理の概念的なブロックを図４に示す。

【0052】

ついで、学習制御部１５は、算出した補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）に関数Ｑ［ｚ］を乗じた後、これを、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に付加する処理を行う。但し、関数Ｑ［ｚ］は次式によって表されるＱフィルタであり、γ＝２である。
（数式６）
Ｑ［ｚ］＝（１＋γｚ^−１＋ｚ^−２）／（γ＋２）

【0053】

斯くして、以上の構成を備えた本例の制御装置１０によれば、前記プログラム解析部１１により、適宜記憶部に格納されたＮＣプログラムや、適宜入力されるＮＣプログラムが解析され、当該ＮＣプログラム中に含まれる主軸モータ７の回転速度に係る指令が抽出され、抽出された速度指令信号が前記変動速度信号生成部１２に送信される。

【0054】

速度指令信号が変動速度信号生成部１２に入力されると、当該変動速度信号生成部１２は、受信した目標回転速度を中心として予め定めた振幅及び周期で変動する変動速度指令信号ω_ｒｅｆを生成して、電流制御部１３に送信する。

【0055】

ついで、前記電流制御部１３は、前記変動速度信号生成部１２から入力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆを基に、前記主軸モータ７を駆動するための電流指令信号を生成して出力し、主軸モータ７はこの電流指令信号に従って駆動される。その際、前記フィードバック制御部１４によって、前記変動速度信号生成部１２から出力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆのノミナル値ω_０と前記主軸モータ７の実回転速度ωとの偏差ｅを基に補正信号が生成され、生成された補正信号が前記電流指令信号に付加される。

【0056】

また、前記学習制御部１５により、前記偏差ｅを基に、加工の切削抵抗に起因した外乱成分が、前記主軸モータ７の予め定めた位相θ［ｉ］毎に順次算出されて記憶されるとともに、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応した前記主軸モータ７の位相であって、前記主軸モータ７の実回転角度、即ち実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した前記外乱成分を基に補償信号が成され、生成された補償信号が前記変動速度指令信号に付加される。

【0057】

このように、本例に係る制御装置１０によれば、まず、前記フィードバック制御部１４によって、前記変動速度信号生成部１２から出力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆのノミナル値ω_０と前記主軸モータ７の現在回転速度ωとの偏差ｅ、即ち、追従誤差ｅに応じた補正信号が生成され、この補正信号によって補正が行われる。

【0058】

この追従誤差ｅには、主軸モータ７の摩擦力や切削抵抗Ｆなどの外乱によって生じる誤差が含まれ、この誤差が前記フィードバック制御部１４によって補正されるが、主軸モータ７の回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させた場合、当該回転速度の周期的な変動によって、切削抵抗Ｆにも周期的な変動が生じ、上記フィードバック制御１４では、このように周期的に変動する切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅを抑制しきれない場合を生じる。特に、上述した如く、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、前記変動周期を短周期にすると、切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅを抑制することができない。

【0059】

本例の制御装置１０では、上述したように、前記学習制御部１５により、前記偏差ｅを基に、加工の切削抵抗Ｆに起因した外乱成分を、前記主軸モータ７の予め定めた位相θ［ｉ］毎に算出して記憶する一方、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応した前記主軸モータ７の位相であって、前記主軸モータ７の実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］に対応した外乱成分、即ち１回転前に推定した外乱成分を読み出して、読み出した外乱成分を基に、これを打ち消すような補償信号を生成して前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加し、当該外乱成分によって生じるであろう追従誤差ｅを予め補正、即ち、フィードフォワード制御するようにしている。これにより、フィードバック制御では抑制しきれない、切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅを抑制することができる。

【0060】

以上のように、本例の制御装置１０によれば、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータ７の回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅをより安定して補償することができる。

【0061】

因みに、切削抵抗を適宜設定し、主軸モータ７の回転速度の指令値を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］の一定速度に設定して加工シミュレーションを行ったときの、主軸モータ７の回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を図６に示す。尚、この例では、図２に示した前記変動速度信号生成部１２に代えて、回転速度を変動させない、即ち、一定の回転速度に係る速度指令信号を生成して出力する速度信号生成部を用いた。また、前記位相θの分解能Ｎを１００００に設定し、図７に示すように、時刻０．５［ｓ］以降に、前記学習制御部１５によって生成される補償信号（図７に示す補償信号）を前記速度信号生成部から出力される速度指令信号に付加するようにした。

【0062】

図６から分かるように、開始後、０．５［ｓ］までは、主軸モータ７の回転速度が大きく変動しているが、０．５［ｓ］以降に、学習制御部１５によって生成される補償信号を付加することで、切削抵抗に起因した外乱が抑圧されている。補償信号を付加した状態でなお残る追従誤差は、Ｑフィルタによる遅れによるものである。尚、図６中、黒の実線が速度指令信号ω_ｒｅｆを示し、グレーの実線が主軸モータ７の実回転速度ωを示している。

【0063】

また、上記と同じ切削抵抗に設定し、前記変動速度信号生成部１２を用い、主軸モータ７の平均回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］、速度変動率ＲＶＡを０．１、速度変動周期比ＲＶＦを１．０に設定して、主軸モータ７の回転速度の指令値を正弦波状に周期的に変動させながら加工シミュレーションを行ったときの、主軸モータ７の回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を図８に示す。尚、上記と同様に、時刻０．５［ｓ］以降に、前記学習制御部１５によって生成される補償信号（図９に示す補償信号）を、前記変動速度信号生成部１２から出力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加するようにした。図８中、黒の実線が変動速度指令信号ω_ｒｅｆを示し、グレーの破線が主軸モータ７の実回転速度ωを示している。

【0064】

図８から分かるように、０．５［ｓ］までは追従誤差が生じているが、０．５［ｓ］以降、学習制御部１５によって生成される補償信号を付加することで、切削抵抗に起因した外乱が抑圧されている。このように、主軸モータ７の回転速度を周期的に変動させながら加工する場合でも、切削抵抗に起因した外乱を抑圧することができ、回転速度の追従誤差を低減することができる。

【0065】

また、被削材をケミカルウッドとし、直径２０ｍｍ、刃数４のエンドミルを用いて、直径方向の切削幅を２０ｍｍ、軸方向の切り込みを２ｍｍ、送り速度を６４３ｍｍ／ｍｉｎ^−１、主軸モータ７の回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］の一定速度として加工し、前記学習制御部１５による補償を行わなかったときの、主軸モータ７の回転速度の追従誤差を図１０に示し、そのスペクトル解析結果を図１１に示すとともに、前記学習制御部１５による補償を行ったときの、主軸モータ７の回転速度の追従誤差を図１２に示し、そのスぺクトル解析結果を図１３に示す。尚、前記位相θの分解能Ｎは、これを２０００に設定した。

【0066】

図１１に示すように、切削抵抗の影響は主軸モータ７の回転周波数１６．７Ｈｚの整数倍の周波数を持つ誤差となって表れているが、このうち、主軸モータ７の回転周期の４倍の周波数を持つ誤差は、主軸モータ７の極対数が４であるため、切削抵抗と主軸モータ７のトルクリプルに起因するものである。また、図１０と図１２、図１１と図１３をそれぞれ比較することで分かるように、前記学習制御部１５による補償を行うことで、主軸モータ７の回転周波数の整数倍の追従誤差が抑圧されている。

【0067】

以上、詳述したように、本例の制御装置１０を備えた工作機械１によれば、フィードバック制御では抑制しきれない、切削抵抗に起因した追従誤差を抑制することができ、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータの回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、当該切削抵抗に起因した追従誤差をより安定して補償することができる。

【0068】

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態に係る工作機械は、図２示した前記制御装置１０に代えて、図１８に示す制御装置１０’を備えるもので、その他の構成は前記第１の実施形態に係る工作機械と同一である。尚、図２は、本例の制御装置１０’の構成を示したブロック図である。

【0069】

同図２に示すように、本例の制御装置１０’もまた、上記第１の実施形態に係る制御装置１０の学習制御部１５に代えて、これとは機能の異なる学習制御部１５’を備えている点で、前記制御装置１０とはその構成が異なる。したがって、前記制御装置１０と同じ構成部分について同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。

【0070】

前記学習制御部１５’は、前記フィードバック制御部１４において算出された偏差ｅ［ｒａｄ／ｓ］を基に、外乱成分である切削抵抗Ｆを、前記主軸モータ７の予め定めた回転角度（位相θ）毎に順次算出（推定）して、その時の前記主軸モータ７の実回転速度ωとともに、周期信号発生器（ＰＳＧ；Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１６’内のメモリに記憶するとともに、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する前記主軸モータ７の回転角（位相）に同期して、該回転角（位相）に対応した前記推定切削抵抗Ｆ、実回転速度ω_ａ及び当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆを基に補償信号を生成し、生成した補償信号を当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加する処理部である。

【0071】

前記位相θは、図３に示すように、主軸モータ７の１回転をＮ（整数）分割して構成され、前記学習制御部１５’は、各位相θ［ｉ］毎の推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）、及びその時の主軸モータ７の実回転速度ω（θ［ｉ］）を、図２０に示すようなデータテーブルとして前記メモリ内に記憶する。但し、ｉは１からＮの整数である。

【0072】

主軸モータ７の実回転角度（実位相θ）及び実回転速度ωは、前記ロータリエンコーダなどによって検出され、学習制御部１５’は、上記数式３に従って、各位相θ［ｉ］毎の推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）を順次算出し、その時の実回転速度ω（θ［ｉ］）とともに、前記周期信号発生器１６’のメモリ内に、図２０に示すようなデータテーブル（切削抵抗テーブル）として、順次更新しながら格納する。

【0073】

一方、前記学習制御部１５’は、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する前記主軸モータ７の位相θを算出し、該位相θに対応した前記推定切削抵抗Ｆ（θ）及び実回転速度ω（θ）を前記メモリから読み出して、読み出した推定切削抵抗Ｆ（θ）及び実回転速度ω（θ）、並びに当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆを基に補償信号を生成し、生成した補償信号を当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆに付加する。

【0074】

前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆに対応する主軸モータ７の位相θは、主軸モータ７の実位相θ［ｉ］よりも１位相進んだ位相θ［ｉ＋１］であり、この位相θ［ｉ＋１］は、図１９に示すように、上記数式４によって、算出される。

【0075】

そして、学習制御部１５’は、上記数式４によって算出される位相θ［ｉ＋１］を基に、この位相θ［ｉ＋１］対応する推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）及び実回転速度ω（θ［ｉ＋１］）を前記メモリから読み出し、読み出した推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）及び実回転速度ω（θ［ｉ＋１］）と、変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）と基に、次式により補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）を生成する。
（数式７）
Ｃ_Ｆθ（ｚ）＝ω（θ）・Ｆ_θ（ｚ）・Ｐ（ｚ）／（ω_ｒｅｆ（θ）・（１＋Ｃ（ｚ）・Ｐ（ｚ）））
但し、Ｃ_Ｆθ（ｚ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータ７の回転角がθ、即ち前記主軸モータ７の位相がθであるときの補償信号であり、Ｆ_θ（ｚ）は前記メモリに格納された、前記主軸モータ７の位相がθであるときの外乱成分、また、ω（θ）は前記メモリに格納された、前記主軸モータ７の位相がθであるときの前記実回転速度であり、スカラー値である。また、ω_ｒｅｆ（θ）は、前記変動速度信号生成部から前記電流制御部に入力される前記変動速度指令信号に対応した前記主軸モータ７の回転角がθ、即ち前記主軸モータ７の位相がθであるときの当該変動速度指令信号に係る指令回転速度であり、スカラー値である。また、Ｃ（ｚ）は前記フィードバック制御部において、前記補正信号を生成する際の伝達関数、Ｐ（ｚ）は前記主軸モータの伝達関数である。

【0076】

尚、図１９には、位相θ［ｉ＋１］の算出処理、推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ］）及び実回転速度ω（θ［ｉ］）の格納処理、並びに、推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）及び実回転速度ω（θ［ｉ＋１］）の読み出し処理の概念的なブロックを示している。

【0077】

ついで、学習制御部１５’は、算出した補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）に関数Ｑ［ｚ］（上記数式６）を乗じた後、これを、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に付加する処理を行う。

【0078】

斯くして、以上の構成を備えた本例の制御装置１０’によれば、まず、前記フィードバック制御部１４によって、前記変動速度信号生成部１２から出力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆのノミナル値ω_０と前記主軸モータ７の現在回転速度ωとの偏差ｅ、即ち、追従誤差ｅに応じた補正信号が生成され、この補正信号によって補正が行われる。

【0079】

また、前記学習制御部１５’により、前記偏差ｅを基に、加工の切削抵抗Ｆに起因した外乱成分を、前記主軸モータ７の予め定めた位相θ毎に算出して記憶する一方、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に対応する前記主軸モータ７の位相θ［ｉ＋１］に同期して、該位相θ［ｉ＋１］に対応した前記切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）、即ち、該位相θ［ｉ＋１］について１回転前に推定した切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）を読み出し、読み出した推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）に、実回転速度ω（θ［ｉ＋１］）と変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）との比、即ち、ω（θ［ｉ＋１］）／ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）を乗じた上記数式７に示す式により補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）を生成して、前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に付加し、当該外乱成分によって生じるであろう追従誤差ｅを予め補正、即ち、フィードフォワード制御するようにしている。

【0080】

上述したように、前記切削抵抗に起因した外乱成分は、前記主軸モータ７の回転速度に反比例する。したがって、前記変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）によって生じるであろうと推定される切削抵抗は、１回転前の推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）に、その時の実回転速度ω（θ［ｉ＋１］）と当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）との比、即ち、ω（θ［ｉ＋１］）／ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）を乗じることで、正確に推定することができる。本例の学習制御部１５’では、推定切削抵抗Ｆ（θ［ｉ＋１］）にω（θ［ｉ＋１］）／ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）を乗じることによって、前記補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）を生成するようにしているので、当該変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に応じた正確な補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）を生成することができ、切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅをより効果的に抑制することができる。

【0081】

以上のように、本例の制御装置１０’によれば、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータ７の回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、切削抵抗Ｆに起因した追従誤差ｅをより安定して補償することができる。

【0082】

因みに、図１に示した前記工作機械１を用い、切削抵抗を適宜設定して、前記変動速度信号生成部１２により、主軸モータ７の平均回転速度を１０４．７［ｒａｄ／ｓ］、速度変動率ＲＶＡを０．１、速度変動周期比ＲＶＦを０．７に設定して、主軸モータ７の回転速度の指令値を三角波状に周期的に変動させながら、アルミを被削材として加工し、前記第１の実施形態に係る学習制御部１５による補償を行った場合の主軸モータ７の回転速度、第２の実施形態に係る学習制御部１５’による補償を行った場合の主軸モータ７の回転速度を、それぞれ測定した。図２１に、測定した主軸モータ７の回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］を示し、図２２に、回転速度の指令値（変動速度指令）に対する追従誤差を示している。尚、図２１中、ω_ｒｅｆは変動速度指令であり、また、図２１及び図２２中、ｗ／ｏは、学習制御部１５及び学習制御部１５’による補償を行わなかった場合である。

【0083】

図２１及び図２２に示すように、第１の実施形態の学習制御部１５による補償に比べて、第２の実施形態の学習制御部１５’による補償の方が、追従誤差をより抑制できることが分かる。

【0084】

このように、本例の制御装置１０’によれば、フィードバック制御では抑制しきれない、切削抵抗に起因した追従誤差を抑制することができ、加工精度を良好に維持しながら自励びびり振動を抑制すべく、主軸モータの回転速度を所定の変動振幅及び変動周期で変動させて駆動する場合でも、当該切削抵抗に起因した追従誤差をより安定して補償することができる。

【0085】

以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、何ら、上例のものに限定されるものではない。

【0086】

例えば、上記第１の実施形態及び第２の実施形態では、いずれもＱフィルタを設けて、補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）に関数Ｑ［ｚ］を乗じた後、これを、前記変動速度信号生成部１２から前記電流制御部１３に入力される変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に付加するようにしたが、必ずしもＱフィルタを設ける必要はなく、補償信号Ｃ_Ｆ（θ［ｉ＋１］）をそのまま変動速度指令信号ω_ｒｅｆ（θ［ｉ＋１］）に付加するようにしても良い。

【符号の説明】

【0087】

１ 工作機械
２ 基台
３ 送りモータ
４ ボールねじ
５ テーブル
６ 主軸
７ 主軸モータ
８ 工具
１０ 制御装置
１０’ 制御装置
１２ 変動速度信号生成部
１３ 電流制御部
１４ フィードバック制御部
１５ 学習制御部
１５’ 学習制御部
１６ 周期信号発生器（ＰＳＧ）
１６’ 周期信号発生器（ＰＳＧ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】