特許 6275245 送り軸の制御方法および数値制御工作機械

(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】6275245

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】送り軸の制御方法および数値制御工作機械

(51)【国際特許分類】

   G05D 3/12 20060101AFI20180129BHJP

   H02P 23/04 20060101ALI20180129BHJP

   G05B 19/19 20060101ALI20180129BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20180129BHJP

【ＦＩ】

   G05D3/12 305Z

   H02P23/04

   G05B19/19 P

   G05B11/36 501Q

【請求項の数】10

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-507232(P2016-507232)

(86)(22)【出願日】2014年3月14日

(86)【国際出願番号】JP2014056940

(87)【国際公開番号】WO2015136696

(87)【国際公開日】20150917

【審査請求日】2016年6月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000154990

【氏名又は名称】株式会社牧野フライス製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100102819

【弁理士】

【氏名又は名称】島田 哲郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100130133

【弁理士】

【氏名又は名称】曽根 太樹

(74)【代理人】

【識別番号】100112357

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 繁樹

(72)【発明者】

【氏名】尾田 光成

【審査官】 藤島 孝太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２０２０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５８０２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １／００− ７／０４

１１／００−１３／０４

１７／００−１７／０２

１９／１８−１９／４１６

１９／４２−２１／０２

Ｇ０５Ｄ ３／００− ３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループを設けてカスケード結合を形成し、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する工作機械の送り軸の制御方法であって、
サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に状態センサを配置し、
状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含み、
状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められた第１のゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算し、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められた第２のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算し、
更に、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部から出力される速度指令に加算する制御および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部に入力される位置指令に加算する制御のうち、少なくとも一方の制御を実施する、送り軸の制御方法。

【請求項2】

位置制御部から出力される速度指令に予め定められた第３のゲインを乗じた信号を、第２のゲインを乗じた信号から減算する、請求項１に記載の送り軸の制御方法。

【請求項3】

状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められた第４のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する、請求項１または２に記載の送り軸の制御方法。

【請求項4】

位置制御部に入力される位置指令に予め定められた第５のゲインを乗じた信号を、第４のゲインを乗じた信号から減算する、請求項３に記載の送り軸の制御方法。

【請求項5】

速度制御部から出力されるトルク指令に予め定められた第６のゲインを乗じた信号を、加速度のフィードバック信号から減算する、請求項１から４のいずれか一項に記載の送り軸の制御方法。

【請求項6】

第１のゲインの２乗と第２のゲインの２乗との加算値が予め定められた設定値になるように第１のゲインおよび第２のゲインを設定する、請求項１に記載の送り軸の制御方法。

【請求項7】

位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループを設けてカスケード結合を形成し、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する工作機械の送り軸の制御方法であって、
サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に状態センサを配置し、
状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含み、
状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められたゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算し、
更に、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する制御および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する制御のうち、少なくとも一方の制御を実施する、送り軸の制御方法。

【請求項8】

サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に取り付けられた状態センサと、
位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループが設けられてカスケード結合が形成され、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する制御装置とを備え、
状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含み、
制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められた第１のゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する回路、および状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められた第２のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路を含み、
更に、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部から出力される速度指令に加算する回路および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部に入力される位置指令に加算する回路のうち、少なくとも一方の回路を含む、数値制御工作機械。

【請求項9】

サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に取り付けられた状態センサと、
位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループが設けられてカスケード結合が形成され、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する制御装置とを備え、
状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含み、
制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められたゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する回路を含み、
更に、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路のうち、少なくとも一方の回路を含む、数値制御工作機械。

【請求項10】

機械構造物は、ワークを固定するテーブルと、工具を支持する工具支持部材とを含み、
テーブルおよび工具支持部材を移動させる移動装置を更に備え、
状態センサは、テーブルに配置された加速度検出器と、工具支持部材に配置された加速度検出器とを含む、請求項８または９に記載の数値制御工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の技術では、ワークに対して工具を相対移動させて切削等の加工を行う工作機械が知られている。また、このような工作機械において、工具の経路を所定の軸の座標等により指定し、ワークに対して工具を自動的に移動させながら加工を行う数値制御工作機械が知られている。数値制御工作機械は、加工プログラムに機械座標や工具の移動速度を指定することにより、所望の工具径路および速度にて加工を行うことができる。

【0003】

特開２００６−１５８０２６号公報においては、サーボモータで駆動される被駆動体に加速度検出手段を設けた工作機械の制御装置が開示されている。この制御装置は、加速度検出手段で検出された加速度検出値を積分して速度推定値を求め、速度推定値に係数を乗じた値と加速度検出値に係数を乗じた値とを、速度制御処理部にて求めた電流指令から減じて補正している。そして、制御装置が補正した電流指令をサーボアンプに出力している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−１５８０２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

工作機械の各軸を駆動するサーボモータを制御する制御装置においては、位置制御器が位置指令に基づいて速度指令を生成し、速度制御器が速度指令に基づいてトルク指令を生成する。そして、トルク指令に基づいてモータが駆動される。更に、工具やワークを移動する移動装置に位置検出器を配置し、位置検出器から出力された位置の信号を位置指令から減算する位置フィードバックループを設けることが知られている。また、サーボモータの出力軸等に速度検出器を配置し、速度検出器から出力された速度の信号を速度指令から減算する速度フィードバックループを設けることが知られている。

【0006】

工作機械にてワークを加工するときには、ワークや工具を移動する移動装置に対して外乱力が作用して、ワークまたは工具に振動が生じる場合がある。例えば、ワークに工具が接触している加工点において切削荷重等がワークや工具に作用して振動が生じる場合がある。加工精度を向上させるためには、このようなワークや工具の振動を抑制することが好ましい。

【0007】

上記の特開２００６−１５８０２６号公報の制御装置では、被駆動体の加速度をモータのトルク指令にフィードバックして振動を抑制している。ところが、この回路においては、加速度検出手段が被駆動体に配置されている。すなわち、加速度検出手段は、モータの出力軸から離れた位置に配置されている。このために、被駆動体の加速度のフィードバックにより、位置制御器から出力される位置指令に位置偏差が生じたり、速度検出器から出力される速度指令に速度偏差が生じたりする。これらの偏差はモータに供給する電流の制御にも影響し、振動を抑制する効果が低くなるという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の送り軸の制御方法は、位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループを設けてカスケード結合を形成し、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する工作機械の送り軸の制御方法である。送り軸の制御方法では、サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に状態センサを配置する。状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含む。送り軸の制御方法は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められた第１のゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算し、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められた第２のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する。送り軸の制御方法は、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部から出力される速度指令に加算する制御および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部に入力される位置指令に加算する制御のうち、少なくとも一方の制御を実施する。

【0010】

上記発明においては、位置制御部から出力される速度指令に予め定められた第３のゲインを乗じた信号を、第２のゲインを乗じた信号から減算することができる。

【0011】

上記発明においては、状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められた第４のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算することができる。

【0012】

上記発明においては、位置制御部に入力される位置指令に予め定められた第５のゲインを乗じた信号を、第４のゲインを乗じた信号から減算することができる。

【0013】

上記発明においては、速度制御部から出力されるトルク指令に予め定められた第６のゲインを乗じた信号を、加速度のフィードバック信号から減算することができる。

【0014】

上記発明においては、第１のゲインの２乗と第２のゲインの２乗との加算値が予め定められた設定値になるように第１のゲインおよび第２のゲインを設定することができる。

【0015】

本発明の第２の送り軸の制御方法は、位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループを設けてカスケード結合を形成し、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する工作機械の送り軸の制御方法である。送り軸の制御方法では、サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に状態センサを配置する。状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含む。送り軸の制御方法は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められたゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する。送り軸の制御方法は、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する制御および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する制御のうち、少なくとも一方の制御を実施する。

【0016】

本発明の第１の数値制御工作機械は、サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に取り付けられた状態センサと、位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループが設けられてカスケード結合が形成され、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する制御装置とを備える。状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含む。制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められた第１のゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する回路、および状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められた第２のゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路を含む。制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部から出力される速度指令に加算する回路および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を位置制御部に入力される位置指令に加算する回路のうち、少なくとも一方の回路を含む。

【0017】

本発明の第２の数値制御工作機械は、サーボモータの出力に対応する位置に対して振動する機械構造物およびサーボモータの出力に対応する位置に対して振動する軸送り機構のうち少なくとも一方に取り付けられた状態センサと、位置指令が入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令が入力される速度制御部を有する速度フィードバックループが設けられてカスケード結合が形成され、速度制御部から出力されたトルク指令に応じて送り軸駆動用のサーボモータを制御する制御装置とを備える。状態センサは、機械構造物に取り付けられた加速度検出器および軸送り機構に取り付けられた位置検出器のうち少なくとも一方を含む。制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて加速度を取得し、取得した加速度に予め定められたゲインを乗じた加速度のフィードバック信号を速度制御部から出力されるトルク指令から減算する回路を含む。制御装置は、状態センサの出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路および状態センサの出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインを乗じた信号を加速度のフィードバック信号に加算する回路のうち、少なくとも一方の回路を含む。

【0018】

上記発明においては、機械構造物は、ワークを固定するテーブルと、工具を支持する工具支持部材とを含むことができる。数値制御工作機械は、テーブルおよび工具支持部材を移動させる移動装置を備えることができる。状態センサは、テーブルに配置された加速度検出器と、工具支持部材に配置された加速度検出器とを含むことが好ましい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、加工点における振動を抑制する工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】数値制御工作機械の概略側面図である。

【図2】工作機械のブロック図である。

【図3】実施の形態１における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図4】実施の形態１における参考例の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図5】実施の形態１における参考例の制御装置にて制御した時の速度指令および加速度の検出値を示すグラフである。

【図6】実施の形態１における第１の制御装置にて制御した時の速度指令および加速度の検出値を示すグラフである。

【図7】実施の形態１における第２の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図8】実施の形態２における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図9】実施の形態２における第２の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図10】実施の形態３における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図11】実施の形態３における参考例の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図12】実施の形態４における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【図13】実施の形態４における第２の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

（実施の形態１）
図１から図７を参照して、実施の形態１における工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械について説明する。工作機械としては、主軸が水平方向に延びている横形マシニングセンタを例示して説明する。

【0022】

図１は、本実施の形態の数値制御工作機械の概略側面図である。工作機械１０は、工具２２とワーク１とを相対移動させる移動装置を備える。移動装置は、複数の移動軸の方向に被駆動物を移動させる。複数の移動軸は、直線送り軸として互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を含む。

【0023】

工作機械１０は、工場等の床面に設置されるベッド１２を備える。ベッド１２の上面には、Ｚ軸ガイドレール２８が固定されている。Ｚ軸ガイドレール２８は、Ｚ軸方向（図１において左右方向）に延びている。Ｚ軸ガイドレール２８の上面には、テーブルベース１３が配置されている。テーブルベース１３は、Ｚ軸ガイドレール２８に案内され、Ｚ軸方向に移動可能に配置されている。テーブルベース１３には、テーブル１４が固定されている。テーブル１４には、ワーク１が固定されている。

【0024】

ベッド１２の上面には、Ｘ軸ガイドレール３６が固定されている。Ｘ軸は、Ｚ軸に直交し、更に水平方向（図１の紙面に垂直方向）に延びる。Ｘ軸ガイドレール３６は、Ｘ軸に沿って延びている。コラム１６は、Ｘ軸ガイドレール３６に案内され、Ｘ軸方向に移動可能に配置されている。

【0025】

コラム１６において、ワーク１に対向する前面には、Ｙ軸ガイドレール３２が固定されている。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に直交する方向に延びる。Ｙ軸ガイドレール３２は、Ｙ軸に沿って延びている。Ｙ軸ガイドレール３２上には、主軸ヘッド１８が配置されている。主軸ヘッド１８は、Ｙ軸ガイドレール３２に案内され、Ｙ軸方向に移動可能に形成されている。主軸ヘッド１８は、主軸２０を支持する。

【0026】

移動装置は、ワーク１に対して工具２２をＺ軸方向に相対移動させるＺ軸移動装置を含む。ベッド１２の内部には、Ｚ軸送りねじおよびナットを含むボールねじ機構が配置されている。テーブルベース１３の下面には、ナットが固定されている。ナットは、Ｚ軸送りねじに螺合する。Ｚ軸送りねじの一方の端部にはＺ軸サーボモータ２５が連結されている。Ｚ軸サーボモータ２５を駆動することにより、テーブルベース１３がＺ軸ガイドレール２８に沿って移動する。この結果、ワーク１がＺ軸方向に移動する。

【0027】

移動装置は、ワーク１に対して工具２２をＸ軸方向に相対移動させるＸ軸移動装置を含む。Ｘ軸移動装置は、Ｚ軸移動装置と同様に、Ｘ軸送りねじおよびナットを有するボールねじ機構を含む。Ｘ軸送りねじの一端にはＸ軸サーボモータ３８が連結されている。コラム１６の下面にはＸ軸送りねじに螺合するナットが固定されている。Ｘ軸サーボモータ３８を駆動することにより、コラム１６がＸ軸ガイドレール３６に沿って移動する。この結果、工具２２がＸ軸方向に移動する。

【0028】

移動装置は、ワーク１に対して工具２２をＹ軸方向に相対移動させるＹ軸移動装置を含む。Ｙ軸移動装置は、Ｚ軸移動装置と同様に、Ｙ軸送りねじおよびナットを有するボールねじ機構を含む。主軸ヘッド１８には、Ｙ軸送りねじに螺合するナットが固定されている。Ｙ軸送りねじの上端にはＹ軸サーボモータ３１が連結されている。Ｙ軸サーボモータ３１が駆動することにより、主軸ヘッド１８がＹ軸ガイドレール３２に沿って移動する。この結果、工具２２がＹ軸方向に移動する。

【0029】

主軸２０の先端には工具ホルダ２１を介して工具２２が装着されている。主軸２０は、工具２２を支持する工具支持部材として機能する。主軸２０には、工具２２を回転させるためのモータが内蔵されている。このモータが駆動することにより、工具２２は、主軸２０の中心軸を回転軸として回転する。

【0030】

このように、工作機械１０は、コラム１６、主軸ヘッド１８、およびテーブルベース１３を移動軸に沿って移動させることにより、ワーク１に対して工具２２を相対的に移動させることができる。なお、工作機械としては、直線送り軸の他に、所定の軸線の周りに回転する回転送り軸を有していても構わない。

【0031】

工作機械１０は、各軸の速度検出器を含む。Ｚ軸サーボモータ２５には、Ｚ軸サーボモータ２５の回転速度を検出する速度検出器２９が取り付けられている。速度検出器２９は、例えばロータリーエンコーダを含み、ロータリーエンコーダの出力に基づいて速度を検出することができる。また、Ｙ軸サーボモータ３１には速度検出器３３が取り付けられている。Ｘ軸サーボモータ３８には、速度検出器３９が取り付けられている。各軸の速度検出器２９，３３，３９が配置されることにより、各軸方向の移動速度を検出することができる。

【0032】

工作機械１０は、各軸の位置検出器を含む。Ｚ軸の位置検出器は、テーブルベース１３取り付けられたスライダ１３ａと、ベッド１２に取り付けられたＺ軸リニアスケール３０とを含む。スライダ１３ａがＺ軸リニアスケール３０上を移動することにより、Ｚ軸方向の位置を検出することができる。また、Ｙ軸の位置検出器は、主軸ヘッド１８に取り付けられたスライダ１８ａと、コラム１６に取り付けられたＹ軸リニアスケール３４を含む。スライダ１８ａがＹ軸リニアスケール３４上を移動することにより、Ｙ軸方向の位置を検出することができる。また、Ｘ軸の位置検出器は、コラム１６に取り付けられたスライダ１６ａと、ベッド１２に取り付けられたＸ軸リニアスケール４０とを含む。スライダ１６ａがＸ軸リニアスケール４０上を移動することにより、Ｘ軸方向の位置を検出することができる。

【0033】

更に、工具２２を支持する主軸２０には加速度検出器４５が配置されている。加速度検出器４５は、工具２２の加工点に近接して配置されることが好ましい。また、テーブル１４には加速度検出器４６が配置されている。加速度検出器４６は、ワーク１の加工点に近接して配置されることが好ましい。加速度検出器４５，４６は、各軸ごとの加速度を検出することができる。すなわち、加速度検出器４５，４６は、Ｘ軸方向の加速度、Ｙ軸方向の加速度、Ｚ軸方向の加速度を個別に検出することができる。なお、工作機械が回転送り軸を有する場合には、回転送り軸の移動装置が動作しても、回転軸に対して検出器の方向が変化しない位置に加速度検出器を配置する。

【0034】

これらの各軸の速度検出器２９，３３，３９、位置検出器および加速度検出器４５，４６の出力信号は、制御装置５０に入力される。

【0035】

図２に、本実施の形態における工作機械のブロック図を示す。工作機械１０は、制御装置５０を備える。制御装置５０は、移動装置のサーボモータ５５に接続されている。制御装置５０がサーボモータ５５を制御することにより、ワーク１に対して工具２２を相対的に移動させることができる。

【0036】

制御装置５０は、読取解釈部５２、補間演算部５３およびサーボモータ制御部５４を含む。読取解釈部５２は、入力プログラム５１を読み込んで移動指令を補間演算部５３に送出する。補間演算部５３は、例えば移動指令に基づいて所定の時間間隔ごとの位置指令ｑｒを出力する。サーボモータ制御部５４は、位置指令ｑｒに基づいて各軸のサーボモータ５５を駆動する。本実施の形態において、各軸のサーボモータ５５は、Ｘ軸サーボモータ３８、Ｙ軸サーボモータ３１またはＺ軸サーボモータ２５に相当する。

【0037】

各軸のサーボモータ５５は、軸送り機構５６を介して機械構造物５７を駆動する。機械構造物５７は、工具２２を保持する構造物またはワーク１を保持する構造物に相当する。本実施の形態では、機械構造物５７は、主軸２０またはテーブル１４に相当する。また、軸送り機構５６は、機械構造物５７を駆動する機構に相当する。本実施の形態では、軸送り機構５６は、各軸のサーボモータ５５に接続されたボールねじ機構に相当する。軸送り機構５６としては、ボールねじ機構の他に、サーボモータに取り付けられた減速機等を例示することができる。

【0038】

図３は、本実施の形態における第１の制御装置のサーボモータ制御部および機械構造物の駆動機構のブロック図である。図３に示す制御回路は、それぞれの移動軸ごとに形成することができる。たとえば、Ｘ軸移動装置において、Ｘ軸サーボモータ３８を駆動するために、図３に示す１つの制御回路を形成することができる。この場合に、サーボモータ５５は、Ｘ軸サーボモータ３８に相当する。速度検出器５８は、Ｘ軸サーボモータ３８に取り付けられた速度検出器３９に相当する。位置検出器５９は、スライダ１６ａおよびＸ軸リニアスケール４０を含むＸ軸の位置検出器に相当する。加速度検出器６０は、工具２２を保持する主軸２０に取り付けられた加速度検出器４５に相当する。本実施の形態では、加速度検出器４５を状態センサとして用いる。状態センサは、送り軸の指令に関係なく所定の構造物の状態、すなわち、所定の構造物の加速度、速度、または位置等を検出するセンサである。

【0039】

補間演算部５３から出力された位置指令ｑｒは、位置制御部としての位置制御器７１に入力される。位置制御器７１は、位置指令ｑｒに基づいて速度指令ωｒを生成する。位置制御器７１から出力される速度指令ωｒは、速度制御部としての速度制御器７２に入力される。速度制御器７２は、速度指令ωｒに基づいてトルク指令τｒを生成する。トルク指令τは、電流制御器７３に入力される。電流制御器７３は、入力されたトルク指令τｒに対応するトルクを発生させるように、サーボモータ５５の電流を制御する。

【0040】

機械構造物５７を駆動する駆動機構には、軸送り機構５６が含まれる。軸送り機構５６は、機械構造物５７を支持している。図３に示す例では、軸送り機構５６と機械構造物５７との間に弾性要素６２が介在する。弾性要素６２は、剛性が低く自由端になる部分が揺れることを示すモデルである。弾性要素６２は、軸送り機構５６と機械構造物５７との間の剛性が低く、軸送り機構５６に対して機械構造物５７が振動することを示している。これに対して、サーボモータ５５と軸送り機構５６とは高い剛性で接続されている。

【0041】

弾性要素６２は、弾性体６２ａおよび減衰体６２ｂを含む。弾性体６２ａは、機械構造物が振動する周期や振幅等を定めるモデルである。減衰体６２ｂは振動を減衰させるモデルである。駆動機構に弾性要素６２が含まれることにより、機械構造物５７が振動する。また、機械構造物５７の位置、速度または加速度がサーボモータ５５の出力に対して遅れたり偏差が生じたりする。

【0042】

軸送り機構５６に取り付けられた位置検出器５９は、所定の軸の位置を検出し、位置信号ｑを加算器７４にフィードバックする。加算器７４は、位置指令ｑｒから位置信号ｑを減算し、位置制御器７１に送出する。位置制御器７１は、入力される信号にゲインＣｐを乗算して速度指令ωｒを算出する。ゲインＣｐは、ラプラス演算子ｓの関数である。本実施の形態では、この位置指令ｑｒを補正する回路を位置フィードバックループと称する。

【0043】

サーボモータ５５に取り付けられた速度検出器５８は、所定の軸における速度を検出する。速度検出器５８は、速度信号ωを加算器７５にフィードバックする。加算器７５は、速度指令ωｒから速度信号ωを減算し、速度制御器７２に送出する。速度制御器７２は、入力される信号にゲインＣｖを乗算してトルク指令τｒを算出する。ゲインＣｖは、ラプラス演算子ｓの関数である。本実施の形態では、この速度指令ωｒを補正する回路を速度フィードバックループと称する。

【0044】

このように、位置指令ｑｒが入力される位置制御部を有する位置フィードバックループの内側に、速度指令ωｒが入力される速度制御部を有する速度フィードバックループが設けられて、カスケード結合が形成されている。この制御では、サーボモータ５５の出力に対応する現在の位置や速度を検出し、送り軸の指令に対する遅れを補正することができる。この制御は、サーボ制御とも称される。なお、制御回路に含まれるそれぞれの補償器のゲインは、予め定められており、最適値が採用されることが好ましい。

【0045】

ここで、本実施の形態の参考例の制御装置について説明する。図４は、本実施の形態の参考例におけるサーボモータ制御部と機械構造物の駆動機構とのブロック図である。図４に示す参考例においても、軸送り機構５６と機械構造物５７との間に弾性要素６２が介在している。機械構造物５７に取り付けられた加速度検出器６０からは、加速度の信号が出力される。加速度の信号は、補償器９１においてゲインＫ１が乗じられて加算器１４１に出力される。

【0046】

一方で、加速度検出器６０から出力された加速度の信号は、積分器７７において積分されて速度の信号に変換される。そして、加算器１４２において、積分器７７から出力された速度の信号から位置制御器７１が出力した速度指令が減算される。加算器１４２においては、機械構造物５７の速度と速度指令ωｒとの速度偏差を算出することができる。加算器１４２の出力信号は、補償器９２に入力される。補償器９２においてはゲインＫ２が乗じられる。補償器９２の出力は加算器１４１に入力される。

【0047】

加算器１４１においては、補償器９１の出力信号と補償器９２の出力信号が加算される。加算器１４１の出力信号は、フィルタ８１を介して加算器１４４に入力される。加算器１４４においては、速度制御器７２から出力されるトルク指令τｒから加算器１４１の出力信号が減算される。

【0048】

補償器９１を通る回路は、機械構造物５７の加速度をフィードバックする回路である。補償器９２を通る回路は、機械構造物の速度をフィードバックする回路である。これらの回路により、機械構造物５７の振動を抑制することができる。特に、ゲインＫ１とゲインＫ２との値を変化させることにより、加速度のフィードバックの位相に対する速度のフィードバックの位相を調整して、機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0049】

ところが、加速度検出器６０が配置されている機械構造物５７と、サーボモータ５５との間には、弾性要素６２が介在している。加速度のフィードバック信号により速度制御器７２から出力されるトルク指令τｒが補正されると、位置指令ｑｒや速度指令ωｒに偏差が生じる場合があった。特に、機械構造物５７の加速度が変化した時には、位置指令ｑｒまたは速度指令ωｒの偏差が大きくなり、位置フィードバックループおよび速度フィードバックループによりサーボ制御を行っているので、機械構造物の振動を抑制する加速度のフィードバック信号をサーボ制御が打ち消す場合があった。

【0050】

本実施の形態の制御装置では、各軸の指令に関係なく機械構造物の加速度等を検出して各軸の指令に反映し、機械構造物の駆動を安定化する安定化制御を実施する。図３を参照して、本実施の形態の制御装置は、機械構造物の安定化補償回路１２１を含む。機械構造物の安定化補償回路１２１は、機械構造物５７の振動を抑制する。機械構造物の安定化補償回路１２１には、加速度検出器６０から出力される信号が入力される。

【0051】

加速度検出器６０にて検出された加速度の信号は、補償器９１に入力される。補償器９１において第１のゲインとしてのゲインＫ１１が乗じられる。補償器９１の出力信号は、加算器１４１およびフィルタ８１を通って加算器１４４に入力される。この回路は、加速度のフィードバック回路である。すなわち、速度制御器７２から出力されるトルク指令τｒは、機械構造物５７の加速度がフィードバックされて補正される。

【0052】

加速度検出器６０にて検出された加速度の信号は、積分器７７ａにおいて速度の信号に変換される。速度の信号は、補償器１０１に入力される。補償器１０１においては、ゲインＫａ３が乗じられる。補償器１０１の出力信号は、フィルタ８１を介して加算器１５１に入力される。加算器１５１においては、位置制御器７１から出力される速度指令ωｒに補償器１０１の出力信号が加算される。なお、本実施の形態のゲインＫａ３は、負のゲインとしている。

【0053】

この制御回路により、補償器９１を含む加速度をフィードバックする回路により生じる速度偏差を打ち消すことができる。速度偏差を打ち消した速度指令τｒを速度制御器７２に送出することができる。すなわち、速度偏差を消失させた信号を制御目標とすることができる。従って機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0054】

さらに、積分器７７ａから出力される速度の信号は積分器７７ｂにおいて積分される。積分器７７ｂからは位置の信号が出力される。位置の信号は、補償器１０２に入力される。補償器１０２においては、ゲインＫａ５が乗じられる。補償器１０２の出力信号は、フィルタ８１を介して加算器１５２に入力される。加算器１５２においては、位置指令ｑｒに補償器１０２の出力信号が加算される。なお、本実施の形態のゲインＫａ５は、負のゲインとしている。

【0055】

この制御回路により、補償器９１を含む加速度をフィードバックする回路により生じる位置偏差を打ち消すことができる。位置偏差を打ち消した位置指令ｑｒを位置制御器７１に送出することができる。すなわち、位置偏差を消失させた信号を制御目標とすることができる。従って機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0056】

本実施の形態では、補償器１０１を含む速度偏差を打ち消す回路と、補償器１０２を含む位置偏差を打ち消す回路の両方の回路が配置されているが、この形態に限られず、いずれか一方の回路が配置されていても機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0057】

本実施の形態の送り軸の制御方法としては、加速度検出器６０の出力信号に基づいて速度を取得し、取得した速度に予め定められたゲインＫａ３を乗じた信号を位置制御器７１から出力される速度指令に加算する制御、および加速度検出器６０の出力信号に基づいて位置を取得し、取得した位置に予め定められたゲインＫａ５を乗じた信号を位置制御器７１に入力される位置指令ｑｒに加算する制御のうち、少なくとも一方の制御を実施している。この方法により、機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0058】

また、本実施の形態の第１の制御装置は、加速度のフィードバック信号に加えて、機械構造物５７の速度のフィードバック信号および機械構造物５７の位置のフィードバック信号に基づいてトルク指令τｒを補正する。積分器７７ａから出力された速度の信号は、補償器９２に入力される。補償器９２においては、第２のゲインとしてのゲインＫａ２１が乗じられる。補償器９２の出力信号は、加算器１４２を介して加算器１４１に入力される。さらに、積分器７７ｂから出力された位置の信号は、補償器９３に入力される。補償器９３においては、第４のゲインとしてのゲインＫａ４１が乗じられる。補償器９３の出力信号は、加算器１４３，１４２を介して加算器１４１に入力される。

【0059】

加算器１４１では、補償器９１から出力される加速度のフィードバック信号、補償器９２から出力される速度のフィードバック信号、および補償器９３から出力される位置のフィードバック信号を加算する。そして、このフィードバックの信号を、フィルタ８１を介して加算器１４４に入力する。加算器１４４においては、このフィードバック信号をトルク指令τｒから減算する。

【0060】

本実施の形態の制御装置では、加速度のフィードバック信号に対して、速度のフィードバック信号および位置のフィードバック信号を加算している。それぞれのフィードバック信号の回路では、補償器９１のゲインＫａ１１と、補償器９２のゲインＫａ２１と、補償器９３のゲインＫａ４１とを独立して設定可能である。このために、ゲインＫａ１１により加速度の影響を調整し、ゲインＫａ２１により速度の影響を調整し、更に、ゲインＫａ４１により位置の影響を調整することができる。ゲインＫａ１１，Ｋａ２１，Ｋａ４１の値を適正な値に設定することにより、機械構造物５７の振動を効果的に抑制することができる。更に、ゲインＫａ１１，Ｋａ２１，Ｋａ４１の値を調整することにより、弾性要素６２を有さずに、機械構造物５７が剛構造で軸送り機構５６に支持されている場合の制御も実施することができる。

【0061】

更に、加速度をフィードバックする回路では、速度制御器７２から出力されるトルク指令τｒが補償器９４に入力される。補償器９４では第６のゲインとしてのゲインＫａ１２が乗じられる。ゲインＫａ１１とゲインＫａ１２は、例えば同じ値を採用することができる。補償器９４の出力信号は、加算器１４１に入力される。加算器１４１においては、補償器９１の出力信号にから補償器９４の出力信号が減算される。このように、加速度のフィードバック回路では、補償器９４を配置し、加速度のフィードバック信号とトルク指令τｒとの偏差を算出している。

【0062】

速度をフィードバックする回路では、位置制御器７１から出力される速度指令ωｒが補償器９５に入力される。補償器９５では、第３のゲインとしてのゲインＫａ２２が乗じられる。ゲインＫａ２１とゲインＫａ２２とは、例えば同じ値を採用することができる。加算器１４２においては、補償器９２の出力信号から補償器９５の出力信号が減算される。このように、速度のフィードバック回路では、補償器９５を配置し、速度のフィードバック信号と速度指令ωｒとの偏差を算出し、この偏差が加算器１４１に入力されている。

【0063】

位置をフィードバックする回路では、位置指令ｑｒが補償器９６に入力される。補償器９６では、第５のゲインとしてのゲインＫａ４２が乗じられる。ゲインＫａ４１とゲインＫａ４２とは、例えば同じ値を採用することができる。加算器１４３においては、補償器９３の出力信号から補償器９６の出力信号が減算される。このように、位置のフィードバック回路では、位置のフィードバック信号と位置指令ｑｒとの偏差を算出し、この偏差は、加算器１４２を介して加算器１４１に入力されている。

【0064】

加速度検出器６０から取得される信号には、本来の目標値となる加速度等を示す成分と、機械構造物５７の振動に起因する振動成分が含まれる。それぞれのフィードバック回路において、検出値に基づく値から指令値を減算することにより、本来の目標値となる加速度等を示す成分を差し引くことができる。すなわち、振動成分のみを抽出することができる。そして、加速度に関する振動成分、速度に関する振動成分、および位置に関する振動成分を加算した信号に基づいてトルク指令τｒを補正している。機械構造物の状態をフィードバックする回路において、抽出した振動成分のみをフィードバックすることができる。このために、高い制振効果を発揮することができる。

【0065】

本実施の形態では、補償器９２を含む速度をフィードバックする回路と補償器９３を含む位置をフィードバックする回路の両方の回路が配置されているが、この形態に限られず、いずれか一方の回路が配置されていても構わない。また、それぞれのフィードバックする回路において、補償器９４，９５，９６を含む偏差を算出する回路は配置されていなくても構わない。

【0066】

特に、機械構造物の安定化補償回路１２１は、補償器９１および補償器９４の２つの補償器と、加算器１４１と、フィルタ８１とにて構成することができる。この場合にも、加速度のフィードバック回路では、加算器１４１において、加速度のフィードバック信号とトルク指令τｒとの偏差を算出し、この加速度の振動成分を加算器１４４に送出できるために機械構造物５７の振動を抑制することができる。

【0067】

フィルタ８１としては、所望の周波数帯域の信号以外の信号を減衰させることが好ましい。例えば、フィルタ８１は、工作機械１０の共振周波数の帯域の信号を通過させるフィルタであることが好ましい。工作機械１０の共振周波数は、工作機械１０の構造等に依存する。フィルタ８１としては、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、ノッチフィルタおよびバンドパスフィルタ等の所望のフィルタを用いることができる。又は、これらのフィルタを組み合わせることにより、所望の周波数帯域の信号を通過させることができる。

【0068】

次に、図４を参照して、補償器９１のゲインＫ１と補償器９２のゲインＫ２との設定方法について説明する。ゲインＫ１が第１のゲインに相当し、ゲインＫ２が第２のゲインに相当する。積分器７７から出力される速度の信号は、加速度の信号に対して位相差を有する。ここで、ゲインＫ１とゲインＫ２とを変化させることにより、加速度のフィードバック信号に対する速度のフィードバック信号の位相を変化させることができる。

【0069】

補償器９２の回路がない場合、すなわちゲインＫ２が零の場合に、ゲインＫ１を大きくすることにより、加速度のフィードバックの効果を大きくすることができる。ところが、ゲインＫ１を大きくしすぎると発振してしまう。そこで、発振しない程度まで大きなゲインＫ１を選定することができる。このゲインＫ１では、発振を抑制しながら加速度のフィードバックの効果を大きくすることができる。この最大のゲインＫ１を設定値Ｒと称する。設定値Ｒは予め定めておくことができる。次に、加算器１４１からの出力値が設定値Ｒを超えないようにゲインＫ１とゲインＫ２とを定める。ゲインＫ１およびゲインＫ２は、次式を満たすように設定することができる。

【0070】

Ｋ１²＋Ｋ２²＝Ｒ² …（１）

【0071】

そして、仮想的な角度θを用いて、ゲインＫ１およびゲインＫ２は、次式で表すことができる。

【0072】

Ｋ１＝Ｒｃｏｓθ …（２）
Ｋ２＝Ｒｓｉｎθ …（３）

【0073】

角度θを選定することにより、加速度のフィードバック信号に対する速度のフィードバック信号の位相を任意に設定することができる。角度θは、機械構造物５７の振動が最小になるように設定することができる。または、式（１）の関係を満たし、機械構造物５７の振動が最小になるようにゲインＫ１およびゲインＫ２を設定することができる。このようにゲインＫ１およびゲインＫ２を設定することにより、ゲインの設定値による発振を抑制すると共に、機械構造物５７の振動を効果的に抑制することができる。

【0074】

図３に示す本実施の形態の制御装置では、上記と同様に、補償器９１のゲインＫａ１１と補償器９２のゲインＫａ２１とを設定することができる。すなわち、以下の式を満たすように、ゲインＫａ１１およびゲインＫａ２１を設定することができる。なお、前述のように、ゲインＫａ１１は第１のゲインに相当し、ゲインＫａ２１は第２のゲインに相当する。

【0075】

Ｋａ１１²＋Ｋａ２１²＝Ｒ² …（４）

【0076】

または、次式の様に仮想的な角度θを用いてゲインＫａ１１およびゲインＫａ２１を設定することができる。

【0077】

Ｋａ１１＝Ｒｃｏｓθ …（５）
Ｋａ１２＝Ｒｓｉｎθ …（６）

【0078】

次に、本実施の形態の第１の制御装置および参考例の制御装置について、工作機械の加工のシミュレーションを実施した結果を示す。

【0079】

図５は、図４に示す参考例の制御装置にて駆動したシミュレーションの結果のグラフである。一点鎖線は速度指令値を示し、実線は機械構造物の加速度の検出値を示している。時刻ｔ０では、速度指令値および加速度ともに零である。そして、加速度を変化させた後には指令の加速度が一定の区間でも、加速度の検出値が振動していることが分かる。例えば、時刻ｔ１において速度指令値を変化させて加速している。時刻ｔ１から時刻ｔ２までは指令の加速度が一定にも関わらず、加速度の検出値が振動している。また、時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５において加速度を変化させた後にも、加速度の検出値が振動している。さらに、時刻ｔ６において速度指令値を零にしたにも関わらず、残留振動が生じている。

【0080】

図６に、図３に示す本実施の形態の第１の制御装置にて駆動したシミュレーションの結果のグラフを示す。なお、シミュレーションでは図３の回路において、補償器９３，９６，１０２のゲインを零にしている。すなわち、位置偏差を消失させる回路および位置をフィードバックする回路を使用せずにシミュレーションを実施している。時刻ｔ１から時刻ｔ２の区間や時刻ｔ２から時刻ｔ３の区間等において、加速度の検出値の振動が参考例の制御装置よりも抑制されていることが分かる。加速度の検出値は、略一定の値を示していることが分かる。さらに、時刻ｔ６以降における残留振動も参考例の制御装置よりも抑制されていることが分かる。このように、本実施の形態の制御装置を採用することにより、機械構造物の振動を抑制することができる。

【0081】

図７は、本実施の形態における第２の制御装置と機械構造物の駆動機構とを示すブロック図である。図３を参照して、第１の制御装置では、加速度のフィードバック回路、速度のフィードバック回路、または位置のフィードバック回路において、補償器９４，９５，９６には、それぞれの送り軸の指令が入力されている。たとえば、補償器９５には、速度指令ωｒが入力されている。しかしながら、補償器９４，９５，９６に入力される指令は、他の回路により補正された指令である。たとえば、補償器９６に入力される位置指令ｑｒは、位置偏差を打ち消す回路の補償器１０２の出力により補正された指令である。

【0082】

図７を参照して、第２の制御装置では、補償器９４，９５，９６に補正が加えられていない位置指令ｑｒに基づく信号を入力する。補償器９６には、補間演算部５３から出力された位置指令ｑｒ、すなわち、補正が加えられていない位置指令ｑｒを入力する。換言すると、加算器１５２にて補正が加えられる前の信号を補償器９６に入力する。加算器１５２にて補正が加えられる前の信号を微分器７８ａにて微分して、補償器９５に入力する。更に、微分器７８ａの出力信号を微分器７８ｂにて微分して、補償器９４に入力する。

【0083】

本実施の形態の第２の制御装置では、補間演算部５３から出力される位置指令ｑｒを用いているために、加速度、速度または位置のフィードバック信号と、送り軸の指令との偏差をより正確に算出することができる。加算器１４１においては、加速度のフィードバック信号とトルク指令との偏差を正確に算出することができる。加算器１４２では、速度のフィードバック信号と速度指令との偏差を正確に算出することができる。加算器１４３では、位置のフィードバック信号と速度指令との偏差を正確に算出することができる。この結果、加速度検出器６０の出力信号から得られる信号に含まれる振動成分を正確に抽出することができる。この結果、機械構造物５７の振動の抑制効果が向上する。その他の構成、作用および効果は、第１の制御装置と同様である。

【0084】

本実施の形態の工作機械１０は、テーブル１４を移動させる移動装置および工具支持部材としての主軸２０を移動させる移動装置を備える。そして、状態センサとしての加速度検出器４５，４６がテーブル１４および主軸２０に配置されている。移動装置にて移動される２つの機械構造物のそれぞれに加速度検出器が配置されている。そして、それぞれの移動軸の移動装置を制御するサーボモータ制御部に本発明を適用することにより、テーブル１４に固定されているワーク１の振動を抑制することができる。また、主軸２０に支持されている工具２２の振動を抑制することができる。ワーク１および工具２２の両方の被駆動物の振動を抑制することができるために、高精度の加工を実施することができる。

【0085】

（実施の形態２）
図８および図９を参照して、実施の形態２における工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械について説明する。本実施の形態における工作機械は、弾性要素の位置が実施の形態１の工作機械と異なる。

【0086】

図８に、本実施の形態における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。本実施の形態の工作機械は、機械構造物５７と軸送り機構５６との間の剛性は高い構造を有する。一方で、工作機械は、軸送り機構５６とサーボモータ５５との間の剛性が低い構造を有する。この工作機械のモデルでは、サーボモータ５５と軸送り機構５６との間に弾性要素６３が存在する。弾性要素６３は、弾性体６３ａと減衰体６３ｂとを有する。機械構造物５７に外乱力が加わると、機械構造物５７および軸送り機構５６とが一体的に振動する。

【0087】

このような機械構造物５７の駆動機構としては、例えば、各軸の移動装置のボールねじ機構の構成部材が弾性変形する場合が相当する。なお、サーボモータ５５が直接的に機械構造物５７を駆動する場合には、このモデルは相当しない。例えば、機械構造物５７の内部にモータが配置されているダイレクトドライブ方式の駆動機構である場合には、本実施の形態の駆動機構に相当せずに、実施の形態１における駆動機構に相当する。

【0088】

本実施の形態においては、軸送り機構の駆動を安定化させる安定化制御を実施する。制御装置５０のサーボモータ制御部５４は、軸送り機構の安定化補償回路１２２を含む。軸送り機構の安定化補償回路１２２には、軸送り機構５６に取り付けられた位置検出器５９にて出力される位置の信号が入力される。本実施の形態においては、位置検出器５９が軸送り機構５６の状態を検出する状態センサとして機能する。

【0089】

位置検出器５９にて検出された軸送り機構５６の位置の信号は、微分器７８に入力される。微分器７８からは加速度の信号が出力される。そして、加速度の信号は、補償器９１および積分器７７ａに入力される。本実施の形態の第１の制御装置の軸送り機構の安定化補償回路１２２のその他の回路は、実施の形態１における第１の制御装置の機械構造物の安定化補償回路１２１と同様である。補償器９１〜９６，１０１，１０２は、実施の形態１の第１の制御装置における補償器と同様である（図３参照）。それぞれの補償器におけるゲインＫｐ１１，Ｋｐ２１等は、本実施の形態の制御回路に対応して設定されている。

【0090】

補償器１０１，１０２を含む回路により、送り軸の指令の速度偏差および位置偏差を打ち消すことができる。また、補償器９１を含む回路により、軸送り機構５６の加速度をフィードバックする回路が構成されている。補償器９２，９３を含む回路により、軸送り機構５６の速度をフィードバックする回路および軸送り機構５６の位置をフィードバックする回路が構成されている。補償器９２，９３を含む回路により、速度のフィードバック信号および位置のフィードバック信号を補償器９１から出力される加速度のフィードバック信号に加えることができて、加速度の影響の他に速度の影響および位置の影響を個別に調整することができる。この結果、機械構造物５７の振動を容易に抑制することができる。

【0091】

図９に、本実施の形態における第２の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。本実施の形態の第２の制御装置では、実施の形態１における第２の制御装置と同様に、補償器９４，９５，９６に補正が加えられていない位置指令ｑｒに基づく信号を入力する。補償器９６には、補間演算部５３から出力される位置指令ｑｒを入力する。また、加算器１５２にて補正が加えられる前の信号を微分器７８ａにて微分して補償器９５に入力する。更に、微分器７８ａの出力信号を微分器７８ｂにて微分して補償器９４に入力する。その他の制御回路の構成は、本実施の形態の第１の制御装置と同様である。

【0092】

本実施の形態の第２の制御装置においては、加速度、速度または位置のフィードバック信号と送り軸の指令との偏差を第１の制御装置よりも正確に算出することができる。この結果、振動を抑制する効果が向上する。

【0093】

本実施の形態の制御装置においては、位置検出器５９により検出された位置を加速度に変換した後に、速度および位置に変換しているが、この形態に限られず、速度のフィードバック信号は、位置検出器５９の出力信号を微分した後にゲインＫｐ２１を乗じても構わない。また、位置のフィードバック信号は、位置検出器５９の出力信号にゲインＫｐ４１を乗じても構わない。

【0094】

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

【0095】

（実施の形態３）
図１０および図１１を参照して、実施の形態３における工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械について説明する。本実施の形態の制御装置は、サーボモータの駆動を安定化させる安定化制御を実施する。

【0096】

図１０に、本実施の形態における制御装置と機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。サーボモータ５５、軸送り機構５６および機械構造物５７は、高い剛性にて互いに接続されている。速度検出器５８にて検出された速度が加算器７５に入力されて、速度フィードバックループが構成されていることは、実施の形態１と同様である。位置フィードバックループにおいては、速度検出器５８にて検出された速度の信号が積分器７７に入力されている。積分器７７から出力される位置の信号が加算器７４に入力されている。

【0097】

図１１に、本実施の形態における参考例の制御装置と機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。参考例の制御装置では、速度検出器５８から出力される速度の信号は微分器７８に入力される。微分器７８から出力される加速度の信号が補償器１０３に入力される。補償器１０３においてゲインＫ１が乗じられる。補償器１０３の出力信号が加算器１４４に入力される。加算器１４４では、トルク指令τｒから補償器１０３の出力信号が減算される。

【0098】

参考例の制御装置は、サーボモータ５５の加速度をフィードバックする回路を備え、トルク指令τｒの振動を抑制することができる。ところが、位置制御器７１や速度制御器７２の応答性を上昇させると、サーボモータ５５の駆動が不安定になる場合がある。例えば、位置制御器７１におけるゲインまたは速度制御器７２におけるゲインを大きくすると、発振する場合がある。また、補償器１０３における最適のゲインＫ１は、機械構造物５７の種類に依存して変化するためにゲインＫ１の設定が難しかった。

【0099】

図１０を参照して、本実施の形態の制御装置５０のサーボモータ制御部５４は、モータの安定化補償回路１２３を備える。また、サーボモータ５５の速度を検出する速度検出器５８を状態センサとして用いる。速度検出器５８から出力される速度の信号を微分器７８に入力している。微分器７８は、加速度の信号を出力する。加速度の信号は、補償器９１にてゲインＫｖ１が乗じられている。補償器９１の出力信号は、加算器１４１およびフィルタ８１を介して、加算器１４４に入力されている。加算器１４４においては、速度制御器７２から出力されるトルク指令τｒから加算器１４１の出力信号が減算される。すなわち、サーボモータ５５の加速度をフィードバックする回路が構成されている。フィルタ８１としては、ローパスフィルタ等の所望の周波数帯を通過させるフィルタを用いることができる。

【0100】

さらに、微分器７８から出力される加速度の信号は、積分器７７ａを通ることにより速度の信号になる。速度の信号は、補償器９２にてゲインＫｖ２が乗じられる。補償器９２の出力信号は、加算器１４２を介して加算器１４１に入力される。すなわち、サーボモータ５５の速度をフィードバックする回路が構成されている。

【0101】

積分器７７ａから出力される速度の信号は、積分器７７ｂに入力される。積分器７７ｂから出力される位置の信号は、補償器９３にてゲインＫｖ３が乗じられる。補償器９３の出力信号は、加算器１４２を介して加算器１４１に入力される。すなわち、サーボモータ５５の位置をフィードバックする回路が構成されている。

【0102】

加算器１４２では、補償器９２の出力信号と補償器９３の出力信号が加算される。加算器１４１では、補償器９１の出力信号に、加算器１４２の出力信号が加算される。すなわち、サーボモータの加速度のフィードバック信号に、速度のフィードバック信号および位置をフィードバック信号が加算されている。このように、サーボモータ５５の状態をフィードバックすることができて、モータの駆動の安定化を図ることができる。この結果、機械構造物５７の振動を抑制することができる。また、位置制御器７１および速度制御器７２の応答性を上げることができる。

【0103】

また、それぞれのフィードバック信号の回路では、補償器９１のゲインＫｖ１と、補償器９２のゲインＫｖ２と、補償器９３のゲインＫｖ３とを独立して設定可能である。このために、ゲインＫｖ１により加速度の影響を調整し、ゲインＫｖ２により速度の影響を調整し、更に、ゲインＫｖ３により位置の影響を調整することができる。ゲインＫｖ１，Ｋｖ２，Ｋｖ３の値を適正な値に設定することにより、サーボモータ５５の駆動を効果的に安定にすることができて、機械構造物５７の振動を効果的に抑制することができる。

【0104】

本実施の形態の制御装置においては、速度検出器５８から検出された速度を加速度に変換した後に、再び速度に変換しているが、この形態に限られず、速度のフィードバック信号は、速度検出器５８の出力信号にゲインＫｖ２を乗じても構わない。また、位置のフィードバック信号は、速度検出器５８の出力信号を積分し、ゲインＫｖ３を乗じても構わない。

【0105】

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

【0106】

（実施の形態４）
図１２および図１３を参照して、実施の形態４における工作機械の送り軸の制御方法および数値制御工作機械について説明する。

【0107】

本実施の形態の制御装置は、実施の形態１から実施の形態３の制御回路の構成を組み合わせた構成を備える。すなわち、制御装置は、実施の形態１における機械構造物の安定化補償回路１２１と、実施の形態２における軸送り機構の安定化補償回路１２２と、実施の形態３におけるモータの安定化補償回路１２３とを備える。

【0108】

図１２に、本実施の形態における第１の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。サーボモータ５５と軸送り機構５６との間には、弾性要素６３が介在している。軸送り機構５６と機械構造物５７との間には、弾性要素６２が介在している。すなわち、本実施の形態の工作機械は、機械構造物５７と軸送り機構５６とがばね結合され、さらに、軸送り機構５６とサーボモータ５５との間がばね結合されている３つの慣性系を有する。

【0109】

本実施の形態の第１の制御装置は、実施の形態１の第１の制御装置の構成、実施の形態２の第１の制御装置の構成、および実施の形態３の第１の制御装置の構成を組み合わせた構成を備える。位置フィードバックループには、位置検出器５９からの位置の信号が用いられている。

【0110】

機械構造物５７には、加速度検出器６０が配置されている。加速度検出器６０から出力される加速度の信号は、機械構造物の安定化補償回路１２１に送信される。軸送り機構５６には、位置検出器５９が配置されている。位置検出器５９から出力される位置の信号は、軸送り機構の安定化補償回路１２２に送信される。さらに、サーボモータ５５には、速度検出器５８が取り付けられている。速度検出器５８から出力される速度の信号は、モータの安定化補償回路１２３に送信される。

【0111】

それぞれの安定化補償回路１２１，１２２，１２３において、加速度に関する補正信号が生成されて、加算器１６１，１６２において加算される。加速度のフィードバック回路が構成されている。加算器１６２の出力信号は、加算器１４４においてトルク指令τｒから減算される。

【0112】

また、機械構造物の安定化補償回路１２１および軸送り機構の安定化補償回路１２２において、加速度のフィードバック回路により生じる速度偏差を打ち消すための速度に関する補正信号が生成され、加算器１６３において加算される。加算器１６３の出力信号は、加算器１５１において速度指令ωｒに加算される。また、機械構造物の安定化補償回路１２１および軸送り機構の安定化補償回路１２２において、加速度のフィードバック回路により生じる位置偏差を打ち消すための位置に関する補正信号が生成され、加算器１６４において加算される。加算器１６４の出力信号は、加算器１５２において位置指令ｑｒに加算される。

【0113】

図１３に、本実施の形態における第２の制御装置および機械構造物の駆動機構のブロック図を示す。本実施の形態の第２の制御装置は、実施の形態１の第２の制御装置の構成、実施の形態２の第２の制御装置の構成および実施の形態３の第２の制御装置の構成を組み合わせた構成を備える。

【0114】

第２の制御装置では、機械構造物の安定化補償回路１２１および軸送り機構の安定化補償回路１２２に入力される送り軸の指令として、補正が加えられていない位置指令ｑｒを入力する。機械構造物の安定化補償回路１２１および軸送り機構の安定化補償回路１２２には、補間演算部５３から出力される位置指令ｑｒが入力される。その他の構成は、本実施の形態の第１の制御装置と同様である。

【0115】

このように、３つの慣性系を有する工作機械においては、実施の形態１の制御回路および実施の形態２の制御回路を組み合わることにより、機械構造物５７の振動を抑制することができる。更に、実施の形態３のサーボモータ５５の駆動を安定化する制御回路を組み合わせることにより、サーボモータ５５の駆動の安定化も含めた安定化制御を実施することができる。

【0116】

本実施の形態の制御装置は、機械構造物の安定化補償回路１２１、軸送り機構の安定化補償回路１２２、およびモータの安定化補償回路１２３の３つの安定化補償回路を含むが、この形態に限られず、３つの安定化補償回路のうち、任意の２つの安定化補償回路が含まれていても構わない。

【0117】

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

【0118】

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

【0119】

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

【符号の説明】

【0120】

１ ワーク
１０ 工作機械
１４ テーブル
２０ 主軸
２２ 工具
２５ Ｚ軸サーボモータ
２８ Ｚ軸ガイドレール
２９，３３，３９ 速度検出器
３０ Ｚ軸リニアスケール
３１ Ｙ軸サーボモータ
３２ Ｙ軸ガイドレール
３４ Ｙ軸リニアスケール
３６ Ｘ軸ガイドレール
３８ Ｘ軸サーボモータ
４０ Ｘ軸リニアスケール
４５，４６ 加速度検出器
５０ 制御装置
５４ サーボモータ制御部
５５ サーボモータ
５６ 軸送り機構
５７ 機械構造物
５８ 速度検出器
５９ 位置検出器
６０ 加速度検出器
７１ 位置制御器
７２ 速度制御器
９１〜９６ 補償器
１０１〜１０２ 補償器
１２１ 機械構造物の安定化補償回路
１２２ 軸送り機構の安定化補償回路
１２３ モータの安定化補償回路

【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】