特開 2024-151783 位置制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024151783

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】位置制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 15/013 20060101AFI20241018BHJP

   B23B 1/00 20060101ALI20241018BHJP

   G05B 19/4093 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

B23Q15/013

B23B1/00 N

B23B1/00 C

G05B19/4093 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023065487

(22)【出願日】2023-04-13

(71)【出願人】

【識別番号】000149066

【氏名又は名称】オークマ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安藤 徹

(72)【発明者】

【氏名】酒井 健史

【テーマコード（参考）】

3C001

3C045

3C269

【Ｆターム（参考）】

3C001KB01

3C001KB09

3C001TA01

3C001TA05

3C001TB01

3C001TB05

3C045AA01

3C045AA08

3C045EA02

3C269AB02

3C269AB31

3C269BB03

3C269EF10

3C269GG01

3C269MN16

(57)【要約】

【課題】揺動切削を行う場合でも、高精度な制御が可能な位置制御装置を提供する。
【解決手段】位置制御装置は、駆動軸を送り方向に沿って揺動させるための揺動指令値を算出する揺動指令生成部７と、前記駆動軸を前記送り方向に移動させる位置指令値と、前記揺動指令値と、の加算値に基づいて、前記駆動軸の速度指令を出力する位置制御部１と、を備え、前記揺動指令生成部７は、前記揺動の周波数および振幅に基づいて、補償前の揺動指令値を算出する揺動指令演算部２１と、前記補償前の揺動指令値の加速度に基づいた補償値を算出する補償部２３と、前記補償前の揺動指令値と、前記補償値と、を加算した値を前記揺動指令値として出力する加算器２４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークと工具とを相対的に移動させる駆動軸の位置を制御する位置制御装置であって、
前記駆動軸を送り方向に沿って揺動させるための揺動指令値を算出する揺動指令生成部と、
前記駆動軸を前記送り方向に移動させる位置指令値と、前記揺動指令値と、の加算値に基づいて、前記駆動軸の速度指令を出力する位置制御部と、
を備え、
前記揺動指令生成部は、
前記揺動の周波数および振幅に基づいて、補償前の揺動指令値を算出する揺動指令演算部と、
前記補償前の揺動指令値の加速度に基づいた補償値を算出する補償部と、
前記補償前の揺動指令値と、前記補償値と、を加算した値を前記揺動指令値として出力する加算器と、
を含む、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記補償部は、前記補償前の揺動指令値の加速度に補正係数を乗算して、前記補償値を算出する、ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の位置制御装置であって、
前記補正係数は、前記駆動軸の指令加速度と、前記駆動軸を駆動するモータから前記工具の刃先までの機械剛性と、に基づいて特定され、
前記機械剛性が低いほど、前記補正係数は、大きくなる、
ことを特徴とする位置制御装置。

【請求項4】

請求項２に記載の位置制御装置であって、
前記駆動軸の可動部位置の検出手段を備えることにより、フルクローズド制御方式として構成し、
前記検出手段からの位置検出信号と、前記駆動軸を駆動する前記モータの位置検出信号と、
の差分に応じて、前記補正係数を決定する、
ことを特徴とする位置制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、揺動切削機能を有する位置制御装置を開示する。

【背景技術】

【0002】

旋盤やマシニングセンタ等の工作機械において、切削工具によりワークを加工する際、切屑が連続して発生し、切屑が切削工具に絡まる場合がある。このような場合、切屑を切削工具から除去するために工作機械を停止させる必要があり、時間がかかり、生産効率が低下することになる。さらに、切屑によってワークが損傷する可能性があり、ワークの品質が低下する場合がある。

【0003】

このような事象への対策として、揺動切削が知られている。揺動切削では、切削工具を加工送り方向に送る際に、切削工具とワークとを相対的に加工送り方向に沿って揺動させることにより切屑を細断する。

【0004】

揺動切削において、揺動周波数が高くなるほど、切削工具の駆動機構部（ボールねじ駆動機構またはリニアモータ駆動機構等）と、その切削工具と、の少なくとも一方において弾性変形量が大きくなる。この結果、工具先端の揺動振幅が、本来の想定に比べて不足して、所望の切屑細断効果が得られない問題が生じる。

【0005】

特許文献１では、トルク指令に基づいて、送り軸の出力端と機械揺動端との間の構造体の弾性変形量を計算し、この弾性変形量に基づいて、揺動指令を作成する。これにより、切削工具もしくはワークの駆動機構部に弾性変形が生じたとしても、揺動振幅を確保して所望の切屑細断効果を得ることができる。

【0006】

工具の振幅の制御は、工具を送り方向に駆動するサーボモータ等の駆動源を制御することによって行われる。しかし、工具を所望の振幅値で振動させるように駆動源を制御しても、工具駆動手段が有する摺動部の摩擦や振動特性等の要因によって振幅が減衰されてしまう。また、振動が高速であるため、十分な精度でフィードバック制御を行うことも困難である。これらのことから、工具の刃先における振幅が所望の振幅値よりも小さくなってしまうという問題がある。そして、振幅の減衰幅は切削装置の個体差や設置場所等によっても相違するので、工具の刃先における振幅が所望の振幅値よりも小さくなってしまうことがある。この場合、工具の振幅が振動切削に必要な振幅を下回って切屑が分断されなくなるという問題が生じることになる。

【0007】

特許文献２では、工具の刃先の振幅を変位計により直接測定して得た工具の振動の補正用実振幅値と、工具駆動手段に設けられた位置検出手段により間接的に測定して得た工具の振動の補正用推定振幅値と、をそれぞれ取得する。そして、特許文献２では、補正用実振幅値と補正用推定振幅値との相関関係を示すデータに基づき、工具の目標振幅値が実振幅値となるように指令振幅値を設定する。これにより、工具を所望の振幅で振動させることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第６５０３００１号

【特許文献2】特許第６９９０１３４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

切削工具と当該切削工具の駆動部との間に生じる弾性変形量をトルク指令に基づいて計算し、弾性変形量に基づいて揺動指令を補正する場合について、図３により説明する。位置指令から減算器３８にてモータ３３に結合された位置検出器３４からの位置ＦＢを減算し、位置偏差を算出する。この位置偏差に、加算器３９にて揺動指令を加算した合成指令に基づき、位置速度制御部３１および電流制御部３２にてトルク指令を算出し、モータ３３を駆動する。また、電流制御部３２にて算出されたトルク指令に基づき、弾性変形量計算部３７にて弾性変形量を算出後、位相遅れ補償要素３６にて位相遅れを補償し、揺動指令作成部３５にて算出する揺動指令を補正する。

【0010】

上記のように、トルク指令は、元の位置指令に対して位相遅れが発生しているので、揺動指令を補正する際の補正量の位相は、揺動指令の位相に対して遅れている。そのため、位相遅れを補償する位相進み処理が必要となり、揺動指令の補正方法が複雑になってしまう。

【0011】

また、工具の刃先における振幅が所望の振幅値よりも小さくなってしまう場合、工具の振動の実振幅値と指令振幅値との相関関係を示すデータと、さらに、上述した補正用実振幅値と補正用推定振幅値との相関関係を示すデータと、から作成したデータテーブルに基づき、指令振幅値を設定する。これにより、工具を所望の振幅で高精度に振動させることが可能となる。しかし、このデータテーブルを作成するには、上記データを測定等により取得する必要がある。また、機械仕様が異なる切削装置では、上記データが異なることが想定されるため、同様にデータ採取が必要となる。さらに、指令振幅値と振動数を変えながら、上記データの採取を行なうが、変更幅および変更範囲を適切に決定することも必要となる。よって、データテーブルを作成するには、煩雑な作業を伴い、多大な時間がかかる等の問題点がある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本明細書で開示する位置制御装置は、ワークと工具とを相対的に移動させる駆動軸の位置を制御する位置制御装置であって、前記駆動軸を送り方向に沿って揺動させるための揺動指令値を算出する揺動指令生成部と、前記駆動軸を前記送り方向に移動させる位置指令値と、前記揺動指令値と、の加算値に基づいて、前記駆動軸の速度指令を出力する位置制御部と、を備え、前記揺動指令生成部は、前記揺動の周波数および振幅に基づいて、補償前の揺動指令値を算出する揺動指令演算部と、前記補償前の揺動指令値の加速度に基づいた補償値を算出する補償部と、前記補償前の揺動指令値と、前記補償値と、を加算した値を前記揺動指令値として出力する加算器と、を含む、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

揺動の周波数および振幅から算出された揺動指令値に対し、揺動指令加速度に基づいた補償値を加算することで、所望の振幅で振動させることができ、揺動切削の指令に対して、高精度な制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】位置制御装置の構成と各種信号の流れを示す図である。

【図2】位置制御装置における揺動指令生成部の構成の詳細を示す図である。

【図3】従来の制御装置の構成と各種信号の流れを示す図である。

【図4】位置制御装置をフルクローズド制御方式とした場合の構成と各種信号の流れを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１は、位置制御装置を示すブロック図である。図示しない上位制御装置より、位置制御装置に位置指令値Ｐ＊が入力される。加算器１１は、揺動指令生成部７にて算出された揺動指令値と位置指令値Ｐ＊とを加算する。減算器１２は、この加算値から位置帰還Ｐを減算し、位置偏差ΔＰ（＝Ｐ＊－Ｐ）を算出する。位置帰還Ｐは、モータ４に結合された位置検出器５からの位置検出信号を示す。位置制御部１は、位置偏差ΔＰから速度指令値Ｖ＊を算出する。減算器１３は、速度指令値Ｖ＊から速度帰還Ｖを減算し、速度偏差ΔＶ（＝Ｖ＊－Ｖ）を算出する。速度帰還Ｖは、変換部６にて位置検出器５の回転角位置の時間微分値となる。また、速度帰還Ｖは、モータ４に結合された速度検出器（図示しない）の出力でも構わない。速度制御部２は、速度偏差ΔＶに対してＰＩ制御等を行ない、電流指令値を算出する。電流制御部３は、電流指令値に基づき、モータ４を制御する。

【0016】

図２は、揺動指令生成部７の構成を示す図である。揺動指令演算部２１は、揺動周波数と揺動振幅に基づき、揺動指令値を算出する。２階微分器２２は、揺動指令値を２階微分して、揺動指令加速度を出力する。揺動指令加速度は、補償部２３に入力される。補償部２３では、揺動指令加速度に基づいて、補償値を算出する。加算器２４は、揺動指令演算部２１から出力された揺動指令値に、補償値を加算し、最終的に出力する揺動指令値を出力する。ここで、補償部２３にて算出される補償値は、例えば、揺動指令加速度に補正係数Ｋを掛けた値となる。駆動軸のモータから刃先までの機械的なたわみ量は、速度制御部２が出力する指令加速度と、駆動軸のモータから刃先までの機械剛性と、により決まる。なお、速度制御部２は、速度指令値Ｖ＊と速度帰還Ｖとの偏差に基づいて、指令加速度を出力する。そのため、補正係数Ｋは、駆動軸の機械剛性等により決定される値となる。具体的には、機械剛性が低いほど、補正係数Ｋは大きくなる。

【0017】

上記では、揺動指令演算部２１にて、揺動周波数と揺動振幅とに基づき、揺動指令値を算出するように説明している。しかし、図示しない上位制御装置にて揺動指令値を算出してもよい。

【0018】

また、上記の説明では、モータに取り付けられた位置検出器のみで当該軸を制御している。次に、モータに取り付けられた位置検出器と、モータに結合されたボールネジにて駆動されるテーブル等に取り付けられた位置検出器と、にて制御を行なうフルクローズド仕様軸の場合について、図４にて説明する。図示しない上位制御装置より、位置制御装置に位置指令値Ｐ＊が入力される。加算器５２は、揺動指令生成部４７にて算出された揺動指令値と位置指令値Ｐ＊とを加算する。減算器５３は、この加算値から位置帰還Ｐを減算し、位置偏差ΔＰ（＝Ｐ＊－Ｐ）を算出する。位置帰還Ｐは、モータ４４に結合された位置検出器４５と、モータ４４に接続されたボールネジ４８を介して駆動する可動部４９の位置を検出する位置検出器５０と、からの位置検出値に基づき、合成部５１にて算出された位置検出信号を示す。位置制御部４１は、位置偏差ΔＰから速度指令値Ｖ＊を算出する。減算器５４は、速度指令値Ｖ＊から速度帰還Ｖを減算し、速度偏差ΔＶ（＝Ｖ＊－Ｖ）を算出する。速度帰還Ｖは、変換部４６にて位置検出器４５の回転角位置の時間微分値となる。また、速度帰還Ｖは、モータ４４に結合された速度検出器（図示しない）の出力でも構わない。速度制御部４２は、速度偏差ΔＶに対してＰＩ制御等を行ない、電流指令値を算出する。電流制御部４３は、電流指令値に基づき、モータ４４を制御する。二つの位置検出器、位置検出器４５と位置検出器５０とから出力される二つの位置検出信号の差分は、ボールネジ４８の剛性に相当し、この値に応じて、補正係数や補償値を決定する。

【符号の説明】

【0019】

１，４１ 位置制御部、２，４２ 速度制御部、３，３２，４３ 電流制御部、４，３３，４４ モータ、５，３４，４５，５０ 位置検出器、６，４６ 変換部、７，４７ 揺動指令生成部、１１，２４，３９，５２ 加算器、１２，１３，３８，５３，５４ 減算器、２１ 揺動指令演算部、２２ ２階微分器、２３ 補償部、３１ 位置速度制御部、３５ 揺動指令作成部、３６ 位相遅れ補償要素、３７ 弾性変形量計算部、４８ ボールネジ、４９ 可動部、５１ 合成部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】