特許 7473654 工作機械の制御装置

(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】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】工作機械の制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/4093 20060101AFI20240416BHJP

   B23B 1/00 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

G05B19/4093 M

B23B1/00 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022539494

(86)(22)【出願日】2021-07-27

(86)【国際出願番号】 JP2021027741

(87)【国際公開番号】W WO2022025057

(87)【国際公開日】2022-02-03

【審査請求日】2023-02-07

(31)【優先権主張番号】P 2020128263

(32)【優先日】2020-07-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】山本 健太

(72)【発明者】

【氏名】熊本 裕樹

【審査官】山本 忠博

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０２８８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８２５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３３０５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８１２１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １９／４０９３

Ｂ２３Ｂ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具とワークを相対的に揺動させながら加工する工作機械の制御装置であって、
揺動条件を設定する揺動条件設定部と、
揺動位相を複数の区間に分割する揺動位相分割部と、
分割された区間毎に、加工条件に応じた位置指令と前記揺動条件との重畳に基づいて、曲線状又は正弦波状の重畳指令を、前記区間同士の境で前記重畳指令同士が曲線状に滑らかに繋がるように算出する重畳指令算出部と、
前記重畳指令に基づいて前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備える工作機械の制御装置。

【請求項2】

前記重畳指令の変化が滑らかになるようにフィルタ処理するフィルタ部をさらに備える、請求項１に記載の工作機械の制御装置。

【請求項3】

前記重畳指令のフィードフォワードを重畳するフィードフォワード部をさらに備える、請求項１又は２に記載の工作機械の制御装置。

【請求項4】

前記重畳指令に基づいて前記重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を前記重畳指令に加算することにより前記重畳指令を補正する学習制御部をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の工作機械の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、穴開け加工や旋削加工等の切り屑対策として、揺動切削を適用することがある。例えば、ワークに対する工具の往復移動により、工具が反加工方向に戻る際に予め定められる工具の送り量に応じた所定の位置に戻るように、加工方向から反加工方向への変化点を設定してその変化点を通るような移動指令を生成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、工具の送り量に応じた揺動切削が可能になるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１７２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、揺動切削を実現するために、例えば位置指令に正弦波状の揺動指令を重畳した移動指令（重畳指令ともいう）を生成し、該移動指令に基づいて工具とワークとを相対的に揺動させる手法が知られている。しかしながら、この移動指令には位置指令等も含まれることにより、移動指令のピーク位置は揺動指令のピーク位置からずれるため、揺動切削によるエアカット時のピーク位置のずれにつながる。エアカット時のピーク位置がずれると、加工面の表面粗さが悪化するため、エアカット時のピーク位置のずれを抑制できる技術が望まれる。

【0005】

また、移動指令のピーク位置のずれとは別に、工作機械の実位置は様々な影響により指令位置からずれることがある。そのため、要求される任意の指令形状の移動指令を生成できる技術が望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様は、工具とワークを相対的に揺動させながら加工する工作機械の制御装置であって、揺動条件を設定する揺動条件設定部と、揺動位相を複数の区間に分割する揺動位相分割部と、分割された区間毎に前記揺動条件に基づいて移動指令を算出する移動指令算出部と、前記移動指令に基づいて前記工具と前記ワークとを相対的に揺動させる制御部と、を備える工作機械の制御装置である。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様によれば、要求される任意の指令形状の移動指令を生成できるとともに、エアカット時のピーク位置のずれを抑制できる工作機械の制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る工作機械の制御装置の構成を示す図である。

【図2】従来の揺動切削における重畳指令及び揺動指令の各ピーク位置を示す図である。

【図3】従来の揺動切削における重畳指令のピーク位置のずれを示す図である。

【図4】本開示の一実施形態の揺動切削において、１揺動分の揺動位相を２つの区間に分割し、区間毎に算出した重畳指令を示す図である。

【図5】本開示の一実施形態の揺動切削における重畳指令のピーク位置を示す図である。

【図6】本開示の一実施形態の揺動切削において、１揺動分の揺動位相を５つの区間に分割し、区間毎に算出した重畳指令を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。

【0010】

図１は、本開示の一実施形態に係る工作機械の制御装置１の構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、サーボ制御装置１０を含んで構成され、送り軸を駆動するモータ３０を駆動制御する。

【0011】

本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、図１に示されるように、揺動条件設定部１１と、揺動位相分割部１２と、重畳指令算出部１３と、第１加算器１４と、学習制御部１５と、第２加算器１６と、位置速度制御部１７と、を備える。

【0012】

本実施形態に係る工作機械の制御装置１では、図示しない位置指令生成部により加工条件に基づいてモータ３０に対する位置指令を生成する。生成された位置指令は、図１に示されるように、サーボ制御装置１０の重畳指令算出部１３に入力される。

【0013】

揺動条件設定部１１は、揺動条件を設定する。具体的に、揺動条件設定部１１は、揺動振幅又は揺動振幅倍率と、揺動周波数又は揺動周波数倍率を設定する。これら揺動振幅又は揺動振幅倍率と、揺動周波数又は揺動周波数倍率とからなる揺動条件は、重畳指令算出部１３に入力される。

【0014】

揺動位相分割部１２は、揺動位相を複数の区間に分割する。例えば、揺動位相分割部１２は、１揺動分の揺動位相を複数の区間に分割する。この揺動位相分割部１２による揺動位相の分割については、後段で詳述する。

【0015】

重畳指令算出部１３は、少なくとも揺動条件及び位置指令に基づいて、移動指令としての重畳指令を算出する。具体的に、重畳指令算出部１３は、揺動振幅倍率及び揺動周波数倍率という揺動条件と、加工条件に応じた位置指令と、から、位置指令に揺動指令が加算された重畳指令を直接求める。あるいは、重畳指令算出部１３は、揺動振幅及び揺動周波数という揺動条件と、位置指令と、から、重畳指令を直接求める。後者のように、揺動条件にて揺動振幅や揺動周波数をそのまま設定する形であれば加工条件を用いずに重畳指令を算出することができ、この場合には揺動軸が停止している場合等にも適用可能である。

【0016】

また、本実施形態の重畳指令算出部１３において特徴的なことは、揺動位相分割部１２で分割された区間毎に、揺動条件に基づいて移動指令としての重畳指令を算出する点である。この分割された区間毎に重畳指令を算出する点については、後段で詳述する。

【0017】

なお、図１に示す例は位置の次元での構成を示しており、重畳指令算出部１３は、位置指令に基づいて重畳指令を算出している。ただし、これに限定されず、重畳指令算出部１３は、速度の次元での構成であれば、速度指令に基づいて重畳指令を算出してもよい。

【0018】

第１加算器１４は、重畳指令の偏差を算出する。具体的には、第１加算器１４は、送り軸のモータ３０のエンコーダによる位置検出に基づいた位置フィードバックと重畳指令との差分である位置偏差を算出する。

【0019】

学習制御部１５は、位置偏差に基づいて重畳指令の補正量を算出し、算出された補正量を第２加算器１６により重畳指令に加算することにより、重畳指令を補正する。この学習制御部１５は、メモリを有し、揺動の１周期もしくは複数周期内において揺動位相及び補正量を関係づけてメモリに記憶し、モータ３０の応答性に応じた揺動動作の位相遅れを補償できるタイミングにメモリに記憶された重畳指令を読み出して補正量として第２加算器１６に出力する。補正量を出力する揺動位相がメモリに記憶された揺動位相に存在しない場合、揺動位相の近い補正量から出力する補正量を算出しても良い。一般的に、揺動周波数が高くなるほど重畳指令に対する偏差は大きくなるため、この学習制御部１５による補正により、周期的な重畳指令に対する追従性を向上させることができる。

【0020】

位置速度制御部１７は、補正量加算後の重畳指令に基づいて、送り軸を駆動するモータ３０に対するトルク指令を生成し、生成したトルク指令によりモータ３０を制御する。これにより、工具とワークとを相対的に揺動させながら加工が行われる。

【0021】

次に、揺動位相分割部１２による揺動位相の分割と、重畳指令算出部１３による分割された区間毎の重畳指令の算出について、図２及び図３を参照して詳しく説明する。
ここで、図２は、従来の揺動切削における重畳指令及び揺動指令の各ピーク位置を示す図である。図３は、従来の揺動切削における重畳指令のピーク位置のずれを示す図である。

【0022】

図２では、上段から順に、位置指令、揺動指令、重畳指令（移動指令）をそれぞれ示している。図２中、横軸は時間（ミリ秒）、縦軸は位置（ｍｍ）を表している。図２中の上段に示される位置指令は、揺動がない場合の直線状の位置指令であり、一定速度で工具を移動させる位置指令である。図２中の中段に示される揺動指令は、従来一般的な正弦波状の揺動指令であるが、このような正弦波状の揺動指令以外に、例えば余弦波状の揺動指令等が挙げられる。図２中の下段に示される重畳指令は、上段に示される直線状の位置指令に、中段に示される正弦波状の揺動指令を重畳（加算）することにより算出された重畳指令である。

【0023】

図２に示されるように、下段に示される移動指令としての重畳指令のピーク位置は、中段に示される揺動指令のピーク位置とは一致しておらず、両者にずれが生じていることが分かる。これは、重畳指令が、位置指令に揺動指令を加算することにより算出されるためである。

【0024】

ところで、図２中の下段に示される重畳指令は、以下の数式（１）により表される。即ち、重畳指令は、以下の数式（１）中の第１項で表される位置指令と、第２項で表される揺動指令とを加算することにより算出される。

【0025】

【数1】

【0026】

上記数式（１）中、Ｙは移動指令としての重畳指令、Ｆは毎回転送り量（ｍｍ／回転）、Ｓは主軸回転数（分^－１）、Ｉは揺動周波数倍率（倍）、Ｋは揺動振幅倍率（倍）を表している。

【0027】

ここで、速度指令Ｙ’は、移動指令としての重畳指令Ｙを微分することにより算出される。具体的には、速度指令Ｙ’は、以下の数式（２）により表される。

【0028】

【数2】

【0029】

重畳指令のピーク位置は、速度が０になる時である。そのため、上記数式（２）から、以下の数式（３）が導かれる。

【0030】

【数3】

【0031】

ここで、αを以下の数式（４）に表されるものとする。

【0032】

【数4】

【0033】

すると、θ＝α、π－αの時にピークとなることから、αだけ重畳指令と揺動指令のピーク位置がずれることが分かる。このように、重畳指令を表す数式からも、重畳指令のピーク位置は揺動指令のピーク位置からずれることが分かる。

【0034】

上述した通り、図３は、従来の揺動切削における重畳指令のピーク位置のずれを示す図であり、図２の重畳指令の連続する各パスを示す図である。図３中、横軸は主軸位相（°）を表しており、縦軸は位置（ｍｍ）を表している。通常、揺動周波数倍率がｎ．５倍（ｎは１以上の整数）の場合には、揺動指令通りであればピーク位置は山と谷で一致する。図３に示す重畳指令は、揺動周波数倍率が１．５倍のときの重畳指令である。揺動周波数倍率が１．５倍の場合には、通常、エアカットが生じるのは主軸位相が０°、１２０°、２４０°のときである。

【0035】

図３に示されるように、上述の揺動指令のピーク位置に対する重畳指令のピーク位置のずれに起因して、連続する重畳指令の各パスが重なるエアカット（空振り）部において、山と谷の位置がずれており、ピーク位置にずれが生じていることが分かる。このようにエアカット部のピーク位置にずれが生じると、エアカットが送り方向に長い横長になる結果、加工面の表面粗さに悪影響が及ぶことがある。

【0036】

そこで、本実施形態では、揺動位相分割部１２により揺動位相を複数に分割するとともに、重畳指令算出部１３により分割された区間毎の重畳指令を算出することにより、エアカット部における山と谷の位置を一致させ、ピーク位置のずれを抑制するものである。これにより、エアカットが送り方向に長い横長になるのを抑制でき、加工面の表面粗さの悪化を軽減できる。

【0037】

本実施形態に係る揺動切削の重畳指令について、具体例を挙げて説明する。
図４は、本開示の一実施形態の揺動切削において、１揺動分の揺動位相を２つの区間に分割し、区間毎に算出した重畳指令を示す図である。図４中、横軸は揺動位相（°）を表しており、縦軸は位置（ｍｍ）を表している。図４に示す重畳指令は、揺動周波数倍率が１．５倍のときの重畳指令である。この重畳指令は、揺動位相分割部１２が、１揺動分を、ピーク位置を境に往動と復動の２つの区間に分割し、重畳指令算出部１３が、分割された２つの区間のそれぞれについて正弦波状の重畳指令を算出したものである。

【0038】

図５は、本開示の一実施形態の揺動切削における重畳指令のピーク位置を示す図である。具体的には、図４の重畳指令の連続する各パスを示す図である。図５中、横軸は主軸位相（°）を表しており、縦軸は位置（ｍｍ）を表している。図５に示されるように、揺動位相を複数の区画に分割し、区間毎に重畳指令を算出することにより、指令上、重畳指令のピーク位置のずれがなくなり、ピーク位置が一致する。そのため、エアカットが横長になることも抑制され、加工面の表面粗さの悪化を軽減できる。

【0039】

図４及び図５に示す例では、各区間の重畳指令を同一の正弦波で算出したが、これに限定されない。即ち、重畳指令算出部１３は、分割された区間毎に、直線状、曲線状又は正弦波状の重畳指令を算出するように構成されてもよく、区間毎に任意の形状の重畳指令を算出するように構成してもよい。また、分割する区間の幅は一定の幅に限定されるものではなく、任意の幅で設定してもよい。即ち、異なる幅の区画の組み合わせで分割してもよい。

【0040】

図６は、本開示の一実施形態の揺動切削において、１揺動分の揺動位相を５つの区間に分割し、区間毎に算出した重畳指令を示す図である。図６中、横軸は揺動位相（°）を表しており、縦軸は位置（ｍｍ）を表している。図６に示す重畳指令は、揺動周波数倍率が１．５倍のときの重畳指令である。この重畳指令は、１揺動分を５つの等間隔の区画に分割し、正弦波状の重畳指令と、直線状の重畳指令とを交互に算出したものである。

【0041】

本実施形態の揺動切削では、揺動位相を複数の区画に分割して区間毎に重畳指令を算出し、算出された各重畳指令を繋げて移動指令とするため、例えば上述の図４及び図５に示される重畳指令の例では、分割された２つの区間の間（揺動位相１８０°）のところで指令形状が大きく変化する場合がある。そのため、モータ３０が追従し難くなり、実位置のピーク位置が指令とずれてしまう場合がある。そのような場合には、図６に示す重畳指令のように、１揺動分を５つの区画に分割し、各区間で任意の指令形状（正弦波状、直線状）とすることにより、区画間での指令形状の変化が小さい重畳指令を算出可能である。

【0042】

また、本実施形態の重畳指令算出部１３は、分割された区間毎の重畳指令同士が滑らかに繋がるように、連続する指令の開始点と終了点を一致させて重畳指令を算出するように構成されてもよい。これにより、より確実に、分割された区間毎の重畳指令同士を滑らかに繋げることができ、重畳指令のピーク位置のずれをより確実に抑制できる。

【0043】

なお、本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、移動指令としての重畳指令の変化が滑らかになるようにフィルタ処理するフィルタ部をさらに備えてもよい。具体的には、例えば図１中の重畳指令算出部１３と第１加算器１４との間に、フィルタ部が配置されていてもよい。フィルタとしては、例えば、指令の傾きが閾値を超えないように指令の変化量をクランプし、急峻に変化するもののみ除去可能なものを用いることができる。これにより、重畳指令がより滑らかとなり、より重畳指令への追従性が向上する。

【0044】

また、本実施形態に係る工作機械の制御装置１は、移動指令としての重畳指令のフィードフォワードを重畳するフィードフォワード部をさらに備えてもよい。具体的には、例えば図１中の位置速度制御部１７に重畳指令のフィードフォワード値が入力されるようにフィードフォワード部を配置してもよい。本実施形態では各区間の間で重畳指令に大きな変化が生じるおそれがあるところ、重畳指令のフィードフォワードを重畳することにより、変化をより滑らかにでき、重畳指令への追従性をより向上できる。ひいては、工作機械の応答性や外乱まで考慮した任意形状の重畳指令を算出可能である。

【0045】

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、揺動条件を設定する揺動条件設定部１１と、揺動位相を複数の区間に分割する揺動位相分割部１２と、分割された区間毎に揺動条件に基づいて移動指令としての重畳指令を算出する重畳指令算出部１３と、重畳指令に基づいて工具とワークとを相対的に揺動させる位置速度制御部１７と、を設けた。
本実施形態によれば、揺動位相を複数の区間に分割し、それぞれの区間に対して移動指令としての重畳指令を算出するため、要求される任意の揺動条件に対して、重畳指令のピーク位置が所定の位相となるような指令形状の重畳指令（移動指令）を算出できる。加えて、区間毎に重畳指令を算出することにより、重畳指令のピーク位置のずれを抑制できるため、エアカットが横長になるのを抑制でき、加工面の表面粗さの悪化を軽減できる。

【0046】

なお、本開示は上記態様に限定されるものではなく、本開示の目的を達成できる範囲での変形、改良は本開示に含まれる。

【符号の説明】

【0047】

１ 工作機械の制御装置
１０ サーボ制御装置
１１ 揺動条件設定部
１２ 揺動位相分割部
１３ 重畳指令算出部（移動指令算出部）
１４ 第１加算器
１５ 学習制御部
１６ 第２加算器
１７ 位置速度制御部（制御部）
３０ モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】