特許 7575569 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】2024-10-21

(45)【発行日】2024-10-29

(54)【発明の名称】工作機械の制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 15/12 20060101AFI20241022BHJP

   G05B 19/416 20060101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

B23Q15/12 A

G05B19/416 E

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2023507110

(86)(22)【出願日】2022-03-14

(86)【国際出願番号】 JP2022011373

(87)【国際公開番号】W WO2022196646

(87)【国際公開日】2022-09-22

【審査請求日】2023-10-10

(31)【優先権主張番号】P 2021044443

(32)【優先日】2021-03-18

(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】及川 航希

【審査官】杉山 悟史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１９６０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８０９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９１２８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｑ １５／００ ～ １５／２８

Ｇ０５Ｂ １９／００ ～ １９／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械における主軸モータの速度指令及び前記主軸モータの回転速度を周期的に変動させるための変動条件に基づいて変動指令を生成する変動指令計算部と、
前記速度指令及び前記変動指令に基づいて前記主軸モータの回転速度を制御する速度制御部と、を備え、
前記変動指令計算部は、前記変動条件の変更時に、周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数が徐々に変更される前記変動指令を生成し、
所定のトリガに基づいて、前記回転速度の変動を停止させる停止指令を生成する変動停止判定部を備え、
前記変動指令計算部は、前記変動条件として前記停止指令を受け取った場合に、周期的に変動する前記回転速度の振幅が減衰してゼロになる前記変動指令を生成する、
工作機械の制御装置。

【請求項2】

工作機械における主軸モータの速度指令及び前記主軸モータの回転速度を周期的に変動させるための変動条件に基づいて変動指令を生成する変動指令計算部と、
前記速度指令及び前記変動指令に基づいて前記主軸モータの回転速度を制御する速度制御部と、を備え、
前記変動指令計算部は、前記変動条件の変更時に、周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数が徐々に変更される前記変動指令を生成し、
前記変動指令計算部は、前記変動条件の変更時に、周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数の変更前後の値を比較し、変更前の値より変更後の値が大きいときには周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数が徐々に増大する前記変動指令を生成し、変更前の値より変更後の値が小さいときには周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数が減衰する前記変動指令を生成する、
工作機械の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、工作機械の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械による切削加工時には、工具とワークとの間で継続的にびびり振動が発生することがある。びびり振動は、振動発生の要因から、強制びびり振動と自励びびり振動とに分類される。強制びびり振動は、強制的な振動源の影響を受けて発生し、自励びびり振動は、工作機械の動特性と切削過程が重なって所定の条件を満たしたときに特定の振動源なしに発生する。自励びびり振動のうち、再生型の自励びびり振動は、切り屑厚さの変動によって生じる。

【0003】

従来、再生型の自励びびり振動を、工作機械における主軸の回転速度を周期的に変動させることで抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－０９１２８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記技術において、主軸の回転速度の周期的な変動に急な変更があった場合、機械的なショックや、速度偏差の過大による加工面の品質の悪化等、悪影響が伴う。そこで、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸の回転速度の周期的な変動の急な変更による悪影響を低減できる工作機械の制御装置が求められる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る工作機械の制御装置は、工作機械における主軸モータの速度指令及び前記主軸モータの回転速度を周期的に変動させるための変動条件に基づいて変動指令を生成する変動指令計算部と、前記速度指令及び前記変動指令に基づいて前記主軸モータの回転速度を制御する速度制御部と、を備え、前記変動指令計算部は、前記変動条件の変更時に、周期的に変動する前記回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する前記回転速度の周波数が徐々に変更される前記変動指令を生成する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸の回転速度の周期的な変動の急な変更による悪影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る工作機械の概要を示す図である。

【図2】第１実施形態に係るモータ制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。

【図3】第１実施形態において主軸モータの回転速度（主軸速度）の周期的な変動を停止させた場合の時刻歴を示す図である。

【図4】従来の主軸モータの回転速度（主軸速度）の周期的な変動を停止させた場合の時刻歴を示す図である。

【図5】第２実施形態に係る工作機械の概要を示す図である。

【図6】第２実施形態に係るモータ制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。

【図7】第２実施形態において主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を増大させた場合の時刻歴を示す図である。

【図8】従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を増大させた場合の時刻歴を示す図である。

【図9】第２実施形態において主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を減少させた場合の時刻歴を示す図である。

【図10】従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を減少させた場合の時刻歴を示す図である。

【図11】第２実施形態において主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を増大させた場合の時刻歴を示す図である。

【図12】従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を増大させた場合の時刻歴を示す図である。

【図13】第２実施形態において主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を減少させた場合の時刻歴を示す図である。

【図14】従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を減少させた場合の時刻歴を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

まず、本開示の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る工作機械の概要を示す図である。

【0010】

工作機械は、数値制御装置２からの速度指令に基づき、モータ制御装置１を制御して、主軸モータ３を回転させることで、切削加工等の所定の加工を行う装置である。この工作機械は、主軸モータ３の回転速度を周期的に変動させることで、即ち、主軸モータ３の回転速度を正弦波振動させることで、再生型の自励びびり振動を抑制する。

【0011】

モータ制御装置１は、変動指令計算部１１と、変動停止判定部１２と、速度制御部１４と、電流制御部１６と、電流検出部１７と、を備える。

【0012】

変動指令計算部１１は、工作機械における主軸モータ３の速度指令及び主軸モータ３の回転速度を周期的に変動させるための変動条件（振幅及び／又は周波数）に基づいて変動指令を生成し、信号として出力する。この変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅が徐々に変更される変動指令を生成し、信号として出力する。具体的に、変動指令計算部１１は、変動停止判定部１２から変動条件として停止指令の信号を受け取った場合に、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅が減衰（徐々に減少）してゼロになる変動指令を生成し、信号として出力する。周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅の減衰量には、規定の変化量（時定数）、加工プログラムから入力される値、設定されるパラメータの値等が採用される。変動条件の設定には、加工プログラムからの入力、設定されるパラメータ等が採用される。

【0013】

変動停止判定部１２は、所定のトリガに基づいて、主軸モータ３の回転速度の変動を停止させる停止指令を生成し、信号として出力する。所定のトリガには、数値制御装置２等の外部から入力される信号、加工プログラムからの入力、設定されるパラメータ等が採用される。

【0014】

符号１３は、主軸速度指令２１から信号として出力される速度指令の値に、変動指令計算部１１から信号として出力される変動指令の値を加算すると共に、速度検出部３１から信号として出力される実速度フィードバックの値を減算して得られた値が、信号として、速度制御部１４に入力されることを意味する。

【0015】

速度制御部１４は、速度指令及び変動指令に基づいて主軸モータ３の回転速度を制御する指令を生成し、信号として出力する。

【0016】

符号１５は、速度制御部１４から信号として出力される指令の値に、電流検出部１７から信号として出力される実電流フォードバックの値を減算して得られた値が、信号として、電流制御部１６に入力されることを意味する。

【0017】

電流制御部１６は、入力された信号に基づいて、主軸モータ３を駆動するための電圧指令を生成し、信号として出力する。

【0018】

電流検出部１７は、主軸モータ３の電流値である信号を検出し、検出結果を実電流フィードバックの信号として出力する。

【0019】

数値制御装置２は、主軸速度指令２１を備える。主軸速度指令２１は、主軸モータ３の速度指令を生成し、信号として出力する。

【0020】

主軸モータ３は、モータ制御装置１の制御下において回転する。速度検出部３１は、主軸モータ３の回転速度を検出し、検出結果を実速度フィードバックの信号として出力する。速度検出部３１には、エンコーダ等が採用される。

【0021】

図２は、第１実施形態に係るモータ制御装置１の処理の流れを示すフローチャートである。図２に示す処理は、変動指令の生成周期（制御周期）毎に繰り返し実行される。

【0022】

変動指令計算部１１が、変動停止判定部１２から変動条件として停止指令の信号を受け取った場合（ステップＳ１１でＹＥＳの場合）に、ステップＳ１２に進む。一方、変動指令計算部１１が、変動停止判定部１２から変動条件として停止指令の信号を受け取っていない場合（ステップＳ１１でＮＯの場合）に、ステップＳ１３に進む。

【0023】

ステップＳ１２において、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅ａ（変動指令の振幅ａ）を規定の変化量分ａｘ（ｘ：１未満の正の値）だけ下げた値（ａ－ａｘ）を新たな振幅ａとして、ステップＳ１３に進む。

【0024】

周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅ａが減衰してゼロになった場合（ステップＳ１３でＹＥＳの場合）に、ステップＳ１５に進む。一方、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅ａがゼロになっていない場合（ステップＳ１３でＮＯの場合）に、ステップＳ１４に進む。

【0025】

ステップＳ１４においては、変動指令計算部１１は、ステップＳ１２で算出した振幅ａに基づいて変動指令を生成する。一方、ステップＳ１５においては、変動指令計算部１１は、変動指令を生成しない。

【0026】

図３は、第１実施形態において主軸モータ３の回転速度（主軸速度）の周期的な変動を停止させた場合の時刻歴を示す図である。図３に示すように、主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期的な変動を停止させた場合、主軸速度の振幅が徐々に減衰してゼロになる。このように本実施形態では、速度変化の急峻を緩やかにするため、加工面品質への悪影響が低減される。

【0027】

一方、図４は、従来の主軸モータの回転速度（主軸速度）の周期的な変動を停止させた場合の時刻歴を示す図である。図４に示すように、従来の主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期的な変動を停止させた場合、主軸速度の振幅が突然ゼロになる。このように従来では、急激な速度変化による機械的ショックが生じ、速度偏差過大により加工面品質が悪化する。

【0028】

以上説明したように、第１実施形態に係るモータ制御装置１は、工作機械における主軸モータ３の速度指令及び主軸モータ３の回転速度を周期的に変動させるための変動条件に基づいて変動指令を生成する変動指令計算部１１と、速度指令及び変動指令に基づいて主軸モータ３の回転速度を制御する速度制御部１４と、を備え、変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する回転速度の振幅が徐々に変更される変動指令を生成する。
これにより、速度変化の急峻を緩やかにするため、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸モータ３の回転速度の周期的な変動の急な変更による悪影響を低減できる。

【0029】

また、モータ制御装置１は、所定のトリガに基づいて、回転速度の変動を停止させる停止指令を生成する変動停止判定部１２を備え、変動指令計算部１１は、変動条件として停止指令を受け取った場合に、周期的に変動する回転速度の振幅が減衰してゼロになる変動指令を生成する。
これにより、特に停止時において、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸モータ３の回転速度の周期的な変動の急な停止による悪影響を低減できる。

【0030】

次に、本開示の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る工作機械の概要を示す図である。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成、作用及び効果については同一の符号を付す等して、その説明を適宜省略する。

【0031】

図５に示す工作機械は、モータ制御装置１に代えてモータ制御装置１Ａを備える点で、第１実施形態に係る工作機械と相違する。モータ制御装置１Ａは、変動停止判定部１２に代えて変動条件設定部１２Ａを備える点等で、モータ制御装置１と相違する。

【0032】

変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が徐々に変更される返送指令を生成する。具体的に、変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数の変更前後の値を比較し、変更前の値より変更後の値が大きいときには周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が徐々に増大する変動指令を生成し、変更前の値より変更後の値が小さいときには周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が減衰する変動指令を生成する。

【0033】

変動条件設定部１２Ａは、工作機械における主軸モータ３の速度指令及び主軸モータ３の回転速度を周期的に変動させるための変動条件（振幅及び／又は周波数）を設定し、信号として出力する。変動条件の設定には、加工プログラムからの入力、設定されるパラメータ等が採用される。

【0034】

図６は、第２実施形態に係るモータ制御装置１Ａの処理の流れを示すフローチャートである。図６に示す処理は、変動指令の生成周期（制御周期）毎に繰り返し実行される。

【0035】

ステップＳ２１において、変動指令計算部１１は、変動条件設定部１２Ａから変動条件の信号として受け取った振幅の設定値ａ０を、現在の振幅ａと比較する。振幅の設定値ａ０が現在の振幅ａよりも大きい場合に、ステップＳ２２に進む。振幅の設定値ａ０が現在の振幅ａと同じ場合に、ステップＳ２４に進む。振幅の設定値ａ０が現在の振幅ａよりも小さい場合に、ステップＳ２３に進む。

【0036】

ステップＳ２２において、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅ａを規定の変化量分ａｘ（ｘ：１未満の正の値）だけ上げた値（ａ＋ａｘ）を新たな振幅ａとして、ステップＳ２４に進む。

【0037】

ステップＳ２３において、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の振幅ａを規定の変化量分ａｘ（ｘ：１未満の正の値）だけ下げた値（ａ－ａｘ）を新たな振幅ａとして、ステップＳ２４に進む。

【0038】

ステップＳ２４において、変動指令計算部１１は、変動条件設定部１２Ａから変動条件の信号として受け取った周波数の設定値ｆ０を、現在の周波数ｆと比較する。周波数の設定値ｆ０が現在の周波数ｆよりも大きい場合に、ステップＳ２５に進む。周波数の設定値Ｆ０が現在の周波数ｆと同じ場合に、ステップＳ２７に進む。周波数の設定値ｆ０が現在の振幅ｆよりも小さい場合に、ステップＳ２６に進む。

【0039】

ステップＳ２５において、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の周波数ｆを規定の変化量分ｆｘ（ｘ：１未満の正の値）だけ上げた値（ｆ＋ｆｘ）を新たな振幅ｆとして、ステップＳ２７に進む。

【0040】

ステップＳ２６において、周期的に変動する主軸モータ３の回転速度の周波数ｆを規定の変化量分ｆｘ（ｘ：１未満の正の値）だけ下げた値（ｆ－ｆｘ）を新たな振幅ｆとして、ステップＳ２７に進む。

【0041】

ステップＳ２７においては、変動指令計算部１１は、振幅ａ及び周波数ｆに基づいて変動指令を生成する。

【0042】

図７は、第２実施形態において主軸モータ３における周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を増大させた場合の時刻歴を示す図である。図７に示すように、主軸モータ３における周期的に変動する主軸速度１０００±２００［ｍｉｎ^－１］の振幅を増大させ、主軸速度を１０００±５００［ｍｉｎ^－１］にした場合、振幅が徐々に増大する。即ち、振幅の変更後、本実施形態の主軸モータの主軸速度は滑らかに変更される。

【0043】

一方、図８は、従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を増大させた場合の時刻歴を示す図である。図８に示すように、従来の主軸モータ３における周期的に変動する主軸速度１０００±２００［ｍｉｎ^－１］の振幅を増大させ、主軸速度を１０００±５００［ｍｉｎ^－１］にした場合、振幅が急激に増大する。即ち、振幅の変更後、従来の主軸モータの主軸速度は急激に変化する。

【0044】

図９は、第２実施形態において主軸モータ３における周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を減少させた場合の時刻歴を示す図である。図９に示すように、主軸モータ３における周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の振幅を減少させ、主軸速度を１０００±２００［ｍｉｎ^－１］にした場合、振幅が減衰（徐々に減少）する。即ち、振幅の変更後、本実施形態の主軸モータ３の回転速度は滑らかに変更される。

【0045】

一方、図１０は、従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の振幅を減少させた場合の時刻歴を示す図である。図１０に示すように、従来の主軸モータにおける周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の振幅を減少させ、主軸速度を１０００±２００［ｍｉｎ^－１］にした場合、振幅が突然減少する。即ち、振幅の変更後、従来の主軸モータの主軸速度は急激に変化する。

【0046】

図１１は、第２実施形態において主軸モータ３における周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を増大させた場合の時刻歴を示す図である。図１１に示すように、主軸モータ３における周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期２［Ｈｚ］を８［Ｈｚ］に増大させた場合、周波数が徐々に増大する。即ち、周波数の変更後、本実施形態の主軸モータ３の主軸速度は滑らかに変更される。

【0047】

一方、図１２は、従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）を増大させた場合の時刻歴を示す図である。図１２に示すように、従来の主軸モータにおける周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期２［Ｈｚ］を８［Ｈｚ］に増大させた場合、周波数が急激に増大する。即ち、周波数の変更後、従来の主軸モータの主軸速度は急激に変化する。

【0048】

図１３は、第２実施形態において主軸モータ３における周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を減少させた場合の時刻歴を示す図である。図１３に示すように、主軸モータ３における周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期８［Ｈｚ］を２［Ｈｚ］に減少させた場合、周波数が減衰（徐々に減少）する。即ち、周波数の変更後、本実施形態の主軸モータ３の主軸速度は滑らかに変更される。

【0049】

一方、図１４は、従来の主軸モータにおける周期的に変動する回転速度（主軸速度）の周波数を減少させた場合の時刻歴を示す。図１４に示すように、従来の主軸モータにおける周期的に変動する主軸速度１０００±５００［ｍｉｎ^－１］の周期８［Ｈｚ］を２［Ｈｚ］に減少させた場合、周波数が急激に減少する。即ち、周波数の変更後、従来の主軸モータの主軸速度は急激に変化する。

【0050】

以上説明したように、第２実施形態に係るモータ制御装置１Ａは、工作機械における主軸モータ３の速度指令及び主軸モータ３の回転速度を周期的に変動させるための変動条件に基づいて変動指令を生成する変動指令計算部１１と、速度指令及び変動指令に基づいて主軸モータ３の回転速度を制御する速度制御部１４と、を備え、変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が徐々に変更される変動指令を生成する。
これにより、モータ制御装置１Ａによれば、速度変化の急峻を緩やかにするため、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸モータ３の回転速度の周期的な変動の急な変更による悪影響を低減できる。

【0051】

また、変動指令計算部１１は、変動条件の変更時に、周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数の変更前後の値を比較し、変更前の値より変更後の値が大きいときには周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が徐々に増大する変動指令を生成し、変更前の値より変更後の値が小さいときには周期的に変動する回転速度の振幅及び／又は周期的に変動する回転速度の周波数が減衰する変動指令を生成する。
これにより、モータ制御装置１Ａによれば、より確実に、再生型の自励びびり振動の抑制効果を維持しつつ、主軸モータ３の回転速度の周期的な変動の急な変更による悪影響を低減できる。

【0052】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記のモータ制御装置１，１Ａは、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組合せにより実現することができる。また、上記のモータ制御装置１，１Ａにより行われる制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組合せにより実現することができる。なお、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

【符号の説明】

【0053】

１，１Ａ モータ制御装置（工作機械の制御装置）
１１ 変動指令計算部
１２ 変動停止判定部
１２Ａ 変動条件設定部
１４ 速度制御部
１６ 電流制御部
１７ 電流検出部
２ 数値制御装置
２１ 主軸速度指令
３ 主軸モータ
３１ 速度検出部

【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】