JPH08234822A - 工作機械の振動制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 数値制御工作機械において、機械系の振動を
抑制して切削条件を上げることができるようにする。 【構成】 各軸の位置ループゲインを可変にしておき、
それぞれ位置決め軸が移動しているか停止しているかを
判断し（Ｓ１，Ｓ４）、移動している位置決め軸には通
常の移動時用の位置ループゲインを設定し（Ｓ２，Ｓ
５）、停止している位置決め軸については停止時用とし
て高い位置ループゲインを設定する（Ｓ３，Ｓ６）。こ
れにより、見かけ上、工作機械の機械剛性を高めて、切
削条件を高く、かつ加工時間を短縮することができるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工作機械の振動制御方法
および装置に関し、特に数値制御工作機械における機械
系の振動を抑制する工作機械の振動制御方法および装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械において、被切削材を加工する
ときには必ず振動が発生する。振動は、動軸・静止軸に
限らず発生し、これによって工具と被切削材との間に、
いわゆるびびりが生じる。びびりが生じると、工具にか
かる負荷が大きくなるのみならず、被切削材にも悪影響
を及ぼすことになる。たとえば、タップあるいはドリル
加工時では、工具をＺ軸方向に送りながら加工を行う
が、このとき、位置決めのためのＸ軸およびＹ軸は静止
しているはずである。ところが、加工中に工具と被切削
材との間に振動が発生すると、この振動によって両者の
相対位置がずれてしまうことがある。

【０００３】このような振動を抑制するため、従来で
は、機械自体を重くする構造解析的な方法がとられてい
る。すなわち、コラムあるいはベッドを重たい鋳物で作
り、重たくすることによって、振動し難くする方法であ
る。また、振動を抑制する別の方法として、振動を吸収
する性質を持った部材を利用する方法がある。たとえ
ば、ゴム製のマットを使用して加工部に発生する振動を
吸収し、機械部分と共鳴して振動が大きくなるのを防止
するものである。さらに、別な方法としては、加工時の
切削条件を落とす方法である。これは、ゆっくり加工す
ると、振動が発生し難くなる性質を利用したもので、こ
れによって、振動を極力小さくしようとする方法であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、振動を抑制す
る従来の方法では、加工時に発生する振動がびびりにつ
ながり、その大きさは直接加工面などの精度に影響し、
たとえば穴明けでは穴深さの深い加工であれば、真っ直
ぐに明かないで振動によって穴が少しずつずれてくる。
また、加工時にびびりが発生すると、工具の寿命を短く
することにつながる。さらに、加工速度を遅くすると、
加工に時間がかかり、加工時間を短くすることができな
い、という問題点があった。

【０００５】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、数値制御工作機械における機械系の振動を抑
制して切削条件を上げることができる工作機械の振動制
御方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、数値制御工作機械により被切削材を加工
するときに発生する振動を抑制する工作機械の振動制御
方法において、各軸の状態を調べて位置決め軸が移動し
ているか停止しているかを判断し、位置ループゲインの
値を、前記位置決め軸が移動している場合には移動時用
のループゲインに、前記位置決め軸が停止している場合
には前記移動時用のループゲインより大きな停止時用の
ループゲインに設定する、ことからなることを特徴とす
る工作機械の振動制御方法が提供される。

【０００７】

【作用】上述の手段によれば、各軸の位置ループゲイン
を可変とし、移動している位置決め軸には移動時用の位
置ループゲインを設定し、停止している位置決め軸につ
いては停止時用として位置ループゲインを高く設定し
て、見かけ上、工作機械の機械剛性を高めるようにし
た。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の工作機械の振動制御方法の一例
を示すフローチャートである。

【０００９】工作機械の位置決め軸としてＸＹテーブル
の位置を制御するＸ軸およびＹ軸を例にして説明する。
まず、Ｘ軸が停止しているかどうかを判断する（ステッ
プＳ１）。ここで、Ｘ軸が移動していると判断されれ
ば、Ｘ軸の位置ループゲインを移動時用ループゲインＧ
xmに変更する（ステップＳ２）。ステップＳ１の判断に
おいて、Ｘ軸が停止していると判断されると、Ｘ軸の位
置ループゲインは停止時用ループゲインＧxsに変更され
る（ステップＳ３）。

【００１０】Ｙ軸についても同様に、Ｙ軸が停止してい
るかどうかをまず判断する（ステップＳ４）。ここで、
Ｙ軸が移動していると判断されれば、Ｙ軸の位置ループ
ゲインを移動時用ループゲインＧymに変更する（ステッ
プＳ５）。ステップＳ４の判断において、Ｙ軸が停止し
ていると判断されると、Ｙ軸の位置ループゲインは停止
時用ループゲインＧysに変更される（ステップＳ６）。

【００１１】上述の位置ループゲインの変更処理は、た
とえば、数値制御装置の処理周期と同じ周期毎に、すな
わち、分配周期毎に実行される。図２は工作機械の振動
制御装置の一例を示す構成図である。

【００１２】図において、１はサーボ系の位置制御ルー
プ内に配置されて位置ループゲインが設定される位置ル
ープゲイン設定部である。この位置ループゲイン設定部
１に設定される値はメモリ２に格納されている。このメ
モリ２は、停止時用のループゲインを格納する領域２ａ
と、移動時用のループゲインを格納する領域２ｂとを有
している。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応して、領域２ａ
には停止時用のループゲインＧxs，Ｇys，Ｇzsが、領域
２ｂには移動時用のループゲインＧxm，Ｇym，Ｇzmがそ
れぞれ格納されている。メモリ２の出力にはゲイン切り
換え部３が接続されており、メモリ２内のループゲイン
はゲイン切り換え部３によって選択されて、位置ループ
ゲイン設定部１に送られる。ゲイン切り換え部３には、
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の状態を調べて位置決めのための
軸が移動しているか停止しているかを判断する軸状態判
断部４が接続されている。軸状態判断部４は位置決め軸
が停止しているか移動しているかの判断に従って、ゲイ
ン切り換え部３に対し、領域２ａの出力側を選択するか
領域２ｂの出力側を選択するかを指令する。

【００１３】数値制御装置（ＣＮＣ）からの移動指令は
減算器５に入力され、減算器５は現在の位置を表す位置
帰還信号との偏差を出力する。この偏差は位置ループゲ
イン設定部１にて設定されたゲインが乗ぜられて速度指
令となる。速度指令は減算器６に入力され、減算器６は
現在速度を表す速度帰還信号との偏差を取って電流指令
を出力する。電流指令は減算器７に入力され、減算器７
は検出した電流帰還信号との差を取ってモータ８を駆動
する。

【００１４】軸状態判断部４は、位置決め軸が停止して
いるか移動しているかを、移動指令に基づいて判断して
いる。すなわち、位置決め軸が移動していれば、移動指
令があり、移動していなければ、移動指令はないので、
移動指令の有無を位置決め軸が移動しているか停止して
いるかの判断に使用している。

【００１５】好ましくは、軸状態判断部４は、さらに、
位置決め軸が停止しているか移動しているかを、位置偏
差に基づいて判断している。これは、移動指令を止めて
も位置決め軸はすぐには止まらないためで、現在位置と
の偏差を監視し、偏差がなくなったときに位置決め軸が
停止していると判断する。具体的には、たとえば現在位
置レジスタの内容を調べ、その内容がなくなったときに
位置決め軸が停止していると判断する。

【００１６】また、別の判断方法として、工作機械がド
リル加工またはタップ加工をしている場合には、軸状態
判断部４は、ドリルサイクル指令またはタップサイクル
指令を、位置決め軸が停止しているか移動しているかの
判断基準にすることができる。これは、ドリルサイクル
指令またはタップサイクル指令がある場合は、必ず位置
決めのためのＸ軸およびＹ軸は停止していることによ
る。

【００１７】メモリ２の領域２ｂに格納された移動時用
のループゲインＧxm，Ｇym，Ｇzmは位置ループゲインと
して通常設定されている値を有している。一方、領域２
ａに格納された停止時用のループゲインＧxs，Ｇys，Ｇ
zsは、これら移動時用のループゲインＧxm，Ｇym，Ｇzm
よりも大きい値に設定される。この移動時用のループゲ
インは、たとえば位置制御ループが発振しない程度に、
モータのロータのイナーシャなどを基にして計算され
る。

【００１８】ここで、工作機械がドリル加工またはタッ
プ加工をしている場合を考えてみると、スピンドルモー
タを送っているＺ軸は移動し、Ｘ軸およびＹ軸は停止し
ている。このとき、Ｘ軸およびＹ軸の移動指令はなく、
位置帰還信号との偏差もない。しかし、振動が発生する
と、Ｘ軸、Ｙ軸は停止位置から少し動くので、減算器５
の出力に偏差が生じる。このとき、位置ループゲインは
停止時用の大きな値に設定されているので、その分、大
きな速度指令が出ることになる。大きな速度指令が出る
ことにより、振動により動いた軸はすぐに元の位置に戻
されるよう制御される。

【００１９】図３は本発明の工作機械の振動制御方法を
実施するための数値制御装置のハードウェアのブロック
図である。図において、１０は数値制御装置（ＣＮＣ）
である。プロセッサ１１は数値制御装置１０全体の制御
の中心となるプロセッサであり、バス２１を介して、読
取り専用メモリ（ＲＯＭ）１２に格納されたシステムプ
ログラムを読み出し、このシステムプログラムに従っ
て、数値制御装置１０全体の制御を実行する。ランダム
アクセスメモリ（ＲＡＭ）１３には一時的な計算デー
タ、表示データなどが格納される。ランダムアクセスメ
モリ１３にはＤＲＡＭが使用される。ＣＭＯＳで構成さ
れた不揮発性メモリ１４には加工プログラムおよび各種
パラメータなどが格納される。停止時用のループゲイン
Ｇxs，Ｇys，Ｇzsおよび移動時用のループゲインＧxm，
Ｇym，Ｇzmもこの不揮発性メモリ１４にパラメータで設
定されている。不揮発性メモリ１４は、図示されていな
いバッテリでバックアップされており、数値制御装置１
０の電源がオフされてもそれらのデータはそのまま保持
される。

【００２０】インタフェース（ＩＮＴ）１５は外部機器
用のインタフェースであり、紙テープリーダ、紙テープ
パンチャー、紙テープリーダ・パンチャーなどの外部機
器（ＴＲ）３１が接続される。紙テープリーダからは加
工プログラムが読み込まれ、また、数値制御装置１０内
で編集された加工プログラムを紙テープパンチャーに出
力することができる。

【００２１】プログラマブル・マシン・コントローラ
（ＰＭＣ）１６は数値制御装置１０に内蔵され、ラダー
形式で作成されたシーケンスプログラムで機械を制御す
る。すなわち、加工プログラムで指令された、Ｍ機能、
Ｓ機能およびＴ機能に従って、これらをシーケンスプロ
グラムで機械側で必要な信号に変換し、Ｉ／Ｏユニット
１７から機械側に出力する。この出力信号は機械側のマ
グネットなどを駆動し、油圧バルブ、空圧バルブおよび
電気アクチュエータなどを作動させる。また、機械側の
リミットスイッチおよび機械操作盤のスイッチなどの信
号を受けて、必要な処理をして、プロセッサ１１に渡
す。

【００２２】グラフィック制御回路（ＣＲＴＣ）１８は
各軸の現在位置、アラーム、パラメータ、画像データな
どのディジタルデータを画像信号に変換して出力する。
この画像信号はＣＲＴ／ＭＤＩ（Cathode Ray Tube / M
anual Data Input）ユニット２５の表示装置（ＣＲＴ）
２６に送られ、表示装置２６に表示される。インタフェ
ース（ＩＮＴ）１９はＣＲＴ／ＭＤＩユニット２５内の
キーボード（ＫＥＹ）２７からのデータを受けて、プロ
セッサ１１に渡す。

【００２３】インタフェース（ＩＮＴ）２０は手動パル
ス発生器３２に接続され、手動パルス発生器３２からの
パルスを受ける。手動パルス発生器３２は機械操作盤に
実装され、手動で機械稼働部を精密に位置決めするのに
使用される。

【００２４】軸制御回路４１〜４３はプロセッサ１１か
らの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアン
プ５１〜５３に出力する。サーボアンプ５１〜５３はこ
の移動指令を受けて、各軸のサーボモータ６１〜６３を
駆動する。Ｚ軸の送りを制御するサーボモータ６３に
は、位置検出用のパルスコーダ６３１が内蔵されてお
り、このパルスコーダ６３１から位置信号がパルス列と
して軸制御回路４３にフィードバックされる。ここでは
図示されていないが、Ｘ軸の送りを制御するサーボモー
タ６１、Ｙ軸の送りを制御するサーボモータ６２にも、
上記サーボモータ６３と同様に位置検出用のパルスコー
ダが内蔵され、そのパルスコーダから位置信号がパルス
列としてフィードバックされる。場合によっては、位置
検出器として、リニアスケールが使用される。位置決め
軸が停止しているかどうかのプロセッサ１１による判断
に応じて、軸制御回路４１〜４３は不揮発性メモリ１４
のパラメータを参照し、その位置ループゲインを、停止
時用のループゲインＧxs，Ｇys，Ｇzsまたは移動時用の
ループゲインＧxm，Ｇym，Ｇzmに設定する。

【００２５】スピンドル制御回路７１はスピンドル回転
指令およびスピンドルのオリエンテーションなどの指令
を受けて、スピンドルアンプ７２にスピンドル速度信号
を出力する。スピンドルアンプ７２はこのスピンドル速
度信号を受けて、スピンドルモータ７３を指令された回
転速度で回転させる。また、オリエンテーション指令に
よって、所定の位置にスピンドルを位置決めする。

【００２６】スピンドルモータ７３には歯車あるいはベ
ルトでポジションコーダ８２が結合されている。従っ
て、ポジションコーダ８２はスピンドルモータ７３に同
期して回転し、帰還パルスを出力し、その帰還パルスは
スピンドル制御回路７１にフィードバックされる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、各軸の
位置ループゲインを可変とし、移動している位置決め軸
には通常の位置ループゲインを設定し、停止している位
置決め軸には位置ループゲインを高く設定するようにし
た。したがって、各モータでは、指令された位置と現在
位置との相違差分がリアルタイムで±０になるように制
御されるので、見かけ上、工作機械の機械剛性を上げる
ことができ、加工時のびびりをなくすことができる。こ
れにより、加工面の精度を上げることができ、また、見
かけ上、機械剛性が上がるため、加工条件を高く設定す
ることができ、加工時間を短縮することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工作機械の振動制御方法の一例を示す
フローチャートである。

【図２】工作機械の振動制御装置の一例を示す構成図で
ある。

【図３】本発明の工作機械の振動制御方法を実施するた
めの数値制御装置のハードウェアのブロック図である。

【符号の説明】

１ 位置ループゲイン設定部 ２ メモリ ２ａ 停止時用のループゲインを格納する領域 ２ｂ 移動時用のループゲインを格納する領域 ３ ゲイン切り換え部 ４ 軸状態判断部 ５，６，７ 減算器 ８ モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０５ Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０５Ｖ 19/02 19/02 Ｄ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値制御工作機械により被切削材を加工
   するときに発生する振動を抑制する工作機械の振動制御
   方法において、 各軸の状態を調べて位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断し、 位置ループゲインの値を、前記位置決め軸が移動してい
   る場合には移動時用のループゲインに、前記位置決め軸
   が停止している場合には前記移動時用のループゲインよ
   り大きな停止時用のループゲインに設定する、 ことからなることを特徴とする工作機械の振動制御方
   法。
2. 【請求項２】 前記位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断するステップは、数値制御装置からの移
   動指令を監視して、前記移動指令がないときに、位置決
   め軸は停止していると判断するようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の工作機械の振動制御方法。
3. 【請求項３】 前記位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断するステップは、数値制御装置から指令
   された位置と現在位置とを比較して、位置偏差がないと
   きに、位置決め軸は停止していると判断するようにした
   ことを特徴とする請求項１記載の工作機械の振動制御方
   法。
4. 【請求項４】 前記位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断するステップは、数値制御装置からの指
   令がドリルサイクル指令のときに、位置決め軸は停止し
   ていると判断するようにしたことを特徴とする請求項１
   記載の工作機械の振動制御方法。
5. 【請求項５】 前記位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断するステップは、数値制御装置からの指
   令がタップサイクル指令のときに、位置決め軸は停止し
   ていると判断するようにしたことを特徴とする請求項１
   記載の工作機械の振動制御方法。
6. 【請求項６】 数値制御工作機械により被切削材を加工
   するときに発生する振動を抑制する工作機械の振動制御
   装置において、 各軸の状態を調べて位置決め軸が移動しているか停止し
   ているかを判断する軸状態判断手段と、 サーボ系の位置ループゲインを設定する位置ループゲイ
   ン設定手段と、 前記位置決め軸の移動時用のループゲインおよび前記移
   動時用のループゲインより大きい停止時用のループゲイ
   ンを格納するゲイン格納手段と、 前記位置ループゲイン設定手段の位置ループゲインの値
   を、前記軸状態判断手段による判定結果に応じて、前記
   ゲイン格納手段に格納されている前記移動時用のループ
   ゲインまたは停止時用のループゲインに切り換え設定す
   るゲイン切り換え手段と、 を備えていることを特徴とする工作機械の振動制御装
   置。
7. 【請求項７】 前記軸状態判断手段は、数値制御装置か
   らの移動指令の有無を検出する手段および前記移動指令
   によって指令された位置と現在位置との位置偏差の有無
   を検出する手段を有していることを特徴とする請求項６
   記載の工作機械の振動制御装置。
8. 【請求項８】 前記軸状態判断手段は、数値制御装置か
   らのドリルサイクル指令またはタップサイクル指令の有
   無を検出する手段を有していることを特徴とする請求項
   ６記載の工作機械の振動制御装置。