(57)【要約】  本発明にかかる数値制御システム（１）は、数値制御プログラムに従い、工具を用いて加工を行う工作機械（２）に備わる駆動軸（２１，２２）を制御し、駆動軸（２１，２２）へ印加される外乱力または外乱トルクを取得し、外乱力または外乱トルクを工具基準座標系へ座標変換して出力する座標変換部（１２）と、座標変換部（１２）から出力される外乱力または外乱トルクと、駆動軸状態と、あらかじめ定められた関係式と、加工条件とを用いて、加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータと工作機械（２）のダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータとを算出する同定部（１７）と、を備え、関係式は、加工プロセスパラメータと動特性パラメータと外乱力または外乱トルクとの関係を定める関係式である。
2019043852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値制御プログラムに従い、工具を用いて加工を行う工作機械に備わる駆動軸を制御する数値制御システムであって、
前記駆動軸へ印加される外乱力または外乱トルクを取得し、前記外乱力または前記外乱トルクを工具基準座標系へ座標変換して出力する座標変換部と、
前記座標変換部から出力される前記外乱力または前記外乱トルクと、駆動軸状態と、あらかじめ定められた関係式と、加工条件とを用いて、加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータと前記工作機械のダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータとを算出する同定部と、
を備え、
前記関係式は、前記加工プロセスパラメータと前記動特性パラメータと前記外乱力または外乱トルクとの関係を定める関係式であることを特徴とする数値制御システム。
【請求項２】
前記座標変換部は、前記駆動軸へ印加される外乱力または外乱トルクを検出するセンサによって検出された検出結果から前記外乱力または前記外乱トルクを取得することを特徴とする請求項１に記載の数値制御システム。
【請求項３】
前記駆動軸の速度または加速度を検出するセンサによって検出された検出結果を用いて前記駆動軸へ印加される前記外乱力または前記外乱トルクを推定する外乱推定部、
を備え、
前記座標変換部は、前記外乱推定部から前記外乱力または前記外乱トルクを取得することを特徴とする請求項１に記載の数値制御システム。
【請求項４】
前記座標変換部は、取得した前記外乱力または前記外乱トルクが工具基準座標上の同一方向の成分を含む場合には、取得した前記外乱力または前記外乱トルクの中から互いに独立な方向となる組み合わせを選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の数値制御システム。
【請求項５】
前記駆動軸は、第１構造物とモータを含む第２構造物とを含み、
前記外乱推定部は、
前記第１構造物の複数の第１構造物モデルと前記検出結果とに基づいて前記第１構造物に印加される力の合力である実駆動軸出力を算出し、前記第２構造物の第２構造物モデルと前記モータを流れるモータ電流の検出結果と前記モータの位置の検出結果とに基づいて、前記モータが駆動軸に対して与える力である指令駆動軸出力を算出し、前記実駆動軸出力と前記指令駆動軸出力とを用いて前記外乱力または前記外乱トルクを推定し、
前記複数の第１構造物モデルは、複数に分割された周波数帯域に応じて定められたそれぞれ異なる周波数特性を有することを特徴とする請求項３に記載の数値制御システム。
【請求項６】
前記駆動軸は、第１構造物とモータを含む第２構造物とを含み、
前記外乱推定部は、
前記第１構造物の第１構造物モデルと前記検出結果とに基づいて前記第１構造物に印加される力の合力である実駆動軸出力を算出し、前記駆動軸を構成するモータを含む前記駆動軸の第２構造物モデルと前記モータを流れるモータ電流の検出結果と前記モータの位置の検出結果とに基づいて、前記モータが駆動軸に対して与える力である指令駆動軸出力を算出し、前記実駆動軸出力と前記指令駆動軸出力とを用いて前記外乱力または前記外乱トルクを推定し、
前記駆動軸を構成する複数の構造物のうちの１つを第１慣性体モデルと第２慣性体モデルとに分割してモデル化し、前記第１構造物モデルは前記第１慣性体モデルを含み、前記第２構造物モデルは前記第２慣性体モデルを含むことを特徴とする請求項３に記載の数値制御システム。
【請求項７】
前記外乱推定部は、
前記モータ電流の検出結果を示す信号と前記モータの位置の検出結果を示す信号と前記センサの検出結果を示す信号との間で生じる時間ずれ量を補正し、前記時間ずれ量が補正された信号を用いて、前記外乱力または前記外乱トルクを推定することを特徴とする請求項５または６に記載の数値制御システム。
【請求項８】
前記駆動軸は、第１構造物とモータを含む第２構造物とを含み、
前記モータを流れるモータ電流の検出結果、前記モータの位置の検出結果および前記加工条件と、前記加工プロセスモデルとに基づいて、前記工具と前記工具の加工対象であるワークの間で発生する切削力を再現するとともに、前記ダイナミクスモデルに基づいて切削力が発生したときに各駆動軸で生じる外乱力または外乱トルクと、前記工具と前記ワークとの間の相対位置偏差とを再現するシミュレーション部、
を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の数値制御システム。
【請求項９】
前記同定部は、前記座標変換部から出力される前記外乱力と前記シミュレーション部によって再現された前記外乱力との差、または前記座標変換部から出力される前記外乱トルクと前記シミュレーション部によって再現された前記外乱トルクとの差を算出し、算出された前記差が閾値より大きい場合に前記加工プロセスパラメータと前記動特性パラメータとを算出することを特徴とする請求項８に記載の数値制御システム。
【請求項１０】
前記数値制御プログラムに前記同定部による同定の実施を指示する指令が含まれるときに、前記同定部に対して前記加工プロセスパラメータと前記動特性パラメータとの算出の実施を指示する指令値生成部、
を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の数値制御システム。
【請求項１１】
前記指令値生成部は、前記シミュレーション部によって再現された結果に応じて前記駆動軸に対応する指令を補正することを特徴とする請求項１０に記載の数値制御システム。
【請求項１２】
前記加工プロセスモデルは、前記工具の刃先と前記工具の加工対象であるワークとの間の相対位置および工具回転角度に基づいて、切り取り厚さを算出し、前記切り取り厚さに基づいて工具とワークの間で発生する切削力を算出するための数理モデルであり、
前記ダイナミクスモデルは、前記切削力が発生したときに、前記工具または前記ワークを含む機械構造を通じて前記駆動軸に伝達される外乱力または外乱トルクを算出するとともに、前記切削力が発生したときに前記機械構造を通じて各駆動軸で生じる位置偏差を算出するための数理モデルであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の数値制御システム。
【請求項１３】
前記加工プロセスモデルは、前記切り取り厚さが、切削に関与している工具の刃先によって生成された軌跡と、前記刃先を基準として１刃以上前の刃先によって生成された前加工面との差に基づいて算出されるモデルであることを特徴とする請求項１２に記載の数値制御システム。
【請求項１４】
前記加工プロセスモデルは、前記切り取り厚さに、前記工具の刃先を示す番号と前記工具の回転角度とに応じた補正量が加算または減算されるモデルであることを特徴とする請求項１２に記載の数値制御システム。
【請求項１５】
前記加工プロセスモデルは、前記刃先が、前記工具の回転角度または時刻毎に前記位置偏差に基づいて前記ワークに接触するか否かが判定され、前記刃先がワークに接触する場合には切り取り厚さが算出され、前記刃先が前記ワークに接触しない場合には前記切り取り厚さがゼロとして算出されるモデルであることを特徴とする請求項１２に記載の数値制御システム。
【請求項１６】
モータを有する駆動軸を制御する駆動軸制御部と、
前記駆動軸の速度または加速度を検出するセンサによって検出された検出結果を用いて前記駆動軸へ印加される外乱力または外乱トルクを推定する外乱推定部と、
を備え、
前記外乱推定部は、
前記駆動軸の複数の第１構造物モデルに基づいて、前記検出結果からそれぞれの前記第１構造物モデルに対応する実駆動軸出力を算出し、前記駆動軸を構成するモータを含む前記駆動軸の第２構造物モデルと前記モータを流れるモータ電流の検出結果と前記モータの位置の検出結果とに基づいて、前記モータが駆動軸に対して与える力である指令駆動軸出力を算出し、前記実駆動軸出力と前記指令駆動軸出力とを用いて前記外乱力または前記外乱トルクを推定し、
前記複数の第１構造物モデルは、複数に分割された周波数帯域に応じて定められたそれぞれ異なる周波数特性を有することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１７】
モータを有する駆動軸を制御する駆動軸制御部と、
前記駆動軸の速度または加速度を検出するセンサによって検出された検出結果を用いて前記駆動軸へ印加される外乱力または外乱トルクを推定する外乱推定部と、
を備え、
前記外乱推定部は、
前記駆動軸の第１構造物モデルに基づいて、前記検出結果から前記第１構造物モデルに対応する実駆動軸出力を算出し、前記駆動軸を構成するモータを含む前記駆動軸の第２構造物モデルと前記モータを流れるモータ電流の検出結果と前記モータの位置の検出結果とに基づいて、前記モータが駆動軸に対して与える力である指令駆動軸出力を算出し、前記実駆動軸出力と前記指令駆動軸出力とを用いて前記外乱力または前記外乱トルクを推定し、
前記駆動軸を構成する複数の構造物のうちの１つを第１慣性体モデルと第２慣性体モデルとに分割してモデル化し、前記第１構造物モデルは前記第１慣性体モデルを含み、前記第２構造物モデルは前記第２慣性体モデルを含むことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１８】
前記外乱推定部は、
前記モータ電流の検出結果を示す信号と前記モータの位置の検出結果を示す信号と前記センサの検出結果を示す信号との間で生じる時間ずれ量を補正し、前記時間ずれ量が補正された信号を用いて、前記外乱力または前記外乱トルクを推定することを特徴とする請求項１６または１７に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械を制御する数値制御システムおよびモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は、工具を用いてワークに力またはエネルギーを与えることでワークから不要部分を除去する加工である除去加工を行う加工装置である。特に、除去加工の一つである切削加工では、工具の刃先を高速度でワークに接触させることで、ワーク表面にせん断破壊を起こし、ワークの不要部分を削り取る加工を行う。【０００３】
切削加工は、加工プロセスと機械ダイナミクスとが相互に影響する物理現象であるので、加工状態を管理するためには、両者を同時に管理することが望ましい。ここで、加工プロセスとは、工具刃先がワークに侵入することで切りくずを生成しながら加工面を形成するという一連の過程を表す。機械ダイナミクスとは、機械内外の振動源によって、機械を構成する構造物が加振されたときの機械構造物の振る舞いを表す。一般に、切削加工は上述した加工プロセスおよび機械ダイナミクスを含む種々の物理現象が複雑に影響し合う現象であるため、統合的な解析は困難とされている。このため、生産現場においては、評価対象を限定することで、目的に応じた加工管理を達成している。【０００４】
例えば、加工後のワーク寸法を測定することで、理想軌跡に対して生じた工具の位置偏差を評価し、所望の寸法に収まるように切込み量を調整する方法が取られる。別の例では、予め定められた時間または距離だけ加工したあとに、工具刃先の摩耗幅を評価することで、加工品位を維持しつつ工具を長寿命化できる切削速度を探索する方法が取られる。さらに別の例では、機械に付加した力センサから検出信号を取得することで、切削負荷が過大にならないような主軸回転数または送り速度を決定する方法が取られる。さらに、別の例では、加工中に生成される切りくずの形状または排出方向を観察することで、切削速度と切り込み量を調整する方法が取られる。【０００５】
しかし、上記の方法のうち、非加工時に測定された結果を用いて評価を行う評価方法では、評価対象が加工中と同一の状態でないため、測定結果は実際の加工現象を表すものにはならない。複数の物理現象が相互に影響し合う切削加工現象においては、加工中すなわちインプロセスで加工状態を解析し、評価することが望ましい。加工状態をインプロセスで管理する方法として、特許文献１には以下の方法が提案されている。【０００６】
特許文献１に記載の方法では、力センサを設置した工作機械で行う加工をシミュレーションにより再現し、シミュレーションで再現した切削力と力センサの測定値とを比較して、シミュレーションで切削力を算出するための加工プロセス情報を修正することで、最終的な切削力を推定する。この方法では、実加工中に得られる切削力を用いて、加工プロセス情報を更新するので、加工状態を反映した値を算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−０６１８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、予め記憶された工具の動特性情報を用いて、加工プロセス情報のみを算出する。したがって、加工中に機内の構造物の動剛性が変化した場合に正しく変位を算出できないという問題があった。一般に、主軸の発熱によって主軸の動剛性が変化したり、切削によるワーク質量の減少によってワークの動剛性が変化したりすることが知られている。このため、機械ダイナミクスを考慮しない特許文献１に記載の方法では、加工中に逐次変化する加工プロセスおよび機械ダイナミクスを精度良く同定できないという問題があった。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工プロセスおよび機械ダイナミクスを精度良く同定することができる数値制御システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる数値制御システムは、数値制御プログラムに従い、工具を用いて加工を行う工作機械に備わる駆動軸を制御する数値制御システムであって、駆動軸へ印加される外乱力または外乱トルクを取得し、外乱力または外乱トルクを工具基準座標系へ座標変換して出力する座標変換部を備える。また、この数値制御システムは、さらに座標変換部から出力される外乱力または外乱トルクと、駆動軸状態と、あらかじめ定められた関係式と、加工条件とを用いて、加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータと工作機械のダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータとを算出する同定部と、を備え、関係式は、加工プロセスパラメータと動特性パラメータと外乱力または外乱トルクとの関係を定める関係式である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる数値制御システムは、加工プロセスおよび機械ダイナミクスを精度良く同定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図
【図２】実施の形態１の数値制御システムにおける動作手順の一例を示すフローチャート
【図３】実施の形態１における各座標系の関係を示す図
【図４】実施の形態１において、テーブルに固定されたワークが切削力によって振動する場合に、テーブルに外乱力が伝達される様子を表した模式図
【図５】実施の形態１において、工具刃先がワークに接触する工具の回転角度の一例を示す図
【図６】実施の形態１において、工具刃先がワークに接触しない工具の回転角度の一例を示す図
【図７】実施の形態１において、工具中心と主軸回転中心との間にずれ量が生じている場合の第１刃先における切削の様子を示す図
【図８】実施の形態１において、工具中心と主軸回転中心との間にずれ量が生じている場合の第２刃先における切削の様子を示す図
【図９】実施の形態１の処理回路の構成例を示す図
【図１０】実施の形態２にかかる数値制御システムの構成例を示す図
【図１１】実施の形態３の外乱推定部の構成例を示すブロック図
【図１２】実施の形態３の駆動軸のモデルの一例を示す図
【図１３】比較例における外乱力の推定結果を示す図
【図１４】実施の形態３の外乱推定部によって推定された外乱力の一例を示す図
【図１５】実施の形態４の外乱推定部の構成例を示すブロック図
【図１６】実施の形態４における駆動軸のモデル化の一例を示す図
【図１７】実施の形態５の外乱推定部の構成例を示すブロック図
【図１８】実施の形態６にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図
【図１９】実施の形態６にかかる数値制御システムの別の構成例を示すブロック図
【図２０】実施の形態７にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図
【図２１】実施の形態７にかかる数値制御システムの別の構成例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態にかかる数値制御システムおよびモータ制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図である。実施の形態１の数値制御システム１は、工作機械２を制御する。
【００１５】
工作機械２は、駆動軸２１および駆動軸２２を備える。駆動軸２１および駆動軸２２のそれぞれは、モータとモータに接続された１つ以上の構造物とで構成される。駆動軸２２は、工具に回転運動を与える主軸であり、駆動軸２１は、工具に位置を与えるサーボ軸である。駆動軸２２と駆動軸２１は同期して制御される。サーボ軸である駆動軸２１は、例えば、サーボモータとカップリングとボールねじとテーブルとによって構成され、主軸である駆動軸２２は、例えば、主軸モータとギアとシャフトとツーリングシステムとによって構成される。工作機械２は、主軸である駆動軸２２に取り付けられた工具が回転することで、サーボ軸である駆動軸２１を構成するテーブル上に固定されたワークに対して切削加工を行う。駆動軸２１および駆動軸２２は、工具を用いて加工を行う工作機械２に備わる駆動軸の一例である。なお、駆動軸２１および駆動軸２２の構成は上述した例に限定されない。また、図１では、サーボ軸である駆動軸２１を１つ図示しているがサーボ軸の数は、１つ以上であればよい。
【００１６】
駆動軸２１のサーボモータおよび駆動軸２２の主軸モータは、それぞれロータリーエンコーダを備えており、ロータリーエンコーダにより検出された信号であるエンコーダ信号を数値制御システム１へ出力する。また、駆動軸２１は、サーボモータに印加されるモータ電流を検出し、検出した結果をモータ電流信号として数値制御システム１へ出力する。駆動軸２２は、主軸モータに印加されるモータ電流を検出し、検出した結果をモータ電流信号として数値制御システム１へ出力する。
【００１７】
数値制御システム１は、外部から与えられるまたは内部に保持するＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：数値制御）プログラムに従い、駆動軸２１および駆動軸２２を制御する。
【００１８】
ＮＣプログラムには、予め定められた座標系における工具の相対位置指令またはサーボ軸の位置指令と、主軸回転数指令と、送り速度指令とが含まる。ＮＣプログラムにおいて用いられる上述した座標系をＮＣプログラム座標系と呼ぶ。ＮＣプログラム座標系は、例えばワークに固定された座標系である。
【００１９】
図１に示すように、駆動軸２１には加速度センサ２１１が設けられ、駆動軸２２には加速度センサ２２１が設けられる。加速度センサ２１１は、駆動軸２１における直線方向または回転方向の加速度を検出し、検出結果を加速度センサ信号として数値制御システム１へ出力する。加速度センサ２２１は、駆動軸２２における直線方向または回転方向の加速度を検出し、検出結果を加速度センサ信号として数値制御システム１へ出力する。なお、加速度センサ２１１および加速度センサ２２１が数値制御システム１に含まれてもよい。加速度センサ２１１および加速度センサ２２１は、駆動軸２１，２２の速度または加速度を検出するセンサの一例である。
【００２０】
数値制御システム１は、図１に示すように、指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５、外乱推定部１４，１６、同定部１７および記憶部１８を備える。記憶部１８は、ダイナミクスモデル、加工プロセスモデルおよび加工条件を記憶する。ダイナミクスモデル、加工プロセスモデルおよび加工条件については後述する。駆動軸制御部１３，１５および外乱推定部１４，１６はモータ制御装置１００を構成する。
【００２１】
図２は、本実施の形態１の数値制御システム１における動作手順の一例を示すフローチャートである。図１および図２を用いて本実施の形態１の数値制御システム１の動作を説明する。
【００２２】
指令値生成部１１は、ＮＣプログラムに記述された指令を解析し、各駆動軸に対する駆動軸指令を算出する（ステップＳ１）。指令値生成部１１は、算出した駆動軸指令を駆動軸制御部１３，１５へ出力する。さらに、指令値生成部１１は、座標変換部１２に対して、ＮＣプログラム座標系の設定情報および当該座標系での工具相対位置と工具回転角度および各駆動軸に対する駆動軸指令を出力する。ＮＣプログラム座標系の設定情報および当該座標系での工具相対位置と工具回転角度は、ＮＣプログラムに記述されている。
【００２３】
駆動軸制御部１３，１５は、指令値生成部１１で算出された駆動軸指令に従って各駆動軸を制御する（ステップＳ２）。具体的には、駆動軸制御部１３は、駆動軸２１のサーボモータのロータリーエンコーダから出力されるエンコーダ信号が目標値である駆動軸指令に追従するようにモータ電流を制御する。駆動軸制御部１５は、駆動軸２２を構成する主軸モータのロータリーエンコーダから出力されるエンコーダ信号が目標値である駆動軸指令に追従するようにモータ電流を制御する。さらに、駆動軸制御部１３，１５は、後述する同定部１７へ各駆動軸の位置指令と位置フィードバックと速度指令と速度フィードバックを含む情報である駆動軸状態を出力する。なお、駆動軸制御部１３，１５における動作は、駆動軸指令にしたがった一般的な動作であるため詳細な説明を省略する。
【００２４】
外乱推定部１４および外乱推定部１６は、駆動軸２１および駆動軸２２における外乱をそれぞれ推定する（ステップＳ３）。詳細には、外乱推定部１４は、駆動軸２１から出力されるエンコーダ信号およびモータ電流信号と、加速度センサ２１１から出力される加速度センサ信号とを用いて、駆動軸２１に加わる外乱力をサーボ軸推定外乱力として推定して出力する。具体的には、以下の式（１）を用いて、サーボ軸を１慣性系駆動システムとみなして、外乱力を推定する。
【００２５】
【数１】
2019043852.tif 000003
【００２６】
なお、サーボ軸外乱力の推定方法は上述した例に限定されない。例えば、外乱推定部１４は、式（１）の結果から、駆動軸の速度に比例する粘性摩擦力を減じたものを最終的な推定外乱力として算出してもよい。
【００２７】
外乱推定部１６は、駆動軸２２から出力されるエンコーダ信号およびモータ電流信号と、加速度センサ２２１から出力される加速度センサ信号とを用いて、主軸に加わる外乱力を主軸推定外乱力として推定して出力する。外乱推定部１６は、駆動軸２２の速度または加速度を検出するセンサによって検出された検出結果を用いて駆動軸２２へ印加される外乱力を推定する。具体的には、加速度センサ信号を角加速度へ変換し、以下の式（２）を用いて、主軸を１慣性系駆動システムとみなして、主軸外乱力を推定する。
【００２８】
【数２】
2019043852.tif 000004
【００２９】
なお、主軸外乱力の推定方法は上述した例に限定されない。例えば、外乱推定部１６は、式（２）の結果から、駆動軸の角速度に比例する粘性摩擦力を減じたものを最終的な推定外乱力として算出してもよい。外乱推定部１６は推定外乱力の代わりに推定外乱トルクを算出して出力してもよい。
【００３０】
図２の説明に戻り、次に、座標変換部１２は、指令値生成部１１から出力されるＮＣプログラム座標系の設定情報およびＮＣプログラム座標系での工具相対位置と工具回転角度に基づいて、外乱推定部１４によって算出されたサーボ軸推定外乱力と外乱推定部１６で算出された主軸推定外乱力とを工具基準座標系へ座標変換して出力する（ステップＳ４）。すなわち、座標変換部１２は、駆動軸２１，２２へ印加される外乱力または外乱トルクを取得し、外乱力または外乱トルクを工具基準座標系へ座標変換して出力する。本実施の形態１では、座標変換部１２は、外乱推定部１４，１６から各駆動軸の外乱力または外乱力ベクトルを取得する。
【００３１】
ここで、工具基準座標系とは、工具軸方向と当該方向に垂直な平面内の２方向を含む座標系であり、例えば、工具軸方向をＺ軸に一致させ、工具軸方向に垂直な平面内における工具進行方向をＸ軸とし、Ｘ軸とＺ軸にそれぞれ垂直な方向をＹ軸とする工具を基準とした座標系である。工具基準座標系は、工具の並進移動に伴って並進移動する座標系であるが、工具の回転に伴う回転は考えない座標系である。工具基準座標系は、上述した例に限定されず、工具軸方向と当該方向に垂直な平面内の２方向を含む座標系であればよい。なお、主軸外乱力はサーボ軸外乱力と異なり、力の方向が工具回転角度によって変化する量である。このため、主軸外乱力の座標変換は工具回転角度毎に実行される。
【００３２】
座標変換部１２における具体的な処理について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態１における各座標系の関係を示す図である。図３に示した例では、駆動軸２１を構成するテーブル３１の上にワーク３２が載置され、駆動軸２２を構成するツーリングシステム３４が工具３３を保持している。テーブル３１は図示しないサーボモータにより駆動され、ツーリングシステム３４は、図示しない主軸モータにより駆動される。座標系Ｘ−Ｙ−Ｚは、工具基準座標系であり、座標系Ｘ’−Ｙ’−Ｚ’はＮＣプログラム座標系であり、座標系Ｘ’’−Ｙ’’−Ｚ’’は機械座標系である。方向３５は、テーブル３１に対するワーク３２先端の相対変位の方向を示している。
【００３３】
座標変換部１２は、ＮＣプログラム座標系の設定情報と工具相対位置情報とを用いて、工具基準座標系Ｘ−Ｙ−Ｚを設定する。さらに、座標変換部１２は、外乱推定部１４で算出されたサーボ軸の推定外乱力を工具基準座標系Ｘ−Ｙ−Ｚにおける推定外乱力へ座標変換し同定部１７へ出力する。なお、座標変換部１２は、外乱推定部１６で算出した主軸の推定外乱力を工具基準座標系における推定外乱力へ座標変換し、同定部１７へ出力することもできる。
【００３４】
サーボ軸の推定外乱力と主軸の推定外乱力はそれぞれ工具基準座標系におけるＸ方向およびＹ方向の成分を含んでいるので、座標変換部１２は、Ｘ方向およびＹ方向については、次の処理を行って、同定部１７へ出力する推定外乱力を決定することもできる。例えば、座標変換部１２は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれの成分について平均値をとり、ここにサーボ軸推定外乱力のＺ軸成分を追加することで、最終的な推定外乱力として同定部１７へ出力する。別の例として、加工経路毎に最終的な推定外乱力として採用する駆動軸を予め設定しておき、この駆動軸に対応する推定外乱力を座標変換し出力してもよい。さらに、別の例として、サーボ軸推定外乱力と主軸推定外乱力とのＸ軸成分およびＹ軸成分のそれぞれの方向の平均値を算出し、これらの平均値を最終的な推定外乱力として採用してもよい。さらに、別の例として、座標変換部１２は、サーボ軸推定外乱力と主軸推定外乱力のＸ軸成分およびＹ軸成分に対して、それぞれ判定下限値および判定上限値を予め設定しておき、判定下限値以上かつ判定上限値以下となるサーボ軸推定外乱力または主軸推定外乱力のＸ軸成分またはＹ軸成分を最終的な推定外乱力として採用してもよい。また、座標変換部１２は、取得した外乱力または外乱トルクが工具基準座標上の同一方向の成分を含む場合には、取得した外乱力または外乱トルクの中から互いに独立な方向となる組み合わせを選択してもよい。さらに、別の例として、各駆動軸に信頼度を設定し、信頼度が高い駆動軸を座標変換に採用してもよい。一般に多慣性の駆動軸は単慣性の駆動軸に比べて推定精度が低下することが知られているため、例えば、駆動軸を構成する慣性体の数の逆数を信頼度として設定することで、構造が単純な駆動軸を優先的に採用することができる。信頼度の設定方法の別例として、加工部に近い駆動軸の信頼度を高く設定し、加工部から遠い駆動軸の信頼度を低く設定することで、加工部で発生した切削力の影響を受けやすい駆動軸を優先的に採用することができる。信頼度の設定方法の別例として、駆動軸が駆動中である場合に０より高い値に設定し、静止中である場合に０と設定することで、駆動中の駆動軸を優先的に採用することができる。上記の信頼度の設定方法は、組み合わせて用いることもできる。なお、信頼度の設定方法は、上記に限定されるものではない。
【００３５】
図２の説明に戻り、同定部１７は、ダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータおよび加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータといったパラメータを算出する（ステップＳ５）。具体的には、同定部１７は、座標変換部１２から出力される推定外乱力または推定外乱トルクと、駆動軸制御部１３および１５からそれぞれ出力される駆動軸状態と、記憶部１８に記憶されている加工条件とダイナミクスモデルと加工プロセスモデルとを用いて、ダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータと加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータとを算出する。ここで、動特性パラメータとは、後述するダイナミクスモデルの特性を決定するパラメータであり、例えば、減衰係数、固有振動数、質量、振動モードベクトルである。また、加工プロセスパラメータとは、後述する加工プロセスモデルの特性を決定するパラメータであり、例えば、比切削抵抗、エッジフォース、工具偏心量、工具摩耗幅である。
【００３６】
加工条件には、１刃あたりの送り量と、工具径と、工具刃数と、工具ねじれ角と、工具軸方向切り込み量と、工具径方向切り込み量と、ワーク素材形状と、アップカットまたはダウンカットを表す加工様式とを含む情報が設定されている。
【００３７】
ダイナミクスモデルは、工作機械２内部の機械構造物の動特性を記述する数理モデルである。以下に、ダイナミクスモデルの一例を説明する。図４は、実施の形態１において、テーブル３１に固定されたワーク３２が切削力によって振動する場合に、テーブル３１に外乱力が伝達される様子を表した模式図である。図４では、図３に示した例と同様に、駆動軸２１を構成するテーブル３１の上にワーク３２が載置され、駆動軸２２を構成するツーリングシステム３４が工具３３を保持する構成例を前提としている。また、図４において、相対変位３６はテーブル３１に対するワーク３２先端の振動モードベクトル方向の相対変位を示し、切削力３７はワーク３２における切削力を示し、外乱力３８はテーブル３１に伝達される外乱力を示している。このときの切削力３７、外乱力３８、相対変位３６の関係は、以下の式（３）で表すことができる。式（３）に示すダイナミクスモデルは、切削力が発生したときに、工具またはワークを含む機械構造を通じて駆動軸に伝達される外乱力を算出するとともに、切削力が発生したときに機械構造を通じて各駆動軸で生じる位置偏差を算出するための数理モデルである。
【００３８】
【数３】
2019043852.tif 000005
【００３９】
式（３）に示したダイナミクスモデルはテーブル３１上のワーク３２を１自由度振動系として記述したモデルであるが、ダイナミクスモデルは上記の例に限定されるものではない。例えば、ワーク３２を固定する固定部およびテーブル３１を含めた多自由度振動系として記述しても良い。さらに、工具３３、ツーリングシステム３４および主軸モータからなる工具側構造物に関するダイナミクスモデルを設定してもよい。さらに、ワーク３２側構造物と工具３３側構造物とを組み合わせた振動系としたダイナミクスモデルを設定してもよい。
【００４０】
加工プロセスモデルは、工具３３とワーク３２との間の切削プロセスを記述する数理モデルである。以下の式（４）に加工プロセスモデルの一例を表す。
【００４１】
【数４】
2019043852.tif 000006
【００４２】
上記の式（４）は各時刻の工具回転角度に応じた切り取り厚さから、工具がワークに対して与える切削力を算出する数式である。ここで、切り取り厚さとは工具３３の刃先である工具刃先がワーク３２を通過する際にワーク３２を切り取る厚さを指す。切削力は、図５および図６に示すように、工具刃先がワーク３２に接触する角度にある場合にはゼロ以上の値として算出されるが、工具刃先がワーク３２に接触しない角度にある場合はゼロとして算出される。図５は、工具刃先がワーク３２に接触する工具３３の回転角度の一例を示す図であり、図６は、工具刃先がワーク３２に接触しない工具３３の回転角度の一例を示す図である。すなわち、工具３３の回転角度または時刻毎に位置偏差に基づいてワーク３２に接触するか否かが判定され、工具刃先がワーク３２に接触する場合には切り取り厚さが算出され、工具刃先がワーク３２に接触しない場合には切り取り厚さがゼロとして算出される。
【００４３】
式（４）に示す演算を工具の接線方向、半径方向および軸方向の３方向に関して行うことで、３方向の切削力を算出することができる。加工プロセスモデルでは、上記３方向の成分を持つ切削力に対して工具回転角度に応じた回転行列を乗じることにより座標変換を行うことで、工具基準座標系における切削力が算出される。式（５）に座標変換の一例を示す。
【００４４】
【数５】
2019043852.tif 000007
【００４５】
上記の式（４）および式（５）に示す演算を、工具刃先の数だけ実行することで、最終的な切削力が演算される。式（４）に示される加工プロセスモデルは、工具の刃先と工具の加工対象であるワークとの間の相対位置および工具回転角度に基づいて、切り取り厚さを算出し、切り取り厚さに基づいて工具とワークの間で発生する切削力を算出するための数理モデルである。式（４）における切り取り厚さは、１刃あたりの送り量と工具回転角度とを用いて式（６）によって算出できる。
【００４６】
【数６】
2019043852.tif 000008
【００４７】
別の例として、切り取り厚さは、式（７）を用いても算出できる。
【００４８】
【数７】
2019043852.tif 000009
【００４９】
式（７）は、数式（６）に対して、現在の工具変位と前加工面との差から算出される変動量を追加し、さらに各工具刃先に応じた補正量を追加した切り取り厚さの算出式である。式（７）に示した演算では、現在の工具刃先に生じた変位量と１刃以上前の工具刃先に生じた変位量の内、加工面形状に影響を与えた変位量と現在の工具刃先に生じた変位量との差だけ切り取り厚さが修正される。すなわち、切り取り厚さが、切削に関与している現在の工具刃先によって生成された軌跡と、現在の工具刃先を基準として１刃以上前の工具刃先の内、加工面形状に影響を与えた工具刃先の軌跡との差に基づいて算出される。ここで、１刃以上前の工具刃先とは、切削に関与している工具刃先を基準とした時刻よりも前の時刻において切削に関与した工具刃先である。例えば、刃数が２である工具において、現在切削中の工具刃先が第２刃である場合では、１刃前の工具刃先とは１８０度回転前の第１刃であり、２刃前は３６０度回転前の第２刃であり、３刃前の工具刃先とは５４０度回転前の第１刃である。切削中に工具に変位が生じて一時的に刃先がワークから離れる場合、現在の工具刃先は１刃前の工具刃先によって生成された前加工面だけではなく、２刃以上前の工具刃先によって生成された前加工面をも切削する。
【００５０】
さらに、式（７）に示した演算では、切り取り厚さは、工具刃先を示す番号である工具刃先番号と工具回転角度とに応じた補正量によって修正される。ここで、補正量は工具刃先毎に異なる回転半径で切削することによる切り取り厚さの変化を修正するために導入される。補正量を導入する必要のある事例として、以下が挙げられる。例えば、特定の刃先に摩耗やチッピングが発生した場合、その工具刃先の回転半径は他の工具刃先より短くなるので、摩耗幅やチッピング幅に応じた補正量が追加される。別の例として、刃先交換式の工具において、工具刃先の取り付け誤差が存在する場合、取り付け誤差に応じた補正量が追加される。別の例として、主軸回転中心が工具中心に一致しない場合すなわち工具偏心が存在する場合、工具偏心量に応じた補正量が追加される。なお、工具中心とは、工具３３の外接円の中心である。工具偏心量とは、図７および図８に示すように工具中心と主軸回転中心との間にずれ量が生じている場合に、工具刃先毎に工具刃先の回転半径が増減する分だけ切り取り厚さを修正する量である。図７は、工具中心と主軸回転中心との間にずれ量が生じている場合の第１刃先における切削の様子を示す図であり、図８は、工具中心と主軸回転中心との間にずれ量が生じている場合の第２刃先における切削の様子を示す図である。第１刃先４３および第２刃先４４は、工具３３の刃先である。図７および図８に示した例では、工具中心と主軸回転中心４２との間にずれがある。このような場合には、ずれがない場合の切り取り厚さに対して切り取り厚さを修正する必要があり、工具偏心量は、このときの修正量を示す。すなわち、切り取り厚さには、工具の回転角度に応じた工具偏心量が加算または減算される。補正量によって切り取り厚さを修正する事例は上記の事例に限定されるものではなく、補正量は刃先に発生する現象に応じて適宜変更してもよい。
【００５１】
なお、加工プロセスモデルは式（４）に限定されるものではない。例えば、式（４）を用いて、切削速度が閾値以上である高速の場合と切削速度が閾値未満である低速の場合とで比切削抵抗の値を変化させてもよい。さらに、式（４）の右辺に、エッジフォース成分を定数項として追加したモデルとしても良い。さらに、式（４）の右辺に、プロセスダンピング力を追加したモデルとしても良い。ここで、プロセスダンピング力とは、工具刃先の逃げ面がワークに接触することによって発生する力である。別の例として、ねじれ角がある工具に対する加工プロセスモデルが用いられてもよい。具体的には、工具を軸方向に微小厚さの工具に分割し、分割された各微小厚さ工具における切削力を算出し、当該切削力を工具軸方向に積算して最終的な切削力を算出するモデルとしてもよい。さらに別の例として、有限要素解析によって切り取り厚さと切削力を算出するモデルとしてもよい。
【００５２】
以下では、ダイナミクスモデルが式（３）であり、加工プロセスモデルが式（４）および式（６）である場合に、動特性パラメータとして等価減衰係数と等価固有振動数を同定し、加工プロセスパラメータとして比切削抵抗を同定する処理について述べる。ダイナミクスモデルは、式（３）を変形および時間微分することで以下の式（８）に示す形式で表現できる。
【００５３】
【数８】
2019043852.tif 000010
【００５４】
上記式（８）に、加工プロセスモデルである式（４）を代入すると、以下の式（９）が得られる。
【００５５】
【数９】
2019043852.tif 000011
【００５６】
さらに、式（９）右辺を既知数と未知数とに分離して表現すると、式（１０）が得られる。
【００５７】
【数１０】
2019043852.tif 000012
【００５８】
式（１０）は、動特性パラメータと加工プロセスパラメータとが与えられたときに、外乱力の２階微分を算出する関係式である。同定部１７は、座標変換部１２によって工具基準座標系へ変換された推定外乱力を式（１０）に代入することで、式（１０）を満たす動特性パラメータと加工プロセスパラメータとを算出する。一例として、式（１０）をｎ（ｎは１以上の整数）点の時刻分だけ並べることで、式（１１）の行列形式で表現することができる。同定部１７は、式（１１）に対して最小２乗法を適用することで、動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出することができる。
【００５９】
【数１１】
2019043852.tif 000013
【００６０】
なお、上記では式（９）から式（１０）および式（１１）を導出し、式（１０）または式（１１）に基づいて動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出する方法について述べたが、式（９）の代わりに式（１２）を用いることでも同様の演算を行うことができる。式（１２）では、式（９）において切削判定関数ｇ（φ（ｔ））を微分可能な関数δ（φ（ｔ））に置き換えている。δ（φ（ｔ））は切削判定関数ｇ（φ（ｔ））を近似できる微分可能な関数であればよく、下記に示した形態に限定されない。
【００６１】
【数１２】
2019043852.tif 000014
【００６２】
別の例として、式（１０）または式（１１）の両辺に平滑化のための窓関数をかけることで、微分誤差の影響を受けずに動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出することができる。
【００６３】
さらに、別の例として、同定部１７は、探索アルゴリズムによる繰り返し演算を実行し、式（１０）または式（１１）から動特性パラメータと加工プロセスパラメータとを探索してもよい。なお、同定部１７における動特性パラメータと加工プロセスパラメータの算出は、式（１０）および式（１１）を用いた演算に限定されるものではない。ダイナミクスモデルおよび加工プロセスモデルの形態に応じて、動特性パラメータと加工プロセスパラメータと外乱力または外乱トルクの関係式とを予め設定することで、当該関係式と推定外乱力または外乱トルクから動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出することができる。
【００６４】
さらに、同定できるパラメータは等価減衰係数と等価固有振動数と比切削抵抗に限定されない。例えば、振動モードベクトルを動特性パラメータに含んだダイナミクスモデルを構成し、動特性パラメータと加工プロセスパラメータと外乱力の関係式を設定することで、同定部１７は、振動モードベクトルを含んだ動特性パラメータを同定できる。別の例として、式（７）を用いて工具偏心量を加工プロセスパラメータに含んだ加工プロセスモデルを構成し、動特性パラメータと加工プロセスパラメータと外乱力の関係式を設定することで、同定部１７は、加工プロセスパラメータを同定できる。
【００６５】
以上のように、同定部１７は、座標変換部１２から出力される外乱力と、あらかじめ定められた関係式と、加工条件とを用いて、加工プロセスモデルの特性を決定する加工プロセスパラメータと工作機械２のダイナミクスモデルの特性を決定する動特性パラメータとを算出する。上記の関係式は、加工プロセスパラメータと動特性パラメータと外乱力との関係を定める関係式である。
【００６６】
次に、数値制御システム１のハードウェア構成について説明する。図１に示した指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７は処理回路により実現される。駆動軸制御部１３，１５は、モータ電流を生成するインバータ等の回路を含んでいてもよい。記憶部１８はメモリにより実現される。処理回路は、プロセッサを備える回路であってもよいし、専用ハードウェアであってもよい。
【００６７】
処理回路がプロセッサを備える回路である場合、処理回路は例えば図９に示した構成の処理回路である。図９は、処理回路の構成例を示す図である。処理回路２００は、プロセッサ２０１およびメモリ２０２を備える。指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７が図９に示した処理回路２００によって実現される場合、プロセッサ２０１が、メモリ２０２に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、これらが実現される。すなわち、指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７が図９に示した処理回路２００によって実現される場合、これらの機能は、ソフトウェアであるプログラムを用いて実現される。メモリ２０２はプロセッサ２０１の作業領域としても使用される。プロセッサ２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等である。メモリ２０２は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク等が該当する。記憶部１８を実現するメモリはメモリ２０２と同一であっても良いし異なっていてもよい。
【００６８】
指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７を実現する処理回路が専用ハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。なお、指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７は、プロセッサを備える処理回路および専用ハードウェアを組み合わせて実現されてもよい。指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７は、複数の処理回路により実現されてもよい。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態１の数値制御システム１では、外乱推定部１４，１６で算出された推定外乱力を座標変換部１２が工具基準座標系へ座標変換し、同定部１７が、ダイナミクスモデルと加工プロセスモデルと加工条件に基づいて構築される動特性パラメータと加工プロセスパラメータと外乱力との関係式から、動特性パラメータおよび加工プロセスパラメータを同定する。このため、切削加工の支配パラメータである動特性パラメータと加工プロセスパラメータを同時に算出することができるという効果を奏する。
【００７０】
また、比較例として、駆動軸に設けられた力センサの検出結果と加工プロセスモデルに基づいて、加工プロセスパラメータを同定する例を考える。力センサの検出結果は切削力が機械構造を通じて伝達された力すなわち外乱力を検出したものである。したがって、比較例では、機械ダイナミクスによって切削力が外乱力として伝達されることを考慮していない。このことから、比較例では、正確な加工プロセスパラメータを同定することができない。これに対し、本実施の形態１では、外乱推定部１４，１６が外乱力を推定して、同定部１７が、ダイナミクスモデルと加工プロセスモデルと加工条件に基づいて構築される動特性パラメータと加工プロセスパラメータと外乱力との関係式から、動特性パラメータおよび加工プロセスパラメータを同定する。このため、比較例より正確に加工プロセスパラメータを同定することができる。
【００７１】
実施の形態１では、主軸とサーボ軸を含む全ての駆動軸に加速度センサを備える構成としたが、加速度センサを設置する駆動軸の軸数は全駆動軸数に限定されるものではない。例えば、３軸の直線サーボ軸に加速度センサを設けて主軸に加速度センサを設けず、３軸の直線サーボ軸の加速度センサによる検出結果から外乱力ベクトルを算出してもよい。また、２軸の直線サーボ軸に加速度センサを設けて主軸に加速度センサを設けず、加速度センサによる検出結果から当該サーボ軸で構成される平面上の２次元外乱力ベクトルを算出し、当該平面に関して動特性パラメータと加工プロセスパラメータを推定してもよい。また、主軸に設けた加速度センサによる検出結果から、主軸に垂直となる平面上の２次元外乱力ベクトルを算出し、さらに主軸に平行なサーボ軸に備えた加速度センサの検出結果から当該サーボ軸方向の外乱力を加えることで、３次元外乱力ベクトルを算出してもよい。
【００７２】
さらに、本実施の形態１では、３軸の直線サーボ軸と主軸を有する工作機械を対象にした構成を述べたが、本発明はこの軸構成の工作機械に限定されるものではない。例えば、工作機械が３軸の直線サーボ軸と主軸に加え１軸以上の回転サーボ軸を備える場合は、次の構成によって、本実施の形態１と同等の効果を実現できる。すなわち、指令値生成部１１がＮＣプログラム座標系での工具相対姿勢を座標変換部１２へ出力し、座標変換部１２が工具の相対姿勢を考慮してサーボ軸推定外乱力と主軸推定外乱力を工具基準座標系へ座標変換することで、本実施の形態１と同様に推定外乱力ベクトルを算出することができる。
【００７３】
さらに、実施の形態１では、駆動軸の加速度を検出する手段として加速度センサを採用したが、検出する物理量は加速度に限定されるものではない。例えば、速度センサ、ジャイロセンサ、レーザドップラ計を用いて、速度を直接検出するセンサを採用してもよい。すなわち、変位量を１階以上時間微分した物理量を検出できるセンサを採用しても、本発明の趣旨を逸脱しない。
【００７４】
さらに、本実施の形態１で述べた数値制御システム１は、複数台の機器から構成されても構わない。例えば、駆動軸制御部１３，１５および外乱推定部１４，１６を備えるモータ制御装置１００と、数値制御システム１の他の構成要素とが別の装置として構成されてもよい。また、数値制御システム１は、指令値生成部１１と駆動軸制御部１３，１５と外乱推定部１４，１６と座標変換部１２とを備えた数値制御装置と、同定部１７および記憶部１８を備えた産業用コンピュータとで構成されてもよい。産業用コンピュータは、工作機械２の付近に設置しても構わないし工作機械２とは離れた場所に設置されてもよい。また、産業用コンピュータは、複数台の工作機械２に接続されても構わない。さらに、産業用コンピュータは、有線または無線のインターネット回線などの公衆回線などを通じて外部に接続されたものでも構わない。数値制御システム１が、複数台の機器から構成される場合、指令値生成部１１、座標変換部１２、駆動軸制御部１３，１５の少なくとも一部、外乱推定部１４，１６および同定部１７は、各々が実装される機器に搭載される処理回路により実現される。これらの処理回路は、上述した処理回路と同様に、プロセッサを備える処理回路であってもよいし、専用ハードウェアであってもよいし、プロセッサを備える処理回路および専用ハードウェアを組み合わせたものであってもよい。
【００７５】
さらに、実施の形態１では、工具の回転によりミーリング加工を行う工作機械について述べたが、本発明はワークの回転により旋削加工を行う工作機械にも適用できる。
【００７６】
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２にかかる数値制御システム１ａの構成例を示す図である。実施の形態２の数値制御システム１ａは、工作機械２ａを制御する。
【００７７】
工作機械２ａは、サーボ軸である駆動軸２１ａと主軸である駆動軸２２ａとを備える。駆動軸２１ａおよび駆動軸２２ａは、それぞれ加速度センサが設けられていないこと以外は、実施の形態１の駆動軸２１および駆動軸２２とそれぞれ同様である。工作機械２ａには、力センサ２３が設けられている。力センサ２３は、例えば、図４に示したテーブル３３１上またはテーブル３１の内部に設置される。力センサ２３の設置個所はこの例に限定されず、力センサ２３は各駆動軸にかかる力を検知可能なように設置されればよい。力センサ２３は、駆動軸２１ａ，２２ａへ印加される力またはトルクを検出するセンサの一例である。
【００７８】
実施の形態１では、加速度センサによって検出された結果とエンコーダ信号とモータ電流信号とを用いて外乱力を推定する構成であったが、実施の形態２では、力センサ２３を用いることで、数値制御システム１ａに外乱推定部１４，１６を設ける必要がない。実施の形態２の数値制御システム１ａは、実施の形態１の数値制御システム１から外乱推定部１４，１６を除いた構成であり、力センサ２３による検出結果が座標変換部１２へ入力される。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、実施の形態１と異なる点を説明する。
【００７９】
座標変換部１２は、外乱推定部１４，１６からそれぞれ入力されるサーボ軸推定外乱力および主軸推定外乱力の替わりに、力センサ２３による検出結果を用いて、実施の形態１と同様に座標変換を実施し、座標変換後の外乱力を実施の形態１の推定外乱力と同様に同定部１７へ出力する。すなわち、本実施の形態２では、座標変換部１２は、駆動軸２１ａ，２２ａへ印加される力またはトルクを検出するセンサによって検出された検出結果から外乱力を取得する。座標変換部１２は、このセンサがトルクを検出するセンサである場合には、トルクを力に変換した後に、座標変換を行う。同定部１７は、実施の形態１と同様に、動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出する。以上述べた以外の数値制御システム１ａの動作は、実施の形態１の数値制御システム１ａの動作と同様である。なお、座標変換部１２は、検出されたトルクを座標変換して同定部１７へ出力し、同定部１７が座標変換されたトルクを用いて動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出してもよい。
【００８０】
このように、本実施の形態２では、加速度センサおよび外乱推定部１４，１６を用いずに力センサ２３を用いて、実施の形態１と同様に、動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出することができる。これにより実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００８１】
実施の形態３．
図１１は、本発明にかかる実施の形態３の外乱推定部の構成例を示すブロック図である。本実施の形態３の数値制御システムは、実施の形態１の外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ａを備える以外は、実施の形態１の数値制御システム１と同様である。以下、実施の形態１と異なる点を説明する。
【００８２】
実施の形態１の外乱推定部１４は、１慣性系としてモデル化される駆動軸２１から駆動軸信号と加速度センサ信号を取得することで、駆動軸信号のみでは推定できない高周波帯域における外乱力の算出を加速度センサの援用により実現する構成であった。一般に工作機械を構成する駆動軸は、モータ、ボールねじ、テーブルなどの、複数の慣性を持つ構造物として構成される。
【００８３】
図１２は、駆動軸２１のモデルの一例を示す図である。図１２では、駆動軸２１がサーボモータ、ボールねじおよびテーブルを有する場合に、サーボモータであるモータ、ボールねじおよびテーブルに対応する３慣性系としてモデル化されたモデルの一例を示している。Ｔｍはモータトルクを示し、θｍはモータ角度を示し、Ｊｍ，Ｊｂはイナーシャを示し、Ｍｔは質量を示し、Ｄｍ，Ｄｂ，Ｃｔは減衰係数を示し、Ｋｇ，Ｋｔはばね定数を示し、Ｒはボールねじピッチを示しｘｔは位置を示す。なお、ｍ，ｂ，ｔは、それぞれモータ、ボールねじ、テーブルを示す添字である。
【００８４】
このように、駆動軸２１は、一般に、複数の慣性を持つ構造物を有するため、構造物の挙動を精度よくモデル化するには構造物を複数に分けてモデル化することが望ましい。そこで、本実施の形態３の外乱推定部１４ａは、構造物を複数に分けてモデル化するとともに、加速度センサ２１１から出力される加速度センサ信号を周波数帯域に応じて分割し、それぞれの帯域に応じた逆モデルを用いて外乱力を推定する。
【００８５】
ここでは、図１１に示すように、駆動軸２１を、第１構造物２１３と第２構造物２１２とに分けてモデル化する。すなわち、駆動軸２１は、第１構造物２１３とモータを含む第２構造物２１２とを含む。外乱推定部１４ａは、第１構造物２１３の複数の第１構造物モデルと加速度センサ信号とに基づいて第１構造物２１３に印加される力の合力である実駆動軸出力を算出する。また、外乱推定部１４ａは、第２構造物２１２の第２構造物モデルとモータを流れるモータ電流の検出結果とモータの位置の検出結果とに基づいて、モータが駆動軸に対して与える力である指令駆動軸出力を算出する。そして、外乱推定部１４ａは、実駆動軸出力と指令駆動軸出力とを用いて外乱力を推定する。複数の第１構造物モデルは、複数に分割された周波数帯域に応じて定められたそれぞれ異なる周波数特性を有する。
【００８６】
図１１の駆動軸２１内には、第１構造物２１３および第２構造物２１２の等価モデルが図示されている。Ｉｒｅｆはモータ電流を示し、Ｋはトルク定数を示し、ｖｔはテーブルの速度を示し、Ｆｄは外乱力を示す。ａｔｅｘｐは加速度センサ２１１から出力される加速度センサ信号である。なお、添字ｒｅｆは駆動軸制御部１３が演算した参照値であることを表し、添字ｅｘｐは加速度センサによって直接検出した信号であることを表す。他の文字は、図１２と同様の定義である。第１構造物には加速度センサ２１１が具備されている。ここで、第１構造物は例えばテーブルであり、第２構造物２１２は例えばサーボモータとボールねじを組み合わせた機械構造である。駆動軸２１には外部から第１構造物２１３に対して外乱力が印加される。さらに、第１構造物２１３にサーボモータのトルク出力に起因する指令駆動軸出力が印加されることで、第１構造物２１３の位置が駆動軸制御部１３によって間接的に制御される。
【００８７】
図１１に示した外乱推定部１４ａは、駆動軸２１から出力されるエンコーダ信号およびモータ電流信号と、加速度センサ２１１から出力される加速度センサ信号とに基づいて、駆動軸２１に加わる外乱力をサーボ軸推定外乱力として推定する。
【００８８】
詳細には、外乱推定部１４ａは、第１構造物２１３に対応する第１構造物モデル部１４３，１４４と、第２構造物に対応する第２構造物モデル部１４１と、合成部１４２とを有する。図１１における外乱推定部１４ａ内には、各部が有する対応する構造物の逆モデルが示されている。ＬＰＦ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）はローパスフィルタを示し、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ−Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）はハイパスフィルタを示す。上にハットが付いている文字は推定値を示す。
【００８９】
第１構造物モデル部１４３および第１構造物モデル部１４４は、加速度センサ信号に基づいて、第１構造物２１３に印加される力である実駆動軸出力を算出する。第１構造物モデル部１４３は、ローパスフィルタを有し、第１構造物モデル部１４４は、ハイパスフィルタを有する。これらのフィルタは、加速度センサ信号を予め定められたカットオフ周波数で第１周波数帯域と第２周波数帯域に分離する役割を果たす。ここで、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタのカットオフ周波数は、例えば駆動軸制御部１３が駆動軸２１を制御できる周波数の上限値である。２つの帯域に分離された加速度センサ信号が、それぞれ第１構造物モデル部１４３および第１構造物モデル部１４４を通過することで、第１構造物モデル部１４３は低周波側の実駆動軸出力である第１実駆動軸出力を出力し、第１構造物モデル部１４４は高周波側の実駆動軸出力である第２実駆動軸出力を出力する。
【００９０】
第２構造物モデル部１４１は、モータ電流信号およびエンコーダ信号を用いて、モータが駆動軸２１を動作させるための駆動力である指令駆動軸出力を算出する。合成部１４２は、第１実駆動軸出力と第２実駆動軸出力との和を算出し、算出した和から指令駆動軸出力を減算することで、駆動軸２１に印加される外乱力Ｆｄを推定することができる。
【００９１】
図１１に示した例では、駆動軸２１は３個の慣性と各慣性を結合するバネ要素と粘性摩擦を表すダンパ要素から構成されるモデルとして表現された。駆動軸２１のモデルは、これに限定されず、エンコーダまたは加速度センサの通信によるむだ時間およびクーロン摩擦を考慮したモデルとして駆動軸２１を表現し、これらに対応する、２つの第１構造物モデル部と１つの第２構造物モデル部とを外乱推定部１４ａが有するように構成してもよい。
【００９２】
なお、外乱推定部１４ａで用いられる逆モデルに含まれる各パラメータは、次に述べる方法で算出することができる。例えば、駆動軸制御部１３が、駆動軸２１のモータに対してインパルス加振指令またはランダム加振指令またはサインスイープ加振指令を与え、この時のエンコーダ信号および加速度センサ信号から得られる周波数応答に基づいてパラメータをフィッティングすることができる。別の例として、サーボモータを加振源とするのではなく、外部からインパルスハンマを用いてサーボ軸を加振してパラメータをフィッティングしてもよい。さらに別の例として、発生する外乱力が予め判明している試験加工を実施し、このときに出力されるモータ電流信号およびエンコーダ信号および加速度センサ信号を用いてパラメータをフィッティングしてもよい。さらに別の例として、有限要素解析を用いてパラメータを算出してもよい。さらに、上記の組み合わせによりパラメータを決定してもよい。
【００９３】
ここで、本実施の形態３の効果について説明する。図１３は、比較例における外乱力の推定結果を示す図である。図１３に推定結果を示した比較例では、本実施の形態３による手法と同様に、モータ電流信号およびエンコーダ信号を用いてモータとボールねじすなわち第１構造物の状態量を推定し、加速度センサ信号を用いてテーブルの状態量を推定し、これらの推定結果を用いて外乱を推定している。なお、本実施の形態３と比較例の差異は、比較例が図１１のような複数の第１構造物モデル部は有さず、単一の第１構造物モデル部を有する点である。すなわち、比較例の手法では、加速度センサが設けられているテーブルの質量を周波数帯域に応じて分解しない。図１３の上段には、実際の外乱力すなわち力センサを用いて実測された外乱力を示し、図１３の下段には、比較例により推定された結果を示している。図１３からわかるように、比較例では、高周波帯域において推定値が力センサによる実測値に一致していない。すなわち、ボールねじ駆動に代表される多慣性駆動システムに対して、加速度センサが設けられているテーブルの質量を周波数帯域に応じて分解しない比較例の手法では、精度よく外乱力を推定できない。
【００９４】
これに対し、本実施の形態３では、加速度センサ信号を周波数帯域に応じて分割し、それぞれの帯域に対して異なる逆モデルを与えて、外乱力を推定している。図１４は、実施の形態３の外乱推定部１４ａによって推定された外乱力の一例を示す図である。図１４の上段には、実際の外乱力すなわち力センサを用いて実測された外乱力を示し、図１４の下段には、実施の形態３の外乱推定部１４ａによって推定された結果を示している。図１４からわかるように、実施の形態３の外乱推定部１４ａを用いることによって、力センサによる測定結果と同等の推定結果を得ることができる。すなわち、本実施の形態３の外乱推定部１４ａは、ボールねじ駆動に代表される多慣性駆動システムを有する工作機械において、精度よく駆動軸に加わる外乱力を推定できるという効果を奏する。
【００９５】
なお、以上の説明では、駆動軸２１の加速度を検出する手段として加速度センサを採用したが、検出する物理量は加速度に限定されるものではない。例えば、速度センサ、ジャイロセンサ、レーザドップラ計を用いて、速度を直接検出するセンサを採用してもよい。すなわち、変位量を１階以上時間微分した物理量を検出できるセンサを採用しても、本発明の趣旨を逸脱しない。
【００９６】
また、本実施の形態３ではボールねじ駆動の工作機械を対象にして説明したが、本実施の形態３で述べた外乱力推定の手法はボールねじ駆動の工作機械に限定されるものではない。多慣性システムとしてモデル化できる駆動軸すなわち複数の慣性体から構成される駆動軸であれば、ボールねじ以外で駆動されるサーボ軸および主軸にも適用することができる。
【００９７】
なお、実施の形態３では、外乱推定部１４ａにおいて、第１構造物モデルを２個設けることにより、周波数帯域を２個に分割したが、第１構造物モデルの個数およびフィルタの数は２に限定されるものではない。例えば、第１構造物モデルを３個以上設け、周波数帯域を第１構造物モデルの数だけ分割するようにそれぞれのフィルタを設計してもよい。
【００９８】
また、以上の説明では、実施の形態１の数値制御システム１の外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ａを用いる例を説明したが、図１に示したモータ制御装置１００が単独で設けられる場合に、外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ａが用いられてもよい。
【００９９】
実施の形態４．
図１５は、本発明にかかる実施の形態４の外乱推定部の構成例を示すブロック図である。本実施の形態４の数値制御システムは、実施の形態１の外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ｂを備える以外は、実施の形態１の数値制御システム１と同様である。以下、実施の形態１と異なる点を説明する。
【０１００】
実施の形態３の外乱推定部１４ａでは、加速度センサ信号を周波数帯域に応じて分割し、それぞれの帯域に対して異なる逆モデルを与えて、外乱力を推定した。実施の形態４の外乱推定部１４ｂは、加速度センサが設けられるテーブルを、エンコーダ信号およびモータ電流信号によって推定される第１テーブル慣性と加速度センサ信号によって推定される第２テーブル慣性とに分割したモデルを用いて、外乱力を推定する。図１６は、実施の形態４における駆動軸２１のモデル化の一例を示す図である。図１６における各文字は、実施の形態３と同様であるが、添え字に１が含まれるものは、第１テーブル慣性モデルに対応し、添え字に２が含まれるものは、第２テーブル慣性モデルに対応する。
【０１０１】
すなわち、外乱推定部１４ｂは、駆動軸２１の第１構造物モデルと加速度センサ信号とに基づいて第１構造物モデルに対応する実駆動軸出力を算出する。また、外乱推定部１４ｂは、駆動軸２１を構成するモータを含む駆動軸２１の第２構造物モデルとモータを流れるモータ電流の検出結果とモータの位置の検出結果とに基づいて、モータが駆動軸２１に対して与える力である指令駆動軸出力を算出する。また、外乱推定部１４ｂは、実駆動軸出力と指令駆動軸出力とを用いて外乱力を推定する。駆動軸を構成する複数の構造物のうちの１つを第１慣性体モデルと第２慣性体モデルとに分割してモデル化し、第２構造物モデルは第１慣性体モデルを含み、第２構造物モデルは第２慣性体モデルを含む。第１慣性体モデルおよび第２慣性体モデルの一例は、上述した第１テーブル慣性モデルおよび第２テーブル慣性モデルである。
【０１０２】
図１５における各文字の定義は、実施の形態３と同様である。駆動軸２１は、実施の形態３と同様に、テーブルとサーボモータとボールねじとで構成される。本実施の形態４では、テーブルのモデルを第１テーブル慣性と第２テーブル慣性との２つに分割し、第１構造物２１３ａはテーブルであり、第２構造物２１２ａはテーブルとモータとボールねじを組み合わせた機械構造であるとしてモデル化する。
【０１０３】
外乱推定部１４ｂは、駆動軸２１から出力されるエンコーダ信号とモータ電流信号と、加速度センサ２１１から出力される加速度センサ信号と、駆動軸２１に加わる外乱力をサーボ軸推定外乱力として推定する。
【０１０４】
駆動軸２１には外部から第１構造物２１３ａに対して外乱力が印加される。さらに、第１構造物２１３ａにはサーボモータのトルク出力に起因する指令駆動軸出力が印加されることで、第１構造物２１３ａの位置が駆動軸制御部１３によって間接的に制御される。
【０１０５】
外乱推定部１４ｂは、第１構造物２１３ａに対応する第１構造物モデル部１４３ａと、第２構造物２１２ａに対応する第２構造物モデル部１４１ａと、合成部１４２ａとを有する。第１構造物モデル部１４３ａは、加速度センサ信号に基づいて、第１構造物２１３ａに印加される力の合力である実駆動軸出力を算出する。第１構造物モデル部１４３ａはノイズ低減のためのＬＰＦを備える。
【０１０６】
第２構造物モデル部１４１ａは、モータ電流信号およびエンコーダ信号を用いて、モータが駆動軸２１を動作させるための駆動力である指令駆動軸出力を算出する。ここで、第２構造物２１２ａのモデルは実施の形態３における第２構造物２１２と異なり、テーブルの慣性を分割した第２テーブル慣性を含むモデルとなっている。合成部１４２ａは、実駆動軸出力と指令駆動軸出力とを合算することで、駆動軸に印加される外乱力Ｆｄを推定することができる。
【０１０７】
なお、外乱推定部１４ｂで用いられる逆モデルに含まれる各パラメータの算出方法は、実施の形態３の外乱推定部１４ａで用いられる逆モデルに含まれる各パラメータの算出方法と同様である。
【０１０８】
以上説明したように、本実施の形態４の外乱推定部１４ｂは、テーブルを、駆動軸信号によって推定される第１テーブル慣性と加速度センサ信号によって推定される第２テーブル慣性とに分割したモデルを用いて、外乱力を推定する。このように、駆動軸２１を構成する構造物のうち加速度センサが設けられる構造物を２つに分割してモデル化することにより、実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、精度よく外乱力を推定することができる。
【０１０９】
また、以上の説明では、実施の形態１の数値制御システム１の外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ｂを用いる例を説明したが、図１に示したモータ制御装置１００が単独で設けられる場合に、外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ｂが用いられてもよい。
【０１１０】
実施の形態５．
図１７は、本発明にかかる実施の形態５の外乱推定部の構成例を示すブロック図である。本実施の形態５の数値制御システムは、実施の形態１の外乱推定部１４の替わりに外乱推定部１４ｃを備える以外は、実施の形態１の数値制御システム１と同様である。以下、実施の形態１と異なる点を説明する。
【０１１１】
実施の形態１，３，４は、エンコーダ信号およびモータ電流信号と加速度センサ信号とを併用して外乱力を推定する構成であった。モータ電流信号、エンコーダ信号および加速度センサ信号は、それぞれ異なる信号源から発生される信号である。このため、外乱推定部が、それぞれの信号を取得する時刻は同期しているとは限らず、一般には同期誤差が生じる。このため、本実施の形態５の外乱推定部１４ｃは、図１７に示すように、実施の形態４で述べた外乱推定部１４ｂに信号同期部１４５を追加した構成を有する。
【０１１２】
信号同期部１４５には、エンコーダ信号と加速度センサ信号に対してそれぞれ第１補正時間および第２補正時間が予め設定されている。第１補正時間はモータ電流信号を基準としたときのエンコーダ信号の時刻ずれ量である。第２補正時間はモータ電流信号を基準としたときの加速度センサ信号の時刻ずれ量である。さらに、信号同期部１４５は、第１および第２補正時間に相当するエンコーダ信号と加速度センサ信号を記録することができる。信号同期部１４５は、ある時刻にモータ電流信号が入力されたときに、該時刻から第１および第２補正時間だけ時刻が異なるエンコーダ信号と加速度センサをモータ電流とともに出力する。なお、モータ電流信号とエンコーダ信号と加速度センサ信号のサンプリングレートがそれぞれ異なる場合は、時間的に内挿または外挿することによって、該時刻から第１および第２補正時間だけ時刻が異なるエンコーダ信号と加速度センサ信号を算出することができる。以上のように、外乱推定部１４ｃは、モータ電流信号とエンコーダ信号と加速度センサ信号との間で生じる時間ずれ量を補正し、前記時間ずれ量が補正された信号を用いて、外乱力を推定する。なお、ここでは、モータ電流信号に対してエンコーダ信号と加速度センサ信号の時刻を同期させる方法について述べたが、エンコーダ信号または加速度センサの一方を基準として、各信号を同期しても構わない。また、同期用の基準トリガ信号を信号同期部１４５の内部で生成し、基準トリガ信号を基準として各信号を同期しても構わない。
【０１１３】
以上のように、実施の形態５の外乱推定部１４ｃは、信号同期部１４５を設けて各信号間の時刻同期誤差を補正するようにしたので、時刻同期誤差を低減でき、精度よく外乱力を推定することができる。
【０１１４】
なお、上述した例では、実施の形態４の外乱推定部１４ｂに信号同期部１４５を追加したが、同様に、実施の形態１の外乱推定部１４、実施の形態３の外乱推定部１４ａに信号同期部１４５を追加することにより、同様に時刻同期誤差を補正することができる。
【０１１５】
実施の形態６．
図１８は、本発明の実施の形態６にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図である。実施の形態６の数値制御システム１ｂは、実施の形態１の数値制御システム１にシミュレーション部１９を追加し、指令値生成部１１および同定部１７の替わりに指令値生成部１１ａおよび同定部１７ａを備える。これら以外は、実施の形態６の数値制御システム１ｂは、実施の形態１の数値制御システム１と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、実施の形態１と異なる点を主に説明する。
【０１１６】
実施の形態６において、ＮＣプログラムには、ＮＣプログラム座標系における工具の相対位置指令または各サーボ軸の位置指令と、主軸回転数指令と、送り速度指令とに加え、同定指令が記述されている。ここで、同定指令とは、同定部１７ａに対して動特性パラメータと加工プロセスパラメータの同定処理を開始させるための指令である。
【０１１７】
指令値生成部１１ａは、ＮＣプログラムに記述された指令を解析し、実施の形態１と同様に駆動軸２１，２２にそれぞれ対応する駆動軸指令を生成し、対応する駆動軸制御部１３，１５へそれぞれ出力する。指令値生成部１１ａは、解析した指令に同定指令が含まれている場合は、同定部１７ａに対して同定指令を出力する。すなわち、指令値生成部１１ａは、ＮＣプログラムに同定部１７ａによる同定の実施を指示する指令が含まれるときに、同定部１７ａに対して加工プロセスパラメータと動特性パラメータとの算出の実施を指示する。さらに、指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９から出力される、後述する機械ダイナミクスおよび加工プロセスの再現結果に応じて、駆動軸指令を補正する。
【０１１８】
同定部１７ａは、指令値生成部１１ａから出力された同定指令が入力されると、実施の形態１で述べた方法と同様の方法で動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出し、算出した結果をシミュレーション部１９へ出力する。さらに、同定部１７ａは、座標変換部１２が出力する推定外乱力とシミュレーション部１９が出力する再現外乱力とを比較する。ここで、推定外乱力とは外乱推定部で算出し座標変換部で座標変換した切削力であり、再現外乱力とはシミュレーション部１９で算出された切削力である。推定外乱力と再現外乱力の差が閾値よりも大きい場合、同定部１７ａは加工状態に変化があったと判定し、再度同定処理を実行する。すなわち、同定部１７ａは、座標変換部１２から出力される外乱力とシミュレーション部１９によって再現された外乱力との差を算出し、差が閾値より大きい場合に加工プロセスパラメータと動特性パラメータとを算出する。同定部１７ａは、推定外乱力と再現外乱力がベクトルとして算出される場合、それぞれの切削力に対してノルムを算出し、これらのノルムを比較することで、推定外乱力と再現外乱力の差を算出することができる。別の例として、工具進行方向などの特定の一方向における推定外乱力と再現外乱力の差を算出し、この差を該閾値と比較してもよい。
【０１１９】
シミュレーション部１９は、各駆動軸２１，２２から出力されるエンコーダ信号に基づいて駆動軸位置を算出し、ダイナミクスモデル、加工プロセスモデルおよび加工条件を用いて、工具とワークとの周辺の構造物の振動、および工具とワークとの間の加工プロセスを再現する。
【０１２０】
工具とワークとの周辺の構造物の振動の再現は次のように行われる。シミュレーション部１９は、ダイナミクスモデルを用いて、ワーク側構造物と工具側構造物の一方または両方に対して切削力が作用した時に発生する構造物内で発生する相対変位を算出する。シミュレーション部１９は、算出した構造物内の相対変位と各駆動軸２１，２２の位置から工具の位置偏差を算出するとともに、各駆動軸２１，２２にかかる外乱力を算出する。ここで、工具の位置偏差とは、工具に切削力が発生していない状態における工具の位置と、工具に切削力が発生している状態における工具の位置との差である。
【０１２１】
加工プロセスの再現は次のように行われる。シミュレーション部１９は、加工条件と加工プロセスモデルを用いて、ワークに対する工具の位置偏差および工具回転角度から工具刃先の軌跡を算出する。工具刃先の軌跡から切り取り厚さを算出し、切り取り厚さに応じた切削力を算出する。なお、ここで算出された切削力は同定部１７ａへ出力される。
【０１２２】
上記の通り、ダイナミクスモデルで使用する切削力は加工プロセスモデルにより算出され、加工プロセスで使用する工具の位置偏差はダイナミクスモデルにより算出される。したがって、シミュレーション部１９では、ダイナミクスモデルを用いた計算と加工プロセスモデルを用いた計算とを交互に繰り返すことで、時々刻々の機械ダイナミクスおよび加工プロセスを同時に再現することができる。換言すると、シミュレーション部１９は、モータ電流信号、エンコーダ信号および加工条件と、加工プロセスモデルとに基づいて、工具とワークの間で発生する切削力を再現するとともに、ダイナミクスモデルに基づいて切削力が発生したときに各駆動軸で生じる外乱力と、工具とワークの相対位置偏差を再現することができる。
【０１２３】
ここで、シミュレーション部１９で実行する機械ダイナミクスと加工プロセスの再現結果に基づいて指令値生成部１１ａで実行される補正処理について述べる。指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９が再現した工具の位置偏差を用いて、偏差分の移動量を各サーボ軸の駆動軸指令に追加する。この補正によって、工具の位置偏差に起因する寸法誤差を低減することができる。
【０１２４】
また、別の補正方法として、指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９で再現した各工具刃先による切り取り厚さを比較して、各刃先が生じる切り取り厚さの最大値が等しくなるように１刃あたりの送り量または各サーボ軸位置を補正してもよい。この補正によって、切り取り厚さの変化によって生じる工具刃先の振動を低減することができる。また、別の補正方法として、指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９が再現した切削力を用いて、一定時間内における最大値または平均値を算出し、この算出結果が予め定められた切削力上限値を超過する場合には、１刃あたりの送り量を低減させてもよい。この補正によって、切削力を切削力上限値以下に制限することができる。切削力の超過による工具の破損を回避することができる。
【０１２５】
また、別の補正方法として、指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９が再現した切削力を用いて、工具が１回転する間に各刃先が生じる切削力を比較し、各刃先が生じる切削力の最大値が等しくなるように１刃あたりの送り量または主軸回転数を補正してもよい。この補正によって、特定の刃先にかかる切削力が低減され、各刃先に対して均等に切削力を発生させることができる。
【０１２６】
また、別の補正方法として、指令値生成部１１ａは、シミュレーション部１９で再現した工具刃先の軌跡から加工面粗さを算出し、加工面粗さが予め定められた加工面粗さ上限値を超過する場合には、１刃あたりの送り量を低減させてもよい。この補正によって、加工面粗さが加工面粗さ上限値以下となる仕上げ加工面が形成される。なお、以上に述べた補正処理のうち複数の処理を組み合わせても構わない。
【０１２７】
以上説明したように、実施の形態６の数値制御システム１ｂは、ＮＣプログラムに記述されたタイミングまたは加工状態が変化したと判定されたタイミングで動特性パラメータと加工プロセスパラメータを同定し、さらにシミュレーションで機械ダイナミクスと加工プロセスを再現し、再現結果に基づいて指令値生成部が駆動軸指令を補正する構成である。このため、以下の効果を奏する。
【０１２８】
同定部１７ａが同定指令を受けて処理を実行することで、数値制御システム１ｂはＮＣプログラムによって指定されたタイミングで、動特性パラメータと加工プロセスパラメータを同定することができる。したがって、同一ＮＣプログラム中に加工状態が変化しても、ＮＣプログラムに記述されたタイミングで動特性パラメータと加工プロセスパラメータを同定することができる。
【０１２９】
さらに、同定部１７ａが推定外乱力と再現外乱力とを比較することで、ダイナミクスモデルと加工プロセスモデルの特性を決定する動特性パラメータと加工プロセスパラメータの検証が可能になる。したがって、機械ダイナミクスまたは加工プロセスが変化した場合には、シミュレーション部が推定外乱力と比較して正しく外乱力を再現できるように、その都度同定処理を実行することができる。さらに、シミュレーション部１９が機械ダイナミクスと加工プロセスを再現することで、リアルタイムに加工プロセスを変更することができる。
【０１３０】
このため、本実施の形態６で説明した数値制御システム１ｂは、ＮＣプログラムに指示されたタイミングに加え、ＮＣプログラムに指示されないタイミングで機械ダイナミクスまたは加工プロセスが変化した場合にも同定処理を実行することができる。この同定処理から得られる動特性パラメータと加工プロセスパラメータによって特性が決定されたダイナミクスモデルと加工プロセスモデルを用いて、シミュレーションを実行することで、指令値生成部は各駆動軸に対してシミュレーション結果に基づいた補正を加えることができる。
【０１３１】
図１９は、本実施の形態６の数値制御システムの別の構成例を示すブロック図である。図１８に示した例では、駆動軸２１，２２から取得できるエンコーダ信号により示されるフィードバック位置をシミュレーション部１９に入力する構成としたが、図１９に示す構成例では、フィードバック位置の替わりに駆動軸制御部１３，１５のそれぞれの内部で生成された指令位置を、シミュレーション部１９に入力する。シミュレーション部１９は、フィードバック位置の替わりに駆動軸制御部１３，１５のそれぞれの内部で生成された指令位置を用いて、図１８に示した構成例のシミュレーション部１９と同様にシミュレーションを実施する。図１９に示した構成例における動作は、以上述べた点以外は、図１８に示した構成例における動作と同様である。図１９では、図１８に示した機能を有する構成要素には同一の符号を付している。図１９に示した構成とすることでも、図１８に示した数値制御システム１ｂと同等の効果を奏することができる。
【０１３２】
実施の形態７．
図２０は、本発明の実施の形態７にかかる数値制御システムの構成例を示すブロック図である。実施の形態７の数値制御システム１ｃは、実施の形態２の数値制御システム１ａにシミュレーション部１９を追加する。これら以外は、実施の形態７の数値制御システム１ｃは、実施の形態２の数値制御システム１ａと同様である。実施の形態２および実施の形態６と同様の機能を有する構成要素は実施の形態２と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【０１３３】
このように、本実施の形態７では、加速度センサおよび外乱推定部１４，１６を用いずに力センサ２３を用いて、実施の形態１と同様に、動特性パラメータと加工プロセスパラメータを算出する。さらに、ＮＣプログラムに記述されたタイミングまたは加工状態が変化したと判定されたタイミングで動特性パラメータと加工プロセスパラメータを同定し、さらにシミュレーションで機械ダイナミクスと加工プロセスを再現し、再現結果に基づいて指令値生成部が駆動軸指令を補正する構成である。これにより、実施の形態６と同様の効果を奏することができる。
【０１３４】
図２１は、本実施の形態７の数値制御システムの別の構成例を示すブロック図である。図２０に示した例では、駆動軸２１ａ，２２ａから取得できるエンコーダ信号により示されるフィードバック位置をシミュレーション部１９に入力する構成としたが、図２１に示す構成例では、フィードバック位置の替わりに駆動軸制御部１３，１５のそれぞれの内部で生成された指令位置を、シミュレーション部１９に入力する。シミュレーション部１９は、フィードバック位置の替わりに駆動軸制御部１３，１５のそれぞれの内部で生成された指令位置を用いて、図２０に示した構成例のシミュレーション部１９と同様にシミュレーションを実施する。図２１に示した構成例における動作は、以上述べた点以外は、図２０に示した構成例における動作と同様である。図２１では、図２０に示した機能を有する構成要素には同一の符号を付している。図２１に示した構成とすることでも、図２０に示した数値制御システム１ｃと同等の効果を奏することができる。
【０１３５】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１３６】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  数値制御システム、２，２ａ  工作機械、１１，１１ａ  指令値生成部、１２  座標変換部、１３，１５  駆動軸制御部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１６  外乱推定部、１７，１７ａ  同定部、１８  記憶部、２１，２１ａ，２２，２２ａ  駆動軸、２３  力センサ、３１  テーブル、３２  ワーク、３３  工具、１００  モータ制御装置、２１１，２２１  加速度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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