(57)【要約】【課題】付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージに適用して好適な加工力推定の技術を実現すること。【解決手段】ワークＷが積載されたステージ２６と、モータ２１と、ボールねじ２４とを含むボールねじ駆動ステージ１３に対して、コントローラ１１は制御を実行する。即ち、位置制御器１０１は、出力情報として負荷のｘ方向の位置ｘｔを取得すると共に、状態情報としてモータ２１の回転角θｍを取得し、出力情報及び状態情報に基づいて、負荷のｘ方向の位置を制御すべく、入力情報として電流参照値Ｉａｒｅｆを変化させる。切削力オブザーバ１０３は、出力情報と状態情報と入力情報とをパラメータとして用いる、ボールねじ駆動ステージ１３の多慣性系モデルに基づいて、切削工具ＤによるワークＷに対する切削力を推定する。【選択図】図３
2015143969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の加工具又はそのワークが積載されたステージを負荷として駆動する駆動機構であって、電流に応じたトルクを発生するモータと、前記モータにおける回転運動を所定方向の直線運動に変換して当該所定方向に前記負荷を移動させる直動機構とを含む駆動機構に対して、制御を実行する工作機械制御装置において、
前記駆動機構の出力情報として前記負荷の前記所定方向の位置を取得すると共に、前記駆動機構の内部の状態を示す状態情報として前記モータの回転角を取得し、当該出力情報及び当該状態情報に基づいて、前記駆動機構の入力情報としての前記電流の指令値を変化させることで、前記負荷の前記所定方向の位置を制御する位置制御手段と、
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とをパラメータとして用いる、前記駆動機構の多慣性系モデルに基づいて、前記加工具による前記ワークに対する加工力を推定する加工力推定手段と、
を備える工作機械制御装置。
【請求項２】
前記加工力推定手段は、さらに、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタを用いて、前記加工力を推定する、
請求項１に記載の工作機械制御装置。
【請求項３】
前記ローパスフィルタは、バターワースフィルタである、
請求項２に記載の工作機械制御装置。
【請求項４】
前記加工力推定手段は、さらに、前記多慣性系モデルに含まれる擬似微分による遅れ、及び、前記モータのトルクの電気的遅れを補償する遅れ補償用フィルタを用いて、前記加工力を推定する、
請求項１〜３のうち何れか１項に記載の工作機械制御装置。
【請求項５】
前記加工力推定手段は、さらに、むだ時間要素を用いて、前記加工力を推定する、
請求項４に記載の工作機械制御装置。
【請求項６】
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とに基づいて外乱を推定し、推定した当該外乱に基づいて前記電流の指令値を補償する補償手段、
をさらに備える請求項１〜５のうち何れか１項に記載の工作機械制御装置。
【請求項７】
前記加工力推定手段は、前記状態情報として、前記直動機構において直線運動に変換された回転角をさらに用いる請求項１〜６のうち何れか１項に記載の工作機械制御装置。
【請求項８】
工作機械の加工具又はそのワークが積載されたステージを負荷として駆動する駆動機構であって、電流に応じたトルクを発生するモータと、前記モータにおける回転運動を所定方向の直線運動に変換して当該所定方向に前記負荷を移動させる直動機構とを含む駆動機構に対して、工作機械制御装置が実行する工作機械制御方法であって、
前記駆動機構の出力情報として前記負荷の前記所定方向の位置を取得すると共に、前記駆動機構の内部の状態を示す状態情報として前記モータの回転角を取得し、当該出力情報及び当該状態情報に基づいて、前記駆動機構の入力情報としての前記電流の指令値を変化させることで、前記負荷の前記所定方向の位置を制御する位置制御ステップと、
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とをパラメータとして用いる、前記駆動機構の多慣性系モデルに基づいて、前記加工具による前記ワークに対する加工力を推定する加工力推定ステップと、
を含む工作機械制御方法。
【請求項９】
工作機械の加工具又はそのワークが積載されたステージを負荷として駆動する駆動機構であって、電流に応じたトルクを発生するモータと、前記モータにおける回転運動を所定方向の直線運動に変換して当該所定方向に前記負荷を移動させる直動機構とを含む駆動機構に対して制御を実行するコンピュータに、
前記駆動機構の出力情報として前記負荷の前記所定方向の位置を取得すると共に、前記駆動機構の内部の状態を示す状態情報として前記モータの回転角を取得し、当該出力情報及び当該状態情報に基づいて、前記駆動機構の入力情報としての前記電流の指令値を変化させることで、前記負荷の前記所定方向の位置を制御する位置制御ステップと、
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とをパラメータとして用いる、前記駆動機構の多慣性系モデルに基づいて、前記加工具による前記ワークに対する加工力を推定する加工力推定ステップと、
を含む制御処理を実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージに適用して好適な加工力推定の技術を実現可能な、工作機械制御装置、工作機械制御方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
切削や研削を行う工作機械においては、加工中の振動や工具の状態を判断するために、切削力等の加工力を監視することが有用である。従来、加工力を監視するために、力センサ等の付加的なセンサを用いる技術が一般的に採用されている。
しかしながら、このような一般的な技術では、コストの増加や機械剛性の低下を招く。
このため、本発明者らは、付加的なセンサを不要とする加工力推定の技術を開発済みである（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の加工力推定の技術は、リニアモータステージに適用して好適であるものの、工作機械の駆動機構として広く採用されているボールねじ駆動ステージに適用して好適であるとまでは言い難かった。
このため、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージに適用して好適な加工力推定の技術の実現が要望されている。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージに適用して好適な加工力推定の技術を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面の工作機械制御装置は、
工作機械の加工具又はそのワークが積載されたステージを負荷として駆動する駆動機構であって、電流に応じたトルクを発生するモータと、前記モータにおける回転運動を所定方向の直線運動に変換して当該所定方向に前記負荷を移動させる直動機構とを含む駆動機構に対して、制御を実行する工作機械制御装置である。
そして、本発明の一側面の工作機械制御装置は、
前記駆動機構の出力情報として前記負荷の前記所定方向の位置を取得すると共に、前記駆動機構の内部の状態を示す状態情報を取得し、当該出力情報及び当該状態情報に基づいて、前記駆動機構の入力情報としての前記電流の指令値を変化させることで、前記負荷の前記所定方向の位置を制御する位置制御手段と、
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とをパラメータとして用いる、前記駆動機構の多慣性系モデルに基づいて、前記加工具による前記ワークに対する加工力を推定する加工力推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
ここで、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記加工力推定手段は、さらに、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタを用いて、前記加工力を推定する、
こともできる。
【０００８】
また、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記ローパスフィルタは、バターワースフィルタである、
こともできる。
【０００９】
さらに、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記加工力推定手段は、さらに、前記多慣性系モデルに含まれる擬似微分による遅れ、及び、前記モータのトルクの電気的遅れを補償する遅れ補償用フィルタを用いて、前記加工力を推定する、
ようにすることもできる。
【００１０】
また、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記加工力推定手段は、さらに、むだ時間要素を用いて、前記加工力を推定する、
こともできる。
【００１１】
さらにまた、本発明の一側面の工作機械制御装置は、
前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とに基づいて外乱を推定し、推定した当該外乱に基づいて前記電流の指令値を補償する補償手段、
をさらに備えることもできる。
【００１２】
また、本発明の一側面の工作機械制御装置においては、
前記加工力推定手段は、前記状態情報として、前記直動機構において直線運動に変換された回転角をさらに用いる、
こともできる。
【００１３】
また、本発明の一側面の工作機械制御方法及びプログラムの夫々は、上述の本発明の一側面の工作機械制御装置に対応する方法及びプログラムの夫々である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージに適用して好適な加工力推定の技術を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の工作機械制御装置の第１実施形態に係るコントローラを含む、工作機械システムの概要を示す模式図である。
【図２】図１の工作機械システムのうちコントローラのハードウェアの構成を示すブロック図である。
【図３】図２のコントローラの機能的構成のうち、位置制御及び切削力推定を実行する場合の機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明が適用される切削力推定手法の概要を説明するための図であって、図１の工作機械システムで切削を行う際にボールねじ駆動ステージに作用する力を示した図である。
【図５】図３のコントローラのうち、切削力オブザーバの詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図６】図１の工作機械システムのシミュレーションの結果であって、入力周波数に対する切削力の推定値のゲイン特性を示す図である。
【図７】図１の工作機械システムの実機による試験のうち、送り速度が一定であって工具回転速度の指令を低速にした場合の実機による試験の結果を示す図である。
【図８】図１の工作機械システムの実機による試験のうち、送り速度が一定であって工具回転速度の指令を高速にした場合の実機による試験の結果を示す図である。
【図９】図１の工作機械システムの実機による試験として加減速を伴う送り速度の試験をした際に採用した、当該送り速度の時間推移を示す図である。
【図１０】図１の工作機械システムの実機による試験のうち、加減速を伴う送り速度であって工具回転速度の指令を低速にした場合の実機による試験の結果を示す図である。
【図１１】図１の工作機械システムの実機による試験のうち、加減速を伴う送り速度であって工具回転速度の指令を高速にした場合の実機による試験結果を示す図である。
【図１２】第２実施形態に係る切削力オブザーバの詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図１３】第２実施形態に係る信号間における伝達関数の理論計算結果を示すボード線図である。
【図１４】第２実施形態に係る推定に用いられる信号の計測値の一例を示す図である。
【図１５】第２実施形態に係るむだ時間要素を用いた遅れ補償の有無による推定精度の比較結果を示す図である。
【図１６】第２実施形態に係るむだ時間要素を用いた遅れ補償を行った場合の１慣性系と２慣性系との推定精度の比較結果を示す図である。
【図１７】第３実施形態に係るボールねじ駆動ステージの構成と共に、コントローラの機能的構成を示すブロック図である。
【図１８】第３実施形態に係るボールねじ駆動ステージに作用する力を示した図である。
【図１９】第３実施形態に係る切削力オブザーバの詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図２０】第３実施形態に係る切削力オブザーバを１慣性系、２慣性系及び３慣性系として設計したときの切削力の推定結果を比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の工作機械制御装置の一実施形態に係るコントローラ１１を含む、工作機械システム１の概要を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の工作機械システム１は、コントローラ１１と、サーボアンプ１２と、ボールねじ駆動ステージ１３とを備えている。
【００１９】
コントローラ１１は、サーボアンプ１２を介して、ボールねじ駆動ステージ１３に対して位置制御を実行すると共に、後述の切削力を推定することができる制御装置（サーボコントローラ）である。
【００２０】
サーボアンプ１２は、ボールねじ駆動ステージ１３を駆動するためのモータ２１に対して、コントローラ１１からの指令値に応じた電流Ｉａを流すことで、当該モータ２１のトルクの大きさを制御するドライブ装置である。なお、以下、モータ２１のトルクを、摩擦トルクと区別すべく、「モータトルク」と呼ぶ。
【００２１】
ボールねじ駆動ステージ１３は、モータ２１と、ロータリエンコーダ２２と、カップリング２３と、ボールねじ２４と、ベアリング２５と、ステージ２６と、リニアエンコーダ２７と、を備える。
【００２２】
モータ２１は、サーボアンプ１２からの電流Ｉａに応じたモータトルクを発することで、カップリング２３を介してボールねじ２４のねじ軸を回転駆動する。
ロータリエンコーダ２２は、モータ２１の回転角θｍを検出し、当該回転角θｍを、ボールねじ駆動ステージ１３の内部の状態を示す情報（以下、「状態情報」と呼ぶ）として、サーボアンプ１２を介してコントローラ１１にフィードバックする。
カップリング２３は、モータ２１の回転軸の一端と、ボールねじ２４のねじ軸の一端を接続する。
ボールねじ２４は、ねじ軸の両端がベアリング２５に支軸され、ナットがステージ２６に取り付けられ、モータ２１からカップリング２３を介して伝達された回転運動を直線運動に変換することで、当該ステージ２６をねじ軸に沿って移動させる。
なお、以下、ボールねじ２４のねじ軸に平行な方向（図１中横方向）を、「ｘ方向」と呼ぶ。
ベアリング２５は、ボールねじ２４のねじ軸を支持する。
ステージ２６は、後述の図３に示すワークＷを積載し、ボールねじ２４によりｘ方向に移動する。
リニアエンコーダ２７は、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔを検出して、当該位置ｘｔを、ボールねじ駆動ステージ１３の出力情報として、コントローラ１１にフィードバックする。
【００２３】
図２は、図１の工作機械システム１のうちコントローラ１１のハードウェアの構成を示すブロック図である。
【００２４】
コントローラ１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）３１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）３２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）３３と、バス３４と、入出力インターフェース３５と、入力部３６と、出力部３７と、記憶部３８と、通信部３９と、ドライブ４０とを備えている。
【００２５】
ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記録されているプログラム、又は、記憶部３８からＲＡＭ３３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。
ＲＡＭ３３には、ＣＰＵ３１が各種の処理を実行する上において必要なデータ等も適宜記憶される。
【００２６】
ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２及びＲＡＭ３３は、バス３４を介して相互に接続されている。このバス３４にはまた、入出力インターフェース３５も接続されている。入出力インターフェース３５には、入力部３６、出力部３７、記憶部３８、通信部３９、及びドライブ４０が接続されている。
【００２７】
入力部３６は、キーボードやマウス等で構成され、ユーザの指示操作に応じて各種情報を入力する。
出力部３７は、ディスプレイやスピーカ等で構成され、画像や音声を出力する。
記憶部３８は、ハードディスク等で構成され、各種情報のデータを記憶する。
通信部３９は、ネットワークを介して他の端末（図示せず）との間で行う通信を制御すると共に、本実施形態では図１に示すように、サーボアンプ１２に対する指令値を出力したり、フィードバック情報をサーボアンプ１２又はリニアエンコーダ２７から入力するための通信を制御したりする。
【００２８】
ドライブ４０には、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリ等よりなる、リムーバブルメディア５１が適宜装着される。ドライブ４０によってリムーバブルメディア５１から読み出されたプログラムは、必要に応じて記憶部３８にインストールされる。また、リムーバブルメディア５１は、記憶部３８に記憶されている各種データも、記憶部３８と同様に記憶することができる。
【００２９】
図３は、図２のコントローラ１１の機能的構成のうち、位置制御及び切削力推定を実行する場合の機能的構成を示す機能ブロック図である。
【００３０】
コントローラ１１により位置制御及び切削力推定が実行される場合には、図３に示すように、位置制御器１０１と、外乱オブザーバ１０２と、切削力オブザーバ１０３とを含む機能ブロックが、ＣＰＵ３１等（図２）において機能する。
【００３１】
コントローラ１１による位置制御が実行されると、ワークＷが積載されたステージ２６は、ｘ方向に移動し、独立に設置されたｚ軸ステージ（図示はしないが、ｘ軸のステージ２６と同様の構成を取り、ｚ軸方向の力推定が可能）に取り付けられた工具スピンドルＣの位置を調整し、当該ワークＷが切削工具Ｄにより切削される。
【００３２】
具体的にはこのような位置制御は、コントローラ１１のうち主に位置制御器（ＰＩＤコントローラ＋フィードフォワード機能を含む）１０１において実行される。
即ち、位置制御器１０１は、モータ２１の回転角θｍを状態情報として、ロータリエンコーダ２２から（図３に図示せぬサーボアンプ１２を介して）取得すると共に、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔを出力情報としてリニアエンコーダ２７から取得する。位置制御器１０１は、これらの状態情報及び出力情報に基づいて、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔを制御すべく、モータ２１の電流Ｉａの指令値を出力する。
【００３３】
ここで、位置制御器１０１から出力された指令値自体を、ボールねじ駆動ステージ１３に対する入力情報として採用してもよい。
しかしながら、本実施形態では、位置制御器１０１から出力された指令値に対して、外乱オブザーバ１０２により生成された補償電流が加算された値が、入力情報として採用されている。なお、以下、入力情報となる、モータ２１の電流Ｉａの指令値を、特に「電流参照値Ｉａｒｅｆ」と呼ぶ。
【００３４】
即ち、外乱オブザーバ１０２は、電流参照値Ｉａｒｅｆ（入力情報）、モータ２１の回転角θｍ（状態情報）、及びステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ（出力情報）に基づいて外乱を推定し、当該外乱を補償してシステムのロバスト性を高めるための補償トルクを生成する。このようにして外乱オブザーバ１０２により生成された補償トルクは、図３に示すように（１／Ｋｔ）倍されることで補償電流となる。
なお、外乱オブザーバ１０２のさらなる詳細については、本出願人により既に出願されて公開された特開２０１０−２７１８８０号公報を参照するとよい。
【００３５】
このような本実施形態の位置制御が実行されて、ステージ２６に積載されたワークＷがｘ方向に移動して切削工具Ｄの刃に当切すると、切削工具Ｄは切削力Ｆｃｕｔを発生して、当該切削力によりワークＷを切削する。
切削力オブザーバ１０３は、この切削力Ｆｃｕｔを推定する。
ここで、本実施形態のボールねじ駆動ステージ１３に対する位置制御としては、モータ２１の回転角θｍ（状態情報）がフィードバックされるのみならず、ステージ２６のｘ方向の位置ｘ（出力情報）もリニアエンコーダ２７により直接検出されてフィードバックされる制御、即ちフルクローズド制御が採用されている。
従って、切削力オブザーバ１０３は、ボールねじ駆動ステージ１３の内部情報、即ち、電流参照値Ｉａｒｅｆ（入力情報）、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ（出力情報）、及びモータ２１の回転角θｍ（状態情報）を用いて、切削力Ｆｃｕｔを推定することができる。このように、切削力オブザーバ１０３は、これら３つの内部情報を用いることで、従来の入出力情報だけを用いる外乱オブザーバによる切削力推定手法と比較して、推定精度を著しく向上することができる。
【００３６】
さらに以下、このような切削力オブザーバ１０３に採用された切削力推定手法、即ち、本発明が適用される切削力推定手法について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明が適用される切削力推定手法の概要を説明するための図であって図３等の工作機械システム１で切削を行う際にボールねじ駆動ステージ１３に作用する力を示した図である。
【００３７】
図４においては、ボールねじ駆動ステージ１３は、回転系のモータ２１と、その負荷たる直動系のステージ２６（ワークＷが積載された状態）とを慣性とする、２慣性系モデルとして表現されている。そして、モータ２１のモータトルクＫｔ×Ｉａ（Ｋｔはトルク定数）による回転移動に対して摩擦トルクＴｆｒｉｃが存在し、かつ、ステージ２６のｘ方向への直動に対して摩擦力Ｆｆｒｉｃが存在することが前提とされている。
このような前提の下、モータ２１の軸の回転運動が、ボールねじ２４（図３等）において、そのねじ軸に平行なｘ方向の直線運動に変換されて、質量Ｍｔの負荷（ワークＷが積載されたステージ２６）が移動量ｘｔだけ移動する。その際、ワークＷに対して切削工具Ｄが切り込むことにより、切削力Ｆｃｕｔが生ずる。
【００３８】
このような図４の２慣性系モデルについての運動方程式は、次の式（１）及び（２）に示されるようになる。
【数１】
2015143969.tif 000003
【００３９】
式（１）及び式（２）において、Ｊｒは慣性モーメントを、Ｋｒはボールねじ２４のねじ軸の軸方向剛性を、Ｒは回転系と直動系の変換係数を、夫々示している。また、式（１）において、ｒｅｆが右上添え字として付されたＩａは、電流参照値Ｉａｒｅｆを示している。
【００４０】
さらに、式（１）と式（２）を連立することで、反力の項を消去することができ、切削力Ｆｃｕｔは、次の式（３）に示されるようになる。
【数２】
2015143969.tif 000004
【００４１】
さらに、予め推定された摩擦トルクＴｆｒｉｃ及び摩擦力Ｆｆｒｉｃを用い、かつ、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタを用いることで、切削力Ｆｃｕｔの推定値は、次の式（４）に示されるようになる。即ち、式（４）に従って切削力Ｆｃｕｔを推定する機能ブロックが、図３の切削力オブザーバ１０３である。
【数３】
2015143969.tif 000005
式（４）においては、推定値を示すパラメータには、推定であることを示す「ハット」が付されている。ｇｃｕｔは、切削力オブザーバ１０３の遮断周波数を示しており、各パラメータの右下添え字ｎは、ノミナル値を示す。
【００４２】
上述したように、本実施形態の位置制御はフルクローズド制御であるため、コントローラ１１は、電流参照値Ｉａｒｅｆ（入力情報）及びモータ２１の回転角θｍ（状態情報）に加えて、リニアエンコーダ２７（図３）から供給されるステージ２６の位置ｘｔ（出力情報）も測定できる。
これにより、コントローラ１１の切削力オブザーバ１０３は、式（４）に従って、力センサ等の付加的なセンサを用いることなく、ボールねじ駆動ステージ１３における切削力Ｆｃｕｔを精度よく推定することができる。
さらに、本実施形態では、上述したように外乱オブザーバ１０２（図３）も設けられている。この外乱オブザーバ１０２によるキャンセレーションにより、パラメータ変動の影響を低減することができ、その結果、切削力オブザーバ１０３の推定精度がさらに向上する。
【００４３】
図５は、このような切削力オブザーバ１０３の詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
【００４４】
電流参照値Ｉａｒｅｆ（入力情報）は、機能ブロック１１１を経由して機能ブロック１１２を通過することで、モータトルクＴｍ（＝Ｋｔｎ×Ｉａ）の推定値として、機能ブロック１１５に供給される。
ここで、機能ブロック１１１は、モデルに含まれる擬似微分による遅れを補償する機能ブロック１３１と、モータトルクＴｍの電気的遅れ（ｗｃｃを電流制御系の帯域幅とした一次遅れ）を補償する機能ブロック１３２とを有している。即ち、機能ブロック１１１は、モデルに含まれる擬似微分による遅れ、及びモータトルクＴｍの電気的遅れを補償する遅れ補償用フィルタとして機能する。このような遅れ補償用フィルタを適用することにより、高周波成分の推定精度がさらに向上する。
【００４５】
モータ２１の回転角θｍ（状態情報）は、機能ブロック１１３及び機能ブロック１１４を通過することで、２階微分されて慣性モーメントＪｒが乗算される。
【００４６】
機能ブロック１１５において、機能ブロック１１２の出力から機能ブロック１１４の出力が減算され、さらに、機能ブロック１１６において（１／Ｒｎ）倍されることで、式（４）の中かっこ内の第１項が演算される。
【００４７】
ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ（出力情報）は、機能ブロック１１７及び機能ブロック１１８を通過することで、２階微分されて質量Ｍｔが乗算される。即ち、式（４）の中かっこ内の第２項が演算される。
【００４８】
機能ブロック１１９において、機能ブロック１１６の出力である式（４）の中かっこ内の第１項から、機能ブロック１１８の出力である式（４）の中かっこ内の第２項が減算され、さらに、機能ブロック１２０において、式（４）の中かっこ内の第３項の値１２１（予め推定された値１２１）が減算されることで、式（４）の中かっこが演算される。
機能ブロック１２０の出力（式（４）の中かっこの演算値）は、機能ブロック１２２を通過することで高周波ノイズが抑制され、切削力Ｆｃｕｔの推定値として出力される。即ち、機能ブロック１２２は、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタとして機能する。
【００４９】
以上、図１〜図５を参照して、本実施形態の工作機械システム１について説明した。
本発明人らは、このような本実施形態の工作機械システム１における切削力オブザーバ１０３の有効性を検証すべく、シミュレーションと、実機による試験とを行った。
先ず、図６を参照してシミュレーションについて説明し、次に、図７〜図１１を参照して実機による試験について説明する。
【００５０】
図６は、シミュレーションの結果であって、入力周波数に対する切削力Ｆｃｕｔの推定値のゲイン特性を示す図である。
図６において、実線の「Ｐｒｏｐｏｓｅｄ  ｍｅｔｈｏｄ」が、本実施形態の切削力オブザーバ１０３の特性を示している。点線の「Ｐｒｅｖｉｏｕｓ  ｍｅｔｈｏｄ」が、従来の切削力オブザーバの特性を示している。ここで、従来の切削力オブザーバとは、ボールねじ駆動ステージ１３の運動を１慣性系とみなしてモデル化し、入力情報及び出力情報のみを用いて切削力推定をしたものをいう（状態情報は含まない）。
本実施形態の切削力オブザーバ１０３及び従来の切削力オブザーバの遮断周波数ｇｃｕｔは、３０００ｒａｄ／ｓとした。
また、ボールねじ駆動ステージ１３のねじ軸の方向（ｘ方向）の共振周波数ωｓは、４４５Ｈｚである。
共振周波数ωｓにおいて、従来の切削力オブザーバではゲインが高くなる（ピークを持つ）のに対して、本実施形態の切削力オブザーバ１０３ではゲインは高くなっていない（ピークを持たない）。
このように、本実施形態の切削力オブザーバ１０３は、共振の影響を受けることない切削力Ｆｃｕｔの推定、即ちより高帯域な切削力Ｆｃｕｔの推定をすることができる。
【００５１】
次に、図７〜図１１を参照して実機による試験について説明する。
【００５２】
先ず、本発明者らは、ステージ２６の送り速度を一定にして、切削工具Ｄにエンドミルを用いて、工具スピンドルCの指令を低速の１０００ｍｉｎ−１にした場合と高速の１００００ｍｉｎ−１した場合との夫々について、実機による溝加工試験をした。
図７は、送り速度が一定であって工具回転の指令を低速の１０００ｍｉｎ−１にした場合の実機による試験結果を示している。
図８は、送り速度が一定であって工具回転の指令を高速の１００００ｍｉｎ−１にした場合の実機による試験結果を示している。
【００５３】
図７及び図８において、実線の「本手法」が、本実施形態の切削力オブザーバ１０３の切削力Ｆｃｕｔの推定値を、点線の「従来法」が、従来の切削力オブザーバの切削力Ｆｃｕｔの推定値を、一点鎖線の「実測値」が、力センサによる切削力Ｆｃｕｔの測定値を、夫々示している。なお、これらの点については、後述する図１０及び図１１においても同様である。
【００５４】
図７に示すように、送り速度が一定の場合であって工具スピンドルＣの回転数の指令が低速の１０００ｍｉｎ−１の場合には、本実施形態の切削力オブザーバ１０３についても、従来の切削力オブザーバについても、切削力Ｆｃｕｔの推定値は実測値に近く、推定精度はさほど変わりはない。
しかしながら、図８に示すように、送り速度が一定の場合であって工具スピンドルＣの回転数の指令が高速の１００００ｍｉｎ−１になると、本実施形態の切削力オブザーバ１０３の方が、従来の切削力オブザーバと比較して、切削力Ｆｃｕｔの推定値が実測値に近くなること、即ち推定精度がより高くなることがわかる。
【００５５】
次に、本発明者らは、図９に示すようなステージ２６に加減速を伴う送り速度で、工具スピンドルＣの回転数の指令を低速の１０００ｍｉｎ−１にした場合と高速の１００００ｍｉｎ−１した場合との夫々について、切削工具Ｄにエンドミルを用いて実機による溝加工試験をした。
【００５６】
図９は、ステージ２６に与えた送り速度の時間推移を示している。図９に示すように、送り速度の波形としては、平均値が３０ｍｍ／ｍｉｎであって、変動幅が約２０ｍｍ／ｍｉｎである、５Ｈｚの正弦波が採用された。このように加減速を伴う送り速度を指令値として採用することは、制御系が慣性力を受けることを意味する。従って、本試験により、慣性力にどれだけ影響されずに切削力Ｆｃｕｔを精度よく推定できるのかについて検証することができる。
【００５７】
図１０は、加減速を伴う送り速度であって工具スピンドルＣの回転数の指令を低速の１０００ｍｉｎ−１にした場合の実機による試験結果を示している。
図１１は、加減速を伴う送り速度であって工具スピンドルＣの回転数の指令を高速の１００００ｍｉｎ−１にした場合の実機による試験結果を示している。
【００５８】
図１０に示すように、加減速を伴う送り速度であって工具スピンドルＣの回転数の指令が低速の１０００ｍｉｎ−１の場合には、本実施形態の切削力オブザーバ１０３についても、従来の切削力オブザーバについても、切削力Ｆｃｕｔの推定値は実測値に近く、推定精度はさほど変わりはない。即ち、本実施形態の切削力オブザーバ１０３についても、従来の切削力オブザーバについても、慣性力の影響を受けずに切削力Ｆｃｕｔを精度よく推定できている。
しかしながら、図１１に示すように、加減速を伴う送り速度であって工具スピンドルＣの回転数の指令が高速の１００００ｍｉｎ−１になると、本実施形態の切削力オブザーバ１０３の方が、従来の切削力オブザーバと比較して、切削力Ｆｃｕｔの推定値が実測値に近くなること、即ち推定精度がより高くなることがわかる。換言すると、本実施形態の切削力オブザーバ１０３の方が、従来の切削力オブザーバよりも、慣性力がより正確に補償され、その結果として、切削力Ｆｃｕｔを精度よく推定できていることがわかる。
【００５９】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図面を用いて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。
本実施形態は、第１実施形態と比べて、遅れ補償性能及び高域ノイズ抑圧性能をさらに向上させる構成である。
【００６０】
図１２は、切削力オブザーバ１０３ａの詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
本実施形態では、第１実施形態と比べて、さらに、むだ時間要素の機能ブロック１２３、１２４及び１２５が設けられている。
【００６１】
これらのむだ時間要素は、制御系内の情報を取得する過程等で生じるむだ時間が大きいために、推定に用いられる信号（Ｉａ、θｍ、ｘｔ）間の位相差が大きく、第１実施形態の一次遅れフィルタでは十分に補正できない場合に用いられる。
なお、むだ時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、計測結果により同定して設定される。
【００６２】
また、本実施形態では、第１実施形態における一次遅れフィルタとしての機能ブロック１２２に替えて、６次のバターワースフィルタで構成される機能ブロック１２６が設けられている。これにより、高域のノイズ抑圧性能がさらに向上する。
【００６３】
図１３は、推定に用いられる信号（Ｉａ、θｍ、ｘｔ）間における伝達関数の理論計算結果を示すボード線図である。
状態情報（θｍ）と入力情報（Ｉａ）との伝達関数、及び出力情報（ｘｔ）と入力情報（Ｉａ）との伝達関数を比較すると、１００〜２００Ｈｚにおいて、位相差が０に近付いている。
【００６４】
図１４は、推定に用いられる信号の計測値の一例を示す図である。
この例は、１００Ｈｚの切削力を与えた場合のモータトルク、及びステージ２６のｘ方向への加速度の実験結果を示している。この場合、図１３で示したように、理想的な位相差はおよそ０であるが、むだ時間要素による遅れ補償を行わない場合、位相差が大きく生じている（ａ）。
【００６５】
そこで、切削力オブザーバ１０３ａは、位相が相対的に進んでいる方の信号（モータトルクＫｔ×Ｉａｒｅｆ）を遅延させて遅れ補償を行うことにより、位相差を０に近づけている（ｂ）。
切削力オブザーバ１０３ａは、モータ回転角度θｍについても同様に遅れ補償を行う。
【００６６】
図１５は、むだ時間要素を用いた遅れ補償の有無による推定精度の比較結果を示す図である。
主軸回転数４０００ｍｉｎ−１（周波数１３３Ｈｚ）のときの加工試験結果（実測値）に対して、切削力オブザーバ１０３ａによる推定値が描かれている。
【００６７】
遅れ補償がない場合は、位相のずれが生じると共に、この位相のずれに起因して推定値が増幅された（ａ）。一方、遅れ補償がある場合は、実測値に対して高精度な切削力推定が実現された（ｂ）。
【００６８】
図１６は、むだ時間要素を用いた遅れ補償を行った場合の１慣性系と２慣性系との推定精度の比較結果を示す図である。
主軸回転数６０００ｍｉｎ−１（周波数２００Ｈｚ）のときの加工試験結果（実測値）に対して、切削力オブザーバ１０３ａによる推定値が描かれている。
【００６９】
１慣性系の従来法（ａ）では、高回転数（６０００ｍｉｎ−１）での推定精度が十分ではなかったが、２慣性系の提案法（ｂ）では、高回転数においても高精度な切削力推定が実現された。
【００７０】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図面を用いて説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。
【００７１】
第１及び第２実施形態では、切削力の推定に用いる状態情報として、モータ２１の回転角θｍが採用されたが、状態情報の個数は特に１つに限定されない。例えば、ボールねじ２４のモータ２１とは反対側にロータリエンコーダを追加で設けて、当該ロータリエンコーダにより検出されるボールねじ２４のねじ軸の回転角を、モータ２１の回転角θｍと共に状態情報として入力してもよい。この場合、ボールねじ駆動ステージ１３を３慣性系のモデルとして表現することで、切削力の推定精度をさらに高めることができる。換言すると、制御対象は、２慣性系モデルに限定されず、多慣性系モデルとして表現してもよい。
ここでは、一例として３慣性系モデルを適用した場合を説明する。
【００７２】
図１７は、ボールねじ駆動ステージ１３ｂの構成と共に、コントローラ１１ｂの機能的構成を示すブロック図である。
【００７３】
ボールねじ駆動ステージ１３ｂは、ボールねじ２４を両端から、モータ２１及びモータ２８により回転駆動する構成であり、第１実施形態に対して、さらに、モータ２８と、ロータリエンコーダ２９とが追加された構成である。
【００７４】
位置制御器１０１ｂは、状態情報として、モータ２１の回転角θｍ１をロータリエンコーダ２２から、モータ２８の回転角θｍ２をロータリエンコーダ２２から取得すると共に、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔを出力情報としてリニアエンコーダ２７から取得する。位置制御器１０１ｂは、これらの状態情報及び出力情報に基づいて、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔを制御すべく、モータ２１の電流Ｉａ１の指令値及びモータ２８の電流Ｉａ２の指令値を出力する。
【００７５】
切削力オブザーバ１０３ｂは、ボールねじ駆動ステージ１３ｂの内部情報、即ち、電流参照値Ｉａ１ｒｅｆ及びＩａ２ｒｅｆ（入力情報）、ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ（出力情報）、並びにモータ２１の回転角θｍ１及びモータ２８の回転角θｍ２（状態情報）を用いて、切削力Ｆｃｕｔを推定する。このように、切削力オブザーバ１０３ｂは、これらの内部情報を用いることで、切削力の推定精度を著しく向上することができる。
【００７６】
さらに以下、このような切削力オブザーバ１０３ｂに採用された切削力推定手法、即ち、本発明が適用される切削力推定手法について、図１８を参照して説明する。
図１８は、本発明が適用される切削力推定手法の概要を説明するための図であって図１７のボールねじ駆動ステージ１３ｂに作用する力を示した図である。
【００７７】
図１８においては、ボールねじ駆動ステージ１３ｂは、ねじ軸の両端のモータ２１及びモータ２８によって、ワークＷが積載されたステージ２６が駆動される方式が想定されている。弾性変形する要素として、ナット部分とねじ軸が挙げられ、ナットでの変形をばね定数（軸方向剛性）Ｋｒで、ねじ軸のねじり変形をねじり剛性Ｋｇでモデル化している。
このモデルは、モータ２１、モータ２８、ねじ軸及びステージ２６の４つのマスのうち、モータ２８及びねじ軸を、これらの間のねじり変形が微小（剛体）であると仮定して、モータＢの１つに代表させた３慣性モデルである。
【００７８】
ここで、モータＡ（モータ２１）の慣性モーメントはＪｍ１、モータＢの慣性モーメントは、ねじ軸及びモータ２８夫々の慣性モーメントを合算したＪｂ＋Ｊｍ２となる。
モータＡにおいて、モータトルクＫｔ１×Ｉａ１による回転運動（回転角θｍ１）に対してモータ内部での摩擦トルクＴｆｒｉｃ１が発生する。また、モータＢにおいて、モータトルクＫｔ２×Ｉａ２による回転運動（回転角θｍ２）に対してモータ内部での摩擦トルクＴｆｒｉｃ２及びナット内部での摩擦トルクＴｂが発生する。
【００７９】
この状況の下、ねじ軸の実回転量に相当するモータＢの回転運動（θｍ２）が、ボールねじ２４においてｘ方向の直線運動（Ｒθｍ２）に変換されて、質量Ｍｔの負荷（ワークＷが積載されたステージ２６）が移動量ｘｔだけ移動する。その際、ワークＷに対して切削工具Ｄが切り込むことにより、切削力Ｆｃｕｔ及び摩擦力Ｆｆｉｒｃが生ずる。
【００８０】
なお、図１７及び図１８においては、ねじ軸の両端のモータ２１及びモータ２８によって、ワークＷが積載されたステージ２６が駆動される構成としたが、工具スピンドルＣが駆動される構成であっても、被駆動体の質量をＭｔとして同様にモデル化できる。
【００８１】
このような図１８の３慣性系モデルについての運動方程式は、次の式（５）〜（７）に示されるようになる。
【数４】
2015143969.tif 000006
【００８２】
さらに、式（５）〜（７）を連立することで、反力の項を消去することができ、切削力Ｆｃｕｔは、次の式（８）に示されるようになる。
【数５】
2015143969.tif 000007
【００８３】
さらに、予め推定された摩擦トルクＴｂ、Ｔｆｒｉｃ１及びＴｆｒｉｃ２、並びに摩擦力Ｆｆｒｉｃを用い、かつ、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタを用いることで、切削力Ｆｃｕｔの推定値は、次の式（９）に示されるようになる。即ち、式（９）に従って切削力Ｆｃｕｔを推定する機能ブロックが、図１７の切削力オブザーバ１０３ｂである。
【数６】
2015143969.tif 000008
式（９）においては、推定値を示すパラメータには、推定であることを示す「ハット」が付されている。ｇｃｕｔは、切削力オブザーバ１０３ｂの遮断周波数を示しており、各パラメータの右下添え字ｎは、ノミナル値を示す。
【００８４】
図１９は、このような切削力オブザーバ１０３ｂの詳細な機能的構成を示す機能ブロック図である。
【００８５】
電流参照値Ｉａ１ｒｅｆ及びＩａ２ｒｅｆ（入力情報）は、夫々機能ブロック１１２ａ及び機能ブロック１１２ｂを通過することで、モータトルクＴｍ１（＝Ｋｔ１ｎ×Ｉａ１）及びモータトルクＴｍ２（＝Ｋｔ２ｎ×Ｉａ２）の推定値として、機能ブロック１１５ｂに供給される。
【００８６】
モータＡの回転角θｍ１（状態情報）は、機能ブロック１１４ａを通過することで、２階微分されて慣性モーメントＪｍ１が乗算される。
同様に、モータＢの回転角θｍ１２（状態情報）は、機能ブロック１１４ｂを通過することで、２階微分されて慣性モーメント（Ｊｂ＋Ｊｍ２）が乗算される。
【００８７】
機能ブロック１１５ｂにおいて、機能ブロック１１２ａ及び機能ブロック１１２ａの出力の合計から、機能ブロック１１４ａ及び機能ブロック１１４ｂの出力が減算され、さらに、機能ブロック１１６において（１／Ｒｎ）倍されることで、式（９）の大かっこ内の第１項が演算される。
【００８８】
ステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ（出力情報）は、機能ブロック１１８ｂを通過することで、２階微分されて質量Ｍｔが乗算される。即ち、式（９）の大かっこ内の第２項が演算される。
【００８９】
機能ブロック１１９において、機能ブロック１１６の出力である式（９）の大かっこ内の第１項から、機能ブロック１１８ｂの出力である式（９）の大かっこ内の第２項が減算され、さらに、機能ブロック１２０において、式（９）の大かっこ内の第３項及び第４項の値１２１ｂ（予め推定された値１２１ｂ）が減算されることで、式（９）の大かっこが演算される。
機能ブロック１２０の出力（式（９）の大かっこの演算値）は、機能ブロック１２２を通過することで高周波ノイズが抑制され、切削力Ｆｃｕｔの推定値として出力される。即ち、機能ブロック１２２は、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタとして機能する。
【００９０】
図２０は、切削力オブザーバを１慣性系、２慣性系及び３慣性系として設計したときの切削力の推定結果を比較して示す図である。
１慣性系モデル及び２慣性系モデルでは、２箇所ある共振周波数の近傍で影響を大きく受け、十分な精度で推定できる帯域が限られている。
【００９１】
一方３慣性系モデルでは、共振周波数の影響を受けることなく、より広い帯域で高精度な推定が可能である。このように、多慣性系における力推定では、運動の自由度に応じた推定手法を用いることで推定帯域が大幅に向上する。
【００９２】
本実施形態では、ねじ軸を２つのモータ２１及び２８により駆動する構成をモデル化したが、この他、例えば、図３のボールねじ２４のモータ２１とは反対側にあるベアリング２５の支持部にロータリエンコーダを追加で設けて、当該ロータリエンコーダにより検出されるボールねじ２４のねじ軸の回転角θｍ２を、モータ２１の回転角θｍ１と共に状態情報として入力する構成でもよい。この構成は、本実施形態のボールねじ駆動ステージ１３ｂにおける入力情報の１つである電流Ｉａ２＝０の場合に相当する。
【００９３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００９４】
例えば、上述のコントローラ１１による一連の処理は、本実施形態では、主にＣＰＵ３１（図２）により実行される処理としたが、特にこれに限定されず、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。
換言すると、上述した各部や各手段による一連の処理を全体として実行できる機能が工作機械システム１に備えられていれば足り、この機能を実現するためにどのように各機能ブロックを構成するのかについては特に限定されない。即ち、各機能ブロックは、図３や図５に示す形態に限定されず、図３又は図５に示す機能ブロックを任意に分割又は組み合わせたり、任意の機能の削除又は付加をしたりできる。また、各機能ブロックは、ハードウェア単体で構成してもよいし、ソフトウェア単体で構成してもよいし、それらの組み合わせで構成してもよい。
【００９５】
一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コントローラ１１等のコンピュータに対して、ネットワークや記録媒体からインストールされる。
コンピュータは、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータであってもよい。また、コンピュータは、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能なコンピュータ、例えば汎用のパーソナルコンピュータであってもよい。
【００９６】
このようなプログラムを含む記録媒体は、ユーザにプログラムを提供するために装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディア５１（図２）により構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体等で構成される。リムーバブルメディア５１は、例えば、磁気ディスク（フロッピディスクを含む）、光ディスク、又は光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｋ−Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ），ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等により構成される。光磁気ディスクは、ＭＤ（Ｍｉｎｉ−Ｄｉｓｋ）等により構成される。また、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体は、例えば、プログラムが記録されている図２のＲＯＭ３２や、ハードディスク等の記憶部３８で構成される。
【００９７】
また例えば、上述の実施形態ではワークＷを搭載可能なステージ２６が採用されたが、特にこれに限定されず、切削工具Ｄを積載可能なステージを採用してもよい。即ち、ステージは、ワークＷと切削工具Ｄとの相対位置が制御可能なものであれば、任意の構成を取ることができる。
【００９８】
また例えば、上述の実施形態ではボールねじ２４が採用されたが、特にこれに限定されず、モータ２１における回転運動をｘ方向の直線運動に変換して当該ｘ方向にステージ２６等の負荷を移動させることができる任意の直動機構を採用することができる。
【００９９】
また例えば、切削力の推定に用いる状態情報として、本実施形態ではモータ２１の回転角θｍが採用されたが、特にこれに限定されず、ボールねじ駆動ステージ１３の内部の任意の状態を示す情報を採用してもよい。
【０１００】
また例えば、本実施形態では、切削工具ＤによりワークＷが切削されたため、切削力が推定された。しかしながら、工作機械によるワークの加工手法は、切削に特に限定されず、加工具の加工力を用いる任意の手法、例えば研削・研磨等でもよい。即ち、推定対象は、切削力に特に限定されず、工作機械に適用された加工手法に応じた任意の加工力を採用することができる。
【０１０１】
以上まとめると、本発明が適用される工作機械制御装置は、以下のような構成を有すれば足り、各種各様の実施形態を採用することができる。
即ち、本発明が適用される工作機械制御装置（例えば図３等のコントローラ１１）は、工作機械の加工具（例えば図３等の切削工具Ｄ）又はそのワーク（例えば図３等のワークＷ）が積載されたステージ（例えば図３等のステージ２６）を負荷として駆動する駆動機構（例えば図３等のボールねじ駆動ステージ１３）に対して、当該負荷の位置を制御する。ここで、当該駆動機構は、電流に応じたトルクを発生するモータ（例えば図３等のモータ２１）と、前記モータにおける回転運動を所定方向（例えばｘ方向）の直線運動に変換して当該所定方向に前記負荷を移動させる直動機構（例えば図３等のボールねじ２４）とを含む。
このような、本発明が適用される工作機械制御装置は、次のような各手段、即ち、位置制御手段（例えば図３の位置制御器１０１）と、加工力推定手段（例えば図３の切削力オブザーバ１０３）とを備える。
位置制御手段は、前記駆動機構の出力情報として前記負荷の前記所定方向の位置（例えば図３等のステージ２６のｘ方向の位置ｘｔ）を取得すると共に、前記駆動機構の内部の状態を示す状態情報として前記モータの回転角（例えば図３等のモータ２１の回転角θｍ）を取得し、当該出力情報及び当該状態情報に基づいて、前記駆動機構の入力情報としての前記電流の指令値（例えば図３等の電流参照値Ｉａｒｅｆ）を変化させることで、前記負荷の前記所定方向の位置を制御する。
加工力推定手段は、前記出力情報と前記状態情報と前記入力情報とをパラメータとして用いる、前記駆動機構の２慣性系モデル（例えば図４参照）に基づいて、前記加工具による前記ワークに対する加工力を推定する。
【０１０２】
これにより、本発明が適用される工作機械制御装置は、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構に適用して好適な加工力推定の技術を実現できる、という効果を奏することができる。
【０１０３】
以下、かかる効果についてさらに説明する。
ここで、加工力を単に推定するだけであれば、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構の状態情報と入力情報のうち少なくとも１つを用いることで実現できる。
例えば、入力情報としてサーボモータの電流値を用いて、加工負荷を推定する技術（以下、「第１比較技術」と呼ぶ）も実現できる。しかしながら、この第１比較技術は、準静的な手法を用いており、精度が悪く、高い周波数帯域での推定ができない。
また例えば、入力情報としてサーボモータの電流指令値を用い、状態情報としてサーボモータの回転情報を用いて、外乱オブザーバによる加工力を推定する技術（以下、「第２比較技術」と呼ぶ）も実現できる。この第２比較技術は、第１比較技術と比較すると、精度は高く、周波数帯域も高くなるものの、駆動系を１慣性系としてモデル化するために、実際の加工負荷とずれる箇所が生じる。特に、各モードの共振点付近でのずれが著しくなる。即ち、第２比較技術でも、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構に適用して好適とは言い難い。
また例えば、状態情報としてエンコーダ情報のみを用いた加工状態を監視する技術（以下、「第３比較技術」と呼ぶ）も実現できる。しかしながら、この第３比較技術は、加工中の位置情報の変動や分散をみることで加工状態を判定し、加工中の振動を読み取ることはできるものの、加工負荷の直流成分を考えることはできない。即ち、第２比較技術でも、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構に適用して好適とは言い難い。
これに対して、本発明が適用される加工力推定の技術では、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構に対する位置制御としてフルクローズド制御が採用されている。このため、当該駆動機構の内部情報として、状態情報と入力情報に加えて、さらに、ステージの位置情報（出力情報）を利用することができる。これにより、加工力の推定精度が向上する。
また、入力情報と出力情報とに加えて、内部状態であるモータ２１の回転角θｍを示す状態情報を利用して、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構は２慣性系でモデル化される。これにより、２慣性系の共振点付近での加工力の推定精度が著しく向上する（図６のシミュレーション結果等参照）。
このようにして、付加的なセンサを用いることなく、かつ、ボールねじ駆動ステージ１３等の駆動機構に適用して好適な加工力推定の技術が実現される。
【０１０４】
ここで、本発明が適用される工作機械制御装置は、さらに、高周波ノイズ抑制用のローパスフィルタ（例えば図５の機能ブロック１２２参照）を用いて、加工力を推定することもできる。これにより、高周波ノイズが抑制され、加工力の推定精度がさらに向上する。
【０１０５】
また、本発明が適用される工作機械制御装置は、２慣性系モデルに含まれる擬似微分による遅れ、及び、モータのトルクの電気的遅れを補償する遅れ補償用フィルタ（例えば図５の機能ブロック１１１参照）を用いて、加工力を推定することもできる。これにより、加工力の高周波成分の推定精度がさらに向上する。
【０１０６】
さらにまた、本発明が適用される工作機械制御装置は、出力情報と状態情報と入力情報とに基づいて外乱を推定し、推定した当該外乱に基づいて電流の指令値を補償する補償手段（例えば図３の外乱オブザーバ１０２）を備えるようにしてもよい。この補償手段のキャンセル効果により、パラメータ変動の影響を低減することができ、その結果、加工力の推定精度がさらに向上する。
【符号の説明】
【０１０７】
１・・・工作機械システム、１１・・・コントローラ、１２・・・サーボアンプ、１３・・・ボールねじ駆動ステージ、２１・・・モータ、２２・・・ロータリエンコーダ、２３・・・カップリング、２４・・・ボールねじ、２５・・・ベアリング、２６・・・ステージ、２７・・・リニアエンコーダ、２８・・・モータ、２９・・・リニアエンコーダ、３１・・・ＣＰＵ、３２・・・ＲＯＭ、３３・・・ＲＡＭ、３４・・・バス、３５・・・入出力インターフェース、３６・・・入力部、３７・・・出力部、３８・・・記憶部、３９・・・通信部、４０・・・ドライブ、５１・・・リムーバブルメディア、１０１・・・位置制御器、１０２・・・外乱オブザーバ、１０３・・・切削力オブザーバ、Ｃ・・・スピンドル、Ｄ・・・切削工具、Ｗ・・・ワーク
【図１】
2015143969.tif 000009
【図２】
2015143969.tif 000010
【図３】
2015143969.tif 000011
【図４】
2015143969.tif 000012
【図５】
2015143969.tif 000013
【図６】
2015143969.tif 000014
【図７】
2015143969.tif 000015
【図８】
2015143969.tif 000016
【図９】
2015143969.tif 000017
【図１０】
2015143969.tif 000018
【図１１】
2015143969.tif 000019
【図１２】
2015143969.tif 000020
【図１３】
2015143969.tif 000021
【図１４】
2015143969.tif 000022
【図１５】
2015143969.tif 000023
【図１６】
2015143969.tif 000024
【図１７】
2015143969.tif 000025
【図１８】
2015143969.tif 000026
【図１９】
2015143969.tif 000027
【図２０】
2015143969.tif 000028