(57)【要約】【課題】工作機械における送り制御軸と回転制御軸との間の干渉を遅滞無く的確に排除して、各制御軸の安定した高精度の動作制御を実現する。【解決手段】制御装置１０は、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒと、送り制御軸に沿って送られる回転制御軸１８とを備えた工作機械の、送り制御軸の送り動作及び回転制御軸の回転動作を制御する。制御装置１０は、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８の少なくとも一方に指令される位置指令Ｃ１と、回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報Ｄとに基づいて、送り制御軸と回転制御軸との間に生じる干渉Ｐを推定する干渉推定部２２と、干渉推定部２２が推定した干渉Ｐに基づいて、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に与える電流指令Ｃ２を補正する指令補正部２４とを備える。【選択図】図１
2008186434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送り制御軸と該送り制御軸に沿って送られる回転制御軸とを備えた工作機械の、該送り制御軸の送り動作及び該回転制御軸の回転動作を制御する制御装置において、
前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方に指令される位置指令と、前記回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報とに基づいて、該送り制御軸と該回転制御軸との間に生じる干渉を推定する干渉推定部と、
前記干渉推定部が推定した前記干渉に基づいて、前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方に与える電流指令を補正する指令補正部と、
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記干渉推定部は、前記位置指令に従う前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方の動作制御の周期よりも、１制御周期以上先行して前記干渉を推定し、前記指令補正部は、該動作制御の該周期における前記電流指令を補正する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記偏心荷重の変更に対応して、前記干渉推定部が前記干渉を推定するための演算定数を変更する定数変更部をさらに具備する、請求項１又は２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記干渉推定部が前記干渉を推定しない状態で前記送り制御軸及び前記回転制御軸のいずれか一方に指令される干渉相当の電流指令に基づいて、前記偏心荷重の位置及び質量情報を推定する偏心情報推定部をさらに具備し、前記干渉推定部は、該偏心情報推定部が推定した該偏心荷重の位置及び質量情報を用いて、前記干渉を推定する、請求項１又は２に記載の制御装置。
【請求項５】
送り制御軸と該送り制御軸に沿って送られる回転制御軸とを備えた工作機械の、該送り制御軸の送り動作及び該回転制御軸の回転動作を制御する制御方法において、
前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方に指令される位置指令と、前記回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報とに基づいて、該送り制御軸と該回転制御軸との間に生じる干渉を推定し、
推定した前記干渉に基づいて、前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方に与える電流指令を補正すること、
を特徴とする制御方法。
【請求項６】
前記位置指令に従う前記送り制御軸及び前記回転制御軸の少なくとも一方の動作制御の周期よりも、１制御周期以上先行して前記干渉を推定し、該干渉に基づいて、該動作制御の該周期における前記電流指令を補正する、請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
前記干渉を推定する際に、前記偏心荷重の変更に対応して、該干渉を推定するための演算定数を変更する、請求項５又は６に記載の制御方法。
【請求項８】
前記干渉を推定しない状態で前記送り制御軸及び前記回転制御軸のいずれか一方に指令される干渉相当の電流指令に基づいて、前記偏心荷重の位置及び質量情報を推定し、該推定した該偏心荷重の位置及び質量情報を用いて、前記干渉を推定する、請求項５又は６に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の制御に関する。特に本発明は、送り制御軸に沿って送られる回転制御軸を備えた工作機械の、送り制御軸及び回転制御軸を制御する制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、直線送り動作又は回転送り動作を実行する送り制御軸と、送り制御軸上に設置され、送り制御軸に沿って送られるとともに回転割出動作を実行する回転制御軸とを備えた構成が知られている。送り制御軸に担持される構造物としては、例えば直線送り台や回転送り台が挙げられ、回転制御軸に担持される構造物としては、例えば回転割出テーブルやタレット刃物台が挙げられる。
【０００３】
この種の工作機械では、送り制御軸と回転制御軸とが、それぞれの動作に起因する力学的影響（すなわち干渉）を相手方に及ぼすことにより、各制御軸の位置制御の安定性が悪化し、結果としてワークの加工精度が低下することが懸念される。従来、工作機械以外の技術分野では、このような機構上の相関性を有する制御軸同士の干渉を排除するための、幾つかの方策が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、露光装置に組み込まれるステージ装置において、ステージ駆動用のリニアモータの可動子が固定子に及ぼす反力により光学系が振動することを、機構的に防止する構成を開示する。このステージ装置は、可動子からの反力を相殺する力を固定子に生じさせるリアクション装置を備えている。リアクション装置は、固定子の実際の変位を検出する位置検出器の検出値に基づいて、固定子を動作制御するので、反力以外の誤差要因をも的確に排除して、固定子を所定位置に安定的に保持することができる。
【０００５】
また、特許文献２は、多関節ロボットにおいて、関節（すなわち制御軸）同士の干渉を、フィードバック補償によって除去する制御装置を開示する。この制御装置では、個々の制御軸に生じる干渉トルク値を演算するとともに、個々の制御軸に加わる非線形の外乱トルクを状態観測手段により推定して補正値とし、これら干渉トルク値及び補正値によりトルク指令を補正している。
【０００６】
また、特許文献３は、個々の制御軸に減速機等のばね要素を備えた産業用多軸ロボットにおいて、各軸に状態観測手段を配置して電動機と負荷との間のねじれ角を推定し、推定したねじれ角を用いて干渉力を計算し、この干渉力に基づいて電動機へのトルク指令を補正する制御装置を開示する。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２４３８１１号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１４６０６号公報
【特許文献３】特開平９−２２２９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されるステージ装置では、リニアモータの可動子が固定子に及ぼす反力を相殺する目的で、本来は固定支持するべき固定子を敢えて移動制御軸（リアクション装置）に搭載しているのであって、可動子の直線送り制御軸と固定子の移動制御軸との関係は、本願発明の対象となる前述した工作機械の送り制御軸と回転制御軸との関係と若干異なるものである。また、固定子を移動制御する際の種々の誤差要因を排除するために、位置検出器により固定子の実際の変異を測定する構成を採用しているが、このような位置検出器を工作機械に装備する場合には、工作機械の設備コストが上昇することが懸念されるだけでなく、劣悪な環境下に置かれることの多い工作機械においては、位置検出器の設置場所の確保や信頼性の維持の点で課題が生じる。さらに、固定子の変位の実測値に基づいて固定子への指令値を補正する手法は、一般的な工作機械における可動部の高速かつ高精度の位置決め制御に適応することが困難である。
【０００９】
また、特許文献２及び３に記載されるロボットの制御装置でも、干渉力の計算や指令値の補正に必要となる諸データとして、電動機が実際に動作している状態を現すデータ（すなわち状態量）を用いている。このような構成は、アームの動作が一般的な工作機械の可動部の動作に比べて低速であって、要求される位置精度も工作機械に比べて低いロボットの制御においては有効であるが、高速かつ高精度の位置決めを要求される工作機械の制御には、やはり適応困難である。
【００１０】
本発明の目的は、送り制御軸に沿って送られる回転制御軸を備えた工作機械の、送り制御軸及び回転制御軸を制御する制御装置において、送り制御軸と回転制御軸との間の干渉を遅滞無く的確に排除して、各制御軸の安定した高精度の動作制御を実現でき、以ってワークの加工精度を向上させることができる制御装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、送り制御軸に沿って送られる回転制御軸を備えた工作機械の、送り制御軸及び回転制御軸を制御する制御方法において、送り制御軸と回転制御軸との間の干渉を遅滞無く的確に排除して、各制御軸の安定した高精度の動作制御を実現でき、以ってワークの加工精度を向上させることができる制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、送り制御軸と送り制御軸に沿って送られる回転制御軸とを備えた工作機械の、送り制御軸の送り動作及び回転制御軸の回転動作を制御する制御装置において、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に指令される位置指令と、回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報とに基づいて、送り制御軸と回転制御軸との間に生じる干渉を推定する干渉推定部と、干渉推定部が推定した干渉に基づいて、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に与える電流指令を補正する指令補正部と、を具備することを特徴とする制御装置を提供する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御装置において、干渉推定部は、位置指令に従う送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方の動作制御の周期よりも、１制御周期以上先行して干渉を推定し、指令補正部は、当該動作制御の周期における電流指令を補正する、制御装置を提供する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の制御装置において、偏心荷重の変更に対応して、干渉推定部が干渉を推定するための演算定数を変更する定数変更部をさらに具備する、制御装置を提供する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の制御装置において、干渉推定部が干渉を推定しない状態で送り制御軸及び回転制御軸のいずれか一方に指令される干渉相当の電流指令に基づいて、偏心荷重の位置及び質量情報を推定する偏心情報推定部をさらに具備し、干渉推定部は、偏心情報推定部が推定した偏心荷重の位置及び質量情報を用いて、干渉を推定する、制御装置を提供する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、送り制御軸と送り制御軸に沿って送られる回転制御軸とを備えた工作機械の、送り制御軸の送り動作及び回転制御軸の回転動作を制御する制御方法において、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に指令される位置指令と、回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報とに基づいて、送り制御軸と回転制御軸との間に生じる干渉を推定し、推定した干渉に基づいて、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に与える電流指令を補正すること、を特徴とする制御方法を提供する。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の制御方法において、位置指令に従う送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方の動作制御の周期よりも、１制御周期以上先行して干渉を推定し、この干渉に基づいて、動作制御の周期における電流指令を補正する、制御方法を提供する。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の制御方法において、干渉を推定する際に、偏心荷重の変更に対応して、干渉を推定するための演算定数を変更する、制御方法を提供する。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項５又は６に記載の制御方法において、干渉を推定しない状態で送り制御軸及び回転制御軸のいずれか一方に指令される干渉相当の電流指令に基づいて、偏心荷重の位置及び質量情報を推定し、推定した偏心荷重の位置及び質量情報を用いて、干渉を推定する、制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、干渉の実態を検出するための位置検出器を必要としないから、工作機械の設備コストの上昇を抑制でき、また位置検出器の設置場所や信頼性を考慮する必要が無くなる。しかも、干渉推定部が、送り制御軸及び回転制御軸の少なくとも一方に指令される位置指令並びに回転制御軸が担持する偏心荷重の位置及び質量情報といった、動作制御の開始前に取得可能な既知のデータに基づいて、干渉を推定し、指令補正部が、干渉に基づいて、各制御軸に直接に与えられる電流指令を補正する構成であるから、工作機械における高速かつ高精度の位置決め制御に、問題無く適応できる。このように、制御装置によれば、工作機械における送り制御軸と回転制御軸との間の干渉を遅滞無く的確に排除して、各制御軸の安定した高精度の動作制御を実現でき、以ってワークの加工精度を向上させることができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、高速かつ高精度の位置決め制御への適応が一層確実なものとなる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、ワークや工具等の、荷重の大きさや配置が多様に変化する物体を担持する回転制御軸を有する工作機械に対し、そのような荷重の変化に的確に対応して、回転制御軸と送り制御軸との間の干渉を正確に排除できる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、偏心荷重の位置及び質量情報の測定作業を省略できるので、動作制御の準備作業が簡略化される利点が得られる。
【００２４】
請求項５〜８に記載の発明によれば、それぞれ、請求項１〜４に記載の発明と同等の作用効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明に係る電動機の制御装置１０の基本構成を機能ブロック図で示す。また、図２及び図３は、制御装置１０を適用可能な２つの代表例による工作機械１２、１４の主要部をそれぞれに例示する。制御装置１０は、直線送り動作又は回転送り動作を実行する送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒと、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ上に設置され、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒに沿って送られるとともに回転割出動作を実行する回転制御軸１８とを備えた工作機械１２、１４の、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒの送り動作及び回転制御軸１８の回転動作を制御するものである。なお、制御装置１０は、数値制御（ＮＣ）装置等の、電動機を可動部駆動源とする工作機械の、既設の制御装置に、機能的に組み込むことができる。
【００２６】
図１に示すように、制御装置１０は、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８（図２、図３）の少なくとも一方に指令される位置指令Ｃ１と、回転制御軸１８が担持する偏心荷重２０（図２、図３）の位置及び質量情報Ｄとに基づいて、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒと回転制御軸１８との間に生じる干渉Ｐを推定する干渉推定部２２と、干渉推定部２２が推定した干渉Ｐに基づいて、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８の少なくとも一方に与える電流指令Ｃ２を補正する指令補正部２４とを備える。なお、本願において「干渉」とは、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒと回転制御軸１８との間で及ぼし合うそれぞれの動作に起因する力学的影響を意味し、後述するように、直線方向に作用する干渉推力Ｆと、回転方向に作用する干渉トルクＴとの、双方を包含する。
【００２７】
図２に例示する工作機械１２は、ワーク（図示せず）を載置するテーブル機構として、静止基台２６と、静止基台２６上に直線移動可能に設置される直線送り台２８と、直線送り台２８上に回転可能に設置される回転割出テーブル３０とを備える。直線送り台２８は、図示しないリニアモータ（電動機）を駆動源とする直線送り制御軸１６Ｌの直線送り動作に従い、静止基台２６上で図示矢印Ａ１方向へ往復移動する。また、回転割出テーブル３０は、図示しない回転モータ（電動機）を駆動源とする回転制御軸１８の回転送り動作に従い、直線送り台２８上で図示矢印Ｂ１方向へ往復回転する。
【００２８】
他方、図３に例示する工作機械１４は、ワーク（図示せず）を載置するテーブル機構として、図示しない静止基台と、静止基台上に回転移動可能に設置される回転送り台３２と、回転送り台３２上に回転可能に設置される回転割出テーブル３４とを備える。回転送り台３２は、図示しない回転モータ（電動機）を駆動源とする回転送り制御軸１６Ｒの回転送り動作に従い、静止基台上で図示矢印Ａ２方向へ往復移動する。また、回転割出テーブル３４は、図示しない回転モータ（電動機）を駆動源とする回転制御軸１８の回転送り動作に従い、回転送り台３２上で図示矢印Ｂ２方向へ往復回転する。
【００２９】
上記構成を有する工作機械１２、１４において、回転割出テーブル３０、３４は、その上に載置されるワークやワーク保持具の影響により、回転中心から逸脱した位置に重心（すなわち偏心荷重２０）が形成される場合がある。回転制御軸１８がこのような偏心荷重２０を担持する場合には、直線又は回転送り台２８、３２と回転割出テーブル３０、３４との間に、干渉が生じ得る。すなわち、直線又は回転送り台２８、３２が加速動作すると、その推力又はトルクの反作用が、偏心荷重２０を有する回転割出テーブル３０、３４に及ぼされて、回転割出テーブル３０、３４の位置が指令位置からずれる危惧がある。同様に、偏心荷重２０を有する回転割出テーブル３０、３４が加速動作すると、そのトルクの反作用が、直線又は回転送り台２８、３２に及ぼされて、直線又は回転送り台２８、３２の位置が指令位置からずれる危惧がある。いずれの場合も、ワークの加工精度を低下させる要因となり得る。
【００３０】
このような問題に対処するべく、本発明に係る制御装置１０は、干渉推定部２２が、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８の少なくとも一方に指令される位置指令Ｃ１と、回転制御軸１８が担持する偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとに基づいて、干渉Ｐを推定し、指令補正部２４が、推定された干渉Ｐに基づいて、送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８の少なくとも一方に与える電流指令Ｃ２を補正することで、干渉Ｐの影響を排除した各軸１６Ｌ、１６Ｒ、１８の高精度の動作制御を可能にしている。したがって、干渉の実態を検出するための位置検出器を必要としないから、工作機械１２、１４の設備コストの上昇を抑制でき、また位置検出器の設置場所や信頼性を考慮する必要が無くなる。しかも、干渉推定部２２が、位置指令Ｃ１並びに偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄといった、動作制御の開始前に取得可能な既知のデータに基づいて、干渉Ｐを推定し、指令補正部２４が、干渉Ｐに基づいて、各制御軸１６Ｌ、１６Ｒ、１８に直接に与えられる電流指令Ｃ２を補正する構成であるから、工作機械１２、１４における直線又は回転送り台２８、３２及び回転割出テーブル３０、３４の、高速かつ高精度の位置決め制御に、問題無く適応できる。このように、制御装置１０によれば、工作機械１２、１４における送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒと回転制御軸１８との間の干渉Ｐを遅滞無く的確に排除して、各制御軸１６Ｌ、１６Ｒ、１８の安定した高精度の動作制御を実現でき、以ってワークの加工精度を向上させることができる。
【００３１】
なお、上記構成において、位置指令Ｃ１並びに偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄは、例えばオペレータが手作業で制御装置１０に入力したり、記憶媒体に格納した状態で制御装置１０に読み込ませたりすることができる。そして制御装置１０は、これら位置指令Ｃ１及び偏心荷重情報Ｄの入力部及び記憶部を有することができる（図示せず）。
【００３２】
次に、制御装置１０による工作機械の各軸制御方法の実施例を、図４〜図８を参照して説明する。なお、以下の説明では、図１〜図３に示す構成要素に対応する構成要素には共通の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
まず、図２に例示する工作機械１２における送り制御軸１６Ｌ及び回転制御軸１８の動作制御方法を説明する。図４に示すように、制御装置１０は、送り制御軸１６Ｌに対する通常の制御ループ３６として、位置制御部３８が、送り制御軸１６Ｌ（リニアモータ）に対して入力される位置指令Ｃ１を演算処理して速度指令Ｃ３とし、速度制御部４０が速度指令Ｃ３を演算処理して電流指令（又は推力指令）Ｃ２とし、電流制御部４２が電流指令Ｃ２に従う電流値を送り制御軸１６Ｌに指令し、送り制御軸１６Ｌに併設したエンコーダ等の位置検出器４４が、送り制御軸１６Ｌの実際の動作位置を検出して位置制御部３８にフィードバックする構成を有する。同様に制御装置１０は、回転制御軸１８に対する通常の制御ループ４６として、位置制御部４８が、回転制御軸１８（回転モータ）に対して入力される位置指令Ｃ１を演算処理して速度指令Ｃ３とし、速度制御部５０が速度指令Ｃ３を演算処理して電流指令（又はトルク指令）Ｃ２とし、電流制御部５２が電流指令Ｃ２に従う電流値を回転制御軸１８に指令し、回転制御軸１８に併設したエンコーダ等の位置検出器５４が、回転制御軸１８の実際の動作位置を検出して位置制御部４８にフィードバックする構成を有する。
【００３４】
上記した制御構成において、静止又は動作中の送り制御軸１６Ｌ上で回転制御軸１８が回転割出動作したときには、干渉推定部２２は、回転制御軸１８に指令される位置指令Ｃ１と、回転制御軸１８が担持する偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとに基づいて、回転制御軸１８が送り制御軸１６Ｌに及ぼす干渉Ｐ（すなわち干渉推力Ｆ）を推定する。そして、指令補正部２４は、送り制御軸１６Ｌの制御ループ３６において速度制御部４０から出力された電流指令Ｃ２に、干渉推定部２２が推定した干渉Ｐ（干渉推力Ｆ）を加算して、電流指令Ｃ２を補正する。その結果、電流制御部４２は、指令補正部２４による補正後の電流指令Ｃ２に従う電流値を、送り制御軸１６Ｌに的確に指令する。
【００３５】
また、上記した制御構成において、静止又は動作中の回転制御軸１８に対して送り制御軸１６Ｌが直線送り動作したときには、干渉推定部２２は、送り制御軸１６Ｌ及び回転制御軸１８の双方に指令されるそれぞれの位置指令Ｃ１と、回転制御軸１８が担持する偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとに基づいて、送り制御軸１６Ｌが回転制御軸１８に及ぼす干渉Ｐ（すなわち干渉トルクＴ）を推定する。そして、指令補正部２４は、回転制御軸１８の制御ループ４６において速度制御部５０から出力された電流指令Ｃ２に、干渉推定部２２が推定した干渉Ｐ（干渉トルクＴ）を加算して、電流指令Ｃ２を補正する。その結果、電流制御部５２は、指令補正部２４による補正後の電流指令Ｃ２に従う電流値を、回転制御軸１８に的確に指令する。
【００３６】
上記制御フローにおける干渉推定部２２による干渉Ｐの推定手法を、図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６は、送り制御軸１６Ｌと回転制御軸１８との力学的関係を、偏心荷重２０を質点として模式図的に示すものである。
【００３７】
図５は、静止又は動作中の送り制御軸１６Ｌ上で回転制御軸１８が回転割出動作している状態（角加速度αで加速中）を示す。この回転割出動作の間、偏心荷重２０には、角速度ωに応じた向心力ｆと、角加速度αに応じたトルクｔ（正確には接線方向力ｔ／ｒ）とが加わる（図５（ａ））。ここで、回転制御軸１８の回転中心Ｏから偏心荷重２０までの距離をｒとし、偏心荷重２０の質量をｍとすると、
ｆ＝ｍ・ｒ・ω２
ｔ／ｒ＝ｍ・ｒ・α＝ｍ・ｒ・ｄω／ｄｔ
である。
【００３８】
以下、これら向心力ｆ及び接線方向力ｔ／ｒが送り制御軸１６Ｌに及ぼす力（すなわち干渉推力Ｆ）を考察する。ここで、回転制御軸１８の機械座標原点Ｇからの偏心荷重２０の回転角度をθとし、同機械座標原点Ｇからの送り制御軸１６Ｌ（すなわち直線送り方向）の角度（位置）をθ０とすると、回転割出動作中に偏心荷重２０に加わる向心力ｆと接線方向力ｔ／ｒとの、送り制御軸１６Ｌに平行な方向への合力Ｆ′（図５（ｂ））は、
Ｆ′＝ｍ・ｒ・ω２・ｃｏｓ（θ−θ０）＋ｍ・ｒ・ｄω／ｄｔ・ｓｉｎ（θ−θ０）
となる。したがって、回転制御軸１８が送り制御軸１６Ｌに及ぼす干渉推力Ｆ（干渉Ｐ）は、Ｆ＝−Ｆ′として推定される。なお、上記説明中、ｒ及びｍは偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとして取得され、θは回転制御軸１８に指令される位置指令Ｃ１として取得される。また、θ０は、送り制御軸１６Ｌと回転制御軸１８との相対位置関係を表わす工作機械１２の固有の値である。
【００３９】
他方、図６は、静止又は動作中の回転制御軸１８に対して送り制御軸１６Ｌが直線送り動作している状態（加速度ａで加速中）を示す。この直線送り動作の間、偏心荷重２０には、加速度ａに応じた下記の推力ｕが加わる（図６（ａ））。
ｕ＝ｍ・ａ＝ｍ・ｄｖ／ｄｔ
そして、推力ｕが回転制御軸１８に及ぼす力（すなわち干渉トルクＴ）は、
Ｔ＝−ｕ・ｒ・ｓｉｎ（θ−θ０）＝−ｍ・ｒ・ｄｖ／ｄｔ・ｓｉｎ（θ−θ０）
となる。このようにして、送り制御軸１６Ｌが回転制御軸１８に及ぼす干渉トルクＴ（干渉Ｐ）が推定される。なお、上記説明中、ｒ及びｍは偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとして取得され、θは回転制御軸１８に指令される位置指令Ｃ１として取得され、ａ（又はｖ）は送り制御軸１６Ｌに指令される位置指令Ｃ１から取得される。また、θ０は、送り制御軸１６Ｌと回転制御軸１８との相対位置関係を表わす工作機械１２の固有の値である。
【００４０】
次に、図３に例示する工作機械１４における送り制御軸１６Ｒ及び回転制御軸１８の動作制御方法を説明する。この動作制御方法は、上記した工作機械１２における送り制御軸１６Ｌ及び回転制御軸１８の動作制御方法と同様であるから、制御フローの説明は省略し、図７及び図８を参照して、干渉推定部２２による干渉Ｐの推定手法を説明する。図７及び図８は、送り制御軸１６Ｒと回転制御軸１８との力学的関係を、偏心荷重２０を質点として模式図的に示すものである。
【００４１】
図７は、静止又は動作中の送り制御軸１６Ｒ上で回転制御軸１８が回転割出動作している状態（角加速度αで加速中）を示す。なお、実際の送り制御軸１６Ｒは、図示の基準軸Ｚから紙面に直交する方向へ距離ｓ（図３）だけ平行に離れた位置に、回転中心軸を有するものとする。回転制御軸１８の回転割出動作の間、偏心荷重２０には、角速度ωに応じた向心力ｆと、角加速度αに応じたトルクｔ（正確には接線方向力ｔ／ｒ）とが加わる。ここで、回転制御軸１８の回転中心Ｏから偏心荷重２０までの距離をｒとし、偏心荷重２０の質量をｍとすると、
ｆ＝ｍ・ｒ・ω２
ｔ／ｒ＝ｍ・ｒ・α＝ｍ・ｒ・ｄω／ｄｔ
である。
【００４２】
次に、これら向心力ｆ及び接線方向力ｔ／ｒが送り制御軸１６Ｒに及ぼす力（すなわち干渉トルクＴ）を考察する。ここで、回転制御軸１８の機械座標原点Ｇからの偏心荷重２０の回転角度をθとし、同機械座標原点Ｇからの基準軸Ｚ（送り制御軸１６Ｒに平行な軸）の角度（位置）をθ０とすると、回転割出動作中に偏心荷重２０に加わる向心力ｆと接線方向力ｔ／ｒとの、基準軸Ｚに直交する方向への合力Ｆは、
Ｆ＝ｍ・ｒ・ω２・ｓｉｎ（θ−θ０）−ｍ・ｒ・ｄω／ｄｔ・ｃｏｓ（θ−θ０）
となる。したがって、回転制御軸１８が送り制御軸１６Ｒに及ぼす干渉トルクＴ（干渉Ｐ）は、Ｔ＝−Ｆ・ｓとして推定される。なお、上記説明中、ｒ、ｍ及びｓは偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとして取得され、θは回転制御軸１８に指令される位置指令Ｃ１として取得される。また、θ０は、送り制御軸１６Ｒと回転制御軸１８との相対位置関係を表わす工作機械１４の固有の値である。
【００４３】
他方、図８は、静止又は動作中の回転制御軸１８に対して送り制御軸１６Ｒが回転送り動作している状態（接線加速度ａで加速中）を示す。この回転送り動作の間、偏心荷重２０には、接線加速度ａに応じた下記の推力ｕが加わる。
ｕ＝ｍ・ａ＝ｍ・ｄｖ／ｄｔ
そして、推力ｕが回転制御軸１８に及ぼす力（すなわち干渉トルクＴ）は、
Ｔ＝−ｕ・ｒ・ｃｏｓ（θ−θ０）＝−ｍ・ｒ・ｄｖ／ｄｔ・ｃｏｓ（θ−θ０）
となる。このようにして、送り制御軸１６Ｒが回転制御軸１８に及ぼす干渉トルクＴ（干渉Ｐ）が推定される。なお、上記説明中、ｒ及びｍ（並びに角変位を直線変位に変換するための距離ｓ）は偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄとして取得され、θは回転制御軸１８に指令される位置指令Ｃ１として取得され、ａ（又はｖ）は送り制御軸１６Ｒに指令される位置指令Ｃ１から取得される。また、θ０は、送り制御軸１６Ｒと回転制御軸１８との相対位置関係を表わす工作機械１４の固有の値である。
【００４４】
上記したように、制御装置１０は、干渉推定部２２が動作制御の開始前に取得可能な既知のデータに基づいて干渉Ｐを推定し、指令補正部２４が干渉Ｐに基づいて電流指令Ｃ２を補正する構成としたことで、工作機械１２、１４における高速かつ高精度の位置決め制御に適応できるものである。したがって、干渉推定部２２が、位置指令Ｃ１に従う送り制御軸１６Ｌ、１６Ｒ及び回転制御軸１８の少なくとも一方の動作制御の周期よりも、１制御周期以上先行して干渉Ｐを推定し、指令補正部２４が、当該動作制御周期における電流指令Ｃ２を補正するように構成することで、高速かつ高精度の位置決め制御への適応が一層確実なものとなる。
【００４５】
ところで、一般に工作機械の回転制御軸は、ワークや工具等の、荷重の大きさや配置が多様に変化する物体を担持するので、制御軸同士の干渉を本発明のように計算で求めたとしても、当該計算式における質量、位置、角度等の定数項が固定されたままでは、荷重の変化に対応して高精度の補正を行なうことが困難になる。そこで、上記基本構成を有する制御装置１０において、偏心荷重２０の変更に対応して、干渉推定部２２が干渉Ｐを推定するための演算定数を変更する機能を付加することが有利である。
【００４６】
図９は、そのような付加的機能を有した本発明の好適な実施形態による制御装置６０の構成を、機能ブロック図で示す。制御装置６０は、図１の制御装置１０の基本構成に加えて、偏心荷重２０の変更に対応して、干渉推定部２２が干渉Ｐを推定するための演算定数（ｍ、ｒ、θ０等）を変更する定数変更部６２をさらに備えるものである。したがって、制御装置１０の構成要素に対応する構成要素には共通の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４７】
例えば、図５に示す実施例において、回転制御軸１８が一定速度で回転しているときに、送り制御軸１６Ｌに及ぼされる干渉推力Ｆは、Ｆ＝−ｍ・ｒ・ω２・ｃｏｓ（θ−θ０）となり、正弦波状の曲線を描くことになる。そこで、偏心荷重２０が変更されたときに、送り制御軸１６Ｌを停止した状態で回転制御軸１８を一定速度（但し送り制御軸１６Ｌの位置偏差が過大にならない程度の低速度）で回転させるテスト運転を行なうと、制御装置６０では、送り制御軸１６Ｌに対する通常のフィードバックループ（図４参照）において、干渉推定部２２が干渉を推定しない状態で、速度制御部４０から、干渉推力Ｆを相殺するような同様に正弦波状の（つまり干渉相当の）電流指令Ｃ２が出力される。
【００４８】
ここで、定数変更部６２は、速度制御部４０から出力された干渉相当の電流指令Ｃ２（すなわち指令補正部２４による補正前の電流指令Ｃ２）を観測することで、変更するべき演算定数（ｍ、ｒ、θ０等）の値を求めることができる。つまり、電流指令Ｃ２が最大値Ｃ２ｍａｘを示すときに、ｃｏｓ（θ−θ０）＝１であるから、ｍ・ｒ＝Ｋ・Ｃ２ｍａｘ／ω２となる（Ｋは電動機固有のトルク定数）。したがって、定数変更部６２は、当該テスト運転により、電流指令Ｃ２の最大値Ｃ２ｍａｘ及び回転制御軸１８の角速度ωに基づいて、変更された偏心荷重２０の質量ｍ及び位置ｒを求めることができる。また、電流指令Ｃ２が最大値Ｃ２ｍａｘ又は最小値０を示すときの回転制御軸１８の回転角度θに基づいて、機械座標原点Ｇ（図５）からの送り制御軸１６Ｌの角度（すなわち回転制御軸１８と送り制御軸１６Ｌとの相対位置関係）θ０を求めることもできる。
【００４９】
なお、上記したテスト運転において、回転制御軸１８を１回転以上動作させることが困難な場合は、電流指令Ｃ２の最大値Ｃ２ｍａｘを特定できないが、この場合には、予め機械座標原点Ｇからの送り制御軸１６Ｌの角度θ０のみを測定しておけばよい。そしてテスト運転で、電流指令Ｃ２と角度（θ−θ０）との双方を観測するようにすれば、偏心荷重２０の質量ｍ及び位置ｒを求めることができる。
【００５０】
同様に、図７に示す実施例においては、回転制御軸１８が一定速度で回転しているときに、送り制御軸１６Ｒに及ぼされる干渉トルクＴは、Ｔ＝−ｓ・ｍ・ｒ・ω２・ｓｉｎ（θ−θ０）となる。したがって、上記手法と同様にして、定数変更部６２は、偏心荷重２０が変更されたときに、送り制御軸１６Ｒを停止した状態で回転制御軸１８を一定速度で回転させるテスト運転により、電流指令Ｃ２の最大値Ｃ２ｍａｘ、並びに回転制御軸１８の角速度ω及び回転角度θに基づいて、変更された偏心荷重２０の質量ｍ及び位置ｒ、並びに回転制御軸１８と送り制御軸１６Ｒとの相対位置関係ｓ及びθ０を求めることができる。
【００５１】
上記構成を有する制御装置６０によれば、前述した制御装置１０による格別の作用効果に加えて、ワークや工具等の、荷重の大きさや配置が多様に変化する物体を担持する回転制御軸１８を有する工作機械１２、１４に対し、そのような荷重の変化に的確に対応して、回転制御軸と送り制御軸との間の干渉を正確に排除できる利点が得られる。
【００５２】
上記した制御装置１０、６０においては、最初に干渉推定部２２に与えられる偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄは、動作制御の開始前に取得可能な既知のデータであるとして説明した。この場合、偏心荷重２０の位置ｒ及び質量ｍは、通常は実測値が採用されるから、動作制御の準備作業が煩雑になる傾向がある。これに対し、上記した制御装置６０の定数変更部６２の機能を流用することで、最初に干渉推定部２２に与えられる偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄを、実測によらず、適宜推定することができる。
【００５３】
図１０は、そのような付加的機能を有した本発明の他の好適な実施形態による制御装置７０の構成を、機能ブロック図で示す。制御装置７０は、図１の制御装置１０の基本構成に加えて、偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄを推定する偏心情報推定部７２をさらに備えるものである。したがって、制御装置１０の構成要素に対応する構成要素には共通の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
偏心情報推定部７２による偏心情報推定手法は、前述した制御装置６０の定数変更部６２による定数変更手法と、実質的に同一である。すなわち、例えば図５に示す実施例においては、偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄが不明な場合に、送り制御軸１６Ｌを停止した状態で回転制御軸１８を一定速度で回転させる前述したテスト運転を行なうことで、送り制御軸１６Ｌに対する制御装置７０の通常のフィードバックループ（図４参照）において、干渉推定部２２が干渉を推定しない状態で、速度制御部４０から干渉相当の電流指令Ｃ２を出力させる。
【００５５】
ここで、偏心情報推定部７２は、送り制御軸１６Ｌに指令される干渉相当の電流指令Ｃ２（すなわち指令補正部２４による補正前の電流指令Ｃ２）に基づいて、偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄ（すなわち位置ｒ及び質量ｍ）を推定する。つまり、回転制御軸１８が一定速度ωで回転する間に送り制御軸１６Ｌに及ぼされる干渉推力Ｆの式、Ｆ＝−ｍ・ｒ・ω２・ｃｏｓ（θ−θ０）において、電流指令Ｃ２が最大値Ｃ２ｍａｘを示すときに、ｃｏｓ（θ−θ０）＝１であるから、ｍ・ｒ＝Ｋ・Ｃ２ｍａｘ／ω２となる（Ｋは電動機固有のトルク定数）。したがって、偏心情報推定部７２は、電流指令Ｃ２の最大値Ｃ２ｍａｘ及び回転制御軸１８の角速度ωに基づいて、偏心荷重２０の質量ｍ及び位置ｒを求めることができる。また、電流指令Ｃ２が最大値Ｃ２ｍａｘ又は最小値０を示すときの回転制御軸１８の回転角度θに基づいて、機械座標原点Ｇ（図５）からの送り制御軸１６Ｌの角度（すなわち回転制御軸１８と送り制御軸１６Ｌとの相対位置関係）θ０を求めることもできる。このようにして推定した偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄ（位置ｒ及び質量ｍ）並びに角度θ０は、例えば制御装置７０の記憶部（図示せず）に格納され、実際の動作制御において干渉推定部２２が干渉推力Ｆを推定する際に用いられる。
【００５６】
偏心情報推定部７２は、回転制御軸１８を停止した状態で送り制御軸１６Ｌを一定加速度で送り動作させるテスト運転を行なうことによっても、偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄを推定することができる。このテスト運転により、制御装置７０では、回転制御軸１８に対する通常のフィードバックループ（図４参照）において、干渉推定部２２が干渉を推定しない状態で、速度制御部５０が干渉相当の電流指令Ｃ２を出力する。ここで、図６を参照して説明したように、推力ｕが回転制御軸１８に及ぼす干渉トルクＴは、Ｔ＝−ｍ・ｒ・ｄｖ／ｄｔ・ｓｉｎ（θ−θ０）であるから、電流指令Ｃ２が最小値０を示すときの回転制御軸１８の回転角度θが、機械座標原点Ｇ（図６）からの送り制御軸１６Ｌの角度θ０となる。そして、偏心情報推定部７２は、回転制御軸１８を任意角度θで停止した状態で送り制御軸１６Ｌを一定加速度ｄｖ／ｄｔで送り動作させたときに観測される電流指令Ｃ２に基づいて、干渉トルクＴの式から、偏心荷重２０の質量ｍ及び位置ｒを求めることができる。
【００５７】
上記構成を有する制御装置７０によれば、前述した制御装置１０による格別の作用効果に加えて、偏心荷重２０の位置及び質量情報Ｄの測定作業を省略できるので、動作制御の準備作業が簡略化される利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る制御装置の基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１の制御装置を適用可能な工作機械の主要部の一例を概略で示す斜視図である。
【図３】図１の制御装置を適用可能な工作機械の主要部の他の例を概略で示す斜視図である。
【図４】図１の制御装置における制御フローを示すブロック線図である。
【図５】図２の工作機械に関する干渉の推定手法を説明する図で、（ａ）送り制御軸と回転制御軸との力学的関係を模式図的に示す図、及び（ｂ）両軸の力学的関係を、偏心荷重を質点として幾何学的に示す図である。
【図６】図２の工作機械に関する他の干渉の推定手法を説明する図で、（ａ）送り制御軸と回転制御軸との力学的関係を模式図的に示す図、及び（ｂ）両軸の力学的関係を、偏心荷重を質点として幾何学的に示す図である。
【図７】図３の工作機械に関する干渉の推定手法を説明する図である。
【図８】図３の工作機械に関する他の干渉の推定手法を説明する図である。
【図９】本発明の一実施形態による制御装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による制御装置の構成を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０、６０、７０    制御装置
１２、１４    工作機械
１６Ｌ、１６Ｒ    送り制御軸
１８    回転制御軸
２０    偏心荷重
２２    干渉推定部
２４    指令補正部
６２    定数変更部
７２    偏心情報推定部
【図１】
2008186434.tif 000003
【図２】
2008186434.tif 000004
【図３】
2008186434.tif 000005
【図４】
2008186434.tif 000006
【図５】
2008186434.tif 000007
【図６】
2008186434.tif 000008
【図７】
2008186434.tif 000009
【図８】
2008186434.tif 000010
【図９】
2008186434.tif 000011
【図１０】
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