(57)【要約】【課題】工作機械の送り軸のパラメータ調整をシミュレーションにより行う。【解決手段】機械の動きを測定する測定器を備えて、測定結果に基づいて送り軸のパラメータを調整するシステム１００に関し、加速度、位置ループゲイン、フィードフォワードゲイン、加減速フィルタ、コーナ速度の５つのパラメータを個別に調整する。これらの調整が行われるのは実際の機械上ではなく、機械振動を表す数学モデル上でシミュレーションを行いつつ実施される。その数学モデルは調整始めに前述の測定器を使って諸定数を同定する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値制御装置を備えた工作機械において、
工作機械の主軸とテーブルの相対運動を測定する装置と、測定装置の測定データに基づいて送り軸のパラメータを調整する手段を備え、加速度、位置ループゲイン、フィードフォワードゲイン、加減速フィルタ、コーナ速度の５つのパラメータを調整する工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項２】
加速度のパラメータの調整方法は、
加減速時の各軸の機械誤差を測定する工程と、
各軸の機械誤差が一定の許容値以下になるように加速度を調整する工程と、
１軸目と２軸目の誤差の相対誤差を求める工程と、
相対誤差が一定の許容値以下になるように加速度を調整する工程
を備える請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項３】
位置ループゲインのパラメータの調整方法は、
各軸に発生する許容できない振動のうち最も低い周波数を測定する工程と、
その周波数において、位置ループ制御系の指令値から機械の運動軌跡までの伝達関数が０ｄＢ以下になるように位置ループゲインの上限値を決定する工程と、
軸制御の安定性を損なわないようにフィードバック信号を使って調整する従来の方法により決定された位置ループゲインと、前工程で決定した上限値とを比較し、小さい方の値を位置ループゲインとして決定する工程と、
同時補間をする軸のうち、最も小さい位置ループゲインの上限値を共通の上限値と決定する工程と
を備える請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項４】
フィードフォワードゲインのパラメータの調整方法は、
２つの異なるフィードフォワードゲインに対する円弧の半径誤差を測定する工程と、
最適なフィードフォワードゲインを数１で求める工程
【数１】
2004188541.tif 000004
を備える請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項５】
加速度フィルタのパラメータの調整方法は、
各軸に発生する許容できない振動のうち最も低い周波数を測定する工程と、
その周波数の逆数をフィルタ時定数とする工程
を備える請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項６】
コーナ速度のパラメータの調整方法は、
コーナ速度を小さい値から少しずつ大きくしていきながら、コーナ部の振動を観測し、振動の大きさが許容値を超えない最大のパラメータ値を求める工程
を備える請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項７】
送り軸のパラメータを調整する手段は、機械モデルのシミュレーション手段を備え、対象とする工作機械を作動させることなく送り軸のパラメータを調整する請求項１記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【請求項８】
さまざまな加工プログラムに対して、機械モデルのシミュレーションを行うことで、各々の加工プログラムに最適な加減速パラメータを見つけ出す手段を備える請求項７記載の工作機械の送り軸パラメータ調整システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械の送り軸パラメータを運動軌跡誤差に基づいて調整するためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
送り軸パラメータを調整するには、各軸のサーボモータに取り付けられたエンコーダのフィードバック信号を観測して、トルク制限を越えないように、振動がないようにまたはオーバシュートが無いように調整する。自動調整に関してはサーボパラメータを安定性に基づいて自動調整するものが示されている（特許文献１参照）が、加減速の時定数や加減速フィルタおよびフィードフォワードゲインを調整するシステムは示されていない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１０２２１１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報に記載されたものは、サーボモータのフィードバックを見るだけなので、機械で発生する振動や、加減速時に発生する機械のひずみによる誤差、さらには２軸間の剛性違いから生じる同期誤差に対処できていない。また平面運動が測定可能な非接触ガラスエンコーダやレーザ測長器等で機械の動きを観測しても、それに基づいた適切なパラメータ調整方法がない。当然、自動調整システムもない。手動による調整においては不用意なパラメータ設定で、機械、測定器、治具等を破損に至らしめる危険性もある。本発明は、上述した不具合を解消するシステムを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械の送り軸パラメータ調整システムは、基本的手段として、工作機械の主軸とテーブルの相対運動を測定する装置と、測定装置の測定データに基づいて送り軸のパラメータを調整する手段を備える。そして、加速度、位置ループゲイン、フィードフォワードゲイン、加速度フィルタ、コーナ速度の５つのパラメータを調整するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の加減速パラメータ調整システムの概略を示す。
実機にて所定の加工プログラムを実行し、主軸とテーブルの相対運動を測定する（初期試験ステップＳ１）。
測定データから、発生した振動を表現できるように数学モデル（以下、機械モデル）の係数を同定する（ステップＳ２）。この機械モデルを用いて、シミュレーションをおこないながら、精度が許容値内になるように加減速パラメータを調整する（ステップＳ３）。加減速パラメータは加速度、位置ループゲイン、フィードフォワードゲイン、加減速フィルタ、コーナ速度の５つである。機械モデル上でのシミュレーションで調整したあと、このパラメータを用いて、実機上で精度を確認する（ステップＳ４）。
【０００７】
図２は、加減速パラメータ調整システムを示す。
図はＣＮＣ装置１０とサーボコントローラ３０とモータ４０と工作機械５０からなる通常の工作機械送り駆動系に、主軸とテーブルの相対運動を測定する測定器６０が取り付けられ、さらにパラメータ調整システム１００（以下調整システム）が装備された状態を表す。図には調整すべきパラメータのうち、フィードフォワードゲインと位置ループゲインだけが示されている。他の３つのパラメータはＣＮＣ１０の内部での処理に使われる。
【０００８】
調整システム１００はＣＮＣからのサーボ指令と、測定器からの測定データを入力信号とし、ＣＮＣのパラメータ変更と運転起動を出力信号とする。調整システムの内部はフィードフォワード処理手段１１０、位置制御装置１２０、機械をシミュレートする機械モデル１３０を持つ。この例では速度制御、電流制御は十分な制御応答性があるとし、伝達関数を１にとり、敢えてモデル化をしない場合を示すが、これら制御処理をモデルに取り込んでおいても問題ない。
【０００９】
ＣＮＣ１０の後段には切換スイッチ２０があり、サーボ指令をサーボコントローラ３０に与えるか、調整システム１００に与えるかをこのスイッチで切り替える。
【００１０】
本説明ではフィードフォワード処理手段をサーボコントローラ内に設けているが、ＣＮＣ内に置いてもよい。また、ＣＮＣの処理を調整システム内でシミュレートしてもよく、その場合の調整システムヘの入力はサーボ指令ではなく、ＮＣプログラムとなる。
【００１１】
図３は、機械モデルを示す。機械モデルは機械の振動をある程度再現できるものであればよい。例として挙げたモデルaの場合は、２つの周波数を持った数学モデルである。係数ωａ、ωｂは周波数を表し、ζａ、ζｂはそれぞれの周波数に対する滅衰係数を表す。それぞれの周波数の振動の大きさを係数ａ、ｂで決定する。
機械モデルはモデルｂのように高次の線形モデルであってもよいし、モデルｃのような離散系のモデルであってもよい。
【００１２】
調整すべきパラメータは、サーボ制御に関係するパラメータと加減速形状に関係するパラメータに二分できる。サーボ制御に関係するパラメータは図２で説明したフィードフォワードゲインと位置ループゲインである。
【００１３】
図４は、加減速形状に関係するパラメータを示し、パラメータは、加速度、加減速フィルタとコーナ速度である。
加減速形状を作成する手順にしたがい、それに使われるパラメータを説明していく。まず、加工プログラムに示された補間指令ブロックの移動距離が速度指令に基づいて時間分配される。そのままでは、加速度が無限大になり、非常に大きな衝撃を機械に与えることになるので、パラメ−タで示された加速度になるように直線加減速処理が施される。
【００１４】
つぎに、加速度の変化を連続にするために加減速フィルタ処理が施される。このフィルタは移動平均フィルタであり、このフィルタの時定数をパラメータで設定する。
【００１５】
つぎにコーナ速度について説明する。隣合う補間指令ブロックがそれぞれ加減速フィルタまで施された後、そのまま時系列に重複することなく連続すると、加工プログラムの処理時間が長くなってしまう。それを防ぐために、ブロックを重ね合わせて重なった部分を前後のブロックに再分配する。この最小値をコーナ速度と称し、パラメータで設定する。現実の物理現象として物体がある速度をもって９０度のコーナを曲がることは不可能であるが、サーボ指令としては数値処理上の話であるので可能である。ただし加工プログラムを短縮するために、この値を大きくしすぎると機械を振動させることになる。
【００１６】
調整の手順を説明する。初めに、切換スイッチを接点aにしておき、所定のプログラムを実行し、機械を運転する。運転パラメータは安全の範囲で機械が振動しやすい値にしておく。そのときの機械の運動軌跡を測定器で測定し、調整システムに入力する。調整システムでは、その測定データを解析し、機械モデルの
パラメータを同定する。
【００１７】
次に、切換スイッチを接点ｂにして、サーボ指令を調整システムに与える。調整システム内でシミュレーションをおこなう。機械モデルを同定したときと同じサーボ指令であれば、同じ運動軌跡が得られるはずである。
【００１８】
このデータをもとに、所定のアルゴリズムを用いて、パラメータを調整していく。たとえばフィードフォワードゲインをある値に変更し、再度シミュレーションをおこない、変更前のシミュレーション結果と比較して、より適切な値に変更するというような方法である。ＣＮＣ内で使うパラメータを変更する場合には、シミュレーションの前にＣＮＣのパラメータを変更し、その後、ＣＮＣからサーボ指令をもらい、シミュレーションをおこなう。
【００１９】
通常、実機上で、精度を確認しながらパラメータを調整すると非常に時間を要する。
また、このような調整をいわゆる最適化手法を用いて自動的におこなうと、評価値の極値を探るために、思いもよらないパラメータの組合せをつくることがあり、危険をともなう。
そこで、数学モデルに基づくシミュレーションをコンピュータ上で実施しながら調整をおこなうことにより、安全にかつ迅速にパラメータ調整をおこなうことが可能となる。
【００２０】
一度同定した機械モデルは保存し、その後現場にて使われるさまざまな加工プログラムに対して、保存しておいた機械モデルを用いて運動精度をシミュレーションし、運動精度が指定された許容値に入るように、加減速パラメータを調整する。
こうすることで、各々の加工プログラムに応じて、最適な加減速パラメータを提供することが可能となる。
【００２１】
以降、個々のパラメータについて調整方法を示す。
図５は、加速度の調整方法を示す。
まず加減速時の各軸の機械誤差を測定する。測定された機械位置またはシミュレーションによって得られた機械位置からサーボモータのフィードバック位置またはシミュレーション上の位置制御ループの出力値を差し引くと、加速度により引き起こされた機械の歪みを求めることができる。
【００２２】
コーナにおいてはこれがオーバシュートとなって現れることがあるので、この値が許容値以下になるように加速度を決定する。機械に発生する最大のひずみと加速度との関係が機械の剛性をばね定数として比例すると考え、目標値に近い値を一回の試行結果から計算で求めることができる。また、この調整を試行錯誤的におこなってもよいし、最適化手段を用いて調整してもよい。
この加速度は補間処理をおこなう場合には同時補間が対象となるすべての送り軸で同一の値をとるため、結局もっとも剛性の小さい軸にあわせて調整することになる。
【００２３】
つぎに、同時補間をおこなうすべての軸から組合わせ可能な２つの軸において、先に求めた機械誤差の偏差（相対誤差）を計算する。同時２軸で補間する場合には、この相対誤差が軌跡上で誤差となって現れる。この相対誤差または軌跡誤差が許容値以下になるように加速度を決定する。
【００２４】
図６は、位置ループゲインの調整方法を示す。
ｉ番目の軸に発生する許容できない振動のうち最も低い周波数ωｉを測定する。周波数ωｉにおいて、位置ループ制御系の指令値から機械の運動軌跡までの伝達関数が０ｄＢ以下になるように位置ループゲインの上限値Ｋｐｌｉｍを決定する。軸制御の安定性を損なわないように、フィードバック信号を使って調整する従来の方法により決定された位置ループゲインＫｐ０を比較し、小さい方をその軸の位置ループゲインＫｐｉとして決定する。
補間処理をおこなう場合には、同時補間をするすべての送り軸で同一の値にする必要があるため、Ｋｐｉの中で最も小さい値を共通の位置ループゲインＫｐｃとする。
【００２５】
図７は、フィードフォワードゲインの調整方法を示す。
まず２つのことなるフィードフォワードゲインを用意する。
それぞれのフィードフォワードゲインの設定値に対して、円弧動作をおこない、そのときの半径を測定する。
ｒ１:ゲインＫ１のときの半径
ｒ２:ゲインＫ２のときの半径
ゲインと半径のそれぞれの組合せから提示した式にしたがって最適なフィードフォワードゲインＫを数２により求める。
【数２】
2004188541.tif 000003
【００２６】
図８は、加減速フィルタの調整方法を示す。各軸に発生する許容できない振動のうち最も低い周波数を求める。
その周波数の逆数を求めてフィルタ時定数とする。
この加減速フィルタは移動平均フィルタであるので、フィルタの入出力関係を表す伝達関数は図のように時定数の逆数とその整数倍で伝達率が０となる。ここに問題となる振動の周波数を一致させることで、加減速データから問題の周波数成分を取り除くことができる。
【００２７】
図９は、コーナ速度の調整方法を示す。
他の４パラメータを調整した後、最後にこの調整をおこなう。
方法としてはコーナ速度を小さい値から少しずつ大きくしていきながら、コーナ部の振動を観測し、振動の振幅が許容値を超えない最大のコーナ速度を求める。
【００２８】
図１０は、適用例を示す。
パラメータ調整前の実機データ（ａ）から機械モデルを同定する（ｂ）。
機械モデルを使って、パラメータを調整する。（ｃ）
調整したパラメータ値を使って、実機で精度を確認する（ｄ）。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は次の効果を有する。
機械の動きをシュミレートして調整するので、モータのフィードバックだけを使う調整よりも正確な調整ができる。
パラメータの特徴を分析して、それぞれにふさわしい調整をするので、「精度のために効率が犠牲になる、効率のために精度が犠牲になる」といったジレンマが解消される。
所定のアルゴリズムを使うので、オペレータの資質に関係なく的確な調整を行うことができる。
パラメータ調整は実機を動かすことなく行われるので、調整中に発生しがちな危険性が排除される。また、最適なパラメータを迅速に見つけ出すことができる。
加工プログラムをシミュレーションすることで加工プログラム毎に最適なパラメータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加減速パラメータ調整システムの概略を示す図。
【図２】加減速パラメータ調整システムのブロック図。
【図３】機械モデルの説明図。
【図４】加減速形状に関するパラメータの説明図。
【図５】加減速の調整方法を示す説明図。
【図６】位置ループゲインの調整方法を示す説明図。
【図７】フィードフォワードゲインの調整方法を示す説明図。
【図８】加速度フィルタの調整方法を示す説明図。
【図９】コーナ速度の調整方法を示す説明図。
【図１０】適用例を示す説明図。
【符号の説明】
１０  ＣＮＣ装置
２０  切換スイッチ
３０  サーボコントローラ
４０  モータ
５０  工作機械
６０  測定器
１００  パラメータ調整システム
【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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