(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータを用いて負荷を駆動する数値制御機械の制御対象の位置を上位装置からの位置指令値に従って制御する位置制御装置において、
前記位置指令値と位置検出器から得た前記制御対象の位置検出値とから操作量を出力する制御器と、
前記操作量と補償量を加算して制御入力を出力する加算器と、
前記制御入力に応じて制御対象を駆動する手段と、
前記位置検出値に前記制御対象のノミナル値の逆特性を乗じて得た値と前記制御入力との差分をローパスフィルタに入力し、外乱推定値を得る外乱オブザーバと、
前記外乱推定値と切削振動周波数とから前記補償量を算出する振幅位相補正器と、
を備え、
前記振幅位相補正器は、
前記切削振動周波数における前記ローパスフィルタのゲイン特性からゲイン補正係数を算出し、
前記切削振動周波数における前記ローパスフィルタの位相特性から位相補正値を算出し、
前記ゲイン補正係数および前記位相補正値に基づいて前記外乱推定値をゲイン補正および位相補正する、
ことを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置制御装置であって、
前記切削振動周波数は、前記数値制御機械に設けられた主軸の回転速度と、前記主軸に取り付けられた工具の刃数と、から算出される、ことを特徴とする位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等における送り軸の位置制御装置、特に加工中の切削振動に起因した位置誤差を抑制する位置制御装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の送り軸では、例えばフライス加工を行う場合、加工に伴う切削負荷の上昇や切削振動に起因した位置誤差を生じる。これらの切削外乱に起因した位置誤差を抑制する手法として外乱オブザーバがよく知られている。
【０００３】
図３は、従来の位置制御装置の一例として、非特許文献１の技術を示したブロック図である。図３において、制御器１は上位装置（図示しない）からの位置指令値ｒと位置検出値から操作量ｕ０を出力し、加算器２で補償量と加算され、制御入力ｕとなる。制御入力ｕは、制御対象４に入力されるが、外乱ｄの影響で実質的な入力は制御入力ｕから外乱ｄを減算器３で引いた値と等しくなる。制御対象４は、制御入力ｕが与えられることにより、位置出力ｙが位置指令値ｒと等しくなるように制御される。また、制御対象４の位置出力ｙは、位置検出器等により、その位置を検出されるが、観測雑音ζの影響で、実質的な位置検出値ｙ０は、位置出力ｙから観測雑音ζを加算器５で加えた値と等しくなる。
【０００４】
一方、ノミナルプラントの逆システム６は、制御対象４の伝達特性Ｐに対するノミナル特性Ｐｎに関し、逆伝達特性となるＰｎ−１の伝達特性を持つ。ノミナルプラントの逆システム６は、位置検出値ｙ０から制御対象４の実質的な入力を推定し、減算器７で制御入力ｕとの差分を取ることにより、制御対象４に作用する外乱ｄを推定する。ただし、ノミナルプラントの逆システム６は、非プロパーな関数となるため、実質的にはローパスフィルタ８を経て外乱推定値ｄ’が出力される。この外乱推定値ｄ’は補償量として加算器２で制御器１の出力である操作量ｕ０と加算される。
【０００５】
次に動作原理について説明する。操作量ｕ０、外乱ｄ、観測雑音ζに対する位置出力ｙ、制御入力ｕは、それぞれ式１、式２で表現される。
ｙ＝Ｐ×Ｐｎ            ／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ｕ０
−Ｐ×Ｐｎ×（１−Ｌ）／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ｄ
−Ｐ×Ｌ              ／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ζ  ・・・式１
ｕ＝Ｐｎ  ／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ｕ０
＋Ｐ×Ｌ／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ｄ
−Ｌ    ／｛Ｐｎ×（１−Ｌ）＋Ｐ×Ｌ｝×ζ  ・・・式２
【０００６】
ローパスフィルタ８の伝達特性Ｌが１の場合、式１は式３で表現され、外乱ｄの影響を排除することができる。
ｙ＝Ｐｎ×ｕ０−ζ                                    ・・・式３
【０００７】
一方、式２は式４で表現され、観測雑音ζがＰ−１で増幅された状態で、制御入力ｕに重畳されることが分かる。
ｕ＝Ｐｎ／Ｐ×ｕ０＋ｄ−１／Ｐ×ζ                    ・・・式４
【０００８】
即ち、外乱ｄの影響を抑制するためには、ローパスフィルタ８のカットオフ周波数をできるだけ高く設定することが好ましいものの、観測雑音ζに起因した異音や高周波振動の発生を防ぐため、カットオフ周波数をあまり高く設定できないというのが実状である。
【０００９】
ここで、機械加工時の挙動を例にすると、加工に伴い切削負荷が上昇した場合、外乱ｄとして定常的な負荷が加わる。しかし、ローパスフィルタ８は直流成分に対して伝達特性Ｌが１となるため、前述のように、外乱ｄの影響は抑制され、位置出力ｙに影響を及ぼすことはない。同様に、加工に伴い切削振動が発生した場合でも、その振動周波数がローパスフィルタ８のカットオフ周波数に比べ十分に低い状況下では、その影響を抑制することを可能としている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】山田耕嗣他著、「外乱オブザーバの高次数化とロバスト安定性に関する考察」、Ｔ．ＩＥＥ  Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１７（１９９７）−Ｃ，Ｎｏ．１２，ｐ．１７７６−ｐ．１７８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、外乱ｄとして切削振動が作用した場合、その振動周波数におけるローパスフィルタ８の伝達特性Ｌが１となるまで、ローパスフィルタ８のカットオフ周波数を高めることは難しい。特にローパスフィルタ８の位相特性において、遅れが発生し、妨げとなる。仮に、ローパスフィルタ８の伝達特性Ｌを式５のように定めたとする。ここで、式５において、ωｃはローパスフィルタ８のカットオフ角周波数、ｓはラプラス演算子を表す。
Ｌ＝ωｃ／（ｓ＋ωｃ）                                ・・・式５
【００１２】
この時、切削振動の振動角周波数がローパスフィルタ８のカットオフ角周波数ωｃの半分、即ちωｃ／２であったとすると、ローパスフィルタ８のゲイン特性｜Ｌ｜は０．８９倍、位相特性∠Ｌは２６．６ｄｅｇの遅れとなる。更に、切削振動の振動角周波数がωｃ／５であったとしても、｜Ｌ｜は０．９８倍、∠Ｌは１１．３ｄｅｇの遅れとなる。
【００１３】
図４はローパスフィルタ８の伝達特性が１（｜Ｌ｜＝１倍、∠Ｌ＝０ｄｅｇ）の場合の時間応答特性を図示したものである。なお、ここでは簡単のため、操作量ｕ０、観測雑音ζをともにゼロとしている。ローパスフィルタ８の伝達特性が１であるため、外乱推定値ｄ’は外乱ｄと一致し、位置出力ｙに外乱ｄの影響を与えることがない。即ち切削振動が加わっても位置出力ｙは変移しない。
【００１４】
一方、図５はローパスフィルタ８の伝達特性が１でない場合、即ちゲイン特性が減衰し、位相特性に遅れがある場合の時間応答特性を図示したものである。外乱推定値ｄ’は外乱ｄに対し、振幅が低下し、位相も遅れを生じている。この時、外乱ｄの影響を打ち消すことができず、位置出力ｙに外乱ｄの影響が重畳する結果となる。
【００１５】
このように、外乱ｄとして切削振動が作用した場合、切削振動の振動周波数に対するローパスフィルタ８の伝達特性が１（｜Ｌ｜＝１倍、∠Ｌ＝０ｄｅｇ）でないため、位置出力ｙに対する影響を完全に抑制することができないといった課題がある。
【００１６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、加工中に発生する切削振動に対し、遅れなくこれを推定、補償することで、位置指令値と位置出力との間に生じる位置誤差を抑制する位置制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る位置制御装置は、サーボモータを用いて負荷を駆動する数値制御機械の制御対象の位置を上位装置からの位置指令値に従って制御する位置制御装置において、前記位置指令値と位置検出器から得た前記制御対象の位置検出値とから操作量を出力する制御器と、前記操作量と補償量を加算して制御入力を出力する加算器と、前記制御入力に応じて制御対象を駆動する手段と、前記位置検出値に前記制御対象のノミナル値の逆特性を乗じて得た値と前記制御入力との差分をローパスフィルタに入力し、外乱推定値を得る外乱オブザーバと、前記外乱推定値と切削振動周波数とから前記補償量を算出する振幅位相補正器と、を備え、前記振幅位相補正器は、前記切削振動周波数における前記ローパスフィルタのゲイン特性からゲイン補正係数を算出し、前記切削振動周波数における前記ローパスフィルタの位相特性から位相補正値を算出し、前記ゲイン補正係数および前記位相補正値に基づいて前記外乱推定値をゲイン補正および位相補正する、ことを特徴とする。
【００１８】
好適な態様では、前記切削振動周波数は、前記数値制御機械に設けられた主軸の回転速度と、前記主軸に取り付けられた工具の刃数と、から算出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による位置制御装置によれば、加工中に発生する切削振動に対し、遅れなくこれを推定、補償することができ、位置指令値と位置出力との間に生じる位置誤差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示すブロック図である。
【図３】従来技術を示すブロック図である。
【図４】正確に外乱を推定できたときの時間応答特性図である。
【図５】外乱推定値に減衰や遅れを含むときの時間応答特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００２２】
図１は、本発明の実施例に関わる制御ブロックを示した図である。従来例と同一要素には、同一符号を付しており説明を省略する。従来例（図３）では、ローパスフィルタ８の出力を外乱推定値ｄ’とし、操作量ｕ０に加算していたのに対し、本発明（図１）ではローパスフィルタ８の出力を振幅位相補正器９に入力し、その出力を外乱推定値ｄ’として操作量ｕ０に加算する構成となっている。
【００２３】
振幅位相補正器９は、ローパスフィルタ８の出力のほか、振動周波数ｆを入力に持ち、その伝達特性Ｇは、式６のように表現される。ここで、式６において、Ｋはゲイン補正係数、αは位相補正係数、ｓはラプラス演算子を表し、更に位相補正係数αは位相補正値φを用いて式７で規定される。
Ｇ＝（Ｋ／√α）×（ｓ＋２πｆ√α）／（ｓ＋２πｆ／√α）  ・・・式６
α＝（１−ｓｉｎφ）／（１＋ｓｉｎφ）                      ・・・式７
【００２４】
振幅位相補正器９は、振動周波数ｆにおいて、ゲイン特性｜Ｇ｜がＫ、位相特性∠Ｇがφの進みとなる伝達特性を持つ。一方、このゲイン補正係数Ｋ、位相補正値φは、振動周波数ｆにおけるローパスフィルタ８の伝達特性Ｌに関し、式８、式９の関係を持つように設定される。
Ｋ＝１／｜Ｌ｜              ・・・式８
φ＝−∠Ｌ                  ・・・式９
【００２５】
即ち、ローパスフィルタ８によって減衰した振動周波数ｆの振動振幅をゲイン補正係数Ｋで増幅するとともに、ローパスフィルタ８によって生じた振動周波数ｆの位相遅れを位相補正値φで位相を進ませる機能を持つ。この振幅位相補正器９の働きにより、振動周波数ｆの切削振動を遅れなく正確に推定することができるようになる。そして、この振幅位相補正器９の出力である外乱推定値ｄ’を補償量として加算器２で制御器１の出力である操作量ｕ０と加算することによって、切削振動の影響で生じる位置誤差を抑制することができる。
【００２６】
即ち、ローパスフィルタ８、振幅位相補正器９からなる演算部の伝達特性が振動周波数ｆに対し、１となるため、図４で示した時間応答特性図のように、外乱推定値ｄ’と外乱ｄが一致し、位置出力ｙに外乱ｄの影響を与えないようにすることが可能となる。
【００２７】
なお、振幅位相補正器９に入力される振動周波数ｆは、加工条件などに従い上位装置から与えるものとする。例えば、図２に示すように、工具を取り付けた主軸の回転速度Ｓに工具の刃数Ｚを乗算器１０で乗じることにより、切削振動の基本波として振動周波数ｆを定めることが可能である。また、主軸の回転速度Ｓの変化にあわせて、振幅位相補正器９で扱う振動周波数ｆを可変することも可能である。
【００２８】
また、振幅位相補正器９を付加したことにより、振動周波数ｆよりも高い周波数帯域において外乱推定値ｄ’がＫ／√α倍に増幅され、観測雑音ζの影響が制御入力ｕに重畳することが懸念される。この場合、予めローパスフィルタ８を高周波域での減衰性能が優れた高次のローパスフィルタで構成することにより、その課題を回避することが可能である。
【００２９】
なお、上記実施例では、ローパスフィルタ８の伝達特性Ｌを式５のように定めた場合を例に説明したが、本発明は、この伝達特性に限定されるものではない。例えば、高域遮断特性に加えて低域遮断特性を併せ持つバンドパスフィルタのような伝達特性であっても、本発明の振幅位相補正器９を用いてゲイン・位相を適切に補正した外乱推定値ｄ’を算出することができる。
【００３０】
以上のように、本発明による位置制御装置によれば、加工中に発生する切削振動に対し、遅れなくこれを推定、補償することができ、位置指令値と位置出力との間に生じる位置誤差を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  制御器、２，５  加算器、３，７  減算器、４  制御対象、６  ノミナルプラントの逆システム、８  ローパスフィルタ、９  振幅位相補正器、１０  乗算器。
【図１】
0006417231.tif 000002
【図２】
0006417231.tif 000003
【図３】
0006417231.tif 000004
【図４】
0006417231.tif 000005
【図５】
0006417231.tif 000006