(57)【要約】【課題】バイトを擬似回転させる振動切削装置において、アクチュエータ制御部の応答性や感度を向上させる。【解決手段】２つの直動アクチュエータによってバイトを擬似回転させながら被加工物に対して相対移動を行う加工装置において、各直動アクチュエータを制御するディジタル制御器３０のＰＩＤ補償器３３による閉ループ制御系に可変型駆動指令信号生成器３１を用いる。パターン発生装置３４によるオープン駆動からフィードバック制御に切り替える時に、バイトの変位を検出する位置センサからの変位信号Ｐ１  を可変型駆動指令信号生成器３１に導入して偏差ｄをゼロにする駆動指令信号Ｐｅ  を発生することで、振動を防ぐ。【選択図】      図６
2005014169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を切削加工する切削工具と、直交する２軸の方向にそれぞれ前記切削工具を振動させる少なくとも２つの直動アクチュエータと、前記切削工具を擬似回転させるために各直動アクチュエータを制御するフィードバック制御装置と、前記切削工具を前記被加工物に対して相対的に移動させる相対移動機構とを備えており、
前記フィードバック制御装置が、各直動アクチュエータの目標駆動量を指令するための駆動指令信号と前記直動アクチュエータの状態量との偏差に基づく操作量を前記直動アクチュエータに出力する閉ループ制御系と、パターン発生装置のパターン指令信号に基づく操作量を前記直動アクチュエータに出力するオープン駆動系と、前記閉ループ制御系と前記オープン駆動系とを選択的に切り替えるための切り替え器と、前記切り替え器によって前記オープン駆動系から前記閉ループ制御系に切り替えるときの前記直動アクチュエータの状態量に基づいて、前記偏差を低減するように前記駆動指令信号を変化させ、前記直動アクチュエータを前記目標駆動量に滑らかに到達させる駆動指令変更手段とを有することを特徴とする加工装置。
【請求項２】
直動アクチュエータが電歪素子または磁歪素子であることを特徴とする請求項１記載の加工装置。
【請求項３】
制御対象の目標駆動量を指令するための駆動指令信号と前記制御対象の状態量との偏差に基づく操作量を前記制御対象に出力する閉ループ制御系と、パターン発生装置のパターン指令信号に基づく操作量を前記制御対象に出力するオープン駆動系と、前記閉ループ制御系と前記オープン駆動系とを選択的に切り替えるための切り替え器と、前記切り替え器によって前記オープン駆動系から前記閉ループ制御系に切り替えるときの前記制御対象の状態量に基づいて、前記偏差を低減するように前記駆動指令信号を変化させ、前記制御対象を前記目標駆動量に滑らかに到達させる駆動指令変更手段とを有することを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項４】
制御対象が電歪素子または磁歪素子を用いた直動アクチュエータであることを特徴とする請求項３記載のフィードバック制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動切削加工装置において、切削工具を楕円振動させる直動アクチュエータ等を予め設定された出力パターンに基づく操作量でオープン駆動する状態と、切削工具の変位等の状態量に基づく操作量でフィードバック制御する状態とを、切り替え器によって切り替えて制御する安定性の高いフィードバック制御装置および加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータ等のＰＩＤ補償器等を用いたフィードバック制御系において、制御的に不安定になることを避けて高い精度のモータ制御等を維持する方法として、回転位置等に応じてオープン駆動に切り替える切り替え器が用いられている。この切り替え器を用いたフィードバック制御装置は、制御的に不安定になることが想定される状況で、切り替え器によって、予め設定された出力パターンによるオープン駆動に切り替えることで、制御的に不安定になることを回避するものである（特開平９−１４０１７９号公報参照）。
【０００３】
このように必要に応じてオープン駆動に切り替えることで、フィードバック制御系に不安定になりやすい入力が入らないことが保証されるので、フィードバック制御系の感度を高く設定することができ、フィードバック制御時に高い応答性と精度を得ることができる。
【０００４】
従って、フィードバック制御が不安定になることを避けると同時に、高速かつ高精度な駆動を実現できる。
【０００５】
図９は、上記の切り替え器を用いた制御装置の構成を示すブロック図である。フィードバック制御を行う閉ループ制御系は、駆動指令信号生成器１０１により生成された目標駆動指令Ｐ０  と、制御対象１０２となる例えばサーボモータの回転角等の状態量Ｐ１  との偏差ｄを、減算器１０３で求めてＰＩＤ補償器１０４に入力する。ＰＩＤ補償器１０４は、偏差ｄを用いて公知のＰＩＤ制御を行い、操作量ｕ１を出力するものである。
【０００６】
オープン駆動系のパターン発生装置１０５は、所定の駆動波形を記憶し所定のパターンで変化するいわゆるパターン指令Ｐによる操作量ｕ２を出力する。
【０００７】
切り替え器１０６は、閉ループ制御系の出力である操作量ｕ１とオープン駆動系の出力である操作量ｕ２を切り替え制御器１０７の出力信号によって適宜切り替えて、制御対象１０２に出力する。
【０００８】
制御対象１０２は速度コントローラやサーボモータなどを含む駆動系であり、切り替え制御器１０７は、フィードバック制御の時には操作量ｕ１を出力ｕとして選択し、オープン駆動時には操作量ｕ２を出力ｕとして選択する。
【０００９】
上記の切り替え制御の方法としては、タイマーによる方法と制御対象１０２の状態量に基づく方法の二種類が挙げられる。タイマーによる方法は、予めフィードバック制御モードおよびオープン駆動モードを時間毎にどちらを用いるか決定し、設定された時刻において切り替わるものである。偏差ｄが大きくなる等によりＰＩＤ補償器１０４による出力が制御モードを加振する時刻が既知である場合、この時刻にオープン駆動を選択すれば振動を回避できる。そしてオープン駆動時にはフィードバック制御時と比較して高い応答性を得られる。従って、オープン駆動による高い応答性とフィードバック制御による高精度駆動を両立できる。
【００１０】
また、制御対象１０２の状態による切り替え方法は、偏差ｄが大きくなる等によりＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振するときの制御対象１０２の状態量が既知である場合に、制御対象１０２の状態量から振動を予測してパターン発生装置１０５の出力である操作量ｕ２を制御対象１０２に出力することでオープン駆動し、制御対象１０２の状態量Ｐ１  を観測する。そして状態量Ｐ１  の値によりＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振しないことが判明した時点で、操作量ｕ１を制御対象１０２に出力するフィードバック制御に切り替える。こうすることで、ＰＩＤ補償器１０４の出力である操作量ｕ１が制御モードを加振するのを防ぎ、オープン駆動による高い応答性とフィードバック制御による高精度駆動を両立できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の切り替え器を用いてもフィードバック制御装置の感度を高く設定できず、切削工具を切削駆動する直動アクチュエータ等を高精度高速駆動できない場合がある。すなわち、切り替え方法としてタイマーを用いた場合、オープン駆動時の制御対象の状態量Ｐ１  がフィードバック制御時の目標駆動指令Ｐ０  と一致することが保証されていないため、オープン駆動からフィードバック制御への切り替え時に偏差ｄがステップ状になる。フィードバック制御系にステップ状の偏差が入力されると制御対象の出力は振動的になり、切り替え器を用いたフィードバック制御装置であってもフィードバック制御時の高精度駆動を安定して実現できない。
【００１２】
また、制御対象の状態量Ｐ１  による切り替え方法を用いた場合も同様で、制御対象の状態量Ｐ１  の値が所定の時刻で切り替えの条件とする値に到達することが保証されていないため、偏差ｄがステップ状になり、制御対象の出力は振動的になる。従ってこの場合もフィードバック制御時に高精度駆動を安定して実現するのは難しい。
【００１３】
このような制御装置を、例えば高精度な光学金型を切削加工するバイトのアクチュエータに用いると、振動切削駆動部が複雑な機構で構成されかつ要求される加工精度が高いために、前述のように、フィードバック制御時の振動が問題となり、必要以上にフィードバック制御装置の感度を低下させなければならず、その結果、制御系の応答性および精度が充分でないためにアクチュエータの駆動周波数を高められず、バイトの切削速度が低下して加工時間が長くなるという未解決の課題がある。
【００１４】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、オープン駆動からフィードバック制御に切り替える時の偏差を低減し、光学金型等を加工する振動切削方式の加工装置の直動アクチュエータの駆動周波数を高くして切削速度を増大させることができるフィードバック制御装置および加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のフィードバック制御装置は、制御対象の目標駆動量を指令するための駆動指令信号と前記制御対象の状態量との偏差に基づく操作量を前記制御対象に出力する閉ループ制御系と、パターン発生装置のパターン指令信号に基づく操作量を前記制御対象に出力するオープン駆動系と、前記閉ループ制御系と前記オープン駆動系とを選択的に切り替えるための切り替え器と、前記切り替え器によって前記オープン駆動系から前記閉ループ制御系に切り替えるときの前記制御対象の状態量に基づいて、前記偏差を低減するように前記駆動指令信号を変化させ、前記制御対象を前記目標駆動量に滑らかに到達させる駆動指令変更手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
パターン発生装置による一定の駆動波形を用いるオープン駆動系とフィードバック制御を行う閉ループ制御系とを切り替えることで、切削工具を振動させる直動アクチュエータ等の制御対象を安定制御するフィードバック制御装置において、リアルタイムでフィードバック制御の駆動指令信号を変化させることができる可変型駆動指令信号生成器を用いる。
【００１７】
この可変型駆動指令信号生成器は、フィードバック制御時の駆動指令信号を、切り替え時の制御対象の状態量（変位信号）により決定することで、切り替え点での偏差を低減し、かつ目標駆動指令まで滑らかに変化する駆動指令信号を生成する。
【００１８】
駆動指令信号を生成する際の変数として例えば制御対象の位置、速度、加速度を選定した場合、フィードバック制御系の駆動指令値を五次関数で計算することで、切り替え点における位置、速度、加速度を連続的かつ滑らかに目標値に到達させる駆動指令信号を生成できる。
【００１９】
このようにして切り替え点における振動を低減し、オープン駆動からフィードバック制御に滑らかに移行させることで、フィードバック制御の応答性および感度を向上させることが可能になる。
【００２０】
このフィードバック制御装置を振動切削方式の切削工具の直動アクチュエータに用いれば、直動アクチュエータの駆動周波数を上げることが可能となり、切削速度を大幅に増大させて加工時間を短縮できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は一実施の形態による加工装置を示すもので、被加工物であるワークＷはＺ軸回りに回転するθテーブル１に搭載され、θテーブル１はＸ方向に移動自在なＸスライダ２に搭載され、Ｘスライダ２はＹ方向に移動自在なＹスライダ３に搭載される。θテーブル１、Ｘスライダ２、Ｙスライダ３を移動させることで、ワークＷはＺ軸回りの回転とＸ方向およびＹ方向の２次元移動が可能である。
【００２３】
また、切削工具であるバイト１１の運動機構である切削駆動ユニット２０は、Ｙ軸回りに回転可能なωＹ軸４に、カウンタウエイトを有する固定部材４ａを介して搭載される。ωＹ軸４は、Ｚ方向に移動自在なＺスライダ５に搭載されている。切削駆動ユニット２０は、ωＹ軸４の回転により、ωＹ軸４の回転中心を中心として回転移動を行い、ワークＷに対するＹ軸回りの角度が設定され、また、Ｚスライダ５によりＺ方向に移動される。
【００２４】
θテーブル１、Ｘ、Ｙスライダ２、３、ωＹ軸４およびＺスライダ５は、前記方向にのみ移動可能となるように、それぞれ図示していない軸受により支持され、切削駆動ユニット２０によって振動するバイト１１とワークＷとの相対位置を変更したり、送りを行うための相対移動機構を構成しており、ワークＷの任意の加工点にバイト１１を接触させて切削加工を行うことができる。
【００２５】
図２は、バイト１１を切削駆動するための切削駆動ユニット２０の構成を説明するものである。バイト１１の駆動手段は、電歪素子または磁歪素子によって構成される直動アクチュエータであるアクチュエータ２１ａ、２１ｂと冷却部２２ａ、２２ｂからなっており、アクチュエータ２１ａはＺ方向に伸縮し、アクチュエータ２１ｂはＸ方向に伸縮する方向に配置されている。また、各アクチュエータ２１ａ、２１ｂの発熱による熱変位の影響を極力減らし、短時間で熱的安定を図るために冷却部２２ａ、２２ｂにより冷却している。
【００２６】
切削工具であるバイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトを用い、バイト１１はバイトホルダ１２に固定され、バイトホルダ１２は可動部２３に結合されている。可動部２３には、アクチュエータ２１ａ、２１ｂが弾性ヒンジ２４ａ、２４ｂを介して接続されている。一方の弾性ヒンジ２４ａはヒンジ部分が１段であり、他方の弾性ヒンジ２４ｂは２段のヒンジである。また、可動部２３は板バネ２５ａ、２５ｂでメインフレーム２６に固定されている。
【００２７】
図３に示すように、板バネ２５ａは十字の形状をしておりＸ、Ｙ方向に剛であり、かつ、Ｚ方向に柔らかい板バネであり、また、そのＺ方向の取り付け位置は弾性ヒンジ２４ａのほぼ中央に配置されている。板バネ２５ｂはＹ方向に剛で、Ｘ、Ｚ方向に柔らかい板バネである。
【００２８】
このアクチュエータと板バネ、弾性ヒンジの構成により、可動部２３は、アクチュエータ２１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、同時に、アクチュエータ２１ｂの伸縮により板バネ２５ａの十字形状の中央を回転中心とした円弧運動を行う。そして、可動部２３と一体であるバイト１１は、例えば図４に示すような楕円軌道Ｔ１  、Ｔ２  に沿って回動し、いわゆる擬似回転（楕円振動）による切削運動を行う。また、前記板バネの形状と配置により、バイト先端の移動方向以外の他成分方向の剛性を強化し、かつ、Ｘ方向のストロークを大きくすることが可能である。
【００２９】
図５はバイト１１の各アクチュエータ２１ａ、２１ｂの駆動を制御するフィードバック制御装置の構成を示すブロック図である。ディジタル制御器３０は、図６に示す可変型駆動指令信号生成器３１の駆動指令信号Ｐｅ  と、バイト１１と一体的に移動する位置センサ２８による状態量であるバイトの変位信号Ｐ１  から各アクチュエータ２１（２１ａ、２１ｂ）への出力Ｉｒｅｆを生成して、電流アンプ等に代表されるアクチュエータ駆動装置２９に入力し、バイトホルダ１２を介してバイト１１を切削駆動するアクチュエータ２１を制御する。
【００３０】
図６はディジタル制御器３０の構成を示すブロック図である。可変型駆動指令信号生成器３１は、切り替え時にバイト１１の変位信号Ｐ１  からバイト１１の位置、速度および加速度等を算出し、これを用いて駆動指令信号Ｐｅ  を生成する駆動指令変更手段を有する。駆動指令信号Ｐｅ  は切り替え時のバイト１１の変位、速度および加速度を連続的かつ滑らかに変化させてフィードバック制御時の目標駆動量を指令する目標駆動指令Ｐ０  （図７参照）に到達する。
【００３１】
閉ループ制御系の減算器３２は駆動指令信号Ｐｅ  と位置センサ２８により検出されるバイト１１の変位信号Ｐ１  の偏差ｄを求める働きをし、ＰＩＤ補償器３３は偏差ｄより操作量Ｉｒｅｆ１を計算し、操作量Ｉｒｅｆ１は、フィードバック制御時にアクチュエータ駆動装置２９の駆動制御のための出力Ｉｒｅｆとして選択される。
【００３２】
オープン駆動系のパターン発生装置３４は予め設定されたパターン指令信号Ｐによる操作量Ｉｒｅｆ２を切り替え器３５に導入し、出力Ｉｒｅｆ２はオープン駆動時に切り替え器３５によって選択され、アクチュエータ駆動装置２９への出力Ｉｒｅｆとして用いられる。
【００３３】
すなわち、切り替え器３５は駆動制御のための出力Ｉｒｅｆとして制御モードに応じて操作量Ｉｒｅｆ１または操作量Ｉｒｅｆ２を選択する。変更基準としてはバイトの変位信号Ｐ１  を用いる。
【００３４】
図７はアクチュエータ２１の駆動波形を表わしたものである。アクチュエータ駆動装置２９の駆動制御には時刻零から時刻Ｔ１までパターン発生装置３４からのパターン指令信号Ｐが用いられる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２では可変型駆動指令信号生成器３１の駆動指令信号Ｐｅ  によるフィードバック制御が行われ、時刻Ｔ２では駆動指令信号Ｐｅ  ＝Ｐ０  （目標駆動指令）となる。時刻Ｔ２以降は、目標駆動指令Ｐ０  によるフィードバック制御が行われる領域であり、バイト１１がワークＷにカッターマークを残すので位置精度が求められる。
【００３５】
すなわち、時刻零からバイトの変位信号Ｐ１  が切り替え点Ａに達する時刻Ｔ１まで切り替え器３５はオープン駆動系の操作量Ｉｒｅｆ２を選択しており、アクチュエータ２１の駆動量は一点鎖線のグラフで示すように変化するパターン指令信号Ｐにおおよそ追従している。バイト１１の位置を表わす変位信号Ｐ１  が切り替え点Ａに達する時刻Ｔ１から、切り替え器３５は閉ループ制御系の操作量Ｉｒｅｆ１を選択しフィードバック制御が始まる。
【００３６】
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの駆動指令信号Ｐｅ  について説明する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、つまり切り替え点Ａから目標駆動指令Ｐ０  までは滑らかに駆動量を変化させる必要がある。従って時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の駆動指令信号Ｐｅ  は、切り替え点Ａにおける偏差ｄを零にし、時刻Ｔ２において目標駆動指令Ｐ０  と連続になるように、切り替え点Ａでのバイト１１の変位信号Ｐ１  による位置、速度、加速度および時刻Ｔ２における目標駆動指令Ｐ０  による目標位置、目標速度、目標加速度を用いて可変型駆動指令信号生成器３１において算出される。例えば駆駆動指令信号Ｐｅ  を時間の五次関数で定義し前記切り替え点Ａでのバイト１１の変位信号Ｐ１  による位置、速度、加速度および時刻Ｔ２における目標位置、目標速度、目標加速度から時間の五次関数の係数を求め、駆動指令信号Ｐｅ  の時間波形を決定する。
【００３７】
時刻Ｔ２以降はバイト１１の変位が目標値に追従する必要があるので、可変型駆動指令信号生成器３１は駆動指令信号Ｐｅ  ＝Ｐ０  を出力する。
【００３８】
図８は、Ｚ方向のアクチュエータ２１ａの駆動波形を示すもので、横軸は時間、縦軸は駆動指令である。駆動指令は、パターン指令信号Ｐによるオープン駆動の波形Ｃ１と、切り替え点Ａから目標駆動量（目標駆動指令Ｐ０  ）に滑らかに移行する駆動指令信号Ｐｅ  による波形Ｃ２と、目標駆動指令Ｐ０  ＝Ｐｅ  で位置精度を必要とするフィードバック制御の波形Ｃ３を繰り返す。
【００３９】
通常このようなＰＩＤ制御を行うと制御系の共振が不安定要因になるので、閉ループ制御系のＰＩＤ補償器は制御系の共振周波数より高い周波数成分の信号を取り除くような特性に設計される。その結果、ＰＩＤ制御で駆動されるバイトの応答性は制約を受ける。通常用いられる従来例のような切り替え器を用いたＰＩＤ制御装置を用いても、切削工具を駆動する周波数が数百Ｈｚと高速なため、切り替え時に発生する偏差ｄがステップ状の大きな値を持ってしまう。そのため切り替え後にＰＩＤ補償器が不安定になり切削工具先端の駆動軌跡が振動的になってしまう。
【００４０】
そこで前述のように切り替え点の偏差に着眼し、駆動指令信号生成器を可変型駆動指令信号生成器に置き換えて、切り替え点から状態量を目標値まで滑らかに変化させる駆動指令信号Ｐｅ  を用いる。すなわち、駆動指令信号Ｐｅ  は切り替え時のバイト１１の変位信号Ｐ１  による状態量を用いて可変型駆動指令信号生成器３１において算出されるもので、切り替え時の偏差ｄを零とし、かつ、切り替え後のＰｅ  ＝Ｐ０  までの変化も滑らかに設定される。
【００４１】
このように、切り替え点で偏差ｄが零になることからＰＩＤ制御の感度を高く設定でき、バイト１１を高速高精度駆動できる。また、切り替え点から目標値まで滑らかに駆動できるので、図８の波形Ｃ３の領域でバイト１１は振動の無いカッターマークを残す。
【００４２】
なお、切り替え点における偏差ｄは零に限らず任意に設定可能で、偏差ｄによってＰＩＤ制御時の振動が変化する。
【００４３】
また、図８の波形Ｃ１の領域は図７の時刻零から時刻Ｔ１、波形Ｃ２の領域は図７の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２、波形Ｃ３の領域は図７の時刻Ｔ２以降に相当する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４５】
切り替え器を用いたフィードバック制御装置の駆動指令信号生成器を可変型とし、切り替え点の偏差を低減することでフィードバック制御器の感度を高く設定できる。その結果、フィードバック制御を用いるバイトのアクチュエータを高精度に制御することが可能となり、アクチュエータの駆動周波数を上昇させることでバイトの切削速度を増大させて、加工効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による加工装置を示す模式斜視図である。
【図２】図１の切削駆動ユニットを説明する図である。
【図３】図２の板バネを説明する図である。
【図４】バイトの擬似回転を説明する図である。
【図５】アクチュエータの制御系を説明するブロック図である。
【図６】ディジタル制御器を説明する図である。
【図７】アクチュエータの駆動波形を説明する図である。
【図８】Ｚ方向のアクチュエータの変位を示すグラフである。
【図９】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１    θテーブル
２    Ｘスライダ
３    Ｙスライダ
４    ωＹ軸
５    Ｚスライダ
１１    バイト
２０    切削駆動ユニット
２１、２１ａ、２１ｂ    アクチュエータ
２３    可動部
２６    メインフレーム
２８    位置センサ
２９    アクチュエータ駆動装置
３０    ディジタル制御器
３１    可変型駆動指令信号生成器
３２    減算器
３３    ＰＩＤ補償器
３４    パターン発生装置
３５    切り替え器
【図１】
2005014169.tif 000003
【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】
2005014169.tif 000009
【図８】
2005014169.tif 000010
【図９】
2005014169.tif 000011