(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標値から生成されるサンプリング信号に応じて動作を行うアクチュエータに対し、前記サンプリング信号と前記アクチュエータの制御量とを比較することによってフィードバック制御を行うＰＩＤ制御器を用いたフィードバック制御系と前記フィードバック制御系の制御量を補償するフィードフォワード制御系を有する制御装置において、
前記目標値となる任意の関数ｆ（ｔ）で表される前記フィードバック制御系の指令信号を生成するものであって、サンプリング周期ｔ毎に前記任意の関数ｆ（ｔ）からサンプリング信号を生成するアクチュエータ駆動指令信号生成器と、
前記フィードフォワード制御器に入力される信号を生成するものであって、前記サンプリング周期ｔよりも短い時間Δｔ時間だけ、前記任意の関数ｆ（ｔ）を進ませた信号を生成する、フィードフォワード駆動指令信号生成器、を備えることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定周期で繰り返される指令に対して、高精度の周波数応答が可能な制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータ等の制御において、所定周期で繰り返される指令に対し、制御偏差を零に収束させ、高い精度のモータ制御を行うものとして繰り返し制御装置が用いられている。
【０００３】
この繰り返し制御装置としては、例えば、図８のブロック図に示すような構成を有する予見繰り返し制御装置が知られている。
【０００４】
図８において、８１は遅れ要素であり、この遅れ要素８１は、制御対象８４を同定した場合に設定される次数Ｎによって決まるサンプリング数Ｎだけ入力される指令信号を遅らせるものとなっている。８２は積分器、８３はゲインである。前記制御対象８４は、速度コントローラとサーボモータなどを含めたものであって伝達関数Ｇｏで表される伝達特性を有しており、従来から公知のＰＩ（比例・積分）制御等を行うものとなっている。８５は繰り返し制御器、８６は逆システムフィードフォワードコントローラである。この逆システムフィードフォワードコントローラ８６は、制御対象８４の伝達特性を同定して得られるコントローラであり、速度指令Ｐを入力することにより、指令ｕを出力する。この指令ｕは加算器８９においてゲイン８３から出力される速度指令ｖに加算される。
【０００５】
また、前記制御対象８４から得られた制御量によるフィードバック量ωは、前記遅れ要素８１から出力される速度指令Ｐｄと減算器８８において減算される。このフィードバック量ωは、サンプリング周期ｔの間にサーボモータが移動した移動量のフィードバック量ωであり、また速度指令Ｐｄは、遅れ要素８１で指令ＰよりＮサンプリング分だけ遅らせられた指令である。そして、この速度指令Ｐｄと前記フィードバック量ωとを減算して偏差を求め、この偏差を積分器８２で積分し位置偏差ｄを求める。この位置偏差ｄは繰り返し制御器８５に入力される。
【０００６】
図３はこの繰り返し制御器８５の構成を示すブロック図である。図において、減衰器３１は前記積分器８２から出力された偏差信号ｄを所定の周波数帯域に制限するよう機能し、この繰り返し制御器を安定化させる働きを有する。また、遅れ要素３３は信号をモータの１駆動周期分だけ遅らせた信号εを生成し、この信号εを加算器３４によって偏差信号ｄに加算し、繰り返し制御器に入力される偏差信号ｄを駆動周期毎に積分する働きをする。ディジタルフィルタ３２は上記積分された信号に働き、制御対象の動特性を補償する働きをする。
【０００７】
このように構成された繰り返し制御器８５から出力された補正量ｙは、加算器８７で位置偏差ｄに加算される。その結果、位置偏差ｄは駆動周波数の周波数成分に対して零になるように修正され、この修正された位置偏差（ｄ＋ｙ）に対してゲイン８３を乗じて指令ｖを求める。
【０００８】
一方、逆システムフィードフォワードコントローラ８６はＮ次のＦＩＲ型ディジタルフィルタで構成されている。この伝達関数ＩＳは次のようになる。
【０００９】
ＩＳ＝Ｗ0＋Ｗ1Ｚ-1＋Ｗ2Ｚ-2＋・・・ＷN-1Ｚ-(N-1)＋ＷNＺ-N
ここで、係数Ｗi（ｉ＝０〜Ｎ）は制御対象８４の逆システムになるよう最急降下法を適応した適応アルゴリズムにより自動的に決定される。このコントローラはＮ次の遅れを有するので、指令ｕと速度指令ｖとの位相を一致させるために、遅れ要素８１を用い、フィードバック制御系への指令Ｐの入力を遅らせるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述されている制御対象を同定して得られる伝達関数ＩＳの伝達特性と、制御対象の伝達特性の逆関数を完全に一致させることは困難であり、両伝達特性には不一致が生じる。その結果、上記のように遅れ要素８１を用いたとしても、フィードフォワード制御器による出力とフィードバック制御系に入力される移動指令Ｐｄの位相を完全に一致させることができず、この位相差による偏差がＰＩＤ制御器のＩ成分に積分されて、追従性の低下を招くという課題があった。
【００１１】
このため、この制御装置を高精度光学金型の加工に用いられる振動切削装置などに適用した場合、制御装置の追従性が低いことから振動切削装置の駆動周波数を高めることができず、ワークの送り速度が低下し、加工時間が増大してしまうという問題が生じた。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題に着目してなされたもので、フィードフォワード系を含むフィードバック制御装置において、入力される指令の周波数が高い場合にも、高精度の応答が可能な制御装置の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、次のような構成を有する。
すなわち、本発明は、目標値から生成されるサンプリング信号に応じて動作を行うアクチュエータに対し、前記サンプリング信号と前記アクチュエータの制御量とを比較することによってフィードバック制御を行うＰＩＤ制御器を用いたフィードバック制御系と前記フィードバック制御系の制御量を補償するフィードフォワード制御系を有する制御装置において、前記目標値となる任意の関数ｆ（ｔ）で表される前記フィードバック制御系の指令信号を生成するものであって、サンプリング周期ｔ毎に前記任意の関数ｆ（ｔ）からサンプリング信号を生成するアクチュエータ駆動指令信号生成器と、前記フィードフォワード制御器に入力される信号を生成するものであって、前記サンプリング周期ｔよりも短い時間Δｔ時間だけ、前記任意の関数ｆ（ｔ）を進ませた信号を生成する、フィードフォワード駆動指令信号生成器、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記発明において、フィードフォワード制御系に入力される指令信号はフィードバック制御系に入力される指令信号よりも任意時間Δｔだけ遅延されて入力される。この任意時間Δｔを変更することで、フィードバック制御系の制御量とフィードフォワード制御系の出力との位相差を解消することができ、制御装置の追従性を高めることができる。また、制御装置における追従性の低下は、フィードバック制御系に含まれるＰＩＤ制御器のＩ成分によって生じるため、任意時間Δｔを変更する手段にはＰＩＤ制御器からの出力を用いる手段が適応可能である。
制御装置を振動切削装置に適用した場合、駆動周波数を上げることができるため、ワークの送り速度を向上することができる。その結果、加工時間を短縮することができる。
【００１６】
さらに、サンプリング周期ｔが駆動周期に比較して十分小さくない場合、任意時間Δｔをサンプリング周期ｔ以下の時間で設定すると、フィードフォワード制御器の出力信号によるバイト位置の応答特性である位置信号とフィードバック制御系への指令信号との位相差を解消する効果が大きい。従って、追従性をより向上させることができ、この制御装置を振動切削装置に適用した場合、より加工時間を短縮することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態を図１ないし図６に基づき説明する。
図１は本発明の第１の実施形態における制御装置を含む振動切削加工機の全体構成を概略的に示すブロック図である。図において、１１はこの振動切削加工機に設けられているバイト駆動機構７０のバイト７７の駆動軌跡を生成するバイト駆動指令信号生成器、１３は後述のアクチュエータを駆動するための電流アンプ等に代表されるアクチュエータ駆動装置、７１は後述の振動切削加工機のバイトを駆動するアクチュエータである。この実施形態では、前記アクチュエータとして磁歪アクチュエータを用いており、アクチュエータ駆動装置１３の出力によって駆動されるようになっている。
【００１８】
また、７３はアクチュエータとバイト７７を機械的に結合するバイトホルダー、１４はバイトホルダー内に設けられ、バイトホルダー７３の変位を検出する位置センサーである。また、１２はバイト駆動信号Ｐとバイト変位信号Ｐ’とに基づき、アクチュエータ７１の駆動信号を生成するディジタル制御装置であり、前記位置センサー１４からの信号が負帰還されることにより、閉ループが形成されている。
【００１９】
次に、前記ディジタル制御装置１２の構成を図２に示すブロック図に基づき説明する。
図において、２５は入力される指令信号Ｐｄと前記変位センサーによって検出されるバイト変位信号Ｐ’の偏差ｄを求める減算器、２１は前記アクチュエータ７１への指令ｗを計算しフィードバック制御系を安定化させるよう機能する周知のＰＩＤ（比例・積分・微分）制御器、２２は所定の周期を有する移動指令が入力に対して制御系の追従性を向上させる繰り返し制御器、２３は入力される指令信号Ｐを遅れ時間Δｔだけ遅らせる遅れ要素、２４は上記ＰＩｄ制御機２１から算出される指令ωと前記繰り返し制御器２２から算出される指令ｙと後述のフィードフォワード制御器２６より出力される指令ｕとを加算する加算器であり、その値は前記アクチュエータ駆動装置１３に駆動信号Ｉｒｅｆとして出力される。なお、上記２１、２２及び２５によってフィードバック制御系２０が構成されている。
【００２０】
前記フィードフォワード制御器２６は、ディジタルフィルタ２６ａによって構成されており、このディジタルフィルタ２６ａによって外乱などの不要な周波数成分を除去することによって、フィードバック制御系における負担を軽減し、応答特性を高めるものとなっている。
【００２１】
一方、前記遅れ要素２３は、遅れ時間Δｔを任意の値に設定し得るものとなっており、これによって、前記フィードフォワード制御器２６に入力される指令Ｐの位相に対し、フィーバック制御系に入力される指令Ｐ（減算器２５への入力）の位相を適宜変更し得るようになっている。
また、前記繰り返し制御器２２は、前記従来技術にて示したものと同様であるのでここでは、その説明の詳細は省略するが、ここに示す繰り返し制御器では、減算器２５から出力された偏差ｄを積分し、その値ｙを前記加算器２４に入力するものとなっている。
【００２２】
次に、本発明の実施形態に適用するバイト駆動機構の構成を説明する。
図７はバイト駆動機構７０の構成を示す縦断側面図である。図において、このバイト駆動機構７０は、内部に可動部７４を収納してなるメインフレーム７０Ａと、このメインフレーム７０Ａの上面部及び側面部に固定されたアクチュエータ収納部７０Ｂ，７０Ｃとによってその外殻が構成されている。一方のアクチュエータ収納部７０Ｂの内部には磁歪アクチュエータ７１ａが、他方のアクチュエータ収納部７０Ｃにはアクチュエータ７１ｂがそれぞれ保持されており、一方の磁歪アクチュエータ７１ａはＺ方向に伸縮し、他方の磁歪アクチュエータ７２ｂはＸ方向に伸縮する方向に配置されている。
また、各アクチュエータ収納部７０Ｂ，７０Ｃには冷却部７２ａ，７２ｂが埋設されており、これらによって各アクチュエータ７１ａ，７１ｂを冷却し、アクチュエータからの発熱を短時間で抑え、熱変位などの影響を極力減少させて熱的安定性を保つようになっている。
【００２３】
ワークの切削加工を行うバイト７７は、シャンク７７ａの先端にダイヤモンドチップ７７ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトであり、このバイト７７はバイトホルダー７３に固定され、バイトホルダー７３は前記可動部７４に固定されている。可動部７４には、前記磁歪アクチュエータ７１ａ，７１ｂが弾性ヒンジ７５ａ，７５ｂを介してそれぞれ接続されている。なお、一方の弾性ヒンジ７５ａはヒンジ部分が１段であり、他方の弾性ヒンジ７５ｂはヒンジ部分が２段のヒンジとなっている。また、可動部７４は、上面部及び下面部が板バネ７６ａ及び７６ｂを介してメインフレーム７０に保持されている。一方の板バネ７６ａは十字形状をなしているため、平面方向（Ｘ及びＹ方向）に高い剛性を有し、かつ（上下方向）Ｚ方向に柔軟性を有する板バネとなっており、その平面方向における取り付け位置は弾性ヒンジ７５ａの中間位置に所定の隙間を介して配置されている。また、他方の板バネ７６ｂは平面上の一方向（Ｙ方向）に高い剛性を有し、かつ平面状の他方向（Ｘ方向）及び上下方向（Ｚ方向）に柔軟性を有する板バネとなっている。
【００２４】
このように、磁歪アクチュエータ７１ａ，７１ｂ、板バネ７６ａ，７６ｂ、及び弾性ヒンジ７５ａ，７５ｂを構成することにより、可動部７４は、磁歪アクチュエータ７１ａの伸縮によってＺ方向に運動すると共に、磁歪アクチュエータ７１ｂの伸縮によって板バネ７６ａの十字形状の中央を回転中心とした円弧状の運動を行う。また、この板バネ７６ａ，７６ｂの形状及び配置により、バイト先端の移動方向は上記の方向に制限され、それ以外の方向に付いての移動は板バネの剛性によって阻止される一方、Ｘ方向については大きなストロークが得られる構成となっている。
【００２５】
バイト７７にて振動切削加工を施す場合には、磁歪アクチュエータ７１ａ、７１ｂに周期的な駆動信号を入力し、その駆動信号によって各磁歪アクチュエータを周期的に振動させて、バイト７７の先端部に設けられたダイヤモンドチップ７７ｂをワークに接触させて切削加工を施す。この切削加工におけるＺ方向のバイト駆動信号Ｐの一例を図４に示す。図中、横軸は時間、縦軸はバイト位置指令を示しており、図示のように、ある一定の周期を持った波形が駆動信号として入力される。
【００２６】
上記構成のバイト駆動機構に対してＰＩＤ制御を行った場合、通常は、機構系の共振が制御の不安定要因になるので、ＰＩＤ制御器２１は、機構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制御によって駆動されるバイトの応答性は制約を受けることとなる。
【００２７】
このため本発明においては、バイト駆動信号Ｐが所定周期で繰り返される波形であることに着目し、繰り返し制御器２２を付加し、周期的な波形に対する応答性の向上を図ると共に、フィードフォワード制御器２６を付加した。フィードフォワード制御器２６を構成するディジタルフィルタ２６ａの特性はアクチュエータ駆動装置１３とバイト駆動機構８０の伝達特性によって決定される。
【００２８】
フィードフォワード制御器２６の出力信号ｕは、前述のように加算器２４によってＰＤＩ制御器２１の出力信号ｕ及び繰り返し制御器２２の出力信号ｙと加算され、得られた信号が駆動信号Ｉｒｅｆとなってアクチュエータ７１に入力され。そして、このアクチュエータ７１によって振動するバイト７７の位置が、バイトホルダー７３に設けられた位置センサー１４によって検出され、その検出出力がフィードバック制御系２０の入力として用いられる。
【００２９】
従って、フィードフォワード制御器２６の出力信号ｕを加えて得られた駆動信号Ｉｒｅｆによって駆動されたバイト７７の応答特性である位置信号Ｐ’と、フィードバック制御系への指令信号Ｐｄとの間に位相差が生じたとすると、フィードフォワード制御器２６の出力信号を加えて得られる駆動信号により駆動されるバイトの位置信号とフィードバック制御系への指令信号との間の偏差が増大する可能性があり、フィードフォワード制御器２６を設けたことによる効果が十分に得られないこととなる。
【００３０】
そこで、この実施形態においては、フィードフォワード制御器２６の出力信号によるバイト位置の応答特性が高周波成分を持たないようにディジタルフィルタ２６ａを設計すると共に、前記遅れ要素２３を可変とすることにより、フィードフォワード制御器２６の出力信号によるバイト位置の応答特性である位置信号と、フィードバック制御系への指令信号との間に生じる位相差を解消するものとなっている。
【００３１】
すなわち、フィードバック制御系の減算器２５に入力される指令信号Ｐｄに対し、フィードフォワード制御器２６に入力する指令信号Ｐを任意の時間Δｔだけ遅延させるよう遅れ要素２３を設定することにより、加算器２４における出力信号ｕとフィードバック制御系における信号ｗ，ｙとの間の位相を合わせ、それによって、フィードフォワード制御器２６による外乱による影響を抑制する効果を得ることができ、追従性を高めることができる。なお、遅れ要素２３はメモリーであり、Ｚ-Nと表現されるものである。また、フィードフォワード制御器２６の出力とフィードバック系との間に発生する位相差は、ＰＩＤ制御器２１のＩ成分に起因するため、Δｔの決定にはＰＩＤ制御器２１のＩ成分の出力を用いて決定している。
【００３２】
以上のように、この第１の実施形態における制御装置は、フィードバック制御系における遅れ要素２３を可変とすることによって優れた追従性を得ることができるため、この制御装置を用いた振動切削装置の駆動周波数を高めることができる。その結果、ワークの送り速度を高めることが可能となり、加工時間の短縮を図ることができる。
【００３３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態における制御装置を説明する。
図５はこの第２の実施形態おける制御装置及びこれを用いた振動切削装置の全体構成を示すブロックである。
図において、５１はフィードフォワード制御系用駆動指令信号生成器（ＦＦ駆動指令信号生成器）であり、この信号生成器５１は、フィードバック制御系に入力されるバイト駆動指令信号Ｐｄに対して任意時間Δｔだけ位相の進んだ駆動指令をフィードフォワード制御器であるデジタルフィルタ２６ａに提供するものである。この任意時間Δｔは、サンプリング周期ｔに関わらず設定可能である。また、１１はフィードバック制御系に対してバイト駆動指指令信号Ｐｄを生成するバイト駆動指令信号生成器である。なお、その他の構成は上記実施形態と同様である。
【００３４】
上記構成を有する本発明の第２の実施形態においては、フィードバック駆動指令信号生成器５１から駆動指令信号Ｐｄに対し、Δｔだけ位相を進ませた信号をフィードフォワード制御器を構成するディジタルフィルタ２６ａに入力するようにしたため、フィードフォワード制御器２６から出力される信号ｕとフィードバック制御系において出力される信号ｗ，ｙとの位相を合わせることができ、これによって追従性を向上させることができる。しかも、この第２の実施形態においては、ＦＦバイト駆動指令信号生成器５１によってサンプリング周波数に関わりなくΔｔの設定が可能であるため、Δｔをサンプリング周期ｔ以下に設定することが可能であり、高精度な位相操作が可能となる。このため、上記第１の実施形態と比較して指令信号Ｐｄとバイトホルダ７３に設けられた位相センサ（ここでは図示せず）による検出位置との偏差を零に近づけることができる。この実施形態においても、Δｔの設定には上記第１の実施形態と同様にＰＩＤ制御器２１のＩ成分の出力を用いている。
【００３５】
なお、図６に移動指令Ｐ（破線にて示す）に対し、本発明の制御装置を用いた振動切削装置による加工軌跡（実線にて示す）と、ＰＩＤ制御器のみを用いた振動切削装置による加工軌跡（一点鎖線にて示す）とを示す。図示のように、本発明による加工軌跡は、ＰＩＤの加工軌跡に比べ明らかに追従性の改善されたものとなっている。
【００３６】
ところで、上記各実施の形態においては、バイト駆動機構のアクチュエータ７１として磁歪素子を用いているが、この磁歪素子に替えて圧電素子を用いることも可能であり、この場合にも磁歪素子を用いた場合と同様の効果を期待できる。また、本発明の制御装置を適用する装置として、上記実施形態では振動切削装置を例に採り説明したが、本発明は周期的信号を指令信号として制御動作を行う装置全般に適用可能であり、それら装置に対しても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、フィードバック制御系を有すると共に、所定の周期を有する指令信号に対応して前記フィードバック制御系の制御量を補償するフィードフォワード制御器を備え、フィードバック制御系に入力される前記指令信号の位相に対し、前記フィードフォワード制御器に入力される前記指令信号の位相を遅延手段によって相対的に遅らせ得るようにしたため、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系との位相差を解消することができ、加工速度の高速化を図ることができる。
【００３８】
また、前記の遅延手段による入力指令の遅延時間を、サンプリング時間より短い時間に設定することにより、より追従性の高い応答を得ることが出来る。
【００３９】
従って、本発明に係る制御装置を適用した振動切削装置によれば、高周波の入力指令に対しても高い追従性が得られ、ワークの送り速度を向上させることができ、良好な加工速度を得ることができる。このため、本発明は、高精度光学金型の加工などに極めて有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における振動切削装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したディジタル制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示した繰り返し制御器を示すブロック図である。
【図４】バイト駆動機構においてバイトをＺ方向へと移動させるためのバイト駆動信号の一例を示す線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における制御装置を用いた振動切削加工器の軌跡を示す線図である。
【図７】本発明の実施形態に適用するバイト駆動機構の構成を示す縦断側面図である。
【図８】従来の制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１  バイト駆動指令信号生成器
１２  ディジタル制御装置
１３  アクチュエータ駆動装置
１４  位置センサー
２１  ＰＩＤ制御器
２２  繰り返し制御器
２３  遅れ要素
２４  加算器
２５  減算器
２６  フィードフォワード制御器
２６ａ  ディジタルフィルタ
３１  減衰器
３２  ディジタルフィルタ
３３  遅れ要素
３４  加算器
５１  フィードフォワード制御系用移動指令信号生成器
７０  バイト駆動機構
７０Ａ  メインフレーム
７０Ｂ、７０Ｃ  アクチュエータ収納部
７１ａ，７１ｂ  アクチュエータ
７２ａ，７２ｂ  冷却ジャケット
７３  バイトホルダー
７４  可動部
７５ａ，７５ｂ  弾性ヒンジ
７６ａ，７６ｂ  板バネ
７７  バイト
７７ａ  シャンク
７７ｂ  ダイヤモンドチップ
【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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