进行摆动切削的机床的伺服控制装置以及控制方法与流程

本发明涉及通过多个轴的协调动作来对工件进行切削加工的机床的伺服控制装置以及控制方法。

背景技术：

以往，已知有通过多个轴的协调动作来对作为加工对象的工件进行切削加工的机床。在这样的机床中，为了粉碎由切削所产生的切屑，有时会采用使切削刀具与工件在加工方向上相对摆动的加工方法。

例如，在下面的日本专利文献1中公开有一边使切削刀具低频率振动一边进行切削加工的技术。在该文献1中，具有通过控制切削刀具进给驱动电动机使切削刀具在2轴方向低频率振动的控制机构，根据工件的转数或切削刀具的转数与该工件或切削刀具每旋转1次的切削刀具的进给量，作为能够以至少在2轴方向使切削刀具同步地进行进给动作的25hz以上的低频率来实际运行的数据，预先表格化地存储与表格上的质量、电动机特性等的机械特性对应的切削刀具进给机构的前进量、后退量、前进速度、后退速度，并根据所存储的该数据控制所述切削刀具进给驱动电动机。然后，通过以最佳的振动执行低频率振动切削，切屑变为粉末状，切屑不容易缠绕切削刀具。

但是，在该文献1中，与电动机特性对应的摆动指令将由低频率所产生的振动(摆动)预先表格化，被认为很难应对加工条件的改变。

另外，在下面的日本专利文献2中公开有如下技术：以能够添加被赋予的振动条件例如根据频率和振幅沿着加工路径进行的振动的方式制作摆动指令，将其叠加到加工指令中并分配到各轴的伺服控制中。具体地，当使刀具相对于加工对象沿着移动路径相对移动时，使刀具以描绘移动路径的方式进行振动，根据具有包含加工位置和速度的移动路径的移动指令来计算每单位时间(插补周期)的指令移动量(基于移动指令的移动量)，使用包含频率和振幅的振动条件来计算与该移动指令相对应的时刻的、在该单位时间的振动导致的移动量，合成指令移动量和振动移动量来计算合成移动量，并求出单位时间内的移动量，以使移动了合成移动量的位置位于曲线移动路径上。并且，记载有根据该方法能够用多种条件进行加工而不需要存储了刀具的振动条件的表格。

但是，在该文献2中，如果提供高频率摆动，则认为指令会变得粗糙。这在摆动频率高且接近指令分配频率时会成为问题。例如，对于指令分配频率100hz，当摆动频率为50hz时，1个摆动周期中，只能指令2点。如果摆动频率变得更高，更接近指令分配频率，则该趋势会变得更加显著。

日本专利文献1：日本专利第5033929号公报

日本专利文献2：日本专利第5599523号公报

技术实现要素：

本发明是鉴于所上述问题而完成的，其目的是提供一种即使在利用高摆动频率时也能够进行高度精确的摆动动作的控制装置。

(1)本发明所涉及的控制装置(例如，后述的伺服控制装置100a、100b)控制具备多个控制轴、并使所述控制轴协调动作来对作为加工对象的工件(例如，后述的工件10、20)进行切削加工的机床，该控制装置具备：位置指令取得部(例如，后述的位置指令取得部120)，其取得针对用于驱动切削刀具的伺服电动机(例如，后述的伺服电动机400)的位置指令或针对用于驱动所述工件的伺服电动机的位置指令；位置取得部(例如，后述的位置取得部122)，其取得所述切削刀具的位置或所述工件的位置来作为位置反馈值；位置偏差计算部(例如，后述的差分器106)，其根据所取得的所述位置指令和所取得的所述位置反馈值来计算位置偏差；主轴角度取得部(例如，后述的主轴角度取得部118)，其取得进行旋转的所述工件的主轴或进行旋转的所述切削刀具的主轴的旋转角度即主轴角度；摆动指令计算部(例如，后述的摆动指令计算部102)，其根据以及所取得的所述主轴角度、以及所取得的所述位置指令或所取得的所述位置反馈值来计算摆动指令；摆动校正计算部(例如，后述的摆动校正计算部104)，其根据计算出的所述位置偏差、计算出的所述摆动指令和所述主轴角度来计算用于校正所述伺服电动机相对于所述摆动指令的响应性延迟的校正值；以及驱动部(例如，后述的速度/电流控制部116、加法器114和加法器110)，其基于所述位置偏差、所述摆动指令和所述摆动校正量求出用于驱动所述伺服电动机的驱动信号，并输出所述驱动信号。

(2)可以是在(1)所述的控制装置中，为了粉碎在所述切削时所产生的切屑，所述摆动指令计算部计算用于使所述切削刀具和所述工件在所述切削刀具行进的加工方向上相对摆动的摆动指令。

(3)可以是在(1)或(2)所述的控制装置中，所述摆动指令计算部对所述位置指令或所述位置反馈值乘以第1预定数来求出振幅，对所述主轴角度乘以第2预定数来求出第1角度，根据所求出的所述振幅以及所述第1角度来计算所述摆动指令。

(4)可以是在(3)所述的控制装置中，所述摆动校正计算部对所述位置偏差加上所述摆动指令来求出第2位置偏差，根据求出的所述第2位置偏差以及所述第1角度计算所述校正量来进行学习控制。

(5)可以是在(1)～(3)中任一项所述的控制装置中，所述主轴角度外部的上位装置(例如，后述的上位控制装置200)输出的主轴指令、或是所述主轴的位置反馈值。

(6)可以是在(3)或(4)所述的控制装置中，所述第1预定数、所述第2预定数和所述第3预定数是由外部的上位装置所提供的，使用所提供的所述第1预定数、第2预定数和第3预定数。

(7)可以是在(1)或(2)所述的控制装置中，基于所述位置指令和所述主轴角度来计算所述第1预定数。

(8)可以是在(1)～(7)中任一项所述的控制装置中，所述摆动指令计算部基于来自上位的控制装置的信号，开始或中断或结束所述摆动指令的计算。

(9)可以是在(1)～(8)中任一项所述的控制装置中，所述摆动校正计算部基于来自上位的控制装置的信号，开始或中断或结束所述校正值的计算。

(10)可以是在(1)或(2)所述的控制装置中，所述摆动校正计算部对所述位置偏差加上所述摆动指令来求出第2位置偏差，从所述第2位置偏差中取出摆动频率成分来求出第3位置偏差，根据所求出的所述第3位置偏差以及所述第1角度计算所述校正量来进行学习控制。

(11)本发明所涉及的控制方法，用于控制具备多个控制轴、并使所述控制轴协调动作来对作为加工对象的工件进行切削加工的机床，所述控制方法包括以下步骤：位置指令取得步骤，取得针对用于驱动所述切削刀具的伺服电动机的位置指令或针对用于驱动所述工件的伺服电动机的位置指令；位置取得步骤，取得所述切削刀具的位置或所述工件的位置来作为位置反馈值；位置偏差计算步骤，根据所取得的所述位置指令和所取得的所述位置反馈值来计算位置偏差；主轴角度取得步骤，取得进行旋转的所述工件或所述切削刀具的主轴角度；摆动指令计算步骤，根据所取得的所述主轴角度、以及所取得的所述位置指令或所取得的所述位置反馈值来计算摆动指令；摆动校正计算步骤，根据计算出的所述位置偏差、计算出的所述摆动指令和所述主轴角度来计算用于校正所述伺服电动机相对于所述摆动指令的响应性延迟的校正值；以及驱动步骤，基于所述位置偏差、所述摆动指令和所述摆动校正量求出用于驱动所述伺服电动机的驱动信号，并输出所述驱动信号。

(12)本发明所涉及的计算机程序，使计算机作为控制具备多个控制轴、并使所述控制轴协调动作来对作为加工对象的工件进行切削加工的机床的控制装置而进行动作，在所述计算机中执行以下过程：位置指令取得过程，取得针对用于驱动所述切削刀具的伺服电动机的位置指令或针对用于驱动所述工件的伺服电动机的位置指令；位置取得过程，取得所述切削刀具的位置或所述工件的位置来作为位置反馈值；位置偏差计算过程，根据所取得的所述位置指令和所取得的所述位置反馈值来计算位置偏差；主轴角度取得过程，取得进行旋转的所述工件或所述切削刀具的主轴角度；摆动指令计算过程，根据所取得的所述主轴角度、以及所取得的所述位置指令或所取得的所述位置反馈值来计算摆动指令；摆动校正计算过程，根据计算出的所述位置偏差、计算出的所述摆动指令和所述主轴角度来计算用于校正所述伺服电动机相对于所述摆动指令的响应性延迟的校正值；以及驱动过程，基于所述位置偏差、所述摆动指令和所述摆动校正量求出用于驱动所述伺服电动机的驱动信号，并输出所述驱动信号。

根据本发明，在机床中，即使在利用高摆动频率时，也能够进行高度精确的摆动动作。一般地，相对于指令分配频率，伺服控制装置的控制频率高的情况较多。因此，在伺服控制装置中制作摆动指令能够相对于高摆动频率制作高精度的摆动指令。

附图说明

图1a表示基于摆动的切削加工的方式的说明图。

图1b表示基于摆动的切削加工的方式的说明图。

图2a是本实施方式的例1所涉及的伺服控制装置的结构框图。

图2b是本实施方式的例2所涉及的伺服控制装置的结构框图。

图3是表示本实施方式所涉及的伺服控制装置的动作的流程图。

具体实施方式

以下，针对本发明的实施方式的一个例子进行说明。

在本实施方式中，说明具备了多个控制轴的机床的伺服控制装置。该伺服控制装置是在作为加工对象的工件进行切削加工的机床中，为了粉碎切屑，使切削刀具与工件相对摆动，特别是通过在加工方向上进行摆动来执行断续切削的伺服控制装置。

特别是在本实施方式中，提出一种伺服控制装置，其特征在于，根据机床的各轴的分配指令和与主轴的角度来驱动机床的伺服电动机，以便进行摆动动作。

图1a以及图1b是用于进行摆动动作的说明的说明图。

图1a是表示使工件10、主轴12作为旋转轴进行旋转，用切削刀具14对其表面进行切削加工的方式的说明图。如此图所示，与主轴12同方向的轴为z轴，一个与主轴12垂直的轴为x轴。切削刀具14基于预定程序对工件10的表面进行切削，但是该加工是沿着例如z轴、或以与z轴为预定角度的加工方向b行进。把像这样的加工行进的方向称为加工方向b。

在进行像这样的切削加工时，切削刀具14在加工方向b进行摆动a。通过该摆动a，认为能够例如精细地切断切屑。通过该摆动a，可以说切削刀具14在加工方向上进行振动。切削刀具14对工件10反复进行接触/非接触。当切削刀具14对工件10进行接触时，切削刀具14在工件10的表面上，描画图1a中的切削d的轨迹来进行移动。另一方面，当切削刀具14对工件10未进行接触时，切削刀具14在工件10的表面上，描画图1a中的空驶c(日语：空振り)的轨迹来进行移动。

通过像这样进行断续地切削，可以精细地切断切屑、有效地冷却切削刀具14。

图1b是表示摆动切削刀具的其他例子的说明图。此图是表示用切削刀具24在内部有空洞的工件20的空洞内部进行切削加工的方式的说明图。在图1b中，切削刀具24相对于工件20进行旋转，该轴为主轴。

也就是说，在本申请中，主轴存在2种情况。在图1a中，主轴12是指工件10的进行旋转的轴。在图1b中，主轴22是指切削刀具24的进行旋转的轴。

此外，在图1b中，与图1a同样地，与主轴22同方向的轴为z轴，一个与主轴22垂直的轴为x轴。切削刀具24基于预定程序对工件10的空洞内部的表面进行切削，但是该加工与图1a一样沿着加工方向b行进。

在图1b中，切削刀具24在加工方向b进行摆动a，切削刀具24对工件20反复进行接触/非接触。当切削刀具24对工件20进行接触时，切削刀具24在工件20的表面上，描画图1b中的切削d的轨迹来进行移动。另一方面，当切削刀具24对工件20未进行接触时，切削刀具24在工件20的表面上，描画图1b中的空驶c的轨迹并进行移动。

在图1a以及图1b中，对于都是切削刀具14、24一侧进行摆动的例子进行了说明，但是也可以构成为工件10、20一侧进行摆动。

在本实施方式中，提出在该摆动动作的控制中具有特征的伺服控制装置。摆动通常是通过对驱动切削刀具14(24)等的伺服电动机，在原来的指示上加上该摆动的指示来进行提供而实现的，这在原理上是可以的。但是，如在现有技术中所说明的那样，根据该伺服电动机的特性、加工路径上的切削刀具的移动，有时存在很难以高频率进行摆动的情况。

因此，在本实施方式中，设为根据分配给各轴的指令和主轴的旋转方向的角度，进行摆动动作。还根据所反馈的位置偏差和所指示的摆动指令，使用学习控制来计算用于正确进行摆动的(摆动)校正值。然后，基于位置偏差和计算出的校正值来输出摆动动作的指令。该指令经由外部的放大器被施加到机床的伺服电动机中。由此，可以平顺地进行摆动的控制。摆动指令包含例如切削刀具的进给量、前进量、后退量、前进速度和后退速度。

以下说明伺服控制装置的例1。图2a示出了本例1所涉及的伺服控制装置100a的结构框图。如图2a所示，上位控制装置200输出位置指令。伺服控制装置100a驱动机床(未图示)的伺服电动机400，控制机床的切削刀具、工件以便与该位置指令吻合。伺服控制装置100a相当于权利要求书的控制装置的一个优选例。在后述的例2中所说明的伺服控制装置100b也是相当于权利要求书的控制装置的一个优选例。

优选的是，伺服控制装置100a由具备cpu、存储器的计算机所构成，通过该cpu执行存储器中的预定程序，能够实现以下所说明的各部(各计算部、差分器、加法器、积分器、控制部)。该预定程序是适合本实施方式的计算机程序的一个优选例。

本实施方式所涉及的伺服控制装置100a具有摆动指令计算部102、摆动校正计算部104、差分器106、加法器110、114、速度/电流控制部116。

伺服控制装置100a还具备取得主轴角度的主轴角度取得部118、取得来自上位控制装置200的位置指令的位置指令取得部120以及取得位置反馈值的位置取得部122。此外，主轴角度是指主轴的旋转角度。优选的是，这些各取得部作为计算机的输入接口(interface)而实现，也可以包含保存来自外部的数据的缓存等。

以下，基于图2a的结构框图以及图3的流程图来说明伺服控制装置100a的具体的动作。

位置指令取得部120是取得上位控制装置200所输出的、针对用于驱动切削刀具的伺服电动机的位置指令或针对用于驱动工件的伺服电动机的位置指令的接口。在这里所取得的位置指令被提供给差分器106和摆动指令计算部102。此外，也可以是不向摆动指令计算部102提供位置指令的结构，会在之后的图2b中对于像这样的结构进行说明。基于位置指令取得部120的位置指令的取得动作对应图3的步骤s1。

位置取得部122是取得切削刀具的位置或工件的位置来作为位置反馈值的接口。在这里所取得的位置反馈值被提供给差分器106。由位置取得部122所进行的位置反馈值的取得动作对应图3的步骤s2。此外，可以向摆动指令计算部102提供位置反馈值，会在之后的图2b中对于像这样的结构进行说明。

差分器106计算所取得的位置指令与所取得的位置反馈值之差，并求出位置偏差。该差分器106相当于权利要求书的位置偏差计算部的一个优选例。另外，由该差分器106所进行的位置偏差的计算对应图3的步骤s3。

加法器110对摆动指令计算部102施加位置偏差，向摆动指令加上基于位置偏差的修正。加上了修正的摆动指令被提供给摆动校正计算部104，并且被提供给加法器114。

主轴角度取得部118是取得进行旋转的工件或切削刀具的主轴角度的接口，在这里所取得的主轴角度被提供给摆动指令计算部102和摆动校正计算部104。由主轴角度取得部118进行的主轴角度的取得动作对应图3的流程图中的步骤s4。

此外，本实施方式中的主轴可以是工件的旋转轴，也可以是切削刀具的旋转轴。另外，主轴角度是指主轴的旋转角度，可以是上位控制装置200所指示的主轴指令所涉及的主轴角度，也可以是如之后所述的作为检测器500检测的位置反馈值的主轴角度。

摆动指令计算部102根据所取得的位置指令和所取得的主轴角度计算摆动指令。在本实施方式中，具体地，摆动指令计算部102求出与上位控制装置200所输出的分配指令相对应的摆动振幅，求出与主轴的角度相对应的摆动频率。由所求出的摆动振幅和所求出的摆动频率构成摆动指令。

例如，摆动指令计算部102用位置指令乘以第1预定数，能够求出振幅。摆动指令计算部102还用主轴角度乘以第2预定数，能够求出第1角度。结果，摆动指令计算部102能够根据该所求出的振幅和第1角度计算摆动指令。第2预定数能够设为例如0.5、1.5。此外，第1角度可以说表示摆动指令的周期，同时也表示进行学习控制时的学习周期，两个周期是一致的。

由摆动指令计算部102所进行的摆动指令的计算对应图3的流程图的步骤s5。

可以由上位控制装置200对伺服控制装置100a指示第1预定数、第2预定数。在这种情况下，伺服控制装置100a在伺服控制装置100a内的预定存储器中存储所指示的预定数。另外，也可以由用户操作上位控制装置200来设定第1预定数、第2预定数。另外，用户还可以直接对伺服控制装置100a进行设定。

另外，可以由位置指令和角度求出第1预定数。摆动振幅通常需要是主轴旋转1圈时(工件10、切削刀具24)的移动量(向加工方向的移动量)的0.5倍以上的振幅。另外，可以由主轴的角度的变化推定(角速度)主轴旋转1圈的速度，根据位置指令的变化推定(速度指令)移动速度。根据该所推定出的角速度得出主轴旋转1圈所用的时间。因此，如果计算旋转1圈的时间×速度指令，则能够求出主轴每旋转1圈的工件10(切削刀具24)的移动量。像这样根据所求出的移动量能够求出(设定)摆动振幅。由位置指令与所求出的(所设定的)摆动振幅的关系能够求出第1预定数。像这样的第1预定数的计算可以由伺服控制装置100a来执行，也可以由上位控制装置200来执行。

此外，摆动指令计算部102可以以各种目的来计算多种的摆动指令，优选的是例如，为了粉碎在切削时产生的切屑等目的，计算切削刀具与工件在切削刀具行进的加工方向相对摆动这样的摆动指令。

另外，优选的是，摆动指令计算部102通过来自外部的指示，开始、中断或结束摆动指令的计算。例如，可以通过来自外部的上位控制装置200的指示，开始、中断、结束摆动指令的计算。

优选的是，伺服控制装置100a需要具备用于输入像上位控制装置200所输出那样的指示的接口部，但是，也可以与其他接口例如主轴角度取得部118等共享。

摆动校正计算部104根据位置偏差、摆动指令和主轴角度来计算用于校正伺服电动机相对于摆动指令的响应性延迟的校正值。在本实施方式中，摆动校正计算部104根据位置偏差和摆动指令通过学习控制来计算校正值。由摆动校正计算部104所进行的校正值的计算对应图3的流程图的步骤s6。

具体而言，摆动校正计算部104如上所述，在摆动指令中加上位置偏差(使用加法器110)来求出第2位置偏差。然后，根据第2位置偏差、第1角度和摆动指令，计算针对摆动指令的校正值。因此，加法器110构成权利要求书的摆动校正计算部的一部分。也就是说，加法器110和摆动校正计算部104相当于权利要求书的摆动校正计算部的一个优选例。

在到目前为止所说明的校正值的计算例中，对基于第2位置偏差进行学习控制的例子进行了说明，但是从该第2位置偏差中取出摆动频率成分，将其作为第3位置偏差，并使用该第3位置偏差计算校正值也是优选的。在这种情况下，摆动校正计算部104根据第3位置偏差、第1角度和摆动指令，计算针对摆动指令的校正值。

此外，可以由上位控制装置200对伺服控制装置100a指示上述的第3预定数。基于相关指示，伺服控制装置100a可以在预定存储器中存储所指示的第3预定数。另外，用户也可以操作上位控制装置200来设定第3预定数。另外，用户还可以直接对伺服控制装置100a进行设定。

另外，优选的是，摆动校正计算部104也与摆动指令计算部102同样地通过来自外部的指示，来开始、中断或结束校正值的计算。例如，可以构成为通过来自外部的上位控制装置200的指示，开始、中断、结束校正值的计算。另外，可以与所述摆动指令计算部102共享用于输入像上位控制装置200所输出那样的指示的接口部。

接下来，加法器114对加上了位置偏差的摆动指令，加上所述计算出的校正值，并向速度/电流控制部116提供相加后的摆动指令。速度/电流控制部116基于加了校正值之后的摆动指令，求出驱动伺服电动机的驱动信号，并向外部的放大器300提供(输出)该驱动信号。

因此，速度/电流控制部116、加法器114和加法器110相当于权利要求书的驱动部的一个优选例。另外，由速度/电流控制部116、加法器114和加法器110所进行的驱动信号的输出对应图3的流程图的步骤s7。

放大器300放大上述的驱动信号，并向伺服电动机400提供足够驱动伺服电动机400的电力。伺服电动机400由(被放大的)驱动信号所驱动。此外，在图2a中，分别示出了1个放大器300、1个伺服电动机400，但是也可以分别具备多个。在多轴控制的情况(具备多个控制轴的机床的情况)下，可以具备其轴个数的数量的放大器300以及伺服电动机400。

在伺服电动机400的驱动轴中具备检测器500，能够检测切削刀具、工件的位置。检测器500能够使用旋转编码器、线性编码器等来构成。该检测器500对位置取得部122输出已经进行了说明的位置反馈值。

此外，在图3的流程图中，在步骤s7之后，在步骤s2中再次取得检测器500所检测出的位置反馈值。也就是说再次继续步骤s1、s2等的处理，实际上也可以并列地执行各步骤。

如以上所述，本实施方式所涉及的伺服控制装置100b对于具有多个控制轴的机床的伺服电动机执行摆动动作。

特别是在本实施方式1中，根据位置偏差和摆动指令，通过学习控制求出摆动的校正值。因此，能够高效地求出校正伺服电动机的延迟的校正值。结果，即使在利用高摆动频率时，也能够使机床执行高度精确的摆动动作。

以下说明伺服控制装置的例2。图2b示出了本例2所涉及的伺服控制装置100b的结构框图。除了以下所说明的内容，图2b所示的结构与图2a所示的伺服控制装置100a基本相同，并且除了以下所说明的内容，其动作也基本相同。

(1)首先，位置指令取得部120是从上位控制装置200取得针对用于驱动切削刀具的伺服电动机的位置指令和针对用于驱动工件的伺服电动机的位置指令的接口，这一点与所述伺服控制装置100a是相同的。

但是，在伺服控制装置100b中，位置指令取得部120仅向差分器106提供所取得的位置指令，而不向摆动指令计算部102进行提供。

(2)另外，例1中的摆动指令计算部102根据所取得的位置指令和所取得的主轴角度计算摆动指令。与此相反，例2的摆动指令计算部102使用位置反馈值来代替位置指令。因此，图3的步骤s5的处理内容也使用位置反馈值来代替位置指令，在这点上是不同的。

因此，位置取得部122不仅向差分器106提供所取得的位置反馈值，也对摆动指令计算部102进行提供。

在这样的结构下，例2的摆动指令计算部102求出与位置反馈值对应的摆动振幅，并求出与主轴角度对应的摆动频率。由所求出的摆动振幅和所求出的摆动频率构成摆动指令。因此，图3的步骤s6的处理内容也是在求出与位置反馈值对应的摆动振幅、求出与主轴角度对应的摆动频率这一点上是不同的。

例如，摆动指令计算部102用位置指令乘以第1预定数，求出振幅，用主轴角度乘以第2预定数，求出第1角度。摆动指令计算部102根据该所求出的振幅和第1角度来计算摆动指令。

根据这样的结构，伺服控制装置100b能够利用实际的位置反馈值来计算摆动指令，因此能够计算更适合实际的切削刀具、工件的位置的摆动指令。

以上，针对本发明的实施方式进行了详细地说明，但是上述的实施方式只是示出了关于实施本发明的具体例。本发明的技术范围并不局限于上述实施方式。本发明在不脱离其精神的范围内可以进行各种改变，这些也都包含在本发明的技术范围内。

符号说明

10、20工件

12、22主轴

14、24切削刀具

100a、100b伺服控制装置

102摆动指令计算部

104摆动校正计算部

106差分器

110、114加法器

116速度/电流控制部

118主轴角度取得部

120位置指令取得部

122位置取得部

200上位控制装置

300放大器

400伺服电动机

500检测器

a摆动

b加工方向

c空驶

d切削