JP6856598B2 - 歯車加工機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、歯車加工機の各駆動軸を駆動制御する制御装置に関する。

一般に、歯車加工を行う工作機械は、モータにより駆動される複数の軸を協調同期して加工を行う。このような歯車加工機の一例として、創成歯車加工機が知られている。創成歯車加工機では、被加工物は回転するワーク軸に固定され、工具を工具軸を中心に回転させ、工具軸とワーク軸が同期して回転するように、ワーク軸用モータと工具軸モータが制御される。

このような２軸を同期させて被加工物の加工を行う加工機では、外乱要因により振動が発生し加工精度に影響を与える場合がある。特許文献１及び２は、被加工物の加工精度を測定し、この測定結果を用いて砥石の位置等を補正することについて記載している。

特許第３９８６３２０号公報 特許第５３０８４０４号公報

被加工物の加工精度に影響を及ぼす外乱は、工具軸またはワーク軸の位置偏差、同期誤差、機構部の機械的振動などに起因する成分を含むと考えられる。被加工物の加工精度を向上させるためには、加工精度に影響を及ぼしている外乱成分を特定することが鍵となる。

本開示の一態様は、工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、前記工具軸の振動周波数をｆｄ、前記工具軸に固定され回転する工具がワークの回転に伴い前記ワーク上の一つの歯筋を加工した後再び同一の歯筋を加工するまでの時間をサンプリング周期としたサンプリング周波数であって、ワーク半径、前記ワーク軸の回転数、前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度、及びねじれ角から決定されるサンプリング周波数をＦｓとするとき、複数の前記歯筋の各々に現れる歯筋方向のうねりの周波数Ｆａを関係式（１）：
Ｆａ＝ＭＩＮ｜ｆｄ−Ｎ×Ｆｓ｜ ・・・（１）
ただし、Ｎは自然数、
によって求め、前記振動周波数ｆｄが歯筋方向に作るうねりのピッチを、前記関係式（１）と、前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度と、前記ねじれ角とを用いて数式（２）：
うねりピッチ＝うねり周期×Ｖｚ／ｃｏｓθ ・・・（２）
ただし、Ｖｚは前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度、
θは前記ねじれ角、
により求め、前記数式（２）と、加工後の前記ワークの前記歯筋方向に現れるうねりのピッチの実測値と、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差の周波数ピークとを用いて、前記位置偏差又は前記同期誤差の周波数ピークを数式（３）：
ＭＩＮ｜ｆｄ−Ｎ×Ｆｓ｜＝Ｖｚ／（Ａ×ｃｏｓθ）・・・（３）
ただし、Ａは前記うねりのピッチの実測値、
のｆｄとして代入した場合に、前記数式（３）を満たす前記振動周波数ｆｄを前記加工後の前記ワークの前記歯筋方向に現れているうねりを生じさせる外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、特定された前記外乱の周波数成分に応じて、予め記憶した複数種類の補正のうち前記外乱を相殺するために前記複数の軸の制御に適用する補正を選択する補正選択部と、を具備する歯車加工機の制御装置である。本開示の別の態様は、工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、ワークの噛み合い率と、前記ワークの歯数と、前記ワークの加工回転数とを用いて、工具と前記ワークの歯が噛み合ってから外れるまでの時間ｔを求め、前記時間ｔと、前記時間ｔにおいて測定された歯形方向のうねりの個数ａとを用いて、前記歯形方向のうねりを生じさせている外乱の周波数成分ｆｄを、
ｆｄ＝ａ／ｔ
により求め、前記周波数成分ｆｄを、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差の周波数ピークと対比することで、前記周波数成分ｆｄと一致する前記位置偏差又は前記同期誤差の周波数ピークを前記歯形方向のうねりを生じさせる外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、を備える歯車加工機の制御装置である。本開示の更に別の態様は、工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、加工後の被加工物を測定することによって得られる歯車１回転内の単一ピッチ誤差に現れるうねりの個数Ｋと、ワークの回転数とを用いて、外乱周波数ｆｄを、
ｆｄ＝（ワークの回転数）×Ｋ
により求め、前記外乱周波数ｆｄを、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差に現れる周波数ピークと対比することで、前記外乱周波数ｆｄと一致する前記位置偏差又は前記同期誤差に現れる周波数ピークを前記単一ピッチ誤差を生じさせている外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、を備える歯車加工機の制御装置である。

上記構成によれば、加工後の被加工物の精度に影響を与えている外乱成分を特定することが可能となる。また、それにより被加工物の精度を改善する効率的な補正の種類を的確に選択することが可能となる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態に係る制御装置を含む加工機の全体構成を示すブロック図である。 加工機が創成歯車研削盤として構成される場合の構成例を示す図である。 加工機におけるワーク近辺の拡大図であり、創成歯車加工が行われている状態を表している。 ワークの歯筋上における歯筋方向と歯形方向を説明するための図である。 切削砥石の接触点がワークの周面に作る軌跡、位置偏差、歯筋方向のうねりのサンプリング点等を説明するための図である。 工具軸の振動を時間軸に沿って表したグラフである。 各サンプリング点における歯筋方向におけるうねりの値をプロットしたグラフである。 歯筋方向のうねりのサンプリング周期を説明するための図である。 測定された歯筋方向のうねりのピッチを表す図である。 工具軸の位置偏差データの例を表す図である。 ワーク軸の位置偏差データの例を表す図である。 工具軸に固定された工具の歯によってワーク上に歯筋が創成されている状態を表す図である。 単一ピッチ誤差のうねりの例を表すグラフである。 ねじれ角θのヘリカルギアにおける各歯筋の歯面上のうねりの振幅を説明するための図である。 外乱成分の特定方法を表すフローチャートである。 補正方法選択処理を表すフローチャートである。 補正方法を選択するための処理のフローチャートである。 各駆動軸の制御系の構成例を示す図である。 制御系の速度制御ループの周波数特性の例を表す図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は一実施形態に係る制御装置１を含む加工機１００の全体構成を示すブロック図である。加工機１００は、例えば、創成歯車研削盤、スカイビング加工機、又はホブ盤である。図１に示すように加工機１００は、制御装置１と、それぞれがモータ及び駆動軸を有するｎ個の制御軸ＣＳ１〜ＣＳｎと、ワークＷの加工精度を測定する測定機器２０、及び外乱要因特定部６を備える。制御装置１は、位置指令作成部２、制御軸ＣＳ１〜ＣＳｎをそれぞれ制御する制御部Ｃ１〜Ｃｎ、軸情報記録部５、補正方法選択部７を備える。なお、外乱要因特定部６は、制御装置１内に設けられても良い。位置指令作成部２により各制御軸ＣＳ１〜ＣＳｎを回転させるための位置指令Ｐ（ｎ個の要素からなる指令ベクトル）が、制御部Ｃ１〜Ｃｎに入力され、各制御軸ＣＳ１〜ＣＳｎの回転が位置指令Ｐに従って制御される。

制御装置１はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、等を有するコンピュータとしての構成を有していても良い。制御装置１において、制御部Ｃ１〜Ｃｎと制御軸ＣＳ１〜ＣＳｎとの間の制御は、マスタ軸のフィードバックに同期比を掛けてスレーブ軸の指令とするフィードバック同期式の制御であっても良いし、マスタ軸の指令に同期比を掛けてスレーブ軸の指令とする指令同期式の制御であっても良い。図１に示す各機能ブロックは、専用のハードウェアにより実現されても良いし、或いはハードウェアとＣＰＵがソフトウェアを実行することによる機能との協働により実現されても良い。

図１に示すような加工機では、外乱による振動に伴い被加工物（以下、ワークと記す）Ｗの加工精度に影響が出ることがある。このような外乱による加工精度への影響を的確に補正するためには、外乱成分（外乱の周波数、振幅等）を特定することが鍵となる。外乱成分を特定することで、外乱を生じさせている直接的な要因（例えば、ある周波数ピークを持つ工具軸の位置偏差）を特定することができ、加工精度を改善する効率的な補正方法を適用することが可能となる。本実施形態に係る加工機１００は、外乱成分を特定して効率的な補正方法を適用するための構成要素として、測定機器２０、軸情報記録部５、外乱成分特定部６、及び補正方法選択部７を備える。

軸情報記録部５は、ワークＷに対する実加工時の各軸データを記録する。各軸データは、各軸の検出位置の指令位置からの偏差である位置偏差と、同期誤差とを含む。ここで第一の軸と第二の軸が同期して回転する場合、同期誤差は、第一の軸の位置フィードバックを、同期比を使って第二の軸の位置フィードバックに相当する値に変換し、変換した第一の軸の位置フィードバックと第二の軸の位置フィードバックとの差分として取得することができる。外乱成分特定部６は、軸情報記録部５によって記録された各軸データと、測定機器２０によって測定された加工精度とに基づいて、ワークＷの加工精度に影響を与えている外乱成分を特定する。補正方法選択部７は、外乱成分特定部６が特定した外乱成分に応じて、予め記憶した複数種類の補正方法の中から、各軸の位置偏差等を補正するための効率的な補正方法を選択する。

以下では、加工機１００が創成歯車加工によりワークＷとしてヘリカルギアを形成する創成歯車研削盤であるものとして説明する。図２に加工機１００が、創成歯車加工機として構成される場合の構成例を示す。図２に示されるように、この場合、制御装置１は、制御部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３として工具軸制御部Ｃ１、ワーク軸制御部Ｃ２、送り軸制御部Ｃ３を備える。制御軸ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３は、それぞれ工具軸ＣＳ１、ワーク軸ＣＳ２、送り軸ＣＳ３（不図示）として構成される。

図３は、加工機１００におけるワークＷ近辺の拡大図であり、創成歯車研削が行われている状態を模式的に表している。工具軸ＣＳ１に固定された工具である研削砥石５１の表面にはらせん状の刃５１ａが形成されている。ワークＷはホブ加工またはスカイビング加工などで予め粗加工された傾斜した歯筋６１を有するヘリカルギアである。ワーク軸ＣＳ２は、Ｚ軸に平行に設定されている。研削砥石５１をＺ軸に垂直な面に対して傾斜するよう位置付けられた工具軸ＣＳ１回りで回転させ、ワークＷを工具軸ＣＳ１の回転に対して所定の同期比で同期回転させる。研削砥石５１をワークＷの歯筋に接触させつつ、送り軸ＣＳ３の駆動によりＺ軸方向に上方から下方に移動させる。それによって、ワークＷの全ての歯筋が研削される。なお、図３では、説明の便宜のため、研削砥石５１上のらせん状の刃５１ａ、ワークＷ周面に創成された複数の歯筋６１を実線を用いて表し、また、歯筋にはその一部にのみ符号を付している。

以下、外乱成分を特定する方法として、
（１）歯筋方向のうねり（歯筋誤差）による外乱成分の特定
（２）歯形方向のうねり（歯形誤差）による外乱成分の特定
（３）単一ピッチ誤差による外乱成分の特定
（４）位置偏差の振幅による外乱成分の特定
について説明する。

加工機１００において、外乱として工具軸ＣＳ１に振動が発生した場合にワークＷ上に歯筋方向に形成されるうねり（歯筋誤差）について検討する。ワークＷは、ねじれ角θのヘリカルギアであるものとする。以下では、まず、外乱がワークＷの歯筋方向につくるうねりを計算上で求める手法を提示する。次に、実加工後のワークＷに生じた歯筋方向のうねりを測定する。計算上求められた歯筋方向のうねりと、実加工後のワークＷに生じた歯筋方向のうねりを対比することで外乱成分を特定する。ここで、歯筋方向のうねりとは、図４に示すようにワークＷの周面上の歯筋６１の方向（歯筋方向７１）における、ワークＷの表面（歯面）に対する深さ方向の凹凸を表している。他方、歯筋方向７１と直交する方向における、ワークＷの表面（歯面）に対する深さ方向の凹凸を歯形方向７２のうねり（歯形誤差）とする。

図５に示すように、ワークＷを固定して考えた場合、切削砥石５１とワークＷの周面との接触点Ｔ（図３参照）がワークＷの周面に作る軌跡Ｌはらせん状となる。外乱により工具軸ＣＳ１に生じている振動Ｄ１を図５において波状の実線で示している。なお、この振動Ｄ１は実際には歯面に対する深さ方向の凹凸であるが、図５では便宜上の図示の通りの波形で表現している。各軸データを用いて工具軸ＣＳ１の振動を歯筋方向７１に沿ってサンプリングすることで歯筋方向のうねりを計算上求めることができる。なお、工具軸ＣＳ１の振動の周波数はサンプリングの周波数よりも十分早いものとする。工具軸ＣＳ１の振動を表すデータは、位置情報記録部５によって記録された各軸データ（各駆動軸に設けられた位置センサ（エンコーダ）からのフィードバック値）から得ることができる。

図６は、工具軸ＣＳ１の振動Ｄ１を時間軸に沿って表したグラフである。図５のように歯筋方向に沿った振動Ｄ１上のサンプリング点（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２・・・ＰＱ）の位置は、振動Ｄ１上での位相がサンプリング点毎にずれていくが、サンプリング点ＰＱにおいて振動Ｄ１と再び位相が一致する。ここで、サンプリング周期Ｔｓと振動周期Ｔｄの整数倍の差の最小値をΔｔとすると、サンプリング点Ｐ１、Ｐ２での振動Ｄ１との位相のずれはそれぞれΔｔ、２Δｔとなり、サンプリング点ＰＱにおいてＱΔｔとなる。サンプリング点Ｐ０〜ＰＱが歯筋方向に発生するうねりの一周期である。これらの関係は以下のように整理することができる。
Δｔ＝｜サンプリング周期（Ｔｓ）−Ｎ×振動周期（Ｔｄ）｜
ここで、Ｎは自然数。
振動周波数（ｆｄ）＝Ｑ×Δｔ
うねり周期＝サンプリング周期（Ｔｓ）×Ｑ
上記関係式から、うねり周波数は、以下のように定義することができる。
うねり周波数＝ＭＩＮ｜振動周波数（ｆｄ）−Ｎ×サンプリング周波数（Ｆｓ）｜・・・（１）
ここで、Ｎは自然数。

図７は、各サンプリング点（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２・・・ＰＱ）における歯筋方向におけるうねりの値をプロットしたグラフである。歯筋方向のうねりのピッチ（長さ）は、上記で求めたうねり周期と、工具軸ＣＳ１のＺ軸方向の送り速度の歯筋方向成分とを用いて以下のように求めることができる。
うねりピッチ＝うねり周期×（Ｚ軸方向の送り速度）／ｃｏｓθ

次に、ワーク軸ＣＳ２の回転数をω（ｒａｄ／ｓ）、ねじれ角をθとするときのサンプリング周期（Ｔｓ）を求める。ここで、図８に示すようにワークＷを固定した座標系を考える。サンプル周期Ｔｓは、歯筋６１からみた接触点Ｔの移動速度でワークを一周するまでの時間と考えることができる。ここで、ワーク半径をｒ（ｍｍ）とするとワークの周速はｒω（ｍｍ／ｓ）であり、Ｚ軸から見た歯筋６１の周方向の移動速度は、Ｚ軸方向の工具軸の移動速度をＶｚとすると、Ｖｚ×ｔａｎθとなる。すなわち回転方向が図８の方向であれば、歯筋６１上から見た接触点Ｔの移動速度はｒω−Ｖｚ×ｔａｎθとなる。以上により、歯筋方向のサンプリング周期（Ｔｓ）は、以下のように求められる。

回転方向が図８の逆方向であればサンプリング周期（Ｔｓ）は以下となる。

サンプリング周波数（Ｆｓ）は、Ｔｓの逆数として求められる。なお、サンプリング周期Ｔｓは、工具軸ＣＳ１に固定され回転する工具が、ワークＷの回転に伴いワークＷ上の一つの歯筋を加工した後再び同一の歯筋を加工するまでの時間である。

以上により歯筋方向のうねり周波数を各軸データを用いて計算上求めることが可能となった。次に、実加工後のワークＷの歯筋方向のうねりを測定する。測定機器２０により、図９に示すように歯筋方向のうねりのピッチがＡ（ｍｍ）と測定されたとする。図９の測定結果から、うねり周波数は以下のように定義される。
（うねり周波数）＝Ｖｚ／（Ａ×ｃｏｓθ）
他方、うねり周波数は数式（１）の通り定義されていたので、以下の等式が得られる。
ＭＩＮ｜ｆｄ−Ｎ×Ｆｓ｜＝Ｖｚ／（Ａ×ｃｏｓθ）・・・（２）

次に、外乱周波数であるｆｄを特定することを考える。上記数式（２）を満たす外乱周波数ｆｄと自然数Ｎの組合せは複数存在するため、外乱周波数の特定には軸情報記録部５に記録されている位置偏差データを参照する。ここで、位置偏差データを周波数解析することにより、工具軸ＣＳ１については位置偏差データに図１０に示すようなＨＡ（Ｈｚ）のピークが存在し、ワーク軸ＣＳ２については位置偏差データに図１１に示すようなＨＢ（Ｈｚ）、ＨＣ（Ｈｚ）２つのピークが存在していたものとする。この場合、外乱周波数ｆｄは、ＨＡ（Ｈｚ）、ＨＢ（Ｈｚ）、ＨＣ（Ｈｚ）のいずれかであるので、それぞれを上記数式（２）に代入し、数式（２）を満たすものがピッチＡの歯筋方向のうねりを生じさせている外乱周波数である。例えば、工具軸ＣＳ１の位置偏差の周波数ピークＨＡ（Ｈｚ）が数式（２）を満たす自然数Ｎを有し、ワーク軸ＣＳ２の位置偏差の周波数ピークＨＢ（Ｈｚ）、ＨＣ（Ｈｚ）が数式（２）を満たす自然数Ｎを有さない場合、測定されたピッチＡの歯筋方向のねりを生じさせている外乱成分は、工具軸ＣＳ１の周波数ピークＨＡ（Ｈｚ）の振動であると特定され、後述の補正処理の対象とされる。

以上説明した手法により、歯筋誤差の測定値と実加工データから歯筋方向のうねりを生じさせる外乱成分を特定できる。

次に、歯形方向のうねり（以下、歯形誤差と記す）による外乱成分の特定について説明する。図１２に示すように工具軸ＣＳ１に固定された工具１５１の歯によってワークＷ上に歯筋１６１が創成されている状態を想定する。ここで、ワークの噛み合い率をｘとする。噛み合い率とは、平均して工具とかみ合っているワークの歯の数である。この場合、ワークの歯がかみ合ってから外れるまでの時間ｔで歯形が作られるが、ワークＷの加工回転数をｗ_c（ｒｐｍ）、ワークＷの歯数をｚとすると、この時間ｔは、下記数式により表される。

この時間ｔにおいて歯形誤差にａ個のうねりが生じていると測定された場合、その原因となる外乱成分の周波数ｆｄは、下記のように表される。

次に上述の歯筋方向のうねりの場合と同様に、各軸の位置偏差データの周波数解析結果に上記数式（３）による外乱成分ｆｄと一致する周波数ピークがあるか否かを確認する。各軸の位置偏差データに、外乱成分ｆｄと一致する周波数ピークが見つかった場合には、その周波数ピークが外乱成分と特定できる。

次に、単一ピッチ誤差による外乱成分の特定について説明する。単一ピッチ誤差とは、隣り合った同じ側の歯面のピッチ円上における実際のピッチと、理論ピッチの差である。例えば、図１３に示すように単一ピッチ誤差のうねりが生じており、ワーク１回転内において単一ピッチ誤差にＫ個のピークがあるものとする。この場合、この単一ピッチ誤差の原因となる外乱周波数は単純にワーク１回転にＫ回の振動成分となる。よって、外乱周波数は、下記数式（４）によって得られる。

外乱周波数＝（ワークの回転数）×Ｋ・・・（４）

この場合、軸情報記録部５に記録された実加工時の各軸の位置偏差データにおいて、数式（４）で得られる外乱周波数と一致する周波数ピークを有する外乱成分がある場合にはその外乱成分が単一ピッチ誤差の原因と特定できる。

次に、位置偏差の振幅による外乱成分の特定について説明する。軸情報記録部５に記録された工具軸ＣＳ１とワーク軸ＣＳ２の位置偏差又は同期誤差の振幅から歯面に形成されるうねりの大きさを求めることができる。ここでは、歯車ピッチ円上のワーク円周方向のうねりとして振幅Ａ１（ｄｅｇ）が算出されたものとする。この場合、図１４に示されるようなねじれ角θのヘリカルギアにおける各歯筋の歯面上のうねりの振幅ｘは、以下の数式（５）によって表される。

各軸データの位置偏差として振幅Ａ１（ｄｅｇ）、周波数Ｂ１（Ｈｚ）の振動が表れていたとする。この振動成分が歯面上に作るうねりの振幅ｘ（ｍｍ）を上記数式（５）により算出する。次に、この振幅ｘを、実加工後のワークを測定して得られた歯面のうねりの振幅と比較し、両者の値が近い場合には、上記振動成分が歯筋誤差の原因となっている可能性が高いと判断することができる。ただし、歯筋誤差のうねりの原因となる外乱成分をより正確に特定するためには、上述の手法により位置偏差の周波数成分Ｂ１（Ｈｚ）から歯筋方向のうねりのピッチを計算し、実加工後のワークを測定して得られる歯筋方向のうねりのピッチと一致するか検証する必要がある。

以上説明した外乱成分の特定方法は図１５のような動作フローとして表すことができる。この処理は、外乱成分特定部６によって実行される。はじめに、実加工後の歯車の歯車精度（歯筋誤差、歯形誤差、単一ピッチ誤差、振幅等）を測定する（ステップＳ１１）。次に、軸情報記録部５に記録された各軸データを参照する（ステップＳ１２）。次に、歯車精度の測定結果と、各軸データとに基づいて歯車精度に影響を与えている外乱成分（周波数、振幅）を特定する（ステップＳ１３）。なお、外乱成分が複数特定される場合もある。

次に、以上説明した各手法により特定された外乱成分に応じて効率的な補正の種類を選択する処理について説明する。図１６は補正方法選択処理の全体フローである。この処理は、補正方法選択部７によって実行される。はじめに、ステップＳ１０１では、外乱成分特定処理（図１５）によって特定された外乱成分を、変数ｄ（ｉ）（ｉ＝１〜ｎ）にセットする（ステップＳ１０１）。次にｉを初期化し（ステップＳ１０２）、ｉがｎ以下であるという条件が満たされる間、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７の処理を実行するようにする。ステップＳ１０４では、外乱成分ｄ（ｉ）が工具軸ＣＳ１又はワーク軸ＣＳ２の回転周波数の整数倍であるか否かを判定する。外乱成分が、工具軸ＣＳ１又はワーク軸ＣＳ２の回転周波数の整数倍である場合には、予め記憶した複数種類の補正方法１−４の中から、このような外乱成分に適した補正方法１（学習制御）を選択する（ステップＳ１０５）。

学習制御では、例えばワーク軸１回転などの動作パターンの周期を学習の周期として位置偏差を低減させることが可能であり、工具軸ＣＳ１又はワーク軸ＣＳ２の回転周波数の整数倍の周波数で発生する外乱成分の抑制に効果的である。学習制御としては、位置偏差をゼロ近くまで収束するまで補正量を繰り返し学習により求める当分野で知られた学習制御を用いることができる。例えば、学習制御では、所定の動作パターン周期毎に位置偏差を求め、この位置偏差に１パターン周期前の補正量を加算し、加算結果をフィルタ処理して新たな補正量を算出し、この新たな補正データを記憶すると共にこの補正データを用いて位置指令を補正する学習を、位置偏差がゼロ近くになるまで繰り返し実行する。加工機におけるこのような学習制御の一例が、特許第４０４３９９６号公報に記載されている。

次に、補正を適用する軸を、上述の外乱成分の特定により特定された軸に設定する（ステップＳ１０７）。これにより、次の加工動作において、外乱の要因となっている軸に対して効果的な補正方法が適用されることとなる。ステップＳ１０８では、次の外乱成分についてステップＳ１０３からステップＳ１０７の処理を実行するためにｉをインクリメントする。

他方、外乱成分ｄ（ｉ）が工具軸ＣＳ１又はワーク軸ＣＳ２の回転周波数の整数倍でない場合、ステップＳ１０６において補正方法２〜４の選択が行われる。図１７は、補正方法２〜４を選択するための処理のフローチャートである。はじめに、ステップＳ２０１では、外乱成分ｄ（ｉ）の原因が機械共振であるか否かが判定される。ここで、外乱成分が機械共振であるか否かを判定する方法について説明する。各駆動軸の制御系が例えば図１８に示すような、速度指令と速度センサ２０５によって検出された実速度とに従って電流指令を生成する速度制御器２０１、電流指令に応じて電圧指令を生成する電流制御器２０２、電圧指令について２相−３相変換を行う２相−３相変換部２０３、及び速度センサ２０５を有するモータ２０４からなるものとする。上記速度制御ループの周波数特性を測定することで、図１９に示すような周波数特性が得られたとする。測定の結果得られた周波数特性において図１９に示すようなＡ２（Ｈｚ）に機械共振に由来するゲインの盛り上がりがある場合、加工動作中にＡ２（Ｈｚ）の振動が発生する場合がある。ステップＳ２０１では、外乱周波数ｄ（ｉ）が、事前に求めておいた機械共振周波数Ａ２（Ｈｚ）と一致するか否かを判定する。判定の結果、外乱周波数ｄ（ｉ）が、事前に求めておいた機械共振周波数Ａ２（Ｈｚ）と一致すれば、外乱周波数ｄ（ｉ）は機械共振であると判定し（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、機械共振に有効な補正方法２（ノッチフィルタ）を選択する。

なお、機械共振周波数を事前に求める方法としては、加工機１００の機構に対するハンマリング試験などを行い調べる方法もある。例えば、ハンマリング試験により現れた共振周波数をＡ３（Ｈｚ）、Ｂ３（Ｈｚ）、Ｃ３（Ｈｚ）とする。この場合、外乱成分特定部６によりＡ３、Ｂ３、Ｃ３のいずれかの外乱周波数が特定された場合、ステップＳ２０１においてその外乱周波数ｄ（ｉ）は機械共振であると判定され（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、補正方法２（ノッチフィルタ）が選択される（ステップＳ２０２）。

ここで、ノッチフィルタとは特定帯域の周波数成分を帯域除去するフィルタである。ステップＳ２０２でノッチフィルタが選択された場合には、ノッチフィルタを適用する制御部Ｃｎでは、ステップＳ２０１で特定された機械共振周波数（例えばＡ３（Ｈｚ））のピークが除去されるフィルタ特性のノッチフィルタを制御系内に構成する。

他方、ステップＳ２０１において外乱成分ｄ（ｉ）は機械共振ではない判定された場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値１以下であるか否かが判定される（ステップＳ２０３）。ここで、基準値１は、外乱が比較的低い周波数であると判定するための値であればよい。外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値１以下である場合（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、比較的低い低周波の外乱の補正に効果的な補正方法３が選択される。

補正方法３としては、比較的低い低周波の外乱の補正に有効な当分野で知られた各種補正方法を用いることができる。補正方法３の一例は、マスタ軸（工具軸）のフィードバックに同期比を掛けて、スレーブ軸（ワーク軸）の指令とする方法であるフィードバック同期式と、マスタ軸の指令に同期比を掛けてスレーブ軸の指令とする指令同期式とを融合させた制御を行う手法である（以下、融合機能と記す）。このような融合機能は、例えば、マスタ軸の位置フィードバックを同期比を使ってスレーブ軸の位置フィードバックに変換し、換算したマスタ軸の位置フィードバックとスレーブ軸の位置フィードバックの差から同期誤差を計算し、計算した同期誤差とスレーブ軸の位置偏差との差分をフィルタ処理し、フィルタ出力を使ってスレーブ軸の位置偏差を補正する手法により実現することができる。このような融合機能を用いることで、例えば、加工開始時に精度が低下するような事象も改善することが可能となる。融合機能の一例が、特許第５８１５７８４号公報に記載されている。補正方法３（融合機能）は、比較的低い周波数の外乱に効果的なので、基準値１としては例えばサーボ制御可能な範囲として１５０Ｈｚ程度の値を設定しても良い。

他方、ステップＳ２０３において、外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値１以下ではないと判定された場合（Ｓ２０３：ＮＯ）、外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値２以上であるか否かが判定される（ステップＳ２０５）。ここで、基準値２は、外乱周波数が比較的高い周波数であると判定できる値であればよい。外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値２以上であると判定された場合（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、外乱周波数が比較的高い場合に有効な補正方法４（制振制御）が選択される。

制振制御としては当分野で知られた方法を用いることができる。制振制御の一例は、工具軸とワーク軸の２軸が所定の速度比率で同期しながら加工する場合、２軸の速度差を利用して振動を低減する補正量を計算し、この補正量を用いてトルク指令を補正することによって２軸間の干渉による振動を低減する制御である。このような制振制御の一例が、特許第５８６３８６０号公報に記載されている。制振制御は、比較的周波数が高い機械振動等（例えば、３００Ｈｚ）の抑制に有効であるので、基準値２としては一例として２００Ｈｚに設定しても良い。

外乱成分ｄ（ｉ）の周波数が基準値２以上ではない場合（Ｓ２０５：ＮＯ）、特に補正方法の選択は行われなくても良い。図１７の補正方法の選択処理が終了すると、処理は図１６ステップＳ１０７に進む。

以上説明したように、本実施形態によれば加工後の被加工物の精度に影響を与えている外乱成分を特定することが可能となる。また、それにより被加工物の精度を改善する効率的な補正の種類を的確に選択することが可能となる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述の実施形態では歯筋誤差による外乱成分を特定する場合に、軸情報記録部５が記録した位置偏差（又は同期誤差）データを周波数情報として用いてうねり周波数を算出するために用いているが、軸情報記録部５が記録する情報に時間を追加するようにしても良い。この場合、軸情報記録部５は、加工開始時間を基準時間として記録し、加工中の時間と位置偏差又は同期誤差とが対応付けられるようにする。この場合、例えば位置偏差により各歯面に形成される歯筋方向の誤差の形状を計算することができ、うねりピッチのみでなくうねりの位相なども計算することができるようになる。

外乱成分は加工位置や時間によって振幅が変化したり複数生じたりすることがあり、それにより各歯面に現れる歯筋方向のうねりの形状も変わることがあると考えられる。位置偏差の基準時間を記録するようにすることで、このような現象に対応する歯筋方向のうねりの詳細な形状を算出することができ、外乱成分のいっそう詳細な特定が可能になる。

上述の実施形態は主として工具軸とワーク軸が同期して回転することで創成歯車加工を行う場合について説明したが、本実施形態に係る加工機は、歯車成形加工や歯車成形研削にも用いることができる。例えば歯車成形研削の場合、歯車の溝と同じ形状の切削工具を使用し、フライス盤で加工を行う。ワーク軸を停止させ、歯車の溝を一つずつ成形加工するため、工具軸とワーク軸が１：０の同期比で回転しているとみなすこともできる。

また、本開示の課題を解決するために、以下のような各種の態様とその効果を提供することができる。なお、以下の態様の説明文における括弧内の番号は本開示の図面の参照符号に対応する。

例えば、本開示の第一態様は、複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置（１）において、加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部（５）と、前記軸情報記録部（５）によって記録された前記データと、前記加工機による被加工物（歯車）の加工精度の測定結果とを用いて、前記複数の軸に対する外乱の成分を特定する外乱成分特定部（６）と、を具備する歯車加工機の制御装置（１）である。

上記第一態様によれば、加工後の被加工物の精度に影響を与えている外乱成分を特定することが可能となる。また、それにより被加工物の精度を改善する効率的な補正の種類を的確に選択することが可能となる。

また、本開示の第二態様は、上記第一態様の制御装置（１）であって、特定された前記外乱の成分に応じて、予め記憶した複数種類の補正のうち前記外乱を相殺するために前記複数の軸の制御に適用する補正を選択する補正選択部（７）をさらに具備する。

また、本開示の第三態様は、上記第二態様の制御装置（１）であって、前記補正選択部（７）は、特定された前記外乱の成分に応じて、前記複数の軸のうち前記補正を適用する軸を選択する。

また、本開示の第四態様は、上記第二態様又は第三態様の制御装置（１）であって、前記外乱成分特定部（６）は前記外乱の成分の周波数を特定し、前記補正選択部（７）は、前記外乱の成分の周波数が前記複数の駆動軸のいずれかの回転周波数に比例する場合と、前記外乱の成分の周波数が前記複数の駆動軸のいずれの回転周波数にも比例しない場合とで、異なる種類の前記補正を選択する。

また、本開示の第五態様は、上記第一態様から第四態様のいずれかの制御装置（１）であって、前記データは、前記複数の軸の各々の位置偏差と前記複数の軸のうちの２つの軸の同期誤差とのいずれかを含み、前記外乱成分特定部（６）は、前記位置偏差と前記同期誤差とのいずれかに基づいて前記被加工物の歯面における歯筋方向のうねりを算出し、算出された前記歯筋方向のうねりと、加工後の前記被加工物を測定することによって得られる前記被加工物の歯面における歯筋方向のうねりとを比較することによって、前記外乱の成分を特定する。

また、本開示の第六態様は、上記第一態様から第四態様のいずれかの制御装置（１）であって、前記データは、前記複数の軸の各々の位置偏差と前記複数の軸のうちの２つの軸の同期誤差とのいずれかを含み、前記外乱成分特定部（６）は、前記位置偏差または前記同期誤差に現れる周波数成分と、加工後の前記被加工物を測定することによって得られる前記被加工物の歯面における歯形方向のうねりの個数から算出される周波数成分とを比較することによって、前記外乱の成分を特定する。

また、本開示の第七態様は、上記第一態様から第四態様のいずれかの制御装置（１）であって、前記データは、前記複数の軸の各々の位置偏差と前記複数の軸のうちの２つの軸の同期誤差とのいずれかを含み、前記外乱成分特定部（６）は、前記位置偏差または前記同期誤差に現れる周波数成分と、加工後の前記被加工物を測定することによって得られる歯車１回転内の単一ピッチ誤差のうねりの個数から計算される周波数成分とを比較することによって、前記外乱の成分を特定する。

１ 制御装置
２ 位置指令作成部
５ 軸情報記録部
６ 外乱成分特定部
７ 補正方法選択部
２０ 測定機器
１００ 加工機

Claims (8)

1. 工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、
   加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、
   前記工具軸の振動周波数をｆｄ、前記工具軸に固定され回転する工具がワークの回転に伴い前記ワーク上の一つの歯筋を加工した後再び同一の歯筋を加工するまでの時間をサンプリング周期としたサンプリング周波数であって、ワーク半径、前記ワーク軸の回転数、前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度、及びねじれ角から決定されるサンプリング周波数をＦｓとするとき、
   複数の前記歯筋の各々に現れる歯筋方向のうねりの周波数Ｆａを関係式（１）：
   Ｆａ＝ＭＩＮ｜ｆｄ−Ｎ×Ｆｓ｜ ・・・（１）
   ただし、Ｎは自然数、
   によって求め、
   前記振動周波数ｆｄが歯筋方向に作るうねりのピッチを、前記関係式（１）と、前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度と、前記ねじれ角とを用いて数式（２）：
   うねりピッチ＝うねり周期×Ｖｚ／ｃｏｓθ ・・・（２）
   ただし、Ｖｚは前記ワーク軸方向の前記工具軸の送り速度、
   θは前記ねじれ角、
   により求め、
   前記数式（２）と、加工後の前記ワークの前記歯筋方向に現れるうねりのピッチの実測値と、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差の周波数ピークとを用いて、前記位置偏差又は前記同期誤差の周波数ピークを数式（３）：
   ＭＩＮ｜ｆｄ−Ｎ×Ｆｓ｜＝Ｖｚ／（Ａ×ｃｏｓθ）・・・（３）
   ただし、Ａは前記うねりのピッチの実測値、
   のｆｄとして代入した場合に、前記数式（３）を満たす前記振動周波数ｆｄを前記加工後の前記ワークの前記歯筋方向に現れているうねりを生じさせる外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、
   特定された前記外乱の周波数成分に応じて、予め記憶した複数種類の補正のうち前記外乱を相殺するために前記複数の軸の制御に適用する補正を選択する補正選択部と、
   を具備する歯車加工機の制御装置。
2. 前記補正選択部は、特定された前記外乱の周波数成分に応じて、前記複数の軸のうち前記補正を適用する軸を選択する、請求項１に記載の歯車加工機の制御装置。
3. 前記補正選択部は、前記外乱の周波数成分が前記複数の軸のいずれかの回転周波数に比例する場合と、前記外乱の周波数成分が前記複数の軸のいずれの回転周波数にも比例しない場合とで、異なる種類の前記補正を選択する、請求項１又は２に記載の歯車加工機の制御装置。
4. 工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、
   加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、
   ワークの噛み合い率と、前記ワークの歯数と、前記ワークの加工回転数とを用いて、工具と前記ワークの歯が噛み合ってから外れるまでの時間ｔを求め、
   前記時間ｔと、前記時間ｔにおいて測定された歯形方向のうねりの個数ａとを用いて、前記歯形方向のうねりを生じさせている外乱の周波数成分ｆｄを、
   ｆｄ＝ａ／ｔ
   により求め、前記周波数成分ｆｄを、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差の周波数ピークと対比することで、前記周波数成分ｆｄと一致する前記位置偏差又は前記同期誤差の周波数ピークを前記歯形方向のうねりを生じさせる外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、
   を備える歯車加工機の制御装置。
5. 工具軸とワーク軸とを含む複数の軸を有する歯車加工機を制御する制御装置において、
   加工中の前記複数の軸の制御に関するデータを記録する軸情報記録部と、
   加工後の被加工物を測定することによって得られる歯車１回転内の単一ピッチ誤差に現れるうねりの個数Ｋと、ワークの回転数とを用いて、外乱周波数ｆｄを、
   ｆｄ＝（ワークの回転数）×Ｋ
   により求め、
   前記外乱周波数ｆｄを、前記データとしての前記工具軸と前記ワーク軸の各々の位置偏差又は前記工具軸と前記ワーク軸の同期誤差に現れる周波数ピークと対比することで、前記外乱周波数ｆｄと一致する前記位置偏差又は前記同期誤差に現れる周波数ピークを前記単一ピッチ誤差を生じさせている外乱の周波数成分として特定する外乱成分特定部と、
   を備える歯車加工機の制御装置。
6. 特定された前記外乱の周波数成分に応じて、予め記憶した複数種類の補正のうち前記外乱を相殺するために前記複数の軸の制御に適用する補正を選択する補正選択部をさらに具備する、請求項４又は５に記載の歯車加工機の制御装置。
7. 前記補正選択部は、特定された前記外乱の周波数成分に応じて、前記複数の軸のうち前記補正を適用する軸を選択する、請求項６に記載の歯車加工機の制御装置。
8. 前記補正選択部は、前記外乱の周波数成分が前記複数の軸のいずれかの回転周波数に比例する場合と、前記外乱の周波数成分が前記複数の軸のいずれの回転周波数にも比例しない場合とで、異なる種類の前記補正を選択する、請求項６又は７に記載の歯車加工機の制御装置。

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