CN107533325A - 机械运动轨迹测定装置 - Google Patents

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Abstract

机械运动轨迹测定装置(100)具有：3轴加速度传感器(13)，其对运动轨迹测定对象物的加速度进行测定并作为加速度传感器信号而输出；传感器信号分离部(30)，其将加速度传感器信号分离为大于或等于2个频带；电动机信号分离部(31)，其将检测位置信号分离为与传感器信号分离部(30)相同的频带；数据校正部(32)，其使用由传感器信号分离部(30)分离出的加速度传感器信号、由传感器信号分离部(30)分离出的检测位置信号，在大于或等于2个频带各自中对加速度传感器信号进行校正，得到大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量；以及运动轨迹计算部(33)，其将大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量进行结合并作为运动轨迹而输出。

Description

机械运动轨迹测定装置
技术领域
本发明涉及一种机械运动轨迹测定装置，该机械运动轨迹测定装置对数控工作机械、工业用机械、机器人或输送机之类的机械装置的运动轨迹进行测定。
背景技术
伺服控制装置是使用致动器进行控制以使得使用位置检测器检测出的驱动对象即被驱动体的位置与指令位置一致的装置。如数控工作机械、工业用机械、机器人或输送机那样，具有可动范围为2维平面或3维空间这样的多自由度的机械装置，具有被称作1自由度的轴的伺服控制装置。在这样的机械装置中，在各轴分别安装的致动器对各轴的被驱动体进行驱动控制。机械装置通过将这些轴运动组合，从而实现多自由度的机械的运动。
为了使得运动轨迹准确地追随被指示的路径即指令轨迹而进行的伺服控制，被称作轨迹控制或轮廓运动控制。如果由于在轨迹控制中发生的摩擦、或在轨迹控制中发生的机械构造的振动之类的外部干扰因素，而在各轴的伺服控制装置发生响应误差，则被驱动体的运动轨迹从指令轨迹偏离，因此产生轨迹误差。
在通过使用切削刀具将各轴的运动转印至加工对象的工作物而创建形状的数控工作机械中，即使是几十微米的轨迹误差，有时也判断为加工不良。因此，即使在使用位置检测器进行反馈控制的情况下，在位置检测器的安装位置与被驱动体的位置不一致时，或者被驱动体的位置与真正的控制对象的位置，即刀具或工件的位置不一致时，通过位置检测器也不能准确地检测控制对象的位置。因此，控制对象的运动轨迹产生轨迹误差。
在运动轨迹发生了轨迹误差的情况下，对机械的运动轨迹进行测定而探寻问题的原因，进行机械的设计变更或伺服控制装置的各种的参数调整。为了进行各种的参数调整，需要以几微米至几百微米的精度对运动轨迹相对于指令轨迹的偏移量进行测定。在专利文献1、2、3中公开了机械运动轨迹的测定及检测的方法。
在专利文献1所公开的运动精度试验方法中，在进行将经由位移检测器而结合的2个钢球之间的相对距离保持为恒定之类的圆弧运动时，通过读取该位移，从而测定2个钢球之间的相对运动轨迹。该测定方法被称作球杆法，广泛普及。在通常的球杆法中，将2个钢球之间机械地连接，通过位移传感器对运动中的杆的位移进行测定，从而能够以几微米的精度对圆弧运动时的轨迹误差进行测定。
专利文献2所公开的数控装置对控制对象的速度及加速度的任意者进行检测，将检测出的速度及加速度的任意者与预定的速度或加速度进行比较，由此对轨迹误差的发生进行检测。另外，在专利文献2中公开了下述方法，即，通过反馈所检测出的轨迹误差的速度或加速度分量，从而抑制轨迹误差。
在专利文献3中公开了下述方式，即，通过对使用大于或等于1个轴而进行正弦波运动时的被驱动体进行加速度2阶积分，从而对被驱动体的运动轨迹进行推定。并且，在专利文献3中公开了下述方式，即，以使得进行积分时所产生的误差不超过阈值的方式对灵敏度系数进行变更，由此，高精度地对运动轨迹进行推定。
专利文献1：日本特开昭61-209857号公报
专利文献2：日本特开昭61-007907号公报
专利文献3：日本特开2015-182141号公报
发明内容
但是，在专利文献1所公开的运动精度试验方法中，存在下述课题，即，可测定的轨迹限定于圆弧。另外，在专利文献1所公开的运动精度试验方法中，存在下述课题，即，为了进行装置的设置，需要预先计算旋转中心的位置，使单侧的球的设置位置与轨迹测定时的旋转中心一致而进行设置，设置花费工时。
如果使用专利文献2所公开的轨迹误差的抑制方法，可测定的轨迹不受限制。但是，在专利文献2所公开的轨迹误差的抑制方法中，使用加速度或速度而对误差的产生进行检测，因此，存在下述课题，即，无法求出被驱动体相对于指令轨迹的轨迹误差量。另外，在专利文献2所公开的轨迹误差的抑制方法中，通过对加速度或速度进行反馈，从而能够抑制轨迹误差。但是，对于专利文献2所公开的轨迹误差的抑制方法，能够通过对加速度或速度进行反馈而对轨迹误差进行抑制，但存在下述课题，即，无法用于其他的轨迹误差抑制方式的参数调整。作为其他的轨迹误差抑制方式，存在被称作使用了摩擦模型的空转或粘着运动的、对由摩擦产生的轨迹误差进行抑制的校正方式。
在专利文献3所公开的运动轨迹的推定方式中，存在下述课题，即，可测定的轨迹限定于正弦波或将正弦波组合而能够实现的圆弧轨迹、椭圆轨迹及球轨迹。
并且，对于数控工作机械及机器人，有时可动侧和固定侧的2点间的相对运动轨迹的精度是重要的。具体地说明，对于在作为机械构造物的铸件的固定侧安装有刀具、在铸件上安装各轴的伺服控制装置和工作物的类型的机械中，对工作物进行轮廓控制，使刀具和工作物进行干涉，由此进行从工作物将材料去除的加工。在上述情况下，由于作为可动部的轴的驱动力的反作用而产生的驱动反作用力经由机械构造物而传递至固定侧，有时在固定侧发生变形或振动。因此，需要对可动侧和固定侧之间的相对运动轨迹进行测定。但在专利文献1至3所公开的方法中，无法考虑上述固定侧的相对轨迹误差，因此，存在测定精度低的课题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，目的在于得到一种机械运动轨迹测定装置，该机械运动轨迹测定装置能够以简易的设置高精度地对任意的运动轨迹中的轨迹误差进行测定。
为了解决上述的课题，并达到目的，本发明的机械运动轨迹测定装置具有致动器，为了使得被驱动体的运动轨迹追随指令轨迹，而将从对致动器的位置或被驱动体的位置进行检测的位置检测器输出的检测位置信号进行反馈，对驱动致动器的机械装置的运动轨迹进行测定，该机械运动轨迹测定装置具有：加速度传感器，其对运动轨迹测定对象物的加速度进行测定并作为加速度传感器信号而输出；以及传感器信号分离部，其将加速度传感器信号分离为大于或等于2个频带。机械运动轨迹测定装置的特征在于，具有：检测位置信号分离部，其将检测位置信号分离为与传感器信号分离部相同的频带；数据校正部，其使用由传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号、由检测位置信号分离部分离出的检测位置信号，在大于或等于2个频带各自中对加速度传感器信号进行校正，得到大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量；以及运动轨迹计算部，其将大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量进行结合并作为运动轨迹而输出。
发明的效果
根据本发明，实现下述效果，即，能够以简易的设置高精度地对任意的运动轨迹的轨迹误差进行测定。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置和数控工作机械的斜视图
图2是表示图1所示的x轴驱动机构的详细结构和对x轴驱动机构的动作进行控制的伺服控制装置的结构的图
图3是表示实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图
图4是图3所示的电动机驱动部的结构图
图5是在xy平面对检测器位置处的运转轨迹、控制对象的运动轨迹和圆弧运动时的指令轨迹进行绘制得到的图
图6是表示不存在噪声的情况下的x轴方向的加速度波形和根据其加速度计算出的x轴方向的位移量的图
图7是表示在与图6相同的条件下对xy平面中的轨迹误差进行计算得到的结果的图
图8是表示存在噪声的情况下的x轴方向的加速度波形和根据其加速度计算出的x轴方向的位移量的图
图9是表示在与图8相同的条件下对xy平面中的轨迹误差进行计算得到的结果的图
图10是图3所示的传感器信号分离部的结构图
图11是图3所示的电动机信号分离部的结构图
图12是图3所示的数据校正部的结构图
图13是图3所示的运动轨迹计算部的结构图
图14是对实际的运动轨迹、由实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置计算出的轨迹误差的计算结果和检测器位置处的运转轨迹进行比较而示出的图
图15是表示实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图
图16是图15所示的机械响应模拟部的结构图
图17是表示实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图
图18是图17所示的传感器信号分离部的结构图
图19是实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置所具有的数据校正部的结构图
图20是对由实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置对相对运动轨迹进行了测定的情况下的计算结果、实际的相对运动轨迹和检测器位置处的运动轨迹进行比较的图
图21是对指示了四边形的运动轨迹时的实际轨迹、由实施方式7所涉及的机械运动轨迹测定装置计算出的轨迹误差的计算结果、检测器位置处的运转轨迹进行比较而示出的图
图22是表示实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图
图23是表示实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图
图24是表示应用实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械的一个例子的概略图
图25是表示在对回转工作台进行了驱动时所测定的法线方向加速度的测定结果的一个例子的图
图26是表示在对回转工作台进行了驱动时所测定的切线方向加速度的测定结果的一个例子的图
具体实施方式
下面，基于附图详细地对本发明的实施方式所涉及的机械运动轨迹测定装置进行说明。此外，本发明并不限定于本实施方式。
实施方式1.
图1是实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置和数控工作机械的斜视图。图2是表示图1所示的x轴驱动机构的详细结构、对x轴驱动机构的动作进行控制的伺服控制装置的结构的图。
图1所示的数控工作机械99是由机械运动轨迹测定装置测定机械运动轨迹的对象的一个例子。数控工作机械99是正交3轴的立型工作机械，是具有被称作C立柱构造的机械构造的工作机械。数控工作机械99具有：台架21、设置于台架21上且被向y轴方向驱动的鞍座24、设置于鞍座24上的工作台4、以及固定于台架21且向台架21的上方延伸的立柱5。在立柱5安装压头6，在工作台4上设置作为运动轨迹测定对象物的工作物17。
另外，数控工作机械99具有：x轴驱动机构15x，其安装于鞍座24，是将工作台4向x轴方向进行驱动的致动器；y轴驱动机构15y，其安装于台架21，是将鞍座24向y轴方向进行驱动的致动器；以及z轴驱动机构15z，其安装于立柱5，是将压头6向z轴方向进行驱动的致动器。
x轴驱动机构15x具有：x轴电动机1x；进给丝杠2x，其是由x轴电动机1x进行驱动的进给轴；以及旋转角检测器3x，其对进给丝杠2x的旋转角度进行检测。y轴驱动机构15y具有：y轴电动机1y；进给丝杠2y，其是由y轴电动机1y进行驱动的进给轴；以及旋转角检测器3y，其对进给丝杠2y的旋转角度进行检测。z轴驱动机构15z具有：z轴电动机1z；进给丝杠2z，其由z轴电动机1z进行驱动；以及旋转角检测器3z，其对进给丝杠2z的旋转角度进行检测。
由x轴驱动机构15x驱动工作台4，由y轴驱动机构15y驱动鞍座24和设置于其上部的x轴驱动机构15x。由安装于立柱5的z轴驱动机构15z驱动压头6、主轴7及刀具16，由刀具16对工作物17进行加工。其结果，将工作物17的xy平面内的2自由度运动、在主轴7的前端安装的刀具16的z轴方向的1自由度的运动进行组合，将xyz的3维空间内即3自由度中刀具16和工作物17发生了干涉的部分即工作物17的表面的材料去除。由此，创建3维形状。由3个旋转角检测器3x、3y、3z分别检测出的电动机旋转角度反馈至图2所示的伺服控制装置101。
图2中示出图1所示的x轴驱动机构15x的详细结构，示出用于对被驱动体的x轴方向上的位置进行控制的伺服控制装置101。图2中仅示出图1所示的3个驱动机构中的x轴驱动机构15x的结构。y轴驱动机构15y及z轴驱动机构15z的结构与x轴驱动机构15x的结构相同。但是，x轴驱动机构15x、y轴驱动机构15y及z轴驱动机构15z在以下方面是不同的。即，不同点在于，x轴驱动机构15x的控制对象即被驱动体是工作台4，与此相对，y轴驱动机构15y的控制对象即被驱动体是鞍座24和安装于鞍座24的上部的x轴驱动机构15x，z轴驱动机构15z的控制对象即被驱动体是立柱5和安装于立柱5的主轴7。
图2所示的x轴驱动机构15x具有：鞍座24；以及2个支撑轴承10x，它们各自的外轮固定于鞍座24，各自的内轮将进给丝杠2x可自由旋转地支撑。另外，x轴驱动机构15x具有：螺母9x，其与进给丝杠2x啮合；工作台4，其通过螺母9x而向进给丝杠2x的轴线方向移动；以及联轴器8x，其在x轴电动机1x的旋转时将进给丝杠2x的一端进行固定。
x轴电动机1x的旋转运动经由联轴器8x而传递至进给丝杠2x，进给丝杠2x的旋转运动通过螺母9x而变换为直线运动。由此，固定于螺母9x的工作台4沿进给丝杠2x的轴方向进行移动。
进给丝杠2x支撑于支撑轴承10x，x轴电动机1x及支撑轴承10x支撑于鞍座24，旋转角检测器3x支撑于x轴电动机1x。
用于对被驱动体的x轴方向上的位置进行控制的伺服控制装置101具有：位置指令生成部11x，其生成对被驱动体的x轴方向上的位置进行控制的位置指令；以及电动机驱动部12x，其通过由位置指令生成部11x生成的位置指令对x轴电动机1x的旋转角进行控制。图2中仅示出用于对被驱动体的x轴方向上的位置进行控制的伺服控制装置101，但用于对被驱动体的y轴方向及z轴方向各自的位置进行控制的伺服控制装置也同样地构成。
由位置指令生成部11x生成的位置指令发送至电动机驱动部12x，接收到位置指令的电动机驱动部12x对x轴电动机1x的旋转角进行控制，以使得将由旋转角检测器3x检测出的电动机旋转角度与进给丝杠2x的螺纹间距相乘得到的检测位置和位置指令之间的误差变小。
此外，对于数控工作机械99的可动轴，有时取代x轴电动机1x及进给丝杠2x而使用线性电动机。另外，对于数控工作机械99的可动轴，有时取代旋转角检测器3x而使用能够直接对工作台4的位置进行检测的线性编码器或激光位移计。
对于数控工作机械99，刀具16和工作物17的相对位移是重要的。这是因为，在一边进行轮廓控制一边进行加工的过程中，在刀具16和工作物17之间产生了相对位移的情况下，如果在工作物17中发生材料的切削不足及切削过度，则会产生加工误差。在伺服控制装置101中，为了使得不产生上述加工误差，而在电动机驱动部12x中进行反馈控制。
但是，由于无法使检测器位置与刀具16或工作物17严格地一致，因此，有时产生无法检测的轨迹误差。另外，在由于在轨迹控制中发生的摩擦、或在轨迹控制中发生的机械构造的振动之类的动态的外部干扰，而未追随电动机驱动部12x的反馈控制的情况下，即在伺服控制装置101产生了响应误差的情况下，被驱动体的运动轨迹从指令轨迹脱离，因此，在刀具16和工作物17之间产生相对位移。
作为动态的外部干扰，已知由于在联轴器8x、进给丝杠2x或支撑轴承10x产生的弹性变形、在进给丝杠2x或支撑轴承10x产生的振动、图1所示的立柱5或压头6的姿态变化、立柱5或压头6的振动、可动轴的摩擦力而引起的误差。已知这些动态的外部干扰根据工作物17的质量、机械的老化、进给丝杠2x或支撑轴承10x的磨损、各可动轴的润滑油量、气温的变化、工厂内的其他机械的运转状况而变化。由于动态的外部干扰根据上述因素而变化，因此，为了维持高精度的轮廓控制性能，大多使用基于下述模型的误差校正方式，即，针对位置指令生成部11x及电动机驱动部12x使用摩擦及振动模型而预测将产生的误差量，生成用于抵消误差的校正量，进行前馈控制。
但是，影响动态的误差的因子较多，因此构建考虑了上述全部因子的模型是不现实的。因此，优选在作业开始前或即将精加工之前，定期或持续地对机械的运动轨迹进行测定，能够每次都对各种校正参数进行调整。
图1中，在对运动轨迹进行测定的对象物即工作物17的附近，安装有3轴加速度传感器13，该3轴加速度传感器13是对工作物17的加速度进行测定的对象物加速度传感器的一个例子。3轴加速度传感器13分别对正交的3轴方向的加速度进行测定。3轴加速度传感器13和机械运动轨迹测定装置100经由线缆40相互连接。表示由3轴加速度传感器13检测出的3轴方向各自的加速度的加速度传感器信号经由线缆40而输入至机械运动轨迹测定装置100。在下面，将由3轴加速度传感器13检测出的3轴方向各自的加速度的分量称作x轴方向的加速度分量、y轴方向的加速度分量及z轴方向的加速度分量。
由于3轴加速度传感器13通过1个传感器对正交的3轴方向的加速度进行测定，因此，通过使用1个3轴加速度传感器13，能够对3维内的加速度进行测定。但是，本实施方式中，也可以取代3轴加速度传感器13，而使用3个对3轴方向各自的加速度进行测定的1轴加速度传感器。
对于3轴加速度传感器13的安装方法，存在使用通过磁铁产生的磁力的安装、使用夹具及螺纹的紧固、通过石蜡进行的固定或使用粘接剂的固定之类的方法。由于仅通过固定于作为测定对象物的工作台4就能够进行测定，因此，在即将进行测定之前，能够以简单的作业进行安装。另外，在进行加速度传感器的安装时不需要特别的调整作业，因此，即使是初学的作业者也能够简单进行安装。
近年，利用无线方式的无线缆的加速度传感器也增加，在使用无线的加速度传感器的情况下，不需要考虑线缆40的处理，因此，能够更简易地进行设置。另外，为了防止由于加工中的切屑或切削油而3轴加速度传感器13及线缆40破损，也可以在工作台4的里侧或内部始终安装3轴加速度传感器13。此外，机械运动轨迹测定装置100可以安装于数控工作机械99的外部，也可以安装于数控工作机械99的内部。
接下来，说明在对通过伺服控制装置101驱动x轴及y轴时的摩擦所造成的向运动轨迹的影响进行调查时，设置数控工作机械99的结构例。
图3是表示实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图。图4是图3所示的电动机驱动部的结构图。
图3所示的伺服控制装置101和图2所示的伺服控制装置101的不同点在于，图3所示的伺服控制装置101在位置指令生成部11x及电动机驱动部12x的基础上，还具有位置指令生成部11y及电动机驱动部12y。
向电动机驱动部12x输入由位置指令生成部11x生成的位置指令Pix，输入由旋转角检测器3x检测出的电动机旋转角度即反馈位置Pdx。电动机驱动部12x基于位置指令Pix及反馈位置Pdx，输出x轴电动机1x的驱动指令即扭矩指令Icx。
向电动机驱动部12y输入由位置指令生成部11y生成的位置指令Piy，输入由旋转角检测器3y检测出的电动机旋转角度即反馈位置Pdy。电动机驱动部12y基于位置指令Piy及反馈位置Pdy，输出y轴电动机1y的驱动指令即扭矩指令Icy。
图4中示出图3所示的电动机驱动部12x的结构。电动机驱动部12x具有：加减运算部124a，其求出位置指令Pix和作为响应位置的反馈位置Pdx之间的响应误差即位置偏差；以及位置控制部123，其针对由加减运算部124a求出的位置偏差执行控制，生成速度指令。另外，电动机驱动部12x具有：微分运算部122，其执行反馈位置Pdx的微分运算，对速度反馈值进行计算；加减运算部124b，其求出由位置控制部123求出的速度指令和由微分运算部122求出的速度反馈值之间的速度偏差；以及速度控制部121，其输出作为驱动指令的扭矩指令Icx。
加减运算部124a求出位置指令Pix和反馈位置Pdx之间的偏差即位置偏差，向位置控制部123输出。位置控制部123执行比例控制、PI(Proportional Integral)控制或PID(Proportional Integral Differential)控制之类的位置控制处理以使得从加减运算部124a输出的位置偏差变小，输出使位置偏差变小的速度指令。
在微分运算部122中，求出对反馈位置Pdx进行微分得到的实际速度。加减运算部124b求出由位置控制部123求出的速度指令和由微分运算部122求出的反馈位置Pdx的实际速度之间的偏差即速度偏差，向速度控制部121输出。在速度控制部121中，执行PI控制的速度控制处理以使得从加减运算部124b输出的速度偏差变小，并输出扭矩指令Icx。此外，图3所示的电动机驱动部12y设为与图4所示的电动机驱动部12x同样地构成。
将为了求出反馈位置Pdx、Pdy而使用旋转角检测器3x、3y的控制称作半闭环控制。在通过图2所示的伺服控制装置101及x轴驱动机构15x进行的半闭环控制中，在旋转角检测器3x的安装位置和真正的控制对象即工作台4之间、或在旋转角检测器3x的安装位置和图1所示的工作物17之间，存在进给丝杠2x及螺母9x之类的机械构造物。因此，在旋转角检测器3x和工作台4之间、或在旋转角检测器3x和工作物17之间，产生机械性的传递延迟。因此，由旋转角检测器3x检测出的反馈位置Pdx与工作台4或工作物17的运动轨迹不一致。
另外，在运动方向反转位置，由于所施加的摩擦的方向发生反转，从而急剧的外部干扰力作用在可动轴。因此，已知在反馈控制中，无法完全抑制所产生的位置偏差，产生误差。典型的例子是被称作圆弧运动时的空转或粘着运动的轨迹误差。在使用x轴和y轴的圆弧运动中，在x轴电动机1x和y轴电动机1y之间对相位偏移了90度的正弦波指令进行指示。
图5是在xy平面对检测器位置处的运转轨迹、控制对象的运动轨迹和圆弧运动时的指令轨迹进行绘制得到的图。检测器位置是指前述的反馈位置Pdx及反馈位置Pdy。图5中，检测器位置处的运转轨迹由虚线表示，控制对象的运动轨迹由实线表示，圆弧运动时的指令轨迹由点划线表示。此外，在图5中，沿半径方向将轨迹误差放大400倍而进行显示。指令轨迹是圆，与此相对，检测器位置的运动轨迹和作为控制对象的工作物17的运动轨迹在象限切换位置处示出为凸起状的误差图案。
对于检测器位置，在象限切换位置中，呈运动轨迹向圆的外侧鼓出的形状，被称作粘着运动。粘着运动显然是由于摩擦的施加方向的反转而在反馈控制中产生了延迟而发生的。
控制对象的运动轨迹显示出在象限切换位置向外侧鼓出后延迟地向内侧嵌入这样的轨迹。这是被称作空转的现象，该空转是在由前述的摩擦引起的粘着运动的基础上，由于夹设有进给丝杠2x及螺母9x之类的机械要素，从而控制对象的响应发生延迟而产生的。
为了抑制由空转引起的轨迹误差，在位置指令生成部11x、11y或电动机驱动部12x、12y中，需要将校正指令相加以抵消所发生的空转。因此，需要准确地对工作物17的运动轨迹进行测定。
如图1及图3所示，在应用本实施方式所涉及的机械运动轨迹测定装置100的数控工作机械99中，在工作台4上的工作物17的附近设置有3轴加速度传感器13。向机械运动轨迹测定装置100输入由3轴加速度传感器13测定出的x轴方向的加速度分量ax、由3轴加速度传感器13测定出的y轴方向的加速度分量ay、x轴电动机1x的检测器位置即反馈位置Pdx、y轴电动机1y的检测器位置即反馈位置Pdy。但是，已知由摩擦引起的运动误差在可动平面内终结，因此，在对与摩擦校正相关的参数进行调整的情况下，能够无视z轴方向的加速度分量。此外，在下面，有时单纯地将加速度分量ax及加速度分量ay称作加速度传感器信号。另外，有时将反馈位置Pdx、Pdy称作检测器位置。
图3所示的机械运动轨迹测定装置100具有：传感器信号分离部30，其将x轴方向的加速度分量ax及y轴方向的加速度分量ay分别分离为大于或等于2个频带；以及电动机信号分离部31，其是将反馈位置Pdx、Pdy分别分离为与传感器信号分离部30相同的大于或等于2个频带的检测位置信号分离部。
另外，机械运动轨迹测定装置100具有：数据校正部32，其在传感器信号分离部30及电动机信号分离部31分别分离出的每个频带，将反馈位置Pdx、Pdy作为参照信号而对加速度分量ax、ay进行校正，对各个频带中的位置响应进行计算并输出；以及运动轨迹计算部33，其将由数据校正部32计算出的各个频带各自的位置响应相加，对以x轴及y轴运转时的工作物17的运动轨迹进行计算，作为表示运动轨迹的信息而输出。
表示由运动轨迹计算部33计算出的运转轨迹的信息输出至与机械运动轨迹测定装置100连接的轨迹显示装置35。轨迹显示装置35是以视频监视器为代表的显示器，在显示器的画面显示由轨迹显示装置35计算出的运转轨迹。由此，将运转轨迹提示给实验者。此时，轨迹显示装置35也可以将反馈位置Pdx、Pdy的运动轨迹及指令轨迹输入，使图5所示指令轨迹和多个位置的运动轨迹的测定结果重叠而显示。
下面，对根据加速度传感器信号对运动轨迹进行测定的方式进行叙述。考虑在xy平面中将半径设为2mm、将进给速度设为500mm/min而反复进行圆弧轨迹运动时的运动轨迹测定。通过设置于工作台4上的3轴加速度传感器13对工作物17的运动轨迹进行测定。此时，如果对由3轴加速度传感器13测定出的加速度分量ax进行2阶积分，则能够计算出3轴加速度传感器13的安装位置的运动轨迹即位移量Px。
在通过离散的采样而取得加速度分量ax的数据的情况下，速度Vx能够使用加速度分量ax和采样时间dt并根据下述(1)式所示的数列而进行计算。并且，位移量Px是使用速度Vx和采样时间dt，并根据下述(2)式所示的数列而计算的。但是，速度Vx及Px初始值设为0。同样地，对于y轴，也能够根据加速度对位移量Py进行计算，因此能够根据位移量Px、Py对运动轨迹进行计算。
【式1】
Vx(n+1)＝Vx(n)+dt*(ax(n)+ax(n+1))/2…(1)
【式2】
Px(n+1)＝Px(n)+dt*(Vx(n)+Vx(n+1))/2…(2)
图6是表示不存在噪声的情况下的x轴方向的加速度波形和根据其加速度计算出的x轴方向的位移量的图。在纸面上侧的图中，横轴表示时间，纵轴表示加速度。在纸面下侧的图中，横轴表示时间，纵轴表示位移量。图6所示的加速度及位移量各自的波形是将加速度的采样时间dt设为1ms时的波形。
图7是表示在与图6相同的条件下对xy平面中的轨迹误差进行计算得到的结果的图。图7中，实际的运转轨迹即实际轨迹由虚线表示，使用上述(1)式及上述(2)式计算出的轨迹误差的计算结果由实线表示。在不存在噪声的理想状态下，实际轨迹和计算结果一致，因此图7中虚线的实际轨迹与实线的计算结果重复。这样，在不存在噪声的理想条件下，能够以简单的计算根据加速度对运动轨迹进行计算。
但是，在实际的测定环境中，由于电磁噪声的影响、量子化误差、或混淆现象的影响，在由3轴加速度传感器13测定出的加速度传感器信号重叠有各种噪声分量。噪声是指运动轨迹的除了加速度分量以外的全部信号分量，并不严格区别。另外，在现实中，难以观测到完全去除噪声后的真正的运动轨迹的加速度分量，因此，图6中是通过仿真理想的加速度传感器信号而生成的。
图8是表示存在噪声的情况下的x轴方向的加速度波形、和根据其加速度计算出的x轴方向的位移量的图。在纸面上侧的图中，横轴表示时间，纵轴表示加速度。在纸面下侧的图中，横轴表示时间，纵轴表示位移量。
图9是表示在与图8相同的条件下对xy平面中的轨迹误差进行计算得到的结果的图。图9中，实际的运转轨迹即实际轨迹由虚线表示，轨迹误差的计算结果由实线表示。根据图9可知，通过计算而计算出的轨迹误差与实际轨迹不一致。将因上述积分操作引起的计算误差称作积分误差。在对加速度进行积分而计算位移的情况下，在不对加速度的积分误差的影响进行补偿时，难以实现在以数控工作机械99为代表的机械的运动轨迹测定中所要求的精度。
在本实施方式所涉及的机械运动轨迹测定装置100中，传感器信号分离部30及电动机信号分离部31进行频带的分离，数据校正部32通过每个频带的加速度传感器信号而降低积分误差。下面，具体说明传感器信号分离部30、电动机信号分离部31及数据校正部32的结构。
图10是图3所示的传感器信号分离部的结构图。传感器信号分离部30为了将加速度传感器信号即加速度分量ax、ay所包含的噪声分量去除，而将加速度传感器信号分离为噪声频带。噪声频带是加速度传感器信号的噪声分量。通过将噪声分量去除，从而能够减小加速度补偿时的误差。具体地说，传感器信号分离部30具有：第1噪声去除部301，其将加速度分量ax、ay各自的噪声分量axn、ayn去除，对噪声分量axn、ayn以外的信号分量axs、ays进行分离并输出；第1信号提取部302，其提取信号分量axs、ays的低频频带分量axl、ayl；以及第2信号提取部303，其提取信号分量axs、ays的高频频带分量axh、ayh。
被输入至传感器信号分离部30的加速度分量ax、ay通过第1噪声去除部301而分别分离出噪声分量axn、ayn。由此，提取出噪声分量axn、ayn以外的信号分量axs、ays。第1噪声去除部301作为由下述(3)式所示的传递函数Gfilt记述的低通滤波器而安装于传感器信号分离部30。下述(3)式的Tfilt是低通滤波器的截止时间常数。通过使用低通滤波器，从而能够将低频带侧的信号有效分离。
【式3】
从第1噪声去除部301输出的信号分量axs、ays分别通过第1信号提取部302和第2信号提取部303而分离为低频频带分量axl、ayl和高频频带分量axh、ayh。
第1信号提取部302是由下述(4)式示出的传递函数Gl记述的低通滤波器。下述(4)式的Tcutoff是截止时间常数。但是，为了有效地将噪声分量去除，优选Tfilt＜Tcutoff。
【式4】
第2信号提取部303是由下述(5)式示出的传递函数Gh记述的高通滤波器。
【式5】
此时，如果以使得第1信号提取部302的传递函数和第2信号提取部303的传递函数的和为1的方式设计各个滤波器，则能够适量地提取信号分量axs、ays的信号。即，为了不在频率分离的前后产生信号的过剩不足，需要以满足下述(6)式的关系式的方式设计各个滤波器。即传感器信号分离部30具有以与低频频带用的滤波器的传递函数的和为1的方式设计的高频频带用的滤波器。高频频带是对致动器进行驱动的机械装置的振动频率分量。通过将传递函数的和设为1，从而在进行频率分离的前后，不会出现损失了信号或放大了信号的频带。
【式6】
Gl(s)+Gh(s)＝1…(6)
图11是图3所示的电动机信号分离部的结构图。电动机信号分离部31具有：第2噪声去除部311，其将反馈位置Pdx、Pdy各自的噪声分量Pdxn、Pdyn去除，对噪声分量Pdxn、Pdyn以外的信号分量Pdxs、Pdys进行分离并输出；第1信号提取部312，其提取信号分量Pdxs、Pdys的低频频带分量Pdxl、Pdyl；以及第2信号提取部313，其提出信号分量Pdxs、Pdys的高频频带分量Pdxh、Pdyh。
第2噪声去除部311、第1信号提取部312及第2信号提取部313各自的传递函数等同于由上述(3)式示出的传递函数Gfilt、由上述(4)式示出的传递函数Gl、由上述(5)式示出的传递函数Gh。
图12是图3所示的数据校正部的结构图。数据校正部32具有：第1数据校正部321，其使用由图10所示的传感器信号分离部30分离出的低频频带分量axl、ayl和由图11所示的电动机信号分离部31分离出的低频频带分量Pdxl、Pdyl，对运动轨迹的低频频带分量PTxl、PTyl进行计算；以及第2数据校正部322，其使用由图10所示的传感器信号分离部30分离出的高频频带分量axh、ayh和由图11所示的电动机信号分离部31分离出的高频频带分量Pdxh、Pdyh，对运动轨迹的高频频带分量PTxh、PTyh进行计算。
在第1数据校正部321对低频频带分量PTxl、PTyl进行计算时，对加速度的低频频带分量axl、ayl进行数值积分而计算出的位移量Pxl、Pyl和低频频带分量Pdxl、Pdyl的差值是积分误差，因此，如果对该差值进行补偿，则能够降低积分误差。作为积分误差的补偿方法，存在下述方法，即，通过多项式对积分误差进行近似，从位移量Pxl、Pyl减去近似后的积分误差值，从而对低频频带分量PTxl、PTyl进行计算。在对积分误差波形进行近似时，可以通过最小二乘法确定近似式的未知参数，也可以使用滑降简化法之类的数值解析法。
作为第2数据校正部322中的积分误差的补偿方法，可以使用低频频带中的积分误差的补偿方法。低频频带是对致动器进行驱动的机械装置的控制频带。另外，已知积分误差以低阶的阶数产生，因此，第2数据校正部322可以构成为，使通过数值积分计算出的高频频带分量Pdxh、Pdyh经过将低频频带分量排除的高通滤波器，将其结果作为高频频带分量PTxh、PTyh而输出。
由数据校正部32计算出的低频频带分量PTxl、PTyl及高频频带分量PTxh、PTyh向图3所示的运动轨迹计算部33输入。
图13是图3所示的运动轨迹计算部的结构图。运动轨迹计算部33具有轨迹结合部331和轨迹误差计算部332。轨迹结合部331将由图12所示的数据校正部32计算出的运动轨迹的低频频带分量PTxl、PTyl和高频频带分量PTxh、PTyh进行结合。即，轨迹结合部331基于下述(7)式，对3轴加速度传感器13的安装位置的运动轨迹的x轴方向分量PTx进行计算，基于下述(8)式，对3轴加速度传感器13的安装位置的运动轨迹的y轴方向分量PTy进行计算。
【式7】
PTx＝PTx1+PTxh…(7)
【式8】
PTy＝PTy1+PTyh…(8)
轨迹误差计算部332基于由轨迹结合部331计算出的x轴方向分量PTx及y轴方向分量PTy，对x轴方向的轨迹误差PT’x和y轴方向的轨迹误差PT’y进行计算并输出。作为圆弧运动的轨迹误差的显示方式，已知如下述(9)式及(10)式所示，沿半径方向将轨迹误差放大而进行显示的方法。下述(9)式及(10)式所示的Rcom是指指令半径，MAG表示轨迹误差的放大显示倍率。
【式9】
【式10】
图14是对实际的运动轨迹、由实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置计算出的轨迹误差的计算结果、检测器位置处的运转轨迹进行比较而示出的图。图14中，实际的运动轨迹由点划线表示，轨迹误差的计算结果由实线表示，检测器位置处的运转轨迹由虚线表示。如图14所示，通过使用实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置100，能够以1微米的精度对工作物17的运动轨迹进行计算。
如以上所说明，根据实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置100，将加速度传感器信号和检测位置信号分离为大于或等于2个频带并进行校正，由此能够以简易的设置高精度地对任意的运动轨迹的轨迹误差进行测定。
另外，实施方式1所涉及的数据校正部构成为，在根据由传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号而针对每个频带对运动轨迹分量的计算误差进行校正时，使用由检测位置信号分离部分离出的每个频带的检测位置信号。通过将检测位置信号用作参照信号，从而能够有效地对计算误差进行校正。
另外，实施方式1所涉及的数据校正部构成为，在数据校正时对加速度的输入信号进行2阶积分，以使得积分结果的平均值成为0的方式对积分误差进行校正。在参照位置不移动的情况下，以使得积分结果的平均值成为0的方式对积分误差进行校正即可，能够简单地进行积分误差的补偿。
另外，实施方式1所涉及的数据校正部构成为，在高频频带的数据校正时，针对作为积分结果而输出的信号，通过在传感器信号分离部中使用的高通滤波器将不能经过的低频带的频率分量切断并输出。通过将由于积分误差而产生的低频带的频率分量切断并输出，能够将积分误差值量去除。
另外，实施方式1所涉及的数据校正部构成为，在低频频带的数据校正时，以使得由传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号的2阶积分结果和检测位置信号的低频频带分量之间的差不超过容许值的方式对误差进行校正，对低频频带中的对象物的运动轨迹进行计算。通过在2阶积分后对积分误差进行校正，能够使得在最终结果中不残留误差值量。
另外，实施方式1所涉及的机械运动轨迹测定装置100具有对机械装置的运动轨迹进行显示的运动轨迹显示部，运动轨迹显示部根据输入至位置指令生成部的目标位置对目标轨迹进行合成，根据由位置指令生成部输出的指令位置对指令轨迹进行合成，根据检测位置信号对检测部轨迹进行合成，使目标轨迹、指令轨迹及检测部轨迹的任一轨迹与机械装置的运动轨迹重叠地在运动轨迹显示部显示。通过具有显示装置，能够向操作者直观地显示测定结果。
实施方式2.
图15是表示实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图。实施方式1与实施方式2的不同点如下。此外，在下面，对与实施方式1相同的部分标注相同标号，省略其说明，在这里，仅叙述不同的部分。
(1)实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置100在传感器信号分离部30、电动机信号分离部31、数据校正部32及运动轨迹计算部33的基础上，还具有机械响应模拟部34。
(2)针对实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置100，取代x轴电动机1x的反馈位置Pdx和y轴电动机1y的反馈位置Pdy，而输入由位置指令生成部11x生成的位置指令Pix和由位置指令生成部11y生成的位置指令Piy。
(3)实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置100的数据校正部32将由机械响应模拟部34计算出的反馈位置Pm作为参照信号而对加速度分量ax、ay进行校正，对各个频带中的位置响应进行计算。
图16是图15所示的机械响应模拟部的结构图。机械响应模拟部34具有与图15所示的电动机驱动部12x同样地构成的位置控制部123A、速度控制部121、微分运算部122、机械模型341。
作为机械模型341的一个例子，存在2惯性模型及3惯性模型。2惯性模型是将惯性模型可动轴的负荷惯量J的倒数1/J或电动机的惯量和被驱动体在2惯性的振动系统进行近似得到的模型。3惯性模型是将电动机惯量、被驱动体和进给丝杠的惯量在3惯性的振动系统中进行近似得到的模型。此外，在图16中，示出使用位置指令Pix而生成反馈位置Pm的机械响应模拟部34的结构例，使用位置指令Piy而生成反馈位置Pm的机械响应模拟部34也同样地构成，在该情况下，位置控制部123与图15所示的电动机驱动部12y同样地构成。
根据实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置100，通过将由机械模型341计算出的反馈位置Pm用作参照信号，即使在由于旋转角检测器3x、3y的分辨率低而无法将从旋转角检测器3x、3y输出的反馈位置用作参照信号的情况下，也能够将由机械模型341计算出的反馈位置代用作参照信号。另外，实施方式2所涉及的机械运动轨迹测定装置100对在半闭环控制的电动机驱动部12x、12y中假想的被驱动体位置进行计算，能够将计算出的被驱动体位置作为参照信号而利用。
实施方式3.
实施方式1和实施方式3的不同点在于，在实施方式3所涉及的机械运动轨迹测定装置100中，图10所示的第1信号提取部302的滤波器对电动机驱动部12x、12y的位置控制系统的响应进行模拟。在将图4所示的位置控制部123的传递函数设为Gp(s)的情况下，位置控制系统的响应能够如下述(11)式那样进行近似。简单的位置控制部123的例子是下述(12)式所示的比例控制器。
【式11】
【式12】
Gp(s)＝Kpp…(12)
另外，在图10所示的传感器信号分离部30中，为了在频率分离的前后不产生信号的过剩不足，第1信号提取部302和第2信号提取部303的关系需要满足上述(6)式，因此第2信号提取部303的传递函数如下述(13)式那样即可。
【式13】
通过在第1信号提取部302的低通滤波器使用对位置控制系统的响应进行模拟得到的模型，在由第2信号提取部303提取的加速度分量中不含有驱动分量。另外，图11所示的第2信号提取部313中所提取的高频频带分量Pdxh、Pdyh为0，因此，在图12所示的第2数据校正部322中的数据校正时，变得无需使用高频频带分量Pdxh、Pdyh。由此，积分操作后的位移量Pxh、Pyh的平均值变为0，因此，误差校正处理变得简单。另外，通过使低通滤波器与位置控制系统的传递函数一致，能够将轨迹分量所包含的驱动分量、即在1周期进行积分时的信号的最终值未必变为0的分量作为低频分量而进行提取。
实施方式4.
图17是表示实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图。图18是图17所示的传感器信号分离部的结构图。实施方式1与实施方式4的不同点如下。此外，在下面，对与实施方式1相同的部分标注相同标号，省略其说明，在这里，仅叙述不同的部分。
(1)实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置100的成为测定对象的运动轨迹是刀具16与工作物17之间的假想运动轨迹。
(2)应用实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置100的数控工作机械99具有对象物加速度传感器13a及基准加速度传感器13b。对象物加速度传感器13a是在工作物17的附近设置于工作台4的加速度传感器，相当于实施方式1的3轴加速度传感器13。基准加速度传感器13b在刀具16的附近设置于立柱5。
(3)在实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置100中，在由对象物加速度传感器13a测定出的加速度分量ax及加速度分量ay的基础上，还使用由基准加速度传感器13b测定出的基准加速度传感器信号即加速度分量Ax及加速度分量Ay。
在实际的数控工作机械99中，有时由于工作台4的驱动反作用力而在立柱5发生振动，由于立柱5的振动而刀具16发生振动。在工作物17的加工中所发生的振动成为加工误差的原因，因此，在刀具16发生了振动的情况下，需要对刀具16和工作物17之间的相对位移进行测定。为了进行上述相对位移的测定，实施方式4所涉及的机械运动轨迹测定装置100使用在工作物17的附近设置于工作台4的对象物加速度传感器13a、在刀具16的附近设置于立柱5的基准加速度传感器13b。
图18是图17所示的传感器信号分离部的结构图。实施方式1的传感器信号分离部30与实施方式4的传感器信号分离部30的不同点在于，实施方式4的传感器信号分离部30在第1噪声去除部301、第1信号提取部302及第2信号提取部303的基础上，还具有相对加速度计算部304。
在相对加速度计算部304中，为了对相对加速度进行计算，对由基准加速度传感器13b测定出的加速度、由对象物加速度传感器13a测量出的加速度之间的相对加速度进行计算。即，相对加速度计算部304根据由基准加速度传感器13b测定出的加速度分量Ax和由对象物加速度传感器13a测定出的加速度分量ax之间的差值，求出x轴方向的相对加速度分量，根据由基准加速度传感器13b测定出的加速度分量Ay和由对象物加速度传感器13a测定出的加速度分量ay之间的差值，求出y轴方向的相对加速度分量。由相对加速度计算部304计算出的相对加速度输入至第1噪声去除部301。
第1噪声去除部301从由相对加速度计算部304计算出的x轴及y轴各自的相对加速度分量将噪声分量axn、ayn去除，对噪声分量axn、ayn以外的信号分量axs、ays进行分离并输出。在第1信号提取部302中，提取信号分量axs、ays的低频频带分量axl、ayl，在第2信号提取部303中，提取信号分量axs、ays的高频频带分量axh、ayh。根据实施方式4，能够根据相对加速度对相对位移量进行计算，因此，能够进行相对运动轨迹的测定。
实施方式5.
在所发生的机械振动的频率小于第1信号提取部302的截止频率的情况下，如果通过实施方式4所示的方法对运动轨迹进行计算，则在数据校正部32中的积分误差的补偿时，无法对振动分量和积分误差进行区別。在上述情况下，有时会在计算结果的运动轨迹中将振动分量的振幅评价得过少。
此外，在实施方式5中，与实施方式4同样地使用基准加速度传感器13b及对象物加速度传感器13a。另一方面，在实施方式5中，使用与实施方式1的传感器信号分离部30同样地构成的传感器信号分离部30。但是，在实施方式5的传感器信号分离部30中，将由基准加速度传感器13b测定出的加速度分量Ax、Ay分离为高频频带分量Axh、Ayh和低频频带分量Axl、Ayl。并且，在实施方式5的传感器信号分离部30中，将由对象物加速度传感器13a测定出的加速度分量ax、ay分离为高频频带分量axh、ayh和低频频带分量axl、ayl。
图19是实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置所具有的数据校正部的结构图。图19所示的数据校正部32在第1数据校正部321及第2数据校正部322基础上，还具有第1基准数据校正部323及第2基准数据校正部324。
向第1基准数据校正部323输入由传感器信号分离部30分离出的基准加速度的低频频带分量Adxl、Adyl。向第2基准数据校正部324输入由传感器信号分离部30分离出的基准加速度的高频频带分量Adxh、Adyh。基准点不是可动部而是不动点，因此无需将电动机检测器信号用作参照信号。第1基准数据校正部323根据基准加速度的低频频带分量Adxl、Adyl对基准点位移PSxl、PSyl进行计算。第2基准数据校正部324根据基准加速度的高频频带分量Adxh、Adyh对基准点位移PSxh、PSyh进行计算。
对基准点位移PSxl、PSyl的计算方法进行叙述。对于低频频带分量Axl，作为时间序列数据的Axl(t)通过傅里叶变换而变换为AXL(jω)的频率区域。j是虚数单位，ω是角频率。此时，频率区域中的积分操作相当于对角频率ω中下述(14)式示出的PSXL(jω)进行计算。如果对PSXL(jω)进行傅里叶逆变换而对基准点位移PSxl进行计算，则能进行频率区域中的积分操作。此时，预先设定阈值，在傅里叶变换后的AXL的绝对值小于阈值的情况下，只要将其频率分量视作噪声分量而不进行积分操作，就能够防止噪声分量的累积。
【式14】
根据基准点位移PSxl和低频频带分量PTxl之间的差，能够计算刀具16和工作物17的相对位移的低频频带分量PRxl。同样地，在高频频带中，根据基准点位移PSxh和高频频带分量PTxh，也能够计算相对位移的高频频带分量PRxh。并且，根据低频频带分量PRxl和高频频带分量PRxh，能够计算刀具16和工作物17之间的相对位移PRx。
图20是对通过实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置对相对运动轨迹进行了测定的情况下的计算结果、实际的相对运动轨迹及检测器位置处的运动轨迹进行比较得到的图。图20中，实际的运转轨迹由点划线表示，由机械运动轨迹测定装置100计算出的轨迹误差的计算结果由实线表示，检测器位置处的运转轨迹由虚线表示。根据实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置100，能够以1微米的误差对实际的刀具16和工作物17之间的相对位移进行测定，能够更高精度地对相对位移进行测定。
如以上所述，实施方式5所涉及的机械运动轨迹测定装置100的数据校正部32在根据由传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号及基准加速度传感器信号而针对每个频带进行对象物运动轨迹分量及基准运动轨迹分量的计算时，使用由检测位置信号分离部分离出的每个频带的检测位置信号，对对象物运动轨迹分量及基准运动轨迹分量的计算误差进行校正，将对象物运动轨迹分量和基准运动轨迹分量之间的差作为该频带中的相对运动轨迹而输出。通过对基准运动轨迹进行计算，从而能够对相对于基准位置的相对运动轨迹进行计算。
实施方式6.
实施方式6所涉及的机械运动轨迹测定装置100的结构与实施方式1相同。实施方式1的不同点在于，在对积分误差进行校正时，将对加速度的低频频带分量axl、ayl进行1阶数积分而计算出的速度Vxl、Vyl和对作为电动机信号的低频频带分量的Pdxl、Pdyl进行1阶微分而计算出的Vdxl、Vdyl之间的差值，作为速度的积分误差而进行补偿，在补偿之后，进一步对进行1阶积分而计算出的Pxl‘、Pyl‘和Pdxl、Pdyl之间的差值进行补偿。由此，在积分误差累积之前能够进行误差补偿，因此，即使在噪声电平大且在进行了2阶积分之后无法对积分误差进行补偿情况下，也能够高精度对积分误差进行校正。
实施方式6的数据校正部构成为，在高频频带的数据校正时，在将输入的信号变换为低频率区域的信号之后，在低频率区域进行积分操作，然后将通过逆变换而变换为时间区域的信号作为运动轨迹的高频频带分量进行输出。通过将由积分误差产生的低频带的频率分量切断并输出，能够将积分误差值量去除。
另外，实施方式6的数据校正部构成为，在低频频带的数据校正时，以使得由传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号的1阶积分结果和检测位置信号的低频频带分量的1阶微分结果之间的差不超过容许值方式对误差进行校正。通过进行1阶积分而对积分误差进行校正，由此能够将在下一个积分操作中累积的误差设为最小限度。
实施方式7.
实施方式7所涉及的机械运动轨迹测定装置100的结构与实施方式1的结构相同。与实施方式1的不同点在于，实施方式7的机械运动轨迹测定装置100中作为测定对象的运动轨迹不是圆，而是四边形的运动轨迹。
图21是对指示了四边形的运动轨迹时的实际轨迹、由实施方式7所涉及的机械运动轨迹测定装置计算出的轨迹误差的计算结果、检测器位置处的运转轨迹进行比较而示出的图。图21中将指示了四边形的运动轨迹时的拐角部分放大而示出。在图21中，实际轨迹由实线表示，由机械运动轨迹测定装置100计算出的轨迹误差的计算结果由虚线表示，检测器位置处的运转轨迹由点划线表示。
根据图21可知，实际轨迹和计算结果的运动轨迹良好地一致。另外，实施方式7所涉及的机械运动轨迹测定装置100不限定于仅用于2维平面内的运动轨迹测定，还能够用于3维空间内的运动轨迹测定，能够针对任意的运动高精度地对波形运动轨迹进行计算。
实施方式8.
图22是表示实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图。与实施方式2的不同点在于，实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置100具有参数设定部500。
参数设定部500将滤波器的设计参数即滤波器参数设定指令通知至传感器信号分离部30和电动机信号分离部31。传感器信号分离部30和电动机信号分离部31基于接收到的滤波器参数设定指令，生成所使用的滤波器。在这里，对于被通知的参数，例如在为了在第1信号提取部312中对低频频带的信号进行分离而使用2阶的低通滤波器的情况下，是下述(15)式所示的滤波器系数a、b。
【式15】
另外，对于所述被通知的参数，可以取代上述(15)式的滤波器系数a、b，而是作为对如下述(16)式所示被定式化的滤波器特性进行表现的物理参数的、滤波器的截止频率ω和衰减ζ。
【式16】
同样地，参数设定部500针对传感器信号分离部30和电动机信号分离部31，预先设计下述(17)式所示的阶数为n阶的滤波器，发送滤波器的参数。
【式17】
此时，通过相应于所需的滤波器阶数，将上述(17)式中的分母和分子各自的高阶的系数设定为0，能够直至n阶为止地实现具有通过传递函数表现的任意特性的滤波器。在以多个的测定条件对机械运动轨迹进行测定的情况下，有时根据条件而最佳的滤波器特性有所不同。在上述情况下，在每次对测定条件进行变更时，根据参数设定部500针对每个测定条件对参数进行变更，由此能够始终使用最佳的滤波器。
根据实施方式8所涉及的机械运动轨迹测定装置100，由参数设定部500对滤波器的参数进行设定，并且将该参数通知至传感器信号分离部30和电动机信号分离部31，由此能够省去单独对传感器信号分离部30和电动机信号分离部31的滤波器进行设定的工时。另外，在频繁地对滤波器设定进行变更的情况下，能够实现滤波器特性的有效的变更。
实施方式9.
图23是表示实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置、应用实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械、伺服控制装置的图。另外，图24是表示应用实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置的数控工作机械的一个例子的概略图。与实施方式1的不同点在于，在数控工作机械99b的回转工作台501上安装有3轴加速度传感器13。
3轴加速度传感器13设置为，1个轴方向设置于回转工作台501的法线方向，即设置于从圆工作台的旋转中心通过的未图示的直线延伸的方向，另1个轴与旋转的切线方向、即回转工作台501的半径方向一致。
在直至实施方式8为止所使用的数控工作机械99这样的、在正交2轴的工作台安装3轴加速度传感器13的情况下，在以圆运动旋转1周的期间，传感器的方向不变。另一方面，对于安装于回转工作台501的3轴加速度传感器13，伴随着旋转而传感器的方向改变。
图25是表示在对回转工作台进行了驱动时所测定的法线方向加速度at的测定结果的一个例子的图。图26是表示对回转工作台进行了驱动时所测定的切线方向加速度ar的测定结果的一个例子的图。图25的纵轴表示法线方向加速度at，图25的横轴表示时间。图26的纵轴表示切线方向加速度ar，图26的横轴表示时间。
法线方向加速度at由于向心加速度的影响，而在圆运动中以标称上的向心加速度为中心叠加有振动的误差值量。另一方面，切线方向加速度ar以零作为中心叠加有振动的误差值量。电动机驱动部12y根据反馈位置Pdy如下述(18)式那样输出切线方向分量Pdr。但是，在回转工作台中，反馈位置Pdy表示工作台的旋转角度，单位是弧度。另外，电动机驱动部12y根据距离Rcom，如下述(19)式那样输出运动轨迹的法线方向分量Pdt。但是，距离Rcom是从回转工作台501的旋转中心至3轴加速度传感器13的安装为止的距离。
【式18】
Pdr＝Rcom×Pdy…(18)
【式19】
Pdt＝Rcom…(19)
传感器信号分离部30和电动机信号分离部31与实施方式1同样地，使用切线方向加速度ar、法线方向加速度at、切线方向分量Pdr及法线方向分量Pdt而进行频带的分离。在运动轨迹计算部33的轨迹结合部331中，计算切线方向轨迹PTr和法线方向轨迹PTt。在运动轨迹计算部33的轨迹误差计算部332中，通过下述(20)式所示的计算式来计算X方向分量PTx，通过下述(21)式所示的计算式来计算Y方向分量PTy。由此，在运动轨迹计算部33中，与实施方式1所示的上述(9)式及上述(10)式同样地计算轨迹误差。
【式20】
PTx＝PTr×cos(PTt)…(20)
【式21】
PTy＝PTr×sin(PTt)…(21)
根据实施方式9所涉及的机械运动轨迹测定装置100，在由回转工作台501驱动的机械结构中，也能够对机械运动轨迹进行计算。
此外，实施方式1至9所涉及的机械运动轨迹测定装置100还能够应用于具有大于或等于1个可动轴且使用致动器对控制对象进行驱动的工业用机械、机器人或输送机之类的机械装置。
以上的实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，还能够与其他公知的技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围，能够对结构的一部分进行省略、变更。
标号的说明
1x x轴电动机，1y y轴电动机，1z z轴电动机，2x、2y、2z进给丝杠，3x、3y、3z旋转角检测器，4工作台，5立柱，6压头，7主轴，8x联轴器，9x螺母，10x支撑轴承，11x、11y位置指令生成部，12x、12y电动机驱动部，13 3轴加速度传感器，13a对象物加速度传感器，13b基准加速度传感器，15x x轴驱动机构，15y y轴驱动机构，15z z轴驱动机构，16刀具，17工作物，21台架，24鞍座，30传感器信号分离部，31电动机信号分离部，32数据校正部，33运动轨迹计算部，34机械响应模拟部，35轨迹显示装置，40线缆，99、99b数控工作机械，100机械运动轨迹测定装置，101伺服控制装置，121速度控制部，122微分运算部，123、123A位置控制部，124a、124b加减运算部，301第1噪声去除部，302、312第1信号提取部，303、313第2信号提取部，304相对加速度计算部，311第2噪声去除部，321第1数据校正部，322第2数据校正部，323第1基准数据校正部，324第2基准数据校正部，331轨迹结合部，332轨迹误差计算部，341机械模型，500参数设定部，501回转工作台。

Claims (16)

1.一种机械运动轨迹测定装置，其具有致动器，为了使得被驱动体的运动轨迹追随指令轨迹，而将从对所述致动器的位置或所述被驱动体的位置进行检测的位置检测器输出的检测位置信号进行反馈，对驱动所述致动器的机械装置的运动轨迹进行测定,
所述机械运动轨迹测定装置的特征在于，具有：
加速度传感器，其对运动轨迹测定对象物的加速度进行测定，并作为加速度传感器信号而输出；
传感器信号分离部，其将所述加速度传感器信号分离为大于或等于2个频带；
检测位置信号分离部，其将所述检测位置信号分离为与所述传感器信号分离部相同的频带；
数据校正部，其使用由所述传感器信号分离部分离出的所述加速度传感器信号、由所述检测位置信号分离部分离出的所述检测位置信号，在所述大于或等于2个频带各自中对所述加速度传感器信号进行校正，得到所述大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量；以及
运动轨迹计算部，其将所述大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量进行结合，并作为运动轨迹而输出。
2.一种机械运动轨迹测定装置，其具有致动器，为了使得被驱动体的运动轨迹追随指令轨迹，而将从对所述致动器的位置或所述被驱动体的位置进行检测的位置检测器输出的检测位置信号进行反馈，对驱动所述致动器的机械装置的运动轨迹进行测定,
所述机械运动轨迹测定装置的特征在于，具有：
加速度传感器，其对运动轨迹测定对象物的加速度进行测定，并作为加速度传感器信号而输出；
基准加速度传感器，其对所述运动轨迹测定对象物的成为轨迹测定的基准的点的加速度进行测定，并作为基准加速度传感器信号而输出；
传感器信号分离部，其将所述加速度传感器信号和基准加速度传感器信号分离为大于或等于2个频带；
检测位置信号分离部，其将所述检测位置信号分离为与所述传感器信号分离部相同的频带；
数据校正部，其使用由所述传感器信号分离部分离出的所述加速度传感器信号、由所述传感器信号分离部分离出的所述基准加速度传感器信号、由所述检测位置信号分离部分离出的所述检测位置信号，在所述大于或等于2个频带各自中对所述加速度传感器信号进行校正，得到所述大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量；以及
运动轨迹计算部，其将所述大于或等于2个频带各自的运动轨迹分量进行结合，并作为表示运动轨迹的信息而输出。
3.根据权利要求1所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述传感器信号分离部将所述加速度传感器信号分离为高频频带和低频频带这2个频带，将频率分离后的所述加速度传感器信号输出。
4.根据权利要求2所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述传感器信号分离部将所述加速度传感器信号及所述基准加速度传感器信号的任意者分离为高频频带和低频频带这2个频带，将频率分离后的所述加速度传感器信号及所述基准加速度传感器信号的任意者输出。
5.根据权利要求3所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述传感器信号分离部分离为所述高频频带、所述低频频带及噪声频带这3个频带。
6.根据权利要求5所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述低频频带是驱动所述致动器的机械装置的控制频带，所述高频频带是驱动所述致动器的机械装置的振动频率分量，所述噪声频带是所述加速度传感器信号的噪声分量。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述传感器信号分离部具有传递函数，该传递函数是对驱动所述致动器的机械装置所具有的进给轴的位置控制系统的响应进行模拟而得到的。
8.根据权利要求6所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述传感器信号分离部具有高频频带用的滤波器，该高频频带用的滤波器设计为与所述低频频带用的滤波器的传递函数的和为1。
9.根据权利要求1所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在根据由所述传感器信号分离部分离出的所述加速度传感器信号而针对每个频带对运动轨迹分量的计算误差进行校正时，使用由所述检测位置信号分离部分离出的针对每个频带的所述检测位置信号。
10.根据权利要求2所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在根据由所述传感器信号分离部分离出的所述加速度传感器信号及所述基准加速度传感器信号而针对每个频带进行对象物运动轨迹分量及基准运动轨迹分量的计算时，使用由所述检测位置信号分离部分离出的针对每个频带的所述检测位置信号而对所述对象物运动轨迹分量及所述基准运动轨迹分量的计算误差进行校正，将所述对象物运动轨迹分量和所述基准运动轨迹分量之间的差作为该频带中的相对运动轨迹而输出。
11.根据权利要求9或10所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在数据校正时对加速度的输入信号进行2阶积分，以使得积分结果的平均值为0的方式对积分误差进行校正。
12.根据权利要求11所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在高频频带的数据校正时，针对作为所述积分结果而输出的信号，将小于或等于高通滤波器的通过频带的频率分量去除并输出。
13.根据权利要求9或10所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在高频频带的数据校正时，在将所输入的信号变换为低频率区域的信号之后，在低频率区域进行积分操作，然后将通过逆变换而变换为时间区域得到的信号作为运动轨迹的高频频带分量进行输出。
14.根据权利要求9或10所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在低频频带的数据校正时，以使得由所述传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号的1阶积分结果和所述检测位置信号的低频频带分量的1阶微分结果之间的差不超过容许值的方式对误差进行校正。
15.根据权利要求9、10或14所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
所述数据校正部在低频频带的数据校正时，以使得由所述传感器信号分离部分离出的加速度传感器信号的2阶积分结果和所述检测位置信号的低频频带分量之间的差不超过容许值的方式对误差进行校正，对低频频带中的对象物的运动轨迹进行计算。
16.根据权利要求1或2所述的机械运动轨迹测定装置，其特征在于，
具有运动轨迹显示部，该运动轨迹显示部对所述机械装置的运动轨迹进行显示，
所述运动轨迹显示部根据被输入至位置指令生成部的目标位置对目标轨迹进行合成，根据从所述位置指令生成部输出的指令位置对指令轨迹进行合成，根据所述检测位置信号对检测部轨迹进行合成，使所述目标轨迹、所述指令轨迹及所述检测部轨迹中的任一轨迹与所述机械装置的运动轨迹重叠地显示于所述运动轨迹显示部。
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