DE112014005564T5

DE112014005564T5 - Reibungsidentifizierungsverfahren und Reibungsidentifizierungsgerät

Info

Publication number: DE112014005564T5
Application number: DE112014005564.6T
Authority: DE
Inventors: Tomoya Fujita; Kotaro Nagaoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2034-09-18
Also published as: WO2015083417A1; CN105814506A; CN105814506B; JP5996127B2; DE112014005564B4; JPWO2015083417A1; US20160239594A1; US10162912B2

Abstract

Ein Reibungsidentifizierungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein: einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position eines angetriebenen Objekts; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines positionsabhängigen Reibungsmodells beruhend auf einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts aus einer Position, in der eine Bewegungsrichtung umgekehrt wird; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines verschiebungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts; einem Schritt des Identifizierens eines Parameters eines geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells und des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts; und einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts unter der Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells und des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Funktion des Korrigierens einer Reibung unter Nutzung eines Modells für ein Gerät, welches die Position und Geschwindigkeit hochgradig genau steuert, wie etwa einen Roboter oder eine Werkzeugmaschine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Reibungsidentifizierungsverfahren und ein Reibungsidentifizierungsgerät, welches einen Parameter eines Reibungsmodells identifiziert bzw. bestimmt, in dem eine Mehrzahl von Zustandswerten des Gerätes als Eingangsvariable genutzt wird.
Hintergrund
In einer Werkzeugmaschine ist eine Mehrzahl von Antriebswellen vorgesehen, welche durch einen Linearmotor und einen Servomotor angetrieben werden. Eine Regelung wird für jede der Antriebswellen ausgeführt, wobei zu dem Zweck, dass eine tatsächliche Position eines angetriebenen Objekts, etwa eines Tisches, auf dem ein Werkstück fixiert ist, zu einer Befehls-Position korrespondiert, ein Positionsdetektor benutzt wird, um die Position des angetriebenen Objekts zu detektieren und um den Fehler zwischen der Befehls-Position und der detektierten Position des angetriebenen Objekts zu korrigieren.
Bei der Regelung wird, obwohl eine unbekannte Störung einwirkt, eine Antriebskraft so gesteuert, dass sie die Störung auslöschen kann. Jedoch wird bei Erfassung des Fehlers eine diesem Fehler entsprechende Antriebskraft eingegeben, und es gibt daher das Problem einer Verzögerung im Ansprechen der Antriebswelle.
Der Einfluss einer Reibungskraft, die ein Typ von Störungskraft ist, auf die Genauigkeit einer Bahnbewegung ist gut bekannt. Beispielsweise bei einer Bewegung längs einer Bogen-Bahn unter Nutzung zweier zueinander senkrechter Wellen auf der XY-Ebene wird an jede der beiden Wellen ein sinusförmiger Bewegungs-Befehl mit einer 90 Grad-Phasenverschiebung ausgegeben. Bei dem Punkt, an dem der Quadrant des Bogens in einen anderen Quadranten übergeht wird die Bewegungsrichtung einer der beiden Antriebswellen umgekehrt. Zu dieser Zeit wird die Richtung eines Reibmomentes und einer Reibungskraft ebenfalls umgekehrt, die an einem Kontaktabschnitt, etwa einer Kugelumlaufspindel oder einem Lager, welche einen Bestandteil der Antriebswelle bilden, erzeugt werden. Daher reagiert das Steuersystem für die reversierende Welle mit einer Zeitverzögerung. Dies führt zu einem nachfolgenden Fehler auf einem Ansprechweg. Der tatsächliche Weg verläuft längs der geringfügig äußeren Seite eines Befehls-Weges. Diese Erscheinung wird als „Quadrantenfehler” bezeichnet, welcher eine Ursache einer Verringerung der Bewegungsgenauigkeit ist.
Ein Reibmoment eines Rotationssystems und eine Reibkraft eines Linearbewegungssystems können äquivalent durch eine Konstante umgewandelt werden, die aus der Konfiguration des mechanischen Systems bestimmt wird. Daher sind bei der Spezifikation der vorliegenden Erfindung ein Reibmoment und eine Reibkraft nicht voneinander unterschieden. Auch eine Motor-Schubkraft eines Linearmotors und ein Motor-Drehmoment eines Rotationsmotors werden nicht voneinander unterschieden.
Um dieses Problem zu lösen und eine durch den Einfluss einer Störung, einschließlich einer Reibung, bewirkte Verschlechterung der Bewegungsgenauigkeit zu verhindern, gibt es ein bekanntes modellbasiertes Störungskorrekturverfahren. Bei diesem Verfahren wird eine Störung unter Nutzung eines Modells abgeschätzt, und eine Korrekturkraft, die zur Eliminierung des Einflusses der Störung erforderlich ist, wird in ein Steuersystem für einen Motor eingegeben. Beispielsweise gibt es ein Verfahren, wie in der Patentliteratur 1 beschrieben, um einen aktuellen Korrekturbefehl in Pulsform mit einer vorbestimmten Breite für eine vorbestimmte Zeit nach Detektion einer Umkehr der Bewegungsrichtung auszugeben. Als ein anderes Beispiel gibt es ein Verfahren, welches in der Patentliteratur 2 beschrieben ist, um eine als nichtlineare Funktion, in die die Position eines angetriebenen Objekts eingegeben wird, ausgedrückte Korrekturkraft auszugeben. In der Patentliteratur 3 werden zwei Reibungsmodelle in Kombination benutzt, die eine Coulomb-Reibung und eine viskose Reibung sind, welche proportional der Geschwindigkeit ist.
In einem Gerät, welches eine modellbasierte Störungskorrekturfunktion hat, ist es erforderlich, vorab eine in dem Gerät erzeugte Störungskraft zu messen und einen für die Korrektur benutzten Modellparameter zu identifizieren bzw. zu bestimmen. In der Patentliteratur 1 werden, beruhend auf dem Bewegungsfehlerbetrag, der vorab gemessen wird, eine Impulsbreite und eine Impulszeit eines Korrekturbefehls bestimmt. In Patentliteratur 2 wird eine Relation zwischen dem Motorstrom und der Position zum Zeitpunkt des Umkehrens der Bewegungsrichtung als Ein-Eingangs/Ein-Ausgangs-Funktion bestimmt. In Patentliteratur 3 wird ein Identifizierungsalgorithmus benutzt, um zwei Konstanten zu bestimmen, die eine Coulomb-Reibungskoeffizient und ein Viskositäts-Reibungskoeffizient sind.
Wie in der folgenden Patentliteratur offenbart, ist es in einem Falle, in dem weniger Faktoren eines Störungsmodells zu identifizieren sind, oder wo ein lineares Modell benutzt wird, möglich, einen Parameter im Störungsmodell mittels einer relativ vereinfachten Messung zu ermitteln.
Zitierungsliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. S60-116004
Patentliteratur 2: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2008-210273
Patentliteratur 3: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2006-20487

Zusammenfassung
Technisches Problem
Jedoch gibt es bei den oben erwähnten herkömmlichen Techniken in dem Falle, dass es viele zu bestimmende Modellparameter gibt, wenn Eingänge einer Mehrzahl von Zustandswerten in Betracht zu ziehen sind, oder wenn nichtlineare Charakteristika in Betracht zu ziehen sind, das Problem, dass es schwierig wird, einen Modellparameter über einen einfachen Prozess zu identifizieren.
Es ist allgemein bekannt, dass tatsächliche Reibungsvorgänge in Abhängigkeit vom Abstand von einem vorbestimmten Referenzpunkt, wie dem Ursprungspunkt (nachfolgend einfach als „Position” bezeichnet), dem Bewegungsbetrag von der Position, in der die Bewegungsrichtung umgekehrt wird (nachfolgend einfach als „Verschiebung” bezeichnet), der Geschwindigkeit und der Beschleunigung variieren, und diese tatsächlichen Reibvorgänge zeigen auch nichtlineare Charakteristika bezüglich der Position, Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Beispielsweise ist bekannt, dass die Abhängigkeit der Reibung von der Verschiebung eine Hysterese-Charakteristik hat, die durch die Beziehung zwischen der Reibung und dem Verschiebungsbetrag in einem Bereich kleiner Verschiebung auftritt, und dass sie in einem Bereich großer Verschiebung eine Coulomb-Reibungscharakteristik hat. Weiterhin ist als Abhängigkeit der Reibung von der Geschwindigkeit die Stribeck-Kurve bekannt, welche die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Reibungskraft darstellt.
Wie oben beschrieben, zeigt die Reibungskraft ein nichtlineares Verhalten bezüglich einer Änderung jedes Zustandswertes. Es gibt jedoch das Problem, dass die Relevanz, inwiefern die Reibungskraft sich im Verhältnis zur Position, Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung ändert, noch nicht geklärt ist. Es gibt auch das Problem, dass ein Reibungsidentifizierungsverfahren zur Separierung und Bestimmung dieser Reibungscharakteristika voneinander bezüglich jeder Einflussgröße noch nicht vorhanden ist. Beispielsweise in Patentliteratur 1 kann ein Reibungsmodell nur durch einen Pulsbreitenparameter und einen Pulszeitparameter bestimmt werden. Daher kann sich die Patentliteratur 1 nicht mit einer Änderung der Reibung infolge einer Änderung der Geschwindigkeit oder der Verschiebung beschäftigen. In Patentliteratur 2 wird eine Reibung bezüglich der Position unter Nutzung einer nichtlinearen Funktion bestimmt. Jedoch bezieht sich die Patentliteratur 2 nicht auf eine Reibungskraft, die sich infolge des Einflusses der Geschwindigkeit, der angenommenermaßen gleichzeitig auftritt, ändert. In Patentliteratur 3 wird eine Coulomb-Reibung oder eine viskose Reibung in Betracht gezogen, die sich entsprechend der Verschiebung und Geschwindigkeit ändert. Jedoch werden bezüglich der beiden Reibungstypen nichtlineare Charakteristika nicht in Betracht gezogen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die obigen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Reibungsbestimmungsverfahren und ein Reibungsbestimmungsgerät bereitzustellen, welche die Einflüsse jeweiliger Zustandsgrößenänderungen auf Reibcharakteristika separieren, die abhängig von einer Position, einer Verschiebung, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung variieren, und die einen Parameter eines unabhängigen nichtlinearen Reibungsmodells bezüglich jeder der Zustandsgrößen bestimmen bzw. identifizieren.
Lösung des Problems
Um die obigen Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, wird ein Reibungsidentifizierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, welches einschließt: einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position eines angetriebenen Objekts; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines positionsabhängigen Reibungsmodells beruhend auf einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts aus einer Position, in der eine Bewegungsrichtung umgekehrt wird; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines verschiebungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts; einem Schritt des Identifizierens eines Parameters eines geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells und des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts; und einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells und des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden spezifizierte Messschritte bezüglich einer Reibungskraft ausgeführt, die entsprechend einer Mehrzahl von Zustandsgrößen variiert, und somit kann ein Parameter eines Ein-Eingangs-Ein-Ausgangs-System-Reibungsmodells bezüglich der jeweiligen Zustandsgrößen in kürzerer Zeit bestimmt werden. Weiter ist es durch Nutzung des erhaltenen Modells möglich, eine Änderung der Zustandsgrößen bzw. -beträge zu handhaben und ein Reibungskorrekturmodell zu gewinnen, mit dem feine Einstellungen ohne weiteres vorgenommen werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Konfigurationsbeispiel eines Servosteuergerätes, an dem ein Reibungsidentifizierungsgerät gemäß einer ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist, einen Motor und ein angetriebenes Objekt zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration einer Servosteuereinheit zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung in der ersten bis dritten Ausführungsform angewandt wird.
3 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration einer Mechanikmodelleinheit zeigt, auf die die vorliegende Erfindung in der ersten bis dritten Ausführungsform angewandt ist.
4 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration eines Reibungsmodells zeigt, welches in der ersten bis dritten Ausführungsform zu bestimmen ist.
5 ist eine Tabelle, die Inhalte eines Reibungsmodells gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform darstellt.
6 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration eines Reibungsidentifizierungsgerätes gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, welches ein Reibungsidentifizierungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform illustriert.
8 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel eines Positionsbefehls zur Zeit des Messens einer positionsabhängigen Reibung und verschiebungsabhängigen Reibung gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform darstellt.
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel eines Positionsbefehls zur Zeit des Messens einer geschwindigkeitsabhängigen Reibung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Blockschaltbild einer Konfiguration eines Reibungsidentifizierungsgerätes gemäß der zweiten Ausführungsform.
11 ist ein Flussdiagramm, welches ein Reibungsidentifizierungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform illustriert.
12 ist ein Diagramm, welches ein Bewegungsmuster illustriert, das zur Identifizierung einer geschwindigkeitsabhängigen Reibung und beschleunigungsabhängigen Reibung gemäß der zweiten Ausführungsform benutzt wird.
13 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration eines Reibungsidentifizierungsgerätes gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.
14 ist ein Blockdiagramm, welches einen Teil einer Konfiguration einer Reibungsidentifizierungseinheit gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Beispielhafte Ausführungsformen eines Reibungsidentifizierungsverfahrens und einer Reibungsidentifizierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Blockschaltbild, welches ein Konfigurationsbeispiel eines Servosteuergerätes 10 darstellt, bei eine Reibungsidentifizierungseinrichtung 6 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Motor 16 und ein angetriebenes Objekt angebracht sind. Um eine Reibungskorrektur auszuführen, bestimmt die Reibungsidentifizierungseinrichtung 6 einen Parameter eines Reibungsmodells beruhend auf Messdaten einer Reibung, die in der Einrichtung erzeugt wird.
1 zeigt das Servosteuergerät 10, den Motor 16, dessen Betrieb durch das Servosteuergerät 10 gesteuert wird, einen Positionsdetektor 20, der mit dem Motor 16 verbunden ist, und das durch den Motor 16 angetriebene Objekt 18. Das Servosteuergerät 10 enthält eine Befehlswert-Eingabeeinheit 12, eine Servosteuereinheit 14, eine Mechanikmodelleinheit 22, eine Störungsmodelleinheit 24 und die Reibungsidentifizierungseinrichtung 6.
Die Befehlswert-Eingabeeinheit 12 gibt einen Positionsbefehl an die Servosteuereinheit 14 und die Mechanikmodelleinheit 22 gemäß einer Zielposition des angetriebenen Objekts 18 aus, welcher in die Befehlswert-Eingabeeinheit 12 eingegeben wurde.
Die Servosteuereinheit 14 führt eine Regelung unter Nutzung eines Positionsbefehls von der Befehlswert-Eingabeeinheit 12, eines Detektionssignals (einer detektierten Position) vom Positionsdetektor 20 und eines Störungskorrekturwertes von der Störungsmodelleinheit 24 aus. Durch Ausgabe eines Motorstroms (Ansteuerstromes) an den Motor 16 steuert die Servosteuereinheit 14 die Bewegung des angetriebenen Objekts 18.
2 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration der Servosteuereinheit 14 zeigt. Die Servosteuereinheit 14 enthält einen Proportional(P)-Controller 30a, einen Proportional-Integral(PI)-Controller 32a und einen Differenzierer 34a. Die Servosteuereinheit 14 hat eine Positions-Regelschleife, die durch den P-Controller 30a zu kompensieren ist, und eine Geschwindigkeits-Regelschleife, die durch den PI-Controller 32a zu kompensieren ist.
Die Mechanikmodelleinheit 22 schätzt vier Zustandswerte ab und gibt diese an die Störungsmodelleinheit 24 aus, wobei es sich um eine Position, eine Verschiebung, eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung des angetriebenen Objekts handelt, beruhend auf einem Positionsbefehl, der durch die Befehlswert-Eingabeeinheit 12 ausgegeben wird.
3 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration der Mechanikmodelleinheit 22 darstellt. Die Mechanikmodelleinheit 22 enthält einen P-Controller 30b, einen PI-Controller 32b, einen Drehmoment-Multiplizierer 38, einen Wellenträgheits-Multiplizierer 40, einen Integrierer 36a, einen Integrierer 36b und einen Nachumkehrverschiebungs-Schätzer 42.
Ein Positionsbefehl von der Positionsbefehl-Eingabeeinheit 12 und ein Ausgangswert des Integrierers 36b werden in den P-Controller 30b eingegeben. Ein Ausgabewert des P-Controllers 30b und eine Ausgabe des Integrierers 36a werden in den PI-Controller 32b eingegeben. Eine Ausgabe des PI-Controllers 32b wird in den Drehmoment-Multiplizierer 38 eingegeben, und der Drehmoment-Multiplizierer 38 berechnet ein Motor-Drehmoment aus einem Motorstrom-Befehlswert und gibt das Motor-Drehmoment aus.
Ein Ausgangswert des Drehmoment-Multiplizierers 38 wird in den Wellenträgheits-Multiplizierer 40 eingegeben. Ein Ausgangswert des Wellenträgheits-Multiplizierers 40 ist eine „Beschleunigung”, welche eine der Zustandsgrößen ist, die aus der Mechanikmodelleinheit 22 auszugeben sind. Die Trägheit bzw. das Trägheitsmoment wird vorab berechnet. Eine Ausgabe des Wellenträgheits-Multiplizierers 40 wird in den Integrierer 36a eingegeben.
Eine Ausgabe des Integrierers 36a ist eine „Geschwindigkeit”, welche eine der Zustandsgrößen ist, die aus der Mechanikmodelleinheit 22 auszugeben sind. Eine Ausgabe des Integrierers 36 wird in den Integrierer 36b eingegeben. Eine Ausgabe des Integrierers 36b ist eine „Position”, welche eine der Zustandsgrößen ist, die von der Mechanikmodelleinheit 22 auszugeben sind. Eine Ausgabe des Integrierers 36a, welche die „Geschwindigkeit” ist, und eine Ausgabe des Integrierers 36b, welche die „Position” ist, werden in den Nachumkehrverschiebungs-Schätzer 42 eingegeben. Eine Ausgabe des Nachumkehrverschiebungs-Schätzers 42 ist eine „Verschiebung”, welche eine der Zustandsgrößen ist, die aus der Mechanikmodelleinheit 22 auszugeben sind.
Auf die oben beschriebene Weise simuliert die Mechanikmodelleinheit 22 die Antriebswellen- bzw. Zugspindelbewegung, welche ausgeführt wird, wenn ein Positionsbefehl eingegeben wird, wodurch die „Position”, „Geschwindigkeit” und „Beschleunigung” der Antriebswelle bzw. Zugspindel berechnet werden. Die Geschwindigkeit und die Position werden in den Nachumkehrverschiebungs-Schätzer 42 eingegeben, um den Verschiebungsbetrag aus der Position auszugeben, bei der eine Umkehr des Vorzeichens der Geschwindigkeit detektiert wird.
Die Störungsmodelleinheit 24 schätzt eine Störungskraft aus den vier Zustandsgrößen ab, die durch die Mechanikmodelleinheit 22 abgeschätzt wurden, und gibt die abgeschätzte Störungskraft als Störungskorrekturwert an die Servosteuereinheit 14 aus. Die Störungsmodelleinheit 24 empfängt auch Daten eines Störungsmodells von der Reibungsidentifizierungseinrichtung 6, soweit erforderlich.
4 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration einer Störungsmodelleinheit 24 darstellt. Die Störungsmodelleinheit 24 schließt ein beschleunigungsabhängiges Störungsmodell 46, ein geschwindigkeitsabhängiges Störungsmodell 48, ein verschiebungsabhängiges Störungsmodell 50, ein positionsabhängiges Störungsmodell 52, einen Addierer 54, der die Ausgaben dieser Modelle aufaddiert, und einen Drehmoment-Dividierer 56 ein, dem eine Ausgabe des Addierers 54 als Eingang als Störungskraft zur Ausgabe eines Störungskorrekturwertes zugeführt wird.
5 stellt Beispiele von Modellparametern in der Störungsmodelleinheit 24 dar. Diese Modelle werden in einem Datentabellenformat zur Ausgabe eines aktuellen Korrekturwertes bereitgestellt, der eindeutig zu einer Eingabe der jeweiligen Zustandsgrößen korrespondiert, bei denen es sich um eine Position, eine Verschiebung, eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung handelt. Infolge dieses Datentabellenformats, ohne Ausführung einer Näherungsrechnung, aber durch Ausgabe von Modellparametern als Tabellendaten, kann ein hochgenaues Reibungsmodell erhalten werden. Wenn der Eingabewert zwischen den Werten in der Datentabelle liegt, wird ein interpolierter Störungskorrekturwert ausgegeben. Wenn beispielsweise eine Zustandswert-Eingabe „Y” zwischen spezifizierten Werten Y_I und Y_I+1 in einer Datentabelle liegt, wird ein Störungskorrekturwert I_Y(y) bezüglich eines Zustandswertes bzw. -betrages Y in diesem Modell durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt. Obgleich in diesem Beispiel der Störungskorrekturwert mittels linearer Interpolation errechnet wird, kann die Interpolation mit anderen Verfahren erfolgen, wie etwa einer Spline-Interpolation. [Gleichung 1]
Auf die oben beschriebene Weise wird, bezogen auf die jeweiligen Zustandsgrößeneingaben, ein Störungskorrekturwert errechnet. Der Addierer 54 berechnet einen Gesamt-Störungskorrekturwert. Der Drehmoment-Dividierer 56 wandelt den Gesamt-Störungskorrekturwert in einen Motorstrombefehl um.
6 ist ein Blockschaltbild, welches eine Konfiguration der Reibungsidentifizierungseinrichtung 6 darstellt, die Parameter der obigen Reibungsmodelle identifiziert bzw. bestimmt und die die Modellparameter an die Störungsmodelleinheit 24 ausgibt. In die Reibungsidentifizierungseinrichtung 6 werden eine Position, eine Verschiebung, eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung aus der Mechanikmodelleinheit 22 eingegeben, und auch ein Motorstrom wird aus der Servosteuereinheit 14 eingegeben. Eine Messeinheit 61 der positionsabhängigen Reibung misst eine Beziehung zwischen der Position und dem Strom, wenn die Servosteuereinheit 10 in einem spezifischen Bewegungsmuster angetrieben bzw. angesteuert wird.
Eine Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung bestimmt eine positionsabhängige Reibung beruhend auf der gemessenen Beziehung zwischen der Position und dem Strom und gibt die positionsabhängige Reibung an eine Identifiziereinheit 64 der verschiebungsabhängigen Reibung, eine Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung, eine Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung und eine Modellübertragungseinheit 69 aus. Eine Messeinheit 63 der verschiebungsabhängigen Reibung misst eine Beziehung zwischen der Verschiebung und dem Strom, wenn die Servosteuereinheit 10 in einem spezifischen Bewegungsmuster angetrieben wird.
Die Identifiziereinheit 64 der verschiebungsabhängigen Reibung empfängt Eingaben von der Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung und der Messeinheit 63 der verschiebungsabhängigen Reibung und identifiziert dann eine verschiebungsabhängige Reibung und gibt diese an die Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung, die Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung und die Modellübertragungseinheit 69 aus. Eine Messeinheit 65 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung misst eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Strom, wenn die Servosteuereinheit 10 in einem spezifischen Bewegungsmuster angetrieben wird.
Die Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung empfängt Eingaben von der Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung, der Identifiziereinheit 64 der verschiebungsabhängigen Reibung und der Messeinheit 65 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und identifiziert dann eine geschwindigkeitsabhängige Reibung und gibt diese an die Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung und die Modellübertragungseinheit 69 aus. Eine Messeinheit 67 der beschleunigungsabhängigen Reibung misst eine Beziehung zwischen der Beschleunigung und dem Strom, wenn die Servosteuereinheit 10 in einem spezifischen Bewegungsmuster angetrieben wird.
Die Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung empfängt Ausgaben der Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung, der Identifiziereinheit 64 der verschiebungsabhängigen Reibung, der Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und der Messeinheit 67 der beschleunigungsabhängigen Reibung und bestimmt dann eine beschleunigungsabhängige Reibung gibt diese an die Modellübertragungseinheit 69 aus. Die Modellübertragungseinheit 69 überträgt einen Modellparameter an die Störungsmodelleinheit 24.
Ein Verfahren zur Bestimmung eines Parameters eines Reibungsmodells, ausgedrückt als Datentabelle, wird nachfolgend beschrieben. In der Servosteuereinheit 14 werden in einem Zustand, wo eine Ausgabe der Störungsmodelleinheit 24 auf Null gesetzt ist, d. h. einem Zustand, in dem ein Störungskorrekturwert auf Null gesetzt ist, eine Messung einer Reibungskraft und eine Bestimmung eines Parameters des Reibungsmodells ausgeführt. Eine Gesamtreibungskraft F, die auf das Gerät einwirkt, ist durch die nachfolgende Gleichung (2) unter Nutzung einer Motorantriebskraft „f”, einer Masse „m” des angetriebenen Objekts und einer Beschleunigung „a” ausgedrückt.
[Gleichung 2]

F = f – ma (2)

Die Motorantriebskraft „f” kann mittels der nachfolgenden Gleichung (3) unter Nutzung eines Motorstrom-Regelwertes I_m und eines Drehmomentes K_t ausgedrückt werden.
[Gleichung 3]

f = K_tI_m (3)

Als nächstes werden die Gesamtreibungskraft F, der Motorstrom-Regelwert I_m und die Messergebnisse einer Motorposition X, einer Verschiebung „d”, einer Geschwindigkeit „v” und der Beschleunigung „a” zu jener Zeit benutzt, um in Stufen einen Parameter jedes Reibungsmodells zu bestimmen, der abhängig von jedem der Zustandswerte ist. Ein Flussdiagramm der Identifizierung bzw. Bestimmung ist in 7 gezeigt. In diesem Identifizierungsverfahren wird angenommen, dass die in der Einrichtung bzw. dem Gerät erzeugte Gesamtreibungskraft F mit den vier Zustandsgrößen variiert, welche die Position X, die Verschiebung „d”, die Geschwindigkeit „v” und die Beschleunigung „a” sind, wie durch die nachfolgende Gleichung (4) zum Ausdruck gebracht. Weiter wird, wie durch die nachfolgende Gleichung (5) ausgedrückt, die Gesamtreibungskraft F in eine Reibung F_x, die von der Position X abhängt, eine Reibung F_d, die von der Verschiebung „d” abhängt, eine Reibung F_v, die von der Geschwindigkeit „v” abhängt und eine Reibung F_a, die von der Beschleunigung „a” abhängt, separiert.
[Gleichung 4]

F = F(X, d, v, a) (4)

[Gleichung 5]

F = F_X(X) + F_d(d) + F_v(v) + F_a(a) (5)

Im Schritt S1 des Messens einer Beziehung zwischen der Position und der Reibungskraft wird ein Tisch, der das angetriebene Objekt 18 ist, angetrieben, wobei eine kleine Bewegung und ein Stopp wiederholt werden. Eine Reibungskraft, die aus der Position und dem Motorstrom-Feedbackwert während der Repetition berechnet wird, wird gemessen. 8 stellt ein Beispiel eines zu erteilenden Positionsbefehls dar. Ein optimaler Wert der Schrittweite und der Stoppperiode, die anzuweisen sind, wird aufgrund der Konfiguration einer Mess-Zieleinrichtung variiert. Es ist allgemein bekannt, dass die Erzeugung einer Reibungskraft, die von der Position abhängt, durch eine Führungsfläche oder eine Auslaufspur einer Kugelspindel erzeugt wird, und die Reibungskraft variiert auf einer Basis von näherungsweise einigen Millimetern. Daher ist es bevorzugt, eine vorbestimmte Bewegungsamplitude zwischen etwa 0,5 mm und 5 mm zu instruieren. Die Stoppperiode ist eine Zeit, die bis zur Stabilisierung einer Reibungskraft benötigt wird. Die Stoppperiode ändert sich entsprechend der Stabilisierungszeit eines Steuersystems oder dem Schmierzustand einer Führungsfläche. Erfahrungsgemäß ist es von Vorteil, die Stoppperiode gleich oder länger als 100 ms zu setzen. Das heißt, das angetriebene Objekt 18 wird um eine vorbestimmte Bewegungsamplitude bewegt und wiederholt innerhalb des Bewegungsbereiches angehalten. Die Position des angetriebenen Objekts 18 und die Antriebskraft zu einer Zeit werden synchron gemessen. Die Messung wird in diesem Bewegungsmuster ausgeführt, und daher können Reibungskraft-Messdaten erhalten werden. Die Messdaten schließen Daten einer Periode ein, in der es möglich ist, den Einfluss nur der positionsabhängigen Reibung oder den Einfluss nur der verschiebungsabhängigen Reibung zu extrahieren.
Im Schritt S2 wird unter Nutzung der Messergebnisse aus dem Schritt S1 eine Reibungskraft bestimmt, die positionsabhängig variiert. Im Schritt S1 können, während der Tisch, der das angetriebene Objekt 18 darstellt, angehalten wird, oder wenn die Geschwindigkeit „v” gleich einer oder niedriger als eine vorbestimmte Schwelle nahe Null ist, die Geschwindigkeit „v” und die Beschleunigung „a” beide als Null angesehen werden. Daher können, wenn eine Periode, während derer die Geschwindigkeit des Tischs gleich der oder niedriger als die Schwelle ist, detektiert wird, die geschwindigkeitsabhängige Reibung F_v und die beschleunigungsabhängige Reibung F_a beide während dieser Periode vernachlässigt werden. Entsprechend werden Reibungskomponenten, die in der Gesamtreibungskraft F am i-ten Stopppunkt X_i enthalten sind, durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt.
[Gleichung 6]

F = F_X(X_i) + F_csgn(x) (6)

In dieser Gleichung bezeichnet sgn die Vorzeichen-Funktion. Allgemein kann in einem Verschiebungsbereich von mehreren Hundert Mikrometern oder größer aus der Position, in der die Bewegungsrichtung umgekehrt wird, die verschiebungsabhängige Reibung als eine konstante Coulomb-Reibungskraft F_c betrachtet werden. Da der Absolutwert der Verschiebung auf dem Rückkehrweg negativ ist, wird die folgende Gleichung (7) erhalten.
[Gleichung 7]

F = F_X(X_i) + F_csgn(–x) = F_X(X_i) – F_c (7)

Das heißt, der Mittelwert der Gesamtreibungskraft F auf dem Hin- und Rückkehrweg werden aus der Gleichung (6) und der Gleichung (7) erhalten. Daher kann die positionsabhängige Reibungskraft F_x(X_i) bei X_i bestimmt werden. Das heißt, durch Ausführung der gleichen Berechnung an jedem Messpunkt wird ein Positionsreibungsmodell F_x(X) erhalten, welches eine Reibungskraft ausgibt, die in 1:1-Korrespondenz mit der Position steht. Unter Nutzung dieses Bestimmungsverfahrens ist es möglich, die positionsabhängige Reibung von anderen Reibungskomponenten zu separieren und zu bestimmen.
Im Schritt S3 wird eine Beziehung zwischen der Verschiebung und der Reibungskraft gemessen. In diesem Schritt wird, identisch zum Schritt S1, die Messung durch Antreiben des Tisches um einen kleinen Bewegungsbetrag gemäß dem in 8 dargestellten Bewegungsmuster ausgeführt. Schritt S3 unterscheidet sich vom Schritt S1 darin, dass die befohlene Schrittlänge kleingemacht wird. Die verschiebungsabhängige Reibung F_d zeigt nichtlineare Charakteristiken innerhalb eines Verschiebungsbereiches von einigen Hundert Mikrometern oder weniger. Weil im Verschiebungsbereich von einigen Hundert Mikrometern oder mehr die verschiebungsabhängige Reibung F_d in den Coulomb-Reibungsbereich fällt, wird die Reibungskraft konstant. Daher ist es, um die nichtlinearen Charakteristika der verschiebungsabhängigen Reibung F_d zu bestimmen, bevorzugt, die angewiesene Schrittweite zwischen einigen Mikrometern und einigen 10 Mikrometern einzustellen.
Im Schritt S4 wird die verschiebungsabhängige Reibung bestimmt. Beruhend auf der Gleichung (5) wird die Gesamtreibungskraft F beim i-ten Stopppunkt d_i durch die folgende Gleichung (8) ausgedrückt.
[Gleichung 8]

F = F_X(X) + F_d(d_i) (8)

Die positionsabhängige Reibungskraft F_x wurde im Schritt S3 bestimmt. Daher wird unter Nutzung des durch die nachfolgende Gleichung (9) beschriebenen Verfahrens eine Reibungskraft F_x(d_i) an der Stoppposition berechnet und dann von der Gesamtreibungskraft subtrahiert, um die verschiebungsabhängige Reibungskraft F_d zu erhalten. Das heißt, die gleiche Berechnung wird bei allen Stopppunkten ausgeführt, und daher wird ein verschiebungsabhängiges Reibungsmodell F_d erhalten, welches eine Reibungskraft ausgibt, die in 1:1-Korrespondenz zur Verschiebung „d” steht. Unter Nutzung dieses Identifizierungsverfahrens ist es möglich, die verschiebungsabhängige Reibung von anderen Reibungskomponenten zu separieren und zu identifizieren.
[Gleichung 9]

F_d(d_i) = F – F_X(X) (9)

Im Schritt S5 wird eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Reibungskraft gemessen. 9 illustriert ein Beispiel eines zu erteilenden Positionsbefehls. Im Schritt S5 wird, während die befohlene Geschwindigkeit für den Tisch, der das angetriebene Objekt 18 ist, geändert wird, eine hin- und hergehende Bewegung um einen vorbestimmten Bewegungsbetrag bei einer vorbestimmten Geschwindigkeit und einer vorbestimmten Beschleunigung wiederholt. Die Gesamtreibungskraft F, die Tischposition X und die Geschwindigkeit „v” während dieser Wiederholung werden gemessen. Es wird allgemein angenommen, dass eine geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft ein nichtlineares Verhalten zeigt, wenn die angewiesene Geschwindigkeit einige Hundert mm/min oder weniger beträgt, und ein nahezu lineares Verhalten zeigt, wenn die angewiesene Geschwindigkeit einige Hundert mm/min oder mehr beträgt. Daher ist es, wenn die angewiesene Geschwindigkeit einige Hundert mm/min oder weniger beträgt, bevorzugt, die Messung auszuführen, während die angewiesene Geschwindigkeit um etwa 10 mm/min geändert wird. Im Gegensatz hierzu ist es unter dem Blickwinkel einer Reduzierung der Messzeit, im Bereich der angewiesenen Geschwindigkeit von einigen Hundert mm/min oder mehr, angemessen, die Messung auszuführen, während die angewiesene Geschwindigkeit schrittweise um 100 bis 1000 mm/min geändert wird. Auf diese Weise wird die erwähnte hin- und hergehende Bewegung wiederholt, während entweder die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung oder sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung geändert werden, um synchron die Position des angetriebenen Objekts 18 und die Antriebskraft während der Repetition zu messen. Die Messung wird in diesem Bewegungsmuster ausgeführt, und daher können Reibungskraft-Messdaten erhalten werden. Die Messdaten schließen Daten eines Zeitpunkts ein, zu dem es möglich ist, den Einfluss nur der geschwindigkeitsabhängigen Reibung oder den Einfluss nur der beschleunigungsabhängigen Reibung zu extrahieren.
Bei dem in 9 illustrierten Positionsbefehl werden Bewegungsstrecken so eingestellt, dass die Bewegungsperioden einander gleichwerden, wenn der Tisch sich jeweils in Perioden bei entsprechenden jeweiligen konstanten Geschwindigkeiten bewegt. Wenn jedoch die angewiesene Geschwindigkeit bzw. Befehls-Geschwindigkeit hoch ist, besteht die Möglichkeit, dass die Messung nicht innerhalb des Antriebsbereiches beendet wird. Daher ist es, wenn die Messung bei einer hohen Befehls-Geschwindigkeit ausgeführt wird, bevorzugt, die maximal anweisbare Beschleunigung einzustellen und die Messung über den gesamten Antriebsbereich auszuführen.
Im Schritt S6 wird die geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft F_v identifiziert. Da die Beschleunigung während der Bewegung einer konstanten Geschwindigkeit Null ist, wird die geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft F_v bei der i-ten Befehls-Geschwindigkeit „v_i” aus der nachfolgenden Gleichung (10) unter Nutzung der Gleichung (5) erhalten. Das heißt, die Messung wird bei allen Befehls-Geschwindigkeiten ausgeführt, und daher wird das geschwindigkeitsabhängige Reibungsmodell F_v erhalten, das eine Reibungskraft ausgibt, die in 1:1-Korrespondenz zur Geschwindigkeit „v” steht.
[Gleichung 10]

F_v(v_i) = F – F_X(X) – F_d(d) (10)

Im Schritt S7 wird eine Beziehung zwischen der Beschleunigung und der Reibungskraft gemessen. In diesem Schritt wird, während die Befehls-Beschleunigung für den Tisch geändert wird, eine einfache hin- und hergehende Bewegung wiederholt. Die Gesamtreibungskraft F, die Tischposition X, die Geschwindigkeit „v” und die Beschleunigung „a” werden während der hin- und hergehenden Bewegung gemessen. Allgemein ist es wahrscheinlicher, dass eine beschleunigungsabhängige Reibungskraft einen Einfluss hat, wenn die Beschleunigung annähernd 2 G oder weniger beträgt. Daher ist es bevorzugt, die Messung auszuführen, während die Befehls-Beschleunigung schrittweise um etwa 0,1 G geändert wird. Ungeachtet dessen hat, wenn die Beschleunigung übermäßig niedrig ist, die beschleunigungsabhängige Reibung einen geringeren Einfluss, und die Bestimmung wird manchmal schwierig. Daher ist es ausreichend, dass die Untergrenze der Befehls-Beschleunigung etwa 0,01 G bis 0,05 G beträgt. Da die Befehls-Geschwindigkeit höher ist, wird eine längere Zeit für die Beschleunigung benötigt, und folglich wird die Messgenauigkeit verbessert. Es ist daher von Vorteil, die Messung bei der maximal anweisbaren Geschwindigkeit auszuführen.
Im Schritt S8 wird die beschleunigungsabhängige Reibung F_a identifiziert bzw. bestimmt. Das heißt, es wird eine Periode detektiert, während derer die Beschleunigung des angetriebenen Objekts konstant ist, und beruhend auf der Gesamtreibungskraft F. Während dieser Periode ist es möglich, die Reibungskraft bei der i-ten Befehls-Beschleunigung unter Nutzung der Gleichung (5), ausgedrückt durch die nachfolgende Gleichung (11), zu berechnen. Mit dieser Berechnung ist es möglich, die beschleunigungsabhängige Reibung aus der gemessenen Reibungskraft zu separieren und zu bestimmen.
[Gleichung 11]

F_a(a_i) = F – F_X(X) – F_d(d) – F_v(v) (11)

Wie oben beschrieben, wird bei einem Gerät, das eine Funktion des Korrigierens einer Störungskraft, wie etwa der Reibungskraft, unter Nutzung eines Modells auf solche Weise hat, dass die Position und Geschwindigkeit eines angetriebenen Objekts zu einer Zielposition und einer Zielgeschwindigkeit korrespondieren, die oben erwähnte Prozedur als Reibungsidentifizierungsverfahren zur Identifizierung eines Parameters eines Reibungsmodells benutzt, welches für die Korrektur genutzt wird.
Mit diesem Verfahren kann eine positionsabhängige Reibung unter Nutzung eines Messungs-Musters bestimmt werden, das es ermöglicht, nur eine Positions-Reibungskraft aus einer Reibungskraft zu separieren, die gemäß einer Mehrzahl von Zustandsgrößen, wie etwa einer Position, einer Verschiebung, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung, variiert. Auf die gleiche Weise wie die erwähnte positionsabhängige Reibung kann eine verschiebungsabhängige Reibung, eine geschwindigkeitsabhängige Reibung und eine beschleunigungsabhängige Reibung ebenso gemessen und schrittweise aus der Reibungskraft separiert werden. Es ist damit möglich, effizient ein Modell zu bestimmen bzw. zu identifizieren. Das heißt, es ist möglich, stufenweise effiziente Parameter entsprechender Modelle einer Reibungskraft zu identifizieren, die sich abhängig von der Position, Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung ändert.
Das heißt, unter Nutzung des Reibungsidentifizierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, schrittweise Reibungskraftkomponenten, von denen jede von einer einzelnen Zustandsgröße abhängt, wie einer Position, einer Verschiebung, einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung, aus der Gesamtreibungskraft eines angetriebenen Objekts, die infolge von Variationen einer Mehrzahl von Zustandsgrößen erzeugt wird, zu extrahieren. Daher ist es möglich, einen Modellparameter zu identifizieren.
Gemäß diesem Verfahren kann eine Reibungsidentifizierungseinrichtung geschaffen werden, die eine positionsabhängige Reibung, eine verschiebungsabhängige Reibung, eine geschwindigkeitsabhängige Reibung und eine beschleunigungsabhängige Reibung identifizieren kann.
Zweite Ausführungsform
10 ist ein Blockschaltbild einer Konfiguration einer Reibungsidentifizierungseinrichtung 6a gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 unterscheidet sich von 6 darin, dass eine Messeinheit 70 einer geschwindigkeits- und beschleunigungsabhängigen Reibung die Funktion der Messeinheit 65 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und der Messeinheit 67 der beschleunigungsabhängigen Reibung nach 6 hat, und dass eine Identifiziereinheit 71 der geschwindigkeits- und beschleunigungsabhängigen Reibung die Funktion der Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und der Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung nach 6 übernimmt.
Ein spezielles Flussschaltbild des Reibungsidentifizierungsverfahrens ist in 11 dargestellt. Die Schritte S1 bis S4 in 11 sind identisch mit den Schritten S1 bis S4 in 7. Das Flussdiagramm unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass eine geschwindigkeitsabhängige Reibung und eine beschleunigungsabhängige Reibung gleichzeitig im Schritt S9 und Schritt S10 in 11 gemessen und bestimmt werden.
Speziell wird im Schritt S9 in 11 ein sinusförmiger Bewegungs-Befehl benutzt, um die geschwindigkeitsabhängige Reibung und die beschleunigungsabhängige Reibung simultan zu messen und zu identifizieren. Das heißt, ein sinusförmiger Bewegungs-Befehl wird ausgegeben, um eine Reibungskraft zu messen, wenn der Radius sich von R1 auf R30 ändert und die Befehls-Geschwindigkeit sich von 10 mm/min auf 10.000 mm/min ändert. Es ist möglich, einen Bogen-Weg zu beschreiben, und zwar durch Erteilung von sinusförmigen Befehlen, deren Phasen um 90° gegeneinander versetzt sind, an die zwei Steuereinrichtungen. Daher wird in Werkzeugmaschinen oft ein sinusförmiger Befehl benutzt.
Zeit-Kurvenformen der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Tischs, die erzeugt werden, wenn ein sinusförmiger Befehl erteilt wird, sind in 12 dargestellt. Die Beschleunigung „a” auf der Bogen-Bewegungsbahn wird aus einem Radius R des Bogens und einer Bogen-Geschwindigkeit „v” errechnet, wie durch die nachfolgende Gleichung (12) ausgedrückt. [Gleichung 12]
Durch Änderung der Befehls-Geschwindigkeit und des Bogenradius ist es möglich, eine Reibungskraft zu messen, während die Geschwindigkeit „v” und die Beschleunigung „a” unabhängig geändert werden.
In einem sinusförmigen Befehl gibt es jedes Mal, wenn die Phase sich um 90 Grad ändert, abwechselnd einen Zeitpunkt, bei dem die Geschwindigkeit Null wird, und einen Zeitpunkt, bei dem die Beschleunigung Null wird. In 12 sind die Zeitpunkte, bei denen die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung Null werden, als gepunktete Linie dargestellt. Im Schritt S10 in 11 kann aus einer gemessenen Reibungskraft zum Zeitpunkt, zu dem die Geschwindigkeit Null wird, d. h. in der Periode, während derer die Geschwindigkeit ein vorbestimmter Schwellwert oder weniger wird, das geschwindigkeitsabhängige Reibungsmodell F unter Nutzung des mit der Gleichung (10) beschriebenen Verfahrens identifiziert werden. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Beschleunigung Null wird, d. h. in der Periode, während derer die Beschleunigung ein vorbestimmter Schwellwert oder niedriger ist, kann das beschleunigungsabhängige Reibungsmodell Fa unter Nutzung der nachfolgenden Gleichung (13) bestimmt werden.
[Gleichung 13]

F_a(a_i) = F – F_X(X) – F_d(d) (13)

Die Messung wird in diesem Bewegungsmuster ausgeführt, und daher wird es jedes Mal, wenn die Sinus-Phase sich um 90 Grad ändert möglich, alternierend den Einfluss nur der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und den Einfluss nur der beschleunigungsabhängigen Reibung zu extrahieren. Das heißt, reibungsabhängige Messdaten, die Daten zu Zeitpunkten enthalten, bei denen es möglich ist, abwechselnd den Einfluss nur der geschwindigkeitsabhängigen Reibung und den Einfluss nur der beschleunigungsabhängigen Reibung zu extrahieren. Es ist auch möglich, die geschwindigkeitsabhängige Reibung aus der gemessenen Reibungskraft zu separieren und zu identifizieren.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, eine beschleunigungsabhängige Reibung und eine geschwindigkeitsabhängige Reibung simultan zu messen, d. h. den Einfluss der Reibungskräfte zu messen und zu identifizieren, die jeweils von der Geschwindigkeit und der Beschleunigung zu einer Zeit abhängig sind. Dies hat den Effekt, dass ein Parameter eines Reibungsmodells, verglichen mit der ersten Ausführungsform, in reduzierter Zeit identifiziert werden kann.
Dritte Ausführungsform
13 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Reibungsidentifizierungseinrichtung 6b gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In 13 gibt es keine Funktionsblöcke, die zur Messeinheit 61 der positionsabhängigen Reibung, zur Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung, zur Messeinheit 67 der beschleunigungsabhängigen Reibung und zur Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung korrespondieren, die in 6 gezeigt sind. Das heißt, die Reibungsidentifizierungseinrichtung 6b unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass ein Schritt des Messens und Bestimmens einer positionsabhängigen Reibung und einer beschleunigungsabhängigen Reibung fortgelassen ist.
In einem mit hoher Genauigkeit zusammengesetzten Gerät ist in manchen Fällen der Einfluss der positionsabhängigen Reibung nahezu vernachlässigbar. In diesen Fällen ist es angemessen, dass ein Prozess der Identifizierung positionsabhängiger Reibung fortgelassen wird.
In einem Fall, wo das Gerät unter Nutzung einer Rollenführung und einer Kugelspindel konfiguriert wird oder unter Nutzung einer Rollenführung und eines Linearmotors, ist die beschleunigungsabhängige Reibung von geringerem Einfluss. Daher kann, wenn das Gerät wie eben beschrieben konfiguriert ist, eine Messung und Bestimmung der beschleunigungsabhängigen Reibung fortgelassen werden.
Das heißt, in einer Servosteuereinrichtung, die mit hoher Genauigkeit montiert und so konfiguriert ist, dass sie eine Rollenführung und eine Kugelspindel nutzt, oder eine Rollenführung und einen Linearmotor, werden eine positionsabhängige Reibung und eine beschleunigungsabhängige Reibung mitunter vernachlässigbar. In einem solchen Falle, wie soeben beschrieben, ist es angemessen, dass lediglich ein Mess- und Identifizierungsverfahren einer verschiebungsabhängigen Reibung und ein Mess- und Identifizierungsverfahren einer geschwindigkeitsabhängigen Reibung ausgeführt werden. Dies erbringt den Effekt einer Verkürzung der Messzeit und der Reibungsbestimmungszeit.
Vierte Ausführungsform
14 ist ein Blockschaltbild, welches einen Teil einer Konfiguration einer Reibungsidentifizierungseinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei der vierten Ausführungsform ist ein Reibungsmess- und -identifizierungsverfahren dasselbe wie bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform darin, dass eine positionsabhängige Reibung, eine verschiebungsabhängige Reibung, eine geschwindigkeitsabhängige Reibung und eine beschleunigungsabhängige Reibung, die jeweils aus der Identifiziereinheit 62 der positionsabhängigen Reibung, der Identifiziereinheit 64 der verschiebungsabhängigen Reibung, der Identifiziereinheit 66 der geschwindigkeitsabhängigen Reibung bzw. der Identifiziereinheit 68 der beschleunigungsabhängigen Reibung ausgegeben werden und dann in eine Polynom-Näherungseinheit 72 eingegeben werden. Datentabellen der erhaltenen Reibungskräfte werden durch Polynome bzw. Polynom-Modelle in der Polynom-Näherungseinheit 72 approximiert, und die Polynom-Modelle werden als Reibungsmodelle aus einer Modellübertragungseinheit 69c ausgegeben.
Als Polynom-Näherungsalgorithmus wurden bereits viele Verfahren beschrieben, wie etwa das Verfahren der kleinsten Quadrate. Daher werden detaillierte Beschreibungen der Polynom-Näherungsverfahren hier weggelassen. Unter dem Gesichtspunkt der Berechnungszeit ist es bevorzugt, eine Reibungskraft durch Polynome zehnter oder niedrigerer Ordnung zu approximieren.
Bei dieser Ausführungsform kann ein Modell mit einer kleineren Anzahl von Parametern, verglichen mit der Nutzung von Tabellendaten, erhalten werden. Daher kann die Anzahl der an die Störungsmodelleinheit 24 zu übermittelnden Parameter, verglichen mit der Übermittlung einer Datentabelle, reduziert werden.
Wie oben beschrieben, bei einer Funktion des Korrigierens einer Reibungskraft unter Nutzung eines Modells in einem Gerät, das die Position und Geschwindigkeit eines angetriebenen Objekts so steuert, dass sie mit dessen Zielposition und Zielgeschwindigkeit übereinstimmen, messen und separieren das Reibungsidentifizierungsverfahren und die Reibungsidentifizierungseinrichtung, die einen Parameter eines Reibungsmodells identifizieren, bei der ersten bis vierten Ausführungsform einen Einfluss einer einzelnen Zustandsgröße auf eine Reibungskraft, die gemäß einer Mehrzahl von Zustandsgrößen, wie etwa der Position, einer Verschiebung, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung, variiert, aus der Reibungskraft. Dies ermöglicht es, effizient einen Parameter des Reibungsmodells zu bestimmen.
Weiterhin ist die Erfindung der vorliegenden Anmeldung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und wenn die vorliegende Erfindung ausgeführt wird, kann die Erfindung vielfältig variiert werden, ohne von ihrem Schutzbereich abzuweichen. Weiterhin sind in den obigen Ausführungsformen Erfindungen und verschiedene Stufen eingeschlossen, und es können verschiedene Erfindungen durch angemessene Kombination einer Mehrzahl von hierin eingeschlossenen Bestandteilen extrahiert werden. Beispielsweise können, auch wenn einige Bestandteile von allen Bestandteilen, die in den Ausführungsformen beschrieben sind, weggelassen werden, die im Abschnitt „Lösung des Problems” erwähnten Probleme gelöst werden und die im Abschnitt „Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung” erwähnten Wirkungen erzielt werden, die Konfiguration, aus der einige Bestandteile fortgelassen wurden, als eine Erfindung extrahiert werden. Außerdem können in verschiedenen Ausführungsformen erwähnte Bestandteile geeignet miteinander kombiniert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, können das Reibungsidentifizierungsverfahren und die Reibungsidentifizierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Steuerung einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters benutzt werden, die durch eine Steuereinrichtung, wie etwa eine numerische Steuereinrichtung, gesteuert werden. Insbesondere sind das Reibungsidentifizierungsverfahren und die Reibungsidentifizierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dazu anwendbar, einen Parameter eines Reibungsmodells in einem Vorschubsystem zu bestimmen, in dem die Einrichtung sowohl Belastungskapazität als auch Bearbeitungsgenauigkeit erreichen muss.
Bezugszeichen

10 Servosteuereinheit, 12 Befehlswert-Eingabeeinheit, 14 Servosteuereinheit, 16 Motor, 18 angetriebenes Objekt, 20 Positionsdetektor, 22 Mechanikmodelleinheit, 24 Störungsmodelleinheit, 30a, 30b P-Controller, 32a, 32b PI-Controller, 34a Differenzierer, 36a, 36b Integrierer, 38 Drehmoment-Multiplizierer, 40 Wellenträgheits-Multiplizierer, 42 Nachumkehrverschiebungs-Schätzer, 46 beschleunigungsabhängiges Störungsmodell, 48 geschwindigkeitsabhängiges Störungsmodell, 50 verschiebungsabhängiges Störungsmodell, 52 positionsabhängiges Störungsmodell, 54 Addierer, 56 Drehmoment-Dividierer, 6, 6a, 6b Reibungsidentifizierungseinrichtung, 61, 61a Messeinheit der positionsabhängigen Reibung, 62, 62a Identifiziereinheit der positionsabhängigen Reibung, 63, 63a, 63b Messeinheit der verschiebungsabhängigen Reibung, 64, 64a, 64b Identifiziereinheit der verschiebungsabhängigen Reibung, 65, 65b Messeinheit der geschwindigkeitsabhängigen Reibung, 66, 66b Identifiziereinheit der geschwindigkeitsabhängigen Reibung, 67 Messeinheit der beschleunigungsabhängigen Reibung, 68 Identifiziereinheit der beschleunigungsabhängigen Reibung, 69, 69a, 69b, 69c Modellübertragungseinheit, 70 Messeinheit der geschwindigkeits- und beschleunigungsabhängigen Reibung, 71 Identifiziereinheit der geschwindigkeits- und beschleunigungsabhängigen Reibung, 72 Polynom-Näherungseinheit, S1 bis S10 Schritt

Claims

Reibungsidentifizierungsverfahren, welches aufweist: einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position eines angetriebenen Objekts; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines positionsabhängigen Reibungsmodells beruhend auf einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts aus einer Position, in der eine Bewegungsrichtung umgekehrt wird; einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines verschiebungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts; einem Schritt des Identifizierens eines Parameters eines geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells und des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells; einen Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts; und einen Schritt des Identifizierens eines Parameters eines beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts unter der Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells und des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts und im Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts aus einer Position, in der die Bewegungsrichtung umgekehrt wird, das angetriebene Objekt wiederholt innerhalb eines Antriebsbereiches des angetriebenen Objekts um einen vorbestimmten Bewegungsbetrag bewegt und gestoppt wird, um synchron Positionen des angetriebenen Objekts und Antriebskräfte während der Repetition zu messen.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Identifizierens eines Parameters eines positionsabhängigen Reibungsmodells beruhend auf einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts eine Periode, während derer eine Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts gleich einer oder niedriger als eine vorbestimmte Schwelle wird, erfasst wird, um eine Reibungskraft in der Periode als eine positionsabhängige Reibungskraft bei einer Position des angetriebenen Objekts auszugeben.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 3, wobei im Schritt des Identifizierens eines Parameters des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells ein Wert, der durch Ausschließen einer Reibungskraft bei einer Position des angetriebenen Objekts, die unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells errechnet wird, aus der Reibungskraft erhalten wird, als verschiebungsabhängige Reibungskraft bei einer Verschiebung des angetriebenen Objekts ausgegeben wird.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und der Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts gleichzeitig ausgeführt werden.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei im Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und im Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts das angetriebene Objekt um einen vorbestimmten Bewegungsbetrag innerhalb eines Antriebsbereichs des angetriebenen Objekts mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und einer vorbestimmten Beschleunigung hin und her bewegt wird und die Hin- und Her-Bewegung unter Änderung entweder einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung oder Änderung sowohl der Geschwindigkeit als auch der Beschleunigung wiederholt wird, um synchron Positionen des angetriebenen Objekts und Antriebskräfte während der Hin- und Her-Bewegung zu messen.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 5, wobei, wenn der Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und der Schritt des Messens einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts gleichzeitig ausgeführt werden, ein sinusförmiger Bewegungsbefehl an das angetriebene Objekt ausgegeben wird.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei im Schritt des Identifizierens eines Parameters des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmittels eine Periode, während derer eine Beschleunigung des angetriebenen Objekts gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Schwelle wird, detektiert und ein Wert, der durch Ausschließen sowohl einer Reibungskraft bei einer Position des angetriebenen Objekts, errechnet unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, und einer Reibungskraft bei einer Verschiebung des angetriebenen Objekts, errechnet unter Nutzung des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells, aus einer Reibungskraft in der Periode erhalten wird, als geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft bei einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts ausgegeben wird.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei im Schritt des Identifizierens eines Parameters des beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells eine Periode, während derer eine Beschleunigung des angetriebenen Objekts konstant ist, detektiert und ein Wert, der durch Ausschließen einer Reibungskraft bei einer Position des angetriebenen Objekts, errechnet unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, einer Reibungskraft bei einer Verschiebung des angetriebenen Objekts, errechnet unter Nutzung des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells, und einer Reibungskraft bei einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts, errechnet unter Nutzung des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells, aus einer Reibungskraft in der Periode erhalten wird als beschleunigungsabhängige Reibungskraft bei einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts ausgegeben wird.
Reibungsidentifizierungsverfahren nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen Schritt des Ausgebens eines Parameter des Reibungsmodells.
Reibungsidentifizierungseinrichtung, welche aufweist: eine Messeinheit für positionsabhängige Reibung, die eine Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position eines angetriebenen Objekts misst; eine Identifiziereinheit für positionsabhängige Reibung, die einen Parameter eines positionsabhängigen Reibungsmodells beruhend auf einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Position des angetriebenen Objekts identifiziert; eine Messeinheit für verschiebungsabhängige Reibung, die eine Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts aus einer Position misst, bei der eine Bewegungsrichtung umgekehrt wird; eine Identifiziereinheit der verschiebungsabhängigen Reibung, die einen Parameter eines verschiebungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Verschiebung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells identifiziert; eine Messeinheit für geschwindigkeitsabhängige Reibung, die eine Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts misst; eine Identifiziereinheit der geschwindigkeitsabhängigen Reibung, die einen Parameter eines geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Geschwindigkeit des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells und des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells identifiziert; eine Messeinheit der beschleunigungsabhängigen Reibung, die eine Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts misst; eine Identifiziereinheit der beschleunigungsabhängigen Reibung, die einen Parameter eines beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells unter Nutzung einer Beziehung zwischen einer Antriebskraft und einer Beschleunigung des angetriebenen Objekts und unter Nutzung des positionsabhängigen Reibungsmodells, des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells und des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells identifiziert; und eine Modellübertragungseinheit, die Parameter des positionsabhängigen Reibungsmodells, des verschiebungsabhängigen Reibungsmodells, des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsmodells und des beschleunigungsabhängigen Reibungsmodells ausgibt.