JP2000322116A - サーボ制御装置及び位置決め装置 - Google Patents
サーボ制御装置及び位置決め装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 慣性力に伴う機械系の弾性変形による被位置
決め体の遅れの補償。 【解決手段】 弾性変形補償部８０１は、主軸先端位置
のｘ軸方向の運動（座標ｘ）が、工作機械系のｘ軸方向
の弾性変形量εx に起因して、式（12）…「ｆx＝−Ｋ
x εx −ｘ′γx ＝ｍx ａx ＝ｍx ｘ″」に従うことを
モデル化したものである。ただし、ｆx は主軸先端に作
用するｘ軸方向の力であり、ｘ′はｘの時間微分（速
度）を表すものである。また、γx は速度ｘ′に比例し
て主軸先端に作用するｘ軸方向の外力を表すための定数
で、摩擦などの外乱の影響を加味するためのものであ
る。即ち、弾性変形補償部８０１の伝達関数Ｇ１（≡−
Ｋx ／｛Ｓ（ｍx Ｓ＋γx ）｝）は、弾性変形量εx を
入力としたとき、式（12）に従う主軸先端位置のｘ軸座
標（ｘ）を出力する。これにより、工作機械系の弾性変
形分が補正された実際のｘ軸座標の値ｘがフィードバッ
クされる。
決め体の遅れの補償。 【解決手段】 弾性変形補償部８０１は、主軸先端位置
のｘ軸方向の運動（座標ｘ）が、工作機械系のｘ軸方向
の弾性変形量εx に起因して、式（12）…「ｆx＝−Ｋ
x εx −ｘ′γx ＝ｍx ａx ＝ｍx ｘ″」に従うことを
モデル化したものである。ただし、ｆx は主軸先端に作
用するｘ軸方向の力であり、ｘ′はｘの時間微分（速
度）を表すものである。また、γx は速度ｘ′に比例し
て主軸先端に作用するｘ軸方向の外力を表すための定数
で、摩擦などの外乱の影響を加味するためのものであ
る。即ち、弾性変形補償部８０１の伝達関数Ｇ１（≡−
Ｋx ／｛Ｓ（ｍx Ｓ＋γx ）｝）は、弾性変形量εx を
入力としたとき、式（12）に従う主軸先端位置のｘ軸座
標（ｘ）を出力する。これにより、工作機械系の弾性変
形分が補正された実際のｘ軸座標の値ｘがフィードバッ
クされる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械や産業用
ロボット等の機械的動作を制御するサーボ制御装置に関
し、特に、被位置決め体の大きな速度又は加速度に伴う
機械系の部分的弾性変形による被位置決め体の移動の遅
れ或いは予定経路からのズレを補正するサーボ制御装置
及び位置決め装置に関する。
ロボット等の機械的動作を制御するサーボ制御装置に関
し、特に、被位置決め体の大きな速度又は加速度に伴う
機械系の部分的弾性変形による被位置決め体の移動の遅
れ或いは予定経路からのズレを補正するサーボ制御装置
及び位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】マシニングセンタ等の工作機械の分野で
は、工作物に関する加工時間の短縮等を目的として、例
えば、リニアモータ駆動の採用や可動体の軽量化等によ
る高速、或いは、高加速度の工作機械が提案・開発され
ている。これらの技術革新により、従来のボールネジ駆
動、鋳鉄製コラム等による工作機械では実現できなかっ
た高加速度（１Ｇ以上）が達成されるようになってきて
いる。
は、工作物に関する加工時間の短縮等を目的として、例
えば、リニアモータ駆動の採用や可動体の軽量化等によ
る高速、或いは、高加速度の工作機械が提案・開発され
ている。これらの技術革新により、従来のボールネジ駆
動、鋳鉄製コラム等による工作機械では実現できなかっ
た高加速度（１Ｇ以上）が達成されるようになってきて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】工作機械系の一部を構
成する被位置決め体（工具、工具支持部、ラムなど）が
加減速されると、被位置決め体やこの被位置決め体と共
に所定方向に移動する可動体にはその質量及び加速度に
比例する慣性力が働く。この慣性力の作用により、この
工作機械系には部分的な弾性変形が生じることになる
が、特に工具先端などの制御点と、工具の位置を検出す
る測位点との間でこの弾性変形が生じると、被位置決め
体の加減速時に、上記制御点に対する測位精度が劣化す
る結果となる。
成する被位置決め体（工具、工具支持部、ラムなど）が
加減速されると、被位置決め体やこの被位置決め体と共
に所定方向に移動する可動体にはその質量及び加速度に
比例する慣性力が働く。この慣性力の作用により、この
工作機械系には部分的な弾性変形が生じることになる
が、特に工具先端などの制御点と、工具の位置を検出す
る測位点との間でこの弾性変形が生じると、被位置決め
体の加減速時に、上記制御点に対する測位精度が劣化す
る結果となる。
【０００４】図９に、従来技術におけるサーボ制御装置
の制御ブロックダイアグラムを例示する。本制御ブロッ
クダイアグラムは、リニアモータ駆動式の工作機械にお
けるある１つの制御軸（ｘ軸）の制御機構を示すもので
ある。リニアモータ３５には、リニアスケール（測位装
置）３５ｃと、電流計３８とが接続されており、リニア
スケール３５ｃは主軸先端位置のｘ座標（ｘa ）を出力
し、電流計３８はリニアモータ３５の加速電流ｉx を出
力する。これにより、個々のフィードバックループが閉
じて、各種制御部２１１、２１２、２１３によるサーボ
制御が実現される。
の制御ブロックダイアグラムを例示する。本制御ブロッ
クダイアグラムは、リニアモータ駆動式の工作機械にお
けるある１つの制御軸（ｘ軸）の制御機構を示すもので
ある。リニアモータ３５には、リニアスケール（測位装
置）３５ｃと、電流計３８とが接続されており、リニア
スケール３５ｃは主軸先端位置のｘ座標（ｘa ）を出力
し、電流計３８はリニアモータ３５の加速電流ｉx を出
力する。これにより、個々のフィードバックループが閉
じて、各種制御部２１１、２１２、２１３によるサーボ
制御が実現される。
【０００５】しかしながら、リニアスケール（測位装
置）３５ｃは、主軸先端位置から離れた箇所に設けらる
ため、主軸先端位置とリニアスケール３５ｃとの間に、
機械系の弾性変形が生じると、図１を用いて後で詳述す
るように、主軸先端位置の測位装置により計測されたｘ
座標（ｘa ）は、実際の主軸先端位置（工具支持部中
心）のｘ座標（ｘ）を示さなくなり、測位精度が下が
り、加工形状が劣化する。
置）３５ｃは、主軸先端位置から離れた箇所に設けらる
ため、主軸先端位置とリニアスケール３５ｃとの間に、
機械系の弾性変形が生じると、図１を用いて後で詳述す
るように、主軸先端位置の測位装置により計測されたｘ
座標（ｘa ）は、実際の主軸先端位置（工具支持部中
心）のｘ座標（ｘ）を示さなくなり、測位精度が下が
り、加工形状が劣化する。
【０００６】このような問題は、特に、リニアモータ駆
動式の工作機械等の様に、上記の可動体等の構成部品の
剛性が比較的低い、高速加工の工作機械が製造されるよ
うになってから表面化、或いは、顕在化するようになっ
てきている。また、このような形状誤差は、上記の被位
置決め体や可動体の速度、或いは、加速度が大きくなる
ほど大きくなる。また、このような形状誤差を小さくす
るために、剛性が高く、かつ、質量の小さな部材を用い
て工作機械を構成する方法も考えられるが、この両条件
を満たす素材としては自ずと限界が有るため、高速・高
精度の工作機械を実現する上で、何らかの対策が必要と
なっている。
動式の工作機械等の様に、上記の可動体等の構成部品の
剛性が比較的低い、高速加工の工作機械が製造されるよ
うになってから表面化、或いは、顕在化するようになっ
てきている。また、このような形状誤差は、上記の被位
置決め体や可動体の速度、或いは、加速度が大きくなる
ほど大きくなる。また、このような形状誤差を小さくす
るために、剛性が高く、かつ、質量の小さな部材を用い
て工作機械を構成する方法も考えられるが、この両条件
を満たす素材としては自ずと限界が有るため、高速・高
精度の工作機械を実現する上で、何らかの対策が必要と
なっている。
【０００７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的は、被位置決め体の大きな
速度又は加速度に伴う機械系の部分的弾性変形による被
位置決め体の移動の測位点からの遅れ、或いは予定経路
からのズレを補正するサーボ制御装置及び位置決め装置
を実現することである。また、本発明の更なる目的は、
工作機械の分野におけるこれらの装置の実現により、高
速、高精度の曲線加工を実現することである。
されたものであり、その目的は、被位置決め体の大きな
速度又は加速度に伴う機械系の部分的弾性変形による被
位置決め体の移動の測位点からの遅れ、或いは予定経路
からのズレを補正するサーボ制御装置及び位置決め装置
を実現することである。また、本発明の更なる目的は、
工作機械の分野におけるこれらの装置の実現により、高
速、高精度の曲線加工を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、位置指令値とフィードバック位置との偏差が０とな
る様に被位置決め体の位置を制御するサーボ制御装置に
おいて、フィードバック位置を被位置決め体の質量と、
被位置決め体と共に所定方向に移動する可動体の質量
と、被位置決め体及び可動体の弾性率と、被位置決め体
又は可動体の所定方向のリアルタイムに実測された加速
度成分に基づいて補正する位置指令値補正手段を備える
ことである。
めには、以下の手段が有効である。即ち、第１の手段
は、位置指令値とフィードバック位置との偏差が０とな
る様に被位置決め体の位置を制御するサーボ制御装置に
おいて、フィードバック位置を被位置決め体の質量と、
被位置決め体と共に所定方向に移動する可動体の質量
と、被位置決め体及び可動体の弾性率と、被位置決め体
又は可動体の所定方向のリアルタイムに実測された加速
度成分に基づいて補正する位置指令値補正手段を備える
ことである。
【０００９】また、第２の手段は、上記の第１の手段に
おいて、リアルタイムに実測されるべき加速度成分をそ
の所定方向の位置フィードバック値、速度フィードバッ
ク値、又は電流フィードバック値から求めることであ
る。
おいて、リアルタイムに実測されるべき加速度成分をそ
の所定方向の位置フィードバック値、速度フィードバッ
ク値、又は電流フィードバック値から求めることであ
る。
【００１０】また、第３の手段は、複数のサーボ制御装
置により二次元又は三次元空間における位置決め制御を
行う位置決め装置において、少なくとも２方向以上の位
置決め制御を各制御軸毎に、上記の第１又は第２の手段
のサーボ制御装置により、並列に、実行するすることで
ある。
置により二次元又は三次元空間における位置決め制御を
行う位置決め装置において、少なくとも２方向以上の位
置決め制御を各制御軸毎に、上記の第１又は第２の手段
のサーボ制御装置により、並列に、実行するすることで
ある。
【００１１】更に、第４の手段は、互いに直交する２軸
又は３軸を有するリニアモータ駆動式の工作機械を、上
記の第３の手段の位置決め装置により制御することであ
る。以上の手段により、前記の課題を解決することがで
きる。
又は３軸を有するリニアモータ駆動式の工作機械を、上
記の第３の手段の位置決め装置により制御することであ
る。以上の手段により、前記の課題を解決することがで
きる。
【００１２】
【作用及び発明の効果】本発明の作用・効果を簡単のた
め、直交２軸（ｘ軸とｙ軸）を有する工作機械での曲線
加工の場合について、以下に説明する。図１に、本発明
の作用を一般的に説明する物理概念図を示す。本図１
は、「ｘ2 ＋ｙ2 ＝ｒ2 」なる真円加工を行った際に、
ｘ軸方向の慣性力Ｆx に伴って、工作機械系のｘ軸方向
の弾性変形による形状誤差εx が発生したことを示して
いる。
め、直交２軸（ｘ軸とｙ軸）を有する工作機械での曲線
加工の場合について、以下に説明する。図１に、本発明
の作用を一般的に説明する物理概念図を示す。本図１
は、「ｘ2 ＋ｙ2 ＝ｒ2 」なる真円加工を行った際に、
ｘ軸方向の慣性力Ｆx に伴って、工作機械系のｘ軸方向
の弾性変形による形状誤差εx が発生したことを示して
いる。
【００１３】この時、加工処理時の慣性力及び形状誤差
をそれぞれｘ軸成分、ｙ軸成分毎に（Ｆx ，Ｆy ），
（εx ，εy ）と表すことにすれば、次式（１）〜
（８）が成り立つ。ただし、その他の各変数の定義は、
以下の通りである。 （変数定義） ｘ：主軸先端位置（工具支持部中心）の実際のｘ座標 ｙ：主軸先端位置（工具支持部中心）の実際のｙ座標 ｘa ：主軸先端位置の測位装置により計測されたｘ座標 ｙa ：主軸先端位置の測位装置により計測されたｙ座標 ａ：工具支持部の加速度の大きさ θ：工具支持部の加速度の曲座標表示における角度（加
速度の向き） ε：形状誤差の大きさ ｍx ：工具支持部を含めた、ｘ軸方向に平行移動する可
動体の質量 ａx ：工具支持部のリアルタイムに実測された加速度の
ｘ軸成分 Ｋx ：形状誤差εx の発生要因となる工作機械系のｘ軸
方向の弾性率 ｍy ：工具支持部を含めた、ｙ軸方向に平行移動する可
動体の質量 ａy ：工具支持部のリアルタイムに実測された加速度の
ｙ軸成分 Ｋy ：形状誤差εy の発生要因となる工作機械系のｙ軸
方向の弾性率 ｖ：工具支持部の速度の大きさ ｒ：加工円の半径
をそれぞれｘ軸成分、ｙ軸成分毎に（Ｆx ，Ｆy ），
（εx ，εy ）と表すことにすれば、次式（１）〜
（８）が成り立つ。ただし、その他の各変数の定義は、
以下の通りである。 （変数定義） ｘ：主軸先端位置（工具支持部中心）の実際のｘ座標 ｙ：主軸先端位置（工具支持部中心）の実際のｙ座標 ｘa ：主軸先端位置の測位装置により計測されたｘ座標 ｙa ：主軸先端位置の測位装置により計測されたｙ座標 ａ：工具支持部の加速度の大きさ θ：工具支持部の加速度の曲座標表示における角度（加
速度の向き） ε：形状誤差の大きさ ｍx ：工具支持部を含めた、ｘ軸方向に平行移動する可
動体の質量 ａx ：工具支持部のリアルタイムに実測された加速度の
ｘ軸成分 Ｋx ：形状誤差εx の発生要因となる工作機械系のｘ軸
方向の弾性率 ｍy ：工具支持部を含めた、ｙ軸方向に平行移動する可
動体の質量 ａy ：工具支持部のリアルタイムに実測された加速度の
ｙ軸成分 Ｋy ：形状誤差εy の発生要因となる工作機械系のｙ軸
方向の弾性率 ｖ：工具支持部の速度の大きさ ｒ：加工円の半径
【００１４】
【数１】 ε2 ＝εx 2 ＋εy 2 …（１）
【数２】 Ｆx ＝−ｍx ａx ＝Ｋx εx （ｘ軸方向慣性力） …（２）
【数３】 Ｆy ＝−ｍy ａy ＝Ｋy εy （ｙ軸方向慣性力） …（３）
【数４】 εx ＝−Ｃx ａx （Ｃx ≡ｍx ／Ｋx ） ＝ｘ−ｘa …（４）
【数５】 εy ＝−Ｃy ａy （Ｃy ≡ｍy ／Ｋy ） ＝ｙ−ｙa …（５）
【数６】 ａx ＝ａ cosθ …（６）
【数７】 ａy ＝ａ sinθ …（７）
【数８】 ε（θ）＝ａ｛（Ｃx ｃｏｓθ）2 ＋（Ｃy ｓｉｎθ）2 ｝1/2 …（８） ただし、ε（θ）の角θは、あくまでも上記の工具支持
部の加速度の向きを表すものであり、弾性変形による変
位（形状誤差ε）の方向とは必ずしも一致しない。
部の加速度の向きを表すものであり、弾性変形による変
位（形状誤差ε）の方向とは必ずしも一致しない。
【００１５】尚、上記のＣx 、Ｃy は、次式（９）を満
たす試験的な円加工、或いは試験的な円運動（空運転）
を実施することにより、式（10）、（11）の通りに求め
ることができる。
たす試験的な円加工、或いは試験的な円運動（空運転）
を実施することにより、式（10）、（11）の通りに求め
ることができる。
【数９】 ａ＝ｖ2 ／ｒ＝（一定） …（９）
【数１０】 Ｃx ＝ε（α）／ａ （α＝０，π） …（10）
【数１１】 Ｃy ＝ε（β）／ａ （β＝π／２，３π／２） …（11）
【００１６】即ち、半径ｒの円加工を行って、その際の
形状誤差εをθの関数ε（θ）として測定すれば、モデ
リングや数値計算などの複雑、或いは高度な解析技法を
用いてｍx 、Ｋx 、ｍy 、Ｋy の各値を個々に求めるこ
とが困難な場合でも、Ｃx ≡ｍx ／Ｋx 、Ｃy ≡ｍy ／
Ｋy の値を（10）、（11）により求めることが可能とな
る。
形状誤差εをθの関数ε（θ）として測定すれば、モデ
リングや数値計算などの複雑、或いは高度な解析技法を
用いてｍx 、Ｋx 、ｍy 、Ｋy の各値を個々に求めるこ
とが困難な場合でも、Ｃx ≡ｍx ／Ｋx 、Ｃy ≡ｍy ／
Ｋy の値を（10）、（11）により求めることが可能とな
る。
【００１７】また、ｍx 、ｍy を他の実験、測定、又は
モデリングによる近似計算により更に個別に求めれば、
Ｋx 、Ｋy をも個々に求めることができる。したがっ
て、前記のフィードバック制御において、式（４），
（５）を用いて、常時リアルタイムに実測されるフィー
ドバック位置ｘa に対する補正、或いは、位置指令値に
対する補正を加工時にリアルタイムに行えば、高速の曲
線加工の際にも所望の加工形状を得ることができる。
モデリングによる近似計算により更に個別に求めれば、
Ｋx 、Ｋy をも個々に求めることができる。したがっ
て、前記のフィードバック制御において、式（４），
（５）を用いて、常時リアルタイムに実測されるフィー
ドバック位置ｘa に対する補正、或いは、位置指令値に
対する補正を加工時にリアルタイムに行えば、高速の曲
線加工の際にも所望の加工形状を得ることができる。
【００１８】尚、工作機械に限ることなく、本発明は、
一般に、式（２）、（３）からも判る様に、被位置決め
体等の質量が大きな場合や、或いは、機械系の部分的弾
性変形に関する弾性率が小さな場合にも、上記と同様
に、一般のサーボ制御装置において大きな効果を発揮す
る。
一般に、式（２）、（３）からも判る様に、被位置決め
体等の質量が大きな場合や、或いは、機械系の部分的弾
性変形に関する弾性率が小さな場合にも、上記と同様
に、一般のサーボ制御装置において大きな効果を発揮す
る。
【００１９】また、単なる１次元空間におけるサーボ制
御においても、本発明の手段によれば、移動の遅れが補
正されるため、時間と位置との関係が問題となる場合に
は、現在の制御点の位置を正確に認識できるという効果
が得られる。即ち、タイミングを意識した同期制御を伴
う位置決めを制御するサーボ制御装置においては、時間
と位置との関係が問題となるため、この様な位置決め装
置が有用となる場合が考えられる。
御においても、本発明の手段によれば、移動の遅れが補
正されるため、時間と位置との関係が問題となる場合に
は、現在の制御点の位置を正確に認識できるという効果
が得られる。即ち、タイミングを意識した同期制御を伴
う位置決めを制御するサーボ制御装置においては、時間
と位置との関係が問題となるため、この様な位置決め装
置が有用となる場合が考えられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。 （第１実施例）図２及び図３に、本発明を適用する工作
機械の側面図及び正面図を示す。本工作機械は、互いに
直交する３軸を有するリニアモータ駆動式であり、その
主な構成要素は、ベース１０の前部に配置されたワーク
テーブル１１、ベース１０の後部に配置された固定フレ
ーム１５、固定フレーム１５の前側でベース１０及び固
定フレーム１５によりガイドされてｘ軸方向に水平移動
するガントリ２０、このガントリ２０により案内されて
ｙ軸方向に上下移動するサドル５０、サドル５０により
Ｚ方向に水平移動するラム６０（工具Ｔより成る被支持
物を支持する工具支持部）、ガントリ２０、可動体の一
部を構成しているサドル５０、ラム６０をそれぞれ移動
する電気リニアモータ３５、３７、５７、６７、及びラ
ム６０に回転自在に支持された工具主軸７１などであ
る。
基づいて説明する。 （第１実施例）図２及び図３に、本発明を適用する工作
機械の側面図及び正面図を示す。本工作機械は、互いに
直交する３軸を有するリニアモータ駆動式であり、その
主な構成要素は、ベース１０の前部に配置されたワーク
テーブル１１、ベース１０の後部に配置された固定フレ
ーム１５、固定フレーム１５の前側でベース１０及び固
定フレーム１５によりガイドされてｘ軸方向に水平移動
するガントリ２０、このガントリ２０により案内されて
ｙ軸方向に上下移動するサドル５０、サドル５０により
Ｚ方向に水平移動するラム６０（工具Ｔより成る被支持
物を支持する工具支持部）、ガントリ２０、可動体の一
部を構成しているサドル５０、ラム６０をそれぞれ移動
する電気リニアモータ３５、３７、５７、６７、及びラ
ム６０に回転自在に支持された工具主軸７１などであ
る。
【００２１】また、各軸方向のガイド機構は、ｘ軸方向
がガイドレール２９、３２、及びベアリングブロック３
０、３１、３３により、ｙ軸方向がガイドレール５３、
５５、及びベアリングブロック５４、５６により、Ｚ方
向が下部リニアガイド機構６１、及び上部リニアガイド
機構６２により、それぞれ構成されている。尚、図２の
記号Ｔ、及びＷはそれぞれ、工具、及び工作物を表して
いる。
がガイドレール２９、３２、及びベアリングブロック３
０、３１、３３により、ｙ軸方向がガイドレール５３、
５５、及びベアリングブロック５４、５６により、Ｚ方
向が下部リニアガイド機構６１、及び上部リニアガイド
機構６２により、それぞれ構成されている。尚、図２の
記号Ｔ、及びＷはそれぞれ、工具、及び工作物を表して
いる。
【００２２】図４に、本発明の作用を説明する簡易モデ
ルの物理概念図を示す。各数値符号は、各々上記図２又
は図３と同一の構成要素を示している。図２及び図３に
示す様にリニアモータ駆動式の工作機械を構成した場
合、工具又は工具を支持する工具支持部と各測位点（各
々図中の△印の位置）とが離れているため、その間の工
作機械系の部分的弾性変形により、測位誤差が生じる。
ルの物理概念図を示す。各数値符号は、各々上記図２又
は図３と同一の構成要素を示している。図２及び図３に
示す様にリニアモータ駆動式の工作機械を構成した場
合、工具又は工具を支持する工具支持部と各測位点（各
々図中の△印の位置）とが離れているため、その間の工
作機械系の部分的弾性変形により、測位誤差が生じる。
【００２３】また、ｙ軸方向の移動機構が、ｘ軸方向の
移動機構の内部に包括的に組み込まれる、いわゆる入れ
子構造をしているため、工作物の形状誤差εの、ｘ軸方
向の弾性変形量（形状誤差εx ）に寄与する可動体の質
量ｍx と、ｙ軸方向の弾性変形量（形状誤差εy ）に寄
与する可動体の質量ｍy とは大きく異なっている（ｍ x
＞ｍy ＞ｍ；ただし、ｍはラム６０の質量とする）。し
かしながら、本発明では、式（４）、（５）により、各
軸単位に形状誤差の補正を行うため、上記の様な弾性変
形量についての異方性が有っても、各軸対応に正確に補
正することができる。
移動機構の内部に包括的に組み込まれる、いわゆる入れ
子構造をしているため、工作物の形状誤差εの、ｘ軸方
向の弾性変形量（形状誤差εx ）に寄与する可動体の質
量ｍx と、ｙ軸方向の弾性変形量（形状誤差εy ）に寄
与する可動体の質量ｍy とは大きく異なっている（ｍ x
＞ｍy ＞ｍ；ただし、ｍはラム６０の質量とする）。し
かしながら、本発明では、式（４）、（５）により、各
軸単位に形状誤差の補正を行うため、上記の様な弾性変
形量についての異方性が有っても、各軸対応に正確に補
正することができる。
【００２４】図５に、本実施例の工作機械のハードウェ
ア構成図を示す。数値制御装置１００は、ＣＰＵ１０
１、メモリ１０２、サーボ制御装置との物理的インター
フェイスを取るインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０３、
入出力装置１０４等の主要構成要素を有する。ＣＰＵ１
０１は、各リニアモータに対応する測位装置（リニアス
ケール）により測定された工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座
標の各値（ｘ，ｙ，ｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して随時入
力する。
ア構成図を示す。数値制御装置１００は、ＣＰＵ１０
１、メモリ１０２、サーボ制御装置との物理的インター
フェイスを取るインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０３、
入出力装置１０４等の主要構成要素を有する。ＣＰＵ１
０１は、各リニアモータに対応する測位装置（リニアス
ケール）により測定された工具のｘ座標、ｙ座標、ｚ座
標の各値（ｘ，ｙ，ｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して随時入
力する。
【００２５】また、ＣＰＵ１０１は、補間演算により求
められた、次に到達すべき補間点の位置を与える差分量
の各値（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して、
ｘ軸サーボ制御装置２００、ｙ軸サーボ制御装置３０
０、及びｚ軸サーボ制御装置４００に対し各々随時出力
する。各軸のサーボ制御装置２００，３００，４００
は、差分量（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）により与えられた次の
補間点までの工具の移動を制御する。
められた、次に到達すべき補間点の位置を与える差分量
の各値（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）をＩ／Ｆ１０３を介して、
ｘ軸サーボ制御装置２００、ｙ軸サーボ制御装置３０
０、及びｚ軸サーボ制御装置４００に対し各々随時出力
する。各軸のサーボ制御装置２００，３００，４００
は、差分量（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）により与えられた次の
補間点までの工具の移動を制御する。
【００２６】図６に、本第１実施例におけるサーボ制御
装置の制御ブロックダイアグラムを示す。本制御ブロッ
クダイアグラムは、上記の工作機械のＸ１モータ制御部
２１０により制御されるｘ軸（リニアモータ３５）のあ
る１つの制御機構を示すものである。リニアモータ３５
には、リニアスケール（測位装置）３５ｃと、電流計３
８とが接続されており、リニアスケール３５ｃは主軸先
端位置のｘ座標（ｘa ）を出力し、電流計３８はリニア
モータ３５の加速電流ｉx を出力する。これにより、個
々の位置フィードバックループ、速度フィードバックル
ープ、電流フィードバックループがそれぞれ閉じて、位
置制御部２１１、速度制御部２１２、電流制御部２１３
によるサーボ制御が実現される。
装置の制御ブロックダイアグラムを示す。本制御ブロッ
クダイアグラムは、上記の工作機械のＸ１モータ制御部
２１０により制御されるｘ軸（リニアモータ３５）のあ
る１つの制御機構を示すものである。リニアモータ３５
には、リニアスケール（測位装置）３５ｃと、電流計３
８とが接続されており、リニアスケール３５ｃは主軸先
端位置のｘ座標（ｘa ）を出力し、電流計３８はリニア
モータ３５の加速電流ｉx を出力する。これにより、個
々の位置フィードバックループ、速度フィードバックル
ープ、電流フィードバックループがそれぞれ閉じて、位
置制御部２１１、速度制御部２１２、電流制御部２１３
によるサーボ制御が実現される。
【００２７】ただし、図中の各記号、変数の定義は、以
下の通りである。 （記号・変数の定義） Ｘ０：前回の位置指令値 Ｘ：今回の位置指令値（Ｘ＝Ｘ０＋ｄｘ） ΔＸ：位置偏差 Ｖx ：速度指令値 ｖx ：速度測定値 Ｉx ：加速電流指令値 ｉx ：加速電流測定値 Ｓ：微分作用素（フィードバックループの複素周波数、
又は、微分演算子） Ｓ-1：積分作用素（フィードバックループの複素周波数
の逆数、又は、積分演算子）
下の通りである。 （記号・変数の定義） Ｘ０：前回の位置指令値 Ｘ：今回の位置指令値（Ｘ＝Ｘ０＋ｄｘ） ΔＸ：位置偏差 Ｖx ：速度指令値 ｖx ：速度測定値 Ｉx ：加速電流指令値 ｉx ：加速電流測定値 Ｓ：微分作用素（フィードバックループの複素周波数、
又は、微分演算子） Ｓ-1：積分作用素（フィードバックループの複素周波数
の逆数、又は、積分演算子）
【００２８】弾性変形補償部８０１は、主軸先端位置の
ｘ軸方向の運動が、工作機械系のｘ軸方向の弾性変形量
εx に起因して、次式（12）に従うことをモデル化した
ものである。
ｘ軸方向の運動が、工作機械系のｘ軸方向の弾性変形量
εx に起因して、次式（12）に従うことをモデル化した
ものである。
【数１２】 ｆx ＝−Ｋx εx −ｘ′γx ＝ｍx ａx ＝ｍx ｘ″ …（12）
【００２９】ただし、ここで、ｆx は主軸先端に作用す
るｘ軸方向の力であり、ｘ′はｘの時間微分（速度）を
表すものである。また、γx は速度ｘ′に比例して主軸
先端に作用するｘ軸方向の外力を表すための定数で、摩
擦などの外乱の影響を加味するためのものである。尚、
図６中のλx は、本モデルに関する調整パラメータであ
り、λx ＝１の時、図６中のｘ1 ，εx1は、それぞれ前
記のｘ，εx と一致する。
るｘ軸方向の力であり、ｘ′はｘの時間微分（速度）を
表すものである。また、γx は速度ｘ′に比例して主軸
先端に作用するｘ軸方向の外力を表すための定数で、摩
擦などの外乱の影響を加味するためのものである。尚、
図６中のλx は、本モデルに関する調整パラメータであ
り、λx ＝１の時、図６中のｘ1 ，εx1は、それぞれ前
記のｘ，εx と一致する。
【００３０】即ち、次式（13）により定義される伝達関
数Ｇ１（弾性変形補償部８０１）は、λx ＝１の時、弾
性変形量εx を入力とすれば、上記の式（12）に従う主
軸先端位置のｘ軸座標（ｘ）を出力する。
数Ｇ１（弾性変形補償部８０１）は、λx ＝１の時、弾
性変形量εx を入力とすれば、上記の式（12）に従う主
軸先端位置のｘ軸座標（ｘ）を出力する。
【数１３】 Ｇ１≡−Ｋx ／｛Ｓ（ｍx Ｓ＋γx ）｝ …（13）
【００３１】従って、従来、位置フィードバックループ
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０１等の作用により、
弾性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値
ｘがフィードバックされる。これにより、機械系の弾性
変形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め
制御が可能となる。
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０１等の作用により、
弾性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値
ｘがフィードバックされる。これにより、機械系の弾性
変形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め
制御が可能となる。
【００３２】また、上記と同様の制御を図５に示したＸ
２モータ制御部２２０、Ｙ１モータ制御部３１０、Ｙ２
モータ制御部３２０においても並列に実行すれば、主軸
先端が予定経路（加工曲線）から外れることが無くなる
ため、工作機械系の部分的弾性変形による加工形状誤差
が補償される。従って、このように曲線加工における位
置決め制御を実施すれば、例えば、加工曲線が真円であ
る場合には、所望の真円加工を実現することができる。
２モータ制御部２２０、Ｙ１モータ制御部３１０、Ｙ２
モータ制御部３２０においても並列に実行すれば、主軸
先端が予定経路（加工曲線）から外れることが無くなる
ため、工作機械系の部分的弾性変形による加工形状誤差
が補償される。従って、このように曲線加工における位
置決め制御を実施すれば、例えば、加工曲線が真円であ
る場合には、所望の真円加工を実現することができる。
【００３３】（第２実施例）図７に、本第２実施例にお
けるサーボ制御装置の制御ブロックダイアグラムを示
す。本制御ブロックダイアグラムは、上記の第１実施例
における工作機械のＸ１モータ制御部２１０のその他の
制御機構を示すものである。
けるサーボ制御装置の制御ブロックダイアグラムを示
す。本制御ブロックダイアグラムは、上記の第１実施例
における工作機械のＸ１モータ制御部２１０のその他の
制御機構を示すものである。
【００３４】弾性変形補償部８０２は、工作機械系のｘ
軸方向の弾性変形量εx が、前記式（４）に従うことを
モデル化したものである。即ち、次式（14）により定義
される伝達関数Ｇ２（弾性変形補償部８０２）は、速度
測定値ｖx を入力としたとき、式（４）に従う弾性変形
量εx を出力する。
軸方向の弾性変形量εx が、前記式（４）に従うことを
モデル化したものである。即ち、次式（14）により定義
される伝達関数Ｇ２（弾性変形補償部８０２）は、速度
測定値ｖx を入力としたとき、式（４）に従う弾性変形
量εx を出力する。
【数１４】 Ｇ２≡−Ｃx Ｓ …（14） 尚、本実施例においては簡単のため、第１実施例におけ
るγx の値が０、λxの値が１であるモデルを採用し
た。
るγx の値が０、λxの値が１であるモデルを採用し
た。
【００３５】従って、従来、位置フィードバックループ
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０２の作用により、弾
性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値ｘ
がフィードバックされる。これにより、機械系の弾性変
形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め制
御が可能となり、第１実施例と同様の効果が得られる。
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０２の作用により、弾
性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値ｘ
がフィードバックされる。これにより、機械系の弾性変
形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め制
御が可能となり、第１実施例と同様の効果が得られる。
【００３６】（第３実施例）図８に、本第３実施例にお
けるサーボ制御装置の制御ブロックダイアグラムを示
す。本制御ブロックダイアグラムは、上記の第１又は第
２実施例における工作機械のＸ１モータ制御部２１０の
その他の制御機構を示すものである。
けるサーボ制御装置の制御ブロックダイアグラムを示
す。本制御ブロックダイアグラムは、上記の第１又は第
２実施例における工作機械のＸ１モータ制御部２１０の
その他の制御機構を示すものである。
【００３７】弾性変形補償部８０３は、工作機械系のｘ
軸方向の弾性変形量εx が、次式（15）に従うことをモ
デル化したものである。
軸方向の弾性変形量εx が、次式（15）に従うことをモ
デル化したものである。
【数１５】 εx ＝−Ｃx ａx ＝−Ｃx （μx ｉx ） …（15） ただし、ここで、μx は、主軸先端位置の加速度のｘ軸
成分ａx の加速電流測定値ｉx に関する比例関係を表す
比例定数である。
成分ａx の加速電流測定値ｉx に関する比例関係を表す
比例定数である。
【００３８】即ち、次式（16）により定義される伝達関
数Ｇ３（弾性変形補償部８０３）は、加速電流測定値ｉ
x を入力としたとき、式（15）に従う弾性変形量εx を
出力する。
数Ｇ３（弾性変形補償部８０３）は、加速電流測定値ｉ
x を入力としたとき、式（15）に従う弾性変形量εx を
出力する。
【数１６】 Ｇ３≡−Ｃx μx …（16） 尚、本実施例においては簡単のため、第１実施例におけ
るγx の値が０、λxの値が１であるモデルを採用し
た。
るγx の値が０、λxの値が１であるモデルを採用し
た。
【００３９】従って、従来、位置フィードバックループ
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０３の作用により、弾
性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値ｘ
がフィードバックされる。これにより、機械系の弾性変
形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め制
御が可能となり、第１又は第２実施例と同様の効果が得
られる。
におけるフィードバック値として、リニアスケール３５
ｃの出力値ｘa をそのまま返していたのに対し、本実施
例においては、弾性変形補償部８０３の作用により、弾
性変形分だけ補正された主軸先端位置のｘ軸座標の値ｘ
がフィードバックされる。これにより、機械系の弾性変
形による遅れが補償され、従来よりも正確な位置決め制
御が可能となり、第１又は第２実施例と同様の効果が得
られる。
【００４０】尚、上記の各実施例においては、簡単のた
め、ｘｙ平面上での曲線加工について、具体的な加工手
段を示したが、これらの曲線加工は三次元空間において
も、本発明の手段により実施することができ、この場合
にも、本発明の作用により本発明の効果を得ることがで
きる。
め、ｘｙ平面上での曲線加工について、具体的な加工手
段を示したが、これらの曲線加工は三次元空間において
も、本発明の手段により実施することができ、この場合
にも、本発明の作用により本発明の効果を得ることがで
きる。
【００４１】また、上記の各実施例においては、簡単の
ため、ｘ軸とｙ軸とが直交している場合について示した
が、式（４）、（５）に示した様な互いに独立した関係
が得られれば、本発明の手段を適用することができる。
従って、この様な場合にも、本発明の作用により本発明
の効果を得ることができる。
ため、ｘ軸とｙ軸とが直交している場合について示した
が、式（４）、（５）に示した様な互いに独立した関係
が得られれば、本発明の手段を適用することができる。
従って、この様な場合にも、本発明の作用により本発明
の効果を得ることができる。
【００４２】また、単なる１次元空間におけるサーボ制
御においても、本発明の手段によれば、移動の遅れが補
正されるため、時間と位置との関係が問題となる場合に
は、現在の制御点の位置を正確に認識できるという効果
が得られる。即ち、タイミングを意識した同期制御を伴
う位置決めを制御するサーボ制御装置においては、時間
と位置との関係が問題となるため、この様な位置決め装
置が、単なる１次元空間におけるサーボ制御において
も、有用となる場合が考えられる。
御においても、本発明の手段によれば、移動の遅れが補
正されるため、時間と位置との関係が問題となる場合に
は、現在の制御点の位置を正確に認識できるという効果
が得られる。即ち、タイミングを意識した同期制御を伴
う位置決めを制御するサーボ制御装置においては、時間
と位置との関係が問題となるため、この様な位置決め装
置が、単なる１次元空間におけるサーボ制御において
も、有用となる場合が考えられる。
【００４３】また、本発明は、工作機械に限らず、例え
ば産業用ロボット等の各種位置決め装置の機械的動作を
制御する一般のサーボ制御装置に適用することができ、
特に、本発明は、被位置決め体の大きな速度又は加速度
に伴う機械系の部分的弾性変形による被位置決め体の移
動の遅れ或いは予定経路からのズレを補正するサーボ制
御装置又は位置決め装置として大きな効果を発揮する。
ば産業用ロボット等の各種位置決め装置の機械的動作を
制御する一般のサーボ制御装置に適用することができ、
特に、本発明は、被位置決め体の大きな速度又は加速度
に伴う機械系の部分的弾性変形による被位置決め体の移
動の遅れ或いは予定経路からのズレを補正するサーボ制
御装置又は位置決め装置として大きな効果を発揮する。
【図１】本発明の作用を一般的に説明する物理概念図。
【図２】本発明の各実施例に係わる工作機械を示す側面
図。
図。
【図３】本発明の各実施例に係わる工作機械を示す正面
図。
図。
【図４】本発明の作用を工作機械を用いて説明する簡易
モデルの物理概念図。
モデルの物理概念図。
【図５】本発明の各実施例に係わる工作機械のハードウ
ェア構成図。
ェア構成図。
【図６】本発明の第１実施例におけるサーボ制御装置の
制御ブロックダイアグラム。
制御ブロックダイアグラム。
【図７】本発明の第２実施例におけるサーボ制御装置の
制御ブロックダイアグラム。
制御ブロックダイアグラム。
【図８】本発明の第３実施例におけるサーボ制御装置の
制御ブロックダイアグラム。
制御ブロックダイアグラム。
【図９】従来技術におけるサーボ制御装置の制御ブロッ
クダイアグラム。
クダイアグラム。
８０１，８０２，８０３ … 弾性変形補償部 ２００，３００，４００ … サーボ制御装置 ２１０ … Ｘ１モータ制御部 ２１１ … 位置制御部 ２１２ … 速度制御部 ２１３ … 電流制御部 １００ … 数値制御装置 ６０ … ラム（工具支持部） Ｔ … 工具 Ｗ … 工作物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） ９Ａ００１ Ｆターム(参考） 3C001 KA01 TA01 TB01 TC02 TD01 3F059 DA07 DA08 DC00 FB17 FB29 5H004 GA05 GB15 HA07 HB07 HB08 HB09 HB14 JA04 JA13 JA22 KB37 KB39 KC33 LA18 LA20 5H269 AB01 AB33 BB03 CC02 CC17 EE06 FF06 GG01 GG08 MM06 NN07 NN16 5H303 AA01 BB01 BB02 BB03 BB06 BB07 BB08 BB12 CC08 DD04 EE03 FF03 JJ01 JJ09 KK11 KK18 KK20 MM05 9A001 HH34 HZ19 HZ34 KK32 KZ29
Claims (4)
- 【請求項１】 位置指令値とフィードバック位置との偏
差が０となる様に被位置決め体の位置を制御するサーボ
制御装置において、前記フィードバック位置を前記被位
置決め体の質量と、 前記被位置決め体と共に所定方向に移動する可動体の質
量と、 前記被位置決め体及び前記可動体の弾性率と、 前記被位置決め体又は前記可動体の前記所定方向のリア
ルタイムに実測された加速度成分に基づいて補正する位
置指令値補正手段を備えたことを特徴とするサーボ制御
装置。 - 【請求項２】 前記加速度成分は、前記所定方向の位置
フィードバック値、速度フィードバック値、又は電流フ
ィードバック値から求められることを特徴とする請求項
１に記載のサーボ制御装置。 - 【請求項３】 複数のサーボ制御装置により二次元又は
三次元空間における位置決め制御を行う位置決め装置に
おいて、少なくとも２方向以上の位置決め制御を各制御
軸毎に、 請求項１又は請求項２に記載のサーボ制御装置により、 並列に、実行することを特徴とする位置決め装置。 - 【請求項４】 互いに直交する２軸又は３軸を有するリ
ニアモータ駆動式の工作機械を制御することを特徴とす
る請求項３に記載の位置決め装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13224499A JP2000322116A (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | サーボ制御装置及び位置決め装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13224499A JP2000322116A (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | サーボ制御装置及び位置決め装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000322116A true JP2000322116A (ja) | 2000-11-24 |
Family
ID=15076748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13224499A Pending JP2000322116A (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | サーボ制御装置及び位置決め装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000322116A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004188541A (ja) * | 2002-12-11 | 2004-07-08 | Yamazaki Mazak Corp | 工作機械の送り軸パラメータ調整システム |
| JP2010108399A (ja) * | 2008-10-31 | 2010-05-13 | Okuma Corp | 数値制御機械の位置制御装置 |
| JP2011003137A (ja) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | サーボ制御装置 |
| JP2018536241A (ja) * | 2015-12-02 | 2018-12-06 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | 機械、特に工作機械又は製造機械の動力伝達系の剛性の決定方法 |
| JP7278507B1 (ja) * | 2022-07-14 | 2023-05-19 | 三菱電機株式会社 | 数値制御装置、数値制御工作機械、加工プログラム生成装置および加工プログラム生成方法 |
-
1999
- 1999-05-13 JP JP13224499A patent/JP2000322116A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004188541A (ja) * | 2002-12-11 | 2004-07-08 | Yamazaki Mazak Corp | 工作機械の送り軸パラメータ調整システム |
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| JP2011003137A (ja) * | 2009-06-22 | 2011-01-06 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | サーボ制御装置 |
| US8723472B2 (en) | 2009-06-22 | 2014-05-13 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Servo control device |
| JP2018536241A (ja) * | 2015-12-02 | 2018-12-06 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | 機械、特に工作機械又は製造機械の動力伝達系の剛性の決定方法 |
| US10481578B2 (en) | 2015-12-02 | 2019-11-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Determining the rigidity of a drivetrain of a machine, in particular a machine tool or production machine |
| JP7278507B1 (ja) * | 2022-07-14 | 2023-05-19 | 三菱電機株式会社 | 数値制御装置、数値制御工作機械、加工プログラム生成装置および加工プログラム生成方法 |
| WO2024013955A1 (ja) * | 2022-07-14 | 2024-01-18 | 三菱電機株式会社 | 数値制御装置、数値制御工作機械、加工プログラム生成装置および加工プログラム生成方法 |
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|
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|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20041206 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
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