JP2005513666A - 工作機械などの軸制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 工作機械などのモータ軸を制御する方法を提供する。
【解決手段】 軸制御方法は、初期速度、ステップ数および最終速度というパラメータから出発して、各軸の経路を、定時毎の各軸の一連の相対位置データおよび付勢状態から演算する工程と、各軸につき、初期速度、ステップ数および最終速度を含む三次元マトリックスを定義する工程と、波形に従って軸を駆動する工程とを含む。三次元テーブルの要素は、３つのパラメータの空間における交点から構成され、対応する波形を記述するベクトルを特定するのに好適なアドレスを含む。

Description

本発明は、工作機械などの特に軸制御のための波形を発生させる方法および装置に関する。

公知のように、一般に、２つのタイプの軸制御システムが現在市販されている。すなわち、閉ループおよび開ループである。
第１のタイプの制御システムは、一般にブラシレスモータまたはトルクモータまたは直流モータに適用され、この制御システムは、瞬時毎に現在位置を判別し、現在位置を予想位置と比較し、更に、最小の発生可能誤差をもって次の点に到達するようにトルクを変化させ、これにより移動を行うものになっている。

上記の解決策は経路再現性が低いという特性があり、関与する軸数および相互に補間される軸数が大（例えば８や１０）になると、経路再現性の低下が重大な問題になる。
経路再現性を向上させるには、経路を構成する点の密度を増大させることが唯一の解決策であるが、この場合、関与するトルクや振動が相当増大することがある。
コントローラは非常に多数のパラメータを吟味しなければならず、関与する全ての軸の誤差を抑制することができなくなるおそれがあり、システムの不安定化や故障を招くことになる。

開ループタイプである第２の制御システムでは、通常、ステップモータが使用される。開ループシステムは誤差を最小化するものではなく、ある瞬時に特定位置に到達させようとする場合、その瞬時に当該位置に確実に到達するとの前提から出発するものになっている。このシステムが、突然の且つ予期しないコントラストトルクの変動に対して特に弱点を有することは明らかであるが、この様な欠点を別として、経路の管理が適切であれば、同システムによって高い再現性を得ることができる。

現在市販されている閉ループコントローラは、一般的な用途に好適するよう、関与する全ての動的変数（速度、加速度、質量など）に関連する非常に多数のパラメータにより特徴づけられ、また、経路補正規準、実用上はＰＩＤ（比例、積分、微分）制御のパラメータつき動的成分により特徴づけられる。
従って、この解決策は、コントローラが必要な演算を全て実行できるほど介在時間すなわち補正時間が長い場合にのみ好適する。

一方、開ループコントローラは、位置決めが常に正確であることを前提として、設定経路のみを実施するものとなっており、誤差に応じた補正は何ら行われない。
開ループシステムにおいても、経路の向上を企図してパラメータが増え続けており、その結果、制御に支障を来すようになっている。
本発明の目的は、多数の基本軸の組合せにより空間での調和運動を実現可能とする、特に軸制御のための波形を発生する方法および装置を提供することにある。

上記目的の範囲内で、本発明の目的は、非常に多数の点列により一意経路が保証された場合、ミリ秒オーダのレートの調和運動を実現できると共に前記経路を実施する装置を見出せるようにする軸制御方法および装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、信頼性が高く、比較的簡易に提供され、コスト競争力のある軸制御方法および装置を提供することにある。

上記の目的および後述の説明から明らかとなる別の目的は、工作機械などの特にモータの軸を制御するための波形を発生させる方法により達成される。この方法は、
初期速度、ステップ数および最終速度というパラメータから出発して、各軸の経路を、定時毎の各軸の一連の相対位置データおよび付勢状態から演算する工程と、
三次元マトリックスを定義する工程と、
波形に応じて軸を駆動する工程とを備え、
前記三次元マトリックスは、各軸につき、初期速度、ステップ数および最終速度を含み、三次元テーブルの各々の要素は、前記３つのパラメータの空間における交点により構成され、対応する波形の記述に好適するベクトルを特定するのに好適なアドレスを含むものになっている。

更なる特徴および利点は、添付図面に非限定的な例として図示した本発明による方法および装置の好適であるが限定的ではない実施形態の記載から明らかになる。

添付図面を参照すると、本発明の軸制御方法は次の工程を備えている。
ここで、点列発生器たとえばビジョンシステムが利用可能であり、この点列発生器は時刻ｔｉに発生される一組の点を出力するものと仮定する。
従って、これらの点はベクトルＰｉ（Ｘ１ｉ，Ｘ２ｉ，・・・，Ｘｎｉ，Ｔｉ）を構成する。本発明の制御方法を用いる制御装置は、上記の点列を入力し、ｎ次元経路を構成しなければならず、移動の実行可能性を担保するように、すなわち、移動を実行可能なように、先行セグメントおよび後行セグメントをもつ第ｉセグメントを調整するものになっている。

既に到達済みの初期位置から出発して、工作機械の全ての軸が設定時間（例えば２０ミリ秒毎）にとるべき相対位置は、点列発生器から発生する。実行されるべきプロセスに特有な付勢値は、各軸が設定時刻にとるべき各々の相対位置に関連づけられている。
調和運動を達成するため、相対移動データを、前の移動データ項目および次の移動データ項目に関連づける必要があり、各移動は、その符号とは関係なく、３つのデータにより特徴づけられる。３つのデータのうちの一つは既知であって、移動それ自体である。他の２つのデータは初期速度および最終速度である。

従って、一つの軸の各々の相対位置は、３つの値すなわち初期速度、移動および最終速度によって特徴づけられる。すなわち、これら３つのパラメータにより特徴づけられる三次元テーブルを生成することができる。
三次元テーブルにおいて特定される要素は、アドレスを含む。このアドレスは、動作モードを含めてモータドライバに送出されるべき波形の詳細な記述を含むベクトルを特定するものになっている。特定されたベクトルは、ベクトルのテーブルの一部をなす。上述の３つのパラメータの交点によって三次元テーブルにおいて見つけられたアドレスにより、このベクトルを特定することができる。各アドレスに対するベクトルが存在する。各アドレスは、三次元テーブルにおいて、初期速度、最終速度および移動という３つの特定のパラメータの交点により求められる。

完全なベクトルテーブルは、初期速度、最終速度、および、多数のステップすなわち移動という３つのパラメータにより追跡可能な経路の全てを含み、この様な完全なベクトルテーブルは非常に大きなものになる。従って、完全なベクトルテーブルの生成には、全ての基本経路を演算するプログラムが必要になる。
一旦テーブルが演算されると、プログラムを走らせてプログラムをチェックし、また、随意にプログラムを修正することができる。その様なプログラムは、全ての経路を厳格に吟味し、また、随意には経路を修正するものになっている。

最終的なテーブルは、関連する質量、モータの電力レベル、摩擦および幾何形態を考慮していないので、単に理論的なものである。従って、制御装置を適用すべき工作機械の初期化中、ステップのロスを管理し、また、工作機械の軸移動中、受容可能性の時間ウインドウの境界を越えるというような矛盾があればその様な矛盾を管理する回路を用いることにより、全ての経路を一つずつテストすると共に全ての経路の有効性を確認する必要がある。

本発明による方法は、時刻Ｔｉ毎に相対位置データおよび付勢状態を取得する第１の工程を備える。
この時点において、好適なプログラムが、各軸の経路を演算し、また、各軸を特定するビットワードを制御装置に転送する。
すなわち、各軸のアドレス、移動の方向、付勢の状態、および、有効性確認済みのテーブルにおけるベクトルのアドレスを転送する。

この時点で、実行は制御装置に移る。
上記の理論的なテーブルの作成は、初期速度、ステップ数（すなわち移動）および最終速度というパラメータから出発して、信号のベクトルを記述したテーブルを発生させる工程を備える。
次いで、実際の移動がチェックされ、理論的テーブルが有効性確認済みのテーブルになる。有効性確認済みのテーブルは、関連する質量と、摩擦と、実際に生じるがテーブル作成の理論ステップでは考慮されなかった全ての状況とを考慮する。

従って、この有効性確認ステップにより、新たなテーブルが生成されることになる。新たなテーブルにより、初期速度、移動および最終速度という３つの初期データから、有効性確認済みテーブルのアドレスを求めることができる。
理論的テーブルは、初期速度、ステップ数および最終速度という３つのパラメータにより追跡可能な全ての経路を記述するテーブルであり、従って、非常に大きなものである。

理論的テーブルは、上記のベクトルテーブルであり、このベクトルテーブルは、初期速度、移動および最終速度という３つのパラメータを含む三次元テーブルによって特定される。
添付図面は、本発明の方法で使用される装置のブロック図である。同図において、たとえば、駆動すべき軸が１２８個あることが前提となっており、これに対応して１２８個のモータ１４が備えられている。

従って、使用されるビット数は使用されるモータ数のみに相関すると解すべきである。このように１２８個のモータを備える場合、１２８までの数を特定可能とする７ビットジャンプにより、移動すべき軸のアドレスの選択を行うことができる。
モータ数が異なる場合、使用するビット数を勿論変更することになる。
添付図面は２つの部分に分割される。Ａ部分は、外界すなわちＢ部分の駆動に用いられるパーソナルコンピュータを表し、Ｂ部分は、本発明の装置が実装され対応する方法を実行可能とするボードを表している。

使用されるパーソナルコンピュータは、参照符号１で示したデータ項目ここでは７ビットのデータ項目と、参照符号２で示したワードここでは３２ビットのワードとを送出する。データ項目は、移動すべき軸のアドレスを表す。ワードの最初の３ビットは移動方向と２つの出力信号（付勢指令など）を含む。また、次の２９ビットは、参照符号３で示したＥＰＲＯＭメモリ内のベクトルのアドレスを含み、このアドレスは、先に定義された三次元テーブル（初期速度、最終速度およびステップ数）から得られる。ＥＰＲＯＭメモリは、本発明の方法を実施するのに好適な装置の一部をなす。ベクトルは、軸のアドレス１により選択された軸によって実行されるべき基本移動を表している。

ワード２は、軸選択のための７ビットデータ項目１によりアドレス指定される一時メモリ４に入力される。特別な場合、各モータあたり一つである１２８個の一時メモリが利用可能であり、パーソナルコンピュータにより出力されたデータを一時メモリに書き込む必要がある。
ラッチ要素５及びカウンタ６は、各々の一時メモリ４に関連づけられている（記載を簡略にするため、図２では複数の一時メモリを単一のブロックで図示するが、ここではこのブロックは１２８の別個のブロックに分割されていることに留意されたい）。本例において、ラッチ要素は３ビットタイプであり、カウンタは２９ビットカウンタである。一時メモリ４に含まれるデータ項目は、追加カウンタ７がゼロに等しくなる度にラッチ５およびカウンタに直ぐに入る。追加カウンタ７は、軸Ｘの移動のベクトルを構成する残ワードをカウントするのに好適である。

装置のボードの上記部分は非同期であり、パーソナルコンピュータにより駆動される。
一方、後述の部分は同期し、タイミングに関しては第１の部分との相関は全くない。
第２のカウンタ１０は、７つの高位ビットがボードに存在する全ての軸のモジュール１００を一つずつ選択することにより１２８個の構成を順次定義し且つ３つの低位ビットが一つの設定構成を有する１０ビットカウンタの場合、参照符号１１で示す書き込み位置信号を送出する。

カウントされるとき、第２のカウンタは、第１のカウンタ６を選択し、また、メモリ３内のベクトルの第１の要素、カウンタ７、レジスタ８および２つのラッチ要素５，６をアドレス指定する。
カウンタ７がゼロに等しければ、信号１１が到来すると、メモリ３において特定されたデータ項目がカウンタ７に入り、カウンタ６が１だけインクリメントされる。一方、カウンタ７がゼロでないと共にレジスタ８が空であれば、メモリ３内のデータ項目がレジスタ８に書き込まれ、ラッチ要素５内のデータ項目が第２のラッチ要素６に書き込まれ、第１のカウンタ６が１だけインクリメントされ、また、カウンタ７が１だけデクリメントされる。

最後に、カウンタ７がゼロに等しく且つレジスタ８が空でなければ、何も起こらず、本装置は、アドレス１の選択により実行される、軸に関する次の選択に待機する。
この時点で、データをアクチュエータに転送しなければならず、この転送は非同期で生じる。
第４のカウンタ１２がゼロであるとき、ラッチ要素６およびレジスタ８はデータ項目を作成し、このデータ項目を第４のカウンタ１２に転送することに加えて、駆動されるべきモータに関連するアクチュエータ１３にデータ項目を転送する。

要素４〜９及び１２〜１３の各一つは、駆動すべきモータの各一つに対して存在する。
ベクトルテーブルは、経路を示すことに加えて、各経路につきモータのドライバの付勢のモードを示す。このモードは、ハーフステップ、フルステップまたはマイクロステップモードでのモータの動作を定める。
本発明の軸制御方法および装置によれば、多数の基本軸の組合せにより空間において調和運動を得ることができ、従って、軸制御方法および装置により上述の目的を達成可能であることが分かった。公知技術の装置に対して非常に簡易な演算によって、調和運動が得られる。

この様な創案に係る本方法および装置は種々に変形可能であり、変形例の全ては特許請求の範囲内に入る。詳細部分については技術的に等価な要素で置き換えてもよい。
本願の優先権主張の基礎となるイタリア特許出願第ＭＩ２００１Ａ００２７９８号の開示を引用合体することとする。

本発明による軸制御装置の一実施形態のブロック図である。

符号の説明

１ データ項目
２ ワード
３ EPＲＯＭメモリ
４ 一時メモリ
５ ラッチ要素
６ 第１のカウンタ
７ 追加カウンタ
８ レジスタ
１０ 第２のカウンタ
１１ 書き込み位置信号
１２ 第４のカウンタ
１３ アクチュエータ

Claims (6)

1. 初期速度、ステップ数および最終速度というパラメータから出発して、各軸の経路を、定時毎の各軸の一連の相対位置データおよび付勢状態から演算する工程と、
   各軸につき、初期速度、ステップ数および最終速度を含む三次元マトリックスを定義する工程と、
   波形に従って前記軸を駆動する工程とを備え、
   三次元テーブルの各要素は、前記３つのパラメータの空間における交点により構成され、対応する波形を記述したベクトルを特定するアドレスを含む
   ことを特徴とする、工作機械などのモータの軸を制御するための波形を発生させる方法。
2. 各軸の経路を演算する工程が、各軸につきビットワードを転送する工程を含み、
   前記ビットワードは、前記軸のアドレス、移動の方向、少なくとも一つの付勢出力の状態、および、経路ベクトルテーブルにおける経路ベクトルのアドレスを特定する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 初期速度、ステップ数および最終速度というパラメータから出発して、前記経路ベクトルテーブルを発生させることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記経路ベクトルテーブルを発生させる工程が、前記軸の実際の経路をチェックし且つ前記ベクトルテーブルを有効性確認済みのベクトルテーブルとする追加の工程を備えることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記モータの付勢のために、対応するモータのドライバに前記波形ベクトルを送出すべきことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 前記３つのパラメータの組により定義される前記三次元テーブルの要素が、前記経路ベクトルテーブルのベクトルを特定するアドレスを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。

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