JP2006053948A - 機械制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 先端に重量物が取り付けられた長尺のアームを移動させるような場合でも、振動を伴うことなく目標位置に停止させる機械制御装置を提供する。
【解決手段】 補償要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、位置指令装置９と位置制御装置８との間に補償要素１０を配置することにより、重量物１を振動させることなく停止させるための補償位置指令値を出力するようにした機械制御装置を実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御対象機械を目標位置へ移動させて停止させるための機械制御装置に関し、特に、停止時の慣性力による制御対象機械の振動を抑制するようにした機械制御装置に関する。

移動を伴う機械装置は従来からも各種存在しているが、このうち図１４で示すような長尺のアームの先端に搭載された重量物を搬送する機械を制御する機械制御装置には特有の問題がある。以下、このような問題点について説明する。
ここで、図１４は従来技術の機械制御装置の構成図、図１５は機械制御装置の動作を説明する説明図であり、図１５（ａ）は時間−速度線図、図１５（ｂ）は時間−位置線図である。

図１４に示す機械制御装置は、重量物１と、アーム２と、スライド移動部３と、スライドレール部４と、モータ５と、カップリング６と、送りねじ７と、位置制御装置８と、位置指令装置９とを備えている。
このうち、重量物１、アーム２、スライド移動部３、スライドレール部４、モータ５、カップリング６、及び送りねじ７は、制御対象機械として包括されるものである。

続いて、各部の動作・機能について概略説明する。
スライドレール部４は、スライド移動部３が図１４の左右の移動方向にのみ移動するように拘束する。更に、スライドレール部４とスライド移動部３との接触部は低摩擦であり、スライド移動部３がスライドレール部４上を滑らかに移動できるようになされている。
また、モータ５の出力軸はカップリング６を介して送りねじ７と連結され、この送りねじ７は、スライド移動部３に取り付けられた図示しないねじ部内に螺挿されている。

このモータ５が送りねじ７を回転駆動することにより、スライド移動部３が図１４の左右方向へ移動する。モータ５には制御回路及びモータドライバを含む位置制御装置８が接続されており、この位置制御装置８は位置指令装置９から送信された位置指令値に応じて位置制御を行う。

このような位置制御がなされるスライド移動部３には、長尺のアーム２が取り付けられており、このアーム２の先端には重量物１が取り付けられている。スライド移動部３の位置制御によりアーム２の先端の重量物１も位置制御されることとなる。

続いて、このような機械制御装置における制御方法について説明する。
スライド移動部３を移動させる場合、図１５（ａ）で示すように、時間ａ〜時間ｂでは、所定加速度でスライド移動部３の移動速度を増大させ、時間ｂ〜時間ｃでは一定速度でスライド移動部３を移動させ、時間ｃ〜時間ｄでは所定減速度でスライド移動部３の移動速度を低下させ、最終的には時間ｄで目標位置に達したスライド移動部３を移動停止させる。位置指令装置９は、スライド移動部３がこのような速度で移動するように時々刻々と変化する位置指令値Ｕ（ｓ）を出力する。なお、Ｕ（ｓ）はラプラス変換変数を用いる関数として表現する。

このような位置指令値Ｕ（ｓ）は、位置制御装置８へ入力される。スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）と表し、また、位置制御装置８からモータ５、送りねじ７、スライド移動部３までを含む伝達関数をＧ（ｓ）とすると、Ｘｍ（ｓ）は次式のように表される。

このような機械制御装置では、スライド移動部３は、位置指令値Ｕ（ｓ）に応じて図１８（ａ）で示したような移動速度で移動して時間ｄで移動が停止することとなり、重量物１が所定の目標位置に搬送されることとなる。
従来技術の制御対象機械は、位置制御装置８によって上記のように制御される。

このような機械制御装置では、位置制御装置８及び制御対象機械の伝達関数Ｇ（ｓ）を最適に設計することで目標位置へスライド移動部３を正確に移動させる制御を実現可能であるが、スライド移動部３に取り付けられたアーム２はたわみが生じた状態で移動し、スライド移動部３が目標位置で停止した場合でも、アーム２の先端にある重量物１は自らの慣性力によりアーム２をたわませて指令位置より先に進み、スライド移動部３が目標位置で停止した後も、即座に停止せずに振動する場合がある。このため、アーム２の先端に取り付けられた重量物１の位置を制御することは従来では難しかった。

具体的には、図１５（ａ）で示すように、所定減速度で減速させて最終的に時間ｄで目標位置で停止させるようにスライド移動部３を制御すると、スライド移動部３は図１５（ｂ）の斜め方向に降りる実線で示すように指令位置で停止するにも拘わらず、重量物１は図１５（ｂ）の斜め方向に降りる点線で示すように目標位置を中心とした振動を生じてしまう。このような重量物１の位置であるＸｗ（ｓ）は、スライド移動部３の位置であるＸｍ（ｓ）を用いて伝達関数として表示すると次式のようになる。

ここで、Ｋｓはアーム２のバネ定数であり、Ｗは重量物１の質量である。
以上の数式１，２をまとめて、機械制御装置の全体システムを表すと次式のようになる。

この重量物１の移動に関する伝達関数は、ラプラス平面上で以下に示すような極を有している。

伝達関数が数式４のような極を有する場合、重量物１の位置は正弦波状の振動波形で移動することが知られ、次式で示すような周波数で振動する。

このように、重量物１は図１５（ｂ）の点線で示すように目標位置に到達した後も振動し、すぐには整定しない。
従って、スライド移動部３が目標位置で停止したときに、スライド移動部３の元位置は指令通りに停止するが、アーム２の先端位置にある重量物１は、目標位置を中心とした振動を生じてしまうという問題があった。つまり、重量物１が直ちに停止しないため、停止するまでの時間が損失時間となっていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、先端に重量物が取り付けられた長尺のアームを移動させて目標位置に停止させるような場合に、停止時の振動を抑制することができる機械制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、位置指令値から加速度成分に相当する補正量を求める手段と、前記補正量を位置指令値に加算する手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、位置指令値を出力する位置指令装置と、位置指令値の２階微分値を得る微分手段と、前記微分手段から出力された２階微分値に対しゲイン定数を乗算するゲイン手段と、前記ゲイン手段から出力された補正量と前記位置指令値とを加算して補償位置指令値を出力する加算手段と、前記加算手段から出力された補償位置指令値が入力される位置制御装置と、前記位置制御装置の制御により目標位置へ移動するように制御される制御対象機械と、を備えたものである。

請求項３に記載した発明は、振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、位置指令値から加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。

請求項４に記載した発明は、振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、位置指令値からその４階微分値に相当する補正量を求める手段と、前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。

請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した機械制御装置において、前記補正量を求める手段に入力される指令値の微分値が、一定値から緩やかに増加または減少する特性を有するものである。

本発明によれば、先端に重量物が取り付けられた長尺のアームを移動させるように剛性の弱い機械を移動させる場合でも、振動を伴うことなく短時間で目標位置に停止させることが可能な機械制御装置を提供することができる。

以下、本発明の機械制御装置の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１実施形態の構成図であり、請求項１，２に記載した発明の実施形態に相当する。図２は、請求項２における微分手段、ゲイン手段、加算手段からなる補償要素の説明図である。図３は機械制御装置の動作を説明する説明図であって、図３（ａ）は時間−速度線図、図３（ｂ）は時間−位置線図である。
また、図４は、スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図４（ａ）は時間−速度線図、図４（ｂ）は時間−加速度線図である。図５は、スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図５（ａ）は時間−速度線図、図５（ｂ）は時間−加速度線図である。

この第１実施形態に係る機械制御装置は、図１に示すように、基本的には従来技術の構成要素である重量物１と、アーム２と、スライド移動部３と、スライドレール部４と、モータ５と、カップリング６と、送りねじ７と、位置制御装置８と、位置指令装置９とを備えている。
また、これらのうち、重量物１、アーム２、スライド移動部３、スライドレール部４、モータ５、カップリング６、及び送りねじ７は、制御対象機械として包括される点も従来技術と同様である。
更にまた、この機械制御装置でも、長尺のアーム２の先端に重量物１が搭載されており、スライド移動部３に取り付けられたアーム２の移動によってたわみが生じる点も従来と同様である。

本実施形態では、これらに加えて、位置制御装置８と位置指令装置９との間に補償要素１０が設けられている点が新規な点である。
これら重量物１から位置指令装置９までの機能等は従来技術で説明したものと同じであるため、説明を省略するものとし、以下では補償要素１０について説明する。
新たに加えられた補償要素１０は、図２に示すように、微分手段１０ａとゲイン手段１０ｂと加算手段１０ｃを備えている。

微分手段１０ａは、位置指令値Ｕ（ｓ）に対して２階微分を施し、２階微分値ｓ^２・Ｕ（ｓ）を出力するための手段である。
ゲイン手段１０ｂは、微分手段１０ａから出力された２階微分値ｓ^２・Ｕ（ｓ）に対してゲイン定数Ｋを乗算して、補正量Ｋ・ｓ^２・Ｕ（ｓ）を出力するための手段である。

加算手段１０ｃは、上記ゲイン手段１０ｂから出力された補正量Ｋ・Ｕ（ｓ）・ｓ^２と位置指令値Ｕ（ｓ）とを加算して補償位置指令値Ｕ（ｓ）＋Ｋ・Ｕ（ｓ）・ｓ^２を出力するための手段である。
この補償要素１０が出力する補償位置指令値は、（１＋Ｋ・ｓ^２）・Ｕ（ｓ）となる。このゲイン定数ＫをＫ＝Ｗ／Ｋｓとすると、以下の式で表される補償位置指令値Ｕ’（ｓ）が出力される。

続いて、このような補償位置指令値を用いる機械制御装置の制御について説明する。
スライド移動部３を移動させる場合、図３（ａ）で示すように、時間ａ〜時間ｂでは、所定加速度でスライド移動部３の移動速度を増大させ、時間ｂ〜時間ｃでは一定速度でスライド移動部３を移動させ、時間ｃ〜時間ｄでは所定減速度でスライド移動部３の移動速度を低下させ、最終的に時間ｄで所定の目標位置でスライド移動部３を移動停止させる。この点は従来技術と同じである。

位置指令装置９は、スライド移動部３がこのような速度となるように時々刻々と変化する位置指令値Ｕ（ｓ）を出力する。
この位置指令値Ｕ（ｓ）は、補償要素１０へ入力されて補償位置指令値Ｕ’（ｓ）に変換され、位置制御装置８へ入力される。スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）と表し、また、位置制御装置８からモータ５、送りねじ７、スライド移動部３までを含む伝達関数をＧ（ｓ）とすると、Ｘｍ（ｓ）は次式のように表される。

更に、アーム２のたわみを考慮した重量物１の位置Ｘｗ（ｓ）は、スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）を用いた伝達関数として表示すると、次式のようになる。

これらの数式からＸｍ（ｓ）、Ｕ’（ｓ）を消去して、機械制御装置の全体システムを表すと次式のようになる。

上述した補償要素１０により、分母部分にあったＷｓ^２＋Ｋｓを消去する極零相殺を行って、振動要素をなくしている。従って、図３（ｂ）に示すように、スライド移動部３の元位置（実線にて示す）及び重量物１の位置（点線にて示す）は、振動することなく目標位置で停止し、整定する。このように、スライド移動部３の元位置と共にアーム２の先端位置にある重量物１は振動することなく停止するため、従来の損失時間を無くし、高速な制御を実現することができるようになる。

なお、本実施形態では、位置指令装置９と位置制御装置８との間に補償要素１０を配置しているが、最終的に、補償位置指令値Ｕ’（ｓ）を得ることができれば良いことから、補償要素１０と一体となった位置指令装置９としたり、あるいは、補償要素１０と一体となった位置制御装置８としてもよい。これらは、追加された補償要素１０をどちらに帰属させるかという問題であり、実質上の差異はない。

さて、以上説明した補償要素１０を用いて補償を行う場合、スライド移動部３の移動速度は、図４（ａ）で示すように直線加減速特性を有する、つまり、位置指令値の微分値が一定期間は直線的に変化する特性となる。この場合、スライド移動部３の加速度、つまり位置指令値の２階微分値は、図４（ｂ）で示すように、時間ａ，ｂ，ｃ，ｄで不連続変化することとなる。これは、アーム２の元位置であるスライド移動部３を急激に停止させる必要があることを示しているが、実際にはモータ５が送りねじ７へ与える回転トルクが不足し、このような停止が困難になる場合がある。

そこで、補償要素１０を用いて補償を行う場合、図５（ａ）に示すように、スライド移動部３の移動速度が変化する前後でほぼＳ字形になるような加減速特性、つまり、位置指令値の微分値が一定値から緩やかに増加または減少するように配慮した。この場合、スライド移動部３の加速度、つまり位置指令値の２階微分値は、図５（ｂ）で示すように、漸増または漸減しつつ変化することとなる。

従って、アーム２の元位置であるスライド移動部３に加わる加速度も連続して漸増または漸減するため、このときにモータ５が送りねじ７へ与える回転トルクが不足するという事態はなくなり、モータ５に過度な負担が加わるという事態が回避される。
上記の点は請求項５の発明に相当するものであり、第２実施形態以下の各実施形態にも適用可能である。

以上説明した機械制御装置では、振動系が持つラプラス平面上の極に対して、同じ点に零点特性を追加して極零相殺させることで、機械振動を防止するという理論に基づくものであるが、このような効果が実際に得られるか否かを検証する実験を行ったところ、機械振動を防止できる効果が確認されている。

なお、本実施形態では、説明の具体化のため、送りねじとスライドレール装置とを用いる制御対象機械について説明した。しかしながら、制御対象機械はこのような機械に限定する趣旨ではなく、例えば、回転駆動用のモータにボールねじを連結したスライドレール装置を移動させ、アーム先端の重量物を移動させる制御対象機械、同様に回転駆動用モータとベルトを用いる制御対象機械、ラック・ピニオンを用いる制御対象機械、リニアモータを用いる制御対象機械などに適用することができる。これらは、数式９のＧ（ｓ）に包含される個所であり、これらの機構が変化しても、Ｇ（ｓ）が変化するのみであって極零相殺させる点では変わりなく、本発明の効果を奏しうる。

次に、図６は本発明の第１実施形態の機能ブロック図である。図６と図１との対応関係について述べると、図１における位置指令装置９、補償要素１０及び位置制御装置８が図６におけるブロック２１〜２９，３１に相当し、図１のモータ５が図６のモータ３０に相当すると共に、図１のカップリング６以降の機械系が図６の対象機械５０に相当する。

図６において、位置指令ブロック２１は位置指令値を出力するブロック、補正ブロック２２は位置指令値から生成した２階微分値（加速度指令値）に基づいて補正量を生成するブロックである。
この補正ブロック２２は、図２の微分手段１０ａに相当する加速度検出手段２３と、機械振動周波数などに基づいて設定された図２のゲインＫに相とするパラメータ２４と、図２のゲイン手段（乗算手段）１０ｂに相当する補正項演算手段２５とから構成されており、補正ブロック２２から出力される補正量は、図２の加算手段１０ｃに相当する加算器２６において前記位置指令ブロック２１からの位置指令値に加算される。

図６の加算器２６からは補償位置指令値が出力され、この補償位置指令値は位置調節器２７に入力される。位置調節器２７では、モータ３０に取り付けられたモータエンコーダ３１からの位置検出値が補償位置指令値に一致するように調節動作が行われ、その出力が速度指令値として速度調節器２８に送られる。速度調節器２８では、モータエンコーダ３１からの速度検出値が速度指令値に一致するように調節動作が行われ、その出力がトルク指令値としてトルク調節器２９に送られる。
トルク調節器２９ではトルク指令値に従ってモータ３０を駆動し、対象機械５０のスライド移動部３を所定位置に移動させて停止させるような制御が実行される。

なお、上記第１実施形態では、位置指令値の２階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を求め、この補正量を元の位置指令値に加算して補償を行っている。つまり、位置指令値の１階微分値（速度指令値）が図７（ａ）のとおりであるとすれば、図７（ｂ）に示す位置指令値の２階微分値（加速度指令値）を元の位置指令値に加算して補正している。従って、この補正後の位置指令値の微分値、すなわち補正後の速度指令値は図７（ｃ）のようになる。
言い換えれば、図８（ａ）に示す速度指令値に対して、その２階微分値に所定のゲインを乗じた図８（ｂ）の加加速度指令値を補正量として加算すれば、図８（ｃ）のような補正後の速度指令値が得られるため、図７に示した位置指令値に対する補正と同等の作用を得ることができる。

本発明の第２実施形態は上記の点に着目したものであり、図９にその制御ブロック図を示す。なお、図６と同一の構成要素には同一の符号を付してある。この第２実施形態は、請求項３に記載した発明に相当する。
図９において、補正ブロック３２には位置指令値が入力されており、その３階微分値を演算して加加速度指令値を求め、これに所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そして、この補正量を加算器２６において位置調節器２７の出力である速度指令値に加算することにより、速度指令値を補正する。この補正後の速度指令値は速度調節器２８に入力され、以後は図６と同様の動作となる。

図１０は、本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項４に記載した発明に相当する。
この実施形態では、補正ブロック３３が位置指令値を４階微分し、その４階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出している。そして、この補正量を加算器２６において速度調節器２８の出力であるトルク指令値に加算することにより、トルク指令値を補正する。この補正後のトルク指令値はトルク調節器２９に入力され、以後は図６の同様の動作となる。
なお、図示されていないが、前記補正量を推力指令値に加算してその加算結果に基づいて位置制御しても良い。

上述した各実施形態では、補正量の演算において完全微分演算を行い、例えば図２、図６の例では補正量をＫｓ^２として求めることとしたが、この補正量はＫｓ^２／（１＋ｓＴ）やＫｓ^２／（１＋ｓＴ_１＋ｓ^２Ｔ_２）のような不完全微分形式によって求めても良い。
また、補正量は必ずしも関数にする必要はなく、図１１に第１実施形態に関して示すように、元の指令値の変化を検出し、予めテーブルパターンとして用意しておいた値を変化のタイミングに従って補正量として出力させても良い。

以上を纏めると、各実施形態について、補正量を生成するための元の指令値（補正元）、補正量を加算する対象となる指令値（補正対象）、補正量の関数例、及び代表的な補正パターン例（図１２参照）の関係は、図１３のようになる。

本発明の第１実施形態の構成図である。 補償要素の説明図である。 機械制御装置の動作を説明する説明図であって、図３（ａ）は時間−速度線図、図３（ｂ）は時間−位置線図である。 スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図４（ａ）は時間−速度線図、図４（ｂ）は時間−加速度線図である。 スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図５（ａ）は時間−速度線図、図５（ｂ）は時間−加速度線図である。 第１実施形態の機能ブロック図である。 第１実施形態における位置指令値の補正原理を示す図である。 第２実施形態における速度指令値の補正原理を示す図である。 第２実施形態の機能ブロック図である。 第３実施形態の機能ブロック図である。 第１実施形態においてテーブルパターンに基づき補正量を生成する場合の説明図である。 各実施形態における補正パターンの説明図である。 各実施形態の補正元、補正対象、関数例、補正パターン例を示す図である。 従来技術の機械制御装置の構成図である。 機械制御装置の動作を説明する図であり、図１５（ａ）は時間−速度線図、図１５（ｂ）は時間−位置線図である。

符号の説明

１ 重量物
２ アーム
３ スライド移動部
４ スライドレール部
５ モータ
６ カップリング
７ 送りねじ
８ 位置制御装置
９ 位置指令装置
１０ 補償要素
１０ａ 微分手段
１０ｂ ゲイン手段
１０ｃ 加算手段
２１ 位置指令ブロック
２２，３２，３３ 補正ブロック
２３ 加速度検出手段
２４ パラメータ
２５ 補正項演算手段
２６ 加算器
２７ 位置調節器
２８ 速度調節器
２９ トルク調節器
３０ モータ
３１ モータエンコーダ
５０ 対象機械

Claims (5)

1. 振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、
   位置指令値から加速度成分に相当する補正量を求める手段と、
   前記補正量を位置指令値に加算する手段と、
   この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする機械制御装置。
2. 振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、
   位置指令値を出力する位置指令装置と、
   位置指令値の２階微分値を得る微分手段と、
   前記微分手段から出力された２階微分値に対しゲイン定数を乗算するゲイン手段と、
   前記ゲイン手段から出力された補正量と前記位置指令値とを加算して補償位置指令値を出力する加算手段と、
   前記加算手段から出力された補償位置指令値が入力される位置制御装置と、
   前記位置制御装置の制御により目標位置へ移動するように制御される制御対象機械と、
   を備えたことを特徴とする機械制御装置。
3. 振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、
   位置指令値から加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、
   前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、
   この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする機械制御装置。
4. 振動要素を有する制御対象機械を直線加減速により目標位置へ移動させて停止させる際の振動を抑制するための機械制御装置において、
   位置指令値からその４階微分値に相当する補正量を求める手段と、
   前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、
   この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする機械制御装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した機械制御装置において、
   前記補正量を求める手段に入力される指令値の微分値が、一定値から緩やかに増加または減少する特性を有することを特徴とする機械制御装置。
   

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