JP2006227886A - サーボ制御装置及びサーボ系の調整方法 - Google Patents

サーボ制御装置及びサーボ系の調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 NC装置に関し、特にサーボ系の制御精度の評価を二次元画像で表示して、視覚的手法によりサーボ系の調整を可能としたサーボ制御装置及びその調整方法を提供する。
【解決手段】 制御装置は、周期性を有する位置指令を指示する指令手段と、前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データの履歴を記録する手段と、前記位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの軸データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画する第1の描画手段と、を有する。
【選択図】 図3

Description

本発明はNC (Numerical Control) 装置に関し、特にサーボ系の制御精度の調整装置及びその調整方法に関するものである。
従来からNC工作機械等の複数の軸を有する機械では、直交する直線二軸に対して円弧指令を与え、直線二軸の位置フィードバックデータを二次元平面上に描画し、その軌跡の形状を評価基準としてサーボ系の調整が行われていた(特許文献1及び特許文献2参照)。
図1には、NC装置の一構成例を図式的に示しており、ここでは従来からの直交ニ軸によるサーボ系の調整を行う。
図1において、NC装置1は、X軸駆動用のサーボモータ2とY軸駆動用のサーボモータ3を制御して、各軸の先端に取り付けられた作業台4の位置をX−Y平面内で自在に移動させることができる。
本例では、NC装置1の制御部11が、作業台4のX軸方向の位置を制御するX軸駆動部12に円弧指令を与え、Y軸方向の位置を制御するY軸駆動部13には前記円弧指令と位相が90°ずれた円弧指令を与える。
制御部11は、ここではサーボモータ2及び3や作業台4から与えられる位置フィードバック情報を、正規化した極座標(x=sinθ、y=cosθ、0θ<2π)に変換して作業台4の実際の移動位置を計算する。この場合、作業台4は単位円(x2+y2=1)上に沿って移動する。制御部11は、サーボ系調整の評価基準値である指令円弧(単位円)と重ねて、作業台4の実際の移動位置を、パーソナルコンピュータ等を用いるモニタ5の画面上に表示する。
図2は、図1のモニタ画面の一例を示した図である。ここには、指令円弧による評価基準値と、その指令円弧によって作業台4が実際に移動して得られた位置フィードバック情報とが重ねて描かれている。図2から、サーボ系の誤差は、主に速度極性が切り替わる前後の非線形性(摩擦)に起因した象限突起21〜24によって生じることが分る。この象限突起21〜24は直交する二軸(X−Y軸)に対して円弧指令を与えた場合の形状誤差として現れる。
オペレータ(調整者)は、モニタ5に表示されたこの描画軌跡を見ながら、象限突起21〜24をゼロ(指令円弧)に近づけるようにサーボ系の調整を行う。これにより、オペレータは、実際にワーク加工を行うことなく工作機械の加工精度を簡易に評価することが可能であった。
特開平4−177408号公報 特開2002−120128号公報
ところで、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸の調整を行う場合でも、上記と同様に速度極性が切り替わる前後で形状誤差が発生する。しかしながら、この場合には、直交二軸の場合のように簡易に円弧を描画させることのできる隣接軸が存在しないため、サーボ軸の調整を行う際の視覚的な評価基準が存在せず、視認による簡易なサーボ調整ができないという問題があった。
そのため、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系調整時には、実際にワーク加工を行って工作機械の加工精度を評価する等の手法等が用いられていた。これにより、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸の調整作業効率は著しく低下し、且つその調整コストが大幅に上昇するという問題があった。
そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系の調整においても、従来の直交ニ軸の場合と同様に視覚的手法によるサーボ系の調整を可能とするサーボ系の調整方法を提供することにある。
本発明によれば、周期性を有する位置指令を指示する指令手段と、前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データの履歴を記録する手段と、前記位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの軸データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画する第1の描画手段と、を有する制御装置が提供される。
前記制御装置は、さらに前記位置指令とその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを、前記直交二軸のそれぞれの軸データとして、前記二次元平面上に重ねて描画する第2の描画手段を有し、そして前記第2の描画手段によって描画された形状を評価基準として、前記第1の描画手段によって描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行う調整手段を有する。
又本発明によれば、周期性を有する位置指令を指示すること、前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの軸データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画すること、前記位置指令による位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを、前記直交二軸のそれぞれの軸データとして、前記二次元平面上に重ねて描画すること、前記位置指令による位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを元に描画された形状を評価基準として、前記位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行うこと、から成るサーボ系の調整方法が提供される。
本発明によれば、周期性を有する移動指令として正弦波状の円弧指令をサーボ系に与え、これによる位置フィードバックデータとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、X軸及びY軸の各々の位置データに変換して二次元平面(X−Y平面)上に描画する。これにより、直交二軸に対する円弧指令によって得られる位置フィードバックデータの軌跡を描くのと同様の処理となり、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸に対しても従来と同様の視覚的手法によるサーボ系の調整が可能となる。
その結果、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系でも、実際にワーク加工を行わずに工作機械の加工精度の評価が可能となり、調整作業の効率化や調整コストの低減が達成される。
図3は、本発明の基本構成の一例を図式的に示したものである。
図3では、NC装置の制御軸駆動部31にサーボ系32の調整のための円弧指令が与えられる。これにより、制御軸駆動部31は指定された円弧の位置信号を円弧の一定周期で繰り返しサーボ系32に出力する。サーボ系32の減算器35は、主軸駆動部31による位置信号からスピンドルモータ等を含む位置移動手段34からの位置フィードバック信号を減算して、その差分信号を次段の位置ループ処理部33に出力する。
位置ループ処理部33では、入力された差分信号をゼロにするように次段の位置移動手段34を駆動する。サーボ系32では、このようにして円弧指令により指定された移動位置と位置移動手段34により実際に移動する位置とが一致するように制御される。
一方、1/4周期の時間遅延部37からは、円弧指令で指定された円の1/4周期遅れ(90°の位相遅れ)の位置フィードバック信号が出力される。円弧指令に同期する位置フィードバック信号をsinθの関数で表すと、その90°位相遅れの位置フィードバック信号はcosθ(=sin(θ−π/2))の関数で表される。
ここで、位置フィードバック信号をx(=sinθ)そして90°位相遅れの位置フィードバック信号をy(=cosθ)とおこくことで、従来例の図2で説明したようにx2+y2=1となる。これを二次元描画手段38の二次元平面(X−Y平面)上に描画すると単位円となる。これから容易に類推できるように、正弦波状指令に対する位置フィードバックデータとその1/4周期遅れのデータとを二次元座標上に描画することは、一つの直線軸(X軸)に対する円弧指令と、それに直交する軸(Y軸)に対して位相が90°遅延した同一のサーボ特性を有する円弧指令を与え、その位置フィードバックデータの軌跡を描画するのと等価となる(図1参照)。
図4は、図3の二次元描画手段38が表示するフィードバック信号の一例を示したものである。図4の(a)には、一つの直線軸(X軸)に対する円弧指令によって描かれた位置フィードバック信号(x)の一例を示している。また、図4の(b)には、図4の(a)の位置フィードバック信号(x)を、本発明により変換して二次元平面(X−Y平面)上に描いた位置フィードバック信号(x、y)の一例を示している。
図4から明らかなように、図4の(a)の一次元表示では、フィードバック信号(x)が円弧指令の円弧に正しく沿って移動しているのかが判断できず、また円弧部分と象限突起41及び43の部分の区別もつかない。一方、図4の(b)の二次元表示では、フィードバック信号(x、y)が円弧指令の円弧に沿って移動していることが容易に判断でき、また円弧と象限突起41及び43との区別も明瞭である。
従って、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系の調整においても、従来と同様の視覚的手法を用いた調整が可能となる。なお、本発明によれば、象限突起41と42、そして象限突起43と44はそれぞれ同じ形状となる。
図5は、本発明の第1の実施例を示したものである。
図5において、CPU回路で構成された制御部50は、動作中はRAM上に配置されるパラメータテーブル51を参照し、一方向の円弧指令(x=sinθ)の位置データに対応するサーボモータ54の移動速度/電流値データ等を求め、それをX軸駆動部53に与える。これにより、サーボモータ54が駆動されると、サーボモータ54内部のパルスコーダ(図示せず)や作業台55に取り付けられたリニアスケール(図示せず)等から出力される駆動回転数/角度や移動位置等の位置データが制御部50にフィードバックされる。
制御部50は、受信した位置フィードバックデータと自身がX軸駆動部53に与えた位置データとを比較して、それらの差分がゼロになるようにその値をX軸駆動部53へ負帰還する。本発明では、制御部50がさらに受信した位置フィードバックデータをX軸位置データ(x=αsinθ、α=1+Δ(θ))に変換する。
一方、パルスコーダやリニアスケール等から出力された位置データはFIFOメモリ等で構成された1/4遅延メモリ52にも入力される。その入力データは円弧指令の1/4周期経過後(90°位相遅れ後)に出力される。本発明では、制御部50がさらにその受信データを仮想的なY軸位置データ(y=βcosθ、β=1+Δ(θ−π/2))に変換する。なお、90°の位相進みデータをY軸位置データとすることもできる。
制御部50は、受信したX軸位置データとY軸位置データを、RS232CやUSB等のシリアルインタフェースを介してパーソナルコンピュータ等で構成されたモニタ端末56へ出力する。モニタ端末56は、それを図4の(b)に示すような二次元平面(X−Y平面)上に表示する。なお、X軸位置データ及びY軸位置データの演算とそのモニタ表示を全てモニタ端末56の側で実行させるようにしてもよい。
オペレータは、二次元の位置データを見ながら、象限突起41〜44のレベルが所定の許容値以下となるようにパラメータテーブル51の各位置に対応する速度/電流等のパラメータ値を書き換える。この書き換えは、モニタ端末56から前記シリアルインタフェースを介して制御部50へ指示され、その指示を受けた制御部50がパラメータテーブル51のパラメータ値を更新する。
図6は、本発明による基本構成の別の例を図式的に示したものである。また、図7には図6の二次元描画手段38が表示するフィードバック信号の一例を示している。
図6と図3との相違は、図3ではサーボ系の位置フィードバック信号が1/4周期の時間遅延部37へ入力されているのに対して、図6では制御軸駆動部31から出力された円弧の位置信号が1/4周期の時間遅延部37へ直接入力されている点である。その結果、本例ではX軸方向の円弧指令による位置データがそのまま90度遅延したY軸方向の位置データに変換される。
これにより、本例では図3に示すY軸方向の象限突起42及び44(位置フィードバック信号の象限突起41及び43を90度回転させた仮想の象限突起)は現れず(図7参照)、一方向(X軸方向)のサーボ調整とそのモニタ画面の表示内容とが一致する。そのため、オペレータは実際の調整作業と合致した視認による一軸調整を行うことができる。
図8は、本発明の第2の実施例を示したものである。
本例では、NC装置内の制御部50を構成するCPUの内臓メモリ60を利用してパラメータテーブル61、指令データ格納領域62、そして位置データ格納領域63が設けられる。ここで、パラメータテーブル61は図5のパラメータテーブルと対応する。本例では、X軸駆動部53が出力する円弧指令データが指令データ格納領域62に順次格納され、それに対応するサーボ系からの位置フィードバックデータが位置データ格納領域63に順次格納される。
制御部50は、位置データ格納領域63からの位置フィードバックデータをX軸位置データ(x=αsinθ、α=1+Δ(θ))に変換し、そして指令データ格納領域62からはそれと位相が90度前後する円弧指令データを求めて仮想的なY軸位置データ(y=cosθ)に変換する。制御部50は、次に変換後の位置データ(x,y)をRS232CやUSB等のシリアルインタフェースを介してパーソナルコンピュータ等で構成されたモニタ端末56へ出力する。モニタ端末56は、それを図7の一例で示すような二次元平面(X−Y平面)の画像として表示する。なお、X軸位置データ及びY軸位置データの変換をモニタ端末56の側で実行させるようにしてもよい。
オペレータは、二次元の位置データを見ながら、象限突起41及び43のレベルが所定の許容値以下となるようにパラメータテーブル61の各位置に対応する速度/電流等のパラメータ値を書き換える。この書き換えは、モニタ端末56から前記シリアルインタフェースを介して制御部50へ指示され、その指示を受けた制御部50がパラメータテーブル61のパラメータ値を更新する。
このように、本発明では、単一の制御軸およびそれに直行する仮想軸のフィードバック軌跡を二次元平面上に描画することで、従来は直交二軸に対して行っていた視覚的なサーボ調整が単一の制御軸に対しても行うことが可能となる。なお、本実施例では単一の直線軸の例を挙げたが、制御軸が回転軸の場合にも同様にして、視覚的なサーボ調整を行うことができる。
直交ニ軸による調整が可能なシステム構成の一例を示した図である。 図1のモニタ画面の一例を示した図である。 本発明の基本構成の一例を図式的に示した図である。 図3の二次元描画手段の表示例を示した図である。 本発明の第1の実施例を示した図である。 本発明の基本構成の別の例を図式的に示した図である。 図6の二次元描画手段の表示例を示した図である。 本発明の第2の実施例を示した図である。
符号の説明
1 NC装置
12、31、53 X軸駆動部
13 Y軸駆動部
11、50 制御部
2、3、54 サーボモータ
4、55 作業台
5、56 モニタ端末
51、61 パラメータテーブル
52 1/4周期遅延メモリ
62 指令データ格納領域
63 位置データ格納領域

Claims (10)

  1. 周期性を有する位置指令を指示する指令手段と、
    前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データの履歴を記録する手段と、
    前記位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの軸データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画する第1の描画手段と、
    を有することを特徴とする制御装置。
  2. 前記位置指令による位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを、前記直交二軸のそれぞれの軸データとして、前記二次元平面上に重ねて描画する第2の描画手段を有することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
  3. 前記第2の描画手段によって描画された形状を評価基準として、前記第1の描画手段によって描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行う調整手段を有することを特徴とする請求項2記載の制御装置。
  4. 前記位置指令は、正弦関数又は余弦関数からなる請求項1記載の制御装置。
  5. 前記第1の描画手段は、前記正弦関数をx=sinθ又は前記余弦関数をy=cosθとすると、x2+y2=1の円弧を描くことを特徴とする請求項4記載の制御装置。
  6. 前記サーボ系は、前記位置指令による位置データと、前記位置フィードバックによる位置データとが等しくなるように制御する手段を有することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
  7. 周期性を有する位置指令を指示すること、
    前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの軸データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画すること、
    前記位置指令による位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを、前記直交二軸のそれぞれの軸データとして、前記二次元平面上に重ねて描画すること、
    前記位置指令による位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータとを元に描画された形状を評価基準として、前記位置フィードバックによる位置データとその1/4周期前若しくは1/4周期後のデータ又はその1/4周期前若しくは1/4周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行うこと、から成ることを特徴とするサーボ系の調整方法。
  8. 前記位置指令は、正弦関数又は余弦関数からなる請求項7記載の調整方法。
  9. 前記位置指令は、前記正弦関数をx=sinθ又は前記余弦関数をy=cosθとすると、x2+y2=1の円弧を描くことを特徴とする請求項8記載の調整方法。
  10. 前記サーボ系が、前記位置指令による位置データと前記位置フィードバックによる位置データとを等しくするように制御することを含む、請求項7記載の制御装置。
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