JP2007025961A - 数値制御機械の位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールネジ駆動系を含む数値制御機械のサーボモータ駆動軸の位置制御装置において、駆動系を含む構造体を支持固定する機台部の剛性が低い機械構成時や、高加減速化動作が要求される場合などで、機台部の剛性に起因する低周波振動が発生しても、空間上の駆動部位置を正確に位置制御できる位置制御装置を提供する。
【解決手段】機台部変位を推定あるいは検出して、位置検出値に含まれる振動影響を除去し、正確な空間上の駆動部位置を求め、この駆動部位置が、位置指令値に一致することを目的とした補償制御を位置制御装置に加える。
【選択図】図１

Description

本発明は、数値制御機械に適用される位置制御装置に関する。

図８は、従来の数値制御機械の一つである工作機械におけるボールネジ駆動系の概略機構を１軸分示したモデルである。サーボモータ１００が回転すると、軸上に結合されたボールネジ１０１が回転し、ボールネジナットに固定された主軸頭１０３が、推力Ｆｒを受けて、案内面を兼ねたクロスレール１０２上をｙ方向に移動する構造になっている。コラム１０４ａ，１０４ｂは、これらの構造体を支持固定するもので、片側は地面にリジットに固定設置されている。尚、クロスレール１０２には、主軸頭位置ｙを検出するリニアスケール（図示しない）が設置されており、サーボモータ１００には、モータ回転角度θｍ及び角速度ｖｍを検出する位置検出器（図示しない）が内包されている。

図７は、従来の機台部剛性を考慮ない対象プラントのブロック図であり、前記ボールネジ駆動系を２慣性対象プラントと見なして、その特性を示している。モータ発生トルクτｍは、モータ加減速トルクと主軸頭推力Ｆｒのトルク換算値となる。モータ加減速トルクは、モータ慣性モーメントＩｍに応じた加速度ａｍを発生し、２個の積分器（Ｓは、ラプラス変換の演算子である）を介して速度ｖｍ，モータ回転角θｍになる。モータ回転角θｍは、ボールネジ１０１のリードＰに応じて、直動方向のモータ位置ｙｍとなる。一方で、推力Ｆｒを受けて主軸頭１０３は、主軸頭質量Ｍｈに応じた加速度ａｙを発生し、２個の積分器を介して速度ｖｙ，主軸頭位置ｙとなる。更に、モータ位置ｙｍと主軸頭位置ｙの偏差に駆動系総合剛性Ｋｓを乗じたものが主軸頭推力Ｆｒとなっている。

図６は、前述の様な対象プラントの主軸頭位置ｙを、上位装置（図示しない）より発生された位置指令値θ^*通りに制御するための、従来位置制御装置の一例のブロック図である。この対象プラントを高精度に位置制御するためには、加減速時に、主軸頭位置ｙとボールネジ駆動系に発生する撓み量θｄｆを考慮して、モータ回転角θｍを制御する必要がある。図において、撓み量θｄｆは、ブロックＣａの動作により、
［数１］ θｄｆ＝（Ｍｈ／Ｋｓ）（ｄ²θ^*／ｄｔ²）
と求められる。制御上の位置指令値θｃは、θ^*と撓み量θｄｆを加算器５１で加算して作成される。

従来の位置制御装置では、モータの応答の高速化を図るため、フィードフォワード構成をとっている。具体的には、撓み量θｄｆは時間微分されて撓み速度Ｖｄｆとなり、位置指令値θ^*の時間微分値と加算器５３で加算されて、速度フィードフォワード量Ｖｆｆとなる。更に、Ｖｆｆは時間微分され加速度フィードフォワード量Ａｆｆとなる。Ｃｂは、加速度Ａｆｆを発生させるモータトルクに相当する、トルクフィードフォワード量τｆｆを求める換算ブロックである。

従来の位置制御装置のフィードバック構成は次の様になっている。まず、リニアスケールにより検出された図７，図８で示した対象プラント５０の主軸頭位置ｙは、（２π／Ｐ）倍されてモータ回転軸換算された主軸頭位置θｉとなる。位置帰還θｆは、減算器５２で制御上の位置指令値θｃから減算され、その出力である位置偏差は位置偏差増幅器Ｇｐで増幅される。その出力は、加算器５４で速度フィードフォワード量Ｖｆｆと加算されて、速度指令値Ｖｃとなる。減算器５５では、速度指令値Ｖｃからモータ回転角速度ｖｍが減算され、その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器Ｇｖで、通常、比例積分増幅される。この出力とトルクフィードフォワード量τｆｆが加算器５６で加算されて、トルク指令値つまりは、モータ発生トルクτｍとなる。

位置帰還θｆとθｍ，θｄｆ，θｉの関係は、図６より、
［数２］ θｆ＝θｍ＋Ｇ(Ｓ)[θｉ−(θｍ−θｄｆ)]
で表される。ここで、Ｇ(Ｓ)は、０≦|Ｇ(Ｓ)|≦１で、低周波入力に対して大きく、高周波入力に対して小さい、遅れ系の伝達特性を持つ。よって、定常的には、θｆ＝θｉ＋θｄｆとなって、フィードバック制御により、θｃ＝θｆとできることから、θ^*＝θｉが達成できる。つまり、位置指令値θ^*通りに主軸頭位置ｙを制御できる。尚、この様な位置制御装置は、特許文献１に開示されている。

特許第３３５１９９０号明細書

以上説明した様に、従来の位置制御装置では、ボールネジ駆動系を２慣性モデルと見なし、駆動系総合剛性に起因して発生する撓みを考慮した位置制御系を構成することで、駆動部（主軸頭位置）を位置指令値通りに制御できる様になっている。しかしながら、駆動系を含む構造体（クロスレール）を、支持固定する機台部（コラム）の剛性が低い機械構成時や、高加減速化動作が要求される場合などでは、機台部の剛性に起因した低周波振動が発生して、主軸頭位置を正確に制御することができなかった。本発明が解決しようとする課題の一つは、機台部の剛性に起因した変位量を考慮した位置制御系を構成することで、機台部に低周波振動が発生する場合も、空間上の主軸頭位置を位置指令値通りに制御できる位置制御装置を提供することである。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置は、数値制御機械のボールネジ駆動系で構成された機構の駆動部をサーボモータにより駆動し、駆動部位置をリニアスケールあるいはモータ回転角度検出器で間接的に検出し、上位装置からの位置指令値に従って駆動部位置を制御する位置制御装置であって、上位装置からの位置指令値を入力として、駆動系を含む構造体の機台部の振動を推定し、機台振動補償指令値を決定する機台振動モニタと、機台振動補償指令値の時間微分値から、機台振動補償速度指令値及び機台振動補償トルク指令値などの機台補償指令値を演算決定するブロックと、を備え、少なくとも位置制御装置の位置指令値に機台補償指令値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、さらに、新たな指令値は、速度指令値に機台振動補償速度指令値を加算して算出、又は、トルク指令値に機台振動補償トルク指令値を加算して算出、の少なくとも一つにより算出されたものであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、上位装置からの位置指令値より駆動部推力Ｆｒを演算するブロックと、駆動部推力Ｆｒから駆動部の傾斜角φを導出するφ（Ｆｒ）変換ブロックと、傾斜角φから駆動部の力の作用点と駆動部の位置制御対象点との間の位置ずれ補償値を算出する位置ずれ補償値算出ブロックと、を備え、少なくとも位置制御装置の位置指令値に位置ずれ補償値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、新たな指令値は、位置ずれ補償値の時間微分値から位置ずれ速度補償値を算出し、位置制御装置の速度指令値に位置ずれ速度補償値を加算して算出することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、機台部の振動を変位検出器により検出し、得られた検出値から機台振動補償指令値を算出することを特徴とする。

本発明に係る位置制御装置は、ボールネジ駆動系を含む数値制御機械のサーボモータ駆動軸において、駆動系を含む構造体を支持固定する機台部の剛性に起因する低周波振動が発生しても、高精度な駆動部の位置制御を実現できる位置制御装置に関する。機台部変位を推定あるいは検出して、位置検出値に含まれる振動影響を除去し、正確な空間上の駆動部位置を求め、この駆動部位置が位置指令値に一致することを目的とした補償制御を位置制御装置に加えることで、前記、課題を解決するものである。

本発明の位置制御装置によれば、ボールネジ駆動系を含む数値制御機械のサーボモータ駆動軸において、駆動系を含む構造体を支持固定する機台部の剛性に起因する低周波振動が発生しても、これを補償して駆動部の空間上位置の高精度な位置制御を達成できる。更には、駆動部に推力が加わる作用点と駆動部質量中心が一致せず、駆動部に傾斜が発生する場合においても、位置指令値通りに制御したい駆動部内の任意点と、力の作用点との間の位置ずれを補償した位置制御が実現できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図４は、実施形態における機台部（コラム）の剛性を考慮してボールネジ駆動系の概略機構を１軸分示したモデルである。コラムを梁と考えて、クロスレール部のコラム変位量をｙ₁とおいているが、その他の部分は、図８のモデルと同じである。ここで、図４のモデルを対象プラントと見なして、その運動方程式を導出する。この場合、一般化座標系として、モータ回転角θｍ，主軸頭位置ｙ，コラム変位ｙ₁をとればよく、次の３個の運動方程式が得られる。
［数３］ τｍ＝Ｉｍ・ａｍ＋(Ｐ／２π)Ｋｓ[(Ｐ／２π)θｍ−(ｙ＋ｙ₁)]
［数４］ ０＝Ｍｈ・ａｙ−Ｋｓ[(Ｐ／２π)θｍ−(ｙ＋ｙ₁)]
［数５］ ０＝Ｍｒ・ａｙ₁−Ｋｓ[(Ｐ／２π)θｍ−(ｙ＋ｙ₁)]＋Ｋｂ・ｙ₁＋Ｄｂ・ｖｙ₁
ここで、コラム変位速度ｖｙ₁，コラム変位加速度ａｙ₁，クロスレール(主軸頭含む)質量Ｍｒ，コラムのｙ方向剛性Ｋｂ，コラムの粘性減衰係数Ｄｂである。

図３は、実施形態における機台部剛性を考慮した対象プラントに対する数３〜数５式の運動方程式をブロック図に表したものである。図中の機台振動ブロックは、主軸頭推力Ｆｒを入力とし、クロスレール変位ｙ₁を出力とするブロックであり、この入出力関係は、数５式から、
［数６］ Ｆｒ＝Ｍｒ・ａｙ₁＋Ｄｂ・ｖｙ₁＋Ｋｂ・ｙ₁
で示せる。更に、コラム変位ｙ₁を主軸頭位置ｙと加算すれば、この対象プラントにおけるリニアスケール位置検出値ｙ＋ｙ₁となる。尚、他の部分は、図７と全く同一のため説明を省略する。

ここで、位置指令値θ^*通りに制御すべき主軸頭位置はｙであるから、制御すべき主軸頭推力Ｆｒは定まる。しかし、位置検出値には、前述の様にコラム変位ｙ₁が含まれるから、これを推定あるいは検出して位置検出値から除去した、正確な空間上の主軸頭位置ｙを導出する。更に、制御すべき主軸頭推力Ｆｒを発生させる駆動系撓み量を与えるためのモータ回転角θｍを、コラム変位ｙ₁を考慮して導出し、モータ応答の高速化を図るための速度フィードフォワード量Ｖｆｆとトルクフィードフォワード量τｆｆ及び制御上の位置指令値θｃを決定する。

図１は、本発明の実施形態に係る位置制御装置のブロック図の一例である。尚、本ブロック図において、図６（従来例）と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。尚、図中の対象プラント１０は、図３のブロック図に対応している。ここにおいて、位置指令値θ^*通りに主軸頭位置ｙを制御するためには、図３より、主軸頭推力Ｆｒを、
［数７］ Ｆｒ＝Ｍｈ・(Ｐ／２π)(ｄ²θ^*／ｄｔ²)
とすれば良く、Ｆｒとコラム変位ｙ₁の関係は、数６式から求まる。ここで、機台振動補償指令値θｓｗを、
［数８］ θｓｗ＝(２π／Ｐ)・ｙ₁
と定める。以上の一連の動作を実行するのが、機台振動モニタである。

θｓｗは、図６の従来位置制御装置内の加算器５１出力に、加算器１で加算されて本発明実施例における制御上の位置指令値θｃになる。次にθｓｗは時間微分されて、機台振動補償速度指令値Ｖｓｗとなり、図６の従来位置制御装置内の加算器５３出力に、加算器２で加算されて速度フィードフォワード量Ｖｆｆとなる。更にＶｓｗを時間微分したＡｓｗに、モータ慣性モーメントＩｍを乗じて、機台振動補償トルク指令値τｓｗを算出する。τｓｗは、図６の従来位置制御装置内のτｆｆと加算器３で加算されて、本発明実施例におけるトルクフィードフォワード量τｆｆを構成する。以上のフィードフォワード構成は、サーボモータの機台振動補償指令値θｓｗ分の応答動作の、高速化を図るためのものである。

以上の構成による本発明実施例の位置制御装置では、数２式より、定常的には、θｆ＝θｉ＋θｄｆとなって、フィードバック制御により、θｃ＝θｆとできることから、
［数９］ θｃ＝θ^*＋θｄｆ＋θｓｗ＝θｉ＋θｄｆ
となって、
［数１０］ θ^*＋θｓｗ＝θｉ＝(２π／Ｐ)(ｙ＋ｙ１)
となる。ここで、前述の既台振動モニタの動作から、数８式の関係が成立するため、θ^*＝(２π／Ｐ)ｙが達成できる。つまり、位置指令値θ^*通りに主軸頭位置ｙを制御できる。

また、ここまでは、クロスレールに主軸頭位置ｙを検出するリニアスケールが設置されていることを前提として記述しているが、リニアスケールが設置されていない場合においては、次の様に制御する。まず、図１における伝達特性Ｇ(Ｓ)をＧ(Ｓ)≡０とすることで、θｆ＝θｍとなる。θｍは図４の関係にある時、図３より、
［数１１］ θｍ＝(２π／Ｐ)[(Ｆｒ／Ｋｓ)＋(ｙ＋ｙ₁)]
であるが、数７，８式で、Ｆｒ，θｓｗを制御するから、
［数１２］ θｍ＝(Ｍｈ／Ｋｓ)(ｄ²θ^*／ｄｔ²)＋(２π／Ｐ)ｙ＋θｓｗ
となる。フィードバック制御で、θｃ＝θｆ＝θｍとできることから、
［数１３］ θｃ＝θ^*＋θｄｆ＋θｓｗ＝(Ｍｈ／Ｋｓ)(ｄ²θ^*／ｄｔ²)＋(２π／Ｐ)ｙ＋θｓｗ
ここで、数１式の関係が成立するから、θ^*＝(２π／Ｐ)ｙが達成できる。つまり、リニアスケールが設置されていない場合においても、機台振動による影響を除去した位置制御が達成できる。

次に、主軸頭がｙ方向に傾きを発生する場合について考える。図５は、図４の主軸頭１０３とボールネジ１０１の相対関係のみを抜き出した図である。図において、ボールネジナットから主軸頭に推力Ｆｒが加わる点Ｏ，主軸頭の質量中心Ｇ，主軸頭の下端点Ｑからボールネジまでの距離ｌ，ボールネジから主軸頭の上端点までの距離Ｈとしている。今、点Ｏと点Ｇが一致していないと推力Ｆｒによるモーメントで、主軸頭は図の様に角度φを持ってｙ軸方向に傾斜することになる。ここで、工作機械などでは、切削工具端となる下端点Ｑのｙ方向の空間位置を、位置指令値θ^*通りに制御することが必要となるが、この場合、点Ｏと点Ｑの間にはｌφの位置ずれが発生する。

図２は、この問題と前述の機台振動による問題に合わせて対処できる、本発明による位置制御装置の一例である。尚、本ブロック図において、図１（実施例１）と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。ブロックＣｃは、数７式に従って、位置指令値θ^*から、主軸頭推力Ｆｒを算出する。Ｆｒは、φ（Ｆｒ）変換ブロック（以下、Ｆｒ→φ変換ブロックという）で主軸頭の傾斜角φに変換される。この変換は、例えば、点Ｏと点Ｇ間距離：(ｌ−Ｈ)／２と、正の相関を持った定数ｋを用いて、
［数１４］ φ＝ｋ・Ｆｒ
などと設定される。乗算器６は、傾斜角φと(２π／Ｐ)ｌを乗ずることで、点Ｏと点Ｑの位置ずれｌφのモータ軸換算値である位置ずれ補償値θｓｌ
［数１５］ θｓｌ＝(２π／Ｐ)ｌ・φ
を出力する。

位置ずれ補償値θｓｌは、加算器４で機台振動補償指令値θｓｗと加算され、制御上の位置指令値θｃに加わることになる。次に、θｓｌは時間微分されて、位置ずれ速度補償値Ｖｓｌとなり、機台振動補償速度指令値Ｖｓｗと加算器５で加算され、速度フィードフォワード量Ｖｆｆに加わる。以上のフィードフォワード構成は、サーボモータの位置ずれ補償値θｓｌ分の応答動作の、高速化を図るためのものである。

以上の構成による本発明実施例の位置制御装置では、数２式より、定常的には、θｆ＝θｉ＋θｄｆとなって、フィードバック制御により、θｃ＝θｆとできることから、
［数１６］ θｃ＝θ^*＋θｄｆ＋θｓｗ＋θｓｌ＝θｉ＋θｄｆ＝(２π／Ｐ)(ｙ＋ｙ１)＋θｄｆ
となって、数８式の関係が成立するから、
［数１７］ θ^*＋θｓｌ＝(２π／Ｐ)ｙ
となる。更に、数１５式の関係が成立するから、
［数１８］ θ^*＝(２π／Ｐ)(ｙ−ｌ・φ)
を得る。つまり、位置指令値θ^*通りに主軸頭下端点位置(ｙ−ｌ・φ)を制御できる。

また、リニアスケールが設置されていない場合においては、実施例１同様に、伝達特性Ｇ(Ｓ)をＧ(Ｓ)≡０とすることで、θｆ＝θｍとなる。θｍは、図４の関係にある時、図５で示した主軸頭の傾斜に関わり無く、実施例１同様に、数１１式更には数１２式で表せる。ここで、フィードバック制御により、θｃ＝θｆ＝θｍとできることから、
［数１９］ θｃ＝θ^*＋θｄｆ＋θｓｗ＋θｓｌ＝(Ｍｈ／Ｋｓ)(ｄ²θ^*／ｄｔ²)＋(２π／Ｐ)ｙ＋θｓｗ
となる。更に、本式に関して、数１式の関係が成立するから、本式は数１７式に変形でき、リニアスケールが設置されている場合同様に、数１８式を得る。つまり、位置指令値θ^*通りに主軸頭下端点位置(ｙ−ｌ・φ)を制御できる。

尚、以上説明した本発明実施例１及び２では、コラム変位ｙ₁を、数６，７，８式からなる機台振動モニタより得ているが、コラム変位ｙ₁を直接検出できる変位検出器をコラムに設置し、この出力をｙ₁として利用すれば、数８式のみで機台振動補償指令値θｓｗを決定でき、機台振動モニタの構成を簡素化できる。

本発明の実施形態に係る位置制御装置の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る位置制御装置の他の一例を示すブロック図である。 実施形態における機台部剛性を考慮した対象プラントのブロック図である。 実施形態における機台部剛性を考慮したボールネジ駆動系の概略機構モデルである。 実施形態における主軸頭の傾斜を説明する概略機構モデルである。 従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。 従来の機台部剛性を考慮しない対象プラントのブロック図である。 従来の機台部剛性を考慮しないボールネジ駆動系の概略機構モデルである。

符号の説明

１，２，３，４，５ 加算器、６ 乗算器、１０ 機台部剛性を考慮した対象プラント、５０ 機台部剛性を考慮しない対象プラント、５１，５３，５４，５６，５８ 加算器、５２，５５，５７，５９ 減算器、１００ サーボモータ、１０１ ボールネジ、１０２ クロスレール、１０３ 主軸頭、１０４ａ，１０４ｂ コラム。

Claims (5)

1. 数値制御機械のボールネジ駆動系で構成された機構の駆動部をサーボモータにより駆動し、駆動部位置をリニアスケールあるいはモータ回転角度検出器で間接的に検出し、上位装置からの位置指令値に従って駆動部位置を制御する位置制御装置であって、
   上位装置からの位置指令値を入力として、駆動系を含む構造体の機台部の振動を推定し、機台振動補償指令値を決定する機台振動モニタと、
   機台振動補償指令値の時間微分値から、機台振動補償速度指令値及び機台振動補償トルク指令値などの機台補償指令値を演算決定するブロックと、
   を備え、
   少なくとも位置制御装置の位置指令値に機台補償指令値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。
2. 請求項１に記載の数値制御機械の位置制御装置において、
   さらに、新たな指令値は、
   速度指令値に機台振動補償速度指令値を加算して算出、又は、トルク指令値に機台振動補償トルク指令値を加算して算出、の少なくとも一つにより算出されたものであることを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の数値制御機械の位置制御装置において、
   上位装置からの位置指令値より駆動部推力Ｆｒを演算するブロックと、
   駆動部推力Ｆｒから駆動部の傾斜角φを導出するφ（Ｆｒ）変換ブロックと、
   傾斜角φから駆動部の力の作用点と駆動部の位置制御対象点との間の位置ずれ補償値を算出する位置ずれ補償値算出ブロックと、
   を備え、
   少なくとも位置制御装置の位置指令値に位置ずれ補償値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。
4. 請求項３に記載の数値制御機械の位置制御装置において、
   さらに、新たな指令値は、
   位置ずれ補償値の時間微分値から位置ずれ速度補償値を算出し、位置制御装置の速度指令値に位置ずれ速度補償値を加算して算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の数値制御機械の位置制御装置において、
   機台部の振動を変位検出器により検出し、得られた検出値から機台振動補償指令値を算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。
   
   

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