JP2007219689A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フルクローズ位置制御に於いて、送り軸駆動系の剛性が低下した場合に、低周波の振動が発生せず、安定に動作させる位置制御装置を提供する。
【解決手段】被駆動体の位置検出値Ｐｌとモータの位置検出値Ｐｍの差であるたわみ量Ｐｓを検出する。たわみ量Ｐｓに応じて位置演算器比例定数Ｋｐ、前記たわみ量Ｐｓを入力とした１次遅れ回路の時定数Ｔｐ、被駆動体の速度検出値Ｖ１とモータの速度検出値Ｖｍの差分を入力とした１次遅れ回路の時定数Ｔｖを可変する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等における送り軸（テーブル、サドルあるいは主軸頭等の被駆動体）の位置制御装置、特に被駆動体位置と位置指令値との関係を送り装置のたわみ量を考慮してフルクローズ制御する位置制御装置の改良に関する。

工作機械の可動部にリニアスケールを取り付けて被駆動体位置を検出し、これを指令値と比較して送り装置のたわみ量を考慮したフルクローズ制御を行う位置制御装置において、位置誤差を小さくするために以下の各種の試みがなされている。

過渡応答時の位置誤差を小さくするためには、速度ループと位置ループの各ゲインを高く設定することで、可動部の摺動抵抗の変化や切削負荷等の予測困難な負荷変動外乱に対して被駆動体を高精度に制御することが可能となる。しかし、経年変化による駆動系部品の磨耗・部品のゆるみ、連続動作時の温度上昇によるボールネジ伸びによるボールネジのテンション低下などの原因により、送り軸機構の剛性が低下した際に低周波の振動が発生してしまうという課題がある。

図５に一般的なフルクローズ制御システムのブロック図を示す。リニアスケール１１で検出した被駆動体１２の位置検出値Ｐｌを位置フィードバック値として位置指令Ｐｃとの偏差を減算器２が算出し、速度指令演算部３が前記位置偏差に基づき比例定数Ｋｐを演算し速度指令Ｖｃを出力する。一方、モータ１０に取り付けられた位置検出器９の位置検出値Ｐｍを微分器１４が微分し、モータ速度検出値Ｖｍを出力する。前記速度指令Ｖｃとモータ速度検出値Ｖｍの偏差を減算器４により求め、速度偏差として出力する。この速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき速度偏差比例演算器５と速度偏差積分演算器６がそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器７が速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令Ｔｃを出力する。図５中の記号８は、トルク指令をフィルタリングする各種のフィルタ部と電流制御部を示す。

ここで、簡単のため、速度指令Ｖｃからモータの速度検出値Ｖｍまでの伝達特性が１であるとし、被駆動体位置Ｐｌとモータ位置Ｐｍがバネ係数Ｋｂのバネで連結され、被駆動体の重量をＭ、被駆動体に発生する摺動トルクがＦであるモデルであると仮定する。その場合、図５のブロック図は図６に示すブロック図で表され、制御系全体の伝達関数は（式１）で表される。（式１）でＳはラプラス演算子を示す。
Ｐｃ（Ｓ）／Ｐｌ（Ｓ）＝Ｋｐ・Ｋｂ／（ＭＳ^３＋ＦＳ^２＋Ｋｂ・Ｓ＋Ｋｐ・Ｋｂ）
・・・（式１）
上式において、Ｋｐ＜＜（Ｋｂ／Ｍ）^１／２と設定した場合、制御系全体のゲイン線図は図９に示す様な特性となる。

近年、各種のフィルタ技術と制振制御および速度ループの高速化によって高い位置・速度ループゲインが設定可能になった。しかし、経年変化による駆動系部品の磨耗・部品のゆるみ、連続動作時の温度上昇によるボールネジ伸びによるボールネジのテンション低下などの原因により、送り軸機構部の剛性が低下する場合がある。その場合、（式１）における制御系全体のゲイン線図は図１０に示す様な特性となり、高く設定された位置ループゲインにより機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２におけるゲイン余裕が低下し、場合によっては被駆動体が低周波で振動してしまうという課題が生じていた。この課題に対する従来技術を次に説明する。

図７は、他の従来技術を示す制御ブロック図である。図５と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。図７の位置検出値演算部２０は、前記被駆動体位置検出値Ｐｌと前記モータ位置検出値Ｐｍより、下記（式２）で表される位置を位置フィードバック値Ｐｄとして出力する。（式２）でＴｐは１次遅れ回路１７の時定数を示し、Ｓはラプラス演算子を示す。
Ｐｄ＝Ｐｍ＋（Ｐｌ−Ｐｍ）／（１＋Ｔｐ・Ｓ） ・・・（式２）
（式２）において、（１＋Ｔｐ・Ｓ）は１次遅れを示し、（式２）の第２項の演算は図７中の１次遅れ回路１７で行われる。
（式２）において、Ｔｐ＞＞（Ｋｂ／Ｍ）^１／２と設定した場合、図７のブロック図における制御系全体のゲイン線図は図１１の点線で示す様な特性となり、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２におけるゲイン余裕が大きくなる。さらに、送り軸機構部の剛性が低下した場合は、図１１の実線で示す様な特性となり、図５の従来例で発生した低周波の振動に対する課題は解決している。

図８は、更に他の従来技術を示す制御ブロック図である。この従来技術は速度検出値演算器２５を有する。図５と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。前記被駆動体位置検出値Ｐｌを微分器２１が微分し被駆動体速度検出値Ｖｌを出力する。速度検出値演算部２５は、前記被駆動体速度検出値Ｖｌと前記モータ速度検出値Ｖｍより、下記（式３）で表される速度を速度フィードバック値Ｖｄとして出力する。（式３）でＴｖは１次遅れ回路２３の時定数を示し、Ｓはラプラス演算子を示す。
Ｖｄ＝Ｖｍ＋（Ｖｌ−Ｖｍ）／（１＋Ｔｖ・Ｓ） ・・・（式３）
（式３）において、（１＋ＴｖＳ）は１次遅れ回路を示し、（式３）の第２項の演算は図８中の１次遅れ回路２３で行われる。
（式３）において、Ｔｖ＞＞（Ｋｂ／Ｍ）^１／２と設定した場合、図８のブロック図における制御系全体のゲイン線図は図１１の点線で示す様な特性となり、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２におけるゲイン余裕が大きくなる。さらに、送り軸機構部の剛性が低下した場合は、図１１の実線で示す様な特性となり、図５の従来例で発生した低周波の振動に対する課題は解決している。

特開平１０−３２６１１４号公報 特開平３−３２５５０号公報

図７、８に示した従来技術において、機械経年変化により送り軸駆動系の剛性が低下した場合や、大型マシニングセンタ等で想定以上の重量のワークを被駆動体に載せた時において、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２におけるゲイン余裕がなくなり、低周波の振動が発生した。また、機械的な故障が発生し、送り軸駆動系の剛性が低下した場合でも気づかずに機械を動作させ、低周波振動によりタックベアリング等の送り軸機構部品に損傷を加える場合もあった。

本発明は、上記課題に対してなされたものであり、モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、前記たわみ量の大きさに応じて速度指令演算器の比例定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、前記たわみ量を入力とする１次遅れ回路の出力と、モータ位置検出器からの位置検出値を加算して位置フィードバック値を出力する位置検出値演算器と、前記たわみ量の大きさに応じて位置検出値演算器の１次遅れ回路時定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする。

更に、本発明は、モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、モータ位置検出値から得られるモータ速度検出値と被駆動体位置検出値から得られる被駆動体速度検出値の差を入力とする１次遅れ回路の出力と、モータ速度検出値を加算して速度フィードバック値を出力する速度検出値演算器と、前記たわみ量の大きさに応じて速度検出値演算器の１次遅れ回路時定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明は、前記たわみ量の大きさが予め設定された閾値を超えた場合に、その状態を表示するたわみ量検出器を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態について説明する。図７に示した従来例と同一要素には同一符号を付して説明は省略する。本発明の制御ブロック図を図１に示す。減算器１５はリニアスケール１１で検出した被駆動体１２の位置検出値Ｐｌとモータ１０に取り付けられた位置検出器９の位置検出値Ｐｍの差であるたわみ量Ｐｓを算出し、たわみ量検出器１６に出力する。たわみ量検出器１６は、検出したたわみ量Ｐｓに応じて速度指令演算部３の比例定数Ｋｐを可変する。または、１次遅れ回路１７の時定数Ｔｐを可変する。

具体的に、Ｋｐ及び時定数Ｔｐを可変する実施形態を図２に示す。たわみ量検出器１６は、前記たわみ量Ｐｓよりテーブル１６１を参照して、０≦Ｋ≦１の範囲で係数Ｋを出力し、乗算器１６２において係数Ｋに速度指令演算部３の比例定数初期値Ｋｐ０を乗算して、速度指令演算部３の比例定数Ｋｐを可変し出力する。

ここで、簡単のため、速度指令Ｖｃからモータの速度検出値Ｖｍまでの伝達特性が１であるとし、被駆動体位置Ｐｌとモータ位置Ｐｍがバネ係数Ｋｂのバネで連結され、被駆動体の重量をＭ、被駆動体に発生する摺動トルクがＦであるモデルであると仮定する。その場合、制御系全体の伝達関数は（式４）で表される。（式４）でＳはラプラス演算子を示す。
Ｐｃ（Ｓ）／Ｐｌ（Ｓ）
＝Ｋｐ０・Ｋ・Ｋｂ／（ＭＳ^３＋ＦＳ^２＋Ｋｂ・Ｓ＋Ｋｐ０・Ｋ・Ｋｂ）
・・・（式４）
図１の場合、剛性が低下した場合は、前記たわみ量Ｐｓが大きくなるため、位置比例演算係数Ｋｐは小さな値となる。その結果、（式４）における制御系全体のゲイン線図は図１２に示す様な特性となる。よって、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２においてゲイン余裕が大きくなるため、被駆動体が低周波で振動しない。

更に、図２に示す様に、たわみ量検出器１６は、検出したたわみ量Ｐｓに応じてテーブル１６３を参照して時定数係数Ｋｔを出力し、乗算器１６４において係数Ｋｔに時定数初期値Ｔｐ０を乗算して１次遅れ回路１７で使用する時定数Ｔｐを可変し出力する。即ち、たわみ量Ｐｓが大きくなるに従い、時定数Ｔｐは大きくなる。図１中の位置検出器演算部２０は（式５）で表される位置フィードバック値Ｐｄを出力する。（式５）でＴｐ０は時定数初期値を示し、Ｓはラプラス演算子を示す。１次遅れ回路１７で使用する時定数ＴｐはＴｐ＝Ｔｐ０・Ｋｔとなり、位置フィードバック値Ｐｄは以下の様になる。
Ｐｄ＝Ｐｍ＋（Ｐｌ−Ｐｍ）／（１＋Ｔｐ０・Ｋｔ・Ｓ） ・・・（式５）
この場合、剛性が低下した場合は、前記たわみ量Ｐｓが大きくなるため、１次遅れ回路１７で使用する時定数Ｔｐは大きな値となる。その結果、ゲイン線図は図１３に示す様な特性となり、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２においてゲイン余裕が大きくなるため、被駆動体が低周波で振動しない。

本発明の他の実施形態のブロック図を図３に示す。図８に示した従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。たわみ量検出器１６は、検出したたわみ量Ｐｓに応じて時定数係数Ｋｔを求め、これに時定数初期値Ｔｖ０を乗算して１次遅れ回路２３で使用する時定数Ｔｖを可変し出力する。即ち、たわみ量Ｐｓが大きくなるに従い、時定数Ｔｖは大きくなる。図３中の速度検出値演算部２５は（式６）で表される速度フィードバック値Ｐｄを出力する。（式６）でＴｖ０は時定数初期値を示し、Ｓはラプラス演算子を示す。（式５）でＴｐ０は時定数初期値を示し、Ｓはラプラス演算子を示す。１次遅れ回路２３で使用する時定数ＴｖはＴｖ＝Ｔｖ０・Ｋｔとなり、速度フィードバック値Ｖｄは以下の様になる。
Ｖｄ＝Ｖｍ＋（Ｖｌ−Ｖｍ）／（１＋Ｔｖ０・Ｋｔ・Ｓ） ・・・（式６）
図３の場合、剛性が低下した場合は、前記たわみ量Ｐｓが大きくなるため、１次遅れ回路２３で使用する時定数Ｔｖは大きな値となる。その結果、図３における制御系全体のゲイン線図は図１３に示す様な特性となり、機械共振周波数（Ｋｂ／Ｍ）^１／２においてゲイン余裕が大きくなるため、被駆動体が低周波で振動しない。

本発明の他の実施形態を図４に示す。たわみ量検出器１６は、前記たわみ量Ｐｓの大きさが予め設定された閾値Ｐｓｒｅｆ１６５を超えた場合に、差動増幅器１６６にて機械の状態が異常であることを検出し、その状態を警告表示器１６７にて表示する。その結果、剛性が低下した場合に前記たわみ量Ｐｓが大きくなるため、警告等を操作者等に伝え、また、該当軸を停止させることが可能となり、機械的故障が発生した場合に気づかずに機械を動作させることがなくなり、送り軸機構部品損傷を加えることもなくなる。

以上説明した様に、本発明による位置制御装置によれば、送り軸駆動系の剛性が低下した場合、被駆動体位置とモータ位置の差であるたわみ量が大きくなる。たわみ量検出器が、たわみ量が大きくなるに従い位置演算器比例定数Ｋｐ、または、位置検出値演算部の１次遅れ回路の時定数Ｔｐを可変させる。または、速度検出値演算部の１次遅れ回路の時定数Ｔｖを可変させる。その結果、たわみ量が増加しても低周波の振動を発生させることなく被駆動体を動作させることができる。また、送り軸駆動系の剛性が低下した場合を考慮せず、高い位置ループゲインＫｐを設定できる。

更に、経年変化により、送り軸駆動系の剛性が低下した場合や、大型マシニングセンタ等で想定以上の重量ワークを被駆動体に載せた時において、前記たわみ量が大きくなり、たわみ量検出器がその状態を検出するため、機械が大きな損傷に至ることもない。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明のたわみ量検出器の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明のたわみ量検出器の実施形態を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術のときのゲイン線図例である。 従来技術のときのゲイン線図例である。 従来技術のときのゲイン線図例である。 本発明のときのゲイン線図例である。 本発明のときのゲイン線図例である。

符号の説明

１ 上位制御装置、２，４，１５，２２ 減算器、３ 速度指令演算部（位置ループゲイン）、５ 速度偏差比例演算器（速度ループ比例ゲイン）、６ 速度偏差積分演算器（速度ループ積分ゲイン）、７，１８，２４ 加算器、８ 各種フィルタ部・電流制御部、９ モータ位置検出器、１０ モータ、１１ リニアスケール、１２ 被駆動体、１３ ボールネジ、１４，２１ 微分器、１６ たわみ量検出器、１７，２３ １次遅れ回路、２０ 位置検出値演算器、２５ 速度検出値演算器、２６ 速度指令からモータ速度の伝達特性、２７ 積分器、２８ バネ系モデル、１６１〜１６５ 係数、１６６ 比較器、１６７ 状態（警告）表示器。

Claims (4)

1. モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、
   前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、
   前記たわみ量の大きさに応じて速度指令演算器の比例定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする位置制御装置。
2. モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、
   前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、
   前記たわみ量を入力とする１次遅れ回路の出力と、モータ位置検出器からの位置検出値を加算して位置フィードバック値を出力する位置検出値演算器と、
   前記たわみ量の大きさに応じて位置検出値演算器の１次遅れ回路時定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする位置制御装置。
3. モータ位置検出器と、モータにより駆動される被駆動体の被駆動体位置検出器とを含み、被駆動体の位置をフルクローズ制御する被駆動体の位置制御装置において、
   前記モータ位置検出器からの位置検出値と被駆動体位置検出器からの位置検出値の差であるたわみ量を算出する減算器と、
   モータ位置検出値から得られるモータ速度検出値と被駆動体位置検出値から得られる被駆動体速度検出値の差を入力とする１次遅れ回路の出力と、モータ速度検出値を加算して速度フィードバック値を出力する速度検出値演算器と、
   前記たわみ量の大きさに応じて速度検出値演算器の１次遅れ回路時定数を可変するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする位置制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の位置制御装置において、
   前記たわみ量の大きさが予め設定された閾値を超えた場合に、その状態を表示するたわみ量検出器を備えたことを特徴とする位置制御装置。

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