JP2007219812A - サーボモータの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】位置決め精度の向上と、加工面の品位向上を位置指令等の補正の切り換えにより達成する。かつ、この切り替え時のショックを緩和する。
【解決手段】補正量生成部15は、機械温度等の補正要因となる信号に基づいて補正量を求める。又、外部信号2がオン時にはスイッチ17a,bを介して、補正量生成部15で求めた補正量で、位置指令等を補正する。補正量保持部16は、補正量生成部15から出力される補正量を更新記憶する。外部信号2がオフで、スイッチ17a,bが切り替わり、補正量保持部16の補正量で補正する。スイッチ17a,bが切り替わっても、補正量の急激な変化はなく機械にショックを与えない。位置決め時には外部信号をオンとし、補正量生成部15からの補正量で補正し正確に位置決めできる。加工面の品位を上げるときには外部信号をオフとして、補正量の変化をなくし加工面の品位を向上させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、工作機械の可動部の駆動源に使用されるサーボモータの制御装置に関し、機械の位置や速度を制御するサーボモータの制御装置に関する。
工作機械においては、被加工物を取り付けたテーブルや工具等の可動部を駆動する送り軸の駆動源としてサーボモータを用い、該サーボモータの位置、速度を制御して各送り軸を駆動し、加工プログラム等で指令された加工形状に被加工物を加工することが行われている。
このサーボモータの制御において、指令された加工形状に被加工物を精度高く加工するために、位置指令や速度指令を補正する方法が知られている。機械を使用し続けるとモータから発生する熱等によって機械は加熱され熱変形を生じる。サーボモータはボールネジ/ナット機構等の送り機構等を介して可動部を駆動するものであるから、これに送り機構が熱変位すると、加工プログラム指令通りにサーボモータを駆動したとしても、この熱変位によって目標とする加工形状が得られず、加工精度が低下する。これを防止するために温度センサ等で機械温度等を検出し、該検出温度に基づいて、位置指令、位置偏差、速度指令等を補正し、高精度の加工をするような方法が知られている。
又、1つの対象物を2つのサーボモータで同期を取りながら駆動する同期制御方法においては、機械の熱膨張等によって、2つのモータ間にストレスが生じる。このストレスを低減させることを目的とし、各サーボモータへの電流指令(トルク指令)や各サーボモータに流れる実電流に基づいて、位置偏差補正量を求めて、指令位置と位置のフィードバック量との差の位置偏差を補正するようにした発明も知られている(特許文献1参照)。
又、公知技術ではないが、本願出願人は、被駆動体の振動を抑制するために、被駆動体の加速度を検出する加速度センサを設けて、該加速度センサで検出される加速度に基づいて、位置指令、位置偏差、速度指令等を補正し、被駆動体の振動を抑制するようにした制御装置を開発し、特願2004−341770として特許出願している。
特開2004−288164号公報
工作機械においては、加工中に位置指令、位置偏差、速度指令を補正する補正量が変動すると、その変動によりサーボモータの位置が変動し、加工物の表面品質が低下するという問題がある。又、位置指令、位置偏差、速度指令の補正を行わないと、上述したように、熱変位等により対象物の位置が指令位置と相違し、位置決め誤差が増大するという問題がある。
又、上述した1つの被駆動体を複数のサーボモータで駆動する場合、位置指令や速度指令等の補正を行わないと、サーボモータ間にストレスが発生し、サーボモータに働く力が増大するという問題がある。
そこで、本発明は、必要に応じて位置指令、位置偏差、速度指令の補正を実行したり不実行とすることができる制御装置を得ることにある。さらに、補正の開始、終了の時点での補正量のありなしによる位置指令や速度指令の変動によるショックを緩和できる制御装置を提供することにある。
制御対象の変動要因を検出し、該変動要因に基づいて位置指令、位置偏差、速度指令のいずれかを補正する補正量を求めて補正する補正手段を有するサーボモータの制御装置において、本願請求項1に係る発明は、外部信号により前記補正手段による補正の実行と停止を切り替える切り替え手段を備えることによって、位置指令、位置偏差、速度指令を補正することによって位置決めを精度高く又早く行うことも、又補正を行わないことによって、位置指令等が変動せず、加工面の品位を保持することを選択可能とした。
又、請求項2に係る発明は、外部信号により前記補正手段で求める補正量の更新の停止と再開を切り替える切り替え手段を備えることによって、変動要因に基づいて変動する補正量に基づいて位置指令、位置偏差、速度指令を補正することによって位置決めを精度高く又早く行うようにし、補正量の更新を停止して、一定の補正量で補正することによって、位置指令等の変動を抑え、加工面の品位を保持することを選択可能とすると共に、補正量切り替え時の補正量の大きな変化を防止して機械にショックが発生することを防止した。
又、請求項3に係る発明は、補正量の更新を停止するときには、停止直前の補正量を補正量保持部に保持し、補正量保持部の値で補正を行うものとした。さらに、請求項4に係る発明は、補正量の更新を停止状態から再開するときには、更新停止中に補正量保持部に保持されている補正量を使用して、連続的に補正量を変化させるようにした。請求項5に係る発明は、補正量作成部にフィルタを持ち、補正量の更新を再開する際に当該フィルタの初期出力値として、補正量更新停止中に補正量保持部に保持されている補正量を使用することにより、補正量を連続的に変化させるようにした。
請求項6に係る発明は、複数のサーボモータを同期制御にて駆動するサーボモータの制御装置として請求項1〜5に係る発明を適用するものであり、各サーボモータの出力トルクをモニタするモニタ手段を設け、前記補正手段では、前記モニタ手段で求めたトルクの差に基づいて補正量を求めるものとした。又、請求項7に係る発明は、請求項6に係る発明において、前記モニタ手段で電流指令をモニタし、前記補正手段ではモニタされた2台のサーボモータの電流指令の差分に基づいて補正量を求めるものとした。
位置指令、位置偏差又は速度指令の補正を、制御対象の変動要因から求めた補正量で補正するか、又は、補正を行わないか若しくは一定量の補正を行うかを、外部信号によって選択できるから、補正を行って位置決めを精度高くかつ早く実施できることを選択することも、補正せず又は補正を一定値に保持し、補正量の変動に伴う位置や速度の変化による加工面の品位低下を防止を選択することができ、必要性に応じた制御ができる。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の要部ブロック図である。
従来のサーボモータの制御装置と同様に、サーボモータの制御装置1は、位置制御部10、速度制御部11、電流制御部12を有し、さらに、本発明に関係し、補正量生成部15、補正量保持部16、連動する切り替えスイッチ17a、17b、係数部18を備えている。
位置制御部10では、数値制御装置等の上位制御装置から出力された位置指令から、サーボモータMに設けられたパルスコーダ等の速度検出器からの速度フィードバックを積分手段13で積分して求められた位置フィードバックを、加減算器19で減じて位置偏差を求め、該位置偏差に符号14で示すポジションゲインKpを乗じて速度指令を求める。速度制御部11では、この求められた速度指令から、速度フィードバックを加減算器21で減じて速度偏差を求め、該速度偏差に基づいて速度制御処理を行い電流指令(トルク指令)を求める。この電流指令(トルク指令)に基づいて電流制御部では、従来と同様に電流フィードバック制御を行いサーボモータMを駆動する。
上述した位置、速度、電流のフィードバック制御からなるサーボモータMの制御は従来のサーボモータ制御装置と同一である。又、これらの制御処理はプロセッサによって実行されるものであり、この点においても従来と差異はない。
本実施形態では、位置指令、位置偏差又は速度指令を補正する補正量を生成する補正量生成部15と、生成された補正量を保持する補正量保持部16、及び補正量生成部15又は補正量保持部16から出力される補正量を選択する連動切り替えスイッチ17a、17b、該切り替えスイッチ17aで選択した補正量に係数kを乗じて補正対象に合わせた補正量を求める係数部18を備える。
切り替えスイッチ17aで選択された補正量生成部15又は補正量保持部16からの補正量を加減算器19で位置指令に加算し補正するか、又は、加減算器21で位置偏差に加算して補正するか、加減算器22で速度指令に加算し補正するか、いずれを用いて補正するかによって、係数部の係数kは相違するものである。図1では、加減算器19,21,22を設けたが、いずれか1つ設けて、位置指令か、位置偏差か、速度指令を補正するようにするものである。
この補正量生成部15は、機械などの制御対象の変動要因を検出し、該変動要因に基づいて位置指令、位置偏差、速度指令のいずれかを補正する補正量を求めるものである。例えば、温度によってボールネジ/ナット機構等の伝動機構の熱膨張でサーボモータで駆動される可動部の位置誤差の増大を防止するために、機械温度を検出する温度センサ等のセンサからの信号に応じて補正量を求めるものである。補正量保持部16は、切り替えスイッチ17aが補正量生成部15の出力を選択しているときは、切り替えスイッチ17bを介して補正量生成部15で生成された補正量を順次更新しながら記憶する。又、切り替えスイッチ17aが補正量保持部16を選択したときは、切り替えスイッチ17bは遮断され、補正量保持部16の補正量の更新は停止し、切り替えスイッチ17a、17bが切り替えられたときの補正量が記憶保持されるものである。
工作機械の場合、サーボモータで駆動される被加工物や工具等の対象物の位置決め精度を上げたいときや、加工の加工面の品質を向上させたいときなど、動作状態によって重視すべき事項が異なる。例えば、ボールネジ/ナット機構等の送り軸などの機械の熱膨張を考慮して対象物を精度高く位置決めするような場合には、機械温度を検出し、該検出温度に基づいて位置指令や位置偏差の補正量を求めて、位置指令、位置偏差を補正すれば機械の熱膨張をも考慮した精度高い位置決めができる。
一方、被加工物を加工中においては、検出温度変化によって補正量が変動し、この変動する補正量で補正された位置指令や位置偏差も変動することになり、加工面の加工精度が低下するという問題が生じる。この場合は、むしろ補正を行わない方が、位置指令や位置偏差に補正による変動がなく、加工面の品位を保持することができる。
又、対象物の加速度を検出し、該検出加速度に応じて、位置指令、位置偏差又は速度指令を補正する場合においても、位置決め時においては、検出加速度に基づいて補正した方が、振動の発生を抑え、位置決めが早く達成できる。一方、加工中においては、検出加速度に応じて補正量を求め補正しては、加工面の品位が低下するという問題が生じる。この場合も、機械の動作状態に応じて、補正を行うか、補正を行わないか、を切り替えた方がよい。
そこで、本実施形態は、機械の動作状態に応じて、外部信号2によって補正量生成部15で求めた変化する補正量で補正するか、補正量保持部16に記憶する一定の補正量で補正するかを切り替えるようにしたものである。機械の動作状態に応じて、位置決め等を重視するか、加工表面の品位を重視するかで、単に補正を行うか、補正を行わないかの切り替えを行うようにしてもよいものであるが、本実施形態では、さらに、補正の実行、非実行の切り替え時に、機械にショックを与えないように、切り替え時の補正量の変化を少なくするようにしている。
補正の実行と非実行を切り替えるようにした場合、補正のあり、なしで位置指令や位置偏差が大きく変動し、サーボモータMが急激に移動し、機械にショックを与える場合がある。そのため、本実施形態では、機械の動作状態に応じて外部信号2によって、切り替えスイッチ17a、17bを切り替えて、補正量として補正量生成部15の出力か、補正量保持部16の出力かを選択するようにしている。なお、単に補正を行う場合と補正を行わない場合を切り替える形式とするときには、図1における補正量保持部16を設ける必要はない。
図2、図3は、外部信号2により補正を切り替えるときの補正量の変化の例を示すもので、図2は、補正量生成部15で生成された補正量で補正を行うときと、補正を行わないときとに切り替えた例を示す。図3は図1に示す補正量生成部15からの補正量と、補正量保持部16からの補正量に切り替えるときの例を示している。
図2に示すように、補正の実行/非実行の切り替えを行うときは、補正をオフにする切り替える直前の補正量が大きいときには、位置指令等が大きく変化することになる。又、補正をオンとして補正量生成部15で生成される補正を開始するように切り替えるときに、補正量生成部15で生成される補正量が大きいときには、補正量が「0」から大きな補正量に切り替えられるので、位置指令等が大きく変化し、機械にショックを与える場合が生じる。この補正の実行/非実行の切り替え時における補正量生成部15での求められる補正量が小さいときは、この機械に与えるショックは小さいので、補正量が大きくならないように機械の場合には(図2において、切り替え時の補正量の変化が小さい場合)、補正量保持部16を設けず、補正する場合と補正しない場合に切り替えて制御してもよい。
一方、図1に示したような補正の切り替えを補正量生成部15又は補正量保持部16からの補正量に切り替える場合は、図3に示すように、切り替え時には、大きな変化はなく機械にショックを発生させることはない。外部信号2をオフとして補正が補正量保持部16の補正量になったときは、該補正量保持部16には、外部信号2をオフとなる直前の補正量が記憶されているから、切り替え時に変化はなく、該補正量保持部16に保持された一定の補正量で補正が実行されることになる。又、外部信号2をオンとなって、補正量生成部15で生成された補正量で補正するように切り替えたときには、後述するように補正量生成部15は、フイルタを用いて補正量を生成するようにしていることから、この切り替え時も、急激な補正量の変化はない。
図4は、補正量生成部15と外部信号2による補正量の切り替えの詳細説明図である。補正量生成部15は、ディジタルフィルタ15a、遅れ要素15bで構成されている。外部信号2がオフのときは、図4(a)に示すように、切り替えスイッチ17aは補正量保持部16に記憶する補正量を選択し、切り替えスイッチ17bは補正量保持部16への補正量の入力を遮断している。
一方、外部信号がオンのときは、図4(b)に示すように、切り替えスイッチ17aが補正量生成部15の出力を選択し、切り替えスイッチ17bは補正量保持部16に補正量生成部15で生成された補正量を入力するように切り替えられている。
補正量生成部15は、外部信号2がオンになったとき、遅れ要素15bに記憶する1周期前の補正量を初期値として、センサからの信号をフィルタ15aで処理して補正量を求めることによって、切り替え時の補正量の変化を小さく抑えるようにしている。図4(b)に示すように、切り替えスイッチ17aを介して出力し、係数部で補正する対象に合わせて設定されている係数kを乗じて、最終的な補正量を求め出力する。又、切り替えスイッチ17bを介して補正量生成部15の出力(フィルタ15aの出力)を補正量保持部16に出力する。
補正量保持部16は、補正量が入力される毎に、記憶する補正量を書き換え更新し記憶する。そして、外部信号2がオフとなると図4(a)に示すように、連動する切り替えスイッチ17a,17bが切り替わり、補正量保持部16に記憶する補正量が出力されることになる。
なお、外部信号2は、加工プログラム等に基づいて数値制御装置等の上位制御装置からの信号でも、又は手動による信号でも、さらにはシーケンサ等からの信号でもよいものである。
図5は、このサーボモータの制御装置1のプロセッサが行う位置、速度のフィードバック処理と同時に実施する補正量出力処理である。
まず、外部信号が1(オン)か判断し(ステップS1)、オンでなればレジスタAに記憶する補正量に係数kを乗じて、補正対象に合わせた補正量として出力し(ステップS4)、補正量出力処理は終了する。この出力された補正量に基づいて、前述したように位置指令、位置偏差又は速度指令が補正され、位置、速度のフィードバック処理がなされることなる。
一方、外部信号が1(オン)であれば、レジスタAに記憶する補正量を初期値とし、センサからの信号に基づいて補正量計算処理を実行し補正量を算出し(ステップS2)、求めた補正量をレジスタAに格納し(ステップS3)、ステップS4に移行し、このレジスタAに記憶する補正量に係数kを乗じて最終的な補正量として出力し、当該周期の補正量出力処理を終了する。
この図5にフローチャートで示すように、補正量を記憶するレジスタAは、外部信号が「1」のときは、補正量を更新したものを記憶し、外部信号が「1」でないときは、レジスタAに記憶する補正量は更新されず保持されたままである。
なお、図2に示したように、外部信号がオフのときには、補正を行わない場合は、図5に示す処理において、外部信号が「1」でないときは、レジスタAを「0」とすればよい。他の処理は図5に示す処理と同じとなる。又、外部信号が「1」でないときは、補正量の出力は行わず、そのままこの補正量出力処理を終了し、外部信号が「1」のときは、ステップS2でレジスタAに記憶する補正量を初期値とせず、センサからの信号に基づいて補正量計算処理を実行し補正量を求めレジスタAに格納し、このレジスタAに格納した値に係数kを乗じて最終的な補正量として出力するようにすればよい。
図6は、本発明の第2の実施形態の概要ブロック図である。
この第2の実施形態は、1つの対象物3を2台のサーボモータMa、Mbを同期制御して駆動するタンデム制御を行う制御装置の実施形態である。
1つの対象物3は、2台のサーボモータMa、Mbで駆動されるようになっており、各サーボモータMa、Mbを駆動制御する手段として、それぞれ位置制御部10a、10b、速度制御部11a、11b、電流制御部12a、12bを備え、位置制御部10a、10bは、数値制御装置等の上位制御装置から出力された移動指令と、それぞれのサーボモータMa、Mbを設けた位置検出器又は対象物3の位置を検出する位置検出器からの位置フィードバックとに基づいて、図1に示すように位置フィードバック制御を行いそれぞれ速度指令を出力する。なお、上位制御装置から出力された位置指令は同一の指令が各位置制御部10a、10bに指令される。
速度制御部11a、11bは、それぞれの速度指令とサーボモータMa、Mbに設けられたそれぞれの速度検出器からの速度フィードバックとにより速度フィードバック制御を行い電流指令(トルク指令)を求める。さらに、電流制御部12a、12bはそれぞれの電流指令(トルク指令)とそれぞれのサーボモータMa、Mbの駆動電流を検出する電流検出器からの電流フィードバックに基づいて電流フィードバック制御を行いそれぞれのサーボモータMa、Mbを駆動し、対象物3を移動させる。
さらに、本実施形態は、第1の実施形態と同様に、補正量生成部15、補正量保持部16、切替スイッチ17a、17b、係数部18を備え、各サーボモータMa、Mbにトルクモニタ手段を設け、該トルクモニタ手段でモニタした各サーボモータの出力トルクの差より補正量を求め、第1の実施形態と同様に、各サーボモータMa、Mbを制御する制御部の位置指令、位置偏差、速度指令を補正するものである。この点は、第1の実施形態と同様で、外部信号2がオン(「1」)で切り替えスイッチ17aが補正量生成部15側に接続されているときは、補正量生成部15は、トルクモニタ手段でモニタした各サーボモータMa、Mbの出力トルクの差に基づいて補正量を求める。この補正量に係数部18で設定係数kを乗じて位置指令、位置偏差又は速度指令を補正する。又、補正量生成部15で求めた補正量は補正量保持部16で記憶される。
一方、外部信号2がオフ(「0」)のときは、切り替えスイッチ17aは補正量保持部16側に接続され、補正量保持部16に記憶された補正量に係数部18で係数kが乗じられて補正する補正量が求められ、位置指令、位置偏差又は速度指令を補正する。又、切り替えスイッチ17bは、オフとなって補正量保持部16の補正量の更新は行われない。
この補正制御は第1の実施形態と同一であり、補正量出力処理は第1の実施形態で述べた図5の処理と同じである。
各サーボモータMa、Mbを制御する制御部の処理は、この補正された位置指令又は位置偏差、又は速度指令に基づいて、位置フィードバック制御、速度フィードバック制御をそれぞれ行うものである。
トルクモニタ手段で検出するサーボモータMa、Mbの出力トルクは、各サーボモータMa、Mbにトルク検出手段を設けて検出しても、又は、電流制御部12a、12bで用いられる電流フィードバック(電流検出器で検出した実駆動電流)の実電流値でも、さらには、速度制御部11a、11bの出力である電流指令(トルク指令)を用いて検出してもよく、検出したトルク(実検出トルク、駆動電流、電流指令)の差に基づいて補正量生成部15は補正量を生成する。
図7に、速度制御部11a、11bから出力される電流指令(トルク指令)の差によって補正量を求める場合の例を示している。
図6,図7に示した第2の実施形態の、1つの対象物を複数のサーボモータを同期制御することにより駆動するタンデム制御においては、機械の熱膨張等によって、複数のサーボモータの移動位置が僅かにずれて、モータ同士が引っ張り合ってモータ間にストレスが発生する。そこで、この第2の実施形態のように、2台のサーボモータMa、Mbのトルクをモニタし、そのトルクの差に基づいて補正量を求めて、位置指令、位置偏差又は速度指令を補正することによって、サーボモータMa、Mbにかかるストレスを軽減させ、サーボモータMa、Mbに働く負荷を小さくすることができる。
一方、この位置補正等を常時行うと、位置指令等が常時変動し、移動経路が変動し、加工物の表面品位が悪化する。そのため、この第2の実施形態では、外部信号2によって、補正量生成部15で生成した補正量、すなわち変化する補正量を補正する場合と、補正量保持部16で保持する一定の補正量を補正する場合に、選択的に切り替えて、加工品位等の移動経路の精度を要求されるときは、補正を一定に保持し、加工品位等の移動経路の精度が格別要求されないとき(例えば位置決め移動のとき等)は、補正量生成部15で生成される変動する補正で補正してサーボモータMa、Mbに働く力の増大を防止する。
なお、この第2の実施形態においても、外部信号によって補正を切り替える際に、機械ショックの発生が無視できる程度の場合は、補正量保持部16を設けず、外部信号がオフのとき、補正量を「0」として、補正を行わないようにしてもよいものである。
本発明の第1の実施形態の要部ブロック図である。 補正を行うときと補正を行わないときの補正量の変化を表す図である。 本発明の第1の実施形態における補正切り替え時の補正量の変化を説明する説明図である。 本発明の各実施形態における補正量生成部の詳細と、補正量切り替えの動作説明図である。 本発明の各実施形態における補正量出力処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明の第2の実施形態の要部ブロック図である。 同第2の実施形態において、電流指令の差によって補正量を求めるときの要部ブロック図である。
符号の説明
1 サーボモータの制御装置
18 係数部
19〜23 加減算器
15b 遅れ要素

Claims (7)

  1. 制御対象の変動要因を検出し、該変動要因に基づいて位置指令、位置偏差、速度指令のいずれかを補正する補正量を求めて補正する補正手段を有するサーボモータの制御装置において、外部信号により前記補正手段による補正の実行と停止を切り替える切り替え手段を備えることを特徴とするサーボモータの制御装置。
  2. 制御対象の変動要因を検出し、該変動要因に基づいて位置指令、位置偏差、速度指令のいずれかを補正する補正量を求めて補正する補正手段を有するサーボモータの制御装置において、外部信号により前記補正手段で求める補正量の更新の停止と再開を切り替える切り替え手段を備えることを特徴とするサーボモータの制御装置。
  3. 補正量の更新を停止するときには、停止直前の補正量を補正量保持部に保持し、補正量保持部の値で補正を行うことを特徴とする請求項2に記載のサーボモータの制御装置。
  4. 補正量の更新を停止状態から再開するときには、更新停止中に補正量保持部に保持されている補正量を使用して、連続的に補正量を変化させる請求項2又は請求項3に記載のサーボモータの制御装置。
  5. 補正量作成部にフィルタを持ち、補正量の更新を再開する際に当該フィルタの初期出力値として、補正量更新停止中に補正量保持部に保持されている補正量を使用することにより、補正量を連続的に変化させる請求項4に記載のサーボモータの制御装置。
  6. 複数のサーボモータを同期制御にて駆動するサーボモータの制御装置であって、各サーボモータの出力トルクをモニタするモニタ手段を設け、前記補正手段は前記モニタ手段で求めたトルクの差に基づいて補正量を求める請求項1乃至5のいずれか1項に記載のサーボモータの制御装置。
  7. 2台のサーボモータを同期制御して駆動するサーボモータの制御装置であって、前記モニタ手段は電流指令をモニタし、前記補正手段はモニタされた前記2台のサーボモータの電流指令の差分に基づいて補正量を求める請求項6に記載のサーボモータの制御装置。
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