JP2007257515A - サーボモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】象限突起を補正しつつ、ボールネジが反転する際のフリーゾーンによって変化する摩擦に対してもトルク変化が追従するように適切な補正を行うことが可能なサーボモータの制御方法およびサーボモータの制御装置を提供する。
【解決手段】サーボモータにより円弧補間送り運動をされる移動体の位置を直接または間接に検出し、前記移動体の位置を位置指令に追従させるフィードバック制御を行うサーボモータの制御方法において、前記移動体の運動方向が切り換わる象限切換時のトルク指令値に対し、前記運動方向が切り換わった位置からの距離に応じたトルク補正を行う。特に切換時に静摩擦補正用の第１のトルク補正値を与え、フリーゾーン経過後の距離から動摩擦補正用の第２のトルク補正値を与えることで適切なトルク補正が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーボモータの制御方法に係り、特に工作機械の送り軸や産業ロボットのアームを駆動するサーボモータの制御方法に関するものである。

ＮＣ工作機械や産業ロボットの運動精度を向上させるためには、各要素の形状精度を上げると同時に、機溝部の組立てと制御系の調整を正しく行い、動作を最適に制御することが不可欠である。

例えば、工作機械における２軸円弧補間送り運動を行わせるサーボモータの制御では、ＮＣ位置指令と、サーボモータまたはこのサーボモータにより駆動されるテーブルサドルなどの移動体に設けられた位置検出器からのフィードバック信号との偏差が０となるような位置ループを形成しており、位置フィードバック信号を微分した速度フィードバック信号から速度ループを形成し、速度ループゲインの出力をトルク指令値とする方式が一般的である。

しかしながら、このような形式のサーボモータ制御では、モータの回転方向を反転させるとき、通常、機械は即座に反転することができない。これは、送り駆動機構のロストモーションや摩擦の影響のためで、円弧切削等を行なっているときに円弧の象限が変ると、実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい、軌跡にふくらみを生じる。この現象は、スティックモーションまたは象限突起と呼ばれており、工作機械において最も重要な要素の一つである輪郭加工精度低下の一要因となっている。

この現象は、運動方向が反転するときには摩擦トルクの分だけトルク指令を反転させる必要があるのに対し、ガイド、ボールベアリング、ボールねじ等における摩擦の影響で、速度ループに応答遅れが生じ、送り軸が一時停止することが原因となっているものと考えられている。

この誤差を補正する方法の一つとして、反転時にトルクを補正するものが提案されており、特に移動方向反転時にのみトルクをアシストするものは、例えば、本願出願人による特許文献１に開示されている。

また、上述した現象に加えて、最近の研究では、ボールネジの低摩擦領域(ボール接触点数変化領域とも言う)であるフリーゾーンの影響により反転後の摩擦が変化することがわかってきた。そして、この変化する摩擦に対しても適切な補正を行わないと、突起形状誤差が残ったり、逆に食い込みが発生するという問題がある。

例えば、特許文献１に記載された技術では、上述したフリーゾーンによる摩擦の変化に対応できないため、突起状誤差を０にすることはできなかった。

このため、他の先行技術としては、フリーゾーンによる摩擦の変化に対応する方法として、補正の開始・終了位置をサーボモータの反転からの移動量により判断、速度指令をすることで制御するものが提案されている(特許文献２参照)。

しかし、特許文献２に記載された技術では、補正する対象が速度指令であるため、同じ機械であっても通過速度により補正量が変化してしまい、種々の通過速度に応じた補正量を測定、準備しておく必要があり、制御の煩雑化を招いていた。
特開平10-63325号公報 特開平7-13631号公報

したがって、本発明は、象限突起を補正しつつ、ボールネジが反転する際のフリーゾーンによって変化する摩擦に対してもトルク変化が追従するように適切な補正を行うことが可能なサーボモータの制御方法およびサーボモータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるサーボモータの制御方法によれば、サーボモータにより円弧補間送り運動をされる移動体の位置を直接または間接に検出し、前記移動体の位置を位置指令に追従させるフィードバック制御を行うサーボモータの制御方法において、前記移動体の運動方向が切り換わる象限切換時のトルク指令値に対し、前記運動方向が切り換わった位置からの距離に応じたトルク補正を行うことを特徴とする。

本発明にかかるサーボモータの制御方法によれば、補正の開始・終了位置をサーボモータの反転からの距離により判断し、速度指令ではなくトルク指令を対象として補正することで制御しているため、同じ機械であれば1回の測定で必要な補正量を算出することが可能となり、象限通過速度が変わっても補正量が変化せず、安定した補正を行うことができる。また、フリーゾーンの長さはボールネジ毎に固有で、移動速度などで変化しないため、この距離に応じてトルク補正を行わないことで、速度に拠らず適切な補正を行うことが可能になる。

以下、本発明によるサーボモータの制御方法の一実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明のトルク制御方法については図２に、これを実現するサーボシステム全体の構成は図１に示されているが、これらを説明する前に、まず、本発明によるサーボモータに対するトルク補正の概要について説明する。以下の説明では、例えばフリーゾーンが０．０２ｍｍ存在するボールねじにおける反転時の突起誤差補正を例にとって説明を行う。

図３は特別なトルク補正を行わない状態での円弧半径方向の位置誤差を示している。

ここでは破線が本来の円弧形状、実線が加工誤差形状を示している。ただし、この図３においては、誤差形状を分かりやすくするため誇張して描いてある。中央の垂直線は例えば移動方向の反転などの象限切換位置を示しており、この象限切換時から実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい軌跡にふくらみを持つ突起状加工誤差（象限突起）が生じていることがわかる。このような突起状の形状誤差は、前述したように、象限切換時に速度ループに応答遅れが生じ、送り軸が一時停止することに起因していると考えられるが、象限反転時に生じる摩擦がほとんどないフリーゾーンの影響ものあるものと考えられる。このような突起状加工誤差は、製品の加工形状品質を著しく阻害するため、適切に補正される必要がある。

なお、図３における測定は、ＤＢＢ(Double Ball Bar Measurement)測定と称される精密形状測定方法により得られたものである。これは、京都大学工学部、垣野義昭教授により開発されたもので、その原理は、モアレスケールを内蔵した伸縮式測定器本体のバーの両端に高精度球を取り付けた装置をNC工作機械の主軸とテーブルの間に磁気座を介してセットし、どちらか一方の球を中心にしてXY、YZ、ZX平面上にて円弧補間運動をさせ、指令値と機械の実際の動きとの誤差によって生じるバーの伸縮量を取り出してパソコンにより作画処理するものであり、得られた軌跡を基にして運動誤差の原因を診断することが可能になる。

したがって、このDBB測定システムを使うことによりNC工作機械の円弧補間運動時の誤差を測定し、運動精度を評価し得られた運動誤差軌跡から運動誤差の原因を診断する事ができ、NC工作機械の精度向上、加工品の品質安定化等に寄与できる。

図３に示した突起状加工誤差を減少させるために、本発明により、移動方向反転時にサーボアンプに与えられる補正トルク波形は例えば図４に示すようなものとなる。

すなわち、図４においては、反転開始時の負荷である静摩擦力に対する第１の補正トルクΔＴrq１に続き、低摩擦領域であるフリーゾーンに対応した補正トルクのない部分、反転後に動き始めた後の負荷である動摩擦力に対する第２の補正トルクΔＴrq２が、反転すなわち象限切換後の距離に応じて発生される。静摩擦力を補正する第１の補正トルク指令ΔＴrq１は1回のパルス状(ワンショット)のみの指令であり、動摩擦力を補正するトルク指令ΔＴrq２はある程度の距離にわたって継続するトルク指令となっている。

このような補正トルクを加味して最終的にサーボモータに与えられるトルク指令は図５に示すようなものとなる。すなわち、この例では第１の補正トルクΔＴrq１の値によっては、補正指令値は象限反転時にトルク値は負側に大きくアンダーシュートしており、その後のフリーゾーンにおいてトルクはほぼ０となり、第２の補正トルクΔＴrq２に逆向きのトルクが徐々に強まるようになっている。

このように、突起形状誤差を減少させるべく、最適なトルク指令波形が得られるように補正トルク波形を決定する。この補正については、反転時の摩擦に対してトルクをアシスト(補正)し、その補正量はＤＢＢ測定結果を見ながら食い込みが発生しないように調整する。その場合のある量の補正トルクを定めてＤＢＢ測定を行った結果を図６に示す。この波形は図３の場合と比較して、突起状加工誤差がより少なくなっているが、まだある程度残存している。この場合のサーボモータに与えられるトルク波形の測定結果は図７に例示されており、この場合には図５で見られたような大きなアンダーシュートはない。

この突起状加工誤差を小さくする目的で、与えるトルクを大きくしてＤＢＢ測定を行った結果を図８に、サーボモータに加えられたトルク指令を図９に示す。

図８に示すＤＢＢ測定結果においては円弧内側への食い込みが発生しており、単に補正トルクを増加しただけではかえって形状精度を損なう結果に終わることが理解される。

したがって、象限切換時の形状精度を向上させるには、象限切換時の静止摩擦に対するトルク補正値、フリーゾーン後の動摩擦に対するトルク補正値およびその継続区間の最適な組み合わせを得、それにもとずいたトルクアシストを行うことが重要と考えられる。

そこで、トルク補正値、補正区間を種々に変えてＤＢＢ測定を行い、食い込みが発生せず、かつ突起形状誤差が最小となるような最適補正トルク量を決定する。このときに得られたＤＢＢ測定結果を図１０に、補正トルク波形を図１１に、この補正トルク波形を適用した結果のトルク指令波形の測定結果を図１２にそれぞれ示す。図１０を全く補正のない図５の場合と比べると、形状誤差は著しく改善がなされたことがわかる。

最適補正トルク量は種々の運転条件に対して求めておき、後述する補正量算出部に付属するパラメータ発生部等にパラメータとして記憶させておく等、何らかの手段で記憶しておくことが好ましい。

なお、一定区間に渡って機械の摩擦による遅れを解消するためのトルクアシストの場合、補正トルクをある距離後に急にゼロにする矩形的なトルク補正値を与えることによる送り軸の動きに衝撃が発生することがある。この様子は図１１と図１２との関係で示されており、図１１における動摩擦に対する補正トルクは所定期間続いた後急激に０になっているが、この時点に対応するトルク波形は図１２に示すように、波形値に不連続部が生じ、トルク値が急激に変化して衝撃が発生するものである。

このような衝撃を防止するためには、図１４に示すように、動摩擦に対するトルク補正値を、図１１の場合のような矩形状のトルク補正ではなく、距離に対して補正トルク値が次第に減少する漸減型のトルク補正を行えば良い。

以上の例においては、ボールネジを含みフリーゾーンが存在する前提で説明したが、ボールネジの代わりにリニアモータを使用する場合のようにフリーゾーンがないケースも有り得る。これは、リニアモータの場合には、駆動源と駆動軸が直接連結されていて、ボールネジが存在しないからである。フリーゾーンが存在しないということは、図１１や図１３においてΔＴrq１とΔＴrq２の部分が連続したトルク補正を行うことになるため、ワンショットのΔＴrq１のトルク補正は省略できることになる。

このようにして得られた、フリーゾーンが存在しない場合の通常の補正トルク波形の一例を図１４に示す。この波形は図１１に対応するものである。同様に、図１５は、フリーゾーンが存在しない場合の漸減型補正トルク波形を示すもので、図１３に対応するものである。いずれの場合にも象限反転時からの距離に応じて動摩擦に対するトルク補正が行われる。

図１は、以上説明したような本発明によるサーボモータの制御方法を実現するための、例えば工作機械のサーボ制御系のブロック図である。この実施形態では、例えばＮＣ工作機械のテーブルに所定の荷重を搭載し、このテーブルに所定の円弧半径、送り速度で円弧補間送り運動をさせるものとなっている。

図１において、サーボモータ１３が送り軸の送りねじを回転駆動するサーボモータであり、テーブルとサドルの直交する各送り軸について、同時に２軸制御を行ない、テーブルに円弧補間送り運動を与えるようになっている。

このサーボ系の構成と動作を順次説明する。
ＮＣ指令プログラム1が制御装置内のＲＯＭ（図示せず）から読み出され、あるいは外部から供給されると、まず解析部２で解析されてＮＣの実行データに変換される。この実行データの内容である、円弧半径、送り速度に応じた位置指令等は、分配部３により速度指令値（ＶＣＭＤ）として取り出されるとともに、積算部４に送られる。積算部４では速度値が積分されて位置指令値（ＰＣＭＤ）として取り出される。

積算部４の出力は減算回路５を経て位置ループゲイン部６により位置ループゲインが求められ、さらに減算回路７を経て、積分器８および加算回路９の一入力に与えられている。積分器８の出力は加算回路９の他の入力に加えられる。加算回路９の出力は、速度ループゲイン部を通って速度ループゲインが求められ、加算回路１１を介してサーボアンプ１２に入力される。サーボアンプ１２での増幅された出力がモータ１３に供給され、モータ１３が駆動される。なお、このモータ１３にはロータリーエンコーダのような回転位置検出器１４が設けられており、モータの回転が検出される。

この回転位置検出器の出力１４は減算回路５の他方側入力に与えられるとともに、微分処理部１５により微分されたものは減算回路７の他方側入力に与えられるとともに、速度フィードバック（ＶＦＢＫ）として補正量算出部１６に与えられる。この補正量算出部１６には、前述した速度指令値（ＶＣＭＤ）および位置指令値（ＰＣＭＤ）も入力され、さらにあらかじめ求められた最適トルク補正値に関連するパラメータを記憶しているパラメータ供給部１７から供給されたパラメータに基づいてトルク補正値(△Trq)の演算が行われ、得られたトルク補正値は加算器１１の他方側に加えられている。したがって、この制御系は位置フィードバックループと速度フィードバックループの２つのフィードバックループを有するサーボ制御系となっている。

これにより、トルク補正が付加されたトルク指令値により、サーボモータ１３はその位置および速度がそれぞれ各指令値との偏差が０になるように、サーボ制御される。

図１における処理ブロックのうち、少なくとも分配部３、積算部４、位置ループゲイン部６、積分器８、微分処理部１５、補正量算出部１６はサンプリング周期を基本としてこれを逓倍した一定時間を周期としてこの周期毎に処理が行われる。

なお、送り軸の位置検出については上述した実施例のようなロータリーエンコーダ以外に種々の直接的あるいは間接的な位置検出手段、例えばレーザ測長器、ピエゾ式の変位計などを用いて検知することができる。

図１の構成において特徴的なことは、分配部３の出力である速度指令値(V-CMD)、速度指令積算部出力である位置指令値(P-CMD)、および位置検出器１４からの位置フィードバック値を微分処理部１５で微分処理した出力である速度フィードバック(V-FBK)の夫々を補正量算出部１６へ入力し、補正量算出部１６からサーボアンプ１２へのトルク指令値に対するトルク補正値(△Trq)を得ている点である。より詳細には、前述したようにトルク補正値は、移動指令方向の反転時に静摩擦に対応する第１のトルク補正値と、それに続く動摩擦に対する第２のトルク補正値とからなる。

図２はサーボアンプへのトルク指令へ加えられるトルク補正値を出力する、補正量算出部１６での処理を示すフローチャートである。なお、ここでは送り軸１軸についての制御を例示するが、他の軸についても同様の制御が可能である。

処理開始後、移動指令方向が反転したかどうかが判定され（ステップＳＴ１）、反転していない場合にはただちに終了する。一方、反転している場合には位置検出器１４から得られる速度がゼロまたは反転したかどうかが判定され（ステップＳＴ２）、この条件に該当しない場合にはただちに終了する。なお、この位置検出器１４から得られる速度が反転したかどうかは微分処理部１５から出力された速度フィードバック信号の符号が反転したかどうかで判定することができる。

ステップＳＴ２における、速度がゼロまたは反転したという条件が満足されたときには、移動指令方向が反転し、速度がゼロまたは反転した後の最初の処理であるかどうかが判定される（ステップＳＴ３）。

ステップＳＴ３の条件に該当するときは、最初のパス(処理)において静摩擦力を補正する１回（ワンショット）だけの第１のトルク補正値△Trq１を準備する（ステップＳＴ４）。この補正量は前述したように、あらかじめ試行あるいはシミュレーションにより突起状加工誤差がなるべく少なく、かつ円弧内側への食い込みが発生しない範囲として定められ、制御装置内のメモリ（図示せず）に記憶されているものを用いる。

ステップＳＴ３において最初の処理でないときには、反転位置からの距離がフリーゾーン範囲を越えているかどうかを位置指令値（Ｐ−ＣＭＤ）と位置フィードバック値より判定し（ステップＳＴ５）、フリーゾーン範囲内であれば動摩擦力の補正を行わないため、終了する。反転位置からの距離がフリーゾーン範囲内を越えており、トルク補正ゾーン内かどうかを同様に位置指令値（Ｐ−ＣＭＤ）と位置フィードバック値より調べ（ステップＳＴ６）、補正ゾーンを越えていれば終了するが、補正ゾーン内であるときには動摩擦に対する第２のトルク補正値△Trq２を準備する（ステップＳＴ７）。なお、この第２のトルク補正値ΔTrq２の終了時点も検出された位置に基づいて指令される。

ステップＳＴ４で得られた第１のトルク補正値△Trq１およびステップＳＴ７で得られた第２のトルク補正値△Trq２は図１の補正量算出部１６から最終的にサーボアンプ１２へのトルク指令へ加えられ（ステップＳＴ８）、モータ１３にトルク指令が与えられてこれに基づいた駆動が行われる。

なお、図１４およぴ１５で説明したような、フリーゾーンが存在しない場合における補正量算出部１６の処理においては、図２のフローチャートでのステップＳＴ５およびＳＴ６が省略され、動摩擦に対する第２のトルク補正値△Trq２をトルク補正値ΔＴrqとして用いる。

以上のように、本発明におけるトルク補正値(△Trq)を準備する条件は、静摩擦力を補正するトルク指令については移動指令方向が反転し、位置検出器から得られる速度がゼロまたは反転した後の処理であるときであり、動摩擦に対する補正トルク指令は、位置検出器から得られる速度がゼロまたは反転した後の処理のいずれでもないときにおいて、反転位置からの距離がフリーゾーン範囲を越え、かつ反転位置からの距離がトルク補正ゾーンにあるときである。

したがって、サーボモータにより円弧補間送り運動をされる移動体の運動方向が切り換わる象限切換時のトルク指令を検出し、該トルク指令値に対して、ボールネジが固有するフリーゾーンを加味した範囲で、摩擦トルクモデルに従って摩擦トルクを打ち消す方向にトルク補正が行われる。

本発明にかかるサーボモータの制御方法によれば、補正の開始・終了位置をサーボモータの反転からの距離により判断し、速度指令ではなくトルク指令を対象として補正することで制御しているため、同じ機械であれば1回の測定で必要な補正量を算出することが可能となり、象限通過速度が変わっても補正量が変化せず、安定した補正を行うことができる。また、フリーゾーンの長さはボールネジ毎に固有で、移動速度などで変化しないため、この距離に応じてトルク補正を行うことにより、速度に拠らず適切な補正を行うことが可能になる。

上述した説明中では、動摩擦に対する各補正トルク波形パターンはその開始時あるいは終了時にほぼ垂直に立ち上がりあるいは立下がるものとなっているが、実際には図１６に示すように、所定の傾斜をもって増加、減少するようなパターンとなっていることが多い。

すなわち、簡略化のためにフリーゾーン終了時を基準点とした場合、この基準点から距離ａまではｔ＝ｔ１／ａ・ｘ、距離ａからｂまではｔ＝ｔ１、距離ｂからｃまではｔ＝ｔ２−ｔ２／ｃ・ｘのような傾斜を有する台形状の補正トルク波形とすることができる。この場合において特に下降の傾斜を緩やかに設定すれば、前述したようにトルク補正をより緩やかに行うことができ、サーボモータに与えられるトルク指令においても衝撃を招くような急激な変化を避けることができる。

以上説明した実施例は限定的なものではなく、象限切換時のトルク指令に対して、象限切換時からの距離に応じてトルク補正を行うようにしたものであれば、制御対称軸や制御機器の種類を問うことなく適用することができる。

本発明にかかるトルク制御方法を実現するトルク補正システムを示すブロック図である。 本発明にかかるトルク制御方法を示すフローチャートである。 トルク補正を実施しない場合の円弧象限切換部のＤＢＢ測定結果(円弧半径方向の位置誤差)を示すグラフである。 移動方向反転時の補正トルク波形を示す波形図である。 図４における補正トルクを反映させたトルク指令を示す波形図である。 図３の場合よりも突起形状誤差が減少した場合のＤＢＢ測定結果を示すグラフである。 図６のグラフが得られた場合におけるトルク指令を示す波形図である。 突起状加工誤差を小さくする目的で、与えるトルクを大きくした結果、円弧内部への食い込みを発生した場合のＤＢＢ測定を行った結果を示すグラフである。 図８の結果が得られたケースにおいて、サーボモータに加えられたトルク指令を示す波形図である。 図６の場合よりもさらに突起形状誤差が減少した場合のＤＢＢ測定結果を示すグラフである。 図１０が得られた場合における補正トルク波形を示す波形図である。 図１１の補正トルク波形を反映させた、トルク指令を示す波形図である。 ショックを減少させるため、動摩擦に対する補正トルクを漸減型とした補正トルク波形を示す波形図である。 フリーゾーンが存在しない場合の補正トルクを示す波形図である。 フリーゾーンが存在しない場合の補正トルクを示す波形図であって、補正トルクを漸減型した場合の補正トルク波形を示す波形図である。 動摩擦に対する補正トルクパターンの立ち上がり、立下がりを所定の角度を有するように設定した例を示す波形図である。

符号の説明

１ ＮＣ指令プログラム
２ 解析部
３ 分配部
４ 積算部
５ 減算回路
６ 位置ループゲイン部
７ 減算回路
８ 積分器
９ 加算回路
１０ 速度ループゲイン部
１１ 加算回路
１２ サーボアンプ
１３ サーボモータ
１４ 位置検出器
１５ 微分処理部
１６ 補正量算出部
１７ パラメータ供給部
ΔＴrq１ 第１のトルク補正値
ΔＴrq２ 第２のトルク補正値
ΔＴrq トルク補正値

Claims (8)

1. サーボモータにより円弧補間送り運動をされる移動体の位置を直接または間接に検出し、前記移動体の位置を位置指令に追従させるフィードバック制御を行うサーボモータの制御方法において、
   前記移動体の運動方向が切り換わる象限切換時のトルク指令値に対し、前記運動方向が切り換わった位置からの距離に応じたトルク補正を行うことを特徴とするサーボモータの制御方法。
2. 前記運動方向が切り換わった位置で静摩擦に対するトルク補正を行うことを特徴とする請求項１に記載のサーボモータの制御方法。
3. 前記静摩擦に対するトルク補正は、１回限りのパルス状として与えられる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方法。
4. 前記運動方向が切り換わった位置からフリーゾーン分の距離についてはトルク補正を行わないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のサーボモータの制御方法。
5. 前記フリーゾーン分の距離の移動後に動摩擦に対するトルク補正を行うことを特徴とする請求項４に記載のサーボモータの制御方法。
6. 前記動摩擦に対するトルク補正値は時間とともに漸減するものであることを特徴とする請求項５に記載のサーボモータの制御方法。
7. 移動体はフリーゾーンが存在しないものであり、運動方向が切り換わった位置から動摩擦に対する補正量が距離に応じて与えられることを特徴とする請求項１に記載のサーボモータの制御方法。
8. 前記動摩擦に対するトルク補正値は時間とともに漸減するものであることを特徴とする請求項７に記載のサーボモータの制御方法。

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