JP2009104316A - 回転構造物の位置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度の高い位置制御を実施することができ、より高精度な加工等の実現に寄与することができる回転構造物の位置制御方法を提供する。
【解決手段】回転構造物の重力に起因する弾性変形量δ_ｇを、回転角度θ及びたわみ剛性係数Ｋ_ｇを用いて算出する第１工程と、回転構造物の遠心力に起因する弾性変形量δ_ωを、回転角速度ω、回転軸からの距離Ｒ、及びたわみ剛性係数Ｋ_ωを用いて算出する第２工程と、重力に起因する弾性変形量δ_ｇと遠心力に起因する弾性変形量δ_ωとを加算して位置誤差δ_ｒを算出する第３工程と、位置誤差δ_ｒを補正量δＹ及びδＺとして出力する第４工程とを実行するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、たとえば多軸工作機械等に備えられる回転構造物の位置を制御するための制御方法に関するものである。

近年、付加価値のより高い製品が要求されることから、多軸工作機械の使用が増加しており、該多軸工作機械における加工精度の向上が望まれている。そこで、高精度な位置制御（回転角度制御）を可能とすべく、たとえば特許文献１に記載されているような制御装置が考案されている。
以下、特許文献１に記載の制御装置及び該制御装置における位置制御方法について説明する。特許文献１に記載の制御装置は、回転軸の近傍に回転速度検出器や回転角度検出器を備えており、回転軸をバネ及び剛体と仮定して、上記回転速度検出器等より得られる制御情報に基づいてねじり変形による回転角度誤差量等を推定し、該推定値に基づいてトルク指令値を補正するようになっている。

特公平６−３８２１２号公報

回転構造物を回転させた際、主に重力や遠心力等に起因して、回転構造物に回転軸の半径方向へ変形が生じ、位置誤差が生じる。しかしながら、特許文献１に記載の制御方法では、当該半径方向への回転構造物の弾性変形を考慮していないため、位置制御の精度が劣るという課題を抱えている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、精度の高い位置制御を実施することができ、より高精度な加工等の実現に寄与することができる回転構造物の位置制御方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、回転構造物を回転動作させるためのＮＣ位置指令から算出される回転角度、回転角速度、及び前記回転構造物の回転軸からの距離をもとに、前記回転構造物に生じる半径方向への弾性変形に伴う位置誤差を補正する位置制御方法であって、前記回転構造物の重力に起因する弾性変形量を、前記回転角度及び重力たわみ剛性係数を用いて算出する第１工程と、前記回転構造物の遠心力に起因する弾性変形量を、前記回転角速度、前記回転軸からの距離及び遠心力たわみ剛性係数を用いて算出する第２工程と、少なくとも前記重力に起因する弾性変形量及び前記遠心力に起因する弾性変形量を含んだ位置誤差を算出する第３工程と、前記位置誤差を補正量として出力する第４工程とを実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、回転構造物の制御対象位置に応じて、重力たわみ剛性係数及び／又は遠心力たわみ剛性係数を、予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項３に記載の発明は、回転構造物に取り付けられた荷重測定器が測定する前記回転構造物の半径方向へかかる荷重をもとに、前記回転構造物に生じる半径方向への弾性変形に伴う位置誤差を補正する位置制御方法であって、前記荷重及び前記回転構造物の半径方向たわみ係数を用いて、前記回転構造物の半径方向への弾性変形量を位置誤差として算出する第１工程と、前記位置誤差を補正量として出力する第２工程とを実行することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、回転構造物の制御対象位置に応じて、半径方向たわみ剛性係数を、予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定する。

請求項１に記載の発明によれば、回転動作により回転構造物に生じる回転軸の半径方向への弾性変形量を推定し、位置誤差δ_ｒとして補正するため、回転軸の半径方向への弾性変形量を考慮していない従来の位置制御方法と比較して、精度の高い位置制御を実施することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、回転動作により回転構造物に生じる回転軸の半径方向への弾性変形量を算出し、位置誤差δ_ｒとして補正するため、回転軸の半径方向への弾性変形量を考慮していない従来の位置制御方法と比較して、精度の高い位置制御を実施することができる。さらに、ＮＣ位置指令にもとづいて推定するのではなく、荷重測定器にて測定された実際の荷重Ｆ_ｒをもとに位置誤差δ_ｒを算出するため、より正確な位置制御を実現することができる。
加えて、請求項２及び４に記載の発明によれば、各たわみ剛性係数を、回転構造物の制御対象位置に応じて、予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定するようにしている。したがって、更に精度の高い位置制御を実施することができる。

［実施例１］
以下、本発明に係る位置制御方法の第１実施例について説明する。

まず、制御装置による制御対象となる回転構造物１について説明する。図１は、回転構造物１を示した説明図であり、図２は、回転構造物１を模式的に示した説明図である。尚、図２では、図１におけるＸ軸方向を、紙面の表裏方向として示している。
回転構造物１は、たとえば５軸制御立形マシニングセンタ等の工作機械に設置されるトラニオン構造の二軸ユニットであって、図示しない軸受等に支持された旋回軸部４、４を軸としてＸ軸と平行なＡ軸周りで揺動自在（回転動作）なトラニオン２、及びトラニオン２上で回転自在なテーブル３とを備えてなる。

一方、上記トラニオン２の動作を制御する制御装置について、図３及び４をもとに説明する。図３は、Ａ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図であり、図４は、回転軸以外の軸方向への動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。
図３に示す如く、制御装置では、トラニオン２のＡ軸周りでの回転動作の制御に係り、ＮＣ装置１０から入力されるＮＣ位置指令と、トラニオン２を回転させるモータ（駆動部）１１に設けられた角度検出器１２からの位置フィードバック信号との偏差が０になるような位置制御ループが組まれている。また、微分器１３により位置フィードバック信号を微分して得られる速度フィードバック信号と、位置制御部１４からの出力信号とを速度制御部１５にて比較するとした速度制御ループが、上記位置制御ループの内側に組まれている。尚、速度制御部１５から出力されるトルク指令信号は、トルク／電流制御部１６を介してモータ１１へ伝達される。

一方、制御装置では、回転軸以外の軸方向（たとえば、Ｙ軸やＺ軸方向）への動作制御についても、ＮＣ装置１０から入力されるＮＣ位置指令と、トラニオン２のＹ軸やＺ軸方向での位置を検出するための位置検出器２５からの位置フィードバック信号との偏差が０になるような位置制御ループが組まれているとともに、上記同様の速度制御ループが該位置制御ループの内側に組まれている。

上記制御装置による制御のもと、回転構造物１（トラニオン２及びテーブル３）をＡ軸周りで回転させると、図２に示す如く、重力や遠心力に起因して回転構造物１に弾性変形が生じ、制御対象位置に位置誤差δ_ｒが生じる。そこで、制御装置に、当該位置誤差δ_ｒを推定するための誤差推定装置２０を設け、該誤差推定装置２０へ、回転構造物１の回転角度θ、回転構造物１の回転角速度ω、回転構造物１の回転軸からの距離ＲをＮＣ位置指令にもとづき算出して入力することにより、位置誤差δ_ｒを推定し補正するというフィードフォワード補正を行う。

以下、上記フィードフォワード補正制御について詳述する。
誤差推定装置２０には、回転構造物１の重力によるたわみ剛性Ｋ_ｇ、及び回転構造物１の遠心力によるたわみ剛性Ｋ_ωが予めテーブル等に設定されている。そして、ＮＣ位置指令にもとづき、回転構造物１の回転角速度ω等が入力されると、たわみ剛性Ｋ_ｇを用い、下式（１）にて重力に起因する弾性変形量δ_ｇを算出するとともに、たわみ剛性Ｋ_ωを用い、下式（２）にて遠心力に起因する弾性変形量δ_ωを算出し、両変形量の和をとって（下式（３））位置誤差δ_ｒとする。

さらに、誤差推定装置２０は、上式（１）、（３）により算出される位置誤差δ_ｒの各軸方向成分（ここでは、δＹ及びδＺ）を算出し、各軸方向への移動を制御する制御機構へ補正量として出力し、フィードフォワード制御により位置誤差を補正する。
尚、図２に示すタイプのものでは、δＹ＝δ_ｒ・ｃｏｓθ、δＺ＝δ_ｒ・ｓｉｎθにて算出することができる。

以上のような位置制御方法によれば、回転動作により回転構造物に生じる回転軸の半径方向への弾性変形量を推定し、位置誤差δ_ｒとして補正するため、回転軸の半径方向への弾性変形量を考慮していない従来の位置制御方法と比較して、精度の高い位置制御を実施することができる。

［実施例２］
以下、本発明に係る位置制御方法の第２実施例について説明する。図５は、第２実施例におけるＡ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。尚、第１実施例と同じ構成要素については同じ符号を付している。
第２実施例に係る位置制御方法では、回転構造物１に半径方向へかかる荷重を測定可能な荷重測定器２８を取り付け、誤差測定装置２０において荷重測定器２８が測定する荷重Ｆ_ｒを検出可能としており、誤差推定装置２０は、荷重測定器２８が測定した荷重Ｆ_ｒにもとづいて位置誤差δ_ｒを算出する。当該算出にあたっては、誤差推定装置２０に予め合成たわみ剛性係数Ｋ_ｒを設定しておき、δ_ｒ＝Ｆ_ｒ／Ｋ_ｒにより算出する。尚、位置誤差δ_ｒの各軸方向成分を求めるべく、誤差推定装置２０へはＮＣ位置指令にもとづく回転角度θ等が入力されている。

以上のような位置制御方法によっても、回転動作により回転構造物に生じる回転軸の半径方向への弾性変形量を算出し、位置誤差δ_ｒとして補正するため、回転軸の半径方向への弾性変形量を考慮していない従来の位置制御方法と比較して、精度の高い位置制御を実施することができる。また、ＮＣ装置１からのＮＣ位置指令にもとづいて推定するのではなく、荷重測定器２８にて測定された実際の荷重Ｆ_ｒをもとに位置誤差δ_ｒを算出するため、より正確な位置制御を実現することができる。

なお、本発明の位置制御方法に係る構成は、上記実施形態に記載の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更可能である。
たとえば、誤差推定装置がたわみ剛性係数Ｋ_ｇ、Ｋ_ω、Ｋ_ｒを関数により算出するようにしてもよいし、回転構造物を弾性体とみなした場合、回転構造物全体が同様に変形するわけではないことに着目して、誤差推定装置が、たわみ剛性係数Ｋ_ｇ、Ｋ_ω、Ｋ_ｒを制御対象位置の回転軸からの距離Ｒに応じて適宜テーブル等から選択又は予め設定されている所定の関数により算出し決定するようにしてもよい。このように、位置誤差の算出に使用するたわみ剛性係数Ｋ_ｇ、Ｋ_ω、Ｋ_ｒを、制御対象位置に応じて選択決定することにより、更に精度の高い位置制御を実施することができる。
また、回転構造物の弾性変形による角度誤差を補正する位置制御と並行に実施することで、より高度で正確な位置制御を実現することも可能である。
さらに、制御対象となる回転構造物の構成も、上述したようなトラニオンに限定されることはなく、テーブルが旋回しないトラニオン等であっても何ら問題はない。

回転構造物を示した説明図である。 回転構造物を模式的に示した説明図である。 Ａ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。 回転軸以外の軸方向への動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。 Ａ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。

符号の説明

１・・回転構造物、２・・トラニオン、３・・テーブル、４・・旋回軸部、１０・・ＮＣ装置、１１・・モータ、１２・・角度検出器、１３・・微分器、１４・・位置制御部、１５・・速度制御部、１６・・トルク／電流制御部、２０・・誤差推定装置、２１・・制御対象位置演算部、２５・・位置検出器、２８・・荷重測定器。

Claims (4)

1. 回転構造物を回転動作させるためのＮＣ位置指令から算出される回転角度、回転角速度、及び前記回転構造物の回転軸からの距離をもとに、前記回転構造物に生じる半径方向への弾性変形に伴う位置誤差を補正する位置制御方法であって、
   前記回転構造物の重力に起因する弾性変形量を、前記回転角度及び重力たわみ剛性係数を用いて算出する第１工程と、
   前記回転構造物の遠心力に起因する弾性変形量を、前記回転角速度、前記回転軸からの距離及び遠心力たわみ剛性係数を用いて算出する第２工程と、
   少なくとも前記重力に起因する弾性変形量及び前記遠心力に起因する弾性変形量を含んだ位置誤差を算出する第３工程と、
   前記位置誤差を補正量として出力する第４工程と
   を実行する回転構造物の位置制御方法。
2. 回転構造物の制御対象位置に応じて、重力たわみ剛性係数及び／又は遠心力たわみ剛性係数を、予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定する請求項１に記載の回転構造物の位置制御方法。
3. 回転構造物に取り付けられた荷重測定器が測定する前記回転構造物の半径方向へかかる荷重をもとに、前記回転構造物に生じる半径方向への弾性変形に伴う位置誤差を補正する位置制御方法であって、
   前記荷重及び前記回転構造物の半径方向たわみ係数を用いて、前記回転構造物の半径方向への弾性変形量を位置誤差として算出する第１工程と、
   前記位置誤差を補正量として出力する第２工程と
   を実行する回転構造物の位置制御方法。
4. 回転構造物の制御対象位置に応じて、半径方向たわみ剛性係数を、予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定する請求項３に記載の回転構造物の位置制御方法。

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