JP2011123616A - 高速揺動動作を高精度化するサーボ制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】数値制御装置20は、基準角度θ(=ωt)を計算する基準角度計算手段24と、基準角度θと加工条件に基づいて周期的な揺動指令F(t)を計算する揺動指令計算手段22と、を備え、サーボ制御装置40は、サンプリング周期毎に前記揺動指令F(t)とサーボモータの位置を検出する位置検出手段からの位置フィードバックPfとの偏差である位置偏差εを演算する演算器41と、基準角度θと揺動指令F(t)と位置偏差εに基づいて学習制御を行う学習制御手段と、を備え、周期的な高速揺動を行う被駆動体をサーボモータを用いて駆動する工作機械あるいは産業機械の該サーボモータを駆動制御するサーボモータ駆動制御システム。
【選択図】図2
Description
ジグ研削盤に用いられる従来の制御システムでは、サーボ制御の追従遅れを抑制するために、指令に補正を行うことで精度を高めていた。具体的には、揺動指令とサーボの動きを比較して指令の振幅を徐々に大きくすることで、上下死点の精度を高めていた(特許文献1、特許文献2を参照)。
しかしながら、この方法は所望の精度を得るために必要な追従時間が長く、振幅の変化などの加工条件の変化によっては発散を起すなどの安定性にも問題があった。
ジグ研削盤等における高速揺動動作は、加工条件に応じてダイナミックに指令の繰り返し周期が変化する。また、指令の繰り返し動作に同期した基準角度もなく、サーボ制御はそれを使うことができない。よって、時間、角度の両方式の学習制御を適用することができない。
請求項3に係る発明は、前記学習制御手段は、前記サンプリング周期毎に取得した前記位置偏差を前記基準角度毎の偏差に変換する第1の変換手段と、変換された前記基準角度毎の偏差より前記基準角度での補正量を算出する補正量算出手段と、前記補正量を前記周期的な高速揺動する前記被駆動体の少なくとも1周期分記憶する補正量記憶手段と、前記補正量記憶手段に記憶された補正量を前記サンプリング周期毎の補正量に変換する第2の変換手段と、前記第2の変換手段で求めた補正量の位相を進める位相進めフィルタと、を備えることを特徴とする請求項1または2のいずれか1つに記載のサーボモータ制御装置システムである。
請求項5に係る発明は、前記揺動指令と前記サーボモータの位置から揺動速度の変化時のオーバーシュート量を算出する手段と、前記オーバーシュート量から前記補正量記憶手段に記憶された補正量の大きさを調整する手段と、を有することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システムである。
請求項6に係る発明は、揺動開始時に、前記位置偏差がゼロ近傍の所定範囲内になることを検出する手段を有し、前記位置偏差がゼロ近傍の所定範囲内になってから前記第1の変換手段が前記サンプリング周期毎に取得した前記位置偏差を前記基準角度毎の偏差の変換を開始することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システムである。
請求項7に係る発明は、揺動終了時に、前記サーボモータの位置データからモータの速度データを求める手段と、前記モータの速度データを用いて前記位相進めフィルタの出力を調整する手段と、を有することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システムである。
図1は、本発明に係るサーボ制御システムを説明する図である。サーボ制御システム10は、数値制御装置20、サーボ制御装置40、およびサーボモータ80を備えた工作機械や産業機械を制御するシステムである。数値制御装置20は位置指令Pcを計算しサーボ制御装置40に出力する装置である。サーボモータ80はモータの回転位置を検出するための位置検出器82を備えている。位置検出器82によって検出された位置情報は、サーボ制御装置40に位置フィードバックPfとしてサーボ制御装置40にフィードバックされる。サーボ制御装置40は、位置指令Pcと位置フィードバックPfとを用いてサーボモータ80を駆動制御する。サーボ制御システム10は後述するように、ジグ研削盤等における高速揺動動作で、角度同期方式の学習制御の適用を可能にする手段を備える。
図2は、繰り返し指令に角度同期学習制御を適用する方法を説明する図である。数値制御装置20は、揺動指令計算手段22により成形条件に基づき揺動指令F(t)を算出する。例えば、揺動指令F(t)=A・cos(ωt)、係数Aは振幅である。数値制御装置20は、揺動指令F(t)を元に指令分配周期T毎に位置指令Pcをサーボ制御装置40に分配する。また、基準角度計算手段24において、ある時間t=nT(但し、n=1,2,3・・・)と、加工条件である角速度ωから指令分配周期毎の基準角度θ=ωtを算出する。揺動指令F(t)は基準角度θ(=ωt)を用いて計算される。
上述した構成および作用は、演算器48で位置偏差に第1の学習制御器70からの補正量を加算する点を除いて、従来の、サーボ制御装置と変わりはない。
角度→時間変換手段46は、遅延メモリ45の各所定角度θ’(m)から基準角度θ(=ωt)に対応する補正データを読み出し、読み出した補正データを、角度を基準とする補正データから時間を基準とする補正データに変換する第2の変換手段である。
第2の変換手段(角度→時間変換手段46)により時間に対する補正データに変換された補正データは、位相進みフィルタ47により制御対象の位相遅れを補償して演算器48に出力する。演算器48で位置偏差εに第1の学習制御器70からの補正量を加算する。
第1の変換手段(時間→角度変換手段42)は、サンプリング周期毎(位置、速度ループ処理周期毎)に求められた位置偏差εを基準角度θ’(m)における位置偏差に変換する。遅延メモリ45には、繰り返し指令されて加工形状等のこの動作の1パターン周期を分割し、所定角度毎の所定角度位置θ’(m)の補正データを記憶するメモリ部を備えている。1パターン周期を2πとして分割幅をdとすると、少なくとも(2π/d)個のメモリ部を備えている。例えば、(2π/D)=qとすれば、パターンにおけるθ(0)=0=2πから角度θ(q−1)=2π―dまでの各角度θ’(m)における補正データを記憶するメモリ部を備えている。
第2の変換手段(角度→時間変換手段46)は、サンプリング周期毎に、そのサンプリング周期で求めた基準角度θ(n)に基づいて、該基準角度の前後の基準角度θ’(m)における補正データの補間処理により、当該サンプリング時の補正データδ(n)を求める。この補正データδ(n)は当該サンプリング時の補正データを意味し、時間をベースにした補正データとなる。
●[ステップ100]数値制御装置に加工条件を設定する。このフローチャートでの加工条件は角速度ωである。
●[ステップ102]数値制御装置は、分配指令周期毎の基準角度ωtを算出する。ωは加工条件である角速度、tは経過時間である(t=n・T)。なお、n=1、2、3・・・、Tは分配指令周期である。
●[ステップ104]数値制御装置は、揺動指令を計算する。このフローチャートではcos(ωt)を計算する。
●[ステップ106]数値制御装置は、位置指令Pcと基準角度θを分配し、サーボ制御装置に出力する。
●[ステップ108]サーボ制御装置は、サーボモータに取り付けられている位置検出器からの位置フィードバックPfに基づいてサーボモータの現在位置であるモータ位置を検出する。
●[ステップ110]サーボ制御装置は、位置指令Pcと位置フィードバックPfの位置偏差εを計算する。
●[ステップ112]サーボ制御装置は、位置偏差εと基準角度θを用いて第一の変換を行う。
●[ステップ114]サーボ制御装置は、学習制御の補正量を計算する。
●[ステップ116]サーボ制御装置は、補正量を1周期分記憶する。
●[ステップ118]サーボ制御装置は、補正量と基準角度θを用いて第二の変換を行う。
●[ステップ120]サーボ制御装置は、位相進みフィルタ処理を行う。
●[ステップ122]サーボ制御装置は、フィルタ出力を位置偏差εに加算する。
●[ステップ124]サーボ制御装置は、補正された位置偏差ε’を用いてサーボモータを制御する。
図5は、角度同期方式の学習制御処理を行う場合の高速揺動動作の開始時のオーバーシュート対策を説明する図である。高速揺動動作に角度同期方式の学習制御を適用した場合に、揺動動作開始時にオーバーシュートが発生することがある。ジグ研削盤などでは、ワーク2の形状から円筒砥石6の上下死点において、指令振幅より僅かでも大きな振幅になると円筒砥石6等の工具が破損する場合がある(図4,図13参照)。図4は、揺動動作でオーバーシュートしないことが重要なことを説明する図である。オーバーシュートすると、図4に示されるように、円筒砥石6の先端とワーク2の一端面とが衝突してしまうことになる。
なお、学習制御の追従過程で位相進みフィルタ47のゲイン設定が適切でないとオーバーシュートが発生する。
図7は、角度同期方式の学習制御処理を行う場合の高速揺動動作の変速時のオーバーシュート対策を説明する図である。高速揺動動作に角度同期方式の学習制御を適用した場合に、揺動動作の変速時にオーバーシュートが発生することがある。図5と同じ理由で、オーバーシュートを抑制する必要があるが、特に揺動動作が高速から低速へ減速する場合は、学習制御の補正がその変換に追従できず、過補償となってオーバーシュートが発生することがある。
図9は、角度同期方式の学習制御処理を行う場合の揺動動作の開始時のショック対策を説明する図である。学習制御は偏差を急激にゼロへ収束させることから、学習開始時の偏差の大きさに応じて大きな補正を出力する。この結果、学習開始時に補正量の大きさに応じて、サーボ制御装置40は大きなトルクを指令し、これが原因で機械的なショックが発生することがある。大きなショックは機械的なダメージを与えるため、これを抑制することが望まれる。
図11は、角度同期方式の学習制御処理を行う場合の揺動動作の終了時のショック対策を説明する図である。高速揺動動作に角度同期方式の学習制御を適用した場合の課題として揺動動作停止時のショックがある。図11に示される本発明の実施形態は、揺動動作停止時のショックを抑制する手段を持つことを特徴としたサーボ制御システムに関する。
図11に示される本発明の実施形態に備わった第5の学習制御器78は、第1の学習制御器70(図2参照)に微分器50、微分器58、終了判定器62、速度依存補正出力手段63を付加した構成である。
4 ワークの側面
6 円筒砥石
8 円筒砥石の回転軸
10 サーボ制御システム
20 数値制御装置
22 揺動指令計算手段
24 基準角度計算手段
40 サーボ制御装置
41 演算器
42 時間→角度変換手段
43 加算器
44 帯域制限フィルタ
45 遅延メモリ
46 角度→時間変換手段
47 位相進みフィルタ
48 演算器
49 ポジションゲイン
50 微分器
51 開始判定器
52 オーバーシュート量計算器
53 ゲイン調整器
54 乗算器
55 変速判定器
56 学習補正出力調整器
57 乗算器
58 微分器
59 偏差監視器
60 開始タイミング調整器
61 スイッチ
62 終了判定器
63 速度依存補正出力手段
70 第1の学習制御器
72 第2の学習制御器
74 第3の学習制御器
76 第4の学習制御器
78 第5の学習制御器
80 サーボモータ
84 機械の機構部
ε 位置偏差
ε’補正位置偏差
θ 基準角度
ω 角速度
Pc 位置指令
Pf 位置フィードバック
Vc 速度指令
Claims (7)
- 周期的な高速揺動を行う被駆動体をサーボモータを用いて駆動する工作機械あるいは産業機械の該サーボモータを駆動制御するサーボモータ制御システムにおいて、
基準角度を計算する基準角度計算手段と、
該基準角度と加工条件に基づいて周期的な揺動指令を計算する揺動指令計算手段と、を備えた制御装置と、
前記サーボモータの位置を検出する位置検出手段と、
サンプリング周期毎に前記揺動指令と検出された前記サーボモータの位置との偏差である位置偏差を演算する位置偏差演算手段と、
前記基準角度と前記揺動指令と前記位置偏差に基づいて学習制御を行う学習制御手段と、を備えたサーボ制御装置と、
を有し、前記位置偏差演算手段により演算された位置偏差を前記学習制御手段によって補正し前記サーボモータを駆動制御することを特徴とするサーボモータ制御システム。 - 前記基準角度計算手段は、加工条件から与えられる角速度ωと、指令の分配周期Tを用い、時刻t=nTにおける前記基準角度であるωtを計算することを特徴とする請求項1に記載のサーボモータ制御システム。
- 前記学習制御手段は、
前記サンプリング周期毎に取得した前記位置偏差を前記基準角度毎の偏差に変換する第1の変換手段と、
変換された前記基準角度毎の偏差より前記基準角度での補正量を算出する補正量算出手段と、
前記補正量を前記周期的な高速揺動する前記被駆動体の少なくとも1周期分記憶する補正量記憶手段と、
前記補正量記憶手段に記憶された補正量を前記サンプリング周期毎の補正量に変換する第2の変換手段と、
前記第2の変換手段で求めた補正量の位相を進める位相進めフィルタと、
を備えることを特徴とする請求項1または2のいずれか1つに記載のサーボモータ制御装置システム。 - 前記揺動指令と前記サーボモータの位置から揺動開始時のオーバーシュート量を算出する手段と、
前記オーバーシュート量から前記位相進めフィルタの出力を調整する手段と、
を有することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システム。 - 前記揺動指令と前記サーボモータの位置から揺動速度の変化時のオーバーシュート量を算出する手段と、
前記オーバーシュート量から前記補正量記憶手段に記憶された補正量の大きさを調整する手段と、
を有することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システム。 - 揺動開始時に、前記位置偏差がゼロ近傍の所定範囲内になることを検出する手段を有し、
前記位置偏差がゼロ近傍の所定範囲内になってから前記第1の変換手段が前記サンプリング周期毎に取得した前記位置偏差を前記基準角度毎の偏差の変換を開始することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システム。 - 揺動終了時に、前記サーボモータの位置データからモータの速度データを求める手段と、
前記モータの速度データを用いて前記位相進めフィルタの出力を調整する手段と、
を有することを特徴とする請求項3に記載のサーボモータ制御システム。
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