JP2011175308A - 工作機械の送り駆動系の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】象限突起の補正量を運転状況に応じて適正に定めるとともに、補正のタイミングや補正形状のズレを極小にし、象限突起の補償を十分に行う。
【解決手段】送り駆動系の制御方法は、サーボモータにより送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、サーボモータの速度検出信号と速度指令信号とが一致するように駆動力信号を生成し、この駆動力信号に基づいてサーボモータの駆動力を制御する。位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定工程２１と、位置指令信号の入力から実際に移動体位置が駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力と位置指令との関係から、上記摩擦力推定工程で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償を行う摩擦力補償工程２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の送り駆動系の制御方法及び制御装置に関し、特に、象限突起の補償を行うものに係わる。

一般に、工作機械の送り駆動系の制御においては、例えば特許文献１などに開示されているように、先ず、サーボモータにより送り運動されるテーブルなどの移動体の位置検出信号とＮＣ装置からの位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、続いて、上記移動体の速度検出信号と上記速度指令信号とが一致するように駆動力信号（トルク指令信号ともいう）を生成し、この駆動力信号に基づいてサーボモータの駆動力（駆動トルクともいう）を制御する方式が採用されている。

ところで、このような制御方式の場合、サーボモータの回転方向を反転させるとき、従来の工作機械では、即座に反転することができない。この制御の追従遅れは、送り駆動系に作用する摩擦の影響によるものであり、円弧切削を行っているときに象限が変わると、実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい、象限突起と呼ばれる現象が生じる。この象限突起を補償するために、従来、種々の方法が提案され、実用化されている。その一例として、特許文献１には、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と、モータ反転直後のトルク指令値の最大値又は最小値を検出し、これらのトルク指令値の差から補正基準トルクを求め、この補正基準トルクを基準にして象限切換時のトルク指令を補正することが記載されている。

特開平１０−６３３２５号公報

しかしながら、上記従来の象限突起の補償方法では、モータ反転直後のトルク指令値の最大値又は最大値を実測し、その実測値を基に象限切換時のトルク指令を補正することから、補正のタイミングや補正形状が実際の象限突起とズレを生じる場合があり、十分な補償ができていないのが実情である。また、補正量を一定値としたものでは、送り駆動系の運転状況（つまり送り速度及び円弧半径）の変化に追従できないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、特に、象限突起が送り駆動系に作用する摩擦の影響によるものであることに着目し、この点から象限突起の補正量を運転状況に応じて適正に定めるとともに、補正のタイミングや補正形状のズレを極小にし、もって象限突起の補償を十分に行い得る工作機械の送り駆動系の制御方法及び制御装置を提供せんとするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、サーボモータにより送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、上記サーボモータの速度検出信号と上記速度指令信号とが一致するように駆動力信号を生成し、この駆動力信号に基づいて上記サーボモータの駆動力を制御する工作機械の送り駆動系の制御方法において、上記位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定工程と、上記位置指令信号の入力から実際に移動体位置が駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力と位置指令との関係から、上記摩擦力推定工程で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償を行う摩擦力補償工程とを備える構成にする。

この構成では、位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定した後、駆動系モデルの摩擦力と位置指令との関係から、推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償つまり象限突起の補償を行っているため、象限突起の補正量を運転状況（送り速度及び円弧半径）に応じて適正に行うことができるとともに、補正のタイミングや補正形状のズレを極小にすることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の工作機械の送り駆動系の制御方法として、推定した摩擦力に相当する補正指令の一つの具体例を提供するものである。すなわち、上記補正指令Ｘｃは、下記の式（１）で表される。

但し、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｖｐは速度比例ゲイン、Ｖｉは速度積分ゲイン、Ｋｅは変換定数、ｆは摩擦力、ｓはラプラス演算子である。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の工作機械の送り駆動系の制御方法として、推定した摩擦力に相当する補正指令の別の具体例を提供するものである。すなわち、上記サーボモータの制御系は、制御遅れを補償するためのフィードフォワード制御を行うものであり、この場合、上記補正指令Ｘｃは、下記の式（２）で表される。

但し、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｖｐは速度比例ゲイン、Ｖｉは速度積分ゲイン、Ｋｅは変換定数、ｆは摩擦力、ｓはラプラス演算子、αはフィードフォワードゲインである。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３記載の工作機械の送り駆動系の制御方法において、摩擦力を推定する一つの具体例を提供するものである。すなわち、上記摩擦力ｆは、下記の式（３）から推定される。

但し、Ｌは移動体の移動方向が反転した位置からの距離、τは時定数、ｓｉｇｎ（Ｖ）は符号関数であり、±１の値を持つものである。

請求項５に係る発明は、請求項１記載の工作機械の送り駆動系の制御方法を、工作機械の送り駆動系の制御装置として表現したものである。すなわち、サーボモータにより送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、上記移動体の速度検出信号と上記速度指令信号とが一致するように駆動力信号を生成し、この駆動力信号に基づいて上記サーボモータの駆動力を制御する工作機械の送り駆動系の制御装置において、上記位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定部と、上記位置指令信号の入力から実際に移動体位置が駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力と位置指令との関係から、上記摩擦力推定部で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償を行う摩擦力補償部とを備える構成にする。

以上のように、本発明における工作機械の送り駆動系の制御方法及び制御装置によれば、位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定した後、駆動系モデルの摩擦力と位置指令との関係から、推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償つまり象限突起の補償を行っているため、象限突起の補正量を運転状況に応じて適正に行うことができるとともに、補正のタイミングや補正形状のズレを極小にすることができ、象限突起の補償を十分に行うことができるという効果を奏するものである。

図１は本発明の実施形態に係る工作機械の送り駆動系の制御装置の全体構成を示すブロック構成図である。 図２は上記制御装置の１つのサーボモータ制御系のブロック線図である。 図３は送り速度と摺動抵抗の関係を示す特性図である。 図４は摺動面の非線形ばね特性を示す特性図である。 図５はフィードフォワード制御のブロック線図である。 図６は指令値と測定結果の比較を示す図である。 図７は送り速度が５００ｍｍ／ｍｉｎの場合における象限突起補正の効果を示す図である。 図８は送り速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎの場合における象限突起補正の効果を示す図である。 図９は送り速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎの場合における象限突起補正の効果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態である実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る工作機械の送り駆動系の制御装置Ａの全体構成を示す。図１において、１、２及び３は工作機械の互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向にテーブルなどの移動体（図示せず）を軸送りする第１、第２及び第３のサーボモータ、４、５及び６はそれぞれ各サーボモータ１〜３を制御する第１、第２及び第３のサーボ制御部、７はＮＣ装置であり、このＮＣ装置７は、制御プログラムに基づいて各サーボ制御部４〜６に対しそれぞれ位置指令信号を出力し、これらのサーボ制御部４〜６を介して第１〜第３のサーボモータ１〜３を制御するようになっている。

上記各サーボ制御部４〜６は、図２に示すように、ＮＣ装置７からの位置指令信号とサーボモータ１〜３の回転軸などに取り付けた位置検出器（図示せず）で検出した移動体の位置検出信号としての位置フードバック信号とが一致するようにサーボモータ１〜３の速度指令信号を生成する位置制御器１１と、この位置制御器１１で生成した速度指令信号とサーボモータ１〜３の回転速度を基に移動体の軸送り速度を検出する速度検出器（図示せず）からの速度検出信号としての速度フィードバック信号との差分を積算する積分器１２と、この積分器１２で算出した積分値及び上記差分を基に速度指令信号と速度フィードバック信号とが一致するように駆動力信号を生成する速度制御器１３及び変換器１４と、この変換器１４から出力される駆動力信号に応じてサーボモータ１〜３への電流指令信号を出力する電流制御器１５とを備えている。

そして、本発明の特徴点として、上記制御装置Ａには象限突起を補正するための補正手段２０が装備されている。この補正手段２０は、図１に示す如く第１サーボ制御部４に対応して装備されるだけでなく、第２サーボ制御部５及び第３サーボ制御部６にもそれぞれ対応して装備されている。補正手段２０は、ＮＣ装置７からの位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から各サーボモータ１〜３の送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定部２１と、この摩擦力推定部２１で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して各サーボ制御部４〜６に出力することで摩擦力の補償を行う摩擦力補償部２２とからなる。

ここで、案内面の摩擦力ｆは、案内面の摺動抵抗ｆｓの速度依存性と案内面の非線形ばね特性を用いて表される。図３に示した案内面の摺動抵抗ｆｓと送り速度Ｖの関係では、摺動抵抗ｆｓと送り速度Ｖの関係は、下記の近似式（４）で表される。

また、案内面の摺動抵抗ｆｓは、非線形ばね特性を介してサーボモータ１〜３に作用する摩擦力ｆとなる。案内面の非線形ばね特性は、図４に示すようになることから、案内面の摩擦力ｆは、下記の式（５）で表される。

但し、Ｌは移動体の移動方向が反転した位置からの距離、τは時定数、ｓｉｇｎ（Ｖ）は符号の関数であり、±１の値を持つものである。

そして、上記摩擦力推定部２１は、先読みした位置指令信号を基に、先ず、移動体の位置及び送り速度を予測し、続いて、これらの値を用いて上記両式（４）、（５）から摩擦力ｆを推定するようになっている。

上記摩擦力補償部２２は、図２に示すようにサーボ制御部４〜６への位置指令信号の入力からサーボモータ１〜３が実際に駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力ｆ（Ｘ，Ｖ）と位置指令Ｘとの関係から、摩擦力ｆに相当する補正指令を算出するようになっている。

すなわち、図２は制御装置Ａの１つのサーボモータ制御系のブロック線図であり、各機器のブロック内にはそれぞれ各機器の伝達関数を記入している。つまり、位置制御器１１の伝達関数はＫｐ（位置ループゲイン）、積分器１２の伝達関数はＶｉ／ｓ（Ｖｉは速度積分ゲイン、ｓはラプラス演算子）、速度制御器１３の伝達関数はＶｐ（速度比例ゲイン）、変換器１４の伝達関数はＫｅ（変換定数）、電流制御器１５の伝達関数は１／Ｍｓ（Ｍは負荷質量）、サーボモータ１〜３の伝達関数は１／ｓである。このブロック線図では、ＮＣ装置７からの位置指令Ｘが入力され、質量Ｍの移動体を駆動する駆動力Ｆが発生し、移動体位置Ｘｔが駆動される。ｆ（Ｘ，Ｖ）は、案内面に作用する摩擦力を示しており、移動体の位置Ｘ及び速度Ｖに関係する。

このような制御系のモデルにおいて、位置指令Ｘと駆動力Ｆの関係は、下記の式（６）で表される。

案内面が非接触の場合、すなわち摩擦力ｆの影響が小さい場合には象限突起が発生しないことから、式（６）の右辺第２項を補償すれば象限突起を抑制することができる。そこで、位置指令に予め摩擦力に相当する補正指令Ｘｃを加えることで摩擦力の補償を実現する。このときの位置指令は、下記の式（７）で表される。

ここで、サーボモータ制御系の場合、制御送りを補償するためのフィードフォワード制御が行われているので、この影響について検討を行う。フィードファワード制御のブロック線図は、図５（ａ）に示すように、位置制御器１１に対し補償器２５を付設することで表示され、補償器２５の伝達関数はαｓ（αはフィードフォワードゲイン）である。図５（ａ）の制御ブロックは、図５（ｂ）の制御ブロックに等価変換され、位置指令は下記の式（８）で表される。

フィードフォワードを考慮した場合の補正指令Ｘｃは、下記の式（９）で表される。

次に、上記制御装置Ａを用いて、円弧半径４ｍｍ、送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの円弧運動における位置指令と移動体としてのテーブルの位置の測定結果を図６に示す。図６では誤差を半径方向に拡大して表示している。図６（ａ）は、補正前のテーブル位置の測定結果を示しており、Ｙ軸の象限位置に約８μｍの突起が現れている。図６（ｂ）は、補正を行うために用いた位置指令であり、図６（ａ）に見られる象限突起を補正するためにＹ軸の象限位置で食い込む形状になっている。図６（ｃ）は、この位置指令を用いてテーブルを駆動した場合のテーブル位置の測定結果であり、象限突起が抑制され、象限突起は約４μｍに改善されている。

また、送り速度５００、１０００、２０００ｍｍ／ｍｉｎ、円弧半径４ｍｍの条件について、象限突起の補正効果の確認を行った結果を図７ないし図９に示す。この測定条件は、送り速度２５００、５０００、１００００ｍｍ／ｍｉｎ、円弧半径１００ｍｍに相当する。図７ないし図９（ａ）に示す補正前に見られた象限突起は、図７ないし図９（ｂ）に示す補正後にはいずれも改善され、送り速度の変化に対しても適正に補正されている。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の形態を包含するものである。例えば上記実施形態では、サーボ制御部４〜６において、位置フィードバック制御及び速度フィードバック制御を行うに当たり、移動体の位置を位置検出器で、移動体の軸送り速度を速度検出器でそれぞれ検出するように構成したが、本発明は、例えば速度検出器を設ける代わりに、位置検出器で検出した移動体の位置を微分器で微分して移動体の速度を求め、これを速度フィードバック制御に用いる構成にしても良い。

Ａ 制御装置
１，２，３ サーボモータ
４，５，６ サーボ制御部
７ ＮＣ装置
２１ 摩擦力推定部
２２ 摩擦力補償部

Claims (5)

1. サーボモータにより送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、上記移動体の速度検出信号と上記速度指令信号とが一致するように駆動力信号を生成し、この駆動力信号に基づいて上記サーボモータの駆動力を制御する工作機械の送り駆動系の制御方法において、
   上記位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定工程と、
   上記位置指令信号の入力から実際に移動体位置が駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力と位置指令との関係から、上記摩擦力推定工程で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償を行う摩擦力補償工程とを備えたことを特徴とする工作機械の送り駆動系の制御方法。
2. 上記補正指令Ｘｃは、下記の式（１）で表される。
   但し、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｖｐは速度比例ゲイン、Ｖｉは速度積分ゲイン、Ｋｅは変換定数、ｆは摩擦力、ｓはラプラス演算子である請求項１記載の工作機械の送り駆動系の制御方法。
3. 上記サーボモータの制御系は、制御遅れを補償するためのフィードフォワード制御を行うものであり、この場合、上記補正指令Ｘｃは、下記の式（２）で表される。
   但し、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｖｐは速度比例ゲイン、Ｖｉは速度積分ゲイン、Ｋｅは変換定数、ｆは摩擦力、ｓはラプラス演算子、αはフィードフォワードゲインである請求項１記載の工作機械の送り駆動系の制御方法。
4. 上記摩擦力ｆは、下記の式（３）から推定される。
   但し、Ｌは移動体の移動方向が反転した位置からの距離、τは時定数、ｓｉｇｎ（Ｖ）は符号関数であり、±１の値を持つものである請求項２又は３記載の工作機械の送り駆動系の制御方法。
5. サーボモータにより送り運動される移動体の位置検出信号と位置指令信号とが一致するように速度指令信号を生成し、上記移動体の速度検出信号と上記速度指令信号とが一致するように駆動力信号を生成し、この駆動力信号に基づいて上記サーボモータの駆動力を制御する工作機械の送り駆動系の制御装置において、
   上記位置指令信号を先読みし、位置及び送り速度から送り駆動系に作用する摩擦力を推定する摩擦力推定部と、
   上記位置指令信号の入力から実際に移動体位置が駆動されるまでの制御系をモデル化し、このモデルの摩擦力と位置指令との関係から、上記摩擦力推定部で推定した摩擦力に相当する補正指令を算出し、この補正指令を位置指令に加算して摩擦力の補償を行う摩擦力補償部とを備えたことを特徴とする工作機械の送り駆動系の制御装置。