JP2012108892A - Numerical control device and method for friction compensation - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a numerical control device capable of estimating a friction force or a friction torque in a range from low speed to high speed with high accuracy to calibrate a quadrant projection even in a feed drive mechanism of a double nut pre-load system, and to provide a method for friction compensation.SOLUTION: An inventive numerical control device estimates a friction force or a friction torque in a range from low speed to high speed with high accuracy not only in a feed drive mechanism of over-size ball pre-load system but also in that of double nut pre-load system. Therefore, the numerical control device can calibrate a quadrant projection. The quadrant projection is a phenomenon in which a movement trajectory issues more outward than a command trajectory. The feed drive mechanism of double nut pre-load system causes the quadrant projection of a first thread ridge by inversion of a ball screw axis. The feed drive mechanism of double nut pre-load system causes further the quadrant projection of a second thread ridge when a table moves by a predetermined amount after the inversion. The numerical control device estimates the increase of the frictional force arising in two steps in the double nut pre-load system with high accuracy by using two approximate expressions.

Description

本発明は、数値制御装置及び摩擦補償方法に関する。   The present invention relates to a numerical controller and a friction compensation method.

工作機械は二軸円弧補間運動を行う為にモータを制御する。工作機械はモータの回転方向が反転する時即座に反転できない。理由は送り駆動機構の摩擦の影響である。円弧切削時に象限が変わる時(移動体の移動方向が反転する時)、実際の移動体の移動軌跡は指令軌跡の外側に出る。移動軌跡が外側に出る現象は象限突起であり、加工精度は悪くなる。   The machine tool controls the motor to perform a biaxial circular interpolation motion. Machine tools cannot be reversed immediately when the direction of motor rotation is reversed. The reason is the influence of the friction of the feed drive mechanism. When the quadrant changes during arc cutting (when the moving direction of the moving body is reversed), the actual moving track of the moving body goes outside the command track. The phenomenon in which the movement trajectory goes out is a quadrant projection, and the processing accuracy is deteriorated.

特許文献1が開示するモータ制御装置は移動体の実位置信号を微分して速度信号を求める。モータ制御装置は速度信号を積分して移動体が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成して絶対値を求める。モータ制御装置は変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いて摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求める。モータ制御装置は変位に対する変化率に速度信号を乗算して時間に対する変化率を求める。モータ制御装置は時間に対する変化率を積分して摩擦力又は摩擦トルクを推定する。モータ制御装置は運動方向を反転する前後の速度又は加速度の影響を受けずに摩擦力又は摩擦トルクを推定する。   The motor control device disclosed in Patent Document 1 differentiates an actual position signal of a moving body to obtain a speed signal. The motor control device integrates the speed signal and generates a displacement signal from a position where the moving body reverses the direction of motion to obtain an absolute value. The motor control device obtains the rate of change of the frictional force or the frictional torque with respect to the displacement using a model that represents the relationship between the displacement and the frictional force or the frictional torque. The motor control device obtains the rate of change with respect to time by multiplying the rate of change with respect to the displacement by the speed signal. The motor controller estimates the friction force or friction torque by integrating the rate of change with time. The motor control device estimates the frictional force or frictional torque without being affected by the speed or acceleration before and after the direction of motion is reversed.

特開2008−210273号公報JP 2008-210273 A

しかしながら、特許文献1のモータ制御装置は、モータ制御装置は主にオーバーサイズボール予圧方式の送り駆動機構に対応する。オーバーサイズボール予圧方式の送り駆動機構は一つのナットとボール螺子軸を備える。ダブルナット予圧方式の送り駆動機構は二つのナットとボール螺子軸を備える。ダブルナット予圧方式の送り駆動機構はボール螺子軸が反転して一山目の象限突起を生じ、移動体が所定量移動した時に二山目の象限突起を生じる。モータ制御装置はダブルナット予圧方式に対応しておらず二山目の象限突起を補正できないという問題点があった。   However, the motor control device disclosed in Patent Document 1 mainly corresponds to an oversize ball preload type feed drive mechanism. The oversize ball preload type feed drive mechanism includes one nut and a ball screw shaft. The double nut preload type feed drive mechanism includes two nuts and a ball screw shaft. In the double nut preload type feed driving mechanism, the ball screw shaft is inverted to form a first quadrant projection, and when the moving body moves a predetermined amount, a second quadrant projection is generated. The motor control device does not correspond to the double nut preload system, and there is a problem that the quadrant projection of the second mountain cannot be corrected.

また、工作機械の摩擦要因はボール螺子軸の他にリニアガイドとベアリングである。リニアガイドとベアリングは機械の剛性を上げる為に高い予圧を与える。故に反転時の摩擦トルク特性は突然変化する。他の摩擦要因はオイルシールと可動式切粉カバーのシール部材である。オイルシールはモータシャフト部に取り付けてある。オイルシールはモータ内部への切削油進入を防ぐものである。シール部材はボール螺子軸とリニアガイド部に切粉が侵入することを防ぐものである。シール部材とオイルシールはゴム材である。反転時の摩擦トルクはリニアガイド等に比べて緩やかに変化する。工作機械の反転時の摩擦特性は二種類の反転摩擦特性の合成である。   In addition to the ball screw shaft, the friction factor of the machine tool is a linear guide and a bearing. Linear guides and bearings provide high preload to increase machine rigidity. Therefore, the friction torque characteristic at the time of reversal changes suddenly. Another friction factor is the oil seal and the seal member of the movable chip cover. The oil seal is attached to the motor shaft. The oil seal prevents cutting oil from entering the motor. The seal member prevents chips from entering the ball screw shaft and the linear guide portion. The seal member and the oil seal are rubber materials. The friction torque at the time of reversal changes more slowly than a linear guide or the like. The friction characteristics of a machine tool during reversal are a combination of two types of reversal friction characteristics.

しかし、モータ制御装置は反転する位置からの変位と摩擦トルクとの関係を表すモデルについて単一のtanh関数しか用いていない。モータ制御装置は前述の二種類の反転摩擦特性を考慮していない。二種類の反転摩擦特性は反転後の急な摩擦トルクの変化と、反転後の緩やかな摩擦トルクの変化との両方を持った特性である。故に誤差が発生するという問題点があった。   However, the motor controller uses only a single tanh function for a model representing the relationship between the displacement from the reverse position and the friction torque. The motor control device does not consider the two types of reverse friction characteristics described above. The two types of reverse friction characteristics are characteristics having both a sudden change in friction torque after inversion and a gentle change in friction torque after inversion. Therefore, there is a problem that an error occurs.

さらに、特許文献1のモータ制御装置は移動体が運動方向を反転する位置からの変位と摩擦力又は摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いる。モータ制御装置はモデルを用いて絶対値で表した変位信号の関数として摩擦力又は摩擦トルクの変位に対する変化率を求める。モータ制御装置は前記変位に対する変化率に前記速度信号を乗算して摩擦力又は摩擦トルクの時間に対する変化率を算出する。モータ制御装置は前記時間に対する変化率を積分して摩擦力又は摩擦トルクを推定する。故に速度が速い場合に積分誤差は大きくなり、推定した摩擦力又は摩擦トルクの誤差は大きくなるという問題点があった。   Furthermore, the motor control device of Patent Document 1 uses a model that represents the relationship between the displacement from the position where the moving body reverses the direction of motion and the frictional force or frictional torque. The motor controller uses a model to determine the rate of change of the friction force or friction torque with respect to the displacement as a function of the displacement signal expressed as an absolute value. The motor control device calculates the rate of change of the friction force or the friction torque with respect to time by multiplying the rate of change with respect to the displacement by the speed signal. The motor control device estimates the friction force or the friction torque by integrating the rate of change with respect to the time. Therefore, when the speed is high, the integration error becomes large, and the error of the estimated friction force or friction torque becomes large.

本発明の目的は、ダブルナット予圧方式の送り駆動機構においても低速から高速の領域まで摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定して象限突起を補正できる数値制御装置及び摩擦補償方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a numerical control device and a friction compensation method capable of correcting a quadrant projection by accurately estimating a friction force or a friction torque from a low speed to a high speed region even in a double nut preload type feed drive mechanism. It is.

本発明の第一態様に係る数値制御装置は、ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した移動体の位置を検出する位置検出機構と、該位置検出機構によって検出した移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成部と、前記モータの速度を検出する速度検出機構と、前記速度検出機構が検出した速度と前記速度生成部が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成部と、前記モータの回転方向が反転後に発生する摩擦力又は摩擦トルクを推定する摩擦推定部と、前記摩擦推定部で推定した摩擦又は摩擦トルクに基づいて前記トルク指令を補正する補正部とを備えた数値制御装置において、前記ボールナットは一対のボールナットで構成し、前記移動体の移動方向が反転後から増加する前記送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第一摩擦推定部と、前記移動体の移動方向が反転後に所定量移動した後、前記ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第二摩擦推定部を備え、前記摩擦推定部は前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部の夫々で推定した摩擦力又は摩擦トルクを加算することを特徴とする。   The numerical control device according to the first aspect of the present invention includes a feed mechanism that has a ball screw shaft and a ball nut externally fitted to the ball screw shaft and moves a moving body fixed to the ball nut, and the ball screw shaft. A motor that rotates the motor, a position detection mechanism that detects the position of the moving body that has been moved by the motor, and a speed so that the position of the moving body detected by the position detection mechanism matches the position command generated by the control unit. A speed generation unit that generates a command, a speed detection mechanism that detects the speed of the motor, and a torque command that generates a speed command so that the speed detected by the speed detection mechanism matches the speed command generated by the speed generation unit. A torque generation unit; a friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque generated after the rotation direction of the motor is reversed; and the torque based on the friction or the friction torque estimated by the friction estimation unit. In the numerical control apparatus including a correction unit that corrects a command, the ball nut is formed of a pair of ball nuts, and the friction force or the friction torque caused by the feed mechanism in which the moving direction of the moving body increases after reversal is obtained. A first friction estimating unit for estimating a friction force or a friction torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts after the moving direction of the moving body is reversed by a predetermined amount after the moving direction is reversed. A friction estimation unit is provided, and the friction estimation unit adds the friction force or the friction torque estimated by each of the first friction estimation unit and the second friction estimation unit.

第一態様に係る数値制御装置では、上記構成により、ダブルナット予圧方式の送り機構においても摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定できるので象限突起を補正できる。   In the numerical control device according to the first aspect, the quadrature protrusion can be corrected because the friction force or the friction torque can be estimated with high accuracy even in the feed mechanism of the double-nut preload system.

また第1態様において、前記一対のボールナットは複数の球を有し、前記所定量は前記移動体の移動方向が反転後に前記複数の球の内少なくとも一個が前記一対のボールナットと前記ボール螺子軸に対して三点で接触するまで、前記移動体が移動する距離としてもよい。故に、第二摩擦推定部は移動体の移動方向が反転後に所定量移動した後、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクを推定できる。   In the first aspect, the pair of ball nuts includes a plurality of balls, and the predetermined amount is at least one of the plurality of balls including the pair of ball nuts and the ball screw after the moving direction of the moving body is reversed. It is good also as a distance which the said mobile body moves until it contacts with an axis | shaft at three points. Therefore, the second friction estimation unit can estimate a friction force or a friction torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts after the moving direction of the moving body has been reversed and then moved by a predetermined amount.

また第1態様において、前記位置指令に対応する前記移動体の実位置を推定する実位置推定部と、前記実位置推定部で推定した実位置に基づいて前記移動体の移動方向が反転した後の変位として算出する算出部とを更に備え、前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部は前記算出部によって算出した変位を変数とした近似式としてもよい。故に数値制御装置は、移動体の移動方向が反転後から増加する送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクと、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。   In the first aspect, the real position estimating unit that estimates the real position of the moving body corresponding to the position command, and the moving direction of the moving body is reversed based on the real position estimated by the real position estimating unit. The first friction estimation unit and the second friction estimation unit may be approximate equations using the displacement calculated by the calculation unit as a variable. Therefore, the numerical control device has a frictional force or frictional torque caused by the feeding mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and a frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts. Easy to calculate.

また第1態様において、前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾きの成分と該第一の傾き成分より傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、第一摩擦推定部の近似式f(x')、第二摩擦推定部の近似式f(x')を以下の式としてもよい。故に数値制御装置は移動体の移動方向が反転後から増加する送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクと、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。

Figure 2012108892
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In the first aspect, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are obtained after reversing the moving direction of the moving body. The moving force of the moving body is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the amount of movement after reversing the frictional force or friction torque that changes from The displacement from the reversal position is x ′, the rising friction force or friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the second inclination component The rising distance constant is a 1 , the total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed f c1 , and the ball that increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Due to the screw shaft and a pair of ball nuts Friction or dynamic friction torque f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function As sgn, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit may be set as the following expressions. Therefore, the numerical control device easily generates the frictional force or frictional torque caused by the feeding mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and the frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts. Can be calculated.
Figure 2012108892
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また第1態様において、前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分より傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、第一摩擦推定部の近似式f(x')、第二摩擦推定部の近似式f(x')を以下の式としてもよい。故に数値制御装置は移動体の移動方向が反転後から増加する送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクと、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。

Figure 2012108892
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In the first aspect, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are obtained after reversing the moving direction of the moving body. The frictional force or frictional torque that changes from 1 is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the movement amount after reversal, and the moving direction of the moving body is reversed. The displacement from the position is x ′, the rising friction force or friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the rising edge of the second inclination component is The distance constant is a 1 , the total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed f c1 , and the ball screw that increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Movement caused by a shaft and a pair of ball nuts Friction force or dynamic friction torque f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function As sgn, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit may be set as the following expressions. Therefore, the numerical control device easily generates the frictional force or frictional torque caused by the feeding mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and the frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts. Can be calculated.
Figure 2012108892
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また第1態様において、前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分よりも傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、第一摩擦推定部の近似式f(x')、第二摩擦推定部の近似式f(x')を以下の式としてもよい。故に数値制御装置は移動体の移動方向が反転後から増加する送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクと、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。

Figure 2012108892
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In the first aspect, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are obtained after reversing the moving direction of the moving body. The moving force of the moving body is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the amount of movement after reversing the friction force or friction torque that changes from The displacement from the reversal position is x ′, the rising friction force or friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the second inclination component The rising distance constant is a 1 , the total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed f c1 , and the ball that increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Due to the screw shaft and a pair of ball nuts Friction or dynamic friction torque f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function As sgn, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit may be set as the following expressions. Therefore, the numerical control device easily generates the frictional force or frictional torque caused by the feeding mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and the frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts. Can be calculated.
Figure 2012108892
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また第1態様において、前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分よりも傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、第一摩擦推定部の近似式f(x')、第二摩擦推定部の近似式f(x')を以下の式としてもよい。故に数値制御装置は移動体の移動方向が反転後から増加する送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクと、ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。

Figure 2012108892
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In the first aspect, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are obtained after reversing the moving direction of the moving body. The moving force of the moving body is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the amount of movement after reversing the friction force or friction torque that changes from The displacement from the reversal position is x ′, the rising friction force or friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the second inclination component The rising distance constant is a 1 , the total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed f c1 , and the ball that increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Due to the screw shaft and a pair of ball nuts Friction or dynamic friction torque f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function As sgn, the approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit may be set as the following expressions. Therefore, the numerical control device easily generates the frictional force or frictional torque caused by the feeding mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and the frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts. Can be calculated.
Figure 2012108892
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また第1態様において、前記第二摩擦推定部の前記近似式は、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、第二摩擦推定部の近似式f(x')を以下の式としてもよい。故に数値制御装置はボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクとを容易に算出できる。

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Further, in the first aspect, the approximate expression of the second friction estimation unit increases the displacement from the moving direction reversal position of the moving body by x ′, and increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed. The frictional force or frictional torque that increases after moving the predetermined amount b after reversal of the moving direction of the moving body is represented by f c2 , the predetermined amount b by the dynamic friction force or dynamic friction torque caused by the ball screw shaft and the pair of ball nuts. The following equation may be used as an approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit, where a 2 is a rising distance constant and sgn is a sign function. Therefore, the numerical controller can easily calculate the frictional force or frictional torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts.
Figure 2012108892

本発明の第二態様に係る摩擦補償方法は、ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した移動体の位置を検出する位置検出機構とを備えた数値制御装置が行い、前記位置検出機構が検出した移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成工程と、前記モータの速度を検出する速度検出工程と、前記速度検出工程が検出した速度と前記速度生成工程が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成工程と、前記モータの回転方向を反転後に発生する摩擦力又は摩擦トルクを推定する摩擦推定工程と、前記摩擦推定工程で推定した摩擦又は摩擦トルクに基づいて前記トルク指令を補正する補正工程とを備えた摩擦補償方法において、前記ボールナットは一対のボールナットで構成し、前記移動体の移動方向が反転後から増加する前記送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第一摩擦推定工程と、前記移動体の移動方向が反転後に所定量移動した後、前記ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第二摩擦推定工程とを備え、前記摩擦推定工程は、前記第一摩擦推定工程と前記第二摩擦推定工程の夫々で推定した摩擦力又は摩擦トルクを加算することを特徴とする。   A friction compensation method according to a second aspect of the present invention includes a ball screw shaft and a ball nut that is fitted around the ball screw shaft, a feed mechanism that moves a moving body fixed to the ball nut, and the ball screw shaft. The position of the moving body detected by the position detection mechanism and the position generated by the control unit are performed by a numerical control device that includes a motor that rotates the motor and a position detection mechanism that detects the position of the moving body moved by the motor. A speed generation step for generating a speed command so that the command matches, a speed detection step for detecting the speed of the motor, a speed detected by the speed detection step, and a speed command generated by the speed generation step match A torque generation step for generating a torque command, a friction estimation step for estimating a friction force or a friction torque generated after reversing the rotation direction of the motor, and a friction estimated in the friction estimation step And a correction step of correcting the torque command based on a friction torque, wherein the ball nut is formed of a pair of ball nuts, and the moving mechanism in which the moving direction of the moving body increases after reversal is provided. A first friction estimation step for estimating a frictional force or frictional torque caused by the frictional force, and a frictional force that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts after the moving direction of the moving body has been reversed by a predetermined amount and then moved. Or a second friction estimation step for estimating a friction torque, wherein the friction estimation step adds the friction force or the friction torque estimated in each of the first friction estimation step and the second friction estimation step. And

第二態様に係る摩擦補償方法では、上記構成により、ダブルナット予圧方式の送り機構においても摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定できるので象限突起を補正できる。   In the friction compensation method according to the second aspect, the quadrature protrusion can be corrected because the friction force or the friction torque can be estimated with high accuracy even in the double nut preload type feed mechanism.

工作機械20の構造の一部を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a part of the structure of a machine tool 20. 数値制御装置10と送り機構の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the numerical control apparatus 10 and a feed mechanism. 送り駆動機構Aの断面図である。3 is a cross-sectional view of a feed drive mechanism A. 送り駆動機構Aにおける球37の周辺の断面図である。6 is a cross-sectional view of a periphery of a sphere 37 in the feed drive mechanism A. FIG. 送り駆動機構Bの断面図である。4 is a cross-sectional view of a feed drive mechanism B. 送り駆動機構Bの球47の接触状態を示す図である。It is a figure which shows the contact state of the bulb | ball 47 of the feed drive mechanism B. FIG. 理想的な円弧軌跡と送り駆動機構Aの実際の軌跡との誤差を拡大した図である。FIG. 5 is an enlarged view of an error between an ideal arc locus and an actual locus of the feed drive mechanism A. 理想的な円弧軌跡と送り駆動機構Bの実際の軌跡との誤差を拡大した図である。FIG. 5 is an enlarged view of an error between an ideal arc locus and an actual locus of the feed drive mechanism B. 送り駆動機構Aのモータトルクと反転位置からの距離の関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the motor torque of the feed drive mechanism A, and the distance from an inversion position. 送り駆動機構Bのモータトルクと反転位置からの距離の関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the motor torque of the feed drive mechanism B, and the distance from an inversion position. 送り駆動機構Aのテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the table displacement amount of the feed drive mechanism A, and a friction torque. 送り駆動機構Bのテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the table displacement amount of the feed drive mechanism B, and a friction torque. 摩擦補償器13の構成を示したブロック図である。3 is a block diagram showing a configuration of a friction compensator 13. FIG. 近似式として式(1)の第一項のみを用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement, and friction torque when estimating friction torque using only the 1st term of Formula (1) as an approximate expression. 近似式として式(1)のみを用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement and friction torque when estimating friction torque only using Formula (1) as an approximate expression. 本発明の近似式として式(3)(式(1)+式(2))を用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a table displacement amount and friction torque when estimating friction torque using Formula (3) (Formula (1) + Formula (2)) as an approximate expression of this invention. 本発明の近似式として式(3)(式(4)+式(5))を用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement, and friction torque when estimating friction torque using Formula (3) (Formula (4) + Formula (5)) as an approximation formula of this invention. 本発明の近似式として式(3)(式(1)+式(6))を用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a table displacement amount and friction torque when estimating friction torque using Formula (3) (Formula (1) + Formula (6)) as an approximate expression of this invention. 理想的な円弧軌跡とケース2、3、6の実際の軌跡との誤差を拡大した図である。It is the figure which expanded the error of an ideal circular locus and the actual locus of cases 2, 3, and 6. 特許文献1に記載の制御ブロックを本発明の目的に変更した時の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure when the control block of patent document 1 was changed into the objective of this invention. 補償方式1と補償方式2で非高速動作時の摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement and friction torque when the friction torque at the time of non-high-speed operation | movement is estimated by the compensation system 1 and the compensation system 2. FIG. 補償方式1と補償方式2で高速動作時の摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement, and a friction torque when the friction torque at the time of high-speed operation | movement is estimated by the compensation system 1 and the compensation system 2. FIG. 本発明の近似式として(式(1)+式(5))を用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a table displacement amount and a friction torque when estimating a friction torque using (Formula (1) + Formula (5)) as an approximate expression of this invention. 本発明の近似式として(式(4)+式(2))を用いて摩擦トルクを推定した時のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of table displacement, and a friction torque when estimating a friction torque using (Formula (4) + Formula (2)) as an approximate expression of this invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1に示す数値制御装置10は本発明の実施形態である。数値制御装置10は加工プログラムが指令する経路に従い工作機械20の軸移動を制御しテーブル3に固定した加工物を切削する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A numerical controller 10 shown in FIG. 1 is an embodiment of the present invention. The numerical control device 10 controls the axial movement of the machine tool 20 in accordance with a path commanded by the machining program and cuts the workpiece fixed to the table 3.

図1を参照して工作機械20のテーブル機構の一例について説明する。テーブル機構は基台1、中間テーブル50、テーブル3を備える。基台1は矩形状である。中間テーブル50は基台1上を移動する。テーブル3は中間テーブル50上を移動する。テーブル3は本発明の移動体の一例である。   An example of the table mechanism of the machine tool 20 will be described with reference to FIG. The table mechanism includes a base 1, an intermediate table 50, and a table 3. The base 1 is rectangular. The intermediate table 50 moves on the base 1. The table 3 moves on the intermediate table 50. Table 3 is an example of the moving body of the present invention.

基台1は一対のリニアガイト6Aを有する。一対のリニアガイト6Aは中間テーブル50を一軸方向に案内する。ボール螺子軸4Aとナット(図示略)は一対のリニアガイド6Aの間に配置する。中間テーブル50はナットに固定する。中間テーブル50は上部に一対のリニアガイド6Bを有する。リニアガイド6Bはテーブル3を前記一軸方向と直交する方向に案内する。ボール螺子軸4Bとナット5(図2参照)は一対のリニアガイド6Bの間に配置する。   The base 1 has a pair of linear guides 6A. The pair of linear guides 6A guide the intermediate table 50 in the uniaxial direction. The ball screw shaft 4A and a nut (not shown) are disposed between the pair of linear guides 6A. The intermediate table 50 is fixed to the nut. The intermediate table 50 has a pair of linear guides 6B at the top. The linear guide 6B guides the table 3 in a direction orthogonal to the uniaxial direction. The ball screw shaft 4B and the nut 5 (see FIG. 2) are disposed between the pair of linear guides 6B.

図2に示すように、テーブル3は下部にブロック51を備える。ブロック51はリニアガイド6Bのレール61を摺動する。一対の軸受7はボール螺子軸4Bを支持する。一対の軸受7は中間テーブル50に固定してある。軸受7は内部にベアリング8を有する。中間テーブル50は下端にブロック(図示略)を備える。ブロックはリニアガイド6Aのレール(図示略)を摺動する。   As shown in FIG. 2, the table 3 includes a block 51 at the bottom. The block 51 slides on the rail 61 of the linear guide 6B. The pair of bearings 7 support the ball screw shaft 4B. The pair of bearings 7 are fixed to the intermediate table 50. The bearing 7 has a bearing 8 inside. The intermediate table 50 includes a block (not shown) at the lower end. The block slides on a rail (not shown) of the linear guide 6A.

一対の軸受(図示略)はボール螺子軸4Aを支持する。一対の軸受は基台1に固定してある。軸受は内部にベアリング(図示略)を有する。   A pair of bearings (not shown) supports the ball screw shaft 4A. The pair of bearings are fixed to the base 1. The bearing has a bearing (not shown) inside.

図1に示すように、基台1は上部にモータ2Aを支持する。モータ2Aの軸とボール螺子軸4Aはカップリング(図示外)で接続する。モータ2Aは軸部の周囲にオイルシール(図示外)を有する。   As shown in FIG. 1, the base 1 supports a motor 2A at the top. The shaft of the motor 2A and the ball screw shaft 4A are connected by a coupling (not shown). The motor 2A has an oil seal (not shown) around the shaft portion.

図2に示すように、中間テーブル50は端部にモータ2Bを支持する。モータ2Bの軸とボール螺子軸4Bはカップリング9で接続する。モータ2Bは軸部の周囲にオイルシール52を有する。テーブル3は両端に固定カバー53を有する。シール部材55は可動カバー54のテーブル側端部とは反対側の端部に固定する。シール部材55はゴムで形成する。シール部材55は切粉等が固定カバー53と可動カバー54との間から入り込むのを防ぐ。   As shown in FIG. 2, the intermediate table 50 supports the motor 2B at the end. The shaft of the motor 2B and the ball screw shaft 4B are connected by a coupling 9. The motor 2B has an oil seal 52 around the shaft portion. The table 3 has fixed covers 53 at both ends. The seal member 55 is fixed to the end of the movable cover 54 opposite to the end on the table side. The seal member 55 is made of rubber. The seal member 55 prevents chips and the like from entering between the fixed cover 53 and the movable cover 54.

送り駆動機構56はテーブル3を一軸方向に移動する。送り駆動機構56はボール螺子軸4Bとナット5を備える。中間テーブル50を一軸方向に移動する送り駆動機構はテーブル3の送り駆動機構56と同じ構成である。テーブル3の送り機構は送り駆動機構56、リニアガイド6B、ブロック51、モータ2B、カップリング9、オイルシール52、可動カバー54、シール部材55、軸受7を少なくとも含む。   The feed drive mechanism 56 moves the table 3 in the uniaxial direction. The feed drive mechanism 56 includes a ball screw shaft 4 </ b> B and a nut 5. The feed drive mechanism that moves the intermediate table 50 in the uniaxial direction has the same configuration as the feed drive mechanism 56 of the table 3. The feed mechanism of the table 3 includes at least a feed drive mechanism 56, a linear guide 6B, a block 51, a motor 2B, a coupling 9, an oil seal 52, a movable cover 54, a seal member 55, and a bearing 7.

数値制御装置10の構成について説明する。図1に示すように、数値制御装置10はモータ2A、2Bに接続する。テーブル3はモータ2A、2Bの駆動により二軸方向に移動する。   The configuration of the numerical control device 10 will be described. As shown in FIG. 1, the numerical controller 10 is connected to the motors 2A and 2B. The table 3 moves in the biaxial direction by driving the motors 2A and 2B.

各ボール螺子軸4A、4Bと各ナット5はモータ2A、2Bの回転運動を二軸方向におけるテーブル3の直進運動に変換する。数値制御装置10はモータ2A、2Bを制御してテーブル3の位置、速度と加速度を制御する。   The ball screw shafts 4A and 4B and the nuts 5 convert the rotational motions of the motors 2A and 2B into the linear motion of the table 3 in the biaxial direction. The numerical control device 10 controls the position, speed, and acceleration of the table 3 by controlling the motors 2A and 2B.

図2に示すように、ロータリーエンコーダ60はモータ2A、2Bに取り付ける。図2はモータ2A、モータ2A側のロータリーエンコーダ60を図示していない。ロータリーエンコーダ60はモータ2A、2Bの位置を検出する。数値制御装置10はテーブル3の位置を、モータ2A、2Bの位置と、ボール螺子軸4A、4Bのピッチ(螺子山の間隔)とに基づいて算出する。   As shown in FIG. 2, the rotary encoder 60 is attached to the motors 2A and 2B. FIG. 2 does not show the motor 2A and the rotary encoder 60 on the motor 2A side. The rotary encoder 60 detects the positions of the motors 2A and 2B. The numerical controller 10 calculates the position of the table 3 based on the positions of the motors 2A and 2B and the pitch of the ball screw shafts 4A and 4B (interval between screw threads).

上位コントローラは位置指令信号を位置制御器11に出力する。ロータリーエンコーダ60はモータ2A、2Bの位置検出信号を位置制御器11に出力する。位置制御器11は位置指令信号と位置検出信号が一致するように速度指令信号を生成して速度制御器12に加える。微分器16は位置検出信号を速度検出信号に変換し速度制御器12に加える。   The host controller outputs a position command signal to the position controller 11. The rotary encoder 60 outputs position detection signals of the motors 2A and 2B to the position controller 11. The position controller 11 generates a speed command signal so as to match the position command signal and the position detection signal, and applies the speed command signal to the speed controller 12. The differentiator 16 converts the position detection signal into a speed detection signal and applies it to the speed controller 12.

速度制御器12は速度指令信号と速度検出信号とが一致するようにトルク指令信号を生成して加算器14に加える。摩擦補償器13は上位コントローラからの位置指令信号に基づき摩擦補償信号を生成して加算器14に加える。摩擦補償信号はモータ2A、2Bの回転方向が反転する際に発生する摩擦力を補償する信号である。加算器14は速度制御器12からのトルク指令信号と摩擦補償器13からの摩擦補償信号とを加算する。加算器14は摩擦補償したトルク指令信号を電流制御増幅器15に加える。電流制御増幅器15はトルク制御器として機能する。電流制御増幅器15は摩擦補償したトルク指令信号にできる限り忠実なトルクを発生するようにモータ2A、2Bの電流を制御する。   The speed controller 12 generates a torque command signal so as to match the speed command signal and the speed detection signal, and applies the torque command signal to the adder 14. The friction compensator 13 generates a friction compensation signal based on the position command signal from the host controller and applies it to the adder 14. The friction compensation signal is a signal for compensating for a frictional force generated when the rotation directions of the motors 2A and 2B are reversed. The adder 14 adds the torque command signal from the speed controller 12 and the friction compensation signal from the friction compensator 13. The adder 14 adds the friction-compensated torque command signal to the current control amplifier 15. The current control amplifier 15 functions as a torque controller. The current control amplifier 15 controls the currents of the motors 2A and 2B so as to generate a torque that is as faithful as possible to the friction-compensated torque command signal.

位置制御器11、速度制御器12、加算器14、電流制御増幅器15、微分器16の構成と動作は周知である。故に本願発明に直接関連する摩擦補償器13の構成と動作について原理を中心に説明する。   The configuration and operation of the position controller 11, speed controller 12, adder 14, current control amplifier 15, and differentiator 16 are well known. Therefore, the configuration and operation of the friction compensator 13 directly related to the present invention will be described focusing on the principle.

送り駆動機構は第一の摩擦源と第二の摩擦源とに夫々起因する摩擦力を有する。第一の摩擦源に起因する摩擦力はリニアガイドのブロックの予圧、ボール螺子軸のナット部の予圧、ベアリングの予圧である。送り駆動機構としての剛性は予圧が高いほどが上がり且つ摩擦力も大きくなる。第二の摩擦源に起因する摩擦力はオイルシール52、可動カバー54のシールの摺動抵抗である。摩擦力はシール性が上がると大きくなる。   The feed drive mechanism has a friction force caused by the first friction source and the second friction source, respectively. The frictional force resulting from the first friction source is the preload of the block of the linear guide, the preload of the nut portion of the ball screw shaft, and the preload of the bearing. The rigidity of the feed drive mechanism increases as the preload increases, and the frictional force increases. The frictional force resulting from the second friction source is the sliding resistance of the seals of the oil seal 52 and the movable cover 54. The friction force increases as the sealing performance increases.

摩擦力はテーブル3の運動方向が反転する時急激に変化する。テーブル3の運動方向が反転する時はボール螺子軸4A、4Bの回転方向が反転する時である。例えば数値制御装置10は直交する2つの軸を使って上述の円弧補間運動を行い円弧切削を行う。摩擦力の変化に制御系が対応できない場合はある。図1の上部のグラフは理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を示す。楕円で囲んだ部分71〜74は象限突起である。摩擦補償器13はテーブル3の運動方向反転時の摩擦力を高精度に推定して補償する。故に数値制御装置10は象限突起を極力小さくできる。   The frictional force changes abruptly when the motion direction of the table 3 is reversed. When the movement direction of the table 3 is reversed, the rotation direction of the ball screw shafts 4A and 4B is reversed. For example, the numerical control apparatus 10 performs the circular cutting by performing the above-described circular interpolation motion using two orthogonal axes. There are cases where the control system cannot cope with changes in frictional force. The upper graph in FIG. 1 shows the error between the ideal arc trajectory and the actual trajectory. Portions 71 to 74 surrounded by an ellipse are quadrant projections. The friction compensator 13 estimates and compensates for the friction force when the movement direction of the table 3 is reversed with high accuracy. Therefore, the numerical controller 10 can make the quadrant protrusion as small as possible.

象限突起は送り駆動機構に発生する摩擦力の変化に起因する。象限突起はボール螺子軸の予圧方式により発生の仕方が異なる。ボール螺子軸の予圧方式の構造と特性の違いとについて説明する。ボール螺子軸の予圧方式はオーバーサイズボール予圧方式とダブルナット予圧方式とを有する。   The quadrant protrusion is caused by a change in frictional force generated in the feed drive mechanism. Quadrant projections are generated differently depending on the preloading method of the ball screw shaft. The structure and characteristics of the ball screw shaft preload system will be described. The ball screw shaft preload system includes an oversized ball preload system and a double nut preload system.

図3に示すように、オーバーサイズボール予圧方式の送り駆動機構Aはシングルナット35(以下ナット35と呼ぶ)で予圧を与える方式である。ナット35はボールナットである。ナット35は球37を内部に備える。図4に示すように、球37はナット35とボール螺子軸34に対して常に四点で接触する。オーバーサイズボール予圧方式の特徴はナット35のサイズが小さく軽荷重である。故に小型の工作機械等はオーバーサイズボール予圧方式を採用する。   As shown in FIG. 3, the oversize ball preload type feed drive mechanism A is a system in which preload is applied by a single nut 35 (hereinafter referred to as a nut 35). The nut 35 is a ball nut. The nut 35 includes a ball 37 inside. As shown in FIG. 4, the ball 37 always contacts the nut 35 and the ball screw shaft 34 at four points. The feature of the oversize ball preloading method is that the size of the nut 35 is small and the load is light. Therefore, the oversize ball preload system is adopted for small machine tools.

図5に示すように、ダブルナット予圧方式の送り駆動機構Bは2つのナット45、46を備える。ナット45、46はボールナットである。間座48はナット45、46の間にある。図6(a)、(b)、(c)に示すように、球47はナット45(図6では図示略)、46の移動方向に応じて移動する。球47はナット45、46とボール螺子軸44に対して二点又は三点接触で随時変化する。図6中の白抜き矢印は球47の回転方向を示す。   As shown in FIG. 5, the double nut preload type feed drive mechanism B includes two nuts 45 and 46. The nuts 45 and 46 are ball nuts. The spacer 48 is between the nuts 45 and 46. As shown in FIGS. 6A, 6 </ b> B, and 6 </ b> C, the ball 47 moves according to the moving direction of the nuts 45 (not shown in FIG. 6) and 46. The ball 47 changes at any time by two-point or three-point contact with the nuts 45 and 46 and the ball screw shaft 44. A white arrow in FIG. 6 indicates the rotation direction of the sphere 47.

例えば図6(a)に示すように、ナット46は一方向に移動している。球47はナット46に一点、ボール螺子軸44に二点で接触するので三点で接触する。図6(b)に示すように、ナット46は移動が反転する途中である。球47はナット46に一点、ボール螺子軸44に一点で接触するので二点で接触する。故に三点接触に比べて摩擦は小さくなる。図6(c)に示すように、ナット46は移動方向が反転して反対方向に移動している。球47はナット46に二点、ボール螺子軸44に一点で接触するので三点で接触する。故に摩擦は再び大きくなる。ダブルナット予圧方式の特徴は剛性が高い。故に大型の工作機械等はダブルナット予圧方式を採用する。   For example, as shown in FIG. 6A, the nut 46 moves in one direction. Since the ball 47 contacts the nut 46 at one point and the ball screw shaft 44 at two points, the ball 47 contacts at three points. As shown in FIG. 6B, the nut 46 is in the middle of reversal of movement. Since the ball 47 contacts the nut 46 at one point and the ball screw shaft 44 at one point, the ball 47 contacts at two points. Therefore, the friction is smaller than that of the three-point contact. As shown in FIG. 6C, the nut 46 is moved in the opposite direction with the moving direction reversed. Since the ball 47 contacts the nut 46 at two points and the ball screw shaft 44 at one point, the ball 47 contacts at three points. Therefore, the friction increases again. The feature of the double nut preload system is high rigidity. Therefore, large machine tools etc. adopt the double nut preload system.

ボール螺子軸の予圧方式が象限突起に及ぼす影響について説明する。送り駆動機構A、Bを駆動制御する各数値制御装置を用いて円弧補間運動を行った場合の理想軌跡に対する誤差を調べた。   The effect of the ball screw shaft preload system on the quadrant projection will be described. The error with respect to the ideal trajectory when the circular interpolation motion was performed using the numerical control devices that drive and control the feed drive mechanisms A and B was examined.

図7、図8は理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を拡大した図である。送り速度は3m/min、指令半径は25mmである。一目盛りは5μmである。   7 and 8 are enlarged views of an error between an ideal arc locus and an actual locus. The feed speed is 3 m / min and the command radius is 25 mm. One scale is 5 μm.

軌跡誤差は象限突起である。図7、図8の何れの結果においても、象限突起は0°、90°、180°、270°付近で生じている。X軸の運動方向は0°と180°で反転している。Y軸の運動方向は90°と270°で反転している。各反転位置付近における象限突起は摩擦力の変化に対するサーボ系の応答が円弧軌跡上に現れたものである。摩擦力は運動方向反転時の摩擦力である。   The locus error is a quadrant projection. In both the results of FIGS. 7 and 8, the quadrant protrusions are generated around 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. The direction of motion of the X axis is reversed between 0 ° and 180 °. The direction of movement of the Y axis is reversed at 90 ° and 270 °. The quadrant projections in the vicinity of each reversal position are the response of the servo system to the change of the frictional force on the circular locus. The friction force is the friction force when the direction of motion is reversed.

図7に示すように、送り駆動機構Aでは象限突起は一山である。送り駆動機構Aはオーバーサイズボール予圧方式である。図8に示すように、送り駆動機構Bでは象限突起は二山である。送り駆動機構Bはダブルナット予圧方式である。理由は以下の通りである。象限突起の一山目は象限が変わる時の摩擦の影響である。象限突起の二山目はボールがナットとボール螺子軸に対して二点接触から三点接触になる時に増加する摩擦の影響である。   As shown in FIG. 7, in the feed drive mechanism A, the quadrant protrusion is a mountain. The feed drive mechanism A is an oversize ball preload system. As shown in FIG. 8, in the feed drive mechanism B, the quadrant protrusions are two ridges. The feed drive mechanism B is a double nut preload system. The reason is as follows. The first peak of the quadrant projection is the effect of friction when the quadrant changes. The second peak of the quadrant projection is the effect of friction that increases when the ball goes from two-point contact to three-point contact with the nut and ball screw shaft.

ボール螺子軸単体での反転時の摩擦抵抗の挙動について調べた。図9、図10はボール螺子軸の反転位置からの距離とモータトルク〔Nm〕の関係のグラフである。   The behavior of the frictional resistance during reversal of the ball screw shaft alone was investigated. 9 and 10 are graphs showing the relationship between the distance from the reversal position of the ball screw shaft and the motor torque [Nm].

図9に示すように、オーバーサイズボール予圧方式ではモータトルクは反転後に一気に上昇して一定となる。図10に示すように、ダブルナット予圧方式では、モータトルクは反転後に僅かに上昇して一定になり、その後緩やかに上昇して再び一定となる。反転位置から球が二点で接触している間、モータトルクは僅かに上昇し一定となる。球は二点接触の状態から三点接触の状態に移り変わる。前述の場合、二点接触の状態と三点接触の状態とが混在する。故にモータトルクは緩やかに上昇する。その後、全ての球は三点接触になる。故にモータトルクは最大値となり一定となる。   As shown in FIG. 9, in the oversize ball preload system, the motor torque rises at a stroke and becomes constant after reversal. As shown in FIG. 10, in the double nut preload system, the motor torque increases slightly after inversion and becomes constant, and then gradually increases and becomes constant again. While the sphere is in contact at two points from the reverse position, the motor torque slightly increases and becomes constant. The sphere changes from a two-point contact state to a three-point contact state. In the case described above, a two-point contact state and a three-point contact state are mixed. Therefore, the motor torque increases slowly. After that, all spheres are in three-point contact. Therefore, the motor torque becomes a maximum value and is constant.

図11、図12は工作機械の微小円弧動作のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示す。送り速度は5mm/min、指令半径は0.1mmである。微小円弧動作では摩擦力が速度と加速度に影響されない。   FIG. 11 and FIG. 12 show the relationship between the amount of table displacement and the friction torque in the micro arc motion of the machine tool. The feed speed is 5 mm / min, and the command radius is 0.1 mm. In micro arc motion, the friction force is not affected by speed and acceleration.

図11に示すように、オーバーサイズボール予圧方式では、モータトルクは運動方向反転後に非線形ばね特性を示す。モータトルクは変位がある程度大きくなるとほぼ一定の値となる。モータトルクの軌跡はヒステリシスループを描く。図12に示すようにダブルナット予圧方式では、モータトルクは運動方向が反転した後0.065mmの位置で緩やかな段差状に変化している。段差状の変化は象限突起を二山にする原因である。数値制御装置10はダブルナット予圧方式の摩擦特性に着目する。数値制御装置10は摩擦力又は摩擦トルクを高精度に推定することで二山の象限突起を補償できる。   As shown in FIG. 11, in the oversized ball preload system, the motor torque exhibits a non-linear spring characteristic after the movement direction is reversed. The motor torque becomes a substantially constant value when the displacement increases to some extent. The motor torque locus draws a hysteresis loop. As shown in FIG. 12, in the double nut preload system, the motor torque changes in a gentle step shape at a position of 0.065 mm after the movement direction is reversed. The step-like change is the cause of the quadrant protrusion being doubled. The numerical controller 10 focuses on the friction characteristics of the double nut preload system. The numerical control device 10 can compensate for the two quadrant projections by estimating the frictional force or the frictional torque with high accuracy.

図13を参照して、摩擦補償器13の詳細な構成と、摩擦補償器13による摩擦補償方法について説明する。摩擦補償器13は実位置推定部21、微分器22、符号反転検出部23、積分器24、第一摩擦特性推定部26、第二摩擦特性推定部27、加算器28、応答遅れ補償部29を少なくとも備える。第一、第二摩擦特性推定部26、27は絶対値算出部と極性算出部とを内蔵する。絶対値算出部は入力した信号の絶対値を求める。極性算出部は入力した信号の時間微分した信号の極性を求める。   A detailed configuration of the friction compensator 13 and a friction compensation method by the friction compensator 13 will be described with reference to FIG. The friction compensator 13 includes an actual position estimation unit 21, a differentiator 22, a sign inversion detection unit 23, an integrator 24, a first friction characteristic estimation unit 26, a second friction characteristic estimation unit 27, an adder 28, and a response delay compensation unit 29. At least. The first and second friction characteristic estimation units 26 and 27 include an absolute value calculation unit and a polarity calculation unit. The absolute value calculator obtains the absolute value of the input signal. The polarity calculator obtains the polarity of the signal obtained by time differentiation of the input signal.

上位コントローラは位置指令信号を実位置推定部21に入力する。実位置推定部21はテーブル3の送り運動を行うサーボ制御系のモデルを用いる。実位置推定部21は位置指令信号に対応するテーブル3の実位置を推定して実位置信号を生成する。実位置推定部21は例えば一次遅れ要素等で構成しても良い。微分器22は実位置推定部21に接続してある。微分器22は実位置信号を微分して速度信号として出力する。符号反転検出部23と積分器24は微分器22に接続してある。   The host controller inputs the position command signal to the actual position estimating unit 21. The actual position estimation unit 21 uses a model of a servo control system that performs the feed movement of the table 3. The actual position estimation unit 21 estimates the actual position of the table 3 corresponding to the position command signal and generates an actual position signal. The actual position estimation unit 21 may be configured with, for example, a first-order lag element. The differentiator 22 is connected to the actual position estimation unit 21. The differentiator 22 differentiates the actual position signal and outputs it as a speed signal. The sign inversion detection unit 23 and the integrator 24 are connected to the differentiator 22.

符号反転検出部23は速度信号の符号が反転することを検出する。符号反転検出部23はリセット信号を出力する。積分器24は速度信号を積分して実位置信号を復元する。積分器24は符号反転検出部23が出力するリセット信号ごとに積分値を零にリセットする。積分器24はテーブル3が運動方向を反転する位置からの変位信号を生成する。   The sign inversion detection unit 23 detects that the sign of the speed signal is inverted. The sign inversion detection unit 23 outputs a reset signal. The integrator 24 restores the actual position signal by integrating the speed signal. The integrator 24 resets the integral value to zero for each reset signal output from the sign inversion detection unit 23. The integrator 24 generates a displacement signal from a position where the table 3 reverses the direction of motion.

第一摩擦特性推定部26と第二摩擦特性推定部27は積分器24に接続する。第一摩擦特性推定部26は後述する近似式1を用いる。第一摩擦特性推定部26は摩擦トルクf(x')〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル反転後から増加する。第二摩擦特性推定部27は後述する近似式2を用いる。第二摩擦特性推定部27は摩擦トルクf(x')〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル3が反転後、所定量移動した後に増加する。加算器28は第一摩擦特性推定部26と第二摩擦特性推定部27に接続する。 The first friction characteristic estimation unit 26 and the second friction characteristic estimation unit 27 are connected to the integrator 24. The first friction characteristic estimation unit 26 uses the approximate expression 1 described later. The first friction characteristic estimation unit 26 obtains the friction torque f 1 (x ′) [N · m]. Friction torque f 1 is increased after the table inverted. The second friction characteristic estimation unit 27 uses an approximate expression 2 described later. The second friction characteristic estimating unit 27 obtains the friction torque f 2 (x ′) [N · m]. After the friction torque f 2 table 3 inverted, increases after moving a predetermined amount. The adder 28 is connected to the first friction characteristic estimation unit 26 and the second friction characteristic estimation unit 27.

加算器28はf(x')とf(x')を加算する。応答遅れ補償部29は加算器28の出力端に接続してある。応答遅れ補償部29は伝達関数の逆関数で構成する。伝達関数はトルク指令信号からモータ2が実際に出力するトルクまでの特性をモデル化したものである。トルク指令信号は電流制御増幅器15(図2参照)に入力する。応答遅れ補償部29は推定した摩擦トルクを乗算して摩擦補償信号を生成する。 The adder 28 adds f 1 (x ′) and f 2 (x ′). The response delay compensation unit 29 is connected to the output terminal of the adder 28. The response delay compensation unit 29 is composed of an inverse function of the transfer function. The transfer function models the characteristics from the torque command signal to the torque that the motor 2 actually outputs. The torque command signal is input to the current control amplifier 15 (see FIG. 2). The response delay compensation unit 29 multiplies the estimated friction torque to generate a friction compensation signal.

第一摩擦特性推定部26の近似式1、第二摩擦特性推定部27の近似式2について説明する。本実施形態は各種パラメータを以下のように定義する。
・f(x')=総摩擦トルク〔N・m〕
・f(x')=テーブル反転後から増加する摩擦トルク〔N・m〕
・f(x')=テーブルが反転後、所定量移動した後に増加する摩擦トルク〔N・m〕
・fc0=テーブル反転後から変化する摩擦トルクを反転後の移動量に対して二種類の傾き成分に分解し、第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦トルク〔N・m〕
・a=上記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数[mm]
・a=前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数〔mm〕
・fc1=テーブル反転後から変化する動摩擦トルクの総和値〔N・m〕
・fc2=テーブル反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦トルク(ボール螺子軸とナットの定常時(三点接触)の動摩擦トルク)〔N・m〕
・a=テーブルが反転後、所定量移動した後に増加する摩擦トルクの立ち上がり距離定数〔mm〕
・b=テーブルが反転した後にf(x')が増加し始めるまでの距離〔mm〕
・x'=テーブルの運動方向反転位置からの変位〔mm〕
・sgn=符号関数
sgnはdx'/dt>0の時は+1、dx'/dt=0の時は0、dx'/dt<0の時は−1とする。a、a、fc1、fc2、bは、図16に示すダブルナット方式で円弧補間運動を行った時のヒステリシス曲線において示した。第一の傾き成分は第二の傾き成分より傾きが急である。
The approximate expression 1 of the first friction characteristic estimation unit 26 and the approximate expression 2 of the second friction characteristic estimation unit 27 will be described. In the present embodiment, various parameters are defined as follows.
F (x ′) = total friction torque [N · m]
F 1 (x ′) = friction torque increasing after table inversion [N · m]
F 2 (x ′) = Friction torque [N · m] that increases after moving a predetermined amount after the table is reversed
F c0 = Friction torque changing after table reversal is decomposed into two types of gradient components with respect to the amount of movement after reversal, and rising friction torque [N · m] from the reversal of the first gradient component
A 0 = rise distance constant of the first slope component [mm]
A 1 = rise distance constant of the second slope component [mm]
・ F c1 = Total value of dynamic friction torque that changes after table reversal [N · m]
F c2 = dynamic friction torque caused by the ball screw shaft and the pair of ball nuts increasing after moving the predetermined amount after the table is reversed (dynamic friction torque at the time of steady (three-point contact) between the ball screw shaft and the nut) [N · m]
A 2 = Friction torque rising distance constant [mm] that increases after a predetermined amount of movement after the table is reversed
B = distance [mm] until f 2 (x ′) starts to increase after the table is inverted
・ X ′ = displacement from the reversal position of the movement direction of the table [mm]
Sgn = sign function sgn is +1 when dx ′ / dt> 0, 0 when dx ′ / dt = 0, and −1 when dx ′ / dt <0. a 1 , a 2 , f c1 , f c2 , b are shown in the hysteresis curve when the circular interpolation motion is performed by the double nut method shown in FIG. The first slope component has a steeper slope than the second slope component.

近似式1は以下の通りである。
・f(x')=fc0{tanh(|x'|/a)−1/2}sgn(dx'/dt)+(fc1+fc2/2−fc0/2){2tanh(|x'|/a)−1}sgn(dx'/dt)・・・(1)
Approximation formula 1 is as follows.
F 1 (x ′) = f c0 {tanh (| x ′ | / a 0 ) −1/2} sgn (dx ′ / dt) + (f c1 + f c2 / 2−f c0 / 2) {2 tanh ( | X ′ | / a 1 ) −1} sgn (dx ′ / dt) (1)

特許文献1に記載の近似式ではtanh関数は一組である。本発明は二組の定数の異なるtanh関数を組み合わせる。理由は第一の摩擦要因と第二の摩擦要因との両方に対応する為である。第一の摩擦要因は反転時の摩擦特性が急に変化するリニアガイド等である。第一の傾きは第一の摩擦要因に起因する。第二の摩擦要因は第一の摩擦要因よりも緩やかに変化するオイルシール等である。第二の傾き成分は第二の摩擦要因に起因する。   In the approximate expression described in Patent Document 1, the tanh function is a set. The present invention combines two sets of different tanh functions. The reason is to deal with both the first friction factor and the second friction factor. The first friction factor is a linear guide whose friction characteristics at the time of reversal change suddenly. The first slope is due to the first friction factor. The second friction factor is an oil seal or the like that changes more slowly than the first friction factor. The second slope component is attributed to the second friction factor.

近似式2は以下の通りである。
・f(x')=fc2{tanh((|x'|−b)/a)−1/2}sgn(dx'/dt)・・・(2)
|x'|−b<0の場合、f(x')=−fc2/2・sgn(dx'/dt)とする。(2)式はダブルナット予圧方式の摩擦に対応する。ダブルナット予圧方式の摩擦はナットが反転して所定量移動した後増加する。
Approximation formula 2 is as follows.
F 2 (x ′) = fc 2 {tanh ((| x ′ | −b) / a 2 ) −1/2} sgn (dx ′ / dt) (2)
When | x ′ | −b <0, f 2 (x ′) = − f c2 / 2 · sgn (dx ′ / dt). Equation (2) corresponds to the friction of the double nut preload system. The friction of the double nut preload system increases after the nut is reversed and moved a predetermined amount.

(1)式、(2)式より、総摩擦トルクf(x')の近似式3は以下の式である。
・f(x')=f(x')+f(x')・・・(3)
From the formulas (1) and (2), the approximate formula 3 of the total friction torque f (x ′) is the following formula.
F (x ′) = f 1 (x ′) + f 2 (x ′) (3)

近似式1、2はtanh関数に変えてexp関数でもよい。近似式1、2は例えば以下のように表してもよい。式(4)のa、a、式(5)のaは式(1)のa、a、式(2)のaに対して適切な値を選んである。故に式(4)(5)は式(1)(2)とほぼ同じ曲線を描くことができる。
・f(x')=fc0{1/2−exp(−|x'|/a)}sgn(dx'/dt)+(fc1+fc2/2−fc0/2){1−2exp(−|x'|/a)}sgn(dx'/dt)・・・(4)
・f(x')=fc2{1/2−exp{−(|x'|−b)}/a}sgn(dx'/dt)・・・(5)
|x'|−b<0の場合、f(x')=−fc2/2・sgn(dx'/dt)とする。
The approximate expressions 1 and 2 may be exp functions instead of the tanh functions. For example, the approximate expressions 1 and 2 may be expressed as follows. The values a 0 and a 1 in formula (4) and a 2 in formula (5) are selected as appropriate values for a 0 and a 1 in formula ( 1 ) and a 2 in formula (2). Therefore, equations (4) and (5) can draw almost the same curves as equations (1) and (2).
F 1 (x ′) = f c0 {1 / 2−exp (− | x ′ | / a 0 )} sgn (dx ′ / dt) + (f c1 + f c2 / 2−f c0 / 2) {1 −2exp (− | x ′ | / a 1 )} sgn (dx ′ / dt) (4)
F 2 (x ′) = f c2 {1 / 2−exp {− (| x ′ | −b)} / a 2 } sgn (dx ′ / dt) (5)
When | x ′ | −b <0, f 2 (x ′) = − f c2 / 2 · sgn (dx ′ / dt).

近似式2はcos関数を用いて以下のように示すこともできる。近似式2は、|x'|−b=0の近傍で立ち上がりがなだらかとなる。近似式2は実測データに更に近い曲線を描くことができる。
・f(x')=−fc2/2cos{{(|x'|−b)/a}π}sgn(dx'/dt)・・・(6)
|x'|−b<0、又は|x'|−b−a>0の場合、f(x')=−fc2/2・sgn(dx'/dt)とする。
The approximate expression 2 can also be expressed as follows using a cos function. The approximate expression 2 has a gentle rise in the vicinity of | x ′ | −b = 0. The approximate expression 2 can draw a curve closer to the actual measurement data.
F 2 (x ′) = − f c2 / 2cos {{(| x ′ | −b) / a 2 } π} sgn (dx ′ / dt) (6)
When | x ′ | −b <0 or | x ′ | −b−a 2 > 0, f 2 (x ′) = − f c2 / 2 · sgn (dx ′ / dt).

摩擦補償器13を有する数値制御装置10の効果を確認する為、ケース1〜5を比較した。ケース1は従来の摩擦補償方法を適用して円弧補間運動を行った場合である。ケース2は本発明の近似式1のみを適用して円弧補間運動を行った場合である。ケース3は本発明の近似式1として式(1)、近似式2として式(2)を適用して円弧補間運動を行った場合である。ケース4は本発明の近似式1として式(4)、近似式2として式(5)を適用して円弧補間運動を行った場合である。ケース5は本発明の近似式1として式(1)、近似式2として式(6)を適用して円弧補間運動を行った場合である。ケース1は特開2008−210273号公報に記載の近似式を参照し、同意の近似式として本発明記載の式(1)の第一項であるfc0{tanh(|x'|/a)−1/2}sgn(dx'/dt)のみを用いた。ケース1〜5は送り速度5mm/min、指令半径0.1mmの円弧補間運動を行った。テーブル変位量とモータトルクの関係を実測データと比較した結果は以下の通りである。ケース1、2においても、摩擦補償器13の第一、第二摩擦特性推定部26、27が用いた近似式のパラメータの定義は前記定義と同じである。 In order to confirm the effect of the numerical controller 10 having the friction compensator 13, cases 1 to 5 were compared. Case 1 is a case where circular interpolation motion is performed by applying a conventional friction compensation method. Case 2 is a case where circular interpolation motion is performed by applying only the approximate expression 1 of the present invention. Case 3 is a case where circular interpolation motion is performed by applying the formula (1) as the approximate formula 1 and the formula (2) as the approximate formula 2 of the present invention. Case 4 is a case where circular interpolation motion is performed by applying Formula (4) as the approximate formula 1 and Formula (5) as the approximate formula 2 of the present invention. Case 5 is a case where circular interpolation motion is performed by applying Formula (1) as the approximate formula 1 and Formula (6) as the approximate formula 2 of the present invention. Case 1 refers to the approximate expression described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-210273, and f c0 {tanh (| x ′ | / a 0 ), which is the first term of the expression (1) described in the present invention, as an agreed approximate expression. ) -1/2} sgn (dx '/ dt) only. Cases 1 to 5 performed circular interpolation motion with a feed rate of 5 mm / min and a command radius of 0.1 mm. The result of comparing the relationship between the table displacement and the motor torque with the measured data is as follows. Also in cases 1 and 2, the definition of the parameters of the approximate expression used by the first and second friction characteristic estimation units 26 and 27 of the friction compensator 13 is the same as the above definition.

図14を参照してケース1の結果について説明する。図14では実測値は太線、近似式で算出した値は細線で示す。パラメータは実測データの反転後の立ち上がり特性が最も近似できる値を選定する。本例ではfc0=0.9、a=0.0025である。図14に示すように、モータトルクの近似式の値は実測値の最初の一段目の0.9N・mの上昇分の傾きには合致している。実測値は一段目の上昇後緩やかに上昇し更に反転後から約70μmで二段目の上昇がある。近似式は一定値であるので実測値に合致していない。理由は特許文献1の従来の近似式はリニアガイド等による反転後の急な摩擦変化のみの単一特性にしか対応していないからである。故に従来の近似式はオイルシール等の摩擦特性、及びダブルナット予圧方式の摩擦特性を補正できない。オイルシール等の摩擦特性は反転後に緩慢に変化する。ダブルナット予圧方式の摩擦特性はナットが反転後所定距離移動した後増加する。 The result of case 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 14, the actual measurement value is indicated by a thick line, and the value calculated by the approximate expression is indicated by a thin line. As the parameter, a value that can most closely approximate the rising characteristic after the inversion of the measured data is selected. In this example, f c0 = 0.9 and a 0 = 0.0025. As shown in FIG. 14, the value of the approximate expression of the motor torque matches the slope of the increase of 0.9 N · m in the first stage of the actual measurement value. The measured value rises gently after the first stage rise, and further rises in the second stage at about 70 μm after reversal. Since the approximate expression is a constant value, it does not match the actual measurement value. The reason is that the conventional approximate expression of Patent Document 1 only supports a single characteristic of only a sudden friction change after reversal by a linear guide or the like. Therefore, the conventional approximate expression cannot correct the friction characteristic of the oil seal or the like and the friction characteristic of the double nut preload system. Friction characteristics of oil seals change slowly after reversal. The friction characteristics of the double nut preloading method increase after the nut moves a predetermined distance after inversion.

図14、図15に示すように、ケース1、2における実測値と近似式の結果は反転直前のトルクの値に差がある。実際のトルク指令は速度制御器12の出力と近似式の出力との和である。トルク指令は実測値の値と一致するように制御する。速度制御器12は例えば−100μmでの反転直前において約−0.175N・mを出力している。実際のトルク指令は近似式を0.175N・m分下にオフセットした値である。故に反転後の摩擦トルクの立上り部分では近似式と実測値は一致している。   As shown in FIGS. 14 and 15, there is a difference between the actually measured values in Cases 1 and 2 and the result of the approximate expression in the value of torque immediately before reversal. The actual torque command is the sum of the output of the speed controller 12 and the output of the approximate expression. The torque command is controlled to coincide with the actually measured value. The speed controller 12 outputs about −0.175 N · m immediately before inversion at −100 μm, for example. The actual torque command is a value obtained by offsetting the approximate expression by 0.175 N · m. Therefore, the approximate expression and the actual measurement value coincide with each other at the rising portion of the friction torque after the inversion.

図15を参照してケース2の結果について説明する。ケース2は本発明の式(1)の第一項のみを用いたものである。図15でも実測値は太線、近似式で算出した値は細線で示す。パラメータは実測データの反転後一段目の立ち上がり特性が最も近似できる値を選定してある。本例ではfc0=0.9、a=0.0025、fc1=0.625、a=0.031である。図15に示すように、反転後の摩擦変化は二組のtanh関数の組み合わせで近似してある。実測値と近似式は反転後から60μmまでの一段目の摩擦増加では一致する。実測値と近似式は二段目の摩擦増加では一致していない。故にケース2はオイルシール等の緩慢な反転トルク特性には対応できるが、ダブルナット予圧方式の二段階の摩擦増加には対応できない。 The result of case 2 will be described with reference to FIG. Case 2 uses only the first term of formula (1) of the present invention. In FIG. 15, the actual measurement value is indicated by a thick line, and the value calculated by the approximate expression is indicated by a thin line. As the parameter, a value that can approximate the rising characteristic of the first stage after the inversion of the measured data is selected. In this example, f c0 = 0.9, a 0 = 0.0025, f c1 = 0.625, and a 1 = 0.031. As shown in FIG. 15, the change in friction after reversal is approximated by a combination of two sets of tanh functions. The measured value and the approximate expression agree with each other in the first stage of friction increase from 60 μm after inversion. The measured value and the approximate expression do not agree with the friction increase in the second stage. Therefore, the case 2 can cope with a slow reverse torque characteristic such as an oil seal, but cannot cope with the two-stage friction increase of the double nut preload system.

本発明の近似式3を用いた結果について説明する。図16はケース3で近似式1と近似式2のいずれもtanh関数を用いた場合である。図17はケース4で近似式1と近似式2のいずれもexp関数を用いた場合である。図18はケース5で近似式1に式(1)を近似式2として式(6)のcos関数を用いた場合である。実測値は太線、近似式で算出した値は細線で示してある。パラメータはケース3〜5において実測データに全体的に一番近似できる値を選定してある。ケース3ではfc0=0.9、a=0.0025、fc1=0.45、a=0.031、fc2=0.35、a=0.02、b=0.075である。ケース4ではfc0=0.9、a=0.0018、fc1=0.45、a=0.022、fc2=0.35、a=0.014、b=0.075である。ケース5ではfc0=0.9、a=0.0025、fc1=0.45、a=0.031、fc2=0.35、a=0.05、b=0.06である。図16、図17に示すように、モータトルクの本発明の近似式3の値は実測値の最初の一段目の上昇に合致し二段目の上昇にも合致する。近似式3は一回目、二回目の両方の摩擦の増加に対応する。故にケース3、4はダブルナット予圧方式の二段階の摩擦増加に対応できる。 The result using the approximate expression 3 of the present invention will be described. FIG. 16 shows the case 3 where the approximate expression 1 and approximate expression 2 both use the tanh function. FIG. 17 shows the case 4 where the exp function is used for both the approximate expression 1 and the approximate expression 2. FIG. 18 shows the case 5 where the cos function of the equation (6) is used with the equation (1) as the approximation equation 2 in the approximate equation 1. The actual measurement value is indicated by a thick line, and the value calculated by the approximate expression is indicated by a thin line. As the parameters, values that can be approximated most closely to the measured data in cases 3 to 5 are selected. In case 3, f c0 = 0.9, a 0 = 0.0025, f c1 = 0.45, a 1 = 0.031, f c2 = 0.35, a 2 = 0.02, b = 0.075 It is. In case 4, f c0 = 0.9, a 0 = 0.0018, f c1 = 0.45, a 1 = 0.022, f c2 = 0.35, a 2 = 0.014, b = 0.075 It is. In case 5, f c0 = 0.9, a 0 = 0.0025, f c1 = 0.45, a 1 = 0.031, f c2 = 0.35, a 2 = 0.05, b = 0.06 It is. As shown in FIGS. 16 and 17, the value of the approximate expression 3 of the present invention for the motor torque matches the first increase in the first measured value and also matches the second increase. Approximation equation 3 corresponds to both the first and second increases in friction. Therefore, the cases 3 and 4 can cope with the two-stage friction increase of the double nut preload system.

ケース3、4の近似式の差はa、a、aの値を変えるとほぼ同等の曲線になる。故に近似式1を式(1)、近似式2を式(5)とする組み合わせで近似式3を用いた結果も実測値によく近似する計算結果である。近似式1を式(2)、近似式2を式(4)とする組み合わせで近似式3を用いた結果も実測値によく近似する計算結果である。 The difference between the approximate expressions of cases 3 and 4 becomes almost the same curve when the values of a 0 , a 1 , and a 2 are changed. Therefore, the result of using the approximate expression 3 in a combination of the approximate expression 1 as the expression (1) and the approximate expression 2 as the expression (5) is also a calculation result that closely approximates the actual measurement value. The result of using the approximate expression 3 in a combination of the approximate expression 1 as the expression (2) and the approximate expression 2 as the expression (4) is also a calculation result that closely approximates the actual measurement value.

図18に示すように、ケース5は二段目の摩擦の上昇にcos関数を用いている。故に立ち上がりはケース3、4よりも滑らかであり実測値に更に近い値である。近似式1を式(4)、近似式2を式(6)とする組み合わせで近似式3を用いた計算結果もケース5と同様に実測値によく近似する計算結果である。   As shown in FIG. 18, the case 5 uses a cos function to increase the second stage friction. Therefore, the rise is smoother than cases 3 and 4 and is closer to the actually measured value. A calculation result using the approximate expression 3 in a combination of the approximate expression 1 as the expression (4) and the approximate expression 2 as the expression (6) is also a calculation result that closely approximates the actual measurement value as in the case 5.

ケース2、3における象限突起の削減効果を調べる為、理想的な円弧軌跡と実際の軌跡との誤差を調べた。図19に示す実際の軌跡は送り速度を6m/min、指令半径を50mmとした場合の円弧軌跡である。ケース6は比較例である。ケース6は摩擦補償を全く行わなかった場合である。図19では、ケース2は長い点線、ケース3は実線、ケース6は短い点線で示してある。   In order to investigate the reduction effect of quadrant protrusions in cases 2 and 3, the error between the ideal arc locus and the actual locus was examined. The actual trajectory shown in FIG. 19 is an arc trajectory when the feed speed is 6 m / min and the command radius is 50 mm. Case 6 is a comparative example. Case 6 is a case where no friction compensation was performed. In FIG. 19, case 2 is indicated by a long dotted line, case 3 is indicated by a solid line, and case 6 is indicated by a short dotted line.

ケース6では象限突起は二山生じている。二山の象限突起はダブルナット予圧方式の特性である。ケース2では二山の象限突起のうち一山は消失している。二山目は残っている。ケース2は一段目のみ対応した近似式1のみで摩擦補償したものである。反転後のみ対応した近似式はオーバーサイズボール予圧方式に対応できるがダブルナット予圧方式には対応できない。故に反転後のみ対応した近似式は象限突起を無くすことはできないので加工精度を良くすることはできない。   In case 6, there are two quadrant protrusions. The double quadrant projection is a characteristic of the double nut preload system. In Case 2, one of the two quadrant protrusions has disappeared. The second mountain remains. Case 2 is friction-compensated by only approximate expression 1 corresponding to only the first stage. Approximation formulas that correspond only after reversal can correspond to the oversize ball preloading method, but not the double nut preloading method. Therefore, the approximate expression corresponding only after inversion cannot eliminate the quadrant projections, so that the processing accuracy cannot be improved.

ケース3では象限突起は何れの山もほぼ消失している。ケース3は本発明の近似式3で摩擦補償したものである。理由は軸の反転後に二段階で生じる摩擦力を近似式1、2で何れも高精度に推定したからである。故に数値制御装置10はオーバーサイズボール予圧方式、ダブルナット予圧方式の何れの送り駆動機構にも対応できる。数値制御装置10は反転摩擦特性が複合化している工作機械にも対応できる。故に数値制御装置10は加工物の加工精度を効果的に向上できる。   In Case 3, the quadrant protrusions almost disappear in all the peaks. Case 3 is friction-compensated by the approximate expression 3 of the present invention. The reason is that the frictional force generated in two stages after the shaft reversal is estimated with high accuracy by the approximate expressions 1 and 2. Therefore, the numerical control device 10 can be adapted to any of the oversize ball preload type and double nut preload type feed drive mechanisms. The numerical control device 10 can also be applied to a machine tool having a composite reverse friction characteristic. Therefore, the numerical controller 10 can effectively improve the machining accuracy of the workpiece.

ロータリーエンコーダ60は本発明の位置検出手段の一例である。位置制御器11は本発明の速度生成手段の一例である。微分器16は本発明の速度検出手段の一例である。速度制御器12は本発明のトルク生成手段の一例である。実位置推定部21は本発明の実位置推定手段の一例である。摩擦補償器13は本発明の摩擦推定手段の一例である。応答遅れ補償部29は本発明の応答遅れ補正手段の一例である。第二摩擦特性推定部27は本発明の第二摩擦推定手段の一例である。第一摩擦特性推定部26は本発明の第一摩擦推定手段の一例である。加算器28は本発明の加算手段の一例である。   The rotary encoder 60 is an example of the position detection means of the present invention. The position controller 11 is an example of speed generation means of the present invention. The differentiator 16 is an example of the speed detection means of the present invention. The speed controller 12 is an example of torque generating means of the present invention. The actual position estimating unit 21 is an example of the actual position estimating means of the present invention. The friction compensator 13 is an example of the friction estimation means of the present invention. The response delay compensation unit 29 is an example of a response delay correction unit of the present invention. The second friction characteristic estimation unit 27 is an example of a second friction estimation unit of the present invention. The first friction characteristic estimation unit 26 is an example of a first friction estimation unit of the present invention. The adder 28 is an example of the adding means of the present invention.

以上説明したように、本実施形態の数値制御装置10と摩擦補償方法はオーバーサイズボール予圧方式のみならずダブルナット予圧方式の送り駆動機構にも十分に対応できる。ダブルナット予圧方式では、ボールはナットの移動方向に合わせてナットとボール螺子軸に二点又は三点で接触する。ダブルナット予圧方式はボール螺子軸が反転して一山目の象限突起を生じ、テーブル3が更に所定量移動した時に二山目の象限突起を生じる。従来の摩擦補償方法はオーバーサイズボール予圧方式のみ対応する。従来の摩擦補償方法はダブルナット予圧方式特有の二山目の象限突起を消失できない。本実施形態は二つの近似式を用いてダブルナット予圧方式の場合に二段階で生じる摩擦力の上昇を高精度に推定できる。象限突起の一山目は反転後の摩擦特性に起因する。反転後の摩擦特性には、反転後に急に摩擦特性が変化するものと、反転後から緩慢に摩擦特性が変化するものとがある。前者の一例はリニアスケールによるものである。後者の一例はモータシャフト部のオイルシールによるものである。本実施形態は両者の摩擦特性を考慮して二つの近似式を用いることができる。本実施形態は一山目の象限突起を消失することに加え、従来消失できなかった二山目の象限突起も確実に消失できる。本実施形態はダブルナット予圧方式でも、オイルシール付きでも象限突起を効果的に消失できる。本実施形態は加工精度を確実に向上できる。   As described above, the numerical controller 10 and the friction compensation method of the present embodiment can sufficiently cope with not only the oversize ball preload system but also the double nut preload system feed drive mechanism. In the double nut preload system, the ball contacts the nut and the ball screw shaft at two or three points according to the moving direction of the nut. In the double nut preloading system, the ball screw shaft is inverted to form a first quadrant protrusion, and when the table 3 is further moved by a predetermined amount, a second quadrant protrusion is generated. The conventional friction compensation method only supports the oversize ball preloading method. The conventional friction compensation method cannot eliminate the quadrant projection of the second mountain peculiar to the double nut preloading method. In the present embodiment, an increase in frictional force generated in two stages in the case of the double nut preloading method can be estimated with high accuracy using two approximate equations. The first peak of the quadrant projection is due to the friction characteristics after reversal. The friction characteristics after reversal include those in which the friction characteristics change suddenly after reversal and those in which the friction characteristics change slowly after reversal. An example of the former is based on a linear scale. An example of the latter is due to an oil seal in the motor shaft. In the present embodiment, two approximate equations can be used in consideration of the friction characteristics of the two. In this embodiment, in addition to the disappearance of the first quadrant projection, the second quadrant projection, which could not be disappeared in the past, can be surely eliminated. In this embodiment, the quadrant protrusion can be effectively eliminated even with a double nut preloading system or with an oil seal. This embodiment can improve processing accuracy reliably.

本発明は上記実施形態に限らず種々の変更が可能である。例えば上記実施形態の摩擦補償器13では、第一摩擦特性推定部26は近似式1を用いて摩擦トルクf(x')を算出する。第二摩擦特性推定部27は近似式2を用いて摩擦トルクf(x')を算出する。摩擦補償器13は近似式3で摩擦トルクf(x')、f(x')を加算して総摩擦トルクf(x')を算出する。摩擦補償器13は総摩擦トルクf(x')をトルクに加算する。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the friction compensator 13 of the above embodiment, the first friction characteristic estimation unit 26 calculates the friction torque f 1 (x ′) using the approximate expression 1. The second friction characteristic estimating unit 27 calculates the friction torque f 2 (x ′) using the approximate expression 2. The friction compensator 13 calculates the total friction torque f (x ′) by adding the friction torques f 1 (x ′) and f 2 (x ′) using the approximate expression 3. The friction compensator 13 adds the total friction torque f (x ′) to the torque.

例えば、特開2008−210273号公報が開示する摩擦補償器は本発明の目的に合うように修正してもよい。摩擦補償器は上記実施形態と異なる二つの近似式5、6を用いることで二段階で増加する摩擦力を補償できる。摩擦補償器106の構成と動作について説明する。摩擦補償器106は摩擦補償器13の変形例である。   For example, the friction compensator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-210273 may be modified to meet the object of the present invention. The friction compensator can compensate for the frictional force that increases in two stages by using two approximate equations 5 and 6 different from the above embodiment. The configuration and operation of the friction compensator 106 will be described. The friction compensator 106 is a modification of the friction compensator 13.

図20を参照して摩擦補償器106の構成について説明する。摩擦補償器106は図13に示す摩擦補償器13と同じ構成を一部備える。摩擦補償器106は実位置推定部21、微分器22、符号反転検出部23、積分器24、加算器28、応答遅れ補償部29を備える。摩擦補償器106は第三摩擦特性推定部56、第四摩擦特性推定部57を備える。第三摩擦特性推定部56は第一摩擦特性推定部26の代わりである。第四摩擦特性推定部57は第二摩擦特性推定部27の代わりである。第三摩擦特性推定部56、第四摩擦特性推定部57は後述の近似式5、6を用いて微分値を各々算出する。乗算器59と積分器60は加算器28と応答遅れ補償部29との間に設ける。   The configuration of the friction compensator 106 will be described with reference to FIG. The friction compensator 106 has a part of the same configuration as the friction compensator 13 shown in FIG. The friction compensator 106 includes an actual position estimation unit 21, a differentiator 22, a sign inversion detection unit 23, an integrator 24, an adder 28, and a response delay compensation unit 29. The friction compensator 106 includes a third friction characteristic estimation unit 56 and a fourth friction characteristic estimation unit 57. The third friction characteristic estimation unit 56 is a substitute for the first friction characteristic estimation unit 26. The fourth friction characteristic estimation unit 57 is a substitute for the second friction characteristic estimation unit 27. The third friction characteristic estimator 56 and the fourth friction characteristic estimator 57 calculate differential values using approximate equations 5 and 6, which will be described later. The multiplier 59 and the integrator 60 are provided between the adder 28 and the response delay compensation unit 29.

加算器28は第三摩擦特性推定部56、第四摩擦特性推定部57が算出した各微分値を加算して乗算器59に出力する。乗算器59は加算器28が出力した微分値に、微分器22が出力した速度信号を乗算して摩擦トルクの時間に対する変化率を算出する。積分器60は乗算器59の出力端に接続してある。積分器60は乗算器59が算出した変化率を時間積分する。応答遅れ補償部29は積分器60の出力端に接続してある。   The adder 28 adds the differential values calculated by the third friction characteristic estimation unit 56 and the fourth friction characteristic estimation unit 57 and outputs the result to the multiplier 59. The multiplier 59 multiplies the differential value output from the adder 28 by the speed signal output from the differentiator 22 to calculate the rate of change of the friction torque with respect to time. The integrator 60 is connected to the output terminal of the multiplier 59. The integrator 60 integrates the change rate calculated by the multiplier 59 with time. The response delay compensation unit 29 is connected to the output terminal of the integrator 60.

応答遅れ補償部29は伝達関数の逆関数で構成する。伝達関数はトルク指令信号からモータ2が実際に出力するトルクまでの特性をモデル化したものである。トルク指令信号は電流制御増幅器15(図2参照)に入力する。応答遅れ補償部29は積分器60が出力した積分値に乗算して摩擦補償信号を生成する。   The response delay compensation unit 29 is composed of an inverse function of the transfer function. The transfer function models the characteristics from the torque command signal to the torque that the motor 2 actually outputs. The torque command signal is input to the current control amplifier 15 (see FIG. 2). The response delay compensation unit 29 multiplies the integration value output from the integrator 60 to generate a friction compensation signal.

近似式5、6について説明する。第三摩擦特性推定部56、第四摩擦特性推定部57は近似式5、6を用いる。本変形例における各種パラメータの定義は前記近似式1、2を定義した時と同じである。   The approximate expressions 5 and 6 will be described. The third friction characteristic estimation unit 56 and the fourth friction characteristic estimation unit 57 use approximate expressions 5 and 6. The definition of various parameters in this modification is the same as when the approximate expressions 1 and 2 are defined.

近似式5、6は近似式1,2をx'で微分したものである。近似式5は式(1)をx'で微分した式(7)となる。
・ df/dx'=2fc0/a{1−tanh(|x'|/a)}+1/a(2fc1+fc2−fc0){1−tanh(|x'|/a)}・・・(7)
The approximate expressions 5 and 6 are obtained by differentiating the approximate expressions 1 and 2 by x ′. The approximate expression 5 is an expression (7) obtained by differentiating the expression (1) by x ′.
Df 1 / dx ′ = 2f c0 / a 0 {1-tanh 2 (| x ′ | / a 0 )} + 1 / a 1 (2f c1 + f c2 −f c0 ) {1-tanh 2 (| x ′ | / A 1 )} (7)

近似式6は式(2)をx'で微分した式(8)となる。
・df/dx'=fc2/a{1−tanh{(|x'|−b)/a}}・・・(8)
|x'|−b<0の場合、df/dx'=0とする。
The approximate expression 6 becomes an expression (8) obtained by differentiating the expression (2) by x ′.
· Df 2 / dx '= f c2 / a 2 {1-tanh 2 {(| x' | -b) / a 2}} ··· (8)
If | x ′ | −b <0, df 2 / dx ′ = 0.

上記実施形態の摩擦補償器13で摩擦補償を行った場合と、本変形例の摩擦補償器106で摩擦補償を行った場合とで効果の違いを調べた。前者の方式は補償方式1、後者の方式は補償方式2である。図21では補償方式1のデータは細線、補償方式2のデータは太線で示す。   The difference in effect was examined between the case where the friction compensation was performed by the friction compensator 13 of the above embodiment and the case where the friction compensation was performed by the friction compensator 106 of the present modification. The former method is the compensation method 1, and the latter method is the compensation method 2. In FIG. 21, the data of the compensation method 1 is indicated by a thin line, and the data of the compensation method 2 is indicated by a thick line.

円弧動作を非高速で行った場合と、円弧動作を高速で行った場合とで、摩擦補償の誤差を調べた。図21に示すように、円弧切削を非高速で行った場合、補償方式1,2で摩擦補償を行った時の摩擦トルクは何れも同じであった。図22に示すように、円弧切削を高速で行った時、補償方式2で摩擦補償を行った時の摩擦トルクは補償方式1に対して誤差を生じた。補償方式2の場合は摩擦トルクについて時間の変化率を一旦求め、求めた結果に対して時間積分を行う。故に高速時は積分誤差を無視できなくなる。   The error of friction compensation was investigated when the arc motion was performed at a non-high speed and when the arc motion was performed at a high speed. As shown in FIG. 21, when arc cutting was performed at a non-high speed, the friction torque when the friction compensation was performed by the compensation methods 1 and 2 was the same. As shown in FIG. 22, when arc cutting was performed at high speed, the friction torque when the friction compensation was performed by the compensation method 2 caused an error with respect to the compensation method 1. In the case of the compensation method 2, the rate of change of time with respect to the friction torque is once obtained, and time integration is performed on the obtained result. Therefore, the integration error cannot be ignored at high speed.

以上のように、特開2008−210273号公報の制御方式を変更して本発明と同様な補償を行った時、非高速時では同様な効果を得ることができる。本発明の方式は単純に反転距離の関数で現した摩擦推定式で計算し、トルク指令に加算する方式である。本発明は低速領域から高速領域まで高精度に摩擦補償を行うことができ、本発明は従来の方式に比べて優れている。   As described above, when compensation similar to that of the present invention is performed by changing the control method of Japanese Patent Laid-Open No. 2008-210273, the same effect can be obtained at non-high speed. The method of the present invention is a method of simply calculating with a friction estimation formula expressed as a function of inversion distance and adding it to the torque command. The present invention can perform friction compensation with high accuracy from a low speed region to a high speed region, and the present invention is superior to the conventional method.

上記実施形態では、近似式1に用いた式(1)は二組のtanh関数の組み合わせである。式(4)は二組のexp関数の組み合わせである。第一項がtanh関数で第二項がexp関数の組み合わせでも、第一項がexp関数で第二項がtanh関数でも同様な効果を得ることができる。   In the above embodiment, the expression (1) used for the approximate expression 1 is a combination of two sets of tanh functions. Equation (4) is a combination of two sets of exp functions. Even if the first term is a combination of the tanh function and the second term is the exp function, the same effect can be obtained even if the first term is the exp function and the second term is the tanh function.

上記実施形態では、近似式1の第一項は反転後の急な摩擦変化をtanh関数又はexp関数で近似している。反転後の急な摩擦変化は急に立ち上がった後はすぐに一定値になる。故に近似式1の第一項はランプ関数、又はステップ関数を用いて近似してもよい。   In the above embodiment, the first term of the approximate expression 1 approximates the sudden friction change after reversal by the tanh function or the exp function. The sudden change in friction after reversal becomes a constant value immediately after sudden rise. Therefore, the first term of the approximate expression 1 may be approximated using a ramp function or a step function.

上記実施形態はテーブル3を移動体とする。移動体は工具を掴んだ主軸を支持する機構としてもよい。テーブルは固定しておく。機構は主軸ヘッドとコラムで構成してもよい。主軸ヘッドは主軸を回転可能に支持する。コラムは主軸ヘッドを上下又は前後に移動可能に支持する。   In the above embodiment, the table 3 is a moving body. The moving body may be a mechanism that supports the main shaft holding the tool. Keep the table fixed. The mechanism may be composed of a spindle head and a column. The spindle head supports the spindle rotatably. The column supports the spindle head so as to be movable up and down or back and forth.

ケース7として、近似式1に式(1)を用い、近似式2に式(5)を用いる。ケース8として、近似式1に式(4)を用い、近似式2に式(2)を用いる。ケース3ではfc0=0.9、a=0.0025、fc1=0.45、a=0.031、fc2=0.35、a=0.014、b=0.075である。ケース8ではfc0=0.9、a=0.00025、fc1=0.45、a=0.031、fc2=0.35、a=0.014、b=0.075である。図23は、ケース7の図である。図24は、ケース8の図である。 As the case 7, the expression (1) is used for the approximate expression 1, and the expression (5) is used for the approximate expression 2. In case 8, equation (4) is used for approximate equation 1 and equation (2) is used for approximate equation 2. In case 3, f c0 = 0.9, a 0 = 0.0025, f c1 = 0.45, a 1 = 0.031, f c2 = 0.35, a 2 = 0.014, b = 0.075 It is. In case 8, f c0 = 0.9, a 0 = 0.00025, f c1 = 0.45, a 1 = 0.031, f c2 = 0.35, a 2 = 0.014, b = 0.075 It is. FIG. 23 is a diagram of the case 7. FIG. 24 is a diagram of the case 8.

近似式1として式(1)、(4)の中の何れかを用い、近似式2として式(2)、(5)、(6)の中の何れかを用いてもよい。故に、6通りの方法がある。   Any one of the expressions (1) and (4) may be used as the approximate expression 1, and any of the expressions (2), (5), and (6) may be used as the approximate expression 2. Therefore, there are six ways.

上記実施形態はダブルナット予圧方式の送り機構を用いた。本発明はオフセット予圧方式の送り機構においても同様の効果を得ることができる。オフセット予圧方式の送り機構はダブルナット予圧方式と同様な摩擦特性を有する。オフセット予圧方式の送り機構は一対のナットと間座とを一体にして一つのナットとして構成する。   In the above embodiment, a double-nut preload feed mechanism is used. The present invention can achieve the same effect even in an offset preload type feed mechanism. The offset preload type feed mechanism has the same friction characteristics as the double nut preload type. The offset preload type feed mechanism is configured as a single nut by integrating a pair of nuts and a spacer.

1 数値制御装置
12 速度制御器
13 摩擦補償器
21 実位置推定部
24 積分器
29 応答遅れ補償部
26 第一摩擦特性推定部
27 第二摩擦特性推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Numerical controller 12 Speed controller 13 Friction compensator 21 Actual position estimation part 24 Integrator 29 Response delay compensation part 26 First friction characteristic estimation part 27 Second friction characteristic estimation part

Claims (9)

ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した移動体の位置を検出する位置検出機構と、該位置検出機構によって検出した移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成部と、前記モータの速度を検出する速度検出機構と、前記速度検出機構が検出した速度と前記速度生成部が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成部と、前記モータの回転方向が反転後に発生する摩擦力又は摩擦トルクを推定する摩擦推定部と、前記摩擦推定部で推定した摩擦又は摩擦トルクに基づいて前記トルク指令を補正する補正部とを備えた数値制御装置において、
前記ボールナットは一対のボールナットで構成し、
前記移動体の移動方向が反転後から増加する前記送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第一摩擦推定部と、
前記移動体の移動方向が反転後に所定量移動した後、前記ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第二摩擦推定部を備え、
前記摩擦推定部は前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部の夫々で推定した摩擦力又は摩擦トルクを加算することを特徴とする数値制御装置。
A feed mechanism that has a ball screw shaft and a ball nut that is externally fitted to the ball screw shaft, moves a moving body fixed to the ball nut, a motor that rotationally drives the ball screw shaft, and a movement that is moved by the motor A position detection mechanism that detects the position of the body, a speed generation unit that generates a speed command so that the position of the moving body detected by the position detection mechanism matches the position command generated by the control unit, and the speed of the motor A speed detection mechanism for detecting the torque, a torque generation unit for generating a torque command so that a speed detected by the speed detection mechanism and a speed command generated by the speed generation unit match, and a rotation direction of the motor is reversed A numerical control system comprising: a friction estimation unit that estimates a generated friction force or friction torque; and a correction unit that corrects the torque command based on the friction or friction torque estimated by the friction estimation unit. In the device,
The ball nut comprises a pair of ball nuts,
A first friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque caused by the feed mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and
A second friction estimation unit that estimates a frictional force or a friction torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts after the moving direction of the moving body has been moved by a predetermined amount after reversing;
The numerical controller according to claim 1, wherein the friction estimation unit adds the friction force or the friction torque estimated by the first friction estimation unit and the second friction estimation unit.
前記一対のボールナットは複数の球を有し、
前記所定量は前記移動体の移動方向が反転後に前記複数の球の内少なくとも一個が前記一対のボールナットと前記ボール螺子軸に対して三点で接触するまで、前記移動体が移動する距離であることを特徴とする請求項1に記載の数値制御装置。
The pair of ball nuts has a plurality of balls,
The predetermined amount is a distance that the movable body moves until at least one of the plurality of balls contacts the pair of ball nuts and the ball screw shaft at three points after the moving direction of the movable body is reversed. The numerical control apparatus according to claim 1, wherein the numerical control apparatus is provided.
前記位置指令に対応する前記移動体の実位置を推定する実位置推定部と、
前記実位置推定部で推定した実位置に基づいて前記移動体の移動方向が反転した後の変位として算出する算出部とを更に備え、
前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部は前記算出部によって算出した変位を変数とした近似式であることを特徴とする請求項1又は2に記載の数値制御装置。
An actual position estimating unit that estimates an actual position of the moving body corresponding to the position command;
A calculation unit that calculates the displacement after the moving direction of the moving body is reversed based on the actual position estimated by the actual position estimation unit;
The numerical control device according to claim 1, wherein the first friction estimation unit and the second friction estimation unit are approximate expressions using the displacement calculated by the calculation unit as a variable.
前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾きの成分と該第一の傾き成分より傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、
Figure 2012108892
Figure 2012108892
であることを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
The approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are friction forces that change after reversal of the moving direction of the moving body or The friction torque is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the movement amount after reversing, and the displacement of the moving body from the reversing position in the movement direction is determined. x ′, the rising friction force or the friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the rising distance constant of the second inclination component is a 1 , The total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed, f c1 , and a ball screw shaft and a pair of balls that increase after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Dynamic friction force or dynamic friction torque caused by nut The f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function as sgn,
Figure 2012108892
Figure 2012108892
The numerical control apparatus according to claim 3, wherein:
前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分より傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、
Figure 2012108892
Figure 2012108892
であることを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
The approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are friction forces that change after reversal of the moving direction of the moving body or The friction torque is decomposed into a first inclination component and a second inclination component having a gentler inclination than the first inclination component with respect to the movement amount after reversing, and the displacement of the moving body from the reversing position in the moving direction is represented by x. ', The rising friction force or friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , the rising distance constant of the second inclination component is a 1 , The total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the reversal of the moving direction of the moving body is fc1 , and a ball screw shaft and a pair of ball nuts that increase after moving the predetermined amount after reversing the moving direction of the moving body. Dynamic friction force or dynamic friction torque caused by f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function as sgn,
Figure 2012108892
Figure 2012108892
The numerical control apparatus according to claim 3, wherein:
前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分よりも傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、
Figure 2012108892
Figure 2012108892
であることを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
The approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are friction forces that change after reversal of the moving direction of the moving body or The friction torque is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the movement amount after reversing, and the displacement of the moving body from the reversing position in the moving direction is determined. x ′, the rising friction force or the friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the rising distance constant of the second inclination component is a 1 , The total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed, f c1 , and a ball screw shaft and a pair of balls that increase after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Dynamic friction force or dynamic friction torque caused by nut The f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function as sgn,
Figure 2012108892
Figure 2012108892
The numerical control apparatus according to claim 3, wherein:
前記第一摩擦推定部の前記近似式f(x')、前記第二摩擦推定部の前記近似式f(x')は、前記移動体の移動方向の反転後から変化する摩擦力又は摩擦トルクを反転後の移動量に対して第一の傾き成分と該第一の傾き成分よりも傾きが緩い第二の傾き成分とに分解し、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記第一の傾き成分の反転からの立ち上がり摩擦力又は摩擦トルクをfc0、前記第一の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記第二の傾き成分の立ち上がり距離定数をa、前記移動体の移動方向の反転後から変化する動摩擦力又は動摩擦トルクの総和値をfc1、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動した後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、
Figure 2012108892
Figure 2012108892
であることを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
The approximate expression f 1 (x ′) of the first friction estimation unit and the approximate expression f 2 (x ′) of the second friction estimation unit are friction forces that change after reversal of the moving direction of the moving body or The friction torque is decomposed into a first inclination component and a second inclination component whose inclination is gentler than the first inclination component with respect to the movement amount after reversing, and the displacement of the moving body from the reversing position in the moving direction is determined. x ′, the rising friction force or the friction torque from the reversal of the first inclination component is f c0 , the rising distance constant of the first inclination component is a 0 , and the rising distance constant of the second inclination component is a 1 , The total value of dynamic friction force or dynamic friction torque that changes after the moving direction of the moving body is reversed, f c1 , and a ball screw shaft and a pair of balls that increase after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed Dynamic friction force or dynamic friction torque caused by nut The f c2, the predetermined amount b, a 2 rising distance constant frictional force or friction torque increases after reversing the moving direction of the moving body after said predetermined amount b move, the sign function as sgn,
Figure 2012108892
Figure 2012108892
The numerical control apparatus according to claim 3, wherein:
前記第二摩擦推定部の前記近似式は、前記移動体の移動方向反転位置からの変位をx'、前記移動体の移動方向が反転後、前記所定量移動した後に増加するボール螺子軸と一対のボールナットに起因する動摩擦力又は動摩擦トルクをfc2、前記所定量をb、前記移動体の移動方向の反転後から前記所定量b移動後に増加する摩擦力又は摩擦トルクの立ち上がり距離定数をa、符号関数をsgnとして、
Figure 2012108892
であることを特徴とする請求項3に記載の数値制御装置。
The approximate expression of the second friction estimation unit is that the displacement from the moving direction reversal position of the moving body is x ′, and a pair of a ball screw shaft that increases after moving the predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed The dynamic friction force or the dynamic friction torque caused by the ball nut is f c2 , the predetermined amount is b, and the rising distance constant of the friction force or the friction torque that increases after the predetermined amount b is moved after reversing the moving direction of the moving body is a. 2 , sign function is sgn,
Figure 2012108892
The numerical control apparatus according to claim 3, wherein:
ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した移動体の位置を検出する位置検出機構とを備えた数値制御装置が行い、前記位置検出機構が検出した移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成工程と、前記モータの速度を検出する速度検出工程と、前記速度検出工程が検出した速度と前記速度生成工程が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成工程と、前記モータの回転方向を反転後に発生する摩擦力又は摩擦トルクを推定する摩擦推定工程と、前記摩擦推定工程で推定した摩擦又は摩擦トルクに基づいて前記トルク指令を補正する補正工程とを備えた摩擦補償方法において、
前記ボールナットは一対のボールナットで構成し、
前記移動体の移動方向が反転後から増加する前記送り機構に起因する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第一摩擦推定工程と、
前記移動体の移動方向が反転後に所定量移動した後、前記ボール螺子軸と一対のボールナットに起因して増加する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第二摩擦推定工程とを備え、
前記摩擦推定工程は、前記第一摩擦推定工程と前記第二摩擦推定工程の夫々で推定した摩擦力又は摩擦トルクを加算することを特徴とする摩擦補償方法。
A feed mechanism that has a ball screw shaft and a ball nut that is externally fitted to the ball screw shaft, moves a moving body fixed to the ball nut, a motor that rotationally drives the ball screw shaft, and a movement that is moved by the motor A speed that is generated by a numerical control device having a position detection mechanism that detects the position of the body, and that generates a speed command so that the position of the moving body detected by the position detection mechanism matches the position command generated by the control unit A generating step, a speed detecting step for detecting the speed of the motor, a torque generating step for generating a torque command so that the speed detected by the speed detecting step matches the speed command generated by the speed generating step, A friction estimation step for estimating a friction force or a friction torque generated after reversing the rotation direction of the motor, and the torque command based on the friction or the friction torque estimated in the friction estimation step The friction compensation method and a correction step of correcting,
The ball nut comprises a pair of ball nuts,
A first friction estimation step for estimating a friction force or a friction torque caused by the feed mechanism that increases after the moving direction of the moving body is reversed, and
A second friction estimation step of estimating a frictional force or a friction torque that increases due to the ball screw shaft and the pair of ball nuts after the moving direction of the moving body has moved by a predetermined amount after reversing,
The friction compensation method, wherein the friction estimation step adds the friction force or the friction torque estimated in each of the first friction estimation step and the second friction estimation step.
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