JP2012146006A - 位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置決めの完了判定や現在位置の取得の高速化が可能な位置決め制御装置を提供する。
【解決手段】所定の位置制御周期で制御対象の現在位置情報をサンプリングし、目標位置情報と現在位置情報との位置偏差に基づいて制御対象の位置決め用の制御量を出力する位置制御部と、この位置制御部から出力された制御量に基づいて制御対象を駆動する駆動部とを備え、位置制御部は、過去から現在に至る複数回のサンプリングによって得られた現在位置情報を一時記憶するバッファと、バッファに記憶された複数の現在位置情報から所定の統計値を算出する演算処理部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、変位校正装置、三次元測定機、画像測定機、ステッパ、工作機械等、位置制御対象を位置決め制御する位置決め制御装置に関する。

従来、測定装置や工作機械等の駆動部分に使用される位置決め制御装置として、上位のコンピュータ等からの命令を受けて制御対象の位置を制御するものが知られている（特許文献１、２）。この様な位置決め制御装置では、機械系の剛性不足によるフィードバック制御の不安定性、制御信号のダイナミックレンジ不足、外乱振動の影響等、様々な要因で、目標位置に完全に位置決めすることができず、目標位置と現在位置との位置偏差が生じることがある。このため、コントローラの位置制御周期で現在位置を複数回サンプリングして、位置偏差がある範囲内に収束したかどうかを観測することにより位置決めの完了を判定するようにしている（特許文献２）。また、現在位置の情報を取得する場合にも、前記の様々な要因よる現在位置のバラつき等を考慮して、複数のサンプリング値を平均化した値を現在位置として取得することもある。

特開平１１−２３７９２０号公報 特開２０００−５８４１２号公報

しかし、上述した従来の位置決めの完了判定や現在位置の取得方式では、複数回の現在位置のサンプリングが必要となるため、処理に時間がかかるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、位置決めの完了判定や現在位置の取得の高速化が可能な位置決め制御装置を提供することを目的としている。

本発明に係る位置決め制御装置は、所定の位置制御周期で制御対象の現在位置情報をサンプリングし、目標位置情報と現在位置情報との位置偏差に基づいて制御対象の位置決め用の制御量を出力する位置制御部と、この位置制御部から出力された制御量に基づいて制御対象を駆動する駆動部とを備え、位置制御部は、過去から現在に至る複数回のサンプリングによって得られた現在位置情報を一時記憶するバッファと、バッファに記憶された複数の現在位置情報から所定の統計値を算出する演算処理部とを備える。

又、本発明の一実施形態に係る位置決め制御装置の駆動部において、演算処理部は、外部の上位装置からの位置決め完了確認指令が入力されたときに、統計値としてバッファに記憶された複数の現在位置情報と目標位置との位置偏差の最大振幅及び現在位置の標準偏差の少なくとも一方を演算し、上位装置に出力する。

又、本発明の他の実施形態に係る位置決め制御装置の位置制御部において、演算処理部は、外部の上位装置からの現在位置確認指令が入力されたときに、統計値としてバッファに記憶された複数の現在位置情報の平均値を算出し、この平均値を現在位置情報として上位装置に出力する。

又、本発明の他の実施形態に係る位置決め制御装置の位置制御部において、位置制御部は、制御対象の位置に応じて出力される位置帰還情報から現在位置情報を検出する現在位置検出部を備える。

又、本発明の他の実施形態に係る位置決め制御装置の位置制御部において、バッファは、新たな現在位置情報がサンプリングされた際に、所定数保持されている現在位置情報のうち最も古いものを消去し、新たな現在位置情報を記憶する。

本発明によれば、位置決めの完了判定や現在位置の取得の高速化が可能な位置決め制御装置を提供する事が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る測定装置の構成を表す図である。 同装置における位置決め制御装置のブロック図である。 同装置における位置決め制御方法を示すフローチャートである。 同装置における位置決め完了確認処理のフローチャートである。 同装置における位置偏差の出力結果の一例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る位置決め制御装置の現在位置確認処理を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る位置決め制御システムの構成について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る位置決め制御システムの全体図である。この位置決め制御システムは、位置決めの制御対象１と、この制御対象１にコントロール用信号を供給して制御対象の位置決め制御を行う位置決め制御装置２と、この位置決め制御装置２に移動指令、現在位置取得等のコマンド等を供給するコンピュータ３とを備えている。制御対象１は、例えば変位校正装置、三次元測定機、画像測定機、ステッパ、工作機械等において位置決めをする移動体を含む装置である。

図２は、本実施形態に係る位置決め制御装置２の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る位置決め制御装置２は、フィードバック制御により制御対象１の位置決めを行うもので、上位のコンピュータ３からの移動指令、現在位置取得指令、位置決め完了確認指令等に基づいてデジタル制御処理を実行する位置制御部２１を有する。

位置制御部２１は所定の周期でデジタル位置制御を実行するもので、次のように構成されている。カウンタ２１１は、制御対象１の位置を検出する図示しないリニヤスケール、レーザー干渉計等の位置検出器から出力されるパルス状の位置帰還信号を計数して現在位置情報を出力する。このカウンタ２１１から出力される現在位置情報は、バッファ２１４に記憶される。バッファ２１４は、リングバッファであり、最も古い現在位置情報を消去して最新の現在位置情報を記憶することにより過去ｎサンプリング分の現在位置情報を記憶できるようになっている。カウンタ２１１から出力された現在位置情報は、演算処理部２１２にも入力される。演算処理部２１２は、ＣＰＵ、メモリ及びＩ／Ｏを含み、カウンタ２１１から入力された現在位置情報と、上位のコンピュータ３から供給された目標位置情報とを比較して、その差分に基づいて目標速度情報を算出する。目標速度情報は、Ｄ／Ａ変換器２１３でＤ／Ａ変換される。

位置制御部２１から出力された目標速度情報は、速度制御部２２に入力されている。速度制御部２２は、目標速度情報と後述する速度帰還情報とに基づいて目標電流情報を算出し、電流制御部２３に出力する。電流制御部２３は、目標電流情報と後述する電流帰還情報とに基づいて電流制御情報を算出し、駆動部２４に出力する。駆動部２４は、電流制御情報に基づいて制御対象１の移動体を駆動すると共に、速度帰還情報と電流帰還情報とを出力する。駆動部２４は、信号増幅回路２４１と、信号増幅回路２４１の出力電流を検出し、検出値を電流帰還情報として電流制御部２３へフィードバックする電流検出回路２４２と、信号増幅回路２４１の出力によって駆動されるモータ２４３と、モータ２４３によって駆動されるボールねじ等の送り機構２４４と、モータ２４３の回転軸に接続されてモータ２４３の回転数を検出するタコジェネレータ、ロータリーエンコーダ等の速度検出部２４５とを備えている。速度検出部２４５の出力は、速度帰還情報として速度制御部２２にフィードバックされている。また、送り機構２４４は、制御対象１の移動体を駆動する。

次に、このように構成された本実施形態に係る位置決め制御装置における位置決め制御方法について説明する。図３は、位置決め制御方法を示すフローチャートである。位置決め制御はタイマ割込み等により所定の位置制御周期で実行される。まず、カウンタ２１１の出力である現在位置情報をサンプリングする（Ｓ１）。サンプリングされた現在位置情報は、バッファ２１４にバッファリングされる（Ｓ２）。演算処理部２１２は、サンプリングされた現在位置情報を入力し、［目標位置情報−現在位置情報］である位置偏差を求め（Ｓ３）、この位置偏差から目標速度情報を算出し（Ｓ４）、Ｄ／Ａ変換器２１３を通じてアナログ信号に変換された目標速度情報を速度制御部２２に出力する（Ｓ５）。そして、制御周期毎にステップＳ１からステップＳ５までの動作を繰りかえす。

図４は、上位のコンピュータ３から位置決め完了確認指令が入力された場合に起動される位置決め完了確認処理のフローチャートである。

上位のコンピュータ３から位置決め完了確認指令が入力されたら、演算処理部２１２は、バッファ２１４に格納されているｎサンプル分の現在位置情報から、目標位置情報との位置偏差情報をそれぞれ算出し、これらｎ個の位置偏差情報から所定の統計量を算出する（Ｓ１１）。この統計量としては、例えば位置偏差の最大値と最小値の差、すなわち位置偏差の最大振幅、及び現在位置の標準偏差のいずれか、又は双方を求める。

位置決め完了判定時に、このような統計量を求める理由は、次の通りである。すなわち、位置決め制御に際しては、目標位置と最終的な移動位置（現在位置）とが一致することが理想であるが、実際には、機械系の剛性不足等の影響で、制御対象が目標位置にぴったりと静止しないでバラつきを生じることがある。位置決め精度が高いほど、このような現象は顕著に表れる。図５は、位置制御周期が１［ｍｓ］の時の位置偏差の時間的変化の一例を示している。図５において、縦軸は目標位置と制御対象１の現在位置との誤差（位置偏差）を示しており、横軸は時間を表している。この図から位置偏差がサブマイクロメートルオーダーで発生していることが分かる。

この図から明らかなように、位置決め完了判定には、ある程度の数のサンプルを統計処理して収束判定を行う必要がある。いま、位置制御周期（サンプリング周期）を１ｍｓ、終了判定に必要な取得サンプル数を２０とすると、もし、バッファ２１４が存在しない場合、位置決め完了確認指令が出力されてから、完了確認に必要な情報の取得に２０ｍｓの時間を要することになる。

この点、本実施形態に係る位置決め制御装置２によれば、バッファ２１４に常に２０（ｎ）サンプル分のデータを予め保持しておくようにしているので、位置決め完了指令が出力されてから、直ちに完了確認に必要な情報を上位のコンピュータ３に返送することができる。これにより、位置決めの完了判定を高速で行うことが可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る位置決め制御装置ついて説明する。本発明の第１実施形態に係る位置決め制御装置では、バッファ２１４に保存されたｎサンプル分の現在位置情報を位置決め完了確認に使用したが、本実施形態では、上位のコンピュータ３に現在位置情報として出力する際の計算に使用する。

図６は、現在位置確認処理を示すフローチャートである。

上位のコンピュータ３から現在位置確認指令が発せられると、演算処理部２１２は、バッファ２１４に保存されたｎサンプル分の現在位置情報の平均値を算出する（Ｓ２１）。そして、この平均値を上位のコンピュータ３に出力する（Ｓ２２）。

本実施形態によれば、上位のコンピュータ３に対して、ｎ個のサンプル値の平均を求めることで、位置決め時のバラつきによる誤差の少ない現在位置情報を出力することができ、しかも速やかに平均値を演算して外部に出力することが可能になる。

なお、以上のような統計値のほか、複数のサンプル値を演算処理に利用する他の用途にも本願発明は適用可能である。

［その他の実施形態］
図２に示す位置決め制御装置２では、位置制御部２１から制御量として目標速度情報が出力され、この目標速度情報と速度帰還情報とに基づいて目標電流情報を出力する速度制御部２２と、目標電流情報と電流帰還情報とに基づいて駆動部２４に電流制御情報を出力する電流制御部２３とを備え、駆動部２４は、電流制御情報に基づいて制御対象１を駆動すると共に、速度帰還情報と電流帰還情報とを出力するように構成した。しかし、位置決め制御装置としては、全てをディジタルコントローラで構成したり、電流制御や速度制御のフィードバック制御を使用しない位置制御手段等、他の構成に対しても、本発明を同様に適用可能であることは言うまでもない。

１…制御対象、２…位置決め制御装置、３…コンピュータ、２１…位置制御部、２２…速度制御部、２３…電流制御部、２４…駆動部、２１１…カウンタ、２１２…演算処理部、２１３…Ｄ／Ａ変換器、２１４…バッファ、２４１…信号増幅回路、２４２…電流検出回路、２４３…モータ、２４４…送り機構、２４５…速度検出部。

Claims (5)

1. 所定の位置制御周期で制御対象の現在位置情報をサンプリングし、目標位置情報と現在位置情報との位置偏差に基づいて前記制御対象の位置決め用の制御量を出力する位置制御部と、
   この位置制御部から出力された制御量に基づいて前記制御対象を駆動する駆動部と
   を備えた位置決め制御装置において、
   前記位置制御部は、
   過去から現在に至る複数回のサンプリングによって得られた現在位置情報を一時記憶するバッファと、
   前記バッファに記憶された複数の現在位置情報から所定の統計値を算出する演算処理部と
   を備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
2. 前記演算処理部は、外部の上位装置からの位置決め完了確認指令が入力されたときに、前記統計値として前記バッファに記憶された複数の現在位置情報と目標位置との位置偏差の最大振幅及び前記現在位置の標準偏差の少なくとも一方を演算し、前記上位装置に出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
3. 前記演算処理部は、外部の上位装置からの現在位置確認指令が入力されたときに、前記統計値として前記バッファに記憶された複数の現在位置情報の平均値を算出し、この平均値を現在位置情報として前記上位装置に出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
4. 前記位置制御部は、前記制御対象の位置に応じて出力される位置帰還情報から現在位置情報を検出する現在位置検出部を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の位置決め制御装置。
5. 前記バッファは、新たな現在位置情報がサンプリングされた際に、所定数保持されている前記現在位置情報のうち最も古いものを消去し、前記新たな現在位置情報を記憶する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の位置決め制御装置。

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