JP2013097756A

JP2013097756A - 位置制御装置

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Publication number: JP2013097756A
Application number: JP2011243045A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shibata; 知宏柴田
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: JP5759337B2

Abstract

【課題】送り軸駆動系の剛性が低下した場合に、低周波の振動が発生せず、安定に動作させる位置制御装置を提供する。
【解決手段】移動平均段数変更器１６は、位置偏差Ｐｄｉｆの変動に基づき、移動平均器３の移動平均段数Ｎ２を変更する。移動平均段数変更器は、位置偏差をＦＦＴ演算器にて周波数解析し、スペクトラム最大値を算出する。算出されたスペクトラム最大値が予め設定した比較値を超えた場合に、移動平均段数変更器は、移動平均段数を増加させる指令を移動平均器３へ出力する。移動平均器３は移動平均段数をＮ２からＮ２’へ変更して移動平均処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等における送り軸（テーブル）の位置制御装置に関する。

工作機械の送り軸において、高加減速で動作させ、かつ、機械的振動を抑えるために各種の試みがなされている。加減速時の機械振動を抑えるためには、位置指令に移動平均処理やフィルタを付加し、送り軸の固有振動周波数に相当する指令成分を低減することで、加減速時の加振力が除去できる。その結果、機械振動を抑えた送り軸の制御が可能となる。しかし、経年変化による駆動系部品の磨耗・部品のゆるみ、連続動作時の温度上昇によるボールネジ伸びによるボールネジのテンション低下、機械設置状況（バランス）の変化などが原因により、送り軸機構の固有振動周波数が変化し、前記位置平均処理やフィルタがアンマッチとなり、機械振動が発生してしまう課題がある。

図５に機械振動を抑えるための従来技術の制御ブロック図を示す。位置指令演算器１より出力された値を、移動平均器２でＮ１段の移動平均処理と、移動平均器３でＮ２段の移動平均処理と、位置指令フィルタ１８でフィルタ処理を行い、位置指令Ｐｃを算出する。移動平均処理を行うことにより、制御対象は動き始めには徐々に加速し、一定の加速度となり、さらに停止の手前で徐々に減速する制御が行われる。このような位置指令は、位置指令値がＳ字を描くことから、Ｓ字位置指令と呼ばれている。モータ１２に取り付けられた位置検出器１１の位置検出値Ｐｍをフィードバック値として位置指令Ｐｃの制御誤差、つまり位置偏差Ｐｄｉｆを算出（減算器４）する。そして、速度指令演算部５が位置偏差に基づき比例ゲインＫｐを乗算し速度指令Ｖｃを出力する。位置検出値Ｐｍを微分器１５が微分しモータの速度検出値Ｖｍを出力する。速度指令Ｖｃとモータの速度検出値Ｖｍの偏差を減算器６により速度制御誤差、すなわち速度偏差を求め、これを出力する。この速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき速度偏差比例演算器７と速度偏差積分演算器８がそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器９が速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令Ｔｃを出力する。図５中の記号１０は、トルク指令をフィルタリングする各種のフィルタ部と電流制御部を示す。ボールネジ１４を介して送り軸（テーブル）１３を駆動し、その位置を制御する。

前記位置指令フィルタ１８の伝達関数Ｆ（ｓ）を（式１）とする。（式１）でｓはラプラス演算子を示す。
Ｆ（ｓ）＝（ｓ²＋ω₂ ²）／（ｓ²＋２ζ₂ω₂＋ω₂ ²）・・・（式１）
ここで、ζ₂：フィルタの減衰比
ω₂：フィルタの固有角振動数
ζ₂、ω₂＞０

この位置指令フィルタ１８により、ω₂の周波数成分を含まない位置指令が演算される。さらに、ω₂を送り軸の固有角振動数がω₀とほぼ等しくすれば（ω₂≒ω₀）、位置指令Ｐｃに含まれる送り軸の固有角振動数が低減される。この結果、送り軸の固有角振動数の加振力が低減され、送り軸の機械振動を抑えることができる。Ｓ字位置指令を行う位置制御装置が下記特許文献１に記載されている。

特開２００４−２７２７４９号公報

図５に示した従来技術において、機械経年変化により送り軸駆動系の剛性が低下した場合や、大型マシニングセンタ等で想定以上の重量ワークをテーブルに乗せた時において、送り軸共振周波数が低くなり、低周波の振動が発生した。また、機械設置のバランスが崩れ、送り軸駆動系とは別の機械全体の固有振動周波数が変化し、加減速時に低周波の振動が発生した。さらに、機械的な故障が発生し、送り軸駆動系の剛性が低下した場合でも気づかずに機械を動作させ、低周波振動によりタックベアリング等の送り軸機構部品損傷を加える場合もあった。

本発明に係る位置制御装置は、位置指令に対して移動平均処理を行うことによりＳ字位置指令を生成し、送り軸の位置制御を行う位置制御装置において、制御対象である送り軸または送り軸を含む系の振動の大きさに応じて移動平均処理における移動平均の段数を変更するものである。移動平均の段数とは、１回の平均値の算出におけるサンプル数をいう。サンプルは、サンプリング周期ごとに取得するので、サンプル数は、移動平均を算出するためのサンプリング期間内の、サンプリング周期数に一致する。

制御対象の振動が大きくなった場合、移動平均の段数を増加するようにできる。

本発明に係る位置制御装置は、位置指令を生成する位置指令演算部と、生成された位置指令に対し移動平均処理を行うことによりＳ字位置指令を生成する移動平均部と、Ｓ字位置指令に基づきモータを駆動制御するモータ駆動部と、モータの回転位置を検出する位置検出部と、Ｓ字位置指令とモータの回転位置とから位置制御誤差を算出する誤差算出部と、位置制御誤差の変動の振幅に基づき、前記移動平均処理における移動平均の段数を変更する移動平均段数変更部と、を有するものとできる。

モータ駆動部は、Ｓ字位置制御指令に基づきフィードバック制御を行うようにできる。フィードバック制御においては、モータの回転位置、すなわちモータのステータに対するロータの回転位置を検出して、位置指令に対してフィードバックを行うようにしてよい。また、位置指令に基づき速度指令を生成する場合、検出されたモータの回転位置を微分し、この微分値を速度指令に対してフィードバックするようにしてもよい。

位置制御誤差の変動の振幅を、予め定められた周波数の範囲で監視し、この範囲の振動成分の大きさが予め定められた値よりも大きくなった場合に移動平均の段数を増やすようにできる。

移動平均の段数は、徐々に増加するようにでき、制御対象の振動が前記の予め定められた値以下になるまで、増加を続けるようにできる。段数の増加が続き、別の予め定められた値に達すると、これを報知するようにできる。

本発明に係る他の位置制御装置は、モータにより送り軸の送り位置を制御する位置制御装置であって、位置指令を生成する位置指令演算部と、生成された位置指令に対し移動平均処理を行うことによりＳ字位置指令を生成する移動平均部と、Ｓ字位置指令に基づき速度指令を生成する速度指令演算部と、速度指令に基づきトルク指令を生成するトルク指令演算部と、トルク指令の変動の振幅に基づき、前記移動平均処理における移動平均の段数を変更する移動平均段数変更部と、を有するものとできる。

速度指令演算部は、Ｓ字位置指令に基づき、フィードバック制御を行ってよい。また、トルク指令演算部は、速度指令に基づき、フィードバック制御を行ってもよい。

トルク指令の変動の振幅を、予め定められた周波数の範囲で監視し、この範囲の振動成分の大きさが予め定められた値よりも大きくなった場合に移動平均の段数を増やすようにできる。

本発明による位置制御装置によれば、送り軸駆動系の剛性が低下し、固有振動周波数が変化し、振動が発生した場合、Ｓ字位置指令を生成する移動平均の段数が変更される。その結果、位置指令Ｐｃに含まれる送り軸の固有振動周波数が低減され、加振力が小さくなり、振動を抑えることができる。

さらに、移動平均の段数が大きくなった場合に、その状態を報知するため、機械が大きな損傷に至ることもなくなった。

本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明の他の実施形態を示すブロック図である。本発明の移動平均段数変更器の構成例を示すブロック図である。本発明の移動平均段数変更器の他の構成例を示すブロック図である。従来技術を示すブロック図である。本発明の効果説明図である。

本発明の実施形態について説明する。従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本実施形態の制御ブロック図を図１、２に示す。

位置指令演算器１より出力された値を、移動平均器２でＮ１段の移動平均処理と、移動平均器３でＮ２段の移動平均処理を行い、位置指令Ｐｃを算出する。モータ１２に取り付けられた位置検出器１１の位置検出値Ｐｍをフィードバック値として位置指令Ｐｃの制御誤差、つまり位置偏差Ｐｄｉｆを算出（減算器４）する。そして、速度指令演算部５が位置偏差に基づき比例ゲインＫｐを乗算し速度指令Ｖｃを出力する。位置検出値Ｐｍを微分器１５が微分しモータの速度検出値Ｖｍを出力する。速度指令Ｖｃとモータの速度検出値Ｖｍの偏差を減算器６により速度制御誤差、すなわち速度偏差を求め、これを出力する。この速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき速度偏差比例演算器７と速度偏差積分演算器８がそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器９が速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令Ｔｃを出力する。図１中の記号１０は、トルク指令をフィルタリングする各種のフィルタ部と電流制御部を示す。移動平均処理により得られたボールネジ１４を介して送り軸（テーブル）１３を駆動し、その位置を制御する。移動平均処理により得られたＳ字位置指令に基づき、符号４〜１１で示された構成を有するモータ駆動部が、モータ１２を駆動制御する。

移動平均段数変更器１６は、位置偏差Ｐｄｉｆより、移動平均器３の移動平均段数Ｎ２を変更する。または、移動平均段数変更器１６は、トルク指令Ｔｃより、移動平均器３の移動平均段数Ｎ２を変更する。

移動平均段数変更器１６の具体的な構成例を図３に示す。ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算器１６１は、位置偏差Ｐｄｉｆまたはトルク指令Ｔｃから、公知の手法で振動成分のスペクトラム最大値ＳＰｍを算出する。スペクトラムを監視する周波数の範囲を予め定めておくことができる。この構成例では、ｆstからｆenの範囲で監視を行う。比較器１６３は、スペクトラム最大値ＳＰｍが予め設定した比較値ＳＰｒｅｆ１６２を超えた場合に、全加算器１６５にパルスを出力する。全加算器は初期値Ｎ２とし、前記パルスによりΔＮ２だけ増加したＮ２’を移動平均器３へ出力する。移動平均器３は移動平均段数をＮ２からＮ２’へ変更して移動平均処理を行う。

移動平均段数変更器１６は、位置偏差Ｐｄｉｆまたはトルク指令Ｔｃの変動が大きくなった場合、特に位置偏差またはトルク指令に含まれる振動成分が大きくなった場合には、全加算器により振動成分が比較値ＳＰｒｅｆ以下となるまで、移動平均段数にΔＮ２を加算し、順次大きくする。図６に、サンプリング周期１ｍｓにおける、Ｎ１＝１００、Ｎ２＝２０の位置指令Ｐｃのゲイン周波数特性を点線で、Ｎ１＝１００、Ｎ２＝４０のゲイン周波数特性を実線で示す。図６に点線で示す特性の系において、経年変化等により制御対象の固有振動周波数が３０Ｈｚから２５Ｈｚに変化した場合、固有振動数におけるゲインが矢印で示すように増加する。このため、位置指令Ｐｃに含まれる固有振動周波数成分が増加し、加振力が大きくなるため、機械振動が発生する。振動が発生した場合は、全加算器１６５が、振動成分が予め設定された比較値ＳＰｒｅｆより小さくなるまで移動平均段数を大きくする。例えば、Ｎ２＝４０まで増加した場合は、図６からもわかるように、位置指令Ｐｃに含まれる固有振動周波数成分（３０Ｈｚ）は低減され、加振力が小さくなり、振動を抑えることができる。

移動平均段数変更器１６の他の構成例をブロック図にて図４に示す。ＦＦＴ処理器１６１は、位置偏差Ｐｄｉｆまたはトルク指令Ｔｃより、公知のＦＦＴなどの手法により、予め設定された範囲の周波数における振動成分が予め設定されたスペクトラム比較値ＳＰｒｅｆを超えた場合に、その振動成分の周波数ｆｐを算出する。除算器１７２は、（式２）より移動平均段数Ｎ２’を、移動平均器３へ出力する。（式２）でＴｓはサンプリング周期を示す。
Ｎ２’＝１／（ｆｐ×Ｔｓ）・・・（式２）
移動平均器３は移動平均段数をＮ２からＮ２’へ変更して移動平均処理を行う。

移動平均段数変更器１６は、位置偏差Ｐｄｉｆまたはトルク指令Ｔｃに含まれる振動成分が大きくなった場合には、ＦＦＴ演算器１６１により振動周波数ｆｐが検出され、（式２）より新たな移動平均段数Ｎ２’を算出する。たとえば、固有振動周波数が２５Ｈｚに変化し、サンプリング周期１ｍｓの場合、移動平均段数変更器は（式２）よりＮ２’＝４０を出力する。図６は、サンプリング周期１ｍｓにおける、Ｎ１＝１００、Ｎ２＝４０の位置指令Ｐｃのゲイン周波数特性を実線で示しており、位置指令Ｐｃに含まれる２５Ｈｚ近傍の振動周波数が低減され、加振力が小さくなり、振動を抑えることができる。

移動平均段数変更部１６は、図３および図４に示すように、振動が大きくなったとき、これを警告する機能を備えることができる。比較器１６７は、移動平均段数Ｎ２’が予め設定された閾値Ｎ２ｒｅｆを超えた場合に、機械の状態が異常であることを検出し、報知部１６８にて、その状態を表示、音声等により報知する。剛性が低下したため振動が発生した場合に、移動平均段数Ｎ２’が大きくなるため、警告等を操作者等に伝えることができる。操作者は、この警告に対応して、該当軸を停止させることが可能となり、機械的故障が発生した場合に気づかずに機械を動作させることがなくなり、送り軸機構部品に損傷を加えることもなくなる。

１位置指令演算器、４，６減算器、２，３移動平均器、５速度指令演算部、７速度偏差比例演算器、８速度偏差積分演算器、９加算器、１０各種フィルタ部，電流制御部、１１モータ位置検出器、１２モータ、１３テーブル、１４ボールネジ、１５微分器、１６移動平均段数変更器、１６１ＦＦＴ演算器、１６２、１６４、１６６、１６９、１７１係数、１６３、１６７比較器、１６５全加算器、１７０乗算器、１７２除算器、１８位置指令フィルタ。

Claims

モータにより送り軸の送り位置を制御する位置制御装置であって、
位置指令を生成する位置指令演算部と、
生成された位置指令に対し移動平均処理を行うことによりＳ字位置指令を生成する移動平均部と、
Ｓ字位置指令に基づきモータを駆動制御するモータ駆動部と、
モータの回転位置を検出する位置検出部と、
Ｓ字位置指令とモータの回転位置とから位置制御誤差を算出する誤差算出部と、
位置制御誤差の変動の振幅に基づき、前記移動平均処理における移動平均の段数を変更する移動平均段数変更部と、
を有する位置制御装置。
モータにより送り軸の送り位置を制御する位置制御装置であって、
位置指令を生成する位置指令演算部と、
生成された位置指令に対し移動平均処理を行うことによりＳ字位置指令を生成する移動平均部と、
Ｓ字位置指令に基づき速度指令を生成する速度指令演算部と、
速度指令に基づきトルク指令を生成するトルク指令演算部と、
トルク指令の変動の振幅に基づき、前記移動平均処理における移動平均の段数を変更する移動平均段数変更部と、
を有する位置制御装置。
移動平均段数変更部は、移動平均の段数を徐々に変更するものであり、
さらに、前記移動平均器の段数が予め設定された閾値より大きくなった場合に、これを報知する報知部を有する請求項１または２に記載の位置制御装置。