JP2014174854A - Numerical control apparatus and friction compensation method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a numerical control apparatus and a friction compensation method capable of correcting a quadrant projection by highly accurately estimating friction force or friction torque generated when inverting a moving direction of a moving object.SOLUTION: The numerical control apparatus includes a friction compensator 13. The friction compensator 13 estimates friction force generated after a rotation direction of a motor is inverted and a moving direction of a table is inverted. The friction compensator 13 includes a first friction property estimation part 26, a second friction property estimation part 27, a third friction property estimation part 28, and a Stribeck property estimation part 30. The first to third friction property estimation parts 26 to 28 estimate friction torque caused by Coulomb friction. The Stribeck property estimation part 30 estimates friction torque to be changed in accordance with a feeding speed of the table. Thereby, the friction compensator 13 can estimate variation in the friction force due to a speed change of the table in addition to variation in the friction force caused by the Coulomb friction.

Description

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

数値制御装置は移動体の二軸円弧補間運動を行う為にモータを制御する。移動体はモータの回転方向が反転する時即座に反転できない。理由は送り機構に生じる摩擦の影響である。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。象限突起は送り軸の移動方向反転時に急激な摩擦力の変化に伴って発生する。摩擦トルクと変位との関係を求める為に、図1のような実験装置を用いて、送り速度5mm/min、指令半径0.2mmの低速条件で実験を行った。低速条件では粘性摩擦と慣性力とは無視できる。それ故、モータトルクは機構に発生する摩擦が全て含まれる総摩擦トルクに等しくなる。   The numerical control device controls the motor to perform the biaxial circular interpolation motion of the moving body. The moving object cannot be reversed immediately when the direction of rotation of the motor is reversed. The reason is the effect of friction generated in the feed 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. The quadrant protrusion is generated with a sudden change in frictional force when the moving direction of the feed shaft is reversed. In order to obtain the relationship between the friction torque and the displacement, an experiment was performed using a test apparatus as shown in FIG. 1 under the low speed condition of a feed rate of 5 mm / min and a command radius of 0.2 mm. At low speed, viscous friction and inertia can be ignored. Therefore, the motor torque is equal to the total friction torque including all the friction generated in the mechanism.

図12,図13に測定したテーブルの変位量とモータトルクとの関係を実線で示す。図12はX軸における結果、図13はY軸における結果である。何れにおいても、摩擦トルクは移動方向反転直後に非線形ばね特性を示し、ヒステリシス曲線を描いている。本実験装置ではオフセット予圧方式の送り機構(ボール螺子軸とボールナット)を採用しているので、二段階で摩擦力の変化が現れる。この反転時の摩擦力の変化に対してサーボモータから出力されるトルクが追従できなくなって象限突起が発生する。   The relationship between the measured table displacement and the motor torque is shown by solid lines in FIGS. FIG. 12 shows the result on the X axis, and FIG. 13 shows the result on the Y axis. In any case, the friction torque exhibits a non-linear spring characteristic immediately after reversing the moving direction, and draws a hysteresis curve. Since this experimental apparatus employs an offset preload type feed mechanism (ball screw shaft and ball nut), a change in friction force appears in two stages. The torque output from the servo motor cannot follow the change in frictional force at the time of reversal, and quadrant protrusions are generated.

例えば、特許文献1は摩擦力を推定して象限突起を補正する数値制御装置及び摩擦補償方法を開示する。この数値制御装置は、第一摩擦推定部と第二摩擦推定部を備える。第一摩擦推定部は、移動方向反転後から増加する一山目の摩擦力を推定する。第二摩擦推定部は、移動方向反転後に所定量移動した後で増加する二山目の摩擦力を推定する。   For example, Patent Document 1 discloses a numerical control device and a friction compensation method for correcting a quadrant projection by estimating a friction force. The numerical controller includes a first friction estimation unit and a second friction estimation unit. The first friction estimation unit estimates the frictional force of the first mountain that increases after the moving direction is reversed. The second friction estimation unit estimates a second frictional force that increases after moving a predetermined amount after reversing the moving direction.

上記技術よりも更に、象限突起の発生要因である摩擦力の変化を高精度で推定する為に、図12,図13に基づいて次のようにモデル化した。
・f=fc1(tanh(x/a)−1)sgn(x')
・f=fc2(tanh(x/a)−1)sgn(x')
・f=fc3(tanh((x−b)/a)−1)sgn(x')
但し、x<bならばf=fc1+fc2、x≧bならばf=fc1+fc2+fc3
In order to estimate the change of the frictional force, which is a cause of the quadrant projection, with higher accuracy than the above technique, the following modeling was performed based on FIGS.
F 1 = f c1 (tanh (x / a 1 ) −1) sgn (x ′)
F 2 = f c2 (tanh (x / a 2 ) −1) sgn (x ′)
F 3 = f c3 (tanh ((x−b) / a 3 ) −1) sgn (x ′)
However, if x <b, f = f c1 + f c2 , and if x ≧ b, f = f c1 + f c2 + f c3

上記式において、fc1、fc2、fc3はクーロン摩擦トルク[Nm]、xは反転位置からのテーブル変位[m]、a、a、aは移動方向反転後の摩擦トルクの立ち上がりを決定する定数[m]であり、bは移動方向反転位置から摩擦力の二段目へ変化する開始点までの距離[m]である。そして、三つの関数f,f,fを組み合わせることで摩擦力の変化を表現した。関数fが反転直後の急激な立ち上がり、fがなだらかな増加、fが2山目を表している。各パラメータは、図12,図13の各測定値に合うように曲線適合し、同定した。同定した値を元に描いた摩擦モデルの曲線を図12,図13に点線で示した。図12,図13によると、象限突起の要因である反転時の摩擦力の変動を再現できていることがわかる。 In the above equation, f c1 , f c2 , and f c3 are Coulomb friction torques [Nm], x is a table displacement [m] from the reversal position, and a 1 , a 2 , and a 3 are rising friction torques after reversing the moving direction. B is the distance [m] from the moving direction reversal position to the starting point at which the friction force changes to the second stage. Then, representing the change in the frictional force by combining three functions f 1, f 2, f 3 . Function f 1 represents a sudden rise immediately after reversal, f 2 represents a gentle increase, and f 3 represents the second peak. Each parameter was identified by fitting a curve to match each measured value in FIGS. Curves of the friction model drawn based on the identified values are shown by dotted lines in FIGS. 12 and 13, it can be seen that the fluctuation of the friction force at the time of reversal, which is a factor of the quadrant projection, can be reproduced.

上記の摩擦モデルを用いて、摩擦力の変動を相殺することで象限突起を抑制する摩擦補償器を適用した。摩擦モデルを介して、送り機構の摩擦力fを求め、サーボ系の応答遅れ補償、トルク信号への変換を行なって補償トルクを出力する。この補償トルクをサーボ系のトルク指令へ加算することで象限突起を補正する。 Using the above friction model, a friction compensator that suppresses quadrant protrusions by canceling the fluctuation of the frictional force was applied. Via the friction model, obtains the frictional force f c of the feed mechanism, the response delay compensation of the servo system, and outputs the compensation torque by performing conversion into torque signals. The quadrant protrusion is corrected by adding this compensation torque to the torque command of the servo system.

特開2012−108892号公報JP 2012-108892 A

上記の補償器を実装して2通りの送り速度で円運動を行った場合の摩擦力の変化について実験を行った。図14は送り速度=0.316m/min、図15は送り速度=3.16m/minで行った結果である。どちらの速度においても象限突起を或る程度は抑制できたが、図15においては、依然として突起状の誤差が残った。これは、クーロン摩擦以外に反転時の摩擦力変化の要因があることが推測された。つまり、反転時に現れるクーロン摩擦による変化を相殺しただけでは、象限突起を十分に補正できないことがわかった。   An experiment was conducted on changes in frictional force when the compensator was mounted and circular motion was performed at two feed rates. FIG. 14 shows the results obtained at a feed rate = 0.316 m / min, and FIG. 15 shows the results obtained at a feed rate = 3.16 m / min. Although the quadrant protrusion could be suppressed to some extent at both speeds, a protrusion-like error still remained in FIG. This is presumed to be caused by the frictional force change at the time of reversal other than Coulomb friction. In other words, it was found that the quadrant projections could not be corrected sufficiently by simply canceling out the change due to Coulomb friction that appears during reversal.

本発明の目的は、移動体の移動方向反転時に生じる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と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 protrusion by accurately estimating a friction force or a friction torque generated when the moving direction of a moving body is reversed.

本発明の請求項1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前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構と、該位置検出機構が検出した前記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、前記摩擦推定部は、前記移動体の移動方向が反転後から前記移動体の移動量に応じて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前記移動体が所定量移動した後、前記移動体の移動量に応じ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と、前記移動体の移動方向が反転後に前記移動体の移動する速度に依存する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第三摩擦推定部とを備え、前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部と前記第三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。移動体の反転時、摩擦力の象限突起を生じる。摩擦力は反転時に現れるクーロン摩擦による変化の他に、移動体の速度に依存する摩擦が影響する。反転時に現れるクーロン摩擦は移動体の移動量に応じて変化する。第一摩擦推定部と第二摩擦推定部は移動体の移動量に応じて変化する摩擦力を推定する。第三摩擦推定部は移動体の移動方向が反転後に移動体の移動する速度に依存する摩擦力又は摩擦トルクを推定する。摩擦推定部は第一摩擦推定部と第二摩擦推定部が推定する摩擦力又は摩擦トルクに加え、第三摩擦推定部が推定する摩擦力又は摩擦トルクを加算する。故に数値制御装置は移動体の速度変化による摩擦力の変動を抑制できる。故に数値制御装置は象限突起を従来よりも更に抑制できる。   A numerical control device according to a first aspect of the present invention includes a ball screw shaft and a feed mechanism that moves a moving body fixed to the ball nut, the ball screw shaft having a ball nut fitted on the ball screw shaft, and the ball screw shaft. A motor that rotates the motor, a position detection mechanism that detects the position of the moving body moved by the motor based on the rotation amount of the motor, and a position and a control unit of the moving body that are detected by the position detection mechanism A speed generation unit that generates a speed command so as to match a position command to be performed, a speed detection mechanism that detects the speed of the motor, a speed detected by the speed detection mechanism, and a speed command generated by the speed generation unit A torque generation unit that generates a torque command so as to match, a friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque generated after the rotation direction of the motor is reversed, and a friction or torque estimated by the friction estimation unit. In the numerical controller including a correction unit that corrects the torque command based on the friction torque, the friction estimation unit increases the movement direction of the moving body according to the amount of movement of the moving body after the moving direction is reversed. A first friction estimation unit for estimating a frictional force or a friction torque caused by the feed mechanism, and after the moving body moves a predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed, the moving body increases according to the moving amount of the moving body. A second friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque; and a third friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque depending on a moving speed of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed. The friction force or the friction torque estimated by each of the first friction estimation unit, the second friction estimation unit, and the third friction estimation unit is added. When the moving body is reversed, a quadrant projection of frictional force is generated. In addition to the change due to Coulomb friction that appears at the time of reversal, the frictional force is influenced by friction depending on the speed of the moving body. Coulomb friction that appears at the time of reversal changes according to the amount of movement of the moving body. The first friction estimation unit and the second friction estimation unit estimate a frictional force that changes according to the moving amount of the moving body. The third friction estimation unit estimates a friction force or a friction torque depending on a moving speed of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed. The friction estimation unit adds the friction force or friction torque estimated by the third friction estimation unit in addition to the friction force or friction torque estimated by the first friction estimation unit and the second friction estimation unit. Therefore, the numerical control device can suppress the fluctuation of the frictional force due to the speed change of the moving body. Therefore, the numerical control device can further suppress the quadrant protrusions as compared with the prior art.

請求項2に係る数値制御装置は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記第三摩擦推定部は、前記移動体の速度と前記摩擦力又は摩擦トルクとの関係をストライベック曲線で示したストライベック情報に基づき、前記速度検出機構が検出した速度に対応する前記摩擦力又は摩擦トルクを推定することを特徴とする。移動体の速度と摩擦力又は摩擦トルクとの関係はストライベック曲線に反映できる。ストライベック曲線の情報であるストライベック情報を用いることで、第三摩擦推定部は移動体の速度に応じた摩擦力又は摩擦トルクを推定できる。   According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the third friction estimator is configured so that the relationship between the speed of the movable body and the frictional force or the friction torque is a Stribeck curve. The friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism is estimated based on the indicated Stribeck information. The relationship between the speed of the moving body and the frictional force or frictional torque can be reflected in the Stribeck curve. By using the Stribeck information which is information on the Stribeck curve, the third friction estimation unit can estimate the friction force or the friction torque according to the speed of the moving body.

請求項3に係る数値制御装置は、請求項2に記載の発明の構成に加え、前記第三摩擦推定部は、前記速度検出機構が検出した速度の絶対値が増加する場合にのみ、前記ストライベック情報を用いて、前記速度検出機構が検出した速度に対応する前記摩擦力又は摩擦トルクを推定することを特徴とする。移動体が加速しながら移動する場合にのみ、第三摩擦推定部はストライベック情報を用いて、速度検出機構が検出した速度に対応する摩擦力又は摩擦トルクを推定する。故に第三摩擦推定部は速度検出機構が検出した速度に対応する摩擦力又は摩擦トルクを良好に推定できる。   According to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to the second aspect, the third friction estimation unit is configured so that the striking unit is used only when the absolute value of the speed detected by the speed detection mechanism increases. The friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism is estimated using Beck information. Only when the moving body moves while accelerating, the third friction estimation unit estimates the friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism using the Stribeck information. Therefore, the third friction estimation unit can favorably estimate the friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism.

本発明の請求項4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前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構とを備えた数値制御装置が行うもので、該位置検出機構が検出した前記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工程で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、前記摩擦推定工程は、前記移動体の移動方向が反転後から前記移動体の移動量に応じて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前記移動体が所定量移動した後、前記移動体の移動量に応じ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部と、前記移動体の移動方向が反転後に前記移動体の移動する速度に依存する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第三摩擦推定工程とを備え、前記第一摩擦推定工程部と前記第二摩擦推定工程と前記第三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。故に数値制御装置は本発明の方法を行うことによって、請求項1に記載の効果を得ることができる。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a friction compensation method, comprising: a ball screw shaft; a ball nut that is externally fitted to the ball screw shaft; a feed mechanism that moves a moving body fixed to the ball nut; and the ball screw shaft. And a position detection mechanism that detects the position of the moving body moved by the motor based on the rotation amount of the motor, and is detected by the position detection mechanism. A speed generation step of generating a speed command so that a position command of the moving body and a position command generated by the control unit match, a speed detection mechanism for detecting the speed of the motor, and a speed detected by the speed detection mechanism; A torque generation step for generating a torque command so that the speed command generated in the speed generation step matches, and a friction estimation for estimating a friction force or a friction torque generated after the rotation direction of the motor is reversed. And a correction step of correcting the torque command based on the friction or friction torque estimated in the friction estimation step, the friction estimation step is performed after the moving direction of the movable body is reversed. A first friction estimation step for estimating a friction force or a friction torque caused by the feed mechanism that increases in accordance with a moving amount of the moving body; and after the moving body moves a predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed. A second friction estimating step for estimating a frictional force or frictional torque that increases according to the amount of movement of the moving body, and a frictional force that depends on the moving speed of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed, or A third friction estimating step for estimating a friction torque, and adding the friction force or the friction torque estimated in each of the first friction estimating step, the second friction estimating step, and the third friction estimating step. The features. Therefore, the numerical control apparatus can obtain the effect of the first aspect by performing the method of the present invention.

テーブル機構20の構造の一部を示す図。The figure which shows a part of structure of the table mechanism. 数値制御装置40とテーブル機構20の一部の構成を示す図。The figure which shows the structure of a part of numerical control apparatus 40 and the table mechanism 20. FIG. 送り速度とモータトルクとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between feed speed and motor torque. 図3について送り速度を対数に換算した場合のグラフ。The graph at the time of converting feed rate into logarithm about FIG. 摩擦補償器13の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the friction compensator. 送り速度=0.316m/minで円運動を行った場合の指令位置との誤差を補償なしとありで比較したグラフ。The graph which compared the error with the command position at the time of performing circular motion with feed speed = 0.316m / min with and without compensation. 送り速度=3.16m/minで円運動を行った場合の指令位置との誤差を補償なしとありで比較したグラフ。The graph which compared the error with the instruction | command position at the time of performing circular motion with feed speed = 3.16m / min with and without compensation. ストライベック補償を加速時と減速時に適用した場合の指令位置との誤差を示すグラフ(送り速度=316mm/min)。The graph which shows the difference | error with the command position at the time of applying Stribeck compensation at the time of acceleration and deceleration (feed speed = 316 mm / min). ストライベック補償を加速時のみに適用した場合の指令位置との誤差を示すグラフ(送り速度=316mm/min)。The graph which shows the difference | error with the command position at the time of applying Stribeck compensation only at the time of acceleration (feed speed = 316 mm / min). ストライベック補償を加速時と減速時に適用した場合の指令位置との誤差を示すグラフ(送り速度=3162mm/min)。The graph which shows the difference | error with the command position at the time of applying Stribeck compensation at the time of acceleration and deceleration (feed speed = 3162 mm / min). ストライベック補償を加速時のみに適用した場合の指令位置との誤差を示すグラフ(送り速度=3162mm/min)。The graph which shows the difference | error with the command position at the time of applying Stribeck compensation only at the time of acceleration (feed speed = 3162 mm / min). 従来技術でX軸方向のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between the table displacement amount of X-axis direction, and friction torque with a prior art. 従来技術でY軸方向のテーブル変位量と摩擦トルクの関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between the table displacement amount of a Y-axis direction, and friction torque with a prior art. 従来技術で送り速度=0.316m/minで円運動を行った場合の指令位置との誤差を補償なしとありで比較したグラフ。The graph which compared the error with the command position at the time of performing circular motion with feed speed = 0.316m / min with the prior art with and without compensation. 従来技術で送り速度=3.16m/minで円運動を行った場合の指令位置との誤差を補償なしとありで比較したグラフ。The graph which compared the error with the command position at the time of performing circular motion with feed speed = 3.16 m / min by the prior art with and without compensation.

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。図1に示す数値制御装置40は本発明の一実施形態である。数値制御装置40は加工プログラムが指令する経路に従い、工作機械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。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A numerical control device 40 shown in FIG. 1 is an embodiment of the present invention. The numerical control device 40 cuts the workpiece fixed on the table 3 by controlling the axis movement of the machine tool according to the path designated by the machining program.

図1を参照し、テーブル機構20を説明する。テーブル機構20は工作機械(図示略)に設置し、テーブル3をX軸方向とY軸方向に移動可能に支持する。テーブル機構20は、基台1、中間テーブル50、テーブル3を備える。   The table mechanism 20 will be described with reference to FIG. The table mechanism 20 is installed in a machine tool (not shown) and supports the table 3 so as to be movable in the X-axis direction and the Y-axis direction. The table mechanism 20 includes a base 1, an intermediate table 50, and a table 3.

基台1は直方体状である。基台1は上面に一対のリニアガイド6Aを有する。一対のリニアガイド6Aは中間テーブル50をY軸方向に案内する。ボール螺子軸4Aとボールナット(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の下部はボールナットに固定する。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Y軸方向と直交するX軸方向に案内する。ボール螺子軸4Bとボールナット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 rectangular parallelepiped shape. The base 1 has a pair of linear guides 6A on the upper surface. The pair of linear guides 6A guide the intermediate table 50 in the Y-axis direction. The ball screw shaft 4A and the ball nut (not shown) are disposed between the pair of linear guides 6A. The lower part of the intermediate table 50 is fixed to a ball nut. The intermediate table 50 has a pair of linear guides 6B at the top. The linear guide 6B guides the table 3 in the X-axis direction orthogonal to the Y-axis direction. The ball screw shaft 4B and the ball 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のレール上を摺動する。一対の軸支持部7はボール螺子軸4Bの両端部を支持する。一対の軸支持部7は中間テーブル50の上面に固定する。軸支持部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のレール上を摺動する。一対の軸支持部(図示略)はボール螺子軸4Aの両端部を支持する。一対の軸支持部は基台1に固定する。軸支持部は内部にベアリング(図示略)を有する。   As shown in FIG. 2, the table 3 includes a block 51 at the bottom. The block 51 slides on the rail of the linear guide 6B. The pair of shaft support portions 7 support both end portions of the ball screw shaft 4B. The pair of shaft support portions 7 are fixed to the upper surface of the intermediate table 50. The shaft support portion 7 has a bearing 8 inside. The intermediate table 50 includes a block (not shown) at the lower end. The block slides on the rail of the linear guide 6A. A pair of shaft support portions (not shown) supports both ends of the ball screw shaft 4A. The pair of shaft support portions is fixed to the base 1. The shaft support has a bearing (not shown) inside.

図1に示すように、基台1は上面にモータ2Aを固定する。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は軸部周囲にオイルシール(図示外)を有する。図2に示すように、中間テーブル50は上面にモータ2Bを固定する。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. 1, the base 1 fixes the motor 2A on the upper surface. 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. As shown in FIG. 2, the intermediate table 50 fixes the motor 2B on the upper surface. 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. 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.

図1に示すように、数値制御装置40は、モータ2A、2Bに夫々接続する。モータ2Aを駆動すると、ボール螺子軸4Aが回転し、ボールナットがY軸方向に移動する。ボールナットに固定した中間テーブル50は、リニアガイド6Aに案内されてY軸方向に移動する。モータ2Bを駆動すると、ボール螺子軸4Bが回転し、ボールナット5がX軸方向に移動する。ボールナット5に固定したテーブル3は、リニアガイド6Bに案内されてX軸方向に移動する。ボール螺子軸4A,4Bと各ボールナット5は、モータ2A,2Bの回転運動を、X軸方向とY軸方向におけるテーブル3の直進運動に夫々変換する。故に、モータ2A,2Bの駆動によって、テーブル3はX軸方向とY軸方向に移動可能となる。数値制御装置40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。ボール螺子軸4A,4Bと各ボールナット5は本発明の送り機構に相当する。   As shown in FIG. 1, the numerical controller 40 is connected to the motors 2A and 2B, respectively. When the motor 2A is driven, the ball screw shaft 4A rotates and the ball nut moves in the Y-axis direction. The intermediate table 50 fixed to the ball nut is guided by the linear guide 6A and moves in the Y-axis direction. When the motor 2B is driven, the ball screw shaft 4B rotates and the ball nut 5 moves in the X-axis direction. The table 3 fixed to the ball nut 5 is guided by the linear guide 6B and moves in the X-axis direction. The ball screw shafts 4A and 4B and the respective ball nuts 5 convert the rotational motions of the motors 2A and 2B into linear motions of the table 3 in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. Therefore, the table 3 can be moved in the X-axis direction and the Y-axis direction by driving the motors 2A and 2B. The numerical controller 40 controls the position, speed, and acceleration of the table 3 by controlling the motors 2A and 2B. The ball screw shafts 4A and 4B and each ball nut 5 correspond to the feed mechanism of the present invention.

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に夫々取り付ける。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。各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40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 each of the motors 2A and 2B. FIG. 2 does not show the motor 2A and the rotary encoder 60 on the motor 2A side. Each rotary encoder 60 detects the positions of the motors 2A and 2B. The numerical control device 40 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).

図2を参照し、数値制御装置40の構成を説明する。数値制御装置40は、上位コントローラ10、位置制御器11、速度制御器12、摩擦補償器13、加算器14、電流制御増幅器15、微分器16を備える。上位コントローラ10は位置指令信号を位置制御器11に出力する。各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 configuration of the numerical control device 40 will be described with reference to FIG. The numerical control device 40 includes a host controller 10, a position controller 11, a speed controller 12, a friction compensator 13, an adder 14, a current control amplifier 15, and a differentiator 16. The host controller 10 outputs a position command signal to the position controller 11. Each rotary encoder 60 outputs the position detection signals of the motors 2 </ b> A and 2 </ b> B 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、モータ2A,2Bの回転方向が反転後に発生する摩擦力を推定し、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 estimates the frictional force generated after the rotation directions of the motors 2A and 2B are reversed based on the position command signal from the host controller, generates a friction compensation signal, 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 torque that is as faithful as possible to the friction-compensated torque command signal.

なお、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は周知の構成である。故に本願発明に直接関連する摩擦補償器13について、摩擦補償の原理と方法を中心に説明する。   The position controller 11, the speed controller 12, the adder 14, the current control amplifier 15, and the differentiator 16 have a known configuration. Therefore, the friction compensator 13 directly related to the present invention will be described focusing on the principle and method of friction compensation.

先ず、テーブル機構20に生じる摩擦力の原因について説明する。テーブル機構20は少なくとも、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、例えば、リニアガイド6A,6Bのブロック51の予圧、ボール螺子軸4A,4Bのボールナット5の予圧、ベアリング8の予圧等が考えられる。テーブル機構20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、例えば、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。   First, the cause of the friction force generated in the table mechanism 20 will be described. The table mechanism 20 has at least a frictional force caused by each of the first friction source and the second friction source. As the frictional force caused by the first friction source, for example, preload of the block 51 of the linear guides 6A and 6B, preload of the ball nut 5 of the ball screw shafts 4A and 4B, preload of the bearing 8 and the like can be considered. The rigidity of the table mechanism 20 increases as the preload increases, and the frictional force increases. The frictional force caused by the second friction source is, for example, 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.

上述の通り、摩擦力はテーブル3の移動方向が反転する時急激に変化する。テーブル3の移動方向が反転する時は、モータ2A,2Bの回転方向が反転し、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40は直交する2つの軸(X軸とY軸)を使って上述の円弧補間運動を行い、円弧切削を行う場合がある。このとき、テーブル機構20はオフセット予圧方式の送り機構を採用しているので、図12,図13に示すように、二段階で摩擦力の変化が現れる。この摩擦力の変化はクーロン摩擦に起因するものである。この反転時の摩擦力の変化に対して、モータ2A,2Bから出力されるトルクが追従できなくなって象限突起が発生する。   As described above, the frictional force changes abruptly when the moving direction of the table 3 is reversed. When the moving direction of the table 3 is reversed, the rotating direction of the motors 2A and 2B is reversed and the rotating direction of the ball screw shafts 4A and 4B is reversed. For example, the numerical controller 40 may perform arc cutting by performing the above-described circular interpolation motion using two orthogonal axes (X axis and Y axis). At this time, since the table mechanism 20 employs an offset preload type feeding mechanism, changes in the frictional force appear in two stages as shown in FIGS. This change in frictional force is due to Coulomb friction. The torque output from the motors 2A and 2B cannot follow the change in the frictional force at the time of reversal, and quadrant protrusions are generated.

次に、クーロン摩擦に起因する摩擦力のモデル化について説明する。本実施形態では、クーロン摩擦に起因する摩擦力の変化について、図12,図13のグラフに基づき、次式のようにモデル化した。
・f=fc1(tanh(x/a)−1)sgn(x') ・・・(1)
・f=fc2(tanh(x/a)−1)sgn(x') ・・・(2)
・f=fc3(tanh((x−b)/a)−1)sgn(x') ・・・(3)
但し、x<bならばf=fc1+fc2、x≧bならばf=fc1+fc2+fc3
Next, modeling of frictional force resulting from Coulomb friction will be described. In the present embodiment, the change in the frictional force caused by Coulomb friction is modeled as the following equation based on the graphs of FIGS.
F 1 = f c1 (tanh (x / a 1 ) −1) sgn (x ′) (1)
F 2 = f c2 (tanh (x / a 2 ) −1) sgn (x ′) (2)
F 3 = f c3 (tanh ((x−b) / a 3 ) −1) sgn (x ′) (3)
However, if x <b, f = f c1 + f c2 , and if x ≧ b, f = f c1 + f c2 + f c3

上記式において、fc1、fc2、fc3はクーロン摩擦トルク[Nm]、xは反転位置からのテーブル変位[m]、a、a、aは移動方向反転後の摩擦トルクの立ち上がりを決定する定数[m]、bは移動方向反転位置から摩擦力の二段目へ変化する開始点までの距離[m]である。x'はxの微分値である。そして、三つの関数f,f,fを組み合わせることで、クーロン摩擦力に起因する摩擦力の変化を表現できる。fが反転直後の急激な立ち上がり、fがなだらかな増加、fが2山目を表している。各パラメータは、図12の各測定値に合うように曲線適合することで、同定する。 In the above equation, f c1 , f c2 , and f c3 are Coulomb friction torques [Nm], x is a table displacement [m] from the reversal position, and a 1 , a 2 , and a 3 are rising friction torques after reversing the moving direction. B is a distance [m] from the moving direction reversal position to the starting point at which the friction force changes to the second stage. x ′ is a differential value of x. Then, by combining the three functions f 1 , f 2 , and f 3 , it is possible to express a change in the friction force caused by the Coulomb friction force. f 1 represents a sudden rise immediately after reversal, f 2 represents a gentle increase, and f 3 represents the second peak. Each parameter is identified by fitting a curve to match each measured value in FIG.

次に、摩擦力の速度依存性について説明する。本実施形態は、クーロン摩擦以外にも、移動方向反転時に生じる摩擦力の変化の要因を、摩擦力の速度依存性と考えた。そこで、摩擦力の速度依存性を確認するために、テーブル3の等速運動実験を行い、送り速度とモータトルクとの関係を調べた。その結果を図3に示す。菱形のマークはX軸、正方形のマークはY軸の結果を示す。図3によると、その関係はX軸とY軸共にストライベック曲線になっていることが確認できた。象限突起は移動方向反転位置で発生するので、ストライベック曲線の影響を受けることが考えられる。さらに、図3の結果について、横軸の送り速度を対数に換算した結果を図4に示す。図4によると、X軸とY軸共に、送り速度の違いによって摩擦力が大きく変化していることが明確に確認できた。従って、移動方向反転時の摩擦力変動の要因は、クーロン摩擦に加え、ストライベック曲線の影響も受けることがわかった。   Next, the speed dependency of the frictional force will be described. In this embodiment, in addition to the Coulomb friction, the factor of the change in the friction force that occurs when the moving direction is reversed is considered to be the speed dependency of the friction force. Therefore, in order to confirm the speed dependency of the frictional force, a constant speed motion experiment of the table 3 was performed, and the relationship between the feed speed and the motor torque was examined. The result is shown in FIG. The diamond mark indicates the X-axis result, and the square mark indicates the Y-axis result. According to FIG. 3, it was confirmed that the relationship is a Stribeck curve for both the X axis and the Y axis. Since quadrant protrusions occur at the reversal position in the moving direction, it can be considered that they are affected by the Stribeck curve. Further, FIG. 4 shows the result of converting the feed rate on the horizontal axis into logarithm for the result of FIG. According to FIG. 4, it was clearly confirmed that the frictional force was greatly changed due to the difference in the feeding speed in both the X axis and the Y axis. Therefore, it has been found that the frictional force fluctuation factor when the moving direction is reversed is influenced by the Stribeck curve in addition to the Coulomb friction.

次に、ストライベック曲線のモデル化について説明する。図4に示す曲線をモデル化するために、送り速度v(mm/min)における補償量(Nm)をF(v)と置き、例えば図4における測定結果について送り速度が遅いほうから順番に1〜N番目まで番号を振るとき、x<|v|を満たす最大の速度(mm/min)をx、その時のモータトルク(Nm)をy(左記を満たすnが無い場合はn=1)と置くと、ストライベック曲線のモデルを次式のようになる。なお、後述するが、下記(4)(5)式は加速時のみ適用するのが望ましい。 Next, modeling of the Stribeck curve will be described. In order to model the curve shown in FIG. 4, the compensation amount (Nm) at the feed speed v (mm / min) is set as F n (v). For example, the measurement results in FIG. When numbering from 1 to N, the maximum speed (mm / min) that satisfies x n <| v | is x n , and the motor torque (Nm) at that time is y n (if there is no n that satisfies the left, n = 1), the Stribeck curve model is as follows. As will be described later, the following formulas (4) and (5) are preferably applied only during acceleration.

[v≧0の場合]
Fn(v)={(yn+1−y)/(xn+1−x)}(v−x)+y−{y−x(y−y)/(x−x)} ・・・(4)
[v<0の場合]
Fn(v)={(yn+1−y)/(xn+1−x)}(v+x)−y+{y−x(y−y)/(x−x)} ・・・(5)
[When v ≧ 0]
Fn (v) = {(y n + 1 −y n ) / (x n + 1 −x n )} (v−x n ) + y n − {y 1 −x 1 (y 2 −y 1 ) / (x 2 −x 1 )} (4)
[When v <0]
Fn (v) = {(y n + 1 −y n ) / (x n + 1 −x n )} (v + x n ) −y n + {y 1 −x 1 (y 2 −y 1 ) / (x 2 −x 1 )} (5)

ここで、上記(4)(5)式はある速度vについてx<|v|を満たす最大の速度xとその時のモータトルクy及びx<xn+1となる速度xn+1とその時のモータトルクyn+1より、ストライベック特性に起因する摩擦力を線形補完により算出していることにほかならない。これらストライベック曲線のモデル(4)(5)式と、実験によって同定した各パラメータの情報は、ストライベック情報として、後述するストライベック特性推定部30が利用する。 Here, the (4) (5) is the speed v x n <| v 1 | a satisfying maximum speed x n and the speed x n + 1 as the motor torque y n and x n <x n + 1 at that time at that time From this motor torque yn + 1 , the frictional force resulting from the Stribeck characteristic is calculated by linear interpolation. The Stribeck curve models (4) and (5) and the information on each parameter identified by the experiment are used as the Stribeck information by the Stribeck characteristic estimation unit 30 described later.

本実施形態の摩擦補償器13は、クーロン摩擦に起因する摩擦力のモデル式である(1)〜(3)式に加え、ストライベック曲線のモデル式である(4)(5)式を併せて用いることによって、テーブル3の移動方向反転時に生じる摩擦力の変化を推定する。   The friction compensator 13 of the present embodiment combines the equations (4) and (5), which are model equations of the Stribeck curve, in addition to the equations (1) to (3) that are the model equations of the frictional force caused by the Coulomb friction. Thus, the change in the frictional force that occurs when the moving direction of the table 3 is reversed is estimated.

図5を参照し、上記理論を実装した摩擦補償器13の構成を説明する。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、第三摩擦特性推定部28、微分器29、ストライベック特性推定部30、加算器31、応答遅れ補償部32を少なくとも備える。第一、第二、第三摩擦特性推定部26〜28、ストライベック特性推定部30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。   The configuration of the friction compensator 13 that implements the above theory 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, a third friction characteristic estimation unit 28, a differential Device 29, a Stribeck characteristic estimation unit 30, an adder 31, and a response delay compensation unit 32. The first, second, and third friction characteristic estimation units 26 to 28 and the Stribeck characteristic estimation unit 30 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10(図2参照)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に接続する。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に接続する。   The host controller 10 (see FIG. 2) inputs a position command signal to the actual position estimation 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が移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 moving direction.

第一摩擦特性推定部26と第二摩擦特性推定部27と第三摩擦特性推定部28は積分器24に接続する。ストライベック特性推定部30は微分器29を介して積分器24に接続する。第一摩擦特性推定部26は(1)式を用いて、摩擦トルクf〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル3の移動方向反転後から急激に増加する。第二摩擦特性推定部27は(2)式を用いて、摩擦トルクf〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル3の反転後からなだらかに増加する。第三摩擦特性推定部28は(3)式を用いて、摩擦トルクf〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル3の移動方向反転後、所定量b移動した後に増加する。ストライベック特性推定部30は(4)(5)式を用いて、摩擦トルクf〔N・m〕を求める。摩擦トルクfはテーブル3の反転後からテーブル3の送り速度に依存して増減する。fは速度の加減速に応じて上記F(v)又はF(v)を入力する。加算器31は第一摩擦特性推定部26、第二摩擦特性推定部27、第三摩擦特性推定部28、ストライベック特性推定部30に夫々接続する。 The first friction characteristic estimation unit 26, the second friction characteristic estimation unit 27, and the third friction characteristic estimation unit 28 are connected to the integrator 24. The Stribeck characteristic estimation unit 30 is connected to the integrator 24 via the differentiator 29. The first friction characteristic estimation unit 26 obtains the friction torque f 1 [N · m] using the equation (1). The friction torque f 1 increases rapidly after the moving direction of the table 3 is reversed. The second friction characteristic estimating unit 27 obtains the friction torque f 2 [N · m] using the equation (2). Friction torque f 2 is gradually increased after the inversion of the table 3. The third friction characteristic estimation unit 28 obtains the friction torque f 3 [N · m] using the equation (3). After the movement direction reversal of the friction torque f 3 is table 3, increasing after moving a predetermined amount b 3. Stribeck characteristic estimating section 30 with reference to (4) (5), friction torque f 4 Request [N · m]. The friction torque f 4 increases or decreases after the table 3 is reversed depending on the feed speed of the table 3. f 4 inputs the F n (v) or F t (v) depending on the acceleration or deceleration of the speed. The adder 31 is connected to the first friction characteristic estimation unit 26, the second friction characteristic estimation unit 27, the third friction characteristic estimation unit 28, and the Stribeck characteristic estimation unit 30, respectively.

加算器31はfとfとfとfを加算する。応答遅れ補償部32は加算器31の出力端に接続する。応答遅れ補償部32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2A,2B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32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 31 adds the f 1 and f 2 and f 3 and f 4. The response delay compensation unit 32 is connected to the output terminal of the adder 31. The response delay compensation unit 32 is configured by an inverse function of the transfer function. The transfer function models the characteristics from the torque command signal to the torque actually output by the motors 2A and 2B. The torque command signal is input to the current control amplifier 15 (see FIG. 2). The response delay compensation unit 32 multiplies the estimated friction torque to generate a friction compensation signal.

次に、上記の摩擦補償器13を数値制御装置40に実装し、円運動実験を行った。図6,図7に実験結果を示す。図6は送り速度=0.316m/min、図7は送り速度=3.16m/minで行った結果である。図6,図7によると、何れにおいても反転前に切り込みや突起が発生しているのが確認できた。これは、ストライベック特性推定部30導入前(図14,図15参照)には見られなかった現象である。ストライベック特性推定部30は加速と減速を区別せずに同じ補償値を出力するが、テーブル機構20では摩擦力の速度依存性が加速時と減速時で異なる変化を示したことが原因であると考えられる。なお、本実施形態では、加速時とは、速度の絶対値が増加する現象をいい、減速時とは、速度の絶対値が減少する現象をいうものとする。   Next, the friction compensator 13 described above was mounted on the numerical controller 40 and a circular motion experiment was performed. 6 and 7 show the experimental results. FIG. 6 shows the results obtained at a feed rate = 0.316 m / min, and FIG. 7 shows the results obtained at a feed rate = 3.16 m / min. According to FIG. 6 and FIG. 7, it was confirmed that cuts and protrusions were generated before reversal in both cases. This is a phenomenon that was not seen before the introduction of the Stribeck characteristic estimation unit 30 (see FIGS. 14 and 15). Although the Stribeck characteristic estimation unit 30 outputs the same compensation value without distinguishing between acceleration and deceleration, the table mechanism 20 is caused by the fact that the speed dependency of the frictional force shows different changes between acceleration and deceleration. it is conceivable that. In the present embodiment, the time of acceleration refers to a phenomenon in which the absolute value of speed increases, and the time of deceleration refers to a phenomenon in which the absolute value of speed decreases.

また、象限突起の一山目は、ストライベック特性を考慮した摩擦補償器13を適用した場合の方が、第一〜第三摩擦補償器26〜28だけを適用した場合よりも、象限突起を抑制できていることが確認できた。しかしながら、象限突起の二山目は、ストライベック特性を考慮した摩擦補償器13でも殆ど抑制できなかった。これは、等速運動によって得られた摩擦力の速度依存性と、加速及び減速時の摩擦力の速度依存性とが異なることによるものと考えられる。   In addition, the first peak of the quadrant protrusion is a quadrant protrusion when the friction compensator 13 in consideration of the Stribeck characteristic is applied than when only the first to third friction compensators 26 to 28 are applied. It was confirmed that it was suppressed. However, the second peak of the quadrant protrusion was hardly suppressed even by the friction compensator 13 considering the Stribeck characteristic. This is considered to be due to the fact that the speed dependence of the frictional force obtained by the constant speed motion is different from the speed dependence of the frictional force during acceleration and deceleration.

そこで、摩擦補償器13において、加速時と減速時で、ストライベック特性推定部30による補償を使い分けることによる象限突起の抑制効果について実験を行った。実験は以下のケース1〜4を設定し、テーブル3が円運動を行った場合の指令位置との誤差について調べた。ケース1〜4の実験条件は以下の通りである。なお、以下説明では、ストライベック特性推定部30が数式(4)(5)を用いることによって行う補償をストライベック補償と呼ぶ。
[ケース1]
・ストライベック補償を加速時と減速時で適用。
・送り速度=316mm/min
・指令半径=10mm
[ケース2]
・ストライベック補償を加速時のみ適用。
・送り速度=316mm/min
・指令半径=10mm
[ケース3]
・ストライベック補償を加速時と減速時で適用。
・送り速度=3162mm/min
・指令半径=10mm
[ケース4]
・ストライベック補償を加速時のみ適用。
・送り速度=3162mm/min
・指令半径=10mm
Therefore, the friction compensator 13 was tested for the effect of suppressing quadrant protrusions by properly using the compensation by the Stribeck characteristic estimation unit 30 during acceleration and deceleration. In the experiment, the following cases 1 to 4 were set, and the error from the command position when the table 3 performed a circular motion was examined. The experimental conditions of cases 1 to 4 are as follows. In the following description, the compensation performed by the Stribeck characteristic estimation unit 30 using Equations (4) and (5) is referred to as Stribeck compensation.
[Case 1]
・ Stribeck compensation is applied during acceleration and deceleration.
・ Feeding speed = 316mm / min
・ Command radius = 10mm
[Case 2]
・ Stribeck compensation is applied only during acceleration.
・ Feeding speed = 316mm / min
・ Command radius = 10mm
[Case 3]
・ Stribeck compensation is applied during acceleration and deceleration.
-Feed rate = 3162 mm / min
・ Command radius = 10mm
[Case 4]
・ Stribeck compensation is applied only during acceleration.
-Feed rate = 3162 mm / min
・ Command radius = 10mm

なお、ケース1〜4では、ストライベック補償を適用した場合に加え、比較対象として、全く補償しなかった場合、ストライベック補償を適用せずに摩擦補償した場合についても、指令位置との誤差を夫々調べた。図8〜図11に実験結果を示す。グラフAは補償無し、グラフBは第一〜第三摩擦特性推定部26〜28のみを適用、グラフCは第一〜第三摩擦特性推定部26〜28に加え、ストライベック補償を更に適用した結果を示している。   In cases 1 to 4, in addition to the case where the Stribeck compensation is applied, as a comparison object, the error from the command position is also obtained even when the compensation is not performed at all or the friction compensation is performed without applying the Stribeck compensation. I examined each one. The experimental results are shown in FIGS. Graph A is not compensated, Graph B is applied only to the first to third friction characteristic estimation units 26 to 28, and Graph C is further applied to the Stribeck compensation in addition to the first to third friction characteristic estimation units 26 to 28. Results are shown.

図8,図9を参照し、ケース1,2の結果について説明する。ケース1では、加速時と減速時の両方で、ストライベック補償を適用した。図8に示すように、グラフAでは、反転後に象限突起を生じている。グラフBでは、グラフAよりも象限突起は小さくはなっているが、依然として残っている。グラフCでは、グラフBよりも象限突起は更に小さくなっているが、反転前に突起が発生しているのが確認できた。これに対し、ケース2では、図9に示すように、ケース1のグラフCで発生していた突起が消失しているのが確認できた。さらに、グラフCでは、グラフAの象限突起について、グラフBよりも更に小さくなっているのが確認できた。   The results of cases 1 and 2 will be described with reference to FIGS. In Case 1, Stribeck compensation was applied both during acceleration and deceleration. As shown in FIG. 8, in graph A, quadrant protrusions are generated after inversion. In the graph B, the quadrant protrusion is smaller than that in the graph A, but still remains. In the graph C, the quadrant protrusion is smaller than that in the graph B, but it was confirmed that the protrusion was generated before the inversion. On the other hand, in case 2, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the protrusion generated in the graph C of case 1 disappeared. Furthermore, in the graph C, it was confirmed that the quadrant protrusion of the graph A was smaller than that of the graph B.

図10,図11を参照し、ケース3,4の結果について説明する。ケース3,4では、ケース1,2に対して、送り速度を高速にしている。ケース3では、加速時と減速時の両方で、ストライベック補償を適用した。図10に示すように、グラフAでは、反転後に大きな象限突起を生じている。グラフBでは、グラフAよりも象限突起は小さくはなっているが、依然として残っている。グラフCでは、グラフBよりも象限突起は更に小さくなっているが、ケース1と同様に、反転前に突起が発生しているのが確認できた。これに対し、ケース4では、図11に示すように、ケース2と同様に、ケース3のグラフCで発生していた突起が消失しているのが確認できた。さらに、グラフCでは、グラフAの象限突起について、グラフBよりも更に小さくなっているのが確認できた。   The results of cases 3 and 4 will be described with reference to FIGS. In cases 3 and 4, the feed rate is higher than that in cases 1 and 2. In Case 3, Stribeck compensation was applied both during acceleration and deceleration. As shown in FIG. 10, in the graph A, a large quadrant protrusion is generated after inversion. In the graph B, the quadrant protrusion is smaller than that in the graph A, but still remains. In the graph C, the quadrant protrusion is further smaller than that in the graph B, but as in the case 1, it was confirmed that the protrusion was generated before the inversion. On the other hand, in case 4, as shown in FIG. 11, it was confirmed that the protrusions generated in the graph C of case 3 disappeared, as in case 2. Furthermore, in the graph C, it was confirmed that the quadrant protrusion of the graph A was smaller than that of the graph B.

以上の結果より、摩擦補償器13は、ストライベック補償を加速時のみ適用し、減速時は適用しないことで、テーブル3の移動方向反転時に生じる摩擦力又は摩擦トルクを高精度で推定し、象限突起を効果的に補正できることが実証された。上記結果を踏まえ、上記のストライベック特性推定部30は、加速時は上記(4)(5)式を用い、減速時は以下の(6)(7)式を用いるのが望ましい。tはサンプリング周期である。
(減速時)
[v≧0の場合]
(v)=(Ft−1/vt−1)v
[v<0の場合]
(v)=−(Ft−1/vt−1)v
From the above results, the friction compensator 13 applies the Stribeck compensation only at the time of acceleration and not at the time of deceleration, so that the friction force or the friction torque generated when the moving direction of the table 3 is reversed is estimated with high accuracy. It has been demonstrated that protrusions can be corrected effectively. Based on the above results, it is desirable that the above-described Stribeck characteristic estimation unit 30 uses the above equations (4) and (5) during acceleration and uses the following equations (6) and (7) during deceleration. t is a sampling period.
(During deceleration)
[When v ≧ 0]
F t (v) = (F t−1 / v t−1 ) v t
[When v <0]
F t (v) = − (F t−1 / v t−1 ) v t

以上説明において、テーブル3が本発明の移動体に相当し、ロータリーエンコーダ60が本発明の位置検出機構に相当し、上位コントローラ10が本発明の制御部に相当に相当し、位置制御器11が本発明の速度生成部に相当し、微分器16が本発明の速度検出機構に相当し、速度制御器12が本発明のトルク生成部に相当し、摩擦補償器13が本発明の摩擦推定部に相当し、加算器14が本発明の補正部に相当する。第一摩擦特性推定部26と第二摩擦特性推定部27が本発明の第一摩擦推定部に相当し、第三摩擦特性推定部28が本発明の第二摩擦特性推定部に相当し、ストライベック特性推定部30が本発明の第三摩擦特性推定部に相当する。   In the above description, the table 3 corresponds to the moving body of the present invention, the rotary encoder 60 corresponds to the position detection mechanism of the present invention, the host controller 10 corresponds to the control unit of the present invention, and the position controller 11 The differentiator 16 corresponds to the speed detection mechanism of the present invention, the speed controller 12 corresponds to the torque generation unit of the present invention, and the friction compensator 13 corresponds to the friction estimation unit of the present invention. The adder 14 corresponds to the correction unit of the present invention. The first friction characteristic estimation unit 26 and the second friction characteristic estimation unit 27 correspond to the first friction estimation unit of the present invention, and the third friction characteristic estimation unit 28 corresponds to the second friction characteristic estimation unit of the present invention. The Beck characteristic estimation unit 30 corresponds to the third friction characteristic estimation unit 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40は摩擦補償器13を備える。摩擦補償器13はモータ2A,2Bの回転方向が反転し、テーブル3の移動方向が反転後に発生する摩擦力を推定する。摩擦補償器13は、第一摩擦特性推定部26、第二摩擦特性推定部27、第三摩擦特性推定部28、ストライベック特性推定部30を備える。第一〜第三摩擦特性推定部26〜28は、クーロン摩擦に起因する摩擦トルクを推定する。ストライベック特性推定部30は、テーブル3の送り速度に応じて変化する摩擦トルクを推定する。故に数値制御装置40はクーロン摩擦に起因する摩擦力の変動に加え、テーブル3の速度変化による摩擦力の変動を抑制できる。故に数値制御装置40は象限突起を従来よりも更に抑制できる。   As described above, the numerical controller 40 of the present embodiment includes the friction compensator 13. The friction compensator 13 estimates the frictional force generated after the rotation directions of the motors 2A and 2B are reversed and the moving direction of the table 3 is reversed. The friction compensator 13 includes a first friction characteristic estimation unit 26, a second friction characteristic estimation unit 27, a third friction characteristic estimation unit 28, and a Stribeck characteristic estimation unit 30. The first to third friction characteristic estimators 26 to 28 estimate friction torque caused by Coulomb friction. The Stribeck characteristic estimation unit 30 estimates a friction torque that changes according to the feed speed of the table 3. Therefore, the numerical controller 40 can suppress the fluctuation of the frictional force due to the speed change of the table 3 in addition to the fluctuation of the frictional force caused by the Coulomb friction. Therefore, the numerical control device 40 can further suppress the quadrant protrusion as compared with the conventional case.

また上記実施形態では、ストライベック特性推定部30は、ストライベック情報に基づき、ロータリーエンコーダ60と微分器16で検出した速度に対応する摩擦トルクを推定する。ストライベック情報は、テーブル3の送り速度と摩擦トルクとの関係をストライベック曲線で示した情報である。故に数値制御装置40はテーブル3の速度変化による摩擦力の変動も抑制できる。   Moreover, in the said embodiment, the Stribeck characteristic estimation part 30 estimates the friction torque corresponding to the speed detected with the rotary encoder 60 and the differentiator 16 based on the Stribeck information. The Stribeck information is information indicating the relationship between the feed speed of the table 3 and the friction torque with a Stribeck curve. Therefore, the numerical controller 40 can also suppress the fluctuation of the frictional force due to the speed change of the table 3.

また上記実施形態では、ストライベック特性推定部30は、テーブル3の送り速度の絶対値が増加する場合にのみ、ストライベック情報を用いて、送り速度に対応する摩擦力又は摩擦トルクを推定する。故に数値制御装置40はテーブル3の速度変化による摩擦力の変動を良好に抑制できる。   In the above embodiment, the Stribeck characteristic estimation unit 30 estimates the friction force or the friction torque corresponding to the feed speed using the Stribeck information only when the absolute value of the feed speed in the table 3 increases. Therefore, the numerical controller 40 can satisfactorily suppress the fluctuation of the frictional force due to the speed change of the table 3.

なお、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。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。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. 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.

上記実施形態は、クーロン摩擦に起因する摩擦力の変化を上記(1)〜(3)式で推定するが、他の式を用いて推定してもよい。摩擦補償器13は3つの摩擦推定部26〜27を用いて、クーロン摩擦に起因する摩擦力の変化を推定するが、3つ以上の摩擦推定部を用いてもよい。   Although the said embodiment estimates the change of the frictional force resulting from Coulomb friction by said Formula (1)-(3), you may estimate using another type | formula. The friction compensator 13 uses three friction estimation units 26 to 27 to estimate a change in frictional force due to Coulomb friction, but may use three or more friction estimation units.

上記実施形態はオフセット予圧方式の送り機構を用いた。本発明はダブルナ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。ダブルナット予圧方式の送り機構はオフセット予圧方式と同様な摩擦特性を有する。ダブルナット予圧方式の送り機構は一つのナットを一対のナットと間座とで構成したものである。また、ストライベック補償器30についてはその他の与圧方式(オーバサイズボール与圧等)を用いた送り機構に置いてもまた同様の効果を得ることができる。   In the above embodiment, an offset preload type feed mechanism is used. The present invention can obtain the same effect even in a feed mechanism of a double nut preload system. The double nut preload type feed mechanism has the same friction characteristics as the offset preload type. The feed mechanism of the double nut preload system comprises a single nut composed of a pair of nuts and a spacer. Further, the same effect can be obtained when the Stribeck compensator 30 is placed in a feeding mechanism using another pressurization method (oversize ball pressurization or the like).

2A,2B モータ
3 テーブル
4A,4B ボール螺子軸
4B ボール螺子軸
5 ボールナット
10 上位コントローラ
11 位置制御器
12 速度制御器
13 摩擦補償器
14 加算器
26 第一摩擦特性推定部
27 第二摩擦特性推定部
28 第三摩擦特性推定部
30 ストライベック特性推定部
40 数値制御装置
60 ロータリーエンコーダ
2A, 2B Motor 3 Table 4A, 4B Ball screw shaft 4B Ball screw shaft 5 Ball nut 10 Host controller 11 Position controller 12 Speed controller 13 Friction compensator 14 Adder 26 First friction characteristic estimation unit 27 Second friction characteristic estimation Unit 28 third friction characteristic estimation unit 30 stribeck characteristic estimation unit 40 numerical control device 60 rotary encoder

Claims (4)

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前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構と、該位置検出機構が検出した前記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、
前記摩擦推定部は、
前記移動体の移動方向が反転後から前記移動体の移動量に応じて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前記移動体が所定量移動した後、前記移動体の移動量に応じ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と、
前記移動体の移動方向が反転後に前記移動体の移動する速度に依存する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第三摩擦推定部と
を備え、
前記第一摩擦推定部と前記第二摩擦推定部と前記第三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 having a ball screw shaft and a ball nut externally fitted to the ball screw shaft, for moving a moving body fixed to the ball nut, a motor for rotationally driving the ball screw shaft, and the motor moved by the motor Generates a speed command so that the position detection mechanism that detects the position of the moving body based on the amount of rotation of the motor matches the position of the moving body detected by the position detection mechanism and the position command generated by the control unit. A speed generation unit that detects the speed of the motor, and a torque generation unit that generates a torque command so that the speed detected by the speed detection mechanism matches the speed command generated by the speed 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 command based on the friction or the friction torque estimated by the friction estimation unit. A numerical controller having a positive correcting unit,
The friction estimation unit is
A first friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque caused by the feed mechanism that increases in accordance with a moving amount of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed;
A second friction estimation unit that estimates a friction force or a friction torque that increases in accordance with a movement amount of the moving body after the moving body has moved a predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed;
A third friction estimation unit that estimates a frictional force or a friction torque depending on a moving speed of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed,
A numerical controller that adds the friction force or the friction torque estimated by each of the first friction estimation unit, the second friction estimation unit, and the third friction estimation unit.
前記第三摩擦推定部は、
前記移動体の速度と前記摩擦力又は摩擦トルクとの関係をストライベック曲線で示したストライベック情報に基づき、前記速度検出機構が検出した速度に対応する前記摩擦力又は摩擦トルクを推定することを特徴とする請求項1に記載の数値制御装置。
The third friction estimation unit is
Estimating the friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism based on the Stribeck information indicating the relationship between the speed of the moving body and the friction force or the friction torque by a Stribeck curve. The numerical control apparatus according to claim 1, wherein
前記第三摩擦推定部は、
前記速度検出機構が検出した速度の絶対値が増加する場合にのみ、前記ストライベック情報を用いて、前記速度検出機構が検出した速度に対応する前記摩擦力又は摩擦トルクを推定することを特徴とする請求項2に記載の数値制御装置。
The third friction estimation unit is
The friction force or the friction torque corresponding to the speed detected by the speed detection mechanism is estimated using the Stribeck information only when the absolute value of the speed detected by the speed detection mechanism increases. The numerical control device according to claim 2.
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前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構とを備えた数値制御装置が行うもので、該位置検出機構が検出した前記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工程で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、
前記摩擦推定工程は、
前記移動体の移動方向が反転後から前記移動体の移動量に応じて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前記移動体が所定量移動した後、前記移動体の移動量に応じ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部と、
前記移動体の移動方向が反転後に前記移動体の移動する速度に依存する摩擦力又は摩擦トルクを推定する第三摩擦推定工程と
を備え、
前記第一摩擦推定工程部と前記第二摩擦推定工程と前記第三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 having a ball screw shaft and a ball nut externally fitted to the ball screw shaft, for moving a moving body fixed to the ball nut, a motor for rotationally driving the ball screw shaft, and the motor moved by the motor A numerical control device including a position detection mechanism that detects the position of the moving body based on the rotation amount of the motor, and the position command generated by the control unit and the position of the moving body detected by the position detection mechanism The speed generation process for generating the speed command so that the speeds match, the speed detection mechanism for detecting the speed of the motor, the speed detected by the speed detection mechanism, and the speed command generated in the speed generation process 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 the rotation direction of the motor is reversed, and a friction estimated in the friction estimation step. Or in friction compensation method and a correction step of correcting the torque command based on the friction torque,
The friction estimation step includes
A first friction estimation step for estimating a frictional force or a friction torque caused by the feed mechanism that increases in accordance with a moving amount of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed;
A second friction estimating step for estimating a frictional force or a friction torque that increases in accordance with the moving amount of the moving body after the moving body has moved a predetermined amount after the moving direction of the moving body is reversed;
A third friction estimating step of estimating a frictional force or a friction torque depending on a moving speed of the moving body after the moving direction of the moving body is reversed,
A friction compensation method characterized by adding the friction force or the friction torque estimated in each of the first friction estimation step, the second friction estimation step, and the third friction estimation step.
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