JP2016031735A

JP2016031735A - 複数軸の加工精度を向上させるサーボモータの制御装置

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Publication number: JP2016031735A
Application number: JP2014155212A
Authority: JP
Inventors: 直人園田; Naoto Sonoda; 雪雄豊沢; Yukio Toyosawa; 岩下　平輔; Heisuke Iwashita; 平輔岩下
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-03-07
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: US20160033954A1; CN105320059A; JP5897662B2; DE102015111964A1; CN105320059B; US9709975B2

Abstract

【課題】円の径が変化する穴開け加工や、自由閉曲線形状の加工を行う場合でも、角度同期方式の学習制御を適用して高精度化が可能なサーボモータの制御装置を提供する。【解決手段】工作機械等におけるサーボモータの制御装置１に、加工対象を加工するための位置指令値を生成する上位制御装置２４と、位置指令値でサーボモータ１２，１４を駆動して加工する工具を動作させるサーボ制御装置１８．２０と、サーボモータの位置、又は工具位置を検出する位置検出器２７、３１を設け、更に、位置偏差演算部で位置指令値と検出されたサーボモータの位置との偏差を演算し、基準角度生成部４で指令値が形成する閉じた図形の内側の任意の位置を中心点として閉じた図形上の基準点と、現在の加工点から単調増加または単調減少する基準角度θを計算し、学習制御部２６，３０に基準角度、及び位置偏差に基づいて角度同期方式の学習制御を行わせてサーボモータを制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械等の機械を制御するサーボモータの制御装置に関するものであり、特に、サーボモータにより駆動される複数軸が協調して、閉曲線、多角形を加工する場合の加工精度を向上させるサーボモータの制御装置に関する。

一般に、マシニングセンタなどの工作機械を使った穴開け加工では、精度を向上させるために専用工具を使ったボーリング加工が行われる。ボーリング加工で使われるボーリング工具は、開ける穴の直径に応じて選択する必要があり、複数の異なる直径の穴空け加工を行う場合は、複数のボーリング工具が必要となる。

通常、数値制御装置（ＣＮＣ）を搭載したマシニングセンタでは、自動工具交換装置（ＡＴＣ：オートツールチェンジャー）が搭載されており、ＡＴＣには複数の工具を装着することができるため、加工に応じて工具を自動的に交換することができる。しかし、ＡＴＣに装着できる工具数には制限があるので、ＡＴＣに装着されていない工具で行う加工が発生した場合は、工具を交換する時間が必要となり、生産性の悪化要因となるなどの課題がある。

これに対して、穴開け加工を行うボーリング加工をミーリング加工で代替えする方法がある。代替え加工のミーリング加工の方法の１つとして、ヘリカル加工がある。ヘリカル加工は、開ける穴の直径に応じたエンドミルで円弧動作を螺旋状に繰り返して穴を開ける加工である。ヘリカル加工では一般に、円弧動作はワークを搭載するテーブルを、サーボモータでＸ軸、Ｙ軸方向に協調駆動する事で行う。

ヘリカル加工で穴を開ける場合、複数の異なる直径の穴開け加工においても、１つのエンドミルで対応できる利点がある。一方、ヘリカル加工はテーブルの円弧動作を伴うために、高速化するとテーブルを駆動するＸ軸、Ｙ軸のサーボモータの応答遅れや機械のロストモーション（バックラッシュや捩れ）等の影響で、象限突起（駆動軸の反転時の遅れ）が発生し、精度が悪化する虞がある。

この精度悪化を改善する方法としては、ヘリカル加工におけるエンドミルが円弧動作を繰り返すことを利用して、Ｘ軸とＹ軸の駆動軸のサーボモータ制御に、学習制御を適用する方法が最も効果的である。特に、特許文献１に開示されたサーボモータ駆動制御装置による、加工速度の変動に対応できる角度同期方式の学習制御の適用が有効であるが、この場合、学習制御の周期の基準となる角度情報が必要になる。この基準角度は単調増加、若しくは単調減少させる必要があるが、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸によるエンドミルの円弧動作の場合、この基準角度として利用できる情報（信号）がない。

この課題を解決するために、特許文献２には、Ｘ軸若しくはＹ軸の指令値、或いはフィードバック値の絶対値を積算することにより、前述の基準角度にできる情報（信号）を基準信号生成部において作り出すサーボ制御システムが開示されている。

特許第４０４３９９６号公報

特許第４９８０４５３号公報

しかし、特許文献２に開示のサーボ制御システムは、徐々に円弧の直径が変化する場合には対応できないという課題がある。これは、学習制御は指令値の繰り返し周期に相当するメモリを確保するために、先見情報として学習の周期（例えば３６０度等）が必要であるが、指令値やフィードバック値から基準角度に相当する信号を作成する場合、信号が示す角度は中心からの角度ではなく、Ｘ軸及びＹ軸の移動量になるので、円の直径が変化するとその移動量が変化するからである。この結果、先見情報の周期と実際の移動量が一致しなくなり、正しい学習制御ができなくなる。

例えば、ヘリカル加工においてエンドミルが図１（ａ）に示すような円動作を示す場合、円Ｃの直径から学習周期に相当するエンドミルの移動量を計算することは可能（容易）である。ところが、ヘリカル加工においてエンドミルが、図１（ｂ）に示すような単純な円でない自由閉曲線Ｌのような動作を行う場合、エンドミルの移動量を計算することは容易ではない。

そこで本発明は、徐々に円の直径が変化する穴開け加工を行う場合や、単純な円弧でない自由閉曲線のような形状加工を行う場合であっても角度同期方式の学習制御が適用でき、高精度化が可能になるサーボモータの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明では、サーボモータによって駆動される互いに直交する２軸を含む複数軸の協調動作により、加工対象を閉じた図形、該閉じた図形が上底と下底に平行に位置する柱状体又は錐状体の形状に加工する工作機械又は産業機械におけるサーボモータの制御装置であって、加工対象を加工するための位置指令値を生成する上位制御装置と、位置指令値に基づいて各軸のサーボモータを駆動して、加工対象を加工する被駆動体を動作させるサーボ制御装置と、サーボモータの位置、又は被駆動体の位置を検出する位置検出器とを備え、更に、位置指令値と検出されたサーボモータの位置との偏差を演算する位置偏差演算部と、指令値が形成する閉じた図形の内側の任意の位置を中心とし、閉じた図形上の基準点と、現在の加工点から単調増加もしくは単調減少する基準角度を計算する基準角度生成部と、基準角度、及び位置偏差に基づいて角度同期方式の学習制御を行う学習制御部とを有するサーボモータの制御装置が提供される。

本発明のサーボモータの制御装置によれば、指令される閉曲線や多角形等の閉じた図形の内側の任意の点を中心にして、基準点から現在の加工点までの角度を逐次計算し、これを使って角度同期方式の学習制御を行うので、この場合、周期を３６０度とすれば円の直径が変化しても学習制御が可能となる。この結果、本発明のサーボモータの制御装置によれば、従来適用が難しかった任意の閉曲線や多角形のような形状加工でも、角度同期方式の学習制御が適用でき、高精度化が可能になるという効果がある。

（ａ）はヘリカル加工におけるエンドミルの円動作を示す図、（ｂ）はヘリカル加工におけるエンドミルの閉曲線動作を示す図である。（ａ）から（ｆ）は本発明のサーボモータの制御装置を備える工作機械の加工対象物の形状を示すものであり、（ａ）は閉曲線、（ｂ）は多角形、（ｃ）は閉曲線で囲まれた面を上底と下底に備えた柱状体、（ｄ）は多角柱、（ｅ）は相似形の閉曲線を上底と下底に備える錐状体、（ｆ）は相似形の多角形を上底と下底に備える錐状体である。本発明のサーボモータの制御装置の一実施例のブロック図である。加工形状が閉じた曲線である場合の、基準角度を演算する方法を示す図である。図３に示したサーボモータの制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明のサーボモータの制御装置の他の実施例のブロック図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明の実施例を説明する前に、図２を用いて本発明のサーボモータの制御装置の加工対象物の加工形状について説明する。

本発明の加工対象物の加工形状は、図２（ａ）に示すような任意の平面にあってその曲線（導線）が交差しない円弧を含む閉曲線Ｌ、図２（ｂ）に示すような多角形Ｐ、図２（ｃ）に示すような交差しない円弧を含む閉曲線を上底と下底に持つ柱状体Ｖ１、図２（ｄ）に示すような多角形の面を上底と下底に持つ柱状体Ｖ２、図２（ｅ）に示すような相似形の閉曲線を上底と下底に備える錐状体Ｖ３、又は図２（ｆ）に示すような相似形の多角形を上底と下底に備える錐状体Ｖ４等である。

ここで、本発明のサーボモータの制御装置１の一実施例の基本構成を図３を用いて説明する。本発明のサーボモータの制御装置１は、上位制御装置２４、サーボ制御装置１０及び位置検出器２７、３１を備える。サーボモータの制御装置１は、協調動作を行う互いに直交するＸ軸とＹ軸のような少なくとも２軸を含むマシニングセンタ等の工作機械又は産業機械において使用され、この場合にはサーボ制御装置１０は、Ｘ軸サーボ制御装置１８とＹ軸サーボ制御装置２０を備える。

また、本発明のサーボモータの制御装置１では、Ｚ軸サーボ制御装置は必須ではないので図示を省略してある。なお、Ｚ軸サーボ制御装置を設ける場合は、その機能は従来のサーボ制御装置と同様で良い。即ち、Ｚ軸サーボ制御装置は、所定の加工を行うための、上位制御装置から送られるＺ軸の位置指令値と、Ｚ軸サーボモータ又はＺ軸サーボモータにより駆動される工具等の被駆動体の位置フィードバック値との偏差を求め、この偏差にゲインを与えてＺ軸サーボ速度指令としてＺ軸サーボモータの制御に使用する。位置フィードバック値は、Ｚ軸サーボモータ又は被駆動体のＺ位置を検出する位置検出器によって得られる。

サーボ制御装置１０が、Ｘ軸サーボ制御装置１８とＹ軸サーボ制御装置２０とを備える場合、Ｘ軸サーボ制御装置１８とＹ軸サーボ制御装置２０は、数値制御装置（ＮＣ）等の上位制御装置２４から送られる各軸の位置指令値（Ｘ軸指令とＹ軸指令）Ｐｃに基づいて速度指令を作成し、この速度指令によって各サーボモータ１２，１４を制御する。

Ｘ軸サーボ制御装置１８は、角度同期方式の学習制御部（学習制御器）２６を有する。学習制御器２６は、所定の加工を行うための、上位制御装置２４から送られる周期的なＸ軸の位置指令値Ｐｃと、Ｘ軸サーボモータ１２又はＸ軸サーボモータ１２により駆動される工具等の被駆動体（図示せず）の位置フィードバック値Ｐｆとの偏差Ｅｒに基づいてＸ軸サーボモータ１２の制御のための補正量を作成する。補正量は偏差Ｅｒに加算された後にゲインＫｐで増幅されてＸ軸サーボ速度指令値としてＸ軸サーボモータ１２の制御に使用される。位置フィードバック値Ｐｆは、Ｘ軸サーボモータ１２又は被駆動体のＸ位置を検出する位置検出器２７によって得られる。またＸ軸サーボ制御装置１８は、上位制御装置２４から送られる基準角度θに基づいて、学習制御器２６が学習制御を行う。学習制御の詳細については後述する。

同様に、Ｙ軸サーボ制御装置２０は、角度同期方式の学習制御部（学習制御器）３０を有する。学習制御器３０は、所定の加工を行うための、上位制御装置２４から送られる周期的なＹ軸の位置指令値Ｐｃと、Ｙ軸サーボモータ１４又はＹ軸サーボモータ１４により駆動される被駆動体（図示せず）の位置をフィードバック値Ｐｆとの偏差Ｅｒに基づいてＹ軸サーボモータ１４の制御のための補正量を作成する。補正量は偏差Ｅｒに加算された後にゲインＫｐで増幅されてＹ軸サーボ速度指令としてＹ軸サーボモータ１４の制御に使用される。位置フィードバック値Ｐｆは、Ｙ軸サーボモータ１４又は被駆動体のＹ位置を検出する位置検出部３１によって得られる。またＹ軸サーボ制御装置２０は、上位制御装置２４から送られる基準角度θに基づいて、学習制御器３０が学習制御を行う。学習制御の詳細については後述する。

ここで、Ｘ軸サーボ制御装置１８にある学習制御器２６の具体的構成例を説明する。Ｘ軸サーボ制御装置１８において、上位制御装置２４から送られる位置指令値Ｐｃと、位置検出器２７から送られる位置フィードバック値Ｐｆとから加算器３５にて位置偏差Ｅｒが演算される。学習制御器２６は、Ｘ軸サーボモータ１２又は被駆動体の位置偏差Ｅｒを第１の位置偏差として所定のサンプリング周期（例えば１ｍｓ）毎に取得する。第１の位置偏差Ｅｒは第１変換部（図３には時間→角度変換と記載されている）３４に送られ、第１変換部３４は、第１の位置偏差Ｅｒを、被駆動体の１周期分の基準角度位置（後述）毎の第２の位置偏差Ｅｒ′に変換する。つまりサンプリング周期に対応付けられている第１の位置偏差Ｅｒ（時間）が、基準角度位置に対応付けられた第２の位置偏差Ｅｒ′（角度）に変換される。この変換手法自体は周知なので説明は省略する。

第２の位置偏差Ｅｒ′は、通常３６０度分の遅延メモリ３６に記憶された被駆動体の周期動作の１周期前の第１の補正量が加算された後、新たな第１の補正量ｃ１として遅延メモリ３６に記憶される。第１の補正量ｃ１は第２変換部（図３には角度→時間変換と記載されている）３８に送られ、第２変換部３８は、基準角度位置毎の第１の補正量ｃ１を、上記サンプリング周期毎の第２の補正量ｃ２に変換する。つまり基準角度位置に対応付けられている第１の補正量ｃ１（角度）が、サンプリング周期に対応付けられた第２の補正量ｃ２（時間）に変換される。この変換手法自体は周知なので説明は省略する。

学習制御器２６は、第１の補正量ｃ１の帯域を制限する帯域制限フィルタ４０と、第２変換部３８からの第２の補正量ｃ２の位相補償及びゲイン補償を行う位相進みフィルタ４２とを備えても良いが、これらのフィルタは必須の構成要素ではない。なお、帯域制限フィルタ４０は、具体的には、ある周波数領域における高周波領域の信号をカットするためのローパスフィルタであり、制御系の安定性を向上させる効果がある。また、位相進みフィルタ４２は、具体的には、ある周波数領域における高周波領域の信号の位相を進ませ、さらにゲインを上げるフィルタであり、位置制御、速度制御及び電流制御等の制御系の遅れやゲイン低下を補償する効果がある。なお、Ｙ軸サーボ制御装置２０の学習制御器３０も学習制御器２６と同様の構成とすることができる。

上位制御装置２４には、Ｘ軸指令部２とＹ軸指令部３及び基準角度生成部４がある。Ｘ軸指令部２とＹ軸指令部３は、予め定めた指令分配周期Ｔ（例えばＴ＝１ｍｓ）毎にＸ軸とＹ軸の位置指令値Ｐｃを生成する。基準角度生成部４には、Ｘ軸指令部２とＹ軸指令部３からのＸ軸とＹ軸の位置指令値Ｐｃが入力される。そして、基準角度生成部４は、Ｘ軸とＹ軸の位置指令値ＰｃからＸ軸とＹ軸の基準角度θを生成し、これをＸ軸の学習制御器２６とＹ軸の学習制御器３０に入力する。

ここで、基準角度生成部４によるＸ軸とＹ軸の基準角度θの生成について図４を用いて説明する。図４は位置指令値Ｐｃが、例えば閉曲線Ｌを形成する場合の例である。基準角度生成部４は、位置指令値Ｐｃが形成する閉曲線Ｌの内側の任意の位置を中心とし、その曲線上の基準点と、現在の加工点から単調増加もしくは単調減少する基準角度θを計算する。例えば、図４に示す直交するＸ，Ｙ軸の平面の閉曲線Ｌを繰り返し加工する場合、閉曲線Ｌの内側の任意の位置Ｐを中心点に定め、この座標をＰ（Ｘｏ，Ｙｏ）とする。加工を行う被駆動体は閉曲線Ｌに沿って一方向に繰り返し回転する。角度同期方式の学習制御は、所定のサンプリング周期で行われるので、ここで使用する基準角度θも同じサンプリング周期毎に計算する。

ここで，現在の加工点よりも１サンプリング前の閉曲線上の加工点をＳ（Ｘs、Ｙs）とし、現在加工を行っている加工点をＭ（Ｘm、Ｙm）とする。なお、基準点は閉曲線Ｌの上の加工開始点（初期値）とする。以上の３つの点Ｍ，Ｐ，Ｓを使って、ある時刻ｎの基準角度θnを求める。３つの点を結ぶ３角形のそれぞれの辺の長さＰＳ、ＳＭ、ＭＰは、下記の式１，式２及び式３で求められる（但し、√はカッコ内全体の平方根を示す）。
ＰＳ＝√(（Ｘｓ−Ｘｏ）²＋（Ｙｓ−Ｙｏ）²)・・・（１）
ＳＭ＝√(（Ｘｍ−Ｘｓ）²＋（Ｙｍ−Ｙｓ）²)・・・（２）
ＭＰ＝√(（Ｘｏ−Ｘｍ）²＋（Ｙｏ−Ｙｍ）²)・・・（３）

また、求める基準角度θの１サンプリング当たりの変化量Δθは余弦定理から下記の式４で求めることができる。
Δθ＝ａｒｃｃｏｓ（ＭＰ²＋ＰＳ²−ＳＭ²）／（２＊ＭＰ＊ＰＳ）・・・（４）

そして、サンプリング時間ｎにおける求める基準角度θｎは、式４で求めたΔθの積算値として、θn＝Σ(Δθ)から計算される。被駆動体による加工では、被駆動体は常に一方向に回転し、途中で逆方向には回転しないので、求める基準角度θは単調増加、もしくは単調減少になる。このようにして計算された基準角度θは、前述のように、基準角度生成部４からＸ軸サーボ制御装置１８の学習制御器２６とＹ軸サーボ制御装置２０の学習制御器３０に送られ、学習制御器２６、３０の動作によりサーボモータ１２，１４が制御される。なお、図２（ａ）に示した閉曲線Ｌ、図２（ｂ）に示した多角形Ｐ、及び図２（ｃ）、（ｄ）に示した柱状体Ｖ１、Ｖ２にも中心点、基準点及び加工点を示した。

次に、以上説明したサーボモータの制御装置１における処理の流れについて、図５に示すフローチャートを用いて説明する。なお、説明を分かりやすくするために、図３に示したサーボモータの制御装置１における構成部材の符号を付して処理を説明する。ステップ５０１では、上位制御装置２４は、予め定めた指令分配周期Ｔ（例えばＴ＝１ｍｓ）毎に、直交する座標平面上にある閉曲線、多角形を加工する指令（各軸の位置指令値Ｐｃ）を、Ｘ軸サーボ制御装置１８とＹ軸サーボ制御装置２０（以後各サーボ制御装置１８、２０と記す）のサーボ制御装置１０にそれぞれ分配する。

続くステップ５０２では、各サーボ制御装置１８、２０は、サーボモータ１２、１４の位置もしくは被駆動体の位置（位置フィードバック値Ｐｆ）を検出する。次に、各サーボ制御装置１８，２０は、ステップ５０３において、指令（位置指令値Ｐｃ）及び位置（位置フィードバック値Ｐｆ）から偏差（位置偏差Ｅｒ）を計算する。偏差（位置偏差Ｅｒ）は、Ｘ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０に入力される。

一方、上位制御装置２４にある基準角度生成部４は、ステップ５０４において加工される閉曲線、多角形の内側の任意の位置を中心（中心点）と定め、ステップ５０５において導線上の基準点と現在の加工点から基準角度θを計算して求める。求められた基準角度θは、Ｘ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０に入力される。

偏差（位置偏差Ｅｒ）と基準角度θがＸ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０に入力されると、Ｘ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０は、ステップ５０６において、偏差（位置偏差Ｅｒ）と基準角度θを使って角度同期学習制御を実行する。角度同期学習制御については周知であるので、説明は省略する。

Ｘ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０において角度同期学習制御が実行されると、基準信号θ毎の第１の補正量ｃ１が、サンプリング周期毎の第２の補正量ｃ２に変換されてＸ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０から出力される。各サーボ制御装置１８，２０は、ステップ５０７において、Ｘ軸とＹ軸の学習制御器２６，３０の出力を偏差（位置偏差Ｅｒ）に加算してサーボモータ１２，１４の速度指令を生成する。サーボモータ１２，１４はこの速度指令によって駆動制御される。

なお、以上説明した実施例では、基準角度生成部４が上位制御装置２４に設けられているが、基準角度生成部４は、図６に示す別の実施例のように、基準角度生成部５，６として、Ｘ軸サーボ制御装置１８とＹ軸サーボ制御装置２０にそれぞれ設けることができる。図６に示した実施例のサーボモータの制御装置１Ａは、基準角度生成部５，６を除いて図３に示した実施例のサーボモータの制御装置１と同じ構成であるので、同じ構成部材には同じ符号を付してその説明を省略する。

このように、本発明のサーボモータの制御装置によれば、指令される閉曲線や多角形等の閉じた図形の内側の任意の点を中心にして、基準点から現在の加工点までの角度を逐次計算し、これを使って角度同期方式の学習制御を行うので、この場合、周期３６０度とすれば円の直径が変化しても学習制御が可能となる。この結果、本発明のサーボモータの制御装置によれば、従来適用が難しかった任意の閉曲線や多角形のような形状加工でも、角度同期方式の学習制御が適用でき、高精度化が可能になる。

１、１Ａサーボモータの制御装置
２Ｘ軸指令部
３Ｙ軸指令部
４，５，６基準角度生成部
１０サーボ制御装置
１２、１４サーボモータ
１８Ｘ軸サーボ制御装置
２０Ｙ軸サーボ制御装置
２４上位制御装置
２６、３０学習制御部（器）
２７、３１位置検出器
θ 基準信号
Ｐｃ位置指令値
Ｐｆ位置フィードバック値

Claims

サーボモータによって駆動される互いに直交する２軸を含む複数軸の協調動作により、加工対象を閉じた図形、該閉じた図形が上底と下底に平行に位置する柱状体又は錐状体の形状に加工する工作機械又は産業機械におけるサーボモータの制御装置であって、
前記加工対象を加工するための位置指令値を生成する上位制御装置と、
前記位置指令値に基づいて各軸の前記サーボモータを駆動して、前記加工対象を加工する被駆動体を動作させるサーボ制御装置と、
前記サーボモータの位置、又は前記被駆動体の位置を検出する位置検出器とを備え、
更に、
前記位置指令値と検出された前記サーボモータの位置との偏差を演算する位置偏差演算部と、
前記指令値が形成する閉じた図形の内側の任意の位置を中心とし、前記閉じた図形上の基準点と、現在の加工点から単調増加もしくは単調減少する基準角度を計算する基準角度生成部と、
前記基準角度、及び前記位置偏差に基づいて角度同期方式の学習制御を行う学習制御部とを有するサーボモータの制御装置。
前記位置偏差演算部と前記学習制御部が前記サーボ制御装置に設けられている請求項１に記載のサーボモータの制御装置。
前記基準角度生成部が前記上位装置に設けられている請求項１または２に記載のサーボモータの制御装置。
前記基準角度生成部が前記サーボ制御装置に設けられている請求項１または２に記載のサーボモータの制御装置。