JP2016224495A

JP2016224495A - 位置制御装置

Info

Publication number: JP2016224495A
Application number: JP2015107044A
Authority: JP
Inventors: 知宏柴田; Tomohiro Shibata
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: JP6514034B2

Abstract

【課題】送り軸の摺動抵抗が大きい場合でも高精度に軸を制御できる位置制御装置を提供する。
【解決手段】モータにより駆動される送り軸の位置をフルクローズ制御する位置制御装置において、位置指令により前記送り軸の移動方向の反転が指令されるタイミングである指令反転タイミングを検出する指令反転検出器１３と、前記送り軸の移動方向の反転時に生じるバックラッシュを補償するバックラッシュ補償値を出力し、位置指令に加算する補償位置演算器１４と、を備え、前記補償位置演算器１４は、前記指令反転タイミングからバックラッシュ発生までの前記送り軸の移動距離であるトルク比例分位置を前記指令反転タイミングでのトルク指令値により算出し、前記トルク比例分位置に応じて前記バックラッシュ補償値を出力するタイミングを可変する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等における直線移動または回転移動する送り軸（テーブル、サドルあるいは主軸頭等の制御対象）の位置制御装置に関する。

工作機械の送り軸において、軸移動方向反転時に高精度に動作させるために各種の試みがなされている。軸移動方向反転時に高精度に動作させるために弊害となる要素には、送り軸の移動方向反転により、その方向が急峻に変化する摩擦力や、方向反転により不感帯となって現れるバックラッシュ等がある。バックラッシュは、機械寿命と高精度化とのトレードオフの関係にあるため、その大きさは大小様々ある。特に近年、５軸加工における回転移動する送り軸では、回転中心から送り軸（制御対象）までの距離が大きい場合、軸移動方向反転時の精度は、加工精度に大きく影響するため、その補償に対して各種の試みがなされている。

図５に従来制御のブロック図を示す。ボールネジ１０を介してモータ８によりテーブル１１（送り軸・制御対象）を動作させる制御系において、前記テーブルに取り付けられたテーブル位置検出器９がテーブル位置検出値Ｐｄを出力する。指令反転検出器１３は、位置指令演算器１より出力された位置指令Ｐｃより、位置指令が反転する位置指令反転タイミングＴｂを出力する。該タイミングＴｂに基づき補償時間演算器１５がバックラッシュ補償値Ｐｂｃを出力する。該バックラッシュ補償値Ｐｂｃと前記位置指令Ｐｃの加算値から前記位置検出値Ｐｄとの位置偏差Ｐｄｉｆを減算器２が算出する。速度指令演算器３が前記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。前記モータに取り付けられたモータ位置検出器７の位置検出値Ｐｍを微分器１２が微分しモータの速度検出値Ｖｍを出力する。前記速度指令Ｖｃとモータの速度検出値Ｖｍの偏差を減算器４により求め、速度偏差として出力する。該速度偏差に基づき、トルク指令演算器５がトルク指令Ｔｃを出力する。該トルク指令に基づき、各種フィルタ部、電流制御部６が前記モータの電流を制御し、モータを動作させる。

図６に前記補償時間演算器１５のブロック図を示す。遅延器１５１は、前記位置指令反転タイミングＴｂの出力タイミングから、予め設定した時間遅延させた信号をセレクタ１５４へ出力する。該セレクタ１５４は、その信号を受けて、バックラッシュ補償値Ｐｂｃを出力する（セレクタ１５４の接続先を係数１５２から係数１５３に切り替える）。本構成によれば、弾性変形の戻りにより位置指令反転タイミングから遅れて発生するバックラッシュを補償でき、高精度に軸を反転させることができる。

特開２００４−２３４２０５号公報

図５、図６に示した従来技術において、テーブル１１（送り軸・制御対象）の摺動抵抗が大きく、テーブルの先にさらにバネの要素を持つ場合は、反転時に弾性変形だけでなく、テーブルの先のバネ要素からバックラッシュが発生する部分に対して反転力が発生するため、位置に依存してバックラッシュが発生し、高精度に軸を反転させることができない課題がある。

本発明の位置制御装置は、モータにより駆動される送り軸の位置をフルクローズ制御する位置制御装置において、位置指令と、前記送り軸の位置を検出する第２の位置検出器からの位置検出値と、の差から速度指令を出力する速度指令演算器と、前記速度指令と、前記モータの位置を検出する第１の位置検出器からの位置検出値を微分して得られる速度検出値と、の差からトルク指令を出力するトルク指令演算器と、前記トルク指令に基づきモータの電流を制御する電流制御部と、前記位置指令により前記送り軸の移動方向の反転が指令されるタイミングである指令反転タイミングを検出する指令反転検出器と、前記送り軸の移動方向の反転時に生じるバックラッシュを補償するバックラッシュ補償値を出力し、位置指令に加算する補償位置演算器と、を備え、前記補償位置演算器は、前記指令反転タイミングからバックラッシュ発生までの前記送り軸の移動距離であるトルク比例分位置を前記指令反転タイミングでのトルク指令値により算出し、前記トルク比例分位置に応じて前記バックラッシュ補償値を出力するタイミングを可変する、ことを特徴とする。

他の本発明の位置制御装置は、モータにより駆動される送り軸の位置をフルクローズ制御する位置制御装置において、位置指令と、前記モータの位置を検出する第１の位置検出器からの位置検出値と、の差から速度指令を出力する速度指令演算器と、前記速度指令と、前記第１の位置検出器からの位置検出値とを微分して得られる速度検出値と、の差からトルク指令を出力するトルク指令演算器と、前記トルク指令に基づきモータの電流を制御する電流制御部と、前記位置指令により前記送り軸の移動方向の反転が指令されるタイミングである指令反転タイミングを検出する指令反転検出器と、前記送り軸の移動方向の反転時に生じるバックラッシュを補償するバックラッシュ補償値を出力し、位置指令に加算する補償位置演算器と、を備え、前記補償位置演算器は、前記指令反転タイミングからバックラッシュ発生までの前記送り軸の移動距離であるトルク比例分位置を前記指令反転タイミングでのトルク指令値により算出し、前記トルク比例分位置に応じて前記バックラッシュ補償値を出力するタイミングを可変する、ことを特徴とする。

前記補償位置演算器は、前記指令反転タイミングでの位置指令と、現在の位置指令と、の差分値である反転後移動距離を算出し、前記指令反転タイミングでのトルク指令値を、前記送り軸と負荷との間のバネ要素のバネ定数で除算して、前記トルク比例分位置を算出し、前記反転後移動距離が、前記トルク比例分位置に達した際に、前記バックラッシュ補償値を出力する、ことが望ましい。

本発明による位置制御装置によれば、制御対象（送り軸）の摺動抵抗が大きい場合でも高精度に軸を制御できる。

本発明の実施例を示すブロック図である。本発明の実施例の補償位置演算器を示すブロック図である。本発明の実施例を示すブロック図である。本発明の制御対象モデルの図である。従来技術を示すブロック図である。従来技術の補償時間演算器を示すブロック図である。

本発明の実施例について説明する。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。図１に本発明の位置制御装置のブロック図を示す。補償位置演算器１４は、前記位置指令反転タイミングＴｂと前記位置指令Ｐｃと前記トルク指令Ｔｃに基づき、バックラッシュ補償値Ｐｂｃを出力する。

図２に本発明の補償位置演算器１４のブロック図を示す。ラッチ回路１４１は、前記トルク指令Ｔｃを前記位置指令反転タイミングＴｂでラッチした位置指令反転タイミングトルク指令Ｔｃｃを出力する。除算絶対値化回路１４２は、前記位置指令反転タイミングトルク指令Ｔｃｃを予め設定した係数Ｋｇで除算したのちに絶対値化したトルク比例分位置｜Ｐｔ｜を比較器１４６に入力する。ラッチ回路１４３は、前記位置指令Ｐｃを前記位置指令反転タイミングＴｂでラッチした位置指令反転タイミング位置指令Ｐｃｃとして出力する。減算器１４４は、前記位置指令Ｐｃと前記位置指令反転タイミング位置指令Ｐｃｃとの差分を演算する。絶対値化回路１４５は、この差分値を絶対値化した反転後移動距離｜ΔＰｃｃ｜を前記比較器１４６に入力する。前記比較器１４６は、前記反転後移動距離｜ΔＰｃｃ｜が前記トルク比例分位置｜Ｐｔ｜を超えた場合にセレクタ１４９に対して切換信号を出力し、セレクタ１４９は、その信号を受けて、予め規定されたバックラッシュ補償値Ｐｂｃを出力する。なお、セレクタ１４９は、次回逆方向への反転が生じるまで、バックラッシュ補償値Ｐｂｃを継続的に出力する。次回逆方向への反転が生じれば、セレクタ１４９の出力値を「０」に戻す。

具体的には、制御対象を図４のモデルで説明する。制御対象１１２が右方向に動作している間は、モータ８と制御対象１１２との間のバネ要素１０１（例えばボールネジ等）は縮み、モータ−制御対象間のバックラッシュ１０２は進行方向にバックラッシュ０の状態で移動する。また、前記制御対象１１２と負荷１１３との間のバネ要素１１１を縮めて前記負荷１１３を移動させる。反転時には、前記制御対象１１２と前記負荷１１３の摺動抵抗等により縮んだバネ要素１１１が制御対象１１２を左側に押すため、位置指令によりモータがある程度左側に動くまで、反転前のバックラッシュ０を維持したまま制御対象１１２は左側へ動作する。その後、前記制御対象１１２と前記負荷１１３との間のバネ要素１１１の縮みが解消したと同時にバックラッシュが発生する。なお、バネモデルであるため、バックラッシュが発生するまでの制御対象１１２の距離Ｐｔは、前記制御対象１１２と前記負荷１１３間のバネ要素１１１のバネ定数をＫｇとして、前記トルク位置指令反転タイミングトルク指令Ｔｃｃにより
Ｐｔ＝Ｔｃｃ÷Ｋｇ・・・（式１）
で与えられる。

本発明では、上記モデルに基づいた反転後からバックラッシュが発生するまでの制御対象１１２の移動距離であるトルク比例分位置｜Ｐｔ｜でバックラッシュを補償でき、テーブルの先にバネ要素があるようなモデルでも、高精度に軸を反転させることができる。なお、前記制御対象と負荷間のバネ要素１１１のバネ定数Ｋｇは位置指令反転タイミングトルク指令Ｔｃｃとバックラッシュ発生位置を測定することで、予め算出できる。

図３に本発明の他の実施例のブロック図を示す。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。ボールネジ１０を介してモータ８によりテーブル１１を動作させる制御対象において、前記モータ位置検出器７がモータ位置検出値Ｐｍを出力する。指令反転検出器１３は、位置指令演算器１より出力された位置指令Ｐｃより、位置指令が反転する位置指令反転タイミングＴｂを出力する。該位置指令反転タイミングＴｂに基づき補償位置演算器１４がバックラッシュ補償値Ｐｂｃを出力する。該バックラッシュ補償値Ｐｂｃと前記位置指令Ｐｃの加算値から前記モータ位置検出値Ｐｍとの位置偏差Ｐｄｉｆを減算器２が算出する。速度指令演算器３が前記位置偏差に基づき比例ゲインＫｐを乗算し速度指令Ｖｃ出力する。前記モータ位置検出値Ｐｍを微分器１２が微分しモータの速度検出値Ｖｍを出力する。前記速度指令Ｖｃとモータの速度検出値Ｖｍの偏差を減算器４により求め、速度偏差として出力する。該速度偏差に基づき、トルク指令演算器５がトルク指令Ｔｃを出力する。該トルク指令に基づき、各種フィルタ部、電流制御部６が前記モータの電流を制御し、モータを動作させる。

具体的には、前記位置指令反転タイミングトルク指令Ｔｃｃと、ミリメスやレーザ測長器等でバックラッシュ発生位置を予め測定することで（式１）中のＫｇは予め設定でき、テーブルの位置検出器がなくても、バックラッシュを所望の位置で補償でき、高精度に軸を反転させることができる。

なお、送り軸は、直線移動する物に限らず、回転移動するものについても同様である。例えば、ウォームギア等により回転移動する送り軸（テーブル等）の中には、バックラッシュが大きく、送り軸の先に防水のためのシール等を配置することで、摺動抵抗が大きくなっているような機構の送り軸もある。かかる機構の送り軸においても、本発明の技術を用いることで、バックラッシュを所望の位置で補償でき、高精度に軸を反転させることができる。

１位置指令演算器、２，４，１４４減算器、３速度指令演算器、５トルク指令演算器、６電流制御部、７モータ位置検出器、８モータ、９テーブル位置検出器、１０ボールネジ、１１テーブル、１２微分器、１３指令反転検出器、１４補償位置演算器、１５補償時間演算器、１０１モータ−制御対象間のバネ要素、１０２モータ−制御対象間のバックラッシュ、１１１制御対象−負荷間のバネ要素、１１２制御対象、１１３負荷、１４１，１４３ラッチ回路、１４２除算絶対値化回路、１４５絶対値化回路、１４６比較器、１４７，１５２係数、１４８，１５３係数（バックラッシュ補償値）、１４９，１５４セレクタ、１５１遅延器。

Claims

モータにより駆動される送り軸の位置をフルクローズ制御する位置制御装置において、
位置指令と、前記送り軸の位置を検出する第２の位置検出器からの位置検出値と、の差から速度指令を出力する速度指令演算器と、
前記速度指令と、前記モータの位置を検出する第１の位置検出器からの位置検出値を微分して得られる速度検出値と、の差からトルク指令を出力するトルク指令演算器と、
前記トルク指令に基づきモータの電流を制御する電流制御部と、
前記位置指令により前記送り軸の移動方向の反転が指令されるタイミングである指令反転タイミングを検出する指令反転検出器と、
前記送り軸の移動方向の反転時に生じるバックラッシュを補償するバックラッシュ補償値を出力し、位置指令に加算する補償位置演算器と、
を備え、
前記補償位置演算器は、前記指令反転タイミングからバックラッシュ発生までの前記送り軸の移動距離であるトルク比例分位置を前記指令反転タイミングでのトルク指令値により算出し、前記トルク比例分位置に応じて前記バックラッシュ補償値を出力するタイミングを可変する、
ことを特徴とする位置制御装置。
モータにより駆動される送り軸の位置をフルクローズ制御する位置制御装置において、
位置指令と、前記モータの位置を検出する第１の位置検出器からの位置検出値と、の差から速度指令を出力する速度指令演算器と、
前記速度指令と、前記第１の位置検出器からの位置検出値とを微分して得られる速度検出値と、の差からトルク指令を出力するトルク指令演算器と、
前記トルク指令に基づきモータの電流を制御する電流制御部と、
前記位置指令により前記送り軸の移動方向の反転が指令されるタイミングである指令反転タイミングを検出する指令反転検出器と、
前記送り軸の移動方向の反転時に生じるバックラッシュを補償するバックラッシュ補償値を出力し、位置指令に加算する補償位置演算器と、
を備え、
前記補償位置演算器は、前記指令反転タイミングからバックラッシュ発生までの前記送り軸の移動距離であるトルク比例分位置を前記指令反転タイミングでのトルク指令値により算出し、前記トルク比例分位置に応じて前記バックラッシュ補償値を出力するタイミングを可変する、
ことを特徴とする位置制御装置。
請求項１または２に記載の位置制御装置であって、
前記補償位置演算器は、
前記指令反転タイミングでの位置指令と、現在の位置指令と、の差分値である反転後移動距離を算出し、
前記指令反転タイミングでのトルク指令値を、前記送り軸と負荷との間のバネ要素のバネ定数で除算して、前記トルク比例分位置を算出し、
前記反転後移動距離が、前記トルク比例分位置に達した際に、前記バックラッシュ補償値を出力する、
ことを特徴とする位置制御装置。