JP2018128735A - サーボ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】周波数特性に対応付けたパラメータを復元することにより、自動調整後にユーザの要求や調整結果の評価に応じて、調整前の状態又は過去の状態に適切に復元できるサーボ制御装置を提供すること。【解決手段】サーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、速度制御ゲイン１４と、フィルタ２１と、パラメータ保持部２４と、正弦波外乱入力部１５と、周波数特性算出部２２と、パラメータ調整部２３と、を具備する。パラメータ保持部２４は、周波数特性算出部２２が得た過去の周波数特性の履歴を、過去のパラメータ履歴と対応付けて保持する。【選択図】図２

Description

本発明は、サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械に用いられるサーボ制御装置に関する。
従来、サーボ制御装置において、保存されたパラメータを復元することにより、以前の制御条件に戻すことができる機能を有するものが知られている。この種の技術を開示するものとして例えば特許文献１や特許文献２がある。
特許文献１には、数値制御装置内のとりわけサーボ制御に関係するパラメータを簡単に設定できる手法について記載されている。特許文献１の構成を適用することで、機械構造を熟知していなくても、モータ制御のパラメータを簡単に指定することが可能となる。特許文献２には、過去に実行した自動調整の結果を履歴として保存し、その履歴からパラメータを復元するという手法について記載されている。ここでの履歴は、機械構造の構成情報（重さ、寸法、材質、型式等）および調整方法（直動機構用、ボールねじ用、近似剛体用という代表パターンのための調整則）に対応付けされている。
特開２００７−５２５０５号公報 特開２０１２−１０３８２７号公報
ところで、自動調整機能を有するサーボ制御装置において、ゲインやフィルタの自動調整の結果が満足できない場合や、自動調整の実施忘れ等で制御特性が加工物や加工条件に適合しない場合等に過去の適切な制御条件に復元したい場合がある。特に、自動調整はユーザが容易に行うことができるため、元の状態に復元したいニーズがあった。この点、特許文献１に記載される制御装置では、パラメータの指定や変更を容易にできるものの、以前の特性を実現できるパラメータに戻すことは容易ではなかった。また、誤操作によってパラメータが変更されることもある。
パソコンのオペレーティングシステムにおける復元ポイントのような考え方もあるが、いわゆる復元ポイントはある時点（日付）に対応付けて設定を保存したものに過ぎない。特許文献２に記載される制御パラメータ調整装置では、自動調整の結果が履歴として保存されているものの、機械構造の情報が事前に必要となる上、共振周波数の変動や潤滑状態の変動といった制御上のモデル化誤差に対して柔軟に対応できなかった。例えば、工作機械の機構部分が改造された場合、現実の機械構造と登録された機械構造の情報の間に違いが生じ、履歴に基づいて調整した結果が実情に合わなくなってしまう。
本発明は、自動調整後にユーザの要求や調整結果の評価に応じて、調整前の状態又は過去の状態に適切に復元できるサーボ制御装置を提供することを目的とする。
（１） 本発明は、サーボモータ（例えば、後述のサーボモータ３）で駆動される送り軸（例えば、後述の伝達機構２）を有する工作機械（例えば、後述の工作機械１）におけるサーボ制御装置（例えば、後述のサーボ制御装置１０）において、前記サーボモータの速度指令値を作成する速度指令作成部（例えば、後述の速度指令作成部１１）と、前記サーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部（例えば、後述のトルク指令作成部１２）と、前記サーボモータの速度を検出する速度検出部（例えば、後述の速度検出部１３）と、前記速度指令作成部と前記トルク指令作成部と前記速度検出部とで構成する速度制御ループ（例えば、後述の速度制御ループ３０）と、前記速度制御ループの制御ゲインである速度制御ゲイン（例えば、後述の速度制御ゲイン１４）と、前記トルク指令作成部が作成するトルク指令に含まれる特定の周波数成分を減衰させるフィルタ（例えば、後述のフィルタ２１）と、前記速度制御ゲインおよび前記フィルタの特性を指定するパラメータを保持するパラメータ保持部（例えば、後述のパラメータ保持部２４）と、前記速度制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部（例えば、後述の正弦波外乱入力部１５）と、正弦波を前記速度制御ループへ入力したときの前記速度制御ループの出力から、速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部（例えば、後述の周波数特性算出部２２）と、前記パラメータ保持部が保持するパラメータを前記周波数特性算出部が算出する周波数特性に基づいて調整するパラメータ調整部（例えば、後述のパラメータ調整部２３）とを具備し、前記パラメータ保持部は前記周波数特性算出部が得た過去の周波数特性の履歴を、過去のパラメータ履歴と対応付けて保持するサーボ制御装置に関する。
（２） （１）に記載のサーボ制御装置において、前記パラメータ調整部は、パラメータ調整を実行する前のパラメータを前記パラメータ保持部に保持させてからパラメータ調整を実行してもよい。
（３） （１）又は（２）に記載のサーボ制御装置において、前記パラメータ保持部は前記パラメータ調整部が調整した結果得られる周波数特性の履歴を保持し、その履歴の中から周波数特性を指定して対応パラメータを復元してもよい。
（４） （１）から（３）の何れかに記載のサーボ制御装置において、前記パラメータ保持部は、周波数特性の履歴をグラフ、利得余裕、位相余裕、加工精度情報又はそれらの組み合わせとして保持してもよい。
本発明のサーボ制御装置によれば、周波数特性に対応付けたパラメータを復元することにより、自動調整後にユーザの要求や調整結果の評価に応じて、調整前の状態又は過去の状態に適切に復元できる。
本発明の一実施形態に係るサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態のサーボ制御装置によるパラメータの復元処理を示すフローである。 加工物変更前の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。 加工物変更に伴って自動調整を行った後の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。 パラメータ復元後の周波数特性を示す説明図（ボード線図）である。
以下、送り軸を有する工作機械のサーボモータを制御するサーボ制御装置を本発明の好ましい実施形態として図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るサーボ制御装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態のサーボ制御装置１０は、伝達機構（送り軸）２を介して工作機械１の駆動体（図示省略）を可動させるサーボモータ３の制御を行うものである。例えば、伝達機構２はボールネジであり、駆動体はボールネジによって可動するテーブルである。
次に、サーボ制御装置１０の構成について説明する。図１に示すように、サーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、フィルタ２１と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、加算器２０と、速度制御ゲイン１４と、正弦波外乱入力部１５と、フィルタ２１と、周波数特性算出部２２と、パラメータ調整部２３と、パラメータ保持部２４と、を備える。
速度指令作成部１１は、サーボモータ３を駆動するための速度指令値を作成する。速度指令作成部１１により作成された速度指令値は加算器２０に出力される。
トルク指令作成部１２は、サーボモータ３のトルク指令値を作成する。トルク指令作成部１２で作成されたトルク指令値は、フィルタ２１に送られる。
フィルタ２１は、トルク指令値に含まれる特定の周波数成分を減衰させる。フィルタ２１により特定の周波数成分が減衰したトルク指令値に基づいてサーボモータ３が駆動する。本実施形態のフィルタ２１の特性は、パラメータ保持部２４から入力されるパラメータによって調整される。
速度検出部１３は、サーボモータ３の速度を速度検出値として検出する。速度検出値は、例えば、サーボモータ３に設けられるエンコーダによって測定された測定値に基づいて算出される。
速度制御ループ３０は、速度指令作成部１１とトルク指令作成部１２と速度検出部１３を含んで構成される。
加算器２０では、速度指令作成部１１によって作成された速度指令値から速度検出部１３により検出された速度検出値が減算されるとともに、速度制御ループ３０に正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部１５で作成された正弦波外乱が加算される。この正弦波外乱入力部１５の周波数は逐次変更される。
速度制御ゲイン１４は、加算器２０の計算結果に乗じる制御ゲインを設定する。本実施形態では、速度制御ゲイン１４によって設定された制御ゲインと加算器２０の計算結果に基づいてトルク指令値がトルク指令作成部１２によって作成される。本実施形態の速度制御ゲイン１４の制御ゲインは、パラメータ保持部２４のパラメータによって調整される。
周波数特性算出部２２には、正弦波外乱入力部１５から正弦波外乱が入力される。周波数特性算出部２２は、正弦波外乱をサーボ制御装置１０の速度制御ループ３０へ入力したときの速度制御ループ３０の出力から、速度制御ループ３０の入出力信号の利得と位相を推定する。更に、周波数特性算出部２２は、正弦波外乱入力部１５からの外乱入力周波数を基本周波数とした、任意の項数からなるフーリエ級数によって速度制御ループ３０の出力を表現し、そのフーリエ級数の基本波成分の振幅と位相を算出することで周波数特性をオンラインで算出する。周波数特性算出部２２で算出された周波数特性はパラメータ調整部２３に送られる。
パラメータ調整部２３は、周波数特性算出部２２から入力される周波数特性に基づいてパラメータ保持部２４が保持するパラメータを調整する信号を出力する。
パラメータ保持部２４は、速度制御ゲイン１４およびフィルタ２１の特性を指定するためのパラメータを保持する。なお、パラメータ保持部２４に保持されるパラメータとしては、速度制御ゲイン１４に設定するゲイン値、フィルタ２１の周波数、深さ、傾き、帯域幅等の特性情報等である。パラメータ保持部２４のパラメータは、周波数特性算出部２２の周波数特性に基づいて調整される。このように、本実施形態のサーボ制御装置１０は、自動調整機能を有し、任意のタイミング又は予め設定されたタイミングで自動調整が行われる。
また、パラメータ保持部２４では、周波数特性算出部２２で算出された周波数特性がこれに対応するパラメータや関連情報と対応付けて記憶される。関連情報として、ボード線図等の周波数特性のグラフ、利得余裕、位相余裕、加工精度情報等であり、これらの関連情報が組み合わせて記憶される。加工精度情報としては、例えば、所定の精度条件を上回っていたこと等を示すメモ等のテキスト情報を用いることができる。
次に、本実施形態のサーボ制御装置１０による過去の周波数特性の履歴からパラメータ設定を復元する復元機能について説明する。復元機能は、速度制御ゲイン１４やフィルタ２１の自動調整の結果が満足できない場合や自動調整の実施忘れ等に起因し、制御特性が加工物や加工条件に適合しない場合に使用する機能である。
図２は、本実施形態のサーボ制御装置１０によるパラメータの復元処理を示すフローである。図３は、加工物変更前の周波数特性を示す説明図である。
工作機械１の加工対象である加工物が変更されると、微調整のため自動調整がサーボ制御装置１０により実施される。パラメータ調整部２３が速度制御ゲイン１４およびフィルタ２１の自動調整を開始すると（ステップＳ１０１）、パラメータ保持部２４が自動調整実行前の周波数特性およびパラメータを保存して履歴に格納する（ステップＳ１０２）。例えば、図３に示す周波数特性および該周波数特性に対応するパラメータがパラメータ保持部２４に格納される。
正弦波外乱入力部１５が正弦波外乱を入力する（ステップＳ１０３）とともに、速度検出部１３が速度検出値を検出する（ステップＳ１０４）。トルク指令作成部１２が、速度指令値と速度検出値とからトルク指令値を作成する（ステップＳ１０５）。
図４は、加工物変更に伴って自動調整を行った後の周波数特性を示す説明図である。周波数特性算出部２２は周波数特性をオンラインで算出し（ステップＳ１０６）、パラメータ調整部２３が周波数特性算出部２２で算出された周波数特性に基づいてパラメータ保持部２４のパラメータを調整し、速度制御ゲイン１４およびフィルタ２１の特性を変更する（ステップＳ１０７）。例えば、図３に示す周波数特性が図４に示す周波数特性に変更される。
ステップＳ１０７の処理の後、パラメータが加工条件に適合するか否かが判定される（ステップＳ１０８）。このステップＳ１０８の処理でパラメータが加工条件に適合している場合はフローを終了し、パラメータが加工条件に適合していない場合はパラメータを復元するか否かの判定を行う処理（ステップＳ１０９）に移行する。例えば、図４に示す周波数特性では、精度が不十分で加工条件に合わないため、ステップＳ１０９の処理に移行する。
ステップＳ１０９の処理でパラメータを復元しない場合はフローが終了する。ステップＳ１０９の処理でパラメータの復元が選択された場合は、履歴に保存される周波数特性の中から所定の周波数特性が指定され、所定の周波数特性に対応したパラメータがパラメータ保持部２４によって復元される（ステップＳ１１０）。
図５は、パラメータ復元後の周波数特性を示す説明図である。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０では、過去に精度の条件を満たした別の周波数特性が履歴から選ばれ、当該周波数特性に対応するパラメータがパラメータ保持部２４に復元される。復元されたパラメータにより、速度制御ゲイン１４およびフィルタ２１の特性が変更され、その結果、図４に示す状態から図５に示す状態へと周波数特性が変わり、調整時間に伴うダウンタイムを回避することができる。
なお、ステップＳ１０８〜Ｓ１１０の処理では、予め設定される評価基準と調整結果の評価に応じて自動的にパラメータの復元の可否および過去の周波数特性の指定が行われる構成としてもよいし、表示画面や操作部等のインターフェース（図示省略）を介してユーザが選択および指定した結果（ユーザの要求）に応じてパラメータが復元される構成としてもよい。
以上説明した本実施形態は、以下のように構成される。
本実施形態のサーボ制御装置１０は、速度指令作成部１１と、トルク指令作成部１２と、速度検出部１３と、速度制御ループ３０と、速度制御ゲイン１４と、フィルタ２１と、パラメータ保持部２４と、正弦波外乱入力部１５と、周波数特性算出部２２と、パラメータ調整部２３と、を具備する。パラメータ保持部２４は、周波数特性算出部２２が得た過去の周波数特性の履歴を、過去のパラメータ履歴と対応付けて保持する。
これにより、過去の特性履歴に対応付けてそのパラメータの履歴が保持されるので、制御特性に対応付けられたパラメータを復元できる。サーボ制御装置の復元ポイントを持つことで、軸の制御特性が不適合な状態からの脱出が容易になり、調整に伴う時間やそれによって生じるダウンタイムを減らして自動調整を活用することができる。
また、特性（制御性能）に対応付けた設定履歴の中から指定した制御特性を再現できるので、自動調整の結果が加工条件や加工物の実情に不適合であっても、容易に以前の制御条件に戻すことができる。自動調整はユーザにとって容易に行うことができため、メモ等をつけずに複数繰り返されることもあるが、このような場合であっても容易に以前の状態に戻すことができるのである。
また、機械構造の事前情報が不要で、共振周波数の変動や潤滑状態の変動といった制御上のモデル化誤差に対しても柔軟に対応できる。
また、機構部分の改造や部品の追加によって構成が大きく変わったりする場合がある。例えば、３軸加工機に後付でトラニオンを積載して４軸や５軸の加工機にする場合等である。このような場合に、過去の履歴を活用して改造前後のパラメータを比較することもできる。パラメータそのものを簡単に調整できるとともに、どのような制御性能の状態へ戻るかを明示したものから選ぶという構成が実現できるのである。
また、本実施形態では、パラメータ調整部２３は、パラメータ調整を実行する前のパラメータをパラメータ保持部２４に保持させてからパラメータ調整を実行する。
これにより、過去のパラメータが自動的に保持されることになるので、ユーザの操作忘れに起因してパラメータが保持されない事態を確実に防止することができる。
また、本実施形態では、パラメータ保持部２４はパラメータ調整部２３が調整した結果得られる周波数特性の履歴を保持し、その履歴の中から周波数特性を指定して対応パラメータを復元する。
これにより、実際に計測した周波数応答（例えば、ボード線図やナイキスト線図）そのものがパラメータに対応付けて保存されることになる。パラメータが、機械構造や加工対象等に応じて決まる実際の周波数特性に対応することになるので、精度良く工作機械の実際の状態を復元処理に反映できる。
また、本実施形態では、パラメータ保持部２４は、周波数特性の履歴をグラフ、利得余裕、位相余裕、加工精度情報又はそれらの組み合わせとして保持する。
これにより、ユーザが把握しやすい情報や実情に合わせた情報がパラメータとして記憶されることになるので、復元時の再現性をより一層向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、速度制御ループ３０は、一例として示されたものであり、速度制御ループ３０の構成自体が重要ではなく、図１に示した破線部を１つの入出力関係をもつシステムと捉えることもできる。また、フィルタ２１についても２つ以上配置される構成としてもよい。フィルタ２１が複数ある場合でも本実施形態では各フィルタ２１のパラメータが周波数特性と対応付けて保存されることになるので、速やかに復元処理を実行することができる。
１ 工作機械
２ 伝達機構（送り軸）
３ サーボモータ
１０ サーボ制御装置
１１ 速度指令作成部
１２ トルク指令作成部
１３ 速度検出部
１４ 速度制御ゲイン
１５ 正弦波外乱入力部
２１ フィルタ
２２ 周波数特性算出部
２３ パラメータ調整部
２４ パラメータ保持部
３０ 速度制御ループ

Claims (4)

  1. サーボモータで駆動される送り軸を有する工作機械におけるサーボ制御装置において、
    前記サーボモータの速度指令値を作成する速度指令作成部と、
    前記サーボモータのトルク指令値を作成するトルク指令作成部と、
    前記サーボモータの速度を検出する速度検出部と、
    前記速度指令作成部と前記トルク指令作成部と前記速度検出部とで構成する速度制御ループと、
    前記速度制御ループの制御ゲインである速度制御ゲインと、
    前記トルク指令作成部が作成するトルク指令に含まれる特定の周波数成分を減衰させるフィルタと、
    前記速度制御ゲインおよび前記フィルタの特性を指定するパラメータを保持するパラメータ保持部と、
    前記速度制御ループへの正弦波掃引を行う正弦波外乱入力部と、
    正弦波を前記速度制御ループへ入力したときの前記速度制御ループの出力から、速度制御ループ入出力信号の利得と位相を推定するための周波数特性算出部と、
    前記パラメータ保持部が保持するパラメータを前記周波数特性算出部が算出する周波数特性に基づいて調整するパラメータ調整部と、
    を具備し、
    前記パラメータ保持部は前記周波数特性算出部が得た過去の周波数特性の履歴を、過去のパラメータ履歴と対応付けて保持するサーボ制御装置。
  2. 前記パラメータ調整部は、パラメータ調整を実行する前のパラメータを前記パラメータ保持部に保持させてからパラメータ調整を実行する請求項１に記載のサーボ制御装置。
  3. 前記パラメータ保持部は、前記パラメータ調整部が調整した結果得られる周波数特性の履歴を保持し、その履歴の中から周波数特性を指定して対応パラメータを復元する請求項１又は２に記載のサーボ制御装置。
  4. 前記パラメータ保持部は、周波数特性の履歴をグラフ、利得余裕、位相余裕、加工精度情報又はそれらの組み合わせとして保持する請求項１から３の何れかに記載のサーボ制御装置。
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