JP2615392B2 - 工具微動台 - Google Patents
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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- G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工具の精密位置決めを行う超精密切削加工
用工具微動台に関するものであり、特にその動剛性を改
善するための制御系を備えた工具微動台に関するもので
ある。
用工具微動台に関するものであり、特にその動剛性を改
善するための制御系を備えた工具微動台に関するもので
ある。
［従来の技術］ 超精密加工用の工具微動台として、圧電素子アクチュ
エータにより弾性支持案内部材で支持された工具を変位
させるものは既に知られている。
エータにより弾性支持案内部材で支持された工具を変位
させるものは既に知られている。
この種の工具微動台においては、工具の変位量を圧電
素子アクチュエータの印加電圧にフィードバックする閉
ループ制御を行う必要がある。その主な理由は、次の通
りである。
素子アクチュエータの印加電圧にフィードバックする閉
ループ制御を行う必要がある。その主な理由は、次の通
りである。
．圧電素子のヒステリシス特性の影響を除去しない
と、精密な工具の位置決めを行うことができない。すな
わち、ヒステリシスがあると、印加電圧が一定でも変位
履歴によって変位が一意に決まらないので、精密な工具
位置制御が損なわれる。
と、精密な工具の位置決めを行うことができない。すな
わち、ヒステリシスがあると、印加電圧が一定でも変位
履歴によって変位が一意に決まらないので、精密な工具
位置制御が損なわれる。
．剛性が不足しているので、それを閉ループ制御等で
補う必要がある。すなわち、剛性が不足すると、切削反
力によって工具の変位が影響され、精密な工具位置制御
が損なわれる。
補う必要がある。すなわち、剛性が不足すると、切削反
力によって工具の変位が影響され、精密な工具位置制御
が損なわれる。
．ばねと可動部の質量で決まる固有振動数の鋭い共振
特性があるため、それを避ける必要がある。すなわち、
変位制御入力に共振を励起する周波数成分が含まれる
と、共振周波数で振動が持続する（工具変位が振動す
る）。
特性があるため、それを避ける必要がある。すなわち、
変位制御入力に共振を励起する周波数成分が含まれる
と、共振周波数で振動が持続する（工具変位が振動す
る）。
上記の問題の解決を図るようにした従来の典型的な閉
ループ制御系は、第５図に示すように、閉ループの中に
ノッチフィルタを設けることにより、工具台の共振をキ
ャンセルするものが一般的であり、これにより特性を平
坦化し、またループ中の積分器で低周波域でのループゲ
インを稼いでいる。
ループ制御系は、第５図に示すように、閉ループの中に
ノッチフィルタを設けることにより、工具台の共振をキ
ャンセルするものが一般的であり、これにより特性を平
坦化し、またループ中の積分器で低周波域でのループゲ
インを稼いでいる。
しかしながら、このような制御系では、静特性（ヒス
テリシス特性）、動特性（周波数特性の平坦化）、及び
静剛性（静的な力に対して変位を最小限にする）は改善
されても、動剛性の改善には効果がない。上記動剛性と
は、剛性すなわち「単位変位を与える力の大きさ」の周
波数特性で、具体的には、ある周波数をもつ正弦波の力
を考えたとき、その振幅を変位で割ったものである。ま
た、上記静剛性とは、静的な力を加えたとき、その大き
さを変位の大きさで割ったものである。
テリシス特性）、動特性（周波数特性の平坦化）、及び
静剛性（静的な力に対して変位を最小限にする）は改善
されても、動剛性の改善には効果がない。上記動剛性と
は、剛性すなわち「単位変位を与える力の大きさ」の周
波数特性で、具体的には、ある周波数をもつ正弦波の力
を考えたとき、その振幅を変位で割ったものである。ま
た、上記静剛性とは、静的な力を加えたとき、その大き
さを変位の大きさで割ったものである。
上記ノッチフィルタで動剛性が改善されない理由をさ
らに具体的に説明すると、工具台の共振特性は、工具大
の質量とそれを支えるばね剛性で構成される機械的共振
に由来する。コンプライアンス伝達関数は外乱である力
から変位までの伝達関数であるが、これは工具台を駆動
する圧電素子の印加電圧から変位までの伝達関数、すな
わち工具台の伝達関数と相似になる。これは実測データ
からも言える。工具台の伝達関数をＰ、ノッチフィルタ
の伝達関数をＱとすると、変位フィードバックを施した
系の伝達関数は、PQ/（１＋PQ）となり、Ｐの共振とＱ
の反共振は互いに打ち消し合って、共振のない応答特性
が得られる。しかし、コンプライアンス伝達関数は、P/
（１＋PQ）となり、Ｐのもつ共振特性をそのまま現わ
す。すなわち、動剛性は改善されない。
らに具体的に説明すると、工具台の共振特性は、工具大
の質量とそれを支えるばね剛性で構成される機械的共振
に由来する。コンプライアンス伝達関数は外乱である力
から変位までの伝達関数であるが、これは工具台を駆動
する圧電素子の印加電圧から変位までの伝達関数、すな
わち工具台の伝達関数と相似になる。これは実測データ
からも言える。工具台の伝達関数をＰ、ノッチフィルタ
の伝達関数をＱとすると、変位フィードバックを施した
系の伝達関数は、PQ/（１＋PQ）となり、Ｐの共振とＱ
の反共振は互いに打ち消し合って、共振のない応答特性
が得られる。しかし、コンプライアンス伝達関数は、P/
（１＋PQ）となり、Ｐのもつ共振特性をそのまま現わ
す。すなわち、動剛性は改善されない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上記動剛性の改善をも行うこ
とが可能な閉ループ制御系を持った工具微動台を得るこ
とにある。
とが可能な閉ループ制御系を持った工具微動台を得るこ
とにある。
［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明の工具微動台は、平
行移動する弾性支持案内部材により工具を支持し、その
支持案内部材に圧電素子アクチュエータにより変位を与
え、変位検出センサによって工具の変位量を検出して閉
ループ制御を行うようにした工具微動台において、上記
変位検出センサの出力である変位信号ｘと変位指令信号
ｒの差が入力されるところの、少なくとも積分器で構成
される調節器と、上記変位信号ｘ及び工具台の圧電素子
アクチュエータへの制御入力ｕのそれぞれを線形結合し
た信号を入力とする１次遅れ系の出力と上記変位信号ｘ
とを線形結合することにより速度信号の推定値 を得て、その速度信号の推定値を出力する状態観測器
と、上記速度信号の推定値と上記変位信号とを工具台の
共振点における減衰率が十分高くなるような係数でもっ
て線形結合をした信号を、前記調節器から出力される信
号に加算し、圧電素子アクチュエータへの印加電圧指令
信号とするフィードバック回路とを備えたことを特徴と
するものである。
行移動する弾性支持案内部材により工具を支持し、その
支持案内部材に圧電素子アクチュエータにより変位を与
え、変位検出センサによって工具の変位量を検出して閉
ループ制御を行うようにした工具微動台において、上記
変位検出センサの出力である変位信号ｘと変位指令信号
ｒの差が入力されるところの、少なくとも積分器で構成
される調節器と、上記変位信号ｘ及び工具台の圧電素子
アクチュエータへの制御入力ｕのそれぞれを線形結合し
た信号を入力とする１次遅れ系の出力と上記変位信号ｘ
とを線形結合することにより速度信号の推定値 を得て、その速度信号の推定値を出力する状態観測器
と、上記速度信号の推定値と上記変位信号とを工具台の
共振点における減衰率が十分高くなるような係数でもっ
て線形結合をした信号を、前記調節器から出力される信
号に加算し、圧電素子アクチュエータへの印加電圧指令
信号とするフィードバック回路とを備えたことを特徴と
するものである。
［作 用］ 圧電素子アクチュエータに電圧が印加されると、電圧
に応じて工具台が変位し、この変位は変位検出センサに
より検出され、状態観測器に入力される。状態観測器に
おいては、速度信号の推定値が求められ、これが周波数
応答を平坦化するための適切なゲインで圧電素子アクチ
ュエータの印加電圧にフィードバックされる。
に応じて工具台が変位し、この変位は変位検出センサに
より検出され、状態観測器に入力される。状態観測器に
おいては、速度信号の推定値が求められ、これが周波数
応答を平坦化するための適切なゲインで圧電素子アクチ
ュエータの印加電圧にフィードバックされる。
そして、この閉ループ制御により、静特性、動特性及
び静剛性が改善されるばかりでなく、周波数応答を平坦
化し、動剛性の改善をも行うことができる。すなわち、
上記変位の微分である速度フィードバックがあると、減
衰率を大きくするのと同等の、共振周波数における共振
の高さを抑える効果が生じ、動剛性が改善される。
び静剛性が改善されるばかりでなく、周波数応答を平坦
化し、動剛性の改善をも行うことができる。すなわち、
上記変位の微分である速度フィードバックがあると、減
衰率を大きくするのと同等の、共振周波数における共振
の高さを抑える効果が生じ、動剛性が改善される。
［実施例］ 第１図は本発明に係る工具微動台の制御系全体の構成
を示し、この工具微動台は、以下に説明するように、制
御対象である工具微動台系と制御系からなるものであ
る。
を示し、この工具微動台は、以下に説明するように、制
御対象である工具微動台系と制御系からなるものであ
る。
＜工具微動台系＞ 工具微動台系は、工具微動台本体10、駆動アンプ、ロ
ーパスフィルタ（１）、変位検出センサ15、変位検出セ
ンサ用増幅器よりなる。
ーパスフィルタ（１）、変位検出センサ15、変位検出セ
ンサ用増幅器よりなる。
工具微動台本体10の構成は、従来から知られているよ
うに、基台上の平行板バネ機構からなる弾性支持案内部
材11により平行移動可能に支持された微動台に工具12を
取付け、その平行板バネ機構を圧電素子アクチュエータ
で変位させるようにしたものである。圧電素子アクチュ
エータは、印加電圧の制御によって工具の変位を制御
し、また変位検出センサ15は工具微動台本体に取付けら
れ、その工具の変位量を検出するものであり、例えば上
記平行板ばね機構に貼着した抵抗線ひずみゲージまたは
非接触変位計等により構成される。
うに、基台上の平行板バネ機構からなる弾性支持案内部
材11により平行移動可能に支持された微動台に工具12を
取付け、その平行板バネ機構を圧電素子アクチュエータ
で変位させるようにしたものである。圧電素子アクチュ
エータは、印加電圧の制御によって工具の変位を制御
し、また変位検出センサ15は工具微動台本体に取付けら
れ、その工具の変位量を検出するものであり、例えば上
記平行板ばね機構に貼着した抵抗線ひずみゲージまたは
非接触変位計等により構成される。
従って、圧電素子アクチュエータに電圧が印加される
と、その電圧に応じて工具が切り込み方向に変位し、そ
の変位が変位検出センサ15により検出され、その出力が
微動台の変位信号として、閉ループ制御のためにフィー
ドバックされる。
と、その電圧に応じて工具が切り込み方向に変位し、そ
の変位が変位検出センサ15により検出され、その出力が
微動台の変位信号として、閉ループ制御のためにフィー
ドバックされる。
ローパスフィルタ（１）は、工具微動台本体10がもと
もと持つ高周波領域の共振特性を工具台の制御信号ｕか
ら工具微動台の変位信号ｘまでの伝達特性において減衰
させるためのものである。工具微動台に高周波数領域の
共振が存在しない場合には不要である。また、駆動アン
プは、入力信号に比例した駆動電圧を圧電素子アクチュ
エータに供給するものである。
もと持つ高周波領域の共振特性を工具台の制御信号ｕか
ら工具微動台の変位信号ｘまでの伝達特性において減衰
させるためのものである。工具微動台に高周波数領域の
共振が存在しない場合には不要である。また、駆動アン
プは、入力信号に比例した駆動電圧を圧電素子アクチュ
エータに供給するものである。
変位検出センサ用に接続された変位検出センサ用増幅
器においては、変位検出センサからの電気信号を受け、
変位信号ｘが出力される。
器においては、変位検出センサからの電気信号を受け、
変位信号ｘが出力される。
＜制御系＞ 制御系は、比較器、調節器、状態観測器、ゲイン要
素、加算器よりなり、変位指令信号ｒと変位信号ｘを受
け、変位信号ｘが変位指令信号ｒに追従するような工具
台の制御入力ｕを出力するものである。
素、加算器よりなり、変位指令信号ｒと変位信号ｘを受
け、変位信号ｘが変位指令信号ｒに追従するような工具
台の制御入力ｕを出力するものである。
上記調節器は、低周波数領域でゲインを増加させるた
めの積分器を含み、必要に応じて、位相及びゲインを調
節するためのリードフィルタ及びローパスフィルタ
（２）を含む。この調節器は、比較器の出力、すなわち
変位検出センサの出力である変位信号ｘと変位指令信号
ｒの差の入力を受け、その位相とゲインを調節した信号
を工具台の制御信号u1として加算器に出力するものであ
る。また、ゲイン要素は、変位信号ｘ及び状態観測器の
出力である速度推定信号 に対してそれぞれ係数k1及びk2を掛け、結果を加算器に
出力するものである。
めの積分器を含み、必要に応じて、位相及びゲインを調
節するためのリードフィルタ及びローパスフィルタ
（２）を含む。この調節器は、比較器の出力、すなわち
変位検出センサの出力である変位信号ｘと変位指令信号
ｒの差の入力を受け、その位相とゲインを調節した信号
を工具台の制御信号u1として加算器に出力するものであ
る。また、ゲイン要素は、変位信号ｘ及び状態観測器の
出力である速度推定信号 に対してそれぞれ係数k1及びk2を掛け、結果を加算器に
出力するものである。
上記調節器の出力u1及びゲイン要素の出力が入力され
る加算器は、それらの入力を加算して工具台の制御入力
ｕを出力し、また、工具台への制御入力ｕ及び前記変位
信号ｘを入力とする状態観測器からは、速度推定信号 が出力される。
る加算器は、それらの入力を加算して工具台の制御入力
ｕを出力し、また、工具台への制御入力ｕ及び前記変位
信号ｘを入力とする状態観測器からは、速度推定信号 が出力される。
次に、上記制御系における状態観測器の構成及び動作
について具体的に説明する。
について具体的に説明する。
工具−工作物間の相対コンプライアンス伝達関数（動
コンプライアンスすなわち動剛性の逆数を、工作機械の
加工点における工具と工作物の間に作用する相対力と相
対変位について適用したもの。周波数特性をもつので、
周波数の関数となる。）の切込み方向成分の最大負実部
（複素数の周波数関数において、実部の値が最も小さい
（負に大きい）点）は、それが小さいほど再生びびり振
動が発生しにくいことが知られている。例えば、アルミ
ニウムのように比切削抵抗Kdが小さい軟質金属では、大
して問題にはならないが、ニッケル等の硬質金属やセラ
ミックス等の脆性材料の超精密切削では、上記最大負実
部が小さいことが、すなわち動剛性が大きいことが、安
定な切削を行う上で不可欠である。
コンプライアンスすなわち動剛性の逆数を、工作機械の
加工点における工具と工作物の間に作用する相対力と相
対変位について適用したもの。周波数特性をもつので、
周波数の関数となる。）の切込み方向成分の最大負実部
（複素数の周波数関数において、実部の値が最も小さい
（負に大きい）点）は、それが小さいほど再生びびり振
動が発生しにくいことが知られている。例えば、アルミ
ニウムのように比切削抵抗Kdが小さい軟質金属では、大
して問題にはならないが、ニッケル等の硬質金属やセラ
ミックス等の脆性材料の超精密切削では、上記最大負実
部が小さいことが、すなわち動剛性が大きいことが、安
定な切削を行う上で不可欠である。
上記制御系は、この最大負実部を小さくすることを可
能にしたものであり、そのため、特に上記変位検出セン
サの出力を増幅器で増幅したのち、状態観測器に入力
し、それによって得られる速度信号の推定値を圧電素子
アクチュエータの印加電圧にフィードバックするように
構成している。
能にしたものであり、そのため、特に上記変位検出セン
サの出力を増幅器で増幅したのち、状態観測器に入力
し、それによって得られる速度信号の推定値を圧電素子
アクチュエータの印加電圧にフィードバックするように
構成している。
共振を抑制するための制御系においては、通常、速度
信号を入力側へフィードバックすることが行われ、モー
タの回転制御等ではタコジェネレータやロータリーエン
コーダ出力の微分信号から速度信号を得ている。
信号を入力側へフィードバックすることが行われ、モー
タの回転制御等ではタコジェネレータやロータリーエン
コーダ出力の微分信号から速度信号を得ている。
しかるに、一般に、変位信号を直接微分して速度信号
を得ると、多くの高周波ノイズが混入し、制御系の安定
動作を損なう原因になる。そのため、本発明が対象とし
ているような超精密位置決めを行う工具台の場合には、
その超精密位置決めのための適用可能な高分解能かつ小
型の速度検出器が得がたいという問題がある。そこで、
このような速度検出器等の必要をなくし、変位信号ｘと
工具台への制御入力ｕとを用いて、速度信号ｘの推定値 を発生させる状態観測器（ステートオブザーバ）によっ
て速度信号を得ている。この状態観測器は、上記変位検
出センサの出力及び 圧電素子アクチュエータへの制御
入力のそれぞれを線形結合した信号を入力とする１次遅
れ系の出力と上記変位検出センサの出力を線形結合する
ことにより、上記速度信号の推定値を得て、その速度信
号の推定値を出力するものであり、ノイズの混入を防ぎ
ながら変位の微分信号を得る有効な手段である。
を得ると、多くの高周波ノイズが混入し、制御系の安定
動作を損なう原因になる。そのため、本発明が対象とし
ているような超精密位置決めを行う工具台の場合には、
その超精密位置決めのための適用可能な高分解能かつ小
型の速度検出器が得がたいという問題がある。そこで、
このような速度検出器等の必要をなくし、変位信号ｘと
工具台への制御入力ｕとを用いて、速度信号ｘの推定値 を発生させる状態観測器（ステートオブザーバ）によっ
て速度信号を得ている。この状態観測器は、上記変位検
出センサの出力及び 圧電素子アクチュエータへの制御
入力のそれぞれを線形結合した信号を入力とする１次遅
れ系の出力と上記変位検出センサの出力を線形結合する
ことにより、上記速度信号の推定値を得て、その速度信
号の推定値を出力するものであり、ノイズの混入を防ぎ
ながら変位の微分信号を得る有効な手段である。
そして、その変位信号ｘと速度信号 とを適当なゲイン（k1,k2）で入力側にフィードバック
することにより、上記周波数特性を平坦化し、共振を抑
制することができる。
することにより、上記周波数特性を平坦化し、共振を抑
制することができる。
状態観測器は、上述したように、変位信号と工具台へ
の制御入力とを用いて、速度信号の推定値を発生させる
ものであるが、その速度信号の推定値は、具体的には、
次のように表わされる。
の制御入力とを用いて、速度信号の推定値を発生させる
ものであるが、その速度信号の推定値は、具体的には、
次のように表わされる。
すなわち、減衰率、固有角振動数及び直流ゲインをそ
れぞれ表わす定数ζ、ω０及びｋ、並びに速度の時間
に関する微分係数を表わすを用いて、工具台の応答特
性を、 ＋２ζω０＋ω0 2x＝ku （１） と表せるものと仮定するとき、ｚを補助変数とし、状態
観測器において、 ＝−az−（ω0 2＋al）ｘ＋ku （２） ただし、ａ≡２ζω０＋ｌ （３） で表わされる動的システムから得られる量 は速度の推定値になる。ここで、ｌは任意の十分に大
きな正の値とする。
れぞれ表わす定数ζ、ω０及びｋ、並びに速度の時間
に関する微分係数を表わすを用いて、工具台の応答特
性を、 ＋２ζω０＋ω0 2x＝ku （１） と表せるものと仮定するとき、ｚを補助変数とし、状態
観測器において、 ＝−az−（ω0 2＋al）ｘ＋ku （２） ただし、ａ≡２ζω０＋ｌ （３） で表わされる動的システムから得られる量 は速度の推定値になる。ここで、ｌは任意の十分に大
きな正の値とする。
なぜなら、推定値の誤差ｅ、つまり状態観測器が出力
する速度推定値と実際の速度の差を、 とおくとき、上記（１）〜（５）式より、 なる関係が導かれ、ｌを十分に大きくとれば、推定誤差
ｅは０に収束するからである。これは、状態観測器の出
力は時間を経た後は実際の速度に等しくなることを示し
ている。式（１）の仮定は一般性を失わない。
する速度推定値と実際の速度の差を、 とおくとき、上記（１）〜（５）式より、 なる関係が導かれ、ｌを十分に大きくとれば、推定誤差
ｅは０に収束するからである。これは、状態観測器の出
力は時間を経た後は実際の速度に等しくなることを示し
ている。式（１）の仮定は一般性を失わない。
変位信号ｘと速度信号の推定値 とを入力側にフィードバックするときのゲイン（k1,
k2）は、鋭い共振を抑え、かつ応答帯域を最大限確保す
ることを目的として、次のようにして決定される。
k2）は、鋭い共振を抑え、かつ応答帯域を最大限確保す
ることを目的として、次のようにして決定される。
まず、制御対象である工具台の応答特性を２次の共振
系とみなす。この応答特性の仮定は、多くの場合、応答
特性が主要な２次の共振を有することから妥当する。そ
して、変位信号ｘ及び速度信号の推定値 にそれぞれ適当なゲインをかけて、アクチュエータの制
御信号にフィードバックすることにより、制御対象であ
る工具台の応答特性を望ましい特性に一致させることが
理論的に可能である。以下にそれを具体的に説明する。
系とみなす。この応答特性の仮定は、多くの場合、応答
特性が主要な２次の共振を有することから妥当する。そ
して、変位信号ｘ及び速度信号の推定値 にそれぞれ適当なゲインをかけて、アクチュエータの制
御信号にフィードバックすることにより、制御対象であ
る工具台の応答特性を望ましい特性に一致させることが
理論的に可能である。以下にそれを具体的に説明する。
速度の推定値が実際の速度に等しいと仮定し、工具台
の制御入力ｕに対し、制御対象である工具台の特性を、
２次の共振系 とあらわすとき、工具台の制御信号u1に変位信号と速度
信号のそれぞれにゲインk1,k2をかけた信号を加算する
と、制御信号u1に対する応答すなわち変位ｘは、 となり、共振の周波数及び減衰率を実質的に任意に変更
することができる。
の制御入力ｕに対し、制御対象である工具台の特性を、
２次の共振系 とあらわすとき、工具台の制御信号u1に変位信号と速度
信号のそれぞれにゲインk1,k2をかけた信号を加算する
と、制御信号u1に対する応答すなわち変位ｘは、 となり、共振の周波数及び減衰率を実質的に任意に変更
することができる。
そして、上記二つのゲインは、工具台の応答特性に鋭
い共振が生じないように、かつ応答帯域を最大限に確保
するように調整されるものである。具体的には、k1は共
振周波数の移動、k2はk1と関連して減衰率の増減に係る
ものである。これは、理論から導き出される値を用いて
も、実際の応答を測定しながら試行錯誤的に調整しても
可能である。
い共振が生じないように、かつ応答帯域を最大限に確保
するように調整されるものである。具体的には、k1は共
振周波数の移動、k2はk1と関連して減衰率の増減に係る
ものである。これは、理論から導き出される値を用いて
も、実際の応答を測定しながら試行錯誤的に調整しても
可能である。
次に、上記速度フィードバックにより動剛性が改善さ
れる理由について具体的に説明する。
れる理由について具体的に説明する。
制御対象である工具台の特性を２次の共振系、 とあらわし、調節器の伝達特性をＱとするとき、外乱ｄ
から変位ｘまでの伝達関数は、 となり、速度フィードバックゲインＫを十分大きな正の
値にすることによって減衰率を大きくするのと同等の効
果が生じる。したがって、共振周波数における共振の高
さを抑える効果が生じ、これは動剛性の改善に相当す
る。
から変位ｘまでの伝達関数は、 となり、速度フィードバックゲインＫを十分大きな正の
値にすることによって減衰率を大きくするのと同等の効
果が生じる。したがって、共振周波数における共振の高
さを抑える効果が生じ、これは動剛性の改善に相当す
る。
また、第１図に示す制御系においては、上記変位検出
センサの出力である変位信号と変位指令信号の差が入力
される調節器を、低周波部分のゲインを調整する積分
器、位相を補償するためのリードフィルタ、及び必要の
ない帯域での共振をカットするローパス・フィルタによ
って構成し、上記変位検出センサにより検出した変位信
号を増幅器で増幅した後、それと印加電圧指令信号との
差に相当する信号を上記調節器に入力し、また、上記状
態観測器からの速度信号の推定値と上記変位検出センサ
の出力とを工具台の共振点における減衰率が十分高くな
るような係数でもって線形結合をした信号を、その調節
器から出力される信号に加算し、それをローパスフィル
タ及び駆動アンプ等を通して圧電素子アクチュエータへ
の印加電圧指令信号とするように構成している。
センサの出力である変位信号と変位指令信号の差が入力
される調節器を、低周波部分のゲインを調整する積分
器、位相を補償するためのリードフィルタ、及び必要の
ない帯域での共振をカットするローパス・フィルタによ
って構成し、上記変位検出センサにより検出した変位信
号を増幅器で増幅した後、それと印加電圧指令信号との
差に相当する信号を上記調節器に入力し、また、上記状
態観測器からの速度信号の推定値と上記変位検出センサ
の出力とを工具台の共振点における減衰率が十分高くな
るような係数でもって線形結合をした信号を、その調節
器から出力される信号に加算し、それをローパスフィル
タ及び駆動アンプ等を通して圧電素子アクチュエータへ
の印加電圧指令信号とするように構成している。
上記両ローパス・フィルタは、圧電アクチュエータの
応答特性のうち、高い周波数の高次の共振特性を無視し
得るように減衰させる目的で用いられている。これによ
って、工具台の応答に関する上記仮定が妥当するが、工
具台の応答特性に高次の共振が無い場合には、このロー
パスフィルタの必要はない。
応答特性のうち、高い周波数の高次の共振特性を無視し
得るように減衰させる目的で用いられている。これによ
って、工具台の応答に関する上記仮定が妥当するが、工
具台の応答特性に高次の共振が無い場合には、このロー
パスフィルタの必要はない。
上記構成を有する工具微動台においては、状態観測器
において速度信号の推定値が求められ、これが圧電素子
アクチュエータの印加電圧にフィードバックされるた
め、静特性、動特性及び静剛性が改善されるばかりでな
く、周波数応答を平坦化し、動剛性が効果的に改善され
る。
において速度信号の推定値が求められ、これが圧電素子
アクチュエータの印加電圧にフィードバックされるた
め、静特性、動特性及び静剛性が改善されるばかりでな
く、周波数応答を平坦化し、動剛性が効果的に改善され
る。
第２図ないし第４図は、本発明の実施例及び比較例に
ついての特性の測定結果を示している。
ついての特性の測定結果を示している。
第２図A,Bは、上記実施例の周波数特性を示すもので
あり、周波数応答が平坦化できていることがわかる。
あり、周波数応答が平坦化できていることがわかる。
すなわち、一般に、フィードバック制御を行わずに、
圧電素子アクチュエータを用いた工具微動台の変位を、
アクチュエータへの印加電圧を指令入力として制御する
場合には、第２図に相当する指令入力から変位までの周
波数特性は、共振周波数において鋭い共振、すなわち振
幅の増加を示す。これに本発明によるフィードバック制
御を施すことによって、第２図Ａのような、急峻な振幅
の増加を持たない平坦な周波数特性が得られる。同図に
おいて、周波数500Hz付近までは振幅がほぼ平坦であ
り、それ以上の周波数範囲において急峻な共振特性を持
たない。第２図のような周波数特性の平坦化は、工具微
動台の応答が指令信号に正確に追従するために必要な条
件である。周波数特性にうねりやピークが存在する場
合、応答は振動的になる。
圧電素子アクチュエータを用いた工具微動台の変位を、
アクチュエータへの印加電圧を指令入力として制御する
場合には、第２図に相当する指令入力から変位までの周
波数特性は、共振周波数において鋭い共振、すなわち振
幅の増加を示す。これに本発明によるフィードバック制
御を施すことによって、第２図Ａのような、急峻な振幅
の増加を持たない平坦な周波数特性が得られる。同図に
おいて、周波数500Hz付近までは振幅がほぼ平坦であ
り、それ以上の周波数範囲において急峻な共振特性を持
たない。第２図のような周波数特性の平坦化は、工具微
動台の応答が指令信号に正確に追従するために必要な条
件である。周波数特性にうねりやピークが存在する場
合、応答は振動的になる。
このような作用、すなわち周波数特性の平坦化は、従
来の方法、例えば第５図に示す方式によっても同様に得
られるが、本発明では、上記周波数特性の平坦化と同時
に、第３図に示すように、コンプライアンス伝達関数
（動剛性）をも平坦化できるところに特徴がある。従来
の方法では、第３図に示すようにコンプライアンス伝達
関数は平坦化されない。
来の方法、例えば第５図に示す方式によっても同様に得
られるが、本発明では、上記周波数特性の平坦化と同時
に、第３図に示すように、コンプライアンス伝達関数
（動剛性）をも平坦化できるところに特徴がある。従来
の方法では、第３図に示すようにコンプライアンス伝達
関数は平坦化されない。
また、第３図A,Bは動剛性の計測結果を示すもので、
図中のＯは閉ループ制御系を組まない場合（オープンル
ープ）、Ｎは従来のノッチフィルタを用いた制御系の場
合で、いずれも共振の位置にピークが存在する。動剛性
は、コンプライアンス伝達関数の最大の値をもって評価
され、最大の振幅値は共振の位置に当たる。したがっ
て、このような共振の位置の振幅にピークが存在するこ
とは、動剛性が改善されていないことを意味するもので
ある。一方、図中のＳは、上記実施例の場合を示すもの
であるが、共振部分で有効に剛性が改善されていること
がわかる。
図中のＯは閉ループ制御系を組まない場合（オープンル
ープ）、Ｎは従来のノッチフィルタを用いた制御系の場
合で、いずれも共振の位置にピークが存在する。動剛性
は、コンプライアンス伝達関数の最大の値をもって評価
され、最大の振幅値は共振の位置に当たる。したがっ
て、このような共振の位置の振幅にピークが存在するこ
とは、動剛性が改善されていないことを意味するもので
ある。一方、図中のＳは、上記実施例の場合を示すもの
であるが、共振部分で有効に剛性が改善されていること
がわかる。
実際に外乱を加えてその応答を調べたのが第４図A,B
で、同図Ｂは、同図Ａのインパルス入力を加えたときの
オープンループ、ノッチフィルタ利用の制御系、及び本
発明の実施例の場合についての三つの応答を示してい
る。オープンループ及びノッチフィルタ利用の制御系で
は振動が減衰しないで比較的長時間にわたって継続して
いるのに対し本発明の実施例の場合には、それが短時間
に減衰している。
で、同図Ｂは、同図Ａのインパルス入力を加えたときの
オープンループ、ノッチフィルタ利用の制御系、及び本
発明の実施例の場合についての三つの応答を示してい
る。オープンループ及びノッチフィルタ利用の制御系で
は振動が減衰しないで比較的長時間にわたって継続して
いるのに対し本発明の実施例の場合には、それが短時間
に減衰している。
［発明の効果］ 以上に詳述した本発明の工具微動台によれば、静特
性、動特性及び静剛性ばかりでなく、効果的に動剛性の
改善を行うことが可能な閉ループ制御系を持つ工具微動
台を得ることができる。
性、動特性及び静剛性ばかりでなく、効果的に動剛性の
改善を行うことが可能な閉ループ制御系を持つ工具微動
台を得ることができる。
第１図は本発明に係る工具微動台の制御系全体のブロッ
ク構成図、第２図〜第４図各A,Bは本発明の実施例及び
比較例についての特性の測定結果を示す線図、第５図は
従来例についてのブロック構成図である。
ク構成図、第２図〜第４図各A,Bは本発明の実施例及び
比較例についての特性の測定結果を示す線図、第５図は
従来例についてのブロック構成図である。
Claims (1)
- 【請求項１】平行移動する弾性支持案内部材により工具
を支持し、その支持案内部材に圧電素子アクチュエータ
により変位を与え、変位検出センサによって工具の変位
量を検出して閉ループ制御を行うようにした工具微動台
において、 上記変位検出センサの出力である変位信号ｘと変位指令
信号ｒの差が入力されるところの、少なくとも積分器で
構成される調節器と、 上記変位信号ｘ及び工具台の圧電素子アクチュエータへ
の制御入力ｕのそれぞれを線形結合した信号を入力とす
る１次遅れ系の出力と上記変位信号ｘとを線形結合する
ことにより速度信号の推定値 を得て、その速度信号の推定値を出力する状態観測器
と、 上記速度信号の推定値と上記変位信号とを工具台の共振
点における減衰率が十分高くなるような係数でもって線
形結合をした信号を、前記調節器から出力される信号に
加算し、圧電素子アクチュエータへの印加電圧指令信号
とするフィードバック回路と、 を備えたことを特徴とする工具微動台。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63080083A JP2615392B2 (ja) | 1988-03-31 | 1988-03-31 | 工具微動台 |
| US07/322,725 US4986150A (en) | 1988-03-31 | 1989-03-13 | Micro-positioning tool post |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63080083A JP2615392B2 (ja) | 1988-03-31 | 1988-03-31 | 工具微動台 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01252336A JPH01252336A (ja) | 1989-10-09 |
| JP2615392B2 true JP2615392B2 (ja) | 1997-05-28 |
Family
ID=13708324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63080083A Expired - Lifetime JP2615392B2 (ja) | 1988-03-31 | 1988-03-31 | 工具微動台 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4986150A (ja) |
| JP (1) | JP2615392B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5304906A (en) * | 1989-12-26 | 1994-04-19 | Fanuc Ltd. | Collision detecting method using an observer |
| JP2504307B2 (ja) * | 1990-08-01 | 1996-06-05 | 三菱電機株式会社 | 電動機の速度制御装置 |
| DE4427697A1 (de) * | 1993-08-11 | 1995-02-16 | Fuji Electric Co Ltd | Steuervorrichtung für Motor mit variabler Drehzahl |
| US5957016A (en) * | 1997-04-11 | 1999-09-28 | Sandia Corporation | Method and apparatus for suppressing regenerative instability and related chatter in machine tools |
| US5903085A (en) * | 1997-06-18 | 1999-05-11 | Phase Metrics, Inc. | Piezoelectric nanopositioner |
| US6202521B1 (en) * | 1998-12-14 | 2001-03-20 | Lord Corporation | Method, apparatus and controller for machining non-circular work pieces |
| US6936990B2 (en) * | 2002-03-29 | 2005-08-30 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for controlling electric motor and apparatus for controlling the same |
| US7677146B2 (en) | 2006-05-10 | 2010-03-16 | 3M Innovative Properties Company | Cutting tool using one or more machined tool tips in a continuous or interrupted cut fast tool servo |
| EP1857902A1 (en) * | 2006-05-18 | 2007-11-21 | Saab Ab | Method and device for controlling backlash |
| US7628100B2 (en) * | 2007-01-05 | 2009-12-08 | 3M Innovative Properties Company | Cutting tool using one or more machined tool tips with diffractive features in a continuous or interrupted cut fast tool servo |
| US7669508B2 (en) * | 2007-10-29 | 2010-03-02 | 3M Innovative Properties Company | Cutting tool using one or more machined tool tips with diffractive features |
| US20090147361A1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-11 | 3M Innovative Properties Company | Microreplicated films having diffractive features on macro-scale features |
| TW200946975A (en) * | 2008-04-02 | 2009-11-16 | 3M Innovative Properties Co | Methods and systems for fabricating optical films having superimposed features |
| CN101981474A (zh) | 2008-04-02 | 2011-02-23 | 3M创新有限公司 | 光导薄膜及其制备方法 |
| CN109434142A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-08 | 苏州大学 | 一种快速伺服刀架 |
| CN111930008B (zh) * | 2020-06-04 | 2022-05-31 | 吉林大学 | 基于数据驱动控制的压电微定位平台轨迹跟踪控制方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4019015A (en) * | 1973-09-10 | 1977-04-19 | International Business Machines Corporation | Precision tool and workpiece positioning apparatus with ringout detection |
| US4451892A (en) * | 1980-01-31 | 1984-05-29 | Mcmurtry David R | Method of and apparatus for measuring distances in numerically controlled machine tools |
| GB8319892D0 (en) * | 1983-07-23 | 1983-08-24 | Ae Plc | Machine tool control |
| JPS60213456A (ja) * | 1984-04-04 | 1985-10-25 | Citizen Watch Co Ltd | 位置決め装置 |
| GB8518609D0 (en) * | 1985-07-23 | 1985-08-29 | Ae Plc | Machine toll control systems |
| US4741231A (en) * | 1986-04-14 | 1988-05-03 | The Warner & Swasey Company | Tool force sensor and method of making same |
-
1988
- 1988-03-31 JP JP63080083A patent/JP2615392B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-03-13 US US07/322,725 patent/US4986150A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4986150A (en) | 1991-01-22 |
| JPH01252336A (ja) | 1989-10-09 |
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