JP2770978B2 - 位置制御方法およびその位置決め装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ネジとナットを用いた駆動装置の位置制御
方法および位置決め装置に関する。

〔従来の技術、および発明が解決しようとする課題〕

第５図は、従来の代表的な一軸位置決め装置を示すブ
ロック図である。

位置指令値140は現在位置154を減ぜられ位置誤差信号
142になる。この信号を、いわゆるシステムゲインＫ（1
44）倍して、速度指令信号146をつくる。この信号は、
速度制御部148に入力される。速度制御部148は低周波数
域でゲインが１であるように設計されており、この出力
が現在速度150になる。この現在速度が積分要素152で積
分されて、現在位置154となる。

このような位置決め装置の最も大きな特徴は、外乱、
摩擦力などが存在しても、静止状態に於て一切の位置誤
差が生じない点にある。なぜならば静止状態に於て、現
在速度150は零であり、速度制御部148のゲインは１であ
るから、位置誤差信号142は、零でなければならないか
らである。

このような特徴は、組立作業など、駆動軸と作業対象
部品が接触を伴う動作が求められる場合、大きな障害に
なる。上記のように制御装置が位置誤差を許すことがで
きないため、駆動軸が少しでも対象部品に接触すると、
部品を破壊するか、サーボドライバ自身が過電流によ
り、停止するかのいずれかである。

このような不具合にたいして、出力軸に歪ゲージなど
の力センサを装備し、サーボ系にフィードバックするこ
とにより、柔らかさをつくりだそうとする試みがなされ
ているが、剛体との接触時に位置から力までのゲインが
無限となり、サーボ系の不安定現象を引き起こしてい
た。これを第６図により説明する。

第６図は、出力軸の出す力が一定になるように制御系
を組んだ例である。力指令信号160は、力センサ176から
出力される力信号178と比較され、両者の差が力誤差信
号162となって、速度制御部164へ入力される。これは、
第５図の速度制御部148と同じである。この速度制御部
の出力が実速度166であり、これが積分要素168で積分さ
れて位置170となる。もしこの系が安定であれば、先ほ
どと同じ議論により、速度制御部164への入力は零でな
ければならず、従って、静止状態において力指令信号16
0と力信号178は一致するはずである。ところが、出力軸
が外部の物体に拘束されている場合、この物体のバネ定
数をKe（172）とすると、位置信号170から、物体のバネ
定数を経て、力174へと信号が伝わり、閉ループ180が構
成される。この物体のバネ定数は、非常に高いのがふつ
うであり、いかに速度制御部164の特性がよくとも、不
安定現象を回避することが出来ない。

また力センサの装備は、それが現理的にバネ特性を持
つものであるから、位置決め精度を劣化させる原因とな
る。

このような点に鑑み、本発明は、従来の位置決め動作
に加え、部品との接触時に、あたかもバネのように倣う
動作、さらに部品に一定の力をかける動作を付与し、こ
れを上位コントローラから適宜選択できるような位置制
御方法および位置決め装置を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、本発明は、ネジによっ
て直接駆動されるナットとナットにより駆動される部材
の間に弾性体を設け、さらに前記ナットと部材の相対距
離を計測する位置センサを設け、これにより、弾性体の
発生する力を位置信号に変換し、この信号を用いて動作
する３種類のサーボ系、すなわち、位置制御サーボ系、
コンプライアンス制御サーボ系、力制御サーボ系をサー
ボドライブ内部に装備し、上位コントローラからの指令
によって、この３つのサーボ系のうちいずれかを選択
し、そのサーボ動作をおこなわせるようにしたものであ
る。

〔実施例〕 第１図は本発明の一実施例を示したものである。モー
タ２は、ネジ36に結合され、これを駆動する。モータ２
の出力軸には、エンコーダ４が備えられており、サーボ
ドライバ８に回転角を出力する（18）。このネジ36の回
転により、ナット26が直線的に駆動される。このナット
26と制御体であるテーブル20をバネ定数Ｌのバネ24で結
合する。このバネは板バネ、スプリング、あるいは、空
気静圧、油静圧でもよい。テーブル20とネジ36は、結合
されていない。さらに、ナット26とテーブル20の相対位
置を位置センサ22で計測する。この位置信号は、サーボ
ドライバ８に出力される（28）。サーボドライバ８に
は、３種類のサーボ系、位置決め制御サーボ系10、コン
プライアンスサーボ系12、力制御サーボ系14が準備され
ており、上位コントローラ34からの指令によって、いず
れかが選択される。さらに、上位コントローラ34から
は、位置指令、速度指令、トルク力指令等がサーボドラ
イバ８に送られる。上位コントローラ34とのインターフ
ェイス36はデジタルIOによる通信でも、シリアル通信で
もよく、特に高速の通信を行う必要はない。この３つの
サーボ系10、12、14は、高速マイクロプロセッサ（例え
ば7MS32020）を用いたソフトウェアで構成するのが望ま
しい。なぜならば、サーボ系を付加することによるコス
トアップは、プログラムを格納するメモリ部分のみであ
り、その他のハードウェアを変える必要はなく、また上
位コントローラからの指令により動作を選択することも
容易だからである。

位置決め制御サーボ系10は、エンコーダ４からの角度
信号18に定数をかけて得られるナット26の位置と、位置
センサ22から得られるナット26とテーブル20の相対距離
とを足し、これをテーブル20の絶対位置とし、つぎに、
このテーブル絶対位置が、上位コントローラ34からの指
令値と一致するようにパワーアンプ６に電圧指令16を送
る。これによって、テーブル22の一部32が、外部部品30
と接触しても、パワーアンプ６が飽和しないかぎりテー
ブル絶対位置と指令値と一致させることができる。（詳
しくは後述） コンプライアンス制御サーボ系12は、位置センサ22か
ら送られる位置信号に定数をかけてバネ24に生じている
力に相当する信号を得、この信号とコンプライアンスモ
デル（後述）から、位置変更指令、速度変更指令をつく
り、これにより、上位コントローラからの位置指令、速
度指令を変更し、これらとエンコーダ４からの信号を比
較し、変更された位置、速度指令通りにナット26が駆動
されるよう、パワーアンプ６に電圧指令を送る。これに
より、テーブル22の一部32が、外部部品30と接触する事
による力が、バネ24の伸縮として検知され、テーブル
は、コンプライアンモデルによって設定された倣い動作
をおこすことができる。（詳しくは後述） 力制御サーボ系14は、位置センサ22から送られる位置
信号28に定数をかけてバネ24に生じている力に相当する
信号を得、上位コントローラ34からの力指令と比較し、
両者が一致するように、パワーアンプ６に電圧指令16を
送る。これにより、テーブル22の一部32が、外部部品30
に一定の力を及ぼすことができるようになる。（詳しく
は後述） 前述したように、これらのサーボ系は上位コントロー
ラから選択可能であるが、位置決め動作時に、テーブル
20とナット26との相対距離が所定量を超えると負荷負を
生じたと認識させ、コンプライアンス制御系へ自動的に
移行させることも可能になる。

つぎに、各サーボ系の説明をする。但し、各サーボ系
の作り方は、一通りではなく種々考えられ、以降、各々
その一例を説明する。本発明が、各々のサーボ系の構成
上の特殊性によらないことはいうまでもない。

位置決め制御サーボ系 第２図は、位置決め制御サーボ系の一例を示したもの
である。

まず上位コントローラ（第１図の34）から、テーブル
位置指令信号40を得る。この信号40から、テーブル絶対
位置信号64を差引、テーブル位置誤差信号42をつくる。
この信号42は位置補償要素Ｈ（ｓ）44へ入力される。こ
の位置補償要素44は、比例要素と積分要素で構成すれば
よい。位置補償要素44の出力はテーブル速度指令信号45
であり、速度制御系76へ入力される。この速度制御系76
の出力はテーブル絶対速度信号61であり、これが積分要
素62を通り、テーブル絶対位置信号64となる。

速度制御系76へ入力されたテーブル速度指令信号45
は、第２図では、相対位置フィードバック信号84、テー
ブル絶対速度フィードバック信号82を差し引かれるが、
この段階では、まだないものとしておく。従って、テー
ブル速度指令信号45は、ナット絶対速度指令信号46にな
る。ナットに対する速度制御系48はすでに完成されてい
るものとし、この伝達特性をＧ（ｓ）とする。従って速
度制御系48の出力は、ナット絶対速度50であり、これよ
り、テーブル絶対速度信号74が差し引かれ、ナットとテ
ーブルの相対速度52となる。相対速度が積分要素53で積
分されると、ナットとテーブルの相対位置55となり、バ
ネ54（第１図の24）のバネ定数Ｌをかけると、バネがテ
ーブルに及ぼしている力56となる。一方、相対速度52
は、ナットとテーブルの間の粘性係数C2（66）を乗じら
れて、ナットがテーブルに及ぼす粘性力68となる。テー
ブル絶対速度信号61は、テーブルとこれを案内するガイ
ドとの間の粘性係数C1（70）が乗じられて、ガイドがテ
ーブルに及ぼす粘性力72となる。バネがテーブルに及ぼ
している力56は、ナットがテーブルに及ぼす粘性力68が
加算され、さらにガイドがテーブルに及ぼす粘性力72を
減ずると、テーブルを駆動する力58になる。テーブルの
質量をＪとすると、運動方程式より、テーブル絶対速度
61は、テーブルを駆動する力58を積分しＪでわったもの
（60）となる。

ところが、ナットに対する速度制御系の伝達特性48が
いくらよくても、バネ−質量系（54と50）が存在するた
め、速度制御系76の特性は良くならない。そこで、位置
センサ（第１図の22）から直接得られるナットとテーブ
ルの相対位置55にフィードバックゲインF1（80）をかけ
て、相対位置フィードバック信号84をつくり、テーブル
速度指令信号45に負帰還し、さらに、エンコーダ（第１
図の４）から得られる信号と位置センサ（第１図の22）
から得られる信号を微分して得られるテーブル絶対速度
信号61にフィードバックゲインF2（78）を乗じて、テー
ブル絶対速度フィードバック信号82をつくり、テーブル
速度指令信号45に負帰還する。ナット速度制御系の伝達
特性48が充分よければ、こうして改善された速度制御系
76は、現代制御理論でいう状態フィードバック系を構成
しており、フィードバックゲイン78、80を適当に選ぶこ
とにより、任意の極配置をとらせることができる。つま
り、バネ−質量系（54、60）の特性を完全に補償するこ
とが出来るわけである。位置定常偏差などの位置特性
は、位置補償要素44の積分、比例要素を適当に定めるこ
とによって、補償する。

コンプライアンス制御サーボ系 第３図は、コンプライアンス制御サーボ系の一例を示
したものである。速度制御系90は第２図の速度制御系76
と同じものであり、説明しない。

まず、上位コントローラ（第１図34）から、テーブル
位置指令信号92を得る。これにコンプライアンスモデル
Ｍ（ｓ）104から得られるテーブル位置指令変更信号106
が加算され、変更されたテーブル位置指令信号111とな
る。さらにこれより、テーブル絶対位置信号120が差し
引かれ、テーブル位置誤差信号112を得る。この信号112
は位置補償要素114に入力される。この位置補償要素114
は比例要素と積分要素で構成すればよい。位置補償要素
114の出力はテーブル速度指令信号116であり、これにテ
ーブル速度指令変更信号110が加算され、変更されたテ
ーブル速度指令信号118となる。この信号118は速度制御
系90の入力となる。テーブル速度指令変更信号110は、
コンプライアンスモデル104の出力を微分要素108で微分
することによって得られる。

一方、テーブルの質量、及びテーブルの加速度が比較
的小さいとき、テーブルに作用する外力はバネ100（第
１図の24）の出している力と同一視してよく、従って、
相対位置98にバネ定数Ｌをかけて、力信号102を得る。
これがコンプライアンスモデル104の入力となるわけで
ある。

コンプライアンスモデル104は二個の極と二個の零点
と比例ゲインからなる伝達関数を用いればよい。

Kc:コンプライアンスモデルのゲイン定数 α_１、α₂:コンプライアンスモデルの極（共役） β_１、β₂:コンプライアンスモデルの零点（共役） s:ラプラス演算子 ここで二個の極にたいしては、バネ−質量−ダンパ系
をモデルとして設定し、二個の零点に対しては、上記モ
デルの周波数帯域で極の特性を変化させないように、そ
れより高域では極を相殺するように設定する。ゲイン定
数は、ループ120が安定であるように設定すればよい。
なぜなら、出力軸が外部から拘束された場合、有効な信
号経路は、ループ120だけであり、これを安定化してお
けば不安定現象は起きないからである。

以上より、外力に対して設定されたコンプライアンス
で倣い運動をするサーボ系が構成できたわけである。

力制御サーボ系 第４図は、力制御サーボ系の一例を示したものであ
る。速度制御系122は第２図の速度制御系76と同じもの
であり、説明しない。

まず、上位コントローラ（第１図の34）から力指令信
号124を得る。

一方、テーブルの質量、及びテーブルの加速度が比較
的小さいとき、テーブルに作用する外力はバネ134（第
１図の24）の出している力と同一視してよく、従って、
相対位置136にバネ定数Ｌをかけて、力信号126をえる。

前記力指令信号124から前記力信号126を差し引いて、
力誤差信号128を得る。これを比例ゲインＫ（130）倍し
て、速度制御系122の入力とする。静止状態では、速度
制御系122への入力は零でなければならず、したがって
力指令信号124と力信号126は一致する。比例ゲインＫ
（130）については、力制御の応答性と、閉ループ138の
安定性を考慮して定めればよい。なぜならば、出力軸が
外部から拘束された場合、有効な信号経路は、閉ループ
138だけであるから、これを安定化しておけば、不安定
現象は起きないからである。

〔発明の効果〕

本発明による軸駆動装置によれば、従来の位置決め装
置ではできなかった動作、つまり、外部の物体接触する
と柔らかくそれに倣うコンプライアンス動作と、一定の
力で外部の物体を押し付ける動作が、通常の位置決め動
作に加えて、可能になり、さらに上位コントローラから
の選択指令により、３つの動作が切り替わるので、組立
等の接触を伴う作業を、特別の治具を付加することなく
行うことが出来るようになる。

また内部にバネが装備されているため、衝撃的な外力
にたいしても、ネジ等の駆動系を保護することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の簡単なブロック図、第２図
は本発明による、位置決め制御サーボ系のブロック図、
第３図は本発明による、コンプライアンス制御サーボ系
のブロック図、第４図は本発明による、力制御サーボ系
のブロック図であり、第５図は従来の一般的な位置決め
サーボ系の簡略かされたブロック図、第６図は従来の速
度サーボ系に力制御の機能を付加したサーボ系の簡略化
されたブロック図である。 ２……モータ、４……エンコーダ、８……サーボドライ
バ、10……位置決め制御サーボ系、12……コンプライア
ンス制御サーボ系、14……力制御サーボ系、20……テー
ブル、22……位置センサ、24……バネ、26……ナット、
34……上位コントローラ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータと、エンコーダと、前記モータの回
   転力により回転するネジと、このネジにナットを介して
   結合された制御体と、位置指令、速度指令および力指令
   を送出する上位コントローラと、前記位置指令と前記エ
   ンコーダから送出される位置信号とを比較して前記モー
   タを駆動するサーボドライバとを有する位置決め装置の
   位置制御方法において、 前記ナットと制御体との間に弾性体を設け、 かつ、前記ナットおよび制御体の一方に、このナットと
   制御体との相対距離を検出する位置検出器を設け、 前記サーボドライバは、 位置決め動作時には、前記エンコーダから送出される位
   置信号から得られる前記ナットの位置に、前記位置検出
   器から得られるナットと制御体との相対距離を加え、こ
   れを絶対位置とし、この絶対位置が前記上位コントロー
   ラからの位置指令に一致するようにし、 コンプライアンス動作時には、前記位置検出器から送出
   される位置信号から前記弾性体に生じている力相当信号
   を得、この信号とコンプライアンスモデルから位置変更
   指令および速度変更指令をつくり、前記上位コントロー
   ラからの位置指令および速度指令を変更し、 力動作時には、前記位置検出器から送出される位置信号
   から前記弾性体に生じている力相当信号を得、前記上位
   コントローラからの力指令に一致するようにしたことを
   特徴とする位置制御方法。
2. 【請求項２】それぞれの動作は、上位コントローラによ
   り選択可能であることを特徴とする請求項１記載の位置
   制御方法。
3. 【請求項３】モータと、エンコーダと、前記モータの回
   転力により回転するネジと、このネジにナットを介して
   結合された制御体と、位置指令および速度指令を送出す
   る上位コントローラと、前記位置指令および速度指令と
   前記エンコーダから送出される位置信号とを比較して前
   記モータを駆動するサーボドライバとを有する位置決め
   装置において、 前記ナットと制御体との間に弾性体を設け、 かつ、前記ナットおよび制御体の一方に、このナットと
   制御体との相対距離を検出する位置検出器を設け、 前記上位コントローラは、さらに力指令を送出し、 前記サーボドライバは、位置決め制御サーボ部とコンプ
   ライアンス制御サーボ部と力制御サーボ部とを有し、 前記位置決め制御サーボ部は、前記エンコーダから送出
   される位置信号から得られる前記ナットの位置に、前記
   位置検出器から得られるナットと制御体との相対距離を
   加え、これを絶対位置とし、この絶対位置が前記上位コ
   ントローラからの位置指令に一致するようにし、 前記コンプライアンス制御サーボ部は、前記位置検出器
   から送出される位置信号から前記弾性体に生じている力
   相当信号を得、この信号とコンプライアンスモデルから
   位置変更指令および速度変更指令をつくり、前記上位コ
   ントローラからの位置指令および速度指令を変更し、 前記力制御サーボ部は、前記位置検出器から送出される
   位置信号から前記弾性体に生じている力相当信号を得、
   前記上位コントローラからの力指令に一致するようにし
   たことを特徴とする位置決め装置。
4. 【請求項４】上位コントローラは、位置決め制御サーボ
   部、コンプライアンス制御サーボ部あるいは力制御サー
   ボ部の駆動選択指令が可能であることを特徴とする請求
   項３記載の位置決め装置。