JP3750633B2

JP3750633B2 - 機械制御装置

Info

Publication number: JP3750633B2
Application number: JP2002179861A
Authority: JP
Inventors: 誠市川; 隆司藍原
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: JP2003076426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象機械を目標位置へ移動させて停止させるための機械制御装置に関し、特に、停止時の慣性力による制御対象機械の振動を抑制するようにした機械制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動を伴う機械装置は従来からも各種存在しているが、このうち図１７で示すような長尺のアームの先端に搭載された重量物を搬送する機械を制御する機械制御装置には特有の問題がある。以下、このような問題点について説明する。
ここで、図１７は従来技術の機械制御装置の構成図、図１８は機械制御装置の動作を説明する説明図であり、図１８（ａ）は時間−速度線図、図１８（ｂ）は時間−位置線図である。
【０００３】
図１７に示す機械制御装置は、重量物１と、アーム２と、スライド移動部３と、スライドレール部４と、モータ５と、カップリング６と、送りねじ７と、位置制御装置８と、位置指令装置９とを備えている。
このうち、重量物１、アーム２、スライド移動部３、スライドレール部４、モータ５、カップリング６、及び送りねじ７は、制御対象機械として包括されるものである。
【０００４】
続いて、各部の動作・機能について概略説明する。
スライドレール部４は、スライド移動部３が図１７の左右の移動方向にのみ移動するように拘束する。更に、スライドレール部４とスライド移動部３との接触部は低摩擦であり、スライド移動部３がスライドレール部４上を滑らかに移動できるようになされている。
また、モータ５の出力軸はカップリング６を介して送りねじ７と連結され、この送りねじ７は、スライド移動部３に取り付けられた図示しないねじ部内に螺挿されている。
【０００５】
このモータ５が送りねじ７を回転駆動することにより、スライド移動部３が図１７の左右方向へ移動する。モータ５には制御回路及びモータドライバを含む位置制御装置８が接続されており、この位置制御装置８は位置指令装置９から送信された位置指令値に応じて位置制御を行う。
【０００６】
このような位置制御がなされるスライド移動部３には、長尺のアーム２が取り付けられており、このアーム２の先端には重量物１が取り付けられている。スライド移動部３の位置制御によりアーム２の先端の重量物１も位置制御されることとなる。
【０００７】
続いて、このような機械制御装置における制御方法について説明する。
スライド移動部３を移動させる場合、図１８（ａ）で示すように、時間ａ〜時間ｂでは、所定加速度でスライド移動部３の移動速度を増大させ、時間ｂ〜時間ｃでは一定速度でスライド移動部３を移動させ、時間ｃ〜時間ｄでは所定減速度でスライド移動部３の移動速度を低下させ、最終的には時間ｄで目標位置に達したスライド移動部３を移動停止させる。位置指令装置９は、スライド移動部３がこのような速度で移動するように時々刻々と変化する位置指令値Ｕ（ｓ）を出力する。なお、Ｕ（ｓ）はラプラス変換変数を用いる関数として表現する。
【０００８】
このような位置指令値Ｕ（ｓ）は、位置制御装置８へ入力される。スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）と表し、また、位置制御装置８からモータ５、送りねじ７、スライド移動部３までを含む伝達関数をＧ（ｓ）とすると、Ｘｍ（ｓ）は次式のように表される。
【０００９】
【数１】

【００１０】
このような機械制御装置では、スライド移動部３は、位置指令値Ｕ（ｓ）に応じて図１８（ａ）で示したような移動速度で移動して時間ｄで移動が停止することとなり、重量物１が所定の目標位置に搬送されることとなる。
従来技術の制御対象機械は、位置制御装置８によって上記のように制御される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような機械制御装置では、位置制御装置８及び制御対象機械の伝達関数Ｇ（ｓ）を最適に設計することで目標位置へスライド移動部３を正確に移動させる制御を実現可能であるが、スライド移動部３に取り付けられたアーム２はたわみが生じた状態で移動し、スライド移動部３が目標位置で停止した場合でも、アーム２の先端にある重量物１は自らの慣性力によりアーム２をたわませて指令位置より先に進み、スライド移動部３が目標位置で停止した後も、即座に停止せずに振動する場合がある。このため、アーム２の先端に取り付けられた重量物１の位置を制御することは従来では難しかった。
【００１２】
具体的には、図１８（ａ）で示すように、所定減速度で減速させて最終的に時間ｄで目標位置で停止させるようにスライド移動部３を制御すると、スライド移動部３は図１８（ｂ）の斜め方向に降りる実線で示すように指令位置で停止するにも拘わらず、重量物１は図１８（ｂ）の斜め方向に降りる点線で示すように目標位置を中心とした振動を生じてしまう。このような重量物１の位置であるＸｗ（ｓ）は、スライド移動部３の位置であるＸｍ（ｓ）を用いて伝達関数として表示すると次式のようになる。
【００１３】
【数２】

【００１４】
ここで、Ｋｓはアーム２のバネ定数であり、Ｗは重量物１の質量である。
以上の数式１，２をまとめて、機械制御装置の全体システムを表すと次式のようになる。
【００１５】
【数３】

【００１６】
この重量物１の移動に関する伝達関数は、ラプラス平面上で以下に示すような極を有している。
【００１７】
【数４】

【００１８】
伝達関数が数式４のような極を有する場合、重量物１の位置は正弦波状の振動波形で移動することが知られ、次式で示すような周波数で振動する。
【００１９】
【数５】

【００２０】
このように、重量物１は図１８（ｂ）の点線で示すように目標位置に到達した後も振動し、すぐには整定しない。
従って、スライド移動部３が目標位置で停止したときに、スライド移動部３の元位置は指令通りに停止するが、アーム２の先端位置にある重量物１は、目標位置を中心とした振動を生じてしまうという問題があった。つまり、重量物１が直ちに停止しないため、停止するまでの時間が損失時間となっていた。
【００２１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、先端に重量物が取り付けられた長尺のアームを移動させて目標位置に停止させるような場合に、停止時の振動を抑制することができる機械制御装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、速度指令値から加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。
【００２３】
請求項２に記載した発明は、速度指令値からその３階微分値に相当する補正量を求める手段と、前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。
【００２４】
請求項３に記載した発明は、トルクまたは推力指令値からその２階微分値に相当する補正量を求める手段と、前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたものである。
【００２５】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した機械制御装置において、前記補正量を求める手段に入力される指令値の微分値が、一定値から緩やかに増加または減少する特性を有することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の機械制御装置の実施形態について説明する。
図１は本発明の全体構成図であり、図２は、図１における微分手段、ゲイン手段、加算手段からなる補償要素の説明図である。図３は機械制御装置の動作を説明する説明図であって、図３（ａ）は時間−速度線図、図３（ｂ）は時間−位置線図である。
また、図４は、スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図４（ａ）は時間−速度線図、図４（ｂ）は時間−加速度線図である。図５は、スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図５（ａ）は時間−速度線図、図５（ｂ）は時間−加速度線図である。
【００２７】
この機械制御装置は、図１に示すように、基本的には従来技術の構成要素である重量物１と、アーム２と、スライド移動部３と、スライドレール部４と、モータ５と、カップリング６と、送りねじ７と、位置制御装置８と、位置指令装置９とを備えている。
また、これらのうち、重量物１、アーム２、スライド移動部３、スライドレール部４、モータ５、カップリング６、及び送りねじ７は、制御対象機械として包括される点も従来技術と同様である。
更にまた、この機械制御装置でも、長尺のアーム２の先端に重量物１が搭載されており、スライド移動部３に取り付けられたアーム２の移動によってたわみが生じる点も従来と同様である。
【００２８】
図１では、これらに加えて、位置制御装置８と位置指令装置９との間に補償要素１０が設けられている点が新規な点である。
これら重量物１から位置指令装置９までの機能等は従来技術で説明したものと同じであるため、説明を省略するものとし、以下では補償要素１０について説明する。
新たに加えられた補償要素１０は、図２に示すように、微分手段１０ａとゲイン手段１０ｂと加算手段１０ｃを備えている。
【００２９】
微分手段１０ａは、位置指令値Ｕ（ｓ）に対して２階微分を施し、２階微分値ｓ^２・Ｕ（ｓ）を出力するための手段である。
ゲイン手段１０ｂは、微分手段１０ａから出力された２階微分値ｓ^２・Ｕ（ｓ）に対してゲイン定数Ｋを乗算して、補正量Ｋ・ｓ^２・Ｕ（ｓ）を出力するための手段である。
【００３０】
加算手段１０ｃは、上記ゲイン手段１０ｂから出力された補正量Ｋ・Ｕ（ｓ）・ｓ^２と位置指令値Ｕ（ｓ）とを加算して補償位置指令値Ｕ（ｓ）＋Ｋ・Ｕ（ｓ）・ｓ^２を出力するための手段である。
この補償要素１０が出力する補償位置指令値は、（１＋Ｋ・ｓ^２）・Ｕ（ｓ）となる。このゲイン定数ＫをＫ＝Ｗ／Ｋｓとすると、以下の式で表される補償位置指令値Ｕ’（ｓ）が出力される。
【００３１】
【数６】

【００３２】
続いて、このような補償位置指令値を用いる機械制御装置の制御について説明する。
スライド移動部３を移動させる場合、図３（ａ）で示すように、時間ａ〜時間ｂでは、所定加速度でスライド移動部３の移動速度を増大させ、時間ｂ〜時間ｃでは一定速度でスライド移動部３を移動させ、時間ｃ〜時間ｄでは所定減速度でスライド移動部３の移動速度を低下させ、最終的に時間ｄで所定の目標位置でスライド移動部３を移動停止させる。この点は従来技術と同じである。
【００３３】
位置指令装置９は、スライド移動部３がこのような速度となるように時々刻々と変化する位置指令値Ｕ（ｓ）を出力する。
この位置指令値Ｕ（ｓ）は、補償要素１０へ入力されて補償位置指令値Ｕ’（ｓ）に変換され、位置制御装置８へ入力される。スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）と表し、また、位置制御装置８からモータ５、送りねじ７、スライド移動部３までを含む伝達関数をＧ（ｓ）とすると、Ｘｍ（ｓ）は次式のように表される。
【００３４】
【数７】

【００３５】
更に、アーム２のたわみを考慮した重量物１の位置Ｘｗ（ｓ）は、スライド移動部３の位置をＸｍ（ｓ）を用いた伝達関数として表示すると、次式のようになる。
【００３６】
【数８】

【００３７】
これらの数式からＸｍ（ｓ）、Ｕ’（ｓ）を消去して、機械制御装置の全体システムを表すと次式のようになる。
【００３８】
【数９】

【００３９】
上述した補償要素１０により、分母部分にあったＷｓ^２＋Ｋｓを消去する極零相殺を行って、振動要素をなくしている。従って、図３（ｂ）に示すように、スライド移動部３の元位置（実線にて示す）及び重量物１の位置（点線にて示す）は、振動することなく目標位置で停止し、整定する。このように、スライド移動部３の元位置と共にアーム２の先端位置にある重量物１は振動することなく停止するため、従来の損失時間を無くし、高速な制御を実現することができるようになる。
【００４０】
なお、図１では、位置指令装置９と位置制御装置８との間に補償要素１０を配置しているが、最終的に、補償位置指令値Ｕ’（ｓ）を得ることができれば良いことから、補償要素１０と一体となった位置指令装置９としたり、あるいは補償要素１０と一体となった位置制御装置８としてもよい。これらは、追加された補償要素１０をどちらに帰属させるかという問題であり、実質上の差異はない。
【００４１】
さて、以上説明した補償要素１０を用いて補償を行う場合、スライド移動部３の移動速度は、図４（ａ）で示すように直線加減速特性を有する、つまり、位置指令値の微分値が一定期間は直線的に変化する特性となる。この場合、スライド移動部３の加速度、つまり位置指令値の２階微分値は、図４（ｂ）で示すように、時間ａ，ｂ，ｃ，ｄで不連続変化することとなる。これは、アーム２の元位置であるスライド移動部３を急激に停止させる必要があることを示しているが、実際にはモータ５が送りねじ７へ与える回転トルクが不足し、このような停止が困難になる場合がある。
【００４２】
そこで、補償要素１０を用いて補償を行う場合、図５（ａ）に示すように、スライド移動部３の移動速度が変化する前後でほぼＳ字形になるような加減速特性、つまり、位置指令値の微分値が一定値から緩やかに増加または減少するように配慮した。この場合、スライド移動部３の加速度、つまり位置指令値の２階微分値は、図５（ｂ）で示すように、漸増または漸減しつつ変化することとなる。
【００４３】
従って、アーム２の元位置であるスライド移動部３に加わる加速度も連続して漸増または漸減するため、このときにモータ５が送りねじ７へ与える回転トルクが不足するという事態はなくなり、モータ５に過度な負担が加わるという事態が回避される。
上記の点は請求項４の発明に相当するものであり、以下の各実施形態にも適用可能である。
【００４４】
以上説明した機械制御装置では、振動系が持つラプラス平面上の極に対して、同じ点に零点特性を追加して極零相殺させることで、機械振動を防止するという理論に基づくものであるが、このような効果が実際に得られるか否かを検証する実験を行ったところ、機械振動を防止できる効果が確認されている。
【００４５】
なお、ここでは、説明の具体化のため、送りねじとスライドレール装置とを用いる制御対象機械について説明した。しかしながら、制御対象機械はこのような機械に限定する趣旨ではなく、例えば、回転駆動用のモータにボールねじを連結したスライドレール装置を移動させ、アーム先端の重量物を移動させる制御対象機械、同様に回転駆動用モータとベルトを用いる制御対象機械、ラック・ピニオンを用いる制御対象機械、リニアモータを用いる制御対象機械などに適用することができる。これらは、数式９のＧ（ｓ）に包含される個所であり、これらの機構が変化しても、Ｇ（ｓ）が変化するのみであって極零相殺させる点では変わりなく、本願発明の効果を奏しうる。
【００４６】
次に、図６は本発明の第１参考形態の機能ブロック図である。図６と図１との対応関係について述べると、図１における位置指令装置９、補償要素１０及び位置制御装置８が図６におけるブロック２１〜２９，３１に相当し、図１のモータ５が図６のモータ３０に相当すると共に、図１のカップリング６以降の機械系が図６の対象機械５０に相当する。
【００４７】
図６において、位置指令ブロック２１は位置指令値を出力するブロック、補正ブロック２２は位置指令値から生成した２階微分値（加速度指令値）に基づいて補正量を生成するブロックである。
この補正ブロック２２は、図２の微分手段１０ａに相当する加速度検出手段２３と、機械振動周波数などに基づいて設定された図２のゲインＫに相当するパラメータ２４と、図２のゲイン手段（乗算手段）１０ｂに相当する補正項演算手段２５とから構成されており、補正ブロック２２から出力される補正量は、図２の加算手段１０ｃに相当する加算器２６において前記位置指令ブロック２１からの位置指令値に加算される。
【００４８】
図６の加算器２６からは補償位置指令値が出力され、この補償位置指令値は位置調節器２７に入力される。位置調節器２７では、モータ３０に取り付けられたモータエンコーダ３１からの位置検出値が補償位置指令値に一致するように調節動作が行われ、その出力が速度指令値として速度調節器２８に送られる。速度調節器２８では、モータエンコーダ３１からの速度検出値が速度指令値に一致するように調節動作が行われ、その出力がトルク指令値としてトルク調節器２９に送られる。
トルク調節器２９ではトルク指令値に従ってモータ３０を駆動し、対象機械５０のスライド移動部３を所定位置に移動させて停止させるような制御が実行される。
【００４９】
なお、上記第１参考形態では、位置指令値の２階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を求め、この補正量を元の位置指令値に加算して補償を行っている。つまり、位置指令値の１階微分値（速度指令値）が図７（ａ）のとおりであるとすれば、図７（ｂ）に示す位置指令値の２階微分値（加速度指令値）を元の位置指令値に加算して補正している。従って、この補正後の位置指令値の微分値、すなわち補正後の速度指令値は図７（ｃ）のようになる。
言い換えれば、図８（ａ）に示す速度指令値に対して、その２階微分値に所定のゲインを乗じた図８（ｂ）の加加速度指令値を補正量として加算すれば、図８（ｃ）のような補正後の速度指令値が得られるため、図７に示した位置指令値に対する補正と同等の作用を得ることができる。
【００５０】
第２参考形態は上記の点に着目したものであり、図９にその制御ブロック図を示す。なお、図６と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
図９において、補正ブロック３２には位置指令値が入力されており、その３階微分値を演算して加加速度指令値を求め、これに所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そして、この補正量を加算器２６において位置調節器２７の出力である速度指令値に加算することにより、速度指令値を補正する。この補正後の速度指令値は速度調節器２８に入力され、以後は図６と同様の動作となる。
【００５１】
図１０は、本発明の第３参考形態を示す制御ブロック図である。
この参考形態では、補正ブロック３３が位置指令値を４階微分し、その４階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そして、この補正量を加算器２６において速度調節器２８の出力であるトルク指令値に加算することにより、トルク指令値を補正する。この補正後のトルク指令値はトルク調節器２９に入力され、以後は図６の同様の動作となる。
なお、図示されていないが、前記補正量を推力指令値に加算してその加算結果に基づいて位置制御しても良い。
【００５２】
図１１は、本発明の第１実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項１に記載した発明に相当する。
この実施形態は、速度指令値を補正する点では図９と同様であるが、図９では位置指令値を３階微分して求めた加加速度指令値に基づいて補正量を演算するのに対し、図１１では位置調節器２７から出力される速度指令値を補正ブロック３４に入力して２階微分することにより加加速度指令値を求め、この加加速度指令値に基づいて補正量を算出する。この補正量を位置調節器２７から出力される速度指令値に加算して補正を行う。以後の動作は図６と同様である。
【００５３】
図１２は、本発明の第２実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項２に記載した発明に相当する。
この実施形態では、補正ブロック３５が位置調節器２７から出力される速度指令値を３階微分し、その３階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そして、この補正量を加算器２６において速度調節器２８の出力であるトルク指令値に加算することにより、トルク指令値を補正する。この補正後のトルク指令値はトルク調節器２９に入力され、以後は図６と同様の動作となる。
この実施形態においても、前記補正量を推力指令値に加算してその加算結果に基づき位置制御を行っても良い。
【００５４】
図１３は、本発明の第３実施形態を示す制御ブロック図であり、請求項３に記載した発明に相当する。
この実施形態では、補正ブロック３６が速度調節器２８から出力されるトルク指令値を２階微分し、その２階微分値に所定のゲインを乗じて補正量を算出する。そして、この補正量を加算器２６においてトルク指令値に加算することにより、トルク指令値を補正する。この補正後のトルク指令値はトルク調節器２９に入力され、以後は図６と同様の動作となる。
なお、トルク指令値の代わりに推力指令値の２階微分値から補正量を算出し、この補正量を推力指令値に加算してその結果に基づき位置制御を行っても良い。
【００５５】
なお、上述した各参考形態では、補正量の演算において完全微分演算を行い、例えば図２、図６の例では補正量をＫｓ^２として求めることとしたが、この補正量はＫｓ^２／（１＋ｓＴ）やＫｓ^２／（１＋ｓＴ_１＋ｓ^２Ｔ_２）のような不完全微分形式によって求めても良い。
また、補正量は必ずしも関数にする必要はなく、図１４に第１参考形態に関して示すように、元の指令値の変化を検出し、予めテーブルパターンとして用意しておいた値を変化のタイミングに従って補正量として出力させても良い。
【００５６】
以上を纏めると、各参考形態及び各実施形態について、補正量を生成するための元の指令値（補正元）、補正量を加算する対象となる指令値（補正対象）、補正量の関数例、及び代表的な補正パターン例（図１５参照）の関係は、図１６のようになる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、先端に重量物が取り付けられた長尺のアームを移動させるように剛性の弱い機械を移動させる場合でも、振動を伴うことなく短時間で目標位置に停止させることが可能な機械制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機械制御装置の構成図である。
【図２】補償要素の説明図である。
【図３】機械制御装置の動作を説明する説明図であって、図３（ａ）は時間−速度線図、図３（ｂ）は時間−位置線図である。
【図４】スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図４（ａ）は時間−速度線図、図４（ｂ）は時間−加速度線図である。
【図５】スライド移動部の動作を説明する説明図であって、図５（ａ）は時間−速度線図、図５（ｂ）は時間−加速度線図である。
【図６】第１参考形態の機能ブロック図である。
【図７】第１参考形態における位置指令値の補正原理を示す図である。
【図８】第２参考形態における速度指令値の補正原理を示す図である。
【図９】第２参考形態の機能ブロック図である。
【図１０】第３参考形態の機能ブロック図である。
【図１１】第１実施形態の機能ブロック図である。
【図１２】第２実施形態の機能ブロック図である。
【図１３】第３実施形態の機能ブロック図である。
【図１４】第１参考形態においてテーブルパターンに基づき補正量を生成する場合の説明図である。
【図１５】各参考形態及び各実施形態における補正パターンの説明図である。
【図１６】各参考形態及び各実施形態の補正元、補正対象、関数例、補正パターン例を示す図である。
【図１７】従来技術の機械制御装置の構成図である。
【図１８】機械制御装置の動作を説明する図であり、図１８（ａ）は時間−速度線図、図１８（ｂ）は時間−位置線図である。
【符号の説明】
１重量物
２アーム
３スライド移動部
４スライドレール部
５モータ
６カップリング
７送りねじ
８位置制御装置
９位置指令装置
１０補償要素
１０ａ微分手段
１０ｂゲイン手段
１０ｃ加算手段
２１位置指令ブロック
２２，３２，３３，３４，３５，３６補正ブロック
２３加速度検出手段
２４パラメータ

Claims

速度指令値から加加速度成分に相当する補正量を求める手段と、
前記補正量を速度指令値に加算する加算手段と、
この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする機械制御装置。
速度指令値からその３階微分値に相当する補正量を求める手段と、
前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、
この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする機械制御装置。
トルクまたは推力指令値からその２階微分値に相当する補正量を求める手段と、
前記補正量をトルクまたは推力指令値に加算する加算手段と、
この加算手段の出力に従って制御対象機械を駆動制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする機械制御装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した機械制御装置において、
前記補正量を求める手段に入力される指令値の微分値が、一定値から緩やかに増加または減少する特性を有することを特徴とする機械制御装置。