JP3815167B2 - 数値制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータによって工作機械の位置制御を行う数値制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、数値制御装置による工作機械の位置制御は、モータに取付けられた回転位置検出器または工作機械移動軸の移動部付近に取付けられたリニアスケール等の位置検出器を用い、その位置検出器による位置検出結果に基づきサーボアンプがサーボモータを位置制御して、工具の刃先などの最終機械端の位置を制御していた。しかしながら、実際に加工を行う工作機械においては、構造上、位置検出器が取付けられた部位と、最終的に位置制御したい最終機械端とが、ほとんど一致しなかった。そのため、位置検出器や最終機械端を備えた工作機械の姿勢が変化することにより、位置検出器で検出される位置と最終機械端の位置とに誤差が生じた。
【０００３】
このような誤差を補正するため、従来、例えば特開平１０−６３３１９号公報に示された方法を用いていた。該方法を実行する数値制御装置を図２９に示す。図２９は、従来の数値制御装置における工作機械の姿勢変化に対する補正機構を示すブロック図である。
図２９は、例えば横型のマシニングセンタであり、上下に動くＹ軸の可動部上に水平に動くＺ軸があり、Ｚ軸の可動部上に主軸が保持され、それぞれの軸はモータ部で検出された位置に制御されてボールネジで駆動する。この場合、主軸がＺ軸水平方向に主軸台から繰り出されると、主軸は自重等により鉛直下方向にたわんだ姿勢となり、検出位置と最終機械端との間に位置誤差が生じる。このため、従来の数値制御装置は、主軸の主軸台に対する水平方向位置に応じて、主軸の鉛直方向の目標位置から位置誤差を補正する位置補正量を算出し、主軸の鉛直方向の位置に応じて位置補正量を調整し、調整された位置補正量で垂直方向目標値を補正する。
【０００４】
なお、従来の数値制御装置におけるバックラッシ補正は、移動方向によって駆動伝達機構のバックラッシを補正するものであり、移動方向によって機械の姿勢が変わる工作機械の姿勢変化を考慮した補正ではない。
【０００５】
また、従来の数値制御装置の他の例としては、図３０に示したものがある。図３０は、従来のコラム移動型数値制御装置を示す斜視図である。この従来の数値制御装置は、モータに取付けられた回転位置検出器を用いて位置検出し、その検出位置に基づきサーボアンプがサーボモータを位置制御することで、工具の刃先などの最終機械端を制御するものである。
【０００６】
このような、コラム移動型数値制御装置において、最終機械端に近い部分にシールの摺動面等と摩擦がある場合は、コラム部分の機械構造が最終機械端に近い部分の摩擦に引きずられる形で、軸移動方向に対してヨーイングの姿勢変化を起こし、位置検出部と最終機械端との間に位置の差が生じる。なお、ヨーイングの姿勢変化の様子を図３１に示す。図３１は、ヨーイングの姿勢変化の様子を示す模式図である。
なお、ボールネジとそのナット等の駆動伝達機構にバックラッシがないとすると、その差は、移動方向反転後徐々に増加し、ある移動量を超えると定常的な差となる。このような特性を図３２に示す。図３２は、バックラッシがない場合の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【０００７】
なお、図３２において、横軸は位置検出部及び最終機械端の位置の一致点からの位置検出部の移動量であり、縦軸は位置検出部及び最終機械端の位置誤差量である。
このような特性を有する位置誤差量は、同一方向に充分長い距離を移動した後、一度目の移動方向反転をし、位置誤差量が定常的な値となるまでの変化領域内で更に二度目の移動方向反転をした場合、一度目の方向反転からの位置誤差特性をなぞって戻るような変化をする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の数値制御装置は、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性を有する場合、位置検出器からの検出位置をもとに真円を描くように制御しても、その最終機械端は真円を描くことができず、精度の良い円を描くことができない。
【０００９】
また、従来の数値制御装置は、制御されている軸の位置関係によって一意に決まる姿勢変化に対しては補正を行うが、軸に対して機械構造がヨーイングまたはピッチングの姿勢変化をし、移動方向によってはその姿勢変化が変わるような場合には、位置誤差量が軸の位置関係で一意に決まるわけではないので、補正できなかった。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、機械構造の移動軸に対してヨーイング及びピッチングの姿勢変化によって位置検出部と最終機械端とに位置の差が生じ、方向反転時に最終機械端の位置誤差特性を有する場合でも、最終機械端において高い制御精度が得られる数値制御装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる数値制御装置は、位置制御を行うサーボアンプに位置指令を出力する数値制御装置において、移動方向反転からの移動量に応じて、この移動量に対応する位置誤差特性による位置誤差の補正を含めた位置指令を出力するものである。
【００１２】
また、移動方向反転からの移動量を位置指令から計算する反転移動量計算手段と、姿勢が変化途中である移動領域を記憶する変化領域記憶手段と、反転移動量が変化領域内であるかを判定する変化領域判定手段と、姿勢変化による最終機械端の位置誤差の補正基準量をあらかじめ記憶する補正基準量記憶手段と、補正基準量と反転移動量と変化領域判定とから補正量を計算する補正量計算手段とを備え、補正量を位置指令に加算することで機械の姿勢変化による最終機械端の位置誤差を補正するものである。
【００１３】
また、この発明にかかる数値制御装置は、補正量計算手段の計算が移動速度により変化するものである。
【００１４】
さらに、この発明にかかる数値制御装置の補正量計算手段は、基準とする速度方向反転からの移動量が変化領域内である場合の補正量を反転移動量に関する一次式で算出し、変化領域外で次に速度方向反転するまでの間の補正量は一定であるものである。
【００１５】
また、この発明にかかる数値制御装置の反転移動量に関する一次式は、移動速度によりその傾きが変わるものである。
【００１６】
さらに、この発明にかかる数値制御装置において、変化領域外で次に速度方向反転するまでの補正量は、移動速度により変わるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明による数値制御装置の一実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１の数値制御装置の構成を示すブロック図である。この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置の差を位置指令で補正するものである。
【００１８】
図１において、１は数値制御装置、２はサーボアンプ、３はサーボモータ、４は通常の加工作業時等に位置を検出する検出器、５はボールネジ、６はコラム型主軸台、７は工具の刃先などの最終機械端、８は補間位置指令生成部、９はサーボアンプ内の制御器、１０は位置指令を受け取って前回の位置指令との差分を計算する差分計算器、１１は位置誤差の変化する領域を移動量で記憶する変化領域記憶手段、１２は補正基準量記憶手段、１３は位置指令差分値を積分して変化領域で積分値をクランプする積分器である。
【００１９】
１４は記憶している補正量と積分値から補正量を計算する補正量計算手段、１５は補正量を補間位置指令に加算する加算器、１６は補正前の補間位置指令、１７は補間位置指令の前回値との差分値、１８は積分値、１９は補正量、２０は姿勢変化による位置誤差補正後の補間位置指令、２１は位置検出器からの位置フィードバックである。なお、ボールネジ・カップリング等の駆動伝達機構にバックラッシは無いものとする。
【００２０】
なお、補正基準量記憶手段１２に記憶される補正基準量は、図２に示す数値制御システムによって測定される。図２は、図１に示す数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を一時的に取付けた数値制御システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
最終機械端に取付けられた位置検出器２６は、最終機械端７の位置を測定し、通常の加工作業時に使用する位置検出器４で検出する位置と最終機械端７の位置との差を計算し、通常使用の位置検出器で検出する位置の反転移動量の一定間隔毎に位置誤差を補正基準量記憶手段に記憶することで、移動方向反転時の位置誤差特性を記憶する。なお、通常の加工作業等で機械を使用する時は、最終機械端の位置検出器のない図１に示す数値制御装置の態様であり、この図１に示す数値制御装置によって姿勢変化の補正が行われる。
【００２２】
また、図２に示す数値制御システムにより測定された位置誤差特性を、数値制御装置の仕様によって決められている記憶ポイントでデータ化して記憶する方法について、図３を用いて説明する。なお、位置誤差特性とは、移動方向反転時の通常検出部位置に対するものである。図３は、位置誤差特性をデータ化して記憶する方法について説明する概略図である。
図３の例で記憶ポイントの数は１０個あり、パラメータで設定された変化領域ＰＬから、（２×ＰＬ）を記憶ポイント数の１０で割った間隔を計算する。そして、反転からの移動量に対応する所定の間隔毎に、その時の位置誤差量を記憶することで、移動方向反転時の最終機械端の位置誤差特性が記憶される。なお、所定の間隔とはＰ１〜Ｐ１０であり、対応する位置誤差量はＱ１〜Ｑ１０である。
【００２３】
次に、図１に示す実施形態１の数値制御装置の動作について説明する。
数値制御装置１の位置指令生成部８は一定間隔の時間で位置指令を出力しており、差分計算器１０は該位置指令１６を受け取って、記憶しておいた前回の位置指令との差分を計算する。
積分器は位置指令差分値を積分値に足し込む。この積分器は変化領域内判断手段を備えており、積分値を変化領域である−ＰＬ以上ＰＬ以下にクランプする。たとえば、＋方向に２ＰＬより大きい距離を移動すると、積分値はクランプされてＰＬとなり、機械の姿勢変化も最も大きい状態となる。
そこから−方向に反転移動すると、積分値は反転後移動した移動量だけＰＬから減じられる。
【００２４】
一度目の反転後の移動量が０以上２ＰＬ以下であれば、さらに反転しても積分値は一度目の反転からの移動量に応じて増減する。
また、一度目の反転からの移動量が０より小さい値または２ＰＬより大きな値になると、積分値は−ＰＬもしくはＰＬでクランプされた値となる。
このように計算された積分値は、姿勢変化の変化領域において、どの程度、姿勢変化をしているかの目安となる移動方向反転からの移動量を示すものである。
【００２５】
次に、補正量計算手段１４は、積分器１３から出力された積分値を受け取り、補正基準量記憶手段１２に記憶された記憶データの中で該積分値に＋方向に最も近い反転移動量のデータと、−方向に最も近いデータとによって線形補間して、積分値での補正量を計算する。
このように補正量を計算することにより、移動方向反転からの移動量が変化領域内である場合は記憶した位置誤差特性に合わせた補正量となり、変化領域の外まで移動した場合には一定値の補正量となる。
【００２６】
なお、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応について、図４を用いて説明する。図４は、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は積分値であり、縦軸は補正量である。
例えば、図４の例において、積分値がＰＡである場合、ＰＡはＰ８とＰ９との間なので、Ｑ８とＱ９とを、ＰＡとＰ８とＰ９とで線形補間してＱＡを算出する。
変化領域内では移動方向によらずこの方法を用いるので、変化領域内でさらに移動方向が反転すると、この補正特性曲線の逆をたどることになる。
【００２７】
例えば＋方向に移動していきＰＢを通過して変化領域内であるＰＡで移動方向が反転し、−方向に移動してＰＢに達した時の補正量は、＋方向に移動中に通過したＰＢの時の補正量と同じ値である。
積分値が変化領域内で＋方向に移動していき、積分値がＰＬに達してさらに同方向である＋方向に移動していくと積分値はＰＬ（＝Ｐ１０）にクランプされるので、そのまま反転せずに＋方向に移動する限り、補正量は、積分値がＰＬのときに対応するＱ１０で一定となる。
【００２８】
本実施形態の数値制御装置において図５に示すような真円の位置指令を発すると、Ｘ軸のみに姿勢変化による位置誤差を有する該数値制御装置は、該位置指令に対して補正をしないと、図６に示すような軌跡を該数値制御装置の最終機械端が描く。
これに対して、該数値制御装置は、指令生成部から出力された該位置指令に、所定の補正量を加える。なお、所定の補正量は、姿勢変化による位置誤差に基づくものである。これより、サーボアンプには、図７に示す位置指令が送られる。そして、サーボアンプでは、入力された位置指令に基づき、位置検出部の位置が制御され、最終機械端では姿勢変化による位置誤差の影響が重なり、図８に示されるような精度の高い円軌跡が描かれる。
【００２９】
なお、図５は、本実施形態の数値制御装置の補間位置指令生成部から出力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
また、図６は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、図５に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
さらに、図７は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図５に示す位置指令に補正を加えたその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
また、図８は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、補正後の位置指令を実際に描いて得られた軌跡である。
【００３０】
実施の形態２
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置の差を位置指令で補正し、その補正量計算は速度によって変化させるものである。
【００３１】
なお、粘性摩擦の影響等で、工作機械によっては、速度が異なれば移動方向反転時の位置誤差特性も異なる場合がある。そのような工作機械に対しては、速度による特性の違いを記憶し、速度に合わせて補正する。
【００３２】
本実施形態の数値制御装置において、補正基準量記憶手段１４は、種々の速度における反転移動量に対する位置誤差量を記憶する。
また、差分計算器１０から出力される指令位置差分値１７は指令速度情報を示し、この指令速度情報は、補正量計算手段１４に入力される。
さらに、補正量計算手段１４は、補正基準量記憶手段１２の反転移動量と速度とに対応する位置誤差量データを基に、指令速度によっても補間し補正量を変える。
【００３３】
なお、本実施形態の数値制御装置の補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応について図１０に示す。図１０は、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
このグラフから、本実施形態の数値制御装置の補正量計算手段１４は、積分値に対する補正量を速度毎に有しており、指令速度に合わせて補正量が変化する。
【００３４】
このように、速度によって移動方向反転時の最終機械端の位置誤差特性が異なる工作機械でも、速度による特性の違いを記憶し、速度に合わせて補正することにより、最終機械端における精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００３５】
実施の形態３．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図１１を用いて説明する。
図１１は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正し、変化領域外では一定値で補正するものである。なお、ボールネジ・カップリング等の駆動伝達機構にバックラッシは無いものとする。
【００３６】
なお、本実施形態の数値制御装置における位置誤差特性を図１２に示す。図１２は、本実施形態の数値制御装置における位置誤差特性を示す特性図である。
本実施形態の数値制御装置のように姿勢変化の角度が小さい場合は、移動方向反転時の工作機械の姿勢変化による位置誤差が図１２に示すように一次式に近似できる。また、例えば位置指令単位が１μｍで、位置誤差量が最大数μｍと少ない場合でも、非線形要素は指令単位誤差に隠れてしまうので、位置誤差特性は一次式で近似できる。
【００３７】
また、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応は、図１３のようになる。図１３は、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
この補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応である補正量計算特性は、方向反転から位置誤差量が定常値に至るまでの補正量を反転移動量の一次式で近似し、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性に対して、簡素に補正できるようにしたものである。なお、補正量計算特性を決めるパラメータとして、定常的補正量ＱＬと、変化領域移動量ＰＬとを設定する。
【００３８】
次に、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４から出力される補正量の算出方法について説明する。なお、本実施形態において、積分値１７の算出方法は、実施形態１と同様であり、その説明を省略する。
移動方向反転からの移動量が変化領域内である場合、積分値１７は変化領域によってクランプされず、補正量１９は、図１３に示される変化領域設定値ＰＬと定常的補正量ＱＬとで決まる積分値に関する一次関数で計算される。
【００３９】
また、移動方向反転からの移動量が変化領域から外れずに変化領域内である間は、積分値はクランプされず、指令移動方向が反転しても、一度目の反転からの移動量の遷移に合わせて積分値も変化し、図１３の変化領域内の一次関数上を遷移して補正量が決まる。
【００４０】
さらに、移動方向反転からの移動量が変化領域をこえた場合は、積分値がクランプされ、補正量は一定値ＱＬまたは−ＱＬをとる。
【００４１】
次に、パラメータＱＬ及びＰＬの決定方法について説明する。
パラメータＱＬ及びＰＬを決定する際、数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を付加した図９に示す数値制御システムが用いられる。この数値制御システムにより、移動方向反転時の通常位置検出部の位置と最終機械端の位置とが観測されることで、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性（図１２）が測定される。
そして、位置誤差特性を近似するように定常的補正量ＱＬ、変化領域移動量ＰＬが決められることで、速度方向反転時の姿勢変化の補正量計算特性（図１３）が決定する。
【００４２】
なお、パラメータＱＬ及びＰＬを決定する際、実際的には円軌跡を基準にして精度を測定することが多いため、円を描かせながらパラメータは決定される。なお、本実施形態の数値制御装置は、Ｘ軸に姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性があるものとし、Ｙ軸には姿勢変化がないものとする。また、Ｘ軸Ｙ軸ともにボールネジなどの駆動伝達機構にバックラッシはないものとする。
【００４３】
そこで、パラメータＱＬ及びＰＬを決定するため、図９に示す数値制御システムにおいて、通常の位置検出部の検出データが図１４のような真円を描くように制御する。この時、数値制御装置に図１２に示すような姿勢変化による位置誤差特性があると、最終機械端は図１５に示すような軌跡を描く。なお、図１４は、本実施形態の数値制御装置が有する位置検出部に入力された真円の位置指令に基づく軌跡である。また、図１５は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、図１４に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【００４４】
この時、まずＰＬ＝０とし、最終機械端の軌跡が図１６に示すように全体的な半円ごとのずれがなくなるように定常的補正量ＱＬを決定する。なお、図１６は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
その後、速度方向反転時の円の内部への突起が最も小さくなるように変化領域移動量ＰＬを調節する。
【００４５】
これら調節され決定されたパラメータＱＬ及びＰＬは、数値制御装置１内の補正基準量記憶手段及び変化領域記憶手段に記憶され、最終機械端の位置検出器のない通常使用時の数値制御装置において、位置指令値を補正する。
【００４６】
つまり、本実施形態の数値制御装置は、位置指令から計算された積分値１８と、あらかじめ記憶された変化領域移動量ＰＬ及び定情的補正量ＱＬとから、補正量計算手段１４で、図１３に示す変化領域内は一次関数で、また変化領域外の＋方向移動はＱＬの一定値で、さらに変化領域外の−方向移動は−ＱＬの一定値で補正量が計算され、位置指令生成部から出力された位置指令１６に加算され、サーボアンプに送られる。
【００４７】
そして、本実施形態の数値制御装置は、図１４に示すような真円の位置指令１６に対して、上述のような補正量を加算することで、図１７に示すような位置指令がサーボアンプに送られ、位置検出部の位置を制御する。このことにより、最終機械端では図１８に示すような精度の高い円軌跡を描くことができる。なお、図１７は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。また、図１８は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、補正後に位置指令を実際に描いた軌跡である。
【００４８】
このように、工作機械の姿勢変化による位置検出部と最終機械端との位置誤差を移動方向反転時の特性に合わせて補正することで、最終機械端の制御精度を大幅に向上させることができる。
【００４９】
なお、工作機械において、座標を確立する方法としては、例えば−方向に移動させ、ドグを踏んだ時点を原点とする場合がある。このような場合、原点が確立した時に、−方向に移動したときの最大の姿勢変化が生じており、このような姿勢変化の状態に合わせた座標で位置指令生成部は位置指令を生成する。このような場合には、積分値と変化領域と補正量をシフトさせて、図１９に示すように補正量を計算する。なお、図１９は、−方向に十分移動した時の座標を基準とした場合の補正量計算特性を示す特性図である。
【００５０】
また、駆動伝達機構にバックラッシが存在する時、姿勢変化による補正とは全く別の従来のバックラッシ補正をも行う必要がある。このような場合において、例えば−方向から＋方向へ移動方向が反転して＋方向へ移動する時は、バックラッシ補正量をＢＬとすると、位置指令生成部の出力する位置指令に加算される補正量の合計は図２０のようになる。なお、図２０は、バックラッシ補正を実施した場合で、移動方向が−方向から＋方向へ反転して＋方向へ移動していくときの、図１９に示す姿勢変化補正とバックラッシ補正との補正量の合計を示した補正量計算特性を示す特性図である。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５１】
実施の形態４．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図２１を用いて説明する。
図２１は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正を行い、その変化領域ＰＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５２】
この数値制御装置により制御される工作機械において、姿勢変化を起こす機械構造にダンパ要素が含まれていると、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性は、移動速度が大きいほど、移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなることがある。このような特性を図２２に示す。図２２は、移動速度が大きいほど移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなる場合の、最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
本実施形態の数値制御装置は、そのような場合にも精度良く補正できるように、変化領域移動量ＰＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５３】
速度が非常に遅くほぼ０とみなせるときの変化領域移動量をＰＬ１、変化領域移動量の最大値をＰＬ２、変化領域移動量がＰＬ２のときの速度をＶ０２とし、これら３つの値をパラメータとして変化領域記憶手段１１に記憶する。
ある速度Ｖのときの変化領域移動量ＰＬは、変化領域計算手段２４によって、図２３に示されるように計算され、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２以下である場合はＰＬ１で、ＰＬ１、ＰＬ２、及びＶ０２をもとに補間して算出される。なお、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２よりも大きい場合はＰＬ＝ＰＬ２とする。なお、図２３は、変化領域計算手段２４における指令速度Ｖから変化領域ＰＬへの計算方法を示したグラフである。
【００５４】
このように決められた変化領域移動量ＰＬをもとに、積分器１３内では、クランプが実施されて積分値が計算される。また、変化領域移動量ＰＬと積分値とから補正量計算手段１４は、補正量を計算する。この様子を図２４に示す。図２４は、補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。なお、この図２４において、変化領域内では速度によって決まる変化領域移動量ＰＬと補正量ＱＬとによる一次関数で補正量が計算され、変化領域外では＋方向ではＱＬ、−方向では−ＱＬの一定値となる。
このように計算された補正量は、位置指令１６に加算され、速度によって姿勢の変化領域の特性が変わる工作機械においても、最終機械端の制御精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５５】
実施の形態５．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図２５を用いて説明する。
図２５は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端の位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正を行い、定常的補正量ＱＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５６】
最終機械端付近の摩擦がクーロン摩擦だけでなく、速度に比例した粘性摩擦もある場合は、速度が速いほど摩擦力が大きくなり、定常状態の位置の誤差は移動速度が速いときほど大きくなる。そのような場合にも精度良く補正できるように、定常的補正量ＱＬを指令速度によって変化させる。
【００５７】
速度が非常に遅くほぼ０であるとみなせる状態での定常的な機械の誤差をＱＬ１、定常的補正量の最大値をＱＬ２、定常的補正量がＱＬ２のときの速度をＶ０３とし、これら３つの値をパラメータとして補正基準量記憶手段に記憶する。
ある速度Ｖのときの定常的補正量ＱＬは、基準補正量計算手段２５によって図２６に示されるように計算され、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２以下である場合はＱＬ１で、ＱＬ１、ＱＬ２、及びＶ０３をもとに補間して算出される。なお、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０３よりも大きい場合はＱＬ＝ＱＬ２とする。なお、図２６は基準補正量計算手段２５における指令速度Ｖから定常的補正量ＱＬへの計算方法を示したグラフである。
【００５８】
このように決められた定常的補正量ＱＬと、積分器１３で計算された積分値とにより、補正量計算手段１４は補正量を計算する。なお、補正量の計算は、図２７に示すように計算される。また、図２７は補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。この図２７において、変化領域内では速度によって決まる変化領域移動量ＰＬと補正量ＱＬとの一次関数により補正量が計算され、変化領域外の＋方向ではＱＬの一定値となり、変化領域外の−方向では−ＱＬの一定値となる。このように計算された補正量は位置指令１６に加算される。
このように補正を行うことで、最終機械端付近に粘性摩擦のある工作機械においても、最終機械端における制御精度が向上する。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明にかかる数値制御装置は、位置制御を行うサーボアンプに位置指令を出力する数値制御装置において、移動方向反転からの移動量を位置指令から計算する反転移動量計算手段と、姿勢が変化途中である移動領域を記憶する変化領域記憶手段と、反転移動量が変化領域内であるかを判定する変化領域判定手段と、姿勢変化による最終機械端の位置誤差の補正基準量をあらかじめ記憶する補正基準量記憶手段と、補正基準量と反転移動量と変化領域判定とから補正量を計算する補正量計算手段とを備え、補正量を位置指令に加算することで機械の姿勢変化による最終機械端の位置誤差を補正するものであり、速度方向反転からの移動量をもとに位置検出部と最終機械端との位置の差を補正するので、速度方向反転時に姿勢が変化することによる最終機械端の位置誤差をサーボアンプへの指令で補正でき、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６０】
また、この発明にかかる数値制御装置は、補正量計算手段の計算が移動速度により変化するものであり、補正量を算出する計算を移動速度によって変えるので、姿勢変化の過渡特性が速度によって変化する機械に対しても、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６１】
さらに、この発明にかかる数値制御装置の補正量計算手段は、基準とする速度方向反転からの移動量が変化領域内である場合の補正量を反転移動量に関する一次式で算出し、変化領域外で次に速度方向反転するまでの間の補正量は一定であるものであり、駆動源と駆動伝達先との位置の差の速度方向反転から定常値に至るまでの特性を反転移動量に関する一次式で近似して補正するので、簡便に、少ない演算処理能力と少ないメモリとで、速度方向反転時に姿勢が変化することによる最終機械端の位置誤差をサーボアンプへの指令で補正でき、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６２】
また、この発明にかかる数値制御装置の反転移動量に関する一次式は、移動速度によりその傾きが変わるものであり、補正量を算出する一次式の傾きを、移動速度によって変えるので、姿勢変化の過渡特性が速度によって変化する機械に対しても、簡便に少ない演算処理能力と少ないメモリで、最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６３】
さらに、この発明にかかる数値制御装置において、変化領域外で次に速度方向反転するまでの補正量は、移動速度により変わるものであり、設定移動量以上移動した場合の補正量を、移動速度によって変えるので、最終機械端付近に速度に依存した粘性摩擦を持つ機械に対しても、簡便に少ない演算処理能力と少ないメモリで、最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６４】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を一時的に取付けた数値制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態１の数値制御装置における位置誤差特性をデータ化して記憶する方法について説明する概略図である。
【図４】 本発明の実施形態１の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図５】 本発明の実施形態１の数値制御装置の補間位置指令生成部から出力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
【図６】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端が、図５に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【図７】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図５に示す位置指令に補正を加えたその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図８】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端が、補正後の位置指令を実際に描いて得られた軌跡である。
【図９】 本発明の実施形態２の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】 本発明の実施形態２の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図１１】 本発明の実施形態３の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施形態３の数値制御装置における位置誤差特性を示す特性図である。
【図１３】 本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図１４】 本発明の実施形態３の数値制御装置が有する位置検出部に入力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
【図１５】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置の最終機械端が、図１４に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【図１６】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図１７】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図１８】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置の最終機械端が、補正後に位置指令を実際に描いた軌跡である。
【図１９】 −方向に十分移動した時の座標を基準とした場合の補正量計算特性を示す特性図である。
【図２０】 バックラッシ補正を実施した場合で、移動方向が−方向から＋方向へ反転して＋方向へ移動していくときの、図１９に示す姿勢変化補正とバックラッシ補正との補正量の合計を示した補正量計算特性を示す特性図である。
【図２１】 本発明の実施形態４の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】 移動速度が大きいほど移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなる場合の、最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【図２３】 本発明の実施形態４の数値制御装置が有する変化領域計算手段２４における指令速度Ｖから変化領域ＰＬへの計算方法を示したグラフである。
【図２４】 本発明の実施形態４の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。
【図２５】 本発明の実施形態５の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２６】 本発明の実施形態５の数値制御装置が有する基準補正量計算手段２５における指令速度Ｖから定常的補正量ＱＬへの計算方法を示したグラフである。
【図２７】 本発明の実施形態５の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。
【図２８】 移動速度が大きいほど定常的位置誤差量が大きくなる工作機械の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【図２９】 従来の数値制御装置における工作機械の姿勢変化に対する補正機構を示すブロック図である。
【図３０】 従来のコラム移動型数値制御装置を示す斜視図である。
【図３１】 従来のコラム移動型数値制御装置におけるヨーイングの姿勢変化の様子を示す模式図である。
【図３２】 バックラッシがない場合の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 数値制御装置、２ サーボアンプ、３ 駆動源としてのサーボモータ、４ サーボモータの位置を検出する検出器、５ ボールネジ、６ コラム型主軸ヘッド、７ 最終機械端、８ 補間位置指令生成部、９ サーボアンプ内の制御器、１０ 差分計算器、１１ 変化領域記憶手段、１２ 補正基準量記憶手段、１３変化領域で積分値をクランプする積分器、１４ 補正量計算手段、１５ 加算器、１６ 補間位置指令生成部の生成する補間位置指令、１７ 補間位置指令の前回値との差分値、１８ 積分値、１９ 姿勢変化による位置誤差を補正する補正量、２０ 姿勢変化による位置誤差を補正された補間位置指令、２１ 位置検出器からの位置フィードバック、２２ 最終機械端の位置、２３ 測定した最終機械端の位置誤差特性、２４ 変化領域計算手段、２５ 補正基準量計算手段、２６ 最終機械端の位置を検出する位置検出器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータによって工作機械の位置制御を行う数値制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、数値制御装置による工作機械の位置制御は、モータに取付けられた回転位置検出器または工作機械移動軸の移動部付近に取付けられたリニアスケール等の位置検出器を用い、その位置検出器による位置検出結果に基づきサーボアンプがサーボモータを位置制御して、工具の刃先などの最終機械端の位置を制御していた。しかしながら、実際に加工を行う工作機械においては、構造上、位置検出器が取付けられた部位と、最終的に位置制御したい最終機械端とが、ほとんど一致しなかった。そのため、位置検出器や最終機械端を備えた工作機械の姿勢が変化することにより、位置検出器で検出される位置と最終機械端の位置とに誤差が生じた。
【０００３】
このような誤差を補正するため、従来、例えば特開平１０−６３３１９号公報に示された方法を用いていた。該方法を実行する数値制御装置を図２９に示す。図２９は、従来の数値制御装置における工作機械の姿勢変化に対する補正機構を示すブロック図である。
図２９は、例えば横型のマシニングセンタであり、上下に動くＹ軸の可動部上に水平に動くＺ軸があり、Ｚ軸の可動部上に主軸が保持され、それぞれの軸はモータ部で検出された位置に制御されてボールネジで駆動する。この場合、主軸がＺ軸水平方向に主軸台から繰り出されると、主軸は自重等により鉛直下方向にたわんだ姿勢となり、検出位置と最終機械端との間に位置誤差が生じる。このため、従来の数値制御装置は、主軸の主軸台に対する水平方向位置に応じて、主軸の鉛直方向の目標位置から位置誤差を補正する位置補正量を算出し、主軸の鉛直方向の位置に応じて位置補正量を調整し、調整された位置補正量で垂直方向目標値を補正する。
【０００４】
なお、従来の数値制御装置におけるバックラッシ補正は、移動方向によって駆動伝達機構のバックラッシを補正するものであり、移動方向によって機械の姿勢が変わる工作機械の姿勢変化を考慮した補正ではない。
【０００５】
また、従来の数値制御装置の他の例としては、図３０に示したものがある。図３０は、従来のコラム移動型数値制御装置を示す斜視図である。この従来の数値制御装置は、モータに取付けられた回転位置検出器を用いて位置検出し、その検出位置に基づきサーボアンプがサーボモータを位置制御することで、工具の刃先などの最終機械端を制御するものである。
【０００６】
このような、コラム移動型数値制御装置において、最終機械端に近い部分にシールの摺動面等と摩擦がある場合は、コラム部分の機械構造が最終機械端に近い部分の摩擦に引きずられる形で、軸移動方向に対してヨーイングの姿勢変化を起こし、位置検出部と最終機械端との間に位置の差が生じる。なお、ヨーイングの姿勢変化の様子を図３１に示す。図３１は、ヨーイングの姿勢変化の様子を示す模式図である。
なお、ボールネジとそのナット等の駆動伝達機構にバックラッシがないとすると、その差は、移動方向反転後徐々に増加し、ある移動量を超えると定常的な差となる。このような特性を図３２に示す。図３２は、バックラッシがない場合の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【０００７】
なお、図３２において、横軸は位置検出部及び最終機械端の位置の一致点からの位置検出部の移動量であり、縦軸は位置検出部及び最終機械端の位置誤差量である。
このような特性を有する位置誤差量は、同一方向に充分長い距離を移動した後、一度目の移動方向反転をし、位置誤差量が定常的な値となるまでの変化領域内で更に二度目の移動方向反転をした場合、一度目の方向反転からの位置誤差特性をなぞって戻るような変化をする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の数値制御装置は、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性を有する場合、位置検出器からの検出位置をもとに真円を描くように制御しても、その最終機械端は真円を描くことができず、精度の良い円を描くことができない。
【０００９】
また、従来の数値制御装置は、制御されている軸の位置関係によって一意に決まる姿勢変化に対しては補正を行うが、軸に対して機械構造がヨーイングまたはピッチングの姿勢変化をし、移動方向によってはその姿勢変化が変わるような場合には、位置誤差量が軸の位置関係で一意に決まるわけではないので、補正できなかった。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、機械構造の移動軸に対してヨーイング及びピッチングの姿勢変化によって位置検出部と最終機械端とに位置の差が生じ、方向反転時に最終機械端の位置誤差特性を有する場合でも、最終機械端において高い制御精度が得られる数値制御装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる数値制御装置は、位置制御を行うサーボアンプに位置指令を出力する数値制御装置において、移動方向反転からの移動量に応じて、この移動量に対応する位置誤差特性による位置誤差の補正を含めた位置指令を出力するものである。
【００１２】
また、移動方向反転からの移動量を位置指令から計算する反転移動量計算手段と、姿勢が変化途中である移動領域を記憶する変化領域記憶手段と、反転移動量が変化領域内であるかを判定する変化領域判定手段と、姿勢変化による最終機械端の位置誤差の補正基準量をあらかじめ記憶する補正基準量記憶手段と、補正基準量と反転移動量と変化領域判定とから補正量を計算する補正量計算手段とを備え、補正量を位置指令に加算することで機械の姿勢変化による最終機械端の位置誤差を補正するものである。
【００１３】
また、この発明にかかる数値制御装置は、補正量計算手段の計算が移動速度により変化するものである。
【００１４】
さらに、この発明にかかる数値制御装置の補正量計算手段は、基準とする速度方向反転からの移動量が変化領域内である場合の補正量を反転移動量に関する一次式で算出し、変化領域外で次に速度方向反転するまでの間の補正量は一定であるものである。
【００１５】
また、この発明にかかる数値制御装置の反転移動量に関する一次式は、移動速度によりその傾きが変わるものである。
【００１６】
さらに、この発明にかかる数値制御装置において、変化領域外で次に速度方向反転するまでの補正量は、移動速度により変わるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明による数値制御装置の一実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１の数値制御装置の構成を示すブロック図である。この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置の差を位置指令で補正するものである。
【００１８】
図１において、１は数値制御装置、２はサーボアンプ、３はサーボモータ、４は通常の加工作業時等に位置を検出する検出器、５はボールネジ、６はコラム型主軸台、７は工具の刃先などの最終機械端、８は補間位置指令生成部、９はサーボアンプ内の制御器、１０は位置指令を受け取って前回の位置指令との差分を計算する差分計算器、１１は位置誤差の変化する領域を移動量で記憶する変化領域記憶手段、１２は補正基準量記憶手段、１３は位置指令差分値を積分して変化領域で積分値をクランプする積分器である。
【００１９】
１４は記憶している補正量と積分値から補正量を計算する補正量計算手段、１５は補正量を補間位置指令に加算する加算器、１６は補正前の補間位置指令、１７は補間位置指令の前回値との差分値、１８は積分値、１９は補正量、２０は姿勢変化による位置誤差補正後の補間位置指令、２１は位置検出器からの位置フィードバックである。なお、ボールネジ・カップリング等の駆動伝達機構にバックラッシは無いものとする。
【００２０】
なお、補正基準量記憶手段１２に記憶される補正基準量は、図２に示す数値制御システムによって測定される。図２は、図１に示す数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を一時的に取付けた数値制御システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
最終機械端に取付けられた位置検出器２６は、最終機械端７の位置を測定し、通常の加工作業時に使用する位置検出器４で検出する位置と最終機械端７の位置との差を計算し、通常使用の位置検出器で検出する位置の反転移動量の一定間隔毎に位置誤差を補正基準量記憶手段に記憶することで、移動方向反転時の位置誤差特性を記憶する。なお、通常の加工作業等で機械を使用する時は、最終機械端の位置検出器のない図１に示す数値制御装置の態様であり、この図１に示す数値制御装置によって姿勢変化の補正が行われる。
【００２２】
また、図２に示す数値制御システムにより測定された位置誤差特性を、数値制御装置の仕様によって決められている記憶ポイントでデータ化して記憶する方法について、図３を用いて説明する。なお、位置誤差特性とは、移動方向反転時の通常検出部位置に対するものである。図３は、位置誤差特性をデータ化して記憶する方法について説明する概略図である。
図３の例で記憶ポイントの数は１０個あり、パラメータで設定された変化領域ＰＬから、（２×ＰＬ）を記憶ポイント数の１０で割った間隔を計算する。そして、反転からの移動量に対応する所定の間隔毎に、その時の位置誤差量を記憶することで、移動方向反転時の最終機械端の位置誤差特性が記憶される。なお、所定の間隔とはＰ１〜Ｐ１０であり、対応する位置誤差量はＱ１〜Ｑ１０である。
【００２３】
次に、図１に示す実施形態１の数値制御装置の動作について説明する。
数値制御装置１の位置指令生成部８は一定間隔の時間で位置指令を出力しており、差分計算器１０は該位置指令１６を受け取って、記憶しておいた前回の位置指令との差分を計算する。
積分器は位置指令差分値を積分値に足し込む。この積分器は変化領域内判断手段を備えており、積分値を変化領域である−ＰＬ以上ＰＬ以下にクランプする。たとえば、＋方向に２ＰＬより大きい距離を移動すると、積分値はクランプされてＰＬとなり、機械の姿勢変化も最も大きい状態となる。
そこから−方向に反転移動すると、積分値は反転後移動した移動量だけＰＬから減じられる。
【００２４】
一度目の反転後の移動量が０以上２ＰＬ以下であれば、さらに反転しても積分値は一度目の反転からの移動量に応じて増減する。
また、一度目の反転からの移動量が０より小さい値または２ＰＬより大きな値になると、積分値は−ＰＬもしくはＰＬでクランプされた値となる。
このように計算された積分値は、姿勢変化の変化領域において、どの程度、姿勢変化をしているかの目安となる移動方向反転からの移動量を示すものである。
【００２５】
次に、補正量計算手段１４は、積分器１３から出力された積分値を受け取り、補正基準量記憶手段１２に記憶された記憶データの中で該積分値に＋方向に最も近い反転移動量のデータと、−方向に最も近いデータとによって線形補間して、積分値での補正量を計算する。
このように補正量を計算することにより、移動方向反転からの移動量が変化領域内である場合は記憶した位置誤差特性に合わせた補正量となり、変化領域の外まで移動した場合には一定値の補正量となる。
【００２６】
なお、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応について、図４を用いて説明する。図４は、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は積分値であり、縦軸は補正量である。
例えば、図４の例において、積分値がＰＡである場合、ＰＡはＰ８とＰ９との間なので、Ｑ８とＱ９とを、ＰＡとＰ８とＰ９とで線形補間してＱＡを算出する。
変化領域内では移動方向によらずこの方法を用いるので、変化領域内でさらに移動方向が反転すると、この補正特性曲線の逆をたどることになる。
【００２７】
例えば＋方向に移動していきＰＢを通過して変化領域内であるＰＡで移動方向が反転し、−方向に移動してＰＢに達した時の補正量は、＋方向に移動中に通過したＰＢの時の補正量と同じ値である。
積分値が変化領域内で＋方向に移動していき、積分値がＰＬに達してさらに同方向である＋方向に移動していくと積分値はＰＬ（＝Ｐ１０）にクランプされるので、そのまま反転せずに＋方向に移動する限り、補正量は、積分値がＰＬのときに対応するＱ１０で一定となる。
【００２８】
本実施形態の数値制御装置において図５に示すような真円の位置指令を発すると、Ｘ軸のみに姿勢変化による位置誤差を有する該数値制御装置は、該位置指令に対して補正をしないと、図６に示すような軌跡を該数値制御装置の最終機械端が描く。
これに対して、該数値制御装置は、指令生成部から出力された該位置指令に、所定の補正量を加える。なお、所定の補正量は、姿勢変化による位置誤差に基づくものである。これより、サーボアンプには、図７に示す位置指令が送られる。そして、サーボアンプでは、入力された位置指令に基づき、位置検出部の位置が制御され、最終機械端では姿勢変化による位置誤差の影響が重なり、図８に示されるような精度の高い円軌跡が描かれる。
【００２９】
なお、図５は、本実施形態の数値制御装置の補間位置指令生成部から出力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
また、図６は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、図５に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
さらに、図７は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図５に示す位置指令に補正を加えたその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
また、図８は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、補正後の位置指令を実際に描いて得られた軌跡である。
【００３０】
実施の形態２
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図９を用いて説明する。
図９は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置の差を位置指令で補正し、その補正量計算は速度によって変化させるものである。
【００３１】
なお、粘性摩擦の影響等で、工作機械によっては、速度が異なれば移動方向反転時の位置誤差特性も異なる場合がある。そのような工作機械に対しては、速度による特性の違いを記憶し、速度に合わせて補正する。
【００３２】
本実施形態の数値制御装置において、補正基準量記憶手段１４は、種々の速度における反転移動量に対する位置誤差量を記憶する。
また、差分計算器１０から出力される指令位置差分値１７は指令速度情報を示し、この指令速度情報は、補正量計算手段１４に入力される。
さらに、補正量計算手段１４は、補正基準量記憶手段１２の反転移動量と速度とに対応する位置誤差量データを基に、指令速度によっても補間し補正量を変える。
【００３３】
なお、本実施形態の数値制御装置の補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応について図１０に示す。図１０は、補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
このグラフから、本実施形態の数値制御装置の補正量計算手段１４は、積分値に対する補正量を速度毎に有しており、指令速度に合わせて補正量が変化する。
【００３４】
このように、速度によって移動方向反転時の最終機械端の位置誤差特性が異なる工作機械でも、速度による特性の違いを記憶し、速度に合わせて補正することにより、最終機械端における精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００３５】
実施の形態３．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図１１を用いて説明する。
図１１は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正し、変化領域外では一定値で補正するものである。なお、ボールネジ・カップリング等の駆動伝達機構にバックラッシは無いものとする。
【００３６】
なお、本実施形態の数値制御装置における位置誤差特性を図１２に示す。図１２は、本実施形態の数値制御装置における位置誤差特性を示す特性図である。
本実施形態の数値制御装置のように姿勢変化の角度が小さい場合は、移動方向反転時の工作機械の姿勢変化による位置誤差が図１２に示すように一次式に近似できる。また、例えば位置指令単位が１μｍで、位置誤差量が最大数μｍと少ない場合でも、非線形要素は指令単位誤差に隠れてしまうので、位置誤差特性は一次式で近似できる。
【００３７】
また、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応は、図１３のようになる。図１３は、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
この補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応である補正量計算特性は、方向反転から位置誤差量が定常値に至るまでの補正量を反転移動量の一次式で近似し、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性に対して、簡素に補正できるようにしたものである。なお、補正量計算特性を決めるパラメータとして、定常的補正量ＱＬと、変化領域移動量ＰＬとを設定する。
【００３８】
次に、本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段１４から出力される補正量の算出方法について説明する。なお、本実施形態において、積分値１７の算出方法は、実施形態１と同様であり、その説明を省略する。
移動方向反転からの移動量が変化領域内である場合、積分値１７は変化領域によってクランプされず、補正量１９は、図１３に示される変化領域設定値ＰＬと定常的補正量ＱＬとで決まる積分値に関する一次関数で計算される。
【００３９】
また、移動方向反転からの移動量が変化領域から外れずに変化領域内である間は、積分値はクランプされず、指令移動方向が反転しても、一度目の反転からの移動量の遷移に合わせて積分値も変化し、図１３の変化領域内の一次関数上を遷移して補正量が決まる。
【００４０】
さらに、移動方向反転からの移動量が変化領域をこえた場合は、積分値がクランプされ、補正量は一定値ＱＬまたは−ＱＬをとる。
【００４１】
次に、パラメータＱＬ及びＰＬの決定方法について説明する。
パラメータＱＬ及びＰＬを決定する際、数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を付加した図９に示す数値制御システムが用いられる。この数値制御システムにより、移動方向反転時の通常位置検出部の位置と最終機械端の位置とが観測されることで、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性（図１２）が測定される。
そして、位置誤差特性を近似するように定常的補正量ＱＬ、変化領域移動量ＰＬが決められることで、速度方向反転時の姿勢変化の補正量計算特性（図１３）が決定する。
【００４２】
なお、パラメータＱＬ及びＰＬを決定する際、実際的には円軌跡を基準にして精度を測定することが多いため、円を描かせながらパラメータは決定される。なお、本実施形態の数値制御装置は、Ｘ軸に姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性があるものとし、Ｙ軸には姿勢変化がないものとする。また、Ｘ軸Ｙ軸ともにボールネジなどの駆動伝達機構にバックラッシはないものとする。
【００４３】
そこで、パラメータＱＬ及びＰＬを決定するため、図９に示す数値制御システムにおいて、通常の位置検出部の検出データが図１４のような真円を描くように制御する。この時、数値制御装置に図１２に示すような姿勢変化による位置誤差特性があると、最終機械端は図１５に示すような軌跡を描く。なお、図１４は、本実施形態の数値制御装置が有する位置検出部に入力された真円の位置指令に基づく軌跡である。また、図１５は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、図１４に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【００４４】
この時、まずＰＬ＝０とし、最終機械端の軌跡が図１６に示すように全体的な半円ごとのずれがなくなるように定常的補正量ＱＬを決定する。なお、図１６は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
その後、速度方向反転時の円の内部への突起が最も小さくなるように変化領域移動量ＰＬを調節する。
【００４５】
これら調節され決定されたパラメータＱＬ及びＰＬは、数値制御装置１内の補正基準量記憶手段及び変化領域記憶手段に記憶され、最終機械端の位置検出器のない通常使用時の数値制御装置において、位置指令値を補正する。
【００４６】
つまり、本実施形態の数値制御装置は、位置指令から計算された積分値１８と、あらかじめ記憶された変化領域移動量ＰＬ及び定情的補正量ＱＬとから、補正量計算手段１４で、図１３に示す変化領域内は一次関数で、また変化領域外の＋方向移動はＱＬの一定値で、さらに変化領域外の−方向移動は−ＱＬの一定値で補正量が計算され、位置指令生成部から出力された位置指令１６に加算され、サーボアンプに送られる。
【００４７】
そして、本実施形態の数値制御装置は、図１４に示すような真円の位置指令１６に対して、上述のような補正量を加算することで、図１７に示すような位置指令がサーボアンプに送られ、位置検出部の位置を制御する。このことにより、最終機械端では図１８に示すような精度の高い円軌跡を描くことができる。なお、図１７は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。また、図１８は、姿勢変化による位置誤差を有する本実施形態の数値制御装置の最終機械端が、補正後に位置指令を実際に描いた軌跡である。
【００４８】
このように、工作機械の姿勢変化による位置検出部と最終機械端との位置誤差を移動方向反転時の特性に合わせて補正することで、最終機械端の制御精度を大幅に向上させることができる。
【００４９】
なお、工作機械において、座標を確立する方法としては、例えば−方向に移動させ、ドグを踏んだ時点を原点とする場合がある。このような場合、原点が確立した時に、−方向に移動したときの最大の姿勢変化が生じており、このような姿勢変化の状態に合わせた座標で位置指令生成部は位置指令を生成する。このような場合には、積分値と変化領域と補正量をシフトさせて、図１９に示すように補正量を計算する。なお、図１９は、−方向に十分移動した時の座標を基準とした場合の補正量計算特性を示す特性図である。
【００５０】
また、駆動伝達機構にバックラッシが存在する時、姿勢変化による補正とは全く別の従来のバックラッシ補正をも行う必要がある。このような場合において、例えば−方向から＋方向へ移動方向が反転して＋方向へ移動する時は、バックラッシ補正量をＢＬとすると、位置指令生成部の出力する位置指令に加算される補正量の合計は図２０のようになる。なお、図２０は、バックラッシ補正を実施した場合で、移動方向が−方向から＋方向へ反転して＋方向へ移動していくときの、図１９に示す姿勢変化補正とバックラッシ補正との補正量の合計を示した補正量計算特性を示す特性図である。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５１】
実施の形態４．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図２１を用いて説明する。
図２１は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端との位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正を行い、その変化領域ＰＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５２】
この数値制御装置により制御される工作機械において、姿勢変化を起こす機械構造にダンパ要素が含まれていると、姿勢変化による最終機械端の位置誤差特性は、移動速度が大きいほど、移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなることがある。このような特性を図２２に示す。図２２は、移動速度が大きいほど移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなる場合の、最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
本実施形態の数値制御装置は、そのような場合にも精度良く補正できるように、変化領域移動量ＰＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５３】
速度が非常に遅くほぼ０とみなせるときの変化領域移動量をＰＬ１、変化領域移動量の最大値をＰＬ２、変化領域移動量がＰＬ２のときの速度をＶ０２とし、これら３つの値をパラメータとして変化領域記憶手段１１に記憶する。
ある速度Ｖのときの変化領域移動量ＰＬは、変化領域計算手段２４によって、図２３に示されるように計算され、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２以下である場合はＰＬ１で、ＰＬ１、ＰＬ２、及びＶ０２をもとに補間して算出される。なお、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２よりも大きい場合はＰＬ＝ＰＬ２とする。なお、図２３は、変化領域計算手段２４における指令速度Ｖから変化領域ＰＬへの計算方法を示したグラフである。
【００５４】
このように決められた変化領域移動量ＰＬをもとに、積分器１３内では、クランプが実施されて積分値が計算される。また、変化領域移動量ＰＬと積分値とから補正量計算手段１４は、補正量を計算する。この様子を図２４に示す。図２４は、補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。なお、この図２４において、変化領域内では速度によって決まる変化領域移動量ＰＬと補正量ＱＬとによる一次関数で補正量が計算され、変化領域外では＋方向ではＱＬ、−方向では−ＱＬの一定値となる。
このように計算された補正量は、位置指令１６に加算され、速度によって姿勢の変化領域の特性が変わる工作機械においても、最終機械端の制御精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５５】
実施の形態５．
本発明による数値制御装置の他の実施形態について、図２５を用いて説明する。
図２５は本実施形態の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
この数値制御装置は、姿勢変化によって生ずる位置検出部と最終機械端の位置誤差量を変化領域内は反転移動量に関する一次式で計算して補正を行い、定常的補正量ＱＬを指令速度によって変化させるものである。
【００５６】
最終機械端付近の摩擦がクーロン摩擦だけでなく、速度に比例した粘性摩擦もある場合は、速度が速いほど摩擦力が大きくなり、定常状態の位置の誤差は移動速度が速いときほど大きくなる。そのような場合にも精度良く補正できるように、定常的補正量ＱＬを指令速度によって変化させる。
【００５７】
速度が非常に遅くほぼ０であるとみなせる状態での定常的な機械の誤差をＱＬ１、定常的補正量の最大値をＱＬ２、定常的補正量がＱＬ２のときの速度をＶ０３とし、これら３つの値をパラメータとして補正基準量記憶手段に記憶する。
ある速度Ｖのときの定常的補正量ＱＬは、基準補正量計算手段２５によって図２６に示されるように計算され、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０２以下である場合はＱＬ１で、ＱＬ１、ＱＬ２、及びＶ０３をもとに補間して算出される。なお、速度Ｖの絶対値｜Ｖ｜がＶ０３よりも大きい場合はＱＬ＝ＱＬ２とする。なお、図２６は基準補正量計算手段２５における指令速度Ｖから定常的補正量ＱＬへの計算方法を示したグラフである。
【００５８】
このように決められた定常的補正量ＱＬと、積分器１３で計算された積分値とにより、補正量計算手段１４は補正量を計算する。なお、補正量の計算は、図２７に示すように計算される。また、図２７は補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。この図２７において、変化領域内では速度によって決まる変化領域移動量ＰＬと補正量ＱＬとの一次関数により補正量が計算され、変化領域外の＋方向ではＱＬの一定値となり、変化領域外の−方向では−ＱＬの一定値となる。このように計算された補正量は位置指令１６に加算される。
このように補正を行うことで、最終機械端付近に粘性摩擦のある工作機械においても、最終機械端における制御精度が向上する。
なお、本実施形態において、実施形態１と同一又は相当の部分については、その説明を省略し、実施形態１と相違する部分について説明した。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明にかかる数値制御装置は、位置制御を行うサーボアンプに位置指令を出力する数値制御装置において、移動方向反転からの移動量を位置指令から計算する反転移動量計算手段と、姿勢が変化途中である移動領域を記憶する変化領域記憶手段と、反転移動量が変化領域内であるかを判定する変化領域判定手段と、姿勢変化による最終機械端の位置誤差の補正基準量をあらかじめ記憶する補正基準量記憶手段と、補正基準量と反転移動量と変化領域判定とから補正量を計算する補正量計算手段とを備え、補正量を位置指令に加算することで機械の姿勢変化による最終機械端の位置誤差を補正するものであり、速度方向反転からの移動量をもとに位置検出部と最終機械端との位置の差を補正するので、速度方向反転時に姿勢が変化することによる最終機械端の位置誤差をサーボアンプへの指令で補正でき、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６０】
また、この発明にかかる数値制御装置は、補正量計算手段の計算が移動速度により変化するものであり、補正量を算出する計算を移動速度によって変えるので、姿勢変化の過渡特性が速度によって変化する機械に対しても、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６１】
さらに、この発明にかかる数値制御装置の補正量計算手段は、基準とする速度方向反転からの移動量が変化領域内である場合の補正量を反転移動量に関する一次式で算出し、変化領域外で次に速度方向反転するまでの間の補正量は一定であるものであり、駆動源と駆動伝達先との位置の差の速度方向反転から定常値に至るまでの特性を反転移動量に関する一次式で近似して補正するので、簡便に、少ない演算処理能力と少ないメモリとで、速度方向反転時に姿勢が変化することによる最終機械端の位置誤差をサーボアンプへの指令で補正でき、位置検出器のない最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６２】
また、この発明にかかる数値制御装置の反転移動量に関する一次式は、移動速度によりその傾きが変わるものであり、補正量を算出する一次式の傾きを、移動速度によって変えるので、姿勢変化の過渡特性が速度によって変化する機械に対しても、簡便に少ない演算処理能力と少ないメモリで、最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６３】
さらに、この発明にかかる数値制御装置において、変化領域外で次に速度方向反転するまでの補正量は、移動速度により変わるものであり、設定移動量以上移動した場合の補正量を、移動速度によって変えるので、最終機械端付近に速度に依存した粘性摩擦を持つ機械に対しても、簡便に少ない演算処理能力と少ないメモリで、最終機械端において高い制御精度を得ることができる。
【００６４】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端の位置を測定する検出器２６を一時的に取付けた数値制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態１の数値制御装置における位置誤差特性をデータ化して記憶する方法について説明する概略図である。
【図４】 本発明の実施形態１の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図５】 本発明の実施形態１の数値制御装置の補間位置指令生成部から出力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
【図６】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端が、図５に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【図７】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図５に示す位置指令に補正を加えたその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図８】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態１の数値制御装置の最終機械端が、補正後の位置指令を実際に描いて得られた軌跡である。
【図９】 本発明の実施形態２の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】 本発明の実施形態２の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図１１】 本発明の実施形態３の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施形態３の数値制御装置における位置誤差特性を示す特性図である。
【図１３】 本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値と補正量との対応を示すグラフである。
【図１４】 本発明の実施形態３の数値制御装置が有する位置検出部に入力された真円の位置指令に基づく軌跡である。
【図１５】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置の最終機械端が、図１４に示す位置指令を補正することなく描いた場合の軌跡である。
【図１６】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図１７】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置が有する補正量計算手段によって図１４に示す位置指令を補正したその補正後の位置指令に基づく軌跡である。
【図１８】 姿勢変化による位置誤差を有する本発明の実施形態３の数値制御装置の最終機械端が、補正後に位置指令を実際に描いた軌跡である。
【図１９】 −方向に十分移動した時の座標を基準とした場合の補正量計算特性を示す特性図である。
【図２０】 バックラッシ補正を実施した場合で、移動方向が−方向から＋方向へ反転して＋方向へ移動していくときの、図１９に示す姿勢変化補正とバックラッシ補正との補正量の合計を示した補正量計算特性を示す特性図である。
【図２１】 本発明の実施形態４の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】 移動速度が大きいほど移動方向反転から定常的な値に達するまでの移動量が大きくなる場合の、最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【図２３】 本発明の実施形態４の数値制御装置が有する変化領域計算手段２４における指令速度Ｖから変化領域ＰＬへの計算方法を示したグラフである。
【図２４】 本発明の実施形態４の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。
【図２５】 本発明の実施形態５の数値制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２６】 本発明の実施形態５の数値制御装置が有する基準補正量計算手段２５における指令速度Ｖから定常的補正量ＱＬへの計算方法を示したグラフである。
【図２７】 本発明の実施形態５の数値制御装置が有する補正量計算手段１４における積分値から補正量への計算方法を示したグラフである。
【図２８】 移動速度が大きいほど定常的位置誤差量が大きくなる工作機械の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【図２９】 従来の数値制御装置における工作機械の姿勢変化に対する補正機構を示すブロック図である。
【図３０】 従来のコラム移動型数値制御装置を示す斜視図である。
【図３１】 従来のコラム移動型数値制御装置におけるヨーイングの姿勢変化の様子を示す模式図である。
【図３２】 バックラッシがない場合の最終機械端の位置誤差特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 数値制御装置、２ サーボアンプ、３ 駆動源としてのサーボモータ、４ サーボモータの位置を検出する検出器、５ ボールネジ、６ コラム型主軸ヘッド、７ 最終機械端、８ 補間位置指令生成部、９ サーボアンプ内の制御器、１０ 差分計算器、１１ 変化領域記憶手段、１２ 補正基準量記憶手段、１３変化領域で積分値をクランプする積分器、１４ 補正量計算手段、１５ 加算器、１６ 補間位置指令生成部の生成する補間位置指令、１７ 補間位置指令の前回値との差分値、１８ 積分値、１９ 姿勢変化による位置誤差を補正する補正量、２０ 姿勢変化による位置誤差を補正された補間位置指令、２１ 位置検出器からの位置フィードバック、２２ 最終機械端の位置、２３ 測定した最終機械端の位置誤差特性、２４ 変化領域計算手段、２５ 補正基準量計算手段、２６ 最終機械端の位置を検出する位置検出器。
Claims (5)
- 位置制御を行うサーボアンプに位置指令を出力する数値制御装置において、
移動方向反転からの移動量を位置指令から計算する反転移動量計算手段と、
制御対象である工作機械の移動部分の移動軸方向に対するヨーイングまたはピッチングの姿勢が変化途中である移動領域を記憶する変化領域記憶手段と、
反転移動量が変化領域内であるかを判定する変化領域判定手段と、
制御対象である工作機械の移動部分の移動軸方向に対するヨーイングまたはピッチングの姿勢変化による上記工作機械の加工を行う加工部である最終機械端の位置誤差の補正基準量をあらかじめ記憶する補正基準量記憶手段と、
上記補正基準量と上記反転移動量と変化領域判定とから補正量を計算する補正量計算手段とを備え、
上記補正量を上記位置指令に加算することで機械の姿勢変化による上記最終機械端の位置誤差を補正する
ことを特徴とする数値制御装置。 - 補正量計算手段の計算が移動速度により変化する
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。 - 補正量計算手段は、基準とする速度方向反転からの移動量が変化領域内である場合の補正量を反転移動量に関する一次式で算出し、変化領域外で次に速度方向反転するまでの間の補正量は一定である
ことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。 - 反転移動量に関する一次式は、移動速度によりその傾きが変わる
ことを特徴とする請求項３に記載の数値制御装置。 - 変化領域外で次に速度方向反転するまでの補正量は、移動速度により変わる
ことを特徴とする請求項３に記載の数値制御装置。
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