JP4283214B2 - 機械先端点の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械を制御する制御装置に関し、工作機械により加工を行う機械先端点の位置制御に関する。
工作機械において、サーボモータで駆動される被駆動体の位置や速度を制御するために、通常、位置フィードバック制御、速度フィードバック制御さらには電流フィードバック制御がなされ、被駆動体が指令位置、速度と一致するように制御がなされる。
このような位置、速度、電流のフィードバック制御を行っても、サーボモータの加速度が急激に変化する際、被駆動体に振動が発生する場合があり、その対策として、被駆動体の加速度を検出する加速度センサを設け、該加速度センサからの信号を速度フィードバック制御により出力される電流指令から差し引き、電流フィードバック制御の電流指令とする制御方法が提案されている。被駆動体に振動が発生すると、加速度センサで検出される被駆動体の加速度信号中の振動成分は、電流フィードバック制御に対する電流指令に対して誤差となることから、この誤差が無くなるように電流指令から差し引き、サーボモータの駆動電流を制御することで振動を抑制したものである(特許文献1参照)。
また、所定周期で繰り返されるパターンの加工を行う場合、位置偏差量を零付近まで収束させて、より高精度の加工を行うために学習制御が採用されている(特許文献2,3参照)。
図6は、この従来から行われている学習制御を実施する学習制御器のブロック図である。位置ループ処理周期毎、位置指令Pcから位置フィードバック値P1を減じて位置偏差εを求め、該位置偏差εに繰り返されるパターンの1周期前における補正量xを加算し、帯域制限フィルタ22aでフィルタ処理して遅れ要素メモリ22bに格納する。遅れ要素メモリ22bは、繰り返されるパターンの1周期分の補正量xを記憶するメモリ要素を備えて、各位置ループ処理周期毎、繰り返されるパターンの1周期分前の当該位置ループ処理周期において求められた補正量xを出力し、動特性補償要素22cで制御対象の位相遅れ、ゲイン低下分が補償されて、位置偏差εに加算され、この加算された値にポジションゲイン21が乗じられて速度指令Vcとして出力される。
このように、学習制御においては、繰り返されるパターンの1周期前の当該位置ループ周期に対応して記憶された補正量xが位置偏差εに加算され、該加算され補正された位置偏差に基づいて速度指令Vcが速度制御部に出力されるものであり、この学習制御を繰り返し実行することによって位置偏差εを「0」に収束させるものである。
特開平6−91482号公報 特開平6−309021号公報 特開平4−323706号公報
一般的な工作機械においては、サーボモータで駆動される被駆動体と、実際に被加工物と接触する刃物などが取り付けられている部材の、最終的に位置、速度等の制御の必要とする機械先端点との動きは、一般的に一致してしており、被駆動体に検出器を取り付けて、被駆動体を駆動するサーボモータを位置、速度、電流ループ制御を行って、位置速度を制御し、さらには、上述した学習制御を実施して位置偏差を「0」に収束させ、被駆動体を指令通りに追従させることができる。
しかし、被駆動体と機械先端点の間の機械剛性が低い機械などにおいては、被駆動体と機械先端点の動きは必ずしも一致しない。さらに、機械剛性がある程度高くても、高速高精度が要求される機械などで、高加速度で機械を動作させる場合において、被駆動体と機械先端点間のねじれ等のずれを無視できない場合がある。
特許文献1に記載された発明では、被駆動体の振動を抑制するために被駆動体に加速度センサを取り付け、該加速度センサで検出された加速度に基づいて電流指令を補正して振動を抑制するようにしたものであり、振動を抑え安定した加工ができるようにしたものであり、機械先端点の動きを指令と一致するように制御するものではない。
そこで、本発明の目的は、機械先端点が指令と一致するように制御できる機械先端点の制御装置を提供することにある。
本願請求項1に係る発明は、位置制御部、速度制御部を備えモータの位置、速度を制御して該モータで駆動される被駆動体に対する刃物が取り付けられた工作機械の機械先端点の相対位置、速度を制御する制御装置であって、モータで駆動される被駆動体またはモータの位置を検出する位置検出手段と、モータへの指令と前記位置検出手段からの位置のフィードバックから、第1の位置偏差を求める手段と、機械先端点の加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段からのフィードバックされる加速度より位置を求める変換手段と、前記第1の位置偏差と前記変換された位置を加算して第2の位置偏差を求める手段と、前記第2の位置偏差をゼロへ収束させるための補正量を演算する学習制御手段とを有し、前記補正量を前記第1の位置偏差に加算し、加算された値にポジションゲインを乗じて速度制御部への速度指令とすることによって、刃物が取り付けられている機械先端点の位置を指令と一致するように制御するものである。また、請求項2に係る発明は、前記変換手段で位置に変換された位置にハイパスフィルタでフィルタ処理を行うものとした。
請求項3に係る発明は、位置制御部、速度制御部を備えモータの位置、速度を制御して該モータで駆動される被駆動体に対する刃物が取り付けられた工作機械の機械先端点の相対位置、速度を制御する制御装置であって、モータで駆動される被駆動体またはモータの位置を検出する位置検出手段と、モータへの指令と前記位置検出手段からの位置のフィードバックから、第1の位置偏差を求める手段と、モータまたは被駆動体の速度を検出する手段と、検出された速度と前記速度制御部からのトルク指令より、機械先端点のねじれ量を推定する手段と、前記第1の位置偏差と前記ねじれ量を加算して第2の位置偏差を求める手段と、第2の位置偏差をゼロへ収束させるための補正量を演算する学習制御手段とを有し、前記補正量を前記第1の位置偏差に加算し、加算された値にポジションゲインを乗じて速度制御部への速度指令とすることによって、刃物が取り付けられている機械先端点の位置を指令と一致するように制御するものである。また、請求項4に係る発明は、請求項3に係る発明において、前記推定された機械先端点のねじれ量にハイパスフィルタでフィルタ処理を行うものとした。
刃物が取り付けられる機械先端点の位置のずれ量を検出し、学習制御により該ずれ量をも含めて、機械先端点の位置が指令された位置と一致するように制御するから、機械剛性が低く、モータで駆動される被駆動体と機械先端点間に歪みやねじれによりずれ量が発生しても、該ずれ量も補正されて機械先端点は指令通りに移動する。また、高速高精度が要求される機械において、該機械のモータで駆動される被駆動体と機械先端点間の僅かな歪みやねじれによりずれ量を無視できない場合においても、高速、高精度に加工ができるものである。
図1は、本発明の第1の実施形態の要部ブロック図である。この第1の実施形態では、被加工物と接触する刃物などが取り付けられている部材の機械先端点に加速度センサを取り付けて、該加速度センサで検出される加速度に基づいて、該刃物が取り付けられている部材の位置ずれを求め、この位置ずれを補正して、刃物が指令通りに移動するように制御するものである。
この実施形態では、被駆動体を駆動するサーボモータとしてリニアモータを使用している例を示している。図1において、リニアモータ6で駆動される被駆動体7には被加工物8が取り付けられている。また、機械先端点の部材10には、加速度センサ11が取り付けられている。機械先端点の部材10は、加工プログラム等によって被加工物8(被駆動体7)に対する相対位置が指令され、制御されるべき刃物が取り付けられる部材である。また、被駆動体7の移動位置を検出する位置検出器9がリニアモータ6に取り付けられている。
該リニアモータ6を制御する制御装置は、従来のモータ制御装置と同様に、位置、速度、電流制御部を備え、位置、速度、電流のフィードバック制御をプロセッサ等によって行うものであるが、本実施形態では位置制御部の構成が従来と相違するものである。
まず、概略を説明する。上位制御装置から出力された位置指令Pcと位置検出器9からの位置フィードバックP1、さらに、本実施形態では、加速度センサ11からの加速度フィードバックAに基づいて、位置制御部1は位置フィードバック制御処理、学習制御等を行い、速度指令Vcを求め、速度制御部2に出力する。速度制御部2は位置制御部1からの速度指令Vcと、位置検出器9からの位置フィードバックP1を微分手段5で微分して求めた速度フィードバックw1に基づいて、従来と同様に速度ループ制御処理を行いトルク指令(電流指令)Tcを求める。
電流制御部3では、従来と同様に、速度制御部2からのトルク指令Tcと図示しない電流検出器からフィードバックされる電流フィードバックに基づいて電流ループ制御を行い、アンプ4を介してリニアモータ6を駆動する。このリニアモータ6を制御する制御装置は位置制御部1の構成が従来の位置制御部の構成と相違し、速度制御部2、電流制御部3等の他の構成は従来と同じである。
図2は、この位置制御部1の詳細ブロック図である。従来の位置制御部と相違する点は、学習制御器22、ハイパスフィルタ23、位置変換器24が設けられている点である。加速度センサ11からフィードバックされて来る加速度フィードバックAを位置変換器24により2階積分することにより、機械先端点(機械に対する最終制御点である機械先端点の部材10)の位置ずれを求める。即ち、機械先端点の部材10は機械に固定されているものであるから、その位置は変化がないものであるが、被駆動体7と機械先端点の部材10間の剛性が低い場合には、この機械先端点は、本来の位置から移動することになる。また、高速高精度が要求される加工の場合には、この僅かな位置ずれも加工精度に影響を与えることになる。この位置ずれを加速度センサ11で検出した加速度を2階積分することによって求めるものである。
一方、従来の位置ループ制御処理と同様に、上位制御装置から指令された位置指令Pcから、位置検出器9からの位置フィードバック値P1を減じて位置偏差ε1を求める。以下この位置偏差ε1を第1の位置偏差という。この第1の位置偏差ε1と位置変換器24で求めた位置ずれ値を、外乱成分を抽出するためのハイパスフィルタ23に通して得られた値を加算し、第2の位置偏差ε2を求め、学習制御器22の入力とする。そして、学習制御器22の出力を第1の位置偏差ε1に加算し、第1の位置偏差ε1を補正してこの補正された位置偏差にポジションゲイン21を乗じて速度指令Vcを求め、この位置制御部1の出力とする。
第1の位置偏差ε1は、位置指令Pcと被駆動体(モータ)7の位置ずれを表すものである。また、位置変換器24から得られる位置ずれは、機械先端点の部材10の本来の位置からのずれ量であり、機械の歪み、ねじれから生じるずれ量を表すものである。この二つのずれ量を加算した第2の位置偏差ε2は、位置指令Pcと被駆動体7の位置ずれ量に被駆動体に対する機械先端点の位置ずれ量を加算したものであるから、指令位置に対する機械先端点の位置ずれ量を表すものである。よって、この第2の位置偏差ε2を「0」に収束させれば、機械先端点の位置は、被駆動体7および該被駆動体7に固定されている被加工物8に対する指令位置と一致するものとなる。そこで、本実施形態は、この第2の位置偏差ε2が「0」に収束するように学習制御を適用するものである。
学習制御器22の構成は、図6に示した従来の学習制御器と同様であり、帯域制限フィルタ22a、遅れ要素メモリ22b、動特性補償要素22cを備えるものであり、該学習制御器22の入力が第2の位置偏差ε2で、出力が第1の位置偏差ε1に加算される点が従来の学習制御器と相違するのみである。
この第1の実施形態では、位置ループ制御周期毎、第2の位置偏差ε2と所定周期で繰り返されるパターンの1周期前の当該位置ループ周期に対応して記憶された補正量xとを加算し、その加算結果を、制御系の安定性を図るための帯域制限フィルタ22aでフィルタ処理して、当該位置ループ制御周期の補正量xとして遅れ要素メモリ22bに格納する。また、該遅れ要素メモリ22bに記憶されている繰り返されるパターンの1周期前の当該位置ループ周期に対応する補正量xに対して動特性補償要素22cで、制御対象の位相遅れ、ゲイン低下を補償して、学習制御器22の出力とする。位置制御部1では、第1の位置偏差ε1にこの学習制御器22の出力を加算し、この加算された位置偏差にポジションゲイン21を乗じて速度指令Vcとして出力する。
この学習制御器22による学習制御により、第2の位置偏差ε2が「0」に収束するように制御されることになるから、機械先端点(部材10)の位置は位置指令Pcの位置と一致し、高精度の加工等ができるものである。
図3は、本発明の第2の実施形態の要部ブロック図である。
この第2の実施形態は、加速度センサを設けずに、機械モデルを使用して機械先端点の位置を予測し、該機械先端点の位置が指令位置と一致するように制御するものである。
まず、この第2の実施形態の作動原理について説明する。
位置検出器と機械端の関係を2慣性系とし、摩擦項を無視すると、モータ側で第1式が、機械側で第2式が成立する。
上記第1式、第2式において、J1はモータイナーシャ、J2は機械イナーシャ、w1はモータ速度、w2は機械先端点の速度、kは機械のバネ定数、Tmは指令トルク、Tdは外乱トルクを表す。なお、sはラプラス変換の複素変数である。
また、モータの位置をP1、該モータ位置P1に対応する機械先端点の位置をP2とすると、ねじれ量Δθは、次の第3式で表される。
第3式は微分の項を含み、微分動作を行うと高周波帯域のノイズに対して不可制御となるため安定化フィルタを追加すると、次の第4式となる。
離散化は、従来のローパスフイルタの形を使用するものとする。フィルタf(s)=1/(τ・s+1)は次の第5式のように表される。
但し、第5式において、γ=exp(−t/τ)であり、tはサンプリング周期である。
よって、ねじれ量Δθは次の第6式で表される。
上記第6式中のトルク指令Tmは、力の単位であり、観測できない物理量である。トルク定数をktとすると、電流制御部から出力されるトルク指令Tcとこのトルク指令Tmの関係は、
Tm=kt・Tc
の関係にあることから、観測できるトルク指令Tcを用いて、第6式を表すと次の第7式となる。
図5は、上述した第1式から第7式までの関係をブロック線図で表したものであり、符号26で示す部分が、第1式、第2式で示したモータおよび機械のモデル部分に対応するものである。また、符号25は、ねじれ量Δθを求める後述するねじれ推定器の部分を示している。
図3は、この第2の実施形態の要部ブロック図である。この第2の実施形態は、第1の実施形態と比較し、加速度センサが設けられていない点で相違し、かつ、位置制御部の構成も相違するものである。また、従来のモータ制御装置と比較しても位置制御部の構成が相違し、他の速度制御部、電流制御部等は、従来と同一である。
位置制御部1’は、上位制御装置から出力された位置指令Pcと位置検出器9で検出されてフィードバックされる位置フィードバックP1、および該位置フィードバックP1を微分手段5で微分して得られた速度フィードバックw1、および速度制御部2の出力のトルク指令Tcより、速度指令Vcを求め速度制御部2に出力する。速度制御部2は位置制御部1’からの速度指令Vcと、位置検出器9からの位置フィードバックP1を微分手段5で微分して求めた速度フィードバッw1に基づいて、従来と同様に速度ループ制御処理を行いトルク指令(電流指令)Tcを求める。
電流制御部3では、従来と同様に、速度制御部2からのトルク指令Tcと図示しない電流検出器からフィードバックされる電流フィードバックに基づいて電流ループ制御を行い、アンプ4を介してリニアモータ6を駆動する。
図4は、この第2の実施形態における位置制御部1’の詳細ブロック図である。この第2の実施形態における位置制御部1’と第1の実施形態における位置制御部1との差異は、位置変換器24の代わりにねじれ推定器25が設けられている点である。
このねじれ推定器25は、上述した第7式の演算を行うものであり、図5に示すブロック線図での破線で囲った部分の処理が、このねじれ推定器25が行う処理部分である。 即ち、速度制御部2から出力されたトルク指令Tcをフィルタ(F(z))でフィルタ処理して得られた値に、トルク定数ktを乗じた値(25aの項の出力)を求める。また、位置検出器9からの位置フィードバックを微分手段5で微分して得られた速度フィードバックw1に対し、フィルタの時定数τでモータイナーシャJ1を除した値と、さらに、1からフィルタ(F(z))でフィルタ処理して得られた値を差し引いた値とを乗じた値(25bの項の出力)を求める。この項25aの演算処理で得られた値から、項25bの演算処理で得られた値を減じ、その差にバネ定数の逆数(1/k)を乗じて(25cの項)、ねじれ量Δθを求める。こうして求められたねじれ量Δθを、外乱成分を抽出するためのハイパスフィルタ23に通して出力する。
一方、上位制御装置からの位置指令Pcから、位置検出器9からの位置フィードバックP1を減じて第1の位置偏差ε1を求め、該第1の位置偏差ε1にハイパスフィルタ23でフィルタ処理されたねじれ量Δθを加算し第2の位置偏差ε2を求め、該第2の位置偏差ε2を学習制御器22の入力として、学習制御を行う。この学習制御器22の各周期の処理は、図6に示した学習制御器の処理と同じであり、また第1の実施形態で説明した処理と同じである。相違する点は、学習制御器22の入力が、第1の位置偏差ε1とねじれ量Δθを加算して得られた第2の位置偏差ε2である点が相違するのみである。

こうして、学習制御器22で学習制御がなされ、該学習制御器22から出力される補正量を第1の位置偏差ε1に加算し、得られた値にポジションゲイン21を乗じて速度指令Vcとして、位置制御部1’は速度制御部2へ出力する。
ねじれ推定器25で推定するねじれ量Δθは、第3式に示すように、モータ位置P1と機械先端点の位置(刃物等が取り付けられた部材10の位置)P2の差であり、機械の剛性が高く理想状態であれば、この差であるねじれ量Δθは「0」である。しかし、高速高精度の加工が要求されるときは、このねじれ量Δθは無視できなくなる。また、機械の剛性が低い場合は、このねじれ量Δθは大きくなる。
そこで、このねじれ量Δθを第1の位置偏差ε1に加算すれば、ねじれ量Δθをも含めた、位置指令Pcと機械先端点の位置P2との差である第2の位置偏差ε2が求まることになる。式で表せば、次の第8式となる。
ε2=ε1+Δθ=Pc−P1+P1−P2=Pc−P2 (8)
そして、この第2の位置偏差ε2が「0」となるように、学習制御が実施されることから、位置指令Pcと機械先端点の位置P2の差が「0」となるように制御され、機械にねじれ量Δθがあっても、機械先端点の位置P2は位置指令Pc一致するように制御されることになり、高精度の加工等の動作が得られることになる。
なお、上述した各実施形態では、被駆動体を駆動するモータとしてリニアモータを使用した例を示したが、リニアモータの代わりに回転モータを用いてもよいものである。また、位置フィードバックとしては、モータの位置を検出する検出器からの位置フィードバックとして、いわゆるセミクローズドループ制御を行うものでも、また、モータで駆動される被駆動体の位置を検出して位置フィードバックする、フルクローズドループ制御を行うものでも本発明は適用できるものである。さらに、微分手段5の代わりに、モータ若しくは被駆動体の速度を検出する検出器を設けてもよいものである。
図7〜図9は、本発明の効果を見るために行ったシミュレーション結果である。モータとしては、同期電動機を用い、機械イナーシャJ2はモータイナーシャJ1と同じとし(0.228kgfcm2)、バネ定数kを共振周波数100Hz、速度帯域20Hz(バネ定数はイナーシャと共振周波数で決まる)、位置指令Pcとして速度指令が300rpmとなる指令を、ポジションゲインを30/s、外乱トルクを50kgfで正弦波5Hzとし、学習帯域を50Hzとして、回転モータを用い、該回転モータの位置を検出してフィードバックするセミクローズ方式でモータを制御するシミュレーションを行い、得られた結果を示すものである。
図7は、従来から行われている位置、速度のループ制御を行い学習制御を行わない場合である。図7(a)はセミクローズドループ制御での位置偏差、すなわち、指令位置とモータ位置との位置偏差を表すものである。また、図7(b)は位置指令と機械先端点の位置との位置偏差を求めて表示したものである。モータ位置も機械先端点の位置も共に外乱の影響を受け、位置偏差は収束していない。
図8は、従来から行われている学習制御を行った場合である。図8(a)はセミクローズドループ制御での位置偏差(指令位置とモータ位置との位置偏差)を表すものである。図8(b)は位置指令と機械先端点の位置との位置偏差を求めて表示したものである。モータ位置の位置偏差は収束しているが、機械先端点の位置の位置偏差は収束していない。
図9は、本発明の第2の実施形態を適用したとき場合(但し、モータとしては回転モータを使用)である。図9(a)はセミクローズドループ制御での位置偏差(指令位置とモータ位置との位置偏差)を表すものである。図9(b)は位置指令と機械先端点の位置との位置偏差を求めて表示したものである。モータ位置の位置偏差は収束していないが、最終的に制御すべき機械先端点の位置の位置偏差は収束している。
本発明の第1の実施形態の要部ブロック図である。 同第1の実施形態における位置制御部の詳細ブロック図である。 本発明の第2の実施形態の要部ブロック図である。 同第2の実施形態における位置制御部の詳細ブロック図である。 同第2の実施形態における機械モデルとねじれ推定器のブロック線図である。 学習制御器のブロック図である。 学習制御を行わず、位置、速度のフィードバック制御をセミクローズドループ制御で行ったときの、指令位置に対するモータ位置、機械先端点の位置のシミュレーション結果を示す図である。 学習制御を行い、位置、速度のフィードバック制御をセミクローズドループ制御で行ったときの、指令位置に対するモータ位置、機械先端点の位置のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第2の実施形態を適用し、位置、速度のフィードバック制御をセミクローズドループ制御で行ったときの、指令位置に対するモータ位置、機械先端点の位置のシミュレーション結果を示す図である。
符号の説明
6 リニアモータ
7 被駆動体
8 被加工物
9 位置検出器
10 機械先端点の部材
11 加速度センサ

Claims (4)

  1. 位置制御部、速度制御部を備えモータの位置、速度を制御して該モータで駆動される被駆動体に対する刃物が取り付けられた工作機械の機械先端点の相対位置、速度を制御する制御装置であって、
    モータで駆動される被駆動体またはモータの位置を検出する位置検出手段と、
    モータへの指令と前記位置検出手段からの位置のフィードバックから、第1の位置偏差を求める手段と、
    機械先端点の加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段からのフィードバックされる加速度より位置を求める変換手段と、
    前記第1の位置偏差と前記変換された位置を加算して第2の位置偏差を求める手段と、
    前記第2の位置偏差をゼロへ収束させるための補正量を演算する学習制御手段とを有し、前記補正量を前記第1の位置偏差に加算し、加算された値にポジションゲインを乗じて速度制御部への速度指令としたことを特徴とする機械先端点の制御装置。
  2. 前記変換手段で加速度より位置に変換された位置にハイパスフィルタでフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の機械先端点の制御装置。
  3. 位置制御部、速度制御部を備えモータの位置、速度を制御して該モータで駆動される被駆動体に対する刃物が取り付けられた工作機械の機械先端点の相対位置、速度を制御する制御装置であって、
    モータで駆動される被駆動体またはモータの位置を検出する位置検出手段と、
    モータへの指令と前記位置検出手段からの位置のフィードバックから、第1の位置偏差を求める手段と、
    モータまたは被駆動体の速度を検出する手段と、
    検出された速度と前記速度制御部からのトルク指令より、機械先端点のねじれ量を推定する手段と、
    前記第1の位置偏差と前記ねじれ量を加算して第2の位置偏差を求める手段と、
    第2の位置偏差をゼロへ収束させるための補正量を演算する学習制御手段とを有し、
    前記補正量を前記第1の位置偏差に加算し、加算された値にポジションゲインを乗じて速度制御部への速度指令としたことを特徴とする機械先端点の制御装置。
  4. 前記推定された機械先端点のねじれ量にハイパスフィルタでフィルタ処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の機械先端点の制御装置。
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