JP4510723B2 - ロストモーション補正機能を有する位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等における送り軸の位置制御装置に関する。

工作機械のセミクローズドループ方式による位置制御装置では、サーボモータの回転運動をボールネジによる送り駆動機構によって直線運動に変換することで、工作機械のテーブル等の移動体を移動させる。送り機構に使用しているボールネジとテーブル側のナット間のガタによりバックラッシがある。このバックラッシが正方向指令と逆方向指令での位置誤差を発生させる。

このバックラッシを無くすために与圧を掛けたボールネジとナットを使用する場合、ボールネジとナット間のガタによるバックラッシはなくなるが、与圧を掛けたことによりボールネジ部分の摩擦抵抗が発生する。また、工作機械の送り機構にはガイドがあり、転がりガイド、摺動面ガイド等のガイドが使用されており、このガイド部でも摩擦抵抗が発生する。この摩擦抵抗分によるロストモーションが起因する位置誤差を補正することが課題となっている。

従来のセミクローズド方式の位置制御では、円弧運動時に生ずるロストモーション量を複数の位置間隔で分割したロストモーション補正データを、指令速度と分割した位置に応じたパルスレートで算出し速度制御系に供給する方式が用いられている（特許文献１）。

図１５は、特許文献１に示された数値制御装置の一例を示すブロック図である。指令データ１７からデータ解析部１８によりモータ１２の駆動信号が作成される。この駆動信号は速度制御部８を介してモータ１２に供給され、ボールネジ１３を回転させ移動体１４を指令位置まで移動させる。速度制御部８は、検出器１１を用いて一般的なフィードバック制御を行っている。補正データ部１５ａ〜１５ｎには、図１７に示される様な円弧運動時に生ずるロストモーション量を複数の位置間隔で分割した補正データと、この分割した位置に応じて、速度制御部に供給する補正量の送り速度に応じたパルスレートを算出するためのパルスレートデータと、が補正量データとして蓄積される。補正量算出部１６は指令速度に対応して補正データ保存部から補正データを読み出し、指令速度と分割位置に応じたパルスレートデータから補正量を算出する。

図１６は、この補正データ部１５ａ〜１５ｎの蓄積された補正データの内容を示す図である。Ｆ１〜Ｆｍは送り速度、Ｄ０〜Ｄｎは分割位置である。補正量データは、ＢＬ０〜ＢＬｎで示される補正データと、Ｌ０〜Ｌｍで示されるパルスレートデータである。

この方式によれば、任意の円弧切削における喰込み現象をかなり改善することが可能であるが、以下の様な課題がある。

特開平０８−２６３１１７号公報

パルス送りにより１μｍずつ指令を変化させ反転動作した場合、ロストモーション量ＬＭは位置変位量に応じて漸増型に増加する。また、円弧運動の様な連続動作における反転でも漸増型に近い特性を示すことも実験結果より明らかである。このため、従来、ロストモーション量ＬＭは、図１８に示す様に位置指令の変位量に対し、漸増型の特性により補正されてきた。

しかしながら、停止状態を含む反転動作を行い、送り速度をパラメータとしてロストモーション量ＬＭを測定すると図７に示す様な結果が得られる。また、円弧運動においてもロストモーション量ＬＭは、位置変位量に応じて単純な漸増型に増加するのではなく、図７に示した様な特性になる。送り速度が遅いときは、漸増型に増加するが、送り速度が速くなるにつれ漸増型に増えたロストモーション量ＬＭが位置変位量Δｘの増加に伴い減少する。

次に、送り速度が比較的遅い場合における加速度をパラメータとしたときのロストモーション量ＬＭを図８に示す。送り速度が比較的速い場合における加速度をパラメータとしたときのロストモーション量ＬＭを図９に示す。図８、図９でａ１，ａ２，ａ３は加速度パラメータであり、ａ３＞ａ２＞ａ１である。

以上の様に、工作機械の反転動作は、円弧運動のみならず、必ず停止が発生する反転動作がある。特に、金型加工等の切削では、停止状態がある微小反転を繰り返す場合がある。この様な動作において発生するロストモーション量ＬＭは、従来考えられてきた漸増型特性を有する補正のみでは、完全に補正できない。

本発明は、位置検出器が取り付けられたサーボモータと、該サーボモータにより駆動される送り軸の位置を制御し、位置指令と前記位置検出器の位置検出値の差からフィードバック制御する位置制御装置において、前記位置指令値または前記位置検出値より前記送り軸またはサーボモータの方向反転を検出する方向反転検出器と、方向反転してからの前記位置指令値または前記位置検出値の変位量を算出する変位量算出器と、該変位量と送り軸またはモータの加速度と送り軸の速度を入力として指令補正値を算出する補正量算出器と、を備え、前記補正量算出器は、前記速度を入力として一次遅れの摩擦成分算出速度を算出する摩擦速度算出器と、該摩擦速度に応じてロストモーション量の摩擦成分を出力する摩擦成分算出器と、前記加速度に応じてロストモーション量の加速度成分を出力する加速度成分算出器と、前記位置変位量に応じてロストモーション量の変位量補正成分を出力する変位量補正成分算出器と、を有し、前記ロストモーション量の摩擦成分と前記加速度成分と変位量補正成分を加算し指令補正値とし、前記指令補正値を前記位置指令値に加算してロストモーション補正を行うことを特徴とする。

また、本発明は、位置検出器が取り付けられたサーボモータと、該サーボモータにより駆動される送り軸の位置を制御し、位置指令と前記位置検出器の位置検出値の差からフィードバック制御する位置制御装置において、前記位置指令値または前記位置検出値より前記送り軸またはサーボモータの方向反転と任意時間の停止の有無を検出する方向反転検出器と、方向反転してからの前記位置指令値または前記位置検出値の変位量を算出する変位量算出器と、該変位量と送り軸またはモータの加速度と送り軸の速度を入力として指令補正値を算出する補正量算出器とを備え、前記補正量算出器は、速度により可変する係数をＡ及びＢとし、加速度により可変する係数をＣとして、式
Ｘｃ＝ｓｉｇｎ（Δｘ）×（Ａ＋Ｂ（１−ｅｘｐ［−｜Δｘ｜／Ｃ］））
により指令補正量Ｘｃを算出する位置指令補正器を有し、該位置指令補正値Ｘｃを前記位置指令値に加算してロストモーション補正を行うことを特徴とする。

また、前記変位量算出器は、反転してから任意変位量分は変位量＝０として、その後の変位量をΔｘとして出力することが望ましい。

本発明によるロストモーション補正機能を有する位置制御装置によれば、工作機械の送り軸における、円弧運動の反転動作のみならず、必ず停止が発生する反転動作においてもロストモーションを適切に補正することができる。また、膨大なデータを持つことなく、速度または加速度によって補正データを可変することができるため、比較的安価で高精度なロストモーション補正を有する位置制御装置を提供することができる。

図１に本発明の実施の形態を示す。図１５に示す従来の位置制御装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は省略する。図１中の符号７は、位置制御器であり位置指令と検出器１１で検出した位置フィードバッグ値に基づき速度指令を出力する。符号８は、速度制御器であり前記速度指令と前記位置検出値を微分器１０で微分した速度検出値に基づきトルク指令を出力する。符号９の電流制御器は、前記トルク指令に基づき電流を制御する。

次に、図１中の点線部分で囲まれた構成要素について説明する。微分器１は、位置指令または、前記位置検出値を微分し速度指令または速度検出値を出力する。反転検出器２は、前記速度指令または速度検出値に基づき反転を検出し、反転検出信号を出力する。変位量算出器３は、前記反転検出器２で検出した反転信号と前記位置指令より反転検出してからの位置指令の変位量Δｘを算出する。微分器４は、前記速度指令を微分し加速度指令を出力する。補正量算出器５は、前記変位量Δｘと前記加速度指令αと前記速度指令ｖに基づき位置指令補正量Ｘｃを出力する。

次に補正量算出器５について説明する。図２に補正量算出器５の実施の形態を示す。変位量成分算出器２４は、変位量を入力としてパルス送り等の遅い速度で軸を移動した場合のロストモーションの変位量成分補正量Ｘｃｘを出力する。加速度成分補正量算出器２１は、送り軸の加速度またはモータの加速度を入力として、ロストモーションの加速度成分補正量Ｘｃａを出力する。摩擦速度算出器２６は、送り軸の速度またはモータの速度を入力として、絶対値化した一次遅れの摩擦力算出用速度を出力する。摩擦力算出器２２は、前記摩擦力算出用速度を入力として、図１０に示す様な速度の絶対値｜ｖ｜に対する３次関数等で摩擦力Ｆμを算出する。摩擦力を算出する関数を（１）式に示す。
Ｆμ＝ｓｉｇｎ（Δｘ）×［ｈ（｜ｖ｜−ｖ１）³＋ｉ（｜ｖ｜−ｖ２）²
＋ｊ（｜ｖ｜−ｖ３）＋μ０］ ・・・（１）
ここで、ｖ：速度、ｖ１，ｖ２,ｖ３：任意の速度、ｈ，ｉ，ｊ：係数、μ０：定数、ｓｉｇｎ（Δｘ）：変位量の符号であり、図２の符号器（sign）２８である。

摩擦成分算出器２３は、前記摩擦力に応じて摩擦成分ロストモーションの補正量を算出し、積算器２７で符号を乗算しＸｃμを出力する。加算器２５は、前記ロストモーションの補正量の変位量成分Ｘｃｘと、加速度成分Ｘｃａと摩擦成分Ｘｃμとを加算し、位置指令補正量Ｘｃを出力する。

制御対象である送り軸の移動体の重量をＭｇとして、反転後の加速度をαとし、さらに軸系全体の摩擦係数をμとすると、摩擦力Ｆμは、Ｆμ＝Ｍｇ・μとなり、反転後に必要な力Ｆｇは、Ｆｇ＝Ｍｇ・α＋Ｆμとなる。反転後に必要な力は、送り軸のバネ係数をｋとし、ロストモーション量をＬＭとすると、送り軸のバネ系の張力Ｆｌは、Ｆｌ＝ｋ・ＬＭとなる。反転後に必要な力と送り軸のバネ系の力は同じ（Ｆｌ＝Ｆｇ）となる。すなわち、ｋ・ＬＭ＝Ｍｇ・α＋Ｆμとなり、ロストモーション量ＬＭは、ＬＭ＝（Ｍｇ／ｋ）・α＋Ｆμ／ｋとなる。

ここで、図２のロストモーションの加速度成分補正量Ｘｃａは、（Ｍｇ／ｋ）・α相当となる。図２のロストモーションの摩擦成分補正量Ｘｃμは、摩擦力Ｆμ／ｋ相当となる。変位量成分補正量Ｘｃｘは、速度により可変する係数をＡおよびＢとし、加速度により可変する係数をＣとすると、例えば（２）式に示す様な漸増型の関数とする。
Ｘｃｘ＝ｓｉｇｎ（Δｘ）×（Ａ＋Ｂ（１−ｅｘｐ［−｜Δｘ｜／Ｃ］））
・・・（２）

例えば、パルス送り等の非常に遅い送り速度で移動体を停止状態から移動させた場合のロストモーションＬＭを測定すると、図４の様になる。図４の横軸は、位置指令ＣＯＮであり、縦軸は移動体の位置ＡＰＡである。図４中の一点鎖線は反転運動時の位置指令を示しており、ロストモーションＬＭが一方向に発生しているものではなく、両方向に発生しているものとして示した図である。反転運動における反転前の位置を点線で反転後の位置を実線で示してあり、反転前後の位置誤差が一定になったときの位置誤差の１／２を指令位置としている。

この場合、ロストモーションを補正するための位置指令補正量Ｘｃは、前記（２）式で近似した場合のＡをＡ０とし、係数ＢをＢ０とすると、図５に示す様な関数となる。図５におけるＡ０は、摩擦抵抗以外で発生するロストモーション分、例えばボールネジとナット部のバックラッシ分等を含んでいる。また、反転動作を繰り返した場合のロストモーションＬＭの時間との関係は、図６の様になる。

工作機械における摩擦係数μは、図１０に示す様な特性が得られる。図１０において(1)の領域は境界潤滑領域であり、(2)の領域は混合潤滑領域であり、(3)の領域は流体潤滑領域である。図７に示す特性は、図１０に示す摩擦係数μの速度依存の特性とよく似た特性となる。

また、軸が移動する際は、境界潤滑領域から混合潤滑状態に移行し、さらに流体潤滑領域へ移行する。移動体が停止すると遅れて流体潤滑状態から混合潤滑領域、境界潤滑状態に移行する。そのため、円弧運動の様な連続動作における反転では、図１０に示す(3)の領域である流体潤滑領域または(2)の混合潤滑領域から図１０の(1)の領域である境界潤滑領域に戻らずそれぞれの潤滑領域のまま反転動作をする。工作機械の円弧運動での速度は、ほとんどが混合潤滑領域であり、前述した様に摩擦力算出用速度｜ｖ｜が速度ｖの一次遅れの関数であるため、摩擦係数が混合潤滑状態のまま潤滑常態に移行することなく反転動作することになり、図１８の様な特性となる。さらにパルス送り等の比較的送り速度が遅い場合は、境界潤滑領域のままであり、混合潤滑領域や流体潤滑領域へ移行しない。そのため、図８に示す様な漸増型特性となる。

図３に補正量算出器５の他の実施の形態を示す。図３の変位量成分算出器３４は、変位量｜Δｘ｜を入力として前記（式４）に応じてロストモーションの変位量補正成分Ｘｃｘを出力する。加速度成分算出器２１は、移動体の加速度またはモータの加速度を入力として、ロストモーションの加速度成分補正量Ｘｃaを出力する。係数Ｃ算出器３１は、移動体またはモータの加速度に応じて係数Ｃを可変する。係数Ａ算出器３２は、移動体の速度またはモータの速度を入力として係数Ａを可変する。前記ロストモーションの変位量成分Ｘｃｘと、加速度成分Ｘｃａとを加算し、位置指令補正量Ｘｃを出力する。

例えば、移動体の加速度をαとし、Ｃ∝１／αとすると同じ送り速度でも加速度が大きいほど変位量Δｘに対するロストモーションの位置指令補正量Ｘｃの漸増量が増えるため図８の様になる。工作機械の送り軸等において、反転直後のロストモーション量が問題となるのは、図１０で示す境界潤滑領域(1)や混合潤滑領域(2)の速度領域のみである。よって、係数Ａを図１１に示す様な、速度に応じて可変する関数とする。図１１中のＶｈｔｌは境界潤滑領域から混合潤滑領域へ移行する速度である。図３に示す補正量算出器で図２に示す補正量算出器と同等の補正ができる。

さらに、転がりガイドの機械においては、パルス送りで送り軸の移動体を停止状態から移動させた場合のロストモーションを測定すると、図１２の様になった。図４で説明した内容と重複する内容については、省略する。

この場合、ロストモーションを補正するための位置指令補償量Ｘｃは、（３−１）式から（３−４）式の様になる。
Δｘ≧Δｘ１のとき、
Ｘｃｘ＝Ａ＋Ｂ（１−ｅｘｐ［（−｜Δｘ｜−Δｘ１）／Ｃ］）・・・（３−１）
Δｘ≦−Δｘ１のとき、
Ｘｃｘ＝−Ａ−Ｂ（１−ｅｘｐ［（−｜Δｘ｜＋Δｘ１）／Ｃ］）・・・（３−２）
０＜Δｘ＜Δｘ１のとき、 Ｘｃｘ＝−Ａ−Ｂ・・・（３−３）
−Δｘ＜Δｘ＜０のとき、 Ｘｃｘ＝Ａ＋Ｂ ・・・（３−４）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃは係数である。前記（３−１）式〜（３−４）式で近似した場合のＡをＡ０とし、係数ＢをＢ０とすると、図１３に示す様な関数となる。また、反転動作を繰り返した場合の位置指令補正量Ｘｃｘの時間との関係は、図１４の様になる。

以上説明した様に、本発明によるロストモーション補正機能を有する位置制御装置によれば、工作機械の送り軸における、円弧運動の反転動作のみならず、必ず停止が発生する反転動作においてもロストモーションを適切に補正することができる。また、膨大なデータを持つことなく、速度または加速度によって補正データを可変することができるため、比較的安価で高精度なロストモーション補正を有する位置制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態を示すブロック図である。 本発明の補正量算出器を示すブロック図である。 本発明の他の補正量算出器を示すブロック図である。 工作機械の送り軸の位置指令と位置を測定した図である。 本発明のロストモーションの変位量補正成分を示した図である。 本発明のロストモーションの変位量補正成分と時間の関係を示した図である。 速度をパラメータとした変位量とロストモーションの測定結果である。 加速度をパラメータとした変位量とロストモーションの測定結果である。 加速度をパラメータとした変位量とロストモーションの測定結果である。 摩擦係数の速度特性図である。 本発明の係数Ａの関数を示す図である。 工作機械の送り軸の位置指令と位置を測定した図である。 本発明のロストモーションの変位量補正成分を示した図である。 本発明のロストモーションの変位量補正成分と時間の関係を示した図である。 従来例を示すブロック図である。 従来例を説明する図である。 従来例を説明する図である。 従来例を説明する図である。

符号の説明

１，４，１０ 微分器、２ 反転検出器、３ 変位量算出器、５ 補正量算出器、６，１９，２０，２５，３５ 加算器、７ 位置制御器、８ 速度制御器、９ 電流制御器、１１ 検出器、１２ モータ、１３ ボールネジ、１４ 移動体、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｎ 補正データ部、１６ 補正量算出部、１７ 指令データ、１８ データ解析部、２１ 加速度成分補正量算出器、２２ 摩擦力算出器、２３ 摩擦成分算出器、２４ 変位量成分算出器、２６ 摩擦速度算出器、３１ 係数Ｃ算出器、３２ 係数Ａ算出器、３４ 変位量成分算出器。

Claims (3)

1. 位置検出器が取り付けられたサーボモータと、該サーボモータにより駆動される送り軸の位置を制御し、位置指令と前記位置検出器の位置検出値の差からフィードバック制御する位置制御装置において、
   前記位置指令値または前記位置検出値より前記送り軸またはサーボモータの方向反転を検出する方向反転検出器と、
   方向反転してからの前記位置指令値または前記位置検出値の変位量を算出する変位量算出器と、
   該変位量と送り軸またはモータの加速度と送り軸の速度を入力として指令補正値を算出する補正量算出器と、
   を備え、
   前記補正量算出器は、
   前記速度を入力として一次遅れの摩擦成分算出速度を算出する摩擦速度算出器と、
   該摩擦速度に応じてロストモーション量の摩擦成分を出力する摩擦成分算出器と、
   前記加速度に応じてロストモーション量の加速度成分を出力する加速度成分算出器と、
   前記位置変位量に応じてロストモーション量の変位量補正成分を出力する変位量補正成分算出器と、
   を有し、
   前記ロストモーション量の摩擦成分と前記加速度成分と変位量補正成分を加算し指令補正値とし、
   前記指令補正値を前記位置指令値に加算してロストモーション補正を行うことを特徴とするロストモーション補正機能を有する位置制御装置。
2. 位置検出器が取り付けられたサーボモータと、該サーボモータにより駆動される送り軸の位置を制御し、位置指令と前記位置検出器の位置検出値の差からフィードバック制御する位置制御装置において、
   前記位置指令値または前記位置検出値より前記送り軸またはサーボモータの方向反転と任意時間の停止の有無を検出する方向反転検出器と、
   方向反転してからの前記位置指令値または前記位置検出値の変位量を算出する変位量算出器と、
   該変位量と送り軸またはモータの加速度と送り軸の速度を入力として指令補正値を算出する補正量算出器と、
   を備え、
   前記補正量算出器は、速度により可変する係数をＡ及びＢとし、加速度により可変する係数をＣとして、式
   Ｘｃ＝ｓｉｇｎ（Δｘ）×（Ａ＋Ｂ（１−ｅｘｐ［−｜Δｘ｜／Ｃ］））
   により指令補正量Ｘｃを算出する位置指令補正器を有し、
   該位置指令補正値Ｘｃを前記位置指令値に加算してロストモーション補正を行うことを特徴とするロストモーション補正機能を有する位置制御装置。
3. 前記変位量算出器は、反転してから任意変位量分は変位量＝０として、その後の変位量をΔｘとして出力することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の位置制御装置。
   
   

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