JP4598617B2 - Position control device for numerical control machine - Google Patents
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Description
本発明は、数値制御機械に適用される位置制御装置に関する。 The present invention relates to a position control device applied to a numerical control machine.
図8は、従来の数値制御機械の一つである工作機械におけるボールネジ駆動系の概略機構を1軸分示したモデルである。サーボモータ100が回転すると、軸上に結合されたボールネジ101が回転し、ボールネジナットに固定された主軸頭103が、推力Frを受けて、案内面を兼ねたクロスレール102上をy方向に移動する構造になっている。コラム104a,104bは、これらの構造体を支持固定するもので、片側は地面にリジットに固定設置されている。尚、クロスレール102には、主軸頭位置yを検出するリニアスケール(図示しない)が設置されており、サーボモータ100には、モータ回転角度θm及び角速度vmを検出する位置検出器(図示しない)が内包されている。
FIG. 8 is a model showing one axis of a schematic mechanism of a ball screw drive system in a machine tool which is one of conventional numerical control machines. When the
図7は、従来の機台部剛性を考慮しない対象プラントのブロック図であり、前記ボールネジ駆動系を2慣性対象プラントと見なして、その特性を示している。モータ発生トルクτmは、モータ加減速トルクと主軸頭推力Frのトルク換算値となる。モータ加減速トルクは、モータ慣性モーメントImに応じた加速度amを発生し、2個の積分器(Sは、ラプラス変換の演算子である)を介して速度vm,モータ回転角θmになる。モータ回転角θmは、ボールネジ101のリードPに応じて、直動方向のモータ位置ymとなる。一方で、推力Frを受けて主軸頭103は、主軸頭質量Mhに応じた加速度ayを発生し、2個の積分器を介して速度vy,主軸頭位置yとなる。更に、モータ位置ymと主軸頭位置yの偏差に駆動系総合剛性Ksを乗じたものが主軸頭推力Frとなっている。
FIG. 7 is a block diagram of a target plant that does not take into consideration the conventional machine base rigidity, and shows the characteristics of the ball screw drive system as a two-inertia target plant. The motor generated torque τm is a torque converted value of the motor acceleration / deceleration torque and the spindle head thrust Fr. The motor acceleration / deceleration torque generates an acceleration am corresponding to the motor inertia moment Im, and becomes a speed vm and a motor rotation angle θm via two integrators (S is an operator of Laplace transform). The motor rotation angle θm becomes the motor position ym in the linear motion direction according to the lead P of the
図6は、前述の様な対象プラントの主軸頭位置yを、上位装置(図示しない)より発生された位置指令値θ*通りに制御するための、従来位置制御装置の一例のブロック図である。この対象プラントを高精度に位置制御するためには、加減速時に、主軸頭位置yとボールネジ駆動系に発生する撓み量θdfを考慮して、モータ回転角θmを制御する必要がある。図において、撓み量θdfは、ブロックCaの動作により、
[数1] θdf=(Mh/Ks)(d2θ*/dt2)
と求められる。制御上の位置指令値θcは、θ*と撓み量θdfを加算器51で加算して作成される。
FIG. 6 is a block diagram of an example of a conventional position control device for controlling the spindle head position y of the target plant as described above in accordance with the position command value θ * generated by a host device (not shown). . In order to control the position of the target plant with high accuracy, it is necessary to control the motor rotation angle θm in consideration of the spindle head position y and the deflection amount θdf generated in the ball screw drive system during acceleration / deceleration. In the figure, the deflection amount θdf is determined by the operation of the block Ca.
[Formula 1] θdf = (Mh / Ks) (d 2 θ * / dt 2 )
Is required. The control position command value θc is created by adding θ * and the deflection amount θdf by the adder 51.
従来の位置制御装置では、モータの応答の高速化を図るため、フィードフォワード構成をとっている。具体的には、撓み量θdfは時間微分されて撓み速度Vdfとなり、位置指令値θ*の時間微分値と加算器53で加算されて、速度フィードフォワード量Vffとなる。更に、Vffは時間微分され加速度フィードフォワード量Affとなる。Cbは、加速度Affを発生させるモータトルクに相当する、トルクフィードフォワード量τffを求める換算ブロックである。
In the conventional position control device, a feedforward configuration is adopted in order to speed up the response of the motor. Specifically, the deflection amount θdf is differentiated with respect to time to become a deflection velocity Vdf, and is added to the time differential value of the position command value θ * by the
従来の位置制御装置のフィードバック構成は次の様になっている。まず、リニアスケールにより検出された図7,図8で示した対象プラント50の主軸頭位置yは、(2π/P)倍されてモータ回転軸換算された主軸頭位置θiとなる。位置帰還θfは、減算器52で制御上の位置指令値θcから減算され、その出力である位置偏差は位置偏差増幅器Gpで増幅される。その出力は、加算器54で速度フィードフォワード量Vffと加算されて、速度指令値Vcとなる。減算器55では、速度指令値Vcからモータ回転角速度vmが減算され、その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器Gvで、通常、比例積分増幅される。この出力とトルクフィードフォワード量τffが加算器56で加算されて、トルク指令値つまりは、モータ発生トルクτmとなる。
The feedback configuration of the conventional position control device is as follows. First, the spindle head position y of the
位置帰還θfとθm,θdf,θiの関係は、図6より、
[数2] θf=θm+G(S)[θi−(θm−θdf)]
で表される。ここで、G(S)は、0≦|G(S)|≦1で、低周波入力に対して大きく、高周波入力に対して小さい、遅れ系の伝達特性を持つ。よって、定常的には、θf=θi+θdfとなって、フィードバック制御により、θc=θfとできることから、θ*=θiが達成できる。つまり、位置指令値θ*通りに主軸頭位置yを制御できる。尚、この様な位置制御装置は、特許文献1に開示されている。
The relationship between the position feedback θf and θm, θdf, θi is shown in FIG.
[Formula 2] θf = θm + G (S) [θi− (θm−θdf)]
It is represented by Here, G (S) is 0 ≦ | G (S) | ≦ 1, and has a transmission characteristic of a delay system that is large for a low frequency input and small for a high frequency input. Therefore, in a steady state, θf = θi + θdf, and θc = θf can be achieved by feedback control, so that θ * = θi can be achieved. That is, the spindle head position y can be controlled in accordance with the position command value θ * . Such a position control device is disclosed in
以上説明した様に、従来の位置制御装置では、ボールネジ駆動系を2慣性モデルと見なし、駆動系総合剛性に起因して発生する撓みを考慮した位置制御系を構成することで、駆動部(主軸頭位置)を位置指令値通りに制御できる様になっている。しかしながら、駆動系を含む構造体(クロスレール)を、支持固定する機台部(コラム)の剛性が低い機械構成時や、高加減速化動作が要求される場合などでは、機台部の剛性に起因した低周波振動が発生して、主軸頭位置を正確に制御することができなかった。本発明が解決しようとする課題の一つは、機台部の剛性に起因した変位量を考慮した位置制御系を構成することで、機台部に低周波振動が発生する場合も、空間上の主軸頭位置を位置指令値通りに制御できる位置制御装置を提供することである。 As described above, in the conventional position control device, the ball screw drive system is regarded as a two-inertia model, and the drive unit (spindle shaft) is configured by configuring the position control system in consideration of the deflection generated due to the overall rigidity of the drive system. (Head position) can be controlled according to the position command value. However, when the machine structure (column) that supports and fixes the structure (cross rail) including the drive system is low in machine configuration or when high acceleration / deceleration operations are required, the rigidity of the machine base Due to the low frequency vibration caused by this, the spindle head position could not be accurately controlled. One of the problems to be solved by the present invention is to construct a position control system that takes into account the amount of displacement due to the rigidity of the machine base, so that even when low frequency vibrations occur in the machine base, Is to provide a position control device capable of controlling the spindle head position according to the position command value.
以上のような目的を達成するために、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置は、数値制御機械のボールネジ駆動系で構成された機構の駆動部をサーボモータにより駆動し、駆動部位置をリニアスケールあるいはモータ回転角度検出器で間接的に検出し、上位装置からの位置指令値に従って駆動部位置を制御する位置制御装置であって、上位装置からの位置指令値を入力として、駆動系を含む構造体の質量、構造体を支える機台部の剛性に基づき、機台部に発生する振動による変位量を補償するための機台振動補償指令値を決定する機台振動モニタと、機台振動補償指令値の時間微分値から、機台振動補償速度指令値及び機台振動補償トルク指令値を演算決定するブロックと、少なくとも位置制御装置の位置指令値に機台振動補償指令値を加算し、新たな位置指令値を算出する加算器と、を備え、該新たな位置指令値に従って駆動部位置を制御することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a position control device for a numerical control machine according to the present invention drives a drive unit of a mechanism constituted by a ball screw drive system of the numerical control machine by a servo motor, and sets the drive unit position. A position control device that indirectly detects with a linear scale or a motor rotation angle detector and controls the position of the drive unit according to the position command value from the host device. A base vibration monitor for determining a base vibration compensation command value for compensating a displacement amount due to vibration generated in the base based on the mass of the structure including the base and the rigidity of the base supporting the structure; from the time differential value of the vibration compensation command value, the block for computing determine vibration of a machine base compensation speed command value and the machine base vibration compensation torque command value, vibration of a machine base compensation command value to the position command value of least position controller Calculated by, and an adder for calculating a new position instruction value, and controls the drive unit position in accordance with the new position instruction value.
また、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、上位装置からの位置指令値に基づき算出された速度指令値に機台振動補償速度指令値を加算し新たな速度指令値を算出する加算器、又は、上位装置からの位置指令に基づき算出されたトルク指令値に機台振動補償トルク指令値を加算し新たなトルク指令値を算出する加算器の少なくとも一つを備え、該新たな速度指令値または新たなトルク指令値に従って駆動部位置を制御することを特徴とする。 Further, in the position control device for a numerically controlled machine according to the present invention, an addition for calculating a new speed command value by adding the machine vibration compensation speed command value to the speed command value calculated based on the position command value from the host device. vessel, or comprises at least one adder adds vibration of a machine base compensation torque command value to the torque command value calculated based on the position command from the host apparatus to calculate the new torque command value, the new velocity The drive unit position is controlled according to the command value or the new torque command value .
さらに、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、上位装置からの位置指令値より駆動部推力Frを演算するブロックと、駆動部推力Frから駆動部の傾斜角φを導出するφ(Fr)変換ブロックと、傾斜角φから駆動部の力の作用点と上位装置からの位置指令の対象となる駆動部の位置制御対象点との間の位置ずれ補償値を算出する位置ずれ補償値算出ブロックと、を備え、少なくとも位置制御装置の位置指令値に位置ずれ補償値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする。 Further, in the position control device for the numerical control machine according to the present invention, a block for calculating the drive unit thrust Fr from the position command value from the host device, and φ (Fr) for deriving the drive unit inclination F from the drive unit thrust Fr. ) Position shift compensation value calculation for calculating a position shift compensation value between the conversion block and the point of application of force of the drive unit from the inclination angle φ and the position control target point of the drive unit that is the target of the position command from the host device A block, and adding a position deviation compensation value to at least the position command value of the position control device to calculate a new command value.
さらにまた、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、新たな指令値は、位置ずれ補償値の時間微分値から位置ずれ速度補償値を算出し、上位装置からの位置指令値に基づき算出された速度指令値に位置ずれ速度補償値を加算して算出することを特徴とする。 Furthermore, in the position control device of the numerical control machine according to the present invention, the new command value is calculated based on the position command value from the host device by calculating the position error speed compensation value from the time differential value of the position error compensation value. It is calculated by adding a position shift speed compensation value to the speed command value that has been set.
さらにまた、本発明に係る数値制御機械の位置制御装置において、機台部の振動による変位量を検出する変位検出器を機台部に取り付け、前記機台振動モニタは上述の算出方法に代えて変位検出器の検出値から機台振動補償指令値を算出することを特徴とする。
Furthermore, in the position control device for the numerical control machine according to the present invention, a displacement detector for detecting a displacement amount due to vibration of the machine base is attached to the machine base, and the machine vibration monitor is replaced with the above calculation method. The machine vibration compensation command value is calculated from the detection value of the displacement detector.
本発明に係る位置制御装置は、ボールネジ駆動系を含む数値制御機械のサーボモータ駆動軸において、駆動系を含む構造体を支持固定する機台部の剛性に起因する低周波振動が発生しても、高精度な駆動部の位置制御を実現できる位置制御装置に関する。機台部変位を推定あるいは検出して、位置検出値に含まれる振動影響を除去し、正確な空間上の駆動部位置を求め、この駆動部位置が位置指令値に一致することを目的とした補償制御を位置制御装置に加えることで、前記、課題を解決するものである。 In the position control device according to the present invention, in a servo motor drive shaft of a numerical control machine including a ball screw drive system, even if low-frequency vibration is generated due to rigidity of a machine base portion that supports and fixes a structure including the drive system. The present invention relates to a position control device that can realize highly accurate position control of a drive unit. The purpose is to estimate or detect the machine base displacement, eliminate the vibration effect included in the position detection value, determine the exact drive unit position in space, and make this drive unit position match the position command value The problem is solved by adding compensation control to the position control device.
本発明の位置制御装置によれば、ボールネジ駆動系を含む数値制御機械のサーボモータ駆動軸において、駆動系を含む構造体を支持固定する機台部の剛性に起因する低周波振動が発生しても、これを補償して駆動部の空間上位置の高精度な位置制御を達成できる。更には、駆動部に推力が加わる作用点と駆動部質量中心が一致せず、駆動部に傾斜が発生する場合においても、位置指令値通りに制御したい駆動部内の任意点と、力の作用点との間の位置ずれを補償した位置制御が実現できるという効果がある。 According to the position control device of the present invention, low-frequency vibration is generated in the servo motor drive shaft of a numerical control machine including a ball screw drive system due to the rigidity of a machine base portion that supports and fixes a structure including the drive system. However, it is possible to compensate for this and achieve highly accurate position control of the spatial position of the drive unit. Furthermore, even when the point of application of thrust to the drive unit does not coincide with the center of mass of the drive unit and the drive unit is inclined, an arbitrary point in the drive unit to be controlled according to the position command value and the point of action of the force It is possible to realize position control that compensates for the positional deviation between the two.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)を、図面に従って説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図4は、実施形態における機台部(コラム)の剛性を考慮してボールネジ駆動系の概略機構を1軸分示したモデルである。コラムを梁と考えて、クロスレール部のコラム変位量をy1とおいているが、その他の部分は、図8のモデルと同じである。ここで、図4のモデルを対象プラントと見なして、その運動方程式を導出する。この場合、一般化座標系として、モータ回転角θm,主軸頭位置y,コラム変位y1をとればよく、次の3個の運動方程式が得られる。
[数3] τm=Im・am+(P/2π)Ks[(P/2π)θm−(y+y1)]
[数4] 0=Mh・ay−Ks[(P/2π)θm−(y+y1)]
[数5] 0=Mr・ay1−Ks[(P/2π)θm−(y+y1)]+Kb・y1+Db・vy1
ここで、コラム変位速度vy1,コラム変位加速度ay1,クロスレール(主軸頭含まない)質量Mr,コラムのy方向剛性Kb,コラムの粘性減衰係数Dbである。
FIG. 4 is a model showing a schematic mechanism of the ball screw drive system for one axis in consideration of the rigidity of the machine base (column) in the embodiment. Considering the column as a beam, the column displacement amount of the cross rail portion is set to y 1 , but the other portions are the same as the model of FIG. Here, the model of FIG. 4 is regarded as a target plant, and its equation of motion is derived. In this case, the motor rotation angle θm, the spindle head position y, and the column displacement y 1 may be taken as a generalized coordinate system, and the following three equations of motion are obtained.
[Expression 3] τm = Im · am + (P / 2π) Ks [(P / 2π) θm− (y + y 1 )]
[Equation 4] 0 = Mh · ay−Ks [(P / 2π) θm− (y + y 1 )]
[Equation 5] 0 = Mr · ay 1 −Ks [(P / 2π) θm− (y + y 1 )] + Kb · y 1 + Db · vy 1
Here, the column displacement velocity vy 1, column displacement acceleration ay 1, a cross rail (spindle Atama含Manai) mass Mr, y-direction stiffness Kb of the column, a viscous damping coefficient Db column.
図3は、実施形態における機台部剛性を考慮した対象プラントに対する数3〜数5式の運動方程式をブロック図に表したものである。図中の機台振動ブロックは、主軸頭推力Frを入力とし、クロスレール変位y1を出力とするブロックであり、この入出力関係は、数5式から、
[数6] Fr=Mr・ay1+Db・vy1+Kb・y1
で示せる。更に、コラム変位y1を主軸頭位置yと加算すれば、この対象プラントにおけるリニアスケール位置検出値y+y1となる。尚、他の部分は、図7と全く同一のため説明を省略する。
FIG. 3 is a block diagram showing equations of motion of
[Expression 6] Fr = Mr · ay 1 + Db · vy 1 + Kb · y 1
Can be shown. Further, if the column displacement y 1 is added to the spindle head position y, the linear scale position detection value y + y 1 in this target plant is obtained. The other parts are the same as those in FIG.
ここで、位置指令値θ*通りに制御すべき主軸頭位置はyであるから、制御すべき主軸頭推力Frは定まる。しかし、位置検出値には、前述の様にコラム変位y1が含まれるから、これを推定あるいは検出して位置検出値から除去した、正確な空間上の主軸頭位置yを導出する。更に、制御すべき主軸頭推力Frを発生させる駆動系撓み量を与えるためのモータ回転角θmを、コラム変位y1を考慮して導出し、モータ応答の高速化を図るための速度フィードフォワード量Vffとトルクフィードフォワード量τff及び制御上の位置指令値θcを決定する。 Here, since the spindle head position to be controlled according to the position command value θ * is y, the spindle head thrust Fr to be controlled is determined. However, since the position detection value includes the column displacement y 1 as described above, an accurate head position y in the space, which is estimated or detected and removed from the position detection value, is derived. Further, a motor rotation angle θm for giving a driving system deflection amount for generating the spindle head thrust Fr to be controlled is derived in consideration of the column displacement y 1, and a speed feedforward amount for speeding up the motor response. Vff, torque feedforward amount τff and control position command value θc are determined.
図1は、本発明の実施形態に係る位置制御装置のブロック図の一例である。尚、本ブロック図において、図6(従来例)と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。尚、図中の対象プラント10は、図3のブロック図に対応している。ここにおいて、位置指令値θ*通りに主軸頭位置yを制御するためには、図3より、主軸頭推力Frを、
[数7] Fr=Mh・(P/2π)(d2θ*/dt2)
とすれば良く、Frとコラム変位y1の関係は、数6式から求まる。ここで、機台振動補償指令値θswを、
[数8] θsw=(2π/P)・y1
と定める。以上の一連の動作を実行するのが、機台振動モニタである。
FIG. 1 is an example of a block diagram of a position control device according to an embodiment of the present invention. In this block diagram, the same parts as those in FIG. 6 (conventional example) are given the same names and numbers, and the description thereof is omitted. The
[Formula 7] Fr = Mh · (P / 2π) (d 2 θ * / dt 2 )
The relationship between Fr and the column displacement y 1 can be obtained from equation (6). Here, the machine vibration compensation command value θsw is
[Equation 8] θsw = (2π / P) · y 1
It is determined. The machine vibration monitor performs the above series of operations.
θswは、図6の従来位置制御装置内の加算器51出力に、加算器1で加算されて本発明実施例における制御上の位置指令値θcになる。次にθswは時間微分されて、機台振動補償速度指令値Vswとなり、図6の従来位置制御装置内の加算器53出力に、加算器2で加算されて速度フィードフォワード量Vffとなる。更にVswを時間微分したAswに、モータ慣性モーメントImを乗じて、機台振動補償トルク指令値τswを算出する。τswは、図6の従来位置制御装置内のτffと加算器3で加算されて、本発明実施例におけるトルクフィードフォワード量τffを構成する。以上のフィードフォワード構成は、サーボモータの機台振動補償指令値θsw分の応答動作の、高速化を図るためのものである。
θsw is added by the
以上の構成による本発明実施例の位置制御装置では、数2式より、定常的には、θf=θi+θdfとなって、フィードバック制御により、θc=θfとできることから、
[数9] θc=θ*+θdf+θsw=θi+θdf
となって、
[数10] θ*+θsw=θi=(2π/P)(y+y1)
となる。ここで、前述の機台振動モニタの動作から、数8式の関係が成立するため、θ*=(2π/P)yが達成できる。つまり、位置指令値θ*通りに主軸頭位置yを制御できる。
In the position control apparatus according to the embodiment of the present invention having the above-described configuration, from Equation 2, it is possible to constantly obtain θf = θi + θdf and θc = θf by feedback control.
[Equation 9] θc = θ * + θdf + θsw = θi + θdf
Become
[Expression 10] θ * + θsw = θi = (2π / P) (y + y1)
It becomes. Here, from the above-described operation of the machine base vibration monitor, since the relationship of
また、ここまでは、クロスレールに主軸頭位置yを検出するリニアスケールが設置されていることを前提として記述しているが、リニアスケールが設置されていない場合においては、次の様に制御する。まず、図1における伝達特性G(S)をG(S)≡0とすることで、θf=θmとなる。θmは図4の関係にある時、図3より、
[数11] θm=(2π/P)[(Fr/Ks)+(y+y1)]
であるが、数7,8式で、Fr,θswを制御するから、
[数12] θm=(Mh/Ks)(d2θ*/dt2)+(2π/P)y+θsw
となる。フィードバック制御で、θc=θf=θmとできることから、
[数13] θc=θ*+θdf+θsw=(Mh/Ks)(d2θ*/dt2)+(2π/P)y+θsw
ここで、数1式の関係が成立するから、θ*=(2π/P)yが達成できる。つまり、リニアスケールが設置されていない場合においても、機台振動による影響を除去した位置制御が達成できる。
The description so far has been made on the assumption that a linear scale for detecting the spindle head position y is installed on the cross rail. However, when the linear scale is not installed, the following control is performed. . First, by setting the transfer characteristic G (S) in FIG. 1 to G (S) ≡0, θf = θm. When θm is in the relationship of FIG. 4, from FIG.
[Formula 11] θm = (2π / P) [(Fr / Ks) + (y + y 1 )]
However, since Fr and θsw are controlled by
[Equation 12] θm = (Mh / Ks) (d 2 θ * / dt 2 ) + (2π / P) y + θsw
It becomes. Since feedback control can make θc = θf = θm,
[Expression 13] θc = θ * + θdf + θsw = (Mh / Ks) (d 2 θ * / dt 2 ) + (2π / P) y + θsw
Here, since the relationship of
次に、主軸頭がy方向に傾きを発生する場合について考える。図5は、図4の主軸頭103とボールネジ101の相対関係のみを抜き出した図である。図において、ボールネジナットから主軸頭に推力Frが加わる点O,主軸頭の質量中心G,主軸頭の下端点Qからボールネジまでの距離l,ボールネジから主軸頭の上端点までの距離Hとしている。今、点Oと点Gが一致していないと推力Frによるモーメントで、主軸頭は図の様に角度φを持ってy軸方向に傾斜することになる。ここで、工作機械などでは、切削工具端となる下端点Qのy方向の空間位置を、位置指令値θ*通りに制御することが必要となるが、この場合、点Oと点Qの間にはlφの位置ずれが発生する。
Next, consider a case where the spindle head generates an inclination in the y direction. FIG. 5 is a diagram in which only the relative relationship between the
図2は、この問題と前述の機台振動による問題に合わせて対処できる、本発明による位置制御装置の一例である。尚、本ブロック図において、図1(実施例1)と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。ブロックCcは、数7式に従って、位置指令値θ*から、主軸頭推力Frを算出する。Frは、φ(Fr)変換ブロック(以下、Fr→φ変換ブロックという)で主軸頭の傾斜角φに変換される。この変換は、例えば、点Oと点G間距離:(l−H)/2と、正の相関を持った定数kを用いて、
[数14] φ=k・Fr
などと設定される。乗算器6は、傾斜角φと(2π/P)lを乗ずることで、点Oと点Qの位置ずれlφのモータ軸換算値である位置ずれ補償値θsl
[数15] θsl=(2π/P)l・φ
を出力する。
FIG. 2 shows an example of a position control device according to the present invention that can cope with this problem and the above-described problem caused by machine vibration. Note that in this block diagram, the same parts as those in FIG. 1 (Embodiment 1) are assigned the same names and numbers, and the description thereof is omitted. The block Cc calculates the spindle head thrust Fr from the position command value θ * according to the equation (7). Fr is converted into an inclination angle φ of the spindle head by a φ (Fr) conversion block (hereinafter referred to as Fr → φ conversion block). This conversion is performed using, for example, a distance between the point O and the point G: (l−H) / 2 and a constant k having a positive correlation.
[Equation 14] φ = k · Fr
And so on. The
[Formula 15] θsl = (2π / P) l · φ
Is output.
位置ずれ補償値θslは、加算器4で機台振動補償指令値θswと加算され、制御上の位置指令値θcに加わることになる。次に、θslは時間微分されて、位置ずれ速度補償値Vslとなり、機台振動補償速度指令値Vswと加算器5で加算され、速度フィードフォワード量Vffに加わる。以上のフィードフォワード構成は、サーボモータの位置ずれ補償値θsl分の応答動作の、高速化を図るためのものである。 The position deviation compensation value θsl is added to the machine base vibration compensation command value θsw by the adder 4 and added to the control position command value θc. Next, θsl is differentiated with respect to time to become a displacement speed compensation value Vsl, which is added to the machine vibration compensation speed command value Vsw by the adder 5 and added to the speed feedforward amount Vff. The above feed-forward configuration is for speeding up the response operation corresponding to the position deviation compensation value θsl of the servo motor.
以上の構成による本発明実施例の位置制御装置では、数2式より、定常的には、θf=θi+θdfとなって、フィードバック制御により、θc=θfとできることから、
[数16] θc=θ*+θdf+θsw+θsl=θi+θdf=(2π/P)(y+y1)+θdf
となって、数8式の関係が成立するから、
[数17] θ*+θsl=(2π/P)y
となる。更に、数15式の関係が成立するから、
[数18] θ*=(2π/P)(y−l・φ)
を得る。つまり、位置指令値θ*通りに主軸頭下端点位置(y−l・φ)を制御できる。
In the position control apparatus according to the embodiment of the present invention having the above-described configuration, from Equation 2, it is possible to constantly obtain θf = θi + θdf and θc = θf by feedback control.
[Equation 16] θc = θ * + θdf + θsw + θsl = θi + θdf = (2π / P) (y + y1) + θdf
Since the relationship of
[Equation 17] θ * + θsl = (2π / P) y
It becomes. Furthermore, since the relationship of Formula 15 is established,
[Equation 18] θ * = (2π / P) (y−1 · φ)
Get. In other words, the spindle head lower end point position (y · φ) can be controlled in accordance with the position command value θ * .
また、リニアスケールが設置されていない場合においては、実施例1同様に、伝達特性G(S)をG(S)≡0とすることで、θf=θmとなる。θmは、図4の関係にある時、図5で示した主軸頭の傾斜に関わり無く、実施例1同様に、数11式更には数12式で表せる。ここで、フィードバック制御により、θc=θf=θmとできることから、
[数19] θc=θ*+θdf+θsw+θsl=(Mh/Ks)(d2θ*/dt2)+(2π/P)y+θsw
となる。更に、本式に関して、数1式の関係が成立するから、本式は数17式に変形でき、リニアスケールが設置されている場合同様に、数18式を得る。つまり、位置指令値θ*通りに主軸頭下端点位置(y−l・φ)を制御できる。
When no linear scale is installed, θf = θm is obtained by setting the transfer characteristic G (S) to G (S) ≡0 as in the first embodiment. When θm is in the relationship of FIG. 4, it can be expressed by Equation 11 or Equation 12 as in Example 1, regardless of the inclination of the spindle head shown in FIG. 5. Here, θc = θf = θm can be obtained by feedback control.
[Equation 19] θc = θ * + θdf + θsw + θsl = (Mh / Ks) (d 2 θ * / dt 2 ) + (2π / P) y + θsw
It becomes. Furthermore, since the relationship of
尚、以上説明した本発明実施例1及び2では、コラム変位y1を、数6,7,8式からなる機台振動モニタより得ているが、コラム変位y1を直接検出できる変位検出器をコラムに設置し、この出力をy1として利用すれば、数8式のみで機台振動補償指令値θswを決定でき、機台振動モニタの構成を簡素化できる。
In the first and second embodiments of the present invention described above, the column displacement y 1 is obtained from the machine vibration monitor consisting of the equations (6), (7) and (8), but the displacement detector can directly detect the column displacement y 1 . And using this output as y 1 , the machine base vibration compensation command value θsw can be determined using
1,2,3,4,5 加算器、6 乗算器、10 機台部剛性を考慮した対象プラント、50 機台部剛性を考慮しない対象プラント、51,53,54,56,58 加算器、52,55,57,59 減算器、100 サーボモータ、101 ボールネジ、102 クロスレール、103 主軸頭、104a,104b コラム。 1, 2, 3, 4, 5 adder, 6 multiplier, 10 target plant considering machine base rigidity, 50 target plant not considering machine base rigidity, 51, 53, 54, 56, 58 adder, 52, 55, 57, 59 Subtractor, 100 servo motor, 101 ball screw, 102 cross rail, 103 spindle head, 104a, 104b column.
Claims (5)
上位装置からの位置指令値を入力として、駆動系を含む構造体の質量、構造体を支える機台部の剛性に基づき、機台部に発生する振動による変位量を補償するための機台振動補償指令値を決定する機台振動モニタと、
機台振動補償指令値の時間微分値から、機台振動補償速度指令値及び機台振動補償トルク指令値を演算決定するブロックと、
少なくとも位置制御装置の位置指令値に機台振動補償指令値を加算し、新たな位置指令値を算出する加算器と、
を備え、
該新たな位置指令値に従って駆動部位置を制御することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。 The drive unit of the mechanism composed of the ball screw drive system of the numerical control machine is driven by a servo motor, the drive unit position is indirectly detected by a linear scale or a motor rotation angle detector, and driven according to the position command value from the host device. A position control device for controlling the position of a part,
Based on the position command value from the host device, based on the mass of the structure including the drive system and the rigidity of the machine base that supports the structure, the machine base vibration to compensate for the displacement caused by the vibration generated in the machine base A machine vibration monitor that determines the compensation command value;
A block for calculating and determining a machine vibration compensation speed command value and a machine vibration compensation torque command value from the time differential value of the machine vibration compensation command value;
An adder that adds a machine vibration compensation command value to at least the position command value of the position control device and calculates a new position command value;
With
A position control device for a numerically controlled machine, wherein the position of a drive unit is controlled in accordance with the new position command value.
上位装置からの位置指令値に基づき算出された速度指令値に機台振動補償速度指令値を加算し新たな速度指令値を算出する加算器、又は、上位装置からの位置指令に基づき算出されたトルク指令値に機台振動補償トルク指令値を加算し新たなトルク指令値を算出する加算器の少なくとも一つを備え、
該新たな速度指令値または新たなトルク指令値に従って駆動部位置を制御することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。 The position control device for a numerically controlled machine according to claim 1,
An adder that calculates the new speed command value by adding the machine vibration compensation speed command value to the speed command value calculated based on the position command value from the host device, or calculated based on the position command from the host device. Comprising at least one adder for adding a machine vibration compensation torque command value to the torque command value and calculating a new torque command value;
A position control device for a numerically controlled machine, wherein the position of a drive unit is controlled according to the new speed command value or the new torque command value.
上位装置からの位置指令値より駆動部推力Frを演算するブロックと、
駆動部推力Frから駆動部の傾斜角φを導出するφ(Fr)変換ブロックと、
傾斜角φから駆動部の力の作用点と上位装置からの位置指令の対象となる駆動部の位置制御対象点との間の位置ずれ補償値を算出する位置ずれ補償値算出ブロックと、
を備え、
少なくとも位置制御装置の位置指令値に位置ずれ補償値を加算し、新たな指令値を算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。 In the numerical control machine position control device according to claim 1 or 2,
A block for calculating the drive unit thrust Fr from the position command value from the host device;
A φ (Fr) conversion block for deriving the tilt angle φ of the drive unit from the drive unit thrust Fr;
A displacement compensation value calculation block that calculates a displacement compensation value between the point of action of the force of the drive unit from the inclination angle φ and the position control target point of the drive unit that is the target of the position command from the host device;
With
A position control device for a numerical control machine, wherein a new command value is calculated by adding a position deviation compensation value to at least the position command value of the position control device.
さらに、新たな指令値は、
位置ずれ補償値の時間微分値から位置ずれ速度補償値を算出し、上位装置からの位置指令値に基づき算出された速度指令値に位置ずれ速度補償値を加算して算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。 In the position control device of the numerical control machine according to claim 3,
Furthermore, the new command value is
A position shift speed compensation value is calculated from a time differential value of the position shift compensation value, and is calculated by adding the position shift speed compensation value to the speed command value calculated based on the position command value from the host device. Position control device for numerical control machine.
機台部の振動による変位量を検出する変位検出器を機台部に取り付け、
前記機台振動モニタは前記請求項1の算出方法に代えて変位検出器の検出値から機台振動補償指令値を算出することを特徴とする数値制御機械の位置制御装置。 The position control device for a numerically controlled machine according to any one of claims 1 to 4,
A displacement detector that detects the amount of displacement due to vibration of the machine base is attached to the machine base.
A position control device for a numerically controlled machine, wherein the machine vibration monitor calculates a machine vibration compensation command value from a detection value of a displacement detector instead of the calculation method of claim 1 .
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