JP4870647B2

JP4870647B2 - 回転構造物の位置制御方法

Info

Publication number: JP4870647B2
Application number: JP2007274051A
Authority: JP
Inventors: 孝志則久
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009104315A

Description

本発明は、たとえば多軸工作機械等に備えられる回転構造物の位置を制御するための制御方法に関するものである。

近年、付加価値のより高い製品が要求されることから、多軸工作機械の使用が増加しており、該多軸工作機械における加工精度の向上が望まれている。そこで、高精度な位置制御（回転角度制御）を可能とすべく、たとえば特許文献１に記載されているような制御装置が考案されている。
以下、特許文献１に記載の制御装置及び該制御装置における位置制御方法について説明する。特許文献１に記載の制御装置は、回転軸の近傍に回転速度検出器や回転角度検出器を備えており、回転軸をバネ及び剛体と仮定して、上記回転速度検出器等より得られる制御情報に基づいてねじり変形による回転角度誤差量等を推定し、該推定値に基づいてトルク指令値を補正するようになっている。

特公平６−３８２１２号公報

ここで、回転構造物自体を弾性体とみなすと、ねじり変形による回転角度誤差量を補正すると回転軸以外の軸方向において位置誤差が生じる事態が起こる。また、回転構造物を回転させた際、厳密には構造物全体が同様に変形することはないため、回転構造物の各位置毎に回転角度誤差量が異なる事態も起こり得る。しかしながら、上記特許文献１に記載の制御方法では、当該事態を考慮していないため、算出した推定量と、実際の回転角度誤差量とに差が生じてしまうといった事態が発生し、位置制御の信頼性に乏しいという課題を抱えている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、精度の高い位置制御を実施することができ、より高精度な加工等の実現に寄与することができる回転構造物の位置制御方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、回転構造物の回転軸における誤差である角度誤差と、前記回転軸以外の軸方向への誤差である位置誤差とを補正する位置制御方法であって、前記回転構造物を回転動作させる駆動部へ出力するトルク指令をもとに、前記回転構造物のねじり剛性係数を用いて角度誤差を算出する第１工程と、前記トルク指令をもとに、前記回転構造物のたわみ剛性係数を用いて、前記角度誤差の補正により生じる位置誤差を算出する第２工程と、前記角度誤差及び位置誤差を補正量として出力する第３工程とを実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、角度誤差を算出するにあたり、用いるねじり剛性係数を、制御対象位置の回転軸からの距離に応じて予め設定されたテーブルから選択又は予め設定されている所定の関数にもとづき算出して決定することを特徴とするものである。

本発明によれば、回転構造物の角度誤差Δθを補正することにより生じる回転軸以外の軸方向への位置誤差δをも補正するため、精度の高い位置制御を実施することができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、制御対象位置の回転軸からの距離に応じて、角度誤差を算出する際に用いるねじり剛性係数を、予め設定されたテーブルから選択又は予め設定されている所定の関数にもとづき算出して決定するため、極めて精度の高い位置制御を実施することができる。

［実施例１］
以下、本発明に係る位置制御方法の第１実施例について説明する。

まず、制御装置による制御対象となる回転構造物１について説明する。図１は、回転構造物１を示した説明図であり、図２は、回転構造物１を模式的に示した説明図である。尚、図２では、図１におけるＸ軸方向を、紙面の表裏方向として示している。
回転構造物１は、たとえば５軸制御立形マシニングセンタ等の工作機械に設置されるトラニオン構造の二軸ユニットであって、図示しない軸受等に支持された旋回軸部４、４を軸としてＸ軸と平行なＡ軸周りで揺動自在（回転動作）なトラニオン２、及びトラニオン２上で回転自在なテーブル３とを備えてなる。

一方、上記トラニオン２の動作を制御する制御装置について、図３及び４をもとに説明する。図３は、Ａ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図であり、図４は、回転軸以外の軸方向への動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。
図３に示す如く、制御装置では、トラニオン２のＡ軸周りでの回転動作の制御に係り、ＮＣ装置１０から入力されるＮＣ位置指令と、トラニオン２を回転させるモータ（駆動部）１１に設けられた角度検出器１２からの位置フィードバック信号との偏差が０になるような位置制御ループが組まれている。また、微分器１３により位置フィードバック信号を微分して得られる速度フィードバック信号と、位置制御部１４からの出力信号とを速度制御部１５にて比較するとした速度制御ループが、上記位置制御ループの内側に組まれている。尚、速度制御部１５から出力されるトルク指令信号は、トルク／電流制御部１６を介してモータ１１へ伝達される。

一方、制御装置では、回転軸以外の軸方向（たとえば、Ｙ軸やＺ軸方向）への動作制御についても、ＮＣ装置１０から入力されるＮＣ位置指令と、トラニオン２のＹ軸やＺ軸方向での位置を検出するための位置検出器２５からの位置フィードバック信号との偏差が０になるような位置制御ループが組まれているとともに、上記同様の速度制御ループが該位置制御ループの内側に組まれている。

さらに、制御装置には、速度制御部１５から出力されるトルク指令Ｔ_ｍを誤差推定装置２０へ入力し、トラニオン２の弾性変形による角度誤差Δθ及び位置誤差δを算出して、補正信号を出力するとした角度補正ループが組まれており、誤差推定装置２０には、トラニオン２等の回転構造物のねじり剛性係数Ｋ_θ、及びたわみ剛性係数Ｋ_δが予め記憶されている。そして、誤差推定装置２０にトルク指令Ｔ_ｍが入力されると、まず下式（１）により、角度誤差Δθが算出される。尚、誤差推定装置２０へは、ＮＣ位置指令にもとづいて算出される回転角速度αも入力される。また、下式（１）におけるＪ_ｍとは、旋回軸部４や軸受等におけるイナーシャである。

上式（１）により角度誤差Δθを算出して回転角度を補正した場合、たとえば図２における点Ａは、図２中の点Ａ’’へ補正されることになり、回転軸以外の軸方向（ここでは、Ｙ軸及びＺ軸方向）において位置誤差δが生じることになる。そこで、誤差推定装置２０では、下式（２）により位置誤差δを算出し、さらに、下式（３）等により、夫々の軸方向への誤差量δＹ及びδＺを求め、各軸方向への動作を制御する制御機構へ出力する。そして、各軸方向における制御機構では、入力された誤差量δＹやδＺにもとづき該軸方向への送り量を補正して、点Ａが正確な位置Ａ’に補正されることになる。

以上のような位置制御方法によれば、角度誤差Δθを補正することにより生じる回転軸以外の軸方向への位置誤差δを算出して補正するため、精度の高い位置制御を実施することができる。

［実施例２］
以下、本発明に係る位置制御方法の第２実施例について説明する。図５は、回転構造物を模式的に示した説明図であり、図６は、回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。尚、第１実施例と同じ構成要素については同じ符号を付している。
第２実施例に係る位置制御方法は、回転構造物を弾性体とみなした場合、回転構造物全体が同様に変形するわけではないことに着目して、回転構造物をより正確に位置決めしようとするものである。そこで、誤差推定装置２０のテーブルに、ねじり剛性係数Ｋ_θＲを制御対象位置Ｂ毎、すなわち回転軸からの距離Ｒ毎に夫々対応させて予め設定しておく。そして、ＮＣ位置指令にもとづいて算出される距離Ｒを誤差推定装置２０へ入力させることにより、誤差推定装置２０では、距離Ｒに対応するねじり剛性係数Ｋ_θＲをテーブルから選択し、下式（４）により、角度誤差Δθ_Ｒを算出する。それから、位置誤差δ_Ｒについても、距離Ｒに対応するたわみ剛性係数Ｋ_δＲをテーブルから選択し、下式（５）及び上式（３）により、位置誤差δ_Ｒ（δ_ＲＹ及びδ_ＲＺ）を算出して、該位置誤差δ_Ｒを補正量として出力する。

以上のような位置制御方法によれば、制御対象位置毎（制御対象位置の回転軸からの距離Ｒ毎）に応じて、誤差推定装置２０が用いるねじり剛性係数Ｋ_θＲやたわみ剛性係数Ｋ_δＲを選択決定し、角度誤差Δθを算出するため、極めて精度の高い位置制御を実施することができる。

なお、本発明の位置制御方法に係る構成は、上記実施形態に記載の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更可能である。
たとえば、誤差推定装置がねじり剛性係数Ｋ_θＲやたわみ剛性係数Ｋ_δＲを決定する方法として、誤差推定装置が、回転軸からの距離Ｒを変数とした所定の関数によりねじり剛性係数Ｋ_θＲやたわみ剛性係数Ｋ_δＲを算出し決定するような構成としてもよい。
また、回転構造物の弾性変形による角度誤差及び位置誤差を推定するにあたり、該弾性変形に起因する力の種類（たとえば、重力、回転角加速度、外力や負荷重量等といった集中加重）ごとに、用いるねじり剛性係数Ｋ_θ又はたわみ剛性係数をＫ_δを関数又はテーブルにより選択（算出）することにより、推定する角度誤差又は位置誤差の精度を更に高めるようにすることも可能である。
さらに、制御対象となる回転構造物の構成も、上述したようなトラニオンに限定されることはなく、テーブルが旋回しないトラニオン等であっても何ら問題はない。

回転構造物を示した説明図である。回転構造物を模式的に示した説明図である。Ａ軸周りでの回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図ある。回転軸以外の軸方向への動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。回転構造物を模式的に示した説明図である。回転動作に係る制御機構を示したブロック構成図である。

符号の説明

１・・回転構造物、２・・トラニオン、３・・テーブル、４・・旋回軸部、１０・・ＮＣ装置、１１・・モータ、１２・・角度検出器、１３・・微分器、１４・・位置制御部、１５・・速度制御部、１６・・トルク／電流制御部、２０・・誤差推定装置、２１・・制御対象位置演算部、２５・・位置検出器。

Claims

回転構造物の回転軸における誤差である角度誤差と、前記回転軸以外の軸方向への誤差である位置誤差とを補正する位置制御方法であって、
前記回転構造物を回転動作させる駆動部へ出力するトルク指令をもとに、前記回転構造物のねじり剛性係数を用いて角度誤差を算出する第１工程と、
前記トルク指令をもとに、前記回転構造物のたわみ剛性係数を用いて、前記角度誤差の補正により生じる位置誤差を算出する第２工程と、
前記角度誤差及び位置誤差を補正量として出力する第３工程と
を実行する回転構造物の位置制御方法。
角度誤差を算出するにあたり、用いるねじり剛性係数を、制御対象位置の回転軸からの距離に応じて予め設定されたテーブルから選択又は予め設定されている所定の関数にもとづき算出して決定する請求項１に記載の回転構造物の位置制御方法。