JP4908377B2

JP4908377B2 - 回転構造物の位置制御方法

Info

Publication number: JP4908377B2
Application number: JP2007274036A
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: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009101444A

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が起こり得る。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、回転構造物の特定位置（制御対象位置）における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、回転構造物を回転動作させる駆動部へ出力するトルク指令Ｔ _ｍをもとに、前記回転構造物の回転軸における誤差である角度誤差を補正する位置制御方法であって、前記回転構造物の回転中心から制御対象位置までの距離Ｒに応じて、ねじり剛性係数Ｋ _θＲを予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定する第１工程と、前記決定したねじり剛性係数Ｋ _θＲ、前記トルク指令Ｔ _ｍ、前記回転構造物における前記回転軸や軸受のイナーシャＪ _ｍ、及び前記回転構造物の角加速度αを用いて下記の式（１）より角度誤差Δθを算出する第２工程と、前記角度誤差Δθ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。
Δθ＝（Ｔ _ｍ −Ｊ _ｍ・α）／Ｋ _θＲ・・・（１）

本発明によれば、回転構造物の回転中心から制御対象位置までの距離Ｒを角度誤差推定装置へ入力し、該制御対象位置におけるねじり剛性係数Ｋ _θＲを選択又は算出により決定し、該ねじり剛性係数Ｋ _θＲを用いて角度誤差Δθを算出（推定）して、該角度誤差Δθを加味しつつ駆動部の回転動作を制御する。したがって、回転構造物の回転中心から制御対象位置までの距離Ｒに応じて角度誤差を算出しない従来の位置制御と比較して、信頼性の高い位置制御を実施することができ、位置決め精度の向上、ひいては加工精度の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる位置制御方法について説明する。

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。

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を角度誤差推定装置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、角度誤差推定装置２０には、トラニオン２上（又はテーブル３上）の各点、すなわち制御対象位置Ｒ毎に夫々対応させてねじり剛性係数Ｋ_θＲが予めテーブルに設定されている。そして、角度誤差推定装置２０にトルク指令Ｔ_ｍが入力されると、ＮＣ位置指令にもとづいて算出され入力される制御対象位置Ｒにもとづき、テーブルから対応するねじり剛性係数Ｋ_θＲを選択して、下式（１）により、角度誤差Δθを算出し、補正量として出力する。尚、角度誤差推定装置２０へは、回転角加速度αもＮＣ位置指令にもとづいて算出され入力される。また、制御対象位置Ｒとは、図２に示す如く、補正対象となる位置の回転中心からの距離であり、ＮＣ位置指令にもとづき制御対象演算部２１にて算出される。さらに、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。

ここで、図２にもとづいて角度誤差Δθの具体的な算出を説明すると、制御対象位置Ｒ_１における角度誤差Δθ_１を算出する場合、テーブルに記憶されている制御対象位置Ｒ_１におけるねじり剛性係数Ｋ_θＲ１を選択し、Δθ_１＝（Ｔ_ｍ−Ｊ_ｍ・α）／Ｋ_θＲ１により角度誤差Δθ_１を算出する。一方、制御対象位置Ｒ_２における角度誤差Δθ_２を算出する場合、テーブルに記憶されている制御対象位置Ｒ_２におけるねじり剛性係数Ｋ_θＲ２を選択し、Δθ_２＝（Ｔ_ｍ−Ｊ_ｍ・α）／Ｋ_θＲ２により角度誤差Δθ_２算出する。

以上のような位置制御方法によれば、制御対象位置Ｒを角度誤差推定装置２０へ入力し、該制御対象位置Ｒにおけるねじり剛性係数Ｋ_θＲを予め設定されているテーブルから選択し、該ねじり剛性係数Ｋ_θＲを用いて角度誤差Δθを算出（推定）する。そして、該角度誤差Δθを加味しつつモータ１１の回転動作を制御する。したがって、制御対象位置Ｒに応じて角度誤差を算出しない従来の制御装置と比較して、信頼性の高い位置制御を実施することができ、位置決め精度の向上、ひいては加工精度の向上を図ることができる。

なお、本発明の制御装置に係る構成は、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、上記実施形態では、予め角度推定誤差装置にねじり剛性係数Ｋ_θＲを各制御対象位置毎に夫々対応させて記憶しておき、入力された制御対象位置に応じて対応するねじり剛性係数Ｋ_θＲを選択するような構成としているが、当該構成ではなく、制御対象位置を変数としてねじり剛性係数Ｋ_θＲを算出可能な所定の関数を角度推定誤差装置に記憶させておき、角度誤差推定装置は、入力された制御対象位置にもとづき所定の関数を用いてねじり剛性係数Ｋ_θＲを算出するような構成としてもよい。また、上記実施形態では、制御対象位置Ｒを特定するための基準点を回転構造物の回転中心としているが、テーブル上に基準点を設け、そこからの距離により制御対象位置を特定するようにしてもよい。
また、回転構造物の制御対象位置の弾性変形による角度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、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。制御装置の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・・角度誤差推定装置、２１・・制御対象位置演算部。

Claims

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Ｔ _ｍをもとに、前記回転構造物の回転軸における誤差である角度誤差を補正する位置制御方法であって、
前記回転構造物の回転中心から制御対象位置までの距離Ｒに応じて、ねじり剛性係数Ｋ _θＲを予め設定されたテーブルからの選択又は予め設定されている所定の関数にもとづく算出により決定する第１工程と、
前記決定したねじり剛性係数Ｋ _θＲ、前記トルク指令Ｔ _ｍ、前記回転構造物における前記回転軸や軸受のイナーシャＪ _ｍ、及び前記回転構造物の角加速度αを用いて下記の式（１）より角度誤差Δθを算出する第２工程と、
前記角度誤差Δθ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。
Δθ＝（Ｔ _ｍ −Ｊ _ｍ・α）／Ｋ _θＲ・・・（１）