JP5139164B2 - 位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械の軸移動方向が反転する際に象限反転補償を行う位置制御装置に関するものである。

一般的な象限反転補償が図４に示されている。図４は、工作機械のＺ軸において、移動方向が反転する際のＺ軸の指令位置（ａ１）、Ｚ軸モータの指令速度（ｂ１）、Ｚ軸の摩擦（ｃ１）、Ｚ軸の反転補償（ｄ１）、Ｚ軸モータの出力トルク（ｅ１）、Ｚ軸モータの位置誤差（ｆ１）の変化を示した図である。加工中にＺ軸の移動方向が反転する際には、（ｂ１）で示すように、反転部でモータ指令速度の符号が反転する。

この時の機械の摩擦の変化は、（ｃ１）で示すように、反転部で瞬間的に符号が反転する。このような機械の摩擦の変化に対して、モータの位置制御をフィードバック制御だけで行うと、すなわち象限反転補償なしで制御を行うと、（ｅ１）の線Ａで示したように、モータトルクの変化が機械の摩擦の変化に十分追従できずに、（ｆ１）の線Ａで示したように、大きな追従遅れが発生し、加工形状が悪化する。

したがって、現有の位置制御装置は、反転時の摩擦力の変化に対応する何らかの象限反転補償、例えば（ｄ１）で示すＴＦＦ量とＴＦＦ継続時間から成るトルク補償（ＴＦＦ）を有しており、（ｅ１）の線Ｂで示したように、モータトルクの応答を改善し、（ｆ１）の線Ｂで示したように、反転時の追従遅れをできる限り小さくし、加工形状の改善を図っている。

図５は、従来の象限反転補償を有する位置制御装置の一例を示すブロック図である。この位置制御装置は、数値制御部１０、モータ制御部２０、モータ３０、検出器４０から構成されている。モータ制御部２０は、加減速処理部２１、位置制御部２２、速度制御部２３、象限反転補償部２４、電流制御部２５から構成されている。

数値制御部１０では、入力された加工プログラムの内容から目標位置指令ＭＤを生成する。加減速処理部２１は、数値制御部１０から送られたＭＤと予め設定された加減速時間により、モータ制御装置の内部的な位置指令値ＭＰを生成する。位置制御部２２は、加減速処理部２１から送られたＭＰと検出器４０から送られた位置検出値から速度指令値ＭＶを生成する。位置制御部２２は、検出器４０から送られた位置検出値により、位置のフィードバック制御を行っている。

速度制御部２３は、位置制御部２２から送られた速度指令値ＭＶと検出器４０から送られた位置検出値の微分値からトルク指令値ＭＴを生成する。速度制御部２３は、検出器４０から送られた位置検出値により、速度フィードバック制御を行っている。象限反転補償部２４は、加減速処理部２１から送られたＭＰから移動方向が反転することを検出した場合に、象限反転補償ＴＦＦを生成する。電流制御部２５は、速度制御部２３から送られたＭＴと象限反転補償部２４から送られたＴＦＦを元に電流指令を作成し、モータ３０に電流を流すことにより、モータを駆動する。尚、象限反転補償部２４が生成する象限反転補償は、位置制御部に位置指令補償量として入れても構わないし、速度制御部に速度指令補償量として入れても構わない。

図６は、工作機械で加工するワークの形状の一例を示したものである。このワークの加工は、ミーリング工具を左下の始点から矢印で示した方向に動作させて行き、左上の終点まで工具を移動させることにより行う。尚、Ａ，Ｂ，Ｃを結ぶ点線で示した部分は、Ｚ軸の反転動作の位置であり、図４で示した例と同様の動作をするものとする。また、始点から中間点までにおけるＺ軸の移動量は１０ｍｍであり、中間点から終点までのＺ軸移動量は４０ｍｍである。

図７は従来の位置制御装置の構成を示している。図７の位置制御装置において、図６に示したワークを加工している時のＺ軸の指令位置（ａ２）、Ｚ軸モータの指令速度（ｂ２）、Ｚ軸の摩擦（ｃ２）、Ｚ軸の反転補償（ｄ２）、Ｚ軸モータの出力トルク（ｅ２）、Ｚ軸モータの位置誤差（ｆ２）を示したものである。図６の反転部Ａ、反転部Ｂ、反転部Ｃは、全て同じ形状であるため、Ｚ軸の指令位置（ａ２）とＺ軸モータの指令速度（ｂ２）は、どの場所においても同じ形となる。しかし、Ｚ軸の摩擦（ｃ２）は、反転部Ａと反転部Ｃにおいては、線Ａで示したように、同じ特性となるが、反転部Ｂにおいては、線Ｂに示したように反転部Ａ、反転部Ｃにおける摩擦よりも大きくなる。

しかし、従来の位置制御装置では、反転部Ａ、反転部Ｂ、反転部Ｃにおける反転補償量（ｄ２）は、全て同じである。このため、反転部ＢにおけるＺ軸モータの出力トルクは、（ｅ２）の線Ｂに示したように、Ｚ軸の摩擦に対して応答が遅れ、Ｚ軸モータの位置誤差は、（ｆ２）の線Ｂのように、反転部Ａと反転部Ｂに対して大きくなる。

このような問題が発生する原因は、始点から中間点までＺ軸移動量が１０ｍｍ程度と小さいことにある。例えば、Ｚ軸案内面にすべりガイドを使用していた場合、Ｚ軸移動量が油ミゾのピッチよりも小さい状態で、反転を繰り返し行うと、案内面の油切れが発生し、Ｚ軸の摩擦が増大する。また、ボールネジのリードピッチよりも小さい状態で、反転を繰り返し行うと、ボールネジの玉の動きが悪くなり、Ｚ軸の摩擦が増大する。この摩擦の増大は、Ｚ軸が上記油ミゾピッチやリードピッチよりも十分大きい距離を移動することで解消される。

このため、反転部Ｂでは摩擦が増大し、位置誤差が増大したものの、中間点を過ぎてＺ軸移動量が４０ｍｍとなった反転部Ｃでは、反転部Ａと同じ特性となる。

このような課題に対し、特許文献１では、モータの出力トルクから摩擦を算出し、算出した摩擦により、反転補償量を補正する方法が提案されている。しかしながら、出力トルクには、摩擦トルク、加減速トルク、切削トルク、重力保持トルク等が含まれ、負荷トルクから摩擦トルクのみを正確に算出することは容易ではないため、反転補償量を正しく補正することができずに、Ｚ軸モータの位置誤差が補正前よりも大きくなる場合がある。

特公平６−７３７９８号

上述したように、従来の位置制御装置では、反転から反転までの移動量が小さい動作を繰り返し行うと、摩擦の増大に対して適切な象限反転補償を行うことができず、位置誤差が増大するため、加工目が悪くなる問題が発生する。

本発明は、上述の問題点を解決するために考案されたものであり、本発明の目的は、加工ワーク形状によらず、常に追従誤差が小さい機械を提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る位置制御装置は、機械の軸移動方向が反転する際に発生する機械の追従遅れを軽減するために位置指令、速度指令、またはトルク指令の少なくとも１つの指令に補償指令を加算する象限反転補償を有する位置制御装置において、反転を行う軸が前回の反転から今回の反転までに移動した量を算出する反転移動量算出部と、前記反転移動量と予め設定された値とを比較し、前記反転移動量が予め設定された値よりも小さかった場合には、微小反転継続回数の値を増加させ、前記反転移動量が予め設定された値以上であった場合には、微小反転継続回数の値を減少させる微小反転継続回数算出部と、前記微小反転継続回数が多くなるほど象限反転補償量を自動的に大きくなるよう調整し、前記自動調整された補償量をもって象限反転補償を行う象限反転補償部を有することで実現できる。

本発明に係わる象限反転補償によれば、反転から反転までの移動量が小さい動作を繰り返し行い、摩擦が増大したとしても、反転を繰り返した回数により反転補償量を補正するので、外的要因による補正ミスが発生せず、常に適切な象限反転補償を行うことができる。これにより、追従誤差が小さい、すなわち、加工精度の良い機械を提供することができるという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本発明に係わる位置制御装置の一例を示すブロック図である。図５に示す従来例と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。本実施形態に係わる位置制御装置では、反転移動量算出部２６、微小反転継続回数算出部２７が新たに追加される。反転移動量算出部２６は、加減速処理部２１から送られる位置指令ＭＰにより、前回の反転から今回の反転までの移動量ＰＡを算出し、微小反転継続回数算出部２７へ送る。微小反転継続回数算出部２７は、反転移動量算出部２６から送られた移動量ＰＡと予め設定された移動量Ｐ０とを比較し、ＰＡの方がＰ０よりも小さかった場合には、微小反転継続回数Ｎの値を増加させ、ＰＡがＰ０以上であった場合には、微小反転継続回数Ｎの値を零にして、象限反転補償部２４に送る。象限反転補償部２４は、微小反転継続回数Ｎに応じて、象限反転補償量を自動的に調整し、調整された補償量により象限反転補償を行う。

数１は、本実施形態に関わる象限反転補償部２４で行う象限反転補償の増減方法の一例である。象限反転補償部２４は、ＴＦＦの倍率（Ａ）、微小反転１回あたりのＴＦＦの増加量を決定するＴＦＦ増加率（Ｂ）、ＴＦＦ継続時間の倍率（Ｃ）、微小反転１回あたりのＴＦＦ継続時間の増加量を決定するＴＦＦ継続時間増加率（Ｄ）、微小反転継続回数（Ｎ）により、数１の通り、ＴＦＦ量とＴＦＦ継続時間を決定する。
（数１）
Ｍ＝Ｍ（０）×Ａ＾（１−ｅ^（−１×Ｎ÷Ｂ））
Ｔ＝Ｔ（０）×Ｃ＾（１−ｅ^（−１×Ｎ÷Ｄ））
Ｍ：ＴＦＦ量
Ｔ：ＴＦＦ継続時間
Ｍ（０）：従来のＴＦＦ量
Ｔ（０）：従来のＴＦＦ継続時間
Ａ：ＴＦＦの倍率
Ｂ：ＴＦＦ増加率
Ｃ：ＴＦＦ継続時間の倍率
Ｄ：ＴＦＦ継続時間増加率
Ｎ：微小反転継続回数

図２は、本実施形態に関わる微小反転継続回数算出部２７の動作フローチャートの一例を示したものである。微小反転継続回数算出部２７は、反転移動量算出部２６から送られた移動量ＰＡと予め設定された移動量Ｐ０とを比較する。（ステップＳ１）。微小反転継続回数算出部２７は、ＰＡの方がＰ０よりも小さかった場合には、微小反転継続回数Ｎの値を１つ増加させる（ステップＳ２）。微小反転継続回数算出部２７は、ＰＡがＰ０以上であった場合には、微小反転継続回数Ｎの値を０にする（ステップＳ３）。

図３は、図６に示した加工形状における本実施形態での動作説明図であり、Ｚ軸の指令位置（ａ）、Ｚ軸モータの指令速度（ｂ）、Ｚ軸の摩擦（ｃ）、Ｚ軸の反転補償（ｄ）、Ｚ軸モータの出力トルク（ｅ）、Ｚ軸モータの位置誤差（ｆ）を示したものである。尚、象限反転補償部２４で行う象限反転補償の増減方法は、数２に示した通りである。
（数２）
Ｍ＝Ｍ（０）×２＾（１−ｅ^（−１×Ｎ÷１０））
Ｔ＝Ｔ（０）×１＾（１−ｅ^（−１×Ｎ÷１０））
Ｍ：ＴＦＦ量
Ｔ：ＴＦＦ継続時間
Ｍ（０）：従来のＴＦＦ量
Ｔ（０）：従来のＴＦＦ継続時間
Ｎ：微小反転継続回数

図のように、本発明の実施形態によれば、反転部ＢにおけるＴＦＦ量は、（ｄ）の線Ｂに示したように、反転部Ａと反転部ＣにおけるＴＦＦ量よりも大きいので、Ｚ軸モータの出力トルクは、（ｅ）の線Ｂに示したように、Ｚ軸の摩擦に対して、応答の遅れを最小限にすることができる。よって、反転部Ｂにおいても、Ｚ軸モータの位置誤差は、（ｆ）に示したように、反転部Ａと反転部Ｂと同等になる。

以上、上述したように、本実施形態を用いた象限反転補償によれば、反転から反転までの移動量が小さい動作を繰り返し行い、摩擦が増大したとしても、反転を繰り返した回数により反転補償量を補正することで外的要因による補正ミスが発生せず、常に適切な象限反転補償を行うことができる。これにより、追従誤差が小さく加工精度を高めることが可能となる。

本発明の実施形態に係る位置制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る動作の流れの一例を示す動作フローチャート図である。 本発明の効果を示す図である。 象限反転補償の効果を示す図である。 従来の実施形態の一例を示すブロック図である。 加工ワークの一例を示す図である。 従来の実施形態における課題を示す図である。

符号の説明

１０ 数値制御部、２０ モータ制御部、２１ 加減速処理部、２２ 位置制御部、２３ 速度制御部、２４ 象限反転補償部、２５ 電流制御部、２６ 反転移動量算出部、２７ 微小反転継続回数算出部、３０ モータ、４０ 検出器。

Claims (1)

1. 機械の軸移動方向が反転する際に発生する機械の追従遅れを軽減するために位置指令、速度指令、またはトルク指令の少なくとも１つの指令に補償指令を加算する象限反転補償を有する位置制御装置において、
   反転を行う軸が前回の反転から今回の反転までに移動した量を算出する反転移動量算出部と、
   前記反転移動量と予め設定された値とを比較し、前記反転移動量が予め設定された値よりも小さかった場合には、微小反転継続回数の値を増加させ、前記反転移動量が予め設定された値以上であった場合には、微小反転継続回数の値を減少させる微小反転継続回数算出部と、
   前記微小反転継続回数が多くなるほど象限反転補償量を自動的に大きくなるよう調整し、前記自動調整された補償量をもって象限反転補償を行う象限反転補償部と、
   を有することを特徴とする位置制御装置。

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