JP5243330B2

JP5243330B2 - サーボ式位置／負荷検出演算制御システム

Info

Publication number: JP5243330B2
Application number: JP2009094001A
Authority: JP
Inventors: 王文亮
Original assignee: 王文亮
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: TWI410770B; US7975563B2; JP2009254233A; US20090255347A1; TW200943016A

Description

本発明は、特にサーボモータと、演算機能を有するコントロール装置とを具備することにより制御精度を向上させることができるサーボ式位置/荷重検出演算制御システムに関するものである。

精密工作機械においては、その動作を精密に制御するために、工作機械の駆動機構には位置検出装置や負荷検出装置が組み込まれている。
前記位置検出装置として専ら採用されているのは、光学リニアスケールなどの検出装置であり、一般の光学リニアスケールは、全く等しいピッチの格子をもったメインスケールとインデックススケールとからなるスケールと、スケールを照明する光源と、スケールと光源との間に位置し、光源からの光を集光する集光レンズと、スケールを透過した光を検知する受光素子とから構成され、インデックスケールとメインスケールを傾かせて接近させると、光の干渉によりモアレ縞が生じ、該インデックスケールをメインスケールに対して移動させると、その移動につれてモアレ縞の数も変わるので、受光素子でモアレ縞の数を読み取ることによってインデックスケールの移動量を精密に測定できる。故に、この特性を利用し、光学リニアスケールを組み込んだ工作機械は、精密に制御を行うことができる。

また、前記負荷検出装置は、工作機械の出力を測定するロードセルを有するので、ワークを加工する前に該荷重検出装置により工作機械の出力を検出すれば偏差補正を行うことができる。

上記従来の光学リニアスケールなどの検出装置は、長さ又は角度の変位量をデジタル表示計で表示できるので、使用者は容易に数値を正確に読み取れるが、該光学リニアスケールにおいては、メインスケールとインデックススケールにおける格子の相互の傾斜角度を０度にするのは難しいので、モアレ縞の原理及び信号の拡大によって一定の工作機械の制御精度は向上させることはできるが、十分とは言えない。

また、前記ロードセルにより出力を測定する荷重検出装置では、工作機械の影響を受けることから、ワークに加えられた負荷を精密に測定できないので、該従来の負荷検出装置による工作機械の制御精度の向上は十分とは言えない。

また、電子制御式プレス等の精密機械は、直線移動機構により金型を往復移動させ、該金型によりワークに圧力を加えて成型させる工作機械であり、このような工作機械においては、該金型の位置と金型によるワークへの加圧力を決めることにより製品形状を決めることから、正確な寸法のワークを成型するためには、前記直線移動機構の位置及び加圧力を精密に制御する必要がある。しかしながら、従来の工作機械における直線移動機構は、ワークに加圧力を加えた際、該ワーク及び直線移動機構における加圧部の位置が反作用力により変わり、設定された所望の位置との間に誤差が生じてしまうことから、従来の工作機械では位置制御精度が十分ではないという欠点があった。

そこで、出願されたのが本発明であって、誤差を補正することにより、制御精度を向上できるサーボ式位置/負荷検出演算制御システムを提供することを目的としている。

本願の第１発明は、回転軸（１１）を有する回転動力出力ユニット（１０）と、該回転軸（１１）に設けられるエンコーダ（１２）とを含むサーボモータ（１）と、
前記サーボモータ（１）に連結されるコントロールユニット（２０）と、前記エンコーダ（１２）に隣設される絶対角度検出ユニット（２１）と、該コントロールユニット（２０）及び絶対角度検出ユニット（２１）に電気接続されるレジスタ（２２）とを含むサーボ駆動装置（２）と、
演算プログラムを内蔵すると共に、前記レジスタ（２２）に電気接続される演算ユニット（３０）を含むコントロール装置（３）とを備え、
前記回転軸（１１）は、直線移動可能な駆動軸（４１）を有する直線移動装置（４）に連結され、該駆動軸（４１）を駆動するためのものであり、
前記コントロールユニット（２０）は、サーボモータ（１）の回転作動を制御すると共に、サーボモータ（１）の出力トルクを前記レジスタ（２２）に入力するためのものであり、
前記絶対角度検出ユニット（２１）は、前記回転軸（１１）の回転時における絶対角度を検出して前記レジスタ（２２）に入力するためのものであり、
前記演算ユニット（３０）は、前記レジスタ（２２）に記録された絶対角度及び出力トルクを、前記演算プログラムにより演算して前記駆動軸（４１）が所定位置及び被圧部材を加圧する際の加圧力を検出すると共に、出力トルクと、駆動軸（４１）と被圧部材との当接による駆動軸（４１）の変形量とを、演算プログラムにより演算して出力トルクと変形量との負荷特性曲線（K_L）を算出するものであり、
前記算出された負荷特性曲線（K_L）により、駆動軸（４１）の変形量の補正を行うことを特徴とするサーボ式位置／負荷検出演算制御システム、を提供する。

本発明のサーボ式位置／負荷検出演算制御システムは上記の問題を解決するものであり、該位置検出演算制御システムは、絶対角度検出ユニットによってサーボモータに設けられるエンコーダから回転軸の回転絶対角度を検出すると共に、コントロール装置により絶対角度から位置を検出し、また、該負荷検出演算制御システムは、コントロールユニットによりサーボモータの回転動作を制御し、且つサーボモータの出力トルクをレジスタに入力し、コントロール装置により出力トルクを加圧力に変換する。このように、本発明のサーボ式位置／負荷検出演算制御システムを備えた工作機械によれば、サーボモータにより駆動する加圧部が、被圧部材を加圧する際の位置または加圧力を精密に測定できると共に、該位置を電子プレスの制御機構にフィードバックすることにより精密な制御が可能となる。

本発明に係るサーボ式位置検出演算制御システムの構成を示すブロック図である。本発明に係るサーボ式位置検出演算制御システムと直線移動装置と加圧部を備えた電子プレスの構成を示す図である。図２に示す電子プレスの使用状態図である。本発明に係るサーボ式負荷検出演算制御システムの構成を示すブロック図である。本発明に係るサーボ式負荷検出演算制御システムと直線移動装置と加圧部を備えた電子プレスの構成を示す図である。図５に示す電子プレスの使用状態図である。本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムの構成を示すブロック図である。本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムを備えた電子プレスの使用状態図である。図８に示す電子プレスの側面図である。本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムにより算出された出力トルクと変形量との負荷特性曲線（K_L）である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係るサーボ式位置検出演算制御システムの構成を示すブロック図であり、図２は本発明に係るサーボ式位置検出演算制御システムと直線移動装置と加圧部を備えた電子プレスの構成を示す図であり、図３は図２に示す電子プレスの使用状態図であり、図４は本発明に係るサーボ式負荷検出演算制御システムの構成を示すブロック図であり、図５は本発明に係るサーボ式負荷検出演算制御システムと直線移動装置と加圧部を備えた電子プレスの構成を示す図であり、図６は図５に示す電子プレスの使用状態図であり、図７は本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムの構成を示すブロック図であり、図８は本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムを備えた電子プレスの使用状態図であり、図９は図８に示す電子プレスの側面図であり、図１０は本発明に係るサーボ式位置/負荷検出演算制御システムにより算出された出力トルクと変形量との負荷特性曲線（K_L）である。

図１及び図２に示すように、本発明のサーボ式位置検出演算制御システムは、サーボモータ（１）と、サーボ駆動装置（２）と、コントロール装置（３）とを備える。なお、前記サーボ駆動装置（２）とコントロール装置（３）は、制御装置若しくはコンピュータと組み合わせて１つの装置としてもよい。

前記サーボモータ（１）は、回転軸（１１）を有する回転動力出力ユニット（１０）と、該回転軸（１１）に設けられ、その回転軸（１１）の回転と連動して回転するエンコーダ（１２）とを含み、
前記サーボ駆動装置（２）は、前記サーボモータ（１）に連結されるコントロールユニット（２０）と、前記エンコーダ（１２）に隣設される、例えば光電センサー等の絶対角度検出ユニット（２１）と、該コントロールユニット（２０）及び絶対角度検出ユニット（２１）に電気接続されるレジスタ（２２）とを含み、該コントロールユニット（２０）は、サーボモータ（１）の回転作動を制御するためのものであり、該絶対角度検出ユニット（２１）は、前記回転軸（１１）の回転時における絶対角度を検出して前記レジスタ（２２）に入力するためのものである。

前記コントロール装置（３）は、絶対角度から位置を検出可能な演算プログラムを内蔵する演算ユニット（３０）を含み、該演算ユニット（３０）は、信号伝送インターフェースを介して前記レジスタ（２２）に電気接続され、該レジスタ（２２）に記録された絶対角度を、演算プログラムにより演算して前記駆動軸（４１）の所定位置を検出するためのものである。尚、前記信号伝送インターフェースとして、本実施例においてはRS-４８５インターフェースが採用されているが、それ以外のインターフェースを用いてもよい。

図２に示すように、本発明に係るサーボ式位置検出演算制御システムは、電子プレスに用いるものであり、該電子プレスは、直線移動装置（４）と、加圧部（５）とを備え、該直線移動装置（４）は、軸穴（４０１）を有する中空の本体（４０）と、駆動軸（４１）と、ネジ（４２）とを含み、
前記駆動軸（４１）に内穴（４１１）が設けられると共に、該内穴（４１１）に螺孔（４１３）を有する螺接部材（４１２）が設けられ、該駆動軸（４１）は、前記本体（４０）の軸穴（４０１）に移動可能に設置され、
前記ネジ（４２）は、螺接部材（４１２）における螺孔（４１３）に螺合されると共に、一端はカップリング（４３）を介して前記サーボモータ（１）に連結され、
前記加圧部（５）は、駆動軸（４１）の末端に設けられる。

図１乃至図３に示すように、上記のように構成された電子プレスにおいてサーボモータ（１）は、使用者がサーボ駆動装置（２）におけるコントロールユニット（２０）を操作することによって作動し、該サーボモータ（１）の回転軸（１１）の回転と連動して前記ネジ（４２）が回転すると共に、該ネジ（４２）に螺接される駆動軸（４１）と前記加圧部（５）が回転しながら下方に向かって直線移動する。そして絶対角度検出ユニット（２１）が、前記回転軸（１１）に設けられるエンコーダ（１２）の回転絶対角度を検出してレジスタ（２２）に入力し、該レジスタ（２２）に記録された絶対角度を、演算ユニット（３０）の演算プログラムにより演算して所定位置を検出する。これにより、加圧部（５）により被圧部材を加圧する際の所定位置を精密に測定することができると共に、該位置を電子プレスの制御機構にフィードバックすることにより精密な制御が可能となる。

図４及び図５に示すように、本発明のサーボ式負荷検出演算制御システムは、サーボモータ（１）と、サーボ駆動装置（２A）と、コントロール装置（３）とを備え、その内、該サーボモータ（１）は、回転軸（１１）を有する回転動力出力ユニット（１０）を含み、該サーボ駆動装置（２A）は、サーボモータ（１）に連結されるコントロールユニット（２０A）と、該コントロールユニット（２０A）に電気接続されるレジスタ（２２A）とを含み、前記コントロールユニット（２０A）は、サーボモータ（１）の回転作動を制御すると共に、サーボモータ（１）の出力トルクを前記レジスタ（２２A）に入力するためのものである。
また、前記コントロール装置（３）は、出力トルクを加圧力に変換可能な演算プログラムを内蔵する演算ユニット（３０）を含み、該演算ユニット（３０）は、信号伝送インターフェースを介して前記レジスタ（２２A）に電気接続され、該レジスタ（２２A）に記録された出力トルクを、演算プログラムにより演算して前記駆動軸（４１）の加圧力を検出するためのものである。尚、前記信号伝送インターフェースとして、本実施例においてはRS-４８５インターフェースが採用されているが、それ以外のインターフェースを用いてもよい。

図５に示すように、本発明に係るサーボ式負荷検出演算制御システムは、電子プレスに用いるものであり、直線移動装置（４）と、加圧部（５）とを備え、該直線移動装置（４）の構成は、図２に示す実施例と同一であるため、その説明を省略する。

図４乃至図６に示すように、上記のように構成された電子プレスについて、サーボモータ（１）は、使用者がサーボ駆動装置（２A）におけるコントロールユニット（２０A）を操作することによって作動し、そのサーボモータ（１）の回転軸（１１）の回転につれてネジ（４２）が回転すると共に、該ネジ（４２）に螺接される駆動軸（４１）と加圧部（５）が回転しながら下方に向かって直線移動する。そして、コントロールユニット（２０A）がサーボモータ（１）の出力トルクをレジスタ（２２A）に入力すると共に、該レジスタ（２２A）に記録された出力トルクを、前記演算ユニット（３０）の演算プログラムにより演算して加圧力を検出する。これにより、加圧部（５）が被圧部材を加圧する際の加圧力を精密に測定すると共に、該加圧力を電子プレスの制御機構にフィードバックすることにより精密制御を可能とする。

図７に示すように、位置と加圧力とを精密に測定することにより加工精度を向上させるため、本発明では更にサーボ式位置/負荷検出演算制御システムを用いている。該サーボ式位置/負荷検出演算制御システムの構成では、サーボ駆動装置（２）におけるコントロールユニット（２０）が、サーボモータ（１）の回転作動を制御し、且つサーボモータ（１）の出力トルクをレジスタ（２２）に入力する点において、図１に示されるものと異なる。なお、前記サーボ駆動装置（２）とコントロール装置（３）は、制御装置若しくはコンピュータ（８）（図８の如く）と組み合わせて１つの装置としてもよい。

次に、図８乃至図９を参照して、サーボ式位置/負荷検出演算制御システムによる補正動作を説明する。
先ず、駆動軸（４１）に設けられる加圧部（５）が当接できるように該駆動軸（４１）の移動経路に治具を設置し、サーボモータ（１）の出力トルクを、コントロール装置（３）における演算ユニット（３０）内の演算プログラムにより演算して駆動軸（４１）の加圧力を検出すると共に、絶対角度検出ユニット（２１）が、エンコーダ（１２）から検出した絶対角度を演算ユニット（３０）内の演算プログラムにより演算して駆動軸（４１）の位置を検出する。そして、前記駆動軸（４１）が治具に当接される際の反作用力による変形量をコントロールユニット（２０）が検出してレジスタ（２２）に入力し、出力トルクと変形量を基に演算プログラムにより出力トルクと変形量との負荷特性曲線（K_L）（図１０の如く）を算出し、該負荷特性曲線（K_L）により駆動軸（４１）の異なる出力トルクでの変形量の補正が行われる。なお、本実施例においては、前記治具として超硬材質のブロックゲージ（６）を使用している。

本発明は上記の構成を有し、変形補正加工を実施する時には、先ず、駆動軸をサーボモータの回転軸により駆動させ、下方に向かって移動させてワークに当接し、次にコントロール装置における演算ユニットにより該駆動軸の位置と出力トルクを検出し、更に負荷特性曲線（K_L）に基づいて出力トルクと対応する駆動軸の変形量を補正する。このように、本発明を備えた工作機械によれば、加工時に変形を補正できるので、高精度の加工を行うことができる。

１サーボモータ
１０回転動力出力ユニット
１１回転軸
１２エンコーダ
２、２A サーボ駆動装置
２０、２０A コントロールユニット
２１絶対角度検出ユニット
２２、２２A レジスタ
３コントロール装置
３０演算ユニット
４直線移動装置
４０本体
４０１軸穴
４１駆動軸
４１１内穴
４１２螺接部材
４１３螺孔
４２ネジ
４３カップリング
５加圧部
６ブロックゲージ
７コンピュータ

Claims

回転軸（１１）を有する回転動力出力ユニット（１０）と、該回転軸（１１）に設けられるエンコーダ（１２）とを含むサーボモータ（１）と、
前記サーボモータ（１）に連結されるコントロールユニット（２０）と、前記エンコーダ（１２）に隣設される絶対角度検出ユニット（２１）と、該コントロールユニット（２０）及び絶対角度検出ユニット（２１）に電気接続されるレジスタ（２２）とを含むサーボ駆動装置（２）と、
演算プログラムを内蔵すると共に、前記レジスタ（２２）に電気接続される演算ユニット（３０）を含むコントロール装置（３）とを備え、
前記回転軸（１１）は、直線移動可能な駆動軸（４１）を有する直線移動装置（４）に連結され、該駆動軸（４１）を駆動するためのものであり、
前記コントロールユニット（２０）は、サーボモータ（１）の回転作動を制御すると共に、サーボモータ（１）の出力トルクを前記レジスタ（２２）に入力するためのものであり、
前記絶対角度検出ユニット（２１）は、前記回転軸（１１）の回転時における絶対角度を検出して前記レジスタ（２２）に入力するためのものであり、
前記演算ユニット（３０）は、前記レジスタ（２２）に記録された絶対角度及び出力トルクを、前記演算プログラムにより演算して前記駆動軸（４１）が所定位置及び被圧部材を加圧する際の加圧力を検出すると共に、出力トルクと、駆動軸（４１）と被圧部材との当接による駆動軸（４１）の変形量とを、演算プログラムにより演算して出力トルクと変形量との負荷特性曲線（K_L）を算出するものであり、
前記算出された負荷特性曲線（K_L）により、駆動軸（４１）の変形量の補正を行うことを特徴とするサーボ式位置／負荷検出演算制御システム。