JP5657633B2 - 移動体が反転するときの位置誤差を補正するサーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体が反転するときの位置誤差を補正するサーボ制御装置に関する。

サーボ制御装置は、位置指令に基づいて移動体を正確に動作させるのに用いられている。そのような機械は、移動体を送り軸に沿って移動させる工作機械である。ところで、送り軸がボールネジのネジ軸である場合には、移動体の移動方向が反転されるときに、バックラッシまたは摩擦により、反転動作が遅れ、その結果、位置誤差が生じる。

一般的に、反転時の遅れを補正するために、バックラッシに相当する位置補正量を位置指令に加算すると共に、摩擦による遅れを補償する速度補正量を速度指令に加算することが行われている。

ところが、送り軸がボールネジのネジ軸である場合には、ネジ軸が軸方向に伸縮し、それにより、反転時の遅れを引き起こしている。このことを解消するために、特許文献１においては、電動機が発生するトルクを定数倍する機械端補正定数乗算部と、および定数倍された全トルク指令値を位置指令に加算する加算器とを備える構成が開示されている。この場合には、トルクに基づくネジ軸の伸縮量を考慮して位置指令を変更し、その結果、反転時の遅れを正確に補正することができる。

特許第３６２１２７８号公報

しかしながら、ネジ軸の伸縮量は、電動機のトルクだけでなく、ネジ軸における移動体の位置によっても変化する。特許文献１では、移動体の位置は考慮されていないので、移動体の位置を高精度で制御するのには限界がある。

また、位置補正量を高精度で算出するためには、伸縮量を含むネジ軸の変形量と電動機のトルクと移動体の位置との関係に基づいて最適な近似式を作成する必要がある。しかしながら、これら全てのデータを利用すると、近似式の算出が複雑になり、サーボ制御装置に多大な労力が要求される。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、移動体が反転するときの位置誤差を高精度で且つ簡単に補正することのできるサーボ制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、サーボモータに接続されたボールネジのネジ軸を駆動して、該ネジ軸に螺合される移動体を移動させるサーボ制御装置において、前記サーボモータの位置を所定の制御周期毎に取得するモータ位置取得部と、前記移動体の位置を前記所定の制御周期毎に取得する移動体位置取得部と、前記サーボモータのトルク指令を前記所定の制御周期毎に作成するトルク指令作成部と、前記移動体位置取得部により取得された前記移動体の位置に基づいて、前記サーボモータが反転したときの前記移動体の位置の変化量を算出する反転時変化量算出部と、前記モータ位置取得部により取得された前記サーボモータの位置または前記移動体位置取得部により取得された前記移動体の位置に基づいて、前記サーボモータの出力端部から前記移動体までの距離を算出する距離算出部と、前記反転時変化量算出部により算出された前記移動体の位置の変化量と、前記トルク指令作成部により作成されたトルク指令と、前記距離算出部により算出された距離とに基づいて、前記サーボモータの反転による前記サーボモータの遅れを補正する位置補正量を算出するための近似式を決定する近似式決定部と、該近似式決定部により決定された近似式に基づいて、前記位置補正量を算出する位置補正量算出部と、を具備するサーボ制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記近似式決定部は、前記サーボモータが反転する前記ネジ軸上の少なくとも二つの異なる場所における前記移動体の位置の変化量と前記トルク指令と前記距離とに基づいて、前記位置補正量を算出するための一次近似式を決定する。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記トルク指令作成部は、前記トルク指令から前記サーボモータの加減速に要するトルクを減算した負荷トルクを作成し、前記近似式決定部は、前記移動体の位置の変化量と、前記負荷トルクと、前記距離とに基づいて、前記位置補正量を算出するための近似式を決定する。

１番目の発明においては、サーボモータから移動体までの距離が考慮された近似式に基づいて位置補正量を算出している。従って、ボールネジのネジ軸の伸縮量やカップリング部の位置決め誤差量も考慮して補正することができる。それゆえ、ボールネジが備えられた実際の機械の構成に応じて、移動体が反転するときの位置誤差を高精度で且つ簡単に補正することができる。
２番目の発明においては、少なくとも二つの異なる場所を利用して一次近似式を算出しているので、位置補正量をより簡単に算出することができる。
３番目の発明においては、サーボモータの加減速に要するトルクが減算された負荷トルクを用いているので、位置補正量をより正確に算出することができる。

本発明におけるサーボ制御装置の機能ブロック図である。 図１に示されるサーボ制御装置の動作を示すフローチャートである。 ワークを円弧状軌跡に沿って加工する場合の移動体の実軌跡と補正後軌跡とを示す図である。 図３に示される移動体の実軌跡の部分拡大図である。 時間とトルクとの関係を示す図である。 サーボモータおよびネジ軸の拡大図である。 サーボモータから移動体までの距離と単位トルク当たりの変化量との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明におけるサーボ制御装置の機能ブロック図である。図１に示されるように、工作機械１は、出力軸に第一ネジ軸１７が取付けられた第一サーボモータ１１および出力軸に第二ネジ軸１８が取付けられた第二サーボモータ１２を含んでいる。図１から分かるように、これら第一ネジ軸１７および第二ネジ軸１８は互いに直交し、それぞれＸ軸、Ｙ軸として機能する。

図１においては、第一ネジ軸１７および第二ネジ軸１８には共通の移動体１９が螺合されている。移動体１９は、ボールネジのネジ軸としての第一ネジ軸１７および第二ネジ軸１８に取付けられた、ボールネジのナットとしての役目を果たす。

図示されるように、第一サーボモータ１１および第二サーボモータ１２はサーボ制御装置１０に接続されていて、サーボ制御装置１０によって制御される。また、図面には示さないものの、移動体１９にはワークＷが保持されていて、図示しない加工ツールがワークＷに対面するよう配置されている。あるいは、加工ツールが移動体１９に固定されていて、ワークＷが別の作業台に保持されていてもよい。

また、第一サーボモータ１１および第二サーボモータ１２にはエンコーダ１５、１６が備えられている。これらエンコーダ１５、１６はそれぞれのサーボモータ１１、１２の位置を所定の制御周期毎に検出する。所定の制御周期毎に検出された位置データに基づいて出力軸の位置検出値Ｐｄおよび速度検出値Ｖｄが求められる。従って、これらエンコーダ１５、１６は、サーボモータ１１、１２の位置を所定の制御周期毎に取得するモータ位置取得部としての役目を果たす。

また、図１に示されるように、リニアスケール１３が第一ネジ軸１７に対して平行に配置されている。このリニアスケール１３は、第一ネジ軸１７に平行な方向における移動体の位置を所定の制御周期毎に測定する。従って、リニアスケール１３は、移動体位置取得部としての役目を果たす。なお、同様な構成の追加のリニアスケールが第二ネジ軸１８に対して平行に配置されていてもよい。

サーボ制御装置１０は、プログラムを読込んで第一および第二のサーボモータ１１、１２のそれぞれの位置指令Ｐｃを所定の制御周期毎に作成する位置指令作成部２１を含んでいる。また、サーボ制御装置１０は、エンコーダ１５、１６が作成した位置検出値Ｐｄを位置指令Ｐｃから減算した偏差に基づいて、第一および第二のサーボモータ１１、１２のそれぞれの速度指令Ｖｃを作成する速度指令作成部２２を含んでいる。さらに、サーボ制御装置１０は、エンコーダ１５、１６が作成した速度検出値Ｖｄを速度指令Ｖｃから減算した偏差に基づいて、第一および第二のサーボモータ１１、１２のそれぞれのトルク指令Ｔｃを作成するトルク指令作成部２３を含んでいる。

また、サーボ制御装置１０は、リニアスケール１３により取得された移動体１９の位置に基づいて、サーボモータ１１が反転したときの移動体１９の位置の変化量を算出する反転時変化量算出部２４と、モータ位置取得部１５により取得された第一サーボモータ１１の位置とリニアスケール１３により取得された移動体１９の位置とに基づいて、第一サーボモータ１１から移動体１９までの距離Ｌを算出する距離算出部２５とを含んでいる。

さらに、サーボ制御装置１０は、反転時変化量算出部２４により算出された移動体１９の位置の変化量と、トルク指令作成部２３により作成されたトルク指令Ｔｃと、距離算出部２５により算出された距離Ｌとに基づいて、第一サーボモータ１１の反転による第一サーボモータ１１の遅れを補正する位置補正量を算出するための近似式を決定する近似式決定部２６と、近似式決定部２６により決定された近似式に基づいて、位置補正量を算出する位置補正量算出部２７とを含んでいる。

図２は図１に示されるサーボ制御装置の動作を示すフローチャートである。以下の説明においては、第一サーボモータ１１の制御について主に説明するが、第二サーボモータ１２についても同様に制御されるものとする。

はじめに、ワークＷを加工する動作プログラムを、サーボ制御装置１０の記憶部（図示しない）から読み出す。この動作プログラムは、第一サーボモータ１１および第二サーボモータ１２を駆動することにより移動体１９を所定の円弧状軌跡に沿って動作させるものである。あるいは、動作プログラムは、第一サーボモータ１１のみを駆動して移動体１９を第一ネジ軸１７上で往復運動させるものであってもよい。以下においては、動作プログラムは円弧状軌跡に関するものとする。

はじめに、図２のステップＳ１１において、移動体１９を円弧状軌跡における第一ネジ軸１７上の複数の異なる位置に移動させる。そして、これら複数の位置のそれぞれにおいて、第一サーボモータ１１を反転させ、そのときの第一サーボモータ１１の位置をエンコーダ１５によって所定の制御周期毎に取得する。

これら複数の位置は、円弧状軌跡において第一サーボモータ１１の反転動作を伴う箇所であるのが好ましい。ここで、図３はワークを円弧状軌跡に沿って加工する場合の移動体の実軌跡（実線）と補正後軌跡（破線）とを示す図である。複数の異なる位置は、図３において、第二象限ＩＩから第三象限ＩＩＩへの移行箇所および第四象限ＩＶから第一象限Ｉへの移行箇所であるのが好ましい。これら移行箇所は、第一ネジ軸１７の一端近傍と他端近傍にそれぞれ対応する（例えば図６におけるＣ地点とＤ地点）。

なお、リニアスケール１３が第二ネジ軸１８に沿って配置されていてもよい。そのような場合には、複数の位置は、円弧状軌跡において第二サーボモータ１２の反転動作を伴う箇所である。そのような複数の位置は、図３において、第一象限Ｉから第二象限ＩＩへの移行箇所および第三象限ＩＩＩから第四象限ＩＶへの移行箇所である。

再び図２を参照すると、ステップＳ１２においては、ステップＳ１１の動作と同時に、リニアスケール１３を用いて、前述した複数の位置のそれぞれで第一サーボモータ１１を反転させたときの移動体１９の位置も所定の制御周期毎に取得する。さらに、ステップＳ１３においては、ステップＳ１２の動作と同時に、トルク指令作成部２３が、前述した複数の位置のそれぞれで第一サーボモータ１１を反転させたときのトルク指令Ｔｃを所定の制御周期毎に取得する。

次いで、ステップＳ１４においては、距離算出部２５が、ステップＳ１１にて取得された第一サーボモータ１１の位置またはステップＳ１２にて取得された移動体１９の位置に基づいて、第一サーボモータ１１の出力端部から移動体１９までの距離Ｌを算出する。距離Ｌの算出には、後述する象限突起が生じたときの制御周期において検出された値が採用される。

さらに、ステップＳ１５においては、反転時変化量算出部２４が、ステップＳ１２にて取得された移動体１９の位置に基づいて、第一サーボモータ１１が反転したときの移動体１９の位置の変化量εを算出する。ステップＳ１４およびステップＳ１５における動作は、前述した複数の位置のそれぞれにおいて行われるものとする。

図４は図３に示される移動体の位置の実軌跡の部分拡大図である。図４に示されるように、サーボモータの反転前後にリニアスケール１３により計測される移動体の実位置は大きく変動し、象限突起が生じる。ステップＳ１５においては、象限突起の大きさを移動体１９の位置の変化量εとして算出する。

次いで、図２のステップＳ１６においては、ステップＳ１３にて取得されたトルク指令Ｔｃと、ステップＳ１４にて取得された距離Ｌと、ステップＳ１５にて取得された移動体１９の位置の変化量εとに基づいて、近似式決定部２６が近似式を決定する。この近似式は、第一サーボモータ１１の反転による第一サーボモータ１１の遅れを補正する位置補正量を算出するのに用いられる。そして、ステップＳ１７においては、位置補正量算出部２７が近似式に従って位置補正量εを算出する。

ここで、近似式決定部２６が決定する近似式について説明する。

ボールネジの第一ネジ軸１７に接続された第一サーボモータ１１を駆動して、第一ネジ軸１７上の移動体１９を駆動する場合には、移動体１９の位置は第一ネジ軸１７の剛性の影響を受ける。例えば、第一サーボモータ１１と第一ネジ軸１７のカップリング部の剛性が低い場合には、トルクに比例した捻れが生じる。また、第一ネジ軸１７自体の剛性が小さい場合には、移動体１９が第一ネジ軸１７に及ぼす力によって、第一ネジ軸１７が軸方向に伸縮する。

第一ネジ軸１７のヤング率をＥ［Ｎ／ｍ２］、第一ネジ軸１７の断面積をＳ［ｍ２］、第一サーボモータ１１に連結された第一ネジ軸１７の端部から移動体１９までの距離をＬ［ｍ］とするとバネ定数ｋ［Ｎ／ｍ］は式（１）で表される。
ｋ＝Ｅ・Ｓ／Ｌ （１）

また、フックの法則より、ボールネジの第一ネジ軸１７の伸縮量ε１と、トルクＴと、ボールネジに関する係数ａとは以下の式（２）を満たす。
Ｔ＝ａ・ｋ・ε１ （２）
従って、ボールネジの第一ネジ軸１７の伸縮量ε１は以下の式（３）で表される。
ε１＝Ｔ／（ａ・ｋ）＝Ｔ／（ａ・Ｅ・Ｓ／Ｌ）＝Ａ・Ｔ・Ｌ （３）
なお、文字Ａはボールネジに関する他の係数である。

また、カップリング部の捻れによる位置決め誤差量ε２は、第一サーボモータ１１の回転トルクに比例するので、以下の式（４）が成立する。
ε２＝Ｂ・Ｔ （４）
式（４）において、文字Ｂは第一サーボモータ１１と第一ネジ軸１７とを連結するカップリング部に関する係数である。

式（３）および式（４）から分かるように、位置補正量ε（前述した変形量に対応する）の近似式は、トルクＴと距離Ｌとを変数とする関数である。ステップＳ１５で算出した移動体１９の位置の変化量εは、バックラッシや摩擦による誤差の他に、第一ネジ軸１７の伸縮およびカップリング部の捻れも含む。

ここで、図５は時間とトルクとの関係を示す図であり、横軸は時間を表し、縦軸はトルクを示している。図５では、移動体１９が第一ネジ軸１７上の或る場所に位置決めされているとき（距離Ｌ）におけるトルクＴの変化を示している。図５に示されるように、トルクＴは第一サーボモータ１１の反転によりＴ１からＴ２まで下降している。

移動体１９の位置の変化量εは、図５に示されるトルク差分の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜に対応する。従って、単位トルク当たりの移動体１９の位置の変化量は、ε／｜Ｔ１−Ｔ２｜で表される。

前述したようにステップＳ１４における距離Ｌの算出は複数の位置、例えばＣ地点およびＤ地点にて行われている。複数の位置は三つ以上であってもよく、測定箇所を増やすことにより近似式の精度を高めることができる。また、同様な理由より、複数の位置は互いに近接していないのが好ましい。

ステップＳ１６において、近似式決定部２６は以下のようにして近似式を決定する。はじめに、図６に示されるようなＣ地点における距離Ｌ１およびＤ地点における距離Ｌ２を取得し、それぞれの距離Ｌ１、Ｌ２における変化量εを取得する。そして、それぞれの距離Ｌ１、Ｌ２における単位トルク当たりの変化量ε／｜Ｔ１−Ｔ２｜を算出する。

次いで、これら単位トルク当たりの変化量ε／｜Ｔ１−Ｔ２｜を距離Ｌに対してプロットする。図７はサーボモータから移動体までの距離と単位トルク当たりの変化量との関係を示す図である。図７においては、横軸は距離Ｌを表し、縦軸は単位トルク当たりの変化量ε／｜Ｔ１−Ｔ２｜を表している。

移動体１９の位置の変化量εは第一ネジ軸１７の伸縮量ε１とカップリング部の捻れによる位置決め誤差量ε２との和であるので、式（３）および式（４）より、以下の近似式（５）、式（６）が成立する。
ε＝ε１＋ε２＝Ａ・Ｔ・Ｌ＋Ｂ・Ｔ＝（Ａ・Ｌ＋Ｂ）Ｔ （５）
ε／Ｔ＝Ａ・Ｌ＋Ｂ （６）
図７から分かるように、式（６）における係数Ａは図７に示される直線の傾きであり、係数Ｂは直線と縦軸との交点の値である。このようにして係数Ａ、Ｂが求められるので、式（５）が決定され、式（５）を用いることにより移動体１９の位置の変化量εを容易に算出することができる。

なお、第一ネジ軸１７における三つ以上の位置について距離Ｌなどを測定した場合には、最小二乗法により、式（５）を決定する。これにより、さらに高精度な近似式が得られるのが分かるであろう。

第一ネジ軸１７の伸縮量ε１とカップリング部の位置決め誤差量ε２とを含む位置補正量εを位置指令Ｐｃに加算することにより、移動体１９の位置を高精度に制御することができる。そして、図１に示されるように、近似式（５）に従って算出された変化量εは加算部２８において位置指令Ｐｃに加算される。そして、変化量εが加算された新たな位置指令Ｐｃに基づいて速度指令Ｖｃおよびトルク指令Ｔｃが作成され、それにより、第一サーボモータ１１が制御されるようになる。

図３には、新たな位置指令に基づく補正後軌跡が破線で示されている。図３から分かるように、補正後軌跡には象限突起が形成されていない。従って、本発明においては、円滑な反転動作が行われ、移動体１９を円弧状軌跡に沿って円滑に移動させられるのが分かるであろう。

このように本発明においては、サーボモータから移動体までの距離Ｌ１、Ｌ２が考慮された近似式に基づいて位置補正量εを算出している。この位置補正量εは、従来のバックラッシや摩擦の影響に加えて、ボールネジのネジ軸１７の伸縮量やカップリング部の位置決め誤差量もが考慮された補正値である。それゆえ、本発明においては、ボールネジが備えられた実際の機械の構成に応じて、移動体が反転するときの位置誤差を高精度で且つ簡単に補正することが可能となる。

また、トルク指令作成部２３はトルク指令Ｔｃから第一サーボモータ１１の加減速に要するトルクを減算して負荷トルクを作成できる。このような加減速に要するトルクは、イナーシャとモータ速度を微分した加速度とから求めることができる。そして、負荷トルク用いて、式（５）などから位置補正量εを算出してもよい。一般に反転時における移動体１９の位置の変化は負荷トルクによる影響が大きい。従って、負荷トルクを用いた場合には、位置補正量εをより高精度で算出することが可能である。

図１等を参照して、移動体１９を円弧状軌跡に沿って移動させる場合について説明した。しかしながら、本発明は、第二サーボモータ１２および第二ネジ軸１８が存在していない一軸式の工作機械において移動体１９をネジ軸１７に沿って往復移動させるときにも適用される。すなわち、第一サーボモータ１１により移動体が反転動作するときに移動体の位置に生じる誤差を、前述した位置補正量εによって解消することができる。その結果、移動体１９を円滑に往復運動させられることが分かるであろう。そのような一軸式の工作機械のためのサーボ制御装置も本発明の範囲に含まれるものとする。

１ 工作機械
１０ サーボ制御装置
１１ 第一サーボモータ（サーボモータ）
１２ 第二サーボモータ
１３ リニアスケール（移動体位置取得部）
１５、１６ エンコーダ（モータ位置取得部）
１７ 第一ネジ軸
１８ 第二ネジ軸
１９ 移動体
２１ 位置指令作成部
２２ 速度指令作成部
２３ トルク指令作成部
２４ 反転時変化量算出部
２５ 距離算出部
２６ 近似式決定部
２７ 位置補正量算出部
２８ 加算部

Claims (3)

1. サーボモータに接続されたボールネジのネジ軸を駆動して、該ネジ軸に螺合される移動体を移動させるサーボ制御装置において、
   前記サーボモータの位置を所定の制御周期毎に取得するモータ位置取得部と、
   前記移動体の位置を前記所定の制御周期毎に取得する移動体位置取得部と、
   前記サーボモータのトルク指令を前記所定の制御周期毎に作成するトルク指令作成部と、
   前記移動体位置取得部により取得された前記移動体の位置に基づいて、前記サーボモータが反転したときの前記移動体の位置の変化量を算出する反転時変化量算出部と、
   前記モータ位置取得部により取得された前記サーボモータの位置または前記移動体位置取得部により取得された前記移動体の位置に基づいて、前記サーボモータの出力端部から前記移動体までの距離を算出する距離算出部と、
   前記反転時変化量算出部により算出された前記移動体の位置の変化量と、前記トルク指令作成部により作成されたトルク指令と、前記距離算出部により算出された距離とに基づいて、前記サーボモータの反転による前記サーボモータの遅れを補正する位置補正量を算出するための近似式を決定する近似式決定部と、
   該近似式決定部により決定された近似式に基づいて、前記位置補正量を算出する位置補正量算出部と、を具備するサーボ制御装置。
2. 前記近似式決定部は、前記サーボモータが反転する前記ネジ軸上の少なくとも二つの異なる場所における前記移動体の位置の変化量と前記トルク指令と前記距離とに基づいて、前記位置補正量を算出するための一次近似式を決定する、請求項１に記載のサーボ制御装置。
3. 前記トルク指令作成部は、前記トルク指令から前記サーボモータの加減速に要するトルクを減算した負荷トルクを作成し、
   前記近似式決定部は、前記移動体の位置の変化量と、前記負荷トルクと、前記距離とに基づいて、前記位置補正量を算出するための近似式を決定する、請求項１または２に記載のサーボ制御装置。

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