JP5744243B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機や工作機械などの制御装置において、１つの移動方向に対して複数のアクチュエータを具備し、両者を協調して制御するためのサーボ制御装置に関する。

レーザ加工機や工作機械等の機械を用いて加工を行う場合、工作物に対するレーザヘッドや工具の位置が指令された経路上を沿うように制御することが行われる。この制御は軌跡制御と呼ばれ、各可動軸の位置指令に機械の各可動軸の実際の位置が追従するようにサーボ制御を行うことにより行われる。

通常の機械では１つの移動方向に対して１つのアクチュエータが用いられる。アクチュエータは、一般にはサーボモータが用いられる。１つの移動方向に対して１つのアクチュエータを用いてサーボ制御を行う場合、サーボ制御系の応答遅れにより生じる追従誤差が問題となる。また、アクチュエータの加速度に限界があるために高速な応答を実現できないといった問題も生じる。数十ｍ／分以上の高速な動作が求められるような場合、追従誤差や応答性低下の影響は特に顕著に現れる。

そこで、これまで用いていたアクチュエータに加えて、移動範囲が狭いが高速な応答が可能な付加的なアクチュエータを追加し、１つの移動方向の運動を粗動と微動の２つのアクチュエータを用いて制御する装置が複数提案されている。

特開２００７−９５０３５号公報 特開平７−１６８６２５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、例えば特許文献１では、粗動と微動のそれぞれの指令を所定の条件によって生成するものの、それぞれの指令に対してサーボ系の応答遅れが生じるため、粗動のサーボ応答と微動のサーボ応答を合成した合成の位置応答が、粗動の位置指令と微動の位置指令を合成した合成の位置指令に対して正しく追従しないという問題がある。

また、特許文献２では、粗動の位置応答はフィードバック制御系の応答により決まる。フィードバック制御系は安定性を確保する必要があるため、その応答には制約が生じ、特に高速な応答は制御系が不安定になるため実現できないことが多い。また、特許文献１および２ともに、粗動軸が加減速することにより微動軸に慣性力が生じ、微動軸の応答に誤差が生じるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に対して応答遅れや慣性力の影響による誤差を生じずに追従するよう制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定することができるサーボ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、決められた軸方向に直線移動を行う粗動軸を駆動する粗動軸モータと、前記粗動軸の可動部に取り付けられ前記粗動軸の可動部の上で直線移動を行う微動軸を駆動する微動軸モータを有し、前記粗動軸の位置と前記微動軸の位置とに基づいて決定される合成軸の位置を制御するサーボ制御装置において、位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより粗動モデル位置を算出する粗動規範モデル部と、前記粗動軸モータから与えられた粗動軸モータ位置および前記粗動モデル位置に基づいて、前記粗動軸モータ位置が前記粗動モデル位置に追従するように前記粗動軸モータを制御する粗動追従制御部と、位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより合成モデル位置を算出する合成規範モデル部と、前記微動軸モータから与えられた微動軸モータ位置と、前記合成モデル位置および前記粗動モデル位置から求めた微動モデル位置と、に基づいて、前記微動軸モータ位置が前記微動モデル位置に追従するように前記微動軸モータを制御する微動追従制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１における追従制御部の内部構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態２にかかるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態３にかかるサーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態３における微動追従制御部の内部構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の実施の形態４にかかる粗動軸サーボ制御装置と微動軸サーボ制御装置の構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の実施の形態１乃至４にかかる粗動軸と微動軸の関係を示す模式図である。

以下に、本発明にかかるサーボ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるサーボ制御装置１０の構成を示すブロック図である。粗動軸と微動軸を合わせた合成軸の位置が合成軸位置指令としてサーボ制御装置１０に入力される。また、粗動軸モータ５および微動軸モータ６の各軸のモータ位置が、フィードバック信号としてサーボ制御装置１０に入力される。粗動軸モータ５および微動軸モータ６にはそれぞれロータリーエンコーダやリニアスケールなどの位置検出器が取り付けられており、各軸のモータ位置はそれらの位置検出器を用いて検出される。サーボ制御装置１０は、粗動軸モータ５および微動軸モータ６へ、それぞれのモータを駆動するためのモータ駆動指令信号を出力する。

サーボ制御装置１０において、上述した合成軸位置指令は粗動規範モデル部１と合成規範モデル部２にそれぞれ入力される。粗動規範モデル部１は粗動モデル位置と粗動モデル加速度を、後述する演算により出力する。また、合成規範モデル部２は合成モデル位置と合成モデル加速度を、後述する演算により出力する。粗動モデル位置と粗動モデル加速度は粗動追従制御部３に入力され、粗動追従制御部３は別途粗動軸モータ５より入力される粗動軸モータ位置が粗動モデル位置に追従するためのモータ駆動指令信号を出力する。また、減算器７において合成モデル位置から粗動モデル位置が減算され、その減算結果すなわち合成モデル位置と粗動モデル位置の差が微動モデル位置として出力される。微動モデル位置と合成モデル加速度は微動追従制御部４に入力され、微動追従制御部４は別途微動軸モータ６より入力される微動軸モータ位置が微動モデル位置に追従するためのモータ駆動指令信号を出力する。

本実施の形態においては、粗動軸モータ５および微動軸モータ６は回転型のサーボモータを用いる。したがって、モータ駆動指令信号はトルクの指令信号となる。粗動軸モータ５および微動軸モータ６は、モータ駆動指令信号であるトルク指令信号にしたがってトルクを発生し、粗動軸および微動軸の各可動部をそれぞれ駆動する。

本実施の形態１においてサーボ制御装置１０が制御の対象とする粗動軸と微動軸は、それぞれ回転サーボモータとボールねじからなる可動機構により決められた軸方向に直線移動を行う。粗動軸は固定部と直線移動する可動部を持つ。粗動軸の可動部に微動軸が取り付けられ、微動軸の可動部は粗動軸の可動部の上で直線移動を行う。さらに、粗動軸と微動軸の移動方向は同一である。粗動軸の固定部に対する微動軸の可動部の位置が合成軸の位置である。図７は、粗動軸と微動軸の各モータ位置の関係を模式的に表したものであり、粗動軸固定部５０の上に粗動軸可動部５１が配置され、さらに粗動軸可動部５１の上に微動軸可動部５２が配置されている。本実施の形態１におけるサーボ制御装置１０は、この合成軸のモータ位置Ｘａを指令された位置に制御するものである。

図２は、本実施の形態１における粗動追従制御部３および微動追従制御部４の内部構成を示すブロック図である。粗動軸追従制御部３と微動追従制御部４の内部のブロック構成は同一の構成であり、総称して追従制御部２０と呼ぶ。追従制御部２０はモデル位置およびモデル加速度とモータ位置を入力とし、モータ駆動指令信号を出力する。粗動追従制御部３は粗動モデル位置をモデル位置として、粗動モデル加速度をモデル加速度として入力して、粗動軸モータ位置をモータ位置としてそれぞれ入力し、粗動軸モータ駆動指令信号をモータ駆動指令信号として出力する。微動追従制御部４は微動モデル位置をモデル位置として、合成モデル加速度をモデル加速度として入力して、微動軸モータ位置をモータ位置としてそれぞれ入力し、微動軸モータ駆動指令信号をモータ駆動指令信号として出力する。

追従制御部２０の内部構成は以下のとおりである。減算器３１においてモデル位置からモータ位置が減算され、減算結果すなわちモデル位置とモータ位置の差が位置制御部２１に入力される。位置制御部２１では比例制御等の制御が行われる。また、モデル位置は微分演算部２４に入力され、モデル位置の１階微分であるモデル速度が演算される。モータ位置についても同様に微分演算部２３においてモータ位置の１階微分であるモータ速度が演算される。位置制御部２１の出力にモデル速度を加算し、さらにモータ速度を減算する処理が加減算器３２で行われ、その出力が速度制御部２２に入力される。速度制御部２２では、比例・積分制御等の制御が行われる。一方、モデル加速度はトルク演算部２５に入力され、モデルトルクが演算される。モデルトルクの演算は、モデル加速度に可動部のイナーシャを乗算することによって行われる。可動部のイナーシャは、設計値あるいは同定値を用いる。速度制御部２２の出力にトルク演算部２５の出力が加算器３３で加算され、その加算結果がモータ駆動指令信号として出力される。

次に、粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２における演算について説明する。それぞれの規範モデル部には、高域遮断特性（高周波帯域遮断特性）を有するフィルタを用いる。粗動規範モデル部１は、入力された合成軸位置指令に対してフィルタ演算を行った結果を粗動モデル位置として出力する。また、粗動モデル位置の２回微分を粗動モデル加速度として出力する。合成規範モデル部２は、入力された合成軸位置指令に対してフィルタ演算を行った結果を合成モデル位置として出力する。また、合成モデル位置の２回微分を合成モデル加速度として出力する。

フィルタ出力であるモデル位置に加えて、その２回微分であるモデル加速度も利用する必要があり、なめらかなモデル加速度を得るためには、粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２は、２次以上のローパスフィルタであることが望ましい。また、モデル加速度を演算する場合の微分演算は、擬似微分すなわち差分をサンプル周期で除する方法で行ってもよいし、例えば特開２０１１−１４５８８４号公報に示すような方法で、フィルタ内部の積分器から取り出してもよい。粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２に高域遮断特性（高周波帯域遮断特性）を有するフィルタを用いることで、モデル位置およびその２回微分であるモデル加速度を平滑化し、急峻な変化を抑制して各駆動軸を滑らかに駆動することができる。

次に本実施の形態１におけるサーボ制御装置１０の動作を説明する。粗動軸モータ位置をＸｃ、微動軸モータ位置をＸｆ、合成軸モータ位置をＸａとおく。図７に示すように合成軸モータ位置Ｘａは粗動軸モータ位置Ｘｃと微動軸モータ位置Ｘｆの和で表される。また、合成軸位置指令をＸｒ、粗動モデル位置をＸｍｃ、合成モデル位置をＸｍａ、微動モデル位置をＸｍｆとそれぞれおく。また、粗動規範モデル部１の伝達関数すなわち入力である合成軸位置指令から出力である粗動モデル位置までの伝達関数をＧｃ（ｓ）とおく。伝達関数Ｇｃは分母多項式がラプラス演算子ｓの２次式の以下の式で表されるものとする。

ここで、Ｋｃ１およびＫｃ２は正の定数をとるパラメータである。また、合成規範モデル部２の伝達関数すなわち入力である合成軸位置指令から出力である合成モデル位置までの伝達関数をＧａ（ｓ）とおく。伝達関数Ｇａは分母多項式がラプラス演算子ｓの２次式の以下の式で表されるものとする。

ここで、Ｋａ１およびＫａ２は正の定数をとるパラメータである。

このとき、合成軸位置指令Ｘｒと粗動モデル位置Ｘｍｃの関係は、以下の式で表される。

なお、式（３）は時系列信号をラプラス変換したｓ領域で表した式である。以下の数式では、特記しない場合はｓ領域の式を表す。同様に、合成軸位置指令Ｘｒと合成モデル位置Ｘｍａの関係は、以下の式で表される。

また、合成モデル位置Ｘｍａと粗動モデル位置Ｘｍｃの差である微動モデル位置Ｘｍｆは、これらの伝達関数を用いて以下の式で表される。

粗動規範モデル部１の伝達関数Ｇｃおよび合成規範モデル部２の伝達関数ＧａはともにＤＣゲインが１のローパスフィルタであるので、合成軸位置指令Ｘｒが一定値の場合、微動モデル位置Ｘｍｆは０に収束する。

粗動軸について、粗動軸の可動部のイナーシャをＪｃとおき、位置制御部の伝達関数をＣｐｃ（ｓ）、速度制御部の伝達関数をＣｖｃ（ｓ）とおくと、図１および図２の関係から、粗動軸のモータトルクτｃは以下の式で表される。

なお、粗動軸には微動軸が加減速する際の反力トルクが外乱として加わるが、一般に粗動軸のイナーシャは微動軸のイナーシャに比べて十分大きいことから、粗動軸が受ける外乱の影響は十分小さい。そのため、式（６）では微動軸の加減速による反力トルク外乱の影響は無視している。また、駆動部は剛体でモデル化し、摩擦などのその他の外乱の影響も無視している。

また、粗動軸の運動方程式は、以下の式で表される。

式（６）と式（７）を連立させて解くと、以下の式が得られる。

すなわち、粗動軸モータ位置Ｘｃは、粗動追従制御部３の特性にかかわらず、粗動モデル位置Ｘｍｃに完全に追従する。

次に、微動軸について、微動軸可動部のイナーシャをＪｆとおき、位置制御部の伝達関数をＣｐｆ（ｓ）、速度制御部の伝達関数をＣｖｆ（ｓ）とおくと、図１および図２の関係から、微動軸のモータトルクτｆは以下の式で表される。

ここで、式（９）の右辺の最終項は、図１に対応して、微動モデル位置の２回微分ではなく、合成モデル加速度すなわち合成モデル位置の２回微分となっている。

また、微動軸の運動方程式は、以下の式で表される。

ここで、式（１０）の右辺第２項は、粗動軸の加減速により発生する慣性力を表している。なお、式（１０）では、駆動部は剛体でモデル化し、摩擦等の外乱の影響は無視している。

式（９）と式（１０）を連立させて解くと、以下の式が得られる。

すなわち、微動軸モータ位置Ｘｆは、微動追従制御部４の特性にかかわらず、微動モデル位置Ｘｍｆに完全に追従する。合成軸位置指令Ｘｒが一定値であれば、微動モデル位置Ｘｍｆは０に収束するので、微動軸モータ位置Ｘｆも０に収束する。

以上より、合成軸のモータ位置は以下の式で表される。

すなわち、粗動規範モデル部１や追従制御部の特性にかかわらず、合成軸モータ位置Ｘａは合成規範モデル部２の出力である合成モデル位置Ｘｍａに完全に追従する。合成規範モデル部２はフィードバック信号を利用しないので、制御系の安定性を損なうことなく自由な応答に設定できる。

次に、規範モデル部の設定について説明する。粗動規範モデル部１の定常状態における応答遅れを、粗動規範モデル部１の応答時定数Ｔｃとおく。この応答時定数Ｔｃは、ラプラス変換の最終値定理を用いると、粗動規範モデルのパラメータＫｃ１についての以下の式で表される。

同様に、合成規範モデル部２の定常状態における応答遅れを、合成規範モデル部２の応答時定数Ｔａとおくと、Ｔａは合成規範モデルのパラメータＫａ１についての以下の式で表される。

合成軸位置指令Ｘｒが一定の速度で変化する場合、その変化率を指令速度Ｆｒとおく。このとき、追従誤差は定常状態のときに最大となり、定常状態における追従誤差は、指令速度と応答時定数の積で表される。すなわち、粗動軸の追従誤差の最大値はＦｒ・Ｔｃであり、合成軸の追従誤差の最大値はＦｒ・Ｔａとなる。さらに、微動軸の追従誤差の最大値はＦｒ・（Ｔｃ−Ｔａ）となる。

図７に示すように微動軸可動部５２は粗動軸可動部５１に取り付けられるという構造上の関係から、微動軸の可動範囲は粗動軸の可動範囲に比べて小さくなる。微動軸の可動範囲が、原点すなわち微動軸モータ位置Ｘｆが０となる点を中心にして−Ｌから＋Ｌの範囲であるとき、微動モデル位置Ｘｍｆが可動範囲を超えないためには、微動軸の追従誤差の最大値Ｆｒ・（Ｔｃ−Ｔａ）がＬ以下であればよい。

ここでは、粗動規範モデルの応答時定数がＴｃで固定されている場合を想定する。この場合、合成規範モデルの応答時定数Ｔａを（Ｔｃ−Ｌ／Ｆｒ）以上に設定して、微動モデル位置Ｘｍｆが微動軸の可動範囲Ｌを超えないようにする。微動軸モータ位置Ｘｆは微動モデル位置Ｘｍｆに完全に追従するので、微動モデル位置Ｘｍｆが微動軸の可動範囲Ｌを超えなければ、微動軸モータ位置Ｘｆも可動範囲を超えない。

以上のように、本実施の形態１によれば、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができる。

また、本実施の形態１によれば、モデル位置およびその２回微分であるモデル加速度を平滑化し、急峻な変化を抑制して各駆動軸を滑らかに駆動することができる。さらに、本実施の形態１によれば、微動軸の可動範囲が限られており、また粗動軸の応答を一定に保ちたい場合に、微動軸の位置が可動範囲を超えないように制御することができる。この動作は、サーボ制御装置１０内に設けたパラメータ変更部（図示せず）により実行することができる。

なお、本実施の形態１においては、粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２の応答は２次のローパスフィルタを用いたが、さらに高次のフィルタであってもよい。このようにすることで、さらに滑らかな応答を得たり、対称な形の応答を得るなど、サーボ制御系の応答の形状をより高い自由度で設定することができる。

また、サーボ制御装置１０内の演算において、微分と減算の順序が逆になっていてもよい。例えば、粗動規範モデル部１から粗動モデル位置Ｘｍｃを１回微分した粗動モデル速度を出力し、合成規範モデル部２から合成モデル位置Ｘｍａを１回微分した合成モデル速度を出力して、合成モデル速度と粗動モデル速度の差をモデル速度として微動追従制御部４に入力してもよい。この場合、微動追従制御部４における微分演算部２４は不要となる。

以上説明したように、本実施の形態にかかるサーボ制御装置１０においては粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかるサーボ制御装置１０の構成を示すブロック図である。実施の形態１と相違する点は、粗動規範モデル部１への入力に、合成軸位置指令ではなく粗動軸位置指令を用いている点である。

また、合成規範モデルの応答時定数がＴａで固定されている場合を想定する。微動軸の追従誤差の最大値Ｆｒ・（Ｔｃ−Ｔａ）がＬ以下とするためには、この場合、粗動規範モデルの応答時定数Ｔｃを（Ｔａ＋Ｌ／Ｆｒ）以下に設定して、微動モデル位置Ｘｍｆが微動軸の可動範囲Ｌを超えないようにする。微動軸モータ位置Ｘｆは微動モデル位置Ｘｍｆに完全に追従するので、微動モデル位置Ｘｍｆが微動軸の可動範囲Ｌを超えなければ、微動軸モータ位置Ｘｆも可動範囲を超えない。

粗動軸位置指令をＸｒｃ、合成軸位置指令をＸｒａとして、粗動軸モータ位置Ｘｃを実施の形態１と同様に数式で表すと、以下の式で表される。

すなわち、粗動軸モータ位置Ｘｃは、粗動軸位置指令Ｘｒｃを入力したときの粗動規範モデル部１の応答に完全に追従する。また、合成軸モータ位置Ｘａは以下の式で表される。

さらに、微動軸モータ位置Ｘｆは以下の式で表される。

粗動軸位置指令Ｘｒｃおよび合成軸位置指令Ｘｒａがそれぞれ一定の値をとる場合、粗動軸モータ位置Ｘｃは粗動軸位置指令Ｘｒｃと等しくなり、合成軸モータ位置Ｘａは合成軸位置指令Ｘｒａと等しくなり、微動軸モータ位置Ｘｆは合成軸位置指令と粗動軸位置指令の差Ｘｒａ−Ｘｒｃと等しくなる。

実施の形態１では、合成軸位置指令Ｘｒを指令するのみで、微動軸モータ位置Ｘｆは合成軸位置指令Ｘｒが一定値であれば０に収束していた。一方、本実施の形態２によれば、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができる。さらに、合成軸の位置に加えて粗動軸の位置を指令して追従制御することで、粗動軸および微動軸の位置を所定の位置となるように独立して制御することができる。

また、本実施の形態２によれば、微動軸の可動範囲が限られており、また合成軸の応答を一定に保ちたい場合に、微動軸の位置が可動範囲を超えないように制御することができる。この制御は、サーボ制御装置１０内に設けたパラメータ変更部（図示せず）により実行することができる。

なお、本実施の形態２において、合成軸位置指令Ｘｒａと粗動軸位置指令Ｘｒｃを入力として与えたが、合成軸位置指令と微動軸位置指令を与えてもよい。この場合、粗動軸位置指令は合成軸位置指令から微動軸位置指令を減じることによって求める。また、粗動軸位置指令と微動軸位置指令を与えるものであってもよい。この場合、合成軸位置指令は粗動軸位置指令と微動軸位置指令を加算することによって求める。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかるサーボ制御装置１０の構成を示すブロック図である。実施の形態２と概略同一であるが、粗動モデル位置Ｘｍｃを単位換算部８に入力し、その出力を合成モデル位置Ｘｍａから減じて微動モデル位置Ｘｍｆとしている点が異なる。本実施の形態３では、粗動軸が回転サーボモータとボールねじで駆動され、微動軸がリニアサーボモータで駆動されるものとする。そこで、実施の形態２からの相違点として、粗動モデル位置Ｘｍｃを合成モデル位置Ｘｍａから減算する際に、粗動モデル位置Ｘｍｃを単位換算部８に入力して得られた出力を合成モデル位置Ｘｍａから減算するようにしている。すなわち、粗動モデル位置Ｘｍｃを微動軸の制御単位に換算してから合成モデル位置Ｘｍａから減算する。

また、本実施の形態３では、微動軸の微動追従制御部４には図５に示すブロック図の構成を用いる。図５が図２と相違する点は、回転サーボモータがリニアサーボモータに変更されたことに対応して、トルク演算部２５が推力演算部２６に置き換わり、さらにモータ駆動指令信号がトルク指令ではなく推力指令となる点である。推力演算部２６では、微動軸の可動部の総質量をモデル加速度に乗算して、モデル推力を演算する。

粗動軸は回転サーボモータであるため制御単位は回転角度（ｒａｄ）であるが、微動軸はリニアサーボモータであるため制御単位は長さ（ｍ）である。そこで、単位換算部８では、入力された粗動モデル位置を２πで除し、さらにボールねじのリードすなわち回転サーボモータが１回転したときに可動部が移動する距離を乗じる演算を行うことにより、単位の換算を行う。

このように、本実施の形態３によれば、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができる。さらに、例えば粗動軸が回転モータであり微動軸がリニアモータであるといった、粗動軸と微動軸で位置制御系の制御単位が異なるような場合であっても、粗動軸と微動軸を協調させて制御することが可能となる。

なお、粗動軸が回転サーボモータとボールねじで駆動され、微動軸がリニアサーボモータで駆動される場合のように粗動軸と微動軸で位置制御系の制御単位が異なる場合においても、実施の形態１のように位置指令として合成軸位置指令を共に粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２に入力してもよい。あるいはまた、位置指令として合成軸位置指令と微動軸位置指令を与えてもよい。この場合、粗動軸位置指令は合成軸位置指令から微動軸位置指令を減じることによって求める。また、粗動軸位置指令と微動軸位置指令を与えるものであってもよい。この場合、合成軸位置指令は粗動軸位置指令と微動軸位置指令を加算することによって求める。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４にかかる粗動軸サーボ制御装置１１と微動軸サーボ制御装置１２の構成を示すブロック図である。この構成は実施の形態２にかかる図３のサーボ制御装置１０の構成と概略同一であるが、粗動軸サーボ制御装置１１と微動軸サーボ制御装置１２とに分離された装置となっている点が異なる。また、粗動モデル位置Ｘｍｃと粗動モデル加速度を粗動軸タイミング補正部１３に入力して得られた出力を遅延粗動モデル位置ならびに遅延粗動モデル加速度として粗動追従制御部３に入力している点が異なる。さらに、合成モデル位置Ｘｍａと合成モデル加速度を合成軸タイミング補正部１４に入力して得られた出力を遅延合成モデル位置ならびに遅延合成モデル加速度とし、遅延合成モデル位置と粗動軸サーボ制御装置１１の粗動モデル位置との差を遅延微動モデル位置として、遅延微動モデル位置と遅延合成モデル加速度を微動追従制御部４に入力している点が異なる。

粗動軸サーボ制御装置１１と微動軸サーボ制御装置１２を分離した構成とする場合、粗動軸サーボ制御装置１１から微動軸サーボ制御装置１２へ粗動モデル位置Ｘｍｃを送信する必要がある。このときの通信に要する時間がサーボ制御系の応答時定数に対して無視できないレベルの時間である場合、通信の時間遅れによって合成軸の位置応答に誤差が生じる。そこで、粗動軸タイミング補正部１３および合成軸タイミング補正部１４において、モデル位置とモデル加速度のタイミングを通信の時間遅れ分だけ遅らせる演算を行う。タイミングを遅らせる演算は、遅らせたい時間に相当するサンプル点数のデータを逐次記憶しておき、遅らせたい時間だけ前のデータを出力するようにして行う。

なお、本実施の形態においても、粗動軸が回転サーボモータとボールねじで駆動され、微動軸がリニアサーボモータで駆動されるようにすることが可能である。このように粗動軸と微動軸で位置制御系の制御単位が異なるのであれば、実施の形態３で説明したように図４に示した単位換算部８を設ければ遅延微動モデル位置を求めることが可能となる。粗動モデル位置Ｘｍｃを微動軸の制御単位に換算してから減算器７において遅延合成モデル位置から減算して遅延微動モデル位置を求め、それを微動追従制御部４に入力すればよい。この場合単位換算部８は、粗動軸サーボ制御装置１１と微動軸サーボ制御装置１２のいずれか一方に備えられていてもよいし、粗動軸サーボ制御装置１１と微動軸サーボ制御装置１２の間に備えられていてもよい。

また、実施の形態１のように位置指令として合成軸位置指令を共に粗動規範モデル部１および合成規範モデル部２に入力してもよい。あるいはまた、位置指令として合成軸位置指令と微動軸位置指令を与えてもよい。この場合、粗動軸位置指令は合成軸位置指令から微動軸位置指令を減じることによって求める。また、粗動軸位置指令と微動軸位置指令を与えるものであってもよい。この場合、合成軸位置指令は粗動軸位置指令と微動軸位置指令を加算することによって求める。

この実施の形態４によれば、粗動軸と微動軸の合成位置が、指令した合成軸位置に完全に追従するように制御でき、かつ粗動軸と微動軸の応答を自由に設定できる。また、粗動軸が加減速する際に微動軸に生じる慣性力が微動軸の運動に影響を及ぼさないようにすることができる。さらに、粗動軸と微動軸のサーボ制御装置を一体にできないような場合でも、粗動軸と微動軸を協調させて制御することが可能となる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるサーボ制御装置は、レーザ加工機や工作機械等の機械を用いて加工を行う場合に工作物に対するレーザヘッドや工具の位置が指令された経路上を沿うように制御するサーボ制御装置に有用であり、特に、１つの移動方向の運動を粗動と微動の２つのアクチュエータを用いて制御するサーボ制御装置に適している。

１ 粗動規範モデル部、２ 合成規範モデル部、３ 粗動追従制御部、４ 微動追従制御部、５ 粗動軸モータ、６ 微動軸モータ、７ 減算器、８ 単位換算部、１０ サーボ制御装置、１１ 粗動軸サーボ制御装置、１２ 微動軸サーボ制御装置、１３ 粗動軸タイミング補正部、１４ 合成軸タイミング補正部、２０ 追従制御部、２１ 位置制御部、２２ 速度制御部、２３ 微分演算部、２４ 微分演算部、２５ トルク演算部、２６ 推力演算部、３１ 減算器、３２ 加減算器、３３ 加算器、５０ 粗動軸固定部、５１ 粗動軸可動部、５２ 微動軸可動部。

Claims (10)

1. 決められた軸方向に直線移動を行う粗動軸を駆動する粗動軸モータと、前記粗動軸の可動部に取り付けられ前記粗動軸の可動部の上で直線移動を行う微動軸を駆動する微動軸モータを有し、前記粗動軸の位置と前記微動軸の位置とに基づいて決定される合成軸の位置を制御するサーボ制御装置において、
   位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより粗動モデル位置を算出する粗動規範モデル部と、
   前記粗動軸モータから与えられた粗動軸モータ位置および前記粗動モデル位置に基づいて、前記粗動軸モータ位置が前記粗動モデル位置に追従するように前記粗動軸モータを制御する粗動追従制御部と、
   位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより合成モデル位置を算出する合成規範モデル部と、
   前記微動軸モータから与えられた微動軸モータ位置と、前記合成モデル位置および前記粗動モデル位置から求めた微動モデル位置と、に基づいて、前記微動軸モータ位置が前記微動モデル位置に追従するように前記微動軸モータを制御する微動追従制御部と、
   前記位置指令の変化率と前記粗動規範モデル部の前記位置指令に対する前記粗動モデル位置の応答時定数にもとづいて、前記微動モデル位置が前記微動軸の可動範囲を超えない範囲で、前記合成規範モデル部は前記位置指令に対する前記合成モデル位置の応答時定数を設定するパラメータ変更部と、
   を備える
   ことを特徴とするサーボ制御装置。
2. 決められた軸方向に直線移動を行う粗動軸を駆動する粗動軸モータと、前記粗動軸の可動部に取り付けられ前記粗動軸の可動部の上で直線移動を行う微動軸を駆動する微動軸モータを有し、前記粗動軸の位置と前記微動軸の位置とに基づいて決定される合成軸の位置を制御するサーボ制御装置において、
   位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより粗動モデル位置を算出する粗動規範モデル部と、
   前記粗動軸モータから与えられた粗動軸モータ位置および前記粗動モデル位置に基づいて、前記粗動軸モータ位置が前記粗動モデル位置に追従するように前記粗動軸モータを制御する粗動追従制御部と、
   位置指令に基づいて所定のフィルタ演算を行うことにより合成モデル位置を算出する合成規範モデル部と、
   前記微動軸モータから与えられた微動軸モータ位置と、前記合成モデル位置および前記粗動モデル位置から求めた微動モデル位置と、に基づいて、前記微動軸モータ位置が前記微動モデル位置に追従するように前記微動軸モータを制御する微動追従制御部と、
   前記位置指令の変化率と前記合成規範モデル部の前記位置指令に対する前記合成モデル位置の応答時定数にもとづいて、前記微動モデル位置が前記微動軸の可動範囲を超えない範囲で、前記粗動規範モデル部は前記位置指令に対する前記粗動モデル位置の応答時定数を設定するパラメータ変更部と、
   を備える
   ことを特徴とするサーボ制御装置。
3. 前記位置指令は前記合成軸の位置についての指令であり、
   前記粗動規範モデル部は、前記合成軸の位置についての指令に基づいて粗動モデル加速度を算出し、
   前記粗動追従制御部は、前記粗動モデル加速度にも基づいて前記粗動軸モータを制御し、
   前記合成規範モデル部は、前記合成軸の位置についての指令に基づいて合成モデル加速度を算出し、
   前記微動追従制御部は、前記合成モデル加速度にも基づいて前記微動軸モータを制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ制御装置。
4. 前記位置指令は前記粗動軸の位置および前記合成軸の位置についての指令であり、
   前記粗動規範モデル部は、前記粗動軸の位置についての指令に基づいて前記粗動モデル位置および粗動モデル加速度を算出し、
   前記粗動追従制御部は、前記粗動モデル加速度にも基づいて前記粗動軸モータを制御し、
   前記合成規範モデル部は、前記合成軸の位置についての指令に基づいて前記合成モデル位置および合成モデル加速度を算出し、
   前記微動追従制御部は、前記合成モデル加速度にも基づいて前記微動軸モータを制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のサーボ制御装置。
5. 前記粗動規範モデル部と、前記粗動モデル位置および前記粗動モデル加速度をそれぞれ所定の時間だけタイミングを遅らせて遅延粗動モデル位置および遅延粗動モデル加速度を出力する粗動軸タイミング補正部と、前記遅延粗動モデル位置および前記遅延粗動モデル加速度に基づいて前記粗動軸モータを制御する前記粗動追従制御部と、を有する粗動軸サーボ制御部と、
   前記合成規範モデル部と、前記合成モデル位置および前記合成モデル加速度をそれぞれ所定の時間だけタイミングを遅らせて遅延合成モデル位置および遅延合成モデル加速度を出力する合成軸タイミング補正部と、前記遅延合成モデル位置および前記粗動モデル位置から求めた遅延微動モデル位置と前記遅延合成モデル加速度に基づいて前記微動軸モータを制御する前記微動追従制御部と、を有する微動軸サーボ制御部と、
   を備えた
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のサーボ制御装置。
6. 前記遅延微動モデル位置は、前記遅延合成モデル位置および前記粗動モデル位置の差である
   ことを特徴とする請求項５に記載のサーボ制御装置。
7. 前記粗動規範モデル部の前記位置指令に対する前記粗動モデル位置の応答特性と前記合成規範モデル部の前記位置指令に対する前記合成モデル位置の応答特性が共に高域遮断特性を有し、前記粗動モデル加速度は前記粗動モデル位置の２回微分であり、前記合成モデル加速度は前記合成モデル位置の２回微分である
   ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
8. 前記粗動モデル位置を単位換算して出力する単位換算部を備え、
   前記合成モデル位置および前記単位換算部により単位換算された前記粗動モデル位置から前記微動モデル位置を求める
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
9. 前記微動モデル位置は、前記合成モデル位置および前記粗動モデル位置の差である
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
10. 前記合成軸の位置および前記微動軸の位置についての指令に基づいて前記位置指令を求める、或いは、前記粗動軸の位置および前記微動軸の位置についての指令に基づいて前記位置指令を求める
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。

Images