JP5897648B2

JP5897648B2 - 同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置

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Publication number: JP5897648B2
Application number: JP2014124609A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎堀口
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: CN105278456A; US9541915B2; DE102015007360B4; US20150362895A1; DE102015007360A1; CN105278456B; JP2016004435A

Description

本発明は、工作機械や産業用機械を制御する数値制御装置に関し、特に、同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置に関する。

マスタ軸の位置をセンサ等で取込み、マスタ軸の位置にスレーブ軸が同期する同期制御装置では、マスタ軸の実際の位置（実位置）を求め、該実位置に同期する指令をスレーブ軸に与えている。マスタ軸の実位置を基にスレーブ軸に同期指令を行うと、スレーブ軸のサーボモータの遅れが同期誤差として発生してしまう。該同期誤差を解消するため、スレーブ軸の位置制御のゲインに応じた時間だけ先の位置(予想位置)を予想し、該予想位置への指令をスレーブ軸に与える同期指令を行っている。

特許文献１に開示されているように、「電子カム応用機械などでは、位置決めに用いられるサーボ制御装置に進角制御と称される位相進め回路を付加することにより、制御系の遅れを補正し、位置指令値と位置検出値との差である位置偏差を低減することが知られている。」。また、特許文献２には、制御中にゲインを切換える技術が開示されている。

特開２０１１−６７０１６号公報特開昭６０−５３０６号公報

マスタ軸の速度変化によりスレーブ軸の位置の予想がはずれた場合、スレーブ軸の予想位置とスレーブ軸の同期位置との差が大きくなってしまう。その結果、スレーブ軸の正しい同期位置を算出することができず、同期誤差を生じさせてしまう。つまり、マスタ軸の速度が変化した場合、スレーブ軸はマスタ軸の動作に正しく同期することができない。一般的に、予想位置と同期位置との差は予想時間が長いほど大きくなりやすい。予想時間は、位置制御のゲインが低ければ低いほど長くなり、それに伴い予想位置と同期位置の差が大きくなり、同期誤差も増大する。

例えば、マスタ軸により駆動されるコンベアで搬送される箱の中に、スレーブ軸で駆動される把持装置で詰め込む箱詰め機械では、コンベアの位置をセンサ等により取得し、そのコンベアの箱の位置に合せて箱詰め用の軸を駆動させる同期制御を行っている。箱詰め機械は、コンベアを駆動する軸（マスタ軸）の実際の位置（実位置）に、箱詰め用の軸（スレーブ軸）の位置を正しく同期させないと正確に箱詰めすることができない。

この箱詰め機械において、マスタ軸の実位置にスレーブ軸の実位置を同期誤差なく同期させるため、スレーブ軸への同期指令はサーボ遅れを考慮した補正が行われている。サーボ遅れの補正は、例えばスレーブ軸の位置制御のゲインに応じた時間だけ先の位置を予想し、その予想位置を同期位置として指令することで行っている。

この予想位置は同期するマスタ軸の速度変化があると実際の同期位置とずれてしまい、そのずれ量が同期誤差となって、同期性能の低下につながる。この予想は、前述したようにその予想時間が位置制御のゲインに応じて決まり、位置制御のゲインが低いほど予想時間は長くなる。一般的に、予想時間が長いほど、予想位置と同期位置との差が生じやすくなる。つまり、ゲインが低いほど、予想時間が長くなり、同期誤差も増大してしまう。

ここで、同期中、スレーブ軸の位置制御のゲインが一定である場合を考える。同期中のある区間でマスタ軸が振動する場合に、位置制御のゲインが高いと、振動区間外での同期性能は良いが、振動区間では振動の影響を強く受け、同期誤差が発生してしまう問題がある。一方、位置制御のゲインが低いと、振動の影響は少ないが、マスタ軸の速度変化で同期誤差を発生させてしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、マスタ軸の実位置にスレーブ軸の実位置を同期追従させる該スレーブ軸の位置制御を行うために、前記マスタ軸の実位置から前記スレーブ軸に該スレーブ軸のサーボ遅れを考慮した同期位置に対応する位置指令を該スレーブ軸に出力する数値制御装置において、同期制御中に前記スレーブ軸の位置制御のゲインを所定の物理量に基づいて変化させ、該スレーブ軸の位置制御のゲインの変化量に応じて前記スレーブ軸への位置指令に対する補正値を変動させることを特徴とする数値制御装置である。
請求項２に係る発明は、前記位置制御のゲインは徐々に上げ、それに応じて補正値を徐々に減らすことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記位置制御のゲインは徐々に下げ、それに応じて補正値を徐々に増やすことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置である。
請求項４に係る発明は、前記所定の物理量は、同期誤差、外部からの入力信号、同期開始からの経過時間、マスタ軸位置、スレーブ軸位置、マスタ軸速度、スレーブ軸速度、または、スレーブ軸のサーボ遅れのうちのいずれか一つの情報であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の数値制御装置である。

本発明により、同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置を提供できる。

コンベアで搬送される箱の中に同期制御によりビンを詰める箱詰め機械装置を示す図である。マスタ軸速度変化時の予想補正による同期の例を示す図である。請求項２に対応する実施形態を示す図である。請求項３に対応する実施形態を示す図である。本発明に係る数値制御装置で実行される同期制御の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１はコンベアＭで搬送される箱２の中に、コンベアＳで搬送されるビン４を挿入手段６によって詰める箱詰め機械装置を示す図である。

図１の箱詰め機械装置において、コンベアＭはコンベアＳの駆動装置とは別の駆動装置により駆動され、コンベアＳは数値制御装置０で制御されたサーボモータＭｓにより駆動される。コンベアＭを駆動する軸がマスタ軸、コンベアＳを駆動する軸がスレーブ軸として、該スレーブ軸は数値制御装置０により同期制御され、該スレーブ軸がマスタ軸に同期する。マスタ軸の位置や速度は、コンベアＭに取り付けられたセンサ８（位置・速度検出器）によって検出することができる。また、スレーブ軸の位置や速度は、軸に取り付けられたセンサ（位置・速度検出器）によって検出することができる。

数値制御装置０は、プロセッサ（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、入出力回路、通信インタフェースなどから構成される。数値制御装置０は、サーボモータＭｓあるいは該サーボモータＭｓによって駆動されるコンベアＳに取り付けられたセンサ（図示せず）からのフィードバック信号により、位置フィードバック制御を行う。

例えば、コンベアＭで搬送される箱の中に、スレーブ軸（サーボモータＭｓ）で駆動される別のコンベアＳで搬送されるビンを詰め込む図１の箱詰め機械では、コンベアＭの位置および速度をセンサ８等により取得し、そのコンベアＭの箱の位置に合せてコンベアＳで搬送させるビンの位置を合せるようにスレーブ軸に対して同期制御を行う。箱詰め機械は、コンベアＭの実際の位置（実位置）をマスタ軸の位置として取込み、その位置にコンベアＳ（スレーブ軸）の位置を正しく同期させることで正確に箱詰めすることができる。

以下、本発明の課題を解決するための同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置の各実施形態を説明する。
＜請求項１＞
請求項１に係る発明は、同期制御中にスレーブ軸の位置制御のゲインを切換え、それに応じて補正値を変化させるため、マスタ軸の振動区間と振動区間外とでそれぞれ適した位置制御のゲインに設定し、その位置制御のゲインに応じた補正を行うことで、外乱への影響を抑えつつ、速度変化への追従性を高め、同期誤差の増大を抑えることができる。スレーブ軸の位置制御のゲイン切換えの開始判定は同期誤差に基づいて行うことができる。

＜請求項２＞
図２はスレーブ軸の停止中の状態から移動中のマスタ軸に同期する動作を説明する図である。横軸は時間、縦軸は位置を表す。また、符号１０はマスタ軸実位置、符号１２はスレーブ軸指令位置、符号１４はスレーブ軸実位置、符号１６はサーボ遅れ、符号１８は速度変化、符号２０は同期誤差を表す。

マスタ軸はマスタ軸実位置１０に示されるように一定速度で移動し、速度変化１８の屈曲点で減速している。スレーブ軸は、同期動作開始時の急加速による機械的なショックを低減するため、ゲインを低く設定して同期を開始する。このため、スレーブ軸指令位置１２とスレーブ軸実位置１４との間にはサーボ遅れ１６が生じる。

図２の四角で囲まれた部分（速度変化１８）で示すように、同期制御中にマスタ軸が速度変化すると、予想時間が長いため、予想の補正がされたスレーブ軸指令位置１２はマスタ軸の速度変動に対応できず、スレーブ軸実位置１４とマスタ軸実位置１０との間に同期誤差２０が生じてしまう。この同期誤差２０は、予想量が大きければ、より大きくなる。

請求項２の発明では、図３のように、同期制御中に位置制御のゲインを上げ、それに応じて予想による補正を減らすことでマスタ軸の速度変動時でも同期追従性を上げ、同期誤差を抑えることができる。符号２２は、ゲインが低いため、滑らかに同期開始することを示している。また、符号２４は、ゲインを上げ、サーボ遅れの補正を減らす（換言すると、指令位置を実位置に寄せる）ことを示している。

同期開始時にスレーブ軸の位置制御のゲインを抑えることで、動き出しを滑らかにし、同期制御中に例えば同期誤差が所定の値以下になったところから徐々に位置制御のゲインを上げ（符号２４参照）、それに応じて予想による補正を減らすことで、マスタ軸の動作への同期追従性も上げることが可能となる。

＜請求項３＞
マスタ軸の移動中に同期が終了する場合を考えたとき、位置制御のゲインが高いままで同期を終了しようとするとスレーブ軸は急停止することになり、機械的なショックが発生してしまう。

請求項３の発明では、図４のように、同期制御終了前に位置制御のゲインを徐々に下げ、それに応じてサーボ遅れの補正を徐々に増やすことで、マスタ軸の移動中に同期を終了させてもスレーブ軸は滑らかに停止することができる。符号２６はゲインを下げ、サーボ遅れの補正を増やす（換言すれば、指令位置を実位置から離す）ことを示している。また、符号２８はゲインが低いため、滑らかに停止することを示す図である。

＜請求項４＞
スレーブ軸の位置制御のゲイン切換えの開始判定は、同期誤差に替えて、以下の情報の状態で行ってもよい。
・外部からの入力信号
・同期開始からの経過時間
・マスタ軸位置
・スレーブ軸位置
・マスタ軸速度
・スレーブ軸速度
・スレーブ軸のサーボ遅れ

図５は本発明に係る数値制御装置で実行される同期制御の処理を示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップｓａ０１］位置制御ゲインの切換えか否か判断し、切換えの場合（ＹＥＳ）にはステップｓａ０２へ移行し、切換えではない場合（ＮＯ）にはステップｓａ０４へ移行する。位置制御ゲインの切換えの判定は、同期誤差、外部からの入力信号、同期開始からの経過時間、マスタ軸位置、スレーブ軸位置、マスタ軸速度、スレーブ軸速度、または、スレーブ軸のサーボ遅れを判定基準とすることができる。

●［ステップｓａ０２］位置制御ゲインを所定量変化させる。
●［ステップｓａ０３］位置制御ゲインに応じてスレーブ軸に対する補正値、例えば、ゲインにより遅れる時間分の補正を算出する。
●［ステップｓａ０４］マスタ軸の実位置を基にスレーブ軸に対する補正値を考慮して、スレーブ軸の同期指令位置を算出する。

●［ステップｓａ０５］スレーブ軸の同期指令位置からスレーブ軸の指令位置までの差分を求め、スレーブ軸の出力移動量を求める。
●［ステップｓａ０６］スレーブ軸の指令位置にステップｓａ０５で求めた出力移動量を加算して求めた値をスレーブ軸の指令位置とする。
●［ステップｓａ０７］ステップｓａ０５で求めた出力移動量を出力する。
●［ステップｓａ０８］同期制御の継続か否か判断し、同期制御を継続する場合（ＹＥＳ）にはステップｓａ０１へ移行し、同期制御を継続しない場合（ＮＯ）には処理を終了する。同期制御の継続の判定は、例えば、プログラムによる指令、外部からの指令に基づいて行うことができる。
なお、上記のフローチャートの処理において、スレーブ軸の同期制御では必要に応じてクランプ制御、加減速制御を行ってもよい。

上述したように、本発明により、同期制御中に位置制御のゲインを切換える機能を有する数値制御装置を提供できる。また、本発明により、位置制御のゲインを高くすることでスレーブ軸のサーボ遅れが減少するため、予想量が小さくなり、マスタ軸の速度変動時でも同期誤差が小さくなる。同期開始時は位置制御のゲインを抑えることでスレーブ軸の動き出しを滑らかにすることができ、同期状態が安定したところからは位置制御のゲインを上げることで、マスタ軸の動きに機敏に追従することができ、同期性能が向上する。例えば、マスタ軸が一定速度状態などのマスタ−スレーブ間の同期状態が安定したとき、位置制御のゲインを徐々に上げていき、同期指令から予想による補正を徐々に減らしていく。

０数値制御装置
２箱
４ビン
６ビン挿入手段
８センサ

１０マスタ軸実位置
１２スレーブ軸指令位置
１４スレーブ軸実位置
１６サーボ遅れ
１８速度変化
２０同期誤差

Claims

マスタ軸の実位置にスレーブ軸の実位置を同期追従させる該スレーブ軸の位置制御を行うために、前記マスタ軸の実位置から前記スレーブ軸に該スレーブ軸のサーボ遅れを考慮した同期位置に対応する位置指令を該スレーブ軸に出力する数値制御装置において、
同期制御中に前記スレーブ軸の位置制御のゲインを所定の物理量に基づいて変化させ、該スレーブ軸の位置制御のゲインの変化量に応じて前記スレーブ軸への位置指令に対する補正値を変動させることを特徴とする数値制御装置。
前記位置制御のゲインは徐々に上げ、それに応じて補正値を徐々に減らすことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記位置制御のゲインは徐々に下げ、それに応じて補正値を徐々に増やすことを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記所定の物理量は、同期誤差、外部からの入力信号、同期開始からの経過時間、マスタ軸位置、スレーブ軸位置、マスタ軸速度、スレーブ軸速度、または、スレーブ軸のサーボ遅れのうちのいずれか一つの情報であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の数値制御装置。