JP5972553B2 - 位置決め制御装置、これを備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、移動体を移動させる送り装置を制御する位置決め制御装置、これを備えた工作機械に関する。

従来、送り装置を制御する位置決め制御装置は、工作機械、実装機、マウンターなど、高精度の位置決め制御を必要とする装置に搭載されている。工作機械における一般的な送り装置は、移動体を案内する案内機構部と、移動体を移動させる駆動機構部とを備えて構成され、この駆動機構部の作動が制御装置によって制御される。

前記案内機構部としては、例えば、滑り案内機構や転がり案内機構からなる構成が挙げられ、前記駆動機構部としては、ボールねじと、このボールねじに螺合し、且つ前記移動体に固設されるナットと、ボールねじをその軸中心に回転させて前記移動体を当該ボールねじの軸方向に移動させる駆動モータとからなる構成が一例として挙げられる。

前記位置決め制御装置は、前記移動体の目標移動位置を基に制御信号を生成し、生成した制御信号を基にした駆動電流を駆動モータに送信して、当該駆動モータを駆動する。これにより、ボールねじが軸中心に回転され、移動体が目標移動位置に移動される。

このような制御装置においては、従来、一般的に、移動体の目標移動位置と実移動位置との間に生じる追従誤差を補償するために、駆動モータの回転速度及び駆動モータの回転位置、駆動モータに送られる実電流などを監視して制御する、所謂フィードバック制御が採用されている。そして、より高度なフィードバック制御を行う制御装置として、特許第４０１４１６２号公報に開示されるような位置制御装置も提案されている。

この位置制御装置は、駆動モータの回転位置及び回転速度に基づく一般的なフィードバック制御を行なうとともに、移動体速度，移動体位置，駆動モータの回転速度及び駆動モータの回転位置の４つの情報が関与する関数に基づいた統合フィードバック値を制御信号にフィードバックして、送り駆動系内で生じる追従誤差を補償するように構成されている。

特許第４０１４１６２号公報

ところで、上述した工作機械において高精度な加工を実現するためには、前記移動体の位置を、送り装置外に設定された基準位置（例えば、移動体に工具が装着され、適宜構造体にワークが取り付けられる場合にはワークの位置）に対して正確に位置決めしなければならない。

ところが、上記従来の制御装置では、特許第４０１４１６２号公報に開示される制御装置を含め、送り装置を支持する構造体（例えば、ベッドやフレーム）が慣性空間内で無限の強度を持つ完全剛体であるとみなし、かかる構造体に一切変形が生じないものとして、送り装置内で生じる追従誤差についてのみ補償していた。

実際のところ、現実的には完全な剛体はあり得るものではなく、前記移動体を移動させる時の加減速によって生じる反力によって、前記構造体には必ず変形（変位）が生じる。そして、かかる変形は、工具がワークを加工する軌跡に誤差を生じさせ、その値が所望の位置決め精度（例えば、数μｍ単位の位置決め精度）を遥かに下回る程度の極僅かな変形である場合には問題ないが、所望の位置決め精度を上回る大きな変形である場合には、例え、送り装置自体の位置決め精度を高めても、前記基準位置に対する移動体の位置決め精度は不満足なものとなり、高精度な加工を行うことができない。

そこで、この変形量がどの程度のものであるかを考察する。

図９に、移動体５０、この移動体５０を移動させる送り装置５１、及び送り装置５１を支持する構造体６０から構成される機構を物理モデルとして図示した。尚、図中、符号５２は駆動モータ、符号５３は駆動モータ５２の出力軸に直結されるボールねじである。また、構造体６０は地面６５上に載置されるものとし、移動体５０は地面６５に対して位置決めされるべきものであるとする。

また、この物理モデルにおいて、構造体６０は完全な剛体ではないので地面６５との間をバネ（定数Ｋ_２）及びダンパ（定数Ｃ_２）を介して接続された構成として近似され、移動体５０と構造体６０とはボールねじを介して接続される。ボールねじもまた、剛体ではないので、バネ（定数Ｋ_１）及びダンパ（定数Ｃ_１）が内装されているものと近似する事で、移動体５０は、構造体６０とバネ（定数Ｋ_１）及びダンパ（定数Ｃ_１）を介して接続されるものと近似する事ができる。

斯くして、この物理モデルでは、移動体５０の質量をＭ_１、構造体６０の質量（実際の構造体の振動変形に寄与する等価質量）をＭ_２、移動体５０の静的変位をｘ_１、移動体５０の加速度をｘ_１ ^’’、構造体６０の静的変位をｘ_２とすると、力Ｆの釣り合いから次式数式１及び２が導かれる。数式１及び２においてＫ_２は弾性定数である。尚、前記定数Ｃ_２の最大変位への影響は現実問題としてそれほど大きくないので、簡単化の為に省略する。また、ボールねじ側の変形分も、リニアスケール等を構造体に貼ることによる従来のフルクローズドフィードバック制御により補償されるので、省略する事とする（ｘ_１”は変位ｘ_１の時間による二階微分を表す）。

（数１）
Ｆ＝Ｍ_１×ｘ_１”＝Ｋ_２×ｘ_２

（数２）
ｘ_２＝Ｆ／Ｋ_２

また、この物理モデルの固有角振動数ωは次式数式３で表せる。

（数３）
ω＝（Ｋ_２／Ｍ）^１／２
ここで、Ｍ＝Ｍ_１＋Ｍ_２

そして、数式３を変形すると、次式数式４となる。
（数４）
Ｋ_２＝ω^２×Ｍ

斯くして、構造体６０の変位ｘ_２は、数式２及び４から次式数式５によって算出される。
（数５）
ｘ_２＝Ｆ／（ω^２×Ｍ）

因みに、Ｍ_１＝Ｍ_２と仮定して、一般的な固有周波数からｆ_ｃ＝５０Ｈｚ（ω＝２πｆ_ｃ）、駆動モータ５２の加速度は、一般的な工作機械の加速性能からｘ_１”＝４ｍ／ｓｅｃ^２とすると、加速時の構造体６０の変位ｘ_２は、上式数式５から、ｘ_２＝４／〔（２π×５０）^２×２〕≒２０×１０^−６ｍ＝２０μｍとなる。

このように、移動体５０の移動に伴って生じる構造体６０の変位ｘ_２は、近年求められる位置決め精度（例えば、数μｍ単位の位置決め精度）を遥かに上回る大きなものとなる。したがって、従来のように、送り装置自体の位置決め精度をいくら高めたとしても、工作機械全体としての位置決め精度、即ち、前記基準位置に対する移動体の位置決め精度は、上記構造体の変形誤差による影響を受ける事から、位置決め精度不良を免れる事は出来ない。

その為、従来までは、数式５で表される変形量を抑える為に、移動加速度に制限を加えたり、構造体の剛性を上げたりする事が行われていたが、これは工作機械の加工速度を遅くし、機械自体を重く大きな構造とせざるを得ない事から、この点に対する改善が望まれていた。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたもので、移動体を駆動する送り装置の加速性能を損なうことなく、その基準位置に対する位置決め精度を高めることができる位置決め制御装置、これを備えることにより従来に増して高精度な加工を行うことができる工作機械の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
移動体と、
前記移動体を予め設定した送り軸方向に案内する案内機構部、及び前記移動体を移動させる駆動機構部を有する送り装置と、
前記送り装置を支持する構造体と、
前記駆動機構部の作動を制御して、予め設定した基準位置に対する前記移動体の移動位置を制御する制御装置とを備えた位置決め制御装置において、
前記構造体の変位に起因した前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位を導出する導出部と、
前記導出部により導出された変位データを受信して、前記変位を打ち消すための修正データを、前記制御装置における前記駆動機構部を制御するための制御信号に加算する加算部とを設けて構成した位置決め制御装置に係る。

この位置決め制御装置によれば、移動体を駆動機構部により案内機構部に沿って移動させる際に、構造体の変位に起因した送り装置の変位であって、基準位置に対する送り軸方向における変位を導出部によって導出し、加算部によってこの導出された変位データに基づく変位を打ち消すための修正データを制御信号に加算する。

したがって、前記制御信号は、構造体の変位が補償された制御信号となり、この制御信号により駆動機構部の作動を制御するため、構造体の変位が補償されていなかった従来の位置決め制御装置と比較して、より正確に移動体の移動位置を制御することができる。

更に、構造体の変位を補償することで、移動体を移動させる際に、加速度を抑えて当該構造体の変形（振動）を抑制するといった制御が不要となり、送り装置の加速性能を最大に生かした運動制御を実現することができ、移動体の移動時間の短縮化を図ることができる。

尚、参考的には、前記導出部は、前記構造体の変位に起因した、前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位を直接または間接的に測定し、予め設定した時間間隔で出力する構成を採ることができる。

この構成によれば、前記構造体の変位に起因した、前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位が測定され、この測定結果に基づいて前記変位が導出される。そして、導出された前記変位が、予め設定した時間間隔で前記加算部に送信される。これにより、構造体の変位が的確に補償される。

前記送り装置の変位を直接測定するセンサとしては、近接センサ，各種リニアエンコーダや光学的センサといった変位センサを挙げることができ、加速度センサを用いる場合には、得られた加速度を二重積分することによって間接的に位置を算出した後、得られた位置と元位置との差から変位を推定することができる。この他に、前記構造体の変形を代表する部位の部分的な変位量を測定することで、当該送り装置の変位を間接的に測定することができ、このようなものとしては、例えば、構造体のひずみを検出するひずみゲージを挙げることができ、この場合、検出したひずみから構造体、言い換えれば、送り装置の変位を推定することができる。

本発明において、前記導出部は、前記移動体に加えられた力または前記移動体の加速度の少なくとも一方と前記構造体の加速度とを直接または間接的に測定し、前記構造体の運動方程式に基づいて、前記構造体の変位に起因した前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位を導出し、予め設定した時間間隔で出力する。

上記の構成において、前記移動体に加えられた力については、作用反作用の関係として、前記移動体が加減速する際に前記構造体にかかる反力と同じ大きさになるので、前者に代えて後者を測定してもよい。

上記の構成によれば、前記移動体に加えられた力または前記移動体の加速度の少なくとも一方と前記構造体の加速度とが直接または間接的に測定され、これら測定値と前記構造体の運動方程式に基づいて、前記構造体の変位に起因した前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位が簡便かつ精度良く導出される。

すなわち、前記移動体に加えられた力または前記移動体の加速度の少なくとも一方と前記構造体の加速度とを直接または間接的に測定するだけで、前記構造体の変位に起因した前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位が導出される。そして、導出された前記変位が、予め設定した時間間隔で前記加算部に送信される。これにより、構造体の変位を的確に補償することができる。
前記変位ｘは、下式によって算出する。
ｘ＝ｆ／Ｋ−ｘ”／ω^２
但し、ｆは、前記構造体に作用する力であり、前記移動体に加えられた力に対する反力である。また、Ｋは、前記構造体の弾性定数であり、ωは、前記構造体の固有角振動数である。また、ｘ”は、前記構造体の加速度である。

また、上記課題を解決するための本発明は、
前記位置決め制御装置を備え、前記移動体に工具またはワークが装着されることを特徴とする工作機械に係る。

上記の構成によれば、前記位置決め制御装置の作用効果により、工作機械において、より正確に移動体の移動位置を制御することができるとともに、送り装置の加速性能を最大に生かした運動制御を実現することができ、移動体の移動時間の短縮化を図ることが可能となる。

以上のように、本発明に係る位置決め制御装置、これを備えた工作機械によれば、従来と比較して、送り装置による位置決めをより高精度に行うことができる。更に、送り装置の加速性能を最大に生かした運動制御を実現することができ、移動体の移動時間の短縮化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械を示す概略図である。 本実施形態に係る制御装置を示す概略図である。 上記制御装置の他の構成例を示す概略図である。 図１の送り装置を上面からみた構成を示す概略図である。 構造体に生じる変形を説明するための説明図である。 本発明の他の実施形態に係る制御装置を示す概略図である。 工作機械の側面態様を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る制御装置を示す概略図である。 従来の問題点を説明するための説明図であって、送り装置とこれを支持する構造体を物理モデルとして表した説明図である。

〔１，参考的形態〕
以下、本発明の参考的形態につき、図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、本例の工作機械１は、上辺部２ａ，下辺部２ｂ，左垂辺部２ｃ及び右垂辺部２ｄからなる正面視ロの字状を有し、その下辺部２ｂの上面にワークＷが載置される構造体２と、この構造体２の上辺部２ａの上面に配設された送り装置３と、前記送り装置３によりその送り軸方向（図１の矢示方向）に移動される移動体１２と、前記送り装置３の作動を制御する制御装置２０と、前記左垂辺部２ｃの外方側面に設けられ、当該構造体２の上端部（即ち、前記上辺部２ａ）の矢示方向における変位（以下、単に「変位」という）を間接的に検出する変位検出器１１と、この変位検出器１１によって検出されたデータを基に送り装置３の変位量を算出する変位算出部２８と、変位算出部２８によって算出されたデータを基に、当該変位を打ち消すような修正データを前記制御装置２０の制御信号に加算する位置加算部２７と、位置加算部２７からの出力を速度制御部２５に入力するときに微分処理を行う微分器２９とから構成される。

尚、図２では、変位算出部２８からのデータを基に、当該変位を打ち消すような修正データを前記制御装置２０の制御信号に加算する位置加算部２７の構成を説明しているが、これに代えて、図３に示すように、変位算出部２８からのデータを基に、当該変位を打ち消すような修正データを、位置生成部２３にフィードバックするとともに、前記位置生成部２３で生成される指令値に加算するようにして位置補償を行ってもよい。

図１は、本実施形態に係る工作機械１（位置決め制御装置）を簡易的なモデルとして表したものであり、また、本例では、前記移動体１２に工具またはワークが装着されることを想定しているが、以下では特に工具が装着されたいわゆる工具主軸を例に挙げて説明する。また、本実施形態においては、前記変位検出器１１と変位算出部２８とから導出部が構成される。

前記送り装置３は、前記移動体１２を矢示方向に移動自在に支持する案内機構部４と、前記移動体１２を移動させる駆動機構部６とからなる。

前記案内機構部４は、前記構造体２の上辺部２ａの上面に、前記矢示方向に沿って平行に配設された２本のガイドレール５ａと、このガイドレール５ａにそれぞれ係合され、これに案内されて移動する２つのスライダ５ｂとから構成され、各スライダ５ｂ上に載置，固定された前記移動体１２の矢示方向への移動を案内する。

また、前記駆動機構部６は、前記２本のガイドレール５ａ間にこれに沿って配設されたボールねじ７と、前記上辺部２ａの上面に固設され、前記ボールねじ７の両端部をそれぞれ回転自在に支持する支持部材８と、同じく前記上辺部２ａの上面に固設され、前記ボールねじ７をその軸中心に回転させる駆動モータ９と、前記ボールねじ７に螺合し且つ前記移動体１２の下面に固設されたナット１３と、前記移動体１２の矢示方向における位置を検出する位置検出器１０とから構成される。

このような前記案内機構部４と前記駆動機構部６とからなる送り装置３の構成を上面からみると、図４のようになる。同図において、移動体１２は、ボールねじ７の回転に従って図中矢印方向に摺動することができる。

前記位置検出器１０は、例えば、前記駆動モータ９に取り付けたロータリエンコーダから構成され、逐次、即ち、予め設定された時間間隔（サンプリング間隔）で検出した移動体１２の位置データを後述する位置加算部２７に送信するとともに、検出した位置データを微分して得られる速度データを同じサンプリング間隔で後述する速度指令信号に加算する。

尚、前記位置データを検出する手段としては、上記のロータリエンコーダに限られるものではなく、例えば、移動体１２の位置を直接検出するリニアエンコーダなどでも良い。

前記制御装置２０は、図２に示すように、加工プログラム記憶部２１，プログラム解析部２２，位置生成部２３，位置制御部２４，速度制御部２５、電流制御部２６、微分器２９から構成され、前記移動体１２の矢示方向における移動位置を制御する。

前記加工プログラム記憶部２１は、予め作成された加工プログラムを記憶する機能部であり、記憶された加工プログラムを前記プログラム解析部２２へ送信する。

前記プログラム解析部２２は、前記加工プログラム記憶部２１から受信した加工プログラムを解析して、前記送り装置３の送り速度や移動位置などに関する指令を抽出し、抽出した指令を前記位置生成部２３へ送信する。

前記位置生成部２３は、プログラム解析部２２から受信した信号を基に予め定められた時定数を加味して送り装置３の時間あたり（予め設定された時間あたり）の移動目標位置に関する信号（制御信号たる動作指令信号）を生成し、これを前記位置制御部２４へ逐次送信する。

前記位置制御部２４は、前記位置生成部２３から送信される動作指令信号と、前記位置加算部２７から送信される位置データとの偏差（即ち、位置生成部２３からの動作指令信号に位置加算部２７からの位置データ（修正データ）を加算して得られる動作指令信号）に基づいて速度指令信号を生成し、生成した速度指令信号を前記速度制御部２５へ送信する。

前記速度制御部２５は、前記位置制御部２４から送信される速度指令信号と、前記位置検出器１０から送信（フィードバック）される実際の速度データとの偏差に基づいて電流指令信号を生成し、生成した電流指令信号を前記電流制御部２６へ送信する。

また、前記電流制御部２６は、前記速度制御部２５から送信される電流指令信号と、フィードバックされる実際の電流信号との偏差に基づいた駆動電流信号を前記駆動モータ９に送信する。そして、かかる駆動電流によって駆動モータ９の作動が制御される。

前記変位検出器１１はひずみゲージから構成される。この変位検出器１１は、前記移動体１２が移動することにより生じる構造体２の左垂辺部２ｃのひずみを、前記サンプリング間隔で検出し、検出したひずみに関するデータを前記変位算出部２８に送信する。

前記変位算出部２８は、前記変位検出器１１から送信されたひずみデータを基に、前記構造体２の上辺部２ａの変位を算出し、算出した変位データを位置加算部２７へ送信する。この変位を算出する手法は特に限られるものではないが、例えば、構造力学上の理論を基に前記ひずみデータから算出することができる。複雑な形状のときには、有限要素法等を用いたシミュレーションに基づいた関係式を定義しても良いし、実験データに基づいた関係式を定義しても良い。

また、前記変位は、構造体２の下辺部２ｂに対する上辺部２ａの変位であり、本例では、ワークＷが下辺部２ｂに載置され、送り装置３が上辺部２ａに配設されていることから、ワークＷを基準位置とした送り装置３の矢示方向の変位とみなされる。図５には、一例として、構造体２の上端部が矢示Ａ方向にΔｘだけ変位した、つまり、基準位置に対してΔｘだけ変位した場合を示した。同図によれば、構造体２の矢示Ａ方向における変位Δｘによって、移動体１２とワークＷとの位置関係がΔｘだけずれる様子がわかる。

前記位置加算部２７は、前記位置検出器１０から送信（フィードバック）された移動体１２の実際の位置データと、変位算出部２８から送信された構造体２の変位データ（即ち、送り装置３の変位データ）とを加算して修正データを算出し、算出した修正データを、上記位置生成部２３から出力される動作指令信号に加算する処理を行なう。

以上のように構成された本実施形態の工作機械１においては、まず、加工プログラム記憶部２１に格納された加工プログラムがプログラム解析部２２によって読み出され、当該プログラム解析部２２により加工プログラム中の送り速度や移動位置などに関する指令が抽出され、抽出された指令が位置生成部２３へ送信される。

そして、位置生成部２３は、プログラム解析部２２から送信された信号を基に、動作指令信号を生成して、これを位置制御部２４に送信する。

ついで、位置制御部２４は、受信した動作指令信号を基に速度指令信号を生成して速度制御部２５に送信し、速度制御部２５は受信した速度指令信号を基に電流指令信号を生成して電流制御部２６に送信し、電流制御部２６は受信した電流指令信号を基に駆動指令信号を生成して駆動モータ９に送信し、かかる駆動指令信号によって駆動モータ９が駆動，制御される。

そして、その際、位置検出器１０からフィードバックされる現在速度データによって、速度に関する追従誤差が補償され、実電流信号のフィードバックによって、電流に関する追従誤差が補償される。

また、位置加算部２７では、位置検出器１０からフィードバックされたモータ位置データと、変位算出部２８から送信された変位データとを加算した修正データが算出され、算出された修正データが、前記位置生成部２３から出力される動作指令信号に加算される。

位置生成部２３から出力される動作指令信号と、位置検出器１０からフィードバックされるモータ位置データとの偏差は、送り装置３内における移動体１２の追従誤差に相当するものであり、また、変位算出部２８から送信される変位データは、送り装置３全体の基準位置（本例では、ワークＷの位置）に対する矢示方向（送り軸方向）の変位である。したがって、これら追従誤差と変位とを合算した値が、前記基準位置に対する指令位置と実際の位置との誤差となる。

斯くして、前記位置加算部２７は、移動体１２の追従誤差と、送り装置３全体の基準位置に対する変位とを合算することで、基準位置に対する指令位置と実際の位置との誤差を算出し、この誤差を打ち消すべく、算出した誤差データを修正データとして、前記位置生成部２３から出力される動作指令信号に加算する。そして、このように修正データを加算することで、送り装置３内における移動体１２の追従誤差と、送り装置３全体の基準位置に対する変位が補償される。

上述したように、送り装置３を支持する構造体２は、現実的に見て、完全な剛体ではなく、前記移動体１２を移動させることによって、加速度を落として動作させない限りにおいては、近年の要求位置決め精度（例えば、数μｍ）を遥かに越える大きな変形（変位）を生じる。

本例では、かかる構造体２（言い換えれば、送り装置３）の送り軸方向の変位を測定して、この変位を打ち消すべく移動体１２の位置決め位置を補償しているので、前記基準位置に対する移動体１２の位置決めを、従来に増してより高精度に位置決めすることができ、より高精度な加工を実現することができる。

また、構造体２の変形による送り装置３の変位を補償するようにしたことで、移動体１２を移動させる際に、加速度を抑えて構造体２の変形を抑制するといった制御が不要となり、送り装置３の加速性能を最大に生かした運動制御を実現することができ、移動体１２の移動時間の短縮化を図ることができる。

本例の工作機械１においては、前記構造体２の上端部、つまり送り装置３に極めて近い箇所の変位を送り装置３の変位とみなして、これを間接的に測定する構成としたが、例えば、送り装置３の一部（例えば、駆動モータ９など）の変位を近接センサや加速度センサなどによって直接測定する構成としても良い。

また、前記変位検出器１１としてひずみゲージを例示したが、これに限られるものではなく、加速度センサ，近接センサ，各種リニアエンコーダや光学的センサなどを用いても良い。加速度センサを用いる場合には、得られた加速度を二重積分することによって位置を算出することができ、更に、得られた位置と元位置との差から変位を推定することができる。

また、送り装置３が複数の構造体、例えば３つの構造体２，２’，２”によって複合的に支持され、その送り軸方向において、前記基準位置に対する当該送り装置３の位置が、各構造体２，２’，２”の変位によって変動する場合には、図６に示すように、前記送り軸方向における各構造体２，２’，２”の変位をそれぞれ変位検出器１１，１１’，１１”によって検出し、検出された変位データを前記変位算出部２８に送信して、当該変位算出部２８において、これら変位を総合して前記送り軸方向における前記送り装置３の変位を算出し、算出した変位データを前記位置加算部２７に送信して、当該送り装置３の変位を補償するようにすると良い。

このようにすれば、送り装置３が複雑な支持構造によって支持される場合でも、その基準位置に対する位置を正確に位置決めすることができ、高精度な加工を実現することができる。

図７を用いて、工作機械３０の工具側とワーク側とのそれぞれに変位検出器を設ける例を示す。同図は工作機械３０の側面を模式的に示した図である。同図において、工作機械３０は、基台３１、ワークを支持するワーク支持部３２、工具が取り付けられる主軸３３、主軸３３を駆動する駆動モータ３４、支持アーチ３５からなっており、ワーク支持部３２には図略の送り装置が設けられている。図７において、工具側の代表位置として主軸３３の任意の点に、ワーク側の代表位置としてワーク支持部３２の任意の点に、それぞれ変位検出器を設けるものとする。そうすると、この２つの変位検出器からの検出結果を比較することにより、工具とワークとの相対変位を求めることが可能となる。工具とワークとの間には、モータ駆動による振動等の外乱成分に起因する相対変位が生じうるが、上記のように工具側とワーク側とのそれぞれに変位検出器を設け、得られた相対変位の値を用いて、前記送り装置の変位補償を行えば、このような外乱成分がある場合においても的確に前記送り装置におけるモータ指令値を補償することが可能となる。

また、複数の送り装置を備えた工作機械については、各送り装置について、その送り軸方向の変位をそれぞれ変位検出器によって測定し、各送り装置によって駆動される各移動体の前記基準位置に対する位置をそれぞれ補償するようにするとよい。

また、図８に示すように、前記位置検出器１０から出力される移動体１２の位置データを、前記位置生成部２３から出力される動作指令信号に直接フィードバックするとともに、前記変位算出部２８から出力される変位データ（修正データ）を、前記位置生成部２３で生成される指令値に加算するようにしても良い。この場合、前記位置生成部２３では、構造体２の変位を補償した動作指令信号が生成され、上例と同様の効果が奏される。

また、上例では、前記変位検出器１１におけるひずみの検出時間間隔を、前記位置検出器１０の検出時間間隔と同じ時間間隔としたが、これに限られるものではなく、これより短い間隔や、長い間隔としても良い。短い間隔とする場合には、変位算出部２８において平均化処理などを施して算出した変位データを位置加算部２７に送信するようにすれば良く、長い間隔とする場合には、変位算出部２８において補間処理などを施して算出した変位データを位置加算部２７に送信するようにすると良い。

また、上例では、位置加算部２７及び変位算出部２８を制御装置２０とは別の構成としたが、これら位置加算部２７及び変位算出部２８を制御装置２０内に組み込んだ構成としても良い。

〔２，本発明に係る実施形態〕

次に、本発明に係る実施の形態について説明する。本実施形態は、上述した各参考的形態における変位算出部２８（導出部）が、構造体２の変位に起因した基準位置に対する送り装置３の送り軸方向における変位を直接測定せず（前記変位検出器１１を用いず）、前記移動体に加えられた力または前記移動体の加速度の少なくとも一方と前記構造体の加速度とを測定し、この測定結果と構造体２の運動方程式とに基づいて、前記変位を導出するように構成されたものである。

まず、送り装置３を含む構造体２の系を質量Ｍ_２，弾性定数Ｋとして考えると、構造体２の運動方程式は、数式６で表される（ｘ_２’は変位ｘ_２の時間による一階微分を表し，ｘ_２”は変位ｘ_２の時間による二階微分を表す）。
（数６）
Ｍ_２ｘ_２”＋Ｃｘ_２’＋Ｋｘ_２＝ｆ

ここで、構造体２の変位は、前記実施形態と同様、構造体２の下辺部２ｂに対する上辺部２ａの変位であり、本例では、ワークＷが下辺部２ｂに載置され、送り装置３が上辺部２ａに配設されていることから、ワークＷを基準位置とした送り装置３の矢示方向（図１参照）の変位とみなされる。

数式６において、ｆは移動体を移動させる時の加減速の力が構造体に作用する反力、Ｃは粘性減衰係数を示している。式の簡略化のために、数式６においてＣを０とおくと、数式７が得られる。
（数７）
Ｍ_２ｘ_２”＋Ｋｘ_２＝ｆ
そして、数式７をｘ_２について解くと、次の数式８を得る。
（数８）
ｘ_２＝ｆ／Ｋ−ｘ_２”／ω^２
数式８において、ω＝（Ｋ／Ｍ_２）^１／２であり、これは系の固有角振動数である。

数式８のうち、第２項の構造体２の加速度ｘ_２”は、変位検出器１１を構造体２に設ける代わりに、構造体２に加速度センサを設けることによって簡便に測定できる。構造体２の変位ｘ_２は、前述の通り、加速度センサの出力を二階積分することによっても得られるが、積分計算は誤差が累積するため、加速度センサの出力をそのまま利用する数式８を用いる方が、積分計算より精度よく計算できる。尚、ωは固有角振動数なので一定値であり、どのような方法により求めてもよい。

固有角振動数ωを求める具体的な方法としては、例えば、送り装置３において、移動体１２を固設していたナット部（図４のナット１３）の締結を外し、移動体１２を構造体２と切り離した状態としたうえで、構造体２に力を加えて自由振動させる事により、その固有角振動数ωを計測することが可能である。

数式８のうち、第１項は、前述の通り、移動体１２の加減速時の反力によって生じる変形量である。移動体１２の加減速時の反力は、移動体１２の加減速の為に加えられた力であり、駆動モータ９のトルク値すなわち駆動電流信号ｉに比例するので、数式８の第１項は、駆動モータ９の駆動電流信号ｉに比例することになる。

したがって、両者の比例係数さえ事前に確定しておけば、駆動モータ９の駆動電流信号ｉから、数式８（構造体２の変位）の第１項の値を求めることができる。

上記比例係数を求める具体的な方法としては、例えば、移動体１２を一定加速度（一定トルク、すなわち一定駆動電流信号）で加速し、その時の構造体２の実変位ｘ₂を計測し、平均化処理により第２項の振動成分を取り除く事により、上記比例係数を求める事ができる。

以上のように、構造体２の固有角振動数ωや駆動モータ９の駆動電流信号ｉとの比例関係をあらかじめ調べておくことにより、構造体２の加速度センサや駆動電流信号ｉの値から簡便に構造体２の変位ｘを導出することができる。

尚、上記では、数式８のｆを求めるために、駆動モータ９の駆動電流信号ｉを用いたが、他の方法で構造体２が受ける力ｆを計測してもよい。

例えば、ｆの値の他の求め方としては、移動体１２に加速度センサを取り付け、ｆ=Ｍ_１×ｘ_１”の関係により、その加速度センサの出力ｘ_１”に移動体１２の質量Ｍ_１を乗じて求める方法がある。Ｍ_１は実測してもよいし、前述と同じく実験によりｘ₁”とｆの比例係数として計測してもよい。また、実測によらない場合には、Ｋの値はＣＡＥ解析により計算することも可能である。また、前述の通り、ω＝（Ｋ／Ｍ_２）^１／２は、系の固有角振動数の値に該当するので、停止後の残留振動の周波数測定を実測することやＣＡＥ解析によって求めることができる。

しかしながら、停止後の残留振動の周波数測定を実測する場合、構造体の振動を考慮しない従来の制御系での測定では、前述のωの値は低く計測される。構造体２の変位を補償すると、理想的には、移動体はまったく振動しない状態となる。すなわち、振動残留時で考えると、構造体２の変位を補償すると移動体は動かず、構造体２だけが残留振動している状態になる。この場合の構造体２の振動を考えると、移動体の質量が構造体２の振動に関与していない分だけ固有角振動数ωは高くなる。なぜなら、前述のように、移動体の質量をＭ_１，構造体２の振動に対する等価質量をＭ_２とするとω＝（Ｋ／Ｍ_２）^１／２において、構造体の振動を考慮しない従来の制御系においては、Ｍ_２の部分がＭ＝Ｍ_１＋Ｍ_２に置き換わるため、ω＝（Ｋ／Ｍ）^１／２として計測され、ωの値は小さく計測されるからである。

したがって、停止後の残留振動を用いて、補償に用いる構造体２の変位ｘを正しく導出するためには、前述の残留振動実測によって求められたωの代わりに、上記の分だけ高くなった固有角振動数ωを用いる必要がある。

本発明を工作機械に適用する場合において、ワークも構造体２に支持されている場合（移動体に工具が装着され、適宜、構造体にワークが取り付けられる場合）、ワークも構造体２の下部と一緒に振動しているので、移動体の位置に加えるべき補償量は、数式８による変位ｘの値より小さくてよい（例えば、補償量は変位ｘの３０％程度でもよい）。補償量を変位ｘの何％程度とすべきかは、残留振動時のワークの振幅と構造体２の振幅の比とを計測する事により最適化することができる。

以上のように、本実施形態においては、変位算出部２８（導出部）は、前記変位検出器１１を用いず、前記移動体に加えられた力または前記移動体の加速度の少なくとも一方と前記構造体の加速度とを測定し、この測定結果と構造体２の運動方程式とに基づいて、構造体２の変位を計算し、この変位によって移動体１２の位置誤差を補償するものである。

具体的補償方法としては、上述した各参考的形態と同様であり、変位算出部２８からのデータを基に、当該変位を打ち消すような修正データを前記制御装置２０の制御信号に加算してもよいし（図２参照）、変位算出部２８からのデータを基に、当該変位を打ち消すような修正データを、位置生成部２３にフィードバックするとともに、前記位置生成部２３で生成される指令値に加算するようにして位置補償を行ってもよい（図３参照）。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本発明は、工作機械、実装機、マウンターなど、高精度の位置決め制御を必要とする装置に好適に利用できるものである。

１ 工作機械
２ 構造体
３ 送り装置
７ ボールねじ
９ 駆動モータ
１０ 位置検出器
１１ 変位検出器
１２ 移動体
２０ 制御装置
２１ 加工プログラム記憶部
２２ プログラム解析部
２３ 位置生成部
２４ 位置制御部
２５ 速度制御部
２６ 電流制御部
２７ 位置加算部
２８ 変位算出部
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. 移動体と、
   前記移動体を予め設定した送り軸方向に案内する案内機構部、及び前記移動体を移動させる駆動機構部を有する送り装置と、
   前記送り装置を支持する構造体と、
   前記駆動機構部の作動を制御して、予め設定した基準位置に対する前記移動体の移動位置を制御する制御装置とを備えた位置決め制御装置において、
   前記送り装置により移動体を移動させたときに、前記移動体に加えられた力又は前記移動体の加速度の少なくとも一方と、前記構造体の加速度とを直接又は間接的に測定し、下式に基づいて、前記構造体の変位に起因した、前記基準位置に対する前記送り装置の前記送り軸方向における変位ｘを導出し、予め設定した時間間隔で出力する導出部と、
   前記導出部により導出された変位データを受信して、前記変位を打ち消すための修正データを、前記制御装置における前記駆動機構部を制御するための制御信号である動作指令信号又は速度指令信号に加算する加算部と、を備えていることを特徴とする位置決め制御装置。
   ｘ＝ｆ／Ｋ−ｘ”／ω ^２
   但し、ｆは、前記構造体に作用する力であり、前記移動体に加えられた力に対する反力である。また、Ｋは、前記構造体の弾性定数であり、ωは、前記構造体の固有角振動数である。また、ｘ”は、前記構造体の加速度である。
2. 請求項１に記載の位置決め制御装置を備え、前記移動体に工具またはワークが装着されることを特徴とする工作機械。

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