JP5992191B2

JP5992191B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP5992191B2
Application number: JP2012080171A
Authority: JP
Inventors: 知宏柴田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013210809A

Description

本発明は、工作機械等における送り軸（テーブル）の位置制御装置に関する。

工作機械の送り軸において、軸移動方向反転時に高精度に動作させるために各種の試みがなされている。軸移動方向反転時に高精度に動作させるためには、移動方向反転により向きが急に変化する摩擦力が主成分である外乱を補償する必要がある。公知の外乱オブザーバ等で外乱を推測し、軸移動方向反転時にその外乱推測値をトルク指令値に補償することで、移動方向反転により向きが急に変化する摩擦力の外乱の影響が除去できる。その結果、軸移動方向反転時に高精度な送り軸の制御が可能となる。

図３に従来制御のブロック図を示す。モータ１０に取り付けられた位置検出器９の位置検出値Ｐｍをフィードバック値として、位置指令演算器１から出力された位置指令値Ｐｃとの位置偏差Ｐｄｉｆを算出し、速度指令演算部３が位置偏差Ｐｄｉｆに基づき比例ゲインＫｐを乗算し速度指令値Ｖｃを出力する。位置検出値Ｐｍを微分器１３が微分しモータの速度検出値Ｖｍを出力する。速度指令値Ｖｃとモータの速度検出値Ｖｍの偏差を減算器４により求め、速度偏差として出力する。この速度偏差と速度ループ比例ゲインＰｖと速度ループ積分ゲインＩｖに基づき速度偏差比例演算器５と速度偏差積分演算器６がそれぞれ速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を出力し、加算器７が速度偏差比例成分と速度偏差積分成分を加算しトルク指令値Ｔｃを出力する。モータ位置検出値Ｐｍを２回微分比例演算器２０が２回微分し、イナーシャ値を乗じて駆動トルクＴａを出力する。この駆動トルクＴａと前記トルク指令値Ｔｃの偏差を減算器２１より求め、ローパスフィルタ２２においてローパスフィルタ処理し、外乱トルク絶対値｜Ｔｆ｜を算出する。微分器１４は前記位置指令値を微分し、符号演算器１５が符号反転タイミングすなわち軸移動方向反転を検出し、符号を出力する。この符号と外乱トルク絶対値｜Ｔｆ｜を乗算器１８が乗じ、外乱トルクＴｆを算出し、加算器２３でトルク指令値Ｔｃに加算し、補償後トルク指令値Ｔｃ’を出力する。記号８は、補償後トルク指令値Ｔｃ’をフィルタリングする各種のフィルタ部と電流制御部を示す。

軸移動反転時に外乱トルクを加算するため、移動方向反転によりその方向が急峻に変化する摩擦力が主成分である外乱を補償でき、高精度に制御することができる。

特許第４１１５９１６号公報

図３に示した従来技術において、微少な範囲の位置を低速で繰り返し軸方向反転動作をさせた場合、送り軸の摺動面の潤滑油が少なくなり摩擦力が増大しても、動作が低速であるため、位置検出値を２回微分する前記外乱オブザーバが正確に外乱の大きさを検出できず、移動方向反転時に高精度な送り軸の制御ができない。図５に摺動面が初期状態と摩擦力が増大した場合の位置指令値Ｐｃが反転する際の摩擦力、外乱トルクＴｆ、位置偏差Ｐｄｉｆの特性例を示す。点線で示すように摩擦力が図中aの大きさまで増大した際に、摩擦力は速度が低くなるほど大きくなるが、速度が低い状態では位置検出値の変化量が小さく、前記外乱オブザーバは、前記位置検出値を２回微分するため、分解能が低くなり正確に外乱の大きさを検出できず（図中ｂ参照）、補償値がずれ、位置偏差Ｐｄｉｆが大きくなり、高精度な送り軸の制御ができない。また、潤滑油が少ない状態で軸動作させるため、摺動面に大きな負荷がかかり、摺動面を傷め機械寿命を短くする場合もあった。

上記課題を解決するために、本発明に係る駆動対象を正逆両方向に駆動可能な送り軸の位置制御装置は、移動の向きが頻繁に変わる、つまり一方向に連続して移動する距離が短く、これを繰り返す場合（以下、反復短距離移動と記す。）に、この反復短距離移動が継続している間の移動した経路の長さと、反復短距離移動が継続している間の移動の向きが反転した位置からの距離の最大値と、に基づき、駆動トルクの補償量を算出する。

より具体的には、まず、前記の反復短距離移動の開始点として、駆動方向が反転したときの位置を設定する。この位置を基準位置と記す。この基準位置は、解除条件が満たされるまで維持され、解除条件が満たされると基準位置は解除される。この解除条件は、一方向に連続して移動する距離が所定の値を超えることである。解除後、新たに駆動方向の反転が検出されると、このときの位置を新たに基準位置に設定する。基準位置が設定された時点から駆動対象が移動した経路の長さである移動経路長を算出する。一方、移動の向きが反転した位置から駆動対象が最も離れた距離が監視され、この距離のうち、前記基準位置が設定されてからの最大の値である最大離隔距離を算出する。そして、算出された移動経路長および最大離隔距離に基づき駆動トルクの補償量を算出する。

好ましくは、前記移動経路長が大きいとトルク補償量が増加するようにし、また前記最大離隔距離が小さいとトルク補償量が増加するようにする。

また、前記解除条件を、駆動対象が１方向に連続して移動する距離が、送り軸の摺動面に設けられた油溝の１ピッチを超えることとすることが好ましい。

さらに、前記移動経路長が所定値を超えると、これを報知することが好ましい。

本発明による位置制御装置によれば、微少な範囲の位置を低速で繰り返し軸方向反転動作をさせた場合、送り軸の摺動面の潤滑油が少なくなり摩擦力が増大しても、移動経路長、最大離隔距離に応じて駆動トルクの補償量を変更できるため、高精度な送り軸の制御ができる。さらに、潤滑油が少ない状態で軸動作させた場合に、その状態を表示できるため、摺動面に大きな負荷がかかり、摺動面を傷め機械寿命を短くすることもなくなった。

本発明の実施形態を示すブロック図である。本実施形態の補償トルク出力器を示すブロック図である。従来技術を示すブロック図である。本発明の効果を説明するための図である。従来の実施形態における課題を説明するための図である。

本発明の実施形態について説明する。従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本実施形態の制御ブロック図を図１、２に示す。

微分器１４は、位置指令値Ｐｃを微分し、この微分値に基づき符号演算器１５が符号反転タイミングを検出する。位置指令値の微分値は速度となるので、速度の符号の反転は、駆動対象であるテーブル１１の移動方向、すなわち送り軸の駆動方向が反転したことを意味する。符号演算器１５は、送り軸の駆動の向きを示す符号を出力する。この符号と反転時の摩擦力の外乱の影響を除去するために予め設定した補償トルク値Ｔｆ１６を乗算器１８が乗じ、Ｔｆ’を出力する。位置指令値Ｐｃから補償トルク係数演算器１７が補償トルク係数Ｋｔを出力する。補償トルク係数Ｋｔの算出については後に詳述する。Ｔｆ’と補償トルク係数Ｋｔを乗算器１９が乗じ、補償トルクＴｆｃを出力する。加算器２３でトルク指令値Ｔｃに加算し、補償後トルク指令値Ｔｃ’を出力する。

次に、補償トルク係数演算器１７について説明する。工作機械の摺動面においては、可動部に油溝が等ピッチで設けてあり、可動部が移動することにより油溝に保持されている潤滑油が摺動面に広げられ供給されている。可動部の移動、特に連続する一方向の移動が油溝の１ピッチ以下であるときには、油膜が溝から摺動面へと十分に広がらず、潤滑油が不足気味となる。一方、可動部の連続する移動が油溝の１ピッチを越えると、潤滑油が摺動面に広く供給される。微少な範囲の位置を低速で繰り返し軸方向反転動作する反復短距離移動をさせた場合、送り軸の摺動面の潤滑油が少なくなり摩擦力が増大するが、補償トルク係数演算器１７は、移動経路長および最大離隔距離に応じて最適なトルク指令値となるように補償トルク係数Ｋｔを出力する。移動経路長および最大離隔距離については後に詳述する。可動部の連続する移動が油溝の１ピッチを越え、摩擦力が低減された場合にも最適なトルク指令値となるように、補償トルク演算器１７は補償トルク係数Ｋｔを出力する。

図２には、補償トルク係数演算器１７の詳細構成が示されている。補償トルク係数演算器１７は、位置指令値Ｐｃを入力とし、移動経路長演算器１７２にて反転後に移動したトータルの距離である移動経路長∫Ｐｃを出力する。最大離隔距離演算器１７１は、軸移動方向が反転してから移動した距離のうち、移動経路長∫Ｐｃの積算が継続している間の最大の値である最大離隔距離ΔＰｃを出力する。補償トルク係数演算部１７３は、移動経路長∫Ｐｃと最大離隔距離ΔＰｃから、移動経路長∫Ｐｃが大きくなった場合には前記補償トルク係数Ｋｔとして大きな値を、最大離隔距離ΔＰｃが小さい場合は大きな値を出力する。さらに、最大離隔距離演算器１７１は、最大離隔距離ΔＰｃが予め設定した値を超えた場合には、移動経路長∫Ｐｃを０リセットするための信号∫ｒｓｔを出力し、移動経路長演算器１７２の移動経路長∫Ｐｃを０リセットする。

移動経路長演算器１７２の詳細は次のとおりである。位置指令値Ｐｃを微分器１７ｉで微分した値を絶対値化器１７ｆが絶対値化し、その値を積算器１７ｊが積算し、その積算値∫Ｐｃを出力する。積算器１７ｊの積算値は、信号∫ｒｓｔにより０リセットされる。この０リセット信号∫ｒｓｔは、積算の開始時点、または積算の基準位置を定める信号であり、積算値∫Ｐｃは、基準位置から、または基準位置が設定されてから駆動対象が移動した経路の長さを示す。この積算値∫Ｐｃが前述の移動経路長∫Ｐｃである。

最大離隔距離演算器１７１の詳細は次のとおりである。符号演算器１７ａは、位置指令値Ｐｃを微分する微分器１７ｍの出力より軸移動方向が反転する符号変化点を検出する。ラッチ回路１７ｂは、符号演算器１７ａが検出した符号変化点における位置指令値Ｐｃｃを軸移動方向が反転したときの位置指令値としてラッチする。つまり、位置指令値Ｐｃｃは、最新の、駆動対象の駆動方向が反転した位置（反転位置）を表す。この反転位置は、駆動対象である可動部の移動の向きが反転するごとに更新される。

軸移動方向が反転した位置である反転位置からの距離として、ラッチされた位置指令値Ｐｃｃと現時点での位置指令値Ｐｃとの差を減算器１７ｃが算出する。算出値を丸め器１７ｎが係数１７ｇの大きさの範囲内となるように丸め処理し、絶対値化器１７ｏで絶対値化することで、係数１７ｇで丸められた、基準位置からの絶対値化された距離であるΔＰｃ’を算出する。比較器１７ｅは、ΔＰｃ’と遅延器１７ｄに保持されたΔＰｃの前回値とを比較し、大きい値を最大離隔距離ΔＰｃとして出力する。また、遅延器１７ｄに保持されている最大離隔距離ΔＰｃの前回値は、ラッチ回路１７ｂのラッチタイミングで、係数１７ｇより大きい場合には、比較器１７ｐがリセット信号を出力し、０クリアされる。すなわち、最大離隔距離ΔＰｃは係数１７ｇを超えない場合は、過去の履歴のうち一番大きい距離を出力し、係数１７ｇを超えた場合は、０クリアされる。また、最大離隔距離ΔＰｃが係数１７ｇを超えると、比較器１７ｈは、０リセット信号∫ｒｓｔを積算器１７ｊに出力し、この０リセット信号により前述したように移動経路長∫Ｐｃが０リセットされる。

移動経路長演算器１７２において、積算器１７ｊは、０リセット信号∫ｒｓｔが出力されるまで、速度の絶対値の積算を継続する。前述のように、０リセット信号は、最大離隔距離ΔＰｃが、係数１７ｇを超えると出力される。可動部の移動の向きが０リセット信号出力後もそのまま維持されていると符号は変化しないので、ラッチ回路１７ｂは以前の位置指令値Ｐｃｃを維持する。したがって、最大離隔距離ΔＰｃはその後も大きくなり、０リセット信号∫ｒｓｔが引き続き出力され、移動経路長∫Ｐｃの実質的な積算は開始されない。移動体の移動の向きが反転すると、その時点でラッチ回路１７ｂは新たな位置指令値Ｐｃｃをラッチする。このラッチのタイミングで、比較器１７ｐが最大離隔距離ΔＰｃと係数１７ｇの比較を行う。前記のように最大離隔距離ΔＰｃは、最初に０リセット信号∫ｒｓｔが出力されたときよりも大きくなっているから、遅延器１７ｄの値を０リセットする。これにより、比較器１７ｅの出力は、ラッチされた位置指令値Ｐｃｃと、現在の位置指令値Ｐｃの差分となる。この時点は、位置指令値がラッチ回路１７ｂでラッチされた直後であるから、その差分は係数１７ｇに比して小さく、０リセット信号∫ｒｓｔが出力されなくなる。これにより、移動経路長∫Ｐｃの積算が開始される。したがって、最大離隔距離演算器１７１は、可動部の反転を検出し、この反転の位置を移動経路長演算部１７２における移動経路長の積算の基準位置として設定する。この基準位置は、最大離隔距離ΔＰｃが係数１７ｇを超えるまで維持され、超えると解除される。

最大離隔距離ΔＰｃは、比較器１７ｅにおいて今回と前回の値の大きい方の値であるので、ラッチ回路１７ｂにラッチされている反転位置から可動部が最も離れたときの距離を表している。ただし、最大離隔距離ΔＰｃの前回値は、最大離隔距離ΔＰｃが係数１７ｇを超えると０リセットされるので、最大離隔距離ΔＰｃは、前回０リセットされたときからの最大値を表す。比較器１７ｐの参照値ｒｅｆ１は、比較器１７ｈの参照値ｒｅｆ１と同じであるので、最大離隔距離ΔＰｃの前回値が０リセットされるのと、移動経路長演算器１７２の移動経路長∫Ｐｃが０リセットされるのとは、同じタイミングとなる。

補償トルク係数演算部１７３は最大離隔距離ΔＰｃと移動経路長∫Ｐｃから補償トルク係数Ｋｔを出力する。補償トルク係数演算部１７３の具体例を示す。最大離隔距離ΔＰｃと移動経路長∫Ｐｃから補償トルク係数Ｋｔを出力する例を図２の符号１７３にて説明する。ΔＰｃをパラメータとして∫Ｐｃに対する補償トルク係数Ｋｔ値のテーブル又は関数を予め準備しておく。ΔＰｃにa＜ｄ＜ｂの範囲のｄが入力された場合は、ａ、ｂそれぞれの値におけるＫｔ（ａ）、Ｋｔ（ｂ）の値より直線補間によってＫｔ（ｄ）を算出する。

最大離隔距離ΔＰｃが小さい場合（例えばΔＰｃ＝ａ）、すなわち微少な位置範囲で移動する場合、移動経路長∫Ｐｃが大きくなると、送り軸の摺動面の潤滑油が少なくなるため摩擦力が増大する。しかし、補償トルク係数演算部１７３が１以上の補償トルク係数Ｋｔを出力するため、増大した摩擦力に対する補償を実施したトルク指令値Ｔｃ’が出力される。このため、高精度な送り軸の制御ができる。工作機械の摺動面においては、可動部に油溝が等ピッチで設けてあり、可動部が移動することで摺動面全体に潤滑油を供給し、摺動面の焼き付きを防止している。よって、係数ｒｅｆ１を摺動面の油溝の１ピッチに対応して設定しておくことで、移動の向きの反転後に、反転することなく油溝１ピッチ分移動体が動くと、ΔＰｃがｒｅｆ１を超えるので摺動面全体に潤滑油がいきわたる。この油溝１ピッチ分移動により、摩擦力が小さくなった場合には、移動経路長∫Ｐｃが０リセットされるため、補償トルク係数演算部１７３は補償トルク係数Ｋｔとして１を出力し、過補償となることはない。図４に摺動面が初期状態と摩擦力が増大した場合の位置指令値Ｐｃが反転する際の摩擦力、外乱トルクＴｆ、位置偏差Ｐｄｉｆの特性例を示す。点線で示すように摩擦力が図中aの大きさまで増大した際に、補償トルクＴｆｃは図中ｂのように図中ａと同等の大きさを出力する。よって、摩擦力と補償値が大きくずれることがなく、位置偏差Ｐｄｉｆが小さくなり、高精度な送り軸の制御が可能となる。

比較器１７ｌは、移動経路長∫Ｐｃが予め設定した係数ｒｅｆ２を超えた場合に、動作状態が機械の許容駆動条件を超えていることを検出し、その状態を表示する。その結果、潤滑油が少ない状態で軸動作させた場合に、摺動面に大きな負荷がかかり、摺動面を傷め機械寿命を短くすることもなくなった。

１位置指令演算器、２，４減算器、３速度指令演算部、５速度偏差比例演算器、６速度偏差積分演算器、７加算器、８各種フィルタ部，電流制御部、９モータ位置検出器、１０モータ、１１テーブル、１２ボールネジ、１３，１４微分器、１５符号演算器、１６補償トルク値、１７補償トルク係数演算器、１７１最大離隔距離演算器、１７２移動経路長演算器、１７３補償トルク係数演算部、１７ａ符号演算器、１７ｂラッチ回路、１７ｃ減算器、１７ｄ遅延器、１７ｅ，１７ｈ，１７ｌ，１７ｐ比較器、１７ｆ，１７ｏ絶対値化器、１７ｇ，１７ｋ係数、１７ｉ，１７ｍ微分器、１７ｊ積算器、１７ｎ丸め器、２０演算器、２１減算器、２２ローパスフィルタ。

Claims

駆動対象を正逆両方向に駆動可能な送り軸の位置制御装置であって、
駆動方向の反転を検出し、このとき駆動対象の位置を基準位置として設定し、所定の解除条件が満たされるまで、この基準位置を維持する、基準位置設定部と、
基準位置が設定されてからの、駆動対象が移動した経路の長さである移動経路長を算出する移動経路長算出部と、
駆動方向の反転を検出し、このときの駆動対象の位置である反転位置から駆動対象が最も離れたときの、反転位置と駆動対象の距離のうち、前記基準位置が設定されてからの最大の距離である最大離隔距離を算出する最大離隔距離算出部と、
前記移動経路長が大きいほど、また前記最大離隔距離が小さいほど、より大きく、かつ前記移動経路長が０のとき以上の、送り軸の駆動トルクの補償量を算出する補償量算出部と、
を有し、
前記解除条件は、前記反転位置から駆動対象が最も離れたときの、反転位置と駆動対象の距離が送り軸の摺動面に設けられた油溝の１ピッチを超えることである、
位置制御装置。
請求項１に記載の位置制御装置であって、前記移動経路長が所定値を超えると、これを報知する報知部を有する、位置制御装置。