JP6603805B2 - 機械の動力伝達系の剛性の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械、特に工作機械又は製造機械のリニアガイドに沿った機械コンポーネントの直線運動のための、動力伝達系の剛性を決定する方法に関する。この動力伝達系はモーター測定システムを備えたモーターを含み、そのリニアガイドに機械コンポーネントの位置を決定するための長さ測定システムが付設されており、この機械はその機械コンポーネントの運動をフィードバック制御するための数値制御装置を有している。

本発明はさらに本方法を実施するための数値制御装置並びに機械に関する。

機械、特に工作機械又は製造機械のメーカーは、一つの型式系列の全ての機械が同一のメカトロ的な特性を有するという目標を追求している。偏差は一般に品質欠陥の指標であり、したがって早期の検知が必要である。

機械の操作者は、その機械が引き渡し時と可能な限り同一のメカトロ的な特性を有することを保証したいと希望している。偏差は例えばコンポーネントの故障に起因し、その結果、運転停止時間を生じさせる、又は、工作機械では被加工物の品質低下につながる。

機械のメーカーにとっても、操作者にとっても、機械のメカトロ的な諸特性についての知見は非常に重要な意味を持つ。したがって、機械のメカトロ的な特性を把握し、ないし、チェックするための多くのテストが知られているのは驚くに当たらない。その例は、工具の位置決め精度に関するテスト、摩擦に関するテスト、又は、機械の振動挙動に関するテストである。これらのテストは、相応の測定を行うための、一般には高精度で、したがって相応に高コストの測定器を前提としている。

特許文献１から機械の状態モニタリングの実施が公知である。この場合、機械のダイナミックモデルが提供され、次に、複数のモデルパラメータの数値を決定するためにその機械の周波数分析が行われる。このようにして、その機械の動力伝達系のバネ剛性も求めることができる。

特許文献２から機械の診断方法及び装置が公知であり、この装置を用いて、例えば、工作機械若しくは産業用機械の、部品の摩耗又は増え続ける加工抵抗のような、状態ないし損傷程度の診断を行うことができる。この場合、駆動体が位置フィードバック制御装置により予め決められたように動かされ、この駆動体の位置が第１センサーにより直接に測定され、さらに、駆動体を駆動するサーボモーターの回転位置を検出する第２センサーにより間接的に測定される。これらのセンサー信号の差から、この駆動体の弾性変形が得られ、これに基づいて機械の状態に関する情報が構成される。

欧州特許出願公開第２６９０５１３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０６４３９１Ａ１号明細書

本発明の課題は、機械のリニアガイドに沿った機械コンポーネントの直線運動のための、動力伝達系の剛性を簡単かつ低コストで決定することにある。

この課題は、請求項１に記載された方法ステップを有する方法により解決される。この課題はさらに、本方法を実施するための数値制御装置、並びに、この数値制御装置を備えた機械により解決される。

本発明により、機械、特に工作機械又は製造機械のリニアガイドに沿った機械コンポーネントの直線運動のための、動力伝達系の剛性が決定される。この動力伝達系は、モーター測定システムを備えたモーターを含む。さらに、そのリニアガイドに機械コンポーネントの位置を決定するための長さ測定システムが付設されている。機械コンポーネントの運動のフィードバック制御のために、この機械はさらに数値制御装置を含んでいる。剛性を決定するために、この数値制御装置は先ず、予めその機械コンポーネントに一定の加速を与える。この加速状態中の少なくとも１つの特定の時点で、モーター測定システムで測定された位置値からその機械コンポーネントの位置が導かれる。モーターと機械コンポーネントの間の動力伝達系の伝達比が判っているので、このことが可能である。さらに、これと同一時点で機械コンポーネントの位置が長さ測定システムによっても検出される。次に、両方の測定値から差が求められる。この差は、前もって与えられた加速度、又は、この加速度からＦ＝ｍ×ａという関係式により得られた力、と共に数値制御装置の数値テーブルに格納される。これに加えて、又は、これに代えて、前記力と前記２つの位置測定結果の差の商から生じる、動力伝達系の剛性も数値制御装置に格納することができる。次に、このやり方が、特に、当該動力伝達系に関連する加速領域における剛性が、ないし、機械コンポーネントにとって問題となる質量が、十分に正確に決定されるまで、複数の異なる加速、及び／又は、異なる質量の複数の機械コンポーネントに対して繰り返し行われる。

動力伝達系の剛性は機械の本質的な特性である。特に、機械の寿命期間中の剛性の変化から機械の状態についての価値のある情報を導き出すことができる。最終的に機械のその状態からその機械で作られる被加工物の到達可能な品質を推定することができる。

モーター測定システムにより得られた測定値および長さ測定システムにより得られた測定値は、モーターと動かされた機械コンポーネンとの間の動力伝達系の弾性ないし柔軟性、及び、その結果としてその動力伝達系の剛性を十分に正確に決定することができる精度を有することは明らかである。

モーターの回転運動から機械シャフトの直線運動を生じさせる動力伝達系の剛性がベルト又はギアのような捻じり要素の影響を殆ど受けない、ことは公知である。支配的なのは、直線的な圧縮として現れる剛性である。これはボールネジ駆動機構におけるボールネジ駆動スピンドルの圧縮・引張り剛性、アキシャル軸受けへの直線的な偏差、及び、スピンドルナットの剛性である。工作テーブルを動かす力が、これらの剛性によって導かれる。ラックとピニオンシステムでは、ラックに係合する歯付きベルトが圧縮されると共に、この歯の剛性も付け加わる。

本発明により提供されるメリットは、動力伝達系の剛性を決定するために、元々その機械に備わっている複数のコンポーネントのみが利用されることである。特に、モーター測定システム並びに長さ測定システムは、例えば、工作テーブル、ワークピースホルダーまたは工具ホルダーのような機械コンポーネントの精密な位置決めのために、通常の工作機械には既に備えられている。したがって、その機械の数値制御装置では、元々得られている測定値ないしデータの巧みな処理が行われるだけである。これは機械の操作者にとって決して追加の作業ではない。

理想的なバネとは異なり、機械の動力伝達系では、長さの変化と力との間に線形の関係は生じない。これは逆に云えば、動力伝達系の剛性は力、ないし、長さの変化に依存することを意味する。

好適には、多数回の測定から１つの剛性特性曲線が得られ、数値制御装置に格納される。この代わりに、場合によっては個々の測定値間の中間値を補間法による公知の方法で求めることもできる。

或る特定の機械に対して異なる時点で得られた複数の剛性の比較から、あるいは、同一型式系列の多数の機械の剛性の比較から、当該機械の現在の状態を推定することができる。こうして例えば、剛性の平坦化（Abflachen）から、ボールネジ駆動機構の予張力が低下したことが判る。

機械コンポーネントの運動のための動力伝達系の剛性を求める際に、その機械コンポーネントを動かすために打ち勝つべき摩擦力が擾乱値（Stoergroesse）として現れる。したがって、より正確な剛性を得るために、計算時にこの摩擦力が考慮ないし補償される。工作機械の摩擦力を求めるための公知の方法は、いわゆる真円度テスト（Kreisformtest）に基づく。しかしこの方法は本発明に関しては、複数の駆動軸が常に変化する加速を受ける、という欠点を有する。したがって、本発明に関しては、摩擦力を決定するために真円度テストよりも有利な他の測定方法が提案される。第１の方法では、摩擦力はモーター消費電流の多数回の測定から求められる。この場合、機械コンポーネントは複数の異なる速度で、しかし各測定期間中は一定の速度で、動かされる。こうして多数回の測定により、速度の関数としての摩擦力が求められる。力、質量、加速度および摩擦力の関係はＦ＝ｍ×ａ＋Ｆ_Ｒという式で表される。剛性測定中における加速された運動中の、各時点での機械コンポーネントの速度は既知であるので、各速度に対する摩擦力をも考慮ないし補償することができる。次に、制御装置に、上述した式により決定されたトータルの力ではなく、摩擦を減じた力であるＦ´＝Ｆ−Ｆ_Ｒに基づく値が格納され、ないし、複数の位置測定システムによる測定値の差に割り当てられる。

機械コンポーネントが動かされる速度の関数としての摩擦力を決定するための代案方法は、測定技術によるいわゆるストライベック曲線の決定である。１つの機械軸のストライベック曲線が、様々な速度での、しかし各測定中は一定速度での、軸の運動により決定される。モータートルクから、摩擦に打ち勝つために必要な力が判る。或る特定の速度を有するそれぞれの運動がストライベック曲線上の１つの点となる。摩擦も機械における軸の位置に依存するので、その軸のこのような複数のストライベック曲線を複数の位置の関数として求め、数値制御装置に格納するのが有効である。

総括すると、摩擦の補償により、得られた動力伝達系の剛性はより正確になる。

本発明による剛性の決定に際して、摩擦の他に、慣性モーメントの補償によっても、得られた値の精度を改善することができる。すなわち、消費電流から求められたモーターの力には、機械コンポーネントの直線運動に必要な力だけでなく、全ての回転運動コンポーネント、特にスピンドルの慣性モーメントに打ち勝つための成分が含まれている。この成分も必要に応じて公知の方法により測定技術的に求めることができ、剛性値に関して除去することができる。

モーターにより機械コンポーネントを加速するために必要な力を決定するためには、その機械コンポーネントの質量が既知でなければならない。工作機械では動力伝達系を介して動かされる機械コンポーネントの質量は一般的に既知であり、制御装置に格納されている。その力を計算するためには、次に、各機械コンポーネントのこれらの既知の質量にアクセスすればよい。しかし、特定の機械において、動かされた機械コンポーネントの質量が既知でない場合には、元々備えられている複数のコンポーネントを用いてその質量を測定技術的に求めることができる。この場合の測定は基本的に機械コンポーネントの一定加速度運動におけるモータートルクの決定により行われる。質量を決定する際にも、上述したように摩擦を補償すると有利である。

本発明によるメリットは、得られた動力伝達系の剛性から、及び、特に機械の運転期間中の剛性の変化から、又は、同一型式系列の複数の機械の得られた剛性の比較から、特定の機械のそれぞれの動力伝達系の特性ないし現在の状態を推定することができる、ことである。こうして、例えば、剛性特性曲線の、特にゼロ通過領域における、平坦化から、ボールネジ駆動機構の予張力の低下が判る。予張力が低下すると機械の位置決め精度が悪くなる。これによりその機械で作られる被加工物の品質が影響を受ける。当該機械の数値制御装置が次のようにプログラミングされていると好適である。すなわち、得られた剛性の理想的な剛性からの偏差が記録され、評価され、そして、制御装置がこの評価に基づいて特定の機能を実行するように、プログラミングされていると好適である。これらの機能には、例えば、減少しつつある剛性に関する操作者への通報、アラームの発報、必要な保守の表示、又は、それどころか当該機械の停止、が含まれる。好適には、選択された機能は、理想値に対する剛性の偏差の大きさに依存する。さらに、好適に、数値制御装置のフィードバック制御挙動を、例えば、最大可能加速のための値、または、最大可能な急激な動きのための値を引き下げることにより、得られた、減少した剛性に自動的に適合することもできる。

本発明を以下、実施例に基づき詳細に説明する。

工作機械の動力伝達系 前記動力伝達系の剛性特性曲線 摩擦を算定し補償するためのストライベック曲線 本発明による方法を実施する際の方法ステップ

図１は工作機械の動力伝達系を模式的に例示する。これには、カップリング２および歯付きベルト３を介して、機械ベッド４に固定されたボールネジ駆動機構５を駆動する回転サーボモーター１が含まれている。このボールネジ駆動機構５はモーターの回転運動を、スピンドルおよびナットを介して、工作テーブル７の並進運動に変換する。工作テーブル７の運動を精密にガイドするために、複数のリニアガイド６が設けられている。機械ベッド４に対する工作テーブル７の位置の決定は、モーターセンサー８を介して伝達要素の既知の伝達比と関連付けて行うことができる。さらに、その位置は長さ測定システム９を介して直接的に求めることもできる。

工作テーブル７の位置決めのためにさらに数値制御装置１０が設けられており、これは（図示されていない）電力変換器を介してモーター１を制御し、モーター１ないし工作テーブル７の運動のフィードバック制御のためにこの数値制御装置にモーターセンサー８及び長さ測定システム９のセンサー信号が供給されている。

図１に示された構成は、工作機械内部におけるワークピース又は工具の精密な位置決めのための典型的な動力伝達系である。この構成は、適切なソフトウエアを除けば他の補助手段なしに、その動力伝達系の剛性を決定するために使用することができる。引き続いて行われる計算のためには、制御装置１０において工作テーブル７の質量が既知でなければならない。最も簡単な場合には、工作テーブル７の質量Ｍは予め分かっており、それに対応した操作者の入力により制御装置１０に格納しさえすればよい。工作テーブル７の質量Ｍが既知でない場合には、この質量は、工作テーブル７が予め決められた加速度で運動中に、モータートルクの測定により求めることができる。

動力伝達系の剛性を決定する方法の第１ステップでは、工作テーブル７の運動のための一定の加速度ａが数値制御装置１０により予め与えられる。この加速中の少なくとも１つの特定時点で、モーターセンサー８のセンサー信号と、長さ測定システム９の当該測定値との両方で、工作テーブル７の位置が決定される。その動力伝達系の最終的な剛性により、両方の位置測定値の差Δｘが得られる。この差Δｘは、前記予め与えられた加速度に対して、ないし、前記加速度を得るために必要な力に対して制御装置１０に格納される。次に、このプロセスが異なる加速度に対して何回か繰り返される。留意すべきは、これらの測定プロセスがマイナスの加速、すなわち、減速過程に対しても行われる、ことである。こうして、多数回の測定により、位置の差Δｘに対する力Ｆの特性曲線が得られる。この特性曲線Ｋが図２に例示されており、力Ｆ、または、摩擦力が減じられた力Ｆ´が長さ変化Δｘに対して描かれている。ここで注目すべきは、理想的なバネとは異なり、これは非線形な関係である、ことである。特に、力ＦないしＦ´はΔｘが大きくなるにつれて比例以上に上昇している。

このようにして求められた特性曲線の精度は、当然ながら、実施された測定の回数と共に向上する。しかし、少ない測定点でも、公知の数学的手法により相応の特性曲線を得ることができる。この特性曲線は特にゼロ通過領域がその機械の状態を表すのに有効なので、特にこの領域では測定点の相互間隔を狭く詰めることを推奨する。

異なる加速を複数回行うプロセスの他に、異なる質量の複数の機械コンポーネントによって所望の関係を得ることもできる。しかし、この方法は、個々の測定の間に機械での変化を惹き起こすので、より複雑になる。例えば、この機械コンポーネントは、工具が取り付けられた工具ホルダーとすることができる。こうして、複数の異なる工具を使用することによって、質量の異なる複数の機械コンポーネントのための測定を行うことができる。このやり方も、多くの工作機械で既に行われている自動的な工具交換により、大幅に自動化可能である。

動力伝達系に存在している摩擦をも考慮すると、得られた剛性に関するより精密な結果を得ることができる。この場合、好適にシャフトの様々な一定速度での運動による摩擦が、それぞれの一定走行に必要とされたモーター消費電流の評価により決定される。このようにして得られた、運動速度に依存した摩擦変化のプロットはいわゆるストライベック曲線（Ｓｔｒｉｂｅｃｋ−Ｋｕｒｖｅ）としても知られている。速度ｖに対する摩擦μをプロットしたストライベック曲線Ｓの一例が図３に示されている。ここで注目すべきはゼロ通過時の跳躍であり、これは静止摩擦に起因する。

関連する速度領域に対するストライベック曲線による摩擦が既知であれば、この摩擦を上述した工作テーブル７の加速運動においても考慮することができる。こうして摩擦成分Ｆ_ＲをＦ´＝ｍ×ａ−Ｆ_Ｒという関係式から剛性決定時に算出することができる。

この摩擦の算出により、運転期間中にわたって変化した機械特性に対する２つの原因が混合されないという利点が得られる。この２つの原因が混合されると、或る特定の、変化した機械特性に対する正確な原因の決定を困難にするであろう。すなわち、動力伝達系の剛性が変化する場合とは異なり、摩擦が大きくなる原因は、例えば、動力伝達系の軸受け及びガイドないし潤滑の部分に存在する。

得られた剛性も、摩擦も、機械ベッド４に対する工作テーブル７の位置に依存する。すなわち、上述したようにリニアガイドに沿った工作テーブル７の複数の異なる位置に対して剛性および摩擦を決定するのが有意義である。

剛性は動力伝達系の本質的な特性である。特に、同一型式系列の複数の機械の剛性の比較から、又は、１つの特定の機械の運転期間中の異なる時点で得られた複数の剛性の比較から、特定の特性ないし特定時点での機械の状態、特に機械の現在状態を推定することができる。多くの剛性測定から得られた結果のそれに対応した評価は制御装置１０により直接に行うことができる。しかし、当然ながら、それに対応した評価を数値制御装置１０と接続された外部計算装置で行うこともできる。特に、剛性特性曲線のゼロ通過領域での平坦化はボールネジ駆動機構の予張力がなくなることを意味する。これに対して、制御装置ないし外部計算装置は様々な対策で対応することができる。すなわち、制御装置のこれに対応した機能を、操作者に保守が必要なことを注意喚起するように構成することができる。それどころか、重大な偏差が生じた場合には、当該機械の自動的な運転停止を行うことができる。しかし、例として挙げた反応の他に、制御装置１０のフィードバック制御挙動は変化した状態に対して自動的に適応することもできる。すなわち、ボールネジ駆動の予張力がなくなった時に軸受けフィードバック制御回路のゲインを自動的に小さくすることは、有意義である。さらに、予張力がなくなるのに伴い動的な精度も悪くなるので、最大の急激な動きおよび最大加速に関して数値制御装置１０により予め与えられていた値を引き下げることも好適である。

以下、図４に、機械、特に工作機械または製造機械のリニアガイドに沿った機械コンポーネントの直線運動のための、動力伝達系の剛性を決定するための本発明による好適な方法の基本的な方法ステップが示されている。この場合、この動力伝達系はモーター測定システムを備えた１台のモーターを含み、リニアガイドには機械コンポーネントの位置を決定するための長さ測定システムが付設されており、さらに、この機械は機械コンポーネントの運動をフィードバック制御するための数値制御装置を含んでいる。

方法の第１ステップＳ１では、好適に、先ず最初に、モーター消費電流の多数の測定から摩擦力が求められ、これらの測定時に機械コンポーネントは複数の異なる速度で、しかし各測定中は一定の速度で、動かされる。速度と摩擦の相関は好適にストライベック曲線の形で得られ、数値制御装置に格納される。

引き続いての、方法の第２ステップＳ２では、数値制御装置を用いて機械コンポーネントに対する一定の加速度が予め与えられ、その機械コンポーネントはこれに応じて加速される。

次に、方法の第３ステップＳ３では、モーター測定システムから導かれた機械コンポーネントの位置と、同時刻に加速中に長さ測定システムにより測定された機械コンポーネントの位置との差Δｘが数値制御装置により決定される。

その後、方法の第４ステップＳ４では、この差Δｘに最初に定義された加速度ａまたはこの加速のために必要な力Ｆが割り当てられ、さらに、こうして求められた数値対、及び／又は、この数値対から生じる剛性値が数値制御装置に格納される。ＦにΔｘを割り当てる際に好適に、方法ステップＳ１で求められた摩擦の影響がＦ´＝ｍ×ａ−Ｆ_Ｒという式により除去される。

次に、方法ステップＳ１からＳ４が、ΔｘとＦないしＦ´との相関に関する所望の精度が得られるまで、複数の異なる加速度、及び／又は、複数の異なる質量に関する多数の測定に対して繰り返される。

方法ステップＳ５において好適に、公知の数学的手法を利用して、これらの多数の測定点から１つの特性曲線が形成され、それに応じて数値制御装置に格納される。

１ 回転サーボモーター
２ カップリング
３ 歯付きベルト
４ 機械ベッド
５ ボールネジ駆動機構
６ リニアガイド
７ 工作テーブル
８ モータ―センサー
９ 長さ測定システム
１０ 数値制御装置
Ｆ、Ｆ´ 力
Δｘ 位置の差
μ 摩擦
ｖ 速度
Ｓ１ 方法の第１ステップ
Ｓ２ 方法の第２ステップ
Ｓ３ 方法の第３ステップ
Ｓ４ 方法の第４ステップ

Claims (14)

1. 機械のリニアガイド（６）に沿った機械コンポーネント（７）の直線運動のための動力伝達系（１から６）の剛性を決定する方法であって、前記動力伝達系（１から６）がモーター測定システム（８）を備えたモーター（１）を有し、前記リニアガイド（６）に前記機械コンポーネント（７）の位置を決定するための長さ測定システム（９）が付設されており、前記機械が前記機械コンポーネント（７）の運動をフィードバック制御するための数値制御装置（１０）を有しており、以下のステップを含む方法：
   数値制御装置（１０）により前記機械コンポーネント（７）に対して一定の加速度を予め与える。
   前記数値制御装置（１０）による前記加速中に、前記モーター測定システム（８）により導かれた前記機械コンポーネント（７）の位置と、これと同時刻に前記長さ測定システム（９）により測定された前記機械コンポーネント（７）の位置との差を決定する。
   前記差を前記加速度または当該加速度に必要な力に割り当て、こうして得られた数値対、及び／又は、この数値対から生じる剛性値を前記数値制御装置（１０）に格納する。
2. 前記方法ステップが、複数の異なる機械コンポーネント、及び／又は、複数の異なる加速度に対して、停止判断基準に達するまで繰り返し行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記の得られた複数の数値対から１つの特性曲線（Ｋ）が決定され、前記数値制御装置（１０）に格納される、請求項２に記載の方法。
4. 前記機械コンポーネント（７）を動かすために打ち勝つべき摩擦力が求められ、補償される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記摩擦力が前記モーター（１）の消費電流の多数回の測定から求められ、その場合、前記機械コンポーネント（７）は異なる速度で、しかし、各測定中は一定の速度で動かされる、請求項４に記載の方法。
6. 前記機械コンポーネント（７）が動かされる速度の関数として前記摩擦力を決定するために、ストライベック曲線（Ｓ）が測定技術的に求められる、請求項４に記載の方法。
7. 多数の前記ストライベック曲線（Ｓ）が前記リニアガイド（６）を基準にした前記機械コンポーネント（７）の位置の関数として決定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記数値制御装置（１０）に前記機械コンポーネント（７）の質量が予め与えられる、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記機械コンポーネント（７）の質量が前記数値制御装置（１０）を用いて測定技術的に求められる、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記動力伝達系（１から６）の剛性が複数の異なる時点で決定され、これらの異なる時点で求められた剛性の比較から、前記動力伝達系（１から６）の特性が推論される、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 多数の同一型式系列の動力伝達系の剛性が多数の機械で求められ、同一型式系列の動力伝達系に対して求められたこれらの剛性の比較から、各動力伝達系の特性が推論される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記数値制御装置（１０）が、前記の求められた特性に応じて、予め決められた機能を実行する、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 機械のリニアガイド（６）に沿った機械コンポーネント（７）の直線運動のための動力伝達系（１から６）の剛性の決定に用いられ、
    前記動力伝達系（１から６）はモーター測定システム（８）を備えたモーター（１）を有し、
    前記リニアガイド（６）は前記機械コンポーネント（７）の位置を決定するための長さ測定システム（９）を有する、
    前記機械コンポーネント（７）の運動をフィードバック制御するための機械用の数値制御装置（１０）であって、
    前記機械コンポーネント（７）に対して一定の加速度を予め与えることが可能であり、
    前記加速中に、前記モーター測定システム（８）により導かれた前記機械コンポーネント（７）の位置と、これと同時刻に前記長さ測定システム（９）により測定された前記機械コンポーネント（７）の位置との差を前記加速度または当該加速度に必要な力に割り当て、こうして得られた数値対、及び／又は、この数値対から生じる剛性値が格納される、
    機械の数値制御装置（１０）。
14. 請求項１３に記載の数値制御装置（１０）を含む機械。