JP6850700B2

JP6850700B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP6850700B2
Application number: JP2017148209A
Authority: JP
Inventors: 久視近藤; 知宏柴田; 勇治内田; 健史酒井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: US10663942B2; DE102018117972B4; DE102018117972A1; US20190033818A1; CN109324568B; JP2019028782A; CN109324568A

Description

本発明は、加工物を積載するテーブルや主軸台の切削送り時の位置を制御する位置制御装置に関する。

図２に、従来の位置制御装置の構成例を示す。

位置制御装置は、上位の数値制御装置（ＮＣ装置）等からサンプリング周期毎に位置指令値Ｘｃを受け取る。位置指令値Ｘｃから位置フィードバック値Ｘｐを減算し位置ループゲインＫｐを乗じてモータ速度指令値Ｖｃを算出する。モータ速度指令値Ｖｃから速度検出値Ｖｍを減算して速度制御部の入力とし、速度制御部はトルク指令値τｃを算出する。電流制御部はトルク指令値τｃに応じたトルクをモータが発生するようモータ電流を制御する。モータは、電流制御部により制御された電流によりトルクを発生し、回転する。モータに結合したロータリーエンコーダは、モータの回転位置を検出する。検出値のサンプリング周期毎の差分から速度検出値Ｖｍが算出される。モータにボールネジを介して結合したテーブルはモータの回転に応じて直線移動する。光学スケールは、ベッドとテーブルとの変位を読み取り、この変位からテーブルの位置Ｘｆ（以降、スケール位置Ｘｆと称す）を算出する。モータ制御装置は、十分剛性が高い送り機構の場合は、スケール位置Ｘｆを位置フィードバック値Ｘｐとして使用することができるが、門形工作機械等の大型機械では、前記モータの回転位置から算出したテーブルの位置Ｘｍ（以降モータ位置Ｘｍと称す）に対してスケール位置Ｘｆは位相遅れが大きく、位置フィードバックループに振動が発生する等、不安定になる場合がある。そこで、モータ位置Ｘｍとスケール位置Ｘｆの差分をローパスフィルタ処理して高周波を除いたものとＸｍを加えＸｐとする。

下記特許文献１には、工作機械のテーブルの位置を、駆動用モータの回転位置を検出するエンコーダと、テーブルの位置を検出するスケールとで検出するモータ制御装置が示されている。

特開２０１６−０７６１１９号公報

金型加工等の加工パスは、軸毎の動作を見ると、微小区間の往復が連続する場合がある。図３の金型加工の例では、Ｙ軸をピック方向とし、切削はＸ軸とＺ軸の動作で行われる。この場合、Ｘ軸の動作範囲は大きく、したがってＸ軸の速度も高い。これに対しＺ軸は、動作範囲が小さく速度も小さくなる（図４）。

特にスベリ案内面では、微小区間を微速で往復すると、潤滑が不足し、摩擦係数が増大する傾向がある。摩擦係数が増加するとテーブルにかかる摺動抵抗が増加する。摺動抵抗が増加すると、ボールネジ等が弾性変形（撓みの発生）するため、テーブル位置とモータ位置との相対変位が増加する（図５）。

その状態で移動方向を反転させようとする場合、モータ位置を増加した変位分を戻し、さらに、前記変位分を進めて初めて、テーブルが反転可能な位置となる。そのため摺動抵抗が増加すると変位量が増加し、反転時の位置誤差が増大する。

位置誤差の増大は、加工面に筋目として現れる。そうなると、金型の手直しが必要となるため不経済である。

反転遅れを縮小するための方法として、速度誤差演算時に、移動方向に応じて摩擦力に相当する補正量を加える方法がある。

補正により、反転時にモータが先行して反転する。摺動抵抗が小さく、撓みが小さい場合は、テーブルもモータに続いて速やかに反転し始める。しかし、摺動抵抗が大きく撓みが大きい場合、補正Ｖｄによりモータ位置Ｘｍが反転するため、位置フィードバックの位置誤差演算結果が縮小し、速度指令Ｖｃの増加が抑えられる。一方速度Ｖｍはモータの反転動作によりすでに逆転するのでなおさら速度誤差の増加が抑えられ、トルクτｃの増加が抑えられる。するとモータが移動して撓みを解消するまでに遅れがあり、移動後に摩擦力に対抗してテーブルを反転させるに十分なトルクを発生するためにも遅れがある。この遅れの間に位置指令Ｘｃが進むためスケール位置Ｘｆの追従遅れが発生する。摺動抵抗が重い場合にあわせて補正量を大きく設定すると、摺動抵抗が小さい場合に補正量が過大となってテーブルの位置がオーバーシュートし、かえって位置誤差発生の原因となるため、過大な設定ができない。

これに対し先行技術文献では、
スケール位置とモータ位置との偏差／トルク指令値を剛性（＝ばね定数の逆数）とし、
補正量＝
（第一方向の初期偏差／対応する第一方向のトルク指令値）×現在のトルク指令値
−“現在の偏差”
として補正量を算出する提案がなされている。

しかしながら、ボールネジにはピッチ誤差があるため、図６に示すようにテーブルの位置によりスケール位置とモータ位置の偏差は異なる。特に門形工作機械のようにストロークが長い場合は、偏差が百ミクロンを超えて変動する場合がある。さらにボールネジは熱膨張のためモータ位置が図７のように変化する。前提となっている“初期偏差“と“現在の偏差”は、同一トルク指令値であっても、再現されない場合があるため、補正効果が安定に得られない問題がある。

本発明に係る位置制御装置は、上位の数値制御装置からの位置指令値に基づき工作機械の可動部の位置制御を行う位置制御装置であって、
ボールねじを含む駆動力伝達系を介して前記可動部を駆動するモータの位置を検出するロータリーエンコーダの検出値に基づく前記可動部の位置と、前記可動部の位置を検出する光学スケールの検出値に基づく前記可動部の位置との差分をローパスフィルタ処理し、ローパスフィルタ処理された値を前記ロータリーエンコーダの検出値に基づく前記可動部の位置に加算した値を位置フィードバック値として位置フィードバックを行う位置制御ループと、
前記位置制御ループによって演算された速度指令値に基づき前記モータへのトルク指令値を算出して、前記モータの速度制御を行う速度制御ループと、
を有し、さらに、
前記位置指令値の方向反転を検出する反転検出部と、
前記トルク指令値と前記駆動力伝達系の撓み量との対応関係である撓み特性を記憶する記憶部と、
反転直前のトルク指令値に前記撓み特性を適用して反転直前の前記撓み量を取得し、反転直前のトルク指令値の符号を反転させて算出された値に前記撓み特性を適用して反転直後の前記撓み量を推定し、反転直前の前記撓み量と推定された前記撓み量との差である反転補償量を算出する反転補償量算出部と、
を有し、
前記反転検出部により前記位置指令値の方向反転が検出されたとき、
前記位置指令値に前記反転補償量を加算して新たな位置指令値とし、
前記位置フィードバック値に、前記反転補償量に前記ローパスフィルタ処理を行った値を加算して新たな位置フィードバック値として、
位置制御を行うことを特徴とする。

反転補正量算出部は、反転前のトルク指令τｃを記憶し、記憶されたトルク指令（Ｚτc）を撓み特性に照らし合わせて反転前の撓み量（ｄ１）を算出し、Ｚτcの符号を反転したトルク値（−Ｚτｃ)と撓み特性を照らし合わせて反転後の撓み量（ｄ２）を算出し、反転補正量Ｘｄ（＝ｄ２−ｄ１）を生成する。反転補正量Ｘｄを位置指令に加えたものを位置誤差演算に用いる。一方、位置フィードバック値には、ローパスフィルタ処理を反転補正量Ｘｄに施して加算する。

また、本発明に係る他の位置制御装置は、上位の数値制御装置からの位置指令値に基づき工作機械の可動部の位置制御を行う位置制御装置であって、
ボールねじを含む駆動力伝達系を介して前記可動部を駆動するモータの位置を検出するロータリーエンコーダの検出値に基づき前記可動部の位置を取得し、取得した前記可動部の位置を位置フィードバック値として位置フィードバックを行う位置制御ループと、
前記位置制御ループによって演算された速度指令値に基づき前記モータへのトルク指令値を算出して、前記モータの速度制御を行う速度制御ループと、
を有し、さらに、
前記位置指令値の方向反転を検出する反転検出部と、
前記トルク指令値と前記駆動力伝達系の撓み量との対応関係である撓み特性を記憶する記憶部と、
反転直前のトルク指令値に前記撓み特性を適用して反転直前の前記撓み量を取得し、反転直前のトルク指令値の符号を反転させて算出された値に前記撓み特性を適用して反転直後の前記撓み量を推定し、反転直前の前記撓み量と推定された前記撓み量との差である反転補償量を算出する反転補償量算出部と、
を有し、
前記反転検出部により前記位置指令値の方向反転が検出されたとき、前記位置指令値に前記反転補償量を加算して新たな位置指令値として位置制御を行うことを特徴とする。

反転時に、モータがボールネジの撓み分を解消し逆方向に撓ませる位置まで速やかに進むことで、反転時の遅れが抑制される。

本発明に基づく位置制御装置の概略ブロック図である。従来技術の位置制御装置のブロック図である。金型加工例を示す図である。金型加工の１パスの拡大例である。摩擦の増加とボールネジ撓みのイメージを示す図である。スケール位置とモータ位置の変位を示す図である。モータ位置の摺動抵抗による変動を示す図である。反転検出部のブロック図である。反転検出部の反転検出パターンを示した図である。撓み特性の説明図である。反転補正量算出部のブロック図である。本発明に基づく他の実施形態の位置制御装置の概略ブロック図である。

本発明の実施形態である位置制御装置１０の概略ブロック図を図１に示す。図１には、制御対象となる工作機械のテーブルおよびこれを駆動する機構も示されている。位置制御装置１０は、まず、上位のＮＣ装置（不図示）によりサンプリング周期毎に生成される位置指令値Ｘｃを受け、位置フィードバック値Ｘｐを減算して位置ループゲインＫｐを乗じモータ速度指令値Ｖｃを算出する。そして、モータ速度指令値Ｖｃから速度検出値Ｖｍを減算して速度制御部１２の入力とし、速度制御部１２はトルク指令値τｃを算出する。さらに、電流制御部１４はトルク指令値τｃに応じたトルクをモータ１６が発生するようモータ電流を制御する。モータ１６は、電流制御部１４により制御された電流によりトルクを発生し、モータ１６を回転駆動する。モータ１６に結合したロータリーエンコーダ１８は、モータ位置を検出する。検出値のサンプリング周期毎の差分から速度検出値Ｖｍが算出される。モータ１６にボールネジ２０を介して結合したテーブル２２は、モータ１６の回転に応じて直線移動する。光学スケール２４は、テーブル２２の位置を読み取り、スケール位置Ｘｆを出力する。位置制御装置１０は、モータ位置Ｘｍとスケール位置Ｘｆの差分をローパスフィルタ処理して高周波を除いたものとＸｍを加えＸｐとする装置であり、さらに、位置指令値Ｘｃの反転を検出して反転検出信号を生成する反転検出部２６と、トルク指令値に対する撓み量の関係を表す撓み特性記憶部２８と、反転補正量Ｘｄを生成する反転補正量算出部３０とを備える。

反転補正量算出部３０は、トルク指令τcと、撓み特性を読み取り、反転検出信号のタイミングに合わせて反転補正量Ｘｄを生成する。

反転補正量Ｘｄを位置指令値Ｘｃに加えたものを改めて位置指令として位置誤差演算に用いるようにし、フィードバック値Ｘｐには、ローパスフィルタ処理を反転補正量Ｘｄに施した物を加えるようにする。

反転検出部２６は図８のように構成することができる。位置指令値Ｘｃと、１サンプルリング周期前の値ＺＸｃと、２サンプリング周期前の値ＺＺＸｃとを保持するメモリ２６ａと、Ｘｃ，ＺＸｃ，ＺＺＸｃの大小関係が、例えば図９のパターンとなったとき、つまり位置指令値が増から減に、また減から増に転じたときに反転検出信号を生成する反転判定部２６ｂを備えればよい。

撓み特性は、たとえば図１０のように、表すことができる。トルク指令値を横軸、その際の撓み量を縦軸にとり、トルク指令値が＋値および−値とした場合の各撓み量が読み出せる。値はあらかじめ設定する。

反転補正量算出部３０は図１１に示すように構成できる。メモリ３０ａは、トルク指令τcを記憶し、１サンプリング前のトルク指令（Ｚτc）を出力する。反転検出信号のタイミングで、反転前のトルク指令（Ｚτc）を撓み特性に照らし合わせて反転前の撓み量（ｄ１）を読み取り、反転前のトルク指令（Ｚτc）の符号を反転した値（−Ｚτｃ）を撓み特性に照らし合わせて反転後の撓み量を推定し（ｄ２）、撓み補償量算出部３０ｂは、（ｄ２−ｄ１）を算出して反転補正量Ｘｄとして算出する。

このように構成することにより、摩擦力は時々刻々と動作によって変動するため、これに応じた撓み量の補正を行うことができる。

さらに機械状態・加工対象に応じた現場調整のため、ゲインパラメータを設けて反転補正量に乗じれば、補正強度を手動調整することが容易にできる。

本発明に係る他の実施形態の位置制御装置４０を図１２に示す。

位置制御装置４０は、光学スケール２４を省略し、モータ位置Ｘｍにより位置フィードバック制御を行う装置である。摩擦と撓みの関係は、位置制御装置１０の場合と同様であるため、図１１と同様の反転補正量算出部３０を設けて、反転直前のトルクＺτｃから反転直前の撓み量ｄ１を求め、反転後に予測されるトルク（−Ｚτｃ) での撓み量ｄ２までを反転補正量として位置指令に加算することで、その間は素早くモータを進める。このようにすれば、光学スケールがない場合もテーブル位置の反転遅れを抑制することができる。

位置制御装置４０は、前述の位置制御装置１０での位置フィードバック値Ｘｐの代わりにモータ位置Ｘｍを位置フィードバックに用いる他は、位置指令値Ｘｃ、位置ループゲインＫｐ、モータ速度指令値Ｖｃ、速度検出値Ｖｍ、速度制御部１２、トルク指令値τｃ、電流制御部１４、モータ１６、ロータリーエンコーダ１８、ボールネジ２０、テーブル２２は、図１に示す実施形態と同様である。そして、位置指令値Ｘｃの反転を検出して反転検出信号を生成する反転検出部２６と、トルク指令値に対する撓み量の関係を表す撓み特性と、反転補正量Ｘｄを生成する反転補正量算出部３０と、を備える。

反転補正量算出部３０は、トルク指令τcと、撓み特性を読み取り、反転検出信号のタイミングに合わせて反転補正量Ｘｄを算出する。

反転補正量Ｘｄを位置指令値Ｘｃに加えたものを改めて位置指令として位置誤差演算に用いるようにする。

反転検出部２６は、例えば図８に示す構成と同様であり、反転の判定も図９に示すパターンに基づきなされる点も同様である。
撓み特性は、例えば図１０と同様である。
反転補正量算出部３０は例えば図１１と同様である。

１０，４０位置制御装置、１２速度制御部、１４電流制御部、１６モータ、１８ロータリーエンコーダ、２０ボールネジ、２２テーブル（工作機械の可動部）、２４光学スケール、２６反転検出部、２８撓み特性記憶部、３０反転補正量算出部。

Claims

上位の数値制御装置からの位置指令値に基づき工作機械の可動部の位置制御を行う位置制御装置であって、
ボールねじを含む駆動力伝達系を介して前記可動部を駆動するモータの位置を検出するロータリーエンコーダの検出値に基づく前記可動部の位置と、前記可動部の位置を検出する光学スケールの検出値に基づく前記可動部の位置との差分をローパスフィルタ処理し、ローパスフィルタ処理された値を前記ロータリーエンコーダの検出値に基づく前記可動部の位置に加算した値を位置フィードバック値として位置フィードバックを行う位置制御ループと、
前記位置制御ループによって演算された速度指令値に基づき前記モータへのトルク指令値を算出して、前記モータの速度制御を行う速度制御ループと、
を有し、さらに、
前記位置指令値の方向反転を検出する反転検出部と、
前記トルク指令値と前記駆動力伝達系の撓み量との対応関係である撓み特性を記憶する記憶部と、
反転直前のトルク指令値に前記撓み特性を適用して反転直前の前記撓み量を取得し、反転直前のトルク指令値の符号を反転させて算出された値に前記撓み特性を適用して反転直後の前記撓み量を推定し、反転直前の前記撓み量と推定された前記撓み量との差である反転補償量を算出する反転補償量算出部と、
を有し、
前記反転検出部により前記位置指令値の方向反転が検出されたとき、
前記位置指令値に前記反転補償量を加算して新たな位置指令値とし、
前記位置フィードバック値に、前記反転補償量に前記ローパスフィルタ処理を行った値を加算して新たな位置フィードバック値として、
位置制御を行うことを特徴とする、位置制御装置。
上位の数値制御装置からの位置指令値に基づき工作機械の可動部の位置制御を行う位置制御装置であって、
ボールねじを含む駆動力伝達系を介して前記可動部を駆動するモータの位置を検出するロータリーエンコーダの検出値に基づき前記可動部の位置を取得し、取得した前記可動部の位置を位置フィードバック値として位置フィードバックを行う位置制御ループと、
前記位置制御ループによって演算された速度指令値に基づき前記モータへのトルク指令値を算出して、前記モータの速度制御を行う速度制御ループと、
を有し、さらに、
前記位置指令値の方向反転を検出する反転検出部と、
前記トルク指令値と前記駆動力伝達系の撓み量との対応関係である撓み特性を記憶する記憶部と、
反転直前のトルク指令値に前記撓み特性を適用して反転直前の前記撓み量を取得し、反転直前のトルク指令値の符号を反転させて算出された値に前記撓み特性を適用して反転直後の前記撓み量を推定し、反転直前の前記撓み量と推定された前記撓み量との差である反転補償量を算出する反転補償量算出部と、
を有し、
前記反転検出部により前記位置指令値の方向反転が検出されたとき、前記位置指令値に前記反転補償量を加算して新たな位置指令値として位置制御を行うことを特徴とする、位置制御装置。