JP7316743B2 - 回転テーブル - Google Patents

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Description

本発明は関連性を有する運動制御機構の技術分野に属し、特にリンク回転テーブル及びその非干渉制御方法に関する。
リンクの非干渉制御方法について、主な応用事例は出願番号がCN201810806333.1、出願人が科徳数控股▲ふん▼有限公司、名称が「ボールねじをドラッグするクレードル型回転テーブル」である中国特許出願であり、該構造の簡略化された運動プロセスは図2に示すとおりである。
従来の制御方法によれば、二方向の軸運動を単独で制御し、垂直方向をZ0軸、水平方向をX軸、回転テーブルの水平スライド機構をX′、回転テーブル揺動機構をA軸とした場合、Z0軸のリニアスケールが回転テーブルベースに取り付けられ、方向はZ0軸の垂直方向ガイドレールと平行であり、Z0軸読み取りヘッドがZ軸ねじナットに取り付けられ、X軸リニアスケールがベッドに取り付けられ、方向はX軸ガイドレールと平行であり、X軸読み取りヘッドが回転テーブルベースに取り付けられ、回転テーブル工作機械に伴って水平に変位する。この従来の取り付け方法には、制御時に以下のようないくつかの欠点が存在する。
1.Z0軸が回転テーブルをドラッグする時に生じる回転テーブルの水平変位ΔX′を追加計算する必要がある。
2.回転テーブルの水平瞬間変位で算出された値は一般的に一定の遅延及び誤差を有し、X軸コマンドに重畳され、表現位置が正確ではなく、精度に悪影響を及ぼす。
3.一般的なリニア軸の制御方法に比べて修正が大きく、応用が煩雑である。
4.A軸とX軸に、制御アルゴリズムにおける相互の結合関係が存在する。
上記従来技術に存在する課題を解決するために、本発明は、X軸の動的性能に対する要件を低下させ、Z0軸により生じる回転テーブルの水平変位ΔX′を手動計算する必要がなく、且つ制御精度を向上させるリンク回転テーブル及びその非干渉制御方法を提供する。
技術的解決手段は以下のとおりである。
リンク回転テーブルは、回転テーブルコラムと、リンク回転テーブルと、X軸リニアスケール読み取りヘッドと、X軸リニアスケールと、回転テーブルベースと、摺動機構Aと、摺動機構Bと、を含むものであり、前記回転テーブルコラムは前記回転テーブルベースに垂直に取り付けられ、前記回転ターンテーブルは摺動機構Aを介して前記回転テーブルコラムにスライド可能に接続され、前記リンク回転テーブルは前記摺動機構Bを介して前記回転テーブルベースに摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッドは前記摺動機構Bに取り付けられ、前記X軸リニアスケールは前記回転テーブルベースの下方に取り付けられ、且つ前記X軸リニアスケール読み取りヘッドに対向して設置される、ことを特徴とする。
さらに、前記摺動機構Aは、Z0軸ボールねじと、Z0軸ラムと、リンク機構第1回転ノードと、リンク機構ロッドと、Z0軸ガイドレールと、を含み、前記Z0軸ガイドレールは前記回転テーブルコラムに設けられ、前記Z0軸ボールねじは前記Z0軸ガイドレールに接続され、前記Z0軸ラムは前記Z0軸ガイドレールに摺動可能に接続され、前記リンク機構ロッドの一端は前記リンク機構第1回転ノードを介して前記Z0軸ラムに回転可能に接続され、他端は前記リンク回転テーブルに接続される。
さらに、前記摺動機構Bは、水平ガイドレールと、リンク機構第2回転ノードと、水平ラムと、を含み、前記水平ガイドレールは前記回転テーブルベースに設けられ、前記リンク回転テーブルは前記リンク機構第2回転ノードを介して前記水平ラムに回転可能に接続され、前記水平ラムは前記水平ガイドレールに摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッドは前記水平ラムに取り付けられる。
さらに、リンク回転テーブルは、リンク回転テーブルラムと、ベッドと、回転テーブルガイドレールと、回転テーブルドラッグねじと、回転テーブルドラッグナットと、を含み、前記ベッドに前記回転テーブルガイドレールと、回転テーブルドラッグねじと、リンク回転テーブルラムが設けられ、前記リンク回転テーブルラムは前記回転テーブルガイドレールに摺動可能に接続され、前記回転テーブルドラッグねじに前記回転テーブルドラッグナットが設けられる。
本発明は、さらに、三角構造の斜辺の長さLを測定するステップS1と、システムに入力されたA軸座標を、Z0=L*cosαに従ってZ0軸の座標に換算してZ0軸に入力し、ただし、Z0はZ0軸のナット位置のZ0軸基準点に対する長さを表し、基準点はリンク構造の2つの回転ノードの変位軌跡の延長線の交差部に位置し、αは回転テーブルの角度を表し、すなわち回転テーブルの法線とX′軸の正方向との夾角であるステップS2と、を含むリンク回転テーブルの非干渉制御方法を含む。
速度制御方法であれば、ΔZ0=L*(cosα-cosα)に従ってZ0の周期的な変位に換算してZ0軸に入力し、ΔZ0はZ0軸の変位、αは回転テーブルの移動前の角度、αは回転テーブルの移動後の角度を示す。
さらに、三角構造の斜辺の長さLを測定する前に、リンク回転テーブルの組み立てを行うステップは、
X軸リニアスケールをX軸に平行にベッドに取り付けるステップS0.1と、
X軸リニアスケールの読み取りヘッドをX軸リニアスケールに位置合わせし、水平ラムに固定し、リンク回転テーブルの水平移動を繰り返して、読み取りを検査するステップS0.2と、
リンク回転テーブルの円形スケールをA軸の回転中心に対向して同軸に取り付けるステップS0.3と、を含む。
さらに、三角構造の斜辺の長さLを取得するステップは、
Z0を第1位置に移動させ、Z0の座標Z0と、A軸の角度αと、を記録するステップと、Z0を第2位置に移動させ、Z0の座標Z0と、回転テーブルの角度αと、を記録するステップと、L*cosα-L*cosα=Z0-Z0に基づいて、L=ΔZ0/(cosα-cosα)で表される三角構造の斜辺の長さLを算出するステップと、を含む。
さらに、ステップS2は、
コマンドA0であるΔαをZ0コントローラに送信し、コマンドXをX軸コントローラに送信するステップS2.1と、
Z0コントローラはコマンド及びフィードバックされたA軸回転角に基づいて次の周期にA軸が走行すべき距離Δαを算出し、送信されたコマンド角度Δαは追従誤差及び速度フィードフォワードを含み、A0軸コントローラはコマンド及びフィードバックされたA軸回転角に基づいて次の周期にA軸が走行すべき距離Δαを算出し、送信されたコマンド角度Δαは追従誤差及び速度フィードフォワードを含み、X軸は同様のフローを実行するステップS2.2と、
Z0アクチュエータに入力する前に、ΔαはΔZ0=L(cosα-cos(α+Δα))に基づき、現在のZ0が走行すべき直線距離ΔZ0に換算し、さらにコマンドをZ0アクチュエータに送信し、ΔXをX軸アクチュエータに送信するステップS2.3と、
Z0アクチュエータは回転テーブル連動機構を駆動してA軸揺動角変化Δα′と、X軸方向水平変位ΔX′を生成し、ただし、Δα′は次の周期の閉ループ演算に関与するために用いられ、X軸アクチュエータは同様に変位ΔXを生成し、ΔXは回転テーブル連動機構が生成した水平変位ΔX′と重畳して次の周期の閉ループ演算に関与するステップS2.4と、
ステップS2.1~ステップS2.4を周期的に繰り返し実行するS2.5と、を含む。
本発明に記載のリンク回転テーブル及びその非干渉制御方法の有益な効果は以下のとおりである。従来の制御方法において、Z0軸とX軸の閉ループ制御はそれぞれ干渉せず、水平方向の変位を手動計算してから、さらに水平方向の変位をX軸コマンドに手作業で追加する必要があり、その間には、計算により生じる誤差だけでなく大きな遅延も存在する。しかし制御アルゴリズムを変更することで、Z0軸の移動によって生成された水平変位は、オーバーレイ測定の方式によってX軸の閉ループに直接取り込まれ、リニアスケールによって直接計算された変位は精度が高く、遅延がないため、このような機械構造におけるより効果的な制御レベルを達成できる。
また最適化された制御アルゴリズムは、A軸が回転する過程において、X軸にRTCPによる運動特性を持たせ、X軸モータの動的性能に対する要件を低下させる。
本発明のリンク回転テーブルの構造概略図である。 背景技術に係る解決手段の構造の簡略化された運動プロセスの概略図である。 従来の制御アルゴリズム図である。 本発明の非干渉制御アルゴリズムの原理図である。 本発明の非干渉制御アルゴリズムの制御フローチャートである。
以下に図1~図5を参照しながら、リンク回転テーブル及びその非干渉制御方法についてさらに説明する。
リンク回転テーブルは、回転テーブルコラム1と、リンク回転テーブル8と、X軸リニアスケール読み取りヘッド10と、X軸リニアスケール13と、回転テーブルベース14と、摺動機構Aと、摺動機構Bと、を含むものであり、前記回転テーブルコラム1は前記回転テーブルベース14に垂直に取り付けられ、前記リンク回転テーブル8は摺動機構Aを介して前記回転テーブルコラム1にスライド可能に接続され、前記リンク回転テーブル8は前記摺動機構Bを介して前記回転テーブルベース14に摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッド10は前記摺動機構Bに取り付けられ、前記X軸リニアスケール13は前記回転テーブルベース14の下方に取り付けられ、且つベッドに固定され、且つ前記X軸リニアスケール読み取りヘッド10に対向して設置される、ことを特徴とする。
さらに、前記摺動機構Aは、Z0軸ボールねじ2と、Z0軸ラム3と、リンク機構第1回転ノード4と、リンク機構ロッド5と、Z0軸ガイドレール6と、を含み、前記Z0軸ガイドレール6は前記回転テーブルコラム1に設けられ、前記Z0軸ボールねじ2は前記Z0軸ガイドレール6に接続され、前記Z0軸ラム3は前記Z0軸ガイドレール6に摺動可能に接続され、前記リンク機構ロッド5の一端は前記リンク機構第1回転ノード4を介して前記Z0軸ラム3に回転可能に接続され、他端は前記リンク回転テーブル8に接続される。
さらに、前記摺動機構Bは、水平ガイドレール7と、リンク機構第2回転ノード9と、水平ラム11と、を含み、前記水平ガイドレール7は前記回転テーブルベース14に設けられ、前記リンク回転テーブル8は前記リンク機構第2回転ノード9を介して前記水平ラム11に回転可能に接続され、前記水平ラム11は前記水平ガイドレール7に摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッド10は前記水平ラム11に取り付けられる。
さらに、リンク回転テーブルは、リンク回転テーブルラム12と、ベッド15と、回転テーブルガイドレール16と、回転テーブルドラッグねじ17と、回転テーブルドラッグナット18と、を含み、前記ベッド15に前記回転テーブルガイドレール16と、回転テーブルドラッグねじ17と、リンク回転テーブルラム12が設けられ、前記リンク回転テーブルラム12は前記回転テーブルガイドレール16に摺動可能に接続され、前記回転テーブルドラッグねじ17に前記回転テーブルドラッグナット18が設けられ、前記リンク回転テーブルラム12は回転テーブルベース14の上面に固定され、さらにベッド15上の回転テーブルガイドレール16に摺動可能に接続される。
リンク回転テーブルの非干渉制御方法は、三角構造の斜辺の長さLを測定するステップS1と、システムに入力されたA軸座標を、Z0=L*cosαに従ってZ0軸の座標に換算してZ0軸に入力し、ただし、Z0はZ0軸のナット位置のZ0軸基準点に対する長さを表し、基準点はリンク構造の2つの回転ノードの変位軌跡の延長線の交差部に位置し、αは回転テーブルの角度を表し、すなわち回転テーブルの法線とX′軸の正方向との夾角であるステップS2と、を含む。
速度制御方法であれば、ΔZ0=L*(cosα-cosα)に従ってZ0の周期的な変位に換算してZ0軸に入力し、ただし、ΔZ0はZ0軸の変位、αは回転テーブルの移動前の角度、αは回転テーブルの移動後の角度を示す。
さらに、三角構造の斜辺の長さLを測定する前に、リンク回転テーブルの組み立てを行うステップは、
X軸リニアスケールをX軸に平行にベッドに取り付けるステップS0.1と、
X軸リニアスケールの読み取りヘッドをX軸リニアスケールに位置合わせし、水平ラムに固定し、リンク回転テーブルの水平移動を繰り返して、読み取りを検査するステップS0.2と、
リンク回転テーブルの円形スケールをA軸の回転中心に対向して同軸に取り付けるステップS0.3と、を含む。
さらに、三角構造の斜辺の長さLを取得するステップは、
Z0を第1位置に移動させ、Z0の座標Z0と、A軸の角度αと、を記録するステップと、Z0を第2位置に移動させ、Z0の座標Z0と、回転テーブルの角度αと、を記録するステップと、L*cosα-L*cosα=Z0-Z0に基づいて、L=ΔZ0/(cosα-cosα)で表される三角構造の斜辺の長さLを算出するステップと、を含む。
さらに、ステップS2は、
コマンドA0であるΔαをZ0コントローラに送信し、コマンドXをX軸コントローラに送信するステップS2.1と、
Z0コントローラはコマンド及びフィードバックされたA軸回転角に基づいて次の周期にA軸が走行すべき距離Δαを算出し、送信されたコマンド角度Δαは追従誤差及び速度フィードフォワードを含み、
A0軸コントローラはコマンド及びフィードバックされたA軸回転角に基づいて次の周期にA軸が走行すべき距離Δαを算出し、送信されたコマンド角度Δαは追従誤差及び速度フィードフォワードを含み、X軸は同様のフローを実行するステップS2.2と、
Z0アクチュエータに入力する前に、Δαは式ΔZ0=L(cosα-cos(α+Δα))に基づき、現在のZ0が走行すべき直線距離ΔZ0に換算し、さらにコマンドをZ0アクチュエータに送信し、ΔXをX軸アクチュエータに送信するステップS2.3と、
Z0アクチュエータは回転テーブル連動機構を駆動してA軸揺動角変化Δα′と、X軸方向水平変位ΔX′を生成し、Δα′は次の周期の閉ループ演算に関与するために用いられ、X軸アクチュエータは同様に変位ΔXを生成し、ΔXは回転テーブル連動機構が生成した水平変位ΔX′と重畳して次の周期の閉ループ演算に関与するステップS2.4と、
ステップS2.1~ステップS2.4を周期的に繰り返し実行するS2.5と、を含む。
本願が提供する制御方法は、変更が容易で迅速であり、コストが低く、効果が顕著である。本願に記載の技術的解決手段を実現するには、X軸の読み取りヘッドを回転テーブルベースから回転テーブル支持スライダに改造するだけでよい。
従来の制御方法は図3に示すアルゴリズム原理図のとおりである。
本願が提供する制御手段の原理は図4に示す原理図のとおりである。
なお、図における破線部分は別途実現する必要がなく、X軸読み取りヘッドの取り付け位置を変更するだけでよく、X軸制御アルゴリズムはいかなる変更も行う必要がない。
従来の制御アルゴリズムでは、Z0に基づいて水平方向の変位を算出し、且つコマンドXに追加する必要があるが、ここでは、読み取りヘッドが回転テーブル支持スライダに取り付けられるため、Z0軸の移動により生じる回転テーブルの水平変位に対して、リニアスケール(又は他の測定装置)を介して、リアルタイムにフィードバックされた変位をX軸の閉ループにリアルタイムにフィードバックすることができる。
X軸のコマンドXが変化しない場合、Z0軸が回転テーブルをドラッグする過程で回転テーブルの水平中心が変化しないことを自動的に実現することができ、即ち図2においてA軸の回転中心であるXの左側は常にX1である。
この制御構造に特有の利点は、以下のように要約される。
1.回転テーブルの水平変位はリニアスケールで測定されるため、水平変位を計算する部分を省き、労力を節約する。
2.回転テーブルの水平変位はリニアスケールで測定されるため、数値のリアルタイム性と精度を保証することができ、制御が有するべき精度を保証する。
3.実際の応用においては、読み取りヘッドが回転テーブル支持スライダに取り付けられ、回転テーブルが水平に生成する変位がX軸の水平変位フィードバックに自動的に加えられるため、X軸の制御アルゴリズムを変更する必要が全くなく、同様に労力を節約する。
<実施ステップ>
取り付けは以下のとおりである。
ステップ1.リニアスケールをX軸に平行にベッドに取り付け、誤りがないことを検査した後、ステップ2を実施する。
ステップ2.X軸リニアスケール読み取りヘッドをリニアスケールに位置合わせし、水平回転テーブルの支持スライダに固定し、回転テーブルの水平移動を繰り返して読み取りが正常であることを検査した後、ステップ3を実施する。
ステップ3.回転テーブルの円形スケールをA軸の回転中心に対向して同軸に取り付け、誤りがないことを繰り返し検査した後、ステップ4を実施する。
測定は以下のとおりである。
ステップ4.三角構造の斜辺の長さを測定し、長さを測定した後にZ0を繰り返し移動させて、斜辺の長さとA軸角度とZ0座標とが三角形に完全に整合するか否かを検証し、測定完了後にステップ6を続けて実行し、各位置で算出された三角形の差が大きい場合、改めて組み立てを検査し、且つステップ1から再度実施する。正確な測定装置がなければステップ5を実施する。
5.Z0を第1位置に移動させ、Z0の座標Z0と、A軸の角度αと、を記録し、Z0を第2位置に移動させ、Z0の座標Z0と、回転テーブルの角度αと、を記録し、回転テーブルの機械構造が直角に取り付けられるため、斜辺の長さをLと仮定すると、下記の式に従って斜辺の長さを算出することができる。
Figure 0007316743000001
結果を計算する時には、複数の位置を探して計算されたLが正確であるか否かを検証すべきであり、繰り返し計算されたL値の差が大きい場合、機械の組み立ての結果が直角ではないことを示しており、機械の組み立てをしっかり検査し、且つステップ1から改めて実施する。算出された斜辺の長さが正確であると考えられる場合、ステップ6を実施する。
アルゴリズムは以下のとおりである。
6.システムのA軸制御方法を変更し、システムに入力されたA軸座標を、Z0=L*sinαに従ってZ0軸の座標に換算して、Z0軸に入力する。速度制御方法であれば、ΔZ0=L*(cosα-cosα)に従ってZ0の周期的な変位(すなわち速度)に換算し、Z0軸に入力し、他の軸はいずれもいかなる変更も必要としない。
リンクの非干渉制御のフローチャートは図5に示すとおりである。
非干渉制御ステップは、
コマンドA0であるΔαをZ0コントローラに送信し、コマンドXをX軸コントローラに送信するステップ1と、
A0コントローラはコマンド及びフィードバックされたA軸回転角に基づいて次の周期にA軸が走行すべき距離Δαを算出し、送信されたコマンド角度Δαは追従誤差及び速度フィードフォワードを含み、ΔXも同様であるステップ2と、
Z0アクチュエータに入力する前に、式に基づき、Δαを現在のZ0が走行すべき直線距離ΔZ0に換算し、さらにコマンドをZ0アクチュエータ、一般的にはサーボモータやインバータ等のアクチュエータに送信し、ΔXも同様にX軸アクチュエータに送信するステップ3と、
Z0アクチュエータは回転テーブル連動機構を駆動してA軸揺動角変化Δα′と、X軸方向水平変位ΔX′を生成し、Δα′は次の周期の閉ループ演算に関与するために用いられ、X軸アクチュエータは同様に変位ΔXを生成し、ΔXは回転テーブル連動機構が生成した水平変位ΔX′と重畳して次の周期の閉ループ演算に関与するステップ4と、
これらを周期的なサイクルで実施するステップ5と、を含む。
以上は、本発明の好ましい具体的な実施形態に過ぎず、本発明の保護範囲はこれに限定されず、当業者が本発明に開示する技術的範囲内において、本発明の技術的解決手段及びその発明概念に基づいて同等置換又は変更を行うことは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
1 回転テーブルコラム
2 Z0軸ボールねじ
3 Z0軸ラム
4 リンク機構第1回転ノード
5 リンク機構ロッド
6 Z0軸ガイドレール
7 水平ガイドレール
8 リンク回転テーブル
9 リンク機構第2回転ノード
10 X軸リニアスケール読み取りヘッド
11 水平ラム
12 リンク回転テーブルラム
13 X軸リニアスケール
14 回転テーブルベース
15 ベッド
16 回転テーブルガイドレール
17 回転テーブルドラッグねじ
18 回転テーブルドラッグナット

Claims (1)

  1. 回転テーブルコラム(1)と、回転テーブル(8)と、X軸リニアスケール(13)から電気的に位置を読み取るX軸リニアスケール読み取りヘッド(10)と、回転テーブルベース(14)と、摺動機構Aと、摺動機構Bと、を含み、
    前記回転テーブルコラム(1)は前記回転テーブルベース(14)に垂直に取り付けられ、前記回転テーブル(8)は摺動機構Aを介して前記回転テーブルコラム(1)にスライド可能に接続され、前記回転テーブル(8)は前記摺動機構Bを介して前記回転テーブルベース(14)に摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッド(10)は前記摺動機構Bに取り付けられ、前記X軸リニアスケール(13)は前記回転テーブルベース(14)の下方に取り付けられ、且つ前記X軸リニアスケール読み取りヘッド(10)に対向して設置される、
    前記摺動機構Aは、Z0軸ボールねじ(2)と、Z0軸ラム(3)と、リンク機構第1回転ノード(4)と、リンク機構ロッド(5)と、Z0軸ガイドレール(6)と、を含み、前記Z0軸ガイドレール(6)は前記回転テーブルコラム(1)に設けられ、前記Z0軸ボールねじ(2)は前記Z0軸ガイドレール(6)に接続され、前記Z0軸ラム(3)は前記Z0軸ガイドレール(6)に摺動可能に接続され、前記リンク機構ロッド(5)の一端は前記リンク機構第1回転ノード(4)を介して前記Z0軸ラム(3)に回転可能に接続され、他端は前記回転テーブル(8)に接続される、
    前記摺動機構Bは、水平ガイドレール(7)と、リンク機構第2回転ノード(9)と、水平ラム(11)と、を含み、前記水平ガイドレール(7)は前記回転テーブルベース(14)に設けられ、前記回転テーブル(8)は前記リンク機構第2回転ノード(9)を介して前記水平ラム(11)に回転可能に接続され、前記水平ラム(11)は前記水平ガイドレール(7)に摺動可能に接続され、前記X軸リニアスケール読み取りヘッド(10)は前記水平ラム(11)に取り付けられる、
    さらに、回転テーブルラム(12)と、ベッド(15)と、回転テーブルガイドレール(16)と、回転テーブルドラッグねじ(17)と、回転テーブルドラッグナット(18)と、を含み、
    前記ベッド(15)に前記回転テーブルガイドレール(16)と、回転テーブルドラッグねじ(17)と、回転テーブルラム(12)が設けられ、前記回転テーブルラム(12)は前記回転テーブルガイドレール(16)に摺動可能に接続され、前記回転テーブルドラッグねじ(17)に前記回転テーブルドラッグナット(18)が設けられる、
    ことを特徴とする、回転テーブル。
JP2022507711A 2019-08-15 2020-08-14 回転テーブル Active JP7316743B2 (ja)

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