JPH01222844A - 数値制御工作機械における位置決め誤差補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、位置決め制御を行ないかつ速度指令値の伝送
系にＤ／＾コンバータを含む数値制御工作機械において
、特に高ビット数のＤ／Ａコンバータに起因する位置決
め誤差を自動補正するようにした数値制御工作機械にお
ける位置決め誤差補正装置に関する。

（従来の技術） 数値制御（以下、単にＮＣとする）軸の位置決め誤差の
発生要因は大別すると、 （ａ）　ＮＣ軸の摺動面状態による制御ループゲインの
制約によるもの （ｂ）制御系の構成要素が持つ誤差要因によるもの があるが、一般のＮＣ旋盤、マシニングセンターでは上
記（ａ）の要因が支配的である。上記要因（ａ）に起因
する位置決め誤差は制御ループゲインを上げることによ
り改善されるが、工作機械の移動時や停止時に微振動が
発生するという問題が生じる　−ために制約を受けてい
る。

ところで、本発明における従来技術としては、特に一般
のＮＣ旋盤、マシニングセンターの軸の様な長ストロー
クですべり摺動面、ころがり摺動面ではなく、短ストロ
ークで静圧摺動面で構成された軸を対象の条件とする。

この場合の位置決め誤差は上記要因（ｂ）が支配的とな
る。従来のＮＣ軸は完全ディジタル制御系を採用してい
るため、速度指令値の伝送系にＤ／＾コンバータを具備
することはない。従って、上記要因（ｂ）も非常に小さ
いものとする。ところが、完全なディジタル制御系より
もアナログ制御系の方が周波数応答が良く、特に複雑な
指令形状を高速に追従させる用途においては有利である
ため、現在においてもＤハコンバータを有するアナログ
制御系が広く利用されている。そこで本発明では前述の
条件を満たし、複雑な指令形状を入力しても追従性が良
く、速度指令値の伝送系にＯ／＾コンバータを持ったア
ナログ制御を使用したＮＣ軸を従来技術の対象として考
える。

速度指令値の伝送系にＤハコンバータを持ったＮＣ＠Ｉ
Ｉにおいてはく上記条件より上記要因（ｂ）に基づく位
置決め誤差が問題となる。上記要因（ｂ）では、アナロ
グ制御であるためにＤ／Ａコンバータのドリフト特性が
位置決め誤差に及びぼす影響が大きい。特に高ビットの
Ｄ／Ａコンバータになれば、ビット数に応じて上記位置
決め誤差も大きくなる。しかし、複雑な指令形状を高速
に追従させ、ディジタル制御の普通軸程度の位置決め精
度を出すんめには、高ビット数のＤハコンバータが必要
となるのである。

ここで、アナログ制御を使用した従来技術による制御系
のブロック構成例を、第５図に示して説明する。この従
来装置は、直線運動メカニズムｌと、この直線運動メカ
ニズム１の移動位置を検出する位置検出器２と、位置指
令値ＰＣを発生する関数発生器３と、位置検出器２が検
出した位置検出値ＤＰを関数発生器３が発生した位置指
令値から減算する減算器４と、この減算器４の出力であ
る位置偏差値ＰＥをアナログ信号に変換するＯハコンバ
ータ５と、このＤ／＾コンバータのアナログ信号出力Ａ
ＰＥを増幅するサーボ増幅器６とを有し、増幅された信
号ＳＡによってサーボモータ７を駆動して直線運動メカ
ニズム１を移動させる様に構成されている。

この様な位置決め制御系において、送り速度Ｖ［′″１
八、へ］と、位置偏差値ＰＥ［■ｎ＋］と、位置ループ
ゲインにｐ［５ｅｃ−’］　との関係は、一般的に以下
の様になることが知られている。

ＰＥ＝　ｖ　／にｐ　　　　　　　・・・・・・　（１
）この時の位置（ｌｉｉ差値ＰＥ［ｍｌｌ１を表わすた
めに必要なり／Ａコンバータ５のビット数を１［ｂｉｔ
ｌ、位置決め分解能をｘ［ｌ１ｌＩ１１］　　とすると
、ＰＥ＝　ｘ　（２°−１）　　　　　　・・・−・・
（２）となり、上記（１）　、　（２）式より−＝　Ｋ
ｐ（２’−１）　　　　　・・・・・・（３）となる。

ここで位置ループゲインにｐが定数であるとすると、位
置決め分解能Ｘを高くして（Ｘ−小）、送り速度■を速
（（ｖ−大）とするには、（３）式よりＤ／Ａ　コンバ
ータ５のビット数ｎを大きくすることに相当している。

従って、高ビット数のＤ／Ａコンバータを採用すること
は、高分解能で高速送りの可能な位置決め制御に不可欠
な事項であることが分る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、実用上の分解能以上の分解能を持つ高ビ
ット数のＤ／Ａコンバータの採用は、以下の理由により
意味のないものとされていた。例えばユニポーラ（単極
性）型のｎ［ｂｉｔｌのＤ／Ａコンバータを使用しく正
負の極性を含めると（ｎ＋１）ビットに相当する）、こ
の出力電圧幅ＶＰＳＲ［Ｖ］　、ドリフト係数Δｄ　［
”Ｒ／ｌ　］　、温度変化ΔＴ［ｔ］　とおくと、温度
変化によるドリフト電圧ＶＪＴ［Ｖ］は、ＶｊＴ＝Δｄ
ＸＶＦｓＲＸΔＴ・・・・・・（４）であり、位置決め
分解能の１単位に対応する出力電圧ｖ、、［Ｖ］は、 Ｖ、ｌ＝　　ＶｒｓＲ／（２’−１）　　　　　　　　
　・−・−（５）となるから位置決め誤差ＥＲ［ａｖｌ
は、Ｘ ・・・・・・（６） となる。ここで、市販型ユニポーラ１６ビツトの０／＾
コンバータを使用すると仮定し、Δｄ−１５［””／　
ｔ）ｐｐｏ＋］＝　１．５ｘｌＯ−’［””／　ｔｌ　
、　ＡＴ−３０［ｔｌ　とし、上記温度変化でも位置決
め分解能１単位以下となる様な実用上の０／＾コンバー
タの分解能に相当するビット数をｎ’［ｂｉｔｌ　とす
ると、Ｒ −＝Δｄ・ΔＴ−（２”−１）　　　−・−（６）’と
なり、この（６）°式をＥＲ／ｘ＝　１とおき、ｎ＝ｎ
’とおきかえると １　　（＝ＥＲ／ｘ）≧Δｄ−ΔＴ−（２”−１）−・
−（７）となる。従ってｎ′について解くと、 トｔｔ　ｒ）、Δｄ−１，５ｘ　１Ｇ−’［”ｃ／　ｔ
ｌ　、　ＡＴ−３０［ｔｌの条件下では、ユニポーラ１
６ビツトＤ／Ａコンバータの実用上の分解能は１１ビッ
ト程度であることが分った。速度指令電圧は両極性であ
るので、Ｄ／Ａコンバータの外部に極性ビットを持つ場
合には上記ユニポーラ１６ビツトＤ／Ａコンバータは１
７ビツトに、実用上の分解能は１２ビット程度となる。

尚、ここでは、Ｄ／＾コンバータ以外のアナログ増幅器
のドリフト特性は、Ｄ／＾コンバータの持つドリフト特
性の１７１０〜１／１００程度のものが容易に入手出来
るため、問題にならないとした。このアナログ増幅器は
、上記ユニポーラ型り／Ａコンバータの出力電圧の極性
反転のためや位置ループゲインの設定のために使用され
るものである。

以上要するに、ＮＣ軸の構成が短ストロークで、可動部
等価質量が一般のＮＣ旋盤、マシニングセンター軸より
軽く（数百＋ｍ−〜数＋ｍ　＜　２０ｍｍ。

数１００にｇ〜数ｔ→２にｇ）、摺動面でのスリップス
ティックの発生が少ないように（静圧ガイド）製作され
たＮＣ軸で、かつ複雑な指令形状に応答するために速度
指令値をＤ／＾変換して速度ループ以降をアナログ制御
している特殊ＮＣ軸において、高分解能、高速送りを実
現するためには高ビット数のＤ／Ａコンバータが必要と
なる。しかし、Ｄ／Ａコンバータ自身のドリフト特性に
より高ビットＤ／Ａコンバータを用いると、位置決め誤
差が発生してしまう。例えば、前記市販型ユニポーラ１
６ビツトのＤ／Ａコンバータを前記条件で使用したなら
ば、（６）式ニΔｄ　−１，５Ｘ　１０−’［Ｆｓ”／
　’ｅ１．．ｄＴ−３０［’Ｃｌ。

ｎ−１６［ｂｉｔｌ、ｘ−０，ＩＸ　１０’″’　［ａ
＋ｍｌを代入すると、ＥＨ１１，９Ｘ　１０−３［ｎ＋
＋ｏｌとなる。従って、位置決め分解能の２９倍も誤差
が発生することになる。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本
発明の目的は、上記特殊ＮＣ軸を有するＮＣ工作機械に
高ビット数のＤ／Ａコンバータを１１１１した際に高ビ
ット数のＤ／＾コンバータのドリフト特性の影響による
位置決め誤差を補正する装置を設けて、高ビット数の０
／＾コンバータを使ったまま高い位置決め分解能を保ち
、高速送りを可能とする位置決め誤差補正装置を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、位置決め制御を行ないかつ速度指令値の伝送
系にＤ／Ａコンバータを含むＮＣ工作機械における位置
決め誤差補正装置に関するもので、本発明の上記目的は
、位置決め誤差補正のタイミングを発生する補正値演算
起動信号発生手段と、この補正値演算起動信号発生手段
の起動信号により位置決め誤差を演算する演算手段と、
この演算手段で演算された補正値を記憶する補正値記憶
手段と、この記憶手段に記憶された補正値を位置指令値
に加算する加算手段とを設けることによって達成される
０本発明によれば上記タイミング毎に位置決め誤差を自
動補正し、高ビットＤ／Ａコンバータを使用した場合で
も位置決め誤差を小さくすることが出来る。

（作用） 本発明では、位置決め誤差補正の可能なタイミングで補
正値演算起動信号を発生し、所定の補正演算を行なった
補正値を関数発生器からの位置指令値に加算している。

その結果、高ビットＤ／Ａコンバータを速度指令値伝送
系に用いてもドリフト特性による位置決め誤差が除去さ
れるため、位置決め誤差を小さくすることができる。

（実施例） 第１図のブロック図は本発明の一実施例を第５図に対応
させて示しており、関数発生器３からの位置指令値ｐｃ
は補正値演算器９に入力されると共に、加算器１１に入
力される。また、位置検出器２からの位置検出値ＤＰは
補正値演算器９に人力されると共に、減算器４に人力さ
れ、位置決め誤差補正の可能なタイミングに補正値演算
起動信号発生器８から発生される起動信号ＳＴは補正値
演算器９に人力され、補正値演算器９で求められたこの
演算値ＣＯＭＰ　（Ｎ＋１）は補正値記憶器ｌＯに入力
され、その記憶値ＣＯＭＰが加算器１１に人力されるよ
うになっている。

このような構成において、その動作を第２図のフローチ
ャートを参照して説明する。

補正値演算起動信号発生器８は複合した種々の機能を有
し、先ずプログラム指令より自動補正を行なう軸が移動
中であるか否かを調べ（ステップＳｔ）　、移動中でな
ければステップｓ２に進んで穆勤、停止からの時間を計
測して予め指定された時間が経過するのを待ち、位置決
め完了と判定して補正値演算器９に起動信号ＳＴを与え
る。上記ステップＳ２での位置決め完了の判断は、ステ
ップＳｌにおける軸移動指令終了後の軸の移動速度又は
位置が、各設定された値以下となってからの経過時間が
設定値以上となった場合としても実現可能である。次に
、補正値演算器９は入力された起動信号ＳＴに基づいて
位置検出値ＤＰ［ｍｍｌを平均処理して現在位置の平均
値をＤＰ［ｍｍｌとして求め（ステップＳ３）、関数発
生器３からの位置指令値ｐｃとの位置決め誤差イを次の
式（９）より求める（ステップＳ４）　　。

ＥＲ＝　　ＰＣ−ＤＰ　　　　　　　　　　・・・・・
・・・・（９）ここで、以前までの補正値をＧＯＭＰ　
（Ｎ）　［１１１１１として、新しく求める補正値をＣ
ＯＭＰ　（Ｎｉ１）　［１ｆｆｌｌ　とすると、 ＣＯＭＰ（Ｎ＋１）＝　　ＣＯＭＰ（Ｎ）　＋　ＥＲ・
・・・・・・・・（ｌＯ）となる（ステップＳ５）。但
し、Ｎは補正回数Ｎ＝Ｑ、１，２．・・・とし、ＧＯＭ
Ｐ（０）−０とする。補正値演算器９で上述の如く演算
された補正値ＧＯＭＰ　（Ｎｉ　１）は、補正値記憶器
ｌＯに記憶（記憶値ＣＯＭＰ−ＧＯＭＰ　（Ｎ＋１））
され（ステップＳ６）、自動補正を続けるかを判断し、
続けるならば以上の操作ステップ５ｔ−５６を繰り返す
（ステップＳ７）。続けなければ自動補正を終了する。

補正値記憶器ｌＯは次回の補正値演算まで今回補正値Ｃ
ＯＭＰを保持し、保持された記憶値（：ＯＭＰは加算器
＋１で位置指令値ｐｃと加算される。

前述のような完全ディジタル制御を採用しているＮＣ軸
においては、本発明で問題としているＤ／Ａコンバータ
による位置決め誤差は発生しない。

従って、これらのＮＣ！ｉｔｈが追従出来ない様な指令
形状の軌跡を追従させようとする場合には、アナログ制
御を使用した加工軸を付加させる必要がある。次に、Ｖ
ＴＲやディジタルオーディオチーブ（以下、ＤＡＴと略
す）のリード面加工に応用した具体例を示す。すなわち
、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明を適用できる装置
の平面及び側面を示しており、主軸モータ１２の回転中
心線の延長方向をＺ軸、垂直方向をＸ軸とする。主軸モ
ータ１２及び中台１７は摺動面を介してＮＧ旋盤のベッ
トに保持され、Ｚ軸モータ１８及びＸ軸モータ１９は直
接ＮＣ旋盤のベットに固定されているが、図中では簡略
化のため省略されている。このＮＧ旋盤においては、Ｚ
軸方向の移動はベットに対して主軸モータ１２が移動す
ることにより行なわれ、Ｘ軸方向の移動は中台１７がベ
ットに対して移動することにより行なわれる。Ｚ軸の移
動はＺ＠モータ１８及びＺ！ｉｔｈボールネジ２０で行
なわれ、Ｘ軸の移動はＸ軸モータ１９及びＸ軸ボールネ
ジ２２により行なわれる。ＶＴＲ，ＤＡＴのリード面加
工において、チャック２１で装着されたワーク１３の外
径、内径、端面等の加工は、各々の加工に見合ったバイ
ト１５を刃物台１４に数個固定して行なう。リード面の
加工は、主軸モータ１２の回転角度に対して付加１軸ユ
ニツト１６の変位と、Ｚ軸モータ１８の送りとを同期制
御することにより行なう。ここで、付加１軸ユニツト１
６は応答性を重視しているため、通常のＮＣ軸では速度
指令伝送にＤ／Ａコンバータを使用していないため発生
しない位置決め誤差が発生し問題となる。このリード面
加工においては、リード面の位置に対しても±２μ１以
内の寸法精度が要求される。従って、仮に位置決め分解
能が０．Ｌ　ｕａの場合、前記（６）°式より２．９μ
ｌの位置決め誤差が発生することになり、要求精度を溝
せないことになるが、本発明においては、上記条件で理
論的には±０．１μＩ以内の位置決め誤差量に改善する
ことが出来る。

発明の効果； 本発明によれば、高ビット数のＤ／Ａコンバータを使い
、高い位置決め分解能と高速送りを両立し、従来の課題
であった位置決め誤差を、位置決め分解能の±ｌ単位以
内とすることが出来る。すなわち、（６）°式の左辺を
、ＥＲ’　［１／位置決め分解能］とおき、右辺のΔｄ
・（２’−１）をｋとするとＥＲ’　＝　ｋ・ΔＴ　　
　　　　・・・・・・・・・（１１）となり、位置決め
誤差ＥＲ’は温度変化ΔＴに比例する。説明の簡略化の
ためにに−１とすると、第４図（八）〜（Ｃ）の様なグ
ラフとなる。但し、軸は停止中とする。第４図（Ａ）は
温度変化を表わし、同図（Ｂ）は（１１）式のに−１と
した場合の位置決め誤差量（Ｘ位置決め分解能）を示す
グラフであり、同図（Ｃ）は本発明による位置決め誤差
量を表わしたグラフである。第４図において、時間し。

でＤ／Ａコンバータのオフセット調整を行ない、それ故
この時間１ｏにおいては従来も本発明も位置決め誤差量
は零である。そして、時間ｔ０より６分間経過後の時間
ｔ、で１℃の温度上昇があった場合には、補正なしの場
合の位置決め誤差量が１［１／位置決め分解能］となる
。位置決め補正をした場合には、位置決め誤差量が位置
検出器の分解能を越えた場合に初めて補正の効果が現わ
れる。この後、時間ｔ２．ｔ５．ｔ４と補正なしの場合
には位置決め誤差量が温度変化に従って大きくなるが、
補正有りの場合には必ず分解能の±１単位以内に入るこ
とが分る。但し、現実の位置決めは、位置ループがディ
ジタル制御のため指令値に対して最低でも分解能の±１
単位の変動が有るが、ここでは理想的な位置決めが可能
であると考えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図はその動作例を示すフローチャート、第３図（Ａ）は
本発明を適用できる工作機械の一例を示す平面図、同図
（Ｂ）はその側面図、第４図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の
詳細な説明するための図、第５図は従来の制御系を示す
ブロック構成図である。 ｌ・・・直線運動メカニズム、２・・・位置検出器、３
・・・関数発生器、４・・・減算器、５・・・Ｄ／＾コ
ンバータ、６・・・サーボ増幅器、７・・・サーボモー
タ、８・・・補正値演算起動信号発生器、９・・・補正
値演算器、ｊＯ・・・補正値記憶器、１１・・・加算器
。 出願人代理人　　　安　形　雄　三 第２回 羊３　凪

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、位置決め制御を行ないかつ速度指令値の伝送系にＤ
   ／Ａコンバータを含む数値制御工作機械において、位置
   決め誤差補正のタイミングを発生する補正値演算起動信
   号発生手段と、この補正値演算起動信号発生手段の起動
   信号により位置決め誤差を演算する演算手段と、この演
   算手段で演算された補正値を記憶する補正値記憶手段と
   、この記憶手段に記憶された補正値を位置指令値に加算
   する加算手段とを設け、前記タイミング毎に位置決め誤
   差を自動補正するようにしたことを特徴とする数値制御
   工作機械における位置決め誤差補正装置。