JPH0784619A - 三次元位置制御システム - Google Patents

三次元位置制御システム

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JPH0784619A
JPH0784619A JP25113093A JP25113093A JPH0784619A JP H0784619 A JPH0784619 A JP H0784619A JP 25113093 A JP25113093 A JP 25113093A JP 25113093 A JP25113093 A JP 25113093A JP H0784619 A JPH0784619 A JP H0784619A
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孝 野田
Naoya Kikuchi
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Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便な演算処理で指令空間での座標値を運動
空間での座標値に逆補正して入力することを可能とした
三次元位置制御システムを提供する。 【構成】 位置制御器11、この位置制御器11による
運動空間上での動作位置を検出する位置検出器12、及
び動作位置を目標値に一致させるべく位置検出器12の
出力により位置制御器11を帰還制御する加算器13を
有する位置制御ループ10と、目標値を入力する主制御
部20とを有し、主制御部20は、測定値出力部に位置
検出器12の出力値について空間誤差を所定の補正関数
を用いて補正して測定値として出力する空間誤差補正演
算回路22と加算器23を有し、目標値入力部に指令空
間上の座標値を初期近似解として前記補正関数を用いた
反復法により運動空間上の座標値に逆補正して制御ルー
プ10に入力する目標値とする簡易逆補正演算回路24
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、三次元空間機構を有す
る運動機械における位置制御システムに係り、特にソフ
トウェアサーボを用いた空間誤差補正機能を有する三次
元位置制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】三次元座標測定機(CMM)や工作機
械、ロボット等の三次元空間機構を有する運動機械で
は、機構部品の加工誤差や温度による変形、歪み等の影
響により、運動空間が指令空間と一致しないという問題
が生じる。このため適切な計算アルゴリズムよってこの
空間誤差を補正する技術が構築されてきた。特に三次元
CMMに関しては実用化されたものも多く、また基礎技
術の開発も多方面で行われている。
【0003】図3は、一般的な三次元位置制御システム
の概略回構成である。この制御システムは、運動を規定
する指令座標系A(X,Y,Z)における位置(x,
y,z)を指令値として出力する指令発生部1と、その
指令値を入力として動作するサーボ系とから構成され
る。サーボ系は、フィードバック用の加算器2と、モー
タや駆動機構(ネジやベルト等)を備えた位置制御器3
と、この位置制御器3の運動結果の位置を検出する位置
検出器(リニアスケール等)4とを有し、これらがフィ
ードバック制御ループを構成する。
【0004】図3のシステムにおいて、指令空間と運動
空間との間に3軸共に誤差がなければ、サーボ系の入出
力は一致して、x=xm ,y=ym ,z=zm となる。
このとき、入力座標系即ち指令座標系A(X,Y,Z)
と出力座標系即ち運動座標系Am (Xm ,Ym ,Zm )
とは完全に一致する。しかし、空間機構が真直度や直角
度に関して誤差を持つことは一般的であり、またこれら
の誤差は温度の影響で変化する。従って一般に、図3に
例示したように、運動座標系Am が指令座標系Aに対し
て空間歪み(空間誤差)を持つことが避けられない。ま
た、CMMでは実際の測定値が(xm ,ym ,zm )で
あるので、空間誤差に起因する測定誤差を持つことにな
る。
【0005】このような空間誤差に起因する測定誤差を
補正して、真の測定データを出力するためには、制御ル
ープ内の位置検出器4と加算器2の間に、所定の関数F
により空間誤差を補正するF変換器が設けられる。運動
座標系Am 上での値が指令座標系Aで如何なる値になる
かは、例えばレーザ干渉計等を用いて知ることができ、
これにより誤差補正関数Fが決まる。一般にこの関数F
は、図5のような曲線イメージを有し、温度Tによる影
響を考慮すると、下記式(1)のように表される。
【0006】
【数1】A=F(Am ,T) …(1)
【0007】ところが、空間誤差補正関数Fが複雑でそ
の演算処理に時間がかかり、制御ループ内でF変換処理
ができない場合がある。このような場合には、制御特性
劣化を回避するために、図4に示すように、F変換器5
を制御ループの外の測定値出力部に配置し、また指令入
力部には、測定値の空間誤差補正を行う先の関数Fに対
して、下記式(2)で表される逆関数F-1によるF-1変
換器6を配置することが行われる。
【0008】
【数2】Am =F-1(A) …(2)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、補正関数Fが
余り複雑である場合には、逆関数F-1は多価関数とな
り、容易には求められない。仮に求められるとしても、
極めて複雑な演算処理になる。そこで逆関数F-1が求め
られない場合や、求めることは可能でも極めて複雑な演
算になる場合には、やむを得ず図4のF-1変換器6を省
いた制御系が用いられていた。これでは、CMM等のプ
ローブ移動等において、指令座標系Aでの正確な位置決
めができない。
【0010】本発明は、そのような逆関数を用いること
なく、簡便な演算処理で指令空間での座標値を運動空間
での座標値に逆補正して入力することを可能とした三次
元位置制御システムを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に係る三次元位置
制御システムは、外部から入力される目標値に応じて運
動空間での動作位置制御を行うための位置制御手段、こ
の位置制御手段による運動空間上での動作位置を検出す
る位置検出手段、及び前記動作位置を前記目標値に一致
させるべく前記位置検出手段の出力により前記位置制御
手段を帰還制御する帰還手段を有する位置制御ループ
と、前記位置検出手段の出力値について指令空間と運動
空間との空間誤差を所定の補正関数を用いて補正して測
定値として出力する空間誤差補正演算手段と、前記指令
空間上の座標値を初期近似解として前記補正関数を用い
た反復法により前記運動空間上の座標値に逆補正して前
記制御ループに入力する目標値とする逆補正演算手段と
を備えたことを特徴としている。
【0012】
【作用】本発明によると、測定値を空間誤差補正する補
正関数を用いた簡易逆補正により、指令空間上の目標値
を運動空間上の目標値に逆変換して制御ループに与える
ことができる。従って逆関数を用いることなく、また逆
関数による極めて複雑な演算を要せず、指令空間座標系
で正確な位置制御を行うことが可能になる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。図1は、一実施例の位置制御システム構成を示
す。制御ループ10は、モータ及びその駆動系等を含む
位置制御器11、スケールカウンタ等の位置検出器1
2、及び位置検出出力を帰還する帰還回路を構成する加
算器13により構成される。
【0014】制御ループ10に指令値を与えるのがマイ
クロコンピュータ等の主制御部20である。図では主制
御部20での主要な機能をブロックで示している。測定
値出力側には、三次元空間誤差補正を行って指令空間上
の座標値として測定値を出力するために、図示のように
直線補正を行う直線補正回路21、空間誤差補正回路2
2及び加算器23を有する。制御ループ11に対する目
標値入力側には、指令空間での座標値を運動空間での座
標値に逆変換するための簡易逆補正回路24が設けられ
ている。
【0015】直線補正回路21は、温度等の環境変化、
組立の再現性、時間経過に伴って発生する微妙な線形誤
差を補正するために、一次関数x=ax′で表される直
線補正を行う部分である。空間誤差補正回路22は、運
動空間上の座標値xm =(Xm ,Ym ,Zm )につい
て、次式による誤差補正分δx=(δX,δY,δZ)
を求める部分である。
【0016】
【数3】δx=f(xm ) …(3)
【0017】これらの直線補正回路21及び空間誤差補
正回路22の演算により求められる出力を加算器23で
加算することにより、空間誤差補正された所望の測定値
が得られる。
【0018】指令値の入力部に設けられた簡易逆補正回
路24は、(3)式で表される補正関数の逆関数を用い
た逆変換回路ではなく、(3)式の補正関数をそのまま
利用して簡便に逆変換を行うものである。即ちここで
は、指令空間上の座標値を初期近似解として、(3)式
の補正関数を用いた反復法により運動空間上の座標値に
変換された目標値が得られる。
【0019】図2は、この簡易逆補正回路24の機能を
ソフトウェアにより実現する場合のアルゴリズムを示し
ている。なお図2で用いているxt ,xm ,δx,xc
,Δxは全てベクトルである。指令空間上の目標値xt
を(3)式に示される補正関数の位置変数xm の初期
近似解として用いて(S1 )、空間誤差補正分δxを求
める演算を行い(S2 )、この誤差補正分を補正前の値
に加えて、補正値xc =xm +δxを求める演算を行う
(S3 )。そしてこの補正値xc を目標値xt から減算
してΔxを求める演算を行い(S4 )、|Δx|が所定
の収束定数Kより小さいか否かの収束判定を行う(S5
)。より具体的には、|Δx|≦K、且つ|Δy|≦
K、且つ|Δz|≦Kがここでの収束条件となる。収束
条件を満たさない場合には、初期近似解にΔxを加算し
て(S6 )、再度ステップS2 に戻って、収束条件を満
たすまで同じ演算を繰り返す。このような反復法を利用
することにより、実質的に指令空間上の目標値を運動空
間上の目標値に逆変換して制御ループ10に与えること
ができる。
【0020】図2のアルゴリズムにより簡易逆補正が可
能な理由を、もう少し詳しく説明する。まず運動空間上
のxm を指令空間上の座標値xt に変換する補正処理
を、次式(4)で表す。
【0021】
【数4】xt =xm +f(xm ) …(4)
【0022】このとき、xt を与えてxm を求める逆補
正処理は、次式(5)で表される。
【0023】
【数5】xm =xt −f(xm ) …(5)
【0024】ここで、f(xm )が微小な値で且つ、x
m に対するf(xm )の変化が微小である場合には、f
(xm )を次式(6)で表すことができる。
【0025】
【数6】f(xm )≒f(xm +f(xm )) =f(xt ) …(6)
【0026】このとき、(5)式から、xm の近似解が
次式(7)のように求められる。
【0027】
【数7】xm ≒xt −f(xt ) …(7)
【0028】ここまでは反復計算を要せず、1回の計算
で求められる場合である。反復計算の場合には次のよう
になる。xm の変化に対して、f(xm )の変化が微小
で、xm の近似値をxr として、これらが次式(8)の
関係にあるとする。
【0029】
【数8】xr =xm +Δx …(8)
【0030】これに対して、次式(9)が成り立つとす
る。
【0031】
【数9】 |f(xm )−f(xr )|《|Δx| …(9)
【0032】このとき、(5)式のxm の代わりにxr
を代入した新たな近似値xr ′は、次のようになる。
【0033】
【数10】xr ′=xt −f(xr ) =xm +f(xm )−f(xr ) …(10)
【0034】(8),(9),(10)式から、次式
(11)が得られる。
【0035】
【数11】 |xr ′−xm |《|xr −xm | …(11)
【0036】即ち、近似値xr ′のxm に対する誤差
は、xr のxm に対する誤差より小さくなる。そこでこ
の新たな近似値xr ′を近似値xr として、繰り返し
(10)式でxr を求める反復処理を行うことにより、
xm の低誤差の近似値が求められることになる。なお、
xr の初期値として、xt を用いることが可能である。
【0037】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、多価
関数となるような逆関数を用いた複雑な演算を要せず、
簡易逆補正処理により指令空間座標系で正確な位置制御
を行うことを可能とした三次元位置制御システムを得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の位置制御システムの構成
を示す。
【図2】 同実施例の簡易逆補正のアルゴリズムを示
す。
【図3】 一般的な位置制御システムの構成を示す。
【図4】 空間誤差補正を行う従来の位置制御システム
の構成を示す。
【図5】 空間誤差補正のための補正関数の例を示す。
【符号の説明】
10…制御ループ、11…位置制御器、12…位置検出
器、13…加算器、20…主制御部、21…直線補正演
算回路、22…空間誤差補正演算回路、23…加算器、
24…簡易逆補正演算回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部から入力される目標値に応じて運動
    空間での動作位置制御を行うための位置制御手段、この
    位置制御手段による運動空間上での動作位置を検出する
    位置検出手段、及び前記動作位置を前記目標値に一致さ
    せるべく前記位置検出手段の出力により前記位置制御手
    段を帰還制御する帰還手段を有する位置制御ループと、 前記位置検出手段の出力値について指令空間と運動空間
    との空間誤差を所定の補正関数を用いて補正して測定値
    として出力する空間誤差補正演算手段と、 前記指令空間上の座標値を初期近似解として前記補正関
    数を用いた反復法により前記運動空間上の座標値に逆補
    正して前記制御ループに入力する目標値とする逆補正演
    算手段と、を有することを特徴とする三次元位置制御シ
    ステム。
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JP2010102622A (ja) * 2008-10-27 2010-05-06 Mitsutoyo Corp 産業機械
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