KR100405718B1 - 위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템 - Google Patents

위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

설정된 허용오차 및 허용 원심력을 기초로 피제어 기기의 궤적 이동속도를 제한할 수 있도록, 허용궤적오차에 의한 각속도 제한값, 허용원심력에 의한 각속도 제한값을 계산하고, 목표궤적상의 한 지점에서 피제어 기기의 위치제어를 위한 회전각속도가 상기 제한값을 초과하는 경우에는 제한값을 초과하지 않도록 회전각속도를 하향 조정하여 피제어 기기의 위치를 제어한다.

Description

위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템{A METHOD FOR CONTROLLING POSITION OF A MATERIAL AND A SYSTEM THEREOF}
본 발명은 위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 허용오차 및 허용가속도 범위를 제한하는 원호 보간 방법 및 시스템에 관한 것이다.
공작기계에서 공구의 가공위치를 제어하거나, 특정 목적을 위한 시뮬레이터 (simulator) 등에서 이동대상이 되는 물건의 위치를 제어하기 위해서는 통상적으로공구 등의 피제어 기기의 위치를 x축 방향 및 y축 방향으로 각각 이동시키는 x축 방향 이동모터 그리고 y축 방향 이동모터를 이용하여, 상기 x축 방향 이동모터 및 y축 방향 이동모터를 목표이동량만큼 구동함으로써 피제어 기기를 이동시키게 된다.
도 1은 피제어 기기가 이동하는 궤적의 일예를 나타낸 도면이다.
피제어 기기의 이동은 반드시 직선적일 필요는 없으며 도1에 도시된 바와 같이 임의의 궤적을 따라 이동되는 것으로 할 수 있다. 그런데, 궤적상의 임의의 점은 곡률 반경(r)이 존재하고, 따라서 피제어 기기는 매순간 순간적으로 원운동 하는 것으로 해석하여 제어할 수 있다.
이러한 해석에 의한 피제어 기기의 위치제어는, 단위시간()마다 피제어 기기의 위치 이동량을 정하고 상기 위치이동량에 해당하는 만큼 x-방향모터 및 y-방향모터를 작동시킴으로써 이루어진다.
따라서 피제어 기기의 실제 이동 궤적은 곡선이 아니라 작은 선형이동이 누적되어 거시적으로는 곡선형태의 궤적이 이루어지게 되는 것이다. 결과적으로 실제 이동궤적과 목표이동궤적 사이에는 편차가 존재할 수 있고, 이러한 편차를 고려하여 피제어 기기의 이동 각속도를 제한할 필요가 있다.
또한, 컴퓨터 상에서 진행되는 모의실험 등과 같이 현실적인 제한이 가해지지 않는 상황에서는 문제가 없으나, 실제 피제어 기기는 특정한 질량을 가지는 물체로서 궤적의 곡률 반경 및 이동속도에 의해 원심력이 발생하게 되어, 이 원심력을 극복하고 피제어 기기를 목표 궤적에 따라 이동시키기 위해서는 모터에 지나치게 큰 부하가 발생하는 경우가 있고, 이러한 경우에는 목표궤적에 따라 피제어 기기를 이동시킬 수 없게 되므로 이러한 상황이 발생하지 않도록 피제어 기기의 이동각속도를 제한할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 필요를 충족시키기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 설정된 허용오차 및 허용 원심력을 기초로 피제어 기기의 궤적 이동속도를 제한하는 피제어 기기의 위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 피제어 기기가 이동하는 궤적의 일예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 궤적상의 지점(P1)으로부터 타 지점(P2)으로 이동할 때의 목표궤적과 실제궤적을 도시한 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 시스템은 피제어 기기를 x축 방향 및 y축 방향으로 각각 이동시키는 x-방향모터 및 y-방향모터; 후술할 본 발명의 원호 보간 방법을 수행하는 전자제어유닛; 및 상기 x-방향모터 및 y-방향모터의 각각에 연결되어 피제어 기기의 위치이동에 관한 신호를 상기 전자제어유닛에 전송하는 인코더를 포함한다.
본 발명에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 방법은, 허용궤적오차(E_{lin e})에 의한 각속도 제한값을 계산하는 제1한계각속도(omega_1) 계산단계; 허용원심력()에 의한 각속도 제한값을 계산하는 제2한계각속도(omega_2) 계산단계; 목표궤적상의 한 지점에서 피제어 기기의 위치제어를 위한 회전각속도(omega)를 계산하는 단계; 상기 계산된 회전각속도(omega)가 회전각속도 제한조건에 해당하는지 판단하는 제한조건 판단단계; 제한조건에 해당되면 상기 제한조건에 해당되지 않는회전각속도로 회전각속도(omega)를 조정하는 회전각속도 조정단계; 및 상기 조정된 회전각속도(omega)로 피제어 기기의 위치를 이동시키는 위치이동단계를 포함한다.
상기 제1한계각속도(omega_1)는, 허용궤적오차(즉, 목표궤적과 원호 보간에 의한 궤적과의 최대 허용편차)를 E_{lin e}로, 곡률 반경을 r로, 이동모터에 제어신호를 출력하는 시간간격을로 각각 표시할 때,으로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제2한계각속도(omega_2)는, 허용원심력을로, 곡률 반경을 r로 각각 표시할 때,으로 정의될 수 있다.
상기 회전각속도 제한조건은 회전각속도(omega)가 상기 제1한계각속도 (omega_1) 및 제2한계각속도(omega_2) 중 어느 하나를 초과하는 것으로 정의될 수 있으며, 상기 회전각속도 조정단계는 상기 제1한계각속도(omega_1) 및 제2한계각속도(omega_2) 중 최소값으로 회전각속도(omega)를 조정하는 것으로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면의 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 시스템의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 원호 보간 시스템은, 피제어 기기를 직교좌표계의 x축 방향 및 y축 방향으로 각각 이동시키는 x-방향모터(210) 및 y-방향모터(220)를 포함한다.
상기 x 및 y-방향모터(210,220)는 전자제어유닛(250; Electronic Control Unit)의 제어신호에 의해 구동되며, 상기 전자제어유닛(250)은 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로프로세서로서 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예의 원호 보간 방법을 구현하는 일련의 명령으로 구성된다.
상기 x 및 y-방향모터(210,220) 각각에는 인코더(230,240; encoder)가 구비되어 피제어 기기의 위치이동에 관한 신호를 상기 전자제어유닛(250)에 전송한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 위치제어를 위한 원호 보간 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조로 본 발명의 실시예의 원호 보간 방법을 상세히 설명하면, 먼저, 설정된 허용궤적오차(E_{lin e})를 기초로 각속도 제한값, 즉 제1한계각속도를 계산한다(S310).
상기 제1한계각속도(omega_1)는, 허용궤적오차 즉 목표궤적과 원호 보간에 의한 궤적과의 최대 허용편차를 E_{lin e}, 곡률 반경을 r, 이동모터에 제어신호를 출력하는 시간간격을로 각각 표시할 때,으로 설정된다.
이와 같이 제1한계각속도(omega_1)를 설정할 수 있음을 도 4를 기초로 설명한다.
도 4는 궤적상의 지점(P1)으로부터 타 지점(P2)으로 이동할 때의 목표궤적(410)과 실제궤적(420)을 도시하고 있다. 설정된 시간()동안 변화량()의 각도로 선형 이동하는 것과 원운동 하는 것을 비교하면, 그 궤적상의 편차(E_{lin e})는로 주어진다. 따라서, 편차에 따른 각도 변화량의 관계는,으로 주어진다. 결국, 허용궤적편차를 E_{lin e}로 설정하면, 각도 변화량()은이하이어야 하고, 따라서 회전각속도(omega)는이하의 값으로 제한되어야 하는 것이다.
또한, 설정된 허용원심력()을 기초로 각속도 제한값, 즉 제2한계각속도 (omega_2)를 계산한다(S320).
상기 제2한계각속도(omega_2)는, 허용원심력을, 곡률 반경을 r로 각각 표시할 때,으로 설정된다. 이는 각속도 omega 및 회전 반경 r로 회전하는 물체는 r omega^2의 각가속도(a)가 발생됨을 역으로 이용한 것이다.
다음으로, 목표궤적 상의 한 지점에서 피제어 기기의 위치제어를 위한 회전각속도(omega)를 계산한다(S330).
상기 회전각속도 계산은 위치를 제어하고자 하는 피제어 기기의 목표궤적 상에서 피제어 기기가 이동하도록 하는 임의의 방식에 기초하여 계산될 수 있다.
회전각속도(omega)를 계산한 후에는 계산된 회전각속도(omega)가 회전각속도 제한조건에 해당하는지 판단한다(S340).
상기 회전각속도 제한조건은, 회전각속도(omega)가 상기 제1한계각속도 (omega_1) 및 제2한계각속도(omega_2) 중 어느 하나를 초과하는 것으로 정의된다.
상기 판단단계(S340)에서 회전각속도 제한조건을 만족하는 경우, 즉 회전각속도(omega)가 상기 제1한계각속도(omega_1) 및 제2한계각속도(omega_2) 중 어느 하나를 초과하는 경우에는 상기 제한조건에 해당되지 않는 각속도로 회전각속도 (omega)를 조정한다(S350).
상기 회전각속도 조정단계(S350)에서는 상기 제1한계각속도(omega_1) 및 제2한계각속도(omega_2) 중 최소값으로 회전각속도(omega)를 조정한다.
회전각속도(omega)를 조정한 후에는 상기 조정된 회전각속도(omega)로 피제어 기기의 위치를 이동시킨다(S360).
상기 위치 이동은, 상기 조정된 회전각속도를 기초로 x-방향모터 및 y-방향모터의 구동량을 환산한 후, 상기 환산된 모터구동량에 기초하여 모터를 구동함으로써 이동시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 위치제어를 위한 원호 보간 방법 및 시스템에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 허용궤적오차를 초과하지 않도록 피제어 기기의 위치를 제어함으로써 피제어 기기의 동작오차를 줄일 수 있고, 허용원심력을 초과하지 않도록 피제어 기기의 위치를 제어함으로써 모터의 부하를 줄이며 피제어 기기의 실제궤적이 목표궤적으로부터 오차가 크게 발생하는 것을 막을 수 있다.

Claims (6)

  1. 허용궤적오차(E_{lin e})에 의한 각속도 제한값을 계산하는 제1한계각속도 (omega_1) 계산단계;
    허용원심력()에 의한 각속도 제한값을 계산하는 제2한계각속도(omega_2) 계산단계;
    목표궤적상의 한 지점에서 피제어 기기의 위치제어를 위한 회전각속도 (omega)를 계산하는 단계;
    상기 계산된 회전각속도(omega)가 회전각속도 제한조건에 해당하는지 판단하는 제한조건 판단단계;
    제한조건에 해당되면 상기 제한조건에 해당되지 않는 회전각속도로 회전각속도(omega)를 조정하는 회전각속도 조정단계; 및
    상기 조정된 회전각속도(omega)로 피제어 기기의 위치를 이동시키는 위치이동단계; 를 포함하되,
    상기 제1한계각속도(omega_1)는,으로 정의되고,
    상기 제2한계각속도(omega_2)는,으로 정의된 것을 특징으로 하는 위치제어를 위한 원호 보간 방법.
    (단, 여기서 E_{lin e}은 허용궤적오차 즉 목표궤적과 원호 보간에 의한 궤적과의 최대 허용편차를, r은 곡률 반경을,는 이동모터에 제어신호를 출력하는 시간간격을,는 허용원심력을, r은 곡률 반경을 말한다)
  2. 제1항에서,
    상기 제한조건은 회전각속도가 상기 제1한계각속도 및 제2한계각속도 중 어느 하나를 초과하는 것으로 정의되는 것을 특징으로 하는 위치제어를 위한 원호 보간 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 회전각속도 조정단계는 상기 제1한계각속도 및 제2한계각속도 중의 최소값으로 회전각속도(omega)를 조정하는 것을 특징으로 하는 위치제어를 위한 원호 보간 방법.
  4. 피제어 기기를 x축 방향 및 y축 방향으로 각각 이동시키는 x-방향모터 및 y-방향모터;
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 전자제어유닛; 및
    상기 x-방향모터 및 y-방향모터의 각각에 연결되어 피제어 기기의 위치이동에 관한 신호를 상기 전자제어유닛에 전송하는 인코더를 포함하는 위치제어를 위한 원호 보간 시스템.
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