KR101472693B1 - 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법 - Google Patents

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야스나리 야마다
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 때문에, 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 피드백 제어계 (21) 에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 제 1 위치 편차 (Δθ) 를 측정하고, 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델 (60) 에 있어서, 피드백 제어계 모델에 의한 이송계 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 제 2 위치 편차 (Δθ) 가, 제 1 위치 편차와 동등해질 때까지, 이송계 모델에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 을 조정하여 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복하고, 그 결과, 제 2 위치 편차가 제 1 위치 편차와 동등해지면, 이 때의 이송계 모델의 부하 관성이 실기의 이송계의 부하 관성이라고 추정한다. 또한, 이 추정한 부하 관성으로 역특성 모델 (50) 의 계수 (a3 ∼ a5) 를 설정한다.

Description

부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법{LOAD INERTIA ESTIMATION METHOD AND CONTROL PARAMETER ADJUSTMENT METHOD}
본 발명은 공작 기계 등의 산업 기계에 적용하는 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법에 관한 것이다.
공작 기계 등의 산업 기계에 있어서의 이송계의 부하 위치 제어에는, 고전 제어 이론인 피드백 제어가 일반적으로 사용되고 있다.
도 4 에는 공작 기계의 일례를 나타낸다. 도시예의 공작 기계는 문형 머시닝 센터이며, 베드 (1) 와, 테이블 (2) 과, 문형의 칼럼 (3) 과, 크로스 레일 (4) 과, 새들 (5) 과, 램 (6) 과, 주축 (7) 을 갖고 있다.
베드 (1) 상에 테이블 (2) 이 설치되고, 테이블 (2) 에 걸치도록 하여 칼럼 (3) 이 설치되어 있다. 테이블 (2) 은 가공시에 워크 (W) 가 재치 (載置) 되고, 이송계 (도 4 에서는 도시 생략 : 도 5 참조) 에 의해, 베드 (1) 상의 가이드 레일 (1a) 을 따라 X 축 방향으로 직선 이동한다. 크로스 레일 (4) 은 이송계 (도시 생략) 에 의해, 칼럼 전면 (前面) (3a) 의 가이드 레일 (3b) 을 따라 Z 축 방향으로 직선 이동한다. 새들 (5) 은 이송계 (도시 생략) 에 의해, 크로스 레일 전면 (4a) 의 가이드 레일 (4b) 을 따라 Y 축 방향으로 직선 이동한다. 램 (6) 은 새들 (5) 에 형성되고, 이송계 (도시 생략) 에 의해, Z 축 방향으로 직선 이동한다. 주축 (7) 은 램 (6) 내에서 회전 가능하게 지지되고, 선단에 어태치먼트 (8) 를 개재하여 공구 (9) 가 장착된다.
따라서, 워크 (W) 를 공구 (9) 로 가공할 때, 공구 (9) 는 주축 (7) 에 의해 회전 구동되고, 주축 (7) 및 공구 (9) 는 크로스 레일 (4) 또는 램 (6) 과 함께 Z 축 방향으로 직선 이동하고, 새들 (5) 과 함께 Y 축 방향으로 직선 이동하고, 테이블 (2) 및 워크 (W) 는 X 축 방향으로 직선 이동한다. 그리고, 이 때에 워크 (W) 를 고정밀도로 가공하기 위하여, 주축 (7) (공구 (9)) 이나 테이블 (2) (워크 (W)) 의 이동 위치는, 피드백 제어에 의해 고정밀도로 제어하는 것이 요구된다.
도 5 에는 피드백 제어계 및 이송계의 일반적인 구성예를 나타낸다. 상세한 설명은 생략하지만, 도 5 에 나타내는 테이블 (2) 의 이송계 (11) 는, 서보 모터 (12), 감속 기어 장치 (13), 브래킷 (14), 볼 스크루 (15) (나사부 (15c), 너트부 (15b)) 등으로 구성되어 있고, 테이블 (2) 및 워크 (W) 를 X 축 방향으로 직선 이동시킨다. 이 이송계 (11) 에 대하여 피드백 제어계 (16) 에서는, 위치 검출기 (6) 에 의해 검출된 테이블 (2) (워크 (W)) 의 위치인 부하 위치 (θL) 가, 수치 제어 (NC) 장치 (17) 로부터 부여되는 위치 지령 (θ) 에 추종하도록 서보 모터 (12) 의 회전을 제어한다.
그러나, 도시예와 같은 피드백 제어계 (16) 에서는 충분한 추종성을 얻는 것은 어렵고, 위치 지령 (θ) 에 대한 부하 위치 (θL) 의 추종 지연 (즉 부하 위치의 지연) 이 발생해 버린다. 따라서, 이 추종 지연 (부하 위치의 지연) 에 대처하기 위하여, 도시는 생략하지만, 위치 지령 (θ) 을 미분하여 위치 지연 보상을 실시하는 피드 포워드 제어 기능을, 피드백 제어계 (16) 에 부가하는 것도 일반적으로 행해지고 있다.
그러나, 이와 같은 피드 포워드 제어 기능을 피드백 제어계에 부가하였다고 해도, 제어 대상인 기계 요소에 발생하는 휨이나 뒤틀림 등의 동적인 변형에 의해 발생하는 위치 지연이나 진동을 보상하지는 못한다. 예를 들어 도 5 의 이송계 (11) 에서는, 볼 스크루 (15) 의 나사부 (15c) 의 강성은 유한하고, 테이블 (2) 의 이동시에는 부하 관성 (워크 중량) 이나 부하 위치 (θL) 에 따른 나사부 (15c) 의 뒤틀림이나 휨 등이 발생하지만, 이로 인해 발생하는 부하 위치 (θL) 의 추종 지연을 상기 피드 포워드 제어 기능으로 보상할 수는 없다.
그래서, 하기의 특허문헌 1 에는, 이송계의 특성을 근사한 특성 모델 (전달 함수) 을 구하고, 이 특성 모델의 역특성 모델 (역전달 함수) 을 구하여, 이 역특성 모델을 피드백 제어계에 부가함으로써, 이송계의 볼 스크루의 뒤틀림이나 휨 등에 의해 발생하는 부하 위치의 지연이나 속도의 지연을 보상하는 기술이 개시되어 있다 (도 1, 도 2 참조 : 상세 후술). 또한, 제어 대상의 역특성 모델을 제어계에 부가하는 기술로는, 하기의 특허문헌 2, 3 에 개시되어 있는 것 등도 있다.
일본 공개특허공보 2009-201169호 일본 특허공보 제3351990호 일본 특허공보 제3739746호 일본 특허공보 제4137673호
그러나, 도 5 에 있어서, 테이블 (2) 의 중량은 일정하지만, 워크 (W) 의 중량은 가공 제품의 종류 등에 따라 상이하기 때문에, 테이블 (2) 의 중량과 워크 (W) 의 중량에 의해 정해지는 부하 관성도, 워크 (W) 의 중량이 변화되는 것에 수반하여 변화된다.
따라서, 이송계의 역특성 모델 (역전달 함수) 에 포함되어 있는 부하 관성을 항상 일정치로 하면, 상기 일정치와는 상이한 중량의 워크 (W) 를 테이블 (2) 에 재치하여 가공을 할 때에는, 이송계의 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성과, 이송계의 실제 부하 관성이 상이해져 버린다. 이 때문에, 상기 이송계의 역특성 모델이 피드백 제어계에 부가되어 있어도, 상기 일정치와는 상이한 중량의 워크 (W) 를 가공할 때에는, 볼 스크루 (15) 의 뒤틀림이나 휨 등에 의해 발생하는 부하 위치 (θL) 의 추종 지연을 역특성 모델에 의해 충분히 보상하지 못하여, 위치 지령 (θ) 과 부하 위치 (θL) 의 위치 편차가 커져 버리기 때문에, 당해 워크 (W) 를 고정밀도로 가공할 수 없다.
이 때문에, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 있어서, 어떠한 중량의 워크 (W) 에 대해서도 고정밀도의 가공을 실시할 수 있도록 하기 위해서는, 워크 (W) 의 중량에 대응하는 부하 관성을 추정하고, 이 추정한 부하 관성에 의해, 이송계의 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정할 필요가 있다.
따라서 본 발명은 상기의 사정을 감안하여, 워크 중량에 대응하는 부하 관성을 추정하는 부하 관성 추정 방법, 및, 이 추정한 부하 관성에 의해, 이송계의 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 제어 파라미터 조정 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 상기의 특허문헌 4 에는 무부하시와 부하시의 모터의 토크차로부터 부하 중량을 산출하는 방법이 기재되어 있지만, 본 발명의 방법은 위치 편차 등에 기초하여 부하 관성을 추정하는 것이다.
상기 과제를 해결하는 제 1 발명의 부하 관성 추정 방법은, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서,
상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고,
상기 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하며, 또한, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해질 때까지, 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하여 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복하고, 그 결과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해지면, 이 때의 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성이, 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 2 발명의 부하 관성 추정 방법은, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서,
상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하거나,
또는, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고,
미리 측정된 무부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차와, 부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차에 기초하여 미리 설정되어 있는, 부하 관성의 증가에 비례하여 위치 편차가 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터에 기초하여, 상기 부하 위치 제어 시험 또는 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 의해 측정한 상기 위치 편차에 대응하는 부하 관성을 구하고, 이 부하 관성이 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 3 발명의 제어 파라미터 조정 방법은, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 제어 파라미터 조정 방법으로서,
제 1 또는 제 2 발명의 부하 관성 추정 방법에 의해 추정된 부하 관성에 기초하여, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 것을 특징으로 한다.
제 1 발명의 부하 관성 추정 방법에 의하면, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서, 상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하며, 또한, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해질 때까지, 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하여 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복하고, 그 결과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해지면, 이 때의 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성이, 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계의 부하 중량 (예를 들어 공작 기계의 테이블에 재치되는 워크의 중량) 이 변화되어도, 당해 부하 중량에 따른 부하 관성을 용이하게 추정할 수 있다.
제 2 발명의 부하 관성 추정 방법에 의하면, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서, 상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하거나, 또는, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고, 미리 측정된 무부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차와, 부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차에 기초하여 미리 설정되어 있는, 부하 관성의 증가에 비례하여 위치 편차가 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터에 기초하여, 상기 부하 위치 제어 시험 또는 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 의해 측정한 상기 위치 편차에 대응하는 부하 관성을 구하고, 이 부하 관성이 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계의 부하 중량 (예를 들어 공작 기계의 테이블에 재치되는 워크의 중량) 이 변화되어도, 당해 부하 중량에 따른 부하 관성을 용이하게 추정할 수 있다.
제 3 발명의 제어 파라미터 조정 방법에 의하면, 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 제어 파라미터 조정 방법으로서, 제 1 또는 제 2 발명의 부하 관성 추정 방법에 의해 추정된 부하 관성에 기초하여, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계의 부하 중량 (예를 들어 공작 기계의 테이블에 재치되는 워크의 중량) 이 변화되어도, 이송계의 파라미터와 역특성 모델의 파라미터 (예를 들어 부하 관성의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (상세 후술) 등) 를 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 고정밀도로 부하 위치를 제어하여 위치 지령에 추종시킬 수 있어, 예를 들어 공작 기계에서는 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태예 1 에 관련된 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법을 실시하는 부하 위치 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 부하 관성 추정 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태예 2 에 관련된 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법을 실시하는 부하 위치 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 는, 종래의 공작 기계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 종래의 부하 위치 제어 시스템 (피드백 제어계 및 테이블 이송계) 의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
＜실시형태예 1＞
(피드백 제어계 및 이송계의 설명)
도 1 에 기초하여, 먼저, 본 발명의 실시형태예에 관련된 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법을 실시하는 공작 기계 (도 4 참조) 의 부하 위치 제어 시스템 (피드백 제어계 (21) 및 이송계 (22)) 의 구성에 대하여 설명한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 테이블 이송계 (22) 는 구동원인 서보 모터 (23) 와, 모터측 기어 (24a) 와 부하측 기어 (24b) 를 갖는 감속 기어 장치 (24) 와, 베어링 (25) 을 내장한 브래킷 (26) 과, 나사부 (27a) 와 너트부 (27b) 를 갖는 볼 스크루 (27) 와, 위치 검출기 (28) 와, 펄스 인코더 (29) 를 구비하고 있다.
양측의 브래킷 (26) 은 베드 (1) 에 고정되고, 베어링 (25) 을 개재하여 볼 스크루 (27) 의 나사부 (27a) 를 회전 가능하게 지지하고 있다. 볼 스크루 (27) 의 너트부 (27b) 는 테이블 (2) 에 장착되고, 나사부 (27a) 에 나사 결합되어 있다. 서보 모터 (23) 는 감속 기어 장치 (24) 를 개재하여 볼 스크루 (27) 의 나사부 (27a) 에 연결되어 있다. 테이블 (2) 에는 워크 (W) 가 설치된다. 또한, 테이블 (2) 에는 위치 검출기 (도시예에서는 인덕토신 방식의 리니어 스케일) (28) 가 장착되고, 서보 모터 (23) 에는 펄스 인코더 (29) 가 장착되어 있다.
따라서, 서보 모터 (23) 의 회전력이 감속 기어 장치 (24) 를 개재하여 볼 스크루 (27) 의 나사부 (27a) 에 전달되어 나사부 (27a) 가 화살표 A 와 같이 회전하면, 볼 스크루 (27) 의 너트부 (27b) 와 함께 테이블 (2) 이 X 축 방향으로 직선 이동한다. 이 때, 위치 검출기 (28) 는 테이블 (2) (워크 (W)) 의 이동 위치인 부하 위치 (θL) 를 검출하고, 이 부하 위치 (θL) 의 검출 신호를 피드백 제어계 (21) 에 보낸다 (위치 피드백). 펄스 인코더 (29) 는 서보 모터 (23) 의 회전 위치인 모터 위치 (θM) 를 검출한다. 이 모터 위치 (θM) 의 검출 신호는 피드백 제어계 (21) 에 보내지고, 미분 연산부 (36) 에서 시간 미분됨으로써, 서보 모터 (23) 의 회전 속도인 모터 속도 (VM) 가 된다 (속도 피드백).
피드백 제어계 (21) 는 예를 들어 퍼스널 컴퓨터에서 실행되는 소프트웨어에 의해 구성되는 것이고, 위치 편차 연산부 (31) 와, 곱셈부 (32) 와, 속도 편차 연산부 (33) 와, 비례 적분 연산부 (34) 와, 전류 제어부 (35) 와, 미분 연산부 (36) 를 갖고 있다.
또한, 피드백 제어계 (21) 에는, 테이블 (2) 의 이송계 (22) 의 역특성 모델 (50) 이 부가되어 있다. 상세한 것은 후술하지만, 역특성 모델 (50) 은, 이송계 (22) 의 특성을 근사한 특성 모델 (전달 함수) 의 역특성 모델 (역전달 함수) 이고, 이송계 (22) 의 볼 스크루 (27) (나사부 (27a)) 의 뒤틀림이나 휨 등에 의해 발생하는 부하 위치 (θL) 의 지연이나 속도의 지연을 보상하기 위한 것이다 (도 2 참조 : 상세 후술). 또한, 도 1 중의 s 는 라플라스 연산자이고, s 는 1 차 미분, s2 는 2 차 미분, s3 은 3 차 미분, s4 는 4 차 미분, s5 는 5 차 미분, 1/s 는 적분을 나타내고 있다 (이 것은 도 2 및 도 3 에 있어서도 동일하다).
피드백 제어 (21) 의 위치 편차 연산부 (31) 에서는, 부하 위치 (θL) 를 제어하기 위하여 수치 제어 (NC) 장치 (41) 로부터 부여되는 위치 지령 (θ) 과, 부하 위치 (θL) 의 편차 (θ－θL) 를 연산하여, 위치 편차 (Δθ) 를 구한다. 곱셈부 (32) 에서는, 위치 편차 (Δθ) 에 위치 루프 게인 (Kp) 을 곱셈함으로써, 서보 모터 (23) 의 회전 속도를 제어하기 위한 모터 속도 지령 (V) 을 구한다. 그리고, 속도 편차 연산부 (33) 에서는, 역특성 모델 (5) 로부터 출력되는 속도의 보상량 (VH) 을 모터 속도 지령 (V) 에 덧셈 (V＋VH) 한 값과, 모터 속도 (VM) 의 편차 (V＋VH－VM) 를 연산하여, 속도 편차 (ΔV) 를 구한다.
비례 적분 연산부 (34) 에서는, 속도 루프 게인 (KV) 과 적분 시정수 (TV) 를 사용하여, τ＝ΔV×(KV(1＋1/(TVs))) 의 비례 적분 연산을 실시함으로써, 서보 모터 (23) 에 대한 모터 토크 지령 (τ) 을 구한다. 전류 제어부 (35) 에서는, 서보 모터 (23) 에서 발생하는 토크가 모터 토크 지령 (τ) 에 추종하도록 서보 모터 (23) 에 공급하는 전류를 제어한다. 또한, 도시는 생략하지만, 전류 제어부 (35) 에서는 모터 (23) 에 대한 공급 전류가 모터 토크 지령 (τ) 에 따른 전류가 되도록 전류의 피드백 제어를 실시하고 있다.
이와 같이 피드백 제어계 (21) 에서는 위치 루프를 메인 루프로 하고, 속도 루프 및 전류 루프를 마이너 루프로 한 3 중의 루프에 의해 피드백 제어를 실시함으로써, 부하 위치 (θL) 가 위치 지령 (θ) 에 추종하도록 제어하고 있다.
(부하 관성 추정 모델의 설명)
그리고 또한 본 실시형태예 1 에서는, 워크 (W) 의 중량에 따른 부하 관성 (JL) 를 추정하기 위한 모델 (60) 이, 피드백 제어계 (21) 에 부가되어 있다. 도 2 에 기초하여, 이 부하 관성 추정 모델 (60) 에 대하여 설명한다. 또한, 도 2 에 있어서 도 1 과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
도 2 에 나타내는 예에서는, 이송계 (22) 의 특성을 근사한 특성 모델 (전달 함수) 을, 서보 모터 (23) 와, 그 부하인 테이블 (2) 및 워크 (W) 를 질점으로 한 2 질점계의 기계계 모델로서 특정 하고 있다. 그리고, 부하 관성 추정 모델 (60) 은, 이 이송계 (22) 의 특성 모델 (전달 함수) 과, 이 특성 모델의 역특성 모델 (역전달 함수) (50) 과, 피드백 제어계 (21) 의 모델 (전달 함수) 을 갖고 이루어지는 것이다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 서보 모터 (23) 의 특성 모델을 전달 함수로 나타내면, 블록 (62) 의 전달 함수 (1/(JMs＋DM)) 와, 블록 (63) 의 전달 함수 (1/s) 로 나타내어진다. JM 은 모터 관성, DM 은 모터 점성이다. 블록 (62) 으로부터는 모터 속도 (VM) 가 출력되고, 블록 (63) 으로부터는 모터 위치 (θM) 가 출력된다.
볼 스크루 (27) 를 포함한 테이블 (2) 의 특성 모델을 전달 함수로 나타내면, 블록 (64) 의 전달 함수 (CLs＋KL) 와, 블록 (65) 의 전달 함수 (1/(JLs＋DL)) 와, 블록 (66) 의 전달 함수 (1/s) 로 나타내어진다. JL 은 부하 관성이고, 테이블 (2) 의 중량 (일정치) 과, 테이블 (2) 에 재치된 워크 (W) 의 중량에 의해 정해지는 관성이다. 따라서, 테이블 (2) 에 재치하는 워크 (W) 의 중량이 변화되면, 이것에 따라 부하 관성 (JL) 도 변화된다. DL 은 부하 (테이블) 의 점성, CL 은 볼 스크루 (27) 부분 (나사부 (27a), 너트부 (27b), 브래킷 (26)) 의 축 방향을 따른 스프링 점성, KL 은 볼 스크루 (27) 부분 (나사부 (27a), 너트부 (27b), 브래킷 (26)) 의 축 방향을 따른 스프링 강성이다.
위치 편차 연산부 (67) 에서는, 모터 위치 (θM) 와 부하 위치 (θL) 의 편차 (θM－θL) 를 연산하여, 위치 편차 (ΔθML) 를 구한다. 블록 (64) 에서는, 위치 편차 (ΔθML) 가 입력되면, τL＝ΔθML×(CLs＋KL) 의 연산을 실시함으로써, 반력 토크 (τL) 를 구하여 출력한다. 반력 토크 (τL) 가 블록 (65) 에 입력되면, 블록 (65) 및 블록 (66) 에서 θL＝τL×(1/(JLs＋DL))×(1/s) 의 연산을 실시함으로써, 부하 위치 (θL) 를 구하고, 블록 (66) 으로부터 출력한다.
토크 편차 연산부 (61) 에서는, 토크 지령 (τ) 과 반력 토크 (τL) 의 편차 (τ－τL) 를 연산하여, 토크 편차 (Δτ) 를 구한다. 블록 (62) 에서는 VM＝Δτ×(1/(JMs＋DM)) 의 연산을 실시함으로써, 모터 속도 (VM) 를 구하고, 이 모터 속도 (VM) 가 블록 (63) 에 출력되며, 또한, 피드백 제어계 (21) 의 속도 편차 연산부 (33) 에 피드백된다. 블록 (63) 에서는 θM＝VM×(1/s) 의 연산을 실시함으로써, 모터 위치 (θM) 를 구하고, 이 모터 위치 (θM) 가 위치 편차 연산부 (67) 에 출력된다. 부하 위치 (θL) 는 피드백 제어계 (21) 의 위치 편차 연산부 (31) 에 피드백된다.
역특성 모델 (50) 은, 1 차 미분항 연산부 (51) 와, 2 차 미분항 연산부 (52) 와, 3 차 미분항 연산부 (53) 와, 4 차 미분항 연산부 (54) 와, 5 차 미분항 연산부 (55) 와, 덧셈부 (56) 와, 비례 적분 역전달 함수부 (57) 를 갖고 있다.
각 미분항 연산부 (51 ∼ 55) 와 덧셈부 (56) 에는, 이송계 (22) 의 서보 모터 (23), 볼 스크루 (27) 및 테이블 (2) 에서의 동적인 오차 요인을 보상하고, 부하 위치 (θL) 가 위치 지령 (θ) 과 일치 (추종) 하도록 보상 제어를 하기 위한 보상 제어용 전달 함수가 설정되어 있다. 이 보상 제어용 전달 함수는, 전술한 이송계 (22) (서보 모터 (23), 볼 스크루 (27) 및 테이블 (2) 로 이루어지는 기계계) 의 전달 함수의 역전달 함수이다. 또한, 이 역전달 함수는, 연산 요소를 일부 생략한 함수로 하고 있다.
구체적으로는, 역특성 모델 (50) 의 각 미분항 연산부 (51 ∼ 55) 에서는, 각 연산항 (a1s, a2s2, a3s3, a4s4, a5s5) 을 각각 갖고 있고, 위치 지령 (θ) 에 각 연산항 (a1s ∼ a5s5) 을 각각 곱셈하고, 이 곱셈치를 덧셈부 (56) 에서 각각 출력한다. 덧셈부 (56) 에서는, 각 미분항 연산부 (51 ∼ 55) 로부터 출력된 각 곱셈치를 덧셈한다.
각 연산항 (a1s ∼ a5s5) 에 있어서의 각 계수 (a1, a2, a3, a4, a5) 는 하기와 같이 설정하고 있다. 전술한 바와 같이, 각 계수 (a1 ∼ a5) 의 식에 포함되어 있는 KV 는 속도 루프 게인, KL 은 볼 스크루 (27) 의 축 방향을 따른 스프링 강성, TV 는 적분 시정수, DM 은 서보 모터 (23) 의 점성, DL 은 부하 점성, JM 은 서보 모터 (23) 의 관성, JL 은 부하 관성이다.
또한, 각 계수 (a1 ∼ a5) 를 하기와 같이 설정 (연산) 하는 연산 수법에 대해서는 후술한다.
Figure 112013026373009-pct00001
비례 적분 역전달 함수부 (57) 에는, 비례 적분 연산부 (34) 의 전달 함수 KV(1＋1/(TVs)) 의 역전달 함수 (TV/KV(TVs＋1))×s 중의 (TV/KV(TVs＋1)) 이 설정되어 있다. (TV/KV(TVs＋1))×s 중 미분 연산자 s 는, 각 미분항 연산부 (51 ∼ 55) 의 각 연산항 (a1s ∼ a5s5) 에 각각 할당되어 있다.
그리고, 이와 같은 계수 (a1 ∼ a5) 가 설정된 역특성 모델 (50) 로부터 출력되는 속도 보상량 (VH) 을 피드백 제어계 (21) 에 적용하여, 이송계 (22) 의 부하 위치 제어를 실시함으로써, 이송계 (22) 의 서보 모터 (23), 볼 스크루 (27), 테이블 (2) 등에 발생하는 변형, 휨, 점성 등의 오차 요인을 보상할 수 있기 때문에, 고정밀도로 부하 위치 (θL) 를 제어하여 위치 지령 (θ) 에 추종시킬 수 있다. 그 결과, 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
(부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법의 설명)
그러나, 테이블 (2) 에 재치되는 워크 (W) 의 중량이 변화되면 (중량이 상이한 워크 (W) 가 테이블 (2) 에 재치되면), 당해 워크 (W) 의 중량 변화에 따라 부하 관성 (JL) 도 변화되기 때문에, 이송계 (22) 의 파라미터와 역특성 모델 (50) 의 파라미터가 일치하지 않게 된다. 구체적으로는, 역특성 모델 (50) 에 있어서, 부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상 (즉 a1s3 ∼ a5s5 의 항) 의 계수 (a3 ∼ a5) 가, 이송계 (22) 의 파라미터와 불일치하게 된다. 따라서, 이대로는 위치 편차 (Δθ) 가 증가하여, 위치 지령 (θ) 에 대한 부하 위치 (θL) 의 추종 지연이 발생해 버린다.
그래서, 워크 (W) 의 가공을 실시하기 전에 다음과 같은 방법에 의해, 워크 (W) 의 중량에 따른 부하 관성 (JL) 을 추정한다.
먼저, 도 1 에 나타내는 실기 (實機) 의 부하 위치 제어 시스템 (피드백 제어계 (21) 및 이송계 (22)) 에 있어서, 테이블 (2) 에 워크 (W) 를 재치한 상태에서, NC 장치 (41) 로부터 피드백 제어계 (21) 에 위치 지령 (θ) (X 축 방향으로의 이동 지령) 을 부여함으로써, 이 피드백 제어계 (21) 에 의한 이송계 (22) 의 부하 위치 제어 시험을 실시한다. 그리고, 이 때에 발생하는 위치 편차 (Δθ) 를 측정한다. 단, 스프링 강성 (KL) 이 부하 위치 (θL) 에 따라 변화되기 때문에, 테이블 (2) 이 특정 (미리 정해둔) 부하 위치 (θL) 에 이른 시점 (즉 특정 스프링 강성 (KL) 이 되는 부하 위치 (θL) 에 이른 시점) 에 있어서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 를 측정한다.
다음으로, 도 1 및 도 2 에 나타내는 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델 (60) 에 있어서, 테이블 (2) 에 상기 워크 (W) 를 재치한 상태에서, NC 장치 (41) 로부터 피드백 제어계 (21) 의 모델에 상기 위치 지령 (θ) (X 축 방향으로의 이동 지령) 을 부여함으로써, 이 피드백 제어계 (21) 의 모델에 의한 이송계 (22) 의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시한다.
그 때, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 가, 상기 실기에 의한 부하 위치 제어 시험에서 측정한 위치 편차 (Δθ) 와 동등해질 때까지, 이송계 (22) 의 모델에 포함되어 있는 테이블 (2) 및 워크 (W) 의 부하 관성 (JL) 을 조정하여, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복한다.
단, 전술한 바와 같이, 스프링 강성 (KL) 이 부하 위치 (θL) 에 따라 변화되기 때문에, 테이블 (2) 이 상기 특정 부하 위치 (θL) 에 이른 시점 (즉 상기 특정 스프링 강성 (KL) 이 되는 부하 위치 (θL) 에 이른 시점) 에 있어서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 와, 상기 실기에 의한 부하 위치 제어 시험에서 측정한 위치 편차 (Δθ) 를 비교하여, 양자가 동등해졌는지의 여부를 추정한다. 또한, 상기 실기에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시할 때의 역특성 모델 (50) 에 있어서의 부하 관성 (JL) 과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시할 때의 역특성 모델 (50) 에 있어서의 부하 관성 (JL) 은 동일한 값으로 설정한다. 예를 들어, 이들은 테이블 (2) 에 워크 (W) 를 재치하지 않는 무부하시의 부하 관성 (JL0) 으로 한다.
그리고, 이송계 (22) 의 모델에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 을 조정하여, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복한 결과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 가, 상기 실기에 의한 부하 위치 제어 시험에서 측정한 위치 편차 (Δθ) 와 동등해지면, 이 때의 이송계 (22) 의 모델에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 이, 실제의 테이블 (2) 에 재치한 워크 (W) 의 중량에 대응한 부하 관성 (JL) 이라고 추정한다.
다음으로, 이 추정한 부하 관성 (JL) 을, 도 1 에 나타내는 바와 같이 부하 관성 추정 모델 (60) 로부터, 실기의 역특성 모델 (50) 에 출력한다. 실기의 역특성 모델 (50) 에서는, 부하 관성 추정 모델 (60) 로부터 출력된 부하 관성 (JL) 에 기초하여, 부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5) 를 조정 (설정) 한다. 이렇게 하여, 이송계 (22) 의 파라미터와 역특성 모델 (50) 의 파라미터 (부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5)) 가 일치한다. 이 때문에, 당해 워크 (W) 의 가공을 실시할 때에는, 고정밀도로 부하 위치 (θL) 를 제어하여 위치 지령 (θ) 에 추종시킬 수 있어, 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
(작용 효과)
이상과 같이, 본 실시형태예 1 의 부하 관성 추정 방법에 의하면, 이송계 (22) 의 역특성 모델 (50) 을 부가한 피드백 제어계 (21) 에 의해, 역특성 모델 (50) 로부터 출력되는 이송계 (22) 의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량 (VH) 에 기초하여, 이송계 (22) 의 부하 위치 (θL) 를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 이송계 (22) 의 부하 관성 (JL) 을 추정하는 방법으로서, 상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 피드백 제어계 (21) 에 위치 지령 (θ) 을 부여함으로써, 피드백 제어계 (21) 에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 를 측정하고, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델 (60) 에 있어서, 피드백 제어계 (21) 의 모델에 상기 위치 지령 (θ) 을 부여함으로써, 피드백 제어계 (21) 의 모델에 의한 이송계 (22) 의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하며, 또한, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 위치 편차 (Δθ) 와 동등해질 때까지, 이송계 (22) 의 모델에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 을 조정하여 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복하고, 그 결과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) 가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 위치 편차 (Δθ) 와 동등해지면, 이 때의 이송계 (22) 의 모델에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 이, 실기의 이송계 (22) 의 부하 관성 (JL) 이라고 추정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계 (22) 의 부하 중량 (테이블 (2) 에 재치되는 워크 (W) 의 중량) 이 변화되어도, 당해 부하 중량에 따른 부하 관성 (JL) 을 용이하게 추정할 수 있다.
그리고, 본 실시형태예 1 의 제어 파라미터 조정 방법에 의하면, 상기 부하 관성 추정 방법에 의해 추정된 부하 관성 (JL) 에 기초하여, 실기의 역특성 모델 (50) 에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 을 조정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계 (22) 의 부하 중량 (테이블 (2) 에 재치되는 워크 (W) 의 중량) 이 변화되어도, 이송계 (22) 의 파라미터와 역특성 모델 (50) 의 파라미터 (부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5)) 를 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 고정밀도로 부하 위치 (θL) 를 제어하여 위치 지령 (θ) 에 추종시킬 수 있어, 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
＜실시형태예 2＞
(부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법의 설명)
도 3 에 기초하여, 본 발명의 실시형태예 2 에 관련된 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법에 대하여 설명한다. 또한, 도 3 에 있어서, 상기 실시형태예 1 과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태예 2 에서는, 워크 (W) 의 중량에 따른 부하 관성 (JL) 을 추정하기 위한 위치 편차 특성 데이터부 (70) 가, 피드백 제어계 (21) 에 부가되어 있다.
위치 편차 (Δθ) (즉 볼 스크루 (27) 의 휨 등) 와 워크 (W) 의 중량 사이에는, F＝ma＝KLΔθ (F : 힘, m : 워크 중량, KL : 볼 스크루의 스프링 강성, Δθ : 위치 편차) 의 관계식이 성립되어, 힘 (F) 과 스프링 강성 (KL) 을 일정하게 하면, 위치 편차 (Δθ) 는 워크 (W) 의 중량의 증가에 비례하여 리니어하게 증가하는 것으로 생각된다.
또한, 역특성 모델 (50) 에 있어서의 3 차 미분 이상의 항 (a3s3 ∼ a5s5) 에 대해서는, 부하 관성 (JL) 에 비례하여 보상량이 결정되어 있고, 테이블 (2) 에 재치하는 워크 (W) 의 중량의 증가에 비례하여 위치 편차 (Δθ) 가 리니어하게 증가하는 것으로 생각된다.
따라서, 테이블 (2) 에 워크 (W) 를 재치하지 않는 무부하시의 부하 관성 (JL0) 에 있어서의 위치 편차 (Δθ) 와, 상정되는 최대 중량의 워크 (W) 를 테이블 (2) 에 재치한 최대 부하시의 부하 관성 (JL) 에 있어서의 위치 편차 (Δθ) 의 데이터가 있으면, 이 데이터로부터, 미지의 중량의 워크 (W) 를 테이블 (2) 에 재치하였을 때의 부하 관성 (JL1) 을 추정할 수 있다.
그래서, 도 3 에 나타내는 실기의 부하 위치 제어 시스템 (피드백 제어계 (21) 및 이송계 (22)) 에 있어서, 상기 무부하시의 경우와 상기 최대 부하시 실시의 경우에 대하여, NC 장치 (41) 로부터 피드백 제어계 (21) 에 위치 지령 (θ) (X 축 방향으로의 이동 지령) 을 부여함으로써, 이 피드백 제어계 (21) 에 의한 이송계 (22) 의 부하 위치 제어 시험을 실시한다. 그리고, 상기 무부하시에 있어서 발생하는 위치 편차 (ΔθL0) 와, 최대 부하시에 있어서 발생하는 위치 편차 (ΔθLM) 를 측정한다.
혹은, 도 2 에 나타내는 바와 같은 부하 위치 제어 시스템의 모델을 사용하여, 상기 무부하시의 경우와 상기 최대 부하시 실시의 경우에 대하여, 피드백 제어계 (21) 의 모델에 상기 위치 지령 (θ) (X 축 방향으로의 이동 지령) 을 부여함으로써, 이 피드백 제어계 (21) 의 모델에 의한 이송계 (22) 의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시한다. 그리고, 상기 무부하시에 있어서 발생하는 위치 편차 (ΔθL0) 와, 상기 최대 부하시에 있어서 발생하는 위치 편차 (ΔθLM) 를 측정한다.
또한, 전술한 바와 같이, 스프링 강성 (KL) 이 부하 위치 (θL) 에 따라 변화되기 때문에, 테이블 (2) 이 특정 (미리 정해둔) 부하 위치 (θL) 에 이른 시점(즉 특정 스프링 강성 (KL) 이 되는 부하 위치 (θL) 에 이른 시점) 에 있어서 발생하는 위치 편차 (ΔθL0, ΔθLM) 를 측정한다.
또한, 상기 무부하시의 위치 편차 (ΔθL0) 를 기준으로 하기 때문에, 역특성 모델 (50) 에 있어서의 부하 관성 (JL) 은, 상기 무부하시의 부하 관성 (JL0) 으로 한다. 따라서, 상기 무부하시의 위치 편차 (ΔθL0) 는, 거의 0 이 된다.
위치 편차 특성 데이터부 (70) 에는, 이 미리 측정된 상기 무부하시의 위치 편차 (ΔθL0) 와, 상기 최대 부하시의 위치 편차 (ΔθLM) 에 기초하여, 부하 관성 (JL) 의 증가에 비례하여 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 를 설정한다.
그리고, 워크 (W) 의 가공을 실시하기 전에 다음과 같은 방법에 의해, 워크 (W) 의 중량에 따른 부하 관성 (JL) 을 추정한다.
먼저, 도 3 에 나타내는 실기의 부하 위치 제어 시스템 (피드백 제어계 (21) 및 이송계 (22)) 에 있어서, 테이블 (2) 에 워크 (W) 를 재치한 상태에서, NC 장치 (41) 로부터 피드백 제어계 (21) 에 위치 지령 (θ) (X 축 방향으로의 이동 지령) 을 부여함으로써, 이 피드백 제어계 (21) 에 의한 이송계 (22) 의 부하 위치 제어 시험을 실시한다.
그리고, 위치 편차 특성 데이터부 (70) 에서는, 이 때에 발생하는 위치 편차 (Δθ) (도시예에서는 Δθ1) 를 측정 (입력) 한다. 단, 전술한 바와 같이, 스프링 강성 (KL) 이 부하 위치 (θL) 에 따라 변화되기 때문에, 위치 편차 특성 데이터부 (70) 에서는, 테이블 (2) 이 특정 (미리 정해둔) 부하 위치 (θL) 에 이른 시점 (즉 특정 스프링 강성 (KL) 이 되는 부하 위치 (θL) 에 이른 시점) 에 있어서 발생한 위치 편차 (Δθ) (도시예에서는 Δθ1) 를 측정 (입력) 한다.
다음으로, 위치 편차 특성 데이터부 (70) 에서는, 미리 설정되어 있는 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 에 기초하여, 상기 실기의 부하 위치 제어 시험 또는 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 의해 측정 (입력) 한 위치 편차 (Δθ) (도시예에서는 Δθ1) 에 대응하는 부하 관성 (JL) (도시예에서는 JL1) 을 구하고, 이 부하 관성 (JL) (도시예에서는 JL1) 이, 실제로 테이블 (2) 에 재치한 워크 (W) 의 중량에 대응하는 부하 관성 (JL) 이라고 추정한다. 이 추정된 부하 관성 (JL) 은 위치 편차 특성 데이터부 (70) 로부터, 실기의 역특성 모델 (50) 에 출력된다.
실기의 역특성 모델 (50) 에서는, 부하 관성 추정 모델 (60) 로부터 출력된 부하 관성 (JL) (도시예에서는 JL1) 에 기초하여, 부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5) 를 조정 (설정) 한다. 이렇게 하여, 이송계 (22) 의 파라미터와 역특성 모델 (50) 의 파라미터 (부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5)) 가 일치한다. 이 때문에, 당해 워크 (W) 의 가공을 실시할 때에는, 고정밀도로 부하 위치 (θL) 를 제어하여 위치 지령 (θ) 에 추종시킬 수 있어, 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
또한, 상기에서는 최대 부하시의 위치 편차 (ΔθLM) 를 사용하여 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 를 설정하고 있지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 최대 부하 이외의 부하시의 위치 편차 (ΔθL) 를 사용하여 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 를 설정해도 된다. 즉, 최대 중량 이외의 중량의 워크 (W) 를 테이블 (2) 에 재치 한 상태 (즉 최대 부하 이외의 부하 상태) 에 있어서, 상기와 동일한 실기에 의한 부하 위치 제어 시험 또는 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시함으로써, 당해 부하시의 위치 편차 (Δθ) 를 측정하고, 이 측정한 당해 부하시의 위치 편차 (Δθ) 와 무부하시의 위치 편차 (Δθ0) 에 기초하여, 부하 관성 (JL) 의 증가에 비례하여 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 를 설정해도 된다.
(작용 효과)
이상과 같이, 본 실시형태예 2 의 부하 관성 추정 방법에 의하면, 이송계 (22) 의 역특성 모델 (50) 을 부가한 피드백 제어계 (21) 에 의해, 역특성 모델 (50) 로부터 출력되는 이송계 (22) 의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량 (VH) 에 기초하여, 이송계 (22) 의 부하 위치 (θL) 를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 이송계 (22) 의 부하 관성 (JL) 을 추정하는 방법으로서, 상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 피드백 제어계 (21) 에 위치 지령 (θ) 을 부여함으로써, 피드백 제어계 (21) 에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) (Δθ1) 를 측정하거나, 또는, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델에 있어서, 피드백 제어계 (21) 의 모델에 상기 위치 지령 (θ) 을 부여함으로써, 피드백 제어계 (21) 의 모델에 의한 이송계 (22) 의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) (Δθ1) 를 측정하고, 미리 측정된 무부하시에 상기 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) (Δθ0) 와, 부하시에 상기 특정 부하 위치 (θL) 에서 발생하는 위치 편차 (Δθ) (ΔθM) 에 기초하여 미리 설정되어 있는, 부하 관성 (JL) 의 증가에 비례하여 위치 편차 (Δθ) 가 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터 (ΔVD) 에 기초하여, 상기 부하 위치 제어 시험 또는 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 의해 측정한 위치 편차 (Δθ) (Δθ1) 에 대응하는 부하 관성 (JL) (JL1) 을 구하고, 이 부하 관성 (JL) (JL1) 이 실기의 이송계 (22) 의 부하 관성 (JL) 이라고 추정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계 (22) 의 부하 중량 (테이블 (2) 에 재치되는 워크 (W) 의 중량) 이 변화되어도, 당해 부하 중량에 따른 부하 관성 (JL) 을 용이하게 추정할 수 있다.
그리고, 본 실시형태예 2 의 제어 파라미터 조정 방법에 의하면, 상기 부하 관성 추정 방법에 의해 추정된 부하 관성 (JL) 에 기초하여, 실기의 역특성 모델 (50) 에 포함되어 있는 부하 관성 (JL) 을 조정하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 이송계 (22) 의 부하 중량 (테이블 (2) 에 재치되는 워크 (W) 의 중량) 이 변화되어도, 이송계 (22) 의 파라미터와 역특성 모델 (50) 의 파라미터 (부하 관성 (JL) 의 항을 포함하고 있는 3 차 미분항 이상의 계수 (a3 ∼ a5)) 를 일치시킬 수 있다. 이 때문에, 고정밀도로 부하 위치 (θL) 를 제어하여 위치 지령 (θ) 에 추종시킬 수 있어, 고정밀도의 가공을 실시할 수 있다.
또한, 상기 실시형태예 1, 2 에서는 추정한 부하 관성 (JL) 에 의해 역특성 모델 (50) 의 부하 관성 (JL) 을 조정하고 있지만, 이것에만 한정하지 않고, 가공 조건에 관한 제어 파라미터 등과 같은 역특성 모델 (50) 의 부하 관성 (JL) 이외의 제어 파라미터도, 추정한 부하 관성 (JL) 에 의해 조정하도록 해도 된다. 예를 들어, 추정한 부하 관성 (JL) 을 위치 편차 특성 데이터부 (70) 나 부하 관성 추정 모델 (60) 로부터 NC 장치 (41) 에도 출력하도록 하고, 이 추정한 부하 관성 (JL) 에 의해, NC 장치 (41) 에서 설정하는 가감 속도 시간이나 코너 속도 가속도 등의 제어 파라미터의 조정을 실시하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시형태예 1, 2 에서는 본 발명을 테이블 (2) 의 이송계 (22) 에 적용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 본 발명은 테이블 (2) 이외의 이송계 (예를 들어 새들이나 램 등의 이송계) 에 적용할 수도 있다. 예를 들어, 도 4 에 있어서, 어태치먼트 (8) 나 공구 (9) 의 중량이 변화되는 경우에는, 본 발명을 새들 (5) 이나 램 (6) 의 이송계에 적용하는 것도 유효하다.
또한, 상기 실시형태예 1, 2 에서는 본 발명을 서보 모터 (23) 나 볼 스크루 (27) 등으로 이루어지는 이송계 (22) 에 적용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 본 발명은, 그 밖의 구성의 이송계 (예를 들어 유압 펌프, 유압 모터, 유압 실린더 등을 사용한 이송계 등) 에도 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시형태예 1, 2 에서는 공작 기계의 이송계에 적용한 경우에 대하여 설명하였지만, 반드시 이것에 한정하는 것은 아니고, 본 발명은 공작 기계 이외의 산업 기계의 이송계에도 적용할 수 있다.
＜역특성 모델의 계수의 연산 수법의 설명＞
여기서 역특성 모델 (50) 에 있어서의 각 계수 (a1 ∼ a5) 를 설정 (연산) 한 연산 수법에 대하여 설명한다.
도 2 에 나타내는 기계계 모델에 있어서, 토크 및 속도의 역특성 모델의 전달 함수는, 다음과 같이 하여 계산할 수 있다. 먼저, 운동 방정식으로부터, 하기의 (1) 식 및 (2) 식이 구해진다. 또한, (1) 식은, 서보 모터 (23) 의 특성을 모델화한 모터 전달 함수에 관하여 입출력의 관계를 나타내는 운동 방정식이고, (2) 식은, 부하인 테이블 (2) 및 워크 (W) 의 특성을 모델화한 부하 전달 함수에 관하여 입출력의 관계를 나타내는 운동 방정식이다.
Figure 112013026373009-pct00002
상기의 (1) 식 및 (2) 식으로부터, 하기의 (3) 식 및 (4) 식이 얻어진다.
Figure 112013026373009-pct00003
오차 0 에서 부하 (테이블 (2) 및 워크 (W)) 를 이동시키기 위해서는, 부하 위치 (θL) 가 위치 지령 (θ) 과 일치하도록 보상 제어를 하면 된다. 즉, θ＝θL 이 되도록 보상 제어를 하면 된다. 이와 같이 θ＝θL 로 하기 위해서는, 토크 지령 (τ) 을 (3) 식의 우변｛ ｝내의 식 (제 1 전달 함수식) 으로 피드 포워드 보상 제어를 하고, 속도 지령 (V) 을 (4) 식의 우변 ( ) 내의 식 (제 2 전달 함수식) 으로 피드 포워드 보상 제어를 하면 된다. 또한 (4) 식에 있어서, θMs 는 모터 속도 (VM) 와 등가이다.
(3) 식에 있어서, θL 을 θ 로 치환하고 나서, 지령 속도 (Vτ) 로 치환하면, (3) 식은 하기의 (5) 식이 된다. (5) 식은 (3) 식에 비례 적분 연산기 (34) 에 설정한 비례 적분 연산식의 역연산식을 곱한 것이다. 환언하면, (3) 식을 비례 적분 연산기 (34) 에 설정한 비례 적분 연산식으로 나눗셈한 것이 (5) 식이 된다. (5) 식의 우변에 있어서 θ 를 제외하는 부분이 제 3 전달 함수식이 된다. 또한, (4) 식에 있어서 θL 을 θ 로 치환하고 나서, (4) 식을 변형하면, 하기의 (6) 식이 된다. 부하 위치 (θL) 가 위치 지령 (θ) 과 일치하도록 보상 제어를 하려면, θ 와 θL 의 오차를 0 으로 하기 위한 보상 속도 (VH) 를, (5) 식과 (6) 식을 더한 것으로 하면 되고, 이것은 하기의 (7) 식으로 나타내어진다. (7) 식의 우변 중의 θ 를 제외하는 부분이 제 4 전달 함수식이다.
Figure 112013026373009-pct00004
(7) 식인 채로는, 미분 차수로 식을 정리할 수 없지만, 정밀도에 그다지 영향을 미치지 않는 CL 항을 (7) 식으로부터 삭제하면, 하기의 (8) 식이 얻어진다. (8) 식의 우변 중의 θ 를 제외하는 부분이, 보상 제어용 전달 함수이다. (8) 식을 계수 (a1 ∼ a5) 로 치환하면, 하기의 (9) 식이 얻어진다. 따라서, (8) 식 및 (9) 식으로부터, 각 계수 (a1 ∼ a5) 가 얻어진다.
Figure 112013026373009-pct00005
산업상 이용가능성
본 발명은 부하 관성 추정 방법 및 제어 파라미터 조정 방법에 관한 것이고, 공작 기계 등의 피드백 제어계에 부가한 이송계의 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 경우에 적용하여 유용한 것이다.
1 : 베드, 2 : 테이블, 21 : 피드백 제어계, 22 : 이송계, 23 : 서보 모터, 24 : 감속 기어 장치, 24a : 모터측 기어, 24b : 부하측 기어, 25 : 베어링, 26 : 브래킷, 27 : 볼 스크루, 27a : 나사부, 27b : 너트부, 28 : 위치 검출기, 29 : 펄스 인코더, 31 : 위치 편차 연산부, 32 : 곱셈부, 33 : 속도 편차 연산부, 34 : 비례 적분 연산부, 35 : 전류 제어부, 36 : 미분 연산부, 41 : NC 장치, 50 : 역특성 모델, 51 : 1 차 미분항 연산부, 52 : 2 차 미분항 연산부, 53 : 3 차 미분항 연산부, 54 : 4 차 미분항 연산부, 55 : 5 차 미분항 연산부, 56 : 덧셈부, 57 : 비례 적분 역전달 함수부, 60 : 부하 관성 추정 모델, 61 : 토크 편차 연산부, 62, 63 : 서보 모터에 관한 전달 함수의 블록, 64, 65, 66 : 테이블 및 볼 스크루에 관한 전달 함수의 블록, 67 : 위치 편차 연산부, 70 : 위치 편차 특성 데이터부

Claims (3)

  1. 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서,
    상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고,
    다음으로, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델인 부하 관성 추정 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하며, 그때에, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해질 때까지, 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하여 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션을 반복하고, 그 결과, 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 있어서 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 편차가, 상기 부하 위치 제어 시험에서 측정한 상기 위치 편차와 동등해지면, 이 때의 상기 이송계의 모델에 포함되어 있는 부하 관성이, 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 하는 부하 관성 추정 방법.
  2. 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 이송계의 부하 관성을 추정하는 방법으로서,
    상기 부하 위치 제어 시스템에 있어서, 상기 피드백 제어계에 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계에 의한 부하 위치 제어 시험을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하거나,
    또는, 상기 부하 위치 제어 시스템의 모델에 있어서, 상기 피드백 제어계의 모델에 상기 위치 지령을 부여함으로써, 상기 피드백 제어계의 모델에 의한 상기 이송계의 모델의 부하 위치 제어 시뮬레이션을 실시하고, 이 때에 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차를 측정하고,
    미리 측정된 무부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차와, 부하시에 상기 특정 부하 위치에서 발생하는 상기 위치 지령과 부하 위치의 위치 편차에 기초하여 미리 설정되어 있는, 부하 관성의 증가에 비례하여 위치 편차가 리니어하게 증가하는 위치 편차 특성 데이터에 기초하여, 상기 부하 위치 제어 시험 또는 상기 부하 위치 제어 시뮬레이션에 의해 측정한 상기 위치 편차에 대응하는 부하 관성을 구하고, 이 부하 관성이 상기 이송계의 부하 관성이라고 추정하는 것을 특징으로 하는 부하 관성 추정 방법.
  3. 이송계의 역특성 모델을 부가한 피드백 제어계에 의해, 상기 역특성 모델로부터 출력되는 상기 이송계의 동적인 오차 요인을 보상하기 위한 보상량에 기초하여, 상기 이송계의 부하 위치를 제어하는 부하 위치 제어 시스템에 대하여, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성을 조정하는 제어 파라미터 조정 방법으로서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 부하 관성 추정 방법에 의해 추정된 부하 관성에 기초하여, 상기 이송계의 파라미터와 상기 역특성 모델의 제어 파라미터가 일치하도록, 상기 역특성 모델에 포함되어 있는 부하 관성의 항을 포함하고 있는 계수를 조정하는 것을 특징으로 하는 제어 파라미터 조정 방법.
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