KR910007054B1 - 수치제어장치 - Google Patents

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KR910007054B1
KR910007054B1 KR1019890002255A KR890002255A KR910007054B1 KR 910007054 B1 KR910007054 B1 KR 910007054B1 KR 1019890002255 A KR1019890002255 A KR 1019890002255A KR 890002255 A KR890002255 A KR 890002255A KR 910007054 B1 KR910007054 B1 KR 910007054B1
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미쯔오 요네따니
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요시아끼 가끼노
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Abstract

내용 없음.

Description

양정지명의 명칭]
수치제어장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 1실시예에 있어서 원호 보간에서 공전량과 모터출력토크의 관계를 도시한 그래프.
제2도는 본 발명의 1실시에에 있어서 빨리 보내기 및 직선 보간에서의 공전량과 모터출력토크의 관계를 도시한 그래프.
제3도는 본 발명의 1실시예에 의한 공전보정을 행하기 위한 수치제어장치의 구성도.
제4도는 모터피드백속도의 반전하는 시점을 도시한 도면.
제5도는 모터가 이동 개시하는 시점을 도시한 도면.
제6도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 공전보정을 행하기 위한 수치제어장치의 구성도.
제7도는 제3도의 실시예의 응용에 의한 공정보정을 행하기 위한 수치제어장치의 구성도.
제8도는 제6도의 실시예의 응용에 의한 공정보정을 행하기 위한 수치제어장치의 구성도.
제9도는 일반적인 볼나사보내기 구동기구의 구성도.
제10도는 기계의 추종성을 도시한 개념도.
제11도 및 제12도는 일반적인 공전량과 보내기 속도의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 서보기구 3: 모터피드백 속도기억장치
4 : 속도 반전판별기 5: 이동개시판별기
6 : 모터피드백 전류기억장치 9: 공전보정량 산출장치
10 : 속도명령 기억장치 11 : 지연요소
12 : 위치기억장치
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 수치제어장치(이하 NC 장치라 한다)에 관한 것으로, NC 장치에 의해서 제어되는, 예를 들면 NC공작기계의 서보루프 방식중의 1예인 반폐식 루프방식에서의 공전보정방식에 의한 NC 공작기계가 동부의 운동위치 정밀도 개량에 관한 것이다.
일반적인 NC 공작기계에서의 반폐식 루프방식에서는 서보모터의 회전력을 볼나사보내기 구동기구에 의해서 직선운동으로 변환하고, NC 공작기계의 가동부를 직선운동 시키고 있지만 위치검출은 가동부의 최종단에서 행하는 것이 아니고, 상기 볼 나사 축의 끝 또는 구동모터에 부착된 검출기에 의해 회전각을 검출해서 간접적으로 가동부의 위치를 검출하여 위치 제어를 행하고 있다. 볼나사보내기 구동기구에 걸리는 부하에 의해서 "비틀어짐"이나 "휘어짐"등이 발생하고, 이 결과 가동부를 소정의 위치로 정의 방향에서 위치 결정한 경우의 부의 방향에서 위치 결정한 경우에서는 양정지위치에 오차가 생긴다. 이 양정지 위치의 차를 보정하는 방법으로서 보내기 속도를 100mm/min 정도로 설정하여 보낼 때의 값을 측정하고, 공전을 포함하는 백래시 보정값으로서 NC장치에 부여하여 기계이동량을 보정하고 있었다.
이 상기 양정지위치의 차가 생기는 한 원인으로 되는 공전은 구동계의 볼나사의 덜거덕거림(백래시)와는 다른 발생메커니즘에 의해 생기고, 그것은 대략 다음과 같다. 지금 직선운동을 하는 가동부(일반적으로 공작기계에서는 테이블, 새들, 슬라이드 등으로 호칭되고 있고, 이하 테이블이라 한다)를 예로 설명한다. 제9도는 일반적인 볼나사 보내기 구동기구의 구성도로서, 볼나사보내기 구동기구는 볼나사, 베어링, 브래키트 및 그들의 부착부, 고착부품 등의 다수의 기계요소로 구성되어 있다. 이들이 조립된 볼나사 보내기 구동기구에는 구동모터에 의한 회전력과 계통의 부항 의해서 각부에 변위가 생긴다. 구동모터에 의한 회전력은 커플링을 거쳐서 강성을 향상시키기 위해 프리텐션을 부여한 볼나사축에 전달되고, 이 볼나사축과 쌍으로 되어서 조합되어 있는 너트부에 전달되며, 이 너트부와 고착되어 있고 직선베어링으로 지지되어 있는 테이블을 직선 구동한다. 한편, 기계계통의 강성, 정밀도를 높이기 위해 볼나사를 지지하는 베어링부, 테이블을 지지하는 직선 베어링부는 각각이 갖는 특성을 가장 좋게 하기 위해서 상응하는 예비하중을 가하고 있다.
이들의 결과로 테이블의 이동개시 시에 서보모터로의 부하토크는 다음과 같다.
MTO∽μO·k1+tNO+tMO+tBO+k2·W1·f1 2+k3·R1·f2 2+C ·······(1)
MTO: 서보모터 이동개시 시의 토크.
(테이블상의 부하=0)
μO=이동개시 시 테이블, 직선 베어링부 마찰계수.
W=테이블중량.
k1: 직선운동력을 회전토크로 변환하는 정수.
k2,k3: 관성모멘트를 회전토크로 변환하는 정수.
tNO: 볼나사축, 너트부 쌍의 마찰토크.
tMO: 서보모터 마찰토크.
tBO: 볼나사를 지지하는 베어링부의 마찰토크.
W1: 테이블의 관성모멘트.
R1: 회전부의 관성모멘트.
f1: 테이블의 속도.
f2: 회전부의 속도.
C : 정수.
상기한 토크에 영향을 주는 각 마찰은 예비하중, 사용하는 윤활유의 점도와 양, 보내기 속도에 의해서 크게 변동한다.
또, 테이블 상에 제품하중 W가 가해지면 서보모터로의 부하토크는 다음과 같다.
MTW∽μO(W+w)k1+tNO+tMO+tBO+k2(W1+w1)f1 2+k3·R1·f2 2+C········(2)
MTW: 서보모터 이동개시 시의 토크.
(테이블 상의 부하=w)
w1: 제품의 관성모멘트.
이 토크에 의해서 생기는 테이블의 운동위치변위는 각 부의 변위(탄성변형), 볼나사, 볼나사베어링, 브래키트부, 모터부 구동계의 고정 구조부에 의해서 생긴다. 또, 볼나사 축의 "비틀어짐"이나 "휘어짐"은 그 구동부에서 너트부 위치까지의 길이의 함수에 의하므로 이들을 모델 식으로 하면 다음과 같다.
△SMTw∽kL·△SN·MTw+△SM·MTw+△SB·MTw+△S·SMTw+△S·C········(3)
△SMTw : 토크 MTw을 받았을 때의 변위량.
△SN·MTw : 토크 MTw을 받았을 때의 나사부의 변위량.
△SM·MTw : 토크 MTw을 받았을 때의 모터부의 변위량.
△SB·MTw : 토크 MTw을 받았을 때의 볼나사 베어링 및 브래키트 부의 변위량.
△S·SMTw : 토크 MTw을 받았을 때 구동계의 고정 구조부의 변위량.
KL : 볼나사의 구동부에서의 위치에 의한 변위 계수.
△S·C : 정수.
이 변위는 토크의 변화, 즉 정지시 근처에서 테이블을 실작업정도의 보내기 속도로 올렸을 때에 추종해서 변화하고, 테이블의 위치, 각 운동부의 관성모멘트, 각 베어링 부나 테이블의 마찰계수의 변화 등에 비례한다. 이들의 변위는 그 구조를 부하하중에 대하여 충분한 강성을 갖게 하면 무시할 수 있지만 기계구조상 부득이 강성을 갖게 하지 못했거나 코스트 적으로 단념한 결과 완성된 기게는 상당히 큰 값으로 되어 있거나 한다. 상기 상태에서의 테이블을 정방향으로 위치결정하고, 역방향으로 운동방향을 반전하는 경우에는 상기 토크의 방향이 반전함과 동시에 상기 변위 치의 정방향, 역방향의 양(변위량 △SMTw의 2배)만큼 서보모터가 회전해도 볼나사를 거쳐서 연결되어 있는 테이블은 이동하지 않는다. 이 때문에 처음에 보내기 속도를 100mm/min 정도에서 측정, 설정한 백 래시 보정 량은 보내기 속도 요소, 테이블상의 하중요소, 볼 나사의 구동부에서의 길이요소까지 포함한 보정 량은 아니므로, 설정 값과 다른 조건하에서의 운동위치 결정정밀도는 충분히 보증할 수 없었다. 공전은 서보 모터가 완고하게 클램프하고 있는 상태에서 정지위치에 장시간 방치하거나 무엇인가의 작은 진동을 계통전체가 받으면 이 변위는 해방되는 일도 잇다. 또, 제10도는 기계의 추종 성을 도시한 개념도, 제11도 및 제12도는 일반적인 공전량과 보내기 속도의 관계를 도시한 그래프이다.
종래의 NC 공작기계는 상술한 바와 같이 본질적으로 각종 가공조건에 의해 변화하는 공전을 갖지만 공전만을 분리해서 검출하는 수단이 없고, 따라서 NC 장치도 이 공전을 보정하는 기능을 갖추고 있지 않고, 유사적으로 백래시 보정으로서 보정하고 있었으므로 각종 가공조건이 변하면 가공 정밀도도 변하고 있었다.
그러나 최근 안정된 고정밀도 가공의 요구가 높아짐에 따라 공정보정을 필요로 하는 과제가 발생하였다.
금번, 본 출원의 발명자들은 새롭게 특별한 센서를 마련하는 일없이 상기 토크를 검출하는 것으로서 서보 모터의 구동전류가 정밀도 높게 충분한 데이터를 제공할 수 있는 것을 실험결과로 발견했다.
본 발명의 목적은 상기 이론에 따라 기계가동부를 서보 제어하는 서보기구에서의 서보 모터가 바랄 때의 모터전류와 공전보정 량의 관계를 나타내는 테이블/함수를 갖는 공전보정량 산출장치를 구비한 NC 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 NC장치는 서보 모터가 바랄때의 모터전류에서 테이블/함수에 의해 모터출력 토크에 대응하는 볼나사 보내기 구동기구의 변형량으로서의 공전보정량을 산출하여 기계가동부의 공전에 의한 위치오차를 보정한다.
상술한 바와 같이 공전현상은 보내기 구동계와 고정 구조부의 탄성변형이 원인이므로 그 크기는 주로 테이블의 마찰 저항에 의해 변화한다. 그 때문에 운동방향의 반전시에 일정한 보정펄스를 가하는 백 래시 보정 기능으로는 공전을 보정 하는데는 불충분하다. 그 때문에 운동방향의 반전 시에 일정한 보정 펄스를 가하는 백 래시 보정 기능으로는 공전을 보정 하는데는 불충분하다. 그래서 공전량과 서보 모터의 구동전류(이하 단지 구동전류라 한다)의 관계를 미리 조사해 놓고, 그것을 기본으로 해서 공전보정을 행하고자하는 것이다.
제1도는 원호 보간에서의 공전량과 구동전류의 관계를 도시한 도면으로서, 실험결과에 의해 반전직전의 토크와 그때의 공전량을 측정하여 각 속도에 대해서 도표로 나타낸 것이다. 이 도면에 있어서 원호 보간은 구동전류와 그때의 공전량에 직선적인 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 제2도는 마찬가지로 빨리보내기 및 직선 보간에서의 정지상태의 공전량과 구동전류의 관계를 도시하고, 여기서도 구동전류와 그 때의 공전량에 직선적인 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 이 관계에서는 가감속 패턴이나 시정수의 변화의 영향이 작은 것을 실험결과에서 알고 있으므로, 빨리 보내기도 직선 보간과 마찬가지로 취급할 수 있다. 따라서 구동전류와 그 때의 공전량의 대응을 나타내는 테이블/함수를 정해놓고, 가공중의 구동전류를 변수로서 상기 함수에 대입하는 것에 의해 그 가공조건에서의 공전보정량을 산출할 수가 있다. 결국 이 산출분만큼 이동신호를 가하는 것에 의해 공전이 보정 될 수 있다. 다음에 본 발명의 1실시예에 대해서 설명한다.
제3도에 있어서 (1)은, 예를 들면 각 샘플링마다의 이동 증분량 등의 보간 정보를 입력하고, 1차 지연회로 등의 가 감속처리를 행하여 모터에 대한 속도명령을 출력하는 가 감속 처리장치이다. (2)는 가감속 처리장치(1)의 출력에 따라서 모터의 위치결정 제어를 실행하는 서보기구이다. (3)은 서보기구(2)에서 출력되는 모터피드백 속도를 기억하는 모터피드백 속도기억장치이다. (4)는 모터피드백 속도기억장치(3)에 기억된 모터피드백 속도를 입력하고, 모터피드백 속도의 극성이 반전했는가 아닌가를 판별하는 속도반전 판별기이다. (5)는 모터피드백 속도기억장치(3)에 기억된 모터피드백 속도를 입력하고, 모터의 이동개시인가 아닌가를 판별하는 이동개시 판별기이다. (6)은 서보기구(2)에서 출력되는 모터피드백 전류를 기억하는 모터피드백 전류기억장치이다. (7)은 모터피드백 전류값과 공전량과 비례정수를 기억하는 비례정수 기억장치이다. (8)은 모터피드백 전류값과 공전량의 비례관계의 정수항을 기억하는 정수항 기억장치이다.
또한, 이 비례정수 기억장치(7), 정수항 기억장치(8)은 리드 및 라이트가 가능한 기억장치(Random Access Memory : RAM)로서, 예를 들면 키보드등에 의해 각각 비례정수, 정수항의 수치가 입력된다.
(9)는 비례정수 기억장치(7), 정수항 기억장치(8) 및 모터피드백 전류기억장치(6)에 기억된 정보를 입력하고, 공전보정량을 산출하는 테이블/함수 기능을 갖춘 공전보정량 산출장치이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다. 가감속 처리장치(1)의 출력, 예를 들면 모터에 대한 속도명령등의 위치정보가 서보기구(2)에 입력되고, 서보기구(2)는 명령된 정보에 따라서 모터를 제어한다. 이 때 모터피드백 속도를 샘플링 하여 모터피드백속도 기억장치(3)에 입력한다. 속도반전 판별기(4)에서는 모터피드백 속도 기억장치(3)에 기억된 모터피드백 속도에 의해, 예를 들면 샘플링 된 모터피드백속도와 그것보다 먼저 샘플링된 모터피드백 속도의 곱을 구하고, 그 결과가 부의 값인가 등의 판별에 의해 제4도의 시점 a로 표시하는 모터피드백 속도가 반전하는 시점을 구하여 모터피드백 전류기억장치(6)에 모터피드백 전류값 샘플링의 명령을 입력한다. 이동개시 판별기(5)에서는 모터피드백 속도기억장치(3)에 기억된 모터피드백 속도에 의해. 예를 들면 샘플링 된 모터피드백 속도가 0이고, 또한 그것보다 이전에 입력된 모터피드백 속도가 0이 아닌 것 등의 판별에 의해 제5도의 시점 b로 표시한 모터가 이동개시하는 시점을 구하여 모터피드백 전류기억장치(6)에 모터피드백 전류값 샘플링의 명령을 입력한다. 모터피드백 전류기억장치(6)는 속도반전 판별기(4) 또는 이동개시 판별기(5)의 명령에 의해 서보기구(2)에서 출력되는 모터피드백 전류값을 샘플링 하여 공전보정량 산출장치(9)에 출력한다. 공전보정량 산출장치(9)는 모터피드백 전류기억장치(6)에 의해 입력된 모터피드백 전류값과 비례정수 기억장치(7)에 기억된 정보와 정수항 기억장치(8)에 기억된 정보를 내장하는 테이블/함수기능에 입력하여 공전보정량을 구한다. 이 때 모터피드백 전류기억장치(6)에 기억된 모터전류를 I, 비례정수 기억장치(7)에 기억된 비례정수를 a, 정수항 기억장치(8)에 기억된 정수항을 b로 하면 공전보정량 ε는 다음 식에 의해서 구해진다.
ε=a·I+b·············(4)
공전보졍량 산출장치(9)에 의해 구해진 공전보정량은 가 감속 처리장치(1)의 출력과 함께 서보기구(2)에 입력된다.
제6도는 다른 실시예를 도시한 것으로서 (10)은 속도 명령기억장치, (11)은 지연요소이다. 이 경우는 가 감속 처리장치(1)에서 서보기구(2)로의 속도명령 등의 위치정보에 대해서 서보기구(2)에 의한 지연요소(11)로 조정하고 있다.
제7도는 제3도의 실시예의 응용을 도시한 것으로, (12)는 위치기억장치로서 볼 나사 구동부에서 너트부까지의 길이를 기억하고 있다. 이 경우 공전보정량 산출장치(9)는 모터피드백 전류기억장치(6)에 기억된 모터전류, 비례정수기억장치(7)에 기억된 비례정수, 정수항 기억장치(8)에 기억된 정수항, 위치기억장치(12)에 기억된 구동부에서 너트부까지의 길이로 공전보정량을 산출하고, 모터전류를 I, 비례정수를 a 및 c, 정수항을 b, 구동부에서 너트부까지의 길이를 L로 하면 공전보정량ε 1은 다음 식에 의해서 구해진다.
ε1=a·I+b+C·L·I···········(5)
제8도는 제6도의 실시예의 응용을 도시한 것으로, (12)는 위치기억장치로서 볼 나사 구동부에서 너트부까지의 길이를 기억하고 있다. 동작은 제 6도에 준하고, 공전보정량은 식(5)에 의해서 구해진다.
또, 상기 실시예에 있어서는 공전량과 구동전류가 비례관계에 있는 경우에 대해서 설명했지만, 다른 관계에서는 그 특성에 맞는 함수 식을 사용하여 보정 할 수 있다는 것은 물론이다.
또, 상기 실시예에서는 구동전류와 공전보정량의 관계를 테이블 함수에 의해서 구하는 경우에 대하여 설명했지만, 상기 구동전류와 공전보정량의 관계를 테이블수단(기억장치)에 기억해 놓고 이 정보를 사용해도 좋고, 함수와 상기 테이블 수단의 조합으로 해도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 비례정수 기억장치(7), 정수항 기억장치(8)에 RAM을 사용한 경우에 대해서 설명했지만 리드전용의 기억장치(Read Only Memory : ROM)이라도 좋은 것은 물론이다. 또 소요정보의 기억이나 연산처리를 논리회로로 구성해도 좋다.
그리고, 상기 실시예에서는 반전직전 시와 기동상태의 경우에 대해서 설명했지만 상기 이외인 경우 예를 들면, 정지 직후에 구동전류와 테이블 위치와 공전보정량의 관계가 근본적으로 구해지면 그것에 의해서도 좋다.
본 발명은 이상 설명한 바와 같이 서보 모터가 바랄 때의 구동전류와 공전보정량의 관계를 나타내는 테이블/함수를 갖추고, 구동전류 검출수단에 의해 검출된 바랄 때의 구동전류에 의해 상기 테이블/함수에 따라서 공전을 보정하는 수단에 의해 연산하여 보정 하도록 한 것이므로 공전에 의해서 생기는 위치의 오차를 정밀도 높게 보정할 수가 있다.
또, 필요하면 구동부에서 너트부까지의 길이를 가미한 공전보정도 행할 수 있으므로 보다 고정밀도의 가공이 가능하게 된다.

Claims (4)

  1. 보간정보가 입력되어 모터에 대한 속도명령을 출력하는 가감속 처리장치(1), 상기 가감속 처리장치(1)의 출력에 따라서 기계가동부를 서보 제어하는 서보기구(2), 상기 서보기구(2)에서 출력되는 모터피드백 전류를 기억하는 모터피드백 전류기억장치(6), 모터피드백 전류값과 공전량의 비례정수를 기억하는 비례정수 기억장치(7), 상기 모터피드백 전류기억장치(6), 모터피드백 전류값과 공전량의 비례정수를 기억하는 비례정수 기억장치(7), 상기 모터피드백 전류값과 공전량의 비례관계의 정수항을 기억하는 정수항 기억장치(8), 상기 모터피드백 전류기억장치(6), 비례정수 기억장치(7) 및 정수항 기억장치(8)에 기억된 정보를 입력하고, 상기 서부기구(2)에서의 서보 모터가 바랄 때의 모터전류와 공전보정량의 관계를 나타내는 테이블/함수를 갖고, 상기 모터 전류를 바랄 때 검출하는 모터전류 검출수단(4,5)에 의해 검출된 바랄 때의 모터 전류와 상기 테이블/함수에 따라서 공전보정량을 산출하며, 상기 산출결과를 사용해서 상기 기계가동부의 공전을 보정하는 공전보정량을 산출수단(9)을 포함하는 수치제어장치.
  2. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 비례정수 기억장치(7) 및 정수항 기억장치(8)는 키보드에 의해 각각 비례정수 및 정수항의 수치가 입력되며, 리드 및 라이트가 가능한 기억장치인 수치제어장치.
  3. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 또 상기 가 감속 처리장치(1)에서 서보기구(2)로의 위치정보를 조정하는 지연요소(11)를 포함하는 수치제어장치.
  4. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 또 볼 나사 구동부에서 너트부까지의 길이를 기억하는 위치 기억장치(12)를 포함하며, 상기 공전보정량 산출장치(9)는 상기 모터피드백 전류 기억장치(6), 비례정수 기억장치(7), 정수항 기억장치(8) 및 상기 위치기억장치(12)에 기억된 정보로 공전보정량을 산출하는 수치제어장치.
KR1019890002255A 1988-03-01 1989-02-25 수치제어장치 KR910007054B1 (ko)

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KR890015098A KR890015098A (ko) 1989-10-28
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KR1019890002255A KR910007054B1 (ko) 1988-03-01 1989-02-25 수치제어장치

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