TWI491847B - 機械運動軌跡測定裝置、數值控制工作機械及機械運動軌跡測定方法 - Google Patents

Description

機械運動軌跡測定裝置、數值控制工作機械及機械運動軌跡測定方法

本發明係有關於機械運動軌跡測定裝置，尤其是有關於在數值控制工作機械或機器人(robot)中，測定機械之運動軌跡之裝置。

在數值控制工作機械或機器人中，對馬達進行驅動使機械沿著複數個可動軸移動，儘可能地將機械之位置忠實地控制在指令位置。在此種情況，由於機械之振動或運動方向反轉時之摩擦力之影響，在指令位置和實際之機械之位置之間會產生誤差，例如，在加工面形成損傷。在發生有此種問題之情況時，測定機械之運動軌跡，探索問題之原因，進行控制馬達之控制器之各種參數之調整。為此的機械運動軌跡之測定顯示方法習知者有複數種方法。

下述之專利文獻1所示之方法是將變位計結合在2個高精度之鋼球之間者，讀取以2球間之相對距離保持一定之方式進行運動(圓弧)時之變位。此種方法稱為循圓量測(Ball Bar)法，廣泛地普及。

在下述之非專利文獻1揭示有使用稱為交叉格子標尺(scale)(格子編碼器；grid encoder)之測定器，用來測定工作機械之運動軌跡之方法。在使用交叉格子標尺之測定中，使用標尺及檢測頭而可以進行2次元之相對變位之測定，該標尺為在玻璃基板上具有直角交叉之2個光學格子者；該檢測頭為具有對應到標尺之光學格子之各個而配置成互相直角交叉的2個受光部者。

下述之專利文獻2所揭示之方法是使3組空氣滑動器(air slide)和線性標尺(linear scale)正交地組合，可以測定3次元之相對變位。另外，在下述之專利文獻3所揭示之方法用來測定從回饋(feed back)信號方便求得之機械位置和控制裝置所指定之機械位置之誤差。

先前技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開昭61－209857號公報

專利文獻2：日本特許第3858062號公報

專利文獻3：日本特開平4－177408號公報

非專利文獻1：使用交叉格子標尺之超精密NC工作機械之運動精度之測定和改善，精密工學會誌，Vol.62，No.11(1996) pp.1612－1616

在專利文獻1所記載之方法中，會有只能測定預定之半徑之圓弧軌跡之問題，例如，不能測定在機械容易產生振動之角部等之運動軌跡。

在非專利文獻1所記載之使用交叉格子標尺之精度測定時，標尺和檢測頭之間隔需要保持在0.5mm左右，所以會有標尺和檢測頭互相碰撞容易發生破損之問題。此外，不能測定3次元之運動軌跡。

在專利文獻2所記載之方法中，雖然可以測定3次元之運動軌跡，但是因為測定器為重疊3組滑動機構而成之構造，所以在發生大慣性力之高加速度運動時，無法追隨該運動，因此會有無法測定之問題。另外，因為使用有空氣滑動器所以需要使用壓縮空氣，因而成為非常龐大之裝置。

在上述之方法之共同點是為了在機械安裝變位計來測定運動軌跡，所以例如在工作機械安裝有夾具(jig)或工具之情況時，為了進行測定而需要將該等拆卸下來。因此，有無法測定處於實際之使用狀態之機械之運動軌跡之問題。

另外，在上述之方法之共同點是測定範圍被限制在比較窄之範圍，所以在發生錯誤使機械之運動超過測定範圍之情況時，會造成測定器之破損。另外，要測定大行程之機械之運動軌跡時，需要將測定器暫時拆卸挪開場所再重新設置。

在專利文獻3所記載之方法中，在機械不設置測定器，依照從回饋信號求得之機械位置算出運動軌跡，所以可以進行自由形狀且全可動範圍內之測定，亦不會有測定器之破損。但是，實際之機械位置未必都會是和回饋位置相同，例如在機械發生有振動之情況時或存在有餘隙(backlash)之情況時，不能正確地評估機械之運動軌跡。

本發明乃鑑於上述之問題而研創者，其目的是提供可以簡便且確實地測定反映有振動或反衝之機械之運動軌跡之機械運動軌跡測定裝置、具備該機械運動軌跡測定裝置之數值控制工作機械及機械運動軌跡測定方法。

為了解決上述問題，本發明之機械運動軌跡測定裝置係對控制機械之位置之裝置中的機械之運動軌跡進行測定者，其中該控制機械之位置之裝置係將從驅動複數個可動軸用之複數個馬達檢測到之檢測位置予以回饋，且以使檢測位置追隨指令位置之方式驅動複數個可動軸之馬達，藉此控制機械之位置，該機械運動軌跡測定裝置係具備有：加速度計，用來測定機械之加速度；以及運動軌跡測定部，對加速度進行2階積分獲得機械位置，並且使機械位置之機械之運動軌跡形狀(profile位置之形狀圖形，本文中稱為機械之運動軌跡形狀)成為與利用模擬機械之位置對指令位置之回應性之模型(model)所推定之推定位置之機械之運動軌跡形狀，或檢測位置之機械之運動軌跡形狀大致一致之方式校正機械位置，藉此測定機械之運動軌跡。

在本發明之機械運動軌跡測定裝置中，因為在測定時使用加速度計，加速度計可以設置在可動部之任意的場所，即使在使用中之機械可以不拆卸夾具或工具就可以進行測定，除此之外亦可以進行3次元之運動軌跡之測定。另外，在本發明之機械運動軌跡測定裝置中，因為使用檢測位置或推定位置來校正機械位置，所以不容易產生在欲對加速度計之信號進行積分算出機械位置之情況時的由於測定誤差或積分誤差產生的問題，並且達到可以測定反映振動或反衝之機械之運動軌跡之效果。

實施形態

以下，舉數值控制工作機械之機械運動軌跡之測定為例，使用圖式來說明本發明實施形態之機械運動軌跡測定裝置。另外，本發明並不只限於以下所述者。

第1圖表示數值控制工作機械之形態之一例。具有複數個可動軸用來導引在X軸、Y軸和Z軸方向之運動，各個可動軸被由馬達1和饋送螺桿(feed screw) 2構成之驅動機構驅動。馬達之旋轉角度利用旋轉角度檢測器3檢測，並將檢測結果回饋到控制裝置。就驅動方法而言，亦可以使用線性馬達代替馬達1和饋送螺桿2，使用線性標尺代替旋轉角度檢測器3。

在第1圖所示之形態之數值控制工作機械中，利用Y軸之驅動機構驅動工作台4，利用X軸之驅動機構驅動柱5。利用安裝在柱5之Z軸之驅動機構，經由衝頭(ram) 6驅動主軸頭7，其結果即是在安裝於主軸頭7之前端之工具和設置於工作台4上之工件之間創建3次元形狀。

另外，在第2圖示意性表示從橫方向看第1圖之Y軸之驅動機構之情況時之剖視圖。在此處為著說明之方便只顯示Y軸之驅動機構，但是對於X軸和Z軸之驅動機構而言亦同。馬達1之旋轉運動經由聯結器(coupling) 8傳達到饋送螺桿2，並經由螺帽9變換成為工作台4之直線前進運動。饋送螺桿2之直線前進運動被支持軸承10限制。將從控制器之指令產生部11輸出之指令位置傳送到馬達驅動部12，馬達驅動部12以使旋轉角度檢測器3所檢測到之馬達旋轉角度乘以饋送螺桿2之螺距所獲得之檢測位置和指令位置之誤差儘可能地變小之方式驅動馬達1。

除了馬達1之旋轉角度外，亦可以附加檢測工作台之位置用之線性標尺或雷射變位計，並將檢測結果回饋到馬達驅動部12，另外，亦可以使用線性馬達代替馬達1和饋送螺桿2。

在數值控制工作機械，安裝在主軸頭7之前端之工具和工作台4之相對變位乃重要者，一般而言係預先測定相對變位，在指令產生部11或馬達驅動部12校正存在於機械之誤差。誤差之原因，首先有可動軸間之垂直度或饋送螺桿之間距(pitch)誤差之靜態誤差，該等靜態誤差在組裝機械之階段經測定和調整，在通常使用中變化很小。

另外一方面，主要地由於在耦合器8或饋送螺桿2、支持軸承10部分產生之彈性變形或振動、柱5或衝頭6之姿勢變化或振動、摩擦力所產生之誤差亦為習知，該等動態誤差依照機械之使用狀況或工作台上之負載質量、機械之長年變化或摩耗等造成特性之大幅變化。因此，最好在機械之使用中亦定期地或持續地測定機械之運動軌跡，從而能夠調整控制器之各種校正參數。

本發明之目的是提供一種測定方法，利用與先前技術之測定方法完全不同之方法，用來簡便而且確實地測定用以調整控制器之參數所必要之運動軌跡資訊。在此處確實地說是指包含控制器之調整所必要之資訊，具體而言是指振動之有無、振動之週期和振幅、象限變換時所產生之突起狀之軌跡誤差(象限突起)之有無、象限突起之高度和寬度、及在象限突起發生後所產生之振動之週期和振幅之資訊。

第3圖表示本發明之機械運動軌跡測定裝置。在指令產生部11根據被輸入之目標位置產生指令位置。在馬達驅動部12以使被輸入之指令位置，和處理從旋轉角度檢測器3傳送而來之檢測信號所獲得之檢測位置儘可能地一致的方式輸出馬達驅動電壓用來驅動馬達1。

本發明之機械運動軌跡測定裝置乃是在將從相異可動軸之複數個馬達1檢測到之檢測位置予以回饋並以檢測位置追隨指令位置之方式驅動馬達1而藉以控制機械之位置之裝置中測定機械之運動軌跡者，係具備有：加速度計13，用來測定機械之加速度；和運動軌跡測定部14，對加速度進行2階積分以獲得機械位置，並且使機械位置之機械之運動軌跡形狀成為與利用模擬機械之位置對指令位置之回應性之模型所推定之推定位置之機械之運動軌跡形狀或檢測位置之機械之運動軌跡形狀大致一致之方式校正機械位置，而測定機械之運動軌跡。

在此處之機械之運動軌跡形狀是指表示在橫軸為時間而縱軸為機械位置之情況時，或橫軸和縱軸雙方均為機械位置之情況時機械位置之概略變化之曲線，例如，想像在變動微小之波形之中心附近使用曲線尺而畫出一條線之情況時之曲線。亦可以為對指令位置乘以具有一定之時間常數之轉換函數(transfer function)所獲得之曲線，亦可以為使機械位置之 變化成為近似直線或n次多項式或正弦波或餘弦波之情況時之曲線。

運動軌跡顯示部15從複數個輸入到指令產生部11之目標位置合成目標軌跡，從自指令產生部11輸出之指令位置合成指令軌跡，從被回饋之複數個檢測位置合成檢測部軌跡，並將該目標軌跡、指令軌跡或檢測部軌跡之至少之一之軌跡，和從運動軌跡測定部14輸出之合成了機械位置之機械之運動軌跡重疊顯示。

在本發明中，因為使用加速度計測定機械之運動軌跡，所以如第3圖所示，即使在安裝有工具16或工件17之狀態下亦可以測定機械運動之軌跡，除此之外亦可以進行3次元之自由形狀之測定。另外，當欲對加速度計之信號進行積分算出位置時，一般會產生因加速度之測定誤差或積分誤差產生的問題，但是在本發明之機械運動軌跡測定裝置中，在運動軌跡測定部於加速度之測定之同時使用屬於來自未圖示之控制裝置之信號之指令位置和檢測位置來校正機械位置，所以可以校正加速度之測定誤差或積分誤差。

另外，經由使目標軌跡、指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡之全部或一部分重疊顯示，在機械運動軌跡發生有誤差之情況時，可以明確地表示軌跡誤差在那一個階段發生。

這時，藉由將指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡，與目標軌跡之間之相對於目標軌跡之法線方向之誤差分別擴大地顯示，可以用來更明確地表示軌跡誤差。另外， 藉由將指令軌跡與檢測部軌跡、指令軌跡與機械運動軌跡、或檢測部軌跡與機械運動軌跡之間之法線方向之誤差擴大地顯示，可以只抽出例如由於馬達驅動部12引起之軌跡誤差或由於驅動機構引起之軌跡誤差。

對加速度進行積分算出位置之方法為自以往所習知者，使用在例如慣性導航裝置或建築物之振動測定。但是周知其測定精度係前者為數m，後者為數十mm，若與數位控制工作機械之測定所要求之精度相比，還差了4至6位數。就對加速度進行積分算出位置時之問題而言，有因加速度之測定誤差造成之問題和因積分演算之誤差造成之問題。本發明乃用來解決此種問題，提供以高精度測定機械運動軌跡之方法。

在對加速度進行積分之情況時，測定時間越長，越累積其誤差使測定之精度越劣化。在控制裝置之調整時，主要地對因機械之振動或摩擦力所造成之軌跡誤差進行校正參數之調整，所以只要顯示由於該等動態性舉動所引起之產生軌跡誤差部分之運動軌跡即可。具體而言，從指令位置、檢測位置或其雙方，使用預定之規則或數式，判別推定為產生有軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍，對在運動軌跡誤差發生範圍的加速度進行2階積分藉此算出機械位置。

在此處之預定之規則或數式是表示經驗上習知之發生軌跡誤差之位置用之規則或數式，或從使用模擬機械之位置對指令位置之回應特性之模型而推定之機械位置判別軌跡誤差之發生用之規則或數式。

利用此種方式，因為可以只對在軌跡容易產生誤差之部分之加速度進行積分算出機械位置，所以不需要超過必要程度之長時間之積分演算，機械運動軌跡之測定所需要之時間可以減少，除此之外可以簡便而且確實地測定容易因機械之使用狀況而變化之動態性軌跡誤差。

另外，經由將運動軌跡誤差發生範圍之機械運動軌跡與目標軌跡、指令軌跡、或檢測部軌跡重疊顯示，可以用來確實地顯示控制器之調整所必要之軌跡資訊。

在這時亦分別擴大地顯示指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡，與目標軌跡之間之相對於目標軌跡之法線方向之誤差，藉此可以更明確地表示軌跡誤差。另外，經由擴大地顯示指令軌跡和檢測部軌跡、指令軌跡和機械運動軌跡、或檢測部軌跡和機械運動軌跡之間之法線方向之誤差，可以只抽出例如由於馬達驅動部12所引起之軌跡誤差，或由於驅動機構所引起之軌跡誤差。

以下，作為更具體之實施例詳細地說明判別運動軌跡誤差發生範圍，對運動軌跡誤差發生範圍之加速度進行2階積分算出機械位置之方法。在運動軌跡測定部14，如第4圖之流程圖所示，其特徵在於：讀入測定運動用之資料，從屬於讀入之資料之指令位置或檢測位置或其雙方，判別使用預定之規則或數式推定產生有軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍，對運動軌跡誤差發生範圍之加速度進行2階積分算出機械位置，校正所算出之機械位置之誤差。

第5圖表示第3圖之運動軌跡測定部14之資料處理方法之具體例。本實施例之運動軌跡測定部14具備有：機械運動軌跡測定用資料抽出手段18、加速度積分手段19、和積分誤差校正手段20。

在機械運動軌跡測定用資料抽出手段18係記錄有：使對指令位置進行微分所獲得之指令速度之符號反轉之時刻、和使對指令位置進行3階微分所獲得之加速度之變化率(亦有稱為加速度、跳躍、或急動度(jerk))超過預先設定之臨限值之時刻，且將檢測位置對指令位置之延遲時間加到上述時刻算出開始時刻，將從開始時刻起至經過一定時間為止之範圍設定為在運動軌跡誤差發生範圍。經由變化加速度之變化率J之臨限值，可以變化運動軌跡誤差發生範圍之檢測靈敏度，較妥當者為將臨限值設定在數m/s³ 至數十m/s³ 左右。

具體而言，對指令位置資料Pr進行時間微分算出指令速度Vr，再對指令速度Vr進行2階微分算出指令加速度之變化率J，並且搜尋指令加速度之變化率J成為預先設定之臨限值以上之時刻ta(Na)、和指令速度Vr之符號反轉之時刻tb(Nb)。其中，Na是指令加速度之變化率J成為臨限值以上之次數，Nb為指令速度Vr之符號反轉之次數。另外，指令加速度之變化率J之臨限值可以依照作為測定和調整對象之機械之要求性能來變化。

在指令位置和檢測位置之間存在有一定之延遲時間乃為一般習知者，在機械運動軌跡測定用資料抽出手段18，求得指令位置資料Pr和檢測位置資料Pfb之誤差E，從其算出延遲時間Delay。可以從運動中之誤差E算出延遲時間乃為公知事實。另外，亦可以不從指令位置資料Pr和檢測位置資料Pfb之差算出延遲時間，而利用模擬控制系統之回應之模型計算延遲時間。

在指令加速度之變化率J成為臨限值以上之時刻ta(Na)和指令速度Vr之符號反轉之時刻tb(Nb)，加上延遲時間Delay，設定為測定開始時刻ts(N)。在此處N為測定開始時刻ts的個數，為Na和Nb之和。加速度之變化率大表示加速度急劇地變化，而速度之符號反轉表示運動方向反轉。因此，測定開始時刻ts表示運動之加速度急劇地變化之時刻和運動方向反轉之時刻。

一般習知者，在加速度急劇地變化之位置，會在機械激發振動所以容易產生軌跡誤差，以及在運動方向反轉之位置，摩擦力之方向發生反轉所以容易產生軌跡誤差。亦即，經由抽出上述位置，可以確實地判別容易發生運動軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍。

因在機械激發之振動或運動方向反轉時之摩擦力變化而造成之軌跡誤差屬於動態性舉動亦即隨時間變化之舉動乃為公知事項，因此，經由抽出從測定開始時刻ts起之一定之測定時間te內之資料，可以設定為運動軌跡誤差發生範圍。測定時間te之值可以依照作為測定對象之機械之動態性特性而變化，較妥當者為設定為從0.1秒至0.5秒左右。

另外，亦可以使用模擬機械之位置對指令位置之回應特性之模型，推定機械之運動軌跡，將在所推定之運動軌跡和目標軌跡之間產生之軌跡誤差超過預先設定之容許值之範圍設定為運動軌跡誤差發生範圍。利用此種方式，亦可以預測與加速度之急劇變化或運動方向之反轉無關之軌跡誤差之發生，可以測定當時之機械運動軌跡。這時之軌跡誤差之容許值可以依照對作為測定對象之機械之要求精度而變化，可以設定為數微米(micrometer)至數十微米。

在測定加速度時，最好使加速度計之靈敏度方向和機械之可動軸之運動方向一致，在加速度計之靈敏度方向和機械之可動軸之運動方向不一致之情況，或加速度計之靈敏度與預先設定者不同之情況，則需要校正加速度之測定結果。就校正加速度之方法而言，習知者有各種之方法，例如，可以從以已知之加速度使機械運動時之加速度之測定結果，算出加速度之校正係數。

在加速度積分手段19，將加速度之測定結果以比其測定週期短之間隔進行內插處理，然後進行積分。利用此種方式，即使不以必要程度以上之頻率測定加速度亦可以以高精度算出機械運動軌跡。加速度之測定週期可以依照作為測定對象之機械之振動特性而變化，可以設定在大概0.001秒至0.002秒左右(1000Hz至500Hz左右)，資料之內插間隔可以設定在0.0001秒左右(10000Hz左右)。

當對運動軌跡誤差發生範圍之加速度A(n)進行積分算出機械位置時，首先對檢測位置Pfb(n)進行微分算出檢測速度Vfb(n)，以運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻ts(n)之檢測速度Vfb(ts(n))作為初期值對加速度進行積分，藉此算出機械速度Va(n)(下述之數式(1))，然後以運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻ts(n)之檢測位置Pfb(ts(n))作為初期值對機械速度Va(n)進行積分，藉此算出機械位置Pa(n)(下述之數式(2))。在此處n為測定開始時刻ts之號碼，號碼範圍從第1號至第N號。

[數1]

[數2]

利用此種方式，因為不需要對從運動開始時點起之加速度波形連續進行積分，可以只對真正必要之短時間之加速度波形進行積分，所以計算量可以大幅地減少而且可以以高精度算出機械位置。

另外，使用模擬機械之位置對指令位置之回應特性之模型，算出推定位置和推定速度，以運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之推定速度作為初期值，對加速度進行積分算出機械速度，另外以運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之推定位置作為初期值，對機械速度進行積分算出機械速度。利用此種方式，即使進入例如間距誤差校正或餘隙校正之校正，亦推定去除其影響後之位置而可以算出機械位置。

在對加速度進行積分算出位置之情況時，加速度之測定誤差或因積分造成之誤差會累積而影響到結果。在積分誤差校正手段20進行加速度之測定誤差和積分誤差之校正。第6圖是表示在加速度具有某一定之測定誤差之情況時，對將其進行積分所獲得之位置造成之影響之示意圖。當在加速度存在有一定之誤差之情況時，在對其進行2階積分之位置會以2次時間函數呈現。

為了從利用加速度積分手段19算出之機械位置Pa(n)抽出誤差成分進行校正，算出運動軌跡誤差發生範圍之檢測位置Pfb(n)和從加速度算出之機械位置Pa(n)之差E1。從實際之測定結果算出之誤差E1之一例在第7圖以實線表示。將此種誤差進行2次時間函數形式的近似運算，從機械位置Pa(n)減去利用近似式算出之位置而進行校正，藉此校正加速度之測定誤和積分誤差。另外，代替檢測位置Pfb(n)，亦可以使用模擬機械之位置對指令位置之回應特性之模型進行校正。

利用上述之方法校正後之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之差在第7圖以虛線表示。亦即相當於第5圖中之E2。從第7圖中可以明白，除了微小之變動外，機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之差消失，確實可以校正加速度之測定誤差和積分誤差。另外，從第7圖中可明白，機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之差成為包夾0的微小變動，機械位置之機械之運動軌跡形狀和檢測位置之機械之運動軌跡形狀成為大致一致。在此處所出現之微小之變動乃為檢測位置和機械位置之差，其係由於驅動機構或機械之運動軌跡誤差所引起者。

在第7圖所示之結果中，校正後之誤差E2小，且利用1次之校正就可以獲得充分之測定精度。在此種情況，依照第5圖之流程圖使校正處理結束，保存作為機械位置資料Pa(n)。

但是，像是例如角部之舉動中在加速度急劇變化之情況時會有不能以1次之校正即正確地校正誤差之情況。此種情況之從加速度算出之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之誤差之一例如第8圖所示。依據第8圖，在進行上述之校正後(虛線)，在2.55秒以前誤差還是大，且波形全體成為引起之形狀。這是因為包含了第8圖之陰影部分所示之範圍之資料進行2次函數形式的近似運算來進行校正之故，陰影部分相當於指令位置和檢測位置之差E有大變動之部分。

因此，當從加速度算出並且進行過第1次校正之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之誤差E2為在預先設定之臨限值以上之情況時，依照第5圖所示之流程圖，算出指令位置Pr(n)和檢測位置(Pfb(n))之誤差E(n)之變化率，抽出上述變化率成為預先設定之臨限值以下之範圍之檢測位置或推定位置，使用所抽出之檢測位置或推定位置再度進行校正。誤差E2之臨限值可以依照作為測定對象之機械之特性而變化，可以設定為大概十微米至數十微米。另外，代替檢測位置Pfb(n)而亦可以使用模擬機械位置對指令位置之回應特性之模型。

在與第8圖所示之結果相同之運動軌跡誤差發生範圍中的指令位置Pr(n)和檢測位置(Pfb(n))之誤差E(n)之變化率以第9圖表示。依據第9圖，在第i號之資料之前，誤差E(n)急劇地變化。搜尋誤差E(n)之變化率成為預先設定之臨限值以下之資料號碼i，將校正後之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之誤差E2之第i號以後之資料進行2次時間函數形式的近似運算，從機械位置Pa(n)減去利用近似式算出之位置，藉此再度地進行校正。另外，誤差E(n)之變化率之臨限值(threshold)之預測目標是指令位置和檢測位置之以數值顯示位置之最小單位。

使用校正後之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之誤差E2之第i號後之資料再度地進行校正後之機械位置Pa(n)和檢測位置Pfb(n)之誤差以第10圖表示。依據第10圖時，2.25秒之前之誤差雖然殘留，但校正前出現之波形全體弓起之誤差被去除，在如同角部之隨著急劇之加減速之運動中，也可以校正加速度之測定誤差和積分所造成之誤差，可以以高精度算出機械運動軌跡。

校正結束之結果被保存作為機械位置資料Pa(n)，在測定開始時刻ts之號碼n小於測定開始時刻ts之個數N之情況時，在號碼n加1，回到機械運動軌跡測定用資料抽出手段18，在測定開始時刻ts之號碼n達到測定開始時刻ts之個數N為止，重複進行加速度積分手段19和積分誤差校正手段20之處理。利用此種方式，可以算出全部之運動軌跡誤差發生範圍之機械位置。另外，以上之處理是對複數個可動軸之全部進行，從複數軸之機械位置資料在運動軌跡顯示部15合成機械運動軌跡。

為確認本發明之方法之有效性，實際地測定數值控制工作機械之XY平面之機械運動軌跡。作為比較對象者，亦以現在提供實際使用之測定方法之交叉格子標尺法進行相同的測定。

第11圖是利用交叉格子標尺測定進行半徑10mm、進給速度3000mm/min之圓運動時之機械運動軌跡之結果。圖中將與目標軌跡之差擴大地顯示，在機械運動軌跡之同時，同時表示檢測部軌跡和目標軌跡。依據第11圖，機械運動軌跡成為在X軸方向具有長軸的橢圓形狀，此肇因於X軸方向的彈性變形，乃是在本發明中不作為測定對象之誤差。在本發明中作為測定對象者是在變換象限之部分產生之突起狀之誤差(象限突起)和軌跡上之振動，而從第11圖可明白在機械運動軌跡上出現與檢測部軌跡不同之振動或象限突起。

第12圖表示利用本發明之機械運動軌跡測定裝置之機械運動軌跡之測定結果。在第12圖表示被判別為運動軌跡誤差發生範圍之部分，該圖中顯示該範圍之機械運動軌跡。如第12圖所示，在以本發明之機械運動軌跡測定裝置使用加速度測定機械運動軌跡之情況時，也與利用交叉格子標尺測定機械運動軌跡之情況同樣地，可以正確地顯示在機械運動軌跡上產生之振動或象限突起。

第13圖是下達正方形軌跡之指令時之利用交叉格子標尺之機械運動軌跡之測定結果，且擴大地顯示與目標軌跡之誤差。在四個角落之角部，因為加速度急劇地變化，所以容易產生振動為習知者，依據第13圖可以明白，於機械運動軌跡上產生有在檢測部軌跡看不見之振動。

利用本發明之機械運動軌跡測定裝置進行之機械運動軌跡之測定結果以第14圖表示。在第14圖中之被四角形包圍之部分是利用本發明之方法判定為容易產生軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍，在該圖中顯示該範圍之機械運動軌跡。如第14圖所示，在以本發明之機械運動軌跡測定裝置使用加速度測定機械運動軌跡之情況時，亦與利用交叉格子標尺測定機械運動軌跡之情況同樣地，可以測定在檢測部軌跡看不見之振動。依據本發明之機械運動軌跡測定裝置，即使在角部之情況，亦可以確實地測定機械運動軌跡。

亦即，可知利用本發明之機械運動軌跡之測定裝置，可以自動地判別運動軌跡誤差發生範圍，利用加速度計可以更確實地測定該部分之機械運動軌跡。另外，經由將指令軌跡、檢測部軌跡、和機械運動軌跡重疊顯示，即使在機械運動軌跡發生有誤差之情況時，亦可以明確地表示軌跡誤差是在哪個階段發生。

第15圖表示3次元之機械運動軌跡之測定例。第15圖所示之軌跡是首先使機械之X軸往正方向移動，接著使Y軸朝正方向移動，再接著使Z軸朝正方向移動之情況時之軌跡。依據本發明之方法，如第15圖所示，即使在3次元之軌跡亦可以判別運動軌跡誤差發生範圍，能夠測定機械運動軌跡。

(產業上之可利用性)

依照上述之方式，本發明之機械運動軌跡測定裝置，適用在數值控制工作機械或機器人，用來測定機械之運動軌跡。

1．．．馬達

2．．．饋送螺桿

3．．．旋轉角度檢測器

4．．．工作台

5．．．柱

6．．．衝頭

7．．．主軸頭

8．．．聯結器

9．．．螺帽

10．．．支持軸承

11．．．指令產生部

12．．．馬達驅動部

13．．．加速度計

14．．．運動軌跡測定部

15．．．運動軌跡顯示部

16．．．工具

17．．．工件

18．．．機械運動軌跡測定用資料抽出手段

19．．．加速度積分手段

20．．．積分誤差校正手段

第1圖是表示具備有本發明實施形態之機械運動軌跡測定裝置之數值控制工作機械之形態之示意圖。

第2圖是表示數值控制工作機械所具備之驅動機構之構造之示意圖。

第3圖是說明本實施形態之機械運動軌跡測定裝置之圖。

第4圖是說明本實施形態之機械運動軌跡測定裝置之運動軌跡測定方法之圖。

第5圖是說明本實施形態之機械運動軌跡測定裝置之運動軌跡測定方法之實施例之詳情之圖。

第6圖是表示加速度之測定誤差對速度和位置造成之影響之示意圖。

第7圖是表示從加速度算出之機械位置和檢測位置之差之例之圖。

第8圖是表示從加速度算出之機械位置和檢測位置之差之例之圖。

第9圖是表示指令位置和檢測位置之誤差之變化率之例之圖。

第10圖是表示使用指令位置和檢測位置之誤差之變化率在臨限值以下之範圍之資料進行校正之結果之例之圖。

第11圖是表示利用交叉格子標尺法之圓運動軌跡之測定結果之例之圖。

第12圖是表示利用本發明之機械運動軌跡測定裝置之圓運動軌跡之測定結果之例之圖。

第13圖是表示利用交叉格子標尺法之角部運動軌跡之測定結果之例之圖。

第14圖是表示利用本發明之機械運動軌跡測定裝置之角部運動軌跡之測定結果之例之圖。

第15圖是表示3次元之運動軌跡之測定例之圖。

1．．．馬達

3．．．旋轉角度檢測器

4．．．工作台

5．．．柱

6．．．衝頭

11．．．指令產生部

12．．．馬達驅動部

13．．．加速度計

14．．．運動軌跡測定部

15．．．運動軌跡顯示部

16．．．工具

17．．．工件

Claims (14)

1. 一種機械運動軌跡測定裝置，係對控制機械之位置之裝置中的上述機械之運動軌跡進行測定者，其中該控制機械之位置之裝置係將從驅動複數個可動軸用之複數個馬達檢測到之檢測位置予以回饋，且以使上述檢測位置追隨指令位置之方式驅動上述馬達，藉此控制機械之位置，該機械運動軌跡測定裝置係具備有：加速度計，用來測定上述機械之加速度；以及運動軌跡測定部，對上述加速度進行2階積分以獲得機械位置，並且以使上述機械位置之機械之運動軌跡形狀成為與利用模擬上述機械之位置對上述指令位置之回應性之模型所推定之推定位置之機械之運動軌跡形狀或上述檢測位置之機械之運動軌跡形狀大致一致之方式校正上述機械位置，藉此測定上述機械之運動軌跡。
2. 如申請專利範圍第1項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係記錄將上述指令位置進行微分而獲得之指令速度之符號反轉之時刻、和將上述指令位置進行3階微分而獲得之加速度之變化率超過預先設定之臨限值之時刻，將上述檢測位置對上述指令位置之延遲時間加算到上述時刻算出開始時刻，將從上述開始時刻起至經過一定時間為止之範圍判別為推定產生有軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍，對在上述運動 軌跡誤差發生範圍之上述加速度進行2階積分，藉此獲得上述機械位置。
3. 如申請專利範圍第1項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係使用模擬上述機械之位置對上述指令位置之回應性之模型推定上述機械之運動軌跡，將所推定之上述運動軌跡和目標軌跡之間產生之軌跡誤差超過預先設定之容許值之範圍判別為推定產生有軌跡誤差之運動軌跡誤差發生範圍，對上述運動軌跡誤差發生範圍之上述加速度進行2階積分，藉此獲得上述機械位置。
4. 如申請專利範圍第2項或第3項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係在對上述運動軌跡誤差發生範圍之加速度進行積分時，將上述檢測位置進行微分而算出檢測速度，以上述運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之上述檢測速度作為初期值對上述加速度進行積分，藉此算出機械速度，接著以上述運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之上述檢測位置作為初期值對上述機械速度進行積分，藉此獲得上述機械位置。
5. 如申請專利範圍第2項或第3項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係在對上述運動軌跡誤差發生範圍之加速度進行積分時，使用模擬上述機械之位置 對上述指令位置之回應性之模型算出上述推定位置和推定速度，以上述運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之上述推定速度作為初期值對上述加速度進行積分，藉此算出機械速度，接著以上述運動軌跡誤差發生範圍之最初之時刻之上述推定位置作為初期值對上述機械速度進行積分，藉此獲得上述機械位置。
6. 如申請專利範圍第2項或第3項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係算出上述運動軌跡誤差發生範圍之上述機械位置和上述推定位置或上述檢測位置之誤差，將所算出之上述誤差進行2次時間函數形式的近似運算，從上述機械位置減去利用近似式算出之位置而校正上述機械位置。
7. 如申請專利範圍第6項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係在上述被校正之機械位置和上述推定位置或上述檢測位置之誤差成為預先設定之臨限值以上之情況時，算出上述指令位置和上述檢測位置或上述推定位置之誤差之變化率，抽出上述變化率成為預先設定之臨限值以下之範圍之上述推定位置或上述檢測位置，再度算出上述被抽出之檢測位置或上述被抽出之推定位置與上述被校正之機械位置之誤差，將再度算出之誤差進行2次函數形式的近似運算，從上述被校正之機械位置減去利用該近似式算出之位置，而再 度校正上述機械位置。
8. 如申請專利範圍第1項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡測定部係將加速度之測定結果以比其測定週期短之間隔進行內插然後進行積分。
9. 如申請專利範圍第2項之機械運動軌跡測定裝置，其中，復具備有運動軌跡顯示部，用來顯示上述機械之運動軌跡；上述運動軌跡測定部係從被輸入到指令產生部之目標位置合成目標軌跡，從自上述指令產生部輸出之指令位置合成指令軌跡，從上述檢測位置合成檢測部軌跡，使上述目標軌跡、上述指令軌跡或上述檢測部軌跡之至少任一方之軌跡和上述機械之運動軌跡重疊顯示在上述運動軌跡顯示部。
10. 如申請專利範圍第9項之機械運動軌跡測定裝置，其中，被顯示在上述運動軌跡顯示部之上述機械之運動軌跡係在上述運動軌跡誤差發生範圍之上述機械之運動軌跡。
11. 如申請專利範圍第9項或第10項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡顯示部係分別擴大地顯示上述指令軌跡、上述檢測部軌跡和上述機械之運動軌跡，與上述 目標軌跡之間之相對於上述目標軌跡之法線方向之誤差。
12. 如申請專利範圍第9項或第10項之機械運動軌跡測定裝置，其中，上述運動軌跡顯示部係擴大地顯示上述指令軌跡與上述檢測部軌跡、上述指令軌跡與上述機械運動軌跡、或上述檢測部軌跡與上述機械運動軌跡之間之相對於上述目標軌跡之法線方向之誤差。
13. 一種數值控制工作機械，係具備申請專利範圍第1項之機械運動軌跡測定裝置。
14. 一種機械運動軌跡測定方法，係對控制機械之位置之裝置中的上述機械之運動軌跡進行測定之方法，其中該控制機械之位置之裝置係將從驅動複數個可動軸用之複數個馬達檢測到之檢測位置予以回饋，且以使上述檢測位置追隨指令位置之方式驅動上述馬達，藉此控制機械之位置，該機械運動軌跡測定方法係包含下述步驟：利用加速度計測定上述機械之加速度；對上述加速度進行2階積分計算機械位置；以及使上述機械位置之機械之運動軌跡形狀成為與利用模擬上述機械之位置對上述指令位置之回應性之模型所推定之推定位置之機械之運動軌跡形狀或上述檢測位置之機械之運動軌跡形狀大致一致之方式校正上述機械位置，藉此測定上述機械之運動軌跡。