WO2007029825A1 - Position control device - Google Patents

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Ryuta Sato
Yutaka Ide
Masaomi Tsutsumi
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Abstract

A position control device includes: position control means for subjecting a position deflection to proportional calculation and outputting a speed instruction; speed control means for subjecting the speed deflection to proportion and integration calculation for output; a speed feedback control system for generating a torque instruction and driving a control object; and feed forward control means (30) for outputting a speed instruction compensation portion for compensating a delay of the speed feedback control system so as to be added to the speed control means. The feed forward control means (30) has differentiation means (31) for differentiating the position instruction for output, low-band filter means (32) for inputting the output of the differentiation means and outputting only a low-band component, and feed forward compensation means (33) for multiplying a reciprocal number of the commutation function of the speed feedback control system by the output of the low-band filter means for output. It is possible to decide a feed forward gain by a simple algebraic calculation.

Description

明 細 書  Specification
位置制御装置  Position control device
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、フィードフォワード制御機能を備えた位置制御装置に関する。  The present invention relates to a position control device provided with a feed forward control function.
背景技術  Background art
[0002] 現在、 NC工作機械やロボットなどには追従性能を向上させるために、フィードフォ ワード制御が導入されている。し力しながら、フィードフォワード補償器の設計には、 経験に基づく高度な技術と多大な時間が必要とされるという問題があった。このような 問題を解決するために、多くの方法が提案されている。その中で、本発明と関連が深 いと思われる従来例を以下に列挙する。  [0002] At present, feedforward control is introduced to NC machine tools and robots in order to improve follow-up performance. However, the design of feedforward compensators has the problem of requiring advanced technology and a great deal of time based on experience. Many methods have been proposed to solve these problems. Among them, conventional examples that are considered to be closely related to the present invention are listed below.
[0003] <第 1の従来例 >  <First Conventional Example>
NC工作機械の形状創成を支配する、送り駆動系の制御系をチューニングするに 当たり、フィードフォワードゲインは、速度ステップ入力に対する定常状態での追従誤 差が 0になるよう、追従誤差 e (t)のラプラス変換 E (s)力も最終値定理を用いて求める ことが示されている(例えば、下記の非特許文献 1参照)。  In tuning the control system of the feed drive system, which governs the shape creation of the NC machine tool, the feedforward gain follows the tracking error e (t) so that the tracking error in the steady state for the speed step input becomes 0. It has been shown that the Laplace transform of E (s) is also determined using the final value theorem (see, for example, Non-Patent Document 1 below).
[0004] <第 2の従来例 >  <Second Conventional Example>
位置決め状態の最適調整を短時間で簡単に行うために、位置補償と速度補償の 各フィードフォワード制御器がそれぞれ 2つのフィードフォワードゲインによりフィード フォワード制御を行って 、るとき、それらのフィードフォワードゲインの値を調整ゲイン を引数とする単調増加関数の値とすることにより、調整ゲインの調整のみで機械系の 位置決め状態を最適にすることが示されている(例えば、下記の特許文献 1参照)。  When the feedforward controller for position compensation and velocity compensation performs feedforward control with two feedforward gains, respectively, in order to easily carry out the optimum adjustment of the positioning state in a short time, the feedforward gain It has been shown that the positioning state of a mechanical system can be optimized only by adjusting the adjustment gain by setting the value as the value of a monotonically increasing function having the adjustment gain as an argument (see, for example, Patent Document 1 below).
[0005] <第 3の従来例 >  <Third Conventional Example>
外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができる 位置決めサーボコンローラとして、フィードバック制御器にフィードフォワード制御器を 加えて制御系を 2自由度系とし、フィードバックゲインとフィードフォワードゲインとを、 調整ゲインを引数とする単調増加関数とすることにより、調整ゲインの調整のみで要 求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単ィ匕できることが示されて ヽる ( 例えば、下記の特許文献 2参照)。 As a positioning servo controller that can easily realize the required response characteristics even when adjusting disturbance response, a feedforward controller is added to the feedback controller to make the control system a two degree-of-freedom system, feedback gain and feed By making the forward gain and the monotonically increasing function with the adjustment gain as an argument, it is shown that it is possible to simplify the gain adjustment for determining the required response characteristics only by adjusting the adjustment gain. For example, refer to the following Patent Document 2).
[0006] <第 4の従来例 >  Fourth Conventional Example
外乱に対する応答を最適に保ったまま、制御対象の微少なモデル誤差に対する調 整を緻密に行い、また簡単な調整で、機械共振を励起せずに高速に整定する制御 を実現する位置制御装置として、位置、速度、トルクの各フィードフォワード制御の入 力にはモデル信号演算部において演算されたモデル位置、モデル速度、モデルトル クを使用し、モデル誤差が存在する場合、独立に調整が可能なフィードフォワードゲ インを微調整することが示されている(例えば、下記の特許文献 3参照)。  As a position control device that achieves precise control for a small model error of the control target while keeping the response to disturbance optimum, and simple control, control that settles at high speed without exciting mechanical resonance. The input of each feedforward control of position, speed and torque uses the model position, model speed and model torque calculated in the model signal operation unit, and if model error exists, it can be adjusted independently. Fine tuning of the forward gain has been shown (see, for example, Patent Document 3 below).
[0007] <第 5の従来例 >  <Fifth Conventional Example>
電動機制御装置を構成する各制御部で用いる制御器を、制御対象に応じて自動 的に切り替え選択して設定することを可能にして、多種多様な制御対象を高性能に 制御できる自由度の高い電動機制御装置として、加振信号をフィードバック制御器に 入力して制御対象の周波数特性を同定し、同定されたモデルに基づ 、てフィードフ ォワード制御器及びフィードバック制御器を自動で選択することが示されて 、る(例え ば、下記の特許文献 4参照)。  The controller used in each control unit of the motor control device can be automatically switched and set according to the control object, and it is possible to control various control objects with high performance with high degree of freedom. As a motor controller, the excitation signal is input to the feedback controller to identify the frequency characteristics of the controlled object, and it is shown that the feedforward controller and the feedback controller are automatically selected based on the identified model. (See, for example, Patent Document 4 below).
[0008] <第 6の従来例 >  <Sixth Conventional Example>
フィードフォワードゲインを速やかに自動調整することによって、位置偏差を著しく 低減し得るサーボ制御装置として、指令値生成装置力 の指令に従って制御系が動 作し被制御機械を駆動する際に、フィードフォワードゲイン誤差推定部が作動し、各 出力の指令値との偏差力 ゲイン誤差を推定してフィードフォワード制御部に出力す ると、フィードフォワード制御部は推定されたゲイン誤差に基づき、制御系に対して位 置誤差が 0になるようにフィードフォワードゲインを調整することが示されている(例え ば、下記の特許文献 5参照)。  As a servo control device capable of remarkably reducing the position deviation by automatically adjusting the feedforward gain quickly, the feedforward gain is controlled when the control system operates according to the command of the command value generating device and drives the controlled machine. When the error estimation unit operates to estimate the deviation force gain error from the command value of each output and output it to the feedforward control unit, the feedforward control unit generates a control signal to the control system based on the estimated gain error. It has been shown to adjust the feedforward gain so that the position error is zero (see, for example, Patent Document 5 below).
[0009] 非特許文献 1:垣野義昭ほか: NC工作機械における送り駆動系トータルチューニン グに関する研究 (第 2報)、精密工学会誌、 Vol.60,NO.2,(1995) Non-Patent Document 1: Kakino Yoshiaki et al .: Research on feed drive system total tuning in NC machine tool (second report), Journal of the Journal of Precision Engineering, Vol. 60, N O .2, (1995)
特許文献 1:特開 2001— 350525号公報(要約)  Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-350525 (summary)
特許文献 2:特開 2001— 356822号公報(要約)  Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-356822 (Abstract)
特許文献 3:特開 2001— 249720号公報(要約) 特許文献 4:特開 2005 - 198404号公報(要約) Patent Document 3: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-249720 (abstract) Patent Document 4: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-198404 (abstract)
特許文献 5:特開平 6— 250702号公報 (要約)  Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-250702 (Abstract)
[0010] し力しながら、上述した第 1及び第 4の従来例においては、調整の手順は決められ ているけれども、実際には機械の剛性などの影響により、応答に振動や速度のォー バシュートなどが生じ、それらを防止するための調整が必要になるという問題があり、 第 2及び第 3の従来例においては、経験的に 1つのゲインを決定すればほかのゲイ ンも決まる力 最初の 1つのゲインの決定には専門知識が要求されるという問題があ つた。さらに、第 1〜第 4の各従来例に記載された方法を実施する場合、操作者によ るゲインの調整が必要であり、最適な応答を得るには繰り返して調整を行わなければ ならな ヽと ヽぅ問題があった。  Although the adjustment procedure is determined in the first and fourth prior art examples described above, the response is actually influenced by vibration and speed due to the influence of machine rigidity and the like. However, in the second and third conventional examples, if one gain is determined empirically, the other gains are also determined. There is a problem that expertise is required to determine one of the gains. Furthermore, when the methods described in the first to fourth conventional examples are carried out, it is necessary for the operator to adjust the gain, and in order to obtain an optimal response, it is necessary to perform the adjustment repeatedly. There was an acupuncture and moxibustion problem.
[0011] また、上述した第 1〜第 4の従来例においては、フィードフォワードゲインが調整さ れた値で固定されてしまうため、運動の状態が異なる位置指令には追従しきれずに 誤差が生じる場合があり、第 5及び第 6の従来例においては、追従誤差が生じた場合 にゲインを自動調整する演算装置が必要になるという問題があった。  Further, in the above-described first to fourth conventional examples, since the feedforward gain is fixed at the adjusted value, an error occurs because the position command in which the state of motion is different can not be followed. In some cases, in the fifth and sixth conventional examples, there is a problem that an arithmetic device for automatically adjusting the gain is required when the following error occurs.
発明の開示  Disclosure of the invention
[0012] 本発明は、上述した従来例の問題点を解決するためになされたもので、その目的 は、高度な専門知識を有していなくとも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを 決定することができ、かつ、フィードフォワードゲインの決定後に応答を見ながらフィ ードフォワードゲインの調整をする必要のない位置制御装置を提供することにある。  The present invention has been made to solve the problems of the conventional example described above, and its object is to determine feedforward gains by simple algebraic calculations without advanced expertise. It is an object of the present invention to provide a position control device which is capable of adjusting the feedforward gain while observing the response after determining the feedforward gain.
[0013] 本発明の他の目的は、運動の状態を異にする位置指令にも追従させることが可能 な位置制御装置を提供することにある。  Another object of the present invention is to provide a position control device capable of making a motion state follow a different position command.
[0014] 本発明は、上記の目的を達成するために、トルク駆動される制御対象の位置指令と 実位置の検出信号との偏差分に比例ゲインを乗算して前記制御対象の速度指令と して出力する位置制御手段と、前記速度指令と前記制御対象の実速度の検出信号 との偏差分に比例ゲインを乗算した値と積分演算を実行した値との和を出力する速 度制御手段を含み、前記速度制御手段の出力に基づ!、て前記制御対象のトルク指 令を生成し、前記トルク指令に従って前記制御対象をトルク駆動する速度フィードバ ック制御系と、前記位置指令を入力し前記速度フィードバック制御系の遅れを補償す る速度指令補償分を出力して前記位置制御手段から出力される前記速度指令の補 償分として前記速度制御手段に加えるフィードフォワード制御手段とを備えた位置制 御装置において、 According to the present invention, in order to achieve the above object, a proportional gain is multiplied by a deviation between a position command of a control target to be torque-driven and a detection signal of an actual position to obtain a speed command of the control target. Position control means for outputting and speed control means for outputting a sum of a value obtained by multiplying the proportional gain by the deviation between the speed command and the detection signal of the actual speed to be controlled and a value obtained by executing the integration operation. And a speed feedback control system that generates a torque command of the control target based on the output of the speed control means, and torques the control target according to the torque command, and the position command is input. Compensate for the delay of the speed feedback control system A position control device comprising: feedforward control means for outputting a speed command compensation amount to be added to the speed control means as a compensation amount for the speed command outputted from the position control means;
前記フィードフォワード制御手段は、  The feedforward control means
前記位置指令を微分して出力する微分手段と、  Differentiating means for differentiating the position command and outputting it;
前記速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波 数を有し、前記微分手段の出力を入力して低域成分のみを出力する低域フィルタ手 段と、  A low pass filter method having a cutoff frequency substantially equal to the cutoff frequency of the speed feedback control system, and inputting the output of the differentiating means and outputting only the low frequency component.
前記速度フィードバック制御系の 2次遅れ系とみなしたときの前記速度フィードバ ック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、前記低域フィルタ手段 の出力に前記フィードフォワードゲインを乗算して出力するフィードフォワード補償手 段とを、  The inverse of the transfer function of the speed feedback control system when it is regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system is taken as a feedforward gain, and the output of the low-pass filter means is multiplied by the feedforward gain. Feed-forward compensation means
備えたことを特徴としている。  It is characterized by being equipped.
[0015] 本発明は、速度フィードバック制御系の 2次遅れ系とみなしたときの速度フィードバ ック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとしているため、高度な専門 知識を有していなくとも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することが でき、かつ、フィードフォワードゲインの決定後に応答を見ながらフィードフォワードゲ インの調整をする必要のない位置制御装置が提供される。  [0015] The present invention uses the inverse of the transfer function of the velocity feedback control system as the second-order delay system of the velocity feedback control system as the feedforward gain, so it does not have to have advanced expertise. A position control device is provided which can determine feedforward gain by simple algebraic calculation and does not have to adjust feedforward gain while looking at the response after determination of feedforward gain.
[0016] また、本発明は、フィードフォワード制御手段が、位置指令を微分して出力する微 分手段と、速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周 波数を有し、微分手段の出力の低域成分のみを出力する低域フィルタ手段と、速度 フィードバック制御系の 2次遅れ系とみなして速度フィードバック制御系の伝達関数 の逆数をフィードフォワードゲインとするフィードフォワード補償手段とで構成されてい ることから、フィードフォワード制御手段の分子の次数と分母の次数とが同じになるた め、運動の状態を異にする位置指令にも追従させることが可能な位置制御装置が提 供される。  Further, according to the present invention, the feedforward control means includes a differentiating means for differentiating and outputting the position command, and a cutoff frequency substantially matching the cutoff frequency of the velocity feedback control system. Low-pass filter means that outputs only the low-pass component of the output of the motor, and feed-forward compensation means that uses the inverse of the transfer function of the speed feedback control system as the feedforward Since the order of the numerator and the order of the denominator of the feedforward control means are the same, there is provided a position control device capable of making the motion state follow a different position command. Ru.
図面の簡単な説明  Brief description of the drawings
[0017] [図 1]本発明を適用する制御対象としての送り駆動機構の概略構成を示す斜視図で ある。 FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a feed drive mechanism as a control object to which the present invention is applied. is there.
圆 2]図 1に示した送り駆動機構を表現する力学モデルである。 [2] This is a dynamic model that represents the feed drive mechanism shown in FIG.
圆 3]本発明に係る位置制御装置の一実施の形態の構成を示すブロック線図である 圆 4]図 3に示した位置制御装置を構成するフィードフォワード制御手段の詳細な構 成を示すブロック図である。 3) is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a position control device according to the present invention; 4) a block showing a detailed configuration of feedforward control means constituting the position control device shown in FIG. 3 FIG.
[図 5]図 4に示したフィードフォワード制御手段の設計手順の一例を示したフローチヤ ートである。  FIG. 5 is a flow chart showing an example of the design procedure of the feedforward control means shown in FIG. 4;
[図 6]図 4に示したフィードフォワード制御手段の機能をパーソナルコンピュータに持 たせた場合の処理手順の一例を示したフローチャートである。  6 is a flow chart showing an example of a processing procedure when the function of the feedforward control means shown in FIG. 4 is provided to a personal computer.
圆 7]第 1実施例として本発明に係る位置制御装置を適用した XY駆動機構の概略構 成を示す斜視図である。 7] A perspective view showing a schematic configuration of an XY drive mechanism to which a position control device according to the present invention is applied as a first embodiment.
圆 8]図 7に示す XY駆動機構に適用した本発明に係る位置制御装置のランプ応答 をフィードフォワード制御を行わない場合と併せて示した特性図である。 8] A characteristic diagram showing the lamp response of the position control device according to the present invention applied to the XY drive mechanism shown in FIG. 7 together with the case where feedforward control is not performed.
[図 9A]図 7に示す XY駆動機構にフィードフォワード制御を行わない位置制御装置に よって円弧補間運動を行った場合の軌跡誤差を示した特性図である。  [FIG. 9A] A characteristic diagram showing a trajectory error in the case where an arc interpolation motion is performed by a position control device which does not perform feedforward control on the XY driving mechanism shown in FIG.
[図 9B]図 7に示す XY駆動機構に従来のフィードフォワード制御器による位置制御装 置によって円弧補間運動を行った場合の軌跡誤差を示した特性図である。  [FIG. 9B] A characteristic diagram showing a trajectory error in the case where an arc interpolation motion is performed on the XY drive mechanism shown in FIG. 7 by a position control device using a conventional feedforward controller.
圆 9C]図 7に示す XY駆動機構に適用した本発明に係る位置制御装置によって円弧 補間運動を行った場合の軌跡誤差を示した特性図である。 9C] is a characteristic diagram showing a locus error in the case where an arc interpolation motion is performed by the position control device according to the present invention applied to the XY drive mechanism shown in FIG.
圆 10]第 2実施例として本発明を適用して翼形状加工を行う 5軸制御マシユングセン タの概略構成を示す斜視図である。 10] A perspective view showing a schematic configuration of a 5-axis control machining center which performs blade shape processing by applying the present invention as a second embodiment.
[図 11]図 10に示した 5軸制御マシユングセンタを用いて、エンドミルを翼表面に垂直 に当てて翼形を加工する場合を想定してシミュレーションした翼端部の形状と回転軸 の軸速度との関係を示した説明図である。  [Fig. 11] The shape of the tip of the blade and the axis of the rotation axis were simulated assuming that the end mill is applied vertically to the blade surface and the airfoil is machined using the 5-axis control machining center shown in Fig. 10. It is explanatory drawing which showed the relationship with speed.
[図 12]図 10に示した 5軸制御マシユングセンタを用いて、エンドミルを翼表面に垂直 に当てて行う翼形加工をシミュレーションをした翼端部の形状を、従来のフィードフォ ワード制御による場合と併せて示した図である。 発明を実施するための最良の形態 [Figure 12] Using the 5-axis control machining center shown in Figure 10, the shape of the wing tip that simulates the blade processing performed with the end mill vertically applied to the blade surface is the shape of the wing tip by conventional feedforward control. It is the figure shown with the case. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0018] 以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。  Hereinafter, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.
図 1は本発明を適用する制御対象としての送り駆動機構 10の概略構成を示す斜視 図である。図 1において、平面形状が長方形をなす基板 11の表面の両側部には、リ ユアボールベアリング用のガイドレール 12、 12が互いに平行に装着され、長手方向 の一端部にはモータ固定台 13が装着されている。モータ固定台 13の外側端面にサ ーボモータ 14が装着され、このサーボモータ 14の出力軸力 ガイドレール 12、 12の 中間部に突出している。サーボモータ 14の出力軸の延長上には、一対の軸支持台 1 5、 15が離隔して装着されている。これらの軸支持台 15、 15にはナット 17と係合する ボールねじ 16の端部力 それぞれラジアル軸受 19を介して、支承されている。また、 ガイドレール 12、 12の長手方向の一部に重なるように作業テーブル 18が搭載されて いる。この作業テーブル 18の図面に示す裏側の両側部にはリニアボールベアリング が装着され、さらに、中央部にはナット 17が装着されている。  FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a feed drive mechanism 10 as a control object to which the present invention is applied. In FIG. 1, guide rails 12, 12 for a rear ball bearing are mounted parallel to each other on both sides of the surface of the substrate 11 having a rectangular planar shape, and a motor fixing base 13 is provided at one end in the longitudinal direction. It is attached. A servomotor 14 is mounted on the outer end face of the motor fixing base 13 and protrudes in the middle of the output axial force guide rails 12 of the servomotor 14. A pair of shaft supports 15 and 15 are separately mounted on the extension of the output shaft of the servomotor 14. These shaft supports 15 and 15 are supported by the end portion of the ball screw 16 engaged with the nut 17 via radial bearings 19 respectively. Also, the work table 18 is mounted so as to overlap a part of the guide rails 12, 12 in the longitudinal direction. Linear ball bearings are attached to both sides of the back side of the work table 18 shown in the drawing, and a nut 17 is attached to the central part.
[0019] 図 1に示した送り駆動機構 10は、サーボモータ 14の回転をボールねじ 16及びナツ ト 17によって作業テーブル 18の直進運動に変換するもので、一般的な NC工作機械 のサーボ系の一部として使用されている。このようなサーボ系においては、送り駆動 機構 10の固有振動数がサーボ系の固有振動数と比較して十分に大きいため、図 2 に示すような力学モデルで表現することができ、さらに、この力学モデルは下記の(1 )式に示す運動方程式で表現することができる。  The feed drive mechanism 10 shown in FIG. 1 converts rotation of the servomotor 14 into linear motion of the work table 18 by the ball screw 16 and nut 17, and is used in the servo system of a general NC machine tool. It is used as a part. In such a servo system, since the natural frequency of the feed drive mechanism 10 is sufficiently large as compared with the natural frequency of the servo system, it can be expressed by a dynamic model as shown in FIG. The mechanical model can be expressed by the equation of motion shown in the following equation (1).
[0020] [数 1]  [0020] [Number 1]
J0 + c0 + f = Tm J0 + c0 + f = T m
I  I
■θ (1)  ■ θ (1)
 2π
[0021] ここで、 Θはサーボモータの回転角度 [rad]、 χはテーブルの変位(以下、実位置の Here, Θ is the rotation angle [rad] of the servomotor, χ is the displacement of the table (hereinafter referred to as the actual position
t  t
検出信号としても用いる) [m]、 1はボールねじのリード [m]、 Tはサーボモータのトル  Also used as detection signal) [m], 1 is ball screw lead [m], T is servomotor torque
m  m
ク [Nm]、 cはモータ軸換算での粘性摩擦係数 (以下粘性係数と略記する) [Nm/(rad/ s)]、 fはモータ軸換算での摩擦トルク [Nm]である。また、 Jはモータ軸換算での送り駆 動機構の総慣性モーメント [kgm2]であり、サーボモータ及びボールねじの慣性モー メント J [kgm2]とテーブル及びボールねじの質量 M [kg]から下記の(2)式により計算 される。 C [Nm], c is the coefficient of viscous friction (hereinafter referred to as the viscosity coefficient) in terms of motor axis [Nm / (rad / s)], f is friction torque [Nm] in motor axis conversion. Also, J is the total inertia moment [kgm2] of the feed drive mechanism in terms of motor axis, and the inertia moment J [kgm2] of the servomotor and ball screw and the mass M [kg] of the table and ball screw Calculated by equation (2).
[0022] [数 2] [0022] [Number 2]
[0023] 図 3は本発明に係る位置制御装置の一実施の形態の構成を示すブロック線図であ る。この実施の形態は上述した送り駆動機構 10を制御対象とし、この制御対象に制 御系を付加してサーボ系を構成したもので、このサーボ系は速度フィードバック制御 系をマイナーループとして含む位置フィードバック制御系になっている。図 3中、位置 制御手段 21は作業テーブル 18に対する位置指令 rから実位置の検出信号 Xを減算 し、その差分に比例ゲイン K を乗算して速度指令として出力するもので、その出力 端には速度制御手段 22が接続されている。速度制御手段 22は位置制御手段 21か ら出力される速度指令と、詳細を後述するフィードフォワード制御手段 30から出力さ れる速度指令補償分とを加算し、その和力 ボールねじ 16の回転速度の検出信号 を減算し、得られた値に比例ゲイン K を乗算した値と、積分ゲイン Kで積分した値と を加算してトルク指令として出力するもので、その出力端にはトルク指令を所定の電 気信号、例えば電圧信号に変換する変換器ゲイン DAを乗算する変換器ゲイン乗算 手段 23が接続されている。この変翻ゲイン乗算手段 23には、さら〖こ、トルク指令と 図示を省略したトルク制御増幅器の出力との関係を調整するトルク指令調整ゲイン T を乗算して出力する調整ゲイン乗算手段 24が接続されている。この調整ゲイン乗算 g FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a position control device according to the present invention. In this embodiment, the above-described feed drive mechanism 10 is set as a control target, and a control system is added to the control target to configure a servo system. This servo system is a position feedback including a speed feedback control system as a minor loop. It is a control system. In FIG. 3, the position control means 21 subtracts the detection signal X of the actual position from the position command r to the work table 18, multiplies the difference by the proportional gain K, and outputs it as a speed command. Speed control means 22 is connected. The speed control means 22 adds the speed command output from the position control means 21 and the speed command compensation amount output from the feedforward control means 30 which will be described later in detail, and calculates the rotational speed of the ball screw 16. The detected signal is subtracted, the value obtained by multiplying the proportional gain K, and the value integrated with the integral gain K are added and output as a torque command, and a torque command is output at its output end. A converter gain multiplication means 23 is connected which multiplies a converter gain DA which converts it into an electrical signal, for example a voltage signal. Further connected to this transformation gain multiplication means 23 is an adjustment gain multiplication means 24 which multiplies and outputs a torque command adjustment gain T for adjusting the relationship between the torque command and the output of the torque control amplifier (not shown). It is done. This adjustment gain multiplication g
手段 24の出力端には、トルク指令フィルタ時定数 T [s]を有するトルク指令フィルタ手 段 25と、トルク制御遅れの時定数 T[s]を有するトルク制御遅延手段 26とが順次に接 続され、このトルク制御遅延手段 26から出力されるトルク指令が図示を省略したトル ク制御装置に加えられる。トルク制御装置は、これに加えられるトルク指令と外部から 設定されるモータ軸換算での摩擦トルク f[Nm]とを加算し、その和に従ってサーボモ ータ 14の出力トルクを制御する。ここで、サーボモータ 14を含む送り駆動機構は慣 性モーメント要素 27と、積分要素 28と、運動変換要素 29とで表されている。 At the output terminal of the means 24, a torque command filter means 25 having a torque command filter time constant T [s] and a torque control delay means 26 having a torque control delay time constant T [s] are sequentially connected. Torque command output from the torque control delay means 26 is not shown. Control unit. The torque control device adds the torque command applied thereto and the friction torque f [Nm] in motor axis conversion set from the outside, and controls the output torque of the servomotor 14 according to the sum. Here, the feed drive mechanism including the servomotor 14 is represented by an inertia moment element 27, an integration element 28 and a motion conversion element 29.
[0024] 上記の各構成要素のうち、速度制御手段 22、変換器ゲイン乗算手段 23、調整ゲイ ン乗算手段 24、トルク指令フィルタ手段 25、トルク制御遅延手段 26及び慣性モーメ ント要素 27によって速度フィードバック制御系が構成され、この速度フィードバック制 御系と、位置制御手段 21と、積分要素 28及び運動変換要素 29とで位置フィードバ ック制御系が構成されて 、る。  Among the above components, speed feedback by speed control means 22, converter gain multiplication means 23, adjustment gain multiplication means 24, torque command filter means 25, torque control delay means 26 and inertia moment element 27. A control system is configured, and a position feedback control system is configured by the speed feedback control system, the position control means 21, the integral element 28 and the motion conversion element 29.
[0025] また、位置制御手段 21と並列にして、位置指令 rをフィードフォワードゲイン K (s)で 微分して速度指令補償分として出力するフィードフォワード制御手段 30を備えている 。このフィードフォワード制御手段 30は図 4のブロック図で示すように、位置指令 rを微 分して出力する微分手段 31と、速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ 一致するカットオフ周波数を有し、微分手段 31の出力を入力して低域成分のみを出 力する低域フィルタ手段 32と、速度フィードバック制御系の 2次遅れ系とみなしたとき の速度フィードバック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、低域 フィルタ手段 32の出力にフィードフォワードゲイン K (s)を乗算して出力するフィードフ ff  Further, in parallel with the position control means 21, a feedforward control means 30 is provided which differentiates the position command r by the feedforward gain K (s) and outputs it as a speed command compensation. As shown in the block diagram of FIG. 4, the feedforward control means 30 has differentiating means 31 for finely dividing the position command r and outputting it, and has a cutoff frequency substantially equal to the cutoff frequency of the velocity feedback control system. Low-pass filter means 32 which receives the output of differentiating means 31 and outputs only the low-pass component, and the inverse of the transfer function of the speed feedback control system when it is regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system Feed-off which is output as the forward gain, and the output of the low-pass filter means 32 is multiplied by the feed-forward gain K (s) and output.
ォワード補償手段 33とで構成されている。  A forward compensation means 33 is provided.
[0026] 上記のように構成されたサーボ系の全体的な動作については、当業者であれば容 易に理解できるので、それらの説明を省略するが、速度及び位置のフィードバック制 御を行ったとしても、サーボ遅れによる追従誤差が生じることが問題になっている。本 実施の形態はこの追従誤差の抑制を目的として図 4に示すフィードフォワード制御手 段 30を設けたもので、以下にその詳細な構成及び設計手順について説明する。  Although the general operation of the servo system configured as described above can be easily understood by those skilled in the art, the description thereof is omitted, but feedback control of the speed and position is performed. As a problem, it is a problem that a tracking error occurs due to a servo delay. In the present embodiment, a feedforward control means 30 shown in FIG. 4 is provided for the purpose of suppressing this tracking error, and the detailed configuration and design procedure will be described below.
[0027] 図 1に示す送り駆動機構 10を制御対象として図 3に示すようにサーボ系を構築した 場合、速度フィードバック制御系の伝達関数を G (s)とおくと、位置指令 rからテーブル 変位 Xまでの閉ループの伝達関数は下記の(3)式のように表される。  When a servo system is constructed as shown in FIG. 3 with the feed drive mechanism 10 shown in FIG. 1 as a control target, assuming that the transfer function of the velocity feedback control system is G (s), the table displacement from the position command r The transfer function of the closed loop up to X is expressed as the following equation (3).
t  t
[0028] [数 3] x (K f f (s) - s + K P p ) - G As) - R 2 % [Number 3] x (K f f (s)-s + K P p)-G As)-R 2%
[0029] このサーボ系にお 、てテーブル変位 Xを位置指令 rに誤差が無 、ように追従させる t In this servo system, the table displacement X is made to follow the position command r as if there is no error, t
ためには、位置指令 rからテーブル変位 Xまでの伝達関数のゲインが 1になるよう〖こ t  In order to set the gain of the transfer function from position command r to table displacement X to 1
すればよい。そこで、(3)式の左辺を 1としてフィードフォワードゲイン K (s)について ff  do it. Then, regarding the feedforward gain K (s) with the left side of equation (3) as 1, ff
解くと、下記の (4)式が得られる。  If solved, the following equation (4) is obtained.
[0030] [数 4] [0030] [Number 4]
[0031] (4)式から、フィードフォワードゲイン K (s)は速度フィードバック制御系の伝達関数 ff From the equation (4), the feedforward gain K (s) is the transfer function of the speed feedback control system ff
G (s)の逆数と、ボールねじ 16のリード 1とから求められる。し力し、フィードフォワードゲ イン K (s)の決定には速度フィードバック制御系の遅れを考える必要がある。そこで、 ff  It is obtained from the reciprocal of G (s) and the lead 1 of the ball screw 16. In order to determine the feedforward gain K (s), it is necessary to consider the delay of the speed feedback control system. So, ff
本実施の形態では速度フィードバック制御系を 2次遅れ系として考え、フィードフォヮ ード制御手段 30が下記の(5)式を満たすようにする。  In this embodiment, the speed feedback control system is considered as a second-order lag system, and the feedforward control means 30 satisfies the following equation (5).
[0032] [数 5] [0032] [Number 5]
2 π 、 s + ω η)2π, s + ω η )
ここで、カットオフ周波数 ωηは速度フィードバック制御系のループゲインとして、速 度フィードバック制御系の比例ゲイン Κ 、変 ゲイン DA、トルク指令調整ゲイン T p Here, the cutoff frequency ω η is used as the loop gain of the speed feedback control system, and the proportional gain 変, the variable gain DA, and the torque command adjustment gain T p of the speed feedback control system.
及び送り駆動機構 10の総慣性モーメント Jを用いて下記の(6)式のように求めること ができる。 And the total inertia moment J of the feed drive mechanism 10 as shown in the following equation (6) Can.
[0034] [数 6]  [0034] [Number 6]
K v p · D A · T rK v p · D A · T r
J  J
[0035] なお、(5)式のようにフィードフォワード制御手段 30を設計した場合、分子の次数が 分母の次数よりも大きくなつているため、カットオフ周波数が速度フィードバック制御 系のカットオフ周波数 ω にほぼ等 ヽ低域フィルタを導入して分母の次数を高める 必要がある。 When feedforward control means 30 is designed as shown in equation (5), the cutoff frequency is the cutoff frequency ω of the velocity feedback control system because the order of the numerator is larger than the order of the denominator. It is necessary to introduce an approximately equal low-pass filter to increase the order of the denominator.
[0036] そこで、フィードフォワード制御手段 30を、図 4に示すように、微分手段 31、低域フ ィルタ手段 32及びフィードフォワード補償手段 33によって構成し、これによつて、まず 、微分手段 31により入力である位置指令値!:を微分して速度指令値とし、低域フィル タ手段 32を通過した後に、(5)式に示した伝達関数 K (s)を持つフィードフォワード補 償手段 33によって速度指令補償分として出力する。  Therefore, as shown in FIG. 4, the feedforward control means 30 is configured by the differentiating means 31, the low pass filter means 32 and the feedforward compensating means 33. The position command value!:, Which is an input, is differentiated into a speed command value, and after passing through the low pass filter means 32, feedforward compensation means 33 having a transfer function K (s) shown in equation (5) Output as speed command compensation.
[0037] 図 5はフィードフォワード制御手段 30の設計手順の一例を示したフローチャートで ある。ここで、最初のステップ S101で送り駆動機構 10の総慣性モーメント Jを計算し、 ステップ S102にてフィルタ時定数 T、信号変換器ゲイン DA及びトルク指令調整ゲイ f  FIG. 5 is a flowchart showing an example of a design procedure of the feedforward control means 30. Here, the total moment of inertia J of the feed drive mechanism 10 is calculated in the first step S101, the filter time constant T, the signal converter gain DA, and the torque command adjustment gain f in step S102.
ン Tを調べる。ステップ S103で、(6)式に従って速度フィードバック制御系のカット rg  Check T. In step S103, cut rg of the speed feedback control system according to the equation (6)
オフ周波数 ωを計算する。続いて、ステップ S 104で送り駆動機構 10のボールねじ 1 6のリード 1を調べる。ステップ S 105では(5)式の伝達関数を持つフィードフォワード 補償要素を構築する。最後のステップ S106では、図 4に示すように、カットオフ周波 数が ωとなる 3次の低域フィルタを構築する。  Calculate the off frequency ω. Subsequently, in step S104, the lead 1 of the ball screw 16 of the feed drive mechanism 10 is checked. In step S105, a feedforward compensation element having a transfer function of equation (5) is constructed. In the final step S106, as shown in FIG. 4, a third-order low-pass filter with a cutoff frequency ω is constructed.
[0038] 図 6はフィードフォワード制御手段 30の機能をパーソナルコンピュータに持たせた 場合の処理手順の一例を示したフローチャートである。この場合、ステップ S201で位 置指令 rを時間微分し、ステップ S202では時間微分値に対してローパスフィルタ処 理を実行する。次に、ステップ S203でローパスフィルタ処理された値にフィードフォヮ ードゲイン K (s)を乗算して速度指令補償分を求め、続いて、ステップ S204にて速度 指令補償分を速度指令に加算する。 FIG. 6 is a flow chart showing an example of a processing procedure when the function of the feedforward control means 30 is provided to a personal computer. In this case, the position command r is time-differentiated in step S201, and low-pass filter processing is performed on the time differential value in step S202. Next, in step S203, the feedforward to the low-pass filtered value is performed. The command gain K (s) is multiplied to obtain the speed command compensation, and then, at step S 204, the speed command compensation is added to the speed command.
[0039] 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高度な専門知識を有していなく とも簡単な代数計算でフィードフォワードゲインを決定することができ、かつ、フィード フォワードゲインの決定後に応答を見ながら調整する必要のない位置制御装置が提 供される。 As is clear from the above description, according to the present invention, the feedforward gain can be determined by a simple algebraic calculation without advanced expertise, and the determination of the feedforward gain A position control device is provided that does not have to be adjusted while looking at the response later.
[0040] なお、上記の実施の形態では、制御対象がボールねじによる送り駆動機構である 場合について説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなぐ電動機の 位置制御にも適用することができる。この場合には図 3中の運動変換要素 29を除去 し、積分要素 28の出力 Θを位置検出信号として位置制御手段 21にフィードバックす るようにすればよい。  Although the above embodiment has described the case where the controlled object is a feed drive mechanism using a ball screw, the present invention is not limited to this and the present invention is also applied to position control of an electric motor. be able to. In this case, the motion conversion element 29 in FIG. 3 may be removed and the output Θ of the integration element 28 may be fed back to the position control means 21 as a position detection signal.
また、上記の実施の形態では変換器ゲイン乗算手段 23によってトルク指令を電圧 信号に変換したが、電圧信号に限らず電流信号であっても周波数信号であってもよ く、要はトルク制御に都合のよ!、信号であればょ 、。  In the above embodiment, the torque command is converted into a voltage signal by the converter gain multiplying means 23. However, not only a voltage signal but also a current signal or a frequency signal may be used. It's convenient!
さらにまた、上記の実施の形態では、変 ゲイン乗算手段 23と調整ゲイン乗算 手段 24とを備えていたが、信号変翻ゲイン DA及びトルク指令調整ゲイン Tをまと  Furthermore, although the variable gain multiplication means 23 and the adjustment gain multiplication means 24 are provided in the above embodiment, the signal change gain DA and the torque command adjustment gain T
rg めて単一のゲイン乗算手段としてもよ ヽ。  It may also be used as a single gain multiplication means.
実施例  Example
[0041] 次に、上述した位置制御装置を XY駆動機構に適用してそのランプ応答と円弧補 間運動の誤差を調べた実験例を第 1実施例とし、 5軸制御マシユングセンタに適用し て翼形状加工を行った実験例を第 2実施例として以下に説明する。  Next, an experiment example in which the above-mentioned position control device is applied to an XY drive mechanism and the error between the lamp response and the arc interpolation motion is examined is taken as a first example and applied to a 5-axis control machining center. An experimental example in which the blade shape processing is performed will be described below as a second embodiment.
<第 1実施例 >  First Embodiment
図 7は上述した位置制御装置を適用した XY駆動機構 40の概略構成を示す斜視 図であり、 XYテーブル 41を X方向及び Y方向に駆動するサーボモータ力 それぞれ X軸サーボ増幅器 42及び Y軸サーボ増幅器 43を介して、パーソナルコンピュータ( 以下、 PCと略記する) 50に接続されている。また、 XYテーブル 41の X方向の位置及 ひ Ύ方向の位置を検出するために 2台のリニアエンコーダ 44が設けられている。 PC5 0は DSP (Digital signal Processor)機能を有し、図 3に示した位置制御手段 21、速度 制御手段 22、変換器ゲイン乗算手段 23、調整ゲイン乗算手段 24及びフィードフォヮ ード制御手段 30の各機能を持たせて 、る。 X軸サーボ増幅器 42及び Y軸サーボ増 幅器 43にはそれぞれ図 3に示した調整ゲイン乗算手段 24、トルク指令フィルタ手段 2 5、トルク制御遅延手段 26の各機能と、図 3では省略されているトルク制御増幅器の 機能を持たせている。 FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of the XY drive mechanism 40 to which the position control device described above is applied. Servomotor force for driving the XY table 41 in the X direction and Y direction respectively X axis servo amplifier 42 and Y axis servo It is connected to a personal computer (hereinafter abbreviated as PC) 50 through an amplifier 43. Also, two linear encoders 44 are provided to detect the position of the XY table 41 in the X direction and the position in the direction of the arrow. The PC 50 has a DSP (Digital Signal Processor) function, and the position control means 21 shown in FIG. Each function of control means 22, converter gain multiplication means 23, adjustment gain multiplication means 24 and feedforward control means 30 is provided. The X-axis servo amplifier 42 and the Y-axis servo amplifier 43 are omitted in FIG. 3 with the respective functions of the adjustment gain multiplication means 24, torque command filter means 25 and torque control delay means 26 shown in FIG. Function as a torque control amplifier.
[0042] ここで、比例ゲイン K 、速度比例ゲイン K 、速度積分ゲイン Kの調整法はこれま  Here, the method of adjusting the proportional gain K, speed proportional gain K and speed integral gain K is the same as before.
PP p  PP p
でに数多く提案されているが、第 1実施例では部分的モデルマッチング法 (北森俊行 :制御対象の部分的知識に基づく制御系の設計法、計測自動制御学会論文集、第 1 5卷、第 4号、(1979)、 pp549〜555)を用いる具体的な設計法 (井出裕、佐藤隆太 、堤正臣:部分的モデルマッチング法による送り駆動系の制御系設計法、 2005年度 精密工学会春期大会学術講演会講演論文集、(2005)、ppl l33〜1134)によって 上記各サーボゲインを調整した。使用したサーボゲインを下記の表 1に示す。また、 フィードフォワード制御手段 30のフィルタには低域フィルタの一種である 3次のバッタ 一ワース(Butterworth)フィルタを使用し、そのカットオフ周波数は速度フィードバック 制御系のカットオフ周波数 ω とほぼ同じに設定した。  In the first embodiment, a partial model matching method is proposed (Toshiyuki Kitamori: Design method of control system based on partial knowledge of controlled object, Transactions of the Society of Measurement and Automatic Control, No. 15-5, No. 1 Specific design method using No. 4, (1979), pp 549 to 555 (Yuji Ide, Ryuta Sato, Masami Tsutsumi: Control system design of feed drive system by partial model matching method, 2005 Spring Society Conference The above servo gain was adjusted according to academic lecture lecture proceedings, (2005), ppl l33-1134). The servo gains used are shown in Table 1 below. Also, the filter of feed-forward control means 30 uses a third-order Butterworth filter, which is a type of low-pass filter, and its cutoff frequency is almost the same as the cutoff frequency ω of the velocity feedback control system. Set.
[0043] [表 1] 使用したサーボゲイン [Table 1] Servo gain used
[0044] 以上のようにサーボゲインを調整するとともに、バッターワースフィルタのカットオフ 周波数を設定してランプ応答を調べると図 8中に波線で示した特性が得られた。比較 のためにフィードフォワード制御を行わな 、場合のランプ応答を調べると図 8中に太 い実線で示した特性が得られた。これら 2つの特性を比較すると、フィードフォワード 制御を行わない場合、細い実線で示した指令との間に定常偏差が生じているが、本 発明のフィードフォワード制御を導入すると、応答はやや振動的ではあるが指令に追 従していることが分かる。 As described above, when the servo gain was adjusted and the cutoff frequency of the Batterworth filter was set to investigate the lamp response, the characteristics shown by the broken lines in FIG. 8 were obtained. When feedforward control was not performed for comparison, the lamp response in the case of the case was examined, and the characteristics shown by the thick solid line in Fig. 8 were obtained. Comparing these two characteristics, when feedforward control is not performed, steady-state deviation occurs between the command shown by the thin solid line, but When the feedforward control of the invention is introduced, it can be seen that the response is somewhat oscillatory but follows the command.
[0045] 次に、 X軸と Y軸とを同時に駆動して半径 25mm、送り速度 3000mm/minの円弧補 間運動を行つた場合の軌跡誤差を調べると図 9 A〜図 9Cに示す結果が得られた。図 9 A〜図 9Cの軌跡は半径方向の誤差を約 1000倍に拡大したもので、図 9 Aは比較 のためにフィードフォワード制御を行わない場合を示し、図 9Bは比較のために汎用 の制御系を用いた従来のフィードフォワード制御器による場合を示し、図 9Cは本発 明のフィードフォワード制御を導入した場合を示して 、る。これら 3つの特性を比較す ると、図 9Aに示したフィードフォワード制御を行わない場合には、サーボ遅れにより 目標とする半径よりも小さくなる半径減少という現象が生じており、図 9Bに示した従来 のフィードフォワード制御器による制御では目標とする半径よりも大部分がその外側 にはみ出しており、図 9Cに示した本発明のフィードフォワード制御を導入した制御は 、 XY軸の円弧運動が指令に正しく追従していることが分力る。  Next, when the trajectory error is examined when the X axis and Y axis are simultaneously driven to perform an arc interpolation motion with a radius of 25 mm and a feed speed of 3000 mm / min, the results shown in FIGS. 9A to 9C are It was obtained. The trajectories in Fig. 9A to Fig. 9C are obtained by enlarging the radial error about 1000 times, Fig. 9A shows the case where feedforward control is not performed for comparison, and Fig. 9B is a general purpose for comparison. Fig. 9C shows the case of a conventional feedforward controller using a control system, and Fig. 9C shows the case of introducing the feedforward control of the present invention. When these three characteristics are compared, when feedforward control shown in FIG. 9A is not performed, a phenomenon of radius reduction smaller than the target radius occurs due to the servo delay, as shown in FIG. 9B. In the control by the conventional feedforward controller, most of the target radius protrudes outside the target radius, and in the control introducing the feedforward control of the present invention shown in FIG. It is important to follow correctly.
[0046] <第 2実施例 >  Second Embodiment
図 10は本発明を適用して翼形状加工を行う 5軸制御マシユングセンタ 60の概略構 成を示す斜視図である。剛性のある堅固なベッド 61はこれと一体ィ匕された門型の取 付台 62を正面奥部に備えており、この取付台 62の上端部には X軸駆動機構 63が取 り付けられ、その可動部に Z軸駆動機構 64が装着されている。 Z軸駆動機構 64は鉛 直方向に支承された回転軸を有し、その下端部に工具としてエンドミル(図示せず) を装着して切削加工することが可能になっている。また、ベッド 61の左右方向の中央 部には前後方向、すなわち、 Y方向に往復駆動される Y軸駆動機構 65を備えている 。この Y軸駆動機構 65は加工物を装着して、それを X軸方向を軸芯として A矢印方 向に旋回させる A軸運動と、 Z軸方向を軸芯として C矢印方向に旋回させる C軸運動 とを同時に行わせる AC軸駆動機構 66を備えている。  FIG. 10 is a perspective view showing a schematic configuration of a 5-axis control machining center 60 that performs blade shape processing according to the present invention. A rigid and rigid bed 61 is provided with a gate-shaped mounting table 62 integrated with it at the front and back, and an X-axis drive mechanism 63 is attached to the upper end of the mounting table 62. The Z-axis drive mechanism 64 is attached to the movable portion. The Z-axis drive mechanism 64 has a rotary shaft supported in the lead straight direction, and can be machined by attaching an end mill (not shown) as a tool at its lower end. Further, a Y-axis drive mechanism 65 which is reciprocally driven in the front-rear direction, that is, in the Y-direction is provided at the center of the bed 61 in the left-right direction. The Y-axis drive mechanism 65 mounts the workpiece and pivots it in the direction of the arrow A with the X axis direction as the axis A, and pivots in the direction of the arrow C with the Z axis direction as the axis C An AC axis drive mechanism 66 is provided to simultaneously perform the movement and the movement.
[0047] 図 11は 5軸制御マシユングセンタ 60を用いて、エンドミルを翼表面に垂直に当てて 翼形加工する場合を想定してシミュレーション (横堀祐也、佐藤隆太、堤正臣:5軸制 御マシユングセンタにおける旋回軸を含む送り駆動系の挙動解析、日本機械学会第 5回生産加工 ·工作機械部門講演会講演論文集、(2004) ppl53〜154)した翼端 部の形状と回転軸の軸速度との関係を示した説明図である。図 11において、エンドミ ル 71を加工物 72の表面に垂直に当て、送り方向 73に沿って翼形カ卩ェするには、 A 軸を 90度傾けた状態で、加工物 72に対する AC軸駆動機構 66による C軸運動と、ェ ンドミル 71に対する X軸運動及び Y軸運動とを同時に行う同時 3軸運動が必要にな る。このような加工の場合、翼端部である A部分及び B部分での各軸の速度は大きく 変動する。 [0047] FIG. 11 is a simulation on the assumption that the end mill is vertically applied to the blade surface and airfoil processing is performed using a 5-axis control machining center 60. Behavior analysis of feed drive system including turning axis in machining center, Proceedings of the 5th Production Machining and Machine Tool Division Lecture Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers, (2004) ppl 53-154) It is explanatory drawing which showed the relationship between the shape of a part, and the shaft speed of a rotating shaft. In FIG. 11, in order to place the end mill 71 vertically on the surface of the workpiece 72 and to perform an airfoil cover along the feed direction 73, the AC axis drive to the workpiece 72 is performed with the A axis inclined 90 degrees. A simultaneous three-axis motion that simultaneously performs the C-axis motion by the mechanism 66 and the X-axis motion and the Y-axis motion with respect to the end mill 71 is required. In the case of such processing, the speed of each axis at the A and B parts of the wing tip fluctuates greatly.
[0048] このシミュレーションでは、本発明に係るフィードフォワード制御を X軸及び Y軸の各 駆動制御系に導入した場合と、 X軸及び Y軸で円弧補間運動を行ったときに半径の 減少量が 0になるように調整した従来のフィードフォワード制御による場合との比較を 行った。なお、サーボゲインの調整には、図 7に示した XY駆動機構 40の場合と同様 に、部分的モデルマッチング法によるものを用いた。  In this simulation, when the feedforward control according to the present invention is introduced to each drive control system of X axis and Y axis, and when the circular interpolation motion is performed on X axis and Y axis, the reduction amount of the radius is A comparison was made with the conventional feedforward control adjusted to zero. As in the case of the XY drive mechanism 40 shown in FIG. 7, the adjustment based on the partial model matching method was used to adjust the servo gain.
[0049] 図 12はシミュレーションによる翼形状カ卩ェ結果の翼端部の形状を示した図である。  [0049] FIG. 12 is a diagram showing the shape of the wing tip portion of the result of blade shape curving by simulation.
この図 12から明らかなように、半径減少量力^になるように調整した従来のフィードフ ォワード制御では、各軸の速度変化が大き 、翼端部にお 、て目標値よりも深く切削し たことによる窪みが生じており、実際の加工においても加工精度を大幅に悪ィヒさせる ことが予想される。これに対して、本発明のフィードフォワード制御を導入した場合に は、目標値と工具先端の軌跡とがー致している。このことは、従来のフィードフォヮ一 ド制御では 1つの運動に対して最適に調整しても他の運動では追従できずに誤差が 生じることがあるのに対して、本発明のフィードフォワード制御ではどんな運動に対し ても位置指令に追従させることができることを示している。  As apparent from FIG. 12, in the conventional feed forward control adjusted to the radius reduction amount ^, the velocity change of each axis is large, and the blade tip is cut deeper than the target value. It is expected that depressions will occur, and the machining accuracy will be significantly degraded even in actual processing. On the other hand, when the feedforward control of the present invention is introduced, the target value and the trajectory of the tool tip are satisfied. This means that even if the conventional feedforward control can adjust optimally to one movement but can not follow the other movement, errors may occur, whereas the feedforward control of the present invention It shows that it is possible to make the position command follow even for the movement.
[0050] 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、運動の状態を異にする位置指令 にも追従させることが可能な位置制御装置が提供される。  As apparent from the above description, according to the present invention, there is provided a position control device capable of following a position command different in the state of motion.
[0051] なお、上記の各実施例では、図 3に示す位置制御手段 21、速度制御手段 22、変 ゲイン乗算手段 23、調整ゲイン乗算手段 24及びフィードフォワード制御手段 30 の各機能を持たせたが、それらの一部又は全部をそれぞれ独立の演算器として構成 することちでさる。  In each of the above embodiments, the functions of position control means 21, speed control means 22, variable gain multiplication means 23, adjustment gain multiplication means 24 and feed forward control means 30 shown in FIG. 3 are provided. However, some or all of them may be configured as independent computing units.
また、上記の各実施例ではフィードフォワード制御手段 30のフィルタとしてバッター ワースフィルタを使用した力 これ以外の低域フィルタを用いても上述したと同様な効 果が得られる。 Further, in each of the above-described embodiments, a force using a batter's-worth filter as a filter of the feedforward control means 30 can be used even if a low pass filter other than this is used. The result is obtained.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] トルク駆動される制御対象の位置指令と実位置の検出信号との偏差分に比例ゲイ ンを乗算して前記制御対象の速度指令として出力する位置制御手段と、前記速度指 令と前記制御対象の実速度の検出信号との偏差分に比例ゲインを乗算した値と積 分演算を実行した値との和を出力する速度制御手段を含み、前記速度制御手段の 出力に基づ!/、て前記制御対象のトルク指令を生成し、前記トルク指令に従って前記 制御対象をトルク駆動する速度フィードバック制御系と、前記位置指令を入力し前記 速度フィードバック制御系の遅れを補償する速度指令補償分を出力して前記位置制 御手段から出力される前記速度指令の補償分として前記速度制御手段に加えるフィ ードフォワード制御手段とを備えた位置制御装置において、  [1] Position control means for multiplying a proportional gain by a deviation between a position command of a control target to be torque-driven and a detection signal of an actual position and outputting the result as a speed command of the control target; Based on the output of the speed control means, it includes speed control means that outputs the sum of the value obtained by multiplying the proportional gain by the deviation from the detection signal of the actual speed of the control object and the value obtained by performing integration. A speed feedback control system that generates a torque command of the control target and torque-drives the control target according to the torque command, and a speed command compensation component that receives the position command and compensates for the delay of the speed feedback control system. And a feedforward control means for outputting the signal to the speed control means as a compensation of the speed command outputted from the position control means.
前記フィードフォワード制御手段は、  The feedforward control means
前記位置指令を微分して出力する微分手段と、  Differentiating means for differentiating the position command and outputting it;
前記速度フィードバック制御系のカットオフ周波数にほぼ一致するカットオフ周波 数を有し、前記微分手段の出力を入力して低域成分のみを出力する低域フィルタ手 段と、  A low pass filter method having a cutoff frequency substantially equal to the cutoff frequency of the speed feedback control system, and inputting the output of the differentiating means and outputting only the low frequency component.
前記速度フィードバック制御系の 2次遅れ系とみなしたときの前記速度フィードバ ック制御系の伝達関数の逆数をフィードフォワードゲインとし、前記低域フィルタ手段 の出力に前記フィードフォワードゲインを乗算して出力するフィードフォワード補償手 段とを、  The inverse of the transfer function of the speed feedback control system when it is regarded as a second-order lag system of the speed feedback control system is taken as a feedforward gain, and the output of the low-pass filter means is multiplied by the feedforward gain. Feed-forward compensation means
備えたことを特徴とする位置制御装置。  A position control device characterized by comprising.
[2] 前記速度フィードバック制御系の前記カットオフ周波数を ω、前記速度制御手段 の比例ゲインを Κ 、前記速度制御手段から出力される信号を所定の電気信号に変[2] The cutoff frequency of the velocity feedback control system is ω, the proportional gain of the velocity control means is Κ, and the signal output from the velocity control means is converted into a predetermined electrical signal.
p  p
換する変換器ゲインを DA、前記所定の電気信号をトルク指令に変換するトルク指令 調整ゲインを T、トルク駆動される前記制御対象の総慣性モーメントを Jとして、前記  Assuming that the converter gain to be converted is DA, the torque command adjustment gain for converting the predetermined electric signal to the torque command is T, and the total inertia moment of the torque-controlled object is J.
rg  rg
速度フィードバック制御系が次式  Speed feedback control system
[数 7] [Number 7]
ω 一  ω 1
の関係を満たすとき、前記制御対象の運動変換に関係する係数を Μ、ラプラス演算 子を s、前記フィードフォワードゲインを K (s)として、前記フィードフォワード補償手段 は次式 Where the coefficient relating to the motion transformation of the controlled object is Μ, the Laplace operator is s, the feedforward gain is K (s), and the feedforward compensation means
[数 8]  [Number 8]
( s + ω η) 2 (s + ω η ) 2
ω η '  ω η '
の関係を満たして 、ることを特徴とする請求項 1に記載の位置制御装置。 The position control device according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied.
[3] 前記フィードフォワード制御手段は、前記微分手段と、前記低域フィルタ手段と、前 記フィードフォワード補償手段とによって前記カットオフ周波数が ωとなる 3次の低域 フィルタが構成されていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の位置制御装置。 [3] In the feedforward control means, a third-order low-pass filter whose cutoff frequency is ω is configured by the differentiating means, the low-pass filter means, and the feed-forward compensating means The position control device according to claim 1 or 2, characterized by
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