WO2010150663A1 - サーボ制御装置 - Google Patents

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WO2010150663A1
WO2010150663A1 PCT/JP2010/059871 JP2010059871W WO2010150663A1 WO 2010150663 A1 WO2010150663 A1 WO 2010150663A1 JP 2010059871 W JP2010059871 W JP 2010059871W WO 2010150663 A1 WO2010150663 A1 WO 2010150663A1
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WO
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unit
vibration
driven
support
control device
Prior art date
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PCT/JP2010/059871
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English (en)
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Inventor
竹内　克佳
山本　英明
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41117—Cancel vibration during positioning of slide
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41128—Compensate vibration beam, gantry, feedback of speed of non driven end

Definitions

  • the present invention relates to a servo control device.
  • FIG. 13 simply shows an example of a schematic configuration of a machine tool.
  • the machine tool includes a bed 1 and a table 2 arranged on the bed 1.
  • the table 2 is provided on the bed 1 so as to be movable along the X-axis direction.
  • cross rails are arranged along the Y-axis direction.
  • a saddle 5 having a ram 6 is screwed onto the cross rail 4 and is movably provided along the Y-axis direction.
  • the movement of the table 2 in the X-axis direction is performed by a ball screw drive mechanism.
  • the saddle 5 provided with the ram 6 is also moved in the Y-axis direction by another ball screw drive mechanism installed in the column 3.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a servo control device capable of improving the accuracy of position control.
  • the present invention employs the following means.
  • the present invention includes a screw feed portion that converts a rotational motion of a motor into a linear motion, a driven portion that is linearly moved by the screw feed portion, and a support that supports the screw feed portion and the driven portion.
  • a servo control device that is applied to a numerical control device and that controls the motor so that the position of the driven portion matches a position command, and compensates for vibration of the driven portion due to vibration reaction force of the support
  • the servo control device includes a support reaction force compensation unit that includes a rigidity term of the driven portion in a transfer function of the support reaction force compensation unit.
  • the support reaction force compensation unit may be provided in a feedforward control system for speed control of the motor.
  • the feedforward control system for controlling the speed of the motor, the speed compensation of the motor can be accurately performed.
  • the transfer function included in the support reaction force compensation unit includes a rigidity term of the support, and the rigidity term of the support is applied to the support or the driven unit. It is good also as identifying based on the vibration resonant frequency when giving an impact and making it vibrate.
  • the vibration resonance frequency is used, for example, higher measurement accuracy can be obtained compared to a method of identification from the relationship between force and strain, and high identification accuracy can be obtained.
  • the servo control device may include a constant identification unit that identifies a stiffness term of the support, and the constant identification unit applies an impact to the driven unit to vibrate the driven unit.
  • a resonance frequency of the driven part is calculated from a generation part, a vibration detection part that detects vibration of the driven part or the support when an impact is applied, and a vibration signal detected by the vibration detection part.
  • a support stiffness term identifying unit that identifies the stiffness term of the support from the resonance frequency may be included.
  • the driven part is vibrated by applying an impact to the driven part, and the rigidity term of the support body is identified based on the state of the vibration, so that the reliability of the rigidity term of the support body is increased. Can do.
  • the transfer function of the support reaction force compensation unit includes a viscosity term of the support, and the viscosity term of the support is applied to the support or the driven unit. It is good also as identifying based on the damping state of the vibration when giving an impact and making it vibrate.
  • the viscosity term of the support is identified based on the vibration damping state, the viscosity term of the support can be easily identified.
  • the servo control device may include a constant identification unit that identifies a constant included in the transfer function included in the support reaction force compensation unit, and the constant identification unit applies an impact to the driven unit.
  • An impact generating unit that vibrates the driven unit, a vibration detecting unit that detects vibration of the driven unit or the support when an impact is applied, and a vibration signal detected by the vibration detecting unit It is good also as having the support body viscosity term identification part which calculates the damping rate of the vibration of the said driven part, and identifies the viscosity term of the said support body from the damping rate of this vibration.
  • the driven part is vibrated by applying an impact to the driven part, and the viscosity term of the support is identified based on the state of this vibration, so the reliability of the identification of the viscosity term of the support is increased. Can do.
  • the impact generating unit may vibrate the driven unit by moving the driven unit at a predetermined acceleration or more.
  • the constant identification unit identifies the vibration when the amplitude of the vibration of the driven unit detected by the vibration detection unit exceeds a predetermined threshold after identifying the constant.
  • the constant may be adjusted based on the vibration signal detected by the detection unit.
  • the constant identification unit is configured to calculate the target to be calculated from a vibration signal detected by the vibration detection unit and a model of the support reaction force compensation unit during a period in which the numerical control device is driven.
  • the estimated vibration signal of the drive unit may be compared, and the mechanical constant of the transfer function included in the support reaction force compensation unit may be adjusted based on the comparison result.
  • the constant since the constant is adjusted even during the period in which the numerical control device is driven, the constant can always be set to an appropriate value. Thereby, the precision of position control of a driven part can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a machine tool to which a servo control device according to a first embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a machine tool to which the servo control device according to the first embodiment of the present invention is applied.
  • the machine tool includes a bed 1 and a table 2 disposed on the bed 1 and movable along the X-axis direction.
  • a gate-shaped column (support) 3 is disposed so as to straddle the table 2.
  • a cross rail is attached to the column 3 in the Y-axis direction, and the saddle 5 is movable along the Y-axis direction by moving a saddle (driven portion) 5 on the cross rail.
  • the saddle 5 includes a ram 6 that can move along the Z-axis direction. At the tip of the ram 6, a machine tip that performs cutting or the like is attached. The purpose of this embodiment is to control the position of the saddle 5 so that the machine tip position of the ram 6 in the Y-axis direction matches the command position ⁇ .
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a control target device of the servo control device according to the present embodiment.
  • the control target device is a load obtained by converting the rotational motion of the motor 12 into a linear motion by a ball screw feeding portion (screw feeding portion) 9 including a ball screw nut 10 and a ball screw shaft 11.
  • This is a ball screw drive mechanism of a machine tool that linearly moves the saddle 5 (moves in the Y-axis direction).
  • the motor 12 is provided with a motor encoder 13 that detects and outputs the motor speed ⁇ M.
  • the linear scale 14 detects and outputs a load position ⁇ L indicating the position of the saddle 5.
  • the ball screw driving mechanism when the motor 12 is driven to rotate and the ball screw shaft 11 rotates, the ball screw nut 10 and the saddle 5 fixedly connected to the ball screw nut 10 move linearly.
  • FIG. 2 is a block diagram of the servo control apparatus according to the present embodiment.
  • the servo control device 100 calculates a command torque ⁇ for making the machine tip position in the Y-axis direction of the ram 6 attached to the saddle 5 coincide with the command position ⁇ , and outputs the command torque ⁇ as an output signal. Is output to the motor 12.
  • the saddle 5 is attached to the column 3 as shown in FIG. If the saddle 5 moves in the Y-axis direction or the ram 6 moves in the Z-axis direction when performing cutting or the like, vibration is generated in the column 3, and this vibration controls the position of the saddle 5 and ram 6. Will affect the accuracy.
  • the servo control device 100 includes a mechanical deflection compensation unit 200 for compensating for a position control error caused by such vibration of the column 3. Furthermore, a speed feedforward unit 201 is provided to compensate for position error factors such as “distortion”, “deflection”, “viscosity”, etc. generated in the motor 12 and the saddle 5 and to improve the position control accuracy of the saddle 5. ing. Details of the mechanical deflection compensation unit 200 and the speed feedforward unit 201 will be described later.
  • the servo control device 100 includes a mechanical deflection compensation unit 200, a speed feedforward unit 201, a subtraction unit 101, a multiplication unit 102, a subtraction unit 103, and a proportional integration calculation unit 104.
  • the mechanical deflection compensation unit 200 compensates the command position ⁇ with a transfer function described later, and outputs the compensated command position ⁇ ′.
  • Subtraction unit 101 outputs the deviation position ⁇ is the difference in the column compensated command position ⁇ 'and the load position theta L.
  • Multiplier 102 multiplies deviation position ⁇ by position loop gain K P and outputs deviation speed ⁇ V.
  • the subtracting unit 103 outputs a command speed V obtained by subtracting the motor speed ⁇ M from the value obtained by adding the compensation speed V ′ output from the speed feedforward unit 201 to the deviation speed ⁇ V.
  • the proportional-integral calculation unit 104 performs a proportional-integral calculation on the command speed V and outputs a command torque ⁇ .
  • the command torque ⁇ is given to the device to be controlled shown in FIG. 2, and each part is controlled based on the command torque ⁇ .
  • the motor 12 is driven to rotate when a current corresponding to the command torque ⁇ is supplied from a current controller (not shown).
  • current feedback control is performed so that the current value corresponds to the command torque ⁇ .
  • the rotational motion of the motor 12 is converted into a linear motion by the ball screw feeding portion 9, and as a result, the ball screw nut 10 screwed into the ball screw feeding portion 9 is linearly moved and fixed to the ball screw nut 10.
  • the saddle 5 is moved together with the ball screw nut 10, and the machine front end position attached to the front end of the ram 6 included in the saddle 5 is moved to the command position ⁇ .
  • the speed feedforward unit 201 includes a first derivative term computing unit 301, a second derivative term computing unit 302, a third derivative term computing unit 303, a fourth derivative term computing unit 304, A multiplier 305 that multiplies the first derivative by the first derivative, a multiplier 306 that multiplies the second derivative by the second derivative, a multiplier 307 that multiplies the third derivative by the third derivative, and a fourth order.
  • a multiplication unit 308 that multiplies the differential term by a fourth-order differential coefficient, an addition unit 309, a speed loop compensation unit 310, a column reaction force compensation unit (support body reaction force compensation unit) 311, and a subtraction unit 312 are provided.
  • s is a Laplace operator (differential operator).
  • the first to fourth differential coefficients are set in the transfer function of the inverse characteristic model of torque and speed in the mechanical system model.
  • the transfer function of the velocity loop compensation unit 310 is represented by ⁇ K P / (1 + T v s) ⁇ using the position gain K P and the integration time constant T v, and the transfer function of the column reaction force compensation unit 311 is , Column inertia J C , saddle and ram inertia J L , column viscosity C C , feed system stiffness K R , column spring stiffness K C , ⁇ (J C J L / K R ) s 2 / ( 2J C s 2 + C C s + K C ) ⁇ .
  • the speed feedforward unit 201 when the command position ⁇ ′ subjected to position compensation by the mechanical deflection compensator 200 is input, the first derivative term multiplied by the first derivative and the second derivative are multiplied. By inputting the third derivative term multiplied by the second derivative term, the third derivative coefficient, and the fourth derivative term multiplied by the fourth derivative coefficient to the adder 309, these different derivative values are added. And supplied to the speed loop compensation unit 310. The velocity loop compensation unit 310 performs position compensation represented by the transfer function and then outputs the result to the subtraction unit 312.
  • the third-order differential term output from the third-order differential term calculation unit 303 is also input to the column reaction force compensation unit 311, subjected to position compensation represented by the transfer function, and then output to the subtraction unit 312.
  • the compensation speed V ′ is calculated by subtracting the position compensation amount by the column reaction force compensating unit 311 from the output from the speed loop compensating unit 310, and this compensating speed V ′ is supplied to the subtracting unit 103 in FIG. 2. Will be output.
  • the compensation speed V ′ is added to the deviation speed ⁇ V in the subtracting unit 103, so that “strain”, “deflection”, “viscosity” with respect to the motor 12 and the saddle 5 that are mass points, etc. Error factors are compensated. As a result, the accuracy of the position control of the saddle 5 can be improved.
  • the mechanical deflection compensation unit 200 shown in FIG. 2 and the column position compensation unit 311 shown in FIG. 3, which are one of the main features of this embodiment, will be described.
  • the column 3 vibrates due to the movement of the saddle 5, the ram 6, etc., and the position control accuracy decreases due to the vibration of the saddle 5 caused by the vibration of the column 3.
  • the purpose is to prevent.
  • the position control of the saddle 5 must be performed in consideration of the vibration of the column 3 itself, and the saddle 5 and the vibration of the ram 6 due to the reaction force of the vibration of the column 3 are also considered. 5 position control must be performed.
  • the saddle 5 vibrates due to the reaction force of the column 3, and this vibration is not necessarily the same as the vibration of the column 3. Will vibrate. In this case, it is necessary to consider not only the position error due to the vibration of the column 3 but also the position error due to the inherent vibration of the saddle 5 caused by the reaction force of the vibration of the column 3, and to compensate the position control error associated therewith. .
  • the present invention focuses on the inherent vibration of the saddle 5 caused by the reaction force of the vibration of the column 3, and one of the features is that the position error due to the inherent vibration of the saddle 5 is compensated. Yes.
  • the servo control device 100 compensates not only for the vibration of the column 3 itself as described above but also for the position error caused by the vibration of the saddle 5 due to the reaction force of the vibration of the column 3.
  • This compensation model is the column reaction force compensation unit 311 shown in FIG.
  • the servo control device 100 according to the present embodiment includes the mechanical deflection compensation unit 200 that compensates for the position control error caused by the vibration of the column 3 itself, and the position caused by the vibration of the saddle 5 caused by the reaction force of the vibration of the column 3.
  • Two compensation models including a column reaction force compensation unit 311 for compensating for an error are provided.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a mechanical system model of the control target device including the column 3.
  • the mechanical system model is specified as a three-mass system mechanical system model including the motor 12, the load saddle 5, and the column 3 as the mass points.
  • the characteristics of the motor 12 are modeled and represented by a transfer function, they are represented by a block 12-1 and a block 12-2.
  • J M represents motor inertia and D M represents motor viscosity.
  • the motor speed ⁇ M is output from the block 12-1, and the motor position ⁇ M is output from the block 12-2.
  • theta M indicates the motor position
  • theta L is the load position
  • C R is feed system of translational attenuation
  • K R is feed system stiffness
  • J L saddle Lam inertia D L is the load viscous (saddle viscosity), respectively .
  • the block 5-1 outputs a reaction force torque. If the value obtained by adding the reaction force of the reaction force torque and the column vibration is inputted to the block 5-2, the load position theta L is output.
  • J C represents column inertia
  • C C represents column viscosity
  • K C represents column rigidity
  • equations of motion in the block 101, the block 102, and the block 103 are respectively expressed by the following equations (1) to (3).
  • the mechanical deflection compensation unit 200 is expressed by the following equation (7) (see FIG. 2).
  • G 1 (s) (2J C s 2 + C C s + K C ) / ⁇ (2J C ⁇ J L ) s 2 + (C C ⁇ D L ) s + K C ⁇ (7)
  • ⁇ C ⁇ ( ⁇ M ⁇ L ) K R ⁇ L J L s 2 ⁇ / J C s 2 (8)
  • ⁇ M [-2K R -K R (K C + C C s) / J C s 2 ] ⁇ L [-2K R ⁇ J L s 2 ⁇ (J L / J C ) * (K C + C C s) ⁇ K R / J C s 2 * (K C + C s)]
  • equation (12) Is obtained.
  • transfer of the column reaction-force compensation section 311 in the transfer function G 1 (s) and velocity feedforward section 201 of the mechanical deflection compensating section 200 function G 2 (s) is a column It includes six mechanical constants: inertia J C , column viscosity C C , column stiffness K C , saddle / ram inertia J L , load viscosity D L , and feed system stiffness K R.
  • inertia J C , the column viscosity C C , the column stiffness K C , and the feed system stiffness K R are variable constants, and a simple identification method is desired.
  • column inertia J C can be estimated because the machine weight of each part is known, and identification is not necessary. Since the feed system stiffness K R can also be estimated from the theoretical value of the ball screw stiffness, identification is not necessary. Therefore, for the remaining column viscosity C C and the column stiffness K C, by a decision of identification, it is possible to determine all the mechanical constants of the compensator.
  • an identification method for the column viscosity C C and the column rigidity K C will be described.
  • an impact is applied to the column 3, and the column viscosity C C and the column stiffness K C are identified from the response vibration of the impact.
  • the column rigidity K C is identified based on the resonance frequency when the saddle 5 is vibrated by applying an impact to the column 3.
  • the derivation of an arithmetic expression for calculating the column stiffness K C from the resonance frequency will be described.
  • K C (8J C 2 J L K R ⁇ 2 ⁇ (2J c J L ) 2 ⁇ 4 / ( ⁇ 4 J c J L 2 ) ⁇ 2 + 4J C J L K R ) (20)
  • K R is feed system stiffness
  • J L saddle inertia
  • J C is the column inertia
  • q column resonance frequency, of which the column inertia J C, saddle inertia J L, and the feed system
  • the stiffness K R is known. Accordingly, by detecting the column resonance frequency, the column rigidity K C can be identified according to the above equation (21).
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of the constant identification unit 50.
  • the constant identification unit 50 includes an impact generation unit 51, an acceleration sensor (vibration detection unit) 52, a column stiffness identification unit (support body stiffness term identification unit) 53, and a column viscosity identification unit (support body viscosity term).
  • the impact generating unit 51 applies a predetermined impact to the saddle 5 in the Y-axis direction, for example.
  • the predetermined impact is, for example, an impact such as a step response.
  • the saddle 5 and the ram 6 are moved so as to draw a substantially square shape on the YZ plane, thereby giving an impact in the Y-axis direction to the saddle 5.
  • each corner is set in an arc shape having a predetermined curvature.
  • the impact generating unit 52 has a substantially rectangular movement locus on the YZ plane as shown in FIG. 7, and a motor is provided by giving a position command corresponding to this movement locus to the servo control device 100 shown in FIG. 12 is driven to rotate, and the saddle 5 is moved along the movement locus shown in FIG.
  • the allowable acceleration is preferably set to 0.2 G or more.
  • an impact with an acceleration of 0.2 G to 0 G is generated when moving at a speed of 4600 mm / min and moving from a circular arc with a radius of 3 mm to a straight line.
  • the mechanical deflection compensation unit 200 and the column reaction force compensation unit 311 in the servo control device 100 are in the off state, and the machine deflection compensation and the column reaction force compensation are not performed. It is like that.
  • the acceleration sensor 52 is attached to the column 3 or the saddle 5, detects vibration of the saddle 5 due to the impact applied to the saddle 5 by the impact generating unit 51, and uses this detection signal as the column stiffness identifying unit 53 and the column viscosity identifying. To the unit 54.
  • the column rigidity identifying unit 53 obtains the column resonance frequency q from the detection signal acquired by the acceleration sensor 52 when an impact is applied to the saddle 5 by the impact generating unit 51, and substitutes this in the above-described equation (21). By doing so, the column rigidity K C is identified.
  • the column viscosity identifying unit 54 obtains a vibration damping rate from the detection signal acquired by the acceleration sensor 52, and based on the damping rate, the column viscosity C C is obtained. Is identified. Hereinafter, will be described with reference to FIG method for identifying the column viscosity C C.
  • an average ⁇ of logarithmic decay rates is obtained from these amplitude values P1, P2, P3.
  • the average of LN (P1 / P2), LN (P2 / P3), and LN (P3 / P4) is calculated to obtain the average ⁇ of the logarithmic decay rate.
  • the column viscosity C C is calculated from the following equation using the logarithmic damping rate ⁇ , the column inertia J c , and the column stiffness K c identified by the column stiffness identification unit 53 described above.
  • the machine constant setting unit 55 determines the column stiffness K C identified by the column stiffness identification unit 53 and the column viscosity C C identified by the column viscosity identification unit 54 as the column reaction force of the mechanical deflection compensator 200 and the speed feedforward unit 201. Set in the compensation unit 311.
  • the machine constant setting unit 55 has a table in which machine states such as the W-axis position and attachment are associated with machine constants other than the column rigidity K C and the column viscosity C C. The corresponding machine constants are read from the table, and the read machine constants are set in the machine deflection compensator 200 and the column reaction force compensation unit 311 of the speed feedforward unit 201.
  • the servo control device 100 performs the mechanical deflection compensator 200 and the column reaction force compensation.
  • the unit 311 is operated to perform position control using these compensation models.
  • the servo control device not only the mechanical deflection compensation unit 200 that compensates the position control error due to the vibration of the column 3 but also the saddle 5 of the saddle 5 due to the reaction force of the column 3. Since the column reaction force compensator 311 for compensating the position control error due to the vibration is provided, the vibration of the saddle 5 due to the reaction force of the column 3 can be compensated, and the position control of the saddle 5 can be performed with high accuracy even when the column 3 is vibrating. Can be done.
  • FIG. 9 is a graph showing the accuracy of position control before and after compensation by the mechanical deflection compensation unit 200 and the column reaction force compensation unit 311.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents the position of the ram tip in the Y-axis direction.
  • a jig (equal) having a thickness of 500 mm was arranged on the upper surface of the table shown in FIG. 13, and a lattice scale was arranged on the jig.
  • the motor 12 is rotationally driven by giving the servo controller 100 shown in FIG. 2 a position command corresponding to a substantially square movement locus on the YZ plane as shown in FIG.
  • the saddle 5 and the ram 6 were moved along the movement trajectory.
  • FIG. 9 shows the ram tip position measured on a lattice scale when such a test is performed.
  • the constant identification unit 50 ′ of the servo control device according to the second embodiment further includes a vibration determination unit 56 and a constant adjustment unit 57.
  • the constant adjustment unit 57 is once set by the machine constant setting unit 55. Adjust the set machine constant. Specifically, the constant adjustment unit 57 changes the column viscosity C C to a direction in which the column viscosity C C increases when the vibration immediately after applying an impact is relatively large, and the vibration is relatively large after a while after the impact is applied. In this case, the mechanical constant is adjusted by changing the compensation frequency. When the machine constant is changed, the same process is performed again until the vibration determination unit 56 determines that the vibration amplitude of the saddle 5 is equal to or less than a predetermined threshold value. Repeat.
  • the servo control device As described above, according to the servo control device according to the present embodiment, it has means for confirming whether or not the machine constant once set is appropriate, and until the determination result that the machine constant is appropriate is obtained. Since the adjustment of the mechanical constant is repeatedly performed, the position control accuracy of the saddle 5 can be further improved.
  • the acceleration sensor 52 it is necessary to attach the acceleration sensor 52 to the saddle 5. This is because the position control of the saddle 5 is improved by operating the mechanical deflection compensation unit 200 and the column reaction force compensation unit 311, whereas the column 3 still vibrates. Therefore, when the acceleration sensor 52 is attached to the column 3, the effect of position compensation by the mechanical deflection compensation unit 200 and the column reaction force compensation unit 311 cannot be confirmed, and therefore whether the mechanical constant is appropriate. This is because it cannot be judged whether or not.
  • the saddle 5 is intentionally vibrated by applying an external impact to the saddle 5, and the mechanical constant is identified based on the state of the vibration. It was.
  • the present embodiment is based on the state after the machine constant is once set. In other words, in the state where the position control is performed by the servo control device, in other words, the machine tool is driven. In this state, when the accuracy of the position control is lowered, the machine constant is gradually adjusted.
  • the servo control device includes a machine constant adjustment unit 60.
  • the mechanical constant adjustment unit 60 includes a column resonance model 61 to which the command position ⁇ is input, a bandpass filter 62 that filters the command position ⁇ compensated by the column resonance model 61, and an acceleration sensor 52.
  • the band-pass filter 63 for filtering the signal from the band-pass filter 62 and the adjustment unit 64 for comparing the signals passing through the band-pass filters 62 and 63 and adjusting the machine constant until the difference is eliminated.
  • the command position ⁇ is input in such a mechanical constant adjustment unit 60 (step SA1 in FIG. 12)
  • the command position ⁇ is filtered by the band pass filter 62 after passing through the column resonance model 61, and the adjustment unit 64 (Step SA2 in FIG. 12).
  • the vibration detection signal from the acceleration sensor 52 is output to the adjustment unit 64 after passing through the bandpass filter 63.
  • the adjustment unit 64 compares the frequency of the signal from the column resonance model 61 side with the frequency of the signal from the acceleration sensor 52 side (step SA3 in FIG. 12).
  • the adjustment unit 64 reduces the column rigidity K C by a predetermined amount.
  • the adjustment unit 64 increases the column rigidity K C by a predetermined amount (step SA4 in FIG. 12). ).
  • the adjustment unit 64 repeatedly adjusts the column rigidity K C as described above until it is determined that both frequencies match or the difference between both frequencies is within a predetermined threshold (step SA5 in FIG. 12).
  • step SA6 when the adjusting unit 64 determines that the frequencies of the two coincide with each other, the amplitudes of the two are subsequently compared (step SA6 in FIG. 12).
  • the adjustment unit 64 increases the column viscosity CC by a predetermined amount.
  • the adjustment unit 64 reduces the column viscosity C C by a predetermined amount (step SA7 in FIG. 12). ).
  • the adjustment unit 64 repeatedly adjusts the column viscosity C C as described above until the amplitudes of the two coincide or the difference between the amplitudes is determined to be within a predetermined threshold (step SA8 in FIG. 12). If it is determined that the amplitudes of the two coincide, the process returns to step SA1 to repeat the above-described processing.
  • the mechanical constants in the mechanical deflection compensation unit 200 and the column reaction force compensation unit 311 are appropriate values at regular time intervals even in a normal driving state. In the case where it is not appropriate, the value is adjusted to an appropriate value, so that the position control accuracy of the saddle 5 can always be maintained at a predetermined accuracy or higher.

Abstract

　位置制御の精度向上を実現するため、モータの回転運動を直線運動に変換するねじ送り部と、ねじ送り部によって直線移動させられる被駆動部と、ねじ送り部及び被駆動部が支持される支持体とを備える数値制御機器に適用され、被駆動部の位置を位置指令に一致させるようにモータを制御するサーボ制御装置であって、支持体の振動反力による被駆動部の振動を補償する支持体反力補償部（３１１）を備え、支持体反力補償部（３１１）が備える伝達関数には、被駆動部の剛性項が含まれているサーボ制御装置を提供する。

Description

サーボ制御装置
　本発明は、サーボ制御装置に関するものである。
　例えば、工作機械に用いられるサーボ制御装置においては、位置制御の精度向上のために、いろいろな制御手法が提案されている。図１３に、工作機械の概略構成の一例を簡単に示す。図１３に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上に配置されたテーブル２を備えている。テーブル２は、ベッド１上でＸ軸方向に沿い移動可能に設けられている。門形のコラム３には、クロスレールがＹ軸方向に沿って配置されている。クロスレール４には、ラム６を備えたサドル５が螺合されており、Ｙ軸方向に沿い移動可能に設けられている。
　テーブル２のＸ軸方向における移動は、ボールねじ駆動機構により行なわれるようになっている。ラム６を備えたサドル５のＹ軸方向の移動も、コラム３に設置された別のボールねじ駆動機構により行なわれるようになっている。
　図１３に示されるような比較的大型の工作機械においては、精度の高いサドル５の位置制御やテーブル２の速度制御が要求されるが、加工中においては、クレスレール４やサドル５並びにラム６が移動することにより、コラム等に低周波振動が発生し、サドル５やラム６の位置制御を正確に行うことができないという問題がある。
　このような問題を解消するために、例えば、サーボ系や機械系をモデル化し、そのモデルの逆特性をもった伝達関数を用いてフィードフォワード補償することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７－２５９６１号公報
　ところで、特許文献１に開示されている発明では、コラム自体の振動によるサドル５の位置補償はできるものの、コラムの振動に起因するサドル５固有の振動には対応することができず、所望の位置制御精度を維持することが難しいという問題があった。
　更に、特許文献１等に記載されている発明では、フィードフォワード補償制御用の伝達関数における機械定数を同定する必要があるが、このような機械定数の同定を正確に行うことは難しく、機械定数の同定が適切に行われないと、折角フィードフォワード補償制御を行ったとしても所望の精度を維持できないという問題があった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、位置制御の精度向上を実現することのできるサーボ制御装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
　本発明は、モータの回転運動を直線運動に変換するねじ送り部と、前記ねじ送り部によって直線移動させられる被駆動部と、前記ねじ送り部及び前記被駆動部が支持される支持体とを備える数値制御機器に適用され、前記被駆動部の位置を位置指令に一致させるように前記モータを制御するサーボ制御装置であって、前記支持体の振動反力による前記被駆動部の振動を補償する支持体反力補償部を備え、前記支持体反力補償部が備える伝達関数には、前記被駆動部の剛性項が含まれているサーボ制御装置を提供する。
　このような構成によれば、支持体反力補償部により、支持体が振動することに起因する被駆動部の振動による位置制御誤差を補償することが可能となる。これにより、被駆動部の位置制御の精度を向上させることが可能となる。支持体反力補償部が備える伝達関数には、被駆動部の剛性項が含まれているので、支持体の振動が被駆動部に伝達される度合いを相当の精度を持って推定することができる。
　上記サーボ制御装置において、支持体反力補償部は、前記モータの速度制御用のフィードフォワード制御系に設けられていてもよい。
　このように、モータの速度制御用のフィードフォワード制御系に設けることで、モータの速度補償を正確に行うことが可能となる。
　上記サーボ制御装置において、前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数には、前記支持体の剛性項が含まれており、前記支持体の剛性項は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動共振周波数に基づいて同定されることとしてもよい。
　このように、振動共振周波数を用いるので、例えば、力と歪みの関係から同定する方法に比べて高い測定精度を得ることができ、高い同定精度を得ることができる。
　上記サーボ制御装置は、前記支持体の剛性項を同定する定数同定部を備えていてもよく、前記定数同定部は、前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の共振周波数を算出し、この共振周波数から前記支持体の剛性項を同定する支持体剛性項同定部とを有していてもよい。
　このように、被駆動部に衝撃を与えることにより被駆動部を振動させ、この振動の状態に基づいて支持体の剛性項を同定するので、支持体の剛性項の同定の信頼度を高めることができる。
　上記サーボ制御装置において、前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数には、前記支持体の粘性項が含まれており、前記支持体の粘性項は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動の減衰状態に基づいて同定されることとしてもよい。
　このように、振動の減衰状態に基づいて支持体の粘性項を同定するので、支持体の粘性項を容易に同定することができる。
　上記サーボ制御装置は、前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数に含まれる定数を同定する定数同定部を備えていてもよく、前記定数同定部は、前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の振動の減衰率を算出し、該振動の減衰率から前記支持体の粘性項を同定する支持体粘性項同定部とを有することとしてもよい。
　このように、被駆動部に衝撃を与えることにより被駆動部を振動させ、この振動の状態に基づいて支持体の粘性項を同定するので、支持体の粘性項の同定の信頼度を高めることができる。
　上記サーボ制御装置において、前記衝撃発生部は、前記被駆動部を所定の加速度以上で移動させることにより、前記被駆動部を振動させることとしてもよい。
　このように、被駆動部を移動させることにより、被駆動部に衝撃を与え振動を発生させるので、より実際の運用に近い態様で振動の様子を確認することが可能となる。
　上記サーボ制御装置において、前記定数同定部は、前記定数を同定した後において、前記振動検出部によって検出された前記被駆動部の振動の振幅が既定の閾値を超えていた場合には、該振動検出部によって検出された振動信号に基づいて定数の調整を行うこととしてもよい。
　このように、定数を同定した後においてその定数が適切であるか否かを確認し、適切でなかった場合には、適切な値が設定されるまで定数が調整されるので、定数の同定精度を高めることができる。
　上記サーボ制御装置において、前記定数同定部は、前記数値制御機器が駆動している期間において、前記振動検出部によって検出された振動信号と前記支持体反力補償部のモデルから算出される前記被駆動部の推定振動信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記支持体反力補償部が備える伝達関数の機械定数を調整することとしてもよい。
　このような構成によれば、数値制御機器が駆動している期間においても定数の調整が行われるので、常に定数を適切な値に設定することができる。これにより、被駆動部の位置制御の精度を向上させることができる。
　本発明によれば、位置制御の精度向上を図ることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係るサーボ制御装置の制御対象機器の概略構成を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係るサーボ制御装置のブロック線図を示した図である。 図２に示した速度フィードフォワード部のブロック線図を示した図である。 コラムを含む制御対象機器の機械系モデルを示した図である。 速度フィードフォワード部を構成する要素の中からコラム反力補償部に関する要素を抽出して示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る定数同定部の概略構成を示した図である。 衝撃発生部によってサドルに与えられる衝撃について説明するための図である。 コラム粘性の同定方法について説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る補償部の効果を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る定数同定部の概略構成を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る機械定数調整部の概略構成を示した図である。 図１１に示した機械定数調整部によって実施される処理内容を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るサーボ制御装置が適用される工作機械の概略構成を示した図である。
　以下、本発明のサーボ制御装置を図１３に示した工作機械（数値制御機器）に適用する場合の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
　図１３は、本発明の第１の実施形態に係るサーボ制御装置が適用される工作機械の概略構成を示した図である。図１３に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上に配置され、Ｘ軸方向に沿い移動可能なテーブル２を備えている。テーブル２を跨ぐように門形のコラム（支持体）３が配置されている。コラム３には、Ｙ軸方向にクロスレールが取り付けられており、このクロスレール上をサドル（被駆動部）５が移動することにより、サドル５がＹ軸方向に沿い移動可能とされている。サドル５は、Ｚ軸方向に沿い移動可能なラム６を備えている。ラム６の先端には、切削加工等を行う機械先端が取り付けられている。本実施形態では、このラム６のＹ軸方向における機械先端位置を指令位置θに一致させるようにサドル５の位置を制御することを目的としている。
　図１に、本実施形態に係るサーボ制御装置の制御対象機器の概略構成を示す。図１に示すように、制御対象機器は、モータ１２の回転運動をボールねじナット１０とボールねじ軸１１からなるボールねじ送り部（ねじ送り部）９により直線運動に変換して、負荷であるサドル５を直線移動（Ｙ軸方向に移動）させる工作機械のボールネジ駆動機構である。モータ１２には、モータ速度ωMを検出して出力するモータエンコーダ１３が配置されている。リニアスケール１４は、サドル５の位置を示す負荷位置θLを検出して出力する。ボールねじ駆動機構では、モータ１２が回転駆動してボールねじ軸１１が回転すると、ボールねじナット１０及びボールねじナット１０に固定連結したサドル５が直線移動するようになっている。
　図２は、本実施形態に係るサーボ制御装置のブロック線図を示した図である。本実施形態に係るサーボ制御装置１００は、サドル５に取り付けられたラム６のＹ軸方向における機械先端位置を指令位置θに一致させるための指令トルクτを演算し、この指令トルクτを出力信号としてモータ１２に出力する装置である。
　サドル５は、図１３に示されるように、コラム３に取り付けられている。切削加工等を行う際に、サドル５がＹ軸方向に移動したり、ラム６がＺ軸方向に移動したりすると、コラム３に振動が発生し、この振動がサドル５やラム６の位置制御の精度に影響を及ぼすこととなる。本実施形態に係るサーボ制御装置１００は、このようなコラム３の振動に起因する位置制御誤差を補償するための機械たわみ補償部２００を備えている。更に、モータ１２やサドル５に生ずる「ひずみ」、「たわみ」、「粘性」等の位置誤差要因を補償して、サドル５の位置制御の精度を向上させるための速度フィードフォワード部２０１が設けられている。機械たわみ補償部２００及び速度フィードフォワード部２０１の詳細については後述する。
　図２に示すように、サーボ制御装置１００は、機械たわみ補償部２００、速度フィードフォワード部２０１、減算部１０１、乗算部１０２、減算部１０３、及び比例積分演算部１０４を有している。
　機械たわみ補償部２００は、指令位置θを後述する伝達関数にて補償し、補償後の指令位置θ´を出力する。減算部１０１は、コラム補償された指令位置θ´と負荷位置θLとの差である偏差位置Δθを出力する。乗算部１０２は、偏差位置Δθに位置ループゲインＫPを乗算して偏差速度ΔＶを出力する。減算部１０３は、偏差速度ΔＶに、速度フィードフォワード部２０１から出力される補償速度Ｖ´を加えた値からモータ速度ωMを減算した指令速度Ｖを出力する。比例積分演算部１０４は、指令速度Ｖを比例積分演算して指令トルクτを出力する。比例積分演算部１０４では、速度ループゲインＫv、積分時定数Ｔv、及びトルク定数ＫTを用いて、τ＝ＶＫT｛Ｋv（１＋（１／Ｔvｓ））｝という演算をして指令トルクτを求めている。
　この指令トルクτは、図２に示した制御対象機器に与えられ、この指令トルクτに基づく各部の制御が行われる。例えば、モータ１２は、電流制御器（図示省略）から指令トルクτに応じた電流が供給されることにより回転駆動する。この場合、図示は省略するが、指令トルクτに応じた電流値になるように、電流のフィードバック制御を行なっている。モータ１２の回転運動はボールねじ送り部９により直線運動に変換され、この結果、ボールねじ送り部９に螺合されるボールねじナット１０が直線移動させられ、このボールねじナット１０に固定されているサドル５がボールねじナット１０とともに移動し、サドル５が備えるラム６の先端に取り付けられた機械先端位置が指令位置θに移動させられる。
　次に、速度フィードフォワード部２０１について説明する。速度フィードフォワード部２０１は、図３に示すように、１次微分項演算部３０１と、２次微分項演算部３０２と、３次微分項演算部３０３と、４次微分項演算部３０４と、１次微分項に１次微分係数を乗じる乗算部３０５と、２次微分項に２次微分係数を乗じる乗算部３０６と、３次微分項に３次微分係数を乗じる乗算部３０７と、４次微分項に４次微分係数を乗じる乗算部３０８と、加算部３０９と、速度ループ補償部３１０と、コラム反力補償部（支持体反力補償部）３１１と、減算部３１２とを備えている。図３において、ｓはラプラス演算子（微分演算子）である。
　上記１次微分係数から４次微分係数は、機械系モデルにおけるトルク及び速度の逆特性モデルの伝達関数に設定されている。上記速度ループ補償部３１０の伝達関数は、位置ゲインＫP、積分時定数Ｔvを用いて、｛ＫP／（１＋Ｔvｓ）｝で表わされ、コラム反力補償部３１１の伝達関数は、コラムのイナーシャＪC、サドル及びラムのイナーシャＪL、コラム粘性ＣC、送り系剛性ＫR、コラムのばね剛性ＫCを用いて、｛（ＪCＪL／ＫR）s2／（２ＪCs2＋ＣCs＋ＫC)}で表わされる。
　速度フィードフォワード部２０１では、機械たわみ補償器２００により位置補償が行われた指令位置θ´が入力されると、１次微分係数が乗算された１次微分項、２次微分係数が乗算された２次微分項、３次微分係数が乗算された３次微分項、４次微分係数が乗算された４次微分項がそれぞれ加算部３０９に入力されることにより、これら各異なる微分係数値が加算され、速度ループ補償部３１０に与えられる。速度ループ補償部３１０では、上記伝達関数で表わされる位置補償が施された後、減算部３１２に出力される。
　３次微分項演算部３０３から出力された３次微分項は、コラム反力補償部３１１にも入力され、上記伝達関数で表わされる位置補償がされた後、減算部３１２に出力される。減算部３１２においては、速度ループ補償部３１０からの出力からコラム反力補償部３１１による位置補償量が減算されて補償速度Ｖ´が算出され、この補償速度Ｖ´が図２の減算部１０３に出力されることとなる。
　図２に示したサーボ制御装置では、減算部１０３において補償速度Ｖ´が偏差速度ΔＶに加算されることにより、質点であるモータ１２やサドル５に対する「ひずみ」、「たわみ」、「粘性」といった誤差要因が補償される。この結果、サドル５の位置制御の精度向上が図られる。
　次に、本実施形態の主たる特徴の一つである図２に示した機械たわみ補償部２００及び図３に示したコラム位置補償部３１１について説明する。
　上述したように、本実施形態に係るサーボ制御装置１００は、サドル５やラム６等の移動によってコラム３が振動し、このコラム３の振動によって起因するサドル５の振動による位置制御の精度低下を防止することを目的としている。
　コラム３が振動する場合、このコラム３そのものの振動を考慮してサドル５の位置制御を行わなければならないとともに、コラム３の振動の反力によるサドル５やラム６の振動をも考慮してサドル５の位置制御を行わなければならない。
　すなわち、コラム３及びサドル５の剛性がともに高い場合には、サドル５はコラム３にあわせて同じ振幅、同じ周波数で振動することとなる。従って、この場合には、サドル５固有の振動を考慮する必要はなく、コラム３の振動による位置誤差のみを考慮すればよいこととなる。
　これに対し、サドル５の剛性が低い場合、サドル５はコラム３の反力により振動し、また、この振動もコラム３の振動とは必ずしも同じとはならず、コラム３とは異なる周期や位相で振動することとなる。この場合、コラム３の振動による位置誤差だけではなく、コラム３の振動の反力に起因するサドル５の固有の振動による位置誤差についても考慮し、これに伴う位置制御誤差を補償する必要が生ずる。
　このように、本発明は、コラム３の振動の反力に起因するサドル５の固有の振動に着目したもので、このサドル５の固有の振動による位置誤差を補償することを特徴の一つとしている。
　このため、本実施形態に係るサーボ制御装置１００は、上述したようなコラム３自身の振動だけでなく、コラム３の振動の反力によるサドル５の振動に起因する位置誤差を補償するための補償モデルを有している。そして、この補償モデルが図３に示したコラム反力補償部３１１である。
　このように、本実施形態に係るサーボ制御装置１００は、コラム３そのものの振動による位置制御誤差を補償する機械たわみ補償部２００と、コラム３の振動の反力によるサドル５の振動に起因する位置誤差を補償するためのコラム反力補償部３１１とからなる２つの補償モデルを有している。このように、２つの補償モデルを有することにより、コラムの振動に起因する位置制御の誤差を効率的に解消することができ、図１３に示した工作機械におけるＹ軸方向の位置制御の精度を向上させることができる。
　次に、上述した機械たわみ補償部２００及びコラム位置補償部３１１の伝達関数の導出過程について簡単に説明する。
　図４は、コラム３を含む制御対象機器の機械系モデルを示した図である。図４に示すように、本実施形態では、機械系のモデルをモータ１２、負荷であるサドル５、及びコラム３を質点とした３質点系の機械系のモデルとして特定している。
　図４に示すように、モータ１２の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック１２－１とブロック１２－２とで示される。ＪMはモータイナーシャを示し、ＤMはモータ粘性を示す。ブロック１２－１からはモータ速度ωMが出力され、ブロック１２－２からはモータ位置θMが出力される。
　負荷であるサドル５の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック５－１とブロック５－２とで示される。θMはモータ位置、θLは負荷位置、ＣRは送り系の並進減衰、ＫRは送り系剛性、ＪLはサドル・ラムイナーシャ、ＤLは負荷粘性（サドル粘性）をそれぞれ示している。
　ブロック５－１は、モータ位置θMと負荷位置θLとの偏差（θM－θL）が入力されると、反力トルクを出力する。この反力トルク及びコラム振動の反力を加算した値がブロック５－２に入力されると、負荷位置θLが出力される。
　コラム３の特性をモデル化して伝達関数で示すと、ブロック３－１とブロック３－２とで示される。なお、ＪCはコラムイナーシャを示し、ＣCはコラム粘性を示し、ＫCはコラム剛性を示す。
　次に、図４に示した機械系モデルに基づいて、図２に示した機械たわみ補償部２００の伝達関数及び速度フィードフォワード部２０１内に設けられたコラム反力補償部３１１の伝達関数の導出方法について説明する。
　まず、図４に示した機械系モデルにおいて、ブロック１０１、ブロック１０２、ブロック１０３における運動方程式は、以下の（１）から（３）式でそれぞれ示される。
　τ－（θM－θL）ＫR＋θCＪCｓ2＝θM（ＪMｓ2＋ＤMｓ）　　　（１）
　（θM－θL）ＫR－θCＪCｓ2＝θL（ＪLｓ2＋ＤLｓ）　　　（２）
　－（θM－θL）ＫR－θC（ＫC＋ＣCs）＝θCＪCｓ2　　　（３）
　上記（２）式と（３）式とを加算することにより、以下の（４）式が導出される。
　－θCＪCｓ2－θC（ＫC＋ＣCs）＝θL（ＪLｓ2＋ＤLｓ）＋θCＪCｓ2
　－θL（ＪLｓ2＋ＤLｓ）＝θC（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）　　　（４）
　機械先端位置θは、θ＝θL＋θCなので、
　θC＝θ－θL　　　（５）
　上記（４）式と（５）式とから以下の（６）式が最終的に得られる。
　－（ＪLｓ2＋ＤLｓ）θL＝（θ－θL）・（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）
　｛（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）－（ＪLｓ2＋ＤLｓ）｝θL＝θ（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）
　θL＝θ（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）／｛（２ＪC－ＪL）ｓ2＋（ＣC－ＤL）s＋ＫC｝　（６）
　ここで、機械先端位置を指令位置θに一致させるためには、リニアスケール（位置センサ）１４によって検出されるサドルの位置θLを（６）式に従ってずらす必要がある。したがって、機械たわみ補償部２００は、以下の（７）式で表される（図２参照）。
　Ｇ１（ｓ）＝（２ＪCｓ2＋ＣCs＋ＫC）／｛（２ＪC－ＪL）ｓ2＋（ＣC－ＤL）s＋ＫC｝　　　（７）
　次に、速度フィードフォワード部２０１内のコラム反力補償部３１１の伝達関数について説明する。
　図４に示した機械系モデルからサドル５の検出位置θLとモータ速度θMsの関係を求めると、上述の（２）式より、以下の（８）式が導出される。
　θC＝｛（θM－θL）ＫR－θLＪLｓ2｝／ＪCｓ2　　　（８）
　上記（３）式と（８）式とから以下の（９）式が導出される。
　－（θM－θL）ＫR－〔｛（θM－θL）ＫR－θLＪLｓ2｝／ＪCｓ2〕＊（ＫC＋ＣCs）
　＝（θM－θL）ＫR－θLＪLｓ2　　　（９）
　更に、
　θM〔－２ＫR－ＫR（ＫC＋ＣCs）／ＪCｓ2〕
　＝θL〔－２ＫR－ＪLｓ2－（ＪL／ＪC）＊（ＫC＋ＣCs）－ＫR／ＪCｓ2＊（ＫC＋ＣCs）〕
　整理すると、
　θM〔－２ＫRＪCｓ2－ＫR（ＫC＋ＣCs）〕
　＝θL〔－２ＫRＪCｓ2－ＪLｓ2＊ＪCｓ2－ＪL＊（ＫC＋ＣCs）ｓ2－ＫR＊（ＫC＋ＣCs）〕
　よって、以下の（１０）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、コラムの反力補償のみを抽出するために、上記（２）式の２質系での補償分である以下の（１１）式を上記（１０）式から減算すると、（１２）式が得られる。
　θMs＝θLｓ〔（ＪL／ＫR）ｓ2＋１〕　　　（１１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　モータ速度をするために、両辺にラプラス係数を乗算すると（１３）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　そして、上記（１３）式を図３に示したコラム反力補償部３１１のブロック線図、即ち、図５に示すブロック線図に適用させると、コラム反力補償部の伝達関数は、以下の（１４）式で得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　次に、上記機械たわみ補償部２００の伝達関数及び速度フィードフォワード部２０１におけるコラム反力補償部３１１の伝達関数に用いられている機械定数の同定方法について説明する。
　まず、上記（７）式に示したように、機械たわみ補償部２００の伝達関数Ｇ１（ｓ）及び速度フィードフォワード部２０１におけるコラム反力補償部３１１の伝達関数Ｇ２（ｓ）は、コラムイナーシャＪC、コラム粘性ＣC、コラム剛性ＫC、サドル・ラムイナーシャＪL、負荷粘性ＤL、送り系剛性ＫRの６つの機械定数を含んでいる。このうち、コラムイナーシャＪC、コラム粘性ＣC、コラム剛性ＫC、及び送り系剛性ＫRについては、変化する定数であり、簡単な同定方法が望まれる。
　そして、この４つの機械定数のうち、コラムイナーシャＪCについては、各部の機械重量が既知であることから推定することができ、同定は不要である。送り系剛性ＫRについても、ボールねじ剛性理論値から推定することができることから、同定は不要である。
　よって、残りのコラム粘性ＣC及びコラム剛性ＫCについて、同定を行って決定をすることで、各補償部の機械定数を全て決定することができる。
　以下、上記コラム粘性ＣC及びコラム剛性ＫCについての同定方法について説明する。
　本実施形態では、コラム３に対して衝撃を与え、その衝撃の応答振動からコラム粘性ＣC及びコラム剛性ＫCを同定する。
　コラム剛性ＫCの同定は、コラム３に対して衝撃を与えてサドル５を振動させたときのその共振周波数に基づいて行われる。
　そこで、まずは、共振周波数からコラム剛性ＫCを算出するための演算式の導出について説明する。
　図４に示した機械系モデルにおいて、コラム剛性ＫCの計算式は上述した（２）式及び（３）式においてθM＝０とした下記（１５）、（１６）式から得ることができる。共振中において、モータ１２はコラム３の反力では動かないものと考える。
　－θLＫR－θCＪCｓ2＝θLＪLｓ2　　　（１５）
　θLＫR－θC（ＫC＋ＣCs）＝θCＪCｓ2　　　（１６）
　（１５）式より、
　θL＝－θcＪcｓ2／（ＪLｓ2＋ＫR）　　　（１７）
　（１６）及び（１７）式から
　－θc（Ｊcｓ2ＫR）／（ＪLｓ2＋ＫR）－θc（ＫC＋ＣCｓ）＝θcＪcｓ2
　Ｊcｓ2＋ＣCｓ＋ＫC＋（Ｊcｓ2ＫR）／（ＪLｓ2＋ＫR）＝０
　Ｊcｓ2（ＪLｓ2＋ＫR）＋（Ｋc＋ＣCｓ）＊（ＪLｓ2＋ＫR）＋Ｊcｓ2ＫR＝０
　ＪcＪLｓ4＋ＣCＪLｓ3＋（２ＪcＫR＋ＪLＫC）ｓ2＋ＣCＫRｓ＋ＫRＫC＝０　　　（１８）
　このとき、共振周波数に関係する項（ＣCは共振に関係ない）のみとし、ｓ＝ｊωとすると、以下の（１９）式が得られる。
　ＪcＪLω4－（２ＪcＫR＋ＪLＫC）ω2＋ＫRＫC＝０　　　（１９）
　上記（１９）式を解き、更に、コラム剛性Ｋcについての式にすると、以下の（２０）式が得られる。
　ＫC＝（８ＪC 2ＪLＫRω2－（２ＪcＪL）2ω4／（－４ＪcＪL 2）ω２＋４ＪCＪLＫR）   　（２０）
　上記（２０）式をコラム共振周波数ｑで表わすと、以下の（２１）式が得られる。
　ＫC＝Ｊc（８ＫRｑ2－ＪLｑ4）／（ＫR－ＪLｑ2）　　　（２１）
　上記（２１）式において、ＫRは送り系剛性、ＪLはサドルイナーシャ、ＪCはコラムイナーシャ、ｑはコラム共振周波数であり、このうち、コラムイナーシャＪC、サドルイナーシャＪL、及び送り系剛性ＫRは、既知である。従って、コラム共振周波数を検出することで、上記（２１）式に従ってコラム剛性ＫCを同定することができる。
　次に、実際に上記（２１）式を用いてコラム剛性ＫCを同定する手順について説明する。
　図６は、定数同定部５０の概略構成を示した図である。図６に示すように、定数同定部５０は、衝撃発生部５１、加速度センサ（振動検出部）５２、コラム剛性同定部（支持体剛性項同定部）５３、コラム粘性同定部（支持体粘性項同定部）５４、及び機械定数設定部５５を備えている。
　衝撃発生部５１は、例えば、サドル５に対してＹ軸方向に所定の衝撃を与える。所定の衝撃は、例えば、ステップ応答のような衝撃である。本実施形態においては、図７に示すように、ＹＺ平面上にほぼ四角形を描くようにサドル５及びラム６を移動させることで、サドル５に対してＹ軸方向の衝撃を与える。
　図７に示した四角形において、各角部は、所定の曲率を有する円弧状に設定されている。衝撃発生部５２は、図７に示すようなＹＺ平面上における略四角形の移動軌跡を有しており、この移動軌跡に応じた位置指令を図２に示したサーボ制御装置１００に与えることでモータ１２を回転駆動させ、図７に示した移動軌跡に沿ってサドル５を移動させる。このときのサドル５の移動速度としては、許容加速度を０．２Ｇ以上に設定しておくことが好ましい。本実施形態では、速度４６００ｍｍ／分で移動させ、半径３ｍｍの円弧から直線に移るところにおいて、加速度０．２Ｇから０Ｇの衝撃を発生させることとしている。
　機械定数同定のためのサーボ制御においては、サーボ制御装置１００内の機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１は、オフ状態とされており、機械のたわみ補償やコラム反力補償等がされないようになっている。
　加速度センサ５２は、コラム３またはサドル５に取り付けられており、衝撃発生部５１によってサドル５に与えられた衝撃によるサドル５の振動を検出し、この検出信号をコラム剛性同定部５３及びコラム粘性同定部５４に出力する。
　コラム剛性同定部５３は、衝撃発生部５１によりサドル５に衝撃が与えられた場合に、加速度センサ５２によって取得された検出信号からコラム共振周波数ｑを求め、これを上述した（２１）式に代入することで、コラム剛性ＫCを同定する。
　コラム粘性同定部５４は、衝撃発生部５１によりサドル５に衝撃が与えられた場合に、加速度センサ５２によって取得された検出信号から振動の減衰率を求め、この減衰率に基づいてコラム粘性ＣCを同定する。以下、コラム粘性ＣCの同定方法について図８を用いて説明する。
　図８に示すような減衰振動が得られた場合、振動の振幅Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・をそれぞれ測定する。続いて、これらの振幅値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・から対数減衰率の平均δを求める。例えば、４波形を対象とした場合、ＬＮ（Ｐ１／Ｐ２）、ＬＮ（Ｐ２／Ｐ３）、ＬＮ（Ｐ３／Ｐ４）の平均を計算して対数減衰率の平均δを求める。続いて、対数減衰率δ、コラムイナーシャＪc、及び上述のコラム剛性同定部５３によって同定されたコラム剛性Ｋcを用いて、以下の式からコラム粘性ＣCを算出する。
　ＣC＝δ＊ＳＱＲＴ(Ｊc＊Ｋc)／π
　機械定数設定部５５は、コラム剛性同定部５３によって同定されたコラム剛性ＫC及びコラム粘性同定部５４によって同定されたコラム粘性ＣCを機械たわみ補償器２００及び速度フィードフォワード部２０１のコラム反力補償部３１１に設定する。機械定数設定部５５は、Ｗ軸位置、アタッチメント等の機械状態と上記コラム剛性ＫC及びコラム粘性ＣC以外の機械定数とが対応付けられたテーブルを保有しており、そのときの機械状態に応じた機械定数をテーブルから読み出し、読み出した各機械定数を機械たわみ補償器２００及び速度フィードフォワード部２０１のコラム反力補償部３１１に設定する。
　そして、このようにして、機械たわみ補償器２００及び速度フィードフォワード部２０１のコラム反力補償部３１１の機械定数が全て設定されると、サーボ制御装置１００は機械たわみ補償器２００及びコラム反力補償部３１１を作動させ、これらの補償モデルを用いた位置制御を行う。
　以上、説明してきたように、本実施形態に係るサーボ制御装置によれば、コラム３の振動による位置制御誤差の補償を行う機械たわみ補償部２００だけではなく、コラム３の反力によるサドル５の振動による位置制御誤差を補償するコラム反力補償部３１１を備えるので、コラム３の反力によるサドル５の振動を補償でき、コラム３が振動している場合でも高い精度でサドル５の位置制御を行うことが可能となる。
　図９は、機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１による補償を行う前と、行った後の位置制御の精度を示したグラフである。図９において、横軸は時間、縦軸はＹ軸方向におけるラム先端の位置である。
　今回の試験では、図１３に示されるテーブルの上面に５００ｍｍの厚みの治具（イケール）を配置し、その治具の上に格子スケールを配置した。この状態で、図７に示すようなＹＺ平面上における略四角形の移動軌跡に応じた位置指令を図２に示したサーボ制御装置１００に与えることによりモータ１２を回転駆動させ、図７に示した移動軌跡に沿ってサドル５及びラム６を移動させた。この試験では、速度４６００ｍｍ／ｍｉｎでサドル５及びラム６を移動させた。図９は、このような試験を行ったときのラム先端位置を格子スケールで測定したものである。図９は、ラム先端がＹ軸に沿って移動した後に、円弧を描き停止するまでの動作部分の波形を切り出して示した図であり、Ｙ＝－１０３の位置を停止位置（基準位置）としている。図９から、補償を行うことにより、サドル５及びラム６の振動が効果的に抑制され、位置制御の精度が向上していることがわかる。
〔第２の実施形態〕
　上述したように、定数同定部５０によって機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１の定数が設定された場合でも、設定された定数が適切ではなく、これらの補償部を作動させたとしても依然としてサドル５が振動してしまい、位置制御の精度が低下してしまうということが考えられる。
　そこで、第２の実施形態に係るサーボ制御装置では、一度設定した定数が適切か否かを確認するために、機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１を作動させている状態において、衝撃発生部５１がサドル５に対してＹ軸方向に衝撃を与え、このときのサドル５の振動の様子を加速度センサによる検出信号で確認する。この場合において、加速度センサ５２からの検出信号において振動の振幅が既定の閾値を超えていた場合には、一度設定した機械定数を調整する。このため、図１０に示すように、第２の実施形態に係るサーボ制御装置の定数同定部５０´は、振動判定部５６と、定数調整部５７とを更に備えている。
　振動判定部５６によって、加速度センサ５２からの検出信号に基づくサドル５の振動の振幅が既定の閾値を超えていると判定された場合には、定数調整部５７は、機械定数設定部５５によって一度設定された機械定数を調整する。具体的には、定数調整部５７は、衝撃を与えた直後における振動が比較的大きい場合には、コラム粘性ＣCが大きくなる方向に変更し、衝撃を与えてしばらくたってから振動が比較的大きくなる場合には、補償周波数を変更することで、機械定数を調整する。そして、機械定数を変更した場合には、再度同様の過程を実施することにより、振動判定部５６によって、サドル５の振動の振幅が既定の閾値以下であると判定されるまで、機械定数の調整を繰り返し行う。
　このように、本実施形態に係るサーボ制御装置によれば、一度設定した機械定数が適切であるか否かを確認する手段を有し、機械定数が適切であるとの判定結果が得られるまで、機械定数の調整を繰り返し行うので、サドル５の位置制御の精度をより向上させることができる。
　本実施形態においては、サドル５に加速度センサ５２を取り付けておくことが必要である。これは、機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１を作動させることにより、サドル５の位置制御は精度が向上するのに対し、コラム３は依然として振動したままであるからである。従って、コラム３に加速度センサ５２を取り付けていた場合には、機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１による位置補償の効果を確認することができず、よって、機械定数が適切であるか否かの判断もできないからである。
〔第３の実施形態〕
　上述した第１の実施形態及び第２の実施形態においては、サドル５に対して外的な衝撃を与えることによりわざとサドル５を振動させ、この振動の状態に基づいて機械定数の同定を行っていた。
　これに対し、本実施形態は、一度機械定数が設定された後の状態を前提としたものであり、サーボ制御装置による位置制御が行われている状態において、換言すると、工作機械を駆動している状態において、位置制御の精度が低下してきた場合に、機械定数の調整を徐々に行っているものである。
　具体的には、本実施形態に係るサーボ制御装置は、機械定数調整部６０を備えている。機械定数調整部６０は、図１１に示すように、指令位置θが入力されるコラム共振モデル６１と、コラム共振モデル６１によって補償された指令位置θをフィルタリングするバンドパスフィルタ６２と、加速度センサ５２からの信号をフィルタリングするバンドパスフィルタ６３と、バンドパスフィルタ６２，６３を通過したそれぞれの信号を比較し、差がなくなるまで機械定数を調整する調整部６４とを備えている。
　このような機械定数調整部６０において、指令位置θが入力されると（図１２のステップＳＡ１）、この指令位置θはコラム共振モデル６１を通過した後にバンドパスフィルタ６２によりフィルタリングされ、調整部６４に出力される（図１２のステップＳＡ２）。一方、加速度センサ５２からの振動の検出信号は、バンドパスフィルタ６３を通過した後、調整部６４に出力される。調整部６４では、コラム共振モデル６１側からの信号の周波数と加速度センサ５２側からの信号の周波数とが比較される（図１２のステップＳＡ３）。
　この結果、コラム共振モデル６１側からの信号の周波数が加速度センサ５２側からの信号の周波数よりも大きかった場合には、調整部６４は、コラム剛性ＫCを所定量小さくする。一方、コラム共振モデル６１側からの信号の周波数が加速度センサ５２側からの信号の周波数よりも小さかった場合には、調整部６４は、コラム剛性ＫCを所定量大きくする（図１２のステップＳＡ４）。調整部６４は、両者の周波数が一致する又は両者の周波数の差分が既定の閾値以内と判定するまで、上記のようなコラム剛性ＫCの調整を繰り返し行う（図１２のステップＳＡ５）。
　続いて、調整部６４において、両者の周波数が一致すると判定された場合には、続いて、両者の振幅が比較される（図１２のステップＳＡ６）。この結果、コラム共振モデル６１側からの信号の振幅が加速度センサ５２側からの信号の振幅よりも大きかった場合には、調整部６４は、コラム粘性ＣCを所定量大きくする。一方、コラム共振モデル６１側からの信号の振幅が加速度センサ５２側からの信号の振幅よりも小さかった場合には、調整部６４は、コラム粘性ＣCを所定量小さくする（図１２のステップＳＡ７）。調整部６４は、両者の振幅が一致する又は両者の振幅の差分が既定の閾値以内と判定するまで、上記のようなコラム粘性ＣCの調整を繰り返し行う（図１２のステップＳＡ８）。
　そして、両者の振幅が一致すると判定した場合には、ステップＳＡ１に戻り、上述した処理を繰り返し行う。
　以上、説明してきたように本実施形態に係るサーボ制御装置によれば、通常の駆動状態においても一定の時間間隔で、機械たわみ補償部２００及びコラム反力補償部３１１における機械定数が適切な値に設定されているか否かを確認し、適切でない場合には、適切な値に調整するので、サドル５の位置制御の精度を所定の精度以上に常に維持することができる。
３　コラム
５　サドル
６　ラム
９　ボールねじ送り部
１０　ボールねじナット
１１　ボールねじ軸
１２　モータ
１３　モータエンコーダ
１４　リニアスケール
５０，５０´　定数同定部
５１　衝撃発生部
５２　加速度センサ
５３　コラム剛性同定部
５４　コラム粘性同定部
５５　機械定数設定部
５６　振動判定部
５７　定数調整部
６０　機械定数調整部
６１　コラム共振モデル
６２，６３　バンドパスフィルタ
６４　調整部
１００　サーボ制御装置
２００　機械たわみ補償部
２０１　速度フィードフォワード部
３１１　コラム反力補償部

Claims (9)

  1. 　モータの回転運動を直線運動に変換するねじ送り部と、前記ねじ送り部によって直線移動させられる被駆動部と、前記ねじ送り部及び前記被駆動部が支持される支持体とを備える数値制御機器に適用され、前記被駆動部の位置を位置指令に一致させるように前記モータを制御するサーボ制御装置であって、
    　前記支持体の振動反力による前記被駆動部の振動を補償する支持体反力補償部を備え、
    　前記支持体反力補償部が備える伝達関数には、前記被駆動部の剛性項が含まれているサーボ制御装置。
  2. 　前記支持体反力補償部は、前記モータの速度制御用のフィードフォワード制御系に設けられている請求項１に記載のサーボ制御装置。
  3. 　前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数には、前記支持体の剛性項が含まれており、前記支持体の剛性項は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動共振周波数に基づいて同定される請求項１または請求項２に記載のサーボ制御装置。
  4. 　前記支持体の剛性項を同定する定数同定部を備え、
    　前記定数同定部は、
    　前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、
    　衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、
    　前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の共振周波数を算出し、この共振周波数から前記支持体の剛性項を同定する支持体剛性項同定部と
    を有する請求項３に記載のサーボ制御装置。
  5. 　前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数には、前記支持体の粘性項が含まれており、前記支持体の粘性項は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動の減衰状態に基づいて同定される請求項１または請求項２に記載のサーボ制御装置。
  6. 　前記支持体反力補償部が備える前記伝達関数に含まれる定数を同定する定数同定部を備え、
    　前記定数同定部は、
    　前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、
    　衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、
    　前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の振動の減衰率を算出し、該振動の減衰率から前記支持体の粘性項を同定する支持体粘性項同定部と
    有する請求項５に記載のサーボ制御装置。
  7. 　前記衝撃発生部は、前記被駆動部を所定の加速度以上で移動させることにより、前記被駆動部を振動させる請求項４から請求項６のいずれかに記載のサーボ制御装置。
  8. 　前記定数同定部は、前記定数を同定した後において、前記振動検出部によって検出された前記被駆動部の振動の振幅が既定の閾値を超えていた場合には、該振動検出部によって検出された振動信号に基づいて定数の調整を行う請求項４から請求項７のいずれかに記載のサーボ制御装置。
  9. 　前記定数同定部は、前記数値制御機器が駆動している期間において、前記振動検出部によって検出された振動信号と前記支持体反力補償部のモデルから算出される前記被駆動部の推定振動信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記支持体反力補償部が備える伝達関数の機械定数を調整する請求項４から請求項８のいずれかに記載のサーボ制御装置。
     
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