JP3703664B2 - バックラッシ補正装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、いわゆるNC加工システム、NCロボットシステム、NC搬送システムなどの数値制御システムおよびそれに用いられるバックラッシ補正装置に係り、特に、制御対象を反転駆動する際に生じるバックラッシを高度に補正するための改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の数値制御システムは、例えばNC加工システムを例に説明すれば、被加工対象物(ワーク)をテーブルの上に固定し、このテーブルと加工工具との相対的な位置関係を数値制御(座標制御)することで、上記被加工対象物を複雑な形状に加工したりすることができる。また、このNC加工システムでは一般的に、X−Y−Zの3つの互いに直交する軸方向で独立に3つのサーボモータを設け、この3つのサーボモータの回転駆動力をテーブルや加工工具の支持部材に伝達することで、テーブルと加工工具との相対位置を制御している。
【0003】
そして、このようなNC加工システムに代表される数値制御システムでは、必然的に、駆動源であるサーボモータ、このモータの回転運動を直線運動に変換するボールネジ、モータとボールネジを連結するカップリング、運動方向を規定するリニアガイド、ワークや工具が保持されるテーブル等の駆動力伝達機構における隙間(ガタツキ)などに起因して、モータ回転方向反転時などにおいて、制御数値の目標移動量と、テーブルやワークの相対的な移動量とが一致しなくなってしまい、いわゆるバックラッシ誤差が生じてしまう。その結果、加工精度をこのバックラッシ誤差よりも小さくすることができなくなってしまう。
【0004】
図14はこのようなバックラッシ誤差を補正するように構成され、特開平10−154007号公報に開示された従来の数値制御システムの構成を示すブロック図である。図において、4はモータ、35は駆動力伝達機構部、1は被制御対象物である。
【0005】
また、7は位置指令信号を出力する位置指令生成部、8は位置指令信号の増減方向の反転を判定する指令反転判断手段、36は反転後の変位量を累積的に加算する変位カウンタ、37はバックラッシ補正値の最大値を設定する設定手段、38は反転後の変位量に応じたバックラッシ補正値を出力する変位依存型補正量算出手段、39は補正周期毎の補正量を算出する補正量差分手段、40はこの補正量を上記位置指令信号に加算する加算器、41はこの加算器の出力に応じてモータに制御電流を供給する制御装置である。
【0006】
次に動作について説明する。
位置指令生成部7から増減方向を反転するような位置指令信号が出力されると、指令反転判断手段8から反転情報が出力され、変位カウンタ36は新たな変位量を累積的に加算する。これとともに、変位依存型補正量算出手段38は設定手段37のバックラッシ補正値の最大値と、この変位カウンタ36の変位量とに基づいて、反転後の変位量に応じたバックラッシ補正値を出力する。補正量差分手段39は補正周期毎の補正量を算出し、加算器40はこの補正量を位置指令信号に加算する。
【0007】
そして、この加算器40の出力に応じた制御電流が制御装置41からサーボモータ4に流れ、これに応じて駆動力伝達機構部35ひいては被制御対象物1の位置決め制御が行われる。
【0008】
以上のように、この従来の数値制御システムでは、モータ回転方向反転時にその反転方向に応じたバックラッシ補正値を位置指令値に加算することで、上記バックラッシ誤差の分だけ余計に移動させるように数値制御することができ、これにより加工精度をこのバックラッシ誤差よりも小さくすることが可能となる。
【0009】
また、上記従来の数値制御システムでは、単にバックラッシ補正値を位置指令値に加算するだけでなく、反転後の変位量に応じて漸次的に当該補正値を増加させているので、バックラッシ誤差が反転後に漸次的に大きくなっていくのに対して好適に補正を行うことができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来の数値制御システムは以上のように構成されているので、例えばNC加工システムを例に説明すると、一定以上の加工精度を得ることはできないなどの課題があった。例えば、通常の加工速度では得られない加工精度を得るために加工工具に対するテーブルの相対的な送り速度を超低速度に変更したとしても、これに応じてバックラッシの発生の仕方も変化してしまうので、上記従来の変位量を軸とした補正処理では当該超低速度状態におけるバックラッシ誤差を好適に補正することができない。その結果、加工精度を向上させるために相対的な送り速度を超低速度に変更したにもかかわらず所望の高い精度を得ることができなくなる。特に、多軸を同時に制御して真円加工などを行う場合にはこのバックラッシに起因する加工精度の問題は顕著に発生する。
【0011】
また、従来の数値制御システムにおいて上記バックラッシ補正値を求めてこれにより加工精度を向上させることも考えられるが、バックラッシそのものを求めようとした場合には現在の演算処理装置では多くの演算を必要とする指数関数演算処理によって演算することとなる。従って、1回1回のバックラッシ補正値を得るためには一定以上の演算処理時間を確保する必要が生じ、単位時間あたりのバックラッシ補正値の更新回数もこれによって制限されてしまうこととなり、ひいては、各バックラッシ補正値で制御している時間が長くなってその間における実際のバックラッシ誤差に対するバックラッシ補正値の誤差の最大値が増加してしまうこととなる。その結果、結局、所望の高い精度を得ることができない。
【0012】
なお、上記従来の数値制御システムのセミクローズドフィードバック方式とは異なり、テーブルの位置を検出し、この情報に基づいてモータの回転量を補正することでバックラッシを削減することも考えられるが、このようなフルクローズドフィードバック方式を採用した場合には、単に部品点数が増加するだけでなく、各部品の位置決め調整精度などを向上させる必要があり、しかも、フィードバック系の応答遅れによる精度誤差発生や送り速度上限値の低下などを招いてしまうこととなりとても実用的とはいえない。
【0013】
そこで、発明者らはこれらの問題点を解決して更に高精度化を図るべく鋭意研究を重ねた結果、反転時のバックラッシ誤差の漸次的な増加特性は、相対的な送り速度の大きさを変化させた場合、反転後の変位量との関係においては増加の仕方が大きく変化してしまうが、反転後の経過時間との関係においては増加の仕方がほとんど変化しない特性を示すこと、すなわち相対的な送り速度を変化させたとしても反転後の経過時間軸上ではその増加の仕方が変化し難い特性を示すことを見出し、更に、相対的な送り速度を変化させてしまうような多軸同時制御においてもこの増加特性と反転後の経過時間との関係が変化し難いことをも見出し、本発明を完成するに至った。
【0014】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、送り速度に拘わらずバックラッシ誤差を補正することができるバックラッシ補正装置およびこれを用いて高精度に数値制御を実行することができる数値制御システムを得ることを目的とする。
【0015】
また、この発明は、簡易な演算処理によりバックラッシ補正値を得ることができるバックラッシ補正装置およびこれを用いて高精度に数値制御を実行することができる数値制御システムを得ることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るバックラッシ補正装置は、数値制御に利用する制御情報を補正するバックラッシ補正装置において、上記制御情報が入力され、この制御情報の増減に基づいて制御方向の反転を検出して反転検出情報を出力する反転検出手段と、上記反転検出情報が入力され、当該反転検出情報が入力される度に反転後の制御方向における最大バックラッシ情報を出力する最大バックラッシ情報生成手段と、上記最大バックラッシ情報が入力され、反転後の経過時間に応じて下記式1と等価なフィルタリング処理を行って当該最大バックラッシ情報をバックラッシ情報として出力するフィルタ手段と、上記バックラッシ情報を上記制御情報に加算して補正制御情報を出力する加算手段とを備えたものである。
{(JL+JM)K・Kf・s+(JL+JM)K}/
{JL・JM・s 2 +(JL+JM)D・s+(JL+JM)K}
・・・式1
但し、JLは制御対象のイナーシャ定数,JMは駆動手段のイナーシャ定数,Kは制御対象と駆動手段との間に介在するバネ要素のバネ定数,Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数,Kfは制御装置の応答遅れを補正する定数、sはラプラス演算子である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
参考例1.
図1はこの発明の参考例1による互いに直交するX−Y−Zの3軸の駆動系にてテーブルと加工工具との相対的な位置関係を数値制御するNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、1は被加工対象物(ワーク)、2は被加工対象物1が固定されるテーブル(制御対象)、3はドリルなどの加工工具(制御対象)、4はサーボモータ(駆動手段)、5はサーボモータ4の回転子に固定されるネジ軸部材5aおよびテーブル2に固定されるとともにネジ軸部材5aが螺合されるネジ受部材5bとからなるX軸用ボールネジ(制御対象)、6はサーボモータ4の回転角度を検出するエンコーダである。
【0020】
7は加工プログラムに従ってX軸方向の目標座標情報をレベル情報として含む位置指令信号(制御情報)を出力する位置指令生成部(制御情報生成手段)であり、8は位置指令信号が入力され、この信号のレベルが増加から減少に転じたら負の大きさ1のステップ信号を出力し、この信号のレベルが減少から増加に転じたら正の大きさ1のステップ信号を出力するモータ反転検出部(反転検出手段,バックラッシ補正装置)であり、9は予め測定した最大バックラッシ誤差量の座標換算値を保持し、これを上記ステップ信号に乗算して当該最大バックラッシ誤差量と同じ大きさを有するステップ信号(最大バックラッシ情報)を出力するバックラッシゲイン補正部(最大バックラッシ情報生成手段,バックラッシ補正装置)であり、10は位置指令信号の増減方向反転後の経過時間に応じたレベル割合にて補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号(バックラッシ情報)として出力する時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)であり、11はこの位置補正信号を位置指令信号に加算して補正位置指令信号(補正制御情報)を出力するバックラッシ加算器(加算手段,バックラッシ補正装置)である。
【0021】
12はこの補正位置指令信号とともにエンコーダ6からのモータ回転角度情報が入力され、モータ回転角度情報に基づいて判別できる現在の座標情報と補正位置指令信号に基づいて判別できる補正された目標座標との座標差に基づいて速度指令情報を生成する位置制御部(制御装置)であり、13はこの速度指令情報とともにエンコーダ6からのモータ回転角度情報が入力され、モータ回転角度情報に基づいて判別できる現在のテーブル2のX軸方向の移動速度情報と上記速度指令情報とが一致するように電流指令情報を出力する速度制御部(制御装置)である。
【0022】
14はモータ反転検出部8からのステップ信号が入力され、サーボモータ4の回転損、X軸用ボールネジ5のすべり摩擦損、テーブル2と図示外のガイドレールとの間のすべり摩擦損などの動摩擦損に相当するロストモーション補正ゲインを上記ステップ信号に乗算し、これをロストモーション補正情報として出力するロストモーション補正部であり、15はこのロストモーション補正情報を電流指令情報に加算して補正電流指令情報を出力するロストモーション加算器であり、16はこの補正電流指令情報に基づいてサーボモータ4に対して駆動電流(制御信号)を出力する電流制御部(制御装置)である。
【0023】
図2はこの発明の参考例1によるバックラッシの一要因を説明する説明図である。図において、2aはテーブル下部に形成され、ネジ受部材5bが嵌挿されるテーブル溝である。そして、例えば、同図(a)のように紙面の右方向に移動している状態から、同図(b)のように紙面の左方向に移動している状態へ駆動方向が反転した場合、ネジ受部材5bがテーブル溝2a内を移動する間はネジ受部材5bが移動しているにも拘わらずテーブル2は停止することとなる。これによりテーブル2とX軸用ボールネジ5との間のガタつきに起因して位置精度が低下し、これがバックラッシの一要因となる。
【0024】
次に動作について説明する。
図3はこの発明の参考例1によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系の制御動作例を示すタイミングチャートである。図において、(a)は位置指令生成部7から出力される位置指令信号、(b)はモータ反転検出部8から出力されるステップ信号、(c)はバックラッシゲイン補正部9から出力されるバックラッシゲイン補正後のステップ信号、(d)は時間依存型フィルタ10から出力される位置補正信号、(e)はバックラッシ加算器11から出力される補正位置指令信号であり、これらの縦軸は信号レベル、横軸は時間である。同図に示すように、位置指令信号のレベルが増加方向から減少方向に変化すると、モータ反転検出部8から負の大きさ1のステップ信号が出力される。そして、このステップ信号はバックラッシゲイン補正部9においてその大きさがバックラッシ誤差量と同等の大きさに変換され、時間依存型フィルタ10において反転後の経過時間に応じたレベル割合にて削減された後、バックラッシ加算器11において位置指令信号とレベル加算されて補正位置指令信号が生成される。
【0025】
そして、位置制御部12においてこの補正位置指令信号に基づいて速度指令情報が生成され、速度制御部13においてこの速度指令情報に基づいて電流指令情報が生成され、ロストモーション加算器15においてこの電流指令情報にロストモーション補正情報が加算され、電流制御部16からサーボモータ4に対して駆動電流が出力され、サーボモータ4がこの駆動電流量に応じた角度だけ回転し、サーボモータ4の回転量に応じた距離だけテーブル2およびそれに固定された被加工対象物1が移動する。
【0026】
なお、以上の説明ではX軸用の駆動系について説明したが、この発明の参考例1によるNC加工システムでは、同様の駆動系がそれぞれY軸およびZ軸にも形成されおり、これら3軸の駆動系を加工プログラムに従って同期動作させることにより、テーブル2に固定された被加工対象物1を加工工具3に対して相対的に任意の方向に移動させ、この被加工対象物1に対する加工工具3の軌跡に基づいて所望の形状に加工することができる。
【0027】
次に真円加工の場合を例に多軸制御と加工精度との関係について説明する。
図4はこの発明の参考例1による位置指令信号(補正位置指令信号)と加工形状との関係を示す説明図である。図において、(a)はX軸方向の位置制御信号のグラフ、(b)はY軸方向の位置制御信号のグラフ、(c)はテーブル2上の加工工具3の軌跡である。また、17,18はそれぞれ送り速度V1の場合のこの発明の参考例1におけるX軸方向あるいはY軸方向の補正位置指令信号、19,20はそれぞれ送り速度V2(>V1)の場合のこの発明の参考例1におけるX軸方向あるいはY軸方向の補正位置指令信号、21は送り速度V1の場合のこの発明の参考例1におけるY軸方向の位置指令信号、22,23はそれぞれ時間依存型フィルタ10による遅延効果が生じている期間、24はX軸方向およびY軸方向においてともに補正位置指令信号を使用し且つ上記送り速度V1あるいはV2で送った場合の加工工具3のテーブル2上の軌跡、25はX軸方向においては補正位置指令信号を使用するとともにY軸方向においては位置指令信号を使用し且つ上記送り速度V1あるいはV2で送った場合の加工工具3のテーブル2上の軌跡、26,27はそれぞれY軸方向のバックラッシ残差、28は真円度に対する誤差(最大誤差)である。
【0028】
そして、同図に示すように、この発明の参考例1では、バックラッシゲイン補正部9と時間依存型フィルタ10との作用によりサーボモータ4の反転後において位置指令信号が滑らかに変化するように補正されているので、バックラッシ残差が殆ど残らないようにすることができ、目標とする軌跡においてテーブル2と加工工具3との相対位置を制御することができる。
【0029】
また、送り速度を変化させたとしても、バックラッシ残差が殆ど発生しないようにすることができ、目標とする軌跡においてテーブル2と加工工具3との相対位置を制御することができる。
【0030】
そして、このような補正をしなかった場合(つまり位置指令信号を使用して制御した場合)においては同図に示すように大きな誤差が生じて真円度が悪かったが、この誤差を効果的に削減して真円度を格段に向上させることができる。
【0031】
以上のように、この参考例1によれば、位置指令信号の増減方向が反転したら正あるいは負の大きさ1のステップ信号を出力するモータ反転検出部8(反転検出手段)と、予め測定した最大バックラッシ誤差量の座標換算値を保持し、これを上記ステップ信号に乗算するバックラッシゲイン補正部9(最大バックラッシ情報生成手段)と、位置指令信号の増減方向反転後の経過時間に応じたレベル割合において補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号(バックラッシ情報)として出力する時間依存型フィルタ10(フィルタ手段)と、位置補正信号を位置指令信号に加算して補正位置指令信号(補正制御情報)を出力するバックラッシ加算器11(加算手段)とを備えているので、制御方向が反転する際には新たな最大バックラッシ情報が生成されるとともに、この反転後の経過時間に応じた割合のバックラッシ情報が制御情報に加算される。
【0032】
従って、反転時には相対的な送り速度の大小に拘わらずモータの回転方向の反転後の経過時間に対して略一定の割合で増加する特性を示すバックラッシ誤差を、このバックラッシ情報で、相対的な送り速度の大小に拘わらず一定レベル以下に削減することができる効果がある。
【0033】
その結果、相対的な送り速度の大小に拘わらず、テーブル2、加工工具3、サーボモータ4などに起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工を行うことができる効果がある。また、送り速度を低下させて高精度に真円加工をすることができる効果がある。
【0034】
参考例2.
図5はこの発明の参考例2によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、29は下記式3の二次遅れ伝達関数と等価なフィルタリング処理を行ってバックラッシゲイン補正部9から出力される補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号として出力する時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)である。これ以外の構成および動作は参考例1と同様であり同一の符号を付して説明を省略する。
【0035】
Y(s)={a0/(b2・s2+b1・s+b0)}X(s)
・・・式3
但し、X(s)は補正後のステップ信号、Y(s)は位置補正信号、a0,b2,b1,b0は定数、sはラプラス演算子である。
【0036】
以上のように、この参考例2によれば、時間依存型フィルタ29が、上記式3の伝達関数と等価なフィルタリング処理を行って位置補正信号を生成するので、数回の乗算処理と加算演算処理とでバックラッシ情報を生成することができる。従って、従来の数値制御システムのように多くの演算を必要とする指数関数演算処理を行うことなく簡易な演算処理(5回の乗算と4回の加算)によりバックラッシ補正値を得ることができ、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができる。その結果、相対的な送り速度の大小に拘わらず、テーブル2、加工工具3、サーボモータ4などに起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができるだけでなく、更に、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮して、位置制御における目標位置更新間隔を短縮して細かい位置間隔毎に目標位置を設定することができるので、参考例1よりも更に低速時に高精度にて加工を行うことができる効果がある。
【0037】
なお、このフィルタリング処理をソフトウェア的に処理する場合には、例えばラプラス演算子sで表現された上記式3をz変換した下記式4に基づくフィルタリング処理を実行すればよい。また、式5はこのフィルタリング処理の一例である。
【0038】
Y(z)=[{4・a0・z2−8・a0・z+4・a0}
/{(b2・T2+2・b1・T+4・b0)z2
+(2・b2・T−8・b0)z
+(b2・T2−2・b1・T+4・b0)}]X(z)
・・・式4
但し、Tは制御系のサンプリングタイムである。
なお、フィルタリング処理における演算は下記式5により実行される。
Y(n)=A0X(n)+A1X(n−1)+A2X(n−2)
−B1Y(n−1)−B2Y(n−2) ・・・式5
【0039】
ここで、Y(n)は今回の演算処理における位置補正信号、Y(n−1)は前回の演算処理における位置補正信号、Y(n−2)は前前回の演算処理における位置補正信号、X(n)は今回の演算処理における補正後のステップ信号、X(n−1)は前回の演算処理における補正後のステップ信号、X(n−2)は前前回の演算処理における補正後のステップ信号、A0=4・a0/(b2・T2+2・b1・T+4・b0),A1=−8・a0/(b2・T2+2・b1・T+4・b0),A2=4・a0/(b2・T2+2・b1・T+4・b0),B1=(2・b2・T−8・b0)/(b2・T2+2・b1・T+4・b0),B2=(b2・T2−2・b1・T+4・b0)/(b2・T2+2・b1・T+4・b0)は、予め計算しておくフィルタ係数である。
【0040】
参考例3.
図6は緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構をモデル化したものをラプラス演算子sを用いて表現したブロック図である。図において、Trはモータ駆動トルク、Tfは動摩擦トルク、wMはモータ回転角速度、wLはテーブル速度をモータ回転角速度に換算した値である。
【0041】
また、JLは駆動軸の設計値あるいは計測値などの制御対象のイナーシャ定数、JMは駆動軸の設計値あるいは計測値などの駆動手段のイナーシャ定数、thはサーボモータ4とテーブル2との間に介在するバネ要素の捩れ角度、Kmはサーボモータ4とテーブル2の間に介在するバネ要素のバネ定数、Dmは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数である。
【0042】
図7はバネ定数Km及び粘性係数Dmと捩れ角度thの関係を示すグラフ図である。捩れ角度thの絶対値が最大バックラッシ誤差量BLより小さい範囲ではバネ定数Kmを小さな値Kとし、thの絶対値がBLより大きい範囲ではKmを大きな値K2とする。また、thの絶対値がBLより小さい範囲では粘性係数Dmを大きな値Dとし、thの絶対値がBLより大きな範囲ではDmを小さな値D2とする。なお、Dはバックラッシ誤差量の時間変化を観測して、バックラッシ補正量の時間変化が前記バックラッシ誤差量の時間変化に近くなるような値に設定する。また、このKは最大バックラッシ誤差量をBLとした場合に下記式6により求まる制御対象と駆動手段との間に介在するバネ要素のバネ定数である。さらにまた、Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性摩擦係数であり、バックラッシ誤差量の時間変化を観測し、バックラッシ補正量の時間変化が前記バックラッシ誤差量の時間変化に近くなる値が設定される。
【0043】
そして、以上のようなモデルにおいては、動摩擦トルクTfの影響を打ち消すためにモータ駆動トルクTrとして−Tfを加えた場合の捩れ角度thは下記式7で表現され、このthがバックラッシ誤差となる。また、最大バックラッシ誤差量BLは下記式8となるので、これら式7および式8よりTfを消去すると、バックラッシ誤差thは下記式9のように変形される。
【0044】
K =Tf/BL ・・・式6
th =[(JL+JM)/{JL・JM・s2+(JL+JM)D・s
+(JL+JM)K}]Tf ・・・式7
BL =Tf/K ・・・式8
th =[(JL+JM)K/{JL・JM・s2
+(JL+JM)D・s+(JL+JM)K}]BL
・・・式9
【0045】
そこで、この参考例3では上記式3に下記式10から式13に示す定数を代入する。これ以外の構成及び動作は参考例2と同様であり説明を省略する。
【0046】
a0 =(JL+JM)K ・・・式10
b2 =JL・JM ・・・式11
b1 =(JL+JM)D ・・・式12
b0 =(JL+JM)K ・・・式13
【0047】
これにより、上記のようにバックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化し、これにより得られる式10から式13の特性値を定数として式3に代入することにより、緩慢な立ち上がりを有するバックラッシを精度よく補正することができる。
【0048】
以上のように、この参考例3によれば、バックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化し、これにより得られる特性値を時間依存型フィルタの式3の定数として用いるので、相対的な送り速度の大小に拘わらず、緩慢な立ち上がりを有するバックラッシを精度よく補正してバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができ、しかも、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工などを行うことができる効果がある。また、送り速度を低下させて高精度に真円加工をすることができる効果がある。
【0049】
実施の形態1.
図8はこの発明の実施の形態1によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、30は下記式14の二次遅れ伝達関数と等価なフィルタリング処理を行ってバックラッシゲイン補正部9から出力される補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号として出力する時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)である。これ以外の構成および動作は参考例1と同様であり同一の符号を付して説明を省略する。
【0050】
Y(s)={a1・s+a0/(b2・s2+b1・s+b0)}X(s)
・・・式14
但し、a1,a0,b2,b1,b0は定数、sはラプラス演算子である。
【0051】
以上のように、この実施の形態1によれば、時間依存型フィルタ30が、上記式14の伝達関数と等価なフィルタリング処理を行って位置補正信号を生成するので、数回の乗算処理と加算演算処理とでバックラッシ情報を生成することができる。従って、従来の数値制御システムのように多くの演算を必要とする指数関数演算処理を行うことなく簡易な演算処理によりバックラッシ補正値を得ることができ、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができる。その結果、相対的な送り速度の大小に拘わらず、テーブル2、加工工具3、サーボモータ4などに起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができるだけでなく、更に、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮して、位置制御における目標位置更新間隔を短縮して細かい位置間隔毎に目標位置を設定することができるので、参考例1よりも更に低速時に高精度にて加工を行うことができる効果がある。
【0052】
なお、このフィルタリング処理をソフトウェア的に処理する場合には、例えばラプラス演算子sで表現された上記式14をz変換した下記式15に基づくフィルタリング処理を実行すればよい。
【0053】
Y(z)=[{(2・a1・T+4・a0)z2−8・a0・z
+(−2・a1・T+4・a0)}
/{b2・T2+2・b1・T+4・b0)z2
+(2・b2・T−8・b0)z
+(b2・T2−2・b1・T+4・b0)}]X(z)
・・・式15
但し、Tは制御系のサンプリングタイムである。
【0054】
実施の形態2.
この実施の形態2では上記式14に下記式16から式20に示す定数を代入する。但し、JLは制御対象のイナーシャ定数,JMは駆動手段のイナーシャ定数,Kは制御対象と駆動手段との間に介在するバネ要素のバネ定数,Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数,Kfは制御装置の応答遅れを補正する定数である。
ここでDは、バックラッシ誤差量の時間変化を観測し、バックラッシ補正量の時間変化が、バックラッシ誤差量の時間変化に近くなる値を設定する。Kfは、バックラッシ補正後の制御対象の運動を観測して、制御対象の運動が制御対象の位置指令に近くなるような値に設定する。
これ以外の構成及び動作は実施の形態1と同様であり説明を省略する。
【0055】
a1 =(JL+JM)K・Kf ・・・式16
a0 =(JL+JM)K ・・・式17
b2 =JL・JM ・・・式18
b1 =(JL+JM)D ・・・式19
b0 =(JL+JM)K ・・・式20
【0056】
なお、上記Kは駆動軸の動摩擦トルクTfと最大バックラッシ誤差量BLを計測すれば下記式21によって定められる。また、数値制御装置の応答遅れは下記式22で近似できる。但し、thMはサーボモータ4の回転角度、Tdは数値制御装置の応答遅れ時定数、thRはサーボモータ4に対する回転角度指令(位置指令)である。
【0057】
K =Tf/BL ・・・式21
thM =1/{(Td・s+1)thR} ・・・式22
【0058】
また、thMを式9におけるバックラッシ誤差thと一致させるためには、位置指令thRを下記の式23で与えられる、数値制御装置の応答遅れを補正したものとする必要がある。
但し、Kf=Tdとする。
その結果、数値制御装置の応答遅れを考慮したバックラッシ補正量は下記式24で表現される。
【0059】
thR =(Kf・s+1)th ・・・式23
thR =[{(JL+JM)K・Kf・s+(JL+JM)K}
/{JL・JM・s2+(JL+JM)D・s
+(JL+JM)K}]BL ・・・式24
【0060】
これにより、上記のようにバックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化するとともに、制御装置の応答遅れをも考慮して得られる式16から式20の特性値を定数として式14に代入するので、制御装置の応答遅れをも含めて緩慢な立ち上がりを有するバックラッシを精度よく補正することができる。
【0061】
以上のように、この実施の形態2によれば、バックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化するとともに、制御装置の応答遅れをも考慮して得られる式16から式20の特性値を定数として式14に代入するので、相対的な送り速度の大小に拘わらず、制御対象および駆動手段に起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができ、しかも、制御装置の応答遅れに起因するバックラッシ誤差をも一定レベル以下に削減することができ、更に、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工などを行うことができる効果がある。
また、送り速度を低下させて高精度に真円加工をすることができる効果がある。
【0062】
参考例4.
図9はこの発明の参考例4によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、31は下記式25の一次遅れ伝達関数と等価なフィルタリング処理を行ってバックラッシゲイン補正部9から出力される補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号として出力する時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)である。これ以外の構成および動作は参考例1と同様であり同一の符号を付して説明を省略する。
【0063】
Y(s)={a0/(b1・s+b0)}X(s) ・・・式25
但し、a0,b1,b0は定数、sはラプラス演算子である。
【0064】
以上のように、この参考例4によれば、時間依存型フィルタ31が、上記式25の伝達関数と等価なフィルタリング処理を行って位置補正信号を生成するので、数回の乗算処理と加算演算処理とでバックラッシ情報を生成することができる。従って、従来の数値制御システムのように多くの演算を必要とする指数関数演算処理を行うことなく簡易な演算処理によりバックラッシ補正値を得ることができ、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができる。その結果、相対的な送り速度の大小に拘わらず、テーブル2、加工工具3、サーボモータ4などに起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができるだけでなく、更に、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮して、位置制御における目標位置更新間隔を短縮して細かい位置間隔毎に目標位置を設定することができるので、高精度に加工を行うことができる効果がある。
【0065】
なお、このフィルタリング処理をソフトウェア的に処理する場合には、例えばラプラス演算子sで表現された上記式25をz変換した下記式26に基づくフィルタリング処理を実行すればよい。
【0066】
Y(z)=[(a0・T・z+a0・T)
/{(2・b1+b0・T)z
+(−2・b1+b0・T)}]X(z) ・・・式26
但し、Tは制御系のサンプリングタイムである。
【0067】
参考例5. 図10は緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構とフィードバック制御系をモデル化したものをラプラス演算子sを用いて表現したブロック図である。図において、thRは回転角度指令(位置指令)、dthはバックラッシ補正値、Trはトルク指令、Tfは動摩擦トルク、fcは摩擦補正トルクであり、wMはモータ回転角速度、thMはモータ回転角度、thLはテーブル位置をモータ回転角度に換算した値である。なお、摩擦補正トルクfcは動摩擦トルクTfの影響を打ち消すために、動摩擦トルクTfと同じ大きさで逆符号の値(fc=−Tf)を与えるものとする。
【0068】
また、JLは制御対象のイナーシャ定数、JMは駆動手段のイナーシャ定数、Kはサーボモータ4とテーブル2との間に介在するバネ要素のバネ定数、Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数、KPは位置制御部12に含まれる位置比例ゲイン、KVは速度制御部13に含まれる速度比例ゲイン、KIは速度制御部13に含まれる速度積分ゲインである。電流制御部16は応答が十分高速であるとみなして省略してある。
【0069】
そして、以上のようなモデルにおいては、回転角度指令thR、バックラッシ補正量dth、動摩擦トルクTfからテーブル位置thLは下記式27で表現される。
【0070】
thL={KP・V(D・s+K)(thR+dth)
+(JM・s2+V・s+KP・V)Tf}
/(A・s2+B・V・s+B・KP・V) ・・・式27
但し、V=KV(1+1/s),A=JL・JM・s2+(JL+JM)D・s+(JL+JM)K,B=JL・s2+D・s+Kである。
【0071】
テーブル位置thLに対する動摩擦トルクTfの影響が打ち消されるようなバックラッシ補正量dthは下記式28で計算される。
【0072】
dth=−(JM・s2+V・s+KP・V)Tf
/{(D・s+K)KP・V} ・・・式28
【0073】
ここで位置比例ゲインが十分大きく(KP→∞),位置制御部12の応答がバックラッシ誤差量の時間変化に比べて十分早いとみなすと上記式28は下記式29に変形される。また、最大バックラッシ誤差BLは下記式30となるので、これら式29および式30よりTfを消去すると、バックラッシ補正量dthは下記式31のように変形される。
【0074】
dth=−Tf/(D・s+K) ・・・式29
K=Tf/BL ・・・式30
dth=−{K/(D・s+K)}BL ・・・式31
【0075】
そこで、この参考例5では上記式25に下記式32から式34に示す定数を代入する。これ以外の構成及び動作は参考例4と同様であり説明を省略する。
【0076】
a0=K ・・・式32
b1=D ・・・式33
b0=K ・・・式34
【0077】
これにより、上記のようにバックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化するとともに、フィードバック制御系の特性をも考慮して得られる式32から式34の特性値を定数として式25に代入することにより、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを精度良く補正することができる。
【0078】
以上のように、この参考例5によれば、バックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構およびフィードバック制御系の特性をモデル化し、これにより得られる特性値を時間依存型フィルタの式25の定数として用いるので、相対的な送り速度の大小に拘わらず、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができ、しかも、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工などを行うことができる効果がある。
【0079】
参考例6.
図11はこの発明の参考例6によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、32は下記式35の二次遅れ伝達関数と等価なフィルタリング処理を行ってバックラッシゲイン補正部9から出力される補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号として出力する時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)である。これ以外の構成および動作は参考例1と同様であり同一の符号を付して説明を省略する。
【0080】
Y(s)={(a2・s2+a1・s+a0)
/(b2・s2+b1・s+b0)}X(s) ・・・式35
但し、a2,a1,a0,b2,b1,b0は定数、sはラプラス演算子である。
【0081】
以上のように、この参考例6によれば、時間依存型フィルタ32が、上記式35の伝達関数と等価なフィルタリング処理を行って位置補正信号を生成するので、数回の乗算処理と加算演算処理とでバックラッシ情報を生成することができる。従って、従来の数値制御システムのように多くの演算を必要とする指数関数演算処理を行うことなく簡易な演算処理によりバックラッシ補正値を得ることができ、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができる。その結果、相対的な送り速度の大小に拘わらず、テーブル2、加工工具3、サーボモータ4などに起因するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができるだけでなく、更に、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮して、位置制御における目標位置更新間隔を短縮して細かい位置間隔毎に目標位置を設定することができるので、高精度に加工を行うことができる効果がある。
【0082】
なお、このフィルタリング処理をソフトウェア的に処理する場合には、例えばラプラス演算子sで表現された上記式35をz変換した下記式36に基づくフィルタリング処理を実行すればよい。
【0083】
Y(z)=[{(4・a2+2・a1・T+a0・T2)z2
+(−8・a2+2・a0・T2)z
+(4・a2−2・a1・T+a0・T2)}
/{(4・b2+2・b1・T+b0・T2)z2
+(−8・b2+2・b0・T2)z
+(4・b2−2・b1・T+b0・T2)}]X(z)
・・・式36
但し、Tは制御系のサンプリングタイムである。
【0084】
参考例7.
この参考例7では上記式35に下記式37から式42に示す定数を代入する。但し、Kは制御対象と駆動手段との間に介在するバネ要素のバネ定数、Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数、KPは位置制御部に含まれる位置比例ゲイン、KIは速度制御部に含まれる速度積分ゲインである。
ここでDは、バックラッシ誤差量の時間変化を観測し、バックラッシ補正量の時間変化が、バックラッシ誤差量の時間変化に近くなる値を設定する。
これ以外の構成及び動作は参考例6と同様であり説明を省略する。
【0085】
a2=K ・・・式37
a1=K(KP+KI) ・・・式38
a0=K・KP・KI ・・・式39
b2=D・KP ・・・式40
b1=KP(D・KI+K) ・・・式41
b0=K・KP・KI ・・・式42
【0086】
なお、上記Kは駆動軸の動摩擦トルクTfと最大バックラッシ誤差量BLを計測すれば下記式43によって定められる。また、前記図11に示す緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構とフィードバック制御系をモデル化したものにおいて、テーブル位置thLに対する動摩擦トルクTfの影響が打ち消されるようなバックラッシ補正量dthは下記式44で計算される。但し、JMは駆動手段のイナーシャ定数、V=KV(1+KI/s)、KVは速度制御部13に含まれる速度比例ゲインである。ここで、動摩擦Tfはステップ状に変化するため微分不可能であることより、式44の分子に含まれるs3の項を省略すると、数値制御装置の応答遅れを考慮したバックラッシ補正量は下記式45で表現される。
【0087】
K=Tf/BL ・・・式43
dth=−(JM・s2・s+KP・V)Tf/{(D・s+K)KP・V}
=−{JM・s3+KV・s2+KV(KP+KI)s
+KP・KV・KI}・K・BL
/[KP・KV{D・s2+(D・KI+K)s
+K・KI}] ・・・式44
dth=―[{K・s2+K(KP+KI)s+K・KP・KI}
/{KP・D・s2+KP(D・KI+K)s
+K・KP・KI}]BL ・・・式45
【0088】
これにより、上記のようにバックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化するとともに、フィードバック制御系の特性をも考慮して得られる式37から式42の特性値を定数として式35に代入することにより、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを精度良く補正することができる。
【0089】
以上のように、この参考例7によれば、バックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構およびフィードバック制御系の特性をモデル化するとともに、制御装置の応答遅れをも考慮して得られる特性値を時間依存型フィルタの式35の定数として用いるので、相対的な送り速度の大小に拘わらず、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができ、しかも、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工などを行うことができる効果がある。
【0090】
参考例8.
図12は緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構と参考例5とは別構成のフィードバック制御系をモデル化したものをラプラス演算子sを用いて表現したブロック図である。図において、thRは回転角度指令(位置指令)、dthはバックラッシ補正値、Trはトルク指令、Tfは動摩擦トルク、fcは摩擦補正トルクであり、wMはモータ回転角速度、thMはモータ回転角度、thLはテーブル位置をモータ回転角度に換算した値である。摩擦補正トルクfcは動摩擦トルクTfの影響を打ち消すために、動摩擦トルクTfと同じ大きさで逆符号の値(fc=−Tf)を与える。
【0091】
また、JLは制御対象のイナーシャ定数、JMは駆動手段のイナーシャ定数、Kはサーボモータ4とテーブル2との間に介在するバネ要素のバネ定数、Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数、Kiは位置制御部12に含まれる位置積分ゲイン、Kpは速度制御部13に含まれる速度比例ゲイン、Kdは速度制御部13に含まれる微分ゲインである。電流制御部16は応答が十分高速であるとみなして省略してある。
【0092】
そして、以上のようなモデルにおいては、回転角度指令thR、バックラッシ補正量dth、動摩擦トルクTfからテーブル位置thLは下記式46で表現される。
【0093】
thL={P・Kp(D・s+K)(thR+dth)
+(JM・s2+Kp・Kd・s+P・Kp)Tf}
/(A・s2+B・Kp・Kd・s+B・P・Kp)・・・式46
但し、P=(1+Ki/s),A=JL・JM・s2+(JL+JM)D・s+(JL+JM)K,B=JL・s2+D・s+Kである。
【0094】
テーブル位置thLに対する動摩擦トルクTfの影響が打ち消されるようなバックラッシ補正量dthは下記式47で計算される。
【0095】
dth=−(JM・s3+Kp・Kd・s2+Kp・s+Kp・Ki)Tf
/{Kp・D・s2+Kp(D・Ki+K)s+K・Kp・Ki}
・・・式47
【0096】
ここで,動摩擦Tfはステップ状に変化するため微分不可能であることより、上記式47の分子のs3の項を省略すると、上記式47は下記式48に変形される。また、最大バックラッシ誤差BLは下記式49となるので、これら式48および式49よりTfを消去すると、バックラッシ補正量dthは下記式50のように変形される。
【0097】
dth=−(Kd・s2+s+Ki)Tf
/{D・s2+(D・Ki+K)s+K・Ki} ・・・式48
K=Tf/BL ・・・式49
dth=−[(K・Kd・s2+K・s+K・Ki)
/{D・s2+(D・Ki+K)s+K・Ki}]BL
・・・式50
【0098】 そこで、この参考例8では上記式35に下記式51から式56に示す定数を代入する。これ以外の構成及び動作は参考例6と同様であり説明を省略する。
【0099】
a2=K・Kd ・・・式51
a1=K ・・・式52
a0=K・Ki ・・・式53
b2=D ・・・式54
b1=D・Ki+K ・・・式55
b0=K・Ki ・・・式56
【0100】
これにより、上記のようにバックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化するとともに、フィードバック制御系の特性をも考慮して得られる式51から式56の特性値を定数として式35に代入することにより、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを精度良く補正することができる。
【0101】
以上のように、この参考例8によれば、バックラッシの要因を最大捩り角度に制限のある捩り剛性の小さな捩りバネと仮定して、前記バネの変位に対して大きな粘性摩擦が作用するモデルを用いて緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構の特性をモデル化し、これにより得られる特性値を時間依存型フィルタの式35の定数として用いるので、相対的な送り速度の大小に拘わらず、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシ誤差を一定レベル以下に削減することができ、しかも、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができるので、従来では期待することができなかった高い精度にて加工などを行うことができる効果がある。
【0102】
参考例9.
図13はこの発明の参考例9によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。図において、33は位置指令生成部7から出力される目標送り速度情報の信号線、34はフィルタリング処理に係る伝達関数において異なる定数の組み合せとなる複数の伝達関数型フィルタを備え、上記目標送り速度に応じてこの複数の伝達関数型フィルタのうちから1つを選択し、この選択した伝達関数型フィルタを用いてフィルタリング処理を行う送り速度適応型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)である。
【0103】
なお、ここでは送り速度の違いに応じて摩擦現象が変化してこれによりKmとDmとが変化してしまう場合を想定して、上記複数の伝達関数型フィルタの定数を設定しており、例えば「50mm/min,300〜2000mm/min,5000mm/min」のそれぞれに対応した伝達関数型フィルタを設けている。これ以外の構成は参考例1と同様であり同一の符号を付して説明を省略する。
【0104】
次に動作について説明する。
加工プログラムに従って位置指令生成部7が位置指令信号とともに目標送り速度情報を出力すると、送り速度適応型フィルタ34はその目標送り速度に示された速度の大きさに基づいてその速度を含む速度範囲に対応づけられた伝達関数型フィルタを選択し、この送り速度適応型フィルタ34を用いてバックラッシゲイン補正部から出力される補正後のステップ信号の大きさを削減し、これを位置補正信号として出力する。これ以外の動作は参考例1と同様であり説明を省略する。
【0105】
以上のように、この参考例9によれば、送り速度適応型フィルタ34が、伝達関数において異なる定数の組み合せとなる複数の伝達関数型フィルタを備え、目標送り速度に応じてこの複数の伝達関数型フィルタのうちから1つを選択し、この選択した伝達関数型フィルタを用いてフィルタリング処理を行うので、各送り速度範囲毎にバックラッシ誤差との誤差が少なくなるようなバックラッシ情報を加算させることができ、バックラッシ誤差の削減効果を使用する速度範囲全体に渡って向上させることができる効果がある。また、送り速度を低下させて高精度に真円加工をすることができる効果がある。
【0106】
なお、この参考例9では参考例1の構成を前提として説明をしたが、参考例2から参考例8の構成を前提としても同様の効果を奏する。
【0107】
ところで、これら実施の形態のフィルタリング処理同士を比較した場合、上記参考例2および3では、サーボモータ4とX軸用ボールネジ5とを用いた直動駆動手段におけるバックラッシ誤差を好適に補正することができる。そして、上記実施の形態1および2では、更に制御装置(サーボ制御系)における応答遅れをも好適に補正することができる。また、上記参考例4および5では、制御装置の応答遅れが駆動手段の応答遅れに比べて十分に小さい場合にはバックラッシ誤差を好適に補正することができ、参考例6から8では、制御装置(サーボ制御系)が速度制御ループと位置制御ループとからなるとともにそのサーボ制御系において応答遅れが発生したとしてもバックラッシ誤差を好適に補正することができるといった効果がある。
【0108】
また、上記参考例7と8とを比較した場合、参考例7による補正では速度制御部内に積分要素を含む制御装置(サーボ制御系)に対して制御装置の応答遅れに影響されることなくバックラッシ誤差を好適に補正することができ、逆に参考例8による補正では位置制御部内に積分要素を含む制御装置(サーボ制御系)に対して制御装置の応答遅れに影響されることなくバックラッシ誤差を好適に補正することができる効果がある。
【0109】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、数値制御に利用する制御情報を補正するバックラッシ補正装置において、上記制御情報が入力され、この制御情報の増減に基づいて制御方向の反転を検出して反転検出情報を出力する反転検出手段と、上記反転検出情報が入力され、当該反転検出情報が入力される度に反転後の制御方向における最大バックラッシ情報を出力する最大バックラッシ情報生成手段と、上記最大バックラッシ情報が入力され、反転後の経過時間に応じた割合で当該最大バックラッシ情報をバックラッシ情報として出力するフィルタ手段と、上記バックラッシ情報を上記制御情報に加算して補正制御情報を出力する加算手段とを備えるので、制御方向が反転する際には新たな最大バックラッシ情報が生成されるとともに、この反転後の経過時間に応じた割合のバックラッシ情報が制御情報に加算される。従って、反転時には相対的な送り速度の大小に拘わらず反転後の経過時間に対して略一定の割合で増加する特性を示すバックラッシ誤差を、このバックラッシ情報で、相対的な送り速度の大小に拘わらず一定レベル以下に削減することができる効果がある。
【0110】
そして、このようなフィルタ手段によるフィルタリング処理としては、例えば上記式1の伝達関数と等価なフィルタリング処理などであればよい。特に、これらの式と等価なフィルタリング処理であれば、単にこのフィルタリング処理によって最大バックラッシ情報からバックラッシ情報を生成することができるだけでなく、数回の乗算処理と加算演算処理のみでバックラッシ情報を生成することができる。従って、従来の数値制御システムのように多くの演算を必要とする指数関数演算処理を行うことなく簡易な演算処理によりバックラッシ補正値を得ることができ、新たなバックラッシ補正値を得るための演算処理時間を格段に短縮することができ、ひいては加工精度を格段に向上させる効果がある。
【0111】
そして、上記式1の伝達関数に基づくフィルタリング処理に対応するものとしては例えば上記式2がある。
【0112】
ところで、これら具体例のフィルタリング処理同士を比較した場合、上記式1および式2では、更に制御装置(サーボ制御系)における応答遅れをも好適に補正することができるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の参考例1による互いに直交するX−Y−Zの3軸の駆動系にてテーブルと加工工具との相対的な位置関係を数値制御するNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図2】 この発明の参考例1によるバックラッシの一要因を説明する説明図である。
【図3】 この発明の参考例1によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系の制御動作例を示すタイミングチャートである。
【図4】 この発明の参考例1による位置指令信号(補正位置指令信号)と加工形状との関係を示す説明図である。
【図5】 この発明の参考例2によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図6】 この発明の参考例3において、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構をモデル化したものをラプラス演算子を用いて表現したブロック図である。
【図7】 この発明の参考例3において、バネ定数及び粘性係数と捩れ角度の関係を示すグラフ図である。
【図8】 この発明の実施の形態1によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図9】 この発明の参考例4によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図10】 この発明の参考例5において、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構とフィードバック制御系をモデル化したものをラプラス演算子を用いて表現したブロック図である。
【図11】 この発明の参考例6によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図12】 この発明の参考例8において、緩慢な立ち上がり特性を有するバックラッシを持つ駆動機構と参考例5とは別構成のフィードバック制御系をモデル化したものをラプラス演算子sを用いて表現したブロック図である。
【図13】 この発明の参考例9によるNC加工システムの1軸(X軸)分の駆動系のみの構成を示すブロック図である。
【図14】 従来の数値制御システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 被加工対象物(ワーク)、2 テーブル(制御対象)、3 加工工具(制御対象)、4 サーボモータ(駆動手段)、5 X軸用ボールネジ(制御対象)、5a ネジ軸部材、5b ネジ受部材、6 エンコーダ、7 位置指令生成部(制御情報生成手段)、8 モータ反転検出部(反転検出手段,バックラッシ補正装置)、9 バックラッシゲイン補正部(最大バックラッシ情報生成手段,バックラッシ補正装置)、10 時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)、11 バックラッシ加算器(加算手段,バックラッシ補正装置)、12 位置制御部(制御装置)、13 速度制御部(制御装置)、14 ロストモーション補正部、15 ロストモーション加算器、16 電流制御部(制御装置)、17 送り速度V1の場合のX軸方向補正位置指令信号、18 送り速度V1の場合のY軸方向の補正位置指令信号、19 送り速度V2(>V1)の場合のX軸方向補正位置指令信号、20 送り速度V2(>V1)の場合のY軸方向の補正位置指令信号、21 Y軸方向の位置指令信号、22,23 遅延効果が生じている期間、24 補正位置指令信号を使用した場合の加工工具のテーブル上の軌跡、25 Y軸方向においては位置指令信号を使用した場合の加工工具のテーブル上の軌跡、26,27 Y軸方向のバックラッシ残差、28 真円度に対する誤差(最大誤差)、29 時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)、30 時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)、31 時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)、32 時間依存型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)、34 送り速度適応型フィルタ(フィルタ手段,バックラッシ補正装置)。
Claims (1)
- 数値制御に利用する制御情報を補正するバックラッシ補正装置において、
上記制御情報が入力され、この制御情報の増減に基づいて制御方向の反転を検出して反転検出情報を出力する反転検出手段と、
上記反転検出情報が入力され、当該反転検出情報が入力される度に反転後の制御方向における最大バックラッシ情報を出力する最大バックラッシ情報生成手段と、
上記最大バックラッシ情報が入力され、反転後の経過時間に応じて下記式1と等価なフィルタリング処理を行って当該最大バックラッシ情報をバックラッシ情報として出力するフィルタ手段と、
上記バックラッシ情報を上記制御情報に加算して補正制御情報を出力する加算手段とを備えたことを特徴とするバックラッシ補正装置。
{(JL+JM)K・Kf・s+(JL+JM)K}/
{JL・JM・s 2 +(JL+JM)D・s+(JL+JM)K}
・・・式1
但し、JLは制御対象のイナーシャ定数,JMは駆動手段のイナーシャ定数,Kは制御対象と駆動手段との間に介在するバネ要素のバネ定数,Dは前記バネ要素に作用する粘性摩擦の粘性係数,Kfは制御装置の応答遅れを補正する定数、sはラプラス演算子である。
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