JP4256353B2 - サーボ制御装置及びサーボ系の調整方法 - Google Patents

Description

本発明はＮＣ (Numerical Control) 装置に関し、特にサーボ系の制御精度の調整装置及びその調整方法に関するものである。

従来からＮＣ工作機械等の複数の軸を有する機械では、直交する直線二軸に対して円弧指令を与え、直線二軸の位置フィードバックデータを二次元平面上に描画し、その軌跡の形状を評価基準としてサーボ系の調整が行われていた（特許文献１及び特許文献２参照）。

図１には、ＮＣ装置の一構成例を図式的に示しており、ここでは従来からの直交二軸によるサーボ系の調整を行う。
図１において、ＮＣ装置１は、Ｘ軸駆動用のサーボモータ２とＹ軸駆動用のサーボモータ３を制御して、各軸の先端に取り付けられた作業台４の位置をＸ−Ｙ平面内で自在に移動させることができる。

本例では、ＮＣ装置１の制御部１１が、作業台４のＸ軸方向の位置を制御するＸ軸駆動部１２に円弧指令を与え、Ｙ軸方向の位置を制御するＹ軸駆動部１３には前記円弧指令と位相が９０°ずれた円弧指令を与える。

制御部１１は、ここではサーボモータ２及び３や作業台４から与えられる位置フィードバック情報を、正規化した極座標（ｘ＝ｓｉｎθ、ｙ＝ｃｏｓθ、０＜θ＜２π）に変換して作業台４の実際の移動位置を計算する。この場合、作業台４は単位円（ｘ²＋ｙ²＝１）上に沿って移動する。制御部１１は、サーボ系調整の評価基準値である指令円弧（単位円）と重ねて、作業台４の実際の移動位置を、パーソナルコンピュータ等を用いるモニタ５の画面上に表示する。

図２は、図１のモニタ画面の一例を示した図である。ここには、指令円弧による評価基準値と、その指令円弧によって作業台４が実際に移動して得られた位置フィードバック情報とが重ねて描かれている。図２から、サーボ系の誤差は、主に速度極性が切り替わる前後の非線形性（摩擦）に起因した象限突起２１〜２４によって生じることが分る。この象限突起２１〜２４は直交する二軸（Ｘ−Ｙ軸）に対して円弧指令を与えた場合の形状誤差として現れる。

オペレータ（調整者）は、モニタ５に表示されたこの描画軌跡を見ながら、象限突起２１〜２４をゼロ（指令円弧）に近づけるようにサーボ系の調整を行う。これにより、オペレータは、実際にワーク加工を行うことなく工作機械の加工精度を簡易に評価することが可能であった。

特開平４−１７７４０８号公報 特開２００２−１２０１２８号公報

ところで、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸の調整を行う場合でも、上記と同様に速度極性が切り替わる前後で形状誤差が発生する。しかしながら、この場合には、直交二軸の場合のように簡易に円弧を描画させることのできる隣接軸が存在しないため、サーボ軸の調整を行う際の視覚的な評価基準が存在せず、視認による簡易なサーボ調整ができないという問題があった。

そのため、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系調整時には、実際にワーク加工を行って工作機械の加工精度を評価する等の手法等が用いられていた。これにより、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸の調整作業効率は著しく低下し、且つその調整コストが大幅に上昇するという問題があった。

そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系の調整においても、従来の直交二軸の場合と同様に視覚的手法によるサーボ系の調整を可能とするサーボ系の調整方法を提供することにある。

本発明によれば、周期性を有する位置指令を指示する指令手段と、前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データの履歴を記録する手段と、前記位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの位置データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画する第１の描画手段と、を有する制御装置が提供される。

前記制御装置は、さらに前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、前記直交二軸のそれぞれの位置データとして、前記二次元平面上に重ねて描画する第２の描画手段を有し、そして前記第２の描画手段によって描画された形状を評価基準として、前記第１の描画手段によって描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行う調整手段を有する。

又本発明によれば、周期性を有する位置指令を指示すること、前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの位置データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画すること、前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、前記直交二軸のそれぞれの位置データとして、前記二次元平面上に重ねて描画すること、前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状を評価基準として、前記位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行うこと、から成ることを特徴とするサーボ系の調整方法が提供される。

本発明によれば、周期性を有する移動指令として正弦波状の円弧指令をサーボ系に与え、これによる位置フィードバックデータとその１／４周期前若しくは１／４周期後のデータ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、Ｘ軸及びＹ軸の各々の位置データに変換して二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）上に描画する。これにより、直交二軸に対する円弧指令によって得られる位置フィードバックデータの軌跡を描くのと同様の処理となり、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸に対しても従来と同様の視覚的手法によるサーボ系の調整が可能となる。

その結果、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系でも、実際にワーク加工を行わずに工作機械の加工精度の評価が可能となり、調整作業の効率化や調整コストの低減が達成される。

図３は、本発明の基本構成の一例を図式的に示したものである。
図３では、ＮＣ装置の制御軸指令部３１にサーボ系３２の調整のための円弧指令が与えられる。これにより、制御軸指令部３１は指定された円弧の位置信号を円弧の一定周期で繰り返しサーボ系３２に出力する。サーボ系３２の減算器３５は、制御軸指令部３１による位置信号からモータ等を含む位置移動手段３４からの位置フィードバック信号を減算して、その差分信号を次段の位置ループ処理部３３に出力する。

位置ループ処理部３３では、入力された差分信号をゼロにするように次段の位置移動手段３４を駆動する。サーボ系３２では、このようにして円弧指令により指定された移動位置と位置移動手段３４により実際に移動する位置とが一致するように制御される。

一方、１／４周期の時間遅延部３７からは、円弧指令で指定された円の１／４周期遅れ（９０°の位相遅れ）の位置フィードバック信号が出力される。円弧指令に同期する位置フィードバック信号をｓｉｎθの関数で表すと、その９０°位相遅れの位置フィードバック信号はｃｏｓθ（＝ｓｉｎ（θ−π／２））の関数で表される。

ここで、位置フィードバック信号をｘ（＝ｓｉｎθ）そして９０°位相遅れの位置フィードバック信号をｙ＝（ｃｏｓ）θとおこくことで、従来例の図２で説明したようにｘ²＋ｙ²＝１となる。これを二次元描画手段３８の二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）上に描画すると単位円となる。これから容易に類推できるように、正弦波状指令に対する位置フィードバックデータとその１／４周期遅れのデータとを二次元座標上に描画することは、一つの直線軸（Ｘ軸）に対する円弧指令と、それに直交する軸（Ｙ軸）に対して位相が９０°遅延した同一のサーボ特性を有する円弧指令を与え、その位置フィードバックデータの軌跡を描画するのと等価となる（図１参照）。

図４は、図３の二次元描画手段３８が表示するフィードバック信号の一例を示したものである。図４の（ａ）には、一つの直線軸（Ｘ軸）に対する円弧指令によって描かれた位置フィードバック信号（ｘ）の一例を示している。また、図４の（ｂ）には、図４の（ａ）の位置フィードバック信号（ｘ）を、本発明により変換して二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）上に描いた位置フィードバック信号（ｘ、ｙ）の一例を示している。

図４から明らかなように、図４の（ａ）の一次元表示では、フィードバック信号（ｘ）が円弧指令の円弧に正しく沿って移動しているのかが判断できず、また円弧部分と象限突起４１及び４３の部分の区別もつかない。一方、図４の（ｂ）の二次元表示では、フィードバック信号（ｘ、ｙ）が円弧指令の円弧に沿って移動していることが容易に判断でき、また円弧と象限突起４１及び４３との区別も明瞭である。

従って、隣接する直交軸を持たない直線軸や回転軸等の単独制御軸のサーボ系の調整においても、従来と同様の視覚的手法を用いた調整が可能となる。なお、本発明によれば、象限突起４１と４２、そして象限突起４３と４４はそれぞれ同じ形状となる。

図５は、本発明の第１の実施例を示したものである。
図５において、ＣＰＵ回路で構成された制御部５０は、動作中はＲＡＭ上に配置されるパラメータテーブル５１を参照し、一方向の円弧指令（ｘ＝ｓｉｎθ）の位置データに対応するサーボモータ５４の移動速度／電流値データ等を求め、それをＸ軸駆動部５３に与える。これにより、サーボモータ５４が駆動されると、サーボモータ５４内部のパルスコーダ（図示せず）や作業台５５に取り付けられたリニアスケール（図示せず）等から出力される駆動回転数／角度や移動位置等の位置データが制御部５０にフィードバックされる。

制御部５０は、受信した位置フィードバックデータと自身がＸ軸駆動部５３に与えた位置データとを比較して、それらの差分がゼロになるようにその値をＸ軸駆動部５３へ負帰還する。本発明では、制御部５０がさらに受信した位置フィードバックデータをＸ軸位置データ（ｘ＝αｓｉｎθ、α＝１＋Δ（θ））に変換する。

一方、パルスコーダやリニアスケール等から出力された位置データはＦＩＦＯメモリ等で構成された１／４遅延メモリ５２にも入力される。その入力データは円弧指令の１／４周期経過後（９０°位相遅れ後）に出力される。本発明では、制御部５０がさらにその受信データを仮想的なＹ軸位置データ（ｙ＝βｃｏｓθ、β＝１＋Δ（θ−π／２））に変換する。なお、９０°の位相進みデータをＹ軸位置データとすることもできる。

制御部５０は、受信したＸ軸位置データとＹ軸位置データを、ＲＳ２３２ＣやＵＳＢ等のシリアルインタフェースを介してパーソナルコンピュータ等で構成されたモニタ端末５６へ出力する。モニタ端末５６は、それを図４の（ｂ）に示すような二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）上に表示する。なお、Ｘ軸位置データ及びＹ軸位置データの演算とそのモニタ表示を全てモニタ端末５６の側で実行させるようにしてもよい。

オペレータは、二次元の位置データを見ながら、象限突起４１〜４４のレベルが所定の許容値以下となるようにパラメータテーブル５１の各位置に対応する速度／電流等のパラメータ値を書き換える。この書き換えは、モニタ端末５６から前記シリアルインタフェースを介して制御部５０へ指示され、その指示を受けた制御部５０がパラメータテーブル５１のパラメータ値を更新する。

図６は、本発明による基本構成の別の例を図式的に示したものである。また、図７には図６の二次元描画手段３８が表示するフィードバック信号の一例を示している。
図６と図３との相違は、図３ではサーボ系の位置フィードバック信号が１／４周期の時間遅延部３７へ入力されているのに対して、図６では制御軸指令部３１から出力された円弧の位置信号が１／４周期の時間遅延部３７へ直接入力されている点である。その結果、本例ではＸ軸方向の円弧指令による位置データがそのまま９０度遅延したＹ軸方向の位置データに変換される。

これにより、本例では図３に示すＹ軸方向の象限突起４２及び４４（位置フィードバック信号の象限突起４１及び４３を９０度回転させた仮想の象限突起）は現れず（図７参照）、一方向（Ｘ軸方向）のサーボ調整とそのモニタ画面の表示内容とが一致する。そのため、オペレータは実際の調整作業と合致した視認による一軸調整を行うことができる。

図８は、本発明の第２の実施例を示したものである。
本例では、ＮＣ装置内の制御部５０を構成するＣＰＵの内部メモリ６０を利用してパラメータテーブル６１、指令データ格納領域６２、そして位置データ格納領域６３が設けられる。ここで、パラメータテーブル６１は図５のパラメータテーブルと対応する。本例では、Ｘ軸指令部３１が出力する円弧指令データが指令データ格納領域６２に順次格納され、それに対応するサーボ系からの位置フィードバックデータが位置データ格納領域６３に順次格納される。

制御部５０は、位置データ格納領域６３からの位置フィードバックデータをＸ軸位置データ（ｘ＝αｓｉｎθ、α＝１＋Δ（θ））に変換し、そして指令データ格納領域６２からはそれと位相が９０度前後する円弧指令データを求めて仮想的なＹ軸位置データ（ｙ＝ｃｏｓθ）に変換する。制御部５０は、次に変換後の位置データ（ｘ，ｙ）をＲＳ２３２ＣやＵＳＢ等のシリアルインタフェースを介してパーソナルコンピュータ等で構成されたモニタ端末５６へ出力する。モニタ端末５６は、それを図７の一例で示すような二次元平面（Ｘ−Ｙ平面）の画像として表示する。なお、Ｘ軸位置データ及びＹ軸位置データの変換をモニタ端末５６の側で実行させるようにしてもよい。

オペレータは、二次元の位置データを見ながら、象限突起４１及び４３のレベルが所定の許容値以下となるようにパラメータテーブル６１の各位置に対応する速度／電流等のパラメータ値を書き換える。この書き換えは、モニタ端末５６から前記シリアルインタフェースを介して制御部５０へ指示され、その指示を受けた制御部５０がパラメータテーブル６１のパラメータ値を更新する。

このように、本発明では、単一の制御軸およびそれに直行する仮想軸のフィードバック軌跡を二次元平面上に描画することで、従来は直交二軸に対して行っていた視覚的なサーボ調整が単一の制御軸に対しても行うことが可能となる。なお、本実施例では単一の直線軸の例を挙げたが、制御軸が回転軸の場合にも同様にして、視覚的なサーボ調整を行うことができる。

直交二軸による調整が可能なシステム構成の一例を示した図である。 図１のモニタ画面の一例を示した図である。 本発明の基本構成の一例を図式的に示した図である。 図３の二次元描画手段の表示例を示した図である。 本発明の第１の実施例を示した図である。 本発明の基本構成の別の例を図式的に示した図である。 図６の二次元描画手段の表示例を示した図である。 本発明の第２の実施例を示した図である。

符号の説明

１ ＮＣ装置
１１、５０ 制御部
１２、５３ Ｘ軸駆動部
１３ Ｙ軸駆動部
２、３、５４ サーボモータ
３１ Ｘ軸指令部
４、５５ 作業台
５、５６ モニタ端末
５１、６１ パラメータテーブル
５２ １／４周期遅延メモリ
６２ 指令データ格納領域
６３ 位置データ格納領域

Claims (10)

1. 周期性を有する位置指令を指示する指令手段と、
   前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データの履歴を記録する手段と、
   前記位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの位置データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画する第１の描画手段と、
   を有することを特徴とするサーボ制御装置。
2. 前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、前記直交二軸のそれぞれの位置データとして、前記二次元平面上に重ねて描画する第２の描画手段を有することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
3. 前記第２の描画手段によって描画された形状を評価基準として、前記第１の描画手段によって描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行う調整手段を有することを特徴とする請求項２記載のサーボ制御装置。
4. 前記位置指令は、正弦関数又は余弦関数からなる請求項１記載のサーボ制御装置。
5. 前記第１の描画手段は、前記正弦関数をｘ＝ｓｉｎθ又は前記余弦関数をｙ＝ｃｏｓθとすると、ｘ²＋ｙ²＝１の円弧を描くことを特徴とする請求項４記載のサーボ制御装置。
6. 前記サーボ系は、前記位置指令による位置データと、前記位置フィードバックによる位置データとが等しくなるように制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置。
7. 周期性を有する位置指令を指示すること、
   前記位置指令に対するサーボ系の位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、直交二軸のそれぞれの位置データとして前記直交二軸から成る二次元平面上に描画すること、
   前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを、前記直交二軸のそれぞれの位置データとして、前記二次元平面上に重ねて描画すること、
   前記位置指令による位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状を評価基準として、前記位置フィードバックによる位置データとその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置フィードバックによる位置データ又はその１／４周期前若しくは１／４周期後の前記位置指令による位置データとを元に描画された形状をその評価基準の形状に近づけるように前記サーボ系の調整を行うこと、から成ることを特徴とするサーボ系の調整方法。
8. 前記位置指令は、正弦関数又は余弦関数からなる請求項７記載の調整方法。
9. 前記位置指令は、前記正弦関数をｘ＝ｓｉｎθ又は前記余弦関数をｙ＝ｃｏｓθとすると、ｘ²＋ｙ²＝１の円弧を描くことを特徴とする請求項８記載の調整方法。
10. 前記サーボ系が、前記位置指令による位置データと前記位置フィードバックによる位置データとを等しくするように制御することを含む、請求項７記載の調整方法。

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