JP4503148B2

JP4503148B2 - Compensator for feeding mechanism of numerically controlled machine tool and numerically controlled machine tool

Info

Publication number: JP4503148B2
Application number: JP2000202764A
Authority: JP
Inventors: 村実濱; 田純藤; 波和広斯
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: JP2002023852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は数値制御（以下ＮＣという）工作機械の送り機構のバックラッシ補正装置およびこれを含むＮＣ工作機械に関するもので、特にリニアボールガイドを用いたＮＣ工作機械の送り駆動機構の輪郭制御に関して駆動機構の漸増型ロストモーションに伴う誤差を解消すべく最適なバックラッシ補正を行うことを可能にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
三次元切削等を行う工作機械においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸毎に配置された駆動機構を用いて加工工具あるいはワークを移動させることにより、三次元的な立体加工を実現しており、これらの多軸同時制御には、プログラム式のＮＣ装置が多用されている。すなわち、ＮＣ装置は外部から入力されたデータから所定の動作プログラムにより、各軸等の動作指令値を解析し、各軸毎のデータを工作機械の各軸の駆動機構に順次出力し、動作プログラムにより設定された所期の動作を実行させるものである。
【０００３】
ここで、駆動機構は、加工工具あるいはワークを移動させる駆動源としてのサーボモータと、モータの回転を各軸に伝達するためのボールねじ、ギヤトレイン等の伝達機構と、モータを回転駆動するため駆動信号を供給するとともに位置、速度を検出し駆動信号にフィードバックするための位置、速度制御ループ等の制御回路とを含む。
【０００４】
このような駆動機構では、加工工具あるいはワークを移動させる際に、伝達機構によるバックラッシが生じ、そのために輪郭制御に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
そこで、従来より、このバックラッシを補正する技術が種々考案されている。
【０００６】
典型的なＮＣ装置におけるバックラッシ補正としては、例えば、切削送り、早送りあるいは円弧補間等の曲線制御における送り速度をある速度に設定し、そのときに生じるバックラッシ量を測定し、これをバックラッシ補正量として蓄積しており、駆動機構の速度制御系に供給して補正する方法がある。
【０００７】
一方、特開昭６０−１７２４４４号公報においては、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給せず、円弧補間時に生じるバックラッシ補正量を複数の位置間隔で分解したバックラッシ補正データを用意しておき、移動位置ごとにバックラッシ補正量を徐々に加える方法を開示する。
【０００８】
円弧補間等の曲線制御において、真円加工を行う場合は、２軸同時制御が必要であるが、この場合のバックラッシ補正は、各軸毎のバックラッシ補正量を用いて各軸毎に行われる。このような加工において象限の切り換え時、すなわち、一つの軸の送り方向が＋から−、あるいは−から＋ヘ変化するとき、通常のバックラッシ補正を行うと、所謂、喰い込みを生ずる現象がある。
【０００９】
バックラッシ補正が正しく作用し、喰い込み現象が生じない場合は、バックラッシの間に機械系は停止しているのに対して、バックラッシ補正が正しく作用せず、喰い込み現象が生じる場合には、バックラッシの間に機械系は少しずつ戻り運動をしていることになるため、通常のバックラッシ補正を行うと所望の軌跡である円弧より内側に喰い込む現象を引き起こし、円弧補間、曲線加工の精度を低下させることになる。
【００１０】
この原因は、通常のバックラッシ補正は、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給するため、象限切り換え時に立ち上がりが緩慢な場合には、バックラッシ補正後の軌跡が、加工したい円弧の内側に喰い込んだ軌跡を描くことになるためである。
【００１１】
一方、特開昭６０−１７２４４４号公報に記載されたＮＣ装置においては、上記の如き緩慢な立ち上がりを有する機械系のバックラッシ補正方法として、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給せず、円弧補間時に生じるバックラッシ量を複数の位置間隔で分解したバックラッシ補正データを用意しておき、移動位置毎にバックラッシ補正量を徐々に加える方法が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この方法によれば、前述した喰い込み現象をかなり改善することが可能であるが、次の点で不都合が存在する。
【００１３】
すなわち、第１は、上記の喰い込み現象は、送り速度によりその量が変化するため、ある送り速度で測定したバックラッシ量をもとにバックラッシ補正を行っただけでは完全な補正にならないという点であり、第２は、分割位置に対応して、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間に当該分割位置におけるバックラッシ補正量に相当するパルスを速度制御系を介してサーボモータに供給しているため、緩慢な立ち上がり部で徐々に変化する勾配に追従したバックラッシ補正となっていないという点である。
【００１４】
以上説明したように、従来のバックラッシ補正方法では円弧補間を行う場合に、送り速度に対して、当該送り速度に最適なバックラッシ補正がなされておらず、また、緩慢な立ち上がりを有し、象限切換え時に喰い込み現象が生じるケースで正確なバックラッシ補正がなされていないため、加工精度の低下を生じるという不都合が存在していた。
【００１５】
このような問題を解決すべくなされた特公平７−７１７８１号公報に記載された数値制御工作機械のバックラッシ補正方法においては、バックラッシ補正量データとして、円弧補間時に生ずるバックラッシ量を複数の位置間隔で分割したバックラッシ補正データと、分割した位置に応じて、速度制御系を介して駆動源に供給されるパルスレートを算出するためのパルスレートデータ算出用データとが、複数の送り速度毎にそれぞれ対応して補正データ部に蓄積されており、指令データに基づいて当該指令速度と位置間隔により補正データ部から対応したバックラッシ補正データとパルスレートデータ算出用データとを読み出す。次に、バックラッシ補正量算出部において、当該指令速度と位置により、例えばその前後の速度に対応したバックラッシ補正データから補間演算部等により、当該指令速度に対応した最適の補正量を求めるとともに、位置に対応して分割位置に応じたパルスレートデータを作成し、速度制御系を介して駆動源を供給するようにしており、これにより、象限切換時にも正確なバックラッシ補正が可能となる。
【００１６】
ところで工作機械の送り駆動機構の移動方向反転時に、漸増形ロストモーションという特異なロストモーションが発生する場合がある。通常のロストモーションが移動方向反転時にステップ的に発生するのに対し、移動方向反転後の移動に伴って徐々に発生するという特徴がある。この現象はワイパーシール，パッキンシールおよびリニアボールガイドを用いた場合に顕著に見られる。
【００１７】
羽山定治、伊東正頼、大岳信久、藤田純、黒川哲郎、垣野義昭「ＮＣ工作機械送り駆動系における漸増型ロストモーションの生成機構とその補正に関する研究」精密工学会誌、６２，２（１９９６）２４７〜２５１ページ、は漸増型ロストモーションについて研究したものであるが、特公平７−７１７８１ともども、象限突起と漸増型ロストモーションを区別することができず、送り速度が速くなったり、ゲインが小さくなって象限突起誤差が変化すると、漸増型ロストモーションを正確に補正することができなかった。
【００１８】
図９はゲインが高い場合の象限切り替え時の運動誤差を表すグラフであり、また、図１０はゲインが小さい場合の象限切り替え時の運動誤差を表すグラフである。これらのグラフにおいて、
これらのグラフを比較しても象限突起の大きさが異なり、漸増型ロストモーション量も特定しがたい。ａ，ｂ，ｃ，Ａに特異点が認められるが、Ａ点が象限突起である。
【００１９】
本願発明は以上のような問題を解決するためになされたもので、漸増型ロストモーションを正確に補正し、象限突起の大きさが変化しても補正することのできる数値制御工作機械の送り機構の補正方法および数値制御工作機械を提供することを目的とする。
【００２０】
本発明にかかる数値制御工作機械の送り機構の補正装置によれば、
ワークを搭載するテーブルあるいは工具を搭載する主軸等を駆動するサーボモータと、
位置指令値に対してサーボモータの回転検出により得られた前記テーブルの位置をフィードバックするとともに、位置指令値から得られた速度指令値に対して前記テーブル位置から得られたテーブル速度をフィードバックし、その結果をトルク指令値、さらには電流指令値に変換して前記サーボモータに供給する制御部と、
前記トルク指令値の波形から象限切換に伴うトルクの変化点を検出してこの変化点間の時間ｔ_０１、ｔ_０２を求めるトルク解析部と、
前記制御部からの位置指令値と位置検出器で求めた主軸とテーブルの位置関係を求める位置解析部と、
前記トルク解析部から出力されたｔ _０１、ｔ _０２と、前記位置解析部の出力と、リニアボールガイドの非線形ばね要素の特性値とに基づいて、漸増型ロストモーションによるテーブル位置誤差とこのテーブル位置誤差に対する補正値を求める補正量演算部と、
を備えたことを特徴とする。
【００２２】
この装置では送りトルク波形、実軌跡波形をもとに理論式の係数を逆算して、理論式にもとづいて、象限突起誤差を除いて漸増型ロストモーションによる位置誤差を算出し、この位置誤差をもとに補正を行うようにしている。したがって、象限突起の大きさが変化してもそれに伴う象限突起誤差を除いて漸増型ロストモーションのみで解析し、補正することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のいくつかを詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１に本発明にかかる数値制御工作機械の送り機構の補正装置の実施の一形態を示す。
【００２５】
ベッド１上にブラケット２，３によりそれぞれベアリング４，５が支持されており、このベアリングはボールねじ６を回転自在に支持している。このボールねじ６にはボールねじナット７が係合されている。
【００２６】
ガイド８の上にはテーブル９が摺動自在に載置され、このテーブルの下面にはボールねじナット７が固着されている。
【００２７】
一方、ボールねじ６はカップリング１０によってサーボモータ１１の軸と連結されているので、サーボモータの回転によりテーブルはガイド上を左右方向に摺動することになる。
【００２８】
テーブル９上にはワーク１３が載置され、工作機械の主軸１４との位置関係は２個のソケットおよびこれに接触する２個のボール間を連結するバーにセンサが取付けられたダブルボールバー（ＤＢＢ）１５によりコンピュータ２００を経由して検出される。なお、位置関係の検出には、その他の送り精度測定器やリニアスケール１６を用いるようにしてもよい。
【００２９】
サーボモータ１１の軸にはロータリエンコーダ１２が連結されており、このロータリエンコーダ１２の出力信号はブロック２０でテーブル位置座標へ変換されて位置フィードバック値とされ、さらにブロック３０で微分されて速度フィードバック値としてゲインブロック５０に与えられる。ここでトルク指令値に変換され、さらにブロック６０で電流指令値に変換され、次のブロック７０で電流増幅されて再びサーボモータに与えられる。
【００３０】
一方、トルク指令値はトルク解析部８０にも供給されており、このトルク解析部８０で解析されて補正量演算部９０に与えられ、また、位置検出器１５で検出された主軸とテーブルの位置関係は位置解析部１００で解析されて補正量演算部９０に与えられる。
【００３１】
補正量演算部９０で演算された補正量は位置フィードバック値を減算し、この減算された位置フィードバック値は位置指令値を減算し、この減算された位置指令値がブロック４０で角速度を乗算されることにより速度指令値が得られる。この速度指令値に対しては前述した速度フィードバック値が減算される。
【００３２】
これらの構成のうち、トルク解析部８０は、ブロック５０の出力であるトルク指令値（トルク波形）を検出し、その波形の変曲点から図２のａ，ｂ，ｃ，Ａの各時点を検出する。
【００３３】
一方、テーブル上のワークの位置は位置検出器でモニタされており、トルク解析部からの特異点の時点に基づいて図２のａ，ｂ，ｃ，Ａの各点の位置も特定される。これらのうち、Ａは象限突起である。
【００３４】
補正量演算部はこれらトルク解析部および位置解析部の出力に基づき、漸増型ロストモーションの量を演算し、補正量を算出する。
【００３５】
ｘｙ平面の円弧補間を実施する場合を例にとって説明すると、トルク検出部では象限切替え時のトルクを検出し、微分により、各ピークを求め、このピークをそれぞれ図２のａ，ｂ，ｃ，Ａとする。ａｂ間、ａｃ間の時間ｔ_０１、ｔ_０２それぞれを求め、次の式に代入する。
【００３６】
【数６】

ここで、
ω：角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）、
ｒ：半径（ｍ）、
Ｆ_ｋｍａｘ：ガイドの最大摩擦力（Ｎ）、
Ｄ_ｋｍａｘ：ガイドが最大摩擦力に達したときの変位量（ｍ）、
Ｄ_ｋ０：摩擦力が０になったときに残存する変位量（ｍ）、
Ｆ_ｋ１：ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する摩擦力（Ｎ）、
Ｄ_ｋ１：ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する変位量（ｍ）、
Ｋ_ｋ１：ガイドの非線形ばねの剛性が高い部分の剛性値（Ｎ／ｍ）、
Ｋ_ｋ２：ガイドの非線形ばねの剛性が低い部分の剛性値（Ｎ／ｍ）、
Ｄ_ｋ２：剛性が低い部分の傾きを延長して力が０となるときの変位量（ｍ）、
かつＫ_ｋ１＝（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｆ_ｋ１）／（Ｄ_ｋｍａｘ−Ｄ_ｋ１）
Ｋ_ｋ２＝（Ｆ_ｋｍａｘ−Ｆ_ｋ１）／（Ｄ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋ１）
Ｄ_ｋ０＝Ｄ_ｋ１＋Ｆ_ｋ１／Ｋ_ｋ１
Ｄ_ｋ２＝Ｄ_ｋ１＋Ｆ_ｋ１／Ｋ_ｋ２
の関係があり、Ｙ_ｒ０＝Ｇ_０ｒ、
であり、Ｘ軸，Ｙ軸の位置指令値ｘ_ｃ（ｔ），ｙ_ｃ（ｔ）はそれぞれ
【数７】

と表される。
前述の式（１）（２）はリニアボールガイドを用いた場合を想定し、漸増形ロストモーションの発生メカニズムの解析を行った結果得られたものである。これは転がりガイドではボールあるいはローラが転がりだす前に非線形ばね特性を示し、この特性が漸増形ロストモーションの発生の原因になっていると考えられるためである。
【００３７】
この導出過程においては以下の仮定を行い簡略化している。
（１）漸増形ロストモーションは、移動速度が遅いときに顕著に現れる。従って、比較的遅い動きを考え、移動物に対する慣性力の影響を無視する。これにより、テーブルの質量を無視する。
（２）サーボの剛性が十分高い場合を考え、ボールねじの回転に対する負荷の反力の影響を無視する。
（３）移動方向反転時に回転系の摩擦の影響により停止している場合以外は、サーボ系の特性をカットオフ周波数ω_ｏの一次遅れで近似する。
（４）周波数の低い領域の特性に影響を与えない、一次遅れフィルタの特性を無視する。
（５）リニアボールガイドのばね特性を図７の平行四辺形で近似する。
（６）回転系の摩擦は無視する。
【００３８】
前述した値および条件を式（１）（２）のかっこ内の分子中の
Ｐ＝−Ｄ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋ１−（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｆ_ｋ１）／Ｋ
＝｛ｓｉｎ（ωｔ_０１−π／２）−Ｇ_０ｒ｝Ｇ_０ｒ式（４）
Ｑ＝−２（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋｍａｘ）／Ｋ
＝｛ｓｉｎ（ωｔ_０２−π／２）−Ｇ_０ｒ｝Ｇ_０ｒ式（５）
に代入することにより定数Ｐ，Ｑが求まる。
【００３９】
これにより、円弧半径ｒや位置ループゲインω０が変化しても、ｔ_０１、ｔ_０２を式（１）、（２）より求めることが可能である。
【００４０】
ここで、摩擦力Ｆ_ｋ（ｔ）と、ボールねじ位置ｙ_ｒ（ｔ）から、次式よりテーブル位置が求められる。
【００４１】
【数８】

この式（６）と
Ｘ_１（ｔ）＝Ｘ_ｒ（ｔ）式（７）
からテーブルの円弧運動を求め、Ｙ軸＋側の象限切り替え部の円弧半径誤差を求める。この結果が図３に示される。なお、Ｋは送り駆動機構の剛性であり、後述するように計算、もしくは実測が可能である。
【００４２】
式（６）の結果をもとにｙ軸位置の補正が行われる。
【００４３】
この補正量の決定に際しては、必ずしも式（６）（７）を用いることなく、式（１）〜（５）によって、ｔ_０１、ｔ_０２が求まれば、（スケールフィードバックや送り精度測定器を）位置検出器を用いて、ｔ_０１、ｔ_０２の誤差をもとに補正量を決めることも可能である。
【００４４】
以上のように、送り速度やゲイン、円弧半径が変化してもｙ軸の位置誤差を求めることができる。
【００４５】
なお、トルク波形からｔ_０１、ｔ_０２を求める際に、組み立て段階でボールネジ単体のトルクを測定し、これを図２の波形から差分するようにすると、図３でＡにより示される象限突起の影響が取り除かれ、ｔ_０１、ｔ_０２がより求めやすくなる。
【００４６】
図４は象限突起の影響を除いた様子を示すグラフである。
【００４７】
これに基づいて誤差を計算した結果を図５に示す。象限突起の影響が除去されているため、漸増型ロストモーションを十分に補正して送り駆動系の精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上述した実施の形態では補正量演算部に位置解析部の出力も供給してトルク波形の変化に対応した位置を正確に求めるようにしたが、図８に示すように、位置測定器および位置解析部を設けず、トルク解析部８０からの出力のみを用いても演算処理が速い場合には位置の誤差は僅少であり、補正値としては十分に使用可能である。
【００４９】
（実施の形態２）
式（４）、（５）を求めるために、Ｐ，ＱのパラメータＤ_ｋｍａｘ、Ｄ_ｋ１、Ｆ_ｋｍａｘ、Ｆ_ｋ１を実測で求めることが可能である。
【００５０】
例えば、テーブルを組み立てる際にボールネジをサドルに取り付ける前にリニアボールガイドの非線形ばね特性を測定し、近似することができる。
【００５１】
あるいはテーブルをリニアボールガイドが転がりださないところまで力を加え、この時の力をロードセルなど力測定機で測定し、テーブルの変位を変位計で測定する。力を戻して、この時の力と変位の関係を測定する。この結果は図６に示す。
【００５２】
これをもとに各パラメータを図７のように求める。この図では縦軸をガイドの摩擦力（Ｎ）、横軸を変位（ｍ）としており、まずガイドの最大摩擦力（Ｆ_{ｋｍａｘ）}とガイドが最大摩擦力に達したときの（変位量Ｄ_{ｋｍａｘ）}から▲１▼ の点をプロットし、ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する摩擦力（Ｆ_ｋ１）とガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する変位量（Ｄ_ｋ１）から▲２▼の点がプロットされる。そして、▲１▼ の原点に対して点対称な点として▲３▼の点をプロットすると、▲１▼ と▲２▼を結ぶ線の傾きが，Ｋ_ｋ１で有り、▲２▼と▲３▼を結ぶ線の傾きがＫ_ｋ２である。これらの線と座標軸の交点、各点の軸上の投影点が図７に示されるようなパラメータとなる。
【００５３】
これらのパラメータは、式（４）、（５）に代入することにより補正量が求められる。
【００５４】
これに替えて、ハンマリング測定などで、固有振動数を測定し、各パラメータを求めることもできる。
【００５５】
（実施の形態３）
以上の実施例においてはすべてのパラメータを実測するようにしているが、パラメータのうち、Ｄ_ｋｍａｘ、Ｄ_ｋ１、Ｆ_ｋｍａｘ、Ｆ_ｋ１については設計段階で計算により求めることができる。すなわち、非線形ばね要素については玉の数、玉の大きさ、材質、予圧から弾性たわみの式で求めることができる。
【００５６】
このようにして計算により得られたトルクは図４に示すものと同様となる。
【００５７】
そして、このように計算で得られた値を用いて象限突起を除いた誤差を計算した結果は図５に示すものと同様になる。したがって、象限突起による誤差を除いて漸増型ロストモーションのみで解析が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、象限突起の影響をなくした上で漸増型ロストモーションを理論式に基づいて補正しているため、より正確な補正が可能になり、特にリニアボールガイドを用いた送り駆動系の輪郭精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＮＣ装置を説明するブロック図である。
【図２】トルクの計算結果を示すグラフである。
【図３】本発明の式による象限切替え時の運動誤差の計算結果を示すグラフである。
【図４】象限突起の影響をなくすようになされたトルク計算結果を示すグラフである。
【図５】象限突起の影響をなくし、本発明の式により得られた漸増型ロストモーションの計算結果を示すグラフである。
【図６】パラメータを実測で求める場合の力と変位の関係の測定結果を示すグラフである。
【図７】各パラメータの求め方を示す説明図である。
【図８】図１の変形例にかかるＮＣ装置を説明するブロック図である。
【図９】ゲインが大きい場合の象限切替え時の運動誤差の実測データを示すグラフである。
【図１０】ゲインが小さい場合の象限切替え時の運動誤差の実測データを示すグラフである。
【符号の説明】
１ベッド
２、３ブラケット
４、５ベアリング
６ボールねじ
７ボールねじナット
８ガイド
９テーブル
１０カップリング
１１サーボモータ
１２ロータリエンコーダ
１３ワーク
１４主軸
１５位置測定器
２０テーブル位置座標への変換器
３０微分器
４０角速度乗算器
５０ゲイン乗算器
６０変換器
７０アンプ
８０トルク解析部
９０補正量演算部
１００位置解析部
２００コンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a backlash correction device for a numerically controlled (hereinafter referred to as NC) machine tool feed mechanism and an NC machine tool including the same, and more particularly to a drive mechanism for contour control of a feed drive mechanism of an NC machine tool using a linear ball guide. This makes it possible to perform the optimal backlash correction to eliminate the error associated with the incremental type lost motion.
[0002]
[Prior art]
For machine tools that perform three-dimensional cutting, etc., three-dimensional solid machining is realized by moving the machining tool or workpiece using a drive mechanism arranged for each of the X, Y, and Z axes. For this multi-axis simultaneous control, a programmed NC device is often used. In other words, the NC device analyzes the operation command value of each axis, etc., from the data input from the outside according to a predetermined operation program, and sequentially outputs the data for each axis to the drive mechanism of each axis of the machine tool. The intended operation set by is executed.
[0003]
Here, the drive mechanism is a servo motor as a drive source for moving the machining tool or workpiece, a transmission mechanism such as a ball screw and a gear train for transmitting the rotation of the motor to each axis, and a rotational drive for the motor. And a control circuit such as a position and speed control loop for supplying a drive signal and detecting the position and speed and feeding back to the drive signal.
[0004]
In such a drive mechanism, when the processing tool or the workpiece is moved, there is a backlash caused by the transmission mechanism, which has a problem of adversely affecting the contour control.
[0005]
Therefore, various techniques for correcting this backlash have been conventionally devised.
[0006]
As a backlash correction in a typical NC device, for example, a feed speed in curve control such as cutting feed, rapid feed or circular interpolation is set to a certain speed, a backlash amount generated at that time is measured, and this is used as a backlash correction amount. There is a method of correcting by accumulating and supplying to the speed control system of the drive mechanism.
[0007]
On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open No. 60-172444, a pulse corresponding to a backlash correction amount is applied at a time during one sampling time of servo motor driving and is not supplied to the servo motor via the speed control system, but circular interpolation. Disclosed is a method of preparing backlash correction data obtained by disassembling a backlash correction amount generated at times at a plurality of position intervals, and gradually adding the backlash correction amount for each movement position.
[0008]
In the case of performing circular processing, such as circular interpolation, two-axis simultaneous control is required when performing circular processing. In this case, backlash correction is performed for each axis using the backlash correction amount for each axis. In such machining, when the normal backlash correction is performed when the quadrant is switched, that is, when the feed direction of one axis changes from + to-or from-to +, there is a so-called biting phenomenon.
[0009]
If the backlash compensation works correctly and the biting phenomenon does not occur, the mechanical system is stopped during the backlash, while the backlash compensation does not work correctly and the biting phenomenon occurs. Since the mechanical system moves back and forth gradually during this period, normal backlash correction causes a phenomenon of biting inward from the arc that is the desired trajectory, reducing the accuracy of circular interpolation and curve processing. I will let you.
[0010]
This is because normal backlash correction adds a pulse corresponding to the backlash correction amount to the servomotor via the speed control system at one time during one servo motor drive sampling time. This is because the trajectory after backlash correction draws a trajectory that bites into the arc to be machined when it is slow.
[0011]
On the other hand, in the NC apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 60-172444, as a backlash correction method for a mechanical system having a slow rise as described above, it corresponds to a backlash correction amount during one sampling time of servo motor drive. Backlash correction data is prepared by disassembling the backlash amount generated during circular interpolation at multiple position intervals without adding a pulse to the servo motor via the speed control system at one time. A method of gradually adding is disclosed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
According to this method, the above-described biting phenomenon can be considerably improved, but there are disadvantages in the following points.
[0013]
That is, the first is that the amount of the above biting phenomenon changes depending on the feed speed, so that the backlash correction based on the backlash amount measured at a certain feed speed is not a complete correction. Yes, the second is that a pulse corresponding to the backlash correction amount at the divided position is supplied to the servo motor via the speed control system during one sampling time of the servo motor drive corresponding to the divided position. The backlash correction does not follow a gradually changing gradient at a slow rising portion.
[0014]
As described above, in the conventional backlash correction method, when circular interpolation is performed, the optimum backlash correction for the feed speed is not performed with respect to the feed speed, and there is a slow rise and quadrant switching. In some cases, when the biting phenomenon occurs, accurate backlash correction is not performed, so that there is a disadvantage that the processing accuracy is lowered.
[0015]
In the backlash correction method for a numerically controlled machine tool described in Japanese Patent Publication No. 7-71781 that is intended to solve such problems, backlash amounts generated during circular interpolation are used as backlash correction amount data at a plurality of position intervals. Divided backlash correction data and pulse rate data calculation data for calculating the pulse rate supplied to the drive source via the speed control system according to the divided position correspond to each of multiple feed speeds. The backlash correction data and pulse rate data calculation data corresponding to the command data and the position interval are read from the correction data unit based on the command data. Next, in the backlash correction amount calculation unit, an optimum correction amount corresponding to the command speed is obtained from the backlash correction data corresponding to the preceding and following speeds, for example, from the backlash correction data by the interpolation calculation unit, and the position. The pulse rate data corresponding to the divided position is generated and the drive source is supplied via the speed control system, so that accurate backlash correction can be performed even during quadrant switching.
[0016]
By the way, when the moving direction of the feed drive mechanism of the machine tool is reversed, a unique lost motion called incremental lost motion may occur. A normal lost motion is generated in a stepwise manner when the moving direction is reversed, whereas it is gradually generated along with the movement after the moving direction is reversed. This phenomenon is noticeable when wiper seals, packing seals, and linear ball guides are used.
[0017]
Sadaharu Hayama, Masayori Ito, Nobuhisa Otake, Jun Fujita, Tetsuro Kurokawa, Yoshiaki Kakino "Study on Generation Mechanism and Correction of Increasing Lost Motion in NC Machine Tool Feed Drive System" Journal of Precision Engineering, 62, 2 (1996) Pp. 247-251 is a study on incremental lost motion, but both Japanese Patent Publication No. 7-71781 cannot distinguish between quadrant protrusions and incremental lost motion, resulting in faster feed rates and lower gains. When the quadrant protrusion error changes, the incremental lost motion cannot be corrected accurately.
[0018]
FIG. 9 is a graph showing the motion error at the time of quadrant switching when the gain is high, and FIG. 10 is a graph showing the motion error at the time of quadrant switching when the gain is small. In these graphs,
Even if these graphs are compared, the size of the quadrant projections is different, and it is difficult to specify the incremental lost motion amount. Although singular points are recognized in a, b, c, and A, the point A is a quadrant projection.
[0019]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a numerically controlled machine tool feeding mechanism that can accurately correct incremental lost motion and correct even if the size of quadrant protrusions changes. It is an object to provide a correction method and a numerically controlled machine tool.
[0020]
According to the correction device for the feed mechanism of the numerically controlled machine tool according to the present invention,
A servo motor that drives a table or workpiece spindle on which a workpiece is mounted;
The position of the table obtained by detecting the rotation of the servo motor is fed back to the position command value, and the table speed obtained from the table position is fed back to the speed command value obtained from the position command value. A control unit that converts the result into a torque command value, and further a current command value, and supplies the torque command value to the servo motor;
A torque analysis unit that detects a torque change point associated with quadrant switching from the waveform of the torque command value and obtains times t ₀₁ and t ₀₂ between the change points;
A position analysis unit for obtaining a positional relationship between a spindle and a table obtained by a position command value from the control unit and a position detector;
Based on t ₀₁ and t ₀₂ output from the torque analysis unit , the output of the position analysis unit, and the characteristic value of the nonlinear spring element of the linear ball guide, the table position error due to the incremental lost motion and the table position A correction amount calculation unit for obtaining a correction value for the error ;
It is provided with.
[0022]
In this device, the coefficient of the theoretical formula is calculated backward based on the feed torque waveform and the actual trajectory waveform, and the position error due to the incremental lost motion is calculated based on the theoretical formula, excluding the quadrant protrusion error, and this position error is calculated. The correction is made based on the original. Therefore, even if the size of the quadrant protrusion changes, it can be analyzed and corrected only with the incremental lost motion except for the quadrant protrusion error associated therewith.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an embodiment of a correction device for a feed mechanism of a numerically controlled machine tool according to the present invention.
[0025]

Bearings

4 and 5 are supported on the bed 1 by

brackets

2 and 3, respectively, and the bearings support the ball screw 6 in a freely rotatable manner. A ball screw nut 7 is engaged with the ball screw 6.
[0026]
A table 9 is slidably mounted on the guide 8 and a ball screw nut 7 is fixed to the lower surface of the table.
[0027]
On the other hand, since the ball screw 6 is coupled to the shaft of the servo motor 11 by the coupling 10, the table slides in the left-right direction on the guide by the rotation of the servo motor.
[0028]
A work 13 is placed on the table 9, and the positional relationship with the main spindle 14 of the machine tool is a double ball bar in which a sensor is attached to a bar connecting two sockets and two balls in contact with the socket ( DBB) 15 is detected via computer 200. In addition, you may make it use another feed precision measuring device and the linear scale 16 for the detection of a positional relationship.
[0029]
A rotary encoder 12 is connected to the shaft of the servo motor 11, and an output signal of the rotary encoder 12 is converted into a table position coordinate in a block 20 to be a position feedback value, and further differentiated in a block 30 to be a speed feedback value. Is given to the gain block 50. Here, it is converted into a torque command value, further converted into a current command value in block 60, current amplified in the next block 70, and given to the servo motor again.
[0030]
On the other hand, the torque command value is also supplied to the torque analysis unit 80, analyzed by the torque analysis unit 80 and given to the correction amount calculation unit 90, and the spindle and table positions detected by the position detector 15. The relationship is analyzed by the position analysis unit 100 and given to the correction amount calculation unit 90.
[0031]
The correction amount calculated by the correction amount calculation unit 90 subtracts the position feedback value, the subtracted position feedback value subtracts the position command value, and the subtracted position command value is multiplied by the angular velocity in the block 40. As a result, a speed command value is obtained. The speed feedback value described above is subtracted from this speed command value.
[0032]
Among these configurations, the torque analysis unit 80 detects a torque command value (torque waveform) that is an output of the block 50, and determines each time point a, b, c, and A in FIG. 2 from the inflection point of the waveform. To detect.
[0033]
On the other hand, the position of the workpiece on the table is monitored by a position detector, and the position of each point a, b, c, A in FIG. 2 is also specified based on the time of the singular point from the torque analysis unit. Of these, A is a quadrant projection.
[0034]
The correction amount calculation unit calculates the amount of incremental lost motion based on the outputs of the torque analysis unit and the position analysis unit, and calculates the correction amount.
[0035]
The case where circular interpolation on the xy plane is performed will be described as an example. The torque detection unit detects the torque at the time of quadrant switching, obtains each peak by differentiation, and each peak is represented by a, b, c, A in FIG. And Times t ₀₁ and t ₀₂ between ab and ac are obtained and substituted into the following equations.
[0036]
[Formula 6]

here,
ω: angular velocity (rad / sec),
r: radius (m),
F _kmax : Maximum frictional force (N) of the guide,
D _kmax : Displacement amount (m) when the guide reaches the maximum frictional force,
D _k0 : displacement (m) remaining when the frictional force becomes zero,
F _k1 : frictional force (N) at which the rigidity of the nonlinear spring characteristic of the guide changes,
D _k1 : Displacement amount (m) at which the stiffness of the nonlinear spring characteristic of the guide changes,
K _k1: Guide stiff portion of rigidity of non-linear spring (N / m),
K _k2 : stiffness value (N / m) of the portion of the guide where the nonlinear spring has low stiffness,
D _k2 : displacement (m) when the force becomes zero by extending the slope of the portion having low rigidity,
And K _k1 = (F _kmax + F _k1 ) / (D _kmax −D _k1 )
K _k2 = (F _kmax −F _k1 ) / (D _kmax + D _k1 )
D _k0 = D _k1 + F _k1 / K _k1
D _k2 = D _k1 + F _k1 / K _k2
Y _r0 = G ₀ r,
The X-axis and Y-axis position command values x _c (t) and y _c (t) are expressed as follows:

It is expressed.
The above formulas (1) and (2) are obtained as a result of analyzing the generation mechanism of the incremental lost motion assuming that a linear ball guide is used. This is because the rolling guide exhibits a non-linear spring characteristic before the ball or roller begins to roll, and this characteristic is considered to be the cause of the incremental lost motion.
[0037]
This derivation process is simplified by making the following assumptions.
(1) The incremental lost motion is noticeable when the moving speed is slow. Therefore, considering the relatively slow movement, the influence of the inertial force on the moving object is ignored. This ignores the mass of the table.
(2) Considering the case where the rigidity of the servo is sufficiently high, the influence of the reaction force of the load on the rotation of the ball screw is ignored.
(3) The servo system characteristics are approximated by a first-order lag of the cut-off frequency ω _o except when the moving direction is reversed due to the friction of the rotating system.
(4) Ignore the characteristics of the first-order lag filter that does not affect the characteristics of the low frequency region.
(5) The spring characteristics of the linear ball guide are approximated by the parallelogram shown in FIG.
(6) The friction of the rotating system is ignored.
[0038]
Aforementioned values and conditions Equation (1) (2) in the molecule in the parentheses of _{_{_{P = -D kmax + D k1 -}}} (F kmax + F k1) / K
= {Sin (ωt ₀₁ −π / 2) −G ₀ r} G ₀ r Formula (4)
Q = −2 (F _kmax + D _kmmax ) / K
= {Sin (ωt ₀₂ −π / 2) −G ₀ r} G ₀ r Formula (5)
By substituting into, constants P and Q are obtained.
[0039]
As a result, even if the arc radius r and the position loop gain ω0 change, t ₀₁ and t ₀₂ can be obtained from the equations (1) and (2).
[0040]
Here, the table position is obtained from the following equation from the frictional force F _k (t) and the ball screw position y _r (t).
[0041]
[Equation 8]

Equation (6) and X ₁ (t) = X _r (t) Equation (7)
Then, the arc motion of the table is obtained, and the arc radius error of the quadrant switching portion on the Y axis + side is obtained. The result is shown in FIG. K is the rigidity of the feed drive mechanism, and can be calculated or measured as will be described later.
[0042]
Based on the result of Expression (6), the y-axis position is corrected.
[0043]
In determining this correction amount, it is not always necessary to use Equations (6) and (7). If t ₀₁ and t ₀₂ are obtained by Equations (1) to (5), a scale feedback or a feed accuracy measuring instrument is used. It is also possible to determine the correction amount based on the errors of t ₀₁ and t ₀₂ using a position detector.
[0044]
As described above, the y-axis position error can be obtained even if the feed rate, gain, and arc radius change.
[0045]
When obtaining t ₀₁ and t ₀₂ from the torque waveform, if the torque of the ball screw alone is measured at the assembly stage and is made to differ from the waveform of FIG. 2, the effect of the quadrant protrusion indicated by A in FIG. is _removed, the _{t 01,} t ₀₂ more easily determined.
[0046]
FIG. 4 is a graph showing a state in which the influence of the quadrant protrusion is removed.
[0047]
The result of calculating the error based on this is shown in FIG. Since the influence of the quadrant protrusion is eliminated, the incremental lost motion can be sufficiently corrected to improve the accuracy of the feed drive system.
[0048]
In the above-described embodiment, the output of the position analysis unit is also supplied to the correction amount calculation unit to accurately obtain the position corresponding to the change in the torque waveform. However, as shown in FIG. Even if only the output from the torque analysis unit 80 is used without providing the position analysis unit, if the calculation process is fast, the position error is small, and the correction value can be used sufficiently.
[0049]
(Embodiment 2)
In order to obtain the expressions (4) and (5), the parameters D _kmax , D _k1 , F _kmax , and F _k1 of P and Q can be obtained by actual measurement.
[0050]
For example, when assembling the table, the nonlinear spring characteristics of the linear ball guide can be measured and approximated before the ball screw is attached to the saddle.
[0051]
Alternatively, a force is applied to the table until the linear ball guide does not roll, the force at this time is measured with a force measuring device such as a load cell, and the displacement of the table is measured with a displacement meter. Return the force and measure the relationship between force and displacement. The result is shown in FIG.
[0052]
Based on this, each parameter is obtained as shown in FIG. In this figure, the vertical axis represents the frictional force (N) of the guide and the horizontal axis represents the displacement (m). First, the maximum frictional force (F _kmax) of the guide and the displacement amount D _kmax when the guide reaches the maximum frictional force. _{) To} point (1 ₎ , and point (2) from the frictional force (F _k1 ) at which the stiffness of the nonlinear spring characteristic of the guide changes and the displacement (D _k1 ) at which the stiffness of the nonlinear spring characteristic of the guide changes. Is plotted. Then, when the point (3) is plotted as a point symmetric with respect to the origin of (1), the slope of the line connecting (1) and (2) is K _k1 , and (2) and (3) The slope of the line connecting is K _k2 . The intersections of these lines and coordinate axes, and the projected points on the axes of the respective points are parameters as shown in FIG.
[0053]
By substituting these parameters into the equations (4) and (5), correction amounts can be obtained.
[0054]
Instead, the natural frequency can be measured by hammering measurement or the like to obtain each parameter.
[0055]
(Embodiment 3)
In the above embodiment, all parameters are actually measured. Among the parameters, D _kmax , D _k1 , F _kmax , and F _k1 can be obtained by calculation at the design stage. That is, the non-linear spring element can be obtained from the number of balls, the size of the balls, the material, and the preload by the elastic deflection formula.
[0056]
The torque thus obtained by calculation is the same as that shown in FIG.
[0057]
Then, the result of calculating the error excluding the quadrant projections using the values obtained in this way is the same as that shown in FIG. Therefore, the analysis can be performed only with the incremental lost motion except for the error due to the quadrant protrusion.
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the incremental lost motion is corrected based on the theoretical formula after eliminating the influence of the quadrant protrusion, more accurate correction is possible, and in particular, a feed drive system using a linear ball guide The contour accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an NC apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a calculation result of torque.
FIG. 3 is a graph showing a calculation result of a motion error at the time of quadrant switching according to the formula of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the result of torque calculation designed to eliminate the influence of quadrant protrusions.
FIG. 5 is a graph showing the calculation result of incremental lost motion obtained by the equation of the present invention without the influence of quadrant protrusions.
FIG. 6 is a graph showing measurement results of the relationship between force and displacement when parameters are obtained by actual measurement.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing how to obtain each parameter.
FIG. 8 is a block diagram illustrating an NC apparatus according to a modified example of FIG.
FIG. 9 is a graph showing actual measurement data of motion error at the time of quadrant switching when the gain is large.
FIG. 10 is a graph showing actual measurement data of motion error at the time of quadrant switching when the gain is small.
[Explanation of symbols]
1

Bed

2, 3

Bracket

4, 5 Bearing 6 Ball screw 7 Ball screw nut 8 Guide 9 Table 10 Coupling 11 Servo motor 12 Rotary encoder 13 Work 14 Spindle 15 Position measuring device 20 Converter to table position coordinate 30 Differentiator 40 Angular velocity multiplier 50 Gain multiplier 60 Converter 70 Amplifier 80 Torque analysis unit 90 Correction amount calculation unit 100 Position analysis unit 200 Computer

Claims

ワークを搭載するテーブルあるいは工具を搭載する主軸等を駆動するサーボモータと、
位置指令値に対してサーボモータの回転検出により得られた前記テーブルの位置をフィードバックするとともに、位置指令値から得られた速度指令値に対して前記テーブル位置から得られたテーブル速度をフィードバックし、その結果をトルク指令値、さらには電流指令値に変換して前記サーボモータに供給する制御部と、
前記トルク指令値の波形から象限切換に伴うトルクの変化点を検出してこの変化点間の時間ｔ_０１、ｔ_０２を求めるトルク解析部と、
前記制御部からの位置指令値と位置検出器で求めた主軸とテーブルの位置関係を求める位置解析部と、
前記トルク解析部から出力されたｔ _０１、ｔ _０２と、前記位置解析部の出力と、リニアボールガイドの非線形ばね要素の特性値とに基づいて、漸増型ロストモーションによるテーブル位置誤差とこのテーブル位置誤差に対する補正値を求める補正量演算部と、
を備えたことを特徴とする数値制御工作機械の送り機構の補正装置。A servo motor that drives a table or workpiece spindle on which a workpiece is mounted;
The position of the table obtained by detecting the rotation of the servo motor is fed back to the position command value, and the table speed obtained from the table position is fed back to the speed command value obtained from the position command value. A control unit that converts the result into a torque command value, and further a current command value, and supplies the torque command value to the servo motor;
A torque analysis unit that detects a torque change point associated with quadrant switching from the waveform of the torque command value and obtains times t ₀₁ and t ₀₂ between the change points;
A position analysis unit for obtaining a positional relationship between a spindle and a table obtained by a position command value from the control unit and a position detector;
Based on t ₀₁ and t ₀₂ output from the torque analysis unit , the output of the position analysis unit, and the characteristic value of the nonlinear spring element of the linear ball guide, the table position error due to the incremental lost motion and the table position A correction amount calculation unit for obtaining a correction value for the error ;
Correction apparatus of a numerical control machine tool feed mechanism comprising the.

請求項１に記載の送り機構の補正装置を含む数値制御工作機械。 A numerically controlled machine tool comprising the feed mechanism correction device according to claim 1.