JP4984351B2 - 移動体の位置検出制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械等における移動体の位置を検出して制御する移動体の位置検出制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
工作機械における刃物台やその他の送り台は、ボールねじ等の駆動機構を介してサーボモータの駆動により移動させる。このような移動体の位置を検出してフィードバック制御する手法として、サーボモータの有するエンコーダの回転数検出値で制御するセミクローズド方式と、移動体の位置を直接にリニアスケールで検出して制御するフルクローズド方式とがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
セミクローズド方式は、サーボモータの有するエンコーダを用いるため、構成が簡単であり、一般に多く採用されているが、工作機械では切削熱等によるボールねじやベッドの熱伸縮等があって、精度の良い制御が難しい。
フルクローズド方式は、移動体の位置を直接に検出するため、精度の良い制御が可能であるが、位置検出のためのリニアスケールが高価なものとなる。近年、工作機械における加工の高精度化に伴い、リニアスケールにおいても、絶対位置検出が可能でかつ、より分解能の高いものが求められる。しかし、絶対位置検出を行う分解能の高い高精度のリニアスケールにおいて、検出可能なストローク範囲の長いものを製作すると、高価なものとなる。そのため、精度が高くてストローク範囲の長いリニアスケールを用いると、工作機械自体の原価が高くなる大きな要因となる。
【0004】
この発明の目的は、低コストで、高分解能,高精度の絶対位置検出が行える移動体の位置検出制御装置を提供することである。
この発明の他の目的は、より一層の原価低減と、制御の容易とを図ることである。
この発明のさらに他の目的は、検出手段を余分に設けることなく、高精度な位置検出が、安価なリニアスケールで行えるようにすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明を実施形態に対応する図1と共に説明する。この移動体の位置検出制御装置は、移動体(1)をサーボモータ(2)の駆動により所定の移動経路(R)に沿って移動させる駆動機構(3)と、上記サーボモータ(2)に備えられてこのサーボモータ(2)の回転数を検出するエンコーダ(4)と、アブソリュート式のリニアスケールからなる複数の部分スケール(7)を上記移動経路(R)に沿って直列に連続配置してなり、上記移動体(1)の位置を検出する全体リニアスケール(6)と、所定の制御開始時に、上記エンコーダ(4)より得られる絶対位置情報によって、上記部分スケール(7)の出力が、全体リニアスケール(6)におけるどの部分スケール(7)の出力であるかを判別し、この判別結果を用い、以後、任意の部分スケール(6)の出力から、全体リニアスケール(6)の全ストロークにおける絶対位置を認識する位置演算手段(10)とを備え、上記所定の移動経路(R)は直線経路であり、上記駆動機構(3)は、上記移動体(1)を上記移動経路(R)に沿って進退自在に案内する案内手段(5)と、上記サーボモータ(2)の駆動力を移動体(1)に伝えるボールねじ(3a)とで構成され、これら案内手段(5)とボールねじ(3a)と上記全体リニアスケール(6)とが上記直線経路である移動経路(R)に沿って配置されたものである。なおこの明細書で言う「リニアスケール」は、直線型の位置検出器であって、スケールとそのスケールを読み取る検出ヘッドとを有するものである。
この構成によると、全体リニアスケール(6)は、部分スケール(7)を直列に並べたものであるため、初期状態では、全ストロークに渡って移動体(1)を移動させたときの検出値は、各部分スケール(7)毎の零からストローク端までの位置情報が繰り返して出力されることになる。そこで、位置演算手段(10)により、所定の制御開始時、例えば電源オン時に、エンコーダ(4)より得られる絶対位置情報によって、部分スケール(7)の出力が、全体リニアスケール(6)におけるどの部分スケール(7)の出力であるかを判別し、この判別結果を用いて、部分スケール(7)の出力から、全体リニアスケール(6)の全ストロークにおける絶対位置を認識するものとしている。つまり、位置演算手段(10)は、所定の制御開始時に部分スケール(7)の判別を行うことによって、部分スケール(7)の出力を全体リニアスケール(6)における全ストロークに対応付け、この対応関係を記憶しておいて、以後、任意の部分スケール(7)の出力から、全体リニアスケール(6)の全ストロークにおける絶対位置の認識を可能としている。このように、全ストロークにわたる一体のリニアスケールを用いることなく、複数の部分スケール(6)の配列によって全ストロークの絶対位置検出を可能にしている。
リニアスケールは、アブソリュート式で高分解能,高精度のものであっても、検出ストロークが短いものは比較的製作が容易で、検出ストロークの長さに対する単価に換算して安価に製作できる。そのため、短ストロークの部分スケール(7)を直列に並べて全体リニアスケール(6)とすると、その全体リニアスケール(6)の検出ストロークの全体に対応する単独のリニアスケールに比べて、安価なものとなる。
【0006】
この発明において、前記全体リニアスケール(6)は、これを構成する全ての部分スケール(7)、または一部を除く他の複数の部分スケール(7)が、互いに同じ分解能および長さのものであることが好ましい。
同じ構成の部分スケール(7)を複数使用することにより、量産化によるコスト低下が図れ、また位置演算手段(10)による演算が簡単となる。
また、前記全体リニアスケール(6)から位置演算(10)に出力される位置検出値は、零から各部分スケールの区間に対応する区間最大値(L0 )までであり、前記位置演算手段(10)は、前記所定の制御開始時に、上記エンコーダ(4)より得られる絶対位置情報によって、上記部分スケール(7)の出力が、全体リニアスケール(6)におけるどの部分スケール(7)の出力であるかを判別した後、全体リニアスケール(6)の原点側端の部分スケール(7)から前記の判別した部分スケール(7)の一つ手前の部分スケール(7)までの各部分スケール(7)の区間最大値(L0 )と、前記の判別した部分スケール(7)の出力とを積算した積算値を演算して全体リニアスケール(6)における絶対位置として認識するようにしても良い。
【0007】
この発明において、前記エンコーダ(4)の出力によって移動体(1)の速度を制御する機能を有する制御手段(8)を設けても良い。
この構成の場合、速度フィードバックに用いられるエンコーダ(4)の出力を利用して部分スケール(7)の識別を行うため、部分スケール(7)の識別のための専用の検出器を設ける必要がなく、要求される機能に対して、より一層安価なものとなる。
【0008】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。この移動体の位置検出制御装置は、移動体1をサーボモータ2の駆動により所定の移動経路Rに沿って移動させる駆動機構3を備えた移動体進退装置おいて、サーボモータ2の回転数を検出するエンコーダ4と、全体リニアスケール6と、サーボコントローラとなる制御手段8とを設けたものである。移動体1は、例えば工作機械における刃物台または送り台となるものである。駆動機構3は、移動体1を上記移動経路Rに沿って進退自在に案内する案内手段5と、サーボモータ2の駆動力を移動体1に伝えるボールねじからなる駆動伝達部3aとで構成される。移動経路Rは直線経路とされ、案内手段5は直動軸受または滑り案内等からなる。
【0009】
全体リニアスケール6は、それぞれアブソリュート式のリニアスケールからなる複数の部分スケール7を、上記移動経路Rに沿って直列に配列したものである。部分スケール7はサーボモータ2のエンコーダ4よりも分解能の高いものであり、移動体1を目的の停止位置に停止させることができる分解能を有するものである。部分スケール7の配列個数は任意であり、各部分スケール7は隣の部分スケール7との間に検出可能なストローク範囲が開かないように連続して配置される。
全体リニアスケール6は、各部分スケール7の配列からなるスケール部に対して、共通の1つの検出ヘッド6aを有し、検出ヘッド6aは移動体1に取付けられる。全体リニアスケール6のスケール部は、移動体1の案内手段5を設けたベッドやその他のフレーム(図示せず)等に取付けられる。
【0010】
部分スケール7は、リニアスケールからなるものであるが、光学式のものであっても、磁気式のものや、電磁式のものであっても良い。例えば、部分スケール7は、光学式の直線型のエンコーダであるリニアエンコーダや、磁気スケール、インダクトシン等が採用できる。各部分スケール7は、必ずしも個別に製作されたものでなくても良く、例えば、全体リニアスケール6の全ストロークを複数の区間に区切り、全ストロークに続く共通の基材に、各区間毎の絶対位置検出が可能なリニアスケールとして構成したものであっても良い。
【0011】
サーボモータ2の回転数を検出するエンコーダ4は、サーボモータ2に備えられたものである。このエンコーダ4は、アブソリュート式のものを用いる。
【0012】
制御手段8は、その上位制御手段となる移動指令値出力手段9に指令に従ってサーボモータ2を制御する手段である。移動指令値出力手段9は、この移動体の位置検出制御装置を備えた工作機械等の機械の全体を数値制御するNC装置等からなる。
制御手段8は、全体リニアスケール6の出力により移動体1の絶対位置を認識する位置演算手段10を有し、その認識された位置検出値によって位置フィードバック制御を行う位置制御部11を有する。また、制御手段8は、エンコーダ4の出力によってサーボモータ2の速度フィードバック制御を行う速度制御部12を有している。速度制御部12は、トルク制御または電流制御をフィードバック制御で行う機能を有するものであっても良い。
【0013】
位置演算手段10は、所定の制御開始時に、エンコーダ4より得られる絶対位置情報によって、部分スケール7の出力が、全体リニアスケール6におけるどの部分スケール7の出力であるかを判別し、この判別結果を用い、以後、任意の部分スケール7の出力から、全体リニアスケール6の全ストロークにおける絶対位置を認識する手段である。所定の制御開始時は、例えばこの位置検出制御装置の電源オン時とされる。
【0014】
上記構成の動作を説明する。制御手段8は、全体リニアスケール6の出力により、移動体1の絶対位置を位置演算手段10により演算して認識し、その認識した位置検出値に応じて、位置制御部11により、サーボモータ2に対する出力を行い、移動体1の位置フィードバック制御を行う。また制御手段8は、エンコーダ4の出力に応じて、速度制御部12によりサーボモータ2への出力を調整し、速度フィードバック制御を行う。
【0015】
位置演算手段10による位置演算の具体例を図2と共に説明する。この例は、全体リニアスケール6における各部分スケール7が、互いに同じ分解能および長さのものである場合の例である。
全体リニアスケール6から位置演算手段10に出力される位置検出値は、図2に各曲線aで示すように、零から各部分スケール7の区間に対応する区間最大値(L0 )までであり、移動体1が移動すると、零からL0 まで上昇して零に戻り、再度L0 まで上昇する出力を繰り返す。このため、電源オフ状態から電源オン状態に切り換わったときは、どの部分スケール7から出力された位置検出値かが判別できない。
そこで、位置演算手段10は、所定の制御開始時、例えば電源オン時に、エンコーダ4より得られる絶対位置情報によって、部分スケール7の出力が、全体リニアスケール6におけるどの部分スケール7の出力であるか、つまり何番目の部分スケール7の出力であるかを判別する。位置演算手段10は、何番目の部分スケール7に対応する位置であるかを判別すると、上記曲線aのように繰り返し出力される全体リニアスケール6の検出値を積算する。そのため、位置演算手段10から出力される検出位置は、曲線Aで示すように、あたかも一つの長ストロークのリニアスケールであるように取り扱い可能な値となる。例えば、電源オン時に、図2に点Pで示すように、部分スケール7の検出値がL1 であって、エンコーダ4の絶対位置情報によって第3番目の部分スケール7であることが判別された場合、位置演算手段10から出力される絶対位置の認識値である演算値Lは、2×L0 +L1 となる。
【0016】
このようにして、一度、部分スケール7の判別情報が設定され、全体リニアスケール6の絶対位置データが設定されると、それ以降は、エンコーダ4の検出値を用いることなく、全体リニアスケール6の出力によって絶対位置が検出される。この場合に、位置演算手段10は、全体リニアスケール6の出力と、図2の曲線Aのように積算される絶対位置データとの関係を記憶するものとしても良く、また上記の電源オン時の部分スケール7の判別結果を、そのまま判別結果として記憶しておいて、以後の全体リニアスケール6の出力から絶対位置を認識するものとしても良い。
【0017】
電源オン時等の位置演算手段10の処理は、次のように行っても良い。すなわち、電源オン時等の所定の制御開始時に、エンコーダ4の出力から得られる何番目の部分スケール7であるかの値を、位置検出値の上位桁の値とし、部分スケール7の出力を位置検出値の下位桁の値として演算する。具体例を説明する。移動体1の移動量を1000とし、全体リニアスケール6は、その1/10の長さの部分スケール7を10個並べて配置したとする。移動体1が移動することより、1〜100、1〜100という出力が全体リニアスケール6から出力される。位置演算手段10は、何個目の部分スケール7の出力であるかをサーボモータ2のエンコーダ4の出力により検出する。5個目の部分スケール7であれば、位置検出値は3桁の「5××」で示され、下位桁の値「××」は部分スケール7の値をそのまま採用する。
【0018】
この移動体の位置検出制御装置は、このように複数の部分スケール7を直列に配置し、電源オン時にサーボモータ2のエンコーダ4の出力により部分スケール7を判別して、その後は全体リニアスケール6の出力によって絶対位置を認識する位置演算手段10を設けたため、リニアスケールとして短い安価な部分スケール7を用いて精度の良い絶対位置の検出を行い、高精度の位置決め制御が行える。また、サーボモータ2のエンコーダ4は速度検出に用い、この速度検出用のエンコーダ4を部分スケール7の識別に利用するため、部分スケール7の識別専用の検出器を設ける必要がなく、要求される機能に対して、より一層安価なものとなる。
【0019】
図3は、この移動体の位置検出制御装置を応用した工作機械の一例を示す。この工作機械は、ベッド21に案内22を介して進退自在に移動体である送り台23を設置し、送り台23にタレットからなる刃物台24を、送り台23の進退方向と直交する方向に進退自在で、かつ割出回転自在に搭載したものである。送り台23は、サーボモータ25により、ボールねじからなる駆動機構26を介して進退駆動される。この送り台23の位置決め制御に、上記実施形態の移動体の位置検出制御装置が採用される。部分スケール7を連ねた全体リニアスケール6は、ベッド27に設けられ、その検出ヘッド6aが送り台23に設けられる。
【0020】
【発明の効果】
この発明の移動体の位置検出制御装置は、移動体をサーボモータの駆動により所定の移動経路に沿って移動させる駆動機構と、上記サーボモータに備えられてこのサーボモータの回転数を検出するエンコーダと、アブソリュート式のリニアスケールからなる複数の部分スケールを上記移動経路に沿って直列に連続配置してなり、上記移動体の位置を検出する全体リニアスケールと、所定の制御開始時に、上記エンコーダより得られる絶対位置情報によって、上記部分スケールの出力が、全体リニアスケールにおけるどの部分スケールの出力であるかを判別し、この判別結果を用い、以後、任意の部分スケールの出力から、全体リニアスケールの全ストロークにおける絶対位置を認識する位置演算手段とを備え、上記所定の移動経路は直線経路であり、上記駆動機構は、上記移動体を上記移動経路に沿って進退自在に案内する案内手段と、上記サーボモータの駆動力を移動体に伝えるボールねじとで構成され、これら案内手段とボールねじと上記全体リニアスケールとが上記直線経路である上記移動経路に沿って配置されたものであるため、低コストで、高分解能、高精度の絶対検出を行い、位置決めすることができる。
前記全体リニアスケールにおける、全ての部分スケール、または一部を除く他の複数の部分スケールが、互いに同じ分解能および長さのものである場合は、位置決め演算手段の演算が容易で、かつ同一部分スケールの複数使用によるコスト低下が図れる。
前記エンコーダの出力によって移動体の速度を制御する機能を備えた制御手段を設けた場合は、速度検出用のエンコーダを部分スケールの識別に利用できて、識別専用の検出器を設ける必要がなく、要求される機能に対して、より一層安価なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態にかかる移動体の位置検出制御装置の概念構成を示すブロック図である。
【図2】その位置演算手段による演算例を示すグラフである。
【図3】同移動体の位置検出制御装置を応用した工作機械の一例を示す正面図である。
【符号の説明】
1…移動体
2…サーボモータ
3…駆動機構
4…エンコーダ
5…案内手段
6…全体リニアスケール
6a…検出ヘッド
7…部分スケール
8…制御手段
10…位置演算手段
11…位置制御部
12…速度制御部
R…移動経路
Claims (3)
- 移動体をサーボモータの駆動により所定の移動経路に沿って移動させる駆動機構と、上記サーボモータに備えられてこのサーボモータの回転数を検出するエンコーダと、アブソリュート式のリニアスケールからなる複数の部分スケールを上記移動経路に沿って直列に連続配置してなり、上記移動体の位置を検出する全体リニアスケールと、所定の制御開始時に、上記エンコーダより得られる絶対位置情報によって、上記部分スケールの出力が、全体リニアスケールにおけるどの部分スケールの出力であるかを判別し、この判別結果を用い、以後、任意の部分スケールの出力から、全体リニアスケールの全ストロークにおける絶対位置を認識する位置演算手段とを備え、上記所定の移動経路は直線経路であり、上記駆動機構は、上記移動体を上記移動経路に沿って進退自在に案内する案内手段と、上記サーボモータの駆動力を移動体に伝えるボールねじとで構成され、これら案内手段とボールねじと上記全体リニアスケールとが上記直線経路である上記移動経路に沿って配置された移動体の位置検出制御装置。
- 前記全体リニアスケールは、全ての部分スケール、または一部を除く他の複数の部分スケールが、互いに同じ分解能および長さのものであり、前記全体リニアスケールから位置演算に出力される位置検出値は、零から各部分スケールの区間に対応する区間最大値までであり、前記位置演算手段は、前記所定の制御開始時に、上記エンコーダより得られる絶対位置情報によって、上記部分スケールの出力が、全体リニアスケールにおけるどの部分スケールの出力であるかを判別した後、全体リニアスケールの原点側端の部分スケールから前記の判別した部分スケールの一つ手前の部分スケールまでの各部分スケールの区間最大値と、前記の判別した部分スケールの出力とを積算した積算値を演算して全体リニアスケールにおける絶対位置として認識する請求項1記載の移動体の位置検出制御装置。
- 前記エンコーダの出力によって移動体の速度を制御する機能を有する制御手段を設けた請求項1または請求項2記載の移動体の位置検出制御装置。
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