JP4984351B2

JP4984351B2 - 移動体の位置検出制御装置

Info

Publication number: JP4984351B2
Application number: JP2001141385A
Authority: JP
Inventors: 篤中川
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002337037A

Description

【０００１】
【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

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。