JP5512954B2 - 数値制御機械の位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、数値制御機械に適用される位置制御装置に関する。

従来から、工作機械等の産業機械では、送り軸駆動系にボールネジを使用することが主流となっている。すなわち、サーボモータの軸上に結合されたボールネジを回転させ、これにより、ボールネジナットに固定された負荷を直線的に駆動する機構を採用している。しかし、このような機構の場合、負荷重量の増大等によりボールネジ部において撓みが発生する。

図４は、従来の位置制御装置の一例を示したブロック図である。上位装置（図示しない）において発生された位置指令値ｙ^＊は、モータ回転指令値θ^＊に換算される。位置制御装置は、このモータ回転指令値θ^＊を入力指令とする。

従来の位置制御装置では、モータ応答の高速化を図るため、フィードフォワード構成をとっている。また、ボールネジの撓みは、このフィードフォワード制御系において補償を行う。ボールネジの撓み量θｄｆは、負荷重量をＭｈ、ボールネジ駆動系の剛性をＫｓ、位置指令値をθ^＊とした場合、次の式１で求められる。
θｄｆ＝（Ｍｈ／Ｋｓ）×（ｄ^２θ^＊／ｄｔ^２）・・・式１

そして、この演算は、ブロックＣａ（＝（Ｍｈ／Ｋｓ）×ｓ^２）にて行われる。制御上の位置指令値θｃは、θ^＊と撓み量θｄｆを加算器５１で加算して作成される。また、撓み量θｄｆは時間微分されて撓み速度Ｖｄｆとなり、位置指令値θ^＊の時間微分値と加算器５３で加算されて、速度フィードフォワード量Ｖｆｆとなる。さらにフィードフォワード量Ｖｆｆは、時間微分され加速度フィードフォワード量Ａｆｆとなる。Ｃｂは、トルクフィードフォワード量τｆｆを求める換算ブロックである。なお、トルクフィードフォワード量τｆｆは、加速度Aｆｆを発生させるモータトルクに相当する。

従来の位置制御装置のフィードバック構成は次のようになっている。まず、対象プラント５０としては、トルク指令値τｍを操作量とし、サーボモータからボールネジを介して負荷を駆動する系（図示しない）を想定している。また、サーボモータに内包される位置検出器（図示しない）はモータ回転角度θｍ及び角速度ｖｍを検出する。さらに、負荷側の位置ｙは別途、設置したリニアスケール（図示しない）で検出される。負荷位置ｙは、ボールネジのリードＰを用いて、（２π／Ｐ）倍されてモータ回転軸換算された負荷位置θｉとなる。位置帰還θｆは、減算器５２で制御上の位置指令値θｃから減算され、その出力である位置偏差は位置偏差増幅器Ｇｐで増幅される。その出力は、加算器５４で速度フィードフォワード量Ｖｆｆと加算されて、速度指令値Ｖｃとなる。減算器５５では、速度指令値Ｖｃからモータ回転角速度ｖｍが減算され、その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器Ｇｖで、通常、比例積分増幅される。その出力は、加算器５６でトルクフィードフォワード量τｆｆと加算されて、トルク指令値つまりは、モータの発生トルクτｍとなる。

位置帰還θｆとθｍ，θｄｆ，θｉの関係は、図４より、次の式２で表される。
θｆ＝θｍ＋Ｇ（Ｓ）[θｉ−（θｍ−θｄｆ）]・・・式２
ここで、Ｇ（Ｓ）は、０≦｜Ｇ（Ｓ）｜≦１で、低周波入力に対して大きく、高周波入力に対して小さい、遅れ系の伝達特性を持つ。よって、定常的には、θｆ＝θｉ＋θｄｆとなって、フィードバック制御により、θｃ＝θｆとできることから、θ^＊＝θｉが達成できる。つまり、位置指令値θ^＊通りに負荷位置ｙを制御できる。尚、この様な位置制御装置は、特許文献１に開示されている。

特許第３３５１９９０号明細書

以上説明したように、従来の位置制御装置では、モータ位置θｍをボールネジ部に生じる撓み量θｄｆだけ進めることによって、位置指令値θ^＊と負荷位置θｉとが一致するように制御を行うことができる。しかしながら、駆動系を支持固定する構造体の剛性が低い場合や、リニアスケールを用いて検出を行っている負荷位置よりも先の部分に剛性の低い要素を含む場合には、その部位において生じる機械系の撓み成分を補うことができない。また、このように機構剛性が低い部分を有する機械において、高加減速化駆動が要求される場合には、加速度の増加に合わせて機械系の撓み量が増加するという問題がある。

さらに詳しく機械系の撓みについて説明する。図２ａは、数値制御機械の一つである工作機械の一例として門型マシニングセンタの概略機構を示したモデルである。地面に固定設置されたベッド１１に対し、Ｘ方向に移動可能となるようテーブル１２が配置される。さらに、加工対象物であるワーク１８はテーブル１２の上に積載・固定される。一方、コラム１３はベッド１１と同様に地面にリジットに固定設置され、クロスレール１４をＷ方向に移動させることが可能な構造となっている。さらに、サドル１５はクロスレール１４上をＹ方向に移動可能であり、ラム１６をＺ方向に上下させる機構を有している。そして、ラム１６の先端には主軸頭を備え、取り付けられた工具１７を高速回転させることによって、ワーク１８に対し切削を行う。

ここでは、Ｙ方向の動作に着目する。Ｙ軸の駆動系として、クロスレール１４上に設置されたサーボモータ（図示しない）からボールネジ（図示しない）を介してサドル１５を駆動する系を想定する。また、クロスレール１４上にはリニアスケール（図示しない）が取り付けられておりサドル１５の位置を検出することが可能な機構となっている。このとき、ボールネジ部で発生した撓み成分については従来の位置制御装置により補償を行うことができ、位置指令値θ^＊とサドル１５の位置θｉとが一致するように制御を行うことができる。しかし、クロスレール１４を支えるコラム１３の剛性が低い場合や、コラム１３と地面との結合度が低い場合には、図２ｂに示すように、例えば、サドル１５が−Ｙ方向に加速した場合、クロスレール１４、及びコラム１３はその反力を受け、＋Ｙ方向に変位する。この場合、位置指令値θ^＊とリニアスケールによるサドル１５の検出位置θｉとが一致していても、空間上におけるサドル１５の絶対的な位置はコラム１３の変位量分だけ、所望の位置とずれてしまう。

同様に、ラム１６の剛性が低い場合、サドル１５が−Ｙ方向に加速すると、ラム１６の先端にある主軸頭は慣性力を受け、結果として＋Ｙ方向に変位する。したがって、空間上における工具１７の先端の軌跡は所望の動きからずれたものとなってしまう。そのため、工具１７は加工対象物であるワーク１８に対し、相対的に変位を生じてしまい、適切な位置で切削を行うことができない。

さらに、クロスレール１４がコラム１３上の何処に位置（Ｗ軸の座標）するか、あるいはサドル１５に対しラム１６の突き出し量（Ｚ軸の座標）がどれだけあるかによって、それぞれ荷重の作用する点が変わる。これにより、コラム１３、あるいはラム１６の機構剛性が変化し、結果としてサドル１５が加速することによって生じる撓み量自体が変化してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、駆動系を支持固定する構造物などの剛性に起因して、機械系に撓みが生じ、工具先端の軌跡が加工ワークに対し相対的な変位を生じること、そしてその変位量が機械の姿勢によって変化することである。そして、本発明の目的は、機械の姿勢変化に適応し、発生した機械系の撓みを常時補償することで、工具先端の軌跡を所望通りの動きとする位置制御装置を提供することである。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る位置制御装置は、数値制御機械の可動部をモータで駆動し、前記数値制御機械上に設けられたワークおよび工具の相対的位置関係を可変させる場合に、上位装置から入力される前記モータの位置指令値に従って前記可動部の位置を制御する位置制御装置であって、前記ワークおよび工具に介在する構造体の姿勢を示す情報と、駆動される可動部の駆動加速度を示す情報と、に基づいて前記駆動される可動部を支持する構造体において反力により生じる撓み、および、前記駆動される可動部から工具までの間の構造体において慣性力により生じる撓みに起因する前記ワークおよび工具間の相対的変位量を機械撓み量推定値として算出する機械撓み量推定器と、前記機械撓み量推定値に基づいて、少なくとも、前記撓みに起因する位置ずれを補償するための機械撓み位置補償値を算出する機械撓み補償量演算器と、前記位置指令値に前記機械撓み位置補償値を加算して新たな制御上の位置指令値を生成する指令値演算部と、を備え、前記介在する構造体の姿勢を示す情報は、前記数値制御機械に設けられた複数の可動部それぞれの各軸方向の機械座標値であり、前記駆動される可動部の駆動加速度を示す情報は、前記モータの位置指令値であり、前記機械撓み量推定器は、前記数値制御機械に設けられた複数の可動部の各軸方向の機械座標値を引数とし、前記駆動される可動部を支持する構造体において反力により生じる撓み、および、前記駆動される可動部から工具までの間の構造体において慣性力により生じる撓みを合成した機械撓み量の加速度比例係数を表す関数であって、予め解析または実機測定を行った際の工具とワークの間に生じる相対的な変位量に基づいて導出された関数を記憶する記憶手段と、前記数値制御機械に設けられた複数の可動部の各軸方向の機械座標値と前記記憶手段に記憶された関数とに基づいて、前記介在する構造体の現在の姿勢に応じた前記機械撓み量の加速度比例係数を算出する加速度比例係数演算器と、前記モータの位置指令値を二階微分して指令加速度を算出する二次微分器と、前記機械撓み量の加速度比例係数と指令加速度とを乗算して前記機械撓み量推定値を算出する乗算器と、を備えることを特徴とする。

他の好適な態様では、前記ワークおよび工具のうち少なくとも一つが、前記可動部上に設置されており、前記機械撓み量推定器は、前記駆動される可動部の可動方向に発生する撓み量を前記機械撓み推定値として算出する。

他の好適な態様では、さらに、前記モータの位置指令値と位置検出値との差分値を位置偏差増幅器で増幅して速度指令値を算出する演算部と、前記速度指令値と前記位置検出値の時間微分値との差分値を速度偏差増幅器で増幅してトルク指令値を算出する演算部と、を備え、前記機械撓み補償量演算器は、前記機械撓み位置補償値に加え、さらに、機械撓み速度補償値および機械撓みトルク補償値の少なくとも一方を算出し、前記指令値演算部は、さらに、前記機械撓み速度補償値が算出された場合には前記速度指令値に前記機械撓み速度補償値を加算して新たな制御上の速度指令値を算出し、前記機械撓みトルク補償値が算出された場合には前記トルク指令値に前記機械撓みトルク補償値を加算して新たな制御上のトルク指令値を算出する。

他の好適な態様では、前記機械撓み補償量演算器は、入力された前記機械撓み量推定値に対し比例補償器を介して算出された機械撓み位置補償値と、微分器と比例補償器を介して算出された機械撓み速度補償値と、２つの微分器と加速度−トルク換算係数と比例補償器を介して算出された機械撓みトルク補償値と、を算出し、前記比例補償器の設定値を変えることにより、位置、速度、トルクに対する補償量を調節する。

上述の場合において、前記指令値演算部は、前記機械撓み速度補償値を、速度帰還値となる前記位置検出値の時間微分値から減算することで新たな制御上の速度指令値を算出してもよい。また、前記指令値演算部は、前記機械撓み位置補償値を、位置帰還値となる前記位置検出値から減算することで新たな制御上の位置指令値を算出してもよい。

本発明の位置制御装置によれば、駆動系を支持固定する構造物などの剛性に起因して、機械系に撓みが生じても、機械（対象物間に介在する構造体）の姿勢変化に適応し、発生した機械系の撓みを常時補償するため、工具先端の軌跡を所望通りに動かすことができるという効果がある。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。

図２ｂは、数値制御機械の一つである門型マシニングセンタに関し、クロスレール１４を支えるコラム１３の剛性が低い、あるいはコラム１３と地面との結合度が低い場合、かつ、ラム１６の剛性が低い場合を想定した時の概略機構を示したモデルである。今、サドル１５が−Ｙ方向に加速すると、クロスレール１４、及びコラム１３はその反力を受け、さらに、ラム１６の先端にある主軸頭は慣性力を受け、それぞれ＋Ｙ方向に変位するため、空間上における工具１７の先端の軌跡は所望の動きからずれてしまう。ここで、サドル１５が加速する際にコラム１３にかかるＹ方向の荷重をＦｃ、地面との結合度を含めたコラム１３のＹ方向の剛性をＫｃとすると、コラム１３が生じる撓み量εｃは、次の式３で表される。
εｃ＝Ｆｃ／Ｋｃ・・・式３

同様に、サドル１５が加速する際にラム１６にかかるＹ方向の荷重をＦｒ、ラム１６のＹ方向の剛性をＫｒとすると、ラム１６が生じる撓み量εｒは、次の式４で表される。
εｒ＝Ｆｒ／Ｋｒ・・・式４
したがって、工具１７の先端では、次の式５で示す変位が生じることになる。
ε＝εｃ＋εｒ・・・式５
ここで、Ｆｃ，Ｆｒは、可動部であるサドル１５の加速度αに比例することから、工具１７の先端の変位量εは、加速度比例係数Ｇｃ，Ｇｒ，Ｇを用いて式６のように表現できる。
ε＝Ｆｃ／Ｋｃ＋Ｆｒ／Ｋｒ＝（Ｇｃ＋Ｇｒ）×α＝Ｇ×α・・・式６

ここで、式６は、加速度αと加速度比例係数Ｇと、加工ワークと工具先端（すなわち二つの制御対象物）の間に介在する構造体の総撓み量と、の関係を与える式である。この式６は、加速度αとして駆動軸の指令加速度を用いることによって、加工ワークと工具先端との間に生じる機械撓み量の推定値を得ることができることを意味している。

一方、コラム１３の機構剛性Ｋｃやラム１６の機構剛性Ｋｒは、クロスレール１４がコラム１３上の何処に位置するか、あるいはサドル１５に対しラム１６の突き出し量がどれだけあるかによって、その値が変化する。つまり、Ｗ軸の座標やＺ軸の座標に応じて機械系の剛性が変化すると考えることができる。即ち、式６におけるＧはＷ軸の位置やＺ軸の位置に依存した変数Ｇ（ｚ，ｗ）として捉える必要がある。

図１ａは、本発明の実施形態に係る位置制御装置のブロック図の一例である。また、図１ｂ、図１ｃは、図１ａにおける機械撓み量推定器６０、機械撓み補償量演算器６１の詳細を示すブロック図である。なお、本ブロック図において、図４（従来例）と同一の部分においては、同一の名称及び番号を付けて説明を省略する。

本実施形態では、従来の位置制御装置と異なり、機械撓み量εを推定する機械撓み量推定器６０と、当該機械撓み量推定器６０で推定された機械撓み量ε（推定値）に基づいて三種類の機械撓み補償量θｍｄｆ，Ｖｍｄｆ，τｍｄｆを算出する機械撓み補償量演算器６１と、を設けている。

機械撓み量推定器６０は、上位装置からの各軸の位置指令値ｘ^＊，ｙ^＊，ｚ^＊，ｗ^＊を入力とする。ここで、各軸の位置指令値ｘ^＊，ｙ^＊，ｚ^＊，ｗ^＊は、加工ワークと工具先端（すなわち二つの制御対象物）の間に介在する構造体の姿勢、すなわち、機械姿勢を示す情報とも言える。機械撓み量推定器６０は、この入力された各軸の位置指令値ｘ^＊，ｙ^＊，ｚ^＊，ｗ^＊と、予め設計された関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）と、に基づいて、機械姿勢に応じた機械撓み量の加速度比例係数を内部演算する。そして、算出された加速度比例係数と位置指令値θ^＊の二階微分値である指令加速度とが乗算され、機械撓み量推定値εが算出される。即ち、機械撓み量推定器６０は、式７の演算を実行する。
ε＝Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）×（ｄ^２θ^＊／ｄｔ^２）・・・式７

次に、機械撓み補償量演算器６１は、機械撓み量推定器６０から出力された機械撓み量推定値εを入力とし、微分器と比例補償器Ｃｍｐ，Ｃｍｖ，Ｃｍｔを用いて、機械撓み位置補償値θｍｄｆ、機械撓み速度補償値Ｖｍｄｆ、機械撓みトルク補償値τｍｄｆを算出する。この算出は、次の式８〜１０に従って行われる。
θｍｄｆ＝Ｃｍｐ×ε・・・式８
Ｖｍｄｆ＝Ｃｍｖ×（ｄε／ｄｔ）・・・式９
τｍｄｆ＝Ｃｍｔ×（ｄ^２ε／ｄｔ^２）・・・式１０

図１ａに示した本実施形態の位置制御装置は、機械撓み補償量演算器６１から出力された機械撓み位置補償値θｍｄｆ、機械撓み速度補償値Ｖｍｄｆ、機械撓みトルク補償値τｍｄｆに関し、図４の位置制御装置に対して、フィードフォワード的に補償を加えることによって、工具１７の先端の軌跡が所望の動きとなるように補正を加える。すなわち、θｍｄｆは、図４の従来の位置制御装置内の加算器５１出力に、加算器６２で加算されて、本実施形態における制御上の位置指令値θｃになる。また、Ｖｍｄｆは、図４の従来の位置制御装置内の加算器５４出力に、加算器６３で加算されて速度指令値Ｖｃになる。さらに、τｍｄｆは、図４の従来の位置制御装置内の加算器５６出力に、加算器６４で加算されてトルク指令値τｍになる。

なお、関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）の構成は、機械構造によって異なるが、その設計に際しては、例えば、各軸の座標、及び加速度を引数としてＦＥＭ解析あるいは実機測定等を行い、工具１７の先端部と加工ワーク１８の間に生じる相対的な変位量を求め、これを関数化することで導出できる。例えば、図２ｂにおいて、同一加速度における工具１７の先端部の変位量が、Ｗ軸の位置やＺ軸の位置によって変移する時、仮に、コラム１３の撓みの影響についてはＷ軸位置を引数とする二次関数に近似でき、ラム１６の撓みの影響についてはＺ軸位置と比例関係を持つと近似できる、と仮定する。この場合、定数ａ，ｂ，ｃ，ｄを用いて関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）は、式１１のように表現すればよい。
Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）＝ａ×（ｗ^＊）^２+ｂ×ｗ^＊+ｃ×ｚ^＊+ｄ・・・式１１
また、図２ｂのように複数の撓み成分が合成して工具１７の先端の軌跡を変位させるのではなく、ある特定部位で生じる撓みが、工具１７の先端の軌跡を変位させる要因として支配的となる場合は、物理的にその部位における機構剛性と負荷荷重を計算することにより、関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）を定めることができる。

また、機械撓み量推定器内の加速度比例係数を算出する演算器は関数Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ，ｗ）で構成する必要は無く、例えば各軸の座標から予め設定されたデータテーブルを参照し、比例係数Ｇを決定する構造とすることも可能である。さらに、図１ａ、図１ｂにおいては機械撓み量推定器の入力を各軸の位置指令値ｘ^＊，ｙ^＊，ｚ^＊，ｗ^＊としているが、位置検出値の読取値ｘ，ｙ，ｚ，ｗに代替することも可能である。さらに、これらの位置指令値や位置検出値は、必ずしも上位装置から与えられる必要は無く、他の軸を制御する位置制御装置から転送することでも代用できる。

図３は、本発明の位置制御装置を用いた時の効果を示す図である。上位装置から受けとった位置指令値θ^＊に基づき、速度指令値Ｖｃ、トルク指令値τｍが算出される。ここで、フィードフォワード制御系が適切に機能し、制御上の追従遅れが殆ど無い状況下では、制御上の位置指令値θｃと位置帰還値θｆの差がほぼ０となる。即ち、機械構造物に対しては、τｍに従った荷重が加わり、この時生じる機械系の撓み量、及び工具１７の先端の変位εはτｍに比例したものとなる。ここで、トルク指令値τｍ（加速度フィードフォワード量Aｆｆ）に比例した機械撓み位置補償値θｍｄｆを位置指令値θ^＊に加算することを考える。なお、ここでは簡単のためθｍｄｆ＝εとする。前述のようにθｃ−θｆ＝０であるから、θｃ＝θ^＊+θｍｄｆとした場合には、θ^＊+θｍｄｆ−θｆ＝０となる。即ち、θ^＊−θｆ＝−θｍｄｆであり、位置帰還値θｆは、位置指令値θ^＊に対し、θｍｄｆだけ進んだ状態で制御される。しかし、機械系の撓みの影響で工具１７の先端部は、位置帰還値θｆに対し、ε（＝θｍｄｆ）だけ遅れて動いている。したがって、工具１７の先端部では、制御的な「進み分」と機械系の撓みによる「遅れ分」が相殺され、位置指令値θ^＊と工具１７の先端位置とが一致して動作するようになる。これにより、工具１７の先端部を所望の軌跡どおりに駆動させることが可能となる。

ここで、前述のような効果を得るために、機械撓み補償量演算器６１の比例補償器Ｃｍｐは、機械撓み量推定値εと機械撓み位置補償値θｍｄｆとが等しくなるように、Ｃｍｐ＝１とすることが望ましい。しかし、機械撓み量の推定値には推定誤差を含むことが考えられ、補償量を適正値とするためにＣｍｐ＝１.２のように、比例補償器の値を増やして機械撓み位置補償値θｍｄｆを大きくすることが考えられる。逆に、機械撓み補償が過補償に作用することを防ぐため、Ｃｍｐ＝０.８のように、比例補償器の値を小さくして機械撓み位置補償値θｍｄｆの値を制限することも、必用に応じて行う必要がある。さらに、位置フィードバック制御系の応答性が十分に高い場合には、比例補償器Ｃｍｖ，Ｃｍｔの値をＣｍｖ＝０，Ｃｍｔ＝０としても、前述の効果を得ることができるが、十分な応答帯域を確保できない場合には、Ｃｍｖ，Ｃｍｔの値をＣｍｐの値に習って設定する必要がある。ただし、機械撓みトルク補償値τｍｄｆは、その構成上、位置指令値θ^＊の四階微分値に比例し、位置指令値θ^＊によってはインパルス状の波形となり駆動系に対し衝撃を与える恐れがある。これを避けるために、比例補償器Ｃｍｐ，Ｃｍｖ，Ｃｍｔは、Ｃｍｐ＞Ｃｍｖ＞Ｃｍｔ≧０の関係を有するように設定することが望ましい。

また、図１においては、機械撓み位置補償値θｍｄｆを位置指令値に加算することで補償を実現しているが、位置検出値から算出される位置帰還値θｆからθｍｄｆを減算しても同様の効果を得ることができる。同様に、機械撓み速度補償値Ｖｍｄｆを速度指令値に加算せず、速度帰還値ＶｍからＶｍｄｆを減算してもよい。

さらに、機械撓み量推定器６０は、上位装置からの各軸の座標を入力とし、加速度比例係数を内部で演算し、機械撓み量推定値εを出力としているが、加速度比例係数を算出する演算器を上位装置に持たせ、上位装置から直接、加速度比例係数を受けとり、機械撓み量推定値εを算出する構成をとることも可能である。

また、機械の駆動系に関し、対象プラント５０として、駆動部にサーボモータからボールネジを介して駆動する機構を想定しているが、本発明において扱う機械系の撓みはボールネジなど駆動系そのものに含まれる成分ではなく、コラム１３やラム１６のような機械構造物において生じる撓みであるため、駆動部にリニアモータによる直接駆動機構を備える機械であっても、同様の補償方法により工具１７の先端の軌跡を所望の軌跡と一致させることができる。

なお、本実施例においては、図２ｂに基づきＹ軸方向の動きについてのみ説明を行ってきたが、本発明における機械系の撓みを補償する技術は、他の軸方向の動きに対しても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。例えば、ラム１６をＺ方向に加減速する場合、その荷重を支えるクロスレール１４は、Ｚ方向に撓みによる変位を生じる。また、その撓み量の大きさは、サドル１５がコラム１３の近くに位置する場合は小さく、クロスレール１４の中央に位置する場合は大きくなる。即ち、Ｚ軸の加速度に基づき撓み補償量を算出し、さらに、その補償量をＹ軸の位置によって可変とすることで、Ｚ軸方向に発生した機械系の撓みを機械の姿勢変化に適応しながら常時補償することができる。

本発明の実施形態に係る位置制御装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る位置制御装置における機械撓み量推定器の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る位置制御装置における機械撓み補償量演算器の内部構成を示すブロック図である。 本発明が解決しようとする課題を説明するための数値制御機械の概略機構モデルである。 本発明が解決しようとする課題を説明するための数値制御機械の概略機構モデルである。 本実施形態による効果を示す図である。 従来の位置制御装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 門型マシニングセンタのベッド、１２ テーブル、１３ コラム、１４ クロスレール、１５ サドル、１６ ラム、１７ 工具、１８ 加工ワーク、５０ 対象プラント、５１，５３，５４，５６，５８，６２，６３，６４ 加算器、５２，５５，５７，５９ 減算器、６０ 機械撓み量推定器、６１ 機械撓み補償量演算器、７１ 乗算器。

Claims (6)

1. 数値制御機械の可動部をモータで駆動し、前記数値制御機械上に設けられたワークおよび工具の相対的位置関係を可変させる場合に、上位装置から入力される前記モータの位置指令値に従って前記可動部の位置を制御する位置制御装置であって、
   前記ワークおよび工具に介在する構造体の姿勢を示す情報と、駆動される可動部の駆動加速度を示す情報と、に基づいて前記駆動される可動部を支持する構造体において反力により生じる撓み、および、前記駆動される可動部から工具までの間の構造体において慣性力により生じる撓みに起因する前記ワークおよび工具間の相対的変位量を機械撓み量推定値として算出する機械撓み量推定器と、
   前記機械撓み量推定値に基づいて、少なくとも、前記撓みに起因する位置ずれを補償するための機械撓み位置補償値を算出する機械撓み補償量演算器と、
   前記位置指令値に前記機械撓み位置補償値を加算して新たな制御上の位置指令値を生成する指令値演算部と、
   を備え、
   前記介在する構造体の姿勢を示す情報は、前記数値制御機械に設けられた複数の可動部それぞれの各軸方向の機械座標値であり、
   前記駆動される可動部の駆動加速度を示す情報は、前記モータの位置指令値であり、
   前記機械撓み量推定器は、
   前記数値制御機械に設けられた複数の可動部の各軸方向の機械座標値を引数とし、前記駆動される可動部を支持する構造体において反力により生じる撓み、および、前記駆動される可動部から工具までの間の構造体において慣性力により生じる撓みを合成した機械撓み量の加速度比例係数を表す関数であって、予め解析または実機測定を行った際の工具とワークの間に生じる相対的な変位量に基づいて導出された関数を記憶する記憶手段と、
   前記数値制御機械に設けられた複数の可動部の各軸方向の機械座標値と前記記憶手段に記憶された関数とに基づいて、前記介在する構造体の現在の姿勢に応じた前記機械撓み量の加速度比例係数を算出する加速度比例係数演算器と、
   前記モータの位置指令値を二階微分して指令加速度を算出する二次微分器と、
   前記機械撓み量の加速度比例係数と指令加速度とを乗算して前記機械撓み量推定値を算出する乗算器と、
   を備えることを特徴とする位置制御装置。
2. 請求項１に記載の位置制御装置であって、
   前記ワークおよび工具のうち少なくとも一つが、前記可動部上に設置されており、
   前記機械撓み量推定器は、前記駆動される可動部の可動方向に発生する撓み量を前記機械撓み推定値として算出する、
   ことを特徴とする位置制御装置。
3. 請求項１または２に記載の位置制御装置であって、さらに、
   前記モータの位置指令値と位置検出値との差分値を位置偏差増幅器で増幅して速度指令値を算出する演算部と、
   前記速度指令値と前記位置検出値の時間微分値との差分値を速度偏差増幅器で増幅してトルク指令値を算出する演算部と、
   を備え、
   前記機械撓み補償量演算器は、前記機械撓み位置補償値に加え、さらに、機械撓み速度補償値および機械撓みトルク補償値の少なくとも一方を算出し、
   前記指令値演算部は、さらに、前記機械撓み速度補償値が算出された場合には前記速度指令値に前記機械撓み速度補償値を加算して新たな制御上の速度指令値を算出し、前記機械撓みトルク補償値が算出された場合には前記トルク指令値に前記機械撓みトルク補償値を加算して新たな制御上のトルク指令値を算出する、
   ことを特徴とする位置制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
   前記機械撓み補償量演算器は、入力された前記機械撓み量推定値に対し比例補償器を介して算出された機械撓み位置補償値と、微分器と比例補償器を介して算出された機械撓み速度補償値と、２つの微分器と加速度−トルク換算係数と比例補償器を介して算出された機械撓みトルク補償値と、を算出し、前記比例補償器の設定値を変えることにより、位置、速度、トルクに対する補償量を調節することを特徴とする位置制御装置。
5. 請求項３に記載の位置制御装置であって、
   前記指令値演算部は、前記機械撓み速度補償値を、速度帰還値となる前記位置検出値の時間微分値から減算することで新たな制御上の速度指令値を算出することを特徴とする位置制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の位置制御装置であって、
   前記指令値演算部は、前記機械撓み位置補償値を、位置帰還値となる前記位置検出値から減算することで新たな制御上の位置指令値を算出することを特徴とする位置制御装置。

Images