JP6844158B2 - 制御装置および制御プログラム - Google Patents
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Description
まず、本実施の形態に係るアクチュエータの構成および課題について説明する。本実施の形態に係る制御方法は、対象物と移動部材との間の相対距離を変化させるとともに、移動部材から対象物へ与える荷重の大きさを制御する。このようなアクチュエータの一例として、以下では、ボールねじを有する移動機構を一例として説明する。
図1は、本実施の形態に係る制御方法に用いられるアクチュエータの一例を示す模式図である。図1を参照して、アクチュエータ2は、ハウジング4の中心部に上部を貫通するように配置されたボールねじ6を含む。このボールねじ6には、移動部材であるナット8が係合されている。ナット8はハウジング4の内部に回転を抑止された状態で配置されている。ボールねじ6の一端にはモータ10が結合されており、モータ10が回転することで、ボールねじ6とナット8とが相対回転し、その結果、ナット8がボールねじ6の軸方向に沿って移動することになる。このような機構によって、移動部材であるナット8の位置を制御することができる。
次に、図1に示すようなアクチュエータ2を用いた場合の低荷重での押し当て制御の難しさについて説明する。押し当て制御とは、一般的には、アクチュエータ2の移動部材と対象物との間の相対距離についての制御、および、アクチュエータ2の移動部材が対象物に対して与える荷重の大きさの制御を包含する。
次に、移動部材と対象物との衝突速度に応じて発生する荷重への影響について説明する。対象物または移動部材の大きさの誤差などによって、移動部材と対象物との間の距離が本来の値より接近して、押し当て制御にオーバーシュートが発生すると、発生する摩擦の向きが変化するので、押し当て制御を適切に行えない場合がある。
上述したように、低荷重での押し当て制御の難しさがあり、かつ、高速かつ高精度な位置制御が要求される。このような要求に対して、本実施の形態に係る制御方法では、速度指令型インピーダンス制御または位置指令型インピーダンス制御を採用する。
xn(・):速度指令値
xn−1(・):速度実績値
xd(・):速度目標値(今回の目標値)
md:マス係数
Cd:ダンパ係数
Kd:ばね係数
xd:位置目標値(今回の目標値)
xn−1:位置実績値
Fd:荷重目標値
Fext:荷重実績値
Δt:演算周期(サンプリング時間)
図4(A)に示す制御演算式においては、マス項としてマス係数mdの逆数が用いられ、マス係数mdの逆数は、ダンパ項、ばね項、マス項(荷重)の全体に対して乗じられる。マス係数mdは、移動部材の質量に関連付けられる係数である。
次に、本実施の形態に係る制御方法を実現するための制御装置を含む制御システムの構成について説明する。図5は、本実施の形態に係る制御装置を含む制御システム1の構成を概略する模式図である。
次に、本実施の形態に係る制御方法を実現するための制御ループの一例について説明する。図7は、本実施の形態に係る制御方法を実現するための制御ループの一例を概略する模式図である。図7には、上述の図4(B)に示す制御演算式に相当する制御ループを示す。
本実施の形態に係る制御方法においては、上述したようなインピーダンス制御を採用することで、荷重の制御を高精度に行うことができる。インピーダンス制御は、制御対象が有する機械的な特性(すなわち、インピーダンス)を考慮して、アクチュエータ2を制御するため、荷重を高精度に調整できるが、従来の制御手法に比較して対象物に接近するのにより多くの時間を要する場合がある。
上述の第1制御ロジックにおいては、速度制御または位置制御からインピーダンス制御へ切り替える構成について例示したが、インピーダンス制御をさらに細分化してもよい。
次に、移動部材と対象物との接触時に生じ得る荷重のピーク(オーバーシュート)を低減するための手法を含む制御ロジックについて説明する。
荷重ピークとタクトタイムとについての評価関数を用いることで、速度切替時刻Tcを最適化してもよい。例えば、以下のような評価値fを定義し、この評価値fが極小値をとる条件を探索してもよい。
このような評価値fを用いることで、荷重ピークおよびタクトタイムの両方を考慮した、速度切替時刻Tcを決定できる。
荷重ピークが予め定められた許容値を満足している範囲でタクトタイムの延長分を最小化する場合には、以下のような評価値fを用いてもよい。
但し、荷重ピーク<許容値
このような評価値fを用いることで、荷重ピークを許容値内に維持できる範囲で、タクトタイムを最も短くできる速度切替時刻Tcを決定できる。
上述したような評価値fの最適値を探索する方法としては、数学的に解を求める方法を採用してもよいが、複数の候補を予め設定し、これら複数の候補の間で最適なものを決定するようにしてもよい。
次に、本実施の形態に係る制御方法をユーザプログラム116上で実装する場合の構成例について説明する。
上述の説明においては、移動部材がボールねじの延伸方向に沿って移動するアクチュエータに対して、実施の形態に係る制御方法を提供する応用例について例示したが、これに限らず、部材間の距離および押し当て力(荷重)を制御するアクチュエータに適用できる。
本実施の形態によれば、インピーダンス制御とインピーダンス制御以外の速度制御または位置制御とを組み合わせることで、高速かつ高精度な押し当て制御を実現できる。
Claims (9)
- 対象物と移動部材との間の相対距離を変化させるとともに、前記移動部材から前記対象物へ与える荷重の大きさを制御する制御装置であって、
予め定められた速度または位置についてのパターンに従って前記移動部材についての指令値を順次算出する第1制御手段と、
予め定められた第1条件が成立すると、前記第1制御手段による前記指令値の算出に代わって、インピーダンス制御に対応する制御演算式に従って前記移動部材についての指令値を順次算出する第2制御手段とを備え、
前記第1制御手段は、速度についてのパターンに従って前記移動部材についての速度指令値を順次算出し、
前記第2制御手段は、前記制御演算式に従って、速度実績値を用いて今回の速度指令値を算出する、制御装置。 - 前記インピーダンス制御に対応する制御演算式は、指令値の次元についての目標値と実績値との差分に比例する項を含む、請求項1に記載の制御装置。
- 前記インピーダンス制御に対応する制御演算式は、指令値を積分した次元についての目標値と実績値との差分に比例する項をさらに含む、請求項2に記載の制御装置。
- 前記第2制御手段は、第1パラメータセットを設定した前記インピーダンス制御に従って、前記移動部材が前記対象物に接触する時点を含む第1期間を制御し、続いて、前記第1パラメータセットとは異なる第2パラメータセットを設定した前記インピーダンス制御に従って、前記第1期間に引き続く第2期間を制御する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記移動部材が前記対象物に接触する前に、前記移動部材についての速度指令値を算出するための目標値が予め取得された補正量だけ減じられる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記第2制御手段は、前記インピーダンス制御に対応する制御演算式に従って前記移動部材についての指令値が順次算出される過程において、予め定められた第2条件が成立すると、前記速度指令値を算出するための目標値を前記補正量だけ減じる、請求項5に記載の制御装置。
- 前記第2条件は、前記第2制御手段による前記インピーダンス制御の開始から予め定められた時間が経過したことを含む、請求項6に記載の制御装置。
- 前記第2条件は、前記移動部材が前記対象物に接触した直後に発生する荷重のピークと、前記移動部材が前記対象物に接触して荷重を与える一連の処理に要する時間の長さとを考慮して決定される、請求項7に記載の制御装置。
- 対象物と移動部材との間の相対距離を変化させるとともに、前記移動部材から前記対象物へ与える荷重の大きさを制御する制御プログラムであって、前記制御プログラムはコンピュータに
予め定められた速度または位置についてのパターンに従って前記移動部材についての指令値を順次算出する第1制御ステップと、
予め定められた第1条件が成立すると、前記第1制御ステップによる前記指令値の算出に代わって、インピーダンス制御に対応する制御演算式に従って前記移動部材についての指令値を順次算出する第2制御ステップとを実行させ、
前記第1制御ステップは、速度についてのパターンに従って前記移動部材についての速度指令値を順次算出するステップを含み、
前記第2制御ステップは、前記制御演算式に従って、速度実績値を用いて今回の速度指令値を算出するステップを含む、制御プログラム。
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