JP7501402B2

JP7501402B2 - 制御システムおよび制御方法

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Publication number: JP7501402B2
Application number: JP2021025596A
Authority: JP
Inventors: 英詞山本; 俊之小島; 勇人安井
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: CN116745708A; EP4295988A1; JP2022127440A; US20240103495A1; WO2022176247A1

Description

本開示は、制御システムに関し、より特定的には、制御システムの指令へのフィードバック技術に関する。

レーザ加工機またはルータ等のＣＮＣ（Computer Numerical Control）加工機、検査機、または、その他の任意の装置において、複数のアクチュエータを制御して、動作命令を実行するための技術が必要とされている。

アクチュエータの制御に関し、例えば、特開２０００－０７８８７５号公報（特許文献１）は、サーボ制御装置を開示している。当該サーボ制御装置は、「制御対象に対する指令信号を発する指令部、制御対象の運動状態に係る位相情報を得るための位相検出部、この両者による信号間の位相比較により位相差信号を得る位相比較部を設ける。そして、位相検出器の精度誤差に起因するリップル成分のパターン情報を学習・記憶する学習モード時において、制御対象に対して櫛形フィルタを直列接続し、定速度制御指令下において櫛形フィルタ出力のリップル成分が無くなったときに得られる位相誤差の補正用情報を位相検出部からの信号に同期して記憶部に記憶させる。実際の動作モード時には、櫛形フィルタを外した上で上記補正用情報を位相検出部からの信号に同期して記憶部から読み出し、当該情報に基づいて位相比較部の出力信号又は位相検出部による位相検出信号に対して補正する」ものである。（［要約］参照）。

特開２０００－０７８８７５号公報

特許文献１に開示された技術によると、アクチュエータの実際の駆動量に基づいて、次のアクチュエータへの指令に対してフィードバックをかけることができない。したがって、アクチュエータの実際の駆動量に基づいて、次のアクチュエータへの指令に対してフィードバックをかけるための技術が必要とされている。

本開示は、上記のような背景に鑑みてなされたものであって、ある局面における目的は、アクチュエータの実際の駆動量に基づいて、次のアクチュエータへの指令に対してフィードバックをかけるための技術を提供することにある。

本開示の一例に従えば、制御システムが提供される。制御システムは、作業位置に関する指令を生成するためのプログラムを格納するメモリと、プログラムを実行するための制御部と、第１の駆動部に駆動信号を出力する第１の出力部と、第２の駆動部に別の駆動信号を出力する第２の出力部と、第１の駆動部の駆動量を計測する計測部とを備える。制御部は、指令に含まれる低周波成分を抽出し、低周波成分を第１の出力部に伝送し、第１の駆動部の駆動量を示す信号に基づいて、指令に含まれる高周波成分を補正し、高周波成分を第２の駆動部に伝送する。

この開示によれば、第１の駆動部の駆動量を示す信号に基づいて、指令に含まれる高周波成分を補正することができる。

上記の開示において、制御システムは、第１の駆動部と、第２の駆動部とをさらに含む。

この開示によれば、指令に含まれる低周波成分に基づいて第１の駆動部を駆動させ、指令に含まれる高周波成分に基づいて第２の駆動部を駆動させることができる。

上記の開示において、指令に含まれる高周波成分を補正することは、信号に基づいて、低周波成分に第１の駆動部の位置偏差を加算することと、指令から、加算処理後の低周波成分を減算することとを含む。

この開示によれば、第１の駆動部の位置偏差に基づいて、高周波成分を補正することができる。

上記の開示において、制御部は、さらに、位置偏差をＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により調節する。

この開示によれば、高周波成分に過度な補正がかかることを抑制することができる。
上記の開示において、制御部は、さらに、位置偏差に制限をかける。

この開示によれば、高周波成分に過度な補正がかかることを抑制することができる。
上記の開示において、制御部は、さらに、位置偏差に基づいて、低周波成分および高周波成分の分離比率を変更する。

この開示によれば、位置偏差に基づいて、低周波成分および高周波成分の分離比率を調節することができる。

上記の開示において、位置偏差に基づいて、低周波成分および高周波成分の分離比率を変更することは、分離比率を変更することを繰り返すことと、分離比率ごとの位置偏差を比較することと、最も位置偏差が小さい分離比率を選択することとを含む。

この開示によれば、位置偏差が最小となる低周波成分および高周波成分の分離比率を選択することができる。

本開示の別の一例に従えば、制御方法が提供される。制御方法は、作業位置に関する指令を生成するステップと、指令に含まれる低周波成分を抽出するステップと、低周波成分に基づいて、機器の第１の駆動部を駆動させるステップと、第１の駆動部の駆動量を示す信号に基づいて、指令に含まれる高周波成分を補正するステップと、高周波成分に基づいて、機器の第２の駆動部を駆動させるステップとを含む。

上記の開示において、指令に含まれる高周波成分を補正するステップは、信号に基づいて、低周波成分に第１の駆動部の位置偏差を加算するステップと、指令から、加算処理後の低周波成分を減算するステップとを含む。

上記の開示において、制御方法は、位置偏差をＰＩＤ制御により調節するステップをさらに含む。

この開示によれば、高周波成分に過度な補正がかかることを抑制することができる。
上記の開示において、制御方法は、位置偏差に制限をかけるステップをさらに含む。

この開示によれば、高周波成分に過度な補正がかかることを抑制することができる。
上記の開示において、制御方法は、位置偏差に基づいて、低周波成分および高周波成分の分離比率を変更するステップをさらに含む。

上記の開示において、位置偏差に基づいて、低周波成分および高周波成分の分離比率を変更するステップは、分離比率を変更することを繰り返すステップと、分離比率ごとの位置偏差を比較するステップと、最も位置偏差が小さい分離比率を選択するステップを含む。

ある実施の形態に従うと、アクチュエータの実際の駆動量に基づいて、次のアクチュエータへの指令に対してフィードバックをかけることが可能である。

この開示内容の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解される本開示に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

ある実施の形態に係る制御システム１の構成例を示す模式図である。ある実施の形態に係る制御システム１の主要なハードウェア構成例を示す模式図である。ある実施の形態に係る制御システム１の主要なソフトウェア構成例を示す第１の模式図である。ある実施の形態に係る制御システム１のＸＹステージポジションエラー検出器３６０の周辺の構成例を示す模式図である。ある実施の形態に係る制御システム１の主要なソフトウェア構成例を示す第２の模式図である。ある実施の形態に係る制御システム６の構成例を示す模式図である。ある実施の形態に係る制御システム６の主要なソフトウェア構成例を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本開示に係る技術思想の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜Ａ．適用例＞
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。

図１は、本実施の形態に係る制御システム１の構成例を示す模式図である。図１には、典型例として、レーザ加工システムの例を示すが、本発明を適用するアプリケーションは、何ら限定されるものではない。ある局面において、本発明を適用するアプリケーションは、ＣＮＣ加工機、３Ｄプリンタ、ピッキング装置、および、検査装置等の任意のアプリケーションを含み得る。また、制御システム１は、単体の装置、または複数の装置の組み合わせによって実現されてもよいし、他の装置と連携するための１または複数の装置であってもよい。

制御システム１は、ＸＹステージ２０上に配置されたワーク４に対して、穴あけ、切断、マーキング等のレーザ加工を行う。より具体的には、制御システム１は、制御装置１０と、ＸＹステージ２０と、レーザ３０と、ガルバノミラー４０とを含む。

ワーク４に対するレーザ加工は、ＸＹステージ２０によるワーク位置の調整と、レーザ３０が発生するレーザ光をガルバノミラー４０による照射位置の調整とを組み合わせる。ＸＹステージ２０によるワーク４の位置の調整は、変位量は相対的に大きく、かつ、応答時間は相対的に長い。これに対して、ガルバノミラー４０による照射位置の調整は、変位量は相対的に小さく、かつ、応答時間は相対的に短い。

制御装置１０は、主制御ユニット１００と、軸インターフェイスユニット２００と、レーザ制御ユニット３００とを含む。

主制御ユニット１００は、アプリケーションプログラム１１０（図２参照）を実行する演算部に相当する。アプリケーションプログラム１１０は、制御対象の機構およびワーク４等に応じて任意に作成される。主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行して得られる実行結果は、軸インターフェイスユニット２００およびレーザ制御ユニット３００における制御信号の生成に用いられる。

軸インターフェイスユニット２００は、制御線５２を介して、ＸＹステージ２０と接続されており、ＸＹステージ２０を駆動するためのステージ制御信号５２０を出力する。ＸＹステージ２０は、ワーク４が配置されるプレート２２と、プレート２２とを駆動するサーボモータ２４およびサーボモータ２６とを含む。図１に示す例では、サーボモータ２４がプレート２２をＸ軸方向に変位させ、サーボモータ２６がプレート２２をＹ軸方向に変位させる。軸インターフェイスユニット２００からのステージ制御信号５２０は、サーボモータ２４およびサーボモータ２６を駆動するサーボドライバ２３およびサーボドライバ２５（図２参照）に与えられる。ある局面において、軸インターフェイスユニット２００は、１以上の任意の数のサーボモータを制御してもよい。

レーザ制御ユニット３００は、一種の通信装置であり、制御線５３を介して、レーザ３０と接続されており、レーザ３０に対して、オン／オフを指示するレーザ制御信号５３０を出力する。また、レーザ制御ユニット３００は、通信線５４を介して、ガルバノミラー４０と接続されており、ガルバノミラー４０に対して、光学経路を指示するミラー制御信号５４０を出力する。ガルバノミラー４０は、Ｘ軸走査ミラー４３と、Ｙ軸走査ミラー４５と、レンズ４７とを含む。レーザ３０から照射された光は、レンズ４７、Ｙ軸走査ミラー４５、Ｘ軸走査ミラー４３の順に伝搬して、ＸＹステージ２０上に投射される。

Ｘ軸走査ミラー４３の反射面の各度は、Ｘ軸走査モータ４２によって調整され、Ｙ軸走査ミラー４５の反射面の各度は、Ｙ軸走査モータ４４によって調整される。レンズ４７とレーザ３０との相対距離は、Ｚ軸走査モータ４６によって調整される。

ここで、ステージ制御信号５２０およびレーザ制御信号５３０の実体は、パルス信号等の電気信号であり、信号を受けるＸＹステージ２０およびレーザ３０は、パルス信号のレベル（電位あるいは電圧）またはレベル変化に応じて動作する。これに対して、ミラー制御信号５４０は、通信信号であり、ミラー制御信号５４０の実体は、任意のデータが変調された信号である。

本実施の形態に係る制御システム１は、サーボモータ２４，２６により、大きい負荷であるＸＹステージ２０を動作させる。そのため、制御システム１がＸＹステージ２０を動作させると、実際のワークの加工位置が、主制御ユニット１００からの指令に対して追従できずに、位置偏差(Following Error)が生じる場合がある。

以上、制御システム１がレーザ加工機である場合を例に、各モータの駆動によって変化する位置（レーザ加工機等の機器の作業位置）をワークの加工位置として説明したが、これは一例である。他の例として、本発明を適用するアプリケーションが検査装置であれば、各モータの駆動によって変化する位置は、ワークの検査位置になる。また、本明細書に開示された技術思想が適用されるアプリケーションがピッキング装置であれば、各モータの駆動によって変化する位置は、ワークの把持位置になる。その他、当該技術思想が適用されるアプリケーションが３Ｄプリンタであれば、各モータの駆動によって変化する位置は、造形位置になる。

指令は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行して得られる実行結果として出力される。指令は、一例として、ワークの加工位置等の移動命令または位置命令等である。

一方で、制御システム１がＸ軸走査ミラー４３およびＹ軸走査ミラー４５の角度だけで、主制御ユニット１００からの指令を実行する場合（加工位置を移動させる場合）、Ｘ軸走査モータ４２およびＹ軸走査モータ４４の負荷が少ないため、位置偏差は殆ど生じない。

そこで、制御システム１は、低速でモータへの負荷が高いＸＹステージ２０の駆動により生じた位置偏差（遅れ）に基づいて、レーザ３０側の動作成分を補正することで、位置制御精度を向上させる。こうすることで、制御システム１は、負荷の少ないＸ軸走査モータ４２およびＹ軸走査モータ４４を用いて、ＸＹステージ２０の位置偏差を補正し得る。その結果、指令値に対する各モータの動作遅れは少なくなり、制御システム１の位置制御精度は、簡単かつ効果的に向上し得る。

＜Ｂ．制御システム１のハードウェア構成例＞
次に、本実施の形態に係る制御システム１のハードウェア構成例について説明する。

図２は、本実施の形態に係る制御システム１の主要なハードウェア構成例を示す模式図である。上述したように、制御装置１０は、主制御ユニット１００と、軸インターフェイスユニット２００と、レーザ制御ユニット３００とを含む。

主制御ユニット１００は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ１０２と、メインメモリ１０４と、ストレージ１０６と、バスコントローラ１１２とを含む。

ストレージ１０６は、ＳＳＤ（Solid State Disk）やフラッシュメモリ等で構成される。一例として、ストレージ１０６は、基本的なプログラム実行環境を提供するためのシステムプログラム１０８と、ワーク４に応じて任意に作成されるアプリケーションプログラム１１０とを格納する。

プロセッサ１０２は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等で構成され、ストレージ１０６に格納されたシステムプログラム１０８およびアプリケーションプログラム１１０を読み出して、メインメモリ１０４に展開して実行することで、制御システム１の全体的な制御を実現する。

主制御ユニット１００は、内部バス１１４を介して、軸インターフェイスユニット２００およびレーザ制御ユニット３００と電気的に接続されている。バスコントローラ１１２は、内部バス１１４によるデータ通信を仲介する。

なお、プロセッサ１０２がプログラムを実行することで必要な処理が提供される構成例を示したが、当該処理の一部または全部は、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等）を用いて実装されてもよい。

軸インターフェイスユニット２００は、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えられるステージ制御信号５２０を生成および出力する。より具体的には、軸インターフェイスユニット２００は、軸制御演算部２１０と、出力インターフェイス回路２２０とを含む。

軸制御演算部２１０は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行することで算出される演算値（指令値）に従って、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えるべき指令を生成する。軸制御演算部２１０は、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせを用いて構成される演算回路によって実現される。

出力インターフェイス回路２２０は、アプリケーションプログラム１１０の実行結果に従って、ステージ制御信号５２０（第１の制御信号）を出力する信号出力部に相当する。より具体的には、出力インターフェイス回路２２０は、軸制御演算部２１０によって生成された指令に従って、サーボドライバ２３およびサーボドライバ２５に与えるステージ制御信号５２０を生成する。ステージ制御信号５２０としては、各制御周期における変位量、速度、角速度等の情報をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）により変調した信号が用いられてもよい。すなわち、出力インターフェイス回路２２０は、送信すべき情報をＰＷＭにより変調してステージ制御信号５２０を生成してもよい。あるいは、変位量、速度、角速度等の情報をパルス数として変調した信号が用いられてもよい。ある局面において、軸インターフェイスユニット２００は、１以上の任意の数のサーボモータを制御してもよい。この場合、出力インターフェイス回路２２０は、３以上のサーボドライバに接続されてもよい。

なお、軸制御演算部２１０および出力インターフェイス回路２２０は、単一のＡＳＩＣまたはＦＰＧＡで実現され得る。

指令は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行して得られる実行結果として出力される。指令は、一例として、ワークの加工位置の移動命令、または次の加工位置を指定する位置命令等である。ある局面において、指令は、ワークの加工位置の移動速度または加速度の情報を含んでいてもよい。実際のワークの加工位置の移動は、各サーボモータの駆動およびミラーの角度の調節により実現される。

サーボモータ２４の付近にはエンコーダ２７が、サーボモータ２６の付近には、エンコーダ２８が各々設けられている。一例として、エンコーダ２７，２８は、機械式エンコーダ、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、または、電磁誘導式エンコーダであってもよい。ある局面において、各サーボモータおよび各エンコードは、一体型であってもよいし、別々の装置であってもよい。

エンコーダ２７は、サーボモータ２４の軸またはサーボモータ２４の回転を伝達する機械部品の回転数を示す信号をサーボドライバ２３に出力する。サーボドライバ２３は、当該回転数を示す信号を軸制御演算部２１０またはプロセッサ１０２に出力する。ある局面において、エンコーダ２７は、回転数を示す信号を軸制御演算部２１０またはプロセッサ１０２に直接出力してもよい。

エンコーダ２８は、サーボモータ２６の軸またはサーボモータ２６の回転を伝達する機械部品の回転数を示す信号をサーボドライバ２５に出力する。サーボドライバ２５は、当該回転数を示す信号を軸制御演算部２１０またはプロセッサ１０２に出力する。ある局面において、エンコーダ２８は、回転数を示す信号を軸制御演算部２１０またはプロセッサ１０２に直接出力してもよい。

軸制御演算部２１０が各サーボモータの回転数を示す信号を取得した場合、軸制御演算部２１０は、各サーボモータの回転数を示す信号に基づいて、実際のワークの加工位置を算出して、当該実際のワークの加工位置をプロセッサ１０２に出力する。プロセッサ１０２が各サーボモータの回転数を示す信号を取得した場合、プロセッサ１０２は、各サーボモータの回転数を示す信号に基づいて、実際のワークの加工位置を算出する。

プロセッサ１０２は、実際のワークの加工位置に基づいて、レーザ制御演算部３１０に出力する指令値を補正する。こうすることで、制御システム１は、Ｘ軸走査ミラー４３およびＹ軸走査ミラー４５の角度の調節により、ＸＹステージ２０の位置偏差を補正することができる。

レーザ制御ユニット３００は、レーザ３０に与えられるレーザ制御信号５３０、および、ガルバノミラー４０に与えられるミラー制御信号５４０を生成および出力する。より具体的には、レーザ制御ユニット３００は、レーザ制御演算部３１０と、出力インターフェイス回路３１４と、通信インターフェイス回路３１６とを含む。

レーザ制御演算部３１０は、主制御ユニット１００がアプリケーションプログラム１１０を実行することで算出される演算値（指令値）に従って、レーザ３０およびガルバノミラー４０に与えるべき指令を生成する。レーザ制御演算部３１０は、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせ等を用いて構成される演算回路によって実現される。

出力インターフェイス回路３１４は、レーザ制御演算部３１０によって生成された指令に従って、レーザ３０に与えるレーザ制御信号５３０を生成する。レーザ制御信号５３０としては、オン／オフの２レベルを有する信号が用いられてもよい。

通信インターフェイス回路３１６は、アプリケーションプログラム１１０の実行結果に従って、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式でミラー制御信号５４０（第２の制御信号）を送信する通信部に相当する。具体的には、通信インターフェイス回路３１６は、ガルバノミラー４０と通信を行って、レーザ制御演算部３１０によって生成された指令をガルバノミラー４０に送信する。通信インターフェイス回路３１６とガルバノミラー４０との間の通信は、例えば、ＸＹ２－１００プロトコル（走査角度範囲を１６ビットの精度で指定する方式）、または、ＳＬ２－１００プロトコル（走査角度範囲を２０ビットの精度で指定する方式）等を用いることができる。なお、本実施の形態は、このようなガルバノミラーあるいはガルバノスキャナに特有の通信プロトコルに限らず、クロック信号を直接的または間接的に用いる任意の通信方式に適用可能である。

なお、レーザ制御演算部３１０、出力インターフェイス回路３１４および通信インターフェイス回路３１６は、単一のＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせ等により実現されてもよい。

＜Ｃ．制御システム１のソフトウェア構成例＞
次に、本実施の形態に係る制御システム１のソフトウェア構成例について説明する。

図３は、本実施の形態に係る制御システム１の主要なソフトウェア構成例を示す第１の模式図である。ある局面において、図３に示す構成の一部または全ては、図２に示すハードウェア上で動作するソフトウェアとして実現されてもよい。この場合、図３に示す構成は、ソフトウェアコンポーネントとして、プロセッサ１０２上で動作し得る。また、図３に示す構成の一部は、ソフトウェアコンポーネントとして、軸制御演算部２１０上で動作してもよい。

他の局面において、図３に示す構成の一部または全ては、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせを用いて構成される演算回路によって実現されてもよい。この場合、プロセッサ１０２が図３に示す構成をハードウェアの機能として備えていてもよい。また、軸制御演算部２１０およびレーザ制御ユニット３００は、図３に示す構成の一部をハードウェアの機能として備えていてもよい。

制御システム１は、主たる構成として、コマンドポジション生成器３５０と、キネマティクス変換器３５１と、ローパスフィルタ（Low-pass filter）３５２と、サーボドライバ３５３と、逆キネマティクス変換器３５４と、キネマティクス変換器３５５と、レーザドライバ３５６と、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０と、加算機３６１と、減算器３６２とを備える。

コマンドポジション生成器３５０は、ワークの加工位置に関する指令値を生成する。コマンドポジション生成器３５０によって生成される指令値は、ワークの加工位置、ワークの加工位置の移動方向、または、移動速度等を含む。コマンドポジション生成器３５０が生成する指令値は、ベクトル値として表現されてもよい。ある局面において、コマンドポジション生成器３５０によって生成される指令値は、ワークの加工位置の加速度を含んでいてもよい。

制御システム１は、当該指令値に基づいて、サーボモータ２４，２６と、Ｘ軸走査モータ４２と、Ｙ軸走査モータ４４とを駆動させることにより、ワークの加工位置を移動させる。

キネマティクス変換器３５１は、コマンドポジション生成器３５０によって生成された指令値（ベクトル値）を物理量の指令値（各機構またはアクチュエータ等の単位時間当たりの移動量等）に変換する。そして、キネマティクス変換器３５１は、当該物理量の指令値をサーボドライバ３５３に出力する。キネマティクス変換器３５１が出力する物理量の指令値は、高周波成分および低周波成分を含む。高周波成分とは、単位時間当たりの移動量が大きい成分である。低周波成分とは、単位時間当たりの移動量が小さい成分である。

ローパスフィルタ３５２は、キネマティクス変換器３５１が出力する物理量の指令値の中から、低周波成分のみをサーボドライバ３５３に出力する。ある局面において、プロセッサ１０２は、サーボモータ２４，２６の応答速度に基づいて、ローパスフィルタ３５２のフィルタリングの閾値を決定してもよい。当該閾値は、物理量の指令値を低周波成分および高周波成分に分離するための閾値である。この場合、プロセッサ１０２は、ローパスフィルタ３５２のパラメータまたは設定を適宜変更し得る。

サーボドライバ３５３は、サーボドライバ２３，２５に相当する。サーボドライバ３５３は、ローパスフィルタ３５２が出力する低周波成分の物理量の指令値を取得する。また、サーボドライバ３５３は、当該低周波成分の物理量の指令値に対応する駆動信号をサーボモータ２４，２６に出力する。

ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、実際のワークの加工位置と、コマンドポジション生成器３５０が出力する指令値に含まれるワークの加工位置との差分（位置偏差）を検出する。より具体的には、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、エンコーダ２７，２８から得られた回転数に基づいて、ＸＹステージ２０の実際の位置を算出する。また、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、ローパスフィルタ３５２が出力する低周波成分の物理量の指令値に基づいて、ＸＹステージ２０の目標位置を算出する。ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、ＸＹステージ２０の実際の位置と、ＸＹステージ２０の目標位置との差分（位置偏差）を算出することで、位置偏差の有無を検出する。さらに、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、差分（位置偏差）を加算機３６１に出力する。

加算機３６１は、ローパスフィルタ３５２が出力する低周波成分の物理量の指令値に、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０から入力された差分（位置偏差）を加算する。加算機３６１は、差分（位置偏差）により補正された低周波成分の物理量の指令値を逆キネマティクス変換器３５４に出力する。

逆キネマティクス変換器３５４は、物理量の指令値をベクトル値の指令値に変換する。より具体的には、逆キネマティクス変換器３５４は、差分（位置偏差）により補正された低周波成分の物理量の指令値をコマンドポジション生成器３５０が生成する指令値のフォーマット（ベクトル値）に変換する。また、逆キネマティクス変換器３５４は、変換後の指令値を減算器３６２に出力する。

減算器３６２は、コマンドポジション生成器３５０によって生成された指令値から、逆キネマティクス変換器３５４から入力された指令値を減算する。また、減算器３６２は、減算後の指令値をキネマティクス変換器３５５に出力する。減算後の指令値は、高周波成分の指令値である。

キネマティクス変換器３５５は、減算器３６２から入力された減算後の指令値（高周波成分のベクトル値の指令値）を物理量の指令値（高周波成分の物理量の指令値）に変換する。また、キネマティクス変換器３５５は、当該物理量の指令値をレーザドライバ３５６に出力する。

レーザドライバ３５６は、レーザ制御演算部３１０に相当する。レーザドライバ３５６は、キネマティクス変換器３５５から、高周波成分の物理量の指令値を取得する。そして、レーザドライバ３５６は、当該高周波成分の物理量の指令値に対応する駆動信号をＸ軸走査モータ４２およびＹ軸走査モータ４４に出力する。

上述のように、制御システム１は、コマンドポジション生成器３５０が生成した指令値（高周波成分および低周波成分の両方を含む）から、補正後の低周波成分を減算する。また、制御システム１は、減算後の指令値をレーザドライバ３５６に向けて出力する。こうすることで、制御システム１は、ＸＹステージ２０の位置偏差を修正するように、Ｘ軸走査モータ４２およびＹ軸走査モータ４４を制御し得る。

ある局面において、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、ローパスフィルタ３５２から取得した低周波成分の物理量の指令値に、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０から入力された差分（位置偏差）を加算した値を逆キネマティクス変換器３５４に直接出力してもよい。この場合、制御システム１は、加算機３６１を備えていなくてもよい。

他の局面において、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０は、ローパスフィルタ３５２から取得した低周波成分の物理量の指令値に、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０から入力された差分（位置偏差）を加算した値をベクトル値に変換し、当該ベクトル値を減算器３６２に直接出力してもよい。この場合、制御システム１は、加算機３６１および逆キネマティクス変換器３５４を備えていなくてもよい。

図４は、本実施の形態に係る制御システム１のＸＹステージポジションエラー検出器３６０の周辺の構成例を示す模式図である。図４に示す構成は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０の出力値をＰＩＤ制御すると共に、リミットを設けることで、レーザドライバ３５６の指令値に急激な補正がかかることを抑制する。

ある局面において、図４に示す構成の一部または全ては、図２に示すハードウェア上で動作するソフトウェアとして実現されてもよい。この場合、図４に示す構成は、ソフトウェアコンポーネントとして、プロセッサ１０２上で動作し得る。また、図４に示す構成の一部は、ソフトウェアコンポーネントとして、軸制御演算部２１０上で動作してもよい。

他の局面において、図４に示す構成の一部または全ては、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせを用いて構成される演算回路によって実現されてもよい。この場合、プロセッサ１０２が図４に示す構成をハードウェアの機能として備えていてもよい。また、軸制御演算部２１０およびレーザ制御ユニット３００は、図４に示す構成の一部をハードウェアの機能として備えていてもよい。

制御システム１は、Ｐ制御部４５１と、Ｉ制御部４５２と、Ｋ制御部４５３と、加算機４５４と、リミッタ４５５とを備える。ある局面において、制御システム１は、ＰＩＤ制御部（Ｐ制御部４５１、Ｉ制御部４５２およびＫ制御部４５３）またはリミッタ４５５の片方のみを備えていてもよい。

Ｐ制御部４５１は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０の出力（位置偏差）に対して比例制御を行う。Ｉ制御部４５２は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０の出力（位置偏差）に対して積分制御を行う。Ｋ制御部４５３は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０の出力（位置偏差）に対して微分制御を行う。

加算機４５４は、Ｐ制御部４５１、Ｉ制御部４５２およびＫ制御部４５３の出力値を加算し、加算後の出力値（ＰＩＤ制御後の位置偏差）をリミッタ４５５に出力する。

リミッタ４５５は、加算機４５４から取得した入力値（ＰＩＤ制御後の位置偏差）が、予め定められた閾値以上であることに基づいて、当該入力値を閾値以下の値にする。また、リミッタ４５５は、変換後の値（閾値以下の値となった位置偏差）を加算機３６１に出力する。入力値（ＰＩＤ制御後の位置偏差）が予め定められた閾値未満である場合、リミッタ４５５は、当該入力値をそのまま加算機３６１に出力する。

制御システム１は、図４に示す構成を備えることで、レーザドライバ３５６に過度に大きく補正された指令値を出力しなくなる。これにより、制御システム１は、Ｘ軸走査モータ４２およびＹ軸走査モータ４４が予期せぬ動作を行うことを抑制し得る。

図５は、本実施の形態に係る制御システム１の主要なソフトウェア構成例を示す第２の模式図である。図５の示す構成は、図３に示す構成と異なり、ローパスフィルタ３５２に対するフィードバック機能を備える。

ある局面において、図５に示す構成の一部または全ては、図２に示すハードウェア上で動作するソフトウェアとして実現されてもよい。この場合、図５に示す構成は、ソフトウェアコンポーネントとして、プロセッサ１０２上で動作し得る。また、図５に示す構成の一部は、ソフトウェアコンポーネントとして、軸制御演算部２１０上で動作してもよい。

他の局面において、図５に示す構成の一部または全ては、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせを用いて構成される演算回路によって実現されてもよい。この場合、プロセッサ１０２が図５に示す構成をハードウェアの機能として備えていてもよい。また、軸制御演算部２１０およびレーザ制御ユニット３００は、図５に示す構成の一部をハードウェアの機能として備えていてもよい。

制御システム１は、図３に示す構成に加えて、チューニングツール５５０をさらに備える。チューニングツール５５０は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０から得られた差分（位置偏差）に基づいて、ローパスフィルタ３５２のパラメータを調節する。

より具体的には、チューニングツール５５０は、第１の処理として、コマンドポジション生成器３５０に指令を出力し、コマンドポジション生成器３５０に特徴的な動作の指令値を出力させる。当該指令を取得したコマンドポジション生成器３５０は、台形駆動または直線駆動等を含む任意の指令値５６０を出力する。

次に、チューニングツール５５０は、第２の処理として、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０から位置偏差を取得する。当該位置偏差は、ベクトル値および物理量のいずれであってもよい。

次に、チューニングツール５５０は、第３の処理として、ローパスフィルタ３５２に、パラメータの変更指令を出力する。当該変更指令により、チューニングツール５５０は、ローパスフィルタ３５２による指令値の高周波成分および低周波成分の分離比率を変化させる。ある局面において、チューニングツール５５０は、ローパスフィルタ３５２にパラメータの変更指令を直接出力してもよい。他の局面において、チューニングツール５５０は、ＸＹステージポジションエラー検出器３６０を介して、ローパスフィルタ３５２にパラメータの変更指令を出力してもよい。

チューニングツール５５０は、これら第１の処理から第３の処理を繰り返し実行する。そして、チューニングツール５５０は、各パラメータにおける位置偏差を比較し、最も位置偏差の小さいパラメータを選択する。こうすることで、制御システム１は、高周波成分および低周波成分の分離比率を自動で最適化し得る。

＜Ｄ．その他の適用例＞
図６は、本実施の形態に係る制御システム６の構成例を示す模式図である。図６に示す構成は、図１に示す構成と異なり、レーザ３０およびガルバノミラー４０の代わりに、２軸の駆動部を含むヘッド７００を備える。

制御システム６は、制御装置６０と、ＸＹステージ２０と、ヘッド７００とを含む。制御装置６０は、主制御ユニット１００と、２つの軸インターフェイスユニット２００と、ツール制御ユニット４００とを含む。

１つ目の軸インターフェイスユニット２００は、制御線５２を介して、ＸＹステージ２０と接続されており、ＸＹステージ２０を駆動するためのステージ制御信号５２０を出力する。また、２つ目の軸インターフェイスユニット２００は、制御線５２を介して、ヘッド７００と接続されており、ヘッド７００を駆動するためのヘッド制御信号７２０を出力する。ある局面において、１つの軸インターフェイスユニット２００が、ＸＹステージ２０およびヘッド７００の全てのサーボモータを制御してもよい。

ツール制御ユニット４００は、一種の通信装置であり、制御線７５４を介してツール７７０と接続されており、ツール７７０に任意のフォーマットのツール制御信号７４０を出力する。ツール制御ユニット４００は、レーザ制御演算部３１０の代わりに、ツール制御演算部（図示せず）を備える。ツール制御ユニット４００は、出力インターフェイス回路３１４を介して、ツール７７０に取り付けられた任意の機構を制御する。

ヘッド７００は、ツール７７０と、ツール７７０をＸ方向に駆動させるためのサーボモータ７２４と、ツール７７０をＹ方向に駆動させるためのサーボモータ７２６とを備える。サーボモータ７２４，７２６は、サーボモータ２４，２６よりも負荷が小さく、高速にツール７７０を駆動させることができる。

ツール７７０は、ヘッド７００に備え付けられ、また、任意の機構を含む。一例として、ツール７７０は、レーザ、ルータ、検査用カメラ、ロボットアーム、および、３Ｄプリンタのノズル等の任意の機構を備え得る。また、ヘッド７００は、ツール７７０が備える機構に応じて３軸以上の駆動部を備えていてもよい。

制御システム６は、低速でモータへの負荷が高いＸＹステージ２０の位置偏差（遅れ）に基づいて、ヘッド７００側のサーボモータ７２４，７２６の高速な動作成分を補正することで、位置制御精度を向上させる。こうすることで、制御システム１は、負荷の少ないヘッド７００側のサーボモータ７２４，７２６を用いて、ＸＹステージ２０の位置偏差を補正し得る。その結果、指令値に対する各モータの動作遅れは少なくなり、制御システム６の位置制御精度は、簡単かつ効果的に向上し得る。

図７は、本実施の形態に係る制御システム６の主要なソフトウェア構成例を示す模式図である。図７の示す構成は、図３および図５に示す構成と異なり、レーザドライバ３５６の代わりに、２つ目のサーボドライバ７５６を備える。

ある局面において、図７に示す構成の一部または全ては、図６に示すハードウェア上で動作するソフトウェアとして実現されてもよい。この場合、図７に示す構成は、ソフトウェアコンポーネントとして、プロセッサ１０２上で動作し得る。また、図７に示す構成の一部は、ソフトウェアコンポーネントとして、軸制御演算部２１０上で動作してもよい。

他の局面において、図７に示す構成の一部または全ては、例えば、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたはこれらの組み合わせを用いて構成される演算回路によって実現されてもよい。

図７に示す構成において、制御システム１は、高周波成分の指令値をサーボドライバ３５３に、低周波成分の指令値をサーボドライバ７５６に分配し得る。制御システム１は、図７に示す構成を備えることで、本実施の形態に従う技術をレーザ加工機以外にも、複数のサーボドライバおよびサーボモータを備える任意のＣＮＣ制御装置に適用することができる。ある局面において、制御システム１は、サーボモータに加えて、ステッピングモータおよびＤＣ（Direct Current）モータ等の任意のモータを含んでいてもよい。この場合、サーボドライバ３５３およびサーボドライバ７５６の両方または片方は、使用されるモータに対応するドライバに置き換えられる。

以上説明した通り、本実施の形態に従う制御システム１，６は、低速でモータへの負荷が高いＸＹステージ２０の位置偏差（遅れ）に基づいて、ガルバノミラー４０またはヘッド７００の高速な動作成分を補正することで、位置制御精度を向上させる。こうすることで、制御システム１，６は、負荷の少ないガルバノミラー４０またはヘッド７００側のサーボモータを用いて、ＸＹステージ２０の位置偏差を補正し得る。その結果、指令値に対する各モータの動作遅れは少なくなり、制御システム１，６の位置制御精度は、簡単かつ効果的に向上し得る。

＜Ｅ．付記＞
以上のように、本実施の形態では以下のような開示を含む。

（構成１）
作業位置に関する指令を生成するためのプログラムを格納するメモリ（１０６）と、
上記プログラムを実行するための制御部（１０２）と、
第１の駆動部（２０）に駆動信号を出力する第１の出力部（２２０）と、
第２の駆動部（４０）に別の駆動信号を出力する第２の出力部（３１６）と、
上記第１の駆動部（２０）の駆動量を計測する計測部とを備え、
上記制御部（１０２）は、
上記指令に含まれる低周波成分を抽出し、
上記低周波成分を上記第１の出力部（２２０）に伝送し、
上記第１の駆動部（２０）の駆動量を示す信号に基づいて、上記指令に含まれる高周波成分を補正し、
上記高周波成分を上記第２の駆動部（４０）に伝送する、制御システム。

（構成２）
上記第１の駆動部（２０）と、
上記第２の駆動部（４０）とをさらに含む、構成１の制御システム。

（構成３）
上記指令に含まれる高周波成分を補正することは、
上記信号に基づいて、上記低周波成分に上記第１の駆動部（２０）の位置偏差を加算することと、
上記指令から、加算処理後の上記低周波成分を減算することとを含む、構成１または２の制御システム。

（構成４）
上記制御部（１０２）は、さらに、上記位置偏差をＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により調節する、構成３の制御システム。

（構成５）
上記制御部（１０２）は、さらに、上記位置偏差に制限をかける、構成３または４の制御システム。

（構成６）
上記制御部（１０２）は、さらに、上記位置偏差に基づいて、上記低周波成分および上記高周波成分の分離比率を変更する、構成３～５のいずれかの制御システム。

（構成７）
上記位置偏差に基づいて、上記低周波成分および上記高周波成分の分離比率を変更することは、
上記分離比率を変更することを繰り返すことと、
上記分離比率ごとの上記位置偏差を比較することと、
最も上記位置偏差が小さい分離比率を選択することとを含む、構成６の制御システム。

（構成８）
駆動部を備える機器の制御方法であって、
作業位置に関する指令を生成するステップと、
上記指令に含まれる低周波成分を抽出するステップと、
上記低周波成分に基づいて、上記機器の第１の駆動部（２０）を駆動させるステップと、
上記第１の駆動部（２０）の駆動量を示す信号に基づいて、上記指令に含まれる高周波成分を補正するステップと、
上記高周波成分に基づいて、上記機器の第２の駆動部（４０）を駆動させるステップとを含む、制御方法。

（構成９）
上記指令に含まれる高周波成分を補正するステップは、
上記信号に基づいて、上記低周波成分に上記第１の駆動部（２０）の位置偏差を加算するステップと、
上記指令から、加算処理後の上記低周波成分を減算するステップとを含む、構成８の制御方法。

（構成１０）
上記位置偏差をＰＩＤ制御により調節するステップをさらに含む、構成９の制御方法。

（構成１１）
上記位置偏差に制限をかけるステップをさらに含む、構成９または１０の制御方法。

（構成１２）
上記位置偏差に基づいて、上記低周波成分および上記高周波成分の分離比率を変更するステップをさらに含む、構成９～１１の制御方法。

（構成１３）
上記位置偏差に基づいて、上記低周波成分および上記高周波成分の分離比率を変更するステップは、
上記分離比率を変更することを繰り返すステップと、
上記分離比率ごとの上記位置偏差を比較するステップと、
最も上記位置偏差が小さい分離比率を選択するステップを含む、構成１２の制御方法。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。また、実施の形態および各変形例において説明された開示内容は、可能な限り、単独でも、組合わせても、実施することが意図される。

１，６制御システム、４ワーク、１０，６０制御装置、２０ステージ、２２プレート、２３，２５，３５３，７５６サーボドライバ、２４，２６，７２４，７２６サーボモータ、２７，２８エンコーダ、３０レーザ、４０ガルバノミラー、４２，４４，４６軸走査モータ、４３，４５軸走査ミラー、４７レンズ、５２，５３，７５４制御線、５４通信線、１００主制御ユニット、１０２プロセッサ、１０４メインメモリ、１０６ストレージ、１０８システムプログラム、１１０アプリケーションプログラム、１１２バスコントローラ、１１４内部バス、２００軸インターフェイスユニット、２１０軸制御演算部、２２０，３１４出力インターフェイス回路、３００レーザ制御ユニット、３１０レーザ制御演算部、３１６通信インターフェイス回路、３５０コマンドポジション生成器、３５１，３５５キネマティクス変換器、３５２ローパスフィルタ、３５４逆キネマティクス変換器、３５６レーザドライバ、３６０ステージポジションエラー検出器、３６１，４５４加算機、３６２減算器、４００ツール制御ユニット、４５１，４５２，４５３制御部、４５５リミッタ、５２０ステージ制御信号、５３０レーザ制御信号、５４０ミラー制御信号、５５０チューニングツール、５６０指令値、７００ヘッド、７２０ヘッド制御信号、７４０ツール制御信号、７７０ツール。

Claims

作業位置に関する指令を生成するためのプログラムを格納するメモリと、
前記プログラムを実行するための制御部と、
第１の駆動部に駆動信号を出力する第１の出力部と、
第２の駆動部に別の駆動信号を出力する第２の出力部と、
前記第１の駆動部の駆動量を計測する計測部とを備え、
前記制御部は、
前記指令に含まれる低周波成分を抽出し、
前記低周波成分を前記第１の出力部に伝送し、
前記第１の駆動部の駆動量を示す信号に基づいて、前記指令に含まれる高周波成分を補正し、
前記高周波成分を前記第２の駆動部に伝送し、
前記指令に含まれる高周波成分を補正することは、
前記信号に基づいて、前記低周波成分に前記第１の駆動部の位置偏差を加算することと、
前記指令から、加算処理後の前記低周波成分を減算することとを含み、
前記制御部は、さらに、前記位置偏差に基づいて、前記低周波成分および前記高周波成分の分離比率を変更する、制御システム。
前記第１の駆動部と、
前記第２の駆動部とをさらに含む、請求項１に記載の制御システム。
前記制御部は、さらに、前記位置偏差をＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御により調節する、請求項１または２に記載の制御システム。
前記制御部は、さらに、前記位置偏差に制限をかける、請求項１～３のいずれかに記載の制御システム。
前記位置偏差に基づいて、前記低周波成分および前記高周波成分の分離比率を変更することは、
前記分離比率を変更することを繰り返すことと、
前記分離比率ごとの前記位置偏差を比較することと、
最も前記位置偏差が小さい分離比率を選択することとを含む、請求項１～４のいずれかに記載の制御システム。
駆動部を備える機器の制御方法であって、
作業位置に関する指令を生成するステップと、
前記指令に含まれる低周波成分を抽出するステップと、
前記低周波成分に基づいて、前記機器の第１の駆動部を駆動させるステップと、
前記第１の駆動部の駆動量を示す信号に基づいて、前記指令に含まれる高周波成分を補正するステップと、
前記高周波成分に基づいて、前記機器の第２の駆動部を駆動させるステップとを含み、
前記指令に含まれる高周波成分を補正するステップは、
前記信号に基づいて、前記低周波成分に前記第１の駆動部の位置偏差を加算するステップと、
前記指令から、加算処理後の前記低周波成分を減算するステップとを含み、
前記位置偏差に基づいて、前記低周波成分および前記高周波成分の分離比率を変更するステップをさらに含む、制御方法。
前記位置偏差をＰＩＤ制御により調節するステップをさらに含む、請求項６に記載の制御方法。
前記位置偏差に制限をかけるステップをさらに含む、請求項６または７に記載の制御方法。
前記位置偏差に基づいて、前記低周波成分および前記高周波成分の分離比率を変更するステップは、
前記分離比率を変更することを繰り返すステップと、
前記分離比率ごとの前記位置偏差を比較するステップと、
最も前記位置偏差が小さい分離比率を選択するステップを含む、請求項６～８のいずれかに記載の制御方法。