WO2004095683A1 - ツイン同期制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、ガントリー形の構造をもつ機械に対して、容易に高速,高精度の動作を実現することのできるツイン同期方法を提供することである。本発明によれば、締結部(締結治具6)により機械的に締結されている2つの軸(可動子3)を駆動する2つのモータを同期して運転するツイン同期制御方法において、2つの軸のうち一方の軸を位置制御で低速動作させ、他方の軸はフリーランで追従させて原点復帰を行い、一方の軸と他方の軸の位置偏差を任意のピッチで計測し、一方の軸が走行する位置に対応する前記位置偏差を関数としてデータベースに記録し、1つの位置指令をメイン位置指令として一方の軸にはそのまま分配し、他方の軸には前記データベースに記録された関数を用いて補正した位置指令として分配して運転を行うようにした。

Description

明細書 ツイン同期制御方法

<技術分野〉 本発明は、 高速搬送機械やその他機械等のガントリ一形機械の高速位置決め制 御に適用される応用機械に関し、 特に高速、 高精度用途の制御方法に関するもの である。 く背景技術〉 近年、 産業機械分野の高速、 高精度搬送機械において、 2つの軸を同期して運 転するいわゆるガントリー形機械が導入されてきている。 このガントリー形機械 において軸間の同期を行う場合には、 剛性が低く、 捩れゃガタ等が存在する機械 では、 高速、 高精度の同期運転を実現することは難しい。

従来は、 2軸間の偏差を少なくするため、 各軸に同じ位置指令， 速度指令をコ ントローラから分配し、 各軸の位置制御、 速度制御ループのゲインを高ゲインに 調整し、 位置制御， 速度制御ループに積分を使い制御中の偏差を無くし、 かつ速 度フィードフォワードを行うことで軸毎の応答性を上げて、 2軸間の偏差を小さ くする方法を採用していた （例えば、 特開平 1 1— 3 0 5 8 3 9号公報参照）。 ところが、 ガントリー形の機械構造の場合、

( 1 ) 機械的に 2軸が締結されているため高ゲインに耐えられる剛性の高い機械 にすることは難しい。

( 2 ) 前記で説明した機械の据付誤差、 位置センサの取り付け誤差、 各軸の歪、 ガタが必ず存在する。

( 3 ) 2軸間の偏差を減らすために高ゲイン化したのにもかかわらず、 制御中に 互いに干渉して、 互いが出すトルクが外乱となり、 機台振動や精度に悪影響を及 P2004/005617 ぼす

等の問題があった。 _

そこで、 本発明は、 ガントリー形の構造をもつ機械に対して、 このような問題 を回避して容易に高速， 高精度の動作を実現することのできるツイン同期方法を 提供することを目的としている。

<発明の開示 >

上記目的を達成するため、 本発明 1は、 締結部により機械的に締結されている 2つの軸を駆動する 2つのモータを同期して運転するツイン同期制御方法におい て、 前記 2つの軸のうち一方の軸を位置制御で低速動作させ、 他方の軸はフリ一 ランで追従させて原点復帰を行い、 前記一方の軸と他方の軸の位置偏差を任意の ピッチで計測し、 前記一方の軸が走行する位置に対応する前記位置偏差を関数と してデータベースに記録し、 1つの位置指令をメイン位置指令として前記一方の 軸にはそのまま分配し、 前記他方の軸には前記データベースに記録された関数を 用いて補正した位置指令として分配して運転を行うことを特徴としている。

2軸の同期誤差を減少させるためには、 まず原点復帰動作をどうするかを決め ることが重要である。 この場合、 まず原点復帰動作を行う場合には、 2軸を同時 に電気的に速度制御と位置制御で動作させると、 各軸のモータが機械側に応力を 与えるため機械自体が持つ歪等の特性が把握できない。 よつて原点復帰時の駆動 は、 メイン軸 （2軸中どちらでも可） を位置制御で低速で動作させて、 他軸はフ リーランで追従させて片側駆動で原点復帰を行う。

本来、 機械的に且つ理想的に締結されている構造ならば、 2軸間の偏差がどこ の位置でも 0であるべきであるが、 現実の機械では据付誤差、 位置センサの取り 付け誤差、 各軸の歪、 ガタが必ず存在するため、 場所により必ず 2軸間の偏差が 生じている。 そのため、 2軸間の偏差を自動的に任意のピッチで計測し、 データ ベースに記録する。 この時点でも原点復帰時と同様に 2軸を同時に電気的に速度 制御と位置制御で動作させると、 各軸のモータが機械側に応力を与えるため機械 自体が持つ歪等の特性が把握できない。 よつて計測時の駆動は、 メィン軸を位置 制御で低速で動作させて、 他軸はフリ一ランで追従させて 2軸間の偏差の測定を 行う。

2軸を同期させるためには、 1つの位置指令を主位置指令として 2軸に分配す る。 この分配する主位置指令を 1軸目にはそのまま分配し、 他の軸に対しては、 前記データベースに記録された関数を使用して、 入力には主位置指令を使用しそ の出力を使い、 主位置指令一関数出力値 =他軸の位置指令 （2軸目の位置指令） 即ちを捩れ分を考慮した補正を加味して位置指令をして分配する。

上記手段により、 従来の制御方式では実現できなかった高速， 高精度な同期制 御力 機械系の剛性や歪みのよる悪影響を受けることなく実現することができる。 また、 本発明 2は、 前記任意のピッチで計測した偏差が、 関数内部で直線補間 処理を行い出力することを特徴としている。

請求項 2の発明においては、 任意のピッチで計測した偏差は、 移動距離に応じ て任意に変化するため、 関数内部で直線補間処理を行い出力させる。 また、 本発明 3は、 前記他方の軸への位置指令が、 走行速度をパラメータにし て補正値の位相を進ませることを特徴としている。 請求項 3の発明においては、 機械の走行速度が上がると捕正自体を行う処理時 間の遅れが問題になるため、 走行速度をパラメータにしで捕正値の位相を進ませ る機能を用いて同期制御を行う。 また、 本発明 4は、 前記締結部の重心位置を検出し、 その位置信号を入力とし て各軸の慣性補償ゲインを生成する関数を準備し、 前記締結部の重心位置で前記 慣性補償ゲインを変更し、 前記 2つの軸の位置指令から求めた加速度と各軸の質 量とに基づいて演算した必要トルクをトルク指令に加えることを特徴としてい る。

この請求項 4の発明においては、 Y l、 Υ 2軸を締結した X軸が可動する場合 は、 機械の重心位置が移動するため、 同期精度が劣化する。 それを慣性補正する ため、 X軸の移動する位置を把握し、 その位置信号を入力として慣性補償ゲイン 7

K t f f xを生成する関数を準備して、 X軸の位置で慣性捕償ゲイン K t f f x を変更する。 傾きは重心の変化で軸にかかる荷重の変化分を基本とする。

これにより、従来の制御方式では実現できなかった高速，高精度な同期制御が、 機械系の剛性や歪み、 締結部の X軸の移動による重心の変化よる悪影響を受ける ことなく実現することができる。 <図面の簡単な説明 >

図 1は、 本発明の実施形態における構成を示すもので、 ( a ) は正面図、 （b ) は側面図、 （c ) は平面図である。

図 2は、 本発明の第 1実施形態における制御プロック図である。

図 3は、 本発明の第 1実施形態における捩れ分捕正関数生成手順を示すフロー チャートである。

図 4は、 本発明の第 1実施形態における捩れ補正量出力例を示す図である。 図 5は、 本発明の第 1実施形態における捩れ補正無しの場合のメイン位置指令 とメイントルク指令およぴ補正側トルク指令の関係を示す図である。

図 6は、 本発明の第 1実施形態における捩れ補正有りの場合のメイン位置指令 とメイントルク指令およぴ補正側トルク指令の関係を示す図である。

図 7は、 本発明の第 2実施形態における'廣性補正制御プロック図である。

図 8は、本発明の第 2実施形態における慣性補正ゲイン生成詳細説明図である。 図 9は、 本発明の第 2実施形態における慣性補正制御無しの場合のメイン位置 指令とメイントルク指令および補正側トルク指令の関係を示す図である。

図 1 0は、 本宪明の第 2実施形態における慣性補正制御有りの場合のメイン位 置指令とメイントルク指令および補正側トルク指令の関係を示す図である。

なお、 図中の符号、 1はコントローラ、 2 , 2 - 1 , 2— 2はサーポドライブ 3は可動子、 4は固定子、 5はリニアスケール、 6は締結治具、 7— 1は 1軸目 のモータ、 7— 2は 2軸目のモータ、 1 1はメイン位置指令生成部、 1 2は補間 部、 1 3は位相進み補償部、 1 4は捩れ分補正値生成関数部、 1 5， 1 6は微分 演算部、 1 7はスケール変換部、 1 8はゲインアンプ、 2 1は位置ループ制御部 、 2 2は速度ループ制御部、 2 3は電流ループ制御部、 2 4はリニアスケール、 3 1はメイン位置指令生成部、 3 2は補間部、 3 3， 3 4は微分演算部、 3 5， 3 7は慣性演算部、 3 6は y 1軸トルク F F補償部、 3 8は y 2軸トルク F F補 償部、 3 9は X軸位置検出部、 4 0は慣性補償ゲイン生成関数部、 4 1， 4 2は 慣性補償部である。 く発明を実施するための最良の形態 >

以下、 本発明の第 1の実施の形態について図を参照して説明する。

図 1は本発明をリユアモータを用いて構築する第 1実施形態の構成を示してお り、 （a ) は正面図、 （b ) は側面図、 （c ) は平面図である。 図中、 1はコント ローラ、 2はサーポドライブ、 3は可動子、 4は固定子、 5はリニアスケール、 6は 2軸を機械的に締結する締結治具である。

図 2は本実施形態の制御プロック図である。同図において、コントローラ 1は、 メィン位置指令生成部 1 1と、 捕間部 1 2と、 位相進み補償部 1 3と、 捩れ分捕 正値生成関数部 1 4と、 微分演算部 1 5， 1 6と、 スケーノレ変換部 1 7と、 ゲイ ンアンプ 1 8とから構成される。 また、 サーボドライブ 2— 1 , 2— 2は、 位置 ループ制御部 2 1と、 速度ループ制御部 2 2と、 電流ループ制御部 2 3と力ゝら構 成される。 図中 7— 1は 1軸目のモータ、 7— 2は 2軸目のモータ、 2 4はそれ ぞれモータ 7— 1， 7 - 2の可動子位置を検出するリユアスケールである。 図 2の制御ブロック図において、 コントローラ 1の内部では、 まずメイン位置 指令をメイン位置指令生成部 1 1により生成し、 それを捕間部 1 2で補間するこ とにより、 時々刻々のメイン位置指令を生成する。 1軸目サーポドライブ 2— 1 に対しては、 メイン軸として生成したメイン位置指令とその位置指令を 2段の微 分演算部 1 5， 1 6で 2階時間微分して、 スケール変換部 1 7でスケール変換を 行い、 ゲインアンプ 1 8でゲイン K t f f を乗ずる。 これにより、 T— F F (ト ルクフイードフォワード） を生成する。

2軸目サーボドライブ 2— 2に対しては、 メイン軸の時々刻々の位置指令を入 力として、 捩れ分捕正ィ直生成関数部 1 4で生成した捩れ分補正関数を使用して、 通過する位置指令に応じた捩れ補正位置指令を生成し、 時々刻々の メィン位置指令一捩れ分補正位置指令 = 2軸の位置指令

を生成して 2軸目サーボドライブ 2— 2に出力する。 図 3は、 捩れ分補正値生成関数部 1 4における捩れ分捕正関数の生成手順を示 すフローチヤ一トである。

ステップ 1 ：原点復帰

メィン軸である 1軸目を位置制御で、 他軸である 2軸目はフリーランで原点復 '帰させる。

ステップ 2 ： 2軸間捩れデータ計測

2軸間の偏差 （1軸の位置 8— 2軸目の位置 8 ) を自動的に任意のピッチ で計測し、 データベースに記録する方法を行う。 この時点でも原点復帰時と同様 に 2軸を同時に電気的に速度制御と位置制御で動作させると、 各軸のモータが機 械側に応力を与えるため機械自体が持つ歪等の特性が把握できない。 よつて計測 時の駆動は、 メイン軸 （2軸中どちらでも可） を位置制御で低速で動作させて、 他軸はフリーランで追従させて 2軸間の偏差の測定を行う。

ステップ 3 ：捩れデータの関数化

走行する位置を入力とし、 ステップ 2で測定した軸間の偏差を出力とする関数 を生成する。 なお入力は移動距離に応じて任意に変化するため、 ステップ 2で任 意のピッチで計測した偏差は、 関数内部で直線捕間処理を行い出力させる。 なお、 加減速時の応答性の向上を図るためサーボドライブ 2— 1 , 2 - 2側に 1軸， 2軸両方に同時に出力する。 このような同期制御を行う手法としては、 本 出願人の出願に係る特開平 0 6— 2 8 0 3 6号公報に記載された位置同期形速度 制御系における位置追従制御方法を用いることができる。

なお自動計測操作で生成した補正量だけでは、 補正できない場合に備えて、 マ ニュアルで捕正量をオフセット値として加えられる機能も準備する。 また機械の 走行速度が上がると補正自体を行う処理時間の遅れが問題になる場合に備えて、 走行速度をパラメータにして補正値の位相を進ませる機能も準備する。 図 4は具体的に図 3で示した手順で計測した捩れ補正量のグラフである。

Aは実際に機械にレーザ変位計を取り付けて計測した捩れ量、 Bは図 3で示し た手順で測定した捩れ量である。 前述したオフセット量を加えているためその分 だけオフセットしているが、 図 3で示した方法により正確に機械の捩れ量が測定 可能であることがわかる。

図 5および図 6は、 メィン位置指令とメイントルク指令およぴ補正側トルク指 令の関係を示すもので、 図 5は本実施形態の方法を使用しない場合の例、 図 6は 本実施形態の方法を使用した例である。 図 6では、 2軸間の偏差が約 1 / 3と著 しく改善されていることが解る。このように、本発明の方法を用いることにより、 リニアモータを使用したガントリー形の機械において、 従来実現できなかった同 期制御が実現できる。 次ぎに、 本発明の第 2の実施の形態について説明する。

図 7は本発明の第 2実施形態を示すコントローラのプロック図である。

図 7において、 コントローラ 1は、 メイン位置指令生成部 3 1と、 補間部 3 2 と、 微分演算部 3 3 , 3 4と、 慣性演算部 3 5， 3 7と、 y l軸トルク F F (フ イードフォワード） 補償部 3 6と、 y 2軸トルク F F補償部 3 8と、 X軸位置検 出部 3 9と、 慣性補償ゲイン生成関数部 4 0と、 慣性補償部 4 1， 4 2とを備え ている。 ' ，'■ ' - この第 2実施形態では、 X軸が移動する場合の慣性補正を、 トルク F F (フィ ードフォワード） 補償で制御する。 ツイン同期 （ガントリータイプ） の機械においては、 締結治具 6 (X軸） 部が 移動してかつツイン駆動部 （Y l、 Υ 2軸) が同期運転する場合、 機械の重心位 置が移動するため、 同期精度が劣化する。

そこで、 機械の重心位置の移動による精度劣化を慣性補正するため、 X軸の移 動する位置を X軸位置検出部 3 9で把握し、 その位置信号を入力として、 慣性補 償源生成関数部 4 0で 1賞性補償ゲイン K t f f xを生成する関数を準備して、 X 軸の位置で慣性補償ゲイン K t f f xを変更する （図 7 ( a ) 参照)。 この慣性捕償ゲイン Kt f f xの傾きは、 重心の変化で軸にかかる荷重の変化 分を基本とする。 すなわち、 X軸の物体が移動することで X軸の重心が変化し、 Yl, Y 2にかかる荷重が変化するので、 その変化分だけをベースとして補正を 行う。

傾きは、 X軸の現在位置から X軸の中立位置をまず減算し、 調整係数、 すなわ ち、 出力するトルク補正量と実際の全体のトルク指令が一致するように調整する ための係数を乗じて、 その値に対して Yl、 Υ 2軸に X軸の位置に従い傾きをつ けるために、 図 8のように Υ 1に対しては、 1. 0から減算し、 Υ 2に対しては 1. 0を加算することで Υ 1、 Υ 2軸の慣性補償係数 K t f f y 1 K t f f y 2を生成する。 この K t f f y l, K t f f y 2を使い、 慣性捕償部 41 , 42では、 X軸が 移動した場合の Yl, Y 2軸の質量 Wwy 1 ' と Wwy 2' を次式に基づいて計 算する。 なお、 Wwy 1および Wwy 2は、 移動前の Y 1軸および Y 2軸の質量 である。

Ww y 1 ' =Ww y 1 XK t f f y 1

Ww y 2， =Ww y 2X t f f y 2

実際のトルク F F指令は、 メィン位置指令生成部 31で生成され、 補間部 32 で補間されたメインの位置指令を 2段の微分演算部 33， 34で 2階時間微分し、 加速度 a r e f を生成する。 慣性演算部 35， 37では、 加速度ひ r e f と、 Y 1軸、 Υ 2軸の移動後の質量 Wwy 1 ', Wwy 2， と、 締結治具 6の質量 Wt と、 モータの質量 Wmと、 負荷のトルク FLを用い、 動作する場合に必要なトル クを次式により計算する。

(((Ww y 1 ' +W t +Wm)X加速度 a ref + F L)/定格推力） X 100% (((Ww y 2 ' +W t +Wm)X加速度 a ref + F L)/定格推力） X 100% このように計算されたトルクは、 y 1軸トルク FF補僙部 36、 y 2軸トルク FF補償部 38に補償トルクとして入力し、 ドライバ側のトルク指令に加えるこ とにより、 同期精度を改善させる。 図 9および図 1 0は、 メイン位置指令とメイントルク指令および補正側トルク 指令の関係を示すもので、 図 9は本実施形態の方法を使用しない場合の例、 図 1 0は本実施形態の方法を使用した例である。 図 9では X軸が可動した場合に、 Y 1のトルク F Fの量と Y 1の実際に必要なトルク指令が一致していないため、 2 軸間の偏差が生じている。 図 1 0では、 この補正により Y 1のトルク F Fの量と Y 1で実際に必要なトルク指令が一致しているため 2軸間の偏差が約 1 Z 5と著 しく改善されていることが解る。

<産業上の利用可能性 >

以上説明したように、 本発明によれば、 2つの軸のうち一方の軸を位置制御で 低速動作させ、 他方の軸はフリーランで追従させて原点復帰を行い、 前記一方の 軸と他方の軸の位置偏差を任意のピツチで計測し、 前記一方の軸が走行する位置 に対応する前記位置偏差を関数としてデータベースに記録し、 1つの位置指令を メイン位置指令として前記一方の軸にはそのまま分配し、 前記他方の軸には前記 データベースに記録された関数を用いて補正した位置指令として分配して運転を 行うことにより、 高速， 高精度の動作を実現することのできるツイン同期制御を 容易に実現することができる。

さらに、 締結部の重心位置を検出し、 その位置信号を入力として各軸の慣性補 償ゲインを生成する関数を準備し、 前記締結部の重心位置で前記慣性補償ゲイン を変更し、 前記 2つの軸の位置指令から求めた加速度と各軸の質量とに基づいて 演算した必要トルクをトルク指令に加えることにより、 2つの軸の一方のトルク フィードフォヮ一ドの量と実際に必要なトルク指令が一致しているため 2軸間の 偏差を著しく低減することができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 締結部により機械的に締結されている 2つの軸を駆動する 2つのモータ を同期して運転するツイン同期制御方法において、

前記 2つの軸のうち一方の軸を位置制御で低速動作させ、 他方の軸はフリーラ ンで追従させて原点復帰を行い、 '

前記一方の軸と他方の軸の位置偏差を任意のピッチで計測し、 前記一方の軸が 走行する位置に対応する前記位置偏差を関数としてデータベースに記録し、

1つの位置指令をメイン位置指令として前記一方の軸にはそのまま分配し、 前 記他方の軸には前記データベースに記録された関数を用いて補正した位置指令と して分配して運転を行う

ことを特徴とするツイン同期制御方法。

2 . 前記任意のピッチで計測した偏差は、 関数内部で直線補間処理を行い出 力することを特徴とする請求項 1記載のツイン同期制御方法。

3 . 前記他方の軸への位置指令は、 走行速度をパラメータにして補正値の位 相を進ませることを特徴とする請求項 1または 2に記載のツイン同期制御方法。

4 . 前記締結部の重心位置を検出し、

その位置信号を入力として各軸の慣性補償ゲインを生成する関数を準備し、 前記締結部の重心位置で前記慣性補償ゲインを変更し、

前記 2つの軸の位置指令から求めた加速度と各軸の質量とに基づいて演算した 必要トルクをトルク指令に加えること

を特徴とする請求項 1記載のツイン同期制御方法。