JP2003131713A

JP2003131713A - 送り制御方法および送り制御装置

Info

Publication number: JP2003131713A
Application number: JP2001327974A
Authority: JP
Inventors: Minoru Hamamura; 村実濱
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ロストモーションの発生を防ぎ、運動誤差を
許容範囲内に収めることのできる送り制御方法を提供す
る。【解決手段】本発明にかかる送り制御装置は、制御対象
に対する制御プログラム１０を解析する解析部２０と、
この解析結果に基づき運転の状態を表す情報と位置指令
を発生する補間器３０、３１，３３と、この補間部から
発生された位置指令に基づき、制御対象を駆動するため
のトルク指令を発生する位置制御部４０と、トルク指令
と運転の状態を表す情報から反転トルクおよび制御対象
のロストモーションが発生しない範囲である速度、加速
度の制限値を発生して補間器にフィードバックする演算
部５１を備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は送り制御方法に関す
るもので、特に、数値制御（ＮＣ）工作機械の送り機構
やロボット等における送り制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＮＣ工作機械やロボット等では位置決め
が極めて重要であり、プログラム制御により位置決め精
度を向上させるような送り制御が行われている。

【０００３】例えば、三次元切削等を行う工作機械にお
いては、プログラム制御によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸
毎に配置された駆動機構を用いて加工工具あるいはワー
クを移動させることにより、三次元的な立体加工を実現
している。すなわち、ＮＣ装置は外部から入力されたデ
ータから所定の動作プログラムにより、各軸等の動作指
令値を解析し、各軸毎のデータを工作機械の各軸の駆動
機構に順次出力し、動作プログラムにより設定された所
期の動作を実行させる。

【０００４】ここで、駆動機構は、加工工具あるいはワ
ークを移動させる駆動源としてのサーボモータと、モー
タの回転を各軸に伝達するためのボールねじ、ギヤトレ
イン等の伝達機構と、モータを回転駆動するため駆動信
号を供給するとともに位置、速度を検出し駆動信号にフ
ィードバックするための位置、速度制御ループ等の制御
回路とを含んでいるが、このような駆動機構では、加工
工具あるいはワークを移動させる際に、伝達機構による
ロストモーションが生じ、そのために輪郭制御に悪影響
を及ぼすという問題がある。

【０００５】そこで、従来より、このロストモーション
を補正する技術が種々考案されている。

【０００６】典型的なＮＣ装置におけるロストモーショ
ンの補正としては、例えば、切削送り、早送りあるいは
円弧補間等の曲線制御における送り速度をある速度に設
定し、そのときに生じるバックラッシ量を測定し、これ
をバックラッシ補正量として蓄積しており、駆動機構の
速度制御系に供給して補正する方法、特開昭６０−１７
２４４４号公報に開示されたようなサーボモータ駆動の
１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当
するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモ
ータに供給せず、円弧補間時に生じるバックラッシ補正
量を複数の位置間隔で分解したバックラッシ補正データ
を用意しておき、移動位置ごとにバックラッシ補正量を
徐々に加える方法などが提案されている。

【０００７】円弧補間等の曲線制御において、真円加工
を行う場合は、２軸同時制御が必要であるが、この場合
のバックラッシ補正は、各軸等のバックラッシ補正量を
用いて各軸毎に行われる。このような加工において象限
の切り換え時、すなわち、一つの軸の送り方向が＋から
−、あるいは−から＋ヘ変化するとき、通常のバックラ
ッシ補正を行うと、所謂、喰い込み現象が生ずる場合が
ある。

【０００８】この原因は、通常のバックラッシ補正は、
サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバック
ラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御
系を介してサーボモータに供給するため、象限切り換え
時に立ち上がりが緩慢な場合には、バックラッシ補正後
の軌跡が、加工したい円弧の内側に喰い込んだ軌跡を描
くことになるためである。

【０００９】このような問題を解決するためになされた
技術として特公平７−７１７８１号公報に記載された数
値制御工作機械のバックラッシ補正方法があり、象限切
換時にも正確なバックラッシ補正を可能としている。

【００１０】なお、漸増型ロストモーションはリニアボ
ールガイドを用いた送り駆動機構において顕著に見ら
れ、ロストモーションには伝達機構の剛性に依存する弾
性変形に伴うものと、歯車のキー材の遊びやボールねじ
とナット間の遊び等のバックラッシに伴うものとがある
が、以下の説明では特に区別せずにロストモーションと
して総称することとする。

【００１１】この他にスティックモーションという現象
があり、これが起こるのは、運動方向の急激な変化があ
ると摩擦トルクの分だけトルク指令を変える必要がある
にもかかわらず、主に回転系の摩擦に起因する速度ルー
プの応答特性による遅れがあるため、送り軸が一時的に
停止することによるものと考えられている。

【００１２】一方、ロストモーションやスティックモー
ションの補正技術については、例えば、移動軸が反転し
た際に発生するロストモーションを補正する補正機能や
加速度制御についてすでに種々の提案がなされている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特に高
加速度の円弧運動を指令した場合や、移動質量が大きい
場合の円弧運動など加速度が変化する運転条件、及び直
線補間において、移動指令と逆方向に働く慣性力が案内
面の摩擦力を上回った際に発生するロストモーション
（歯車のバックラッシやキー材のがたを含む）について
は、従来のバックラッシ補正では考慮されておらず、こ
れらのバックラッシによる送り駆動系の精度低下を防ぐ
ことができなかった。

【００１４】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、象限切換位置でないところで摩擦力と
慣性力との関係で生じ得るロストモーションの発生を防
ぎ、運動誤差を許容範囲内に収めることのできる送り制
御方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる送り制御
方法は、移動軸が反転した際のトルク波形から慣性力と
摩擦力の関係を検出し、制御対象の運転の状態を表す情
報と、前記慣性力と摩擦力の関係に基づき前記制御対象
のロストモーションが発生しない範囲である速度、加速
度の制限値を求め、この速度、加速度の制限値をもとに
前記制御対象の送りを制御することを特徴とする。

【００１６】また、本発明にかかる送り制御装置は、制
御対象に対する制御プログラムを解析する解析部と、前
記解析部による解析結果に基づき運転の状態を表す情報
と位置指令を発生する補間部と、前記補間部から発生さ
れた位置指令に基づき、制御対象を駆動するためのトル
ク指令を発生する位置制御部と、前記トルク指令と前記
運転の状態を表す情報から反転トルクおよび制御対象の
ロストモーションが発生しない範囲である速度、加速度
の制限値を発生して前記補間部にフィードバックする演
算部を有するトルク検出部とを備えたことを特徴とす
る。

【００１７】これらの送り制御方法および制御装置によ
れば、慣性力が摩擦力を上回る運転の状態を検出し、軸
反転前にロストモーション（バックラッシを含む）が発
生しないように、すなわち慣性力が摩擦力を上回らない
ように速度や加速度を制限することによって、運動誤差
を許容範囲内に抑制しており、きわめて位置精度の高い
送りを実現することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態につき詳細に説明する。

【００１９】まず、本発明の前提となる現象について説
明する。特にワーク質量や本体質量が大きな工作機械に
おいて、図２に示すような円弧補間運動をさせると、図
３に示す様に軸反転位置（象限切換え位置）の手前で、
ロストモーション（バックラッシを含む）が発生する。
これは慣性トルクが、案内面や回転系の摩擦トルクを超
えた場合に物体が動かされるためである。

【００２０】ロストモーション（ワインドアップ）の理
論式は次式となる。

【００２１】

【数１】ここで、Ｆ_ｄは動摩擦力、ｋは機械のたわみを代表する
ばね定数であり、ロストモーションの大きさは摩擦力に
比例し、ばね定数に反比例することがわかる。

【００２２】歯車やキー材にバックラッシがある場合の
軸方向変位は次式になる。

【００２３】

【数２】ここで、δ：バックラッシによる軸方向変位、Ｂｌ：バ
ックラッシ、Ｐ：ボールねじのリード、Ｚ：歯数、ｍ：
モジュール、Ｄ：軸径、ｇｅａｒ：歯車、ｋｅｙ：キー
材を示す。

【００２４】円弧補間の場合、ｘ、ｙ各軸の指令は、

【数３】となる。ただし、Ｒ：円弧半径、ω：角速度、ｔ：時間
を示す。

【００２５】また、指令速度ｖと加速度αはそれぞれ時
間微分を行って

【数４】となる。運動方程式から弾性変位を計算すると、

【数５】となる。ただし、質量Ｍ、粘性減衰係数ｃである。直線
補間の場合は所定の速度に達してからの加速度は０にな
る。

【００２６】円弧補間の場合は、図４に示すように加速
度と速度の方向は角度によって異なる。このため、９０
度〜１８０度、２７０度〜３６０度では慣性力と摩擦力
の方向が逆になる。

【００２７】式（４），（５）に示すように慣性力は角
速度の２乗に比例し、摩擦力は角速度に比例するため、
ある送り速度を超えると慣性力が摩擦力を超え、弾性変
位の方向も逆になる。また、慣性力はワーク質量によ
り、増大するため、同じ送り速度でもワークによって慣
性力が摩擦力を超える場合がある。

【００２８】図３で、弾性変位が逆になる角度を求め、
同時にスケール位置とトルクの関係を実測した結果を図
５に示す。図５に示すように、図３から求めた弾性変位
の反転が起こっている角度（１３５°付近）でのトルク
は、０から反転トルクＴ１分下がった位置であることが
わかる。なお、図５には、第２番目の反転トルクＴ２が
１８０°付近の位置に、第３番目の反転トルクＴ３は第
１番目の反転トルクの発生位置の逆位相位置である３１
５°付近の位置に、第４番目の反転トルクは第２番目の
反転トルクの発生位置の逆位相位置である３６０°付近
に観察される。

【００２９】反転トルクの量は一定ではなく、現象が発
生する位置を一般には完全には特定できないが、Ｔ１≒
Ｔ２≒Ｔ３≒Ｔ４であることが実測により確かめられて
いる。また、図３のような波形を観察することにより、
反転トルク発生位置を推定することができ、逆位相位置
に現れることも予想できる。

【００３０】また、送りトルクが０を超えなければ、こ
のロストモーションは起こらないので、移動方向反転時
以外で送りトルクが０を超えないように速度、または加
速度を制御すれば良いこともわかる。

【００３１】なお、慣性力が摩擦力より小さい場合は、
象限切換え位置でロストモーションが起こる。

【００３２】以上の現象および理論に基づいた本発明に
かかる位置決め制御方法を実現する制御装置のブロック
図を図１に示す。なお、ここでは工作機械のテーブル制
御を円弧補間により行う場合を取り上げる。

【００３３】この制御装置は読み込まれたプログラム１
０を解析する解析部２０、この解析部での解析結果に対
して必要な補正を行って位置指令を発する補間器３０，
位置指令からテーブル９０を駆動するモータ７０に与え
るトルクを発生させる位置制御器４０，このトルク指令
を増幅するアンプ６０を備えている。

【００３４】また、位置制御器４０の出力であるトルク
指令はトルク検出部５０内の演算部５１に入力される。
この演算部５１には補間器３０から送りの条件としての
移動方向、半径、送り速度の各情報も与えられ、後述す
る演算が行われて速度、加速度制限演算値として補間器
３０に対して出力されるとともに、トルク検出部５０内
の記録部５２に送られて記録される。演算部５１の演算
時には、記録部５２内に記録されたデータが随時参照さ
れる。

【００３５】モータ７０にはその回転状況を検出するた
めのエンコーダ８０が設けられ、このエンコーダ８０で
得られた信号が種々のモータ制御のために用いられる
が、本発明の主題ではないため、詳しい説明は省略す
る。

【００３６】次に、図１に示した制御装置の動作を詳細
に説明する。

【００３７】まず、慣性力の影響を観測するために、円
弧補間運動を実施する。この円弧補間運動の実施時に、
トルク検出部５０の演算部５１は、位置制御器４０から
発せられたトルク指令と、補間器３０より送出された移
動方向、半径、送り速度から、送り条件及び象限切換え
時でないことを確認する。更に、送りトルクの慣性力に
よる変化と式（３）、（４）より、送りトルクが０にな
る速度を推定、または演算する。この結果に基づき、最
大速度を送りトルクが０になる速度もしくはあらかじめ
余裕としての値をもたせた速度になるように速度制限値
を決定する。

【００３８】なお、粘性摩擦は速度により変化すること
がわかっており、厳密には制限される加速度や速度は送
りの条件により異なる。したがって、円弧補間運動は２
種類以上実施して傾向を把握した上で許容最大速度値を
決定することが望ましい。

【００３９】トルク検出部５０の記録部５２には、送り
の条件とトルクの変化パターンを記録することができ、
このような記録を行った場合には、同じ送りの条件が指
令された場合、過去の事例をもとに許容速度を最適化す
ることができる。しかしながら、全ての加工におけるあ
らゆる送り条件とトルクの関係を記録するのは記録容量
等の関係で現実的ではない。

【００４０】このため、速度と反転トルクの曲線を作成
するようにすると良い。円弧補間の場合は式（４）、及
びプログラムの解析により、加速度が演算でき、移動質
量をトルク変化により検出するか、入力すれば、慣性力
がわかる。さらに反転トルクがわかれば、トルク０にな
る速度が演算できる。したがって、速度と反転トルクの
曲線について、同じ条件が繰り返される場合は、その速
度での平均反転トルクを求め、または、低い反転トルク
を記録する。送り条件と反転トルクデータのない部分
は、データのある部分を直線、または最小自乗法等に既
存の近似解法を用いた近似曲線でつなげば良い。

【００４１】一方、反転トルクについてはクーロン摩擦
と粘性摩擦を考慮した速度摩擦曲線や、ストライベック
（Ｓｔｒｉｂｅｃｋ）曲線から求める方法がある。スト
ライベック曲線は送り速度と反転トルクの関係を示すも
ので、その一例を図６に示す。

【００４２】ロストモーションは高速領域のみで発生す
るが、図６から明らかなように、送り速度が５０００ｍ
ｍ／分（Ｆ５０００）以上の高速領域では反転トルクは
ほぼ速度に比例するとみなすことができるので、直線近
似された推定曲線を用いることが可能である。このよう
な反転トルクの推定曲線から、動摩擦力を求めると、Ｆ
_ｄ＝ｃｖ＋Ｆ_ｃ（６）となる。ここで、
Ｆ_ｃ：クーロン摩擦などの一定の摩擦力である。なお、
動摩擦力は油の動粘度、グリースの増ちょう剤の種類、
温度変化、案内面の負荷、初期時の攪拌抵抗やグリース
のチャンネリング（わだちの形成）などにより変化し、
一般にグリースが多いとかえって摩擦力が大きくなる傾
向がある。

【００４３】以上の実施の形態では送りの条件はプログ
ラム解析より得ているが、その一部または全部を実測す
ることもできる。例えば、平面スケールを格子状に交差
させたＫＧＭ測定器や、機体に付属されたスケールを用
いて移動方向や送り速度、軸方向変位などの測定を直接
行なうことができる。テーブルに取り付けられた加速度
ピックアップなどを用いて、慣性力を検出しても良い。

【００４４】また、例えば、図３に示すような、軸反転
前のロストモーションが現われた送り速度を制限速度と
し、この時の加速度を制限加速度として、円弧半径、ワ
ーク質量を別途入力することにより位置制御を行うこと
ができる。

【００４５】以上の実施の形態は円弧補間を例にとって
説明したが、直線補間についても同様に適用できる。図
７は直線補間を行う、本発明にかかる位置決め制御方法
を実現する制御装置の構成を示すブロック図である。図
７に示す構成は図１の構成に類似するため、対応する要
素には同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略す
る。

【００４６】前述したように、円弧補間の場合は、移動
方向、送り速度、半径、ワーク質量を送りの条件とし、
ワークを含めた移動質量も記録していたが、直線補間の
場合は、図７に示すように移動方向、曲率半径、送り速
度、ワーク質量、加速度のパラメータ設定値を記録す
る。このため、図１に示した構成とは異なり、解析部２
０においてはプログラムを数ブロック解析し、第１補間
器３１とバッファ３２を用いて軌跡を認識し、得られた
移動方向、送り速度、曲率半径、ワーク質量、加速度パ
ラメータを演算部５１に送出する。

【００４７】図１における補間器３０に相当する第２補
間器３３ではバッファ３２から得られた移動方向、送り
速度、曲率半径、ワーク質量、加速度パラメータと演算
部５１から得られた速度、加速度制限演算値に基づいて
位置指令を位置制御器４０に送出する。

【００４８】また、垂直軸のように自重によって、トル
クの中立点が０にならない場合は、自重分のトルクをシ
フトしたトルクになる速度を制限速度とすれば良い。

【００４９】さらに、Ｔ１＝Ｔ２として、これを制限速
度として、係数α＜１を設定し、速度（加速度）制限を
行うこともできる。

【００５０】以上述べた加速度、速度制限は加工精度や
送り精度の許容誤差（トレランス）によっては必ずしも
必要ではないので、有効、無効が選択できるようにす
る。例えば、送り精度の要求が低い加工においては速度
や加速度の制限を解除し、加工能率を向上させることが
できる。

【００５１】本発明は、送りや位置決めを行うあらゆる
装置、例えばＮＣ制御装置、ＮＣ工作機械、ロボット等
に幅広く適用することができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、もしくは、高精度モー
ドを選択することによって、慣性力によって軸反転前に
生じるロストモーションやバックラッシの発生を防止
し、慣性力により、軸反転前にロストモーションやバッ
クラッシが発生しないような指令に変換することで、高
精度な送り精度を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態にかかる送り制御装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】円弧補間運動を示す説明図である。

【図３】軸反転位置（象限切換え位置）の手前で、ロス
トモーション（バックラッシを含む）が発生する様子を
示すグラフ。

【図４】位置、速度、加速度の関係を示すグラフであ
る。

【図５】弾性変位が逆になる角度を求め、同時にスケー
ル位置とトルクの関係を実測した結果を示すグラフであ
る。

【図６】送り速度と反転トルクの関係を示すグラフであ
る。

【図７】本発明の他の実施の形態にかかる送り装置の構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０プログラム２０解析部３０補間器３１第１補間器３２バッファ３３第２補間器４０位置制御器５０トルク検出部５１演算部５２記録部６０アンプ７０モータ８０エンコーダ９０テーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C001 KA06 KB00 TA05 TB03 TB05 TB06 5H269 AB01 AB33 BB03 EE01 GG01 NN04 NN07 PP08 5H303 AA01 AA10 BB03 BB08 BB12 CC07 CC09 DD01 DD25 DD27 EE03 EE09 FF03 GG06 GG11 JJ04 KK08 LL03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動軸が反転した際のトルク波形から慣性
力と摩擦力の関係を検出し、制御対象の運転の状態を表す情報と、前記慣性力と摩擦
力の関係に基づき前記制御対象のロストモーションが発
生しない範囲である速度、加速度の制限値を求め、この速度、加速度の制限値をもとに前記制御対象の送り
を制御することを特徴とする送り制御方法。
【請求項２】前記トルク波形、慣性力、摩擦力の少なく
ともいずれか１つは実測により得られることを特徴とす
る請求項１に記載の送り制御方法。
【請求項３】前記慣性力と摩擦力の少なくともいずれか
１つは既知の関係式、既知の関係曲線から得られること
を特徴とする請求項１に記載の送り制御方法。
【請求項４】前記運転の状態を表す状態は円弧補間の場
合には移動方向、曲率半径、ワーク質量、送り速度であ
り、直線補間の場合には移動方向、曲率半径、送り速
度、ワーク質量、加速度パラメータであることを特徴と
する請求項１または２に記載の送り制御方法。
【請求項５】円弧補間の場合に、前記制限値は象限切換
位置以外でロストモーションが発生しないように決定さ
れることを特徴とする請求項１に記載の送り制御方法。
【請求項６】制御対象に対する制御プログラムを解析す
る解析部と、前記解析部による解析結果に基づき運転の状態を表す情
報と位置指令を発生する補間部と、前記補間部から発生された位置指令に基づき、制御対象
を駆動するためのトルク指令を発生する位置制御部と、前記トルク指令と前記運転の状態を表す情報から反転ト
ルクおよび制御対象のロストモーションが発生しない範
囲である速度、加速度の制限値を発生して前記補間部に
フィードバックする演算部を有するトルク検出部と、を
備えた送り制御装置。
【請求項７】前記補間部は直線補間をプログラムの複数
ブロックの解析により軌跡を認識することにより行うた
めの第２の補間部およびバッファをさらに備えたことを
特徴とする請求項６に記載の送り制御装置。
【請求項８】前記トルク検出部は、演算部で得られたト
ルク指令を記憶する記録部をさらに備えたことを特徴と
する請求項６または７に記載の送り制御装置。
【請求項９】請求項６ないし８のいずれかに記載の送り
制御装置を備えた数値制御装置。