JP5308249B2 - サーボ制御装置 - Google Patents
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Description
テーブル2のX軸方向における移動は、ボールねじ駆動機構により行なわれるようになっている。また、ラム6を備えたサドル5のY軸方向の移動も、コラム3に設置された別のボールねじ駆動機構により行なわれるようになっている。
このような問題を解消するために、例えば、サーボ系や機械系をモデル化し、そのモデルの逆特性をもった伝達関数を用いてフィードフォワード補償することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
更に、特許文献1等に記載されている発明では、フィードフォワード補償制御用の伝達関数における機械定数を同定する必要があるが、このような機械定数の同定を正確に行うことは難しく、また、機械定数の同定が適切に行われないと、折角フィードフォワード補償制御を行ったとしても所望の精度を維持できないという問題があった。
本発明は、モータの回転運動を直線運動に変換するねじ送り部と、前記ねじ送り部によって直線移動させられる被駆動部と、前記ねじ送り部及び前記被駆動部が支持される支持体とを備える数値制御機器に適用され、前記被駆動部の位置を指令位置に一致させるように前記モータを制御するサーボ制御装置であって、前記指令位置を入力情報とし、前記支持体の振動による位置制御誤差を補償するための第1補償部と、前記第1補償部から出力された補償後の指令位置が入力される速度フィードフォワード部とを備え、前記速度フィードフォワード部は、前記支持体の振動反力による前記被駆動部の振動を補償するための第2補償部を備え、前記第2補償部は、前記補償後の指令位置の微分値を入力情報とし、かつ、前記支持体のイナーシャ、前記被駆動部のイナーシャ、前記支持体の剛性、及び前記被駆動部の剛性を係数として含む伝達関数を備えるサーボ制御装置を提供する。
このように、支持体の剛性を同定した後において、その支持体の剛性が適切であるか否かを確認し、適切でなかった場合には、適切な値が設定されるまで支持体の剛性が調整されるので、支持体の剛性の同定精度を高めることができる。
このような構成によれば、数値制御機器が駆動している期間においても支持体の剛性の調整が行われるので、常に支持体の剛性を適切な値に設定することができる。これにより、被駆動部の位置制御の精度を向上させることができる。
このように、振動の減衰状態に基づいて支持体の粘性を同定するので、支持体の粘性を容易に同定することができる。
このように、被駆動部に衝撃を与えることにより被駆動部を振動させ、この振動の状態に基づいて支持体の粘性を同定するので、支持体の粘性の同定の信頼度を高めることができる。
このように、支持体の粘性を同定した後において、その支持体の粘性が適切であるか否かを確認し、適切でなかった場合には、適切な値が設定されるまで支持体の粘性が調整されるので、支持体の粘性の同定精度を高めることができる。
このような構成によれば、数値制御機器が駆動している期間においても支持体の粘性の調整が行われるので、常に支持体の粘性を適切な値に設定することができる。これにより、被駆動部の位置制御の精度を向上させることができる。
このように、被駆動部を移動させることにより、被駆動部に衝撃を与え振動を発生させるので、より実際の運用に近い態様で振動の様子を確認することが可能となる。
〔第1の実施形態〕
図13は、本発明の第1の実施形態に係るサーボ制御装置が適用される工作機械の概略構成を示した図である。図13に示すように、工作機械は、ベッド1と、ベッド1上に配置され、X軸方向に沿い移動可能なテーブル2を備えている。また、テーブル2を跨ぐように門形のコラム(支持体)3が配置されている。コラム3には、Y軸方向にクロスレールが取り付けられており、このクロスレール上をサドル(被駆動部)5が移動することにより、サドル5がY軸方向に沿い移動可能とされている。サドル5は、Z軸方向に沿い移動可能なラム6を備えている。ラム6の先端には、切削加工等を行う機械先端が取り付けられている。本実施形態では、このラム6のY軸方向における機械先端位置を指令位置θに一致させるようにサドル5の位置を制御することを目的としている。
上述したように、本実施形態に係るサーボ制御装置100は、サドル5やラム6等の移動によってコラム3が振動し、このコラム3の振動によって起因するサドル5の振動による位置制御の精度低下を防止することを目的としている。
このように、本発明は、コラム3の振動の反力に起因するサドル5の固有の振動に着目したもので、このサドル5の固有の振動による位置誤差を補償することを特徴の一つとしている。
このように、本実施形態に係るサーボ制御装置100は、コラム3そのものの振動による位置制御誤差を補償する機械たわみ補償部200と、コラム3の振動の反力によるサドル5の振動に起因する位置誤差を補償するためのコラム反力補償部311とからなる2つの補償モデルを有している。このように、2つの補償モデルを有することにより、コラムの振動に起因する位置制御の誤差を効率的に解消することができ、図13に示した工作機械におけるY軸方向の位置制御の精度を向上させることができる。
図4は、コラム3を含む制御対象機器の機械系モデルを示した図である。図4に示すように、本実施形態では、機械系のモデルをモータ12、負荷であるサドル5、及びコラム3を質点とした3質点系の機械系のモデルとして特定している。
ブロック5−1は、モータ位置θMと負荷位置θLとの偏差(θM−θL)が入力されると、反力トルクを出力する。この反力トルク及びコラム振動の反力を加算した値がブロック5−2に入力されると、負荷位置θLが出力される。
(θM−θL)KR−θCJCs2=θL(JLs2+DLs) (2)
−(θM−θL)KR−θC(KC+CCs)=θCJCs2 (3)
−θL(JLs2+DLs)=θC(2JCs2+CCs+KC) (4)
{(2JCs2+CCs+KC)−(JLs2+DLs)}θL=θ(2JCs2+CCs+KC)
θL=θ(2JCs2+CCs+KC)/{(2JC−JL)s2+(CC−DL)s+KC} (6)
図4に示した機械系モデルからサドル5の検出位置θLとモータ速度θMsの関係を求めると、上述の(2)式より、以下の(8)式が導出される。
=(θM−θL)KR−θLJLs2 (9)
θM〔−2KR−KR(KC+CCs)/JCs2〕
=θL〔−2KR−JLs2−(JL/JC)*(KC+CCs)−KR/JCs2*(KC+CCs)〕
θM〔−2KRJCs2−KR(KC+CCs)〕
=θL〔−2KRJCs2−JLs2*JCs2−JL*(KC+CCs)s2−KR*(KC+CCs)〕
そして、この4つの機械定数のうち、コラムイナーシャJCについては、各部の機械重量が既知であることから推定することができ、同定は不要である。また、送り系剛性KRについても、ボールねじ剛性理論値から推定することができることから、同定は不要である。
よって、残りのコラム粘性CC及びコラム剛性KCについて、同定を行って決定をすることで、各補償部の機械定数を全て決定することができる。
本実施形態では、コラム3に対して衝撃を与え、その衝撃の応答振動からコラム粘性CC及びコラム剛性KCを同定する。
コラム剛性KCの同定は、コラム3に対して衝撃を与えてサドル5を振動させたときのその共振周波数に基づいて行われる。
そこで、まずは、共振周波数からコラム剛性KCを算出するための演算式の導出について説明する。
θLKR−θC(KC+CCs)=θCJCs2 (16)
θL=−θcJcs2/(JLs2+KR) (17)
−θc(Jcs2KR)/(JLs2+KR)−θc(KC+CCs)=θcJcs2
Jcs2+CCs+KC+(Jcs2KR)/(JLs2+KR)=0
Jcs2(JLs2+KR)+(Kc+CCs)*(JLs2+KR)+Jcs2KR=0
JcJLs4+CCJLs3+(2JcKR+JLKC)s2+CCKRs+KRKC=0 (18)
KC=Jc(8KRq2−JLq4)/(KR−JLq2) (21)
図6は、定数同定部50の概略構成を示した図である。図6に示すように、定数同定部50は、衝撃発生部51、加速度センサ(振動検出部)52、コラム剛性同定部(支持体剛性項同定部)53、コラム粘性同定部(支持体粘性項同定部)54、及び機械定数設定部55を備えている。
図8に示すような減衰振動が得られた場合、振動の振幅P1,P2,P3・・・をそれぞれ測定する。続いて、これらの振幅値P1,P2,P3・・・から対数減衰率の平均δを求める。例えば、4波形を対象とした場合、LN(P1/P2)、LN(P2/P3)、LN(P3/P4)の平均を計算して対数減衰率の平均δを求める。続いて、対数減衰率δ、コラムイナーシャJc、及び上述のコラム剛性同定部53によって同定されたコラム剛性Kcを用いて、以下の式からコラム粘性CCを算出する。
今回の試験では、図13に示されるテーブルの上面に500mmの厚みの治具(イケール)を配置し、その治具の上に格子スケールを配置した。この状態で、図7に示すようなYZ平面上における略四角形の移動軌跡に応じた位置指令を図2に示したサーボ制御装置100に与えることによりモータ12を回転駆動させ、図7に示した移動軌跡に沿ってサドル5及びラム6を移動させた。この試験では、速度4600mm/minでサドル5及びラム6を移動させた。図9は、このような試験を行ったときのラム先端位置を格子スケールで測定したものである。図9は、ラム先端がY軸に沿って移動した後に、円弧を描き停止するまでの動作部分の波形を切り出して示した図であり、Y=−103の位置を停止位置(基準位置)としている。図9から、補償を行うことにより、サドル5及びラム6の振動が効果的に抑制され、位置制御の精度が向上していることがわかる。
上述したように、定数同定部50によって機械たわみ補償部200及びコラム反力補償部311の定数が設定された場合でも、設定された定数が適切ではなく、これらの補償部を作動させたとしても依然としてサドル5が振動してしまい、位置制御の精度が低下してしまうということが考えられる。
上述した第1の実施形態及び第2の実施形態においては、サドル5に対して外的な衝撃を与えることによりわざとサドル5を振動させ、この振動の状態に基づいて機械定数の同定を行っていた。
これに対し、本実施形態は、一度機械定数が設定された後の状態を前提としたものであり、サーボ制御装置による位置制御が行われている状態において、換言すると、工作機械を駆動している状態において、位置制御の精度が低下してきた場合に、機械定数の調整を徐々に行っているものである。
そして、両者の振幅が一致すると判定した場合には、ステップSA1に戻り、上述した処理を繰り返し行う。
5 サドル
6 ラム
9 ボールねじ送り部
10 ボールねじナット
11 ボールねじ軸
12 モータ
13 モータエンコーダ
14 リニアスケール
50,50´ 定数同定部
51 衝撃発生部
52 加速度センサ
53 コラム剛性同定部
54 コラム粘性同定部
55 機械定数設定部
56 振動判定部
57 定数調整部
60 機械定数調整部
61 コラム共振モデル
62,63 バンドパスフィルタ
64 調整部
100 サーボ制御装置
200 機械たわみ補償部
201 速度フィードフォワード部
311 コラム反力補償部
Claims (11)
- モータの回転運動を直線運動に変換するねじ送り部と、前記ねじ送り部によって直線移動させられる被駆動部と、前記ねじ送り部及び前記被駆動部が支持される支持体とを備える数値制御機器に適用され、前記被駆動部の位置を指令位置に一致させるように前記モータを制御するサーボ制御装置であって、
前記指令位置を入力情報とし、前記支持体の振動による位置制御誤差を補償するための第1補償部と、
前記第1補償部から出力された補償後の指令位置が入力される速度フィードフォワード部とを備え、
前記速度フィードフォワード部は、前記支持体の振動反力による前記被駆動部の振動を補償するための第2補償部を備え、
前記第2補償部は、前記補償後の指令位置の微分値を入力情報とし、かつ、前記支持体のイナーシャ、前記被駆動部のイナーシャ、前記支持体の剛性、及び前記被駆動部の剛性を係数として含む伝達関数を備えるサーボ制御装置。 - 前記第1補償部から出力された前記補償後の指令位置と実位置との差分から算出される偏差速度と、前記速度フィードフォワード部の出力と、前記モータの速度とから指令速度を算出する指令速度算出部を備える請求項1に記載のサーボ制御装置。
- 前記第2補償部が備える前記伝達関数に含まれる前記支持体の剛性は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動共振周波数に基づいて同定される請求項1または請求項2に記載のサーボ制御装置。
- 前記支持体の剛性を同定する定数同定部を備え、
前記定数同定部は、
前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、
衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、
前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の共振周波数を算出し、この共振周波数から前記支持体の剛性を同定する支持体剛性同定部と
を有する請求項3に記載のサーボ制御装置。 - 前記定数同定部は、前記支持体の剛性を同定した後において、前記振動検出部によって検出された前記被駆動部の振動の振幅が既定の閾値を超えていた場合には、該振動検出部によって検出された振動信号に基づいて前記支持体の剛性の調整を行う請求項4に記載のサーボ制御装置。
- 前記定数同定部は、前記数値制御機器が駆動している期間において、前記振動検出部によって検出された振動信号と前記第2補償部のモデルから算出される前記被駆動部の推定振動信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記支持体の剛性を調整する請求項5に記載のサーボ制御装置。
- 前記第2補償部が備える前記伝達関数には、前記支持体の粘性が係数として含まれており、前記支持体の粘性は、前記支持体または前記被駆動部に衝撃を与えて振動させたときの振動の減衰状態に基づいて同定される請求項1または請求項2に記載のサーボ制御装置。
- 前記支持体の粘性を同定する定数同定部を備え、
前記定数同定部は、
前記被駆動部に対して衝撃を与えて前記被駆動部を振動させる衝撃発生部と、
衝撃が与えられたときの前記被駆動部または前記支持体の振動を検出する振動検出部と、
前記振動検出部によって検出された振動信号から前記被駆動部の振動の減衰率を算出し、該振動の減衰率から前記支持体の粘性を同定する支持体粘性同定部と
を有する請求項7に記載のサーボ制御装置。 - 前記定数同定部は、前記支持体の粘性を同定した後において、前記振動検出部によって検出された前記被駆動部の振動の振幅が既定の閾値を超えていた場合には、該振動検出部によって検出された振動信号に基づいて前記支持体の粘性の調整を行う請求項8に記載のサーボ制御装置。
- 前記定数同定部は、前記数値制御機器が駆動している期間において、前記振動検出部によって検出された振動信号と前記第2補償部のモデルから算出される前記被駆動部の推定振動信号とを比較し、この比較結果に基づいて前記支持体の粘性を調整する請求項9に記載のサーボ制御装置。
- 前記衝撃発生部は、前記被駆動部を所定の加速度以上で移動させることにより、前記被駆動部を振動させる請求項4または請求項8に記載のサーボ制御装置。
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