JP5404507B2

JP5404507B2 - 補正パラメータ調整装置

Info

Publication number: JP5404507B2
Application number: JP2010087134A
Authority: JP
Inventors: 隆太佐藤; 弘太朗長岡; 智典佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2030-04-05
Also published as: JP2011221612A

Description

本発明は、数値制御工作機械やロボットにおいて、機械の運動精度を向上させる補正パラメータを調整する補正パラメータ調整装置に関する。

数値制御工作機械やロボットでは、モータを駆動して、指令位置にできる限り忠実に機械の位置を制御する。その場合、機械の振動や運動方向反転時の摩擦力の影響により指令位置と実際の機械の位置との間に誤差が生じ、例えば加工面に傷がついたりする。そのような問題が発生した場合には、機械の運動軌跡を測定して問題の原因を探り、モータを制御するコントローラの各種補正パラメータを調整することが行われる。そのための機械運動軌跡の測定表示方法としては、複数の方法が公知である。

特許文献１に示された方法は、２つの高精度な鋼球の間が変位計を介して結合されたものであり、２球間の相対距離を一定に保つような運動（円弧）を行わせたときの変位を読み取るものである。この方法はボールバー法と呼ばれ、補正パラメータ調整のための測定方法として広く普及している。

ボールバー法で補正パラメータの調整を行う際には、機械の運動軌跡を測定し、その結果から誤差要因を推測して補正パラメータを変更し、もう一度機械の運動軌跡を測定して補正パラメータ変更の効果を確認する。一度の変更で満足な結果が得られない場合には、上記の手順を繰り返すことが一般的である。

特許文献２には、補正パラメータの調整を行う作業者の負担を軽減するために、ボールバー法を使って機械誤差を測定し、制御装置の補正パラメータの変更を提案する方法およびシステムが記載されている。この技術のポイントは、入力された試験条件に基づいて試験が適切に行われるようなＮＣプログラムを自動生成し、測定器のセットアップを作業者に指示して試験を実行させること、および試験結果を解析して較正パラメータの変更を提案するとともに、予測される効果を表示することである。

特開昭６１−２０９８５７号公報特表２００４−５２５４６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、機械運動軌跡の測定結果から調整作業者が誤差要因を推測して補正パラメータを調整する。測定結果から誤差要因を推測できるようになるためには多くの経験と専門知識を要するため、補正パラメータの調整作業ができる人材が限られていたほか、補正パラメータの調整に多大な時間を要する場合が多い。

特許文献２に記載の方法およびシステムでは、測定器のセットアップが指示されるので、専門知識がない作業者であっても補正パラメータの調整作業を行うことができる。しかしながら、機械運動軌跡の測定にはボールバー法を用いるため、決められた半径の円弧軌跡しか測定できないという問題があるほか、調整作業中には常に１名以上の作業者が必要となる。

上記の方法に共通して、機械に変位計を取付けて運動軌跡を測定するために、例えば工作機械にジグや工具が取り付けてある場合には、測定のためにそれらを外す必要があった。そのため、例えば試し削りを行って加工結果に不具合があったとしても、補正パラメータの調整を行うためには工具や工作物を取り外す必要があり、多大な労力を要するほか、一旦取り外した工具や工作物をもとの状態に戻すことが困難であるという問題があった。

また、上記の方法に共通して、測定範囲が比較的狭い範囲に限られているという問題がある。すなわち、誤って測定範囲を超えて機械が運動した場合には、測定器が破損してしまう。また、ストロークの大きな機械の運動軌跡を測定しようとすると、測定器を一旦取り外し、場所をずらして設置し直す必要があった。また、測定器を設置したくても構造上や寸法上の問題で、設置できない機械も存在し、そのような場合には補正パラメータの調整ができないという問題があった。

また、上記の方法に共通して、機械運動軌跡の測定結果のみを使って補正パラメータを調整する場合、その測定結果に、例えばモータの運動誤差による軌跡誤差と機械誤差に起因する軌跡誤差が混在していたとしても、その２つの誤差を分離することができず、調整作業がより困難なものになっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実際の使用状態にある機械の運動軌跡をジグや工具を外さずに測定でき、誤差要因を分離して補正パラメータの適切な設定が可能な補正パラメータ調整装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、可動軸を駆動するモータから検出される検出位置をフィードバックし、検出位置が指令位置に追従するようにモータを駆動することで機械の位置を制御する装置における機械の加速度を測定するための加速度計と、加速度と検出位置とから機械運動を解析する機械運動解析部と、機械運動の解析結果から機械の運動精度を向上させるための補正パラメータを決定する補正パラメータ計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、実際の使用状態にある機械の運動軌跡をジグや工具を外さずに測定でき、誤差要因を分離して補正パラメータの適切な設定が可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る補正パラメータ調整装置が適用された数値制御工作機械の概略構成を示す外観斜視図である。図２は、図１に示す数値制御工作機械のＹ軸の駆動機構を、横から見た場合の断面図を模式的に示す図である。図３は、数値制御工作機械が備える補正パラメータ調整装置などの概略構成を示すブロック図である。図４は、機械運動解析部および補正パラメータ計算部において、バックラッシ補正パラメータの調整を行う処理の概要を示すフローチャートである。図５は、ステップＳ３での機械運動解析部における処理の概要を示す図である。図６は、往復運動を行った場合における検出位置、機械位置、および機械誤差の計算結果の例を示す図である。図７は、運動方向反転の前後０．５ｍｍの機械誤差波形を示す図である。図８−１は、バックラッシ補正パラメータを自動調整する前の実際の機械の円弧軌跡を示す図である。図８−２は、バックラッシ補正パラメータを自動調整した後の実際の機械の円弧軌跡を示す図である。図９は、本実施の形態１の変形例１について、機械運動解析部および補正パラメータ計算部における処理の概要を示すフローチャートであって、ピッチ誤差補正パラメータの調整を行う処理の概要を示すフローチャートである。図１０−１は、弾性変形による軌跡誤差発生のメカニズムを説明するための図である。図１０−２は、正弦波往復運動を指令した場合の、被駆動体の振幅を示す図である。図１１は、本実施の形態１の変形例２について、固有角振動数を計算するための手順を説明するためのフローチャートである。図１２は、本実施の形態１の変形例３について、数式（８）を使って固有角振動数を計算するための手順を説明するためのフローチャートである。図１３は、ステップＳ９における処理の概要を説明するための図である。図１４−１は、弾性変形量補正パラメータを調整する前の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１４−２は、弾性変形量補正パラメータを調整した後の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１５は、本実施の形態１の変形例４について、駆動部補正パラメータの調整の処理の概要を示すフローチャートである。図１６−１は、駆動部補正パラメータを調整する前の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１６−２は、駆動部補正パラメータを調整した後の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。

以下に、本発明にかかる補正パラメータ調整装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る補正パラメータ調整装置が適用された数値制御工作機械の概略構成を示す外観斜視図である。数値制御工作機械５０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に沿うように運動を案内された複数の可動軸を有し、各可動軸はモータ１と送りねじ２を有する駆動機構によって駆動される。モータの回転角度は回転角度検出器３により検出され、制御装置（例えば、モータ駆動部１２）にフィードバックされる。各可動軸の駆動方法として、モータ１と送りねじ２の代わりにリニアモータを用いる場合や、回転角度検出器３の代わりにリニアスケールを用いる場合もある。

数値制御工作機械５０では、Ｙ軸の駆動機構によりワークテーブル４が駆動され、Ｘ軸の駆動機構によりコラム５が駆動される。コラム５に取付けられたＺ軸の駆動機構により、ラム６を介して主軸頭７が駆動される。これら駆動の結果として、主軸頭７の先端に取付けられる工具と、ワークテーブル４上に設置される工作物との間に３次元形状が創成される。

図２は、図１に示す数値制御工作機械５０のＹ軸の駆動機構を、横から見た場合の断面図を模式的に示す図である。ここでは、Ｙ軸の駆動機構のみ示すが、Ｘ軸およびＺ軸の駆動機構についても同様の構成となっている。モータ１の回転運動はカップリング８を介して送りねじ２に伝達され、ナット９を介して直進運動に変換される。送りねじ２の回転軸は、サポートベアリング１０により拘束されており、ワークテーブル４の直進運動を可能とする。コントローラ（例えば、指令生成部１１）から指令位置が出力され、その指令位置はモータ駆動部１２に伝送される。モータ駆動部１２では、回転角度検出器３により検出されたモータ回転角度を位置に変換した検出位置と、伝送された指令位置との誤差が、可能な限り小さくなるように、すなわち検出位置が指令位置に追従するようにモータ１を駆動する。

なお、モータ１の回転角度に加えて、リニアスケールやレーザ変位計を付加してワークテーブル４の位置（機械の位置）を検出して、検出位置をモータ駆動部１２にフィードバックする場合もあるし、モータ１と送りねじ２の代わりにリニアモータを用いる場合もある。なお、Ｘ軸やＺ軸に関しても、Ｙ軸と同様に、検出位置が指令位置に追従するようにモータ１が駆動されて、主軸頭７の先端に取付けられる工具の位置（機械の位置）が制御される。

数値制御工作機械５０においては、主軸頭７の先端に取付けられる工具とワークテーブル４との相対変位が重要であり、この相対変位を予め測定して、指令生成部１１またはモータ駆動部１２において、数値制御工作機械５０に存在する誤差を補正することが一般的に行われている。誤差の原因として、まず可動軸間の直角度や送りねじのピッチ誤差といった静的な誤差があり、これらは機械を組立てる段階で測定および調整が行われ、通常の使用中に変化することは少ない。

一方、主にカップリング８や送りねじ２、サポートベアリング１０部分で生じる弾性変形やバックラッシ、コラム５やラム６の姿勢変化による誤差、また摩擦力による誤差といった動的な誤差が生じることも知られている。これらの動的な誤差は、数値制御工作機械５０の使用状況やワークテーブル４上の負荷質量、機械の経年変化や摩耗等によって特性が大きく変化してしまう。そこで、数値制御工作機械５０の使用中に定期的または継続的に機械運動軌跡を測定し、コントローラの各種補正パラメータを調整して、動的な誤差を抑えることができることが望ましい。

数値制御工作機械５０の運動精度を向上させるための補正パラメータは、数値制御工作機械５０の静的または動的な誤差モデルを構成するパラメータ群に相当する。仮に、制御装置も含めた数値制御工作機械５０が有する誤差を完全にモデル化できるとすれば、補正によって運動誤差は限りなくゼロに近づくことになる。すなわち、機械の運動精度を向上させるための補正機能およびその補正パラメータは、機械の数学的モデルと表裏一体の関係にあり、補正機能の進歩とともに補正パラメータも変化していく性格のものである。

なお、数値制御工作機械５０の運動精度を向上させるために、現在の一般的なコントローラが有する補正パラメータは、指令生成部補正パラメータと、駆動部補正パラメータとに大別される。指令生成部補正パラメータは、指令生成部１１において指令位置を補正する効果を持ち、駆動部補正パラメータは、モータ駆動部１２において指令速度または指令トルクを補正する効果を持つ。

指令生成部補正パラメータとしては、例えばバックラッシ補正パラメータやピッチ誤差補正パラメータ、弾性変形量補正パラメータや前置フィルタのパラメータなどがある。駆動部補正パラメータとしては、例えば摩擦補償パラメータやバックラッシ加速パラメータ、振動抑制制御パラメータなどがある。機械運動精度を向上させるためには、誤差要因を分離したうえで、指令生成部補正パラメータと駆動部補正パラメータを適切に設定する必要がある。

図３は、数値制御工作機械５０が備える補正パラメータ調整装置４０などの概略構成を示すブロック図である。図３に示すように、補正パラメータ調整装置４０は、主軸頭７の先端に取付けられる工具や、ワークテーブル４の加速度を測定するための加速度計１３と、同期して測定された加速度と検出位置とから機械運動を解析する機械運動解析部１４と、機械運動の解析結果から機械の運動精度を向上させるための補正パラメータを決定する補正パラメータ計算部１８とを備える。なお、数値制御工作機械５０は、機械運動軌跡などを表示する運動軌跡表示部１５も備えている。

まず、指令生成部補正パラメータ調整の事例として、バックラッシ補正パラメータの調整を例に挙げて説明する。図４は、機械運動解析部１４および補正パラメータ計算部１８において、バックラッシ補正パラメータの調整を行う処理の概要を示すフローチャートである。まず、数値制御工作機械５０に試験運動が実行される（ステップＳ１）。次に、機械運動解析部１４によって、試験運動中の検出位置と加速度が取得される（ステップＳ２）。ここで、バックラッシ補正パラメータ調整のための試験運動としては、同時２軸制御による円運動が適しており、そのときの検出位置と加速度は時間的に同期したデータとして同時に測定される。なお、ステップＳ１における試験運動の実行は、オペレータが制御装置を操作することで行われてもよいし、より上位の装置からの指示により実行されてもよい。

次に、ステップＳ２において取得された検出位置と加速度から、機械運動解析部１４によって機械位置が計算される（ステップＳ３）。ここで、ステップＳ３での機械運動解析部１４における処理を、図面を用いて説明する。図５は、ステップＳ３での機械運動解析部１４における処理の概要を示す図である。ステップＳ３では、加速度を２回積分して求めた位置と、検出位置との誤差波形を所定の近似式をもって近似する。そして、加速度を２回積分した結果から近似式による解を差し引くことで機械位置を計算する。なお、所定の近似式としては、例えば、８次多項式が使用可能であり、８次多項式の各係数は最小二乗法や滑降シンプレックス法といった公知の方法により決定することができる。

図４に戻って、ステップＳ３で計算された機械位置から、ステップＳ２で取得された検出位置を差し引くことで、補正パラメータ計算部１８によって機械誤差が計算される。図６は、往復運動を行った場合における検出位置、機械位置、および機械誤差の計算結果の例を示す図である。図６によると、振幅１０ｍｍの往復運動中に、約±２μｍの機械誤差が生じており、運動方向が反転する箇所では機械誤差がステップ状に変化している。このステップ状の変化は、主には駆動機構に存在するバックラッシによって生じるものである。

機械位置と検出位置とが別々の測定システムを使って取得された場合には、２つのデータのサンプリング間隔や取得タイミングがずれているために、正確な機械誤差を計算することが難しい。しかしながら、本実施の形態では、ステップＳ２により検出位置と加速度が同時に取得されるため、サンプリング間隔や取得タイミングを考慮せずにステップＳ４において比較的簡単に正確な機械誤差の計算ができる。

図４に戻って、ステップＳ２で取得された検出位置から、補正パラメータ計算部１８によって運動方向反転箇所が抽出される（ステップＳ５）。また、ステップＳ４で計算された機械誤差と検出位置との関係をもとに、運動方向反転前後の所定変位内の機械誤差波形から、バックラッシ特徴量としてバックラッシ量と立ち上がり係数とが補正パラメータ計算部１８によって抽出される（ステップＳ６）。

図７は、運動方向反転の前後０．５ｍｍの機械誤差波形を示す図である。図７によると、運動方向反転後の機械誤差は、ある傾きをもって増加し、変位が大きくなると一定値に収束する。このような特性を、本実施例においては、バックラッシの大きさＡとバックラッシの立ち上がり係数Ｂとして抽出する。

なお、特徴量をどのような形で抽出するかは調整対象のコントローラがどのような補正機能を備えているかによって決まり、例えば検出位置を微分した検出速度と機械誤差との関係、指令位置と機械誤差との関係、指令位置を微分した指令速度と機械誤差との関係、運動の加速度と機械誤差との関係、または時間と機械誤差との関係などから特徴量を抽出してもよい。すなわち、時間、検出位置、指令位置、検出位置を微分した検出速度または検出加速度、および指令位置を微分した指令速度または指令加速度の少なくとも１つと、機械誤差との関係から特徴量を抽出してもよい。また、特徴量としては、２つないしは３つ以上のパラメータで表現してもよいし、数式で表現したり、機械誤差をルックアップテーブル形式で表現したりしてもよい。

図４に戻って、指令生成部補正パラメータとしてのバックラッシ補正パラメータが、補正パラメータ計算部１８によって計算される（ステップＳ７）。具体的には、ステップＳ６で抽出されたバックラッシ特徴量が、補正パラメータ計算部１８によって、コントローラに設定されるべき値に換算される。コントローラでは、例えば回転角度検出器３の分解能や０．０１μｍ単位としてバックラッシ補正パラメータが設定される。

本実施の形態において、バックラッシ補正パラメータを自動調整した場合の効果を、図面を用いて説明する。図８−１は、バックラッシ補正パラメータを自動調整する前の実際の機械の円弧軌跡を示す図である。図８−２は、バックラッシ補正パラメータを自動調整した後の実際の機械の円弧軌跡を示す図である。図８−１、図８−２では、半径１０ｍｍ、送り速度１５００ｍｍ／ｍｉｎの円運動を機械に行わせている。また、図８−１、図８−２において、破線で示される検出軌跡は２軸分の検出位置を合成して求め、実線で示される機械軌跡は、同様に２軸分の機械位置を合成して求めている。また、図８−１、図８−２では、半径方向の軌跡誤差を拡大して表示している。

図８−１に示すように、バックラッシ補正パラメータを調整する前では、各象限切替え部の機械軌跡上に段差状の軌跡誤差が観察される（円で囲まれた部分）。これが主にバックラッシの影響による軌跡誤差である。図８−２に示すように、本発明の方法でバックラッシ補正パラメータを調整することで、機械軌跡上に現れていた段差状の軌跡誤差を抑えることができている。

なお、同様の調整作業を従来の人手による方法で調整した場合には、本発明による調整結果と同等の結果を得るためには調整に約２時間を要した。一方、本発明による方法でバックラッシ補正パラメータを調整した場合には、調整に要した時間は５分程度であり、本発明による補正パラメータ自動調整方法の優位性が確認された。

同様の方法で、バックラッシ補正パラメータ以外のパラメータ、例えばピッチ誤差補正パラメータを調整することもできる。そこで、本実施の形態１の変形例１について、ピッチ誤差補正パラメータの調整を例に挙げて説明する。図９は、本実施の形態１の変形例１として、機械運動解析部１４および補正パラメータ計算部１８における処理の概要を示すフローチャートであって、ピッチ誤差補正パラメータの調整を行う処理の概要を示すフローチャートである。

バックラッシ補正パラメータの調整を行う場合との違いは、図４に示すフローチャートにおけるステップＳ５とステップＳ６に代えて、補正パラメータ計算部１８によってピッチ誤差補正量を計算する（ステップＳ８）ことである。

このように、補正パラメータ調整装置４０を用いることで、機械誤差のみを抽出できる。これにより、コントローラがもつ補正機能にあわせて機械運動精度を向上するために必要な補正パラメータを計算できるという効果を有する。

次に、本実施の形態１の変形例２について、弾性変形量補正パラメータの調整を例に挙げて説明する。

図１０−１は、弾性変形による軌跡誤差発生のメカニズムを説明するための図である。回転角度検出器３で検出される信号から求めた検出位置ｘ_ｍと、加速度計１３が設置された箇所における機械位置ｘ_ｔとの間には、送りねじ２やサポートベアリング１０、コラム５やラム６といった弾性要素が存在し、その剛性をＫ［Ｎ／ｍ］とする。また、モータ１により駆動される被駆動体（ワークテーブル４、コラム５、またはラム６）の質量をＭ［ｋｇ］とすると、ある加速度ａ［ｍ／ｓ^２］で運動中に被駆動体に作用する慣性力Ｆ［Ｎ］によって生じる弾性変形量Δｘ［ｍ］は、以下の数式（１）により表される。

数式（１）において、ω_ｎは固有角振動数である。すなわち、モータ１から加速度計１３の設置箇所までの間に存在する機械要素の固有角振動数ω_ｎがわかれば、数式（１）により弾性変形量を計算して指令生成部１１において補正することができる。図１０−２は、正弦波往復運動を指令した場合の、被駆動体の振幅を示す図である。図１０−２に示すように、正弦波往復運動を指令した場合には、最大の加速度は運動方向反転時に生じるので、弾性変形量分だけ振幅が増大する。

なお、弾性変形量Δｘを用いた補正方法としては様々な方法が公知であり、指令生成部１１が補正機能を有する場合もあるし、モータ駆動部１２が補正機能を有する場合もある。補正パラメータの形態としても、加速度に依存する変位として設定する場合もあるし、機械要素の固有振動数や機械要素の剛性といった、前記加速度に対する機械の変形量を表す係数を計算して設定する場合もある。本変形例２では、補正パラメータ計算部１８において、機械運動解析部１４で解析される機械要素の固有角振動数ω_ｎを、調整対象のコントローラがもつ補正機能に適した形態の補正パラメータに変換して設定することと特徴としており、その設定について以下に説明する。

機械の変位振幅をＲ［ｍ］、速度振幅をＶ［ｍ／ｓ］とし、弾性変形による誤差（弾性変形量）をΔｘ［ｍ］とした場合の機械位置ｘ_ｔ［ｍ］および機械速度Ｖ_ｔ［ｍ／ｓ］は、数式（２）により表される。ここで、ｔは時間［ｓ］である。

よって、弾性変形がない場合の速度振幅、すなわち検出位置を微分して得られる速度の振幅をＡ_ｖ［ｍ／ｓ］とし、弾性変形による振幅の増大分を考慮した速度振幅、すなわち加速度計１３により測定される加速度を積分して得られる速度の振幅をＡ_ｖｔ［ｍ／ｓ］とすると、２つの速度振幅の間には数式（３）に示す関係がある。

ここで、数式（３）のＲ_Ａを速度振幅比として定義する。数式（３）に数式（１）の結果を代入して整理すると、数式（４）を得る。ここで、ωは正弦波往復運動の角周波数［ｒａｄ／ｓ］であり、速度振幅Ｖと変位振幅Ｒの比として計算できる。

すなわち、弾性変形による速度振幅の増加率は、機械要素の固有角振動数ω_ｎと往復運動の角周波数ωとの関係によって決まることになる。よって、速度振幅比Ｒ_Ａと往復運動の角周波数ω を測定することで、機械要素の固有角振動数ω_ｎを計算できる。数式（４）を変形して固有角振動数ω_ｎを導くことで、以下の数式（５）を得る。

図３に示す構成において、数式（５）を使って固有角振動数を計算するための手順を、図面を用いて説明する。図１１は、本実施の形態１の変形例２について、固有角振動数を計算するための手順を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１において試験運動が実行される。そして、ステップＳ２において、試験運動中の検出位置と加速度が、機械運動解析部１４によって取得される。固有角振動数計算のための試験運動としては、正弦波往復運動が適しており、例えば速度振幅を６０００ｍｍ／ｍｉｎ、変位振幅を１０ｍｍ程度に設定するとよい。また、そのときの検出位置と加速度は時間的に同期したデータとして同時に測定される。なお、ステップＳ１における試験運動の実行は、オペレータが制御装置を操作することで行われてもよいし、より上位の装置からの指示により実行されてもよい。

次に、ステップＳ２において取得された検出位置と加速度から、速度振幅比Ｒ_Ａが機械運動解析部１４によって計算される（ステップＳ９）。図１３は、ステップＳ９における処理の概要を説明するための図である。図１３に示すように、ステップＳ９における処理では、検出位置を微分することで得た検出速度と、加速度を積分することで得た機械速度とから、検出速度振幅Ａ_ｖｆｂと機械速度振幅Ａ_ｖｔとを計算する。速度振幅の計算に際しては、運動開始直後と運動終了直前のデータを取り除いておく。

図１１に戻って、ステップＳ２で取得された検出位置から計算される変位振幅Ｒと、検出位置を微分して得られる検出速度から計算される速度振幅Ｖとから、往復運動の角周波数ωが機械運動解析部１４によって計算される（ステップＳ１０）。この場合にも、運動開始直後と運動終了直前のデータを取り除いておく。

ステップＳ９とステップＳ１０により計算された速度振幅比Ｒ_Ａと角周波数ωとを数式（５）に適用して、固有角振動数ω_ｎが機械運動解析部１４によって計算される（ステップＳ１１）。ステップＳ７では、ステップＳ１１で計算された固有角振動数ω_ｎが調整対象のコントローラがもつ補正機能に応じたパラメータに変換される。

なお、弾性変形量の補正機能がモータ駆動部１２に具備されている場合には、ステップＳ７における指令生成部補正パラメータの計算に代えて、後述するステップＳ１４（図１５を参照）のように駆動部補正パラメータを計算するように構成してもよい。また、コントローラ内に該当する補正機能を有しない場合には、別途目標位置を修正するように構成してもよい。

また、機械要素の固有角振動数ω_ｎを使えば、弾性変形量の補正に限らず、例えば前置フィルタや振動抑制制御機能等のパラメータ調整にも適用できる。このように、本発明による機械運動解析部１４では機械要素の固有角振動数ω_ｎを計算できるので、調整対象のコントローラが持つ様々な機能に対応した補正パラメータの調整が可能になるという、効果を奏する。

さらに、固有角振動数の同定のために従来行われてきた、スイープサイン波やＭ系列信号による加振試験を行わなくても、機械要素の固有角振動数を計算できるという効果を奏する。

次に、本実施の形態１の変形例３について、弾性変形量補正パラメータの調整を例に挙げて説明する。

加速度計１３を機械に設置する場合には、測定したい可動軸の運動方向と加速度計がもつ感度方向とを完全に一致させることは困難であり、その結果、真の加速度と測定される加速度との間には微妙な誤差が生じる。これまでは、既知の加速度で運動させた場合の測定結果を使い、加速度計を事前に高精度に校正することで、加速度の測定誤差による問題を回避していた。本変形例３では、機械運動解析部１４において、加速度計の校正作業を行わなくても加速度の測定誤差による問題を回避できるように、以下の方法で固有角振動数ω_ｎが計算される。

すなわち、振幅および速度の少なくとも一方を２通りに変化させて正弦波往復運動を行い、それぞれの検出位置と加速度とから速度振幅比を計算する。１つめの測定結果における速度振幅比と角周波数をそれぞれＲ_Ａ（１）とω（１）、２つめの測定結果における速度振幅比と角周波数をそれぞれＲ_Ａ（２）とω（２）とおくと、各速度振幅比と各角周波数との間には、数式（４）の場合と同様に、数式（６）に示す関係が成り立つ。

ここで、加速度に測定誤差がある場合、その誤差は速度振幅比Ｒ_Ａに影響を及ぼすが、その影響の割合は振幅や速度といった運動条件によらず一定であるから、加速度計を取り付けたまま２通りの運動条件で測定を行えば、数式（７）に示すように、２つの速度振幅比の比を計算することで、加速度計の測定誤差による影響を相殺できる。また、数式（７）を固有角振動数ω_ｎについて解くことで、数式（８）を得る。

このように、本発明の機械運動解析部１４によれば、加速度の測定誤差があったとしても、２つの運動条件で連続して測定することで測定誤差を相殺し、機械要素の固有角振動数ω_ｎを計算できるという効果を奏する。

図３に示す構成において、数式（８）を使って固有角振動数を計算するための方法を、図面を用いて説明する。図１２は、本実施の形態１の変形例３について、数式（８）を使って固有角振動数を計算するための手順を説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ１において試験運動が実行されると、ステップＳ２において試験運動中の検出位置と加速度が機械運動解析部１４によって取得される。本実施の形態による固有角振動数計算のための試験運動としては、正弦波往復運動が適しており、例えば、１つめの運動条件での速度振幅は３０００ｍｍ／ｍｉｎ、変位振幅を１０ｍｍ程度に設定するとよい。また、そのときの検出位置と加速度は時間的に同期したデータとして同時に測定される。なお、ステップＳ１における試験運動の実行は、オペレータが制御装置を操作することで行われてもよいし、より上位の装置からの指示により実行されてもよい。

ステップＳ２において取得された検出位置と加速度から、１つめの速度振幅比Ｒ_Ａ（１）が機械運動解析部１４によって計算される（ステップＳ９）。ステップＳ９における処理の概要は、上述したように、検出位置を微分することで得た検出速度と、加速度を積分することで得た機械速度とから、検出速度振幅Ａ_ｖｆｂと機械速度振幅Ａ_ｖｔとが計算される（図１３も参照）。速度振幅の計算に際しては、運動開始直後と運動終了直前のデータを取り除いておく。ステップＳ１０では、１つめの往復運動の角周波数ω（１）が計算される。この場合にも、運動開始直後と運動終了直前のデータを取り除いておく。

数式（８）による固有角振動数の計算には２組のデータが必要であるから、２組のデータの取得が完了していない場合には（ステップＳ１５，Ｎｏ）、往復運動の振幅および速度の少なくとも一方を変更し（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。２つめの運動条件での速度振幅は６０００ｍｍ／ｍｉｎ、変位振幅を１０ｍｍ程度に設定するとよい。なお、ステップＳ１２およびステップＳ１は、オペレータが制御装置を操作することで行われてもよいし、より上位の装置からの指示により行われてもよい。

試験運動中の検出位置および加速度は、ステップＳ２で同期して取得され、その結果を使ってステップＳ９で２つめの速度振幅比Ｒ_Ａ（２）が計算される。ステップＳ１０では、ステップＳ２で取得された検出位置から計算される変位振幅Ｒと、検出位置を微分して得られる検出速度から計算される速度振幅Ｖとから、２つめの往復運動の角周波数ω（２）が計算される。

２組のデータの取得が完了すると（ステップＳ１５，Ｙｅｓ）、ステップＳ９で計算された速度振幅比Ｒ_Ａ（１）およびＲ_Ａ（２）と、ステップＳ１０で計算された角周波数ω（１）およびω（２）とから、数式（８）にしたがって固有角振動数ω_ｎが計算される（ステップＳ１１）。さらに、ステップＳ７において、ステップＳ１１で計算された固有角振動数の、調整対象のコントローラがもつ補正機能に応じたパラメータへの変換が、補正パラメータ計算部１８によってなされる。

また、機械要素の固有角振動数を使えば、弾性変形量の補正に限らず、例えば前置フィルタや振動抑制制御機能等のパラメータ調整にも適用できる。このように、本発明による機械運動解析部１４では機械要素の固有角振動数を計算できるので、調整対象のコントローラが持つ様々な機能に対応した補正パラメータの調整が可能になるという、効果を奏する。

本発明にかかる補正パラメータ調整装置４０により、弾性変形量補正パラメータを調整したことによる効果の一例を、図面を用いて説明する。図１４−１は、弾性変形量補正パラメータを調整する前の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１４−２は、弾性変形量補正パラメータを調整した後の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１４−１、図１４−２では、Ｘ軸方向の固有振動数がＹ軸方向の固有振動数と比べて大幅に小さい特性をもつ機械装置における円弧軌跡の測定結果であり、検出位置から合成された検出軌跡は破線、機械運動解析部１４で計算された機械位置から合成した機械軌跡は実線でそれぞれ示されている。なお、結果は半径方向の誤差を拡大して表示している。

補正を行わない場合の結果（図１４−１）をみると、象限切替え部で生じている突起状の軌跡誤差（象限突起）を除いて考えれば、検出軌跡はほぼ真円に近いのに対して、機械軌跡はＸ軸方向に長軸をもつ楕円形状になっている。これがＸ軸方向の剛性が小さいことに起因する弾性変形による軌跡誤差である。一方、本発明の方法により補正パラメータを調整した場合の結果（図１４−２）をみると、象限突起を除いて機械軌跡が真円に近づいている。

同様の調整を従来の方法で行う場合、ボールバー法では弾性変形が生じるほどの高加速度での測定ができないため、グリッドエンコーダ（交差格子法）と呼ばれる測定機を用いる必要があったが、グリッドエンコーダによる測定ができる機械は限られており、調整作業ができない場合が多かった。また、測定結果をみながら試行錯誤的に調整が行われていたため、多大な時間を要していた。

一方、本発明による補正パラメータ調整装置では、設置対象がほとんど限定されない加速度計を用いて機械位置の測定を行うため、ほとんどの機械装置に適用可能であるほか、機械要素の固有角振動数を短時間で計算できるので、補正パラメータの調整に要する時間を大幅に短縮できるという優れた効果を有する。

次に、本実施の形態１の変形例４について、駆動部補正パラメータの調整を例に挙げて説明する。図１５は、本実施の形態１の変形例４について、駆動部補正パラメータの調整の処理の概要を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において試験運動が実行されると、ステップＳ２において試験運動中の検出位置と加速度とが機械運動解析部１４によって取得される。なお、ステップＳ１における試験運動の実行は、オペレータが制御装置を操作することで行われてもよいし、より上位の装置からの指示により実行されてもよい。

ステップＳ２において取得された検出位置と加速度から、機械位置が計算される（ステップＳ３）。ステップＳ３における処理は、上述したものと同様であるため（図５も参照）、詳細な説明を省略する。ステップＳ３で計算された機械位置から、パラメータの調整により改善が見込まれる所定範囲内における軌跡誤差が、機械運動解析部１４によって計算される（ステップＳ１３）。軌跡誤差は、例えば、指令位置と機械位置との差、コーナ部運動中に生じる振動の振幅、もしくは同時２軸制御による円運動であれば、平均半径と機械軌跡の半径との差などとして計算できる。

補正パラメータ計算部１８では、ステップＳ１３で計算された軌跡誤差量が、あらかじめ設定された設定値以下であるかを判定し、軌跡誤差量が設定値より大きい場合には（ステップＳ１６，Ｎｏ）、補正パラメータ計算部１８によって駆動部補正パラメータが調整され（ステップＳ１４）、ステップＳ１に戻る。軌跡誤差量が設定値以下になるまで（ステップＳ１６，Ｙｅｓ）、上記のステップが繰り返される。

なお、ステップＳ１４における駆動部補正パラメータの調整方法については、例えば滑降シンプレックス法など、様々な方法が公知であるほか、検出位置から求めた検出軌跡を使って軌跡誤差量を計算し、駆動部補正パラメータを調整する方法も公知である。しかし、上記の公知技術においては、機械位置から求められた機械軌跡に基づいた調整が不可能であるため、真に改善が求められる機械軌跡の精度を補正パラメータの自動調整により改善することはできなかった。

一方、本発明による補正パラメータ調整装置４０では、加速度計を用いて機械位置を測定し、機械位置から合成される機械軌跡から軌跡誤差量を計算して補正パラメータを調整するため、真に改善が望まれる機械軌跡の精度を自動調整により改善することが可能となる。また、設置対象がほとんど限定されない加速度計を用いて機械位置の測定を行うため、ほとんどの機械装置に適用可能であるという効果を奏する。

なお、本変形例では、駆動部補正パラメータの調整を例に挙げて説明しているが、同様の方法で指令生成部補正パラメータを調整してもよいし、目標位置の修正に適用することも可能である。

本発明にかかる補正パラメータ自動調整装置による、駆動部補正パラメータの自動調整による効果の一例を、図を用いて説明する。図１６−１は、駆動部補正パラメータを調整する前の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１６−２は、駆動部補正パラメータを調整した後の検出軌跡および機械軌跡を示す図である。図１６−１、図１６−２では、送り速度を３０００ｍｍ／ｍｉｎ、半径を２５ｍｍとした場合の円弧軌跡を示しており、検出位置から合成された検出軌跡は破線、機械運動解析部で計算された機械位置から合成した機械軌跡は実線でそれぞれ示している。なお、結果は半径方向の誤差を拡大して表示している。

補正パラメータを調整する前の結果（図１６−１）をみると、各象限切替え部分で高さ約５μｍの突起状の軌跡誤差（象限突起）が機械軌跡上に発生していることがわかる。この軌跡誤差は、主にワークテーブルの運動を案内する案内面に生じる摩擦力によるものであり、誤差量低減のためには、摩擦補償パラメータやバックラッシ加速パラメータ等の調整が有効である。しかし、従来の補正パラメータ自動調整装置では、検出軌跡上に生じる象限突起を基準に駆動部補正パラメータを調整するために、機械軌跡上に生じる象限突起は低減されにくかった。

一方、本発明による補正パラメータ調整装置で駆動部補正パラメータを調整した場合の結果（図１６−２）をみると、調整前の結果と比べて機械軌跡上に生じる象限突起が大幅に低減されていることがわかる。すなわち、本変形例４では、調整前に象限突起が現れていた領域を、パラメータの調整により改善が見込まれる所定範囲内としている。なお、駆動部補正パラメータの調整は、９０度付近と２７０度付近の象限突起についてのみ行っており、０度付近と１８０度付近に生じている象限突起には調整前後での違いは生じていない。０度付近と１８０度付近に生じている象限突起についても、当然、本発明の補正パラメータ調整装置により低減することが可能である。

このように、本発明による補正パラメータ調整装置では、真に改善が必要な機械軌跡上に生じる誤差量に基づいて補正パラメータを調整するため、機械軌跡の精度が向上するという優れた効果を有する。

以上のように、本発明にかかる補正パラメータ調整装置は、数値制御工作機械やロボットにおいて機械の運動精度を向上させる補正パラメータを調整する補正パラメータ調整装置に適している。

１モータ
２送りねじ
３回転角度検出器
４ワークテーブル
５コラム
６ラム
７主軸頭
８カップリング
９ナット
１０サポートベアリング
１１指令生成部
１２モータ駆動部
１３加速度計
１４機械運動解析部
１５運動軌跡表示部
１８補正パラメータ計算部
４０補正パラメータ調整装置
５０数値制御工作機械

Claims

可動軸を駆動するモータから検出される検出位置をフィードバックし、前記検出位置が指令位置に追従するように前記モータを駆動することで機械の位置を制御する装置における前記機械の加速度を測定するための加速度計と、
前記加速度と前記検出位置とから機械運動を解析する機械運動解析部と、
前記機械運動の解析結果から前記機械の運動精度を向上させるための補正パラメータを決定する補正パラメータ計算部と、を備えることを特徴とする補正パラメータ調整装置。
前記加速度と前記検出位置とは同期して測定され、
前記機械運動解析部は、前記加速度と前記検出位置とから機械位置を求めるとともに、前記機械位置と前記検出位置との差である機械誤差を求め、
前記補正パラメータ計算部は、前記機械誤差を前記解析結果として前記補正パラメータを決定することを特徴とする請求項１に記載の補正パラメータ調整装置。
前記補正パラメータ計算部は、時間、前記検出位置、前記指令位置、前記検出位置を微分した検出速度または検出加速度、および前記指令位置を微分した指令速度または指令加速度の少なくとも１つと、前記機械誤差との関係を表す特徴量を求め、前記補正パラメータに換算することを特徴とする請求項２に記載の補正パラメータ調整装置。
前記機械運動解析部は、前記機械に往復運動が指令されたときの前記加速度および前記検出位置から、前記検出位置を微分した検出速度の振幅と、前記加速度を積分した機械速度の振幅との振幅比を計算し、前記振幅比から機械構造物がもつ固有振動数を計算するか、または前記加速度に対する前記機械の変形量を表す係数を計算することを特徴とする請求項１に記載の補正パラメータ調整装置。
前記機械運動解析部は、前記機械の振幅および速度の少なくとも一方を異ならせた２通りの往復運動を指令したときの前記加速度および前記検出位置から、それぞれの往復運動において前記検出位置を微分した検出速度の振幅と、前記加速度を積分した機械速度の振幅との振幅比を計算し、２通りの前記振幅比から機械構造物がもつ固有振動数を計算するか、または前記加速度に対する前記機械の変形量を表す係数を計算することを特徴とする請求項１に記載の補正パラメータ調整装置。
前記補正パラメータ計算部は、前記機械運動解析部において計算された固有振動数または前記加速度に対する機械の変形量を表す係数を使って、機械の運動精度を向上させるための補正パラメータを決定することを特徴とする請求項４または５に記載の補正パラメータ調整装置。
前記機械運動解析部は、前記加速度と前記検出位置とから機械位置を求めるとともに、前記指令位置から合成される指令軌跡と前記機械位置から合成される機械軌跡とを求め、あらかじめ設定された範囲内における指令軌跡と機械軌跡との軌跡誤差量を計算し、
前記補正パラメータ計算部は、前記誤差が小さくなるように前記補正パラメータを変更し、
前記軌跡誤差量が予め設定された設定値以下になるまで、前記軌跡誤差量の計算と、前記補正パラメータの変更が繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の補正パラメータ調整装置。