JP5518156B2 - 移動可能な機械構造体の振動補償付き加工機械 - Google Patents

Description

本発明は、加工機械の軸駆動装置が加工機械の制御装置によって目標送り運動に応じて制御されることにより、加工機械の機械構造体が軸駆動装置により目標送り運動に応じて移動される加工機械の運転方法に関する。

更に、本発明は、加工機械の制御装置によって直ちに実行可能である機械コードを含み、制御装置による機械コードの実行が、上述の運転方法に従って制御装置が加工機械を運転することを生じさせる制御プログラムに関する。

更に、本発明は、制御装置が上述の運転方法に従って加工機械を運転するように構成又はプログラムされている加工機械の制御装置に関する。

更に、本発明は、
加工機械が、加工機械の制御装置によって目標送り運動に応じて制御可能である軸駆動装置を有し、
加工機械が、その軸駆動装置により目標送り運動に応じて移動可能である機械構造体を有する、
加工機械に関する。

工作機械、工業用ロボットなどの加工過程では、しばしば振動が発生する。振動は、加工の不正確さをもたらす。かなりの場合において、加工の不正確さは許容可能である。その他の場合、加工の不正確さは許容できない。特に、振動は、かなりの場合において、それどころか加工機械が騒音を起こすことさえ招き得る。このような場合には、例えば、より少ない送り移動で加工しなければならず、それによって生産性が低下する。

発生する振動形態は、加工機械に応じて異なった性質であり得る。ブームの場合、例えば、しばしば典型的な曲げ振動（先端運動）が発生する。直線振動又はねじり振動も起こり得る。

従来技術において、振動を減衰させる可能性は限られている。従来の機械構造では、例えば受動的な振動除去装置が使用される。これらの装置は、移動可能な機械構造体にばね弾性的に取り付けられた補助質量であり、減衰させるべき振動数に合わせられている。

従来技術では更に、機械構造体の振動を減衰させるために、能動的な振動減衰装置を使用することが知られている。能動的な振動減衰装置の場合、適切なセンサ技術により、空間内における機械構造体の絶対運動が検出される。その絶対運動を評価することにより、機械構造体の振動を減衰させる補償質量のための補償運動が求められる。機械構造体上に配置されていて補償質量に作用する補償駆動装置が、その求められた補償運動に応じて制御されることによって、補償質量が補償駆動装置によりその補償運動に応じて機械構造体に対して相対的に移動される。

能動的な振動減衰装置において採用される典型的な方法は、多かれ少なかれ持続的に移動される機械構造体の場合に容易に適用できない。特に、能動的な振動減衰装置は、所望の目標送り運動に対して反対に作用し、従って目標送り運動を困難にする。

本発明の課題は、移動可能な機械構造体の振動も、能動的な振動減衰装置により簡単な方法で減衰させることを可能にすることにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する運転方法によって解決される。本発明による運転方法の有利な実施形態は従属請求項２乃至８の対象である。

本発明によれば、冒頭に述べた様式の運転方法が、次によって構成されている。即ち、
制御装置によって、空間内における機械構造体の絶対運動が求められ、
制御装置によって、機械構造体の振動を減衰させるべく、その求められた絶対運動に基づいて、機械構造体の目標送り運動を考慮して、補償質量のための補償運動が求められ、
機械構造体上に配置されて補償質量に作用する補償駆動装置が、制御装置によって、その求められた補償運動に応じて制御されることにより、補償質量が補償駆動装置により補償運動に応じて機械構造体に対して相対的に移動される。

特に、補償運動の算定時に目標送り運動を考慮することによって、補償運動が機械構造体の正規の運転上の移動を妨げずに、望ましくない振動の減衰だけを生じさせることが達成される。

補償運動は、制御装置によって、空間内における機械構造体の実加速度と機械構造体の目標送り運動に対応する目標加速度との差に基づいて求められることが好ましい。この実施形態によって、格別に簡単な方法で目標送り運動を考慮することができる。

空間内における機械構造体の実加速度を得るために、一方では、制御装置によって、空間内における機械構造体の実加速度に特有の信号が受け取られる。この方法によって実加速度を直接的に、かつ直ちに利用することができる。

その代替として、空間内における機械構造体の実加速度は、制御装置によって、空間内における機械構造体の実加速度とは異なる測定量に基づいて算定してもよい。この実施形態では、加速度センサを設ける必要がない。この場合に、使用される測定量は、特に、補償駆動装置の実際量および／又は機械構造体に対する補償質量の相対的な位置および／又は機械構造体に対する補償質量の相対的な位置の少なくとも１つの時間微分を含む。例えば、該測定量は、一方では補償駆動装置の実電流又は実トルクを含み、他方では機械構造体に対する補償質量の相対的な位置の１次の時間微分を含む。

補償質量が、制御装置によって、補償駆動装置の相応の制御により補償運動に加えて機械構造体に対する相対的な重畳運動をともなって移動させられるとよい。この方法によって、測定量検出の障害となる非線形の摩擦作用を最小限にすることができる。重畳運動は、どの時点でも重畳運動の１次、２次および／又は３次の時間微分が０でないように定められていることが好ましい。

重畳運動は一般に振動である。その振動の振幅は、必要に応じて定めることができる。その振動周波数は、一般に比較的低い。

前記課題は、更に請求項９に記載の制御プログラムによって解決される。本発明によれば、制御装置による機械コードの実行が、本発明による運転方法に従って、制御装置が加工機械を運転することを生じさせる。

前記課題は、更に請求項１０の特徴を有する制御装置によって解決される。本発明によれば、制御装置が、本発明による運転方法に従って加工機械を運転するように、構成又はプログラムされている。

前記課題は、更に請求項１１の特徴を有する加工機械によって解決される。本発明によれば、冒頭に述べた様式の加工機械を次によって構成している。即ち、機械構造体上に、補償質量に作用する補償駆動装置が配置され、その補償駆動装置により補償質量が機械構造体に対して相対的に移動可能であり、かつ制御装置が本発明に従って構成又はプログラムされている。

この発明の上述の特性、特徴および利点ならびにこれらを達成する方法は、図面を参照して更に詳細に説明する以下の実施例の記載に基づいて明確に理解することができる。

図１は加工機械の概略構成図である。 図２は補償駆動装置のための制御装置のブロック図である。 図３は図２の制御装置の内部構成を概略的に示すブロック図である。 図４は加速度検出装置の実現可能な構成を示すブロック図である。

図１によれば、加工機械、例えば工作機械又は工業用ロボットが、本体１を有する。本体１は、一般に土台２の上に固定配置されている。

加工機械は、更に（少なくとも）１つの機械構造体３を有する。この機械構造体３は、加工機械の軸駆動装置４により、目標送り運動に応じて移動可能である。例えば、軸駆動装置４は、加工機械の制御装置５によりマシンクロックにて、その都度、位置目標値ｘ^*（又は他の目標値ｖ^*，ａ^*、例えば速度目標値ｖ^*又は加速度目標値ａ^*）に従って制御される。マシンクロックは、一般に数ミリ秒以下の範囲にある。２ｍｓ、１ｍｓ、５００μｓ、２５０μｓ、１２５μｓ又は６２．５μｓのマシンクロックが典型的である。

軸駆動装置４は、予め与えられた目標送り運動に応じて機械構造体３を移動する。更に、機械構造体３は、外部の影響によってであれ、送りとしての移動によってであれ、その他の事情に基づいてであれ、振動を励起させられ得る。この種の振動を認識できるようにするために、複数のセンサ６が設けられている。センサ６による測定技術により、空間内における機械構造体３の絶対運動に特有の信号が検出される。センサ６によって検出された信号は制御装置５に導かれ、制御装置５は空間内における機械構造体３の絶対運動が算定される。

機械構造体３の振動を減衰させるために、加工機械は更に補償質量７および補償駆動装置８を有する。補償駆動装置８は、機械構造体３の上に配置されている。補償駆動装置８は、補償質量７に作用する。補償駆動装置８は、代わりに、回転電機又は電気式リニア駆動装置として構成することができ、後者の構成がかなり多数のケースにおいて好まれる。

補償駆動装置８により、補償質量７を機械構造体に対して相対的に移動することができる。従って、制御装置５は、以前に算定した空間内における機械構造体３の絶対運動に基づいて、機械構造体３の目標送り運動を考慮して、補償質量７を運動させるべき補償運動Ｋ^*を算定する。制御装置５は、機械構造体３の発生する振動を減衰させるように、補償運動Ｋ^*を算定する。更に、制御装置５は、算定した補償運動Ｋ^*に応じて補償駆動装置８を制御する。それによって補償質量７は補償駆動装置８により機械構造体３に対して相対的に補償運動Ｋ^*に応じて移動させられ、それにより振動が減衰させられる。

しかし、補償質量７は、補償運動Ｋ^*によって規定された移動方向に該当する限り、機械構造体３に支持されていない。これは、補償質量７がいわば補償駆動装置８上に載せられて一緒に移動することによって実現される。代替として、補償質量７は、機械構造体３に対して相対的に、送り移動方向に対して直角に、例えば案内レールを介して案内されてもよい。しかし、この場合にも、補償質量７から機械構造体３への直接的な力伝達、即ち補償駆動装置８を迂回した力伝達は行なわれない。

静止状態の機械構造体３についての補償運動Ｋ^*の算定は当業者にとって周知である。通常、図２に示されているように、合成加速度δａに基づいて機械構造体３の合成実際位置δｘの推定が行なわれる（図２参照）。次に、この推定に基づいて補償運動Ｋ^*が求められる。

例えば、図３に示されているように、合成加速度δａに基づく２つの積分要素９における二重積分によって、先ず合成速度δｖが求められ、次いで機械構造体３の合成実際位置δｘが求められる。

合成速度δｖおよび合成位置δｘは、乗算要素１０において適切な倍率を掛算されるとよい。これらの乗算要素１０において、ｄは所望の減衰を表し、ｍは補償質量７の質量（ｋｇ）を表す。

適切な倍率を掛けられた両量は、図３によれば調節機構１１に導入され、調節機構１１は機械構造体３に対する補償質量７の相対的な位置ｘ’および速度ｖ’を調節する。調節機構１１は内部に位置調節器１２と速度調節器１３とを有し、場合によっては電流調節器１４も有する。調節機構１１は、補償駆動装置８に作用する。実際量ｘ’，ｖ'として、
調節機構１１は、機械構造体３に対する補償質量７の相対的な位置ｘ’と、それに対応する速度ｖ’とを供給される。速度ｖ’は、例えば微分要素１５において、位置ｘ’の微分によって求められる。調節機構１１は、目標量として目標位置ｘ’^*を供給される。目標位置ｘ’^*は、一定又は時間的に可変であってよい。

合成加速度δａ又は合成加速度δａから導き出された量に周波数フィルタ処理を施すとよい。この種のフィルタ処理は、当業者にとって周知である。そのフィルタ処理は、図３には示されていない。

合成加速度δａに基づく補償運動Ｋ^*の算定は、本発明による加工機械においても数式により維持される。しかし、図２および図３に従って、合成加速度δａの算定のために、目標加速度ａ^*が機械構造体３の実加速度ａから減算することが必要であり、即ち、機械構造体３の実加速度ａと機械構造体３の目標加速度ａ^*との偏差を生成することが必要である。目標加速度ａ^*は、目標送り運動に対応する。目標加速度ａ^*は、目標送り運動によって直接的に、かつ直ちに与えるか、又は制御装置５によって目標送り運動に基づいて求めることができる。

機械構造体３の実加速度ａに関しては種々の方法が可能である。一方では、図1に従ってセンサ群６の１つセンサが機械構造体３自体の上に配置されて加速度センサとして構成されていてよい。このセンサ６は、この場合に実加速度ａを直接的に直ちに検出し、それを制御装置５に供給することができる。

他方では、センサ群６によって検出された測定量が、機械構造体３の実加速度ａとは異なる測定量ｖ’，Ｉ，Ｍであってよい。この場合、実加速度ａは制御装置５によって、検出された測定量ｖ’，Ｉ，Ｍに基づいて求められる。

この目的のために、例えば、センサ群６により補償駆動装置８の適切な実際量Ｉ，Ｍおよび／又は機械構造体３に対する補償質量７の相対的な位置ｘ’および／又はこの位置ｘ’の時間微分ｖ’、特に1次の時間微分ｖ’、即ち速度ｖ’が、制御装置５に供給されるとよい。補償駆動装置８の実際量Ｉ，Ｍは、特に補償駆動装置８の実電流Ｉ又は実トルクＭを含む。例えば、制御装置５は、図４に従って、補償駆動装置８の実トルクＭ又は実電流Ｉと、機械構造体３に対する補償質量７の速度ｖ’とに基づいて、機械構造体３の実加速度ａを求めることができる。他の量は実加速度ａの算定のために必要とされない。

制御装置５は補償駆動装置８を専ら補償運動Ｋ^*に応じて制御することができる。代替として（図１参照）、補償質量７が、制御装置５によって、機械構造体３に対して相対的な重畳運動Ｚ^*を付加的にともなう補償駆動装置８の相応の制御により移動されることも可能である。例えば、この目的のために位置目標値ｘ’^*（図３参照）が相応に変調される。重畳運動Ｚ^*は、（重畳運動Ｚ^*に関して）どの時点でも次の量のうち少なくとも１つが０でないように定められていることが好ましい。
1次の時間微分、即ち機械構造物３に対する補償質量７の相対的な運動の重畳運動Ｚ^*によって生じる速度成分、
２次の時間微分、即ち機械構造物３に対する補償質量７の相対的な運動の重畳運動Ｚ^*によって生じる加速度成分、
３次の時間微分、即ち機械構造物３に対する補償質量７の相対的な運動の重畳運動Ｚ^*によって生じる加々速度成分。

通常、重畳運動Ｚ^*は振動である。その振動の周波数は機械構造体３の共振スペクトルの外側にあって、例えば十分に低い周波数でなければならない。

図１に従って、制御装置５は内部に一般にマイクロプロセッサ１６を有する。従って、制御装置５は一般にソフトウェアプログラム可能な制御装置として構成されており、この制御装置はコンピュータプログラム１７を実行する。コンピュータプログラム１７は、制御装置５（より正確には制御装置５のマイクロプロセッサ１６）によって直ちに実行可能である機械コード１８を含む。機械コード１８の実行は、制御装置５が加工機械を上述の本発明による運転方法に従って運転することを生じさせる。

コンピュータプログラム１７は、制御装置５に任意のやり方で供給される。例えば、コンピュータプログラム１７は、機械読取可能な形で、特に電子的な形でデータ媒体１９に記憶されており、制御装置５にデータ媒体１９を介して供給される。純粋に模式的に、データ媒体１９は、図1によればＵＳＢメモリスティックとして構成されている。しかし、この実施形態は、容易に変更可能である。

本発明による実施形態により、簡単なやり方で、移動可能な機械構造体３の振動減衰が可能である。

本発明を細部において好ましい実施例によって詳細に図解して説明したが、本発明が、その開示例に限定されることはなく、これから、その他の変形を当業者によって本発明の保護範囲を逸脱することなく導き出すことができる。

１ 本体
２ 土台
３ 機械構造体
４ 軸駆動装置
５ 制御装置
６ センサ
７ 補償質量
８ 補償駆動装置
９ 積分要素
１０ 乗算要素
１１ 調節機構
１２ 位置調節器
１３ 速度調節器
１４ 電流調節器
１５ 微分要素
１６ マイクロプロセッサ
１７ コンピュータプログラム
１８ 機械コード
１９ データ媒体

Claims (9)

1. 加工機械の軸駆動装置（４）が加工機械の制御装置（５）によって目標送り運動に応じて制御されることにより、加工機械の機械構造体（３）が前記軸駆動装置（４）により前記目標送り運動に応じて移動され、
   前記制御装置（５）によって、空間内における前記機械構造体（３）の絶対運動が求められ、
   前記制御装置（５）によって、前記機械構造体（３）の振動を減衰させるべく、求められた前記絶対運動に基づいて、前記機械構造体（３）の前記目標送り運動を考慮して、補償質量（７）に対する補償運動（Ｋ^*）が求められ、
   前記機械構造体（３）上に配置されて前記補償質量（７）に作用する補償駆動装置（８）が、前記制御装置（５）によって、求められた前記補償運動（Ｋ^*）に応じて制御されることにより、前記補償質量（７）が前記補償駆動装置（８）により前記機械構造体（３）に対して相対的に前記補償運動（Ｋ^*）に応じて移動され、
   前記補償運動（Ｋ ^* ）が、前記制御装置（５）によって、空間内における前記機械構造体（３）の実加速度（ａ）と、前記機械構造体（３）の目標送り運動に対応する目標加速度（ａ ^* ）との差に基づいて求められ、
   空間内における前記機械構造体（３）の前記実加速度（ａ）が、前記制御装置（５）によって、空間内における前記機械構造体（３）の前記実加速度（ａ）とは異なる測定量（ｖ'，Ｉ，Ｍ）に基づいて求められる、
   加工機械の運転方法。
2. 前記制御装置（５）によって、空間内における前記機械構造体（３）の前記実加速度（ａ）に特有の信号が受け取られることを特徴とする請求項１記載の運転方法。
3. 前記測定量（ｖ'，Ｉ，Ｍ）が、補償駆動装置（８）の実際量（Ｉ，Ｍ）および／又は機械構造体（３）に対する前記補償質量（７）の相対的な位置（ｘ'）および／又は機械構造体（３）に対する前記補償質量（７）の前記相対的な位置（ｘ'）の少なくとも１つの時間微分（ｖ'）を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の運転方法。
4. 前記測定量（ｖ'，Ｉ，Ｍ）が、一方では前記補償駆動装置（８）の実電流（Ｉ）又は実トルク（Ｍ）を含み、他方では前記機械構造体（３）に対する前記補償質量（７）の前記相対的な位置（ｘ'）の１次の時間微分（ｖ'）を含むことを特徴とする請求項３記載の運転方法。
5. 前記測定量（ｖ'，Ｉ，Ｍ）が、請求項３又は４記載の量しか含まないことを特徴とする請求項３又は４記載の運転方法。
6. 前記補償質量（７）が、前記制御装置（５）によって、前記補償駆動装置（８）の相応の制御によりその補償運動（Ｋ^*）に加えて前記機械構造体（３）に対する相対的な重畳運動（Ｚ^*）をともなって移動させられ、どの時点でも前記重畳運動（Ｚ^*）の１次、２次および／又は３次の時間微分が０でないことを特徴とする請求項３乃至５の１つに記載の運転方法。
7. 加工機械の前記制御装置（５）によって直ちに実行可能である機械コード（１８）を含む制御プログラムであって、
   前記制御装置（５）による前記機械コード（１８）の実行が、請求項１乃至６の１つに記載の運転方法の全てのステップを有する運転方法に従って前記制御装置（５）が加工機械を運転することを生じさせる、制御プログラム。
8. 前記制御装置が、請求項１乃至６の１つに記載の運転方法の全てのステップを有する運転方法に従って、前記加工機械を運転するように構成又はプログラムされている、加工機械の制御装置。
9. 前記加工機械が、前記加工機械の前記制御装置（５）によって目標送り運動に応じて制御可能である前記軸駆動装置（４）を有し、
   前記加工機械が、前記軸駆動装置（４）により目標送り運動に応じて移動可能である機械構造体（３）を有し、
   前記機械構造体（３）上に、補償質量（７）に作用する補償駆動装置（８）が配置されていて、前記補償駆動装置（８）により前記補償質量（７）が前記機械構造体（３）に対して相対的に移動可能であり、
   前記制御装置（５）が請求項８に従って構成又はプログラムされている、加工機械。
   
   

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