JP6214960B2 - 位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体を移動させる送り装置を備えた位置決め装置に関する。

従来、上記位置決め装置は、例えば、工作機械、実装機、マウンターなどにおいて、所望の構成物を高精度に位置決めするために用いられている。そして、例えば、工作機械に用いられる一般的な位置決め装置は、移動体と、この移動体を移動させる送り装置と、この送り装置を支持する構造体と、前記送り装置の作動を制御する制御装置を備えている。

前記送り装置は、移動体を送り軸方向に案内する案内機構部と、前記移動体を移動させる駆動機構部とを備えており、この送り装置の中の駆動機構部の作動を前記制御装置が制御する。

前記案内機構部は、例えば、滑り案内機構や転がり案内機構を用いて構成され、前記駆動機構部は、例えば、ボールねじと、このボールねじに螺合し、且つ前記移動体に固設されるナットと、前記制御装置により制御され、前記ボールねじをその軸中心に回転させて、前記移動体を前記ボールねじの軸方向に移動させる駆動モータとからなる。

前記位置決め装置は、前記移動体の目標移動位置を基に、前記制御装置にて制御信号を生成し、この制御信号を基に生成した駆動電流を前記駆動機構部の駆動モータに送信して、当該駆動モータを駆動する。これにより、ボールねじが送り軸の軸中心に回転し、ナットが移動することで、当該ナットに固設された移動体が目標移動位置に向かって移動する。

このような位置決め装置には、従来、一般的に、移動体の目標移動位置と実移動位置との間に生じる追従誤差を補償するために、駆動モータの回転速度及び駆動モータの回転位置、駆動モータに送られる実電流などを監視して制御する、所謂フィードバック制御が用いられていた。そして、より精度の高い位置決め制御を行う位置決め装置として、本願出願人は、特開２０１２−２５４５１７号公報（特許文献１）に開示される位置決め装置を提案している。

位置決め装置を用いて、高精度な加工を実現するためには、前記移動体の位置を、送り装置外に設定した基準位置（例えば、移動体に工具を装着し、適宜構造体にワークを取り付ける場合には当該ワークに対し設定された位置）に対して正確に位置決めしなければならない。

特許文献１より前に知られた位置決め装置では、送り装置を支持する構造体（例えば、ベッドやフレーム）を、慣性空間内で無限の強度を持つ完全剛体であるとみなし、かかる構造体に一切変形が生じないものとして、送り装置内で生じる追従誤差についてのみ補償していたのに対し、本願出願人が提案した特許文献１に係る位置決め装置では、移動体を駆動機構部により駆動し、案内機構部に沿って移動させる際に、構造体の静的な変位に起因した送り装置の変位であって、基準位置に対する送り軸方向における静的な変位を、導出部によって導出し、この導出した変位データに基づく変位を打ち消すための修正データを、加算部によって制御信号に加算するように構成している。これにより、移動体を駆動する際に生じる構造体の静的な変位を補償することができ、構造体の変位が補償されていなかった特許文献１より前に知られた位置決め装置と比較して、移動体を前記基準位置に対して、より正確に位置決めすることができる。

特開２０１２−２５４５１７号公報

上述したように、前記特許文献１に開示された位置決め装置によれば、移動体を駆動する際に生じる構造体の静的な変位を補償しているので、それ以前の位置決め装置と比較して、より正確に移動体を位置決めすることができるが、本願発明者等の知見によれば、前記特許文献１に開示された位置決め装置においても、更に、改良すべき点があった。即ち、前記特許文献１に開示された位置決め装置では、移動体を駆動する際に加えられた加速度（力）の反力によって生じる構造体の静的な変位については補償されているが、移動体に加速度を加えることによって生じる構造体の自由振動に起因した動的な変位については考慮されておらず、この点において、更に改良すべき点が存在したのである。

特許文献１に開示しているように、移動体を駆動する際に生じる構造体の静的な変位は、数十μｍ程度の変位である。そして、本願発明者等の知見によれば、前記自由振動に起因した構造体の動的な変位も同程度のものとなる。これは、近年求められる位置決め精度（例えば、数μｍ単位の位置決め精度）を遥かに上回る大きなものである。したがって、この自由振動に起因した動的な変位を補正しなければ、当該位置決め装置の位置決め精度を十分に高精度なものとすることはできない。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたもので、前記移動体を駆動することによって生じる前記構造体の動的な変位を補正することができる位置決め装置の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
移動体と、
前記移動体を予め設定した送り軸方向に案内する案内機構部、及び前記移動体を移動させる駆動機構部を有する送り装置と、
前記送り装置を支持する構造体と、
前記駆動機構部の作動を制御して、予め設定した基準位置に対する前記移動体の移動位置を制御する制御装置とを備えた位置決め装置であって、
前記構造体の変位に起因した、前記基準位置に対する前記移動体の前記送り軸方向における変位を導出する導出部と、
前記導出部により導出された変位データを受信して、前記変位を打ち消すための修正データを、前記制御装置における前記駆動機構部を制御するための制御信号に加算する加算部とを設けた位置決め装置において、
前記導出部は、前記移動体に加えられる加速度によって生じる、前記構造体の自由振動に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する動的な変位を導出するように構成された位置決め装置に係る。

この位置決め装置によれば、前記移動体を駆動機構部により駆動し、前記案内機構部に沿って移動させる際に生じる、当該移動体の前記基準位置に対する動的な変位であって、前記送り軸方向における動的な変位が、前記導出部によって導出される。この動的な変位は、前記移動体に加えられた加速度によって生じる前記構造体の自由振動に起因するものである。そして、この導出部において導出された動的な変位データを基に、前記加算部において、この動的な変位を打ち消すための修正データが生成され、生成された修正データが前記駆動機構部を制御するための制御信号に加算される。

このように、本発明に係る位置決め装置によれば、駆動機構部を制御するための制御信号に、移動体の動的な変位を打ち消すための修正データを加算するようにしているので、当該移動体は、その動的な変位が補正（補償）された状態で位置決めされる。

また、前記導出部は、前記移動体に加えられる加速度によって生じる前記構造体の静的な変位に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する静的な変位を更に導出するように構成されるとともに、前記移動体に加速度が加えられているときには、前記移動体の前記基準位置に対する前記動的変位と前記静的変位とを合計した変位を導出し、前記移動体に加速度が加えられていないときには、前記動的変位のみを導出するように構成されている。

本発明者等の知見によれば、前記移動体に加速度が加えられているときには、その反力が構造体に作用して、当該構造体に前記静的な変位が生じるとともに、当該構造体に自由振動が生じて、この自由振動に起因した動的な変位が生じ、更に、この後、加速度の付加が停止されると、当該構造体には引き続き自由振動が残留し（これを残留振動という）、この残留振動に起因した動的な変位が生じる。そして、この構造体の静的な変位に起因して、前記移動体に静的な変位が生じるとともに、前記構造体の動的な変位に起因して、前記移動体に動的な変位が生じる。

そこで、上記のように、前記移動体に加速度が加えられているときには、前記導出部において、前記移動体の動的な変位と静的な変位とを合計した変位を導出し、導出された変位データを基に、前記加算部において、この変位を打ち消すための修正データを生成して、前記制御信号に加算し、一方、前記移動体に加速度が加えられていないときには、前記導出部において、前記動的な変位のみを導出し、導出された変位データを基に、前記加算部において、この変位を打ち消すための修正データを生成して、前記制御信号に加算する。

このようにすれば、前記移動体に加速度が加えられているときには、この移動体に生じる静的な変位と動的な変位とを打ち消すように、当該移動体を位置決めすることができ、前記移動体に加速度が加えられていないときには、当該移動体に生じる動的な変位を打ち消すように、これを位置決めすることができる。したがって、前記移動体を、より高精度に位置決めすることができる。

また、上記位置決め装置は、前記構造体の振動加速度を測定する加速度計を備え、前記導出部は、前記加速度計によって測定される前記構造体の振動加速度を基に、前記移動体の前記基準位置に対する動的な変位を導出するように構成されており、前記移動体の動的な変位は、前記導出部において、前記加速度計によって計測される前記構造体の振動加速度を基に、導出される。

ここで、前記移動体の加速により生じる当該移動体の変位であって、前記構造体の自由振動に起因した当該移動体の動的な変位について考察する。

図９に、移動体６０、この移動体６０を移動させる送り装置６１、及び送り装置６１を支持する構造体５０から構成される機構を物理モデルとして図示した。尚、図中、符号６２は駆動モータ、符号６３は駆動モータ６２の出力軸に直結されるボールねじである。また、構造体５０は基準面６５上に載置されるものとし、移動体６０は基準面６５に対して位置決めされるべきものであるとする。

また、この物理モデルにおいて、構造体５０は完全な剛体ではないので、これが基準面６５に対してバネ（定数Ｋ_１）及びダンパ（定数Ｃ_１）を介して接続された構成として近似される。また、構造体５０と移動体６０とはボールねじを介して接続されるが、ボールねじもまた、剛体ではないので、当該構造体５０と移動体６０とは、バネ（定数Ｋ_２）及びダンパ（定数Ｃ_２）を介して接続された構成として近似される。

斯くして、この物理モデルでは、構造体５０に加えられる力をｆ（ｔ）、構造体５０の質量をＭ_１、移動体６０の質量（実際の構造体の振動変形に寄与する等価質量）をＭ_２、構造体５０の変位をｘ_１、構造体５０の速度をｘ_１'、移動体６０の速度をｘ_２'、構造体５０の加速度をｘ_１"とすると、前記質量Ｍ_１のみに着目した時の運動方程式は、数式１となる。

（数式１）
Ｍ_１ｘ_１"＝−ｆ（ｔ）−Ｃ_１ｘ_１'−Ｋ_１ｘ_１＋Ｃ_２（ｘ_２'−ｘ_１'）

ここで、移動体６０の移動を案内するガイドの粘性摩擦係数が十分小さいとすると、Ｃ_２≒０と近似でき、また、自由振動の場合は、加えられる力ｆ（ｔ）が０であるから、数式１は、数式２と近似され、１自由度系の振動の運動方程式として表現できる。

（数式２）
Ｍ_１ｘ_１"＋Ｃ_１ｘ_１'＋Ｋ_１ｘ_１＝０

一方、数式２の自由振動の解は数式３で与えられることが知られている。

（数式３）
ｘ_ｄ＝Ａｃｏｓ（ωｔ−ψ）
但し、ｘ_ｄは自由振動系の動的な変位であり、
Ａ＝（ｘ_０ ^２＋（（ζω_ｎｘ_０＋ｖ_０）／ω_ｄ）^２）^１／２、
ψ＝ｔａｎ^−１（（ζω_ｎｘ_０＋ｖ_０）／ω_ｄ）、ζ＝減衰比、ω_ｎ＝（Ｋ_１／Ｍ_１）^１／２、
ω_ｄ＝（１−ζ^２ω_ｎ）^１／２、位置ｘ_０及び速度ｖ_０は初期条件（ｔ＝０）の値である。

また、速度ｘ_ｄ'は、数式３を微分して、数式４で与えられる。

（数式４）
ｘ_ｄ'＝−Ａωｓｉｎ（ωｔ−ψ）

さらに、加速度ｘ_ｄ"は、数式４を微分して、数式５で与えられる。

（数式５）
ｘ_ｄ"＝−Ａω^２ｃｏｓ（ωｔ−ψ）＝−ω^２ｘ_ｄ

そして、数式５を動的な変位ｘ_ｄについて解くと、数式６となる。

（数式６）
ｘ_ｄ＝−ｘ_ｄ"／ω^２

この数式６から分かるように、加速度（振動加速度）ｘ_ｄ"が得られれば、この振動加速度ｘ_ｄ"の値に、−１／ω^２を乗じることによって、動的な変位ｘ_ｄを算出（導出）することができる。尚、ω^２の値は、例えば、以下のような実験的な手法によって、予め、既定値として得ることができる。即ち、前記数式３からすると、動的な変位ｘ_ｄの振幅はＡであり、前記数式５からすれば、振動加速度ｘ_ｄ"の振幅はＡω^２であるので、例えば、光学変位計を用いて、構造体５０の動的な変位ｘ_ｄを測定するとともに、加速度計を用いて構造体５０の振動加速度ｘ_ｄ"を測定した後、これらの測定結果から得られる振動加速度ｘ_ｄ"の振幅Ａω^２を動的な変位ｘ_ｄの振幅Ａで除算することにより、前記ω^２の値を算出することができる。或いは、光学変位計又は加速度計を用いて測定した前記構造体５０の変位又は加速度の振動周波数ｆを基に、ω（＝２π×ｆ）の値を算出することもできる。尚、ω^２の値については、同じ構造の位置決め装置であれば、個体差は無視できると考えられるので、上述のようにして求めたω^２の値を、同種の他の位置決め装置に適用することができる。

斯くして、前記導出部は、加速度計によって測定された構造体の振動加速度を基に、上記数式６から当該構造体の前記動的な変位を導出することができるとともに、この構造体の動的な変位を基に、前記移動体の動的な変位を導出することができ、導出された移動体の動的な変位データを基に、前記加算部では、この変位を打ち消すための修正データを算出して、前記制御信号に加算する。これにより、上述した如く、前記移動体は、その動的な変位が補正（補償）された状態で位置決めされる。

また、上記位置決め装置において、前記導出部は、前記駆動機構部を制御する前記制御装置の制御信号を基に、前記移動体に加えられる加速度を算出し、算出した加速度を基に、前記構造体の静的な変位に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する静的な変位を導出するように構成されてもよい。

ここで、前記移動体の加速によって生じる前記構造体の静的な変位および動的な変位について考察する。

前記移動体の加速時に、一定期間、外力ｆ_ａが作用するとした場合、上記と同様に、移動体６０の移動を案内するガイドの粘性摩擦係数が十分小さいとすると、Ｃ_２≒０と近似できるから、上記数式１から、この場合の運動方程式は、数式７となり、数式７をラプラス変換すると、数式８となる。

（数式７）
Ｍ_１ｘ_１"＋Ｃ_１ｘ_１'＋Ｋ_１ｘ_１＝ｆ_ａ・ｕ（ｔ）
但し、ｕ（ｔ）は、ｔ≧０におけるステップ入力であり、ｕ（ｔ）＝１である。

（数式８）
Ｘ（ｓ）＝（ｆ_ａ／Ｍ_１）／（ｓ・（ｓ^２＋２ζω_ｎｓ＋ω_ｎ ^２））
但し、ｓ＝ｊω、ω_ｎ＝（Ｋ_１／Ｍ_１）^１／２である。

そして、数式８を部分分数に展開して、逆ラプラス変換をすると、数式９となる。

（数式９）
ｘ_１（ｔ）＝（ｆ_ａ／Ｋ_１）・（１−（ｅ^-ζωｎｔ／（１−ζ^２）^１／２）・ｃｏｓ（ω_ｄｔ−ψ））
但し、ψ＝ｔａｎ^−１（（ζω_ｎｘ_０＋ν_０）／ω_ｄ）、ζ＝減衰比、
ω_ｄ＝（１−ζ^２ω_ｎ）^１／２、位置ｘ_０及び速度ｖ_０は初期条件（ｔ＝０）の値である。

ここで、ｘ_１（ｔ）は、ラプラス変換における応答であり、前記移動体の加速によって生じる前記構造体の変位に相当する。ある一定の加速度が加わった場合、時間遅れを伴って応答ｘ_１（ｔ）は最大となり、その後振動しながら、減衰して静的な釣り合い位置で静止する。このように、変位ｘ_１（ｔ）は、加速による強制的な変位（静的な変位）と自由振動による変位（動的な変位）とを重ね合わせたものになっている。

加速による強制的な変位である静的な変位に注目すると、この静的な変位は、数式９より、ｆ_ａ／Ｋ_１とみなすことができ、加速度の値に比例するため、加速度の値に比例定数を乗じることによって求めることができる。即ち、比例定数をＢとし、加速度をｘ_ｓ"とし、静的な変位をｘ_ｓとすると、この静的な変位ｘ_ｓは数式１０によって表すことができる。

（数式１０）
ｘ_ｓ＝Ｂ・ｘ_ｓ"

そして、この比例定数Ｂは、例えば、以下のような実験的な手法によって、予め、これを既定値として得ることができる。即ち、例えば、前記制御装置において前記駆動機構部を駆動する際に設定される加速度を種々の値に変化させて前記駆動機構部を駆動して、前記移動体を移動させ、その際に、適宜光学変位計を用いて前記構造体の静的な変位を測定することにより得られる加速度と静的な変位との関係から、これら相互間の比例定数Ｂを算出することができる。尚、この比例定数Ｂについても、同じ構造の位置決め装置であれば、個体差は無視できると考えられるので、上述のようにして求めた比例定数Ｂの値を、同種の他の位置決め装置に適用することができる。

斯くして、前記導出部は、前記駆動機構部を制御する前記制御装置の制御信号から、前記移動体の加速度を取得することができ、得られた加速度から、前記移動体の静的な変位を導出することができる。

以上のように、本発明に係る位置決め装置によれば、駆動機構部の作動を制御するための制御信号に、移動体の動的な変位を打ち消すための修正データを加算するようにしているので、当該移動体を、その動的な変位を補正（補償）した状態で位置決めすることができる。また、前記移動体に加速度が加えられているときには、移動体の動的な変位と静的な変位とを合計した変位を補償し、移動体に加速度が加えられていないときには、その動的な変位のみを補償するようにしているので、当該移動体をより高精度に位置決めすることができる。

本発明の一実施形態に係る位置決め装置の概略構成を示した正面図である。 本実施形態に係る制御装置の構成を示したブロック図である。 図１に示した位置決め装置の平面図である。 図１に示した位置決め装置を簡略化したモデルであって、当該図１に示した構造体及び移動体に生じる静的な変位を説明するための説明図である。 本実施形態の変位導出部における処理手順を示したフローチャートである。 本実施形態の移動体を、静的な変位及び動的な変位を補正しないで移動させたときの、当該移動体の変位を示すグラフである。 本実施形態の移動体を、静的な変位を補正しながら移動させたときの、当該移動体の変位を示すグラフである。 本実施形態の移動体を、静的な変位及び動的な変位を補正しながら移動させたときの、当該移動体の変位を示すグラフである。 送り装置とこれを支持する構造体を物理モデルとして表した説明図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る位置決め装置１は、上辺部２ａ，下辺部２ｂ，左垂辺部２ｃ及び右垂辺部２ｄからなるロの字形状を有し、その下辺部２ｂの上面にテーブルＴが載置される構造体２と、この構造体２の上辺部２ａの上面に配設された送り装置３と、この送り装置３によりその送り軸方向（図１の矢示方向）に移動される移動体１２と、前記送り装置３の作動を制御する制御装置２０と、前記左垂辺部２ｃの上方の外側面に設けられた加速度計１１と、前記移動体１２の変位量を導出する変位導出部２８と、この変位導出部２８によって導出された変位データを基に、当該変位を打ち消すような修正データを生成して、前記制御装置２０の制御信号に加算する加算部２７とから構成される。以下、各部の詳細について説明する。

尚、この位置決め装置１は、これを工作機械に適用する場合には、例えば、前記構造体２がベッド及びフレームに相当し、移動体１２が工具主軸に相当する。また、図１及び図３において、符号１４は前記工具主軸（移動体１２）にこれから垂下するように装着された工具に相当するが、以下では、これを位置決めロッドと称する。そして、この位置決め装置１では、前記位置決めロッド１４を前記テーブルＴに対して位置決めするものとする。

図１及び図３に示すように、前記送り装置３は、前記移動体１２を矢示方向に移動自在に支持する案内機構部４と、前記移動体１２を移動させる駆動機構部６とからなる。

前記案内機構部４は、前記構造体２の上辺部２ａの上面に、前記矢示方向に沿って平行に配設された２本のガイドレール５ａと、このガイドレール５ａにそれぞれ係合され、これに案内されて移動する２つのスライダ５ｂとから構成され、各スライダ５ｂ上に載置，固定された前記移動体１２の前記矢示方向への移動を案内する。

また、前記駆動機構部６は、前記２本のガイドレール５ａ間にこれに沿って配設されたボールねじ７と、前記上辺部２ａの上面に固設され、前記ボールねじ７の両端部をそれぞれ回転自在に支持する軸受８と、同じく前記上辺部２ａの上面に固設され、前記ボールねじ７をその軸中心に回転させる駆動モータ９と、前記ボールねじ７に螺合し且つ前記移動体１２の下面に固設されたナット１３と、前記移動体１２の矢示方向における位置を検出する位置検出器１０とから構成される。

斯くして、前記移動体１２は、前記駆動機構部６によって駆動されるボールねじ７の回転に従って、前記案内機構部４に案内されながら、前記矢示方向に移動する。

前記位置検出器１０は、例えば、前記駆動モータ９に取り付けたロータリエンコーダから構成され、逐次、即ち、予め設定された時間間隔（サンプリング間隔）で検出した移動体１２の位置データを出力する。尚、位置データを検出する手段としては、このロータリエンコーダに限られるものではなく、例えば、移動体１２の位置を直接検出するリニアエンコーダなどでも良い。

前記制御装置２０は、図２に示すように、動作プログラム記憶部２１，プログラム解析部２２，位置生成部２３，位置制御部２４，速度制御部２５，電流制御部２６から構成され、前記移動体１２の矢示方向における移動位置を制御する。

前記動作プログラム記憶部２１は、予め作成された動作プログラムを記憶する機能部であり、記憶された動作プログラムを前記プログラム解析部２２へ送信する。

前記プログラム解析部２２は、前記動作プログラム記憶部２１から受信した動作プログラムを解析して、前記送り装置３の送り速度や移動位置などに関する指令を抽出し、抽出した指令を前記位置生成部２３へ送信する。

前記位置生成部２３は、プログラム解析部２２から受信した信号を基に予め定められた時定数を加味して、所定のサンプリング間隔ごとの移動目標位置に関する信号（制御信号たる動作指令信号）を生成し、これを前記位置制御部２４へ逐次送信する。

前記位置制御部２４は、前記位置生成部２３から送信される動作指令信号に基づいて速度指令信号を生成し、生成した速度指令信号を前記速度制御部２５へ送信し、前記速度制御部２５は、前記位置制御部２４から送信される速度指令信号に基づいて電流指令信号を生成し、生成した電流指令信号を前記電流制御部２６へ送信する。また、前記電流制御部２６は、前記速度制御部２５から送信される電流指令信号に基づいた駆動電流信号を生成し、生成した駆動電流信号を前記駆動モータ９に送信する。そして、かかる駆動電流によって駆動モータ９の作動が制御される。

尚、特に図示しないが、この制御装置２０では、周知のフィードバック制御が行われ、電流に関するフィードバック信号が前記電流制御部２６の入力側にフィードバックされ、速度に関するフィードバック信号が前記速度制御部２５の入力側にフィードバックされ、位置に関するフィードバック信号が前記位置制御部２４の入力側にフィードバックされる。

前記加速度計１１は、前記移動体１２が移動することにより生じる構造体２の左垂辺部２ｃの自由振動に起因した振動加速度を、所定のサンプリング間隔で検出し、検出した振動加速度に関するデータを前記変位導出部２８に送信する。

前記制御装置２０により駆動機構部６の駆動モータ９を駆動して、図４に示すように、移動体１２を矢示方向に移動させると、この移動体１２に加えられる加速度の反力が構造体２に作用し、この反力により構造体２に静的な変位が生じるとともに、構造体２に自由振動（動的な変位）が生じる。前記加速度計１１は、この自由振動に起因した振動加速度を検出して、前記変位導出部２８に送信する。尚、図４は、図１に示した位置決め装置を簡略化したモデルであって、移動体１２を移動させる際に、当該移動体１２に加えられる加速度によって、構造体２に静的な変位が生じた状態を示している。

前記変位導出部２８は、前記位置生成部２３から出力される動作指令信号、及び前記加速度計１１から出力される振動加速度データを、前記サンプリング間隔で受信して、前記移動体１２の変位を算出し、算出した変位データを前記サンプリング間隔で前記加算部に出力する処理部であり、具体的には、図５に示した処理を実行する。

図５に示すように、前記変位導出部２８は、まず、前記制御装置２０の起動時に処理を開始して、前記位置生成部２３から入力される動作指令信号を基に、前記移動体１２が加速又は減速移動中であるか否かを監視する（ステップＳ１）。

そして、前記移動体１２が加速又は減速移動中のときには、前記位置生成部２３から入力される動作指令信号を基に、前記移動体１２に加えられている加速度を算出するとともに（ステップＳ２）、前記加速度計１１から前記構造体２の振動加速度を取得し（ステップＳ３）、これらの加速度及び振動加速度を基に、前記移動体１２の静的な変位と動的な変位を算出してこれらを合算し（ステップＳ４）、合算した変位データを前記加算部２７に出力する（ステップＳ７）。

上述したように、移動体１２に加速度が加えられると、その反力が構造体２に作用し、この反力によって前記構造体２及び前記移動体１２に静的な変位が生じるとともに、前記構造体２には自由振動が生じ、この自由振動によって、前記移動体１２に動的な変位が生じる。したがって、前記変位導出部２８は、前記移動体１２が加速度を受けて移動しているときには、移動体１２の静的な変位と動的な変位を算出し、これを合算して前記加算部２７に出力する。

一方、前記移動体１２が加速又は減速移動中ではないとき、即ち、定速移動中又は停止中であるときには、前記加速度計１１から前記構造体２の振動加速度を取得し（ステップＳ５）、この振動加速度を基に、前記移動体１２の動的な変位を算出して（ステップＳ６）、算出した変位データを前記加算部２７に出力する（ステップＳ７）。

そして、上記ステップＳ１〜Ｓ７の処理を上記サンプリング間隔で実行し、前記制御装置２０の停止とともに処理を終了する（ステップＳ８）。

斯くして、この変位導出部２８では、前記移動体１２の加速及び減速移動時には、当該移動体１２の静的な変位と動的な変位とを合算した変位が算出され、前記移動体１２の定速移動時及び停止時には、当該移動体１２の動的な変位のみが算出される。

尚、前記移動体１２の静的な変位は、上述した数式１０に従って算出され、上記比例定数Ｂは上述した実験的な手法によって予め取得される。また、前記移動体１２の動的な変位は、上述した数式６に従って算出され、この算出の際に必要な定数である−１／ω^２も、上述した実験的な手法によって予め取得される。

前記加算部２７は、前記変位導出部２８から上記サンプリング間隔で出力される変位データを受信し、受信した変位データを基に、当該変位を打ち消すための修正データ、即ち、位置補正データを生成し、生成した修正データ（位置補正データ）を上記サンプリング間隔で前記位置制御部２４の入力側の制御信号に加算する処理を行う。

以上のように構成された本例の位置決め装置１によれば、前記制御装置２０によって前記駆動モータ９を駆動する際、まず、動作プログラム記憶部２１に格納された動作プログラムがプログラム解析部２２によって読み出され、当該プログラム解析部２２により、動作プログラム中の送り速度や移動位置などに関する指令が抽出され、抽出された指令が位置生成部２３へ送信される。

そして、位置生成部２３は、プログラム解析部２２から送信された信号を基に、動作指令信号を生成して位置制御部２４に送信し、位置制御部２４は、受信した動作指令信号を基に、速度指令信号を生成して速度制御部２５に送信し、速度制御部２５は、受信した速度指令信号を基に、電流指令信号を生成して電流制御部２６に送信し、電流制御部２６は、受信した電流指令信号を基に駆動指令信号を生成して駆動モータ９に送信する。斯くして、かかる駆動指令信号によって駆動モータ９が駆動され、前記移動体１２が前記案内機構部４によって案内されながら、その案内方向（前記矢示方向）に移動する。

一方、前記変位導出部２８では、前記位置生成部２３から出力される動作指令信号を基に、前記移動体１２の動作状態が監視される。そして、前記移動体１２が加速度を伴って移動していると判断されたときには、変位導出部２８は、この移動に伴って生じる前記移動体１２の変位であって、静的な変位と動的な変位とを合算した変位データを所定のサンプリング間隔で算出し、算出した変位データを加算部２７に送信する。そして、加算部２７は、変位導出部２８から受信した変位データを基に、当該変位を打ち消すための修正データを生成し、生成した修正データを上記サンプリング間隔で前記位置制御部２４の入力側の制御信号に加算する処理を行う。これにより、移動体１２が加速度を伴って移動する際に生じる、当該移動体１２の動的な変位と静的な変位が補正され、当該移動体１２を制御目標位置（即ち、前記位置生成部２３から出力される移動目標位置）に正確に位置決めすることができる。

他方、前記移動体１２が加速度を伴わないで定速で移動していると判断されたとき、又は、前記移動体１２が停止していると判断されたときには、変位導出部２８は、移動体１２の動的な変位データのみを所定のサンプリング間隔で算出し、算出した変位データを加算部２７に送信する。そして、加算部２７は、同様にして、変位導出部２８から受信した変位データを基に、当該変位を打ち消すための修正データを生成し、生成した修正データを上記サンプリング間隔で前記位置制御部２４の入力側の制御信号に加算する処理を行う。これにより、移動体１２の定速移動中及び停止中に生じる、当該移動体１２の動的な変位が補正され、当該移動体１２を制御目標位置に正確に位置決めすることができる。

このように、本例の位置決め装置１によれば、構造体２（言い換えれば、送り装置３）の送り軸方向の動的および静的変位を算出して、この変位を打ち消すべく移動体１２の位置決め位置を補償しているので、前記基準位置に対する移動体１２の位置決めを、従来に増してより高精度に位置決めすることができる。

ここで、本例の位置決め装置１を用い、前記移動体１２を所定距離だけ移動させたときの位置決め精度に関する実験結果を、図６〜図８に示す。

尚、この実験では、図１に示すように、前記位置決めロッド１４の下端部にレーザ変位計１４ａを取り付けた状態で、前記移動体１２を移動させて、前記ワークＷ上に固設した基準ブロック１４ｂとレーザ変位計１４ａとの間の距離を所定のサンプリング間隔ごとに測定した。

そして、前記位置生成部２３から出力される動作指令から前記移動体１２の目標移動距離を算出し、得られた目標移動距離と、前記レーザ変位計１４ａによって測定された移動体１２の実際の移動距離との差分を、前記移動体１２の移動中の変位として、前記サンプリング間隔ごとに算出した。

図６は、移動体１２の移動中に、前記静的な変位及び動的な変位の双方を補正しなかった場合、即ち、本例の変位導出部２８及び加算部２７を機能させなかった場合の、前記移動体１２の変位を示している。また、図７は、移動体１２の移動中に、本例の変位導出部２８における処理を変更して、移動体１２に加速度が加わっているときに、前記静的な変位のみを補正した場合の、前記移動体１２の変位を示しており、図８は、本例の変位導出部２８及び加算部２７を機能させて、移動体１２の移動中に、前記静的な変位及び動的な変位の双方を補正した場合の、前記移動体１２の変位を示している。

図６に示すように、移動体１２は、その加速期間には全体的にマイナス方向に変位（静的な変位）し、減速期間には全体的に＋方向に変位（静的な変位）するとともに、定速移動期間を含めた全移動期間中においては、自由振動に伴う動的な変位が付加された変位を生じている。この図６から、上述したように、移動体１２に加速度が加えられているときには、当該移動体１２に静的な変位と動的な変位が生じ、移動体１２に定速移動しているときには、動的な変位のみが生じることが分かる。

また、移動体１２に加速度が加わっているときにのみ、前記静的な変位を補正すると、図７に示すように、図６と比較して、移動体１２の加速期間及び減速期間の静的な変位は減少するが、全体的には、動的な変位が残り、全く補正しない図６と比較して、その位置決め精度は改善されるものの、十分ではないことが分かる。

一方、本例の前記変位導出部２８及び加算部２７を機能させて、静的な変位及び動的な変位の双方を補正すると、図８に示すように、静的な変位が減少するとともに、動的な変位の振動が抑制され、移動体１２を制御目標位置に高精度に位置決めし得ることが分かる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何ら上例のものに限られるものではない。

例えば、上例において、前記加算部２７は、変位導出部２８から受信した変位データを基に、当該変位を打ち消すための修正データとして位置補正データを生成し、生成した位置補正データを前記位置制御部２４の入力側の制御信号に加算するように構成されているが、この構成に限られるものではなく、前記加算部２７は、変位導出部２８から受信した変位データを微分処理して、当該変位を打ち消すための修正データとして速度補正データを生成し、図２において２点鎖線で示すように、生成した速度補正データを前記速度制御部２５の入力側の制御信号に加算するように構成されていても良い。このようにしても、前記移動体１２に生じる前記静的な変位と動的な変位の双方を補正することができる。

また、上例では、前記変位導出部２８は、前記位置生成部２３から入力される動作指令信号を基に、前記移動体１２に加えられている加速度を算出し、算出した加速度を基に前記移動体１２に生じる静的な変位を算出するように構成されているが、これに限られるものではなく、前記構造体２に歪みゲージなど、当該構造体２の変位を検出することができる変位センサを設けて、この変位センサから出力されるデータから当該構造体２の静的な変位、即ち、前記移動体１２の静的な変位を算出するように構成されていても良い。このようにしても、上例と同様な効果が奏される。

また、上例では、加算部２７及び変位算出部２８を制御装置２０とは別の構成としたが、これら加算部２７及び変位算出部２８を制御装置２０内に組み込んだ構成としても良い。

１ 位置決め装置
２ 構造体
３ 送り装置
７ ボールねじ
８ 軸受
９ 駆動モータ
１０ 位置検出器
１１ 加速度計
１２ 移動体
１３ ナット
１４ センサヘッド
２０ 制御装置
２１ 加工プログラム記憶部
２２ プログラム解析部
２３ 位置生成部
２４ 位置制御部
２５ 速度制御部
２６ 電流制御部
２７ 加算部
２８ 変位導出部
５０ 構造体
６０ 移動体
６１ 送り装置
６２ 駆動モータ
６３ ボールねじ
６５ 基準面
Ｔ テーブル

Claims (2)

1. 移動体と、
   前記移動体を予め設定した送り軸方向に案内する案内機構部、及び前記移動体を移動させる駆動機構部を有する送り装置と、
   前記送り装置を支持する構造体と、
   前記駆動機構部の作動を制御して、予め設定した基準位置に対する前記移動体の移動位置を制御する制御装置とを備えた位置決め装置であって、
   前記構造体の変位に起因した、前記基準位置に対する前記移動体の前記送り軸方向における変位を導出する導出部と、
   前記導出部により導出された変位データを受信して、前記変位を打ち消すための修正データを、前記制御装置における前記駆動機構部を制御するための制御信号に加算する加算部とを設けた位置決め装置において、
   前記構造体の振動加速度を測定する加速度計を更に設けて成り、
   前記導出部は、前記移動体に加えられる加速度によって生じる、前記構造体の静的な変位に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する静的な変位を導出するとともに、前記移動体に加えられる加速度によって生じる、前記構造体の自由振動に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する動的な変位を、前記加速度計によって測定される前記構造体の振動加速度を基に導出するように構成され、更に、前記移動体に加速度が加えられているときには、前記移動体の前記基準位置に対する前記動的変位と前記静的変位とを合計した変位を導出し、前記移動体に加速度が加えられていないときには、前記動的変位のみを導出するように構成されていることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記導出部は、前記駆動機構部を制御する前記制御装置の制御信号を基に、前記移動体に加えられる加速度を算出し、算出した加速度を基に、前記構造体の静的な変位に起因した、前記移動体の前記基準位置に対する静的な変位を導出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。

Images