(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材によって鉛直方向に移動可能に支持された第１の可動部材と、この第１の可動部材に水平方向に移動可能に設けられた第２の可動部材とを有する構造体と、前記第１の可動部材を駆動する第１の駆動手段と、前記第２の可動部材を駆動する第２の駆動手段と、前記第１および第２の駆動手段のサーボ制御を行う位置制御手段とを有する位置制御システムであって、
前記位置制御手段は、前記第１および第２の駆動手段に対する位置指令を出力する位置指令手段と、
この位置指令手段からの位置指令と前記第１および第２の駆動手段からの位置フィードバック信号に基づいて前記各駆動手段をフィードバック制御するサーボ制御手段と、
予め測定された前記第２の可動部材の水平方向の複数位置に対応した前記第１の可動部材の鉛直方向の位置補正量データを保持し、前記第２の可動部材の水平方向の現在位置に対応した位置補正量を前記位置補正量データを補間して算出する補正量算出手段と、
予め測定された前記第１の可動部材の鉛直方向の複数位置に対応した前記位置補正量を調整するための係数データを保持し、前記第１の可動部材の鉛直方向の現在位置に対応した係数を前記係数データを補間して算出し、この係数を前記位置補正量に掛け合わせ、これを前期第１の駆動手段に対する位置指令に加算し、これを前期第１の駆動手段のサーボ制御手段に入力する補正量調整手段とを含み、
この調整された位置補正量に基づいて前記第１の可動部材を鉛直方向に駆動して前記第２の可動部材の鉛直方向の目標位置からの位置ずれを補正する
位置制御システム。
【請求項２】
前記第１および第２の駆動手段の各々は、前記第１の可動部材および第２の可動部材にそれぞれ形成されたねじ部にねじ込まれるボールねじと、このボールねじを回転するサーボモータと、このサーボモータの回転量を検出する回転量検出器とを有する
請求項１に記載の位置制御システム。
【請求項３】
前記補正量調整手段は、予め測定された前記第１の可動部材の鉛直方向の複数位置に対応した前記位置補正量を調整するための係数データを保持し、前記第１の可動部材の鉛直方向の現在位置に対応した係数を前記係数データを補間して算出し、この係数を前記位置補正量に掛け合わせ、これを前記第１の駆動手段の位置フィードバック信号から減算し、これを前記第１の駆動手段のサーボ制御手段に入力する
請求項１または２に記載の位置制御システム。
【請求項４】
前記補正量算出手段および補正量調整手段は、前記第１および第２の可動部材の現在位置を前記第１および第２の駆動手段に対する位置指令からそれぞれ取得する
請求項１〜３のいずれかに記載の位置制御システム。
【請求項５】
前記補正量算出手段および補正量調整手段は、前記第１および第２の可動部材の現在位置を前記第１および第２の駆動手段の位置フィードバック信号から取得する
請求項１〜３のいずれかに記載の位置制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、数値制御装置、産業用ロボットシステム等における位置制御システムに関し、特に、機構的に関連する制御軸間の相対的な位置関係の変化に応じて、制御対象の位置と目標位置との間に生じる位置ずれを精度良く補正可能な位置制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、数値制御工作機械の位置制御においては、通常、切削工具等を移動する移動軸を駆動するサーボモータに取り付けられた回転量検出器でサーボモータの回転位置を検出し、この検出値に基づいてサーボモータの回転制御を行うことにより、切削工具等の位置制御を行っている。
工作機械においては、上記のサーボモータの回転制御を正確に行ったとしても、工作機械を構成する機械要素に生じる弾性変形等によって、切削工具等の正確な位置制御を行うことができない場合がある。
【０００３】
例えば、図７に示すような横型のマシニングセンタの場合には、コラム５２に設けられサーボモータ５７で駆動されるボールねじ５３によってＹ軸方向に移動可能な主軸台５４によって主軸５１は横方向に保持されている。
この主軸５１が図示しないＺ軸サーボモータ５８の回転によってＸ軸テーブル５６の方向に繰り出されると、主軸５１が自重等によって鉛直下方向にたわみ、主軸５１の真直度を保つことができない。このため、主軸５１に取り付けられた工具の実際の位置と指令した目標位置との間に位置ずれが生じるため、加工精度を一定に保持することができない。
【０００４】
従来においては、上記のような主軸５１の真直度を補正する方法として、上記のたわみ量は主軸５１のＺ軸方向の位置に応じて変わるので、主軸５１のＺ軸方向の位置に応じてＹ軸方向の位置を補正して真直度を補正している。実際には、主軸５１のＺ軸方向の複数位置に対応した補正量を予め測定し、加工の際に主軸５１のＺ軸方向の位置から補正量を適宜選択してＹ軸方向の位置補正を行うことにより、加工精度の向上を図っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に例示した横型のマシニングセンタの構造では、主軸５１のＹ軸方向の位置に応じて主軸５１のたわみ量が変化する。このたわみ量は、ボールねじ５３等の剛性との関係から、主軸５１がＸ軸サーボモータ５７に近い位置にある場合よりも、ボールねじ５３の下端部に近い位置にあるほうが大きくなる。
このため、単に、主軸５１のＺ軸方向の位置に応じてＹ軸方向の位置を補正して真直度を補正するだけでは、補正が不十分である場合があり、さらなる加工精度の向上を図ることが課題となっていた。
【０００６】
本発明は、かかる上述の課題に鑑みてなされたものであって、機構的に関連する制御軸間の相対的な位置関係の変化に応じて、制御点の位置と目標位置との位置ずれ量が変化する工作機械や産業用ロボット等の位置制御システムにおいて、この位置ずれを精度良く補正可能な位置制御システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位置制御システムは、固定部材によって鉛直方向に移動可能に支持された第１の可動部材と、この第１の可動部材に水平方向に移動可能に設けられた第２の可動部材とを有する構造体と、前記第１の可動部材を駆動する第１の駆動手段と、前記第２の可動部材を駆動する第２の駆動手段と、前記第１および第２の駆動手段のサーボ制御を行う位置制御手段とを有する位置制御システムであって、
前記位置制御手段は、前記第１および第２の駆動手段に対する位置指令を出力する位置指令手段と、この位置指令手段からの位置指令と前記第１および第２の駆動手段からの位置フィードバック信号に基づいて前記各駆動手段をフィードバック制御するサーボ制御手段と、予め測定された前記第２の可動部材の水平方向の複数位置に対応した前記第１の可動部材の鉛直方向の位置補正量データを保持し、前記第２の可動部材の水平方向の現在位置に対応した位置補正量を前記位置補正量データを補間して算出する補正量算出手段と、予め測定された前記第１の可動部材の鉛直方向の複数位置に対応した前記位置補正量を調整するための係数データを保持し、前記第１の可動部材の鉛直方向の現在位置に対応した係数を前記係数データを補間して算出し、この係数を前記位置補正量に掛け合わせ、これを前記第１の駆動手段に対する位置指令に加算し、これを前記第１の駆動手段のサーボ制御手段に入力する補正量調整手段とを含み、この調整された位置補正量に基づいて前記第１の可動部材を鉛直方向に駆動して前記第２の可動部材の鉛直方向の目標位置からの位置ずれを補正する。
【０００８】
本発明に係る位置制御システムは、好ましくは、前記第１および第２の駆動手段の各々は、前記第１の可動部材および第２の可動部材にそれぞれ形成されたねじ部にねじ込まれるボールねじと、このボールねじを回転するサーボモータと、このサーボモータの回転量を検出する回転量検出器とを有する。
【０００９】
本発明に係る位置制御システムは、好ましくは、前記位置制御手段は、前記第１および第２の駆動手段に対する位置指令を出力する位置指令手段と、この位置指令手段からの位置指令と前記第１および第２の駆動手段からの位置フィードバック信号に基づいて前記各駆動手段をフィードバック制御するサーボ制御手段と、予め測定された前記第２の可動部材の水平方向の複数位置に対応した前記第１の可動部材の鉛直方向の位置補正量データを保持し、前記第２の可動部材の水平方向の現在位置に対応した位置補正量を前記位置補正量データを補間して算出する補正量算出手段と、予め測定された前記第１の可動部材の鉛直方向の複数位置に対応した前記位置補正量を調整するための係数データを保持し、前記第１の可動部材の鉛直方向の現在位置に対応した係数を前記係数データを補間して算出し、この係数を前記位置補正量に掛け合わせ、これを第１の駆動手段に対する位置指令に加算し、これを第１の駆動手段のサーボ制御手段に入力する補正量調整手段とを有する。
【００１０】
本発明に係る位置制御システムでは、第２の可動部材の水平方向の位置に応じて、第２の可動部材の鉛直方向の補正量を算出するとともに、この補正量を第１の可動部材の位置に応じて調整するため、より細かな位置ずれ補正が行われることになり、第２の可動部材の鉛直方向における目標位置からの位置ずれが精度良く補正される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る位置制御システムの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る位置制御システムの制御装置の一実施形態を示す説明図である。
なお、図１においては、制御対象を示していないが、以下、図７に示した横型のマシニングセンタの位置制御を行う場合について説明する。
【００１２】
図１において、位置制御システムは、Ｙ軸サーボモータ５７を制御するＹ軸制御部と、Ｚ軸サーボモータ５８を制御するＺ軸制御部とから基本的に構成される。
Ｚ軸制御部は、Ｚ軸位置指令部８と、Ｚ軸サーボ制御部１０と、Ｚ軸サーボアンプ１２とからなる。
Ｚ軸位置指令部８から位置指令ｒｚがＺ軸サーボ制御部１０に出力され、Ｚ軸サーボ制御部１０では、位置指令ｒｚとＺ軸サーボモータ５８の回転量検出器５８ａからの位置フィードバック５８ｆに基づいて、電流指令をＺ軸サーボアンプ１２に出力し、Ｚ軸サーボアンプ１２ではこの電流指令を増幅した駆動電流をＺ軸サーボモータ５８に供給する。これにより、Ｚ軸サーボモータ５８の回転制御が行われることになる。
【００１３】
Ｙ軸制御部は、Ｙ軸位置指令部２と、Ｙ軸サーボ制御部４と、Ｙ軸サーボアンプ６と、Ｙ，Ｚ軸座標取得部１４と、補正量計算部１６と、補正量調整部１８とからなる。
Ｙ軸位置指令部２から位置指令ｒｙがＹ軸サーボ制御部４に出力され、Ｙ軸サーボ制御部４では、位置指令ｒｙとＹ軸サーボモータ５７の回転量検出器５７ａからの位置フィードバック５７ｆに基づいて電流指令をＹ軸サーボアンプ６に出力し、Ｙ軸サーボアンプ６ではこの電流指令を増幅した駆動電流をＹ軸サーボモータ５７に供給する。これにより、Ｙ軸サーボモータ５７の回転制御が行われることになる。
【００１４】
一方、Ｙ，Ｚ軸座標取得部１４には、上記したＹ軸位置指令部２およびＺ軸位置指令部８からの位置指令ｒｙ，ｒｚがそれぞれ入力され、主軸５１のＹ軸方向およびＺ軸方向の位置が取得される。なお、位置指令ｒｙ，ｒｚの代わりに、Ｙ軸サーボモータ５７およびＺ軸サーボモータ５８の回転量検出器５７ａおよび５８ａからの位置フィードバックから主軸５１のＹ軸方向およびＺ軸方向の位置を取得することも可能である。
【００１５】
補正量計算部１６は、主軸５１のＺ軸方向の位置の情報に基づいて、主軸５１のＹ軸方向の位置ずれを補正する位置補正量ΔＹを算出し、この補正量ΔＹを補正量調整部１８に出力する。
補正量調整部１８においては、位置補正量ΔＹをＹ，Ｚ軸座標取得部１４において取得した主軸５１のＹ軸方向の位置情報に基づいて調整し、この調整された位置補正量ΔＹ’をＹ軸位置指令部２からの位置指令ｒｙに加算部１９において加算し、これがＹ軸サーボ制御部４に入力される。
なお、位置補正量ΔＹおよびこれを調整したΔＹ’の算出方法については後述する。
【００１６】
図１に示した制御装置の各機能は、例えば、図２に示すような構成のハードウエアによって実現される。
図２において、プロセッサ２１は、ＲＯＭ２２に格納されたシステムプログラムにしたがって、位置制御システム全体を制御する。ＲＡＭ２３には、各種のデータあるいは入出力信号が格納され、例えば、後述する補正量データ等が格納される。
【００１７】
グラフィック制御回路２５は、ディジタル信号を表示用の信号に変換し、表示装置２６に与える。表示装置２６にはＣＲＴあるいは液晶表示装置が使用される。表示装置２６は、対話形式で加工プログラムを作成していくときに、形状、加工条件および生成された加工プログラム等を表示する。
【００１８】
表示装置２６に表示される内容（対話形データ入力画面）にしたがってデータを入力することにより、加工プログラムを作成することができる。
画面には、その画面で受けられる作業またはデータがメニュー形式で表示される。メニューのうちどの項目を選択するかは、メニューの下のソフトウエアキー２７を押すことにより行う。
キーボード２８は、必要なデータを制御装置に入力するのに使用される。
【００１９】
軸制御回路３０、３１は、上述した各軸のサーボ制御部４、１０を実現する回路であって、プロセッサ２１から各軸の位置指令を受けて、これらの位置指令と各サーボモータ５７、５８の位置フィードバック５７ｆ、５８ｆとから電流指令を算出してサーボアンプ６，１２にそれぞれ出力する。サーボアンプ６，１２は、上述したように、サーボモータ５７，５８に駆動電流を出力する。
なお、各軸のサーボ制御部４，１０は回路ではなくソフトウエアによっても実現可能である。
【００２０】
次に、上述した補正量計算部１６および補正量調整部１８の機能について詳しく説明する。
まず、主軸５１のＹ軸方向の位置を補正するための複数の補正データを予め測定し、これをＲＡＭ１３に格納しておく。
この補正データは、例えば、図３に示すように、Ｚ軸方向の複数の位置Ｐｚ〔ｉ〕（ｉ＝０，１，．．，５）に対応した補正量ΔＹ〔ｉ〕である。なお、この補正データは、主軸５１のＹ軸方向の原点位置におけるものである。また、Ｐｚ〔０〕が主軸５１のＺ軸のマイナス方向のストローク限界位置であり、Ｐｚ〔５〕がＺ軸のプラス方向のストローク限界位置である。
【００２１】
また、図７に示した様な構造の横型マシニングセンタにおいては、主軸５１がサーボモータ５７の駆動によってＹ軸方向に移動した場合には、上述したように、主軸５１のＹ軸方向（鉛直方向）の位置ずれ量が変化する。
このため、主軸５１のＹ軸方向の位置に応じて図３に示した補正データを調整する必要がある。
そのため、例えば図４に示すように、主軸がＹ軸方向の原点位置にある場合の調整用の係数Ｍ〔０〕を１．０として、主軸５１のＹ軸方向の複数の位置ＰＹ〔ｎ〕（ｎ＝０，１，．．，５）に対応した調整用の係数Ｍ〔ｎ〕を予め測定し、ＲＡＭ１３に格納しておく。
なお、図３および図４に示した補正データおよび係数は、例えば、図７に示した横型マシニングセンタの組立調整時に、主軸５１のＹ軸方向の位置およびＺ軸方向の位置を変更しながら、主軸５１のツール位置を実際に測定し、補正すべき補正量および係数を予め測定する。
【００２２】
横型マシニングセンタの位置制御を行う際には、補正量計算部１６は、Ｙ，Ｚ軸座標取得部１４において取得する主軸５１のＺ軸方向の位置Ｐｚに基づいて、図３に示す補正データを、例えば図５に示すように直線補間して位置Ｐｚにおける補正量ΔＹを算出する。
なお、主軸５１のＺ軸方向の位置Ｐｚは、Ｐｚ〔ｉ〕とＰｚ〔ｉ＋１〕の間にあるとする。
ΔＹ＝ΔＹ〔ｉ〕＋（ΔＹ〔ｉ＋１〕−ΔＹ〔ｉ〕）＊（Ｐｚ−Ｐｚ〔ｉ〕）／（Ｐｚ〔ｉ＋１〕−Ｐｚ〔ｉ〕）  （１）
（１）式によりΔＹが算出され、この値が補正量調整部１８に出力される。
【００２３】
補正量調整部１８では、まず、Ｙ，Ｚ軸座標取得部１４において取得する主軸５１のＹ軸方向の位置Ｐｙに基づいて、図４に示す係数データを、例えば図６に示すように直線補間して位置Ｐｙにおける係数Ｍを算出する。
なお、主軸５１のＹ軸方向の位置Ｐｙは、Ｐｙ〔ｉ〕とＰｙ〔ｉ＋１〕の間にあるとする。
Ｍ＝Ｍ〔ｎ〕＋（Ｍ〔ｎ＋１〕−Ｍ〔ｎ〕）＊（Ｐｙ−Ｐｙ〔ｎ〕）／（Ｐｙ〔ｎ＋１〕−Ｐｙ〔ｎ〕）  （２）
（２）式により位置Ｐｙにおける係数Ｍが算出され、この係数Ｍを（１）式により算出された補正量ΔＹに掛け合わせ、調整された補正量ΔＹ’が算出される。この調整された補正量ΔＹ’がＹ軸位置指令部２からの位置指令にｒｙに加算され、Ｙ軸サーボ制御部４に入力される。
この結果、Ｙ軸サーボモータ５７の回転位置が補正されて、主軸５１のＹ軸方向（鉛直方向）の位置ずれが補正されることになる。
なお、図５，図６は直線補間方法の例であるが、本発明においてはこれに限らず、指数関数、対数関数、スプライン関数等を用いた曲線補間方法によっても補間が可能である。
【００２４】
以上のように、本実施形態に係る位置制御システムによれば、主軸５１のＺ軸方向のみならず、Ｙ軸方向の位置に応じて主軸５１の目標位置からの位置ずれを補正することができるので、従来の補正方式に比較して、より高い精度の位置ずれ補正を行うことが可能になる。
また、本実施形態に係る位置制御システムでは、主軸５１のＺ軸方向およびＹ軸方向の複数位置における位置ずれ補正データおよび調整係数を予め測定しておき、実際の位置制御においては、これらの補正データおよび調整係数を補間して最終的な位置補正量ΔＹ’を算出するため、必要なＲＡＭ１３の容量が小さくてすむ。
また、本実施形態に係る位置制御システムでは、図３および図４に示した補正データおよび調整係数の変更は容易に可能であり、位置ずれ補正の調整が容易である。
【００２５】
なお、本実施形態においては、本発明を横型マシニングセンタの真直度を補正する場合に適用したが、機構的に関連する制御軸間の相対的な位置関係の変化に応じて、制御対象の制御点の位置と目標位置との位置ずれ量が変化する、例えば産業用ロボット等の制御対象にも適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る位置制御システムによれば、第２の可動部材の水平方向の位置に応じて、鉛直方向の目標位置からの位置ずれを補正することができることに加えて、第１の可動部材の鉛直方向の位置に応じて位置補正量を調整することができることから、従来の補正方式に比較して、より高い精度の位置ずれ補正を行うことが可能になる。
この結果、本発明に係る位置制御システムが適用された工作機械等によれば、加工精度を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る位置制御システムの一実施形態における基本的構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る位置制御システムのハードウェア構成の一例を示す説明図である。
【図３】本発明に係る位置制御システムにおける補正データの一例を示す説明図である。
【図４】本発明に係る位置制御システムにおける位置補正量の調整用の係数の一例を示す説明図である。
【図５】補正データの補間方法を説明するための説明図である。
【図６】調整用の係数の補間方法を説明するための説明図である。
【図７】横型マシニングセンタの一構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
２…Ｙ軸位置指令部
４…Ｙ軸サーボ制御部
６…Ｙ軸サーボアンプ
８…Ｚ軸位置指令部
１０…Ｚ軸サーボ制御部
１２…Ｚ軸サーボアンプ
１４…Ｙ，Ｚ軸座標取得部
１６…補正量計算部
１８…補正量調整部
５７，５８…サーボモータ
【図１】
0003579543.tif 000002
【図２】
0003579543.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003579543.tif 000007
【図７】
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