(57)【要約】  モータ回転角度を位置に変換した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複数の可動軸のモータ（１）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運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定装置であって、機械の加速度を測定するための加速度計（１３）と、加速度を２階積分して機械位置を得るとともに、機械位置のプロファイルが、指令位置に対する機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは検出位置のプロファイルと一致するように機械位置を補正して機械の運動軌跡を測定する運動軌跡測定部（１４）と、を備える。
2010067651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動軸を駆動するための複数の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運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定装置であって、
前記機械の加速度を測定するための加速度計と、
前記加速度を２階積分して機械位置を得るとともに、前記機械位置のプロファイルが、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは前記検出位置のプロファイルと略一致するように前記機械位置を補正することで、前記機械の運動軌跡を測定する運動軌跡測定部と、を備えることを特徴とする機械運動軌跡測定装置。
【請求項２】
前記運動軌跡測定部は、前記指令位置を微分して得る指令速度の符号が反転する時刻と、前記指令位置を３階微分して得る加速度の変化率が予め設定されたしきい値を超える時刻とを記録し、前記指令位置に対する前記検出位置の遅れ時間を前記時刻に加算して開始時刻を算出し、前記開始時刻から一定時間が経過するまでを、軌跡誤差が生じると推定される運動軌跡誤差発生範囲と判別し、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記加速度を２階積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項１に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項３】
前記運動軌跡測定部は、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて前記機械の運動軌跡を推定し、推定された前記運動軌跡と目標軌跡との間に生じる軌跡誤差が予め設定した許容値を超える範囲を、軌跡誤差が生じると推定される運動軌跡誤差発生範囲と判別し、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記加速度を２階積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項１に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項４】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における加速度を積分する際に、前記検出位置を微分して検出速度を算出し、前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記検出速度を初期値として前記加速度を積分することで機械速度を算出し、さらに前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記検出位置を初期値として前記機械速度を積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項２または３に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項５】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における加速度を積分する際に、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて前記推定位置および推定速度を算出し、前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記推定速度を初期値として前記加速度を積分することで機械速度を算出し、さらに前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記推定位置を初期値として前記機械速度を積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項２または３に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項６】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記機械位置と、前記推定位置または前記検出位置との誤差を算出し、算出された前記誤差を２次の時間関数として近似し、近似式により算出した位置を前記機械位置から差し引いて前記機械位置を補正することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項７】
前記運動軌跡測定部は、前記補正された機械位置と、前記推定位置または前記検出位置との誤差が予め設定したしきい値以上である場合に、前記指令位置と、前記検出位置または前記推定位置との誤差の変化率を算出し、前記変化率が予め設定したしきい値以下となる範囲における前記推定位置または前記検出位置を抽出し、前記抽出された検出位置または前記抽出された推定位置と前記補正された機械位置との誤差を再度算出し、再度算出された誤差を２次の関数として近似し、その近似式により算出した位置を前記補正された機械位置から差し引いて前記機械位置を再度補正することを特徴とする請求項６に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項８】
前記運動軌跡測定部は、前記加速度の測定結果をその測定周期よりも短い間隔で内挿してから積分することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項９】
前記機械の運動軌跡を表示する運動軌跡表示部をさらに備え、
前記運動軌跡測定部は、指令生成部に入力される目標位置から目標軌跡を合成し、前記指令生成部から出力される指令位置から指令軌跡を合成し、前記検出位置から検出部軌跡を合成し、前記目標軌跡、前記指令軌跡または前記検出部軌跡の少なくともいずれか一の軌跡と、前記機械の運動軌跡とを重ねて前記運動軌跡表示部に表示させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１０】
前記運動軌跡表示部に表示される前記機械の運動軌跡は、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記機械の運動軌跡であることを特徴とする請求項９に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１１】
前記運動軌跡表示部は、前記指令軌跡、前記検出部軌跡および前記機械の運動軌跡と、前記目標軌跡との間の前記目標軌跡に対する法線方向の誤差をそれぞれ拡大して表示することを特徴とする請求項９または１０に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１２】
前記運動軌跡表示部は、前記指令軌跡と前記検出部軌跡、前記指令軌跡と前記機械運動軌跡、または前記検出部軌跡と前記機械運動軌跡との間の前記目標軌跡に対する法線方向の誤差を拡大して表示することを特徴とする請求項９または１０に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置を備えることを特徴とする数値制御工作機械。
【請求項１４】
複数の可動軸を駆動するための複数の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運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定方法であって、
加速度計により前記機械の加速度を測定し、
前記加速度を２階積分して機械位置を計算し、
前記機械位置のプロファイルが，前記指令位置に対する前記機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは前記検出位置のプロファイルと略一致するように前記機械位置を補正することで、前記機械の運動軌跡を測定することを特徴とする機械運動軌跡測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機械運動軌跡測定装置に係り、特に数値制御工作機械やロボットにおいて機械の運動軌跡を測定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
数値制御工作機械やロボットでは、複数の可動軸に沿って機械を移動させるべくモータを駆動して、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。【０００３】
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、広く普及している。【０００４】
非特許文献１には、交差格子スケール（グリッドエンコーダ）と呼ばれる測定器を使って工作機械の運動軌跡を測定する方法が示されている。交差格子スケールを用いた測定では、直角に交差した２つの光学格子をガラス基板上に有するスケールと、スケールの光学格子のそれぞれに対応して互いに直角に交差して配設された２つの受光部を有する検出ヘッドとを用い、２次元的な相対変位の測定が可能である。【０００５】
特許文献２に示された方法は、３組のエアスライドとリニアスケールを直交して組み合わせ、３次元的な相対変位を測定できる。また、特許文献３には、フィードバック信号から便宜的に求めた機械位置と、制御装置が指定する機械位置との誤差を測定する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−２０９８５７号公報
【特許文献２】特許第３８５８０６２号公報
【特許文献３】特開平４−１７７４０８号公報
【非特許文献１】交差格子スケールを用いた超精密ＮＣ工作機械の運動精度の測定と改善、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．１１（１９９６）ｐｐ．１６１２−１６１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の方法では、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り、例えば、機械に振動が生じやすいコーナ部などの運動軌跡を測定できなかった。【０００８】
非特許文献１に記載の交差格子スケールを用いた精度測定にあたっては、スケールとヘッドとの間隔を０．５ｍｍ程度に保つ必要があり、スケールとヘッドが衝突して破損しやすいという問題があった。また、３次元的な運動軌跡は測定できなかった。【０００９】
特許文献２に記載の方法では、３次元的な運動軌跡の測定が可能であるが、測定器が３組のスライド機構を重ね合わせた構造であるために、大きな慣性力が発生する高加速度運動には追従できず、従って測定不能になるという問題点があった。また、エアスライドを使用しているため圧縮空気が必要であり、非常に大掛かりな装置となってしまう。【００１０】
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、実際の使用状態にある機械の運動軌跡を測定できないという問題があった。【００１１】
さらに、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ために、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て場所をずらして設置し直す必要があった。【００１２】
特許文献３に記載の方法では、機械に測定器を設置せずに、フィードバック信号から求めた機械位置により運動軌跡を算出するため、自由形状かつ全可動範囲内での測定が可能であり、測定器が破損することもない。しかし、実際の機械位置とフィードバック位置とが同じであるとは限らず、例えば機械に振動が発生している場合やバックラッシが存在する場合には、機械の運動軌跡を正しく評価することはできない。【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、振動やバックラッシが反映された機械の運動軌跡を簡便かつ的確に測定することのできる機械運動軌跡測定装置、その機械運動軌跡測定装置を備える数値制御工作機械および機械運動軌跡測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明の機械運動軌跡測定装置は、複数の可動軸を駆動するための複数の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複数の可動軸の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運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定装置であって、機械の加速度を測定するための加速度計と、加速度を２階積分して機械位置を得るとともに、機械位置のプロファイルが、指令位置に対する機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは検出位置のプロファイルと一致するように機械位置を補正して機械の運動軌跡を測定する運動軌跡測定部と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の機械運動軌跡測定装置では、測定に加速度計を用いるため、可動部の自由な場所に加速度計を設置でき、使用中の機械においてもジグや工具を外さずに測定できるほか、３次元的な運動軌跡の測定が可能である。また、本発明の機械運動軌跡測定装置では検出位置や推定位置を用いて機械位置を補正するので、加速度計の信号を積分して機械位置を算出しようとする場合の測定誤差や積分誤差による問題が生じにくくなるとともに、振動やバックラッシが反映された機械の運動軌跡を測定できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る機械運動軌跡測定装置を備える数値制御工作機械の形態を表す模式図である。
【図２】図２は、数値制御工作機械が備える駆動機構の構造を表す模式図である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る機械運動軌跡測定装置を説明する図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る機械運動軌跡測定装置の運動軌跡測定方法を説明する図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る機械運動軌跡測定装置の運動軌跡測定方法の実施例の詳細を説明する図である。
【図６】図６は、加速度の測定誤差が速度および位置に及ぼす影響を表す模式図である。
【図７】図７は、加速度から算出した機械位置と検出位置の差の例を示す図である。
【図８】図８は、加速度から算出した機械位置と検出位置の差の例を示す図である。
【図９】図９は、指令位置と検出位置の誤差の変化率の例を示す図である。
【図１０】図１０は、指令位置と検出位置の誤差の変化率がしきい値以下になる範囲のデータを使って補正を行った結果の例を示す図である。
【図１１】図１１は、交差格子スケール法による円運動軌跡の測定結果の例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明にかかる機械運動軌跡測定装置による円運動軌跡の測定結果の例を示す図である。
【図１３】図１３は、交差格子スケール法によるコーナ部運動軌跡の測定結果の例を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明にかかる機械運動軌跡測定装置によるコーナ部運動軌跡の測定結果の例を示す図である。
【図１５】図１５は、３次元的な運動軌跡の測定例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態．
以下に、数値制御工作機械の機械運動軌跡の測定を例に挙げ、図面を用いて本発明の実施の形態に係る機械運動軌跡測定装置について説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、数値制御工作機械の形態の一例を表している。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向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から成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、制御装置にフィードバックされる。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、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。
【００１９】
図１に示す形態の数値制御工作機械では、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、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。
【００２０】
また図２には、図１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。ここでは、便宜上Ｙ軸の駆動機構のみ示しているが、Ｘ軸およびＺ軸の駆動機構についても同様である。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を介してテーブル４の直進運動に変換される。送りねじ２の直進運動は、サポートベアリング１０により拘束されている。コントローラの指令生成部１１から出力される指令位置はモータ駆動部１２に伝送され、モータ駆動部１２は、回転角度検出器３により検出されたモータ回転角度に送りねじ２のねじピッチを乗じて得られる検出位置と、指令位置との誤差ができる限り小さくなるようにモータ１を駆動する。
【００２１】
モータ１の回転角度に加えて、テーブルの位置を検出すためのリニアスケールやレーザ変位計を付加し、モータ駆動部１２にフィードバックする場合もあるし、さらにモータ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。
【００２２】
数値制御工作機械においては、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、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において機械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、通常使用中に変化することは少ない。
【００２３】
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振動、コラム５やラム６の姿勢変化や振動、摩擦力による誤差が生じることも知られており、これらの動的な誤差は、機械の使用状況やワークテーブル上の負荷質量、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、機械を使用中にも定期的または継続的に機械の運動軌跡を測定し、コントローラの各種補正パラメータを調整できることが望ましい。
【００２４】
本発明の目的は、従来の測定方法とは全く異なる方法により、コントローラのパラメータを調整するために必要な運動軌跡情報を、簡便かつ的確に測定するための方法を提供することにある。ここでの的確とは、コントローラの調整に必要とされる情報を含むことであり、具体的には、振動の有無、振動の周期および振幅、象限切り替え時に生じる突起状の軌跡誤差（象限突起）の有無、象限突起の高さおよび幅、および象限突起発生後に生じる振動の周期および振幅といった情報である。
【００２５】
本発明による機械運動軌跡測定装置を図３に示す。指令生成部１１では入力された目標位置に基づいて指令位置を生成する。モータ駆動部１２では、入力された指令位置と回転角度検出器３から伝送される検出信号を処理して得られる検出位置とが出来る限り一致するようにモータ駆動電圧を出力してモータ１を駆動する。
【００２６】
本発明の機械運動軌跡測定装置は、可動軸の異なる複数のモータ１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１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運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定装置であって、機械の加速度を測定するための加速度計１３と、加速度を２階積分して機械位置を得るとともに、機械位置のプロファイルが、指令位置に対する機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは検出位置のプロファイルと略一致するように機械位置を補正して機械の運動軌跡を測定する運動軌跡測定部１４と、を備える。
【００２７】
ここでプロファイルとは、横軸を時間、縦軸を機械位置とした場合、もしくは横軸と縦軸の両方を機械位置とした場合における、機械位置のおおまかな変化を表す曲線であり、例えば、細かく変動している波形の中心付近に自在定規を使って一本の線を引いた場合の曲線をイメージされたい。指令位置に一定の時定数をもつ伝達関数を乗じることで得られる曲線でもあり、機械位置の変化を直線またはｎ次の多項式または正弦波もしくは余弦波として近似した場合の曲線でもある。
【００２８】
運動軌跡表示部１５は、複数の指令生成部１１に入力される目標位置から目標軌跡を合成し、指令生成部１１から出力される指令位置から指令軌跡を合成し、フィードバックされた複数の検出位置から検出部軌跡を合成し、目標軌跡、指令軌跡または検出部軌跡の少なくともいずれか一の軌跡と、運動軌跡測定部１４から出力される機械位置を合成した機械の運動軌跡とを重ねて表示する。
【００２９】
本発明では機械の運動軌跡を、加速度計を用いて測定するため、例えば図３に示すように、工具１６や工作物１７を取付けたままの状態でも機械運動軌跡の測定が可能であるほか、３次元的な自由形状の測定が可能である。また、加速度計の信号を積分して位置を算出しようとすると、一般的には加速度の測定誤差や積分誤差による問題が生じるが、本発明の機械運動軌跡測定装置では、運動軌跡測定部において加速度の測定と同時に制御装置内部の信号である指令位置と検出位置を用いて機械位置を補正するため、加速度の測定誤差や積分誤差を補正できる。
【００３０】
さらに、目標軌跡、指令軌跡、検出部軌跡および機械運動軌跡の全部または一部を重ねて表示することにより、機械運動軌跡に誤差が発生した場合に、軌跡誤差がどの段階で発生しているのかを明確に示すことができる。
【００３１】
その際、指令軌跡、検出部軌跡および機械運動軌跡と、目標軌跡との間の目標軌跡に対する法線方向の誤差をそれぞれ拡大して表示することで、軌跡誤差をより明確に示すことができる。また、指令軌跡と検出部軌跡、指令軌跡と機械運動軌跡、または検出部軌跡と機械運動軌跡との間の法線方向誤差を拡大して表示することで、例えばモータ駆動部１２に起因する軌跡誤差や駆動機構に起因する軌跡誤差のみを抽出することが可能となる。
【００３２】
加速度を積分して位置を算出する方法は従来から知られており、例えば慣性航法装置や建築物の振動測定に使われている。しかしその測定精度は、前者で数ｍ、後者で数十ｍｍであることが知られており、数値制御工作機械の測定において要求される精度と比べて4〜6桁悪い。加速度を積分して位置を算出する際の問題点として、加速度の測定誤差による問題と積分演算の誤差による問題がある。本発明は、そのような問題を解決して高精度に機械運動軌跡を測定する方法を提供するものである。
【００３３】
加速度を積分する場合、測定時間が長くなるほどその誤差が蓄積され、測定の精度が悪化する。コントローラの調整においては、主に機械の振動や摩擦力による軌跡誤差に対する補正パラメータの調整が行われるため、これら動的な挙動に起因する軌跡誤差が生じる部分の運動軌跡が表示できればよい。具体的には、指令位置、検出位置またはその両方から所定のルールまたは数式を用いて軌跡誤差が生じると推定される運動軌跡誤差発生範囲を判別し、運動軌跡誤差発生範囲における加速度を２階積分することで機械位置を算出する。
【００３４】
ここで所定のルールまたは数式とは、軌跡誤差が発生することが経験的に公知である箇所を表すためのルールまたは数式、または指令位置に対する機械位置の応答特性を模擬するモデルを用いて推定された機械位置から軌跡誤差の発生を判別するためのルールまたは数式のことである。
【００３５】
これにより、軌跡に誤差が生じやすい部分だけの加速度を積分して機械位置を算出できるため、必要以上に長い時間の積分演算をする必要がなく、機械運動軌跡の測定に要する時間を低減できるほか、機械の使用状況により変化しやすい動的な軌跡誤差を、簡便かつ的確に測定できる。
【００３６】
また、運動軌跡誤差発生範囲における機械運動軌跡を、目標軌跡、指令軌跡、または検出部軌跡と重ねて表示することにより、コントローラの調整のために必要な軌跡情報を的確に表示することができる。
【００３７】
その際にも、指令軌跡、検出部軌跡および機械運動軌跡と、目標軌跡との間の目標軌跡に対する法線方向の誤差をそれぞれ拡大して表示することで、軌跡誤差をより明確に示すことができる。また、指令軌跡と検出部軌跡、指令軌跡と機械運動軌跡、または検出部軌跡と機械運動軌跡との間の法線方向誤差を拡大して表示することで、例えばモータ駆動部１２に起因する軌跡誤差や駆動機構に起因する軌跡誤差のみを抽出することが可能となる。
【００３８】
以下、より具体的な実施例として、運動軌跡誤差発生範囲を判別し、運動軌跡誤差発生範囲における加速度を２階積分して機械位置を算出する方法を詳細に説明する。運動軌跡測定部１４では、図４のフローチャートに示すように、運動を測定するためのデータを読み込み、読み込まれたデータである指令位置または検出位置ないしはその両方から所定のルールまたは数式を用いて軌跡誤差が生じると推定される運動軌跡誤差発生範囲を判別し、運動軌跡誤差発生範囲の加速度を２階積分して機械位置を算出し、算出された機械位置の誤差を補正することを特徴とする。
【００３９】
図３の運動軌跡測定部１４におけるデータ処理方法の具体例を図５に示す。本実施例における運動軌跡測定部１４は、機械運動軌跡測定用データ抽出手段１８、加速度積分手段１９、および積分誤差補正手段２０を備える。
【００４０】
機械運動軌跡測定用データ抽出手段１８では、指令位置を微分して得る指令速度の符号が反転する時刻と、指令位置を３階微分して得る加速度の変化率（加加速度，跳躍，またはジャークとも呼ばれる）が予め設定されたしきい値を越える時刻とを記録し、指令位置に対する検出位置の遅れ時間を前記時刻に加算して開始時刻を算出し、開始時刻から一定時間が経過するまでを運動軌跡誤差発生範囲とする。加速度の変化率Ｊのしきい値を変えることで運動軌跡誤差発生範囲の検出感度を変えることができ、しきい値は数〜数十ｍ／ｓ３程度に設定するのが妥当である。
【００４１】
具体的には、指令位置データＰｒを時間微分して指令速度Ｖｒを算出し、指令速度Ｖｒをさらに２階微分して指令加速度の変化率Ｊを算出するとともに、指令加速度の変化率Ｊが予め定めたしきい値以上になる時刻ｔａ（Ｎａ）と、指令速度Ｖｒの符号が反転する時刻ｔｂ（Ｎｂ）とをサーチする。ここで、Ｎａは指令加速度の変化率Ｊがしきい値以上となる回数であり、Ｎｂは指令速度Ｖｒの符号が反転する回数である。なお、指令加速度の変化率Ｊのしきい値は、測定および調整対象とする機械の要求性能によって変えることができる。
【００４２】
指令位置と検出位置との間に一定の遅れ時間が存在することは一般的に知られており、機械運動軌跡測定用データ抽出手段１８では、指令位置データＰｒと検出位置データＰｆｂの誤差Ｅを求め、そこから遅れ時間Ｄｅｌａｙを算出する。運動中の誤差Ｅから遅れ時間が算出できることは、公知の事実である。なお、指令位置データＰｒと検出位置データＰｆｂの差から遅れ時間を算出せずに、制御系の応答を模擬するモデルにより遅れ時間を計算するようにしてもよい。
【００４３】
指令加速度の変化率Ｊが予めしきい値以上になる時刻ｔａ（Ｎａ）および指令速度Ｖｒの符号が反転する時刻ｔｂ（Ｎｂ）に遅れ時間Ｄｅｌａｙを加算し、測定開始時刻ｔｓ（Ｎ）とする。ここでＮは測定開始時刻ｔｓの数であり、ＮａとＮｂの和である。加速度の変化率が大きいということは加速度が急激に変化していることを表し、速度の符号が反転することは、運動方向が反転することを表している。よって測定開始時刻ｔｓは、運動の加速度が急激に変化する時刻と、運動方向が反転する時刻とを表していることになる。
【００４４】
加速度が急激に変化する箇所では機械に振動が励起されるため軌跡誤差が生じやすく、また運動方向が反転する箇所では、摩擦力の方向が反転するために軌跡誤差が生じやすいことが一般的に知られている。すなわち、上記箇所を抽出することにより、運動軌跡誤差が発生しやすい運動軌跡誤差発生範囲を的確に判別できることになる。
【００４５】
機械に励起される振動や運動方向反転時の摩擦力変化による軌跡誤差は、動的な挙動、すなわち時間とともに変化する挙動であることは公知であり、よって、測定開始時刻ｔｓから一定の測定時間ｔｅ内のデータを抽出することで、運動軌跡誤差発生範囲とすることができる。測定時間ｔｅの値は測定対象とする機械の動的な特性により変えることができ、０．１秒から０．５秒程度とするのが妥当である。
【００４６】
なお、指令位置に対する機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて機械の運動軌跡を推定し、推定された運動軌跡と目標軌跡との間に生じる軌跡誤差が予め設定した許容値を超える範囲を運動軌跡誤差発生範囲としてもよい。このことにより、加速度の急激な変化や運動方向の反転によらない軌跡誤差の発生も予測でき、そのときの機械運動軌跡を測定できる。このときの軌跡誤差の許容値は測定対象とする機械に対する要求精度により変えることができるが、数〜数十マイクロメートルとするのがよい。
【００４７】
加速度を測定する際には、加速度計の感度方向と機械の可動軸の運動方向とが一致していることが望ましいが、加速度計の感度方向と機械の可動軸の運動方向が一致していない場合や、加速度計の感度が予め定められたもとと異なっている場合には、加速度の測定結果を補正する必要がある。加速度を補正する方法としては様々な方法が公知であるが、例えば、既知の加速度で機械を運動させたときの加速度の測定結果から、加速度の補正係数を算出することができる。
【００４８】
加速度積分手段１９では、加速度の測定結果をその測定周期よりも短い間隔で内挿処理を行ってから積分する。これにより、加速度を必要以上の周波数で測定しなくても、機械運動軌跡を高精度に算出できるようになる。加速度の測定周期は、測定対象とする機械の振動特性により変えることができるが、おおむね０．００１秒〜０．００２秒程度（１０００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度）に設定するのがよく、データの内挿間隔としては、０．０００１秒程度（１００００Ｈｚ程度）に設定するのがよい。
【００４９】
運動軌跡誤差発生範囲の加速度Ａ（ｎ）を積分して機械位置を算出する際には、まず検出位置Ｐｆｂ（ｎ）を微分して検出速度Ｖｆｂ（ｎ）を算出しておき、運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻ｔｓ（ｎ）における検出速度Ｖｆｂ（ｔｓ（ｎ））を初期値として加速度を積分することで機械速度Ｖａ（ｎ）を算出し（数式（１））、さらに運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻ｔｓ（ｎ）における検出位置Ｐｆｂ（ｔｓ（ｎ））を初期値として機械速度Ｖａ（ｎ）を積分することで機械位置Ｐａ（ｎ）を算出する（数式（２））。ここで、ｎは測定開始時刻ｔｓの番号であり、１〜Ｎ番目まである。
【００５０】
【数１】
2010067651.tif 000003
【００５１】
【数２】
2010067651.tif 000004
【００５２】
これにより、運動開始時点からの加速度波形を連続的に積分し続ける必要がなく、真に必要な短時間の加速度波形のみを積分できるので、計算量を飛躍的に低減でき、かつ機械位置を高精度に算出できる。
【００５３】
なお、指令位置に対する機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて推定位置および推定速度を算出し、運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における推定速度を初期値として加速度を積分することで機械速度を算出し、さらに運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における推定位置を初期値として機械速度を積分することで機械位置を算出するようにしてもよい。これにより、例えばピッチ誤差補正やバックラッシ補正のような補正が入っていても、その影響を取り除いた位置を推定して機械位置を算出できる。
【００５４】
加速度を積分して位置を算出する場合には、加速度の測定誤差や積分による誤差が累積して結果に影響を及ぼす。積分誤差補正手段２０では、加速度の測定誤差および積分誤差の補正を行う。図６は、加速度にある一定の測定誤差がある場合に、それを積分して得られた位置に及ぼす影響を表す模式図である。加速度に一定の誤差が存在する場合には、それを２階積分した位置では２次の時間関数として現れることになる。
【００５５】
加速度積分手段１９により算出された機械位置Ｐａ（ｎ）から誤差成分を抽出して補正するために、運動軌跡誤差発生範囲における検出位置Ｐｆｂ（ｎ）と加速度から算出された機械位置Ｐａ（ｎ）との差Ｅ１を算出する。実際の測定結果から算出した誤差Ｅ１の一例を図７に実線で示す。このような誤差を２次の時間関数として近似し、近似式により算出した位置を機械位置Ｐａ（ｎ）から差し引いて補正することで、加速度の測定誤差および積分誤差を補正する。なお、検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の代わりに、指令位置に対する機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて補正を行ってもよい。
【００５６】
上記の方法により補正した後の機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の差を、図７に破線で示す。これは、図５中のＥ２に相当する。図７からわかるように、細かい変動を除いて、機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の差がなくなっており、加速度の測定誤差および積分誤差を補正できていることがわかる。また、機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の差は０を挟んだ細かな変動となっており、機械位置のプロファイルと検出位置のプロファイルとが略一致していることがわかる。ここで現れている細かい変動が、検出位置と機械位置の差であり、駆動機構や機械の運動軌跡誤差に起因するものである。
【００５７】
図７のような結果では、補正後の誤差Ｅ２が小さく１回の補正で十分な測定精度を得ることができる。この場合には、図５のフローチャートに従って補正処理を終了し、機械位置データＰａ（ｎ）として保存される。
【００５８】
しかし、例えばコーナ部の挙動のように加速度が急激に変化する場合には、１回の補正で誤差を正しく補正できない場合がある。その場合の加速度から算出した機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の誤差の一例を図８に示す。図８によると、上記の補正を行った後も（破線）、２．５５秒以前で誤差が大きく、さらに波形全体が反ったような形になっている。これは、図８にハッチングで示した範囲のデータも含めて２次関数として近似し、補正を行っているためであり、ハッチング部分は指令位置と検出位置との差Ｅが大きく変動している部分に相当する。
【００５９】
そこで、加速度から算出してさらに１回目の補正を行った機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）との誤差Ｅ２が予め設定したしきい値以上である場合には、図５に示すフローチャートに従って、指令位置Ｐｒ（ｎ）と検出位置（Ｐｆｂ（ｎ））の誤差Ｅ（ｎ）の変化率を算出し、前記変化率が予め設定したしきい値以下となる範囲における検出位置または推定位置を抽出し、抽出された検出位置または推定位置を使って再度補正を行う。誤差Ｅ２のしきい値は、測定対象とする機械の特性により変えることができるが、おおむね十〜数十マイクロメートルとするのがよい。なお、検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の代わりに、指令位置に対する機械位置の応答特性を模擬するモデルを用いてもよい。
【００６０】
図８に示した結果と同じ運動軌跡誤差発生範囲における、指令位置Ｐｒ（ｎ）と検出位置（Ｐｆｂ（ｎ））の誤差Ｅ（ｎ）の変化率を図９に示す。図９によると、ｉ番目のデータより前では誤差Ｅ（ｎ）が急激に変化している。誤差Ｅ（ｎ）の変化率が予め設定されたしきい値以下となるデータ番号ｉをサーチし、補正後の機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の誤差Ｅ２のｉ番目より後のデータを２次の時間関数として近似し、近似式により算出した位置を機械位置Ｐａ（ｎ）から再度差し引くことで再補正を行う。なお、誤差Ｅ（ｎ）の変化率のしきい値の目安は、指令位置および検出位置の位置分解能である。
【００６１】
補正後の機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の誤差Ｅ２のｉ番目より後のデータを使って再度補正した後の、機械位置Ｐａ（ｎ）と検出位置Ｐｆｂ（ｎ）の誤差を図１０に示す。図１０によると、２．５５秒より前の誤差は残るものの、補正前に現れていた波形全体が反るような誤差は取り除かれており、コーナ部のように急激な加減速を伴う運動においても加速度の測定誤差および積分による誤差を補正でき、機械運動軌跡を高精度に算出できる。
【００６２】
補正が終了した結果は機械位置データＰａ（ｎ）として保存され、測定開始時刻ｔｓの番号ｎが測定開始時刻ｔｓの数Ｎより小さい場合には、番号ｎに１を加算して機械運動軌跡測定用データ抽出手段１８に戻り、測定開始時刻ｔｓの番号ｎが測定開始時刻ｔｓの数Ｎに達するまで加速度積分手段１９および積分誤差補正手段２０の処理が繰り返される。これにより、すべての運動軌跡誤差発生範囲における機械位置を算出できる。なお、以上の処理は複数ある可動軸の全てについて行われ、複数軸の機械位置データから運動軌跡表示部１５において機械運動軌跡を合成する。
【００６３】
本発明による方法の有効性を確認するために、数値制御工作機械のＸＹ平面における機械運動軌跡を実際に測定した。比較対象として、現在実用に供されている測定方法である交差格子スケール法でも同じ測定を行った。
【００６４】
図１１は、半径１０ｍｍ、送り速度３０００ｍｍ／ｍｉｎの円運動を行ったときの機械運動軌跡を交差格子スケールにより測定した結果である。図は目標軌跡との差を拡大して表示しており、機械運動軌跡と同時に、検出部軌跡と目標軌跡も同時に示している。図１１によると、機械運動軌跡がＸ軸方向に長軸をもつ楕円形状になっているが、これはＸ軸方向の弾性変形によるものであり、本発明では測定対象としていない誤差である。本発明で測定対象としているのは、象限が切替わる部分で生じている突起状の誤差（象限突起）および軌跡上の振動であるが、機械運動軌跡上には検出部軌跡とは異なる振動や象限突起が現れていることがわかる。
【００６５】
図１２には、本発明の機械運動軌跡測定装置による機械運動軌跡の測定結果を示す。図１２には運動軌跡誤差発生範囲として判別された部分が示されており、その範囲の機械運動軌跡が表示されている。図１２に示すように、本発明の機械運動軌跡測定装置で加速度を用いて機械運動軌跡を測定した場合であっても、交差格子スケールにより機械運動軌跡を測定した場合と同様に、機械運動軌跡上に生じる振動や象限突起が的確に表示することができる。
【００６６】
図１３は、正方形の軌跡を指令したときの交差格子スケールによる機械運動軌跡の測定結果であり、目標軌跡との誤差を拡大して表示している。四隅のコーナ部では加速度が急激に変化するため、振動が生じやすいことが知られており、図１３によると、検出部軌跡にはみられない振動が機械運動軌跡上に生じていることがわかる。
【００６７】
本発明の機械運動軌跡測定装置による機械運動軌跡の測定結果を図１４に示す。図１４において四角で囲まれた部分が、本発明の方法により軌跡誤差が生じやすいと判定された運動軌跡誤差発生範囲であり、その範囲の機械運動軌跡が表示されている。図１４に示すように、本発明の機械運動軌跡測定装置で加速度を用いて機械運動軌跡を測定した場合であっても、交差格子スケールにより機械運動軌跡を測定した場合と同様に、検出部軌跡にはみられない振動を測定することができている。本発明の機械運動軌跡測定装置によれば、コーナ部のような場合にも機械運動軌跡を的確に測定できる。
【００６８】
すなわち、本発明の機械運動軌跡の測定表示装置により、運動軌跡誤差発生範囲を自動的に判別し、その部分の機械運動軌跡を加速度計により的確に測定できることがわかる。また、指令軌跡、検出部軌跡、および機械運動軌跡を重ねて表示することにより、機械運動軌跡に誤差が発生した場合に、軌跡誤差がどの段階で発生しているのかを明確に示すことができる。
【００６９】
図１５には３次元的な機械運動軌跡の測定例を示す。図１５に示す軌跡は、まず機械のＸ軸をプラス方向に移動させ、次にＹ軸をプラス方向に移動させ、さらにＺ軸をプラス方向に移動させた場合の軌跡である。本発明の方法によれば、図１５に示すように、３次元的な軌跡でも運動軌跡誤差発生範囲を判別して機械運動軌跡を測定できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、この発明に係る機械運動軌跡測定装置は、数値制御工作機械やロボットにおいて、機械の運動軌跡を測定するのに適している。
【符号の説明】
【００７１】
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  運動軌跡測定部
１５  運動軌跡表示部
１６  工具
１７  工作物
１８  機械運動軌跡測定用データ抽出手段
１９  加速度積分手段
２０  積分誤差補正手段
【図１】
2010067651.tif 000005
【図２】
2010067651.tif 000006
【図３】
2010067651.tif 000007
【図４】
2010067651.tif 000008
【図５】
2010067651.tif 000009
【図６】
2010067651.tif 000010
【図７】
2010067651.tif 000011
【図８】
2010067651.tif 000012
【図９】
2010067651.tif 000013
【図１０】
2010067651.tif 000014
【図１１】
2010067651.tif 000015
【図１２】
2010067651.tif 000016
【図１３】
2010067651.tif 000017
【図１４】
2010067651.tif 000018
【図１５】
2010067651.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月10日(2011.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動軸を駆動するための複数の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工具とワークテーブルとの相対位置を制御する装置における前記機械の工具とワークテーブルの相対運動の運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定装置であって、
前記機械の工具またはワークテーブルの加速度を測定するための加速度計と、
前記加速度を２階積分して機械位置を得るとともに、前記機械位置のプロファイルが、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは前記検出位置のプロファイルと略一致するように前記機械位置を補正し、補正された機械位置の軌跡を前記機械の運動軌跡として測定する運動軌跡測定部と、を備えることを特徴とする機械運動軌跡測定装置。
【請求項２】
前記運動軌跡測定部は、軌跡誤差が生じると推定される運動軌跡誤差発生範囲を抽出する機械運動軌跡測定用データ抽出手段を備え、
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記加速度を２階積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項１に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項３】
前記機械運動軌跡測定用データ抽出手段は、前記指令位置を微分して得る指令速度の符号が反転する時刻と、前記指令位置を３階微分して得る加速度の変化率が予め設定されたしきい値を超える時刻とを記録し、前記指令位置に対する前記検出位置の遅れ時間を前記時刻に加算して開始時刻を算出し、前記開始時刻から一定時間が経過するまでを、前記運動軌跡誤差発生範囲と判別して抽出することを特徴とする請求項２に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項４】
前記機械運動軌跡測定用データ抽出手段は、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて前記機械の運動軌跡を推定し、推定された前記運動軌跡と目標軌跡との間に生じる軌跡誤差が予め設定した許容値を超える範囲を、前記運動軌跡誤差発生範囲と判別して抽出することを特徴とする請求項２に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項５】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における加速度を積分する際に、前記検出位置を微分して検出速度を算出し、前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記検出速度を初期値として前記加速度を積分することで機械速度を算出し、さらに前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記検出位置を初期値として前記機械速度を積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項６】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における加速度を積分する際に、前記指令位置に対する前記機械の位置の応答特性を模擬するモデルを用いて前記推定位置および推定速度を算出し、前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記推定速度を初期値として前記加速度を積分することで機械速度を算出し、さらに前記運動軌跡誤差発生範囲の最初の時刻における前記推定位置を初期値として前記機械速度を積分することで前記機械位置を得ることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項７】
前記運動軌跡測定部は、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記機械位置と、前記推定位置または前記検出位置との誤差を算出し、算出された前記誤差を２次の時間関数として近似し、近似式により算出した位置を前記機械位置から差し引いて前記機械位置を補正することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項８】
前記運動軌跡測定部は、前記補正された機械位置と、前記推定位置または前記検出位置との誤差が予め設定したしきい値以上である場合に、前記指令位置と、前記検出位置または前記推定位置との誤差の変化率を算出し、前記変化率が予め設定したしきい値以下となる範囲における前記推定位置または前記検出位置を抽出し、前記抽出された検出位置または前記抽出された推定位置と前記補正された機械位置との誤差を再度算出し、再度算出された誤差を２次の関数として近似し、その近似式により算出した位置を前記補正された機械位置から差し引いて前記機械位置を再度補正することを特徴とする請求項７に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項９】
前記運動軌跡測定部は、前記加速度の測定結果をその測定周期よりも短い間隔で内挿してから積分することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１０】
前記機械の運動軌跡を表示する運動軌跡表示部をさらに備え、
前記運動軌跡測定部は、指令生成部に入力される目標位置から目標軌跡を合成し、前記指令生成部から出力される指令位置から指令軌跡を合成し、前記検出位置から検出部軌跡を合成し、前記目標軌跡、前記指令軌跡または前記検出部軌跡の少なくともいずれか一の軌跡と、前記機械の運動軌跡とを重ねて前記運動軌跡表示部に表示させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１１】
前記運動軌跡表示部に表示される前記機械の運動軌跡は、前記運動軌跡誤差発生範囲における前記機械の運動軌跡であることを特徴とする請求項１０に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１２】
前記運動軌跡表示部は、前記指令軌跡、前記検出部軌跡および前記機械の運動軌跡と、前記目標軌跡との間の前記目標軌跡に対する法線方向の誤差をそれぞれ拡大して表示することを特徴とする請求項１０または１１に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１３】
前記運動軌跡表示部は、前記指令軌跡と前記検出部軌跡、前記指令軌跡と前記機械の運動軌跡、または前記検出部軌跡と前記機械運動軌跡との間の前記目標軌跡に対する法線方向の誤差を拡大して表示することを特徴とする請求項１０または１１に記載の機械運動軌跡測定装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の機械運動軌跡測定装置を備えることを特徴とする数値制御工作機械。
【請求項１５】
複数の可動軸を駆動するための複数の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工具とワークテーブルとの相対位置を制御する装置における前記機械の工具とワークテーブルの運動軌跡を測定する機械運動軌跡測定方法であって、
加速度計により前記機械の工具またはワークテーブルの加速度を測定し、
前記加速度を２階積分して機械位置を計算し、
前記機械位置のプロファイルが，前記指令位置に対する前記機械の位置の応答性を模擬するモデルにより推定される推定位置のプロファイルまたは前記検出位置のプロファイルと略一致するように前記機械位置を補正し、補正された機械位置の軌跡を前記機械の運動軌跡として測定することを特徴とする機械運動軌跡測定方法。
【国際調査報告】
2010067651.tif 000020
2010067651.tif 000021
2010067651.tif 000022
2010067651.tif 000023