(57)【要約】【課題】速度指令のテーブルを作成することなく制御対象を位置決めできる位置決め制御装置を提供する。【解決手段】位置決め制御装置は、制御対象を目標位置に停止させる場合の現在位置を検出する位置検出器１０４x，１０４y，１０４zと、現在位置と目標位置との相対距離から速度指令を演算する速度指令演算手段１６と、速度指令と制御対象の現在位置における実測度とにもとづき制御対象を速度制御する速度制御ユニット１７，１８，１９とを有する。【選択図】図１
2006338283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面または空間上で制御対象を位置決めする位置決め制御装置において、
前記制御対象を目標位置に停止させる場合の現在位置を検出する位置検出手段と、
前記現在位置と前記目標位置との相対距離から速度指令を演算する速度指令演算手段と、
前記速度指令と前記制御対象の現在位置における実速度とにもとづき制御対象を速度制御する速度制御手段と、
を有することを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
前記速度指令演算手段は、
制御対象移動速度を入力し、時間に対する速度勾配を有するランプ状制御対象移動速度を出力するランプ関数器と、
ランプ状制御対象移動速度を入力し、制御対象移動速度の最大値を上限リミットとし、ランプ状制御対象移動速度を制限し、制限付きランプ状制御対象移動速度を出力するリミット回路と、
制限付きランプ状制御対象移動速度と、現在位置と、目標位置と、減速レートとを入力し、速度指令の各軸の速度指令成分を出力する速度指令演算回路と
を有することを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御装置。
【請求項３】
前記制御対象が、電動機により駆動されるカッタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置決め制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め制御装置、特に、制御対象が電動機である電動機位置決め制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の位置決め制御装置として、図６に記載の位置決め制御装置３９が知られている。この従来の位置決め制御装置は、フィードバックループ制御系によって電動機（図示せず）を制御するものである。この御装置３９の構成について説明する。
【０００３】
図６に示すように、カッタを駆動する電動機を制御する制御装置３９は、減算器１０５，位置制御器１０１，減算器１０６，速度制御器１０２，減算器１０７を備える。制御対象２２は、電動機および機械的負荷を含むものとする。
【０００４】
減算器１０５は、位置指令設定器１００による位置指令信号Ｘ*と、位置フィードバックループ内でレゾルバやエンコーダ等の位置検出器１０４で検出される電動機の実位置信号Ｘとを入力し、位置指令信号Ｘ*から実位置信号Ｘを減算し、演算結果により得られる位置偏差εpを位置制御器１０１に出力する。
【０００５】
位置制御器１０１は、位置偏差εpを入力し、位置偏差εpが零になるように速度指令信号Ｖ*を減算器１０６に出力し、位置フィードバックループにより制御対象２２の位置を制御する。
【０００６】
減算器１０６は、速度指令Ｖ*と、速度フィードバックループ内でエンコーダ等の速度検出器１０３で検出した電動機の回転数から演算されるカッタ台の実速度Ｖ（カッタ移動速度に相当する）とを入力し、速度指令Ｖ*から実速度Ｖとを減算し、演算結果により得られる速度偏差εvを速度制御器１０２に出力する。
【０００７】
速度制御器１０２は、速度偏差εvを入力し、速度偏差εvが零になるように電流指令値Ｉ*を減算器１０７に出力する。
【０００８】
減算器１０７は、電流指令値Ｉ*と、電流フィードバックループ内で電動機の巻線に配設される電流センサ（図示せず）によるモータ実電流値Ｉとを入力し、電流指令値Ｉ*からモータ実電流値Ｉを減算し、演算結果により得られる電流偏差εIを制御対象２２に加える。制御対象２２である電動機は、電流偏差εIが零になるように電流制御される。結局カッタ台の実速度信号Ｖが速度指令信号Ｖ*に一致すると電動機に印加する電流値が零となりモータの発生トルクが零となり加速しなくなる。すなわち、電動機の速度がある目標値に定速制御される。
【０００９】
一方、目標位置までの移動距離と、その制御装置の加速および減速レートにより最高速度まで加速できる場合、すなわち、速度パターンが台形になる場合とそうでない場合、例えば、三角形の場合に分け、制御装置のスキャン毎の速度指令値Ｖ*のテーブルを作成することにより位置決め制御することが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の制御装置では、速度指令のテーブルを作成する演算の処理時間が長くなるため、予め、速度指令のテーブルを作成しておかざるを得ない。その結果として、例えば、制御対象の移動中に目標位置を変更して位置決めすることができないという問題が生じる虞がある。また、各位置決め工程について、それぞれの速度指令テーブルを作成しておかなければならないため、演算装置のメモリ容量の制限を受け、多量の位置決めパターンを持つことができないという問題が生じる虞がある。
【００１１】
本発明の目的は、速度指令のテーブルを作成することなく制御対象を位置決めできる位置決め制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、平面または空間上で制御対象を位置決めする位置決め制御装置において、制御対象を目標位置に停止させる場合の現在位置を検出する位置検出手段と、現在位置と目標位置との相対距離から速度指令を演算する速度指令演算手段と、速度指令と制御対象の現在位置における実速度とにもとづき制御対象を速度制御する速度制御手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、好適には、速度指令演算手段は、制御対象移動速度を入力し、時間に対する速度勾配を有するランプ状制御対象移動速度を出力するランプ関数器とランプ状制御対象移動速度を入力し、制御対象移動速度の最大値を上限リミットとし、ランプ状制御対象移動速度を制限し、制限付きランプ状制御対象移動速度を出力するリミット回路と、制限付きランプ状制御対象移動速度と、現在位置と、目標位置と、減速レートとを入力し、速度指令の各軸の速度指令成分を出力する速度指令演算回路とを有することを特徴とする。
【００１４】
さらに、好適には、制御対象が、電動機により駆動されるカッタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、速度指令のテーブルを作成することなく制御対象を位置決めできる。また、制御対象が移動中に目標位置を変更しても位置決めできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る電動機位置決め制御装置を３軸加工装置（カッタ）に適用した図を示す。図１（Ａ）は、３軸加工装置の平面図を示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における３軸加工装置の側面図を示す。
【００１８】
図２は、本発明に係る電動機位置決め制御装置が位置決め制御するときの現在位置と目標位置を示す図である。なお、Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する座標軸を示し、また、空間上の位置座標Ａ（ＸA，ＹA，ＺA）は、現在位置（Ａ点）を示し、位置座標Ｂ（ＸB，ＹB，ＺB）は、目標位置（Ｂ点）を示し、さらに、矢印は、現在位置から目標位置に至る有向直線の正方向を示す。
【００１９】
図３は、本発明に係る電動機位置決め制御装置におけるカッタ移動速度の速度パターンの一例を示す図である。横軸は、経過時間tを示し、縦軸は、カッタ移動速度Ｖを示す。
【００２０】
図４は、本発明に係る電動機位置決め制御装置を示す制御ブロック図である。なお、図４において、図６と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
【００２１】
図１に示すように、３軸加工装置１は、Ｘ軸テーブル２，Ｘ軸送り手段３，Ｘ軸駆動用電動機２２x，Ｘ軸位置検出器１０４x，Ｙ軸テーブル６，Ｙ軸送り手段７，Ｙ軸駆動用電動機２２y，Ｙ軸位置検出器１０４y，Ｚ軸テーブル１０，Ｚ軸送り手段１１，Ｚ軸駆動用電動機２２z，Ｚ軸位置検出器１０４z，カッタヘッド１４，電動機位置決め制御装置１５を備える。制御対象２２は、それぞれ駆動用電動機および負荷を含むとする。
【００２２】
Ｘ軸テーブル２は、Ｘ軸方向に往復移動できるように、Ｘ軸ガイド（図示せず）に案内され、Ｙ軸テーブル６およびＺ軸テーブル１０を搭載する構成とする。
【００２３】
Ｘ軸送り手段３は、例えば、ナットと組合せる送りねじを回転駆動することによって、Ｘ軸テーブル２をＸ軸ガイド上に往復移動できるように、Ｘ軸駆動用電動機２２xの回転運動を直線運動に変換する機械要素である。
【００２４】
Ｘ軸駆動用電動機２２xは、Ｘ軸テーブル２をＸ軸方向に往復移動するための駆動源である。
【００２５】
Ｘ軸位置検出器１０４xは、Ｘ軸テーブル２のＸ軸方向の移動量を検出する検出器であり、Ｘ軸速度検出器（図示せず）による速度を時間積分して位置検出する。
【００２６】
Ｙ軸テーブル６は、Ｙ軸方向に往復移動できるように、Ｙ軸ガイド（図示せず）に案内され、Ｘテーブル２上に配設され、かつ、Ｚ軸テーブル１０を搭載する構成とする。
【００２７】
Ｙ軸送り手段７は、Ｘ軸送り手段３と同様に、Ｙ軸テーブル６を移動できるように、Ｙ軸駆動用電動機８の回転運動を直線運動に変換する機械要素である。
【００２８】
Ｙ軸駆動用電動機２２yは、Ｙ軸テーブル６をＹ軸方向に往復移動するための駆動源である。
【００２９】
Ｙ軸位置検出器１０４yは、Ｙ軸テーブル６のＹ軸方向の移動量を検出する検出器であり、Ｙ軸速度検出器（図示せず）による速度を時間積分して位置検出する。
【００３０】
Ｚ軸テーブル１０は、Ｚ軸方向に往復移動できるように、Ｚ軸ガイド（図示せず）に案内され、Ｙ軸テーブル６上に配設される構成とする。
【００３１】
Ｚ軸送り手段１１は、Ｙ軸送り手段７と同様に、Ｚ軸テーブル１０を移動できるように、Ｚ軸駆動用電動機の回転運動を直線運動に変換する機械要素である。
【００３２】
Ｚ軸駆動用電動機２２zは、Ｚ軸テーブル１０をＺ軸方向に往復移動するための駆動源である。
【００３３】
Ｚ軸位置検出器１０４zは、Ｚ軸テーブル１０のＺ軸方向の移動量を検出する検出器であり、Ｙ軸速度検出器（図示せず）による速度を時間積分して位置検出する。
【００３４】
カッタヘッド１４は、Ｚ軸テーブル１０上に配設されるカッタ（加工工具）を保持する構成とする。
【００３５】
図４に示すように、電動機位置決め制御装置１５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸共通に備える速度指令演算手段１６，Ｘ軸に対して、減算器１０６x，速度制御器１０２x，減算器１０７x，同様に、Ｙ軸に対して、減算器１０６y，速度制御器１０２y，減算器１０７y，さらに、Ｚ軸に対して、減算器１０６z，速度制御器１０２z，減算器１０７zを備える。
【００３６】
速度指令演算手段１６は、カッタ移動速度Ｖと、現在位置座標と、目標位置座標と、減速レートδを入力し、演算結果により得られる各座標軸方向の速度指令を減算器１０６xに出力する。Ｘ軸に対して、減算器１０６xは、Ｘ軸速度指令Ｖx*と、速度検出器１０３とによる実速度Ｖxを入力し、Ｘ軸速度指令Ｖx*から実速度Ｖxを減算し、演算結果により得られるＸ軸速度偏差εvxを速度制御器１０２xに出力する。
【００３７】
速度制御器１０２xは、Ｘ軸速度偏差εvxを入力し、Ｘ軸速度偏差εvxにＸ軸速度ゲイン定数を乗算し、演算結果により得られるＸ軸トルク指令つまり、Ｘ軸電流指令Ｉx*を減算器１０７xに出力する。
【００３８】
減算器１０７xは、Ｘ軸電流指令Ｉx*とＸ軸駆動用電動機２２xの巻線に配設される電流センサ（図示せず）による実電流Ｉxを入力し、演算結果により得られるＸ軸電流偏差εIxをＸ軸制御対象２２xに加える。Ｙ軸およびＺ軸については、Ｘ軸と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
図５は、本発明に係る電動機位置決め制御装置における速度指令演算手段１６を示す制御ブロック図である。
【００４０】
図５に示すように、速度指令演算手段１６は、ランプ関数器２５，リミット回路２６，速度成分演算回路２７を備える。
【００４１】
ランプ関数器２５は、カッタの移動速度とするカッタ移動速度を入力し、ランプ状カッタ移動速度ＶRをリミット回路２６に出力する。
【００４２】
リミット回路２６は、ランプ状カッタ移動速度ＶRを入力し、以下に示す式２で求めたカッタ移動速度の最大値Ｖmaxを上限リミットとし、ランプ状カッタ移動速度ＶRを制限し、制限付きランプ状カッタ移動速度ＶLを速度成分演算回路２７に出力する。
【００４３】
速度成分演算回路２７は、制限付きランプ状カッタ移動速度ＶLと、現在位置すなわち、位置座標Ａ（ＸA，ＹA，ＺA）と、目標位置すなわち、位置座標Ｂ（ＸB，ＹB，ＺB）と、減速レートδを入力し、速度指令Ｖ*の各軸の速度成分Ｖx*，Ｖy*，Ｖz*を演算し、減算器１０６x，１０６y，１０６zのそれぞれに出力する。
【００４４】
減算器１０６xは、Ｘ軸速度指令Ｖx*と、速度検出器１０３xによる実速度Ｖxを入力し、Ｘ軸速度指令Ｖx*から実速度Ｖxを減算し、演算結果により得られるＸ軸速度偏差εvxを速度制御器１０２xに出力する。
【００４５】
これにより、速度指令のテーブルを作成することなく駆動用電動機つまり制御対象を位置決めできる。
【００４６】
次に、電動機位置決め制御装置の動作について説明する。
【００４７】
図２に示すように、直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ａ点からＢ点への位置決めを行なう場合、目標位置までの距離Ｌは、
Ｌ＝√（（ＸB−ＸA）2＋（ＹB−ＹA）2＋（ＺB−ＺA）2）      （１）
となる。
【００４８】
先ず、Ａ点が、一定速度で移動している状態より、一定の減速レートδ（図３に示す区間Ｓd）で減速し始める点とし、目標位置Ｂ点に停止させるときの速度指令の生成方法について説明する。Ａ点から距離Ｌだけ離れた目標位置Ｂ点を通り過ぎることのないカッタ移動速度の最大値Ｖmaxは、
Ｖmax＝√（２δＬ）                                    （２）
となる。
【００４９】
一方、直線ＡＢの方向余弦は、
ＣＯＳα＝（ＸB―ＸA）／√（（ＸB−ＸA）2＋（ＹB−ＹA）2＋（ＺB−ＺA）2）
（３）
ＣＯＳβ＝（ＹB―ＹA）／√（（ＸB−ＸA）2＋（ＹB−ＹA）2＋（ＺB−ＺA）2）
（４）
ＣＯＳγ＝（ＺB―ＺA）／√（（ＸB−ＸA）2＋（ＹB−ＹA）2＋（ＺB−ＺA）2）
（５）
となる。
【００５０】
ここで、α，βおよびγは、有向直線ＡＢとＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸の正の向きとが作る角度をそれぞれ示す。
【００５１】
したがって、座標軸方向の速度成分Ｖx，Ｖy，Ｖzは、
Ｖx＝ＶmaxＣＯＳα＝Ｖmax×（ＸB―ＸA）／Ｌ              （６）
Ｖy＝ＶmaxＣＯＳβ＝Ｖmax×（ＹB―ＹA）／Ｌ              （７）
Ｖz＝ＶmaxＣＯＳγ＝Ｖmax×（ＺB―ＺA）／Ｌ              （８）
となる。ここで、Ｖx，ＶyおよびＶzは、速度ＶのＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸方向の速度成分をそれぞれ示す。
【００５２】
したがって、現在位置Ａ（ＸA，ＹA，ＺA）が検出できれば、式６〜式８によって、減速時における各座標軸方向の速度指令を求めることができる。ここで、速度指令の表示として、速度成分Ｖx，Ｖy，Ｖｚの代わりに＊印を付記し、Ｖx*，Ｖy*，Ｖz*とする。
【００５３】
次に、カッタ移動速度が、ゼロから加速する時および定常である時の速度指令の生成方法について説明する。
【００５４】
カッタ移動速度Ｖの加速時（図３に示す区間Ｓa）における速度指令は、カッタ移動速度Ｖを所望の傾斜を有するランプ関数器２５に入力することにより、速度指令とするランプ状カッタ移動速度ＶRをリミット回路２６に出力する。
【００５５】
また、カッタ移動速度Ｖの定常時（図３に示す区間Ｓf）における速度指令について、ランプ状カッタ移動速度ＶRをリミット回路２６に入力することにより、式２で求めたカッタ移動速度の最大値Ｖmaxを上限リミットとし、ランプ状カッタ移動速度ＶRを制限して、速度指令とする制限付きランプ状カッタ移動速度ＶLを速度成分演算回路２７に出力する。
【００５６】
一方、以上のように生成される制限付きランプ状カッタ移動速度ＶLと、現在位置すなわち、位置座標Ａ（ＸA，ＹA，ＺA）と、目標位置すなわち、位置座標Ｂ（ＸB，ＹB，ＺB）と、減速レートδを速度成分演算回路２７に入力すると、式１〜式８によって、速度指令Ｖ*の各軸の速度成分Ｖx*，Ｖy*，Ｖz*を演算し、減算器１０６x，１０６y，１０６zのそれぞれに出力する。
【００５７】
さらに、例えば、Ｘ軸についての位置および速度制御は、速度指令Ｖx*と速度検出器１０３xによる実速度Ｖxを減算器１０６xに入力すると、速度指令Ｖx*から実速度Ｖxを減算し、演算結果により得られる速度偏差εvxを速度制御器１０２xに出力する。速度偏差εvxを速度制御器１０２xに入力すると、速度偏差εvxに速度ゲイン定数を乗算し、演算結果により得られるトルク指令つまり、電流指令Ｉx*を減算器１０７xに出力する。電流指令Ｉx*と、電動機の巻線に配設される電流センサ（図示せず）による実電流値Ｉxを減算器１０７xに入力すると、電流指令Ｉx*から実電流値Ｉxを減算し、演算結果により得られる電流偏差εIxを制御対象２２xに加える。これにより、電流偏差εIxがゼロになるように電動機の速度および位置が制御され、電動機が目標速度および目標位置に制御できる。これにより、従来における速度指令のテーブルを作成することなく駆動用電動機つまり制御対象を位置決めできる。
【００５８】
以上、Ｘ軸についての位置および速度制御について説明したが、Ｙ軸およびＺ軸についても同様である。
【００５９】
以上の説明では、制御対象がロータリ式電動機の場合について、本発明を適用したが、ロータリ式電動機の代わりにリニア式電動機の場合についても、本発明は適用できる。また、さらに電動機のような電気アクチュエータの代わりに例えば、油圧アクチュエータや空気圧アクチュエータの場合についても、本発明を適用できる。
【００６０】
さらに、制御軸が３軸の場合について、本発明を適用できるが、２軸の場合についても本発明を適用できる。
【００６１】
また、本発明は、加工装置に適用したが、加工装置にとらわれず位置決めが必要な対象物に適用できる。
【００６２】
さらに、本発明は、速度パターンが台形状に対し、適用したが、三角形状に対しても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る電動機位置決め制御装置を３軸加工装置に適用した図を示す。
【図２】本発明に係る電動機位置決め制御装置が位置決め制御するときの現在位置と目標位置を示す図である。
【図３】本発明に係る電動機位置決め制御装置におけるカッタ移動速度の減速レートの一例を示す図である。
【図４】本発明に係る電動機位置決め制御装置を示す制御ブロック図である。
【図５】本発明に係る電動機位置決め制御装置における速度指令演算手段を示す図である。
【図６】従来技術の電動機位置決め制御装置を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  ＸＹＺ加工装置
２  Ｘ軸テーブル
３  Ｘ軸送り手段
６  Ｙ軸テーブル
７  Ｙ軸送り手段
１０  Ｚ軸テーブル
１１  Ｚ軸送り手段
１４  カッタヘッド
１５  電動機位置決め制御装置
１６  ＣＰＵ演算ユニット（速度指令演算手段）
１７  Ｘ軸電動機速度制御ユニット
１８  Ｙ軸電動機速度制御ユニット
１９  Ｚ軸電動機速度制御ユニット
２２x  Ｘ軸駆動用電動機（Ｘ軸制御対象）
２２y  Ｙ軸駆動用電動機（Ｙ軸制御対象）
２２z  Ｚ軸駆動用電動機（Ｚ軸制御対象）
２５  ランプ関数器
２６  リミット回路
２７  速度成分演算回路
３９  従来の電動機位置決め制御装置
１００  位置指令設定器
１０１  位置制御器
１０２  速度制御器
１０３  速度検出器
１０４  位置検出器
１０４x  Ｘ軸位置検出器
１０４y  Ｙ軸位置検出器
１０４z  Ｚ軸位置検出器
１０５  減算器
１０６  減算器
１０７  減算器
ＸA  Ｘ軸実位置信号
ＹA  Ｙ軸実位置信号
ＺA  Ｚ軸実位置信号
Ｖ*x  Ｘ軸速度指令信号
Ｖ*y  Ｙ軸速度指令信号
Ｖ*z  Ｚ軸速度指令信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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