(57)【要約】【課題】２つの駆動系の角度誤差や移動体の姿勢を容易に補正すること。【解決手段】重力軸に取り付けられたテーブル３（７）を２つのボールネジ（３，４）とサーボモータ（１，２）を使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４（８）が移動する構成の工作機械において、テーブル４（８）の水平方向位置をリニアスケールもしくはテーブル４（８）を駆動するモータのエンコーダから得られた位置信号を２軸の各サーボモータに与えるトルクを演算する演算器に与え、該トルクを該２軸のサーボモータのトルク指令に足し込むことを特徴とするバランス調整装置。【選択図】　　図１
2004009176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重力軸に取り付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、
テーブル４の水平方向位置をリニアスケールもしくはテーブル４を駆動するモータのエンコーダから得られた位置信号を２軸の各サーボモータに与えるトルクを演算する演算器に与え、該トルクを該２軸のサーボモータのトルク指令に足し込むことを特徴とするバランス調整装置。
【請求項２】
重力軸に取り付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、
テーブル４の水平方向位置をリニアスケールもしくはテーブル４を駆動するモータのエンコーダから得られた位置信号を２軸の各サーボモータに与えるトルクを演算する演算器に与え、該トルクと該２軸のボールネジとサーボモータからなる機械の共振周波数と反共振周波数から得られる該機械のバネ定数から、演算されるテーブル１とテーブル２の変位量をサーボモータの位置指令に足し込むことを特徴とするバランス調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、門形マシニングセンタなどの工作機械において、クロスレールに沿って主軸頭が移動する時に生じる主軸頭の左右運動真直度の変動を調整するバランス調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主軸頭の左右運動の水平真直精度を維持する技術としては、特開平９―９４７３５に示すように、主軸の位置を検出し、検出位置から演算した補正信号を各々のボールネジの位置指令に足し込み主軸を補正することを特徴とするものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、主軸の位置に合わせて、ボールネジの回転位置を補正するという方法を取っているが、本来与えた指令に足し込むように補正指令を与えた場合、位置指令の払い出し時間は、速度制御内のサンプリング時間に比べて遅い為、動的に補正を行う場合には、逆にヨーイング動作が発生する事が予想される。
本発明に関わる門形工作機械では、主軸ヘッドの位置により、ボールネジ１とボールネジ２に加わる外力が変わる為、ボールネジ１とボールネジ２のたわみが発生する。そのたわみにより、主軸の重力方向の位置が変化する。初期設定として、主軸位置がクロスレールの中央に有り、２つのモータ軸端の同期が取れていたとしても、主軸の位置がクロスレール上を移動することにより、ボールネジのたわみが発生し、クロスレールは、図１の下図となってしまう。現在、工作機械の要求精度は、１μｍ／パルスの分解能で、１〜２μｍである。また近年、サブμｍオーダーの分解能が要求されており、切削精度も、１μｍ以内となっている。
例えば、ボールネジのバネ定数が１００＊１０６Ｎ／ｍで、テーブル重量が１５０ｋｇであった場合、１軸の自重によりテーブルｚ軸方向の変位量は、約１５μｍとなる。ボールネジのリードを２０ｍｍで、モータイナーシャが、１３．９＊１０−４ｋｇｍ２の時、共振周波数１８８Ｈｚであり、反共振周波数が１３０Ｈｚとなるような一般的は工作機械を仮定する。図１のようにクロスレールが付く場合、クロスレール（長さ：１０００ｍｍ）と主軸の重量がそれぞれ、１００ｋｇと５０ｋｇとしてクロスレール上の主軸が中央から左側に３００ｍｍ離れた場合のボールネジのたわみ量を調べる。この時、たわみによりボールネジ１のテーブルの変位は、−３μｍでボールネジ２のテーブルの変位は、５μｍである。ボールネジ１と２のテーブルの変位差は、８μｍとなる。８μｍという同期誤差は、無視できない値である。
この変位の差が、ｚ軸方向から切削する時には、切り込み過ぎたり、切り込み足りなかったりという原因になり、加工表面の筋目として現れる。
同期誤差には、静的な同期誤差と動的な誤差があり、静的な同期誤差とは、主軸位置が変わった時にボールネジ１と２にかかる外力により、ボールネジ１、２が伸縮し、テーブル１、２の位置ずれをあらわす。上記の例で上げたものである。また動的な誤差は、テーブル２が加減速する時に発生し、ボールネジ１，２にかかる外力である。例えば、上記と同じように、クロスレール（長さ：１０００ｍｍ）と主軸の重量がそれぞれ１００ｋｇと５０ｋｇとしてクロスレール上の主軸が中央から左（テーブル１側）に３００ｍｍ離れた場合のテーブル１とテーブル２にかかる外力を調べる。その時、テーブル１にかかる外力は、８８２Ｎで、テーブル２にかかる外力は、５８８Ｎである。テーブル１、２にかかる外力が異なる為、同期誤差が発生する。静的な同期誤差の補正方法は、従来技術と同じように、位置のフィードバック信号を指令信号に加える為、本発明と同じであるが、実施の形態が正確に示されていない為、実現が困難である。また、動的な誤差の補正に関しては、積極的な補正方法を述べたものが見当たらない。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解消し、２つの駆動系の角度誤差や移動体の姿勢を容易に補正することができるバランス調整装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、重力軸に取り付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、テーブル４の水平方向位置をリニアスケールもしくはテーブル４を駆動するモータのエンコーダから得られた位置信号を２軸の各サーボモータに与えるトルクを演算する演算器に与え、該トルクを該２軸のサーボモータのトルク指令に足し込むことを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、門形マシニングセンタの概略図である。１、２はサーボモータであり、３、４はボールネジである。５、６はボールネジ１、２に取り付けられたテーブル１、２であり、７は上下方向に移動するテーブル３であり、８は、テーブル３上を左右方向に移動するテーブル４である。テーブル４を駆動するサーボモータ３が９であり、そのサーボモータと結合されているボールネジが１０である。さらにテーブル４の上に取り付けられた主軸が１１である。図１において、主軸が左に移動するとサーボモータ１，２のトルクが変動し、左のテーブル端が右のテーブル端に比べて下がる。この関係は数式で表すことができる。テーブル２の移動距離をＸ（テーブル４がサーボモータ３から一番遠い時を原点とし、一番近い時が、Ｘとなる。）とし、テーブル３の重心位置をＬ（＝テーブル３の駆動距離／２）とする。また、テーブル３の重量をＷｔ＊ｇとし、テーブル４と主軸を合わせた重量をＷｍ＊ｇとする。テーブル３の移動距離により、サーボモータ１とサーボモータ２にかかる外乱トルクは、以下の２式を使って得られる。
垂直方向の力
【０００７】
Ｄｉｓ１＋Ｄｉｓ２＝（Ｗｍ＋Ｗｔ）＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
Ｄｉｓ１、Ｄｉｓ２は、テーブル１、２にかかる外力を表す。
テーブル１周りの回転モーメントは、０より
Ｗｍ＊ｇ＊Ｘ＋Ｗｔ＊ｇ＊Ｌ＝Ｄｉｓ２＊２Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
（１）、（２）式より、
Ｄｉｓ１＝Ｗｔ＊ｇ／２＋（１−Ｘ／２Ｌ）＊Ｗｍ＊ｇ　　　　　　　　　　　　（３）
Ｄｉｓ２＝（Ｗｔ／２＋Ｗｍ＊Ｘ／２Ｌ）＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
【０００８】
（３）、（４）式で、テーブル３の重量分の外力は、サーボモータ１、２のトルク指令に出ているとすると変動する外力は、以下の式となる。
【０００９】
Ｄｉｓ１＝（１−Ｘ／２Ｌ）＊Ｗｍ＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
Ｄｉｓ２＝（Ｗｍ＊Ｘ／２Ｌ）＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
しかし、（５）、（６）式では、Ｘ＝０でサーボモータ１にかかる外力がＷｍ＊ｇで、ステップ状の外乱となる。また、サーボモータ２にかかる外力が０となる。これにより、サーボモータ１とボールネジ１からなる機械は、単振動を起す。その為、中心軸からの距離ｄを使うことにする。
ｘ＝Ｌ−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
（５）、（６）、（７）式から（８）、（９）式となる。
Ｄｉｓ１＝（１／２＋ｄ／２Ｌ）Ｗｍｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
Ｄｉｓ２＝（１／２−ｄ／２Ｌ）Ｗｍｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）
【００１０】
（８）、（９）式は、テーブル４が重心位置Ｌにある時に、サーボモータ１、２にそれぞれトルク補償がされていた場合、実際に、テーブル４の移動による外力の変動は、
Ｄｉｓ１＝（ｄ／２Ｌ）Ｗｍｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
Ｄｉｓ２＝−（ｄ／２Ｌ）Ｗｍｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
の式に簡単化される。
【００１１】
（１０）、（１１）式に直線系を回転系にする変換定数（ｐ／２π）を掛けるとモータにかかるトルクとなる。
ｐは、ボールネジのリードの長さである。
τ１＝Ｄｉｓ１＊（ｐ／２π）
τ２＝Ｄｉｓ２＊（ｐ／２π）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）
τ１、τ２は、サーボモータ１、２にかかる外乱トルクである。
【００１２】
第１の実施例で必要になる変位量算出の原理を説明する。
補正には、ボールネジ系の伸縮計算をする。その計算には、ばね定数、Ｊｍ（モータイナーシャ）、Ｊｌ（負荷イナーシャ）が必要となる。
（ｉ）予めカタログなどで、ばね定数がわかっている場合
δｘ１＝Ｄｉｓ１／Ｋ１
δｘ２＝Ｄｉｓ２／Ｋ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１３）
により、たわみδｘ１、δｘ２が計算される。Ｄｉｓ１，Ｄｉｓ２は、テーブル１、２にそれぞれかかる外力であり、Ｋ１、Ｋ２はカタログに書かれている値である。
【００１３】
（ｉｉ）ばね定数が既知でない場合
予めボールネジ１、２とテーブル１、２とサーボモータ１，２からなる機械の周波数特性を調べておく。この周波数特性から、共振周波数と反共振周波数が得られる。
共振周波数は
ｆｒ＝（１／２π）（Ｋ（１／Ｊｍ＋１／Ｊｌ））１／２（１４）
反共振周波数は
ｆａ＝（１／２π）（Ｋ／Ｊｌ）１／２（１５）
【００１４】
という関係式があり、それぞれＫは、ボールネジとテーブルとサーボモータからなる機械のばね定数であり、Ｊｍはサーボモータのイナーシャ、Ｊｌはボールネジとテーブルからなるイナーシャである。ボールネジ１とテーブル１とサーボモータ１で得られたばね定数をＫ１とし、ボールネジ２とテーブル２とサーボモータ２からなる機械のばね定数をＫ２とする。（１４）、（１５）式から
【００１５】
Ｊｌ＝Ｊｍ（ｆｒ／ｆａ）２−Ｊｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１６）
（１６）式を（１５）式に代入すると
Ｋ＝（２π＊ｆａ）２Ｊｍ｛（ｆｒ／ｆａ）２−１｝　　　　　　　　　　　　　　　　（１７）
【００１６】
が得られる。
Ｊｍは、予めモータのカタログより演算できる為、（１７）式より、ばね定数Ｋが計算できる。それぞれのばね定数Ｋ１、Ｋ２を求めておく。
（ｉｉｉ）（ｉｉ）のように周波数特性が得られない場合
ボールネジ１、２とテーブル１、２とサーボモータ１、２からなる機械で、速度及び位置制御が組まれている場合制御パラメータの値を大きくしていくと振動が発生する。その振動を加速度計もしくは、トルクをモニタすることにより、振動周波数がわかる。その振動周波数は、（１４）式に上げた共振周波数である。制御ループが組まれている場合、予め、ＪｍのサーボモータイナーシャとＪｌのボールネジとテーブルからなる負荷イナーシャの比Ｊｌ／Ｊｍは、イナーシャ同定して負荷イナーシャと求めることはできる。また、イナーシャ同定されなくとも、速度ループゲインを調整する為、負荷イナーシャはカタログなどでわかっている。
イナーシャ比が得られると（１４）式を変形して、
【００１７】
【数１】
2004009176.tif 000003
【００１８】
となる。
さらに（１８）式を展開して、
【００１９】
【数２】
2004009176.tif 000004
【００２０】
となる。
Ｊｍは予めカタログで分かっており、また、共振周波数とイナーシャ比は、分かっているので、ばね定数Ｋが（１９）式を使って求められる。
（１７）式と（１９）式のばね定数Ｋは、回転方向のばね定数である為、直線方向のばね定数Ｋ’に変換する。
Ｋ’＝Ｋ（２π／Ｐ）２（２０）
この変換を行ったばね定数Ｋ１、Ｋ２は、Ｋ１’，Ｋ２’として得られる。ｐはボールネジのリードである。リードはカタログより得られる。
（２０）式と外乱Ｄｉｓ１，Ｄｉｓ２の関係式は、
δｘ１＝Ｄｉｓ１／Ｋ１’
δｘ２＝Ｄｉｓ２／Ｋ２’　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２１）
【００２１】
このばね定数と外乱からテーブル１とテーブル２の変位量が得られる。（２１）式は、直線の変位量である。この変位量をパルス換算して、位置指令に足し込む事により、静的な補正が可能である。図３に示す１７の変換装置は、ばね定数と変位量をサーボモータのパルスに変換する装置である。
１μｍあたりの１パルスであった時、（２１）はパルス換算して、
δｒ１＝δｘ１
δｒ２＝δｘ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２２）
となる。δｒ１、δｒ２の単位はパルスである。
【００２２】
第１の実施例を図２を使って説明する。
サーボモータ１とボールネジ１とテーブル１とからなる機構系を含む位置制御系が１３であり、位置制御系に入力される位置指令が１２である。同様に、サーボモータ２とボールネジ２とテーブル２とからなる機構系を含む位置制御系が１４である。８のテーブル４が移動する事により、エンコーダ１５には、その移動パルスが、トルク演算器１６に入力される。トルク演算器に入力されたパルスを使って、（１０）〜（１２）の演算を行った後、トルクを出力する。そのトルクを使って、変換装置１、２において（２１）、（２２）の演算を行う。得られた値の単位は、パルスである。その値を位置指令に入力することにより、テーブル３が移動しても、テーブル１、２の絶対位置がずれる事はない。
第１の実施例をシミュレーションで行った結果を図６に示す。シミュレーション結果は、全てテーブル１とテーブル２の位置の偏差信号を表している。
モータの位置制御のみを使用した場合の結果は、図５であり、この場合、負荷位置が変化しても、変化分が補正されていない為、０に戻らない。その結果、テーブル１とテーブル２が傾いた状態になる。それに対して、第１の実施例のシミュレーション結果では、テーブル１とテーブル２の定常状態での偏差が０になっている事がわかる。
【００２３】
次に第２の実施例を図３を使って説明する。
静的な同期誤差を補正する必要がある為、図２に動的な補正装置を加えた図となっている。動的な補正装置のみの説明をここで行う。サーボモータ１の位置制御系が１３であり、サーボモータ２の位置制御系が１４である。テーブル４の場所が、左に移動した時に、サーボモータ３のエンコーダ１５の信号を１６のトルク演算器に入力する。トルク演算器では、（１２）式のトルクが演算され、さらにフィルタに通過させて、Ｔ１とＴ２を出力させる。フィルタの構造を図４で説明し、式を導出する。
図４は、モータモデル２４と負荷モデル２５の２慣性系システムである。負荷モデルにかかる外乱トルク２３は、（１２）式で表せるものであった。その外乱トルク２３からモータ反力２０までの伝達関数で表すと、次式となる。
【００２４】
【数３】
2004009176.tif 000005
【００２５】
Ｔｍはモータ反力２０を表し、Ｔは、τ１とτ２の外乱２３を表している。
（５）式の伝達関数を次式の２次フィルタとゲインで表すことができる。
【００２６】
【数４】
2004009176.tif 000006
【００２７】
ω０は、２慣性系の共振角周波数である。共振角周波数の計算は、（２５）式で示す。
（２４）式では、フィルタに粘性係数ζが入っていないので、（２６）式に変形する。フィルタの式は、（２６）となる。
【００２８】
【数５】
2004009176.tif 000007
【００２９】
Ｔｍは、図２の推定トルクＴ１とＴ２に対応し、この推定トルクをモータのトルク指令に入れることにより、動的同期誤差を補正することができる。第２の実施例を使ったシミュレーション結果を図７に示す。動的な補正を行っている為、図６（第１の実施例の結果）での過渡状態で、７０μｍ程度の偏差が出ていたものが、図７では、過渡状態においても、２．５μｍ程度に小さくなっている事がわかる。過渡状態でも、定常状態でも良好な結果が得られ、効果が確認できる。
【００３０】
【発明の効果】
重力軸に取り付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、テーブル４の水平方向位置をリニアスケールもしくはテーブル４を駆動するモータのエンコーダから得られた位置信号を２軸の各サーボモータに与えるトルクを演算する演算器に与え、該トルクを該２軸のサーボモータのトルク指令に足し込むので、２つの駆動系の角度誤差や移動体の姿勢を容易に補正することができ、動的にも静的にも同期誤差を補正し、主軸のバランス調整ができるバランス調整装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】門形マシニングセンタの概略図
【図２】本発明の第一の実施例
【図３】本発明の第二の実施例
【図４】補正トルクを生成する為の２次フィルタの設計方法
【図５】本発明の装置が適用されていない場合のシミュレーション結果
【図６】本発明の第一の実施例を示すシミュレーション結果
【図７】本発明の第二の実施例を示すシミュレーション結果
【符号の説明】
１　サーボモータ１
２　サーボモータ２
３　ボールネジ１
４　ボールネジ２
５　テーブル１
６　テーブル２
７　テーブル３
８　テーブル４
９　サーボモータ３
１０　ボールネジ３
１１　主軸
１２　位置指令
１３　サーボモータ１側の位置制御系
１４　サーボモータ２側の位置制御系
１５　サーボモータ３のエンコーダ信号
１６　トルク演算器
１７　変換装置１
１８　変換装置２
１９　モータ反力
２０　モータトルク
２１　モータ速度
２２　負荷速度
２３　外乱
２４　モータモデル（サーボモータ１、２のモデル）
２５　負荷モデル（テーブル１、２のモデル）
２６　バネモデル（差速度を力に変換する）
【図１】
2004009176.tif 000008
【図２】
2004009176.tif 000009
【図３】
2004009176.tif 000010
【図４】
2004009176.tif 000011
【図５】
2004009176.tif 000012
【図６】
2004009176.tif 000013
【図７】
2004009176.tif 000014