(57)【要約】【課題】送り駆動機構の回転系の摩擦トルクと直線移動系の摩擦力をＮＣ制御手段を利用してきわめて簡単に測定できる方法を提供する。【解決手段】ＮＣ装置のプログラムメモリＰＧＭに格納されている摩擦力測定用指令プログラムに基づいて、１つの制御軸Ｘに対応する送り駆動機構に対し同一方向への単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行し、さらに続けて前記方向とは逆方向に前記単位移動量の移動・停止動作を同一複数回遂行する。前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び検出した回転位置をメモリにストアする。同メモリのデータに基づいて前記制御軸の送り駆動機構における回転系の摩擦トルクＴｒｎ及び直線移動系の摩擦力Ｆｇｎの値を算出する。これにより、短時間に、前記回転系の摩擦トルク及び直線移動系ガイドの摩擦トルクを算出できる。さらに、故障診断用プログラムの実行により前記算出された摩擦トルクが適正範囲にあるか否かを判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値制御装置からの駆動指令により駆動されるサーボモータを備えた工作機械の送り駆動機構における摩擦力を測定する方法であって、
前記数値制御装置からの指令に基づいて少なくとも１つの制御軸に対応する前記送り駆動機構に対し同一方向への単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行する第１のステップと、
前記第１のステップの間、前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び前記サーボモータの回転位置の値をメモリにストアする第２のステップと、
前記第１のステップに続き前記方向とは逆方向に前記単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行する第３のステップと、
前記第３のステップの間、前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び前記サーボモータの回転位置の値をメモリにストアする第４のステップと、
前記第２及び第４のステップで得られたデータに基づいて当該送り駆動機構における回転系の摩擦トルク及び直線移動系の摩擦力の値を算出する第５のステップと、
からなる数値制御工作機械の送り駆動機構における摩擦力測定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第５のステップにより得られた摩擦トルクの値から円象限切換部の突起状誤差を補正するためのパラメータを算出するステップをさらに含む数値制御工作機械の送り駆動機構における前記突起状誤差を補正するためのパラメータ生成方法。
【請求項３】
請求項１において、前記第５のステップにより得られた直線移動系の摩擦力の値と前記送り駆動系の総合剛性値からバックラッシュ補正量を算出するステップをさらに含む数値制御工作機械の送り駆動機構におけるバックラッシュ補正量の生成方法。
【請求項４】
請求項１記載の各ステップからなる摩擦力測定用指令プログラムを有する数値制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の摩擦力測定方法により得られた回転系の摩擦トルク及び直線移動系の摩擦力の値が予め定められた許容値の範囲内であるか否かの判定を当該工作機械の故障診断における判定群の１つとして含む故障診断プログラムを有する数値制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の回転駆動系及び直線移動系における摩擦力の測定に係り、特に数値制御装置の非線形トルク補償に用いられる前記摩擦力の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械で２軸円弧補間送り運動をさせるサーボモータの制御では、数値制御（以下、単にＮＣと称する）位置指令と、サーボモータまたはこのサーボモータにより駆動されるテーブル、サドルなどの移動体に設けられた位置検出器からのフィードバック信号との偏差が０となるような位置ループを組むとともに、位置フィードバック信号を微分した速度フィードバック信号から速度ループを組み、速度ループゲインの出力をトルク指令値とする方式が一般に採られている。
【０００３】
このようなサーボモータのＮＣ制御では、モータの回転方向を反転させるとき、通常、機械は即座に反転することができない。これは、送り駆動機構のバックラッシュ及び弾性変形からなるロストモーションや摩擦の影響のためで、円弧切削等を行なっているときに象限が変ると、図５に示すように、実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい軌跡にふくらみを生じる。この現象は、スティックモーションまたは象限突起と呼ばれており、輪郭加工精度低下の一要因となっている。
この現象が起こるのは、運動方向が反転すると摩擦トルクの分だけトルク指令を反転させる必要があるが、速度ループの応答特性による遅れがあるため、送り軸が一時停止するためであると考えられている。本願発明者等はこのような象限突起を回避する方法をすでに提案している。
【０００４】
特許文献１では、サーボモータにより円弧補間送り運動をされる移動体の位置を直接または間接的に検出し、位置指令に追従させるフィードバック制御を行なうサーボモータの制御方法において、移動体の運動方向が切り換わる象限切換時のトルク指令値と、モータ反転直後のトルク指令値の最大値または最小値を検出し、これらのトルク指令値の差から補正基準トルクを求め、前記補正基準トルクを基準にして象限切換時のトルク指令を補正するようにしており、この制御方法によれば、象限切換時のトルク指令値と反転直後のトルク指令値の最大値または最小値との差から、トルク補正の基準となる補正基準トルクを求めるようにしたことにより、送り軸が慣性力や重力の影響を受けて、象限切換の前後でトルク指令値にばらつきや変動が生じても、その影響を受けずに正確な象限切換時のサーボモータの送りトルクを検出することができるようになった。そして、この慣性力や重力の影響を排除した補正基準トルクに基づいてトルク指令を補正して制御系にフィードバックするので、象限突起を効果的に減じることができるものである。
【０００５】
ところで、上述した制御方法を実行するＮＣ装置では予めトルク補正用のテーブルを作成しておく必要があり、同テーブルを生成するための基本データとして当該工作機械の駆動系の摩擦力を特定しておかなければならない。
【０００６】
図６、図７は、従来の前記駆動系の摩擦力測定の方法を説明する図である。
図６は、ＮＣ工作機械の一般的な駆動機構の１つの制御軸Ｘに対応する部分を示しており、参照符号１０はベッドであって、同ベッド１０上に取付け固定された一対のブラケット１２、１２にはボールネジのネジ軸１４を軸支する一対のベアリング１６、１６が設けられている。前記ブラケット１２、１２上にはサドル２４をＸ方向に摺動自在に支持するガイド２２が設けられている。前記ネジ軸１４は左端のカップリング２８を介してＸ軸駆動用のサーボモータ２６に結合されている。なお、参照符号３０は前記サーボモータ２６の取付け台である。前記ネジ軸１４はボールネジのナット１８と螺合しており、さらに同ナット１８は前記ガイド２２の下面側に固定した支持部材２０により回転可能且つ軸方向移動を規制されて取付けられている。従って、サーボモータ２６を回転すると、サドル２４はＸ方向に移動される。さらに、参照符号３２は前記ボールネジのネジ軸１４を保護する伸縮自在なカバーである。
【０００７】
このような駆動機構には、前記ベアリング１６、ナット１８等の回転系のまさつと、前記ガイド２２等の直線移動系の摩擦が存在する。そしてこれらの値を測定するためには、前記カバー３２を取り外し、さらに前記ボールネジのナット１８を前記支持部材２０から取り外さなければならなかった。即ち、前記回転系の摩擦トルクは、ベアリング１６とナット１８とに分けてそれぞれ回転方向に力を掛け、回転を開始するときの力の値をバネばかり等で測定し、力を掛けた半径を用いて求める。図７に示す例では、直径Ｄ（ｍ）のナット１８に紐Ｗを巻いて、引っ張り、回転したときのバネばかりの測定値がＡ（Ｋｇｆ）とすると、トルクＴは
Ｔ＝９．８×Ａ×Ｄ／２
で与えられる。
前記直線移動系の摩擦力は、ロードセルを介して油圧シリンダ等で押し、動き出すときの力を測定する。
【０００８】
上述した各摩擦力の測定は当該駆動機構に固有な基本データであり、必ずしも頻繁に測定をするものではないが、測定については動き始めるときの付与荷重を特定しなければならないため高精度を期待できないばかりでなく、測定そのもののため機械をある程度分解しなければならず、測定のための準備作業や、測定後の復帰作業が煩雑であるという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１６９８３８号  「サーボモータの制御方法」
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は上述した問題を鋭意検討した結果、当該駆動機構を機械的に分解・再組み立ての作業を伴うことなしに、ＮＣ工作機械のＮＣ制御手段そのものを利用して単純な移動パターンを遂行せしめることにより当該工作機械の摩擦力を測定することができることを見出した。
従って、本発明の目的は送り駆動機構の回転系の摩擦トルクと、直線移動系の摩擦力を、ＮＣ工作機械のＮＣ制御手段を利用して当該工作機械の摩擦力をきわめて簡単に測定できる摩擦力の測定方法及び同方法により得られた摩擦力のデータを用いて故障診断を行う数値制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による摩擦力の測定方法は、
数値制御装置からの駆動指令により駆動されるサーボモータを備えた工作機械の送り駆動機構における摩擦力を測定する方法であって、
前記数値制御装置からの指令に基づいて少なくとも１つの制御軸に対応する前記送り駆動機構に対し同一方向への単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行する第１のステップと、
前記第１のステップの間、前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び前記サーボモータの回転位置の値をメモリにストアする第２のステップと、
前記第１のステップに続き前記方向とは逆方向に前記単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行する第３のステップと、
前記第３のステップの間、前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び前記サーボモータの回転位置の値をメモリにストアする第４のステップと、
前記第２及び第４のステップで得られたデータに基づいて当該送り駆動機構における回転系の摩擦トルク及び直線移動系の摩擦力の値を算出する第５のステップとから構成される。
【００１２】
さらに、前記目的を達成するための本発明による数値制御装置は、
前記の摩擦力測定方法により得られた回転系の摩擦トルク及び直線移動系の摩擦力の値が予め定められた許容値の範囲内であるか否かの判定を当該工作機械の故障診断における判定群の１つとして含む故障診断プログラムを有する。
【００１３】
【作用】
数値制御装置からの指令に基づいて１つの制御軸に対応する送り駆動機構に対し同一方向への単位移動量の移動・停止動作を複数回遂行し、さらに続けて前記方向とは逆方向に前記単位移動量の移動・停止動作を同一複数回遂行する。
前記各移動・停止に対応して生成されたトルク及び検出した駆動系サーボモータの回転位置をメモリにストアする。同メモリのデータに基づいて前記制御軸に関する送り駆動機構における回転系の摩擦トルク及び直線移動系の摩擦力の値を算出する。数値制御装置に上記移動・停止の動作及び、トルクならびに駆動サーボモータの回転位置の検出を指令するプログラムを設定しておくことで、きわめて短時間に、回転系の摩擦トルク及び直線移動系ガイドの摩擦トルクを算出できる。
さらに、数値制御装置内に故障診断用のプログラムを備え、同プログラムの実行により前記算出された摩擦トルクが適正範囲にあるか否かを判定するようにする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に基づく１実施例について図１乃至図４を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するための数値制御装置即ち、ＮＣ装置において、主として本発明にかかわる機能の部分をブロックで示す。
同図１において、ＮＣ装置はプログラムメモリＰＧＭと、データメモリＤＭ及びこれらとバスＢＵＳで接続されるＣＰＵ（中央演算処理装置）で基本的に構成される。またＣＰＵはＩ／Ｆ（インターフェイスユニット）を介して工作機械ＭＴＬ及び表示装置ＤＰＬと接続されている。
【００１５】
前記プログラムメモリＰＧＭには被加工物を切削加工するため、データメモリＤＭの切削加工データＰＡＲＴを逐次読み出し、各制御軸方向の移動データを生成する補間演算用指令プログラムＰＧ１が格納されている。また、プログラムＰＧ２は、象限切換時の象限突起発生を抑制すべくトルク指令に対し非線形型補償を行うもので、実際の切削加工が行われる前に、前記データメモリＤＭ内のトルク補正テーブルＴＣＴを生成するために使用される。
プログラムＰＧ３は故障診断用指令プログラムであって、ＮＣ装置内の各種パラメータ、機械の状態を示すデータ等が適正な値であるか否かを判定し、その許容値をオーバーした場合は表示装置ＤＰＬ上にその旨表示または警告を与える。
プログラムＰＧ４は摩擦力測定用の指令プログラムであって、データメモリＤＭ内のパラメータデータエリアＰＡＤのデータＴｒｎ（回転系の摩擦トルク）及びデータＦｇｎ（直線移動系ガイドの摩擦トルク）を生成する。その下のデータ２×Ｔｒｎ／Ｔｍａｘ及び２×Ｆｇｎ／Ｋは、前記Ｔｒｎ及びＦｇｎを用いて算出されるパラメータデータであって、前者は前記非線形型補償を実行する際に用いられるパラメータであり、後者は当該送り駆動系のバックラッシュ補正量である。
なお、Ｔｍａｘ（％）は送り駆動系の最大発生トルク、Ｋ（Ｎ／ｍ）は当該駆動系の送り方向総合剛性である。
【００１６】
図２は、前記プログラムＰＧ４を実行して得られたデータをグラフ上にプロットしたものである。即ち、同図２では、ＮＣのサンプリング周期毎にトルク指令値、サーボモータに直結したエンコーダの位置フィードバック値をサンプリングし、これをメモリへストアする。測定する制御軸をＸ軸とし、その＋方向へ１μｍ送り、０．５秒ほど停止する動きを繰り返す。１００μｍ程度＋方向へ移動する。この値はバックラッシュ、ロストモーション等が開放されて機械が定常的に移動可能な量である。続いて、−方向へ１μｍ送り、０．５秒ほど停止する動きを繰り返し、最初の位置へ戻るというプログラム内容である。図の横軸には時間ｔをとり、縦軸にはＸ軸位置とトルク指令値をとってある。このトルク測定結果からエンコーダ回転方向が反転した時点のトルク変化量Ｔｒ（Ｎｍ）が回転系の摩擦トルクの２倍の値となる。また、この時点のトルクから機械が反転移動を開始する時点までのトルク変化量Ｔｇ（Ｎｍ）はガイドの摩擦力の２倍の値をトルクに換算した値となる。
【００１７】
なお、実際には機械が反転移動を開始する時点は分からないが、反転後十分経過した時点のトルクを用いればよい。以上から、回転系の摩擦トルクＴｒｎは、Ｔｒｎ＝Ｔｒ／２（Ｎｍ）で、さらに、ガイドの摩擦力Ｆｇｎは、Ｆｇｎ＝Ｔｇ／２×Ｌ／２π  （Ｎ）であたえられる。ここに、Ｌは前記モータ１回転当たりの軸移動量（ｍ）である。
【００１８】
以上、求められたＴｒｎから円弧象限切換部の突起状誤差を補正する非線形補償用のパラメータを２×Ｔｒｎ／Ｔｍａｘ（％）として求めることができる。また、送り駆動系のバックラッシュ補正量は２×Ｆｇｎ／Ｋ（ｍ）として求めることができる。ここでＴｍａｘは最大トルク、Ｋ（Ｎ／ｍ）は送り方向の総合剛性である。
【００１９】
図３は、上述したプログラムＰＧ４の処理内容を示すフローチャートである。同図でステップＳ３からＳ８はストロークＳの＋方向の移動過程を示し、さらに、ステップＳ９からＳ１４は−方向の戻り過程を示す。さらにまた、ステップＳ１５からＳ１８は回転系の摩擦トルクＴｒｎ及び直線移動系の摩擦トルクＦｇｎを生成する過程を示す。最後のステップＳ１９は図１のトルク補正テーブルＴＣＴを生成するために供されるパラメータデータの算出を遂行する。なお、このフローチャートではステップＳ１９を含むようにしたが、プログラムＰＧ２の中に組み込むようにしてもよい。
【００２０】
図４は、図１の故障診断用指令プログラムＰＧ３の１例を示す。同図では前記プログラムＰＧ３の実行により生成されたデータＴｒｎ、Ｆｇｎに対して、それぞれ判定ステップＳｎ、Ｓｎ＋４において、Ｔｒｎ、Ｆｇｎの値が予め設定された許容範囲にあるか否かが判定される。そして、許容範囲をオーバーした場合にはその旨表示装置ＤＰＬへ表示指令が与えられるようになっている。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明による摩擦力測定方法によれば工作機械をばらすことなく、きわめて簡単且つ短時間に送り駆動系における回転系の摩擦トルク、及び直線移動系ガイドの摩擦トルクを生成できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための数値制御装置において、主として本発明にかかわる機能の部分を示す制御ブロック図である。
【図２】図１に示される摩擦力測定用プログラムＰＧ４を実行して得られたデータを横軸時間としてプロットしたグラフである。
【図３】図１に示される摩擦力測定用プログラムＰＧ４の処理内容を示すフローチャートである。
【図４】図１に示される故障診断用プログラムＰＧ３の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】円弧切削中の象限切換に伴う象限突起現象を説明する図である。
【図６】ＮＣ工作機械の一般的な駆動機構の１つの制御軸Ｘに対応する部分の主要部の構成を示す図である。
【図７】図６に示される駆動系に対する従来の摩擦力測定の方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０      ベッド
１２      ブラケット
１４      ネジ軸
１６      ベアリング
１８      ナット
２０      支持部材
２２      ガイド
２４      サドル
２６      サーボモータ
３２      カバー
ＤＭ      データメモリ
ＤＰＬ    表示装置
ＭＴＬ    工作機械
ＰＧ３    故障診断用指令プログラム
ＰＧ４    摩擦力測定用指令プログラム
ＰＧＭ    プログラムメモリ
ＰＡＤ    パラメータデータメモリエリア
Ｗ        紐
【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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【図７】
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