(57)【要約】 【課題】移動方向が反転する際の反転直後に生じるトルク変動、同一方向の移動において移動速度を変更する際の移動速度変更直後に生じる負荷トルク変動など、過去の速度履歴に起因するトルク変動を補償する駆動制御方法及び装置を提供する。【解決手段】流体膜厚演算部15は、可動部の現在速度を入力し、現在速度における可動部とその案内面間の定常状態の流体膜厚を求め、その結果をもとに流体膜厚の時間変化分を算出し、現時点の流体膜厚を算出する。トルク補償演算部14は、算出された現時点の流体膜厚と可動部の現在速度から粘性摩擦に起因するトルク補償量を演算する。トルク補償演算部14で得られたトルク補償量は、加算器13において、速度制御部４にて生成されたトルク指令値に加算される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の目標である速度指令値に従い、制御対象を駆動するサーボモータに対するトルク指令値を生成し制御対象を駆動制御する駆動制御方法において、制御対象が移動する間、所定時間ごとに制御対象の速度履歴からトルク補償量を算出し、前記算出したトルク補償量により前記サーボモータに対するトルク指令値を補正する処理を繰り返すことを特徴とする駆動制御方法。
【請求項２】
制御対象の目標である速度指令値に従い、制御対象を駆動するサーボモータに対するトルク指令値を生成し制御対象を駆動制御する駆動制御装置において、制御対象の速度を求める速度出力手段と、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を求める流体膜厚出力手段と、前記流体膜厚出力手段にて求めた流体膜厚と前記速度出力手段にて求めた制御対象の速度からトルク補償量を算出するトルク補償量算出手段と、前記トルク補償量算出手段にて算出したトルク補償量により前記サーボモータに対するトルク指令値を補正するトルク指令値補正手段を有し、制御対象の速度が変化した際の流体膜厚の変化に基づきトルク指令値を補正することを特徴とする駆動制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の駆動制御装置において、前記流体膜厚出力手段は、制御対象の速度履歴から、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を求めることを特徴とする駆動制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の駆動制御装置において、前記流体膜厚出力手段は、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を直接測定するセンサであることを特徴とする駆動制御装置。
【請求項５】
請求項２記載の駆動制御装置において、前記流体膜厚出力手段は、制御対象と制御対象の案内部材との間に供給される流体の圧力あるいは流量の少なくとも一方を測定する流体膜厚変数測定部と、前記流体膜厚変数測定部より測定された測定値から流体膜厚を演算する流体膜厚演算部から構成されることを特徴とする駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は数値工作機械等に用いられ、工具や被削材の位置や回転速度を制御する駆動制御装置に係り、特に駆動される制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を演算あるいは測定し、流体膜厚に応じて補償量を決定する駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来数値制御工作機械の軸駆動装置では、摺動抵抗やロストモーションといった制御上の非線形な要素により、円弧切削における象限切替時等に形状精度が悪くなるという現象が生じる。このため、予め非線形な要素による影響を予測し、その影響を打ち消すように制御系を補償することが考えられている。
【０００３】
ここで、数値制御工作機械の一般的な例を図４に示して説明する。この図４の装置は駆動モータ８の負荷の摩擦トルク、特に非線形要素である摺動抵抗に基づく摩擦トルクを補償する例を示している。
まずNCプログラム１に基づいて関数発生部２で生成された位置指令値が誤差演算器11に入力され、駆動モータ８に取付けられている位置検出器９からの現在位置も誤差演算器11に入力され、演算された位置誤差量が位置制御部３に入力される。位置制御部３は位置誤差量に応じた速度指令値を生成し、速度指令値は現在位置を微分器１０により演算された現在速度とともに誤差演算器12に入力され、演算された速度誤差量が速度制御部４に入力される。速度制御部４は、入力される速度誤差量に応じたトルク指令値を生成する。一方、トルク補償演算部18は、位置指令値及び速度指令値に基づいて円弧切削における象限切換時等の移動方向の反転を検出し、その反転時に算出したトルク補償分を出力する。そして、加算器13でトルク指令値に算出されたトルク補償分を加算し、その加算されたトルク指令値をトルク電流変換部５に入力する。トルク電流変換部５はトルク指令値に基づいて電流に変換する。得られた電流から駆動モータ８を駆動するための電流を電流制御部６で制御する。駆動モータ８は図示しないボールネジなどを介して制御対象である可動部を駆動するようになっている。
【０００４】
前記は移動方向が反転する際の一般的なトルク補償の制御装置であるが、さらに高精度なトルク補償を実現するために特許文献１では、運転中に検出したトルクを利用してトルク補償量の経年変化を補正する技術が発明されている。
また、特許文献２には、送りの向きが反転するときのロストモーションの補正方法として、予め測定により反転する前の送り速度及び反転するまでの移動量に対する補正量との関係を得ておき、この関係から補正量を演算で求める補正方法が記載されている。
【特許文献１】特公平６−７３７９８号公報
【特許文献２】特開平９−３１９４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、移動方向が反転する際の反転直後の負荷トルクは、図５(a)、(b)に示すように反転後の移動速度が同じでも反転前の送り速度により変動する。更に、図５(c)、(d)に示すように、移動速度が変化すると同一方向の移動においても変化する前の移動速度によって移動速度変更直後の負荷トルクが変動する。
【０００６】
従来の補償方式では、送り軸移動方向が反転するときに補償されるトルク補償量は反転前の送り速度とは関係なく決定され、また、同一方向の移動においては移動速度が変化してもトルク補償はされていなかった。更に、特許文献２は、反転する前の送り速度及び反転するまでの移動量に対する補正量をロストモーションの補正として使用するもので、図５(a)に示す反転直後のトルク変動を補正することができない。このように現時点でのトルクが過去の速度つまり速度履歴により変化するような場合に、従来の補償方式では対応できない場合が生じている。
【０００７】
本発明は上述のような問題に鑑みなされたものであり、本発明は過去の速度あるいは速度履歴に起因するトルク変動を補償する制御方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、制御対象の目標である速度指令値に従い、制御対象を駆動するサーボモータに対するトルク指令値を生成し制御対象を駆動制御する駆動制御方法において、制御対象が移動する間、所定時間ごとに制御対象の速度履歴からトルク補償量を算出し、前記算出したトルク補償量により前記サーボモータに対するトルク指令値を補正する処理を繰り返すことを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、制御対象の目標である速度指令値に従い、制御対象を駆動するサーボモータに対するトルク指令値を生成し制御対象を駆動制御する駆動制御装置において、制御対象の速度を求める速度出力手段と、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を求める流体膜厚出力手段と、前記流体膜厚出力手段にて求めた流体膜厚と前記速度出力手段にて求めた制御対象の速度からトルク補償量を算出するトルク補償量算出手段と、前記トルク補償量算出手段にて算出したトルク補償量により前記サーボモータに対するトルク指令値を補正するトルク指令値補正手段を有し、制御対象の速度が変化した際の流体膜厚の変化に基づきトルク指令値を補正することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記流体膜厚出力手段は、制御対象の速度履歴から、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を求めるものとすることができる。
【００１１】
あるいは、前記流体膜厚出力手段は、制御対象と制御対象の案内部材との間の流体膜厚を直接測定するセンサとすることもできる。
【００１２】
また、前記流体膜厚出力手段は、制御対象と制御対象の案内部材との間に供給される流体の圧力あるいは流量の少なくとも一方を測定する流体膜厚変数測定部と前記流体膜厚変数測定部より測定された測定値から流体膜厚を演算する流体膜厚演算部から構成しても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、所定時間ごとに算出したトルク補償量によりサーボモータのトルク指令値を補正するため、移動方向反転直後の負荷トルクの変動だけでなくは、同一方向移動における移動速度変更直後の負荷トルクの変動等に対しても最適な補償を実現することができる。
【００１４】
更に、速度履歴に起因する流体膜厚の変化によるトルク変動を補償できるようになることで、流体膜厚の変化に起因する加工誤差を除去することができ、円弧指令時の象現切替時の突起が小さくなるばかりでなく、これまで注目されてこなかった、同一方向送りにおける速度変化時の送り誤差を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は制御対象の可動部とそれをガイドする固定部の間の流体膜厚を演算あるいは実測により求め、その膜厚に基づいて流体の粘性抵抗に起因する摩擦力を演算し、その摩擦力に係数を乗じて得られたトルク補償量をフィードフォワードにて補償することを特徴としている。
【００１６】
例えば工作機械のすべり案内面において、縦軸を摩擦係数、横軸を移動速度の対数で表したストライベック曲線は図３のようになる。曲線の様子から３種類の潤滑状態で表され、低速域は境界潤滑領域、中速域は混合潤滑領域、高速域は流体潤滑領域に分類される。境界潤滑は可動部と固定部はお互いの面粗さの凸部同士が固体接触した摩擦状態、流体潤滑は可動部と固定部の間には完全な流体膜が形成された粘性摩擦の状態、混合潤滑は境界潤滑と流体潤滑が摩擦面内で混在した状態である。
流体潤滑での摩擦抵抗Fは式１に示すように、流体の粘度η、可動部の摺動部面積A、可動部の移動速度vに比例し、流体膜厚Htに反比例する。
F = Cf・η・A・v／Ht        （式１）
Cfは定数を表す。
【００１７】
流体膜厚が形成された状態で停止した場合、膜厚はすぐになくなるわけではなくスクイーズ効果により徐々に減少していく。つまり、流体潤滑となる速度で移動していた可動部が境界潤滑となる速度で移動する場合、速度変更直後は境界潤滑であるクーロン摩擦に支配された摩擦力とはならず、粘性摩擦に支配された摩擦力となる。スクイーズ効果により徐々に流体膜厚は減少するため式１からも明らかなように粘性抵抗は増加する。また、停止状態あるいは境界潤滑となる速度から流体潤滑となる速度で移動する場合、速度変更直後は流体膜が完全には成長できていないため完全に成長した流体膜よりも薄いため式１からも明らかなように摩擦力は大きく、流体膜が成長するとともに摩擦力は低下していく。
このように過去の速度履歴によって各速度での摩擦抵抗は刻々と変化していきその変化は流体膜厚に大きく影響されている。工作機械のすべり案内面について述べてきたが、静圧案内面においても装置や運転条件によっては同様に速度履歴によって流体膜厚の変化は起こる。
【００１８】
本発明では、このような流体膜厚を演算あるいは実測などにより時々刻々求め、粘性抵抗に起因する摩擦力を演算し、摩擦力に係数を乗じて得られたトルク補償量をフィードフォワードにて補償することを特徴としている。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例を図４に対応させて図１に示す。本発明では流体膜厚演算部15、トルク補償演算部14、微分器16、17を新たに設け、トルク指令値に対して流体膜厚をもとに演算されたトルク補償量を加算する。
【００２０】
一般的に、流体潤滑では速度vが決まると可動部とその案内面間の流体膜厚Ctvは、式２により演算される。
Ctv = Cv・vCp            （式２）
Cv、Cpは定数を表し、通常Cpは0.5程度となり、Cvは例えば流体膜厚を実測することにより求めることができる。ただし、式２で算出される流体膜厚Ctvは速度vで動作して十分に時間が経過した定常状態での流体膜厚である。
【００２１】
流体膜厚演算部15は、所定時間ごとに位置検出器9で検出された現在位置を微分器17で微分した可動部の現在速度vを入力する。そして、式２により現在速度vにおける可動部とその案内面間の定常状態の流体膜厚Ctvを求める。引き続き、前回求めた流体膜厚Htn-1と上記の現在速度vにおける定常状態の流体膜厚Ctvとを比較し、速度増加により流体膜厚が増加する場合あるいは速度低下により流体膜厚が減少する場合の流体膜厚の時間変化を式３に示す関数により演算する。更に、式４により前回求めた流体膜厚Htn-1に流体膜厚の時間変化分を加算し、現時点の流体膜厚Htnを演算する。
Htn-1＜Ctv のとき    dHt = (Ctv-Htn-1)/Ca        （式３）
Htn-1＞Ctv のとき    dHt = (Ctv-Htn-1)/Cb        （式３）
Htn-1＝Ctv のとき    dHt = 0                     （式３）
Htn = Htn-1 + dHt                                （式４）
Ctvは速度vにおける定常状態での流体膜厚、Caは流体膜厚増加時の時定数、Cbは流体膜厚減少時の時定数を表す。Ctv、Caは予め流体潤滑領域において各移動速度とトルクを実測することにより得られ、Cbは予め流体潤滑領域から境界潤滑領域へ移動速度を変化させたときのトルクの時間変化を実測することにより得られる。又、それらが速度vを用いた関数で表される場合、例えば式２により演算するか、あるいは速度と各定数の関係を表すテーブルから決定するか、あるいはその両方を使って決定する。
また、式２や式３は機械構造などにより異なるため、機械構造に適した他の関数やテーブルを用いて流体膜厚の演算をすることもできる。
【００２２】
トルク補償演算部14は、流体膜厚演算部15で演算された流体膜厚Htnと可動部の速度vから式５に示す関数により粘性摩擦に起因するトルク補償量Tqを演算する。
Tq = Ctq ・ v / Htn                          （式５）
Ctqはトルク補償量Tqを算出するための係数を表し、流体膜厚Htと速度vをもとにトルクを実測することにより予め求めておく。速度vと流体膜厚Htnを用いた関数あるいは速度v、流体膜厚HtnとCtqの関係を表すテーブル、あるいは両方を用いて決定することができる。
【００２３】
トルク補償演算部14に入力する速度vは、関数発生部２で生成された位置指令値を微分器16で微分することで得る。トルク補償演算部14で得られたトルク補償量Tqは、加算器13にて、速度指令値と現在速度との速度誤差量に応じて速度制御部４にて生成されたトルク指令値に加算される。加算器13にて補正されたトルク指令値はトルク電流変換部５に入力され、補正されたトルク指令値に基づいて電流に変換される。電流制御部６はトルク電流変換部５にて得られた電流をもとに駆動モータ８を駆動制御する。
【００２４】
本発明の駆動制御装置においては、可動部が移動する間所定時間ごとに、上述した可動部の現在速度から求めた流体膜厚をもとにトルク補償量を算出しトルク指令値を補正することが繰り返される。
【００２５】
尚、流体膜厚演算部15、トルク補償演算部14に入力する速度vは、上記の方法だけでなく、関数発生部2で生成された位置指令値を微分器16により微分した値を流体膜厚演算部15及びトルク補償演算部14の両手段に用いる方法や、位置検出器９で検出された位置検出値を微分した値を流体膜厚演算部15及びトルク補償演算部14の両手段に用いる方法や、位置制御部11により生成される位置誤差量に応じた速度指令値をもとに算出する方法など、本発明の主旨を逸脱しない範囲の種々の方法によっても達成される。
【実施例２】
【００２６】
本発明の第２の実施例を図２に示す。第２の実施例は、図1に示す第１の実施例と異なり流体膜厚を速度履歴から演算するのではなく流体膜厚測定部22により所定時間における流体膜厚Htnを得る。トルク補償演算部14は第１の実施例と同じであるため説明を省略する。
【００２７】
流体膜厚測定部22は、流体膜厚を直接あるいは間接的に測定するセンサ21、センサ21から出力される信号をデジタル化するA/D変換器20、センサ出力と流体膜厚の関係をもとに演算あるいはテーブルを参照し、A/D変換器20から出力されたデジタル信号から流体膜厚Htnを得る流体膜厚演算部19から構成される。
【００２８】
直接流体膜厚を測定するセンサ21には、可動部と固定部の摺動部の変位を計測する変位計を使用することができる。間接的に流体膜厚を測定するセンサ21には、たとえば固定部と可動部の摺動部に供給する流体の圧力や流量を測定する、圧力センサ、流量計を使用することができる。間接的に流体膜厚を測定する方法では、流体膜厚演算部19において、実験により得られた圧力や流量と流体膜厚の関係を表す関数を用いる方法やそれらの関係を表すテーブル、あるいはその両方を使い流体膜厚を演算する。
流体膜厚測定部22にて求められた所定時間における流体膜厚Htnはトルク補償演算部14に入力され、トルク補償演算部14では第１の実施例と同様、流体膜厚Htnと可動部の速度vからトルク補償量Tqを演算する。その後、トルク補償量Tqは加算器13にてトルク指令値に加算され、その補正されたトルク指令値に基づいて電流に変換され、得られた電流をもとに駆動モータ８が駆動制御される。
【００２９】
第１の実施例と同様、可動部が移動する間所定時間ごとに、測定により求めた流体膜厚をもとにトルク補償量を算出しトルク指令値を補正することが繰り返される。
【００３０】
以上、位置制御を主体とした駆動制御装置について実施の形態を説明したが、速度制御を主体とした駆動制御装置においても、関数発生部からの速度指令値あるいはモータの速度検出器から出力される速度を、流体膜厚演算部及びトルク補償演算部へ入力し演算することにより速度履歴に起因する流体膜厚の変化に基づくトルク変動を補償することが実現される。
【００３１】
さらに、本発明は速度履歴によって変化する流体膜厚に起因するトルク変化を補償するものであるため、従来技術である他の要因によるトルク変動、たとえばボールネジの回転が反転することに起因するトルク変動を補償する制御装置と併用することも可能である
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第1実施例の駆動制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第２実施例の駆動制御装置の構成を示すブロック図
【図３】工作機械すべり案内面のストライベック曲線の一例
【図４】従来の駆動制御装置の構成を示すブロック図
【図５】流体膜厚によるトルク変化の一例
【符号の説明】
【００３３】
２・・関数発生部、  ３・・位置制御部、  ４・・速度制御部、  ５・・トルク電流変換部、６・・電流制御部、  ８・・駆動モータ、  ９・・位置検出器、  14・・トルク補償演算部、15・・流体膜厚演算部、  16，17・・微分器、  22・・流体膜厚測定部
【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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