(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータに駆動される送りねじ機構により直線移動する被駆動部を駆動制御するモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法において、
回転物イナーシャの値と回転系の摩擦係数をパラメータ設定し、これらパラメータ設定値と位置指令値の微分値より回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクを算出し、前記回転物摩擦トルクと前記回転物イナーシャ加速トルクとモータ発生トルクを代表するサーボ系のトルク指令値より前記被駆動部の推力を算出し、当該推力算出値より、前記送りねじ機構および前記被駆動部を含む駆動機械部分のたわみ量を推定し、推定した前記たわみ量に基づいて前記サーボモータに与える位置指令を補正し、前記被駆動部の移動誤差を低減することを特徴とするモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法。
【請求項２】
サーボモータに駆動される送りねじ機構により直線移動する被駆動部を駆動制御するモーションコントローラにおいて、
前記送りねじ機構および前記被駆動部を含む駆動機械部分のたわみ量を推定するたわみ量推定手段と、
前記たわみ量推定手段が推定した前記たわみ量に基づいて前記サーボモータに与える位置指令を補正する位置指令補正手段と、
回転物イナーシャの値と回転系の摩擦係数をパラメータ設定するパラメータ設定部を有し、
前記たわみ量推定手段は、前記パラメータ設定部よりパラメータ設定値を入力すると共に、位置指令値とモータ発生トルクの代表値としてサーボ系のトルク指令値を入力し、前記パラメータ設定値と前記位置指令値の微分値より回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクを算出し、前記回転物摩擦トルクと前記回転物イナーシャ加速トルクと前記トルク指令値より前記被駆動部の推力を算出し、当該推力算出値よりたわみ量を推定することを特徴とするモーションコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１  】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械の送り駆動機構等の位置制御に使用されるモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法およびモーションコントローラに関するものである。
【０００２  】
【従来の技術】
工作機械等の送り駆動機構は、サーボモータに駆動されるボールねじ等による送りねじ機構によりワークテーブル等の被駆動部（移動物）を直線移動するものであり、図３に示されているようにモデルで表すことができる。図３において、Ｔはモータ発生トルク（Ｎｍ）、θｂはモータ回転角（ｒａｄ）、Ｊｂは送り駆動機構の回転物総イナーシャ（ＮｍＳ2）、Ｔｂは送り駆動機構の回転部摩擦トルク（Ｎｍ）、Ｒは送り駆動機構の回転・直線変換係数（ｍ／ｒａｄ）、Ｋは送り駆動機構の軸方向剛性（Ｎ／ｍ）、Ｍは送り駆動機構の軸方向移動物質量（Ｋｇ）、Ｘｔは移動物の位置（ｍ）、Ｃｔは送り駆動機構のリニアガイド部等の軸方向移動物の摩擦係数（Ｎｓ／ｍ）である。なお、ここで云う回転物総イナーシャＪｂは、サーボモータのロータイナシャと送りねじ部のカップリングイナーシャとボールねじイナシャの合計である。
【０００３  】
位置制御を行うサーボ制御系は、サーボモータの回転位置（モータ位置）をロータリエンコーダによって検出し、ロータリエンコーダにより検出されるモータ位置と指令値との偏差を求めて当該偏差が零になるよう、換言すれば、位置指令に追従するように位置制御を行う。
【０００４  】
従って、送り駆動機構の軸方向剛性Ｋが無限大であれば、ワークテーブルのような移動物の位置も正しく指令位置へ移動する。しかしながら、剛性Ｋは有限の値であり、送り駆動機構は軸方向のたわみを生じる。このためモータ回転位置を正しく制御しても、テーブル位置には誤差生じることになる。たわみは質量Ｍによる慣性力および摩擦力に相関して発生する。
【０００５  】
送り駆動機構のたわみによる往復移動の誤差はロストモーションと呼ばれ、バックラッシ補正により補正することが行われている。バックラツシ補正は、予め、ある条件でロストモーション量を測定し、この値をパラメータとしてサーボ制御装置にセットしておき、サーボ制御装置が軸移動方向反転時にそのセット値に相当する量だけサーボモータを余分に駆動することにより行われる。
【０００６  】
【発明が解決しようとする課題】
ロストモーションは、摩擦力と慣性力の影響により、送り駆動機構が軸方向にたわむことにより生じるものであり、被駆動部の摩擦力、慣性量の変化により最適なロストモーション量が変わることに対して、被駆動部は、通常、案内機構により支持されており、案内機構には摩擦が存在し、この摩擦力は移動速度、ワークテーブル上に載る負荷の質量等により変化し、また、被駆動部には質量があり、加速、減速する際に慣性力が発生し、慣性力も被駆動部の質量により変化する。従って、実際のロストモーション量は送り条件が変化すると変化するから、被駆動部の摩擦力、慣性力の変化により最適な補正量が変わり、従来のバックラッシ補正では対応できず、ロストモーション誤差が生じる。
【０００７  】
また、従来のバックラッシ補正では、移動方向が反転するときのみ補正量を切り替えるが、実際のロストモーション量は、加速度、摩擦力が変化すると変化しているため、移動中のロストモーション量の変化に対応できず、ロストモーション誤差が生じる。
【０００８  】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、被駆動部の摩擦力、質量の変化等により駆動系のたわみ量が動的に変化しても、これを適切に補償し、高精度な位置決め精度が得られるようにするモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法およびその動的たわみ補正方法の実施に使用されるモーションコントローラを提供することを目的としている。
【０００９  】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明によるモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法は、サーボモータに駆動される送りねじ機構により直線移動する被駆動部を駆動制御するモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法において、前記送りねじ機構および前記被駆動部を含む駆動機械部分のたわみ量を推定し、推定した前記たわみ量に基づいて前記サーボモータに与える位置指令を補正し、前記被駆動部の移動誤差を低減するものである。
【００１０  】
この発明によるモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法では、推力センサにより前記被駆動部の推力を測定し、前記推力センサによる推力測定値よりたわみ量を推定するか、あるいは、回転物イナーシャの値と回転系の摩擦係数をパラメータ設定し、これらパラメータ設定値と位置指令値の微分値より回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクを算出し、前記回転物摩擦トルクと前記回転物イナーシャ加速トルクとモータ発生トルクを代表するサーボ系のトルク指令値より前記被駆動部の推力を算出し、当該推力算出値よりたわみ量を推定する。
【００１１  】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるモーションコントローラは、サーボモータに駆動される送りねじ機構により直線移動する被駆動部を駆動制御するモーションコントローラにおいて、前記送りねじ機構および前記被駆動部を含む駆動機械部分のたわみ量を推定するたわみ量推定手段と、前記たわみ量推定手段が推定した前記たわみ量に基づいて前記サーボモータに与える位置指令を補正する位置指令補正手段とを有しているものである。
【００１２  】
また、この発明によるモーションコントローラは、前記被駆動部の推力を測定する推力センサを有し、前記たわみ量推定手段は前記推力センサによる推力測定値を入力して当該推力測定値よりたわみ量を推定するものである。
【００１３  】
また、この発明によるモーションコントローラは、回転物イナーシャの値と回転系の摩擦係数をパラメータ設定するパラメータ設定部を有し、前記たわみ量推定手段は、前記パラメータ設定部よりパラメータ設定値を入力すると共に、位置指令値とモータ発生トルクの代表値としてサーボ系のトルク指令値を入力し、前記パラメータ設定値と前記位置指令値の微分値より回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクを算出し、前記回転物摩擦トルクと前記回転物イナーシャ加速トルクと前記トルク指令値より前記被駆動部の推力を算出し、当該推力算出値よりたわみ量を推定するものである。
【００１４  】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１はこの発明によるモーションコントローラおよびモーションコントローラにより位置制御される工作機械の送り駆動機構の実施の形態１を示している。
【００１５  】
工作機械の送り駆動機構は、固定配置のベッド１００上にリニアガイド１０１に案内されて図にて左右方向に直線移動するワークテーブル１０２を有している。ベッド１００はブラケット１０３、１０４および軸受部材１０５、１０６によってボールねじ１０７を回転可能に支持しており、ワークテーブル１０２にはボールねじ１０７に螺合するボールねじナット１０８が取り付けられている。
【００１６  】
ボールねじ１０７は、カップリング１０９によりサーボモータ１１０と駆動連結され、サーボモータ１１０によって回転駆動される。サーボモータ１１０にはサーボモータ１１０の回転位置（モータ位置）を検出するロータリエンコーダ１１１が取り付けられている。
【００１７  】
送り駆動機構のボールねじナット１０８の取付部には、被駆動部（ワークテーブル１０２）の推力を測定する推力センサ１１２が取り付けられている。なお、推力センサ１１２は、推力が増える方向、減る方向の何れをも測定できるようになっている。
【００１８  】
モーションコントローラ（サーボコントローラ）は、ロータリエンコーダ１１１による検出されるサーボモータ１１０の回転位置をテーブル位置座標に変換して位置フィールド信号を出力するテーブル位置座標変換部１１と、テーブル位置座標変換部１１よりの位置フィールド信号が示すテーブル位置より後述する推定たわみ量を差し引いて動的たわみ補正を行う位置指令補正部１２と、位置指令補正部１２により補正されたテーブル位置と位置指令値との偏差を算出する位置偏差算出部１３と、その位置偏差が零になるような速度指令を生成する位置制御器１４と、テーブル位置座標変換部１１のテーブル位置を微分して速度フィードバック信号を生成する微分器１５と、位置制御器１４が出力する速度指令値と微分器１５よりテーブル移動速度との偏差を算出する速度偏差算出部１６と、その速度偏差が零になるようにトルク指令を生成する速度制御器１７と、速度制御器１７よりトルク指令を与えられてトルク指令値に応じた電流指令を作成する電流指令作成部１８と、電流指令作成部１８より電流指令を与えられるサーボアンプ１９とにより構成されている。
【００１９  】
モーションコントローラは推定たわみ量を算出するたわみ量推定部２０を有している。たわみ量推定部２０は、推力センサ１１２により推力測定値を入力し、次の計算を行って送り駆動機構のたわみ量ΔＸ（ｍ）を推定する。
ΔＸ＝Ｆ／Ｋ                        …（１）
【００２０  】
但し、Ｆ：推力センサ１１２により推力測定値（Ｎ）
Ｋ：送り駆動機構の等価剛性（Ｎ／ｍ）
【００２１  】
このたわみ量ΔＸ（ｍ）をロータリエンコーダ１１１による測定結果から求めた位置フィードバック値から差し引くことにより、軸方向のたわみによる変位分を補正する。これにより位置指令と比較される値は、ガイド部の摩擦力あるいは慣性力等による送り駆動機構のたわみ分により、モータ回転位置から計算したテーブル位置との間に生じる誤差が反映された値となり、実際のテーブル位置が正しく制御できるようになる。
【００２２  】
なお、推定たわみ量を位置指令側に加えて補正することもできる。
【００２３  】
（実施の形態２）
図２はこの発明によるモーションコントローラおよびモーションコントローラにより位置制御される工作機械の送り駆動機構の実施の形態２を示している。なお、図２において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００２４  】
この実施の形態では、回転物イナーシャの値Ｊｂ（Ｎｍｓ2）と回転系の摩擦係数Ｃｂ（Ｎｓ／ｒａｄ）をパラメータ設定するパラメータ設定部２１が設けられており、たわみ量推定部２２は、パラメータ設定部２１よりパラメータ設定値を入力すると共に、位置指令値とモータ発生トルクＴｍの代表値として速度制御器１７が出力するトルク指令値を入力する。
【００２５  】
たわみ量推定部２２は、回転系の摩擦係数Ｃｂと位置指令値の微分値ｄθ／ｄｔより回転物摩擦トルクＴｂを算出し、また、回転物イナーシャの値Ｊｂの位置指令値の微分値ｄ2θ／ｄｔ2より回転物イナーシャ加速トルクＴａを算出し、回転物摩擦トルクＴｂと回転物イナーシャ加速トルクＴａとトルク指令値（Ｔｍ）より被駆動部の推力Ｆ’を算出し、当該推力算出値Ｆ’よりたわみ量を推定する。
【００２６  】
ここで、モータ発生トルクＴｍは次の値の加え合わせたものとなっている。
▲１▼回転系摩擦トルクＴｂ（Ｎｍ）
▲２▼回転物イナーシヤの加速トルクＴａ（Ｎｍ）
▲３▼軸方向移動摩擦トルクＴｃ（Ｎｍ）
軸方向摩擦力をＦｃ（Ｎ）とすると、Ｔｃ＝Ｒ・Ｆｃである。
▲４▼軸方向移動物の加速トルクＴａｍ（Ｎｍ）
軸方向移動物質量をＭ（Ｋｇ）、加速度をＡ（ｍ／ｓ2）とすると、Ｔａｍ＝Ｒ・Ａ・Ｍである。
従ってモータ発生トルクＴｍ（Ｎｍ）は、
Ｔｍ＝Ｔｂ＋Ｔａ＋Ｔｃ＋Ｔａｍ      …（２）
であり、この値はトルク指令値とほぼ等しいと考えてよい。
【００２７  】
回転の摩擦はクーロン摩擦、粘性摩擦など各種考えられるが、ここでは、粘性摩擦が発生する場合を考える。回転物イナーシャの値Ｊｂ（Ｎｍｓ2）、回転系摩擦係数Ｃｂ（Ｎｓ／ｒａｄ）をパラメータとして設定する。これにより、たわみ量推定部２２で以下の演算処理を行う。
ワークテーブルの推力は、Ｔｃ＋Ｔａｍに１／Ｒをかけて軸方向に換算することにより求められる。Ｔｃ＋Ｔａｍの値は、（２）式を変形して
Ｔｃ＋Ｔａｍ＝Ｔｍ−Ｔｂ−ＴＡ      …（３）
のように求めることができる。
【００２８  】
回転物摩擦トルクＴｂと回転物イナーシャ加速トルクＴａを求めるためには、まず、位置指令値を微分してｄθ／ｄｔとｄ2θ／ｄｔ2を求める。これから、回転物摩擦トルクＴｂ、回転物イナーシャ加速トルクＴａが下式により求められる。
Ｔｂ＝Ｃｂ（ｄθ／ｄｔ）            …（４）
Ｔａ＝Ｊｂ（ｄ2θ／ｄｔ2）          …（５）
これらの値をモータ発生トルクＴｍより差引き、送り駆動機構の回転・直線変換係数Ｒで割ることにより、ワークテーブルの推力Ｆ’を算出できる。この値を用いて実施の形態１と同様に、（１）式から、たわみ量ΔＸ’が求められる。
【００２９  】
なお、微分演算は、実際にはディジタル演算による差分演算により代替できる。また、回転物摩擦として粘性摩擦を例に挙げたが、回転物摩擦力の発生パターンをパラメータで設定できるようにすれば、いろいろな摩擦力に対応できる。
【００３０  】
また、機械の位置をリニアスケール等で直接検出する場合には、ロストモーションの影響で機械の反転遅れが発生し、加工精度を悪化させる現象に対しても反転遅れをうち消すことができ、大きい効果が得られる。
【００３１  】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明によるモーションコントローラにおける動的たわみ補正方法およびモーションコントローラによれば、送りねじ機構および前記被駆動部を含む駆動機械部分のたわみ量を推定し、推定した前記たわみ量に基づいてサーボモータに与える位置指令を補正し、被駆動部の移動誤差を低減するから、送り駆動機構のたわみ量が動的に変化しても、これを適切に補正でき、工作機械の加工精度が向上する。また、負荷の重量変化、ガイド部の摩擦力の変化等の影響もうち消すことができる。特に、パラメータとして必要となるのは、回転系の摩擦を定義するもの、および回転系のみのイナーシヤの値、軸方向剛性であり、これらは負荷の影響を受けにくいので負荷の変化の影響を受けない。また、加工反力によるたわみも自動的に補正されることになる。
【００３２  】
また、推力センサにより被駆動部の推力を測定し、推力センサによる推力測定値よりたわみ量を推定するものでは、たわみ量の推定に複雑な演算を行う必要がせなく、高速に対応できる。
【００３３  】
また、回転物イナーシャの値と回転系の摩擦係数をパラメータ設定し、これらパラメータ設定値と位置指令値の微分値より回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクを算出し、回転物摩擦トルクと回転物イナーシャ加速トルクとモータ発生トルクを代表するサーボ系のトルク指令値より被駆動部の推力を算出し、当該推力算出値よりたわみ量を推定するものでは、推力センサを特別に必要しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるモーションコントローラおよびモーションコントローラにより位置制御される工作機械の送り駆動機構の実施の形態１を示すブロック図である。
【図２】この発明によるモーションコントローラおよびモーションコントローラにより位置制御される工作機械の送り駆動機構の実施の形態２を示すブロック図である。
【図３】送り駆動機構の力学モデル図である。
【符号の説明】
１１  テーブル位置座標変換部
１２  位置指令補正部
１３  位置偏差算出部
１４  位置制御器
１５  微分器
１６  速度偏差算出部
１７  速度制御器
１８  電流指令作成部
１９  サーボアンプ
２０  たわみ量推定部
２１  パラメータ設定部
２２  たわみ量推定部
１００  ベッド
１０１  リニアガイド
１０２  ワークテーブル
１０７  ボールねじ
１０８  ボールねじナット
１０９  カップリング
１１０  サーボモータ
１１１  ロータリエンコーダ
１１２  推力センサ
【図１】
0004448219.tif 000002
【図２】
0004448219.tif 000003
【図３】
0004448219.tif 000004