JP2014191520A - 数値制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸移動の移動方向の反転後に生じるロストモーションを精度良く補償できる数値制御装置を提供する。
【解決手段】数値制御装置は補償器を備える。補償器はロストモーションの補償量を演算する。ロストモーションはテーブルの移動方向が反転した後にテーブル機構の弾性変形に起因して生じる。補償器はテーブルが移動中か停止中かを判断し（Ｓ１）、移動中と判断した場合（Ｓ１：ＮＯ）、（１）式を用いて補償量を演算する（Ｓ２）。（１）式は前回の補償量にテーブル３の移動量に比例する値を加算して補償量を演算する式である。停止中と判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、（２）式を用いて補償量を演算する（Ｓ５）。（２）式はトルク指令に基づいて補償量を演算する式である。故に数値制御装置は、テーブルの移動中、反転時、及び停止時に応じてロストモーションを精度良く補償できる。
【選択図】図７

Description

本発明は数値制御装置に関する。

工作機械は或る駆動軸の移動方向が反転した時に機構の弾性変形による遅れを生ずる。遅れはロストモーションと呼び、加工精度が低下する原因となる。ロストモーションを補償する為に、数値制御装置は移動方向反転時にロストモーションに相当する量を予測して、指令位置に加えておく。特許文献１は入力を反転位置からの距離、出力を補償量とした関数としてロストモーションを補償する。特許文献２は同じく反転位置からの距離の関数としてロストモーションを補償するが、ロストモーションの立ち上がりを滑らかなｅｘｐ関数で近似する。

特開平８−１５２９１０号公報 特開平１０−１５４００７号公報

特許文献１，２に記載の手法は、反転時及び移動中のロストモーションは良好に補償できるが、停止時は過補償となって加工精度が低下するという問題点があった。

本発明の目的は、移動中、反転時、及び停止時に応じてロストモーションを精度良く補償できる数値制御装置を提供することである。

本発明の請求項１に係る数値制御装置は、ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構と、該位置検出機構が検出した前記移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成部と、前記モータの速度を検出する速度検出機構と、前記速度検出機構が検出した速度と前記速度生成部が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成部と、前記移動体の移動方向が反転した後に前記送り機構の弾性変形に起因して生じるロストモーションの補償量を演算する演算手段と、前記演算手段が演算した前記補償量を前記位置指令に加算して前記位置指令を補正する加算手段とを備えた数値制御装置において、前記演算手段は、前記移動体が移動中か停止中かを判断する判断手段と、前記判断手段が前記移動体は移動中と判断した場合、前回の補償量に前記移動体の移動量に基づく値を加算して前記補償量を演算する第一演算手段と、前記判断手段が前記移動体は停止中と判断した場合、前記トルク指令に基づいて前記補償量を演算する第二演算手段とを備えることを特徴とする。移動体の移動中、第一演算手段は移動量の関数を用いて補償量を演算する。移動体の停止中、第二演算手段はトルク指令の関数を用いて補償量を演算する。演算手段は移動体が移動中か停止中で関数を使い分ける。故に数値制御装置は、移動体の移動中や反転時に安定した補償を行いながら停止時に過補償となることを防止できる。故に数値制御装置は移動中、反転時、及び停止時に応じてロストモーションを精度良く補償できる。

請求項２に係る発明の数値制御装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記移動体を所定速度で一定方向に移動させた時のトルク値を基準トルクとし、前記第二演算手段は、前記基準トルクと前記トルク指令の比率に比例するように前記補償量を演算することを特徴とする。故に第二演算手段は停止中に生じるロストモーションを補償できる。

請求項３に係る発明の数値制御装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記移動体を前記所定速度で前記一定方向に移動させた時の最大の補償量を最大補償量とし、前記第二演算手段は、前記比率に前記最大補償量を乗算することによって、前記補償量を演算することを特徴とする。故に第二演算手段は停止中に生じるロストモーションを補償できる。

請求項４に係る発明の数値制御装置は、請求項１から３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記第一演算手段は、前記移動体が停止中から移動する場合、停止中の前記補償量を前記前回の補償量とすることを特徴とする。故に数値制御装置は停止から移動に転じる時のロストモーションの変化を良好に補償できる。

テーブル機構２０の斜視図。 数値制御装置１の電気的構成を示す図。 移動中の補償量を示すグラフ。 停止中の補償量を示すグラフ。 停止から移動に遷移した時の補償開始位置を示すグラフ。 移動から停止に遷移した時の補償量を示すグラフ。 補償処理の流れ図。 テーブル機構４０の構成図。 第一手法を用いて補償量を算出した結果を示すグラフ。 第二手法を用いて補償量を算出した結果を示すグラフ。 第三手法を用いて補償量を算出した結果を示すグラフ。

本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。図１に示すテーブル機構２０は工作機械に設ける。テーブル機構２０はテーブル３をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能に支持する。工作機械の主軸（図示略）はＺ軸方向に昇降可能である。数値制御装置１はＮＣプログラムが指定する経路に従い、主軸とテーブル機構２０の動作を制御し、テーブル３上に治具で固定したワーク（図示略）の切削加工を行う。尚、図１の左斜め下方、右斜め上方、右斜め下方、左斜め上方は、夫々、テーブル機構２０の前方、後方、右方、左方である。テーブル機構２０の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。

図１を参照し、テーブル機構２０の構造を説明する。テーブル機構２０は基台２、中間テーブル５０、テーブル３を備える。基台２は上面に中間テーブル５０をＹ軸方向に移動可能に支持する。中間テーブル５０は上面にテーブル３をＸ軸方向に移動可能に支持する。故にテーブル３は基台２を基準にＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。

基台２は上面に一対のリニアガイド６Ａ、ボール螺子軸４Ａ、モータ２Ａ等を備える。リニアガイド６ＡはＹ軸方向に延出する。リニアガイド６Ａは中間テーブル５０をＹ軸方向に案内する。ボール螺子軸４Ａは一対のリニアガイド６Ａの間にＹ軸方向に平行に設ける。中間テーブル５０は下面にボールナット（図示略）を固定する。ボール螺子軸４Ａはボールナットに挿入する。モータ２Ａはボール螺子軸４Ａを回転する。ボール螺子軸４Ａが回転すると、中間テーブル５０はボールナットを介してＹ軸方向に移動する。

中間テーブル５０はＸ軸方向に長手を有する板状である。中間テーブル５０は上面に一対のリニアガイド６Ｂ、ボール螺子軸４Ｂ、モータ２Ｂ等を備える。リニアガイド６ＢはＸ軸方向に延出する。リニアガイド６Ｂはテーブル３をＸ軸方向に案内する。ボール螺子軸４Ｂは一対のリニアガイド６Ｂの間にＸ軸方向に平行に設ける。テーブル３は下面にボールナット５（図８参照）を固定する。ボール螺子軸４Ｂはボールナット５に挿入する。モータ２Ｂはボール螺子軸４Ｂを回転する。ボール螺子軸４Ｂが回転すると、テーブル３はボールナット５を介してＸ軸方向に移動する。従って、テーブル機構２０はテーブル３をＸ軸方向とＹ軸方向に移動できる。

数値制御装置１はモータ２Ａ、２Ｂに夫々接続する。数値制御装置１はモータ２Ａ，２Ｂを駆動して、テーブル３をＸ軸方向とＹ軸方向に移動する。ボール螺子軸４Ａ、４Ｂ、ボール螺子軸４Ａに取り付けるボールナット、ボールナット５はモータ２Ａ、２Ｂの回転運動を二軸方向におけるテーブル３の直進運動に変換する。数値制御装置１はモータ２Ａ、２Ｂを制御し、テーブル３の位置、速度、加速度を制御する。ロータリーエンコーダ６０（以下、エンコーダ６０という）はモータ２Ａ、２Ｂに夫々取り付ける。各エンコーダ６０はモータ２Ａ、２Ｂの各位置（回転角）を検出する。数値制御装置１はテーブル３の位置を、モータ２Ａ，２Ｂの各位置、ボール螺子軸４Ａ、４Ｂのピッチ（螺子山の間隔）に基づいて算出する。

図２を参照し、数値制御装置１の構成を説明する。数値制御装置１は、上位制御部１０、位置制御器１１、速度制御器１２、補償器１３、電流制御増幅器１５、微分器１６、加算器１７等を備える。上位制御部１０はＮＣプログラムに基づき、位置指令信号を位置制御器１１に出力する。各エンコーダ６０はモータ２Ａ、２Ｂの位置検出信号を位置制御器１１に出力する。位置制御器１１は位置指令信号と位置検出信号が一致するように速度指令信号を生成し速度制御器１２に出力する。微分器１６は位置検出信号を速度検出信号に変換し速度制御器１２に加える。速度制御器１２は速度指令信号と速度検出信号とが一致するようにトルク指令信号を生成し、電流制御増幅器１５と補償器１３に夫々出力する。

補償器１３は、テーブル３の状態に応じて、上位制御部１０からの位置指令信号又は速度制御器１２からのトルク指令信号に基づき、ロストモーション補償量（以下、補償量という）を算出し、ロストモーション補償信号を生成し加算器１７に出力する。加算器１７はロストモーション補償信号を上位制御部１０が位置制御器１１に出力した位置指令信号に加算する。故に位置制御器１１はロストモーションを補償した位置指令信号と位置検出信号が一致するようにトルク指令信号を生成する。速度制御器１２はロストモーションを補償したトルク指令信号を生成する。電流制御増幅器１５はトルク指令信号にできる限り忠実なトルクを発生するようにモータ２Ａ、２Ｂの電流を制御する。

図３〜図６を参照し、補償器１３によるロストモーション補償方法を説明する。ロストモーションはテーブル３の状態に応じて特性が異なる。テーブル３の状態とは、少なくとも移動状態と停止状態を含む。工作機械がワークを加工する為に、テーブル３は移動と停止を交互に繰り返す。故に数値制御装置１は移動状態と停止状態とで補償量の算出方法を夫々変える必要がある。更に数値制御装置１は移動状態から停止状態に遷移する時、停止状態から移動状態に遷移する時の補償量を規定しておく必要がある。本実施形態はこれらを考慮し補償量をテーブル３の状態に応じて以下のように算出する。

［移動状態］
補償器１３は以下（１）式を用いて補償量を算出する。
・・・（１）式
尚、Ｌｃ_ｎは補償器出力、Ｌｃ_ｎ−１は前回補償器出力、Ｐｃは最大補償量、Ａｐは傾き係数、Δｘは位置指令の増分である。

図３は（１）式を用いて算出した移動状態の補償量をグラフに表したものである。補償量はテーブル３の移動量に比例して増加もしくは減少する。但し、−Ｐｃ／２≦Ｌｃ_n≦Ｐｃ／２とし、それ以降は補償量は増加せずに一定になる。移動量に対して比例して増加する傾きと、最大補償量は実際に測定することで決定するパラメータである。補償量が一定になった後で移動方向が反転した場合、直ちに補償量が減少する。故に補償量は元の場所には戻らないヒステリシス特性の軌跡を描く。

［停止状態］
補償器１３は以下（２）式を用いて補償量を算出する。
・・・（２）式
尚、Ｌｃは補償器出力、Ｐｃは最大補償量、Ｔｌは基準トルク、Ｔｃはトルク指令である。但し、−Ｐｃ／２≦Ｌｃ≦Ｐｃ／２とする。

図４は（２）式を用いて算出した停止状態の補償量をグラフに表したものである。補償量はトルク指令の値に比例して増加する。補償量が或る一定の値になるとそれ以上補償量は増加しない。トルク指令に対して比例する補償量の傾きは実測で求める。最大補償量Ｐｃは移動中の最大補償量と同じである。基準トルクはテーブル３を所定速度で一定方向に移動した時のトルク値である。途中でトルク指令が反転した場合、補償量は移動状態とは異なり元の場所に戻る。

［停止状態から移動状態に遷移した時］
図５に示す如く、停止状態から移動状態に遷移した時、補償器１３は停止時の補償量に対応する位置から補償を開始する。

［移動状態から停止状態に遷移した時］
図６に示す如く、移動状態から停止状態に遷移した時、補償器１３は停止した時点のトルク指令に基づいて補償量を決定する。

図７を参照し、補償器１３による補償処理を説明する。工作機械が動作を開始すると、補償器１３は、上位制御部１０からの位置指令信号又は速度制御器１２からのトルク指令信号に基づき、本処理を実行する。補償器１３はΔｘ＝０か否か判断する（Ｓ１）。Δｘ＝０でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、テーブル３は移動状態である。故に補償器１３は（１）式を用いて補償量を算出する（Ｓ２）。尚、前回が停止状態であった場合は停止状態から移動状態への遷移であるので、図５に示す如く、補償器１３は停止時の補償量と対応する位置から補償を開始する。補償器１３は算出した補償量に基づきロストモーション補償信号を生成し加算器１７に出力する（Ｓ３）。

Δｘ＝０の場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、テーブル３は停止状態である。故に補償器１３は（２）式を用いて補償量を算出する（Ｓ５）。尚、移動状態から停止状態に遷移した時、図６に示す如く、補償器１３は停止した時点のトルク指令に基づいて補償量を算出する。補償器１３は算出した補償量に基づきロストモーション補償信号を生成し加算器１７に出力する（Ｓ３）。補償器１３は工作機械の動作が終了したか否か判断する（Ｓ４）。動作が継続する場合（Ｓ４：ＮＯ）、補償器１３はＳ１に戻り、処理を繰り返す。動作が終了した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、補償器１３は処理を終了する。

次に、本実施形態の効果を確認する為に各種実験を行った。図８を参照し、実験に用いたテーブル機構４０を説明する。テーブル機構４０は、図１に示すテーブル機構２０のうちテーブル３をＸ軸方向にガイドする部分で構成する。テーブル機構４０は、テーブル３、ボールナット５、ボール螺子軸４Ｂ、Ｘ軸送りガイド（図示略）、モータ２Ｂ、エンコーダ６０、リニアスケール３０を備える。リニアスケール３０は目盛（スケール）から位置情報を取得する検出器であり、テーブル３の位置を検出する。エンコーダ６０が出力するフィードバック位置（以下、ＦＢ位置という）はモータ２Ｂの位置検出信号が示すテーブル３の位置である。ロストモーションは、同一時刻におけるＦＢ位置とリニアスケール位置の差とみなすことができる。

テーブル３が移動と停止を交互に繰り返す一連の動作について、３つの手法を用いて補償量を夫々算出し比較する実験を行った。一連の動作は以下の通りである。
・所定時間プラス方向に移動（５００ｍｍ／ｍｉｎ）→所定時間停止→所定時間マイナス方向に移動（−５００ｍｍ／ｍｉｎ）→所定時間停止
尚、プラス方向とマイナス方向はＸ軸方向において互いに逆方向の関係である。

３つの手法は以下の通りである。第一手法は（１）式のみを用いて補償する方法、第二手法は（２）式のみを用いて補償する方法、第三手法は本発明手法である。本発明手法は移動時と停止時に応じて（１）式と（２）式を使い分けて補償する方法である。各実験はロストモーションを実際に測定し、実測値と各手法を用いた補償量とを比較して評価した。

図９を参照し、第一手法を用いて補償量を算出した結果を説明する。図９のグラフが示す如く、ロストモーションの実測値は、テーブル３の移動中は小刻みに上下に振幅しながら一定の値を保持し、停止した後はなだらかに低下しその後一定の値を保持した。振幅の原因はＸ軸送りガイド及びボール螺子軸４Ｂ等の影響で生じたトルクむらであると考えられる。これに対し、第一手法を用いて算出した補償量は、移動中は実測値に近い値を示すことができたが、停止中はそれ以前の移動中の補償量から変化せず、実測値に近づけることができなかった。これは、第一手法で用いた（１）式がテーブル３の移動状態のみに適応した計算式であり、停止状態には全く適応していないからである。

図１０を参照し、第二手法を用いて補償量を算出した結果を説明する。ロストモーションの実測値は図９と同じである。第二手法を用いて算出した補償量は、停止中については実測値に近い値を示すことができたが、移動中については実測値の振幅よりもさらに大きくなってしまい、実測値から離れてしまった。これは、第二手法で用いた（２）式がテーブル３移動中のトルクむらによる影響をロストモーションの実測値よりも大きく算出し、移動状態には全く適応していないからである。

図１１を参照し、第三手法を用いて補償量を算出した結果を説明する。ロストモーションの実測値は図９と同じである。第三手法を用いて算出した補償量は、移動中及び停止中共に実測値に近い値を示すことができた。故に第三手法は、移動中は（１）式、停止中は（２）式を夫々使い分けることによって、テーブル３の状態に応じた補償量を算出できることがわかった。

上記説明において、テーブル３が本発明の移動体に相当し、テーブル機構２０が本発明の送り機構に相当し、エンコーダ６０が本発明の位置検出機構に相当し、上位制御部１０が本発明の制御部に相当し、位置制御器１１が本発明の速度生成部に相当し、微分器１６が本発明の速度検出機構に相当し、速度制御器１２が本発明のトルク生成部に相当し、補償器１３が本発明の演算手段に相当し、加算器１７が本発明の加算手段に相当する。図７に示すＳ１の処理を実行する補償器１３が本発明の判断手段に相当し、Ｓ２の処理を実行する補償器１３が本発明の第一演算手段に相当し、Ｓ５の処理を実行する補償器１３が本発明の第二演算手段に相当する。

以上説明したように、本実施形態の数値制御装置１は補償器１３を備える。補償器１３はロストモーションの補償量を演算する。ロストモーションはテーブル３の移動方向が反転した後にテーブル機構２０の弾性変形に起因して生じる。補償器１３はテーブル３が移動中か停止中かを判断し、移動中と判断した場合、前回の補償量にテーブル３の移動量に比例する値を加算して補償量を演算する。演算式の一例は、ＬＣ_ｎ＝ＬＣ_ｎ−１＋（Ｐｃ／Ａｐ）Δｘである。Ｌｃ_ｎは補償器出力、Ｌｃ_ｎ−１は前回補償器出力、Ｐｃは最大補償量、Ａｐは傾き係数、Δｘは位置指令の増分である。但し、−Ｐｃ／２≦Ｌｃ_ｎ≦Ｐｃ／２とする。補償器１３は停止中と判断した場合、トルク指令に基づいて補償量を演算する。演算式の一例は、Ｌｃ＝（Ｐｃ／２）（Ｔｃ／Ｔｌ）である。尚、Ｌｃは補償器出力、Ｐｃは最大補償量、Ｔｌは基準トルク、Ｔｃはトルク指令である。但し、−Ｐｃ／２≦Ｌｃ≦Ｐｃ／２とする。補償器１３はテーブル３が移動中か停止中かで数式を使い分ける。故に補償器１３は、テーブル３の移動中や反転時に安定した補償を行いながら、停止時に過補償となることを防ぐことができる。故に数値制御装置１は、テーブル３の移動中、反転時、及び停止時に応じてロストモーションを精度良く補償できる。

本実施形態におけるＺ軸は、停止中において重力の影響を受ける。Ｚ軸においては重力の影響を除くため、上記停止中の演算式の一例は、Ｌｃ＝（Ｐｃ／２）（（Ｔｃ−Ｔｏ）／（Ｔｌ−Ｔｏ））である。尚、Ｌｃは補償器出力、Ｐｃは最大補償量、Ｔｌは基準トルク、Ｔｃはトルク指令、Ｔｏは重力によるトルクである。但し、−Ｐｃ／２≦Ｌｃ≦Ｐｃ／２とする。

尚本発明は上記実施形態に限らず種々の変更が可能である。例えば上記実施形態において、補償器１３が用いる（１）式と（２）式は一例であって他の数式を用いてもよい。例えば（１）式は、線形の近似式の他に、指数関数、ｔａｎｈ関数を用いもよい。さらにｔａｎｈ関数は１つでもよいが、２つ以上用いてもよい。

また本実施形態は、テーブル３をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能に支持し、且つ主軸をテーブル３に対してＺ軸方向に移動可能に支持する工作機械を一例として説明するが、テーブル３を固定とし、主軸をテーブル３に対してＸ軸方向とＹ軸方向に移動させる工作機械であってもよい。主軸に装着する工具とテーブルを相対的に移動するものであればよい。

１ 数値制御装置
２Ａ，２Ｂ モータ
３ テーブル
４Ａ，４Ｂ ボール螺子軸
５ ボールナット
１０ 上位制御部
１１ 位置制御器
１２ 速度制御器
１３ 補償器
１５ 電流制御増幅器
１６ 微分器
１７ 加算器
２０，４０ テーブル機構
６０ エンコーダ

Claims (4)

1. ボール螺子軸と該ボール螺子軸に外嵌するボールナットとを有し該ボールナットに固定した移動体を移動する送り機構と、前記ボール螺子軸を回転駆動するモータと、前記モータで移動した前記移動体の位置を前記モータの回転量に基づいて検出する位置検出機構と、該位置検出機構が検出した前記移動体の位置と制御部が生成する位置指令とが一致するように速度指令を生成する速度生成部と、前記モータの速度を検出する速度検出機構と、前記速度検出機構が検出した速度と前記速度生成部が生成した速度指令とが一致するようにトルク指令を生成するトルク生成部と、前記移動体の移動方向が反転した後に前記送り機構の弾性変形に起因して生じるロストモーションの補償量を演算する演算手段と、前記演算手段が演算した前記補償量を前記位置指令に加算して前記位置指令を補正する加算手段とを備えた数値制御装置において、
   前記演算手段は、
   前記移動体が移動中か停止中かを判断する判断手段と、
   前記判断手段が前記移動体は移動中と判断した場合、前回の補償量に前記移動体の移動量に基づく値を加算して前記補償量を演算する第一演算手段と、
   前記判断手段が前記移動体は停止中と判断した場合、前記トルク指令に基づいて前記補償量を演算する第二演算手段と
   を備えたことを特徴とする数値制御装置。
2. 前記移動体を所定速度で一定方向に移動させた時のトルク値を基準トルクとし、
   前記第二演算手段は、
   前記基準トルクと前記トルク指令の比率に比例するように前記補償量を演算することを特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
3. 前記移動体を前記所定速度で前記一定方向に移動させた時の最大の補償量を最大補償量とし、
   前記第二演算手段は、前記比率に前記最大補償量を乗算することによって、前記補償量を演算することを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置。
4. 前記第一演算手段は、
   前記移動体が停止中から移動する場合、停止中の前記補償量を前記前回の補償量とすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の数値制御装置。