JP4503148B2 - 数値制御工作機械の送り機構の補正装置および数値制御工作機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は数値制御（以下ＮＣという）工作機械の送り機構のバックラッシ補正装置およびこれを含むＮＣ工作機械に関するもので、特にリニアボールガイドを用いたＮＣ工作機械の送り駆動機構の輪郭制御に関して駆動機構の漸増型ロストモーションに伴う誤差を解消すべく最適なバックラッシ補正を行うことを可能にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
三次元切削等を行う工作機械においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸毎に配置された駆動機構を用いて加工工具あるいはワークを移動させることにより、三次元的な立体加工を実現しており、これらの多軸同時制御には、プログラム式のＮＣ装置が多用されている。すなわち、ＮＣ装置は外部から入力されたデータから所定の動作プログラムにより、各軸等の動作指令値を解析し、各軸毎のデータを工作機械の各軸の駆動機構に順次出力し、動作プログラムにより設定された所期の動作を実行させるものである。
【０００３】
ここで、駆動機構は、加工工具あるいはワークを移動させる駆動源としてのサーボモータと、モータの回転を各軸に伝達するためのボールねじ、ギヤトレイン等の伝達機構と、モータを回転駆動するため駆動信号を供給するとともに位置、速度を検出し駆動信号にフィードバックするための位置、速度制御ループ等の制御回路とを含む。
【０００４】
このような駆動機構では、加工工具あるいはワークを移動させる際に、伝達機構によるバックラッシが生じ、そのために輪郭制御に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００５】
そこで、従来より、このバックラッシを補正する技術が種々考案されている。
【０００６】
典型的なＮＣ装置におけるバックラッシ補正としては、例えば、切削送り、早送りあるいは円弧補間等の曲線制御における送り速度をある速度に設定し、そのときに生じるバックラッシ量を測定し、これをバックラッシ補正量として蓄積しており、駆動機構の速度制御系に供給して補正する方法がある。
【０００７】
一方、特開昭６０−１７２４４４号公報においては、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給せず、円弧補間時に生じるバックラッシ補正量を複数の位置間隔で分解したバックラッシ補正データを用意しておき、移動位置ごとにバックラッシ補正量を徐々に加える方法を開示する。
【０００８】
円弧補間等の曲線制御において、真円加工を行う場合は、２軸同時制御が必要であるが、この場合のバックラッシ補正は、各軸毎のバックラッシ補正量を用いて各軸毎に行われる。このような加工において象限の切り換え時、すなわち、一つの軸の送り方向が＋から−、あるいは−から＋ヘ変化するとき、通常のバックラッシ補正を行うと、所謂、喰い込みを生ずる現象がある。
【０００９】
バックラッシ補正が正しく作用し、喰い込み現象が生じない場合は、バックラッシの間に機械系は停止しているのに対して、バックラッシ補正が正しく作用せず、喰い込み現象が生じる場合には、バックラッシの間に機械系は少しずつ戻り運動をしていることになるため、通常のバックラッシ補正を行うと所望の軌跡である円弧より内側に喰い込む現象を引き起こし、円弧補間、曲線加工の精度を低下させることになる。
【００１０】
この原因は、通常のバックラッシ補正は、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給するため、象限切り換え時に立ち上がりが緩慢な場合には、バックラッシ補正後の軌跡が、加工したい円弧の内側に喰い込んだ軌跡を描くことになるためである。
【００１１】
一方、特開昭６０−１７２４４４号公報に記載されたＮＣ装置においては、上記の如き緩慢な立ち上がりを有する機械系のバックラッシ補正方法として、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間にバックラッシ補正量に相当するパルスを一時に加えて速度制御系を介してサーボモータに供給せず、円弧補間時に生じるバックラッシ量を複数の位置間隔で分解したバックラッシ補正データを用意しておき、移動位置毎にバックラッシ補正量を徐々に加える方法が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この方法によれば、前述した喰い込み現象をかなり改善することが可能であるが、次の点で不都合が存在する。
【００１３】
すなわち、第１は、上記の喰い込み現象は、送り速度によりその量が変化するため、ある送り速度で測定したバックラッシ量をもとにバックラッシ補正を行っただけでは完全な補正にならないという点であり、第２は、分割位置に対応して、サーボモータ駆動の１サンプリングタイムの間に当該分割位置におけるバックラッシ補正量に相当するパルスを速度制御系を介してサーボモータに供給しているため、緩慢な立ち上がり部で徐々に変化する勾配に追従したバックラッシ補正となっていないという点である。
【００１４】
以上説明したように、従来のバックラッシ補正方法では円弧補間を行う場合に、送り速度に対して、当該送り速度に最適なバックラッシ補正がなされておらず、また、緩慢な立ち上がりを有し、象限切換え時に喰い込み現象が生じるケースで正確なバックラッシ補正がなされていないため、加工精度の低下を生じるという不都合が存在していた。
【００１５】
このような問題を解決すべくなされた特公平７−７１７８１号公報に記載された数値制御工作機械のバックラッシ補正方法においては、バックラッシ補正量データとして、円弧補間時に生ずるバックラッシ量を複数の位置間隔で分割したバックラッシ補正データと、分割した位置に応じて、速度制御系を介して駆動源に供給されるパルスレートを算出するためのパルスレートデータ算出用データとが、複数の送り速度毎にそれぞれ対応して補正データ部に蓄積されており、指令データに基づいて当該指令速度と位置間隔により補正データ部から対応したバックラッシ補正データとパルスレートデータ算出用データとを読み出す。次に、バックラッシ補正量算出部において、当該指令速度と位置により、例えばその前後の速度に対応したバックラッシ補正データから補間演算部等により、当該指令速度に対応した最適の補正量を求めるとともに、位置に対応して分割位置に応じたパルスレートデータを作成し、速度制御系を介して駆動源を供給するようにしており、これにより、象限切換時にも正確なバックラッシ補正が可能となる。
【００１６】
ところで工作機械の送り駆動機構の移動方向反転時に、漸増形ロストモーションという特異なロストモーションが発生する場合がある。通常のロストモーションが移動方向反転時にステップ的に発生するのに対し、移動方向反転後の移動に伴って徐々に発生するという特徴がある。この現象はワイパーシール，パッキンシールおよびリニアボールガイドを用いた場合に顕著に見られる。
【００１７】
羽山定治、伊東正頼、大岳信久、藤田純、黒川哲郎、垣野義昭「ＮＣ工作機械送り駆動系における漸増型ロストモーションの生成機構とその補正に関する研究」精密工学会誌、６２，２（１９９６）２４７〜２５１ページ、は漸増型ロストモーションについて研究したものであるが、特公平７−７１７８１ともども、象限突起と漸増型ロストモーションを区別することができず、送り速度が速くなったり、ゲインが小さくなって象限突起誤差が変化すると、漸増型ロストモーションを正確に補正することができなかった。
【００１８】
図９はゲインが高い場合の象限切り替え時の運動誤差を表すグラフであり、また、図１０はゲインが小さい場合の象限切り替え時の運動誤差を表すグラフである。これらのグラフにおいて、
これらのグラフを比較しても象限突起の大きさが異なり、漸増型ロストモーション量も特定しがたい。ａ，ｂ，ｃ，Ａに特異点が認められるが、Ａ点が象限突起である。
【００１９】
本願発明は以上のような問題を解決するためになされたもので、漸増型ロストモーションを正確に補正し、象限突起の大きさが変化しても補正することのできる数値制御工作機械の送り機構の補正方法および数値制御工作機械を提供することを目的とする。
【００２０】
本発明にかかる数値制御工作機械の送り機構の補正装置によれば、
ワークを搭載するテーブルあるいは工具を搭載する主軸等を駆動するサーボモータと、
位置指令値に対してサーボモータの回転検出により得られた前記テーブルの位置をフィードバックするとともに、位置指令値から得られた速度指令値に対して前記テーブル位置から得られたテーブル速度をフィードバックし、その結果をトルク指令値、さらには電流指令値に変換して前記サーボモータに供給する制御部と、
前記トルク指令値の波形から象限切換に伴うトルクの変化点を検出してこの変化点間の時間ｔ_０１、ｔ_０２を求めるトルク解析部と、
前記制御部からの位置指令値と位置検出器で求めた主軸とテーブルの位置関係を求める位置解析部と、
前記トルク解析部から出力されたｔ _０１ 、ｔ _０２ と、前記位置解析部の出力と、リニアボールガイドの非線形ばね要素の特性値とに基づいて、漸増型ロストモーションによるテーブル位置誤差とこのテーブル位置誤差に対する補正値を求める補正量演算部と、
を備えたことを特徴とする。
【００２２】
この装置では送りトルク波形、実軌跡波形をもとに理論式の係数を逆算して、理論式にもとづいて、象限突起誤差を除いて漸増型ロストモーションによる位置誤差を算出し、この位置誤差をもとに補正を行うようにしている。したがって、象限突起の大きさが変化してもそれに伴う象限突起誤差を除いて漸増型ロストモーションのみで解析し、補正することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のいくつかを詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１に本発明にかかる数値制御工作機械の送り機構の補正装置の実施の一形態を示す。
【００２５】
ベッド１上にブラケット２，３によりそれぞれベアリング４，５が支持されており、このベアリングはボールねじ６を回転自在に支持している。このボールねじ６にはボールねじナット７が係合されている。
【００２６】
ガイド８の上にはテーブル９が摺動自在に載置され、このテーブルの下面にはボールねじナット７が固着されている。
【００２７】
一方、ボールねじ６はカップリング１０によってサーボモータ１１の軸と連結されているので、サーボモータの回転によりテーブルはガイド上を左右方向に摺動することになる。
【００２８】
テーブル９上にはワーク１３が載置され、工作機械の主軸１４との位置関係は２個のソケットおよびこれに接触する２個のボール間を連結するバーにセンサが取付けられたダブルボールバー（ＤＢＢ）１５によりコンピュータ２００を経由して検出される。なお、位置関係の検出には、その他の送り精度測定器やリニアスケール１６を用いるようにしてもよい。
【００２９】
サーボモータ１１の軸にはロータリエンコーダ１２が連結されており、このロータリエンコーダ１２の出力信号はブロック２０でテーブル位置座標へ変換されて位置フィードバック値とされ、さらにブロック３０で微分されて速度フィードバック値としてゲインブロック５０に与えられる。ここでトルク指令値に変換され、さらにブロック６０で電流指令値に変換され、次のブロック７０で電流増幅されて再びサーボモータに与えられる。
【００３０】
一方、トルク指令値はトルク解析部８０にも供給されており、このトルク解析部８０で解析されて補正量演算部９０に与えられ、また、位置検出器１５で検出された主軸とテーブルの位置関係は位置解析部１００で解析されて補正量演算部９０に与えられる。
【００３１】
補正量演算部９０で演算された補正量は位置フィードバック値を減算し、この減算された位置フィードバック値は位置指令値を減算し、この減算された位置指令値がブロック４０で角速度を乗算されることにより速度指令値が得られる。この速度指令値に対しては前述した速度フィードバック値が減算される。
【００３２】
これらの構成のうち、トルク解析部８０は、ブロック５０の出力であるトルク指令値（トルク波形）を検出し、その波形の変曲点から図２のａ，ｂ，ｃ，Ａの各時点を検出する。
【００３３】
一方、テーブル上のワークの位置は位置検出器でモニタされており、トルク解析部からの特異点の時点に基づいて図２のａ，ｂ，ｃ，Ａの各点の位置も特定される。これらのうち、Ａは象限突起である。
【００３４】
補正量演算部はこれらトルク解析部および位置解析部の出力に基づき、漸増型ロストモーションの量を演算し、補正量を算出する。
【００３５】
ｘｙ平面の円弧補間を実施する場合を例にとって説明すると、トルク検出部では象限切替え時のトルクを検出し、微分により、各ピークを求め、このピークをそれぞれ図２のａ，ｂ，ｃ，Ａとする。ａｂ間、ａｃ間の時間ｔ_０１、ｔ_０２それぞれを求め、次の式に代入する。
【００３６】
【数６】

ここで、
ω：角速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）、
ｒ：半径（ｍ）、
Ｆ_ｋｍａｘ：ガイドの最大摩擦力（Ｎ）、
Ｄ_ｋｍａｘ：ガイドが最大摩擦力に達したときの変位量（ｍ）、
Ｄ_ｋ０：摩擦力が０になったときに残存する変位量（ｍ）、
Ｆ_ｋ１：ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する摩擦力（Ｎ）、
Ｄ_ｋ１：ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する変位量（ｍ）、
Ｋ_ｋ１：ガイドの非線形ばねの剛性が高い部分の剛性値（Ｎ／ｍ）、
Ｋ_ｋ２：ガイドの非線形ばねの剛性が低い部分の剛性値（Ｎ／ｍ）、
Ｄ_ｋ２：剛性が低い部分の傾きを延長して力が０となるときの変位量（ｍ）、
かつ Ｋ_ｋ１＝（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｆ_ｋ１）／（Ｄ_ｋｍａｘ−Ｄ_ｋ１）
Ｋ_ｋ２＝（Ｆ_ｋｍａｘ−Ｆ_ｋ１）／（Ｄ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋ１）
Ｄ_ｋ０＝Ｄ_ｋ１＋Ｆ_ｋ１／Ｋ_ｋ１
Ｄ_ｋ２＝Ｄ_ｋ１＋Ｆ_ｋ１／Ｋ_ｋ２
の関係があり、 Ｙ_ｒ０＝Ｇ_０ｒ、
であり、Ｘ軸，Ｙ軸の位置指令値ｘ_ｃ（ｔ），ｙ_ｃ（ｔ）はそれぞれ
【数７】

と表される。
前述の式（１）（２）はリニアボールガイドを用いた場合を想定し、漸増形ロストモーションの発生メカニズムの解析を行った結果得られたものである。これは転がりガイドではボールあるいはローラが転がりだす前に非線形ばね特性を示し、この特性が漸増形ロストモーションの発生の原因になっていると考えられるためである。
【００３７】
この導出過程においては以下の仮定を行い簡略化している。
（１）漸増形ロストモーションは、移動速度が遅いときに顕著に現れる。従って、比較的遅い動きを考え、移動物に対する慣性力の影響を無視する。これにより、テーブルの質量を無視する。
（２）サーボの剛性が十分高い場合を考え、ボールねじの回転に対する負荷の反力の影響を無視する。
（３）移動方向反転時に回転系の摩擦の影響により停止している場合以外は、サーボ系の特性をカットオフ周波数ω_ｏの一次遅れで近似する。
（４）周波数の低い領域の特性に影響を与えない、一次遅れフィルタの特性を無視する。
（５）リニアボールガイドのばね特性を図７の平行四辺形で近似する。
（６）回転系の摩擦は無視する。
【００３８】
前述した値および条件を式（１）（２）のかっこ内の分子中の
Ｐ＝−Ｄ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋ１−（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｆ_ｋ１）／Ｋ
＝｛ｓｉｎ（ωｔ_０１−π／２）−Ｇ_０ｒ｝Ｇ_０ｒ 式（４）
Ｑ＝−２（Ｆ_ｋｍａｘ＋Ｄ_ｋｍａｘ）／Ｋ
＝｛ｓｉｎ（ωｔ_０２−π／２）−Ｇ_０ｒ｝Ｇ_０ｒ 式（５）
に代入することにより定数Ｐ，Ｑが求まる。
【００３９】
これにより、円弧半径ｒや位置ループゲインω０が変化しても、ｔ_０１、ｔ_０２を式（１）、（２）より求めることが可能である。
【００４０】
ここで、摩擦力Ｆ_ｋ（ｔ）と、ボールねじ位置ｙ_ｒ（ｔ）から、次式よりテーブル位置が求められる。
【００４１】
【数８】

この式（６）と
Ｘ_１（ｔ）＝Ｘ_ｒ（ｔ） 式（７）
からテーブルの円弧運動を求め、Ｙ軸＋側の象限切り替え部の円弧半径誤差を求める。この結果が図３に示される。なお、Ｋは送り駆動機構の剛性であり、後述するように計算、もしくは実測が可能である。
【００４２】
式（６）の結果をもとにｙ軸位置の補正が行われる。
【００４３】
この補正量の決定に際しては、必ずしも式（６）（７）を用いることなく、式（１）〜（５）によって、ｔ_０１、ｔ_０２が求まれば、（スケールフィードバックや送り精度測定器を）位置検出器を用いて、ｔ_０１、ｔ_０２の誤差をもとに補正量を決めることも可能である。
【００４４】
以上のように、送り速度やゲイン、円弧半径が変化してもｙ軸の位置誤差を求めることができる。
【００４５】
なお、トルク波形からｔ_０１、ｔ_０２を求める際に、組み立て段階でボールネジ単体のトルクを測定し、これを図２の波形から差分するようにすると、図３でＡにより示される象限突起の影響が取り除かれ、ｔ_０１、ｔ_０２がより求めやすくなる。
【００４６】
図４は象限突起の影響を除いた様子を示すグラフである。
【００４７】
これに基づいて誤差を計算した結果を図５に示す。象限突起の影響が除去されているため、漸増型ロストモーションを十分に補正して送り駆動系の精度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上述した実施の形態では補正量演算部に位置解析部の出力も供給してトルク波形の変化に対応した位置を正確に求めるようにしたが、図８に示すように、位置測定器および位置解析部を設けず、トルク解析部８０からの出力のみを用いても演算処理が速い場合には位置の誤差は僅少であり、補正値としては十分に使用可能である。
【００４９】
（実施の形態２）
式（４）、（５）を求めるために、Ｐ，ＱのパラメータＤ_ｋｍａｘ、Ｄ_ｋ１、Ｆ_ｋｍａｘ、Ｆ_ｋ１を実測で求めることが可能である。
【００５０】
例えば、テーブルを組み立てる際にボールネジをサドルに取り付ける前にリニアボールガイドの非線形ばね特性を測定し、近似することができる。
【００５１】
あるいはテーブルをリニアボールガイドが転がりださないところまで力を加え、この時の力をロードセルなど力測定機で測定し、テーブルの変位を変位計で測定する。力を戻して、この時の力と変位の関係を測定する。この結果は図６に示す。
【００５２】
これをもとに各パラメータを図７のように求める。この図では縦軸をガイドの摩擦力（Ｎ）、横軸を変位（ｍ）としており、まずガイドの最大摩擦力（Ｆ_{ｋｍａｘ）}とガイドが最大摩擦力に達したときの（変位量Ｄ_{ｋｍａｘ）}から▲１▼ の点をプロットし、ガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する摩擦力（Ｆ_ｋ１）とガイドの非線形ばね特性の剛性が変化する変位量（Ｄ_ｋ１）から▲２▼の点がプロットされる。そして、▲１▼ の原点に対して点対称な点として▲３▼の点をプロットすると、▲１▼ と▲２▼を結ぶ線の傾きが，Ｋ_ｋ１で有り、▲２▼と▲３▼を結ぶ線の傾きがＫ_ｋ２である。これらの線と座標軸の交点、各点の軸上の投影点が図７に示されるようなパラメータとなる。
【００５３】
これらのパラメータは、式（４）、（５）に代入することにより補正量が求められる。
【００５４】
これに替えて、ハンマリング測定などで、固有振動数を測定し、各パラメータを求めることもできる。
【００５５】
（実施の形態３）
以上の実施例においてはすべてのパラメータを実測するようにしているが、パラメータのうち、Ｄ_ｋｍａｘ、Ｄ_ｋ１、Ｆ_ｋｍａｘ、Ｆ_ｋ１については設計段階で計算により求めることができる。すなわち、非線形ばね要素については玉の数、玉の大きさ、材質、予圧から弾性たわみの式で求めることができる。
【００５６】
このようにして計算により得られたトルクは図４に示すものと同様となる。
【００５７】
そして、このように計算で得られた値を用いて象限突起を除いた誤差を計算した結果は図５に示すものと同様になる。したがって、象限突起による誤差を除いて漸増型ロストモーションのみで解析が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、象限突起の影響をなくした上で漸増型ロストモーションを理論式に基づいて補正しているため、より正確な補正が可能になり、特にリニアボールガイドを用いた送り駆動系の輪郭精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＮＣ装置を説明するブロック図である。
【図２】トルクの計算結果を示すグラフである。
【図３】本発明の式による象限切替え時の運動誤差の計算結果を示すグラフである。
【図４】象限突起の影響をなくすようになされたトルク計算結果を示すグラフである。
【図５】象限突起の影響をなくし、本発明の式により得られた漸増型ロストモーションの計算結果を示すグラフである。
【図６】パラメータを実測で求める場合の力と変位の関係の測定結果を示すグラフである。
【図７】各パラメータの求め方を示す説明図である。
【図８】図１の変形例にかかるＮＣ装置を説明するブロック図である。
【図９】ゲインが大きい場合の象限切替え時の運動誤差の実測データを示すグラフである。
【図１０】ゲインが小さい場合の象限切替え時の運動誤差の実測データを示すグラフである。
【符号の説明】
１ ベッド
２、３ ブラケット
４、５ ベアリング
６ ボールねじ
７ ボールねじナット
８ ガイド
９ テーブル
１０ カップリング
１１ サーボモータ
１２ ロータリエンコーダ
１３ ワーク
１４ 主軸
１５ 位置測定器
２０ テーブル位置座標への変換器
３０ 微分器
４０ 角速度乗算器
５０ ゲイン乗算器
６０ 変換器
７０ アンプ
８０ トルク解析部
９０ 補正量演算部
１００ 位置解析部
２００ コンピュータ

Claims (2)

1. ワークを搭載するテーブルあるいは工具を搭載する主軸等を駆動するサーボモータと、
   位置指令値に対してサーボモータの回転検出により得られた前記テーブルの位置をフィードバックするとともに、位置指令値から得られた速度指令値に対して前記テーブル位置から得られたテーブル速度をフィードバックし、その結果をトルク指令値、さらには電流指令値に変換して前記サーボモータに供給する制御部と、
   前記トルク指令値の波形から象限切換に伴うトルクの変化点を検出してこの変化点間の時間ｔ_０１、ｔ_０２を求めるトルク解析部と、
   前記制御部からの位置指令値と位置検出器で求めた主軸とテーブルの位置関係を求める位置解析部と、
   前記トルク解析部から出力されたｔ _０１ 、ｔ _０２ と、前記位置解析部の出力と、リニアボールガイドの非線形ばね要素の特性値とに基づいて、漸増型ロストモーションによるテーブル位置誤差とこのテーブル位置誤差に対する補正値を求める補正量演算部と、
   を備えたことを特徴とする数値制御工作機械の送り機構の補正装置。
2. 請求項１に記載の送り機構の補正装置を含む数値制御工作機械。

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