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JP7532736B2 - Compensator derivation device, position error compensation device, machine tool, transfer function derivation method and program - Google Patents

Compensator derivation device, position error compensation device, machine tool, transfer function derivation method and program Download PDF

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JP7532736B2 JP2020141113A JP2020141113A JP7532736B2 JP 7532736 B2 JP7532736 B2 JP 7532736B2 JP 2020141113 A JP2020141113 A JP 2020141113A JP 2020141113 A JP2020141113 A JP 2020141113A JP 7532736 B2 JP7532736 B2 JP 7532736B2
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Description

本開示は、補償器導出装置、位置誤差補償装置、工作機械、伝達関数導出方法およびプログラムに関する。 This disclosure relates to a compensator derivation device, a position error compensation device, a machine tool, a transfer function derivation method, and a program.

工作機械で高精度な加工を実施する場合、工作機械の振動の影響を考慮する必要がある。図7に門型工作機械の一例を示す。図7に示す工作機械1は、工作機械本体5と、工作機械本体5にZ軸方向に沿って移動自在に支持されるラム7と、ラム7の先端部に着脱可能に取り付けられたアタッチメント8と、を備えている。工作機械本体5は、ベッド2と、ベッド2上に配置され、X軸方向に沿い移動可能なテーブル3と、テーブル3を跨ぐように配置されている門型のコラム4と、コラム4上をY軸方向に沿って移動可能なサドル6と、を備えている。テーブル3は、ボールねじ駆動機構によって、X軸方向に沿って移動可能とされている。コラム4には、Y軸方向にクロスレール9が取り付けられており、このクロスレール9上をサドル6が移動することにより、サドル6がY軸方向に沿って移動可能とされている。ラム7は、サドル6にZ軸方向に沿い移動可能に取り付けられている。切削加工等を行うアタッチメント8は、ラム7の先端に取り付けられている。例えば、工作機械1は、CAM(computer aided manufacturing)システム及び制御装置を備えており、CAMシステムが、被加工物のCAD(computer aided design)データを読み込んでNC(numerical control)データを生成し、制御装置がNCデータに基づいて、サドル6、ラム7の移動を制御する。 When performing high-precision machining using a machine tool, it is necessary to consider the influence of vibrations of the machine tool. Figure 7 shows an example of a gate-type machine tool. The machine tool 1 shown in Figure 7 includes a machine tool body 5, a ram 7 supported on the machine tool body 5 so as to be movable along the Z-axis direction, and an attachment 8 detachably attached to the tip of the ram 7. The machine tool body 5 includes a bed 2, a table 3 arranged on the bed 2 and movable along the X-axis direction, a gate-type column 4 arranged to straddle the table 3, and a saddle 6 movable along the Y-axis direction on the column 4. The table 3 is movable along the X-axis direction by a ball screw drive mechanism. A cross rail 9 is attached to the column 4 in the Y-axis direction, and the saddle 6 moves on the cross rail 9 so that the saddle 6 can move along the Y-axis direction. The ram 7 is attached to the saddle 6 so as to be movable along the Z-axis direction. An attachment 8 for performing cutting and the like is attached to the tip of the ram 7. For example, the machine tool 1 is equipped with a CAM (computer aided manufacturing) system and a control device, and the CAM system reads CAD (computer aided design) data of the workpiece and generates NC (numerical control) data, and the control device controls the movement of the saddle 6 and ram 7 based on the NC data.

図7に例示する工作機械1において、Y―Z平面で加速度が不連続(例えば、ラム7先端の移動の軌跡がL字型となる等)となる移動を実施する際、過渡的な振動がコラム4に発生することがある。コラム4が振動するとラム7の先端位置と、NCデータが示す目標位置との間に誤差が生じ、加工精度に影響する。加工精度を向上させるためには、コラム4の振動によるラム7の先端位置と目標位置との誤差を低減する必要がある。この位置誤差を補償するために、制御装置に補償器が設けられる場合がある。この補償器は、工作機械1の振動特性を表現するために主要な構成要素(例えば、コラム4、サドル6、サドル6の移動を駆動する図示しないモータ等)の質量、慣性モーメントや部品の剛性に基づく簡易な数式(例えば、1次元の運動方程式)で表された物理モデルにより設計されることがある(例えば、特許文献1)。 In the machine tool 1 illustrated in FIG. 7, when a movement is performed in which the acceleration is discontinuous in the Y-Z plane (for example, the trajectory of the movement of the tip of the ram 7 is L-shaped), transient vibrations may occur in the column 4. When the column 4 vibrates, an error occurs between the tip position of the ram 7 and the target position indicated by the NC data, which affects the machining accuracy. In order to improve the machining accuracy, it is necessary to reduce the error between the tip position of the ram 7 and the target position caused by the vibration of the column 4. In order to compensate for this position error, a compensator may be provided in the control device. This compensator may be designed using a physical model expressed by a simple formula (for example, a one-dimensional equation of motion) based on the mass, moment of inertia, and stiffness of parts of the main components (for example, the column 4, the saddle 6, and a motor (not shown) that drives the movement of the saddle 6) in order to express the vibration characteristics of the machine tool 1 (for example, Patent Document 1).

特開2011-3137号公報JP 2011-3137 A

しかし、上記のように設計された補償器では、構成要素を削減して物理モデルが簡素化されているために、各構成要素の姿勢や摩擦、ガタ等の影響を考慮することができずに位置誤差の低減効果に限界がある。 However, in the compensator designed as above, the number of components has been reduced and the physical model simplified, so it is not possible to take into account the effects of the posture, friction, backlash, etc. of each component, and there is a limit to how effectively it can reduce position errors.

そこで本開示は、上述の課題を解決することのできる補償器導出装置、位置誤差補償装置、工作機械、伝達関数導出方法およびプログラムを提供することを目的としている。 The present disclosure therefore aims to provide a compensator derivation device, a position error compensation device, a machine tool, a transfer function derivation method, and a program that can solve the above-mentioned problems.

本開示の一態様によれば、補償器導出装置は、振動を伴う機械の周波数特性データを取得するデータ取得部と、前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出する機械伝達関数導出部と、前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出する補償器導出部と、を備える。 According to one aspect of the present disclosure, the compensator derivation device includes a data acquisition unit that acquires frequency characteristic data of a machine that vibrates, a machine transfer function derivation unit that derives a machine transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and a compensator derivation unit that uses the machine transfer function to derive a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine.

本開示の一態様によれば、位置誤差補償装置は、前記移動機構への位置指令を取得し、上記の補償器導出装置が算出した前記補償器によって前記位置指令を補償し、補償後の前記位置指令を出力する。 According to one aspect of the present disclosure, the position error compensation device obtains a position command for the moving mechanism, compensates the position command using the compensator calculated by the compensator derivation device, and outputs the compensated position command.

本開示の一態様によれば、工作機械は、工作機械本体と、前記工作機械本体に支持され、工具を移動させる移動機構と、上記の位置誤差補償装置を備え前記移動機構への補償後の前記位置指令に基づいて前記移動機構を制御する制御装置と、を備える。 According to one aspect of the present disclosure, a machine tool includes a machine tool body, a movement mechanism supported by the machine tool body for moving a tool, and a control device that includes the above-mentioned position error compensation device and controls the movement mechanism based on the position command after compensation to the movement mechanism.

本開示の一態様によれば、伝達関数導出方法は、振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出するステップと、前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、を有する。 According to one aspect of the present disclosure, a transfer function derivation method includes the steps of acquiring frequency characteristic data of a machine that vibrates, deriving a machine transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and deriving a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine using the machine transfer function.

本開示の一態様によれば、プログラムは、コンピュータに、振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出するステップと、前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、を実行させる。 According to one aspect of the present disclosure, a program causes a computer to execute the steps of acquiring frequency characteristic data of a machine that vibrates, deriving a machine transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and deriving a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine using the machine transfer function.

本開示の補償器導出装置、位置誤差補償装置、工作機械、伝達関数導出方法およびプログラムによれば、移動機構の位置誤差を低減することができる。 The compensator derivation device, position error compensation device, machine tool, transfer function derivation method, and program disclosed herein can reduce the position error of a moving mechanism.

一実施形態に係る移動機構の一例を示す図である。FIG. 4 illustrates an example of a moving mechanism according to an embodiment. 一実施形態に係るサーボ制御装置の一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a servo control device according to an embodiment. 一実施形態に係る補償器導出装置の一例を示す図である。FIG. 2 illustrates an example of a compensator derivation device according to an embodiment. 一実施形態に係る補償器の算出処理の一例を示すフローチャートである。11 is a flowchart illustrating an example of a process for calculating a compensator according to an embodiment. 一実施形態に係る周波数特性データの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of frequency characteristic data according to an embodiment. 一実施形態に係る補償器設計手法の一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a compensator design method according to an embodiment. 門型工作機械の一例を示す概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a gate-type machine tool. 一実施形態に係るサーボ制御装置及び補償器導出装置のハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a servo control device and a compensator derivation device according to an embodiment.

<実施形態>
(移動機構の構成)
図1は、本開示の一実施形態に係る移動機構の一例を示す図である。
図7の工作機械1におけるサドル6のY軸方向の位置を、指令位置θに一致させるように制御するボールねじ駆動機構の概略構成を図1に示す。ボールねじ駆動機は、モータ90の回転運動をボールねじナット91とボールねじ軸92からなるボールねじ送り部93により直線運動に変換して、サドル6をY軸方向に移動させる。モータ90には、モータ速度ωMを検出するモータエンコーダ94が設けられている。モータエンコーダ94は、検出したモータ速度ωMをサーボ制御装置100へ出力する。ボールねじ駆動機構には、リニアスケール95が設けられている。リニアスケール95は、サドル6のY軸方向の位置を示す位置θLを検出してサーボ制御装置100へ出力する。
<Embodiment>
(Configuration of the moving mechanism)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a moving mechanism according to an embodiment of the present disclosure.
1 shows a schematic configuration of a ball screw drive mechanism that controls the position of the saddle 6 in the Y-axis direction in the machine tool 1 in FIG. 7 to coincide with a command position θ. The ball screw drive converts the rotational motion of a motor 90 into linear motion by a ball screw feed unit 93 consisting of a ball screw nut 91 and a ball screw shaft 92, and moves the saddle 6 in the Y-axis direction. The motor 90 is provided with a motor encoder 94 that detects a motor speed ωM. The motor encoder 94 outputs the detected motor speed ωM to a servo control device 100. The ball screw drive mechanism is provided with a linear scale 95. The linear scale 95 detects a position θL that indicates the position of the saddle 6 in the Y-axis direction, and outputs it to the servo control device 100.

サーボ制御装置100は、指令位置θに基づいて指令トルクτを算出し、その指令トルクτをモータ90に出力する。これにより、モータ90が回転駆動して、ボールねじ軸92が回転し、ボールねじナット91及びこれに固定連結したサドル6がY軸方向に移動する。ラム7についても同様の機構によってZ軸方向の位置制御が行われてもよい。切削加工等を行う際にサドル6がY軸方向に移動したり、ラム7がZ軸方向に移動したりすると、コラム4に振動が発生し、この振動がサドル6やラム7の位置制御の精度に影響を及ぼす。サーボ制御装置100は、コラム4の振動に起因する位置決め誤差を補償するための機械たわみ補償部20(図2)を備える。 The servo control device 100 calculates a command torque τ based on the command position θ and outputs the command torque τ to the motor 90. This rotates the motor 90, rotates the ball screw shaft 92, and moves the ball screw nut 91 and the saddle 6 fixedly connected thereto in the Y-axis direction. The position of the ram 7 may also be controlled in the Z-axis direction by a similar mechanism. When the saddle 6 moves in the Y-axis direction or the ram 7 moves in the Z-axis direction during cutting or other processing, vibrations are generated in the column 4, and these vibrations affect the accuracy of the position control of the saddle 6 and the ram 7. The servo control device 100 is equipped with a mechanical deflection compensation unit 20 (Figure 2) for compensating for positioning errors caused by vibrations in the column 4.

図2は、一実施形態に係るサーボ制御装置の一例を示す図である。
サーボ制御装置100は、機械たわみ補償部20と、速度フィードフォワード部40と、減算部41と、乗算部42と、減算部43と、比例積分演算部44とを有している。
機械たわみ補償部20は、補償用の2次伝達関数21(以下、これを「補償器21」とも表記する。)によって構成される。なお、他の実施形態においては、補償器21は、2次伝達関数でなくともよく、3次以上の伝達関数であってもよい。機械たわみ補償部20は、指令位置θを補償器21によって補償し、補償後の指令位置θ´を出力する。減算部41は、補償後の指令位置θ´とサドル6の位置θLとの差である偏差位置Δθを出力する。乗算部42は、偏差位置Δθに位置ループゲインKを乗算して偏差速度ΔVを出力する。速度フィードフォワード部40は、モータ90やサドル6に生ずる「ひずみ」、「たわみ」、「粘性」等の位置誤差要因を補償する補償速度V´を算出するように構成されている。減算部43は、偏差速度ΔVに、速度フィードフォワード部40から出力される補償速度V´を加えた値からモータ速度ωMを減算した指令速度Vを出力する。比例積分演算部44は、指令速度Vを比例積分演算して指令トルクτを出力する。比例積分演算部44では、速度ループゲインK、積分時定数T、及びトルク定数Kを用いて、τ=VK{K(1+(1/Ts))}により指令トルクτを算出する。本実施形態では、ラム7先端のY軸方向における位置を指令位置θに一致させるようにサドル6の位置を制御するための補償器21を算出することを目的としている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a servo control device according to an embodiment.
The servo control device 100 has a mechanical deflection compensation unit 20 , a velocity feedforward unit 40 , a subtraction unit 41 , a multiplication unit 42 , a subtraction unit 43 , and a proportional integral calculation unit 44 .
The mechanical deflection compensation unit 20 is configured by a second-order transfer function 21 for compensation (hereinafter, this is also referred to as the "compensator 21"). In another embodiment, the compensator 21 may not be a second-order transfer function, and may be a third-order or higher transfer function. The mechanical deflection compensation unit 20 compensates the command position θ by the compensator 21, and outputs a command position θ' after compensation. The subtraction unit 41 outputs a deviation position Δθ which is a difference between the command position θ' after compensation and the position θL of the saddle 6. The multiplication unit 42 multiplies the deviation position Δθ by a position loop gain KP and outputs a deviation speed ΔV. The speed feedforward unit 40 is configured to calculate a compensation speed V' that compensates for position error factors such as "strain,""deflection," and "viscosity" that occur in the motor 90 and the saddle 6. The subtraction unit 43 outputs a command speed V obtained by adding the compensation speed V' output from the speed feedforward unit 40 to the deviation speed ΔV and subtracting the motor speed ωM from the result. The proportional integral calculation unit 44 performs proportional integral calculation of the command speed V and outputs a command torque τ. The proportional integral calculation unit 44 calculates the command torque τ by τ = VKT { KV (1 + (1/ TVs ))} using the speed loop gain KV , the integral time constant TV , and the torque constant KT . In this embodiment, the purpose is to calculate the compensator 21 for controlling the position of the saddle 6 so that the position of the tip of the ram 7 in the Y-axis direction coincides with the command position θ.

図1に示すように指令トルクτは、工作機械1のモータ90へ出力されるが、例えば、工作機械1の機構解析(MBD;multibody dynamics)モデル200(以下、単に「MBDモデル200」とも表記する。)へ出力することができる。MBDモデル200は、機構解析(multibody dynamics analysis)の際に構築される工作機械1の3次元モデルである。機構解析は、複数の部品で構成される製品を多体(multibody)と定義したときに、部品レベルから製品レベルの相互に連結された多体の動力学(Dynamics)を解析する数値解析技術であり、MBDモデル200は、この解析で使用される解析モデルである。MBDモデル200は、工作機械1の移動機構を構成する構成部品(ボールねじなどの機械要素部品も含む)の剛性、構造部品の形状、密度およびヤング率などの材料物性を同定パラメータとして特徴づけられる。MBDモデル200は、工作機械1の構成要素ごとの動作を模擬することができるが、3次元の各軸方向および軸周りの6自由度でその動作が表現できることが望ましい。MBDモデル200は、工作機械1の設計段階で構築され、機構動作や振動特性といった機械性能の把握に利用される。 As shown in FIG. 1, the command torque τ is output to the motor 90 of the machine tool 1, but can also be output to, for example, a multibody dynamics (MBD) model 200 (hereinafter, simply referred to as the "MBD model 200") of the machine tool 1. The MBD model 200 is a three-dimensional model of the machine tool 1 constructed during multibody dynamics analysis. When a product consisting of multiple parts is defined as a multibody, the multibody analysis is a numerical analysis technique that analyzes the dynamics of a multibody that is interconnected from the part level to the product level, and the MBD model 200 is an analysis model used in this analysis. In the MBD model 200, the rigidity of the components (including machine element parts such as ball screws) that constitute the movement mechanism of the machine tool 1, the shape of the structural parts, and material properties such as density and Young's modulus are characterized as identification parameters. The MBD model 200 can simulate the operation of each component of the machine tool 1, but it is desirable to be able to express the operation in six degrees of freedom in each axial direction and around each axis in three dimensions. The MBD model 200 is constructed at the design stage of the machine tool 1, and is used to understand the machine performance, such as the mechanism operation and vibration characteristics.

例えば、サーボ制御装置100が指令トルクτをMBDモデル200へ入力すると、MBDモデル200は、Y軸方向のサドル6の移動を模擬し、指令トルクτをモータ90へ出力したときのモータ速度ωM、サドル6のY軸方向の位置θLを算出する。MBDモデル200が算出したモータ速度ωM、位置θLをサーボ制御装置100へ戻すことで、サーボ制御装置100は、上記の処理により次の指令トルクτを算出し、その値をMBDモデル200へ出力する。これを繰り返すことにより、MBDモデル200上でサドル6を目標位置まで移動することができる。また、MBDモデル200は、サドル6がY軸方向に移動することによって生じるたわみ位置の変化や、クロスレール9、コラム4等の各構成要素に働く力を算出することができる。 For example, when the servo control device 100 inputs a command torque τ to the MBD model 200, the MBD model 200 simulates the movement of the saddle 6 in the Y-axis direction and calculates the motor speed ωM and the position θL of the saddle 6 in the Y-axis direction when the command torque τ is output to the motor 90. By returning the motor speed ωM and position θL calculated by the MBD model 200 to the servo control device 100, the servo control device 100 calculates the next command torque τ by the above processing and outputs the value to the MBD model 200. By repeating this, the saddle 6 can be moved to a target position on the MBD model 200. In addition, the MBD model 200 can calculate the change in the deflection position caused by the movement of the saddle 6 in the Y-axis direction and the forces acting on each component such as the cross rail 9 and the column 4.

また、例えば、MBDモデル200に工作機械1の構成要素(部品など)の形状、密度、ヤング率および部品間を結合するボールねじなどの機械要素部品の剛性を入力し、MBDモデル200上でラム7の先端に対してハンマリング試験のシミュレーションを実行すると、MBDモデル200は、ハンマリングに対するラム7の先端における振動(加速度)を算出することができる。MBDモデル200が算出した加速度を解析することにより、工作機械1の周波数応答を得ることができる。 In addition, for example, when the shape, density, Young's modulus, and stiffness of mechanical components such as ball screws that connect the components of the machine tool 1 are input to the MBD model 200 and a hammering test simulation is performed on the tip of the ram 7 on the MBD model 200, the MBD model 200 can calculate the vibration (acceleration) at the tip of the ram 7 in response to hammering. The frequency response of the machine tool 1 can be obtained by analyzing the acceleration calculated by the MBD model 200.

本実施形態では、MBDモデル200に工作機械1の振動を模擬させ、そのときの周波数応答から工作機械1の周波数特性データを取得する。そして、補償器導出装置10が、この周波数特性データに基づいて、振動による位置誤差を低減できるような補償器21を導出する。次に補償器導出装置10について説明する。 In this embodiment, the vibration of the machine tool 1 is simulated by the MBD model 200, and frequency characteristic data of the machine tool 1 is obtained from the frequency response at that time. Then, based on this frequency characteristic data, the compensator derivation device 10 derives a compensator 21 that can reduce position errors caused by vibration. Next, the compensator derivation device 10 will be described.

(補償器導出装置の構成)
図3は、一実施形態に係る補償器導出装置の一例を示す図である。
図3に示すように補償器導出装置10は、データ取得部11と、機械伝達関数導出部12と、補償器導出部13と、出力部14と、記憶部15と、を備える。
データ取得部11は、MBDモデル200が模擬した振動を解析して得られる工作機械1の周波数特性データを取得する。本実施形態において、周波数特性データとは、ゲインの周波数特性(ゲイン特性)および位相の周波数特性(位相特性)を示すデータを意味している。
機械伝達関数導出部12は、データ取得部11が取得した、MBDモデル200の解析結果から得られる周波数特性データに近似する2次伝達関数を導出する。この2次伝達関数は、入力を指令位置θ、出力を指令位置θに対する実際のサドル6のY軸方向の位置としたときに、その入力と出力の関係を表している。本実施形態では、機械伝達関数をグラフ化したときの波形が、周波数特性データの波形と近似するように2次伝達関数のパラメータを決定する。例えば、2次伝達関数G(s)を、G(s)=(As+Bs+1)/(Cs+Ds+1)・・・(0)
としたときに、機械伝達関数導出部12は、周波数特性データからピーク周波数、ノッチ周波数、ピークゲイン、ノッチゲインを検出して、ピーク周波数、ノッチ周波数、ピークゲイン、ノッチゲインを用いて式(0)のパラメータA,B,C,Dを決定する。2次伝達関数は、以下の式(1)で表すことができる。
(Configuration of the Compensator Derivation Device)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a compensator derivation device according to an embodiment.
As shown in FIG. 3 , the compensator derivation device 10 includes a data acquisition unit 11 , a mechanical transfer function derivation unit 12 , a compensator derivation unit 13 , an output unit 14 , and a storage unit 15 .
The data acquiring unit 11 acquires frequency characteristic data of the machine tool 1 obtained by analyzing the vibrations simulated by the MBD model 200. In this embodiment, the frequency characteristic data means data indicating the frequency characteristic of the gain (gain characteristic) and the frequency characteristic of the phase (phase characteristic).
The mechanical transfer function derivation unit 12 derives a quadratic transfer function that approximates the frequency characteristic data obtained from the analysis result of the MBD model 200 acquired by the data acquisition unit 11. This quadratic transfer function represents the relationship between the input and the output when the input is the command position θ and the output is the actual position of the saddle 6 in the Y-axis direction relative to the command position θ. In this embodiment, the parameters of the quadratic transfer function are determined so that the waveform of the mechanical transfer function when graphed approximates the waveform of the frequency characteristic data. For example, the quadratic transfer function Gm (s) is expressed as follows: Gm (s)=( As2 +Bs+1)/( Cs2 +Ds+1)... (0)
When the second-order transfer function is expressed by the following equation (1), the mechanical transfer function deriving unit 12 detects the peak frequency, notch frequency, peak gain, and notch gain from the frequency characteristic data, and determines the parameters A, B, C, and D of the equation (0) using the peak frequency, notch frequency, peak gain, and notch gain.

Figure 0007532736000001
Figure 0007532736000001

ここで、ωは周波数特性データのピーク周波数、ωは周波数特性データのノッチ周波数、ζは周波数特性データのピークゲイン、ζは周波数特性データのノッチゲイン、sはラプラス演算子である。
以下の説明において、MBDモデル200の解析結果から得られる周波数特性データに近似する2次伝達関数を「機械伝達関数」とも表記する。
Here, ω P is the peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is the notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is the peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is the notch gain of the frequency characteristic data, and s is the Laplace operator.
In the following description, the second-order transfer function that approximates the frequency characteristic data obtained from the analysis results of the MBD model 200 is also referred to as the "mechanical transfer function."

補償器導出部13は、式(1)の2次伝達関数に基づいて、機械の振動による位置決め誤差を補償するための2次伝達関数(補償器21)を導出する。例えば、補償器導出部13は、機械伝達関数導出部12によって導出された機械伝達関数の逆数によって、補償器21を導出する。補償器の一例を以下の式(2)に示す。 The compensator derivation unit 13 derives a quadratic transfer function (compensator 21) for compensating for positioning errors due to machine vibrations based on the quadratic transfer function of equation (1). For example, the compensator derivation unit 13 derives the compensator 21 using the inverse of the mechanical transfer function derived by the mechanical transfer function derivation unit 12. An example of the compensator is shown in the following equation (2).

Figure 0007532736000002
Figure 0007532736000002

出力部14は、補償器21を機械たわみ補償部20へ出力する。
記憶部15は、周波数特性データなど、補償器21の算出に必要なデータを記憶する。
The output unit 14 outputs the compensator 21 to the mechanical deflection compensation unit 20 .
The storage unit 15 stores data necessary for calculations by the compensator 21, such as frequency characteristic data.

(補償器の算出処理)
次に図4、図5を参照して、補償器導出装置10による補償器21の算出処理について説明する。
図4は、一実施形態に係る補償器の算出処理の一例を示すフローチャートである。
図5は、一実施形態に係る周波数特性データの一例を示す図である。
まず、データ取得部11が周波数特性データを取得する(ステップS1)。
ここで図5を参照する。図5上図の波形C1は、MBDモデル200上でラム7の先端へ衝撃を与えた(ハンマリング試験のシミュレーションを行った)際に得られる周波数応答を解析して得られる周波数特性(ゲイン特性)データが示す波形である。図5上図の縦軸はハンマリング試験のシミュレーションで入力した衝撃に対するラム7先端での振動の大きさの比を示すゲイン(dB)、横軸は周波数(Hz)である。図5下図には、図5上図の一部の拡大図を示す。データ取得部11は、周波数特性データ(波形C1)を取得し、記憶部15に書き込んで保存する。
(Compensator calculation process)
Next, the calculation process of the compensator 21 by the compensator derivation device 10 will be described with reference to FIG. 4 and FIG.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a process for calculating a compensator according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of frequency characteristic data according to an embodiment.
First, the data acquisition unit 11 acquires frequency characteristic data (step S1).
Now, reference is made to Fig. 5. Waveform C1 in the upper diagram of Fig. 5 is a waveform indicated by frequency characteristic (gain characteristic) data obtained by analyzing the frequency response obtained when an impact is applied to the tip of the ram 7 on the MBD model 200 (simulation of a hammering test is performed). The vertical axis of the upper diagram of Fig. 5 is gain (dB) indicating the ratio of the magnitude of vibration at the tip of the ram 7 to the impact input in the simulation of the hammering test, and the horizontal axis is frequency (Hz). The lower diagram of Fig. 5 shows an enlarged view of a part of the upper diagram of Fig. 5. The data acquisition unit 11 acquires the frequency characteristic data (waveform C1) and writes and stores it in the memory unit 15.

次に、機械伝達関数導出部12が、機械伝達関数を導出する(ステップS2)。
機械伝達関数導出部12は、2次伝達関数G(s)が示す波形が波形C1に近似するように(特に波形C1のピークとノッチが含まれる範囲で近似するように)、例えば、カーブフィッティングを行って2次伝達関数G(s)のパラメータを決定する。また、例えば、機械伝達関数導出部12は、図5下図に示す波形C1のピークC1とノッチC1に基づいて波形C1に近似する2次伝達関数G(s)を導出してもよい。具体的には、機械伝達関数導出部12は、波形C1のピークC1とノッチC1を特定し、ピーク周波数ω、ピークゲインζ、ノッチ周波数ω、ノッチゲインζを検出する。機械伝達関数導出部12は、ピーク周波数ω、ピークゲインζ、ノッチ周波数ω、ノッチゲインζをパラメータに適用して波形C1に近似する2次伝達関数Gm(s)を導出する。具体的には、機械伝達関数導出部12は、式(0)のパラメータAに(1/ω )を設定し、パラメータBに(2ζ/ω)を設定し、パラメータCに(1/ω )を設定し、パラメータDに(2ζ/ω)を設定する。
Next, the mechanical transfer function derivation unit 12 derives a mechanical transfer function (step S2).
The mechanical transfer function derivation unit 12 determines the parameters of the secondary transfer function Gm (s) by, for example, performing curve fitting so that the waveform indicated by the secondary transfer function Gm(s) approximates the waveform C1 (particularly so that it approximates in a range including the peaks and notches of the waveform C1). In addition, for example, the mechanical transfer function derivation unit 12 may derive the secondary transfer function Gm (s) that approximates the waveform C1 based on the peaks C1P and notches C1N of the waveform C1 shown in the lower diagram of Fig. 5. Specifically, the mechanical transfer function derivation unit 12 identifies the peaks C1P and notches C1N of the waveform C1 and detects the peak frequency ωP , peak gain ζP , notch frequency ωN , and notch gain ζN . The mechanical transfer function derivation unit 12 applies the peak frequency ω P , the peak gain ζ P , the notch frequency ω N , and the notch gain ζ N to the parameters to derive a second-order transfer function Gm(s) that approximates the waveform C1. Specifically, the mechanical transfer function derivation unit 12 sets parameter A in equation (0) to (1/ω N 2 ), parameter B to (2ζ NN ), parameter C to (1/ω P 2 ), and parameter D to (2ζ PP ).

機械伝達関数導出部12が、ピーク周波数ω、ピークゲインζ、ノッチ周波数ω、ノッチゲインζを用いて導出した機械伝達関数(式(1))の波形を図5のC2に示す。波形C2を波形C1と比較すると、波形C2は、ピークとノッチが含まれる範囲で、波形C1に近似していることが分かる。より広範囲かつ精緻に波形C1に近似する3次以上の伝達関数を導出することも可能であるが、2次伝達関数に基づいて算出された補償器21によって、ラム7先端の位置誤差が十分に補償されることが検証により確認されている。もちろん、他の実施形態においては、機械伝達関数は、2次伝達関数以外の伝達関数(3次伝達関数など)であってもよい。 The waveform of the mechanical transfer function (Equation (1)) derived by the mechanical transfer function derivation unit 12 using the peak frequency ω P , peak gain ζ P , notch frequency ω N , and notch gain ζ N is shown in C2 of Fig. 5. Comparing the waveform C2 with the waveform C1, it can be seen that the waveform C2 is similar to the waveform C1 in the range including the peaks and notches. It is also possible to derive a third or higher order transfer function that more precisely approximates the waveform C1 over a wider range, but it has been confirmed through verification that the position error of the tip of the ram 7 is sufficiently compensated for by the compensator 21 calculated based on a second order transfer function. Of course, in other embodiments, the mechanical transfer function may be a transfer function other than a second order transfer function (such as a third order transfer function).

次に補償器導出部13が、補償器21を導出する(ステップS3)。
具体的には、補償器導出部13は、補償器21として、ステップS2で導出された2次伝達関数G(s)(機械伝達関数)の逆数、1/G(s)を算出する(式(2))。
Next, the compensator derivation unit 13 derives the compensator 21 (step S3).
Specifically, the compensator derivation unit 13 calculates, as the compensator 21, the inverse of the second-order transfer function G m (s) (mechanical transfer function) derived in step S2, 1/G m (s) (Equation (2)).

次に出力部14が、補償器21を機械たわみ補償部20へ出力する(ステップS4)。機械たわみ補償部20は、式(2)で示される補償器21を受け取って設定する。 Next, the output unit 14 outputs the compensator 21 to the mechanical deflection compensation unit 20 (step S4). The mechanical deflection compensation unit 20 receives and sets the compensator 21 shown in equation (2).

補償器21による位置誤差の補償は次のようにして実行される。機械たわみ補償部20は、指令位置θが入力されると、式(2)の補償器によって指令位置θを補償し、補償後の指令位置θ´を出力する。サーボ制御装置100は、補償後の指令位置θ´を用いて、図2を参照して説明した各種処理によってモータ指令値τを算出し、サドル6のY軸方向の位置制御を行う。本実施形態の補償器21により、従来の主要な構成要素の物理モデルに基づいて設計された補償器よりも、ラム7の位置制御における位置誤差を低減できることが確認されている。 The compensation of the position error by the compensator 21 is performed as follows. When the command position θ is input, the mechanical deflection compensation unit 20 compensates for the command position θ by the compensator of equation (2) and outputs the compensated command position θ'. The servo control device 100 uses the compensated command position θ' to calculate the motor command value τ through various processes described with reference to FIG. 2, and controls the position of the saddle 6 in the Y-axis direction. It has been confirmed that the compensator 21 of this embodiment can reduce the position error in the position control of the ram 7 more than a conventional compensator designed based on a physical model of the main components.

上記では、MBDモデル200を用いて補償器21を算出した。MBDモデル200に対応する工作機械1の実機が存在する場合、図6に示す手法で、MBDモデル200および補償器21の精度を向上することができる。
図6は、一実施形態に係る補償器設計手法(補償器21の決定手法)の一例を示す図である。
まず、MBDモデル200にてハンマリング試験のシミュレーションなどを行って周波数応答を取得する(ステップS11)。次に、機械伝達関数導出部12が、周波数応答を解析して得られる周波数特性データを用いて機械伝達関数を導出する(ステップS12)。次に、補償器導出部13が、機械伝達関数から補償器21を導出する(ステップS13)。次に、ステップS13にて算出された補償器21を機械たわみ補償部20に設定し、サーボ制御装置100と、機械たわみ補償部20の連成シミュレーションを行う(ステップS14)。例えば、サーボ制御装置100が所定のNCデータに基づいてMBDモデル200上でラム7を移動作させ、その間のラム7の先端位置、先端速度、先端加速度を、所定時間毎にMBDモデル200が動作するコンピュータの記憶部に記録する。次に工作機械1(実機)を用いて実機検証を行う(ステップS15)。例えば、サーボ制御装置100は、ステップS14の連成シミュレーションで使用したものと同じNCデータに基づいて、工作機械1(実機)のラム7を移動させ、その間のラム7の先端位置、先端速度、先端加速度を所定時間毎に記憶装置に記録する。そして、ステップS14で記録したデータと、ステップS15で記録したデータを比較評価して、MBDモデル200が工作機械1の動作を精度よく模擬できるようにMBDモデル200に含まれる構成部品の同定パラメータを微調整する(ステップS16)。実機による実測結果とMBDモデル200による解析結果の差が許容範囲となるまで、ステップS11~ステップS16の処理を繰り返す。
In the above, the compensator 21 is calculated using the MBD model 200. When an actual machine tool 1 corresponding to the MBD model 200 exists, the accuracy of the MBD model 200 and the compensator 21 can be improved by the method shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a compensator design method (a method for determining the compensator 21) according to an embodiment.
First, a hammering test simulation is performed on the MBD model 200 to obtain a frequency response (step S11). Next, the mechanical transfer function derivation unit 12 derives a mechanical transfer function using frequency characteristic data obtained by analyzing the frequency response (step S12). Next, the compensator derivation unit 13 derives a compensator 21 from the mechanical transfer function (step S13). Next, the compensator 21 calculated in step S13 is set in the mechanical deflection compensation unit 20, and a coupled simulation of the servo control device 100 and the mechanical deflection compensation unit 20 is performed (step S14). For example, the servo control device 100 moves the ram 7 on the MBD model 200 based on predetermined NC data, and records the tip position, tip speed, and tip acceleration of the ram 7 during that time in the storage unit of the computer on which the MBD model 200 operates at predetermined time intervals. Next, actual machine verification is performed using the machine tool 1 (actual machine) (step S15). For example, the servo control device 100 moves the ram 7 of the machine tool 1 (actual machine) based on the same NC data used in the coupled simulation in step S14, and records the tip position, tip speed, and tip acceleration of the ram 7 during that time in the storage device at predetermined time intervals. Then, the data recorded in step S14 and the data recorded in step S15 are compared and evaluated, and the identification parameters of the components included in the MBD model 200 are fine-tuned so that the MBD model 200 can accurately simulate the operation of the machine tool 1 (step S16). The processes in steps S11 to S16 are repeated until the difference between the actual measurement results by the actual machine and the analysis results by the MBD model 200 falls within an allowable range.

図6に示す補償器設計手法によれば、工作機械1(実機)から計測した振動データとMBDモデル200が算出する振動データの相関分析を行って、MBDモデル200が算出する振動特性の精度を向上させることができ、その結果、補償器21の精度も向上する。また、工作機械1(実機)から計測した振動データとMBDモデル200の相関分析により微調整を行ったMBDモデル200から補償器21を導出することにより、製造のばらつきによる工作機械1の個体差に対応することができる。本実施形態の補償器21を有する工作機械1によれば、金型など高精度な加工を実現することができる。 According to the compensator design method shown in FIG. 6, correlation analysis is performed between the vibration data measured from the machine tool 1 (actual machine) and the vibration data calculated by the MBD model 200, thereby improving the accuracy of the vibration characteristics calculated by the MBD model 200, and as a result, the accuracy of the compensator 21 is also improved. In addition, by deriving the compensator 21 from the MBD model 200 that has been fine-tuned through correlation analysis between the vibration data measured from the machine tool 1 (actual machine) and the MBD model 200, it is possible to deal with individual differences in the machine tool 1 due to manufacturing variances. With the machine tool 1 having the compensator 21 of this embodiment, high-precision machining of molds and the like can be achieved.

以上説明したように、本実施形態によれば、工作機械1のMBDモデル200を用いて、工作機械1の周波数特性を得ることができる。MBDモデル200では、質量及び慣性モーメントが3次元で考慮され、また、構成要素(部品など)間を結合する位置も設計情報に基づき再現される為、従来の1次元の物理モデルに比べ、モデルの再現性を実機に近づけることができる。また、MBDモデル200により、机上検討では困難な構成要素間で生じるガタ等の影響を含んだラム7の移動を再現することができる。従って、実機が存在しない場合でも、MBDモデル200に基づいて補償器21を導出することで、精度の良い補償器21を得ることができる。また、MBDモデル200を用いることで、実機では測定できない位置(例えば、より正確に工作機械1固有の振動特性を計測できる位置)での周波数応答を取得することができ、精度の良い補償器21を算出できる可能性がある。また、図6を用いて説明したように、MBDモデル200を用いることで、工作機械1の製造前に一定の精度を有する補償器21を算出し、工作機械1の製造後には、実際の工作機械1に合わせて補償器21を調整することができる。 As described above, according to this embodiment, the frequency characteristics of the machine tool 1 can be obtained using the MBD model 200 of the machine tool 1. In the MBD model 200, the mass and moment of inertia are considered in three dimensions, and the positions at which components (parts, etc.) are connected are also reproduced based on design information, so that the reproducibility of the model can be made closer to the actual machine than a conventional one-dimensional physical model. In addition, the MBD model 200 can reproduce the movement of the ram 7, including the effects of backlash and the like that occurs between components, which is difficult to achieve through desk study. Therefore, even if an actual machine does not exist, the compensator 21 can be derived based on the MBD model 200 to obtain a highly accurate compensator 21. In addition, by using the MBD model 200, it is possible to obtain a frequency response at a position that cannot be measured by the actual machine (for example, a position where the vibration characteristics specific to the machine tool 1 can be measured more accurately), and it is possible to calculate a highly accurate compensator 21. Also, as explained using FIG. 6, by using the MBD model 200, it is possible to calculate a compensator 21 with a certain degree of accuracy before manufacturing the machine tool 1, and after manufacturing the machine tool 1, it is possible to adjust the compensator 21 to match the actual machine tool 1.

従来の方法では、1次元の物理モデルのパラメータを机上検討する必要があったが、本実施形態によれば、工作機械1の周波数特性に基づいて補償器21を導出することができるので、物理モデルのパラメータ調整を行う必要が無い。 Conventional methods required theoretical consideration of the parameters of a one-dimensional physical model, but according to this embodiment, the compensator 21 can be derived based on the frequency characteristics of the machine tool 1, so there is no need to adjust the parameters of the physical model.

また、姿勢や摩擦、ガタ等の非線形な特性を含む周波数特性データを近似して2次伝達関数(機械伝達関数)を導出することで、非線形特性を加味した補償器を導出することができる。 In addition, by approximating frequency characteristic data that includes nonlinear characteristics such as posture, friction, and backlash, and deriving a second-order transfer function (mechanical transfer function), it is possible to derive a compensator that takes nonlinear characteristics into account.

なお、上記説明ではMBDモデル200から周波数特性データを取得し、補償器21を導出することとしたが、工作機械1(実機)に対してハンマリング試験のシミュレーションなどを行って、周波数特性データを取得し、図4を参照して説明した処理により、補償器21を算出してもよい。また、工作機械1におけるサドル6のY軸方向への移動制御に関して位置誤差を補償する例を説明したが、同様の補償器21でラム7のZ軸方向の移動制御における位置誤差を補償するようにしてもよい。 In the above explanation, frequency characteristic data is obtained from the MBD model 200 and the compensator 21 is derived, but frequency characteristic data may be obtained by performing a hammering test simulation on the machine tool 1 (actual machine) and the compensator 21 may be calculated by the process described with reference to FIG. 4. Also, an example of compensating for position error in the Y-axis movement control of the saddle 6 in the machine tool 1 has been described, but a similar compensator 21 may be used to compensate for position error in the Z-axis movement control of the ram 7.

また、上記の説明では、工作機械1のサドル6の位置制御における位置誤差の補償を対象としたが、本実施形態の補償器21の適用対象は、工作機械1に限定されず、産業ロボットや船舶など、移動機構を備える各種構造物における前記移動機構の位置制御に適用することができる。 In addition, the above description focuses on compensation of position errors in the position control of the saddle 6 of the machine tool 1, but the application of the compensator 21 of this embodiment is not limited to the machine tool 1, and can be applied to the position control of the moving mechanism in various structures equipped with the moving mechanism, such as industrial robots and ships.

図8は、一実施形態に係るサーボ制御装置及び補償器導出装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
コンピュータ900は、CPU901、主記憶装置902、補助記憶装置903、入出力インタフェース904、通信インタフェース905を備える。
上述のサーボ制御装置100及び補償器導出装置10は、コンピュータ900に実装される。そして、上述した各機能は、プログラムの形式で補助記憶装置903に記憶されている。CPU901は、プログラムを補助記憶装置903から読み出して主記憶装置902に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU901は、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置902に確保する。また、CPU901は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置903に確保する。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a servo control device and a compensator derivation device according to an embodiment.
The computer 900 includes a CPU 901 , a main memory device 902 , an auxiliary memory device 903 , an input/output interface 904 , and a communication interface 905 .
The above-described servo control device 100 and compensator derivation device 10 are implemented in a computer 900. The above-described functions are stored in the auxiliary storage device 903 in the form of a program. The CPU 901 reads the program from the auxiliary storage device 903, loads it in the main storage device 902, and executes the above-described processing in accordance with the program. The CPU 901 also reserves a storage area in the main storage device 902 in accordance with the program. The CPU 901 also reserves a storage area in the auxiliary storage device 903 for storing data being processed in accordance with the program.

なお、サーボ制御装置100及び補償器導出装置10の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各機能部による処理を行ってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、CD、DVD、USB等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ900に配信される場合、配信を受けたコンピュータ900が当該プログラムを主記憶装置902に展開し、上記処理を実行してもよい。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。 In addition, a program for realizing all or part of the functions of the servo control device 100 and the compensator derivation device 10 may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read into a computer system and executed to perform processing by each functional unit. The term "computer system" here includes hardware such as an OS and peripheral devices. In addition, if a WWW system is used, the term "computer system" also includes a homepage providing environment (or display environment). In addition, the term "computer-readable recording medium" refers to portable media such as CDs, DVDs, and USBs, and storage devices such as hard disks built into a computer system. In addition, if the program is distributed to the computer 900 via a communication line, the computer 900 that receives the program may expand the program into the main storage device 902 and execute the above processing. In addition, the above program may be for realizing part of the above-mentioned functions, and may further be capable of realizing the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope of the invention and its equivalents as described in the claims, as well as in the scope and gist of the invention.

<付記>
各実施形態に記載の補償器導出装置10、位置誤差補償装置(機械たわみ補償部20)、伝達関数導出方法およびプログラムは、例えば以下のように把握される。
<Additional Notes>
The compensator derivation device 10, the position error compensation device (mechanical deflection compensation unit 20), and the transfer function derivation method and program described in each embodiment can be understood, for example, as follows.

(1)第1の態様に係る補償器導出装置10は、振動を伴う機械(移動機構)の周波数特性データを取得するデータ取得部11と、前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出する機械伝達関数導出部12と、前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出する補償器導出部13と、を備える。
これにより、振動を伴う機械(移動機構)を動作(移動)させた際に生じる構造物の振動による機械の目標位置と実際の位置との誤差を補償するための伝達関数(補償器)を導出することができる。
(1) A compensator derivation device 10 according to a first aspect includes a data acquisition unit 11 that acquires frequency characteristic data of a machine (moving mechanism) that vibrates, a mechanical transfer function derivation unit 12 that derives a mechanical transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and a compensator derivation unit 13 that uses the mechanical transfer function to derive a compensator for compensating for a positioning error due to vibration of the machine.
This makes it possible to derive a transfer function (compensator) for compensating for the error between the target position and the actual position of the machine due to vibrations of a structure that occur when a machine (moving mechanism) that involves vibration is operated (moved).

(2)第2の態様に係る補償器導出装置10は、(1)の補償器導出装置10であって、前記機械伝達関数導出部12は、前記周波数特性データのピーク周波数、ノッチ周波数、ピークゲイン、ノッチゲインを検出して、前記ピーク周波数、前記ノッチ周波数、前記ピークゲイン、前記ノッチゲインを用いて前記伝達関数のパラメータを設定し、前記伝達関数を導出する。 (2) The compensator derivation device 10 according to the second aspect is the compensator derivation device 10 of (1), in which the mechanical transfer function derivation unit 12 detects the peak frequency, notch frequency, peak gain, and notch gain of the frequency characteristic data, and sets the parameters of the transfer function using the peak frequency, notch frequency, peak gain, and notch gain to derive the transfer function.

(3)第3の態様に係る補償器導出装置10は、(1)~(2)の補償器導出装置10であって、前記機械伝達関数導出部12は、ωを前記周波数特性データのピーク周波数、ωを前記周波数特性データのノッチ周波数、ζを前記周波数特性データのピークゲイン、ζを前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに以下の前記伝達関数を導出する。

Figure 0007532736000003
第2、第3の態様に係る補償器導出装置10によれば、構造物(工作機械1)の周波数特性データのピーク周波数、ノッチ周波数、ピークゲイン、ノッチゲインから直接的にパラメータを決定することができるので、少ない計算量で伝達関数を導出することができる。 (3) A compensator derivation device 10 according to a third aspect is the compensator derivation device 10 of (1) to (2), in which the mechanical transfer function derivation unit 12 derives the following transfer function when ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator.
Figure 0007532736000003
According to the compensator derivation device 10 according to the second and third aspects, parameters can be directly determined from the peak frequency, notch frequency, peak gain, and notch gain of the frequency characteristic data of the structure (machine tool 1), so that a transfer function can be derived with a small amount of calculation.

(4)第4の態様に係る補償器導出装置10は、(1)~(3)の補償器導出装置10であって、前記周波数特性データは、前記構造物の機構解析(MBD;multibody dynamics)モデルが模擬した前記構造物の周波数特性である。
これにより、構造物の設計段階で構築されるMBDモデルを用いて、構造物の製造前に補償器を導出することができる。
(4) A fourth aspect of the compensator derivation device 10 is the compensator derivation device 10 of (1) to (3), wherein the frequency characteristic data is a frequency characteristic of the structure simulated by a multibody dynamics (MBD) model of the structure.
This makes it possible to derive a compensator before manufacturing the structure, using an MBD model constructed at the design stage of the structure.

(5)第5の態様に係る補償器導出装置10は、(4)の補償器導出装置10であって、前記機構解析モデルは、少なくとも、前記機械を構成する構成部品の剛性、形状、密度およびヤング率を同定パラメータとする。 (5) The compensator derivation device 10 according to the fifth aspect is the compensator derivation device 10 of (4), in which the mechanical analysis model has at least the stiffness, shape, density, and Young's modulus of the components that make up the machine as identification parameters.

(6)第6の態様に係る補償器導出装置10は、(1)~(5)の補償器導出装置10であって、前記補償器導出部13は、前記伝達関数の逆数を前記補償器21として導出する。 (6) The compensator derivation device 10 according to the sixth aspect is the compensator derivation device 10 according to any one of (1) to (5), in which the compensator derivation unit 13 derives the inverse of the transfer function as the compensator 21.

(7)第7の態様に係る補償器導出装置10は、(1)~(6)の補償器導出装置10であって、前記補償器数導出部13は、ωを前記周波数特性データのピーク周波数、ωを前記周波数特性データのノッチ周波数、ζを前記周波数特性データのピークゲイン、ζを前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに以下の前記補償器を導出する。

Figure 0007532736000004
第6、第7の態様に係る補償器導出装置10によれば、少ない計算量で補償器21を導出することができる。 (7) A seventh aspect of the compensator derivation device 10 is the compensator derivation device 10 of any one of (1) to (6), in which the compensator number derivation unit 13 derives the following compensator when ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator.
Figure 0007532736000004
According to the compensator derivation device 10 according to the sixth and seventh aspects, the compensator 21 can be derived with a small amount of calculation.

(8)第8の態様に係る補償器導出装置10は、(1)~(7)の補償器導出装置10であって、機械伝達関数が2次伝達関数である。 (8) The compensator derivation device 10 according to the eighth aspect is the compensator derivation device 10 according to any one of (1) to (7), in which the mechanical transfer function is a second-order transfer function.

(9)第9の態様に係る位置誤差補償装置(機械たわみ補償部20)は、前記移動機構への位置指令を取得し、第1の態様から第8の態様の何れか1つに記載の補償器導出装置10が算出した前記補償器21によって前記位置指令を補償し、補償後の前記位置指令を出力する。
これにより、移動機構を移動させた際に生じる構造物の振動による移動機構の目標位置と実際の位置との誤差を補償することができる。
(9) A position error compensation device (mechanical deflection compensation unit 20) relating to a ninth aspect acquires a position command for the moving mechanism, compensates for the position command using the compensator 21 calculated by the compensator derivation device 10 described in any one of the first to eighth aspects, and outputs the compensated position command.
This makes it possible to compensate for the error between the target position and the actual position of the moving mechanism caused by vibrations of the structure that occur when the moving mechanism is moved.

(10)第10の態様に係る工作機械1は、工作機械本体5と、前記工作機械本体に支持され、工具を移動させる移動機構(コラム4)と、上記の位置誤差補償装置を備え前記移動機構への補償後の前記位置指令に基づいて前記移動機構を制御する制御装置(サーボ制御装置100)と、を備える。
これにより、高精度な加工を実現することができる。
(10) A machine tool 1 in a tenth aspect includes a machine tool body 5, a moving mechanism (column 4) supported by the machine tool body for moving a tool, and a control device (servo control device 100) that is equipped with the above-mentioned position error compensation device and controls the moving mechanism based on the position command after compensation to the moving mechanism.
This makes it possible to achieve high-precision machining.

(11)第11の態様に係る補償器達関数導出方法は、振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、前記周波数特性データに近似する伝達関数を導出するステップと、前記伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、を有する。 (11) The method for deriving a compensator transfer function according to the eleventh aspect includes the steps of acquiring frequency characteristic data of a machine with vibration, deriving a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and deriving a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine using the transfer function.

(12)第12の態様に係るプログラムは、コンピュータ900に、振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出するステップと、前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、を実行させる。 (12) The program according to the twelfth aspect causes a computer 900 to execute the steps of acquiring frequency characteristic data of a machine that vibrates, deriving a machine transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data, and deriving a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine using the machine transfer function.

1・・・工作機械
2・・・ベッド
3・・・テーブル
4・・・コラム
5・・・工作機械本体
6・・・サドル
7・・・ラム
8・・・アタッチメント
9・・・クロスレール
10・・・補償器導出装置
11・・・データ取得部
12・・・機械伝達関数導出部
13・・・補償器導出部
14・・・出力部
15・・・記憶部
20・・・機械たわみ補償部(位置誤差補償装置)
21・・・補償器
40・・・速度フィードフォワード部
41・・・減算部
42・・・乗算部
43・・・減算部
44・・・比例積分演算部
90・・・モータ
91・・・ボールねじナット
92・・・ボールねじ軸
93・・・ボールねじ送り部
94・・・モータエンコーダ
95・・・リニアスケール
100・・・サーボ制御装置
200・・・MBDモデル
900・・・コンピュータ
901・・・CPU
902・・・主記憶装置
903・・・補助記憶装置
904・・・入出力インタフェース
905・・・通信インタフェース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Machine tool 2: Bed 3: Table 4: Column 5: Machine tool body 6: Saddle 7: Ram 8: Attachment 9: Cross rail 10: Compensator derivation device 11: Data acquisition unit 12: Mechanical transfer function derivation unit 13: Compensator derivation unit 14: Output unit 15: Memory unit 20: Mechanical deflection compensation unit (position error compensation device)
21: Compensator 40: Speed feedforward section 41: Subtraction section 42: Multiplication section 43: Subtraction section 44: Proportional and integral calculation section 90: Motor 91: Ball screw nut 92: Ball screw shaft 93: Ball screw feed section 94: Motor encoder 95: Linear scale 100: Servo control device 200: MBD model 900: Computer 901: CPU
902: Main storage device 903: Auxiliary storage device 904: Input/output interface 905: Communication interface

Claims (8)

振動を伴う機械の周波数特性データを取得するデータ取得部と、
前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出する機械伝達関数導出部と、
前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出する補償器導出部と、
を備え
前記周波数特性データは、前記機械の機構解析(MBD;multibody dynamics)モデルに衝撃を与えることで模擬される振動から周波数応答を取得するシミュレーションによって得られる前記機械の周波数特性データであり、
前記機械伝達関数導出部は、Gm(s)を前記機械伝達関数、ω を前記周波数特性データのピーク周波数、ω を前記周波数特性データのノッチ周波数、ζ を前記周波数特性データのピークゲイン、ζ を前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに、以下の式から前記機械伝達関数を導出し、
Figure 0007532736000005
前記補償器は、前記機械伝達関数の逆数である、
補償器導出装置。
A data acquisition unit that acquires frequency characteristic data of a machine that vibrates;
a mechanical transfer function derivation unit that derives a mechanical transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data;
a compensator derivation unit that derives a compensator for compensating for a positioning error caused by vibration of the machine using the mechanical transfer function;
Equipped with
the frequency characteristic data is obtained by a simulation for obtaining a frequency response from vibrations simulated by applying an impact to a multibody dynamics (MBD) model of the machine;
The mechanical transfer function derivation unit derives the mechanical transfer function from the following formula, where Gm(s) is the mechanical transfer function, ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator:
Figure 0007532736000005
The compensator is the inverse of the mechanical transfer function.
Compensator derivation device.
前記機構解析モデルは、少なくとも、前記機械を構成する構成部品の剛性、形状、密度およびヤング率を同定パラメータとする、
請求項に記載の補償器導出装置。
The mechanical analysis model has at least the stiffness, shape, density and Young's modulus of components constituting the machine as identification parameters.
The compensator deriving device according to claim 1 .
前記補償器導出部は、ωを前記周波数特性データのピーク周波数、ωを前記周波数特性データのノッチ周波数、ζを前記周波数特性データのピークゲイン、ζを前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに以下の前記補償器を導出する、
Figure 0007532736000006

請求項1又は請求項2に記載の補償器導出装置。
The compensator derivation unit derives the compensator as follows, where ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator:
Figure 0007532736000006

The compensator deriving device according to claim 1 or 2 .
前記機械伝達関数は、2次伝達関数である、
請求項1から請求項のいずれか1項に記載の補償器導出装置。
The mechanical transfer function is a second-order transfer function.
The compensator deriving device according to any one of claims 1 to 3 .
前記機械への位置指令を取得し、
請求項1から請求項の何れか1項に記載の補償器導出装置が算出した前記補償器によって前記位置指令を補償し、補償後の前記位置指令を前記機械へ出力する、
位置誤差補償装置。
Obtaining a position command for the machine;
The position command is compensated by the compensator calculated by the compensator derivation device according to any one of claims 1 to 4 , and the compensated position command is output to the machine.
Position error compensation device.
工作機械本体と、
前記工作機械本体に支持された前記機械である、工具を移動させる移動機構と、
請求項に記載の位置誤差補償装置を備え、
前記移動機構への補償後の前記位置指令に基づいて前記移動機構を制御する制御装置と、
を備える工作機械。
A machine tool body,
a movement mechanism for moving a tool, which is the machine supported by the machine tool body;
A position error compensation device according to claim 5 ,
a control device that controls the moving mechanism based on the position command after compensation for the moving mechanism;
A machine tool comprising:
振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、
前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出するステップと、
前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、
を有し、
前記周波数特性データは、前記機械の機構解析モデルに衝撃を与えることで模擬される振動から周波数応答を取得するシミュレーションによって得られる前記機械の周波数特性データであり、
Gm(s)を前記機械伝達関数、ω を前記周波数特性データのピーク周波数、ω を前記周波数特性データのノッチ周波数、ζ を前記周波数特性データのピークゲイン、ζ を前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに、前記機械伝達関数は、以下の式により導出され、
Figure 0007532736000007

前記補償器は、前記機械伝達関数の逆数である、
伝達関数導出方法。
Obtaining frequency characteristic data of a machine that vibrates;
Deriving a mechanical transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data;
deriving a compensator for compensating for a positioning error due to vibration of the machine using the machine transfer function;
having
the frequency characteristic data is frequency characteristic data of the machine obtained by a simulation in which a frequency response is obtained from vibrations simulated by applying an impact to a mechanical analysis model of the machine,
When Gm(s) is the mechanical transfer function, ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator, the mechanical transfer function is derived by the following formula:
Figure 0007532736000007

The compensator is the inverse of the mechanical transfer function.
Transfer function derivation method.
コンピュータに、
振動を伴う機械の周波数特性データを取得するステップと、
前記周波数特性データに近似する伝達関数である機械伝達関数を導出するステップと、
前記機械伝達関数を用いて、前記機械の振動による位置決め誤差を補償するための補償器を導出するステップと、
を実行させ、
前記周波数特性データは、前記機械の機構解析モデルに衝撃を与えることで模擬される振動から周波数応答を取得するシミュレーションによって得られる前記機械の周波数特性データであり、
Gm(s)を前記機械伝達関数、ω を前記周波数特性データのピーク周波数、ω を前記周波数特性データのノッチ周波数、ζ を前記周波数特性データのピークゲイン、ζ を前記周波数特性データのノッチゲイン、sをラプラス演算子とするときに、前記機械伝達関数は、以下の式により導出され、
Figure 0007532736000008

前記補償器は、前記機械伝達関数の逆数である、
プログラム。
On the computer,
Obtaining frequency characteristic data of a machine that vibrates;
Deriving a mechanical transfer function that is a transfer function that approximates the frequency characteristic data;
deriving a compensator for compensating for a positioning error due to vibration of the machine using the machine transfer function;
Run the command,
the frequency characteristic data is frequency characteristic data of the machine obtained by a simulation in which a frequency response is obtained from vibrations simulated by applying an impact to a mechanical analysis model of the machine,
When Gm(s) is the mechanical transfer function, ω P is a peak frequency of the frequency characteristic data, ω N is a notch frequency of the frequency characteristic data, ζ P is a peak gain of the frequency characteristic data, ζ N is a notch gain of the frequency characteristic data, and s is a Laplace operator, the mechanical transfer function is derived by the following formula:
Figure 0007532736000008

The compensator is the inverse of the mechanical transfer function.
program.
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