專利名稱：機械運動軌跡測定裝置、數(shù)控機床及機械運動軌跡測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械運動軌跡測定裝置，尤其是涉及在數(shù)控機床、機器人中測定機械的運動軌跡的裝置。
背景技術(shù)：
在數(shù)控機床、機器人中，為了沿著多個可動軸使機械移動，驅(qū)動馬達，盡量將機械的位置忠實地控制在指令位置。在此種情況下，由于機械的振動、運動方向反轉(zhuǎn)時的摩擦力的影響，在指令位置和實際的機械的位置之間產(chǎn)生誤差，例如，在加工面上造成損傷。在產(chǎn)生這樣的問題時，測定機械的運動軌跡、探索問題的原因，進行控制馬達的控制器的各種參數(shù)的調(diào)整。用于此的機械運動軌跡的測定顯示方法公知有多種方法。在專利文獻1中公開的方法是將兩個高精度的鋼球之間經(jīng)由位移儀結(jié)合的方法， 該方法讀取在進行將兩球間的相對距離保持為一定那樣的運動(圓弧)時的位移。該方法稱為循圓量測(Ball Bar)法，被廣泛地普及。在非專利文獻1中公開了使用被稱為交叉格子標尺(柵極編碼器；grid encoder) 的測定器來測定機床的運動軌跡的方法。在使用交叉格子標尺的測定中，能夠使用標尺以及檢測頭而進行二維的相對位移的測定，該標尺為在玻璃基板上具有直角交叉的兩個光學格子的標尺；該檢測頭具有與標尺的各個光學格子對應(yīng)并互相直角交叉地配置的兩個受光部。在專利文獻2所示的方法中，將3組氣動滑板(air slide)與線性標尺正交地組合，可以測定三維的相對位移。另外，在專利文獻3中公開了如下的測定方法，該測定方法測定從反饋信號方便求得的機械位置和控制裝置所指定的機械位置的誤差?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1 日本特開昭61-209857號公報專利文獻2 日本特許第3858062號公報專利文獻3 日本特開平4-177408號公報非專利文獻1 使用了交叉格子標尺的超精密NC機床的運動精度的測定和改善， 精密工學會志，Vol. 62，No. 11 (1996)ρρ· 1612-161
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題在專利文獻1所記載的方法中，存在只能測定確定了半徑的圓弧軌跡的問題，例如，不能測定容易在機械中產(chǎn)生振動的角部等的運動軌跡。在非專利文獻1所記載的使用交叉格子標尺的精度測定中，需要將標尺和檢測頭的間隔保持在0. 5mm左右，存在標尺和檢測頭互相碰撞而容易產(chǎn)生破損的問題。此外，不能測定三維的運動軌跡。在專利文獻2所記載的方法中，雖然可以測定三維的運動軌跡，但是因為測定器為重疊3組滑動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，所以不能跟蹤產(chǎn)生大的慣性力的高加速度運動，因此存在無法測定的問題。另外，由于使用氣動滑板，所以需要壓縮空氣，導致成為非常大規(guī)模的裝置。與上述方法共通，為了在機械上安裝位移儀來測定運動軌跡，例如在機床上安裝有夾具、工具時，為了進行測定而需要拆卸它們。因此，存在不能測定處于實際的使用狀態(tài)的機械的運動軌跡的問題。另外，與上述方法共通，為了將測定范圍限制在比較窄的范圍，在錯誤地超過測定范圍而使機械產(chǎn)生運動的情況下，會導致測定器發(fā)生破損。另外，若要測定行程大的機械的運動軌跡，則需要將測定器暫時拆下挪動位置而重新設(shè)置。在專利文獻3記載的方法中，在機械中不設(shè)置測定器，根據(jù)從反饋信號求得的機械位置算出運動軌跡，所以可以進行自由形狀且全可動范圍內(nèi)的測定，測定器也不會破損。 但是，實際的機械位置和反饋位置未必都相同，例如在機械產(chǎn)生振動時、或存在間隙時，不能正確地評價機械的運動軌跡。本發(fā)明就是鑒于上述的問題而做出的，其目的是提供可以簡便且切實地測定反映振動、間隙的機械的運動軌跡的機械運動軌跡測定裝置、具備該機械運動軌跡測定裝置的數(shù)控機床及機械運動軌跡測定方法。用于解決課題的手段為了解決課題，本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置，對如下的裝置中的機械的運動軌跡進行測定，該裝置通過以反饋檢測位置并使檢測位置追隨指令位置的方式驅(qū)動多個可動軸的馬達，對機械的位置進行控制，所述檢測位置從用于驅(qū)動多個可動軸的多個馬達檢測出，其中，該機械運動軌跡測定裝置備有加速度計和運動軌跡測定部，加速度計用來測定機械的加速度；運動軌跡測定部，對加速度進行2階積分以獲得機械位置，并且以使機械位置的輪廓與利用模擬機械的位置相對于指令位置的響應(yīng)性的模型所推定的推定位置的輪廓或檢測位置的輪廓一致的方式修正機械位置，測定機械的運動軌跡。發(fā)明效果在本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置中，由于在測定中使用加速度計，所以可以在可動部的自由的場所設(shè)置加速度計，即使機械在使用中也可以不拆卸夾具、工具而進行測定，除此之外還可以測定三維的運動軌跡。另外，在本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置中，由于使用檢測位置、推定位置來修正機械位置，所以不容易產(chǎn)生在要對加速度計的信號進行積分而計算機械位置的場合因測定誤差、積分誤差而產(chǎn)生的問題，并且能夠發(fā)揮可以測定反映了振動、間隙的機械的運動軌跡的效果。


圖1是表示具有本發(fā)明的實施方式的機械運動軌跡測定裝置的數(shù)控機床的形態(tài)的示意圖。圖2是表示數(shù)控機床所具有的驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是說明本實施方式的機械運動軌跡測定裝置的圖。圖4是說明本實施方式的機械運動軌跡測定裝置的運動軌跡測定方法的圖。
圖5是說明本實施方式的機械運動軌跡測定裝置的運動軌跡測定方法的實施例的詳情的圖。圖6是表示加速度的測定誤差對速度以及位置造成的影響的示意圖。圖7是表示根據(jù)加速度算出的機械位置和檢測位置的差的例子的圖。圖8是表示根據(jù)加速度算出的機械位置和檢測位置的差的例子的圖。圖9是表示指令位置和檢測位置的誤差的變化率的例子的圖。圖10是表示使用指令位置和檢測位置的誤差的變化率為閾值以下的范圍的數(shù)據(jù)進行修正的結(jié)果的例子的圖。圖11是表示利用交叉格子標尺法測定圓運動軌跡的結(jié)果的例子的圖。圖12是表示利用本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置測定圓運動軌跡的結(jié)果的例子的圖。圖13是表示利用交叉格子標尺法測定角部運動軌跡的結(jié)果的例子的圖。圖14是表示利用本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置測定角部運動軌跡的測定結(jié)果的例子的圖。圖15是表示三維的運動軌跡的測定例的圖。
具體實施例方式實施方式下面，以數(shù)控機床的機械運動軌跡的測定為例，用

本發(fā)明的實施方式的機械運動軌跡測定裝置。另外，本發(fā)明并不局限于下述的記載。圖1表示數(shù)控機床的形態(tài)的一例。具有在X軸、Y軸以及Z軸方向引導運動的多個可動軸，各可動軸被由馬達1和進給絲桿2構(gòu)成的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動。馬達的旋轉(zhuǎn)角度由旋轉(zhuǎn)角度檢測器3檢測，并被反饋到控制裝置。作為驅(qū)動方法，有時也使用線性馬達代替馬達 1和進給絲桿2，使用線性標尺代替旋轉(zhuǎn)角度檢測器3。在圖1所示的形態(tài)的數(shù)控機床中，由Y軸的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動工作臺4，由X軸的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動支柱5。由安裝在支柱5上的Z軸的驅(qū)動機構(gòu)，經(jīng)由滑枕6驅(qū)動主軸頭7，結(jié)果在安裝于主軸頭7的前端的工具和設(shè)置于工作臺4上的工件之間創(chuàng)建三維形狀。另外，在圖2中示意地表示從橫向觀察圖1的Y軸的驅(qū)動機構(gòu)的情況下的剖視圖。 在此，為了方便起見只表示Y軸的驅(qū)動機構(gòu)，X軸以及Z軸的驅(qū)動機構(gòu)也是相同的。馬達1 的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由聯(lián)軸器8傳遞到進給絲桿2，并經(jīng)由螺母9變換為工作臺4的直行運動。進給絲桿2的直行運動被支撐軸承10約束。從控制器的指令生成部11輸出的指令位置被傳遞到馬達驅(qū)動部12，馬達驅(qū)動部12以使檢測位置與指令位置的誤差盡量變小的方式驅(qū)動馬達1，所述檢測位置通過將由旋轉(zhuǎn)角度檢測器3檢測到的馬達旋轉(zhuǎn)角度乘以進給絲桿2的螺距而得到。除了馬達1的旋轉(zhuǎn)角度，有時也附加用于檢測工作臺的位置的線性標尺、激光位移計，并反饋到馬達驅(qū)動部12，另外，有時也使用線性馬達代替馬達1和進給絲桿2。在數(shù)控機床中，安裝于主軸頭7的前端的工具和工作臺4的相對位移很重要，一般預先測定相對位移，在指令生成部11或馬達驅(qū)動部12修正存在于機械中的誤差。作為誤差的原因，首先有可動軸之間的垂直度、進給絲桿的螺距誤差等的靜態(tài)誤差，這些在組裝機械的階段可進行測定以及調(diào)整，在通常使用中變化很小。另一方面，還已知產(chǎn)生主要由在聯(lián)軸器8或進給絲桿2、支撐軸承10部分產(chǎn)生的彈性變形或振動、支柱5或滑枕6的姿勢變化或振動、摩擦力所造成的誤差，這些動態(tài)的誤差，因機械的使用狀況或工作臺上的負荷質(zhì)量、機械的長年變化或磨損等，特性發(fā)生較大的變化。因此，優(yōu)選即使在機械的使用中也能夠定期地或持續(xù)地測定機械的運動軌跡，調(diào)整控制器的各種修正參數(shù)。本發(fā)明的目的是提供如下的方法，該方法通過與已往的測定方法完全不同的方法，簡便且切實地測定調(diào)整控制器的參數(shù)所需的運動軌跡信息。此處的切實是指包含調(diào)整控制器所必要的信息，具體為振動的有無、振動的周期以及振幅、象限切換時產(chǎn)生的突起狀的軌跡誤差(象限突起)的有無、象限突起的高度以及寬度、以及在象限突起產(chǎn)生后產(chǎn)生的振動的周期以及振幅等信息。在圖3中表示本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置。在指令生成部11，根據(jù)被輸入的目標位置生成指令位置。在馬達驅(qū)動部12，以使被輸入的指令位置、和處理從旋轉(zhuǎn)角度檢測器3傳送的檢測信號而得到的檢測位置盡量一致的方式，輸出馬達驅(qū)動電壓、驅(qū)動馬達1。本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置用于測定裝置中的機械的運動軌跡，所述裝置以反饋從可動軸不同的多個馬達1檢測到的檢測位置、并且使檢測位置追隨指令位置的方式驅(qū)動馬達1，從而控制機械的位置。機械運動軌跡測定裝置備有加速度計13和運動軌跡測定部14，上述加速度計13用于測定機械的加速度；上述運動軌跡測定部14，對加速度進行 2階積分以獲得機械位置，并且以使機械位置的輪廓與利用模型推定的推定位置的輪廓或檢測位置的輪廓大致一致的方式修正機械位置，從而測定機械的運動軌跡，所述模型模擬機械的位置對指令位置的響應(yīng)性。在此，輪廓是指在以橫軸為時間、以縱軸為機械位置的情況下，或者以橫軸和縱軸雙方為機械位置的情況下，表示機械位置的概略的變化的曲線，例如，想反映出在細微地變動的波形的中心附近使用活動曲線規(guī)畫出一條線時的曲線。也可以為指令位置乘以具有一定的時間常數(shù)的傳遞函數(shù)而獲得的曲線，還可以為使機械位置的變化成為近似于直線或η 次多項式或正弦波或余弦波的情況下的曲線。運動軌跡顯示部15從多個輸入到指令生成部11的目標位置合成目標軌跡，從自指令生成部11輸出的指令位置合成指令軌跡，從被反饋的多個檢測位置合成檢測部軌跡， 并將目標軌跡、指令軌跡或檢測部軌跡的至少任一個軌跡，與合成了從運動軌跡測定部14 輸出的機械位置的機械的運動軌跡重疊顯示。在本發(fā)明中，因為使用加速度計測定機械的運動軌跡，所以例如如圖3所示，即使在安裝有工具16、工件17的狀態(tài)下也可以測定機械運動軌跡，除此之外還可以進行三維的自由形狀的測定。另外，若要對加速度計的信號進行積分而算出位置，則一般將產(chǎn)生因加速度的測定誤差、積分誤差而引起的問題，但是在本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置中，在運動軌跡測定部，在進行加速度的測定的同時使用作為控制裝置內(nèi)部的信號的指令位置和檢測位置修正機械位置，所以可以修正加速度的測定誤差、積分誤差。另外，通過使目標軌跡、指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡的全部或一部分重疊顯示，在機械運動軌跡產(chǎn)生誤差時，可以明確地表示軌跡誤差產(chǎn)生在哪一個階段。這時，通過將指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡，與目標軌跡之間的相對于目標軌跡的法線方向的誤差分別放大地顯示，可以更明確地表示軌跡誤差。另外，通過將指令軌跡與檢測部軌跡、指令軌跡與機械運動軌跡、或檢測部軌跡與機械運動軌跡之間的法線方向誤差放大地顯示，可以只抽出例如起因于馬達驅(qū)動部12的軌跡誤差、起因于驅(qū)動機構(gòu)的軌跡誤差。對加速度進行積分而算出位置的方法現(xiàn)在已為公眾所知，使用于例如慣性導航裝置、建筑物的振動測定。但是已知其測定精度為前者是數(shù)m，后者是數(shù)十mm，與數(shù)控機床的測定中所要求的精度相比，還差了 4 6位數(shù)。就對加速度進行積分而算出位置時的問題點而言，存在因加速度的測定誤差而引起的問題和因積分運算的誤差而引起的問題。本發(fā)明提供解決這樣的問題、高精度地測定機械運動軌跡的方法。在對加速度進行積分時，測定時間越長，越積累積分的誤差，測定的精度將惡化。 在控制器的調(diào)整中，主要進行對因機械的振動、摩擦力而造成的軌跡誤差的修正參數(shù)的調(diào)整，所以只要能夠顯示產(chǎn)生因這些動態(tài)的行為而引起的軌跡誤差的部分的運動軌跡即可。 具體地，通過根據(jù)指令位置、檢測位置或其雙方，使用規(guī)定的規(guī)則或數(shù)學式，判別推定為產(chǎn)生軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，并對處于運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的加速度進行2階積分，從而算出機械位置。在這里，預定的規(guī)則或數(shù)學式是指，用于表示經(jīng)驗上公知產(chǎn)生軌跡誤差的位置的規(guī)則或數(shù)學式，或用于根據(jù)使用模型而推定的機械位置判別產(chǎn)生軌跡誤差的規(guī)則或數(shù)學式，所述模型模擬機械位置相對于指令位置的響應(yīng)特性。據(jù)此，能夠只對在軌跡上容易產(chǎn)生誤差的部分的加速度進行積分而算出機械位置，所以不需要進行過長時間的積分演算，可以減少機械運動軌跡的測定所需要的時間，除此之外可以簡便且切實地測定容易因機械的使用狀況而變化的動態(tài)的軌跡誤差。另外，通過將運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的機械運動軌跡與目標軌跡、指令軌跡或檢測部軌跡重疊顯示，能夠切實地顯示調(diào)整控制器所需要的軌跡信息。此時，也能夠通過分別放大地顯示指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡，與目標軌跡之間的相對于目標軌跡的法線方向的誤差，而更加明確地表示軌跡誤差。另外，通過放大地顯示指令軌跡與檢測部軌跡、指令軌跡與機械運動軌跡、或檢測部軌跡與機械運動軌跡之間的法線方向的誤差，可以只抽出例如起因于馬達驅(qū)動部12的軌跡誤差、起因于驅(qū)動機構(gòu)的軌跡誤差。以下，作為更具體的實施例，詳細地說明判別運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，對運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍中的加速度進行2階積分、算出機械位置的方法。在運動軌跡測定部14中， 如圖4的流程圖所示，其特征為，讀入用于測定運動的數(shù)據(jù)，根據(jù)作為讀入的數(shù)據(jù)的指令位置或檢測位置乃至其雙方，使用預定的規(guī)則或數(shù)學式，判別推定為產(chǎn)生軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，對運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的加速度進行2階積分而算出機械位置，修正所算出的機械位置的誤差。圖5表示圖3的運動軌跡測定部14中的數(shù)據(jù)處理方法的具體例。本實施例的運動軌跡測定部14備有機械運動軌跡測定用數(shù)據(jù)抽出單元18、加速度積分單元19和積分誤差修正單元20。在機械運動軌跡測定用數(shù)據(jù)抽出單元18中記錄有對指令位置進行微分而獲得的指令速度的符號反轉(zhuǎn)的時刻，和對指令位置進行3階微分而獲得的加速度的變化率(還可稱為加加速度、跳躍、或沖擊躍度)超過預先設(shè)定的閾值的時刻，且將檢測位置對指令位置的延遲時間加到上述時刻而算出開始時刻，將從開始時刻起到經(jīng)過一定時間為止的范圍設(shè)定為運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍。通過改變加速度的變化率J的閾值，可以改變運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的檢測靈敏度，將閾值設(shè)定為數(shù)m/s3至數(shù)十m/s3左右是妥當?shù)?。具體地，對指令位置數(shù)據(jù)ft·進行時間微分算出指令速度Nr，再對指令速度Vr進行 2階微分算出指令加速度的變化率J，并且搜索指令加速度的變化率J成為預先設(shè)定的閾值以上的時刻ta (Na)和指令速度Vr的符號反轉(zhuǎn)的時刻tb (Nb)。其中，Na是指令加速度的變化率J成為閾值以上的次數(shù)，Nb為指令速度Vr的符號反轉(zhuǎn)的次數(shù)。另外，指令加速度的變化率J的閾值可以根據(jù)作為測定和調(diào)整對象的機械的要求性能而改變。一般已知在指令位置和檢測位置之間存在有一定的延遲時間，在機械運動軌跡測定用數(shù)據(jù)抽出單元18中，求得指令位置數(shù)據(jù)ft·和檢測位置數(shù)據(jù)Pfb的誤差E，從該誤差算出延遲時間Delay?？梢詮倪\動中的誤差E算出延遲時間為公知的事實。另外，也可以不從指令位置數(shù)據(jù)ft"和檢測位置數(shù)據(jù)Pfb的差算出延遲時間，而利用模擬控制系統(tǒng)的響應(yīng)的模型計算延遲時間。在指令加速度的變化率J成為閾值以上的時刻ta(Na)和指令速度Vr的符號反轉(zhuǎn)的時刻tb (Nb)，加上延遲時間Delay，作為測定開始時刻ts (N)。在此，N為測定開始時刻ts 的個數(shù)，為Na和Nb之和。加速度的變化率大表示加速度急劇地變化，而速度的符號反轉(zhuǎn)則表示運動方向反轉(zhuǎn)。因此，測定開始時刻ts表示運動的加速度急劇地變化的時刻和運動方向反轉(zhuǎn)的時刻。一般已知在加速度急劇地變化的位置，由于在機械中激發(fā)振動，所以容易產(chǎn)生軌跡誤差，另外在運動方向反轉(zhuǎn)的位置，由于摩擦力的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，所以容易產(chǎn)生軌跡誤差。即，通過抽出上述位置，可以切實地判別容易產(chǎn)生運動軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍。因在機械中激發(fā)的振動、運動方向反轉(zhuǎn)時的摩擦力變化而產(chǎn)生的軌跡誤差，公知為動態(tài)的行為，即，隨時間變化的行為，因此，通過從測定開始時刻ts起抽出一定的測定時間te內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以設(shè)定為運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍。測定時間te的值可以依照作為測定對象的機械的動態(tài)的特性而變化，設(shè)定為從0. 1秒至0. 5秒左右是妥當?shù)?。另外，也可以使用模擬機械的位置相對于指令位置的響應(yīng)特性的模型，推定機械的運動軌跡，將在所推定的運動軌跡與目標軌跡之間產(chǎn)生的軌跡誤差超過預先設(shè)定的容許值的范圍，設(shè)定為運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍。據(jù)此，也可以預測到產(chǎn)生與加速度的急劇的變化、運動方向的反轉(zhuǎn)無關(guān)的軌跡誤差，可以測定當時的機械運動軌跡。這時的軌跡誤差的容許值可以根據(jù)對作為測定對象的機械的要求精度而改變，可以設(shè)定為數(shù)微米 數(shù)十微米。在測定加速度時，最好使加速度計的靈敏度方向和機械的可動軸的運動方向一致，但在加速度計的靈敏度方向和機械的可動軸的運動方向不一致的情況下或在加速度計的靈敏度與預先設(shè)定的原狀不同的情況，需要修正加速度的測定結(jié)果。作為修正加速度的方法，公知有各種各樣的方法，例如，可以從以已知的加速度使機械運動時的加速度的測定結(jié)果，算出加速度的修正系數(shù)。在加速度積分單元19中，將加速度的測定結(jié)果以比其測定周期短的間隔進行內(nèi)插處理，然后進行積分。據(jù)此，即使不以必要量以上的頻率測定加速度，也可以高精度地算出機械運動軌跡。加速度的測定周期可以根據(jù)作為測定對象的機械的振動特性而改變，可以設(shè)定在大概0. 001秒 0. 002秒左右(1000Hz 500Hz左右)，數(shù)據(jù)的內(nèi)插間隔可以設(shè)定在0. 0001秒左右(10000Hz左右)。當對運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的加速度A(n)進行積分而算出機械位置時，首先對檢測位置Pfb (η)進行微分而算出檢測速度Vfb (η)，以運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻ts(n)的檢測速度Vfb (ts (η))作為初始值對加速度進行積分，由此算出機械速度Va(η) (數(shù)學式(1))，然后以運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻ts(n)的檢測位置Pfb (ts (η)) 作為初始值對機械速度Va(η)進行積分，由此算出機械位置!^(n)(數(shù)學式O))。其中，η 為測定開始時刻ts的編號，編號范圍從第1號至第N號。[數(shù)學式1]Va(n) = t(")+teA(n)dt + Vfi(n)(ts(n))··· (I)[數(shù)學式2]Pa(n) = ;{"^να(η) + Ρ^η)( χη)) ... ( 2 )據(jù)此，因為不需要對從運動開始時刻起的加速度波形進行連續(xù)地積分，可以只對真正必要的短時間的加速度波形進行積分，所以計算量可以大幅地減少，并且可以高精度地算出機械位置。另外，可以使用模擬機械的位置相對于指令位置的響應(yīng)特性的模型，算出推定位置和推定速度，以運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的推定速度為初始值對加速度進行積分，從而算出機械速度，另外也可以以運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的推定位置為初始值對機械速度進行積分，從而算出機械位置。據(jù)此，即使加入例如間距誤差修正、間隙修正這樣的修正，也可以推定去除了其影響后的位置而算出機械位置。在對加速度進行積分而算出位置時，因加速度的測定誤差、積分所造成的誤差累積、對結(jié)果造成影響。在積分誤差修正單元20中，進行加速度的測定誤差和積分誤差的修正。圖6是表示在加速度具有一定的測定誤差時，對將其進行積分而獲得的位置造成的影響的示意圖。在加速度存在一定的誤差時，在對其進行2階積分的位置會以2次時間函數(shù)呈現(xiàn)。為了從由加速度積分單元19算出的機械位置!^(n)抽出誤差成分而進行修正，算出運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的檢測位置Pfb(n)和從加速度算出的機械位置的差E1。 從實際的測定結(jié)果算出的誤差El的一例在圖7中用實線表示。將這樣的誤差作為2次時間函數(shù)進行近似運算，從機械位置減去由近似式算出的位置而進行修正，由此修正加速度的測定誤差和積分誤差。另外，還可以使用模擬機械的位置相對于指令位置的響應(yīng)特性的模型進行修正，來代替檢測位置Pfb (η)。在圖7中用虛線表示利用上述的方法修正后的機械位置1 (η)和檢測位置Pfb (η) 的差。這相當于圖5中的Ε2。由圖7可知，除了微小的變動外，機械位置!^(η)和檢測位置Pfb(n)的差消失，可以修正加速度的測定誤差和積分誤差。另外，可知機械位置 ^(η) 和檢測位置Pfb (η)的差成為夾著0的微小變動，機械位置的輪廓和檢測位置的輪廓大致一致。在此出現(xiàn)的微小的變動為檢測位置和機械位置的差，是由驅(qū)動機構(gòu)、機械的運動軌跡誤差而引起的。
在圖7那樣的結(jié)果中，修正后的誤差E2較小、利用1次的修正就可以獲得足夠的測定精度。在該情況下，依照圖5的流程圖完成修正處理，作為機械位置數(shù)據(jù)1 (η)而保存。但是，在例如角部的行為那樣在加速度急劇變化的情況下，存在不能以1次修正正確地修正誤差的情況。圖8表示該情況下從加速度算出的機械位置1 (η)與檢測位置 Pfb (η)的誤差的一例。依據(jù)圖8，在進行上述的修正后(虛線)，在2. 55秒以前誤差較大， 進而波形整體成為彎曲的形狀。這是由于還包含了在圖8中用陰影表示的范圍的數(shù)據(jù)并作為2次函數(shù)而進行近似運算，從而進行修正，陰影部分相當于指令位置和檢測位置的差E 較大地變動的部分。因此，當從加速度算出、進而進行了第1次修正的機械位置!^(η)和檢測位置 Pfb (η)的誤差Ε2為預先設(shè)定的閾值以上時，依照圖5所示的流程圖，算出指令位置和檢測位置(Pfb(n))的誤差E(n)的變化率，抽出上述變化率成為預先設(shè)定的閾值以下的范圍內(nèi)的檢測位置或推定位置，使用被抽出的檢測位置或推定位置再次進行修正。誤差 E2的閾值可以依照作為測定對象的機械的特性而變化，可以設(shè)定為大概十微米 數(shù)十微米。另外，也可以使用模擬機械位置相對于指令位置的響應(yīng)特性的模型，來代替檢測位置 Pfb (η)。在圖9中表示與圖8所示的結(jié)果相同的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍中的、指令位置 Pr (η)和檢測位置(Pfb (η))的誤差Ε(η)的變化率。根據(jù)圖9，在第i號數(shù)據(jù)之前，誤差Ε(η) 急劇地變化。搜尋誤差Ε(η)的變化率成為預先設(shè)定的閾值以下的數(shù)據(jù)編號i，將比修正后的機械位置和檢測位置Pfb (η)的誤差Ε2的第i號靠后的數(shù)據(jù)作為2次時間函數(shù)進行近似運算，從機械位置再次減去用近似式算出的位置，由此進行再次修正。另外， 誤差E (η)的變化率的閾值的基準是指令位置和檢測位置的位置分解能力。在圖10中表示使用比修正后的機械位置Ι^(η)和檢測位置Pfb (η)的誤差Ε2的第i號靠后的數(shù)據(jù)進行再度修正后的、機械位置1 (η)和檢測位置Pfb (η)的誤差。根據(jù)圖 10，雖然2. 55秒之前的誤差殘留，但如修正前呈現(xiàn)出的波形整體彎曲那樣的誤差被去除， 即使在如角部那樣伴隨著急劇的加減速的運動中，也能夠修正加速度的測定誤差和積分所造成的誤差，可以高精度地算出機械運動軌跡。修正完成了的結(jié)果被保存作為機械位置數(shù)據(jù)1 (η)，在測定開始時刻ts的編號η 小于測定開始時刻ts的個數(shù)N時，對編號η加1，返回到機械運動軌跡測定用數(shù)據(jù)抽出單元 18，在測定開始時刻ts的編號η達到測定開始時刻ts的個數(shù)N為止，反復進行加速度積分單元19和積分誤差修正單元20的處理。據(jù)此，可以算出全部的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的機械位置。另外，以上的處理是對全部的多個可動軸進行的，根據(jù)多個軸的機械位置數(shù)據(jù)在運動軌跡顯示部15合成機械運動軌跡。為了確認本發(fā)明的方法的有效性，實際地測定了數(shù)控機床的XY平面中的機械運動軌跡。作為比較對象，也使用現(xiàn)在實用化的測定方法、即交叉格子標尺法進行相同的測定。圖11是利用交叉格子標尺測定進行了半徑10mm、進給速度3000mm/min的圓運動時的機械運動軌跡的結(jié)果。圖中放大地顯示與目標軌跡的差，在機械運動軌跡的同時，同時也表示檢測部軌跡和目標軌跡。根據(jù)圖11，機械運動軌跡成為在X軸方向具有長軸的橢圓形狀，這是由X軸方向的彈性變形所產(chǎn)生的，是在本發(fā)明中不作為測定對象的誤差。在本發(fā)明中作為測定對象的是，在象限變換的部分產(chǎn)生的突起狀的誤差(象限突起)和軌跡上的振動，可知在機械運動軌跡上呈現(xiàn)出與檢測部軌跡不同的振動、象限突起。圖12表示利用本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置測定機械運動軌跡的結(jié)果。在圖 12中表示被判別為運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的部分，顯示該范圍的機械運動軌跡。如圖12所示，即使在本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置中使用加速度測定機械運動軌跡的情況下，也與利用交叉格子標尺測定機械運動軌跡的情況同樣地，可以切實地顯示在機械運動軌跡上產(chǎn)生的振動、象限突起。圖13是下達正方形的軌跡的指令時的利用交叉格子標尺進行的機械運動軌跡的測定結(jié)果，其中放大地顯示與目標軌跡的誤差。已知由于在四角的角部加速度急劇地變化， 所以容易產(chǎn)生振動，由圖13可知，在機械運動軌跡上產(chǎn)生有在檢測部軌跡上看不見的振動。在圖14中表示利用本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置測定機械運動軌跡的測定結(jié)果。在圖14中被四邊形包圍的部分是利用本發(fā)明的方法判定為容易產(chǎn)生軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，顯示該范圍的機械運動軌跡。如圖14所示，即使在本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置中使用加速度測定機械運動軌跡的情況下，也與利用交叉格子標尺測定機械運動軌跡的情況同樣地，能夠測定在檢測部軌跡看不見的振動。依據(jù)本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置，即使在角部那樣的情況下，也可以切實地測定機械運動軌跡。S卩，可知利用本發(fā)明的機械運動軌跡的測定顯示裝置，可以自動地判別運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，利用加速度計可以更切實地測定該部分的機械運動軌跡。另外，通過重疊地顯示指令軌跡、檢測部軌跡和機械運動軌跡，在機械運動軌跡產(chǎn)生誤差的情況下，可以明確地表示軌跡誤差是在哪個階段產(chǎn)生的。圖15表示三維的機械運動軌跡的測定例。圖15所示的軌跡是首先使機械的X軸向正向移動，接著使Y軸朝正向移動，然后使Z軸朝正向移動時的軌跡。依據(jù)本發(fā)明的方法， 如圖15所示，即使為三維的軌跡也可以判別運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，能夠測定機械運動軌跡。產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，有關(guān)本發(fā)明的機械運動軌跡測定裝置，在數(shù)控機床、機器人中，適用于測定機械的運動軌跡。符號說明
1馬達
2進給絲桿
3旋轉(zhuǎn)角度檢測器
4工作臺
5支柱
6滑枕
7主軸頭
8聯(lián)軸器
9螺母
10支撐軸承
11指令生成部12馬達驅(qū)動部13加速度計14運動軌跡測定部15運動軌跡顯示部16工具17工件18機械運動軌跡測定用數(shù)據(jù)抽出單元19加速度積分單元20積分誤差修正單元
權(quán)利要求
1.一種機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，該機械運動軌跡測定裝置對如下的裝置中的機械的運動軌跡進行測定，該裝置通過以反饋檢測位置并使上述檢測位置追隨指令位置的方式驅(qū)動馬達，對上述機械的位置進行控制，所述檢測位置從用于驅(qū)動多個可動軸的多個馬達檢測出，其中，該機械運動軌跡測定裝置備有加速度計和運動軌跡測定部，上述加速度計用來測定上述機械的加速度；上述運動軌跡測定部，對上述加速度進行2階積分以獲得機械位置，并且以使上述機械位置的輪廓與利用模擬上述機械的位置相對于上述指令位置的響應(yīng)性的模型所推定的推定位置的輪廓或上述檢測位置的輪廓大致一致的方式修正上述機械位置，從而測定上述機械的運動軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部記錄將上述指令位置進行微分而獲得的指令速度的符號反轉(zhuǎn)的時刻，和將上述指令位置進行3階微分而獲得的加速度的變化率超過預先設(shè)定的閾值的時刻，將上述檢測位置相對于上述指令位置的延遲時間加到上述時刻而算出開始時刻，將從上述開始時刻起至經(jīng)過一定時間為止的范圍判別為推定產(chǎn)生軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，對上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的上述加速度進行2階積分，從而獲得上述機械位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部使用模擬上述機械的位置相對于上述指令位置的響應(yīng)特性的模型推定上述機械的運動軌跡，將所推定的上述運動軌跡與目標軌跡之間產(chǎn)生的軌跡誤差超過預先設(shè)定的容許值的范圍，判別為推定產(chǎn)生軌跡誤差的運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍，對上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的上述加速度進行2階積分，從而獲得上述機械位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部，在對上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的加速度進行積分時，將上述檢測位置進行微分而算出檢測速度，通過將上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的上述檢測速度作為初始值對上述加速度進行積分，從而算出機械速度，進而通過將上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的上述檢測位置作為初始值對上述機械速度進行積分，從而獲得上述機械位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部，在對上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的加速度進行積分時，使用模擬上述機械的位置相對于上述指令位置的響應(yīng)特性的模型算出上述推定位置和推定速度，通過將上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的上述推定速度作為初始值對上述加速度進行積分，從而算出機械速度，進而通過將上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍的最初的時刻的上述推定位置作為初始值對上述機械速度進行積分，從而獲得上述機械位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5中任一項所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部，算出上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的上述機械位置和上述推定位置或上述檢測位置的誤差，將所算出的上述誤差作為2次的時間函數(shù)進行近似運算，從上述機械位置減去利用近似式算出的位置而修正上述機械位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部， 在上述被修正的機械位置和上述推定位置或上述檢測位置的誤差為預先設(shè)定的閾值以上的情況下，算出上述指令位置和上述檢測位置或上述推定位置的誤差的變化率，抽出上述變化率為預先設(shè)定的閾值以下的范圍內(nèi)的上述推定位置或上述檢測位置，再度算出上述被抽出的檢測位置或上述被抽出的推定位置與上述被修正的機械位置的誤差，將再度算出的誤差作為2次的函數(shù)進行近似運算，從上述被修正的機械位置減去利用該近似式算出的位置，再度修正上述機械位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡測定部，將上述加速度的測定結(jié)果以比其測定周期短的間隔進行內(nèi)插后進行積分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，還備有運動軌跡顯示部，該運動軌跡顯示部用來顯示上述機械的運動軌跡；上述運動軌跡測定部，從被輸入到指令生成部的目標位置合成目標軌跡，從自上述指令生成部輸出的指令位置合成指令軌跡，從上述檢測位置合成檢測部軌跡，使上述目標軌跡、上述指令軌跡或上述檢測部軌跡的至少任一軌跡和上述機械的運動軌跡重疊而顯示在上述運動軌跡顯示部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，被顯示在上述運動軌跡顯示部的上述機械的運動軌跡是上述運動軌跡誤差產(chǎn)生范圍內(nèi)的上述機械的運動軌跡。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡顯示部，分別放大地顯示上述指令軌跡、上述檢測部軌跡和上述機械的運動軌跡，與上述目標軌跡之間的相對于上述目標軌跡的法線方向的誤差。
12.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的機械運動軌跡測定裝置，其特征在于，上述運動軌跡顯示部，放大地顯示上述指令軌跡與上述檢測部軌跡、上述指令軌跡與上述機械運動軌跡、或上述檢測部軌跡與上述機械運動軌跡之間的相對于上述目標軌跡的法線方向的誤差。
13.—種數(shù)控機床，其特征在于，備有權(quán)利要求1 12中的任一項所記載的機械運動軌跡測定裝置。
14.一種機械運動軌跡測定方法，其特征在于，該機械運動軌跡測定方法對如下的裝置中的機械的運動軌跡進行測定，該裝置通過以反饋檢測位置并使上述檢測位置追隨指令位置的方式驅(qū)動馬達，對上述機械的位置進行控制，所述檢測位置從用于驅(qū)動多個可動軸的多個馬達檢測出，其中，利用加速度計測定上述機械的加速度；對上述加速度進行2階積分而計算機械位置；以使上述機械位置的輪廓與利用模擬上述機械的位置相對于上述指令位置的響應(yīng)性的模型所推定的推定位置的輪廓或上述檢測位置的輪廓大致一致的方式修正上述機械位置，從而測定上述機械的運動軌跡。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機械運動軌跡測定裝置、數(shù)控機床及機械運動軌跡測定方法，所述機械運動軌跡測定裝置對如下的裝置中的機械的運動軌跡進行測定，該裝置通過以反饋檢測位置并使檢測位置追隨指令位置的方式驅(qū)動多個可動軸的馬達(1)，對機械的位置進行控制，所述檢測位置通過將馬達旋轉(zhuǎn)角度進行位置變換而獲得，其中，該機械運動軌跡測定裝置備有加速度計(13)和運動軌跡測定部(14)，上述加速度計(13)用來測定機械的加速度；上述運動軌跡測定部(14)，對加速度進行2階積分以獲得機械位置，并且以使機械位置的輪廓與利用模擬機械的位置相對于指令位置的響應(yīng)性的模型所推定的推定位置的輪廓或檢測位置的輪廓一致的方式修正機械位置，從而測定機械的運動軌跡。
文檔編號G01B21/00GK102245349SQ200980149230
公開日2011年11月16日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者佐藤智典, 左藤隆太, 長岡弘太朗 申請人:三菱電機株式會社