位置決め制御装置および工作機械
【課題】位置決め制御装置においてスループットを低下させずにモータの発熱を抑える。
【解決手段】位置決め制御装置は、第１の被駆動部材を移動させる第１のモータ５４と、第２の被駆動部材を移動させる第２のモータ６４と、第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段５１，５３，６１，６３とを有する。制御手段は、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させるために第１のモータの動作に必要な第１の時間Ｔｘと、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させるために第２のモータの動作に必要な第２の時間Ｔｙとを求め、第１および第２の被駆動部材をそれぞれ第１および第２の目標位置に移動させる際に、第１および第２のモータを、第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させる。
【解決手段】位置決め制御装置は、第１の被駆動部材を移動させる第１のモータ５４と、第２の被駆動部材を移動させる第２のモータ６４と、第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段５１，５３，６１，６３とを有する。制御手段は、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させるために第１のモータの動作に必要な第１の時間Ｔｘと、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させるために第２のモータの動作に必要な第２の時間Ｔｙとを求め、第１および第２の被駆動部材をそれぞれ第１および第２の目標位置に移動させる際に、第１および第２のモータを、第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種工作機械において用いられる位置決め制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械のうち、例えばレーザ穴あけ加工機、レーザトリマ装置およびレーザリペア装置には、レーザ光を反射させるためのミラーの回転位置決めを行うガルバノモータが用いられている。また、ミラーの位置決め精度を向上させるために、その回転角度を検出する静電容量センサや光学式又は磁気式エンコーダが用いられている。さらに、例えばレーザ穴あけ加工機では、複数のミラーと複数のガルバノモータが使用され、任意の目標位置にレーザ照射点を移動させる際には、各モータを高速動作させ、全てのモータの動作（ミラーの回転位置決め）が完了した後に、レーザ照射を行う。
また、他の工作機械として、半導体露光装置やドリル式穴あけ加工機においては、２軸のリニアモータを用いたＸＹステージが使用されている。ステージを任意の目標位置に移動させる際には、各リニアモータを高速動作させ、全てのリニアモータの動作（ステージの位置決め）が完了した後に露光や加工を行う。
このような工作機械において各モータを高速で動作させるためには、モータの急加速や急減速を行う必要があり、モータに対して大きな電流を供給する必要がある。そして、大きな電流をモータに供給すると、モータの発熱量が増加し、モータやこれに電流を供給する回路の温度が過度に上昇するおそれがある。そこで、特許文献１には、モータの発熱を抑えるために、移動指令に待ち時間を設けるモータ制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２９９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にて開示されたモータ制御方法のように移動指令に待ち時間を設けると、工作や加工におけるスループットの低下が問題となる。
本発明は、スループットの低下を招くことなく、モータの発熱を抑えることができるようにした位置決め制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面としての位置決め制御装置は、第１の被駆動部材を移動させる第１のモータと、第２の被駆動部材を移動させる第２のモータと、第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段とを有する。そして、制御手段は、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させるために第１のモータの動作に必要な第１の時間と、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させるために第２のモータの動作に必要な第２の時間とを求める。そして、第１および第２の被駆動部材をそれぞれ第１および第２の目標位置に移動させる際に、第１および第２のモータを、第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させることを特徴とする。
【０００６】
なお、上記位置決め制御装置を有し、第１および第２の被駆動部材を移動させて被加工物の加工を行う工作機械も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１および第２のモータの動作に必要な時間のうち長い方の時間で両モータを同時に動作させる。これにより、被駆動部材の移動が完了するまでに要する時間を長くすることなく（スループットを低下させることなく）、動作時間が長くされたモータへの供給電流を小さくすることができ、該モータの発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１である位置決め制御装置における動作手順を示すフローチャート。
【図２】実施例１の位置決め制御装置における電流アンプの構成を示す図。
【図３】実施例１の位置決め制御装置の構成を示す図。
【図４】実施例１における条件１でのモータ電流波形を示す図。
【図５】実施例１における条件１での整定波形を示す図。
【図６】実施例１における条件１でのモータでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図７】実施例１における条件１での電流アンプでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図８】実施例１における条件２でのモータの電流波形を示す図。
【図９】実施例１における条件２での整定波形を示す図。
【図１０】実施例１における条件２でのモータでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図１１】実施例１における条件２での電流アンプでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図１２】本発明の実施例２である工作機械としてレーザ加工機を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１のフローチャートには、本発明の実施例１である位置決め制御装置の動作を示す。ここでは、２つのモータ（第１のモータおよび第２のモータ）の動作により、不図示の第１の被駆動部材および第２の被駆動部材のＸ軸方向（第１の方向）およびＹ軸方向（第２の方向）での位置を制御する場合について示している。第１および第２の被駆動部材は、例えば、レーザ加工機における２つのミラーや半導体露光装置におけるＸＹステージであり、第１および第２の被駆動部材は互いに異なるものであってもよいし同じものであってもよい。また、以下の説明において、第１の被駆動部材をＸ軸方向に移動させるモータおよび第２の被駆動部材をＹ軸方向に移動させるモータをそれぞれ、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータともいう。
まず、ステップＳ１では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向での目標位置（第１の目標位置および第２の目標位置）が指令される。
次にステップＳ２では、第１の被駆動部材をＸ軸方向での目標位置に移動させるためにＸ軸モータの動作に必要な位置決め時間（第１の時間）Ｔｘが求められる。また、第２の被駆動部材をＹ軸方向での目標位置に移動させるためにＹ軸モータの動作に必要な位置決め時間（第２の時間）Ｔｙが求められる。
ステップＳ３においてＴｘ＞Ｔｙであれば、ステップＳ４において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの実動作時間が、長い方の位置決め時間Ｔｘに合わせるように設定される。すなわち、Ｙ軸モータの実動作時間が、位置決め時間Ｔｙよりも長く設定される。そして、ステップＳ５において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、実動作時間Ｔｘで同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
また、ステップＳ６においてＴｙ＞Ｔｘであれば、ステップＳ７において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの実動作時間が、長い方の位置決め時間Ｔｙに合わせるように設定される。すなわち、Ｘ軸モータの実動作時間が、位置決め時間Ｔｘよりも長く設定される。そして、ステップＳ８において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、実動作時間Ｔｙで同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
ここで、本実施例にいう「同時」は、動作の開始と終了の時刻が完全に一致している場合だけでなく、制御や処理の遅れに起因する、同時とみなせる程度の若干の時間ずれがある場合も含む。
なお、ステップＳ９ではＴｘ＝Ｔｙであるので、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータを実動作時間Ｔｘ（＝Ｔｙ）で、同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
以上の動作によって、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータで消費電力を低減し、その結果これらモータの発熱を抑えることができる。このことを以下に具体的に説明する。
本実施例において、Ｘ軸およびＹ軸モータはいずれもガルバノモータ（単相モータ）とする。該モータの抵抗をＲＭ［Ω］とし、インダクタンスをＬＭ［Ｈ］とする。
図３には、本実施例の２軸ガルバノモータ位置決め制御装置の構成を示す。５０はＸ軸モータ５４の目標角度であり、外部から位置決め制御装置に入力される。Ｘ軸モータの目標角度は、第１の被駆動部材をＸ軸方向の目標位置に移動させるために必要なＸ軸モータの回転角度である。
５１はＸ軸モータ５４をフィードフォワード制御するＸ軸フィードフォワード制御ブロックである。５２はＸ軸モータ５４の参照角度（検出角度）であり、エンコーダ等の検出器によって検出される。５３はＸ軸モータ５４をフィードバック制御するＸ軸フィードバック制御ブロックである。５５はＸ軸モータ５４の出力としての回転角度である。５６はＸ軸モータに供給される電流を示している。
６０はＹ軸モータ６４の目標角度であり、外部から位置決め制御装置に入力される。Ｙ軸モータの目標角度は、第２の被駆動部材をＹ軸方向の目標位置に移動させるために必要なＹ軸モータの回転角度である。
６１はＹ軸モータ６４をフィードフォワード制御するＹ軸フィードフォワード制御ブロックである。６２はＹ軸モータ６４の参照角度（検出角度）であり、エンコーダ等の検出器によって検出される。６３はＹ軸モータ６４をフィードバック制御するＹ軸フィードバック制御ブロックである。６５はＹ軸モータ６４の出力としての回転角度である。６６はＹ軸モータに供給される電流を示している。
Ｘ軸およびＹ軸フィードフォワード制御ブロック５１，６１とＸ軸およびＹ軸フィードバック制御ブロック５３，６３により制御手段が構成される。
本実施例では、Ｘ軸モータ５４としてモータ電流［Ａ］の指令に対するエンコーダでの角度［ｒａｄ］の応答が１．７６２ｅ＋４／ｓ２なる伝達関数を持つ簡易なモータモデルとしている。モータの出力軸には、移動させる被駆動部材（例えば、レーザ加工機ではミラー）が取り付けられ、これはモータの負荷となる。しかし、ここでは説明を簡易にするため、モータの負荷が無いものとし、モータの出力軸はその回転方向の運動に対してねじれ運動しない剛体とする。また、本実施例の位置決め制御装置は、デジタル制御によって２自由度制御を行う。
２自由度制御系でのＸ軸フィードフォワード制御の電流加算項の設計は、終端状態制御によるジャーク最小化軌道で設計した。Ｘ軸での参照角度はＸ軸フィードフォワード制御の電流加算項をモータモデルに入力し、その角度応答を求めた値を設定した。したがって、Ｘ軸フィードバック制御は、モータモデルとモータ実機が一致しているときは機能しない。ここではモータモデルとモータ実機が一致するものとして検討した。Ｙ軸モータの制御についても同様である。
終端状態制御は、「ナノスケールサーボ制御」（東京電機大学出版局 Ｐ１７４〜１７８）に詳しく記載されており、制御対象に入力を与えて、システムの初期状態を有限時間で指定した終端状態に持っていく制御手法である。
制御対象であるモータのモデルを可制御なｍ次の離散時間システムとして下記のように定義する。
ｘ［ｋ＋１］＝Ａｘ［ｋ］＋Ｂｕ［ｋ］
ここで終端ステップ数ＮをＮ≧ｍとすると、制御入力ｕ［０］，ｕ［１］，…ｕ［Ｎ−１］により、初期状態ｘ［０］を終端状態ｘ［Ｎ］に移動させることができる。
本実施例では、制御対象であるモータのモデルを伝達関数モデルから離散時間システムモデルへ変換して、モータへの電流指令をモータ加速度の１階微分の総和を最小化するいわゆるジャーク最小化軌道にて設計した。また、以下の説明では、Ｘ軸モータを単にＸ軸と、Ｙ軸モータを単にＹ軸ともいう。
（制御則の条件１）
ここでは、Ｘ軸に角度移動量７ｅ−３［ｒａｄ］、Ｙ軸に角度移動量３．５ｅ−３［ｒａｄ］の位置決めを行った例について説明する。
Ｘ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝７ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。終端ステップ数とは、終端状態に持っていくサンプリング回数のことである。
Ｙ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝３．５ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを５７
とした。
モータ電流の時間応答波形を図４に示す。Ｘ軸の時間応答波形を点線で、Ｙ軸の時間応答波形を実線で示す。また、Ｘ軸およびＹ軸の移動開始から目標位置までの整定波形を図５（ａ）に、目標位置付近の拡大した整定波形を図５（ｂ）に示す。Ｘ軸の整定波形を点線で、Ｙ軸の整定波形を実線で示す。また、横軸に時間［ｓ］を、縦軸に目標位置と現在位置との差異（偏差）を示す。
Ｘ軸およびＹ軸に必要な位置決め精度をともに２０［ｕｒａｄ］とすると、図５（ｂ）より、必要な位置決め精度に到達する位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙは、
Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］
Ｔｙ＝３５０［ｕｓｅｃ］
である。
図６（ａ）にモータでの瞬間消費電力を示す。各時間でのモータでの瞬間消費電力は、下記の式で求められる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ただし、ＩＭ［Ａ］はモータに供給される電流（モータ電流）である。
図６（ｂ）にモータでの平均消費電力を示す。各時間Ｔでのモータでの平均消費電力は、時間０から時間Ｔまでの消費電力の時間平均と定義した。定義式は以下のとおりである。
【００１３】
【数２】
【００１４】
図７（ａ）にモータに電流を供給する電流アンプでの瞬間消費電力を示す。また、図７（ｂ）に電流アンプでの平均消費電力を示す。電流アンプでの消費電力は以下のように求めた。
図２には、電流アンプの構成を示す。電流アンプは、モータの両端に１つずつ配置している。図２の上側の電流アンプからモータにモータ電流Ｉｍを供給し、図２の下側の電流アンプにモータ電流Ｉｍが流れ込む。
上側の電流アンプでの消費電力は、
Ｐｐ＝Ｉｃｃ×（＋Ｖｓ−（−Ｖｓ））＋Ｉｍ×（＋Ｖｓ−Ｖｐ）
と表される。
また、下側の電流アンプでの消費電力は、
Ｐｍ＝Ｉｃｃ×（＋Ｖｓ−（−Ｖｓ））＋Ｉｍ×（Ｖｍ−（−Ｖｓ））
と表される。±Ｖｓは電流アンプの電源電圧、Ｖｐは上側の電流アンプの出力電圧、Ｖｍは下側の電流アンプの出力電圧である。Ｉｃｃは±Ｖｓ間に流れる回路電流である。
また、消費電力の計算において、回路電流Ｉｃｃが＋Ｖｓから−Ｖｓへ流れるが、ＩｃｃはＩｍに比べて十分小さいので、無視した。
また、Ｖｐ−Ｖｍはモータの両端電圧であり、モータ電流にモータのインピーダンスを掛けたものと等しい。よって、
Ｖｐ−Ｖｍ＝Ｉｍ×（Ｒｍ＋ｊｗＬｍ）
となる。
これより、２つの電流アンプでの消費電力は、下記の式で求められる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
各時間Ｔでの電流アンプでの平均消費電力は、時間０から時間Ｔまでの電流アンプでの消費電力の時間平均と定義した。定義式は以下のとおりである。
【００１７】
【数４】
【００１８】
次に、上記位置決め動作を連続的に行ったときのモータおよび電流アンプでの消費電力について説明する。ここでは、レーザ加工機や工作機械においてモータを停止させた状態で加工や工作を行うことを想定して、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータをその位置決め動作の完了後に１００［ｕｓｅｃ］停止させる動作を連続的に行った場合について説明する。
前述したように、Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］、Ｔｙ＝３５０［ｕｓｅｃ］とすると、Ｘ軸およびＹ軸の実動作時間（位置決め動作の完了までの時間）は、５００［ｕｓｅｃ］である。そして、実動作時間と停止時間を合わせると、６００［ｕｓｅｃ］となる。
この動作を連続的に行う場合、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータでの平均消費電力は、図６（ｂ）での時間６００［ｕｓｅｃ］における平均消費電力から、それぞれ２７［ｗ］および１８［ｗ］となる。同様に、Ｘ軸の電流アンプおよびＹ軸の電流アンプでの平均消費電力は、図７（ｂ）より、それぞれ９００［ｗ］および６２０［ｗ］となる。
制御則の条件１においては、Ｘ軸の位置決め時間Ｔｘは５００［ｕｓｅｃｃ］、Ｙ軸の位置決め時間Ｔｙは３５０［ｕｓｅｃｃ］であり、Ｙ軸の位置決め時間ＴｙがＸ軸の位置決め時間Ｔｘより３０％短い。そこで、以下の条件２に示すようにＹ軸の制御則を見直し、Ｘ軸の位置決め時間以内で必要十分な実動作時間を設定した。
（制御則の条件２）
条件１と同じ移動量であるＸ軸の角度移動量７ｅ−３［ｒａｄ］およびＹ軸の角度移動量３．５ｅ−３［ｒａｄ］の場合について軸ごとに以下の制御則を適用した。この制御則の組み合わせを条件２とする。
Ｘ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝７ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。
Ｙ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝３．５ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。
モータ電流の時間応答波形を図８に示す。Ｘ軸の時間応答波形を点線で、Ｙ軸の時間応答波形を実線で示す。また、Ｘ軸およびＹ軸の移動開始から目標位置までの整定波形を図９（ａ）に、目標位置付近の拡大した整定波形を図９（ｂ）に示す。Ｘ軸の整定波形を点線で、Ｙ軸の整定波形を実線で示す。また、横軸に時間［ｓ］を、縦軸に目標位置と現在位置との差異（偏差）を示す。
Ｘ軸およびＹ軸に必要な位置決め精度をともに２０［ｕｒａｄ］とすると、図９（ｂ）より必要な位置決め精度に到達する位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙは、
Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］
Ｔｙ＝４９０［ｕｓｅｃ］
である。
図１０（ａ）にモータでの瞬間消費電力を示し、図１０（ｂ）にモータでの平均消費電力を示す。また、図１１（ａ）に電流アンプでの瞬間消費電力を示し、図１１（ｂ）に電流アンプでの平均消費電力を示す。
次に、上記位置決め動作を連続的に行ったときのモータおよび電流アンプでの消費電力について説明する。前述したように、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの位置決め動作の完了後に１００［ｕｓｅｃ］停止させる動作を連続的に行った場合について説明する。
前述したように、Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］、Ｔｙ＝４９０［ｕｓｅｃ］とすると、Ｘ軸およびＹ軸の実動作時間（位置決め動作の完了までの時間）は、５００［ｕｓｅｃ］である。そして、実動作時間と停止時間を合わせると、６００［ｕｓｅｃ］となる。
この動作を連続的に行う場合、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータでの平均消費電力は、図１０（ｂ）での時間６００［ｕｓｅｃ］における平均消費電力から、それぞれ２７［ｗ］および７［ｗ］となる。同様に、Ｘ軸の電流アンプおよびＹ軸の電流アンプでの平均消費電力は、図７（ｂ）より、それぞれ９００［ｗ］および４５０［ｗ］となる。
以上説明したように、
条件１では
Ｘ軸モータでの平均消費電力は２７［ｗ］
Ｙ軸モータでの平均消費電力は１８［ｗ］
Ｘ軸電流アンプでの平均消費電力は９００［ｗ］
Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は６２０［ｗ］
となる。これに対し、条件２では
Ｘ軸モータでの平均消費電力は２７［ｗ］
Ｙ軸モータでの平均消費電力は７［ｗ］
Ｘ軸電流アンプでの平均消費電力は９００［ｗ］
Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は４５０［ｗ］
となる。すなわち、条件２の制御則を適用すれば、条件１の制御則を適用する場合と比較して、Ｙ軸モータでの平均消費電力が１８［ｗ］から７［ｗ］へと減少し、Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は６２０［ｗ］から４５０［ｗ］へと減少する。
このように、本実施例では、Ｘ軸とＹ軸の移動量（目標位置）が互いに異なる場合に、両軸モータの実動作時間（終端状態制御系の設計で用いる終端ステップ数Ｎ）を、両軸のうち位置決め時間が長い方（ここではＸ軸）に合わせて設定する。これにより、両軸での目標位置への移動に要する時間を遅くすることなく、Ｙ軸モータおよびＹ軸電流アンプの消費電力を低減することができる。この結果、Ｙ軸モータおよびＹ軸電流アンプでの発熱を抑えることができる。
なお、上記実施例では、Ｘ軸とＹ軸の２軸のモータ（第１および第２のモータ）を用いる場合について説明したが、３軸以上のモータを用いてもよい。この場合、３軸以上のモータのうち位置決め時間が最も長いモータと他の２以上のモータとをそれぞれ、第１のモータおよび第２のモータと考えればよい。
さらに、他の実施例として、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの移動量と位置決め時間との関係を制御則ごとに予め求めて参照テーブルを作成しておく。そして、Ｘ軸およびＹ軸の移動指令に対して参照テーブルを参照することにより制御則を切り替えてもよい。終端状態制御系の設計では、電流指令の波形を生成するための計算時間がかかり、実時間で計算する上で問題となる場合があるが、予め計算しておくことにより、この問題を回避することができる。
また、切り換える制御則（条件）は、上記実施例にて説明したように２つに限らず、３つ以上の制御則を切り換えてもよい。
また、上記実施例では、Ｘ軸モータとＹ軸モータが同じ特性のモータである場合について説明したが、これらモータの特性は互いに異なっていてもよい。
さらに、上記実施例では、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータに必要な位置決め精度を互いに同じ２０［ｕｒａｄ］とした場合について説明したが、互いに異なる位置決め精度を設定してもよい。
【実施例２】
【００１９】
図１２には、実施例１にて説明した位置決め制御装置を用いた工作機械としてのレーザ加工機を示す。
４１はＸ軸モータ（第１のモータ）である。４２はＸ軸ロータリエンコーダであり、４３はＸ軸ミラー（第１の被駆動部材）である。４５はＹ軸モータ（第２のモータ）である。４６はＹ軸ロータリエンコーダであり、４７はＹ軸ミラー（第２の被駆動部材）である。
３０はレーザ加工機のコントローラ部であり、３１はＸ軸およびＹ軸モータの目標位置（移動量）を指令するＸＹ軸モータ位置指令部である。３２はＸ軸モータおよびＹ軸モータに必要な位置決め時間を計算する位置決め時間計算部である。３３はＸ軸モータおよびＹ軸モータの制御則を選択する制御則選択部である。４０はＸ軸モータの制御系であり、４４はＹ軸モータの制御系である。
コントローラ部３０、ＸＹ軸モータ位置指令部３１、位置決め時間計算部３２、制御則選択部３３および制御系４０，４４により位置決め制御装置が構成される。
３４は加工用レーザ光であり、３５は該レーザ光を発する加工用レーザ光ＯＮ／ＯＦＦ部である。３６はレーザ光による加工を受ける加工面である。
【００２０】
コントローラ部３０は、加工面３６上におけるレーザ光の照射点の目標座標をＸＹ軸モータ位置指令部３１に与える。ＸＹ軸モータ位置指令部３１は、レーザ光照射点を該目標座標に移動させるためのＸ軸ミラー４３およびＹ軸ミラー４７の目標位置（目標回転位置）に対応するＸ軸モータ４１およびＹ軸モータ４５の目標角度を計算する。そして、計算部３２は、Ｘ軸およびＹ軸での位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙを求める。
制御則選択部３３は、位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙの長短関係から両軸モータの制御則（条件）を選択し、Ｘ軸側の制御則および目標角度をＸ軸モータの制御系４０に、Ｙ軸側の制御則および目標角度をＹ軸モータ制御系４４にそれぞれ入力する。
Ｘ軸モータ制御系４０は、Ｘ軸ロータリエンコーダ４２により角度を検出しながらＸ軸モータ４１の動作を制御する。Ｘ軸ミラー４３は、Ｘ軸モータ４１によって回転され、レーザ光照射点をＸ軸方向の目標座標に移動させる。Ｙ軸モータ制御系４４は、Ｙ軸ロータリエンコーダ４６により角度を検出しながらＹ軸モータ４５の動作を制御する。Ｙ軸ミラー４７は、Ｙ軸モータ４５によって回転され、レーザ光照射点をＹ軸方向の目標座標に移動させる。Ｘ軸モータ４１およびＹ軸モータ４５の動作、つまりはＸ軸方向およびＹ軸方向のレーザ光照射点の目標座標への移動は、同時に終了（完了）する。
こうしてレーザ光照射点が目標座標に移動された後、コントローラ部３０は加工用レーザ光ＯＮ／ＯＦＦ部３５をＯＮにして、加工用レーザ光３４を出射させる。これにより、加工面３６上に載置された被加工物が加工される。
このように実施例１にて説明した位置決め制御装置をレーザ加工機に用いることにより、モータおよび電流アンプの消費電力を低減し、モータおよび電流アンプの温度上昇を抑えつつレーザ加工機の生産性（スループット）を向上させることができる。
なお、本実施例ではレーザ加工機について説明したが、実施例１の位置決め制御装置は、半導体露光装置やドリル式穴あけ加工機等の工作機械において２軸のモータにより駆動されるＸＹステージの位置決め制御にも適用できる。ＸＹステージのうち、例えばステージ部が第１の被駆動部材に相当し、ステージ部をＸ軸方向に移動させるＸ駆動ユニットの駆動源が第１のモータに相当する。また、Ｘ駆動ユニットが第２の被駆動部材に相当し、該Ｘ駆動ユニットをＹ軸方向に移動させるＹ駆動ユニットの駆動源が第２のモータに相当する。
また、上記各実施例では２つの回転式モータを用いた場合について説明したが、モータとしてはリニアモータを用いてもよいし、リニアモータと回転モータを組み合わせて使用してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
各種工作機械における被駆動部材の目標位置への位置決め制御を行う位置決め制御装置を提供する。
【符号の説明】
【００２２】
４３ Ｘ軸ミラー
４７ Ｙ軸ミラー
４１，５４ Ｘ軸モータ
４５，６４ Ｙ軸モータ
５１ Ｘ軸フィードフォワード制御ブロック
５３ Ｘ軸フィードバック制御ブロック
６１ Ｙ軸フィードフォワード制御ブロック
６３ Ｙ軸フィードバック制御ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種工作機械において用いられる位置決め制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械のうち、例えばレーザ穴あけ加工機、レーザトリマ装置およびレーザリペア装置には、レーザ光を反射させるためのミラーの回転位置決めを行うガルバノモータが用いられている。また、ミラーの位置決め精度を向上させるために、その回転角度を検出する静電容量センサや光学式又は磁気式エンコーダが用いられている。さらに、例えばレーザ穴あけ加工機では、複数のミラーと複数のガルバノモータが使用され、任意の目標位置にレーザ照射点を移動させる際には、各モータを高速動作させ、全てのモータの動作（ミラーの回転位置決め）が完了した後に、レーザ照射を行う。
また、他の工作機械として、半導体露光装置やドリル式穴あけ加工機においては、２軸のリニアモータを用いたＸＹステージが使用されている。ステージを任意の目標位置に移動させる際には、各リニアモータを高速動作させ、全てのリニアモータの動作（ステージの位置決め）が完了した後に露光や加工を行う。
このような工作機械において各モータを高速で動作させるためには、モータの急加速や急減速を行う必要があり、モータに対して大きな電流を供給する必要がある。そして、大きな電流をモータに供給すると、モータの発熱量が増加し、モータやこれに電流を供給する回路の温度が過度に上昇するおそれがある。そこで、特許文献１には、モータの発熱を抑えるために、移動指令に待ち時間を設けるモータ制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２９９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１にて開示されたモータ制御方法のように移動指令に待ち時間を設けると、工作や加工におけるスループットの低下が問題となる。
本発明は、スループットの低下を招くことなく、モータの発熱を抑えることができるようにした位置決め制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面としての位置決め制御装置は、第１の被駆動部材を移動させる第１のモータと、第２の被駆動部材を移動させる第２のモータと、第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段とを有する。そして、制御手段は、第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させるために第１のモータの動作に必要な第１の時間と、第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させるために第２のモータの動作に必要な第２の時間とを求める。そして、第１および第２の被駆動部材をそれぞれ第１および第２の目標位置に移動させる際に、第１および第２のモータを、第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させることを特徴とする。
【０００６】
なお、上記位置決め制御装置を有し、第１および第２の被駆動部材を移動させて被加工物の加工を行う工作機械も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１および第２のモータの動作に必要な時間のうち長い方の時間で両モータを同時に動作させる。これにより、被駆動部材の移動が完了するまでに要する時間を長くすることなく（スループットを低下させることなく）、動作時間が長くされたモータへの供給電流を小さくすることができ、該モータの発熱を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１である位置決め制御装置における動作手順を示すフローチャート。
【図２】実施例１の位置決め制御装置における電流アンプの構成を示す図。
【図３】実施例１の位置決め制御装置の構成を示す図。
【図４】実施例１における条件１でのモータ電流波形を示す図。
【図５】実施例１における条件１での整定波形を示す図。
【図６】実施例１における条件１でのモータでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図７】実施例１における条件１での電流アンプでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図８】実施例１における条件２でのモータの電流波形を示す図。
【図９】実施例１における条件２での整定波形を示す図。
【図１０】実施例１における条件２でのモータでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図１１】実施例１における条件２での電流アンプでの瞬間消費電力および平均消費電力を示す図。
【図１２】本発明の実施例２である工作機械としてレーザ加工機を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１のフローチャートには、本発明の実施例１である位置決め制御装置の動作を示す。ここでは、２つのモータ（第１のモータおよび第２のモータ）の動作により、不図示の第１の被駆動部材および第２の被駆動部材のＸ軸方向（第１の方向）およびＹ軸方向（第２の方向）での位置を制御する場合について示している。第１および第２の被駆動部材は、例えば、レーザ加工機における２つのミラーや半導体露光装置におけるＸＹステージであり、第１および第２の被駆動部材は互いに異なるものであってもよいし同じものであってもよい。また、以下の説明において、第１の被駆動部材をＸ軸方向に移動させるモータおよび第２の被駆動部材をＹ軸方向に移動させるモータをそれぞれ、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータともいう。
まず、ステップＳ１では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向での目標位置（第１の目標位置および第２の目標位置）が指令される。
次にステップＳ２では、第１の被駆動部材をＸ軸方向での目標位置に移動させるためにＸ軸モータの動作に必要な位置決め時間（第１の時間）Ｔｘが求められる。また、第２の被駆動部材をＹ軸方向での目標位置に移動させるためにＹ軸モータの動作に必要な位置決め時間（第２の時間）Ｔｙが求められる。
ステップＳ３においてＴｘ＞Ｔｙであれば、ステップＳ４において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの実動作時間が、長い方の位置決め時間Ｔｘに合わせるように設定される。すなわち、Ｙ軸モータの実動作時間が、位置決め時間Ｔｙよりも長く設定される。そして、ステップＳ５において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、実動作時間Ｔｘで同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
また、ステップＳ６においてＴｙ＞Ｔｘであれば、ステップＳ７において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの実動作時間が、長い方の位置決め時間Ｔｙに合わせるように設定される。すなわち、Ｘ軸モータの実動作時間が、位置決め時間Ｔｘよりも長く設定される。そして、ステップＳ８において、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータは、実動作時間Ｔｙで同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
ここで、本実施例にいう「同時」は、動作の開始と終了の時刻が完全に一致している場合だけでなく、制御や処理の遅れに起因する、同時とみなせる程度の若干の時間ずれがある場合も含む。
なお、ステップＳ９ではＴｘ＝Ｔｙであるので、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータを実動作時間Ｔｘ（＝Ｔｙ）で、同時に動作される。これにより、第１および第２の被駆動部材のそれぞれの目標位置への移動が同時に完了する。
以上の動作によって、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータで消費電力を低減し、その結果これらモータの発熱を抑えることができる。このことを以下に具体的に説明する。
本実施例において、Ｘ軸およびＹ軸モータはいずれもガルバノモータ（単相モータ）とする。該モータの抵抗をＲＭ［Ω］とし、インダクタンスをＬＭ［Ｈ］とする。
図３には、本実施例の２軸ガルバノモータ位置決め制御装置の構成を示す。５０はＸ軸モータ５４の目標角度であり、外部から位置決め制御装置に入力される。Ｘ軸モータの目標角度は、第１の被駆動部材をＸ軸方向の目標位置に移動させるために必要なＸ軸モータの回転角度である。
５１はＸ軸モータ５４をフィードフォワード制御するＸ軸フィードフォワード制御ブロックである。５２はＸ軸モータ５４の参照角度（検出角度）であり、エンコーダ等の検出器によって検出される。５３はＸ軸モータ５４をフィードバック制御するＸ軸フィードバック制御ブロックである。５５はＸ軸モータ５４の出力としての回転角度である。５６はＸ軸モータに供給される電流を示している。
６０はＹ軸モータ６４の目標角度であり、外部から位置決め制御装置に入力される。Ｙ軸モータの目標角度は、第２の被駆動部材をＹ軸方向の目標位置に移動させるために必要なＹ軸モータの回転角度である。
６１はＹ軸モータ６４をフィードフォワード制御するＹ軸フィードフォワード制御ブロックである。６２はＹ軸モータ６４の参照角度（検出角度）であり、エンコーダ等の検出器によって検出される。６３はＹ軸モータ６４をフィードバック制御するＹ軸フィードバック制御ブロックである。６５はＹ軸モータ６４の出力としての回転角度である。６６はＹ軸モータに供給される電流を示している。
Ｘ軸およびＹ軸フィードフォワード制御ブロック５１，６１とＸ軸およびＹ軸フィードバック制御ブロック５３，６３により制御手段が構成される。
本実施例では、Ｘ軸モータ５４としてモータ電流［Ａ］の指令に対するエンコーダでの角度［ｒａｄ］の応答が１．７６２ｅ＋４／ｓ２なる伝達関数を持つ簡易なモータモデルとしている。モータの出力軸には、移動させる被駆動部材（例えば、レーザ加工機ではミラー）が取り付けられ、これはモータの負荷となる。しかし、ここでは説明を簡易にするため、モータの負荷が無いものとし、モータの出力軸はその回転方向の運動に対してねじれ運動しない剛体とする。また、本実施例の位置決め制御装置は、デジタル制御によって２自由度制御を行う。
２自由度制御系でのＸ軸フィードフォワード制御の電流加算項の設計は、終端状態制御によるジャーク最小化軌道で設計した。Ｘ軸での参照角度はＸ軸フィードフォワード制御の電流加算項をモータモデルに入力し、その角度応答を求めた値を設定した。したがって、Ｘ軸フィードバック制御は、モータモデルとモータ実機が一致しているときは機能しない。ここではモータモデルとモータ実機が一致するものとして検討した。Ｙ軸モータの制御についても同様である。
終端状態制御は、「ナノスケールサーボ制御」（東京電機大学出版局 Ｐ１７４〜１７８）に詳しく記載されており、制御対象に入力を与えて、システムの初期状態を有限時間で指定した終端状態に持っていく制御手法である。
制御対象であるモータのモデルを可制御なｍ次の離散時間システムとして下記のように定義する。
ｘ［ｋ＋１］＝Ａｘ［ｋ］＋Ｂｕ［ｋ］
ここで終端ステップ数ＮをＮ≧ｍとすると、制御入力ｕ［０］，ｕ［１］，…ｕ［Ｎ−１］により、初期状態ｘ［０］を終端状態ｘ［Ｎ］に移動させることができる。
本実施例では、制御対象であるモータのモデルを伝達関数モデルから離散時間システムモデルへ変換して、モータへの電流指令をモータ加速度の１階微分の総和を最小化するいわゆるジャーク最小化軌道にて設計した。また、以下の説明では、Ｘ軸モータを単にＸ軸と、Ｙ軸モータを単にＹ軸ともいう。
（制御則の条件１）
ここでは、Ｘ軸に角度移動量７ｅ−３［ｒａｄ］、Ｙ軸に角度移動量３．５ｅ−３［ｒａｄ］の位置決めを行った例について説明する。
Ｘ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝７ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。終端ステップ数とは、終端状態に持っていくサンプリング回数のことである。
Ｙ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝３．５ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを５７
とした。
モータ電流の時間応答波形を図４に示す。Ｘ軸の時間応答波形を点線で、Ｙ軸の時間応答波形を実線で示す。また、Ｘ軸およびＹ軸の移動開始から目標位置までの整定波形を図５（ａ）に、目標位置付近の拡大した整定波形を図５（ｂ）に示す。Ｘ軸の整定波形を点線で、Ｙ軸の整定波形を実線で示す。また、横軸に時間［ｓ］を、縦軸に目標位置と現在位置との差異（偏差）を示す。
Ｘ軸およびＹ軸に必要な位置決め精度をともに２０［ｕｒａｄ］とすると、図５（ｂ）より、必要な位置決め精度に到達する位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙは、
Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］
Ｔｙ＝３５０［ｕｓｅｃ］
である。
図６（ａ）にモータでの瞬間消費電力を示す。各時間でのモータでの瞬間消費電力は、下記の式で求められる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ただし、ＩＭ［Ａ］はモータに供給される電流（モータ電流）である。
図６（ｂ）にモータでの平均消費電力を示す。各時間Ｔでのモータでの平均消費電力は、時間０から時間Ｔまでの消費電力の時間平均と定義した。定義式は以下のとおりである。
【００１３】
【数２】
【００１４】
図７（ａ）にモータに電流を供給する電流アンプでの瞬間消費電力を示す。また、図７（ｂ）に電流アンプでの平均消費電力を示す。電流アンプでの消費電力は以下のように求めた。
図２には、電流アンプの構成を示す。電流アンプは、モータの両端に１つずつ配置している。図２の上側の電流アンプからモータにモータ電流Ｉｍを供給し、図２の下側の電流アンプにモータ電流Ｉｍが流れ込む。
上側の電流アンプでの消費電力は、
Ｐｐ＝Ｉｃｃ×（＋Ｖｓ−（−Ｖｓ））＋Ｉｍ×（＋Ｖｓ−Ｖｐ）
と表される。
また、下側の電流アンプでの消費電力は、
Ｐｍ＝Ｉｃｃ×（＋Ｖｓ−（−Ｖｓ））＋Ｉｍ×（Ｖｍ−（−Ｖｓ））
と表される。±Ｖｓは電流アンプの電源電圧、Ｖｐは上側の電流アンプの出力電圧、Ｖｍは下側の電流アンプの出力電圧である。Ｉｃｃは±Ｖｓ間に流れる回路電流である。
また、消費電力の計算において、回路電流Ｉｃｃが＋Ｖｓから−Ｖｓへ流れるが、ＩｃｃはＩｍに比べて十分小さいので、無視した。
また、Ｖｐ−Ｖｍはモータの両端電圧であり、モータ電流にモータのインピーダンスを掛けたものと等しい。よって、
Ｖｐ−Ｖｍ＝Ｉｍ×（Ｒｍ＋ｊｗＬｍ）
となる。
これより、２つの電流アンプでの消費電力は、下記の式で求められる。
【００１５】
【数３】
【００１６】
各時間Ｔでの電流アンプでの平均消費電力は、時間０から時間Ｔまでの電流アンプでの消費電力の時間平均と定義した。定義式は以下のとおりである。
【００１７】
【数４】
【００１８】
次に、上記位置決め動作を連続的に行ったときのモータおよび電流アンプでの消費電力について説明する。ここでは、レーザ加工機や工作機械においてモータを停止させた状態で加工や工作を行うことを想定して、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータをその位置決め動作の完了後に１００［ｕｓｅｃ］停止させる動作を連続的に行った場合について説明する。
前述したように、Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］、Ｔｙ＝３５０［ｕｓｅｃ］とすると、Ｘ軸およびＹ軸の実動作時間（位置決め動作の完了までの時間）は、５００［ｕｓｅｃ］である。そして、実動作時間と停止時間を合わせると、６００［ｕｓｅｃ］となる。
この動作を連続的に行う場合、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータでの平均消費電力は、図６（ｂ）での時間６００［ｕｓｅｃ］における平均消費電力から、それぞれ２７［ｗ］および１８［ｗ］となる。同様に、Ｘ軸の電流アンプおよびＹ軸の電流アンプでの平均消費電力は、図７（ｂ）より、それぞれ９００［ｗ］および６２０［ｗ］となる。
制御則の条件１においては、Ｘ軸の位置決め時間Ｔｘは５００［ｕｓｅｃｃ］、Ｙ軸の位置決め時間Ｔｙは３５０［ｕｓｅｃｃ］であり、Ｙ軸の位置決め時間ＴｙがＸ軸の位置決め時間Ｔｘより３０％短い。そこで、以下の条件２に示すようにＹ軸の制御則を見直し、Ｘ軸の位置決め時間以内で必要十分な実動作時間を設定した。
（制御則の条件２）
条件１と同じ移動量であるＸ軸の角度移動量７ｅ−３［ｒａｄ］およびＹ軸の角度移動量３．５ｅ−３［ｒａｄ］の場合について軸ごとに以下の制御則を適用した。この制御則の組み合わせを条件２とする。
Ｘ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝７ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。
Ｙ軸の移動は、
初期状態での角度位置をｘ［０］＝０［ｒａｄ］
終端状態での角度位置をｘ［Ｎ］＝３．５ｅ−３［ｒａｄ］
サンプリング周波数を１５０ＫＨｚ
終端ステップ数Ｎを８０
とした。
モータ電流の時間応答波形を図８に示す。Ｘ軸の時間応答波形を点線で、Ｙ軸の時間応答波形を実線で示す。また、Ｘ軸およびＹ軸の移動開始から目標位置までの整定波形を図９（ａ）に、目標位置付近の拡大した整定波形を図９（ｂ）に示す。Ｘ軸の整定波形を点線で、Ｙ軸の整定波形を実線で示す。また、横軸に時間［ｓ］を、縦軸に目標位置と現在位置との差異（偏差）を示す。
Ｘ軸およびＹ軸に必要な位置決め精度をともに２０［ｕｒａｄ］とすると、図９（ｂ）より必要な位置決め精度に到達する位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙは、
Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］
Ｔｙ＝４９０［ｕｓｅｃ］
である。
図１０（ａ）にモータでの瞬間消費電力を示し、図１０（ｂ）にモータでの平均消費電力を示す。また、図１１（ａ）に電流アンプでの瞬間消費電力を示し、図１１（ｂ）に電流アンプでの平均消費電力を示す。
次に、上記位置決め動作を連続的に行ったときのモータおよび電流アンプでの消費電力について説明する。前述したように、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの位置決め動作の完了後に１００［ｕｓｅｃ］停止させる動作を連続的に行った場合について説明する。
前述したように、Ｔｘ＝５００［ｕｓｅｃ］、Ｔｙ＝４９０［ｕｓｅｃ］とすると、Ｘ軸およびＹ軸の実動作時間（位置決め動作の完了までの時間）は、５００［ｕｓｅｃ］である。そして、実動作時間と停止時間を合わせると、６００［ｕｓｅｃ］となる。
この動作を連続的に行う場合、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータでの平均消費電力は、図１０（ｂ）での時間６００［ｕｓｅｃ］における平均消費電力から、それぞれ２７［ｗ］および７［ｗ］となる。同様に、Ｘ軸の電流アンプおよびＹ軸の電流アンプでの平均消費電力は、図７（ｂ）より、それぞれ９００［ｗ］および４５０［ｗ］となる。
以上説明したように、
条件１では
Ｘ軸モータでの平均消費電力は２７［ｗ］
Ｙ軸モータでの平均消費電力は１８［ｗ］
Ｘ軸電流アンプでの平均消費電力は９００［ｗ］
Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は６２０［ｗ］
となる。これに対し、条件２では
Ｘ軸モータでの平均消費電力は２７［ｗ］
Ｙ軸モータでの平均消費電力は７［ｗ］
Ｘ軸電流アンプでの平均消費電力は９００［ｗ］
Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は４５０［ｗ］
となる。すなわち、条件２の制御則を適用すれば、条件１の制御則を適用する場合と比較して、Ｙ軸モータでの平均消費電力が１８［ｗ］から７［ｗ］へと減少し、Ｙ軸電流アンプでの平均消費電力は６２０［ｗ］から４５０［ｗ］へと減少する。
このように、本実施例では、Ｘ軸とＹ軸の移動量（目標位置）が互いに異なる場合に、両軸モータの実動作時間（終端状態制御系の設計で用いる終端ステップ数Ｎ）を、両軸のうち位置決め時間が長い方（ここではＸ軸）に合わせて設定する。これにより、両軸での目標位置への移動に要する時間を遅くすることなく、Ｙ軸モータおよびＹ軸電流アンプの消費電力を低減することができる。この結果、Ｙ軸モータおよびＹ軸電流アンプでの発熱を抑えることができる。
なお、上記実施例では、Ｘ軸とＹ軸の２軸のモータ（第１および第２のモータ）を用いる場合について説明したが、３軸以上のモータを用いてもよい。この場合、３軸以上のモータのうち位置決め時間が最も長いモータと他の２以上のモータとをそれぞれ、第１のモータおよび第２のモータと考えればよい。
さらに、他の実施例として、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの移動量と位置決め時間との関係を制御則ごとに予め求めて参照テーブルを作成しておく。そして、Ｘ軸およびＹ軸の移動指令に対して参照テーブルを参照することにより制御則を切り替えてもよい。終端状態制御系の設計では、電流指令の波形を生成するための計算時間がかかり、実時間で計算する上で問題となる場合があるが、予め計算しておくことにより、この問題を回避することができる。
また、切り換える制御則（条件）は、上記実施例にて説明したように２つに限らず、３つ以上の制御則を切り換えてもよい。
また、上記実施例では、Ｘ軸モータとＹ軸モータが同じ特性のモータである場合について説明したが、これらモータの特性は互いに異なっていてもよい。
さらに、上記実施例では、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータに必要な位置決め精度を互いに同じ２０［ｕｒａｄ］とした場合について説明したが、互いに異なる位置決め精度を設定してもよい。
【実施例２】
【００１９】
図１２には、実施例１にて説明した位置決め制御装置を用いた工作機械としてのレーザ加工機を示す。
４１はＸ軸モータ（第１のモータ）である。４２はＸ軸ロータリエンコーダであり、４３はＸ軸ミラー（第１の被駆動部材）である。４５はＹ軸モータ（第２のモータ）である。４６はＹ軸ロータリエンコーダであり、４７はＹ軸ミラー（第２の被駆動部材）である。
３０はレーザ加工機のコントローラ部であり、３１はＸ軸およびＹ軸モータの目標位置（移動量）を指令するＸＹ軸モータ位置指令部である。３２はＸ軸モータおよびＹ軸モータに必要な位置決め時間を計算する位置決め時間計算部である。３３はＸ軸モータおよびＹ軸モータの制御則を選択する制御則選択部である。４０はＸ軸モータの制御系であり、４４はＹ軸モータの制御系である。
コントローラ部３０、ＸＹ軸モータ位置指令部３１、位置決め時間計算部３２、制御則選択部３３および制御系４０，４４により位置決め制御装置が構成される。
３４は加工用レーザ光であり、３５は該レーザ光を発する加工用レーザ光ＯＮ／ＯＦＦ部である。３６はレーザ光による加工を受ける加工面である。
【００２０】
コントローラ部３０は、加工面３６上におけるレーザ光の照射点の目標座標をＸＹ軸モータ位置指令部３１に与える。ＸＹ軸モータ位置指令部３１は、レーザ光照射点を該目標座標に移動させるためのＸ軸ミラー４３およびＹ軸ミラー４７の目標位置（目標回転位置）に対応するＸ軸モータ４１およびＹ軸モータ４５の目標角度を計算する。そして、計算部３２は、Ｘ軸およびＹ軸での位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙを求める。
制御則選択部３３は、位置決め時間Ｔｘ，Ｔｙの長短関係から両軸モータの制御則（条件）を選択し、Ｘ軸側の制御則および目標角度をＸ軸モータの制御系４０に、Ｙ軸側の制御則および目標角度をＹ軸モータ制御系４４にそれぞれ入力する。
Ｘ軸モータ制御系４０は、Ｘ軸ロータリエンコーダ４２により角度を検出しながらＸ軸モータ４１の動作を制御する。Ｘ軸ミラー４３は、Ｘ軸モータ４１によって回転され、レーザ光照射点をＸ軸方向の目標座標に移動させる。Ｙ軸モータ制御系４４は、Ｙ軸ロータリエンコーダ４６により角度を検出しながらＹ軸モータ４５の動作を制御する。Ｙ軸ミラー４７は、Ｙ軸モータ４５によって回転され、レーザ光照射点をＹ軸方向の目標座標に移動させる。Ｘ軸モータ４１およびＹ軸モータ４５の動作、つまりはＸ軸方向およびＹ軸方向のレーザ光照射点の目標座標への移動は、同時に終了（完了）する。
こうしてレーザ光照射点が目標座標に移動された後、コントローラ部３０は加工用レーザ光ＯＮ／ＯＦＦ部３５をＯＮにして、加工用レーザ光３４を出射させる。これにより、加工面３６上に載置された被加工物が加工される。
このように実施例１にて説明した位置決め制御装置をレーザ加工機に用いることにより、モータおよび電流アンプの消費電力を低減し、モータおよび電流アンプの温度上昇を抑えつつレーザ加工機の生産性（スループット）を向上させることができる。
なお、本実施例ではレーザ加工機について説明したが、実施例１の位置決め制御装置は、半導体露光装置やドリル式穴あけ加工機等の工作機械において２軸のモータにより駆動されるＸＹステージの位置決め制御にも適用できる。ＸＹステージのうち、例えばステージ部が第１の被駆動部材に相当し、ステージ部をＸ軸方向に移動させるＸ駆動ユニットの駆動源が第１のモータに相当する。また、Ｘ駆動ユニットが第２の被駆動部材に相当し、該Ｘ駆動ユニットをＹ軸方向に移動させるＹ駆動ユニットの駆動源が第２のモータに相当する。
また、上記各実施例では２つの回転式モータを用いた場合について説明したが、モータとしてはリニアモータを用いてもよいし、リニアモータと回転モータを組み合わせて使用してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
各種工作機械における被駆動部材の目標位置への位置決め制御を行う位置決め制御装置を提供する。
【符号の説明】
【００２２】
４３ Ｘ軸ミラー
４７ Ｙ軸ミラー
４１，５４ Ｘ軸モータ
４５，６４ Ｙ軸モータ
５１ Ｘ軸フィードフォワード制御ブロック
５３ Ｘ軸フィードバック制御ブロック
６１ Ｙ軸フィードフォワード制御ブロック
６３ Ｙ軸フィードバック制御ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被駆動部材を移動させる第１のモータと、
第２の被駆動部材を移動させる第２のモータと、
前記第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、前記第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、前記第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段とを有し、
該制御手段は、
前記第１の被駆動部材を前記第１の目標位置に移動させるために前記第１のモータの動作に必要な第１の時間と、前記第２の被駆動部材を前記第２の目標位置に移動させるために前記第２のモータの動作に必要な第２の時間とを求め、
前記第１および第２の被駆動部材をそれぞれ前記第１および第２の目標位置に移動させる際に、前記第１および第２のモータを、前記第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させることを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め制御装置と、
前記第１および第２の被駆動部材とを有し、
前記第１および第２の被駆動部材を移動させて被加工物に対する加工を行うことを特徴とする工作機械。
【請求項１】
第１の被駆動部材を移動させる第１のモータと、
第２の被駆動部材を移動させる第２のモータと、
前記第１および第２のモータのそれぞれに対して２自由度制御を行い、前記第１の被駆動部材を第１の目標位置に移動させ、前記第２の被駆動部材を第２の目標位置に移動させる制御手段とを有し、
該制御手段は、
前記第１の被駆動部材を前記第１の目標位置に移動させるために前記第１のモータの動作に必要な第１の時間と、前記第２の被駆動部材を前記第２の目標位置に移動させるために前記第２のモータの動作に必要な第２の時間とを求め、
前記第１および第２の被駆動部材をそれぞれ前記第１および第２の目標位置に移動させる際に、前記第１および第２のモータを、前記第１および第２の時間のうち長い方の時間で同時に動作させることを特徴とする位置決め制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め制御装置と、
前記第１および第２の被駆動部材とを有し、
前記第１および第２の被駆動部材を移動させて被加工物に対する加工を行うことを特徴とする工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１２３５２８（Ｐ２０１１−１２３５２８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８１７９（Ｐ２００９−２７８１７９）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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