JPH01228005A - 送り軸の位置制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、数値制御（以下、単にＮＣとする）工作機械
等における送り軸の位置制御方式、特に移動方向反転時
における電動機のロストモーション分の移動時間を短縮
して、多軸同期動作時の軌跡誤差を縮少するようにした
送り軸の位置制御方式に関する。

（従来の技術） 従来より、ＮＧ工作機械等の位置を高精度に制御する必
要がある送り軸の位置制御には、位置検出器として制御
対象の位置を直接的に検出できるインダクトシンや光学
式スケールといった直接型位置検出器を採用すると共に
、直接型位置検出器の検出出力を位置フィードバック信
号として、位置の閉ループを構成するいわゆるフルクロ
ーズトループ制御方式が広く用いられている。

第７図は、フルクローズトループ制御方式を採用した送
り軸駆動系のブロック構成例を示しており、減算器１は
位置指令×。から位置フィードバック信号×１を減算し
、その位置誤差Ｘ、を算出する。

位置フィードバック信号Ｘ、は、制御対象であるテーブ
ル１１の機械位置をインダクトシン１２及び１３によっ
て直接的に検出した位置信号である。位置誤差×６は増
幅器２によって増幅され、増幅器２の出力が速度指令ｖ
ｃとなる。又、電動機６に機械的に連結された電動機６
の回転位置及び回転速度を検出する検出器７の速度検出
信号は、速度フ４−ドパツク信号Ｖとして減算器３に入
力される。減算器３は速度指令ｖｅから速度フィードバ
ック信号■を減算して、その速度誤差Ｖ、を算出する。

速度誤差ＶｅはＰＩＤ増幅器４によって増幅され、電動
機６のトルク信号Ｔｃとなる。トルク指令Ｔｅは電力増
幅器５によって電力増幅され、その出力はトルク指令Ｔ
ｃに相当するトルクを電動機６で発生するための電流Ｉ
ｃとなる。電流ＩＣによって電動機６に発生したトルク
は歯車列８．９を介してボールネジｌＯに伝達される。

ボールネジｌＯはこの伝達トルクを、ナツト部材１１Ａ
を介してテーブル１１の推進力に変換する。

以上説明した様にフルクローズトループ制御方式は、位
置指令ｘｃと実際のテーブル位置を示す位置フィードバ
ック信号ＸＩとが最終的に一致する様に制御するため、
高精度な位置決めシステムに通している。一般に送り軸
駆動系は第７図に示すように、電動機６の出力トルクを
歯車列８．９及びボールネジＩＯなどの機構部を介して
制御対象に伝達する構成となっており、このために歯車
列８゜９のバックラッシュやボールネジｌＯの伸縮、ね
じれ変形等に起因したロストモーションの発生を避ける
ことができない。

第８図は、トルク伝達機構部にロストモーションを持つ
送り軸駆動系の動きをモデル的に示すものである。すな
わち、第８図において、テーブルがＮ方向に移動してい
る場合は、テーブル位置に対する電動機の回転位置関係
は位置（ａ）になっている。この状態から次にテーブル
をＰ方向に反転移動させる場合は電ｌｌ］ｍの回転方向
が反転し、テーブル位置に対する電動機の回転位置関係
力【（ｂ）の様になってもテーブルは移動せず、テーブ
ル位置と電動機の回転位置関係が（Ｃ）の様になってや
っとテーブルはＰ方向への反転移動を開始する。このよ
うにロストモーションを有する送り軸駆動系では、移動
方向反転時にロストモーション量に相当する不感帯を生
じ、軸移動反転時には電動機は実際のテーブル移動量に
対してロストモーション量だけ余分に動作しなければな
らない。

第９図は移動方向反転時（時点１＋）における位置指令
×。の単位時間当りの変化量（位置指令速度）、電動機
出力トルクＴｃ、電動機速度Ｖ、テーブル速度の関係を
タイムチャートに表わしたものである。時点ｔ１に移動
方向の反転が指令されると、第７図中の位置誤差Ｘ、は
実際に反転動作に入る時点ｔｓに符号が反転し、ＰＩＤ
増幅器４の出力である電動機出力トルクＴｃは減少を始
める。トルク’−ＴＬ”は反転以前の方向へのテーブル
移動に必要な摩擦トルクを示し、電動機出力トルクＴＣ
の絶対値がＴＬより小さくなると、テーブル１１の移動
及び電動機６の回転は停止する。この電動機６の回転停
止時間１ｒ（−１２・−ｔｓ）は電動機出力トルクＴｃ
の符号反転時間に等しく、電動機出力トルクＴｃが符号
反転する時点ｔ２より電動機６は反対方向へ回転を始め
る。時点ｔ、〜ｔ、が第８図における移動方向反転時の
不感帯にあたるロストモーション量の移動時間となり、
この間の電動機速度Ｖの面積がロストモーション量とな
る。なお、時点ｔ２で符号反転した電動機出力トルクＴ
、は、　テーブル１１が停止しているために時点ｔ３ま
で増加を続ける。時点ｔ３に電動機出力トルクＴｃが反
転方向へのテーブル移動に必要な摩擦トルク◆ＴＬを越
えると、テーブル１１は反転方向への移動を開始する。

時点ｔ、直後は動作遅れ時間ｔｄ（・ｔ３−ｔｓ　）内
に発生した位置指令ｘｃに対するテーブル位置の遅れを
取り戻すため、−時テーブル速度は位置指令速度より速
くなり、電動機出力トルクＴｃも一時増加する。

以上説明した様に、フルクローズトループ制御方式を採
用した送り軸駆動系においては、トルク伝達機構内に発
生するロストモーションに起因して移動方向反転時に動
作遅れ時間ｔ、が生じる。この様な送り軸駆動系（Ｘ軸
、Ｙ軸）に円弧指令を与えた場合、位置指令と実際のテ
ーブル位置の軌跡関係をＸ−Ｙ座標上に示すと第１Ｏ図
のようになる。この第１θ図から明らかなように、円弧
の象限切換わり点Ａ以後、Ｘ軸動作はＰ方向動作の継続
となるため、Ｘ軸方向のテーブル位置はＡ点以前と同様
にＸ軸位置指令に正確に追従できるが、Ｙ軸動作につい
てはＰ方向動作からＮ方向動作へと移動方向が反転する
ため、ロストモーション量に起因した反転動作遅れ時間
が発生し、Ａ点以後はＹ　ｊＴｔｂ方向のテーブル位置
は位置指令に対して遅れてしまう。その結果Ｘ−Ｙ座標
上のテーブル位置軌跡は、位置指令軌跡に対して図示の
ような凸部の誤差を持った軌跡となる。

（発明が解決しようとする課題） すなわち、フルクローズトループ制御方式を採用した送
り軸駆動系では、移動方向反転時に機械系のロストモー
ションに起因した動作遅れ時間が発生する。このため、
方向反転軸を含む多軸を同期して動作させる場合には、
位置指令軌跡と実際の送り軸位置軌跡との間に軌跡誤差
が発生する。

このような軌跡誤差の発生は、第７図の増幅器２の増幅
率を上昇させることにより抑えることができる。これは
、第８図の電動機出力トルクＴｃの符号反転時間１．及
びロストモーション分の移動時間を含む動作遅れ時間ｔ
ｄが、制御系の増幅率の上昇によって減少するからであ
る。しかしながら、送り軸駆動系の機械剛性により増幅
器２の増幅率の増加には必然的に限界があり、この限界
を越えて増幅率を増加させることは送り軸動作の不安定
化を招いてしまう。このため、送り軸動作の安定を維持
すると共に、軌跡誤差を極小化することは非常に困難な
ことであった。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本
発明の目的は、送り軸駆動系の動作の安定性を維持しな
がら、なおかつ送り軸の速かな方向反転を実現する送り
軸制御方式を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は電動機による送り軸の位置制御方式に関するも
ので、本発明の上記目的は、前記電動機に結合された電
動機位置検出手段の出力信号と、前記送り１１！Ｉｌｌ
の位置を直接的に検出する送り軸位置検出手段の出力に
前記電動機の位置検出増分量を加算した後に前記出力信
号を差し引いた誤差信号とを求め、前記出力信号及び誤
差信号を位置掃通信号とすることで電動機位置指令増分
量に従った前記電動機の位置制御と、送り軸位置指令に
従った前記送り軸の位置制御とを同時に行°なうことに
よって達成される。

（作用） 本発明は、送り軸の移動方向反転時において、フィード
バックループの外部よりロストモーション分の移動位置
指令を電動機にのみ与えることによって、電動機をロス
トモーション分だけ速かに動作させ、送り軸駆動系の安
定性を維持しながら最終的なテーブル反転動作時間の短
縮を図るようにしたものである。

（実施例） 本発明の実施例を添付図面を参照して以下に説明する。

第１図は本発明による送り軸駆動系のブロック構成例を
第７図に対応させて示すものであり、ロストモーション
補正量発生器１５には予め測定された送り軸駆動系のロ
ストモーション量ＬＭｃが設定されている。ロストモー
ション補正量発生器１５は移動方向反転検出器１４から
の移動方向反転検出信号ＳＰを入力し、この入力に同期
してロストモーション補正量ＬＭの発生を開始し、発生
されたロストモーション補正量ＬＭは加算器１６で制御
ループに加算される。移動方向反転検出信号ＳＰは、送
り軸の位置指令ｘｃの移動方向反転が移動方向反転検出
器１４で検出されたタイミングで発生されるパルス信号
である。移動方向反転のタイミングは増幅器２の増幅率
が極めて高い場合は位置指令ｘｃのみにより検出できる
が、増幅器２の増幅率が低い場合は、実際に電動機６を
反転させるタイミングは位置指令ｘｃの反転タイミング
より遅れてしまう。このため、移動方向反転検出器１４
は実際の電動機速度指令ｖｅを用いて、この速度指令ｖ
ｅの符号反転に基づいて移動方向反転検出信号ｓｐを発
生させることになる。

第２図は、送り軸駆動系Ｘ、Ｙ軸に第３図に示すような
円弧指令を与えた場合のＹ軸における移動方向反転検出
信号ＳＰの発生と、ロストモーション補正量ＬＭの発生
及びこれに伴なう電動機動作を示すタイムチャートであ
る。第３図において、位置指令ｘｃが円弧の象限切換ね
り点Ａに達した時のタイミングｔ４では（第２図参照）
、Ｙ軸方向のテーブル移動は位置指令の円弧の象限切換
わり点Ａに向かってまだＰ方向へ移動を続けており、実
際にＮ方向への反転移動が必要となるのは、実際のテー
ブル位置が円弧の象限切換わり点Ａに達する時点ｔｓの
タイミングである。したがって、移動方向反転検出信号
ｓｐは第２図で示すように時点ｔ、のタイミングで発生
され、これによってロストモーション補正量発生器１５
によるロストモーション補正量ＬＭの発生が始まる。ロ
ストモーション補正量ＬＭの発生方式としては、設定さ
れたロストモーション量ＬＭＣを瞬時に発生させてもよ
いが、ロストモーション量ＬＭＣが大きい場合は、電動
機６の応答限界も考慮して通常は第２図で示すようにロ
ストモーション補正量ＬＭの発生時間ｔＬＭｃ：を設け
、この発生時間ｔＬＭＣ内に発生量を補間して出力する
。この場合、ロストモーション補正量ＬＭの発生終了時
点ｔ６では、ロストモーション補正量ＬＭは設定された
ロストモーション量ＬＭｃに等しくなる。

次に、送り軸の移動方向がＰ方向へ反転する場合は、ロ
ストモーション補正量発生器１５は前述の発生タイミン
グによりロストモーション補正量ＬＭ　−−ＬＭｃの発
生を行なう。以後、同様にロストモーション補正量発生
器１５はＮ方向反転時にはＬＭ　−ＬＭＣ％Ｐ方向反転
時にはＬＭ−ＬＭＣのロストモーション補正量を発生す
る。ロストモーション移動量検出器１８は、移動方向反
転検出信号ＳＰの発生タイミングにおける検出器７の位
置検出信号ＸＭをラッチし、以後の位置検出信号Ｘ、ど
の差分ＩＬｍを算出する。この算出された差分子１ｍは
、電動機６のテーブル１１に対する位置関係が第８図の
（ａ）。

（ｃ）間のどこに相当するかを表わす電動機６のロスト
モーション移動量である。Ｎ方向移動反転時において、
ロストモーション移動量１ｍはＯ”より最終的なロスト
モーション補正量ＬＭ　−ＬＭＣに向って増加して行く
。この場合、ロストモーション移動量検出器１８による
ロストモーション移動量２ｍの算出は、Ｊ２ｍ＜ＬＭｃ
の範囲で行なわれる。

ＩＬｍ≧ＬＭｃの範囲では電動機６がロストモーション
分の移動を終了しているため、１■−ＬＭＣが限度とさ
れる。又、Ｐ方向移動反転時においても、ロストモーシ
ョン移動量検出器１８によるロストモーション移動量４
２＋１１の算出は、移動方向反転検出信号ＳＰの発生タ
イミングで開始され、以後Ｉ１．ｍ＞−ＬＭｃの範囲で
行なわれる。また、１−≦−ｔ、ＭＣの範囲では１１　
ｍ−ＬＭｃが限度とされる。ロストモーション移動量検
出器１８にょろり動方向反転時の方向検出は、ロストモ
ーション補正量ＬＭの符号により行なうことができる。

この様にして算出されたロストモーション移動量ｊ２＋
は、ロストモーション範囲内における電動機６の移動を
迅速かつ正確に行なうため、位置のフィードバックルー
プに取込まれる。減算器１９は電動機６の位置検出信号
×２よりロストそ−ション移動量１１ｖａを減算する。

本実施例においては、ロストモーション補正処理を除く
と、基本的に位置フィードバック信号として２つの信号
を持っている。１つは電動機６の位置検出信号×、であ
り、もう１つはインダクトシン１２，１３によるテーブ
ル１１の位置検出信号×１から、電動機６の位置検出信
号ｘＭを減算器２０で減算した両者の差分を示す信号Ｘ
。

である。本実施例では減算器１７の出力である位置誤差
ｘ８は、 Ｘｅ　＝　ＸＣφＬＭ　−（Ｘｒ＊ＸＪ　　　　　　・
・””・・’　（１）となる。ここで、信号ｘ１は Ｘｒ−Ｌ　−（ＸＭ−ｆｌＩｎ）　　　　　　　・・”
・・”’　（２）であるから、（２）式を（１）式に代
入すると、Ｘｅ−Ｘｃ＋ＬＭ　−（ＸＩ−（Ｘ＋＋＋−
ｕｍ）　”　ＸＭ　）・Ｘｃ−ＸＩ　”（ＬＭ−ｕ　ｍ
）　　　　　　−−−（：ｌ）となる。つまり、位置誤
差×。は、ロストモーション補正量Ｌ’ｌがロストモー
ション移動量ｌ１Ｉ１１と等しくなる一方向移動状態に
おいてはＸ、−Ｘｃ−ＸＩとなって、制御系は位置指令
ＸＣに実際のテーブル位置×１が追従する様に動作する
。又、位置指令Ｘｃと実際のテーブル位置×１の差分に
加えて、ロストモーション補正量ＬＭ及びロストモーシ
ョン移動量ｊ２Ｉ１１の差分が加わるため、結果として
制御系はロストモーション移動ｍｘｍがロストモーショ
ン補正量ＬＭに等しくなる様に動作することになる。

第４図は本実施例における移動方向反転時の位置指令速
度、ロストモーション補正量発生速度、電動機出力トル
クＴｃ、電動機速度■、テーブル速度の関係をタイムチ
ャートに表わしたものである。時点ｔ、に移動方向反転
が指令されると、実際に反転動作に入る時点ｔ５でロス
トモーション補正ｆｆｉ　Ｌ、Ｍの発生が開始される。

時点ｔ５での位置誤差Ｘ。

は、従来方式によれば、 ×ｅ−Ｘｅ−ｘＩ・・・・・・・・・（４）であるが、
本発明によれば位置誤差×６は前述（３）式であるため
、制御系は、実際の電動機６のロストモーション移動量
１１がロストモーション補正ｆｆｉＬＭに追従すること
で、位置誤差Ｘ＠が増大しない様に動作する。これによ
り、電動機出力トルクＴｃは急速に符号反転、増加し、
電動機６の回転停止時間ｔｒ及びこれを含むロストモー
ション量の移動時間ｔｄを、それぞれ従来に比較して大
幅に減少させることができる。

第５図は、本発明によって送り軸駆動系（Ｘ、Ｙ軸）に
円弧指令を与えた場合の位置指令とテーブル位置の軌跡
関係を示したものである。ロストモーション量の移動時
間ｔｄの大幅な減少により、円弧の象限切換わり点Ａ以
降、Ｙ軸方向のテーブル位置の位置指令に対する遅れ量
が小さくなるため、テーブル位置軌跡の位置指令軌跡に
対する軌跡誤差は、第１Ｏ図に示した従来制御方法によ
り発生した軌跡誤差に比較して大幅に縮少している。

本実施例においては、移動方向反転時に実際の電動機６
のロストモーション移動量ｊ！＋がロストモーション補
正量ＬＭに対して小さいとき、これを補うように位置誤
差×６が発生し、この位置誤差Ｘ。

及び増幅器２の増幅率で決まる速度ｖｃで電動機６が回
転され、ロストモーション移！！Ｊｌ　：ｉｔ　４２　
ｍがロストモーション補正量ＬＭに近づく様に制御され
る。

このため、ロストモーション補正量ＬＭの発生に対して
、実際のロストモーション移動が第２図のロストモーシ
ョン移動速度（１）に示す如＜　ｔｔｖｃｏだけ遅れて
しまう。

第６図に本発明の他の実施例を第１図に対応させて示す
。第６図は第１図の実施例に対して、微分器２１及び加
算器２２を加えた構成となっている。

微分器２１は、ロストモーション補正量発生器１５によ
って発生されたロストモーション補正ｉＬＭを時間的に
微分し、その微分出力はロストモーション補正量発生速
度ＬＭＣＶとなる。ロストモーション補正量発生速度Ｌ
ＭＣＶは加算器２２によって速度指令ｖｃに加算され、
最終的な電動機６の速度指令ｖｃＮとなる。第１図の構
成例において、位置誤差×８は電動機６の速度をＶ、増
幅器２の増幅率をに２とするとＸｓ−Ｖ／に２となり、
電動機速度■に比例した位首誤差ｘ６が発生するのに対
して、第６図の実施例では、速度誤差ｖ６はＰＩＤ増幅
器４の高い増幅率によりｖ、４０で動作することができ
る。このため、ロストモーション補正量発生速度ＬＭＣ
Ｖを速度指令ＶＣに加算するフィードフォワード制御を
採用した本実施例においては、実際の電動機６のロスト
モーション移動速度ＩＬｍを第２図のロストモーション
移動速度（２）　に示す様に、ロストモーション補正量
発生速度ＬＭＣＶにほぼ一致させることができる。つま
り、実際の電動機６のロストモーション穆勅量１１ｍの
ロストモーション補正量ＬＭに対する遅れｔＬＭＣＤは
ほとんど発生しない。

（発明の効果） フルクローズトループ制御を採用した送り軸駆動系にお
いては、軸移動方向反転時に系のロストモーションに起
因した動作の遅れが発生する。しかしながら、本発明は
、軸移動反転時に電動機にのみ直接ロストモーション分
の移動指令を加えるようにしているので、送り軸動作の
安定性を維持しつつ、軸移動反転時間の短縮化及びこれ
に件なう多軸同期運転時の軌跡誤差の縮小化を実現する
ことができる。また、移動方向反転時における電動機の
ロストモーション分の移動時間を大幅に短縮することで
、多軸同期動作時の軌跡誤差を大幅に縮少することがで
きる。又、本発明では制御系のループ感度は変わらない
ため、送り軸動作の安定性に支障を生じることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図〜第５図はその動作を説明するための図、第６図は本
発明の他の実施例を示すブロック構成図、第７図は従来
の制御装置を示すブロック構成図、第８図〜第１Ｏ図は
その動作を説明するための図である。 １．３．１９．２０・・・減算器、２・・・増幅器、４
・・・ＰＩＤ増幅器、５・・・電力増幅器、合・・・電
動機、ｌＯ・・・ボールネジ、１１・・・テーブル、１
４・・・移動方向反転検出器、１５・・・ロストモーシ
ョン補正量発生器、１６．２２・・・加算器、１８・・
・ロス・トモ−ジョン移動量検出器、２１・・・微分器
。 出願人代理人　　安　形　雄　三 戸綿１ 箒２図 番４　図 Ｎｎ百 箒　８　回 第１Ｏ８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電動機による送り軸の位置制御方式において、前記
   電動機に結合された電動機位置検出手段の出力信号と、
   前記送り軸の位置を直接的に検出する送り軸位置検出手
   段の出力に前記電動機の位置検出増分量を加算した後に
   前記出力信号を差し引いた誤差信号とを求め、前記出力
   信号及び誤差信号を位置帰還信号とすることで、電動機
   位置指令増分量に従った前記電動機の位置制御と、送り
   軸位置指令に従った前記送り軸の位置制御とを同時に行
   ない得るようにしたことを特徴とする送り軸の位置制御
   方式。 ２、前記電動機の位置指令増分量を、送り軸移動方向の
   反転検出信号の発生により制御装置外部から設定された
   量、あるいは前記制御装置内部に予め設定された量に従
   って発生される電動機の動作指令量として、前記送り軸
   位置指令値に加算し、及び前記反転検出信号発生後の前
   記電動機の位置検出増分量を前記位置帰還信号に加算す
   ることで、前記反転検出信号発生により発生される電動
   機の動作指令量と、前記反転検出信号発生以後の電動機
   の動作量とが等しくなる様に制御するようになっている
   請求項１に記載の送り軸の位置制御方式。 ３、前記電動機の動作指令量は、前記制御装置外部から
   設定された量あるいは前記制御装置内部に予め設定され
   た量を、前記制御装置外部から設定された時間又は前記
   制御装置内部に予め設定された時間で補間処理を行なう
   ことにより発生され、補間された電動機の動作指令量は
   時間的に微分され、前記動作速度指令量として速度指令
   値に加算されるようになっている請求項２に記載の送り
   軸の位置制御方式。