JPH01230108A - 送り軸の位置制御装置 - Google Patents

送り軸の位置制御装置

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JPH01230108A
JPH01230108A JP5687088A JP5687088A JPH01230108A JP H01230108 A JPH01230108 A JP H01230108A JP 5687088 A JP5687088 A JP 5687088A JP 5687088 A JP5687088 A JP 5687088A JP H01230108 A JPH01230108 A JP H01230108A
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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my
4等における送り軸の位置制御方式、特に送り軸起動直
前時の送り軸、動作の不感帯を的確に検出して制御する
位置制御方式に関する。
(従来の技術) 従来より、NC工作機械等において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
、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6図はフルクローズトループ制御方式を採用した送り
軸駆動系の一例を示しており、減算器1は位置指令Xc
から位置フィードバック信号X、を減算し、その位置誤
差Xeを算出している。位置フィードバック信号×1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検出信
号である。位置誤差Xeは増幅器2によって増幅され、
増幅器2の出力は速度指令VCとなる。又、電動機6に
機械的に連結された電動機の回転位置及び速度を検出す
る検出器7の速度検出信号は、速度フィードバック信号
Vとして減算器3に入力される。減算器3は速度指令V
Cから速度フィードバック信号■を減算し、その速度誤
差veを算出する。速度誤差v6はPID増幅器4によ
って増幅され、電動機6のトルク指令Tcとなる。トル
ク指令Tcは電力増幅器5によフて電力増幅され、その
出力はトルク指令TCに相当するトルクを電動機6に発
生させるための電流rc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10に伝達される。ボールネジ10は、この伝達ト
ルクをテーブル11の推進力に変換する。
一般に送り軸駆動系は、第6図に示す様に電動機6の出
力トルクを歯車列8.9及びボールネジ10などの機構
部を介して制御対象(テーブル10)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7図は、トルク伝達機構部にロストモーションLMC
を有する送り軸駆動系の動きをモデル的に示すものであ
り、以下にテーブル停止中におりるテーブル位置と電動
機の回転位置との相対関係について説明する。すなわち
、N方向への移動によってテーブルを位置決めした場合
、テーブル位置に対する電動機の回転位置関係は、位置
決め時においては(a)位置となる。位置決めにより第
6図の位置誤差×。がX。・0となり、電動機速度Vが
V=0となるとPTD増幅器4の入力veもOとなる。
一般にPID増幅器4の増幅率は有限であるため、PI
D増幅器4の出力である電動機6のトルク指令Tcは、
0に向って徐々に減少していくことになる。これか電動
機動作に与える影響は次の様になる。電動機のテーブル
に対する回転位置関係が第7図における位置(a)の状
態にある位置決め時は、電動機のトルク出力はテーブル
から電動機が受ける反力に対抗するトルクとなるため、
電動機トルク指令が減少すると電動機はテーブルからの
反力に対向できなくなるため、位置関係は(b)方向へ
移り変って行くことになる。又、テーブル停止中におい
て、外部より電動機に対してP方向の外力か加わり電動
機がP方向へ動かされた場合も、テーブルと電動機の回
転位置関係は(b)方向へ移り変わって行く。逆にP方
向移動から位置決めした場合は、N方向の位置決め時と
同様の理由でテーブルと電動機の回転位置関係は、(C
)より(b)方向へ移り変わって行くことになる。この
様なチーシル停止中における電動機の回転位置変化は、
テーブル位置に対して何ら影響を与えずテーブルは移動
しない。
次に、停止中のテーブルがP方向あるいはN方向に起動
する場合を考える。第7図において起動直前の電動機位
置が(b)であるとすると、P方向移動の場合は電動機
がP方向にLMPだけ動く間、又N方向移動の場合は電
動機がN方向にLMNだけ動く間、いずれもテーブルは
動作しないことになる。この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では、停止中でのテー
ブル位置と電動機の回転位置関係がロストモーションL
Mcの範囲内で不定となるため、テーブル起動時におい
て起動直前のテーブル位置と電動機の回転位置との相対
関係によって決まるテーブル動作の不感帯を生じ、不感
帯内での電動機回転動作中テーブルは停止状態となるた
め、この間の位置指令XCに対する実際のテーブル位置
×1の動作は遅れてしまうことになる。
第8図は送り軸駆動系(X軸、Y軸)に直線指令を与え
た場合の位置指令軌跡と、X−Yテーブルの実際位置と
の軌跡関係を示している。X軸及びY軸のロストモーシ
ョン量の差、あるいは起動直前時の両輪それぞれのテー
ブル位置と電動機の回転位置との相対関係に違いが存在
すると、X−Y@bのテーブル動作の不感帯量及び不感
帯動作時間は異なり、結果としてX−YテーブルのX軸
方向とY!ll1b方向への実際のテーブル起動タイミ
ングはズしてしまうことになる。第8図は、Y軸の起動
直前時におけるテーブル動作の不感帯がX軸の起動直前
時におけるテーブル動作の不感帯に比べ大きい場合、Y
軸方向へのテーブル起動がX軸方向へのテーブル起動に
対して遅れるために発生する軌跡の誤差を示している。
第9図は第8図と同様な直線指令の場合において、テー
ブル起動時にYIIIl電動機の回転位置指令に対して
任意の補正量Cを加えた場合の位置軌跡の様子を示すも
のである。起動直前のX軸及びY軸のテーブル位置と電
動機の回転位置との関係が、第7図においてX@hは(
c)位置、Y!TiIIIは(b)位置にあると仮定し
、テーブル起動時にY軸重動機の回転位置指令に補正ユ
Cを加えることによって、Y軸重動機は補正量Cだけ速
かな回転動作を行なう様に制御されるとしたならば、補
正量CにC・しMPを選択すると軌跡誤差はほとんど解
消できることが分る。これは、Y@電動機がLMpだけ
速かに回転動作することにより、Y軸方向のテーブル動
作不感帯時間が極めて短くなり、結果としてYThh方
向及びX軸方向の実際のテーブルの動作開始がほとんど
一致するからである。しかしなから、補正量Cに[:<
LMPなる量を選択すると、YIFI11方向のテーブ
ル動作不感帯時間は一部短縮されるだけで、軌跡誤差の
縮少効果は小さい。又、補正量CにC>LMPなる量を
選択すると、起動直後においてテーブルはY軸方向に位
置指令値を越えた動作、いわゆる°飛び越し”を起こす
ことになり、結果として補正MCを加えない場合と反対
方向の軌跡誤差を発生することになる。
(発明が解決しようとする課題) 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では、軸起動時に系のロストモーシ
ョン範囲内で生じる送り軸動作の不感帯に起因して軸動
作の遅れが発生した。・このため、多軸を同期して起動
する場合には、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した。このことから、送り軸起動
時の動作遅れを減少させ、軌跡誤差の小さい高精度なテ
ーブルの位置制御を安定に行なうには、起動直前におけ
るテーブル位置とTL電動機回転位置との相対関係を的
確に把握して制御することが必要である。しかしながら
従来は、この両者の相対関係を把握して制御する方式が
なかった。
本発明は上述の様な事情からなされたものであり、本発
明の目的は、送り軸駆動系における制御対象の位置とこ
れを駆動する電動機の回転位置との相対関係を的確に検
出することにより、特に多軸同期運転時に発生する軌跡
誤差の縮少化を図った送り軸の位置制御方式を提供する
ことにある。
に、!l!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位
置検出手段からの位置検出情報と、前記送り軸の位置を
直接的に検出する位置検出手段からの位置検出情報と、
予め設定された摩擦トルクとに基づいて、時々刻々変化
する電動機回転位置及び送り軸位置の相対位置関係を示
す不感帯補正量を求め、この不感帯補正量を前記電動機
の位置指令に加算することによって前記相対位置関係を
制御することによって達成される。
(作用) 本発明は、テーブル−動作中など不感帯が一方向に生じ
る状態での電動機回転位置及びテーブル位置の差分DV
と、停止時な、と前後両方向に不感帯が存在する状態で
の電動機回転位置及びテーブル位置の差分りとを用いて
、両者の差分onL(・Dv−D)を算出することによ
り、差分りを算出した時点での両方向それぞれの不感帯
をDRhとして求める。
よって、差分りの算出を例えばテーブル起動直前に行な
えば、起動方向への不感帯を言4算によって求めること
ができる。
以下、この原理について第7図を参照して説明する。テ
ーブル位置及び電動機回転位置の相対関係が(c)で表
わされる場合のテーブル位置を×1P、電動機回転位置
をXMPとすれば、上記相対位置関係が(b)に移り変
わった時のテーブル位置X1.電動機回転位置XMは、
それぞれ次の式で表わすことかできる。
×1  ・×1.+ α       ・・・・・・(
1)XM−XMP+  a  −LMp    ・−1
2)但し、αは任意の実数である。
ここで、上記(2)式内のLMpはテーブルが次にP方
向へ動作する時、テーブル動作の不感帯となる量であり
、不感帯LMpはテーブル位置XMP及び電動機回転位
置XIPの差分Dvpと、位置XM及びx区の差分Dv
とから両者の差分D□LPを算出することにより求める
ことができる。つまり、 DRLP  ″ Dvp  −Dv −(XMP  −XIP)  −(XM−XI)  −
−−−−・(3)ここで、(3)式に前記(1) 、 
(2)式を代入すると、D* Lp  =   (XM
P  −Lp)   −(XM  −L)・XMp −
XIp −(XMP ” α−LMp)÷(XIP+α
)・LMp    ・・・・・・(4)となる。又、相
対位置関係が(b)に移り変わった時のテーブル位置X
I、電動機回転位置xMは、相対位置関係が(a)とな
る時のテーブル位置xis 、電動機回転位置×1を用
いて次の様にも表わすことができる。
×1・XIN◆β        ・・・・・・(5)
×2・×1÷β+LMN      ・・・・・・(6
)但し、βは任意の実数である。
ここで、LMNはテーブルが次にN方向へ動作する時に
テーブル動作の不感帯となる量であり、LMNは位置×
い及びXINの差分OVNと、位置XM及び×1の差分
DVとから両者の差分DRLNを算出することにより求
めることができる。つまり、 DRl、N −DVN −Dv ” (XMN−XIN
) −(Xll−XI)・・・・・・(7) ここで、(7)式に(5) 、 (6)式を代入すると
、D R1,N・(XMN−XIN) −(XM−XI
)−XMN−XIN −(XMS+β+LMN) ” 
(XIN+β)・−LMN          ・・・
・・・(8)となる。
以上説明した様に、テーブル位置と電動機回転位置との
相対関係において、P方向あるいはN方向に不感帯が片
寄った状態での電動機回転位置及びテーブル位置の差分
を算出しておけは、停止時など両方向に対して不感藉が
存在する状態でも、P方向、N方向それぞれに対する不
感帯は計算により求めることができる。
次に、テーブル位置と電動機回転位置との相対関係にお
いて、不感帯が第7図(a)又は(C)で表わされる様
な一方向に片寄った状態であることを検出する手法につ
いて説明する。第6図に対応させて示す第1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
ロック構成例であり、第6図との相違点は位置、速度の
検出器7が電動機6の位置検出信号XMを出力している
点である。第1図の送り軸駆動系では、電動機6の発生
トルクT0は次式で表わされる。
ただし、 JM+電動機6の゛イナーシャ N:歯車8.9による減速比 JL二ボールネジ10及びテーブル11の合計イナーシ
ャ ω:電動機6の角速度 ■、:電動機6の軸換算の摩擦トルク である。
又、電動機出力トルクTMは次式で表わざわる。
・・・・・・(10) ただし、 k・電動機6以降の機械駆動系の総合剛性XM・電動機
回転位置 ×トチープル位置 である。
(10)式より、 dω/djは、 となり、これを(9)式に代入すると、トルクT。と位
置誤差(XM−XI)の関係を示す次式が得られる。
この(12)式を変形して となる。ここで、P方向移動時の摩擦トルクをT、、 
N方向移動時の摩擦トルクを−TF−とすると、(13
)式は次の様に変形できる。すなわち、P方向移動時は ・・・・・・(13) であり、N方向移動時は である。(13)及び(14)式における電動機の発生
トルクT。と、電動機位置及びテーブル位置の差分(X
M−XI)  との関係をグラフに表わすと第2図(A
)及び(B)のようになる。第2図(A)は機械系の剛
性によっ生じるたわみ量のみに注目した場合の発生トル
クT。と差分(XV−XI)の関係を示したものであり
、同図(11)はたわみ量に歯車列8,9のバックラッ
シュを考慮した場合の発生トルクT。と差分(XM−X
I)の関係を示している。第2図(8)は電動機出力ト
ルクTM−0を境界にして、同図(八)に比べてバック
ラッシュ分だけ平行移動した関係になっている。
第2図(A)及びCB)より、テーブルの移動方向が決
まれば電動機発生トルクT0により、その場合における
テーブル位置と電動機回転位置との相対関係を表わす(
XM−XI)は一義的に決まることが分る。ここで、第
7図の(a)に示すように不感帯がN方向に対して片寄
った状態は、電動機発生トルクT。が摩擦トルクとほぼ
等しい関係でテーブルがN方向へ移動している状態であ
り、同様に同図の(c)に示す状態は、電動機発生トル
クT。が摩擦トルクT、とほぼ等しい関係でテーブルが
P方向へ移動している状態と考えることができる。
以上説明したように不感帯が一方向に対して片寄った状
態での電動機回転位置×MP+XMNと、テーブル位置
Lp、X+Hの差分口VP+DVNは、テーブル移動時
において電動機発生トルクT。が摩擦トルクの絶対値T
、と等しくなる条件下で、電動機回転位置及びテーブル
位置の差分4として算出できることになる。
(実施例) 第3図は本発明の実fry例を第1図に対応させて示す
送り軸駆動系のブロック構成例であり、第4図はその動
作例を示すタイムチャートである。
起動検出部14は第4図(A)に示すような送り釉の位
置指令xcに基づいてその変化及び変化方向を検圧し、
変化に同期して同図(DJに示すような移動検出信−y
STを出力すると共に、移動方向がP方向かN方向かを
示す同図(E)に示すような移動方向検出信号STDを
出力する。また、不感帯補正量発生部15は、移動検出
信号STの人力タイミング(時点h)で移動方向検出信
号STDに従って移動方向がP方向ならDRLPを、N
方向ならD Rl、 Nを選択して不感帯補正量LMを
出力する(第4図(F)参照)。この不感帯補正量LM
は加算器16で位置指令XCに加算される。不感帯移動
量検出部18は移動検出信号STの人力タイミングで電
動機回転位置を示す検出器7の位置検出信号XMをラッ
チし、以後位置検出信号×8との差分11mを、不感帯
補正量LMを限度として算出する。この差分j2mは起
動直前時に対して、起動以降電動機6がテーブル動作の
不感帯内でどれだけ移動したかを示す不感帯移動量で、
 1f!、…l < ILMIの範囲で算出され、電動
機6が不感帯内の移動を終了した1f1m1  ≧ I
LMIの範囲ではfl m−LMに固定される。減算器
19は電動機6の回転位置検出信号XMより不感帯移動
量f1mを減算し、減算器20はインダクトシン12.
13出力であるテーブル11の位置検出信号X、から減
算器19の出力を減算し、その出力は位置帰還信号×、
となる。したがって、減算器17の出力である位置誤差
Xeは、 Xe = X(+1M −(Xp +8M)=  X(
+  LM  −(Xl   −(X、4−   Il
 m)   +  XM )−Xc −L +(LM 
−um) ・・・・・・(15) となる。つまり、位置誤差×8は起動直後においては、
位置指令X、とテーブル位置×1の差分に加えて、不感
帯補正量LMと電動機6の不感帯移動量f1mの差分が
加算されて発生する。このため、結果として制御系は電
動機6の不感帯移動量ILmが不感帯補正量LMに等し
くなる様に作用する。又、fl m−LMとなる不感帯
オ多動終了時及びこれ以後では、位置誤差Xeは従来方
式のようにXe−Xc−X Iとなり、制御系は位置指
令×。にテーブル位置XCが追従する様に作用する。
本実施例においては電動機発生トルクT0に相当する量
として、電動機トルク指令Tcを使用している。差分検
出部22は、テーブル11のP方向移動状態において、
トルク指令Tcが予め設定されたP方向移動時の摩擦ト
ルクT、に等しくなった時の電動機回転位置×2とテー
ブル位置X、の差分DVPを算出し、この位置の差分D
ν、の算出時以外は先回算出した差分[]vpをホール
トする機能を有している。
また、差分検出部23は差分検出部22と同じ機能を有
しており、テーブル11のN方向移動状態におい°Cト
ルク指令Tcが予め設定されたN方向移動時の摩擦トル
ク−TFに等しくなった時の電動機回転位置XMとテー
ブル位置×、の差分DV?Iを算出し、この差分DVN
をホールドする。ここで上記差分ovp。
DVNはそれぞれP方向、N方向に不感帯が片寄った状
態での電動機回転位置とテーブル位置との差分である。
減算器21は第4図(B)に示すように電動機回転位置
xM及びテーブル位置×!の差分りを常時算出し、減算
器24及び25は差分りを算出した時点でのト方向、N
方向へのテーブル動作の不感帯である同図(C) に示
すようなりRLP+DR1,Nを常に算出している。
(発明の効果) 以上説明した様に本発明では、移動方向毎のテーブル動
作の不感帯を常時検出し、起動時において起動方向の不
感帯を電動機の回転動作指令に加え、この指令に従って
電動機の回転位置を制御することで、従来テーブル起動
時に発生していたテーブル動作の遅れ時間を大幅に減少
させることができる。
上述したように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、軸起動時に系のロストモーショ
ン範囲内で生じるテーブル動作の不感帯に起因して軸動
作の遅れが発生する。しかし、本発明は軸起動直前時の
不感帯を的確に検出しているので、検出した不感帯骨の
動作指令を軸起動時に電動機にのみ直接加えることによ
り、軸動作起動時間の短縮化及びこれに伴なう多軸同期
運転時の軌跡誤差の縮少化を実現できる。第5図は木発
明を通用した送り軸駆動系(X軸、Y軸)に直接指令を
与えた場合の、位置指令とX−Yテーブル位置の軌跡関
係を示すものである。起動時における各軸の起動方向へ
の不感帯内動作は、本発明による的確な不感帯の検出に
より正確かつ高速に行なわれるため、各軸の実際のテー
ブル起動タイミングはほぼ一致し、この結果テーブル動
作軌跡の位置指令軌跡に対する軌跡誤差は大幅に縮少で
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は木発明の原理構成を示すブロック図、第2図(
八)及び(B)はその動作を説明するための図、第3図
は本発明方式を実現する装置の一例を示すブロック図、
第4図はその動作例を示すタイムチャート、第5図は本
発明による位置指令とテーブル位置との関係を示す図、
第6図は従来の制御装置を示すブロック図、第7図〜第
9図はその動作を説明するための図である。 x、3,2o、qx、24.25・・・減算器、2・・
・増幅器、4・・・PID増幅器、5・・・電力増幅器
、6・・・電動機、1o・・・ボールネジ、11・・・
テーブル、14・・・起動検出部、15・・・不感帯補
正量発生部、18・・・不感帯移動量検出部、22.2
3・・・差分検出部。 出願人代理人   安 形 雄 ヨ 箒2巳(A) XM−X工 箒2 図(B) −二一一一一一一   ・ □ 第 6 図 I         C=1−MPT−のテーア/レイ
を置引、釘Ll                  
          X宴 9 訊

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位置検出手段からの位置検出情報と
    、前記送り軸の位置を直接的に検出する位置検出手段か
    らの位置検出情報と、と予め設定された摩擦トルクとに
    基づいて、時々刻々変化する電動機回転位置及び送り軸
    位置の相対位置関係を示す不感帯補正量を求め、この不
    感帯補正量を前記電動機の位置指令に加算することによ
    って前記相対位置関係を制御す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、電動機出力トルク及び機械系剛性により機械系のた
    わみ量が力学的に決まることを利用して、前記電動機回
    転位置及び送り軸位置の相対位置関係がある一定の状態
    となるときの電動機発生トルク、あるいはこれと同等な
    電動機トルク指令値での前記電動機回転位置及び送り軸
    位置の差分を算出し、この差分と任意のタイミングでの
    電動機回転位置及び送り軸位置の差分との差により、前
    記相対位置関係がある一定状態となるときに対する任意
    タイミング時の相対位置関係の変化量として、前記不感
    帯補正量を求めるようにした請求項1に記載の送り軸の
    位置制御方式。
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