JPH0295189A - 電動機の同期運転制御装置 - 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、数値制御される工作機械の制御装置における
電動機の同期運転制御装置に関する。

（従来の技術） マシニングセンタ等の工作機械において、主軸にタッパ
を取付けてタッピング加工を行なうという加工例は多い
。この様なタッピング加ｔにおいてはタッパが回転し、
ワークに切込む速度に合せてワークもしくはタッパの送
り速度を制御しなければならない。そして、タッパの回
転速度Ｗ　（ｒｅｖ／ｍ１ｎ）と、ねじピッチＰ　（ｍ
ｍ／ｍ１ｎ）　　と、送り速度Ｆ　（ｍｍ／ｍｉ口）と
の間には次のような関係がある。

Ｆ（ｍｍ／ｍ１ｎ）　　＝Ｗ（ｒｅｖ／ｍｉｎ）ｘＰ（
ｍｍ／ｍ１ｎ）・・・・・・・・・（１） このため、従来は第４図に示す様なブロック構成の装置
により制御している。すなわち、主軸モータ制御部１は
位置指令発生部７からの位置指令ＰＮに基づいて主軸モ
ータ２を制御しており、主軸は主軸モータ２よりギア等
を介して駆動される。また、主軸には直接主軸位置検出
器３か接続されており、その出力ＭＰは主軸モータ制御
部１の減算部１６にフィードバックされ、主軸の回転位
置が制御されている。また、サーボモータ制御部４はサ
ーボモータ５を制御しており、このサーボモータ５がホ
ールネジ等を介してワークの位置及び送り速度を制御し
ている。位置指令発生部７は、主軸位置検出器３より送
られて来る主軸位置信号ＭＰに基づいて主軸の回転速度
を検出し、この検出速度とねじピッチＰから前記（１）
式を満たず様な送り速度指令、つまり位置指令ＰＴをサ
ーボモータ制御部４に指令している。主軸モータ２には
回転速度検出器６が接続されており、速度信号ＰＳＭが
速度検出部１４に入力されて速度制御されている。

この様な従来例において、主軸回転速度の検出及び前記
（１）式に基づく送り速度指令の算出は、数値制御装置
の位置指令発生部７で実行される。

そして、主軸の回転速度を検出してから送り速度指令を
算出し、実際にサーボモータ５か動作するまでには無駄
時間（時間遅れ）が生しること、さらにこの無駄時間の
間に生しる主軸の回転位置の変化については考慮されな
いことが通例である。

そのため、回転開始時やタッピングの切込み終了時の停
止２反転等の加減速動作の過渡状態において、処理の遅
れの為に過渡的に前記（１）式か不正確になる事態が発
生し、タッパの送り速度に誤差を発生してしまう。従来
はかかる誤差を吸収できる様に、送り方向に伸縮可能な
構造を持ったフローティングタッパなる工具を用いてタ
ッピングを行なっていた。

しかしなから、このフローティングタッパはその構造か
ら明らかな様に、タッピング加工の終点位置、つまりね
し穴の底の位置が保障されないこと、高価であること、
フローティング部のガタのために小径のタッパを使用で
きない等の欠点を有している。

方、他の従来例として第５図のブロック構成に示す装置
がある。この方式は、主軸モータ制御部１及びサーボモ
ータ制御部４がそれぞれ独立に主軸位置及び送り位置を
制御するもので、各制御部】及び４において応答性を決
定する加減速処理（１１，４１）　　、位置ループケイ
ンＫｖ（１３，４３）等が等しい定数に設定されること
に特徴がある。この方式によれば、主軸すなわちタッパ
の回転速度と送り速度とが常に同一の応答性で同量の誤
差を発生しながら動作するので、結果としてタッパの回
転速度及び送り速度は相対的に前記（１）式を満たし、
フローティングタッパを使用ゼすにタッピングを行なう
ことができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記第５図の方式において、論理的には
タッパの回転速度及び送り速度は等しい応答性が得られ
るはずであるが、実際には特に主軸モータ制御部１にお
いて次の様な原因のために必要とする応答が得られず、
期待通りの動作が得られない。その原因は、主に主軸モ
ータ２と主軸との間に存在する変速機構のバックラッシ
ュや、大幅に変化する切削抵抗等の非線形要素であり、
特に主軸は広い変速範囲を持つ様に複雑な変速機構を持
つことか一般的であることから、送り軸と等しい良好な
応答性を得ることはほとんど不ｉ」能である。また上記
方式は、主軸モータ２と主１１ｊｂとか直結構造となっ
ている様な限られた条件ではその性能を発揮するが、−
数的な変速機構を持った機械においては、サーボモータ
制御部４の応答性を主軸側に合せて低い性能に落して使
用する結果となり、十分な性能を発揮することかできな
い。

本発明は前述した様な事情からなされたものてあり、本
発明の目的は、マシニングセンタ等の工作機械における
タッピング加工等の電動機の同期運転時において、タッ
プの回転速度ど送り速度とを正確に同期させ、フローテ
ィングタッパ等を使用せずに精度良くタッピングを行な
うことのてぎる工作機械の電動機の同期運転制御装置を
提供することにある。すなわち、本発明はフローティン
グタッパを使用ゼず、リジットタッパを用いて高精密な
タッピング加工かできる制御装置を実現することを目的
としている。

（課題を解決するための手段） 本発明は、工具か取付けられる主軸と、この主軸の回転
位置を検出する主軸位置検出器と、工具及び被加工物の
相対的な位置又は速度を制御するサーボ軸制御部とを備
えた工作機械にお番プる主軸とサーボ軸との同期運転制
御装置に関するもので、本発明の上記目的は、前記主軸
の回転位置を検出してから前記サーボ軸への位置指令又
は速度指令を生成するまでの無駄時間及び前記サーボ軸
制御部における制御無駄時間に相当する時間内の主軸回
転位置変化量を推定演算する推定演算手段を設り、前記
サーボ軸制御部は前記主軸位置検出器の出力と前記推定
演算手段の出力とに基づいて、前記工具及び被加工物の
相対的な位置又は速度を制御することによって達成され
る。

（作用） 本発明では、主軸に取付けられた主軸位置検出器の出力
より送り軸のサーボモータ制御部に設りること、サーボ
モータ制御部が主軸の回転速度Ｗ　（ｒｅｖ／ｍ１ｎ）
を検出し、この回転速度Ｗ及びねしビッヂＰ　（ｍｍ／
ｍ１ｎ）から２軸の送り速度Ｆ　（ｍｍ／ｍ１ｎ）　−
Ｗ×１）を演算して駆動する。さらに、主軸の回転速度
の検出の遅れ時間によって発生ずる誤差成分を、主軸の
回転加速度又は主軸モータ制御部から受けたトルク指令
値を基に予測演算を行なって補止している。

本発明によれは、サーボモータ制御部が直接主軸の回転
位置を検出しているので、高速て主軸位置を検出するこ
とかできる。また、検出及び処理の遅れ時間の間に生じ
る主軸回転位置の変化を、主軸モータのトルク指令また
は主軸の回転速度指令１回転位置指令等から予測演躊し
ているので、いかなる状況においても主軸回転位置に遅
れることなく正確に送り速度を同期させることかでき、
常に正確に前記（１）式を満足する。にうな制御を実現
することができる。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例を第５図に対応させて示す。

本発明では、主軸位置検出器３からの主軸位置信号ＭＰ
及び位百指令発生部７からのねしビッヂＰを入力する推
定演算部１００を設りており、用足演算部１００は補正
回路１０１及び乗算器＋０２で成っている。また、主軸
モータ２とサーボモータ５によって駆動される構造例を
第２図に示す。主軸モータ２はギヤ列による変速機構を
介して主軸２０を駆動するようになっており、主軸２０
にはタッパ２１が装着されている。加工対象となるワー
ク２２はテーブル２３と共に、ポールねし２４を介して
サーボモータ５によってＺ＠力方向駆動されるようにな
っており、タッパ２１の回転速度、すなわち切込速度に
合せて主軸２０の軸方向の送り速度が制御されるように
なっている。

次に、その動作を説明する。

主軸モータ制御部１は、数値制御装置の位首指令発生部
７より主軸２０の回転位置指令ＰＮを受けて主軸２０を
回転する。この時、サーボモータ制御部４は位置指令発
生部７よりタッピング加工の始点位置指令を受り、始点
位置までワーク２２を予め移動させておく。推定演算部
１００は、主軸位置検出器３の出力ＭＰにより主軸２０
の位置及び回転速度Ｗを検出している。また、位置指令
発生部７よりねしピッチＰが推定演算部１００に与えら
れており、このねしビッヂＰ及び主軸回転速度Ｗからワ
ーク２２の送り速度Ｆを前記（１）式に基づいて演算し
、サーボモータ制御部４はこの送り速度Ｆを指令値とし
てサーボモータ５を制御している。ここで、サーボモー
タ制御部４の制御周期は、高精密な制御を実現するため
に十分に速く設定されている。

そして、推定演算部＋００での主軸回転速度Ｗの検出を
、このサーボモータ制御部４の制御周期で行なうことに
より正確に主軸回転速度Ｗを検出でき、その結果ワーク
２２の送り速度の指令値１７を正確に前記（１）式に一
致させることかできる。そして、この送り速度の指令値
Ｆをワーク２２の位置指令として受けたサーボモータ制
御部４は、第１図で示す様に位置指令Ｆと位置検出値ｐ
ｓｓとの偏差に基づいてサーボモータ５の制御を行なう
と共に、微分回路４２によって位置指令値Ｆを微分し、
この結果をサーボモータ５の速度指令として演算部４７
に入力することによってフィートラ１ワード制御を行な
っている。このフィートフ］ワード制御によって、サー
ボモータ制御部４は入力された位置指令Ｆに対して正確
に、かつほとんど遅れを生ぜずにワーク２２の位置を制
御することが可能であり、その結果実際のワーク２２の
速度も正確に前記（１）式に一致する なお、本発明においては、主ｌＩｂ２０の位置を検出す
る際に発生ずる遅れ時間を極めて小さくすることができ
、高精度なタッピング加工を実現するこることかできる
。しかし、サーボモータ制御部４における前記（１）式
の演算処理及び実際にサーボモータ５が動作するまでに
はある遅れ時間が存在し、この遅れ時間の間に実際の主
軸回転速度Ｗ又は回転位置か変化してしまうために誤差
の発生要因となっている。このため、−層の高精度か要
求１　　】 される場合には、この遅れ時間による誤差を１４１除す
る必要がある。

そこで、本発明においては以下■〜■の様な方法で、こ
の誤差の発生を抑えることかできる制御を実現している
。

■まず、第１にハードウェア」二何ら変更を必要としな
い制御法を説明する。

サーボモータ制御部４かある時点ｊ　、１．）に検出し
た主軸位置をＰ、。、とし、時点Ｌｌｎｌより１回前の
制御周期で検出した主軸位置をＰ３．、−口、またこの
時点なｔ、。−１，とすると、時点Ｌ＋ｎ−１１〜ｌ’
、（ｎｌまての平均主軸回転速度Ｗ（１、）は で表わされる。又平均の主軸回転加速度ｄｗ、、、、／
ｄｔである。そして、サーボモータ制御部４が送り速度
Ｆの指令値を演算し、実際にサーボモータ５が動作する
まてにΔＴた番プの遅れ時間かあるとすると、時点ｔ＋
１＋ｌ＋ΔＴの時点において主軸位置Ｐ　ｆｎ＋は ・・・・・・　・・・　（イ） て近似される。ここで、遅れ時間ΔＴは予め分っており
、この主軸位置１）、。、をもって主軸回転位置の予測
値とし、この主軸位置Ｐ°、。、よりワーク２２の位置
指令Ｐ□。、を次式（５）のようにして算出する。

Ｐ　ｚ　＋ｎｌ　−Ｐ　　（ｎｌ・Ｐ ・・・・・・・・・（５） なお、この（５）式は前記（１）式と全く同一の事象を
意味しており、東に（１）式を積分して位置情報に変換
したものである。

以十の演算により前述したような主軸位置検出、演算処
理の遅れ時間にＪ：る誤差を補正てぎ、ワーク２２の送
り速度、つまり位置を主４ｉ＋ｌ＋　２０の回転速度に
遅れなく同期させることかできる。なお、この制御方式
のブロック構成は第１図に示す通りであり、図中の補正
回路１０１におい゛Ｃ１前記（４）式に基づく主軸位置
の予測演算か行なわれる。

■次に、第２の方法について説明する。

上述第１方法の場合と同様に、ツーポモータ制御部４か
時点Ｌ　＋ｎｌに検出した主軸位置を’Ｚｎｌとし、時
点ｔａｌ＋−１１〜ｔ＋ｎｌまでの平均主軸回転速度を
Ｗい、とすると となる。そして、サーボモータ制御部４が送り速度の指
令値Ｆを演算し、サーボモータ５が実際に動作するまで
の時間をΔＴとすると、時間２丁の間に生しる主軸回転
速度の変化分ΔＷは、主軸モータ２及び主！１ｉＩｈ２
０の運動方程式より下式（７）により近似される。

ＪＭ　　主軸モータイナーシャ Ｊｓ　　主軸及び工具のイナーシャ ＴＭ　　主軸モータ出力トルク Ｔ１．・切削負荷トルク ここで、主軸モータイナーシャＪＭ並びに主軸及び工具
のイナーシャＪ５は既知てあり、切削負荷トルクＴＬも
切削条件にり予め推定できることから、主軸モータ出力
トルクＴｉ＋を知ることがてきれば速度変化分ΔＷを算
出することかてきる。ここて、主軸モータ出力トルクＴ
Ｍは主軸モータ制御部１の内部で演算されている出力ト
ルク指令値にほぼ正確に応答しており、このトルク指令
値て近似することができる。

以上より第３図のブロック構成に示す装置において、サ
ーボモータ制御部４に主軸モータ制御部１から主軸モー
タ２のトルク指令ＴＱを入力し、演算回路１０３は、速
度変化分ΔＷを算出することにより実際にサーボモータ
か動作する時点１．ｎｌ”ΔＴにおける主軸回転速度の
予測値Ｗ’　＋ｎ＋　を次の様に算出する。

Ｐｆｎｌ　−Ｐ　（。）＋Ｗ　、。、・　２丁となり、
この予測値Ｐ゛、。を用いて前記（５）式と同様に位置
指令Ｐｚ（。）を算出し、ワーク２２の送り速度を制御
する。この結果、ワーク２２の送り速度、つまり位置を
主軸２０の回転速度に遅れなく正確に同期させることか
可能となる。なお、第３図において前記（９）式に基つ
く演算処理は図中の演算回路１０３て行なう。

この予測値Ｗ°（。）より、時点Ｆｎｌ＋ΔＴにおける
主軸回転位置の予測値Ｐ　Ｚｎｌ　は ■次に第３の方法として、前記遅れ時間２丁に生しる主
軸回転速度の変化分を主軸モータ制御部１に入力される
主軸回転位置指令ＰＮと、この位置指令ＰＮと実際の主
軸回転位置との伝達関数に基づいて演算するか、もしく
は主軸モータ制御部１で演算されている回転速度指令と
実際の主軸回転速度との伝達関数に基づいて演算するこ
とも可能である。すなわち、これらの伝達関数は予め既
知であり、前記回転位置指令又は回転速度指令から主軸
回転速度又は回転速度を予測演算することかてきる。

ところで、以上の説明てはワーク２２の送り方向が１軸
のみのツーポモータ５て駆動される場合について示し、
主軸２０の回転速度と１軸のみの送り速度とを同期させ
る場合について示した。しかしながら、主１Ｔｉｌｌ１
２０の先端に特殊なアクッヂメントを取付す、斜め方向
のタッピングを行なう場合など、複数の送り軸サーボモ
ータを主１ｉｎ＋回転速度に同期させな番づれはならな
い場合もある。このような場合は、主軸位置検出器３の
出力信−ｑＭｐを複数のサーボモータ制御部に配分する
ことにより実現できる。さらにまた、実際の実現技術に
おいて第１図に示した主軸モータ制御部１及びサーボモ
ータ制御部４はそれぞれデジタル回路で構成され、制御
周期毎のサンプリング制御を行なっている。

ここで、主軸モータ制御部１とサーボモータ制御部４の
制御周期、つまり制御を実行するタイミングが光なる場
合、このタイミングのズレによる誤差が発生ずる。その
ため、そねぞれの制御周期を同期化し、同しタイミング
て制御が実行される様配虜している。

（発明の効果） 以上の線に未発明による同期運転１１ｉ（Ｊ御装置によ
れば、タッピング加工を行なう際、ワークの送り速度を
タッパの回転速度とねしビッヂの積に正確に一致させる
ことかできるので、従来送り方向の誤差を吸収するため
に用いていたフローティングタッパ等を必要とゼず、精
度良くタッピング加工を実現することができる。また、
主軸回転速度をサーボモータ制御部か高速て検出てきる
ことにより、いかなる動作状況においてもＺ軸の送り速
度を主軸回転速度に正確に同期させることができる。

【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
図は未発明の対象となる工作機械の構成を示す図、第３
図は本発明の他の実施例を示すブロック構成図、第４図
及び第５図はそれぞれ従来装置を示すブロック構成図で
ある。 １・・・主軸モータ制御部、２・・・主ＩＩ＋１１モー
タ、３・・・主軸位置検出器、４・・・サーボモータ制
御部、５・・・号−ボモータ、７・・・位置指令発生部
、２０・・・主ｉ１ｉ＋ｂ、２１・・・タッパ、２２・
・・ワーク、２３・・・テーブル、２４・・・ポールね
し、＋００・・・推定演算部、１０１・・・補正回路、
１０２・・・乗算器、＋０３・・・演算回路、１０４・
・・加算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工具が取付けられる主軸と、この主軸の回転位置を
   検出する主軸位置検出器と、工具及び被加工物の相対的
   な位置又は速度を制御するサーボ軸制御部とを備えた工
   作機械における主軸とサーボ軸との同期運転制御装置に
   おいて、前記主軸の回転位置を検出してから前記サーボ
   軸への位置指令又は速度指令を生成するまでの無駄時間
   及び前記サーボ軸制御部における制御無駄時間に相当す
   る時間内の主軸回転位置変化量を推定演算する推定演算
   手段を設け、前記サーボ軸制御部は前記主軸位置検出器
   の出力と前記推定演算手段の出力とに基づいて、前記工
   具及び被加工物の相対的な位置又は速度を制御するよう
   にしたことを特徴とする電動機の同期運転制御装置。 ２、前記推定演算手段は、前記主軸の回転位置又は速度
   を制御する主軸モータ制御部より入力された主軸モータ
   のトルク指令値に基づいて、前記主軸回転位置変化量を
   演算するようになっている請求項１に記載の電動機の同
   期運転制御装置。 ３、前記サーボ軸制御部は、前記工具と被加工物の相対
   的な位置の指令値と、実際の工具及び被加工物の相対的
   な位置の検出値との偏差に基づいて速度指令の位置偏差
   分を求め、前記位置偏差分と、前記位置指令値の変化分
   とを加算することによって前記工具及び被加工物の相対
   的な速度指令値を求め、この速度指令値に基づいて前記
   工具及び被加工物の相対的な速度を制御するようになっ
   ている請求項１に記載の電動機の同期運転制御装置。 ４、前記主軸位置検出器の出力から前記主軸の回転位置
   を検出する周期と、前記推定演算手段が前記主軸回転位
   置変化量を推定演算する周期とが、前記サーボ軸制御部
   の制御周期と等しい周期で処理されるようになつている
   請求項１に記載の電動機の同期運転制御装置。