JPH06320378A - 工作機械に用いられるサーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 主軸モータの低速回転で使用される工具の速
度応答性を高めて、工作機械の加工能力を簡便に向上さ
せる。 【構成】 主軸に取り付けられて加工に供される工具に
応じて主軸モータであるサーボモータの速度ループゲイ
ンを選択することで、低速回転で使用する工具は、高い
速度ループゲインで、高速回転で使用する工具は、従来
通りの低速回転時よりは低めの速度ループゲインで主軸
モータを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の工具を駆動
するサーボモータを制御する速度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、工作機械の主軸モータの速度
制御にはサーボ制御系が使用されており、使用される工
具に関わらず工作機械の特性に合わせて、サーボ制御系
における速度制御部の速度ループゲインの設定がなさ
れ、工作機械で要求される速度応答精度とサーボ制御系
の安定性との全体のバランスを確保するようにしてい
た。一方、機械の速度応答精度を上げるには、速度制御
部の速度ループゲインを高めることが必要とされるが、
機械とサーボ制御系の全体の安定性の面からは速度ルー
プゲインを高めると安定性が損なわれて、工具を駆動す
る主軸から異音が発生したり、場合によっては、機械と
主軸モータ制御系全体が発振して過大な振動を生じるこ
とがある。そこで、主軸モータの制御系においては、主
軸の機械剛性をふまえて、異音や発振を発生することな
く安定性を確保できるように、速度ループゲインを設定
するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年では工
作機械の加工精度の一層の向上が要求されている。これ
に応じ、特に、重切削が行われる低速回転用の工具の加
工精度を上げるには、前記速度制御部の速度ループゲイ
ンを上げて機械の速度応答精度を上げる必要がある。速
度ループゲインを上げて工作機械を使用することになる
と、主軸の機械剛性を高め、機械と主軸モータ制御系の
全体の安定性を高める必要があった。つまり、低速回転
で重切削を行う工具を用いた加工での精度を高めるに
は、機械の剛性を上げ、かつ前記速度制御部の速度ルー
プゲインを上げて、主軸の速度応答精度を高めて使用せ
ざるを得なかった。しかしながら、機械の剛性を上げる
ことは機械のサイズアップに繋がるため、コンパクトな
機械が適用し難くなり機械が大きくなり、製造コストも
高くなるといった問題が生じていた。本発明は、上述し
た問題点を解決するためになされたものであり、速度制
御部の速度ループゲインを、主軸により駆動される工具
の種別に応じて変更できるようにしたことにより、主軸
の機械剛性を特に上げることなく、つまり機械のサイズ
アップをすることなく、簡便に工作機械の加工精度を向
上させることができるサーボモータ制御装置を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、工作機械を駆動するための加工プログラム
に基づいて、サーボモータにより駆動される工具の種別
を認識すると共に、回転指令を出力する指令部と、この
回転指令出力とサーボモータからの帰還位置信号とに基
づいてサーボモータを駆動するための速度信号を生成す
る位置比較部と、この位置比較部で生成された速度指令
とサーボモータからの帰還速度信号とに基づいて、サー
ボモータのトルク指令を出力する速度制御部とを有した
サーボモータ制御装置であって、前記指令部で識別した
サーボモータにより駆動される工具の種別に応じて前記
速度制御部の速度ループゲインを変更する速度ループゲ
イン設定部を備えたものである。

【０００５】

【作用】上記構成において、速度ループゲインはサーボ
モータにより駆動される工具の種別に応じて選択的に変
更使用され、速度ループゲインが高く選択されると、機
械と主軸モータ制御系全体の安定性を低下させ、異音や
発振状態を引き起こしやすくなる。ところが、異音や発
振状態を引き起こすもととなる外乱、つまり主軸の振
動、速度制御系が持つ速度変動要素等が、主軸モータで
あるサーボモータの回転数が高いほど大きく、低いほど
小さいため、サーボモータの低速回転時には、安定性の
余裕を小さくしても、もともとの外乱が小さいため、異
音の発生や発振状態に陥らない。また、高速回転時に
は、低速回転時と同じ安定性の余裕にすると外乱が大き
いため、異音発生等の不具合を生じる。そこで、低速回
転で駆動され工具の時には、安定余裕を小さく速度制御
部の速度ループゲインを高めに、高速回転で駆動される
工具の時には、安定余裕を大きく速度制御部の速度ルー
プゲインを低め（従来と同じ程度）にすることで、異音
や発振などの異常状態の発生を防止しつつ、モータの低
速回転時における重切削加工等での加工能力、精度を従
来より高めることができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図１を
参照して説明する。本実施例の速度制御装置は、主軸モ
ータＭへの回転指令を出力する指令部１と、パルス分配
を行う分配部２と、回転指令出力とサーボモータからの
帰還位置信号とに基づいて主軸モータＭを駆動するため
の速度信号を生成する位置比較部３と、速度指令信号と
主軸モータＭからの帰還速度信号とに基づいて主軸モー
タＭへのトルク指令を出力する速度制御部４と、トルク
指令を増幅し主軸モータＭを駆動する増幅部５と、速度
ループゲイン設定部６を有している。主軸モータＭに
は、速度検出器としてのタコジェネレータＴＧと位置
（回転）検出器としてのエンコーダＥが接続されてい
る。

【０００７】上記構成において、指令部１は、ＮＣプロ
グラム１０の内容を読み取って工作機械の主軸（図示せ
ず）に取り付けられている工具を認識するとともに、主
軸モータの移動（回転）指令を分配部２に出力する。分
配部２は、所定の単位時間の移動量をパルス分配し位置
比較部３へパルス出力する。位置比較部３では、分配部
２から出力された分配パルスとエンコーダＥからの帰還
パルス（位置フィードバックパルス）が比較され、速度
指令ＶCMD が生成され、速度制御部４へ出力される。速
度制御部４では、前記速度指令ＶCMD とタコジェネレー
タＴＧからの帰還速度信号（速度フィードバック）ＶFB
が比較され、比例積分（ＰＩ）演算を、速度ループゲイ
ン設定部６からの速度ループゲイン（ＫV ，ＴI ）をも
とに行い、トルク指令ＴCMD を生成し、増幅部５へ出力
する。

【０００８】比例積分の演算は次式で表される。

【数１】連続信号処理系（アナログ系）では、 ｅ（ｔ）＝ＶCMD （ｔ）−ＶFB（ｔ） ＴCMD （ｔ）＝ＫV （１／ＴI ・∫ｅ（ｔ）ｄｔ＋ｅ（ｔ）) 離散信号処理系（デジタル系）では、 ΔＴ：サンプリング周期

【０００９】速度ループゲイン（ＫV 、ＴI ）は、速度
ループゲイン設定部６において、前記指令部１での加工
（ＮＣ）プログラムの解読による主軸で使用される工具
の情報に応じた適切な値が設定される。その適切な速度
ループゲイン（ＫV 、ＴI ）は、機械と主軸モータＭの
制御系を含めた特性をもとに予め決められるが、 低速回転で使用される工具では、ゲインは高めに（ＫV
high，ＴI high） 応答周波数ωｎ１ （ｒａｄ／ｓｅｃ） 高速回転使用される工具では、ゲインは低めに（ＫV lo
w ，ＴI low ） 応答周波数ωｎ２ （ｒａｄ／ｓｅｃ） ωｎ１＞ωｎ２の関係で予め設定される。この速度ルー
プゲイン（ＫV 、ＴI ）を用いて、速度制御部４では、
位置比較部３からの速度指令ＶCMD と、主軸モータＭか
らの帰還速度信号（速度フィードバック）ＶFBとによ
り、比例積分（ＰＩ）演算を行い、トルク指令ＴCMD を
求め、これを増幅部５ヘ出力する。増幅部５は、トルク
指令ＴCMD を増幅して主軸モータＭを回転させる。

【００１０】図２は上記の速度ループゲイン設定部と速
度制御部での処理手順のフローチャートである。同図に
示すように、工具番号等の工具情報を認識し（＃１）、
工具番号が低速回転用工具番号と一致するかを調べて
（＃２）、高速回転用工具か低速回転用工具かに応じて
それぞれロウ、ハイの速度制御ゲインが選択され（＃
３，＃４）、さらに、このゲインで速度指令値と帰還速
度信号とからトルク指令信号が演算される（＃５）。か
くして、速度ループゲインが高ければ、トルク指令ＴCM
D は大きくなり、主軸モータＭの発生トルクは増えるの
で、上記のように回転数に応じて速度ループゲインを設
定することで、主軸モータＭの回転数に応じてトルクを
変更できることになる。

【００１１】なお、場合によっては、工具を低速回転
用、中速回転用、高速回転用に分け、 低速回転用工具では、ゲインは高めに（ＫV high，ＴI
high） 応答周波数ωｎ１ （ｒａｄ／ｓｅｃ） 中速回転用工具では、ゲインは中程度に（ＫV mid ，Ｔ
I mid ） 応答周波数ωｎ２ （ｒａｄ／ｓｅｃ） 高速回転用工具では、ゲインは低めに（ＫV low ，ＴI
low ） 応答周波数ωｎ３ （ｒａｄ／ｓｅｃ） ωｎ１＞ωｎ２＞ωｎ３の関係に設定し、より細かく速
度ループゲインを変更することで、低速回転で使用され
る工具の速度ループゲインをより高めて速度ループの応
答周波数を上げてもよい。

【００１２】上記のように動作させることにより、低速
回転で使用される工具が取り付けられている時には速度
ループゲインを高く設定して、主軸モータＭの低速回転
時の速度応答を上げることができる。従って、低速回転
で重切削が行われるような工具での加工で、主軸モータ
であるサーボモータの回転数の変動を小さくすることが
でき、加工面をきれいに仕上げることができ、また、切
削を正確に行えることで、切削トルクの変動を抑えるこ
とができ、同じ容量の主軸モータＭであっても、従来よ
り切り込み量を大きく取れるといった効果が得られる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明によれば、工作機械のサーボモータで駆動される工具
の種別に応じてサーボモータの速度ループゲインを変更
するようにしているので、安定性に余裕のある低速回転
で使用される工具での加工時にゲインを高めることで、
発振や異音を発生することなく低速回転時の速度応答性
を上げることができ、重切削等を行う場合に精度の高い
サーボモータ制御が可能となり、簡便に工作機械の工作
能力を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるサーボモータ速度制御
装置のブロック図である。

【図２】本実施例での速度ループゲイン設定部と速度制
御部の処理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 指令部 ３ 位置比較部 ４ 速度制御部 ６ 速度ループゲイン設定部 １０ ＮＣプログラム Ｍ 主軸モータ ＴＧ タコジェネレータ Ｅ エンコーダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械を駆動するための加工プログラ
   ムに基づいて、サーボモータにより駆動される工具の種
   別を認識すると共に、回転指令を出力する指令部と、こ
   の回転指令出力とサーボモータからの帰還位置信号とに
   基づいてサーボモータを駆動するための速度信号を生成
   する位置比較部と、この位置比較部で生成された速度指
   令とサーボモータからの帰還速度信号とに基づいて、サ
   ーボモータのトルク指令を出力する速度制御部とを有し
   たサーボモータ制御装置であって、 前記指令部で識別したサーボモータにより駆動される工
   具の種別に応じて前記速度制御部の速度ループゲインを
   変更する速度ループゲイン設定部を備えたことを特徴と
   する工作機械に用いられるサーボモータ制御装置。