JP2002291274A - 多軸モータ制御装置 - Google Patents

多軸モータ制御装置

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JP2002291274A JP2001087644A JP2001087644A JP2002291274A JP 2002291274 A JP2002291274 A JP 2002291274A JP 2001087644 A JP2001087644 A JP 2001087644A JP 2001087644 A JP2001087644 A JP 2001087644A JP 2002291274 A JP2002291274 A JP 2002291274A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 各軸の必要電力の合計がコンバータの能力を
超える場合においても、生産性を落とすことのない簡素
で小型な多軸モータ制御装置を提供する。 【解決手段】 コンバータ3と、コンバータ3に接続さ
れて主軸モータ9の速度を制御する主軸制御器5と、複
数の送りモータ10,11の速度を制御する複数の送り
制御器7,8とを有し、主軸制御器5と複数の送り制御
器7,8に対する速度指令を一括して上位制御装置から
受け取り、その指令を解読して主軸制御器5と複数の送
り制御器7,8とに分配する軸制御ブロック4をコンバ
ータ3に備えるものであり、主軸制御器5と複数の送り
制御器7,8とに与えられる速度指令と、予め設定され
た各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の
必要電力の合計がコンバータ3の能力を超える場合のみ
に主軸の速度指令の増減率を制限するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械その他
の多軸駆動系の駆動制御に用いられる多軸モータ制御装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年の工作機械では、機械の効率向上や
生産性向上のために、送りモータおよび主軸モータの高
速化や高加減速化が図られている。また、省配線や省ス
ペースのために共通コンバータ等の共通電源を使用する
システムが増加している。しかしながら、共通コンバー
タを用いて高速化や高加減速を達成しようとすると、最
悪の場合を考えて各軸の瞬時最大電力を基に共通コンバ
ータの容量を決定しているため、大きなコンバータが必
要となり、低コストや低スペースが実現できなくなって
きている。この様な観点から、特開平8−140388
号公報に開示の技術「共通電源インバータ制御装置」が
提案されている。この共通電源インバータ制御装置は、
共通の電源に接続されて電動機負荷を運転する複数のイ
ンバータ装置と、このインバータ装置で運転される電動
機の回転速度を検出する速度検出器と、この速度検出器
より検出された前記回転速度からその回転速度に対応し
た負荷トルクを求める負荷トルク演算装置と、予め設定
された負荷の慣性モーメントと加減速レートより前記電
動機の加減速時に必要な加減速トルクを演算する加減速
トルク演算回路と、前記負荷トルクと前記加減速トルク
より前記電動機の出力トルクを演算する電動機トルク演
算回路と、前記電動機の回転速度と前記電動機の出力ト
ルクとから前記電動機の出力容量を演算する電動機出力
容量演算回路と、各々の出力容量を総計して全電動機の
総出力容量を演算する総出力容量演算回路と、前記総出
力容量と共通電源の許容出力容量とを比較して共通電源
の出力を制限するパワー制限回路と、このパワー制限回
路の出力と予め設定された各々の負荷の機械側制限値と
前記負荷慣性モーメントと前記インバータ装置のトルク
制限値から優先順位を加味して各々のインバータ装置の
加減速レートを演算する加減速レート演算回路とを具備
しているものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の制御装置では、電動機総出力容量が共通電源の許容
出力容量を超えた場合には、各電動機駆動系の負荷慣性
モーメントの大きい順に該当インバータ装置の加減速レ
ートを順次演算指示するものであるため、装置が複雑か
つ高価となるばかりか、駆動時間が長引き、負荷のワー
ク時間の長い制御装置となり生産性が落ちることが起き
た。そこで、この発明は、適切な共通コンバータを選択
でき、生産性を落とすことなく、簡素で小型な制御装置
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、請求項1記載の多軸モータ制御装置の発明は、交流
電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバー
タに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器
と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御
器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対す
る速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その
指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器
とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた
多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の
前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定さ
れた各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸
の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合
のみに主軸の速度指令の増減率を制限する速度指令増減
率制限手段を備えることを特徴とする。また、請求項2
記載の発明は、交流電源を直流電源に変換するコンバー
タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記
主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度
指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電
力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータ
の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止す
るトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする。さ
らに、請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の
多軸モータ制御装置において、交流電源を直流電源に変
換するコンバータを主軸制御器または送り制御器の何れ
かに内蔵したことを特徴とする。以上の構成により、適
切な共通コンバータを選択でき、負荷のワーク時間を徒
に延長させることのない生産性のよい、簡素で小型な制
御装置が得られる。
【0005】
【発明の実施の形態】図1は、この発明による装置のブ
ロック構成図である。図において、上位の制御装置であ
るNC制御装置1は、主軸モータ9、X軸モータ10、
Y軸モータ11に対する指令作成および位置や速度等の
状態を監視して工作機械を制御する。コンバータ3は交
流電源に接続され、受電交流電力を直流に変換して共通
の直流電源となる。コンバータ3の出力は主軸制御器
5、および送り制御器としてのX軸送り制御器7とY軸
送り制御器8とに並列接続されて、各制御器に直流電力
を供給する。この直流電力により、主軸制御器5は主軸
モータ9を駆動制御し、X軸送り制御器7はX軸モータ
10を駆動制御し、Y軸送り制御器はY軸モータ11を
駆動制御する。また、コンバータ3には軸制御ブロック
4が設けられている。軸制御ブロック4は、NC制御装
置1が作成した主軸モータ9、X軸モータ10、Y軸モ
ータ11に対する指令を、伝送ケーブル2を介して受信
して、運転パターンを解析した加工信号を、伝送ライン
6を介して主軸制御器5、X軸送り制御器7、Y軸送り
制御器8に送信する。軸制御ブロック4はまた、主軸、
X軸、Y軸の慣性を予め設定する手段も備えている。か
くして、主軸制御器5は、コンバータ3内部の軸制御ブ
ロック4で作成された指令を伝送ライン6を介して受信
し、この信号に基づいて主軸モータ9の速度を制御す
る。
【0006】図3は、主軸モータ9と、X軸モータ10
と、Y軸モータ11の運転例を示している。図3(a)
は、主軸モータ9の経時的運転特性例を示すもので、主
軸速度N1、主軸トルクT1 、主軸電力P1 の経時変化
が示されている。ここで、主軸電力の最大値はP1maxと
なる。図3(b)はX軸モータ10の経時的運転特性例
が示されている。X軸速度N2 とX軸トルクT2 とに対
応するX軸電力P2 が示されいてる。この場合のX軸電
力の最大値はP2maxとなる。また、図3(c)は、Y軸
モータ11の経時的運転特性例が示されている。図にお
いて、Y軸速度N3 とY軸トルクT3 とに対応するY軸
電力P3 が示され、Y軸電力の最大値はP3maxとなる。
これらの各軸電力の和は、図3(d)の様になる。軸電
力の和の最大値はPmax として示されている。これらの
一連の特性図から、軸送りモータの運転時間は比較的短
時間であることが分かり、かつ、軸送りが完結しない
と、主軸による加工動作も完結できないことから、軸電
力の和Pmax (=P1max+P2 max +P3max)がコンバ
ータ3の許容電力Pcompを超過する場合は、軸送りモー
タの駆動を優先させ、主軸モータを可変運転することが
合理的であると言える。
【0007】次に、この思想に基づくこの発明による処
理フローを説明する。図4は、この発明による第一の処
理フロー例を示している。まず、NC制御装置1(図
1)から軸制御ブロック4を介して主軸制御器5に与え
られる指令が、図4(b)に示される様に、サンプリン
グ毎にΔN1 〔r/min〕ずつ増減するパターンで与
えられる時、時刻t1 における主軸制御器5の必要とす
る最大電力P1 max は、式(1)となる。 P1max=2π×N1 ×T1 /60 ・・・・・・ (1) 但し、T1 はトルク〔Newton/m〕 同様に、X軸送り制御器7に与えられる指令がサンプリ
ング毎にΔN2 ずつ増減し、Y軸送り制御器8に与えら
れる指令がサンプリング毎にΔN3 ずつ増減するとする
と、各制御器7、8が必要とする最大電力P2maxとP3m
axとは、それぞれ式(2)および式(3)となる。 P2max=2π×N2 ×T2 /60 ・・・・・・・ (2) P3max=2π×N3 ×T3 /60 ・・・・・・・ (3) 従って、各軸の必要電力の合計Pmax は式(4)とな
る。 Pmax =P1max+P2max+P3max ・・・・・・・ (4) また、各軸のトルクT1 、T2 、T3 は、予め設定され
た主軸系の慣性J1 、X軸系の慣性J2 、Y軸系の慣性
J3 をそれぞれ使って以下の式(5)〜(7)で算出で
きる。 T1 =J1 ×ΔN1 /Δt ・・・・・・・ (5) T2 =J2 ×ΔN2 /Δt ・・・・・・・ (6) T3 =J3 ×ΔN3 /Δt ・・・・・・・ (7) かくして、計算された各軸の必要電力P1max、P2max、
P3maxの合計Pmax が図4(a)のAステージで計算さ
れる。この合計計算値Pmax は、コンバータ3の許容電
力PcompとBステージで比較され、コンバータ3の許容
電力Pcompと等しいかそれより小さいときは、Yesと
判断されて、NC制御器1から与えられる指令を各軸の
制御器5、7、8に転送して各軸運転Cステージを継続
する。すなわち、図4(b)において、各サンプリング
毎にΔN1 〔r/min〕ずつの増加(2点鎖線)が継
続される。しかしながら、合計電力Pmax がコンバータ
3の許容電力Pcompを超える場合には、BステージでN
oと判断され、Dステージに移行し、コンバータ3の許
容電力Pcompから各送り軸の動作に必要な電力を差し引
いた残りの電力P1 ’maxを式(8)より得る。 P1 ’max =Pcomp−P2max−P3max ・・・・・・・(8) 次いで、この残余電力P1 ’max で許容できる速度増加
分ΔN1 ’/Δtを式(9)より得る。 ΔN1 ’/Δt=P1 ’max /(J1 ×N1 ×60×2π)・・・・・(9) この速度指令は、必要電力の合計がコンバータ3の能力
を超える場合のみに、主軸の速度指令の増減率を制限す
る手段が軸制御ブロック4に在る場合は、主軸制御器5
に送信して主軸のみを減速又は増速制御する。必要電力
の合計がコンバータ3の能力を超える場合のみに主軸の
速度指令の増減率を制限する手段が主軸制御器5に在る
場合は、送信すること無く、直に制御する。その後、X
軸又はY軸の一方又は両方の動作が終了するなどして、
必要電力の合計Pmax がコンバータ3の許容電力Pcomp
よりも小さくなれば、増減速制限指令は解除されて、N
C制御装置1より与えられた指令に戻して制御される。
その結果、必要電力の合計がコンバータ3の能力を超え
る場合は、主軸制御器5の発する速度指令のサンプリン
グ時間当たりの増加率はΔN1 からΔN1 ’と小さくな
り、必要電力の合計はコンバータ3の許容電力内に納ま
り、コンバータ3の異常等を回避することができる。す
なわち、主軸モータ9の速度指令パターンの例を示す図
4(b)において、運転中に、X軸モータかY軸モータ
の何れか又は双方が加速するなどして、時点t1 に必要
電力の合計Pmax がコンバータ3の許容電力Pcompより
大きくなると、速度変化量をΔN1 からΔN1 ’に変更
して速度変化分を小さくして主軸系の必要電力を抑え
る。その後、時点t2 に至って、必要電力の合計Pmax
がコンバータ3の許容電力Pcompより小さくなると、速
度変化量をΔN1 に戻して定常運転に戻る。
【0008】以上は、コンバータを各軸の制御器と別置
きとした例を示したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、コンバータを各軸の何れかの軸の制御器に内
蔵させても同様の効果が得られる。図2はこの変形例を
示すもので、図2(a)は、コンバータ3を主軸制御器
5内に内蔵させ、このコンバータ3に設けた軸制御ブロ
ック4から伝送ライン6を介して主軸制御器5と、X軸
送り制御器7と、Y軸送り制御器8とに信号を伝送する
構成として装置を小型化する例を示している。また、図
2(b)は、X軸送り制御器7にコンバータ3を内蔵さ
せて装置を小型化した例を示している。この場合、コン
バータ3に設けた軸制御ブロック4は、NC制御装置1
からの指令に基づく加工信号を伝送ライン6を介してX
軸送り制御器7自身と左右に配置された主軸制御器5と
Y軸送り制御器8とに供給する。このように構成するこ
とにより、別置きであったコンバータを制御器に内蔵さ
せることができ、したがって小型化が可能となる。
【0009】図5は第二の処理フロー例を示す。この例
の場合、軸制御ブロック4は、速度指令と共にトルク制
限値を出力するものとすることができる。この場合も、
図5(a)で示すステージAでは、各軸の必要電力P1m
ax、P2max、P3maxを算出し、更にこれらの必要電力の
合計Pmax を算出する。次いで、Bステージでは、必要
電力の合計Pmax とコンバータ3の許容電力Pcompとを
比較し、必要電力の合計Pmax がコンバータ3の許容電
力Pcompと等しいかそれより小さい場合、Yesと判断
され、ステージCに移行し、予め設定されたトルク制限
値で各軸が運転される。しかし、必要電力の合計Pmax
がコンバータ3の許容電力Pcompを超える場合、Noと
判断されてEステージに移行する。ここでは、コンバー
タ3の許容電力Pcompから各送り軸(X軸、Y軸)の動
作に必要な電力を差し引いた残りの電力P1 ’max を
(8)式から得る。次いで、残余電力P1 ’max で許容
できるトルク制限値T1 ’lim を式(10)から得る。 T1 ’lim =P1 ’max ×2π/(N1 ×60) ・・・・・・(10) このトルク制限値は、各軸の必要電力の合計がコンバー
タ3の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑
止する手段が軸制御ブロック4にある場合は、主軸制御
器5に送信され、主軸モータ9は逓減トルク運転に移行
する。また、各軸の必要電力の合計がコンバータ3の能
力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止する手
段が主軸制御器5に在る場合は、直に逓減トルク運転を
指令する。図5(b)はこの例のトルク制限パターンを
示している。NC制御装置1の指令によりトルク制限値
T1limで運転中に、X軸モータ又はY軸モータ或いは双
方のモータの加速等により、時点t1 で、必要電力の合
計Pmax がコンバータ3の許容電力Pcompを超えると、
主軸制御器5に与えるトルク制限値をT1 ’lim に変更
して、逓減トルク運転に移行し、消費電力を逓減する。
その後、時点t2 に至り、必要電力の合計Pmax がコン
バータ3の許容電力Pcompより小さくなるとトルク制限
値の抑止値T1 ’lim は解除され、通常のトルク制限値
T1limに戻される。その結果、主軸モータ9の速度は、
一点鎖線で示される様に、時点t1 と時点t2 の区間に
おいては速度の増加は緩やかになり、主軸制御器5に必
要な電力は軽減される。尚、上記の実施態様において
は、加速中の動作について説明したが、減速中のパター
ンについても、全軸の減速時に発生する回生電力がコン
バータ3の許容回生電力を超える場合は、主軸の減速率
を落とすか、又は主軸の減速側トルク制限を下げること
で、コンバータ3を保護することができる。また、上記
実施態様では、主軸1軸と送り軸が2軸のシステムで説
明したが、送り軸が3軸以上の多軸システムにおいても
同様な効果が得られる。更に、コンバータを各軸の制御
器と別置きとせずに、何れかの軸の制御器に内蔵させて
も同様の効果が得られる。
【0010】
【発明の効果】この発明によれば、交流電源を直流電源
に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて
主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送り
モータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、主
軸制御器と複数の送り制御器に対する速度指令を一括し
て上位制御装置から受け取り、その指令を解読して主軸
制御器と複数の送り制御器とに分配する軸制御ブロック
を前記コンバータに備えるものであり、前記主軸制御器
と複数の送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設
定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、
各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える
場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する手段、或
いは、主軸のトルク制限値を抑止する手段を備える多軸
モータ制御装置を構成するものであるので、負荷のワー
ク時間を徒に延長することが無く、生産性を落とすこと
が無く、コンバータの保護と容量逓減を図ることがで
き、簡素で小型な多軸モータ制御装置を提供できる効果
が得られる。すなわち、本願は送りドライブを優先さ
せ、一般的に加減速時間の長い主軸モータドライブの加
減速を一時的に制限することで、工作機械の生産性を損
なわずにコンバータの小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による多軸モータ制御装置のブロック
構成図である。
【図2】この発明による他の実施態様による多軸モータ
制御装置のブロック構成図であり、図2(a)は、主軸
制御器にコンバータを内蔵させた例、図2(b)は、X
軸送り制御器にコンバータを内蔵させた例を示してい
る。
【図3】この発明による多軸モータ制御装置による各軸
の運転例を示す特性図である。
【図4】この発明による多軸モータ制御装置の第一の処
理フローを示すもので、図4(a)は、主軸の速度を加
減速制御する場合の処理フロー図、図4(b)は、主軸
の速度制御パターン図である。
【図5】この発明による多軸モータ制御装置の第二の処
理フローを示すもので、図5(a)は、主軸のトルク制
限値を抑止制御する場合の処理フロー図、図5(b)
は、主軸のトルク制限パターン図である。
【符号の説明】
1 NC制御装置 2 伝送ケーブル 3 コンバータ 4 軸制御ブロック 5 主軸制御器 6 伝送ライン 7 X軸送り制御器 8 Y軸送り制御器 9 主軸モータ 10 X軸モータ 11 Y軸モータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H269 AB01 BB01 CC01 CC17 DD01 EE01 5H572 AA14 BB02 BB03 CC05 DD02 FF01 GG02 HB07 HC07 JJ03 JJ28 KK04 KK08 LL01 LL21

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源を直流電源に変換するコンバー
    タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
    制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
    する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
    該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
    から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
    数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
    コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、 前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる
    速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必
    要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバ
    ータの能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率
    を制限する速度指令増減率制限手段を備えることを特徴
    とする多軸モータ制御装置。
  2. 【請求項2】 交流電源を直流電源に変換するコンバー
    タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
    制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
    する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
    該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
    から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
    数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
    コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、 前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる
    速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必
    要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバ
    ータの能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑
    止するトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする
    多軸モータ制御装置。
  3. 【請求項3】 交流電源を直流電源に変換するコンバー
    タを、主軸制御器または送り制御器の何れかに内蔵した
    ことを特徴とする請求項1または2記載の多軸モータ制
    御装置。
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