JP2009089774A - ミシンのｘｙ軸モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被縫製物の移動量に基づいて、ミシン主軸に同期させた正確な位置決め制御を行なうことのできるＸＹ軸モータ制御装置を提供する。
【解決手段】移動量検出センサと、移動量検出センサが検出する被縫製物の移動量からフィードバック用位置情報を演算する位置演算部と、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれ配設されたエンコーダと、各エンコーダのエンコーダ信号に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれのフィードバック用速度を演算する速度演算部と、制御部から与えられる縫製の位置情報およびフィードバック用位置情報に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転速度を算出する位置偏差演算器と、フィードバック速度および回転速度に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転トルクを算出する速度偏差演算器と、各回転トルクに基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれモータ電流を供給する電流アンプとを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、XY方向自動送り縫いミシンに用いられるＸＹ軸モータ制御装置に関する。

模様縫いミシンやパターン縫いミシン等のＸＹ方向自動送り縫いミシンにおいては、主軸モータの回転駆動に伴い上下動する針棒と同期させて被縫製物をＸ方向およびＹ方向に移動することにより、縫製を行っている。

図６は、そのＸＹ方向自動送り縫いミシンの一例として、上下の枠（上下枠）２１で被縫製物の縫製範囲の外周を挟み込み、前記上下枠２１をＸＹ方向に移動させることにより被縫製物を移動させる構成のＸＹ方向自動送り縫いミシン２０の外観の概略を示している。

前記ＸＹ方向自動送り縫いミシン２０では、被縫製物を挟んだ上下枠２１は枠支持部に公知の固定方法で固定され、ＸＹ方向自動送り縫いミシン２０に対して所定位置に正確にセットできるようになっている。そして、枠支持部２２にセットされた上下枠２１は、ＸＹ位置決め装置３０によりＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ進退可能とされている（特許文献１参照）。

前記ＸＹ位置決め装置３０としては、前記特許文献１に開示されたラックアンドピニオン機構を用いる構成の他、例えば、図７に示すように、Ｙ方向への移動用として、エンコーダ３１を内蔵するモータ３２の回転軸に連接されたプーリ３３と、軸受部３４ａにより従動回転自在に配設された対をなすプーリ３４との間にタイミングベルト３５を張架してなるＹ軸駆動部ＹＤ１、ＹＤ２を左右に平行配置するとともに、Ｘ方向への移動用として、一方のＹ軸駆動部ＹＤ１のタイミングベルト３５の一部に固定されたベース３６に配設されたエンコーダ３１を内蔵するモータ３２の回転軸３２ａに連接されたプーリ３３と、他方のＹ軸駆動部ＹＤ２のタイミングベルト３５の一部に固定されたベース３６に配設したプーリ３４との間にタイミングベルト３５を張架してなるＸ軸駆動部ＸＤを配置し、前記枠支持部２２をこのＸ軸駆動部ＸＤのタイミングベルト３５の一部に固定した構成も例示することができる。

そして、これらの構成のＸＹ方向自動送り縫いミシン２０にける被縫製物の位置決めは、Ｘ軸駆動部ＸＤおよび各Ｙ軸駆動部ＹＤ１、ＹＤ２のモータ３２に配設されたエンコーダ３１のパルス信号に基づいて各モータ３２の駆動を制御することでなされている。そして、ＸＹ方向自動送り縫いミシン２０の主軸モータの回転運動と同期させて正確に被縫製物をＸＹ方向へ移動させる位置決めの制御は、仕上がりの品質に関わり、とても重要である。

特開平０９−０２８９５６号公報（第５図）

しかしながら、前述の構成のＸＹ方向自動送り縫いミシン２０においては、被縫製物の位置制御を行なう基準の位置情報を検出するエンコーダ３１は、被縫製物とモータ３２との間に弾性体であるタイミングベルト３５等が介在するため、被縫製物とエンコーダ３１との間に伸び・縮み等によるズレが生じ、実際の正確な位置情報の検出ができないことがあった。

また、ＸＹ方向自動送り縫いミシン２０における被縫製物をＸＹ方向に移動させるための方法としては、他に、表面が樹脂製等からなるローラにより被縫製物を挟み込んだ状態で前記ローラを回転させ、被縫製物をＸＹ方向に移動させる方法もあるが、その場合においても、ローラと被縫製物との間に滑りが生じるため、やはり、被縫製物とモータエンコーダ３１の位置情報との間に乖離が生じていた。

そこで、被縫製物を挟み込む上下枠２１の部分にリニアエンコーダを配設したり、ローラの部分にロータリーエンコーダを配設するなどして位置情報の検出を正確に行なうことも考えられた。しかしながら、被縫製物は主に伸縮性を有する布等であるため、伸びや弛みが生じるので、縫製位置を正しく検出することはやはり困難である。

また、生産性の向上がますます望まれているため、ＸＹ位置決め装置３０の駆動もさらに高速化が図られているが、Ｘ軸駆動部ＸＤ、Ｙ軸駆動部ＹＤを高速で加速させたり、減速させたりする際には、被縫製物を挟む上下枠２１等が強い衝撃を受けることになる。そのため、Ｘ軸駆動部ＸＤ、Ｙ軸駆動部ＹＤ自体の位置精度はきちんと出せていても、被縫製物を挟み込んで保持する上下枠２１に振動や煽りが作用し、縫製物自体の位置精度を確保できないこともある。

そして、被縫製物の位置情報の誤差により、正確な位置決め制御が行えないと、縫いピッチがばらついて縫製品質が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明は、被縫製物の移動量に基づいて、ミシン主軸と同期させてＸ軸駆動部ＸＤおよびＹ軸駆動部ＹＤの制御を行い、正確な位置決め制御を行なうことのできるミシンのＸＹ軸モータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のミシンのＸＹ軸モータ制御装置においては、ミシンの針位置近傍に配設されたセンサが検出した被縫製物の移動量に基づき、フルクローズド位置制御系を構成して、Ｘ軸駆動部およびＹ軸駆動部のモータの駆動を制御する点にある。

すなわち、本発明の第１の特徴点は、縫製位置近傍に配設された移動量検出センサと、移動量検出センサが検出する被縫製物の移動量からフィードバック用位置情報を演算する位置演算部と、Ｘ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれ配設されたエンコーダと、各エンコーダのエンコーダ信号に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれのフィードバック用速度を演算する速度演算部と、前記位置情報およびフィードバック用位置情報に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転速度を算出する位置偏差演算器と、前記フィードバック速度および回転速度に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転トルクを算出する速度偏差演算器と、前記各回転トルクに基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれモータ電流を供給する電流アンプとを備えている点にある。

このように、位置情報に移動量検出センサが検出する被縫製物の移動量の情報を反映させ、前記Ｘ軸モータおよびＹ軸モータの駆動を制御するフルクローズド位置決め制御を行なうことで、従来のようにエンコーダの位置情報にのみ頼る位置決め制御よりも、正確な位置決め制御が可能となる。

また、本発明の第２の特徴点は、速度偏差演算器で算出された回転トルクと前記フィードバック用速度とに基いて外乱を検出する外乱オブザーバを備えている点にある。

外乱オブザーバを備えることで、外乱を相殺、除去することができ、ロバスト（強固）な加速度制御系を構築することができる。ロバスト性を確保することで、摩擦、外乱等に対する影響を抑えた制御（外乱抑制制御）が可能となり、各軸の同期性の向上も図ることができる。

さらに、第３の特徴点は、速度偏差演算器で算出された回転トルクと前記フィードバック用速度とに基いて軸ねじれ反力を推定する軸ねじれ反力推定オブザーバを備えている点にある。

このように、軸ねじれ反力推定オブザーバを備えることで、各モータと被縫製物との間にタイミングベルトやボールねじ等の弾性体が存在して振動を生じやすい二慣性系の負荷に対しても、共振周波数を任意に設定することが可能となり、振動抑制制御を行うことができる。

そして、第４の特徴点は、前記位置演算部に代えて、前記軸ねじれ反力推定オブザーバで検出された軸ねじれ反力と移動量検出センサが検出した被縫製物の移動量とに基づいて位置ズレ量に関する外乱を検出する負荷側外乱オブザーバと、前記位置ズレ量に関する外乱を位置データに変換してフィードバック用位置情報とする逆システムとを備えている点にある。

このように、位置演算部として負荷側外乱オブザーバおよび逆システムを適用することにより、片軸の移動による他軸の負荷質量の変動、他軸に印加される外乱、剛性などのパラメータ変動により生じる外乱をまとめて補償することが可能となる。

本発明のＸＹ軸モータ制御装置は、被縫製物の移動量に基づいて、ミシン主軸と同期させてＸ軸駆動部およびＹ軸駆動部の制御を行い、正確な位置決め制御を行なうことができ、縫製品質を向上させることができ、しかも製造コストも安価であるという優れた効果を奏する。

以下、本発明のミシンのＸＹ軸モータ制御装置の実施形態について説明する。なお、ＸＹ軸モータ駆動制御装置には、前述のＸ軸駆動部ＸＤにおけるエンコーダ３１が内蔵されたパルスモータ（以下、Ｘ軸モータ３２という）、Ｙ軸駆動部ＹＤにおけるエンコーダ３１が内蔵されたパルスモータ（以下、Ｙ軸モータという）がそれらの回転駆動を制御可能に接続されているものとする。その他、前述のＸＹ方向自動送り縫いミシン２０と同じ構成については説明を省略する。

図１は、本発明のミシンのＸＹ軸モータ制御装置の第１実施形態の全体ブロック図である。第１実施形態においては、ミシンのＸＹ軸モータ制御装置は、針位置近傍に移動量検出センサ１１を１つ備えている。図２は、本実施形態のミシンのＸＹ軸モータ制御装置を構成する移動量検出センサ１１の、ミシンの針Ｎ及び針落ち位置ＮＰに対する配設位置関係を示しており、（ａ）は側方からの視野図、（ｂ）は上方からの視野図である。また、図３は、その移動量検出センサ１１の概略構成を示す。

この移動量検出センサ１１は、パーソナルコンピュータの操作用等に汎用されている光学式マウス用のセンサと同じ構成とする。すなわち、移動量検出センサ１１は、被縫製物Ｃ、すなわち、布の移動量を非接触で検出するための機能がパッケージケース内に収納されている。具体的には、主たる構成部材として、照明用の半導体レーザ（ＬＥＤ）１２、イメージセンサ１３、マイクロプロセッサ１４、レンズ１５を備え、被測定物としての被縫製物Ｃの移動距離をＸ方向、Ｙ方向に分けてシリアルデータとして出力する公知の構成とする。前記イメージセンサ１３の解像度としては、４００ｄｏｔ／ｉｎｃｈ（０．０６４ｍｍ）あれば被縫製物Ｃの織り目を検出し、移動量を測定するのに十分である。この移動量検出センサ１１は、１つのセンサで被縫製物ＣのX方向とＹ方向の移動量を検出することが可能なため、ＸＹ方向の検出用に１個、配設されていればよい。

また、前記ＸＹ軸モータ制御装置内には、図１に示すように、ミシン本体の制御部（不図示）から送信される、ミシン主軸と同期させた、縫製データに基づく位置指令（位置情報）を受けて位置偏差を演算する位置偏差演算器、その位置偏差演算器から送出される速度指令を受けて速度偏差を演算する速度偏差演算器、その速度偏差演算器から送出されるトルク指令をモータ電流に変えてＸ軸モータ３２に供給する電流アンプ、Ｘ軸モータに配設されたエンコーダ３１のエンコーダ信号を受けてタイミングベルト３５の搬送速度を比例演算する速度演算部が配設されている。なお、図１には、前記ＸＹ軸モータ制御装置内のＸ軸分のみの制御系を示しているが、前記制御系はＹ軸に関しても共通である。

そして、本実施形態においては、前記ＸＹ軸モータ制御装置内には、前記移動量検出センサ１１から送出される被縫製物Ｃの移動量に関する情報を位置情報に変換する位置演算部が配設されており、この位置情報は、前記位置偏差演算器にフィードバックされ、そこに送信される位置指令と比較を行なうことでフルクローズドの位置決め制御を行なうことが可能に構成されている（この構成を「フルクローズド位置制御系」という）。

このように、位置情報に移動量検出センサ１１が検出する被縫製物Ｃの移動量の情報を反映させ、前記Ｘ軸モータ３２およびＹ軸モータ３２の駆動を制御するフルクローズド位置決め制御を行なうことで、従来のようにエンコーダ３１の位置情報にのみ頼る位置決め制御よりも、正確な位置決め制御が可能となる。

また、図４は、本発明のミシンのＸＹ軸モータ制御装置の第２実施形態の全体ブロック図であり、前述の第１実施形態のミシンのＸＹ軸モータ制御装置に、さらに、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバ及び軸ねじれ反力フィードバックゲイン（Ｋｒ）からなる、二慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御装置が配設されている。

すなわち、速度偏差演算器で算出された回転トルクとフィードバック用速度に基いて外乱を検出する外乱オブザーバが、検出された外乱を相殺除去した回転トルクを電流アンプに入力するとともに、速度偏差演算器で算出された回転トルクと前記フィードバック用速度に基いて軸ねじれ反力（位置ずれ量）を推定する軸ねじれ反力推定オブザーバを用い、軸ねじれ反力のフィードバックゲイン（Ｋｒ）を経て、推定された軸ねじれ反力を補償した回転速度を速度偏差演算器に入力することで、制御系にフィードバックし、負荷の状態を反映させるように構成されている。

すなわち、外乱オブザーバをモータ側に適用することにより、唯一の負荷側の情報である軸ねじれ反力を相殺、除去してしまうため、負荷側の振動を誘発することが懸念される。よって、外乱オブザーバと略同じ構成を備えた軸ねじれ反力推定オブザーバを利用して軸ねじれ反力の推定を行なう。

このように、モータ側に外乱オブザーバを備えることで、モータ３２に作用する各種外乱を相殺、除去することができ、ロバスト（強固）な加速度制御系を構築することができる。ロバスト性を確保することで、摩擦、外乱等に対する影響を抑えた制御（外乱抑制制御）が可能となり、各軸の同期性の向上も図ることができる。

また、軸ねじれ反力推定オブザーバを備えることで、各モータ３２と被縫製物Ｃとの間にタイミングベルト３５やボールねじ等の弾性体が存在して振動を生じやすい二慣性系の負荷に対しても、共振周波数を任意に設定することが可能となり、二慣性共振負荷の振動抑制制御を行うことができる。そして、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いた振動抑制制御は、センサを追加することなどが不要となるため、特にコストを上げることもなく、構成することができる。

また、図５は、本発明のミシンのＸＹ軸モータ制御装置の第３実施形態の全体ブロック図であり、前述の第２実施形態のミシンのＸＹ軸モータ制御装置における位置演算部に代えて、前記軸ねじれ反力推定オブザーバで検出された軸ねじれ反力と移動量検出センサ１１が検出した被縫製物Ｃの移動量とに基づいて位置ズレ量に関する外乱を検出する負荷側外乱オブザーバと、前記位置ズレ量に関する外乱を位置データに変換してフィードバック用位置情報とする逆システムとが配設されている。

このように、ミシンのＸＹ軸モータ制御に負荷側外乱オブザーバおよび逆システムを適用することにより、片軸の移動による他軸の負荷質量の変動、他軸に印加される外乱、剛性などのパラメータ変動により生じる外乱をまとめて補償することが可能となる。すなわち、片軸の移動により他軸が受ける外乱に対してロバスト性を有するため、容易に同期制御を実現するkとが可能となる。外乱オブザーバに基づく制御法であるため、振動抑制効果を持ちながらロバスト性も確保することができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、Ｙ軸モータは前述のように左右一対のＹ軸駆動部とせず、片軸のみの駆動であってもよい。その場合には、Ｙ軸モータも１つとなる。さらに、各図に示すブロック図の速度演算部においては、比例制御を用いるが、比例積分制御や、比例微分制御、比例積分・微分制御を用いてもよい。

本発明のＸＹ軸モータ制御装置の第１実施形態のブロック図 第１実施形態のＸＹ軸モータ制御装置における移動量検出センサの（ａ）は、ミシンの針及び針落ち位置ＮＰに対する配設位置関係を示す側方からの視野図、（ｂ）は、上方からの視野図 第１実施形態のＸＹ軸モータ制御装置における移動量検出センサ（各実施形態に共通） 本発明のＸＹ軸モータ制御装置の第２実施形態のブロック図 本発明のＸＹ軸モータ制御装置の第３実施形態のブロック図 ＸＹ軸モータ制御装置が配設されるＸＹ方向自動送り縫いミシンの一例を示す全体図 ＸＹ方向自動送り縫いミシンのＸＹ位置決め装置の構成の一例を示す全体図

符号の説明

１１ 移動量検出センサ
１２ 半導体レーザ（ＬＥＤ）
１３ イメージセンサ
１４ マイクロプロセッサ
１５ レンズ
２０ ミシン
２１ 上下枠
２２ 枠支持部
３０ ＸＹ位置決め装置
３１ エンコーダ
３２ モータ
３２ 軸
３３、３４ プーリ
３５ タイミングベルト
３６ ステージ
Ｃ 被縫製物（布：Cloth）
Ｎ ミシン針
ＮＰ 針落ち位置
ＸＤ Ｘ軸駆動部
ＹＤ Y軸駆動部

Claims (4)

1. 縫製データの位置情報に基づいて被縫製物をミシンの針落ち部へ位置させるべく、前記被縫製物をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動部のＸ軸モータおよび前記被縫製物をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動部のＹ軸モータのそれぞれの駆動を制御するミシンのXY軸モータ制御装置であって、
   縫製位置近傍に配設された移動量検出センサと、
   移動量検出センサが検出する被縫製物の移動量からフィードバック用位置情報を演算する位置演算部と、
   前記Ｘ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれ配設されたエンコーダと、
   各エンコーダのエンコーダ信号に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれのフィードバック用速度を演算する速度演算部と、
   前記位置情報およびフィードバック用位置情報に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転速度を算出する位置偏差演算器と、
   前記フィードバック速度および回転速度に基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータのそれぞれの回転トルクを算出する速度偏差演算器と、
   前記各回転トルクに基づいてＸ軸モータおよびＹ軸モータにそれぞれモータ電流を供給する電流アンプと
   を備えていることを特徴とするミシンのＸＹ軸モータ制御装置。
2. 前記速度偏差演算器で算出された回転トルクと前記フィードバック用速度とに基いて外乱を検出する外乱オブザーバを備えていることを特徴とする請求項１に記載のミシンのＸＹ軸モータ制御装置。
3. 前記速度偏差演算器で算出された回転トルクと前記フィードバック用速度とに基いて軸ねじれ反力を推定する軸ねじれ反力推定オブザーバを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミシンのＸＹ軸モータ制御装置。
4. 前記位置演算部に代えて、
   前記軸ねじれ反力推定オブザーバで検出された軸ねじれ反力と移動量検出センサが検出した被縫製物の移動量とに基づいて外乱を検出する負荷側外乱オブザーバと、
   前記位置ズレ量に関する外乱を位置データに変換してフィードバック用位置情報とする逆システムと
   を備えていることを特徴とする請求項３に記載のミシンのＸＹ軸モータ制御装置。

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