JP4099503B2 - 回転軸の定位置停止制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械などの回転軸を所望の位置に停止させるのに使用される回転軸の定位置停止制御装置に関する。

工作機械、例えばＣＮＣなどのモータの回転軸を所望の位置に停止させる定位置停止制御においては、停止の際に基準となる機械的原点を回転軸上に定めると共に、固定側にも基準点が定められる。

回転軸の定位置停止制御装置においては、当初は、上位制御装置により作成された速度指令と所定の速度指令とのうちの一方が使用される速度制御が行われる。そして、所望の停止位置が停止位置指令として作成されると、回転軸の速度制御から回転軸の位置制御への切換えが行われる。その後、位置制御により回転軸は停止位置において停止する。

図５は、例えば特許文献１に開示されるような従来技術における回転軸の現在速度と時間との間の関係を示す図である。図５に示されるように、区間Ｚ１においては回転軸は上位制御装置からの指令に応じて一定速度Ｖ０で速度制御されている。そして、回転軸を停止させる必要が生じる（時刻Ｔ１）と、区間Ｚ２に示されるように回転軸の速度を所定の速度ＶＺまで徐々に低下させる。回転軸の速度が速度ＶＺまで低下すると、回転軸の制御は時刻Ｔ２において速度制御（区間Ｚ２）から位置制御（区間Ｚ３）へと切換わるようになる。
特開平６−１９５１１８号公報

従来技術の位置制御においては、回転軸が停止するまでの総移動量が停止位置指令として一度に入力される。そして、区間Ｚ３における回転軸の速度指令はポジションゲインＰＧを用いて以下の式（１）により表される。
「速度指令」＝「ＰＧ」×「回転軸の位置偏差」 （１）
この式（１）により表される速度指令は下に凸な指数関数曲線を時間に対して描く。

ところが通常は、上式で表される速度指令が所定の速度ＶＺに一致することはないので、速度は区間Ｚ２と区間Ｚ３との間において急激に変化する。具体的には、小区間Ｚ３１における破線Ｙ１で示されるように、区間Ｚ２から区間Ｚ３への移行時には回転軸の加減速能力を越える速度指令が作成されることとなる。

このため、速度指令上限値を設定することにより、区間Ｚ３における速度指令を以下の式（２）により表するようにしている。
「速度指令」＝ｍｉｎ（「ＰＧ」×「回転軸の位置偏差」、「速度指令上限値」）（２）
これにより、区間Ｚ２と区間Ｚ３との間において速度指令の連続性が確保される。

式（２）を採用することにより、区間Ｚ３には、速度指令上限値が採用される小区間Ｚ３１と、指数関数で表される「ＰＧ」×「回転軸の位置偏差」が採用される小区間Ｚ３２とが含まれることになる。そして、小区間Ｚ３１においては、回転軸の速度は速度指令上限値に対応するので当然に一定である。このことは、小区間Ｚ３１においては回転軸の加減速能力は使用されていないことを意味しており、小区間Ｚ３１が存在することによって、定位置停止までに要する時間は長くなる。

一方、図６には、回転軸が比較的高速回転している状態で速度制御から位置制御への切換えが行われる場合、つまり速度ＶＸ（ＶＺ＜ＶＸ＜Ｖ０）において速度制御（区間Ｚ２’）から位置制御（区間Ｚ３’）への切換えが行われる場合が示されている。この場合には、図示されるように区間Ｚ３’において回転軸の減速能力を越える速度指令が作成されることになる。これにより、区間Ｚ２’から区間Ｚ３’への移行時（速度制御から位置制御への切換時）には、比較的大きな機械的ショックが発生する。

このような理由により、従来技術においては図５に示される所定の速度ＶＺを比較的小さくせざるを得ない。ところが、所定の速度ＶＺを小さくすることによって、小区間Ｚ３１はその分だけ延びることになり、定位置停止までの時間が長くなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、回転軸が定位置にて停止するまでに要する時間を短縮することのできる回転軸の定位置停止制御装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、制御周期毎に移動指令を作成する移動指令作成手段と、該移動指令作成手段により作成された移動指令に応じて回転軸を制御周期毎に位置制御する位置ループ制御手段と、上位制御装置により作成された速度指令と所定の速度指令とのうちの一方の速度指令に応じて前記回転軸を速度制御する速度ループ制御手段とを具備し、前記速度ループ制御手段による前記回転軸の速度制御から前記位置ループ制御手段による前記回転軸の位置制御への切換えを行うことができる回転軸の定位置停止制御装置において、前記移動指令作成手段により作成された前記移動指令は、前記回転軸の加減速能力に相当する加速度よりも小さい加速度を有することを特徴とする定位置停止制御装置が提供される。

２番目の発明によれば、制御周期毎に移動指令を作成する移動指令作成手段と、該移動指令作成手段により作成された移動指令に応じて回転軸を制御周期毎に位置制御する位置ループ制御手段と、上位制御装置により作成された速度指令と所定の速度指令とのうちの一方の速度指令に応じて前記回転軸を速度制御する速度ループ制御手段とを具備し、前記速度ループ制御手段による前記回転軸の速度制御から前記位置ループ制御手段による前記回転軸の位置制御への切換えを行うことができる回転軸の定位置停止制御装置において、前記移動指令作成手段により作成された前記移動指令は、前記回転軸の加減速能力に相当する加速度を有することを特徴とする定位置停止制御装置が提供される。

すなわち１番目および２番目の発明においては、回転軸の加減速能力を越える加速度を使用しないようにしているので、速度指令上限値を採用する区間は必ずしも必要でない。これにより、回転軸の定位置停止までに要する時間を短縮することができる。また、このような構成にしているので、速度指令上限値を設ける必要もない。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、加減速中の前記回転軸の加速度を検出する加速度検出手段を具備し、前記移動指令の前記加速度は前記加速度検出手段により検出された、前記速度制御から前記位置制御への切換えの直前の加速度であるようにした。
すなわち３番目の発明においては、速度制御から位置制御への切換えの直前の加速度は回転軸の加減速能力の限界値に極めて近い値であるので、より最適な定位置停止制御を行うことができる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、さらに、前記移動指令作成手段により作成された前記移動指令を平滑化する移動指令平滑化手段を具備し、該移動指令平滑化手段により平滑化された移動指令が前記位置ループ制御手段に供給されるようにした。
すなわち４番目の発明においては、速度または加速度の変化が円滑になるので、速度または加速度が変化するときに回転軸に機械的ショックが掛かるのをさらに抑制することができる。

５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、さらに、前記回転軸の停止位置指令を作成する停止位置指令作成手段を具備し、前記移動指令作成手段は、前記停止位置指令作成手段により作成された前記停止位置指令に基づいて前記移動指令を作成するようになっており、前記上位制御装置は他の停止位置指令を作成するようになっており、前記上位制御装置によって前記他の停止位置指令が作成された場合には、位置ループ制御手段は、前記停止位置指令と前記他の停止位置指令との間の偏差に基づいて位置制御を行うことを特徴とする。
すなわち５番目の発明においては、上位制御装置によって他の停止位置指令が作成された場合にも、定位置停止制御装置をこのことに対応させて動作させられる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく回転軸の定位置停止制御装置の構成図である。本発明の定位置停止制御装置１０は回転軸６１を備えたモータ６０に対して図示されるように接続されている。モータ６０は工作機械、例えばＣＮＣで使用されるサーボモータなどである。図１に示されるように、モータ６０の回転軸６１には、回転軸６１の加速度を検出する加速度検出手段３１と、回転軸６１の速度を検出する速度検出手段３２と、回転軸６１上の機械的原点の固定側基準点に対する位置を検出する位置検出手段３３とが設けられている。なお、加速度検出手段３１、速度検出手段３２および位置検出手段３３は互いに関連付けられており、例えば速度検出手段３２により検出された回転軸６１の速度に基づいて、回転軸６１の加速度または回転軸６１の位置を算出または推定するようにしてもよい。

定位置停止制御装置１０はデジタルコンピュータからなり、図１においては回転軸６１の停止位置指令を作成する停止位置指令作成手段２０と、加速度指令Ｑ１を作成する加速度指令作成手段４１と、回転軸６１の総移動指令Ｓ２を作成する総移動指令作成手段２１と、制御周期毎の移動指令Ｍ１を作成する移動指令作成手段２２とを含んでいる。

さらに、定位置停止制御装置１０は、回転軸６１を位置制御するのに用いられる位置ループ制御手段２５と、回転軸６１を速度制御するのに用いられる速度ループ制御手段３５とを含んでいる。

また、切換手段３０は、位置ループ制御手段２５により作成された速度指令Ｖと、記憶部４６に予め記憶された所定の速度指令Ｖ１と、上位制御装置４５が作成した速度指令Ｖ０のうちのいずれかを選択するように切換える。なお、上位制御装置４５は例えばＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）である。

図２は本発明に基づく定位置停止制御装置における回転軸の現在速度と時間との間の関係を示す図である。図２においては縦軸は回転軸６１の速度を示しており、横軸は時間を示している。

以下、図１および図２を参照しつつ、定位置停止制御装置１０の動作について説明する。なお、当初は上位制御装置４５で作成された速度指令Ｖ０が選択されるように、切換手段３０が切換えられているものとする。つまり、図２の区間Ａ１から分かるように、当初は回転軸６１は速度Ｖ０において速度制御されているものとする。なお、図１から分かるように、速度検出手段３２によって検出された回転軸６１の速度（速度帰還信号）と、切換手段３０により切換えられた速度（当初は速度Ｖ０）との間の偏差が速度ループ制御手段３５に入力されるようになっている。

図２における時刻ｔ１においてモータ６０の回転軸６１を停止させる状況が生じると、切換手段３０は所定の速度Ｖ１が選択されるように切換えられる。所定の速度Ｖ１は実験等により予め求められていて定位置停止制御装置１０の記憶部４６に予め記憶されている。速度Ｖ１は速度Ｖ０よりも小さい値であり、さらに詳しく言えば、速度Ｖ１は速度ＶＺと速度ＶＸとの間の値である（ＶＺ＜Ｖ１＜ＶＸ）。

これにより、図２における区間Ａ２に示されるように、回転軸６１はその速度が所定の速度Ｖ１に次第に近付くように速度制御される。区間Ａ２においては、所定の速度Ｖ１になるように回転軸６１を単に減速させているのみであるので、区間Ａ２における曲線の傾き、つまり回転軸６１の加速度はその減速能力を越えることはない。

また、区間Ａ１から区間Ａ２への移行直後に、回転軸６１の加速度が加減速能力の限界値に達するわけではないので、区間Ａ２における曲線は上に凸な関数として表される。また、回転軸６１の速度が所定の速度Ｖ１に達する直前における回転軸６１の加速度（図２において角度αで表される）は、回転軸６１の加減速能力の限界値に概ね等しい。

時刻ｔ２において回転軸６１の速度が所定の速度Ｖ１に達すると、図１に示される切換手段３０は位置ループ制御手段２５で作成された速度指令Ｖが選択されるように切換えられる。この切換作用と同時に、停止位置指令作成手段２０は回転軸６１の停止位置を目標位置として作成する。さらに、位置検出手段３３によって回転軸６１の現在位置が検出される。そして、目標位置から現在位置を減算した偏差が回転軸６１の総移動指令初期値Ｓ１として設定される。

以下の処理は回転軸６１の制御周期毎に行われるものとする。総移動指令作成手段２１においては総移動指令初期値Ｓ１に基づいて総移動指令Ｓ２が作成されて、移動指令作成手段２２に供給される。また、図示されるように、加速度検出手段３１により検出された回転軸６１の加速度は加速度指令作成手段４１において加速度指令Ｑ１として作成され、この加速度指令Ｑ１を移動指令作成手段２２に供給してもよい。なお、総移動指令作成手段２１の積算部２１ａにおいて前回の制御周期における総移動指令Ｓ２が加算されるものとする。

移動指令作成手段２２においては、総移動指令Ｓ２および／または加速度指令Ｑ１に基づいて移動指令Ｍ１が作成される。移動指令Ｍ１は或る制御周期において回転軸６１を移動させる距離を意味している。この移動指令Ｍ１は後述する移動指令平滑化手段２３を通って位置ループ制御手段２５に供給される。なお、図示されるように、移動指令Ｍ１は総移動指令作成手段２１にも供給されて総移動指令初期値Ｓ１から制御周期毎に減じられる。

位置ループ制御手段２５においては、移動指令Ｍ１と、位置検出手段３３により検出された回転軸６１の現在位置との間の偏差が算出される。次いで、この偏差には前回の制御周期における偏差が積算部２５ａにて加算された後、ポジションゲインＰＧが乗じられる。その後、この値に移動指令Ｍ１が加算され、速度指令Ｖとして位置ループ制御手段２５から出力される。図示されるように、切換手段３０を通った速度指令Ｖと速度帰還信号との間の偏差が速度ループ制御手段３５に供給され、それにより、回転軸６１が駆動される。

ここで、本発明においては移動指令Ｍ１に関連付けられる回転軸６１の加速度は回転軸６１の加減速能力以下の値、つまり加減速能力に等しい値かまたはこれよりも小さい値とされる。例えば図２においては、区間Ａ３のうちの小区間Ａ３１において、所定の速度Ｖ１に等しい速度指令Ｖを含む移動指令Ｍ１が作成されている。つまり、小区間Ａ３１における移動指令Ｍ１に含まれる加速度は零である。

次いで、小区間Ａ３２において回転軸６１の加減速能力以下の加速度を有する移動指令Ｍ１が作成される。小区間Ａ３２においては、位置ループ制御手段２５はこのような加速度を含む移動指令Ｍ１を作成し続ける。次いで、時刻ｔ３において回転軸６１の速度が零になり、回転軸６１は停止する。なお、図２における時刻ｔ２、ｔ３の間の線分と速度を示す実線とにより囲まれる領域Ｃ１の面積は総移動指令初期値Ｓ１に対応する。

このように、本発明においては小区間Ａ３１、Ａ３２を含む区間Ａ３において、回転軸６１の加減速能力を越える加速度を含む移動指令Ｍ１を作成しないようにしている。このため、本発明においては、図５を用いて説明した従来技術の「速度指令上限値」を設定する必要がなく、さらに小区間Ａ３１を従来技術の小区間Ｚ３１と比較してかなり小さくできる。あるいは、本発明においては、後述するように小区間Ａ３１を排除してもよい。それゆえ、本発明においては、位置制御に関する区間Ａ３の時間（ｔ３−ｔ２）を従来技術の場合（Ｔ３−Ｔ２）よりも短くでき、従って、回転軸６１が停止するのに要する時間（ｔ３−ｔ１）を短縮することが可能となる。

特に、図２に示されるように、加速度検出手段３１によって、回転軸６１の速度が速度Ｖ１になる時刻ｔ２の直前における回転軸６１の加速度を検出し、加速度指令作成手段４１および移動指令作成手段２２を通じて、時刻ｔ２の直前の加速度を含む移動指令Ｍ１を出力するのが好ましい。つまり、図２に示される時刻ｔ２直前の区間Ａ２における加速度αと、時刻ｔ２後の区間Ａ３における加速度βとが等しくなるようにするのが好ましい。速度制御から位置制御への切換えの直前の加速度αは回転軸６１の加減速能力の限界値に極めて近い値であるので、より最適な定位置停止制御を行うことができる。さらに、速度制御から位置制御への切換時の速度が連続的になるので、切換時に生じうる機械的ショックを抑えることも可能となる。

なお、図２を参照して説明した実施形態においては回転軸６１の速度が一定となる小区間Ａ３１が存在しているが、この小区間Ａ３１は必ずしも必要ではない。前述したように領域Ｃ１の面積は総移動指令初期値Ｓ１に相当するので、領域Ｃ１の面積が変化しない限りにおいては、区間Ａ３における回転軸６１の速度を変更してもよい。

図３（ａ）から図３（ｃ）は区間Ａ３における速度と時間との関係を拡大して示す図である。これら図面において、速度を示す実線と時間とにより囲まれる領域の面積Ｃ１、Ｃ１’、Ｃ１’’は互いに等しいものとする。なお、これら図面のうち図３（ａ）は図２の一部分を単に拡大した拡大図であるので説明を省略する。

図３（ｂ）においては小区間Ａ３１が設けられておらず、回転軸６１の速度は時刻ｔ２から等加速度的に変化する。図３（ａ）および図３（ｂ）から分かるように、図３（ｂ）における回転軸６１の加速度は図３（ａ）の小区間Ａ３２における加速度よりも小さい。図３（ｂ）においては小区間Ａ３１が設けられていないので、速度制御から位置制御への移行はさらに円滑に行われうる。ただし、図示されるように、回転軸６１が停止するのに要する時間（ｔ３’−ｔ２）は図３（ａ）の場合に必要とされる時間（ｔ３−ｔ２）よりも長くなる。

また、図３（ｃ）においては、回転軸６１の速度は時刻ｔ２以降に上昇し、時刻ｔａを過ぎると再び減少するように制御されている。なお、時刻ｔａと時刻ｔ２との間の加速度および時刻ｔ３’’と時刻ｔａとの間の加速度は、いずれも回転軸６１の加減速能力を越えないものとする。このように時刻ｔａと時刻ｔ２との間の加速度を回転軸６１の加減速能力を越えない範囲で調節することにより、図３（ｃ）において回転軸６１が停止するのに要する時間（ｔ３’’−ｔ２）を図３（ａ）の場合に必要とされる時間（ｔ３−ｔ２）よりも短くすることも可能となる。

ところで、図１に示されるように、本発明においては移動指令作成手段２２から出力された移動指令Ｍ１は移動指令平滑化手段２３を通って位置ループ制御手段２５に入力される。移動指令平滑化手段２３においては、移動指令Ｍ１に関連付けられる速度および加速度の波形がスムーズになるような平滑化処理が行われている。

図４（ａ）および図４（ｂ）はそれぞれ移動指令平滑化手段２３により平滑化された速度および加速度の波形を示す図である。これら図面においては平滑化前の波形を一点鎖線で示すと共に、移動指令平滑化手段２３による平滑化後の波形を実線で示している。移動指令Ｍ１に含まれる速度の波形を示す図４（ａ）においては、速度波形が正弦曲線を描くように平滑化されているのが分かる。

また、移動指令Ｍ１に含まれる加速度の波形を示す図４（ｂ）においては、平滑化前の波形はステップ状に変化している。平滑化処理を行うことによって、ステップ状に変化する部分は、微少時間Δｔを伴って線形変化するようになる。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるような平滑化処理を行うことによって、速度および加速度の波形は比較的連続的に変化するようになる。このため、波形が不連続である平滑化前の場合に生じうる機械的ショックを低減できる。

ところで、停止位置指令は停止位置指令作成手段２０により作成されることを図１を参照して説明したが、停止位置指令作成手段２０によって停止位置指令が作成された後で、他の停止位置指令が上位制御装置４５、例えばＰＬＣによって作成される場合もある。

このような場合には、停止位置指令作成手段２０により作成された停止位置指令と上位制御装置４５により作成された停止位置指令との間の偏差が算出される。次いで、この偏差を現在位置から変更前停止位置までの移動指令の総和に加算し、新たな総移動指令初期値Ｓ１に基づいて位置制御が行われるものとする。このような動作により、上位制御装置４５によって他の停止位置指令が作成された場合にも、本発明の定位置停止制御装置１０をこのことに対応させて動作させられるのが分かるであろう。

本発明に基づく回転軸の定位置停止制御装置の構成図である。 本発明に基づく定位置停止制御装置における回転軸の現在速度と時間との間の関係を示す図である。 （ａ）区間Ａ３における速度と時間との関係を拡大して示す図である。（ｂ）区間Ａ３における速度と時間との関係を拡大して示す他の図である。（ｃ）区間Ａ３における速度と時間との関係を拡大して示すさらに他の図である。 （ａ）移動指令平滑化手段により平滑化された速度の波形を示す図である。（ｂ）移動指令平滑化手段により平滑化された加速度の波形を示す図である。 従来技術における回転軸の現在速度と時間との間の関係を示す図である。 従来技術における回転軸の現在速度と時間との間の関係を示す他の図である。

符号の説明

１０ 定位置停止制御装置
２０ 停止位置指令作成手段
２１ 総移動指令作成手段
２２ 移動指令作成手段
２３ 移動指令平滑化手段
２５ 位置ループ制御手段
３０ 切換手段
３１ 加速度検出手段
３２ 速度検出手段
３３ 位置検出手段
３５ 速度ループ制御手段
４１ 加速度指令作成手段
４５ 上位制御装置
４６ 記憶部
６０ モータ
６１ 回転軸
Ａ１、Ａ２ 区間（速度制御）
Ａ３ 区間（位置制御）
Ａ３１、Ａ３２ 小区間
Ｍ１ 移動指令
ＰＧ ポジションゲイン
Ｑ１ 加速度指令
Ｓ１ 総移動指令初期値
Ｓ２ 総移動指令
Ｖ 速度指令
Ｖ０ 上位制御装置からの速度指令
Ｖ１ 所定の速度指令

Claims (4)

1. 回転軸の定位置停止制御装置において、
   上位制御装置により作成された所定の第一の速度を有する第一の速度指令と該第一の速度指令の前記第一の速度よりも小さい所定の第二の速度を有する第二の速度指令とのうちの一方の速度指令に応じて前記回転軸を速度制御する速度ループ制御手段と、
   制御周期毎に移動指令を作成する移動指令作成手段と、
   該移動指令作成手段により作成された移動指令に応じて回転軸を制御周期毎に位置制御する位置ループ制御手段と、
   前記速度ループ制御手段の前記上位制御装置により作成された前記第一の速度指令による前記回転軸の速度制御と、前記速度ループ制御手段の前記第二の速度指令による前記回転軸の速度制御と、前記位置ループ制御手段による前記回転軸の位置制御とを切換える切換手段と、
   加減速中の前記回転軸の加速度を検出する加速度検出手段と、を具備し、
   前記回転軸が停止するときには、前記切換手段は、前記速度ループ制御手段の速度制御を前記上位制御装置により作成された前記第一の速度指令による前記回転軸の速度制御から前記第二の速度指令による前記回転軸の速度制御へと切換え、
   前記回転軸の速度が前記第二の速度に達すると、前記切換手段は、前記速度ループ制御手段の前記第二の速度指令による前記回転軸の速度制御から前記位置ループ制御手段による前記回転軸の位置制御へと切換えるようになっており、
   前記切換手段によって前記速度ループ制御手段の前記第二の速度指令による前記回転軸の速度制御から前記位置ループ制御手段による前記回転軸の位置制御へと切換えられた後の所定時間において前記移動指令作成手段により作成される前記移動指令は、前記切換手段によって前記速度制御から前記位置制御への切換えられる前の所定時間において前記加速度検出手段により検出された加速度を有することを特徴とする定位置停止制御装置。
2. さらに、前記移動指令作成手段により作成された前記移動指令の速度波形が正弦曲線を描くように平滑化する移動指令平滑化手段を具備し、該移動指令平滑化手段により平滑化された移動指令が前記位置ループ制御手段に供給されるようにした、請求項１に記載の定位置停止制御装置。
3. さらに、前記移動指令作成手段により作成された前記移動指令の加速度波形のステップ状に変化する部分が部分的に線形変化を含むように平滑化する移動指令平滑化手段を具備し、該移動指令平滑化手段により平滑化された移動指令が前記位置ループ制御手段に供給されるようにした、請求項１に記載の定位置停止制御装置。
4. さらに、前記回転軸の停止位置指令を作成する停止位置指令作成手段を具備し、
   前記移動指令作成手段は、前記停止位置指令作成手段により作成された前記停止位置指令に基づいて前記移動指令を作成するようになっており、
   前記上位制御装置はさらに他の停止位置指令を作成するようになっており、
   前記停止位置指令作成手段により停止位置指令が作成された後で前記上位制御装置によって前記他の停止位置指令が作成された場合には、位置ループ制御手段は、前記停止位置指令と前記他の停止位置指令との間の偏差が現在位置から変更前停止位置までの移動指令の総和に加算された新たな移動指令に基づいて位置制御を行うことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の定位置停止制御装置。

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