JP5642828B2 - 二つの軸を互いに同期させる同期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械、例えばギア加工機における二つの軸を互いに同期させる同期制御装置に関する。

工作機械、例えばギア加工機は、工具を備えた工具軸と、ワークを把持するワーク軸とを備えている。工具は工具軸モータによって工具軸回りに回転すると共に、ワークはワーク軸モータによってワーク軸回りに回転する。これらワーク軸および工具軸は互いに同期させて駆動される必要がある。

二つの軸を互いに同期させるために、ＮＣ指令同期方式とマスタ／スレーブ同期方式とが存在している。図６はＮＣ指令同期方式の同期制御装置のブロック図である。図６においては、制御装置１００で作成された移動指令は、第二通信路２１０を通じて工具軸アンプ２２０に供給され、次いで工具軸モータ２３０に供給される。また、移動指令は同期比が乗じられた後で、第一通信路１１０を通じてワーク軸アンプ１２０に供給され、次いでワーク軸モータ１３０に供給される。つまり、ＮＣ指令同期方式においては、制御装置から同期運転のために作成された工具軸モータ用移動指令およびワーク軸モータ用移動指令が、工具軸モータおよびワーク軸モータにそれぞれ供給される。

図７はマスタ／スレーブ同期方式の同期制御装置のブロック図である。図７においては、制御装置１００で作成された移動指令は、第二通信路２１０を通じて工具軸アンプ２２０に供給され、次いで工具軸モータ２３０に供給される。そして、工具軸モータ２３０の位置フィードバック値が第三通信路３１０を通って工具軸アンプ２２０からワーク軸アンプ１２０に供給される。ワーク軸アンプ１２０においては、位置フィードバック値に同期比が乗じられてワーク軸モータ１３０に供給されている。このように、マスタ／スレーブ同期方式においては、移動指令は、ＮＣ制御装置から工具軸（マスタ軸）のみに供給される。そして、工具軸の位置フィードバック値に比例した移動指令がワーク軸（スレーブ軸）に供給される。なお、ワーク軸がマスタ軸であり、工具軸がスレーブ軸である場合も概ね同様である。

比較的大きな低周波の切削外乱が加わる工作機械においては、マスタ／スレーブ同期方式が採用されることが多い。その理由は、外乱の周波数が低い場合は、マスタ軸側の位置フィードバック値が外乱によって変化しても、マスタ軸に追従するようにスレーブ側が動いて同期を保ち易いためである。

これに対し、切削外乱の周波数が高い場合には、ＮＣ指令同期方式が採用される。その理由は、マスタ／スレーブ同期方式を採用してマスタ軸の位置フィードバック値をスレーブ軸に供給したとしても、スレーブ軸はマスタ軸に追従できず、振動的な移動指令によってスレーブ軸が振られるだけで、同期精度がかえって低下するためである。

特許文献１に開示されるサーボプレスは、高速動作時ＮＣには指令同期方式を採用し、低速動作時にはマスタ／スレーブ同期方式を採用している。

特許第3853908号公報

しかしながら、制御装置において故障が生じた場合または制御装置と二つのモータとの間の通信路に異常が生じた場合には、二つの軸に移動指令を供給することができず、同期を維持することができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、制御装置において故障が生じた場合または制御装置と二つのモータとの間の通信路に異常が生じた場合であっても二つの軸を同期させられる同期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、第一モータおよび該第一モータを駆動する第一アンプと、第二モータおよび該第二モータを駆動する第二アンプと、前記第一アンプおよび前記第二アンプに接続される制御装置と、前記第一アンプと前記制御装置との間を接続する第一通信路と、前記第二アンプと前記制御装置との間を接続する第二通信路と、前記第一アンプと前記第二アンプとの間を接続する第三通信路と、前記制御装置に配置されていて前記第一モータおよび前記第二モータのうちの少なくとも一方の移動指令を作成する移動指令作成部と、前記第一通信路における通信を監視する第一通信監視部と、前記第二通信路における通信を監視する第二通信監視部と、前記第一アンプに含まれていて、前記第一モータの減速指令を作成する減速指令作成部と、前記第一通信監視部が前記第一通信路における通信の異常を検出した場合または前記第二通信監視部が前記第二通信路における通信の異常を検出した場合に、第一同期方式から第二同期方式に切替える切替部とを具備し、前記第一同期方式においては、前記移動指令作成部が作成した前記第一モータおよび前記第二モータの互いに同期された移動指令がそれぞれ前記第一通信路および前記第二通信路を通じて前記第一アンプおよび前記第二アンプに供給されており、前記第二同期方式においては、前記第一モータは前記減速指令作成部が作成する前記減速指令により減速されると共に、前記第二モータは、前記第三通信路を通じて前記第二アンプに供給された前記第一モータで制御している位置フィードバック値に基づいて作成された移動指令により、前記第一モータと同期して減速されるようにした、同期制御装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第一通信監視部が前記第一通信路における通信の異常を検出した場合には前記第一通信監視部は前記第一通信路の異常を前記第二アンプに伝達し、前記第二通信監視部が前記第二通信路における通信の異常を検出した場合には前記第二通信監視部は前記第二通信路の異常を前記第一アンプに伝達し、それにより、前記第一モータおよび前記第二モータの両方が同時に減速されるようにした。
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、前記第二同期方式においては、前記第一モータで制御している位置フィードバック値が前記第二アンプに供給された後で、前記第一モータで制御している位置フィードバック値に所定の同期比が乗算され、それにより、前記第二モータの移動指令を作成するようにした。
４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、前記第二同期方式においては、前記第一モータで制御している位置フィードバック値に所定の同期比が乗算された後で、その乗算値は前記第二アンプに供給され、それにより、前記第二モータの移動指令を作成するようにした。

１番目の発明においては、制御装置において故障が生じた場合または制御装置とモータとの間の通信路に異常が生じた場合には、第一モータ（例えば工具軸モータ）は減速指令により減速される。そして、第二モータ（例えばワーク軸モータ）は、第三通信路を通じて供給された第一モータの位置フィードバック値に基づいて作成された移動指令により、駆動される。従って、第二モータは、第一モータの減速動作に追従し、同期を維持しつつ減速される。それゆえ、第一モータおよび第二モータを互いに同期させつつ、これらモータを停止させられる。
２番目の発明においては、第一通信路および第二通信路のうちの一方の通信路における異常を他方のアンプに伝達して、切替部による切替え動作を行っている。従って、第一モータおよび第二モータを同期して同時に減速させられる。

本発明に基づく同期制御装置により駆動されるギア加工機の概念図である。 本発明の一つの実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。 図２に示される同期制御装置の工具軸アンプの動作を示すフローチャートである。 図２に示される同期制御装置のワーク軸アンプの動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。 ＮＣ指令同期方式の同期制御装置のブロック図である。 マスタ／スレーブ同期方式の同期制御装置のブロック図である。

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様の部材には同様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は本発明に基づく同期制御装置により駆動されるギア加工機の概念図である。ギア加工機は、工具４１、例えば砥石、カッタを回転させる工具軸モータ２３と、ワーク５１、例えば加工されるべきギア、ヘリカルギアを回転させるワーク軸モータ１３とを主に含んでいる。なお、本願明細書において工具４１の回転軸を工具軸４０およびワーク５１の回転軸をワーク軸３０と呼ぶ。図１においては、これら工具軸４０およびワーク軸３０は所定の角度、例えば９０度をなしている。

図２は本発明の一つの実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。図２においては、ワーク軸モータ１３がワーク軸３０を駆動すると共に、工具軸モータ２３が工具軸４０を駆動するものとする。図２に示されるように、ワーク軸モータ１３はワーク軸アンプ１２によって制御され、工具軸モータ２３は工具軸アンプ２２によって制御される。これらワーク軸アンプ１２および工具軸アンプ２２はそれぞれ第一通信路１１および第二通信路２１によって上位コントローラ１０に接続されている。上位コントローラ１０は全ての軸を制御する。

ここで、同期制御装置１の上位コントローラ１０はワーク軸３０および工具軸４０を互いに同期させる移動指令を作成する移動指令作成部９を含んでいる。図２においては、移動指令作成部９内で同期比を予め考慮することにより、ワーク軸３０および工具軸４０について別々の移動指令を作成している。しかしながら、後述する図４および図５に示されるように、工具軸４０のための移動指令に同期比８を乗算することにより、ワーク軸３０のための移動指令を作成してもよい。

さらに、ワーク軸モータ１３に備えられた位置検出センサ１４、あるいは、ワーク軸３０自体に備えられた位置検出センサ１４’はワーク軸３０の位置を検出してワーク軸アンプ１２の制御部１８にフィードバックする。同様に、工具軸モータ２３に備えられた位置検出センサ２４、あるいは、工具軸４０自体に備えられた位置検出センサ２４’は工具軸４０の位置を検出して工具軸アンプ２２の制御部２８にフィードバックする。以下においては位置検出センサ１４、２４を用いる場合について説明する。しかしながら、位置検出センサ１４’、２４’を用いる場合も同様である。

図２に示されるように、本発明においては、第三通信路３１がワーク軸アンプ１２と工具軸アンプ２２とを直接的に接続している。第三通信路３１は通信バスであり、二つのアンプ１２、２２の間でデータを高速で通信できる。

また、ワーク軸アンプ１２は、移動指令作成部９から第一通信路１１を通じてワーク軸モータ１３の移動指令を受信する移動指令受信部１５を含んでいる。さらに、ワーク軸アンプ１２は、第一通信路１１における移動指令の通信を監視する第一通信監視部１６を含んでいる。また、ワーク軸アンプ１２は、第一通信監視部１６が第一通信路１１における通信の異常を検出したときに第三通信路３１を使用するよう切替える切替部１７を含んでいる。切替部１７は通常は、移動指令受信部１５と制御部１８とを接続するように設定されている。

同様に、工具軸アンプ２２は、移動指令作成部９から第二通信路２１を通じて工具軸モータ２３の移動指令を受信する移動指令受信部２５を含んでいる。さらに、工具軸アンプ２２は、第二通信路２１における移動指令の通信を監視する第二通信監視部２６を含んでいる。また、工具軸アンプ２２は、第二通信監視部２６が第二通信路２１における通信の異常を検出したときに第三通信路３１を使用するよう切替える切替部２７を含んでいる。切替部２７は通常は、移動指令受信部２５と制御部２８とを接続するように設定されている。さらに、工具軸アンプ２２は、同期制御装置１に異常が生じて工具軸モータ２３を停止させる必要がある場合に、工具軸モータ２３の減速指令を作成する減速指令作成部２９を含んでいる。

同期制御装置１が正常動作しているときには、上位コントローラ１０の移動指令作成部９がワーク軸モータ１３および工具軸モータ２３のための移動指令をそれぞれ作成する。これら移動指令は、ワーク軸モータ１３および工具軸モータ２３が互いに同期するように予め設定されている。

そして、ワーク軸モータ１３の移動指令は、移動指令作成部９から第一通信路１１を通ってワーク軸アンプ１２の移動指令受信部１５に受信される。さらに、工具軸モータ２３の移動指令は、移動指令作成部９から第二通信路２１を通って工具軸アンプ２２の移動指令受信部２５に受信される。

次いで、これら移動指令はそれぞれの制御部１８、２８に供給される。制御部１８、２８においては、位置検出センサ１４、２４が検出したワーク軸、工具軸の実際の位置が入力されている。従って、制御部１８、２８は所定の位置フィードバック処理を行ってワーク軸モータ１３および工具軸モータ２３をそれぞれ駆動する。これにより、ワーク軸３０および工具軸４０が互いに同期して動作するようになる。

図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ図２に示される同期制御装置の工具軸アンプおよびワーク軸アンプの動作を示すフローチャートである。図３Ａおよび図３Ｂの内容は所定の制御周期毎に同時に実行されるものとする。

図３ＡのステップＳ１１においては、第二通信監視部２６が、第二通信路２１における通信が不能になっているか否かを判定する。第二通信路２１における通信が不能である場合には、ステップＳ１２において、第二通信監視部２６は、第二通信路２１における通信が不能であることを第三通信路３１を通じてワーク軸アンプ１２に伝達する。

また、第二通信路２１における通信が不能でない場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、第一通信監視部１６が第一通信路１１における通信が不能になっているか否かを判定する。そして、第一通信路１１における通信が不能である場合には、ステップＳ１４に進む。これに対し、第一通信路１１における通信が不能でない場合には、ステップＳ１６に進み、移動指令作成部９が作成した移動指令が継続してそのまま使用される。

ここで、図３Ｂを参照すると、ステップＳ２１においては、第一通信監視部１６が、第一通信路１１における通信が不能になっているか否かを判定する。第一通信路１１における通信が不能である場合には、ステップＳ２２において、第一通信監視部１６は、第一通信路１１における通信が不能であることを第三通信路３１を通じて工具軸アンプ２２に伝達する。

また、第一通信路１１における通信が不能でない場合には、ステップＳ２３に進む。ステップＳ２３においては、第二通信監視部２６が第二通信路２１における通信が不能になっているか否かを判定する。そして、第二通信路２１における通信が不能である場合には、ステップＳ２４に進む。これに対し、第二通信路２１における通信が不能でない場合には、ステップＳ２６に進み、移動指令作成部９が作成した移動指令が継続してそのまま使用される。

第一通信路１１および第二通信路２１のうちの少なくとも一方における通信が不能である場合にはステップＳ１４およびステップＳ２４に進む。このような場合は、第一通信路１１および第二通信路２１のうちの少なくとも一方が切断された場合、または上位コントローラ１０の移動指令作成部９が移動指令を作成しなくなった場合である。このように同期制御装置１に異常が生じている場合には、ステップＳ１４において、切替部２７が減速指令作成部２９と制御部２８とを接続するように切替わる。同様に、ステップＳ２４においては、切替部１７が第三通信路３１と制御部１８とを接続するように切替わる。

そして、ステップＳ１４においては、減速指令作成部２９が工具軸モータ２３の減速指令を作成し、その減速指令が工具軸モータ２３に適用される。減速指令は、工具軸モータ２３を停止させるために作成される。従って、所定の関数に従って次第に小さい減速指令が作成されるものとする。

次いで、ステップＳ１５においては、位置検出センサ２４が検出した工具軸の位置を工具軸アンプ２２から第三通信路３１に通してワーク軸アンプ１２の制御部１８に供給する。制御部１８は、ワーク軸の位置検出センサ１４が検出した位置の代わりに、位置検出センサ２４が検出した工具軸の位置を使用してワーク軸モータ１３を制御する。

また、ステップＳ２４においては、工具軸アンプ２２から第三通信路３１を通って供給された位置フィードバック値に所定の同期比（工具軸４０とワーク軸３０との回転数の比）が乗算される。その値がワーク軸モータ１３の移動指令として採用されるようになる。

その後、ステップＳ１７、Ｓ２７においては、位置制御が実行される。切替部１７、２７が前述したように切替えられた場合には、工具軸モータ２３は減速指令により減速されて停止する。そして、第三通信路３１を通じて供給された工具軸４０の位置フィードバック値に基づいて制御部１８がワーク軸モータ１３の移動指令を作成する。従って、ワーク軸３０は、工具軸４０の減速動作に追従し、同期を維持しつつ減速される。それゆえ、本発明においては、ワーク軸３０および工具軸４０を互いに同期させつつ、これらの軸を安全に停止させることができる。

また、本発明においては、第一通信路１１および第二通信路２１のうちの一方の通信路における異常を、第三通信路３１に通して他方の通信路のコントローラ１２、２２まで迅速に伝達される。従って、本発明では、切替部１７、２７による切替え動作を同時に行い、ワーク軸モータ１３および工具軸モータ２３を同期して減速させられる。

図４は本発明の他の実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。図４においては、同期比１９がワーク軸アンプ１２内に示されている。図４に示される実施形態においても、同期制御装置１の異常により切替部２７が減速指令作成部２９と制御部２８とを接続するように切替わると共に、切替部１７が第三通信路３１と制御部１８とを接続するように切替わる。

そのような場合には、工具軸４０の位置フィードバック値が、工具軸アンプ２２から第三通信路３１を通ってワーク軸アンプ１２に伝達される。そして、ワーク軸アンプ１２内において、同期比１９が工具軸モータ２３の位置フィードバック値に乗算されて制御部１８に供給される。つまり、図４に示される実施形態においては、同期比１９を乗算することなしに、工具軸４０の位置フィードバック値は工具軸アンプ２２からワーク軸アンプ１２に伝達される。その後、ワーク軸アンプ１２内で同期比１９が乗算される。

図５は本発明のさらに他の実施形態に基づく同期制御装置のブロック図である。図５においては、同期比３２が工具軸アンプ２２内に示されている。図５に示される実施形態においても、同期制御装置１の異常により切替部２７が減速指令作成部２９と制御部２８とを接続するように切替わると共に、切替部１７が第三通信路３１と制御部１８とを接続するように切替わる。

そのような場合には、工具軸４０の位置フィードバック値に同期比３２が乗算される。そして、その乗算値が、工具軸アンプ２２から第三通信路３１を通ってワーク軸アンプ１２の制御部１８に供給される。つまり、図５に示される実施形態においては、同期比３２が乗算された後で、工具軸４０の位置フィードバック値は工具軸アンプ２２からワーク軸アンプ１２に伝達される。これらいずれの場合であっても、前述した効果が得られるのが分かるであろう。なお、ワーク軸がマスタ軸であり、工具軸がスレーブ軸である場合であっても、本発明と同様に適用できるのは明らかであろう。

１ 同期制御装置
８ 同期比
９ 移動指令作成部
１０ 上位コントローラ（制御装置）
１１ 第一通信路
１２ ワーク軸アンプ（第二アンプ）
１３ ワーク軸モータ（第二モータ）
１４、１４’ 位置検出センサ
１５ 移動指令受信部
１６ 第一通信監視部
１７ 切替部
１８ 制御部
１９ 同期比
２１ 第二通信路
２２ 工具軸アンプ（第一アンプ）
２３ 工具軸モータ（第一モータ）
２４、２４’ 位置検出センサ
２５ 移動指令受信部
２６ 第二通信監視部
２７ 切替部
２８ 制御部
２９ 減速指令作成部
３０ ワーク軸
３１ 第三通信路
３２ 同期比
４０ 工具軸

Claims (4)

1. 第一モータおよび該第一モータを駆動する第一アンプと、
   第二モータおよび該第二モータを駆動する第二アンプと、
   前記第一アンプおよび前記第二アンプに接続される制御装置と、
   前記第一アンプと前記制御装置との間を接続する第一通信路と、
   前記第二アンプと前記制御装置との間を接続する第二通信路と、
   前記第一アンプと前記第二アンプとの間を接続する第三通信路と、
   前記制御装置に配置されていて前記第一モータおよび前記第二モータのうちの少なくとも一方の移動指令を作成する移動指令作成部と、
   前記第一通信路における通信を監視する第一通信監視部と、
   前記第二通信路における通信を監視する第二通信監視部と、
   前記第一アンプに含まれていて、前記第一モータの減速指令を作成する減速指令作成部と、
   前記第一通信監視部が前記第一通信路における通信の異常を検出した場合または前記第二通信監視部が前記第二通信路における通信の異常を検出した場合に、第一同期方式から第二同期方式に切替える切替部とを具備し、
   前記第一同期方式においては、前記移動指令作成部が作成した前記第一モータおよび前記第二モータの互いに同期された移動指令がそれぞれ前記第一通信路および前記第二通信路を通じて前記第一アンプおよび前記第二アンプに供給されており、
   前記第二同期方式においては、前記第一モータは前記減速指令作成部が作成する前記減速指令により減速されると共に、前記第二モータは、前記第三通信路を通じて前記第二アンプに供給された前記第一モータで制御している位置フィードバック値に基づいて作成された移動指令により、前記第一モータと同期して減速されるようにした、同期制御装置。
2. 前記第一通信監視部が前記第一通信路における通信の異常を検出した場合には前記第一通信監視部は前記第一通信路の異常を前記第二アンプに伝達し、前記第二通信監視部が前記第二通信路における通信の異常を検出した場合には前記第二通信監視部は前記第二通信路の異常を前記第一アンプに伝達し、それにより、前記第一モータおよび前記第二モータの両方が同時に減速されるようにした、請求項１に記載の同期制御装置。
3. 前記第二同期方式においては、前記第一モータで制御している位置フィードバック値が前記第二アンプに供給された後で、前記第一モータで制御している位置フィードバック値に所定の同期比が乗算され、それにより、前記第二モータの移動指令を作成するようにした、請求項１または２に記載の同期制御装置。
4. 前記第二同期方式においては、前記第一モータで制御している位置フィードバック値に所定の同期比が乗算された後で、その乗算値は前記第二アンプに供給され、それにより、前記第二モータの移動指令を作成するようにした、請求項１または２に記載の同期制御装置。

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