JP5823045B2 - トルク制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク制御軸をメイン制御軸に対して同期駆動するよう制御するトルク制御装置に関する。

トルク制御軸をメイン制御軸に対して同期駆動するよう制御するトルク制御装置は、例えば、給材機付き自動旋盤に用いられている。このような給材機付き自動旋盤では、ワークを回転駆動させる主軸を載せた主軸台と、ワークを主軸に供給する給材機とを備え、メイン制御軸で主軸台を水平方向に移動させるとともに、トルク制御軸で給材機を水平方向に移動させ、ワークに一定負荷を与える。メイン制御軸の位置制御と速度制御は、メイン制御軸を制御するメイン制御装置によりメイン制御軸の位置データを入力してフィードバック式に行い、また、トルク制御軸を制御するトルク制御装置によりトルク制御軸をメイン制御軸と同期駆動するよう制御することで、ワークが主軸に一定負荷で押し付けられるようにしている。

この給材機付き自動旋盤に適用したトルク制御装置では、トルク制御装置が主軸台の水平方向の移動の制御に対して連携を取っておらずにトルク一定制御のみを行なっている。すなわち、給材機をワークに押し付ける結果として、負荷トルクに応じてメイン制御装置との同期運転を行うに過ぎない。このため、主軸台が移動する際に、主軸台の移動に合わせて加速、減速を行うために必要な加減速トルクが不足することになる。これにより、主軸台と給材機の相対位置に変化（位置ずれ）が生じることにより、適正なワーク支持が行えなくなるといった問題があった。

主軸台の移動によって発生する位置ずれを抑制する方式として、トルク制御装置において、トルク制御軸の発生トルクを、一定の設定トルクのみを用いて制御するのではなく、適宜補正したトルクを用いて制御する方式が提案されている。

例えば、主軸台の移動に対する給材機の相対変位を検出するためにリニアスケール装置などによる検知手段を備え、検出された相対変位に基づいて発生するトルクを決定する技術が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、主軸台における速度データを入力する速度データ入力手段を備え、入力される速度データから加速度データを算出し、加速度成分に応じた補正トルクをトルク指令に加算する技術が開示されている。（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−３９３０１号公報 特開平１０−１３６６８２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、リニアスケール装置による遅れ検知手段を備える必要が有るため、装置の構成が複雑になるといった点や、装置自体が高価になるといった点で問題があった。
また、特許文献２に開示された技術においては、メイン制御軸に同期するために必要な加減速トルクを算出するために、加速度データに慣性モーメントを乗ずることで加減速トルクへの換算を行うため、演算に用いる慣性モーメントに誤差がある場合には十分に主軸台と給材機の間に発生する位置ずれを抑制することができないといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より簡易な構成で、主軸台が移動する場合においても位置ずれの発生を抑制することが可能なトルク制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明におけるトルク制御装置は、トルク制御軸で駆動される駆動部によって、メイン制御軸で駆動されるワークに押し付け力を加えながら、前記トルク制御軸を前記メイン制御軸と同期駆動するトルク制御装置において、前記駆動部の機械特性をあらわす機械パラメータを、前記押し付け力が大きくなるように、前記メイン制御軸の駆動状態に基づいて設定する機械パラメータ設定手段と、前記機械パラメータ設定手段で設定された機械パラメータと前記メイン制御軸の駆動状態とに基づき、前記トルク制御軸が前記メイン制御軸の駆動に追従するために必要な追従駆動トルクを演算する追従駆動トルク演算部と、前記追従駆動トルクに別途設定される設定トルクを加算してトルク指令値を算出し、前記トルク制御軸のトルクが前記トルク指令値に一致するように前記トルク制御軸を制御するトルク制御手段と、を備え、前記機械パラメータ設定手段は、前記機械パラメータを前記トルク制御軸の慣性モーメント摩擦係数とする摩擦係数設定手段を含み、前記摩擦係数設定手段は、前記メイン制御軸の速度に基づいて、前記速度が前記押し付け力と同一の方向の時は摩擦係数の最大値を設定し、また前記速度が前記押し付け力と異なる方向の時は摩擦係数の最小値を設定し、前記追従駆動トルクは、前記摩擦係数設定手段で設定された摩擦係数と前記メイン制御軸の速度とから演算される摩擦トルクを含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、メイン制御軸の駆動状態に応じてトルク指令値を演算する構成としたため、別途リニアスケール装置を用いた遅れ検知手段を備える必要が無く、装置の構成を簡易化することができる。

また、機械パラメータの誤差により発生する位置ずれに対して、機械パラメータの変動分を考慮して適当な機械パラメータを選択することが可能であり、常に押し付け力が大きくなるようにトルク指令値を演算することができるため、簡易に位置ずれの発生を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１におけるトルク制御装置を給材機付き自動旋盤に適用した構成図である。 本発明の実施の形態１における慣性モーメント設定手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるメイン制御軸の駆動状態と駆動トルクの関係を示す波形図である。 本発明の実施の形態１における摩擦係数設定手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるメイン制御軸の駆動状態と駆動トルクの関係を示す波形図である。

Ｗ ワーク、
１ 主軸、
２ 主軸台、
３ メイン軸送りねじ、
４ メイン軸モータ、
５ 検出器、
６ メイン制御装置、
７ サブ軸送りねじ、
８ 給材機、
１０ サブ軸モータ、
１１ トルク制御装置、
１２ コントローラ、
２０ 駆動状態演算部、
２１ 慣性モーメント設定手段、
２２ 摩擦係数設定手段、
２３ 駆動トルク演算部、
２４ トルク制御手段、
２５ 慣性モーメント選択手段、
２６ 摩擦係数選択手段。

以下に、本発明にかかるトルク制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１によるトルク制御装置について、図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１におけるトルク制御装置を給材機付き自動旋盤に適用した構成図である。主軸１は、ワークＷを固定するとともにワークＷを回転駆動させる。主軸１を搭載する主軸台２は、メイン軸送りねじ３に取付けられる。メイン軸モータ４（メイン制御軸）によってメイン軸送りねじ３を回転駆動させることで、主軸台２は水平方向に移動する。メイン軸モータ４に取付けられた検出器５は、メイン軸モータ４の回転位置を検出し、検出したメイン制御軸の位置データはメイン軸モータ４を駆動制御するメイン制御装置６に入力される。メイン制御装置６は、主軸台２の位置制御と速度制御をフィードバック式におこなう。コントローラ１２は、メイン制御装置６にメイン制御軸を駆動するための目標値となる位置指令信号を出力する。給材機８は、サブ軸送りねじ７に取付けられる。サブ軸モータ１０（トルク制御軸）によりサブ軸送りねじ７を回転駆動させることで、給材機８は水平方向に駆動されてワークＷを主軸１に供給するとともに、ワーク加工中にワークＷを主軸１に押し付ける水平方向の負荷をワークＷに与える。トルク制御軸のトルク制御を行うトルク制御装置１１は、設定トルクに応じてサブ軸モータ１０の駆動を制御し、給材機８がワークＷに一定負荷を与えるようにトルク制御軸のトルク制御を行う。

トルク制御装置１１において、コントローラ１２から出力される位置指令信号とメイン制御装置６にて制御されるメイン制御軸の回転位置を検出する検出器５からの検出信号を駆動状態演算部２０に入力する。駆動状態演算部２０は、メイン制御軸の速度や加速度、またそれらの方向（例えば符号情報）といったメイン制御軸の駆動状態を演算し出力する。駆動状態演算部演算部２０から出力される加速度方向情報は慣性モーメント設定手段２１に入力され、慣性モーメント設定手段２１は慣性モーメントを出力する。駆動状態演算部２０から出力される速度方向情報は摩擦係数設定手段２２に入力され、摩擦係数設定手段２２は、摩擦係数を出力する。駆動トルク演算部２３は、駆動状態演算部２０より出力される速度や加速度などのメイン制御軸の駆動状態と、慣性モーメント設定手段２１より出力される慣性モーメントと、摩擦係数設定手段２２より出力される摩擦係数を入力し、メイン制御軸の動作に追従するために必要な駆動トルクを演算して出力する。トルク制御手段２４は、駆動トルク演算部２３から出力されたメイン制御軸の動作に追従するために必要な駆動トルクと、別途設定された設定トルクＴｓを入力し、駆動トルクに基づきトルク制御軸におけるトルクとなるトルク指令値を算出し、トルク指令値に従いトルク制御軸であるサブ軸モータ１０をトルク制御する。

駆動状態演算部２０は、コントローラ１２から出力されるメイン制御軸の位置指令信号に基づいて、または、メイン制御装置６にて制御されるメイン制御軸の回転位置を検出する検出器５からの検出信号に基づいて、速度や加速度やそれらの方向の情報（符号情報）といったメイン制御軸の駆動状態を演算し出力する。

ここで、速度方向情報および加速度方向情報については、次式のような符号処理関数Ｈ（ｘ）を用い、ｘに速度や加速度の値を入力して演算し、速度方向情報や加速度方向情報として出力する。

ｘ＞０の場合 ： Ｈ（ｘ）＝＋１
ｘ＝０の場合 ： Ｈ（ｘ）＝０ ・・・（１）
ｘ＜０の場合 ： Ｈ（ｘ）＝−１

慣性モーメント設定手段２１は、駆動状態演算部２０から出力される符号処理関数Ｈ（ｘ）によって数値化された加速度方向情報に基づいて、トルク制御軸の駆動トルクの演算に用いる機械パラメータとなる慣性モーメントを演算して出力する。
摩擦係数設定手段２２は、駆動状態演算部２０から出力される符号処理関数Ｈ（ｘ）によって数値化された速度方向情報に基づいて、トルク制御軸の駆動トルクの演算に用いる機械パラメータとなる摩擦係数を演算して出力する。
ここで、慣性モーメント設定手段２１および摩擦係数設定手段２２の詳細については、後述する。

駆動トルク演算部２３は、駆動状態演算部２０より出力されるメイン制御軸の速度や加速度といった駆動状態と、慣性モーメント設定手段２１で演算される慣性モーメントや摩擦係数設定手段２２で演算される摩擦係数などの機械パラメータに基づいて、メイン制御軸の動作に追従するために必要なトルク制御軸の駆動トルクを次式により算出して出力する。ここで、Ｔｈはメイン制御軸の動作に追従するために必要なトルク制御軸の駆動トルク、ａはメイン制御軸の加速度、ｖはメイン制御軸の速度、Ｊは慣性モーメント、ｃは摩擦係数、Hは式（１）に示した符号処理関数である。

Ｔｈ＝ａ・Ｊ＋ｃ・Ｈ（ｖ） ・・・（２）

トルク制御手段２４は、駆動トルク演算部２３から出力される駆動トルクＴｈと、所望の押し付け力に相当し別途設定される設定トルクＴｓと、を加算してトルク制御軸におけるトルク指令となるトルク指令値を算出し、トルク指令値に従いトルク制御軸であるサブ軸モータ１０をトルク制御する。たとえば、トルク制御軸であるサブ軸モータ１０のトルクがトルク指令値に一致するようにトルク制御する。

次に、慣性モーメント設定手段２１について、図２を用いて詳細に説明する。図２は本発明の実施の形態１における慣性モーメント設定手段２１の構成を示すブロック図である。

慣性モーメント設定手段２１には、複数の慣性モーメントの値が格納されており、入力されるメイン制御軸の加速度方向情報H（ａ）に基づいて、複数の慣性モーメントの値から選択して出力する慣性モーメント選択手段２５を備える。選択対象となる慣性モーメントの値が２つの場合は、慣性モーメントの最大値または最小値のいずれかを選択して出力することになる。ここで、慣性モーメントの値は慣性モーメント設定手段２１内に記憶させておいてもよく、またコントローラ１２から慣性モーメント設定手段２１へ入力させるようにしてもよい。これらの複数の慣性モーメントの値は、装置において想定される慣性モーメントの変動を考慮して適宜設定変更される。

図２に示す慣性モーメント設定手段２１では、２つの慣性モーメントの値が格納されている。慣性モーメント選択手段２５によって、メイン制御軸の加速度方向がトルク制御軸における押し付け力と同一方向の時は、慣性モーメントの最大値が選択され、メイン制御軸の加速度方向がトルク制御軸における押し付け力と異なる方向の時は、慣性モーメントの最小値が選択される。

次に、慣性モーメント設定手段２１により選択される慣性モーメントによる駆動トルクの動作について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１におけるメイン制御軸の駆動状態とトルク制御軸の駆動トルクの関係を示す波形図である。

図３では、上段にメイン制御軸における時間と速度の関係を示しており、下段にトルク制御装置１１における時間と駆動トルクの関係を示している。ここで、図３の下段における駆動トルクＴｈは、式（２）における摩擦係数ｃがゼロの場合を示している。この場合、駆動トルクＴｈは、式（２）より加速度ａと慣性モーメントＪの積（Ｔｈ＝ａ・Ｊ）となる。図３の下段においては、実線が図２における慣性モーメント選択手段２５で慣性モーメントの最大値を選択した場合を示し、破線が図２における慣性モーメント選択手段２５で慣性モーメントの最小値を選択した場合を示している。

図３の上段に示すように、メイン制御軸が正負の方向に速度台形の動作パターンにて駆動した場合、加速度±ａの発生する区間は、時刻ｔ１〜ｔ２間、時刻ｔ３〜ｔ４間、時刻ｔ５〜ｔ６間、時刻ｔ７〜ｔ８間となる。これらの区間において、式（２）による駆動トルクは下段に示すよう求めることができる。
このとき、図２における慣性モーメント選択手段２５において選択される慣性モーメントＪは、前述のようにメイン制御軸の加速度方向がトルク制御軸における押し付け力と同一方向の時はその最大値が選択され、メイン制御軸の加速度方向がトルク制御軸における押し付け力と異なる方向の時はその最小値が選択される。

図３において、駆動トルクは、速度および駆動トルクの正の方向をトルク制御軸における押し付け力の方向とする場合、時刻ｔ１〜ｔ２間と時刻ｔ７〜ｔ８間において慣性モーメントＪの最大値を用いた駆動トルク（実線部分）となり、時刻ｔ３〜ｔ４間と時刻ｔ５〜ｔ６間において慣性モーメントＪの最小値を用いた駆動トルク（破線部分）となる。

このように慣性モーメントＪを選択して駆動トルクを算出することにより、常に押し付け力が大きくなる方向に駆動トルクを演算することが可能となる。

次に、摩擦係数設定手段２２について、図４を用いて詳細に説明する。図４は本発明の実施の形態１における摩擦係数設定手段２２の構成を示すブロック図である。

摩擦係数設定手段２２には、複数の摩擦係数の値が格納されており、入力されるメイン制御軸の速度方向情報Ｈ（ｖ）に基づいて、複数の摩擦係数の値から選択して出力する摩擦係数選択手段２６を備える。選択対象となる摩擦係数の値が２つの場合は、摩擦係数の最大値または最小値のいずれかを選択して出力することになる。ここで、摩擦係数の値は摩擦係数設定手段２２に記憶させておいてもよく、またコントローラ１２から摩擦係数設定手段２２へ入力させるようにしてもよい。これらの複数の摩擦係数の値は、装置において想定される摩擦係数の変動を考慮して適宜設定変更される。

図４に示す摩擦係数設定手段２２では、２つの摩擦係数の値が格納されている。摩擦係数選択手段２６によって、メイン制御軸の速度方向がトルク制御軸における押し付け力と同一方向の時は、摩擦係数の最大値が選択され、メイン制御軸の加速度方向がトルク制御軸における押し付け力と異なる方向の時は、摩擦係数の最小値が選択される。

次に、摩擦係数設定手段２２により選択される摩擦係数による駆動トルクの動作について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態１におけるメイン制御軸の駆動状態とトルク制御軸の駆動トルクの関係を示す波形図である。

図５では、図３と同様に、上段にメイン制御軸における時間と速度の関係を示しており、下段にトルク制御装置１１における時間と駆動トルクの関係を示している。ここで、図５の下段における駆動トルクＴｈは、式（２）における慣性モーメントＪは固定値としている。図５の下段においては、実線が図４における摩擦係数選択手段２６で摩擦係数の最大値を選択した場合を示し、破線が図４における摩擦係数選択手段２６で摩擦係数の最小値としてゼロを選択した場合を示している。

図５の上段に示すように、メイン制御軸が正負の方向に速度台形の動作パターンにて駆動した場合、速度±ｖの発生する区間は、時刻ｔ１〜ｔ４間と時刻ｔ５〜ｔ８間となる。
このとき、図４における摩擦係数選択手段２６において選択される摩擦係数ｃは、前述のようにメイン制御軸の速度方向がトルク制御軸における押し付け力と同一方向の時はその最大値が選択され、メイン制御軸の速度方向がトルク制御軸における押し付け力と異なる方向の時はその最小値が選択される。

図５において、駆動トルクは、速度および駆動トルクの正の方向を押し付け力の方向とする場合、時刻ｔ１〜ｔ４間において摩擦係数ｃの最大値を用いた駆動トルク（実線部分）となり、時刻ｔ５〜ｔ８間において摩擦係数ｃの最小値を用いた駆動トルク（破線部分）となる。

このように摩擦係数ｃを選択して駆動トルクを算出することにより、常に押し付け力が大きくなる方向に駆動トルクを演算することが可能となる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１におけるトルク制御装置においては、トルク制御軸の駆動状態の情報を用いず、メイン制御軸における駆動状態の情報に基づいてトルク制御軸の駆動トルクを演算する構成であるため、メイン制御軸とトルク制御軸との相対位置を得るためのリニアスケール装置等の検知手段を別途備える必要が無く、装置の構成を簡易化することができる。

また、機械パラメータである慣性モーメントおよび摩擦係数の変動を考慮して、慣性モーメントおよび摩擦係数の値（特に、これらの最大値と最小値）をメイン制御軸における駆動情報に基づいて選択する方式としたので、常に押し付け力が大きくなるようにトルク制御軸のトルク制御を行うことが可能となり、機械パラメータの変動や誤差に対してもメイン制御軸とトルク制御軸の位置ずれの発生を抑制することができる。

本発明にかかるトルク制御装置は、メイン制御軸によって駆動されるワークにトルク制御軸によって一定負荷を与えながら、そのトルク制御軸をメイン制御軸と同期駆動するトルク制御装置として有用であり、特に、産業用機械装置を駆動するモータのトルク制御装置に適している。

Claims (3)

1. トルク制御軸で駆動される駆動部によって、メイン制御軸で駆動されるワークに押し付け力を加えながら、前記トルク制御軸を前記メイン制御軸と同期駆動するトルク制御装置において、
   前記駆動部の機械特性をあらわす機械パラメータを、前記押し付け力が大きくなるように、前記メイン制御軸の駆動状態に基づいて設定する機械パラメータ設定手段と、
   前記機械パラメータ設定手段で設定された機械パラメータと前記メイン制御軸の駆動状態とに基づき、前記トルク制御軸が前記メイン制御軸の駆動に追従するために必要な追従駆動トルクを演算する追従駆動トルク演算部と、
   前記追従駆動トルクに別途設定される設定トルクを加算してトルク指令値を算出し、前記トルク制御軸のトルクが前記トルク指令値に一致するように前記トルク制御軸を制御するトルク制御手段と、
   を備え、
   前記機械パラメータ設定手段は、前記機械パラメータを前記トルク制御軸の慣性モーメント摩擦係数とする摩擦係数設定手段を含み、
   前記摩擦係数設定手段は、前記メイン制御軸の速度に基づいて、前記速度が前記押し付け力と同一の方向の時は摩擦係数の最大値を設定し、また前記速度が前記押し付け力と異なる方向の時は摩擦係数の最小値を設定し、
   前記追従駆動トルクは、前記摩擦係数設定手段で設定された摩擦係数と前記メイン制御軸の速度とから演算される摩擦トルクを含む、
   ことを特徴とするトルク制御装置。
2. 前記機械パラメータ設定手段は、前記駆動部の機械特性をあらわす機械パラメータの複数の値が格納され、前記メイン制御軸の駆動状態に応じて、格納された機械パラメータの最大値と最小値のいずれかを選択して設定することを特徴とする請求項１に記載のトルク制御装置。
3. 前記機械パラメータ設定手段は、前記機械パラメータを前記トルク制御軸の慣性モーメントとする慣性モーメント設定手段を含み、
   前記慣性モーメント設定手段は、前記メイン制御軸の加速度に基づいて、前記加速度が前記押し付け力と同一の方向の時は慣性モーメントの最大値を設定し、また前記加速度が前記押し付け力と異なる方向の時は慣性モーメントの最小値を設定し、
   前記追従駆動トルクは、前記慣性モーメント設定手段で設定された慣性モーメントと前記メイン制御軸の加速度との積である加減速トルクを含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク制御装置。

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