JP5878794B2 - 主軸位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の主軸を所望の位置に停止させる位置決め装置に関する。

回転している主軸モータを位置決め停止する位置決め方式に関しては、高速かつオーバシュートを生じることなく位置決めすることが望ましく、その方式に関しては各種の試みがなされている。

図４に一般的な主軸位置決め装置のブロック図を示す。主軸１５はギアやベルト等の伝達機構１２〜１４を介して主軸モータ１１で回転駆動される。速度検出器１０は主軸モータ１１の速度を検出し速度検出値Ｖｍ［ｍｉｎ^−１］を出力する。減算器６は前記速度検出値Ｖｍを速度フィードバック値として、速度指令Ｖｃ［ｍｉｎ^−１］との偏差Ｖｄ［ｍｉｎ^−１］を出力し、偏差Ｖｄに基づき速度制御部７がトルク指令Ｔｃ［Ｎｍ］を出力する。前記速度検出値Ｖｍより、磁束密度指令演算部８が磁束密度指令φｃを出力する。電流制御部９は、前記トルク指令Ｔｃと前記磁束密度指令φｃに基づき主軸モータ１１の電流を制御する。

加速度指令演算部３２は速度検出値Ｖｍがモータ基底回転速度Ｖｂ以下になった場合に、一定時間Ｔ１［ｓ］後に検出した速度検出値Ｖｍ（Ｔ１）から（式１）により加速度ａを演算し加速度指令ａｓとして位置指令演算部２へ出力する。前記Ｔ１の間は、前記速度指令Ｖｃ＝０として、最大トルクで減速している状態と同等となっている。よって、（式１）中のＫａは位置決め減速時にトルクが飽和しない加速度指令となるように、１以下の係数とする。

比較器３１は速度検出値Ｖｍが主軸モータ基底回転速度Ｖｂ以上の場合にはハイレベルを、基底回転速度より低い場合にはローレベルを主軸モータ速度状態Ｓｖとして出力する。前記加速度指令演算部３２は、前記主軸モータ速度状態Ｓｖがハイレベル、または、（式１）の演算が完了するまでの間は、制御モードが速度制御となるように制御モード切換指令Ｓｃをハイレベル出力し、前記主軸モータ速度状態Ｓｖがローレベル、かつ、（式１）の演算が完了し次第、制御モードが位置制御となるように制御モード切換指令Ｓｃにローレベルを出力し、かつ、制御モードを速度制御から位置制御へ切換える、制御モード切換速度Ｖｓを位置指令演算部２へ出力する。該制御モード切換速度Ｖｓは、Ｖｂ−Ｖｍ（Ｔ１）より小さい任意の値となる。制御モード切換スイッチ５は、前記制御モード切換指令Ｓｃがハイレベルの場合は、上位制御装置１が出力する速度指令Ｖｃを出力し、前記制御モード切換指令Ｓｃがローレベルの場合、位置制御比例ゲイン４より出力される速度指令Ｖｃを出力する。すなわち、モータ速度Ｖｍがモータ基底回転速度Ｖｂ以上または前記加速度指令演算部３２が前記加速度指令ａｓの演算が完了するまで速度制御モードで動作し、前記加速度指令ａｓの演算が完了し次第、制御モード切換速度Ｖｓで位置制御モードに切換える。位置指令演算部２は、前記加速度指令ａｓ（加速度ａ）と前記制御モード切換速度Ｖｓおよび上位制御装置１より出力される、主軸１回転内の位置指令Ｐｃ［ｒａｄ］より（式２）を満たし、かつ左辺が最小となる整数ｎを演算する。

（式２）で演算したｎに基づき、（式３）により主軸１回転内位置に停止させるための位置αを演算する。

前記加速度指令ａｓと前記制御モード切換速度Ｖｓと（式３）で演算されたαより、図５に示すような速度指令となるように位置指令偏差ΔＰｃを出力する。位置検出器１６は主軸１５の位置を検出し位置検出値Ｐｄを出力する。減算器３は前記位置検出値Ｐｄを位置フィードバック値として、位置指令偏差ΔＰｃとの偏差を出力し、比例ゲインＫｐ４を乗じて速度指令Ｖｃを出力する。前記速度指令Ｖｃに基づいて主軸モータを制御し位置決め停止する。（式１）で演算された加速度指令ａｓに基づいて主軸が減速し、位置決め停止するため、トルク飽和が発生せずオーバシュートなく、高速に位置決めすることできる。

図５に示すように、所定位置への位置決め停止を行うために、速度一定となるように主軸を制御する期間と、所定の加速度ａで減速を行う期間を組み合わせて停止制御を行っている。加速度ａは、基底回転以下での制動時にモータが実現可能な最大の加速度である。以降、速度一定の期間の制御を速度一定制御、加速度ａで減速する期間の制御を制動時最大加速度制御、これら速度一定制御、制動時最大加速度制御を順に行って位置決め停止を行う制御を停止制御と記す。

ある回転速度（例えばＶｓ）から一定の加速度で減速し停止するまでの主軸回転量は、一意に定まる。逆に、主軸を停止させる回転位置が決まっている場合には、減速を開始する回転位置が一意に決定される。ある時点での主軸の回転位置が、停止位置から決定される位置でない場合、この位置になるまで、主軸の速度を維持して回転させ、その後減速を行うようにする。減速時の加速度を、達成し得る最大の加速度とすれば、短時間で主軸を停止させることができる。

特開平６−１９５１１８号公報

図４に示した従来技術において、回転している主軸をオーバシュートが生じることなく高速に位置決め停止できる。しかし、主軸モータ基底回転速度以下でしか加速度指令ａｓを演算しておらず、また、演算するためには、ある程度の時間が必要となる。よって、加速度を測定する時間Ｔ１と加速度指令ａｓを演算する時間が必要となるため、その間に主軸が減速し、最短時間で位置決めするための最適な切換速度より主軸速度が低くなっている場合があり、最短時間で位置決めできない課題がある。

本発明の主軸位置決め装置は、主軸を一定速度で制御し、続いて制動時に実現可能な最大の加速度（制動時最大加速度）により減速制御する停止制御により、所望の回転位置に主軸を停止させる主軸位置決め装置である。制動時最大加速度は、主軸を駆動する主軸モータの基底回転速度以下における出力トルクと、主軸および主軸と共に回転する構造体の合計のイナーシャである主軸系イナーシャとに基づき予め求めておく。基底回転速度以下の出力トルクは、主軸モータの仕様により決定される。主軸と共に回転する構造体は、例えば主軸モータのロータ、ワーク、およびワークを把持するためのチャックなどを含む。

停止制御を開始する主軸モータの速度である停止制御開始速度を予め求めておく。停止制御開始速度は、主軸を最短時間で停止させるための速度である。停止に要する実際の時間は、そのときの主軸の位置と、停止位置との関係によって変化する。つまり、そのときの主軸の位置と停止位置の距離は、０〜２π［ｒａｄ］をとる可能性があるが、ここではその平均値であるπ［ｒａｄ］として停止までの最短時間を求める。

上位装置から主軸の停止指令がなされると、主軸モータが減速され、その回転速度が監視される。主軸モータの回転速度が停止制御開始速度となると、これ以降、主軸の制御を位置制御とする。すなわち、上位装置からの位置指令と、フィードバックされた主軸位置とに基づき主軸の制御が行われる。また、停止制御開始速度となると、前述の停止制御が実行される。つまり、ある期間、主軸を一定速度で制御し、続いて制動時最大加速度による減速制御が実行される。

制動時最大加速度、停止制御開始速度を予め求めておくことにより、速やかに停止制御を開始することができる。

前記停止制御開始速度Ｖｓは、前記制動時最大加速度をａmaxとした場合、Ｖｓ＝６０×√（ａmax×０．５）で演算した値としてもよい。また、前記主軸全体のイナーシャは、主軸モータを磁束密度指令と磁束密度推定値およびモータ速度より演算してもよい。

以上説明した様に、本発明による主軸を所望の回転位置に位置決めする主軸位置決め装置によれば、オーバシュートを生じることなく高速に主軸を所望の回転位置に位置決め可能となる。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。 主軸モータ速度と時間の関係を示す図である。 本発明の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術における主軸位置決め装置の説明図である。

本発明の実施形態について説明する。従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本発明の制御ブロック図を図１に示す。加速度指令演算部２２は基底回転速度以下の主軸モータの出力トルクＴｍｂ［Ｎｍ］と、主軸モータのイナーシャＪｍとチャックやワークを含む主軸のイナーシャＪｌの加算値である主軸全体のイナーシャＪｍ＋Ｊｌから（式４）により加速度ａmaxを加速度指令ａｓとして位置指令演算部２と切換速度演算部２３へ出力する。主軸全体のイナーシャＪｍ＋Ｊｌは、つまり主軸と、主軸と共に回転する構造体の全体のイナーシャであり、主軸モータの負荷に相当する。Ｔｍｂ、Ｊｍは主軸モータの仕様より予め設定し、Ｊｌは主軸仕様、加工ワーク条件より予め設定する。なお、（式４）中のＫａは位置決め減速時にトルクが飽和しない加速度指令となるように、１以下の係数とする。この加速度ａmaxは、基底回転速度以下において主軸モータが達成することができる現実的な最大の加速度である。

切換速度演算部２３では、前記加速度指令ａｓを加速度ａmaxとして（式５）により主軸の停止制御を開始する速度Ｖｓを算出し、出力する。この速度Ｖｓは、速度制御モードから位置制御モードに制御モードを切換える切換速度Ｖｓでもある。

ただし、（式５）で演算したＶｓが基底回転速度Ｖｂより大きい場合はＶｓ＝Ｖｂとして出力する。

比較器２４は、前記モータ速度Ｖｍが前記制御モード切換速度Ｖｓより小さくなった場合に切換信号ＳｃにＨレベルを出力する。制御モード切換スイッチ５は、前記切換信号ＳｃがＨレベルになった場合に、速度制御モードから位置制御モードに切換え、前記モータ速度Ｖｍが前記制御モード切換速度Ｖｓ以下となった場合に位置制御モードに切換え、主軸を所望の回転位置に停止させる。

図２に本発明および従来技術における速度と時間の関係を示す。主軸１回転内位置に停止させる位置αは、主軸１回転内位置によって異なり、０〜２πの任意の範囲である可能性があるため、平均値は半回転のπ［ｒａｄ］となり、制御モード切換速度Ｖｓでの平均時間Ｔ２は（式６）の値となる。

また、位置制御へ制御モード切換後、主軸が所望の回転位置に停止するまでの時間Ｔ３は加速度指令ａｓを加速度ａとして（式７）の値となる。

よって、主軸を所望の回転位置に停止させる時間Ｔは、前述の最大加速度ａmaxをａとして用い（式６）、（式７）より（式８）の値となる。

ここで、相加相乗平均の関係より（式９）が成り立つ。

（式９）の時間Ｔの最小値Ｔｍｉｎは（式１０）の加速度ａが前述の最大加速度ａmaxである時の値となる。

時間Ｔの最小値Ｔｍｉｎすなわち、最短時間で主軸を停止できる条件である（式１０）を（式８）のＴに代入しＶｓについて解くと（式５）が得られる。（式５）は、速度検出値Ｖｍが基底回転速度Ｖｂまで減速する前に演算できる。従来技術では基底回転速度Ｖｂまで減速した後、加速度を測定する時間Ｔ１と加速度指令ａｓを算出する時間が必要となる。よって、本発明は従来技術に対して加速度を算出するタイミングが異なり、従来技術よりも早いタイミングで、（式５）で演算された切換速度Ｖｓにおいて速度制御モードから位置制御モードに切換えることができるため、最短時間で主軸を所望の回転位置に停止させることができる。

本発明の他の実施形態について説明する。前述の実施形態と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本発明の他の制御ブロック図を図３に示す。電流制御部９は公知の磁束密度オブザーバ等より磁束密度推定値φｅを出力する。主軸イナーシャ演算部２５は、加減速時の前記速度検出値Ｖｍと前記磁束密度指令φｃと前記磁束密度推定値φｅより主軸全体のイナーシャＪｍ＋Ｊｌを予め算出する。例えば、基底回転速度以下の場合、基底回転速度以下の一定トルクをＴｍｂとすると実際にモータより出力されるトルクＴｍは（式１１）の値となる。

基底回転速度以下の加速度をａ（ｔ）とすると、Ｊｍ＋Ｊｌは（式１２）の値となる。

この場合、基底回転速度に減速するまでに、正確に主軸全体のイナーシャが推定できるため、より最適な加速度で主軸を減速させることができ、高速に主軸を所望の回転位置に停止させることができる。

１ 上位制御装置、２ 位置指令演算部、３ 減算器、４ 位置制御比例ゲイン、５ 制御モード切換スイッチ、６ 減算器、７ 速度制御部、８ 磁束密度指令演算部、９ 電流制御部、１０ 主軸モータ速度検出器、１１ 主軸モータ、１２ 主軸モータ側ギア、１３ ベルト、１４ 主軸側ギア、１５ 主軸、１６ 主軸位置検出器、２０ 主軸モータ基底回転速度以下の出力トルク、２１ 主軸トータルイナーシャ、２２ 加速度指令演算部、２３ 制御モード切換速度演算部、２４ 比較器、２５ 主軸イナーシャ演算部、３０ 主軸モータ基底回転速度、３１ 比較器、３２ 加速度指令演算部。

Claims (2)

1. 主軸モータに駆動される主軸を、一定速度で制御する速度一定制御と制動時最大加速度により減速制御する最大加速度制御からなる停止制御を実行し、所望の回転位置に主軸を位置決めする主軸位置決め装置であって、
   主軸モータの基底回転速度以下における出力トルクと、主軸および主軸と共に回転する構造体の合計のイナーシャである主軸系イナーシャとに基づき制動時に主軸モータが発生可能な主軸の最大加速度である制動時最大加速度を予め求める手段と、
   主軸を停止する際に最短時間で主軸を停止させるための、前記停止制御を開始する主軸モータの回転速度である停止制御開始速度を予め求める手段と、
   主軸モータの回転速度が停止制御開始速度となったことが検出されると、上位装置からの位置指令とフィードバックされた主軸位置とに基づく位置制御を行って前記速度一定制御と前記最大加速度制御を順に実行する手段と、
   を有し、
   前記停止制御開始速度Ｖｓ［ｍｉｎ ^-1 ］は、制動時最大加速度をａmax［ｒａｄ／ｓ ² ］とした場合、Ｖｓ＝６０×√（ａmax×０．５）により算出される、
   主軸位置決め装置。
2. 請求項１に記載の主軸位置決め装置であって、主軸モータへの磁束密度指令とオブザーバにより算出された磁束密度推定値と主軸モータの回転速度とに基づき前記主軸系イナーシャを算出する手段を有する主軸位置決め装置。
   

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