JP7376329B2

JP7376329B2 - 電動機の制御装置及び電動機の制御方法

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Publication number: JP7376329B2
Application number: JP2019212159A
Authority: JP
Inventors: 達也妹尾
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-11-08
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP2021084139A; US11196367B2; DE102020129441A1; US20210159823A1; CN112828649A

Description

本発明は、電動機の制御装置及び電動機の制御方法に関する。

工作機械に使用される電動機は、軸を駆動させることによって、工具やワークの位置決め動作及び切削等の加工動作を行う。例えば、立形マシニングセンタに設けられる上下方向に移動する送り軸の場合、その送り軸を駆動する電動機は、送り軸を一定速度で上昇又は下降させるように駆動させ、送り軸に連結される工具、テーブル、ワーク等の移動体を重力方向に沿って上下移動させ、目標位置に停止させる。

移動体が重力方向に沿って一定速度で上下移動するように軸を駆動する場合、電動機に必要な推力（トルク）の大きさは、移動体の上昇時には、［重力］＋［動摩擦力］であり、移動体の下降時には、［重力］－［動摩擦力］である。また、軸の駆動停止時には、移動体が重力によって落下しないために、［重力］±［最大静止摩擦力］の範囲の推力が必要とされる（［最大静止摩擦力］＞［動摩擦力］）。

特開２００２－１８６６４号公報

一般に、電動機の制御装置は、位置偏差（目標位置と実際の位置との差）の大小に応じて軸を駆動させるための推力指令を変化させ、軸の停止時には、停止直前の推力指令を引き継ぐように電動機を制御する。そのため、図７に示すように、移動体が重力方向に下降して目標位置に停止する場合では、軸を駆動するための電動機の推力は、［重力］－［動摩擦力］に等しい推力だけで済むのに対し、図８に示すように、移動体が反重力方向に上昇して目標位置に停止する場合では、軸を駆動するための電動機の推力は、［重力］＋［動摩擦力］に等しい大きな推力が必要となる。したがって、軸を反重力方向に上昇させて目標位置に停止させるように駆動する場合は、軸を重力方向に下降させて目標位置に停止させるように駆動する場合に比較して、電動機は無駄に大きな推力を必要とする。よって、電動機の制御においては、軸を停止状態にするために必要な推力を低減できるようにすることが望まれる。

本開示の一態様に係る電動機の制御装置は、重力の影響を受ける軸を駆動する電動機の制御装置であって、前記軸の目標位置を行き過ぎる行き過ぎ動作が可能か否かを判断する判断部と、前記判断部において前記行き過ぎ動作が可能であると判断され、且つ、前記軸を反重力方向に駆動させる場合に、前記軸が、前記目標位置に対して反重力方向に行き過ぎた行き過ぎ位置まで駆動した後に重力方向に再度駆動して前記目標位置に停止する動作を行うように、前記電動機の駆動を制御する駆動制御部と、を備える。

本開示の一態様に係る電動機の制御方法は、重力の影響を受ける軸を駆動する電動機の制御方法であって、前記軸の目標位置を行き過ぎる行き過ぎ動作が可能か否かを判断し、前記行き過ぎ動作が可能であると判断され、且つ、前記軸を反重力方向に駆動させる場合に、前記軸が、前記目標位置に対して反重力方向に行き過ぎた行き過ぎ位置まで駆動した後に重力方向に再度駆動して前記目標位置に停止する動作を行うように、前記電動機の駆動を制御する。

一態様によれば、軸を停止状態にするために必要な推力を低減することができる電動機の制御装置及び電動機の制御方法を提供することができる。

本開示の一態様に係る電動機の制御装置が適用される工作機械の一部を示す模式図である。本開示の一態様に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。本開示の一態様に係る電動機の制御装置によって制御される軸の駆動を説明する模式図である。本開示の一態様に係る電動機の制御装置による軸の駆動制御を説明するフローチャートである。本開示の一態様に係る電動機の制御装置が適用される他の工作機械の一部を示す模式図である。本開示の一態様に係る電動機の制御装置が適用される更に他の工作機械の一部を示す模式図である。軸が停止状態から重力方向に下降して停止する場合の電動機の推力を示すグラフである。軸が停止状態から反重力方向に上昇して停止する場合の電動機の推力を示すグラフである。

以下、本開示の一態様について図面を参照して説明する。
図１は、本開示の一態様に係る電動機の制御装置が適用される工作機械の一部を示す模式図である。図２は、本開示の一態様に係る電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、工作機械１は、電動機１０と、電動機１０によって駆動される送り軸２０と、電動機１０の駆動を制御する制御装置３０と、を有する。

図１に示す電動機１０はリニアモータによって構成され、重力方向（Ｚ軸）に沿って直線状に延びる送り軸２０を駆動する。送り軸２０は、電動機１０によって駆動されることによって、送り軸２０に取り付けられた移動体２１を、目標位置に向けて反重力方向（Ｚ１方向）に上昇させ、又は重力方向（Ｚ２方向）に下降させる。したがって、この送り軸２０は、重力の影響を受ける軸である。移動体２１は、例えば、工作機械１に使用される工具を備える主軸、被加工対象であるワーク、ワークを支持するテーブル等である。

制御装置３０は、図２に示すように、例えばＣＮＣ（Computerized Numerical Control）からなる数値制御装置４０から送られる駆動指令に基づいて、電動機１０の駆動制御を行う。前述したように、軸を駆動するために必要な電動機の推力は、軸を反重力方向に上昇させて目標位置に停止させるように駆動する場合に比較して、軸を重力方向に下降させて目標位置に停止させるように駆動する場合の方が少ない。したがって、制御装置３０は、移動体２１を反重力方向に上昇させて目標位置に停止させる場合に、電動機１０の推力を低減するために、送り軸２０を重力方向に下降させて目標位置に停止させるように電動機１０の駆動を制御する。

そのための制御装置３０は、判断部３１と、駆動制御部３２と、位置検出部３３と、加減速時定数設定部３４と、ゲイン設定部３５と、を有する。なお、制御装置３０の構成は、一般に電動機１０のサーボ制御装置によって実現され得る。図２に示す制御装置３０は、各構成部をひとまとめに配置した装置として記載されているが、制御装置３０の各構成部の配置場所は特に限定されない。制御装置３０の一部又は全部の機能は、数値制御装置４０やその他の外部装置によって達成されてもよい。

判断部３１は、数値制御装置４０から送られる加工プログラムに基づく電動機１０の駆動指令を解析する。電動機１０の駆動指令は、工作機械１の送り軸２０を駆動する際の目標位置（移動体２１を移動させる目標位置）の情報、その目標位置までの移動方向（Ｚ１方向又はＺ２方向）の情報、送り軸２０の駆動動作の目的（位置決め動作、切削動作等）の情報等を含む。判断部３１は、駆動指令を解析することによって、移動体２１を目標位置まで移動させるための送り軸２０の駆動方向が反重力方向であるか否か、及び送り軸２０を駆動する際に行き過ぎ動作が可能であるか否かを判断する。

送り軸２０の行き過ぎ動作は、移動体２１が目標位置を行き過ぎた行き過ぎ位置まで移動した後、目標位置まで再度移動するように送り軸２０を駆動させる動作である。行き過ぎ動作は、送り軸２０の目標位置までの駆動方向が反重力方向（図１におけるＺ１方向）を含む場合に適用される。したがって、行き過ぎ位置は、図１に示す送り軸２０の場合、目標位置に対して反重力方向（Ｚ１方向）に所定距離だけ上昇する位置である。そのため、行き過ぎ動作において、行き過ぎ位置まで上昇して停止した移動体２１は、行き過ぎ位置から目標位置まで下降して目標位置に停止する。

行き過ぎ動作は、送り軸２０の駆動が移動体２１の位置決め動作のための駆動である場合には問題はない。しかし、行き過ぎ動作は目標位置を行き過ぎる動作であるため、送り軸２０の駆動がワークを切削加工する切削動作のための駆動である場合には、加工品質に影響を与えるおそれがある。そのため、判断部３１は、駆動指令の解析の結果、送り軸２０の目標位置までの駆動方向が反重力方向であると判断した場合に、電動機１０の駆動指令における送り軸２０の駆動動作の目的に応じて、この行き過ぎ動作が可能であるか否かを判断する。具体的には、判断部３１は、送り軸２０の駆動が工作機械１における位置決め動作のための駆動である場合には、行き過ぎ動作は可能であると判断し、送り軸２０の駆動が工作機械１における切削動作のための駆動である場合には、行き過ぎ動作は不可であると判断する。

判断部３１は、送り軸２０の目標位置までの駆動方向が反重力方向であり、且つ、送り軸２０を駆動する際に行き過ぎ動作が可能である、と判断した場合に、その判断結果を駆動制御部３２、加減速時定数設定部３４及びゲイン設定部３５にそれぞれ出力する。

駆動制御部３２は、数値制御装置４０から送られる電動機１０の駆動指令を解析し、その解析結果と後述する位置検出部３３から送られる送り軸２０の位置情報とに基づいて、送り軸２０を駆動する際の目標位置（目標座標）を決定し、その目標位置に基づいて目標位置指令を作成することができる。目標位置指令は、移動体２１が目標位置まで通常動作で移動するように送り軸２０を駆動させる際に電動機１０に出力される。

また、駆動制御部３２は、判断部３１から、送り軸２０の目標位置までの駆動方向が反重力方向であり、且つ、送り軸２０を駆動する際に行き過ぎ動作が可能である、との判断結果の入力があった場合には、送り軸２０を駆動させる行き過ぎ位置（行き過ぎ座標）を決定し、その行き過ぎ位置に基づいて行き過ぎ位置指令を作成することができる。行き過ぎ位置指令は、移動体２１が目標位置を通過して行き過ぎ位置まで上昇した後、目標位置まで下降するように送り軸２０を駆動させる際に電動機１０に出力される。行き過ぎ位置は、目標位置に対して予め決められた一定距離だけ離れる位置に設定されてもよいし、例えば、移動体２１の種類、重量、移動距離及び移動速度等に応じて、目標位置に対してその都度異なるように設定されてもよい。

行き過ぎ位置指令は、移動体２１が現在位置から行き過ぎ位置まで上昇するように送り軸２０を駆動するための第１の推力指令と、移動体２１が行き過ぎ位置から目標位置まで下降するように送り軸２０を駆動するための第２の推力指令とを含む。電動機１０の推力は、前述したように、移動体２１を反重力方向に上昇させるように送り軸２０を駆動させるよりも、移動体２１を重力方向に下降させるように送り軸２０を駆動させる方が小さいため、電動機１０の推力の大きさは、第１の推力指令＞第２の推力指令の関係にある。

位置検出部３３は、図２に示すように、電動機１０に設けられるエンコーダ等の位置検出器１１から出力される位置検出信号に基づいて、送り軸２０の位置（これは移動体２１の位置でもある。）を検出する。位置検出部３３によって検出された送り軸２０の位置情報は、前述した駆動制御部３２に出力される。

加減速時定数設定部３４は、送り軸２０の駆動時の電動機１０の加減速に伴う加減速時定数を設定する。加減速時定数設定部３４には、少なくとも大小２つの時定数が設定されている。加減速時定数設定部３４は、少なくとも２つの時定数のうちのいずれかを選択して、駆動制御部３２に出力する。具体的には、加減速時定数設定部３４は、行き過ぎ動作を実行する場合に、駆動制御部３２に出力する時定数をより大きい時定数に変更する。行き過ぎ動作は、行き過ぎ位置に一旦停止した後、停止状態を保持することなく直ちに目標位置まで下降する動作であるため、送り軸２０や移動体２１に掛かる衝撃が大きくなるおそれがある。加減速時定数が大きく変更されると、送り軸２０の駆動時の加速度及び減速度が比較的緩慢になるため、行き過ぎ動作時の送り軸２０や移動体２１に掛かる衝撃が軽減される。

ゲイン設定部３５は、送り軸２０の駆動時のゲインを設定する。行き過ぎ動作時は、電動機１０の推力が、［重力］＋［動摩擦力］から［重力］－［動摩擦力］に変更されるため、動摩擦トルクが大きい場合、行き過ぎ動作時に変化させる電動機１０の推力も大きくなる。一方、行き過ぎ動作時は位置偏差が小さくなる傾向があるため、位置偏差に応じて電動機１０の推力を変更させる場合は、推力の変化に時間が掛かることがある。そのため、ゲイン設定部３５は、行き過ぎ動作を実行する場合に、駆動制御部３２に出力するゲインを上げるように機能する。ゲインを上げることによって、電動機１０の推力の変化時間が短縮され、送り軸２０を行き過ぎ位置から目標位置まで駆動させる時間も短縮される。

ゲイン設定部３５によって変更されるゲインの種類は、位置ループゲイン及び速度ループゲインのうちのいずれか一方であってもよいし、位置ループゲイン及び速度ループゲインの両方であってもよい。

次に、制御装置３０による具体的な電動機１０の制御方法について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、制御装置３０によって制御される送り軸２０の駆動を説明する模式図である。図４は、制御装置３０による送り軸２０の駆動制御を説明するフローチャートである。ここでは、送り軸２０は、図３に示すように、現在位置に停止している移動体２１を反重力方向であるＺ１方向に上昇させて目標位置まで移動させるように駆動するものとして説明する。

まず、制御装置３０は、駆動制御部３２において、数値制御装置４０から送られる加工プログラムに基づく駆動指令を解析する（Ｓ１）。その後、駆動制御部３２において、解析結果と位置検出部３３から送られる送り軸２０の位置情報とに基づいて、送り軸２０を駆動する際の目標位置を決定し、目標位置指令を作成する（Ｓ２）。

数値制御装置４０からの駆動指令は、判断部３１にも送られる（図２参照）。制御装置３０は、判断部３１において、駆動指令から移動体２１の目標位置への移動は反重力方向であるか否かを判断する（Ｓ３）。移動が反重力方向である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御装置３０は、更に判断部３１おいて、駆動指令から行き過ぎ動作が可能であるか否かを判断する（Ｓ４）。

ステップＳ４において、送り軸２０の駆動が位置決め動作のための駆動であり、行き過ぎ動作が可能であると判断された場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、制御装置３０は、駆動制御部３２において、目標位置に基づいて行き過ぎ位置を決定し、その行き過ぎ位置に基づいて、第１の推力指令及び第２の推力指令を含む行き過ぎ位置指令を作成する（Ｓ５）。その後、制御装置３０は、加減速時定数設定部３４において設定される時定数を大きい時定数に変更するとともに、ゲイン設定部３５において設定されるゲインを上げるように変更する（Ｓ６）。

次いで、制御装置３０は、まず、行き過ぎ位置指令の第１の推力指令に応じた電流を電動機１０に印加し、送り軸２０を駆動させる。これによって、送り軸２０は、移動体２１を現在位置から行き過ぎ位置まで反重力方向であるＺ１方向に上昇させるように駆動する（Ｓ７）。

移動体２１が行き過ぎ位置まで上昇した後、制御装置３０は、行き過ぎ位置指令の第２の推力指令に応じた電流を電動機１０に印加し、送り軸２０を駆動させる。これによって、送り軸２０は、移動体２１を行き過ぎ位置から目標位置まで重力方向であるＺ２方向に下降させるように駆動する（Ｓ８）。

ステップＳ８において移動体２１が行き過ぎ位置から目標位置まで下降すると、送り軸２０は移動体２１を目標位置に停止状態に保持する。このときに送り軸２０が停止状態を保持するための電動機１０の推力は、図７に示したように、［重力］－［動摩擦力］に等しい小さな推力である。そのため、電動機１０に必要な推力は、現在位置から目標位置まで通常動作で駆動させる場合に比べて低減される。

なお、ステップＳ３において目標位置への移動が反重力方向ではないと判断された場合（ステップＳ３：ＮＯ）、又は、ステップＳ４において行き過ぎ動作は不可であると判断された場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、処理はステップＳ９に移行する。ステップＳ９では、制御装置３０は、通常推力指令に応じた電流を電動機１０に印加し、移動体２１が現在位置から目標位置まで通常動作で上昇するように送り軸２０を駆動する。

以上説明したフローチャートでは、目標位置への移動が反重力方向であり、行き過ぎ動作が可能である場合に、制御装置３０は必ず行き過ぎ動作を実行するように電動機１０を制御する。しかし、送り軸２０が目標位置に停止した状態を保持する時間が短い場合は、電動機１０の推力は僅かで済むため、制御装置３０は必ずしも行き過ぎ動作を実行するように電動機１０を制御しなくてもよい場合がある。送り軸２０の停止時間は、数値制御装置４０から送られる加工プログラムに基づく駆動指令を解析することによって判断することができる。そのため、例えば、図４におけるステップＳ２とステップＳ３との間、ステップＳ３とステップＳ４との間、又は、ステップＳ４とステップＳ５との間のいずれかに、送り軸２０の停止時間が予め閾値として設定した時間よりも短いか否かを判断するステップを追加してもよい。その場合、送り軸２０の停止時間が閾値として設定された時間よりも短いと判断されると、制御装置３０は、行き過ぎ動作を実行せずに、ステップＳ９の処理に移行して通常動作で送り軸２０を駆動させるように電動機１０を制御する。

電動機１０によって駆動される軸は、重力の影響を受ける軸であればよく、図１に示したリニアモータの送り軸２０に制限されない。例えば、図５に示すように、軸は、電動機１０の駆動軸に連結されたボールねじ２０Ａによって構成されてもよい。ボールねじ２０Ａは重力に沿う方向に延びている。移動体２１は、ボールねじ２０Ａに螺合し、電動機１０の回転駆動によって上下移動する。

また、軸は、重力方向に沿って直線的に駆動するものでなくてもよい。したがって、例えば、図６に示すように、電動機１０の駆動軸２０Ｂであってもよい。この場合、駆動軸２０Ｂは重力方向に交差する方向（例えば水平方向）に配置される。駆動軸２０Ｂには、円板状の面板２２が取り付けられ、この面板２２の表面に偏心するように移動体としてのワークＷが支持されている。例えば、電動機１０の駆動軸２０Ｂが反時計方向に駆動すると、面板２２の上側に１点鎖線で示されるワークＷ１は、重力方向に沿うＺ２０方向に移動して実線で示されるワークＷの位置（目標位置）まで移動する。しかし、駆動軸２０Ｂが時計方向に駆動すると、面板２２の下側に１点鎖線で示されるワークＷ２は、反重力方向に沿うＺ１０方向に移動して実線で示されるワークＷの位置（目標位置）まで移動する。そのため、制御装置３０は、ワークＷ２がワークＷの位置まで移動するように駆動軸２０Ｂを駆動させる場合に、前述した行き過ぎ動作を実行することによって、電動機１０の推力を低減させることができる。

なお、行き過ぎ動作は、最終的に目標位置に停止するように動作すればよく、目標位置を通過して行き過ぎ位置まで移動する場合に制限されない。したがって、行き過ぎ動作は、例えば、図６に示すように、面板２２の上側に位置するワークＷ１が時計方向に移動して、最終的に目標位置であるワークＷの位置に停止するように動作するものであってもよい。

１工作機械
１０電動機
２０送り軸
３０制御装置
３１判断部
３２駆動制御部
３４加減速時定数設定部
３５ゲイン設定部

Claims

重力の影響を受ける軸を駆動する電動機の制御装置であって、
前記軸の目標位置を行き過ぎる行き過ぎ動作が可能か否かを判断する判断部と、
前記判断部において前記行き過ぎ動作が可能であると判断され、且つ、前記軸を反重力方向に駆動させる場合に、前記軸が、前記目標位置に対して反重力方向に行き過ぎた行き過ぎ位置まで駆動した後に重力方向に再度駆動して前記目標位置に停止する動作を行うように、前記電動機の駆動を制御する駆動制御部と、
前記軸の駆動時の加減速時定数を設定する加減速時定数設定部と、を備え、
前記加減速時定数設定部は、前記行き過ぎ動作を実行する場合に、前記加減速時定数を大きくなるように変更する、電動機の制御装置。
前記軸は、工作機械における位置決め動作及び切削動作に用いられる軸であり、
前記判断部は、前記軸の駆動が前記位置決め動作のための駆動である場合には、前記行き過ぎ動作が可能であると判断し、前記軸の駆動が前記切削動作のための駆動である場合には、前記行き過ぎ動作が不可であると判断する、請求項１に記載の電動機の制御装置。
前記軸の駆動時のゲインを設定するゲイン設定部と、を更に備え、
前記ゲイン設定部は、前記行き過ぎ動作を実行する場合に、前記ゲインを上げるように変更する、請求項１又は２に記載の電動機の制御装置。
重力の影響を受ける軸を駆動する電動機の制御方法であって、
前記軸の目標位置を行き過ぎる行き過ぎ動作が可能か否かを判断し、
前記行き過ぎ動作が可能であると判断され、且つ、前記軸を反重力方向に駆動させる場合に、前記軸が、前記目標位置に対して反重力方向に行き過ぎた行き過ぎ位置まで駆動した後に重力方向に再度駆動して前記目標位置に停止する動作を行うように、前記電動機の駆動を制御し、
前記行き過ぎ動作を実行する場合に、前記軸の駆動時の加減速時定数を大きくなるように変更する、電動機の制御方法。
前記軸は、工作機械における位置決め動作及び切削動作に用いられる軸であり、
前記軸の駆動が前記位置決め動作のための駆動である場合には、前記行き過ぎ動作が可能であると判断し、前記軸の駆動が切削動作のための駆動である場合には、前記行き過ぎ動作が不可であると判断する、請求項４に記載の電動機の制御方法。
前記行き過ぎ動作を実行する場合に、前記軸の駆動時のゲインを上げるように変更する、請求項４又は５に記載の電動機の制御方法。