JPH01112313A - 数値制御による軸位置制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えばホブ盤に対する、それぞれ電動機に
より駆動される少なくとも２つの軸の数値制御による位
置制御方法であって、各軸の位置が単位時間あたりの位
置目標値として回転数目標値を設定することにより回転
数制御対象を存するそれぞれ固有の制御ループを介して
設定可能であり、少なくとも１つの追従軸がそれぞれ予
め定められた変速比により少なくとも１つの先導幀の回
転運動に同期して制御可能であり、各軸が被加工材また
は工具を装着可能である方法に関するものである。

〔従来の技術］ たとえばホブ盤またはストローク形歯切盤による歯車製
造のような種々の加工技術において、機械軸を複数の他
の機械軸の運動に関係して動かすことが必要である。そ
のために軸の間の相異なる変速比が設定可能でなければ
ならない。

電動機により駆動される軸の回転運動が互いに関係して
調節され得る方法は“電子的伝動°゛とも呼ばれる。

ヨーロンパ特許出願第０１８４０３６Ａ１号明細書には
歯形の製造のための工作機械に対する電子的伝動の数値
制御が記載されており、その被加工材の運動は、工具の
実際位置から被加工材の位置制御ループに対する指令量
が導き出されるように、工具の少なくとも１つの運動に
関係して行われている。

ホブ盤法による歯車の製造の場合のように冑精度の部品
の製造の際には、それぞれ電動機により駆動される軸の
同期に高い要求が課せられる。しかし上記のヨーロンパ
特許出願の場合のように先ず工具の実際位置から、すな
わち一方の軸の実際位置から他方の軸の位置制御ループ
に対する目標値が導き出されるならば、それにより強制
的に第１の軸にくらべて第２の軸の成る追従が生ずる。

その原因は、第２の軸がその目標値を先ず第１の軸の実
際値から、すなわち既に行われた第１の軸の回転運動の
後に初めて受けることにある。このいわゆる引きずり間
隔は確かに相応の措置により最小化され得るが、システ
ムにより条件付けられて決して一定に零に保たれ得ない
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、冒頭に記載した種類の方法を、システ
ムにより条件付けられる引きずり間隔が回避されるよう
に構成することである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は、本発明によれば、すべての軸が同一に構成
されかつ固有に設定された制御ループの使用により同一
の動特性を有し、そのつどの追従軸のそのつどの位置目
標値がそのつどの変速比により重み付けられたそのつど
の先導軸のそのっどの位置目標値から得られており、結
果として生ずるそのつどの先導軸の回転数実際値が結果
として生ずるそのつどの追従軸の回転数実際値とそのつ
どの変速比の考慮のもとに比較され、また結果として生
ずるそのつどの回転数実際値の差が存在する際にそのつ
どの追従軸の回転数が１つの状態等化調節器を介して追
従軸の回転数制御対象における１つの相応の回転数目標
値の設定により事後調節可能であることにより解決され
る。

本発明の第１の構成は、結果として生ずる回転数実際値
の差が存在する際にそのつどの追従軸の回転数制御対象
が状態等化調節器を介して相応の電流目標値の設定によ
り事後調節可能であることを特徴とする。電流調節への
このような直接的な影響により、前段に接続されている
調節要素により場合によっては生ずる時間遅延が減少さ
れ得る。

そのつどの制御ループは、そのつどの軸の回転数目標値
が、直接にそのつどの回転数制御対象に重畳された位置
目標値と回転数制御偏差との和から生じ、その際に回転
数制御偏差が１つの位置制御偏差の比例増幅により生じ
、その際に位置制御偏差がそのつどの軸の実際位置と時
間遅延されかつ続いて積分された位置目標値とから決定
可能であり、位置目標値の時間遅延が回転数制御対象の
過渡応答にシミュレートされているように構成されてい
てよい。回転数制御対象への位置目標値の直接的な重畳
により、一方では電動機の始動特性の高いダイナミック
スが達成され、他方では、回転数制御対象の過渡特性に
適合されている位置制御偏差の時間遅延された形成によ
り、行き過ぎ振動、すなわち予め定められた位置の行き
過ぎが回避される。

本発明の別の構成は、そのつどの軸の位置目標値がその
つどの軸に取付けられている被加工材または工具の予め
定められた周辺速度から比例調節要素による被加工材ま
たは工具のそのつどの半径の逆数値の乗算により決定可
能であることを特徴とする。それによってそのつどの軸
の速度が、たとえば円錐状の被加工材における変化する
半径に適合され、また工具に対する被加工材の固定の相
対的速度が保たれ得る。

各電動機の駆動軸と電動機により駆動されそのつどの軸
との間に少なくとも２つの歯車から成る機械的伝動機構
が位置しているならば、歯車許容差が、測定システム補
償装置を介して両歯車の許容差がそれぞれ１つの固をの
表のなかに把握されており、また相応の許容差の考慮の
もとに表から予め定め得る被加工材または工具の位置に
対して電動機の軸の正確な位置が決定可能であることに
より考慮され得る。歯車、たとえばウオーム歯車または
平歯車の製造技術上の不正確さがこの措置によりほとん
ど補償され得る。

〔実施例］ 以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳
細に説明する。

第１図には１つの電子的伝動装置の制御ループの信号流
れ図が示されている。各信号流れ方向は矢印により示さ
れている。各出力信号と入力信号との作用関係を示すた
め、信号流れ図のブロックの各々のなかに伝達関数が記
入されている。

制御ループ全体はそれぞれ先導軸に対する制御ループＲ
Ｌと追従軸に対する制御ループＲＦとから成っており、
鎖線で囲んで示されている両制御ループＲＬおよびＲＦ
は同一に構成されている。

追従軸の制御ループＲＦは係数Ｕで重み付けられた比例
要素３１を介して、また相応の比例要素３２および状態
等化調節器３３を介して先導軸の制御ループＲＬと接続
されている。その際に両制御ループＲＬ、ＲＦの各々は
先導軸に対する調節要素１４ないし１７または追従軸に
対する調節要素２４ないし２７を有する回転数制御対象
を制御する。回転数制御対象はそれぞれ１つの作用線Ｌ
３またはＬ６を介して比較器ｖ２または■４に負帰還さ
れている。そのつどの回転数制御対象１４ないし１７．
２４ないし２７は、追加的に比例調節器１３または２３
および積分器１８または２８から形成されている位置制
御ループの構成部分であり、その際に先導軸の角位置Ｐ
）１ｆＬ＋または追従軸の角位置Ｐ１１１ｙ＋のそのつ
どの位置実際値は作用線Ｌ２またはＬ５を介して比較器
■１または■３に負帰還されている０位置制御ループＲ
ＬまたはＲＦの前にそれぞれ１つの積分器１２または２
２と、たとえばＰＴＩ要素であってよい遅延要素１１ま
たは２１とが接続されている。作用線ＬｌまたはＬ４は
調節要素１１．１２および１３または２１．２２および
２３の連鎖構造を橋絡し、また加算器ＡＩまたはＡ２に
通じている。作用線ＬｌまたはＬ４のなかの破線で示さ
れている比例要素３４または４４については後で説明す
る。

先導軸および追従軸の同一に構成された制御ループＲＬ
、ＲＦの個々の調節器は、たとえば両制御対象が同一の
動特性、すなわち同一の整定時間を有するように設定可
能である。その際に最も弱い電動機を有する制御対象を
基準とするのが目的にかなっている。

電子的伝動装置には先導軸に対する回転数目標値が位置
目標値ｎＬＳとして予め与えられる。このことは、１つ
の予め定められたクロックサイクルにより決定されてい
る単位時間あたり軸が特定の回転角だけ回転すべきであ
ることを意味する。クイムクロツタの周期がたとえば１
ｍｓであり、また４５°の１つの位置目標値が予め与え
られるならば、それは１ｍｓあたり１７８回転または１
ｍ１ｎあたり７５００回転に相当する。

追従軸に対する回転数目標値ｎ０は先導軸に対する回転
数目標値ｎＬ、から、比例要素３１により設定され得る
特定の設定可能な変速比ｉの乗算により生じ、従って同
時に両制御ループが所望の回転数ｎＬｓまたはｎ８を単
位時間あたりの位置目標値として受ける。それによって
両制御ループＲＬ、ＲＦの同一の動特性および無擾乱の
作動では、予め設定された変速比ｄで重み付けられた軸
の同期回転が保証されている。

たとえばホブ盤において１つの追従軸が複数の先導軸に
関係して＃Ａ節されるべきであれば、追従軸の位置目標
値ｎ８は先導軸の複数のまたは全部の位置目標値の加算
的重畳からも形成され得る。

もちろんこの用途でもそのつどの位置目標値はそれぞれ
１つの変速比６により重み付けられ得る。

たとえば先導軸の変化する負荷モーメントＭＬＬおよび
（または）追従軸の変化する負荷モーメントＭＬＦから
生じ得て、非同期の作動に通ずるであろうシステム、特
に回転数制御対象のなかの擾乱の場合には、電子的伝動
装置において先導軸の回転数実際値ｎＬＩおよび追従軸
の回転数実際値ｎＦＩが互いに比較され、回転数実際値
ｎＬＩは追従軸に対して予め定められた変速比ｄとの比
較の前に比例要素３２を介して重み付けられる。

１つの擾乱により条件付けられる回転数実際値ｎＬ１．
．ｎＦ＋の互いの偏差の際に、ＰＩＤ１ｉ１節器として
構成されていてよい破線で示されている状態等化調節器
３３を介して相応の回転数目標値Ｎ０が追従軸の回転数
制御対象に、すなわち比較器Ｖ４に予め与えられ、また
追従軸の回転数が事後調節され、従ってまた回転数実際
値ｎＬｌ、ｎＦｌと位置実際値ｐｈｉＬ＋、ｐｈｉ、、
との間の差が零になるようにする。状態等化調節器によ
り、直接に調節要素２６に与えられ得る電流目標値１１
５も予め与えられ得る。この可能性は第２図に示されて
いる。

以下に説明される本発明の実施例は同一の仕方で各制御
ループＲＬ、ＲＦに対して設けられており、それ故先導
軸に対する制御ループＲＬについて説明する。追従軸に
対する制御ループＲＦの相応の参照符号は先導軸に対す
る制御ループＲＬの参照符号の後に括弧のなかに示され
る。

最適な過渡応答を達成するため、単位時間あたりの位置
目標値ｎい（ｎ□）が回転数目標値として作用線ＬＬ　
（Ｌ４）を介して加算器Ａｔ　（Ａ２）に、従ってまた
直接に調節要素１４ないし１７（２４ないし２７）から
成る回転数制御対象に予め与えられる。この直接の回転
数設定により電動機はその固有の慣性を克服して始動し
得る。その際に電動機の慣性は、積分器１Ｂ（２Ｂ）の
後に存在しておりまた位置制御ループの作用線Ｌ２　（
Ｌ５）を介して比較器Ｖｌ　（Ｖ３）に負帰還されてい
る絶対位置実際値を、同じく比較１ｔＮＶ１に存在して
いる絶対位置目標値から強く偏差させ、それによって過
渡的過程の制御サイクルの間に比較器Ｖｌ　（Ｖ３）に
大きい制御偏差が生じ、従ってまた電動機に対する目標
値設定が相応に高くなる。

それにより一方では電動機の非常に迅速な始動特性が達
成されるが、他方ではこの種の制御は行き過ぎ振動に通
ずる。すなわち、軸が設定された絶対位置目標値まで回
転するのではなく、若干それを越える位置まで回転する
。このことは、図示されている電子的伝動装置では、Ｐ
ＴＩ要素であってよい調節要素１１（２１）を介して時
間的挙動が回転数制御対象全体１４・・・１７（２４・
・・２７）にシミュレートされていることにより回避さ
れる。

それによりそのつどの位置目標値ｎｔ、ｓ　（ｎｒ３）
が、電動機の始動特性に相応する時間遅延をもって積分
器１２（２２）に、従ってまた絶対位置目標値として比
較器Ｖｌ　（Ｖ３）に与えられる。

ここで再び言及すべきこととして、“位置目標値パとい
う用語は単位時間あたりの位置目標値、すなわち回転数
を意味する。それに対して“絶対位置目標値”という用
語は軸の１つの角位置を意味する。

電動機の始動特性を考慮に入れるこの動的干割ｔＴＪに
より、比較器Ｖｌ　（Ｖ３）に到来する位置目標値が、
作用線Ｌ２を介して負帰還された位置実際値Ｐ　ｈ　ｊ
ｔ＋　（Ｐ　ｈ　ｔＬ＋）に比較的近づき、またこうし
て比例調節器１３　（２３）を介して回転数目標値とし
て加算器Ａ１に到達する制御偏差は、行き過ぎ振動が回
避されるようにわずかに保たれる。

作用線Ｌｌ　（Ｌ４）のなかに示されている比例調節器
３４　（４４）により、その際に動的予制御、従ってま
た制御対象全体の過渡特性が最適化され得る。その際に
、ＰＴＩ要素１１（２１）において回転数制御対象の時
間特性が係数０．５で重み付けられてシミュレートされ
るならば、比例調節器３４　（４４）における０、７と
０，９との間の１つの比例係数により良好な過渡特性が
達成されることが判明した。

過渡状態では調節要素１１（２１）は無効となり、従っ
て回転数目標値は時間遅延なしに積分器１２（２２）に
到達する。

第２図には１つの電子的伝動装置が示されており、第１
図中に示されている要素に加えて、先導軸の制御ループ
ＲＬの前に係数１／Ｇを有する比例要素３５が、また追
従軸の制御ループＲＦの前に係数１／Ｒを存する比例Ｕ
４節器４５が接続されている。さらに再位置制御ループ
の負帰還枝路Ｌ２およびＬ５はそれぞれ１つの測定シス
テム補償要素３７または４７を含んでいる。係数１／Ｒ
は追加的に回転数実際値ｎＬ＋　（ｎｙ＋）の比較枝路
のなかで比例調節器４６により考慮されている。

たとえば先導軸の制御ループＲＬを介して工具送り台が
直線的に駆動されるべきであれば、この送り台に対して
１つの目標速度ｖｔｓが回転数の代わりに先導軸の制御
ループＲＬに予め与えられ得る。この速度ＶＬｆｉは次
いで、送り台を駆動するスピンドルのピッチの逆数値１
／Ｃ，と乗算され、またそれにより相応の回転数目標値
またはクロックサイクルあたりの位置目標値が得られる
。

追従軸の制御ループＲＦに対しても目標速度Ｖ４．の設
定が有意義であり得る。たとえば追従軸に円錐状の被加
工材が取付けられており、またこの被加工材が円錐の高
さにわたり一定の周辺速度で運動すべきであれば、軸の
速度は変化する円錐半径に相応して適合されなければな
らない。この目的で追従軸の制御ループＲＦに所望の周
辺速度Ｖ、Ａが予め与えられ得る。比例要素４５により
周辺速度ｖ０は連続的に、１つの適当な測定システムを
介して得られるそのつどの被加工材半径の逆数値１／Ｒ
と乗算され、こうしてそれぞれ相応の回転数目標値が本
来の制御対象に与えられる。もちろんそのつどの被加工
材半径（円錐）の逆数値１／Ｒによるこの乗算は、第２
図中に比例要素４６により示されているように、回転数
実際値ｎＬＩ、ｎＦｌの比較の際にも考慮されなければ
ならない。

１つまたは複数の軸において特に遅い回転数が望まれて
いるならば、この回転数が電子的伝動装置のみによって
は達成されないことがあり得るので、減速伝動装置が必
要とされる。このような伝動装置は、現在の工作機械の
精度では考慮されずにとどまり得ない製造技術上の許容
差を有する。

この製造技術上の許容差を補償するために、各制御ルー
プのなかに、第２図により先導軸の制御ループＲＬのな
かにも追従軸の制御ループＲＦのなかにも示されている
ように、測定システム補償要素３７または４７が設けら
れ得る。

たとえば先導軸がウオーム歯車および平歯車を有する伝
動装置により減速されていると、ウオーム歯車の各位置
に対する平歯車の各位置において、両歯車のそのつどの
相互位置に相応する、個々の歯車の製造許容差の組み合
わせ、従ってまた所望の位置から偏差する軸位置が生ず
る。たとえば位置測定が電動機において行われるならば
、確かに制御ループはその課題、すなわち位置目標値に
対する位置実際値の制御偏差を無くすという課題を満足
するが、実際の軸位置、すなわち軸の実際位置はそれに
もかかわらず伝動装置の許容差のために所望の位置から
偏差し得る。このことを回避するため、そのつどの測定
システム補償要素３７または４７は、周辺にわたるすべ
ての歯車の許容差がそれぞれ１つの表のなかに格納され
、またそのつどの軸の位置実際値ＰｈｊＬＩ、Ｐｈｉ□
の位置計算の際に、比較器■１または■３に与えられる
以前に、先ず電動機歯車の表により、次いで負荷歯車（
被加工材軸、工具軸）の表により補正される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための先導軸に対する制
御ループおよび追従軸に対する制御ループを有する電子
的伝動装置の信号流れ図、第２図は拡張された信号流れ
図である。 ＲＬ・・・先導軸の制御ループ ＲＦ・・・追従軸の制御ループ Ｕ・・・変速比 ３１．３２・・・変速比に対する比例要素１４〜１７・
・・先導軸の回転数制御対象２４〜２７・・・追従軸の
回転数制御対象Ｌ１〜Ｌ４・・・作用線 ■１〜■４・・・比較器 １３．２３・・・比例調節器 １８．２日・・・積分器 ρｈｉＬ、・・・先導軸の角位置 Ｐｈ１ｘ・・・追従軸の角位置 Ｉ２．２２・・・積分器 １１．２１・・・遅延要素（ＰＴＩ調節器）ＡＩＳＡ２
・・・力■算器 ３４．４４・・・比例要素 ｎＬｓ・・・先導軸の回転数目標値 ｎＦｓ・・・追従軸の回転数目標値 ＭＬＬ・・・先導軸の負荷モーメント ＭＬ、・・・追従軸の負荷モーメント ｎｔ＋・・・先導軸の回転数実際値 ｎ□・・・追従軸の回転数実際値 ＩＦ５・・・電流目標値 ３５・・・ピッチを考慮に入れるための比例要素Ｇ・・
・ピッチ ４５．４６・・・半径を考慮に入れるだめの比例要素 ３７．４７・・・測定システム補償要素ＶＬ３・・・先
導軸の目標速度 ■□・・・追従軸の目標速度 ｍ＋８）代婦人弁理士冨村　潔−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）それぞれ電動機により駆動される少なくとも２つの
   軸の数値制御による位置制御方法であって、各軸の位置
   が単位時間あたりの位置目標値として回転数目標値を設
   定することにより回転数制御対象を有するそれぞれ固有
   の制御ループを介して設定可能であり、少なくとも１つ
   の追従軸がそれぞれ予め定められた変速比により少なく
   とも１つの先導軸の回転運動に同期して制御可能であり
   、また各軸が被加工材または工具を装着可能である方法
   において、すべての軸が同一に構成されかつ固有に設定
   された制御ループ（ＲＬ、ＲＦ）の使用により同一の動
   特性を有し、そのつどの追従軸のそのつどの位置目標値
   （ｎ＿Ｆ＿３）がそのつどの変速比（３１、３２）によ
   り重み付けられたそのつどの先導軸のそのつどの位置目
   標値（ｎ＿Ｌ＿３）から得られており、結果として生ず
   るそのつどの先導軸の回転数実際値（ｎ＿Ｌ＿１）が結
   果として生ずるそのつどの追従軸の回転数実際値（ｎ＿
   Ｆ＿１）とそのつどの変速比（３１、３２）の考慮のも
   とに比較され、結果として生ずるそのつどの回転数実際
   値（ｎ＿Ｌ＿１、ｎ＿Ｆ＿１）の差が存在する際にその
   つどの追従軸の回転数が状態等化調節器（３３）を介し
   て追従軸の回転数制御対象（２５・・・２７）における
   相応の回転数目標値（Ｎ＿Ｆ＿３）の設定により事後調
   節可能であることを特徴とする数値制御による軸位置制
   御方法。 ２）結果として生ずる回転数実際値（ｎ＿Ｌ＿１；ｎ＿
   Ｆ＿１）の差が存在する際にそのつどの追従軸の回転数
   制御対象（ＲＦ）が状態等化調節器（３３）を介して相
   応の電流目標値（Ｉ＿Ｆ＿３）の設定により事後調節可
   能であることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３）そのつどの軸の回転数目標値が、直接にそのつどの
   回転数制御対象（１４・・・１７、２４・・・２７）に
   重畳された位置目標値（ｎ＿Ｌ＿３、ｎ＿Ｆ＿３）と回
   転数制御偏差との和から生じ、回転数制御偏差が位置制
   御偏差の比例増幅により生じ、位置制御偏差がそのつど
   の軸の実際位置（ｐｈｉ＿Ｌ＿１、ｐｈｉ＿Ｆ＿１）と
   時間遅延されかつ続いて積分された位置目標値（ｎ＿Ｌ
   ＿３、ｎ＿Ｆ＿３）とから決定可能であり、位置目標値
   （ｎ＿Ｌ＿３、ｎ＿Ｆ＿３）の時間遅延（１１、２１）
   が回転数制御対象（１４・・・１７、２４・・・　２７
   ）の過渡応答にシミュレートされていることを特徴とす
   る請求項１または２記載の方法。 ４）そのつどの軸の位置目標値（ｎ＿Ｆ＿３）がそのつ
   どの軸に取付けられている被加工材または工具の予め定
   められた周辺速度（Ｖ＿Ｆ＿３）から比例調節要素（４
   ３）による被加工材または工具のそのつどの半径の逆数
   値の乗算により決定可能であることを特徴とする請求項
   １ないし３の１つに記載の方法。 ５）各電動機の駆動軸と電動機により駆動されそのつど
   の軸との間に少なくとも２つの歯車から成る機械的伝動
   機構が位置しており、測定システム補償装置（３７、４
   ７）を介して両歯車の許容差がそれぞれ１つの固有の表
   のなかに把握されており、また相応の許容差の考慮のも
   とに表から予め定め得る被加工材または工具の位置に対
   して電動機の軸の正確な位置が決定可能であることを特
   徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。