JPH01188914A - 数値制御機械の二重ループ制御装置 - 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］ 本発明は数値制御機械の二重ループ制御装置に関し、−
層詳細には、数値制御によってワークを加工する工作機
械、所謂、数値制御機械に組み込まれる回転駆動源の運
動をギヤトレンを介してワーク側に伝達する際に発生す
るバックラソシ等の不安定要素を効果的に低減すると共
に、回転速度の高安定化並びに位置決めの高精度化を可
能とした数値制御機械の二重ループ制御装置に関する。

［発明の背景］ モータ等回転駆動源の運動を当該回転駆動源の回転軸の
軸線方向と異なる軸線方向に伝達するだめにギヤトレン
が用いられている。特に、減速機として用いられるギヤ
トレンは大きな駆動トルクを得ることが出来ることから
数値制御によってワークを加工する精密工作機械等に広
汎に使用されている。

このような数値制御工作機械において、回転駆動源とし
てはそのトルクが大きいことから直流サーボモータが採
用され、当該サーボモータはフィードバック制御（以下
、セミクローズトループ制御という）によって定速安定
性が保持されている。すなわち、サーボモータには、例
えば、第１図ａに示すような理想的な回転指令信号Ｓ０
に応じて所定の指令電圧が印加され、サーボモータに軸
着されたロークリエンコーダの出力信号をフィードバッ
ク信号として前記回転指令信号Ｓ。に応じた回転を保持
するように構成されている。この場合、サーボモータは
高ゲインで安定性のよい応答を示すことが知られている
。

ところが、このようなセミクローズトループ制御のみに
よる制御方法は、ギヤトレンを介して駆動されるワーク
軸において、ギヤトレンのバックラッシあるいは剛性等
による伝達誤差がドリフトとしてそのままワーク軸に出
力されることになり、結局、第１図すの応答信号Ｓ１に
示すように、図中１で示す定速回転指令域において回転
ムラを発生し、例えば、ワークとしての被研削歯車の加
工精度が悪くなるという問題点が露呈している。

一方、このようなギヤトレンの伝達誤差を回避するため
に、ワーク軸にもロークリエンコーダを軸着し、当該ロ
ークリエンコーダの出力信号をフィードバック信号とし
て抽出し、サーボモータを制御するように構成した、所
謂、フルクローズトループ制御方法が提案されている。

この場合、ギヤトレンが制御ループ内の構成要素となる
ために、理論上、ギヤトレンの伝達誤差は無視出来るこ
とになるが、実際上、ギヤトレンのバックラッシあるい
は剛性の脆弱性に起因する時定数が存在するためループ
の不安定要素が大きくなり、ハンチング等を生じ易いと
いう欠点が指摘されている。従って、ループゲインをさ
ほど高くすることが出来ず、結局、第１図Ｃの応答信号
Ｓ２に示すように、定速回転指令域ｌで回転の定速化を
図ろうとすると加減速回転指令域における時間応答性が
低下し、位置決め精度の不安定さが顕在化するという新
たな欠点が露呈している。

［発明の目的］ 本発明は前記の不都合を克服するためになされたもので
あって、回転駆動源の運動をギヤトレンを介してワーク
軸に伝達する際、回転駆動源に対するセミクローズトル
ープフィードバック制御とワーク軸に対するフルクロー
ズトループフィードバック制御を同時に実施すると共に
回転駆動源をフィードフォワード制御するようにして閉
ループの高速性を保持しつつワークの回転精度並びに位
置決め精度を飛躍的に向上することを可能とする数値制
御機械の二重ループ制御装置を提供することを目的とす
る。

なお、数値制御機械の二重ループ制御装置の具体例とし
ては、例えば、特公昭第５１−１１７４２号公報に開示
されているように位置決めサーボとしての応用例がある
が、前記公報記載の発明は位置決めサーボに限定されて
いる。これに比較し本発明はフィードフォワード制御を
併用することにより、位置決めサーボに限らず特に定速
域において回転速度の安定性を極めて向上することが出
来且つギヤトレンのバックラッシを吸収することが出来
る等、その構成、作用並びに効果において異なる発明で
ある。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明は実質的に演算手
段の出力信号によって駆動される回転駆動源の運動をギ
ヤトレンを介してワークに伝達する数値制御機械に適用
される二重ループ制御装置であって、演算手段の第１の
入力端子には回転駆動源に軸着された第１のエンコーダ
の出力信号をフィードバック信号とする第１の　　　　
　゛フィードバック制御手段の出力信号を導入し、第２
の入力端子にはワーク軸に軸着された第２のエンコーダ
の出力信号をフィードバック信号とする第２のフィード
バック制御手段の出力信号を導入し、第３の入力端子に
はフィードフォワード制御手段の出力信号を導入するよ
う構成することを特徴とする。

また、本発明は第１フィードバック制御手段の位置ゲイ
ンを回転駆動源の加減速回転時には定速回転時に比較し
て高いゲインにすると共に第２フィードバック制御手段
の位置ゲインを回転駆動源の加減速回転時には定速回転
時に比較して低いゲインとすることを特徴とする。

［実施態様］ 次に、本発明に係る数値制御機械の二重ループ制御装置
について好適な実施態様を挙げ、添付の図面を参照しな
がら以下詳細に説明する。

第２図は、本発明に係る二重ループ制御装置が組み込ま
れる工作機械のブロック図である。

第２図において、参照符号１０はワークを示し、当該ワ
ーク１０はワーク軸１２に固定されると共にワーク軸１
２と一体的に固着されるワークギヤ１４と同軸的に回転
し、当該ワークギヤ１４には回転駆動源であるモータ１
６と一体的に回転するモータ軸１８に軸着されたモータ
ギヤ２０が噛合する。

この場合、モータ１６はサーボモータであって、回転指
令装置２２からのフィードフォワード回転指令信号ＳＦ
Ｆがフィードフォワード制御手段Ｐを構成する乗算器２
３によってフィードフォワードゲインとしてＫｒ倍され
た後、第１のＤ／Ａ変換器２４、演算手段としての加算
器２６の第１の入力端子および増幅器２８を介して当該
モータ１６に導入される。

一方、モータ１６にはエンコーダとしての第１のパルス
ジェネレータ３０が軸着され、当該第１パルスジエネレ
ータ３０の出力信号、所謂、セミクローズトループフィ
ードバック信号Ｆｓが第１のフィードバック制御手段Ｑ
を構成する第１の偏差カウンタ３２の一方の入力端子に
導入される。この場合、第１偏差カウンタ３２の他方の
入力端子には回転指令装置２２から回転指令信号Ｓ、、
が導入され、当該第１偏差カウンタ３２の出力信号は乗
算器３４によってセミクローズトループの位置ゲインＫ
ＰＩ倍された後、第２のＤ／Ａ変換器３６を介して前記
加算器２６の第２の入力端子に導入される。

一方、前記ワーク軸１２の他端部には第２のパルスジェ
ネレータ３８が取着され、当該第２パルスジエネレータ
３８の出力信号、所謂、フルクローズトループフィード
バック信号Ｆｆは第２のフィードバック制御手段Ｒを構
成する第２の偏差カウンタ４０の一方の入力端子に導入
される。

第２偏差カウンタ４０の他方の入力端子には、回転指令
信号Ｓｗが入力され、当該第２偏差カウンタ４０の出力
信号は乗算器４２によってフルクローズトループの位置
ゲインＫＰ２が乗算された後、第３のＤ／Ａ変換器４４
を介して前記加算器２６の第３の入力端子に導入される
。

本実施態様に係る二重ループ制御装置が組み込まれる工
作機械は基本的には以上のように構成されるものであり
、次にその作用並びに効果について説明する。

先ず、回転指令装置２２からフィードフォワード回転指
令信号Ｓｐｐ　（第３図参照）をフィードフォワード制
御手段Ｐに与えると、乗算器２３によってフィードフォ
ワードゲインに４倍されて第１　Ｄ／Ａ変換器２４に導
入される。第１　Ｄ／Ａ変換器２４の出力信号はアナロ
グ信号に変換されて加算器２６の第１入力端子に導入さ
れる。この場合、加算器２６のその他の入力端子には信
号が導入されていないので零信号であり、従って、加算
器２６の第１入力端子に導入された信号がそのまま増幅
器２８に導入され、モータ１６が回転を開始する。モー
タ１６の回転により当該モータ１６に軸着された第１パ
ルスジエネレータ３０から位置信号としてのセミクロー
ズトループフィードバック信号Ｆ、が出力され、第１フ
ィードバック制御手段Ｑを構°成する第１偏差カウンタ
３２に導入される。これと共に、モータ１６によって駆
動されるモータギヤ２０を介してワークギヤ１４が駆動
され、ワーク軸１２を介してワーク１０が回転され、結
局、ワーク１０に同軸的に軸着する第２パルスジエネレ
ータ３８からのフルクローズトループフィードバック信
号Ｆ、が第２フィードバック制御手段Ｒを構成する第２
偏差カウンタ４０に導入される。この場合、第１偏差カ
ウンタ３２および第２偏差カウンタ４０の他方の入力端
子には、前記フィードフォワード回転指令信号ＳＰＦに
比例した回転指令信号Ｓ。と当該フィードフォワード回
転指令信号ＳＦＦをギヤトレンの減速比で除算した回転
指令信号Ｓｗが導入されている。

そこで、第１、第２偏差カウンタ３２．４０の偏差出力
は乗算器３４．４２によって、夫々、位置ゲインＫＰＩ
、ＫＰ２が乗算される。この場合、位置ゲインに、、、
Ｋ、、はフィードフォワード回転指令信号ＳＦＦが加速
域ｌ。、減速域１ｚ　　（第３図参照）にある場合には
定速域１１に比べてセミクローズトループ系を構成する
第１フィードバック制御手段Ｑ内の乗算器３４に設定す
べき位置ゲインＫＰＩを大きくシ、フルクローズトルー
プ系を構成する第２フィードバック制御手段Ｒ内の乗算
器４２に設定すべき位置ゲインＫＰ２を小さくすること
によりギヤトレンのバックラッシを低減することが出来
る。また、定速域１１においてはセミクローズトループ
位置ゲインＫＰＩ、フルクローズトループ位置ゲインＫ
Ｐ２とも加速域β。、減速域１２の位置ゲインＫ　ｐ　
ｌ　Ｎ　Ｋ　Ｐ　２の値に比べてゲインを低く設定する
。この場合、理想的には第１偏差カウンタ３２からの偏
差出力と第２偏差カウンタ４０からの偏差出力は零であ
ることが望ましく、その時にはフィードフォワード制御
手段Ｐからの回転指令信号ＳＦＦに比例する信号によっ
てモータ１６並びにワーク１０は所定の速度で回転する
。

第３図にフィードフォワード回転指令信号ＳＦＦと本発
明によって得られる実際の作動曲線Ａとの関係を示す。

第３図から諒解されるように、本発明によれば、加速域
ｌ。、減速域１２における応答速度を低下させることな
しに定速域１１において回転数を極めて均一に保持する
ことが出来る。

なお、フィードフォワード制御手段Ｐを設けず二重ルー
プ系のみの制御においては、実際に偏差出力が零となる
ことがないので、夫々の偏差カウンタが偏差の存在する
値で比較されることになり、従って、回転指令のマスク
データとしてのフィードフォワード制御手段を設ける必
要が生じる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、サーボシステムを利用
して回転駆動源の運動をギヤトレンを介してワーク軸に
伝達する際、回転駆動源に対するセミクローズトループ
フィードバック制御とワーク軸に対するフルクローズト
ループフィードバック制御並びに回転駆動源をフィード
フォワード制御するように構成している。このため、特
に、回転駆動源の加減速回転時においては制御ループの
高速性を保持することが出来、回転駆動源の定速回転時
にはワークの回転速度を一定化出来、これによりワーク
の加工精度並びに位置決め精度を飛躍的に向上させるこ
とが出来る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ乃至Ｃは従来技術１巳係る制御装置の作用を説
明する特性図、 第２図は本発明に係る二重ループ制御装置を組み込む工
作機械の概略構成ブロック図、第３図は第２図に示す工
作機械の作用を説明する特性図である。 １０・・・ワーク　　　　　　　　１２・・・ワーク軸
１４・・・ワークギヤ　　　　　１６・・・モータ１８
・・・モータ軸　　　　　　２０・・・モータギヤ２２
・・・回転指令装置　　　　２３・・・乗算器２４・・
・Ｄ／Ａ変換器　　　　２６・・・加算器２８・・・増
幅器 ３０・・・第１パルスジエネレータ ３２・・・偏差カウンタ　　　　３４・・・乗算器３６
・・・Ｄ／Ａ変換器 ３８・・・第２パルスジエネレータ ４０・・・偏差カウンタ　　　　４２・・・乗算器４４
・・・Ｄ／Ａ変換器 Ｐ・・・フィードフォワード制御手段 Ｑ・・・第１フィードバック制御手段 Ｒ・・・第２フィードバック制御手段 ｓｐｐ・・・フィードフォワード回転指令信号８つ、Ｓ
ｗ・・・回転指令信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的に演算手段の出力信号によって駆動される
   回転駆動源の運動をギヤトレンを介してワークに伝達す
   る数値制御機械に適用される二重ループ制御装置であっ
   て、演算手段の第１の入力端子には回転駆動源に軸着さ
   れた第１のエンコーダの出力信号をフィードバック信号
   とする第１のフィードバック制御手段の出力信号を導入
   し、第２の入力端子にはワーク軸に軸着された第２のエ
   ンコーダの出力信号をフィードバック信号とする第２の
   フィードバック制御手段の出力信号を導入し、第３の入
   力端子にはフィードフォワード制御手段の出力信号を導
   入するよう構成することを特徴とする数値制御機械の二
   重ループ制御装置。
2. （２）請求項１記載の装置において、第１フィードバッ
   ク制御手段の位置ゲインは回転駆動源の加減速回転時に
   は定速回転時に比較して高いゲインにすると共に第２フ
   ィードバック制御手段の位置ゲインは回転駆動源の加減
   速回転時には定速回転時に比較して低いゲインとするこ
   とを特徴とする数値制御機械の二重ループ制御装置。