JPH0395605A - Ｎｃサーボシミュレータ - 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１ 本発明はＮＣ工作機械等のＮＣサーボ装置のシミュレー
夕に関するものであり、一層詳細には、積分演算要素と
比例演算要素とを用いて高精度なシミュレーションを行
うことの出来るＮＣサーボシミュレータに関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来から、ＮＣ工作機械などのＮＣサーボ装置を設計す
るにあたって瑞装置の電気的特性、機械的特性をモデル
化し、計算により設計データを得るシミュレー夕が嘱望
されており、試験的に、簡便な計算方法を用いてシミュ
レーションすることは行われていたが、実用に供するシ
ミュレータは提供されていないのが現状である。

その理由としては、ＮＣサーボ装置の送り系の電気的特
性は比較的詳細に解明されているのに対し、機械的特性
の解明が不十分であり、この特性解明が不十分なままに
、送り系の質量と粘性抵抗を仮定した二次遅れ系のモデ
ルによってシミュレーションしようと試みていたからで
ある。

このようなＮＣサーボシミュレータに応用可能と考えら
れるものとして、「案内面の摩擦を考慮したＮＣ送り駆
動系の剛性」と題する論文（日本機械学会東海支部第２
７期総会講演会論文集Ｐ３３〜Ｐ３５）記載のモデルが
ある。このモデルは、第５図に示すように、電気系と機
械系の信号の伝達の様子をブロック図として表したもの
であり、電気系と同等の視点において機械系の特性を表
現し、且つ電気系と機械系の相互関係を明確にしようと
している点に特徴がある。

すなわち、第５図において、ＮＣサーボ系１０はＮＣ増
幅器サーボゲインＫｌｌのブロック１２、駆動増幅器ゲ
インＫＡのブロック１４およびサーボモータゲインＫエ
のブロック１６のモータ系モデルと、軸方向駆動剛性Ｋ
，のブロック１１よび機械部モデルのブロック２０の機
械系モデルとからなっている。ブロック２２はカップリ
ングの慣性モーメントｌ．ｓ’、ブロック２４はボール
ねじの慣性モーメントＩ．Ｓ２を表し、また、ブロック
２６、２６′　におけるパラメータＮは減速比、ブロッ
ク２８、２８′におけるパラメータｌはボールねじのリ
ード長を表している。ブロック３０は速度フィードバッ
クゲインＳＫ，、ブロック３２は位置フィードバックゲ
インＫ，を表している。ブロック３４におけるパラメー
タＫ，はＲ．／ＫＴＫＡ　（ＫＴはトルク定数、ＫＡは
駆動増幅器ゲイン、Ｒ．は回転子回路抵抗）を表してい
る。

また、Ａ乃至Ｇは信号の加減算手段である。なお、加減
算手段Ｅにおいて入力さ・れるＦ［ｌ（Ｓ）は外乱要素
を示す。

［発明が解決しようとする課題コ ところで、上記のＮＣサーボ系はＮＣサーボ装置のシミ
一レーションに使用する場合には次の点で不都合なもの
であった。

すなわち、第５図のモデルにおいては、■　信号伝達要
素の中に微分特性を持つブロックを多用しているが、微
分演算は積分演算にくらべて計算誤差が大きく、精度を
要求されるシミュレーションには実用出来ない。このよ
うなシミュレーションに用いるためには、微分演算の要
素を排除して計算誤差の少ない積分演算要素と比例演算
要素を主体として各モデルを構成する必要がある。

■　機械系の特性を表現するモデルにおいて、抵抗とし
て粘性抵抗のみの考慮がなされているだけであり、現実
の案内面の摺動抵抗の性質が取り入れられていない。

本発明は、高速、高精度にＮＣサーボ　装置のシミュレ
ーションを行うことの出来るＮＣサーボシミュレータを
提供することを目的とするものであり、特に、ＮＣ工作
機械のサーボ精度を測定するＤＢＢ測定法（Ｄｏｕｂｌ
ｅ　ＢａｌｌＢａｒ　Ｍｅｔｈｏｄ）と同様な計算結果
をシミュレータにより算出可能とすることにより、ＮＣ
工作機械の設計段階において電気制御系、機械系の設計
に必要な数値を精度よく得ることが出来、実機を使用し
たり、あるいは実機を試作することなく、必要十分な設
計数値を計算で得ることが出来るようにすることを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので
あって、ＮＣ指令生成モデルと、電気制御モデルと、サ
ーボモータモデルと、機械特性モデルと、第１および第
２の加減算手段とからなり、 前記ＮＣ指令生成モデルにより算出したＮＣ指令数値を
第１の前記加減算手段に加算し、前記サーボモータモデ
ルにより算出したモータ回転値、または前記機械特性モ
デルにより算出した機械移動位置、若しくは前記サーボ
モータモデルにより算出したモータ回転値と前記機械特
性モデルにより算出した機械移動位置を合成した値を、
前記第１の加減算手段より減算し、前記第１の加減算手
段より得られた値を前記電気制御モデルの入力とし、 前記電気制御モデルにより算出された電流値を前記サー
ボモータモデルの入力とし、前記サーボモータモデルに
より算出されたモータ回転値を前記第２の加減算手段に
加算し、前記機械特性モデルにより算出された機械移動
位置を前記第２の加減算手段より減算し、前記第２の加
減算手段より得られた値を前記機械特性モデルの入力と
するように構成したことを特徴とする。

［作用］ 前記のように構成されるＮＣサーボシミュレータでは、
微分演算の要素を排除し、計算誤差の少ない積分演算要
素と、比例演算要素を用い各モデルを構成したため、極
めて精度の高いシミュレーション結果を得ることが出来
、また機械系の特性を表現するモデルとして粘性抵抗の
みでなく、現実の案内面の摺動抵抗の性質も取り入れた
モデルとしたため、実際のＮＣサーボ装置により近いシ
ミュレーション結果を得ることが可能となる。

［実施例コ 次に、本発明に係るＮＣサーボシミュレータについて実
施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明
する。

第１図は本発明の一実施例に係るＮＣサーボシミュレー
タの概略構成を示すブロック図である。図に示すように
、本実施例に係るＮＣサーボシミコレータ１００はＮＣ
指令生成モデル４０と、電気制御モデル５０と、サーボ
モータモデル６０と、機械特性モデル７０と、理想位置
生成モデル９０および信号の加減算手段ＡＩ乃至Ａ３、
ギヤマルチＧ１乃至Ｇ３、信号合成手段９８とから構成
されている。

ＮＣ指令生成モデル４０はＮＣテープ等によって与えら
れるＮＣ指令に相当する指令を生成する。電気制御モデ
ル５０はＮＣサーボ装置における電気制御系のシミュレ
ーションを行い、サーボモータモデル６０はＮＣサーボ
装置におけるサーボモータのシミュレーションを行う。

機械特性モデル７０はＮＣサーボモータの軸の回転に応
じて移動する機械部分の特性のシミュレーションを行い
、理想位置生成モデル９０はＮＣサーボ装置に加減速等
の遅れが全くない場合の理想位置をシミュレーションす
るものである。

ギヤマルチＧ１乃至Ｇ３とは次のようなものである。す
なわち、ＮＣサーボシミュレータ１００において、電気
系はモータの回転角度（ｒａｄ）について解析し、機械
系はＮＣ工作機械等におけるテーブルの移動ｌｉｔ　（
ｍｍ）について解析している。この両者は一定の比例関
係にあり、その比例定数をギヤマルチと称する。この値
は、主として、ボールねじのリードに関係し、歯車減速
をする場合には歯車比に．も関係する。また、この値は
電気系から機械系に変換する場合と、逆に機械系から電
気系に変換する場合、回転角度を移動量に変換する場合
と、回転トルクを力に変換する場合、あるいはこれらの
組み合わせで数値が異なる。

第２図は第１図のＮＣサーボシミュレータの詳細構戊を
示す図である。ＮＣ指令生成モデル４０は加速パルス発
生要素４２と、前記加速パルス発生要素４２の出力信号
を２階積分する２階積分演算要素４４と、正弦または余
弦の関数演算を行う関数演算要素４６とから構成され．
ＮＣ指令位置信号を生戊する。電気制御モデル５０は位
置ループゲイン要素５２と、進み遅れ補償要素５４と、
ＮＣ装置の中に設定された各種パラメータによる効果を
シミュレーションするパラメータ要素５６と、ＮＣ装置
の中のサーボ振幅器の電流制限特性をシミュレーション
する電流制限要素５８とから構成され、ＮＣ装置の電気
制御系のシミュレーションを行う。

サーボモータモデル６０はモータのトルク定数要素６２
と、モータと負荷のイナーシャからモータの回転角速度
を算出する積分演算要素６４と、積分演算要素６４から
の回転角速度を積分し、回転角を得る積分演算要素６６
とから構成され、サーボモータのシミュレーションを行
う。

機械特性モデル７０はバックラッシ要素７２と、ＮＣ装
置の機械駆動系の剛性をシミュレーションする駆動系の
剛性要素７４と、機械系のシールやカバーの摩擦力をシ
ミュレーションするヒステリシス要素８０と、移動物の
慣性質量の効果をシミュレーションするための慣性質量
の逆数ｇ／Ｗを係数とする積分演算要素７６と、この積
分演算要素７６からの移動速度を積分し、移動位置を得
る積分演算要素７８と、機械系の軸移動に伴う摩擦の特
性をシミュレーションする摩擦特性要素８２とから構戊
されている。

理想位置生成モデル９０は常に“■”の信号を発生する
定数器９２と、定数器９２の出力信号を積分する積分演
算要素９４と、正弦または余弦関数演算を行い理想的な
移動位置を算出する関数演算要素９６とから構成されて
いる。

ハイブリッド時定数要素８６、８８は第１図における信
号合成手段９８に対応するものであり、スイッチＳＷＩ
はフルクローズドループの場合、スイッチＳＷ２はセミ
クローズドループの場合、スイッチＳＷ３はハイブリッ
ドの場合に閉じられるスイッチである。

本実施例に係るＮＣサーボシミュレータは基本的には以
上のように構成されるものであり、以下その作用並びに
効果について説明する。

本実施例に係る第１図、第２図のＮＣサーボシミュレー
タはＤＢＢ測定法（Ｄｏｕｂｌｅ　ＢａｌｌＢａｒ　Ｍ
ｅｔｈｏｄ）と同様の方法によりＮＣサーボ装置のシミ
ュレーションを行うものである。ＮＣ指令生成モデル４
０は加速パルス発生要素４２により加速時間幅を持つ面
積“ビの矩形パルスを発生し、積分演算要素４４により
この信号をＦ／６０Ｒ倍して２階の積分演算を行う。こ
こでＲはＤＢＢ測定法の半径であり、積分演算要素４４
の出力は関数演算要素４６により正弦または余弦の関数
演算を行いＤＢＢ半径Ｒを乗算し、ＮＣの指令位置を出
力する。このＮ．Ｃ指令位置は加減算手段ＡＩを経てギ
ヤマルチＧ１を介して電気制御モデル５０に与えられる
。

電気制御モデル５０は与えられたＮＣ位置指令に基づき
位置ループゲイン要素５２、進み遅れ補償要素５４、Ｎ
Ｃ装置の中に設定された各種パラメータによる効果をシ
ミュレーションするパラメータ要素５６、モータの電流
正弦回路をシミュレーションする電流正弦要素５８によ
ってＮＣサーボ装置の電気制御系のシミュレーションを
行う。ここで、パラメータ要素５６のＪ，・ωＣ／ＫＴ
Ｐは増幅器ゲインを示し、また加減算手段Ａ４はサーボ
モータモデル６０における積分演算要素６４より算出さ
れるモータの回転角速度を受け入れ、速度ループを構成
するものであり、第１図においては簡単化のため図示を
省略したものである。

電気制御モデル５０の出力はサーボモータモデル６０に
与えられる。サーボモータモデル６０はトルク定数要素
６２、積分演算要素６４、６６とから構成され、サーボ
モータのシミュレーションを行う。すなわち、トルク定
数要素６２により電気制御モデル５０より得たサーボモ
ータの電流値にモータのトルク定数Ｋアを乗算し、サー
ボモータ発生トルクを得る。これより機械の負荷トルク
を減算して加速トルクを得る。次に、積分演算要素６４
ではこの加速トルクにモータと負荷のイナーシャの和（
Ｊ，ｌ　＋ＪＬ　）の逆数を乗算して積分し、これによ
り回転角速度を得、さらにこの回転角速度を積分演算要
素６６により積分し、回転角θを得る。ここで、加減算
手段Ａ５は機械特性モデル７０中の駆動推力から算出さ
れるモータ負荷トルクギャマルチＧ２を介して受け入れ
るものである。

サーボモータモデル６０により算出された回転角θはギ
ヤマルチＧ３を介して機械特性モデル７０に与えられる
。機械特性モデル７０はＮＣ装置の機械駆動系に存在す
るバックラッシをシミュレーションするバックラッシ要
素７２（不感帯要素）と、機械駆動系の剛性（Ｋ）をシ
ミュレーションする剛性要素７４と、２つの加減算手段
Ａ６、Ａ７と移動物の慣性質量の効果をシミュレーショ
ンするため慣性質量の逆数ｇ　／　Ｗを係数とする積分
演算要素７６と、この積分演算要素７６から得られる移
動速度を積分し、移動位置を得る積分演算要素７８とを
含んで構成されており、さらに積分演算要素７６から得
られる移動速度はＮＣ装置の軸移動に伴う摩擦力をシミ
ュレーションする摩擦特性要素８２に加えられ、加減算
手段Ａ７を介して積分演算要素７６にフィードバックさ
れる。

また、積分演算要素７８から得られる移動位置はＮＣ装
置のシールやカバーの摩擦力をシミュレーションするヒ
ステリシス要素８０を介して加減算手段八６にフィード
バックされる。

これを第５図の従来モデルと比較すると、第５図の従来
モデルにおいては機械系の摩擦として、粘性抵抗Ｃのみ
を考慮しているのに対して、本実施例を示す第１図、第
２図のＮＣサーボシミュレータにおいては、静止摩擦（
クーロン摩擦）やシールカバーの摩擦等、現実のＮＣ装
置に存在する摩擦の特性を忠実にモデル化している。

機械特性モデル７０の積分演算要素７８より得られる移
動位置Ｘは加減算手段Ａ３において理想位置生成モデル
９０より得られる理想的な移動位置との差が取られ、移
動誤差信号が得られる。

ここで、理想位置生成モデル９０は定数器９２から発生
される常時“ｌ”の信号をＦ／６０Ｒ　（ＲはＤＢＢの
半径）倍し、積分する積分演算要素９４と、この積分演
算要素９４の出力を正弦または余弦関数演算を行い、Ｄ
ＢＢ半径のＲを乗算して理想的な移動位置を求める関数
演算要素とからなっており、ＮＣ位置指令に対して理想
的な移動位置が算出されるものである。

第３図は機械特性モデル７０における積分演算要素７６
と摩擦特性要素８２のさらに詳細な構戊を示す図であり
、粘性抵抗をシミュレーションする粘性抵抗要素１１０
を有し、さらに乾性摩擦モデルとして積分演算要素７６
からの移動速度文の絶対値を取り、平方根要素１１２と
、平方根要素１１２の出力からｈの符号を逆にして指数
関数を求め、これをｌから差し引き、結果を（μＳμｋ
）倍し、これにμｋを加えＦを乗算する演算要素１１６
および移動速度大が正、零、負に従って、＋ｌ１０、一
ｌの信号を発生する信号発生要素１１４の出力を乗算手
段Ｍにおいて乗算し、粘性および乾性摩擦力をシミュレ
ーションするように構成されている。

なお、第２図において、２個のハイブリッド時定数要素
８６、８８と加減算手段八８は第１図における信号合成
手段９８に相当するものであるが、これを夫々別個のフ
ィルタでなく■つの積分演算要素によって実現すること
も出来る。また、スイッチＳＷＩ、ＳＷ２、ＳＷ３は夫
々フルクローズドルーブの場合、セミクローズドループ
、ハイブリッドの場合に閉じられ、夫々のシミュレーシ
ョンが行われる。

次に、第１図乃至第３図に示すＮＣサーボシミュレータ
と第５図の従来モデルと比較すると、従来モデルにおい
ては単に駆動増幅器ゲインＫＡとしているのに対し、第
１図、第２図においては、これをその前の加減算手段を
含めて電気制御モデル５０としている。また、従来モデ
ルにおいて、ＩＩＳ２およびＩ．Ｓ’のブロック２２、
２４によって表されるカップリングおよびボールねじの
慣性モーメントを、第１図、第２図においては、サーボ
モー夕に含めてモデル化することにより微分演算要素の
使用を回避し、積分演算要素を使用している。さらに、
機械系の中の軸方向駆動剛性（Ｋｓ〉の出力である軸方
向駆動推力を取り出してフィードバックして印加する位
置が、従来モデルにおいては、駆動増幅器ゲイン（ＫＡ
）の前方であるのに対して、第１図、第２図においては
、電気制御モデル５０の後方で、しかもサーボモータモ
デル６０の中間にしている。この結果、駆動増幅器ゲイ
ン（ＫＡ＞を増加したり、強力なモータを使用すること
により負荷が移動誤差に及ぼす影響を軽減出来る事実が
このシミュレーションにより得られた。

第４図ａ乃至ｄは本実施例のＮＣサーボシミュレータに
より算出したシミュレーション結果を示す図である。第
４図ａはバックラッシ補正をしない場合を示している。

この場合の送り速度はＦ　２０００で、バックラッシ補
正量およびシール、カバーの摩擦力の設定がともに０の
場合を示したものであり、第４図ｂはバックラッシ補正
をした場合を示している。この場合の送り速度は、第４
図ａの場合と同様にＦ　２０００でバックラッシ補正量
を設定し、シール、カバーの摩擦力を０に設定した場合
を示している。第４図Ｃはシール、カバーの摩擦力を考
慮した場合を示している。この場合の送り速度は同じ＜
Ｆ２０００で、バックラッシ補正量とシール、カバーの
摩擦力をともに設定した場合を示している。第４図ｄは
シール、カバーの摩擦力を考慮し、送り速度を下げた場
合を示している。この場合の送り速度はＦ　１０００で
、バヴクラッシ補正量と、シール、カバーの摩擦力をと
もに設定した場合を示している。

［発明の効果コ 本発明に係るＮＣサーボシミュレータは以上説明したよ
うに構成されているため、以下に記載されるような効果
を奏する。

すなわち、本発明に係るＮＣサーボシミュレ−タでは微
分演算要素を排除し、積分演算要素と比較演算要素とを
用いて各モデルを構戊したため、極めて計算誤差が少な
く、精度の高いシミュレーションが可能となり、また、
機械系の特性を表現するモデルとして粘性抵抗のみでな
く、現実の案内面の摺動抵抗の性質も取り入れた現実的
なモデルとしたため、実際のＮＣサーボ装置により近い
シミュレーション結果を得ることが可能となった。

また、従来のモデルでは、ＤＢＢ測定に特有の突起や喰
い込みの現象はシミュレーション出来なかったが、本発
明によりこのような微妙な現象もシミュレーションの計
算で求めることが出来るようなり、計算だけでこのよう
なＮＣコンタリングの精度が評価出来るので、ＮＣ工作
機械の設計段階で実機を試作することなく必要十分な送
り系の設計が可能となる。

シミュレー夕の概略構成図、 第２図は第１図のＮＣサーボシミュレータの詳細構成図
、 第３図は摩擦特性モデルの詳細構成図、第４図は本発明
のＮＣサーボシミュレータによるシミュレーション結果
の説明図、 第５図は従来技術におけるシミュレー夕のブロック図で
ある。

４０・・・ＮＣ指令生成モデル　５０・・・電気制御モ
デル６０・・・サーボモータモデル ６４、６６・・・積分演算要素 ７６、７８・・・積分演算要素 １００・・・ＮＣサーボシミュレータ Ａ１〜Ａ８・・・加減算手段 ７０・・・機械特性モデル

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るＮＣサーボＦＩＧ．４ （Ｑ） （Ｃ） （ｂ） （ｄ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＮＣ指令生成モデルと、電気制御モデルと、サー
   ボモータモデルと、機械特性モデルと、第１および第２
   の加減算手段とからなり、 前記ＮＣ指令生成モデルにより算出したＮＣ指令数値を
   第１の前記加減算手段に加算し、前記サーボモータモデ
   ルにより算出したモータ回転値、または前記機械特性モ
   デルにより算出した機械移動位置、若しくは前記サーボ
   モータモデルにより算出したモータ回転値と前記機械特
   性モデルにより算出した機械移動位置を合成した値を、
   前記第１の加減算手段より減算し、前記第１の加減算手
   段より得られた値を前記電気制御モデルの入力とし、 前記電気制御モデルにより算出された電流値を前記サー
   ボモータモデルの入力とし、 前記サーボモータモデルにより算出されたモータ回転値
   を前記第２の加減算手段に加算し、前記機械特性モデル
   により算出された機械移動位置を前記第２の加減算手段
   より減算し、前記第２の加減算手段より得られた値を前
   記機械特性モデルの入力とするように構成したことを特
   徴とするＮＣサーボシミュレータ。
2. （２）請求項１記載のＮＣサーボシミュレータにおいて
   、 前記機械特性モデルを、バックラッシと駆動系の剛性を
   算出する関数演算モデルと、 第３の加減算手段と、 移動物質量の逆数を係数とする第１の積分演算モデルと
   、 第２の積分演算モデルと、 移動速度および／または移動位置から摩擦力を算出する
   関数演算モデルとによって構成し、第２の加減算手段よ
   り得られた値を前記関数演算モデルの入力とし、 前記関数演算モデルの算出結果を駆動推力となし、この
   値を前記第３の加減算手段に加算し、前記摩擦力を算出
   する関数演算モデルによる演算結果を前記第３の加減算
   手段より減算し、前記第３の加減算手段より得られる値
   を前記移動物質量の逆数を係数とする積分演算モデルの
   入力とし、 前記積分演算モデルの算出値を移動速度として前記他の
   積分演算モデルの入力とし、 前記積分演算モデルの計算結果を移動位置とすることを
   特徴とするＮＣサーボシミュレータ。
3. （３）請求項２記載のＮＣサーボシミュレータにおいて
   、 サーボモータモデルを、モータのトルク定数を算出する
   係数演算モデルと、 第４の加減算手段と、 モータと機械回転部との合計のイナーシャの逆数を係数
   とする第１の積分演算モデルと、第２の積分演算モデル
   と、 駆動推力からモータの負荷トルクを算出する係数演算モ
   デルとによって構成し、 前記電気制御モデルの演算結果をモータのトルクとして
   前記第４の加減算手段に加算し、前記駆動推力を前記モ
   ータの負荷トルクを算出する係数演算モデルの入力とし
   、 前記係数演算モデルの計算結果を前記第４の加減算手段
   より減算し、 前記第４の加減算手段より得られる値を、前記モータと
   機械回転部との合計のイナーシャの逆数を係数とする第
   １の積分演算モデルの入力とし、 前記第１の積分演算モデルの計算結果をモータの回転速
   度として前記第２の積分演算モデルの入力とし、 前記第２の積分演算モデルの計算結果をモータ回転とす
   ることを特徴とするＮＣサーボシミュレータ。