JPH0511824A - バツクラツシ加速制御方式 - Google Patents

バツクラツシ加速制御方式

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JPH0511824A
JPH0511824A JP3189526A JP18952691A JPH0511824A JP H0511824 A JPH0511824 A JP H0511824A JP 3189526 A JP3189526 A JP 3189526A JP 18952691 A JP18952691 A JP 18952691A JP H0511824 A JPH0511824 A JP H0511824A
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backlash
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speed
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    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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    • G05B19/02Programme-control systems electric
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/41Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41084Compensation speed axis with changing, reversing direction, quadrant circle

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送り速度等に影響されず、速度指令の反転時
より一定前の最適な時点よりバックラッシ補正開始を行
なう。 【構成】 当該分配周期より1周期先の移動指令から1
周期前(過去)の移動指令を減じて当該周期における加
速度を求めその絶対値に機械の摩擦力で決まる定数Kを
乗じた値を求めレジスタAに記憶する。移動指令の反転
時にフィードフォワード量FFを補正した速度指令が、
レジスタAに記憶する値に達した時(18,S19)、
バックラッシ加速補正を開始する。速度指令の符号が反
転する時より一定時間前からバックラッシ加速補正が開
始される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、工作機械のテーブル等
の送り軸やロボットのアーム等を駆動するサーボモータ
の制御方式に関し、特に、移動方向が反転するときのバ
ックラッシュ加速補正に関するものである。
【0002】
【従来の技術】サーボモータによって制御される工作機
械の送り軸,或いはロボットのアーム等において、サー
ボモータの駆動方向を反転させるとき、通常、送りねじ
のバックラッシュや摩擦の影響のため、機械は即座に反
転することができない。そのため、工作機械で円弧切削
等を行っているときやロボットアームが円弧運動を行な
っている時、象限が変わると切削円弧面,移動円弧面に
突起が生じる。例えば、X,Y2軸平面上でワークに対
し円弧切削を行い、X軸をプラス方向、Y軸をマイナス
方向に移動させているとき象限が変わり、Y軸はそのま
まマイナス方向に駆動しX軸をマイナス方向に駆動する
ように切換えた場合、Y軸に対しては今までと同一速度
で切削が行われるが、X軸は位置偏差が「0」になるこ
とからトルク指令値が小さくなり、摩擦によりサーボモ
ータは即座に反転できないこと、及び、テーブルを送る
送りねじのバックラッシュによりテーブルの移動も即座
に反転できないことから、X軸方向のワークの移動は移
動指令に対し追従できなく遅れることとなる。その結
果、切削円弧面に突起が生じる。
【0003】従来、この突起をなくすため、あるいは減
らすため、移動方向の反転時に位置偏差に位置のバック
ラッシュ補正を行うと共に、位置偏差が反転する時、速
度指令に適当な値(加速量)を加えてサーボモータの反
転方向に加速を行い象限突起を減らす、いわゆるバック
ラッシュ加速を行っている(特願平2−110378号
等参照)。
【0004】また、位置偏差量を低減させるためにフィ
ードフォワード制御が行われる。特に、工作機械で高速
切削を行う場合、サーボ系の追従遅れによる形状誤差が
生じる。そのため、この形状誤差を少くするために数値
制御装置から出力される移動指令に対しスムージング処
理を行ないフィードフォワード量を求めこのフイ…ドフ
ォワード量を、位置偏差にポジションゲインを乗じて得
られる位置ループの出力である速度指令に加算し、補正
された速度指令を求めこの速度指令で速度ループの処理
を行なうようにしたフィードフォワード制御も開発され
ている(特願平2−301154号参照)。
【0005】このようなフィードフォワード制御を行な
う場合においても上述した象限突起を減らすバックラッ
シ加速制御を本願出願人は特願平3−149614号で
提案した。図4はフィードフォワード制御を行なうサー
ボ系のブロック図で、10はCNC(コンピュータ内蔵
の数値制御装置)から分配周期毎送られてくる移動指令
MCMDを位置・速度ループ処理周期毎の移動指令に分
割するDDA(Digital Differenti
al Analyzer)、11は該DDA10から出
力される移動指令から位置のフィードバック量Pfbを
減じた値を加算し位置偏差を求めるエラーカウンタ、1
2はエラーカウンタ11に記憶する位置偏差にポジショ
ンゲインKpを乗じて速度指令を求める項、13は速度
ループの項、14は積分の項で、サーボモータの速度を
積分し、位置を求める項である。また、15はフィード
フォワード制御を行なうための進め要素の項で、DDA
10から出力される移動指令をd位置・速度ループ処理
周期だけ進める項である。16はスムージング回路で、
加減速処理で構成されている。17はスムージング処理
で出力される値にフィードフォワード係数αを乗じてフ
ィードフォワード量を求める項である。
【0006】そして、上記フィードフォワード量を、位
置偏差にポジションゲインKpを乗じて得られた速度指
令に加算し、フィードフォワード制御により補正された
速度指令VCMDを求めこの速度指令VCMDで速度ル
ープは処理を行なうようになっている。
【0007】上述のようなサーボ系でサーボモータを制
御する場合、フィードフォワード係数αが「1」に近づ
くと、速度指令VCMDはフィードフォワード制御によ
り作成される指令の方が大部分となり、位置偏差はほと
んど「0」になる。しかも、フィードフォワードによる
指令の方が位相が進んでいるので、位置偏差の位相も遅
れることになる。また、フィードフォワード計数αが
「1」に近づくと移動指令に対しモータの位置はほとん
ど遅れがなくなる。その結果、位置偏差がほとんど
「0」に近いことおよぞ位相遅れがあることから移動方
向反転時のバックラッシ加速補正のタイミングを位置偏
差から判断することが難しく、さらに、移動指令に対し
モータの実際の位置は遅れがなくなることから、CNC
の分配周期が長いと(通常位置・速度ループ処理周期に
対し分配周期は長い)、位置変さの反転を捕らえてバッ
クラッシ加速補正を開始すると、加工のプログラム開始
位置に応じて分配された移動指令の状況でバックラッシ
加速補正の開始タイミングにばらつきが生じる。
【0008】そこで、フィードフォワード量の符号反転
時、若しくは、位置偏差にポジションゲインを乗じた値
に上記フィードフォワード量を加算して得られる速度指
令の符号反転時にバックラッシ加速補正を開始する方式
を本願出願人は特願平3−149614号で提案した。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したフィ
ードフォワード量の符号反転時、若しくは、位置偏差に
ポジションゲインを乗じた値に上記フィードフォワード
量を加算して得られる速度指令の符号反転時にバックラ
ッシ加速補正を開始する場合でも、バックラッシ加速補
正の開始が遅れる場合がある。特に、高速で、半径の小
さな円弧の移動の場合バックラッシ加速補正の開始が遅
く、加速が有効に働かない場合が生じる。
【0010】そこで、本発明の目的は、速度や円弧半径
等各種条件に関係なく実際の方向反転の一定時間前から
バックラッシ加速補正を開始させることができるバック
ラッシ加速補正方式を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、該周期の移動
指令と次の周期の移動指令の方向が反転する時の移動指
令の加速度を求め、該加速度に比例した値と速度指令が
一致した時点でバックラッシ加速補正を開始するように
することによって、上記課題を解決した。
【0012】
【作用】図6〜図8は本発明の作用原理を説明する説明
図で、1分配周期前の移動指令をベクトルM2 ,当該分
配周期の移動指令をベクトルM1 ,1つ先の分配周期の
移動指令をベクトルM0 で表し、ず6に示すように円弧
の移動を行なっているものとする。このときのベクトル
M0 ,M1 ,M2 のX方向成分(X軸のサーボモータへ
の移動指令)をm0x,m1x,m2xとし、図7に示すよう
に移動指令が分配されたものとすると、当該周期の開始
時点aにおけるX軸方向加速度の絶対値は|m0x−m2x
|を計算することによって求められる。
【0013】円弧の半径をR[mm]、送り速度をF
[mm/min]とすると、1分配周期Tsに進む中心
角Δθは Δθ=F/(60R) [rad] となる。また、 m0x=R{cos(θo +Δθ)−cosθo } m2x=R{cos(θo −Δθ)−cos(θo −2Δθ)} ただし−Δθ/2<θo <Δθである。 よって加速度ΔVは、 ΔV=|m0x−m2x| =4R・sin(Δθ/2)・sinΔθ・cos{θo −(Δθ/2)} となる。そして、Δθは1より非常に小さいとすると、
sin(Δθ/2)は「Δθ/2」,sinΔθは「Δ
θ」,cos{θo −(Δθ/2)}は「1」と近似で
きるので、加速度ΔVは、 ΔV=|m0x−m2x|=(2/R)・(F・Ts/60)2 [mm] …(1) と近似できる。
【0014】一方X軸方向の移動指令x(t)は、 x(t)=R・cos(F・t/60R) と考えられる。なおtは時間で、t=0の時移動方向が
反転すると考える。 速度指令Vx(t)は移動指令x(t)を微分して、 Vx(t)=(d/dt)x(t) =−R・(F/60R)・sin(F・t/60R) よって、方向反転時のt=0近傍では、sin(F・t
/60R)を(F・t/60R)と近似できるので、次
のように速度指令Vx(t)を近似できる。
【0015】 Vx(t)=−(1/R)・(F/60)2 ・t よって、加速度ΔVに摩擦によって決まる定数Kを乗じ
た値に上記速度指令Vx(t)に達した時点でバックラ
ッシ加速補正を図8に示すように行なうと、 Vx(t)=KΔV …(2) ゆえに、 −(1/R)・(F/60)2 ・t=K・(2/R)・(F・Ts/60)2 よって、 t=−2KTs2 となり、バックラッシ加速補正開始時間t=−2KTs
2 は半径R及び送り速度Fに依存しなくなり、加速開始
時間は一定となる。
【0016】
【実施例】図5は本発明の一実施例を実施する工作機械
のサーボモータ制御の要部ブロック図で、図中、20は
工作機械を制御するCNC、21は該CNC20から出
力されるサーボモータへの各種指令等を受信し、デジタ
ルサーボ回路22のプロセッサに受け渡すための共有メ
モリ、22はデジタルサーボ回路であり、プロセッサ,
ROM,RAM等で構成され、プロセッサによってサー
ボモータ24の位置,速度,電流制御などを行うもので
ある。23はトランジスタインバータ等で構成されるサ
ーボアンプ、24は送り軸を駆動するサーボモータ、2
5はサーボモータ24の回転位置を検出しデジタルサー
ボ回路22にフィードバックする位置検出器としてのパ
ルスコーダである。
【0017】図1,図2,図3は上記ディジタルサーボ
回路22のCPUが実施するフィードフォワード処理及
びバックラッシ加速補正のフローチュートで、図1は分
配周期ごとの処理、図2,図3は位置・速度ループ処理
周期ごとのフィードフォワード処理及びバックラッシ加
速補正のフローチャートである。なお、フィードフォワ
ード処理,バックラッシ加速補正の処理以外の処理につ
いては従来と同様であるので省略している。
【0018】まず、実施する加工に応じてフィードフォ
ワード制御を有効にするか否か予めCNC20より設定
し、作動を開始させると、ディジタルサーボ回路22の
CPUは分配周期毎、図1の処理を実行し、まず、レジ
スタR1に記憶する当該分配周期より1回前の周期(当
該周期より過去1回前)の移動指令ををレジスタR2に
格納し、レジスタR0に記憶する当該分配周期(位置・
速度ループを行なう移動指令が出力される周期)の移動
指令をレジスタR1に格納し、分配周期1回先(位置・
速度ループ処理を行なう分配周期の移動指令よりも1回
先)の移動指令MCMDを読み取りレジスタR0に格納
する(ステップS1,S2)。該レジスタR0に記憶し
た1回先の移動指令MCMDが「0」か否か判断し、
「0」ならば後述するステップS8に移行し、「0」で
なければ、この移動指令MCMDにレジスタRzに記憶
する1周期前に読み取った移動指令を乗じてその値が負
であるか否かを判断する(ステップS4)。すなわち、
1周期前に読み取った移動指令と今周期に読み取った移
動指令の符号が反転しているか否かを判断する。なお、
レジスタRzは初期設定で始めは「0」に設定されてい
る。
【0019】負であれば1回先の移動指令が反転したこ
とを示すフラグF1を「1」にセットし(ステップS
5)、この移動指令をレジスタRzに格納すると共に、
レジスタR2に記憶する当該周期より1回前の移動指令
からレジスタR0に記憶する1回先の移動指令を減じた
絶対値の値に設定されている定数K(機械の摩擦に応じ
て予め設定されている)を乗じた値をレジスタAに格納
する(ステップS6,S7)。すなわち、上記第1式の
演算を行なって加速度ΔVを求め、これに定数Kを乗じ
た値をレジスタAに記憶することになる。カウンタCを
「0」にセットし(ステップS8)、当該分配周期の処
理を終了する。また、負でなければ(反転してなけれ
ば)フラグF1を「1」にセットすることなく、ステッ
プS4からステップS9に移行し、レジスタRzにレジ
スタR0に記憶する1回先の移動指令を記憶し、ステッ
プS8に移行し、当該周期の処理をを終了する。
【0020】以下、分配周期毎ディジタルサーボ回路の
CPUは上記処理を実行し、レジスタR2には1回前の
移動指令、レジスタR1には位置・速度ループ処理を行
なう分配周期の移動指令、及びレジスタR0には1回先
の移動指令が順次記憶されまた、移動指令MCMDの符
号が反転した時フラグF1が「1」にセットされること
になる。
【0021】一方、位置・速度ループ処理周期毎ディジ
タルサーボ回路のCPUは図2,図3に示す処理を実行
し、まず、フィードフォワード処理を有効にすると予め
設定されているか、無効にするすると設定されているか
否か判断し((ステップS10)有効にされているなら
ば、次に、カウンタCの値が、分配周期を位置・速度ル
ープ処理周期で除した値N(=分配周期/位置・速度ル
ープ処理周期)の1/2以下か否か判断し(ステップS
11)、以下ならばアキュムレータSUNにレジスタR
1の値からレジスタR2の値を減じた値を加算し(ステ
ップS12)、また、カウンタCの値がN/2を越えて
いれば、アキュムレータSUNにレジスタR0の値から
レジスタR1の値を減じた値を加算し(ステップS1
3)、ステップS14に移行する。なお、アキュムレー
タSUNは初期設定で始めは「0」にされている。
【0022】ステップS14では上記アキュムレータS
UNの値を上記分割数Nの2乗で除算した値にフィード
フォワード係数αを乗じてフィードフォワード量FFを
求め出力する。すなわち、このフィードフォワード量F
Fを通常の位置ループ処理である位置偏差にポジション
ゲインKpを乗じて求めた値に加算し、フィードフォワ
ード量FFを補正した速度指令VCMDを求め、この速
度指令VCMDにより従来と同様の速度ループ処理を実
行することになる。そして、カウンタCに「1」加算す
る(ステップS15)。なお、位置ループ処理、速度ル
ープ処理は従来と同様であることから説明を省略する。
【0023】上記ステップS11〜ステップS15の処
理がフィードフォワード量FFを求める処理で、フィー
ドフォワード処理における進め要素15による進め量は
分配周期の1/2をとった例を示しており、このフィー
ドフォワード処理は、先に出願した特願平3−1496
14号に記載されたものと同一であり、その詳細は省略
する。次に、フラグF1が「1」か否か判断し(ステッ
プS16)、ステップS5で該フラグF1が「1」に設
定されてなければ(移動指令の符号の反転がなけれ
ば)、ステップS16からステップS21に進み、バッ
クラッシ加速時に「1」にセットされるフラグF2が
「1」か否か判断し、「1」でなければ、バックラッシ
加速時間を計数するカウンタDが「0」以下か否か判断
し(ステップS26)、このカウンタ「0」以下ならば
(後述するようにバックラッシ加速指令が出力されてな
ければ、このカウンタDは「0」である)、フィードフ
ォード処理及びバックラッシ処理を終了する。
【0024】一方、ステップS2で読み取った1回先の
移動指令MCMDを記憶するレジスタR0の値と当該分
配周期より1回前の分配周期で読み取りレジスタRzに
記憶する移動指令(当該位置・速度ループの処理の移動
指令)の符号が反転し、ステップS5でフラグF1が
「1」にセットされたときには、ステップS16から、
ステップS17に移行し、レジスタR0に記憶する移動
指令が正か負かにより方向反転が正から負に変わったの
か、負から正に変化したのか判断し、レジスタR0の値
が負であれば、正から負に変化したものとしてステップ
S18に移行する。また、レジスタR1の値が正であれ
ばステップS19に移行する。
【0025】そして、ステップS18ではステップS1
4で算出されたフィードフォワード量FFに位置偏差に
ポジションゲインKpを乗じた値を加算し、さらにステ
ップS7でレジスタAに記憶した加速度の絶対値に乗数
Kを乗じた値を減じた値が「0」以下か否かを判断す
る。すなわち、フィードフォワード量を補正して得られ
る速度指令がステップS7で求めた値に達したか否かを
判断するもので、この判断処理が前述した第2式の判断
を行なうものである。上記速度指令がレジスタAに記憶
する値に達してなくステップS18の判断が「0」より
大きいと判断されると、ステップS21に移行し前述し
た処理を行ないバックラッシ加速補正を開始しない。ま
た、ステップS19ではフィードフォワード量を補正し
た速度指令にレジスタAの値を加算した値が負であれば
(この判断処理も前述した第2式の判断を行なうもので
移動指令が負から正に反転したものであるから、初めは
速度指令は負であり、この速度指令にレジスタの値を加
算して「0」になる点がバックラッシ加速補正開始時点
となる)、ステップS19からステップS21に移行し
バックラッシ加速補正を開始しない。
【0026】すなわち、先読みした1回先の移動指令の
符号が反転したとしても、フィードフォワード量FFを
補正した速度指令は直ちに反転すせず(ステップS12
の処理でからも明らかのように、分配周期の半周期に対
応する位置・速度ループ処理周期の数(N/2)まで
は、反転した移動指令はフィードフォワード量FFの算
出には影響しないので、少なくともN/2回の位置・速
度ループ処理周期間ではフィードフォワード量FFの符
号は反転せず、フィードフォワード量を補正された速度
指令も反転しない)、バックラッシ加速補正は開始され
ない。
【0027】しかし、ステップS18,S19でフィー
ドフォワード量FFを補正された速度指令がレジスタA
に記憶する値に達したことが検出されると、フラグF2
を「1」にセットし、フラグF1を「0」にセットする
(ステップS20)。そして、ステップS20からステ
ップS21に移行し、上記フラグF2が「1」にセット
されたことから、ステップS21からステップS22に
移行し、カウンタDに設定されているバックラッシ加速
補正時間に対応する値Tbセットすると共に、フラグF
2を「0」にセットする(ステップS23)。
【0028】そして、設定されているバックラッシ加速
補正量を出力し、フィードフォワード量FFで補正され
た速度指令VCMDにこのバックラッシ加速補正量を加
算し(ステップS24)、カウンタDから「1」減算し
て(ステップS25)、当該周期のこのフィードフォワ
ード制御及びバックラッシ加速補正制御を終了する。
【0029】次の位置・速度ループ処理周期からは、フ
ラグF1,F2が「0」にセットされていることから、
ステップS11〜S15、S16,,S21の処理を行
ないステップS26に進み、カウンタDが「0」になる
まで、すなわち、設定されたバックラッシ加速補正時間
が経過するまで、ステップS24,S25の処理を行な
い、バックラッシ加速補正を行なう。そして、カウンタ
Dが「0」になると、以後はバックラッシ加速補正を行
なわない。
【0030】また、フィードフォワード処理を無効にす
ると予め設定されていれば、ステップS10よりステッ
プS27に移行し、フィードフォワード量FFを「0」
にしてステップS16に進み、ステップS11〜S15
のフィードフォワード処理を行うことなく前述したステ
ップS16以下の処理を行なう。
【0031】以上の処理を繰り返すことによって、バッ
クラッシ加速補正の開始は方向反転時の指令の加速度に
比例する機械の摩擦力によって決まる値と速度指令が一
致した時点となり、速度指令の方向反転の時点より一定
時間前の時点からバックラッシ加速補正が開始されるこ
とになる。
【0032】
【発明の効果】本発明は、工作機械の送り軸やロボット
のアームを駆動制御するサーボモータの制御において、
方向反転時の指令の加速度に比例する値と速度指令が一
致した時点からバックラッシ加速補正が開始され、速度
指令の符号が反転する一定時間前の時点からバックラッ
シ加速補正が開始されるので、円弧の移動指令における
半径や送り速度によらず、実際の方向反転より一定の時
間だけ前の時点から正確にバックラッシ加速補正を開始
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のフィードフォワード及びバ
ックラッシ加速補正を行なうため、分配周期毎にディジ
タルサーボ回路のプロセッサが実施する処理のフローチ
ャートである。
【図2】同実施例におけるディジタルサーボ回路のプロ
セッサが位置・速度ループ処理周期毎実施するフィード
フォワード及びバックラッシ加速補正処理のフローチャ
ートの一部である。
【図3】図2の続きである。
【図4】フィードフォワード制御を行なうサーボ系のブ
ロック図である。
【図5】本発明の一実施例を実施するディジタルサーボ
系のブロック図である。
【図6】円弧移動を行なう時の本発明の作用原理を説明
する説明図である。
【図7】図6での円弧移動におけるX軸方向への移動指
令の説明図である。
【図8】バックラッシ加速補正開始時点を求める説明図
である。
【符号の説明】
10 DDA(Digital Differential Analyze) 11 エラーカウンタ 12 ポジションゲインの項 14 積分の項 15 進め要素 17 フィードフォワード係数の項

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 当該周期の移動指令と次の周期の移動指
    令の方向が反転する時の移動指令の加速度を求め、該加
    速度に比例した値と速度指令が一致した時点でバックラ
    ッシ加速補正を開始するようにしたサーボモータのバッ
    クラッシ加速補正方式。
  2. 【請求項2】 移動指令にスムージング処理を行なって
    フィードフォワード量を求めフィードフォワード制御し
    てサーボモータを制御する方式における方向反転時のバ
    ックラッシ加速方式において、当該周期の移動指令と次
    の周期の移動指令の方向が反転する時の移動指令の加速
    度を求め、該加速度に比例した値とフィードフォワード
    量を加算して補正された速度指令が一致した時点でバッ
    クラッシ加速補正を開始するようにしたサーボモータの
    バックラッシ加速補正方式。
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