JPS58214906A - バツクラツシユを有する移動機械の制御方法 - 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】 本発明は、アクチュエータ（駆動部）と動作端（負荷部
）との間の動力伝達部分°にノ々ツクラッシュを有する
移動機械を滑らかに動作させ、しかも精度の高い制御を
可能にする制御方法に関するものである。

周知のように機械系の装置では、程度の違いはあるが、
ノ々ツクラッシュが存在する。

これは各部分が運動するだめの機構学的原因（例えば歯
車のインｙｆｌＪニート歯型や送りネジ杆のネジ山型な
ど）と工作精度に基因するものであるが、このノ々ツク
ラッシュの存在のため、次のような点が大きな問題とな
っている。

１）位置決め精度をノ々ツクラッシュ巾以下とすること
ができないため、それ以上の位置決め精度を持つ装置は
実現出来なかった。

２）バックラッシュは閉ループ制御においては安定性を
劣化させる要素であるため、ループゲインを非常に小さ
くしかとれず、応答性が悪くなったり、ハンチングを生
じたりする。

３）始動、停止時にバックラッシュ部で必ず衝突を生じ
るため、動力伝達部の寿命を著しく損う。

従来、これらの問題に対しては、動力伝達部に特別に考
慮した「アンチバックラッシュ」対策を施して対処し、
（このためサーボ機構によシ構成される自動機械は、非
常に高い工作精度が要求され、そのコストが高価なもの
となる）、サーボ機構としては、このような対処をした
上に更に存在するノ々ツクラッシュに対し、アクチュエ
ータのみのフィードバックループを形成して閉ループの
外にあるバックラッシュを動作方向が変化する時にのみ
位置指令値の上積み補正を行うことによって静的な状態
として補正するという方法が広く行なわれている。

しかし、このような方法は、上記２）を回避することは
できても、１）と３）の問題に対する解決策また、ノ々
ツクラッシュを有する制御系、特に歯車装置を介して負
荷側の移動体を駆動する装置の制御方法として、バック
ラッシュがない同種の歯車装置を介して駆動される第２
の駆動系を併設して両駆動系の駆動量の差を無接触゛で
検出し、その偏差分をサーボモータの制御回路にフィー
ドバックしてノ々ツクラッシュを除去する制御方法が特
公昭５６−１０６４６号公報によって知られている。

しかし、この制御方法では、目標値の正負方向の変化に
対しては自動的に目標値の補正を加えることができるが
、目標点へ到達するまでに、駆動部と負荷部の間で発生
する衝突については考慮されていないので、前記３）の
問題点のある制御方法である。

そこで本発明は、駆動側の移動体Ａと負荷側の移動体８
間にノ々ツクラッシュのある装置において、両移動体Ａ
とＢの夫々の位置Ｘと速度；を検出する装置を設け、そ
の検出装置の検出値に応じて前記移動体Ｂを目標点に移
動させるだめの移動制御装置に、移動のだめの加減速変
化点からギャップ制御のだめの所要時間をｘ、ｘ位相面
上でずらした境界線を求め、これをｘ、ｘ位相面上の境
界条件として加速側にギャップを埋めるか、減速側にギ
ャップを埋めるかを判断してギャップ制御を行う機能を
付加することにより、バックラッシュを有する移動機械
の制御をショックなく、シかも精度の高い制御が行なわ
れるようにしだものである。

説明の便宜上、先ず、動力伝達部にバックラッシュが存
在しない場合の移動機械について考える今、第１図に示
す位置Ｘと速度；の位相面上の任意のＰ点から原点（目
標点）ヘアクチュエータを駆動して負荷を移動させる場
合、最短時間で移動させるには、ポンドリヤーギンの理
論より、先ず最大操作量で加速させる。そうすると移動
体は運動の微分方程式による加速曲線ｆｂ４に沿って移
行する。

移動体の位置Ｘ、速度；が原点（目標点）を通る減速面
ａ　ｆａ！との交点Ｑに達した時、減速を開始して原点
に到達した時に操作量を０とすればよい。

なお、負荷が慣性のみで摩擦等を無視した場合、可動部
慣性モーメントを５１アクチユエータの操作量をＵ、そ
の最大値をｕｍａＸ　　とすると、ｆｂ□〜’ｂ５曲線
と１３１〜１８５曲線は夫々次式で表わされる放物線で
ある。

２、□３８； Ｘ＝ 上記曲線中太い線で表示した曲線ｆａ！を減速切替曲線
ｓ　　’ｂ２を加速切替曲線と呼ぶことにする。

ところが、動力伝達部にバックラッシュを有し、始動時
に加速側にノζツクラッシュによるギャップかない場合
には、このような減速切替曲想にょって減速制御すると
、切替え時点よｐアクチュエータ側が減速に入るが、負
荷側は慣性によって前の状態を持続しようとするので、
ノ々ツクラッシュによるギャップ内での衝突を起しなが
ら減速が行なわれることになると同時に、原点に到達し
たところでアクチュエータの操作量を０としても負荷の
位置は正確には原点に達することにはならない。

また、始動時にバックラッシュによるギャップが加速側
にある場合は、更に始動時にギャップによる衝突を生ず
る。

従って、バックラッシュのある移動機械では、減速制御
に移行する前までに減速側のギャップを０にする制御を
行い、まだ始動時にギャップが加速側にある場合は、先
ずそのギャップをＯにする制御を行うようにすることに
より、目標位置に正確に最短時間で移動させることがで
きることになる。

本発明はこの原理に基づくもので、第２図はバックラッ
シュを有する動力伝達機構のノ々ツクラッシュ制御を行
う場合のブロック図を示すものである。図において１は
送シネジ杆２を介して負荷部３を駆動する駆動部、４は
駆動部の位置及び速度検出器、５は負荷部３の位置及び
速度検出装置、６は前記検出器、４，５の検出信号によ
りどう適正制御するかを演算及び論理判断する演算部、
７は演算部６の演算結果によって指令信号を送出するア
クチュエータ制御部、８はマイナーループである。

ここで、第２図の動力伝達部のバックラッシュ部分Ｈを
模式的に表現すると、第３図に示すようになる。

図中の記号の内容は次の通υである。

ＸＬｒ’負荷部負荷付目 標位置：負荷部位置 χＭ　＝駆動部位置 ｅ　　：位置差（”Ｍ−ｘｉ） Ｌ　　：パックラッシュ部分のギヤツブ巾Ｕ　　：アク
チュエータの操作量 この第３図で負荷部Ｂの任意の初期点（位置。

速度）より目標位置へ移動させる場合を考える。

第３図の場合、加速側（右側）にＩヤッゾＬがあるので
、これを先ず０として駆動側の移動体人を負荷側の移動
体Ｂと一体化しなければならない。

このギャップ制御は、前述のポンドリヤーギンの理論に
よる最短時間制御を適用することにより、衝突なしに最
短時間で一体化させることができる。

即ち、直流モータ等で構成されるアクチュエータは、適
当な制御回路を用いることによシＪ　Ｍ　Ｘ　：　ｕ　
　　　　　　　　　　・・・・−（１）ＪＭ：モータの
慣性モーメント ＾：モータの加速度 ・Ｕ：操作室（例えば電圧） なる微分方程式で示される応答を行うようにすることが
できる。

そしてこの（１）式で示される系の最短時間制御は前記
ポンドリヤーギンの理論に従って、操作量の極限を用い
て加減速を行うことにより最短時間でギャップＬを０と
することができる。

この場合の加速切替曲線ｆ７と減速切替曲線ｆ６は次式
で表わされる。

但しｕ　ｍａｘは最大操作量、貴は速度差輸４Ｌこれを
図示すると第４図に示すようになる。

従って、任意の状態０（ｅｏ、；ｏ）からギャップが０
になる右端（−，０）への制御は、０→Ｄの間加速を行
い、Ｄに到達した時点で減速を開始すＬ・ ると減速切替曲線ｆ６に沿って（−，０）へ行きすぎな
く到達する。つまりショックなしに移動体人を移動体Ｂ
と一体化することが出来る。

このようにして一体化した後、再び駆動側の移動体Ａを
加速し２次いで減速して目標位置に移動させるには、パ
ンクラッシュを有する装置では第１図に示した減速切替
曲線ｆａ２（’ｚ）上の点に達する迄に、移動体人を移
動体Ｂとギャップの減速へ移動させるギャップ制御を行
う必要がある。

そのギャップ制御は、第４図において、（−２のの状態
から先ず減速を行い、Ｅ点（ｆ７との交点）に達したと
ころで加速を開始すれば、行きすぎなこれらのギャップ
状態を変えるに必要な時間が最大となるのは、 と移行させる場合あるいはその逆の場合のへ移行させる
時である。

そして、この時の所要時間ｌ１ｌＯは となる。

なお、第４図のｒｓ　、　ｆ７の曲線で囲まれた部分が
ギャップ制御可能領域であｐ１アクチュエータの選定時
に実用上問題とならないために必要な領域を設定するこ
とができる。

上記時間’ｒｏは移動体ＡとＢの一体減速制御に移行す
る前に必要なバックラッシュの状態を変えるだめのギャ
ップ制御時間である。

従って、ノ々ツクラッシュを有する移動機械では、この
時間’ｒｅだけ早めに減速制御へ切替える時間を早めな
ければならない。

こ＼で、負荷の任意の速度（ＸＬｉ）に対し、Ｔ。

時間で移動する距離ｒの変化を図示すると第５図のｇｌ
　　直線のようになる。

従って、ノ々ツクラッシュを有する移動機械の場合の減
速又は加速切替曲線ｆｌ　、　ｆ、は第６図に示すよう
に第１図に示した減速又は加速切替曲線ｆ！、ｆ４に対
し２、第５図に示したＴｏだけ早めの時間分のｇｌの量
だけそれぞれ左右にずらしたものにすればよい。以下ｆ
、　、　ｆ、を補助切替曲線と呼ぶことにする。

移動体ＡとＢが一体となった状態の慣性モーメントをＪ
Ｉ、Ｍ−ＪＬ＋ＪＭとすると運動方程式はＪ　１．　ｙ
　−；　Ｌ　＝　ｕ と表わ芒れるので、前記の切替曲線ｆ２．ｆ４はとなる
。

ｆｌ補助切替曲線上の点几（ｘＬｒ”Ｌ）に外力が作用
することなく時間Ｔｏが経過すると移動体はｆ２切替曲
線上の点Ｓ（’Ｌｌ’Ｌ）へ到達する。

このことより、駆動部と負荷部の移動体が一体で加速制
御されている時ｓ（”Ｌ＋；Ｌ）がｆｌ補助切替曲線上
の値となった時、直ちに減速側のギャップを０とするギ
ャップ制御を行い、Ｔｏ時間後ｆ。

切替曲線に沿った減速制御を行えば目標点への正確な移
動制御が行なわれることになる。若し、減速から加速制
御の場合はｆ３補助切替曲線を用いることになる。

理解を容易にする定め１以上の一連の制御を第７図を用
いて説明すれば次の通りである。

第７図（、）は移動体ＡとＢの動きを示すもので、■は
初期状態である。こ＼で。

移動体Ａ　・＝　・”　（ＸＭ　Ｉ　Ａｙ）＝　（ＸＭ
ＯＩ　ｘｕｏ　）移動体Ｂ・・・・・・（ｘＬｒ糺）＝
（れ２．λＬｏ　）目標点ｆｌ（ｘＬｒ　；［Ｌ）：（
０，０）とする。

り加速側にギャップＬがあるので、■のように前述の加
速→減速のギャップ制御を行なって■のエギャップを０
とする。

この状況が第７図（ｂ）の０→■→■である。

この状態で駆動部と負荷部とは一体となって負荷の移動
制御が行なわれ、　第７図（Ｃ）に示すように■→■′
へと移行して行く。

ｆ、補助切替曲線に達すると２次いでギャップの状態を
変える制御、即ち減速側のギャップを０にする制御が行
なわれ、■′→■へと移行する。

このようにして第７図（ｅ）の■′に到達すると。

今度は減速制御が開始され、先ず第７図（ｂ）における
■′→■→■の減速−加速制御によって減速側のギャッ
プをＯにし、然る後０点から減速制御が行なわれ、目標
点の（０，０）に到達する。

上記一連の制御における操作量の与え方を示すと、第８
図に示す通りである。

以上の説明から明らかなように１本発明実施に必要な点
は切替１曲線の決足と、アクチュエータの減速点（逆の
場合は加速点）を負荷の状態から判断して決めることで
ある。その切替点の条件を整理して列挙すると次の通り
である。

上記切替曲線は装置が決まれば、容易に決足されるもの
であるが、汎用制御装置としては、数種の慣性モーメン
ト及び操作量に関して予め計算して複数本用意しておき
、実際の使用時にそれらを手動で、例えば設定ビンで選
択し几り１位置・速度の変化から自動的に選択するよう
に構成することが望ましい。

また、各切替曲線としては実用上折線近似曲線を以って
代えてもよい。

移動体の位置・速度が前記切替曲線に達し友か否かの判
断は、切替１軛との差が微少になつ几時判定するように
すればよい。

第９図はそ一タＭによりノ々ツクラッシュのある動力伝
達機構１１を介して負荷１２を駆動する場合に本発明を
適用した場合の一実施例を示すもので、１３にモータＭ
に連続された速度検出器ＴＧｘとノぞルス発生器を使っ
た位置検出器ＰＧｒ　　の検出信号と、負荷１２に連結
され窺速度検出器ＴＧ、とパルス発生器を使つ文位置検
出器ＰＧ２の検出信号と、予め設定又はそれら検出信号
により選択しｔ’１＋　　ｆｌ＋　　ｆ３ｒ　　’４＋
　　ｒｅ、’７切管曲線とから、切替装置１４及び１５
の切替信号を送出するミニコン等から成る判断装置、１
６は加速側のギャップ制御を行うための関数発生器１６
−１と、減速側のギャップ制御を行うための関数発生器
１６−２を備え几関数発生器、１７はギヤツブ巾設足装
置、１８は負荷側の位置・速度が、ｆ２又はｆ４切替曲
線に達してから目標位置まで指令信号ｄを送出する指令
装置％　１９は目標位置設定装置、２０は指令信号によ
ｒ）１−足電圧最大（操作量ＵをモータＭに与えて駆動
する駆動装置である。

判断装置１３における切替装置１４．１５の切替信号を
得るため利足フローチャートを示すと第１０図に示す通
りでろる◇ 今、始動時に）々ツクラッシュによるギャップが加速側
にあると、先ず判断装置１３により切替装置１４．１５
が１４ｂ、１５ｂ側に切換えられてモータＭを加速制御
し、次いで切替装置１５が１５ａＫ切換えられて減速制
御されてギャップが０になる。

次に切替装置１５が１５ｂに切り替わり、モータＭは加
速制御される。前述のｆ１補助切替曲線上の値に位置・
速度が達すると、切替装置１５が１５ａ側に切り替わっ
て減速制御に入ｖ、判断装置１３に入力する駆動側の位
置・速度がｆ７切替曲線上の値と一致すると、切替装置
１５が１５ｂ側に切替えられて加速制御に移り、減速側
のギャップを０とする。

このギャップ００時点で負荷側の位置と速度ＸＬ　Ｉ　
’ｘＬｕ　ｆ−切替曲線上に達するので、今［ｔ−１切
替装置１４が１４ａに切９替えられて、目標値に達する
まで減速制御されることになる。

）々ツクラッシュがなく１負荷の速度に制限がある場合
には加減速切替曲線は第１図の場合とは異なり第１１図
の如くにガる。

このような場合には任意の点Ｐ（Ｘ、Ｘ）から原点へ到
達させる方策に、途中に操作ｔを０とし。

一定速度ＶｍａＸ　　を保つ制御が加わることになる。

このことは、バックラッシュを有する系の制御の場合に
も全く同様のことが成り立つため、ｆｌ。

ｆｚ、ｆｌ、ｆ４　　の切替曲線としである速肝制限内
についてのみ関数を設電しておけば、速度制限値に達し
た時に操作量を０とすることにより１本発明の制御方式
はそのま＼適用することができる。

本発明による制御方式は、移動体　に摩擦力が作用しな
い場合に最も効果があるか、若し摩擦力がおったり、他
の不確定要素がある場合にＩ′ｉ、実施例中の駆動装置
２０の特性を第１２図に示すような特性（線形制御とす
る）のものに変えることによＱ本発明方式を有効に活か
すことができる。

つまり、ある程度の線形範囲を有せしめることによＶ、
”ｄ”の値の正、負により最大操作量を加えることなく
その差に比例し几操作量を与えることにより制御を効果
的に行うことができるように表る。

以上のように１本発明によれば、ノζツクラッシュがあ
ってｔノ々ツクラッシュ部で衝突を生じず、従って機械
寿命を大巾に上げることができ、しかも機械組立に無理
な精鞭を要求する必要がなくなるという製作上の利点が
あり、制御系としてノ々ツクラッシュが閉ループ内に存
在しても安定性が完全に保証されることになることと相
俟って工業１優れた発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図はノ々ツクラッシュを有しない移動装置における
加速及び減速切替曲線を示す図、第２図はノ々ツクラッ
シュを有する動力伝達機機構の制御系のブロック図、第
３図はバックラッシュ部のモデル図、第４図はノ々ツク
ラッシュによるギャップの制御方法の説明図、第５図は
負荷の任意の速度とＴｏ　　時間で移動する距離との関
係を示す図、第６図は加速・減速切替曲線と補助切替曲
線との関係を示す図、第７図は、ノ々ツクラッシュを有
する移動装置の制御方法を示す説明図、第８図は操作量
の与え方の一例を示す図、第９図は本発明の実施例のブ
ロック図、第１０図は判断装置におけるフローチャート
、第１°１図は負荷速度に制限がある場合の制御方法を
示す図、第１２図は駆動装置の異なる実施例を示すブロ
ック図である。 Ｍ・・・駆動モータ、１１・・・ノ々ツクラッシュのあ
る動力伝達機構、ＴＧ、　、ＴＧ、　　・・・速度検出
器、ＰＧ、、ＰＧ、　　・・・位置検出器、１２・・・
負荷、１３・・・判断装置、１４．１５・・・切替装置
、１６・・・関数発生器、１７・・・ギヤツブ巾設電装
置、１８・・・指令装置％　１９・・・目標位置設電装
置、ｚＯ・・・駆動装置。 特許出願人　株式会社　安川電機製作所３６ 第ｉ目 ゑ 第４間 第！：２目 第７ （α）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動側の移動体Ａと負荷側の移動体Ｂとの間にバ
   ックラッシュによるギャップが介在し、位置Ｘと速度灸
   の位相面上の任意の２点間を移動制御される移動機械に
   おいて、前記移動体ＡとＢの位置Ｘと速度；の各検出器
   を夫々設け、その検出値に応じて前記移動体Ｂを目標点
   に移動させるだめの移動制御装置に、移動のための加減
   速変化点からギャップ制御のだめの所要時間を位相面上
   でずらした境界線を求め、これをｘ、ｘ位相面上の境界
   条件として加速側にギャップを埋めるか、減速側にギャ
   ップを埋めるかを判断してギャップ制御を行う機能を付
   加したことを特徴とする移動機械の制御方式。
2. （２）非線形制御の移動制御装置を使用し、且つギャッ
   プ制御を非線形制御によって行うことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の移動機械の制御方式。