JP2585688B2 - Ｎｃ同期制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は歯車研削機やホブ盤等のように数値制御によ
り同期加工を行う機械（以下、NC同期機械という）に適
用されるNC同期制御システムに関し、一層詳細には、マ
スタ軸に軸着した研削工具とワーク軸に軸着したワーク
と、当該ワークを駆動するスレーブ軸に軸着したサーボ
モータの同期関係を時分割で監視し、常に最適の同期関
係を保持するように制御することを可能とするNC同期制
御システムに関する。

［発明の背景］ 近時、研削工具、例えば、周面に螺旋状に突条を設け
た砥石とワークである被研削歯車とを噛合させ、砥石軸
と被研削歯車軸とを同期回転させることにより被研削歯
車を所定寸法の歯車に仕上げる同期加工型の歯車研削機
が採用されるに至っている。この場合、所定寸法の歯車
に仕上げるためには砥石軸と被研削歯車軸との同期状
態、すなわち、砥石の突条と被研削歯車の歯列の谷部と
の一致状態が所定範囲内に保持されて加工される必要が
ある。若し、同期状態が正常に保持されないまま歯車が
加工されると、歯が曲がったり、歯のピッチが変わる
等、種々の加工誤差を発生するからである。

この種のNC同期制御装置の例として、例えば特公昭59
−35729号公報に開示されている装置を掲げることが出
来る。すなわち、該装置は歯車の歯切加工を行うホブ
軸、または、ホブ軸駆動用モータの回転位置を検出する
検出手段を設け、当該検出手段から発生する位置信号に
基づいてワーク駆動用モータを前記ホブ軸駆動用モータ
に同期して回転させるように構成している。

［発明の目的］ 本発明はこのような技術に関連してなされたものであ
って、その一般的な目的は、歯車研削機やホブ盤等に採
用され、マスタスレーブ方式（マスタ軸に取着したロー
タリエンコーダで回転位置情報を検出し、その位置情報
を処理してスレーブ軸を制御し同期回転を得る方式）を
使用するNC同期制御システムであって、同期回転比や各
パラメータゲイン（速度エラーゲイン、位置エラーゲイ
ン等）を全て数値データで入力出来る構成としているた
めにワークの諸元（歯車の場合においては、ワーク歯
数、モジュール、ねじれ角等）あるいはマシンの諸元
（工具の条数、ギヤトレン、減速器等）を瞬時に切り換
えことが出来、多種少量生産に対応可能な柔軟性に富む
工作機械を提供することにある。

本発明の他の一般的な目的は、各パラメータゲイン、
機械系の定数（モータの仕様、負荷イナーシャ、粘性抵
抗、ばね定数等）および回転数等の変化に伴い、夫々最
適状態の数値を記憶しておくことにより現在の加工状態
に応じたゲインを瞬時に設定することが出来るNC同期制
御システムを提供することにある。

本発明のさらに他の一般的な目的は、トラバース軸の
トラバース送りを規定する差動演算も行なえることか
ら、はすば歯車等の加工を行うことの出来るNC同期制御
システムを提供することにある。

本発明の具体的な目的は、マスタ軸に軸着した工具を
回転駆動するマスタ軸モータに対して、ワークに連結さ
れたスレーブ軸を回転するスレーブ軸モータとワークが
固定されたワーク軸の同期回転を図ることにある。

本発明の他の具体的な目的は、工具を回転するマスタ
軸モータに対して、スレーブ軸モータとワーク軸との同
期回転を図るとともに、ワークをトラバース移動させる
トラバース軸モータとの差動補正した同期回転を図るこ
とにある。

［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、本発明によれば、例え
ば、図面に示すように、 マスタ軸14に軸着した工具12を回転駆動するマスタ軸
モータ10と、スレーブ軸42を回転駆動するスレーブ軸モ
ータ32と、スレーブ軸に回転伝達手段45で連結されたワ
ーク軸56と、ワーク軸に軸着したワーク31とを含みワー
クは工具によって研削されるNC同期制御システムであっ
て、 マスタ軸、スレーブ軸およびワーク軸に各々軸着した
マスタ軸エンコーダ、スレーブ軸エンコーダおよびワー
ク軸エンコーダ16、33、60と、 マスタ軸エンコーダの出力信号PG₁が供給されるフィ
ードフォワード制御部18と、 スレーブ軸エンコーダの出力信号PG₂が供給されるセ
ミクローズドループ制御部28と、 ワーク軸エンコーダの出力信号PG₃が供給されるフル
クローズドループ制御部62と、 これらフィードフォワード制御部、セミクローズドル
ープ制御部およびフルクローズドループ制御部の出力信
号S_ff、S_f2、S_f1を加算してスレーブ軸モータに供給す
る加算手段26とを備え、 フィードフォワード制御部では、第マスタ軸エンコー
ダの出力信号を時間微分してマスタ軸速度信号S_Mに変換
し、このマスタ軸速度信号をフルクローズドループ制御
部とセミクローズドループ制御部に供給するとともに、
このマスタ軸速度信号が規定速度信号N_S（第17頁（３）
式参照）となるフィードフォワード指令信号S_ffを加算
手段に供給し、 セミクローズドループ制御部では、スレーブ軸エンコ
ーダの出力信号を時間微分してスレーブ軸速度信号を
得、このスレーブ軸速度信号とマスタ軸速度信号とに基
づく位置エラーを算出し、この位置エラーE_P（第21頁
（６）式参照）にセミクローズドループ制御の位置ルー
プゲインK_P（第21頁６行〜７行の記載「位置エラーE_Pに
位置ループゲインK_P（図示せず）を乗じた値」参照）を
乗じてセミクローズドループ指令信号S_f2として加算手
段に供給し、 フルクローズドループ制御部では、ワーク軸エンコー
ダの出力信号を時間微分してワーク軸速度信号を得、こ
のワーク軸速度信号とマスタ軸速度信号に基づく位置エ
ラーを算出し、この位置エラーにフルクローズドループ
制御の位置ループゲインを乗じてフルクローズドループ
指令信号S_f1として加算手段に供給するようにしたこと
を特徴とする。

また、本発明は、さらに、 スレーブ軸とワーク軸とを一体的にトラバース移動す
るトラバース軸83に軸着したトラバース軸モータ82と、 トラバース軸モータに軸着したトラバース軸エンコー
ダ84とを備え、 トラバース軸エンコーダの出力信号PG₄がセミクロー
ズドループ制御部とフルクローズドループ制御部に供給
されるように構成し、 セミクローズドループ制御部では、トラバース軸エン
コーダの出力信号を時間微分してトラバース軸速度信号
を得、このトラバース軸速度信号とスレーブ軸速度信号
とマスタ軸速度信号とに基づいて差動補正した位置エラ
ーを算出するようにし、 フルクローズドループ制御部では、トラバース軸エン
コーダの出力信号を時間微分してトラバース軸速度信号
を得、このトラバース軸速度信号とワーク軸速度信号と
マスタ軸速度信号とに基づいて差動補正した位置エラー
を算出するようにしたことを特徴とする。

［実施態様］ 次に、本発明に係るNC同期制御システムについて好適
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１図は本発明に係るNC同期制御システムが適用され
る歯車研削機の概略構成図であり、第１図において、参
照符号10は砥石12（ここでは、１条の歯を刻設した砥石
とする）を回転する第１のモータとしての工具モータを
示す。当該工具モータ10は工具軸であるマスタ軸14を介
して砥石12と軸着し、当該マスタ軸14には第１のロータ
リエンコーダである、例えば、パルスジェネレータ16が
同軸的に軸着されている。本実施態様において、モータ
10の回転数、すなわち、マスタ軸14の回転数N_Mは3000rp
mであり、パルスジェネレータ16の分解能、すなわち、
マスタ軸エンコーダ分解能R_Mは60000p/r（PULSES/REVOL
UTION）である。前記パルスジェネレータ16の出力信号P
G₁はフィードフォワード制御パネル18内の４逓倍カウン
タ20を介してフィードフォワード演算器22に導入され
る。フィードフォワード演算器22の演算結果はD/Aコン
バータ24を介してフィードフォワード指令信号S_ffとし
て加算器26の第１の入力端子に導入される。

一方、フィードフォワード演算器22の演算データであ
るマスタ軸速度データS_Mはセミクローズドループ制御パ
ネル28内のセミクローズドループ演算器30に導入され
る。この場合、セミクローズドループ演算器30の他の入
力端子には第２のモータとしてのサーボモータ32に軸着
された第２のロータリエンコーダであるパルスジェネレ
ータ33から出力信号PG₂が４逓倍カウンタ34を介して導
入されている。このフィードバック出力信号PG₂を基に
セミクローズドループ演算器30はD/Aコンバータ38を介
してセミクローズドループ指令信号S_f2を加算器26の第
２の入力端子に導入する。加算器26の出力信号S_Sはサー
ボアンプ40を介してワーク駆動用のサーボモータ32の回
転数を制御する。

この場合、サーボモータ32に軸着したスレーブ軸42の
他端側にはカップリング43を介してシステム慣性力を吸
収するイナーシャダンパ44と第１のギヤ46が同軸的に軸
着されている。この第１のギヤ46には第２のギヤ48が噛
合し、当該第２ギヤ48は軸50を介してその軸線方向が変
えられる第３のギヤ52と軸着し、第３ギヤ52は第４のギ
ヤ54と噛合する。この場合、第４ギヤ54はワーク軸56に
同軸的に固着され、ワーク軸56の一端部には被研削歯車
としてのワーク31が固定して配設される。一方、ワーク
軸56の他端部側にはカップリング57を介して第３のロー
タリエンコーダであるパルスジェネレータ60が軸着さ
れ、当該パルスジェネレータ60の出力信号PG₃はフルク
ローズドループ制御パネル62内の４逓倍カウンタ64を介
してフルクローズドループ演算器66に導入される。

なお、前記ワーク軸56には第１のプーリ68、ベルト7
0、第２のプーリ72を介してヒステリシスブレーキ74が
介装され、当該ヒステリシスブレーキ74は調整されたポ
テンショメータ76の出力信号が増幅器78によって増幅さ
れた後の電圧信号によってその制動力が可変されるよう
に構成されている。

一方、前記フルクローズドループ演算器66に導入され
たパルスジェネレータ60の出力信号PG₃の４逓倍信号は
前記フィードフォワード演算器22からのマスタ軸速度デ
ータS_Mと比較演算された後、その比較結果はD/Aコンバ
ータ79を介しフルクローズドループ指令信号S_f1として
加算器26の第３の入力端子に導入される。

また、前記サーボモータ32およびワーク31等はトラバ
ーステーブル80上に載置され、当該トラバーステーブル
80は図示しないボールねじを介して第３のモータである
トラバースモータ82によって矢印Ａ方向に進退自在であ
る。このトラバースモータ82には第４のロータリエンコ
ーダであるパルスジェネレータ84が軸着され、このパル
スジェネレータ84の出力信号PG₄は、一方では、前記フ
ルクローズドループ制御パネル62内の４逓倍カウンタ86
を介してフルクローズドループ演算器66に導入されると
共に、他方においては前記セミクローズドループ制御パ
ネル28内の４逓倍カウンタ88を介してセミクローズドル
ープ演算器30に導入される。従って、トラバースモータ
82の回転による矢印Ａ方向のトラバース移動量はフルク
ローズドループ演算器66とセミクローズドループ演算器
30によって後述するような所定の差動演算が行われ、演
算結果はD/Aコンバータ38、79を介し前記セミクローズ
ドループ指令信号S_f2およびフルクローズドループ指令
信号S_f1に加味されて加算器26に導入される。

なお、前記フィードフォワード制御パネル18、フルク
ローズドループ制御パネル62およびセミクローズドルー
プ制御パネル28のクロック入力端子CKには図示しない水
晶発振器の発信周波数を分周して得られるサンプリング
クロックT_Sが導入される。また、本実施態様において、
サンプリングクロックT_Sのサンプリング時間t_Sは300μ
ｓである。

次に、第２図は第１図に示す５個の４逓倍カウンタ2
0、34、64、86および88の詳細なブロック回路図であ
り、当該４逓倍カウンタ20、34、64、86および88は、夫
々、パルスジェネレータ16、33、60および84から出力さ
れるＡ相、Ｂ相パルスの立ち上がりエッジを計数するカ
ウンタ100a、100cとＡ相、Ｂ相パルスを反転して立ち下
がりエッジを計数するカウンタ100b、100dとからなり、
夫々のカウンタ100a乃至100dの出力データはサンプリン
グクロックT_S毎に時間微分され速度データに変換された
後、加算器108によって加算されて４逓倍出力データに
変換される。

本実施態様に係るNC同期制御システムが適用される歯
車研削装置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、本実施態様に係るワーク31の諸元並びにパルス
ジェネレータ16、33、60、84の分解能等の値を表１に示
す。これらの値は図示しない入力手段からフィードフォ
ワード演算器22とフルクローズドループ演算器66および
セミクローズドループ演算器30の夫々のメモリ部（図示
せず）に入力される。

そこで、先ず、ワークが平歯車であるとした場合につ
いてフィードフォワード系並びに位置ループ系、すなわ
ち、フルクローズドループ制御系およびセミクローズド
ループ制御系での演算内容について説明し、次に、ワー
クがはすば歯車である場合についてトラバース方向の移
動量を考慮した各制御系の演算内容について説明する。

第１に、平歯車を研削する場合について説明する。こ
の場合、砥石12を工具モータ10により回転数N_M＝3000rp
mで回転駆動すると、パルスジェネレータ16から連続す
るパルス信号としての出力信号PG₁が発生し、当該出力
信号PG₁はフィードフォワード制御パネル18の中、カウ
ンタ20を介してフィードフォワード演算器22に導入され
る。従って、工具としての砥石12がN_M＝3000rpmで回転
した時にサンプリング時間t_S＝300μｓ毎にパルスジェ
ネレータ16から発生するパルス、換言すれば、マスタ軸
速度データS_Mは次の第（１）式に示すように900p/sampl
eとなる。

次に、回転数N_M＝3000rpmの砥石12に対してワーク31
の歯数ＺをＺ＝60とした時のワーク回転数N_Wは次の第
（２）式で示す式から導かれ、その値は50rpmとなる。
なお、第（２）式において参照符号Ｐは工具の条数であ
り、この場合、砥石12の条数に対応し、この値は前記の
ように１であるとしている。

次に、サーボモータ32によって駆動されるワーク31の
間に介装される回転伝達手段であるギヤトレン45の減速
比Ｑが24:1（Ｑ＝24）であることを考慮するとサーボモ
ータ32の回転数N_Sは次の第（３）式に示すように1200rp
mで回転させればよい。

N_S＝N_W×Ｑ（rpm）＝50×24＝1200（rpm） ……（３） そこで、サーボモータ32に与えるべき電圧値はサーボ
モータ32およびサーボアンプ40の定格仕様値から、例え
ば、定格回転数N_SR＝3000rpmの時のサーボモータ32の定
格入力電圧V_RがV_R＝6Vであるとすれば、1V当たりの回転
数は500rpm/Vであることが諒解され、結局、1200rpmで
回転させるためにはサーボモータ32に2.4Vを供給すれば
よいことになる。この関係を第（４）式に示す。

この場合、D/Aコンバータ24のビット数を12ビットと
し、12ビットに対応する出力電圧を±10VとしてN_S＝120
0rpmで回転させるための電圧2.4Vを得るには、第（５）
式に示すように、D/Aコンバータ24に値Ｖ_（D/A24）＝25
39を供給するようにすればよい。

従って、フィードフォワード指令信号S_ffの値はこの
値Ｖ_（D/A24）をアナログ信号に変換した値として与え
られる。なお、本実施態様においてサーボアンプ40はボ
ルテージフォロアとして動作している。そこで、この状
態で、砥石12がN_M＝3000rpmで回転している限りワーク3
1はN_W＝50rpmで同期回転する。

然しながら、D/Aコンバータ24あるいはサーボアンプ4
0にはアナログ系のオフセットあるいはドリフト等の誤
差が発生するため、位置ループ制御系が必要になる。そ
こで、次に位置ループ制御系について説明する。

位置ループ制御系はスレーブ軸42からワーク軸56に換
算したフィードバック出力信号PG₂を得るセミクローズ
ドループ制御パネル28からなるセミクローズドループ制
御系と、ワーク軸56から直接フィードバック出力信号PG
₃を得るフルクローズドループ制御パネル62を主な構成
要素とするフルクローズドループ制御系とから構成され
る。

この場合、ギヤトレン45に起因するバックラッシ誤差
の入らない比較的安定なサーボモータ32から直接フィー
ドバック出力信号PG₂を得るセミクローズドループ制御
系を高いゲインで制御し、前記ギヤトレン45等の誤差を
補正するためにフルクローズドループ制御系を低ゲイン
で制御する。すなわち、フルクローズドループ制御系は
ギヤトレン45のバックラッシあるいはギヤトレン45自体
の剛性等により不安定なループになり易く、高ゲインで
制御することが困難であるため補助的なループとしてい
る。

次に、高いループゲイン制御を有するメインループで
あるセミクローズドループ制御系について説明する。こ
の場合、高精度な同期回転を得るためには正確な位置制
御を行う必要がある。この同期演算は、先ず、前記した
フィードフォワード制御系で得られるパルスジェネレー
タ16から発生する位置出力信号PG₁をマスタ軸速度デー
タS_Mに換算し、次に、セミクローズドループ制御系で得
られるパルスジェネレータ33から発生する位置出力信号
PG₂をスレーブ軸速度データS_Sに換算する。次いで、前
記マスタ軸速度データS_Mとパルスジェネレータ33の分解
能R_Sとの乗算値（S_M×R_S）と、パルスジェネレータ33の
スレーブ軸速度データS_Sにパルスジェネレータ16の分解
能R_Mとワーク31の歯数Ｚとの乗算値（S_S×R_M×Ｚ）とが
同一の値になるように制御すればよい。この場合、位置
エラーE_Pは第（６）式に示すように算出され、マスタ軸
速度データS_Mとスレーブ軸エンコーダ分解能比R_O＝R_S/R
_Mとの乗算値と、スレーブ軸速度データS_Sにマスタ軸エ
ンコーダ分解能比R₁＝１とワーク歯数Ｚとを乗算した値
とが等しい場合にはマスタ軸14とワーク軸56とは完全に
同期しているということが判断される。一方、互いの乗
算値に差が生じた場合には、その差である位置エラーE_P
に位置ループゲインK_P（図示せず）を乗じた値がD/Aコ
ンバータ38に出力されるので、サーボモータ32が当該位
置エラーE_Pを補正するように回転する。

E_P＝（マスタ軸速度データ×スレーブ軸エンコーダ分解能比） −（スレーブ軸速度データ×マスタ軸エンコーダ分解能比×ワーク歯数） ＝（S_M×R_M/R_S）−（S_S×１×Ｚ） ＝900×４−（60×１×60）＝０ ……（６） ここで、スレーブ軸速度データS_Sは次の第（７）式に
よって与えられる。

前記第（６）式による計算結果はマスタ軸14とスレー
ブ軸42とが完全に同期して回転している状態を示してい
る。

次に、同期がずれていて補正をかけなければならない
場合について考慮してみる。前記第（７）式に示すよう
に、スレーブ軸速度データS_SがS_S＝60であるが故に同期
しているがスレーブ軸42の回転が僅かに遅れて、例え
ば、スレーブ軸速度データS_Sの値がS_S＝59｛サーボモー
タ32の回転数N_Sに換算すれば1180（rpm）｝にしかなら
ない出力信号PG₂がセミクローズドループ制御パネル28
に導入されたことを想定すると、位置エラーE_Pの値は次
の第（８）式で示すように60となる。

E_P＝（900×４）−（59×１×60）＝60（ｐ） ……
（８） 従って、この値にセミクローズドループ演算器30内で
位置ループゲインK_Pを乗じてD/Aコンバータ38に導入す
ると、サーボモータ32は回転を速め、遅れた分を取り戻
そうとする。これとは逆に、スレーブ軸42がやや先行し
て位置エラーE_Pが負の値（E_P＜０）になった場合にはD/
Aコンバータ38の出力値も負の値になり、サーボモータ3
2は遅速する方向に動作して正常回転になるように動作
する。なお、位置エラーE_Pの単位を〔ｐ〕＝〔pulse〕
としているのは、マスタ軸速度データS_M、スレーブ軸速
度データS_Sをサンプリング時間t_Sで積分した値と考えて
も実質的に差異のないことによる。

次に、低いループゲイン制御を有するフルクローズド
ループ制御系の位置ループ制御について説明する。

先ず、当該フルクローズドループの制御系を構成する
マスタ軸速度データS_Mは前記したようにS_M＝900〔p/sam
ple〕である。一方、ワーク軸速度データS_Wは次の第
（９）式によって与えられる。

そこで、フルクローズドループ演算器66において当該
マスタ軸速度データS_Mとワーク軸速度データS_Wを比較し
た後積分する。そして、位置エラーE_P2を算出し当該位
置エラーE_P2に位置ループゲインK_P2を乗算した後D/Aコ
ンバータ79を介して加算器26にフルクローズドループ指
令信号S_f1を送給してフィードバック制御を実施する。
この場合、前記マスダ軸速度データS_Mとワーク軸速度デ
ータS_Wを同一レベルで比較するため、次の第（10）式お
よび第（11）式に示すように正規化演算を行い、マスタ
軸正規化速度データS_MSとワーク軸正規化速度データS_WS
を算出する。

従って、位置エラーE_P2は次の第（12）式によって与
えられる。

E_P2＝∫（S_MS−S_WS）ｄ（sample）＝０ ……（12） ここで、位置エラーE_P2の値が零値であるのはマスタ
軸14とワーク軸56が同期回転していることを意味してい
る。

このように、本発明によれば、マスタ軸14とワーク軸
56の位置エラーE_P2を算出する際、エンコーダ分解能の
低いマスタ軸エンコーダであるパルスジェネレータ６の
出力信号PG₁を所定倍してエンコーダ分解能の高いワー
ク軸エンコーダであるパルスジェネレータ60の出力信号
PG₃と比較するように演算処理している。従って、エン
コーダ分解能の精度を低下させることがなく、高精度に
演算が可能である。なお、本発明において、その他の軸
間の位置エラー演算に対してもこの原理を適用してい
る。

このようにして平歯車の場合においては、前記したフ
ィードフォワード制御系の当該位置ループ制御系によて
正確に同期回転させることが可能である。なお、フィー
ドフォワード制御系と位置ループ制御系だけの制御では
同期回転が不十分な場合、位置エラーE_Pを微分して速度
エラーE_Vで制御する速度ループ制御系、速度エラーE_Vを
微分して加速度エラーE_aで制御する加速度ループ制御
系、位置エラーE_Pを積分して位置積分エラーE_PIで制御
する位置積分エラー制御系等、必要に応じて種々のPID
制御系を付加することも可能である。以上の説明は第１
の応用例としての平歯車加工の作用の説明である。

次に、第２の応用例としては、はすば歯車を加工する
応用例について説明する。この場合には、トラバース方
向（歯車の軸方向）の移動量を検出して前記同期関係に
差動補正をかけなければならない。この差動補正はトラ
バース軸83に軸着したパルスジェネレータ84によりトラ
バース移動量を検出しワークねじれ角βを含めた演算に
よって得られる値により前記の同期回転に差動補正を実
施すればよい。

そこで、はすば歯車のピッチ円周上の直径ｄは次の第
（13）式に示すように165.5mmとなる（各記号の意味に
ついては表１参照）。

この場合、ワーク幅Ｗ＝20mmによるピッチ円周上のず
れ角Ｙは、次の第（14）式に示すように、略6.457゜に
なる。

すなわち、ワーク幅Ｗ＝20mmをトラバース移動した場
合にワークのピッチ円周上で6.457゜の同期補正をかけ
る必要がある。これをワーク軸56の１回転当たりのフィ
ードバックパルス数に換算し、パルスジェネレータ84の
出力信号PG₄に対応するフィードバックパルスP_dの必要
量を算出すると、次の第（15）式に示すように、4305パ
ルスとなる。同様に、フィードバックパルスP_dの必要量
をピッチ円周上のずれ角Ｙからも算出すると同一の結果
が得られる（第（16）式参照）。

従って、ワーク幅Ｗ＝20mmをトラバースすると約4305
パルス分のフィードバックパルスP_dを補正することにな
る。実際には、サンプリング時間t_S＝300μｓ毎に演算
され、例えば、トラバース速度を本実施態様では1mm/se
cとしているのでサンプリング１回当たりの発生パル
ス、すなわち、トラバース軸速度データS_tは次の第（1
7）式から演算され３（p/sample）となる。この時、差
動速度指令データS_dは第（18）式に示すように表され
る。

S_t＝１×R_t×t_S ＝１×10000×300×10^-6＝３（p/sample） ……（17） 従って、１サンプリング時間t_S当たり0.06457パルス
の補正をかけることになる。この値は小数部のみの値の
ため整数演算が出来ないので所定倍して正規化してから
演算する。換言すれば、差動速度指令データS_d＝0.0645
7は無理数であり、誤差が累積してしまうことになる
が、正規化のための所定倍数αを大なる値、この場合、
差動速度指令データS_dが整数となるように選択する限
り、ワーク幅Ｗが数十mm内での加工誤差は実用上問題の
ない範囲に抑えることが出来ることを確認している。な
お、本実施態様において、所定倍数αの実際の値は約10
万以上であれば問題ない。以上の説明が第２の応用例と
してのはすば歯車加工の作用の説明である。

次に、以上のように作動する第１図に示すNC同期制御
システムについてフィードフォワード制御パネル18、フ
ルクローズドループ制御パネル62、セミクローズドルー
プ制御パネル28の相互関係について、第３図Ａ乃至Ｃ、
第４図Ａ乃至Ｃおよび第５図のフローチャートを参照し
ながらさらに詳細に説明する。なお、当該フローチャー
トにおいて、ステップを示す参照符号STPの後に付した
アルファベットａ、ｂ、ｃは、夫々、フィードフォワー
ド制御パネル18、セミクローズドループ制御パネル28、
フルクローズドループ制御パネル62による制御に対応さ
せてある。

そこで、先ず、ステップ1a乃至ステップ1cにおいて、
初期データ、すなわち、表１に示したデータが夫々フィ
ードフォワード演算器22、セミクローズドループ演算器
30、フルクローズドループ演算器66に入力され所定演算
が行われる（STP1a乃至STP1c）。この場合、所定演算は
サンプリング時間t_S内に演算する必要のない予め演算可
能な項目、例えば、サーボモータ32の1V当たりの回転
数、分解能比R₁、R₂等の項目について実行しておく。

次に、フィードフォワード演算器22にマスタ軸14に軸
着したパルスジェネレータ16から位置出力信号PG₁がフ
ィードフォワード制御パネル18内のカウンタ20に導入さ
れ４逓倍される（STP2a、STP3a）。カウンタ20から出力
されたデータはフィードフォワード演算器22によって時
間微分された砥石12の回転に対応するマスタ軸速度デー
タS_M｛前記第（１）式参照｝が算出される（STP4a）。

次いで、このマスタ軸速度デーラS_Mに基づきフィード
フォワード演算器22内で同期演算が実行され、スレーブ
軸速度データS_Sが前記第（７）式に基づき算出される
（STP5a）。

前記ステップ4aで得られたマスタ軸速度データS_Mはセ
ミクローズドループ演算器30にパラレルデータ転送され
る（STP6a）。次いで、前記第（９）に基づく同期演算
が行われワーク軸速度データS_Wが算出される（STP7
a）。

次に、前記マスタ軸速度データS_Mがフルクローズドル
ープ演算器66にパラレルデータ転送される（STP8a）。
次いで、前記ステップ5aで算出されたスレーブ軸速度デ
ータS_Sに基づきスレーブ軸42の所定回転数N_S＝1200を得
るべきフィードフォワード指令信号S_ffがフィードフォ
ワードループゲインK_fを乗算された状態でD/Aコンバー
タ24に導入される（STP9a、STP10a）。D/Aコンバータ24
の出力信号であるフィードフォワード指令信号S_ffは加
算器26の第１の入力端子に導入される（STP20）。

一方、セミクローズドループ制御パネル28は、先ず、
スレーブ軸42に軸着したパルスジェネレータ33から位置
出力信号PG₂を導入しカウンタ34で４逓倍する（STP2b、
STP3b）。このカウンタ値は微分され前記第（７）式と
同様にしてセミクローズドループ系に対応するスレーブ
軸速度データS_S1に変換される（STP4b）。このスレーブ
軸速度データS_S1は前記第（７）式に基づくフィードフ
ォワード系に対応する同期演算結果であるスレーブ軸速
度データS_Sと比較される（STP5b）。

一方、トラバース軸83に軸着したパルスジェネレータ
84からトラバース軸位置出力信号PG₄がカウンタ86を介
して４逓倍されセミクローズドループ演算器30に導入さ
れ微分されセミクローズドループに対応するトラバース
軸速度データS_t1（第（17）式参照）が演算される（STP
6b、STP7b）。次いで、前記第（17）式に示す差動演算
が行われる（STP8b）。

一方、ステップ9bではフィードフォワード演算器22か
らのマスタ軸速度データS_Mを受信する（STP9b）。次い
で、ステップ10b乃至ステップ12bにおいてセミクローズ
ドループ系に対応する位置エラーE_P1を算出する（STP10
b乃至STP12b）。すなわち、ステップ10bにおけるマスタ
軸速度データS_Mの積分値とステップ11bにおけるトラバ
ース軸差動速度データS_t1の積分値とが加算され、当該
加算値の和からステップ12bにおけるスレーブ軸速度デ
ータS_S1の積分値が減算される。

次いで、ステップ13bにおいて位置エラーE_P1が時間微
分され速度エラーE_V1が算出され、ステップ14bにおいて
位置エラーE_P1が積分され位置積分エラーE_PI1が算出さ
れる。次いで、ステップ15bにおいて、ステップ10a乃至
ステップ12bで算出された位置エラーE_P1に位置ゲインK
_P1が乗算される（STP13b）。次いで、ステップ16bにお
いてステップ13bで算出された速度エラーE_V1に速度ゲイ
ンK_V1が乗算され、ステップ17bにおいてステップ14bで
算出された位置積分エラーE_PI1に積分ゲインK_i1が乗算
される（STP15b乃至STP17b）。ステップ15b乃至ステッ
プ17bで算出されたゲイン乗算結果は各項毎に加算され
（STP18b）、この出力信号がD/Aコンバータ38を介して
セミクローズドループ指令信号S_f2として加算器26の第
２の端子に導入される（STP19b）。

次いで、フルクローズドループ制御パネル62はワーク
軸56に軸着したパルスジェネレータ60からの位置に対応
する出力信号PG₃を受信し（STP2c）、４逓倍し（STP3
c）、時間微分してワーク軸速度データS_Wを算出する（S
TP4c）。このワーク軸速度データS_Wと前記第（９）式に
基づく同期演算結果が比較される（STP5c）。続いて、
ステップ6c、ステップ7cにおいてフルクローズドループ
演算器66では前記セミクローズドループ演算器30で演算
したのと同様に、トラバース軸83に軸着したパルスジェ
ネレータ84の出力信号PG₄を４逓倍した後、微分してフ
ルクローズドループ系に対応するトラバース軸速度デー
タS_t2を算出する（STP7c）。次いで、前記第（17）式に
示す差動演算が行われる（STP8c）。

一方、ステップ9cにおいてマスタ軸速度データS_Mがフ
ィードフォワード演算器22からパラレルデータ伝送さ
れ、フルクローズドループ演算器66は当該データを受信
する。次いで、ステップ10c乃至ステップ12cにおいて位
置エラーE_Pを算出する（STP10c乃至STP12c）。すなわ
ち、ステップ10cにおけるマスタ軸速度データS_Mの積分
値とステップ11cにおけるトラバース軸差動速度データS
_t2の積分値とが加算され、当該加算値の和からステップ
12cにおけるスレーブ軸速度データS_S2の積分値が減算さ
れる。

次いで、ステップ13cにおいて位置エラーE_P2が時間微
分され速度エラーE_V2が算出され、ステップ14cにおいて
位置エラーE_P2が積分され位置積分エラーE_PI2が算出さ
れる。次いで、夫々のゲイン定数をステップ15c乃至ス
テップ17cにおいて乗算する（STP15c乃至STP17c）。す
なわち、ステップ15cにおいてステップ12cで算出された
位置エラーE_P2に位置ループゲインK_P1が乗算され、ステ
ップ16cにおいてステップ13cで算出された速度エラーE
_V2に速度ゲインK_d2が乗算され、ステップ17cにおいてス
テップ14cで算出された位置積分エラーE_PI2に積分ゲイ
ンK_i2が乗算される。これらステップ15c乃至ステップ17
cで算出されたゲイン乗算結果は各項毎に加算される（S
TP18c）。然る後、当該加算データはD/Aコンバータ79を
介してフルクローズドループ指令信号S_f1として加算器2
6の第３の入力端子に導入される。

そこで、加算器26は前記フィードフォワード指令信号
S_ff、セミクローズドループ指令信号S_f2、フルクローズ
ドループ指令信号S_f1を加算し当該加算データがサーボ
アンプ40を介してスレーブ軸サーボモータ32に導入され
る（STP20乃至STP22）。

以上のようにフィードフォワード制御パネル18、フル
クローズドループ制御パネル62、セミクローズドループ
制御パネル28が夫々有機的に結合されて同期演算が遂行
される。

以上のように、上述の実施態様によれば、歯車研削機
あるいはホブ盤等でマスタ軸に取り付けたロータリエン
コーダで回転位置情報を検出し、その位置情報を処理し
てスレーブ軸を制御し同期回転を得る方式、所謂、マス
タスレーブ方式を使用したNC同期制御システムにおい
て、同期回転比、各パラメータゲイン等を全て数値デー
タ等で入力出来るように構成している。このため、ワー
ク諸元（歯車の場合はワーク歯数、モジュール、ねじれ
角等）あるいはマシン諸元（工具条数、ギヤトレン減速
比）等を瞬時に切り換えることが出来、多種少量生産に
対応可能なフレキシブルマシンを構成することが出来
る。

さらに、各パラメータゲイン（速度エラーゲイン、位
置エラーゲイン等）が、機械的定数（モータや負荷イナ
ーシャ、粘性抵抗、ばね定数等）あるいは回数等の変化
に伴い、夫々、最適状態の数値を記憶しておくようにし
ておけば加工状態に適合したゲインを瞬時に設定するこ
とが出来る。

さらにまた、トラバーステーブルを利用するトラバー
ス送りについても同期演算可能なように構成してあるの
で、はすば歯車加工等を極めて高精度に行なえる効果を
奏する。

さらに、マスタ軸とワーク軸あるいはマスタ軸とスレ
ーブ軸との軸間の位置エラー算出する際、低精度の分解
能を有するエンコーダを付設する軸の出力信号を逓倍し
て高精度の分解能を有するエンコーダを付設する軸の出
力信号と比較するシステムとしているため、エンコーダ
の分解能を精度を減殺することなく高精度に加工可能で
ある。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、マスタ軸に軸
着した工具を回転駆動するマスタ軸モータに対して、ワ
ークに連結されたスレーブ軸を回転するスレーブ軸モー
タとワークが固定されたワーク軸の同期回転が図れ、工
具に対するワークとスレーブ軸の位置エラーを除去する
ことができるという効果が達成される。この同期回転
は、平歯車の加工に好適である。

また、本発明によれば、工具を回転するマスタ軸モー
タに対して、スレーブ軸モータとワーク軸との同期回転
を図るとともに、ワークをトラバース移動させるトラバ
ース軸モータとの差動補正した同期回転が図れるという
効果が達成される。この同期回転は、はすば歯車の加工
に好適である。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明し
たが、本発明はこの実施態様に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良
並びに設計の変更が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るNC同期制御システムが適用される
歯車研削装置の概略構成図、 第２図は第１図に示す歯車研削装置の中、４逓倍カウン
タの詳細構成説明図、 第３図Ａ乃至Ｃ、第４図Ａ乃至Ｃおよび第５図は第１図
に示す歯車研削装置の作用を説明するフローチャートで
ある。 10……工具モータ、12……砥石 14……マスタ軸、16……パルスジェネレータ 18……フィードフォワード制御パネル 22……フィードフォワード演算器 24……D/Aコンバータ 26……加算器 28……セミクローズドループ制御パネル 30……セミクローズドループ演算器 31……ワーク、32……サーボモータ 33……パルスジェネレータ 42……スレーブ軸、45……ギヤトレン 60……パルスジェネレータ 62……フルクローズドループ制御パネル 66……フルクローズドループ演算器 74……ヒステリシスブレーキ 82……トラバースモータ 84……パルスジェネレータ S_M……マスタ軸速度データ S_S……スレーブ軸速度データ S_W……ワーク軸速度データ S_t……トラバース軸速度データ S_ff……フィードフォワード指令信号 S_f1……フルクローズドループ指令信号 S_f2……セミクローズドループ指令信号

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスタ軸に軸着した工具を回転駆動するマ
   スタ軸モータと、スレーブ軸を回転駆動するスレーブ軸
   モータと、前記スレーブ軸に回転伝達手段で連結された
   ワーク軸と、当該ワーク軸に軸着したワークとを含み前
   記ワークは前記工具によって研削されるNC同期制御シス
   テムであって、 前記マスタ軸、スレーブ軸およびワーク軸に各々軸着し
   たマスタ軸エンコーダ、スレーブ軸エンコーダおよびワ
   ーク軸エンコーダと、 前記マスク軸エンコーダの出力信号が供給されるフィ
   ードフォワード制御部と、 前記スレーブ軸エンコーダの出力信号が供給されるセミ
   クローズドループ制御部と、 前記ワーク軸エンコーダの出力信号が供給されるフルク
   ローズドループ制御部と、 これらフィードフォワード制御部、セミクローズドルー
   プ制御部およびフルクローズドループ制御部の出力信号
   を加算して前記スレーブ軸モータに供給する加算手段と
   を備え、 前記フィードフォワード制御部では、前記第マスタ軸エ
   ンコーダの出力信号を時間微分してマスタ軸速度信号に
   変換し、このマスタ軸速度信号を前記フルクローズドル
   ープ制御部と前記セミクローズドループ制御部に供給す
   るとともに、このマスタ軸速度信号が規定速度信号とな
   るフィードフォワード指令信号を前記加算手段に供給
   し、 前記セミクローズドループ制御部では、前記スレーブ軸
   エンコーダの出力信号を時間微分してスレーブ軸速度信
   号を得、このスレーブ軸速度信号と前記マスタ軸速度信
   号とに基づく位置エラーを算出し、この位置エラーにセ
   ミクローズドループ制御の位置ループゲインを乗じてセ
   ミクローズドループ指令信号として前記加算手段に供給
   し、 前記フルクローズドループ制御部では、前記ワーク軸エ
   ンコーダの出力信号を時間微分してワーク軸速度信号を
   得、このワーク軸速度信号と前記マスタ軸速度信号に基
   づく位置エラーを算出し、この位置エラーにフルクロー
   ズドループ制御の位置ループゲインを乗じてフルクロー
   ズドループ指令信号として前記加算手段に供給するよう
   にしたことを特徴とするNC同期制御システム。
2. 【請求項２】請求項１記載のシステムにおいて、 前記スレーブ軸と前記ワーク軸とを一体的にトラバース
   移動するトラバース軸に軸着したトラバース軸モータ
   と、 前記トラバース軸モータに軸着したトラバース軸エンコ
   ーダとを備え、 前記トラバース軸エンコーダの出力信号が前記セミクロ
   ーズドループ制御部と前記フルクローズドループ制御部
   に供給されるように構成し、 前記セミクローズドループ制御部では、前記トラバース
   軸エンコーダの出力信号を時間微分してトラバース軸速
   度信号を得、このトラバース軸速度信号と前記スレーブ
   軸速度信号と前記マスタ軸速度信号とに基づいて差動補
   正した位置エラーを算出するようにし、 前記フルクローズドループ制御部では、前記トラバース
   軸エンコーダの出力信号を時間微分してトラバース軸速
   度信号を得、このトラバース軸速度信号と前記ワーク軸
   速度信号と前記マスタ軸速度信号とに基づいて差動補正
   した位置エラーを算出するようにしたことを特徴とする
   NC同期制御システム。