JP2826391B2 - バックラッシ加速制御方法 - Google Patents

バックラッシ加速制御方法

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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
の送り軸を駆動するサーボモータの制御方法に関し、特
に、送り軸の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】工作機械において、テーブル等を駆動す
る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、象限が変わると切削円弧面
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】
【発明が解決しようとする課題】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CN
C(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
Differential 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、12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、DDA10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。1
7はスムージング処理で出力される値にフィードフォワ
ード計数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)、加工のプログラム開始位置(例
えば位置a1)に応じて、図5(a),(b)に示すよ
うに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】第5図(a),(b)は、円弧切削を行な
う場合の例で、分配周期毎の各移動指令による位置がa
1,a2,a3,a4である場合、分配周期の移動指令
の状況によって図5(a)に示すように実際に加工しよ
うとする円弧に対しY軸の移動方向が反転する位置が反
転すべき位置より前の位置a2になる場合、または、図
5(b)に示すように反転すべき位置より後のa3の位
置で移動指令が反転する場合が生じる。フィードフォワ
ード計数αが「0」に近く、フィードフォワードによる
影響が少ない場合には、位置偏差は数10msec(約
1/Kpに対応する値)遅れるので、上記ばらつきは、
この遅れにより吸収され問題ないが、フィードフォワー
ド係数αが「1」に近づくと、指令に対して実際の位置
の遅れがほとんどなくなるため、上記反転時をとらえて
バックラッシ加速補正を行なうと誤差を増大させること
になる。
【0009】そこで、本発明の目的は、フィードフォワ
ード係数が「1」に近い場合でも、移動方向が変わる正
確な位置でバックラッシ加速補正を開始できるようにす
ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、機械可動部の
送り軸を駆動制御するサーボモータの制御方法に関する
ものであって、数値制御装置からの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て上記
サーボモータをフィードフォワード制御するサーボモー
タの制御方法に適用される移動方向反転時に速度指令に
加速補正量を加算しバックラッシ加速補正を行うバック
ラッシ加速制御方法において、本発明は、上記フィード
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ようにすることによって上記課題を
解決した。
【0011】
【作用】フィードフォワード係数αの値が「1」に近づ
くと、位置偏差はほとんど「0」となり、フィードフォ
ワード量が補正された速度指令VCMDはフィードフォ
ワード量によるものがほとんどとなる。そのため、フィ
ードフォワード量の符号反転位置をバックラッシ加速補
正開始時とすれば、より正確にバックラッシ加速補正を
行なうことができる。また、フィードフォワード量が補
正された速度指令VCMDはフィードフォワード量がほ
とんどとなるため、この補正された速度指令VCMDの
符号の反転時をバックラッシ加速補正開始時としてもよ
い。
【0012】
【実施例】図4における進め要素15,スムージング処
理16,フードフォワード係数αの項17によるフィ
ードフォワード制御におけるフィードフォワード量FF
0は次の第1式の演算を行なって求められる。
【0013】 FF0=α・Zd (1+Z-1+Z-2+…+Z-(N-1))・
(DDAデータ)/N…(1) なお、N=(分配周期/位置・速度ループ処理周期)で
ある。
【0014】例えば、フィードフワード係数αを
「1」、分配周期を8msec、位置・速度ループ周期
を1msecとすると、また、進め要素15による進め
量は分配周期の約1/2周期がとられるので、上記進め
要素15のdは4または3の値であり、例えば、d=3
とすると、第1式は次の第2式となる。 FF0=(Z+Z+Z+1+Z−1+Z−2+Z−3+Z−4) ×(DDAデータ)/8 …(2) そして、始めの分配周期で「8×8」の移動指令がCN
Cから出力され次の分配周期で「−16×8」の移動指
令が出力されたとすれば、位置・速度ループ処理周期
の移動指令は、始めの分配周期間では「8」次の分配周
期間では「−16」となり、図6(イ)に示すようなも
のになる。
【0015】一方、上記第2式によれ求められたフィー
ドフォワード量FF0は図6(ロ)に示すようになる。
この図6に示すように、分配周期の移動指令の符号反転
時(方向反転時)の時間はTnであり、フィードフォワ
ード量FF0の符号反転時はTsである。そして、連続
系で考えると、その時の符号反転時(方向反転時)はT
cであり、フィードフォワード量FF0の符号反転時T
sの方が、分配周期の移動指令の符号反転時Tnより連
続系の符号反転時に近く、より正確に移動方向の反転時
を示している。
【0016】図7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は直線軸を駆動するサーボモー
タ、25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以外の処理に付いて
は従来と同様であるので省略している。
【0018】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、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(ステップS1)、
該移動指令MCMDが「0」か否か判断し、「0」なら
ば後述するステップS6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S3)。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R
z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
4)、この移動指令をレジスタRzに格納する(ステッ
プS5)。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S5
に移行する。次に、レジスタR3にレジスタR2に記憶
する値、レジスタR2にレジスタR1に記憶する値、レ
ジスタR1にステップS1で読み取った移動指令MCM
Dを格納する(ステップS6)。なお、レジスタR1〜
R3は初期設定で始めは「0」が格納されている。そし
て、カウンタCを「0」にセットし(ステップS7)、
当該分配周期毎の処理を終了する。
【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、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、また、レ
ジスタR1には1回先の移動指令、レジスタR2には位
置・速度ループ処理を行なう分配周期の移動指令の及び
レジスタR3には1回後の移動指令が順次記憶されるこ
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、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
2の値からレジスタR3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R1の値から
レジスタR2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FF0
を求め出力する。すなわち、このフィードフォワード量
FF0を通常の位置ル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FF0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FF0を求める処理で、前述
した第1式の演算によってフィードフォワード量FF0
を求めず、DDAに入力される各分配周期の移動指令M
CMDよって求めている。しかし、実質的には同一であ
る。その理由を以下説明する。
【0024】説明を簡単にするために、先に示した例を
とって説明する。分配周期を8msec,位置・速度ル
ープ処理周期を1msec,フィードォワード係数αを
「1」とし、CNCから分配周期毎に出力される移動指
令MCMDが、「0」,「0」,「8×8」,「−16
×8」であったとすると、ステップS1で読み取った移
動指令MCMDが「8×8」のとき、レジスタR3には
「0」、R2には「0」、R1には「8×8」が記憶さ
れることになる。
【0025】そして、カウンタCの値がN/2=4以下
のときには、アキュムレータSUNにはレジスタR2の
値からレジスタR3の値を減じた値が加算されが(アキ
ュムレータSUNは初期設定で始めは「0」であるとす
る)、R2=R3=0であるのでアキュムレータSUN
の値は「0」であり、フィードフォワード量FF0は
「0」である。その結果カウンタCの値が0,1,2,
3,4までは、フィードフォワード量FF0は「0」で
ある。しかし、カウンタCの値が「5」になったときは
ステップS11からステップS13に移行し、アキュム
レータSUNにはレジスタR1の値からレジスタR2の
値を減じた値が加算され、レジスタR1には「8×8」
の値、レジスタR2は「0」を記憶しているので、アキ
ュムレータSUNには「8×8」の値が記憶され、ステ
ップS14で求められるフィードフォワード量FF0は
「1」となる(図参照)。
【0026】以下カウンタCが歩進し、カウンタCの値
が「6」,「7」のときにはフィードフォワード量FF
0はそれぞれ「2」,「3」となる。そして、カウンタ
Cの値がステップS15で「8」になったときには、1
分配周期が終了するのでステップS7で再び「0」にセ
ットされる。またこのときはステップS1で次の移動指
令MCMDの「−16×8」が読み込まれ、レジスタR
3には「0」,R2には「8×8」,R1には「−16
×8」が記憶されることになる。そして、カウンタCの
値が「4」になるまでアキュムレータSUNにはレジス
タR2の値「8×8」が加算され(R3=0))、C=
0,1,2,3,4のときフィードフォワード量FF0
はそれぞれ4,5,6,7,8となる。また、カウンタ
Cの値が4のときアキュムレータSUNには「8×8」
×8の値が記憶されており、カウンタCが「5」になり
ステップS11からステップS13に進んだときにはア
キュムレータSUNにはこの値「8×8」×8にレジス
タR1に記憶する「−16×8」の値が加算され、レジ
スタR2の値「8×8」が減算される。その結果、ステ
ップS14でフィードフォワード量FF0は、 FF0=(8×8×8−16×8−8×8)/8×8=
5 となる。以下カウンタCの値が6,7のときにはそれぞ
れフィードフォワード量FF0は2,−1となる。
【0027】以下上述した処理を行なうことによって図
6(ロ)に示す状態と同一の状態が生じ第2式の演算を
行なったときと同一となる。
【0028】再び図2に示す処理の説明に戻る。ステッ
プS15から、ステップS16に進み、フラグF1が
「1」か否か判断し、ステップS4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」か否か判
断し(ステップS26)、このカウンタ「0」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。
【0029】一方、ステップS1で読み取った1回先の
移動指令MCMD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の符号が反
転し、ステップS4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R1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R1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。そして、ステップS18ではステップS14
で算出されたフィードフォワード量FF0が「0」以下
か否かを判断し、「0」以下でなければ、ステップS2
1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FF0が「0」以上でなければ、ステップS2
1に進み前述同様にバックラッシ加速補正を開始しな
い。
【0030】すなわち、図6に示すように、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FF0は直ちに反転せず(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FF0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FF0
の符号は反転しない。例えば、図6に示すように、1回
先の移動指令MCMDの符号が負に反転しても、始めの
位置・速度ループ処理の数周期はフィードフォワード量
FF0の符号は反転しない)、バックラッシ加速補正は
開始されない。
【0031】しかし、ステップS18,S19でフィー
ドフォワード量FF0が「0」若しくは符号が反転した
ことが検出されると、フラグF2を「1」にセットし
(ステップS20)、該フラグ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Aをセットすると共に、フラグF2
を「0」にセットする(ステップS23)。
【0032】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FF0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。
【0033】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。
【0034】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フィードフォワード量FF0
の符号が反転した時に行われるので、前述したように、
最適な位置でバックラッシ加速補正が実行される。
【0035】また前述したように、フィードフォワード
係数αが「1」に近いときは、速度ループ処理に入力さ
れる速度指令VCMDはフィードフォワードによる指令
値が大部分を占めることになるので、フィードフォワー
ド量FF0の符号反転の代わりに、上記速度指令VCM
Dの符号の反転を検出し、反転した時をバックラッシ加
速補正開始時にしてもよい、この場合、ステップS1
8,S19の判断は上記速度指令VCMDの値と「0」
が比較されることになる。
【0036】図8はCNCから出力される移動指令とフ
ィードフォワード量の反転時を比較するための説明図
で、半径16mmの円を、速度4000mm/min,
分配周期8msec,位置・速度ループ処理周期1ms
esで加工する場合の例である。この場合、分配周期毎
の移動指令で0.53mm,中心角にして1.9度移動
する。その結果、図8(イ)に示すように、該円を加工
するプログラム開始位置によって、移動方向が反転する
位置は1.9度の間にバラツクことになる。
【0037】これに対して、フィードフォワード量は図
8(ロ)に示すように約0.2度のバラツキしかなく、
よりに正確にバックラッシ加速開始位置を求めることが
できる。
【0038】
【発明の効果】本発明は、工作機械の送り軸を制御する
サーボモータの制御にフィードフォワード制御を行なう
サーボ系を用いた場合、フィードフォワード量の符号反
転時、若しくは該フィードフォワード量で補正された速
度指令の符号反転時をバックラッシ加速補正開始時とす
ることによって、分配された移動指令の方向反転の変動
を吸収してより正確な位置からバックラッシ加速補正を
実施することができる。
【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】方向反転のバラツキを説明する説明図である。
【図6】同実施例における移動指令とフィードフォワー
ド量との関係を説明する説明図である。
【図7】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8】円弧加工の一例における方向反転のバラツキを
説明する説明図である。
【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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−35775(JP,A) 特開 平2−235105(JP,A) 特開 平2−275508(JP,A) 特開 昭63−100505(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05B 19/404,19/416

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械可動部の送り軸を駆動制御するサー
    ボモータの制御方法であって、数値制御装置からの移動
    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
    量を求めて上記サーボモータをフィードフォワード制御
    し、移動方向が反転する際に、速度指令に加速補正量を
    加算しバックラッシ加速補正を行うバックラッシ加速制
    御方法において、上記フィードフォワード量の符号反転
    時にバックラッシ加速補正を開始するようにしたバック
    ラッシ加速制御方法
  2. 【請求項2】 機械可動部の送り軸を駆動制御するサー
    ボモータの制御方法であって、数値制御装置からの移動
    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
    量を求めて上記サーボモータをフィードフォワード制御
    し、移動方向が反転する際に、速度指令に加速補正量を
    加算しバックラッシ加速補正を行うバックラッシ加速制
    御方法において、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よ
    うにしたバックラッシ加速制御方法
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