JP3765710B2

JP3765710B2 - Servo motor control device for machine tools

Info

Publication number: JP3765710B2
Application number: JP2000169914A
Authority: JP
Inventors: 肇大橋; 一博木方; 康彦鈴木
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp
Priority date: 2000-06-07
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2020-06-07
Also published as: JP2001350523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の送り軸等を駆動するサーボモータの制御装置に関し、特に、サーボモータの回転が反転するときに生ずる象限突起の補正装置を備えたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械で２軸円弧補間送り運動をさせるサーボモータの制御では、ＮＣ位置指令と、サーボモータまたはこのサーボモータにより駆動されるテーブルサドルなどの移動体に設けられた位置検出器からのフィードバック信号との偏差が０となるような位置ループを組むとともに、位置フィードバック信号を微分した速度フィードバック信号から速度ループを組み、速度ループの出力をトルク指令値とする方式が一般に採られている。
【０００３】
このようなサーボモータの制御では、モータの回転方向を反転させるとき、通常、機械は即座に反転することができない。これは、送り駆動機構のロストモーションや摩擦の影響のためで、円弧切削等を行なっているときに象限が変わると、図４に示すように、円弧Ｒ_１に沿って切削加工している間に、第II象限から第Ｉ象限に移行するときに、Ｙ軸のサーボモータは、プラス側の送りからマイナス側へ切り換えられるが、駆動機構の摩擦や慣性のために、実際の運動の軌跡が指令軌跡よりも外側に出てしまい軌跡にふくらみを生じる。この現象は、スティックモーションまたは象限突起と呼ばれており、輪郭加工精度低下の一要因となっている。
【０００４】
この現象が起こるのは、運動方向が反転すると摩擦トルクの分だけトルク指令を反転させる必要があるが、速度ループの応答特性による遅れがあるため、送り軸が一時停止するためであると考えられている。
【０００５】
この象限突起の発生を防止する補正手段は、例えば、特開平１０−６３３２５号公報、特開平９−８１２１６号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術における象限突起の発生を防止するための補正手段は、象限切り替わり時の補正パラメータを円弧半径や送り速度に対応したデータ書き込みの多数のテーブルとしてメモリに用意しておき、そのテーブルから所要の補正パラメータを読み出して補正を指令するものである。しかしながら、補正パラメータは機械毎に異なり、個々の機械毎にテーブルを用意する必要がある。また、高速加工に対応するためには、より広い範囲で補正パラメータを用意する必要があった。本発明は、上記した従来技術における解決しようとする課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述した従来技術における補正手段を改良して、象限突起を可及的に少なくすることができると共に、従来技術による象限突起補正装置のように個々の機械毎にテーブルを用意する必要がなく、また、高速加工に対応するためのより広い範囲での補正パラメータを用意する必要もない象限突起補正装置を備えた工作機械のサーボモータの制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による工作機械のサーボモータの制御装置は、基本的手段として、工作機械の加工プログラムを処理するＮＣ装置と、ＮＣ装置から出力されるトルク指令により制御されるサーボモータと、サーボモータにより駆動される移動体の位置を検出する位置検出器と、位置検出器からの信号を処理して、位置情報と速度情報をＮＣ装置側へフィードバックする手段と、サーボモータへのトルク指令が反転する際に発生する象限突起を補正する象限突起補正装置とを備えるものである。そして、前記象限突起補正装置は、トルク指令が反転した後に最大静止摩擦に達するまでの移動体の移動距離に対応するバネ抵抗を計算するバネ抵抗計算部と、移動体の移動速度に対応するダンピング抵抗を計算するダンピング抵抗計算部と、前記バネ抵抗計算部及びダンピング抵抗計算部によりそれぞれ計算されたバネ抵抗とダンピング抵抗とを加減算すると共に、その加減算の結果を最大静止摩擦を越えないように制限してトルク補正値を算出するようにした補正量算出部とを備えるものであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明で使用する摩擦システムをモデル化した説明図である。
送り系を構成する機構として、サーボモータにより駆動されるボールねじ２０（質量Ｍ）とボールねじの軸受やシール部材３０（質量Ｍｒ）を想定する。符号１０は静止部を示す。
【０００９】
送り系の駆動力をＦ、ボールねじ２０と軸受等３０との間の摩擦抵抗力をＦｒとし、象限切り替わり時（静止時）からの移動量をＸとすると、
【数１】

で表現される。
【００１０】
次に軸受等３０は、最大静止摩擦に達するまでは、抵抗とバネ抵抗が作用するものと仮定すると、
【数２】

但し、Ｍｒは微小と考え、運動方程式では無視する。
ここで、Ｃはダンパー部を構成する部材４０のダンピング係数、Ｋはバネ部を構成する部材５０のバネ定数である。
【００１１】
最大静止摩擦Ｆｒｍａｘ＞Ｆｒの条件下では、軸受等３０はボールねじ２０に追従するので、
【数３】

となる。
【００１２】
そこで、
【数４】

となる。
【００１３】
したがって、
【数５】

を補正量とすれば、象限突起を解消することができる。
【００１４】
図２は、本発明の象限突起補正回路を有する駆動制御装置の構成図である。
ＮＣ装置１００は、位置制御部１１０、速度制御部１２０、電流制御部１３０を介してサーボモータ１４０を駆動する。サーボモータ１４０は、ボールねじを介してテーブルや主軸等の移動部を移動、制御する。移動部の位置及び移動速度は、位置検出器１５０で検知され、位置検出部１６０と速度検出部１７０へフィードバックされる。
【００１５】
位置検出部１６０からの現在位置情報は、加減算部１０５へフィードバックされ、ＮＣ装置１００から位置制御部１１０へ送られる情報が補正される。
同様に、速度検出部１７０からの現在速度情報は、速度指令用加減算部１１５へフィードバックされる。
【００１６】
全体を符号２００で示す補正装置は、反転後の距離算出部２１０を有し、速度フィードバック信号を入力として、象限を越えて、サーボモータが反転した後の移動距離を算出する。バネ抵抗計算部２３０は、サーボモータが反転した後の移動距離にバネ定数を乗じてＫｘを算出する。
ダンピング抵抗計算部２２０は、速度フィードバック信号にダンピング係数を乗じて、
【数６】

を算出する。
これらの結果は、加減算部２４０で処理され、その出力は補正量算出部２５０へ送られる。
【００１７】
補正量算出部２５０は、最大静止摩擦領域以内であれば、入力データに応ずる出力データＴ_１をトルク指令加減部１２５へ送る。最大静止摩擦以上では、最大値を出力する。
トルク指令加減部１２５は、この象限突起補正用のトルク指令を加減算して電流制御部への指令を送る。この補正によって、象限突起の発生を可及的に小さくすることができる。
【００１８】
図３は、本発明の効果を示す図である。加工すべき円弧の半径Ｒを１００、送り速度Ｆを１０００と３０００にしたときの象限突起Ｓｔとトルク指令Ｔｓを示す。
（ａ）は補正なしを示し、象限突起Ｓｔが大きく現れることを示している。
（ｂ）は従来の補正をしたときの例を示し、Ｆ３０００の場合には上限突起Ｓｔは比較的小さくなるが、Ｆ１０００のときには突起が大きく現れてしまう。
（ｃ）は本発明による補正をかけたときの結果を示し、Ｆ１０００、Ｆ３０００のいずれの場合にも、送り速度に対応したトルク指令を適正化し、象限突起を小さくできることが実験により確認された。
【００１９】
なお、上述した実施例にあっては、象限突起補正装置２００への入力信号として、速度検出部１７０からの速度フィードバック信号を用いた構成を示したが、位置制御部１１０から出力される速度指令信号を用いる構成とすることもできる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は以上のように、サーボモータの速度指令方向が切り換えられる際に発生する象限突起の発生メカニズムを解析し、この解析に基づいて演算するようにしたものであり、その象限突起補正装置は、トルク指令が反転した後に最大静止摩擦に達するまでの移動体の移動距離に対応するバネ抵抗を計算するバネ抵抗計算部と、移動体の移動速度に対応するダンピング抵抗を計算するダンピング抵抗計算部と、前記バネ抵抗計算部及びダンピング抵抗計算部によりそれぞれ計算されたバネ抵抗とダンピング抵抗とを加減算すると共に、その加減算の結果を最大静止摩擦を越えないように制限してトルク補正値を算出するようにした補正量算出部とを備えるものとしたので、象限突起の発生を可及的に少なくすることができるのに加えて、従来技術におけるように個々の機械毎にテーブルを用意する必要がなく、また、高速加工に対応するためのより広い範囲での補正パラメータを用意する必要もないという従来技術による象限突起補正装置には期待することのできない効果が奏されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用する摩擦システムのモデル図。
【図２】本発明の制御装置の構成図。
【図３】本発明の効果を示す説明図。
【図４】象限突起の説明図。
【符号の説明】
１０静止部
２０ボールねじ
３０軸受等
４０ダンパー部材
５０バネ部材
１００ＮＣ装置
１１０位置制御部
１２０速度制御部
１３０電流制御部
１４０サーボモータ
１６０位置検出部
２００補正装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a servo motor that drives a feed shaft or the like of a machine tool, and more particularly, to a device provided with a correction device for quadrant projections generated when the rotation of a servo motor is reversed.
[0002]
[Prior art]
In the control of a servo motor that causes a 2-axis circular interpolation feed movement on a machine tool, an NC position command and a feedback signal from a position detector provided on a moving body such as a servo motor or a table saddle driven by the servo motor, In general, a position loop in which the deviation of the position is zero is set, a speed loop is set from a speed feedback signal obtained by differentiating the position feedback signal, and an output of the speed loop is used as a torque command value.
[0003]
In such servo motor control, when the direction of rotation of the motor is reversed, usually the machine cannot be reversed immediately. This is due to the effects of lost motion and friction of the feed drive mechanism, and if the quadrant changes during arc cutting or the like, as shown in FIG. 4, while cutting is performed along the arc R ₁ In addition, when moving from the second quadrant to the first quadrant, the Y-axis servo motor is switched from the positive feed to the negative feed, but due to the friction and inertia of the drive mechanism, the actual trajectory of the movement is changed. Out of the command trajectory, the trajectory swells. This phenomenon is called “stick motion” or “quadrant projection”, and is one factor that reduces the contour processing accuracy.
[0004]
This phenomenon occurs when the direction of motion is reversed, it is necessary to reverse the torque command by the amount of friction torque, but there is a delay due to the response characteristics of the speed loop, which is considered to be because the feed shaft temporarily stops. ing.
[0005]
Correction means for preventing the generation of the quadrant protrusions are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-63325 and 9-81216.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The correction means for preventing the occurrence of quadrant projections in the prior art described above prepares correction parameters at the time of quadrant switching in a memory as a large number of data write tables corresponding to the arc radius and feed rate, and from the table A required correction parameter is read and correction is instructed. However, the correction parameters differ for each machine, and it is necessary to prepare a table for each machine. In order to cope with high-speed machining, it is necessary to prepare correction parameters in a wider range. The present invention has been made in view of the problems to be solved in the above-described prior art, and an object of the present invention is to improve the correction means in the above-described prior art to reduce the number of quadrant protrusions as much as possible. Quadrant projections that do not need to prepare a table for each machine as in the prior art quadrant projection correction device, and do not need to prepare correction parameters in a wider range for high-speed machining. It is an object of the present invention to provide a control device for a servomotor of a machine tool provided with a correction device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a servo motor control device for a machine tool according to the present invention includes, as basic means, an NC device for processing a machining program for a machine tool, and a servo motor controlled by a torque command output from the NC device. A position detector for detecting the position of the moving body driven by the servo motor, a means for processing a signal from the position detector, and feeding back position information and speed information to the NC device side, in which and a quadrant projection correction apparatus for correcting a quadrant projection generated when the torque command is inverted. Then, the quadrant projection correction device, a spring resistance calculation unit for calculating a spring resistance corresponding to the moving distance of the moving body to the torque command reaches the maximum static friction after inversion, corresponding to the moving speed of the moving body damping and the damping resistance calculation unit for calculating the resistance, the addition or subtraction of the spring resistor and the damping resistor calculated respectively by the spring resistance calculating unit and the damping resistance calculating unit, limiting the result of the addition and subtraction so as not to exceed the maximum static friction and characterized in that and a correction amount calculating section to calculate the torque correction value.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory diagram modeling a friction system used in the present invention.
As a mechanism constituting the feed system, a ball screw 20 (mass M) driven by a servo motor, a ball screw bearing and a seal member 30 (mass Mr) are assumed. Reference numeral 10 denotes a stationary part.
[0009]
When the driving force of the feed system is F, the frictional resistance force between the ball screw 20 and the bearing 30 is Fr, and the amount of movement from when the quadrant is switched (when stationary) is X,
[Expression 1]

It is expressed by
[0010]
Next, assuming that the bearing and the like 30 have resistance and spring resistance acting until the maximum static friction is reached,
[Expression 2]

However, Mr is considered to be minute and is ignored in the equation of motion.
Here, C is a damping coefficient of the member 40 constituting the damper portion, and K is a spring constant of the member 50 constituting the spring portion.
[0011]
Under the condition of the maximum static friction Frmax> Fr, the bearing 30 etc. follows the ball screw 20,
[Equation 3]

It becomes.
[0012]
Therefore,
[Expression 4]

It becomes.
[0013]
Therefore,
[Equation 5]

By using as a correction amount, quadrant protrusions can be eliminated.
[0014]
FIG. 2 is a configuration diagram of a drive control apparatus having a quadrant protrusion correction circuit according to the present invention.
The NC device 100 drives the servo motor 140 via the position control unit 110, the speed control unit 120, and the current control unit 130. The servo motor 140 moves and controls moving parts such as a table and a spindle via a ball screw. The position and moving speed of the moving unit are detected by the position detector 150 and fed back to the position detecting unit 160 and the speed detecting unit 170.
[0015]
The current position information from the position detection unit 160 is fed back to the addition / subtraction unit 105, and information sent from the NC device 100 to the position control unit 110 is corrected.
Similarly, the current speed information from the speed detection unit 170 is fed back to the speed command addition / subtraction unit 115.
[0016]
The correction apparatus denoted as a whole by reference numeral 200 has a distance calculation unit 210 after reversal, and receives a speed feedback signal and calculates a movement distance after the servo motor is reversed beyond the quadrant. The spring resistance calculation unit 230 calculates Kx by multiplying the moving distance after the servo motor is reversed by a spring constant.
The damping resistance calculator 220 multiplies the speed feedback signal by a damping coefficient,
[Formula 6]

Is calculated.
These results are processed by the adder / subtractor 240, and the output is sent to the correction amount calculator 250.
[0017]
The correction amount calculation unit 250 sends the output data T ₁ corresponding to the input data to the torque command adjustment unit 125 if it is within the maximum static friction region. Above the maximum static friction, the maximum value is output.
The torque command adding / subtracting unit 125 adds and subtracts the quadrant projection correction torque command and sends a command to the current control unit. By this correction, the generation of quadrant protrusions can be minimized.
[0018]
FIG. 3 is a diagram showing the effect of the present invention. The quadrant projection St and torque command Ts when the radius R of the arc to be processed is 100 and the feed rate F is 1000 and 3000 are shown.
(A) indicates no correction, and indicates that the quadrant projection St appears largely.
(B) shows an example of a conventional correction. In the case of F3000, the upper limit protrusion St is relatively small, but in the case of F1000, the protrusion appears large.
(C) shows the result when correction according to the present invention is applied, and it has been confirmed by experiments that the torque command corresponding to the feed speed can be optimized and the quadrant protrusion can be reduced in both cases of F1000 and F3000.
[0019]
In the above-described embodiment, the configuration using the speed feedback signal from the speed detection unit 170 as the input signal to the quadrant projection correction apparatus 200 is shown. However, the speed command output from the position control unit 110 is shown. A configuration using a signal may also be used.
[0020]
【The invention's effect】
As the invention described above, to analyze the generation mechanism of the quadrant projection generated when the speed command direction of the servo motor is switched, which has as computed on the basis of this analysis, the quadrant projection correction device , A spring resistance calculation unit that calculates a spring resistance corresponding to the moving distance of the moving body until the maximum static friction is reached after the torque command is reversed, and a damping resistance calculation unit that calculates a damping resistance corresponding to the moving speed of the moving body And adding / subtracting the spring resistance and damping resistance calculated by the spring resistance calculation unit and the damping resistance calculation unit, respectively, and limiting the result of the addition / subtraction so as not to exceed the maximum static friction, thereby calculating a torque correction value. was so was assumed and a correction amount calculating unit as, in addition to being able to reduce the occurrence of quadrant projections as much as possible, conventional It is not necessary to prepare a table for each machine as in the operation, and there is no need to prepare correction parameters in a wider range to cope with high-speed machining. An effect that cannot be achieved is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a model diagram of a friction system used in the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a control device of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the effect of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of quadrant protrusions.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Static part 20 Ball screw 30 Bearing etc. 40 Damper member 50 Spring member 100 NC apparatus 110 Position control part 120 Speed control part 130 Current control part 140 Servo motor 160 Position detection part 200 Correction apparatus

Claims

工作機械の加工プログラムを処理するＮＣ装置と、ＮＣ装置から出力されるトルク指令により制御されるサーボモータと、サーボモータにより駆動される移動体の位置を検出する位置検出器と、位置検出器からの信号を処理して、位置情報と速度情報をＮＣ装置側へフィードバックする手段と、サーボモータへのトルク指令が反転する際に発生する象限突起を補正する象限突起補正装置とを備えてなる工作機械のサーボモータの制御装置において、
前記象限突起補正装置は、トルク指令が反転した後に最大静止摩擦に達するまでの移動体の移動距離に対応するバネ抵抗を計算するバネ抵抗計算部と、移動体の移動速度に対応するダンピング抵抗を計算するダンピング抵抗計算部と、前記バネ抵抗計算部及びダンピング抵抗計算部によりそれぞれ計算されたバネ抵抗とダンピング抵抗とを加減算すると共に、その加減算の結果を最大静止摩擦を越えないように制限してトルク補正値を算出するようにした補正量算出部とを備えるものであることを特徴とする工作機械のサーボモータの制御装置。From an NC device that processes a machining program of a machine tool, a servo motor controlled by a torque command output from the NC device, a position detector that detects the position of a moving body driven by the servo motor, and a position detector processes the signal, composed and means for feeding back the positional information and the speed information to the NC apparatus, and a quadrant projection correction apparatus for correcting a quadrant protrusion torque command to the servo motor is generated when the inverted tool In the control device of the machine servo motor ,
The quadrant protrusion correcting device includes a spring resistance calculation unit that calculates a spring resistance corresponding to a moving distance of the moving body until the maximum static friction is reached after the torque command is reversed, and a damping resistance corresponding to the moving speed of the moving body. and the damping resistance calculation unit for calculating, the spring resistance calculating unit and with addition or subtraction of the calculated spring resistance and the damping resistor respectively by damping resistance calculation unit, to limit the results of the addition and subtraction so as not to exceed the maximum static friction A control device for a servomotor of a machine tool, comprising: a correction amount calculation unit configured to calculate a torque correction value.