JPH02285226A - サーボモータによる機械系の摩擦測定方式 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、サーボモータを用いた工作機械において、機
械系のＦＪｌＩＩを測定する測定方式に関する。

従来の技術 工作機械の送り軸等をサーボモータを用いて制御する場
合、その軸の機械的１↑擦の大きさによってサーボ制御
特性が変ってくる。例えば、送り軸の移動開始時におい
ては、送り軸の機械的摩擦に打ち勝つだけのトルクが出
力される分の位置偏差が生じた後に、始めてサーボモー
タは送り軸を駆動し、機械を駆動させることができる。

そのため、機械的摩擦の大きさに応じて、機械には応答
遅れが生じることとなる。このため、最適制御を行うた
めには、機械的摩擦の大きさを多め測定しておき、その
摩擦力の大きさに応じてサーボ制御系の各種パラメータ
の値を調整することが行われている。

この機械的ｐｔｑを測定する方法として、従来から行わ
れている方法は、送り軸を一定速度で一定方向に駆動し
、定常状態でのサーボモータの電流値を測定する方法が
一般的である。送り１袖が定速走行中であれば、サーボ
モータから出力されるトルクは機械的摩擦と等しくなる
ので、このときのサーボモータのトルク叩も摩擦トルク
は（トルク定ａ）Ｘ　（ｍ流貞）として求めることがで
きる。

そして、サーボモータを非常に低速で駆動し、このとき
１ワられる電流値により機械のｌ￥ｙｌＩ！！擦力を推
定している（ｖＪ摩擦に対してはサーボモータは該動摩
擦を補正するように駆動制御されるから、静摩擦がサー
ボ制御特性を改善する上で知る必要がある）。

この機械的摩擦の測定は、従来手動で行われているが、
機械を制御する制り１１のソフトウェア内部に定速走行
のモードを設け、定速走行中のサーボモータの電流値を
自助的に取り込み、自動的に機械系のＩＩ擦を測定する
ことも再開である。

発明が解決しようとする課題 上述した従来の方法では、送り軸等の一定方向への動き
によって摩擦トルクを測定するものである。しかしなが
ら、工作Ｉ滅の送り軸の実際のυ制御において、より有
益なのはサーボモータの駆動方向の反転時でのバックラ
ッシやねじれ等の非線型要素の影響を含めた等価的なＲ
擦トルクであり、このような摩擦トルクは上記した従来
の方法では測定できない。

即ち、サーボ系において、摩擦力が影響し制卸上重要な
ものは機械の動き出し時におけるＩ！ｉ！　振力の大ぎ
さが重要なるファクタであり、動き出し時や上述した送
り方向が反転した時等のバックラッシや系のねじれ等の
非線型要素の影響をも含めた等価的な摩擦力（トルク）
を得ることが、最適サーボ系を構築する上で玉ｒＸ要な
事項である。

そこで、本発明の目的は、機械の動き出し時におけるバ
ックラッシや系のねじれ等の非線型要素の彩萱を含めた
等価的な１１Ｊ擦トルクを測定できる摩擦測定方式を提
供することにある。

課題を解決するための手段 本発明は、移動指令を零にして位置偏差が零以上か否か
に応じて所定値の速度指令を極性を変えて入力し、位置
偏差が零近傍で勺−ボモータに振動を起こさせ、上記速
度指令の所定値を変化させたとき得られる上記振動周期
または振動数と速度指令の各所定値によってＦＪ摩擦ル
クを求めることによって上記課題を解決した。

作　　用 移動指令を零にして、位置偏差が零以上か否かに応じて
所定値の速度指令を極性を変えて入力してサーボモータ
の出力に応じて振動を生じさぼると、このサーボモータ
の振動周期く振動数）は機械の摩擦トルクによって変動
する。

今、上記Ｕ度Ｉ８令の所定値をＡ１サーボモータの振動
周期をＢ、ｌ：ｌ−ボモータによって駆動されるｌｊ１
誠に！９！家がなく、ｔナーボルーブグインによっての
み決まる振動周期をｖＯとすると、サーボモータの感動
周期日は次の第（１）式の関係になることが実験によっ
て求められている。

Ｂ＝ＶＯ＋　（ｋ−Ｔｏ）／Ａ　　　　　・　（１）な
お、ｋはサーボ系の構成が決まると一律的に決まる定数
、Ｔｏは摩擦１ヘルクである。

速度指令の所定値（以下、振幅という）をＡ１としたと
きのサーボモータのＩｘｔ肋周期をＢ１、振幅をＡ２と
したときの振動周期を８２とすると、Ｂ１＝ＶＯ＋　（
ｋ−Ｔｏ）／△１　　・・・（２）Ｂ２＝ＶＯ＋　（ｋ
−Ｔｏ）／Ａ２　　　・・・（３）第（２）式、第（３
）式より なお、ｋ’＝１／ｋ　　である。

そこで、サーボ系の構成によって決まる定数に’　　（
＝１／ｋ）を予め実験によって求めておき、振幅をＡ１
．Ａ２と変え、そのとき得られるサーボモータの振動周
期Ｂ１．Ｂ２を検出ずれば、第（４）式より摩擦トルク
を求めることができる。

しかも、こうして得られる摩擦トルクは、位置偏差近傍
で速度指令の極性を交互に変えて得られるものであるか
ら、バックラッシや系・（ボールネジ等）のねじれ等の
非線型要素を含む動作立十がり時のＩＩＪｔｌ！トルク
を意味しており、サーボ系を調整する上で必要なＦｉＥ
凛トルクをより正確に求めることができる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の摩擦トルク測定モードに
おける速度制御ループを含む位置制御ループのブロック
線図である。サーボモータにおける通常の位置制御ルー
プのブロック線図と異なる点は関数発生器１が位置ｉ、
ｌＩ　ｆｉｌループに加えられている点である。

上ｇａｒｌＪ数発生器１は第２図に示すように、位置偏
差Ｅｒｒが０または正のとき正の速度指令Ｖｃｍｄ＝Ａ
を出力し、負のときは負の速度指令Ｖｃｍ（ｊ＝−Ａを
出力するものである。

２は速度制御ループの積分項で、ｋｌは積分ゲイン、３
は速度制御ループの比例項で、ｋ２は比例ゲイン、また
、４，５はサーボモータの伝達関数の項で、Ｋｔはトル
ク定数、Ｊｍはロータイナーシャである。また、６はサ
ーボモータの実速度を位置に変換する積分項である。

Ｉ？擦トルク測定モードにおいては、移動指令Ｍｃｍｄ
は［０」にセットされ、関数発生器１より、第２図に示
すように位置偏差Ｅｒｒが、０以上の正の鴎か負の値か
によって振幅Ａの極付を変えて速度指令Ｖｃｍｄを出力
する。

始め、位置偏差ＥｒｒがｒＯＪであるため、正の振幅へ
の速度指令Ｖｃｍｄが関数発生器１から出力される。そ
の結果、摩擦に打ち勝ってサーボモータが回転し、位置
フィードバック信号Ｐｆｂがフィードバックされ、移動
指令ＭＣｍｄがｒＯＪであるから、サーボモータが回転
すれば、位置偏差Ｅｒｒが負となる。位置隔差Ｅｒｒが
負となれば、関数発生３１からは負の振幅Ａの速度指令
ｖＣｍｄが出力され、サーボモータは逆転する。

サーボモータが逆転すれば位置偏差は負となるから、関
数発生器１からは正の振幅Ａの速度指令Ｖｃｍｄが出力
される。以下、この動作を繰返すことにより、づ−ボモ
ータは位置偏差Ｅｒｒが「０」近傍で振動することとな
る。

そして、上記関数発生器１から出力される速度指令Ｖｃ
ｍｃｊの値、即ち振幅Ａの値が大きければ、速度制御ル
ープの積分項２に蓄積される値が大きくなるからサーボ
モータの出力トルクは大きくなり、サーボモータの振動
は速くなる。逆に、十記振幅Ａの値が小さくなれば振動
は遅くなる。そして、この振動の周期Ｂは第（１）式で
示されるように摩擦トルクＴＯの大きさによっても変動
する。

そこで、この関数発生器１の出力振幅Ａの値を変え、例
えば振幅Ａ１として、そのときのサーボモータの振動周
期Ｂ１、振幅をＡ２としたときの撮動周期Ｂ２を検出し
第（４）式の演算を行えば、摩擦Ｉ・ルクＴｏを測定で
きる。

なお、第（４）式において、定ａｋ’　　（−１／ｋ）
の値はサーボ系の構成が決まれば一律的に決まるもので
あり、予め測定しておく。例えば、第１図における伝達
関数４の直前、即ち、速度制御ループの積分項２の出力
から比例項２の出力を減算する点に補正迅αを加停し、
この補正３αを順次変えながら、速度指令Ｖｃｍｄをあ
る所定口のステップ入力としてサーボ七−夕の応答をみ
てサーボモータの応答が早く、かつ振動が生じないよう
な最適な状態になるときのαの値を求める。

このαの値にサーボモータのトルク定数ｋｔを乗じたも
のが摩擦トルクＴｏであり、前述した方法と同様な方法
で、位置偏差が「０」近傍で速度指令の振幅をＡ１．Ａ
２と変えてサーボを−９を振動させたときの糸勤周１１
１ＪＢ１．Ｂ２を求め、第（４）式の演算を行って定数
に′を求める。

この定数に′はサーボ系の偶成が決まれば一律的に決ま
るものであるから、あるサーボ系でこの定数に′を求め
、同一構成のサーボ系に対し、求めた定数に′を予めサ
ーボ基に設定しておく。

第３因、第４図は摩擦トルク測定モードにおけるデジタ
ルサーボ（ソフトウェアサーボ）処理を行うプロセッサ
の動作フローヂャートである。

摩擦トルク測定モードにすると、工作機械やロボット等
の機械を制御する数値制御装置は移動指令Ｍｃｍｄを１
゛０」にし、サーボ制御を行うプロセッサに摩擦トルク
測定指令を与える。サーボ制御のプロセッサは第３図に
丞す処理を所定円１組毎行い、かつ、第４図に示す速度
ループ処理を第３図に示す処理の周期より短い周期で実
行する。

摩擦トルク測定モードになると、デジタルサーボのプロ
セッサはまず、フラグＦが１１」にセットされているか
否か（始めは初期設定でフラグＦは「０」にセットされ
ている）、及び速度指令の所定ＩＩ（Ｉｉ幅）を変えて
測定する蛋肋ｒｒ３１期の数を計数するカウンタＣが「
１」または「２」か判断しくこのカウンタＣも初期設定
で始めは「０」にセットされている）　（ステップ１０
０，１０１゜１０２）、フラグＥが「０」、カウンタＣ
が「０」であれば、速度指令を記憶するレジスタＡに速
度指令Δ１をセットしくステップ１０３）、上記速度指
令の極性を変えて、交互に加えたとき生じるサーボモー
タの振動が安定するまで持つための設定所定値をカウン
タＭＣＮＴにセットしくステップ１０４＞、フラグＦを
「１」にすると共にカウンタＣを「１」インクリメント
しくステップ１０５）、当該周期の処理を終了する。そ
して、次の周期からｔよ、フラグＦが「１」にセットさ
れていることからステップ１００の処理のみを行って処
理を終了する。

一方、速度ループ処理周期では、フラグＦが「１」にセ
ットされてなければ（ステップ２００）、通常の速度ル
ープ処理を行って〈ステップ２１３）速度ループｌ１８
卯を終了するが、フラグＦが「１」にセットされると、
位置偏差Ｅｒｒを読み（ステップ２０１）、該位置偏差
Ｅｒｒが０以上か否か判断する（ステップ２０２）。

移動指令Ｍｃｍｄが１゛０」であるから、通常、Ｅｒｒ
は「０」であるのでステップ２０３へ移行し、レジスタ
Ａに記憶された速度指令△１を速度指令Ｖｃｍｄとして
出力する。そして、サーボモータの実速度のフィードバ
ック信号Ｖｆｂ＠読み（ステップ２０５＞、該実速度Ｖ
ｆｂと前周期で検出されたレジスタＲ（Ｖｆｂ）に記憶
されている前周期での実速度との積が「「０」または正
か否か判断する（ステップ２０６）。始めはこの積の値
は「０」であるから、ステップ２０８へ進み、サーボモ
ータの振動の一周期をカウントするためのカウンタＶＣ
ＮＴを「１」インクリメン１〜する（なＪ３、コ（７）
　ｊＪ　ウ＞　’）　Ｖ　ＣＮ　Ｔも初ｍ　設定Ｆｒ０
Ｊにセットされている）。そして、ステップ２０５で読
取った実速度ＶｆｂをレジスタＲ（ｖｒｂ）に格納しく
ステップ２１２）、通常の速度ループ処理を行って（ス
テップ２１３）、当該処理を終了する。

次の速度ループ処理周期ではステップ２００からステッ
プ２０１へ移行し、位置偏差Ｅｒｒ８−読む。速度￥Ａ
御ループの積分項２の積分ゲイン、比例項３の比例ゲイ
ンに２の値、及び、庁慮トルクのＴｏの大きさによって
変るが、通常、積分項２に蓄えられる埴が小さいため、
サーボモータは回転Ｕず、位置偏差Ｅｒｒはｌ’　Ｏｊ
のままである。

その結果、前述同様ステップ２０２，２０３゜２０５．
２０６，２０８，２１２．２１３ｆ７）各処理を行う。

以下、サーボモータが回転し位置偏差Ｅｒｒ／′ｆｉ負
になるまで（移動指令Ｍｃｍｄがｌ’　ＯＪであるから
正の速度指令でサーボモータが回転すれば位置偏差は負
となる）、上記処理を繰返す。

積分項２に積分ωが溜まり、これによってサーボモータ
が正回転し、位置偏差Ｅｒｒが負になると、プロセッサ
はステップ２００〜２０２の処理を行い、次にステップ
２０４に移行して速度指令Ｖｃｍｄとしてレジスタ八に
記憶されているｆｆＪ　Ａ１の符号を変えて−へ１の速
度指令を出力する。

そして、実速度Ｖｆｂを読み（ステップ２０５を読み（
ステップ２０５）、前周期の実速度と全周期の実速度の
積ＶｆｂｘＲ（ｖｆｂ）がｒｏ、、＋または正の値か否
か判断しくステップ２０８）、サーボモータの回転開始
時には前周期に読取った実速度ＶｆｂはｒＯＪであるか
ら〈全周期で読取った実速度は正の値）、ステップ２０
６からステップ２０８へ移行し、ステップ２１２．２１
３の処理を行って処理を終了する。

次の周期でも位＠偏％　Ｅ　ｒ　ｒは負であるので、速
度指令Ｖｃｍｄは一△１の速度指令が出力される（ステ
ップ２００〜２０２．２０４）。そして、ステップ２０
６，２０８，２１２．２１３の処理を行って当該周期の
処理を終了する。以下、ステップ２０４で−Δ１の速度
指令が出力され、積分項２にこの負の速度指令が溜まる
と、サーボモータの回転方向が逆転し負の方向となる（
実速度Ｖｆｂが負となる）。そして、づ−ボモータの回
転方向が逆転すると位置偏差Ｅｒｒが負となるから、次
の周期ではステップ２００，２０１，２０２．２０３と
移行し、速度指令ＶｃｍｄをＡ１とする。そして実速度
Ｖｆｂを読むが、このとき読み込まれる実速度Ｖｆｂは
負の値であり、前周期で読取った実速度Ｒ（Ｖｆｂ）は
正の値であるからステップ２０６からステップ２０７へ
移行し、当該周期で読取った実速度Ｖｆｂは負であるか
ら、カウンタＭＣＮＴから「１」減算する（ステップ２
０９）。即ち、カウンタＭＣＮＴはサーボモータの実速
度Ｖｆｂが正の値から負の値に変ったとき減算されるも
のである。そして、該カウンタＭＣＮＴが「０」か否か
判断し、「Ｏ」でなければカウンタＶＣＮＴを１゛０」
にセットし、ステップ２１２．２１３の処理を行って当
該周期の処理を終了する。

以下、上述した処理を繰返すことになるが、実速度Ｖｆ
ｂが前周期で正の値、今周期で負の値になったとき（実
速１！１Ｖｆｂが正の値から負の値に変わるのはり°−
ボモータの振動周期で１回しかない）の回数がカウンタ
ＭＣＮＴの設定数に達し、該カウンタＭＣＮＴが１０」
になるとくステップ２１０＞、即ち、サーボモータの撮
動が安定したときフラグＦを「０」にセットする（ステ
ップ２１４）。

その結果、カウンタＶＣＮＴは実速度Ｖｆｂが正から負
の値になったときリセットされ（ステップ２１１）、次
に実速度Ｖｆｂが正から負になるまでの速度ループ処理
の回数を計数しているので、サーボモータの振動周期を
記憶していることとなる。

なお、フラグＦが「０」にセットされると、次の速度ル
ープ処理からはステップ２００からステップ２１３へ移
行し、通常の速度ループ処理のみを行うこととなる。

一方、＊ｍｔ−ルク測定処理周期では、フラグＦがｒＯ
Ｊにセットされると、ステップ１００からステップ１０
１へ移行し、カウンタＣは先のステップ１０５の処理で
インクリメントされ「１」にセットされているから、ス
テップ１０１からステップ１０６へ移行し、カウンタＶ
ＣＮＴの値をレジスタＢ１へ格納し、レジスタ八に先の
速度指令Ａ１とは大きさの異なる速度指令Ａ２をセット
しくステップ１０７）、カウンタＭＣＮＴに設定所定値
をセットしくステップ１０８）　、フラグＦを「１」に
セットし、カウンタＣを「１」インクリメントする（カ
ウンタＣの値は［２，１となる）（ステップ１ｏ９）。

その結果、速度ループ処理周期では、フラグＦが「１」
にセットされていることから、前述したステップ２０１
以下の処理を行うこととなる。ただし、今回はレジスタ
Ａに格納された値がＡ１からＡ２に変更されており、こ
の値Ａ２を位置偏差Ｅｒｒがｌ−ＯＪ以上か否かに応じ
て符号を変えて速度指令Ｖｃｍｄとして出力されること
となる。

速度指令Ｖｃｍｄの大きざが大きいほど速度制御ループ
の積分項に蓄積される項は早く大きくなり、積分項から
早く大ぎな値が出りされるから、勺−ボモータの撮勅数
は多くなる。即ち、振動周期は小さくなる。

こうして、速度指令Ｖｃｍｄの振幅をＡ２としてサーボ
モータの振動周期をカウンタＶＣＮＴで検出し、フラグ
ＦがｒＯＪにセットされると（ステップ２１４）、１５
１１ルク測定処即周期ではステップ１００から１０１．
１０２へ進み、カウンタＣの値はステップ１０っで２に
セットされているからステップ１１０に進み、カウンタ
Ｖ　ＣＮ　Ｔの値（振幅Ａ２のときのサーボモータの振
動周期）をレジスタＢ２にセットする。

そして、レジスタＢ１．Ｂ２に記［１された値。

速度指令として設定した（ｉｆｆＡｌ、Ａ２及び予め設
定された定数に′によって第（４）式の演算を行って１
１１１２ト／レクＴｏを求め（ステップ１１１）、カウ
ンタＣをｒＯＪにセットしくステップ１１２）、ＩＩＪ
ｙＡトルク設定処理を終了する。

こうして求められた摩擦トルクＴＯを制ｔｉｌｌ装置の
表示ｖｔ＠に表示したり、または、摩擦トルクに応じて
変化ざゼる各パラメータを自動的に変更設定する等の処
理を行うようにする。

発明の効果 本発明は、位置偏差近傍でサーボモータを振動させてＦ
＠ｍトルクを検出するようにしたから、バックラッシや
系のねじれ等の非線型要素の影響をも含めた機械の動き
出し時の摩擦トルクを測定できるから、より正確な摩擦
トルクを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における速度ｉｉＩ＋御ルー
プループ位置制御ループのブロック線図、第２図は同実
施例における速度指令を出力する関数発生器の位置偏差
に対する出ツノを説明する図、第３図は同実施例におけ
る摩１寮トルク測定処即モードの処理フローチャー１・
、第４図は同実施例における速度ループ処理周期でのフ
ローチャートである。 １・・・関数発生器、２・・・速度制御ループの積分項
、３・・・速度制御ループの比例項、 ４・・・υ−ボ［−タの伝達関数のトルク定数の項、５
・・・サーボモータの伝達関数のロータイナーシ１！の
項、 ６・・・サーボモータの速度を積分し位置を求める項、
Ｖｃｍｄ・・・速度指令、Ｅｒｒ・・・位置偏差、ＴＯ
・・・摩擦トルク（外乱トルク）。 ２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 移動指令を零にして位置偏差が零以上か否かに応じて所
   定値の速度指令を極性を変えて入力し、位置偏差が零近
   傍でサーボモータに振動を起こさせ、上記速度指令の所
   定値を変化させたとき得られる上記振動周期または振動
   数と速度指令の各所定値によつて摩擦トルクを求めるこ
   とを特徴とするサーボモータによる機械系の摩擦測定方
   式。