JP4474784B2 - 多軸モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械その他の多軸駆動系の駆動制御に用いられる多軸モータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の工作機械では、機械の効率向上や生産性向上のために、送りモータおよび主軸モータの高速化や高加減速化が図られている。また、省配線や省スペースのために共通コンバータ等の共通電源を使用するシステムが増加している。しかしながら、共通コンバータを用いて高速化や高加減速を達成しようとすると、最悪の場合を考えて各軸の瞬時最大電力を基に共通コンバータの容量を決定しているため、大きなコンバータが必要となり、低コストや低スペースが実現できなくなってきている。
この様な観点から、特開平８−１４０３８８号公報に開示の技術「共通電源インバータ制御装置」が提案されている。この共通電源インバータ制御装置は、共通の電源に接続されて電動機負荷を運転する複数のインバータ装置と、このインバータ装置で運転される電動機の回転速度を検出する速度検出器と、この速度検出器より検出された前記回転速度からその回転速度に対応した負荷トルクを求める負荷トルク演算装置と、予め設定された負荷の慣性モーメントと加減速レートより前記電動機の加減速時に必要な加減速トルクを演算する加減速トルク演算回路と、前記負荷トルクと前記加減速トルクより前記電動機の出力トルクを演算する電動機トルク演算回路と、前記電動機の回転速度と前記電動機の出力トルクとから前記電動機の出力容量を演算する電動機出力容量演算回路と、各々の出力容量を総計して全電動機の総出力容量を演算する総出力容量演算回路と、前記総出力容量と共通電源の許容出力容量とを比較して共通電源の出力を制限するパワー制限回路と、このパワー制限回路の出力と予め設定された各々の負荷の機械側制限値と前記負荷慣性モーメントと前記インバータ装置のトルク制限値から優先順位を加味して各々のインバータ装置の加減速レートを演算する加減速レート演算回路とを具備しているものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制御装置では、電動機総出力容量が共通電源の許容出力容量を超えた場合には、各電動機駆動系の負荷慣性モーメントの大きい順に該当インバータ装置の加減速レートを順次演算指示するものであるため、装置が複雑かつ高価となるばかりか、駆動時間が長引き、負荷のワーク時間の長い制御装置となり生産性が落ちることが起きた。
そこで、この発明は、適切な共通コンバータを選択でき、生産性を落とすことなく、簡素で小型な制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１記載の多軸モータ制御装置の発明は、交流電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する速度指令増減率制限手段を備えることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、交流電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止するトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の多軸モータ制御装置において、交流電源を直流電源に変換するコンバータを主軸制御器または送り制御器の何れかに内蔵したことを特徴とする。
以上の構成により、適切な共通コンバータを選択でき、負荷のワーク時間を徒に延長させることのない生産性のよい、簡素で小型な制御装置が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による装置のブロック構成図である。
図において、上位の制御装置であるＮＣ制御装置１は、主軸モータ９、Ｘ軸モータ１０、Ｙ軸モータ１１に対する指令作成および位置や速度等の状態を監視して工作機械を制御する。
コンバータ３は交流電源に接続され、受電交流電力を直流に変換して共通の直流電源となる。コンバータ３の出力は主軸制御器５、および送り制御器としてのＸ軸送り制御器７とＹ軸送り制御器８とに並列接続されて、各制御器に直流電力を供給する。この直流電力により、主軸制御器５は主軸モータ９を駆動制御し、Ｘ軸送り制御器７はＸ軸モータ１０を駆動制御し、Ｙ軸送り制御器はＹ軸モータ１１を駆動制御する。
また、コンバータ３には軸制御ブロック４が設けられている。軸制御ブロック４は、ＮＣ制御装置１が作成した主軸モータ９、Ｘ軸モータ１０、Ｙ軸モータ１１に対する指令を、伝送ケーブル２を介して受信して、運転パターンを解析した加工信号を、伝送ライン６を介して主軸制御器５、Ｘ軸送り制御器７、Ｙ軸送り制御器８に送信する。軸制御ブロック４はまた、主軸、Ｘ軸、Ｙ軸の慣性を予め設定する手段も備えている。かくして、主軸制御器５は、コンバータ３内部の軸制御ブロック４で作成された指令を伝送ライン６を介して受信し、この信号に基づいて主軸モータ９の速度を制御する。
【０００６】
図３は、主軸モータ９と、Ｘ軸モータ１０と、Ｙ軸モータ１１の運転例を示している。
図３（ａ）は、主軸モータ９の経時的運転特性例を示すもので、主軸速度Ｎ1 、主軸トルクＴ1 、主軸電力Ｐ1 の経時変化が示されている。ここで、主軸電力の最大値はＰ1maxとなる。
図３（ｂ）はＸ軸モータ１０の経時的運転特性例が示されている。Ｘ軸速度Ｎ2 とＸ軸トルクＴ2 とに対応するＸ軸電力Ｐ2 が示されいてる。この場合のＸ軸電力の最大値はＰ2maxとなる。
また、図３（ｃ）は、Ｙ軸モータ１１の経時的運転特性例が示されている。
図において、Ｙ軸速度Ｎ3 とＹ軸トルクＴ3 とに対応するＹ軸電力Ｐ3 が示され、Ｙ軸電力の最大値はＰ3maxとなる。
これらの各軸電力の和は、図３（ｄ）の様になる。軸電力の和の最大値はＰmax として示されている。これらの一連の特性図から、軸送りモータの運転時間は比較的短時間であることが分かり、かつ、軸送りが完結しないと、主軸による加工動作も完結できないことから、軸電力の和Ｐmax （＝Ｐ1max＋Ｐ2 max ＋Ｐ3max）がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超過する場合は、軸送りモータの駆動を優先させ、主軸モータを可変運転することが合理的であると言える。
【０００７】
次に、この思想に基づくこの発明による処理フローを説明する。
図４は、この発明による第一の処理フロー例を示している。
まず、ＮＣ制御装置１（図１）から軸制御ブロック４を介して主軸制御器５に与えられる指令が、図４（ｂ）に示される様に、サンプリング毎にΔＮ1 〔ｒ／ｍｉｎ〕ずつ増減するパターンで与えられる時、時刻ｔ1 における主軸制御器５の必要とする最大電力Ｐ1 max は、式（１）となる。
Ｐ1max＝２π×Ｎ1 ×Ｔ1 ／６０ ・・・・・・ （１）
但し、Ｔ1 はトルク〔Ｎｅｗｔｏｎ／ｍ〕
同様に、Ｘ軸送り制御器７に与えられる指令がサンプリング毎にΔＮ2 ずつ増減し、Ｙ軸送り制御器８に与えられる指令がサンプリング毎にΔＮ3 ずつ増減するとすると、各制御器７、８が必要とする最大電力Ｐ2maxとＰ3maxとは、それぞれ式（２）および式（３）となる。
Ｐ2max＝２π×Ｎ2 ×Ｔ2 ／６０ ・・・・・・・ （２）
Ｐ3max＝２π×Ｎ3 ×Ｔ3 ／６０ ・・・・・・・ （３）
従って、各軸の必要電力の合計Ｐmax は式（４）となる。
Ｐmax ＝Ｐ1max＋Ｐ2max＋Ｐ3max ・・・・・・・ （４）
また、各軸のトルクＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 は、予め設定された主軸系の慣性Ｊ1 、Ｘ軸系の慣性Ｊ2 、Ｙ軸系の慣性Ｊ3 をそれぞれ使って以下の式（５）〜（７）で算出できる。
Ｔ1 ＝Ｊ1 ×ΔＮ1 ／Δｔ ・・・・・・・ （５）
Ｔ2 ＝Ｊ2 ×ΔＮ2 ／Δｔ ・・・・・・・ （６）
Ｔ3 ＝Ｊ3 ×ΔＮ3 ／Δｔ ・・・・・・・ （７）
かくして、計算された各軸の必要電力Ｐ1max、Ｐ2max、Ｐ3maxの合計Ｐmax が図４（ａ）のＡステージで計算される。
この合計計算値Ｐmax は、コンバータ３の許容電力ＰcompとＢステージで比較され、コンバータ３の許容電力Ｐcompと等しいかそれより小さいときは、Ｙｅｓと判断されて、ＮＣ制御器１から与えられる指令を各軸の制御器５、７、８に転送して各軸運転Ｃステージを継続する。すなわち、図４（ｂ）において、各サンプリング毎にΔＮ1 〔ｒ／ｍｉｎ〕ずつの増加（２点鎖線）が継続される。
しかしながら、合計電力Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超える場合には、ＢステージでＮｏと判断され、Ｄステージに移行し、コンバータ３の許容電力Ｐcompから各送り軸の動作に必要な電力を差し引いた残りの電力Ｐ1 ’max を式（８）より得る。
Ｐ1 ’max ＝Ｐcomp−Ｐ2max−Ｐ3max ・・・・・・・（８）
次いで、この残余電力Ｐ1 ’max で許容できる速度増加分ΔＮ1 ’／Δｔを式（９）より得る。
ΔＮ1 ’／Δｔ＝Ｐ1 ’max ／（Ｊ1 ×Ｎ1 ×６０×２π）・・・・・（９）
この速度指令は、必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみに、主軸の速度指令の増減率を制限する手段が軸制御ブロック４に在る場合は、主軸制御器５に送信して主軸のみを減速又は増速制御する。必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する手段が主軸制御器５に在る場合は、送信すること無く、直に制御する。
その後、Ｘ軸又はＹ軸の一方又は両方の動作が終了するなどして、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompよりも小さくなれば、増減速制限指令は解除されて、ＮＣ制御装置１より与えられた指令に戻して制御される。
その結果、必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合は、主軸制御器５の発する速度指令のサンプリング時間当たりの増加率はΔＮ1 からΔＮ1 ’と小さくなり、必要電力の合計はコンバータ３の許容電力内に納まり、コンバータ３の異常等を回避することができる。
すなわち、主軸モータ９の速度指令パターンの例を示す図４（ｂ）において、運転中に、Ｘ軸モータかＹ軸モータの何れか又は双方が加速するなどして、時点ｔ1 に必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompより大きくなると、速度変化量をΔＮ1 からΔＮ1 ’に変更して速度変化分を小さくして主軸系の必要電力を抑える。
その後、時点ｔ2 に至って、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompより小さくなると、速度変化量をΔＮ1 に戻して定常運転に戻る。
【０００８】
以上は、コンバータを各軸の制御器と別置きとした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コンバータを各軸の何れかの軸の制御器に内蔵させても同様の効果が得られる。図２はこの変形例を示すもので、図２（ａ）は、コンバータ３を主軸制御器５内に内蔵させ、このコンバータ３に設けた軸制御ブロック４から伝送ライン６を介して主軸制御器５と、Ｘ軸送り制御器７と、Ｙ軸送り制御器８とに信号を伝送する構成として装置を小型化する例を示している。
また、図２（ｂ）は、Ｘ軸送り制御器７にコンバータ３を内蔵させて装置を小型化した例を示している。この場合、コンバータ３に設けた軸制御ブロック４は、ＮＣ制御装置１からの指令に基づく加工信号を伝送ライン６を介してＸ軸送り制御器７自身と左右に配置された主軸制御器５とＹ軸送り制御器８とに供給する。
このように構成することにより、別置きであったコンバータを制御器に内蔵させることができ、したがって小型化が可能となる。
【０００９】
図５は第二の処理フロー例を示す。
この例の場合、軸制御ブロック４は、速度指令と共にトルク制限値を出力するものとすることができる。この場合も、図５（ａ）で示すステージＡでは、各軸の必要電力Ｐ1max、Ｐ2max、Ｐ3maxを算出し、更にこれらの必要電力の合計Ｐmax を算出する。
次いで、Ｂステージでは、必要電力の合計Ｐmax とコンバータ３の許容電力Ｐcompとを比較し、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompと等しいかそれより小さい場合、Ｙｅｓと判断され、ステージＣに移行し、予め設定されたトルク制限値で各軸が運転される。
しかし、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超える場合、Ｎｏと判断されてＥステージに移行する。
ここでは、コンバータ３の許容電力Ｐcompから各送り軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の動作に必要な電力を差し引いた残りの電力Ｐ1 ’max を（８）式から得る。次いで、残余電力Ｐ1 ’max で許容できるトルク制限値Ｔ1 ’lim を式（１０）から得る。
Ｔ1 ’lim ＝Ｐ1 ’max ×２π／（Ｎ1 ×６０） ・・・・・・（１０）
このトルク制限値は、各軸の必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止する手段が軸制御ブロック４にある場合は、主軸制御器５に送信され、主軸モータ９は逓減トルク運転に移行する。
また、各軸の必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止する手段が主軸制御器５に在る場合は、直に逓減トルク運転を指令する。
図５（ｂ）はこの例のトルク制限パターンを示している。ＮＣ制御装置１の指令によりトルク制限値Ｔ1limで運転中に、Ｘ軸モータ又はＹ軸モータ或いは双方のモータの加速等により、時点ｔ1 で、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超えると、主軸制御器５に与えるトルク制限値をＴ1 ’lim に変更して、逓減トルク運転に移行し、消費電力を逓減する。
その後、時点ｔ2 に至り、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompより小さくなるとトルク制限値の抑止値Ｔ1 ’lim は解除され、通常のトルク制限値Ｔ1limに戻される。
その結果、主軸モータ９の速度は、一点鎖線で示される様に、時点ｔ1 と時点ｔ2 の区間においては速度の増加は緩やかになり、主軸制御器５に必要な電力は軽減される。
尚、上記の実施態様においては、加速中の動作について説明したが、減速中のパターンについても、全軸の減速時に発生する回生電力がコンバータ３の許容回生電力を超える場合は、主軸の減速率を落とすか、又は主軸の減速側トルク制限を下げることで、コンバータ３を保護することができる。
また、上記実施態様では、主軸１軸と送り軸が２軸のシステムで説明したが、送り軸が３軸以上の多軸システムにおいても同様な効果が得られる。
更に、コンバータを各軸の制御器と別置きとせずに、何れかの軸の制御器に内蔵させても同様の効果が得られる。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、交流電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、主軸制御器と複数の送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その指令を解読して主軸制御器と複数の送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えるものであり、前記主軸制御器と複数の送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する手段、或いは、主軸のトルク制限値を抑止する手段を備える多軸モータ制御装置を構成するものであるので、負荷のワーク時間を徒に延長することが無く、生産性を落とすことが無く、コンバータの保護と容量逓減を図ることができ、簡素で小型な多軸モータ制御装置を提供できる効果が得られる。すなわち、本願は送りドライブを優先させ、一般的に加減速時間の長い主軸モータドライブの加減速を一時的に制限することで、工作機械の生産性を損なわずにコンバータの小型化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による多軸モータ制御装置のブロック構成図である。
【図２】この発明による他の実施態様による多軸モータ制御装置のブロック構成図であり、図２（ａ）は、主軸制御器にコンバータを内蔵させた例、図２（ｂ）は、Ｘ軸送り制御器にコンバータを内蔵させた例を示している。
【図３】この発明による多軸モータ制御装置による各軸の運転例を示す特性図である。
【図４】この発明による多軸モータ制御装置の第一の処理フローを示すもので、図４（ａ）は、主軸の速度を加減速制御する場合の処理フロー図、図４（ｂ）は、主軸の速度制御パターン図である。
【図５】この発明による多軸モータ制御装置の第二の処理フローを示すもので、図５（ａ）は、主軸のトルク制限値を抑止制御する場合の処理フロー図、図５（ｂ）は、主軸のトルク制限パターン図である。
【符号の説明】
１ ＮＣ制御装置
２ 伝送ケーブル
３ コンバータ
４ 軸制御ブロック
５ 主軸制御器
６ 伝送ライン
７ Ｘ軸送り制御器
８ Ｙ軸送り制御器
９ 主軸モータ
１０ Ｘ軸モータ
１１ Ｙ軸モータ

Claims (3)

1. 交流電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、
   前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する速度指令増減率制限手段を備えることを特徴とする多軸モータ制御装置。
2. 交流電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、
   前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止するトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする多軸モータ制御装置。
3. 交流電源を直流電源に変換するコンバータを、主軸制御器または送り制御器の何れかに内蔵したことを特徴とする請求項１または２記載の多軸モータ制御装置。

Images