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JP3220587B2 - トルクリップル解析機能付数値制御装置 - Google Patents
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JP3220587B2 - トルクリップル解析機能付数値制御装置 - Google Patents

トルクリップル解析機能付数値制御装置

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JP3220587B2
JP3220587B2 JP00650094A JP650094A JP3220587B2 JP 3220587 B2 JP3220587 B2 JP 3220587B2 JP 00650094 A JP00650094 A JP 00650094A JP 650094 A JP650094 A JP 650094A JP 3220587 B2 JP3220587 B2 JP 3220587B2
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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、サーボモータを制御す
る数値制御装置に関するものであり、特にトルクリップ
ル解析機能を有する数値制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図7は、従来技術による数値制御装置を
工作機械の駆動機構に適用した例の構成ブロック図を示
すものである。図7において、数値制御装置1にはサー
ボモータ3に電力を供給するパワーアンプ2と、サーボ
モータ3の回転位置を検出する位置検出器4Sが接続さ
れている。また、数値制御装置1は位置誤差算出部11
と、位置誤差Peに基づいて速度指令Vrを生成する位
置制御部12と、速度指令Vr等に基づいて速度誤差V
eを生成する速度誤差算出部13と、速度誤差Veに基
づいてトルク指令Trを生成する速度制御部14と、ト
ルク指令Trに基づいて電流指令値を生成する電流制御
部15と、サーボモータ3の各相に流れる電流を検出す
る電流検出部16と、インダクトシン4Fおよびサーボ
モータ3の回転位置を検出する位置検出器4Sから駆動
負荷のフルクローズド位置およびセミクローズド位置を
検出するとともにこれらの位置データから現在位置Pa
を生成する位置検出部17と、位置検出部17にて生成
された現在位置Paから速度を検出する速度検出部18
と、を有している。以下に図7を用いて従来技術の動作
説明を行う。同図において、数値制御装置1内の図示し
ないNCプログラム読み込み部およびNCプログラム解
釈部により読み込まれ解釈されたNCプログラムに基づ
いて、図示しない関数発生部は負荷の移動情報(目標位
置、速度等)を算出し位置誤差算出部11に位置指令P
rを転送する。位置誤差算出部11ではこの位置指令値
Prと位置検出器4Sあるいはインダクトシン4Fの検
出値に基づいて公知の方法により位置検出部17にて生
成される現在位置Paとの差分を取ることにより位置誤
差Peを算出しこれを位置制御部12に送る。位置制御
部12においては公知の方法により位置誤差Peに基づ
いて速度指令Vrを生成する。速度誤差算出部13では
この速度指令値Vrと速度検出部18から送られる速度
検出値Vaとの差分を取ることにより速度誤差Veを算
出しこれを速度制御部14に送る。速度制御部14にお
いては比例−積分動作フィードバック制御等の公知の方
法により速度誤差Veに基づいてトルク指令値Trを生
成する。このトルク指令値Trに基づいて電流制御部1
5では電流フィードバック制御により最終的に電圧指令
値を生成してパワーアンプ2にこの電圧指令値を転送す
る。パワーアンプ2においては前記電圧指令値(PWM
電圧指令)より、公知の技術によりPWM処理を行い、
サーボモータ3に印加すべき各相電圧を発生する。この
電圧の印加によりサーボモータ3には駆動トルクが発生
し、変速機構であるタイミングベルト5を介してボール
ネジ6、テーブル8、ベッド7から成る駆動負荷を所望
の位置、速度にて駆動する。
【0003】図7のような駆動負荷を数値制御装置で駆
動する際にいわゆるトルクリップルが発生して当該軸の
駆動制御上問題となることがある。このトルクリップル
の発生要因としてはいくつかの事象が考えられる。今、
サーボモータ3がACブラシレスサーボモータ(同期モ
ータ)であるとし、この場合のサーボモータ3に流れる
電流と発生トルクの関係について記す。サーボモータ3
の回転子に装着されている永久磁石の最大磁束密度を
B、固定子の三相卷線の各相に流す電流の最大値をIと
すると、U、V、Wの各相に発生するトルクはそれぞれ
数式1、数式2、数式3のようになる。
【数1】
【数2】
【数3】 このようなトルクが各相に発生すると、三相全体の合成
出力トルクTは数式4に示すようにサーボモータ回転子
の位置θや極数Pとは無関係になる。
【数4】 しかしながら、例えば三相三線方式でサーボモータ3に
通電している際に、U相電流に電流オフセット量=α
が、W相電流に電流オフセット量=−αが存在する場合
には合成出力トルクTは数式5のようになり、サーボモ
ータ3が1回転する間に極数Pの半分の回数のトルクリ
ップルが合成出力トルクTに現われる。
【数5】 あるいはU相電流にゲイン誤差量=βが、W相電流にゲ
イン誤差量=−βISIN(Pθ/2)が存在する場合
には合成出力トルクTは数式6のようになり、サーボモ
ータ3が1回転する間に極数P回分のトルクリップルが
合成出力トルクTに現われる。
【数6】 なお、この他にもトルクリップル発生要因が考えられる
が、これらの要因をまとめて表にしたものが図10であ
る。
【0004】トルクリップルが制御上問題となる場合に
は、その発生要因を突き止める必要がある。図7に示す
従来技術に用いる数値制御装置自体にはトルクリップル
解析機能が準備されていないので通常はまずFFTアナ
ライザ9等の測定器にて時間領域のトルク波形を測定す
ることになる。図7においてはサーボモータ3の合成出
力トルクTを直接測定する代わりに一定速度運転におけ
る速度制御部14の出力であるトルク指令値Tr をFF
Tアナライザ9で測定している。図8(a),(b)は
この時測定される時間領域トルク波形の例を示したもの
である。また図9(a),(b)はこれらの時間領域ト
ルク信号の周波数成分をFFTアナライザ9にて測定し
た例を示すものである。測定されたトルクリップルから
その発生原因を特定するためには、その周期性の有無を
調べる必要がある。具体的には一定速度指令の駆動条件
の下で当該トルクリップルを測定した際に速度検出部1
8にて生成される実際の送り速度と当該ボールネジ6の
ピッチ(以下、軸ボールネジピッチと記載する。)から
計算される前記送り速度における当該軸ボールネジ1回
転周期と、前記送り速度と変速比から計算される前記送
り速度における当該軸サーボモータ1回転周期と、前記
送り速度と軸フルクローズド検出器であるインダクトシ
ン4Fの検出ピッチ周期と、を予め求めておき、これら
3種類の周期とトルクリップル周期との関係を調べ、図
10にしたがって原因を推定することになる。あるい
は、前記各周期の逆数である周波数を求め、これら周波
数とトルクリップル周波数成分との関係を調べ、図10
にしたがって原因を推定することになる。ここで、イン
ダクトシン4Fの検出ピッチ周期とはインダクトシン4
Fの絶対値検出ストローク(例えば2mm)を前記送り速
度で通過するのに要する時間と定義する。
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
数値制御装置において、トルクリップルの周期性を調べ
てその発生要因を推定するためには測定手段としてオシ
ロスコープやFFTアナライザ9等の測定器を別途用い
ることになるが、これらは大きくて重いので可搬性が悪
いのにもかかわらず、NC工作機械等の調査対象が設置
されている場所までその都度運ぶ必要があった。このた
め調査作業のセットアップに多大の時間がかかってい
た。また、各測定器は高価である。また、前記各周期の
計算には当該軸の変速比等のいわゆるスケルトン(結合
情報)を予め知っておく必要があり、なおかつ基本的に
は手計算にて求めるので計算間違いが発生する可能性が
多分にあるという問題がある。更に図7に示す数値制御
装置においては測定データの記録・保存については特に
考慮されていないため、後からデータを確認するために
はデータ記録機能付きの測定器等を用意する必要があ
る。この際、測定データと合わせて制御対象機械仕様
(機種、変速機構、検出器、パワーアンプ、モータの仕
様等)、製造情報(ユーザ名、製造月、製造番号等)、
測定条件(サーボパラメータ設定値等)、ファイル作成
情報(測定/ファイル作成日時、測定/ファイル作成者
名等)を記録する必要があるが、これらのデータについ
ては調査担当者が測定データとは別途記録する必要があ
り、記録の際の転記ミスなどの混入や測定データその物
と一体化していないが為の測定データとこれら情報との
対応付けの誤りの発生といった問題点がある。
【0005】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、オシロスコープ
やFFTアナライザの如き特別な測定器を用意すること
なく当該駆動負荷に発生しているトルクリップルの解析
の実行可能な数値制御装置を提供することにある。ま
た、制御対象の機械仕様、製造情報、測定条件と合わせ
て測定されたサーボ特性データを記録・保存しうる数値
制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項1記載の発明は、速度誤差に基づいてトル
クを発生させることで駆動負荷系を駆動させ制御対象機
械の制御を行う数値制御装置において、トルクリップル
に関する測定データを記憶する記憶手段と、前記記憶手
段に記録された測定データからトルクリップルの周波数
成分を算出・解析する解析手段と、前記解析手段による
解析結果を表示させる表示手段と、を有し、前記駆動負
荷系に発生するトルクリップルを測定し表示させること
を特徴とする。請求項2記載の発明は、請求項1記載の
トルクリップル解析機能付数値制御装置において、前記
駆動負荷系は、ボールネジと、前記ボールネジを駆動さ
せるモータと、前記モータの回転位置を検出する検出手
段と、を有し、前記表示手段は、ボールネジ回転周波数
と、前記検出手段の検出ピッチ周波数と、モータ回転周
波数と、を前記解析結果とともに表示させることを特徴
とする。請求項3記載の発明は、速度誤差に基づいてト
ルクを発生させることで駆動負荷系を駆動させ制御対象
機械の制御を行う数値制御装置において、トルクリップ
ルに関する測定データからトルクリップルの周波数成分
を算出・解析する解析手段と、前記駆動負荷系に含まれ
る制御対象機械に関する情報が格納されている制御対象
機械データ格納手段と、前記制御対象機械データ格納手
段に格納されている情報と前記解析結果とを合わせてデ
ータファイルを作成するファイル作成手段と、を有する
ことを特徴とする。
【作用】従って、本発明によれば、算出・解析手段は、
記憶手段に記憶した測定データからトルクリップルの周
波数成分を解析する。表示手段は、算出・解析手段によ
る解析結果を表示させることができるので、測定器を別
途用意しなくてもトルクリップルの発生要因を特定する
ことができる。また、ファイル生成手段は、制御対象機
械データ格納手段に格納されている情報と解析結果とを
合わせてデータファイルを生成するので、制御対象機械
と測定データとを一体化させることができる。
【0007】
【実施例】図1は本発明に係るトルクリップル解析機能
を採用した数値制御装置の実施例の構成を示すブロック
図であり、図2は本発明の実施例におけるトルクリップ
ル解析の動作を説明する流れ図である。図1及び図2に
おいて、従来技術を示す図7と同一番号にて示されてい
る構成要素についての機能・処理内容は従来技術と同一
であるので説明を省略し、本発明の本質的な部分につい
てのみを以下に説明する。図1において、数値制御装置
10はトルクリップルに関する測定データを指定のサン
プリング間隔にて記憶するための測定データバッファ2
1と、測定データバッファ21に記憶された測定データ
を算出・解析する解析部22と、解析結果を図形もしく
は文字にて数値制御装置10内の図示しない表示装置に
出力するデータ表示部23と、位置検出器4S、パワー
アンプ2等の制御対象機械の仕様及び製造情報をデータ
として保持している検出器等データ格納部25と、解析
部22によって算出・解析された測定データに機械仕様
データ、製造情報、測定条件及びファイル作成情報を加
えて1本のデータファイルを生成するファイル生成部2
4を有している。
【0008】次に、図1に示す本実施例によるトルクリ
ップル解析機能付数値制御装置のトルクリップル解析モ
ードにおける動作を図2の流れ図により説明する。数値
制御装置10の正常動作中において数値制御装置10は
図示しないモード切り替え部がモード切り替え信号を定
期的に読み込み(ステップS1)、トルクリップル解析
モードあるいは通常NC運転モードのどちらのモードが
指定されているかを判断する(ステップS2)。図2に
おいて通常NC運転モードが指定された場合には、公知
の技術により所望のNC運転処理を実行する(ステップ
S3)。トルクリップル解析モードが指定された場合に
は、まず図示しない対話入力手段により操作者は対話的
に軸指定データ、当該軸の一定送り速度動作開始位置お
よびその送り速度を入力する(ステップS21)。この
際、与えられた送り速度と当該軸ボールネジピッチデー
タおよびインダクトシン絶対値検出ストロークから当該
軸ボールネジ回転周波数およびインダクトシン検出ピッ
チ周波数と、当該軸変速比と前記送り速度から計算され
る該モータ回転周波数を求めるとともに、これら3種類
の周波数のうちの最大周波数に対して、予め決められて
いるトルクリップルサンプリング周波数がある程度高い
範囲にあることを確認する。この範囲は周波数分析精度
確保と測定データバッファ21に格納できる測定データ
点数の制限によるものであり、本実施例においてはサン
プリング周波数を前記最大周波数の5〜20倍程度とし
ている。前記サンプリング周波数がこの範囲を外れる場
合には改めて操作者に対して適正な送り速度を入力する
よう数値制御装置10の操作パネル等に案内表示する。
トルクリップル測定条件が確定したらこの条件に従って
所定の位置制御周期毎の動作指令即ち位置指令Prを生
成する(ステップS22)。最初の位置指令Prが有効
になってから予め決まっている加減速時間経過後、即ち
一定速度になった時点で速度制御部14の出力であるト
ルク指令値Trをトルクリップルデータと見做してサン
プリングし、測定データバッファ21に時系列データと
して格納する(ステップS23)。本実施例においてデ
ータの書き込みは、測定データバッファ21が一杯にな
るか、当該軸ボールネジピッチ、インダクトシン絶対値
検出ストローク、当該軸モータが1回転する際に進む距
離のうちの最長のものの5倍の距離だけ当該駆動負荷が
移動した場合に終了するものとする。測定されたトルク
リップルデータは解析部22において公知の技術により
その周波数成分が求められる(ステップS24)。この
解析結果は前述のトルクリップル測定時の送り速度から
計算される当該軸ボールネジ回転周波数およびフルクロ
ーズド検出器の検出ピッチ周波数と、当該軸変速比とト
ルクリップル測定時の送り速度から計算される該モータ
回転周波数とともにデータ表示部23により数値制御装
置10内の図示しない表示装置に出力される(ステップ
S25)。図4(a)はこれらのデータをCRT上に表
示した例を示すものである。操作者はこれらのデータか
ら図10に基づいてトルクリップル発生要因を特定する
ことができる。処理結果表示(ステップS25)後に数
値制御装置10は操作者によるデータファイル作成の指
定の有無をチェックし(ステップS26)、データファ
イル作成指示のない場合は後述のステップS28に進
む。データファイル作成指示のある場合は、測定・解析
されたトルクリップルデータに、検出器等データ格納部
25に格納されている制御対象機械の仕様、製造情報及
び測定条件に関するデータを加えて図6に示すような1
本のデータファイルを生成する(ステップS27)。そ
の後、操作者のトルクリップル解析再実行の指示がある
かどうかを判断し(ステップS28)、再実行指定時に
はステップS21以降を繰り返し、測定を終了する場合
にはステップS1に戻る。このようにして、トルクリッ
プル解析をオシロスコープやFFTアナライザ等の測定
器なしにて繰り返すことができ、必要に応じて測定デー
タファイルを作成することができる。
【0009】次に、図1に示す本実施例によるトルクリ
ップル解析機能付数値制御装置のトルクリップル解析モ
ードにおける別の動作を図3の流れ図により説明する。
図3に示されていない動作ステップについての説明は図
2の場合と全く同じであるのでこれらの説明は省略す
る。トルクリップル解析モードが指定された場合には、
まず図示しない対話入力手段により操作者は対話的に軸
指定データ、当該軸の一定送り速度動作開始位置および
その送り速度を入力する(ステップS210)。加減速
に要する距離を除いて、本実施例における測定動作距離
は当該軸ボールネジピッチ、インダクトシン絶対値検出
ストロークと、当該軸モータ1回転に対応する当該軸移
動距離のうちの最長のものの5倍としている。トルクリ
ップル測定条件が確定したらこの条件に従って所定の位
置制御周期毎の動作指令即ち位置指令Prを生成する
(ステップS220)。最初の位置指令Prが有効にな
ってから予め決まっている加減速時間経過後、即ち一定
速度になった時点で速度制御部14の出力であるトルク
指令値Trをトルクリップルデータと見做してサンプリ
ングすると共に、このサンプリング時点の現在位置Pa
と前記トルク指令値Trとをペアにして測定データバッ
ファ21にサンプリングされた順序にしたがって時系列
データとして書き込む(ステップS230)。測定され
たトルクリップルデータは解析部22において当該軸ボ
ールネジピッチ、インダクトシン絶対値検出ストロー
ク、当該軸モータ1回転に対応する当該軸移動距離のそ
れぞれのピッチ(距離)について、その1周期内のどの
位置のトルクリップルデータにあたるかが特定される
(ステップS240)。これを便宜上所定のピッチ(上
記3ピッチ)における位相解析処理と呼ぶことにする
が、具体的には次のようにしてその位相を定める。例え
ば、今サンプリング時の現在位置Paを持つトルクリッ
プルデータの、当該軸モータ1回転に対応する当該軸移
動距離(これをPmと略記する)における位相角θm
は、数式7により求められる。
【数7】 当該ピッチにおけるそれぞれのトルクリップルデータの
位相角が求められたら1周期360度の範囲を1度の区
間に分割し、それぞれのトルクリップルデータを対応す
る前記区間毎に集計しこれら個々の区間毎の加算平均を
とって測定データのノイズリダクション処理を行う(ス
テップS250)。次に当該ピッチ1周期におけるトル
クの平均値を算出し(ステップS260)、各トルクリ
ップルデータの当該ピッチ1周期を360度とする極座
標における前記平均値に対応する大きさの円の図形デー
タとを生成し、データ表示部23により数値制御装置1
0内の図示しないグラフィック表示装置に出力する(ス
テップS270およびステップS280)。図4(b)
はこれらのグラフィックデータをCRT上に表示した例
を示すものである。操作者はこれらのグラフィック表示
データから図10に基づいてトルクリップル発生要因を
特定することができる。すなわち、図4(b)に示した
ように図形として1周期の最初と最後が連続していれ
ば、当該ピッチにトルクリップルが同期しているという
ことが分かる。図5は同一測定データのトルクリップル
を、(a)当該軸モータが1回転する際に進む距離、
(b)インダクトシン絶対値検出ストローク、(c)当
該軸ボールネジピッチ、をそれぞれ1周期として座標計
算した場合の表示を示す。この場合も、トルクリップル
図形の接続具合から当該軸モータが1回転する際に進む
距離にトルクリップルが同期しているということが、イ
ンダクトシン絶対値検出ストロークおよび当該軸ボール
ネジピッチには同期していないことが視覚的に了解でき
る。
【0010】なお、本実施例においてはトルクリップル
のサンプリングと、その解析・データ表示は別々に行
う。すなわちオフラインで解析表示するようにしている
が、実時間処理能力があればオンライン処理としてもよ
い。また、図4の表示の際に、ボールネジピッチなどの
数値制御装置1にあらかじめ格納してある調査対象機械
に実装された位置検出器4S、パワーアンプ2および対
象機械についての仕様及び製造情報を解析結果と合わせ
て表示しても良い。更には図2のステップS21におい
て、操作者は測定動作開始位置を入力するのみとし、測
定動作送り速度や測定のための移動距離は数値制御装置
10が自動決定するようにしても良い。
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、トルク
リップルに関する測定データを格納する記憶手段と、該
トルクリップルデータを解析する解析手段とを有し、ト
ルクリップル測定時の送り速度から計算される当該軸ボ
ールネジ回転周波数およびフルクローズド検出器の検出
ピッチ周波数と、当該軸変速比とトルクリップル測定時
の送り速度から計算される該モータ回転周波数を前記周
波数成分の周波数と共に表示手段に表示させるようにし
たので、オシロスコープやFFTアナライザの如き特別
な測定器を用意することなく当該軸トルクリップルの発
生要因を1台の数値制御装置にて測定・特定できるとい
う効果がある。また、測定・解析されたトルクリップル
に関する測定データに前記検出器、パワーアンプおよび
対象機械の仕様データ、製造情報及び測定条件を加えて
データファイルを生成するようにしたので、測定された
データの記録・保存に際しては制御対象機械についての
仕様、製造情報、測定条件と合わせて1本のデータファ
イルを作成できるようになったという効果がある。ま
た、制御対象機械データ格納手段に予め制御対象機械に
関する情報を格納しておくので、調査担当者による転記
ミスを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のトルクリップル解析機能付数
値制御装置のブロック図である。
【図2】本発明の実施例におけるトルクリップル解析の
動作を説明する流れ図である。
【図3】本発明の実施例におけるトルクリップル解析の
動作を説明する流れ図である。
【図4】本発明の実施例におけるトルクリップル解析結
果の表示例を示す図である。
【図5】本発明の実施例におけるトルクリップル解析結
果の表示例を示す図である。
【図6】本発明による数値制御装置内で生成されるサー
ボ特性データファイルの構造の一例を示す図である。
【図7】従来技術による数値制御装置のブロック図であ
る。
【図8】トルクリップル信号波形を示す図である。
【図9】トルクリップル信号の周波数成分を示す図であ
る。
【図10】トルクリップル発生要因を示す図である。
【符号の説明】
1、10 数値制御装置 2 パワーアンプ 3 サーボモータ 4S 位置検出器 4F インダクトシン 5 タイミングベルト 6 ボールネジ 7 ベッド 8 テーブル 11 位置誤差算出部 12 位置制御部 13 速度誤差算出部 14 速度制御部 15 電流制御部 16 電流検出部 17 位置検出部 18 速度検出部 21 測定データバッファ 22 解析部 23 データ表示部 24 ファイル生成部 25 検出器等データ格納部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−257201(JP,A) 特開 平1−133598(JP,A) 特開 平6−182651(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05B 19/18 B23Q 17/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 速度誤差に基づいてトルクを発生させる
    ことで駆動負荷系を駆動させ制御対象機械の制御を行な
    う数値制御装置において、 トルクリップルに関する測定データを記憶する記憶手段
    と、 前記記憶手段に記憶された測定データからトルクリップ
    ルの周波数成分を算出・解析する解析手段と、 前記解析手段による解析結果を表示させる表示手段と、 を有し、前記駆動負荷系に発生するトルクリップルを測
    定し表示させることを特徴とするトルクリップル解析機
    能付数値制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のトルクリップル解析機能
    付数値制御装置において、 前記駆動負荷系は、ボールネジと、前記ボールネジを駆
    動させるモータと、前記モータの回転位置を検出する検
    出手段と、を有し、 前記表示手段は、ボールネジ回転周波数と、前記検出手
    段の検出ピッチ周波数と、モータ回転周波数と、を前記
    解析結果とともに表示させることを特徴とするトルクリ
    ップル解析機能付数値制御装置。
  3. 【請求項3】 速度誤差に基づいてトルクを発生させる
    ことで駆動負荷系を駆動させ制御対象機械の制御を行う
    数値制御装置において、 トルクリップルに関する測定データからトルクリップル
    の周波数成分を算出・解析する解析手段と、 前記駆動負荷系に含まれる制御対象機械に関する情報が
    格納されている制御対象機械データ格納手段と、 前記制御対象機械データ格納手段に格納されている情報
    と前記解析結果とを合わせてデータファイルを生成する
    ファイル生成手段と、 を有することを特徴とするトルクリップル解析機能付数
    値制御装置。
JP00650094A 1994-01-25 1994-01-25 トルクリップル解析機能付数値制御装置 Expired - Fee Related JP3220587B2 (ja)

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