最初に、マシニングセンタ1(数値制御工作� �械)の構成について説明する。
 図1、図2に示すように、マシニングセンタ1� ��、ワークと工具とをXYZ直交座標系における� ��軸方向へ独立に相対移動させることで、ワ� ��クに所望の機械加工(例えば、「フライス削 り」、「穴空け」、「切削」等)を施すこと� �できる工作機械である。マシニングセンタ1� ��、ベース2と、機械本体3(図2参照)と、スプ� �ッシュカバー4とを主に備えている。ベース2 は、鋳鉄製の基台である。機械本体3はベー� �2の上部に位置し、ワークの切削加工を行う� ��スプラッシュカバー4は箱状であり、機械本 体3とベース2の上部を覆う。

 ベース2はY軸方向に長い略直方体状の鋳� �品である。ベース2の下部の四隅には、高さ� ��節が可能な脚部2aを夫々設けている。

 機械本体3(図2参照)の加工領域は、スプラ ッシュカバー4の内側に設けている。スプラ� �シュカバー4の前面には開口部を設けている� ��開口部には、1対のスライド式の開閉扉5,6を 設けている。開閉扉5,6には、矩形状のガラス 窓部5a,6aを夫々設けている。開閉扉5,6には取� ��手部5b,6bを設けている。取っ手部5b,6bを互い に離れる方向に開くことで開口部が開口し、 作業者は、ベース2の上に固定した被駆動体� �してのテーブル10(図2参照)に対してワークの 着脱を行う。

 操作パネル80は、前記開口部の右側に設� �ている。操作パネル80は、テンキー、各種操 作キーを備えたキーボード81を備えている。� ��作パネル80は、キーボード81の上部に、設定 画面又は実行動作を表示するための液晶ディ スプレイ82を備えている。作業者は、操作パ� ��ル80のディスプレイ82を確認してキーボード 81を操作することで、ワーク加工を実行する� ��工プログラム、及び各種パラメータ等を設� ��することができる。

 次に、機械本体3について説明する。
 図2に示すように、機械本体3は、コラム16と 、主軸ヘッド7と、主軸(図示外)と、工具交換 装置(ATC)20と、テーブル10とを主に備えている 。コラム16は、ベース2の後部のコラム座部23� ��上面に固定し、鉛直上方に延びる。主軸ヘ� ��ド7は、コラム16の前面に沿って昇降可能で� ��り、内部に主軸を回転可能に支持している� ��工具交換装置20は、主軸ヘッド7の右側に位� ��し、主軸の先端に保持してある工具ホルダ� ��他の工具ホルダとを交換する。テーブル10� �、ベース2の上部に位置し、ワークを着脱可� ��に固定する。箱状の制御ボックス19は、コ� �ム16の後部側に設けている。制御ボックス19� ��、その内部に、マシニングセンタ1の動作を 制御する数値制御装置50を備えている。

 次に、テーブル10の移動機構について説明� �る。
 図2に示すように、テーブル10は、サーボモ� ��タからなるX軸モータ71(図4参照)及びY軸モー タ72(図4参照)を用いて、X軸方向(機械本体3の� ��右方向)及びY軸方向(機械本体3の奥行き方向 )に移動する。移動機構は以下の構成からな� �。直方体状の支持台12は、テーブル10の下側� ��設けている。支持台12は、その上部に、X軸� ��向に沿って延びる1対のX軸送りガイドレー� �を設けている。1対のX軸送りガイドレールは 、その上部に、テーブル10を移動可能に支持� ��ている。

 支持台12は、ベース2の上部に位置してい� ��。ベース2は、その上部に、長手方向に沿っ て延びる1対のY軸送りガイドレールを設けて� ��る。1対のY軸送りガイドレールは、支持台12 を上部に移動可能に支持している。以上の構 成で、テーブル10は、支持台12に設けたX軸モ� ��タ71で、X軸送りガイドレールに沿ってX軸方 向に移動する。テーブル10は、ベース2に設け たY軸モータ72で、Y軸送りガイドレールに沿� �てY軸方向に移動する。

 テレスコピック式に収縮するテレスコピ� ��クカバー13,14は、X軸送りガイドレールを覆� ��。テレスコピックカバー15とY軸後ろカバー� ��、Y軸送りガイドレールを覆う。テーブル10� ��X軸方向及びY軸方向の何れの方向に移動し� �場合でも、テレスコピックカバー13,14,15及び Y軸後ろカバーが、常にX軸送りガイドレール� ��びY軸送りガイドレールを覆う。

 次に、主軸ヘッド7の昇降機構について説明 する。
 図2,図3に示すように、コラム16の前面側で� �下方向に延びるガイドレールが、リニアガ� �ドを介して主軸ヘッド7を昇降自在に支持し� ��いる。主軸ヘッド7は、コラム16の前面側に� ��下方向に延びるように設けた送りネジに対� ��てナットで連結している。送りネジをZ軸モ ータ73(図4参照)で正逆方向に回転駆動するこ� ��で、主軸ヘッド7が上下方向に昇降駆動する 。サーボアンプ63が、数値制御装置50のCPU51か らの制御信号に基づいてZ軸モータ73を駆動す ることで、主軸ヘッド7が昇降駆動する。

 工具交換装置20は、工具マガジン21及び工 具交換アーム22等を備えている。工具マガジ� ��21は、工具26を支持する工具ホルダを複数格 納する。工具交換アーム22は、工具ホルダを� ��持して搬送する。工具マガジン21の内側に� �、工具ホルダを支持する複数の工具ポット� �、該工具ポットを工具マガジン21内で搬送す る搬送機構とを設けている。

 次に、マシニングセンタ1の電気的構成につ いて説明する。
 図4に示すように、制御部としての制御装置 50は、マイクロコンピュータを含み、入出力� ��ンタフェース54と、CPU51と、ROM52と、RAM53と� �軸制御回路61a~64a,75aと、サーボアンプ61~64と� ��電流検出器61b~64bと、微分器71b~74bとを備え� �いる。サーボアンプ61~64は、夫々X軸モータ71 、Y軸モータ72、Z軸モータ73、主軸モータ74に� ��続している。軸制御回路75aはマガジンモー� ��75に接続している。

 X軸モータ71、Y軸モータ72は、テーブル10� �X軸方向、Y軸方向に移動させる為のものであ る。マガジンモータ75は、工具マガジン21を� �転移動させる為のものである。主軸モータ74 は、主軸を回転させる為のものである。X軸� �ータ71、Y軸モータ72、Z軸モータ73、主軸モー タ74は、夫々エンコーダ71a~74aを備えている。

 軸制御回路61a~64aは、CPU51からの移動指令� ��を受けて、電流指令(モータトルク指令)を� �ーボアンプ61~64に出力する。サーボアンプ61~ 64は、電流指令を受けてモータ71~74に駆動電� �を出力する。軸制御回路61a~64aは、エンコー� ��71a~74aから位置フィードバックの信号を受け て、位置のフィードバックの制御を行う。微 分器71b~74bは、エンコーダ71a~74aから受けた位� ��フィードバックの信号を微分して速度フィ� ��ドバックの信号に変換し、軸制御回路61a~64a に速度フィードバック信号を出力する。

 軸制御回路61a~64aは、微分器71b~74bから速� �フィードバック信号を受けて、速度フィー� �バックの制御を行う。電流検出器61b~64bは、� ��ーボアンプ61~64がモータ71~74に出力する駆動 電流を検出する。電流検出器61b~64bは、検出� �た駆動電流を軸制御回路61a~64aにフィードバ� ��クする。軸制御回路61a~64aは、電流検出器61b ~64bがフィードバックした駆動電流で、電流(� ��ルク)の制御を行う。

 一般的に、モータ71~74に流れる駆動電流� �モータ71~74にかかる負荷トルクは概略一致す る。それ故、モータ71~74に流れる駆動電流を� ��出する電流検出器61b~64bで、モータ71~74にか� ��る負荷トルクを検出することができる。軸� ��御回路61a~64aは、CPU51からの移動指令量を受� ��て、マガジンモータ75を駆動する。制御装� �50には、報知機構としての表示器82と、操作� ��ー等を備えた操作入力部81とが接続してい� �。

 次に、前記のマシニングセンタ1に本発明 を適用した場合の実施例1について詳しく説� �する。図5に示すように、X軸送り駆動機構は 、サーボモータ71(X軸モータ)の回転運動を、� ��ールねじ機構を構成するボールねじシャフ� ��76及びナット77を介して直進運動に変換し、 テーブル10を駆動する。ベアリング78は、ボ� �ルねじシャフト76の軸方向の移動を拘束して いる。上述したサーボモータ71の回転運動を� ��進運動に変換してテーブル10を駆動する系� �、運動伝達系と称す。X軸送り駆動機構とは� ��サーボモータ(X軸モータ71)と、ベアリング78 と、ボールねじシャフト76と、ナット77と、� �ーブル10とを示す。X軸送り駆動装置とは、X� ��送り駆動機構に、制御装置50を接続したも� �を示す。

 マシニングセンタ1は、同様の構造のX,Y,Z� ��方向の3組の送り駆動機構を組み合わせるこ とで、3次元の切削加工を行うことができる� �送り駆動機構の送り運動の精度(以降、送り� ��度と称す)が低下すると、切削加工の精度は 低下する。ベアリング78とボールねじシャフ� ��76との間、及びボールねじシャフト76とナッ ト77との間に、摩耗等の理由でバックラッシ� ��存在する場合、送り駆動機構は、テーブル1 0の軸方向の運動を拘束できず、送り精度が� �下する。

 発明者は、送り駆動装置における運動伝� ��系に存在するバックラッシがマシニングセ� ��タ1の送り精度に与える影響を調べた。図6� �図7は、JIS(日本工業規格) B6336-7 で規定した 形状に基づいて送り駆動機構を動作した場合 の結果である。図6が、バックラッシのない� �常状態の場合である。図7は、X軸方向の送り 駆動装置にバックラッシが存在する場合であ る。これらの図からわかるように、バックラ ッシが存在すると送り精度が大きく低下する 。

 ボールねじシャフト76の回転角度を直進� �動に変換した量(変位換算量)がバックラッシ 量よりも小さい場合には、テーブル10は動か� ��にX軸モータ71とボールねじシャフト76のみ� �回転する。それ故、X軸モータ71に作用する� �擦トルクは、テーブル10の運動に起因する成 分を含まない。ボールねじシャフト76の回転� ��度の変位換算量がバックラッシ量よりも大� ��くなると、テーブル10が運動する。それ故� �X軸モータ71に作用する摩擦トルクは、テー� �ル10に作用する摩擦力に起因する成分も含む 。

 以上の仮定に基づいて、発明者は、ステ� ��プ応答のシミュレーションと実験とを行い� ��バックラッシ量を推定できるか検討した。� ��ミュレーションは,論文「垣野ほか,NC工作機 械における送り駆動系のトータルチューニン グに関する研究(第1報),精密工学会誌,Vol.60,No. 8 (1994) pp.1097-1101.」が開示しているモデルを 参考にして行った。実験に使用した送り駆動 装置は、ベアリング78とボールねじシャフト7 6との間に約10μm、ボールねじシャフト76とナ� ��ト77との間に約20μmのバックラッシ量を有し ている。シミュレーションでも同程度のバッ クラッシ量を想定した。図8、図9は、ステッ� ��応答のシミュレーション結果と実験結果を� ��す。位置指令は、0μmから50μmまで、10μmず� �階段状に変化させて与えている。図中、実� �が位置指令を示し、破線がテーブル10の位置 を示す。

 図8のシミュレーション結果によると、位 置指令がバックラッシ量の30μmよりも小さい� ��又はバックラッシ量と同じ30μmである間は� �テーブル10は殆ど動かない。位置指令が30μm� ��超えると、テーブル10が動く。これに対し� �図9の実験結果によると、実際には、位置指� ��がバックラッシ量より小さい場合にも、テ� ��ブル10は少しずつ移動していることがわか� �。

 図10、図11は、夫々、図8、図9の運動を行� ��ているときのモータトルク指令のシミュレ� ��ション結果と実験結果である。図10のシミ� �レーション結果では、位置指令が、バック� �ッシ量より大きい40μm及び40μmより大きい値� ��なると、モータトルク指令が倍以上になっ� ��いる。これに対し、図11の実験結果では、� �置指令の増加とともにモータトルク指令も� �々に増加し、バックラッシ量との明確な関� �はない。

 実験結果とシミュレーション結果とで違� ��があるのは、位置指令がバックラッシ量よ� ��小さい領域では、変位に依存するばね特性� ��あることが理由であると考える。即ち、バ� ��クラッシが存在していたとしても、実際に� ��機械的な接触が全くなくなることはない。� ��れ故、ベアリング78とボールねじシャフト76 との間、及びボールねじシャフト76とナット7 7との間に鋼球、グリース等が介在すること� �、送り駆動機構がばね特性を有することで� �る。テーブル10の直進運動を案内しているリ ニアガイドの摩擦特性は、数100μm以下の変位 領域で変位に依存する非線形ばね特性を示す ことが分かっている(例えば,佐藤ほか:直動転 がり案内における摩擦特性の実験的挙動解析 ,日本機械学会論文集(C 編),Vol.73,No.734,(2007),pp .2811-2819.)。

 図12は、以上の特性を考慮した送り駆動� �構の力学的モデルである。バックラッシが� �在するベアリング78とボールねじシャフト76� ��の間、及びボールねじシャフト76とナット77 との間は、バックラッシ量より小さい領域に おいて、変位に依存する非線形なばね特性を もつ。テーブル10を案内するリニアガイドの� ��擦特性も、微小変位領域では変位に依存す� ��ばね特性をもち、ある変位以上で摩擦力が� ��和する。

 図12のモデルから、微小変位領域(バックラ� ��シ内を移動する)では変位の釣り合いの式(1) を得る。式(1)は、ベアリング78とボールねじ� ��ャフト76との間、及びボールねじシャフト76 とナット77との間の軸方向のばね復元力の合� ��と、リニアガイドで生じる非線形な摩擦特� ��による力との釣り合いを示す。式(1)が成り� ��つ場合に、バックラッシ量より小さい指令� ��もテーブルが動くことになる。
Kb(Xs)・Xs+Ka(Xn)・Xn=ft(Xt)    (1)
Xn = Xt-(L/2π)θs-Xs           (2)

 Kb(Xs)は、ボールねじシャフト76の軸方向の� �位Xsを変数とした非線形の関数であり、ベア リング78とボールねじシャフト76との間の軸� �向ばね剛性を示す。
 Ka(Xn)は、ボールねじシャフト76を基準とし� �ナット77の変位Xnを変数とした非線形の関数� ��あり、ボールねじシャフト76及びナット77の 軸方向ばね剛性を示す。
 ft(Xt)は、テーブル変位Xtを変数とした非線� �の関数であり、リニアガイドの摩擦力を示� �。

Kb:ベアリング78とボールねじシャフト76との� �の軸方向ばね剛性[N/m]
Xs:ボールねじシャフト76の軸方向変位[m]
Ka:ボールねじシャフト76とナット77との間の� �方向ばね剛性[N/m]
Xn:ボールねじシャフト76を基準としたナット7 7の変位[m]
L:ボールねじシャフト76のリード[m]
θs:ボールねじシャフト76の回転角度[rad]
ft:リニアガイドの摩擦力[N]
Xt:テーブル変位[m]
Bb:ベアリング78のバックラッシ量[m]
Bn:ボールねじシャフト76とナット77との間の� �ックラッシ量[m]
R:R=L/2π

 以上のように、微小変位領域における非常� ��低速のテーブル10の移動では、バックラッ� �内部に存在するばね特性、及びリニアガイ� �に存在する非線形な摩擦特性が影響する。� �れ故、モータトルク指令からバックラッシ� �を推定することは難しい。
 例えば、テーブル10が動かないように固定� �てX軸モータ71を駆動した場合、位置指令が� �ックラッシ量を超えたところでモータトル� �指令が大きくなる。それ故、モータトルク� �令が変化したときの変位からバックラッシ� �を推定できると推測する。しかし、上記の� �法を実施することは、現実的には難しい。

 以上の理由から、バックラッシ量を推定� ��る方法は、テーブル10の慣性力を利用する� �とが有効である。バックラッシ内部に存在� �るばね特性の力よりも大きい慣性力が発生� �る条件でテーブル10を駆動した場合、変位が バックラッシ量より小さい領域(微小変位領� �)では、テーブル10は動かない。変位がバッ� �ラッシ量よりも大きい領域では、テーブル10 も動く。それ故、テーブル10が動くときのモ� ��タトルク指令の変化からバックラッシ量を� ��定できると考える。

 慣性力を発生させるには加速度を与える� ��とが必要である。加速度を与えるには、正� ��波往復運動を実施することが有効である。� ��弦波往復運動を実施すると、変位が最大に� ��るときに加速度は最大になる。

 図13、図14は、約20μmのバックラッシが存� ��する送り駆動機構において、周波数を10Hzに 固定し、位置指令の振幅が20~520μmまで20μm刻� ��で段階的に変化する運動を行った結果であ� ��。図13は、位置指令、及び位置フィードバ� �クの測定結果を示す。図14は、モータトルク 指令の測定結果を示す。各振幅では5往復、� �まり0.5秒間の正弦波往復運動を実施してい� �。位置フィードバックとは、モータ端に設� �たロータリエンコーダ71aが出力する回転角� �を、テーブル変位に換算したものである。

 図13に示すように、位置フィードバックの� �幅は、位置指令の振幅に比べて小さい。こ� �原因は、制御系の応答遅れであり、一般的� �現象である。
 図14に示すように、モータトルク指令の振� �は、位置フィードバックの振幅の変化(慣性� ��の変化)に関係なくほぼ一定である。

 運動中のモータトルク指令には、送り駆� ��機構に作用する摩擦力、及び慣性力の両方� ��影響する。別途行った測定では、等速運動� ��のモータトルク指令の値は0.5~1.0Nmであった� ��図14に示すように、モータトルク指令の振� �の値はほぼ1.0Nmである。それ故、10Hzの往復� �動では慣性力よりも摩擦力による影響が支� �的となり、バックラッシによる影響が現れ� �くいと推定する。

 図15、図16には、図13、図14と同じ測定実� �を周波数50Hzで行った場合の結果を示す。各� ��幅での往復運動は、0.5秒ずつ行っている。� ��15に示すように、位置フィードバックの振� �は、周波数が10Hzである場合(図13参照)と比べ て小さい。この原因は、制御系の応答遅れで ある。図16に示すように、周波数が10Hzである 場合の結果(図14参照)とは大きく異なり、2秒� ��近でモータトルク指令の振幅が急激に大き� ��なる。以後、モータトルク指令の振幅は直� ��的に大きくなっている。

 この原因は、2秒付近で位置フィードバッ クの振幅がバックラッシ量を上回り、以後は テーブル10も一緒に運動することにある。そ� ��故、モータトルク指令は、位置フィードバ� ��クの振幅の増加に伴い慣性力が増加するこ� ��で大きくなる。2秒経過前は、位置フィード バックの振幅がバックラッシ量より小さい。 それ故、モータ71及びボールねじシャフト76� �みが運動し、慣性力が小さい。以上のよう� �、慣性力が支配的な状況で運動を行うと、� �ックラッシによる影響がモータトルク指令� �明確に現れる。

 質量Mのテーブル10に振幅A、角振動数ωの往� ��運動を実施したときの慣性力Fは、式(3)とな る。慣性力Fは、角振動数ωの2乗に比例する� �式(3)が表す慣性力Fが、摩擦力、及びバック� ��ッシが持つばね特性の力よりも十分大きく� ��る条件を決めて往復運動を実施すれば、バ� ��クラッシによる影響がモータトルク指令に� ��れる。
  F=-MAω ² sinωt               (3)

 図15、図16と同じ実験を、バックラッシが ない正常状態、約40μmのバックラッシが存在� ��る状態、約50μmのバックラッシが存在する� �態の3通りの場合について行った。図17は、� �述した実験における位置フィードバックの� �幅とモータトルク指令の振幅との相関関係� �示す。図17に示すように、バックラッシがな い場合には、位置フィードバックの振幅と、 モータトルク指令の振幅とが比例関係にある 。バックラッシが存在する場合には、バック ラッシ量に相当する位置フィードバックの振 幅、及びバックラッシ量よりも大きい位置フ ィードバックの振幅となると、モータトルク 指令の振幅が急激に大きくなっている。

 図18は、テーブル10に配置する負荷質量を 変えて上記の実験を行った場合の実験結果を 示す。実験は、約40μmのバックラッシが存在� ��る状態で行った。図18に示すように、テー� �ル10に配置する負荷質量が増えると、モータ トルク指令の振幅は、位置フィードバックの 振幅がバックラッシ量より大きい領域で増大 する。反対に、モータトルク指令の振幅が変 化する変位は、テーブル10に配置する負荷質� ��が増えても変化がない。

 以上の結果から、モータトルク指令の振� ��が大きく変化するときの位置フィードバッ� ��の振幅に基づいて、送り駆動機構に存在す� ��バックラッシの大きさ(バックラッシ量)を� �定することができる。モータトルク指令の� �幅は、バックラッシ量を境にステップ状に� �化するのではなく、位置フィードバックの� �幅の増加に従って緩やかに変化している。� �因は、バックラッシが存在する場合のばね� �性が、変位の関数として滑らかに変化して� �ることによると考える。

 図17、図18に示すような結果からバックラ ッシ量を推定する方法はいくつか考え得る。 本実施例では、モータトルク指令の振幅の2� �微分を使ってバックラッシ量を推定する。� �19、図20は、図17の結果からモータトルク指� �の微分(時間微分)を計算した結果を示す。図 19は、X軸の送り駆動機構についての結果であ る。図20は、Y軸の送り駆動機構についての結 果である。マシニングセンタ1では、Y軸送り� ��動機構の上にX軸送り駆動機構を配置してい る。それ故、Y軸の被駆動体の質量は、X軸の� ��駆動体の質量と比べてかなり大きい。Y軸の 送り駆動機構にバックラッシは存在していな い。

 図19によれば、バックラッシが存在する� �合、モータトルク指令の振幅の微分は、位� �フィードバックの振幅がバックラッシ量に� �当するときに大きい。言い換えると、モー� �トルク指令の振幅は、バックラッシ量に相� �する位置フィードバックの振幅時に急激に� �化している。それ故、モータトルク指令の� �幅の微分が最大になるときの位置フィード� �ックの振幅を、バックラッシ量の推定値と� �ることもできる。しかし、単に微分の最大� �をみてバックラッシ量を推定すると、実際� �はバックラッシが存在しない場合にもバッ� �ラッシ量を推定することになる。例えば、� �19に示したバックラッシがない場合の結果を 見ると、位置フィードバックの振幅が約120μm であるときに微分が最大になる。この場合、 バックラッシが存在しないにも関わらず、バ ックラッシ量が120μmであると誤って推定する こととなる。

 誤った推定の実行を防止するために、閾� ��を設定する。モータトルク指令の振幅の微� ��の最大値が閾値以下ならば、バックラッシ� ��存在しないと判定する。図19の結果の場合� �閾値を1に設定すれば、実際にバックラッシ� ��存在する場合のみバックラッシ量を推定で� ��る。しかし、図20に示すY軸の送り駆動機構� ��ついての結果をみると、Y軸にはバックラッ シが存在しないにも関わらず、モータトルク 指令の振幅の微分が閾値を超えている。その 原因は、Y軸の負荷質量が大きく、慣性力が� �きいためである。

 モータトルク指令の振幅の微分からバッ� ��ラッシ量を推定する場合、被駆動体の質量� ��応じてバックラッシ判定の閾値を変える必� ��がある。それ故、実用上は不便である。図2 1には、X軸の送り駆動機構について、位置フ� ��ードバックの振幅と、モータトルク指令の� ��幅の2階微分との関係を示す。図22には、Y軸 の送り駆動機構について位置フィードバック の振幅と、モータトルク指令の振幅の2階微� �との関係を示す。モータトルク指令の振幅� �2階微分は、質量の大きいY軸送り駆動機構に おいても、設定した閾値以内に収まっている 。それ故、モータトルク指令の振幅の2階微� �を用いれば、閾値を変えることなく、バッ� �ラッシ量を推定することができる。

 以上のことから、運動伝達系に存在する� ��ックラッシ量を推定する処理のフローチャ� ��ト(図23、図25参照)を作成した。

 図23のデータ取得制御、及び図25のバック ラッシ量推定演算処理の制御プログラムは、 ROM52に予め格納している。制御装置50が、軸� �御回路61a,62a、及びサーボアンプ61,62を介し� �X軸、Y軸のモータ71,72を制御する。制御装置5 0は、周波数を固定して振幅が変化する正弦� �往復運動をX軸、Y軸の送り駆動機構に実行す る。図23、図25のフローチャート中の符号Si(i= 1,2,・・)は、各ステップを示す。

 図23に示すフローチャートは、制御装置50に 操作入力部81からの所定の開始指令を入力す� ��と実行する。CPU51は、位置指令の振幅Xを20μ m(初期値)に設定する(S1)。CPU51は、周波数50Hz� �位置指令の振幅Xμmの往復運動を、X軸、Y軸� �送り駆動機構に実行する(S2)。
 CPU51は、モータトルク指令の値、及び位置� �ィードバックの値を、1msec周期で取得し、RAM 53に格納する(S3)。モータトルク指令、位置フ ィードバックの値は、軸制御回路61a,62aが入� �力するデータから取得することができる。� �24は、S3において取得した値の例を示す。

 CPU51は、0.5秒が経過したか否かを判定す� �(S4)。経過していない場合(S4:No)、S2へ戻る。� ��過している場合(S4:Yes)、CPU51は、位置指令の 振幅が520μm又は520μmより大きいか否かを判定 する(S5)。520μmより小さい場合(S5:No)、CPU51は� �位置指令の振幅Xを20μmインクリメントし(S6)� ��S2へ移行する。位置指令の振幅が520μm又は52 0μmより大きい場合(S5:Yes)、必要なデータを取 得したので、処理を終了する。

 次に、図25のフローチャートについて説明� �る。
 図25に示すバックラッシ量推定演算処理は� �操作入力部81から所定の開始指令を入力する と、CPU51が実行する。CPU51は、データ取得制� �(図23参照)で取得した値から、位置フィード� ��ックの振幅とモータトルク指令の振幅との� ��関関係を示す相関データを算出する。CPU51� �、算出した結果を時系列に沿ってRAM53に格納 する(S10)。図17は、算出した相関データを示� �図である。図23の制御、及びS10の制御を実行 する制御装置50がデータ取得部に相当する。

 CPU51は、位置フィードバックの振幅とモー� �トルク指令の振幅との相関データを処理し� �モータトルク指令の振幅の2階微分を算出す� ��(S11)。図21、図22は、モータトルク指令の振� ��の2階微分をグラフ化した図である。微分と は、S10において時系列に沿って記憶した演算 結果について、隣り合う値の差分値を求める ことである。2階微分とは、微分で求めた値� �差分を求めることである。
 CPU51は、モータトルク指令の振幅の2階微分� ��最大値が所定の閾値又は閾値より大きいか� ��定する(S12)。所定の閾値は、例えば1.0Nmであ る。CPU51は、閾値未満と判定した場合には(S12 :No)、機械は正常(有害なバックラッシが存在� ��ない)と判断し(S13)、処理を終了する。

 CPU51は、2階微分の最大値が所定の閾値又は� ��値より大きいと判定した場合には(S12:Yes)、� ��ータトルク指令の振幅の2階微分が最大とな るデータ番号NをRAM53に格納する(S14)。CPU51は� �データ番号Nの位置フィードバックの振幅を� ��ックラッシ量Bと推定する(S15)。CPU51は、Bmm� �バックラッシ量を検出した旨のメッセージ� �表示器82に表示出力し、Bmmのバックラッシ量 を検出したことをRAM53に記憶する(S16)。S16の� �、この制御は終了する。図25のS11~S16の制御� �実行する制御装置50がバックラッシ量演算部 に相当する。
 本実施例においては、2階微分が最大となる ときを、モータトルク指令の振幅が急激に変 化したときとしている。精度が低くても問題 がない場合は、2階微分を用いずに微分を用� �てもよい。その場合、RAM53に格納したモータ トルク指令の振幅の差分が最大となるときを 、急激に変化したときと判断する。

 図26は、バックラッシ量の異なる送り駆� �機構について実験した結果を示す。図26に示 すように、実測値との間の誤差を10μm以内と� ��てバックラッシ量を推定することができた� ��図27は、約40μmのバックラッシをもつ送り駆 動機構において、テーブル10にのせる負荷質� ��を4通りに変えた場合の実験結果を示す。図 27によれば、負荷質量の違いがバックラッシ� ��の推定結果に影響する。

 以上説明したように、制御装置50は、周� �数が一定で振幅が徐々に大きくなる正弦波� �復運動をテーブル10に実行させて、位置フィ ードバックの振幅とモータトルク指令の振幅 との関係からバックラッシ量を推定する。実 施例1では、往復運動の位置指令の振幅を20μm から520μmまで段階的に変化させたが、往復運 動の位置指令の振幅を連続的に変化させても よい。往復運動の位置指令の振幅は、振幅を 大きくしていくのではなく、小さくしていっ てもよい。往復運動の位置指令は、振幅及び 周波数の両方を変化させてもよい。

 制御装置50は、サーボモータ71,72を駆動制 御し、モータトルク指令及び位置フィードバ ックのサーボデータを取得する。制御装置50� ��、取得したデータから、位置フィードバッ� ��の振幅とモータトルク指令の振幅との相関� ��ータを取得する。制御装置50は、取得した� �関データを解析することでバックラッシ量� �推定する。それ故、作業者は、運動伝達系� �存在するバックラッシを、特別な測定器を� �うことなく、簡単に短時間で、かつ高精度� �推定できる。制御装置50は、モータトルク指 令の振幅の2階微分を算出して、2階微分が最� ��となる位置フィードバックの振幅をバック� ��ッシ量として推定する。それ故、制御装置5 0は、負荷質量の大小に関係しない閾値を用� �て、バックラッシ量の存在を判定すること� �できる。

 制御装置50は、振幅が徐々に変化する往� �運動を実行させるので、モータトルク指令� �変化率が大きいときの位置フィードバック� �振幅を精度良く検知することができる。

 実施例2では、位置指令の振幅を変化させる のではなく、位置指令の振幅は一定として周 波数を段階的に徐々に変化させる往復運動を テーブル10に行わせる方法を採用した。一定� ��振幅を指令したとしても、制御系の特性の� ��響で、実際には周波数によって位置フィー� ��バックの振幅が変化する。それ故、振幅を� ��々に変化させる場合と同じ効果を得ること� ��できる。
 周波数が高いときに位置フィードバックの� ��幅が小さくなるので、結果的に、小さい振� ��の運動でも相応の加速度を発生させること� ��できる。それ故、小さいバックラッシ量の� ��出が可能になると考える。

 図28、図29は、位置指令の振幅を0.1mmとし� ��周波数を10Hzから260Hzまで段階的に変化させ� ��往復運動を行った場合の結果を示す。図28� �、位置フィードバック(変位)の測定結果であ る。図29は、モータトルク指令の測定結果で� ��る。図28、図29によれば、周波数の変化に伴 って位置フィードバック及びモータトルク指 令の振幅が段階的に変化していることがわか る。

 図28、図29と同じ実験を、バックラッシが ない正常状態、バックラッシ量が約10μmの状� ��、バックラッシ量が約30μmの状態の3通りの� ��り駆動機構について行った。同実験の結果� ��ら、各周波数における位置フィードバック� ��振幅及びモータトルク指令の振幅を求めた� ��図30に、横軸を周波数として位置フィード� �ックの振幅をプロットした結果を示す。図31 に、横軸を周波数としてモータトルク指令の 振幅をプロットした結果を示す。

 図30によれば、周波数が高くなればなる� �ど位置フィードバックの振幅が小さくなる� �とがわかる。図31では、モータトルク指令の 振幅は、ある周波数までは大きくなる。モー タトルク指令の振幅は、極大値をとった後は 減少に転じ、その後再び増加している。モー タトルク指令の振幅が極大になる周波数、及 び極小になる周波数が、機構に存在するバッ クラッシの大きさによって変化していること がわかる。

 即ち、振幅が大きい低周波数域ではテー� ��ル10も一緒に運動している。周波数が高く� �ると、慣性力が増加してモータトルク指令� �大きくなる。さらに周波数が高くなると、� �置フィードバックの振幅がバックラッシ量� �り小さくなり、モータの回転運動がテーブ� �まで伝わらなくなる。それ故、モータトル� �指令の振幅が減少する。それ以上周波数を� �げると、位置フィードバックの振幅はさら� �小さくなるが、モータ及びボールねじシャ� �トの慣性モーメントの影響で、モータトル� �指令の振幅が増加する。

 以上のことから、モータトルク指令の振� ��が極小になるときの位置フィードバックの� ��幅がバックラッシ量に相当すると考える。� ��32は、約25μmのバックラッシが存在する状態 でテーブル10に負荷質量を与えた実験での、� ��置フィードバックの振幅の測定結果を示す� ��図33は、前述した実験におけるモータトル� �指令の振幅の測定結果を示す。図32、図33に� ��れば、モータトルク指令の振幅が極小とな� ��80Hzよりも周波数が高い領域では、モータト ルク指令の振幅は、負荷質量が変化しても変 化していない。

 周波数が80Hzよりも低い領域では、モータ トルク指令の振幅は、負荷質量を増やすと増 加しているので、テーブル10が往復運動して� ��ることがわかる。即ち、図33から、モータ� �ルク指令の振幅が極小となる周波数が80Hzで� ��ることがわかる。図32から、周波数が80Hzで� ��るときの位置フィードバックの振幅は25μm� �決定できる。この位置フィードバックの振� �25μmをバックラッシ量であると推定すること ができる。

 図34は、データ取得制御処理のフローチ� �ートである。図35は、バックラッシ量推定演 算処理のフローチャートである。

 データ取得制御処理、バックラッシ量推� ��演算処理の制御プログラムは、制御装置50� �ROM52に予め格納している。図34、図35のフロ� �チャート中の符号Si(i=1,2・・)は、各ステッ� �を示すものである。

 図34に示すデータ取得制御は、操作入力部81 から所定の開始指令を入力すると、CPU51が実� ��する。CPU51は、周波数Yを10Hz(初期値)に設定� ��る(S20)。CPU51は、周波数YHz、位置指令の振幅 0.1mmの往復運動を、X軸の送り駆動機構につい て実行する(S21)。
 CPU51は、モータトルク指令、及び位置フィ� �ドバックの値を、1msec周期で取得し、RAM53に� ��納する(S22)。モータトルク指令、及び位置� �ィードバックの値は、軸制御回路61aが入出� �するデータから取得する。

 CPU51は、0.5秒が経過したか否かを判定す� �(S23)。0.5秒経過していない場合(S23:No)、S21へ� ��る。0.5秒経過した場合(S23:Yes)、CPU51は、周� �数YHzが260Hz又は260Hzより大きいか否かを判定� ��る(S24)。260Hz未満の場合(S24:No)、CPU51は、周� �数Yを10Hzインクリメントし(S25)、S21へ移行す� ��。周波数YHzが260Hz又は260Hzより大きい場合(S2 4:Yes)、必要なデータを取得したので、CPU51は� ��処理を終了する。

 次に、図35のフローチャートについて説明� �る。
 バックラッシ量推定演算処理は、操作入力� ��81から所定の開始指令を入力すると、CPU51が 実行する。データ取得制御(図34参照)で取得� �たサーボデータを用いて、CPU51は、位置フィ ードバックの振幅(図32参照)、及びモータト� �ク指令の振幅(図33参照)を算出する。CPU51は� �算出した結果を時系列に沿ってRAM53に記憶す る(S30)。CPU51は、モータトルク指令の振幅が� �初に極大になる周波数f1をサーチする(S31)。

 CPU51は、周波数f1でのモータトルク指令の 振幅が、等速運動時のモータトルク指令の2� �より小さいか否かを判定する(S32)。モータト ルク指令の振幅が、等速運動時のモータトル ク指令の2倍より小さい場合(S32:Yes)、CPU51は、 モータトルク指令の振幅が次に極大になる周 波数f1をサーチし(S33)、S34へ移行する。モー� �トルク指令の振幅が、等速運動時のモータ� �ルク指令の2倍より小さくない場合(S32:No)、CP U51は、そのままS34へ移行する。CPU51は、周波� ��がf1又はf1より大きく、且つモータトルク指 令の振幅が最小になる周波数f2をサーチする( S34)。CPU51は、周波数f2での位置フィードバッ� ��の振幅を、バックラッシ量Bと推定する(S35)� ��

 CPU51は、Bmmのバックラッシ量を検出した旨� �メッセージを表示器82に表示出力し、Bmmのバ ックラッシ量を検出したことをRAM53に記憶す� ��(S36)。S36の後、この制御は終了する。図34の 制御、及びS30の制御を実行する制御装置50が� ��ータ取得部に相当する。図35のS31~S36の制御� ��実行する制御装置50がバックラッシ量演算� �に相当する。
 上記実施例2では、CPU51は、周波数を10Hzから 260Hzまで段階的に変化させたが、連続的に変� ��させてもよい。周波数は、大きくしていく� ��ではなく、小さくしていってもよい。振幅� ��び周波数は、両方を変化させてもよい。

 図36は、周波数を変化させてバックラッシ� �を推定する方法を、種々の状態の送り駆動� �構に適用した結果を示す。
 図36に示すように、実測値との間の誤差を10 μm以内としてバックラッシ量を推定すること ができた。周波数を変化させる方法では、閾 値の設定等に注意を払う必要はないので、よ り実用的である。

 以上説明したように、制御装置50は、振� �が一定で周波数が徐々に大きくなるような� �弦波往復運動をテーブル10に実行させる。制 御装置50は、モータトルク指令及び位置フィ� ��ドバックのデータを取得する。制御装置50� �、取得したデータから、位置フィードバッ� �の振幅と周波数との相関データ、及びモー� �トルク指令の振幅と周波数との相関データ� �算出する。制御装置50は、モータトルク指令 の振幅が最小となる周波数のときの位置フィ ードバックの振幅をバックラッシ量と推定す る。それ故、送り駆動装置のバックラッシ量 検知方法及びバックラッシ量検知装置は、送 り駆動機構に存在するバックラッシの大きさ を簡便かつ定量的に精度よく評価できる。送 り駆動装置のバックラッシ量検知方法及びバ ックラッシ量検知装置は、運動伝達系に存在 するバックラッシを、特別な測定器を使うこ となく、簡単に短時間で、且つ高精度に推定 できる。

 本実施例では、往復運動として正弦波を用� ��ているが、余弦波を用いてもよい。
 本実施例では、モータトルクの振幅として� ��モータトルク指令の振幅を用いているが、� ��動電流値を用いてもよい。

 本発明は、サーボモータの回転運動を、� ��動伝達機構を介して被駆動体に伝える構造� ��もつ機械装置全般に適用できる。例えば、� ��作機械、各種搬送装置、各種製造装置、各� ��ロボット、電動パワーステアリング、航空� ��の補助翼駆動機構、原子力プラントの燃料� ��昇降装置、縫製装置などに適用できる。