CN101221448A

CN101221448A - 旋转轴位置控制装置

Info

Publication number: CN101221448A
Application number: CNA2008100004736A
Authority: CN
Inventors: 江口悟司
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: ITRM20080014A1; JP2008171165A; US7750592B2; JP4673326B2; DE102008003051A1; US20080169778A1; CN101221448B

Abstract

本发明涉及一种位置控制装置。当执行转台的数控时，由于固定在转台上的所放置的物体，控制目标的惯性矩和重心会变化。放置物体所固定到的转台作为目标机械设备，将此实际动作与通过目标机械设备的辨识模型计算出的动作相比较，并且校正转矩命令值。所述辨识模型包括涉及角加速度的项和涉及旋转角的项，并且通过包括涉及旋转角的项，可以执行与重心的变化相对应的转矩命令值的校正。

Description

旋转轴位置控制装置

相关申请的引用

本申请要求享有于2007年1月11日提交的申请号为2007-003064的日本专利申请的优先权，其全文引用在此以做参考。

技术领域

本发明涉及应用于数控机床的旋转轴的位置控制装置。

背景技术

图3A和3B为示出了作为控制目标机械设备的旋转轴的力学模型的例子的图。转台(rotary table)50通过伺服电动机(未示出)以旋转角θ绕Zu轴旋转。Zu轴与由转台50的重心G所描绘的旋转轨迹平面之间的交点由原点Ou表示，Xu轴设定为关于旋转轨迹平面上的重心的垂直方向，并且设定余下的Yu轴以与Zu轴和Xu轴形成右手坐标系。

重心G到原点Ou的距离为L，并且当θ＝0时处于角度a的位置。根据各自的加工过程，各种类型的夹具/工具以及工件放置在转台50上，所以负载状态变化并且重心G的位置也变动。注意g表示重力加速度，角度b为在Yu轴和垂直于重力方向的平面之间形成的角度。

图4为示出了常规的位置控制装置200的例子的框图，所述位置控制装置200用于将前述旋转轴的旋转角θ控制到居先装置(precedencedevice)(未示出)中产生的位置命令值θc。

此装置具有前馈结构以增加命令响应的速度。具体地，位置命令值θc被微分器54时间微分以变成前馈速度Vf，并且Vf被微分器55时间微分以变成前馈加速度Af。放大器Cb中的放大率Cb为常量，其为了在旋转轴中产生加速度Af，对应于转换为旋转轴的电动机转矩确定前馈加速和减速转矩τf。通常地，Cb对应于包括电动机的传动系统的惯性矩的和，所述惯性矩已被转换为旋转轴，并且没有物体放置在转台50的惯性矩上。

常规的位置控制装置的前馈结构如下。首先，减法器51从位置命令值θc中减去由旋转角检测器(未示出)检测到的旋转角θ，并且作为其输出的位置误差被位置误差放大器Gp放大。而且，其输出被加法器52加到前馈速度Vf以变成速度命令值Vc。减法器53从速度命令值Vc中减去旋转角θ被微分器56微分后的旋转角速度ω，作为其输出的速度误差被速度误差放大器Gv普通地成比例地整体放大。此输出以及前馈加速和减速转矩τf被加法器57加到一起，变成旋转轴转换后的转矩命令值τc，该转矩命令值τc被功率放大器Ct放大Ct倍。Ct为根据伺服电动机的特性而确定的常量，此输出τ成为旋转轴转换后的产生的伺服电动机的转矩，并且驱动转台50。

如上所述，在常规的位置控制装置中，应用了增加了与标准线性特征(nominal linear characteristic)有关的前馈控制的总体结构，以增加命令响应速度，作为用于补偿由重力导致的非线性特征并且确保控制系统的内部稳定性的反馈控制。然而，如上所述，因为各种类型的不同的夹具/工具以及工件放置在转台上，所以惯性矩增加超过转台的惯性矩，并且重心变化。当这种情况发生时，前馈加速和减速转矩τf是不够的，反馈控制带(band)减小，并且重力导致的非线性特征增加，所以可控性变差，这导致在定位过程中定位性能下降以及由定位角产生的响应变化。

进一步，因为不能掌握这些波动因素，所以在居先装置的部分上不能判断用于函数生成(function-generating)位置命令值θc的加速度限制和离心力导致的速度限制。结果，不能产生有效的功能。而且，在没有减速机构的直接驱动应用过程中，前述的波动因素相应增加，趋于使得这些问题变得更大。

发明内容

考虑到背景技术中的这些问题，本发明的目的为提供一种位置控制装置，其中设置了能合适地响应惯性矩和重心的变化的反馈控制和前馈控制。

本发明的位置控制装置，从作为控制目标的数控机床的旋转轴的实际动作，和由其中用数学模型表示控制目标的辨识模型(identificationmodel)计算出的动作之间的误差，来确定辨识模型的每一个参数，并且基于这些参数来校正到控制目标的输入。

所述辨识模型为描述旋转轴动作的运动方程，并且包括涉及角加速度的项和涉及旋转角的项。关于此辨识模型，所述位置控制装置基于实际的角加速度和控制目标的旋转轴的旋转角以及与数控机床有关的转矩命令值，来辨识所述辨识模型的参数。另外，所述位置控制装置利用所辨识的参数来校正转矩命令值，并且执行与控制目标的当前条件一致的控制。

特别地，在本发明的位置控制装置中，所述辨识模型包括涉及旋转角的项。因此，所述位置控制装置可以根据随着旋转角波动的负载来校正转矩命令值。例如，当控制目标的重心从旋转轴线偏离并且此轴线非垂直时，由于作用在重心上的重力，所述负载随着旋转角波动。即使以这样的控制目标，所述位置控制装置也可以执行遵从负载波动的控制。

附图说明

图1为示出了本发明实施例的旋转轴的位置控制装置结构的框图；

图2为描述了实施例的自适应循环(adaptive loop)计算单元的结构的框图；

图3A和3B为作为目标机械设备的旋转轴的普通的机械模型；及

图4为示出了旋转轴的常规位置控制装置的示例结构的框图。

具体实施方式

下面，将参照附图描述本发明的实施例。

关于图3A和图3B的目标机械设备，从那里导出运动方程。在此例子中，旋转角θ满足通用坐标系，并且获得运动方程(1)。

τ＝(ML²+Iz+Im)(dω/dt)+M·g·L·SINb·COS(θ+a)…(1)

这里，M为整个转台的质量，所述转台包括放置或安装于其上的各种类型的夹具/工具以及工件，Iz为整个转台围绕与穿过重心G运行的Zu轴平行的轴的惯性矩，Im为包括电动机的传动系统的旋转轴转换后的惯性矩。

现在，三维信号矢量ξ和参数矢量γ由表达式(2)和(3)限定(此后，矩阵和矢量的变换通过附加上标“^T”来表示)。

ξ＝[dω/dt，COSθ，-SINθ]^T…(2)

γ＝[ML²+Iz+Im，MgLSbCa，MgLSbSa]^T…(3)

(这里，Sb＝SINb，Ca＝COSa，Sa＝SINa)

表达式(1)的运动方程可以用表达式(4)的实际系统模型来表示。

τ＝Ct·τc＝ξ^T γ…(4)

图1为示出了根据本发明的位置控制装置100的结构的框图。注意，在此框图中，相同的名字和标号表示与图4(常规例子)中的相同的部件，并且省略重复的描述。自适应循环计算单元2从转矩命令值τc和信号矢量ξ来计算辨识参数矢量γ_ID，所述γ_ID为参数矢量γ的估计值。

图2为示出了自适应循环计算单元2的结构的框图。通用自适应律21通过已知的表达式(5)和(6)来计算辨识参数矢量γ_ID(参考鲁棒自适应控制(Robust Adaptive Control)，Ohmsha出版，第62页，等)。(此后，(k)表示每确定采样时间在时间序列信号中的第k次循环的信号)

γ_ID(k)＝γ_ID(k-1)-p(k-1)·ξ(k)·ξ(k)^TΦ(k)…(5)

P(k)^-1＝C₁(k)·P(k-1)^-1+C₂(k)·ξ(k)·ξ(k)^T…(6)

这里，0＜C₁(k)≤1，0≤C₂(k)＜2，P(0)＞0。

乘法器22将信号矢量ξ(k)和辨识参数矢量γ_ID(k)相乘以获得标量信号ξ(k)^Tγ_ID(k)。所述信号等于当减法器23从此标量信号ξ(k)^Tγ_ID(k)减去伺服电动机产生的转矩τ(k)时获得的信号，且所述信号为如下的标量误差ξ(k)^TΦ(k)。换句话说，如下的标量误差ξ(k)^TΦ(k)可以利用表达式(5)由表达式(7)表示，并且因而利用先前一个周期的γ_ID(k-1)计算出来。

ξ(k)^TΦ(k)＝ξ(k)^Tγ_ID(k)-τ(k)

＝ξ(k)^T{γ_ID(k-1)-p(k-1)·ξ(k)·ξ(k)^TΦ(k)}…(7)

这里，将描述表达式(8)的矩阵K(k)，其中信号矢量ξ(k)^T排列在在时间序列中的列方向中。

K(k)＝[ξ(1)，ξ(2)，…，ξ(k)]^T…(8)

已知当矩阵K(k)连续列满秩时，k→∞，γ_ID(k)→γ，建立参数辨识，并且当参数矢量γ比平均响应足够慢时，将获得跟随变化的辨识参数矢量γ_ID(k)。

在表达式(6)中，因为对于k的任意值都确保P(k)＞0，所以P(k)的奇异值σ(P(k))与特征值λ(P(k))相匹配。因此，当表达式(8)的矩阵K(k)从某一时间开始持续失去列满秩时，当C₁(k)＜1，表达式(6)意味着λmax(P(k))→∞。因为这意味着P(k)的某一元素{Pij}→∞，这最终导致P(k)变得不可计算。从上面可知，可以理解，即使当矩阵K(k)持续失去列满秩时，P(k)保持有界，并且等价的C₁(k)→1。

在此例中，在已知的通用自适应律中利用了固定迹(constant trace)算法。这是因为，既然tr[P(k)]＞λmax(P(k))，当P(k)被任意值k控制为tr[P(k)]＝tr[P(0)]：(确定值)时，P(k)可以保持有界。因此，C₁(k)通过表达式(9)来确定。

C₁(k)＝1-[|P(k-1)ξ(k)|²/{C+ξ(k)^TP(k-1)}]·[1/tr{P(0)}]…(9)

这里，C＝C₁(k)/C₂(k)：(确定值)＞0.5。

然后，因为即使当矩阵K(k)由于前述原因持续失去列满秩时，P(k)也保持有界，所以从表达式(9)中C₁(k)→1并且P(k-1)ξ(k)→0；因此，可以理解表达式(5)的参数辨识操作停止。反过来，当矩阵K(k)恢复其列满秩时，表达式(6)的λmax(P(k))变小并且tr{P(k)}为常量，所以其他特征值变大。然后，在表达式(9)中，C₁(k)变得小于1，表达式(5)的参数辨识操作恢复并且被执行。

回到图1，将描述本实施例的操作。信号矢量产生单元1执行与旋转角θ有关的三角函数计算，计算COSθ和-SINθ，求旋转角速度ω的微分，并且确定dω/dt。换句话说，信号矢量产生单元1作为产生表达式(2)中的信号矢量ξ的源信号的模块。这里，乘法器4将此输出与参数辨识控制单元3的二进制(1或0)输出IDC相乘，变成作为自适应循环计算单元2的输入的信号矢量ξ。

然后，将描述参数辨识控制单元3的操作。运动方程(1)不包括施加到目标机械设备上的误差和干扰。因此，当出现误差和干扰时，误差出现在辨识结果中。进一步，当表达式(8)的矩阵K(k)不能确保列满秩时，参数辨识操作不能起作用，所以在表达式(2)的信号矢量ξ中，dω/dt≠0变成参数辨识的必要条件。而且，对于图1中的功率放大器Ct，当旋转角速度ω变大时，可控性下降，并且精确地实行Ct倍的功率放大变得困难。

从上可知，参数辨识控制单元3应用与前馈速度Vf、前馈加速度Af以及来自居先装置的参数辨识控制二进制信号OIDC有关的表达式(10)到(12)的逻辑表达式组，输出二进制信号IDC，并且控制参数辨识操作的执行/停止。当表达式(12)被满足时，1作为IDC被输出。

cond1＝(0＜Vf≤Vmax)∩(0＜Af)…(10)

cond2＝(-Vmax≤Vf＜0)∩(Af＜0)…(11)

IDC＝(cond1∪cond2)∩OIDC…(12)

这里，Vmax(＞0)为功率放大器Ct准确地执行Ct倍功率放大的速度极限值，cond1提取正方向加速度状态，cond2提取负方向加速度状态。减速状态使得辨识操作停止，使得控制参数(后面描述的G_ID和τfn)在定位过程中没有变化。对于参数辨识控制二进制信号OIDC，具有来自外部环境对转台50的处理和接触，并且当假定施加有波动时，可以通过从居先装置输出0来停止参数辨识操作。

自适应循环计算单元2的辨识参数矢量γ_ID的第一元素从表达式(3)变为目标机械设备中的运动方程(1)的惯性矩的辨识值(ML²+Iz+Im)。惯性矩系数计算单元5利用此作为输入通过表达式(13)输出惯性矩系数G_ID。

G_ID＝(ML²+Iz+Im)_ID/(Cb·Ct)…(13)

惯性矩系数G_ID通过乘法器8与加法器57的输出相乘。因此，前馈加速和减速转矩τf变成与运动方程(1)中的右侧上的第一项的线性部分相应的合适的量。

进一步，当Gv(s)表示速度误差放大器Gv的传输特性时，这使得传输特性Gv′(s)需要应用确定的速度控制循环特性来满足表达式(14)，所述传输特性根据包括电动机的传动系统和转台50的惯性矩来初始设置。

Gv′(s)/(ML²+Iz+Im)＝Gv(s)/(Cb·Ct)…(14)

因此，对于乘以表达式(13)的惯性矩系数G_ID，速度误差放大器Gv的传输特性变成G_ID·Gv(s)，并且与表达式(14)的Gv′(s)相匹配，所以使得速度控制循环特性为常量。换句话说，使得包括位置循环的反馈控制带为常量。

自适应循环计算单元2的辨识参数矢量γ_ID的第二和第三元素从表达式(3)变为(MgLSbCa)_ID和(MgLSbSa)_ID。非线性元素计算单元6执行关于位置命令值θc的三角函数，计算COSθc和-SINθc，并且通过以辨识参数矢量γ_ID的第二和第三元素计算表达式(15)来确定非线性元素转矩补偿τf。

τfn＝(1/Ct){(MgLSbCa)_ID·COSθc+(MgLSbSa)_ID·(-SINθc)}…(15)

这里，Ct·τfn可以当作MgLSb·COS(θc+a)，所以其变成作为运动方程(1)的非线性元素的右侧的第二项的估计值。因此，通过加法器9将τfn加到乘法器8的输出，可以获得关于非线性元素的前馈补偿。

约束信息计算单元7从自适应循环计算单元2的辨识参数矢量γ_ID来执行表达式(16)的计算。

(MgLSb)_ID＝{(MgLSbCa)_ID ²+(MgLSbSa)_ID ²}^1/2…(16)

(MgLSb)_ID意味着所述非线性元素的最大振幅，所以根据伺服电动机的旋转轴转换后的产生的转矩极限值τ_LIM来执行表达式(17)的计算，这是已知的。

A_LIM＝{τ_LIM-(MgLSb)_ID}/(ML²+Iz+Im)_ID…(17)

A_LIM表示位置控制装置在当前负载条件下所能实现的最大角加速度。

下面，因为重力加速度g和角度b已知，所以可以从表达式(16)的(MgLSb)_ID计算表达式(18)。ML_ID可以被视作在当前负载条件下的(质量)×(重心和旋转中心轴之间的距离)。

ML_ID＝(MgLSb)_ID/(gSb)…(18)

约束信息计算单元7利用已经计算出的A_LIM和ML_ID作为当前负载条件下的约束信息，并且将它们输出到居先装置。在这些控制信息的范围内执行位置命令值θc的函数生成。

从根据本实施例的位置控制装置输出的角速度ω和ML_ID确定的ML_IDω²可以被视作施加到Zu轴的离心力；即，转台50的旋转中心轴。因此，居先装置可以从驱动单元的容许径向负载来确定所允许的最大角速度V_LIM，并且可以执行相应于当前负载条件的位置命令值θc的最优函数生成，以匹配前述的最大角速度A_LIM。

根据本实施例，相对于在数控机床的旋转轴中的重心和惯性矩中的波动，反馈控制带为常量。而且，关于线性特征和非线性特征，适当地设定前馈控制，所以可控性不会变差，并且可以消除定位性能的降低和在定位过程中由定位角导致的响应变化。进一步，可以在居先装置部分上确定与负载状态相对应的加速度限制以及离心力导致的速度限制，所以位置命令值θc的最优函数生成是可能的。而且，从这些得到的控制效果在不具有减速机构的直接驱动应用的过程中变得更显著。

Claims

1.一种位置控制装置，其具有通过位置和速度的反馈循环以及速度、加速和减速转矩的前馈来确定伺服转矩的转矩命令值的结构，并且根据来自居先装置的位置命令值通过伺服电动机来控制数控机床的旋转轴的旋转角，所述位置控制装置包括：

信号矢量产生单元，其基于旋转轴的实际运动来产生基于角加速度和其旋转角的信号矢量；

自适应循环计算单元，其基于包括旋转轴的目标机械设备的运动方程，从所述信号矢量以及与辨识模型有关的旋转轴转换的转矩命令值来执行自适应辨识，并且计算参数矢量的估计值，所述运动方程包括与旋转轴的角加速度相关的项和与旋转角相关的项，所述参数矢量包括涉及与辨识模型的角加速度有关的项的系数的元素，和涉及与旋转角有关的项的系数的元素；

惯性矩系数计算单元，其基于涉及与所述参数矢量的估计值中的角速度有关的项的系数的元素，来计算惯性矩系数；以及

非线性元素计算单元，其基于涉及与所述参数矢量的估计值中的旋转角以及旋转轴的旋转角有关的项的系数的元素，来计算非线性元素转矩补偿，

其中，所述位置控制装置通过所述惯性矩系数和所述非线性转矩补偿来校正所述转矩命令值。

2.如权利要求1所述的位置控制装置，进一步包括参数辨识控制单元，所述参数辨识控制单元控制是否执行自适应循环计算单元的自适应辨识，其中当前馈速度的绝对值等于或小于预定值并且前馈加速度的值不为0时，所述参数辨识控制单元执行控制来进行自适应辨识。

3.如权利要求1所述的位置控制装置，进一步包括约束信息计算单元，所述约束信息计算单元基于参数矢量的估计值的每个元素以及伺服电动机的预计产生的转矩极限值，来计算所述位置控制装置在当前条件下所能够达到的最大角速度，并且将此能够达到的最大角速度输出到位置控制装置的居先装置。

4.如权利要求1所述的位置控制装置，进一步包括约束信息计算单元，所述约束信息计算单元基于涉及与参数矢量的估计值的旋转角、重力加速度以及旋转轴的倾斜角有关的项的系数的元素，来计算目标机械设备的质量与重心和旋转中心轴之间的距离的乘积，并且将其作为限制信息输出到居先装置。