CN102577096A - 伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

控制部(100)对伺服电动机(40)进行反馈控制，对作为负载的工作台(02)进行伺服控制。反特性模型(300)求出对机械系统的动态的误差进行补偿的速度补偿信号(V₃₀₀)，进行前馈补偿控制。当滚珠丝杠(30)的螺纹部(31)的沿轴向的刚性变化时，刚性变化补偿部(400)根据该刚性变化，使反特性模型(300)的补偿控制用传递函数所包含的螺纹部的沿轴向的刚性值变化。由此，即使进给机构的滚珠丝杠(30)因经年变化或温度变化进行伸缩而沿着轴向的刚性变化，也能够补偿此种刚性变化，从而准确地对工作台(02)的位置进行伺服控制。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及伺服控制装置，致力于即使进给机构的滚珠丝杠因经年变化或温度变化而伸缩从而滚珠丝杠的刚性发生变化，也能够准确地对负载的位置进行伺服控制的技术。

背景技术

工业机械中，有通过伺服控制装置对负载的位置、速度进行伺服控制的情况。在此种工业机械中，将伺服电动机的旋转运动通过滚珠丝杠转换成直线运动，而使负载进行直线移动。

<机床的结构>

作为此种工业机械的代表例，包括机床。

基于图2，说明机床的一例。如该图所示，在机座01上配置工作台02，工作台02以能够沿着X方向移动的方式设置在机座01上。

在门形的立柱03上配置有升降自如(沿Z方向移动自如)的横导轨04。在横导轨04上，具备滑块06的鞍座05设置成能够沿着Y方向移动。

作为负载的工作台02的X方向移动通过进给机构来进行。而且，作为负载的鞍座05的Y方向移动也通过设置于横导轨04的另一进给机构来进行。这种情况下，工作台02或鞍座05的位置及移动速度要求高精度地控制。

在此，参照图3，说明对工作台02进行驱动的进给机构10及其周围的装置结构。

进给机构10构成为以由齿轮等构成的减速器20和滚珠丝杠30为主要部件。另外，在图3中，减速器20被简化图示。

滚珠丝杠30的螺纹部31中，其基端侧(图3中的左端侧)由旋转支承托架32a支承为旋转自如，而其前端侧(图3中的右端侧)由旋转支承托架32b支承为旋转自如。旋转支承托架32a、32b分别由轴承和托架构成，在机座01上分离配置。其中，旋转支承托架32b配置成将螺纹部31向基端侧(图3中的右侧)拉伸而对螺纹部31施加拉伸张力。

滚珠丝杠30的螺母部33与螺纹部31螺合，并与工作台02连接。

伺服电动机40的旋转运动由进给机构10的滚珠丝杠30转换成直线运动。

即，当伺服电动机40旋转时，其旋转力经由减速器20向螺纹部31传递而螺纹部31旋转。当螺纹部31旋转时，螺母部33沿着螺纹部31进行直线移动，对应于该螺母部33的直线移动而工作台02进行直线移动。

此时，伺服电动机40的旋转位置通过配置于伺服电动机40的脉冲编码器41来检测。脉冲编码器41在伺服电动机40的转子每旋转预先决定的旋转角度时输出脉冲信号。因此，从脉冲编码器41输出的信号(脉冲信号)成为表示伺服电动机40的转子的旋转位置的电动机位置信号θ_M，并且也成为表示伺服电动机40的旋转速度的电动机速度信号ω_M。

工作台02的直线移动位置通过直线尺等位置检测器34来检测。位置检测器34输出表示工作台(负载)02的位置的负载位置信号θ_L。

<反馈控制的说明>

在图3所示的机构中，为了进行工作台02的位置控制，通常使用古典控制理论即反馈控制。

参照图4，说明该反馈控制的方法。

如图4所示，控制部100具有减法器101、乘法器102、减法器103、比例积分运算器104。

减法器101输出位置指令信号θ与负载位置信号θ_L之差即位置偏差信号Δθ。乘法器102将位置偏差信号Δθ乘以位置环路增益K_P而输出速度偏差信号ΔV。减法器103输出速度偏差信号ΔV与电动机速度信号ω_M之差即速度指令信号V。

比例积分运算器104对速度指令信号V进行比例积分运算而输出转矩指令信号τ。

即，在比例积分运算器104中，使用速度环路增益K_v和积分时间常数T_v，进行τ＝V×{K_v(1+(1/T_vs))}这样的运算而求出转矩指令信号τ。另外，s是拉普拉斯算子(另外，在以下的说明中，“s”表示拉普拉斯算子)。

电流控制部110将成为与转矩指令信号τ对应的电流值的电流向伺服电动机40供给。由此，伺服电动机40进行旋转驱动。

这种情况下，虽然未图示，但以成为与转矩指令信号τ对应的电流值的方式进行电流的反馈控制。

如此，对驱动工作台02的伺服电动机40进行控制的控制部100通过以位置环路为主环路且以速度环路和电流环路为辅助环路这样的3重的环路来进行反馈控制。

图4是沿着X方向驱动工作台02的进给机构10的控制系统，但是沿着Y方向驱动鞍座05的进给机构的结构及其控制系统也为同样的结构。

然而，在图4所示的反馈控制中，相对于由位置指令信号θ指令的位置，实际的工作台(负载)02的位置延迟而进行追随。

<前馈控制的说明>

作为对在反馈控制中产生的控制延迟进行补偿的机构，向反馈控制加入前馈控制。

图5是向图4所示的反馈控制电路加入前馈控制部150及加法器151、152的图。

在前馈控制部150中，对位置指令信号θ进行微分，并乘以位置控制环路延迟补偿系数α，而求出位置延迟补偿信号C₁。而且，对位置延迟补偿信号C₁进行微分，并乘以速度控制环路延迟补偿系数β，而求出速度延迟补偿信号C₂。

并且，通过加法器151，将速度偏差信号ΔV加上位置延迟补偿信号C₁，进而，通过加法器152，将转矩指令信号τ加上速度延迟补偿信号C₂，由此进行前馈控制。

如此加上位置延迟补偿信号C₁来补偿位置延迟，加上速度延迟补偿信号C₂来补偿速度延迟，由此能够对在反馈控制中产生的位置延迟及速度延迟大致完全地进行补偿。

然而，即使是向反馈控制加入前馈控制的控制，也无法补偿控制对象即机械要素的弯曲或扭转等动态的变形引起的延迟或振动。

更具体地说明的话，进给机构10由减速器20和滚珠丝杠30构成，由于滚珠丝杠30的刚性有限，因此在轴移动等运动时，在滚珠丝杠30会发生扭转或弯曲，这会成为使加工精度恶化的原因。

<使用了控制对象的近似模型及反特性模型的控制的说明>

因此，提出了如下的技术：求出控制对象的近似模型，并求出该近似模型的反极性模型(补偿电路)，并在控制电路中加入反特性模型(补偿电路)，由此来补偿控制对象即机械要素的弯曲和扭转等动态的变形引起的延迟或振动(例如参照专利文献1～3)。

参照图6，说明将此种反特性模型(补偿电路)加入到控制部的控制方法的一例(专利文献3所示的技术)。另外，在图6中，对起到与图4相同功能的部分标注同一符号。

在图6所示的例子中，将机械系统的特性作为以伺服电动机40和负载即工作台02为质点的2质点系统的机械系统的模型来特别确定。

并且，该机械系统以通过控制部100进行伺服控制(反馈控制)的情况为基本控制，并通过反特性模型300进行前馈补偿控制。

如图6所示，对伺服电动机40的特性进行模型化而利用传递函数来表示时，由方框40-1和方框40-2所示。另外，J_M表示电动机惯量，D_M表示电动机粘性。

从方框40-1输出电动机速度信号ω_M，从方框40-2输出电动机位置信号θ_M。

而且在对负载即工作台02的特性进行模型化而利用传递函数表示时，由方框02-1、方框02-2、方框02-3所示。

另外，J_L表示负载(工作台)的惯量，D_L表示负载(工作台)的粘性，C_L表示进给机构10的沿着滚珠丝杠30(螺纹部31、支承托架32a、32b、螺母部33)的轴向的弹簧粘性，K_L表示进给机构10的沿着滚珠丝杠30(螺纹部31、支承托架32a、32b、螺母部33)的轴向的弹簧刚性。

减法器201求出电动机位置信号θ_M与负载位置信号θ_L的偏差(θ_M-θ_L)。方框02-1在被输入偏差(θ_M-θ_L)时，输出反作用力转矩信号τ_L。

反作用力转矩信号τ_L在被输入到方框02-2时，从方框02-3输出负载位置信号θ_L。

减法器202求出转矩指令信号τ与反作用力转矩信号τ_L的偏差(τ-τ_L)。该偏差(τ-τ_L)向方框40-1输入。

控制部100具有减法器101、乘法器102、减法器103a、比例积分运算器104。

减法器101输出位置指令信号θ与负载位置信号θ_L之差即位置偏差信号Δθ。乘法器102将位置偏差信号Δθ乘以位置环路增益K_P而输出速度偏差信号ΔV。

减法器103a输出从速度偏差信号ΔV加上从反特性模型300输出的速度补偿信号V₃₀₀所得到的值减去电动机速度信号ω_M后的速度指令信号V。

速度补偿信号V₃₀₀的详细情况在后面叙述，通过追加(补偿)该速度补偿信号V₃₀₀，来补偿在伺服电动机40、进给机构10、工作台(负载)02产生的“变形”、“弯曲”、“粘性”这样的误差要因，从而能够准确地进行工作台02的位置控制(伺服控制)。

比例积分运算器104对速度指令信号V进行比例积分运算而输出转矩指令信号τ。

伺服电动机40从电流控制器(图6中未图示)供给与转矩指令信号τ对应的电流而进行旋转驱动。这种情况下，虽然未图示，但以成为与转矩指令信号τ对应的电流值的方式进行电流的反馈控制。

如此，控制部100通过以位置环路为主环路且以速度环路和电流环路为辅助环路这样的3重的环路来进行反馈控制。

反特性模型300具有1次微分项运算部301、2次微分项运算部302、3次微分项运算部303、4次微分项运算部304、5次微分项运算部305、加法部310、比例积分反传递函数部311。

即，在反特性模型300中，通过在各微分项运算部301～305、加法部310、比例积分反传递函数部311分别设定的运算式，来设定对误差要因进行补偿的补偿控制用传递函数。

在各微分项运算部301～305和加法部310中，对伺服电动机40的动态的误差原因、进给机构10的动态的误差要因、及负载即工作台02的动态的误差要因进行补偿，从而设定以使负载位置信号θ_L表示的位置与位置指令信号θ表示的位置一致的方式进行补偿控制的补偿控制用传递函数。

该补偿控制用传递函数是由伺服电动机40、进给机构10及工作台(负载)02构成的机械系统的传递函数的反传递函数。另外，该反传递函数是省略了运算要素的一部分的函数。

具体而言，1次～5次的各微分项运算部301～305具有运算项a1s，a2s²，a3s³，a4s⁴，a5s⁵，对位置指令信号θ输出乘以了各运算项的运算信号。另外，s是拉普拉斯算子(微分算子)。

这种情况下，系数a1～a5的值如下所述设定。

其中，

K_V是速度环路增益，

K_L是滚珠丝杠30的沿着轴向的弹簧刚性，

T_V是积分时间常数，

D_M是伺服电动机40的粘性，

D_L是负载(工作台02)的粘性，

J_M是伺服电动机40的惯量，

J_L是负载(工作台02)的惯量。

【数学式1】

$a1=\frac{\mathrm{Kv}}{\mathrm{Tv}}$

$a2=D_M+D_L+\mathrm{Kv}+\frac{\mathrm{Kv}{D}_L}{\mathrm{Tv}{K}_L}.$

$a3=J_M+J_L+\frac{D_M{D}_L+\mathrm{Kv}{D}_L}{K_L}+\frac{\mathrm{Kv}{J}_L}{\mathrm{Tv}{K}_L}$

$a4=\frac{J_M{D}_L+J_L{D}_M+\mathrm{Kv}{J}_L}{K_L}$

$a5=\frac{J_M{J}_L}{K_L}$

比例积分反传递函数部311在比例积分运算部104的传递函数即K_v(1+(1/Tvs))的反传递函数即{Tv/K_v(Tvs+1)}×s中，具有{Tv/K_v(Tvs+1)}作为传递函数。并且，微分算子s对于各系数a1～a5分别分配。

另外，设定于比例积分反传递函数部311的传递函数{Tv/K_v(Tvs+1)}是根据控制系统的特性而决定的固定值(恒定值)。

若使用上述那样的反特性模型300进行控制补偿，则补偿伺服电动机40的动态的误差原因、进给机构10的动态的误差要因及负载即工作台02的动态的误差要因，从而能够准确地进行工作台02的位置控制。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3351990号公报

专利文献2：日本专利第3739749号公报

专利文献3：日本特开2009-201169号公报

然而，在图6所示的现有技术(专利文献3)或专利文献2的技术中，使进给系统的物理常数恒定而通过反特性模型(补偿电路)进行补偿，在专利文献1中，使用通过机械位置(例如工作台的位置)预先计测的进给系统的刚性值进行补偿。

因此，在专利文献1～3的技术中，进给系统即进给机构10的滚珠丝杠30(螺纹部31、支承托架32a、32b、螺母部33)因经年变化或温度变化进行伸缩而滚珠丝杠30的刚性发生变化时，存在难以进行高精度的补偿这样的问题。

即，当因经年变化或温度变化而螺纹部31的伸长状态发生变化时，滚珠丝杠30的沿着轴向的弹簧刚性K_L如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示那样发生变化。

另外，在图7(a)、图7(b)、图7(c)中，横轴表示负载位置(工作台02、螺母部33的位置)，横轴的左侧是旋转支承托架32a侧，横轴的右侧是旋转支承托架32b侧，纵轴表示弹簧刚性K_L。

图7(a)表示螺纹部31通过支承托架32a可靠地拉伸，螺纹部31通过支承托架32a和支承托架32b牢固地被支承(两端被固定支承)时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

图7(b)表示螺纹部31因温度变化等而沿轴向稍延伸，螺纹部31在支承托架32a中被牢固地支承(一端被固定支承)，但支承托架32b的支承松缓(另一端为半固定支承时)时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

图7(c)表示螺纹部31因温度变化等而沿轴向较大地延伸，螺纹部31在支承托架32a中被牢固地支承(一端被固定支承)，但支承托架32b的支承完全松缓(另一端为自由(free)时)时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

在专利文献1～3的技术中，并未考虑图7(a)、图7(b)、图7(c)所示的螺纹部31伸缩而螺纹部31的支承状态变化引起的弹簧刚性K_L发生变化的情况，因此无法进行高精度的补偿。

发明内容

本发明鉴于上述现有技术，其目的在于提供一种即使进给机构的滚珠丝杠因经年变化或温度变化进行伸缩而滚珠丝杠的沿着轴向的刚性发生变化，也能补偿此种刚性变化，且能够准确地对负载的位置进行伺服控制的伺服控制装置。

解决上述课题的本发明的结构涉及一种伺服控制装置，对工业机械进行控制，该工业机械将伺服电动机的旋转运动通过含有滚珠丝杠的进给机构转换成直线运动，并通过转换的直线运动来使负载进行直线移动，所述伺服控制装置的特征在于，具备：

反特性模型，其设定由所述伺服电动机、所述进给机构及所述负载构成的机械系统的传递函数的反传递函数即补偿用传递函数，当表示所述负载的指令位置的位置指令信号(θ)向所述补偿用传递函数输入时，输出对所述机械系统的动态的误差要因进行补偿的补偿信号(V₃₀₀)；

控制部，其以使所述位置指令信号(θ)与表示所述负载的位置的负载位置信号(θ_L)的偏差即位置偏差信号(Δθ)成为零、且和所述位置偏差信号(Δθ)成比例的速度偏差信号(ΔV)与表示所述伺服电动机的速度的电动机速度信号(ω_M)的偏差成为零的方式进行反馈控制，进而，根据所述补偿信号(V₃₀₀)进行前馈补偿控制，从而控制向所述伺服电动机供给的电流；

刚性变化补偿部，其由计算所述滚珠丝杠的螺纹部的伸缩量(st)的滚珠丝杠伸缩量计算部、根据计算出的螺纹部的伸缩量(st)来计算所述滚珠丝杠的沿着轴向的弹簧刚性(K_L)的值的弹簧刚性计算部、将计算出的弹簧刚性(K_L)的值作为所述补偿用传递函数的运算式所包含的弹簧刚性(K_L)的值来设定的弹簧刚性设定部构成。

另外，本发明的结构的特征在于，所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部基于所述负载位置信号(θ_L)和表示所述伺服电动机的旋转位置的电动机位置信号(θ_M)，计算螺纹部的伸缩量(st)。

另外，本发明的结构的特征在于，所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部通过将所述滚珠丝杠的螺纹部的温度适用于表示螺纹部的温度与螺纹部的伸缩量的关系的关系特性中，来计算螺纹部的伸缩量(st)。

另外，本发明的结构的特征在于，所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部基于所述滚珠丝杠的螺纹部的位移，计算螺纹部的伸缩量(st)。

另外，本发明的结构的特征在于，所述刚性变化补偿部的弹簧刚性计算部具有根据螺纹部的伸缩量(st)来表示负载位置与弹簧刚性(K_L)的关系的多个关系特性，从所述多个关系特性中，选择与所述滚珠丝杠伸缩量计算部计算出的螺纹部的伸缩量(st)对应的关系特性，对于该选择的关系特性适用由所述负载位置信号(θX)表示的负载位置，由此计算弹簧刚性(K_L)。

另外，本发明的结构的特征在于，所述刚性变化补偿部的弹簧刚性计算部具有根据螺纹部的伸缩量(st)来求出弹簧刚性(K_L)的多个运算式，从所述多个运算式中，选择与所述滚珠丝杠伸缩量计算部计算出的螺纹部的伸缩量(st)对应的运算式，使用该选择的运算式来计算弹簧刚性(K_L)。

发明效果

根据本发明，伺服控制装置对工业机械进行控制，该工业机械将伺服电动机的旋转运动通过含有滚珠丝杠的进给机构转换成直线运动，并通过转换的直线运动来使负载进行直线移动，在该伺服控制装置中，即使进给机构的滚珠丝杠因经年变化或温度变化进行伸缩而滚珠丝杠的沿轴向的刚性发生变化，也能补偿此种刚性变化，从而能够准确地对负载的位置进行伺服控制。

附图说明

图1是表示本发明的实施例的伺服控制装置的结构图。

图2是表示机床的一例的立体图。

图3是表示进给机构的结构图。

图4是表示反馈控制电路的结构图。

图5是表示加入了前馈控制电路的电路的结构图。

图6是表示加入了反特性模型的电路的结构图。

图7(a)是表示螺纹部的伸缩量小时的、负载位置与滚珠丝杠的弹簧刚性的关系的特性图。

图7(b)是表示螺纹部的伸缩量中时的、负载位置与滚珠丝杠的弹簧刚性的关系的特性图。

图7(c)是表示螺纹部的伸缩量大时的、负载位置与滚珠丝杠的弹簧刚性的关系的特性图。

具体实施方式

以下，基于实施例，详细说明用于实施发明的方式。

另外，对与现有技术起到相同功能的部分标注同一符号，简化同一部分的说明。

实施例

<实施例的整体结构的说明>

图1表示本发明的实施例的伺服控制装置。

该实施例将本发明适用于对机床的工作台02进行驱动的进给机构10。即，当伺服电动机40旋转时，其旋转力经由减速器20向滚珠丝杠30的螺纹部31传递而螺纹部31旋转。当被旋转支承托架32a、32b支承的螺纹部31旋转时，螺母部33沿着螺纹部31进行直线移动，对应于该螺母部33的直线移动而工作台02进行直线移动。

另外，旋转支承托架32a配置成将螺纹部31向基端侧(图1中的左侧)拉伸而对螺纹部31施加拉伸张力。

此时，伺服电动机40的旋转位置可以基于从配置在伺服电动机40上的脉冲编码器41输出的信号(脉冲信号)即电动机位置信号θ_M来检测。

工作台02的直线移动位置可以基于从直线尺等的位置检测器34输出的负载位置信号θ_L来检测。

作为控制机构，具有进行反馈控制的控制部100、进行前馈补偿控制的反特性模型300、使反特性模型的系数值设定、变化的刚性变化补偿部400。

<控制部的说明>

控制部100与图6所示的控制部100为同一结构，进行同一控制动作。即，控制部100的减法器101输出位置指令信号θ与负载位置信号θ_L之差即位置偏差信号Δθ。乘法器102将位置偏差信号Δθ乘以位置环路增益K_P而输出速度偏差信号ΔV。

减法器103a输出从速度偏差信号ΔV加上从反特性模型300输出的速度补偿信号V₃₀₀所得到的值减去电动机速度信号ω_M后的速度指令信号V。

比例积分运算器104对速度指令信号V进行比例积分运算而输出转矩指令信号τ。

电流控制器110将与转矩指令信号τ对应的电流向伺服电动机40供给。

<反特性模型的说明>

反特性模型300的基本的结构、动作与图6所示的反特性模型300相同。

该反特性模型300具有1次微分项运算部301、2次微分项运算部302、3次微分项运算部303、4次微分项运算部304、5次微分项运算部305、加法部310、比例积分反传递函数部311。

即，在反特性模型300中，通过分别设定于各微分项运算部301～305、加法部310、比例积分反传递函数部311的运算式，来设定对误差要因进行补偿的补偿控制用传递函数。

在各微分项运算部301～305和加法部310中，对伺服电动机40的动态的误差原因、进给机构10的动态的误差要因及负载即工作台02的动态的误差要因进行补偿，从而设定以使负载位置信号θ_L表示的位置与位置指令信号θ表示的位置一致的方式进行补偿控制的补偿控制用传递函数。

该补偿控制用传递函数是由伺服电动机40、进给机构10及工作台(负载)02构成的机械系统的传递函数的反传递函数。另外，该反传递函数是省略了运算要素的一部分的函数。

具体而言，1次～5次的各微分项运算部301～305具有运算项a1s，a2s²，a3s³，a4s⁴，a5s⁵，对位置指令信号θ输出乘以了各运算项的运算信号。另外，s是拉普拉斯算子(微分算子)。

这种情况下，系数a1～a5的值如下所述设定。

其中，

K_V是速度环路增益，

K_L是滚珠丝杠30的沿着轴向的弹簧刚性，

T_V是积分时间常数，

D_M是伺服电动机40的粘性，

D_L是负载(工作台02)的粘性，

J_M是伺服电动机40的惯量，

J_L是负载(工作台02)的惯量。

【数学式2】

$a1=\frac{\mathrm{Kv}}{\mathrm{Tv}}$

$a2=D_M+D_L+\mathrm{Kv}+\frac{\mathrm{Kv}{D}_L}{\mathrm{Tv}{K}_L}$

$a3=J_M+J_L+\frac{D_M{D}_L+\mathrm{Kv}{D}_L}{K_L}+\frac{\mathrm{Kv}{J}_L}{\mathrm{Tv}{K}_L}$

$a4=\frac{J_M{D}_L+J_L{D}_M+\mathrm{Kv}{J}_L}{K_L}$

$a5=\frac{J_M{J}_L}{K_L}$

比例积分反传递函数部311在比例积分运算部104的传递函数即K_v(1+(1/Tvs))的反传递函数即{Tv/K_v(Tvs+1)}×s中，具有{Tv/K_v(Tvs+1)}作为传递函数。并且，微分算子s对于各系数a1～a5分别分配。

另外，设定于比例积分反传递函数部311的传递函数{Tv/K_v(Tvs+1)}是根据控制系统的特性而决定的固定值(恒定值)。

而且，系数a2～a5含有的滚珠丝杠30的沿着轴向的弹簧刚性K_L的值根据滚珠丝杠30的螺纹部31的伸缩，由刚性变化补偿部400计算而设定。

如此，弹簧刚性K_L的值根据滚珠丝杠30的螺纹部31的伸缩而变化的情况是本实施例的特征的技术。

<刚性变化补偿部的说明>

刚性变化补偿部400由滚珠丝杠伸缩量计算部401、弹簧刚性计算部402、及弹簧刚性设定部403构成。

滚珠丝杠伸缩量计算部401计算滚珠丝杠30的螺纹部31的伸缩量st。

具体而言，求出负载位置信号θ_L与将电动机位置信号θ_M转换为负载位置信号后的位置转换信号的偏差，基于该偏差，求出螺纹部31的伸缩量st。

另外，作为求出螺纹部31的伸缩量st的方法，还可以采用如下的两种其他方法。

在第1个其他方法中，预先在螺纹部31设置温度检测传感器。并且，在滚珠丝杠伸缩量计算部401中预先设定表示螺纹部31的温度与螺纹部31的伸缩量的关系的关系特性，通过将由温度检测传感器检测到的检测温度适用于关系特性，来求出螺纹部31的伸缩量st。

在第2个其他方法中，预先在螺纹部31设置位移检测传感器。并且，滚珠丝杠伸缩量计算部401根据由位移检测传感器检测到的位移量，求出螺纹部31的伸缩量st。

弹簧刚性计算部402使用滚珠丝杠30的螺纹部31的伸缩量st和表示负载即工作台02的位置的负载位置信号θ_L，计算滚珠丝杠30的沿着轴向的弹簧刚性K_L。

具体而言，在弹簧刚性计算部402预先设定根据螺纹部31的伸缩量st的值(大小值)而表示负载位置与弹簧刚性K_L的关系的、图7(a)、(b)、(c)所示的多个关系特性。

图7(a)表示螺纹部31的伸缩量st小时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。即，表示螺纹部31被支承托架32a可靠地拉伸，螺纹部31通过支承托架32a和支承托架32b牢固地被支承(两端被固定支承)时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

图7(b)表示螺纹部31的伸缩量st为中程度时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。即，表示螺纹部31因温度变化等而沿轴向稍延伸，螺纹部31在支承托架32a中被牢固地支承(一端被固定支承)，但支承托架32b的支承松缓时(另一端为半固定支承时)的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

图7(c)表示螺纹部31的伸缩量st大时的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。即，表示螺纹部31因温度变化等而沿轴向较大地延伸，螺纹部31在支承托架32a中被牢固地支承(一端被固定支承)，但支承托架32b的支承完全松缓时(另一端为自由(free)时)的与负载位置对应的弹簧刚性K_L。

此外，弹簧刚性计算部402将由滚珠丝杠伸缩量计算部401计算出的伸缩量st按照其值(大小值)来分类成“小”、“中”、“大”。该分类通过与预先设定的阈值比较来进行。

在伸缩量st的值为“小”时，选择图7(a)所示的关系特性，通过在该选择的关系特性中适用由负载位置信号θ_L表示的负载位置，来求出弹簧刚性K_L。

在伸缩量st的值为“中”时，选择图7(b)所示的关系特性，通过在该选择的关系特性中适用由负载位置信号θ_L表示的负载位置，来求出弹簧刚性K_L。

在伸缩量st的值为“大”时，选择图7(c)所示的关系特性，通过在该选择的关系特性中适用由负载位置信号θ_L表示的负载位置，来求出弹簧刚性KX。

如此，根据螺纹部31的伸缩量st的值(小、中、大)，使得使用的关系特性不同，由此，即使螺纹部31因经年变化或温度变化进行伸缩，也能够求出与此时的伸缩状态对应的准确的弹簧刚性K_L。

另外，作为求出与螺纹部31的伸缩状态对应的准确的弹簧刚性K_L的方法，也可以采用预先设定多个弹簧刚性运算式的、如下的其他的方法。

在求出与螺纹部31的伸缩状态对应的准确的弹簧刚性K_L的其他的方法中，首先，将滚珠丝杠伸缩量计算部401计算出的伸缩量st根据其值(大小值)分类成“小”、“中”、“大”。该分类通过与预先设定的阈值比较来进行。

并且，根据螺纹部31的伸缩量st的值(小、中、大)，进行如下所示的运算，求出与伸缩状态对应的准确的弹簧刚性K_L。

其中，

A为螺纹部31的截面积[m²]，

Dr为螺纹部31的螺纹谷径[m]，

E为螺纹部31的纵弹性系数[N/m²]，

X为载荷作用点距离[m]，即，图1所示的支承托架32a与螺母部33之间的距离，

L为安装间距离[m]，即，图1所示的支承托架32a、32b间的距离，

k为系数(0.0～1.0)，根据伸缩量st的值而进行变化。

在螺纹部31的伸缩量st为“小”时，进行预先设定的下式的运算，求出弹簧刚性K_L[N/m]。

_KL＝(A·E·L)/{X·(L-X)}

在螺纹部31的伸缩量st为“中”时，进行预先设定的下式的运算，求出弹簧刚性K_L[N/m]。

K_L＝k{(A·E)/X}+(1-k)〔(A·E·L)/{X·(L-X)}〕

在螺纹部31的伸缩量st为“大”时，进行预先设定的下式的运算，求出弹簧刚性K_L[N/m]。

K_L＝(A·E)/X

在反特性模型300的2次～5次的各微分项运算部302～305设定运算项a2s²，a3s³，a4s⁴，a5s⁵，在求出其系数a2～a5的运算式中如上述那样包括弹簧刚性K_L。

因此，弹簧刚性设定部403将弹簧刚性计算部402计算出的弹簧刚性K_L的值作为在求出系数a2～a5的运算式中包含的弹簧刚性K_L的值来设定。

因此，即使滚珠丝杠30的螺纹部31因经年变化或温度变化等进行伸缩而滚珠丝杠30的沿轴向的弹簧刚性K_L的值发生变化，也能使用该变化后的弹簧刚性K_L的值，进行各微分项运算部302～305的运算。

其结果是，通过反特性模型300运算出的速度补偿信号V₃₀₀即使在螺纹部31因经年变化或温度变化等进行伸缩的情况下，也成为最佳值。

如此，即使螺纹部31因经年变化或温度变化等进行伸缩，速度补偿信号V₃₀₀也成为最佳值，能够补偿伺服电动机40的动态的误差原因、进给机构10的动态的误差要因、及负载即工作台02的动态的误差要因，从而能够以使负载位置信号θ_L表示的位置与位置指令信号θ表示的位置高精度地一致的方式进行补偿控制。

另外，反特性模型300的运算式根据机械系统(电动机或工作台或进给机构)确定为何种机械系统模型或运算式简化至何种程度而进行变化，不过，即便如此，也能将反特性模型300的运算式含有的弹簧刚性K_L的值设定成由弹簧刚性计算部402计算出的弹簧刚性K_L的值。

由此，即使螺纹部31因经年变化或温度变化等进行伸缩，速度补偿信号V₃₀₀也能成为最佳值，能够补偿伺服电动机40的动态的误差原因、进给机构10的动态的误差要因、及负载即工作台02的动态的误差要因，从而能够以使负载位置信号θ_L表示的位置与位置指令信号θ表示的位置高精度地一致的方式进行补偿控制。

工业实用性

本发明不仅适用于机床，而且能够适用于将伺服电动机的旋转运动通过滚珠丝杠转换成直线运动而使负载进行直线移动的各种工业机械。

符号说明

01机座

02工作台

03立柱

04横导轨

05鞍座

06滑块

10进给机构

20减速器

30滚珠丝杠

31螺纹部

32a、32b旋转支承托架

33螺母部

34位置检测器

40伺服电动机

41脉冲编码器

100控制部

110电流控制部

300反特性模型

400刚性变化补偿部

401滚珠丝杠伸缩量计算部

402弹簧刚性计算部

403弹簧刚性设定部

Claims (6)

1.一种伺服控制装置，对工业机械进行控制，该工业机械将伺服电动机的旋转运动通过含有滚珠丝杠的进给机构转换成直线运动，并通过转换的直线运动来使负载进行直线移动，所述伺服控制装置的特征在于，具备：

反特性模型，其设定由所述伺服电动机、所述进给机构及所述负载构成的机械系统的传递函数的反传递函数即补偿用传递函数，当表示所述负载的指令位置的位置指令信号(θ)向所述补偿用传递函数输入时，输出对所述机械系统的动态的误差要因进行补偿的补偿信号(V₃₀₀)；

控制部，其以使所述位置指令信号(θ)与表示所述负载的位置的负载位置信号(θ_L)的偏差即位置偏差信号(Δθ)成为零、且和所述位置偏差信号(Δθ)成比例的速度偏差信号(ΔV)与表示所述伺服电动机的速度的电动机速度信号(ω_M)的偏差成为零的方式进行反馈控制，进而，根据所述补偿信号(V₃₀₀)进行前馈补偿控制，从而控制向所述伺服电动机供给的电流；

刚性变化补偿部，其由计算所述滚珠丝杠的螺纹部的伸缩量(st)的滚珠丝杠伸缩量计算部、根据计算出的螺纹部的伸缩量(st)来计算所述滚珠丝杠的沿着轴向的弹簧刚性(K_L)的值的弹簧刚性计算部、将计算出的弹簧刚性(K_L)的值作为所述补偿用传递函数的运算式所包含的弹簧刚性(K_L)的值来设定的弹簧刚性设定部构成。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部基于所述负载位置信号(θ_L)和表示所述伺服电动机的旋转位置的电动机位置信号(θ_M)，计算螺纹部的伸缩量(st)。

3.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部通过将所述滚珠丝杠的螺纹部的温度适用于表示螺纹部的温度与螺纹部的伸缩量的关系的关系特性中，来计算螺纹部的伸缩量(st)。

4.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述刚性变化补偿部的滚珠丝杠伸缩量计算部基于所述滚珠丝杠的螺纹部的位移，计算螺纹部的伸缩量(st)。

5.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述刚性变化补偿部的弹簧刚性计算部具有根据螺纹部的伸缩量(st)来表示负载位置与弹簧刚性(K_L)的关系的多个关系特性，

从所述多个关系特性中，选择与所述滚珠丝杠伸缩量计算部计算出的螺纹部的伸缩量(st)对应的关系特性，对于该选择的关系特性适用由所述负载位置信号(θ_L)表示的负载位置，由此计算弹簧刚性(K_L)。

6.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述刚性变化补偿部的弹簧刚性计算部具有根据螺纹部的伸缩量(st)来求出弹簧刚性(K_L)的多个运算式，

从所述多个运算式中，选择与所述滚珠丝杠伸缩量计算部计算出的螺纹部的伸缩量(st)对应的运算式，使用该选择的运算式来计算弹簧刚性(K_L)。

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