CN102686358B - 用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于防止根据材料重量而产生的振动和噪音，从而优化加工性能的传动轴控制方法。为此，本发明的传动轴控制方法：存储根据材料重量设定了作为目标的负载对电机的惯性比的查找表（look-up table），在使传动轴传动的同时检测电机加速度和扭矩指令数据，之后利用所述检测到的电机加速度和扭矩指令数据，检测材料重量和由此产生的、在电机侧观察到的负载惯性，利用所述查找表，对应于所述检测到的负载惯性计算出预先设定的目标负载对电机的惯性比，使经过加速度反馈增益调节的负载对电机的惯性比，成为所述计算出的目标负载对电机的惯性比。

Description

用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制方法

技术领域

本发明涉及用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制方法，特别是涉及用于防止根据材料重量产生的振动和噪音，从而优化加工性能的传动轴控制方法。

背景技术

一般，在材料重量重的情况下、即在与电机惯性(inertia)相比负载惯性相对较大的情况下，或者在如传动轴长的情况那样传动轴的刚性下降的情况下，当使载有材料的传动轴传动时，产生由谐振(resonance)引起的振动和噪音。

这种现象是由于传动轴控制系统的增益余量(gain margin)与负载对电机惯性比(load-to-motor inertia ratio)成正比地减小、结果使控制系统的相对的稳定性下降而发生的。即、负载对电机的惯性比越大的传动轴，越容易产生伴随控制稳定性下降的噪音和振动。由此，装备性能和加工等级下降，在严重的情况下，产生过多的错误报警等，使装备处于紧急停止状态。

为了解决这种问题，目前应用低通滤波器(low-pass filter)或者陷波滤波器(notchfilter)，或者使用降低控制增益(control gain)的方法，并且为了消除传动时对装备的冲击，应用了增加加减速时间常数的方法。

然而，在应用低通滤波器的情况下，在带宽(bandwidth)以上的频带内在控制系统中产生相位延迟(phase delay)，从而存在有损系统的稳定性的问题。

并且，在应用陷波滤波器的情况下，在谐振频率固定的系统中，虽然有效性得到了验证，但是很难在材料重量等负载改变、从而谐振频率改变的一般的传动轴中应用。即、为了应对根据材料重量改变的谐振频率，陷波滤波器的中心频率也应自适应地改变，但这种使中心频率自适应地变化是很困难的。

并且，降低控制增益的方法存在使所有频带内的控制系统的性能下降的问题。

最后，增加加减速时间常数的方法不能解决停止时的振动和噪音问题，并引起加工时间增加等附带的问题。

发明内容

发明所要解决的问题

因此，本发明提供一种能够与材料重量无关地优化装备的加工性能的传动轴控制方法。

并且，本发明提供一种防止根据材料重量而有可能产生的噪音和振动，从而能够稳定地控制传动轴的传动轴控制方法。

解决问题的手段

为了达到上述目的，根据本发明的传动轴控制方法，其特征在于，包括：存储根据负载惯性设定了目标负载对电机的惯性比的查找表(look-up table)的过程；在使传动轴传动的同时检测电机加速度和扭矩指令数据的过程；利用所述检测到的电机加速度和扭矩指令数据，检测材料重量和由此产生的、在电机侧观察到的负载惯性的过程；利用所述查找表，对应于所述检测到的负载惯性计算出预先设定的目标负载对电机的惯性比的过程；以及使经过加速度反馈增益调节的负载对电机的惯性比，成为所述计算出的目标负载对电机的惯性比的过程。

并且，根据本发明的一例，其特征在于，所述计算过程还包括：当通过所述查找表对应于所述检测到的负载惯性而确认目标负载对电机的惯性比时，将所述已确认的目标负载对电机计算为目标负载对电机的过程；以及当没有通过所述查找表对应于所述检测到的负载惯性而确认出预先设定的目标负载对电机的惯性比时，利用线性插值法来计算目标负载对电机的惯性比的过程。

发明效果

本发明通过加速度反馈控制，变更电机惯性，实现目标负载对电机的惯性比，从而解决了在使载有与刚性相比相对较重的材料的传动轴传动的情况下发生的、传动轴控制系统的不稳定性和由此产生的噪音振动问题。

即、具有如下所述的优点：能够与材料重量无关地优化装备的加工性能，可防止根据材料重量而有可能产生的噪音和振动。

附图说明

图1是机床传动轴的被简化的框图。

图2是示出电机电流与电机速度之间的传递函数波特图的图表。

图3是示出实际复合加工机下部Z轴的扭矩指令与电机速度之间的传递函数的增益波特图的图表。

图4是传动轴传动时的速度、加速度、扭矩指令的图表。

图5是应用了本发明的加速度反馈控制框图。

图6是示出根据本发明的实施例的按照材料重量的目标负载对电机的惯性比的查找表。

图7是用于说明根据本发明的实施例的利用线性插值计算目标负载对电机的惯性比的方法的图。

图8是示出根据本发明的实施例的利用了查找表的目标负载对电机的惯性比计算过程的流程图。

图9是示出根据本发明的实施例的用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制过程的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。必须注意，在附图中对于相同的结构尽可能在任何地方都用相同的标号来示出。在下述说明中会出现具体的特定事项，但这是为了有助于更全面地理解本发明而提供的。并且，在说明本发明时，在判断为对相关的公知功能或结构的具体说明有可能不必要地导致本发明的要旨变得模糊时，省略其详细说明。

由于负载对电机的惯性比大而产生的传动轴的振动和噪音问题是通过适当降低负载对电机的惯性比来解决的。

然而，由于在电机侧观察到的由材料重量产生的负载惯性是已决定的，因而必须变更电机惯性来降低负载对电机的惯性比。通过加速度反馈控制电气地对这种电机惯性进行变更。

即、自动检测由材料重量产生的、在电机侧观察到的负载惯性，利用检测到的材料重量和加速度反馈功能，电气地对电机惯性进行调整，从而能够自适应地实现针对检测到的负载惯性的、理想的目标(target)负载对电机的惯性比。

由此，本发明要提供如下所述的方案：可利用基于自动负载惯性检测和加速度反馈增益调整的、针对负载惯性自适应地实现负载对电机的惯性比的算法和方法，解决振动和噪音问题，并最终能够与材料重量无关地优化装备的加工性能。

首先，参照图1的机床传动轴的框图，对传动轴动作进行说明。

如图1所示，传动轴可通过使电机惯性(J_M)和在电机侧观察到的负载惯性(J_L)借助具有弹簧常数(K_S)的弹簧联系起来建模。

此时，当求解电机电流(I_F)与电机速度(V_M)之间的传递函数(transfer function)时，如下述的＜数学式1＞所示。

数学式1

$\frac{V_M\left(S\right)}{I_F\left(S\right)}=\left(\frac{K_T}{J_M+J_L}\frac{1}{s}\right)\left(\frac{J_L{s}^2+b_{s}s+K_s}{(J_L{J}_M/(J_L+J_M))s^2+b_{s}s+K_s}\right)$

上述＜数学式1＞是电机电流与电机速度之间的开环(open-loop)传递函数，该传递函数的波特图一般可如图2所示。

在图2中，F_R是由电机惯性与负载惯性之间的顺性(compliance)产生的谐振频率(resonance frequency)，F_AR是反谐振频率(anti-resonance frequency)。通过图2可以看出，在F_R处，开环传递函数的增益呈现峰值(peak)，在F_AR处呈现最低值。

在上述＜数学式1＞中，当假设粘性摩擦系数bs小到可忽略不计时，F_R和F_AR可通过下述＜数学式2＞计算。

数学式2

$F_R=\frac{1}{2_{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{K_s}{J_P}}\mathrm{Hz},F_{\mathrm{\ΛR}}=\frac{1}{2_{\mathrm{\Π}}}\sqrt{\frac{K_S}{J_L}}\sqrt{\frac{K_s}{J_L}}\mathrm{Hz}$

在上述＜数学式2＞中，J_P可计算为“1/J_P＝1/J_M+1/J_L”。

另一方面，从图2可以看出，在比F_AR低的低频带(s->0)内，＜数学式1＞可被简化为1/((J_M+J_L)·s)。即，在低频带内，电机惯性与负载惯性刚性(rigid)连接而如同一个惯性来动作。

相反，在比F_A高的高频带(s->∞)内，式①可被简化为1/(J_M·s)。即、在高频带内，负载惯性实质上与电机惯性分离而以仅存在电机惯性的方式动作。

由此产生的最大问题是，在负载惯性与电机惯性分离的高频带内，增益实质上增大了图2中表示为①的量，而使控制系统的增益余量减小该量。

其结果，根据所减小的增益余量控制系统相应地变得不稳定，产生传动轴的振动和噪音的余地增大。这种增益余量的减少范围可通过以下的＜数学式3＞来计算。

数学式3

由传动轴顺性(compliance)产生的增益余量减少量(dB)＝20log(1+J_L/J_M)

从上述的＜数学式3＞可以知道这样的重要事实：负载对电机的惯性比J_L/J_M越大，系统的增益余量的减少幅度就越大，由此使系统变得更加不稳定。即、只要能够调节成为问题原因的负载对电机的惯性比J_L/J_M，就能够解决由增益余量减少引起的传动轴的振动问题。

如图3所示，能够检测到与规定机型复合加工机的下部Z轴的电机电流成正比的扭矩指令与电机速度之间的传递函数的波特图。

参照图3，在图3中也能够观察到由电机惯性与负载惯性之间的顺性(compliance)产生的在高频带内的电机惯性与负载惯性的分离现象以及由此产生的系统的增益余量减少现象。

为了自适应地调节负载对电机的惯性比，先必须检测由材料重量产生的在电机侧观察到的负载惯性。

为了自动计算出这种负载惯性，需要传动轴电机的扭矩指令和速度等数据，而这种数据一般被存储在数值控制器(numerical controller)内部寄存器内，能够通过所提供的函数等而实时存取来读出。

理想的是，虽然在电机扭矩和旋转体的角加速度之间存在“Tm＝Jα”的关系式，但实际上考虑到如摩擦力或者从外部施加的力那样的干扰扭矩，可如下述＜数学式4＞所示。

数学式4

Tm＝Jα+Td

在上述＜数学式4＞中，Tm是电机扭矩，J是惯性，α是角加速度，Td是干扰扭矩。

在电机惯性与负载惯性通过刚体(rigid body)连接而可建模的情况下(在电机角加速度的主(major)频率成分小于传动轴谐振频率的情况下)，电机惯性与在电机侧观察到的负载惯性之和J可利用下述的＜数学式5＞来计算出。

数学式5

J＝(Tm－Td)/α

在上述的＜数学式5＞中，Tm是电机扭矩，J是电机惯性与在电机侧观察到的负载惯性之和，α是角加速度，Td是干扰扭矩。

特别是，在传动中的情况下，干扰扭矩的大部分是由与传动速度成正比的粘性摩擦(viscous friction)产生，从而当近似化时，可通过在图4中将③除以角加速度来获得电机惯性与在电机侧观察到的负载惯性之和。这与＜数学式5＞的内容相同。

图4是示出传动轴传动时的速度、加速度、扭矩指令的图表，①是加速时的电机扭矩指令(Tm＝Jα+Td)的最大值，②是包含粘性摩擦等的等速时干扰扭矩(Td)，③是跟电机惯性与负载惯性之和成正比的加速扭矩(Jα)。

为了知道在传动中由粘性摩擦产生的干扰扭矩，如图4所示，只要检测出等速区间内的电机的扭矩指令即可。

图4的a是加速结束的区间，由于a区间内的速度与等速区间内的速度相同，因而两区间内的由粘性摩擦产生的干扰扭矩相同。因此，在图4中，对于从跟电机惯性与在电机侧观察到的负载惯性之和(J)成正比的③求出J的式，能够以如下述的＜数学式6＞来表示。

数学式6

J＝(Tm－Td1)/α＝(Tm－Td2)/α

在上述的＜数学式6＞中，Tm是加速结束的瞬间的电机扭矩，J是电机惯性与在电机侧观察到的负载惯性之和，α是加速结束的瞬间的电机角加速度，Td1是加速结束的瞬间的由粘性摩擦产生的干扰扭矩，Td2是等速时的由粘性摩擦产生的干扰扭矩。

当在FANUC数值控制器的速度控制环路和加速度反馈功能的框图中仅提取加速度反馈功能而表现为框图时，可如图5所示。

参照图5，一般，电流控制环路和伺服放大器的时间常数(time constant)与具有惯性的机械系统的时间常数相比小到可忽略不计，因而只要将“电流控制环路+伺服放大器”简化为1，则能够将没有加速度反馈的情况下的电机速度与电流指令之间的传递函数表示为如下述的＜数学式7＞。

数学式7

电机速度/电流指令＝Kt/Jm·s

基于相同的理由，只要将“电流控制环路+伺服放大器”简化为1，则能够将使用了加速度反馈功能的情况下的电机速度与电流指令之间的传递函数表示为如下述的＜数学式8＞。

数学式8

电机速度/电流指令＝Kt/(Jm+Kt·Ka)·s

将上述的＜数学式7＞与＜数学式8＞进行比较可知，在应用加速度反馈的情况下，电机惯性从Jm变为“Jm+Kt·Ka”。即、通过调整加速度反馈增益，从而能够电气地对电机惯性进行调节。

通过按照材料重量来另行设置要实现的理想的目标负载对电机的惯性比，从而能够使传动轴的性能最大化，进而能够使装备的性能最大化。此时，理想的目标负载对电机的惯性比是指可最理想地控制负载惯性的电机的惯性。

因此，如图6所示，可按照材料重量将目标负载对电机的惯性比以查找表(look-uptable)的形式存储在数值控制器内部。

在这种查找表中，在T≤x₀的情况下，δ_T＝δ₀，在T≥x_n的情况下，δ_T＝δ_n。

未存储在这种查找表内的针对材料重量的目标负载对电机的惯性比是利用线性插值(linear interpolation)来提取的。参照图7，对使用这种线性插值法来提取目标负载对电机的惯性比进行说明。

参照图7，在检测出的材料重量为T的情况下，用于求出目标负载对电机的惯性比的数学式可如下述的＜数学式9＞表示。

数学式9

${\mathrm{\δ}}_T=\frac{{\mathrm{\δ}}_4-{\mathrm{\δ}}_3}{x_4-x_3}(T-x_3)+{\mathrm{\δ}}_3$

并且，能够以图8的流程表示基于这种线性插值的计算顺序。图8是示出利用了与图6相同的查找表的目标负载对电机的惯性比计算过程的流程图。

参照图8，在步骤800中检测材料重量(T)，在步骤801中检查材料重量(T)是否是x₀以下。

如果材料重量(T)是x₀以下，则进到步骤802，将目标负载对电机的惯性比计算为δ_T＝δ₀。但是，如果步骤801的检查结果，材料重量(T)不是x₀以下，则进到步骤803。

在803步骤中检查材料重量(T)是否是x_n以上，如果材料重量(T)是x_n以上，则进到步骤804，将目标负载对电机的惯性比计算为δ_T＝δ_n。

但是，如果步骤803的检查结果，材料重量(T)不是x_n以上，则进到步骤805，将表索引值i设定为0。

之后，如果在步骤806中材料重量(T)是x_i以上，则使i值增加1，之后进到步骤806。即、到材料重量(T)小于等于x_i之前，使i值一直增加1，如果材料重量(T)小于等于x_i，则根据下述的＜数学式10＞计算目标负载对电机的惯性比。

数学式10

${\mathrm{\δ}}_T=\frac{{\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_{i-1}}{x_i-x_{i-1}}(T-x_{i-1})+{\mathrm{\δ}}_{i-1}$

此时，参照图9，对根据本发明的实施例的用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制过程进行说明。

首先，为了进行传动轴控制，需要将如上述的图6所示的、根据材料重量(负载惯性)预先设定了目标负载对电机的惯性比的查找表，存储在传动轴控制系统内。

在步骤900中使传动轴传动，在步骤902中检测传动轴电机的加速度和扭矩指令数据，之后在步骤904中检测由材料重量产生的负载惯性。即、在使传动轴传动的同时，检测电机的扭矩和角加速度数据，从而计算由材料重量产生的在电机侧观察到的负载惯性。

然后，在步骤906中利用检测出的负载惯性来计算最理想的电机惯性。此时，在步骤906中，利用图6所示的查找表和线性插值来计算作为目标的负载对电机的惯性比。

然后，在908步骤中调整加速度反馈增益，使电机惯性成为计算出的目标电机惯性。

此时，当调节为目标电机惯性时，实现目标负载对电机的惯性比，传动轴控制系统稳定，可抑制噪音和振动产生。

如上所述，在本发明中，通过加速度反馈控制来变更电机惯性，实现目标负载对电机的惯性比，从而解决了在使载有与刚性相比相对较重的材料的传动轴传动的情况下产生的传动轴控制系统的不稳定性和由此引起的噪音振动问题。

以上，对本发明的特定实施例进行了详细说明，但是本发明的思想和范围并不限定于这种特定实施例，而是能够在不变更本发明的主旨的范围内进行各种修正和变型，这对在本发明所属的技术领域内具有普通知识的人来说是可理解的。

因此，以上描述的实施例是为了使在本发明所属的技术领域内具有普通知识的人能完全了解发明的范畴而提供的，因而必须理解的是，在所有方面是例示性的而不是限定性的，本发明仅由权利要求范围来定义。

工业可利用性

本发明能够应用于可根据材料重量来控制传动轴的系统和重装备。

Claims (2)

1.一种用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制方法，其特征在于，所述传动轴控制方法包括：

将根据材料重量设定了目标负载对电机的惯性比的查找表(look-up table)存储在数值控制器(NC)中的过程；

在使传动轴传动的同时检测电机加速度和扭矩指令数据的过程；

利用所述检测到的电机加速度和扭矩指令数据，检测由材料重量产生的、在电机侧观察到的负载惯性的过程；

利用所述查找表，对应于所述检测到的负载惯性来计算出目标负载对电机的惯性比的过程；以及

使经过加速度反馈增益调节的负载对电机的惯性比，成为所述计算出的目标负载对电机的惯性比的过程。

2.根据权利要求1所述的用于根据材料重量优化加工性能的传动轴控制方法，其特征在于，所述计算过程还包括：

当通过所述查找表对应于所述检测到的负载惯性而确认目标负载对电机的惯性比时，将所述已确认的目标负载对电机的惯性比计算为目标负载对电机的惯性比的过程；以及

当没有通过所述查找表对应于所述检测到的负载惯性而确认出预先设定的目标负载对电机的惯性比时，利用线性插值法来计算目标负载对电机的惯性比的过程。