CN103140818B

CN103140818B - 负载惯性推断方法和控制参数调整方法

Info

Publication number: CN103140818B
Application number: CN201180046473.XA
Authority: CN
Inventors: 仓本博久; 山田泰成
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: TW201225490A; US20130238101A1; WO2012053352A1; KR20130084657A; CN103140818A; TWI435517B; JP2012088827A; KR101472693B1

Abstract

本发明目的在于提供一种负载惯性推断方法和控制参数调整方法。因此，在负载位置控制系统中，实施反馈控制系统(21)进行的负载位置控制试验，测定在规定的负载位置(θ_L)产生的第1的位置偏差(Δθ)，作为负载位置控制系统的模型的负载惯性推断模型(60)中，实施反馈控制系模型进行的进给系统模型的负载位置控制模拟，调整包含于进给系统模型中的负载惯性(J_L)，反复所述负载位置控制模拟，直到此时在规定的负载位置产生的第2位置偏差(Δθ)等于第1位置偏差，如果第2位置偏差等于第1位置偏差的话，推断此时的进给系统模型的负载惯性为实机的进给系统的负载惯性。又，以该推断的负载惯性设定逆特性模型(50)的系数(a3～a5)。

Description

负载惯性推断方法和控制参数调整方法

技术领域

本发明涉及适用于机床等工业用机械的负载惯性推断方法和控制参数调整方法。

背景技术

对于机床等工业用机械中的进给系统的负载位置控制，一般采用作为经典控制理论的反馈控制。

图4示出机床的一例。图示例的机床是门形加工中心，具有机座1、工作台2、门形支柱3、横梁4、滑鞍5、滑枕6和主轴7。

在机座1上设置有工作台2，支柱33被设置为横跨工作台2。工作台2在加工时载置有工件W，通过进给系统(在图4中省略图示：参照图5)沿着机座1上的导轨1a在X轴方向直线移动。横梁4通过进给系统(图示省略)沿着支柱前面3a的导轨3b在Z轴方向直线移动。滑鞍5通过进给系统(图示省略)沿着横梁前面4a的导轨4b在Y轴方向直线移动。滑枕6设于滑鞍5，通过进给系统(图示省略)在Z轴方向直线移动。主轴7在滑枕6内以能够旋转的状态被支承，顶端通过附件8安装有工具9。

因此，以工具9加工工件W时，工具9被主轴7旋转驱动，主轴7和工具9与横梁4或滑枕6一起在Z轴方向直线移动，并与滑鞍5一起在Y轴方向直线移动，工作台2和工件W在X方向直线移动。于是，此时为了高精度地加工工件W，需要通过反馈控制来高精度地控制主轴7(工具9)和工作台2(工件W)的移动位置。

图5示出反馈控制系统和进给系统的一般的构成例。省略了详细的说明，图5所示的工作台2的进给系统11由伺服电动机12、减速齿轮装置13、托架14、滚珠螺杆15(螺杆部15c、螺母部15b)等构成，使工作台2和工件W向X轴方向直线移动。与该进给系统11相对，反馈控制系统16控制伺服电动机12的旋转，使得位置检测器6检测到的工作台2(工件W)的位置、即负载位置θ_L追随由数值控制(NC)装置17发出的位置指令θ。

但是，图示例这样的反馈控制系统16难以得到充分地追随性，产生负载位置θ_L相对于位置指令θ的追随延迟(即、负载位置的延迟)。因此，为了应对该追随延迟(负载位置的延迟)，虽然图示省略了，但一般要对反馈控制系统16附加对位置指令θ进行微分来进行位置延迟补偿的前馈控制功能。

但是，即使对反馈控制系统附加这样的前馈控制功能，也无法补偿由于控制对象的机械要素发生的挠曲、扭转等动态的变形所产生的位置延迟和振动。例如图5的进给系统11中，滚珠螺杆15的螺杆部15c的刚性有限，在工作台2移动时，产生与负载惯性(工件重量)和负载位置θ_L相应的螺杆部15c的扭转或挠曲等，但由此而产生的负载位置θ_L的追随延迟是无法由所述前馈控制功能补偿的。

因此，下述的专利文献1中公开如下技术：求出与进给系统的特性近似的特性模型(传递函数)，求出该特性模型的逆特性模型(逆传递函数)，通过将该逆特性模型附加到反馈控制系统，来对进给系统的滚珠螺杆的扭转、挠曲等产生的负载位置的延迟和速度的延迟进行补偿(参照图1、图2：后文详述)。又，作为对控制系统附加控制对象的逆特性模型的技术还有下述的专利文献2、3所公开的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2009-201169号公报

专利文献2：专利第3351990号公报

专利文献3：专利第3739746号公报

专利文献4：专利第4137673号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，在图5中，虽然工作台2的重量恒定，但工件W的重量因加工制品的种类等而不同，因此，由工作台2的重量和工件W的重量确定的负载惯性也随工件W的重量的变化而变化。

因此，认为包含于进给系统的逆特性模型(逆传递函数)的负载惯性一直为恒定值的话，将与所述恒定值不同重量的工件W载置于工作台2进行加工时，包含于进给系统的逆特性模型的负载惯性与进给系统的实际的负载惯性会不同。因此，即使将所述进给系统的逆特性模型附加到反馈控制系统，在加工与所述恒定值不同重量的工件W时，由滚珠螺杆15的扭转、挠曲等造成的负载位置θ_L的追随延迟不能由逆特性模型充分补偿，使得位置指令θ和负载位置θ_L的位置偏差变大，因此，不能够高精度地加工该工件W。

因此，附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统中，为了对无论多重的的工件W都可以进行高精度地加工，需要推断与工件W的重量对应的负载惯性，根据该推断的负载惯性，调整包含于进给系统的逆特性模型的负载惯性。

因此，本发明鉴于上述情况，提出了推断与工件重量对应的负载惯性的负载惯性推断方法、和通过该推断的负载惯性，调整包含于进给系统的逆特性模型的负载惯性的控制参数调整方法。

又，上述的专利文献4记载了根据无负载时和负载时的电动机的转矩差计算负载重量的方法，而本发明的方法是基于位置偏差等推断负载惯性。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题第1发明的负载惯性推断方法为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于对所述进给系统的动态的误差要素进行补偿的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，

所述负载位置控制系统中，通过对所述反馈控制系统发出位置指令，实施所述反馈控制系统的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，

所述负载位置控制系统的模型、即负载惯性推断模型中，通过对所述反馈控制系统的模型给出所述位置指令，实施所述反馈控制系统的模型所进行的所述进给系统的模型的负载位置控制模拟，并且，调整包含于所述进给系统的模型中的负载惯性，反复所述负载位置控制模拟，直到所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差，其结果，如果所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差的话，将此时的所述进给系统的模型所包含的负载惯性推断为所述进给系统的负载惯性。

另外，第2发明的负载惯性推断方法为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，

在所述负载位置控制系统中，通过对所述反馈控制系统给出位置指令，实施所述反馈控制系统所进行的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，

或者，在所述负载位置控制系统的模型中，对所述反馈控制系统的模型给出所述位置指令，实施所述反馈控制系统的模型所进行的所述进给系统的模型的负载位置控制模拟，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，

基于位置偏差特性数据求出与由所述负载位置控制试验或所述负载位置控制模拟测定到的所述位置偏差对应的负载惯性，将该负载惯性推断为所述进给系统的负载惯性，所述位置偏差特性数据是基于预先测定的无负载时在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差、和负载时在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差而预先设定的，且位置偏差与负载惯性的增加成比例地线性增加。

另外，第3发明的控制参数调整方法为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性的控制参数调整方法，

基于由第1或第2发明的负载惯性推断方法推断的负载惯性，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性。

发明的效果

根据第1发明的负载惯性推断方法，是通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于对所述进给系统的动态的误差要素进行补偿的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，所述负载位置控制系统中，通过对所述反馈控制系统发出位置指令，实施所述反馈控制系统的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，所述负载位置控制系统的模型、即负载惯性推断模型中，通过对所述反馈控制系统的模型给出所述位置指令，实施所述反馈控制系统的模型所进行的所述进给系统的模型的负载位置控制模拟，并且，调整包含于所述进给系统的模型中的负载惯性，反复所述负载位置控制模拟，直到所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差，其结果，如果所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差的话，将此时的所述进给系统的模型所包含的负载惯性推断为所述进给系统的负载惯性。因此，即使进给系统的负载重量(例如载置于机床的工作台的工件的重量)发生变化，也可以容易地推断出与该负载重量对应的负载惯性。

根据第2发明的负载惯性推断方法，为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，在所述负载位置控制系统中，通过对所述反馈控制系统给出位置指令，实施所述反馈控制系统所进行的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，或者，在所述负载位置控制系统的模型中，对所述反馈控制系统的模型给出所述位置指令，实施所述反馈控制系统的模型所进行的所述进给系统的模型的负载位置控制模拟，测定此时在规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差，基于位置偏差特性数据求出与由所述负载位置控制试验或所述负载位置控制模拟测定到的所述位置偏差对应的负载惯性，将该负载惯性推断为所述进给系统的负载惯性，所述位置偏差特性数据是基于预先测定的无负载时在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差、和负载时在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差而预先设定的，且位置偏差与负载惯性的增加成比例地线性增加。因此，即使进给系统的负载重量(例如载置于机床的工作台的工件的重量)发生变化，也可以容易地推断出与该负载重量对应的负载惯性。

根据第3发明的控制参数调整方法，为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性的控制参数调整方法，基于由第1或第2发明的负载惯性推断方法推断的负载惯性，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性。因此，即使进给系统的负载重量(例如载置于机床的工作台的工件的重量)发生变化，也可以使进给系统的参数和逆特性模型的参数(例如包含负载惯性的项的3次微分项以上的系数(详细后述)等)一致。因此，可以高精度地控制负载位置，使其追随位置指令，例如机床可以进行高精度地加工。

附图说明

图1是示出实施本发明的实施方式实例1涉及的负载惯性推断方法和控制参数调整方法的负载位置控制系统的构成的图。

图2是示出负载惯性推断模型的构成的图。

图3是示出实施本发明的实施方式实例2涉及的负载惯性推断方法和控制参数调整方法的负载位置控制系统的构成的图。

图4是示出以往的机床的构成的图。

图5是示出以往的负载位置控制系统(反馈控制系统和工作台进给系统)的构成的图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的实施方式实例进行详细说明。

<实施方式实例1>

(反馈控制系统和进给系统的说明)

基于图1，首先，对实施本发明的实施方式实例涉及的负载惯性推断方法和控制参数调整方法的机床(参照图4)的负载位置控制系统(反馈控制系统21和进给系统22)的构成进行说明。

如图1所示，工作台进给系统22包括：作为驱动源的伺服电动机23、具有电动机侧齿轮24a和负载侧齿轮24b的减速齿轮装置24、内置轴承25的托架26、具有螺杆部27a和螺母部27b的滚珠螺杆27、位置检测器28、脉冲编码器29。

两侧的托架26固定于机座1，滚珠螺杆27的螺杆部27a以能够旋转的状态介由轴承25被支撑。滚珠螺杆27的螺母部27b安装于工作台2，与螺杆部27a螺合。伺服电动机23介由减速齿轮装置24连接于滚珠螺杆27的螺杆部27a。工作台2上设置有工件W。又，工作台2上安装有位置检测器(图示例中是感应同步器方式的直线检测元件)28，伺服电动机23上安装有脉冲编码器29。

因此，伺服电动机23的转矩通过减速齿轮装置24向滚珠螺杆27的螺杆部27a传递、使得螺杆部27a像箭头A那样旋转时，工作台2与滚珠螺杆27的螺母部27b一起在X轴方向直线移动。此时，位置检测器28检测工作台2(工件W)的移动位置即负载位置θ_L，并将该负载位置θ_L的检测信号向反馈控制系统21发送(位置反馈)。脉冲编码器29检测伺服电动机23的旋转位置即电动机位置θ_M。该电动机位置θ_M的检测信号被发送到反馈控制系统21，通过由微分运算部36进行时间微分，得到伺服电动机23的旋转速度即电动机速度V_M(速度反馈)。

反馈控制系统21由例如个人计算机执行的软件构成，具有位置偏差运算部31、乘法部32、速度偏差运算部33、比例积分运算部34、电流控制部35、微分运算部36。

另外，反馈控制系统21被附加工作台2的进给系统22的逆特性模型50。后文详述，逆特性模型50是与进给系统22的特性近似的特性模型(传递函数)的逆特性模型(逆传递函数)，用于补偿由进给系统22的滚珠螺杆27(螺杆部27a)的扭转和挠曲等所产生的负载位置θ_L的延迟和速度延迟(参照图2：后文详述)。又，图1中的s是拉普拉斯算子，s表示1次微分、s²表示2次微分、s³表示3次微分、s⁴表示4次微分、s⁵表示5次微分、1/s表示积分(图2、图3也是一样)。

反馈控制21的位置偏差运算部31计算用于控制负载位置θ_L而由数值控制(NC)装置41发出的位置指令θ与负载位置θ_L的偏差(θ-θ_L)，求出位置偏差Δθ。乘法部32通过将位置偏差Δθ乘以位置回路增益Kp，求出用于控制伺服电动机23的旋转速度的电动机速度指令V。然后，速度偏差运算部33计算由逆特性模型5输出的速度的补偿量V_H加上电动机速度指令V得到的值、与电动机速度V_M的偏差(V+V_H-V_M)，求出速度偏差ΔV。

比例积分运算部34采用速度回路增益K_V和积分时间常数T_V，通过进行τ=ΔV×(K_V(1+1/(T_Vs)))的比例积分运算，求出对于伺服电动机23的电动机转矩指令τ。电流控制部35控制向伺服电动机23供给的电流，使得伺服电动机23产生的转矩追随电动机转矩指令τ。又，虽然图示省略，电流控制部35进行电流的反馈控制，使得电动机23的供给电流为与电动机转矩指令τ对应的电流。

这样，反馈控制系统21通过以位置回路为主回路、以速度回路和电流回路为辅助回路的3重回路进行反馈控制，控制使得负载位置θL追随位置指令θ。

(负载惯性推断模型的说明)

然后，本实施方式实例1中，还将用于推断与工件W的重量对应的负载惯性JL的模型60附加到反馈控制系统21中。基于图2，对该负载惯性推断模型60进行说明。又，图2中与图1相同的部分都赋予同一符号，并省略重复的详细说明。

图2所示的实例中，与进给系统22的特性近似的特性模型(传递函数)特定为：以伺服电动机23和作为其负载的工作台2和工件W为质点的2质点系的机械系统统模型。于是，负载惯性推断模型60具有：该进给系统22的特性模型(传递函数)、该特性模型的逆特性模型(逆传递函数)50、和反馈控制系统21的模型(传递函数)。

如图2所示，以传递函数表示伺服电动机23的特性模型时，以方框62的传递函数(1/(J_Ms+D_M))和方框63的传递函数(1/s)来表示。J_M是电动机惯性、D_M是电动机粘性。从方框62输出电动机速度V_M，从方框63输出电动机位置θ_M。

以传递函数表示包含滚珠螺杆27的工作台2的特性模型时，以方框64的传递函数(C_Ls+K_L)、方框65的传递函数(1/(J_Ls+D_L))和方框66的传递函数(1/s)来表示。J_L是负载惯性，是由工作台2的重量(恒定值)和载置于工作台2的工件W的重量决定的惯性。因此，载置于工作台2的工件W的重量变化时，负载惯性J_L也相应变化。D_L是负载(工作台)的粘性，C_L是沿着滚珠螺杆27部分(螺杆部27a、螺母部27b、托架26)的轴方向的弹簧粘滞、K_L是沿着滚珠螺杆27部分(螺杆部27a、螺母部27b、托架26)的轴方向的弹簧刚性。

位置偏差运算部67计算电动机位置θ_M和负载位置θ_L的偏差(θ_M-θ_L)，求出位置偏差Δθ_ML。方框64被输入位置偏差Δθ_ML时，通过进行τ_L=Δθ_ML×(C_Ls+K_L)的运算，求出反力转矩τ_L并输出。反力转矩τ_L被输入到方框65时，通过在方框65和方框66进行θ_L=τ_L×(1/(J_Ls+D_L))×(1/s)的运算，求出负载位置θ_L，从方框66输出。

转矩偏差运算部61计算转矩指令τ和反力转矩τ_L的偏差(τ-τ_L)，求出转矩偏差Δτ。方框62通过进行V_M=Δτ×(1/(J_Ms+D_M))的运算，求出电动机速度V_M，该电动机速度V_M向方框63输出，并且向反馈控制系统21的速度偏差运算部33反馈。方框63通过进行θ_M=V_M×(1/s)的运算，求出电动机位置θ_M，该电动机位置θ_M向位置偏差运算部67输出。负载位置θ_L被反馈到反馈控制系统21的位置偏差运算部31。

逆特性模型50具有：1次微分项运算部51、2次微分项运算部52、3次微分项运算部53、4次微分项运算部54、5次微分项运算部55、加法部56和比例积分逆传递函数部57。

各微分项运算部51～55和加法部56设定补偿控制用传递函数，其用于补偿进给系统22的伺服电动机23、滚珠螺杆27和工作台2处的动态的误差要素，使得负载位置θ_L与位置指令θ一致(追随)的补偿控制。该补偿控制用传递函数是前述的进给系统22(由伺服电动机23、滚珠螺杆27和工作台2构成的机械系统统)的传递函数的逆传递函数。又，该逆传递函数是省略了一部份运算要素的函数。

具体来说，逆特性模型50的各微分项运算部51～55分别具有各运算项a1s、a2s²、a3s³、a4s⁴、a5s⁵，位置指令θ分别乘以各运算项a1s～a5s⁵，并将该乘法值分别输出到加法部56。由加法部56对各微分项运算部51～55输出的各乘法值进行相加。

各运算项a1s～a5s⁵的各系数a1、a2、a3、a4、a5如下设定。如上所述，包含于各系数a1～a5的式中的K_V是速度回路增益、K_L是沿着滚珠螺杆27的轴方向的弹簧刚性、T_V是积分时间常数、D_M是伺服电动机23的粘性、D_L是负载粘性、J_M是伺服电动机23的惯性、J_L是负载惯性。

又，如下这样设定(运算)各系数a1～a5，运算手法如后文所述。

[数式1]

a 1 = \frac{K_{V}}{T_{V}}

a 2 = D_{M} + D_{L} + K_{V} + \frac{K_{V} D_{L}}{T_{V} K_{L}}

a 3 = J_{M} + J_{L} + \frac{D_{M} D_{L} + K_{V} D_{L}}{K_{L}} + \frac{K_{V} J_{L}}{T_{V} K_{L}}

a 4 = \frac{J_{M} D_{L} + J_{L} D_{M} + K_{V} J_{L}}{K_{L}}

a 5 = \frac{J_{M} J_{L}}{K_{L}}

比例积分逆传递函数部57中，设定比例积分运算部34的传递函数K_V(1+1/(T_Vs))的逆传递函数(Tv/K_V(T_Vs+1))×s中的(Tv/K_V(T_Vs+1))。(Tv/K_V(T_Vs+1))×s中的微分运算子s分别被分给各微分项运算部51～55的各运算项a1s～a5s⁵。

于是，通过从设定了这样的系数a1～a5的逆特性模型50输出的速度补偿量V_H适用于反馈控制系统21，实施进给系统22的负载位置控制，从而可以补偿在进给系统22的伺服电动机23、滚珠螺杆27、工作台2等所产生的歪斜、挠曲、粘性等误差要素，因此，可以高精度地控制负载位置θ_L，使其追随位置指令θ。从而，可以进行高精度的加工。

(负载惯性推断方法和控制参数调整方法的说明)

然而，载置于工作台2的工件W的重量变化时(重量不同的工件W载置于工作台2时)，与该工件W的重量变化相应地，负载惯性J_L也发生变化，因此，进给系统22的参数与逆特性模型50的参数变得不一致。具体来说，逆特性模型50中，包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上(即、a1s³～a5s⁵的项)的系数a3～a5变得与进给系统22的参数不一致。因此，这样不变的话会增加位置偏差Δθ，产生负载位置θ_L相对于位置指令θ的追随延迟。

因此，进行工件W的加工之前通过如下方法推断与工件W的重量相应的负载惯性J_L。

首先，图1所示的实机的负载位置控制系统(反馈控制系统21和进给系统22)中，在工作台2上载置了工件W的状态下，通过从NC装置41发出对反馈控制系统21的位置指令θ(向X轴方向的移动指令)，实施该反馈控制系统21进行的进给系统22的负载位置控制试验。然后，测定此时产生的位置偏差Δθ。只是，弹簧刚性K_L由于负载位置θ_L而变化，因此，测定工作台2到达规定(预先确定)的负载位置θ_L的时点(即、到达成为规定的弹簧刚性K_L的负载位置θ_L的时点)所产生的位置偏差Δθ。

接着，图1和图2所示的所述负载位置控制系统的模型、即负载惯性推断模型60中，在工作台2上载置了所述工件W的状态下，通过由NC装置41向反馈控制系统21的模型发出所述位置指令θ(向X轴方向的移动指令)，实施由该反馈控制系统21的模型进行的进给系统22的模型的负载位置控制模拟。

此时，调整包含于进给系统22的模型中的工作台2和工件W的负载惯性J_L，反复所述负载位置控制模拟，直到所述负载位置控制模拟中产生的位置偏差Δθ等于所述实机的负载位置控制试验中测定到的位置偏差Δθ。

只是，如上所述，弹簧刚性KL随负载位置θ_L变化，因此，将工作台2到达所述规定的负载位置θ_L的时点(即，达到所述规定的弹簧刚性K_L的负载位置θ_L的时点)中产生的位置偏差Δθ与所述实机的负载位置控制试验中测定到位置偏差Δθ进行比较，推断二者是否相等。又，将进行所述实机的负载位置控制试验时的逆特性模型50中的负载惯性J_L和进行所述负载位置控制模拟时的逆特性模型50中的负载惯性J_L设定为同一值。例如，将它们设为工作台2上没有工件W的无负载时的负载惯性J_L0。

然后，调整包含于进给系统22的模型的负载惯性J_L，反复所述负载位置控制模拟的结果，如果所述负载位置控制模拟中产生的位置偏差Δθ与在所述实机的负载位置控制试验中测定到的位置偏差Δθ相等的话，包含于此时的进给系统22的模型的负载惯性J_L被推断为与实际载置在工作台2上的工件W的重量对应的负载惯性J_L。

接着，如图1所示，将该推断出的负载惯性J_L从负载惯性推断模型60向实机的逆特性模型50输出。实机的逆特性模型50中，基于从负载惯性推断模型60输出的负载惯性J_L，调整(设定)包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5。这样一来，进给系统22的参数与逆特性模型50的参数(包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5)一致。因此，进行该工件W的加工时，可以高精度地控制负载位置θ_L，使其追随位置指令θ，可以进行高精度的加工。

(作用效果)

如上所述，根据本实施方式实例1的负载惯性推断方法，通过附加了进给系统22的逆特性模型50的反馈控制系统21，基于从逆特性模型50输出的、用于对进给系统22的动态的误差要素进行补偿的补偿量V_H，对控制进给系统22的负载位置θ_L的负载位置控制系统，推断进给系统22的负载惯性J_L。所述负载位置控制系统中，通过对反馈控制系统21发出位置指令θ，实施反馈控制系统21的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ，在所述负载位置控制系统的模型、即负载惯性推断模型60中，通过对反馈控制系统21的模型发出所述位置指令θ，实施反馈控制系统21的模型进行的进给系统22的模型的负载位置控制模拟，并且，所述负载位置控制模拟中，调整包含于进给系统22的模型的负载惯性J_L，反复所述负载位置控制模拟，直到所述规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ等于在所述负载位置控制试验中测定到的位置偏差Δθ，结果是如果所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ等于在所述负载位置控制试验中测定到的位置偏差Δθ的话，包含于此时的进给系统22的模型中的负载惯性J_L推断为实机的进给系统22的负载惯性J_L，因此，即使进给系统22的负载重量(载置于工作台2的工件W的重量)发生变化，也可以容易地推断与该负载重量对应的负载惯性J_L。

于是，基于根据本实施方式实例1的控制参数调整方法，所述负载惯性推断方法推断的负载惯性J_L，调整包含于实机的逆特性模型50的负载惯性J_L，因此，即使进给系统22的负载重量(载置于工作台2的工件W的重量)发生变化，也可以使进给系统22的参数与逆特性模型50的参数(包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5)一致。因此，可以高精度地控制负载位置θ_L，使其追随位置指令θ，可以进行高精度地加工。

<实施方式实例2>

(负载惯性推断方法和控制参数调整方法的说明)

基于图3，对本发明的实施方式实例2涉及的负载惯性推断方法和控制参数调整方法进行说明。又，在图3中，与上述实施方式实例1相同的部分都赋予同一符号，省略重复的详细说明。

如图3所示，本实施方式实例2中，用于推断与工件W的重量对应的负载惯性J_L的位置偏差特性数据部70被附加到反馈控制系统21。

可以认为位置偏差Δθ(即、滚珠螺杆27的挠曲等)与工件W的重量之间，F=ma=K_LΔθ(F：力、m：工件重量、K_L：滚珠螺杆的弹簧刚性、Δθ：位置偏差)的关系式成立，使力F和弹簧刚性K_L恒定的话，位置偏差Δθ与工件W的重量的增加成比例地线性增加。

又，可以认为对于逆特性模型50中3次微分以上的项(a3s³～a5s⁵)，与负载惯性J_L成比例地确定补偿量，位置偏差Δθ与载置于工作台2的工件W的重量的增加成比例地线性地增加。

因此，如果有工作台2上没有载置工件W的无负载时的负载惯性J_L0的位置偏差Δθ和将假想的最大重量的工件W载置于工作台2的最大负载时的负载惯性J_L的位置偏差Δθ的数据，根据该数据，可以推断未知的重量的工件W载置于工作台2时的负载惯性J_L1。

因此，图3所示的实机的负载位置控制系统(反馈控制系统21和进给系统22)中，对于所述无负载时的情况和所述最大负载时实施的情况，通过从NC装置41向反馈控制系统21发出位置指令θ(向X轴方向的移动指令)，实施该反馈控制系统21进行的进给系统22的负载位置控制试验。然后，测定所述无负载时产生的位置偏差Δθ_L0和最大负载时产生的位置偏差Δθ_LM。

或者，采用图2所示那样的负载位置控制系统的模型，对所述无负载时的情况和所述最大负载时实施的情况，通过向反馈控制系统21的模型发出所述位置指令θ(向X轴方向的移动指令)，实施该反馈控制系统21的模型进行的进给系统22的模型的负载位置控制模拟。然后，测定所述无负载时产生的位置偏差Δθ_L0和所述最大负载时产生的位置偏差Δθ_LM。

又，如上所述，弹簧刚性K_L由于负载位置θ_L而发生变化，因此，测定工作台2达到规定(预先确定)的负载位置θ_L的时点(即，达到成为规定的弹簧刚性K_L的负载位置θ_L的时点)产生的位置偏差Δθ_L0、Δθ_LM。

又，由于以所述无负载时的位置偏差Δθ_L0为基准，逆特性模型50的负载惯性J_L为所述无负载时的负载惯性J_L0。因此，所述无负载时的位置偏差Δθ_L0几乎为零。

位置偏差特性数据部70基于该预先设定的所述无负载时的位置偏差Δθ_L0和所述最大负载时的位置偏差Δθ_LM，设定与负载惯性J_L的增加成比例地线性增加的位置偏差特性数据ΔV_D。

然后，在进行工件W的加工之前，通过如下的方法，推断与工件W的重量对应的负载惯性J_L。

首先，图3所示的实机的负载位置控制系统(反馈控制系统21和进给系统22)中，在工作台2上载置了工件W的状态下，通过从NC装置41向反馈控制系统21发出位置指令θ(向X轴方向的移动指令)，实施该反馈控制系统21的进给系统22的负载位置控制试验。

然后，位置偏差特性数据部70测定(输出)此时产生的位置偏差Δθ(图示例为Δθ₁)。只是，如上所述，弹簧刚性K_L由于负载位置θ_L发生变化，因此，位置偏差特性数据部70测定(输出)工作台2到达规定(预先确定)的负载位置θ_L的时点(即，到达成为规定的弹簧刚性K_L的负载位置θ_L的时点)产生的位置偏差Δθ(图示例中为Δθ₁)。

接着，位置偏差特性数据部70基于预先设定的位置偏差特性数据ΔV_D，求出与由所述实机的负载位置控制试验或所述负载位置控制模拟测定(输出)的位置偏差Δθ(图示例中为Δθ₁)对应的负载惯性J_L(图示例为J_L1)，该负载惯性J_L(图示例中为J_L1)推断为与实际工作台2上载置的工件W的重量对应的负载惯性J_L。将该推断出的负载惯性J_L从位置偏差特性数据部70向实机的逆特性模型50输出。

实机的逆特性模型50基于负载惯性推断模型60输出的负载惯性J_L(图示例为J_L1)，调整(设定)包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5。这样一来，进给系统22的参数与逆特性模型50的参数(包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5)一致。因此，进行该工件W的加工时，可以高精度地控制负载位置θ_L，使其追随位置指令θ，可以进行高精度地加工。

又，上述说明中，采用最大负载时的位置偏差Δθ_LM设定位置偏差特性数据ΔV_D，但并不限定于此，也可以采用最大负载以外的负载时的位置偏差Δθ_L设定位置偏差特性数据ΔV_D。即，最大重量以外的重量的工件W载置于工作台2的状态(即，最大负载以外的负载状态)中，通过实施与上述同样的实机的负载位置控制试验或者负载位置控制模拟，测定该负载时的位置偏差Δθ，基于该测定到的该负载时的位置偏差Δθ与无负载时的位置偏差Δθ₀，也可以设定与负载惯性JL的增加成比例地线性地增加的位置偏差特性数据ΔV_D。

(作用效果)

这样，根据本实施方式实例2的负载惯性推断方法，通过附加了进给系统22的逆特性模型50的反馈控制系统21，基于从逆特性模型50输出的、用于对进给系统22的动态的误差要素进行补偿的补偿量V_H，对控制进给系统22的负载位置θ_L的负载位置控制系统推断进给系统22的负载惯性J_L。所述负载位置控制系统中，通过对反馈控制系统21发出位置指令θ，实施反馈控制系统21的负载位置控制试验，测定此时在规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ(Δθ₁)，或者，所述负载位置控制系统的模型中，通过对反馈控制系统21的模型发出所述位置指令θ，实施反馈控制系统21的模型的进给系统22的模型的负载位置控制模拟，测定此时规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ(Δθ₁)，基于预先测定的无负载时在所述规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ(Δθ₀)和负载时在所述规定的负载位置θ_L产生的位置偏差Δθ(Δθ_M)，预先设定位置偏差Δθ与负载惯性J_L的增加成比例地线性增加的位置偏差特性数据ΔV_D，基于位置偏差特性数据ΔV_D，求出与该所述负载位置控制试验或者所述负载位置控制模拟所测定到的位置偏差Δθ(Δθ₁)对应的负载惯性J_L(J_L1)，该负载惯性J_L(J_L1)推断为实机的进给系统22的负载惯性J_L，因此，即使进给系统22的负载重量(载置于工作台2的工件W的重量)发生变化，也可以容易地推断出与该负载重量对应的负载惯性J_L。

于是，基于根据本实施方式实例2的控制参数调整方法，所述负载惯性推断方法推断的负载惯性J_L，调整包含于实机的逆特性模型50的负载惯性J_L，因此，即使进给系统22的负载重量(载置于工作台2的工件W的重量)发生变化，也可以使进给系统22的参数与逆特性模型50的参数(包含负载惯性J_L的项的3次微分项以上的系数a3～a5)一致。因此，可以高精度地控制负载位置θ_L，使其追随位置指令θ，可以进行高精度地加工。

又，根据上述实施方式实例1、2推断的负载惯性JL调整逆特性模型50的负载惯性J_L，但并不限定于此，也可以根据推断的负载惯性J_L调整与加工条件相关的控制参数等这样的逆特性模型50的负载惯性J_L以外的控制参数。例如，也可以将推断的负载惯性J_L从位置偏差特性数据部70或负载惯性推断模型60输出到NC装置41，根据该推断的负载惯性J_L，调整由NC装置41设定的加减速时间或角速度加速度等的控制参数。

另外，上述实施方式实例1、2中，对将本发明适用于工作台2的进给系统22的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以将本发明适用于工作台2以外的进给系统(例如，滑鞍或滑枕等的进给系统)。例如，图4中，在附件8或工具9的重量发生变化的情况下，将本发明使用于滑鞍5或滑枕6的进给系统也是有效的。

另外，上述实施方式实例1、2中，对将本发明用于由伺服电动机23、滚珠螺杆27等构成的进给系统22的情况进行了说明，但并不限定于此，本发明也可以适用于其他构成的进给系统(例如采用油压泵、油压电动机、油压汽缸等的进给系统等)。

又，上述实施方式实例1、2中，对适用于机床的进给系统的情况进行了说明，但并不一定限定于此，本发明也可以适用于机床以外的工业用机械的进给系统。

<逆特性模型的系数的运算手法的说明>

这里，对设定(运算)逆特性模型50中的各系数a1～a5的运算手法进行说明。

图2所示的机械系统模型中，转矩和速度的逆特性模型的传递函数如下计算。首先，根据运动方程式求出下述的(1)式和(2)式。又，(1)式为关于将伺服电动机23的特性模型化的电动机传递函数，表示输入输出的关系的运动方程式，(2)式为关于将作为负载的工作台2和工件W的特性模型化的负载传递函数，表示输入输出的关系的运动方程式。

[数式2]

τ-(θ_M-θ_L)·(C_Ls+K_L)=(J_Ms²+D_Ms)·θ_M…(1)

(θ_M-θ_L)·(C_Ls+KL)=(J_Ls²+D_Ls)·θ_L…(2)

根据上述的(1)式和(2)式得到下述的(3)式和(4)式。

[数式3]

τ = {\frac{J_{M} J_{L} s^{4} + (J_{M} D_{L} + J_{L} D_{M}) s^{3} + D_{M} D_{L} s^{2}}{C_{L} s + K_{L}} + (J_{M} + J_{L}) s^{2} + (D_{M} + D_{L}) s} \cdot θ_{L} . . . (3)

θ_{M} s = (\frac{J_{L} s^{3} + D_{L} s^{2}}{C_{L} s + K_{L}} + s) \cdot θ_{L} . . . (4)

为了使负载(工作台2和工件W)以零误差移动，进行补偿控制使负载位置θ_L与位置指令θ一致即可。即，进行补偿控制使得θ=θ_L即可。为了使θ=θ_L，将转矩指令τ以(3)式的右边的{}内的式(第1传递函数式)进行前馈补偿控制，将速度指令V以(4)式的右边的()内的式(第2传递函数式)进行前馈补偿控制即可。又，(4)式中，θ_Ms与电动机速度V_M等价。

(3)式中，将θ_L置换为θ、置换指令速度Vτ的话，(3)式成为下述的(5)式。(5)式为在(3)式上乘以比例积分运算器34设定的比例积分运算式的逆运算式得到的算式。换而言之，(3)式除以比例积分运算器34设定的比例积分运算式得到(5)式。(5)式的右边去除θ的部分为第3传递函数式。又，(4)式中将θ_L置换为θ，对(4)式进行变形的话，成为下述的(6)式。对于使负载位置θ_L与位置指令θ一致的补偿控制，使θ和θ_L的误差为零的补偿速度V_H为(5)式和(6)式相加，其如下述的(7)式所示。(7)式的右边除去θ的部分为第4的传递函数式。

[数式4]

Vτ = {\frac{J_{M} J_{L} s^{4} + (J_{M} D_{L} + J_{L} D_{M}) s^{3} + D_{M} D_{L} s^{2}}{C_{L} s + K_{L}} + (J_{M} + J_{L}) s^{2} + (D_{M} + D_{L}) s}

\cdot (\frac{T_{V} s}{K_{V} T_{V} s + K_{V}}) \cdot θ . . . (5)

θ_{M} s = (\frac{J_{L} s^{3} + D_{L} s^{2}}{C_{L} s + K_{L}} + s) \cdot (\frac{K_{V} T_{V} s + K_{V}}{T_{V}}) \cdot (\frac{T_{V}}{K_{V} T_{V} s + K_{V}}) \cdot θ . . . (6)

V_{H} = {\frac{J_{M} J_{L} s^{5} + (J_{M} D_{L} + J_{L} D_{M} + K_{V} J_{L}) s^{4} + (D_{M} D_{L} + K_{V} D_{L} + \frac{K_{V} J_{L}}{T_{V}}) s^{3} + \frac{K_{V} D_{L}}{T_{V}} s^{2}}{C_{L} s + K_{L}}

+ (J_{M} + J_{L}) s^{3} + (D_{M} + D_{L} + K_{V}) s^{2} + \frac{K_{V}}{T_{V}} s} \cdot (\frac{T_{V}}{K_{V} T_{V} s + K_{V}}) \cdot θ . . . (7)

(7)式这样不能以微分次数组成数式，如果将对精度几乎没有影响的C_L项从(7)式削除，则得到下述的(8)式。(8)式的右边除去θ的部分是补偿控制用传递函数。将(8)式以系数a1～a5进行置换的话，得到下述的(9)式。因此，根据(8)式和(9)式可以得到各系数a1～a5。

[数5]

V_{H} = {\frac{J_{M} J_{L} s^{5}}{K_{L}} + \frac{(J_{M} D_{L} + J_{L} D_{M} + K_{V} J_{L}) s^{4}}{K_{L}} + (J_{M} + J_{L} + \frac{D_{M} D_{L} + K_{V} D_{L}}{K_{L}} + \frac{K_{V} J_{L}}{T_{V} K_{L}}) s^{3}

+ (D_{M} + D_{L} + K_{V} + \frac{K_{V} D_{L}}{T_{V} K_{L}}) s^{2} + \frac{K_{V}}{T_{V}} s} \cdot (\frac{T_{V}}{K_{V} T_{V} s + K_{V}}) \cdot θ . . . (8)

V_{H} = (als + {a 2 s}^{2} + {a 3 s}^{3} + {a 4 s}^{4} + {a 5 s}^{5}) \cdot (\frac{T_{V}}{K_{V} T_{V} s + K_{V}}) \cdot θ . . . (9)

产业上的可利用性

本发明涉及负载惯性推断方法和控制参数调整方法，在对附加到机床等的反馈控制系统的进给系统的逆特性模型中所包含的负载惯性进行调整时适用。

符号说明

1机座、2工作台、21反馈控制系统、22进给系统、23伺服电动机、24减速齿轮装置、24a电动机侧齿轮、24b负载侧齿轮、25轴承、26托架、27滚珠螺杆、27a螺杆部、27b螺母部、28位置检测器、29脉冲编码器、31位置偏差运算部、32乘法部、33速度偏差运算部、34比例积分运算部、35电流控制部、36微分运算部、41NC装置、50逆特性模型、511次微分项运算部、522次微分项运算部、533次微分项运算部、544次微分项运算部、555次微分项运算部、56加法部、57比例积分逆传递函数部、60负载惯性推断模型、61转矩偏差运算部、62、63关于伺服电动机的传递函数的方框、64、65、66关于工作台和滚珠螺杆的传递函数的方框、67位置偏差运算部、70位置偏差特性数据部。

Claims

1.一种负载惯性推断方法，其特征在于，其为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于对所述进给系统的动态的误差要素进行补偿的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，

所述负载位置控制系统的模型、即负载惯性推断模型中，通过对所述反馈控制系统的模型给出所述位置指令，实施所述反馈控制系统的模型所进行的所述进给系统的模型的负载位置控制模拟，并且，调整包含于所述进给系统的模型中的负载惯性，反复所述负载位置控制模拟，直到所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差，其结果，如果所述负载位置控制模拟中，在所述规定的负载位置产生的所述位置指令与负载位置的位置偏差等于在所述负载位置控制试验测定到的所述位置偏差的话，将此时的所述进给系统的模型所包含的负载惯性推断为所述进给系统的负载惯性。

2.一种负载惯性推断方法，其特征在于，其为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，推断所述进给系统的负载惯性的方法，

3.一种控制参数调整方法，其特征在于，其为通过附加了进给系统的逆特性模型的反馈控制系统，基于从所述逆特性模型输出的、用于补偿所述进给系统的动态的误差要素的补偿量，对控制所述进给系统的负载位置的负载位置控制系统，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性的控制参数调整方法，

基于由权利要求1或2的负载惯性推断方法推断的负载惯性，调整包含于所述逆特性模型中的负载惯性。