CN103454961A - 具有修正滚珠丝杠的伸缩量的功能的伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有修正滚珠丝杠的伸缩量的功能的伺服控制装置。即使在滚珠丝杠上移动的移动体位于任何位置，都能够高精度地控制该移动体的移动。伺服控制装置具有：生成伺服电动机的位置指令值的位置指令生成部；根据该位置指令值和编码器检测出的位置检测值生成伺服电动机的速度指令值的速度指令生成部；根据该速度指令值和编码器检测出的速度检测值生成伺服电动机的转矩指令值的转矩指令生成部；以及根据从伺服电动机到在滚珠丝杠上螺合的螺母的距离和转矩指令生成部生成的转矩指令值，求出滚珠丝杠的伸缩量，根据该伸缩量计算螺母的位置修正量的位置修正量计算部。

Description

具有修正滚珠丝杠的伸缩量的功能的伺服控制装置

技术领域

本发明涉及伺服控制装置，特别涉及控制使用滚珠丝杠把伺服电动机的旋转运动变换为直线运动的进给轴的伺服控制装置。

背景技术

一般，在使用滚珠丝杠的进给轴中，在使安装在该进给轴上的移动体的移动方向反转时，通过齿隙（机械的间隙）或者摩擦产生反转动作的延迟。为修正该反转时的延迟，通过对位置指令值给予与齿隙的量相当的位置修正量、对速度指令值给予用于补偿通过该摩擦产生的延迟的速度修正量，能够分别进行修正。另外，可以根据反转方向（从＋方向向－方向或者反之）适宜变更这些修正量。

使用滚珠丝杠的进给轴中的精度降低的原因，除了上述齿隙之外，还可以举出滚珠丝杠向轴方向的伸缩，为进行考虑这点的修正而提倡利用转矩的技术。例如在日本特开2000－172341号公报中，记载有“在根据从位置指令生成部输出的位置指令值，进行反馈控制以及前馈控制，由此控制电动机发生的转矩的控制系统中，因为构成为在电动机发生的转矩上或者在与该转矩相当的信号上乘以预定的常数后与位置指令值相加，所以通过对转矩进行常数倍这样简单的操作，能够通过电动机发生的转矩以相当于机械的刚性的弹簧伸缩的量修正对电动机的位置指令”。

另外在日本特开2004－187432号公报中，记载有“根据通过负荷模型推定出的轴扭曲量或者伸缩量，修正应该减少轴扭曲量或者伸缩量的位置指令值”。

再有在日本特开2003－058213号公报中，记载有“在上述方式1到8中，负荷修正部9把弹簧常数（刚性）设为固定值K0，但是在弹簧常数依存负荷1的位置θ1而变动的情况下，也可以构成负荷修正部9把弹簧常数设为变量计算负荷转矩修正值27的数值控制装置”。

滚珠丝杠，通过来自在滚珠丝杠上螺合的螺母等移动体的反力在轴方向伸缩。在需要移动体的高精度的定位精度的情况下，也需要考虑该伸缩量，但是因为该伸缩量根据从伺服电动机到移动体的距离变化，所以根据移动体加减速（特别是反转）的位置而产生精度恶化的问题。例如，在把比较接近伺服电动机的位置作为基准来求出位置修正量的情况下，在其附近能够进行高精度的控制，但是在离伺服电动机比较远的位置精度恶化。反之，在把离伺服电动机比较远的位置作为基准来求出位置修正量的情况下，在其附近能够进行高精度的控制，但是在比较接近伺服电动机的位置精度恶化。

在日本特开2000－172341号公报中，在以与机械的刚性相当的弹簧伸缩的量来修正对电动机的位置指令时，暗示把常数倍的转矩加在位置指令值上的想法，但是不是进行考虑滚珠丝杠上的移动体的位置的修正。另外，在日本特开2004－187432号公报中，向负荷模型输入位置检测值和速度检测值而得到位置推定值，但是在求出位置推定值时未考虑转矩。

进而在日本特开2003－058213号公报中，记载了考虑弹簧常数依存负荷的位置变动的情况，把弹簧常数作为变量计算负荷转矩的想法，但是未记载根据负荷的位置求出适当的位置修正量在反馈中利用的想法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种伺服控制装置，即使在滚珠丝杠上移动的移动体位于任何位置，都能够高精度地控制该移动体的移动。

为实现上述目的，本申请发明提供一种伺服控制装置，其使用在滚珠丝杠上连接的伺服电动机控制机床的进给轴，其中，具有：生成进给轴的位置指令值的位置指令生成部；检测上述伺服电动机的角度位置的位置检测部；根据上述位置指令生成部生成的位置指令值和上述位置检测部检测出的位置检测值生成上述伺服电动机的速度指令值的速度指令生成部；检测上述伺服电动机的速度的速度检测部；根据上述速度指令生成部生成的速度指令值和上述速度检测部检测出的速度检测值生成上述伺服电动机的转矩指令值的转矩指令生成部；根据上述滚珠丝杠的伸缩量计算在上述滚珠丝杠上螺合的移动体的位置修正量的位置修正量计算部，上述位置修正量计算部，根据从上述伺服电动机到上述移动体的距离和上述转矩指令生成部生成的转矩指令值，计算上述滚珠丝杠的伸缩量，根据计算出的上述滚珠丝杠的伸缩量计算上述位置修正量。

在优选的实施方式中，伺服控制装置还具有距离计算部，其使用上述伺服电动机的角度位置计算从上述伺服电动机到在上述滚珠丝杠上螺合的移动体的距离。此外，距离计算部，也可以把从伺服电动机到在滚珠丝杠上螺合的移动体的距离作为从滚珠丝杠的伺服电动机侧的固定部到在上述滚珠丝杠上螺合的移动体的距离来计算。

在优选的实施方式中，上述距离计算部，通过使用基于各结构元件的尺寸预先规定上述移动体和上述伺服电动机之间的距离、与上述滚珠丝杠的旋转角度位置的关系的参数，实时计算上述位置检测部检测出的上述伺服电动机的角度位置处的上述移动体与上述伺服电动机之间的距离。作为基于各结构元件的尺寸预先规定的参数，可以设定滚珠丝杠的直径、横截面面积或者杨氏模量。

在优选的实施方式中，上述位置修正量计算部，在从上述伺服电动机到上述移动体的距离上乘以上述转矩指令值，进而乘以关于上述滚珠丝杠的第一系数，求出上述位置修正量。

在优选的实施方式中，上述位置修正量计算部，对在从上述伺服电动机到上述移动体的距离上乘以关于上述滚珠丝杠的第一系数而得的积，相加关于连结上述伺服电动机和上述滚珠丝杠的联接器的第二系数，进而在得到的和上乘以转矩指令值，求出位置修正量。

附图说明

通过以下参照附图对于优选的实施方式的说明进一步明了本发明的上述或者其他的目的、特征以及优点。

图1是与用伺服电动机驱动的进给轴一起表示本发明的实施方式的伺服控制装置的概要结构的图，

图2是表示伺服控制装置的处理的一例的流程图，

图3是表示未应用本申请发明以及齿隙修正的情况下的移动体的轨迹的一例的图表，

图4是表示不应用本申请发明但是应用齿隙修正的情况下的移动体的轨迹的一例的图表，

图5是表示应用本申请发明以及齿隙修正的情况下的移动体的轨迹的一例的图表，

图6是表示螺母位于比较接近伺服电动机的位置的状态的图，

图7是表示螺母位于比较远离伺服电动机的位置的状态的图，

图8是表示在工作台上连结两个螺母的例子的图。

具体实施方式

图1表示本发明的伺服控制装置的基本结构。伺服控制装置10是使用与滚珠丝杠12连接的伺服电动机14控制机床的进给轴的控制装置。在图示的例子中，滚珠丝杠12经由联接器16与伺服电动机14连结，通过伺服电动机14的旋转驱动，使在滚珠丝杠12上螺合的螺母18等移动体在滚珠丝杠12上沿其轴方向移动。另外，假定在螺母18上连接工作台20。伺服电动机14的旋转角度位置以及旋转角度，可以通过与伺服电动机14关联的编码器22等位置/速度检测部检测，检测出的位置以及速度分别可以作为位置反馈以及速度反馈利用。

伺服控制装置10具有：位置指令生成部24，用于遵照从未图示的上位控制装置或者外部输入装置等输入的程序或者命令，生成伺服电动机14的位置指令值；速度指令生成部26，用于根据位置指令生成部24生成的位置指令值和编码器22检测出的位置检测值（位置反馈值）生成伺服电动机14的速度指令值；转矩指令生成部28，用于根据速度指令生成部26生成的速度指令值和编码器22检测出的速度检测值（速度反馈值）生成伺服电动机14的转矩指令值；和位置修正量计算部32，用于根据从伺服电动机14到在滚珠丝杠12上螺合的螺母18的距离和转矩指令生成部28生成的转矩指令值求出滚珠丝杠12的伸缩量，根据该伸缩量计算螺母18的位置修正量。另外，伺服控制装置10还可以具有距离计算部30，用于使用伺服电动机14的位置，计算从伺服电动机14到滚珠丝杠12上的螺母18的距离L。

位置修正量计算部32，根据距离计算部30计算出的从伺服电动机14到螺母18的距离L、和转矩指令生成部28生成的转矩指令值计算滚珠丝杠12的伸缩量，根据计算出的滚珠丝杠12的伸缩量计算位置的修正量。下面说明其细节。

图2是说明使用伺服控制装置10进行对于伺服电动机14的指令的修正的处理的一例的流程图。首先在步骤S1，上述的位置指令生成部24生成进给轴的位置指令值。接着在步骤S2，使用编码器22等位置检测部检测伺服电动机14的位置反馈值。进而在步骤S3，上述的速度指令生成部26根据位置指令生成部24生成的位置指令值和编码器22检测出的位置反馈值生成用于伺服电动机14的速度指令值。

接着在步骤S4，使用编码器等速度检测部检测伺服电动机14的速度反馈值，进而在步骤S5，上述转矩指令生成部28根据速度指令生成部26生成的速度指令值和编码器22检测出的速度反馈值生成用于伺服电动机14的转矩指令值。

接着在步骤S6，上述距离计算部30计算从伺服电动机14到螺母18的距离。例如，通过使用基于联接器16、滚珠丝杠12以及螺母18等各结构元件的尺寸等预先规定滚珠丝杠12上的螺母18（的代表点）和伺服电动机14（的代表点）之间的距离L（参照图1）、与伺服电动机14的旋转角度位置（或者滚珠丝杠12的旋转角度位置）的关系的参数（例如滚珠丝杠12的直径、横截面面积或者杨氏模量），能够实时计算编码器22检测出的伺服电动机14的旋转角度位置处的距离L。或者距离计算部30，也可以代替从伺服电动机14到螺母18的距离，计算从位于伺服电动机侧的滚珠丝杠12的固定部到螺母18的距离。接着在步骤S7，根据在步骤S6计算出的距离L、和转矩指令生成部28生成的转矩指令值，计算滚珠丝杠12的轴方向的伸缩量，进而根据需要计算由于联接器16的旋转方向的扭曲而经由滚珠丝杠12产生的螺母18的定位误差量。下面说明其计算方法。

在与工作台20连结的螺母18通过伺服电动机14的旋转转矩在滚珠丝杠12上移动的情况下，通过来自螺母18的反力，轴方向的压缩力或者拉伸力作用，成为滚珠丝杠12中与从伺服电动机14（联接器16）到螺母18的距离L相当的部分。因此，当设与距离L相当的部分的滚珠丝杠12的杨氏模量为E时，下式（1）成立。式中，k是与滚珠丝杠12的距离L相当的部分的弹簧常数，S是滚珠丝杠12的径向的横截面面积。

K=E·S/L         (1)

伺服电动机14的旋转转矩T和滚珠丝杠12的伸缩量ε1的关系可以用下式（2）求出。式中，α1以及α1’是关于滚珠丝杠12的第一系数，具体说可以根据滚珠丝杠12的杨氏模量以及径向的横截面面积等求出。或者α1以及α1’也可以用实验方式求出。

$\mathrm{\ϵ}1=\mathrm{\α}1\·T/k=\mathrm{\α}1\·T\·L/(E\·S)=\mathrm{\α}{1}^{\′}\·T\·L---\left(2\right)$

另一方面，当联接器16接受旋转转矩时，有时在联接器16内产生朝向旋转方向的扭曲，滚珠丝杠12不成为希望的旋转角度位置，结果产生螺母18的定位误差。该联接器16的旋转方向的扭曲量通常与伺服电动机14的旋转转矩成比例。因此，由于联接器16的旋转方向的扭曲经由滚珠丝杠12产生的螺母18的定位误差量ε2可以用下式（3）表示。式中，α2是关于联接器16的第二系数，具体说可以根据联接器16的材质或者尺寸等决定。或者α2也可以用实验方式求出。

ε2=α2·T         (3)

由上述可知，可以用下式（4）表示也考虑了由于联接器16的旋转方向的扭曲经由滚珠丝杠12产生的定位误差量的、由旋转转矩引起的轴方向的误差量ε。也就是说，ε可以作为距离L和转矩T的函数来求出。

ε=ε1+ε2=(α1′．L+α2)．T          (4)

最后，在步骤S8，根据在步骤S7求出的伸缩量ε1或者误差量ε求出螺母18的位置修正量，使用该位置修正量，修正位置指令部24生成的位置指令值（参照图1）。步骤S1～S8的处理，以预定的适当的控制周期，在进给轴的预定的动作结束前被反复执行。

如上所述，在本申请发明中，因为根据伺服电动机14和螺母18间的距离L以及转矩求出滚珠丝杠12的伸缩量（进而如果需要则求出由于联接器16的旋转方向的扭曲经由滚珠丝杠12产生的定位误差量），作为位置修正量来使用，所以即使螺母18位于滚珠丝杠12上的任意的位置（特别是螺母18位于离伺服电动机14较远的位置时），也能够实时地得到适当的位置修正量，提高工作台20的定位精度。

图3～图5，是使用互相正交的两根滚珠丝杠（X、Y轴）进行工作台等移动体沿圆状的轨迹移动那样的控制的情况的图。此外，在图3～图5中，横轴（X轴）以及纵轴（Y轴）都是任意的单位，但是，显示轨迹都为明了化而在误差方向（半径方向）上放大。

图3表示为进行比较而不应用本申请发明、进而也不进行所谓的齿隙修正使移动体移动时的轨迹。在这种情况下，在各轴的移动方向反转的（共计四个）位置，在反转前后产生比较大的阶梯差，即相对于理想的圆轨迹的偏差。

图4表示为进行比较而不应用本申请发明、但是进行齿隙修正时的轨迹。在这种情况下，与图3比较，反转前后阶梯差的大小变小，但是依然能够看到不理想的大小的阶梯差。另外，如后述，关于X方向和Y方向的各方向，螺母（移动体）从伺服电动机远离时的阶梯差大。

图4的A部以及B部表示X轴上的反转，详细说，A部的反转与图6所示那样的螺母18位于比较接近伺服电动机14的位置的反转相当，B部的反转与图7所示那样的螺母18位于比较远离伺服电动机14的位置的反转相当。在图4中，B部的阶梯差比A部的阶梯差大一些（g1<g2），即暗示在螺母比较远离伺服电动机的位置处反转时修正更不充分。

同样，图4的C部以及D部表示Y轴上的反转，详细说，C部的反转与图6所示那样的螺母18位于比较接近伺服电动机14的位置的反转相当，D部的反转与图7所示那样的螺母18位于比较远离伺服电动机14的位置的反转相当。在图4中，D部的阶梯差比C部的阶梯差大一些（g3<g4），即暗示在螺母比较远离伺服电动机的位置处反转时修正更不充分。

图5表示应用本申请发明、进而也进行齿隙修正时的轨迹的图表。如从该图可知，各反转部处的阶梯差实质上没有，意味螺母即使位于滚珠丝杠上的任何位置都能进行适当的位置修正。此外，即使在图5的情况下，在轨迹中也包含由齿隙引起的突起状的部位，这可以通过另外的技术消除。

此外，如图8所示，根据机床的情况，对于一个移动体（工作台）可以连结两个或者两个以上的个数的螺母18a、18b，但是，在这种情况下优选根据最近的螺母（在图8的情况下为螺母18a）的位置进行修正/反馈控制。这是因为，一般由于工作台的刚性可以忽略滚珠丝杠在螺母间的伸缩。

另外，根据其他机床的情况有时也把与螺母18相当的构件固定在固定位置。在那样的情况下，因为伺服电动机与滚珠丝杠一起相对于螺母移动，所以在与伺服电动机和螺母间的距离相当的滚珠丝杠的部分伸缩这样的意义下与上述实施方式相同。因此在这种情况下也能够同样应用本申请发明。

根据本发明，因为根据伺服电动机和移动体间的距离以及伺服电动机的转矩，计算伴随滚珠丝杠的伸缩的精度下降，所以能够得到与移动体的位置对应的适当的位置修正量，能够用更高的精度进行移动体的控制，所述伸缩在反转时等加减速时通过在滚珠丝杠上作用的力引起的伸缩。

能够容易地根据伺服电动机或者滚珠丝杠的旋转角度位置求出伺服电动机和移动体的距离。

位置修正量的计算能够简易地根据伺服电动机到移动体的距离和转矩指令值求出。

在滚珠丝杠经由联接器与伺服电动机连结的情况下，能够求出也考虑了由于该联接器的旋转方向的扭曲经由滚珠丝杠产生的螺母的定位误差的、更准确的位置修正量。

Claims (5)

1.一种伺服控制装置（10），其使用在滚珠丝杠（12）上连接的伺服电动机（14）控制机床的进给轴，其特征在于，

具有：

生成进给轴的位置指令值的位置指令生成部（24）；

检测上述伺服电动机（14）的角度位置的位置检测部（22）；

根据上述位置指令生成部（24）生成的位置指令值和上述位置检测部（22）检测出的位置检测值，生成上述伺服电动机（14）的速度指令值的速度指令生成部（26）；

检测上述伺服电动机（14）的速度的速度检测部（22）；

根据上述速度指令生成部（26）生成的速度指令值和上述速度检测部（22）检测出的速度检测值，生成上述伺服电动机（14）的转矩指令值的转矩指令生成部（28）；和

根据上述滚珠丝杠（12）的伸缩量计算在上述滚珠丝杠上螺合的移动体（18）的位置修正量的位置修正量计算部（32），

上述位置修正量计算部（32），根据从上述伺服电动机（14）到上述移动体（18）的距离和上述转矩指令生成部（28）生成的转矩指令值，计算上述滚珠丝杠（12）的伸缩量，根据计算出的上述滚珠丝杠（12）的伸缩量计算上述位置修正量。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具有：距离计算部（30），其使用上述伺服电动机（14）的角度位置计算从上述伺服电动机（14）到在上述滚珠丝杠（12）上螺合的移动体（18）的距离。

3.根据权利要求2所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述距离计算部（30），通过使用基于各结构元件的尺寸预先规定上述移动体（18）和上述伺服电动机（14）之间的距离、与上述滚珠丝杠（12）的旋转角度位置的关系的参数，实时计算上述位置检测部（22）检测出的上述伺服电动机（14）的角度位置处的上述移动体（18）与上述伺服电动机（14）之间的距离。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述位置修正量计算部（32），在从上述伺服电动机（14）到上述移动体（18）的距离上乘以上述转矩指令值，进而乘以关于上述滚珠丝杠（12）的第一系数，求出位置修正量。

5.根据权利要求1～3中任何一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述位置修正量计算部（32），对将从上述伺服电动机（14）到上述移动体（18）的距离乘以关于上述滚珠丝杠（12）的第一系数而得的积相加关于连结上述伺服电动机（14）和上述滚珠丝杠（12）的联接器（16）的第二系数，进而在得到的和上乘以转矩指令值，求出位置修正量。

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