CN1036528A - 控制一个机床(例如一个车床)的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制一个机床(例如一个车床)的方 法和系统。本发明的方法是以数字滤波一个反馈信 号、一个起始控制信号和一个最终控制信号中的至少 一个信号的步骤为特征的，该反馈信号表示一个刀具 沿相对于一个工件的表面的一个直线轴的位置，该起 始控制信号是表示工件的角度位置的角度位置信号 的一个函数，该最终控制信号是该起始控制信号和该 反馈信号的一个函数以控制作为沿该直线轴的刀具 位置和速率的一个函数的刀具位置。

Description

本发明涉及控制一个机床（例如一个车床）的方法和系统。

机床（例如车床）的控制在过去的十年左右时间内得到了很大的发展。但是，有一点没有变，即，使切削刀具的径向位置与工件的转动协同动作以加工出所需的形状的要求仍旧没变。在一些早期的车床中。这种联系是通过一个机械凸轮和从动系统而实现的。但是，这需要实际车削一个模型工件。当不同形状的工件（例如活塞）需要车削时，这就妨碍了这样一种机床的简单化的适应性。

后来，将计算机数控系统应用于一个切削刀具的一般思想得到了发展。在这种系统中。一个计算机和一个具有一个反馈回路的数字控制器将一个表示刀具现行位置的位置信号与一个程序设定位置信号相比较，以产生一个误差信号去控制驱动刀具的线性马达的激励。

计算机数控系统的使用允许工件（例如活塞）在高于1200转/分转速时被加工成具有椭圆形横截面的形状。在这种系统中，必须对于工件的每一周转动使得刀具沿着工件的径向作往复运动。在活塞以2400转/分旋转的情况下，这就要求切削刀具执行经过精确控制的80赫兹频率的往复运动。在活塞以3600转/分旋转的情况下。切削刀具必须以120赫兹的频率往复运动。在2400转/分情况下，如果要求0.015英寸的径向位移，相应的加速度值就应当是315英尺/秒²。

切削刀具的往复运动的控制由于切削刀具与转动工件之间的相互作用所加的负荷而变得复杂。因此，切削刀具必须被构造和支承得能抵抗负荷（例如惯性、摩擦和瞬间切削力），而不产生不希望的边界效应（例如刀具振动和/或弯曲）。以获得期望的工件外形。

这样一个车床的控制系统最好应当具有：一个20微英寸的稳态精度或更好;一个对步进指令小于5%的超调量;一个不小于300000磅/英寸的刚度;和一个工件以1800转/分转动时工件每转动一度修正一次的适时修正率（即每92微秒修正一次）。

有关一个计算机数控车床的现有技术包括一个计算机数控系统，其中切削操作的闭环控制是在一个如椭圆形的活塞的工件上完成的。相对于切削刀具的工件的轴向位置和相对于转轴的工件的转动位置被精确地控制并且这些位置一直是知道的。计算机数控系统与闭环控制一起作用于一个工件程序之上以发出一个相应的指令用以控制一个音圈马达。于是，随之产生与其相连的切削刀具的往复运动。指令通过一个高速数据通路传输到一个位置外形计算机，该计算机将指令翻译成适当的形式，致使音圈马达产生使切削刀具对于工件的每一周转动作一种双向的往复运动。该位置外形计算机用于切削刀具的径向定位并构成切削刀具位置闭环控制的一部分。各种传感器，包括速率传感器，给用硬件构成闭环的闭环控制器提供反馈信号。美国专利第4，653，360号、名称为“计算机数控车床”（于1987年3月31日公告）的专利便是这种现有技术的一个例子。

象德克萨斯仪器公司的TMS320系列的微处理器和采用加利福尼亚州圣克拉拉的“全国半导体组织”的LM628芯片的系统的数字信号处理的速度已经允许对基于微处理器的控制系统使用复杂的算法。任何这种控制系统的可行性与包含在控制程序中的差分方程中的数学运算的数量有关，尤其是与乘法运算的次数有关。

数字滤波器可以是一个电路或计算机程序，它可以是线性和时间不变的，并处理离散时间信号方。数字滤波器可以用通常的数字硬件组成，也可以在适当的通用或专用计算机或微型计算机上以数字程序方式实现。

数字滤波器有两种基本类型。递归或无限脉冲响应滤波器和非递归或有限脉冲响应滤波器。这些滤波器的因果变量可以由许多公知形式的连续时间函数产去。

本发明的方法的特征是包括如下步骤：数字滤波许多离散时间信号（例如刀具位置信号、起始控制信号和最终控制信号）中的至少一个信号。其中所产生的最终控制信号按刀具位置和速度的变化而控制刀具的径向位置。

本发明的系统是以用数字滤波装置完成上述方法步骤为特征的。

本发明的优点是提供了一种通过采用一个数字滤波器来控制一个机床（例如一个车床）的方法和系统，因此不再需要速率传感器。

本发明的另一个优点是提供了一种控制一个机床（例如一个车床）的方法和系统，其中该系统的控制回路是在该系统的一个软件部分形成闭环的，从而增加了可靠性和简易性。

本发明的又一个优点是提供了一种控制一个机床（例如一个车床）的方法和系统，其中前馈补偿是由该系统的一个软件部分实现的，以删除不必要的硬件。

采用上述本方法和系统所带来的其它优点是非常多的。例如，该系统和方法能够自动地加工工件（例如活塞），该工件有一个具有呈一个可靠的和有效利用成本的形式的极高的精度公差的椭圆形的横截面。这种方法和系统尤其适用于象用于汽车发动机的活塞的批量生产过程中。

结合附图从本发明的以下的详细描述中可以很明显地看到本发明的上述优点和其它优点及特征。

图1是本发明的一个控制系统的一个总的方框图;

图2是包括图1中的数字控制器方框的该系统的一个部分的更为详细的方框图;

图3是以流程图形式表示采用本发明的方法和系统控制的一个车床的X轴的动作和同步的一个程序框图。

现在来看图1，其中显示了本发明的控制方法和系统（总的如10所示）所控制的一个机床刀具加工一个工件的情况。具体来说，图1显示了一个汽车的活塞（如11所示）正在被一个车床的一个切削刀具20车削，该车床正如美国专利4，653，360（与本申请具有同样的代理人并特此专诚地引入作为参考）中所描述的。活塞11的一个复杂的（即椭圆形的）表面12被示意地显示并按一个实际活塞按比例画出。活塞11的长轴和短轴之间的实际差大约是0.015英寸。

正象在美国专利4，653，360中那样，表面12可以认为具有一个一般的圆锥截体形状，其中该表面的实际横截面是椭圆形的。这可以从图1看出来，图1既是活塞11的一个端视图又是它的一个剖视图。

表面12最好定义为一组空间离散的点并且按最常用的方式利用一个三维坐标系统或矩阵来识别，其中一个坐标表示关于活塞11的纵轴14的角度位置。另一个坐标表示沿轴14的长度方向的纵向（即轴向）位置。第三个坐标表示从表面12到轴22的一个径向的长度。按照这种方式，活塞11的表面几何形状就由一个刀具的角度、轴向和径向位置坐标的数据矩阵所表示。然而，应当理解的是，在某些情况下，例如当径向位置坐标沿活塞11的轴向长度方向不变时，在数据矩阵中可不用轴向位置坐标。

活塞11的表面几何形状定义的离散点的精密程度是所使用点的数量的函数。换句话说就是，点分的越细，所定义的表面越精确。

活塞11被适当卡紧，并通过一个普通的驱动和可转动的芯轴16与轴14同轴地转动。芯轴16的角速率最好是相对不变的并带动活塞以1200转/分或更大的转速旋转。

当活塞11绕轴14转动时，它对于轴14的角度位置被一个芯轴编码器18连续地监测。于是切削刀具24相对于轴14的角度位置就知道了，并且当切削刀具的刀头的来回运动基本上和轴14的径向一致时，角度位置基本是不变的，切削刀具24是安装在驱动模件22上的刀夹20内。从而，当活塞11转动时，在任何给定时刻，当活塞11位于切削刀具的刀头时，监测到的角度位置可以用来确定活塞11的角度坐标。

驱动模件22包括一个滑板和一个被支承的电动线性马达，例如一个音圈马达。为了Z轴运动，模件22每装在一个球状伺服机构和螺母装置28上，正如在上述的美国专利中详细描述的那样。该球状伺服机构和螺母装置28与一个包含一个伺服马达的Z轴驱动装置30相联接，以使模件22沿Z轴运动。沿Z轴的稳态误差最好小于0.001英寸以及超调量最好小于10%。

在任何给定的时刻，活塞11的角度位置和活塞11的纵向位置确定了位于切削刀具的刀头的活塞11上的点。

活塞11相对于切削刀具24的纵向位置由Z轴编码器26连续地监测。Z轴编码器26最好对于球头螺杆28的每转提供大约512线（Line）或更多的脉冲。并且有积分输出。另外，芯轴编码器18最好对于芯轴16每转提供大约900个脉冲并且有积分输出。

驱动模件22还包括一个安装在其上的线性位置传感器或编码器32。编码器32最好是一个采用了非接触式电光读出头的玻璃刻度表盘基准系统，以确定滑板相对于驱动模件22的底座的确切位置。另外，也可以采用钢制的刻度表盘基准。

编码器32最好提供每英寸行程大约1270线或脉冲。这个数字通过信号调节电路34与一个因子10相乘得到每英寸直线行程12700个脉冲。

一个数字控制器，如36所示，接收来自Z轴编码器26、信号调节电路34和芯轴编码器18的脉冲。该数字控制器最好包括一个插有轴控制板38的工业型IBM    PC-XT。该控制板38是一种市场上可购买到的明石苏达州普利茅斯的运动研究公司生产的板并具有型号PC303，元件号BOO-T303-01。

控制板38沿传输线40输出一个数字最终控制信号，作为数/模转换电路42的输入，该数/模转换电路也可以装在控制板38上。数/模转换电路42的输出，又作为模拟滤波电路44的一个输入。该模拟滤波电路44最好包括普通的带除滤波器或陷波滤波器。

模拟滤波电路44的输出作为线性功率放大器或功率驱动器46的输入，该功率驱动器46向驱动模件22的电动线性马达提供动力。

数字控制器36通过传输线50还控制一个输出禁止电路48，如果出现误动作，那么该输出禁止电路将禁止该输出。

现在来看图2，以方框图形式显示了在数字控制器36内完成的各种硬件和传递作用。尤其是，数字控制器36中的控制板38实际上包括一个芯轴位置计数器52，在该计数器之前有一个脉冲乘法电路54，该脉冲乘法电路最好将所接收到的来自芯轴编码器18的脉冲数乘以一个因子4。

控制板38实际上包括一个X轴或刀具轴计数器56，紧接在该计数器之前有一个乘法电路58，该乘法电络将所接收到的来自信号调节电路34的脉冲数也乘以一个因子4。

用类似的方法，控制板38还可以包括一个Z轴计数器60，该计数器对所接收到的来自Z轴编码器26的脉冲数目进行计数。

IBM    PC-XT的存贮器中包含有确定工件表面形状的数据矩阵。已编程的PC响应芯轴位置计数器52和Z轴计数器60内的计数，以执行一个外形指令发生器62的功能。该PC使接收到的来自Z轴和芯轴计数器60和52的轴向和角度位置信号分别与数据矩阵相关联，以在传输线64上产生一个起始控制信号。

该起始控制信号与X轴计数器56内的计数在比较装置或相加点66处相比较，以在传输线68上产生一个误差或最终控制信号。该最终控制信号馈入方框70、72和74，这三个方框构成一个数字滤波器，尤其是给定了PID回路的增益。然而，应当理解，该数字滤波器可以是其它无限或有限脉冲响应型式的数字滤波器。由方框70、72和74所给定的增益是在位于控制板38上的一个数字信号处理微处理器的控制下在控制板38上得以实现。

在传输线64上的起始控制信号最好被作为前馈增益方框76的一个输入，方框76的输出加到第二个相加点78。方框76的输出对来自方框70、72和74的最终控制信号在相加点78进行修正。

另一种类型的前馈信号最好从一个工件速率补偿增益方框80施加于相加点78，以进一步修正最终控制信号。芯轴位置计数器52的计数沿传输线82输入到方框80，然后由方框80输出到相加点78。

此外，第二个数字滤波器最好以一个伪微分反馈（即PDF）方框84的形式接收来自X轴计数器56的计数，在相加点78进一步修正最终控制信号。方框84的输出信号提供一个箝位或稳定增益。

最终控制信号的响应信号出现在传输线86上，并输入一个起放大作用的速率增益方框88。被放大的信号出现在传输线40以便输入到数/模转换器42，正如前面所述的。

现在来看图3，这是本发明的系统10的控制软件的一个基本流程图。为了使活塞11的位置与通过芯轴编码器18指示的活塞11的电气位置机械对准，芯轴位置有一个可编程的偏置。由图1中的角“a”表示，“a”代表机械零点与编码器18的标记位置之间的角位移。

在方框90中，起始发出一个低速指令给芯轴驱动器以使芯轴16转动。

在方框92中，数字控制器36检查是否该芯轴标记已经达到。如果还没有，在方框94，数字控制器36中的误差计数器被衰减。在方框96，误差计数内的计数被检验，如果为零，在方框98就指示一个错误信号。

如果误差计数器内的计数不为零，在方框92再一次检验芯轴标记。如果仍未达到该标记，那么误差计数器再被衰减直到指示出错误状态或者最终达到该芯轴标记为止。

在方框100，当最终达到该芯轴标记时，通过施加一个偏置给芯轴计数器而使芯轴计数器归零。

在方框102，一个高速指令被发送给芯轴。

在方框104，对Z轴发出命令使其以一个特定的进给速度移动。

在方框106，由计数器52和60内相应的芯轴计数值和Z轴编码器计数值产生一个数据地址坐标，用以粗加工活塞11。

在方框108，存贮的矩阵数据从前面产生的地址指针获得，并通过数字控制器36送到驱动模件32的X轴伺服机构。

在方框110，检查是否最后一个数据点已经被送到X轴伺服机构。如果还没有，重复执行方框106和108。如果最后一个数据块已经送到X轴伺服机构，在方框112，Z轴以一个精加工进给速度反向移动。

在方框114，由计数器52和60内相应的芯轴计数值和Z轴编码器计数值产生一个数据地址指针，用以精加工操作。

在方框116，检索由该地址指针指示的数据并将其送到X轴伺服机构。

在方框118，判断是否最后一个数据点已经读出。如果还没有，重复执行方框114和116。如果最后一个数据点已经读出，在方框120，Z轴伺服机构被停止工作。

在方框122，芯轴被定位，然后活塞11被从芯轴16上取下。

上述本发明的方法和系统提供了许多优于现有技术的优点。例如，数字控制器36接收一个表示刀具径向位置的反馈信号，并通过数字滤波产生一个指令或最终控制信号，该控制信号是刀具位置和速率两者的函数。这样去消了带有相应的速率传感器的速率反馈回路。这正是人们所期望的，因为速率传感器会给系统引入共振。另外，由于本方法和系统的控制回路是以软件方式形成闭环的，这就比用硬件形成闭环的控制回路更可靠和更简单。此外，附加控制硬件可以减少，例如用于前馈补偿的控制硬件。

虽然数字滤波器既可以用硬件也可以用软件实现，但最好是用软件实现。数字滤波器既可以是一种无限脉冲响应型式也可以是一种有限脉冲响应型式，从这种数字滤波器可以获得一种控制，例如PID控制。

本发明已经以一种举例说明的方式进行了描述，应当理解，所使用的专业术语是为了使描述的词语更加贴切自然但并不局限于此。本发明的许多替换和变化都可能是借鉴了上述的教导。因此，应当认为，在随后的权利要求书的保护范围内，本发明可按和上边专门描述的不同方式进行。

Claims (14)

1、一种在机械加工操作中控制一个沿着直线轴可移动的刀具(24)相对于一个绕转轴(14)可转动工件的表面的位置的方法。该方法包括以下步骤：产生一个表示该工件的角度位置的角度位置信号；产生一个是该角度位置信号函数的起始控制信号；产生一个表示沿该直线轴的刀具位置的刀具位置反馈信号；产生一个作为该起始控制信号和该刀具反馈信号的一个函数的最终控制信号。按沿该直线轴的刀具位置和速率两者的变化去控制沿该直线轴的刀具位置。其中本发明的改进包括以下内容：

对该反馈信号、该起始控制信号和该最终控制信号中的至少一个信号进行数字滤波。

2、根据权利要求1所述的方法，其中产生所述最终控制信号的步骤包括将所述起始控制信号与所述刀具反馈信号进行比较的步骤。

3、根据权利要求1所述的方法，其中所述数字滤波的步骤是由一个数字算法和执行该数字算法的一个数字信号处理微处理器完成的。

4、根据权利要求1所述的方法，其中所述最终控制信号是经过数字滤波的。

5、根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述反馈信号是经过数字滤波的。

6、根据权利要求5所述的方法，进一步包括按照该经过滤波的反馈信号的变化修正最终控制信号的步骤。

7、根据权利要求1所述的方法，该工件的表面几何形状是由该刀具的角度、径向和轴向位置坐标的数据矩阵确定的，并且其中该方法进一步包括产生一个表示相对于该工件的该刀具的轴向位置的轴向位置信号的步骤。并且其中产生该起始控制信号的步骤包括使该轴向位置信号和该角度位置信号与该数据矩阵相关联，以产生一个按该角度和该轴向位置信号变化的起始控制信号的步骤。

8、一种控制沿直线轴可移动的刀具（24）相对于一个绕转轴（14）可转动的一个工件（11）的表面的位置的系统（10），该系统（10）包括：产生代表该工件（11）的角度位置的角度位置信号的角度位置传感器（18）;产生一个作为该角度位置信号的一个函数的起始控制信号的装置（62）;一个与该刀具（24）相联接的电动线性马达（22）用于按照最终控制信号驱动该刀具（24）沿该直线轴运动;产生代表沿所述直线轴的所述刀具位置的位置反馈信号的刀具位置反馈装置（32，34）;按所述反馈信号和该起始控制信号产生所述最终控制信号的装置（66）。以控制沿该直线轴的作为沿该直线轴的刀具位置和速率的一个函数的该刀具（24）的位置，其中本发明的改进包括：

对该反馈信号、该起始控制信号和该最终控制信号中的至少一个信号进行数字滤波的数字滤波装置（70、72、74）。

9、根据权利要求8所述的系统，其中所述产生第一个控制信号的装置包括一个将所述起始控制信号与所述反馈信号相比较的相加点。

10、根据权利要求8所述的系统，其中所述该数字滤波装置包括一个数字算法和一个执行该数字算法的数字信号微处理器。

11、根据权利要求8所述的系统，其中所述最终控制信号是经过数字滤波的。

12、根据权利要求8或权利要求11所述的系统，其中该反馈信号是经过数字滤波的。

13、根据权利要求12所述的系统，进一步包括按所述经过滤波的反馈信号修正所述最终控制信号的装置。

14、根据权利要求8所述的系统，其中所述工件的表面几何形状是由该刀具的角度、径向和轴向位置坐标的一个数据矩阵确定的。并且其中该系统进一步包括产生一个代表相对于该工件（11）的该刀具（24）的轴向位置的轴向位置信号的轴向位置传感器（26），其中产生该起始控制信号的所述装置（62）将该角度和该轴向位置信号与该数据矩阵相关联，以产生按该角度和该轴向位置信号变化的所述起始控制信号。

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