CN103872973B - 修正移动体反转时的位置误差的伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的伺服控制装置（10）具备：反转时变化量计算部（24），其根据由移动体位置取得部（13）取得的移动体（19）的位置，计算移动体的位置的变化量；距离计算部（25），其根据移动体的位置或由电动机位置取得部（15）取得的伺服电动机（11）的位置，计算从伺服电动机到移动体之间的距离；近似公式决定部（26），其根据移动体的位置的变化量和距离和由扭矩指令生成部（23）生成的扭矩指令，决定用于计算位置修正量的近似公式，该位置修正量用于修正伺服电动机的反转而造成的伺服电动机的延迟；位置修正量计算部（27），其根据近似公式计算位置修正量。

Description

修正移动体反转时的位置误差的伺服控制装置

技术领域

本发明涉及一种修正移动体反转时的位置误差的伺服控制装置。

背景技术

伺服控制装置被用于根据位置指令使移动体正确地动作。这种机械是使移动体沿着进给轴进行移动的机床。但是，当进给轴是滚珠丝杆的螺钉轴的情况下，在移动体的移动方向反转时，由于齿隙或摩擦，反转动作延迟，其结果会产生位置误差。

一般，为了修正反转时的延迟，将相当于齿隙的位置修正量与位置指令相加，并且将补偿因摩擦造成的延迟的速度修正量与速度指令相加。

但是，在进给轴是滚珠丝杆的螺钉轴的情况下，螺钉轴在轴方向伸缩，由此引起反转时的延迟。为了消除该情况，在专利第3621278号公报中，公开了以下的结构，该结构具备：机械端修正常数乘法部，其将电动机产生的扭矩设为常数倍；加法器，其将成为常数倍的全部扭矩指令值与位置指令相加。在该情况下，考虑基于扭矩的螺钉轴的伸缩量而变更位置指令，其结果能够正确地修正反转时的延迟。

但是，螺钉轴的伸缩量不只是根据电动机的扭矩，也根据螺钉轴上的移动体的位置而进行变化。在专利第3621278号公报中，没有考虑到移动体的位置，因此对于高精度地控制移动体的位置存在限制。

另外，为了高精度地计算位置修正量，需要根据包含伸缩量的螺钉轴的变形量和电动机的扭矩和移动体的位置之间的关系，生成最适合的近似公式。但是，如果利用这些全部数据的话，则近似公式的计算变得复杂，伺服控制装置需要大量的劳动力。

本发明就是鉴于这样的情况而提出的，其目的在于：提供一种能够高精度并且简单地修正移动体反转时的位置误差的伺服控制装置。

发明内容

为了达到上述目的，根据第一个方式，提供一种驱动与伺服电动机连接的滚珠丝杆的螺钉轴，并使与该螺钉轴螺合的移动体移动的伺服控制装置，其具备：电动机位置取得部，其在每个预定的控制周期取得上述伺服电动机的位置；移动体位置取得部，其在每个上述预定的控制周期取得上述移动体的位置；扭矩指令生成部，其在每个上述预定的控制周期生成上述伺服电动机的扭矩指令；反转时变化量计算部，其根据由上述移动体位置取得部取得的上述移动体的位置，计算上述移动体的位置的变化量；距离计算部，其根据由上述电动机位置取得部取得的上述伺服电动机的位置或由上述移动体位置取得部取得的上述移动体的位置，计算从上述伺服电动机到上述移动体之间的距离；近似公式决定部，其根据由上述反转时变化量计算部计算出的上述移动体的位置的变化量、由上述扭矩指令生成部生成的扭矩指令、以及由上述距离计算部计算出的距离，决定用于计算位置修正量的近似公式，该位置修正量用于修正上述伺服电动机的反转所造成的上述伺服电动机的延迟；位置修正量计算部，其根据由上述近似公式决定部决定的近似公式，计算上述位置修正量。

根据第二个方式，在第一个方式中，上述近似公式决定部根据上述伺服电动机进行反转的上述螺钉轴上的至少2个不同位置处的上述移动体的位置的变化量和上述扭矩指令和上述距离，决定用于计算上述位置修正量的一次近似公式。

根据第三个方式，在第一个方式或第二个方式中，上述扭矩指令生成部生成从上述扭矩指令减去上述伺服电动机的加减速所需要的扭矩后得到的负荷扭矩，上述近似公式决定部根据上述移动体的位置的变化量和上述负荷扭矩和上述距离，决定用于计算上述位置修正量的近似公式。

根据附图所示的本发明的典型实施方式的详细说明，能够进一步了解本发明的这些目的、特征和优点、以及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是本发明的伺服控制装置的功能框图。

图2是表示图1所示的伺服控制装置的动作的流程图。

图3是表示沿着圆弧状轨迹加工工件的情况下的移动体的实际轨迹和修正后轨迹的图。

图4是图3所示的移动体的实际轨迹的部分放大图。

图5是表示时间和扭矩之间的关系的图。

图6是伺服电动机和螺钉轴的放大图。

图7是表示从伺服电动机到移动体之间的距离和每单位扭矩的变化量之间的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在以下的附图中，对相同的构件附加相同的参照符号。为了容易理解，这些附图适当地变更了比例尺。

图1是本发明的伺服控制装置的功能框图。如图1所示，机床1包含在输出轴安装了第一螺钉轴17的第一伺服电动机11和在输出轴安装了第二螺钉轴18的第二伺服电动机12。根据图1可知，这些第一螺钉轴17和第二螺钉轴18相互垂直，分别作为X轴、Y轴发挥功能。

在图1中，第一螺钉轴17和第二螺钉轴18与共通的移动体19螺合。移动体19发挥作为安装在作为滚珠丝杆的螺钉轴的第一螺钉轴17和第二螺钉轴18上的滚珠丝杆的螺母的作用。

如图示那样，第一伺服电动机11和第二伺服电动机12与伺服控制装置10连接，由伺服控制装置10进行控制。另外，虽然在附图中没有表示，但将工件W保持在移动体19上，配置为未图示的加工工具与工件W相对。或者，也可以将加工工具固定在移动体19上，将工件W保持在其他操作台上。

另外，第一伺服电动机11和第二伺服电动机12具备编码器15、16。这些编码器15、16在每个预定的控制周期检测各个伺服电动机11、12的位置。根据在每个预定的控制周期检测出的位置数据，求出输出轴的位置检测值Pd和速度检测值Vd。因此，这些编码器15、16发挥作为在每个预定的控制周期取得伺服电动机11、12的位置的电动机位置取得部的作用。

另外，如图1所示，与第一螺钉轴17平行地配置线性标尺13。该线性标尺13在每个预定的控制周期测定与第一螺钉轴17平行方向上的移动体的位置。因此，线性标尺13发挥作为移动体位置取得部的作用。此外，也可以与第二螺钉轴18平行地配置追加相同结构的线性标尺。

伺服控制装置10包括：位置指令生成部21，其读入程序且在每个预定的控制周期生成第一和第二伺服电动机11、12各自的位置指令Pc。另外，伺服控制装置10包括：速度指令生成部22，其根据从位置指令Pc减去由编码器15、16生成的位置检测值Pd所得的偏差，生成第一和第二伺服电动机11、12各自的速度指令Vc。进而，伺服控制装置10包括：扭矩指令生成部23，其根据从速度指令Vc减去由编码器15、16生成的速度检测值Vd所得的偏差，生成第一和第二伺服电动机11、12各自的扭矩指令Tc。

另外，伺服控制装置10包括：反转时变化量计算部24，其根据由线性标尺13取得的移动体19的位置，计算伺服电动机11反转时的移动体19的位置的变化量；距离计算部25，其根据由电动机位置取得部15取得的第一伺服电动机11的位置和由线性标尺13取得的移动体19的位置，计算从第一伺服电动机11到移动体19之间的距离L。

进而，伺服控制装置10包括：近似公式决定部26，其根据由反转时变化量计算部24计算出的移动体19的位置的变化量、由扭矩指令生成部23生成的扭矩指令Tc、由距离计算部25计算出的距离L，决定用于计算修正第一伺服电动机11的反转所造成的第一伺服电动机11的延迟的位置修正量的近似公式；位置修正量计算部27，其根据由近似公式决定部26决定的近似公式，计算位置修正量。

图2是表示图1所示的伺服控制装置的动作的流程图。在以下的说明中，主要说明第一伺服电动机11的控制，但对于第二伺服电动机12也同样进行控制。

首先，从伺服控制装置10的存储部（未图示）读出加工工件W的动作程序。该动作程序通过驱动第一伺服电动机11和第二伺服电动机12而使移动体19沿着预定的圆弧状轨迹动作。或者，动作程序也可以只驱动第一伺服电动机11而使移动体19在第一螺钉轴17上往返运动。以下，假设工作程序是与圆弧状轨迹相关的。

首先，在图2的步骤S11中，使移动体19移动到圆弧状轨迹中的第一螺钉轴17上的多个不同位置。然后，在这些多个位置中，分别使第一伺服电动机11反转，通过编码器15在每个预定的控制周期取得这时的第一伺服电动机11的位置。

这些多个位置最好是在圆弧状轨迹中伴随着第一伺服电动机11的反转动作的位置。在此，图3是表示沿着圆弧状轨迹进行加工时的移动体的实际轨迹（实线）和修正后轨迹（虚线）的图。多个不同位置最好是在图3中从第二象限II向第三象限III的转移位置、以及从第四象限IV向第一象限I的转移位置。这些转移位置分别与第一螺钉轴17的一端附近和另一端附近对应（例如图6中的C地点和D地点）。

此外，也可以沿着第二螺钉轴18配置线性标尺13。在这样的情况下，多个位置是在圆弧状轨迹中伴随着第二伺服电动机12的反转动作的位置。这样的多个位置是在图3中从第一象限I向第二象限II的转移位置、以及从第三象限III向第四象限IV的转移位置。

再次参照图2，在步骤S12中，与步骤S11的动作一起使用线性标尺13，在每个预定的控制周期也取得在上述多个位置分别使第一伺服电动机11反转时的移动体19的位置。进而，在步骤S13中，与步骤S12的动作一起，扭矩指令生成部23在每个预定的控制周期取得在上述多个位置分别使第一伺服电动机11反转时的扭矩指令Tc。

接着，在步骤S14中，距离计算部25根据在步骤S11中取得的第一伺服电动机11的位置或在步骤S12中取得的移动体19的位置，计算从第一伺服电动机11的输出端部到移动体19之间的距离L。在计算距离L时，采用在产生后述的象限突起时的控制周期中检测出的值。

进而，在步骤S15中，反转时变化量计算部24根据在步骤S12中取得的移动体19的位置，计算第一伺服电动机11反转时的移动体19的位置的变化量ε。在上述多个位置分别进行步骤S14和步骤S15的动作。

图4是图3所示的移动体的实际轨迹的部分放大图。如图4所示，在伺服电动机的反转前后由线性标尺13测量的移动体的实际位置有很大变动，产生象限突起。在步骤S15中，将象限突起的大小作为移动体19的位置的变化量ε而进行计算。

接着，在图2的步骤S16中，根据在步骤S13中取得的扭矩指令Tc、在步骤S14中计算出的距离L、在步骤S15中计算出的移动体19的位置的变化量ε，由近似公式决定部26决定近似公式。该近似公式用于计算对第一伺服电动机11的反转而造成的第一伺服电动机11的延迟进行修正的位置修正量。然后，在步骤S17中，位置修正量计算部27根据近似公式计算位置修正量ε。

在此，说明由近似公式决定部26决定的近似公式。

在驱动与滚珠丝杆的第一螺钉轴17连接的第一伺服电动机11，且驱动第一螺钉轴17上的移动体19的情况下，移动体19的位置受到第一螺钉轴17的刚性影响。例如，在第一伺服电动机11和第一螺钉轴17的接头部的刚性低的情况下，产生与扭矩成正比的扭转。另外，在第一螺钉轴17自身的刚性小的情况下，通过移动体19对第一螺钉轴17产生的力，第一螺钉轴17在轴方向伸缩。

如果设第一螺钉轴17的杨氏模量为E（N/m²），第一螺钉轴17的截面积为S（m²），从与第一伺服电动机11连结的第一螺钉轴17的端部到移动体19之间的距离为L（m），则用公式（1）表示弹簧常数k（N/m）。

k=E·S/L    （1）

另外，根据霍克法则，滚珠丝杆的第一螺钉轴17的伸缩量ε1和扭矩T和与滚珠丝杆有关的系数a满足以下的公式（2）。

T=a·k·ε1    （2）

因此，用以下的公式（3）表示滚珠丝杆的第一螺钉轴17的伸缩量ε1。

ε1=T/（a·k）=T/（a·E·S/L）=A·T·L    （3）

此外，字符A是与滚珠丝杆有关的其他系数。

另外，由于接头部的扭转造成的定位的误差量ε2与第一伺服电动机11的旋转扭矩成正比，因此以下的公式（4）成立。

ε2=B·T    （4）

在公式（4）中，字符B是与连结第一伺服电动机11和第一螺钉轴17的接头部有关的系数。

根据公式（3）和公式（4）可知，位置修正量（与上述的变形量对应）的近似公式是将扭矩T和距离L作为变量的函数。在步骤S15中计算出的移动体19的位置的变化量ε除了包含由于齿隙和摩擦造成的误差，还包含第一螺钉轴17的伸缩和接头部的扭转。

在此，图5是表示时间和扭矩之间的关系的图，横轴表示时间，纵轴表示扭矩。在图5中，表示移动体19定位在第一螺钉轴17上的某地方时（距离L）的扭矩T的变化。如图5所示那样，扭矩T由于第一伺服电动机11的反转而从T1下降到T2。

移动体19的位置的变化量ε与图5所示的扭矩差分的绝对值|T1-T2|对应。因此，用ε/|T1-T2|来表示每单位扭矩的移动体19的位置的变化量。

如上述那样，在多个位置、例如C地点和D地点进行步骤S14中的距离L的计算。多个位置也可以是三个以上，通过增加测定位置能够提高近似公式的精度。另外，根据同样的理由，多个位置最好相互不接近。

在步骤S16中，近似公式决定部26如以下那样来决定近似公式。首先，取得图6所示那样的C地点的距离L1和D地点的距离L2，取得各个距离L1、L2的变化量ε。然后，计算各个距离L1、L2的每单位扭矩的变化量ε/|T1-T2|。

接着，针对距离L对这些每单位扭矩的变化量ε/|T1-T2|进行绘图。图7是表示从伺服电动机到移动体之间的距离和每单位扭矩的变化量之间的关系的图。在图7中，横轴表示距离L，纵轴表示每单位扭矩的变化量ε/|T1-T2|。

移动体19的位置的变化量ε是第一螺钉轴17的伸缩量ε1与接头部的扭转而造成的定位误差量ε2的和，因此根据公式（3）和公式（4），以下的近似公式（5）、公式（6）成立。

ε=ε1+ε2=A·T·L+B·T=（A·L+B）T    （5）

ε/T=A·L+B    （6）

根据图7可知，公式（6）中的系数A是图7所示的直线的斜率，系数B是直线和纵轴的交点的值。这样求出系数A、B，因此通过决定公式（5）并使用公式（5），能够容易地计算出移动体19的位置的变化量ε。

此外，在针对测定第一螺钉轴17上的三个以上的位置来测定距离L等的情况下，根据最小二乘法，决定公式（5）。由此，应该知道能够得到更高精度的近似公式。

通过将包含第一螺钉轴17的伸缩量ε1和接头部的定位误差量ε2的位置修正量ε与位置指令Pc相加，能够高精度地控制移动体19的位置。然后，如图1所示，在加法部28将根据近似公式（5）计算出的变化量ε与位置指令Pc相加。然后，根据加上变化量ε后得到的新的位置指令Pc生成速度指令Vc和扭矩指令Tc，由此控制第一伺服电动机11。

在图3中，用虚线表示基于新的位置指令的修正后轨迹。根据图3可知，在修正轨迹中没有形成象限突起。因此，在本发明中，应该知道能够进行顺畅的反转动作，使移动体19沿着圆弧状轨迹顺畅地移动。

这样，在本发明中，根据考虑到从伺服电动机到移动体之间的距离L1、L2的近似公式，计算出位置修正量ε。该位置修正量ε是除了现有的齿隙、摩擦的影响以外，还考虑到滚珠丝杆的螺钉轴17的伸缩量和接头部的定位误差量的修正值。因此，在本发明中，能够根据滚珠丝杆所具备的实际的机械结构，高精度并且简单地对移动体反转时的位置误差进行修正。

另外，扭矩指令生成部23能够从扭矩指令Tc减去第一伺服电动机11的加减速所需要的扭矩而生成负荷扭矩。可以根据对惯性和电动机速度进行微分后所得的加速度来求出这样的加减速所需要的扭矩。另外，也可以使用负荷扭矩，根据公式（5）等计算出位置修正量ε。一般，反转时的移动体19的位置的变化由于负荷扭矩造成的影响大。因此，在使用负荷扭矩的情况下，能够更高精度地计算出位置修正量ε。

参照图1等，说明了使移动体19沿着圆弧状轨迹移动的情况。但是，本发明也适用于在不存在第二伺服电动机12和第二螺钉轴18的一轴式的机床中使移动体19沿着螺钉轴17进行往返移动时的情况。即，能够根据上述的位置修正量ε消除在移动体通过第一伺服电动机11进行反转动作时在移动体的位置产生的误差。其结果是应该知道能够使移动体19顺畅地往返运动。这种用于一轴式的机床的伺服控制装置也包含在本发明的范围内。

在第一个方式中，根据考虑到从伺服电动机到移动体之间的距离的近似公式来计算出位置修正量。因此，能够还考虑到滚珠丝杆的螺钉轴的伸缩量、接头部的定位误差量而进行修正。因此，能够根据滚珠丝杆所具备的实际的机械的结构，高精度并且简单地修正移动体反转时的位置误差。

在第二个方式中，利用至少2个不同的位置计算出一次近似公式，因此能够更简单地计算出位置修正量。

在第三个方式中，使用减去了伺服电动机的加减速所需要的扭矩所得到的负荷扭矩，因此能够更正确地计算出位置修正量。

使用典型实施方式说明了本发明，但如果是本技术领域的技术人员，则应该能够理解在不脱离本发明的范围情况下可以进行上述变更和各种其他的变更、省略以及追加。

Claims (2)

1.一种伺服控制装置，其驱动与伺服电动机连接的滚珠丝杆的螺钉轴，使与该螺钉轴螺合的移动体移动，该伺服控制装置的特征在于，具备：

电动机位置取得部，其在每个预定的控制周期取得上述伺服电动机的位置；

移动体位置取得部，其在每个上述预定的控制周期取得上述移动体的位置；

扭矩指令生成部，其在每个上述预定的控制周期生成上述伺服电动机的扭矩指令；

反转时变化量计算部，其根据由上述移动体位置取得部取得的上述移动体的位置，计算上述伺服电动机反转时的上述移动体的位置的变化量；

距离计算部，其根据由上述电动机位置取得部取得的上述伺服电动机的位置或由上述移动体位置取得部取得的上述移动体的位置，计算从上述伺服电动机的输出端部到上述移动体之间的距离；

近似公式决定部，其根据由上述反转时变化量计算部计算出的上述移动体的位置的变化量、由上述扭矩指令生成部生成的扭矩指令、由上述距离计算部计算出的距离，决定用于计算位置修正量的近似公式，该位置修正量用于修正上述伺服电动机的反转所造成的上述伺服电动机的延迟；

位置修正量计算部，其根据由上述近似公式决定部决定的近似公式，计算上述位置修正量，

其中，上述近似公式决定部根据上述伺服电动机进行反转的上述螺钉轴上的至少2个不同位置的上述移动体的位置的变化量和上述扭矩指令和上述距离，决定用于计算上述位置修正量的一次近似公式。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

上述扭矩指令生成部生成从上述扭矩指令减去上述伺服电动机的加减速所需要的扭矩所得到的负荷扭矩，

上述近似公式决定部根据上述移动体的位置的变化量和上述负荷扭矩和上述距离，决定用于计算上述位置修正量的近似公式。