CN104520066A - 扭矩控制装置 - Google Patents

Abstract

得到一种扭矩控制装置，该扭矩控制装置通过扭矩控制轴向由主控制轴驱动的工件施加规定的推压力，并且将扭矩控制轴与主控制轴同步驱动，即使在主控制轴移动的情况下，也能够抑制位置偏差的产生。存储对由扭矩控制轴驱动的驱动部的机械特性进行表示的机械参数的最大值和最小值，通过根据主控制轴的驱动状态而选择存储在所述存储单元中的所述机械参数的最大值和最小值中的某一个，从而能够以推压力变大的方式对用于追随主控制轴的驱动所需的驱动扭矩进行运算。

Description

扭矩控制装置

技术领域

本发明涉及一种以将扭矩控制轴与主控制轴同步驱动的方式进行控制的扭矩控制装置。

背景技术

以将扭矩控制轴与主控制轴同步驱动的方式进行控制的扭矩控制装置，例如，用于带给料机的自动车床。在上述带给料机的自动车床中，具有：主轴台，其搭载有使工件进行旋转驱动的主轴；以及给料机，其向主轴供给工件，通过主控制轴使主轴台在水平方向上移动，并且通过扭矩控制轴使给料机在水平方向上移动，向工件施加一定负载。主控制轴的位置控制和速度控制的方式，是通过对主控制轴进行控制的主控制装置输入主控制轴的位置数据并进行反馈的方式，另外，利用对扭矩控制轴进行控制的扭矩控制装置以将扭矩控制轴与主控制轴同步驱动的方式进行控制，由此，工件以一定负载向主轴推压。

在应用于该带给料机的自动车床的扭矩控制装置中，扭矩控制装置不是与主轴台的水平方向的移动控制协同动作，而仅进行扭矩一定控制。即，作为将给料机向工件推压的结果，只不过是根据负载扭矩而进行与主控制装置的同步运转。因此，在主轴台移动时，为了与主轴台的移动相匹配地进行加速、减速所需的加减速扭矩变得不足。由此，存在下述问题，即，由于主轴台与给料机的相对位置发生变化(位置偏差)，因此无法进行适当的工件支撑。

作为一种对因主轴台的移动而产生的位置偏差进行抑制的方式，提出了下述方式，即，在扭矩控制装置中，不是仅使用一定的设定扭矩对扭矩控制轴的产生扭矩进行控制，而是使用适当校正后的扭矩进行控制。

例如，公开有一种技术，即，为了检测给料机相对于主轴台的移动的相对位移而具有由线位移传感器等构成的检测单元，基于检测出的相对位移决定要产生的扭矩。(例如，参照专利文献1)。

另外，公开了一种技术，即，具有输入主轴台的速度数据的速度数据输入单元，根据所输入的速度数据计算加速度数据，将对应于加速度成分的校正扭矩与扭矩指令相加。(例如参照专利文献2)

专利文献1：日本特开平8－39301号公报

专利文献2：日本特开平10－136682号公报

发明内容

但是，在专利文献1公开的技术中，存在下述问题，即，由于需要具有由线位移传感器构成的延迟检测单元，因此，装置的结构变得复杂、装置本身变得高价。

另外，在专利文献2公开的技术中，存在下述问题，即，为了对用于与主控制轴同步所需的加减速扭矩进行计算，通过将惯性矩与加速度数据相乘而进行向加减速扭矩的换算，因此，在运算中使用的惯性矩中存在误差的情况下，无法充分地抑制在主轴台和给料机之间产生的位置偏差。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到一种扭矩控制装置，该扭矩控制装置通过更简单的结构，即使在主轴台移动的情况下，也能够抑制位置偏差的产生。

为了解决上述课题，本发明中的扭矩控制装置，其通过由扭矩控制轴驱动的驱动部，向由主控制轴驱动的工件施加推压力，并且将所述扭矩控制轴与所述主控制轴同步驱动，该扭矩控制装置的特征在于，具有：机械参数设定单元，其基于所述主控制轴的驱动状态对表示所述驱动部的机械特性的机械参数进行设定，以使得所述推压力变大；追随驱动扭矩运算部，其基于由所述机械参数设定单元设定的机械参数以及所述主控制轴的驱动状态，对为了所述扭矩控制轴追随所述主控制轴的驱动所需的追随驱动扭矩进行运算；以及扭矩控制单元，其将另外设定的设定扭矩与所述追随驱动扭矩相加而计算扭矩指令值，以使所述扭矩控制轴的扭矩与所述扭矩指令值一致的方式对所述扭矩控制轴进行控制。

发明的效果

根据本发明，由于具有根据主控制轴的驱动状态对扭矩指令值进行运算的结构，因此，无需另外具有使用线位移传感器形成的延迟检测单元，能够将装置的结构简化。

另外，对于因机械参数的误差而产生的位置偏差，能够考虑机械参数的变动量而选择适当的机械参数，能够以使推压力始终变大的方式对扭矩指令值进行运算，因此能够简单地抑制位置偏差的产生。

附图说明

图1是将本发明的实施方式1中的扭矩控制装置应用于带给料机的自动车床中的结构图。

图2是表示本发明的实施方式1中的惯性矩设定单元的结构的框图。

图3是表示本发明的实施方式1中的主控制轴的驱动状态和驱动扭矩的关系的波形图。

图4是表示本发明的实施方式1中的摩擦系数设定单元的结构的框图。

图5是表示本发明的实施方式1中的主控制轴的驱动状态和驱动扭矩的关系的波形图。

标号的说明

W 工件，

1 主轴，

2 主轴台，

3 主控制轴进给螺纹，

4 主控制轴电动机，

5 检测器，

6 主控制装置，

7 辅助轴进给螺纹，

8 给料机，

10 辅助轴电动机，

11 扭矩控制装置，

12 控制器，

20 驱动状态运算部，

21 惯性矩设定单元，

22 摩擦系数设定单元，

23 驱动扭矩运算部，

24 扭矩控制单元，

25 惯性矩选择单元，

26 摩擦系数选择单元。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明所涉及的扭矩控制装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不限定于该实施方式。

实施方式1.

下面，使用图1至图5对本发明的实施方式1所涉及的扭矩控制装置进行说明。

图1是将本发明的实施方式1中的扭矩控制装置应用于带给料机的自动车床中的结构图。主轴1固定工件W，并且使工件W进行旋转驱动。搭载主轴1的主轴台2安装在主控制轴进给螺纹3上。通过主控制轴电动机4(主控制轴)使主控制轴进给螺纹3进行旋转驱动，从而使主轴台2在水平方向上移动。安装在主控制轴电动机4上的检测器5检测主控制轴电动机4的旋转位置，检测出的主控制轴的位置数据被输入至对主控制轴电动机4进行驱动控制的主控制装置6。主控制装置6以反馈方式进行主轴台2的位置控制和速度控制。控制器12向主控制装置6输出位置指令信号，该位置指令信号成为用于驱动主控制轴的目标值。给料器8安装在辅助轴进给螺纹7上。通过辅助轴电动机10(扭矩控制轴)使辅助轴进给螺纹7进行旋转驱动，从而驱动给料机8在水平方向上进行驱动而向主轴1供给工件W，并且在工件加工中向工件W施加将工件W向主轴1推压的水平方向负载。进行扭矩控制轴的扭矩控制的扭矩控制装置11根据设定扭矩对辅助轴电动机10的驱动进行控制，以给料机8向工件W施加一定负载的方式进行扭矩控制轴的扭矩控制。

在扭矩控制装置11中，将从控制器12输出的位置指令信号和来自检测器5的检测信号输入至驱动状态运算部20，该检测器5对由主控制装置6控制的主控制轴的旋转位置进行检测。驱动状态运算部20对主控制轴的速度、加速度以及它们的方向(例如符号信息)这种主控制轴的驱动状态进行运算并输出。从驱动状态运算部运算部20输出的加速度方向信息输入至惯性矩设定单元21，惯性矩设定单元21输出惯性矩。从驱动状态运算部20输出的速度方向信息输入至摩擦系数设定单元22，摩擦系数设定单元22输出摩擦系数。驱动扭矩运算部23被输入由驱动状态运算部20输出的速度、加速度等主控制轴的驱动状态、由惯性矩设定单元21输出的惯性矩、以及由摩擦系数设定单元22输出的摩擦系数，运算并输出用于追随主控制轴的动作所需的驱动扭矩。扭矩控制单元24被输入从驱动扭矩运算部23输出的用于追随主控制轴的动作所需的驱动扭矩、以及另外设定的设定扭矩Ts，基于驱动扭矩计算成为扭矩控制轴的扭矩的扭矩指令值，按照扭矩指令值对作为扭矩控制轴的辅助轴电动机10进行扭矩控制。

驱动状态运算部20基于从控制器12输出的主控制轴的位置指令信号，或者，基于来自检测器5的检测信号，运算并输出速度、加速度、它们的方向的信息(符号信息)这种主控制轴的驱动状态，其中，该检测器5对由主控制装置6控制的主控制轴的旋转位置进行检测。

在此，关于速度方向信息以及加速度方向信息，使用如下式所述的符号处理函数H(x)，向x输入速度、加速度的值并进行运算，作为速度方向信息、加速度方向信息进行输出。

在x>0的情况下：H(x)＝+1

在x＝0的情况下：H(x)＝0        …(1)

在x<0的情况下：H(x)＝－1

惯性矩设定单元21基于从驱动状态运算部20输出的、利用符号处理函数H(x)实现数值化后的加速度方向信息，运算并输出惯性矩，该惯性矩成为在扭矩控制轴的驱动扭矩的运算中使用的机械参数。

摩擦系数设定单元22基于从驱动状态运算部20输出的、利用符号处理函数H(x)实现数值化后的速度方向信息，运算并输出摩擦系数，该摩擦系数成为在扭矩控制轴的驱动扭矩的运算中使用的机械参数。

在此，关于惯性矩设定单元21以及摩擦系数设定单元22的详细内容，在后面进行说明。

驱动扭矩运算部23基于由驱动状态运算部20输出的主控制轴的速度、加速度这种驱动状态、以及通过惯性矩设定单元21运算的惯性矩、通过摩擦系数设定单元22运算的摩擦系数等机械参数，由下式计算出并输出用于追随主控制轴的动作所需的扭矩控制轴的驱动扭矩。在此，Th是用于追随主控制轴的动作所需的扭矩控制轴的驱动扭矩，a是主控制轴的加速度，v是主控制轴的速度，J是惯性矩，c是摩擦系数，H是在式(1)中所示的符号处理函数。

Th＝a·J+c·H(v)      …(2)

扭矩控制单元24将从驱动扭矩运算部23输出的驱动扭矩Th、和与期望的推压力相当而另外设定的设定扭矩Ts相加，计算成为扭矩控制轴的扭矩指令的扭矩指令值，按照扭矩指令值对作为扭矩控制轴的辅助轴电动机10进行扭矩控制。例如，以使作为扭矩控制轴的辅助轴电动机10的扭矩与扭矩指令值一致的方式进行扭矩控制。

下面，使用图2对惯性矩设定单元21进行详细说明。图2是表示本发明的实施方式1中的惯性矩设定单元21的结构的框图。

在惯性矩设定单元21中，储存有多个惯性矩的值，具有惯性矩选择单元25，该惯性矩选择单元25基于输入的主控制轴的加速度方向信息H(a)，从多个惯性矩的值中进行选择并输出。在成为选择对象的惯性矩的值有2个的情况下，选择并输出惯性矩的最大值或最小值中的某一个。在此，可以使惯性矩的值存储在惯性矩设定单元21内，或者也可以使惯性矩的值从控制器12输入至惯性矩设定单元21。这些多个惯性矩的值，考虑到在装置中所设想的惯性矩的变动而进行适当的设定变更。

在图2所示的惯性矩设定单元21中，储存有2个惯性矩的值。通过惯性矩选择单元25，在主控制轴的加速度方向与扭矩控制轴的推压力为同一方向时选择惯性矩的最大值，在主控制轴的加速度方向与扭矩控制轴的推压力为不同方向时选择惯性矩的最小值。

下面，使用图3对根据由惯性矩设定单元21选择出的惯性矩而产生驱动扭矩的动作进行说明。图3是表示本发明的实施方式1中的主控制轴的驱动状态和扭矩控制轴的驱动扭矩的关系的波形图。

在图3中，在上面的部分示出了主控制轴的时间与速度的关系，在下面的部分示出了扭矩控制装置11的时间与驱动扭矩的关系。在此，图3下面的部分中的驱动扭矩Th示出了式(2)中的摩擦系数c为零时的情况。该情况下，驱动扭矩Th根据式(2)成为加速度a和惯性矩的J的积(Th＝a·J)。在图3下面的部分中，实线示出了利用图2中的惯性矩选择单元25选择出惯性矩的最大值时的情况，虚线示出了利用图2中的惯性矩选择单元25选择出惯性矩的最小值时的情况。

如图3上面的部分所示，在主控制轴以速度为梯形变化的动作方式在正负方向上进行驱动的情况下，加速度±a的产生区间为时刻t1～t2间、时刻t3～t4间、时刻t5～t6间、时刻t7～t8间。在这些区间中，通过式(2)得到的驱动扭矩能够如图下面的部分所示那样而求出。

此时，关于在图2中的惯性矩选择单元25中被选择的惯性矩J，如前述所示，在主控制轴的加速度方向与扭矩控制轴的推压力为同一方向时选择其最大值，在主控制轴的加速度方向与扭矩控制轴的推压力为不同方向时选择其最小值。

在图3中，驱动扭矩在将速度以及驱动扭矩的正方向设为扭矩控制轴的推压力的方向的情况下，在时刻t1～t2间和时刻t7～t8间成为使用惯性矩J的最大值而产生的驱动扭矩(实线部分)，在时刻t3～t4间和时刻t5～t6间成为使用惯性矩J的最小值而产生的驱动扭矩(虚线部分)。

如上所述，通过选择惯性矩J而计算驱动扭矩，从而能够在推压力始终变大的方向上对驱动扭矩进行运算。

下面，使用图4对摩擦系数设定单元22进行详细说明。图4是表示本发明的实施方式1中的摩擦系数设定单元22的结构的框图。

在摩擦系数设定单元22中，储存有多个摩擦系数的值，并且具有摩擦系数选择单元26，该摩擦系数选择单元26基于输入的主控制轴的速度方向信息H(v)，从多个摩擦系数的值中进行选择并输出。在成为选择对象的摩擦系数的值有2个的情况下，选择并输出摩擦系数的最大值或最小值中的某一个。在此，可以使摩擦系数的值存储在摩擦系数设定单元22中，或者也可以使摩擦系数的值从控制器12输入至摩擦系数设定单元22。这些多个摩擦系数的值，考虑到装置中所设想的摩擦系数的变动而进行适当的设定变更。

在图4所示的摩擦系数设定单元22中，储存有2个摩擦系数的值。通过摩擦系数选择单元26，在主控制轴的速度方向与扭矩控制轴的推压力为同一方向时选择摩擦系数的最大值，在主控制轴的加速度方向与扭矩控制轴的推压力为不同方向时选择摩擦系数的最小值。

下面，使用图5对根据由摩擦系数设定单元22选择出的摩擦系数而产生驱动扭矩的动作进行说明。图5是表示本发明的实施方式1中的主控制轴的驱动状态和扭矩控制轴的驱动扭矩的关系的波形图。

在图5中，与图3相同地，在上面的部分示出了主控制轴的时间与速度的关系，在下面的部分示出了扭矩控制装置11的时间与驱动扭矩的关系。在此，图5下面的部分中的驱动扭矩Th是将式(2)中的惯性矩J设为固定值时的情况。在图5下面的部分中，实线示出了利用图4中的摩擦系数选择单元26选择摩擦系数的最大值时的情况，虚线示出了利用图4中的摩擦系数选择单元26选择零作为摩擦系数的最小值时的情况。

如图5上面的部分所示，在主控制轴以速度为梯形变化的动作方式在正负方向上进行驱动的情况下，速度±v的产生区间为时刻t1～t4间以及时刻t5～t8间。

此时，关于在图4中的摩擦系数选择单元26中被选择的摩擦系数c，如前述所示，在主控制轴的速度方向与扭矩控制轴的推压力为同一方向时选择其最大值，在主控制轴的速度方向与扭矩控制轴的推压力为不同方向时选择其最小值。

在图5中，驱动扭矩在将速度以及驱动扭矩的正方向设为推压力的方向的情况下，在时刻t1～t4间成为使用摩擦系数c的最大值而产生的驱动扭矩(实现部分)，在时刻t5～t8间成为使用摩擦系数c的最小值而产生的驱动扭矩(虚线部分)。

如上所述，通过选择摩擦系数c并计算驱动扭矩，从而能够在推压力始终变大的方向上对驱动扭矩进行运算。

如以上说明所述，在本发明的实施方式1中的扭矩控制装置中，由于形成下述结构，即，不使用扭矩控制轴的驱动状态的信息，而基于主控制轴的驱动状态的信息对扭矩控制轴的驱动扭矩进行运算，因此，无需另外设置用于得到主控制轴与扭矩控制轴的相对位置的线位移传感器等检测单元，能够将装置的结构简化。

另外，考虑到作为机械参数的惯性矩以及摩擦系数的变动，采用了如下方式，即，基于主控制轴的驱动信息对惯性矩以及摩擦系数的值(特别是它们的最大值和最小值)进行选择，因此，能够以使推压力始终变大的方式进行扭矩控制轴的扭矩控制，即使针对机械参数的变动、误差，也能够抑制主控制轴和扭矩控制的位置偏差的产生。

工业实用性

本发明所涉及的扭矩控制装置作为下述扭矩控制装置是有用的，即，通过扭矩控制轴向由主控制轴驱动的工件施加一定负载，并且将该扭矩控制轴与主控制轴同步驱动，特别是适用于对工业用机械装置进行驱动的电动机的扭矩控制装置。

Claims (4)

1.一种扭矩控制装置，其通过由扭矩控制轴驱动的驱动部，向由主控制轴驱动的工件施加推压力，并且将所述扭矩控制轴与所述主控制轴同步驱动，

该扭矩控制装置的特征在于，具有：

机械参数设定单元，其基于所述主控制轴的驱动状态对表示所述驱动部的机械特性的机械参数进行设定，以使得所述推压力变大；

追随驱动扭矩运算部，其基于由所述机械参数设定单元设定的机械参数和所述主控制轴的驱动状态，对用于所述扭矩控制轴追随所述主控制轴的驱动所需的追随驱动扭矩进行运算；以及

扭矩控制单元，其将另外设定的设定扭矩与所述追随驱动扭矩相加而计算扭矩指令值，以使所述扭矩控制轴的扭矩与所述扭矩致指令值一致的方式对所述扭矩控制轴进行控制。

2.根据权利要求1所述的扭矩控制装置，其特征在于，

所述机械参数设定单元储存表示所述驱动部的机械特性的机械参数的多个值，并根据所述主控制轴的驱动状态，选择并设定所储存的机械参数的最大值和最小值中的某一个。

3.根据权利要求2所述的扭矩控制装置，其特征在于，

所述机械参数设定单元包含将所述机械参数设为所述扭矩控制轴的惯性矩的惯性矩设定单元，

所述惯性矩设定单元基于所述主控制轴的加速度，在所述加速度与所述推压力为同一方向时设定惯性矩的最大值，另外，在所述加速度与所述推压力为不同方向时设定惯性矩的最小值，

所述追随驱动扭矩包含加减速扭矩，该加减速扭矩是由所述惯性矩设定单元设定的惯性矩与所述主控制轴的加速度的积。

4.根据权利要求2所述的扭矩控制装置，其特征在于，

所述机械参数设定单元包含将所述机械参数设为所述扭矩控制轴的惯性矩摩擦系数的摩擦系数设定单元，

所述摩擦系数设定单元，基于所述主控制轴的速度，在所述速度与所述推压力为同一方向时设定摩擦系数的最大值，另外，在所述速度与所述推压力为不同方向时设定摩擦系数的最小值，

所述追随驱动扭矩包含摩擦扭矩，该摩擦扭矩是根据由所述摩擦系数设定单元设定的摩擦系数和所述主控制轴的速度运算得到的。