CN104570943B - 根据电动机温度变更动作的机床的控制装置以及控制方法 - Google Patents

根据电动机温度变更动作的机床的控制装置以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种根据电动机温度变更动作的机床的控制装置以及控制方法。该机床的控制装置以及控制方法能够识别过热的原因，自动地采取与每个原因对应的恰当的措施。控制装置的第一放大器具备：加减速判定部，其判定主轴电动机是否进行加减速；第一温度推定部，其在加减速状态，推定主轴电动机的第一温度变化量；第二温度推定部，其在稳定状态，推定主轴电动机的第二温度变化量；以及比较部，其进行两个温度变化量的比较，当主轴电动机过热时，数值控制部根据比较部的比较结果，发送变更主轴电动机以及进给轴电动机的至少一方动作的动作指令。

Description

根据电动机温度变更动作的机床的控制装置以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种具备根据驱动机床主轴的电动机的温度，变更该机床的动作的功能的控制装置以及该机床的控制方法。
背景技术
在具有通过电动机驱动的主轴和进给轴的机床中，当在该主轴进行重切削加工或加减速频率较高的加工时，电动机的温度上升，有时主轴驱动用电动机成为过热。为了避免这样的故障，例如在日本特开2003-009563号公报中记载了如下技术：检测驱动可动体的伺服电动机的温度，控制伺服电动机使得可根据检测到的温度来变更可动体的加减速时间常数。
此外，在日本特开平09-179623号公报中记载了如下技术：预测运算进给轴电动机的温度来生成温度数据，将该温度数据与预先存储的预定的温度数据进行比较，根据该比较结果变更进给轴的加减速时间常数。
并且，在日本特开2009-041130号公报中记载了如下技术：根据横编针织机的运输驱动用电动机的平均负载扭矩，计算出假想的电动机温度，当假想温度超过容许值时，使向电动机施加的电力减少。
日本特开2003-009563号公报以及日本特开平09-179623号公报的技术根据检测出或推定出的电动机温度，变更加减速的时间常数。一般，当电动机的加减速需要恒定的扭矩，并且加减速的频率较高时，电动机的发热量变大，因此为了抑制该发热量变更时间常数(延长)是有效的。然而，作为电动机成为过热状态的原因，除了加减速的情况外，还有以恒定速度继续负载较大的加工的情况。对于这样的过热，延长时间常数并非是有效果的。
另一方面，在日本特开2009-041130号公报所记载的技术，如该专利文献作为对象的横编针织机那样，即使速度变化电动机的旋转扭矩在大致恒定的情况下有效，但如机床那样，如果降低电动机的速度则切削负载急剧上升的情况下则不能应用该技术。
如上所述，机床主轴的过热原因可以考虑加减速引起的大电流(以及其频率)和较大切削负载引起的大电流(以及继续这些所需要的时间)，但当前，不能区别这些原因而恰当地采取与原因对应的措施。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种识别过热的原因，能够自动地采取与每个原因对应的恰当的措施的机床的控制装置以及控制方法。
为实现上述目的，本发明的一方式提供一种具有驱动主轴的主轴电动机和驱动进给轴的进给轴电动机的机床的控制装置，该控制装置具备：数值控制部，其向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机发送动作指令；加减速判定部，其判定所述主轴电动机是否处于加减速状态；电流检测部，其检测流过所述主轴电动机的电流值；第一温度推定部，其在所述主轴电动机处于加减速状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第一温度变化量；第二温度推定部，其在所述主轴电动机处于加减速状态以外的状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第二温度变化量；比较部，其进行所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较；以及电动机温度取得部，其取得所述主轴电动机的综合温度变化量，当所述综合温度变化量超过预定的阈值时，所述数值控制部根据所述比较部的比较结果，变更向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机的至少一方的动作指令。
在优选的实施方式中，所述电动机温度取得部根据所述第一温度推定部的推定值与所述第二温度推定部的推定值的合计值，取得所述主轴电动机的温度。
或者，所述电动机温度取得部根据内置于所述主轴电动机的热敏电阻的输出值，取得所述主轴电动机的温度变化量即可。
在优选的实施方式中，所述加减速判定部计算向所述主轴电动机的速度指令或所述主轴电动机的实际速度的倾斜，当该倾斜超过预定的阈值时，判定为所述主轴电动机处于加减速状态。
或者，所述加减速判定部计算向所述主轴电动机的速度指令与所述主轴电动机的实际速度之间的差即速度偏差，当该速度偏差超过预定的阈值时，可以判定所述主轴电动机处于加减速状态即可。
在优选的实施方式中，当所述第一温度推定部的推定值大于所述第二温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值时，所述控制装置降低所述主轴电动机的输出。
此时，为了降低所述主轴电动机的加减速时的输出，所述控制装置可以进行向所述主轴电动机的扭矩指令的减少以及加减速时间常数的增加的至少一方。
在优选的实施方式中，当所述第二温度推定部的推定值大于所述第一温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值时，所述控制装置降低所述进给轴电动机的速度。
在优选的实施方式中，当所述第一温度推定部的推定值在所述第二温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值以下，并且所述第二温度推定部的推定值在所述第一温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值以下时，所述控制装置降低所述主轴电动机的输出，并且降低所述进给轴电动机的速度。
此外，本发明的其他方式提供一种具有驱动主轴的主轴电动机和驱动进给轴的进给轴电动机的机床的控制方法，该控制方法包括：判定所述主轴电动机是否处于加减速状态的步骤；检测流过所述主轴电动机的电流值的步骤；在所述主轴电动机处于加减速状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第一温度变化量的步骤；在所述主轴电动机处于加减速状态以外的状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第二温度变化量的步骤；进行所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较的步骤；取得所述主轴电动机的综合温度变化量的步骤；以及当所述综合温度变化量超过预定的阈值时，根据所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较结果，变更向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机的至少一方的动作指令的步骤。
附图说明
通过参照附图对以下的适当的实施方式进行说明，从而使本发明的上述或其他目的、特征以及优点更加明确。
图1是表示本发明涉及的机床的控制装置的基本结构的功能框图。
图2是表示图1的控制装置的处理的一例的流程图。
图3是表示本发明涉及的控制装置的第一实施方式的功能框图。
图4是表示本发明涉及的控制装置的第二实施方式的功能框图。
具体实施方式
图1是表示本发明涉及的机床的控制装置的基本结构的功能框图。控制装置10具有：数值控制部(NC)16，其对分别驱动机床的主轴以及进给轴(省略图示)的主轴电动机(例如spindlemotor)12以及进给轴电动机(例如伺服电动机)14进行控制，将来自数值控制部16的动作指令等指令发送给分别与主轴电动机12以及进给轴电动机14连接的主轴电动机驱动用放大器(第一放大器)18以及进给轴电动机驱动用放大器(第二放大器)20，第一放大器18以及第二放大器20分别将基于来自数值控制部16的指令的电流供给主轴电动机12以及进给轴电动机14。在图1的例子中，第一放大器18以及第二放大器20分别经由第一放大器通信总线22以及第二放大器通信总线24与数值控制部16连接，将来自数值控制部16的指令经由这些总线发送给第一放大器18或第二放大器20。
第一放大器18具备：加减速判定部26，其判定主轴电动机12是否在进行加减速；电流检测部28，其检测流过主轴电动机12的电流值；第一温度推定部30，其在主轴电动机12进行加减速的期间，推定流过主轴电动机12的电流引起的主轴电动机12的温度变化量；第二温度推定部32，其在主轴电动机12进行加减速以外的动作(例如停止或定速旋转)的期间，推定流过主轴电动机12的电流引起的主轴电动机12的温度变化量；比较部34，其进行第一温度推定部30的推定值与第二温度推定部32的推定值的比较；以及电动机温度取得部36，其取得主轴电动机12的温度，当通过温度取得部36得到的主轴电动机12的温度超过预定的阈值时，数值控制部16根据比较部34的比较结果，发送变更主轴电动机12以及进给轴电动机14的至少一方动作的动作指令。
接着，参照图2所示的流程图，对上述的各部的作用进行说明。
本发明的宗旨是为了明确主轴电动机12的过热原因，将主轴电动机12的温度变化(上升)量分为基于主轴电动机的加减速的原因和基于对主轴电动机的稳定性的负载的原因。因此，首先在预定的采样周期，使用电流检测部28取得主轴电动机12的电流反馈数据Cfb(n)(步骤S1)，取得来自数值控制部16的速度指令Vcmd(n)(步骤S2)。
接着，求出在步骤S2取得的Vcmd(n)和在上次的采样周期取得的速度指令Vcmd(n-1)的差(即，速度指令的倾斜)的绝对值S(n)(步骤S3)，比较S(n)和预先决定的阈值S0(步骤S4)。当S(n)大于阈值S0时，判断为主轴电动机12处于加减速状态，将电流反馈值Cfb(n)代入到关于加减速状态的电流值Cacc(n)中，另一方面，将零代入到关于加减速状态以外的状态(稳定状态)的电流值Ccst(n)中(步骤S5)。
相反，当S(n)在阈值S0以下时，判定为主轴电动机12处于稳定状态，将零代入到关于加减速状态的电流值Cacc(n)中，另一方面，将电流反馈值Cfb(n)代入到关于稳定状态的电流值Ccst(n)中(步骤S6)。换言之，将上述的阈值S0设定成能够将主轴电动机12视为处于稳定状态时的速度指令的倾斜的最大值。另外，能够通过加减速判定部26进行步骤S3～S6。
接着，在第一温度推定部30，推定加减速电流Cacc(n)引起的主轴电动机12的第一温度变化量θacc(n)(步骤S7)，同样，在第二温度推定部32，推定稳定电流Ccst(n)引起的主轴电动机12的第二温度变化量θcst(n)(步骤S8)。具体而言，通过以下的公式(1)以及公式(2)能够分别求出推定值θacc(n)以及θcst(n)。另外，λ＝exp(△T/τ)，△T是采样周期，τ是热时间常数，K是从电力输入值求出电动机温度时所使用的系数。
θacc(n)＝λ·θacc(n-1)+(1-λ)·K·(Cacc(n))2(1)
θcst(n)＝λ·θcst(n-1)+(1-λ)·K·(Ccst(n))2(2)
在接下来的步骤S9，在电动机温度取得部36取得主轴电动机12的综合温度变化量θ(n)。在图2的例子中，从推定值θacc(n)以及θcst(n)取得温度变化量θ(n)的推定值。在能够无视铁损的速度区域，能够从以下的公式(3)求出推定值θ(n)。
θ(n)＝θacc(n)+θcst(n)(3)
在接下来的步骤S10，从在步骤S9取得的主轴电动机12的温度变化量θ(n)来判定主轴电动机12是否处于过热状态或接近过热的状态。该处理可以由数值控制部16进行，也可以通过其他单元进行。具体而言，比较θoh与θ(n)，当θ(n)超过θoh时，进入步骤S11，其中所述θoh是对能够将主轴电动机12视为处于过热的电动机温度的变化量(温度上升)上乘上1以下的系数(例如0.8、0.85、0.9或0.95等不到1的系数)而得到的值。相反，当θ(n)在θoh以下时，能够判定为主轴电动机12不是处于过热状态或接近过热的状态，因此返回步骤S1，进行下次采样周期中的处理。
在步骤S11，判定在步骤S7推定出的加减速电流引起的电动机温度的变化量θacc是否充分大于在步骤S8推定出的稳定电流引起的电动机温度的变化量θcst。具体而言，如以下的公式(4)所示，将θacc和θcst乘上1以上的系数a而得到的值进行比较，当θacc的一方大时，可以考虑为主轴电动机12的过热的主要原因是加减速电流引起的加热。因此，当满足公式(4)时，进入步骤S12，为了变更主轴电动机12的动作，具体而言，为了降低电动机加减速时的输出，采用使向主轴电动机12的扭矩指令减少，或使加减速时间常数变大的措施。或者，也可以进行扭矩指令的降低和加减速时间常数的增加的双方。
θacc(n)＞θcst(n)·a(a≥1)(4)
另一方面，在步骤S11，当θacc在θcst乘上1以上的系数a而得到的值以下(不满足式(4))时，进入步骤S13，判定在步骤S8推定出的稳定电流引起的电动机温度变化量θcst是否充分大于在步骤S7推定出的加减速电流引起的电动机温度变化量θacc。具体而言，如以下的公式(5)所示，比较θcst与θacc乘上1以上的系数a而得到的值，当θcst的一方大时，可以考虑主轴电动机12的过热的主要原因是稳定电流引起的加热。因此，满足公式(5)时，即使变更主轴(主轴电动机)的动作也不能排除过热的主要原因，因此进入步骤S14，为了变更进给轴电动机14的动作，具体而言，为了使切削负载等稳定负载下降，采用使向进给轴电动机14的速度指令减少的措施。另外，根据机床的用途或加工形态等，可适当地设定在步骤S11以及S13使用的1以上的系数a，例如可使用2以上、3以上、5以上或10以上的值。
θcst(n)＞θacc(n)·a(a≧1)(5)
另一方面，在步骤S13，当θcst在θacc乘上1以上的系数a而得到的值以下(不满足式(5))时，表示两个温度变化量之间的差在预定的范围内(即，在两者之间没有较大的差)。因此，不能将主轴电动机12的过热的主要原因特定成加减速电流或稳定电流的一方，换言之，双方的电流都是主要原因。因此，此时，进入步骤S15，进行与步骤S12相同的处理(主轴电动机12的扭矩指令的降低或者加减速时间常数的增加)，并且，进入步骤S16，进行与步骤S14相同的处理(进给轴电动机14的速度指令的降低)。当然，步骤S15与步骤S16的执行顺序也可以是相反的，还可以同时进行两个步骤。另外，比较部34能够进行步骤S11～S16中步骤S11以及S13的比较，数值控制部16能够进行其他处理。
在预定的采样周期反复执行上述的步骤S1～S16的处理。通过这样一连串的处理，分别对加减速电流以及稳定电流推定电动机温度的变化量，当主轴电动机温度成为过热(或者接近过热状态)时，能够判定过热的主要原因是加减速电流以及稳定电流的哪一个(或者双方)，因此能够根据该判定结果采取恰当的措施，自动地进行过热原因的有效的排除。
图3是应用于图2所示的流程的处理的、第一实施方式涉及的控制装置10a的功能的框图。另外，在上述的步骤S3～S4的说明中，在主轴电动机12是否处于加减速状态的判定中使用来自数值控制部16的速度指令Vcmd，但如图3的虚线38所示，代替来自数值控制部16的速度指令，也可以在预定的采样周期取入主轴电动机12的实际速度，通过与步骤S3～S4相同的处理来进行加减速状态的判定。另外，在图3中，对于具有与图1的结构要素相同的功能的结构要素赋予与图1相同的参照符号，并省略其详细的说明。
图4是第二实施方式涉及的控制装置10b的功能框图。在控制装置10b中，如图3的控制装置10a所示，电动机温度取得部36不是通过由第一温度推定部30以及第二温度推定部32取得的温度变化量的推定值θacc以及θcst的合算(和)来取得电动机温度，而是在预定的采样周期取得检测安装(内置)在主轴电动机12上的热敏电阻40等的主轴电动机12的温度的温度检测器的输出，并取得电动机温度的变化量。
此外，在控制装置10b，在加减速判定部26中的加减速判定中，不是如控制装置10a那般使用速度指令或者电动机实际速度的变化比例(倾斜)，而是求出向主轴电动机12的速度指令与主轴电动机12的实际速度的偏差(速度偏差)，当该速度偏差超过预定的阈值时，判定为加减速状态。也就是说，一般在加减速时，实际速度与速度指令(跟踪)一致为止有一定的时间延迟(时间滞后)，因此当速度偏差比较大时能够判定为处于加减速状态。另外，在图4中，对于具有与图1的结构要素相同功能的结构要素，赋予与图1相同的参照符号，并省略其详细的说明。
另外，本发明涉及的控制装置，并不局限于图3以及图4所记载的装置。例如，电动机温度取得部36使用由第一温度推定部30以及第二温度推定部32得到的推定值，并且加减速判定部也可以使用速度指定与实际速度的速度偏差。此外，电动机温度取得部36使用热敏电阻40的输出，并且加减速判定部也可以使用速度指定或实际速度的变化比例。
根据本发明，分别对加减速状态以及除此以外的状态推定主轴电动机的温度变化量，当主轴电动机成为过热(或者接近过热状态)时，能够判定过热的主要原因是加减速电流以及稳定电流的哪一个(或者双方)，因此根据该判定结果采取恰当的措施，能够自动地进行过热原因的有效的排除。

Claims (10)

1.一种具有驱动主轴的主轴电动机和驱动进给轴的进给轴电动机的机床的控制装置，其特征在于，该控制装置具备：
数值控制部，其向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机发送动作指令；
加减速判定部，其判定所述主轴电动机是否处于加减速状态；
电流检测部，其检测流过所述主轴电动机的电流值；
第一温度推定部，其在所述主轴电动机处于加减速状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第一温度变化量；
第二温度推定部，其在所述主轴电动机处于加减速状态以外的状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第二温度变化量；
比较部，其进行所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较；以及
电动机温度取得部，其取得所述主轴电动机的综合温度变化量，
当所述综合温度变化量超过预定的阈值时，所述数值控制部根据所述比较部的比较结果，变更向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机的至少一方的动作指令。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述电动机温度取得部根据所述第一温度推定部的推定值与所述第二温度推定部的推定值的合计值，取得所述主轴电动机的温度。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述电动机温度取得部根据内置于所述主轴电动机的热敏电阻的输出值，取得所述主轴电动机的温度变化量。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
所述加减速判定部计算向所述主轴电动机的速度指令或所述主轴电动机的实际速度的倾斜，当该倾斜超过预定的阈值时，判定为所述主轴电动机处于加减速状态。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
所述加减速判定部计算向所述主轴电动机的速度指令与所述主轴电动机的实际速度的差即速度偏差，当该速度偏差超过预定的阈值时，判定所述主轴电动机处于加减速状态。
6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
当所述第一温度推定部的推定值大于所述第二温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值时，降低所述主轴电动机的输出。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，
为了降低所述主轴电动机的加减速时的输出，进行向所述主轴电动机的扭矩指令的减少以及加减速时间常数的增加的至少一方。
8.根据权利要求1～3中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
当所述第二温度推定部的推定值大于所述第一温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值时，降低所述进给轴电动机的速度。
9.根据权利要求1～3中的任意一项所述的控制装置，其特征在于，
当所述第一温度推定部的推定值在所述第二温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值以下、并且所述第二温度推定部的推定值在所述第一温度推定部的推定值乘上1以上的系数而得到的值以下时，降低所述主轴电动机的输出，并且降低所述进给轴电动机的速度。
10.一种具有驱动主轴的主轴电动机和驱动进给轴的进给轴电动机的机床的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：
判定所述主轴电动机是否处于加减速状态的步骤；
检测流过所述主轴电动机的电流值的步骤；
在所述主轴电动机处于加减速状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第一温度变化量的步骤；
在所述主轴电动机处于加减速状态以外的状态的期间，推定根据流过所述主轴电动机的电流而变化的所述主轴电动机的第二温度变化量的步骤；
进行所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较的步骤；
取得所述主轴电动机的综合温度变化量的步骤；以及
当所述综合温度变化量超过预定的阈值时，根据所述第一温度变化量与所述第二温度变化量的比较结果，变更向所述主轴电动机以及所述进给轴电动机的至少一方的动作指令的步骤。
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