CN105027013A - 机床的进给轴控制方法及进给轴控制装置 - Google Patents

机床的进给轴控制方法及进给轴控制装置 Download PDF

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Abstract

一种机床的进给轴控制方法及进给轴控制装置，其在位置反馈环的内侧设置速度反馈环而形成串联结合，并且具有在速度反馈环的输出上乘以第一增益(kv)的速度增益设定器(30)；在位置反馈环的输出上乘以第二增益(kp)的位置增益设定器(31)；和从转矩指令(τ)减去速度增益设定器(30)的输出和位置增益设定器(31)的输出，将减法运算后的转矩指令(τ)向控制对象(27)输出的输出部。

Description

机床的进给轴控制方法及进给轴控制装置
技术领域
本发明涉及机床的进给轴控制方法及进给轴控制装置，该机床由具有位置反馈环和速度反馈环的控制电路对机床的进给轴驱动用的伺服马达进行控制。
背景技术
以往，由在位置反馈环的内侧设置速度反馈环而串联结合的控制电路控制进给轴驱动用的伺服马达的方法已被众所周知(例如参照专利文献1)。在此专利文献1记载的控制方法中，为了应付起因于加工时的负荷变动的伺服控制部的滞后，从由工件形状等的加工数据、加工程序指令的加工条件及位置指令等预测运算加工负荷，将进行了预测运算的加工负荷作为预测负荷指令，在被伺服放大器输出的加速度指令上加上预测负荷指令进行输出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第3454616号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在作用在进给轴上的干扰中，存在不能预测的情况。因此，在如上述的日本专利第3454616号公报记载的控制方法的那样预测运算加工负荷而对加速度指令进行加法运算的方式中，不能应对不能预测的干扰。
为了解决课题的手段
本发明的一个方式是一种机床的进给轴控制方法，其在具有输入位置指令的位置控制部的位置反馈环的内侧设置具有速度控制部的速度反馈环而形成串联结合，与从上述速度控制部输出的转矩指令相应地控制进给轴驱动用的伺服马达，其特征在于，从上述转矩指令减去在上述速度反馈环的输出上乘以第一增益的第一状态反馈信号和在上述位置反馈环的输出上乘以第二增益的第二状态反馈信号，将减法运算后的转矩指令输出给包含上述伺服马达在内的控制对象。
本发明的另一个方式是一种机床的进给轴控制装置，其在具有输入位置指令的位置控制部的位置反馈环的内侧设置具有速度控制部的速度反馈环而形成串联结合，与从上述速度控制部输出的转矩指令相应地控制进给轴驱动用的伺服马达，其特征在于，具有：在上述速度反馈环的输出上乘以第一增益的第一乘法运算部；在上述位置反馈环的输出上乘以第二增益的第二乘法运算部；和从上述转矩指令减去上述第一乘法运算部的输出和上述第二乘法运算部的输出，将减法运算后的转矩指令向包含上述伺服马达在内的控制对象输出的输出部。
发明的效果
根据本发明，由于将在反馈环的输出上乘以了增益的状态反馈信号从转矩指令减去后向控制对象输出，所以控制系统变得稳定，能增大反馈增益。因此，能提高对各种各样的干扰的抑制力。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的机床的进给轴控制装置的硬件结构的框图。
图2是表示本发明的实施方式的进给轴控制装置的结构的框线图。
图3是表示本实施方式的比较例的框线图。
图4是表示使用图3的框线图进行正圆加工的情况下的工具的移动轨迹的一例的图。
图5是表示增大图3的框线图的增益进行正圆加工的情况下的工具的移动轨迹的一例的图。
图6是表示向图3的框线图追加状态反馈环进行正圆加工的情况下的工具的移动轨迹的一例的图。
图7是表示使用图2的框线图进行正圆加工的情况下的工具的移动轨迹的一例的图。
图8是表示图2的框线图的具体的适用例的框线图。
图9是表示图8的变形例的图。
图10是表示图8的另一变形例的图。
具体实施方式
为了实施发明的方式
以下，参照图1～图10对本发明的机床的进给轴控制装置的一实施方式进行说明。图1是表示本发明的实施方式的机床的进给轴控制装置的硬件结构的框图。机床是多工序自动数字控制机床等具有由伺服马达驱动的进给轴的NC机床，进给轴控制装置构成数值控制装置的一部分。
如图1所示，施加于数值控制装置的NC加工程序1，经读取解释部2向插补部3输入。插补部3输出对各进给轴(例如X轴)的驱动用伺服马达的位置指令qr。从插补部3输出的位置指令qr(马达旋转位置指令)，经加法器4输入给位置控制部5。位置控制部5生成速度指令ωr(马达旋转速度指令)，速度指令ωr经加法器6输入给速度控制部7。速度控制部7生成转矩指令τ，转矩指令τ经加法器8输入给伺服放大器9。伺服放大器9，以产生与被输入了的转矩指令τ平衡的转矩的方式向伺服马达10供给控制电流。伺服马达10由此供给的电流旋转，驱动进给轴11。
伺服马达10，内置检测马达旋转量的旋转编码器。位置检测器12基于来自旋转编码器的信号检测马达旋转位置，向加法器4反馈位置信号q。加法器4，从位置指令qr减去位置信号q，向位置控制部5输出。速度检测器13微分来自旋转编码器的信号，检测马达旋转速度，向加法器6反馈速度信号ω。
从插补部3输出的位置指令qr也被输入给位置前馈控制部15。位置前馈控制部15，将与速度有关的前馈指令(速度前馈指令)向速度前馈控制部14和加法器6输出。加法器6，在速度指令ωr上加上速度前馈指令并且减去速度信号ω，向速度控制部7输出。速度前馈控制部14，将与转矩有关的前馈指令(转矩前馈指令)向加法器8输出。加法器8，在转矩指令τ上加上转矩前馈指令，向伺服放大器9输出。
图2是表示本发明的实施方式的进给轴控制装置的结构的框线图。图2是将图1改写成框线图的图，包含与位置及速度有关的反馈环20A、与位置及速度有关的前馈环20B、与位置及速度有关的状态反馈环20C。另外，图2是将进给轴控制装置的结构进行了一般化的抽象的框线图，至于更具体的框线图后述(图8～图10)。
首先，对反馈环20A进行说明。反馈环20A是在位置反馈环的内侧设置了速度反馈环的两层反馈环，形成串联结合。具体地讲，首先，位置指令qr经加法器21输入给位置反馈环的补偿器也就是位置补偿器22。位置补偿器22是由Cp表示的S的函数。位置补偿器22，对被输入了的位置指令和位置反馈环之差乘以增益(Cp)，生成速度指令ωr。
从位置补偿器22输出的速度指令ωr，经加法器23输入给速度反馈环的补偿器也就是速度补偿器24。速度补偿器24是由Cv表示的S的函数。速度补偿器24，在被输入了的速度指令和速度反馈环之差上乘以增益(Cv)，生成转矩指令τ。从速度补偿器24输出的转矩指令τ，经加法器25成为转矩指令τ1，进而经加法器26成为转矩指令τ2。
转矩指令τ2，输入给速度反馈环的控制对象也就是速度控制对象27。速度控制对象27由Pv进行了模型化。速度控制对象27，输出作为马达旋转速度的检测值的速度信号ω。此速度信号ω，输入给位置反馈环的控制对象也就是位置控制对象28，并且反馈给加法器23。位置控制对象28由Pp进行了模型化。位置控制对象28，输出作为马达旋转位置的检测值的位置信号q。此位置信号q，被反馈给加法器21。
在机床中，起因于切削负荷等而存在作为不确定因素的干扰作用。在图2中，经加法器25和加法器26之间的加法器29对转矩指令τ1附加干扰。为了提高对此干扰d的抑制力，需要增大反馈环的补偿器22、24的增益。但是，在反馈控制系统中存在滞后，如果过分地增大增益则振荡。因此，在不能充分地增大增益而干扰d起作用的情况下，存在着在位置指令qr和实际位置q之间产生大的误差的危险。
考虑这一点，在本实施方式中，在控制电路中追加状态反馈环20C，由在控制对象27、28的输出上乘以增益的状态反馈修正转矩指令。即，从速度控制对象27输出的速度信号ω输入给速度增益设定器30。速度增益设定器30，将与速度有关的状态反馈增益kv(速度增益)乘以速度信号ω，生成转矩指令。从位置控制对象28输出的位置信号q输入给位置增益设定器31。位置增益设定器31，将与位置有关的状态反馈增益kp(位置增益)乘以位置信号q，生成转矩指令。
从增益设定器30、31输出的转矩指令，在由加法器32进行加法运算之后，由加法器26从转矩指令τ1进行减法运算。由此，能够由状态反馈修正转矩指令τ1，提高控制对象27、28的稳定性。其结果，能增大补偿器22、24的增益，能提高对干扰d的抑制力。
在位置增益设定器31及速度增益设定器30中，预先设定的位置增益kp及速度增益kv，例如，能使用由最佳调节器进行的设计方法决定。反馈环的补偿器22、24的增益，例如，能通过将增益上升到控制系统进行振荡并在此时的增益上乘以规定的安全率来确定。另外，也可以使用由最佳伺服进行的设计方法来确定增益设定器31、30及补偿器22、24的增益。
接着，说明前馈环20B的结构。首先，位置指令qr输入给与位置有关的前馈环的补偿器也就是位置补偿器33。位置补偿器33，对位置指令qr乘以位置控制对象28的公称模型Pp0的倒数Pp0 -1，生成速度指令。另外，所谓公称模型Pp0，表示基于设计值的位置控制对象。从位置补偿器33输出的速度指令，输入给与速度有关的前馈环的补偿器也就是速度补偿器34，并且由加法器23进行加法运算。
速度补偿器34，在从位置补偿器33输出的速度指令上乘以速度控制对象27的公称模型Pv0的倒数Pv0 -1和速度增益kv的相加值，生成转矩指令。另外，所谓公称模型Pv0，表示基于设计值的速度控制对象。位置指令qr，也被输入给与速度有关的前馈环的补偿器也就是速度补偿器35。速度补偿器35，在位置指令qr上乘以位置增益kp，生成转矩指令。从速度补偿器34、35输出的转矩指令由加法器36进行加法运算，进而由加法器25进行加法运算。
这样，在前馈环20B中，在位置指令及速度指令上分别乘以位置增益kp及速度增益kv输出，对转矩指令τ进行加法运算。由此，在状态反馈环20C中，能实现考虑了在位置指令及速度指令上分别乘以位置增益kp及速度增益kv而从转矩指令τ1进行减法运算的影响的良好的前馈控制。
图3是表示本实施方式的比较例的框线图。另外，在与图2相同的部位上附加了相同的符号。在图3中，与图2不同，没有设置状态反馈环20C。因此，没有增益设定器30、31，也没有速度补偿器35。另外，在速度补偿器34中速度增益kv没有被进行加法运算。
图4是表示使用图3的框线图使工作台上的工件在XY方向相对移动，由旋转轴线在Z轴方向上延伸的工具对工件进行圆筒形状的加工的情况下的工具的移动轨迹的图。图中，虚线是指令值，实线是实测值，由XY平面的正圆度坐标图放大表示指令值和实测值的误差。如图4所示，在进给轴11的移动方向变化的位置A～D，在进给轴11的移动上产生滞后。因此，在位置A～D，移动轨迹呈突起状地鼓起(象限突起)，实测值和指令值的误差变大。
为了防止这样的动作的滞后，只要增大反馈环的补偿器22、24的增益即可。图5是表示增大图3的补偿器22、24的增益(例如做成图4的例子的2倍)地进行圆筒加工的情况下的指令值和实测值的关系的正圆度坐标图。如果与图4比较，则在图5中，象限突起自身变小，但在位置A～D振荡(振动)。如果进一步增大补偿器22、24的增益，则能减小象限突起，但与此相应地，控制系统变得不稳定，振荡的程度变大。因此，要想增大补偿器22、24的增益，则存在界限。
图6是表示使用相对于图3的框线图仅追加了图2的状态反馈环20C的情况下的框线图进行圆筒加工的情况下的指令值和实测值的关系的正圆度坐标图。在此例子中，进一步增大补偿器22、24的增益，例如做成了图4的10倍。如果与图5比较，则与增大增益的量相应地，象限突起变小，在位置A～D，在与指令值之间没有产生误差。另外，通过状态反馈环20C的追加，控制系统稳定，也没有产生振荡。但是，因为在前馈环20B中没有考虑追加了状态反馈环20C的量，所以在位置A～D以外，在与指令值之间产生误差，轨迹形状从正圆偏移。
图7是表示使用本实施方式的图2的框线图进行圆筒加工的情况下的指令值和实测值的关系的正圆度坐标图。另外，补偿器22、24的增益的大小与图6的情况相同。如果与图6比较，则移动轨迹成为正圆形状，遍及移动轨迹的整体地，指令值和实测值一致。由此能将产生不能预测的干扰的情况下的位置误差抑制到最小限度。
这样，在本实施方式中，在位置反馈环的内侧设置速度反馈环而形成串联结合，从转矩指令τ1减去在速度反馈环的输出上乘以速度增益kv的与速度环有关的状态反馈信号和在位置反馈环的输出上乘以位置增益kp的与位置环有关的状态反馈信号，将减法运算后的转矩指令τ2向速度控制对象27输出。由此，因为控制对象的稳定性提高，所以能增大反馈环20A的补偿器22、24的增益，能提高对干扰d的抑制力。
另外，由前馈环20B将与状态反馈环20C的增益kp、kv相应的增益与位置指令qr相乘，加到转矩指令τ上。由此，状态反馈环20C的影响被缓和，在位置指令变化时不会产生大的位置误差，能防止在正圆加工时等的移动轨迹的不完整。
图8是将图2的框线图更具体化的框线图，例如，是连接伺服马达10和负荷(进给轴侧)的轴的刚性高的情况下也就是假定为相对于伺服马达10的旋转不滞后地驱动负荷的情况下的适用例。另外，在与图2相同的部位上附加了相同的符号。
在图8中，对前馈指令进行了加法运算的加法器25，经加法器29向转矩变换器27A输出控制信号ir(控制电流)。转矩变换器27A，与预先确定的伺服放大器9和伺服马达10的特性(转矩常数Kt)相应地，将与控制信号ir对应的转矩指令τ向速度控制对象27B输出。如果使用负荷惯性Jk、马达惯性Jm及拉普拉斯算子s，则速度控制对象27B的模型由下式(I)表示。
1/((Jm+Jk)·s)  ···(I)
上式(I)的(Jm+Jk)，例如，能通过稍微改变伺服马达10的频率而取得频率响应，并从此时的指令值和位置检测器12的输出求出频率和增益的关系来确定。
从速度控制对象27B输出的速度信号ω，输入给位置控制对象28。位置控制对象28是积分器，由1/s表示。从速度控制对象27B输出的速度信号ω输入给速度增益设定器30A，从位置控制对象28输出的位置信号q输入给位置增益设定器31A。速度增益设定器30A，在速度信号ω上乘以速度增益k1。位置增益设定器31A，在位置信号q上乘以位置增益k2。从增益设定器30A、31A输出的转矩指令由加法器32进行加法运算，向电流变换器32A输出。电流变换器32A由转矩常数Kt的倒数Kt -1表示，将转矩指令变换成电流指令。从电流变换器32A输出的电流指令由加法器29进行加法运算，由此修正控制信号ir。
前馈环20B中的位置补偿器33由位置控制对象28的倒数s表示，速度补偿器35的模型使用转矩常数Kt的公称模型Kt0和位置增益k2由下式(II)表示。
Kt0 -1·k2  ···(II)
速度补偿器34的模型，使用负荷惯性Jk的公称模型Jk0、马达惯性Jm的公称模型Jm0、拉普拉斯算子s、速度增益k1及转矩常数Kt的公称模型Kt0的倒数Kt0 -1，由下式(III)表示。
Kt0 -1((Jm0+Jk0)s+k1)  ···(III)
图9是表示图8的变形例的框线图。图9，与图8不同，是假定为连接伺服马达10和负荷的轴的刚性低的情况下也就是相对于伺服马达10的旋转而言滞后地驱动负荷的情况下的适用例。图中，K是表示伺服马达10和负荷之间的刚性的系数，是所谓的弹簧常数，C是伺服马达10和负荷之间的衰减系数。马达惯性Jm、负荷惯性Jk、衰减系数C、刚性K，例如能通过改变马达频率求出传递函数来确定。因为在轴刚性低的情况下伺服马达10和负荷侧的位置不同，所以作为位置检测器12，需要检测负荷侧的位置。
在轴刚性低的情况下，能将控制系统看作2个惯性系统。在此情况下，如图所示，能将状态反馈环20C的增益分成伺服马达10的与速度有关的反馈增益k1(马达速度增益)、伺服马达10的与位置有关的反馈增益k2(马达位置增益)、与负荷的速度有关的反馈增益k3(负荷速度增益)、与负荷的位置有关的反馈增益k4(负荷位置增益)，由函数表示速度增益kv和位置增益kp。
图2的位置控制对象28的模型Pp，使用刚性K、衰减系数C、拉普拉斯算子s、负荷惯性Jk由下式(IV)表示。
Pp＝(Cs+K)/((Jk 2+Cs+K)s)  ···(IV)
图2的速度控制对象27的模型Pv，使用马达惯性Jm、负荷惯性Jk、刚性K、衰减系数C、转矩常数Kt、拉普拉斯算子s，由下式(V)表示。
Pv＝(Jks 2+Cs+K)Kt/((JmJks 2+C(Jm+Jk)s+K(Jm+Jk))s)  ···(V)
包含在前馈环20B中的Pp0 -1、Pv0 -1，是上式(IV)、(V)的Pp、Pv的公称模型Pp0、Pv0的倒数，分别由下式(VI)、(VII)表示。另外，K0，C0分别是刚性K及衰减系数C的公称模型。
Pp0 -1＝((Jk0s 2+C0s+K0)s/(C0s+K0))  ···(VI)
Pv0 -1＝((Jm0Jk0s 2+C0(Jm0+Jk0)s+K0(Jm0+Jk0))s)/(Jk0s 2+C0s+K0)Kt0  ···(VII)
图10是表示图8的另一个变形例的框线图。图10例如适用于5轴加工机。即，5轴加工机，除X轴、Y轴、Z轴的直线进给轴之外，还有例如绕以X轴为中心的A轴及绕以Z轴为中心的C轴的旋转进给轴。如果机械绕A轴、绕C轴旋转，则离心力、科氏力作用在进给机构上，进而机械的重心位置变化，作用在进给机构上的重力变化。在仅由直线进给轴构成机床的情况下，各进给轴不会对其它的进给轴施加影响，能由各进给轴单独地构成控制电路。与此相对，在具有旋转进给轴的机床的情况下，因为机械的惯性力矩与马达旋转位置相应地变化，与马达旋转速度相应地产生离心力、科氏力，所以对其它的进给轴施加影响。
一般地，具有旋转进给轴的机械的运动方程式，由下式(VIII)表示。
τ＝M(q)·dω/dt+h(ω，q)  ···(VIII)
如果使轴数量成为5个，则上式(VIII)的q，是具有X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴的成分的指令位置矢量，ω是由时间对指令位置矢量q进行了1阶微分的值，dω/dt是由时间对指令位置矢量q进行了2阶微分的值，M(q)是5行5列的惯性行列，h(ω，q)是将速度和位置作为参数的科氏力、离心力、重力项等非线性力矢量。
考虑以上情况，在图10中，由轴数量为5个的矢量或者5行5列的行列将框线图模型化。即，在图10中，qr是指令位置矢量，q是实际位置矢量，Cp是位置补偿器行列，Cv是速度补偿器行列，Kt是转矩常数行列，Kt0是公称模型的转矩常数行列，kp是位置增益行列，kv是速度增益行列，I是单位行列，M0(qr)是公称模型的惯性行列，s是拉普拉斯算子。
在图10中，由反馈环20A从转矩指令τ减去非线性力矢量h(ω，q)，如下式(IX)的那样将转矩指令τ进行线性化。因此，速度控制对象的模型Pv(图2)由下式(X)表示。
τ＝M(q)·dω/dt  ···(IX)
Pv＝Kt·M(q)-1·1/s·I  ···(X)
在状态反馈环20C中，与在反馈环20A中减去了非线性力矢量h(ω，q)的量相应地，相反，加上了公称模型的非线性力矢量h0(ω，q)。
以上，对伺服马达10和负荷之间的刚性高的情况(图8)、刚性低的情况(图9)、有旋转进给轴的情况(图10)，说明了图2的框线图的具体的适用例，但此外也能考虑各种各样的适用例，也能与机床的规格相应地将图2的框线图改写成适当的具体的模型。因此，在速度反馈环的输出上乘以速度增益kv(第一增益)的速度增益设定器30(第一乘法运算部)，在位置反馈的输出上乘以位置增益kp(第二增益)的位置增益设定器31(第二乘法运算部)，从转矩指令τ1减去速度增益设定器30的输出和位置增益设定器31的输出并将减法运算后的转矩指令τ2向包含伺服马达10在内的速度控制对象27输出的加法器26(输出部)的结构，不限于上述的结构。
在上述实施方式中，在控制电路上设置了由串联结合构成的反馈环20A、前馈环20B、状态反馈环20C，但只要是至少设置反馈环20A和状态反馈环20C，进给轴控制装置的结构就不限于上述的结构。即，本发明的机床的进给轴控制方法，其最大的特征是从转矩指令τ减去在速度反馈环的输出上乘以速度增益kv(第一增益)的第一状态反馈信号和在位置反馈的输出上乘以位置增益kp(第二增益)的第二状态反馈信号，将减法运算后的转矩指令τ向包含伺服马达10在内的速度控制对象27输出，可以进行各种各样的变更。
以上的说明到底是一例，只要不损害本发明的特征，本发明就不被上述的实施方式及变形例限定。在上述实施方式及变形例的结构因素中，包含了一边维持发明的相同性一边可置换且置换的显而易见的结构因素。即，至于可以在本发明的技术的思想的范围内考虑的其它的方式，也包含在本发明的范围内。另外，也可以将上述实施方式和变形例的1个或者多个任意地组合。
符号的说明：
10：伺服马达
20A：反馈环
20B：前馈环
20C：状态反馈环
22：位置补偿器
24：速度补偿器
25、26：加法器
27：速度控制对象
30、31：增益设定器
34、35：速度补偿器。

Claims (3)

1.一种机床的进给轴控制方法，其在具有输入位置指令的位置控制部的位置反馈环的内侧设置具有速度控制部的速度反馈环而形成串联结合，与从上述速度控制部输出的转矩指令相应地控制进给轴驱动用的伺服马达，其特征在于，
从上述转矩指令减去在上述速度反馈环的输出上乘以第一增益的第一状态反馈信号和在上述位置反馈环的输出上乘以第二增益的第二状态反馈信号，将减法运算后的转矩指令输出给包含上述伺服马达在内的控制对象。
2.根据权利要求1记载的机床的进给轴控制方法，其特征在于，
进而由前馈环将与上述第一增益及上述第二增益相应的前馈增益与上述位置指令相乘，加到上述转矩指令上。
3.一种机床的进给轴控制装置，其在具有输入位置指令的位置控制部的位置反馈环的内侧设置具有速度控制部的速度反馈环而形成串联结合，与从上述速度控制部输出的转矩指令相应地控制进给轴驱动用的伺服马达，其特征在于，具有：
在上述速度反馈环的输出上乘以第一增益的第一乘法运算部；
在上述位置反馈环的输出上乘以第二增益的第二乘法运算部；和
从上述转矩指令减去上述第一乘法运算部的输出和上述第二乘法运算部的输出，将减法运算后的转矩指令向包含上述伺服马达在内的控制对象输出的输出部。
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