CN105320059A - 伺服电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供即使在进行圆的直径变化的开孔加工或自由闭合曲线形状的加工的情况下也能够应用角度同步方式的学习控制来实现高精度化的伺服电动机的控制装置，其具备：上级控制装置，生成用于加工加工对象的位置指令值；伺服控制装置，以位置指令值驱动伺服电动机来使加工工具动作；位置检测器，检测伺服电动机的位置或工具位置，并且，由位置偏差运算部运算位置指令值与检测出的伺服电动机的位置之间的偏差，由基准角度生成部以指令值所形成的闭合图形的内侧的任意位置为中心点，根据闭合图形上的基准点和当前的加工点计算单调递增或单调递减的基准角度，使学习控制部基于基准角度和位置偏差进行角度同步方式的学习控制来控制伺服电动机。

Description

伺服电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种控制机床等机械的伺服电动机的控制装置，特别涉及一种提高由伺服电动机驱动的多个轴相协调来对闭合曲线、多边形进行加工的情况下的加工精度的伺服电动机的控制装置。
背景技术
一般在使用加工中心(machiningcenter)等机床的开孔加工中，为了提高精度而进行使用专用工具的钻孔(boring)加工。关于钻孔加工中使用的钻孔工具需要根据要开的孔的直径来选择，在进行多个不同直径的开孔加工的情况下，需要多个钻孔工具。
通常，在搭载有数值控制装置(CNC)的加工中心中搭载有自动工具更换装置(ATC：AutoToolChanger)，在ATC上能够安装多个工具，因此能够根据加工来自动更换工具。但是，能够安装到ATC的工具数量有限，因此存在如下问题等：在发生利用没有安装于ATC的工具进行的加工的情况下，需要用于更换工具的时间，成为生产率的恶化的主要原因。
对此，存在一种用铣削(milling)加工来代替进行开孔加工的钻孔加工的方法。作为代替加工的铣削加工的方法之一存在螺旋加工。螺旋加工是通过与要开的孔的直径相应的端铣刀(endmill)以螺旋状重复进行圆弧动作来开孔的加工。在螺旋加工中，一般通过由伺服电动机在X轴、Y轴方向上对搭载工件的工作台进行协调驱动来进行圆弧动作。
在通过螺旋加工来开孔的情况下，具有如下优点：在多个不同直径的开孔加工中也能够以一个端铣刀来应对。另一方面，存在如下担忧：螺旋加工伴随工作台的圆弧动作，因此，如果高速化则由于驱动工作台的X轴、Y轴的伺服电动机的响应延迟、机械的无效运动(间隙(backlash)、扭曲)等的影响而发生象限突起(驱动轴的反转时的延迟)，精度恶化。
作为改善该精度恶化的方法，如下方法最有效：利用螺旋加工中的端铣刀重复进行圆弧动作这一点，在X轴和Y轴的驱动轴的伺服电动机控制中应用学习控制。特别是，利用日本专利第4043996号公报所公开的伺服电动机驱动控制装置进行的、能够应对加工速度的变动的角度同步方式的学习控制的应用是有效的，但在该情况下，需要成为学习控制的周期的基准的角度信息。需要使该基准角度单调递增或者单调递减，但在基于X轴、Y轴这两轴的端铣刀的圆弧动作的情况下，没有能够用作该基准角度的信息(信号)。
为了解决该问题，在日本专利第4980453号公报中公开了如下伺服控制系统：通过对X轴或Y轴的指令值、或者反馈值的绝对值进行累计，在基准信号生成部中生成能够作为上述的基准角度的信息(信号)。
但是，日本专利第4980453号公报所公开的伺服控制系统存在无法应对圆弧的直径逐渐变化的情况的问题。这是因为，学习控制为了确保与指令值的重复周期相当的存储器而需要作为预见信息的学习的周期(例如360度等)，但是在根据指令值、反馈值生成相当于基准角度的信号的情况下，信号所表示的角度不是相对于中心的角度，而是X轴和Y轴的移动量，因此当圆的直径变化时该移动量变化。其结果，预见信息的周期与实际的移动量不一致，无法进行准确的学习控制。
例如，在螺旋加工中端铣刀示出图1A所示的圆动作的情况下，根据圆C的直径计算相当于学习周期的端铣刀的移动量是可行(容易)的。然而，在螺旋加工中端铣刀进行如图1B所示的不是单纯的圆而如自由闭合曲线L那样的动作的情况下，计算端铣刀的移动量并不容易。
发明内容
在一个方面，本发明的目的在于提供如下一种伺服电动机的控制装置：即使在进行圆的直径逐渐变化的开孔加工的情况或进行不是单纯的圆弧而如自由闭合曲线那样的形状加工的情况下，也能够应用角度同步方式的学习控制，由此能够实现高精度化。
根据本发明的一个方式，提供一种机床或者产业机械中的伺服电动机的控制装置，该机床或者产业机械通过由伺服电动机驱动的包括相互正交的两轴的多个轴的协调动作，来将加工对象加工成闭合的图形的形状、该闭合的图形平行地位于上底和下底的柱状体或者锥状体的形状，该伺服电动机的控制装置具备：上级控制装置，其生成用于对加工对象进行加工的位置指令值；伺服控制装置，其基于位置指令值对各轴的伺服电动机进行驱动，来使对加工对象进行加工的被驱动体动作；以及位置检测器，其检测伺服电动机的位置或者被驱动体的位置，该伺服电动机的控制装置还具备：位置偏差运算部，其运算位置指令值与检测出的伺服电动机的位置之间的位置偏差；基准角度生成部，其以位置指令值所形成的闭合的图形的内侧的任意位置为中心，根据闭合的图形上的基准点和当前的加工点来计算单调递增或者单调递减的基准角度；以及学习控制部，其基于基准角度和位置偏差进行角度同步方式的学习控制。
根据本发明的伺服电动机的控制装置，以被指示的闭合曲线、多边形等闭合的图形的内侧的任意的点为中心，逐次计算从基准点到当前的加工点的角度，利用该角度进行角度同步方式的学习控制，因此，如果在该情况下设周期为360度，则即使圆的直径变化也能够进行学习控制。其结果，根据本发明的伺服电动机的控制装置，具有如下效果：即使在如以往难以应用角度同步方式的学习控制的任意的闭合曲线、多边形那样的形状加工中，也能够应用角度同步方式的学习控制，从而能够实现高精度化。
附图说明
通过参照以下的附图，会更加明确地理解本发明。
图1A是表示螺旋加工中的端铣刀的圆动作的图。
图1B是表示螺旋加工中的端铣刀的闭合曲线动作的图。
图2A是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的闭合曲线。
图2B是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的多边形。
图2C是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的、在上底和下底具备由闭合曲线围成的面的柱状体。
图2D是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的多棱柱。
图2E是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的、在上底和下底具备相似形的闭合曲线的锥状体。
图2F是表示具备本发明的伺服电动机的控制装置的机床的加工对象物的形状的、在上底和下底具备相似形的多边形的锥状体。
图3是本发明的伺服电动机的控制装置的一个实施例的框图。
图4是表示在加工形状为闭合的曲线的情况下的、运算基准角度的方法的图。
图5是表示图3所示的伺服电动机的控制装置的动作的流程图。
图6是本发明的伺服电动机的控制装置的其它实施例的框图。
具体实施方式
下面，使用附图基于具体的实施例详细地说明本发明的实施方式，在说明本发明的实施例之前，使用图2A至图2F来说明本发明的伺服电动机的控制装置的加工对象物的加工形状。
本发明的加工对象物的加工形状有如下几种。
(a)如图2A所示的位于任意的平面、其曲线(导线)包括不交叉的圆弧的闭合曲线L
(b)如图2B所示的多边形P
(c)如图2C所示的在上底和下底具有包括不交叉的圆弧的闭合曲线的柱状体V1
(d)如图2D所示的在上底和下底具有多边形的面的柱状体V2
(e)如图2E所示的在上底和下底具备相似形的闭合曲线的锥状体V3
(f)如图2F所示的在上底和下底具备相似形的多边形的锥状体V4
在此，使用图3说明本发明的伺服电动机的控制装置1的一个实施例的基本结构。本发明的伺服电动机的控制装置1具备上级控制装置24、伺服控制装置10以及位置检测器27、31。伺服电动机的控制装置1使用于包括如进行协调动作的相互正交的X轴和Y轴那样的至少两轴的加工中心等机床或者产业机械中，在该情况下伺服控制装置10具备X轴伺服控制装置18和Y轴伺服控制装置20。
另外，在本发明的伺服电动机的控制装置1中，Z轴伺服控制装置不是必需的，因此省略了图示。此外，在设置Z轴伺服控制装置的情况下，其功能与以往的伺服控制装置相同即可。即，Z轴伺服控制装置求出用于进行规定的加工的从上级控制装置发送的Z轴的位置指令值与Z轴伺服电动机或由Z轴伺服电动机驱动的工具等被驱动体的位置反馈值之间的偏差，对该偏差施加增益来作为Z轴伺服速度指令以用于Z轴伺服电动机的控制。位置反馈值是由对Z轴伺服电动机或被驱动体的Z位置进行检测的位置检测器来获得。
在伺服控制装置10具备X轴伺服控制装置18和Y轴伺服控制装置20的情况下，X轴伺服控制装置18和Y轴伺服控制装置20基于从数值控制装置(NC)等上级控制装置24发送的各轴的位置指令值(X轴指令和Y轴指令)Pc来生成速度指令，根据该速度指令控制各伺服电动机12、14。
X轴伺服控制装置18具有角度同步方式的学习控制部(学习控制器)26。学习控制器26基于用于进行规定的加工的从上级控制装置24发送的周期性的X轴的位置指令值Pc与X轴伺服电动机12或由X轴伺服电动机12驱动的工具等被驱动体(未图示)的位置反馈值Pf之间的偏差Er，来生成用于控制X轴伺服电动机12的校正量。将校正量与偏差Er相加之后以增益Kp进行放大来作为X轴伺服速度指令值以用于X轴伺服电动机12的控制。位置反馈值Pf是由对X轴伺服电动机12或被驱动体的X位置进行检测的位置检测器27来获得。另外，X轴伺服控制装置18基于从上级控制装置24发送的基准角度θ，由学习控制器26进行学习控制。在后面详细叙述学习控制。
同样地，Y轴伺服控制装置20具有角度同步方式的学习控制部(学习控制器)30。学习控制器30基于用于进行规定的加工的从上级控制装置24发送的周期性的Y轴的位置指令值Pc与Y轴伺服电动机14或由Y轴伺服电动机14驱动的被驱动体(未图示)的位置反馈值Pf之间的偏差Er，来生成用于控制Y轴伺服电动机14的校正量。将校正量与偏差Er相加之后以增益Kp进行放大来作为Y轴伺服速度指令以用于Y轴伺服电动机14的控制。位置反馈值Pf是由对Y轴伺服电动机14或被驱动体的Y位置进行检测的位置检测部(器)31获得。另外，Y轴伺服控制装置20基于从上级控制装置24发送的基准角度θ，由学习控制器30进行学习控制。在后面详细叙述学习控制。
在此，说明位于X轴伺服控制装置18的学习控制器26的具体结构例。在X轴伺服控制装置18中，通过加法器35根据从上级控制装置24发送的位置指令值Pc和从位置检测器27发送的位置反馈值Pf来运算位置偏差Er。学习控制器26按每个规定的采样周期(例如1ms)获取X轴伺服电动机12或被驱动体的位置偏差Er来作为第一位置偏差。第一位置偏差Er被发送到第一变换部(在图3中记载为时间→角度变换)34，第一变换部34将第一位置偏差Er变换为每个被驱动体的一个周期的基准角度位置(后述)的第二位置偏差Er′。也就是说，与采样周期相对应的第一位置偏差Er(时间)被变换为与基准角度位置相对应的第二位置偏差Er′(角度)。该变换方法本身是公知的，因此省略说明。
第二位置偏差Er′在与存储在通常为360度的延迟存储器36中的被驱动体的周期动作的一个周期之前的第一校正量相加之后，作为新的第一校正量c1存储在延迟存储器36中。第一校正量c1被发送到第二变换部(在图3中记载为角度→时间变换)38，第二变换部38将每个基准角度位置的第一校正量c1变换为每个上述采样周期的第二校正量c2。也就是说，与基准角度位置相对应的第一校正量c1(角度)被变换为与采样周期相对应的第二校正量c2(时间)。该变换方法本身是公知的，因此省略说明。
学习控制器26也可以具备限制第一校正量c1的带宽的带宽限制滤波器40以及对来自第二变换部38的第二校正量c2进行相位补偿和增益补偿的相位超前滤波器42，但这些滤波器不是必需的构成要素。此外，带宽限制滤波器40具体地说是用于截止某频率区域中的高频区域的信号的低通滤波器，具有提高控制系统的稳定性的效果。另外，相位超前滤波器42具体地说是使某频率区域中的高频区域的信号的相位超前来进一步提高增益的滤波器，具有对位置控制、速度控制以及电流控制等控制系统的延迟、增益下降进行补偿的效果。此外，能够使Y轴伺服控制装置20的学习控制器30也为与学习控制器26相同的结构。
在上级控制装置24中具有X轴指令部2和Y轴指令部3以及基准角度生成部4。X轴指令部2和Y轴指令部3按每个预先决定的指令分配周期T(例如T＝1ms)生成X轴和Y轴的位置指令值Pc。基准角度生成部4被输入来自X轴指令部2和Y轴指令部3的X轴和Y轴的位置指令值Pc。然后，基准角度生成部4根据X轴和Y轴的位置指令值Pc生成X轴和Y轴的基准角度θ，并将X轴和Y轴的基准角度θ输入到X轴的学习控制器26和Y轴的学习控制器30。
在此，使用图4来说明由基准角度生成部4进行的X轴和Y轴的基准角度θ的生成。图4是位置指令值Pc例如形成闭合曲线L的情况的例子。基准角度生成部4以位置指令值Pc所形成的闭合曲线L的内侧的任意位置为中心，根据该曲线上的基准点和当前的加工点来计算单调递增或者单调递减的基准角度θ。例如，在对图4所示的正交的X、Y轴的平面的闭合曲线L重复加工的情况下，将闭合曲线L的内侧的任意位置P决定为中心点，将该坐标设为P(Xo，Yo)。进行加工的被驱动体沿着闭合曲线L向一个方向重复旋转。角度同步方式的学习控制按规定的采样周期进行，因此在此使用的基准角度θ也按每个相同的采样周期来计算。
在此，设闭合曲线上的比当前的加工点早一个采样周期的加工点为S(Xs，Ys)，设当前正在进行加工的加工点为M(Xm，Ym)。此外，设基准点为闭合曲线L上的加工开始点(初始值)。使用以上的三个点M、P、S，求出某时刻n的基准角度θn。能够利用下述式1、式2以及式3求出连结三个点而成的三角形的各个边的长度PS、SM、MP(其中，表示括号内整体的平方根)。
另外，关于要求出的基准角度θ的每采样周期的变化量Δθ，能够根据余弦定理利用下述式4求出。
Δθ＝arccos(MP2+PS2-SM2)/(2*MP*PS)…(4)
而且，关于采样时间n的要求出的基准角度θn，作为通过式4求出的Δθ的累计值来根据θn＝Σ(Δθ)进行计算。在由被驱动体进行的加工中，被驱动体始终向一个方向旋转，在中途不向相反方向旋转，因此求出的基准角度θ单调递增或者单调递减。这样计算出的基准角度θ如上所述那样从基准角度生成部4被发送到X轴伺服控制装置18的学习控制器26和Y轴伺服控制装置20的学习控制器30，通过学习控制器26、30的动作来控制伺服电动机12、14。此外，在图2A所示的闭合曲线L、图2B所示的多边形P以及图2C、图2D所示的柱状体V1、V2中也示出中心点、基准点以及加工点。
接着，使用图5所示的流程图来说明以上所说明的伺服电动机的控制装置1中的处理的流程。此外，为了容易理解说明，标注图3所示的伺服电动机的控制装置1中的结构构件的附图标记来说明处理。在步骤501中，上级控制装置24按每个预先决定的指令分配周期T(例如T＝1ms)将用于对位于正交的坐标平面上的闭合曲线、多边形进行加工的指令(各轴的位置指令值Pc)分别分配给X轴伺服控制装置18和Y轴伺服控制装置20(以后记为各伺服控制装置18、20)。
在接下来的步骤502中，各伺服控制装置18、20检测伺服电动机12、14的位置或者被驱动体的位置(位置反馈值Pf)。接下来，各伺服控制装置18、20在步骤503中，根据指令(位置指令值Pc)和位置(位置反馈值Pf)计算偏差(位置偏差Er)。偏差(位置偏差Er)被输入到X轴和Y轴的学习控制器26、30。
另一方面，位于上级控制装置24的基准角度生成部4在步骤504中将要加工的闭合曲线、多边形的内侧的任意位置决定为中心(中心点)，基准角度生成部4在步骤505中根据导线上的基准点和当前的加工点来计算并求出基准角度θ。求出的基准角度θ被输入到X轴和Y轴的学习控制器26、30。
当偏差(位置偏差Er)和基准角度θ被输入到X轴和Y轴的学习控制器26、30时，X轴和Y轴的学习控制器26、30在步骤506中使用偏差(位置偏差Er)和基准角度θ执行角度同步学习控制。角度同步学习控制是公知的，因此省略说明。
当在X轴和Y轴的学习控制器26、30中执行了角度同步学习控制时，每个基准角度θ的第一校正量c1被变换为每个采样周期的第二校正量c2后从X轴和Y轴的学习控制器26、30输出。各伺服控制装置18、20在步骤507中将X轴和Y轴的学习控制器26、30的输出与偏差(位置偏差Er)相加，来生成伺服电动机12、14的速度指令。通过该速度指令对伺服电动机12、14进行驱动控制。
此外，在以上所说明的实施例中，基准角度生成部4设置于上级控制装置24，但基准角度生成部4能够如图6所示的其它实施例那样，作为基准角度生成部5、6分别设置于X轴伺服控制装置18和Y轴伺服控制装置20。图6所示的实施例的伺服电动机的控制装置1A除了基准角度生成部5、6以外与图3所示的实施例的伺服电动机的控制装置1的结构相同，因此对相同结构构件标注相同附图标记并省略其说明。
这样，根据本发明的伺服电动机的控制装置，以被指示的闭合曲线、多边形等闭合的图形的内侧的任意的点为中心，逐次计算从基准点到当前的加工点的角度，使用该角度进行角度同步方式的学习控制，因此，如果在该情况下设周期为360度，则即使圆的直径变化也能够进行学习控制。其结果，根据本发明的伺服电动机的控制装置，即使在如以往难以应用角度同步方式的学习控制的任意的闭合曲线、多边形那样的形状加工中，也能够应用角度同步方式的学习控制，从而能够实现高精度化。

Claims (4)

1.一种机床或产业机械中的伺服电动机的控制装置，该机床或产业机械通过由伺服电动机驱动的包括相互正交的两轴的多个轴的协调动作，来将加工对象加工成闭合的图形的形状、该闭合的图形平行地位于上底和下底的柱状体或者锥状体的形状，该伺服电动机的控制装置具备：
上级控制装置，其生成用于对上述加工对象进行加工的位置指令值；
伺服控制装置，其基于上述位置指令值对各轴的上述伺服电动机进行驱动，来使对上述加工对象进行加工的被驱动体动作；以及
位置检测器，其检测上述伺服电动机的位置或者上述被驱动体的位置，
该伺服电动机的控制装置还具备：
位置偏差运算部，其运算上述位置指令值与检测出的上述伺服电动机的位置之间的位置偏差；
基准角度生成部，其以上述位置指令值所形成的闭合的图形的内侧的任意位置为中心，根据上述闭合的图形上的基准点和当前的加工点来计算单调递增或者单调递减的基准角度；以及
学习控制部，其基于上述基准角度和上述位置偏差进行角度同步方式的学习控制。
2.根据权利要求1所述的伺服电动机的控制装置，其特征在于，
上述位置偏差运算部和上述学习控制部设置于上述伺服控制装置。
3.根据权利要求1或2所述的伺服电动机的控制装置，其特征在于，
上述基准角度生成部设置于上述上级控制装置。
4.根据权利要求1或2所述的伺服电动机的控制装置，其特征在于，
上述基准角度生成部设置于上述伺服控制装置。
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