CN105322862A - 伺服电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的伺服电动机控制装置的特征在于，具备：速度指令制作部，其制作伺服电动机的速度指令值；速度检测部，其检测伺服电动机的速度；转矩指令制作部，其制作伺服电动机的转矩指令值；正弦波生成部，其生成正弦波干扰值；频率响应计算部，其计算将正弦波干扰值输入到速度控制环路时的频率响应；共振频率检测部，其检测频率响应的增益为极大的共振频率；共振频率存储部，其存储共振频率；至少一个滤波器，其使转矩指令值中包含的特定的频带分量衰减；以及共振频率比较部，其基于共振频率来测定机床的刚度，针对共振频率调整滤波器。

Description

伺服电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种伺服电动机控制装置，特别涉及一种具有机械刚度的自我测定功能和自我监视功能的伺服电动机控制装置。

背景技术

为了机床的伺服控制系统的稳定化，广泛使用一种对转矩指令值应用带阻滤波器的技术。一般的滤波器调整的过程是，首先，对由转矩指令制作部和速度检测部构成的速度控制环路进行正弦波扫描或者矩形波扫描，由此测量速度控制环路的频率响应。接着，通过细查如波特图那样视觉化的曲线图，来通过目视来寻找共振频率。由于即使不对波特图进行视觉化也能够进行共振频率的确定本身，因此设计出一种带阻滤波器的自动调整技术。

自动调整的特性在于，由于不依赖于进行手动调整的技术人员的调整方针、能力，因此能够获得偏差比较少的调整结果。滤波器自动调整功能以相比于手动测量少的偏差来测量机床的刚度。

作为进行带阻滤波器的调整的方法，报告了一种通过检测振动水平超过阈值的频率来自动进行多个带阻滤波器的调整以抑制机械共振的方法(例如日本专利公开公报特开2012-23834号公报(JP2012-23834A))。在该以往技术中，针对两个带阻滤波器具有彼此接近的中心频率的情况，扩大第一滤波器的滤波宽度来进行应对。

在上述的以往技术中公开了一种多个带阻滤波器的自动调整算法。然而，其主题只不过是进行仅用于解决共振的调整。在实用上停留在代替进行机械即将出厂前的伺服控制系统的调整。没有提及对于作为长期设备、量产工业产品的机床的刚度的经年变化、个体差异应该如何进行应对。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不是仅仅停留在伺服控制系统的稳定化而能够进行非破坏、非拆卸方式的机械的维护点检预测的、能够提供综合的检查技术的伺服电动机控制装置。

本发明的实施例所涉及的伺服电动机控制装置是控制用于驱动机床的伺服电动机的控制装置，该伺服电动机控制装置的特征在于，具备：速度指令制作部，其制作伺服电动机的速度指令值；速度检测部，其检测伺服电动机的速度；转矩指令制作部，其基于速度指令值和检测到的速度来制作伺服电动机的转矩指令值；正弦波生成部，其生成正弦波干扰值；频率响应计算部，其基于通过将正弦波生成部所生成的正弦波干扰值与速度指令值相加来对包括转矩指令制作部和速度检测部的速度控制环路输入了正弦波干扰值时的来自速度控制环路的输出，来计算频率响应；共振频率检测部，其检测所计算出的频率响应的增益为极大的频率即共振频率；共振频率存储部，其存储共振频率检测部所检测到的共振频率；至少一个滤波器，其使转矩指令值中包含的特定的频带分量衰减；以及共振频率比较部，其基于共振频率存储部所存储的共振频率来测定机床的刚度，针对共振频率调整滤波器。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过结合附图进行的以下的实施方式的说明会变得更加明确。在该附图中，

图1是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的结构图，

图2是表示将机械简单化来表示的模型的图，

图3是用于说明本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程的流程图，

图4是表示将多个机械的刚度值与制造基准值进行比较的例子的曲线图，

图5是用于说明本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程的流程图，

图6是表示机械的刚度的经时变化的例子的曲线图，

图7是用于说明本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程的流程图，

图8是用于说明本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程的流程图，以及

图9是本发明的实施例5所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明所涉及的伺服电动机控制装置。其中，需要注意的是本发明的技术范围并不限定于这些实施方式，还包括权利要求书中记载的发明及其等同物。

[实施例1]

首先，使用附图来说明本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置。图1是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置101具备速度指令制作部1、速度检测部2、转矩指令制作部3、正弦波生成部4、频率响应计算部5、共振频率检测部6、共振频率存储部7、滤波器8以及共振频率比较部9。

速度指令制作部1制作用于驱动伺服电动机20的速度指令值。由速度指令制作部1制作出的速度指令值被输出到加法器13。在加法器13中，速度指令值与正弦波生成部4所制作出的正弦波干扰值相加，其相加值被输出到减法器14。

速度检测部2检测伺服电动机20的速度。关于伺服电动机20的速度，例如能够通过在伺服电动机20中设置编码器来检测，但并不限于此。在减法器14中，从相加有正弦波干扰值的速度指令值减去速度检测部2所检测到的伺服电动机20的速度的值，其相减值被输出到转矩指令制作部3。

转矩指令制作部3基于速度指令值和检测到的速度来制作伺服电动机的转矩指令值。其中，如上所述，在速度指令值中相加有正弦波生成部4所生成的正弦波干扰值。转矩指令制作部3所制作出的转矩指令值被输出到滤波器8和频率响应计算部5。

频率响应计算部5基于通过将正弦波生成部4所生成的正弦波干扰值与速度指令值相加来对包括转矩指令制作部3和速度检测部2的速度控制环路10输入了正弦波干扰值时的来自速度控制环路10的输出，来计算频率响应。频率响应计算部5所计算出的频率响应被输出到共振频率检测部6。

共振频率检测部6检测所计算出的频率响应的增益为极大的频率即共振频率，并将该共振频率输出到共振频率存储部7。

共振频率存储部7存储共振频率检测部6所检测到的共振频率。在进行了多次共振频率的测定的情况下，共振频率存储部7存储各次的共振频率，保存共振频率的历史记录。另外，还能够存储成为用于比较所检测到的共振频率的基准的基准共振频率。并且，在规定的时间内测定共振频率的情况下，还能够将关于时间的数据与关于检测到的共振频率的数据相关联地进行存储。

滤波器8使从转矩指令制作部3输出的转矩指令值中包含的特定的频带分量衰减。在图1中示出了设置有一个滤波器8的例子，但并不限于此，也可以设置两个以上的滤波器8。

共振频率比较部9基于共振频率存储部7所存储的共振频率来测定机床的刚度，针对共振频率调整滤波器8。

如以上那样，本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的特征在于基于共振频率来测定机床的刚度。下面，说明基于共振频率来测定机床的刚度的方法。

将机床简单化，视为如图2那样的模型来处理。即，将机床视为多个弹簧要素30和负载40的集合。这样的话，能够将机械刚度视为弹簧要素k来处理。此时，能够利用以下式(1)给出机械的共振角频率(共振频率)ω_n。

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k}{J}}---\left(1\right)$

其中，J是负载的惯量(inertia)。

负载的惯量J是在机械设计中决定的，因此能够根据频率响应的测定来估计弹簧要素。当共振角频率从基准值ω_n0变动为ω_n′、弹簧要素从k₀变动为k′时，能够根据下式(2)求出k′/k₀。

$\frac{k^{\′}}{k_0}={\left(\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_{n0}}\right)}^2---\left(2\right)$

关于该基准值ω_n0的值本身，可以设为机械设计上的值，在量产机种的情况下也可以设为试作机所具有的共振角频率。在特定的个体的情况下，也可以作为制造时的共振角频率来保存历史记录。认为作为弹簧要素的刚度由于机械部件的组装松动等而下降，因此可以将在经年变化的情况下刚度虽然会下降但不会提高作为前提。

例如，当设共振角频率下降了10％(相对于基准变为90％)时，像以下式(3)那样计算k′/k₀。

$\frac{k^{\′}}{k_0}={(1-0.1)}^2={0.9}^2=0.81---\left(3\right)$

根据上述式(3)，可知机械刚度下降了19％。

如以上那样，根据本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置，能够根据检测到的共振频率来测定机械刚度。

接着，使用图3所示的流程图来说明本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程。首先，在步骤S101中，正弦波生成部4生成正弦波干扰值。所生成的正弦波干扰值被输入到速度控制环路10中包含的加法器13，对速度指令值加上正弦波干扰值。

接着，在步骤S102中，速度检测部2检测伺服电动机20的速度。检测到的速度的值即速度检测值被输入到减法器14。

接着，在步骤S103中，转矩指令制作部3根据速度指令值和速度检测值制作转矩指令。制作出的转矩指令被输出到滤波器8和频率响应计算部5。

接着，在步骤S104中，频率响应计算部5根据正弦波干扰值和来自速度控制环路10的输出、例如转矩指令值来计算频率响应。计算出的频率响应被输出到共振频率检测部6。

接着，在步骤S105中，共振频率检测部6检测频率响应的极大值。检测到的频率响应的极大值被输出到共振频率存储部7。

接着，在步骤S106中，共振频率存储部7存储共振频率。

接着，在步骤S107中，共振频率比较部9从共振频率存储部7中取出共振频率，基于共振频率来测定机床的刚度。并且，共振频率比较部9针对共振频率调整滤波器8。

如以上那样，根据本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置，以基于共振频率的测定来自动调整频带衰减滤波器的结构为前提，将共振频率当作表示机械的刚度的物理量。通过这样，不用进行机械的拆卸，就能够进行由伺服电动机驱动的机构系统的动刚度的测定。

[实施例2]

接着，说明本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置。实施例2所涉及的伺服电动机控制装置具备与图1所示的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置相同的结构。实施例2所涉及的伺服电动机控制装置与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置不同的点在于，共振频率比较部9通过将共振频率存储部7所存储的共振频率与基准共振频率进行比较，来检测机械的刚度的变化。实施例2所涉及的伺服电动机控制装置的其它结构与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的结构相同，因此省略详细的说明。

使用本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置来对量产机械分别测定并比较刚度的个体差异，由此能够评价机构部的动刚度的偏差。在图4中示出将多个机械、例如1号机～6号机的机械的刚度值与制造基准值进行比较所得的曲线图的例子。在图4中，示出用斜线阴影化的1号机～3号机和5号机的机械刚度满足制造基准。示出没有阴影化的4号机和6号机的机械刚度没有满足制造基准。在图4所示的例子中，不用拆卸机械，就能够容易地确认出4号机和6号机不满足制造基准值而需要点检。如果利用本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置，能够实现不是对各个机械部件而是对作为成品的机床的质量管理、制造技巧的提高。

接着，使用图5所示的流程图来说明本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程。图5所示的流程图中的步骤S201～S207与图3所示的关于实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的流程图中的步骤S101～S107相同，因此省略详细的说明。

在步骤S208中，共振频率比较部9判断共振频率存储部7中存储的共振频率是否小于基准共振频率。在共振频率比较部9判断为共振频率为基准共振频率以上的情况下，返回到步骤S201来再次执行共振频率的检测。此外，也可以是，在对特定的机械持续规定的期间地进行共振频率的测定的结果能够确认出所测定出的共振频率不小于基准共振频率的情况下，对其它的机械测定共振频率来检测是否存在机械刚度的降低。

另一方面，在共振频率比较部9判断为共振频率小于基准共振频率的情况下，在步骤S209中，共振频率比较部9检测出机械刚度的降低。

接着，在步骤S210中，在设置有后述的刚度变动通知部的情况下，刚度变动通知部显示机械的点检的必要性。

如以上所述，根据本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置，通过将共振频率的基准值与实测值进行比较，能够测定相对于基准值的偏差，能够进行部件组装的检查。例如，在生产十台同型机床的情况下，能够通过以第1号机的测定结果为基准值来对此后的九台把握并管理制造上的刚度偏差，实现质量提高。

[实施例3]

接着，说明本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置。实施例3所涉及的伺服电动机控制装置具备与图1所示的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置相同的结构。实施例3所涉及的伺服电动机控制装置与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置不同的点在于，共振频率存储部7保存每次测定的共振频率的历史记录，共振频率比较部9通过将共振频率存储部7所存储的共振频率与共振频率的历史记录进行比较，来检测机械的刚度的下降趋势。实施例3所涉及的伺服电动机控制装置的其它结构与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的结构相同，因此省略详细的说明。

根据实施例3所涉及的伺服电动机控制装置，以制造时的刚度为基准来监视机械的刚度的经年变化，由此能够预测机械的点检时期。图6例示了机械的刚度的经时变化的曲线图。在图6中，黑圈表示机械刚度超过需要点检水准、即机械刚度足够。另一方面，白圈表示机械刚度为需要点检水准以下、即机械刚度不足够。在图6所示的例子中可知，在制造后两年没有发生刚度下降，但在三年以后机械刚度处于下降趋势。在五年后发生刚度下降到需要点检水准附近的刚度下降。通常只在所预定的时期进行作为生产设备的机床的点检。根据本实施例所涉及的伺服电动机控制装置，通过使用下降趋势曲线(或者直线)，能够预测在制造六年后需要点检。特别是，不用等到五年后的刚度测定，而在经过了四年的时间点就能够预测点检时期。也保证测定时间点的机械刚度。这样，根据本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置，不用拆卸成各个机械部件，能够以完整的状态的机械进行测定并预测点检时期。

接着，具体地说明点检时期的估计方法。例如，考虑在由于经年变化而机械刚度从基准值下降了8％的情况下(基准的0.92倍)进行“点检时期通知”的情况。在该情况下，能够使用下式(4)来倒算出作为通知点检时期的标准的共振角频率ω_n′。

$\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_{n0}}=\sqrt{\frac{k^{\′}}{k_0}}=\sqrt{0.92}=0.96---\left(4\right)$

因而，可知在共振角频率下降了4％时进行点检时期通知即可。

接着，使用图7所示的流程图来说明本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程。图7所示的流程图中的步骤S301～S307与图3所示的关于实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的流程图中的步骤S101～S107相同，因此省略详细的说明。

在步骤S308中，共振频率比较部9判断是否存在共振频率存储部7中存储的共振频率的下降趋势。在共振频率比较部9判断为不存在共振频率的下降趋势的情况下，返回到步骤S301，在经过规定的期间后再次执行共振频率的检测。而且，保存每次测定的共振频率的历史记录。

另一方面，在共振频率比较部9判断为存在共振频率的下降趋势的情况下，在步骤S309中，共振频率比较部9检测出机械刚度的下降趋势。

接着，在步骤S310中，在设置有后述的刚度变动通知部的情况下，刚度变动通知部显示机械的点检的必要性或者点检时期预测。

如以上那样，根据本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置，事先保存每次测定的共振频率的历史记录，根据该历史记录来监视共振频率的变动趋势。例如，当考虑对某一台机床定期执行滤波器自动调整时，能够根据共振频率的历史记录来追踪机械共振经过多长时间变动了多少Hz。即，能够调查刚度下降的趋势(机械刚度以怎样的速度发生经时劣化)。

[实施例4]

接着，说明本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置。实施例4所涉及的电动机控制装置具备与图1所示的实施例1所涉及的电动机控制装置相同的结构。实施例4所涉及的伺服电动机控制装置与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置不同的点在于，共振频率比较部9通过将共振频率存储部7所存储的共振频率与基准共振频率进行比较来检测机械的刚度的变化，并且共振频率存储部7保存每次测定的共振频率的历史记录，共振频率比较部9通过将共振频率存储部7所存储的共振频率与共振频率的历史记录进行比较来检测机械的刚度的下降趋势。实施例4所涉及的伺服电动机控制装置的其它结构与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的结构相同，因此省略详细的说明。

接着，使用图8所示的流程图来说明本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置的动作过程。图8所示的流程图中的步骤S401～S407与图3所示的关于实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的流程图中的步骤S101～S107相同，因此省略详细的说明。

在步骤S408中，共振频率比较部9判断共振频率存储部7中存储的共振频率是否小于基准共振频率。

在共振频率比较部9判断为共振频率小于基准共振频率的情况下，在步骤S409中，共振频率比较部9检测出机械刚度的下降。

接着，在步骤S412中，在设置有后述的刚度变动通知部的情况下，刚度变动通知部显示机械的点检的必要性。

另一方面，在共振频率比较部9判断为共振频率为基准共振频率以上的情况下，在步骤S410中，共振频率比较部9判断是否存在共振频率存储部7中存储的共振频率的下降趋势。在共振频率比较部9判断为不存在共振频率的下降趋势的情况下，返回到步骤S401来再次执行共振频率的检测。

另一方面，在共振频率比较部9判断为存在共振频率的下降趋势的情况下，在步骤S411中，共振频率比较部9检测出机械刚度的下降趋势。

接着，在步骤S412中，在设置有后述的刚度变动通知部的情况下，刚度变动通知部显示机械的点检的必要性或者点检时期预测。

如以上那样，根据本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置，通过将共振频率的基准值和实测值进行比较，能够测定相对于基准值的偏差，能够进行部件组装的检查。例如，在生产十台同型机床的情况下，能够通过以第1号机的测定结果为基准值来对此后的九台把握并管理制造上的刚度偏差，实现质量提高。并且，事先保存每次测定的共振频率的历史记录，根据该历史记录来监视共振频率的变动趋势。例如，当考虑对某一台机床定期执行滤波器自动调整时，能够根据共振频率的历史记录来追踪机械共振经过多长时间变动了多少Hz。即，能够调查刚度下降的趋势(机械刚度以怎样的速度发生经时劣化)。

即，根据共振频率是否小于基准共振频率来检测是否存在机械刚度的下降，在判断为机械刚度没有下降的情况下，能够检测是否存在机械刚度的下降趋势。因而，即使在没有机械刚度的下降的情况下，也能够防备将来的机械刚度的下降。

在上述的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置中，示出了首先判断共振频率是否小于基准共振频率、然后判断是否存在共振频率的下降趋势的例子，但并不限于这样的例子。即，也可以首先判断是否存在共振频率的下降趋势，然后判断共振频率是否小于基准共振频率。在该情况下，能够基于没有共振频率的下降趋势来确认出没有机械刚度的下降，因此能够省略将共振频率与基准共振频率进行比较的步骤。

[实施例5]

接着，说明本发明的实施例5所涉及的伺服电动机控制装置。在图9中示出实施例5所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。实施例5所涉及的伺服电动机控制装置102与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置101不同的点在于还具有刚度变动通知部11，在共振频率比较部9检测到机械刚度相对于基准值的下降或者所保持的刚度测定的历史记录中的下降趋势的情况下，该刚度变动通知部11通知应该点检机床的部件或整体，或者预测应该点检的时期。实施例5所涉及的伺服电动机控制装置102的其它结构与实施例1所涉及的伺服电动机控制装置101(参照图1)中的结构相同，因此省略详细的说明。

根据实施例5所涉及的伺服电动机控制装置，能够由控制装置自身基于非拆卸状态下的刚度的个体差异、经时变化来进行用于调查机械部件的组装情况的点检的必要性的判断、该点检时期的预测。在制造时的刚度的偏差明显的情况下，通过共振频率的测定值与基准值间的比较来能够迅速地判断检查的必要性，因此能够有效利用于机械的质量管理，在经年劣化明显的情况下，能够预先预测应该点检部件的时期，有助于使机械的工作效率提高。

如以上所说明的那样，根据本发明的实施例所涉及的伺服电动机控制装置，通过在机械组装时将共振频率与基准值进行比较，能够测定制造上的刚度偏差，并且在机械出厂后能够通过定期测定来监视机械刚度的经时变化。另外，不用进行机械拆卸就能够进行刚度测定，并且能够进行维护时期的自我预测。

根据本发明，能够提供一种不是仅仅停留在伺服控制系统的稳定化而能够进行非破坏、非拆卸方式的机械的维护点检预测的、能够提供综合的检查技术的伺服电动机控制装置。

Claims (4)

1.一种伺服电动机控制装置，是控制用于驱动机床的伺服电动机的控制装置，该伺服电动机控制装置的特征在于，具备：

速度指令制作部，其制作伺服电动机的速度指令值；

速度检测部，其检测伺服电动机的速度；

转矩指令制作部，其基于上述速度指令值和检测到的上述速度来制作伺服电动机的转矩指令值；

正弦波生成部，其生成正弦波干扰值；

频率响应计算部，其基于通过将上述正弦波生成部所生成的上述正弦波干扰值与上述速度指令值相加来对包括上述转矩指令制作部和上述速度检测部的速度控制环路输入了正弦波干扰值时的来自上述速度控制环路的输出，来计算频率响应；

共振频率检测部，其检测所计算出的上述频率响应的增益为极大的频率即共振频率；

共振频率存储部，其存储上述共振频率检测部所检测到的上述共振频率；

至少一个滤波器，其使上述转矩指令值中包含的特定的频带分量衰减；以及

共振频率比较部，其基于上述共振频率存储部所存储的上述共振频率来测定机床的刚度，针对上述共振频率调整上述滤波器。

2.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

上述共振频率比较部通过将上述共振频率存储部所存储的上述共振频率与基准共振频率进行比较，来检测机械的刚度的变化。

3.根据权利要求1或2所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

上述共振频率存储部保存每次测定的共振频率的历史记录，

上述共振频率比较部通过将上述共振频率存储部所存储的上述共振频率与上述共振频率的历史记录进行比较，来检测机械的刚度的下降趋势。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

还具备刚度变动通知部，在上述共振频率比较部检测到机械刚度相对于基准值的下降或者刚度测定的历史记录中的下降趋势的情况下，该刚度变动通知部通知应该点检机床的部件或整体，或者预测应该点检的时期。