CN105814502B - 轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法 - Google Patents

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Abstract

一种轨迹测定装置(10)，其针对移动对象测定具有大于或等于3轴的可动轴的机械的移动对象(40)的移动轨迹，该轨迹测定装置(10)具有轨迹运算部，该轨迹运算部使用指令条件(C1)、指令信号(S1)以及反馈信号(S2)，针对每个平面对将可动轴中的2个可动轴作为坐标轴的平面中的移动轨迹进行运算，其中，指令条件(C1)是包含可动轴间的轴间相位差在内的向移动对象(40)的指令条件，指令信号(S1)是基于轴间相位差生成的向可动轴的指令信号，反馈信号(S2)表示以使可动轴的位置追随指令信号(S1)的方式对可动轴进行了反馈控制时的可动轴的位置。

Description

轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法
技术领域
本发明涉及对向机械等的轴进给驱动系统赋予指令时的运动轨迹进行测定的轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法。
背景技术
工作机械等机械(例如加工中心、激光加工机)通过驱动伺服电动机，对加工头等的位置进行控制。此时，加工头被控制为准确地追随对移动的起点和终点之间的路径进行了指定的路径。由伺服电动机驱动的轴称为进给轴，通过使用多个进给轴，从而实现二维形状、三维形状的移动轨迹。
在加工头中，在各进给轴安装有编码器、线性标尺等位置检测器，以使得由位置检测器检测出的位置(反馈位置)与指令位置之间差变小的方式进行反馈控制。由此，加工头一边追随被赋予的指令路径、一边移动。
反馈位置的轨迹(反馈轨迹)优选与指令位置的轨迹(指令轨迹)一致，但实际上由于各种原因，导致在反馈轨迹和指令轨迹之间产生轨迹误差。
在近年来的机械中，如果轨迹误差大，则进行加工时的加工精度恶化，因此对在进行了圆弧运动等时的轨迹误差进行测定，基于该测定结果，进行控制参数的调整、机械结构的修正等。当前，在评价运动时的轨迹误差的情况下，使用多个轴进行运动，测定出此时的反馈轨迹。例如，专利文献1的数控装置是在同一定时在每个规定周期收集伺服轴的位置和主轴的位置，对收集到的位置数据进行变换而求出加工形状数据。
专利文献1：日本特开2002-120128号公报
发明内容
然而，在上述现有技术中，将测定出的各种的数据直接显示，因此在机械的轴数大于或等于3轴的情况下，为了在多个平面对指令形状等轨迹进行评价，需要针对每个测定平面执行加工程序。因此，测定需要长时间。
例如，针对具有X轴、Y轴、Z轴这3个进给轴的机械，对在XY平面、YZ平面、XZ平面的各平面中的指令时的轨迹误差进行评价的情况下，需要进行3次测定。
另外，存在下述问题，即，在指令半径大的情况下，机械在宽范围移动，因此发生机械彼此之间的干涉，或者根据机械的不同而机械的可动范围不足，不能进行测定。
本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到一种能够针对具有大于或等于3个进给轴的机械高精度地测定轨迹的轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法。
为了解决上述课题，实现目的，本发明的轨迹测定装置，其针对移动对象测定具有大于或等于3轴的可动轴的机械的所述移动对象的移动轨迹，该轨迹测定装置的特征在于，具有轨迹运算部，该轨迹运算部使用指令条件、指令信号以及反馈信号，针对每个平面对将所述可动轴中的2个可动轴作为坐标轴的所述平面中的所述移动轨迹进行运算，其中，所述指令条件是包含所述可动轴间的轴间相位差在内的向所述移动对象的指令条件，所述指令信号是基于所述轴间相位差生成的向所述可动轴的指令信号，所述反馈信号表示以使所述可动轴的位置追随所述指令信号的方式对所述可动轴进行了反馈控制时的所述可动轴的位置。
发明的效果
根据本发明，实现下述效果，即，能够针对具有大于或等于3个可动轴的机械高精度地测定移动轨迹。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的框图。
图2是示意地表示3轴加工机的图。
图3是表示实施方式1涉及的轨迹测定装置的结构的框图。
图4是表示X轴的反馈控制系统的结构的图。
图5是表示实施方式1中的X轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图6是表示实施方式1中的Y轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图7是表示实施方式1中的Z轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图8是表示实施方式1中的3维空间内的加工头的位置变化的图。
图9是表示实施方式1中的XY平面的反馈位置轨迹的图。
图10是表示实施方式1中的YZ平面的反馈位置轨迹的图。
图11是表示实施方式1中的XZ平面的反馈位置轨迹的图。
图12是表示实施方式2中的X轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图13是表示实施方式2中的Y轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图14是表示实施方式2中的Z轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。
图15是表示实施方式2中的3维空间内的加工头的位置变化的图。
图16是表示实施方式2中的XY平面的反馈位置轨迹的图。
图17是表示实施方式2中的YZ平面的反馈位置轨迹的图。
图18是表示实施方式2中的XZ平面的反馈位置轨迹的图。
具体实施方式
下面，基于附图详细地说明本发明的实施方式涉及的轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法。此外，本发明并不限定于这些实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式的框图。工作机械1例如是激光加工机。工作机械1具有轨迹测定装置10、NC装置50、伺服控制部20～22、机械系统30以及移动对象40。
在工作机械1为激光加工机的情况下，移动对象40是加工头、加工台等。轨迹测定装置10是对移动对象40所移动的位置的轨迹进行测定的计算机等。轨迹测定装置10与NC装置50连接，使用从NC装置50取得的信息(后述的反馈信号S2)，计算移动对象40的轨迹。
NC(NumeriCal Control)装置50是伺服控制部20～22的上级侧的控制器，与轨迹测定装置10以及伺服控制部20～22连接。NC装置50如果从轨迹测定装置10被输入移动对象40的轨迹的指示(后述的指令信号S1)，则根据该指令信号S1生成各轴的运动指令(后述的S1X、S1Y、S1Z)，分别输出至X轴、Y轴、Z轴的伺服控制部20～22。由此，NC装置50使用来自轨迹测定装置10的指令信号S1，对各轴的伺服控制部20～22进行控制。另外，NC装置50如果从伺服控制部20被输入反馈信号S2X、S2Y、S2Z，则将汇总各轴的反馈信号而得到的全反馈信号S2输出至轨迹测定装置10。
伺服控制部(放大器)20是以使X轴的位置追随指令信号S1X的方式对电动机(后述的电动机32)进行反馈控制的装置。伺服控制部20使用指令信号S1X和从机械系统30取得的反馈信号S2X对机械系统30进行控制。伺服控制部20向机械系统30输出使电动机32驱动的指示(后述的电动机扭矩信号S5X)，并且从机械系统30取得反馈信号S2X。伺服控制部20使用该反馈信号S2X对机械系统30进行反馈控制，并且将反馈信号S2X输出至NC装置50。机械系统30使用电动机扭矩信号S5X使移动对象40移动。同样地，伺服控制部21对Y轴进行控制，伺服控制部22对Z轴进行控制。
图2是示意地表示3轴加工机的图。在图2中，作为控制的对象的加工机(工作机械)的一个例子，示出具有3个进给轴的机械系统30的一部分。此外，在本实施方式中对由轨迹测定装置10测定圆弧的轨迹的情况进行说明，但由轨迹测定装置10测定的轨迹并不限于圆弧，可以是任意形状(除了圆弧以外的弧状、曲线状、直线状等)。
激光加工机具有；加工头64；X轴可动部61，其使加工头64沿X轴方向可动；Y轴可动部62，其使加工头64沿Y轴方向可动；以及Z轴可动部63，其使加工头64沿Z轴方向可动。此外，图2所示的加工头64对应于图1示出的移动对象40。
激光加工机的加工头64安装于Z轴可动部63，由未图示的Z轴电动机沿Z轴方向驱动。另外，由Z轴可动部63以及Z轴电动机构成的Z轴驱动机构安装于Y轴可动部62，由未图示的Y轴电动机沿Y轴方向驱动。进而，由Y轴可动部62以及Y轴电动机构成的Y轴驱动机构安装于X轴可动部61，由未图示的X轴的电动机沿X轴方向驱动。而且，由X轴可动部61以及X轴电动机构成的X轴驱动机构安装于激光加工机的机械主体。此外，设为X轴、Y轴和Z轴分别彼此正交。另外，这里的X轴电动机、Y轴电动机以及Z轴电动机是后述的电动机32。
加工头64在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向移动，从而例如沿着如描绘圆弧等的移动路径移动。加工头64的移动路径(轨迹)通过轨迹测定装置10进行测定。
图3是表示实施方式1涉及的轨迹测定装置的结构的框图。轨迹测定装置10具有指令条件输入部11、指令生成部12、反馈信号取得部13、显示对象轴指定部14、圆弧轨迹运算部15以及显示部16。
向指令条件输入部11输入针对加工头64的指令条件C1。例如，以使加工头64的移动路径描绘圆弧的方式而使加工头64移动的情况下的指令条件C1是圆弧半径、进给速度以及轴间相位差等。指令条件输入部11将圆弧半径、进给速度以及轴间相位差向指令生成部12以及圆弧轨迹运算部15输出。
指令生成部12基于加工程序内的信息而生成指令程序，该指令程序用于使伺服控制部20～22进行规定的动作。具体而言，指令生成部12基于从指令条件输入部11发送来的圆弧半径、进给速度以及轴间相位差，生成正弦波状的指令信号S1。该指令信号S1作为记述有X轴、Y轴以及Z轴的移动指令的G代码程序而实现。指令生成部12将所生成的指令信号S1发送至反馈信号取得部13以及圆弧轨迹运算部15。
反馈信号取得部13向NC装置50发送指令信号S1，并且从NC装置50取得全反馈信号S2。反馈信号S2X是在由伺服控制部20对电动机32进行反馈控制时在电动机32测定出的信号。反馈信号S2X即各轴的电动机32的位置，使用编码器、线性标尺等位置检测器(后述的位置检测器35)测定。
反馈信号取得部13经由NC装置50取得测定出的反馈信号S2X、S2Y、S2Z而作为全反馈信号S2。反馈信号取得部13将反馈信号S2发送至圆弧轨迹运算部15。
在显示对象轴指定部14中，指定作为圆弧显示的对象的2个轴。显示对象轴指定部14将指定出的轴的信息发送至圆弧轨迹运算部15。显示对象轴指定部14例如设定X轴和Y轴、Y轴和Z轴、X轴和Z轴这3种方式的组合，发送至圆弧轨迹运算部15。显示对象轴指定部14可以基于加工程序对轴进行指定，也可以按照来自用户的指示对轴进行指定。
圆弧轨迹运算部15基于反馈信号S2、指令信号S1、指令条件C1，对显示用的圆弧轨迹数据进行运算。圆弧轨迹运算部15针对由显示对象轴指定部14指定出的轴，对显示用的圆弧轨迹数据进行运算。圆弧轨迹运算部15将运算结果(圆弧轨迹数据)发送至显示部16。显示部(显示控制部)16将由圆弧轨迹运算部15运算出的圆弧轨迹数据显示于显示器装置等外部显示装置(未图示)。
图4是表示X轴的反馈控制系统的结构的图。X轴的反馈控制系统使用伺服控制部20和机械系统30而构成。此外，在图4中，仅图示对应于1轴的反馈控制系统，但在工作机械1中在X轴、Y轴、Z轴的各轴中分别构成有如图4所示的反馈控制系统。
伺服控制部20具有减法器26、位置控制器27、减法器28、速度控制器29以及微分器25。伺服控制部20使用从NC装置50发送来的指令信号S1X，运算对机械系统30进行控制的电动机扭矩信号S5X。从NC装置50发送来的指令信号S1X是根据在轨迹测定装置10中生成的移动指令S1由NC装置50生成的与X轴的电动机的运动相关的指令。
向减法器26输入从NC装置50发送来的指令信号S1X、和从机械系统30发送来的反馈信号S2X。减法器26从指令信号S1X减去反馈信号S2X，由此计算电动机32的位置误差。减法器26将计算出的位置误差输出至位置控制器27。
位置控制器27具有针对位置误差进行比例控制等控制的功能。这里的位置控制器27对与计算出的位置误差相对应的速度信号进行计算，输出至减法器28。微分器25对反馈信号S2X进行微分，由此计算速度信号，输出至减法器28。
减法器28在从位置控制器27输出的速度信号中减去从微分器25输出的速度信号，由此计算电动机32的速度误差。减法器28将计算出的速度误差输出至速度控制器29。
速度控制器29具有针对速度误差进行比例·积分控制等控制的功能。这里的速度控制器29对与速度误差相对应的电动机扭矩信号S5X进行计算，输出至机械系统30。
机械系统30由电动机扭矩信号S5X驱动。机械系统30具有电动机32和负载33。负载33对应于各轴的X轴可动部61。同样地，如果是Y轴的反馈控制系统，则对应于Y轴可动部62，如果是Z轴的反馈控制系统，则对应于Z轴可动部63。
在机械系统30中，使用附属于电动机32的位置检测器35，检测可动部的位置，作为反馈信号S2X向伺服控制部20输出。该反馈信号S2X经由NC装置50发送至反馈信号取得部13。另外，在伺服控制部20中，反馈信号S2X输入至减法器26以及微分器25。在电动机32中，由于机械系统30的摩擦、弹性变形等的影响而施加干扰，由此对反馈信号S2X产生影响。
接下来，说明对圆弧轨迹进行测定时的工作机械1的动作。激光加工机等工作机械1通过对电动机32(伺服电动机)进行驱动，从而控制加工头64等的位置。此时，加工头64被控制为准确地追随由指令信号S1对移动的起点和终点之间的路径进行了指定的路径。该控制称为轨迹控制或轮廓运动控制。另外，在由指令信号S1等指定出的路径上经过的轨迹称为指令轨迹，作为控制的结果而使加工头64等经过的轨迹称为响应轨迹。
工作机械1通过使用多个由电动机32驱动的进给轴，从而使加工头64描绘二维形状、三维形状的轨迹。在工作机械1中，在各进给轴安装有位置检测器35，使用通过这些位置检测器35检测出的检测信号，进行电动机32的反馈控制。具体而言，以使由位置检测器35检测出的电动机32的位置(反馈位置)、与由指令信号S1指定出的电动机32的指令位置之间的差变小的方式进行反馈控制。由此，加工头64一边以高精度地追随被赋予的指令路径、一边移动。
在对加工头64赋予了圆弧形状(圆弧轨迹)的移动指令的情况下，各进给轴以描绘正弦波状的轨迹的方式进行运动。例如，在XY平面内赋予了圆弧指令的情况下，X轴成为正弦波的波形，Y轴成为相对于X轴的正弦波偏移90°相位的波形。反馈轨迹优选与指令轨迹一致，但实际上由于各种原因在反馈轨迹和指令轨迹之间会产生轨迹误差。
作为代表性的轨迹误差，存在象限凸起。这是在圆弧的象限切换的点(位置)处，某个进给轴的移动方向反转的现象。在进给轴中，在滚珠丝杠或导轨等的接触部发生摩擦，作为干扰作用于控制系统。由摩擦引起的干扰向与移动方向相反的方向作用，因此在移动方向反转的点处作为干扰的摩擦所作用的朝向发生变化。
此时，相对于干扰的变化，控制系统产生一定的延迟而进行响应，因此在响应轨迹中产生追随误差。其结果，在刚切换象限后响应轨迹经过指令轨迹的稍微外侧。该误差通常是非常微小的误差，因此进行下述方法，即，放大响应轨迹的半径相对于指令轨迹的半径的误差量而进行绘制。如果以上述方式绘制，则由刚进行象限切换后的追随延迟引起的误差作为向外侧的凸起出现，因此该误差称为象限凸起。
另外，作为在反馈轨迹中出现的轨迹误差，可举出由伺服响应延迟引起的内转。各轴的从指令位置至反馈位置为止的控制系统的频率特性通常是随着频率变高而增益特性下降。在圆弧指令时，各轴成为将指令速度除以圆弧半径而得到值设为频率的正弦波运动，因此随着该频率下的控制系统的增益的减小，反馈轨迹的半径减小。其结果，反馈轨迹转到指令轨迹的内侧。通常随着圆弧的频率变高、即半径越小，或者指令速度越大，反馈轨迹相对于指令半径的内转的程度变大。
另外，在具有多个进给轴的工作机械1中，各自独立地进行反馈控制。因此，在由于控制系统的设定、机械系统30的刚性等的影响而在各轴的从指令位置至反馈位置为止的响应特性产生差的情况下，成为反馈轨迹相对于坐标轴方向以椭圆状畸变的形状。特别是，如果增益特性不同，则在X轴、Y轴的轴向产生畸变。另一方面，如果相位特性不同，则相对于轴向在斜向成为畸变的形状。
在轨迹误差大的情况下，利用加工头64进行加工时的加工精度恶化。因此，轨迹测定装置10对进行了圆弧运动时的由于象限凸起、内转或轴间的响应差等的影响而在反馈轨迹中产生的轨迹误差进行测定。本实施方式的轨迹测定装置10使用测定出的大于或等于3个轴的数据(指令信号S1、指令条件C1、反馈信号S2)，生成所指定的2轴的圆弧轨迹。而且，在工作机械1中，基于测定结果，进行控制参数的调整、机械结构的修正等。由此，工作机械1进行高精度的加工。
接下来，说明对圆弧轨迹进行测定时的工作机械1的处理顺序。向指令条件输入部11作为指令条件C1(数值数据)输入圆弧指令的半径、进给速度以及轴间相位差。这些指令条件C1例如由用户输入。
例如，向指令条件输入部11作为圆弧指令的半径输入R(m)，作为进给速度输入F(m/s)。另外，针对机械可动轴中的任意的2个轴的各个组合设定轴间相位差。例如，将X轴和Y轴之间的轴间相位差设为φxy(rad)、将X轴和Z轴之间的轴间相位差设为φxz(rad)的轴间相位差输入至指令条件输入部11。
如果确定出X轴和Z轴之间的轴间相位差φxz、X轴和Y轴之间的轴间相位差φxy，则Y轴和Z轴之间的轴间相位差φyz作为两者的差而自动地被决定。即，轴间相位差φyz成为φyz＝φxz－φxy。指令条件输入部11将指令条件C1向指令生成部12以及圆弧轨迹运算部15输出。
指令生成部12生成作为X轴、Y轴、Z轴的各轴的位置指令而使用的正弦波信号。在通常的圆弧指令中生成相位相差90°的2个正弦波信号而作为2个轴的指令信号，但在本实施方式中，指令生成部12按照下述的条件生成3个正弦波信号(指令信号S1)。
(A)正弦波的振幅在任意轴均设为圆弧半径R。
(B)正弦波的频率设为将进给速度F除以圆弧半径R而得到的值。即，如果将正弦波的频率以ω(rad/s)表示，则频率成为ω＝F/R。
(C)Y轴的正弦波设为相对于X轴的正弦波延迟X轴和Y轴之间的轴间相位差φxy的正弦波。同样地，Z轴的正弦波设为相对于X轴的正弦波延迟X轴和Z轴之间的轴间相位差φxz的正弦波。
如果将按照上述的条件生成的各轴的指令信号设为Xr(t)、Yr(t)、Zr(t)，则这些指令信号由下面的式(1)表示。此外，坐标系的原点设定在圆弧的中心，但坐标系的原点也可以根据需要而平行移动至任意的位置。
[式1]
Xr(t)，R，inωt
Yr(t)＝Rsin(ωt-φxy)...(1)
Zr(t)＝Rsin(ωt-φxz)
指令生成部12将所生成的指令信号S1发送至反馈信号取得部13。反馈信号取得部13针对X轴、Y轴、Z轴的各轴进行伺服控制。伺服控制部20以使由安装于各轴的位置检测器35测定的反馈位置(X(t)、Y(t)、Z(t))追随各轴的指令信号S1的方式进行反馈控制。
作为反馈控制，例如进行PID控制等伺服控制。本实施方式的工作机械1例如将图4所示的反馈控制系统用于各轴的反馈控制系统。此外，在工作机械1中也可以根据需要应用前馈控制。
显示对象轴指定部14将作为圆弧轨迹显示的对象(圆弧轨迹的运算对象)的2个轴的组输出至圆弧轨迹运算部15。在本实施方式中，可动轴为X轴、Y轴、Z轴这3个，因此显示对象轴指定部14设定并输出X轴和Y轴、Y轴和Z轴、X轴和Z轴这3种方式的组合。
圆弧轨迹运算部15基于指令信号S1、反馈信号S2和指令条件C1，对用于描绘由显示对象轴指定部14指定出的轴的组合(平面)的圆弧轨迹的数据进行运算。圆弧轨迹运算部15将作为运算结果的描绘数据(圆弧轨迹数据)发送至显示部16。由此，显示部16使由圆弧轨迹运算部15运算出的圆弧轨迹数据显示于显示器装置等外部显示装置(未图示)。
下面，对显示对象轴的组合为X轴和Y轴的情况进行说明，但即使是显示对象轴的组合为其他组合，圆弧轨迹运算部15也能同样地进行运算。
圆弧轨迹运算部15将作为显示对象轴的2个轴中的一个轴设定为基准轴，将另一个轴设定为调整轴。在这里，对圆弧轨迹运算部15将X轴设定为基准轴，将Y轴设定为调整轴的情况进行说明，但也可以使基准轴和调整轴相反。
圆弧轨迹运算部15针对作为基准轴的X轴，将X轴的指令信号S1和X轴的反馈信号S2，作为显示用的指令信号S1和显示用的反馈信号S2直接使用。因此，显示用的X轴指令信号Xrd1(t)和显示用的X轴反馈信号Xd1(t)分别由下面的式(2)以及式(3)表示。
[式2]
Xrd1(t)＝Xr(t)...(2)
[式3]
Xd1(t)＝X(t)...(3)
轨迹运算部15针对作为调整轴的Y轴，以与X轴的相位差(轴间相位差)成为90°、即成为(pi/2)rad的方式调整定时。该操作相当于相对于Y轴的指令信号S1的时间序列数据，以1/4周期使时间位移。
具体而言，圆弧轨迹运算部15以下述方式进行定时的调整。首先，圆弧轨迹运算部15提取针对作为运算对象的平面(XY平面)的坐标轴即2个可动轴所使用的指令信号S1和反馈信号S2。
而且，圆弧轨迹运算部15根据圆弧半径以及进给速度求出圆弧指令的周期。圆弧轨迹运算部15将在圆弧半径乘以2π(π是圆周率)并除以进给速度而得到的值，设为圆弧指令的周期T。因此，圆弧指令的周期T成为T＝2πR/F。
并且，圆弧轨迹运算部15求出相当于指令的轴间相位差的时间Td。该时间Td通过在将基准轴和调整轴之间的轴间相位差除以2π得到的值乘以圆弧指令的周期而求出。因此，时间Td成为Td＝φxy·T/(2π)＝φxy·R/F。另外，圆弧轨迹运算部15将从圆弧指令的周期T的1/4的时间中减去与轴间相位差相对应的时间Td而得到的时间，设为定时调整时间Ta。圆弧指令的周期T是根据圆弧半径以及进给速度确定的，时间Td是根据运算对象轴间的轴间相位差以及圆弧指令的周期确定的。将X轴作为基准轴、将Y轴作为调整轴的情况下的定时调整时间Ta1由下面的式(4)表示。
[式4]
以上述方式，在从(π/2)rad即90°减去基准轴和调整轴之间的轴间相位差而得到的值乘以圆弧半径，进而除以进给速度而得到值，成为定时调整时间Ta1。
圆弧轨迹运算部15将显示用的调整轴的指令信号设定为相对于原始的指令信号S1延迟了定时调整时间Ta1而得到的信号。在这里，Y轴成为调整轴，因此显示用的Y轴的指令信号Yrd1(t)由下面的式(5)表示。
[式5]
Yrd1(t)＝Yr(t-Ta1)...(5)
如果将式(4)代入式(5)，使用ω＝F/R的关系，整理式(5)，则显示用的Y轴的指令信号Yrd1(t)由下面的式(6)表示。
[式6]
以上述方式，显示用的Y轴的指令信号Yrd(t)成为与X轴的指令信号Xr(t)之间偏移了90°相位而得到的信号。而且，如果在XY平面绘制Xr(t)和Yrd(t)，则成为完整的圆弧轨迹。
接下来，圆弧轨迹运算部15运算相对于原始的反馈信号延迟了定时调整时间Ta1的信号。而且，圆弧轨迹运算部15将运算结果设定为显示用的调整轴的反馈信号S2。在这里，Y轴成为调整轴，因此显示用的Y轴反馈信号Yd1(t)由下面的式(7)表示。
[式7]
Yd1(t)＝Y(t-Ta1)...(7)
指令信号S1作为完整的正弦波进行运算，因此相位的调整容易，但由于对反馈信号S2作用干扰等，因此相位的调整困难。因此，在本实施方式中，圆弧轨迹运算部15以与指令信号S1的轴间相位差成为90°时的定时调整时间相同的时间对反馈信号S2的定时进行调整，从而使得显示用的反馈信号的轴间相位差准确地成为90°。
在显示对象轴是除了X轴和Y轴的组合以外的情况下，圆弧轨迹运算部15通过改变式(4)的定时调整时间，能够与X轴和Y轴的组合的情况同样地求出显示用的圆弧轨迹。将Y轴作为基准轴、将Z轴作为调整轴的情况下的定时调整时间Ta2由下面的式(8)表示。
[式8]
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将显示用的Y轴指令信号Yrd2(t)、Y轴反馈信号Yd2(t)、Z轴指令信号Zrd2(t)、Z轴反馈信号Zd2(t)分别通过下面的式(9)～(12)求出。
[式9]
Yrd2(t)＝Yr(t)...(9)
[式10]
Yd2(t)＝Y(t)...(10)
[式11]
Zrd2(t)＝Zr(t-Ta2)...(11)
[式12]
Zd2(t)＝Z(t-Ta2)...(12)
另外，将X轴作为基准轴、将Z轴作为调整轴的情况下的定时调整时间Ta3由下面的式(13)表示。
[式13]
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将显示用的X轴指令信号Xrd3(t)、X轴反馈信号Xd3(t)、Z轴指令信号Zrd3(t)、Z轴反馈信号Zd3(t)分别通过下面的式(14)～(17)求出。
[式14]
Xrd3(t)＝Xr(t)...(14)
[式15]
Xd3(t)＝X(t)...(15)
[式16]
Zrd3(t)＝Zr(t-Ta3)...(16)
[式17]
Zd3(t)＝Z(t-Ta3)...(17)
接下来，对本实施方式中的工作机械1的动作例进行说明。在这里，说明将具有X轴、Y轴、Z轴的工作机械1的圆弧半径设为10mm、将进给速度设为6m/min、轴间相位差全部为0的情况下的动作例。因此，这里的轴间相位差是φxy＝φxz＝0。此时，圆弧指令的周期成为0.628秒。
另外，作为控制系统的条件，将位置控制器27设为比例控制，将比例增益设为100rad/s，将速度控制器29的比例增益以及积分增益分别设为600rad/s、150rad/s。而且，在各轴的增益全部设定有相同的值。
另外，作为控制对象的机械系统30设为刚体的结构，各轴的机械系统30的惯量设为0.001kgm2。并且，设为对电动机32作用库伦摩擦。库伦摩擦的大小以X轴为基准，Y轴设定为2倍的大小，Z轴设定为4倍的大小。库伦摩擦越大，移动方向反转时的象限凸起越大。
并且，在轨迹测定时，设为将1.5周期的正弦波信号作为指令信号S1而使用。其目的在于，在每次测定对应于1周的圆弧指令时，对应于定时调整时间的量而额外地需要数据，对除了圆弧运动开始时以及结束时的暂态部分之外以恒定的进给速度运动的稳态部分进行提取。
定时调整时间是从1/4周期减去轴间相位差而得到的值。在这里，轴间相位差是0，因此对应于定时调整时间的量需要额外地取得的数据至少是与1/4周期对应的量。
另外，暂态部分的时间大致成为加减速时间常数和伺服的响应延迟时间的合计，因此轨迹测定装置10以与该合计时间相当的周期额外地取得数据。伺服的响应延迟时间与位置比例增益的倒数大致相等。位置比例增益设定为100rad/s，因此暂态部分的时间成为将指令开始时和结束时合并的20ms左右。圆弧指令的周期是0.628秒，因此针对暂态部分的影响，如果对应于1/4周期的量额外地取得数据，则是充分的。
因此，轨迹测定装置10额外地测定1/2周期的量的数据，该1/2周期的量是与定时调整时间相当的1/4周期的量、和用于去除暂态部分的影响的1/4周期的量的合计。
为了确认按照上述条件生成了指令信号的情况下的圆弧轨迹的妥当性，通过数值模拟求出各轴的反馈信号。图5～图7示出各轴的指令位置以及反馈位置的时间变化。
图5是表示实施方式1中的X轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图6是表示实施方式1中的Y轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图7是表示实施方式1中的Z轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图5～图7的横轴是时刻，纵轴是加工头64的位置(指令位置以及反馈位置)。在图5～图7所示的特性中的实线表示指令位置，虚线表示反馈位置。
图8是表示实施方式1中的3维空间内的加工头的位置变化的图。在图8中示出加工头64的指令路径。位置指令从(X、Y、Z)＝(0、0、0)mm开始。而且，在位置指令中，在使加工头64到达(10、10、10)mm后，使移动方向反转，使加工头64到达至(－10、－10、－10)mm为止。进而，在位置指令中，在使加工头64到达至(－10、－10、－10)mm为止后，再次使移动方向反转，而使加工头64到达至(10、10、10)mm为止，再一次使移动方向反转。然后，位置指令使加工头64结束于(0、0、0)mm的位置。
以上述方式，这里的位置指令是在3维空间内，使直线状的路径往返的指令。另外，各轴的反馈信号S2相对于各轴的指令信号S1延迟10ms左右而追随。
接下来，圆弧轨迹运算部15针对将显示对象轴设定为以下3种方式的情况分别进行显示用的圆弧轨迹的运算，该3种方式是(a)X轴以及Y轴、(b)Y轴以及Z轴、(C)X轴以及Z轴。
将显示对象轴设为(a)X轴以及Y轴的情况(求出XY平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为X轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为X轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(4)，是0.157秒。因此，定时调整时间是从X轴的数据延迟了0.157秒的数据，因此圆弧轨迹运算部15将0.236－0.157＝0.079秒～0.628秒之间的数据作为Y轴的显示用数据而使用。
将显示对象轴设为(b)Y轴以及Z轴的情况(求出YZ平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为Y轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为Y轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(8)，是0.157秒。因此，定时调整时间是从Y轴的数据延迟了0.157秒的数据，因此圆弧轨迹运算部15将0.236－0.157＝0.079秒～0.628秒之间的数据作为Z轴的显示用数据而使用。
将显示对象轴设为(c)X轴以及Z轴的情况(求出XZ平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为X轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为X轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(13)，是0.157秒。因此，定时调整时间是从X轴的数据延迟了0.157秒的数据，因此圆弧轨迹运算部15将从0.236－0.157＝0.079秒至0.628秒之间的数据作为Z轴的显示用数据而使用。
以上述方式，将根据反馈位置的轨迹求出的半径10mm的XY平面、YZ平面、XZ平面的圆弧轨迹分别在图9～图11示出。图9是表示实施方式1中的XY平面的反馈位置轨迹的图。图10是表示实施方式1中的YZ平面的反馈位置轨迹的图。图11是表示实施方式1中的XZ平面的反馈位置轨迹的图。
在图9～图11中，将误差在半径方向放大50倍，绘制轨迹(20μm/1刻度)。如图9～图11所示，在各平面中均产生由伺服响应延迟引起的内转。另外，象限凸起对应于各轴的库伦摩擦的大小，Y轴比X轴大，并且Z轴比Y轴更大。这表示各平面圆弧的反馈轨迹显示可正确地进行。
当前，在例如具有X轴、Y轴、Z轴这3轴的机械的情况下，为了对XY平面、YZ平面、XZ平面的各平面中的圆弧轨迹进行显示，需要3次的测定。另一方面，实施方式1的轨迹测定装置10使用测定出的大于或等于3个轴的数据，生成所指定的2轴的圆弧轨迹，因此能够以1次的测定显示各平面的圆弧轨迹。因此，能够大幅地缩短测定时间。
另外，轨迹测定装置10以与指令信号S1的轴间相位差成为90°时的定时调整时间相同的时间对反馈信号S2的定时进行调整，因此能够将指令数据(指令信号S1)和反馈数据(反馈信号S2)的定时合并而描绘轨迹。
另外，将从圆弧指令的1/4周期的时间中减去与轴间相位差相当的时间Td而得到的时间设为定时调整时间Ta，因此能够准确地求出定时调整时间Ta。
并且，通过将轴间相位差全部设定为0，从而测定中的移动路径成为直线。因此，与以圆弧状的路径运动的情况相比，变得容易确保刀具端(加工头64的前端部)的动作所需的范围。
另外，轨迹测定装置10能够通过缩短圆弧轨迹的测定时间，从而缩短反馈控制系统的参数调整时间。在伺服控制系统中，存在控制增益、摩擦校正参数等参数。这些参数需要一边确认反馈轨迹、一边进行调整，以使得反馈轨迹相对于指令轨迹的误差(内转量、象限凸起量)变小，但在本实施方式中，能够缩短该确认作业时间。
以上述方式，根据实施方式1，使用测定出的大于或等于3个轴的数据，生成所指定的2轴的圆弧轨迹，因此能够针对具有大于或等于3个进给轴的工作机械1高效地测定移动轨迹。
实施方式2.
接下来，使用图12～图18对本发明的实施方式2进行说明。在实施方式2中，使用具有与实施方式1相同的结构的轨迹测定装置10。实施方式2与实施方式1不同的点是轴间相位差的设定。
在实施方式2中，将轴间相位差以下述方式设定为不是0°也不是90°的倍数的值。在本实施方式中，对Y轴与X轴相比延迟30°相位，Z轴与X轴相比延迟60°相位的情况进行说明。具体而言，本实施方式的轴间相位差是φxy＝30(°)＝π/6(rad)、φxz＝60(°)＝π/3(rad)。假设其他的指令条件、反馈控制系统的参数与实施方式1相同。将此时的各轴的指令信号和反馈信号时间变化在图12～图14中示出。
图12是表示实施方式2中的X轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图13是表示实施方式2中的Y轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图14是表示实施方式2中的Z轴的指令位置以及反馈位置的时间变化的图。图12～图14的横轴是时刻，纵轴是加工头64的位置(指令位置以及反馈位置)。在图12～图14示出的特性中的实线表示指令位置，虚线表示反馈位置。
图15是表示实施方式2中的3维空间内的加工头的位置变化的图。在图15中示出加工头64的指令路径。这里的位置指令是从(X、Y、Z)＝(0、5、8.66)mm开始的指令，且是在3维空间内，以椭圆状的路径移动的指令。另外，各轴的反馈信号S2相对于各轴的指令信号S1延迟10ms左右而追随。
接下来，圆弧轨迹运算部15针对将显示对象轴设定为以下3种方式的情况分别进行显示用圆弧轨迹的运算，该3种方式是(a)X轴以及Y轴、(b)Y轴以及Z轴、(C)X轴以及Z轴。
将显示对象轴设为(a)X轴以及Y轴的情况(求出XY平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为X轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为X轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(4)，是0.105秒。因此，定时调整时间是从X轴的数据延迟了0.105秒的数据，因此圆弧轨迹运算部15将0.236－0.105＝0.131秒～0.628秒之间的数据作为Y轴的显示用数据而使用。
将显示对象轴设为(b)Y轴以及Z轴的情况(求出YZ平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为Y轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为Y轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(8)，是0.105秒。因此，定时调整时间是从Y轴的数据延迟了0.105秒的数据，因此圆弧轨迹运算部15将0.236－0.105＝0.131秒～0.628秒之间的数据作为Z轴的显示用数据而使用。
将显示对象轴设为(c)X轴以及Z轴的情况(求出XZ平面的圆弧轨迹的情况)
在该情况下，圆弧轨迹运算部15将从3/8周期至1周期的量的数据设为X轴的显示用的数据。即，圆弧轨迹运算部15将0.628×3/8＝0.236秒～0.628秒之间的数据作为X轴的显示用的数据而使用。定时调整时间通过式(13)，是0.052秒。因此，定时调整时间是从X轴的数据延迟了0.052秒的数据，将从0.236－0.052＝0.184秒至0.628秒之间的数据作为Z轴的显示用数据而使用。
以上述方式，将根据反馈位置的轨迹求出的XY平面、YZ平面、XZ平面的圆弧轨迹在图16～图18示出。图16是表示实施方式2中的XY平面的反馈位置轨迹的图。图17是表示实施方式2中的YZ平面的反馈位置轨迹的图。图18是表示实施方式2中的XZ平面的反馈位置轨迹的图。
在图16～图18中，将误差在半径方向放大50倍，绘制轨迹。在各平面中均产生由伺服响应延迟引起的内转。另外，象限凸起对应于各轴的库伦摩擦的大小，Y轴比X轴大，并且Z轴比Y轴更大。这表示各平面圆弧的反馈轨迹显示可正确地进行。
实施方式2的轨迹测定装置10与实施方式1的轨迹测定装置10同样地，能够以1次的测定对各平面的圆弧轨迹进行显示，能够大幅地缩减测定时间。
另外，轨迹测定装置10根据测定出的大于或等于3个轴的数据生成所指定的2轴的圆弧轨迹，能够将指令数据和反馈数据的定时合并而描绘，能够准确地求出此时的定时调整时间。
并且，将轴间相位差设定为不是0°也不是90°的倍数的值，因此可动轴的反转不会同时发生。因此，在如可动轴的移动反转时产生冲击而对其他轴的动作造成影响的情况下，能够准确地测定可动轴移动方向反转时的象限凸起误差。
以上述方式，根据实施方式2，使用测定出的大于或等于3个轴的数据，生成所指定的2轴的圆弧轨迹，因此能够针对具有大于或等于3个进给轴的工作机械1高效地测定移动轨迹。
此外，在实施方式1、2中对工作机械1的轴数为3轴的情况进行了说明，但轴数也可以是大于或等于4轴。例如，在具有3个直线进给轴和2个旋转轴的5轴加工机中，也是对直线进给轴以及旋转轴的全部轴同时输入正弦波信号。在该情况下，轨迹测定装置10也能够根据作为输入正弦波信号的结果所得到的指令信号和反馈信号，对将任意2个轴设为坐标轴的平面内的圆弧轨迹进行运算并显示。
另外，在本实施方式中，将轨迹测定装置10和NC装置50设为分体结构，但也可以在NC装置50内配置轨迹测定装置10。另外，在本实施方式中，经由NC装置50，连接了轨迹测定装置10和伺服控制部20，但也可以不经由NC装置50，将轨迹测定装置10和伺服控制部20连接。在该情况下，从反馈信号取得部13向伺服控制部20发送指令信号S1X、S1Y、S1Z。另外，从伺服控制部20～22向反馈信号取得部13分别发送反馈信号S2X、S2Y、S2Z。
另外，NC装置50也可以独立地生成指令信号S1。另外，也可以是轨迹测定装置10使用由NC装置50生成的指令信号S1对加工头64的移动轨迹进行测定。另外，在本实施方式中，对将轨迹测定装置10应用于工作机械1的情况进行了说明，但也可以将轨迹测定装置10应用于工作机械1以外的机械。
工业实用性
如上所述，本发明涉及的轨迹测定装置、数控装置以及轨迹测定方法适用于对轴进给驱动系统赋予了指令时的运动轨迹的测定。
标号的说明
1工作机械，10轨迹测定装置，11指令条件输入部，12指令生成部，13反馈信号取得部，14显示对象轴指定部，15圆弧轨迹运算部，16显示部，20伺服控制部，30机械系统，32电动机，33负载，35位置检测器，40移动对象，50NC装置，61X轴可动部，62Y轴可动部，63Z轴可动部，64加工头，C1指令条件，S1指令信号，S2反馈信号，S5电动机扭矩信号。

Claims (5)

1.一种轨迹测定装置，其针对移动对象测定具有大于或等于3轴的可动轴的机械的所述移动对象的移动轨迹，
该轨迹测定装置的特征在于，具有：
显示对象轴指定部，其从所述大于或等于3轴的可动轴即测定对象可动轴之中，对作为显示对象的2个可动轴进行指定；以及
轨迹运算部，其基于指令条件、指令信号以及反馈信号，对将由所述显示对象轴指定部指定出的所述2个可动轴作为坐标轴的平面中的、之后要对所述移动轨迹进行显示时的所述移动轨迹进行运算，在进行该运算时，提取针对所述2个可动轴的所述指令信号以及所述反馈信号，以向所述2个可动轴的指令信号的轴间相位差成为90°的方式对所述2个可动轴中的一个可动轴的定时进行调整，并且对该定时的调整时间进行计算，使用与所述调整时间相同的时间对所述一个可动轴的反馈信号的定时进行调整，其中，所述指令条件是在对所述移动轨迹进行测定时所使用的、包含圆弧指令的半径、进给速度及轴间相位差在内的向所述移动对象的指令条件，所述指令信号是作为将所述圆弧指令的半径设为振幅、将所述进给速度除以所述半径而得到的值设为频率的正弦波信号而生成的在所述各测定对象可动轴中具有基于轴间相位差的相位的向所述各测定对象可动轴的指令信号，所述反馈信号表示以使所述各测定对象可动轴的位置追随所述指令信号的方式对所述可动轴进行了反馈控制时的所述各测定对象可动轴的位置。
2.根据权利要求1所述的轨迹测定装置，其特征在于，还具有：
指令条件输入部，其用于输入所述指令条件；
指令生成部，其基于所述轴间相位差，针对每个所述可动轴生成所述指令信号；以及
反馈信号取得部，其取得所述反馈信号。
3.一种数控装置，其特征在于，具有：
伺服控制部，其针对使用大于或等于3轴的可动轴使移动对象移动的机械，进行使用了向所述可动轴的指令信号的反馈控制；以及
轨迹测定装置，其测定所述移动对象的移动轨迹，
所述轨迹测定装置具有：
显示对象轴指定部，其从所述大于或等于3轴的可动轴即测定对象可动轴之中，对作为显示对象的2个可动轴进行指定；以及
轨迹运算部，其基于指令条件、指令信号以及反馈信号，对将由所述显示对象轴指定部指定出的所述2个可动轴作为坐标轴的平面中的、之后要对所述移动轨迹进行显示时的所述移动轨迹进行运算，在进行该运算时，提取针对所述2个可动轴的所述指令信号以及所述反馈信号，以向所述2个可动轴的指令信号的轴间相位差成为90°的方式对所述2个可动轴中的一个可动轴的定时进行调整，并且对该定时的调整时间进行计算，使用与所述调整时间相同的时间对所述一个可动轴的反馈信号的定时进行调整，其中，所述指令条件是在对所述移动轨迹进行测定时所使用的、包含圆弧指令的半径、进给速度及轴间相位差在内的向所述移动对象的指令条件，所述指令信号是作为将所述圆弧指令的半径设为振幅、将所述进给速度除以所述半径而得到的值设为频率的正弦波信号而生成的在所述各测定对象可动轴中具有基于轴间相位差的相位的向所述各测定对象可动轴的指令信号，所述反馈信号表示以使所述各测定对象可动轴的位置追随所述指令信号的方式对所述可动轴进行了反馈控制时的所述各测定对象可动轴的位置。
4.根据权利要求3所述的数控装置，其特征在于，
还具有显示控制部，该显示控制部使由所述轨迹运算部运算出的移动轨迹显示于外部显示装置。
5.一种轨迹测定方法，其针对移动对象测定具有大于或等于3轴的可动轴的机械的所述移动对象的移动轨迹，
该轨迹测定方法的特征在于，包含：
显示对象轴指定步骤，在该显示对象轴指定步骤中，从所述大于或等于3轴的可动轴即测定对象可动轴之中，对作为显示对象的2个可动轴进行指定；以及
轨迹运算步骤，在该轨迹运算步骤中，基于指令条件、指令信号以及反馈信号，对将由所述显示对象轴指定步骤指定出的所述2个可动轴作为坐标轴的平面中的、之后要对所述移动轨迹进行显示时的所述移动轨迹进行运算，在进行该运算时，提取针对所述2个可动轴的所述指令信号以及所述反馈信号，以向所述2个可动轴的指令信号的轴间相位差成为90°的方式对所述2个可动轴中的一个可动轴的定时进行调整，并且对该定时的调整时间进行计算，使用与所述调整时间相同的时间对所述一个可动轴的反馈信号的定时进行调整，由此运算所述移动轨迹，其中，所述指令条件是在对所述移动轨迹进行测定时所使用的、包含圆弧指令的半径、进给速度及轴间相位差在内的向所述移动对象的指令条件，所述指令信号是作为将所述圆弧指令的半径设为振幅、将所述进给速度除以所述半径而得到的值设为频率的正弦波信号而生成的在所述各测定对象可动轴中具有基于轴间相位差的相位的向所述各测定对象可动轴的指令信号，所述反馈信号表示以使所述各测定对象可动轴的位置追随所述指令信号的方式对所述可动轴进行了反馈控制时的所述各测定对象可动轴的位置。
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