CN106002479A - 控制参数的设定方法及设定装置、以及定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制参数的设定方法、一种控制参数的设定装置和一种控制驱动电机的定位装置，其中，该控制参数的设定装置可根据待处理对象物体，快速重新设定阻尼滤波器的去除频带。本发明提供的控制参数的设定装置包括：计算单元，通过式ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2和ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2计算，由平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1，以及由驱动电机的定子及基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2，设定单元，根据算出的第一共振频率ω_r1，设定第一阻尼滤波器的去除频带，同时，根据第二共振频率ω_r2，设定第二阻尼滤波器的去除频带。

Description

控制参数的设定方法及设定装置、以及定位装置

技术领域

本发明涉及一种设定阻尼滤波器的去除频带的方法及设定装置，以及具备该设定装置的定位装置，该阻尼滤波器设置于对旋转工作台装置的驱动电机进行控制的定位装置上，该旋转工作台装置包括基座、可自由旋转地保持在该基座上且载有对象物体的平台以及驱动该平台相对于基座旋转的驱动电机。

背景技术

现有技术中，上述定位装置，例如，在机床领域，通常用作送料装置或旋转工作台装置的位置控制，举例来说，已知的有日本专利特开2009-101444号公报(下述专利文献1)公开的定位装置。

该专利文献1公开的定位装置，控制设置于5轴控制立式加工中心机等的机床上的耳轴结构的双轴部，包括函数发生器、位置控制部、速度控制部和扭矩/电流控制部，根据来自扭矩/电流控制部输出的信号控制驱动耳轴旋转的电机。

具体而言，在该定位装置中，根据NC装置输出的NC指令，由函数发生器生成位置指令，基于所生成的位置指令及位置增益，由位置控制部生成速度指令，基于所生成的速度指令和速度增益，由速度控制部生成扭矩指令，基于所生成的扭矩指令和扭矩增益，由扭矩/电流控制部生成驱动扭矩相关信号，该信号对应的电流被提供给电机，以驱动该电机工作。

另外，该定位装置中设有角度误差估计装置，其计算由耳轴弹性变形导致的角度误差并进行校正，角度误差Δθ通过该角度误差估计装置，由下式计算得出。

Δθ＝(T_m-J_m·α)/K_θR

其中，J_m为枢轴部或轴承的惯量，T_m为速度控制部输出的扭矩指令，α为旋转角加速度，K_θR为扭转刚度系数。

[背景技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2009-101444号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

然而，在现有的上述定位装置中，在函数发生器中产生位置指令时，在快进移动的情况下，使用快进时间常数，另外，在位置控制部使用位置增益，在速度控制部使用速度增益，扭矩/电流控制部使用扭矩增益，为了实现稳定的控制，需要适当地设定快进时间常数、位置增益、速度增益和扭矩增益这些控制参数。

另外，在上述专利文献1中虽未被说明，但是在速度控制部和扭矩/电流控制部之间，通常设有阻尼滤波器，速度控制部输出的扭矩指令，经由阻尼滤波器去除特定频带的振动分量后，被输入到扭矩/电流控制器中。而且，该阻尼滤波器中设定的去除频带也是一个控制参数，为了实现稳定的控制，有必要对其进行适当地设定。

因此，现有技术中，为了实现适宜的加工，这样的控制参数会根据该机床上设置好的加工规格，例如被加工物的最大尺寸，最大重量或最大加工负荷等，由机床制造商提前设定。

然而，近些年来，用户方的待处理被加工物的材料和形状变得多种多样，受此影响，上述定位控制出现了问题。例如，用户在加工极薄的被加工物的情况下，移动它时该被加工物产生振动，在此振动(干扰振动)的影响下，导致定位控制系统也产生振动。

为了解决此类问题，有必要根据待处理的被加工物，对上述控制参数中的，用于去除干扰振动的阻尼滤波器的去除频带，重新设定适当的值，然而在现有技术中，该阻尼滤波器的去除频带的重新设定，只能依赖试错法，即尝试通过一点一点改变上述去除频带来操作，因此，无法快速解决上述问题。

本发明是鉴于上述实际情况而提出的，目的是提供一种不依赖试错法即可根据待处理的被加工物，对阻尼滤波器的去除频带进行快速重新设定，将其设定为合适的值的定位装置的参数设定方法、及参数设定装置、以及具备该参数设定装置的定位装置。

[解决问题的手段]

为了解决上述问题，本发明提供了一种控制参数的设定方法，该方法供设定阻尼滤波器的去除频带，该阻尼滤波器设置于对旋转工作台装置的驱动电机进行控制的定位装置上，该旋转工作台装置包括基座、可自由旋转地保持在该基座上且载有对象物体的平台以及驱动该平台相对于基座旋转的驱动电机，

通过下式(1)和(2)计算，由所述平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1[rad/s]，以及由所述驱动电机的定子及基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2[rad/s]，根据算出的第一共振频率ω_r1，设定设置于所述定位装置的第一阻尼滤波器的去除频带，同时，根据算出的第二共振频率ω_r2，设定设置于所述定位装置的第二阻尼滤波器的去除频带。

(1):ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2

(2):ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2

另外，本发明还提供了一种控制参数的设定装置，该装置用于设定阻尼滤波器的去除频带，该阻尼滤波器设置于对旋转工作台装置的驱动电机进行控制的定位装置上，该旋转工作台装置包括基座、可自由旋转地保持在该基座上且载有对象物体的平台以及驱动该平台相对于基座旋转的驱动电机，

上述控制参数的设定装置包括：

计算单元，通过上式(1)和(2)计算，由所述平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1，以及由所述驱动电机的定子及基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2，

设定单元，根据所述计算单元算出的第一共振频率ω_r1，设定设置于所述定位装置的第一阻尼滤波器的去除频带，同时，根据所述计算单元算出的第二共振频率ω_r2，设定设置于所述定位装置的第二阻尼滤波器的去除频带。

其中，所述J_r为所述驱动电机的转子的惯量[kg·m2]，J_t为所述平台的惯量，J_j为所述对象物体的惯量[kg·m2]，J_b为所述基座的惯量[kg·m2]，J_s为所述驱动电机的定子的惯量[kg·m2]，K_j为所述对象物体的扭转刚度[N·m/rad]，K_s为所述驱动电机的定子的扭转刚度[N·m/rad]。

而且，根据该控制参数的设定装置，可以适当地实施本发明的控制参数设定方法。即，在该控制参数设定装置中，首先，由所述计算单元通过上式计算，由所述平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1，以及由所述驱动电机的定子及基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2。

将在后面详细描述，上述结构的旋转工作台装置，可通过上式推导出第一共振频率ω_r1，第二共振频率ω_r2。而且，可以根据设计数据分别事先计算出，驱动电机的转子的惯量J_r及定子的惯量J_s，平台的惯量J_t，对象物体的惯量J_j，基座的惯量Jb，以及对象物体的扭转刚度Kj，及驱动电机的定子的扭转刚度K_s。因此，可不依赖于试错法，从理论上分别计算得到所述第一共振频率ω_r1，及所述第二共振频率ω_r2。

然后，在所述设定单元中，根据由所述计算单元计算的第一共振频率ω_r1，设定设置于所述定位装置的第一阻尼滤波器的去除频带，即，将第一阻尼滤波器的去除频带设定为以第一共振频率ω_r1为中心的预定宽度，同样，根据由所述计算单元计算的第二共振频率ω_r2，设定设置于所述定位装置的第二阻尼滤波器的去除频带，即，将第二阻尼滤波器的去除频带设定为以第二共振频率ω_r2为中心的预定宽度。

这样，根据本发明，理论上可不依赖于现有的试错法，根据定位装置的控制信号，对用于去除由所述平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体产生的第一共振(频率ω_r1)的，第一阻尼滤波器的去除频带，以及用于去除由所述驱动电机的定子和基座构成的结构体产生的第二共振(频率ω_r2)的，第二阻尼滤波器的去除频带进行设定，因此，可快速对去除频带设定对应于待处理对象物体的适当的值。

而且，根据具备上述控制参数设定装置的定位装置，理论上可不依赖于现有的试错法，对该阻尼滤波器的去除频带进行设定，可快速设定对应于待处理对象物体的适当的值，因此，可根据待处理对象物体对该旋转工作台装置进行适当的控制。

[发明的效果]

如上所述，根据本发明，理论上可不依赖于现有的试错法，根据定位装置的控制信号，对用于去除由所述平台、驱动电机的转子和对象物体构成的结构体产生的第一共振(频率ω_r1)的，第一阻尼滤波器的去除频带，以及用于去除由所述驱动电机的定子和基座构成的结构体产生的第二共振(频率ω_r2)的，第二阻尼滤波器的去除频带进行设定，因此，可快速对去除频带设定对应于待处理对象物体的适当的值。

另外，将这样的控制参数设定装置设置在定位装置上，理论上可不依赖于现有的试错法，对该阻尼滤波器的去除频带进行设定，可快速对去除频带设定对应于待处理对象物体的适当的值，因此，可根据待处理对象物体对控制对象旋转工作台装置进行适当的控制。

附图说明

图1为本发明一个实施例的定位装置的概要结构的框图；

图2为本实施例的参数存储部和阻尼滤波器部的框图；

图3为本实施例的定位装置的控制对象旋转工作台装置的示意图；

图4为本实施例的旋转工作台装置的控制框图；

图5为双惯性系统的振动模型的示意图；

图6为双惯性系统的振动模型的控制框图；

图7为双惯性系统的振动模型的控制框图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式，参照附图进行说明。图1为本发明一个实施例的定位装置的概要结构的框图，图3为本实施例的定位装置的控制对象旋转工作台装置的示意图。此外，图3仅仅是一个抽象的示意图，并不表示旋转工作台装置的具体结构。

本实施例的定位装置1，如图1所示，包括位置控制部2、速度控制部3、阻尼滤波器部4、扭矩控制部5、微分器6、参数设定部7和参数存储部8。

所述位置控制部2，例如，输入在NC处理部中生成并输出的位置指令θ*，基于与从后述的旋转工作台装置10的位置检测器15输出的当前位置信号之间的偏差θ及位置增益，生成速度指令ω*并输出。

所述速度控制部3，基于从所述位置控制部2输入的速度指令ω*与所述位置检测器15输出，经由微分器6微分处理后输出的当前速度信号ω的偏差，及速度增益，生成扭矩指令Tm*并输出。

所述阻尼滤波器4，如图2所示，具备由陷波滤波器组成的，至少包括第一滤波器F1和第二滤波器F2这两个滤波器的n个滤波器，输入所述速度控制部3输出的扭矩指令Tm*，从输入的扭矩指令Tm*中，去除每个滤波器中设定的去除频带的频率分量，输出去除后的扭矩指令Tmf*。此外，陷波滤波器的数量可以是两个或更多，其在设置数量上没有限制。

所述扭矩控制部5，输入从所述阻尼滤波器部4输出的，经滤波处理后的扭矩指令Tmf*，基于输入的扭矩指令Tmf*及扭矩增益，生成所述电机12的驱动扭矩相关信号Tm并输出。

另外，所述参数存储部8为存储用于该定位装置1的控制参数的功能部，其存储有作为控制参数的所述位置增益、速度增益、各滤波器Fn中的去除频带及扭矩增益，这些控制参数分别被对应的位置指令生成部2、位置控制部3、各滤波器Fn及扭矩控制部5读取使用。此外，这些控制参数可以从外部存储到参数存储部8中，且所述去除频带由所述参数设定部7进行更新。而关于该参数设定部7的具体处理将在后面进行说明。

本实施例的所述旋转工作台装置10，如图3所示包括，作为基座的工作台底座11配置于该工作台底座11上，围绕垂直的转轴自由旋转的平台18，驱动该平台18围绕所述转轴旋转的电机12。电机12由固定设置于工作台底座11的定子13和固定于所述平台18且设置在定子内的转子14构成。另外，该转子14以所述转轴为中心的旋转位置是由位置检测器15检测的，该位置检测器由设置在转子14的下表面的部件17和与该部件17相对设置于所述定子13上的部件16构成。此外，平台18上装设有作为对象物体的夹具及工件(以下简称“工件”)19。

这样，根据该定位装置1，首先，在位置控制部2中，基于被适当输入的位置指令θ*、当前位置信号θ的偏差与位置增益，生成速度指令ω*，在速度控制部3中，基于速度指令ω*、当前速度信号ω的偏差与速度增益，生成扭矩指令Tm*。

然后，生成的扭矩指令Tm*，经由阻尼滤波器部4，设置于各滤波器上的去除频带的振动分量被去除，去除后得到的扭矩指令Tmf*被输入到扭矩控制部5中，在该扭矩控制部5中，基于扭矩指令Tmf*及扭矩增益，生成所述电机12的驱动扭矩相关信号Tm，该驱动扭矩相关信号Tm对应的电流被提供给所述电机12，以驱动该电机工作。这样，通过被上述方式控制电机12，以驱动平台18旋转。

所述参数设定部7包括：计算单元7a，通过下式分别计算，由所述平台18、电机12的转子14和工件19构成的结构体(以下简称“上部结构体”)的第一共振频率ω_r1，以及由所述驱动电机12的定子13及工作台底座11构成的结构体(以下简称“下部结构体”)的第二共振频率ω_r2，和设定单元7b，根据该计算单元7a算出的第一共振频率ω_r1，设定所述第一滤波器F1的去除频带，同时，根据所述计算单元7a算出的第二共振频率ω_r1，设定所述第二滤波器F2的去除频带。

ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2

ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2

此外，J_r为所述转子14的惯量[kg·m2]，J_t为所述平台18的惯量，J_j为所述工件19的惯量[kg·m2]，J_b为所述工作台底座11的惯量[kg·m2]，J_s为所述定子13的惯量[kg·m2]，K_j为所述工件19的扭转刚度[N·m/rad]，K_s为所述定子13的扭转刚度[N·m/rad]。而且，这些值可分别根据设计数据预先计算得出，也可每次从外部输入到所述计算单元7a中。或者，由于除工件19的惯量J_j及扭转刚度K_j以外，转子14的惯量J_r、平台18的惯量J_t、工作台底座11的惯量J_b、定子13的惯量Js、定子13的扭转刚度K_s均为旋转工作台装置10的特征值，因此，均可预先存储、保存在计算单元7a中。

在图3中经建模的一般结构的旋转工作台装置10具有以下配置，工作台底座11和平台18相分离，同时，电机12的定子13和转子14相分离，另一方面，工作台底座11与定子13相连接，同时，转子14和平台18相连接，另外，工件19连接于平台18上。因此，可以认为这种结构的旋转工作台装置10是由平台18、转子14及工件19构成的上部结构体和定子13及工作台底座11构成的下部结构体组成的，根据本发明人的研究，该控制模型可表示为如图4所示的一个框图。

而且，所述上部结构体和下部结构体可分别理解为如图5所示的双惯性系统的振动模型。即，在所述上部结构体中，平台18和转子14相当于刚性体1，工件19相当于刚性体2。

因此，得出：

J₁＝J_r+J_t

J₂＝J_j

K＝K_j。

另一方面，在所述下部结构体中，工作台底座11相当于刚性体1，定子13相当于刚性体2。

因此，得到：

J₁＝J_b

J₂＝J_s

K＝K_s。

这种双惯性系统模型，从旋转系统的运动方程中，得出：

J₁(d²θ₁/dt²)＝T-T_L

J₂(d²θ₂/dt²)＝T_L

T_L＝K(θ₁-θ₂)

上述关系式成立，如果将其进行拉普拉斯变换，得出：

θ₁＝(T-T_L)/(J₁s²)

θ₂＝T_L/(J₂s²)

T_L＝K(θ₁-θ₂)

因此，图5所示的双惯性系统模型可表示为图6所示的框图，由所述上部结构体及下部结构体构成的旋转工作台装置10，如上所述，它可表示为如图4所示的框图。

然后，从所述θ1、θ2及TL的各关系式中，推导θ1和T的关系，可导出下述方程式1。

【方程式1】

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{s^2}\·\frac{J_2{s}^2+K}{J_1{J}_2{s}^2+K(J_1+J_2)}T$

而且，该方程式1可依次转化为以下方程式2、方程式3、方程式4。

【方程式2】

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{s^2}\·\frac{1}{J_1}\·\frac{s^2+K/J_2}{s^2+K(1/J_1+1/J_2)}T$

【方程式3】

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{s^2}\·\frac{1}{J_1}\·\frac{K/J_2}{K(1/J_1+1/J_2)}\·\frac{K(1/J_1+1/J_2)}{s^2+K(1/J_1+1/J_2)}\·\frac{s^2+K/J_2}{K/J_2}T$

【方程式4】

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{s^2}\·\frac{1}{J_1}\·\frac{1}{J_2/J_1+1}\·\frac{{\left({\left(K\left(1/J_1+1/J_2\right)\right)}^{1/2}\right)}^2}{s^2+{\left({\left(K\left(1/J_1+1/J_2\right)\right)}^{1/2}\right)}^2}\·\frac{s^2+{\left({\left(K/J_2\right)}^{1/2}\right)}^2}{{\left({\left(K/J_2\right)}^{1/2}\right)}^2}T$

然后，上述方程式4，最终可通过以下方程式5来表示，将其用框图表示的话，如图7所示。

【方程式5】

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{(J_1+J_2)s^2}\·\frac{{{\mathrm{\ω}}_r}^2}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_r}^2}\·\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_a}^2}{{{\mathrm{\ω}}_a}^2}T$

其中，ω_r为共振频率[rad/s]，ω_a为反共振频率[rad/s]，分别由以下表示。

ω_r＝(K((1/J₁)+(1/J₂)))^1/2

ω_a＝(K/J₂)^1/2

该方程式5的1/(J₁+J₂)s²为刚性体的项，ω_r ²/(s²+ω_r ²)为共振部的项，(s²+ω_a ²)/ω_a ²为反共振部的项。

这样，在双惯性系统的振动模型中，可通过上式计算共振频率ω_r。

因此，当上述实施例的上部结构体的共振频率，即，第一共振频率为ω_r1时，如上所述，J₁＝J_r+J_t、J₂＝J_j、K＝K_j,因此，该ω_r1可由下式ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2计算得出。

同样，当下部结构体的共振频率，即，第二共振频率为ω_r2时，如上所述，J₁＝J_b、J₂＝J_s、K＝K_s，因此，该ω_r2可由下式ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2计算得出。

根据本发明人的上述发现，在本实施例的参数设定部7中，如上所述，在该计算单元7a中，可由上式分别计算，由所述平台18、电机12的转子14和工件19构成的结构体，即，上部结构体的第一共振频率ω_r1，以及由所述电机12的定子13及工作台底座11构成的结构体，即，下部结构体的第二共振频率ω_r2。

并且，在所述设定单元7b中，根据由所述计算单元7a算出的第一共振频率ω_r1，设定所述第一滤波器F1的去除频带，即，将所述第一滤波器F1的去除频带，设定为以第一共振频率ω_r1为中心的预定宽度，同样，将所述第二滤波器F2的去除频带，设定为以第二共振频率ω_r2为中心的预定宽度。然后，将设定好的各滤波器的去除频带相关数据，存储到所述参数存储部8中，即，替换存储在该参数存储部8中的现有数据，将其进行更新。

这样，根据本实施例的参数设定部7，从控制信号(从速度控制部3输出的扭矩指令Tm*)中，理论上可不依赖于现有的试错法，对用于去除所述上部结构体产生的第一共振(频率ωr1)的，第一滤波器F1的去除频带，以及用于去除所述下部结构体产生的第二共振(频率ωr2)的，第二滤波器F2的去除频带进行设定，因此，可快速设定对应于待处理对象物体，即，上述工件(夹具及工件等)19的适当的值。

而且，根据包括该参数设定部7的本实施例的定位装置1，理论上可不依赖于现有的试错法，对第一滤波器F1和第二滤波器F2的去除频带进行设定，可快速设定对应于待处理工件19的适当的值，因此，可根据待处理工件19，对控制对象旋转工作台装置10进行适当的控制。即，通过第一滤波器F1，从控制信号中去除所述上部结构体产生的第一共振分量的同时，通过第二滤波器F2，从控制信号中去除所述下部结构体产生的第二共振分量，即可实现对共振装置1的稳定控制。特别地，对不同的待处理工件19，所述上部结构体产生的第一共振分量也不同，但也可将对应于该工件19的第一共振分量，适当地从控制信号中去除。

以上，对于本发明的一个实施例进行了说明，但本发明可采取的具体的实施方式并不限于此。

Claims (3)

1.一种控制参数的设定方法，该方法供设定阻尼滤波器的去除频带，所述阻尼滤波器设置于对旋转工作台装置的驱动电机进行控制的定位装置上，该旋转工作台装置包括基座、可自由旋转地保持在所述基座上且载有对象物体的平台以及驱动所述平台相对于所述基座旋转的驱动电机，其特征在于：

通过下式(1)和(2)计算，由所述平台、所述驱动电机的转子和所述对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1，以及由所述驱动电机的定子及所述基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2，根据算出的第一共振频率ω_r1，设定设置于所述定位装置的第一阻尼滤波器的去除频带，同时，根据算出的第二共振频率ω_r2，设定设置于所述定位装置的第二阻尼滤波器的去除频带，

(1):ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2

(2):ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2

其中，J_r为所述驱动电机的转子的惯量，J_t为所述平台的惯量，J_j为所述对象物体的惯量，J_b为所述基座的惯量，J_s为所述驱动电机的定子的惯量，K_j为所述对象物体的扭转刚度，K_s为所述驱动电机的定子的扭转刚度。

2.一种控制参数的设定装置，该装置用于设定阻尼滤波器的去除频带，所述阻尼滤波器设置于对旋转工作台装置的驱动电机进行控制的定位装置上，所述旋转工作台装置包括基座、可自由旋转地保持在该基座上且载有对象物体的平台以及驱动所述平台相对于所述基座旋转的驱动电机，其特征在于：

上述控制参数的设定装置包括：

计算单元，通过下式(3)和(4)计算，由所述平台、所述驱动电机的转子和所述对象物体构成的结构体的第一共振频率ω_r1，以及由所述驱动电机的定子及所述基座构成的结构体的第二共振频率ω_r2，

设定单元，根据所述计算单元算出的第一共振频率ω_r1，设定设置于所述定位装置的第一阻尼滤波器的去除频带，同时，根据所述计算单元算出的第二共振频率ω_r2，设定设置于所述定位装置的第二阻尼滤波器的去除频带，

(3)：ω_r1＝(K_j((1/(J_r+J_t))+(1/J_j)))^1/2

(4)：ω_r2＝(K_s((1/J_b)+(1/J_s)))^1/2

其中，J_r为所述驱动电机的转子的惯量，J_t为所述平台的惯量，J_j为所述对象物体的惯量，J_b为所述基座的惯量，J_s为所述驱动电机的定子的惯量，K_j为所述对象物体的扭转刚度，K_s为所述驱动电机的定子的扭转刚度。

3.一种控制驱动电机的定位装置，其特征在于，具备第一滤波器及第二滤波器，同时还具备如权利要求2所述的控制参数的设定装置。