CN106802637A - 根据主轴负载控制进给速度的数值控制装置 - Google Patents

根据主轴负载控制进给速度的数值控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及根据主轴负载控制进给速度的数值控制装置。该数值控制装置进行PID控制，对驱动该主轴的轴的移动速度进行控制以使主轴的负载值恒定。数值控制装置的速度运算部在主轴负载值超过阈值时，运算针对基于指令数据的轴的进给速度的进给倍率以使该主轴的负载值恒定，在速度运算处理开始时，对PID控制的积分项的初始值或者补偿值代入正要开始所述速度运算处理前的进给倍率。

Description

根据主轴负载控制进给速度的数值控制装置
技术领域
本发明涉及根据主轴负载控制进给速度的数值控制装置。
背景技术
已知一种控制进给速度使主轴的负载为恒定，由此实现提高切削速度或使切削工具长寿命化的技术(例如，国际公开WO94/14569号等)。进给速度的控制方法被认为有各种各样的方法，但是一般来说作为用于将对象的值保持为恒定值的控制而广泛使用PID控制。由PID控制所得的输出一般可以通过下面的数学式(1)来计算。
其中，O(t)：输出值，
eL(t)：控制对象的目标与当期(时刻t)的值的差分，
Kp：PID控制的比例项的增益，
Ki：PID控制的积分项的增益，
Kd：PID控制的微分项的增益，
C：PID控制的补偿值。
在控制进给速度使主轴的负载为恒定的情况下，将O(t)设为进给倍率(进给速度)，将eL(t)设为目标主轴负载与时刻t的主轴负载的差分，并将适当的值设定为常数，由此能够使主轴负载靠近目标。
由于在未切削的状态下，也就是在主轴空转时即使提高进给速度，主轴负载也不会变动，因此优选在切削中，也就是仅在主轴负载达到恒定值以上时进行PID控制。在上面的数学式(1)中将PID控制开始时的时刻设为t0。
图7及图8是表示在利用通常PID控制中的工具所进行的对工件切割时的切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。此外，图7表示切深量大的情况，图8表示切深量小的情况。
简单的PID控制没有补偿值，控制开始时的数学式(1)中的右边的积分项的值为0，因此在控制开始时，如图7及图8所示，进给倍率在暂时下降之后向目标值靠近。
图9及图10是表示在将补偿值设定为常数值时的PID控制中的工具所进行的对工件切割时的切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。此外，图9表示切深量大的情况，图10表示切深量小的情况。
在补偿值与达到平衡状态时的进给倍率相同的情况下，如图9所示，瞬时变为平衡状态。但是，在切深量改变，且补偿值与平衡状态下的进给倍率不同的情况下，如图10所示，进给倍率暂时下降之后可能达到平衡状态。
在上述现有技术中，若以不对积分项或者补偿值代入初始值的方式来进行控制，则在切换控制时存在进给倍率不连续的问题。另外，即使在将初始值代入积分项或者补偿值的情况下，仅代入常数将存在如下问题，即，由于正要控制之前的进给倍率的变动或切深量的变动，可能使进给倍率变得不连续。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其进行不使进给倍率不连续的PID控制。
本发明中，在控制开始时，通过以下任意一种方法来设定积分项或者补偿值的初始值。
方法1：将正要开始控制之前的进给倍率代入积分项的初始值或者补偿值。
方法2：将使进给倍率连续的值代入积分项的初始值或者补偿值。
本发明的数值控制装置构成为：在基于程序指令对具备主轴和驱动该主轴的轴的机械进行控制时，进行控制所述轴的移动速度的PID控制，使得所述主轴的主轴负载值为恒定，该数值控制装置具备：指令程序分析部，其分析所述程序指令并生成指令所述轴的移动的指令数据；以及速度运算部，其在所述主轴负载值超过预先设定的阈值时，开始速度运算处理，该速度运算处理运算针对基于所述指令数据的所述轴的进给速度的进给倍率，使得所述主轴负载值为恒定。
所述速度运算部的第1方式构成为：在所述速度运算处理开始时，对PID控制的积分项的初始值或者补偿值代入正要开始所述速度运算处理前的进给倍率。
所述速度运算部的第2方式构成为：在所述速度运算处理开始时，对PID控制的积分项的初始值或者补偿值代入使得由PID控制计算出的进给倍率与前一个进给倍率相同的值。
通过本发明，提供一种不会使进给倍率不连续的、进行PID控制的数值控制装置，因此将缩短周期，并减轻机械的冲击。
附图说明
根据参照附图的以下实施例的说明，将使本发明所述的、以及其他目的及特征更清楚。这些图中：
图1是本发明的一个实施方式的数值控制装置的示意框图。
图2是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部来执行的速度运算的第1例中，通过工具对工件切割时的(切深量大的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图3是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部来执行的速度运算的第1例中，通过工具对工件切割时的(切深量小的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图4是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部来执行的速度运算的第2例中，通过工具对工件切割时的(切深量大的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图5是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部来执行的速度运算的第2例中，通过工具对工件切割时的(切深量小的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图6是表示由图1的数值控制装置中的速度运算部执行的处理的流程的流程图。
图7是表示在通过现有的PID控制中的工具对工件切割时的(切深量大的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图8是表示在通过现有的PID控制中的工具对工件切割时的(切深量小的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图9是表示在通过将补偿值设定为常数值时的PID控制中的工具对工件切割时的(切深量大的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
图10是表示在通过将补偿值设定为常数值时的PID控制中的工具对工件切割时的(切深量小的情况下的)切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。
具体实施方式
使用图1的功能框图，对本发明的一个实施方式的数值控制装置的结构的概略进行说明。
本实施方式的数值控制装置1具备：指令程序分析部10、速度运算部11、插补部12、插补后加减速部13、伺服电动机控制部14以及主轴负载测量部15。
指令程序分析部10依次从存储在存储器(未图示)中的程序等读取对成为控制对象的机械的动作进行指令的程序块并进行分析，并基于其分析结果制成对通过伺服电动机2驱动的轴的移动进行指令的指令数据，将该制成的指令数据输出至速度运算部11。
速度运算部11基于通过主轴负载测量部15测量出的主轴电动机3的主轴负载，运算针对从指令程序分析部10输入的指令数据的进给速度的进给倍率以使该主轴负载为恒定。然后，基于运算出的进给倍率，向插补部12输出速度被调整的指令数据。
插补部12基于从速度运算部11输入的调整速度后的指令数据，在基于指令数据的指令路径上，按每个插补周期生成点(插补数据)，并向插补后加减速部13输出生成的插补数据。
插补后加减速部13基于从插补部12输入的插补数据，按插补周期来计算各轴速度，向伺服电动机控制部14输出其计算结果。然后，伺服电动机控制部14基于插补后加减速部13的输出来控制对成为控制对象的机械的轴进行驱动的伺服电动机2。
然后，对由速度运算部11执行的速度运算进行说明。本发明中对一般的PID控制进行下述扩展来使用。另外，本发明中的PID控制是指除了与现有技术相关的控制外，包含下述扩展的控制。
·扩展1：eL(t)并不只是控制对象的目标值与当前值的差分，而包含满足以下条件的所有函数。
在将控制对象的目标值设为Li，将控制对象的当前值(时刻t)设为L(t)时，
·条件1：在L(t1)＝Li时，eL(t1)＝0
·条件2：在L(t1)≤L(t2)时，eL(t1)≥eL(t2)
·扩展2：设各项的增益包含0。也就是说，P控制或PI控制等P、I、D的组合全部包含在内。
·扩展3：将积分项设为在控制开始时(t＝t0)能够根据需要任意设定初始值，对于设定有初始值时的积分项运算，将初始值与区间t0～t中的通常的积分运算结果相加得出的值设为该积分项的运算结果。另外，以省略了下端的积分项来标记这样的积分项。进而以使上端设为t0并省略了下端的积分项来标记积分项的初始值。
·扩展4：在控制开始时能够对补偿值代入任意的值。
通过上述扩展，在本发明中将下述数学式(2)用作PID控制的数学式。
首先，对通过图1的数值控制装置中的速度运算部11执行的速度运算的第1例进行如下说明。
在由主轴负载测量部15测量出的主轴电动机3的主轴负载超过预先设定的负载值时，速度运算部11开始通过使用了上面数学式(2)的PID控制进行的伺服电动机2的进给倍率的控制。在该速度运算部11中，当PID控制开始时(时刻t＝t0)，对上面数学式(2)的积分项的初始值或者补偿值代入正要开始PID控制前的进给倍率。由此进给倍率的变动减小，从而能够防止在PID控制开始时进给倍率的急剧下降。通过该速度运算部11进行的PID控制开始时的处理步骤如下所示。
·步骤1-1：在PID控制开始时(主轴负载达到控制有效负载时)将正要开始PID控制前的进给倍率代入积分项或者补偿值后开始控制。
·步骤1-2：若将正要开始PID控制前的进给倍率设为Ob，则在将Ob代入积分项时满足下述的数学式(3)，在代入补偿值时则满足下述的数学式(4)。在将进给倍率Ob代入积分项时补偿值的初始值设为0，在代入补偿值时积分项的初始值也设为0。
C＝Ob……(4)
图2及图3是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部11执行的速度运算的第1例中，通过工具对工件切割时的切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。此外，图2表示切深量大的情况，图3表示切深量小的情况。
接着，对通过图1的数值控制装置中的速度运算部11执行的速度运算的第2例进行如下说明。
在由主轴负载测量部15测量出的主轴电动机3的主轴负载超过预先设定的负载值时，速度运算部11开始通过使用了上面数学式(2)式的PID控制进行的伺服电动机2的进给倍率进行控制。在该速度运算部11中，当PID控制开始时(时刻t＝t0)，向上面数学式(2)的积分项的初始值或者补偿值代入使所输出的进给倍率与正要开始PID控制前的进给倍率相同的值。由此使进给倍率不会变动，从而能够防止在PID控制开始时进给倍率的急剧下降。该速度运算部11中的PID控制开始时的处理步骤如下所示。
·步骤2-1：在PID控制开始时(主轴负载达到控制有效负载时)将使进给倍率连续的值代入积分项或者补偿值并开始控制。
·步骤2-2：通过将PID控制的数学式即上面数学式(2)变形，在将所述值代入积分项时输出值满足下述数学式(5)，在代入补偿值时输出值满足下述数学式(6)。在将所述值代入积分项时设补偿值的初始值为0，在代入补偿值时设积分项的初始值为0。
此外，通过将其应用于上面数学式(2)，从而O(t0)＝Ob，但是这是因为并没有进行对应1个周期的积分，因此也可以在进行对应1个周期的积分计算之后再计算输出。
图4及图5是表示在通过图1的数值控制装置中的速度运算部11执行的速度运算的第2例中，通过工具对工件切割时的切深量、进给倍率及主轴负载的各自变化的图。此外，图4表示切深量大的情况，图5表示切深量小的情况。
图6是表示由图1的数值控制装置中的速度运算部11执行的处理流程的流程图。此外，在加工开始时将PID控制中标志设定为关闭。下面，按照各步骤来进行说明。
[步骤SA01]速度运算部11对通过主轴负载测量部15测量出的主轴电动机3的当前的主轴负载Ln是否在使预先设定的PID控制有效的主轴负载值Lm以上进行判定。在主轴负载Ln为主轴负载值Lm以上的情况下转入步骤SA02，若不是这种情况则转入步骤SA06。
[步骤SA02]速度运算部11参照PID控制中标志，判定当前是否为PID控制中。在处于PID控制中的情况下转入步骤SA05，在不是PID控制中的情况下则转入步骤SA03。
[步骤SA03]速度运算部11执行对上述数学式(2)的积分项的初始值或者补偿值的代入处理。
[步骤SA04]速度运算部11将PID控制中标志设置为打开，使通过PID控制的伺服电动机2的进给倍率运算的处理开始。
[步骤SA05]速度运算部11执行通过使用数学式(2)的PID控制的伺服电动机2的进给倍率运算的处理。
[步骤SA06]速度运算部11将PID控制中标志设为关闭(重置)，结束通过PID控制的伺服电动机2的进给倍率运算的处理。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不仅局限于上述实施方式的例子，可以通过施加适当的变更以各种各样的方式实施。

Claims (2)

1.一种数值控制装置，其基于程序指令对具备主轴和驱动该主轴的轴的机械进行控制时，进行控制所述轴的移动速度的PID控制，使得所述主轴的主轴负载值为恒定，其特征在于，该数值控制装置具备：
指令程序分析部，其分析所述程序指令并生成指令所述轴的移动的指令数据；以及
速度运算部，其在所述主轴负载值超过预先设定的阈值时，开始速度运算处理，该速度运算处理运算针对基于所述指令数据的所述轴的进给速度的进给倍率，使得所述主轴负载值为恒定，
所述速度运算部构成为：在所述速度运算处理开始时，对PID控制的积分项的初始值或者补偿值代入正要开始所述速度运算处理前的进给倍率。
2.一种数值控制装置，其基于程序指令对具备主轴和驱动该主轴的轴的机械进行控制时，进行控制所述轴的移动速度的PID控制，使得所述主轴的主轴负载值为恒定，其特征在于，该数值控制装置具备：
指令程序分析部，其分析所述程序指令并生成指令所述轴的移动的指令数据；以及
速度运算部，其在所述主轴负载值超过预先设定的阈值时，开始速度运算处理，该速度运算处理运算针对基于所述指令数据的所述轴的进给速度的进给倍率，使得所述主轴负载值为恒定，
所述速度运算部构成为：在所述速度运算处理开始时，对PID控制的积分项的初始值或者补偿值代入使通过PID控制计算出的进给倍率与正要开始所述速度运算处理前的进给倍率相同的值。
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