CN110303346A - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机控制装置，能够抑制主轴电动机的负载信息的变动，并能够在进行加工条件的控制时抑制其响应性的降低。电动机控制装置(1)在机床中对主轴电动机(3)进行控制，具有：移动平均滤波器(24)，其用平均化时间对主轴电动机(3)的转矩指令值或驱动电流值进行移动平均，生成平均化后的主轴电动机(3)的负载信息；平均化时间计算部(22)，其计算第一时间或第二时间作为移动平均滤波器(24)的平均化时间，其中，第一时间是由主轴电动机(3)驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍，第二时间是将主轴旋转一圈的周期除以工具的刀刃数而得的值的整数倍。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及对机床中的主轴电动机进行控制的电动机控制装置。
背景技术
作为机床，存在利用主轴电动机来旋转驱动工具，例如进行工件的切削加工这样的机械。在这样的机床中，在加工过程中，主轴电动机的负载发生变动。若主轴电动机的负载变动(加工干扰)大，则有时产生工件的加工异常或机床(例如工具)的异常。另一方面，若主轴电动机的负载变动(加工干扰)小，则加工时间变长。
因此，考虑了例如通过数值控制装置，根据主轴电动机的负载信息来自动控制加工条件(例如，进给轴的进给速度)(例如，参照专利文献1)。
或者，考虑了例如通过数值控制装置来显示主轴电动机的负载信息。由此，机床的操作员可以根据所显示的负载信息来手动控制加工条件。
例如，在主轴电动机的负载变动(加工干扰)大时，通过降低进给轴的进给速度，可以抑制工件的加工异常的产生或机床(例如，工具)的异常的产生。另一方面，在主轴电动机的负载变动(加工干扰)小时，通过提升进给轴的进给速度，可以缩短加工时间。
现有技术文献
专利文献1：国际公开第2013/088849号
若主轴电动机的负载变动(加工干扰)过大，则例如数值控制装置进行的进给轴的进给速度的自动控制会变得困难。此外，例如由数值控制装置显示的负载信息变动，机床的操作员进行的进给轴的进给速度的手动控制会变得困难。
关于这一点，考虑了使用滤波器将主轴电动机的负载变动(加工干扰)平均化。但是，根据本申请发明者们的研究，为了使用一般公知的一次滤波器来充分抑制主轴电动机的负载变动(加工干扰)，需要将时间常数设定得大，导致加工条件(例如，进给轴的进给速度)的控制的响应性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动机控制装置，能够抑制主轴电动机的负载信息的变动，并能够在进行加工条件的控制时抑制其响应性的降低。
(1)本发明涉及的电动机控制装置(例如，后述的电动机控制装置1)，其在机床中对主轴电动机(例如，后述的主轴电动机3)进行控制，该主轴电动机用于对工具或工件进行旋转驱动，所述电动机控制装置具有：移动平均滤波器(例如，后述的移动平均滤波器24)，其用平均化时间对所述主轴电动机的转矩指令值或驱动电流值进行移动平均，生成平均化后的所述主轴电动机的负载信息；平均化时间计算部(例如，后述的平均化时间计算部22)，其计算第一时间或第二时间作为所述移动平均滤波器的所述平均化时间，其中，第一时间是由所述主轴电动机驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍，第二时间是在所述主轴对工具进行旋转驱动时将所述主轴旋转一圈的周期除以主轴把持的工具的刀刃数而得的值的整数倍。
(2)在(1)所记载的电动机控制装置中，可以是，所述平均化时间计算部根据所述主轴的速度指令值或速度反馈值表示的所述主轴电动机的转速，求出所述主轴旋转一圈的周期。
(3)在(1)或(2)所记载的电动机控制装置中，可以是，所述平均化时间计算部对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换，以使所述负载信息的变动大小变小。
(4)在(3)所记载的电动机控制装置中，可以是，所述平均化时间计算部根据所述负载信息的变动大小对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换。
(5)在(3)所记载的电动机控制装置中，可以是，所述平均化时间计算部根据来自外部的指令对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换。
发明效果
根据本发明，可以提供一种电动机控制装置，能够抑制主轴电动机的负载信息的变动，并能够在进行加工条件的控制时抑制其响应性的降低。
附图说明
图1是表示具有本实施方式有关的电动机控制装置的控制系统的图。
图2是工具的一例的侧视图。
图3是工具的一例的俯视图。
图4是表示输入到移动平均滤波器的转矩指令值(虚线)、与从移动平均滤波器输出的负载信息(实线)的观测结果的图。
图5是表示输入到移动平均滤波器的转矩指令值(虚线)、与从移动平均滤波器输出的负载信息(实线)的观测结果的图。
图6是表示输入到移动平均滤波器的转矩指令值(虚线)、与从移动平均滤波器输出的负载信息(实线)的观测结果的图。
图7是表示输入到移动平均滤波器的转矩指令值(虚线)、与从移动平均滤波器输出的负载信息(实线)的观测结果的图。
符号说明
1 电动机控制装置
2 数值控制装置
3 主轴电动机
4 编码器
8 工具
9 刀刃
11 减法器
12 速度控制器
14 电流控制器
20 存储部
22 平均化时间计算部
24 移动平均滤波器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的一例进行说明。另外，在各附图中对相同或相当的部分标注相同的符号。
图1是表示具有本实施方式有关的电动机控制装置的控制系统的图。图1所示的控制系统具有电动机控制装置1和数值控制装置2，对机床中的主轴电动机3和进给轴电动机(省略图示)进行控制。
主轴电动机3例如在进行工件的切削加工的机床中，对工具进行旋转驱动。在主轴电动机3中例如设置有编码器4，其对由主轴电动机3驱动的主轴的旋转速度(转速)进行检测。检测出的速度用作速度反馈值(速度FB)。
数值控制装置2根据加工程序，制作由主轴电动机3驱动的主轴的速度指令值(转速)，将制作出的速度指令值供给到电动机控制装置1。
此外，数值控制装置2可以从电动机控制装置1取得主轴电动机3的负载信息，根据取得的负载信息，自动控制加工条件(例如，进给轴的进给速度)。
或者，数值控制装置2可以将取得的负载信息显示于显示部。由此，机床的操作员可以根据所显示的负载信息来手动控制加工条件。
例如，在主轴电动机3的负载变动(加工干扰)大时，通过降低进给轴的进给速度，可以抑制工件的加工异常的产生或机床(例如，工具)的异常的产生。另一方面，在主轴电动机3的负载变动(加工干扰)小时，通过提升进给轴的进给速度，可以缩短加工时间。
电动机控制装置1根据由数值控制装置2制作出的速度指令值来控制主轴电动机3。电动机控制装置1具有：减法器11、速度控制器12、电流控制器14。减法器11求出速度指令值与由编码器4检测出的速度反馈值之间的偏差。速度控制器12根据由减法器11求出的偏差，生成主轴电动机3的转矩指令值。电流控制器14根据由速度控制器12生成的转矩指令值，生成用于驱动主轴电动机3的驱动电流值，将生成的驱动电流值供给到主轴电动机3。
并且，电动机控制装置1具有：存储部20、平均化时间计算部22、以及移动平均滤波器24。
存储部20作为工具信息而存储工具的刀刃数。存储部20例如是EEPROM等能够改写的存储器。
平均化时间计算部22取得从数值控制装置2供给的速度指令值，并且取得存储于存储部20的工具的刀刃数。平均化时间计算部22计算移动平均滤波器24的平均化时间。
具体来说，平均化时间计算部22计算第一时间作为平均化时间T，该第一时间是由主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍。更具体来说，平均化时间计算部22通过基于速度指令值表示的主轴的转速Vcmd[rev/s](即，主轴旋转一圈的周期1/Vcmd[s])的下述数学式(1)来计算平均化时间(第一时间)T。
T＝1/Vcmd×n···(1)
N是任意整数
或者，平均化时间计算部22计算第二时间作为平均化时间T，该第二时间是将由主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期除以主轴把持的工具的刀刃数而得的值的整数倍。更具体来说，平均化时间计算部22通过基于速度指令值表示的主轴的转速Vcmd[rev/s](即，主轴旋转一圈的周期1/Vcmd[s])与工具的刀刃数N的下述数学式(2)，来计算平均化时间(第二时间)。
T＝1/(Vcmd×N)×n···(2)
平均化时间计算部22对将由上述数学式(1)计算出的第一时间设为平均化时间T或将由上述数学式(2)计算出的第二时间设为平均化时间T进行切换，以使由移动平均滤波器24进行了移动平均而得的负载信息的变动(加工干扰)的大小变小。
例如，平均化时间计算部22可以根据由移动平均滤波器24进行了移动平均而得的负载信息的变动的大小来自动进行上述的平均化时间T的切换。该情况下，平均化时间计算部22例如可以根据负载信息的振幅的大小，也可以对负载信息进行FFT解析而根据变动频率成分的大小。
或者，平均化时间计算部22也可以根据来自外部的指令来进行上述的平均化时间T的切换。作为来自外部的指令，可以从数值控制装置2供给。该情况下，数值控制装置2与上述一样，例如可以根据负载信息的振幅的大小、或对负载信息进行FFT解析之后的变动频率成分的大小，来自动判断负载信息的变动的大小。或者，作为来自外部的指令，可以由操作员手动输入。该情况下，操作员可以根据数值控制装置2所显示的负载信息的振幅的大小，通过目视来判断负载信息的变动的大小。
另外，工具信息存储于数值控制装置2的存储部，平均化时间计算部22可以从数值控制装置2取得工具信息。该情况下，可以不具备存储部20。
此外，平均化时间计算部22可以代替速度指令值而使用由编码器4检测出的速度反馈值。
移动平均滤波器24通过由平均化时间计算部22计算出的平均化时间，对主轴电动机3的转矩指令值进行移动平均，生成平均化后的主轴电动机3的负载信息。
另外，移动平均滤波器24也可以代替转矩指令值而使用由电流控制器14生成的主轴电动机3的驱动电流值。
电动机控制装置1和数值控制装置2例如由DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等运算处理器构成。电动机控制装置1和数值控制装置2的各种功能，例如通过执行存储于存储部的预定软件(程序)来实现。电动机控制装置1和数值控制装置2的各种功能可以通过硬件与软件的协作来实现，也可以只通过硬件(电子电路)来实现。
接下来，对主轴电动机3(即，主轴)旋转驱动的工具进行说明。图2是工具的一例的侧视图，图3是工具的一例的俯视图。图2和图3所示的工具8相对于箭头方向的旋转轴具有5把刀刃9，通过由主轴电动机3驱动的主轴而被向箭头方向旋转驱动。在这样的工具8中，有时：
(i)因各刀刃9与工件接触，以主轴旋转一圈的1/5倍的周期(5倍的频率)产生主轴电动机3的负载变动(加工干扰)，
(ii)因5把刀刃9配置成相对于旋转轴偏心，以主轴旋转一圈的周期产生主轴电动机3的负载变动(加工干扰)，或者
(iii)因5把刀刃9的某一把配置成相对于旋转轴偏心，以主轴旋转一圈的1/5倍的周期(5倍的频率)产生主轴电动机3的负载变动(加工干扰)。
这样，在主轴电动机3的负载发生变动时，如上所述，例如数值控制装置2进行的进给轴的进给速度的自动控制会变得困难。此外，例如由数值控制装置2所显示的负载信息发生变动，机床的操作员进行的进给轴的进给速度的手动控制会变得困难。
因此，考虑了使用滤波器将主轴电动机3的负载变动(加工干扰)平均化。但是，根据本申请发明者们的研究，使用一般公知的一次滤波器(时间常数固定)，为了充分抑制主轴电动机3的负载变动(加工干扰)，需要将时间常数设定得大，导致加工条件(例如，进给轴的进给速度)的控制的响应性降低。
另一方面，在将一次滤波器的时间常数设定得过小时，根据加工条件的不同，因负载变动(加工干扰)的影响使得控制变得不稳定，或负载显示的变动(颤振)变大。
关于这方面，根据本实施方式的电动机控制装置1，不使用一次滤波器而使用移动平均滤波器24，将主轴电动机3的负载变动平均化。此时，将第一时间(上述数学式(1))或第二时间(上述数学式(2))设为移动平均滤波器24的平均化时间，其中，第一时间是由主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍，第二时间是由主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期除以工具8的刀刃数而得的值的整数倍。换言之，将上述的(i)～(iii)引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)的周期的整数倍的时间设为移动平均滤波器24的平均化时间。
由此，可以充分抑制主轴电动机3的负载信息的变动。此外，能够缩短负载信息的延迟时间，并能够在进行加工条件的控制时抑制其响应性的降低。
并且，根据本实施方式的电动机控制装置1，平均化时间计算部22可以对将由上述数学式(1)计算出的第一时间设为平均化时间T或将由上述数学式(2)计算出的第二时间设为平均化时间T进行切换，以使由移动平均滤波器24进行了移动平均而得的负载信息的变动(加工干扰)的大小变小。
例如，上述的(i)各刀刃9与工件接触引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)、以及(iii)5把刀刃9的某一把配置成相对于旋转轴偏心引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)，通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24、通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24都能够得到抑制。
另一方面，上述的(ii)5把刀刃9配置成相对于旋转轴偏心引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24而无法得到抑制，但是通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24能够得到抑制。该情况下，平均化时间计算部22切换成计算由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T来作为移动平均滤波器24的平均化时间即可。
以下，对其效果进行验证。
图4～7是表示输入到移动平均滤波器24的转矩指令值(虚线)与从移动平均滤波器24输出的负载信息(实线)的观测结果的图。图4～7的观测条件如下。
·主轴的转速Vcmd＝300min-1
即，主轴旋转一圈引起的频率5Hz
换言之，主轴旋转一圈的周期1/Vcmd＝0.2s
·工具8的刀刃数N＝5
即，工具8的刀刃数N引起的频率25Hz
换言之，工具8的刀刃数N引起的周期1/(Vcmd×N)＝0.04s
·主轴电动机3的平均负载80％
在图4和图5中，
·没有主轴旋转一圈引起的变动，
·工具8的刀刃数N引起的变动是5％。
在图4中，将移动平均滤波器24的平均化时间设定为由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T＝40ms(n＝1倍)，在图5中，将移动平均滤波器24的平均化时间设定为由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T＝200ms(n＝1倍)。
根据图4和图5可知：工具8的刀刃数N引起的变动，通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24、通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24都能够得到抑制。
换言之，上述的(i)各刀刃9与工件接触引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)、以及(iii)5把刀刃9的某一把配置成相对于旋转轴偏心引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)，通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24、通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24都能够得到抑制。
接下来，图6和图7在图4和图5中更进一步地，
·主轴旋转一圈引起的变动是2％。
在图6中，将移动平均滤波器24的平均化时间设定为由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T＝40ms(n＝1倍)，在图7中，将移动平均滤波器24的平均化时间设定为由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T＝200ms(n＝1倍)。
根据图6和图7可知：主轴旋转一圈引起的变动，通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24没有得到抑制，但是通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24得到抑制。
换言之，可知：上述的(ii)5把刀刃9配置成相对于旋转轴偏心引起的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)通过由上述数学式(2)计算出的平均化时间(第二时间)T的移动平均滤波器24没有得到抑制，但通过由上述数学式(1)计算出的平均化时间(第一时间)T的移动平均滤波器24得到抑制。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述实施方式中，例示出生成主轴电动机3(主轴)旋转驱动工具的主轴电动机3的负载信息的电动机控制装置1。但是，本发明的特点并不限定于此，还能够应用于生成主轴电动机3(主轴)对工件进行旋转驱动的主轴电动机3的负载信息的电动机控制装置1。此时，将由主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍的第一时间(上述数学式(1))设为移动平均滤波器24的平均化时间。由此，可以抑制因工件配置成相对于旋转轴偏心导致在主轴电动机3驱动的主轴旋转一圈的周期中产生的主轴电动机3的负载变动(加工干扰)(相当于上述(ii))。
此外，在上述实施方式中，例示出生成对具有5把刀刃的工具进行旋转驱动的主轴电动机3的负载信息的电动机控制装置1。但是，本发明的特点并不限定于此，能够应用于生成对具有2把以上的刀刃的工具进行旋转驱动的主轴电动机3的负载信息的电动机控制装置。
此外，在上述实施方式中，例示出根据来自数值控制装置2的速度指令值来进行速度控制的电动机控制装置1。但是本发明的特点并不限定于此，还能够应用于根据来自数值控制装置的位置指令值来进行位置控制的电动机控制装置。

Claims (5)

1.一种电动机控制装置，其在机床中对主轴电动机进行控制，该主轴电动机用于对工具或工件进行旋转驱动，其特征在于，所述电动机控制装置具有：
移动平均滤波器，其用平均化时间对所述主轴电动机的转矩指令值或驱动电流值进行移动平均，生成平均化后的所述主轴电动机的负载信息；以及
平均化时间计算部，其计算第一时间或第二时间作为所述移动平均滤波器的所述平均化时间，其中，所述第一时间是由所述主轴电动机驱动的主轴旋转一圈的周期的整数倍，所述第二时间是在所述主轴对工具进行旋转驱动时将所述主轴旋转一圈的周期除以主轴把持的工具的刀刃数而得的值的整数倍。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述平均化时间计算部根据所述主轴的速度指令值或速度反馈值表示的所述主轴电动机的转速，求出所述主轴旋转一圈的周期。
3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述平均化时间计算部对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换，以使所述负载信息的变动大小变小。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述平均化时间计算部根据所述负载信息的变动大小对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换。
5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于，
所述平均化时间计算部根据来自外部的指令对将所述第一时间设为所述平均化时间或将所述第二时间设为所述平均化时间进行切换。
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