CN110554656A - 数值控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数值控制装置，该数值控制装置具备：振动振幅确定部，其在主轴负载中确定刀具的刀片通过主轴的旋转以预定周期接触工件所产生的振动成分的振幅；增益计算部，其根据由上述振动振幅确定部确定的振动成分的振幅，计算PID控制的增益以便该振幅不会对进给速度的输出产生影响；以及速度控制部，其使用由上述增益计算部计算出的增益，输出通过PID控制所控制的主轴的进给速度。

Description

数值控制装置
技术领域
本发明涉及一种数值控制装置，特别是涉及一种将设定值自动调节的数值控制装置。
背景技术
存在以下这样的现有技术：以主轴的负载成为固定的方式控制进给速度，由此实现在粗加工中缩短周期、延长切削刀具的寿命(例如，日本特表平09-500331号公报等)。进给速度的控制方法可考虑各种方法，但是通常作为用于将对象的值保持为固定值的控制而广泛使用PID控制。PID控制的输出通常能够通过以下示出的式1进行计算，通过将比例项的增益Kp、积分项的增益Ki、微分项的增益Kd的各增益设定为适当的值，迅速地跟踪加工的状况并且能够稳定地进行控制使得主轴的负载变得固定。
[式1]
O(t)：输出值
eL(t)：控制对象的目标和当前(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控制的偏移
图3是表示PID控制的控制块线图的示例的图。在进行控制使得主轴负载变得固定的PID控制中，在将图3示出的反馈控制应用于进行数值控制的机床的情况下，按反馈控制的每个控制周期，按着目标主轴负载和基于实际加工的主轴负载的反馈L(t)来计算出本次的控制周期的输出值O(t)并进行控制。此外，插入了被输入反馈L(t)的滤波器，以降低反馈L(t)内包含的噪声。
在主轴的负载变动中存在由切削体积的变动产生的成分以及由主轴旋转产生的成分，由主轴旋转产生的成分有可能导致控制的振动。例如图4上图所示，考虑以下情况：在将刀具安装于主轴并使其旋转的状态下，使该主轴向工件的方向进行移动而加工工件。此时，图4下图是表示刀具在a秒(0秒)时间点与工件接触而对工件进行加工并从b秒时间点起刀具从工件脱落时的、时间(秒)以及主轴负载(％)的关系的图，在该图中，用黑细线表示主轴负载(在PID控制中反馈的主轴负载)，其中，用空心粗虚线表示基于切削体积的变动的主轴负载的成分。
在图4下图示出的图中，黑细线与空心粗虚线的差分为由主轴旋转产生的主轴负载的成分。由该主轴旋转产生的主轴负载的成分是由安装于主轴并旋转的刀具的刀片与工件接触时以及并不接触时的负载的差而产生的，是依赖于刀具的刀片数量和主轴的转速的频率下的振动成分。而且，存在以下问题：由该主轴旋转产生的主轴负载的成分作为噪声而被附加到反馈值从而在PID控制中的输出值即倍率(该情况下，进给速度)中也产生振动，由此无法保证控制的稳定性。通过图3示出的滤波器的设定能够一定程度上减少该振动，但是在要通过滤波器减少噪声的频率成分的情况下，该滤波器的响应速度成为问题，PID控制的响应速度本身降低，因此存在无法导入容易减少噪声的频率成分的滤波器的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够以由主轴旋转产生的振动成分不对进给速度带来影响的方式进行PID控制的数值控制装置。
本发明的数值控制装置测量或预测可能导致振动的成分，以该振动的影响不对PID控制的输出带来影响的方式设定增益，由此解决上述问题。
而且，本发明的一个方式是一种数值控制装置，根据加工程序对机床进行控制，并对进给速度进行PID控制以使主轴负载成为恒定，其中，该机床通过安装于主轴的刀具对工件进行加工，该数值控制装置具备：振动振幅确定部，其在上述主轴负载中确定上述刀具的刀片通过上述主轴的旋转以预定周期接触上述工件所产生的振动成分的振幅；增益计算部，其根据由上述振动振幅确定部确定的上述振动成分的振幅，计算上述PID控制的增益以便该振幅不会对进给速度的输出产生影响；以及速度控制部，其使用由上述增益计算部计算出的增益，输出通过上述PID控制所控制的上述主轴的进给速度。
根据本发明，能够自动地设定与机床、加工相应的增益，通过在所设定的增益下的PID控制提高主轴的移动的稳定性，起到抑制机械的振动和延长刀具寿命的效果。另外，自动地设定增益，因此能够期待由设定简化导致的必要的技术、时间的削减。
附图说明
通过说明与附图关联的以下的实施例，能够更加明确本发明的上述以及其它目的和特征。
图1是一实施方式的数值控制装置的概要硬件结构图。
图2是一实施方式的数值控制装置的概要功能框图。
图3是例示现有技术的PID控制的控制块线图的图。
图4是说明加工时的主轴负载的成分的图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的一实施方式的数值控制装置的主要部分的概要硬件结构图。
本实施方式的数值控制装置1所具备的CPU 11为整体地控制数值控制装置1的处理器。CPU 11经由总线20读出存储于ROM 12的系统程序，按着该系统程序控制数值控制装置1整体。在RAM 13中暂时存储有临时性计算数据、显示数据、操作员经由未图示的输入部输入的各种数据等。
非易失性存储器14构成为例如通过未图示的电池进行备份等，即使数值控制装置1的电源被关闭也能够保持存储状态。在非易失性存储器14中存储有经由接口15从外部设备72读入的控制用程序、经由显示器/MDI单元70输入的控制用程序、从数值控制装置1的各部、机床、传感器等获取的各种数据。存储于非易失性存储器14的控制用程序、各种数据在执行时/使用时也可以在RAM 13中展开。另外，在ROM 12中预先写入了公知的解析程序等各种系统程序。
接口15为用于将数值控制装置1与USB装置等外部设备72进行连接的接口。从外部设备72侧读入控制用程序、各种参数等。另外，在数值控制装置1内编集的控制用程序、各种参数等能够经由外部设备72存储到外部存储单元。PMC(可编程机床控制器)16以内置于数值控制装置1的序列程序对机床和该机床的周边装置(例如刀具更换用机械手这种执行器、安装于机床的传感器等)经由I/O单元17输出信号并进行控制。另外，接收配置于机床主体的操控盘的各种开关、周边装置等的信号，在进行必要的信号处理之后，传递到CPU 11。
显示器/MDI单元70为具备显示器、键盘等的手动数据输入装置，接口18接收来自显示器/MDI单元70的键盘的指令、数据并传递到CPU 11。接口19与操控盘71相连接，该操控盘71具备在以手动方式驱动各轴时使用的手动脉冲产生器等。
用于控制机床所具备的轴的轴控制电路30接收来自CPU 11的轴的移动指令量，将轴的指令输出到伺服放大器40。伺服放大器40接收该指令，驱动用于使机床所具备的轴进行移动的伺服电动机50。轴的伺服电动机50内置位置/速度检测器，将来自该位置/速度检测器的位置/速度反馈信号反馈至轴控制电路30，并进行位置/速度的反馈控制。此外，在图1的硬件结构图中将轴控制电路30、伺服放大器40、伺服电动机50仅示出各一个，但是，实际上准备作为控制对象的机床所具备的轴的数量。
主轴控制电路60接收主轴旋转指令，将主轴速度信号输出到主轴放大器61。主轴放大器61接收该主轴速度信号，使机床的主轴电动机62以指令的旋转速度进行旋转，并驱动刀具。主轴电动机62与位置编码器63耦合，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲被CPU 11读取。
图2是一实施方式的数值控制装置1的概要功能框图。图1示出的数值控制装置1所具备的CPU 11执行各系统程序，控制数值控制装置1的各部的动作，由此实现图2示出的各功能块。
本实施方式的数值控制装置1具备指令解析部100、速度控制部110、插补部120、加减速部130、伺服控制部140、主轴负载获取部150、振动频率确定部160、振动振幅确定部170以及增益计算部180，另外，在非易失性存储器14中设置有加工条件存储部210，该加工条件存储部210为用于存储与基于该控制用程序进行的工件的加工有关的加工条件的区域。
指令解析部100从存储于非易失性存储器14的控制用程序等依次读取对作为控制对象的机械动作进行指令的程序块并解析，根据解析结果制作对由伺服电动机50进行驱动的轴的移动进行指令的指令数据，并将制作出的该指令数据输出到速度控制部110。
速度控制部110根据由主轴负载获取部150获取的主轴电动机62的主轴负载，以该主轴负载变得固定的方式运算从指令解析部100输入的指令数据相对对进给速度的倍率(override)，根据运算出的倍率将调整了速度的指令数据输出到插补部120。速度控制部110构成为进行用于将(例如图3所示的)主轴负载固定保持的速度控制。
插补部120根据从速度控制部110输入的速度调整后的指令数据，生成插值数据作为基于指令数据的指令路径上的每个插补周期的点，并输出到加减速部130。
加减速部130根据从插补部120输入的插补数据来计算每个插补周期的各轴的速度，将其结果数据输出到伺服控制部140。
并且，伺服控制部140根据加减速部130的输出来控制对作为控制对象的机械的轴进行驱动的伺服电动机50。
主轴负载获取部150获取通过安装于主轴电动机62的未图示的传感器进行测量或对流过伺服电动机50的电流值等进行测量推定出的主轴负载值。由主轴负载获取部150获取的主轴负载值使用于速度控制部110、振动频率确定部160、振动振幅确定部170等。
振动频率确定部160为确定由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的频率H的功能单元。振动频率确定部160例如也可以根据从加工条件存储部210获取的加工条件以及从指令解析部100获取的指令数据，确定安装于主轴的刀具的刀片数量Nb和主轴的旋转速度S(min-1)，根据所确定的刀具的刀片数量和主轴的旋转速度，通过使用了以下式2的运算，确定由主轴负载的主轴旋转导致的振动成分的频率H(Hz)。然而，考虑到由主轴的偏心、刀具磨损、缺口等影响而刀具旋转的对称性失衡，有时主轴旋转的频率成分增加，也可以通过使用式3的运算来计算频率H。另外，振动频率确定部160例如也可以对由主轴负载获取部150获取的主轴负载值的时序数据进行频率分析，由此确定由主轴负载的主轴旋转导致的振动成分的频率H。
[式2]
[式3]
振动振幅确定部170为确定由主轴负载的主轴旋转导致的振动成分的振幅值W的功能单元。振动振幅确定部170例如也可以根据从加工条件存储部210获取的加工条件以及从指令解析部100获取的指令数据，确定工件的材质(工件硬度)、切入深度、切入宽度(或刀具直径)、主轴的进给速度，根据所确定的刀具的刀片数量和主轴的转速来确定由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的振幅值W。在采用这种方法的情况下，预先进行实验等，按每个工件的材质将切入深度、切入宽度(或刀具直径)以及主轴的进给速度与由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的振幅值W之间的关系通过多变量分析等公知方法来求出或测量在功能适用对象的加工中使用的特定条件下的振幅值W即可。另外，振动振幅确定部170例如也可以对由主轴负载获取部150获取的主轴负载值的时序数据进行频率分析，确定由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的振幅值W。
振动振幅确定部170在确定由如上所述确定的主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的振幅值W之后，求出该振幅经由主轴负载获取部150中的滤波器(相当于图3的控制块线图的滤波器)时减少多少，并将求出的减少后的振幅值Wf输出到增益计算部180。振动振幅确定部170在求出减少后的振幅值Wf时使用预先设定的主轴负载获取部150中的滤波器的特性(根据滤波器的种类、参数的不同而不同)、振动频率确定部160确定的由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的频率H、如上所述确定的由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的振幅值W。例如根据滤波器的特性，在振动成分的振幅值W减少20％的情况下，作为减少后的振幅值Wf而输出0.8W的值即可。此外，在主轴负载获取部150并不具有相当于图3的控制块线图的滤波器的结构的情况下或通过对经由该滤波器的主轴负载值的时序数据进行频率分析来计算振动成分的振幅值W的情况下，不需要进行上述处理。
增益计算部180根据从振动振幅确定部170输入的由主轴旋转产生的振动成分的(基于滤波器的减少后的)振幅值Wf，设定速度控制部110中的增益(图3示出的比例增益Kp、根据需要进一步积分增益Ki)。增益计算部180设定例如使用以下例示的式4来计算出的最大的Kp。
关于式4中的常数Km，预先进行实验等，求出并设定为在预定振幅值Wf时从速度控制部110输出的进给速度中并不显现由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的影响的值。
[式4]
增益计算部180在通过上述方法进行比例增益Kp的设定之后，在从速度控制部110输出的进给速度中显现由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的影响的情况下，还需要将积分增益Ki的值下降至并不显现振动成分的影响的值。PID控制的积分成分表示与一次滤波器相同的频率特性，因此与速度控制部110中的滤波器同样地能够推定向输出反映的主轴旋转成分的振幅，与上述比例增益Kp同样地能够设定积分增益Ki。
在具备上述结构的数值控制装置1中，根据由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分自动地调整增益以便该振动成分的影响并不显现在PID控制的输出中，因此与并未考虑到由主轴负载的主轴旋转产生的振动成分的以往技术中的PID控制相比，主轴移动的稳定性进一步提高，从而起到抑制机械振动和延长刀具寿命的效果。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明并不限定于上述实施方式的示例，通过施加适当的变更能够以各种方式实施。

Claims (8)

1.一种数值控制装置，根据加工程序对机床进行控制，并对进给速度进行PID控制以使主轴负载成为恒定，其中，该机床通过安装于主轴的刀具对工件进行加工，其特征在于，该数值控制装置具备：
振动振幅确定部，其在上述主轴负载中确定上述刀具的刀片通过上述主轴的旋转以预定周期接触上述工件所产生的振动成分的振幅；
增益计算部，其根据由上述振动振幅确定部确定的上述振动成分的振幅，计算上述PID控制的增益以便该振幅不会对进给速度的输出产生影响；以及
速度控制部，其使用由上述增益计算部计算出的增益，输出通过上述PID控制所控制的上述主轴的进给速度。
2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，
上述增益计算部计算上述PID控制的比例项的增益。
3.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，
在仅变更上述比例项的增益不能抑制上述振动成分的振幅对进给速度的输出的影响的情况下，上述增益计算部还计算上述PID控制的积分项的增益。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
上述数值控制装置还具备确定上述振动成分的频率的振动频率确定部，
上述振动振幅确定部根据由上述振动频率确定部确定的频率，确定考虑了上述振动成分的振幅在反馈时的减少的上述振动成分的振幅。
5.根据权利要求4所述的数值控制装置，其特征在于，
上述数值控制装置还具备加工条件存储部，该加工条件存储部存储上述机床进行加工的加工条件，
上述振动频率确定部根据存储于上述加工条件存储部的加工条件以及基于上述加工程序的指令，确定上述振动成分的频率。
6.根据权利要求4所述的数值控制装置，其特征在于，
上述振动频率确定部根据测量出的上述主轴负载，确定上述振动成分的频率。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
上述数值控制装置还具备加工条件存储部，该加工条件存储部存储上述机床进行加工的加工条件，
上述振动振幅确定部根据存储于上述加工条件存储部的加工条件以及基于上述加工程序的指令，确定上述振动成分的振幅。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的数值控制装置，其特征在于，
上述振动振幅确定部根据测量出的上述主轴负载，确定上述振动成分的振幅。
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