CN111221300A - 数控装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行攻丝的机床的数控装置(100)，包括：输出主轴的位置命令值的数控单元(1)、计算所述主轴的命令加速度的加速度学习块(9)、对命令加速度和位置命令值应用加速度/减速度处理以计算加速/减速后的位置命令值的加速度/减速度处理单元(4)、基于加速/减速后的位置命令值来计算速度命令值的位置控制单元(5)、根据速度命令值来计算电机转矩命令值的速度/转矩控制单元(6)、根据电机转矩命令值来计算主轴电机(8)的电机电流值的电流控制单元(7)。所述加速度学习块(9)根据主轴电机(8)的状态量将比计算出的命令加速度小的初始命令加速度A[0]作为所述命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元(4)。

Description

数控装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月26日提交的2018-220621号日本专利申请的优先权，该申请的全文包括说明书、权利要求书、附图和摘要通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于机床(machine tool)的数控装置，更具体地，涉及一种用于利用彼此同步的主轴(spindle)和进给轴(feed axis)来执行攻丝(tapping)的机床的数控装置。
背景技术
在利用保持彼此同步的主轴和进给轴执行攻丝的机床领域，已经提出了高速和高精度的加工方法。例如，JP6001633B在其说明书中提出了一种利用将驱动源的性能最大化来对主轴进行加速或减速的方法，从而缩短了加工时间。该方法通过在使用驱动源的最大性能期间的速度控制和在需要在孔底进行定位的期间的位置控制之间进行切换控制来实现高速和高精度的加工。JP5152443B在其说明书中进一步提出了通过从主轴电机的最大转矩减去基于攻丝工具直径的切削转矩所获得的转矩来确定加速度，并且进一步进行加速度学习，使在加工期间监测到的同步误差落入到可允许值以内，来实现高速和高精度。
JP5118232B在其说明书中进一步提出了，在比率存储单元中预存储用于根据驱动主轴的主轴电机的温度来改变主轴加速度的比率，并根据检测到的主轴电机的温度以及存储在比率存储单元中的比率来计算主轴的加速度。
发明内容
然而，由于在攻丝期间进给过程和返回过程的加速度不同，在JP6001633B中描述的现有技术的方法可能会遭受由跟踪误差引起的进给/返回误差，因此可能达不到日本工业标准(Japanese Industrial Standards，JIS)中限定的一级精度的高精度。
在这方面，在JP5152443B中描述的现有技术的方法不太可能遭受由跟踪误差引起的进给/返回误差，这是因为在整个攻丝过程中加速度保持不变。该方法通过从电机规格中的最大转矩减去根据攻丝直径确定的切削转矩来获得加速度转矩，并且根据加速度转矩来确定用于驱动主轴的加速度，来进一步缩短加工时间。然而，通常被用于主轴的感应电机的最大转矩依赖于其驱动状态、驱动历史、绕组温度和其他条件而增加或减少。在JP515244B中描述的现有技术的方法并没有考虑到感应电机的上述特性。因此，根据该方法，当主轴电机的最大转矩减少时，其不能利用确定的加速度来驱动主轴，这就增加了主轴与进给轴之间的同步误差。这进一步降低了在该周期中的攻丝的精确度，并且可能由于过大的同步错误警报而使主轴停止。
例如，在JP5152443B的说明书中公开的现有技术的方法中，如果在非通电状态下驱动感应电机(例如在非通电状态下开始加工)时磁场电流不足并且磁通量不稳定，或者如果作为感应电机的电路常数的次级电阻识别值显著地偏离最佳值，如在完成加工一段时间之后利用具有降低的温度的主轴电机来重新进行加工的情况下，可输出最大转矩将会减少，而增加了主轴与进给轴之间的同步误差，从而增加了加工误差。
在JP5118232A的说明书中公开的现有技术的方法是基于检测到的主轴电机的温度来计算主轴的加速度，以控制主轴的旋转。但是，当场电流不足并且磁通量不稳定时，或者当次级电阻识别值显著地偏离最佳值时，即使主轴电机的加速度是基于主轴电机的温度来确定的，最大转矩的减少也会阻碍主轴电机跟随控制。这导致主轴与进给轴之间的同步误差的增加，这可能进一步增加加工误差。
因此，本发明的实施例旨在提供一种数控装置，该数控装置可以减少利用彼此同步的主轴和供给轴来执行攻丝的机床的加工误差。
根据本发明的一个方面，一种用于机床的数控装置，该机床利用彼此同步的主轴和供给轴来执行攻丝，所述数控装置包括：数控单元，其解释攻丝程序并且输出所述主轴的位置命令值；加速度学习块，其计算并输出攻丝的所述主轴的命令加速度；加速度/减速度处理单元，其基于从所述加速度学习块输入的命令加速度，对从所述数控单元输入的位置命令值应用加速度/减速度处理，以计算加速/减速后的位置命令值；位置控制单元，其基于从所述加速度/减速度处理单元输入的所述加速/减速后的位置命令值来计算速度命令值；速度/转矩控制单元，其根据从所述位置控制单元输入的速度命令值来计算电机转矩命令值；和电流控制单元，其根据从所述速度/转矩控制单元输入的电机转矩命令值来计算主轴电机的电机电流值。所述加速度学习块根据所述主轴电机的状态量将比计算出的所述命令加速度小的初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
如上文所述，所述加速度学习块根据所述主轴电机的状态量将比计算出的所述命令加速度小的初始命令加速度作为命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。因此，当主轴电机的可输出最大转矩被减少时，可以抑制向加速度/减速度处理单元输入大的命令加速度。这种结构抑制了主轴与进给轴之间的同步误差的增加(其可进一步导致加工误差的增加)，即使在主轴电机的最大转矩减少以使主轴电机不能跟随控制时，这种结构也能抑制所述同步误差的增加。
在所述数控装置中，所述主轴电机的状态量可以是由所述电流控制单元计算的电机电流值；以及当所述电机电流值为0时，所述加速度学习块可以将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
当所述电机电流值为0时，所述加速度学习块将所述初始命令加速作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。当场电流不足并且磁通量不稳定而使在非通电状态下驱动主轴电机(例如在从非通电状态下开始加工)中的可输出最大转矩减少时，该结构抑制了将大的命令加速度输入到所述加速度/减速度处理单元。该结构进一步抑制了同步误差的增加和加工误差的增加。
在所述数控装置中，所述主轴电机的状态量可以是由所述电流控制单元计算的所述主轴电机的次级电阻识别值；以及当所述次级电阻识别值等于或大于预定阈值时，所述加速度学习块可以将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
当所述次级电阻识别值等于或大于所述预定阈值时，所述加速度学习块将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。当作为主轴电机的电路常数的次级电阻识别值显著地偏离最佳值而使可输出最大转矩减少时，例如在主轴电机的温度降低的状态下重新进行加工时，该结构抑制了将大的命令加速度输入到所述加速度/减速度处理单元。这进一步抑制了同步误差的增加和加工误差的增加。
本发明提供了一种能够减少利用彼此同步的主轴和供给轴来行攻丝的机床的加工误差的数控装置。
附图说明
本发明的实施例将参考以下附图进行描述，其中：
图1是根据实施例的用于机床的数控装置的框图；
图2是图1所示的数控装置的操作的流程图；以及
图3是现有技术的用于机床的数控装置的框图。
具体实施方式
根据实施例的数控装置100的结构将参考附图来进行描述。数控装置100被用于利用彼此同步的主轴和进给轴来的机床。
参考图1，数控装置100包括数控单元1、加速度/减速度处理单元4、位置控制单元5、速度/转矩控制单元6、电流控制单元7、主轴电机8、加速度学习块9和加速度/减速度峰值保持单元10。主轴电机8是感应电机。
数控单元1解释攻丝程序并且将位置命令值输出到加速度/减速度处理单元4。同时，数控单元1通知正在行攻丝的加速度学习块9。加速度/减速度处理单元4基于从加速度学习块9输入的主轴的命令加速度A来进行加速或减速，即调节从数控单元1输入的位置命令值的速度，并将加速/减速后的位置命令值输出到位置控制单元5。位置控制单元5根据加速/减速后的位置命令值和电机位置的反馈控制来计算速度命令值，并且将该速度命令值输出到速度/转矩控制单元6。然后，速度/转矩控制单元6根据所述速度命令值和电机速度的反馈控制来计算电机转矩命令值，并且将该电机转矩命令值输出到电流控制单元7。
电流控制单元7包括次级电阻识别单元，该次级电阻识别单元计算主轴电机8的次级电阻识别值。电流控制单元7利用计算出的次级电阻识别值来计算滑移频率。然后，电流控制单元7将计算出的滑移频率输出到主轴电机8，并且还根据电机转矩命令值计算电机电流命令值，以及使计算出的电流命令值的电流在主轴电机8中流动。因此，电流控制单元7驱动主轴电机8来控制主轴的位置。
加速度/减速度峰值保持单元10基于从加速度/减速度处理单元4输入的加速/减速后的位置命令值以及从速度/转矩控制单元6输入的电机转矩命令值，来根据加速/减速后的位置命令值确定停止、加速度、恒定速度或减速度，并且检测在加速和减速状态下电机转矩命令值的峰值|T|并将该峰值|T|输出到加速度学习块9。
加速度学习块9包括加速度学习单元2和加速度存储单元3。加速度学习单元2基于目标电机转矩命令值Tg、从加速度/减速度峰值保持单元10输入的电机转矩命令值的峰值|T|以及从加速度存储单元3输入的用于电流攻丝的命令加速度A[n]，通过利用下式(1)来计算用于下一次攻丝的命令加速度A[n+1]，并将该命令加速度A[n+1]输出到加速度存储单元3：
A[n+1]＝A[n]+A[n]×(Tg-|T|)×α….(1)
命令加速度A[n+1]是加速度或减速度的绝对值。电机转矩命令值的峰值|T|也是绝对值。此外，α表示收敛因子，其满足0<α≤1的关系，并且是用于避免当峰值|T|超过目标电机转矩命令值Tg时所产生的过大的同步误差警报的调节参数。理想地，α约为0.25(经过四次迭代后进行收敛)。
加速度存储单元3存储由加速度学习单元2计算的用于下一次攻丝的命令加速度A[n+1]，并且在下一次攻丝时将命令加速度A[n+1]输出到加速度/减速度处理单元4，作为主轴的命令加速度A。
加速度存储单元3除了存储由加速度学习单元2根据式(1)计算的命令加速度A[n+1]以外，还存储比计算出的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]。
当改变主轴电机8的绕组或当主轴电机8不转动时，不对主轴电机8供电，以使电机电流值为0。在电机电流值为0的状态下转动主轴电机8时，场电流值从0增加。在场电流开始流通后在从0到几百毫秒的期间，场电流不足并且磁通量不稳定，使得主轴电机8的可输出最大转矩减少。因此，如果以高命令加速度来对主轴电机8进行加速或减速，主轴电机8将不能跟随控制，导致主轴与进给轴之间的同步误差增加，从而增加了加工误差。
为了解决上述缺点，当由电流控制单元7计算的电机电流值为0时，加速度存储单元3将初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4，其中该初始命令加速度A[0]小于由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]。
此外，当作为主轴电机8的电路常数的次级电阻识别值显著地偏离最佳值时，例如在主轴电机8的温度被降低的状态下重新进行加工时，可输出最大转矩会减少。在这种情况下，与上述情况一样，如果以高命令加速度对主轴电机8进行加速或减速，主轴电机8将不能跟随控制，导致主轴与进给轴之间的同步误差增加，从而增加了加工误差。
为了解决该缺点，当次级电阻识别值等于或大于预定阈值时，加速度存储单元3将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。
所述预定阈值可以是当主轴电机8在低温状态下被驱动时所收敛的所得次级电阻识别值，或者是例如通过测试来预设的次级电阻识别值。所述预定阈值是在评估主轴电机8或伺服调节时确定的参数。
如上所述，加速度存储单元3基于电机电流值或次级电阻识别值(其为主轴电机8的状态量)，来确定是否将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。
现在参考图2，将描述根据实施例的数控装置100的加速度学习块9的操作。
如图2中的步骤S101至S102所示，加速度学习块9保持待命状态，直到从数控单元1输入了指示“正在执行攻丝”的信号。
如果在图2中的步骤S101中确定为“是”，则过程进行到图2中的步骤S102，在该步骤中加速度学习块9从加速度存储单元3获取由电流控制单元7计算的电机电流值和次级电阻识别值，并且过程进一步进行到图2中的步骤S103。然后，在步骤S103中加速度学习块9确定电机电流值是否为0。如果在步骤S103中确定为“是”，则过程进行到步骤S105，在该步骤中加速度学习块9将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。
该过程进一步进行到步骤S106，在该步骤中加速度学习块9确定机床是否已停止。如果在步骤S106中确定为“是”，则加速度学习块9终止该过程。如果在步骤S106中确定为“否”，则过程返回到步骤S101。
如果在步骤S103中确定为“否”，则过程进行到步骤S104，在该步骤中加速度学习块9确定次级电阻识别值是否等于或大于预定阈值。如果在步骤S104中确定为“是”，则过程进行到步骤S105，在该步骤中加速度学习块9将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。然后，该过程进行到步骤S106，如果在步骤S106中确定为“是”，则加速度学习块9终止该过程，如果在步骤S106中确定为“否”，则该过程返回到步骤S101，如上文所描述的。
如果在步骤S104中确定为“否”，则过程进行到步骤S107，在该步骤中加速度学习块9从加速度学习单元2获取由加速度/减速度峰值保持单元10计算的电机转矩命令值的峰值|T|，并且该过程进行到步骤S108。在步骤S108中，加速度学习块9依据上式(1)，根据目标电机转矩命令值Tg、由加速度/减速度峰值保持单元10输入的电机转矩命令值的峰值|T|、以及从加速度存储单元3输入的用于电流攻丝的命令加速度A[n]，来计算用于下一次攻丝的命令加速度A[n+1]，并且将该命令加速度A[n+1]输出到加速度存储单元3。加速度学习块9将用于下一次攻丝的命令加速度A[n+1]存储到加速度存储器单元3中，并且过程进行到步骤S109。
在步骤S109中，加速度学习块9将存储在加速度存储单元3中的用于下一次攻丝的命令加速度A[n+1]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4，并且过程进行到步骤S106。
如上文所述，如果在步骤S106中确定为“是”，则加速度学习块9终止该过程，而如果在步骤S106中确定为“否”，则该过程返回到步骤S101。
如上文所述，当在以为0的电机电流值来致动主轴电机8而使得磁通量不稳定且可输出最大转矩减少的状态下或者在主轴电机8的次级电阻识别值等于或大于预定阈值且显著地偏离最佳值的状态下开始攻丝时，例如在低温的启动时刻时，根据本实施例的数控装置100将命令加速度A设置为小于由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]。这种结构抑制了：当主轴电机8的可输出最大转矩减少时，由于主轴电机8不能跟随控制而增加了加工误差所导致的主轴与进给轴之间的同步误差的增加。
在攻丝过程中，如式(1)所示，用于电流攻丝的命令加速度A[n]与收敛因子α(0<α≤1)乘以目标电机转矩命令值Tg与电机转矩命令值的峰值|T|的差，并且将相乘的结果与命令加速度A[n]相加，从而将命令加速度A收敛到目标电机转矩命令值Tg。这可以抑制峰值|T|超过目标电机转矩命令值Tg以增加主轴与进给轴之间的同步误差以及增加加工误差。还可以将命令加速度A收敛到目标电机转矩命令值Tg，从而执行高速攻丝。
因此，根据实施例的数控装置100减少了同步误差，从而减少了在利用彼此同步的主轴和进给轴来执行攻丝的机床中的加工误差。根据实施例的数控装置100也可以进行高速和高精度的攻丝。
在上面的示例中，数控装置100确定电机电流值是否为0，如果电机电流值不为0，则参考次级电阻识别值。然而，数控装置100可以使用电机电流值或次级电阻识别值中的任一个来确定是否将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。
参考图3，将现有技术中的数控装置200描述为根据本实施例的数控装置100的比较示例。使用类似的参考数字对与上文参照图1和2描述的数控装置100中的元件相似的图3所示的数控装置200中的元件进行表示，并且不再作说明。
如图3所示，现有技术的数控装置200包括加速度表格11、加速度计算单元12和加速度比率表格13。例如，加速度表格11根据攻丝类型和工具直径将命令加速度存储为表格。
加速度表格11基于从数控单元1输入的攻丝信息，选择最适合用于攻丝的命令加速度A1，并将选定的命令加速度A1输出到加速度计算单元12。加速度比率表格13在表格中存储加速度比率A2，该加速度比率A2定义了与主轴电机8的输入温度对应的加速度的减小比率。加速度比率表格13基于主轴电机8的输入温度，从表格中读取对应的加速度比率A2，并将相应的加速度比率A2输出到加速度计算单元12。例如，主轴电机8的温度越低，加速度比率A2越小。
加速度计算单元12将从加速度表格11输入的命令加速度A1乘以从加速度比率表格13输入的加速度比率A2，以计算命令加速度A，并且将命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。
例如，主轴电机8的温度越低，加速度比率A2越小。因此，随着主轴电机8的温度降低，输出到加速度/减速度处理单元4的命令加速度A变小。
如上文所述，数控装置200执行控制以随着主轴电机8的温度降低而将命令加速度A设置为较小。然而，在主轴电机8的磁通量不稳定以减少可输出最大转矩的状态下，或者在次级电阻识别值显著地偏离最佳值以减少可输出最大转矩的状态下，即使基于主轴电机8的温度将命令加速度A设置为很小，上述控制方法也不能使主轴电机8跟随控制。这可能会增加主轴和进给轴之间的同步误差，从而增加了加工误差。
相反，根据实施例的数控装置100基于电机电流值来确定主轴电机8的磁通量是否不稳定，从而可输出最大转矩减少，并且基于主轴电机8的次级电阻识别值来确定次级电阻识别值是否显著地偏离最佳值，从而可输出最大转矩减少。然后，数控装置100基于该确定，将比由加速度学习单元2计算的命令加速度A[n+1]小的初始命令加速度A[0]作为命令加速度A输出到加速度/减速度处理单元4。这种结构抑制了由主轴电机8不稳定性所引起的主轴与进给轴之间的同步误差的增加以及加工误差的增加，以在主轴电机8的可输出最大转矩减少的状态下跟随控制。
如上所述，根据实施例的数控装置100可以减少主轴和进给轴线之间的同步误差，从而减少利用彼此同步的主轴和进给轴线来执行攻丝的机床中的加工误差。

Claims (4)

1.一种用于机床的数控装置，所述机床利用彼此同步的主轴和供给轴来执行攻丝，所述数控装置包括：
数控单元，其解释攻丝程序并且输出所述主轴的位置命令值；
加速度学习块，其计算并输出攻丝期间所述主轴的命令加速度；
加速度/减速度处理单元，其基于从所述加速度学习块输入的所述命令加速度，对从所述数控单元输入的所述位置命令值应用加速度/减速度处理，以计算加速/减速后的位置命令值；
位置控制单元，其基于从所述加速度/减速度处理单元输入的所述加速/减速后的位置命令值来计算速度命令值；
速度/转矩控制单元，其根据从所述位置控制单元输入的所述速度命令值来计算电机转矩命令值；和
电流控制单元，其根据从所述速度/转矩控制单元输入的所述电机转矩命令值来计算主轴电机的电机电流值；
其中，所述加速度学习块根据所述主轴电机的状态量，将比计算出的所述命令加速度小的初始命令加速度作为所述命令加速度，输出到所述加速度/减速度处理单元。
2.根据权利要求1所述的数控装置，其特征在于：
所述主轴电机的所述状态量是由所述电流控制单元计算的所述电机电流值；和
当所述电机电流值为0时，所述加速度学习块将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
3.根据权利要求1所述的数控装置，其特征在于：
所述主轴电机的所述状态量是由所述电流控制单元计算的所述主轴电机的次级电阻识别值；和
当所述次级电阻识别值等于或大于预定阈值时，所述加速度学习块将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
4.根据权利要求2所述的数控装置，其特征在于：
所述主轴电机的所述状态量是由所述电流控制单元计算的所述主轴电机的次级电阻识别值；和
当所述次级电阻识别值等于或大于预定阈值时，所述加速度学习块将所述初始命令加速度作为所述命令加速度输出到所述加速度/减速度处理单元。
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