CN111266876A - 机床的控制器 - Google Patents

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Abstract

在具有将AC电源转换成DC的转换器以及驱动送料轴和心轴的多个逆变器的机床的控制器中，当AC电源电压变得低于预定值时，判断动力故障准备模式，当所述动力故障准备模式持续超出预定时间段的时间段时，或者当从所述转换器输出的DC电压变得低于VAL1时，判断动力故障。在动力故障准备模式期间，设置在每个逆变器处的低电压报警的阈值VAL2改变至低于VAL1的值。此外，当判断动力故障时，执行送料轴的退刀操作或停止操作。

Description

机床的控制器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月5日提交的日本专利申请第2018-227848号的优先权益，在本文中将其包括说明书、权利要求、附图以及摘要的全部内容作为参考引入。
技术领域
本公开涉及驱动机床的心轴和送料轴的控制器的改进，并且特别地涉及在动力故障期间的控制。
背景技术
在机床中，通过控制工件或工具将工件加工至预定的形状。例如，在加工中心或者类似地方中，通过心轴马达旋转地驱动工件附接于其上的心轴，以及通过伺服马达经由滚珠丝杠、齿轮或类似物来线性地或旋转地驱动用于移动工件和工具(心轴)的送料轴。
图5是示出在JP2011-209936A中所描述的相关技术的控制器的结构的方框图。通过AC(交流)电源1供应的AC电压输入至转换器2。转换器2将输入的AC电压转换成DC(直流)电压，并且将转换了的电压供应至送料轴逆变器3和4以及心轴逆变器5。数字控制器6将位置指令值或速度指令值输入至送料轴逆变器3和4以及心轴逆变器5，以将工件以预定的形状加工。送料轴逆变器3和4以及心轴逆变器5根据来自数字控制器6的指令值分别地驱动伺服马达7和8以及心轴马达9。
如果在动力故障期间不采取对策的话，因为送料轴逆变器3和4以及心轴逆变器5消耗DC动力，DC总线电压下降，并且不能维持对马达的控制。因此，如指定地那样控制工具轨迹变得困难。考虑到这一点，在JP2011-209936A的装置中，在动力故障期间，工具从工件(加工目标)退刀(retracted)并且停止，从而防止工件和工具的损坏。
图6是在JP2016-063705A中描述的相关技术的控制器的方框图。许多动力故障是持续时间短的瞬时电压的下降，以及，因为在许多情况下机床的操作状态是低负载，在许多情况下DC总线电压不会随着瞬时电压下降而下降。因此，在相关技术的这个装置中，当DC电压检测值不下降时，保护操作启动判断单元17不启动诸如停止或退刀的保护操作，并且继续操作驱动马达7的逆变器3。
进一步地，JP2017-200264A公开了：如图6中所示，在以在瞬时电压下降期间不执行保护操作为目标的控制器中，使用多个动力故障检测条件的多个动力故障检测信号响应于具有不同动力故障耐受力的多个设备的组合而生成，并且控制对于每个设备的合适的保护操作的启动。
具有了如图5中所示的在JP2011-209936A中所描述的相关技术的技术，在动力故障期间防止工具和工件的损坏的同时完全停止机床变得可能。然而，甚至在发生于许多动力故障中的瞬时电压下降中，加工被退刀操作所中断，并且因此存在生产能力的下降的问题。
在JP2016-063705A和JP2017-200264A中所描述的相关技术的技术中，在低负载操作期间，在瞬时电压下降中不中断加工的情况下继续操作变得可能，DC总线电压在该低负载操作中不下降。然而，因为操作在加工负载是大的并且DC总线电压下降的情况下是不继续的，在这种情况下存在生产能力的下降的问题。进一步地，在相关技术的这些技术中，如果用于判断动力故障的DC总线电压报警水平事先设置的低，就可能继续操作直到DC总线电压下降至设定水平。然而，当DC总线电压报警水平设置的低时，由于连接多个逆变器单元或类似物的DC总线布线的缺陷，不能在每个逆变器中检测到电压下降，并且有由于过热而可能引起的事故或故障(failures)的问题。
发明内容
根据本公开的一方面，提供有一种机床的控制器，包括：转换器，该转换器将交流电源电压转换成直流电压并且将转换的电压输出至直流总线；多个逆变器，该多个逆变器将从转换器供应的直流电压转换成交流电并且驱动心轴马达和多个送料轴马达；交流电压检测电路，该交流电压检测电路检测输入至转换器的交流电源的电压值；第一直流电压检测电路，该第一直流电压检测电路检测从转换器输出的直流电压；第二直流电压检测电路，该第二直流电压检测电路设置在多个逆变器的每个逆变器处并且检测输入的直流电压；低电压报警判断单元，该低电压报警判断单元设置在多个逆变器的每个逆变器处并且当第二直流电压检测电路的检测值变得低于阈值VAL2时检测报警；动力故障准备判断单元，当通过交流电压检测电路所检测到的电源电压值变得低于预定值时，动力故障准备判断单元判断动力故障准备模式；以及动力故障判断单元，当第一直流电压检测电路的检测值变得低于预定阈值VAL1同时动力故障准备判断单元判断动力故障准备模式时，或者当动力故障准备模式的判断状态持续超出预定时间段的时间段时，该动力故障判断单元判断动力故障，并且该动力故障判断单元向所述多个逆变器给出送料轴的退刀操作或停止操作的指令，其中，在动力故障准备判断单元判断动力故障准备模式的时间段期间，在低电压报警判断单元处的阈值VAL2从正常时间期间的值切换至低于在第一直流电压检测电路处的阈值VAL1的值。
根据本公开的另一方面，在动力故障准备判断单元判断动力故障准备模式的期间，在多个逆变器中，根据第二直流电压检测电路的检测值VDC和满足VPL>VAL1关系的输出限制电压VPL之间的差值，马达输出限制至通过以下等式(1)给出的输出下降率PLim：
PLim＝KL(VDC-VPL) (1)
其中，0≤PLim≤1，并且KL是任意常数。
附图说明
本公开的实施例将基于以下附图进行描述，其中：
图1是示出本公开的实施例的方框图；
图2是示出本公开的实施例的操作的第一时间图；
图3是示出本公开的实施例的操作的第二时间图；
图4是示出本公开的实施例的操作的第三时间图；
图5是示出了根据相关技术的机床的控制器的方框图；以及
图6是示出了根据相关技术的另一机床的控制器的方框图。
具体实施方式
图1是示出了根据本公开的实施例的装置的方框图。与图5和6中所示的相关技术的元件相同的元件分配以相同的附图标记，并且将不会再次描述。此外，为了简化的目的，将会描述以下结构：该结构具有两个送料轴马达和一个心轴马达，但是本公开将不会限制于这样的配置。
AC电压检测电路13检测输入至转换器的AC电源电压，并且将检测到的电压输出至动力故障准备判断单元18。动力故障准备判断单元18在电源电压下降至预定值或者更低时，将装置的当前操作模式判断为动力故障准备模式，并且将动力故障准备模式信号输出至动力故障判断单元19以及向低电压报警判断单元20a、20b和20c给出改变报警阈值的指令，该低电压报警判断单元20a、20b和20c设置在送料轴逆变器3和4以及心轴逆变器5上。
现在将描述低电压报警判断单元20a、20b和20c以及报警阈值VAL2。当AC电源通过全波整流电路转换成DC时，相对于AC电源电压的有效值Vrms，DC电压VDC是：
VDC＝√2x Vrms。
例如：对于基于200V的电源而言，DC电压大约是283V。典型的逆变器设计成283V的假定DC电压，并且当DC电压下降时，不能适当地控制马达。因此，一般地，例如阈值VAL2设定在约-20％～-30％。
此外，诸如在机床中使用多个马达的应用中，通常地，多个逆变器通过DC总线相连接。当连接缺陷发生在DC总线布线中时，在缺陷部分会生成热并且可能发生烧断事故。因此，低电压报警判断单元设置在每个逆变器上。
在当动力故障准备判断单元18判断动力故障准备模式时的期间，因为电源电压下降，有DC总线电压可能会下降至比正常低电压报警水平更低的电压的可能性。然而，统计上，已知许多瞬时电压下降发生几个ms至100ms，并且，由于这样短的时间，送料轴的位置控制和心轴马达的速度控制几乎不受影响。因此，在动力故障准备模式中，低电压报警阈值VAL2变化至满足VAL1>VAL2的低值，以允许DC总线电压的下降。将在下面详细描述VAL1。
当动力故障准备模式持续预定时间段(例如，100ms)时，或当DC电压检测电路16的检测值变得低于预定值VAL1时，动力故障判断单元19判断动力故障，并且向送料轴逆变器3和4给出退刀操作或停止的指令。
当低电压报警判断单元20a或20b在动力故障准备模式中各自检测到对于送料轴逆变器3或4的低电压报警时，由于检测的时间差，存在工具的操作轨迹偏离指令的轨迹的可能性，从而导致对于工件和工具的可能的损坏。具体地，当对输入至某一送料轴逆变器的电压检测到低电压报警时，数字控制器6停止送料轴逆变器，并且停止通过该逆变器驱动的送料轴马达。在示例性的配置中，如果在对两个送料轴逆变器3和4的低电压报警的检测中有时间差，送料轴马达7和8中的一者首先停止，并且接着，随着一定时间的推移，送料轴马达7和8中的另一者停止。当在送料轴马达7和8的停止中有这样的时间差时，存在工具的操作轨迹偏离指令的轨迹的情况的可能性。
因此，在动力故障准备模式期间，低电压报警阈值VAL2设定在低于阈值VAL1的值，在该阈值VAL1，动力故障判断单元19判断动力故障。在这个配置中，用于退刀操作或停止操作的时间能够通过动力故障判断单元19的动力故障输出而共同地(collectively)控制，多个送料轴能够彼此同步操作，并且工具轨迹不偏离指令的轨迹。
图2是示出图1的实施例的操作的时间图，并且示出当瞬时电压下降持续了超过预定时间(例如,100ms)的时间段时的操作。
在时间t1处，检测到由于瞬时电压下降，电源电压变得低于动力故障准备模式阈值，动力故障准备模式信号被切换至ON(打开)，DC总线电压的低电压报警的阈值VAL2从正常时间处的值改变至低值。
在瞬时电压下降发生的期间，DC总线电压由于心轴马达和送料轴马达的负载而下降。图2示出这些负载是小的情况，并且DC总线电压从时间t1逐渐地下降。然而，如上所述，因为低电压报警的阈值VAL2改变至低值，不会生成低电压报警。
当从时间t1推移100ms的时间时，动力故障判断单元判断动力故障，并输出动力故障信号。确定100ms时间段的因素是控制电路电源和液压系统的保持时间。当时间超过100ms时，即使心轴和送料轴继续操作，机床的其他构成元件可引起不适当的行为，并且由此，为了安全的目的，停止加工。因此，这个时间不限于100ms，并且根据控制电路电源和液压系统的保持时间适当地设定。
当动力故障信号切换至ON(打开)时，执行送料轴的退刀操作。根据工件和工具之间的位置关系确定待被退刀的轴，并且通常地，在上下方向上操作的轴向上退刀。
图3是示出心轴和送料轴的负载与图2的情况相比是大的情况下的操作的时间图，并且在该情况下，不执行在后面待描述的马达的输出限制过程。在这种示例配置中，在在时间t1处发生瞬时电压下降之后，DC总线电压由于心轴和送料轴的负载而下降，并在时间t3处在动力故障判断单元处变得低于阈值VAL1。在这点处，动力故障判断单元判断动力故障，并切换动力故障信号ON。接着，与图2的情况相似地执行送料轴的退刀操作。
图4是用于在根据DC总线电压执行心轴和送料轴马达的输出限制的情况下的操作时间表。在在时间t1处发生瞬时电压下降之后，DC总线电压由于心轴和送料轴的负载而下降。在这个示例配置中，根据DC总线电压，在逆变器3、4和5处执行将在下面描述的马达输出的限制过程。具体地，当常规马达输出是1.0时，计算输出下降率PLim，例如，是：
PLim＝KL(VDC-VPL)
其中，VPL是输出限制电压，该输出限制电压设定成比动力故障判断单元的阈值VAL1更大的值。
由于这样的输出限制，当图4中DC总线电压下降时，马达输出受限制，并且，当DC总线电压在时间t2处达到VPL时，马达输出设置至0。结果，来自DC总线的动力消耗变得最小，并且几乎不发生电压下降，该来自DC总线的功率消耗包括马达布线的热生成和逆变器的损耗。因为VPL设定成高于动力故障判断单元的阈值VAL1，在不判断动力故障的情况下继续操作。接着，在时间t4处，解决了瞬时电压下降，并且操作可以返回到正常操作。
上述限制将限制应用在马达输出上，并且由此，当速度停止时，不将限制应用在扭矩指令上。因此，例如，在重力负载应用于其上的上下轴处，甚至在输出限制期间能够维持保持扭矩，并且由于重力而不发生掉落。
在上述实施例中，在一个示例配置中，动力故障准备判断单元18、动力故障判断单元19、以及低电压报警判断单元20a、20b、和20c作为诸如逻辑电路的硬件电路实现。在另一个示例配置中，动力故障准备判断单元18、动力故障判断单元19、以及低电压报警判断单元20a、20b、和20c通过执行描述这些部件功能的程序的计算机来实现。在这个配置中使用的计算机具有作为硬件的例如电路结构，在该电路结构中，诸如CPU的处理器、诸如随机存取存储器(RAM)的存储器(主存储设备)、控制诸如闪速存储器、SSD(固态驱动器)和HDD(硬盘驱动器)的辅助存储设备的控制器、具有各种输入/输出设备的接口(interface)、用于控制与诸如本地局域网络连接的网络接口或类似物等经由诸如例如总线的数据传输路径连接。描述这些部件的功能的过程的内容的程序经由网络或类似物安装在计算机上，并且存储在辅助存储设备中。通过使用存储器的处理器来执行存储在辅助存储设备中的程序，以实现这些部件的功能。
根据本公开的机床的控制器能在瞬时电压下降发生期间，在不用通过DC总线电压下降而停止驱动送料轴和心轴的逆变器中的每个逆变器的情况下，通过由动力故障判断单元的动力故障的判断来执行协作停止过程。此外，AC电压检测电路监测输入至转换器的AC电源的电压，并且当解决了瞬时电压下降时，在没有判断动力故障的情况下，操作返回至正常操作。因为这样，在不中断的情况下能够继续加工。
进一步地，因为输入至每个逆变器的DC总线电压在电源电压是正常的期间通过第二DC电压检测电路和低电压报警判断单元来监测，所以能够事先防止由于通过DC总线布线的缺陷等所引起的电压下降的过热或类似情况。
此外，在瞬时电压下降发生的期间，当DC总线电压下降至接近于阈值VAL1的值时，因为马达输出受限制，DC总线电压的下降可以被抑制，并且在AC电源电压恢复之后，操作可返回至正常操作。

Claims (2)

1.一种机床的控制器，所述机床的控制器包括：
转换器，所述转换器将交流电源电压转换成直流电压并且将转换的电压输出至直流电总线；
多个逆变器，所述多个逆变器将从所述转换器供应的所述直流电压转换成交流电并且驱动心轴马达和多个送料轴马达；
交流电压检测电路，所述交流电压检测电路检测输入至所述转换器的交流电源的电压值；
第一直流电压检测电路，所述第一直流电压检测电路检测从所述转换器输出的直流电压；
第二直流电压检测电路，所述第二直流电压检测电路设置在所述多个逆变器的每个逆变器处并且检测输入的直流电压；
低电压报警判断单元，所述低电压报警判断单元设置在所述多个逆变器的每个逆变器处并且当所述第二直流电压检测电路的检测值变得低于阈值VAL2时检测报警；
动力故障准备判断单元，当通过所述交流电压检测电路所检测到的电源电压值变得低于预定值时，所述动力故障准备判断单元判断动力故障准备模式；以及
动力故障判断单元，当所述第一直流电压检测电路的检测值变得低于预定阈值VAL1同时所述动力故障准备判断单元判断所述动力故障准备模式时，或者当所述动力故障准备模式的判断的状态持续超出预定时间段的时间段时，所述动力故障判断单元判断动力故障，并且所述动力故障判断单元向所述多个逆变器给出送料轴的退刀操作或停止操作的指令，其中，
在所述动力故障准备判断单元判断所述动力故障准备模式的时间段期间，在所述低电压报警判断单元处的所述阈值VAL2从正常时间期间的值切换至低于在所述第一直流电压检测电路处的所述阈值VAL1的值。
2.根据权利要求1所述的机床的控制器，其特征在于，
在所述动力故障准备判断单元判断所述动力故障准备模式的期间，在所述多个逆变器中，根据所述第二直流电压检测电路的检测值VDC和满足VPL>VAL1关系的输出限制电压VPL之间的差值，将马达输出限制至通过以下等式(1)给出的输出下降率PLim：
PLim＝KL(VDC-VPL) (1)
其中，0≤PLim≤1并且KL是任意常数。
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