CN111687684A

CN111687684A - 伺服控制装置

Info

Publication number: CN111687684A
Application number: CN202010172592.0A
Authority: CN
Inventors: 森桥谅; 山本健太; 园田直人
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-09-22
Also published as: US11453094B2; US20200290168A1; DE102020203217A1; JP2020149567A; JP6997126B2

Abstract

本发明提供一种能够在摆动加工中稳定地进行加工的伺服控制装置。伺服控制装置(20)具备：摆动指令生成部(23)，其生成用于使工件(W)与工具(14)相对地摆动的摆动指令；位置控制部(22)、速度控制部(24)以及电流控制部(25)中的任意一方，所述位置控制部(22)生成使工件(W)与工具(14)相对地移动的位置指令，所述速度控制部(24)生成使工件(W)与工具(14)相对地移动的速度指令所述电流控制部(25)生成使多个轴驱动的转矩指令；以及增益变更部，其变更控制增益，其中，摆动指令生成部(23)将在摆动动作开始时输出的信号发送到增益变更部，增益变更部变更控制增益。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及一种伺服控制装置。

背景技术

以往，已知一种通过使工具和工件在加工方向上相对地摆动(摆动动作)来将切屑粉碎的摆动加工(例如，参照专利文献1以及专利文献2)。

在专利文献1中记载了“在切削工具130的刀尖轨迹中，本次的往运动时的切削加工部分与下一次的复运动时切削加工部分重复，例如在主轴110的第n+1周旋转中的工件W的周面形状中包含主轴110的第n周旋转中的工件W的周面形状，因此切削工具130产生不加工工件W的空摆动作。在该空摆动作时，从工件W产生的切屑被切断。机床100一边将切屑切断一边顺畅地加工工件W的外形等。”。

另外，在专利文献2中记载了“使用图2以及图3来详细地说明控制装置8。如图2所示，控制装置8具备：中央控制部80，其由CPU等构成；输入部81，其由触摸面板等构成；程序信息保存部82，其保存使用者使用该输入部81进行编程所得到的程序信息；振动切削信息保存部83，其保存有用于使与加工台上的质量、电动机特性等机械特性相应的切削工具4进行低频振动的数据，该数据是即使设定成高增益的增益值也能实现不振荡的工作的数据；电动机控制部84，其经由伺服放大器9控制切削工具进给驱动电动机7a的动作；以及显示部85，其由液晶监视器等构成。”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018-005423号公报

专利文献2：日本特开2014-054689号公报

发明内容

发明要解决的问题

期望在摆动加工中稳定地进行加工。

本发明的目的在于提供一种能够在摆动加工中稳定地进行加工的伺服控制装置。

用于解决问题的方案

(1)本公开的一个实施方式为伺服控制装置，其控制通过多个轴的协作动作对工件进行旋削加工的机床，该伺服控制装置具备：摆动指令生成部，其生成用于使所述工件与工具相对地摆动的摆动指令；位置控制部、速度控制部以及电流控制部中的至少任意一方，所述位置控制部生成使所述工件与所述工具相对地移动的位置指令，所述速度控制部生成使所述工件与所述工具相对地移动的速度指令，所述电流控制部生成使所述多个轴驱动的转矩指令；以及增益变更部，其变更控制增益，其中，所述摆动指令生成部将在摆动动作开始时输出的信号发送到所述增益变更部，所述增益变更部变更控制增益。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够在摆动加工中稳定地进行加工的伺服控制装置。

附图说明

图1是说明具备本实施方式所涉及的机床的伺服控制装置的加工系统的结构的图。

图2是表示摆动动作中的进给量与旋转角度的关系的图。

图3是表示在摆动动作中切换控制增益前的状态的利得增益的曲线图。

图4是表示在摆动动作中切换控制增益后的状态的利得增益的曲线图。

附图标记说明

14：工具；20：伺服控制装置；21：增益设定部；22：位置控制部；23：摆动指令生成部；24：速度控制部；25：电流控制部；W：工件。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式的一例。另外，在各附图中，对相同或者相当的部分标注相同的附图标记。

图1是说明具备机床10的伺服控制装置20的加工系统1的结构的图。图1所示的加工系统1具备：机床10和控制机床10的伺服控制装置20。

机床10具有工具14。工具14对例如具有圆筒形、圆柱形、圆锥形或者圆台形等形状的工件W进行旋削加工。在图1的例子中，工具14对工件W的外周面进行旋削加工。在图1的例子中，将成为工件W的旋转轴的工件W的中心轴线设为Z轴，将与Z轴垂直的轴线设为X轴。

机床10不限于对沿着Z轴的方向上的形状为直线状的工件W进行加工，还能够对渐缩形状、圆弧状的工件W进行加工。另外，机床10不限于对工件W的外周面进行加工，还能够对如圆筒形的工件W的内周面进行加工。另外，机床10不限于进行旋削加工，还能够进行切削、磨削或者研磨等加工。

机床10具有作为电动机12的主轴M0以及与主轴M0协作动作的两个进给轴M1、M2。主轴M0包括主轴电动机，进给轴M1、M2包括伺服电动机。主轴M0以及进给轴M1、M2由伺服控制装置20控制。

主轴M0使工件W绕该工件W的中心轴线(Z轴)旋转。进给轴M1能够使工具14在Z轴方向(第一方向)上进给并且使工具14在Z轴方向上进行往复运动即摆动。进给轴M2能够使工具14在X轴方向(第二方向)上进给并且使工具14在X轴方向上进行往复运动即摆动。

在对圆柱形或者圆筒形的工件W进行旋削加工的情况下，使工件W绕工件W的中心轴线(Z轴)旋转，并且使工具14仅在沿着工件W的外周面的母线的Z轴方向(该情况下的加工方向)上进给。

另一方面，在对如圆弧形的工件W这样的外径在Z轴方向上不同的工件W进行旋削加工的情况下，工件W绕该工件W的中心轴线(Z轴)旋转，并且工具14在沿着工件W的外周面的母线的斜方向(Z轴方向与X轴方向的合成方向)(该情况下的加工方向)上进给。该情况下，为了使工具14沿工件W的外周面的母线在倾斜方向上进给，需要至少两个进给轴M1、M2。通过控制进给轴M1和进给轴M2这两方，来使工具14沿工件W的外周面的母线在倾斜方向上进给。

伺服控制装置20是使用具备经由总线相互连接的ROM(read only memory，只读存储器)、RAM(random access memory，随机存取存储器)等存储器、CPU(control processingunit，控制处理单元)以及通信控制部的计算机构成的。伺服控制装置20具备位置控制部22、摆动指令生成部23、速度控制部24、电流控制部25、未图示的存储部，这些各部的功能或者动作通过搭载于上述计算机的CPU、存储器以及存储器中存储的控制程序进行协作来实现。

在未图示的存储部中存储有工件W的加工条件等。在工件W的加工条件中包括绕工件W的中心轴线的工件W与工具14的相对旋转速度、工具14与工件W的相对进给速度、以及进给轴M1、M2的位置指令等。

在伺服控制装置20上连接有CNC(Computer Numerical Controller，计算机数字控制器)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等上位计算机(未图示)，前述的旋转速度或进给速度等可以被从上位计算机输入到未图示的存储部。另外，未图示的存储部或者位置控制部22不仅可以设置在伺服控制装置20内，还可以设置于上述上位计算机。

另外，也可以是，未图示的存储部存储有机床10执行的加工程序，伺服控制装置20内的CPU(未图示)从该加工程序读出前述的旋转速度以及进给速度来作为加工条件，并输出到位置控制部22、摆动指令生成部23。

位置控制部22制作使工件W与工具14相对地移动的位置指令。具体而言，位置控制部22具有基于绕工件W的中心轴线的工件W与工具14的相对旋转速度以及工具14与工件W的相对进给速度来制作进给轴M1、M2的位置指令的功能。该位置指令是指示当将工具14与工件W在沿着工件W的外周面的母线的方向(加工方向)上相对地进给时的目标位置的指令。

摆动指令生成部23使用来自位置控制部22的位置指令来生成使工件W与工具14相对地摆动的摆动指令。具体而言，摆动指令生成部23基于前述的旋转速度以及进给速度来制作进给轴M1的摆动指令，以成为相对于旋转速度为正的非整数倍的摆动频率并且使工具14对工件W进行间歇切削。摆动指令是以相对于绕前述中心轴线的旋转速度为异步的方式制作出的周期性的指令，包含摆动频率和摆动振幅。即，摆动动作的执行状态由摆动频率或者摆动振幅表示。后述的摆动指令的式(1)中的S/60×I项的值相当于摆动频率，式(1)中的K×F/2项的值相当于摆动振幅。

在此，间歇切削是指在工具14周期性地接触工件W以及离开工件W的同时对工件W进行旋削加工，也称为摆动切削或者振动切削。另外，在图1中，工件W旋转并且工具14相对于工件W摆动，但也可以是工具14绕工件W的中心轴线旋转并且工件W相对于工具14摆动的结构。另外，在图1中，通过一个进给轴M1、M2进行工件W的进给动作和摆动动作这两方，但也可是通过相分别的进给轴分别进行工件W的进给动作和摆动动作。

减法器26求出来自位置指令部的位置指令与由检测器13检测出的位置反馈的位置偏差。加法器27将位置偏差与来自摆动指令生成部23的摆动指令相加来计算合成指令。合成指令被提供给速度控制部24。

速度控制部24根据合成指令来制作速度指令。减法器28通过从来自速度控制部24的速度指令减去由电动机的未图示的编码器检测出的速度反馈来制作速度偏差，并提供给电流控制部25。

电流控制部25根据速度指令和速度偏差来制作转矩指令，并输入到放大器。放大器将通过电流控制部25进行转换所得到的转矩指令提供给进给轴M1。基于这样的指令来控制进给轴M1。在进给轴M1上设置有由编码器构成的检测器13，在进给轴M1旋转时，检测器13将进给轴M1的实际位置反馈到减法器26。若位置指令值与基于合成指令的位置反馈值之差消失，则进给轴M1的实际位置到达位置指令值。

增益设定部21设定进给轴M1、M2的伺服电动机的伺服增益。关于伺服增益的设定，可以在从通常切削切换成摆动切削时，从摆动指令生成部23接受在摆动动作开始时输出的信号，由此对作为后述的控制增益的位置控制部22的位置增益、速度控制部24的速度增益、电流控制部25的电流增益中的至少一方进行变更。增益设定部21通过改变与后述的利得增益(日语：利得ゲイン)相乘的倍率(控制增益)，来变更利得增益的值。将预先设定的参数用作该倍率，或者，通过增益设定部21，考虑基于摆动动作的执行状态和变更后的利得增益这两方来看要乘以何种程度的倍率来计算该倍率。此时，例如通过参照由摆动频率或者摆动的振幅表示的值来识别摆动动作的执行状态。

下面，说明摆动指令生成部23。图2是表示摆动动作中的进给量与旋转角度的关系的图。

图2中的横轴表示工件W的旋转角度，纵轴表示工具14的在加工方向(即，沿着图1的工件W的外周面的母线的方向)上的进给量。图2中示出沿斜方向延伸的多个直线状虚线C1、C2、C3…。

如图2所示，虚线C1与纵轴间的交点的纵轴坐标与下一虚线C2的起始点的纵轴坐标相当。同样地，虚线C2与纵轴间的交点的纵轴坐标与下一虚线C3的起始点的纵轴坐标相当。这些多个直线状虚线C1、C2、C3…表示不存在摆动指令的情况下的工具14在工件W上的轨迹。另一方面，图2所示的曲线A1、A2、A3…表示存在摆动指令的情况下的工具14在工件W上的轨迹。即，虚线C1、C2、C3等仅表示与摆动指令相加前的位置指令(原指令值)，曲线A1、A2、A3等表示加上摆动指令后的位置指令。因此，曲线A1、A2、A3表示将虚线C1、C2、C3所表示的各位置指令与余弦波状的摆动指令相加所得到的指令。

另外，曲线A1是工件W的第一周旋转时的工具14的轨迹，曲线A2是工件W的第二周旋转时的工具14的轨迹，曲线A3是工件W的第三周旋转时的工具14的轨迹。为了简洁，省略工件W的第四周旋转以后的工具14的轨迹的图示。

摆动指令生成部23如下述那样制作述摆动指令。摆动指令生成部23决定摆动频率，以制作如由位置控制部22制作出的进给轴M1、M2的位置指令即以虚线C1、C2、C3的各虚线为基准轴线的曲线A1、A2、A3那样的指令。后述的式(1)中的S/60×I为摆动频率。

在决定上述的摆动频率时，优选如图2所示那样，以某一虚线例如虚线C2为基准轴线的余弦波状的曲线A2的初始相位相对于以前一虚线例如虚线C1为基准轴线的余弦波状的曲线A1错开半个周期。其理由是：在错开半个周期的情况下，能够将摆动指令的摆动振幅设为最小限，其结果是能够最有效地将切屑粉碎。

摆动指令生成部23决定前述的摆动指令的摆动振幅，以制作如以虚线C1、C2、C3的各虚线为基准轴线的曲线A1、A2、A3那样的指令。后述的式(1)中的K×F/2项的值为摆动振幅。图2所示的曲线A1和曲线A2在旋转角度约为0度的部位B1和旋转角度约为240度的部位B2相互重叠。由图2可知，在部位B1、B2，曲线A1相对于虚线C1的最大值比曲线A2相对于虚线C2的最小值大。换言之，优选的是，摆动指令生成部23决定摆动振幅以使前一曲线A1与后一曲线A2局部地相互重叠。另外，由于进给速度是固定的，因此曲线A1、A2、A3中的各摆动指令的摆动振幅也全部相同。

在该重叠部位B1、B2，工具14在以曲线A2的轨迹进行加工时离开工件W，因而工件W不被加工。在本实施方式中，这样的重叠部位B1、B2周期性产生，因而能够进行所谓的间歇切削。在图2所示的例子中，通过与曲线A2相应的动作，会分别在部位B1、B2产生切屑。即，在第二周旋转的曲线A2中产生两个切屑。由于周期性地进行这样的间歇切削，因而能够进行振动切削。

并且，相对于虚线C3形成的曲线A3的形状是与曲线A1相同的形状。曲线A2和曲线A3在旋转角度约为120°的部位B3和约为360°的部位B4重叠。通过与曲线A3相应的动作，会分别在部位B3、B4产生切屑。即，在第三周旋转的曲线A3中产生两个切屑。之后，工件W每旋转一周产生两个切屑。其中，在第一周旋转中不产生切屑。

通过这样来决定摆动频率和摆动振幅，由此摆动指令生成部23制作摆动指令。

例如，摆动指令如下式(1)那样表示。

【数1】

在式(1)中，K为摆动振幅倍率，F为工件W每旋转一周时的工具14的移动量即每周进给量[mm/rev]，S为工件W的绕中心轴线的旋转速度[min^-1]或[rpm]，I为摆动频率倍率。在此，前述的摆动频率相当于式(1)中的S/60×I项，前述的摆动振幅相当于式(1)中的K×F/2项。其中，摆动振幅倍率K设为1以上的数，摆动频率倍率I设为大于零的非整数(例如0.5、0.8、1.2、1.5、1.9、2.3、或者2.5、…等正的非整数)。摆动振幅倍率K以及摆动频率倍率I是常数(在图2的例子中，I为1.5)。

不将摆动频率倍率I设为整数的理由为：在与工件W的绕中心轴线的转速完全相同的摆动频率的情况下，无法产生前述的重叠部位B1、B2、B3、B4等，无法得到通过摆动切削将切屑粉碎的效果。

另外，根据式(1)，摆动指令为针对以表示位置指令的各虚线C1、C2、C3为基准轴线的余弦波将(K×F/2)项作为偏移值减去后的指令。因此，能够在工具14的加工方向上以基于位置指令的位置为上限来控制基于将位置指令与摆动指令相加所得到的合成指令值的工具14的位置轨迹。因此，图2的曲线A1、A2、A3等在+方向(即，工具14的加工方向)上向不会超过虚线C1、C2、C3等。

并且，通过设为如式(1)所表示的摆动指令，由图2的曲线A1可知，在工具14的加工起始点(横轴上的0°的位置)，在工具14的进给方向上一开始不会出现大的摆动。

此外，在决定摆动频率和摆动振幅时被调整的各参数(式(1)中的K、I)的初始值设为在机床10运转前存储在未图示的存储部中的值。工件W的旋转速度(S)作为加工条件事前存储在未图示的存储部中。每周进给量F根据该旋转速度(S)和由位置控制部22制作出的位置指令来求出。

例如，在工件的加工形状为圆筒形、圆柱形的情况下，在沿着工件W的外周面的母线的进给轴M1(Z轴)方向即加工方向上进行摆动。

另一方面，在工件加工形状为圆锥形、圆台形(渐缩形)的情况下或者包含圆弧形的情况下，例如在沿着沿工件W的外周面的母线的倾斜方向进行摆动，即，沿着作为进给轴M1(Z轴)方向与进给轴M2(X轴)方向的合成方向的加工方向上进行摆动。

接着，说明增益设定部21进行的增益变更。

在此，增益是指控制增益。具体而言，为了计算速度控制中用于消除速度偏差的操作量，通过未图示的补偿器将速度偏差放大，在进行该放大时，在补偿器中通过乘法运算、积分来进行控制增益的计算。并且，在计算出操作量后，将计算出的操作量输入到控制对象。并且，能够将据此得到的反馈作为响应。在以下说明中，将各频率下的该输入与响应之比称为利得增益，为了计算前述的操作量，以下的说明中将在使偏差放大时使用的放大率称为控制增益。若使控制增益过大，则易于产生振荡、过冲。

关于位置控制部22的位置增益、速度控制部24的速度增益、电流控制部25的电流增益，若在保持通常的切削时的控制增益的情况下开始进行摆动切削来进行摆动动作，则工具14的位置精度容易变得不稳定，动作容易变得不稳定。这是因为，通常，为了提升高精度的伺服的响应性，在通常的切削时常常设定高的控制增益，因此，摆动频率下的利得增益的值为从0dB(分贝)偏离的绝对值。

在机床10中从通常的切削切换成摆动切削时，即，在摆动动作开始时，从摆动指令生成部23向增益设定部21发送通知摆动动作开始了的意思的信号。具体而言，如图3所示，在进行通常的切削时，为了使得即使以高频率驱动也能够维持精度，进行设定以使追随性良好的利得增益为0dB的点P的频率成为高的值。在此，在速度增益中的频率特性的情况下，追随性良好是指利得增益的值达到-3dB，通过将利得增益的值设为尽可能接近0dB的值，追随性变得良好。

图3是表示在摆动动作中切换控制增益前的状态的曲线图。

但是，在进行通常的切削的状态下，如图3所示，在用于进行摆动切削的摆动频率下，利得增益的值为从0dB偏离的值。在机床10中，在从通常的切削切换成摆动切削时，从摆动指令生成部23向增益设定部21发送通知摆动动作开始了的意思的信号。由此，增益设定部21对速度增益的值进行变更使之如图4所示那样下降后接近0dB，将速度增益提供给速度控制部24。由此，摆动频率下的利得增益的值成为0dB左右，摆动动作中的工具14的追随性提高，工具14的位置精度稳定并且动作稳定。

图4是表示在摆动动作中切换控制增益后的状态的曲线图。

以上说明的本实施方式取得以下的效果。

在本实施方式中，摆动指令生成部23将在摆动动作开始时输出的信号发送给构成增益变更部的增益设定部21，增益设定部21变更控制增益。由此，能够将摆动频率下的利得增益的值设为尽可能接近0dB的值。

另外，在本实施方式中，摆动动作的执行状态通过频率或者振幅来表示。由此，通过变更控制增益以使摆动频率下的利得增益的值成为接近0dB的值，能够提高摆动的振幅的追随性。

另外，在本实施方式中，增益变更部变更作为控制增益的位置控制部22的位置增益、速度控制部24的速度增益、电流控制部25的电流增益中的至少一方，例如增益变更部仅变更速度控制部24的速度增益。

由此，例如在变更电流增益来进行电流控制的情况下，几乎不存在来自电动机的通信延迟，因而利得增益的值以0dB进行响应的频带较宽，没有限制，但由于共振点也被提取出来因而难以处理。但是，能够不进行这样的难以处理的电流控制，仅变更速度增益来容易地进行控制。

另外，在本实施方式中，增益变更部变更控制增益，以使摆动频率下的利得增益的值接近0dB。由此，进行摆动切削的工具14的追随性变得良好，能够在摆动切削中稳定地进行加工。

以上，对本实施方式进行了说明。上述的实施方式是优选的实施方式，但不仅限定于上述实施方式，还能够以实施了各种变更的方式进行实施。例如，能够如以下说明的形变例那样进行变形来实施。

即，摆动指令生成部、位置控制部、速度控制部、电流控制部、增益变更部等结构不限定于上述实施方式中的摆动指令生成部23、位置控制部22、速度控制部24、电流控制部25、增益设定部21等结构。

另外，在上述实施方式中，增益设定部21变更了速度控制部24的速度增益，但不限定于该结构。具有增益设定部21的增益变更部变更位置控制部22的位置增益、速度控制部24的速度增益、电流控制部25的电流增益中的至少一方即可，例如也可以变更这三方。

另外，在上述实施方式中，构成增益变更部的增益设定部21为了使摆动频率下的利得增益的值尽可能接近0dB，进行变更以使速度增益的值降低，但并不限定于该构。例如，也可以是，在摆动频率下的利得增益的值低的情况等情况下、对切削要求高精度的情况下，增益变更部为了使摆动频率下的利得增益的值尽可能接近0dB，进行变更以使位置增益、速度增益、电流增益中的至少一方提高。

Claims

1.一种伺服控制装置，控制通过多个轴的协作动作对工件进行旋削加工的机床，其中，

所述伺服控制装置具备：

摆动指令生成部，其生成用于使所述工件与工具相对地摆动的摆动指令；

位置控制部、速度控制部以及电流控制部中的至少任意一方，所述位置控制部生成使所述工件与所述工具相对地移动的位置指令，所述速度控制部生成使所述工件与所述工具相对地移动的速度指令，所述电流控制部生成使所述多个轴驱动的转矩指令；以及

增益变更部，其变更控制增益，

其中，所述摆动指令生成部将在摆动动作开始时输出的信号发送到所述增益变更部，所述增益变更部变更所述控制增益。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述摆动动作的执行状态由频率或者振幅表示。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述增益变更部变更作为所述控制增益的所述位置控制部的位置增益、所述速度控制部的速度增益、所述电流控制部的电流增益中的至少一方。

4.根据权利要求3所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述增益变更部仅变更所述速度控制部的速度增益。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述增益变更部变更所述控制增益，以使摆动频率下的利得增益的值接近0分贝。