CN111752214A

CN111752214A - 伺服控制装置

Info

Publication number: CN111752214A
Application number: CN202010224675.XA
Authority: CN
Inventors: 森桥谅; 山本健太
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: US11285576B2; US20200306916A1; JP2020163487A; CN111752214B; JP7044734B2; DE102020203935A1

Abstract

本发明提供一种能够抑制在摆动加工中产生不必要的切入的伺服控制装置。伺服控制装置(20)用于通过多个轴的协调动作来对工件(W)进行车削加工的机床(10)，并具备：摆动指令生成部(23)，其生成用于使所述工件(W)与工具(11)相对地摆动的摆动指令；偏差扣除部(31、241)，其对基于用于使所述工件(W)与所述工具(11)相对地移动的移动指令的位置偏差施加所述摆动指令，并扣除稳态位置偏差；学习控制部(27)，其根据扣除了所述稳态位置偏差后的基于所述移动指令的位置偏差来计算校正量。

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与工件沿加工方向相对地摆动(振动)(摆动动作)来切碎切屑的摆动加工(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“切削工具130的在前进时的切削加工部分与在后退时的切削加工部分一部分重复，在工件W周面的第n+1圈旋转的切削部分中包含在第n圈旋转中已切削的部分，在该部分产生在切削过程中切削工具130不对工件W进行任何切削而进行空切削的、所谓的空转(日语：空振り)动作。在切削加工时从工件W产生的切屑通过所述空摆动作而被依次切断。机床10能够一边通过切削工具130沿着切削进给方向的所述往复振动来切断切屑，一边顺畅地进行工件W的外形切削加工等。”。

另外，在专利文献2中记载了“在加工程序中设置进行振动切削的指令，该振动切削被规定了在加工过程中沿着移动路径施加的振动的频率和振幅，根据基于加工程序中的移动指令的程序路径，基于校正信息来生成工具62相对于加工对象的基准位置的轨迹即校正路径，对该校正路径上的加工施加沿着校正路径的振动。由此，能够防止切削到校正路径以外的位置或过度切削加工对象。此时，通过将沿着校正路径的振动设为振幅为数百微米以下且频率为数百Hz以下的低频振动，能够通过振动将因切削而产生的切屑较细地切断。”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6416218号公报

专利文献2：日本专利第5606658号公报

发明内容

发明要解决的问题

期望抑制在摆动加工中产生不必要的切入。

本发明的目的在于提供一种能够抑制在摆动加工中产生不必要的切入的伺服控制装置。

用于解决问题的方案

(1)本公开的一个方式涉及一种伺服控制装置，用于通过多个轴的协调动作来对工件进行车削加工的机床，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；偏差扣除部，其对基于用于使所述工件与所述工具相对地移动的移动指令的位置偏差施加所述摆动指令，并扣除稳态位置偏差；以及学习控制部，其根据扣除所述稳态位置偏差后的基于所述移动指令的位置偏差来计算校正量。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种能够抑制在摆动加工中产生不必要的切入的伺服控制装置。

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之间的关系的图。

图3是表示在摆动动作中未通过高通滤波器扣除稳态偏差的情况下的工具的动作的曲线图。

图4是表示在摆动动作中通过高通滤波器扣除了稳态偏差后的工具的动作的曲线图。

附图标记说明

1：加工系统；10：机床；11：工具；20：伺服控制装置；23：摆动指令生成部；27：学习控制器(学习控制部)；31：高通滤波器(偏差扣除部)；241：加法器(加法部、偏差扣除部)；242：加法器(加法部)；251：减法器(减法部)；M0：主轴；M1、M2：进给轴；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。此外，在各附图中对相同或者相当的部分标注相同的标记。

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以及用于控制机床10的伺服控制装置20。

机床10具有工具11。工具11对具有例如圆筒形、圆柱形、圆锥形或者圆锥台形等形状的工件W进行车削加工。在图1的例子中，工具11对工件W的外周面进行车削加工。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不限于加工沿Z轴的方向的形状为直线状的工件W，也能够加工沿Z轴的方向的形状为圆弧状的工件W。另外，机床10不限于加工工件W的外周面，也能够加工圆筒形这样的工件W的内周面。另外，机床10不限于进行车削加工，也能够进行切削、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协调动作的2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来控制。

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能够进行沿Z轴方向(第一方向)进给工具11以及使工具11沿Z轴方向往复运动即摆动这两方。进给轴M2能够进行沿X轴方向(第二方向)进给工具11以及使工具11沿X轴方向往复运动即摆动这两方。

在对圆柱形或者圆筒形的工件W进行车削加工的情况下，使工件W绕工件W的中心轴线(Z轴)旋转，并且仅沿着沿工件W的外周面的母线的Z轴方向(该情况下的加工方向)进给工具11。

另一方面，在对如锥形形状或者圆弧形的工件W那样、外径在Z轴方向上不同的工件W进行车削加工的情况下，使工件W绕该工件W的中心轴线(Z轴)旋转，并且沿着沿工件W的外周面的母线的倾斜方向(Z轴方向与X轴方向的合成方向)(该情况下的加工方向)进给工具11。在该情况下，为了沿着沿工件W的外周面的母线的倾斜方向进给工具11，需要至少2个进给轴M1、M2。通过控制进给轴M1和进给轴M2这两方，来沿着沿工件W的外周面的母线的倾斜方向进给工具11。

控制装置20使用计算机来构成，该计算机具备经由总线彼此连接的、ROM(readonly memory，只读存储器)、RAM(random access memory，随机存取存储器)等存储器、CPU(control processing unit，中央处理单元)、以及通信控制部。并且，伺服控制装置20具备位置指令制作部22、摆动指令生成部23(包括未图示的摆动振幅计算部、摆动频率计算部以及后述的图2的摆动指令计算部231)、控制部26(包括后述的图1的加法器241、242、减法器251、学习控制器27以及位置速度控制器28)、构成偏差扣除部的高通滤波器31以及未图示的存储部，这些各部的功能或者动作能够通过使上述计算机中搭载的CPU、存储器以及该存储器中存储的控制程序协同动作来实现。

未图示的存储部存储有工件W的加工条件等。工件W的加工条件包括工件W与工具11的绕工件W的中心轴线的相对的旋转速度、工具11与工件W的相对的进给速度以及进给轴M1、M2的位置指令等。

也可以是，伺服控制装置20与CNC(Computer Numerical Controller，计算机数字控制器)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等上级计算机(未图示)连接，从上级计算机向未图示的存储部输入前述的旋转速度、进给速度等。另外，也可以是，未图示的存储部、位置指令制作部22不在伺服控制装置20内，而是具备于上述的上级计算机。

另外，也可以是，未图示的存储部存储有由机床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和进给速度来作为加工条件，并输出到位置指令制作部22、摆动指令生成部23。

位置指令制作部22制作用于使工件W与工具11相对地移动的位置指令。具体而言，位置指令制作部22具有基于工件W与工具11的绕工件W的中心轴线的相对的旋转速度以及工具11与工件W的相对的进给速度来制作进给轴M1、M2的位置指令的功能。该位置指令成为指示沿着沿工件W的外周面的母线的方向(加工方向)相对地进给工具11以及工件W时的目标位置的指令。

摆动指令生成部23使用来自位置指令制作部22的位置指令，生成使工件W与工具11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，使得成为旋转速度的正的非整数倍的摆动频率并且使工具11对工件W进行断续切削。摆动指令是被制作为与前述的绕中心轴线的旋转速度不同步的周期性的指令，包括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来表示。后述的摆动指令的式(1)中的基于S/60×I的项的值相当于摆动频率，式(1)中的基于K×F/2的项的值相当于摆动振幅。

在此，断续切削也称为摆动切削或者振动切削，是指一边使工具11周期性地与工件W接触以及从工件W离开一边对工件W进行车削加工。另外，在图1中设为工件W旋转并且工具11相对于工件W进行摆动，但也可以是工具11绕工件W的中心轴线旋转并且工件W相对于工具11进行摆动的结构。另外，在图1中，通过1个进给轴M1、M2进行工件W的进给动作和摆动动作这两方，但也可以是由不同的进给轴分别进行工件W的进给动作和摆动动作的结构。

下面，详细地说明摆动指令生成部23。图2是表示进给量与旋转角度之间的关系的图。图2中的横轴表示工件W的旋转角度，纵轴表示工具11在加工方向(即，图1的沿工件W的外周面的母线的方向)上的进给量。图2示出沿倾斜方向延伸的多个直线状虚线C1、C2、C3…。由图2可知，虚线C1与纵轴间的交点的纵轴坐标相当于下一虚线C2的开始点处的纵轴坐标。同样，虚线C2与纵轴间的交点的纵轴坐标相当于下一虚线C3的开始点处的纵轴坐标。该多个直线状虚线C1、C2、C3…表示在无摆动指令的情况下工具11在工件W上的轨迹。另一方面，图2所示的曲线A1、A2、A3…表示在有摆动指令的情况下工具11在工件W上的轨迹。即，虚线C1、C2、C3等仅表示加上摆动指令之前的位置指令(原始的指令值)，曲线A1、A2、A3等表示加上摆动指令之后的位置指令。因此，曲线A1、A2、A3表示对由虚线C1、C2、C3表示的各位置指令加上余弦波状的摆动指令得到的指令。

另外，曲线A1是工具11在工件W的第一圈旋转中的轨迹，曲线A2是工具11在工件W的第二圈旋转中的轨迹，曲线A3是工具11在工件W的第三圈旋转中的轨迹。为了简洁，省略工具11在工件W的第四圈旋转以后的旋转中的轨迹的图示。

摆动指令生成部23如以下这样制作摆动指令。摆动指令生成部23决定摆动频率，以制作分别以虚线C1、C2、C3为基准轴线的曲线A1、A2、A3这样的指令，其中，虚线C1、C2、C3是由位置指令制作部22制作出的进给轴M1、M2的位置指令。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的情况下，优选如图2所示那样，使以某虚线、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条虚线、例如虚线C1为基准轴线的余弦波状的曲线A1偏移半个周期。其原因是，在偏移半个周期的情况下，能够使摆动指令的摆动振幅最小，其结果，能够最高效地切碎切屑。

摆动指令生成部23决定前述的摆动指令的摆动振幅，以制作分别以虚线C1、C2、C3为基准轴线的曲线A1、A2、A3这样的指令。后述的式(1)中的基于K×F/2的项的值为摆动振幅。图2所示的曲线A1与曲线A2在旋转角度约为0度的位置B1和旋转角度约为240度的位置B2处相互重叠。由图2可知，在位置B1、B2处，曲线A1相对于虚线C1的最大值大于曲线A2相对于虚线C2的最小值。换言之，优选的是，摆动指令生成部23以使前一曲线A1与后一曲线A2彼此部分重叠的方式决定摆动振幅。此外，在曲线A1、A2、A3中，进给速度固定，因此各摆动指令的摆动振幅也全部相同。

在该重叠位置B1、B2处，在以曲线A2的轨迹进行加工时，工具11与工件W分离，因此不对工件W进行加工。在本实施方式中，周期性地产生这样的重叠位置B1、B2，因此能够进行所谓的断续切削。在图2所示的例子中，通过按照曲线A2的动作，在位置B1、B2处分别产生切屑。即，在第二圈旋转的曲线A2中产生2个切屑。由于周期性地进行这样的断续切削，因此能够进行振动切削。

并且，相对于虚线C3形成的曲线A3的形状与曲线A1的形状相同。曲线A2与曲线A3在旋转角度约为120°的位置B3和约为360°的位置B4处重叠。通过按照曲线A3的动作，在位置B3、B4处分别产生切屑。即，在第三圈旋转的曲线A3中产生2个切屑。之后，工件每旋转一周产生2个切屑。但是，在第一圈旋转中不产生切屑。

通过这样地决定摆动频率和摆动振幅，控制部26内的摆动指令生成部23制作摆动指令。

例如，摆动指令表示为下式(1)。

【数1】

在式(1)中，K为摆动振幅倍率，F为工件W每旋转一周的工具11的移动量、即每转进给量[mm/rev]，S为绕工件W的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的项，前述的摆动振幅相当于式(1)中的K×F/2的项。其中，摆动振幅倍率K为1以上的数，摆动频率倍率I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为常数(在图2的例子中，I为1.5)。

不将摆动频率倍率I设为整数的原因是：在成为与绕工件W的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位置B1、B2、B3、B4等，无法得到由摆动切削产生的切屑的切碎效果。

另外，根据式(1)，摆动指令为从以表示位置指令的各虚线C1、C2、C3为基准轴线的余弦波减去作为偏移值的(K×F/2)的项来得到的指令。因此，能够在工具11的加工方向上将基于位置指令的位置作为上限，来控制基于对位置指令加上摆动指令得到的合成指令值的工具11的位置轨迹。因此，图2的曲线A1、A2、A3等在+方向(即，工具11的加工方向)上不超过虚线C1、C2、C3等。

并且，通过设为用式(1)表示的那样的摆动指令，根据图2的曲线A1可知，使得不在工具11的加工开始点(横轴的0°的位置)处从最初起在工具11的进给方向上产生大的摆动。

此外，设为在决定摆动频率和摆动振幅时所调整的各参数(式(1)中的K、I)的初始值在机床10运转前存储于未图示的存储部。工件W的旋转速度(S)作为加工条件预先存储于未图示的存储部。根据该旋转速度(S)和由位置指令制作部22制作的位置指令来求出每转进给量F。

例如，在工件的加工形状为圆筒形、圆柱形的情况下，沿着作为沿工件W的外周面的母线的进给轴M1(Z轴)方向的加工方向进行摆动。

另一方面，在工件加工形状为圆锥形、圆锥台形(锥形)的情况下或者包括圆弧形的情况下，例如，沿着作为沿工件W的外周面的母线的倾斜方向、即进给轴M1(Z轴)方向与进给轴M2(X轴)方向的合成方向的加工方向，进行摆动。

摆动指令生成部23的摆动指令计算部231基于摆动振幅以及摆动频率，来通过式(1)计算出摆动指令。

控制部26具有如下功能：基于对前述的位置指令与进给轴M1、M2的实际位置之差即位置偏差加上前述的摆动指令得到的合成指令(例如位置指令值)来制作转矩指令，来控制进给轴M1、M2。进给轴M1、M2的实际位置相当于由该进给轴M1、M2所搭载的编码器等位置检测部(未图示)得到的位置反馈值。

控制部26具备加法器241、242、减法器251、学习控制器27以及位置速度控制器28。

减法器251求出由位置指令制作部22制作出的位置指令(移动指令)与来自进给轴M1、M2的编码器的位置反馈(实际位置)之差即位置偏差。加法器241构成偏差扣除部，将从减法器251输出并被积分得到的位置偏差与由摆动指令生成部23制作出的摆动指令相加，来制作合成指令。

高通滤波器31构成偏差扣除部，使刚从加法器241输出后的合成指令中的高频成分通过，去除低频成分，由此去除低频成分中含有的稳态偏差(稳态位置偏差)地制作合成指令。

学习控制器27针对工具11的摆动中的、X轴、Z轴方向中的任一方向的摆动进行学习。学习控制器27输入从高通滤波器31输出的合成指令，并进行学习控制使得合成指令的校正量变小，由此求出合成指令的校正量。加法器242将即将输入到位置速度控制器28之前的合成指令加上由学习控制器27求出的校正量。

位置速度控制器28基于由学习控制器27校正后的合成指令进行位置控制、速度控制以及电流控制，对进给轴M1、M2中的伺服电动机进行驱动控制。

在基于以上那样的结构的加工系统1中，如前所述，通过高通滤波器31来去除刚从加法器241输出后的合成指令中的低频成分，由此去除低频成分中含有的稳态偏差。因此，如图4所示，实际位置(粗线的曲线图)在横轴即X轴方向上没有较大地偏离移动指令(细线的曲线图)，与移动指令几乎一致。图4是表示在摆动动作中通过高通滤波器31扣除稳态偏差后的工具11的动作的曲线图。

与此相对，在没有通过高通滤波器31进行稳态偏差的扣除的情况下，学习控制器27针对稳态偏差也进行学习，因此如图3所示，实际位置(粗线的曲线图)在横轴即X轴方向上较大地偏离移动指令(细线的曲线图)。因此，例如，在工件W的剖面形状为锥形形状、圆弧形状的情况下，产生对工件W的不必要的切入。图3是表示在摆动动作中没有通过高通滤波器31扣除稳态偏差的情况下的工具11的动作的曲线图。

以上说明的本实施方式起到以下的效果。

在本实施方式中，具备：作为扣除稳态位置偏差的偏差扣除部的高通滤波器31、加法器241，其对基于用于使工件W与工具11相对地移动的移动指令的位置偏差施加所述摆动指令；以及作为学习控制部的学习控制器27，其根据扣除了所述稳态位置偏差后的基于所述移动指令的位置偏差来计算校正量。由此，能够抑制由于学习控制器27对稳态偏差也进行学习而导致的实际位置相对于移动指令显著地突出。因此，尤其能够抑制在摆动加工中产生不必要的切入，例如，在工件W的剖面形状为锥形形状、圆弧形状的情况下，能够抑制在摆动加工中产生不必要的切入。

以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述的实施方式中，例示了工件W旋转并且工具11沿工件W的外周面的母线摆动的结构，但是本发明不限于该结构。

本发明所涉及的机床为以下结构即可：对使工件W与工具11绕工件W的中心轴线相对地旋转的主轴M0以及使工件W与工具11沿着沿该中心轴线的加工方向相对地进给的至少2个进给轴M1、M2等进行控制，来加工工件W。例如，能够设想以下结构：工具11绕工件W的中心轴线旋转并且工件W相对于工具11摆动；或者工件W旋转并且工件W相对于工具11沿着沿工件W的外周面的母线的方向摆动。在本发明中，将使工具11绕工件W的中心轴线旋转来切削工件W的加工方法也作为加工的一种。

Claims

1.一种伺服控制装置，用于通过多个轴的协调动作来对工件进行车削加工的机床，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；

偏差扣除部，其对基于用于使所述工件与所述工具相对地移动的移动指令的位置偏差施加所述摆动指令，并扣除稳态位置偏差；以及

学习控制部，其根据扣除所述稳态位置偏差后的基于所述移动指令的位置偏差来计算校正量。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述偏差扣除部具有高通滤波器。