CN111752226A - 伺服控制装置 - Google Patents

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CN111752226A CN202010221088.5A CN202010221088A CN111752226A CN 111752226 A CN111752226 A CN 111752226A CN 202010221088 A CN202010221088 A CN 202010221088A CN 111752226 A CN111752226 A CN 111752226A
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Abstract

本发明提供一种伺服控制装置，该伺服控制装置能够在摆动加工中防止工件产生不必要的切入。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)和工具(11)相对地摆动的摆动指令；位置偏差估计部(31)，其根据用于使工件(W)和工具(11)相对地移动的移动指令来估计出估计位置偏差；加法部(241)，其对基于移动指令的位置偏差施加摆动指令；减法部(252)，其从施加了摆动指令的位置偏差中扣除估计位置偏差；学习控制部(27)，其根据扣除估计位置偏差后的基于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和工件在加工方向上相对地摆动(振动)(摆动动作)来将切屑粉碎的摆动加工(例如，参考专利文献1以及专利文献2)。
在专利文献1中记载了“切削工具130的往运动时的切削加工部分与复运动时的切削加工部分的一部分重复，工件W周面的第n+1周旋转的切削部分中包含在第n周旋转中已完成切削的部分，在该部分中产生切削工具130在切削过程中不对工件W进行任何切削、进行空削的所谓的空振动作。在切削加工时，从工件W产生的切屑通过所述空振动作被依次切断。机床10能够一边通过沿着切削工具130的切削进给方向的所述往复振动将切屑切断，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“在加工程序中设置用于进行规定了在加工过程中沿移动路径施加的振动的频率和振幅的振动切削的指令，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的针对加工对象的基准位置的轨迹即校正路径，在按该校正路径进行的加工中施加沿着校正路径的振动。由此，能够防止对校正路径以外的位置进行切削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，能够通过振动将通过切削产生的切屑细小地切断。”。
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
期望在摆动加工中抑制工件产生不必要的切入。
本发明的目的在于提供一种能够在摆动加工中防止工件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)本发明的一个实施方式涉及一种伺服控制装置，用于通过多个轴的协调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和工具相对地摆动的摆动指令；位置偏差估计部，其根据用于使所述工件和所述工具相对地移动的移动指令来估计出估计位置偏差；加法部，其对基于所述移动指令的位置偏差施加所述摆动指令；减法部，其从施加了所述摆动指令的位置偏差中扣除所述估计位置偏差；学习控制部，其根据扣除所述估计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，能够提供一种能够在摆动加工中防止工件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构成的图。
图2是说明本实施方式所涉及的机床的伺服控制装置的位置偏差估计部的图。
图3是表示摆动动作中的进给量与旋转角度的关系的图。
图4是表示在摆动动作中未从位置偏差减去由位置偏差估计部估计出的估计位置偏差的情况下的工具的动作的曲线图。
图5是表示在摆动动作中从位置偏差减去由位置偏差估计部估计出的估计位置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：位置偏差估计部；241、242：加法器(加法部)；251、252：减法器(减法部)；312：1通信周期延迟部(估计速度计算部)；315：位置增益项乘法运算部(估计速度计算部、估计位置偏差计算部)；316：减法器(估计速度计算部、估计位置偏差计算部)；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。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是说明加工系统1的结构的图，该加工系统1具备机床10的伺服控制装置20。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11。工具11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11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11在Z轴方向(第一方向)上进给并且使工具11在Z轴方向上进行往复运动即摆动。进给轴M2能够使工具11在X轴方向(第二方向)上进给并且使工具11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11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，在对如渐缩形状或圆弧形的工件W那样的外径在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11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11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11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。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(包含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(包含后述的图1的加法器241、242、减法器251、252、学习控制器27以及位置速度控制器28)、位置偏差估计部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搭载于上述计算机的CPU、存储器以及该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。工件W的加工条件中包括工件W与工具11的绕工件W的中心轴线的相对旋转速度、工具11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指令制作部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，并输出到位置指令制作部22、摆动指令生成部23。
位置指令制作部22制作使工件W与工具11相对地移动的位置指令。具体地说，位置指令制作部22具有基于工件W与工具11的绕工件W的中心轴线的相对旋转速度以及工具11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11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使用来自位置指令制作部22的位置指令来生成使工件W与工具11相对地摆动的摆动指令。具体地说，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11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11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11相对于工件W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。
下面，详细地说明摆动指令生成部23。图3是表示进给量与旋转角度的关系的图。图3中的横轴表示工件W的旋转角度，纵轴表示工具11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3中示出沿斜方向延伸的多个直线状虚线C1、C2、C3…。由图3可知，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11在工件W上的轨迹。另一方面，图3所示的曲线A1、A2、A3…表示存在摆动指令的情况下的工具11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11的轨迹，曲线A2是工件W的第二周旋转时的工具11的轨迹，曲线A3是工件W的第三周旋转时的工具11的轨迹。为了简洁，省略工件W的第四周旋转以后的工具11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，以制作如由位置指令制作部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3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3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3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11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周期性地产生，因而能够进行所谓的间歇切削。在图3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。
控制部26内的摆动指令生成部23通过这样来决定摆动频率和摆动振幅，由此制作摆动指令。
例如，摆动指令如下式(1)那样表示。
【式1】
Figure BDA0002426071640000071
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11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3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11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11的位置轨迹。因此，图3的曲线A1、A2、A3等在+方向(即，工具11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3的曲线A1可知，在工具11的加工起始点(横轴上的0°的位置)，在工具11的进给方向上一开始不会出现大的摆动。
此外，设为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)的初始值在机床10运转前存储在未图示的存储部中。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)和由位置指令制作部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，通过式(1)来计算摆动指令。
控制部26具有基于将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同前述的摆动指令相加所得到的合成指令(例如位置指令值)制作转矩指令来控制进给轴M1、M2的功能。进给轴M1、M2的实际位置相当于通过搭载于该进给轴M1、M2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、252、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将从减法器251输出且进行积分得到的位置偏差与由摆动指令生成部23制作的摆动指令相加来制作合成指令。
位置偏差估计部31根据由位置指令制作部22制作出的移动指令来估计出估计位置偏差。在后文中叙述位置偏差估计部31的详情。减法器252对紧接从加法器241输出之后的合成指令减去由位置偏差估计部31估计出的估计位置偏差来制作合成指令。
学习控制器27关于工具11的摆动中的在X轴、Z轴方向中的任意一个方向上的摆动进行学习。学习控制器27被输入从减法器252输出的合成指令，通过以使合成指令的校正量变小的方式进行学习控制，来求出合成指令的校正量。加法器242将即将向位置速度控制器28输入之前的合成指令与由学习控制器27求出的校正量相加。
位置速度控制器28基于由学习控制器27进行了校正的合成指令，进行位置控制、速度控制以及电流控制，对进给轴M1、M2的伺服电动机进行驱动控制。
下面，详细说明位置偏差估计部31。图2是说明伺服控制装置20的位置偏差估计部31的图。
如图2所示，位置偏差估计部31具备：前馈项乘法运算部311、构成估计位置偏差计算部的1通信周期延迟部312、构成估计速度计算部的位置增益项乘法运算部315、构成估计位置偏差计算部的减法器316、以及加法器317。在位置偏差估计部31中，通过从1通信周期前的移动指令减去估计速度来求出估计位置偏差。
具体地说，前馈项乘法运算部311将来自位置指令制作部22的移动指令与前馈项相乘。移动指令与前馈项的积被输入到加法器317。
1通信周期延迟部312被输入来自位置指令制作部22的移动指令，将1通信周期前的移动指令向减法器316输出。减法器316从1通信周期延迟部312输出的1通信周期前的移动指令减去从加法器317输出的估计速度。而且，对来自减法器316的输出进行积分来求出估计位置偏差，并输入到位置增益项乘法运算部315。
位置增益项乘法运算部315将求出的估计位置偏差与位置增益项相乘后向加法器317输出。
加法器317将估计位置偏差与位置增益项的积同移动指令与前馈项的积相加来求出估计速度。
在基于上述那样的结构的加工系统1中，如前述那样，以使减去由位置偏差估计部31估计出的估计位置偏差后的合成指令的校正量变小的方式进行学习控制来求出合成指令的校正量，基于通过该校正量进行了校正的合成指令对伺服电动机进行进行驱动控制。因此，如图5所示，实际位置(粗线的曲线图)在横轴即X轴方向上并未较大地偏离移动指令(细线的曲线图)，而是与移动指令大致一致。图5是表示在摆动动作中从位置偏差减去由位置偏差估计部31估计出的估计位置偏差后的工具11的动作的曲线图。
与此相对地，在不利用位置偏差估计部31进行估计的情况下，学习控制器27关于稳态偏差也会进行学习，因此，如图4所示，实际位置(粗线的曲线图)在横轴即X轴方向上较大地偏离移动指令(细线的曲线图)。因此，例如在工件W的截面形状为渐缩形状、圆弧形状的情况下，对工件W产生不必要的切入。图4是表示在摆动动作中未从位置偏差减去由位置偏差估计部31估计出的估计位置偏差的情况下的工具11动作曲线图。
以上说明的本实施方式实现如下的效果。
在本实施方式中，具备根据用于使工件W和工具11相对地移动的移动指令来估计出估计位置偏差的位置偏差估计部31，根据扣除估计位置偏差后的基于移动指令的位置偏差来计算校正量。由此，能够防止由于学习控制器27关于稳态偏差也进行了学习而使实际位置相对于移动指令较大地突出。因此，尤其能够防止在摆动加工中产生不必要的切入，例如在工件W的截面形状为渐缩形状、圆弧形状的情况下，能够防止在摆动加工中产生不必要的切入。
另外，在本实施方式中，位置偏差估计部31具备：估计速度计算部(1通信周期延迟部312、位置增益项乘法运算部315、减法器316)，其根据位置增益和移动指令来计算估计速度；以及估计位置偏差计算部(位置增益项乘法运算部315、减法器316)，其根据移动指令和估计速度来计算估计位置偏差，并且位置偏差估计部31根据移动指令和估计速度估计出估计位置偏差后提供给减法部。由此，能够通过将位置增益(PG)项与前馈(FF)项相加来求出估计速度，估计理想的位置偏差。
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的实施方式，能够进行各种变更以及变形。例如，在上述的实施方式中，例示了在工件W旋转的同时使工具11沿工件W的外周面的母线进行摆动的结构，但是本发明并不限定于该结构。
本发明所涉及的机床是控制使工件W和工具11绕工件W的中心轴线相对地旋转的主轴M0、使工件W和工具11在沿着该中心轴线的加工方向上相对地进给的至少两个进给轴M1、M2等对工件W进行加工的结构即可。例如，可以设想在工具11绕工件W的中心轴线旋转的同时使工件W相对于工具11进行摆动的结构、或者在工件W旋转的同时使工件W在沿着工件W的外周面的母线的方向上相对于工具11进行摆动的结构。在本发明中，将工具11绕工件W的中心轴线进行旋转来切削工件W的加工方法也设为加工的一种。

Claims (2)

1.一种伺服控制装置，用于通过多个轴的协调动作对工件进行旋削加工的机床，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和工具相对地摆动的摆动指令；
位置偏差估计部，其根据用于使所述工件和所述工具相对地移动的移动指令来估计出估计位置偏差；
加法部，其对基于所述移动指令的位置偏差施加所述摆动指令；
减法部，其从施加了所述摆动指令的位置偏差中扣除所述估计位置偏差；以及
学习控制部，其根据扣除所述估计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，
所述位置偏差估计部具备：
估计速度计算部，其根据位置增益和所述移动指令来计算估计速度；以及
估计位置偏差计算部，其根据所述移动指令和所述估计速度来计算估计位置偏差，
所述位置偏差估计部根据所述移动指令和所述估计速度来估计所述估计位置偏差，并提供给所述减法部。
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