CN1807014A - 机床加工端控制器 - Google Patents

Abstract

一种控制器，用于控制从动元件相对机床加工端的位置以与指令一致。加速度传感器安装于固定工具的机床加工端部件。扭矩估算器对传感器检测的加速度进行二次积分来获得机床加工端自最初位置的位移Δυ。从位置指令Pc中减去从动元件的位置反馈P1来获得第一位置偏差ε1。位移Δυ加于第一位置偏差ε1来获得第二位置偏差ε2。对第二位置偏差ε2进行学习控制器的学习控制来获得加于第一位置偏差ε1的修正值，以获得速度指令Vc。该第二位置偏差是从动元件自指令位置的位移ε1与机床加工端相对从动元件的位移Δυ的总和，因此表示机床加工端自指令位置的位移。对第二位置偏差进行学习控制以收敛到“0”，由此从动元件相对机床加工端的位置与指令一致。

Description

机床加工端控制器

技术领域

本发明涉及控制机床的控制器，更具体来说，涉及从动元件相对机床中机床加工端的位置控制。

背景技术

在机床中，为了控制由伺服电机驱动的从动元件的位置和速度，通常进行位置反馈控制和速度反馈控制以及电流反馈控制，以使从动元件的位置和速度可与指令位置和速度一致。

甚至在进行这种位置、速度和电流反馈控制时，当伺服电机的加速度突然变化时从动元件也容易振动。为了避免这一情况，已经提出了一种控制方法，其中提供一种用于检测从动元件的加速度的加速度传感器，从通过速度反馈控制取得的电流指令中减去来自加速度传感器的信号输出，所得差值用作电流反馈控制的电流指令。具体地说，在从动元件振动时，包含在指示由加速度传感器检测的从动元件的加速度的加速度信号中的振动成分构成关于电流反馈控制的电流指令的误差。因而，从电流指令中减去振动成分以消除误差，并利用所得的差值，控制伺服电机的驱动电流，以抑制振动(参见JP06-91482A)。

同样，在加工以预定间隔重复的图案时，采用学习控制，其中使位置偏差量收敛在零附近，以保证较高精度的加工(见JP06-309021A以及JP04-323706A)。

图6是实现传统学习控制的学习控制器的框图。在各位置循环处理间隔中，从位置指令Pc中减去位置反馈值P1而获得位置偏差ε，对其加上重复图案的刚刚在前间隔中所获得的修正值x，结果经由带限滤波器22a滤波并存储在延迟元件存储器22b中。该延迟元件存储器22b包括用于存储与重复图案的一个间隔相应的修正值x，并且在各位置循环处理间隔中，输出在重复图案的刚刚在前位置循环处理间隔中所获得的修正值x。输出修正值通过动态特征补偿元件22c补偿控制系统的相位滞后和增益下降，随后加到位置偏差ε上。所得总和乘以位置增益21，结果作为速度指令Vc输出。

这样，在学习控制中，存储在重复图案的刚刚在前位置循环处理间隔中的修正值x加到位置偏差ε上，且基于由此修正的位置偏差所获得的速度指令Vc输出到速度控制部分。重复执行学习控制，使位置偏差ε收敛到“0”。

一般地，由伺服电机驱动的从动元件被控制为相对机床加工端移动，在该机床加工端处，与工件接触的执行加工的工具固定地设置在机床中，且从动元件相对机床加工端的相对位置、速度等被控制。这样，通过安装到从动元件的检测器，对用于驱动从动元件的伺服电机进行位置、速度和电流循环控制，以控制从动元件的位置和速度，并进而执行前述的学习控制，以使位置偏差收敛于“0”，由此，可以使从动元件按照指令移动。

然而，在从动元件和机床加工端之间的机床刚度低的情况下，从动元件相对机床加工端的运动不总是与指令的运动一致。而且，在要求执行高速度、高精度加工的机床以高加速度运行的情况下，即便机床刚度较高，由扭矩等造成的从动元件和机床加工端之间的位移有时变得很大而不能忽略。

在JP06-91482A中，为了抑制从动元件的振动，加速度传感器安装到从动元件，并且基于由该加速度传感器检测的加速度，修正电流指令，以抑制振动。因而，公开的技术用于抑制振动，并从而稳定加工，而并非使从动元件相对机床加工端的运动与指令一致。

发明内容

本发明提供能够控制由电机驱动的从动元件相对机床的机床加工端的相对运动与控制器的指令一致的控制器。

本发明的控制器具有分别控制电机位置和速度的位置的控制部分和速度控制部分，以控制由电机驱动的从动元件相对机床的机床加工端的相对运动。根据本发明的技术方案，该控制器包括：位置检测装置，用于检测电机或从动元件的位置；获得电机的位置指令与由位置检测装置检测的电机的位置之间的第一位置偏差的装置；加速度检测装置，用于检测机床加工端的加速度；转换装置，通过转换由加速度检测装置检测的加速度来确定机床加工端的位置；通过将所获得的第一位置偏差与确定的机床加工端位置相加来获得第二位置偏差的装置；和学习控制装置，用于计算并输出将第二位置偏差收敛到零的修正值，其中，修正值加到第一位置偏差上，所得总和乘以一个位置增益，所得乘积作为速度指令输出到速度控制部分。通过由转换装置转换机床加工端的加速度所获得的位置可以由高通滤波器进行滤波。

根据本发明的另一个技术方案，一种控制器包括：位置检测装置，用于检测电机或从动元件的位置；获得电机的位置指令与由位置检测装置检测的电机的位置之间的第一位置偏差的装置；速度检测装置，用于检测电机或从动元件的速度；估算装置，基于由速度检测装置检测的速度和从速度控制部分输出的扭矩指令来估算机床加工端的扭矩量；用于将所获得的第一位置偏差与估算的扭矩量相加来获得第二位置偏差的装置；和学习控制装置，用于计算并输出将第二位置偏差收敛到零的修正值，其中，修正值加到第一位置偏差上，所得总和乘以位置增益，所得乘积作为速度指令输出到速度控制部分。由估算装置估算的机床加工端的扭矩量可以由高通滤波器进行滤波。

因此，固定工具的机床加工端的位移量被检测，包含位移的机床加工端的位置被学习控制所控制，以与指令位置一致。所以，即便在机床刚度低且因此由张力或扭矩导致由电机驱动的从动元件与机床加工端之间的位移的情况下，该位移也可以修正，使机床加工端按照指令移动。同样，在机床要求执行高速度、高精度加工并因此即便因张力或扭矩导致的由电机驱动的从动元件与机床加工端之间的微小位移也不应忽视的情况下，也能令人满意地进行高速度、高精度加工。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施例的主要部分的框图；

图2是详细表示第一实施例的位置控制部分的框图；

图3是表示本发明的第二实施例的主要部分的框图；

图4是详细表示第二实施例的位置控制部分的框图；

图5是表示第二实施例的机床模型和扭矩估算器的框图；

图6是学习控制器的框图；

图7a和7b是表示电机位置相对指令位置和机床加工端位置的模拟结果的图表，其中位置和速度反馈控制以不执行学习控制的半闭合循环实现；

图8a和8b是表示电机位置相对指令位置和机床加工端位置的模拟结果的图表，其中位置和速度反馈控制以执行学习控制的半闭合循环实现；以及

图9a和9b是表示电机位置相对指令位置和机床加工端位置的模拟结果的图表，其中位置和速度反馈控制以采用本发明的第二实施例的半闭合循环实现。

具体实施方式

图1是表示本发明的第一实施例的主要部分的框图。在第一实施例中，加速度传感器安装到机床加工端处的部件，实际布置为与待加工的工件接触的工具等固定在该处。基于由加速度传感器检测的加速度，获得并修正固定工具的部件的位移，使工具可以按照指令移动。

在所述的实施例中，作为举例，线性电机用作伺服电机，用于驱动从动元件。在图1中，待加工的工件8连接到由线性电机6驱动的从动元件7。加速度传感器11连接于部件10，该部件10为机床加工端，其固定有工具，例如用于在工件上执行加工的刀具。相对机床加工端的工件8(从动元件7)的相对位置由加工程序支配，以被控制来用于利用工具加工工件8。用于检测从动元件7的位置的位置检测器9安装到线性电机6。

与传统电机控制器类似，用于控制线性电机6的控制器包括位置、速度和电流控制部分，用于经由处理器等执行位置、速度和电流反馈控制。在这一实施例中，与传统控制器相比，位置控制部分采用不同构造。

首先，描述控制器。基于从主控制器输出的位置指令Pc和来自位置检测器9的位置反馈P1，位置控制部分1执行位置反馈控制过程、学习控制等，且在这一实施例中，进一步基于来自加速度传感器11的加速度反馈A，以获得速度指令Vc，该速度指令Vc输出到速度控制部分2。与传统控制器类似，基于来自位置控制部分1的速度指令Vc和由微分器5通过对来自位置检测器9的位置反馈P1进行微分而获得的速度反馈w1，速度控制部分2执行速度循环控制过程，以获得扭矩指令(电流指令)Tc。

基于来自速度控制部分2的扭矩指令Tc和自没有示出的电流检测器返回的电流反馈，电流控制部分3执行电流循环控制，以经由放大器4驱动线性电机6，这与传统控制器中的一样。在用于控制线性电机6的控制器中，在速度控制部分2、电流控制部分3等以与传统控制器中一样的方式构造的同时，位置控制部分1的构造不同于传统的位置控制部分。

图2是表示位置控制部分1的细节的框图。位置控制部分1与传统位置控制部分的不同在于，其设有学习控制器22、高通滤波器23以及位置转换器24。自加速度传感器11反馈回的加速度反馈A在位置转换器24中进行二次积分，以获得机床加工端(机床加工端处的部件10，其为机床的最终控制点)的位移。机床加工端部件10固定到机床，因而，其位置保持不变。然而，在从动元件7和机床加工端的部件10之间的刚度低的情况下，机床加工端从最初位置移动。同样，在要求高速度、高精度加工的情况下，甚至微小的位移都影响加工精度。因而，位移通过对由加速度传感器11检测的加速度进行二次积分而获得。

另一方面，与传统位置循环控制过程一样，从由主控制器提供的位置指令Pc中减去来自位置检测器9的位置反馈值P1，以获得位置偏差ε1。此后该位置偏差ε1表示第一位置偏差。该第一位置偏差ε1加到由位置转换器24所获得的位移量通过高通滤波器23来提取干扰成分而获得的值上，以获得第二位置偏差ε2，其被输入到学习控制器22中。随后，学习控制器22的输出和第一位置偏差ε1相加在一起，以修正第一位置偏差ε1，且该修正的位置偏差乘以位置增益21，以获得作为位置控制部分1的输出的速度指令Vc。

第一位置偏差ε1表示从动元件(电机)7相对位置指令Pc的位移。另一方面，由位置转换器24所获得的位移是机床加工端的部件10从原始位置的位移，并表示由机床张力或扭矩造成的位移量。第二位置偏差ε2是这两个位移量，即，从动元件7相对位置指令Pc的位移以及机床加工端相对从动元件的位移的和，并因此表示机床加工端相对指令位置的位移量。因而，通过使第二位置偏差ε2收敛到“0”，就能够使机床加工端的位置与从动元件7的指令位置一致，即工件8固定于从动元件7。因此，在这一实施例中，学习控制被执行，以使第二位置偏差ε2收敛到“0”。

学习控制器22具有与表示在图6中的传统学习控制器相同的构造，并包括带限滤波器22a、延迟元件存储器22b以及动态特征补偿元件22c。本学习控制器22与传统学习控制器的区别仅在于学习控制器22被输入第二位置偏差ε2，以及来自其的输出被加到第一位置偏差ε1上。

根据第一实施例，在各位置循环控制间隔中，第二位置偏差ε2加到存储在以预定间隔重复的图案的刚刚在前位置循环间隔中的修正值x上，且所得总和通过带限滤波器22a滤波，以稳定控制系统，并随后存储在延迟元件存储器22b中，作为当前位置循环控制间隔的修正值x。另外，存储在延迟元件存储器22b中的重复图案的刚刚在前位置循环间隔的修正值x通过动态特征补偿元件22c补偿控制系统的相位滞后和增益下降，且结果从学习控制器22输出。在位置控制部分1中，第一位置偏差ε1和学习控制器22的输出相加在一起，且所得总和乘以位置增益21，其结果作为速度指令Vc输出。

这样，通过学习控制器22的学习控制，第二位置偏差ε2被控制，以收敛到“0”，由此，可以使机床加工端(部件10)的位置与位置指令Pc一致，实现高精度加工。

图3是表示本发明的第二实施例的主要部分的框图。

在第二实施例中，不采用加速度传感器。不同的是，机床加工端的位置通过利用机床模型预测，并被控制与指令位置一致。首先，说明第二实施例的工作原理。

在位置检测器和机床加工端的关系表示为忽略摩擦项的双惯量系统时，下面的等式(1)和(2)分别相对电机方面和机床方面成立：

$J1\·W1\·s=\mathrm{Tm}-\frac{k(w1-w2)}{s}\·\·\·\left(1\right)$

$J2\·w2\·s=\frac{k(w1-w2)}{s}+\mathrm{Td}\·\·\·\left(2\right)$

在上述等式(1)和(2)中，J1为电机惯量，J2为机床惯量，w1为电机速度，w2为机床加工端速度，k为机床的弹簧常数，Tm为指令扭矩，Td为干扰扭矩，s为拉普拉斯转换的复变量。

同样，假设电机位置为P1，与电机位置P1对应的机床加工端的位置为P2，那么扭矩量Δυ由下式(3)求出：

$\mathrm{\Δ\θ}\left(s\right)=P1-P2$

$=\frac{w1-w2}{s}$

$=\frac{\mathrm{Tm}-J1\·w1\·s}{k}\·\·\·\left(3\right)$

等式(3)包括导数项，且如果执行微商作用，那么高频带中的噪声会变得不可控制。因而，增加稳定滤波器，那么就得出如下等式(4)：

$\mathrm{\Δ\θ}\left(s\right)=\frac{\mathrm{Tm}-J1\·w1\·s}{k}\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1}$

$=\frac{\mathrm{Tm}}{k(\mathrm{\τ}\·s+1)}-\frac{J1\·w1}{k\·\mathrm{\τ}}(1-\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1})\·\·\·\left(4\right)$

为了离散化，采用传统的低通滤波器形式。滤波器f(s)＝1/(τ·s+1)可由下式(5)表示：

$F\left(z\right)=\frac{1-v}{1-v\·z^{-1}}\·\·\·\left(5\right)$

在等式(5)中，γ＝exp(-t/τ)，其中t为取样间隔。从而，扭矩量Δυ由下式(6)求出：

$\mathrm{\Δ\θ}\left(z\right)=\frac{\mathrm{Tm}}{k}\·F\left(z\right)-\frac{J1\·w1}{k\·\mathrm{\τ}}(1-F\left(z\right))\·\·\·\left(6\right)$

在上面等式(6)中，扭矩指令Tm采用力的单位表示，且为难以观测的物理量。因而，假定扭矩常数为kt，那么从电流控制部分输出的扭矩指令Tc和扭矩指令Tm的关系为：

Tm＝kt·Tc

等式(6)采用可观测的扭矩指令Tc表示，那么就导出下式(7)：

$\mathrm{\Δ\θ}\left(z\right)=[\mathrm{kt}\·\mathrm{Tc}\·F\left(z\right)-\frac{J1\·w1}{\mathrm{\τ}}(1-F\left(z\right))]\·\frac{1}{k}\·\·\·\left(7\right)$

图5是表示前述式(1)至(7)的关系的框图，其中由附图标记26表示的部分分别与由式(1)及(2)表示的电机和机床模型相应，而附图标记25表示扭矩估算器，后面将描述，通过该扭矩估算器，获得扭矩量Δυ。

图3为表示第二实施例的主要部分的框图。第二实施例与第一实施例的区别在于省略加速度传感器以及位置控制部分的构造。同样，与传统电机控制器相比，第二实施例的位置控制部分采用不同构造，而速度控制部分、电流控制部分等以相同方式构造。

位置控制部分1′基于从主控制器输出的位置指令Pc、由位置检测器9检测并从位置检测器9反馈回的位置反馈P1、由微分器5通过对位置反馈P1进行微分所得到的速度反馈w1以及从速度控制部分2输出的扭矩指令Tc而获得速度指令Vc，并将所得到的速度指令Vc输出到速度控制部分2。基于来自位置控制部分1′的速度指令Vc以及由微分器5通过对来自位置检测器9的位置反馈P1进行微分所得到的速度反馈w1，速度控制部分2以与在传统控制器中相同的方式执行速度循环控制过程，以获得扭矩指令(电流指令)Tc。

基于来自速度控制部分2的扭矩指令Tc以及从未示出的电流检测器反馈回的电流反馈，电流控制部分3以与在传统控制器中相同的方式执行电流循环控制，以经由放大器4驱动线性电机6。

图4是表示根据第二实施例的位置控制部分1′的细节的框图。第二实施例的位置控制部分1′与第一实施例的位置控制部分1的区别在于，扭矩估算器25代替位置转换器24使用。

扭矩估算器25执行由前述式(7)表示的计算，由图5的框图中的点线封闭的部分与由扭矩估算器25执行的过程相应。具体地说，从速度控制部分2输出的扭矩指令Tc由滤波器(F(z))滤波，且滤波值乘以扭矩常数kt(结果为项25a的输出)。同样，由微分器5对来自位置检测器9的位置反馈进行微分所得到的速度反馈w1由滤波器(F(z))滤波，用“1”减去该滤波值，所得差值乘以滤波器的时间常数τ，且电机惯量J1除以该乘积(结果为项25b的输出)。从项25a的计算所得值中减去项25b的计算所得值，所得差值乘以弹簧常数的倒数(1/k)(项25c)以获得扭矩量Δυ。以这一方式得到的扭矩量Δυ经由高通滤波器23输出，用于提取干扰成分。

另一方面，从来自上级控制器的位置指令Pc中减去来自位置检测器9的位置反馈P1，以获得第一位置偏差ε1。随后，第一位置偏差ε1加到已由高通滤波器23滤波的扭矩量Δυ，以获得第二位置偏差ε2。利用第二位置偏差ε2作为学习控制器22的输入，执行学习控制。在各处理间隔中由学习控制器22执行的过程与在图6中所示的学习控制器执行的过程以及与参考第一实施例说明的过程基本相同。差别仅在于，学习控制器22中输入第二位置偏差ε2，该第二位置偏差ε2通过将第一位置偏差ε1与扭矩量Δυ相加在一起而获得。

学习控制由此通过学习控制器22实现。从学习控制器22输出的修正值加到第一位置偏差ε1上，并且所得总和乘以位置增益21，所得乘积从位置控制部分1′输出到速度控制部分2，作为速度指令Vc。

由式(3)可见，通过扭矩估算器25估算的扭矩量Δυ表示电机位置P1与机床加工端的位置(工具等固定于部件10的位置)P2之间的差值。在机床具有高刚度并处于理想状态中的情况下，表示上述位置差值的扭矩量Δυ为“0”。然而，在要求高速度、高精度加工的情况下，扭矩量Δυ不可忽视，而在机床具有低刚度的情况下，扭矩量Δυ则相当大。

因而，扭矩量Δυ加到第一位置偏差ε1上，从而获得表示位置指令Pc与机床加工端的位置P2之间的差值并包含扭矩量Δυ的第二位置偏差ε2，如下式(8)所示：

ε2＝ε1+Δθ＝Pc-P1+P1-P2＝Pc-P2         …(8)

执行学习控制，以使第二位置偏差ε2可以变为“0”，并从而控制位置指令Pc与机床加工端的位置P2之间的差值变为“0”。这样，即便在机床经受扭矩Δυ的情况下，也控制机床加工端位置P2与位置指令Pc一致，实现高精度加工。

在上述实施例中，线性电机用作驱动从动元件的电机，但也可采用旋转电机代替。同样，对于位置反馈，本发明可以用于其中由电机位置检测器检测的电机位置被反馈作位置反馈的半闭合循环控制，或者其中由电机驱动的从动元件的位置被反馈作位置反馈的全闭合循环控制。进而，用于检测电机速度或者从动元件的检测器可用于代替微分器5。

图7至9表示为确定本发明实现的效果而进行的模拟的结果。在该模拟中，采用同步电机作为电机，且机床惯量J2设置为与电机惯量J1(0.228kgfcm²)相等。对于弹簧常数k，谐振频率设为100Hz，速度频带为20Hz(弹簧常数由惯量和谐振频率确定)。利用旋转电机，提供300rpm速度指令位置的指令Pc被输入设定30/s的位置增益、设定50kgf并具有5-Hz正弦波的干扰扭矩以及设定50Hz的学习频带，以在以半闭合循环控制电机时执行模拟，在该半闭合循环中，旋转电机的位置被检测并反馈。

图7a和7b表示在不执行学习控制时执行传统位置和速度循环控制的情况。图7a表示位置偏差，即，在半闭合循环控制过程中观测的自指令位置的电机位置偏差，而图7b则表示机床加工端相对位置指令的位置偏差。如图所示，电机位置和机床加工端位置都受到干扰的影响，使位置偏差不能收敛。

图8a和8b表示执行传统学习控制的情况。图8a表示在半闭合循环控制过程中观测的电机位置偏差(自指令位置的电机位置的偏差)，而图8b则表示机床加工端相对位置指令的位置偏差。从图形可见，电机位置偏差收敛，而机床加工端的位置偏差则不收敛。

图9a和9b表示采用本发明的第二实施例的情况(但用旋转电机作为电机)。图9a表示在半闭合循环控制过程中观测的电机位置偏差(自指令位置的电机位置的偏差)，而图9b则表示机床加工端相对位置指令的位置偏差。如图所示，尽管电机位置偏差不收敛，但最终将被控制的机床加工端的位置偏差则收敛。

Claims (4)

1.一种控制器，具有分别控制电机位置和速度的位置控制部分和速度控制部分，以控制由电机驱动的从动元件相对机床的机床加工端的相对运动，所述控制器包括：

位置检测装置，用于检测电机或从动元件的位置；

获得电机的位置指令与由所述位置检测装置检测的电机位置之间的第一位置偏差的装置；

加速度检测装置，用于检测机床加工端的加速度；

转换装置，通过转换由所述加速度检测装置检测的加速度来确定机床加工端的位置；

通过将所获得的第一位置偏差与确定的机床加工端位置相加来获得第二位置偏差的装置；和

学习控制装置，用于计算并输出将第二位置偏差收敛到零的修正值，

其中，修正值与第一位置偏差相加，所得总和乘以一个位置增益，且所得乘积作为速度指令输出到速度控制部分。

2.如权利要求1所述的控制器，其中通过由所述转换装置转换机床加工端的加速度所获得的位置被高通滤波器进行滤波。

3.一种控制器，具有分别控制电机位置和速度的位置控制部分和速度控制部分，以控制由电机驱动的从动元件相对机床的机床加工端的相对运动，所述控制器包括：

位置检测装置，用于检测电机或从动元件的位置；

获得电机的位置指令与由所述位置检测装置检测的电机的位置之间的第一位置偏差的装置；

速度检测装置，用于检测电机或从动元件的速度；

估算装置，基于由所述速度检测装置检测的速度和从速度控制部分输出的扭矩指令来估算机床加工端的扭矩量；

通过将所获得的第一位置偏差与估算的扭矩量相加来获得第二位置偏差的装置；和

学习控制装置，用于计算并输出将第二位置偏差收敛到零的修正值，

其中，修正值与第一位置偏差相加，所得总和乘以一个位置增益，且所得乘积作为速度指令输出到速度控制部分。

4.如权利要求3所述的控制器，其中由所述估算装置估算的机床加工端的扭矩量被高通滤波器进行滤波。

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