TWI620616B

TWI620616B - 協同數控方法與系統

Info

Publication number: TWI620616B
Application number: TW105137171A
Authority: TW
Inventors: 簡文昱; 許哲榮; 何彥融
Original assignee: 新代科技股份有限公司
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2018-04-11
Also published as: TW201817536A

Abstract

本發明為一種協同數控方法與系統，系統包括加工指令模組、數控裝置、第一驅動器、至少一個第二驅動器、第一主軸、至少一個第二主軸、第一編碼器以及至少一個第二編碼器；其中，數控裝置又包括解譯模組、路徑規劃模組、動程規劃模組、至少一個插補規劃模組、參數模組以及一回授模組，具備有第一主軸與第二主軸在不同型態下協同運作之能力。

Description

協同數控方法與系統

本發明是關於一種應用於工具機主軸協同工作的數控方法與系統，尤其是一種用於相異形態之主軸協同數控方法與系統。

工具機產業，大部分的工具機台都會擁有主軸，主軸的主要使用方式為攜帶刀具旋轉進行切削，或是夾持工件旋轉被固定住的刀具切削，在電腦數值控制工具機(CNC)之數控裝置應用中，常有需要兩個主軸協同工作的時候，例如車床系統，兩個主軸在旋轉的狀態下不停止接料、兩個主軸同時夾持工件旋轉切削、或是一個主軸夾持工件，另一個主軸架著多刃的刀盤同時旋轉進行切削等等，這些加工技術都需要兩個主軸協同動作的技術。

車床不停止旋轉接料的動作如圖1所示，圖1所述之先前技術需要由兩個主軸夾持一個工件狀態，接料過程由一個主軸(此稱為基礎主軸)夾持加工工件，加工完成後，第一不會停止旋轉，由另一個主軸(此稱為同期主軸)先旋轉至與第一的相同的速度與角度，等待條件到達後，第二可在不傷害工件且兩顆主軸同時旋轉的情況下夾取工件的另一端，完成夾取之後第一再鬆開工件，由第二進行後續的加工流程與動作，如圖1的步驟1~步驟4，藉由不停止旋轉的接料動作，可以縮短接料過程所需的時間，增進加工效率。

工具機主軸主要有兩種運行模式，分別為速度模式、位置模式。速度模式下主軸可以達到較高的轉速，增加切削率有利於加工的效率與品質；位置模式下主軸的可控角度比較精準，對於角度精度要求較高的動作(如接料、兩主軸共同夾持切削等動作)較適合在此模式進行。主軸控制模式的切換一般需要先讓主軸停止動作，再透過參數設定或特定指令來改變主軸的控制模式。

現今主軸協同技術，需要兩顆相同主軸型態的主軸才能進行控制，如在中國發明公開第CN102027426號之專利，其中於權利要求第1項所述：「其具有將主軸作為輪廓控制軸進行位置控制的C軸控制用位置控制模式、以及對第一和第二這兩個主軸進行同步控制的主軸同步控制用位置控制模式，在各位置控制模式中，分別以不同的位置控制增益對主軸進行控制」。該篇專利揭示出現今接料技術在使用上的限制，只有在第一與第二為位置控制模式下才能啟用。

為了達到兩個主軸協同控制時的良好追隨性，另一篇公開的先前技術如中國發明公開第CN105278456A號之專利內容所述，則是需要藉由不斷的調整兩主軸的動態性能參數，設計上較為複雜、耗費系統效能，同時使用者在操作與設定上也不容易理解使用。

鑑於習知技術所面臨的不便與缺點，本發明的目的即在於提出一套相異形態之主軸協同數控方法與系統，使各主軸彼此在進行協同控制時，無須受限於主軸型態，即使不同主軸型態的主軸也可以達到協同控制的功能，並且根據不同的主軸型態進行動態補償；使用者亦不需要在主軸運轉中多做任何的額外設定，該系統自動會根據各主軸的動態響應參數設定調整各主軸的命令規劃；並配合具有前饋技術的反模型模組，除了針對各主軸動程規劃轉換成適用的運動命令外，更透過指令轉換模組將運動命令轉換成驅動器所接收的格式，進一步控制各主軸的運作，以及利用回授訊號使得各主軸的速度和相位關係能夠隨時保持在容許的誤差範圍內，達到協同控制的目的，並提升加工工件品質，使加工動作不需停頓，達到增加產能的功效。

本發明可以提供工具機產業在各主軸協同運作的過程中不需限定主軸型態的友善性，解決工具機產業為求高產能，所面臨在兩主軸要協同運作前須要停止加工動作、更改主軸型態的問題；亦可避免使用需動態調整主軸動態特性參數的複雜控制法，增加控制方法的執行效能；更能解決使用者需要進行複雜的參數設定才能讓改善主軸協同的效果，可減少使用者操作的複雜度。

本發明提出了一種應用數控裝置之協同數控方法與系統，尤其是用於相異形態之主軸，數控方法步驟如下: (1)從加工指令模組中讀取協同指令並對協同指令進行解譯；(2)從動程規劃模組接收已解譯之協同指令；(3)從參數模組中決定第一主軸與至少一個第二主軸，並各別選取第一主軸與第二主軸之動態響應參數，根據動態響應參數對第一主軸與第二主軸分別進行動程命令規劃； (4) 由第一插補規劃模組與至少一個第二插補規劃模組內之前饋模組對第一主軸及第二主軸之動程命令分別轉換成相對應之運動命令；(5) 由回授模組透過第一驅動器與至少一個第二驅動器接收第一主軸與第二主軸之動態訊號，並將動態訊號分別回饋至第一插補規劃模組及第二插補規劃模組，以計算出補償命令量；以及(6)由第一插補規劃模組及第二插補規劃模組內之指令轉換模組將相對應於第一主軸及第二主軸之運動命令分別與補償命令量進行疊加，並轉換成命令格式經由該第一驅動器與該第二驅動器傳送至第一主軸與第二主軸，以使得第一主軸與第二主軸在協同狀態。

其中，使用者可以指定任意一個運行中的主軸為第一主軸，其餘的主軸則為第二主軸，在協同機制成立之後，數控裝置會以第一主軸為基準，以第二主軸為輔，且各主軸型態可相同亦可不同，第二主軸的數量可為一個以上。

其中，前述之各主軸之動態訊號可以是速度或位置，包含角度差、速度差等物理量。

其中，前述參數模組中使用者所設定之動態響應參數可為各主軸之位置、速度、電流增益，以及速度、加速度與加加速度的上限值等數值。

其中，適合各主軸之運動命令係於參數模組中選取位置、速度或電流增益之參數轉換而來。

其中，回授模組所接收的動態訊號，是由設置在各主軸上的編碼器所提供，並藉由數控裝置計算各主軸之間的動態差異訊號，得出一補償命令量。

其中，補償命令量係利用演算法，例如 : 比例-積分-微分(PID ，Proportional-Integral-Derivative)、自適應控制(Adaptive control)、強健控制(Robust control)等方法所計算出來。

其中，第一驅動器與第二驅動器可接受之命令格式為電壓、脈衝或封包命令形式。

本發明亦提出了一種應用數控裝置之協同數控系統，協同數控系統系統包括:加工指令模組；解譯模組，從加工指令模組選取協同指令並將協同指令解譯；路徑規劃模組，針對已解譯後之協同指令進行路徑輪廓規劃；動程規劃模組，與路徑規劃模組連接，並從參數模組中決定第一主軸與至少一個第二主軸，且再從參數模組各別選取第一主軸與第二主軸之動態響應參數進行第一主軸與第二主軸之動程命令規劃；至少一個插補規劃模組，分別對應第一主軸與第二主軸，由一個前饋模組與一個指令轉換模組所構成；回授模組，經由第一驅動器與至少一個第二驅動器接收來自第一主軸與至少一個第二主軸之動態訊號，將該動態訊號回饋至第一主軸第二主軸所對應之插補規劃模組，並計算出補償命令量；其中，前饋模組將第一主軸與第二主軸之動程命令轉換成對應之運動命令；以及指令轉換模組將第一主軸及第二主軸對應之運動命令分別與補償命令量疊加，並轉換成命令格式經由第一驅動器與第二驅動器傳送至第一主軸與第二主軸，以使得第一主軸與第二主軸在一協同狀態。

其中，解譯模組、路徑規劃模組、動程規劃模組、插補規劃模組、參數模組與回授模組係設置於數控裝置中。

本發明為一種應用數控裝置之協同數控系統，尤其是用於相異主軸型態之控制，具能控制多個主軸驅動器與使第一主軸與第二主軸協同運作之能力。首先請參考圖2A及圖2B，圖2A為本發明數控系統方塊示意圖，及圖2B為本發明數控系統之插補規劃模組示意圖。在圖2A中，數控系統包括加工指令模組20、數控裝置22、第一驅動器361、第二驅動器362、第一主軸381、第二主軸382以及設置於第一主軸381、第二主軸382上之第一編碼器401、第二編碼器402；其中，數控裝置22又包括解譯模組24、路徑規劃模組26、動程規劃模組28、插補規劃模組30、參數模組32以及回授模組34，上述各模組之間之連接關係如圖2A所示。

首先，使用者先從加工指令模組20選擇主軸協同指令進入數控裝置22之解譯模組24，解譯完成後，主軸協同指令再進入路徑規劃模組26進行路徑命令規劃；在動程規劃模組28運作以前，使用者會先從參數模組32決定第一主軸381與第二主軸382，決定後，再次從參數模組32分別選擇第一主軸381與第二主軸382最適當的動態響應參數(例如: 速度、加速度、加加速度等參數)，規劃出各主軸之動程命令，其中，參數模組32所儲存的參數是使用者事先已經定義；之後，參數模組32再將所述之動程命令送到插補規劃模組30中；插補規劃模組30又可再區分為第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302，分別對應第一主軸381與第二主軸382，其中，第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302內部各自可再包含兩個單元，分別是利用反模型將主軸動程命令還原成適合於各主軸動態特性之運動命令之前饋模組3011、3021以及可將適合各主軸之運動命令與各主軸之插補規劃模組所產生之補償命令量疊加，並轉換成位置或速度命令等適當格式供第一驅動器361、第二驅動器362所使用之指令轉換模組3012、3022，如圖2B所示；其中，再更進一步說明，在本發明的實施例中，第一主軸數量為一個，第二主軸數量則為一個以上，故對應於第二主軸的第二驅動器、第二插補規劃模組與第二編碼器亦可為一個以上，以進行不同的加工動作。

舉例而言，使用者可根據需求，設定第二主軸382與第一主軸381分別以不同的轉速倍率旋轉，並且透過加工指令模組20可事先設定各第二主軸382與第一主軸381的角度差關係，藉由動程規劃模組28配合參數模組32之規劃，再利用插補規劃模組30中各主軸所對應之插補規劃模組301、302中之前饋模組3011、3021，可以減少數控裝置22的運算量，除此之外，可再進一步利用指令轉換模組3012、3022，使主軸協同功能不會受限於不同的主軸形態。

再者，當第一驅動器361、第二驅動器362驅動第一主軸381、第二主軸382時，會再利用回授模組34，接收來自於運轉中之第一主軸381與第二主軸382之動態訊號，兩主軸間之動態差異訊號可由設置於各主軸上之編碼器401、402資訊並經由數控裝置22計算而來，第一編碼器401、第二編碼器402主要是將各主軸的動態訊號(例如:位置、速度等)分別回傳至第一驅動器361、第二驅動器362，再透過回授模組34將動態訊號回饋至第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302中，第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302會再透過演算法，例如:比例-積分-微分(PID，Proportional Integrative Derivative) 、自適應控制(Adaptive control)、強健控制(Robust control)等方法，透過兩主軸間動態差異訊號，於每一個插補時間計算出第二主軸382相對於第一381主軸之插補命令補償量，後再將前述適合各主軸之運動命令與補償命令量疊加，轉換成位置或速度命令等適當格式再輸出至該第一驅動器361與該第二驅動器362，進一步控制第一主軸381與第二主軸382保持在協同狀態下運作，以提升加工品質。

本發明亦描述一種應用數控裝置之協同數控方法，在進行下一個加工動作之前，會先進行同期狀態的確立；為了能同時控制多個主軸速度與相位關係的機制(稱之為協同功能)，會先指定一個主軸為第一主軸，其餘的主軸則為第二主軸，第二主軸會參考第一主軸的轉速與相位，第二主軸與第一主軸間的轉速比例與相位差可根據使用者下的指令做調整，以期達到協同狀態。

接著請參考圖3，圖3為本發明協同數控方法之狀態流程示意圖。在圖3中，協同狀態判斷由數控裝置22來進行，圖3為本發明其中一個實施方法，圖3步驟S31~S36，並同時配合圖2A及圖2B，步驟S31是接收協同指令，在接收到協同指令後，數控裝置22內之各模組會依序開始運作，當運動指令傳輸至第一主軸381與第二主軸382時，設置在第一主軸381與第二主軸382上之第一編碼器401、第二編碼器402會將各主軸的動態訊號透過第一驅動器361與第二驅動器362回傳至回授模組34，並利用第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302判斷第二主軸382的轉速是否到達使用者設定(如步驟S32)，若無達到，則進入步驟S33，計算補償轉速落後量。在此步驟S33中，是用來計算第二主軸382落後第一主軸381的轉速量，並針對第二主軸382進行補償。

若第二主軸382的轉速有達到使用者設定，則會進入步驟S34，繼續判斷第二相位差是否到達。在步驟S34中是進一步檢查第一主軸381與第二主軸382的相位差是否也達到使用者設定，若無達到，進入步驟S35，計算補償相位落後量。在此步驟S35中，是再次經由回授模組34透過第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302計算第二主軸382落後第一主軸381相位量並針對第二主軸382進行補償；在第二主軸382與第一主軸381的轉速與相位差尚未到達使用者設定前，則無法執行協同狀態後的加工動作，若有達到使用者設定，則進入步驟S36，通知使用者進入協同狀態。在步驟S36是數控裝置22會通知使用者已進入協同狀態，並開啟協同完成訊號。

接著請參考圖4，圖4為本發明數控方法之命令流程示意圖。同樣配合圖2A及圖2B，在圖4中，步驟S41，當協同狀態成立後，數控裝置22開始執行下一個加工動作指令；接著步驟S42，將加工動作指令進行解譯；之後，進行步驟S43，利用參數模組規劃動程命令。在步驟S43中，動程規劃模組28會透過參數模組32，從已啟用協同功能之各主軸中選取較緩和的動態響應參數(例如:速度、加速度、加加速度上限等)規劃動程命令；接著如步驟S45，獲得運動命令。在步驟S45中，是透過第一插補規劃模組301與第二插補規劃模組302內之前饋模組3011、3021，將第一主軸381與第二主軸382之動程命令轉換為適合之運動命令；此時，於步驟S46，回授模組取得第一編碼器401、第二編碼器402訊號資訊。在此步驟S46中，回授模組34會接受從第一驅動器361與第二驅動器362所讀取之第一編碼器401與第二編碼器402之動態訊號，傳送至各主軸對應之第一插補規劃模組301及第二插補規劃模組302；然後緊接著步驟S47，計算第二主軸相對於第一主軸動態差異量。在步驟S47中，各主軸對應之插補規劃模組301、302計算第一主軸381與第二主軸382之動態差異訊號，然後於步驟S48，算得補償命令量。在步驟S48中，係利用演算法(例如:比例-積分-微分(PID，Proportional Integrative Derivative) 、自適應控制(Adaptive control)、強健控制(Robust control)等方法)計算出第二主軸382的補償命令量，以確保兩主軸的協同效果，以使得第一主軸與第二主軸可以在協同狀態來進行加工製程。

接著如步驟S49，將運動命令與補償命令量疊加後轉換為位置/速度格式。在步驟S49中，是將計算完成的補償命令量分別與經過前饋模組3011、3021所轉換之適合各主軸的運動命令疊加在一起，成為下次發出給各主軸的總命令，因補償命令量是由第二主軸382相對於第一主軸381之動態差異而來，因此第一主軸381之補償命令量會設定為0；再者，在經疊加之總命令送出給第一驅動器361與第二驅動器362之前，還需先經過各主軸對應之插補規劃模組內之指令轉換模組3012、3022，針對需補償的第二主軸形態判斷為位置控制或是速度控制，對其作命令格式的轉換；最後步驟S50，將命令格式送出至各主軸驅動器。在步驟S50中，是將步驟S49所得到的疊加之總命令分別輸出給第一驅動器361與第二驅動器362，進一步驅動相對應之主軸。藉此，利用上述的數控方法的步驟，可以使得第一主軸與第二主軸在同一個協同狀態，以提升加工工件品質，使加工動作不需停頓，達到增加產能的功效。

承上所述僅為本發明之方法與系統之較佳實施例，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，舉凡依本發明精神所作之等效修飾或變化，依照相同概念所提出之不同種類主軸的協同數控方法與系統，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20‧‧‧加工指令模組
22‧‧‧數控裝置
24‧‧‧解譯模組
26‧‧‧路徑規劃模組
28‧‧‧動程規劃模組
30‧‧‧插補規劃模組
301‧‧‧第一插補規劃模組
302‧‧‧第二插補規劃模組
3011、3021‧‧‧前饋模組
3012、3022‧‧‧指令轉換模組
32‧‧‧參數模組
34‧‧‧回授模組
361‧‧‧第一驅動器
362‧‧‧第二驅動器
381‧‧‧第一主軸
382‧‧‧第二主軸
401‧‧‧第一編碼器
402‧‧‧第二編碼器
S31~S36、S41~S50‧‧‧步驟

圖1 為習知工具機之主軸動作示意圖；圖2A 為本發明數控系統方塊示意圖。圖2B 為本發明數控系統之插補規劃模組示意圖。圖3 為本發明數控方法之狀態流程示意圖。圖4 為本發明數控方法之命令流程示意圖。

Claims

一種應用數控裝置之協同數控方法，包含： (1) 從一加工指令模組中讀取一協同指令並對該協同指令進行解譯； (2) 從一動程規劃模組接收已解譯之該協同指令； (3) 從一參數模組中決定一第一主軸與至少一第二主軸，並各別選取該第一主軸與該第二主軸之一動態響應參數，根據該動態響應參數對該第一主軸與該第二主軸分別進行一動程命令規劃； (4) 由一第一插補規劃模組與至少一第二插補規劃模組內之一前饋模組對該第一主軸及該第二主軸之該動程命令分別轉換成相對應之一運動命令； (5) 由一回授模組透過一第一驅動器與至少一第二驅動器接收該第一主軸與該第二主軸之一動態訊號，並將該動態訊號分別回饋至該第一插補規劃模組及該第二插補規劃模組，以計算出一補償命令量；以及 (6)由該第一插補規劃模組及該第二插補規劃模組內之一指令轉換模組將相對應於該第一主軸及該第二主軸之該運動命令分別與該補償命令量進行疊加，並轉換成一命令格式經由該第一驅動器與該第二驅動器傳送至該第一主軸與該第二主軸，以使得該第一主軸與該第二主軸在一協同狀態。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該第一主軸與該第二主軸之一主軸型態可相同或不同。
如申請專利範圍第2項所述之協同數控方法，其中，該第二主軸之數量為一個以上。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該動態訊號為一速度或一位置訊號，包含角度差、速度差等物理量。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該動態響應參數為各該主軸之位置、速度或電流增益，以及速度、加速度、加加速度的上限值。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該第一驅動器與該第二驅動器接收之該命令格式可為電壓、脈衝或封包命令形式。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該運動命令可於該參數模組中選取位置、速度或電流增益之參數轉換而來。
如申請專利範圍第7項所述之協同數控方法，其中，該參數模組為使用者定義。
如申請專利範圍第1項所述之協同數控方法，其中，該補償命令量可由比例-積分-微分(PID ，Proportional-Integral-Derivative)、自適應控制(Adaptive control)、強健控制(Robust control)方法所計算出來。
一種協同數控系統，包括: 一加工指令模組；一解譯模組，從該加工指令模組選取一協同指令並將該協同指令解譯；一路徑規劃模組，針對已解譯後之該協同指令進行一路徑輪廓規劃；一動程規劃模組，與該路徑規劃模組連接，並從一參數模組中決定一第一主軸與至少一第二主軸，且再從該參數模組各別選取該第一主軸與該第二主軸之一動態響應參數進行該第一主軸與該第二主軸之一動程命令規劃；至少一個插補規劃模組，分別對應該第一主軸與該第二主軸，由一個前饋模組與一個指令轉換模組所構成；一回授模組，經由一第一驅動器與至少一第二驅動器接收來自該第一主軸與該第二主軸之一動態訊號，將該動態訊號分別回饋至該第一主軸與該第二主軸所對應之該插補規劃模組，並計算出一補償命令量；其中，該前饋模組將該第一主軸與該第二主軸之該動程命令分別轉換成對應之一運動命令；以及該指令轉換模組將該第一主軸與該第二主軸對應之該運動命令分別與該補償命令量疊加，並轉換成一命令格式經由該第一驅動器與該第二驅動器傳送至該第一主軸與該第二主軸，以使得該第一主軸與該第二主軸在一協同狀態。