TWI726498B - 龍門機構線上慣量匹配同步控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種龍門機構線上慣量匹配同步控制方法，包括以下步驟：取得龍門機構資訊；偵測樑上裝置在橫樑上的位置資訊；依據位置資訊與龍門機構資訊，求得對應於驅動裝置之負載慣量變化資訊；以及依據負載慣量變化資訊，即時調整驅動馬達對應的扭矩輸出資訊，以解決因為樑上裝置在移動時慣量不匹配，所導致之位置差異變大的問題，避免龍門機構因而損傷。

Description

龍門機構線上慣量匹配同步控制方法
本發明是有關於一種線上慣量匹配的同步控制方法，特別是應用於龍門移動式工具機的龍門機構線上慣量匹配同步控制方法。
現有的龍門移動式工具機(sliding double columns machine tool)，其龍門機構(gantry mechanism)由兩平行床軌(rail)、立柱(column)與X軸橫樑(X-axis crossbeam/cross-rail)所構成，X軸橫樑由兩立柱橫跨於兩床軌上，X軸橫樑上具備一樑上裝置(saddle)可沿X軸方向移動，樑上裝置包括如主軸(spindle)與Z軸移動裝置(headstock)等。兩床軌上各裝有驅動器、驅動馬達與導螺桿，藉以驅動X軸橫樑、立柱與樑上裝置等於Y軸方向移動。
由於樑上裝置包括主軸與Z軸移動裝置等大型機構，具有相當體積及重量，而兩床軌需共同承受立柱、X軸橫樑與樑上裝置等的重量。當樑上裝置位於X軸橫樑中央位置時，兩床軌的驅動馬達負載慣量大致相等，龍門機構的位置差異也可保持在誤差內。然而，若樑上裝置移向X軸橫樑之一側時，將造成龍門機構負載慣量產生變化，若未即時調整負載慣量，則將使得兩驅動馬達的輸出扭矩與加速度不能與實際負載慣量變化相互匹配，而導致X軸橫樑在兩床軌間產生位置差異，造成龍門機構損壞。
因此，如何改良並能提供一種『龍門機構線上慣量匹配同步控制方法』來避免上述所遭遇到的問題，是業界所待解決之課題。
本發明提供一種龍門機構線上慣量匹配同步控制方法，藉由調整兩床軌上的驅動馬達的慣量比參數資訊，以得到更精確的輸出扭矩與加速度，以解決樑上裝置偏向橫樑一側時所導致的負載慣量變化，並消除龍門機構位置差異變大的問題，達到即時慣量匹配的效果。
本發明之一實施例提供一種龍門機構線上慣量匹配同步控制方法，適用於具備龍門機構之工具機，龍門機構包括兩床軌、橫樑以及樑上裝置。樑上裝置設置於橫樑上，橫樑兩側分別跨接兩床軌，驅動裝置裝設於床軌上，包括驅動馬達及導螺桿。本方法包括以下步驟：取得龍門機構資訊；偵測樑上裝置在橫樑上的位置資訊；依據位置資訊與龍門機構資訊，計算求得負載慣量變化資訊；以及依據負載慣量變化資訊，調整各驅動裝置對應之驅動馬達的扭矩輸出資訊。
基於上述，在本發明之龍門機構線上慣量匹配同步控制方法中，是根據樑上裝置在橫樑上的位置資訊，求得驅動裝置對應之負載慣量變化資訊，進而適時調整驅動馬達之扭矩輸出資訊，達到即時慣量匹配控制的效果。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均仍應落在本案所揭示之技術內容涵蓋之範圍內。
第1圖為本發明龍門機構的俯視示意圖。本實施例是應用於龍門移動式工具機 (未繪示)，其中龍門機構100舉例包括互為平行的第一床軌110與第二床軌120、橫樑130(如X軸橫樑)、第一驅動裝置140、第二驅動裝置150以及一樑上裝置160，其中第一床軌110與第二床軌120上各裝設第一驅動裝置140與第二驅動裝置150，橫樑130(可能包括兩立柱，未圖示)之兩側分別跨接在第一床軌110與第二床軌120上。上述橫樑130在某些工具機上可能稱為X軸橫樑或Y軸橫樑，但此差異並不影響本發明實施，本發明亦不加以限制。
在本實施例中，樑上裝置160設置於橫樑130上，並且在橫樑130上沿第一方向X(即X軸)移動。第一驅動裝置140與第二驅動裝置150同步驅動橫樑130，使得橫樑130與樑上裝置160可朝第二方向Y(即Y軸)移動。詳細而言，第一驅動裝置140包括第一驅動馬達142(由驅動器與馬達組成)、第一導螺桿144與第一聯軸器146(或減速器)，第一驅動馬達142藉由第一聯軸器146連接並驅動第一導螺桿144旋轉；同理，第二驅動裝置150包括第二驅動馬達152(由驅動器與馬達組成)、第二導螺桿154與第二聯軸器156(或減速器)，第二驅動馬達152連接第二聯軸器156並驅動第二導螺桿154旋轉。此外，樑上裝置160包括主軸162、刀具164(包括刀把)與Z軸移動裝置166等，刀具164裝設主軸162上，Z軸移動裝置166連接主軸162與橫樑130之間，藉由Z軸移動裝置166，使主軸162相對於橫樑130沿著第三方向Z(即Z軸)移動。由此可知，本實施例之龍門機構100具備三軸向移動機制。
第2圖為本發明控制裝置的系統架構圖。請參閱第2圖。本發明藉由一控制裝置170，用以同步控制第一驅動裝置140與第二驅動裝置150，使橫樑130朝第二方向Y(即Y軸)移動，以及控制第三驅動裝置(未圖示)驅動樑上裝置160在橫樑130上沿第一方向X(即X軸)移動。
詳細而言，控制裝置170包括一機構資訊儲存器172、一運動控制模組174與一位置感測器176，其中機構資訊儲存器172用以儲存龍門機構資訊M1，龍門機構資訊M1舉例包括樑上裝置160之質量、橫樑130(包括立柱)之質量與長度、導螺桿(包括第一導螺桿144與第二導螺桿154)之質量、節距、密度、直徑、長度以及驅動馬達(包含第一驅動馬達142與第二驅動馬達152)之負載慣量資訊等。
運動控制模組174包括一位置插值器174A以及一交叉耦合控制器(cross coupling controller)174B。本實施例可輸入位置命令PC至位置插值器174A進行插值，位置命令PC包括對橫樑130與樑上裝置160之移動位置資訊，並透過交叉耦合控制器174B計算分配，以得到關於橫樑130與樑上裝置160的速度命令VC，進而控制第一驅動裝置140、第二驅動裝置150與樑上裝置160(透過第三驅動裝置)，並藉由位置感測器176感測樑上裝置160在橫樑130上的位置。
特別的是，本實施例之控制裝置170更包括一慣量匹配模組178，慣量匹配模組178連接機構資訊儲存器172與位置感測器176。機構資訊儲存器172用以儲存並傳輸龍門機構資訊M1至慣量匹配模組178，位置感測器176可藉由一位置回授命令PF，獲得樑上裝置160在橫樑130上的位置資訊M2，並傳輸位置資訊M2至慣量匹配模組178。慣量匹配模組178可依據龍門機構資訊M1與位置資訊M2，分別對第一驅動馬達142與第二驅動馬達152設定相對應之慣量比參數資訊R1、R2，以達到二驅動馬達慣量匹配的目的。以下先藉由第3圖說明如何計算驅動馬達之慣量比參數資訊。
第3圖為本發明驅動裝置的側視示意圖。第3圖為說明本發明第一驅動裝置140與第二驅動裝置150如何同步驅動橫樑130移動。驅動裝置50(相當於第一驅動裝置140或第二驅動裝置150)包括一驅動馬達52(相當於第一驅動馬達142或第二驅動馬達152)與一導螺桿54(相當於第一導螺桿144或第二導螺桿154)，其中驅動馬達52連接並驅動導螺桿54(藉由聯軸器或減速器)，橫樑56(相當於橫樑130，可能再包括立柱)，樑上裝置58(相當於樑上裝置160，可能再包括主軸與Z軸移動裝置)設置於橫樑56上，藉由驅動馬達52驅動導螺桿54轉動，以驅動橫樑56與樑上裝置58沿著一軸向方向L1(相當於Y軸方向)移動。其中驅動裝置50是被固定在工具機的一床軌上。
在此配置之下，移動物(可能包括樑上裝置58、橫樑56與其他部件等)的負載慣量資訊J La(kg‧m 2)可由下述公式(1)表示：
Figure 02_image004
………(1)
上述公式(1)中，m代表移動物之質量(kg)，p代表驅動馬達52每回轉移動量(m/rev)，由此可知，移動物的負載慣量資訊J La會與移動物之質量有關。
因此相對於驅動裝置50之總負載慣量資訊J L
Figure 02_image006
可再由下述公式(2)表示：
Figure 02_image008
……...(2)
由上述公式(2)可知，驅動裝置50之總負載慣量資訊J L由移動物的負載慣量資訊J La與導螺桿54的負載慣量資訊J Lb相加而得，其中導螺桿54的負載慣量資訊J Lb與導螺桿54之密度、直徑、長度有關。
接著，驅動裝置50之驅動馬達52的慣量比參數資訊R(%)可由下述公式(3)表示：
Figure 02_image010
………(3)
其中J m為馬達轉子的轉子慣量資訊，由公式(3)可知，驅動馬達52的慣量比參數資訊R為驅動裝置50之總負載慣量資訊J L與驅動馬達52的轉子慣量資訊J m之比例值。
綜合上述公式(1)至公式(3)可知，針對驅動裝置50之驅動馬達52的慣量比參數資訊R，會依據移動物之質量之改變而變化。以下藉由第4圖來說明如何計算求得第一驅動裝置140與第二驅動裝置150之慣量比參數資訊。第4圖為本發明樑上裝置位置關係的示意圖，樑上裝置160、第一導螺桿144與第二導螺桿154三者在橫樑130上會有力平衡與力矩平衡之關係如下公式(4)、公式(5)：
Figure 02_image012
………(4)
Figure 02_image014
………(5)
上述公式(4)代表考慮第一支點PA1的力平衡方程式，其中F1為第一支點PA1之承受力(N)，F2為第二支點PA2之承受力(N)，m 3為第一導螺桿144之質量或第二導螺桿154之質量，m 2為樑上裝置160之質量，m 1為橫樑130之質量。上述公式(5)代表考慮第一支點PA1的力矩平衡方程式，其中L為第一支點PA1至橫樑130之質心位置P1的距離，或第二支點PA2至橫樑130之質心位置P1的距離，此二距離相等並為一定值，本實施例設定第一支點PA1至橫樑130之質心位置P1的距離，等於第二支點PA2至橫樑130之質心位置P1的距離，即可將L視為橫樑130總長度(2L)的一半；PX為樑上裝置160之質心位置P2與橫樑130之質心位置P1之偏移距離。若偏移距離PX為零，即樑上裝置160之質心位置P2與橫樑130之質心位置P1重合，可由下述公式(6)表示：
Figure 02_image016
………(6)
由上述公式(6)可知，當樑上裝置160之質心位置P2與橫樑130之質心位置P1重合的狀況下，第一支點PA1之承受力F1相等於第二支點PA2之承受力F2。
但若偏移距離PX不等於零，再以第4圖為例，樑上裝置160朝移動方向L2往第一支點PA1移動，使得樑上裝置160之質心位置P2並未重合於橫樑130之質心位置P1時，則力平衡方程式可由下述公式(7)、公式(8)表示：
Figure 02_image018
………(7)
Figure 02_image020
………(8)
由上述公式(7)與公式(8)可知，由於樑上裝置160往第一支點PA1移動一偏移距離PX，故第一支點PA1之承受力F10(N)增加，同時第二支點PA2之承受力F20(N)減少。
接著，將上述公式(7)與公式(6)相減後可得到下述公式(9)：
Figure 02_image022
………(9)
Figure 02_image024
………(10)
由上述公式(9)、公式(10)可知，一旦樑上裝置160之質心位置P2並未重合於橫樑130之質心位置P1時，則會產生一等效質量變化資訊
Figure 02_image026
，換言之，等效質量變化資訊
Figure 02_image026
會與樑上裝置160之質量m 2以及偏移距離PX的變動有關係，其中L為第一支點PA1至橫樑130之質心位置P1的距離，或第二支點PA2至橫樑130之質心位置P1的距離。
依據上述公式(10)，改寫公式(7)、公式(8)為公式(11)、公式(12)如下：
Figure 02_image028
………(11)
Figure 02_image030
………(12)
上述公式(11)與公式(12)中，
Figure 02_image032
。
綜上可知，樑上裝置160在橫樑130上往第一支點PA1移動一偏移距離PX時，第一支點PA1之承受力F10會增加一等效質量變化資訊
Figure 02_image026
，同時對第二支點PA2之承受力F20會減少一等效質量變化資訊
Figure 02_image026
。依據上述可將公式(1)改寫成下述公式(13)：
Figure 02_image034
………(13)
公式(13)表示樑上裝置160移動後，較靠近樑上裝置160之支點(如第4圖的第一支點PA1)，承受移動物的負載慣量資訊
Figure 02_image036
會增加；反之，較遠離樑上裝置160之支點(如第4圖的第二支點PA2)，承受移動物的負載慣量資訊
Figure 02_image038
會相對減少。
綜上可知，移動方向L2可比對至第1圖之第一方向X(即X軸)，倘如第1圖所示，樑上裝置160在橫樑130上沿第一方向X(即X軸)移動時，隨著樑上裝置160在橫樑130上的位置資訊變動，也會變動負載慣量資訊。
在本實施例中，當樑上裝置160位置資訊變動後(即偏移距離PX不等於零時)，第一驅動裝置140與第二驅動裝置150所對應之總負載慣量資訊
Figure 02_image039
可由下述公式(14)表示：
Figure 02_image041
………(14)
上述公式(14)中，第一導螺桿144與第二導螺桿154的負載慣量資訊J Lb為一固定不變值，換言之，若要估測第一驅動裝置140與第二驅動裝置150對應之總負載慣量資訊
Figure 02_image043
，則需要得知公式(13)中的橫樑130之質量m 1、樑上裝置160之質量m 2、第一導螺桿144之質量m 3與第二導螺桿154之質量m 3以外，還需要知道樑上裝置160在橫樑130上的位置資訊，以求得等效質量變化資訊
Figure 02_image026
。
接著，當樑上裝置160移動後，公式(3)中驅動馬達52的慣量比參數資訊R(%)可改寫成下述公式(15)：
Figure 02_image046
………(15)
上述公式(15)中，驅動馬達52的轉子慣量資訊J m為一固定不變值，故僅需求得公式(14)中的第一驅動裝置140與第二驅動裝置150之總負載慣量資訊
Figure 02_image048
，即可得到驅動馬達52的慣量比參數資訊R 1。同理第一驅動馬達142的慣量比參數資訊R1與第二驅動馬達152的慣量比參數資訊R2便可分別取得。
以下藉由第5圖來說明本發明之龍門機構線上慣量匹配同步控制方法。請同時參閱第1圖至第4圖。本發明的龍門機構線上慣量匹配同步控制方法S100包括以下步驟S110至步驟S140。首先，進行步驟S110，取得龍門機構資訊M1，其中龍門機構資訊M1包括樑上裝置160之質量、橫樑130之質量以及各導螺桿(第一導螺桿144與第二導螺桿154)之質量。以第2圖為例，使用者舉例可透過人機介面去設定或輸入龍門機構資訊M1，以將龍門機構資訊M1存取至機構資訊儲存器172中，機構資訊儲存器172再將龍門機構資訊M1傳輸至慣量匹配模組178。
接著，進行步驟S120，偵測樑上裝置160在橫樑130上的位置資訊M2。舉例而言，可藉由第2圖之位置感測器176去感測樑上裝置160在橫樑130上的位置資訊M2，位置感測器176將位置資訊M2傳輸至慣量匹配模組178。具體而言，步驟S120包括以下步驟：首先，如第4圖所示，偵測樑上裝置160之質心位置P2是否偏移橫樑130之質心位置P1。若否，代表樑上裝置160之質心位置P2與橫樑130之質心位置P1重合，則無需調整第一驅動馬達142與第二驅動馬達152之扭矩輸出資訊。反之，若樑上裝置160之質心位置P2是偏移橫樑130之質心位置P1時，則可藉由位置感測器176取得樑上裝置160之質心位置P2與橫樑130之質心位置P1之偏移距離PX，以作為位置資訊M2。
接著，進行步驟S130，依據位置資訊M2與龍門機構資訊M1，求得第一驅動裝置140與第二驅動裝置150對應之一負載慣量變化資訊，換言之，樑上裝置160在橫樑130上沿第一方向X(即X軸)移動之後，其負載慣量資訊將隨移動距離而變動。
具體而言，步驟S130包括以下步驟：慣量匹配模組178依據位置資訊M2，先計算求得等效質量變化資訊
Figure 02_image026
。接著，如公式(13)，慣量匹配模組178依據等效質量變化資訊
Figure 02_image026
，計算求得負載慣量資訊
Figure 02_image050
。接著，如公式(14)，慣量匹配模組178依據負載慣量資訊
Figure 02_image052
以及各導螺桿(即第一導螺桿144與第二導螺桿154)之負載慣量資訊J Lb，計算求得第一驅動裝置140與第二驅動裝置150對應之一總負載慣量資訊
Figure 02_image053
，以作為負載慣量變化資訊。
接著，進行步驟S140，慣量匹配模組178依據各負載慣量變化資訊，以調整第一驅動馬達142與第二驅動馬達152對應的扭矩輸出資訊。具體而言，步驟S140包括以下步驟：如公式(15)，慣量匹配模組178依據各負載慣量變化資訊以及各驅動馬達(即第一驅動馬達142與第二驅動馬達152)之轉子慣量資訊，以計算第一驅動馬達142與第二驅動馬達152之慣量比參數資訊R1、R2。慣量比參數資訊R1、R2是屬於馬達驅動器速度迴路層中的增益函式參數，其影響驅動馬達的扭矩輸出資訊，由此可知，本實施例直接取得兩驅動裝置對應的負載慣量變化資訊，進而調整兩驅動馬達的慣量比參數資訊R1、R2，得到更精確之扭矩輸出資訊與加速度資訊，以與樑上裝置160之負載慣量資訊相互匹配，有效降低橫樑130在第一床軌110與第二床軌120之間的位置差異，達到龍門機構慣量匹配的效果。
綜上所述，在本發明之龍門機構線上慣量匹配的同步控制方法中，是根據樑上裝置在橫樑上的位置資訊，求得兩驅動裝置對應之負載慣量變化資訊進而得到慣量比參數資訊，以適時調整兩驅動馬達之扭矩輸出資訊，達到龍門機構慣量匹配的效果。
再者，本發明並非如習用技術利用交叉耦合控制器去匹配扭力差異，以控制樑上裝置的位置差異，習用技術所得到的扭矩與加速度並未能跟樑上裝置之負載慣量資訊相匹配，因此將產生橫樑兩側位置有差異的問題。而本發明是直接對兩驅動裝置的負載慣量變化資訊即時作調整，得到更精確之驅動馬達的扭矩輸出資訊與對應之加速度資訊。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:龍門機構
110:第一床軌
120:第二床軌
130:橫樑
140:第一驅動裝置
142:第一驅動馬達
144:第一導螺桿
146:第一聯軸器
150:第二驅動裝置
152:第二驅動馬達
154:第二導螺桿
156:第二聯軸器
160:樑上裝置
162:主軸
164:刀具
166:Z軸移動裝置
170:控制裝置
172:機構資訊儲存器
174:運動控制模組
174A:位置插值器
174B:交叉耦合控制器
176:位置感測器
178:慣量匹配模組
50:驅動裝置
52:驅動馬達
54:導螺桿
56:橫樑
58:樑上裝置
F1、F10:第一支點之承受力
F2、F20:第二支點之承受力
L:距離
L1:軸向方向
L2:移動方向
M1:龍門機構資訊
M2:位置資訊
P1:橫樑之質心位置
P2:樑上裝置之質心位置
PA1:第一支點
PA2:第二支點
PC:位置命令
PF:位置回授命令
PX:偏移距離
VC:速度命令
R1、R2:慣量比參數資訊
X:第一方向
Y:第二方向
Z:第三方向
S100:龍門機構線上慣量匹配同步控制方法
S110-S140:步驟
第1圖為本發明龍門機構的俯視示意圖。 第2圖為本發明控制裝置的系統架構圖。 第3圖為本發明驅動裝置的側視示意圖。 第4圖為本發明樑上裝置位置關係的示意圖。 第5圖為本龍門機構線上慣量匹配同步控制方法的流程圖。
S100:龍門機構線上慣量匹配同步控制方法
S110~S140:步驟

Claims (1)

  1. 一種龍門機構線上慣量匹配同步控制方法，適於一具備龍門機構的工具機，該龍門機構包括兩床軌、一橫樑及一樑上裝置，該樑上裝置設置於該橫樑上，該橫樑兩側跨接於該兩床軌上，各該床軌上裝設一驅動裝置以同步驅動該橫樑，各該驅動裝置包括一驅動馬達及一導螺桿，該龍門機構線上慣量匹配同步控制方法包括以下步驟：取得一龍門機構資訊，其中該龍門機構資訊至少包括該樑上裝置之質量、該橫樑之質量以及各該導螺桿之質量；偵測該樑上裝置在該橫樑上的一位置資訊，更包括以下步驟：偵測該樑上裝置之一質心位置是否偏移該橫樑之一質心位置；若是，取得該樑上裝置之該質心位置與該橫樑之該質心位置之一偏移距離，以作為該位置資訊；依據該位置資訊與該龍門機構資訊，計算求得一負載慣量變化資訊，更包括以下步驟：依據該位置資訊，計算求得一等效質量變化資訊；依據該等效質量變化資訊，計算求得一負載慣量資訊；及依據該負載慣量資訊以及各該導螺桿之一負載慣量資訊，計算求得對應各該驅動裝置之一總負載慣量資訊，以作為該負載慣量變化資訊；以及依據該負載慣量變化資訊，調整各該驅動裝置對應之該驅動馬達的一扭矩輸出資訊，更包括以下步驟：依據該負載慣量變化資訊以及各該驅動馬達之一轉子慣量資訊，計算求得各該驅動馬達之一慣量比參數資訊。
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