WO2011019147A2 - 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법 - Google Patents

소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a feed shaft control method for optimizing the machining performance according to the weight of the material, and more particularly to a feed shaft control method for optimizing the machining performance by preventing vibration and noise generated according to the weight of the material.
  • the feed shaft carrying the material may be resonated. Vibration and noise caused by.
  • This phenomenon causes the gain margin of the feed axis control system to be reduced in proportion to the load-to-motor inertia ratio, and as a result, the relative stability of the control system is inferior. That is, the higher the load-to-motor inertia ratio of the feed shaft, the more prone to noise and vibration caused by deterioration of control stability. As a result, the performance and processing quality of the equipment is degraded. In extreme cases, excessive error alarms occur and the equipment may be in an emergency stop state.
  • a low-pass filter or notch filter has been applied or a method of lowering control gain has been used.
  • the method of increasing the time constant is applied.
  • the center frequency of the notch filter must also be adaptively changed to cope with the resonant frequency that varies with the weight of the material, which is difficult to adaptively change.
  • the method of lowering the control gain has a problem of degrading the performance of the control system in all frequency bands.
  • the method of increasing the acceleration / deceleration time constant does not solve the vibration and noise problem at the standstill, and causes the secondary problem such as the increase of the processing time.
  • the present invention provides a feed axis control method capable of optimizing the machining performance of the equipment regardless of the weight of the material.
  • the present invention provides a feed shaft control method that can stably control the feed shaft by preventing the generation of noise and vibration that can occur according to the weight of the material.
  • the calculated target load-to-motor is calculated as a target load-to-motor.
  • calculating a target load-to-motor inertia ratio using a linear interpolation method if the target load-to-motor inertia ratio is not determined in advance corresponding to the detected load inertia through the look-up table. It is characterized by.
  • the present invention changes the motor inertia through the acceleration feedback control to realize the target load-to-motor inertia ratio, so that the instability of the feed shaft control system that occurs when the feed shaft carrying the relatively heavy material compared to the rigidity and the noise vibration resulting therefrom Solve it.
  • 1 is a simplified block diagram of a machine tool feed shaft
  • FIG. 2 is a graph showing a transfer function board diagram between a motor current and a motor speed
  • FIG. 3 is a graph showing a gain coverage diagram of a transfer function between a torque command and a motor speed of a lower Z axis in an actual multi-task machine
  • FIG. 6 is a look-up table showing a cyclic load to motor inertia ratio according to material weight according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a view for explaining a method of calculating a target load to motor inertia ratio using preceding interpolation according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a target load-to-motor inertia ratio calculation process using a look-up table according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a feed axis control process for optimizing machining performance according to material weight according to an embodiment of the present invention.
  • the motor inertia since the load inertia seen from the motor side by the material weight is determined, the motor inertia must be changed to lower the load-to-motor inertia ratio. This motor inertia can be changed electrically through acceleration feedback control.
  • the load inertia is automatically detected from the motor side according to the weight of the material, and the motor inertia is electrically adjusted by using the detected material weight and acceleration feedback function. It is possible to realize the motor inertia ratio adaptively.
  • the present invention provides an adaptive load-to-motor inertia ratio realization algorithm and method for load inertia through automatic load inertia detection and acceleration feedback gain adjustment to improve the machining performance of equipment regardless of vibration and noise problems and ultimately material weight. We want to provide a way to optimize.
  • the feed shaft may be modeled as a motor inertia J M and a load inertia J L viewed from the motor shaft are connected by a spring having a spring constant K S.
  • Equation 1 a transfer function between the motor current I F and the motor speed V M is obtained by Equation 1 below.
  • Equation 1 is an open-loop transfer function between a motor current and a motor speed, and a board diagram thereof may be generally illustrated as shown in FIG. 2.
  • F R is a resonance frequency generated by compliance between motor inertia and load inertia
  • F AR is an anti-resonance frequency.
  • the gain of the system loop transfer function at F R represents a peak and a minimum value at F AR .
  • F R and F AR can be calculated through Equation 2 below.
  • Equation 1 may be simplified to 1 / ((J M + J L ) ⁇ s). That is, in the low frequency band, the motor inertia and the load inertia are rigidly connected to operate as one inertia.
  • the equation 1 can be simplified to 1 / (J M ⁇ s). That is, in the high frequency band, the load inertia is substantially separated from the motor inertia and operates as if only the motor inertia exists.
  • the biggest problem caused by this is that in the high frequency band where the load inertia is separated from the motor inertia, the gain is substantially increased by the amount indicated by 1 in Fig. 2, and the gain margin of the control system is reduced by that amount.
  • Equation 3 the larger the load-to-motor inertia ratio J L / J M , the larger the gain margin of the system, and thus the more unstable the system. That is, if the load-to-motor inertia ratio J L / J M that causes the problem can be adjusted, it is possible to solve the vibration problem of the feed shaft due to the reduction of gain margin.
  • the board diagram of the transfer command between the torque command and the motor speed proportional to the motor current of the lower Z axis of the predetermined type multi-task machine can be detected as shown in FIG. 3.
  • the load inertia seen from the motor side due to the weight of the material must be detected.
  • Tm motor torque
  • J inertia
  • ⁇ angular acceleration
  • Td disturbance torque
  • the motor inertia and the load inertia can be modeled as a rigid body (when the major frequency component of the motor angular acceleration is below the feed shaft resonant frequency), the sum J of the motor inertia and the load inertia seen from the motor side It can be calculated using Equation 5 below.
  • Tm is the motor torque
  • J is the motor inertia and the load inertia seen from the motor side
  • ⁇ is the angular acceleration
  • Td is the disturbance torque
  • the torque command of the motor in the constant velocity section may be detected as shown in FIG. 4.
  • Equation 6 the equation for obtaining J from? Which is proportional to the sum J of the load inertia seen from the motor load and the motor side can be expressed as Equation 6 below.
  • Tm is the motor torque at the end of acceleration
  • J is the sum of motor inertia and load inertia seen from the motor side
  • ⁇ is the motor angular acceleration at the end of acceleration
  • Td1 is the viscosity at the end of acceleration.
  • the disturbance torque due to friction, Td2 represents the disturbance torque due to viscous friction at constant velocity.
  • acceleration feedback function is extracted from the block diagram of the speed control loop and the acceleration feedback function of the numerical controller, it may be illustrated as shown in FIG. 5.
  • the current control loop + the servo amplifier is set to 1.
  • the transfer function between the motor speed and the current command when there is no acceleration feedback may be expressed as Equation 7 below.
  • the ideal target load-to-motor inertia ratio refers to the inertia of the motor that can ideally control the load inertia.
  • the target load-to-motor inertia ratio for each material weight is stored in a look-up table in the numerical controller.
  • the target load-to-motor inertia ratio for material weights not stored in this look-up table is extracted using linear interpolation. Extraction of the target load-to-motor inertia ratio by the preceding interpolation method will be described with reference to FIG. 7.
  • Equation 9 an equation for obtaining a target load-to-motor inertia ratio may be shown as Equation 9 below.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a target load-to-motor inertia ratio calculation process using the look-up table shown in FIG. 6.
  • step 800 it is checked whether the detected weight of the material (T) in step 800, and less material weight (T) x is 0 in step 801.
  • the process proceeds to step 803.
  • step 803 the process proceeds to step 805 and sets the table index value i to zero.
  • step 806 the i value is increased by 1 and the flow proceeds to step 806. That is, the material weight (T) is increased by a value of i until it is less than the x i 1 and, if the material weight (T) is less than x i, to the ⁇ Equation 10> accordance with the target load for the motor The inertia ratio is calculated.
  • a look-up table in which the target load-to-motor inertia ratio according to the material weight (load inertia) is preset is stored in the feed shaft control system as shown in FIG. 6.
  • step 900 the feed shaft is transferred, and in step 902, the acceleration and torque command data of the feed shaft motor are detected, and in step 904, the load inertia by the weight of the material is detected. That is, the torque and angular acceleration data of the motor are detected while feeding the feed shaft, and the load inertia seen from the motor side by the material weight is calculated.
  • step 906 the most ideal motor inertia is calculated using the load inertia detected in step 906.
  • the target load-to-motor inertia ratio is calculated using the lock-up table and preceding interpolation as shown in FIG.
  • step 908 the acceleration feedback gain is adjusted to obtain the calculated motor inertia.
  • the target load-to-motor inertia ratio is realized to stabilize the feed shaft control system and to suppress noise and vibration.
  • the inertia of the feed shaft control system generated when the feed shaft carrying the relatively heavy material compared to the rigidity is realized by changing the motor inertia through acceleration feedback control to realize the target load-to-motor inertia ratio. It solves the noise vibration problem.
  • the present invention is applicable to systems and heavy equipment that can control the feed shaft in accordance with the weight of the material.

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Abstract

본 발명은 소재 무게에 따라 발생하는 진동 및 소음을 방지하여 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 이송축 제어 방법은, 부하관성에 따른 목표하는 부하 대 모터 관성비가 설정된 룩-업(look-up table) 테이블을 저장하고, 이송축을 이송시키면서 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 검출한 후 상기 검출된 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 이용하여 소재무게와 이로 인한 모터측에서 본 부하관성을 검출하고, 상기 룩-업 테이블을 이용하여 상기 검출된 부하관성에 대응하여 미리 설정된 목표 부하 대 모터 관성비를 산출하고, 가속도 피드백 이득 조절을 통한 부하 대 모터 관성비를 상기 산출된 목표 부하 대 모터 관성비로 구현한다.

Description

소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법
본 발명은 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법에 관한 것으로, 특히 소재 무게에 따라 발생하는 진동 및 소음을 방지하여 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 소재의 무게가 무거운 경우 즉, 모터 관성(inertia)에 비해 부하 관성이 상대적으로 큰 경우 또는 이송축이 긴 경우와 같이 이송축의 강성이 떨어지는 경우에는 소재를 실은 이송축을 이송시키면 공진(resonance)에 의한 진동 및 소음이 발생하게 된다.
이러한 현상은 이송축 제어 시스템의 이득 여유(gain margin)가 부하 대 모터 관성비(load-to-motor inertia ratio)에 비례적으로 작아지고 결과적으로 제어 시스템의 상대적인 안정성이 떨어져 발생하게 된다. 즉, 부하 대 모터 관성비가 큰 이송축일수록 제어 안정성 저하에 따른 소음 및 진동이 발생하기 쉽다. 이로 인해 장비 성능 및 가공 품위가 저하되며, 심할 경우 오차 과다 알람 등이 발생하고 장비가 비상정지 상태가 되기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 현재에는 저역통과필터(low-pass filter) 혹은 노치필터(notch filter)를 적용하거나 제어이득(control gain)을 낮추는 방법을 사용하여 왔으며, 이송 시 장비 충격을 없애기 위해서는 가감속 시정수를 늘리는 방법이 적용되고 있다.
그러나, 저역통과필터를 적용하는 경우에는 대역폭(bandwidth) 이상의 주파수 대역에서 제어 시스템에 위상 지연(phase delay)이 발생하고, 이로 인해 시스템의 안정성을 손상시키는 문제점이 있다.
또한, 노치 필터를 적용하는 경우에는 공진 주파수가 고정되어 있는 시스템에서는 유효성이 검증되어 있지만, 소재 무게 등의 부하가 변하고, 이로 인해 공진 주파수가 변하는 일반적인 이송축에서는 적용이 어렵다. 즉, 소재 무게에 따라 변하는 공진 주파수에 대응하기 위해서는 노치 필터의 중심 주파수 또한 적응적으로 변해야 하는데, 이러한 중심 주파수를 적응적으로 변화시키기는 어려운 일이다.
또한, 제어이득을 낮추는 방법은 모든 주파수 대역에서의 제어 시스템의 성능을 저하시키는 문제점을 가지고 있다.
마지막으로 가감속 시정수를 늘리는 방법은 정지 시의 진동 및 소음 문제는 해결할 수 없으며, 가공 시간이 늘어나는 등의 부수적인 문제점을 야기시킨다.
따라서, 본 발명은 소재 무게와 상관없이 장비의 가공 성능을 최적화할 수 있는 이송축 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 소재 무게에 따라 발생할 수 있는 소음 및 진동 발생을 방지하여 안정적으로 이송축을 제어할 수 있는 이송축 제어 방법을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이송축 제어 방법에 있어서, 부하관성에 따른 목표 부하 대 모터 관성비가 설정된 룩-업(look-up table) 테이블을 저장하는 과정과, 이송축을 이송시키면서 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 검출하는 과정과, 상기 검출된 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 이용하여 소재무게와 이로 인한 모터측에서 본 부하관성을 검출하는 과정과, 상기 룩-업 테이블을 이용하여 상기 검출된 부하관성에 대응하여 미리 설정된 목표 부하 대 모터 관성비를 산출하는 과정과, 가속도 피드백 이득 조절을 통한 부하 대 모터 관성비를 상기 산출된 목표 부하 대 모터 관성비로 구현하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일례에 따라 상기 산출 과정은, 상기 룩-업 테이블을 통해 상기 검출된 부하관성에 대응하여 목표 부하 대 모터 관성비가 확인되면 상기 확인된 목표 부하 대 모터를 목표 부하 대 모터로서 산출하는 과정과, 상기 룩-업 테이블을 통해 상기 검출된 부하관성에 대응하여 미리 설정된 목표 부하 대 모터 관성비가 확인되지 않으면, 선형 보간법을 이용하여 목표 부하 대 모터 관성비를 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가속도 피드백 제어를 통해 모터 관성을 변경하여 목표 부하 대 모터 관성비를 실현함으로써 강성에 비해 상대적으로 무거운 소재를 실은 이송축을 이송시킬 경우 발생하는 이송축 제어 시스템의 불안정성 및 이로 인한 소음 진동문제를 해결한다.
즉, 소재 무게와 상관없이 장비의 가공 성능을 최적화할 수 있고, 소재 무게에 따라 발생할 수 있는 소음 및 진동 발생을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 공작 기계 이송축의 간략화된 블록도,
도 2는 모터전류와 모터속도 간 전달함수 보드선도를 나타내는 그래프,
도 3은 실제 복합 가공기 하부 Z축의 토크지령과 모터속도간 전달함수의 이득 보도선도를 나타내는 그래프,
도 4는 이송축 이송 시 속도, 가속도, 토크지령 그래프,
도 5는 본 발명이 적용되는 가속도 피드백 제어 블록도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 소재 무게별 복표 부하 대 모터 관성비를 나타내는 룩-업 테이블,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 선행 보간을 이용한 목표 부하 대 모터 관성비를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 룩-업 테이블을 이용한 목표 부하 대 모터 관성비 계산 과정을 나타내는 흐름도,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 과정을 나타내는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
부하 대 모터 관성비가 커서 발생되는 이송축의 진동 및 소음 문제는 부하 대 모터 관성비를 적절히 낮추게 되면 해결된다.
그러나, 소재 무게에 의한 모터측에서 본 부하관성은 결정되어 있기 때문에, 모터 관성을 변경시켜 부하 대 모터 관성비를 낮추어야 한다. 이러한 모터 관성은 가속도 피드백 제어를 통해서 전기적으로 변경될 수 있다.
즉, 소재의 무게에 따른 모터측에서 본 부하관성을 자동적으로 검출하고, 검출된 소재무게와 가속도 피드백 기능을 이용하여 전기적으로 모터 관성을 조정함으로써 검출된 부하관성에 대한 이상적인 목표(target) 부하 대 모터 관성비를 적응적으로 실현하는 것이 가능하다.
이에 따라 본 발명은 자동 부하관성 검출 및 가속도 피드백 이득 조정을 통한 부하관성에 대한 적응적인 부하 대 모터 관성비 실현 알고리즘 및 방법을 통해 진동 및 소음 문제 그리고 궁극적으로 소재 무게와 상관없이 장비의 가공 성능을 최적화할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
먼저, 도 1의 공작 기계 이송축의 블록도를 참조하여 이송축 동작에 대하여 살펴보도록 한다.
이송축은 도 1에 도시된 바와 같이 모터 관성(JM)과 모터축에서 본 부하 관성(JL)이 스프링 상수(KS)를 갖는 스프링으로 연결된 것으로 모델링 될 수 있다.
이때, 모터전류(IF)와 모터속도(VM)간의 전달함수(transfer function)를 구하면 하기의 <수학식 1>과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2010004722-appb-M000001
상기 <수학식 1>은 모터전류와 모터속도간의 계루프(open-loop) 전달함수이며, 이것의 보드선도는 일반적으로 도 2와 같이 도시될 수 있다.
도 2에서 FR은 모터관성과 부하관성간의 컴플라이언스(compliance)에 의해 발생되는 공진주파수(resonance frequency)이며, FAR은 반공진주파수(anti-resonance frequency)이다. 도 2를 통해 볼 수 있듯이 FR에서 계루프 전달함수의 이득이 피크(peak)를 나타내며, FAR에서 최저치를 나타낸다.
상기 <수학식 1>에서 점성마찰계수인 bs를 무시할 정도로 작다고 가정하면 FR 및 FAR은 하기의 <수학식 2>를 통해 계산될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2010004722-appb-M000002
상기 <수학식 2>에서 JP 는 ‘1/JP = 1/JM + 1/JL’로 계산될 수 있다.
한편, 도 2에서 볼 수 있듯이 FAR보다 낮은 저주파대역(s->0)에서는 <수학식 1>이 1/((JM + JL)·s)로 간략화 될 수 있다. 즉, 저주파대역에서는 모터관성과 부하관성이 강하게(rigid) 연결되어 하나의 관성처럼 동작한다.
반면에 FA보다 높은 고주파대역(s->∞)에서는 식①이 1/(JM·s)로 간략화 될 수 있다. 즉, 고주파대역에서는 부하관성이 실질적으로 모터관성에서 분리되어 모터관성만 존재하는 것처럼 동작한다.
이로 인해 발생되는 가장 큰 문제점은 부하관성이 모터관성에서 분리되는 고주파대역에서 실질적으로 이득이 도 2에 ①로 표시된 양만큼 커지고, 그 양만큼 제어 시스템의 이득 여유가 작아진다는 것이다.
결과적으로 작아진 이득 여유만큼 제어 시스템은 불안정해지고, 이송축의 진동 및 소음이 발생할 여지가 커진다. 이러한 이득 여유의 감소폭은 아래의 <수학식 3>을 통해 계산될 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2010004722-appb-M000003
상기의 <수학식 3>으로부터 부하 대 모터 관성비 JL/JM이 커질수록 시스템의 이득 여유의 감소폭이 커지며 이로 인해 시스템이 더욱 불안정해진다는 중요한 사실을 알 수 있다. 즉, 문제의 원인이 되는 부하 대 모터 관성비 JL/JM을 조절할 수만 있다면 이득 여유 감소에 의한 이송축의 진동 문제를 해결하는 것이 가능하다.
소정 기종 복합 가공기의 하부 Z축의 모터전류에 비례하는 토크지령과 모터속도간 전달함수의 보드선도는 도 3에 도시된 바와 같이 검출될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3에서도 모터관성과 부하관성간의 컴플라이언스(compliance)에 의한 고주파대역에서의 모터관성과 부하관성의 분리현상 및 이로 인한 시스템의 이득 여유 감소현상을 볼 수 있다.
부하 대 모터 관성비를 적응적으로 조절하기 위해서는 일단 소재의 무게로 인한 모터측에서 본 부하 관성을 검출해야 한다.
이러한 부하관성을 자동적으로 계산해내기 위해서는 이송축 모터의 토크지령 및 속도 등의 데이터가 필요한데, 이러한 데이터는 일반적으로 수치 제어기(numerical controller) 내부 레지스터에 저장되어 있고, 제공되는 함수 등을 통해 실시간으로 접근하여 읽어오는 것이 가능하다.
이상적으로 모터 토크와 회전체의 각 가속도간에는 “Tm = Jα”라는 관계식이 존재하나, 실제로는 마찰력이나 외부에서 가해지는 힘과 같은 외란 토크를 고려하면 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2010004722-appb-M000004
상기 <수학식 4>에서 Tm은 모터 토크, J는 관성, α는 각 가속도, Td는 외란 토크이다.
모터 관성과 부하 관성이 강체(rigid body)로 연결된 것으로 모델링 될 수 있는 경우(모터 각가속도의 주된(major) 주파수 성분이 이송축 공진주파수 이하일 경우) 모터관성과 모터측에서 본 부하관성의 합 J는 하기의 <수학식 5>를 이용하여 계산해 낼 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2010004722-appb-M000005
상기 <수학식 5>에서 Tm는 모터 토크, J는 모터관성과 모터측에서 본 부하 관성의 합, α는 각 가속도, Td는 외란 토크이다.
특히, 이송 중일 경우 외란 토크의 큰 부분을 이송속도에 비례하는 점성 마찰(viscous friction)이 차지하는 것으로 근사화하면 모터관성과 모터측에서 본 부하 관성의 합은 도 4에서 ③을 각 가속도로 나누게 되면 얻을 수 있다. 이는 <수학식 5>의 내용과 동일하다.
도 4는 이송축 이송 시 속도, 가속도, 토크지령을 나타내는 그래프로서, ①은 가속 시 모터 토크 지령(Tm = Jα + Td)의 최대값이고, ②는 점성마찰 등을 포함하는 등속 시 외란토크(Td)이고, ③은 모터관성과 부하관성의 합에 비례하는 가속토크(Jα)를 의미한다.
이송 중 점성 마찰에 의한 외란 토크를 알아내기 위해서는 도 4에서와 같이 등속구간에서의 모터의 토크 지령을 검출하면 된다.
도 4의 a는 가속이 끝나는 구간으로, a구간에서의 속도와 등속 구간에서의 속도는 같으므로 두 구간에서의 점성 마찰에 의한 외란 토크는 동일하다. 따라서, 도 4에서 모터부하와 모터측에서 본 부하관성의 합(J)에 비례하는 ③으로부터 J를 구하는 식은 하기의 <수학식 6>과 같이 나타내어질 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2010004722-appb-M000006
상기의 <수학식 6>에서 Tm는 가속이 끝나는 순간의 모터 토크, J는 모터관성과 모터측에서 본 부하관성의 합, α는 가속이 끝나는 순간의 모터 각가속도, Td1은 가속이 끝나는 순간의 점성마찰에 의한 외란 토크, Td2는 등속시의 점성마찰에 의한 외란 토크를 나타낸다.
파낙 수치제어기의 속도제어루프 및 가속도 피드백 기능의 블록도에서 가속도 피드백 기능만 추출하여 블록도로 표현하면 도 5와 같이 도시할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일반적으로 전류제어루프와 서보 앰프의 시정수(time constant)는 관성을 포함하는 기계 시스템의 시정수에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으므로 ‘전류제어루프 + 서보 앰프’를 1로 간략화하면 가속도 피드백이 없는 경우의 모터속도와 전류지령간 전달함수는 하기의 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2010004722-appb-M000007
동일한 이유로 ‘전류제어루프 + 서보 앰프’를 1로 간략화하면 가속도 피드백 기능을 사용한 경우의 모터속도와 전류지령간 전달함수는 하기의 <수학식 8>과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2010004722-appb-M000008
상기의 <수학식 7>과 <수학식 8>을 비교하면, 가속도 피드백을 적용할 경우 모터 관성이 Jm에서 ‘Jm + Kt·Ka’로 변하는 것을 알 수 있다. 즉, 가속도 피드백 이득을 조정함으로써 모터의 관성을 전기적으로 조절할 수 있게 되는 것이다.
소재 무게별로 실현코자 하는 이상적인 목표 부하 대 모터 관성비를 달리 둠으로써 이송축 더 나아가 장비의 성능을 극대화하는 것이 가능할 수 있다. 이때, 이상적인 목표 부하 대 모터 관성비는 부하관성을 가장 이상적으로 제어할 수 있는 모터의 관성을 말한다.
이를 위해 도 6과 같이 소재 무게별 목표 부하 대 모터 관성비를 수치제어기 내부에 룩-업 테이블(look-up table) 형태로 저장한다.
이러한 룩-업 테이블에서 T ≤ x0 인 경우에는 δT = δ0이고, T ≥ xn 인 경우에는 δT = δn이다.
이러한 룩-업 테이블에 저장되어 있지 않은 소재 무게에 대한 목표 부하 대 모터 관성비는 선형 보간(linear interpolation)을 이용하여 추출한다. 이러한 선행 보간법에 의한 목표 부하 대 모터 관성비 추출에 대해서는 도 7을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 7을 참조하면, 검출된 소재무게가 T인 경우 목표 부하 대 모터 관성비를 구하기 위한 수학식은 하기의 <수학식 9>와 같이 도시될 수 있다.
수학식 9
Figure PCTKR2010004722-appb-M000009
또한, 이와 같은 선형 보간을 통한 계산 순서는 도 8의 흐름과 같이 나타낼 수 있다. 도 8은 도 6과 같은 룩-업 테이블을 이용한 목표 부하 대 모터 관성비 계산 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 800단계에서 소재무게(T)를 검출하고, 801단계에서 소재무게(T)가 x0 이하인지를 검사한다.
만약, 소재무게(T)가 x0 이하이면 802단계로 진행하여 목표 부하대 모터 관성비를 δT = δ0로 산출한다. 하지만, 만약 801단계 검사결과 소재무게(T)가 x0 이하가 아니면 803단계로 진행한다.
803단계에서 소재무게(T)가 xn 이상인지를 검사하고, 소재무게(T)가 xn 이상이면 804단계로 진행하여 목표 부하대 모터 관성비를 δT = δn 로 산출한다.
하지만, 만약 803단계 검사결과 소재무게(T)가 x0 이상이 아니면 805단계로 진행하여 테이블 인덱스 값 i를 0으로 설정한다.
이후, 806단계에서 소재무게(T)가 xi이상이면, i값을 1만큼 증가시킨 후 806단계로 진행한다. 즉, 소재무게(T)가 xi이 미만이 될 때까지 i값을 1만큼 증가시키고, 만약, 소재무게(T)가 xi 미만이면, 하기의 <수학식 10>에 따라 목표 부하대 모터 관성비를 산출하게 된다.
수학식 10
Figure PCTKR2010004722-appb-M000010
그러면 이제 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 과정에 대하여 살펴보도록 한다.
먼저, 이송축 제어를 위해서는 이송축 제어 시스템에 상기의 도 6과 같이 소재무게(부하관성)에 따른 목표 부하대 모터 관성비가 미리 설정된 룩-업 테이블을 저장하여야 한다.
900단계에서 이송축을 이송시키고, 902단계에서 이송축 모터의 가속도 및 토크 지령 데이터를 검출한 후 904단계에서 소재 무게에 의한 부하관성을 검출한다. 즉, 이송축을 이송시키면서 모터의 토크 및 각가속도 데이터를 검출하여 소재무게에 의한 모터측에서 본 부하관성을 계산하는 것이다.
이후, 906단계에서 검출된 부하관성을 이용하여 가장 이상적인 모터 관성을 계산한다. 이때, 906단계에서는 도 6과 같이 도시되는 록-업 테이블과 선행 보간을 이용하여 목표로 하는 부하 대 모터 관성비를 계산하는 것이다.
이후, 908단계에서 가속도 피드백 이득을 조정하여 모터 관성을 계산된 목표 모터관성이 되도록 한다.
이때, 목표 모터 관성으로 조절되면 목표 부하 대 모터 관성비가 실현되어 이송축 제어 시스템이 안정화되고, 소음 및 진동 발생을 억제할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 가속도 피드백 제어를 통해 모터 관성을 변경하여 목표 부하 대 모터 관성비를 실현함으로써 강성에 비해 상대적으로 무거운 소재를 실은 이송축을 이송시킬 경우 발생하는 이송축 제어 시스템의 불안정성 및 이로 인한 소음 진동문제를 해결한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명은 소재의 무게에 따라 이송축을 제어할 수 있는 시스템 및 중장비에 적용이 가능하다.

Claims (2)

  1. 이송축 제어 방법에 있어서,
    소재 무게에 따른 목표 부하 대 모터 관성비가 설정된 룩-업(look-up table) 테이블을 수치제어기(NC)에 저장하는 과정과,
    이송축을 이송시키면서 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 검출하는 과정과,
    상기 검출된 모터 가속도 및 토크지령 데이터를 이용하여 소재무게로 인한 모터측에서 본 부하관성을 검출하는 과정과,
    상기 룩-업 테이블을 이용하여 상기 검출된 부하관성에 대응하여 목표 부하 대 모터 관성비를 산출하는 과정과,
    가속도 피드백 이득 조절을 통한 부하 대 모터 관성비를 상기 산출된 목표 부하 대 모터 관성비로 구현하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산출 과정은,
    상기 룩-업 테이블을 통해 상기 검출된 부하관성에 대응하여 목표 부하 대 모터 관성비가 확인되면 상기 확인된 목표 부하 대 모터를 목표 부하 대 모터로서 산출하는 과정과,
    상기 룩-업 테이블을 통해 상기 검출된 부하관성에 대응하여 미리 설정된 목표 부하 대 모터 관성비가 확인되지 않으면, 선형 보간법을 이용하여 목표 부하 대 모터 관성비를 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소재 무게에 따라 가공 성능을 최적화 하기 위한 이송축 제어 방법.
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