数值控制方法

文档序号:3196692阅读:414来源:国知局
专利名称:数值控制方法
技术领域
本发明涉及通过伺服控制部驱动工作机械的进给轴的数值控制方法。本发明尤其涉及具有多个进给轴的工作机械的数值控制方法。
背景技术
工作机械包括一个以上的直动轴和/或旋转进给轴(以下,有时也将这些直动轴和旋转进给轴简称为“进给轴”),用于驱动这些进给轴的马达受数值控制装置控制。在工作机械中,根据工件的加工处理内容而安装有不同的工具,另外,用于将工件安装在工作机械上的夹具也根据工件来使用。在包括这样的工作机械的系统中,需要对进给轴设定加减速时间常数、反转校正值、各种增益、共振过滤器常数等控制参数。专利文献I中公开了通过马达的时间响应和理想的响应误差来调整作为控制参数的反馈补偿器(积分增益)。另外,专利文献2中公开了通过算出机械损伤系数并将该系数与阈值相比较来判断异常。现有技术文献专利文献1:日本特开2007-299122号公报专利文献2:日本特开2009-154274号公报

发明内容
发明要解决的问题然而,在专利文献I中,由于需要反复进行反馈补偿器的调整,所以处理费时,难以频繁地进行调整。另外,在专利文献I中,没有公开反馈补偿器以外的控制参数的设定。进而,也没有公开自动设定与进给轴的当前状态相适应的加减速参数(加减速时的加速度、加速度变化率和所需时间)。进而,在专利文献2中,只是通过机械损伤系数来判定特定的异常,甚至无法检测不能通过机械损伤系数判断的异常。因此,专利文献2所公开的异常判断的可靠性比较低,希望通过多方面的判断来提高异常判断的可靠性。本发明是鉴于这样的情况而提出的,其目的在于,提供一种数值控制方法,能够简单地求出与进给轴的状态相应的最佳的多个控制参数和加减速参数,并能够进行可靠性高的异常判断。用于解决问题的手段为了实现上述的目的,根据第I发明,提供了一种数值控制方法,通过伺服控制部驱动工作机械的进给轴,在所述数值控制方法中,将所述进给轴的伺服控制部的动作模型化来求出传递函数,使用所述进给轴的频率响应,测定所述工作机械的伺服控制部中的位置环路的闭环传递函数和速度环路的闭环传递函数中的至少一方,使用所测定出的闭环传递函数来求出所述位置环路的控制对象和所述速度环路的控制对象中的至少一方,根据所述控制对象求出所述位置环路的模型化误差和所述速度环路的模型化误差中的至少一方,使用所述闭环传递函数和模型化误差中的至少一方来算出所述伺服控制部的至少一个控制参数。根据第2发明,在第I发明中,使用所述位置环路的模型化误差,求出所述位置环路的前馈增益作为控制参数,或者,使用所述速度环路的模型化误差,求出所述速度环路的前馈增益作为控制参数。根据第3发明,在第I发明中,根据所述位置环路的闭环传递函数和所述位置环路的模型化误差并使用小增益定理,求出所述位置环路的反馈增益,或者,根据所述速度环路的闭环传递函数和所述速度环路的模型化误差并使用小增益定理,求出所述速度环路的反馈增益。根据第4发明,在第I发明中,求出所述工作机械的伺服控制部中的位置环路的闭环传递函数,将至少包含预定的加速度和时间的多个组输入所述位置环路的闭环传递函数,从所述多个组中,选择至少包含加速度和时间的一个组作为加减速参数,以使所述进给轴的位置指令与实际的位置之间的偏差在所希望的值以下。根据第5发明,在第I发明中,将所算出的控制参数与该控制参数用的预定的阈值进行比较,在所述控制参数为所述阈值以上的情况下发出警告。发明的效果在第I发明中,由于使用了将伺服控制部的动作模型化而得到的闭环传递函数和/或模型化误差,所以能够迅速且自动地求出最佳的多种控制参数。在第2发明中,能够求出位置环路的前馈增益或速度环路的前馈增益作为控制参数。在第3发明中,能够求出位置环路的反馈增益或速度环路的反馈增益作为控制参数。在第4发明中,能够根据进给轴的状态设定适当的加减速参数(加减速时的加速度、加速度变化率以及所需时间)。另外,由于自动进行这样的设定,所以也能够使工作机械的加工时间整体缩短。在第5发明中,由于能够使用多种最佳化的控制参数进行异常判断,所以能够多方面地进行异常判断,从而能够提高其可靠性。另外,由于自动进行这样的异常判断,所以能够减轻对操作者的负担。此外,阈值根据应被加工的工件的种类、工具的质量等而不同。


图1是本发明的数值控制工作机械的概略图。图2是控制本发明的数值控制工作机械的伺服控制部的结构框线图。图3是表示图2所示的位置控制部及其周边的框线图。图4是用于算出与位置控制部相关的控制参数的流程图。图5a是表示对模型化误差进行近似曲线拟合的方法的第一图。图5b是表示对模型化误差进行近似曲线拟合的方法的第二图。图6是用于说明使用小增益定理并根据模型化误差来求出反馈增益的图。图7是表示图2所示的速度控制部及其周边的框线图。图8是用于算出与速度控制部相关的控制参数的流程图。
图9a是表示求出速度环路的模型化误差的方法的第一图。图9b是表示求出速度环路的模型化误差的方法的第二图。图1Oa是表示增益与频率的关系的图。图1Ob是表示增益与频率的关系的图。图11 (a)是表示进给轴的进给速度与时间的关系的图。图11 (b)是表示加速度与时间的关系的图。图11 (C)是表不加速度、时间等的表的图。图12是表示用于基于控制参数进行异常判断的处理的流程图。图13a是简单表示位置环路的图。图13b是简单表示速度环路的图。图14是表示工作机械的工具之一的加工路径的图。图15a是表示图14中的X方向速度、X方向加速度以及X方向误差与时间的关系的图。图15b是表示图14中的X方向速度、X方向加速度以及X方向误差与时间的关系的图。图16是用于计算图14的阈值参数的流程图。标号说明10数值控制工作机械14工作台16 柱20 主轴22 工具40数值控制部42 NC 程序46解释完程序存储部48程序执行指令部50分配控制部52伺服控制部54进给轴马达驱动部56运算控制部58减法运算器60位置控制部61加法运算器62减法运算器64速度控制部92转矩前馈控制部94加法运算器96反转校正值算出部98参数运算部100减振过滤器
102加减速处理部
具体实施例方式下面,参照附图来说明本发明的实施方式。在以下的附图中对相同的构件标注相同的参考标号。为了便于理解,这些附图对比例尺进行了适当变更。图1是本发明的数值控制工作机械的概略图。在图1中,数值控制工作机械10是所谓卧式加工中心,其具备在工厂等的地面上设置的床身12。在床身12的上表面,在水平的Z轴方向(在图1中为左右方向)上延伸设置有Z轴导轨28,在Z轴导轨28上以自由滑动的方式安装有用于经由工件用夹具G来固定工件W的工作台14。虽然图1中示出了在工作台14上固定有能够在B轴方向上旋转进给的NC旋转工作台、并在该NC旋转工作台上装载工件W的例子,但是也可以不经由NC旋转工作台而直接将工件W装载在工作台14上。进而,在床身12的上表面,X轴导轨36垂直于Z轴且在水平的X轴方向(与图1的纸面垂直的方向)上延伸设置,在X轴导轨36上自由滑动地安装有柱16。在柱16的与工件W相对面的前面,在与X轴和Z轴垂直的Y轴方向(在图1中为上下方向)上延伸设置有Y轴导轨34,在Y轴导轨34上自由滑动地安装有将主轴20支撑为自由旋转的主轴头18。在床身12内工作台14的下侧,在Z轴方向上延伸设置有Z轴进给螺栓24,在工作台14的下表面固定有与Z轴进给螺栓24螺合的螺母26。Z轴进给螺栓24的一端与Z轴进给伺服马达Mz连结,通过驱动Z轴进给伺服马达Mz来使Z轴进给螺栓24旋转,从而使工作台14沿着Z轴导轨28移动。同样地,在床身12内柱16的下侧,在X轴方向上延伸设置有X轴进给螺栓(未图示),在柱16的下表面固定有与所述X轴进给螺栓螺合的螺母(未图示)。所述X轴进给螺栓的一端与X轴进给伺服马达Mx连结,通过驱动X轴进给伺服马达Mx来使所述X轴进给螺栓旋转,从而使柱16沿X轴导轨36移动。进而,在柱16内Y轴方向上延伸设置有Y轴进给螺栓32,在主轴头18的背面固定有与Y轴进给螺栓32螺合的螺母30。Y轴进给螺栓32的上端与Y轴进给伺服马达My连结,通过驱动Y轴进给伺服马达My来使Y轴进给螺栓32旋转,从而使主轴头18沿Y轴导轨34移动。在主轴20的顶端安装有工具22例如立铣刀。通过一边使工具22旋转一边使柱16、主轴头18、工作台14分别在X轴、Y轴、Z轴方向上动作,从而将固定于工作台14的工件W切削加工成所希望的形状。在固定有NC旋转工作台的情况下,数值控制工作机械10也称为还具有B轴的4轴的数值控制工作机械。数值控制工作机械10具备控制使柱16、主轴头18、工作台14在X轴、Y轴、Z轴方向上移动的X轴、Y轴、Z轴进给伺服马达Mx、My、Mz的数值控制部40。在具有NC旋转工作台的情况下,具备B轴进给伺服马达(未图示)。数值控制部40包括:程序读取解释部44,读取NC程序42并对其进行解释;解释完程序存储部46,暂时存储解释后的程序;程序执行指令部48,从解释完程序存储部46适当调用程序并发出执行程序数据;分配控制部50,基于来自程序执行指令部48的执行程序数据发出向X轴、Y轴、Z轴的各轴的位置指令值、速度指令值、转矩指令值;伺服控制部52,基于来自分配控制部50的位置指令值、速度指令值、转矩指令值以及后述的反馈信号向进给轴马达驱动部54发出转矩指令值或电流指令值。此外,关于B轴也同样,分配控制部50发出向B轴的位置指令值、角速度指令值、角加速度指令值等。进给轴马达驱动部54基于来自伺服控制部52的转矩指令值或电流指令值来输出电流,从而分别驱动X轴、Y轴、Z轴各自的进给轴马达Mx、My、Mz。进而,在本实施方式中,设置有对从伺服控制部52向进给轴马达驱动部54发出的转矩指令值或电流指令值进行校正的运算控制部56。运算控制部56进行后述的模型化处理、控制参数的算出等各种处理。图2是控制本发明的数值控制工作机械的伺服控制部的结构框图。在图2的实施方式中,与图1相对应的结构要素用相同的参考标号来表不。伺服控制部52包括:加减速处理部102,对来自分配控制部50的位置指令值进行加减速处理;减法运算器58,从位置指令值减去安装于工作台14的数字直线标尺等的位置检测器Sp的位置反馈信号;位置控制部60,基于来自减法运算器58的输出来控制位置。伺服控制部52还包括反转校正值算出部96,其基于来自分配控制部50的位置指令值等,利用公知的方法算出与进给轴的回差(backlash)相关的校正值。伺服控制部52还包括:加法运算器61,将算出的反转校正值加到从位置控制部60输出的速度指令上;减法运算器62,从速度指令减去来自设置于进给轴马达M的脉冲编码器PC的速度反馈信号;速度控制部64,基于减法运算器62的输出来控制速度。另一方面,来自分配控制部50的位置指令值、速度指令值、转矩指令值也被每时每刻地送到速度前馈控制部90和转矩前馈控制部92。速度前馈控制部90和转矩前馈控制部92基于来自分配控制部50的位置指令值等,生成速度前馈值和转矩前馈值。速度前馈值和来自位置控制部60的输出在加法运算器98中进行加法运算,并被供给到进给轴马达驱动部54。进而,转矩前馈值和来自速度控制部64的输出在加法运算器94中进行加法运算,并被供给到进给轴马达驱动部54。图3是表示图2所示的位置控制部及其周边的框线图。如图3所示,在来自减法运算器58的输出上乘以位置比例增益(位置环路的反馈增益)Kpp。另外,在图3中,速度前馈控制部90的前馈增益利用传递函数Gvf来模型化。在图3中,加减速处理后的位置指令与由位置检测器Sp检测出的实际位置之间的区域,被模型化成位置环路的闭环传递函数Gbp。进而,如图3所示,在闭环传递函数Gbp内,位置环路的控制对象Pp被模型化,进而,在位置环路的控制对象Pp内示出了位置环路的控制对象模型PP。。此外,图中的“s”是拉普拉斯算子。另外,图3的“APp”随着工作机械的状态而变化,并且,加减速处理部102、传递函数Gvf以及位置比例增益Kpp随着最佳化而变化。图4是用于算出与位置控制部相关的控制参数的流程图。此外,以下的处理由运算控制部56来进行。在本发明中,通过图4所示的处理,算出作为位置控制部60的控制参数的传递函数Gvf (前馈增益)以及位置比例增益Kpp (反馈增益)。首先,在步骤SI中,测定位置环路的闭环传递函数Gbp。其根据图3所示的加减速处理后的位置指令和由位置检测器Sp检测出的实际位置之比来求出。接着,在步骤S2中,基于位置环路的闭环传递函数Gbp通过以下的式(I)来求出位置环路的控制对象Pp。
权利要求
1.一种数值控制方法,通过伺服控制部驱动工作机械的进给轴,其特征在于, 将所述进给轴的伺服控制部的动作模型化来求出传递函数, 使用所述进给轴的频率响应,测定所述工作机械的伺服控制部中的位置环路的闭环传递函数和速度环路的闭环传递函数中的至少一方, 使用所测定出的闭环传递函数来求出所述位置环路的控制对象和所述速度环路的控制对象中的至少一方, 根据所述控制对象求出所述位置环路的模型化误差和所述速度环路的模型化误差中的至少一方, 使用所述闭环传递函数和模型化误差中的至少一方来算出所述伺服控制部的至少一个控制参数。
2.如权利要求1所述的数值控制方法,其中, 使用所述位置环路的模型化误差,求出所述位置环路的前馈增益作为控制参数,或者,使用所述速度环路的模型化误差,求出所述速度环路的前馈增益作为控制参数。
3.如权利要求1所述的数值控制方法,其中, 根据所述位置环路的闭环传递函数和所述位置环路的模型化误差并使用小增益定理,求出所述位置环路的反馈增益,或者,根据所述速度环路的闭环传递函数和所述速度环路的模型化误差并使用小增益定理,求出所述速度环路的反馈增益。
4.如权利要求1所述的数值控制方法,其中, 求出所述工作机械的伺服控制部中的位置环路的闭环传递函数, 将至少包含预定的加速度和时间的多个组输入所述位置环路的闭环传递函数, 从所述多个组中,选择至少包含加速度和时间的一个组作为加减速参数,以使所述进给轴的位置指令与实际的位置之间的偏差在所希望的值以下。
5.如权利要求1所述的数值控制方法,其中, 将所算出的控制参数与该控制参数用的预定的阈值进行比较,在所述控制参数为所述阈值以上的情况下发出警告。
全文摘要
在通过伺服控制部(52)驱动工作机械(10)的进给轴的数值控制方法中,将进给轴的伺服控制部(52)的动作模型化来求出传递函数,使用进给轴的频率响应,测定工作机械的伺服控制部(52)中的位置环路的闭环传递函数(GBP)和速度环路的闭环传递函数中的至少一方,使用所测定出的闭环传递函数来求出位置环路的控制对象(PP)和速度环路的控制对象中的至少一方,根据控制对象求出位置环路的模型化误差(ΔPP)和速度环路的模型化误差中的至少一方,使用闭环传递函数和模型化误差中的至少一方来算出伺服控制部(52)的至少一个控制参数。由此,简单且自动地求出与进给轴的状态相应的最佳的多个控制参数。
文档编号B23Q15/013GK103180790SQ201180051769
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年10月27日
发明者川名启, 森规雄, 尾田光成 申请人:株式会社牧野铣床制作所
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