专利名称：用于抑制低频振动的调节器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于抑制数字控制的机床的低频振动的调节器结构。这种振动显著影响了加工工件的表面质量。
背景技术：
机床的数字控制根据子程序控制了工件的加工，在该子程序中在不同的加工循环中确定加工过程。在此，工具必须尽可能精确地遵循预先给定的轨迹，从而制成的工件的形状对应于预先规定情况。为此必须借助于机床相应的旋转的或直线的驱动装置对应地控制机床的不同轴。为了能够遵守预先给定的加工轨迹，使用调节器结构，该调节器结构在位置调节器中由各个预先给定的给定位置和机床轴的实际位置计算出给定速度(用于直线驱动装置)或给定转速(用于旋转驱动装置)，必要时应该利用该给定速度或给定转速修正位置偏差。给定转速和实际转速之间的差值可在转速调节器中转化为给定电流，该给定电流-乘以驱动装置的电机常数-对应于驱动装置的给定转矩。在电流调节器中，在与实际的电流比较之后由该给定电流激发出给定电压，在驱动放大器中该给定电压被转化并施加在电机的相(线)上。合适的测量系统检查了各个驱动装置的实际位置，由该实际位置可以分别导出实际的速度。处于至电机的馈电线中的电流传感器检测实际的电流。驱动装置和工具之间的连接从来不是绝对刚性的，而是还包含弹性的，即可振动的组件。因此，出现了机械共振，当调节器结构的参数化不利时和/或弹性组件的自抑制较小时，该机械共振会导致不期望的振动。由于对调节器结构的带宽要求越来越高，首先通过位置调整回路中的大放大系数实现了这种低频率的共振频率的增强并重叠工具轨迹。在直至约50Hz的范围内的低频振动可明显视作在工具的加工中不期望的表面波纹。
当形成这种共振振动时，不利的相移产生不利的影响，尤其像由于控制系统(Regelstrecke)的延迟和转速调节器的一体部件共同作用产生的那样。由于相应的放大系数减小，可以减小一体部分并进而削弱共振振动，然而同时还降低了机床的刚性和干扰调节的质量。因此，EP 1439437B1描述了一种用于借助于电机定位负载的调节器结构，所述调节器结构具有用于主动地抑制不期望的低频振动的设备。调节器结构具有位置调节器、速度调节器和电流调节器。此外，在调整回路中形成了抑制信号，该抑制信号反作用于不期望的低频振动。根据EP 1439437B1的图3的实施例，由唯一的、包含干扰的振动的传感器信号形成了不同相位位置的第一和第二抑制信号，并接入位置调节器和速度调节器之间。因为，根据该现有技术的抑制信号由存在于调整回路中的信号获得，所以不可以使用例如检测工具附近的振动的外部传感器。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于定位负载的调节器结构，该调节器结构还更有效地抑制了干扰的振动，并同时可适应不同的使用情况。该目的通过具有权利要求1所述的特征的装置实现。由权利要求1的从属权利要求中详述的特征得到有利的设计方案。一种用于借助于电机定位负载的调节器结构，所述调节器结构具有用于主动地抑制不期望的低频振动的设备。该调节器结构具有位置调节器，负载的实际位置与给定位置的偏差被输送给该位置调节器，且该位置调节器输出给定速度。此外，所述调节器结构还具有速度调节器，负载的实际速度与给定速度的偏差被输送给该速度调节器，且该速度调节器输出给定电流，以及具有电流调节器，电机的实际电流与给定电流的偏差被输送给该电流调节器，且该电流调节器输出用于驱动电机的给定电压。位置调节器、速度调节器和电流调节器共同组成了阶梯式调整回路。调整回路通对不期望的所述低频振动起反作用的抑制信号，其中相位位置的至少一个第一和第二抑制信号由唯一的传感器信号导出，并且其中第一抑制信号接入位置调节器和速度调节器之间，并且第二抑制信号接入速度调节器和电路电流调节器之间。此处提出的调节器结构仅需要唯一的传感器信号，该传感器信号包括待抑制的振动，且因此调节器结构不局限于其中使用多个传感器的应用情况。因此，在电机上或在移动的负载上唯一的位置传感器就足够了。相对较容易实现用于主动抑制的设备的参数化，因为单个的参数仅极小程度地影响彼此。同时，调节器结构相对于变化、例如像变化的质量是牢靠的，该变化的质量可能推移了干扰的共振的频率。因为加速度传感器适合用作用于传感器信号的来源，该传感器信号用于导出抑制信号，所以可以直接地或在关注的位置附近检测振动并进而抑制振动，即例如在机床的工具中点处，在该工具中点处应该避免振动。即这种加速度传感器可以相对于位置测量设备相对更简单地安置在这些位置。利用此处提出的用于振动抑制的设备可以极其成功地抑制驱动装置和负载之间的扭转振动，以及还有机床的安装振动和工具中点的振动。因此，用于振动抑制的设备的应用极为广泛。
由下述根据附图对优选的实施方案的描述得到本发明的其它优点以及细节。附图示出:图1示出简单的第一实施例；图2示出伴随着额外的用于参数化的可能性的第二实施例；图3不出具有加速度传感器的第三实施例，由该加速度传感器导出抑制信号。
具体实施例方式图1首先示出传统的具有位置调节器2、速度调节器3和电流调节器4的调节器结构，分别为它们预先给定了给定值x_nom, v_nom, i_nom。给定位置x_nom例如通过上级的数字控制装置提供。在位置调节器2中通过比例兀 件(P_Glied)5.6由给定位置x_nom和实际位置x_ist的差值确定给定速度v_nom。P_Glied5.6是简单的放大器,其放大系数Kv可参数化。
在速度调节器3中通过比例积分元件(PI_Glied)6.1由给定速度v_nom和实际速度v_ist的差值确定电流给定值i_nom。P1-Glied通常包括放大器和积分器,放大器和积分器彼此并联地放大输入信号并将其对时间求积分，其中关于放大系数Kp和Ki的各个部分可参数化。在电流调节器4中通过另一个P1-Glied由给定电流i_nom和实际电流i_ist的差值确定给定电压，未示出的功率放大器根据该给定电压驱动电机M。电机M的位置利用旋转编码器Encl确定。在微分器(D_Glied)7.2中对时间导出旋转编码器Encl的位置信号，并作为实际速度v_ist输入调整回路。因为未示出的负载并未与电机M刚性连接，所以直接利用单独的位置测量设备Enc2测量负载的位置。该位置测量设备Enc2的负载信号作为实际位置x_ist输入调整回路。尤其当给定位置x_nom的时间曲线在整个系统中引起共振时，电机和负载之间的非刚性的连接尤其导致整个系统中的不期望的振动，该连接在图1中利用弹簧标记/抑制标记示出。因此当对这种调节器结构进行参数化时，必须权衡，调节器由于大放大系数Kv，Kp,Ki是否应该极迅速地对偏差作出反应，其中在这种情况下该系统更多地倾向于振动，或者是放大系数Kv、Kp、Ki否小更应该避免激发振动，其中系统仅缓慢地校正偏差并进而继续偏离预先给定的给定位置x_nom。根据本发明，设备I应该有利于主动地抑制不期望的振动，并进而能够把大放大系数Kv, Kp, Ki的优点和此外对不期望的振动的小量倾向组合起来。为此，在设备I中供使用的有抑制信号v-FF和a-FF，基于唯一的传感器信号形成该抑制信号。在该实施例中，考虑把实际位置x_ist 作为唯一的传感器信号。该传感器信号包括负载的每个不期望的振动。可选地，其它传感器信号也是合适的，在此例如电机M的位置，或者电机的实际电流i_ist。设备I中像在位置调节器2中一样首先形成给定位置x_nom和实际位置x_ist的差值，以便把不期望的振动与负载的期望的运动分开。在用于形成第一抑制信号v-FF的第一支路中，借助于第一 P_Glied5.1放大该差值，其中可将P_Glied5.1的放大系数Kl参数化。用于形成第一抑制信号v-FF的信号优选地也经过带通滤波器8.1，针对待抑制的振动频率设定该带通滤波器。这种干扰的共振频率典型地位于10和50赫兹的范围内。带通滤波器8.1的重要作用是，使用于极低的频率(例如小于5赫兹)的设备不再对调整回路产生影响。代替带通滤波器8.1还可以使用截断低频率的高通滤波器。在用于形成第二抑制信号a-FF的第二支路中，在D_Glied7.1中在时间上导出给定位置和实际位置的差值，该差值又可通过放大系数Kd参数化。此外，用于形成第二抑制信号a-FF的信号经过第二比例元件5.2，其中第二比例元件5.2的放大系数K2可参数化。第二抑制信号a-FF以相加的方式接入速度调节器3和电流调节器4之间。由于第二支路中D_Glied7.1的相移作用，第一和第二抑制信号v_FF或a_FF具有不同的相位位置。由于D-Glied7.1中在时间上的导数，干扰的振动的相位相对于通过形成给定位置x_nom和实际位置x_ist的差值而得到的振动提前加快了约90度。换句话说，第二抑制信号a-FF比第一抑制信号v-FF提前了 90度。比干扰振动提前加快了 90度的第二抑制信号a-FF在速度调节器3之后以加法方式被接入。由于速度调节器3中积分器-该积分器并未像D-Glied那样使相位偏移了 +90度，而是理想地移动了-90度-的相移作用，在第二抑制信号的接入点处出现了干扰振动的触发。D_Glied7.1的另一个重要作用的基础是，更愿意抑制低频率而放大高频率。已经联系带通滤波器8.1提及的要求，即用于小频率的设备I应该不影响调整回路，在第二支路中通过D-Glied7.1的频率特性得到满足。应该注意，速度调节器3中积分器的相移作用在此理想化地设定为-90度。实际上，校正良好的速度调节器3本身仅导致约-85度的相移，例如校正较差的速度调节器例如也可以导致仅-45度的相移。因此，在如下的实施例中公开了其它的措施，因此利用该措施通过设备可与实际的比例匹配还可以实现对干扰振动的良好的抑制。在图2中重新看到了图1中的调节器结构的所有元件。这些元件具有相同的标号且此处不再描述，因为它们的功能不变。然而，该第二实施例的调节器结构扩展了若干元件。因此，在接入速度调节器3和电流调节器4之间之前，第二抑制信号a-FF经过具有可参数化的相移+Phi的移相器9。例如，成功地使用具有第一级延迟的微分元件(DTl-Glied)作为移 相器9。因此，第二抑制信号a_FF的相位位置最佳地匹配存在于速度调节器的出口处的干扰振动的基本上通过速度调节器3中的积分器确定的相位位置，并实现最佳可能的触发或抑制。此外，在图2中还看到通过第三放大系数K3可参数化的第三P_Glied5.3，通过第三P-Gl ied5.3把第二抑制信号a-FF的在D-Gl ied7.1之后分接的部分加到第一P-Glied5.1的输出端上。通过这种方式可以把第二抑制信号a-FF的可参数化部分混合至第一抑制信号V-FF中。因此，当参数化整个调节器结构时得到了额外的自由度。在图2中同样还看到通过第四放大系数K4可参数化的第四P_Glied5.4，通过第四P_Glied5.4把第一抑制信号v-FF的在带通滤波器8.1之后分接的部分加到第二P-Glied5.2的输出端上。通过这种方式可以把第一抑制信号v-FF的可参数化部分混合至第二抑制信号a-FF中。因此，当参数化整个调节器结构时得到了额外的自由度。在第二实施例中如果选择了移相器9的相移Phi=O以及第三和第四P-Glied的放大系数k3=0和k4=0，那么得到图1中的第一实施例，因为用于扩展第一实施例的元件因此不起作用。 如果仅三个参数+Phi，k3或k4中的一个或两个选择为不为零，那么得到另外的实施例，其中三个额外的元件移相器9或第三和第四P-Glied5.3，5.4中仅其参数不为零的元件相应存在。在此，这些实施例不特别地在附图中示出。图3示出第三实施例。在此，加速度传感器Acc用作用于传感器信号的来源，设备I由该传感器信号形成了抑制信号v-FF，a-FF以及此处额外地还有x-FF。由加速度传感器Acc确定的负载的加速度a_ist在借助于滤波器10去除了直流分量之后在两个积分器元件
11.1，11.2中二次积分，以便如此能够推断出位置变化。尽管未定义通过二次积分形成的位置值的直流分量，然而因为这里仅对干扰振动感兴趣，所以可以过滤出该直流分量。在该实施例中，通过在去除了直流分量的信号被分为用于形成单个的抑制信号v-FF，a-FF和χ-FF的三个支路之前，首先引导给定位置X_nom和两次积分的加速度a_ist的差值通过带通滤波器8.2，来进行上述做法。此外，在分为不同的支路之前需要布置带通滤波器8.2的措施(并且不像图1和2中在第一支路中)的优点还在于，极高的频率没有到达第二支路的D_Glied7.1中。因此，减小了该D-Glied的噪声。第一支路又形成了第一抑制信号v-FF且基本上对应于前述实施例的第一支路。仅仅是在该支路中缺少带通滤波器8.1，因为用于形成第一抑制信号v-FF的信号已经通过带通滤波器8.2。用于形成第二抑制信号a-FF的第二支路完全对应于前述实施例的第二支路。在图3中看出，从第二带通滤波器8.2的输出端分支出用于构成第三抑制信号x-FF的第三支路，该第三抑制信号x-FF通过具有可参数化的放大系数k5的第五比例元件
5.5接入位置调节器2的输入端。第三抑制信号x-FF的接入阻止了位置调节器2反作用于由抑制信号v-FF和a-FF的接入而实现的抑制效果。以普通的、在调节技术中常见的描述方式公开了前述实施例的调节器结构。可以根据不同类型实现该调节器结构。在此，可粗略区分模拟调整回路和数字执行，例如借助于运算放大器形成模拟调整回路，而在数字执行中在软件中形成调节器结构。调节技术领域的技术人员能够容 易地选出对其应用来说最佳的执行可能性并转化本发明的理论。
权利要求
1.一种用于借助于电机(M)定位负载的调节器结构，所述调节器结构具有用于主动地抑制不期望的低频振动的设备(1)， -具有位置调节器(2)，所述负载的实际位置(x_ist)与给定位置(X_nom)的偏差被输送给所述位置调节器，且所述位置调节器输出给定速度(v_nom)， -具有速度调节器(3)，所述负载的实际速度(v_ist)与所述给定速度(v_nom)的偏差被输送给所述速度调节器，且所述速度调节器输出给定电流(i_nom)， -以及具有电流调节器(4)，所述电机(M)的实际电流(i_ist)与所述给定电流(i_nom)的偏差被输送给所述电流调节器，且所述电流调节器输出用于驱动所述电机(M)的给定电压， -其中对不期望的所述低频振动起反作用的抑制信号(v-FF，a-FF)被接入调节回路中， 其特征在于， -由唯一的传感器信号(x_ist，a_ist)导出不同的相位的至少一个第一和第二抑制信号(v-FF，a-FF), -所述第一抑制信号(v-FF)被接入所述位置调节器(2)和所述速度调节器(3)之间，以及所述第二抑制信号(a-FF)被接入所述速度调节器(3)和所述电流调节器(4)之间。
2.根据权利要求1所述的调节器结构，其特征在于，所述传感器信号是与运动的所述负载的所述实际位置(x_ist)成比例的值，并且从所述给定位置(X_nom)减去所述值，以便由该差值形成所述抑制信 号(v-FF，a-FF)。
3.根据权利要求1所述的调节器结构，其特征在于，所述传感器信号是与运动的所述负载的加速度(a_ist)成比例的值。
4.根据权利要求3所述的调节器结构，其特征在于，所述传感器信号(a_ist)经过两个积分器部件(11.1,11.2)，并随后从所述给定位置(X_nom)中减去，以便由该差值形成所述抑制信号(v-FF，a-FF)。
5.根据权利要求2或4所述的调节器结构，其特征在于，为了形成第一抑制信号(v-FF)，所述差值至少经过具有可参数化的第一放大系数(kl)的至少一个第一比例元件(5.1)。
6.根据权利要求5所述的调节器结构，其特征在于，此外，所述第一抑制信号(v-FF)经过带通滤波器(8.1)，根据待抑制的振动频率设定所述带通滤波器。
7.根据权利要求2或4所述的调节器结构，其特征在于，为了形成第二抑制信号(a-FF)，所述差值经过第一微分元件(7.1)和具有可参数化的第二放大系数(K2)的第二比例元件(5.2)。
8.根据权利要求5和7所述的调节器结构，其特征在于，为了形成第一抑制信号(v-FF)，通过具有可参数化的第三放大系数(K3)的第三比例元件(5.3)把所述第二抑制信号(a-FF)在所述微分元件(7.1)之后分接的部分加至所述第一比例元件(5.1)的输出端。
9.根据权利要求5和7所述的调节器结构，其特征在于，为了形成第二抑制信号(a-FF)，通过具有可参数化的第四放大系数(k4)的第四比例元件(5.4)把所述第一抑制信号(v-FF)在第一比例元件(5.1)之前分接的部分加至所述第二比例元件(5.2)的输出端。
10.根据前述权利要求之一所述的调节器结构，其特征在于，所述第二抑制信号(a-FF )在接入所述速度调节器(3 )和所述电流调节器(4 )之间之前经过具有可参数化的相移(+Phi)的移相器(9)。
11.根据权利要求2或4所述的调节器结构，其特征在于，所述差值首先经过第二带通滤波器(8.2)，由所述第二带通滤波器的输出信号导出所述抑制信号(v-FF，a-FF, x_FF)。
12.根据权利要求11所述的调节器结构，其特征在于，由所述第二带通滤波器(8.2)的输出端分支出第三抑制信号(x-FF)，所述第三抑制信号通过具有可参数化的放大系数(k5)的第五比例元件(5.5)接入所`述位置调节器(2)的输入端。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助于电机(M)定位负载的调节器结构，该调节器结构具有用于主动地抑制不期望的低频振动的设备(1)。该调节器结构具有共同组成了阶梯式调整回路的位置调节器(2)、速度调节器(3)和电流调节器(4)。对不期望的低频振动起反作用的抑制信号(v-FF，a-FF)被接入调整回路，其中由唯一的传感器信号(x_ist，a_ist)导出不同的相位位置的至少一个第一和第二抑制信号(v-FF，a-FF)，且其中第一抑制信号(v-FF)被接入位置调节器(2)和速度调节器(3)之间，以及第二抑制信号(a-FF)被接入速度调节器(3)和电流调节器(4)之间。
文档编号G05B5/01GK103246232SQ20131003474
公开日2013年8月14日 申请日期2013年1月29日 优先权日2012年2月2日
发明者诺伯特·克纳 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司