专利名称：位置控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机床的进给轴(即包括工作台、鞍座及主轴头的从动体)的位置控制装置，更具体地，本发明涉及一种改进的位置控制装置，其根据进给装置的偏移量来执行全封闭控制，用以控制从动体的位置与位置命令值之间的相对关系。
背景技术：
位置控制装置包括设置于机床的可移动部件上的线性刻度尺，用于检测从动体的位置。所述位置控制装置可以根据被检测到的从动体位置与命令值之间的比较来执行全封闭控制，进而反映了进给装置的偏移量。对上述位置控制装置来说，需要减小位置误差。
例如，通过提高速度环路增益或位置环路增益，可以抑制瞬态响应中的位置误差。因此，当发生不可预测的负载变化或干扰时，如可移动部件的滑动阻力的突然改变或切削负载的改变时，从动体可以得到精确的控制。
然而，驱动装置容易老化劣变，比如部件磨损及松动。在进给轴装置的连续运作过程中，滚珠螺杆的张力降低，而且，由于温度升高，滚珠螺杆发生膨胀。这样，该进给轴装置易受到刚度减小的影响，并且容易导致低频振动。
图5展示了传统的全封闭控制系统。线性刻度尺11检测从动体12的位置检测值Pl。减法器2对位置命令值Pc与位置反馈值(即从上述线性刻度尺11发出的检测值Pl)之间的偏差进行运算。速度命令计算区域3根据上述位置偏差计算比例常量Kp，并输出速度命令值Vc。
安装于马达10上的位置监测器9对位置检测值Pm进行检测。微分器14对上述位置检测值Pm进行微分运算并输出马达速度检测值Vm。减法器4获得上述速度命令值Vc与马达速度检测值Vm之间的偏差，并将该获得的偏差作为速度偏差而输出。
速度偏差比例计算器5根据上述速度偏差及速度环路比例增益Pv而输出速度偏差比例分量。速度偏差积分器6根据上述速度偏差及速度环路积分增益Iv而输出速度偏差积分分量。加法器7对上述速度偏差比例分量与速度偏差积分分量进行相加，并输出扭矩命令值Tc。该扭矩命令值Tc被送入综合滤波及电流控制区8中。
为方便描述，现在假定从速度命令值Vc到马达速度检测值Vm之间的传动率为1。在假定模式中，从动体的位置Pl与马达的位置Pm借助弹性系数为Kb的弹簧互相连接起来，所述从动体的重量为M，且该从动体内产生力矩F。
图6所示框图展示了图5所示的全封闭控制系统。所述整体控制系统的传递函数可以用下列公式1表达，其中S表示拉普拉斯算子。
Pc(S)/Pl(S)＝Kp·Kb/(MS3+FS2+Kb·S+Kp·Kb)------------(公式1)图9展示了当公式1满足Kp＜＜(Kb/M)1/2的条件时，所述整体控制系统的增益特性。
近来在多种过滤技术/抑制振动控制及先进的速度环路技术方面的发展使得设置更高的位置及速度环路增益成为可能。
然而，驱动装置容易老化劣变，比如部件磨损及松动。在进给轴装置的连续运作过程中，滚珠螺杆的张力降低，而且由于温度升高，滚珠螺杆容易发生膨胀。这样，该进给轴装置易受到刚度减小的影响。
图10展示了该情况下用上述公式1表达的整体控制系统的增益特性。由于位置环路增益设置在较高水平，机械共振频率(Kb/M)1/2的增益裕度得到变小。从动体可能导致低频振动。为了克服上述问题，许多传统技术相应出现。
图7展示了另一种传统的全封闭控制系统。在该图7中，与图5中相似的元件用相同的标号表示，并且以下不再描述这些元件。图7中的控制系统包括位置检测值计算区域20。该区域20接收从动体位置检测值Pl及马达位置检测值Pm，并输出用下述公式2表达的位置反馈值Pd。在该公式2中，Tp表示一阶滞后电路17的时间常量，而S表示拉普拉斯算子。
Pd＝Pm+(Pl-Pm)/(l+Tp·S)---------------------------------(公式2)在该公式2中，(l+Tp·S)表示一阶滞后，而图7中的一阶滞后电路17计算公式2中的第二项。
在图11中，点划线表示当公式2满足Tp＞＞(Kb/M)1/2的条件时，图7所示整体控制系统的增益特性。当机械共振频率为(Kb/M)1/2时，可以获得较大的增益裕度。
另外，在图11中，实线表示当进给轴装置的刚度劣变时所述整体控制系统的增益特性。因此，图7所示控制系统能够解决前述存在于图5所示的传统技术中的问题(即低频振动)。
在图11中，交替出现的长短点划线表示图10所示的增益特性。
图8展示了另一种传统的全封闭控制系统，其包括速度检测值计算器25。
在图8中，与图5中相似的元件用相同的标号表示，以下不再描述这些元件。
微分器21对从动体位置检测值Pl进行微分运算，并输出从动体速度检测值Vl。所述速度检测值计算区域25基于从动体速度检测值Vl及马达速度检测值Vm而输出用下列公式3表达的速度反馈值Vm。在公式3中，Tv表示一阶滞后电路23的时间常量，而S表示拉普拉斯算子。
Vd＝Vm+(Vl-Vm)/(l+Tv·S)---------------------------------(公式3)在该公式3中，(l+Tv·S)表示一阶滞后，而图8中的一阶滞后电路23计算公式3中的第二项。
在图11中，点划线表示当公式3满足Tv＞＞(Kb/M)1/2的条件时，图8所示整体控制系统的增益特性。当机械共振频率为(Kb/M)1/2时，可以获得较大的增益裕度。
另外，在图11中，实线表示当进给轴装置的刚度劣变时所述整体控制系统的增益特性。因此，图8所示控制系统能够解决前述存在于图5所示的传统技术中的问题(即低频振动)。
在图7、8所示的传统系统中，由于机械老化劣变的原因，进给轴驱动装置的刚度逐渐劣化。在大规模加工中心中，从动体上可能安装过重的工件。在这种情况下，机械共振频率为(Kb/M)1/2时的增益裕度变小，并且发生低频振动。另外，当进给轴驱动装置的刚性因机械故障而劣化时，发生故障的机床可能还在连续运转。而且，当发生低频振动时，进给轴装置的部件(如轴承)可能损坏。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种位置控制装置，其执行全封闭控制，以便控制由马达驱动的从动体的位置。该装置包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用于计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；及用于根据上述偏移量来改变速度命令计算器的比例常量的偏移检测器。
本发明的另一个目的是提供一种位置控制装置，其执行全封闭控制，以便控制由马达驱动的从动体的位置。该装置包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用于计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；位置检测值计算器，其将一阶滞后电路的输出与来自马达位置检测器的位置检测值进行相加运算，并输出位置反馈值，所述一阶滞后电路对所述偏移量进行输入；及用于根据上述偏移量来改变所述位置检测值计算器的一阶滞后电路时间常量的偏移检测器。
本发明的又一个目的是提供一种位置控制装置，其执行全封闭控制，以便控制由马达驱动的从动体的位置。该装置包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；用于将一阶滞后电路的输出与马达速度检测值进行相加并输出速度反馈值的速度检测值计算器，其中，该一阶滞后电路将来自马达位置检测值的马达速度检测值与来自从动体位置检测值的从动体速度检测值之间的差异进行输入；及用于根据上述偏移量来改变所述速度检测值计算器的一阶滞后电路时间常量的偏移检测器。
另外，所述位置控制装置最好还包括偏移检测器。该检测器用于判断偏移量是否超过了预定的阈值，并且当偏移量超过所述阈值时显示所述偏移量的状态。
图1展示了本发明一个实施例所述的全封闭控制系统。
图2展示了本发明一个实施例所述的偏移检测器的框图。
图3展示了本发明一个实施例所述的全封闭控制系统。
图4展示了本发明一个实施例所述的偏移检测器的框图。
图5展示了传统的全封闭控制系统。
图6展示了传统的全封闭控制系统的框图。
图7展示了传统的全封闭控制系统。
图8展示了传统的全封闭控制系统。
图9展示了传统全封闭控制系统的增益特性图。
图10展示了传统全封闭控制系统的增益特性图。
图11展示了传统全封闭控制系统的增益特性图。
图12展示了本发明一个实施例所述全封闭控制系统的增益特性图。
图13展示了本发明一个实施例所述全封闭控制系统的增益特性图。
具体实施例方式
现在描述本发明的实施例。在这些优选实施例中，与图7所示元件类似的元件用相同的标号表示，并且下面不再描述这些元件。图1展示了本发明一个实施例所述全封闭控制系统的框图。减法器15对偏移量Ps进行计算。该偏移量Ps反映了由线性刻度尺11检测到的从动体12的位置检测值Pl与由安装于马达10上的位置检测器9检测到的位置检测值Pm之间的差异。偏移检测器16接收来自所述减法器15的偏移量Ps。所述偏移检测器16能够基于上述偏移量Ps而改变速度命令计算区域3的比例常量Kp。可选择地，所述偏移检测器16能够基于上述偏移量Ps而改变一阶滞后电路17的时间常量Tp。
图2展示了能够改变上述比例常量Kp及时间常量Tp的偏移检测器16的结构。所述偏移检测器16根据上述偏移量Ps，并以表161为参考，而输出系数K(0≤K≤1)。乘法器162将上述系数K与所述速度命令计算区域3的比例常量初始值Kp0进行相乘，并输出所述速度命令计算区域3的可变比例常量Kp。
为简化描述，现在假定从速度命令值Vc到马达速度检测值Vm之间的传动率为1。在假定模式中，从动体的位置Pl与马达的位置Pm借助弹性系数为Kb的弹簧互相连接起来，所述从动体的重量为M，且该从动体内产生力矩F。在上述模式中，所述整体控制系统的传递函数可以用下列公式4表达，其中S表示拉普拉斯算子。
Pc(S)/Pl(S)＝Kp0·K·Kb/(MS3+FS2+Kb·S+Kp0·K·Kb) ------------(公式4)根据图1所示的实施例，如果进给轴驱动装置的刚度劣化，则所述偏移量Ps将变大，而所述位置比例计算常量Kp将变小。图12展示了在这种情况下用公式4表达的整体控制系统的增益特性。因此，在机械共振频率(Kb/M)1/2时的增益裕度变大，并且所述从动体未导致低频振动。
另外，如图2所示，所述偏移检测器16根据所检测到的偏移量Ps、并以表163为参考，而输出一个时间常量系数Kt。乘法器164将所述系数Kt与时间常量初始值Tp0进行相乘，并输出用于一阶滞后电路17的可变时间常量Tp。即，当所述偏移量Ps变大时，所述时间常量Tp也变大。图1所示的位置检测器计算区域20输出用下列公式5表达的位置反馈值Pd。
在下列公式5中，Tp0表示时间常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。用于所述一阶滞后电路17的时间常量Tp为Tp＝Tp0·Kt，而位置反馈值Pd可以用下式表达Pd＝Pm+(Pl-Pm)/(l+Tp0·Kt·S)---------------------------------(公式5)在这种情况下，如果进给轴驱动装置的刚度劣化，则所述偏移量Ps变大，因此用于所述一阶滞后电路17的时间常量Tp变大。因此，增益特性可以用图13所示的实线表示。在机械共振频率(Kb/M)1/2时的增益裕度变大，并且所述从动体未导致低频振动。在图13中，交替出现的长、短点划线表示图10所示的增益特性。
图3展示了本发明另一个实施例所述的全封闭控制系统。在图3中，与图8所示元件类似的元件用相同的标号表示，并且下面不再描述这些元件。
偏移检测器16根据检测到的偏移量Ps而获取时间常量系数Kt。然后，所述偏移检测器16将该时间常量系数Kt与时间常量初始值Tv0进行相乘，从而产生用于一阶滞后电路23的可变时间常量Tv。
即，当所述偏移量Ps变大时，所述时间常量Tv也变大。图3所示的速度检测值计算区域25输出用下列公式6表达的速度反馈值Pd。在公式6中，Tv0表示时间常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。在公式5中，Tp0表示时间常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。用于所述一阶滞后电路23的时间常量Tv为Tv＝Tv0·Kt，而速度反馈值Vd可以用下式表达
Vd＝Vm+(Vl-Vm)/(l+Tv0·Kt·S)---------------------------------(公式6)根据图3所示的实施例，如果进给轴驱动装置的刚度劣化，则所述偏移量Ps变大，而用于所述一阶滞后电路23的时间常量Tv变大。因此，图3所示整体控制系统的增益特性可用图13所示的实线表示。在机械共振频率(Kb/M)1/2的增益裕度变大，并且所述从动体未导致低频振动。
图4展示了本发明另一个实施例所述偏移检测器16的结构。所述偏移检测器16包括微分放大器166。当偏移量Ps超过预定的阈值Psref_165时，该微分放大器166可以检测到机床的异常状态。另外，所述偏移检测器16还包括用于显示所述机床异常状态的警告显示单元167。
相应地，当由于刚度变小而导致所述偏移量Ps变大时，所述偏移检测器16能够生成报警信号并让操作员停止进给轴。因此，该实施例可以避免有故障的机床继续运转，从而可以消除对所述进给轴装置的部件的损坏。
如上所述，当进给轴装置的刚度劣化时，反映从动体位置与马达位置之间差异的偏移量变大。在本实施例的位置控制装置中，根据偏移量的增加，所述偏移检测器能够改变位置计算器比例常量Kp或位于位置检测值计算区域内的一阶滞后电路的时间常量Tp。
可选择地，所述偏移检测器能够改变速度检测值计算区域中的一阶滞后电路的时间常量Tv。因此，本实施例的位置控制装置能够控制所述从动体的位置，同时能够抑制偏移量增加导致的低频振动。
此外，本实施例的位置控制装置可以在不考虑所述进给驱动装置的刚度降低而设置更高的位置环路增益。
此外，由于老化劣变的原因，所述进给轴驱动装置的刚度逐渐降低。在大规模加工中心，从动体上可能安装过重的工件。在这种情况下，所述偏移量变得更大。本发明的偏移检测器可以检测这种情况，并且可以避免机床的损坏。
权利要求
1.一种执行全封闭控制以便控制由马达驱动的从动体位置的位置控制装置，其包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用于计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；及用于根据上述偏移量来改变速度命令计算器的比例常量的偏移检测器。
2.一种执行全封闭控制以便控制由马达驱动的从动体位置的位置控制装置，其包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用于计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；位置检测值计算器，其将一阶滞后电路的输出与来自马达位置检测器的位置检测值进行相加运算，并输出位置反馈值，所述一阶滞后电路对所述偏移量进行输入；及用于根据上述偏移量来改变所述位置检测值计算器的一阶滞后电路时间常量的偏移检测器。
3.一种执行全封闭控制以便控制由马达驱动的从动体位置的位置控制装置，其包括马达位置检测器；用于检测从动体位置的从动体位置检测器；用计算偏移量的减法器，该偏移量反映了来自马达位置检测器的位置检测值与来自从动体位置检测器的位置检测值之间的差异；用于将一阶滞后电路的输出与马达速度检测值进行相加、并输出速度反馈值的速度检测值计算器，其中，该一阶滞后电路将来自马达位置检测值的马达速度检测值与来自从动体位置检测值的从动体速度检测值之间的差异进行输入；及用于根据上述偏移量来改变所述速度检测值计算器的一阶滞后电路时间常量的偏移检测器。
4.根据权利要求1、2或3所述的位置控制装置，其特征在于进一步包括偏移检测器，该检测器判断偏移量是否超过了预定的阈值，并且当偏移量超过所述阈值时显示所述偏移量的状态。
全文摘要
反映从动体的位置检测值P1与马达的位置检测值Pm之间差异的偏移量Ps被检测到。根据所述偏移量Ps，位置计算器比例常量Kp、对所述偏移量Ps进行输入的一阶滞后电路的时间常量Tp及对另一个差异进行输入的一阶滞后电路的时间常量Tv被改变。所述另一个差异是所述从动体的速度检测值V1与马达的速度检测值Vm之间的差异。
文档编号G05D3/12GK101021730SQ200710084029
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月9日 优先权日2006年2月15日
发明者柴田知宏, 亀山智寿 申请人:欧库马株式会社