本发明涉及一种具有对利用伺服电动机的动力进行驱动的被驱动体的位置进行校正的功能的伺服电动机控制装置、伺服电动机控制方法以及计算机可读取的记录介质。
背景技术：
以往以来，存在如下一种伺服电动机控制装置：将被加工物(工件)搭载在工作台上，利用伺服电动机借助连结机构使工作台移动。工作台和工件为被驱动体。连结机构具有与伺服电动机连结的联轴器(coupling)、以及固定于联轴器的滚珠丝杠。滚珠丝杠与螺母螺纹结合。
在这种伺服电动机控制装置中，存在以下一种伺服电动机控制装置：具有对利用伺服电动机的动力进行驱动的被驱动体(也称为移动体)的位置进行校正的功能。
例如，在专利文献1中记载有以下一种伺服电动机控制装置：力估计部估计在连结机构的连结部处作用于被驱动体的驱动力，校正部基于所估计出的驱动力来对位置指令值进行校正。
在专利文献2中记载有以下一种伺服电动机控制装置：位置校正量计算部根据从伺服电动机到移动体的距离以及转矩指令值来计算滚珠丝杠的伸缩量，根据该伸缩量来计算旋装于滚珠丝杠的移动体的位置校正量，利用该位置校正量来对位置指令值进行校正。
另外，在专利文献3中记载有以下一种伺服电动机控制装置：在伺服控制装置中，伸缩量计算部基于在滚珠丝杠的距伺服电动机远的位置侧作用的张力、在滚珠丝杠的两端支承滚珠丝杠的一对固定部之间的距离、从设置于滚珠丝杠的距伺服电动机近的位置侧的固定部到移动体的距离、以及对伺服电动机施加的转矩指令，来计算滚珠丝杠的伸缩量，位置校正量计算部基于所计算出的滚珠丝杠的伸缩量来计算进给轴的位置校正量。
专利文献1：日本特开2014-109785号公报
专利文献2：日本特开2014-13554号公报
专利文献3：日本特开2014-87880号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
本发明的发明人们发现：在对位置指令值进行校正的情况下，在停止或低速动作时，对位置指令值施加对估计的驱动力作出反应的与机械动作无关的校正，从而产生校正量的振动。
本发明的目的在于，提供一种在机床或产业机械中能够进行更高精度的被驱动体的位置控制的伺服电动机控制装置、伺服电动机控制方法以及计算机可读取的记录介质。
用于解决问题的方案
(1)本发明所涉及的伺服电动机控制装置具备：
伺服电动机(例如，后述的伺服电动机50)；
被驱动体(例如，后述的工作台70)，其被所述伺服电动机所驱动；
连结机构(例如，后述的连结机构60)，其将所述伺服电动机与所述被驱动体连结，向所述被驱动体传递所述伺服电动机的动力；
位置指令生成部(例如，后述的位置指令生成部10)，其生成所述被驱动体的位置指令值；
电动机控制部(例如，后述的电动机控制部20)，其使用所述位置指令值来对所述伺服电动机进行控制；
力估计部(例如，后述的力估计部302)，其估计在与所述连结机构之间的连结部处作用于所述被驱动体的驱动力即力估计值；
校正量生成部(例如，后述的校正量生成部301)，其使用所述力估计值与表示物理常数的系数的积，来生成校正量以对由所述位置指令生成部生成的所述位置指令值进行校正；以及
系数设定部(例如，后述的扭转系数设定部307)，其根据所述力估计值或所生成的所述校正量的大小来使所述表示物理常数的系数发生变化。
(2)在上述(1)的伺服电动机控制装置中，也可以是，
所述校正量生成部将所述力估计值与第一系数的积同所述力估计值、从所述伺服电动机到所述连结部的距离以及第二系数的积之和设为所述校正量，
所述力估计值与第一系数的积为所述力估计值与表示物理常数的系数的积。
(3)在上述(1)或(2)的伺服控制装置中，也可以是，在所述力估计值的绝对值大于规定值时，基于由所述力估计部估计出的所述力估计值来使所述表示物理常数的系数连续地减小或离散地减小。
(4)在上述(1)或(2)的伺服控制装置中，也可以是，在所述生成的所述校正量的绝对值大于规定值时，基于由所述校正量生成部生成的所述校正量来使所述表示物理常数的系数连续地减小或离散地减小。
(5)关于本发明的伺服电动机控制装置的伺服电动机控制方法，所述伺服电动机控制装置具备：
伺服电动机(例如，后述的伺服电动机50)；
被驱动体(例如，后述的工作台70)，其被所述伺服电动机所驱动；以及
连结机构(例如，后述的连结机构60)，其将所述伺服电动机与所述被驱动体连结，向所述被驱动体传递所述伺服电动机的动力，
在伺服电动机控制装置的伺服电动机控制方法中，
生成所述被驱动体的位置指令值，
估计在与所述连结机构之间的连结部处作用于所述被驱动体的驱动力即力估计值，
通过使用估计出的所述力估计值与表示物理常数的系数的积所生成的校正量来对所述位置指令值进行校正，
使用校正后的所述位置指令值来对所述伺服电动机进行控制，
根据所述力估计值或所生成的所述校正量的大小来使所述表示物理常数的系数发生变化。
(6)在上述(5)伺服控制方法中，也可以是，用于对所述位置指令值进行校正的校正值为所述力估计值与第一系数的积同所述力估计值、从所述伺服电动机到所述连结部的距离以及第二系数的积之和，
所述力估计值与第一系数的积为所述力估计值与表示物理常数的系数的积。
(7)在上述(5)或(6)的伺服控制方法中，也可以是，在所述力估计值的绝对值大于规定值时，基于估计出的所述力估计值来使所述表示物理常数的系数连续地减小或离散地减小。
(8)上述(5)或(6)的伺服控制方法中，也可以是，在所述生成的所述校正量的绝对值大于规定值时，基于所生成的所述校正量来使所述表示物理常数的系数连续地减小或离散地减小。
(9)本发明的计算机可读取的记录介质记录有用于使计算机执行伺服电动机控制装置的伺服电动机控制的伺服电动机控制用程序，所述伺服电动机控制装置具备：
伺服电动机(例如，后述的伺服电动机50)；
被驱动体(例如，后述的工作台70)，其被所述伺服电动机所驱动；以及
连结机构(例如，后述的连结机构60)，其将所述伺服电动机与所述被驱动体连结，向所述被驱动体传递所述伺服电动机的动力，
所述伺服电动机控制用程序使所述计算机执行以下处理：
生成所述被驱动体的位置指令值；
估计在与所述连结机构之间的连结部处作用于所述被驱动体的驱动力即力估计值；
通过使用估计出的所述力估计值与表示物理常数的系数的积所生成的校正量来对所述位置指令值进行校正；以及
使用校正后的所述位置指令值来对所述伺服电动机进行控制，
其中，根据所述力估计值或所生成的所述校正量的大小来使所述表示物理常数的系数发生变化。
发明的效果
根据本发明，能够抑制对位置指令值施加对估计的驱动力作出反应的与机械动作无关的校正而产生的校正量的振动，从而能够进行高精度的被驱动体的位置控制。
附图说明
图1是表示作为前提技术的伺服电动机控制装置的结构的框图。
图2是说明校正量的振动的图。
图3是机械的特性为线性关系的情况下的负载转矩与弹性变形量之间的特性图。
图4是机械的特性为非线性关系的情况下的负载转矩与弹性变形量之间的特性图。
图5是表示作为本发明的第一实施方式的伺服电动机控制装置的结构的框图。
图6是表示作为比较例的伺服电动机控制装置的结构的框图。
图7是用于对在非线性的区域设为机械的特性为线性的特性来进行了校正的情况下的问题进行说明的特性图。
图8是用于对使校正的系数(斜率)根据估计负载转矩的值而发生变化的情况进行说明的特性图。
图9是将表示校正量与估计负载转矩之间的关系的曲线设为在a点与通过原点和a点的直线相切的二次曲线(抛物线)的情况下的特性图。
图10是将表示校正量与估计负载转矩之间的关系的曲线设为在a点与通过原点和a点的直线相切且在b点与直线c相切的曲线的情况下的特性图。
图11是表示包括电动机控制部的一个结构例和求出滚珠丝杠的长度(弹簧要素的长度)的距离计算部的伺服电动机控制装置的结构的框图。
图12是表示速度指令制作部的一个结构例的框图。
图13是表示转矩指令制作部的一个结构例的框图。
图14是表示图5所示的伺服电动机控制装置的动作的流程图。
图15是表示作为本发明的第二实施方式的伺服电动机控制装置的结构的框图。
图16是用于对使校正的系数(斜率)根据校正量的值而发生变化的情况进行说明的特性图。
附图标记说明
10：位置指令生成部；20：电动机控制部；30、31、32、33：位置指令校正部；40：编码器；50：伺服电动机；60：连结机构；70：工作台；301：校正量生成部；302：力估计部；303：扭转系数乘法部；304：滚珠丝杠长度乘法部；305：形状系数乘法部；306：加法部；307：扭转系数设定部。
具体实施方式
下面，使用附图来对本发明的实施方式进行说明。
首先，在对本发明的实施方式进行说明之前，先对作为前提技术的伺服电动机控制装置进行说明。
图1是表示作为前提技术的伺服电动机控制装置的结构的框图。伺服电动机控制装置利用伺服电动机50借助连结机构60使工作台70移动，对搭载在工作台70上的被加工物(工件)进行加工。连结机构60具有与伺服电动机50连结的联轴器601、以及固定于联轴器601的滚珠丝杠602，螺母603与滚珠丝杠602螺纹结合。通过伺服电动机50的旋转驱动，旋装于滚珠丝杠602的螺母603沿滚珠丝杠602的轴向移动。
由与伺服电动机50相关联的作为位置检测部的编码器40来检测伺服电动机50的旋转角度位置，检测出的位置(位置检测值)被用作位置反馈。此外，编码器40能够检测旋转速度，检测出的速度(速度检测值)能够被用作速度反馈。
伺服电动机控制装置具有：位置指令生成部10，其按照从未图示的上级控制装置、外部输入装置等输入的程序、命令来制作位置指令值；减法器80，其求出由位置指令生成部10制作出的位置指令值与由编码器40检测出的位置检测值之差；加法器90，其将该差与从位置指令校正部30输出的校正值相加；以及电动机控制部20，其使用该相加值来制作对伺服电动机50的转矩指令值。
在伺服电动机50进行驱动时，对连结机构60和工作台70作用驱动力，连结机构60和工作台70发生弹性变形。与作为被驱动体的工作台70相比，连结机构60刚性低，因此连结机构60的弹性变形占整体的弹性变形中的大部分。当连结机构60发生弹性变形时，即使在伺服电动机50按照指令值进行旋转的情况下，工作台70的位置也产生与弹性变形量相应的误差。因此，为了消除该误差，将位置指令值校正与连结机构60的弹性变形量相应的量。连结机构60的弹性变形量与在作为工作台70与连结机构60之间的连结部的螺母603处作用于工作台70的驱动力成比例，能够使用在连结部处作用的驱动转矩来表示驱动力。
位置指令校正部30具有校正量生成部301和力估计部302。力估计部302使用转矩指令值来估计在连结部处作用于被驱动体的驱动力(驱动转矩)。校正量生成部301基于由力估计部302估计出的驱动力来生成用于对由位置指令生成部10生成的位置指令值进行校正的校正量，将该校正量作为校正值输出。
本发明的发明人们发现：在图1所示的前提技术的伺服电动机控制装置中存在以下情况：即使在停止或低速动作时，也对位置指令值施加对估计的驱动力作出反应的与机械动作无关的校正，从而如图2所示那样产生校正量的振动。
本发明的发明人们认为，相对于要校正的实际的弹性变形量而言，根据设定好的参数计算的校正量大为不同(过剩或过小)，由此产生上述的校正量的振动。
伺服电动机控制装置的滚珠丝杠的弹性变形量是由滚珠丝杠的弹簧常数(刚性)的大小决定的。如图3所示，如果弹簧常数大，则与负载转矩的变化相对的变形量小，相反地，如果弹簧常数小，则与负载转矩的变化相对的变形量大。
在图3中，用直线(负载转矩与弹性变形量为线性关系)示出了机械的特性，但实际上，滚珠丝杠的弹性变形的特性取决于与滚珠丝杠的摩擦或旋转轴方向的扭转相对的金属的特性等，如图4所示那样，机械的特性为非线性的特性。
本发明的发明人们发现，通过进行反映了负载转矩与弹性变形量为非线性的本来的机械的特性(非线性)的校正，能够抑制校正量的振动。具体地说，本发明的发明人们发现，通过基于利用力估计值估计出的驱动力(驱动转矩)或由校正量生成部生成的校正量来使在校正量生成部中用于计算校正值的表示物理常数的系数发生变化，能够抑制校正量的振动。
下面，对抑制校正量的振动的本发明的伺服电动机控制装置的实施方式进行说明。能够应用下面所说明的本实施方式的伺服电动机控制装置的机械为激光加工机、放电加工机、切削加工机等机床，但是本发明的伺服电动机控制装置也能够应用于机器人等产业机械等。
(第一实施方式)
图5是表示作为本发明的第一实施方式的伺服电动机控制装置的结构的框图。图6是表示作为比较例的伺服电动机控制装置的结构的框图。在图5和图6中，对与图1的伺服电动机控制装置的构成构件相同的构成构件标注相同标记并省略说明。图1所示的位置指令校正部30在图5所示的实施方式中被置换为位置指令校正部31，在图6所示的比较例中被置换为位置指令校正部32。
在图6所示的比较例中，作为图1所示的校正量生成部301，设置有扭转系数乘法部303、滚珠丝杠长度乘法部304、形状系数乘法部305以及加法部306。在图5所示的本实施方式中，作为图1所示的校正量生成部301，设置有扭转系数乘法部303、滚珠丝杠长度乘法部304、形状系数乘法部305以及加法部306，并且在校正量生成部301外设置有作为系数设定部的扭转系数设定部307。形状系数表示滚珠丝杠的每单位长度的伸缩量。
力估计部302如已经说明的那样使用从电动机控制部20输出的转矩指令值来估计并输出在连结部处作用于被驱动体的驱动力(驱动转矩)。该估计出的负载转矩的值为力估计值。此外，驱动力的估计不限定于此，例如，也可以如专利文献1(日本特开2014-109785号公报)所记载那样，力估计部进一步加上加速减速转矩和干扰转矩等来估计驱动力，或者不使用转矩指令值而使用检测电动机电流的电流检测部的输出来计算电动机转矩，从而估计驱动力。
在图5和图6的结构中，校正量生成部301基于由力估计部302估计的负载转矩来计算连结机构(联轴器和滚珠丝杠)中产生的绕旋转轴的扭转弹性变形和轴向的伸缩弹性变形，将由弹性变形引起的空程校正到位置指令值。滚珠丝杠长度乘法部304的输入为力估计值，因此位置校正量取决于滚珠丝杠的长度。此时，轴向的弹性变形取决于从伺服电动机至被驱动体的距离，该距离是根据移动位置的累计值来估计的。
如果用t表示估计负载转矩、用α表示扭转系数(表示物理常数的系数)，则与连结部的扭转有关的校正量用α×t表示。如果用t表示估计负载转矩、用d表示滚珠丝杠的长度、用β表示形状系数，则与滚珠丝杠的伸缩有关的校正量用d×β×t表示。然后，通过加法部306将这些校正量相加得到的合计的校正量用α×t+d×β×t表示。
在图6所示的比较例中，设扭转系数乘法部303中的用于校正量的计算的扭转系数为常数，因此导致实际的弹性变形的特性与校正量之间产生差异。具体地说，在比较例中，以常数来提供用于计算校正量的滚珠丝杠的系数(1/弹簧常数)，但是本来滚珠丝杠的弹簧常数并不是常数，而是取决于负载转矩的变量，因此在实际的弹性变形的特性与校正量之间产生差异。系数(1/弹簧常数)与系数(弹性变形量/力)相等。
如图7所示，在机械的特性为非线性的特性的情况下，如果在非线性的区域中如比较例那样设为机械的特性为线性的特性来进行校正，则容易进行相对于实际的机械特性而言过剩的校正，容易产生以下问题：产生如图2所示的校正量的振动。
在图5所示的本实施方式的伺服电动机控制装置中，为了防止产生校正量的振动从而电动机位置往复的问题，扭转系数设定部307根据在力估计部302中估计的负载驱动力(转矩)的值来变更用于计算校正量的系数(弹性变形量/力估计值)。
扭转系数设定部307根据负载驱动力(转矩)来变更扭转系数乘法部303的系数，由此能够进行反映了非线性的机械的特性的校正。
如图8所示，如果预先决定与估计负载转矩相对的校正量的系数的变化量，则估计负载转矩与校正量以一对一的方式对应，因此能够根据当前的估计负载转矩的值来使校正量的系数(斜率)发生变化。校正量的系数>0(斜率为正)。
如图9所示，表示校正量与估计负载转矩之间的关系的曲线也可以是在利用参数等预先设定的a点与通过原点和a点的直线相切的二次曲线(抛物线)。
另外，如图10所示，表示校正量与估计负载转矩之间的关系的曲线也可以是以下曲线：该曲线在利用参数等预先设定的a点与通过原点和a点的直线相切，且在利用参数等预先设定的b点与利用参数等预先设定的直线c相切。
如图9和图10所示，在估计负载转矩(力估计值)的绝对值大于规定值时(大于a点时)，校正量基于估计负载转矩而连续地减小。校正量也可以不是连续地减小而是离散地减小。
图11是表示包括电动机控制部20的一个结构例和求出滚珠丝杠的长度(弹簧要素的长度)的距离计算部130的伺服电动机控制装置的结构的框图。由距离计算部130来计算由图5的滚珠丝杠长度乘法部304进行乘法计算的滚珠丝杠的长度(弹簧要素的长度)。图5的电动机控制部20具有速度指令制作部201、减法部以及转矩指令制作部202。
校正量的计算为：(校正量)＝{(形状系数×滚珠丝杠的长度)+扭转系数}×(估计负载转矩)。
滚珠丝杠的长度d为从伺服电动机到连结机构的滚珠丝杠的长度，根据工作台的位置而发生改变。
图12是表示速度指令制作部201的一个结构例的框图。位置指令生成部10制作位置指令值，减法器80求出位置指令值与位置反馈得到的检测位置之差，加法器90对该差加上校正量。向图12所示的微分器2011和位置控制增益2013输入加上校正量后的差。加法器2014将系数部2012的对微分器2011的输出乘以系数所得到的输出与位置控制增益2013的输出相加，将该相加值作为速度指令值输出。通过减法器100求出速度指令值与速度反馈得到的检测速度之差。
图13是表示转矩指令制作部202的一个结构例的框图。转矩指令制作部202具备与减法器100连接的比例增益2023和积分器2021、与积分器2021连接的积分增益2022、以及将比例增益2023的输出与积分增益2022的输出相加来作为转矩指令向伺服电动机50输出的加法器2024。积分器2021对输入进行积分。积分增益2022对积分器2021的输出乘以系数，比例增益2023对输入乘以系数。此外，也可以改变积分增益2022和积分器2021的排列顺序。
图14是表示图5所示的伺服电动机控制装置的动作的流程图。在步骤s101中，力估计部302计算估计负载转矩(力估计值)。在步骤s102中，扭转系数设定部307基于估计负载转矩(力估计值)来设定扭转系数，扭转系数乘法部303求出与扭转有关的校正量。在步骤s103中，滚珠丝杠长度乘法部304和形状系数乘法部305求出与滚珠丝杠的伸缩有关的校正量。在步骤s104中，加法器90利用将与扭转有关的校正量及与滚珠丝杠的伸缩有关的校正量相加的相加值来对由位置指令生成部10生成的位置指令进行校正。此外，在此，在步骤s102之后配置步骤s103，但是也可以是，步骤s102与步骤s103的顺序相反，在步骤s103之后配置步骤s102。
(第二实施方式)
图15是表示作为本发明的第二实施方式的伺服电动机控制装置的结构的框图。图5所示的位置指令校正部31在图15所示的本实施方式中被置换为位置指令校正部33。在图5所示的第一实施方式中，扭转系数设定部307基于估计负载转矩(力估计值)来设定扭转系数，但是在本实施方式中，作为系数设定部的扭转系数设定部307基于从加法器90输出的校正值来设定扭转系数。
如图16所示，如果预先决定与校正量相对的校正量的系数的变化量，则估计负载转矩与校正量以一对一的方式对应，因此扭转系数设定部307能够根据当前的校正量的值来使校正的系数(斜率)发生变化。
在第一实施方式中，如图9和图10所示，在估计负载转矩(力估计值)的绝对值大于规定值时(大于a点时)，校正量基于估计负载转矩而连续地减小或离散地减小。在本实施方式中，在校正值的绝对值大于规定值时(大于a点时)，校正量基于校正值而连续地或离散地减小预先决定的量。
关于表示本实施方式的伺服电动机控制装置的动作的流程图，除了以下一点以外，与图14相同：在图14的步骤s102中，扭转系数设定部307基于将与扭转有关的校正量及与滚珠丝杠的伸缩有关的校正量相加的相加值(用于对位置指令值进行校正的校正量)来设定扭转系数，求出与扭转有关的校正量。
以上对本发明的实施方式进行了说明，而能够通过硬件、软件或它们的组合来实现伺服电动机控制装置的功能的全部或一部分。在此，所谓通过软件实现是指通过由计算机读取并执行程序来实现。在通过硬件构成的情况下，伺服电动机控制装置的位置指令校正部31、33的各结构部、位置指令生成部10以及电动机控制部20的一部分或全部例如能够由lsi(largescaleintegratedcircuit：大规模集成电路)、asic(applicationspecificintegratedcircuit：专用集成电路)、门阵列、fpga(fieldprogrammablegatearray：现场可编程门阵列)等集成电路(ic)构成。
在通过软件实现的情况下，由包括cpu和存储有程序的硬盘、rom等存储部的计算机构成伺服电动机控制装置的一部分或全部。而且，根据图5、图15的框图和按照图14的流程图的程序、特别是在通过软件实现位置指令校正部的情况下根据按照图14的流程图的程序，将运算所需的信息存储到ram等第二存储部来执行处理，由此能够通过程序来执行伺服电动机控制装置的一部分或全部的动作。关于程序，能够从记录有程序的计算机可读取的记录介质读取到硬盘等存储部。计算机可读取的记录介质包括各种类型的具有实体的记录介质(tangiblestoragemedium：有形存储介质)。计算机可读取的记录介质包括非暂时性的计算机可读取的记录介质(non-transitorycomputerreadablestoragemedium)。计算机可读取的记录介质的例子包括磁记录介质(例如软磁盘、硬盘驱动器)、光磁记录介质(例如光磁盘)、cd-rom(readonlymemory：只读存储器)、cd-r、cd-r/w、半导体存储器(例如掩膜rom、prom(programmablerom：可编程只读存储器)、eprom(erasableprom：可擦可编程只读存储器)、闪存rom、ram(randomaccessmemory：随机存取存储器))。