本发明涉及一种具备由感应电动机构成的主轴电动机的机床的数值控制装置。
背景技术：
在使用具有主轴和进给轴的机床来对工件进行加工时，主轴的运动与进给轴的运动联动的情况较多。在这样的情况下，在对机床进行控制的数值控制装置中，一般实施如下做法：使用主轴的特性值、测定值来对进给轴进行控制，或者，使用进给轴的特性值、测定值来对主轴进行控制。
例如，在专利文献1中公开了如下技术：即使是在用作主轴电动机的主轴电动机的实速度存在急剧的变动的情况下，也能够进行高精度的加工，因此，针对主轴电动机的转速，使用已使用转速的变化量进行校正后的数据，来对进给速度进行控制。
另外，专利文献2公开了如下技术：针对第1张加工的半导体晶圆等被加工物，为了通过利用1次加工而加工成所期望的平坦度，以加工中的电动机的负荷电流值成为与所期望平坦度相对应的最大负荷电流值以下的方式对加工进给单元的进给速度进行控制。
另外，专利文献3公开了如下技术：为了把握金属模具加工的加工状态，对静压磁复合轴承的励磁电流进行检测。
专利文献1：日本特开平5-69275号公报
专利文献2：日本特开2013-56392号公报
专利文献3：日本特开2000-263377号公报
技术实现要素：
作为机床的主轴电动机，有时使用感应电动机。在此，感应电动机是指，使励磁电流向定子(stator)线圈流动而使旋转磁场产生，并且使转子((rotor))产生感应电流，利用其电磁力，转子以追随旋转磁场的旋转的方式旋转。感应电动机存在由于励磁电流向定子线圈流动而伴随着发热这样的缺点。以避免该缺点为目的，存在如下技术：在针对感应电动机的负荷较轻、无需较高的扭矩的情况下，减弱旋转磁场的磁通或励磁电流。该技术大多使用于利用基于速度指令的速度控制对感应电动机进行控制的情况。
然而，例如在进行主轴电动机与进给轴电动机的同步运转的情况下，作为主轴电动机的感应电动机大多利用基于位置指令的位置控制进行控制。在该情况下，感应电动机的控制模式从速度控制切换成位置控制。此时，在如上述那样由于减弱作为主轴电动机的感应电动机的磁通而扭矩较小的状态下，若从速度控制切换成位置控制而进行感应电动机的加减速，则无法立刻以最大扭矩(加速度)进行感应电动机的加减速，因此，无法追随位置指令。因此，相对于位置指令的偏差量变大，存在产生主轴的过冲(超调)、或加工误差过大的可能性。另外，存在主轴电动机与进给轴电动机的同步精度恶化的可能性。
这一点，上述的专利文献1和2都不以减少发热、并且改善基于位置指令的位置控制的不稳定性为目的。另外，在专利文献3中，所检测到的励磁电流值只不过是为了把握加工状态而使用的。
因此，本发明的目的在于提供一种谋求发热的减少和位置控制的稳定性的兼顾的机床的数值控制装置。
(a)本发明的机床的数值控制装置(例如、随后论述的数值控制装置100、200)是对具备由感应电动机构成的主轴电动机(例如、随后论述的感应电动机125)的机床(例如、随后论述的机床150)进行控制的数值控制装置，该数值控制装置具备：存储单元(例如、随后论述的存储单元101)，其存储所述主轴电动机的磁通量最大时所述主轴电动机能够动作的最大加速度；磁通量取得单元(例如、随后论述的磁通量取得单元102)，其取得所述主轴电动机的当前的磁通量；加速度变更单元(例如、随后论述的加速度变更单元103)，其在使用位置指令并通过位置控制使所述主轴电动机动作时，根据由所述磁通量取得单元取得的所述主轴电动机的移动开始时的磁通量，来变更基于存储在所述存储单元中的所述主轴电动机的最大加速度的位置指令的加速度。
(b)根据(a)所记载的机床的数值控制装置，也可以是如下形态：该机床的数值控制装置还具备位置指令生成单元(例如、随后论述的位置指令生成单元104)，其在通过位置控制使包括所述主轴电动机在内的多个电动机(例如、随后论述的感应电动机125和伺服电动机145)进行同步运转时，基于由所述加速度变更单元变更后的所述主轴电动机的位置指令的加速度来生成用于同步运转的所述多个电动机的位置指令。
(c)根据(a)或(b)所记载的机床的数值控制装置，所述主轴电动机的移动开始时的磁通量越小，所述加速度变更单元使所述位置指令的加速度变更越小。
(d)根据(c)所记载的机床的数值控制装置，所述加速度变更单元根据基于所述主轴电动机的最大加速度amax、所述主轴电动机的移动开始时的磁通量φ、以及任意的比例常数α的下式(1)来变更所述位置指令的加速度a，
a＝amax×α×φ...(1)。
(e)根据(c)所记载的机床的数值控制装置，所述加速度变更单元根据基于所述主轴电动机的最大加速度amax、所述主轴电动机的最大磁通量φmax、以及所述主轴电动机的移动开始时的磁通量φ的下式(2)来变更所述位置指令的加速度a，
a＝amax×φ/φmax...(2)。
(f)根据(a)～(e)中任一项所述的机床的数值控制装置，所述磁通量取得单元推定所述主轴电动机的当前的磁通量，并将所推定出的磁通量作为当前的磁通量而取得。
(g)根据(a)～(f)中任一项所述的机床的数值控制装置，该机床的数值控制装置还具备：比例计算单元(例如、随后论述的比例计算单元105)，其接收由所述磁通量取得单元取得的所述主轴电动机的当前的磁通量，并计算所述主轴电动机的当前的磁通量相对于所述主轴电动机的最大磁通量的比例即磁通量比例，所述加速度变更单元根据由所述比例计算单元计算出的磁通量比例，来变更基于所述主轴电动机的最大加速度的所述位置指令的加速度。
根据本发明，能够提供一种谋求发热的减少和位置控制的稳定性的兼顾的机床的数值控制装置。
附图说明
图1是本发明的概念图。
图2是表示本发明的第1实施方式的控制系统的结构的图。
图3是表示本发明的第1实施方式的控制系统的动作的图。
图4是本发明中的磁通量的推定方法的说明图。
图5是表示本发明中的用于位置控制的位置指令的一个例子的图。
图6是表示本发明的第2实施方式的控制系统的结构的图。
图7是表示本发明的第2实施方式的控制系统的动作的图。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
以下，参照图1～图5详细论述本发明的第1实施方式。
图1是表示本发明的基本的概念的图。在此，数值控制系统50具备数值控制装置51、主轴控制部52、进给轴控制部53、作为主轴电动机的感应电动机54、以及作为进给轴驱动用电动机的伺服电动机55。另外，数值控制装置51经由主轴控制部52来控制感应电动机54，经由进给轴控制部53来控制伺服电动机55。
大多情况下通过基于速度指令的速度控制来控制感应电动机，但在进行感应电动机(主轴电动机)54和伺服电动机(进给轴电动机)55的同步运转的情况下，感应电动机的控制模式从速度控制切换为基于位置指令的位置控制。此时，在感应电动机54的磁通较弱的状态下，若从速度控制切换为位置控制并进行感应电动机54的加减速，则存在如下情况：无法追随位置指令，发生主轴的过冲(overshoot)(超调)、或加工误差过大。另外，存在感应电动机54与伺服电动机55的同步精度恶化的可能性。因此，主轴控制部52取得感应电动机54的磁通量。主轴控制部52将该磁通量、或作为另一个例子，将感应电动机54中的当前的磁通量相对于最大磁通量的比例(以下也称为“磁通量比例”。)向数值控制装置51发送。
数值控制装置51考虑该磁通量的数据、或磁通量比例来变更感应电动机54的位置指令的加速度，并将基于变更后的加速度生成的位置指令向主轴控制部52发送。另外，数值控制装置51还基于该感应电动机54的位置指令的加速度来生成伺服电动机55的位置指令，并发生给进给轴控制部53。主轴控制部52和进给轴控制部53根据从数值控制装置51接收到的位置指令，对感应电动机54和伺服电动机55进行控制。
此外，如上所述，从主轴控制部52向数值控制装置51发送磁通量或磁通量比例，但实际上，主轴控制部52和数值控制装置51每隔固定周期进行双向通信。因此，也以在该通信内将磁通量或磁通量比例从主轴控制部52过渡给数值控制装置51。
图2表示本发明的第1实施方式的数值控制系统10的结构例。数值控制系统10具备数值控制装置100和机床150。机床150具备：安装加工物110的主轴115；变速器120；作为上述的主轴电动机的感应电动机125，且是经由变速器120使主轴115旋转的作为主轴电动机的感应电动机125；输出感应电动机125的驱动电流的放大器130；对上述的加工物110进行切削的刀具135；使刀具135在轴方向上移动的滚珠丝杆140；作为上述的进给轴驱动用电动机，使滚珠丝杆140旋转的伺服电动机145；以及输出伺服电动机145的驱动电流的放大器148。此外，电动机并不限制于轴旋转的电动机，也可以是线性电动机。另外，图2的放大器130与图1的主轴控制部52相对应。另外，图2的放大器148与图1的进给轴控制部53相对应。
另外，数值控制装置100对上述的感应电动机125和伺服电动机145进行控制，以便利用随着滚珠丝杆140的旋转而移动的刀具135对安装到随着感应电动机125的旋转而旋转的主轴115的加工物110进行所期望的切削加工。具体而言，数值控制装置100具备存储单元101、磁通量取得单元102、加速度变更单元103、以及位置指令生成单元104。在此，虽未图示，但数值控制装置100也可以具备与通常的数值控制装置同样的构成要素和功能。
存储单元101存储在感应电动机125的磁通量最大时该感应电动机125能够动作的最大加速度amax(参数)。另外，存储单元101存储感应电动机125的磁通量变化的时间常数。存储单元101既可以存储一个时间常数，也可以存储根据加工开始时的磁通量设定的多个时间常数。
磁通量取得单元102从放大器130取得感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ。基于图4随后说明磁通量取得单元102的与磁通量有关的信息取得(推测)的方法。
加速度变更单元103在以基于位置指令的位置控制使感应电动机125动作时，根据由磁通量取得单元102取得的感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ来变更基于存储到存储单元101的感应电动机125的最大加速度amax的位置指令的加速度a。具体而言，加速度变更单元103根据基于感应电动机125的最大加速度amax、感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ、以及任意的比例常数α的下式(1)来变更位置指令的加速度a。
a＝amax×α×φ...(1)
位置指令生成单元104在以位置控制使感应电动机125和伺服电动机145进行同步运转时，基于由加速度变更单元103变更后的感应电动机125的位置指令的加速度a，生成用于同步运转的感应电动机125和伺服电动机145的位置指令。具体而言，位置指令生成单元104基于来自加速度变更单元103的感应电动机125的位置指令的加速度a以及从加工程序p取得的用于感应电动机125的总移动量s和最大速度fmax，来生成感应电动机125的位置指令。另外，位置指令生成单元104基于来自加速度变更单元103的感应电动机125的位置指令的加速度a以及从加工程序p取得的用于伺服电动机145的总移动量和最大速度，来生成伺服电动机145的位置指令。基于图5随后说明位置指令生成单元104的位置指令的生成方法。
图3表示第1实施方式的数值控制系统10的动作。在图3中，假定了通过位置控制使感应电动机125和伺服电动机145进行同步运转时，使感应电动机125从基于速度指令的速度控制切换成基于位置指令的位置控制并动作时的动作。
在步骤s11中，磁通量取得单元102从放大器130取得感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ。
磁通量取得单元102既可以在感应电动机125中直接取得或也可以检测感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ。或者，也可以例如根据感应电动机125的励磁电流量等来推定当前的磁通量φ。在此，一边参照图4一边对推定方法的一个例子进行说明。
感应电动机的磁通量φ与用于产生磁通的励磁电流(id)和感应电动机的互感m之积成比例。感应电动机的数值控制装置根据作为目标的磁通量而使励磁电流发生变化，但实际的磁通相对于励磁电流的变化呈现时间常数τ(s)的一阶滞后的响应。在从励磁电流id＝0且磁通量φ＝0的状态使固定的励磁电流id持续流动时，t(sec)后的磁通量φ(t)如图4所示，由以下的式(3)来推定。
φ(t)＝m×id×(1-exp(-t/τ(s)))...(3)
在实际的计算中，励磁电流id使用励磁电流的指令值和反馈值中的任一个，将针对每个控制周期获得的m×id利用时间常数τ的一阶低通滤波器而获得的输出用作磁通推定值。磁通量取得单元102对感应电动机125的磁通量进行推定，将所推定出的磁通量作为当前(移动开始时)的磁通量而取得。
接着，在步骤s12中，加速度变更单元103根据由磁通量取得单元102取得的感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ来变更基于存储到存储单元101的感应电动机125的最大加速度amax的位置指令的加速度a。具体而言，加速度变更单元103根据基于感应电动机125的最大加速度amax、感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ、以及任意的比例常数α的上式(1)来变更位置指令的加速度a。由此，感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ越小，加速度变更单元103使位置指令的加速度a变更得越小。即，在当前(移动开始时)的磁通量φ较大时，加速度a变大，另一方面，在当前(移动开始时)的磁通量φ较小时，加速度a变小。
接着，在步骤s13中，位置指令生成单元104基于由加速度变更单元103变更后的感应电动机125的位置指令的加速度a来生成用于使感应电动机125和伺服电动机145的同步的位置指令。具体而言，位置指令生成单元104基于来自加速度变更单元103的感应电动机125的位置指令的加速度a、以及从加工程序p取得的用于感应电动机125的总移动量s和最大速度fmax，来生成感应电动机125的位置指令。另外，位置指令生成单元104基于来自加速度变更单元103的感应电动机125的位置指令的加速度a、以及从加工程序p取得的用于伺服电动机145的总移动量和最大速度，来生成伺服电动机145的位置指令。在此，一边参照图5一边说明位置指令的生成方法的一个例子。
图5是表示位置指令的一个例子的示意图。在图5中，纵轴表示每单位时间的位置指令，横轴表示时间。位置指令生成单元104以如下方式生成位置指令：如在图5中以实线所示那样，每单位时间的位置指令的最大值成为最大速度fmax，每单位时间的位置指令的变化量，即增加和减少的斜率成为加速度a，面积成为总移动量s。
此外，在图5中示出了基于最大加速度amax生成的位置指令(虚线)。由此可知在本实施方式中，每单位时间的位置指令的增加和减少的斜率，即位置指令的加速度变小。
位置指令生成单元104将所生成的感应电动机125的位置指令向放大器130输出，将所生成的伺服电动机145的位置指令向放大器148输出。此外，作为进给轴的滚珠丝杆140的进给位置成为伺服电动机145的旋转位置与滚珠丝杆140的间距之积，因此，通过伺服电动机145的旋转位置的变更来变更进给轴的进给位置。
〔第1实施方式的效果〕
在第1实施方式的数值控制系统10中，在进行基于位置指令的位置控制时，根据感应电动机125的磁通量来变更该感应电动机125的位置指令的加速度，从而能够实现感应电动机125的轻负荷时的发热的减少和感应电动机125的加减速时的位置控制的稳定性的兼顾。
具体而言，以由于励磁电流向感应电动机125中的定子线圈流动而伴随着发热这样的缺点的避免为目的，在感应电动机125通过基于速度指令的速度控制而被控制的模式中，在针对感应电动机125的负荷较轻、无需较高的扭矩的情况下，假定了使用减弱旋转磁场的磁通或励磁电流的技术的情况。
在进行主轴电动机与进给轴电动机的同步运转的情况下，作为主轴电动机的感应电动机125的控制模式从速度控制切换为基于位置指令的位置控制。此时，在如上述那样由于减弱感应电动机125的磁通而扭矩变小的状态下，若从速度控制切换为位置控制并进行感应电动机125的加减速，则无法立刻以最大扭矩(最大加速度)进行感应电动机125的加减速，因此无法追随位置指令。因此，相对于位置指令的偏差量变大，产生主轴的过冲(超调)、或加工误差过大。但是，在本实施方式中，在感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ较小时，进行使感应电动机125的位置指令的加速度a变小的控制。由此，能够追随位置指令，相对于位置指令的偏差量变小。因此，能够抑制产生主轴的过冲(超调)、或加工误差过大，能够获得位置控制的稳定性。
另外，在本实施方式中，伺服电动机145的位置指令的加速度也基于变更后的感应电动机125的指令速度的加速度而生成，因此，能够降低主轴电动机与进给轴电动机的同步精度恶化的情况。
一般而言，作为感应电动机的控制模式而使用基于位置指令的位置控制的情况下，认为等待至感应电动机的磁通量最大为止后，将在该最大磁通量时感应电动机能够动作的最大加速度设定为感应电动机的位置指令的加速度。但是，在本实施方式中，在进行主轴电动机与进给轴电动机的同步运转时，即在将作为主轴电动机的感应电动机125的控制模式从速度控制切换为位置控制时，不等待至感应电动机的磁通量最大，就能够立刻输出位置指令并进行感应电动机125的控制。
〔第2实施方式〕
以下，一边参照图6和图7一边详细论述本发明的第2实施方式。
图6表示本发明的第2实施方式的数值控制系统20的结构例。此外，对与第1实施方式的数值控制系统10相同的构成要素，标注相同的附图标记来表示，省略其说明。
数值控制系统20与第1实施方式的数值控制系统10不同，具备数值控制装置200。在此，虽未图示，但数值控制装置200也可以具备与通常的数值控制装置同样的构成要素和功能。
数值控制装置200与第1实施方式的数值控制装置100不同，还具备比例计算单元105。比例计算单元105计算由磁通量取得单元102取得的当前的磁通量φ占存储到例如存储单元101的感应电动机125的最大磁通量φmax的比例(磁通量比例φ/φmax)。比例计算单元105将计算出的磁通量比例φ/φmax向加速度变更单元103发送。
然后，加速度变更单元103根据由比例计算单元105计算出的磁通量比例φ/φmax来变更基于感应电动机125的最大加速度amax的位置指令的加速度a。具体而言，加速度变更单元103根据基于感应电动机125的最大加速度amax、感应电动机125的最大磁通量φmax、感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ的下式(2)来变更位置指令的加速度a。
a＝amax×φ/φmax...(2)
图7表示第2实施方式的数值控制系统20的动作。在图7中，假定了在通过位置控制使感应电动机125和伺服电动机145进行同步运转时，使感应电动机125从基于速度指令的速度控制切换为基于位置指令的位置控制并动作时的动作。
在步骤s21中，磁通量取得单元102与上述的图3的步骤11的动作同样地，从放大器130取得感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ。
接着，在步骤s22中，比例计算单元105计算由磁通量取得单元102取得的当前(移动开始时)的磁通量φ占感应电动机125的最大磁通量φmax的比例φ/φmax(以下也称为“磁通量比例φ/φmax”)，并将该磁通量比例φ/φmax向加速度变更单元103发送。
接着，在步骤s23中，加速度变更单元103与上述的图3的步骤12的动作同样地，根据由比例计算单元105计算出的磁通量比例φ/φmax来变更基于感应电动机125的最大加速度amax的位置指令的加速度a。具体而言，加速度变更单元103根据基于感应电动机125的最大加速度amax、感应电动机125的最大磁通量φmax、以及感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量φ的上式(2)来变更位置指令的加速度a。由此，感应电动机125的当前(移动开始时)的磁通量比例φ/φmax越小，加速度变更单元103使位置指令的加速度a变更得越小。即，在当前(移动开始时)的磁通量比例φ/φmax较大时，加速度a变大，另一方面，在当前(移动开始时)的磁通量比例φ/φmaxφ较小时，加速度a变小。
接着，在步骤s24中，位置指令生成单元104与上述的图3的步骤13的动作同样地，基于由加速度变更单元103变更后的感应电动机125的位置指令的加速度a，来生成感应电动机125和伺服电动机145的位置指令，分别向放大器130和放大器148输出。
〔第2实施方式的效果〕
在第2实施方式的数值控制系统20中，也与第1实施方式的数值控制系统10同样地，根据感应电动机125的磁通量来变更位置指令的加速度，从而能够实现发热的减少和位置控制的稳定性的兼顾。另外，能够降低主轴电动机与进给轴电动机的同步精度恶化的情况。另外，在进行主轴电动机与进给轴电动机的同步运转时，即将作为主轴电动机的感应电动机125的控制模式从速度控制切换为位置控制时，能够立刻输出位置指令并进行感应电动机125的控制。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于前述的实施方式。另外，本实施方式所记载的效果仅是列举了由本发明产生的最优选的效果，本发明的效果并不限定于本实施方式所记载的效果。
例如，在上述的实施方式中，基于数值控制装置100或数值控制装置200的控制方法通过软件来实现。在通过软件实现的情况下，构成该软件的程序被加载至计算机(数值控制装置100或数值控制装置200)。另外，这些程序既可以被记录于可移动介质而向使用者发布，也可以通过经由网络下载到使用者的计算机来发布。而且，这些程序也可以不进行下载而是作为经由网络的web服务向使用者的计算机(数值控制装置100或数值控制装置200)提供。
另外，在上述的实施方式中，例示了由感应电动机构成的主轴电动机和由伺服电动机构成的进给轴电动机的同步控制。但是，本发明的特征并不限定于此，也能够适用于由感应电动机构成的两个主轴电动机的同步控制。而且，本发明的特征也能够适用于由感应电动机构成的1个或多个主轴电动机、以及由伺服电动机构成的1个或多个进给轴电动机的多个电动机的同步控制。在该情况下，也可以基于由感应电动机构成的多个主轴电动机的磁通量中的最小的磁通量来变更用于多个电动机的位置指令的加速度。
另外，在上述的实施方式中，在减弱了作为主轴电动机的感应电动机的磁通的状态下，在将感应电动机的控制模式从速度控制切换成位置控制并进行感应电动机的加减速时，根据当前的磁通量来变更了位置指令的加速度。但是，本发明的特征在于，也能够适用于在从最初开始通过位置控制对感应电动机进行控制时，在减弱了感应电动机的磁通的状态下进行感应电动机的加减速的情况。
符号说明
1020数值控制系统
100、200数值控制装置
101存储单元
102磁通量取得单元
103加速度变更单元
104位置指令生成单元
105比例计算单元
125感应电动机(主轴电动机)
145伺服电动机(进给轴电动机)
150机床