位置控制装置的制作方法

将2017年7月31日提交的、申请号为2017-148209的日本专利申请的全部公开内容，包括说明书、权利要求书、说明书附图和说明书摘要，通过引用的方式整体并入本文。

本发明涉及一种位置控制装置，该位置控制装置在切割进给期间控制安装有待加工对象的工作台或者主轴箱的位置。

背景技术：

图1示出了相关技术的位置控制装置的示例结构。

位置控制装置100从上级数值控制装置(nc装置)等在每个采样周期接收位置指令值xc。从位置指令值xc中减去位置反馈值xp，并将结果乘以位置回路增益kp，以计算电动机速度指令值vc。从电动机速度指令值vc中减去速度检测值vm，以获得速度控制器102的输入，然后速度控制器102计算扭矩指令值τc。电流控制器104控制电动机电流，使得电动机106产生对应于扭矩指令值τc的扭矩。向电动机106提供由控制器104控制的电流，以产生扭矩，并旋转。连接至电动机106的旋转编码器108检测电动机的旋转位置。根据每个采样周期的检测值的差值计算速度检测值vm。经由滚珠丝杠110连接至电动机106的工作台112响应于电动机106的旋转而线性移动。光学标尺114读取车床与工作台112的位移，并基于该位移计算工作台112的位置xf(下文中称为“标尺位置xf”)。当进给机构的刚度足够高时，电动机控制装置可以使用标尺位置xf作为位置反馈值xp而无需进一步处理。然而，在大型机器(例如平面型机床)中，进给机构的刚度趋向于较低，并且相对于根据电动机106的旋转位置计算出的工作台的位置xm(下文中称为“电动机位置xm”)，标尺位置xf倾向于具有大的相位延迟。结果，控制可能变得不稳定，例如可能在位置反馈回路中产生振动。考虑到这一点，通过将低通滤波器处理电动机位置xm与标尺位置xf之间的差以去除高频成分从而得到的值加到xm，以获得xp。

jp2016-076119a公开了一种电动机控制装置，该电动机控制装置通过检测驱动电动机的旋转位置的编码器和检测工作台位置的标尺来检测机床的工作台的位置。

在模具加工等加工路径中，在每个轴上的操作中，可能存在连续出现微小区间的往复运动的情况。在图2所示的模具加工示例中，y轴是拾取方向，通过x轴和z轴上的操作来执行切割。在这种情况下，x轴上的操作范围很大，因此，x轴上的速度也很高。另一方面，在z轴中，操作范围小，因此速度小(图3)。

在特定轴上的操作范围较小且速度较小的加工路径中，可能存在驱动系统中产生润滑不足的情况。特别地，在工作台由摩擦引导表面引导的情况下，如果加工路径使得微小区间以低速往复运动的加工路径，则摩擦引导表面上的润滑变得不足，并且摩擦系数趋向于增加。当摩擦系数增加时，施加在工作台上的滑动阻力也增加。当滑动阻力增加时，如滚珠丝杠等工作台驱动系统弹性变形(产生偏转)，因此，工作台位置与电动机位置之间的相对位移增加(图4)。

位置误差的增加表现为加工表面上的条纹。由于这样的条纹需要额外的加工，所以这是不经济的。

作为减小反转延迟的方法，存在一种方法，其中在计算速度误差期间，增加对应于移动方向的摩擦力所对应的校正量。

通过校正，在反转期间，电动机在工作台之前反转。当滑动阻力较小且偏转较小时，在电动机后工作台也开始快速反转。然而，当滑动阻力较大且偏转较大时，因为通过校正值vd使电动机位置xm反转，所以减小了位置反馈的位置误差计算结果，并抑制了速度指令vc的增加。另一方面，因为已经通过电动机的反转操作而使速度vm反转，所以进一步抑制了速度误差的增加，并且抑制了扭矩τc的增加。结果，在电动机移动以消除偏转之前产生延迟，并且在移动之后抵抗摩擦力产生用于使工作台反转的足够扭矩之前也产生延迟。在该延迟期间，位置指令xc继续进行，并且在标尺位置xf中产生跟踪延迟。如果将校正量设得很大以与滑动阻力很大的情况对应，则当滑动阻力较小时校正量会变得过大，导致工作台位置过冲，这会引起位置误差。因此，过大的设定是不可能的。

考虑到这一点，在相关技术中提出了一种方法，其中通过将“(标尺位置与电动机位置之间的偏差)/(扭矩指令值)”设为刚度(＝弹簧常数的倒数)来计算校正量，并且计算：

校正量＝(第一方向上的初始偏差/对应的第一方向上的扭矩指令值)×当前扭矩指令值-“当前偏差”。

但是，因为滚珠丝杠中存在螺距误差，所以如图7所示，对于工作台的每个位置，标尺位置与电动机位置之间的偏差不同。特别是，当行程较长时，例如在平面型机床的情况下，偏差可能以超过100微米的值变化。此外，在滚珠丝杠中，由于热膨胀，电动机位置如图6所示那样变化。即使对于相同的扭矩指令值，在上述计算中假定的“初始偏差”和“当前偏差”也可能无法再现。因此，存在不能稳定地实现校正优点的问题。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种位置控制装置，该位置控制装置基于来自上级数值控制装置的位置指令值控制机床的可动部的位置，该位置控制装置包括：位置控制回路，其获取可动部的位置，并使用基于所获取到的所述可动部的位置的值作为位置反馈值来执行位置反馈；以及速度控制回路，其基于由位置控制回路计算的速度指令值来计算电动机的扭矩指令值，从而控制电动机的速度，所述电动机通过包括滚珠丝杠在内的驱动力传递系统来驱动所述可动部，其中所述位置控制装置还包括：反转检测器，其检测位置控制值的方向的反转；存储单元，其存储偏转特性，该偏转特性是扭矩指令值与驱动力传递系统的偏转量之间的对应关系；以及反转补偿计算器，其通过将偏转特性应用到即将反转前的扭矩指令值上来获取即将反转前的偏转量，通过将偏转特性应用到将即将反转前的扭矩指令值的符号反转从而计算出的值上来评估刚反转后的偏转量，并且计算反转补偿量，该反转补偿量是即将反转前的偏转量与评估出的偏转量之间的差，其中，当所述反转检测器检测到位置指令值的方向反转时，使用通过将反转补偿量加到位置指令值从而获得的值作为新位置指令值来控制位置。

根据本发明的另一方面，提供一种位置控制装置，该位置控制装置基于来自上级数值控制装置的位置指令值控制机床的可动部的位置，该位置控制装置包括：位置控制回路，低通滤波器处理基于旋转编码器的检测值的可动部的位置与基于标尺的检测值的可动部的位置之间的差，将低通滤波器处理后的值加到基于旋转编码器的检测值的可动部的位置从而得到的值作为位置反馈值，从而执行位置反馈，所述旋转编码器检测电动机的位置，该电动机通过包括滚珠丝杠在内的驱动力传递系统驱动可动部，所述标尺检测可动部的位置；以及速度控制回路，其基于由位置控制回路计算的速度指令值计算电动机的扭矩指令值，从而控制电动机的速度，其中所述位置控制装置还包括：反转检测器，其检测位置指令值的方向的反转；存储单元，其存储偏转特性，该偏转特性是扭矩指令值与驱动力传递系统的偏转量之间的对应关系：以及反转补偿计算器，其通过将偏转特性应用到即将反转前的扭矩指令值上来获取即将反转前的偏转量，通过将偏转特性应用到将即将反转前的扭矩指令值的符号反转从而计算出的值上来评估刚反转后的偏转量，并计算反转补偿量，该反转补偿量是即将反转前的偏转量与评估出的偏转量之间的差，其中，当反转检测器检测到位置指令值的方向反转时，使用通过将反转补偿量加到位置指令值从而得到的值作为新位置指令值，并进一步使用通过将低通滤波器处理反转补偿量得到的值与加到位置反馈值从而得到的值作为新位置反馈值来控制位置。

根据本发明的另一方面，提供一种位置控制装置，该位置控制装置基于来自上级数值控制装置的位置指令值控制机床的可动部的位置，该位置控制装置包括：位置控制回路，其基于检测电动机的位置的旋转编码器的检测值来获取可动部的位置，并且使用所获取到的可动部的位置作为位置反馈值来执行位置反馈，所述电动机通过包括滚珠丝杠在内的驱动力传递系统驱动可动部：以及速度控制回路，其基于由位置控制回路计算的速度指令值计算电动机的扭矩指令值，从而控制电动机的速度，其中所述位置控制装置还包括：反转检测器，其检测位置指令值的方向的反转；存储单元，其存储偏转特性，该偏转特性是扭矩指令值与驱动力传递系统的偏转量之间的对应关系；以及反转补偿计算器，其通过将偏转特性应用到即将反转前的扭矩指令值上来获取即将反转前的偏转量，通过将偏转特性应用到将即将反转前的扭矩指令值的符号反转从而计算出的值上来评估刚反转后的偏转量，并计算反转补偿量，该反转补偿量是即将反转前的偏转量与评估出的偏转量之间的差，其中当反转检测器检测到位置指令值的方向反转时，使用通过将反转补偿量加到位置指令值从而获得的值作为新位置指令值来控制位置。

本发明的有益效果

在反转期间，驱动力传递系统(如滚珠丝杠)的偏转被电动机消除，并且电动机快速前进到相反方向的偏转位置，从而抑制了反转期间的延迟。

附图说明

将参照以下附图说明本发明的实施例，其中：

图1是根据相关技术的位置控制装置的框图。

图2是示出模具加工操作示例的图。

图3是模具加工操作的一条路径的放大图。

图4是示出摩擦增加和滚珠丝杠偏转的图像的图。

图5是示出标尺位置与电动机位置的位移的图。

图6是示出滑动阻力引起的电动机位置的变化的图。

图7是根据本发明一实施例的位置控制装置的示意性框图。

图8是反转检测器的框图。

图9是示出反转检测器的反转检测模式的图。

图10是偏转特性的说明图。

图11是反转校正计算器的框图。

图12是根据发明另一实施例的位置控制装置的示意性框图。

具体实施方式

图7是根据本发明一实施例的位置控制装置10的示意性框图。图7还示出了待控制的机床的工作台、以及驱动该工作台的机构。位置控制装置10首先接收由上级nc装置(未示出)在每个采样周期生成的位置指令值xc，从位置指令值xc中减去位置反馈值xp，并将结果乘以位置回路增益kp，以计算电动机速度指令值vc。位置控制装置10具有速度控制回路，该速度控制回路从电动机速度指令值vc中减去速度检测值vm，将结果设为速度控制器12的输入，并通过速度控制器12计算扭矩指令值τc。此外，电流控制器14控制电动机电流，使得电动机16产生与扭矩指令值τc对应的扭矩。电动机16通过由电流控制器14控制的电流产生扭矩，并驱动滚珠丝杠20。连接至电动机16的旋转编码器18检测电动机位置。根据每个采样周期的检测值的差计算速度检测值vm。经由滚珠丝杠20连接至电动机16的工作台22响应于电动机16的旋转而线性移动。标尺24(如光学标尺)读取工作台22的位置，并输出标尺位置xf。位置控制装置10具有位置控制回路，低通滤波器处理电动机位置xm与标尺位置xf之间的差以去除高频成分，并将结果加到电动机位置xm以获得位置反馈值xp。位置控制装置10还包括：反转检测器26，其检测位置指令值xc的反转并生成反转检测信号sr；偏转特性存储单元28，其存储表示偏转量相对于扭矩指令的关系的偏转特性；以及反转校正计算器30，其生成反转校正量xd。

反转校正计算器30读取扭矩指令τc和偏转特性，并且在与反转检测器26传递来的反转检测信号sr的接收时间对应的时间，基于这些值生成反转校正量xd。

将反转校正量xd加到位置指令值xc，并将合计值作为新位置指令用于位置误差计算。此外，用低通滤波器处理反转校正量xd并将其加到反馈值xp，将合计值设为新反馈值xp。

可以如图8所示那样形成反转检测器26。反转检测器26包括存储器26a，该存储器26a存储位置指令值xc、前一个采样周期的位置指令值zxc、以及前两个采样周期的位置指令值zzxc。反转检测器26还包括反转判断单元26b，当位置指令值xc、zxc以及zzxc的大小的关系变成如图9所示的模式时，即当位置指令值从增到减或从减到增变化时，反转判断单元26b生成反转检测信号sr。

偏转特性可以表示为，例如，如图10所示。扭矩指令值在横轴上示出，对应的偏转量在纵轴上示出，扭矩指令值和偏转量彼此相关联，并且它们之间的关系作为对应表或函数存储在偏转特性存储单元28中。基于该对应，可以读取扭矩指令值为正值时和扭矩指令值为负值时的偏转量。

可以如图11所示那样形成反转校正计算器30。存储器30a存储扭矩指令τc，并输出前一个采样的扭矩指令zτc。在反转检测信号sr的接收时间，利用偏转特性核对反转前的扭矩指令zτc，以读取反转前的偏转量d1，利用偏转特性核对将反转前的扭矩指令zτc的符号反转后的反转值-zτc，以评估反转后的偏转量d2，并且偏转补偿计算器30b计算(d2-d1)，从而计算反转校正量xd。

通过以这种方式形成单元，可以与通过装置的操作而随时间变化的摩擦力对应地校正偏转量。

此外，为了根据机器状态和加工目标进行现场调整，可以增大或减小反转校正量xd。具体地，该装置被配置为将反转校正量xd乘以可调增益参数，使得可以通过调整增益参数来手动调整校正水平。

图12示出了根据本发明另一实施例的位置控制装置40。

位置控制装置40是上述位置控制装置10中省略了标尺24的装置，并且通过电动机位置xm执行位置反馈控制。由于摩擦和偏转之间的关系与在位置控制装置10的情况相同，所以设置的反转校正计算器30与图11所示的反转校正计算器相同。由即将反转前的扭矩zτc确定即将反转前的偏转量d1，将反转后预测的扭矩-zτc下的偏转量d2作为反转校正量加到位置指令，并且在此期间，电动机快速前进。如此，即使在没有标尺的情况下也可以抑制工作台位置的反转延迟。

位置控制装置40具有位置控制回路，该位置控制回路使用电动机位置xm代替上述位置控制装置10中的位置反馈值xp进行位置反馈。其他结构，即位置指令值xc、位置回路增益kp、电动机速度指令值vc、速度检测值vm、速度控制器12、扭矩指令值τc、电流控制器14、电动机16、旋转编码器18、滚珠丝杠20以及工作台22与图7所示实施例中的那些结构相同。位置控制装置40包括：反转检测器26，其检测位置指令值xc的反转并生成反转检测信号sr；偏转特性，其表示偏转量相对于扭矩指令值的关系；以及反转校正计算器30，其生成反转校正量xd。

反转校正计算器30读取扭矩指令τc和偏转特性，并在与反转检测信号sr的接收时间对应的时间计算反转校正量xd。

将通过使反转校正量xd加到位置指令值xc从而得到的值设为新位置指令，并用于位置误差计算。

反转检测器26具有与例如图8所示的结构类似的结构，并且基于图9所示的模式类似地执行反转判断。偏转特性与例如图10中所示的偏转特性类似，反转校正量计算器30与例如图11所示的反转校正量计算器类似。