專利名稱：位置控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于機床的進給軸(即包括工作臺、鞍座及主軸頭的從動體)的位置控制裝置，更具體地，本發(fā)明涉及一種改進的位置控制裝置，其根據(jù)進給裝置的偏移量來執(zhí)行全封閉控制，用以控制從動體的位置與位置命令值之間的相對關系。
背景技術：
位置控制裝置包括設置于機床的可移動部件上的線性刻度尺，用于檢測從動體的位置。所述位置控制裝置可以根據(jù)被檢測到的從動體位置與命令值之間的比較來執(zhí)行全封閉控制，進而反映了進給裝置的偏移量。對上述位置控制裝置來說，需要減小位置誤差。
例如，通過提高速度環(huán)路增益或位置環(huán)路增益，可以抑制瞬態(tài)響應中的位置誤差。因此，當發(fā)生不可預測的負載變化或干擾時，如可移動部件的滑動阻力的突然改變或切削負載的改變時，從動體可以得到精確的控制。
然而，驅(qū)動裝置容易老化劣變，比如部件磨損及松動。在進給軸裝置的連續(xù)運作過程中，滾珠螺桿的張力降低，而且，由于溫度升高，滾珠螺桿發(fā)生膨脹。這樣，該進給軸裝置易受到剛度減小的影響，并且容易導致低頻振動。
圖5展示了傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)。線性刻度尺11檢測從動體12的位置檢測值Pl。減法器2對位置命令值Pc與位置反饋值(即從上述線性刻度尺11發(fā)出的檢測值Pl)之間的偏差進行運算。速度命令計算區(qū)域3根據(jù)上述位置偏差計算比例常量Kp，并輸出速度命令值Vc。
安裝于馬達10上的位置監(jiān)測器9對位置檢測值Pm進行檢測。微分器14對上述位置檢測值Pm進行微分運算并輸出馬達速度檢測值Vm。減法器4獲得上述速度命令值Vc與馬達速度檢測值Vm之間的偏差，并將該獲得的偏差作為速度偏差而輸出。
速度偏差比例計算器5根據(jù)上述速度偏差及速度環(huán)路比例增益Pv而輸出速度偏差比例分量。速度偏差積分器6根據(jù)上述速度偏差及速度環(huán)路積分增益Iv而輸出速度偏差積分分量。加法器7對上述速度偏差比例分量與速度偏差積分分量進行相加，并輸出扭矩命令值Tc。該扭矩命令值Tc被送入綜合濾波及電流控制區(qū)8中。
為方便描述，現(xiàn)在假定從速度命令值Vc到馬達速度檢測值Vm之間的傳動率為1。在假定模式中，從動體的位置Pl與馬達的位置Pm借助彈性系數(shù)為Kb的彈簧互相連接起來，所述從動體的重量為M，且該從動體內(nèi)產(chǎn)生力矩F。
圖6所示框圖展示了圖5所示的全封閉控制系統(tǒng)。所述整體控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以用下列公式1表達，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)圖9展示了當公式1滿足Kp＜＜(Kb/M)1/2的條件時，所述整體控制系統(tǒng)的增益特性。
近來在多種過濾技術/抑制振動控制及先進的速度環(huán)路技術方面的發(fā)展使得設置更高的位置及速度環(huán)路增益成為可能。
然而，驅(qū)動裝置容易老化劣變，比如部件磨損及松動。在進給軸裝置的連續(xù)運作過程中，滾珠螺桿的張力降低，而且由于溫度升高，滾珠螺桿容易發(fā)生膨脹。這樣，該進給軸裝置易受到剛度減小的影響。
圖10展示了該情況下用上述公式1表達的整體控制系統(tǒng)的增益特性。由于位置環(huán)路增益設置在較高水平，機械共振頻率(Kb/M)1/2的增益裕度得到變小。從動體可能導致低頻振動。為了克服上述問題，許多傳統(tǒng)技術相應出現(xiàn)。
圖7展示了另一種傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)。在該圖7中，與圖5中相似的元件用相同的標號表示，并且以下不再描述這些元件。圖7中的控制系統(tǒng)包括位置檢測值計算區(qū)域20。該區(qū)域20接收從動體位置檢測值Pl及馬達位置檢測值Pm，并輸出用下述公式2表達的位置反饋值Pd。在該公式2中，Tp表示一階滯后電路17的時間常量，而S表示拉普拉斯算子。
Pd＝Pm+(Pl-Pm)/(l+Tp·S)---------------------------------(公式2)在該公式2中，(l+Tp·S)表示一階滯后，而圖7中的一階滯后電路17計算公式2中的第二項。
在圖11中，點劃線表示當公式2滿足Tp＞＞(Kb/M)1/2的條件時，圖7所示整體控制系統(tǒng)的增益特性。當機械共振頻率為(Kb/M)1/2時，可以獲得較大的增益裕度。
另外，在圖11中，實線表示當進給軸裝置的剛度劣變時所述整體控制系統(tǒng)的增益特性。因此，圖7所示控制系統(tǒng)能夠解決前述存在于圖5所示的傳統(tǒng)技術中的問題(即低頻振動)。
在圖11中，交替出現(xiàn)的長短點劃線表示圖10所示的增益特性。
圖8展示了另一種傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)，其包括速度檢測值計算器25。
在圖8中，與圖5中相似的元件用相同的標號表示，以下不再描述這些元件。
微分器21對從動體位置檢測值Pl進行微分運算，并輸出從動體速度檢測值Vl。所述速度檢測值計算區(qū)域25基于從動體速度檢測值Vl及馬達速度檢測值Vm而輸出用下列公式3表達的速度反饋值Vm。在公式3中，Tv表示一階滯后電路23的時間常量，而S表示拉普拉斯算子。
Vd＝Vm+(Vl-Vm)/(l+Tv·S)---------------------------------(公式3)在該公式3中，(l+Tv·S)表示一階滯后，而圖8中的一階滯后電路23計算公式3中的第二項。
在圖11中，點劃線表示當公式3滿足Tv＞＞(Kb/M)1/2的條件時，圖8所示整體控制系統(tǒng)的增益特性。當機械共振頻率為(Kb/M)1/2時，可以獲得較大的增益裕度。
另外，在圖11中，實線表示當進給軸裝置的剛度劣變時所述整體控制系統(tǒng)的增益特性。因此，圖8所示控制系統(tǒng)能夠解決前述存在于圖5所示的傳統(tǒng)技術中的問題(即低頻振動)。
在圖7、8所示的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，由于機械老化劣變的原因，進給軸驅(qū)動裝置的剛度逐漸劣化。在大規(guī)模加工中心中，從動體上可能安裝過重的工件。在這種情況下，機械共振頻率為(Kb/M)1/2時的增益裕度變小，并且發(fā)生低頻振動。另外，當進給軸驅(qū)動裝置的剛性因機械故障而劣化時，發(fā)生故障的機床可能還在連續(xù)運轉(zhuǎn)。而且，當發(fā)生低頻振動時，進給軸裝置的部件(如軸承)可能損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種位置控制裝置，其執(zhí)行全封閉控制，以便控制由馬達驅(qū)動的從動體的位置。該裝置包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用于計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；及用于根據(jù)上述偏移量來改變速度命令計算器的比例常量的偏移檢測器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種位置控制裝置，其執(zhí)行全封閉控制，以便控制由馬達驅(qū)動的從動體的位置。該裝置包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用于計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；位置檢測值計算器，其將一階滯后電路的輸出與來自馬達位置檢測器的位置檢測值進行相加運算，并輸出位置反饋值，所述一階滯后電路對所述偏移量進行輸入；及用于根據(jù)上述偏移量來改變所述位置檢測值計算器的一階滯后電路時間常量的偏移檢測器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種位置控制裝置，其執(zhí)行全封閉控制，以便控制由馬達驅(qū)動的從動體的位置。該裝置包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；用于將一階滯后電路的輸出與馬達速度檢測值進行相加并輸出速度反饋值的速度檢測值計算器，其中，該一階滯后電路將來自馬達位置檢測值的馬達速度檢測值與來自從動體位置檢測值的從動體速度檢測值之間的差異進行輸入；及用于根據(jù)上述偏移量來改變所述速度檢測值計算器的一階滯后電路時間常量的偏移檢測器。
另外，所述位置控制裝置最好還包括偏移檢測器。該檢測器用于判斷偏移量是否超過了預定的閾值，并且當偏移量超過所述閾值時顯示所述偏移量的狀態(tài)。


圖1展示了本發(fā)明一個實施例所述的全封閉控制系統(tǒng)。
圖2展示了本發(fā)明一個實施例所述的偏移檢測器的框圖。
圖3展示了本發(fā)明一個實施例所述的全封閉控制系統(tǒng)。
圖4展示了本發(fā)明一個實施例所述的偏移檢測器的框圖。
圖5展示了傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)。
圖6展示了傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)的框圖。
圖7展示了傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)。
圖8展示了傳統(tǒng)的全封閉控制系統(tǒng)。
圖9展示了傳統(tǒng)全封閉控制系統(tǒng)的增益特性圖。
圖10展示了傳統(tǒng)全封閉控制系統(tǒng)的增益特性圖。
圖11展示了傳統(tǒng)全封閉控制系統(tǒng)的增益特性圖。
圖12展示了本發(fā)明一個實施例所述全封閉控制系統(tǒng)的增益特性圖。
圖13展示了本發(fā)明一個實施例所述全封閉控制系統(tǒng)的增益特性圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在描述本發(fā)明的實施例。在這些優(yōu)選實施例中，與圖7所示元件類似的元件用相同的標號表示，并且下面不再描述這些元件。圖1展示了本發(fā)明一個實施例所述全封閉控制系統(tǒng)的框圖。減法器15對偏移量Ps進行計算。該偏移量Ps反映了由線性刻度尺11檢測到的從動體12的位置檢測值Pl與由安裝于馬達10上的位置檢測器9檢測到的位置檢測值Pm之間的差異。偏移檢測器16接收來自所述減法器15的偏移量Ps。所述偏移檢測器16能夠基于上述偏移量Ps而改變速度命令計算區(qū)域3的比例常量Kp?？蛇x擇地，所述偏移檢測器16能夠基于上述偏移量Ps而改變一階滯后電路17的時間常量Tp。
圖2展示了能夠改變上述比例常量Kp及時間常量Tp的偏移檢測器16的結(jié)構(gòu)。所述偏移檢測器16根據(jù)上述偏移量Ps，并以表161為參考，而輸出系數(shù)K(0≤K≤1)。乘法器162將上述系數(shù)K與所述速度命令計算區(qū)域3的比例常量初始值Kp0進行相乘，并輸出所述速度命令計算區(qū)域3的可變比例常量Kp。
為簡化描述，現(xiàn)在假定從速度命令值Vc到馬達速度檢測值Vm之間的傳動率為1。在假定模式中，從動體的位置Pl與馬達的位置Pm借助彈性系數(shù)為Kb的彈簧互相連接起來，所述從動體的重量為M，且該從動體內(nèi)產(chǎn)生力矩F。在上述模式中，所述整體控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以用下列公式4表達，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)根據(jù)圖1所示的實施例，如果進給軸驅(qū)動裝置的剛度劣化，則所述偏移量Ps將變大，而所述位置比例計算常量Kp將變小。圖12展示了在這種情況下用公式4表達的整體控制系統(tǒng)的增益特性。因此，在機械共振頻率(Kb/M)1/2時的增益裕度變大，并且所述從動體未導致低頻振動。
另外，如圖2所示，所述偏移檢測器16根據(jù)所檢測到的偏移量Ps、并以表163為參考，而輸出一個時間常量系數(shù)Kt。乘法器164將所述系數(shù)Kt與時間常量初始值Tp0進行相乘，并輸出用于一階滯后電路17的可變時間常量Tp。即，當所述偏移量Ps變大時，所述時間常量Tp也變大。圖1所示的位置檢測器計算區(qū)域20輸出用下列公式5表達的位置反饋值Pd。
在下列公式5中，Tp0表示時間常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。用于所述一階滯后電路17的時間常量Tp為Tp＝Tp0·Kt，而位置反饋值Pd可以用下式表達Pd＝Pm+(Pl-Pm)/(l+Tp0·Kt·S)---------------------------------(公式5)在這種情況下，如果進給軸驅(qū)動裝置的剛度劣化，則所述偏移量Ps變大，因此用于所述一階滯后電路17的時間常量Tp變大。因此，增益特性可以用圖13所示的實線表示。在機械共振頻率(Kb/M)1/2時的增益裕度變大，并且所述從動體未導致低頻振動。在圖13中，交替出現(xiàn)的長、短點劃線表示圖10所示的增益特性。
圖3展示了本發(fā)明另一個實施例所述的全封閉控制系統(tǒng)。在圖3中，與圖8所示元件類似的元件用相同的標號表示，并且下面不再描述這些元件。
偏移檢測器16根據(jù)檢測到的偏移量Ps而獲取時間常量系數(shù)Kt。然后，所述偏移檢測器16將該時間常量系數(shù)Kt與時間常量初始值Tv0進行相乘，從而產(chǎn)生用于一階滯后電路23的可變時間常量Tv。
即，當所述偏移量Ps變大時，所述時間常量Tv也變大。圖3所示的速度檢測值計算區(qū)域25輸出用下列公式6表達的速度反饋值Pd。在公式6中，Tv0表示時間常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。在公式5中，Tp0表示時間常量初始值，而S表示拉普拉斯算子。用于所述一階滯后電路23的時間常量Tv為Tv＝Tv0·Kt，而速度反饋值Vd可以用下式表達
Vd＝Vm+(Vl-Vm)/(l+Tv0·Kt·S)---------------------------------(公式6)根據(jù)圖3所示的實施例，如果進給軸驅(qū)動裝置的剛度劣化，則所述偏移量Ps變大，而用于所述一階滯后電路23的時間常量Tv變大。因此，圖3所示整體控制系統(tǒng)的增益特性可用圖13所示的實線表示。在機械共振頻率(Kb/M)1/2的增益裕度變大，并且所述從動體未導致低頻振動。
圖4展示了本發(fā)明另一個實施例所述偏移檢測器16的結(jié)構(gòu)。所述偏移檢測器16包括微分放大器166。當偏移量Ps超過預定的閾值Psref_165時，該微分放大器166可以檢測到機床的異常狀態(tài)。另外，所述偏移檢測器16還包括用于顯示所述機床異常狀態(tài)的警告顯示單元167。
相應地，當由于剛度變小而導致所述偏移量Ps變大時，所述偏移檢測器16能夠生成報警信號并讓操作員停止進給軸。因此，該實施例可以避免有故障的機床繼續(xù)運轉(zhuǎn)，從而可以消除對所述進給軸裝置的部件的損壞。
如上所述，當進給軸裝置的剛度劣化時，反映從動體位置與馬達位置之間差異的偏移量變大。在本實施例的位置控制裝置中，根據(jù)偏移量的增加，所述偏移檢測器能夠改變位置計算器比例常量Kp或位于位置檢測值計算區(qū)域內(nèi)的一階滯后電路的時間常量Tp。
可選擇地，所述偏移檢測器能夠改變速度檢測值計算區(qū)域中的一階滯后電路的時間常量Tv。因此，本實施例的位置控制裝置能夠控制所述從動體的位置，同時能夠抑制偏移量增加導致的低頻振動。
此外，本實施例的位置控制裝置可以在不考慮所述進給驅(qū)動裝置的剛度降低而設置更高的位置環(huán)路增益。
此外，由于老化劣變的原因，所述進給軸驅(qū)動裝置的剛度逐漸降低。在大規(guī)模加工中心，從動體上可能安裝過重的工件。在這種情況下，所述偏移量變得更大。本發(fā)明的偏移檢測器可以檢測這種情況，并且可以避免機床的損壞。
權利要求
1.一種執(zhí)行全封閉控制以便控制由馬達驅(qū)動的從動體位置的位置控制裝置，其包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用于計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；及用于根據(jù)上述偏移量來改變速度命令計算器的比例常量的偏移檢測器。
2.一種執(zhí)行全封閉控制以便控制由馬達驅(qū)動的從動體位置的位置控制裝置，其包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用于計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；位置檢測值計算器，其將一階滯后電路的輸出與來自馬達位置檢測器的位置檢測值進行相加運算，并輸出位置反饋值，所述一階滯后電路對所述偏移量進行輸入；及用于根據(jù)上述偏移量來改變所述位置檢測值計算器的一階滯后電路時間常量的偏移檢測器。
3.一種執(zhí)行全封閉控制以便控制由馬達驅(qū)動的從動體位置的位置控制裝置，其包括馬達位置檢測器；用于檢測從動體位置的從動體位置檢測器；用計算偏移量的減法器，該偏移量反映了來自馬達位置檢測器的位置檢測值與來自從動體位置檢測器的位置檢測值之間的差異；用于將一階滯后電路的輸出與馬達速度檢測值進行相加、并輸出速度反饋值的速度檢測值計算器，其中，該一階滯后電路將來自馬達位置檢測值的馬達速度檢測值與來自從動體位置檢測值的從動體速度檢測值之間的差異進行輸入；及用于根據(jù)上述偏移量來改變所述速度檢測值計算器的一階滯后電路時間常量的偏移檢測器。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的位置控制裝置，其特征在于進一步包括偏移檢測器，該檢測器判斷偏移量是否超過了預定的閾值，并且當偏移量超過所述閾值時顯示所述偏移量的狀態(tài)。
全文摘要
反映從動體的位置檢測值P1與馬達的位置檢測值Pm之間差異的偏移量Ps被檢測到。根據(jù)所述偏移量Ps，位置計算器比例常量Kp、對所述偏移量Ps進行輸入的一階滯后電路的時間常量Tp及對另一個差異進行輸入的一階滯后電路的時間常量Tv被改變。所述另一個差異是所述從動體的速度檢測值V1與馬達的速度檢測值Vm之間的差異。
文檔編號G05D3/12GK101021730SQ200710084029
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權日2006年2月15日
發(fā)明者柴田知宏, 亀山智壽 申請人:歐庫馬株式會社