專利名稱：：旋轉(zhuǎn)軸位置控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及應(yīng)用于數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)軸的位置控制裝置。技術(shù)背景圖3A和3B為示出了作為控制目標機械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的力學模型的例子的圖。轉(zhuǎn)臺(rotarytable)50通過伺JI良電動才幾(未示出)以旋轉(zhuǎn)角e繞Zu軸旋轉(zhuǎn)。Zu軸與由轉(zhuǎn)臺50的重心G所描繪的旋轉(zhuǎn)軌跡平面之間的交點由原點Ou表示，Xu軸設(shè)定為關(guān)于旋轉(zhuǎn)軌跡平面上的重心的垂直方向，并且設(shè)定余下的Yu軸以與Zu軸和Xu軸形成右手坐標系。重心G到原點Ou的距離為L，并且當e=0時處于角度a的位置。根據(jù)各自的加工過程，各種類型的夾具/工具以及工件放置在轉(zhuǎn)臺50上，所以負載狀態(tài)變化并且重心G的位置也變動。注意g表示重力加速度，角度b為在Yu軸和垂直于重力方向的平面之間形成的角度。圖4為示出了常規(guī)的位置控制裝置200的例子的框圖，所述位置控制裝置200用于將前述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角e控制到居先裝置(precedencedevice)(未示出)中產(chǎn)生的位置命令值9c。此裝置具有前饋結(jié)構(gòu)以增加命令響應(yīng)的速度。具體地，位置命令值6c被微分器54時間微分以變成前饋速度Vf，并且Vf被微分器55時間微分以變成前饋加速度Af。放大器Cb中的放大率Cb為常量，其為了在旋轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生加速度Af,對應(yīng)于轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)軸的電動機轉(zhuǎn)矩確定前饋加速和減速轉(zhuǎn)矩Tf。通常地，Cb對應(yīng)于包括電動機的傳動系統(tǒng)的慣性矩的和，所述慣性矩已被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)軸，并且沒有物體放置在轉(zhuǎn)臺50的慣性矩上。常規(guī)的位置控制裝置的前饋結(jié)構(gòu)如下。首先，減法器51從位置命令值ec中減去由旋轉(zhuǎn)角檢測器(未示出)檢測到的旋轉(zhuǎn)角e,并且作為其輸出的位置誤差被位置誤差放大器Gp放大。而且，其輸出被加法器52加到前饋速度Vf以變成速度命令值Vc。減法器53從速度命令值Vc中減去旋轉(zhuǎn)角e被微分器56微分后的旋轉(zhuǎn)角速度co，作為其輸出的速度誤差被速度誤差放大器Gv普通地成比例地整體放大。此輸出以及前饋加速和減速轉(zhuǎn)矩Tf被加法器57加到一起，變成旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)矩命令值TC，該轉(zhuǎn)矩命令值TC被功率放大器Ct放大Ct倍。Ct為根據(jù)伺服電動機的特性而確定的常量，此輸出T成為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)生的伺服電動機的轉(zhuǎn)矩，并且驅(qū)動轉(zhuǎn)臺50。如上所述，在常規(guī)的位置控制裝置中，應(yīng)用了增加了與標準線性特征(nominallinearcharacteristic)有關(guān)的前饋控制的總體結(jié)構(gòu)，以增加命令響應(yīng)速度，作為用于補償由重力導致的非線性特征并且確?？刂葡到y(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性的反饋控制。然而，如上所述，因為各種類型的不同的夾具/工具以及工件放置在轉(zhuǎn)臺上，所以慣性矩增加超過轉(zhuǎn)臺的慣性矩，并且重心變化。當這種情況發(fā)生時，前饋加速和減速轉(zhuǎn)矩Tf是不夠的，反饋控制帶(band)減小，并且重力導致的非線性特征增加，所以可控性變差，這導致在定位過程中定位性能下降以及由定位角產(chǎn)生的響應(yīng)變化。進一步，因為不能掌握這些波動因素，所以在居先裝置的部分上不能判斷用于函數(shù)生成(function-generating)位置命令值6c的加速度限制和離心力導致的速度限制。結(jié)果，不能產(chǎn)生有效的功能。而且，在沒有減速機構(gòu)的直接驅(qū)動應(yīng)用過程中，前述的波動因素相應(yīng)增加，趨于使得這些問題變得更大。
發(fā)明內(nèi)容考慮到
背景技術(shù)：
中的這些問題，本發(fā)明的目的為提供一種位置控制裝置，其中設(shè)置了能合適地響應(yīng)慣性矩和重心的變化的反饋控制和前饋控制。本發(fā)明的位置控制裝置，從作為控制目標的數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)軸的實際動作，和由其中用數(shù)學模型表示控制目標的辨識模型(identificationmodel)計算出的動作之間的誤差，來確定辨識模型的每一個參數(shù)，并且基于這些參數(shù)來校正到控制目標的輸入。所述辨識模型為描述旋轉(zhuǎn)軸動作的運動方程，并且包括涉及角加速度的項和涉及旋轉(zhuǎn)角的項。關(guān)于此辨識模型，所述位置控制裝置基于實際的角加速度和控制目標的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角以及與數(shù)控機床有關(guān)的轉(zhuǎn)矩命令值，來辨識所述辨識模型的參數(shù)。另外，所述位置控制裝置利用所辨識的參數(shù)來校正轉(zhuǎn)矩命令值，并且執(zhí)行與控制目標的當前條件一致的控制。特別地，在本發(fā)明的位置控制裝置中，所述辨識模型包括涉及旋轉(zhuǎn)角的項。因此，所述位置控制裝置可以根據(jù)隨著旋轉(zhuǎn)角波動的負載來校正轉(zhuǎn)矩命令值。例如，當控制目標的重心從旋轉(zhuǎn)軸線偏離并且此軸線非垂直時，由于作用在重心上的重力，所述負載隨著旋轉(zhuǎn)角波動。即使以這樣的控制目標，所述位置控制裝置也可以執(zhí)行遵從負載波動的控制。圖1為示出了本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)軸的位置控制裝置結(jié)構(gòu)的框圖；圖2為描述了實施例的自適應(yīng)循環(huán)(adaptiveloop)計算單元的結(jié)構(gòu)的框圖；圖3A和3B為作為目標機械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的普通的機械模型；及圖4為示出了旋轉(zhuǎn)軸的常規(guī)位置控制裝置的示例結(jié)構(gòu)的框圖。具體實施方式下面，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。關(guān)于圖3A和圖3B的目標機械設(shè)備，從那里導出運動方程。在此例子中，旋轉(zhuǎn)角e滿足通用坐標系，并且獲得運動方程(l)。t=(ML2+Iz+Im)(dw/dt)+M.g.L.SINb.COS(e+a)…(1)這里，M為整個轉(zhuǎn)臺的質(zhì)量，所述轉(zhuǎn)臺包括放置或安裝于其上的各種類型的夾具/工具以及工件，Iz為整個轉(zhuǎn)臺圍繞與穿過重心G運行的Zu軸平行的軸的慣性矩，Im為包括電動機的傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換后的慣性矩。現(xiàn)在，三維信號矢量纟和參數(shù)矢量y由表達式(2)和(3)限定(此后，矩陣和矢量的變換通過附加上標"t"來表示)。《=[do/dt，COSe，-S酬t...(2)y=[ML2+Iz+Im，MgLSbCa,MgLSbSa]1"…(3)(這里，Sb=SINb,Ca=COSa,Sa=SINa)表達式(1)的運動方程可以用表達式(4)的實際系統(tǒng)模型來表示。T=Ct-TC=d"(4)圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的位置控制裝置100的結(jié)構(gòu)的框圖。注意，在此框圖中，相同的名字和標號表示與圖4(常規(guī)例子)中的相同的部件，并且省略重復的描述。自適應(yīng)循環(huán)計算單元2從轉(zhuǎn)矩命令值tc和信號矢量《來計算辨識參數(shù)矢量加,所述加為參數(shù)矢量Y的估計值。圖2為示出了自適應(yīng)循環(huán)計算單元2的結(jié)構(gòu)的框圖。通用自適應(yīng)律21通過已知的表達式(5)和(6)來計算辨識參數(shù)矢量力D(參考魯棒自適應(yīng)控制(RobustAdaptiveControl)，Ohmsha出版，第62頁，等)。(此后，(k)表示每確定釆樣時間在時間序列信號中的第k次循環(huán)的信號)加(k)=加(k—1)—P(k-l).妙)《(k)T①(k)…(5)P(k)"=d(k).P(k-l)'1+C2(k)鄰)鄰f…(6)這里，0〈d(k)化(KC2(k)<2,P(0)>0。乘法器22將信號矢量《(k)和辨識參數(shù)矢量加(k)相乘以獲得標量信號《(k)T加(k)。所述信號等于當減法器23從此標量信號《(k)T加(k)減去伺服電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T(k)時獲得的信號，且所述信號為如下的標量誤差《(k)To(k)。換句話說，如下的標量誤差g(k)T0)(k)可以利用表達式(5)由表達式(7)表示，并且因而利用先前一個周期的加(k-l)計算出來。《(k)Td)(k)=《(k)TYlD(k)-T(k)=《(k)T(加(k-l)-P(k-1)《(k)《(k)T0>(k)}…(7)這里，將描述表達式(8)的矩陣K(k)，其中信號矢量《(k)T排列在在時間序列中的列方向中。K(k",抑，…綱T…(8)已知當矩陣K(k)連續(xù)列滿秩時，k">oo，Ym(k)—Y,建立參數(shù)辨識，并且當參數(shù)矢量Y比平均響應(yīng)足夠慢時，將獲得跟隨變化的辨識參數(shù)矢量Yro(k)。在表達式(6)中，因為對于k的任意值都確保P(k)>0，所以P(k)的奇異值cr(P(k))與特征值入(P(k))相匹配。因此，當表達式(8)的矩陣K(k)從某一時間開始持續(xù)失去列滿秩時，當Ci(k)〈1，表達式(6)意味著Xmax(P(k))—oo。因為這意味著P(k)的某一元素(Pij)—①，這最終導致P(k)變得不可計算。從上面可知，可以理解，即使當矩陣K(k)持續(xù)失去列滿秩時，P(k)保持有界，并且等價的d(k)—1。在此例中，在已知的通用自適應(yīng)律中利用了固定跡(constanttrace)算法。這是因為，既然tr[P(k)]>Xmax(P(k))，當P(k)被任意值k控制為tr[P(k)]-tr[P(O)]:(確定值)時，P(k)可以保持有界。因此，d(k)通過表達式(9)來確定。C,(k一l一[IP(k—l)《(k)|2/(C+《(k)Tp(k—1)}]-[l/tr{P(0)}]…(9)這里，C-d(k)/C2(k):(確定值)〉0.5。然后，因為即使當矩陣K(k)由于前述原因持續(xù)失去列滿秩時，P(k)也保持有界，所以從表達式(9)中d(k)—1并且P(k-l)《(k)—0;因此，可以理解表達式(5)的參數(shù)辨識操作停止。反過來，當矩陣K(k)恢復其列滿秩時，表達式(6)的Xmax(P(k))變小并且tr(P(k))為常量，所以其他特征值變大。然后，在表達式(9)中，d(k)變得小于l,表達式(5)的參數(shù)辨識操作恢復并且被執(zhí)行?；氐綀D1,將描迷本實施例的操作。信號矢量產(chǎn)生單元l執(zhí)行與旋轉(zhuǎn)角e有關(guān)的三角函數(shù)計算，計算cose和-siNe，求旋轉(zhuǎn)角速度co的微分，并且確定d(D/dt。換句話說，信號矢量產(chǎn)生單元l作為產(chǎn)生表達式(2)中的信號矢量《的源信號的模塊。這里，乘法器4將此輸出與參數(shù)辨識控制單元3的二進制(1或0)輸出IDC相乘，變成作為自適應(yīng)循環(huán)計算單元2的輸入的信號矢量g。然后，將描述參數(shù)辨識控制單元3的操作。運動方程(1)不包括施加到目標機械設(shè)備上的誤差和干擾。因此，當出現(xiàn)誤差和干擾時，誤差出現(xiàn)在辨識結(jié)果中。進一步，當表達式(8)的矩陣K(k)不能確保列滿秩時，參數(shù)辨識操作不能起作用，所以在表達式(2)的信號矢量g中，d/dt-0變成參數(shù)辨識的必要條件。而且，對于圖l中的功率放大器Ct,當旋轉(zhuǎn)角速度co變大時，可控性下降，并且精確地實行Ct倍的功率放大變得困難。從上可知，參數(shù)辨識控制單元3應(yīng)用與前饋速度Vf、前饋加速度Af以及來自居先裝置的參數(shù)辨識控制二進制信號OIDC有關(guān)的表達式(10)到(12)的邏輯表達式組，輸出二進制信號IDC,并且控制參數(shù)辨識操作的執(zhí)行/停止。當表達式(12)被滿足時，1作為IDC被輸出。匿dl=((KVfSVmax)H(0<Af)…(10)cond2=(-VmaxSVf<0)H(Af<0)…(11)IDC=(condlUcond2)flOIDC…(12)這里，Vmax(>0)為功率放大器Ct準確地執(zhí)行Ct倍功率放大的速度極限值，cond1提取正方向加速度狀態(tài)，cond2提取負方向加速度狀態(tài)。減速狀態(tài)使得辨識操作停止，使得控制參數(shù)(后面描述的GID和Tfn)在定位過程中沒有變化。對于參數(shù)辨識控制二進制信號OIDC,具有來自外部環(huán)境對轉(zhuǎn)臺50的處理和接觸，并且當假定施加有波動時，可以通過從居先裝置輸出0來停止參數(shù)辨識操作。自適應(yīng)循環(huán)計算單元2的辨識參數(shù)矢量力D的第一元素從表達式(3)變?yōu)槟繕藱C械設(shè)備中的運動方程(1)的慣性矩的辨識值(ML2+Iz+Im)。慣性矩系數(shù)計算單元5利用此作為輸入通過表達式(13)輸出慣性矩系數(shù)GjD。GID=(ML2+Iz+Im)ID/(Cb.Ct)…(13)慣性矩系數(shù)Gro通過乘法器8與加法器57的輸出相乘。因此，前饋加速和減速轉(zhuǎn)矩Tf變成與運動方程(1)中的右側(cè)上的第一項的線性部分相應(yīng)的合適的量。進一步，當Gv(s)表示速度誤差放大器Gv的傳輸特性時，這使得傳輸特性Gv'(s)需要應(yīng)用確定的速度控制循環(huán)特性來滿足表達式(14),所述傳輸特性根據(jù)包括電動機的傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺50的慣性矩來初始設(shè)置。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>…(14)因此，對于乘以表達式(13)的慣性矩系數(shù)Gro，速度誤差放大器Gv的傳輸特性變成GID.Gv(s),并且與表達式(14)的Gv'(s)相匹配，所以使得速度控制循環(huán)特性為常量。換句話說，使得包括位置循環(huán)的反饋控制帶為常量。自適應(yīng)循環(huán)計算單元2的辨識參數(shù)矢量Ym的第二和第三元素從表達式(3)變?yōu)?MgLSbCa)!D和(MgLSbSa)ro。非線性元素計算單元6執(zhí)行關(guān)于位置命令值ec的三角函數(shù)，計算cosec和-sin6c,并且通過以辨識參數(shù)矢量Yro的第二和第三元素計算表達式(15)來確定非線性元素轉(zhuǎn)矩補償Tf。Tfn=(1/Ct)((MgLSbCa)nyCOS9c+(MgLSbSa)ID(-S鵬c)}…(15)這里，Ct.ifn可以當作MgLSb■COS(6c+a),所以其變成作為運動方程(1)的非線性元素的右側(cè)的第二項的估計值。因此，通過加法器9將ifn加到乘法器8的輸出，可以獲得關(guān)于非線性元素的前饋補償。約束信息計算單元7從自適應(yīng)循環(huán)計算單元2的辨識參數(shù)矢量Yro來執(zhí)行表達式(16)的計算。(MgLSb)ID={(MgLSbCa)ID2+(MgLSbSa)ID2}1/2…(16)(MgLSb)ID意味著所述非線性元素的最大振幅，所以根據(jù)伺服電動機的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩極限值化M來執(zhí)行表達式(17)的計算，這是已知的。A固_(MgLSb)ID}/(ML2+Iz+Im)ID…(17)AUM表示位置控制裝置在當前負載條件下所能實現(xiàn)的最大角加速度。下面，因為重力加速度g和角度b已知，所以可以從表達式(16)的(MgLSb)m計算表達式(18)。MLm可以被視作在當前負載條件下的(質(zhì)量)x(重心和旋轉(zhuǎn)中心軸之間的距離)。MLID=(MgLSb)ID/(gSb)…(18)約束信息計算單元7利用已經(jīng)計算出的Aum和MLro作為當前負載條件下的約束信息，并且將它們輸出到居先裝置。在這些控制信息的范圍內(nèi)執(zhí)行位置命令值ec的函數(shù)生成。從根據(jù)本實施例的位置控制裝置輸出的角速度co和MLID確定的MLmC^可以被視作施加到Zu軸的離心力；即，轉(zhuǎn)臺50的旋轉(zhuǎn)中心軸。角速度VLIM,并且可以執(zhí)行相應(yīng)于當前負載條件的位置命令值ec的最優(yōu)函數(shù)生成，以匹配前述的最大角速度Aum。根據(jù)本實施例，相對于在數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)軸中的重心和慣性矩中的波動，反饋控制帶為常量。而且，關(guān)于線性特征和非線性特征，適當?shù)卦O(shè)定前饋控制，所以可控性不會變差，并且可以消除定位性能的降低和在定位過程中由定位角導致的響應(yīng)變化。進一步，可以在居先裝置部分上確定與負載狀態(tài)相對應(yīng)的加速度限制以及離心力導致的速度限制，所以位置命令值ec的最優(yōu)函數(shù)生成是可能的。而且，從這些著。權(quán)利要求1、一種位置控制裝置，其具有通過位置和速度的反饋循環(huán)以及速度、加速和減速轉(zhuǎn)矩的前饋來確定伺服轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩命令值的結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)來自居先裝置的位置命令值通過伺服電動機來控制數(shù)控機床的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角，所述位置控制裝置包括信號矢量產(chǎn)生單元，其基于旋轉(zhuǎn)軸的實際運動來產(chǎn)生基于角加速度和其旋轉(zhuǎn)角的信號矢量；自適應(yīng)循環(huán)計算單元，其基于包括旋轉(zhuǎn)軸的目標機械設(shè)備的運動方程，從所述信號矢量以及與辨識模型有關(guān)的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)矩命令值來執(zhí)行自適應(yīng)辨識，并且計算參數(shù)矢量的估計值，所述運動方程包括與旋轉(zhuǎn)軸的角加速度相關(guān)的項和與旋轉(zhuǎn)角相關(guān)的項，所述參數(shù)矢量包括涉及與辨識模型的角加速度有關(guān)的項的系數(shù)的元素，和涉及與旋轉(zhuǎn)角有關(guān)的項的系數(shù)的元素；慣性矩系數(shù)計算單元，其基于涉及與所述參數(shù)矢量的估計值中的角速度有關(guān)的項的系數(shù)的元素，來計算慣性矩系數(shù)；以及非線性元素計算單元，其基于涉及與所述參數(shù)矢量的估計值中的旋轉(zhuǎn)角以及旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角有關(guān)的項的系數(shù)的元素，來計算非線性元素轉(zhuǎn)矩補償，其中，所述位置控制裝置通過所述慣性矩系數(shù)和所述非線性轉(zhuǎn)矩補償來校正所述轉(zhuǎn)矩命令值。2、如權(quán)利要求1所述的位置控制裝置，進一步包括參數(shù)辨識控制單元，所述參數(shù)辨識控制單元控制是否執(zhí)行自適應(yīng)循環(huán)計算單元的自適應(yīng)辨識，其中當前饋速度的絕對值等于或小于預定值并且前饋加速度的值不為0時，所述參數(shù)辨識控制單元執(zhí)行控制來進行自適應(yīng)辨識。3、如權(quán)利要求1所述的位置控制裝置，進一步包括約束信息計算單元，所述約束信息計算單元基于參數(shù)矢量的估計值的每個元素以及伺服電動機的預計產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩極限值，來計算所述位置控制裝置在當前條件下所能夠達到的最大角速度，并且將此能夠達到的最大角速度輸出到位置控制裝置的居先裝置。4、如權(quán)利要求1所述的位置控制裝置，進一步包括約束信息計算單元，所述約束信息計算單元基于涉及與參數(shù)矢量的估計值的旋轉(zhuǎn)角、重力加速度以及旋轉(zhuǎn)軸的傾斜角有關(guān)的項的系數(shù)的元素，來計算目標機械設(shè)備的質(zhì)量與重心和旋轉(zhuǎn)中心軸之間的距離的乘積，并且將其作為限制信息輸出到居先裝置。全文摘要本發(fā)明涉及一種位置控制裝置。當執(zhí)行轉(zhuǎn)臺的數(shù)控時，由于固定在轉(zhuǎn)臺上的所放置的物體，控制目標的慣性矩和重心會變化。放置物體所固定到的轉(zhuǎn)臺作為目標機械設(shè)備，將此實際動作與通過目標機械設(shè)備的辨識模型計算出的動作相比較，并且校正轉(zhuǎn)矩命令值。所述辨識模型包括涉及角加速度的項和涉及旋轉(zhuǎn)角的項，并且通過包括涉及旋轉(zhuǎn)角的項，可以執(zhí)行與重心的變化相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩命令值的校正。文檔編號G05D3/12GK101221448SQ20081000047公開日2008年7月16日申請日期2008年1月11日優(yōu)先權(quán)日2007年1月11日發(fā)明者江口悟司申請人:大隈株式會社