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1、(10)申请公布号 CN 104076740 A (43)申请公布日 2014.10.01 C N 1 0 4 0 7 6 7 4 0 A (21)申请号 201410035270.6 (22)申请日 2014.01.24 2013-065368 2013.03.27 JP G05B 19/404(2006.01) (71)申请人兄弟工业株式会社 地址日本爱知县 (72)发明人寺田弦 小岛辉久 (74)专利代理机构上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人茅翊忞 (54) 发明名称 数控装置 (57) 摘要 一种数控装置，能高精度地补偿轴移动的移 动方向反转后产生的失位。数控装置包括补偿。
2、 器。补偿器对失位的补偿量进行运算。失位是工 作台的移动方向反转后、因工作台机构的弹性变 形而产生的。补偿器判断工作台是处于移动过程 中还是处于停止过程中(S1)，在判断为处于移动 过程中时(S1：否)，利用(1)式对补偿量进行运 算(S2)。(1)式是使与工作台(3)的移动量成比 例的值和前次的补偿量相加来运算出补偿量的式 子。在判断为处于停止过程中时(S1：是)，利用 (2)式对补偿量进行运算(S5)。(2)式是基于转 矩指令对补偿量进行运算的式子。所以，数控装置 能根据工作台是处于移动过程中、反转时还是停 止时，来高精度地补偿失位。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书。
3、1页 说明书6页 附图7页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图7页 (10)申请公布号 CN 104076740 A CN 104076740 A 1/1页 2 1.一种数控装置(1)，包括：进给机构(20)，该进给机构具有滚珠丝杠轴(4A、4B)和套 设于该滚珠丝杠轴的滚珠螺母(5)，并使固定于该滚珠螺母的移动体(3)移动；马达(2A、 2B)，该马达驱动所述滚珠丝杠轴旋转；位置检测机构(60)，该位置检测机构基于所述马达 的旋转量对利用所述马达移动后的所述移动体的位置进行检测；速度生成部(11)，该速度 生成部生成速度指令，以使所述。
4、位置检测机构检测出的所述移动体的位置与控制部(10) 生成的位置指令一致；速度检测机构(16)，该速度检测机构对所述马达的速度进行检测； 转矩生成部(12)，该转矩生成部生成转矩指令，以使所述速度检测机构检测出的速度与所 述速度生成部生成的速度指令一致；运算部(13)，该运算部对所述移动体的移动方向反转 后、因所述进给机构的弹性变形而产生的失位的补偿量进行运算；以及加法部(17)，该加 法部使所述运算部运算出的所述补偿量与所述位置指令相加，来对所述位置指令进行修 正，其特征在于， 所述运算部包括： 判断部(13)，该判断部判断所述移动体是处于移动过程中还是处于停止过程中； 第一运算部(13)，。
5、该第一运算部在所述判断部判断为所述移动体处于移动过程中时， 使基于所述移动体的移动量的值与前次的补偿量相加，来运算出所述补偿量；以及 第二运算部(13)，该第二运算部在所述判断部判断为所述移动体处于停止过程中时， 基于所述转矩指令，运算出所述补偿量。 2.如权利要求1所述的数控装置，其特征在于， 将使所述移动体以规定速度朝一定方向移动时的转矩值作为基准转矩， 所述第二运算部对所述补偿量进行运算，以与所述基准转矩和所述转矩指令的比率成 比例。 3.如权利要求2所述的数控装置，其特征在于， 将使所述移动体以所述规定速度朝所述一定方向移动时的最大的补偿量作为最大补 偿量， 所述第二运算部使所述最大补。
6、偿量与所述比率相乘来运算出所述补偿量。 4.如权利要求1至3中任一项所述的数控装置，其特征在于， 所述第一运算部在所述移动体从停止过程中开始移动时，将停止过程中的所述补偿量 作为所述前次的补偿量。 权 利 要 求 书CN 104076740 A 1/6页 3 数控装置 技术领域 0001 本发明涉及一种数控装置。 背景技术 0002 机床在驱动轴的移动方向反转时会因机构的弹性变形而产生迟滞。迟滞被称为失 位，其是加工精度降低的原因。为了补偿失位，数控装置在移动方向反转时对与失位相当的 量进行预测，并使其与指令位置相加。在日本专利特许公开1996年152910号公报中，利用 以距反转位置的距离作。
7、为输入、以补偿量作为输出的函数，对失位进行补偿。在日本专利特 许公开1998年154007号公报中，同样地，利用距反转位置的距离的函数对失位进行补偿， 但利用exp函数(指数函数)来拟合失位的上升。上述公报中记载的手法能够良好地补偿 反转时及移动过程中的失位，但在停止时则变为过补偿，存在加工精度降低这一技术问题。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供一种数控装置，其能根据是处于移动过程中、反转时还是 停止时，来高精度地补偿失位。 0004 技术方案1的数控装置包括：进给机构，该进给机构具有滚珠丝杠轴和套设于该 滚珠丝杠轴的滚珠螺母，并使固定于该滚珠螺母的移动体移动；马达，该马达驱动上述滚珠。
8、 丝杠轴旋转；位置检测机构，该位置检测机构基于上述马达的旋转量对利用上述马达移动 后的上述移动体的位置进行检测；速度生成部，该速度生成部生成速度指令，以使上述位置 检测机构检测出的上述移动体的位置与控制部生成的位置指令一致；速度检测机构，该速 度检测机构对上述马达的速度进行检测；转矩生成部，该转矩生成部生成转矩指令，以使上 述速度检测机构检测出的速度与上述速度生成部生成的速度指令一致；运算部，该运算部 对上述移动体的移动方向反转后、因上述进给机构的弹性变形而产生的失位的补偿量进行 运算；以及加法部，该加法部使上述运算部运算出的上述补偿量与上述位置指令相加，来对 上述位置指令进行修正，其特征是，。
9、上述运算部包括：判断部，该判断部判断上述移动体是 处于移动过程中还是处于停止过程中；第一运算部，该第一运算部在上述判断部判断为上 述移动体处于移动过程中时，使基于上述移动体的移动量的值与前次的补偿量相加，来运 算出上述补偿量；以及第二运算部，该第二运算部在上述判断部判断为上述移动体处于停 止过程中时，基于上述转矩指令，运算出上述补偿量。在移动体的移动过程中，第一运算部 使用移动量的函数对补偿量进行运算。在移动体的停止过程中，第二运算部使用转矩指令 的函数对补偿量进行运算。运算部根据移动体是处于移动过程中还是处于停止过程中来区 别使用函数。因此，数控装置在移动体的移动过程中及反转时能进行稳定的补。
10、偿，且在停止 时能防止过补偿。所以，数控装置能根据是处于移动过程中、反转时还是停止时，来高精度 地补偿失位。 0005 技术方案2的数控装置除了技术方案1所记载的发明的结构以外，其特征是，将使 上述移动体以规定速度朝一定方向移动时的转矩值作为基准转矩，上述第二运算部对上述 说 明 书CN 104076740 A 2/6页 4 补偿量进行运算，以与上述基准转矩和上述转矩指令的比率成比例。因此，第二运算部能对 停止过程中产生的失位进行补偿。 0006 技术方案3的数控装置除了技术方案2所记载的发明的结构以外，其特征是，将使 上述移动体以上述规定速度朝上述一定方向移动时的最大的补偿量作为最大补偿量，。
11、上述 第二运算部使上述最大补偿量与上述比率相乘来运算出上述补偿量。因此，第二运算部能 对停止过程中产生的失位进行补偿。 0007 技术方案4的数控装置除了技术方案1至3中任一项所记载的发明的结构以外， 其特征是，上述第一运算部在上述移动体从停止过程中开始移动时，将停止过程中的上述 补偿量作为上述前次的补偿量。因此，数控装置能对从停止开始转移到移动时的失位的变 化良好地进行补偿。 附图说明 0008 图1是工作台机构20的立体图。 0009 图2是表示数控装置1的电气结构的图。 0010 图3是表示移动过程中的补偿量的图。 0011 图4是表示停止过程中的补偿量的图。 0012 图5是表示从停止。
12、转移到移动时的补偿开始位置的图。 0013 图6是表示从移动转移到停止时的补偿量的图。 0014 图7是补偿处理的流程图。 0015 图8是工作台机构40的结构图。 0016 图9是表示利用第一手法计算补偿量而得到的结果的图。 0017 图10是表示利用第二手法计算补偿量而得到的结果的图。 0018 图11是表示利用第三手法计算补偿量而得到的结果的图。 具体实施方式 0019 以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。在以下的说明中，使用图中箭头 所表示的上下、左右、前后。工作台机构20的左右方向、前后方向、上下方向分别为X轴方 向、Y轴方向、Z轴方向。图1所示的工作台机构20设于机床(未图。
13、示)。工作台机构20 将工作台3支撑成能在X轴方向和Y轴方向上移动。机床的主轴(未图示)能在Z轴方向 上升降。数控装置1按照NC(数控)程序所指定的路径，对主轴和工作台机构20的动作进 行控制，并对利用夹具固定在工作台3上的工件(未图示)进行切削加工。 0020 参照图1对工作台机构20的结构进行说明。工作台机构20包括基座2、中间工 作台50、工作台3。基座2在其上表面将中间工作台50支撑成能在Y轴方向上移动。中间 工作台50在其上表面将工作台3支撑成能在X轴方向上移动。因此，工作台3能以基座2 为基准在X轴方向和Y轴方向上移动。基座2在其上表面具有一对直线引导件6A、滚珠丝 杠轴4A、马达。
14、2A等。直线引导件6A在Y轴方向上延伸。直线引导件6A在Y轴方向上对中 间工作台50进行引导。滚珠丝杠轴4A在一对直线引导件6A之间与Y轴方向平行地设置。 中间工作台50在其下表面固定有滚珠螺母(未图示)。滚珠丝杠轴4A插入滚珠螺母。马 达2A使滚珠丝杠轴4A旋转。当使滚珠丝杠轴4A旋转时，中间工作台50通过滚珠螺母在 说 明 书CN 104076740 A 3/6页 5 Y轴方向上移动。中间工作台50呈X轴方向较长的板状，在其上表面设有一对直线引导件 6B、滚珠丝杠轴4B、马达2B等。直线引导件6B在X轴方向上延伸。直线引导件6B在X轴 方向上对工作台3进行引导。滚珠丝杠轴4B在一对直线引导。
15、件6B之间与X轴方向平行地 设置。工作台3在其下表面固定有滚珠螺母5(参照图8)。滚珠丝杠轴4B插入滚珠螺母5。 马达2B使滚珠丝杠轴4B旋转。当使滚珠丝杠轴4B旋转时，工作台3通过滚珠螺母5在X 轴方向上移动。因此，工作台机构20能使工作台3在X轴方向和Y轴方向上移动。 0021 数控装置1与马达2A、2B分别连接。数控装置1使马达2A、2B驱动，从而使工作 台3在X轴方向和Y轴方向上移动。滚珠丝杠轴4A、4B和安装于滚珠丝杠轴4A的滚珠螺 母、滚珠螺母5将马达2A、2B的旋转运动转换为工作台3在两轴方向(X轴方向和Y轴方 向)上的直进运动。数控装置1对马达2A、2B进行控制，以对工作台3的。
16、位置、速度和加速 度进行控制。旋转编码器60(以下称为编码器60)分别安装于马达2A、2B。各编码器60对 马达2A、2B的各位置(旋转角)进行检测。数控装置1基于马达2A、2B的各位置、滚珠丝 杠轴4A、4B的节距(螺纹牙的间隔)来计算出工作台3的位置。 0022 参照图2，对数控装置1的结构进行说明。数控装置1包括上位控制部10、位置控 制器11、速度控制器12、补偿器13、电流控制增幅器15、微分器16、加法器17等。上位控制 部10基于NC程序，将位置指令信号输出到位置控制器11。各编码器60将马达2A、2B的位 置检测信号输出到位置控制器11。位置控制器11以使位置指令信号与位置检测。
17、信号一致 的方式生成速度指令信号，并将其输出到速度控制器12。微分器16将位置检测信号转换为 速度检测信号，并将其输出到速度控制器12。速度控制器12以使速度指令信号与速度检测 信号一致的方式生成转矩指令信号，并将其分别输出到电流控制增幅器15和补偿器13。 0023 补偿器13根据工作台3的状态，基于来自上位控制部10的位置指令信号或来自 速度控制器12的转矩指令信号，计算出失位补偿量(以下称为补偿量)，并生成失位补偿信 号，然后将其输出到加法器17。加法器17使失位补偿信号与上位控制部10输出到位置控 制器11的位置指令信号相加。因此，位置控制器11以使对失位进行了补偿的位置指令信 号与位。
18、置检测信号一致的方式，生成转矩指令信号。速度控制器12生成对失位进行了补偿 的转矩指令信号。电流控制增幅器15对马达2A、2B的电流进行控制，以产生尽可能忠实于 转矩指令信号的转矩。 0024 参照图3图6，对补偿器13进行的失位补偿方法进行说明。失位的特性因工作 台3的状态而不同。所谓工作台3的状态，至少包含移动状态和停止状态。机床为了对工 件进行加工，使工作台3交替地反复移动和停止。因此，数控装置1需要针对移动状态和停 止状态来分别改变补偿量的计算方法。此外，数控装置1需要设定从移动状态转移到停止 状态时、从停止状态转移到移动状态时的补偿量。因此，在本实施方式中，根据工作台3的 状态如下所。
19、述对补偿量进行计算。补偿器13利用下述(1)式对移动状态的补偿量进行计 算。Lc n 为补偿器输出，Lc n-1 为前次补偿器输出，Pc为最大补偿量，Ap为斜率系数，x为 位置指令的增量。Pls为脉冲。 0025 (1)式 0026 图3是表示利用(1)式计算出的移动状态的补偿量的图。补偿量与工作台3的移 说 明 书CN 104076740 A 4/6页 6 动量成比例地增加或者减少。其中，-Pc/2Lc n Pc/2，在此范围以外，补偿量不会增加而 保持恒定。与移动量成比例地增加的斜率、最大补偿量是通过实际测定而确定的参数。当 补偿量恒定后移动方向反转时，补偿量立刻减少。因此，补偿量描绘出迟。
20、滞特性的轨迹。迟 滞特性的轨迹是不返回到原来的位置的轨迹。 0027 补偿器13利用下述(2)式对停止状态的补偿量进行计算。Lc是补偿器输出，Pc 是最大补偿量，Tl是基准转矩，Tc是转矩指令。其中，-Pc/2LcPc/2。 0028 (2)式 0029 图4是表示利用(2)式计算出的停止状态的补偿量的图。补偿量与转矩指令的值 成比例地增加。当补偿量达到一定的值时，补偿量不再增加。与转矩指令成比例的补偿量 的斜率通过实际测量而求出。最大补偿量Pc与移动过程中的最大补偿量相同。基准转矩 是使工作台3以规定速度朝一定方向移动时的转矩值。在中途转矩指令反转时，与移动状 态不同，补偿量返回到原来的位置。
21、。 0030 如图5所示，在从停止状态转移到移动状态时，补偿器13从与停止时的补偿量对 应的位置开始进行补偿。 0031 如图6所示，在从移动状态转移到停止状态时，补偿器13基于停止时刻的转矩指 令来确定补偿量。 0032 参照图7对补偿器13进行的补偿处理进行说明。当机床开始动作时，补偿器13 基于来自上位控制部10的位置指令信号或来自速度控制器12的转矩指令信号来执行本处 理。补偿器13判断x是否为0(S1)。在x不为0时(S1：否)，工作台3处于移动状态。 因此，补偿器13利用(1)式计算出补偿量(S2)。前次为停止状态时是从停止状态朝移动状 态的转移，所以，如图5所示，补偿器13从与停。
22、止时的补偿量对应的位置开始进行补偿。补 偿器13基于计算出的补偿量生成失位补偿信号，并将其输出到加法器17(S3)。 0033 在x=0时(S1：是)，工作台3处于停止状态。因此，补偿器13利用(2)式计算 出补偿量(S5)。如图6所示，在从移动状态转移到停止状态时，补偿器13基于停止时刻的 转矩指令来计算出补偿量。补偿器13基于计算出的补偿量生成失位补偿信号，并将其输出 到加法器17(S3)。补偿器13判断机床的动作是否已结束(S4)。当动作继续时(S4：否)， 补偿器13返回到S1并重复处理。当动作已结束时(S4：是)，补偿器13结束处理。 0034 下面对为确认本实施方式的效果而进行的各。
23、种试验进行说明。参照图8对试验中 使用的工作台机构40进行说明。工作台机构40由图1所示的工作台机构20中、在X轴方 向上对工作台3进行引导的部分构成。工作台机构40包括工作台3、滚珠螺母5、滚珠丝杠 轴4B、X轴进给引导件(未图示)、马达2B、编码器60、直线标尺30。直线标尺30是根据刻 度(标尺)获取位置信息的检测器，其对工作台3的位置进行检测。编码器60输出的反馈 位置(以下称为FB位置)是马达2B的位置检测信号所表示的工作台3的位置。失位可以 认为是同一时刻下FB位置与直线标尺位置之间的差。 0035 关于工作台3交替地重复移动和停止这一系列的动作，进行了利用三种手法分别 计算出补偿。
24、量并进行比较的试验。一系列的动作如下所述。朝正方向移动(500mm/min)规 定时间，停止规定时间，朝负方向移动(-500mm/min)规定时间，然后停止规定时间。正方向 说 明 书CN 104076740 A 5/6页 7 与负方向为在X轴方向上彼此反向的关系。 0036 三种手法如下所述。第一种手法是仅通过(1)式进行补偿的方法，第二种手法是 仅通过(2)式进行补偿的方法，第三种手法是本发明的手法。本发明的手法是根据移动时 和停止时分开使用(1)式和(2)式进行补偿的方法。在各试验中，对失位进行了实际测定， 并对实测值与使用各手法获得的补偿量进行比较、评价。 0037 参照图9对通过第一。
25、手法计算补偿量而得到的结果进行说明。如图9所示，失位 的实测值在工作台3移动的过程中小幅地上下浮动，在工作台3停止后平稳地降低，然后保 持一定的值。浮动的原因很可能是因X轴进给引导件和滚珠丝杠轴4B等的精度偏差而导 致的摩擦力变动。通过第一手法计算出的补偿量在移动过程中能表示与实测值接近的值。 在停止过程中，没有从之前移动过程中的补偿量开始发生变化，所以无法接近实测值。其理 由是，在第一手法中使用的(1)式是仅适用于工作台3的移动状态的计算式，完全不适用于 停止状态。 0038 参照图10对通过第二手法计算补偿量而得到的结果进行说明。失位的实测值与 图9相同。通过第二手法计算出的补偿量在停止过。
26、程中能表示与实测值接近的值。在移动 过程中，通过第二手法计算出的补偿量比实测值的浮动还大，偏离了实测值。其理由是，在 第二手法中使用的(2)式会将工作台3移动过程中的上述摩擦力变动的影响计算得比失位 的实测值还大。(2)式完全不适用于移动状态。 0039 参照图11对通过第三手法计算补偿量而得到的结果进行说明。失位的实测值与 图9相同。通过第三手法计算出的补偿量在移动过程中及停止过程中均能表示与实测值接 近的值。因此，第三手法在移动过程中使用(1)式，在停止过程中使用(2)式，分开使用，从 而能计算出与工作台3的状态相对应的补偿量。 0040 在上述说明中，工作台3相当于本发明的移动体，工作台。
27、机构20相当于本发明的 进给机构，编码器60相当于本发明的位置检测机构，上位控制部10相当于本发明的控制 部，位置控制器11相当于本发明的速度生成部，微分器16相当于本发明的速度检测机构， 速度控制器12相当于本发明的转矩生成部，补偿器13相当于本发明的运算部，加法器17 相当于本发明的加法部。执行图7所示的S1处理的补偿器13相当于本发明的判断部，执 行S2处理的补偿器13相当于本发明的第一运算部，执行S5处理的补偿器13相当于本发 明的第二运算部。 0041 如以上说明所述，本实施方式的数控装置1包括补偿器13。补偿器13对失位的 补偿量进行运算。失位是工作台3的移动方向反转后、因工作台机。
28、构20的弹性变形而产生 的。补偿器13判断工作台3是处于移动过程中还是处于停止过程中，在判断为处于移动过 程中时，使与工作台3的移动量成比例的值加到前次的补偿量上，来运算出补偿量。作为运 算式的一例，Lc n Lc n-1 +(Pc/Ap)x。Lc n 为补偿器输出，Lc n-1 为前次补偿器输出，Pc为最 大补偿量，Ap为斜率系数，x为位置指令的增量。其中，-Pc/2Lc n Pc/2。补偿器13 在判断为处于停止过程中时，基于转矩指令对补偿量进行运算。作为运算式的一例，Lc (Pc/2)(Tc/Tl)。Lc是补偿器输出，Pc是最大补偿量，Tl是基准转矩，Tc是转矩指令。其 中，-Pc/2L。
29、cPc/2。补偿器13根据工作台3是处于移动过程中还是处于停止过程中 来区别使用数学式。因此，补偿器13在工作台3的移动过程中及反转时能进行稳定的补偿， 且在停止时能防止过补偿。所以，数控装置1能根据工作台3是处于移动过程中、反转时还 说 明 书CN 104076740 A 6/6页 8 是停止时，来高精度地补偿失位。 0042 本实施方式的Z轴在停止过程中受到重力的影响。为了在Z轴上消除重力的 影响，上述停止过程中的运算式的一例是，Lc(Pc/2)(Tc-To)/(Tl-To)。Lc是补偿 器输出，Pc是最大补偿量，Tl是基准转矩，Tc是转矩指令，To是重力产生的转矩。其 中，-Pc/2Lc。
30、Pc/2。 0043 本发明并不局限于上述实施方式，可进行各种变形。例如，在上述实施方式中，补 偿器13所使用的(1)式和(2)式是一个例式，也可使用其它数学式。例如(1)式除了使用 线性近似公式以外，还可使用指数函数、tanh函数。此外，tanh函数可以使用一个，但也可 使用两个以上。 0044 在本实施方式中，以将工作台3支撑成能在X轴方向和Y轴方向上移动、且将主轴 支撑成能相对于工作台3在Z轴方向上移动的机床作为一例进行了说明，但也可以是将工 作台3固定、使主轴相对于工作台3在X轴方向和Y轴方向上移动的机床。机床只要能使 安装于主轴的工具相对于工作台移动即可。 说 明 书CN 104076740 A 1/7页 9 图1 说 明 书 附 图CN 104076740 A 2/7页 10 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104076740 A 10 3/7页 11 图4 图5 说 明 书 附 图CN 104076740 A 11 4/7页 12 图6 说 明 书 附 图CN 104076740 A 12 5/7页 13 图7 说 明 书 附 图CN 104076740 A 13 6/7页 14 图8 图9 说 明 书 附 图CN 104076740 A 14 7/7页 15 图10 图11 说 明 书 附 图CN 104076740 A 15 。