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用于数控机床的位置控制装置
    优先权信息

    本申请要求于2008年10月31日提交的申请号为2008-282081的日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

    【技术领域】

    本发明涉及一种能够用于数控机床的位置控制装置。

    背景技术

    通常，机床工具或类似的工业机床装备有包括滚珠丝杠的反馈轴驱动机机构。例如，机床工具包括伺服电机，伺服电机能够使固定在其输出轴上的滚珠丝杠转动伺服电机并且伺服电机被构造为线性地驱动固定在滚珠螺母上的载荷。然而，根据上述机构，滚珠丝杠部可能由于载荷的重量而导致挠曲。

    图4所示为常规的位置控制装置的示例的方框图。由主装置(图中未示出)产生的位置指令值y^*被转换为电动机转动指令值θ^*。位置控制装置接收电动机转动指令值θ^*作为输入指令。

    常规的位置控制装置利用前馈控制系统来改善电动机的响应。前馈控制系统能够补偿可能由滚珠丝杠产生的挠曲。滚珠丝杠的挠曲量θdf能够根据如下的公式1而获得，此时Mh表示载荷重量，Ks表示滚珠丝杠驱动系统的刚性，且θ^*表示位置指令值。

    θdf＝(Mh/Ks)×(d²θ*/dt²)    公式1

    块Ca(＝(Mh/Ks)×s²)能够根据上述的公式1来计算挠曲量θdf。加法器51能够将位置指令值θ^*加到挠曲量θdf上以产生用于控制的位置指令值θc。控制系统能够对挠曲量θdf进行时间微分以获得挠曲速度Vdf。控制系统能够进一步对位置指令值θ^*进行时间微分。加法器53能够将挠曲速度Vdf加到位置指令值θ^*的时间微分值上以产生速度前馈量Vff。控制系统能够进一步对速度前馈量Vff进行时间微分以获得加速度前馈量Aff。转换块Cb能够基于加速度前馈量Aff来获得转矩前馈量τff。转矩前馈量τff对应于电动机转矩，电动机转矩能够产生与加速度前馈量Aff相等的加速度。

    常规的位置控制装置还包括如下的反馈控制结构。将受位置控制装置控制的对象设备(objective plant)50具有这样的机构(未示出)：该机构包括构造成基于转矩指令值τm经由滚珠丝杠来驱动载荷的伺服电机，转矩指令值τm是作为操作变量而被输入的。伺服电机包括合并于其中的位置检测器(未示出)，位置检测器能够检测电动机转动角度θm和角速度vm。独立设置的线性标尺(未示出)检测载荷的位置“y”。考虑到滚珠丝杠的导程距(leadP)，控制系统用常数(2π/P)乘载荷的载荷位置“y”以获得载荷位置θi作为电动机转动轴上的转换值。

    减法器52能够从用于控制的位置指令值θc中减去位置反馈值θf。位置偏差放大器Gp能够放大位置偏差(即，减法器52的输出)。加法器54能够将位置偏差放大器Gp的输出加到速度前馈量Vff上以产生速度指令值Vc。减法器55能够从速度指令值Vc中减去电动机转动角速度vm以获得速度偏差。速度偏差放大器Gv能够对速度偏差(即，减法器55的输出)执行比例积分放大。加法器56能够将速度偏差放大器Gv的输出加到转矩前馈量τff上以产生转矩指令值(即，电动机产生转矩)τm。

    如下的公式2表示位置反馈值θf与其它参数θm、θdf和θi的关系，能够结合图4来获得上述关系。

    θf＝θm+G(S)[θi-(θm-θdf)]    公式2

    在公式2中，G(S)具有延迟系统传输的特性，根据上述特性，在0≤|G(S)|≤1的范围中，G(S)对于低频输入取较大值，而对于高频输入取较小值。

    因此，在稳定的状态下，能够满足关系θf＝θi+θdf。反馈控制能够使位置指令值θc与位置反馈值相等(即，θc＝θf)。因此，能够得到关系θ^*＝θi。总之，控制系统能够根据位置指令值θ^*来精确地控制载荷位置“y”。例如，在JP 3351990 B中对上述常规的位置控制装置进行了讨论。

    如上所述，常规的位置控制装置通过将电动机位置(即，电动机转动角度)θm推进对应于滚珠丝杠部中所导致的挠曲量θdf的量来执行用于使位置指令值θ^*与载荷位置θi一致的控制。然而，支承和固定驱动系统的结构构件可具有低的刚性。具有较低刚性的元件可以出现在超过载荷位置的位置，在载荷位置处用线性标尺来执行检测。在上述这些情形中，上述常规的位置控制装置不能补偿由较低刚性部分处的机床元件导致的挠曲部分。此外，在具有机床刚性弱或不足的部分的机床中，如果需要用高的加速度或减速度来驱动反馈轴，则机床系统的挠曲量以持续增大的加速度而增加。

    下面更详细地描述机床系统中的挠曲。图2A示出了表示作为机床工具的示例的双柱加工中心的示意性机构的模型，上述示意性机构是一种数控机床。床身11被稳定地固定在地面上。布置在床身11上的工作台12能够在X方向上移动。工件18(即，待机加工或加工的对象)被安装并固定在工作台12上。

    类似于床身11，一对立柱13被刚性地固定在地面上。横梁14能够在由W所指示的方向上相对于立柱13移动。滑座(saddle)15能够在由Y所指示的方向上相对于横梁14移动。双柱加工中心包括能够使撞锤(ram)16在由Z所指示的方向上(即，在上下的方向上)移动的机构。撞锤16具有装备有主轴头的前端。双柱加工中心能够使连接在撞锤16的主轴头上的工具17以较高速度转动从而切削(加工)工件18。

    在下文中，下面将描述在Y方向上的操作移动。示例性系统能够控制伺服电机(未示出)经由滚珠丝杠(未示出)来驱动滑座15，上述伺服电机安装在横梁14上并且用作Y轴驱动系统。连接在横梁14上的线性标尺(未示出)能够检测滑座15的位置。

    常规的位置控制装置能够补偿产生在滚珠丝杠部中的挠曲部分，以使位置指令值θ^*与滑座15的位置θi一致。然而，支承横梁14的立柱13可具有较低的刚性，或者立柱13和地面之间的耦合度可以为低。在上述这些情形中，例如，如图2B所示，如果滑座15在-Y方向上加速，则横梁14和立柱13受到反作用力作用并且在+Y方向上移动。在此情形中，即使当位置指令值θ^*等于由线性标尺检测到的滑座15的位置θi时，在空间上，滑座15的绝对位置也偏离期望位置立柱13的位移量。

    类似地，当撞锤16的刚性为低时，如果滑座15在-Y方向上加速，则连接在撞锤16前端上的主轴头受到惯性力作用。结果，主轴头在+Y方向上移动。从而，在空间上，工具17的前端偏离期望轨迹。因此，工具17导致相对于工件18(即，待加工对象)的位移，并且工具17不能在合适的位置处执行切削操作。

    此外，载荷作用点取决于横梁14相对于立柱13的位置(即，W轴的坐标值)或者取决于撞锤16相对于滑座15的凸出量(即，Z轴的坐标值)而变化。换句话说，立柱13或撞锤16的机床刚性变化，因此，当滑座15加速时，将要产生的挠曲量本身是可变的。

    本发明待解决的问题包括这种现象：可能由于支承并且固定驱动系统的结构构件具有较低的刚性而在机床系统中产生挠曲，并且工具前端的轨迹可导致相对于待加工工件的位移。此外，位移量根据机床姿势而变化。

    本发明的目的是提供这样一种位置控制装置：即使机床姿势变化，该装置也能持续地补偿机床系统中可产生的挠曲。因此，根据本发明的位置控制装置能够使工具的前端沿着期望轨迹移动。

    【发明内容】

    为达到上述目的，本发明提供了一种位置控制装置，其能够用于电动机驱动数字控制机床的可动部以改变设置在数字控制机床上的两个控制对象之间的相对位置关系的情形，其中位置控制装置基于从主装置输入的电动机的位置指令值来控制可动部的位置。位置控制装置包括：机床挠曲量估计单元，其基于指示介入两个控制对象之间的结构构件的姿势的信息和指示可动部的驱动加速度的信息来计算机床挠曲量估计值，机床挠曲量估计值表示会由介入的结构构件的挠曲导致的两个控制对象之间的位移量；机床挠曲补偿量计算单元，其基于机床挠曲量估计值来计算用于至少补偿会由介入的结构构件的挠曲导致的位置偏差的机床挠曲位置补偿值；及指令值计算单元，其通过将机床挠曲位置补偿值加到位置指令值上来产生新的用于控制的位置指令值。

    在本发明的一个优选方案中，指示介入的结构构件的姿势的信息是可动部在每个轴向上的机床坐标值，并且指示可动部的驱动加速度的信息是电动机的位置指令值。机床挠曲量估计单元包括：存储单元，其存储表示用于计算机床挠曲量的加速度比例系数的信息的加速度比例信息，机床挠曲量根据可动部在每个轴向上的机床坐标值而变化；加速度比例系数计算单元，其基于可动部在每个轴向上的机床坐标值和存储在存储单元中的加速度比例信息，根据介入的结构构件的当前姿势来计算机床挠曲量的加速度比例系数；两个微分器，其计算对应于电动机的位置指令值的二阶微分值的指令加速度；及乘法器，其通过用指令加速度乘机床挠曲量的加速度比例系数来计算机床挠曲量估计值。

    在本发明的一个优选方案中，两个控制对象中的至少一个布置在可动部上，并且机床挠曲量估计单元计算产生在可动部的可动方向上的挠曲量作为机床挠曲量估计值。

    在本发明的一个优选方案中，位置控制装置还包括：利用能将电动机的位置指令值和位置检测值之间的微分值进行放大的位置偏差放大器来计算速度指令值的计算单元；及利用能将速度指令值和位置检测值的时间微分值之间的微分值进行放大的速度偏差放大器来计算转矩指令值的计算单元。机床挠曲补偿量计算单元除计算机床挠曲位置补偿值外还计算机床挠曲速度补偿值和机床挠曲转矩补偿值中的至少一个，并且在机床挠曲速度补偿值被计算出的情形下，指令值计算单元通过将机床挠曲速度补偿值加到速度指令值上来计算新的用于控制的速度指令值，而且，在机床挠曲转矩补偿值被计算出的情形下，指令值计算单元通过将机床挠曲转矩补偿值加到转矩指令值上来计算新的用于控制的转矩指令值。

    在本发明的一个优选方案中，机床挠曲补偿量计算单元基于输入的机床挠曲量估计值利用比例补偿器来计算机床挠曲位置补偿值，利用微分器和比例补偿器来计算机床挠曲速度补偿值，并且利用两个微分器、加速度-转矩转换系数和比例补偿器来计算机床挠曲转矩补偿值，其中，位置、速度和转矩补偿值通过改变比例补偿器的设定值而被调节。

    在上述情形中，指令值计算单元能通过从用作速度反馈值的位置检测值的时间微分值中减去机床挠曲速度补偿值来计算新的用于控制的速度指令值。另外，指令值计算单元能通过从用作位置反馈值的位置检测值中减去机床挠曲位置补偿值来计算新的用于控制的位置指令值。

    即使当由于支承和固定驱动系统的结构构件的刚性而导致挠曲时，根据本发明的位置控制装置也能持续地补偿机床系统中会产生的挠曲。并且，上述情况适于根据机床姿势而变化的挠曲的量。这样，根据本发明的位置控制装置能使工具的前端沿着期望轨迹移动。

    【附图说明】

    图1A所示为根据本发明的实施例的位置控制装置的示例的方框图。

    图1B所示为根据本发明的实施例的设置在位置控制装置中的机床挠曲量估计单元的内部结构的方框图。

    图1C所示为根据本发明的实施例的设置在位置控制装置中的机床挠曲补偿量计算单元的内部结构的方框图。

    图2A示出了表示可产生本发明待解决的问题的数控机床的示意性机构的模型。

    图2B示出了表示已产生本发明待解决的问题的数控机床的示意性机构的模型。

    图3所示为本实施例的效果的曲线图。

    图4所示为常规的位置控制装置的示例的方框图。

    【具体实施方式】

    下面结合附图来描述本发明的实施例。

    图2B示出了作为数控机床的示例的双柱加工中心的模型。在图2B所示的模型中，假定支承横梁14的立柱13的刚性低，或者立柱13和地面之间的耦合度低，并且撞锤16的刚性低。如果滑座15在-Y方向上加速，则横梁14和立柱13就分别受到反作用力并且在+Y方向上移动。连接在撞锤16的前端上的主轴头受到惯性力作用。结果，主轴头在+Y方向上移动。在空间上，工具17的前端偏离期望轨迹。

    在此情形中，如下的公式3定义了立柱13的挠曲量εc，公式3中的Fc表示当滑座15加速时作用在立柱13上的Y方向的载荷，并且Kc表示包括立柱13和地面之间的耦合度的立柱13的Y方向的刚性。

    εc＝Fc/Kc    公式3

    类似地，在滑座15加速的情形中，撞锤16的挠曲量εr能够根据如下的公式4来定义，此时Fr表示施加到撞锤16上的Y方向的载荷，并且Kr表示撞锤16的Y方向的刚性。

    εr＝Fr/Kr    公式4

    因此，工具17导致由如下的公式5所表示的其前端处的位移。

    ε＝εc+εr   公式5

    在上述公式中，Fc和Fr与滑座15(即，可动部)的加速度α成比例。

    因此，根据如下的公式6，工具17的前端的位移量ε能够利用加速度比例系数Gc、Gr和G进行表示。

    ε＝Fc/Kc+Fr/Kr＝(Gc+Gr)×α＝G×α    公式6

    上述公式6定义了加速度α、加速度比例系数G和介入待加工的工件与工具17前端(即，两个控制对象)之间的结构构件的总挠曲量之间的关系。公式6能够用于通过利用作为加速度α的驱动轴的指令加速度而获得在待加工的工件和工具17前端之间导致的机床挠曲量的估计值。

    同时，立柱13的机床刚性Kc和撞锤16的机床刚性Kr可以取决于横梁14相对于立柱13的位置或者取决于撞锤16相对于滑座15的凸出量而变化。总之，可以认为机床系统的刚性可以根据W轴坐标值或者Z轴坐标值而变化。换句话说，公式6中的参数G是可变参数G(z，w)，其取决于W轴位置或Z轴位置而变化。

    图1A所示为根据本发明的实施例的位置控制装置的示例的方框图。图1B所示为图1A中所示的机床挠曲量估计单元60的详细结构的方框图。图1C所示为图1A中所示的机床挠曲补偿量计算单元61的详细结构的方框图。在图1A、图1B和图1C所示的方框图中，与图4(即，上述常规技术)中所示的部件或部分相似的部件或部分用相同的附图标记和名称来表示，并且不再重复描述它们。

    相比上述常规的位置控制装置，根据本实施例的位置控制装置包括构造为估计机床挠曲量ε的机床挠曲量估计单元60和构造为基于由机床挠曲量估计单元60估计出的机床挠曲量ε(即，估计值)来计算三种机床挠曲补偿量θmdf、Vmdf和τmdf的机床挠曲补偿量计算单元61。

    机床挠曲量估计单元60能够接收来自主装置的各个轴的位置指令值x^*、y^*、z^*和w^*。在本实施例中，各个轴的位置指令值x^*、y^*、z^*和w^*能够被认为是介入待加工工件和工具17的前端(即，两个控制对象)之间的结构构件的姿势信息，即，指示机床姿势的信息。

    基于各个轴的输入位置指令值x^*、y^*、z^*和w^*与预定函数G(x，y，z，w)，机床挠曲量估计单元60能够根据机床姿势来计算机床挠曲量的加速度比例系数。机床挠曲量估计单元60能够进一步用指令加速度(即，位置指令值θ^*的二阶微分值)乘计算出的加速度比例系数来计算机床挠曲量估计值ε。总之，机床挠曲量估计单元60根据如下的公式7来实施计算。

    ε＝G(x，y，z，w)×(d²θ^*/dt²)    公式7

    机床挠曲补偿量计算单元61从机床挠曲量估计单元60接收机床挠曲量估计值ε。机床挠曲补偿量计算单元61能够进一步利用微分器与比例补偿器Cmp、Cmv和Cmt来计算机床挠曲位置补偿值θmdf、机床挠曲速度补偿值Vmdf和机床挠曲转矩补偿值τmdf。机床挠曲补偿量计算单元61能够利用如下的公式8到公式10来获得上述三种机床挠曲补偿量θmdf、Vmdf和τmdf。

    θmdf＝Cmp ×ε        公式8

    Vmdf＝Cmv×(dε/dt)    公式9

    τmdf＝Cmt×(d²ε/dt²) 公式10

    根据图1A所示的本实施例的位置控制装置能够相对于从机床挠曲补偿量计算单元61输出的机床挠曲位置补偿值θmdf、机床挠曲速度补偿值Vmdf和机床挠曲转矩补偿值τmdf而将前馈补偿施加到图4所示的位置控制装置。从而，根据图1A所示的本实施例的位置控制装置能够将工具17的前端的轨迹校正到与期望轨迹相同。

    更具体地，根据本实施例的位置控制装置包括加法器62，加法器62能够将机床挠曲位置补偿值θmdf加到设置在图4所示的常规的位置控制装置中的加法器51的输出上以获得本实施例中用于控制的位置指令值θc。根据本实施例的位置控制装置还包括加法器63，加法器63能够将机床挠曲速度补偿值Vmdf加到设置在图4所示的常规的位置控制装置中的加法器54的输出上以获得速度指令值Vc。根据本实施例的位置控制装置还包括加法器64，加法器64能够将机床挠曲转矩补偿值τmdf加到设置在图4所示的常规的位置控制装置中的加法器56的输出上以获得转矩指令值τm。

    函数G(x，y，z，w)的结构可以取决于机床构造而变化。FEM分析或者实际设备测量能够用于获得函数G(x，y，z，w)。例如，各个轴的坐标值和加速度值能够作为自变量用于获得表示在工具17的前端部和待加工的工件18之间导致的相对位移量的函数。

    例如，在图2B中，现假定即使当加速度相同时，工具17的前端部的位移量也可以取决于其W轴位置或者Z轴位置而变化。在此情形中，由立柱13导致的挠曲的效果能够用将W轴位置用作自变量的二次函数来近似。由撞锤16导致的挠曲的效果能够用与Z轴位置成比例关系的线性函数来近似。在此情形中，函数G(x，y，z，w)能够通过如下使用常数a、b、c和d的公式11来表示。

    G(x，y，z，w)＝a×(w^*)²+b×w^*+c×z^*+d    公式11

    此外，与图2B所示的多个挠曲部分的总和导致工具17的前端偏离期望轨迹的情形进行比较，产生在特定部分处的挠曲可能是可导致工具17的前端偏离期望轨迹的唯一控制因素。在此情形中，函数G(x，y，z，w)能够通过计算特定部分处的物理值(如，机床刚性和载荷重量)而被确定。

    设置于机床挠曲量估计单元60中的计算加速度比例系数的计算单元无需由函数G(x，y，z，w)进行构造。例如，基于各个轴的坐标值，比例系数G能够通过结合可被预先准备的数据表来确定。

    在图1A和图1B中，机床挠曲量估计单元60输入各个轴的位置指令值x^*、y^*、z^*和w^*。然而，所述输入值能够用已经作为位置检测值被读取的值x、y、z和w进行替换。另外，上述位置指令值和位置检测值无需由主装置给定，并且能够由控制其它轴的位置控制装置来传输。

    图3所示为根据本发明的位置控制装置的效果的曲线图。根据本发明的位置控制装置基于从主装置接收到的位置指令值θ^*来计算速度指令值Vc和转矩指令值τm。

    在此情形中，如果前馈控制系统起到适当的作用，则在控制中基本没有跟踪延迟的状态下，用于控制的位置指令值θc与位置反馈值θf基本相等。

    更具体地，将根据转矩指令值τm的载荷施加到机床结构构件上。在此情形中机床系统中所产生的挠曲量和工具17前端的位移ε变得与转矩指令值τm成比例。

    现假定将与转矩指令值τm(即，加速度前馈量Aff)成比例的机床挠曲位置补偿值θmdf加到位置指令值θ^*上。在本实施例中，为了简化描述，假定机床挠曲位置补偿值与工具17前端的位移ε相等(即，θmdf＝ε)。

    如上所述，θc-θf＝0。因此，如果θc＝θ^*+θmdf，则θ^*+θmdf-θf＝0。即，θ^*-θf＝-θmdf。控制位置反馈值θf以使其相对于位置指令值θ^*增加θmdf的量。然而，由于机床系统中所导致的挠曲的效果，工具17的前端部的移动相对于位置反馈值θ_f被延迟了ε(＝θmdf)的量。因此，用作控制因素的“推进部分”能够被由位于工具17的前端部处的机床系统的挠曲所导致的“延迟部分”抵消。换句话说，根据本发明的位置控制装置能够使工具17的前端位置与位置指令值θ^*一致。这样，工具17的前端部能够沿着期望轨迹而被驱动。

    在本实施例中，为了获得上述效果，期望机床挠曲补偿量计算单元61的比例补偿器Cmp等于1(Cmp＝1)以使得机床挠曲量估计值ε变得与机床挠曲位置补偿值θmdf相等。然而，机床挠曲量估计值ε可包含估计误差。

    因此，为了获得合适的补偿量的目的，增加比例补偿器Cmp的值(如，Cmp＝1.2)以增加机床挠曲位置补偿值θmdf可能是有效的。另一方面，为了防止机床挠曲补偿变得过大的目的，如果必要，减小比例补偿器Cmp的值(如，Cmp＝0.8)以抑制机床挠曲位置补偿值θmdf可能是有效的。

    此外，在位置反馈控制系统的响应足够高的情形中，即使当比例补偿器Cmv和Cmt被设定为0(Cmv＝0且Cmt＝0)时，也能够获得上述效果。另一方面，如果位置反馈控制系统具有不足的响应带，则需要考虑到比例补偿器Cmp的值来设定比例补偿器Cmv和Cmt的值。

    然而，机床挠曲转矩补偿值τmdf在其结构上与位置指令值θ^*的四阶微分值成比例。机床挠曲转矩补偿值τmdf取决于位置指令值θ^*可具有脉冲波形，并且可对驱动系统施加冲击。为了避免上述缺点，期望将比例补偿器Cmp、Cmv和Cmt设定为满足关系Cmp＞Cmv＞Cmt≥0。

    此外，在图1中，位置控制装置将机床挠曲位置补偿值θmdf加到位置指令值上以实现补偿。然而，类似的效果能够通过从基于位置检测值计算出的位置反馈值θf中减去机床挠曲位置补偿值θmdf而被获得。类似地，并非将机床挠曲速度补偿值Vmdf加到速度指令值上，而是能够从速度反馈值Vm中减去机床挠曲速度补偿值Vmdf。

    另外，机床挠曲量估计单元60输入来自主装置的各个轴的坐标值，并且之后在内部计算加速度比例系数，并且还输出机床挠曲量估计值ε。然而，主装置能够包括能够计算加速度比例系数的计算单元。在此情形中，机床挠曲量估计单元60能够被构造为从主装置直接地接收加速度比例系数并且计算机床挠曲量估计值ε。

    与机床驱动系统有关的对象设备50具有这样的机构：该机构包括构造成经由滚珠丝杠驱动载荷的伺服电机。

    根据本发明的待加工的机床系统中的挠曲不是包括在驱动系统本身(如，滚珠丝杠)中的部分。根据本发明的待加工的挠曲是由机床结构构件诸如立柱13和撞锤16所导致的挠曲。因此，如果机床具有包括线性电动机的驱动机构，则根据本发明的位置控制装置能够根据相似的补偿方法来使工具17前端的轨迹与期望轨迹一致。

    在上述的实施例中，已经结合图2B对Y轴方向上的操作上的移动进行了描述。然而，根据本发明的用于补偿机床系统中所导致的挠曲的技术能够被应用于在另一个轴向上的移动。能够获得类似的效果。例如，当使撞锤16在Z方向上加速/减速的时候，支承载荷的横梁14由于由加速/减速的撞锤16所导致的挠曲而导致了Z方向上的移动。当滑座15靠近立柱13定位时，撞锤16的挠曲量小，而当滑座15被定位在横梁14的中心处时，撞锤16的挠曲量大。因此，位置控制装置能够基于Z轴方向上的加速度值来计算挠曲补偿量。此外，位置控制装置能够根据Y轴位置来改变补偿量，以根据机床姿势的变化而持续地补偿Z轴方向上产生的机床系统的挠曲。