尾架控制装置.pdf

本发明公开一种尾架控制装置，其通过驱动并且控制在前后方向上驱动尾架的具有弹簧构件的驱动系统的伺服电动机来支撑待加工物体，以使连接到尾架上的尾架顶尖与待加工物体的中心孔接触。尾架控制装置包括极限扭矩值计算单元以及伺服控制单元，极限扭矩计算值单元计算作为极限扭矩值(Tm)的支撑待加工物体所需的伺服电动机的驱动扭矩值；伺服控制单元驱动并且控制伺服电动机以试图使尾架以预先设定的尾架移动速度(Vs)移动，直到伺服电动机的输出扭矩值(Tr)达到极限扭矩值(Tm)。通过从支撑待加工物体所需的支撑推力(Fa)中减去基于尾架移动速度(Vs)计算出的过剩推力Fs来计算极限扭矩值(Tm)。

1、  一种尾架控制装置，其通过驱动并且控制在前后方向上驱动尾架的具有弹簧构件的驱动系统的伺服电动机来支撑待加工物体，以使连接到所述尾架上的尾架顶尖与所述待加工物体的中心孔接触，所述尾架控制装置包括：
极限扭矩值计算单元，其计算作为极限扭矩值的支撑所述待加工物体所需的所述伺服电动机的驱动扭矩值；
伺服控制单元，其驱动并且控制所述伺服电动机以试图使所述尾架以预先设定的尾架移动速度移动，直到所述伺服电动机的输出扭矩值达到所述极限扭矩值，其中
所述极限扭矩值计算单元包括：
计算作为支撑推力的支撑所述待加工物体所需的所述尾架的推力的单元；
过剩推力计算单元，其计算作为过剩推力的在以所述尾架移动速度移动的所述尾架顶尖与所述待加工物体的接触和所述尾架顶尖的停止之间的期间内由于所述弹簧构件的压缩引起的弹性恢复力所导致的过剩推力；以及
通过从所述支撑推力中减去所述过剩推力来计算所述极限扭矩值的单元。

2、  根据权利要求1所述的尾架控制装置，进一步包括：
实际速度检测单元，其检测作为实际速度的在所述伺服电动机的输出扭矩值达到所述极限扭矩值时所述尾架的速度，其中
当检测到所述实际速度时，所述极限扭矩值计算单元在用所述实际速度代替所述设定的移动速度的同时重新计算所述极限扭矩值，并且
当重新计算出所述极限扭矩值时，所述伺服控制单元基于重新计算出的极限扭矩值来驱动并且控制所述伺服电动机。

尾架控制装置
优先权信息
本申请要求于2008年2月8日提交的申请号为2008-028610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
本发明涉及一种尾架控制装置，该装置通过控制在前后方向上驱动尾架的具有弹簧构件的驱动系统的伺服电动机来支撑待加工物体，以使连接到尾架上的尾架顶尖与待加工物体的中心孔接触。
背景技术
通常，将待加工物体支撑在数控机床上的尾架的驱动主要是由液压驱动。然而，近年来，使用了由伺服电动机驱动并且控制的电动尾架。
使用电动尾架的一个原因是，利用伺服电动机通过控制驱动扭矩能够自由地控制待加工物体的支撑推力。还存在其它原因，诸如非运行时间，诸如通过控制支撑推力能够减小在高复合低产量(high-mix low-volume)的工件的装配过程中的推力变化，以及通过去除液压单元能够减少设备的能量消耗。
图2示出了由伺服电动机驱动并且控制的电动尾架的机构的示例。在该机构中，连接到伺服电动机9上的进给螺杆106随着伺服电动机9的驱动而旋转。随着该旋转，驱动并且控制穿过(thread)并且连接到进给螺杆106上的尾架102。结果，连到尾架102上的尾架顶尖101与待加工物体100的中心孔配合，并且待加工物体100被支撑。为了甚至在切断电动机的电源之后还保持用于支撑待加工物体的支撑推力，弹簧104典型地设置在尾架顶尖101的后侧。
在该机构中，基于支撑推力来计算产生可靠地支撑待加工物体所需的推力(支撑推力)所需的伺服电动机的驱动扭矩(扭矩极限值Tm)。传动机构存在于驱动系统中。基于此，一般地，考虑到传动机构的传动效率以及从支撑推力中减去由于驱动系统的扭矩损耗，来计算极限扭矩值。换句话说，在现有技术中，基于支撑推力和驱动系统的传动效率，来计算产生支撑推力所需的伺服电动机的扭矩极限值Tm。接下来，将结合图7的方框图来描述现有技术。
将在尾架推力设定单元1中预先设定的尾架支撑推力Fa输入到扭矩指令转换单元3。还将诸如在尾架参数设定单元2中设定的驱动系统的变速比、尾架滑动面阻力、进给螺杆轴容纳单元的摩擦扭矩以及滚珠丝杠的效率的指示驱动系统的扭矩损耗的尾架参数N输入到扭矩指令转换单元3。扭矩指令转换单元3基于支撑推力Fa和传动参数N来计算作为扭矩极限值Tm的产生支撑推力Fa所需的伺服电动机的扭矩值。
尾架指令单元5通过手动操作或者通过加工程序(二者均未示出)来产生尾架指令，并且激活尾架控制单元6。被激活的尾架控制单元6基于从尾架速度设定单元4输出的诸如尾架移动速度Vs的参数，通过伺服控制单元7和功率放大单元10来控制伺服电动机11的扭矩。伺服控制单元7响应于来自尾架控制单元6的指令来计算指令扭矩值Tr，并且将指令扭矩值输出到功率放大单元10。功率放大单元10将与指令扭矩值Tr相对应的功率供给到伺服电动机11。此时，尾架控制单元6将由扭矩指令转换单元3转换的扭矩极限值Tm存储在扭矩指令值存储单元8中，并且将扭矩极限值Tm传送到伺服控制单元7。伺服控制单元7以上限为扭矩极限值Tm执行对伺服电动机11的扭矩极限控制。
上述结构中，驱动并且控制驱动尾架的伺服电动机11，并且待加工物体由设置在尾架上的与待加工物体的中心孔配合的尾架顶尖来支撑。当指令扭矩值Tr(伺服电动机的输出扭矩值)达到极限扭矩值Tm时，伺服控制单元7停止进给尾架。该过程中，以预定的支撑推力来支撑待加工物体。
根据以上所述的现有技术，除预先设定的尾架支撑推力Fa以外，还考虑到诸如尾架滑动面、进给螺杆轴容纳单元的摩擦扭矩以及滚珠丝杠的效率的参数，来计算伺服电动机11的极限扭矩值Tm。由于该结构，能够以预定的支撑推力Fa来支撑待加工物体。然而，在待加工物体的支撑中，在从驱动扭矩Tr达到扭矩极限值Tm时停止尾架的进给操作的时间到尾架实际停止的时间的过程中，由于惯性力而产生了微小的移动距离，并且导致了过剩推力。另外，在弹簧机构内置到驱动系统中的尾架中，在尾架被停止之前，弹簧被压缩了移动距离，并且过剩推力将施加到待加工物体上。另外，存在如下问题：当尾架移动速度变化时，尾架停止之前的移动距离也变化，并且支撑推力发生变化。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供了一种尾架控制装置，该装置通过驱动并且控制在前后方向上驱动尾架的具有弹簧构件的驱动系统的伺服电动机来支撑待加工物体，以使连接到尾架上的尾架顶尖与待加工物体的中心孔接触，所述尾架控制装置包括极限扭矩值计算单元以及伺服控制单元，极限扭矩计算单元计算作为极限扭矩值的支撑待加工物体所需的伺服电动机的驱动扭矩值；伺服控制单元驱动并且控制伺服电动机以试图使尾架以预先设定的尾架移动速度移动，直到伺服电动机的输出扭矩值达到极限扭矩值，其中，极限扭矩值计算单元包括计算作为支撑推力的支撑所述待加工物体所需的所述尾架的推力的单元；过剩推力计算单元，其计算作为过剩推力的在以尾架移动速度移动的尾架顶尖与待加工物体的接触和尾架顶尖的停止之间的过程中由于弹簧构件的压缩引起的弹性恢复力所导致的过剩推力；以及通过从支撑推力中减去过剩推力来计算极限扭矩值的单元。
根据本发明的另一个方案，优选的是尾架控制装置进一步包括实际速度检测单元，实际速度检测单元检测作为实际速度的在伺服电动机的输出扭矩值达到极限扭矩值时尾架的速度，其中，当检测到实际速度时，极限扭矩值计算单元在用实际速度代替设定的移动速度的同时重新计算极限扭矩值，并且当重新计算出极限扭矩值时，所述伺服控制单元基于重新计算出的极限扭矩值来驱动并且控制伺服电动机。
根据本发明的各种方案，预先计算出在尾架停止之前由于移动引起弹簧的压缩所导致的对待加工物体的过剩推力，并且将其从指令推力中减去，以校正指令推力。由于该结构，即使当尾架移动速度变化时，支撑推力也没有发生变动，因此能够消除加工过程中由于不足的推力而引起的工件的突起以及由于过剩推动而引起的工件的变形，并且能够提供一种非常安全的尾架控制装置。
附图说明
将结合附图来详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1为本发明的第一优选实施例的尾架控制装置的方框图；
图2为受控制的尾架的结构示意图；
图3为示出了本发明的第一优选实施例中的尾架控制装置的控制流程的流程图；
图4为根据本发明的第二优选实施例的尾架控制装置的方框图；
图5为示出了本发明的第二优选实施例的尾架控制装置的控制流程的流程图；
图6为示出了驱动扭矩Tr和尾架移动速度Vs的变化的曲线图；以及
图7为现有技术的尾架控制装置的方框图。
具体实施方式
现在将结合图1和图3来描述本发明的第一优选实施例。图1为根据本发明的第一优选实施例的尾架控制装置的方框图。图3为示出了由尾架控制装置控制的流程的流程图。尾架控制装置中与现有技术相同的元件将不进行详细地描述。
与现有技术类似，本实施例的尾架控制装置控制如图2所示的具有带有内置弹簧104的驱动系统的尾架。当通过手动操作或者通过加工程序(二者均未示出)执行尾架指令时，经由尾架指令单元5来激活尾架控制单元6(S10)。被激活的尾架控制单元6驱动并且控制过剩推力计算单元33以及极限扭矩值计算单元30(其包括推力指令值校正单元31、扭矩指令转换单元32，以及过剩推力计算单元33)，以指示计算极限扭矩值Tm。
现在将详细地描述极限扭矩值Tm的计算流程。在该情况下，首先，过剩推力计算单元33计算过剩推力Fs(S20)。过剩推力Fs为当尾架的移动速度为Vs时由弹簧的弹力或惯性力所引起的推力。基于在尾架参数设定单元2中设定的尾架参数N(包括进给螺杆效率η、转动惯量I、弹簧常数k、进给螺杆螺距l、尾架重量w，以及加速度g)以及在尾架速度设定单元4中设定的尾架移动速度Vs，来计算过剩推力Fs。更具体地，当弹簧104内置于尾架顶尖101的后方时，通过下列公式1来计算过剩推力Fs。
Fs = kx ]]>
= ω ( k ( I + wl 2 / 4 π 2 g ) ) - - - ( 1 ) ]]>
在公式1中，k表示弹簧常数，x表示弹簧的压缩量，I表示转动惯量，w表示尾架重量，l表示进给螺杆的螺距，g表示加速度，而ω表示电动机的角速度。其中，当电动机的转数为N(N＝Vs/l)时，用ω＝2πN/60来计算角速度ω。如上所述，公式1为用于弹簧104内置于尾架顶尖101的后方的情况下的公式，还可以根据弹簧104的放置位置，利用不同于公式1的适当公式来计算过剩力Fs。对于过剩力Fs的计算，使用下列公式2中所示的转动能量Er、动能Em以及弹性能量Es的关系式。在公式2中，v表示电动机的转速(v＝Vs)。
Er＝Iω²/2
Em＝wv²/2g
Es＝kx²/2
Er+Em＝Es            (2)
将过剩推力计算单元33中计算出的过剩推力Fs输入到推力指令值校正单元31。另外，还将尾架推力设定单元1中设定的尾架支撑推力Fa输入到推力指令值校正单元31。这里，通过下列公式3来计算并且设定尾架支撑推力Fa。在公式3中，η表示进给螺杆效率、T表示电动机扭矩，而l表示螺杆螺距。
Fa＝2πηT/l            (3)
推力指令值校正单元31从输入的尾架支撑推力Fa中减去过剩推力Fs并且计算校正后推力Fm1(S30)。将计算出的校正后推力Fm1输入到扭矩指令转换单元32。除校正后推力Fm1以外，还将在尾架参数设定单元2中设定的尾架参数N输入到扭矩指令转换单元32。扭矩指令转换单元32基于输入的校正后推力Fm1和输入的尾架参数N来计算用于获得尾架支撑推力Fa所需的伺服电动机的扭矩，即极限扭矩值Tm(S40)。更具体地，扭矩指令转换单元计算作为极限扭矩值Tm的驱动系统的扭矩损耗的值，该值是从校正后推力Fm1中减去的、基于尾架参数N来计算的值。通过尾架控制单元6将计算出的极限扭矩值Tm存储在扭矩指令值存储器8中。当极限扭矩值Tm被存储在扭矩指令值存储器8中时，伺服控制单元7开始将驱动扭矩Tr传送到功率放大单元10，并且开始尾架支撑操作，即尾架的移动操作(S50)。然后，监视驱动扭矩Tr是否已经达到极限扭矩值Tm(S60)。当驱动扭矩Tr达到扭矩极限值Tm时，判定出已经达到了能够支撑待加工物体的状态(即，产生了支撑推力)，并且停止尾架的驱动。
从以上描述可以看出，本实施例中的极限扭矩值Tm是考虑了基于诸如弹簧常数k和尾架的移动速度Vs而计算出的过剩推力Fs(参考公式1)的值。因此，即使当尾架移动速度变化或者弹簧被压缩时，也能够减小支撑推力的变动。结果，能够防止在加工过程中由于推力不足而引起的工件的突起以及由于过量推动而引起的工件的变形，并且能够提供一种十分安全的尾架控制装置。
接下来，将描述本发明的第二优选实施例。图4为根据第二优选实施例的尾架控制装置的方框图。图5为示出了尾架控制装置的控制流程的流程图。图6为示出了在第二优选实施例中驱动扭矩Tr和尾架移动速度Vs的变化的图。与第一优选实施例中相同的那些元件将不进行详细地描述。
第二优选实施例与第一优选实施例的显著不同之处在于：设置了驱动扭矩检测单元19和速度检测单元34，驱动扭矩检测单元19检测每刻输出的扭矩指令值Tr并且将其输出到尾架控制单元6，速度检测单元34检测尾架的移动速度Vs。另外，第二优选实施例与第一优选实施例的不同之处还在于：基于检测到的驱动扭矩Tr和检测到的移动速度Vs，按照需要重新计算极限扭矩值Tm。现在将结合图5和图6来描述尾架控制单元6的控制，特别是与极限扭矩值Tm的重新计算有关的控制。
在第二优选实施例中，也与第一优选实施例类似，首先，在与待加工物体接触之前，基于诸如尾架移动速度的各种参数，即第一尾架移动速度Vs1和弹簧常数k，来计算第一过剩推力Fs1(S20)。然后，基于第一过剩推力Fs1、尾架参数N、尾架支撑推力Fa等等来计算第一极限扭矩值Tm1(S30、S40)。一旦第一极限扭矩值Tm被计算出来，则伺服控制单元7驱动并且控制伺服电动机11，直到驱动扭矩Tr达到极限扭矩值Tm1。
图6示出了在该过程中的驱动扭矩Tr和尾架移动速度Vs的变化。在图6中，时间t1表示当尾架顶尖101与待加工物体100接触时的时间。从图6清楚地看出，当尾架顶尖101与待加工物体100接触时，驱动扭矩Tr逐渐增加而尾架移动速度Vs逐渐减小。换句话说，在时间t1之后，尾架移动速度Vs变得小于或者等于用于计算极限扭矩值Tm1的第一尾架移动速度Vs1。当速度Vs变化时，作用于尾架上的惯性力也变化。而且，当惯性力变化时，由惯性力等等所引起的过剩推力Fs以及支撑待加工物体所需的极限扭矩值Tm也变化。
考虑到这点，在本实施例中，当驱动扭矩Tr达到第一次计算出的第一极限扭矩值Tm1时，基于该点处的移动速度，即第二移动速度Vs2(Vs2<Vs1)再次计算极限扭矩值Tm。
更具体地，在尾架的移动控制开始(S50)之后，尾架控制单元6监视驱动扭矩Tr是否已经达到第一极限扭矩值Tm1(S60)。当驱动扭矩Tr达到第一极限扭矩值Tm1时，尾架控制单元6指示基于由速度检测单元34在该点处，即图6中的时间t2，检测到的第二尾架移动速度Vs2来计算第二过剩推力Fs2(S70、S80)。当计算出第二过剩推力Fs2时，然后基于第二过剩推力Fs2、尾架参数N、尾架支撑推力Fa等等来计算第二极限扭矩值Tm2(S100)。当计算出第二极限扭矩值Tm2时，在电动机扭矩的极限值中重新设定第二极限扭矩值Tm2，并且继续尾架的移动操作(S110)。在该过程之后，尾架控制单元6监视驱动扭矩Tr是否达到第二极限扭矩值Tm2(S120)。当驱动扭矩Tr达到第二极限扭矩值Tm2时(在图6中的时间t4时)，能够判定出获得了用于支撑待加工物体的足够的推力。因此，在该情况下，尾架控制单元6控制伺服控制单元7等等，以停止尾架的移动操作。这样，完成了待加工物体的支撑操作。
从以上描述清楚地看出，在第二优选实施例中，还考虑了由于尾架顶尖101与待加工物体100的接触而引起的移动速度Vs的变化，并且适当地重新计算了极限扭矩值Tm。结果，能够获得更精确的极限扭矩值Tm，并且能够更可靠地支撑待加工物体。在本实施例中，极限扭矩值Tm仅计算了两次(即，Tm1和Tm2)，但是本发明不局限于这种构造，而是可以选择地计算极限扭矩值Tm更多次。例如，在步骤S120中，当驱动扭矩T达到第二极限扭矩值Tm2时，可以基于该点处的移动速度Vs3来重新计算第三极限扭矩值Tm3。