专利名称：使加工高精度化的伺服控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在进行多个轴的协调动作的机床中具备提高加工精度的功能的伺服控制系统。
背景技术：
在加工中心等机床中进行多个轴的协调动作时，特别是使用X轴以及Y轴加工圆弧形状时，要求高精度的加工。在现有的控制系统中，由于伺服控制的跟踪滞后、尤其是反转时的滞后，难以提高圆弧的象限部分的精度。另一方面，作为针对重复指令实现高速且高精度的跟踪性的方法，存在学习控制 (重复控制)。在学习控制中包括以时间为基准来进行学习的时间同步方式(例如参照日本特开平3-175502号公报)、和以角度为基准来进行学习的角度同步方式。例如在日本特开2004-280772号公报中提出了，通过对应于被重复指示的图形(pattern)中的形状的位置存储了修正数据，对应于位置来修正位置偏差的学习控制，即使速度变化也能够减小位置偏差的技术。时间同步方式，跨越从加工的开始到结束的时间需要延迟存储器，因此，在加工时间比较长的情况下需要大容量的延迟存储器。另外，在相同形状的加工而加工速度不同时需要另外的延迟存储器。另一方面，在角度同步方式中，没有在加工时间长的情况下或加工速度不同的情况下的不适当，但是需要与指令的重复动作同步地单调增加(在一个方向上变化)的基准角度(基准位置)，所以在进行往复动作那样的基准位置的运动中无法应用角度同步方式。如日本特开2004-280772号公报的图3的说明那样，当设采样时得到的参照位置为Θ (η)、与该参照位置Θ (η)的前后的格子(grid)位置θ (m)、θ (m+1)对应的修正数据为δ (m)、δ (m+1)时，与参照位置θ (η)对应的修正数据δ (η)通过下式的插补计算而求
出οδ (η) = δ (m) + { (η)- θ (m)} · { δ (m+1)-δ (m)} / { θ (m+1) - θ (m)}当该参照位置θ不单调增加或单调减小，针对参照位置θ的修正数据δ存在多个，无法求出正确的修正数据。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种发挥角度同步方式的长处，并且即使在未给出基准角度的情况下也能够应用角度同步方式的学习控制的伺服控制系统。为了达到上述目的，本发明提供一种伺服控制系统，其是在机床或工业机械中通过包含互相正交的两个轴的多个轴的协调动作来加工圆弧、多边形或由它们的组合所构成的加工形状的伺服控制系统，其中，具有上位控制装置，其把用于加工所述加工形状的位置指令分配给所述多个轴的伺服电动机；以及多个伺服控制装置，其基于所述位置指令来驱动各轴的伺服电动机，使被驱动体动作，至少所述互相正交的两个轴的伺服控制装置具有位置检测部，其检测所述伺服电动机的位置或所述被驱动体的位置；位置偏差运算部， 其在每个采样周期运算所述位置指令与检测出的所述伺服电动机的位置反馈的偏差；基准信号生成部，其根据本轴或其它轴的位置指令或位置反馈，计算在一个方向上变化的基准信号；以及学习控制部，其基于所述基准信号、所述位置指令以及所述位置偏差来进行学习控制。在优选的实施方式中，所述基准信号生成部根据以圆弧中心为基准的X轴和Y轴的位置指令或位置反馈，将通过所述X轴的位置与所述Y轴的位置的比的反正切函数而求出的角度位置作为基准信号来生成。在另一优选的实施方式中，所述基准信号生成部基于彼此进行协调动作的对方轴的位置指令或位置反馈，对每个采样周期的移动量的绝对值进行累计，生成基准信号。在所述加工形状为X轴与Y轴的插补形状时，所述基准信号生成部可以将对X轴的位置指令或位置反馈的每个采样周期的移动量的绝对值进行累计而得的值、与对Y轴的位置指令或位置反馈的每个采样周期的移动量的绝对值进行累计而得的值之和作为基准信号来生成。在所述加工形状为螺旋插补时，所述基准信号生成部可以将螺旋轴的位置指令或位置反馈作为基准信号来生成。
本发明的上述或其它目的、特征以及优点，通过以下参照附图对优选实施方式进行的说明可以进一步明确。图1是表示本发明的伺服控制系统的基本结构的图。图2是表示图1的伺服控制系统具有的角度同步学习控制器的一个结构例的图。图3是表示本发明的伺服控制系统中的处理流程的流程图。图4是表示圆弧作为加工形状的一例的图。图fe以及恥是表示加工形状为圆弧时的X轴以及Y轴的角度位置的曲线图。图6a以及6b是说明圆弧加工时的基准信号的第一生成方法的图。图7a 7d是说明圆弧加工时的基准信号的第二生成方法的图。图8是说明圆弧加工时的基准信号的第三生成方法的图。图9是表示三角形作为加工形状的一例的图。图10是表示带R的四边形作为加工形状的一例的图。图11是表示八边形作为加工形状的一例的图。图12是表示加工形状为三角形时的、X轴以及Y轴的角度位置的曲线图。图13是表示加工形状为带R的四边形时的、X轴以及Y轴的角度位置的曲线图。图14是表示加工形状为八边形时的、X轴以及Y轴的角度位置的曲线图。图15是说明加工形状为三角形时的、生成单调增加的基准信号的处理的曲线图。图16是说明加工形状为带R的四边形时的、生成单调增加的基准信号的处理的曲线图。图17是说明加工形状为八边形时的、生成单调增加的基准信号的处理的曲线图。图18是表示螺旋加工作为加工形态的一例的图。
图19是说明进行螺旋加工时的、生成单调增加的基准信号的处理的曲线图。
具体实施例方式图1是表示本发明的伺服控制系统的基本结构的图。伺服控制系统10具有在包含进行协调动作的互相正交的至少两个轴(在图示例子中为Χ、γ、ζ这3个轴)的加工中心等机床或工业机械中使用的，分别对驱动各轴的X轴伺服电动机12、Y轴伺服电动机14以及Z轴伺服电动机16进行控制的X轴伺服控制装置18、Y轴伺服控制装置20以及Z轴伺服控制装置22。各伺服控制装置基于从NC等上位控制装置M发送的各轴的位置指令(在图示的例子中为X轴指令、Y轴指令以及Z轴指令)来生成速度指令，通过该速度指令控制各伺服电动机。X轴伺服控制装置18具有角度同步方式的学习控制部(学习控制器)26，学习控制器沈基于用于进行预定加工的、从上位控制装置M发送的周期性的X轴的位置指令与 X轴伺服电动机12或通过X轴伺服电动机12驱动的刀具等被驱动体(未图示)的位置反馈(FB)的偏差，生成用于控制X轴伺服电动机12的修正量，该修正量以及该偏差经由增益 Kp作为X轴伺服速度指令被用于X轴伺服电动机12的控制。通过检测X轴伺服电动机12 或被驱动体的X位置的位置检测部27得到位置反馈。另外，X轴伺服控制装置18具有基于从上位控制装置M发送的各轴指令来生成单调增加或在一个方向上变化的基准信号θ 的基准信号生成部观，学习控制器沈基于该基准信号进行学习控制。在后面描述其细节。同样，Y轴伺服控制装置20具有角度同步方式的学习控制部(学习控制器)30，学习控制器30基于用于进行预定加工的、从上位控制装置M发送的周期性的Y轴的位置指令、与Y轴伺服电动机14或通过Y轴伺服电动机14驱动的被驱动体(未图示)的位置反馈的偏差，生成用于控制Y轴伺服电动机14的修正量，该修正量以及该偏差经由增益Kp作为Y轴伺服速度指令被用于Y轴伺服电动机14的控制。通过检测Y轴伺服电动机14或被驱动体的Y位置的位置检测部31得到位置反馈。另外，Y轴伺服控制装置20具有基于从上位控制装置M发送的各轴指令来生成单调增加或者在一个方向上变化的基准信号θ的基准信号生成部32，学习控制器30基于该基准信号进行学习控制。在后面描述其细节。在本实施方式中，Z轴伺服控制装置22不是必需的，其功能可以与现有的伺服控制装置相同。即，Z轴伺服控制装置22求出用于进行预定加工的、从上位控制装置M发送的Z轴的位置指令与Z轴伺服电动机16或通过Z轴伺服电动机16驱动的被驱动体(未图示)的位置反馈的偏差，该偏差经由增益Kp作为Z轴伺服速度指令被用于Z轴伺服电动机 16的控制。通过检测Z轴伺服电动机16或被驱动体的Z位置的位置检测部33得到位置反馈。此外，在图1中，白色圆圈表示加法器，黑色圆圈表示分支点。关于后述的图2也相同。图2是表示图1的学习控制器沈的具体结构例的图。在X轴伺服控制装置沈中， 根据从上位控制装置M发送的位置指令Pc与位置反馈Pf，通过加法器35运算位置偏差 Er，学习控制器沈每隔预定的采样周期(例如Ims)取得X轴伺服电动机或被驱动体的位置偏差Er，作为第一位置偏差。第一位置偏差被发送到第一变换部34，第一变换部34将第一位置偏差Er变换为被驱动体的一周期的量的基准角度位置(后述)的第二位置偏差Er’。 即，与采样周期对应的第一位置偏差被变换为与基准角度位置对应的第二位置偏差Er’。该变换方法本身是公知的，因此省略说明。
第二位置偏差Er’，通常在与360度的量的延迟存储器36中存储的被驱动体的周期动作的一周期前的第一修正量相加后，作为新的第一修正量cl被存储在延迟存储器36 中。第一修正量cl被发送到第二变换部38，第二变换部38将每个基准角度位置的第一修正量cl变换为上述每个采样周期的第二修正量c2。即，与基准角度位置对应的第一修正量被变换为与采样周期对应的第二修正量。该变换方法本身是公知的，因此省略说明。学习控制器沈可以具有限制第一修正量Cl的频带的频带限制滤波器40、和进行来自第二变换部38的第二修正量的相位补偿以及增益补偿的相位超前滤波器42，但是这些滤波器不是必需的构成要素。此外，所谓“频带限制滤波器”，具体来说是用于对某个频率区域中的高频区域的信号进行消除的低通滤波器，具有提高控制系统的稳定性的效果。另外，所谓“相位超前滤波器”，具体来说是使某个频率区域中的高频区域的信号的相位超前， 进而提高增益的滤波器，具有对位置控制、速度控制以及电流控制等的控制系统的延迟或增益降低进行补偿的效果。此外，Y轴伺服控制装置20的学习控制器30也可以成为与学习控制器沈相同的结构。接着，参照图3的流程图，说明本发明的伺服控制系统中的处理流程。首先，上位控制装置M每隔预定的指令分配周期T (例如T= 1ms)将各轴的位置指令Pc分配给对应的伺服控制装置，另外，各伺服控制装置检测位置反馈Pf (步骤Si)。接着，各伺服控制装置根据位置指令Pc以及位置反馈Pf计算位置偏差Er (步骤S2)。当到达应该进行学习控制的时刻时(步骤S3)，基准信号生成部观、32基于对应的轴的位置指令或位置反馈生成基准信号Θ。在此，根据位置指令Pc生成基准信号θ时的处理流程为步骤S4 —S5 —S7，另一方面，根据位置反馈Pf生成基准信号θ时的处理流程为步骤S4 —S6 —S7。另外，基准信号生成部也可以根据其它轴的位置指令或位置反馈生成基准信号。 例如，X轴伺服控制装置18的基准信号生成部观也可以根据Y轴的位置指令或位置反馈来生成基准信号。在接下来的步骤S8中，在上述第一变换部34中将与采样周期对应的位置偏差Er 变换为与基准信号(基准角度位置)对应的位置偏差Er’。接着，将位置偏差Er’与1周期前的位置偏差相加，作为每个基准信号的第一修正量cl被保存在延迟存储器36中(步骤S10)。此外，当加工形状为后述的圆弧等时，在延迟存储器36中保存1周的量(360度的量)的修正量。接着，在步骤Sll中，在第二变换部38中，将延迟存储器36中保存的1周期前的每个基准信号的第一修正量cl变换为每个采样周期的第二修正量c2，将该第二修正量与位置偏差Er相加，生成速度指令(步骤S12)。接着，说明上述步骤S7即基准信号θ的生成的细节。在利用本发明的伺服控制系统的机床或工业机械中可以加工圆弧、多边形或者由它们的组合而构成的形状，而在此考虑如图4所示包含伺服控制系统的机床加工半径R(= Imm)的圆弧的情况。此时的机床的代表点(例如刀具尖端)的X轴位置以及Y轴位置例如分别如图fe以及恥那样表示。此时，上位控制装置M根据某时间t = nT(其中，η = 1、2、3...)、半径R以及进给速度F(例如F = 376. 8mm/分钟)，计算每个指令分配周期的各轴的指令位置(例如X(t)= R · cos (ω t)、Y (t) = R · sin (ω t)、ω t = Ft/R)。在图4那样的圆弧加工的情况下，学习控制的周期成为圆弧一周的量，但是关于X 轴以及Y轴的任何一个，位置指令都呈现正弦波或余弦波形状，因此，不是单调增加或单调减少，无法直接作为角度同步式学习控制的基准位置(基准信号)来利用。因此在本发明中，根据X轴以及Y轴的位置指令或位置反馈，生成圆弧一周的量的单调增加的基准信号 Θ。以下对这一点进行说明。图6a以及6b说明圆弧加工时的基准信号的第一生成方法，即作为基准信号，根据 X轴和Y轴的位置指令或位置反馈通过三角函数计算基准角度θ的方法。在圆弧形状的情况下，X轴以及Y轴的位置分别以正弦波以及余弦波表示，上位控制装置输出了半径R的圆弧指令。因此，加工开始后或学习开始后的t秒后的X轴的位置POSX(t)以及Y轴的位置 POSY(t)，通过以下式子表示。其中，δ是开始角度。POSX (t) = R · cos ( ω t+ δ )POSY (t) = R · sin ( ω t+ δ )另一方面，伺服机构需要(cot+δ)作为基准信号。因此，如图6a所示，利用X轴的位置与Y轴的位置的比的反正切函数，具体来说将从θ (t) = tan-1 (POSY(t)/POSX(t)) 的式子求出的角度位置作为基准信号来使用。接着，为了使基准信号θ单调增加，通过X、 Y的符号来区别象限。具体来说，若父>0、￥>0，则θ (t) = tan"1 (POSY(t)/POSX(t)),^ X < 0、Y > 0 或 X < 0、Y < 0，贝丨J θ (t) = tarTHPOSYUVPOSXUD+lSO，若 X > 0、Y < 0， 则θ (t) = tanlPOSYaVPOSXaD+SeO，得到图6b所示的单调增加信号θ。图7a 7d说明圆弧加工时的基准信号的第二生成方法、即作为基准信号而利用彼此进行协调动作的对方轴(对X轴来说是Y轴，对Y轴来说是X轴)的位置指令或位置反馈的方法。具体来说，图7b表示对图7a所示的X轴位置的每个采样间隔的差分ΔΧ的绝对值进行累计而得的值(Σ I ΔΧ|)，其作为Y轴的基准信号9y而被使用。同样地，图 7d表示对图7c所示的Y轴位置的每个采样间隔的差分△ Y的绝对值进行累计而得的值 (Σ I ΔΥ|)，其作为X轴的基准信号ΘΧ而被使用。这样，通过使用其它轴的移动量(差分)的绝对值的累计值作为基准信号，与上述第一基准信号生成方法相比，可以通过非常少的计算量生成单调增加的基准信号。另外，通过使用其它轴的指令位置，使需要高精度的反转时的变化量较大，所以是很有利的。图8说明圆弧加工时的基准信号的第三生成方法、即作为基准信号而利用位置指令或位置反馈的差分的绝对值的累计值(移动距离)的方法。具体来说，如图8所示，将图 7b所示那样的每个采样间隔的差分Δ X的绝对值进行累计而得的值(Σ I ΔΧ|)、与将图7d 所示那样的每个采样间隔的差分ΔΥ的绝对值进行累计而得的值(Σ I ΔΥ|)之和设为基准信号Θ(=Σ ΔΧ|+Σ |ΔΥ|)。这样，当加工形状为X轴和Y轴的插补形状时，通过使用X轴的移动指令和Y轴的移动指令的绝对值的累计和，可以通过比第一基准信号生成方法少的计算量生成作为基准信号而容易使用的单调增加且接近直线的信号。另外，通过第三基准信号生成方法所生成的基准信号大致表示出加工形状的长度 (轮廓)，所以不仅可以应用于加工形状为圆弧的情况，也能够应用于加工形状为多边形等情况。例如，在加工形状为图9 图11中分别所示那样的三角形、带有R(圆形)的四边形、 八边形的情况下，X轴以及Y轴的位置指令分别成为图12 图14那样。在此，当针对各形状应用第三基准信号生成方法时，加工形状为三角形时的基准信号θ成为图15那样，加工形状为带有R(圆形)的四边形时的基准信号θ成为图16那样，加工形状为八边形时的基准信号θ成为图17那样，都成为单调增加且接近直线的基准信号。
图18表示例如在图4的圆弧加工中增加了 Z轴方向的进给的情况、即进行螺旋 (helical)加工的情况。在这种情况下如图18所示，将与圆弧一周的Z周方向的进给量相当的时间作为学习周期即可。此时的基准信号θ如图19所示，与Z轴的位置指令或位置反馈一致(θ =Ζ)。这样，当加工形状为螺旋插补时，Z轴即螺旋轴通常以恒定速度移动， 所以实质上不需要计算，并且可以生成单调增加且为恒定速度的容易使用的基准信号。如上所述，本发明提供发挥角度同步方式的长处，并且即使在未给出基准角度时也能够应用角度同步方式的学习控制的伺服控制系统。日本特开2004-280772号公报也公开了角度同步方式的学习控制，但是其对象是通过旋转轴以及直线轴的组合来进行加工的车床用途(旋床用途)，基准信号使用单调增加的旋转轴的位置指令或位置反馈。但是， 如加工中心那样通过互相正交的X轴、Y轴加工形状时，任何轴的位置指令都不是单调增加的，所以无法直接作为基准信号。本发明在这样的情况下可以通过简单的计算获得适当的基准信号，以便应用角度同步方式的学习控制。根据本发明，根据位置指令或位置反馈求出在一个方向上变化的基准信号，由此可以应用角度同步方式的学习控制。在进行圆弧形状的加工时，可以根据X轴的指令位置和Y轴的指令位置计算基准信号。该基准信号单调增加且为恒定速度，因此可以生成作为基准信号而容易使用的信号。作为基准信号，通过使用其它轴的移动量的绝对值的累计值，可以通过较少的计算量生成单调增加的基准信号。另外，通过使用对方的指令位置而不是自身的指令位置，使需要高精度的反转时的变化量较大，因此是很有利的。通过使用X轴的移动指令和Y轴的移动指令的绝对值的累计和，可以通过较少的计算量生成作为基准信号容易而使用的单调增加且接近恒定的信号。另外，该基准信号大致表示加工形状的长度，因此不仅能够应用于圆弧，也可以应用于多边形。通过将恒定地移动的螺旋轴的指令位置作为基准信号，不需要计算就可以生成单调增加且为恒定速度的、容易使用的基准信号。
权利要求
1.一种伺服控制系统，是在机床或工业机械中通过包含互相正交的两个轴的多个轴的协调动作来加工圆弧、多边形或由它们的组合所构成的加工形状的伺服控制系统(10)，所述伺服控制系统的特征在于，具有上位控制装置(M)，其把用于加工所述加工形状的位置指令分配给所述多个轴的伺服电动机；以及多个伺服控制装置(18、20、22)，其基于所述位置指令来驱动各轴的伺服电动机(12、 14、16)，使被驱动体动作，至少所述互相正交的两个轴的伺服控制装置(18、20)具有位置检测部(27、31、33)，其检测所述伺服电动机(12、14、16)的位置或所述被驱动体的位置；位置偏差运算部(35)，其在每个采样周期运算所述位置指令与检测出的所述伺服电动机(12、14、16)的位置反馈的偏差；基准信号生成部08、32)，其根据本轴或其它轴的位置指令或位置反馈，计算在一个方向上变化的基准信号；以及学习控制部O6、30)，其基于所述基准信号、所述位置指令以及所述位置偏差来进行学习控制。
2.根据权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述基准信号生成部(观、3幻根据以圆弧中心为基准的X轴和Y轴的位置指令或位置反馈，将通过所述X轴的位置与所述Y轴的位置的比的反正切函数而求出的角度位置作为基准信号来生成。
3.根据权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，所述基准信号生成部(观、3幻基于彼此进行协调动作的对方轴的位置指令或位置反馈，对每个采样周期的移动量的绝对值进行累计，生成基准信号。
4.根据权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，在所述加工形状为X轴与Y轴的插补形状时，所述基准信号生成部(观、3幻将对X轴的位置指令或位置反馈的每个采样周期的移动量的绝对值进行累计而得的值、与对Y轴的位置指令或位置反馈的每个采样周期的移动量的绝对值进行累计而得的值之和作为基准信号来生成。
5.根据权利要求1所述的伺服控制系统，其特征在于，在所述加工形状为螺旋插补时，所述基准信号生成部(观、3幻将螺旋轴的位置指令或位置反馈作为基准信号来生成。
全文摘要
本发明提供一种使加工高精度化的伺服控制系统，其发挥角度同步方式的长处，并且即使在未给出基准角度时也能够应用角度同步方式的学习控制。伺服控制系统具有分别对驱动各轴的X轴伺服电动机、Y轴伺服电动机以及Z轴伺服电动机进行控制的X轴伺服控制装置、Y轴伺服控制装置以及Z轴伺服控制装置。另外，X轴伺服控制装置以及Y轴伺服控制装置分别具有基于从上位控制装置发送的各轴指令，生成单调增加或在一个方向上变化的基准信号的基准信号生成部，学习控制器基于该基准信号来进行学习控制。
文档编号G05B19/19GK102385343SQ20111026567
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月5日 优先权日2010年9月6日
发明者丰泽雪雄, 前田和臣, 园田直人, 置田肇 申请人:发那科株式会社