阅读说明：本技术 具有主轴以及进给轴的机床的控制装置 (Control device for machine tool having main spindle and feed spindle ) 是由 冈本高志 森田有纪 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及具有主轴以及进给轴的机床的控制装置。具有由进给轴电动机(2)驱动的进给轴的机床的控制装置(1)具备：负荷转矩推定部(11),其根据针对驱动机床主轴的主轴电动机(3)的转矩指令和主轴电动机(3)的速度来推定施加给主轴电动机(3)的负荷转矩；以及速度控制部(12),其控制进给轴电动机(2)的速度,使得由负荷转矩推定部(11)推定出的负荷转矩遵循预先规定的负荷转矩目标值。(The present invention relates to a control device for a machine tool having a spindle and a feed shaft. A control device (1) for a machine tool having a feed shaft driven by a feed shaft motor (2) is provided with: a load torque estimation unit (11) that estimates a load torque applied to a spindle motor (3) that drives a machine tool spindle, based on a torque command for the spindle motor (3) and the speed of the spindle motor (3); and a speed control unit (12) that controls the speed of the feed shaft motor (2) such that the load torque estimated by the load torque estimation unit (11) follows a predetermined load torque target value.)

具有主轴以及进给轴的机床的控制装置

技术领域

本发明涉及具有主轴以及进给轴的机床的控制装置。

背景技术

一般在机床中，通过主轴电动机驱动安装了工具的主轴，通过进给轴电动机驱动使主轴相对于工件(被加工物)相对移动的进给轴。在机床的加工中，工具从自身所接触的工件受到反力，所以施加给主轴电动机的负荷转矩(主轴干扰负荷)发生变动。施加给设置在主轴上的工具的负荷转矩根据针对工件的工具的进给轴的速度和工具与工件之间的接触状态等发生变化。为了提高加工效率考虑提高进给轴的速度。但是，如果过度提高进给速度，则施加给驱动设置有工具的主轴的主轴电动机的负荷转矩变大，有可能使工具产生破损，或者使工件产生异常。相反，通过缩小进给轴的速度能够缩小施加给主轴电动机的负荷转矩，但是存在机床的加工效率下降的缺点。因此，需要适当地调整施加给主轴电动机的负荷转矩。

例如如日本特开平07-051992号公报所记载的那样，已知一种开孔加工方式，即，在工件中使用钻头开孔的开孔加工方式具备：主轴切削负荷推定单元，其推定旋转驱动上述钻头的主轴的切削负荷转矩；主轴切削负荷监视单元，其判别上述主轴切削负荷推定单元的推定切削负荷转矩是否为预定转矩以上并进行监视；以及主轴和进给轴控制单元，其根据上述主轴切削负荷监视单元的监视结果来进行上述钻头的主轴以及进给轴的驱动控制。

例如如日本特开平07-195256号公报所记载那样，已知一种控制装置，其用于机床并控制进给机构的进给速度，该机床具备使自由装卸地安装在前端的工具旋转的主轴旋转机构、以及使上述主轴旋转机构相对于被加工物前进后进移动的上述进给机构，该控制装置具备：转矩检测单元，其检测施加给上述工具的转矩；进给速度计算单元，其至少根据所设定的转矩目标值和通过上述转矩检测单元检测出的转矩来求出上述进给速度；以及进给机构控制单元，其接受上述进给速度计算单元的输出，以成为计算出的进给速度的方式控制上述进给机构。

例如，如日本特开2016-140967号公报所记载的那样，已知一种位置控制装置，其按照来自上位装置的位置指令值对使用伺服电动机驱动负荷的数值控制机器的控制对象的位置进行控制，其特征在于，该位置控制装置具备：控制器，其根据上述位置指令值和从位置检测器得到的上述控制对象的位置检测值来输出操作量；加法器，其将上述操作量和补偿量相加并输出控制输入；根据上述控制输入驱动控制对象的单元；干扰观察器，其将上述控制对象的标称值的反特性和上述位置检测值相乘而得的值与上述控制输入之间的差分输入给低通滤波器，并得到干扰推定值；以及振幅相位修正器，其根据上述干扰推定値和切削振动频率来计算上述补偿量，上述振幅相位修正器根据上述切削振动频率的上述低通滤波器的增益特性来计算增益修正系数，根据上述切削振动频率的上述低通滤波器的相位特性来计算相位修正值，并根据上述增益修正系数以及上述相位修正值来对上述干扰推定值进行增益修正以及相位修正。

例如，如国际公开第2018/092221号所记载的那样，已知一种机床进给轴的控制方法，其具有输入位置指令的位置控制部、从该位置控制部输入速度指令的速度控制部、根据从该速度控制部输入的转矩指令生成驱动机床进给轴的电流的伺服放大器，其特征在于，该进给轴控制方法检测上述机床的前端部分的振动加速度，频率分析上述振动加速度并确定振动的中心频率，根据上述中心频率来设定带通滤波器的频率，将在上述带通滤波器中设定的频率的振动加速度反馈给上述伺服放大器。

发明内容

为了同时实现避免对针对主轴电动机的负荷转矩的增大所伴随的工具破损和工件的异常产生、以及提高机床的加工效率，适当地调整施加给主轴电动机的负荷转矩是十分重要的。

例如，考虑一种控制方法，其根据主轴转矩指令对驱动进给轴的进给轴电动机的速度进行控制，由此将施加给主轴电动机的负荷转矩调整到希望的值。但是，根据基于工具从工件受到的反力的负荷转矩(主轴干扰负荷)和针对主轴电动机的加减速转矩而生成主轴转矩指令。在与这样的主轴转矩指令对应的进给轴电动机的进给速度的控制下，当受到负荷转矩变化的影响而主轴电动机的速度大幅发生变化时，在该过渡时施加给主轴电动机的负荷转矩偏离希望的值，而不能够适当地调整负荷转矩。

因此，希望一种控制装置，其在具有通过主轴电动机驱动的主轴以及通过进给轴电动机驱动的进给轴的机床中，将主轴电动机的负荷转矩保持为希望的值。

根据本公开的一个方式，机床的控制装置具备：负荷转矩推定部，其根据针对驱动主轴的主轴电动机的转矩指令和主轴电动机的速度来推定施加给主轴电动机的负荷转矩；以及速度控制部，其控制进给轴电动机的速度，使得由负荷转矩推定部推定出的负荷转矩遵循预先规定的负荷转矩目标值。

附图说明

通过参照以下的附图，能够更明确地理解本发明。

图1是表示本公开一个实施方式的机床的控制装置的框图。

图2是表示本公开一个实施方式的负荷转矩推定部的结构的框图。

图3示意地表示在本公开的一个实施方式中主轴电动机的推定负荷转矩与进给速度的关系。

图4是表示本公开一个实施方式的机床的控制装置的动作流程的流程图。

图5例示地表示本公开一个实施方式的机床的控制装置的第二增益变更部的增益与截止频率的关系。

具体实施方式

以下，参照附图说明具有主轴以及进给轴的机床的控制装置。为了容易理解，这些附图将适当变更比例尺。附图所示的方式是用于实施的一例，不限于图示的实施方式。

图1是表示本公开一个实施方式的机床的控制装置的框图。

如图1所示，根据本公开的一个实施方式，具有通过主轴电动机3驱动的主轴以及通过进给轴电动机2驱动的进给轴的机床的控制装置1具有进给轴电动机控制系统10和主轴电动机控制系统20。

主轴电动机控制系统20用于控制主轴电动机3的旋转，该主轴电动机3对设置了工具等的主轴进行驱动。主轴电动机控制系统20例如具备位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23以及电流控制部24。位置指令生成部21通过数值控制装置等的上位控制装置(未图示)所进行的控制来生成针对主轴电动机3的位置指令。位置控制部22根据与通过位置指令生成部21生成的位置指令和主轴电动机3的转子实际位置相关的信息(位置反馈)来生成速度指令。速度控制部23根据通过位置控制部22生成的速度指令和通过编码器31检测出的主轴电动机3的速度(速度反馈)来生成转矩指令。电流控制部24根据通过速度控制部23生成的针对主轴电动机3的转矩指令来生成电流指令。主轴用的逆变器(未图示)根据开关指令使设置在内部的半导体开关元件进行接通断开动作，并将直流电力转换为用于电动机驱动的交流电力来提供给主轴电动机3，其中该开关指令是根据由电流控制部24生成的电流指令和流入由电流检测器(未图示)检测出的主轴电动机3的电动机绕组中的电流(电流反馈)而生成的。由此，主轴电动机3根据从主轴用逆变器提供的交流电力进行动作。通过驱动主轴电动机3来驱动机床的主轴。另外，这里说明的主轴的电动机控制系统20的结构只是一例，例如还可以包括转矩控制部和开关控制部等的用语来规定主轴电动机控制系统20的结构。或者，也可以将位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23、电流控制部24、转矩控制部、开关控制部等中的多个适当地一体化并规定主轴电动机控制系统20的结构。或者，也可以省略位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23、电流控制部24、转矩控制部、开关控制部等任意一个来规定主轴电动机控制系统20的结构。

进给轴电动机控制系统10用于控制对使主轴相对于工件(被加工物)相对移动的进给轴进行驱动的进给轴电动机2的旋转。本实施方式的进给轴电动机控制系统10具备负荷转矩推定部11、速度变更部12、第一增益变更部13、第二增益变更部14以及存储部15。另外，进给轴电动机控制系统10具备速度控制部16和电流控制部17。

负荷转矩推定部11根据针对驱动机床的主轴的主轴电动机3的转矩指令和主轴电动机3的速度来推定施加给主轴电动机3的负荷转矩。负荷转矩推定部11从主轴电动机控制系统20内的速度控制部23取得针对主轴电动机3的转矩指令，从编码器31取得主轴电动机3的速度。

这里，说明负荷转矩推定部11的一个结构例。图2是表示本公开一个实施方式的负荷转矩推定部的结构的框图。图2所示的负荷转矩推定部11的结构是一例，也可以通过其他结构来实现。

推定主轴电动机3的负荷转矩的负荷转矩推定部11具备观察器110。图2中，针对主轴电动机3的转矩指令A被输入被要素101并用于驱动主轴电动机3。通过加法器102将干扰负荷转矩B₁与主轴电动机3的输出相加。在将主轴电动机3的惯性设为J时，被输入了要素101与干扰负荷转矩B₁的相加结果的要素103输出主轴电动机3的速度V₁。这里，K_t是用于将转矩指令的单位转换为转矩的单位的转换系数。

另外，针对主轴电动机3的转矩指令A被输入给观察器110。观察器110根据针对主轴电动机3的转矩指令A和主轴电动机3的实际速度(即速度反馈)V₁来推定干扰负荷转矩。针对主轴电动机3的转矩指令A在要素111乘以“K_t/J”，并输出给加法器112。加法器112将来自后述的运算要素114的反馈信号与要素111的输出相加。加法器113将来自后述的运算要素115的反馈信号与加法器112的输出相加。加法器112以及加法器113的输出单位是加速度。加法器113的输出被输入到被积分器116，其结果为，积分器116输出主轴电动机3的推定速度V₂。

通过减法器117求出主轴电动机3的推定速度V₂与主轴电动机3的实际速度V₁之间的差，并将得到的差分分别反馈给运算要素114以及运算要素115。这里，运算要素114具有比例常数K1。比例常数K1的单位为“sec^-1”。另外，运算要素115具有积分常数K2。积分常数K2的单位为“sec^-2”。

在图2所示的负荷转矩推定部11中，主轴电动机3的实际速度(即速度反馈)V₁如下述数学式1那样表示。

另外，主轴电动机3的推定速度V₂如下述数学式2那样表示。

另外，主轴电动机3的推定速度B₂、主轴电动机3的实际速度V₁以及推定速度V₂之间会成立下述数学式3的关系。

根据数学式1、数学式2以及数学式3，主轴电动机3的推定负荷转矩B₂如下述数学式4那样表示。

根据数学式4可知能够通过观察器110如B₂那样来推定出干扰负荷转矩B₁。

以上是负荷转矩推定部11的推定处理。

返回图1的说明，速度变更部12进行变更进给轴电动机2的速度的控制，使得由负荷转矩推定部11推定出的负荷转矩遵循预先规定的负荷转矩目标值。更具体地说，速度变更部12取得从数值控制装置等上位控制装置(未图示)取得的负荷转矩目标值和从负荷转矩推定部11取得的推定负荷转矩的差，生成针对该差成为零的进给轴电动机2的速度指令。用于变更通过速度变更部12生成的进给轴电动机2的速度的速度指令被发送给速度控制部16，根据该速度指令来变更进给轴电动机2的速度(转速)。

另外，能够通过变更倍率来实现针对进给轴电动机2的速度指令的变更，所以速度变更部12可以生成负荷转矩目标值与推定负荷转矩的差为零的倍率。一般在数值控制装置中，能够将被称为“override”的倍率(例如0～200％)乘以针对电动机的速度指令来变更速度(转速)。

速度控制部16根据通过速度变更部12生成的速度指令和通过编码器32检测出的进给轴电动机2的速度(速度反馈)来生成转矩指令。电流控制部17根据由速度控制部16生成的针对进给轴电动机2的转矩指定来生成电流指令。速度控制部16和电流控制部17被一体化构成，此时，通过速度变更部12生成的速度指令和通过编码器32检测出的进给轴电动机2的速度(速度反馈)来生成电流指令。

进给轴用的逆变器(未图示)根据开关指令使设置在内部的半导体开关元件进行接通断开动作，将直流电力转换为用于电动机驱动的交流电力来提供给进给轴电动机2，该开关指令是根据由电流控制部17生成的电流指令和通过电流检测器(未图示)检测出的流入主轴电动机2的电动机绕组中的电流(电流反馈)而生成的。由此，进给轴电动机2根据从进给轴用逆变器提供的交流电力进行动作。通过进给轴电动机2来驱动进给轴，使工具4相对于工件5相对移动。

图3是对在本公开的一个实施方式中主轴电动机的推定负荷转矩与进给速度的关系示意性地表示的图。用于加工工件5的工具4被安装在通过主轴电动机3(图3中未图示)驱动的主轴上。被安装在主轴上的工具4根据由进给轴电动机2(图3中未图示)驱动的进给轴的动作，相对于工件5相对移动。这里，将工具4相对于工件5的相对速度称为“进给速度”。在本实施方式中，通过负荷转矩推定部11推定出的负荷转矩(主轴干扰负荷)越大，进给速度越小。即，在通过负荷转矩推定部11推定出的负荷转矩(主轴干扰负荷)小时提高进给速度，在通过负荷转矩推定部11推定出的负荷转矩(主轴干扰负荷)大时降低进给速度。另外，工具4相对于工件5的相对速度即“进给速度”能够通过将预定转换系数与进给轴电动机2的转速相乘来求出。该转换系数是与将进给轴电动机2设为驱动源的进给轴机构的结构等相对应地决定的值。

用于上述速度变更部12中的进给轴电动机2的速度变更的控制增益是通过第一增益变更部13并根据主轴电动机3的速度或主轴电动机3的速度与设置在主轴上的工具的刃数相乘而得的值即加工干扰的频率来变更的。针对基于第一增益变更部13的速度变更部12的控制增益的变更处理将在后面予以详细描述。

另外，用于推定上述负荷转矩推定部11的负荷转矩的增益是通过第二增益变更部14并根据主轴电动机3的速度或主轴电动机3的速度与设置在主轴上的工具的刃数相乘而得的值即加工干扰的频率来变更的。针对基于第二增益变更部14的负荷转矩推定部11的增益的变更处理将在后面予以详细描述。

存储部15中存储有用于第一增益变更部13以及第二增益变更部14的变更处理的与设置在主轴上的工具4的刃数相关的信息。存储部15例如由EEPROM(注册商标)等可电消除、记录的非易失性存储器或者例如DRAM、SRAM等能够高速读写的随机存取存储器等构成。

负荷转矩推定部11、速度变更部12、第一增益变更部13、第二增益变更部14、速度控制部16、电流控制部17、位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23以及电流控制部24例如可以通过软件程序形式来构筑，或者也可以通过各种电子电路与软件程序的组合来构筑。在通过软件程序形式来构筑负荷转矩推定部11、速度变更部12、第一增益变更部13、第二增益变更部14、速度控制部16、电流控制部17、位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23以及电流控制部24时，例如使设置在机床的数值控制装置内的DSP或FPGA等运算处理装置按照该软件程序来进行动作，由此能够实现上述各部的功能。或者也可以将负荷转矩推定部11、速度变更部12、第一增益变更部13、第二增益变更部14、速度控制部16、电流控制部17、位置指令生成部21、位置控制部22、速度控制部23以及电流控制部24作为读入了实现各部功能的软件程序的半导体集成电路来实现。

图4是表示本公开一个实施方式的机床的控制装置的动作流程的流程图。

在通过机床的控制装置1内的主轴电动机控制系统20来控制主轴电动机3的驱动的状态下，在步骤S101中，负荷转矩推定部11从主轴电动机控制系统20内的速度控制部23取得针对主轴电动机3的转矩指令。

在步骤S102中，负荷转矩推定部11从编码器31取得主轴电动机3的速度。另外，步骤S101和步骤S102也可以替换顺序来执行。

在步骤S103中，负荷转矩推定部11根据针对驱动机床主轴的主轴电动机3的转矩指令和主轴电动机3的速度来推定施加给主轴电动机3的负荷转矩。

在步骤S104中，速度变更部12进行变更进给轴2的速度的控制，使得通过负荷转矩推定部11推定出的负荷转矩遵循预先规定的负荷转矩目标值。更具体地说，速度变更部12取得负荷转矩目标值与从负荷转矩推定部11取得的推定负荷转矩之间的差来生成针对该差成为零的进给轴电动机2的速度指令。用于变更通过速度变更部12生成的进给轴电动机2的速度的速度指令被发送给速度控制部16，根据该速度指令进行变更进给轴电动机2的速度(转速)的控制。

这样，根据本实施方式，在具有通过主轴电动机驱动的主轴以及通过进给轴电动机驱动的进给轴的机床中，能够将主轴电动机的负荷转矩保持为希望的值，所以能够同时实现避免针对主轴电动机的负荷转矩增大所伴随的工具破损和工件的异常产生、以及提高机床的加工效率。

接着，说明第一增益变更部13的速度变更部12的控制增益的变更处理以及第二增益变更部14的负荷转矩推定部11的增益变更处理。表1表示在第一增益变更部13的速度变更部12的控制增益的变更处理以及第二增益变更部14的负荷转矩推定部11的增益变更处理中，主轴电动机3的速度或加工干扰的频率与负荷转矩推定部11的滤波增益以及速度变更部12的增益之间的关系。

表1

第一增益变更部13根据主轴电动机3的速度或主轴电动机3的速度与设置在主轴上的工具4的刃数相乘而得的值即加工干扰的频率，来变更用于速度变更部12的进给轴电动机2的速度变更的控制增益K_i以及K_p。例如，在根据主轴电动机3的速度变更控制增益K_i以及K_p时，就第一增益变更部13而言，主轴电动机3的速度越快(高)，则越需要提高针对进给轴电动机2的控制的应答性，所以将控制增益K_i以及K_p设定为大的值。另外，例如可以根据设置在主轴上的工具4的刃数与主轴电动机3的速度相乘而得的值即加工干扰的频率来变更控制增益K_i以及K_p。由于通过主轴电动机3对设置有工具4的主轴进行旋转驱动，所以在主轴电动机3中会产生通过工具4的刃数与主轴电动机3的速度相乘而得的值求出的频率的负荷转矩作为加工干扰。从而，就第一增益变更部13而言，在针对主轴电动机3的加工干扰(负荷转矩)的频率越高，则越需要提高(加快)针对进给轴电动机2的控制的应答性，所以将控制增益K_i以及K_p设定为大的值。

另外，第二增益变更部14根据主轴电动机3的速度或主轴电动机3的速度与设置在主轴上工具4的刃数相乘而得的值即加工干扰的频率，变更用于负荷转矩推定部11的负荷转矩的推定的增益K₁以及K₂。用于负荷转矩的推定的增益K₁以及K₂通过变更负荷转矩推定部11的滤波增益的时间常数而被变更。例如，在根据主轴电动机3的速度变更增益K₁以及K₂时，主轴电动机3的速度越快(高)，则越需要提高推定负荷转矩的应答性，第二增益变更部14将增益K₁以及K₂设定为大的值(将滤波增益的时间常数设定为小的值)。滤波增益的时间常数越小，滤波器的平均化时间则越短。由于在主轴电动机3的速度慢(低)的情况下，不需要提高应答性，因此将增益K₁以及K₂设定为小的值(扩大滤波增益的时间常数)，并提高稳定性。另外例如也可以根据设置在主轴上的工具4的刃数与主轴电动机3的速度相乘而得的值即加工干扰的频率来变更增益K₁以及K₂。此时，就第二增益变更部14而言，针对主轴电动机3的加工干扰(负荷转矩)的频率越高，则越需要提高(加快)针对进给轴电动机2的控制的应答性，所以将增益K₁以及K₂设定为大的值(将滤波增益的时间常数设定为小的值)。

另外，当主轴电动机3的速度慢(低)时，可以不必通过第二增益变更部14将负荷转矩推定部11的滤波增益变更为小的值，而通过第一增益变更部13只将速度变更部的控制增益K₁以及K₂设定变更为小的值。

图5是例示本公开一个实施方式的机床控制装置的第二增益变更部的增益与截止频率的关系的图。

在设为用于负荷转矩推定部11的负荷转矩的推定的传送函数G(s)时，能够如以下述数学式5那样表示基于负荷转矩推定部11的滤波增益时间常数的截止频率ω_n以及衰减系数ζ。

其中，

在设定用于负荷转矩推定部11的负荷转矩的推定的增益K₁以及K₂时，首先通过调整增益K₂来设定截止频率ω_n。并且，通过调整增益K₁来进行调整使得衰减系数ζ成为1/√2附近。图5中，表示ζ为“0.125”、“0.5”、“1/√2”、“5/3”的情况。

另外，负荷转矩推定部11的增益K₁和K₂、以及速度变更部12的控制增益K_i和K_p在控制装置1所控制的机床加工相同的产品的期间，基本没有进行变更。

但是，在加工相同的产品时，变更针对主轴电动机3的速度指令时和变更针对主轴电动机3的负荷转矩目标值时，执行基于第一增益变更部13的速度变更部12的控制增益的变更处理以及基于第二增益变更部14的负荷转矩推定部11的增益的变更处理。例如，在变更针对主轴电动机3的速度指令时，第一增益变更部13以及第二增益变更部14例如根据主轴电动机3的动作程序等来检测速度指令的变更，自动执行上述变更处理。另外例如在变更针对主轴电动机3的负荷转矩目标值时，第一增益变更部13以及第二增益变更部14根据上位的数值控制装置(未图示)来检测负荷转矩目标值的变更，自动执行上述变更处理。

另外，在变更控制装置1所控制的机床的工具4时和变更该机床进行加工的产品时，执行基于第一增益变更部13的速度变更部12的控制增益的变更处理以及基于第二增益变更部14的负荷转矩推定部11的增益的变更处理。例如第一增益变更部13以及第二增益变更部14从上位的数值控制装置接受工具4被变更的情况和该机床所加工的产品被变更的情况相关的通知，自动执行上述的变更处理。

另外，当作业人员经由上位的数值控制装置(未图示)的触摸面板和操作键等的输入装置进行预定的操作时，可以自动执行变更处理。

这样，在本实施方式中，执行基于第一增益变更部13进行的速度变更部12的控制增益的变更处理以及基于第二增益变更部14进行的负荷转矩推定部11的增益的变更处理，由此能够将主轴电动机的负荷转矩更适当地保持为希望的值。

根据本公开的一个方式，在具有通过主轴电动机驱动的主轴以及通过进给轴电动机驱动的进给轴的机床中，可以实现能够将主轴电动机的负荷转矩保持为希望的值的控制装置。