專(zhuān)利名稱(chēng)：軌跡控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在控制NC工作機(jī)械、NC激光加工機(jī)等的NC控制裝置中管理工具軌跡的軌跡控制裝置，特別涉及不論指令路徑的形狀如何，都抑制軌跡誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)高速高精度加工的軌跡控制裝置。
背景技術(shù)：
在使用NC工作機(jī)械、NC激光加工機(jī)等機(jī)械來(lái)進(jìn)行加工的情況下，以使工具(立銑刀等刃物)相對(duì)工作物的位置沿著指令的路徑上的方式進(jìn)行控制。該控制被稱(chēng)為軌跡控制，一般通過(guò)以使機(jī)械的各可動(dòng)軸的實(shí)際的位置追蹤根據(jù)指令路徑求出的各可動(dòng)軸的位置指令的方式執(zhí)行伺服控制來(lái)進(jìn)行。作為進(jìn)行軌跡控制的問(wèn)題，以往存在起因于各可動(dòng)軸的控制系的應(yīng)答延遲等而實(shí)際的軌跡偏離所指令的路徑的問(wèn)題。通常，針對(duì)機(jī)械的各可動(dòng)軸的每一個(gè)進(jìn)行控制，所以由于各軸的控制系的應(yīng)答延遲等所致的誤差，各可動(dòng)軸的伺服系應(yīng)答比位置指令延遲地移動(dòng)。在如直線(xiàn)那樣指令路徑的移動(dòng)方向不變化的情況下，即使各軸延遲移動(dòng)，作為伺服系應(yīng)答的軌跡也不會(huì)從指令路徑上脫離。即，雖然在指令路徑的切線(xiàn)方向上出現(xiàn)誤差，但不會(huì)出現(xiàn)指令路徑的法線(xiàn)方向的誤差。另一方面，在指令路徑的移動(dòng)方向如曲線(xiàn)、角形狀等那樣變化的情況下，由于各軸的伺服控制系的延遲，而在指令路徑的法線(xiàn)方向上出現(xiàn)誤差。以下，將伺服系應(yīng)答位置相對(duì)位置指令的誤差中的、指令路徑的切線(xiàn)方向的分量稱(chēng)為追蹤誤差，將指令路徑的法線(xiàn)方向的分量稱(chēng)為軌跡誤差。一般，如果有軌跡誤差，則力口工形狀與本來(lái)的形狀不一致，所以不優(yōu)選。另一方面，追蹤誤差不會(huì)對(duì)加工形狀直接造成影響，所以相比于軌跡誤差，被容許的情況較多，但如果追蹤誤差過(guò)大，則加工時(shí)間延遲，而不優(yōu)選。作為用于抑制這些軌跡誤差、追蹤誤差的方案，例如在下述的專(zhuān)利文獻(xiàn)I中，公開(kāi)了在機(jī)器人的卡抓位置的控制中，推測(cè)規(guī)定的采樣時(shí)間前方的卡抓的位置，按照從所推測(cè)出的卡抓位置落入目標(biāo)軌道上的垂線(xiàn)矢量的量，校正位置指令，從而容許時(shí)間延遲，同時(shí)使卡抓位置位于目標(biāo)軌道上來(lái)抑制軌跡誤差的方法。即，通過(guò)推測(cè)在進(jìn)行多個(gè)可動(dòng)軸的控制的情況下產(chǎn)生的誤差中的、與目標(biāo)軌道即指令路徑垂直的方向的誤差即軌跡誤差，并按照該推測(cè)出的軌跡誤差的量逆向地校正指令路徑，而校正軌跡誤差，抑制在移動(dòng)路徑中產(chǎn)生的軌跡誤差。專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2006 - 015431號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)I公開(kāi)那樣的方法中，雖然在如簡(jiǎn)單的圓或者圓弧那樣穩(wěn)定地產(chǎn)生相同量的軌跡誤差的情況下，能夠有效地校正軌跡誤差，但在從直線(xiàn)切換為圓弧那樣的指令路徑的情況下，存在如下問(wèn)題在其邊界的部分無(wú)法充分校正軌跡誤差，在校正后的移動(dòng)路徑中也仍殘留軌跡誤差。即，在直線(xiàn)部分中不產(chǎn)生軌跡誤差，所以不發(fā)生用于校正軌跡誤差的校正量，但在圓弧那樣的曲線(xiàn)部分中，如上所述發(fā)生指令路徑的法線(xiàn)方向的誤差、即軌跡誤差，所以發(fā)生用于校正軌跡誤差的校正量。另外，在直線(xiàn)部分與圓弧部分的邊界部分中，軌跡誤差的大小、朝向過(guò)渡性地大幅變化，其結(jié)果，用于校正軌跡誤差的校正量也過(guò)渡性地變化。在這樣的情況下，如果原樣地使用所推測(cè)出的軌跡誤差來(lái)校正指令路徑，則邊界部分中的校正量與理想的校正量不同，而無(wú)法充分校正軌跡誤差。例如，考慮在沿著XY平面上的指令路徑移動(dòng)的情況下，在X軸方向上直線(xiàn)移動(dòng)之后，成為圓弧指令的情況。此時(shí)，設(shè)為直線(xiàn)和圓弧入口的切線(xiàn)的朝向一致，并設(shè)為在圓弧部分中Y軸向正的方向移動(dòng)。在該情況下，為了校正在圓弧的部分中發(fā)生的軌跡誤差，在與指令路徑垂直的方向上加上校正量，校正后的指令路徑成為圓弧部分向外側(cè)鼓起來(lái)的路徑。在這樣的情況下，在轉(zhuǎn)移到圓弧指令并經(jīng)過(guò)了一定的時(shí)間之后，校正后的路徑與指令路徑一致，但在剛剛轉(zhuǎn)移到圓弧指令之后，校正后的移動(dòng)路徑相對(duì)指令路徑過(guò)沖(overshoot),而成為向外側(cè)鼓起來(lái)的路徑。即，在剛剛轉(zhuǎn)移到圓弧指令之后，Y軸暫時(shí)向負(fù)方向移動(dòng)，之后向正方向移動(dòng)。其原因?yàn)?，為了向相?duì)指令路徑垂直的方向校正指令，成為指令路徑的圓弧部分向外側(cè)鼓起來(lái)的路徑，此時(shí)由于校正后的指令路徑的Y軸分量進(jìn)行暫時(shí)向負(fù)方向移動(dòng)之后向正方向移動(dòng)那樣的變化的原因而產(chǎn)生。在工作機(jī)械中，工具(刃物)的移動(dòng)路徑的形狀被轉(zhuǎn)印到加工面，所以如上述例子那樣，如果從直線(xiàn)在圓弧的邊界本來(lái)軌跡平滑地連接的部分中移動(dòng)路徑向外側(cè)鼓起來(lái)，則其影響在加工面中引起突起、折痕這樣的加工不良而被表現(xiàn)，使加工面的質(zhì)量降低，所以不優(yōu)選。本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而完成的，其目的在于提供一種軌跡控制裝置，即使在提供了直線(xiàn)和曲線(xiàn)連續(xù)那樣的指令路徑的情況下，也能夠進(jìn)行還包括直線(xiàn)與曲線(xiàn)的邊界部分那樣的軌跡誤差的大小、朝向過(guò)渡性地變化的部位而將軌跡誤差抑制得充分小的校正。為了解決上述課題并達(dá)成目的，本發(fā)明的軌跡控制裝置，通過(guò)用多個(gè)可動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械的可動(dòng)部，并同時(shí)控制所述多個(gè)可動(dòng)軸的馬達(dá)來(lái)控制所述可動(dòng)部的軌跡，其特征在于，具備伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部，根據(jù)各可動(dòng)軸的位置指令，運(yùn)算伺服系應(yīng)答軌跡；形狀特征判定部，根據(jù)所述位置指令，判定指令路徑的形狀是直線(xiàn)還是曲線(xiàn)，輸出形狀特征量；位置矢量校正部，根據(jù)所述位置指令、所述伺服系應(yīng)答軌跡以及所述形狀特征量，校正位置矢量，輸出校正后的位置指令；以及多個(gè)伺服控制部，通過(guò)以使各可動(dòng)軸的位置追蹤所述校正后位置指令的方式，輸出馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，控制各可動(dòng)軸的馬達(dá)。根據(jù)本發(fā)明，即使在直線(xiàn)和曲線(xiàn)連續(xù)那樣的指令路徑中的直線(xiàn)與曲線(xiàn)的邊界部分、拐點(diǎn)這樣的、軌跡誤差的大小、朝向過(guò)渡性地變化那樣的情況下，也能夠有效地抑制軌跡誤差，軌跡精度提高。其結(jié)果，起到能夠避免加工面的損傷、折痕這樣的加工不良，加工面質(zhì)量提高這樣的效果。


圖1是示出本發(fā)明的軌跡控制裝置的實(shí)施方式I的框圖。圖2是詳細(xì)示出圖1的伺服控制部的結(jié)構(gòu)的框圖。圖3是示出實(shí)施方式I中的軌跡誤差矢量的運(yùn)算動(dòng)作的圖。圖4是示出實(shí)施方式I中的形狀特征判定部的動(dòng)作的圖。
圖5是示出實(shí)施方式I中的校正后位置指令的運(yùn)算動(dòng)作的圖。圖6是示出實(shí)施方式I中的校正(軌跡誤差抑制)的效果的圖。圖7是示出實(shí)施方式2中的形狀特征判定部的動(dòng)作的圖。圖8是示出實(shí)施方式2中的校正后位置指令的運(yùn)算動(dòng)作的圖。圖9是示出實(shí)施方式3中的伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部的動(dòng)作的圖。圖10是示出實(shí)施方式3中的形狀特征判定部的動(dòng)作的圖。圖11是示出實(shí)施方式3中的校正后位置指令的運(yùn)算動(dòng)作的圖。(符號(hào)說(shuō)明)1:伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部；2:位置矢量校正部；7 第I軸伺服控制部；8:第2軸伺服控制部；9:形狀特征判定部；10:軌跡控制裝置；11:伺服控制部；12:規(guī)范模型部；13:機(jī)械系;20、22、26:減法器;21、23:模型增益乘法器;24、25:積分器；31:加法器；27:位置控制器；28:加減法器；29:速度控制器；30:乘法器；32:馬達(dá)；33:負(fù)載。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1.
圖1是示出本發(fā)明的軌跡控制裝置的實(shí)施方式I的框圖。軌跡控制裝置10構(gòu)成為包括伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部1、形狀特征判定部9、位置矢量校正部2、第I軸伺服控制部
7、以及第2軸伺服控制部8。 將工具(刃物)的指令路徑以NC程序等形式作為機(jī)械的第I軸以及第2軸位置指令提供。在伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部I中，在提供了第I軸位置指令和第2軸位置指令時(shí)，運(yùn)算伺服系的應(yīng)答軌跡。對(duì)于該應(yīng)答軌跡的運(yùn)算方法，將后述。形狀特征判定部9判定根據(jù)第I軸以及第2軸位置指令決定的指令路徑是直線(xiàn)還是曲線(xiàn)，將直線(xiàn)與曲線(xiàn)的邊界點(diǎn)位置以及直線(xiàn)的方向作為形狀特征量而輸出。位置矢量校正部2根據(jù)上述伺服系應(yīng)答軌跡和位置指令計(jì)算軌跡誤差，使用所計(jì)算出的軌跡誤差和形狀特征量運(yùn)算用于不產(chǎn)生軌跡的過(guò)沖地抑制軌跡誤差的校正后位置指令。對(duì)于校正，通過(guò)合成第I軸位置指令以及第2軸位置指令而作為指令位置矢量并對(duì)其執(zhí)行矢量運(yùn)算來(lái)進(jìn)行校正，通過(guò)將校正了的結(jié)果的位置矢量的各軸分量作為第I軸以及第2軸的校正后位置指令來(lái)進(jìn)行。第I軸伺服控制部7以及第2軸伺服控制部8以使第I可動(dòng)軸的位置以及第2可動(dòng)軸的位置分別追蹤第I軸校正后位置指令以及第2軸校正后位置指令的方式，分別輸出第I軸以及第2軸的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。第I軸伺服控制部7以及第2軸伺服控制部8是同一結(jié)構(gòu)，在圖2中作為伺服控制部11示出其框圖。針對(duì)輸入到伺服控制部11的校正后位置指令，通過(guò)減法器20減去模型位置，通過(guò)模型增益乘法器21乘以第I模型增益K1，通過(guò)減法器22減去模型速度，進(jìn)而通過(guò)模型增益乘法器23乘以第2模型增益K2,而輸出模型加速度。通過(guò)積分器24對(duì)模型加速度進(jìn)行積分而輸出模型速度，通過(guò)積分器25對(duì)模型速度進(jìn)行積分而輸出模型位置。此處，將輸入校正后位置指令，并輸出模型位置、模型速度以及模型加速度的模塊稱(chēng)為規(guī)范模型部12。通過(guò)減法器26從模型位置減去馬達(dá)位置信號(hào)而輸出位置誤差。通過(guò)位置控制器27對(duì)位置誤差進(jìn)行比例控制等控制。在加減法器28中對(duì)位置控制器輸出加上模型速度，進(jìn)而減去馬達(dá)速度信號(hào)而輸出速度誤差。通過(guò)速度控制器29對(duì)速度誤差進(jìn)行比例控制或者積分控制等控制。通過(guò)乘法器30，對(duì)模型加速度乘以與控制對(duì)象的慣量相當(dāng)?shù)闹刀\(yùn)算模型轉(zhuǎn)矩，通過(guò)加法器31對(duì)速度控制器輸出加上模型轉(zhuǎn)矩而輸出馬達(dá)轉(zhuǎn)矩信號(hào)。具有馬達(dá)32以及負(fù)載33的機(jī)械系13通過(guò)該馬達(dá)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將馬達(dá)速度信號(hào)和馬達(dá)位置信號(hào)作為反饋信號(hào)輸出到伺服控制部U。本實(shí)施方式的伺服控制部11是使用了規(guī)范模型部12的2自由度控制器，能夠獨(dú)立地設(shè)計(jì)針對(duì)指令的追蹤性和針對(duì)干擾的應(yīng)答性。馬達(dá)位置相對(duì)位置指令的追蹤性由第I模型增益K1以及第2模型增益K2決定，馬達(dá)位置相對(duì)干擾的應(yīng)答性由位置控制器以及速度控制器的設(shè)計(jì)決定。因此，馬達(dá)位置的應(yīng)答不管實(shí)際的控制對(duì)象的特性如何，都被控制為追蹤作為規(guī)范模型的輸出的模型位置。如以下那樣進(jìn)行伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部I中的伺服系應(yīng)答軌跡的運(yùn)算。如上所述，伺服系的應(yīng)答能夠通過(guò)規(guī)范模型的應(yīng)答來(lái)表示，所以通過(guò)求出第I軸以及第2軸位置指令作為輸入而提供的情況的、規(guī)范模型的輸出即模型位置，而分別求出第I軸以及第2軸的伺服系應(yīng)答位置。然后，將以第I軸以及第2軸的伺服系應(yīng)答位置為各可動(dòng)軸方向的分量的矢量作為伺服系應(yīng)答位置矢量，將該位置矢量描繪的軌跡作為伺服系應(yīng)答軌跡。能夠通過(guò)用微分方程式、差分方程式、傳遞函數(shù)等形式來(lái)表示圖2所示的規(guī)范模型部12，并利用數(shù)值計(jì)算來(lái)計(jì)算其解，而求出作為規(guī)范模型的輸出的模型位置。另外，在指令形狀已知的情況下，能夠通過(guò)積分計(jì)算求出解析解。例如，圖2所示的規(guī)范模型的傳遞函數(shù)Gm (S)如下式所示。[式I]
權(quán)利要求
1.一種軌跡控制裝置，通過(guò)用多個(gè)可動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械的可動(dòng)部，并同時(shí)控制所述多個(gè)可動(dòng)軸的馬達(dá)來(lái)控制所述可動(dòng)部的軌跡，其特征在于，具備: 伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部，根據(jù)各可動(dòng)軸的位置指令，運(yùn)算伺服系應(yīng)答軌跡； 形狀特征判定部，根據(jù)所述位置指令，判定指令路徑的形狀是直線(xiàn)還是曲線(xiàn)，輸出形狀特征量； 位置矢量校正部，根據(jù)所述位置指令、所述伺服系應(yīng)答軌跡以及所述形狀特征量，通過(guò)矢量運(yùn)算校正位置指令，輸出校正后的位置指令；以及 多個(gè)伺服控制部，通過(guò)以使各可動(dòng)軸的位置追蹤所述校正后位置指令的方式，輸出馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，控制各可動(dòng)軸的馬達(dá)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述位置矢量校正部把將對(duì)所述伺服系應(yīng)答軌跡與所述位置指令之差乘以校正增益而得到的校正矢量加到所述位置指令而得到的位置作為臨時(shí)校正位置，進(jìn)而根據(jù)所述位置指令、所述臨時(shí)校正位置以及所述形狀特征量的位置關(guān)系，運(yùn)算校正后的位置矢量，將該位置矢量的各軸分量作為所述校正后的位置指令輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述形狀特征判定部抽出所述位置指令的軌跡從直線(xiàn)變化為曲線(xiàn)的部分，將其邊界點(diǎn)的位置和即將到達(dá)邊界點(diǎn)之前的移動(dòng)方向作為所述形狀特征量輸出， 所述位置矢量校正部在所述邊界點(diǎn)的附近處所述位置指令和所述臨時(shí)校正位置成為相對(duì)通過(guò)即將到達(dá)所述邊界點(diǎn)之 前的移動(dòng)方向確定的基準(zhǔn)直線(xiàn)而相反時(shí)，將使所述臨時(shí)校正位置在所述基準(zhǔn)直線(xiàn)上移動(dòng)后的位置作為所述校正后的位置指令，從而以使校正前的位置指令和校正后的位置指令不成為相對(duì)所述基準(zhǔn)直線(xiàn)而相反的位置關(guān)系的方式，運(yùn)算校正后的位置矢量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述形狀特征判定部抽出所述位置指令的軌跡從曲線(xiàn)變化為直線(xiàn)的部分，將其邊界點(diǎn)的位置和緊接著邊界點(diǎn)之后的移動(dòng)方向作為所述形狀特征量輸出， 所述位置矢量校正部在所述邊界點(diǎn)的附近處所述位置指令和所述臨時(shí)校正位置成為相對(duì)通過(guò)緊接著所述邊界點(diǎn)之后的移動(dòng)方向確定的基準(zhǔn)直線(xiàn)而相反時(shí)，將使所述臨時(shí)校正位置在所述基準(zhǔn)直線(xiàn)上移動(dòng)后的位置作為所述校正后的位置指令，從而以使校正前的位置指令和校正后的位置指令不成為相對(duì)所述基準(zhǔn)直線(xiàn)而相反的位置關(guān)系的方式，運(yùn)算校正后的位置矢量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述形狀特征判定部抽出所述位置指令的軌跡的法線(xiàn)矢量的朝向反轉(zhuǎn)的部分，將其邊界點(diǎn)的位置和邊界點(diǎn)處的移動(dòng)方向作為所述形狀特征量輸出， 所述位置矢量校正部在所述邊界點(diǎn)的附近處所述位置指令和所述臨時(shí)校正位置成為相對(duì)通過(guò)所述邊界點(diǎn)處的移動(dòng)方向確定的基準(zhǔn)直線(xiàn)而相反時(shí)，將使所述臨時(shí)校正位置在所述基準(zhǔn)直線(xiàn)上移動(dòng)后的位置作為所述校正后的位置指令，從而以使校正前的位置指令和校正后的位置指令不成為相對(duì)所述基準(zhǔn)直線(xiàn)成為相反的位置關(guān)系的方式，運(yùn)算校正后的位置矢量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡控制裝置，其特征在于，所述伺服控制部具有使用了規(guī)范模型部的2自由度控制器， 所述伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部輸出對(duì)與在所述伺服控制部中使用的所述規(guī)范模型部相同的模型提供了所述位置指令時(shí)的輸出軌跡，而作為所述伺服系應(yīng)答軌跡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部輸出從所述位置指令的軌跡減去對(duì)各時(shí)刻下的所述位置指令的加速度矢量乘以由所述伺服控制部的應(yīng)答性決定的規(guī)定的系數(shù)而得到的矢量而得到的軌跡，而作為所述 伺服系應(yīng)答軌跡。
全文摘要
同時(shí)控制多個(gè)可動(dòng)軸的馬達(dá)來(lái)控制可動(dòng)部的軌跡的軌跡控制裝置構(gòu)成為具備伺服系應(yīng)答軌跡計(jì)算部(1)，根據(jù)各可動(dòng)軸的位置指令，運(yùn)算伺服系應(yīng)答軌跡；形狀特征判定部(9)，從位置指令，根據(jù)指令路徑的形狀是直線(xiàn)還是曲線(xiàn)，輸出包括關(guān)于路徑形狀的邊界點(diǎn)位置和該邊界點(diǎn)附近處的移動(dòng)方向的信息的形狀特征量；位置矢量校正部(2)，根據(jù)位置指令、伺服系應(yīng)答軌跡以及形狀特征量，校正位置矢量，輸出校正后的位置指令；以及伺服控制部(7、8)，通過(guò)以使各可動(dòng)軸的位置追蹤校正后位置指令的方式，輸出馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而控制各可動(dòng)軸的馬達(dá)。由此，能夠進(jìn)行如下校正能夠還包括直線(xiàn)與曲線(xiàn)的邊界部分那樣的、軌跡誤差的大小、朝向過(guò)渡性地變化那樣的部位，將軌跡誤差抑制得充分小。
文檔編號(hào)G05B19/404GK103080859SQ20118004029
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者長(zhǎng)岡弘太朗 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社