專利名稱：軌跡控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在控制NC工作機械、NC激光加工機等的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，都抑制軌跡誤差來實現高速高精度加工的軌跡控制裝置。
背景技術：
在使用NC工作機械、NC激光加工機等機械來進行加工的情況下，以使工具(立銑刀等刃物)相對工作物的位置沿著指令的路徑上的方式進行控制。該控制被稱為軌跡控制，一般通過以使機械的各可動軸的實際的位置追蹤根據指令路徑求出的各可動軸的位置指令的方式執(zhí)行伺服控制來進行。作為進行軌跡控制的問題，以往存在起因于各可動軸的控制系的應答延遲等而實際的軌跡偏離所指令的路徑的問題。通常，針對機械的各可動軸的每一個進行控制，所以由于各軸的控制系的應答延遲等所致的誤差，各可動軸的伺服系應答比位置指令延遲地移動。在如直線那樣指令路徑的移動方向不變化的情況下，即使各軸延遲移動，作為伺服系應答的軌跡也不會從指令路徑上脫離。即，雖然在指令路徑的切線方向上出現誤差，但不會出現指令路徑的法線方向的誤差。另一方面，在指令路徑的移動方向如曲線、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方向上出現誤差。以下，將伺服系應答位置相對位置指令的誤差中的、指令路徑的切線方向的分量稱為追蹤誤差，將指令路徑的法線方向的分量稱為軌跡誤差。一般，如果有軌跡誤差，則力口工形狀與本來的形狀不一致，所以不優(yōu)選。另一方面，追蹤誤差不會對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，但如果追蹤誤差過大，則加工時間延遲，而不優(yōu)選。作為用于抑制這些軌跡誤差、追蹤誤差的方案，例如在下述的專利文獻I中，公開了在機器人的卡抓位置的控制中，推測規(guī)定的采樣時間前方的卡抓的位置，按照從所推測出的卡抓位置落入目標軌道上的垂線矢量的量，校正位置指令，從而容許時間延遲，同時使卡抓位置位于目標軌道上來抑制軌跡誤差的方法。即，通過推測在進行多個可動軸的控制的情況下產生的誤差中的、與目標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，抑制在移動路徑中產生的軌跡誤差。專利文獻1:日本特開2006 - 015431號公報

發(fā)明內容
但是，在上述專利文獻I公開那樣的方法中，雖然在如簡單的圓或者圓弧那樣穩(wěn)定地產生相同量的軌跡誤差的情況下，能夠有效地校正軌跡誤差，但在從直線切換為圓弧那樣的指令路徑的情況下，存在如下問題在其邊界的部分無法充分校正軌跡誤差，在校正后的移動路徑中也仍殘留軌跡誤差。即，在直線部分中不產生軌跡誤差，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部分中，如上所述發(fā)生指令路徑的法線方向的誤差、即軌跡誤差，所以發(fā)生用于校正軌跡誤差的校正量。另外，在直線部分與圓弧部分的邊界部分中，軌跡誤差的大小、朝向過渡性地大幅變化，其結果，用于校正軌跡誤差的校正量也過渡性地變化。在這樣的情況下，如果原樣地使用所推測出的軌跡誤差來校正指令路徑，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的情況下，在X軸方向上直線移動之后，成為圓弧指令的情況。此時，設為直線和圓弧入口的切線的朝向一致，并設為在圓弧部分中Y軸向正的方向移動。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鼓起來的路徑。在這樣的情況下，在轉移到圓弧指令并經過了一定的時間之后，校正后的路徑與指令路徑一致，但在剛剛轉移到圓弧指令之后，校正后的移動路徑相對指令路徑過沖(overshoot),而成為向外側鼓起來的路徑。即，在剛剛轉移到圓弧指令之后，Y軸暫時向負方向移動，之后向正方向移動。其原因為，為了向相對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鼓起來的路徑，此時由于校正后的指令路徑的Y軸分量進行暫時向負方向移動之后向正方向移動那樣的變化的原因而產生。在工作機械中，工具(刃物)的移動路徑的形狀被轉印到加工面，所以如上述例子那樣，如果從直線在圓弧的邊界本來軌跡平滑地連接的部分中移動路徑向外側鼓起來，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，使加工面的質量降低，所以不優(yōu)選。本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種軌跡控制裝置，即使在提供了直線和曲線連續(xù)那樣的指令路徑的情況下，也能夠進行還包括直線與曲線的邊界部分那樣的軌跡誤差的大小、朝向過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成目的，本發(fā)明的軌跡控制裝置，通過用多個可動軸驅動機械的可動部，并同時控制所述多個可動軸的馬達來控制所述可動部的軌跡，其特征在于，具備伺服系應答軌跡計算部，根據各可動軸的位置指令，運算伺服系應答軌跡；形狀特征判定部，根據所述位置指令，判定指令路徑的形狀是直線還是曲線，輸出形狀特征量；位置矢量校正部，根據所述位置指令、所述伺服系應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；以及多個伺服控制部，通過以使各可動軸的位置追蹤所述校正后位置指令的方式，輸出馬達驅動轉矩，控制各可動軸的馬達。根據本發(fā)明，即使在直線和曲線連續(xù)那樣的指令路徑中的直線與曲線的邊界部分、拐點這樣的、軌跡誤差的大小、朝向過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施方式I的框圖。圖2是詳細示出圖1的伺服控制部的結構的框圖。圖3是示出實施方式I中的軌跡誤差矢量的運算動作的圖。圖4是示出實施方式I中的形狀特征判定部的動作的圖。
圖5是示出實施方式I中的校正后位置指令的運算動作的圖。圖6是示出實施方式I中的校正(軌跡誤差抑制)的效果的圖。圖7是示出實施方式2中的形狀特征判定部的動作的圖。圖8是示出實施方式2中的校正后位置指令的運算動作的圖。圖9是示出實施方式3中的伺服系應答軌跡計算部的動作的圖。圖10是示出實施方式3中的形狀特征判定部的動作的圖。圖11是示出實施方式3中的校正后位置指令的運算動作的圖。(符號說明)1:伺服系應答軌跡計算部；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；33:負載。
具體實施例方式實施方式1.
圖1是示出本發(fā)明的軌跡控制裝置的實施方式I的框圖。軌跡控制裝置10構成為包括伺服系應答軌跡計算部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程序等形式作為機械的第I軸以及第2軸位置指令提供。在伺服系應答軌跡計算部I中，在提供了第I軸位置指令和第2軸位置指令時，運算伺服系的應答軌跡。對于該應答軌跡的運算方法，將后述。形狀特征判定部9判定根據第I軸以及第2軸位置指令決定的指令路徑是直線還是曲線，將直線與曲線的邊界點位置以及直線的方向作為形狀特征量而輸出。位置矢量校正部2根據上述伺服系應答軌跡和位置指令計算軌跡誤差，使用所計算出的軌跡誤差和形狀特征量運算用于不產生軌跡的過沖地抑制軌跡誤差的校正后位置指令。對于校正，通過合成第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其執(zhí)行矢量運算來進行校正，通過將校正了的結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進行。第I軸伺服控制部7以及第2軸伺服控制部8以使第I可動軸的位置以及第2可動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軸的馬達驅動轉矩。第I軸伺服控制部7以及第2軸伺服控制部8是同一結構，在圖2中作為伺服控制部11示出其框圖。針對輸入到伺服控制部11的校正后位置指令，通過減法器20減去模型位置，通過模型增益乘法器21乘以第I模型增益K1，通過減法器22減去模型速度，進而通過模型增益乘法器23乘以第2模型增益K2,而輸出模型加速度。通過積分器24對模型加速度進行積分而輸出模型速度，通過積分器25對模型速度進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為規(guī)范模型部12。通過減法器26從模型位置減去馬達位置信號而輸出位置誤差。通過位置控制器27對位置誤差進行比例控制等控制。在加減法器28中對位置控制器輸出加上模型速度，進而減去馬達速度信號而輸出速度誤差。通過速度控制器29對速度誤差進行比例控制或者積分控制等控制。通過乘法器30，對模型加速度乘以與控制對象的慣量相當的值而運算模型轉矩，通過加法器31對速度控制器輸出加上模型轉矩而輸出馬達轉矩信號。具有馬達32以及負載33的機械系13通過該馬達轉矩信號進行驅動，將馬達速度信號和馬達位置信號作為反饋信號輸出到伺服控制部U。本實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，能夠獨立地設計針對指令的追蹤性和針對干擾的應答性。馬達位置相對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，馬達位置相對干擾的應答性由位置控制器以及速度控制器的設計決定。因此，馬達位置的應答不管實際的控制對象的特性如何，都被控制為追蹤作為規(guī)范模型的輸出的模型位置。如以下那樣進行伺服系應答軌跡計算部I中的伺服系應答軌跡的運算。如上所述，伺服系的應答能夠通過規(guī)范模型的應答來表示，所以通過求出第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軸的伺服系應答位置。然后，將以第I軸以及第2軸的伺服系應答位置為各可動軸方向的分量的矢量作為伺服系應答位置矢量，將該位置矢量描繪的軌跡作為伺服系應答軌跡。能夠通過用微分方程式、差分方程式、傳遞函數等形式來表示圖2所示的規(guī)范模型部12，并利用數值計算來計算其解，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，能夠通過積分計算求出解析解。例如，圖2所示的規(guī)范模型的傳遞函數Gm (S)如下式所示。[式I]
權利要求
1.一種軌跡控制裝置，通過用多個可動軸驅動機械的可動部，并同時控制所述多個可動軸的馬達來控制所述可動部的軌跡，其特征在于，具備: 伺服系應答軌跡計算部，根據各可動軸的位置指令，運算伺服系應答軌跡； 形狀特征判定部，根據所述位置指令，判定指令路徑的形狀是直線還是曲線，輸出形狀特征量； 位置矢量校正部，根據所述位置指令、所述伺服系應答軌跡以及所述形狀特征量，通過矢量運算校正位置指令，輸出校正后的位置指令；以及 多個伺服控制部，通過以使各可動軸的位置追蹤所述校正后位置指令的方式，輸出馬達驅動轉矩，控制各可動軸的馬達。
2.根據權利要求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所述伺服系應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校正位置，進而根據所述位置指令、所述臨時校正位置以及所述形狀特征量的位置關系，運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.根據權利要求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變化為曲線的部分，將其邊界點的位置和即將到達邊界點之前的移動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的附近處所述位置指令和所述臨時校正位置成為相對通過即將到達所述邊界點之 前的移動方向確定的基準直線而相反時，將使所述臨時校正位置在所述基準直線上移動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所述基準直線而相反的位置關系的方式，運算校正后的位置矢量。
4.根據權利要求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變化為直線的部分，將其邊界點的位置和緊接著邊界點之后的移動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的附近處所述位置指令和所述臨時校正位置成為相對通過緊接著所述邊界點之后的移動方向確定的基準直線而相反時，將使所述臨時校正位置在所述基準直線上移動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所述基準直線而相反的位置關系的方式，運算校正后的位置矢量。
5.根據權利要求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矢量的朝向反轉的部分，將其邊界點的位置和邊界點處的移動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的附近處所述位置指令和所述臨時校正位置成為相對通過所述邊界點處的移動方向確定的基準直線而相反時，將使所述臨時校正位置在所述基準直線上移動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所述基準直線成為相反的位置關系的方式，運算校正后的位置矢量。
6.根據權利要求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， 所述伺服系應答軌跡計算部輸出對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的輸出軌跡，而作為所述伺服系應答軌跡。
7.根據權利要求1所述的軌跡控制裝置，其特征在于， 所述伺服系應答軌跡計算部輸出從所述位置指令的軌跡減去對各時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答性決定的規(guī)定的系數而得到的矢量而得到的軌跡，而作為所述 伺服系應答軌跡。
全文摘要
同時控制多個可動軸的馬達來控制可動部的軌跡的軌跡控制裝置構成為具備伺服系應答軌跡計算部(1)，根據各可動軸的位置指令，運算伺服系應答軌跡；形狀特征判定部(9)，從位置指令，根據指令路徑的形狀是直線還是曲線，輸出包括關于路徑形狀的邊界點位置和該邊界點附近處的移動方向的信息的形狀特征量；位置矢量校正部(2)，根據位置指令、伺服系應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)，通過以使各可動軸的位置追蹤校正后位置指令的方式，輸出馬達驅動轉矩，而控制各可動軸的馬達。由此，能夠進行如下校正能夠還包括直線與曲線的邊界部分那樣的、軌跡誤差的大小、朝向過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G05B19/404GK103080859SQ20118004029
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權日2010年8月25日
發(fā)明者長岡弘太朗 申請人:三菱電機株式會社