CN109960217B - 工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法 - Google Patents

工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法。工具机服务控制模拟装置包括受控体模型及处理器。受控体模型包括位置函数、速度函数及驱动器特性参数。处理器包括控制信号接收器及模拟器。控制信号接收器用以接收服务命令。模拟器响应服务命令，依据位置函数、速度函数及驱动器特性参数，产生模拟路径。

Description

工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法
技术领域
本申请涉及一种服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法，且特别涉及一种工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法。
背景技术
工具机由上百个或上千个元件所组成。此些元件组装后难免会有组装误差，且即使是同一批生产的元件，元件质量(如实际公差)也不完全一致。如此，导致每台组装后的工具机的性能多少会有性能上的差异。因此，在工具机出货前，必须对工具机进行实测及调校。然而，实测方式必须让工具机的工作平台实际运动，是一种耗时且效率低的测试方式。
发明内容
因此，本申请提出一种工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法，可改善前述已知问题。
根据本申请的一实施例，提出一种受控体模型的建立方法。受控体模型的建立方法包括以下步骤。接收一工具机的一受控体在数个驱动频率下的数个时域位置信息、数个时域速度信息及数个时域扭力信息；将此些时域位置信息、此些时域速度信息及此些时域扭力信息分别转换成数个频域位置信息、数个频域速度信息及数个频域扭力信息；依据此些频域位置信息、此些频域速度信息及此些频域扭力信息，得到数个频域位置转移响应点及数个频域速度转移响应点；计算此些频域位置转移响应点，以得到一位置函数；计算此些频域速度转移响应点，以得到一速度函数；以及，将位置函数及速度函数与一驱动器特性参数结合。
根据本申请的另一实施例，提出一种工具机服务控制模拟装置。工具机服务控制模拟装置包括一受控体模型及一处理器。受控体模型包含一驱动器特性参数。处理器包括一信号接收器及一函数计算器。信号接收器用以接收一工具机的一受控体在数个驱动频率下的数个时域位置信息、数个时域速度信息及数个时域扭力信息。函数计算器用以：将此些时域位置信息、此些时域速度信息及此些时域扭力信息分别转换成数个频域位置信息、数个频域速度信息及数个频域扭力信息；依据此些频域位置信息、此些频域速度信息及此些频域扭力信息，得到数个频域位置转移响应点及数个频域速度转移响应点；计算此些频域位置转移响应点，以得到一位置函数；计算此些频域速度转移响应点，以得到一速度函数；以及，将位置函数及速度函数结合至受控体模型内的驱动器特性参数。
根据本申请的另一实施例，提出一种工具机服务控制模拟装置。工具机服务控制模拟装置包括一受控体模型及一处理器。受控体模型，包括一位置函数、一速度函数及一驱动器特性参数。处理器包括一控制信号接收器及一模拟器。控制信号接收器用以接收一服务命令。模拟器响应服务命令，依据位置函数、速度函数及驱动器特性参数，产生一模拟路径。
为了对本申请的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下：
附图说明
图1绘示依照本申请一实施例的工具机服务控制模拟***的俯视图。
图2绘示图1的受控体模型的建立流程图。
图3绘示依照本申请一实施例的数个频域位置转移响应点的示意图。
图4绘示依照本申请一实施例的位置函数的示意图。
图5绘示依照本申请另一实施例的工具机服务控制模拟装置的示意图。
图6绘示图5的工具机服务控制模拟装置所模拟出的模拟路径图。
【符号说明】
100、100’：工具机服务控制模拟装置
110：受控体模型
111：驱动器特性参数
120、120’：处理器
130：控制信号接收器
140：模拟器
121：信号接收器
122：函数计算器
200：工具机
210：受控体
220：控制器
230：第一驱动器
240：第二驱动器
C1：控制信号
C2：服务命令
Cv：速度比值
Cp：位置比值
Fp：频域位置信息
Fv：频域速度信息
Ft：频域扭力信息
R1：局部区域
Rp：频域位置转移响应点
Rv：频域速度转移响应点
S110～S160：步骤
S1：局部曲线
Sp：位置函数
Sv：速度函数
Tp：时域位置信息
Tv：时域速度信息
Tt：时域扭力信息
P1：模拟路径
P11：路径变化处
P2：实测路径
Pm：移动路径
具体实施方式
请参照图1，其绘示依照本申请一实施例的工具机服务控制模拟***100的俯视图。工具机服务控制模拟装置100包括受控体模型110及处理器120。受控体模型110包含驱动器特性参数111。处理器120包括信号接收器121及函数计算器122。信号接收器121用以接收工具机200的受控体210在数个驱动频率驱动下所产生的数个时域位置信息Tp、数个时域速度信息Tv及数个时域扭力信息Tt。函数计算器122用以：(1)将此些时域位置信息Tp转换成数个频域位置信息Fp，将此些时域速度信息Tv转换成数个频域速度信息Fv，以及将此些时域扭力信息Tt转换成数个频域扭力信息Ft；(2)依据此些频域位置信息Fp、此些频域速度信息Fv及此些频域扭力信息Ft，得到数个频域位置转移响应点Rp及数个频域速度转移响应点Rv：(3)计算此些频域位置转移响应点Rp，以得到位置函数Sp：(4)计算此些频域速度转移响应点Rv，以得到速度函数Sv：以及(5)将位置函数Sp及速度函数Sv结合至受控体模型110内的驱动器特性参数111。
前述的受控体210例如是工具机200的工作平台，其用以放置工件。信号接收器121及函数计算器122可以是采用半导体工艺所形成的电路。此外，信号接收器121与函数计算器122可以是分开的二元件，也可整合成单一元件。
如此，通过结合后的驱动器特性参数111、位置函数Sp与速度函数Sv，即能通过计算机模拟方式获得工具机200的受控体210响应一预设加工路径的动态轨迹。换句话说，在不需实测下，通过计算机模拟方式能快速获得受控体210的动态轨迹。此外，此动态轨迹的趋势符合受控体210的实测动态轨迹，因此具有高度参考价值，此容后描述。
以下详细举例说明受控体模型110的建立过程。
请参照图2，其绘示图1的受控体模型110的建立流程图。
在步骤S110中，请同时参照图1，工具机200的控制器220接收受控体210在数个驱动频率下所产生的数个时域位置信息Tp、数个时域速度信息Tv及数个时域扭力信息Tt。例如，工具机200还包括第一驱动器230及第二驱动器240，例如是马达。此些驱动频率用以驱动第一驱动器230及第二驱动器240，以驱动受控体210沿X-Y平面移动。X-Y平面例如是工件(未绘示)的放置面，而图式的Z轴向例如是刀具(未绘示)的转动轴向。在一实施例中，工具机200例如是钻床、铣床或计算机数值控制(CNC)加工机。在另一实施例中，工具机200可以是三轴工具机。例如，工具机200还包括第三驱动器(未绘示)，其连接于刀具轴(未绘示)并受控于控制器220。在控制器220控制下，第三驱动器控制刀具轴沿着Z轴方向移动。
第一驱动器230可驱动受控体210沿一轴向移动，如X轴向，而第二驱动器240可驱动受控体210沿另一轴向移动，如Y轴向。
当受控体210受控移动时，控制器220接收到受控体210的动态信息，如各时点的时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt。此外，时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt也可以由控制器220分析和/或计算针对驱动器的控制信号所得。此些时点下的数个信息(即时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt)为离散值。然后，控制器220可将各时点的时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt传送给工具机服务控制模拟装置100。工具机服务控制模拟装置100的处理器120的信号接收器121接收各时点的时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt。时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt为受控体210运动时的反馈信号。
在一种获得时域位置信息Tp、时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt的方式中，在步骤S110前，工具机200的控制器220输出数个控制信号C1给工具机200的第一驱动器230及第二驱动器240，其中数个控制信号C1为频率相异的正弦波激振信号，其中，数个正弦波激振信号例如是以驱动频率由小至大的方式输入给第一驱动器230及第二驱动器240。第一驱动器230及第二驱动器240依据各正弦波激振信号驱动受控体210振动。此外，控制第一驱动器230的控制信号C1与控制第二驱动器240的控制信号C1可相同或相异。第一驱动器230及第二驱动器240依据控制信号C1去控制受控体210进行运动。当受控体210运动时，控制器220可通过受控体210上的光学尺(未绘示)获得受控体210的时域位置信息Tp；或者，控制器220也可通过第一驱动器230及第二驱动器240获得受控体210的时域位置信息Tp。当受控体210运动时，控制器220可通过第一驱动器230及第二驱动器240获得受控体210的时域速度信息Tv及时域扭力信息Tt。
然后，在步骤S120中，处理器120的函数计算器122采用傅立叶频率分析技术，将此些时域位置信息Tp转换成数个频域位置信息Fp，将此些时域速度信息Tv转换成数个频域速度信息Fv，以及将此些时域扭力信息Tt转换成数个频域扭力信息Ft。
然后，在步骤S130中，函数计算器122依据此些频域位置信息Fp、此些频域速度信息Fv及此些频域扭力信息Ft，得到数个频域位置转移响应点Rp及数个频域速度转移响应点Rv。
例如，请参照图3，其绘示依照本申请一实施例的数个频域速度转移响应点Rv的示意图。函数计算器122计算同一频率下频域速度信息Fv与频域扭力信息Ft的位置比值Cv(即，Cv＝Fv/Ft)，速度比值Cv为该同一频率下的频域速度转移响应点Rv。如图所示，此些频域速度转移响应点Rv为离散数据点。
相似地，虽然图未绘示，但函数计算器122采用类似方法，计算同一频率下，频域位置信息Fp与频域扭力信息Ft的位置比值Cp(即，Cp＝Fp/Ft)，位置比值Cp为该同一频率下的频域位置转移响应点Rp。此些频域位置转移响应点Rp也是离散数据点。
在步骤S140中，请参照图4，其绘示依照本申请一实施例的速度函数Sv的示意图。函数计算器122可采用例如是曲线拟合方式，计算图3所示的此些频域速度转移响应点Rv，以得到速度函数Sv。相较于离散形态的频域速度转移响应点Rv，速度函数Sv为连续分布形态。当频域速度转移响应点Rv的数量愈多时，处理器120对于频域速度转移响应点Rv的处理速度愈慢。由于大量的频域速度转移响应点Rv已转换成曲线方程式，因此可减轻处理器120的处理负担(相较于处理大量点信号，处理曲线方程式的负担较轻)。
下式(1)表示速度函数Sv的方程式。通过下式(1)，可拟合出图3所示的振幅变化相对较大的数个频域速度转移响应点Rv的近似曲线。以图3的局部区域R1来说，分布在局部区域R1内的数个频域速度转移响应点Rv相较于邻近的频域速度转移响应点Rv的振幅变化较大。然而，通过下式(1)的分段拟合，可将此局部区域R1内的数个频域速度转移响应点Rv拟合成图4的近似的局部曲线S1。式中的s为复频率，其包含实部及虚部。
Figure BDA0001520754630000061
在步骤S150中，函数计算器122可采用例如是曲线拟合方式，计算此些频域位置转移响应点Rp，以得到位置函数Sp。相较于离散形态的频域位置转移响应点Rp，位置函数Sp为连续分布形态。当频域位置转移响应点Rp的数量愈多时，处理器120对于频域位置转移响应点Rp的处理速度愈慢。由于大量的频域位置转移响应点Rp已转换成曲线方程式，因此可降低处理器120的处理负担。
下式(2)表示位置函数Sp的方程式。通过下式(2)，可拟合出振幅变化相对较大的数个频域位置转移响应点Rp的近似曲线。式(2)的拟合方式类似式(1)，于此不再赘述。
Figure BDA0001520754630000071
在步骤S160中，函数计算器122将位置函数Sp、速度函数Sv与驱动器特性参数111进行结合，驱动器特性参数111是已知的驱动器(如马达)参数及规格，例如：所选用驱动器的功率、转速、频率或其它任何与驱动器性能有关的参数。驱动器特性参数111表示工具机200的驱动器(第一驱动器230及第二驱动器240)的特性，而位置函数Sp及速度函数Sv(位置函数Sp及速度函数Sv也可称为受控体频率响应函数)可代表工具机200的受控体210的动态特性。驱动器特性与工具机动态特性结合在一起的模型可代表整台工具机200的整体特性，换句话说，每台工具机200可能选用各种厂牌的驱动器(第一驱动器230及第二驱动器240)以及不同种类的受控体210，而将所采用驱动器的驱动器特性参数111与个别工具机200的位置函数Sp及速度函数Sv(每台工具机有不同的位置函数Sp及速度函数Sv)结合，则可以快速鉴别个别工具机200的动态特性，便于后续的对个别工具机200调整。
请参照图5及6，图5绘示依照本申请另一实施例的工具机服务控制模拟装置100’的示意图，而图6绘示图5的工具机服务控制模拟装置100’所模拟出的模拟路径图。
工具机服务控制模拟装置100’包括受控体模型110及处理器120’。受控体模型110包括位置函数Sp、速度函数Sv及驱动器特性参数111。处理器120’具有类似或相同于前述处理器120的特征，不同处在于，处理器120’还包括控制信号接收器130及模拟器140。信号接收器121、函数计算器122、控制信号接收器130及模拟器140可以是采用半导体工艺所形成的电路。此外，信号接收器121、函数计算器122、控制信号接收器130与模拟器140可以是分开的数个元件，或信号接收器121、函数计算器122、控制信号接收器130与模拟器140至少二者可整合成单一元件。在另一实施例中，图5的处理器120’可省略信号接收器121和/或函数计算器122。
控制信号接收器130用以接收一服务命令C1。模拟器140响应服务命令C1，依据位置函数Sp、速度函数Sv及驱动器特性参数111，产生一模拟路径P1。前述服务命令C1为驱动受控体210沿移动路径Pm移动的命令。如图5所示，相同的服务命令C1同样输入给工具机200。工具机200的控制器220输出一实测路径P2(绘制成虚线)。
如图6所示，移动路径Pm(理想路径)、模拟路径P1与实测路径P2一起显示在图6。由图可知，移动路径Pm，模拟路径P1与实测路径P2皆具有误差。如图所示，模拟路径P1的趋势符合实测路径P2的趋势，例如，模拟路径P1与实测路径P2在移动路径Pm的路径变化处P11(如转折处或反曲点)都发生动态变化(如图示偏离移动路径Pm的抖动)。足见，模拟路径P1具有一定程度的参考价值。此外，模拟路径P1在路径转折处P11的敏感度更大。例如，相较于实测路径P2，模拟路径P1在路径变化处P11的变化程度较大(抖动幅度更大)，更能突显路径变化处P11的动态变化程度。
综上，本申请实施例的工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法以计算机模拟技术分析工具机的机台特性，并产出位置函数及速度函数。位置函数及速度函数在与驱动器特性参数结合，结合后的模型可代表整台工具机的机台特性。如此，可在不变更(如软、硬件的设计变更)工具机的控制器的情况下，利用结合后的模型以计算机分析技术快速了解工具机对于加工路径的误差，可快速了解工具机的加工性能。换句话说，本申请实施例提供了一种能取代或模拟工具机的控制器的工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法，在获得位置函数及速度函数后，可在不对工具机实测下，以计算机对工具机进行性能测试。
在一种获得工具机的机台特性的方式中，采用软件(如有限元素分析软件)建立工具机的数字模型。建模过程中须反复对数字模型进行调整，此须耗费大量作业时间才能获得工具机的机台特性。反观本申请实施例以控制信号对工具机实际进行激振而随即获得工具机的反馈信号，然后再处理此些反馈信号而获得位置函数及速度函数。相较于前述软件建模方式，本申请实施例可不需反复调整数位模型参数，因此可更快速鉴别工具机的机台特性。
基于本申请实施例的工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法，即使在维持工具机的原设计(如已生产完成、准备出货的工具机)下，通过对计算机软/硬件的改良，还能模拟出工具机特性，足见本申请实施例的工具机服务控制模拟装置及受控体模型的建立方法能获得超越程序执行时计算机内部电流电压改变等物理效果的技术功效。
综上所述，虽然本申请已以实施例公开如上，然其并非用以限定本申请。本申请所属领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本申请的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (7)

1.一种受控体模型的建立方法，包括：
接收工具机的受控体在多个驱动频率下的多个时域位置信息、多个时域速度信息及多个时域扭力信息；
将这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息分别转换成多个频域位置信息、多个频域速度信息及多个频域扭力信息；
依据这些频域位置信息、这些频域速度信息及这些频域扭力信息，得到多个频域位置转移响应点及多个频域速度转移响应点；
计算这些频域位置转移响应点，以得到位置函数；
计算这些频域速度转移响应点，以得到速度函数；以及
结合该位置函数、该速度函数与驱动器特性参数以获得受控体模型，
其中在依据这些频域位置信息、这些频域速度信息及这些频域扭力信息得到这些频域位置转移响应点及这些频域速度转移响应点的步骤包括：
计算一频率下的该频域位置信息与该频域扭力信息的位置比值，该位置比值为该频率下的该频域位置转移响应点；
计算一频率下，该频域速度信息与该频域扭力信息的速度比值，该速度比值为该频率下的该频域速度转移响应点。
2.如权利要求1所述的建立方法，其中该工具机还包括控制器及驱动器；该方法还包括：
该控制器输出控制信号给该驱动器；以及
该控制器从该驱动器获得这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息；
其中，在接收该工具机的该受控体在这些驱动频率下的这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息的步骤中，这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息从该控制器接收。
3.如权利要求1所述的建立方法，其中在计算这些频域位置转移响应点以得到该位置函数的步骤及计算这些频域速度转移响应点以得到该速度函数的步骤是以曲线拟合方式实现。
4.一种工具机服务控制模拟装置，包括：
受控体模型，包含驱动器特性参数；以及
处理器，包括：
信号接收器，用以接收工具机的受控体在多个驱动频率下的多个时域位置信息、多个时域速度信息及多个时域扭力信息；
函数计算器，用以：
将这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息分别转换成多个频域位置信息、多个频域速度信息及多个频域扭力信息；
依据这些频域位置信息、这些频域速度信息及这些频域扭力信息，得到多个频域位置转移响应点及多个频域速度转移响应点；
计算这些频域位置转移响应点，以得到位置函数；
计算这些频域速度转移响应点，以得到速度函数；及
结合该位置函数、该速度函数与该受控体模型内的该驱动器特性参数以获得受控体模型，其中，
该函数计算器还用以在依据这些频域位置信息、这些频域速度信息及这些频域扭力信息得到这些频域位置转移响应点及这些频域速度转移响应点的步骤中：
计算一频率下，该频域位置信息与该频域扭力信息的位置比值，该位置比值为该频率下的该频域位置转移响应点；
计算一频率下，该频域速度信息与该频域扭力信息的速度比值，该速度比值为该频率下的该频域速度转移响应点。
5.如权利要求4所述的工具机服务控制模拟装置，其中该工具机还包括控制器及驱动器；该控制器用以输出控制信号给该驱动器；该控制器用以从该驱动器获得这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息；其中，该信号接收器还用以接收来自于该控制器的这些时域位置信息、这些时域速度信息及这些时域扭力信息。
6.如权利要求4所述的工具机服务控制模拟装置，其中该函数计算器还用以：
在计算这些频域位置转移响应点以得到该位置函数的步骤及计算这些频域速度转移响应点以得到该速度函数的步骤是以曲线拟合方式实现。
7.一种工具机服务控制模拟装置，包括：
根据权利要求1所述的受控体模型，包括位置函数、速度函数及驱动器特性参数；以及
处理器，包括：
控制信号接收器，用以接收服务命令；及
模拟器，响应该服务命令，依据该位置函数、该速度函数及该驱动器特性参数，产生模拟路径。
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