CN1778031A

CN1778031A - 成对同步控制方法

Info

Publication number: CN1778031A
Application number: CNA2004800107446A
Authority: CN
Inventors: 渡边宽治; 济阳和彦; 清田直登
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: CN100385785C; JP4258262B2; JP2004326252A; US7292002B2; KR100987853B1; US20070067052A1; DE112004000639T5; KR20060003030A; TW200500826A; TWI276935B; WO2004095683A1

Abstract

本发明的一个目的是提供一种成对同步方法，其能够容易地实现对于具有台架型结构的机器的高速度及高精确度的操作。根据本发明，在其中同步操作用于驱动由固定部分(固定夹具6)机械地彼此固定的两轴(移动部件3)的两个电动机的成对同步控制方法中，通过位置控制以低速操作两轴中的一轴，使另一轴***且跟随所述一轴，并执行返回原点。以任意节距测量所述一轴与所述另一轴之间的偏差。将与所述一轴移动到的位置相对应的位置偏差作为函数存储在数据库中。将一个位置命令作为主位置命令直接分配给一轴，并且将该位置命令作为通过使用存储在数据库中的函数进行修正的位置命令分配给另一轴以执行操作。

Description

成对同步控制方法

技术领域

本发明涉及适用于对诸如高速传送机或其它机器的台架型机器(gantry type machine)进行高速定位控制的应用机器，并且更具体地，涉及一种用于高速及高精度用途的控制方法。

背景技术

近年来，在工业机器领域的高速及高精度传送机器中，已经引入了一种同步操作两轴的所谓台架型机器。当在该台架型机器中执行轴间同步时，在刚性低并具有扭转(torsion)或回退(backlash)的机器中几乎无法实现高速且高精度的同步操作。

通常情况下，为了减少两轴之间的偏差，已经应用了一种方法，其中从控制器分别向两轴分发相同的位置命令和速度命令，以便将各轴的位置控制和速度控制环的增益调节到一个高增益，在位置控制和速度控制环中使用积分来消除控制过程中的偏差，并且执行速度前馈处理以提高对于各轴的响应性并减少两轴之间的偏差(例如，参见JP-A-11-305839)。

然而，在台架型机器结构的情况中存在下述问题：

(1)由于机械地将两轴彼此固定，所以很难获得具有可以经受高增益的高刚性的机器。

(2)必然存在上述机器的安装误差，位置传感器的附接误差，以及各轴的变形和偏移。

(3)虽然已增加了增益来减少两轴之间的偏差，但两轴在控制操作的过程中相互干扰，并且从两轴分别输出的转矩引起干扰，给轴架(pedestal)振动或精度造成了负面的影响。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够避免具有台架型结构的机器的上述问题，并且能够很容易实现高速及高精度操作的成对同步方法。

为了实现上述目的，根据本发明1，提供了一种成对同步控制方法，其中同步操作用来驱动通过固定部分机械地彼此固定的两轴的电动机，所述控制方法包括下列步骤：通过位置控制以低速操作两轴中的一轴，并且使另一轴***且跟随上一轴，并返回原点；以任意节矩对所述一轴与所述另一轴之间的偏差进行测量；将与所述一轴移动到的位置相对应的位置偏差作为函数存储到数据库中；直接将一位置命令分配给所述一轴作为主位置命令；并且将该位置命令作为通过使用存储在数据库中的函数进行修正的位置命令分配给另一轴以执行操作。

为了减少两轴的同步误差，有必要首先确定如何执行返回原点的操作。在此情况下，在首先执行返回原点的操作时，如果同时在速度控制和位置控制下电操作两轴，则各轴的电动机给予机器侧应力。从而，无法掌握诸如机器本身的变形的特性。因此，在对返回原点操作的驱动中，通过控制位置以低速操作主轴(这两轴中的任一轴)，而使另一轴***且跟随主轴，并通过单侧驱动执行返回原点的操作。

原本，在机械而且理想的固定结构中，两轴之间的偏差在任何位置都将为0。然而，在实际的机器中，由于必然存在安装误差，位置传感器的附接误差、各轴的变形和偏移，所以基于位置必然出现两轴之间的偏差。因此，以任意节矩自动测量两轴之间的偏差，并将其存储在数据库中。并且同时，在返回原点的操作中，当在速度控制和位置控制下同时电操作两轴时，各轴的电动机给予机器侧应力，使得无法掌握诸如机器本身的变形的特性。因此，在测量期间的驱动中，通过控制位置以低速操作主轴，并且使另一轴***且跟随主轴，以测量两轴之间的偏差。

为了同步操作两轴，将一个位置命令作为主位置命令分配给该两轴。将待分配的主位置命令直接分配给第一轴。使用数据库中记录的函数，使用主位置命令作为输入并且使用其输出，使得主位置命令-函数的输出值＝另一轴的位置命令(针对第二根轴的位置命令)，即将添加了考虑扭转部分的修正的位置命令分配给另一轴。

可以通过不受机器***的刚性或变形的负面影响的上述机制实现普通控制***中不能实现的高速及高精度的同步控制。

此外，根据本发明2，提供了一种根据本发明1的成对同步的控制方法，其中，以任意节距(pitch)测量的偏差在函数内部经过线性内插处理以输出所获得的偏差。

在本发明2中，由于以任意节距测量的偏差根据移动距离而任意改变，所以在函数中执行线性内插处理以输出所获得的偏差。

此外，根据本发明3，提供了一种根据本发明1或2的成对同步控制方法，其中，在对另一轴的位置命令中，采用行进速度作为参数以前移修正值的相位。

在本发明3中，当机器的行进速度增加时，会不期望地延迟进行修正自身的处理时间。因此，采用了利用行进速度作为参数来前移或提前修正值的相位的函数，以执行同步控制。

此外，根据本发明4，提供了一种根据本发明1的成对同步控制方法，进一步包括下列步骤：检测固定部分的重心位置；准备一个函数，其使用位置信号作为输入来形成各轴的惯性补偿增益；改变固定部分的重心位置处的惯性补偿增益；并将基于从两轴的位置命令获得的加速度和各轴的质量计算出的必要扭转添加到转矩命令中。

在本发明4中，当借以将Y1轴与Y2轴固定的X-轴可动时，机器的重心位置也移动，使得同步精度劣化。为了对同步精度的劣化进行惯性修正，需要掌握X-轴移动到的位置。准备一函数，其通过使用位置信号作为输入来形成惯性补偿增益Ktffx，以改变X-轴的位置处的惯性补偿增益Ktffx。倾度基于随重心变化的施加到轴上的负载变化。

因此，可以在不受机器***的刚性或变形的负面影响以及固定部分的X-轴的移动所引起的重心变化影响的情况下，实现在普通控制***中不能实现的高速及高精度的同步控制。

附图说明

图1示出本发明的实施例中的结构。图1A是正面图，图1B是侧面图，图1C是平面图。

图2是本发明的第一实施例的控制块图。

图3是示出本发明的第一实施例中的形成扭转部分修正函数的过程的流程图。

图4是示出第一实施例中的扭转修正量的输出示例的图。

图5是示出在本发明的第一实施例中，在未修正扭转时的主位置命令、主转矩命令以及修正侧的转矩命令之间的关系的图。

图6是示出在本发明的第一实施例中，在修正了扭转时的主位置命令、主转矩命令以及修正侧的转矩命令之间的关系的图表。

图7是本发明的第二实施例中的惯性修正控制块图。

图8是本发明的第二实施例中的形成惯性修正增益的详细说明图。

图9是示出在本发明的第二实施例中，当未进行惯性修正控制时的主位置命令、主转矩命令以及修正侧的转矩命令之间的关系的图。

图10是示出在本发明的第二实施例中，当进行了惯性修正控制时，主位置命令、主转矩命令以及修正侧的转矩命令之间的关系的图表。

在附图中，标号1指示控制器。2、2-1以及2-2指示伺服驱动器。3指示移动部件。4指示定子。5指示线性刻度。6指示固定夹具。7-1指示第一轴的电动机。7-2指示第二轴的电动机。11指示主位置命令产生部分。12指示内插部分。13指示相位提前补偿部分。14指示用于生成扭转部分修正值的函数部分。15和16指示差分运算部分。17指示刻度转换部分。18指示增益放大器。21指示位置环控制部分。22指示速度环控制部分。23指示电流环控制部分。24指示线性刻度。31指示主位置命令产生部分。32指示内插部分。33和34指示差分运算部分。35和37指示惯性计算部分。36指示y1-轴转矩FF补偿部分。38指示y2-轴转矩FF补偿部分。39指示X-轴位置检测部分。40指示用于产生惯性补偿增益的函数部分。41和42指示惯性补偿部分。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的第一实施例。

图1示出使用线性电动机形成的本发明第一实施例中的结构。图1A是正面图，图1B是侧面图，图1C是平面图。在附图中，标号1指示控制器，2指示伺服驱动器，3指示移动部件，4指示定子，5指示线性刻度，并且6指示用于以机械方式将两轴固定在一起的固定夹具。

图2是本实施例的控制块图。在图2中，控制器1包括主位置命令产生部分11、内插部分12、相位提前补偿部分13、用于产生扭转部分修正值的函数部分14、差分运算部分15和16、刻度转换部分17以及增益放大器18。此外，伺服驱动器2-1和2-2包括位置环控制部分21、速度环控制部分22和电流环控制部分23。在附图中，7-1指示第一轴的电动机，7-2指示第二轴的电动机，并且24指示用于分别对电动机7-1和电动机7-2的移动部件的位置进行检测的线性刻度。

在图2的控制块图中，在控制器1中，首先通过主位置命令产生部分11产生主位置控制命令。在内插部分12中对主位置命令进行内插以产生连续时刻(from hour to hour)的主位置命令。对于第一轴的伺服驱动器2-1，针对主轴产生主位置命令，在两级的差分运算部分15和16中对该位置命令进行两级时间差分，在刻度转换部分17中对经差分的位置命令进行刻度转换，并且在增益放大器18中将经过转换的位置命令乘以增益Ktff。由此产生T-FF(转矩前馈)。

对于第二轴的第二伺服驱动器2-2，使用主轴的连续时刻位置命令作为输入，并且使用在函数部分14中产生的用于产生扭转部分修正值的扭转部分修正函数来产生与通过的位置命令相对应的扭转修正位置命令。这样，产生了第二轴的位置命令＝连续时刻的主位置命令-扭转修正位置命令，并且将其输出到第二轴的伺服驱动器2-2。

图3是示出在函数14中产生用于产生扭转部分修正值的扭转部分修正函数的过程的流程图。

步骤1：返回原点

控制作为主轴的第一轴的位置，并且让作为另一轴的第二轴***，并复位到零点。

步骤2：测量两轴之间的扭转数据

执行下述方法，其中以任意节距自动测量两轴之间的偏差(第一轴的位置FB-第二轴的位置FB)，将偏差存储在数据库中。此时，如在返回原点的操作期间，当在速度控制和位置控制下同时对两轴进行电操作时，各轴的电动机对机器侧施加应力。从而，不能掌握诸如机器自身的变形的特性。因此，在测量期间的驱动中，通过控制位置以低速操作主轴(可以使用两轴中的任一轴)，并且让另一轴***并跟随主轴，以测量两轴之间的偏差。

步骤3：产生扭转数据的函数

产生以行进位置作为输入并且以步骤2中测量的两轴之间的偏差作为输出的函数。由于输入根据移动距离而任意改变，所以使步骤2中以任意节距测量的偏差在函数中经历线性内插处理，并输出所获得的偏差。

为了改善对加速和减速的响应性，在伺服驱动器2-1和2-2侧将位置命令同时输出到第一轴和第二轴。可以采用一种在位置同步型速度控制***中的位置跟随控制方法作为这种同步控制方法，所述位置同步型速度控制***公开在本发明的申请人提交的日本特开平06-28036号公报中。

在不能只通过由自动测量操作产生的修正量进行修正的情况下，还准备了用于手动增加修正量作为偏移值的函数。此外，在机器的行进速度增加的情况下，不合预期地延迟了执行修正自身的处理时间，于是还准备了通过利用行进速度作为参数来提前修正值的相位的函数。

图4是示出通过图3所示的过程特别测量的扭转修正量的图。

A代表通过实际将激光位移计附加到机器上测得的扭转量。B代表通过图3所示的过程测量的扭转量。由于将上述偏移量添加到前者中，所以扭转量是对应偏移量的更大的偏移。然而，能够理解，可以通过图3所示的方法对机器的扭转量进行精确测量。

图5和6分别示出主位置命令、主转矩命令以及修正侧的转矩命令之间的关系。图5示出当不使用本实施例的方法时的示例。图6示出当使用本实施例的方法时的示例。在图6中，可以明了，两轴之间的偏差显著改善高达大约1/3。如上所述，采用本发明的方法使得迄今不能实现的同步控制可以在使用线性电动机的台架型机器上实现。

下面将描述本发明的第二实施例。

图7是示出本发明第二实施例的控制器的方框图

在图7中，控制器1包括主位置命令产生部分31、内插部分32、差分运算部分33和34、惯性计算部分35和37、y1-轴转矩FF(前馈)补偿部分36、y2-轴转矩FF补偿部分38、X-轴位置检测部分39、用于产生惯性补偿增益的函数部分40、以及惯性补偿部分41和42。

在第二实施例中，通过转矩FF(前馈)补偿控制X-轴移动时的惯性修正。

在成对同步型(台架型)机器中，当固定夹具部分6(X-轴)移动并且成对的驱动部分(Y1和Y2轴)被同步操作时，重心位置移动了。从而，使同步精度劣化。

因此，为了对由机器重心位置的移动造成的精度劣化进行惯性修正，通过X-轴位置检测部分39掌握X-轴移动到的位置。使用其位置信号作为输入，以在用于产生惯性补偿源的函数部分40中准备惯性补偿增益Ktffx，并改变X-轴的所述位置上的惯性补偿增益Ktffx(参考图7(a))。

惯性补偿增益的倾度基于由于重心变化而施加在轴上的负载的变化部分。也就是说，X-轴的物体移动，改变了X-轴的重心，使得施加在Y1和Y2上的负载发生变化。因此，只基于变化部分进行修正。

至于倾度，首先从X-轴的当前位置中减去X-轴的中间位置。将获得的值乘以调节系数，即使修正转矩的输出量与实际全部转矩命令相对应的调节系数。为了根据X-轴的位置将倾度应用于Y1和Y2轴，对于Y1，从1.0减去所获得的值，对于Y2，将1.0加到所获得的值上，如图8所示，从而产生Y1和Y2轴的惯性补偿系数Ktffy1和Ktffy2。

在惯性补偿部分41和42中使用Ktffy1和Ktffy2，根据下列公式来计算当X-轴移动时的质量Wwy1’和Wwy2’。Wwy1和Wwy2代表轴移动之前的Y1轴和Y2轴的质量。

Wwy1’＝Wwy1×Ktffy1

Wwy2’＝Wwy2×Ktffy2

在主位置命令产生部分31中产生实际转矩FF命令。在差分运算部分33和34中对在内插部分32中***的主位置命令进行两级时间差分，以产生加速度αref。在惯性计算部分35和37中，使用加速度αref、Y1轴和Y2轴移动之后的质量Wwy1’和Wwy2’、固定夹具6的质量Wt、电动机的质量Wm以及负载的转矩FL，按照下列公式来计算基于操作所必需的转矩。

((Wwy1’+Wt+Wm)×加速度αref+FL)/标准推力×100％

((Wwy2’+Wt+Wm)×加速度αref+FL)/标准推力×100％

将以这种方式计算得到的转矩输入到y1-轴转矩FF补偿部分36和y2-轴转矩FF补偿部分38中作为补偿转矩，并添加到驱动器侧的转矩命令上以提高同步精度。

图9和10示出主位置命令、主转矩命令和修正侧的转矩命令之间的关系。图9示出未使用本实施例方法时的示例。图10是使用本实施例方法时的示例。在图9中，当X-轴可移动时，Y1的转矩FF的量与Y1实际需要的转矩命令不对应，在两轴之间产生了的偏差。在图10中，由于Y1的转矩FF的量根据修正而对应于Y1实际需要的转矩命令，可以理解，两轴之间的偏差显著改善高达大约1/5。

<工业适用性>

如上所述，根据本发明，通过位置控制以低速操作两轴中的一轴，使另一轴***且跟随前一轴，并执行返回原点。以任意节距测量所述一轴与另一轴之间的位置偏差，将与所述一轴行进到的位置相对应的位置偏差作为函数保存在数据库中。将一个位置命令作为主位置命令直接分配给所述一轴，并且将该位置命令作为通过使用存储在数据库中的函数进行修正的位置命令分配给所述另一轴，以执行操作。从而，一种可以实现高速及高精度操作的成对同步控制能够容易地得以实现。

此外，对固定部分的重心位置进行检测。通过使用其位置信号作为输入来准备用于产生各轴的惯性补偿增益的函数。在固定部分的重心位置处惯性补偿增益发生变化。将基于从两轴的位置命令获得的加速度以及各轴的质量计算出的必要转矩添加到转矩命令中。这样，由于两轴之一的转矩前馈量与实际需要的转矩命令相对应，所以可以极大地减少两轴之间的偏差。

Claims

1、一种同步操作用于驱动通过固定部分机械地彼此固定的两轴的两个电动机的成对同步控制方法，其中，

所述控制方法包括下列步骤：

通过位置控制以低速操作两轴中的一轴，并且使另一轴***且跟随所述一轴，并执行返回原点；

以任意节距测量所述一轴与所述另一轴之间的偏差；

将与所述一轴移动到的位置相对应的位置偏差作为函数存储在数据库中；

将一个位置命令作为主位置命令直接分配给所述一轴；以及

将所述位置命令作为通过使用存储在数据库中的函数进行修正的位置命令分配给所述另一轴，以执行操作。

2、根据权利要求1所述的成对同步控制方法，其中

以任意节距测量的偏差在函数中经过线性内插处理，以输出所获得的偏差。

3、根据权利要求1或2所述的成对同步控制方法，其中

在针对所述另一轴的位置命令中，采用行进速度作为参数来前移修正值的相位。

4、根据权利要求1所述的成对同步控制方法，进一步包括下列步骤：

检测固定部分的重心位置；

准备一用于利用位置信号作为输入形成各轴的惯性补偿增益的函数；

改变固定部分的重心位置的惯性补偿增益；以及

将基于从两轴的位置命令获得的加速度和各轴的质量计算的必要转矩添加到转矩命令中。