TWI486231B

TWI486231B - 扭矩控制裝置

Info

Publication number: TWI486231B
Application number: TW101132284A
Authority: TW
Inventors: Akira Tanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2015-06-01
Also published as: JPWO2014024215A1; CN104520066A; JP5823045B2; CN104520066B; WO2014024215A1; TW201406494A; US20150153747A1; DE112012006783T5

Description

扭矩控制裝置

本發明係關於控制成為以對主控制軸同步之方式，驅動扭矩控制軸之扭矩控制裝置。

控制成為以對主控制軸同步之方式，驅動扭矩控制軸之扭矩控制裝置，例如，被使用在附有供材機之自動車床。在此種附有供材機之自動車床具備有：主軸台，裝載有驅動工件使其旋轉之主軸；和供材機，用來將工件供給到主軸；利用主控制軸使主軸台朝水平方向移動，並利用扭矩控制軸使供材機朝水平方向移動，對工件施加一定之負載。主控制軸之位置控制和速度控制是利用控制主控制軸之主控制裝置，輸入主控制軸之位置資料，以回饋方式進行，和利用控制扭矩控制軸之扭矩控制裝置，控制成為以對主控制軸同步之方式驅動扭矩控制軸，藉此以一定之負載使工件被壓接在主軸。

在適用於該附有供材機之自動車床之扭矩控制裝置中，扭矩控制裝置對主軸台之水平方向之移動控制，未採取統合運作，只進行扭矩固定之控制。亦即，使供材機壓接在工件之結果，只不過依照負載扭矩進行與主控制裝置同步之運轉。因此，在主軸台移動時，由於配合主軸台之移動進行加速、減速故所必要之加減速扭矩會變成不足。因此，由於在主軸台和供材機之相對位置會產生變化(位置偏移)，而會有不能進行適當之工件支持之問題。

就抑制由於主軸台之移動產生之位置偏移之方式而言，在扭矩控制裝置中，提案有不是只使用一定之設定扭矩控制扭矩控制軸之產生扭矩，而是使用適當校正過之扭矩進行控制之方式。

例如，所揭示之技術(例如，參照專利文獻1)具備有利用線性標度裝置等之檢測手段，用來檢測供材機對主軸台之移動之相對變位，根據檢測到之相對變位決定所產生之扭矩。

另外，所揭示之技術(例如，參照專利文獻2)具備有速度資料輸入手段，用來輸入主軸台之速度資料，從被輸入之資料算出加速度資料，將與加速度成分對應之校正扭矩加算到扭矩指令。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平8-39301號公報

專利文獻2：日本特開平10-136682號公報

但是，在專利文獻1所揭示之技術中，因為有需要具備用來檢測由於線性標度裝置造成之延遲之檢測手段，所以會有裝置之構成變為複雜和裝置本身變成高價格之問題。

另外，在專利文獻2所揭示之技術中，因為需要算出用來與主控制軸同步之必要之加減速扭矩，所以對加速度資料乘以慣性力矩，用來進行換算成加減速扭矩，在演算用之慣性力矩有誤差之情況時，會有不能充分抑制在主軸台和供材機之間發生位置偏移之問題。

本發明是針對上述問題而研創者，其目的是獲得扭矩控制裝置，利用更簡易之構成，即使在主軸台有移動之情況時，亦可以抑制位置偏移之發生。

為著解決上述問題，本發明之扭矩控制裝置，係在藉由被扭矩控制軸驅動之驅動部，對被主控制軸驅動之工件施加壓接力，並與上述主控制軸同步地驅動上述扭矩控制軸者中，其特徵在於具備有：機械參數設定手段，以上述壓接力變大之方式，根據上述主控制軸之驅動狀態，設定表示上述驅動部之機械特性之機械參數；追隨驅動扭矩演算部，根據利用上述機械參數設定手段所設定之機械參數和上述主控制軸之驅動狀態，演算上述扭矩控制軸為追隨上述主控制軸之驅動所必要之追隨驅動扭矩；和扭矩控制手段，以對上述追隨驅動扭矩加上另外設定之設定扭矩而算出扭矩指令值，並使上述扭矩控制軸之扭矩與上述扭矩指令值一致之方式，控制上述扭矩控制軸。

依照本發明時，因為作成為依照主控制軸之驅動狀態演算扭矩指令值之構造，所以不需要具備檢測手段用來檢測使用另外之線性標度裝置所造成之延遲，可以使裝置之構成簡化。

另外，對於因為機械參數之誤差所產生之位置偏移，可以考慮機械參數之變動部分，選擇適當之機械參數，可以以壓接力恆常變大之方式演算扭矩指令值，所以可以簡易地抑制位置偏移之發生。

1‧‧‧主軸

2‧‧‧主軸台

3‧‧‧主軸進給螺桿

4‧‧‧主軸馬達

5‧‧‧檢測器

6‧‧‧主控制裝置

7‧‧‧副軸進給螺桿

8‧‧‧供材機

10‧‧‧副軸馬達

11‧‧‧扭矩控制裝置

12‧‧‧控制器

20‧‧‧驅動狀態演算部

21‧‧‧慣性力矩設定手段

22‧‧‧摩擦係數設定手段

23‧‧‧驅動扭矩演算部

24‧‧‧扭矩控制手段

25‧‧‧慣性力矩選擇手段

26‧‧‧摩擦係數選擇手段

W‧‧‧工件

第1圖是使本發明之實施形態1之扭矩控制裝置適用在附有供材機之自動車床之構成圖。

第2圖是方塊圖，用來顯示本發明之實施形態1之慣性力矩設定手段21之構成。

第3圖是波形圖，用來顯示本發明之實施形態1之主控制軸之驅動狀態和驅動扭矩之關係。

第4圖是方塊圖，用來顯示本發明之實施形態1之摩擦係數設定手段之構成。

第5圖是波形圖，用來顯示本發明之實施形態1之主控制軸之驅動狀態和驅動扭矩之關係。

以下根據圖式詳細地說明本發明之扭矩控制裝置之實施形態。另外，本發明不因本實施形態而受到限制。

實施形態1

以下使用第1圖至第5圖說明本發明之實施形態1之扭矩控制裝置。

第1圖是將本發明之實施形態1之扭矩控制裝置適用在附有供材機之自動車床之構成圖。主軸1用來固定工件W並將工件W驅動使其旋轉。搭載主軸1之主軸台2安裝在主軸進給螺桿3。利用主軸馬達4(主控制軸)驅動主軸進給螺桿3使其旋轉，藉此使主軸台2朝水平方向移動。安裝在主軸馬達4之檢測器5，用來檢測主軸馬達4之旋轉位置，檢測到之主控制軸之位置資料輸入到用以驅動控制主軸馬達4之主控制裝置6。主控制裝置6以回饋方式進行主軸台2之位置控制和速度控制。控制器12對主控制裝置6輸出位置指令信號，該信號係成為用來驅動主控制軸之目標值。供材機8安裝在副軸進給螺桿7。利用副軸馬達10(扭矩控制軸)驅動副軸進給螺桿7使其旋轉，藉此驅動供材機8使其朝水平方向移動，用以將工件W供給到主軸1，並在工件加工中對工件W施加水平方向之負載，使工件W壓接在主軸1。進行扭矩控制軸之扭矩控制之扭矩控制裝置11，依照設定扭矩控制副軸馬達10之驅動，以供材機8對工件W施加一定負載之方式，進行扭矩控制軸之扭矩控制。

在扭矩控制裝置11，對驅動狀態演算部20輸入：位置指令信號，從控制器12輸出；和檢測信號，由檢測器5檢測被主控制裝置6控制之主控制軸之旋轉位置而產生。驅動狀態演算部20演算和輸出主控制軸之速度和加速度，或該等之方向(例如符號資訊)之主控制軸之驅動狀態。從驅動狀態演算部20輸出之加速度方向資訊被輸入到慣性力矩設定手段21，而慣性力矩設定手段21輸出慣性力矩。從驅動狀態演算部20輸出之速度方向資訊被輸入到摩擦係數設定手段22。摩擦係數設定手段22輸出摩擦係數。驅動扭矩演算部23輸入有從驅動狀態演算部20輸出的速度或和速度等之主控制軸之驅動狀態、從慣性力矩設定手段21輸出之慣性力矩、和從摩擦係數設定手段22輸出摩擦係數，並演算和輸出追隨主控制軸之動作所需要之驅動扭矩。扭矩控制手段24輸入有從驅動扭矩演算部23輸出之為著追隨主控制軸之動作所必要之驅動扭矩、和另外設定之設定扭矩Ts，根據驅動扭矩算出成為扭矩控制軸之扭矩之扭矩指令值，依照扭矩指令值對成為扭矩控制軸之副軸馬達10進行扭矩控制。

驅動狀態演算部20根據從控制器12輸出之主控制軸之位置指令信號，或根據由檢測器5檢測被主控制裝置6控制之主控制軸之旋轉位置所獲得之檢測信號，演算和輸出速度、加速度、和該等之方向資訊(例如符號資訊)之主控制軸之驅動狀態。

在此對於速度方向資訊和加速度方向資訊，使用下式方式之符號處理函數H(x)，對x輸入速度和加速度，進行演算，將其輸出作為速度方向資訊和加速度方向資訊。

x>0之情況時：H(x)=+1 x=0之情況時：H(x)=0 x<0之情況時：H(x)=-1………(1)

慣性力矩設定手段21根據從驅動狀態演算部20輸出之以符號處理函數H(x)數值化後之加速度方向資訊，演算和輸出慣性力矩成為扭矩控制軸之驅動扭矩之演算時所使用之機械參數。

摩擦係數設定手段22根據從驅動狀態演算部20輸出之以符號處理函數H(x)數值化後之速度方向資訊，演算和輸出摩擦係數成為扭矩控制軸之驅動扭矩之演算時所使用之機械參數。

在此對於慣性力矩設定手段21和摩擦係數設定手段22之詳細部分將於後面說明。

驅動扭矩演算部23根據由驅動狀態演算部20輸出之主控制軸之速度和加速度等之驅動狀態、和在慣性力矩設定手段21演算之慣性力矩及在摩擦係數設定手段22演算之摩擦係數等之機械參數，依照下式算出和輸出追隨主控制軸之動作所必要之扭矩控制軸之驅動扭矩。在此，Th為追隨主控制軸之動作所必要之扭矩控制軸之驅動扭矩，a為主控制軸之加速度，v為主控制軸之速度，J為慣性力矩，c為摩擦係數，H為式(1)所示符號處理函數。

Th=a．J+c．H(v)………(2)

扭矩控制手段24使從驅動扭矩演算部23輸出之驅動扭矩Th，和與所希望之按壓力相當而另外設定之設定扭矩Ts進行相加，算出成為扭矩控制軸之扭矩指令之扭矩指令值，依照扭矩指令值對成為扭矩控制軸之副軸馬達10進行扭矩控制。例如，以使成為扭矩控制軸之副軸馬達10之扭矩與扭矩指令值一致之方式進行扭矩控制。

其次，對於慣性力矩設定手段21使用第2圖進行詳細之說明。第2圖是方塊圖，用來顯示本發明之實施形態1之慣性力矩設定手段21之構成。

在慣性力矩設定手段21係儲存有複數個慣性力矩之值，且具備根據被輸入之主控制軸之加速度方向資訊H(a)，而從複數個慣性力矩之值，進行選擇和輸出之慣性力矩選擇手段25。在成為選擇對象之慣性力矩之值有2個之情況時，變成選擇慣性力矩之最大值或最小值之任一個將其輸出。在此慣性力矩之值可以記憶在慣性力矩設定手段21內，另外亦可以從控制器12輸入到慣性力矩設定手段21。該等之複數個慣性力矩之值，可以考慮裝置中所設想之慣性力矩之變動，適當地變更設定。

在第2圖所示之慣性力矩設定手段21中，儲存有2個慣性力矩之值。利用慣性力矩選擇手段25，當主控制軸之加速度方向和扭矩控制軸之壓接力在同一方向時，選擇慣性力矩之最大值，當主控制軸之加速度方向和扭矩控制軸之壓接力在不同方向時，選擇慣性力矩之最小值。

其次，使用第3圖說明利用慣性力矩設定手段21所選擇之慣性力矩之驅動扭矩之動作。第3圖是波形圖，用來顯示本發明之實施形態1之主控制軸之驅動狀態和扭矩控制軸之驅動扭矩之關係。

在第3圖中於上段顯示主控制軸之時間和速度之關係，下段顯示扭矩控制裝置11之時間和驅動扭矩之關係。在此第3圖之下段之驅動扭矩Th顯示式(2)之摩擦係數c為零之情況。在此種情況時，驅動扭矩Th成為由式(2)之加速度a和慣性力矩J之積(Th=a．J)。在第3圖之下段中，實線顯示利用第2圖之慣性力矩選擇手段25選擇慣性力矩之最大值之情況，虛線顯示利用第2圖之慣性力矩選擇手段25選擇慣性力矩之最小值之情況。

如第3圖之上段所示，當在正負方向以速度梯形之動作模式(pattern)驅動主控制軸之情況時，發生加速度±a之區間成為時刻t1至t2間，時刻t3至t4間，時刻t5至t6間，時刻t7至t8間。在該等之區間，利用式(2)可以求得如下段所示之驅動扭矩。

這時，第2圖之慣性力矩選擇手段25所選擇之慣性力矩J，係如上所述當主控制軸之加速度方向與扭矩控制軸之壓接力在同一方向時，選擇其最大值，當主控制軸之加速度方向和扭矩控制軸之壓接力在不同方向時，選擇其最小值。

在第3圖中，於將速度和驅動扭矩之正方向設為扭矩控制軸之壓接力之方向之情況時，驅動扭矩係在時刻t1至t2間和時刻t7至t8間成為使用慣性力矩J之最大值之驅動扭矩(實線部分)，而在時刻t3至t4間和時刻t5至t6間驅動扭矩變成使用慣性力矩J 之最小值之驅動扭矩(虛實線部分)。

依照此種方式，選擇慣性力矩J，算出驅動扭矩，藉此可以演算恆常使壓接力朝變大之方向之驅動扭矩。

其次，對於摩擦係數設定手段22使用第4圖進行詳細之說明。第4圖是方塊圖，顯示本發明之實施形態1之摩擦係數設定手段22之構成。

在摩擦係數設定手段22儲存有複數個摩擦係數之值，且具備有摩擦係數選擇手段26，根據被輸入之主控制軸之速度方向資訊H(v)，從複數個摩擦係數之值選擇和輸出。在成為選擇對象之摩擦係數之值有2個之情況時，變成選擇摩擦係數之最大值或最小值之任一個將其輸出。在此摩擦係數之值可以記憶在摩擦係數設定手段22內，另外亦可以從控制器12輸入到摩擦係數設定手段22。該等之複數個摩擦係數之值，可以考慮在裝置中所設想之摩擦係數之變動適當地變更設定。

在第4圖所示之摩擦係數設定手段22儲存有2個之摩擦係數之值。當主控制軸之速度方向與扭矩控制軸之壓接力為同一方向時，利用摩擦係數選擇手段26選擇摩擦係數之最大值，當主控制軸之加速度方向與扭矩控制軸之壓接力為不同方向時，利用摩擦係數選擇手段26選擇摩擦係數之最小值。

其次，使用第5圖說明依照利用摩擦係數設定手段22所選擇之摩擦係數之驅動扭矩之動作。第5圖是波形圖，顯示本發明之實施形態1之主控制軸之驅動狀態和扭矩控制軸之驅動扭矩之關係。

在第5圖中，與第3圖同樣地，上段顯示主控制軸之時間和速度之關係，下段顯示扭矩控制裝置11之時間和驅動扭矩之關係。在此第5圖之下段驅動扭矩Th是使式(2)之慣性力矩J成為固定值。在第5圖之下段，實線顯示利用第4圖之摩擦係數選擇手段26選擇摩擦係數之最大值之情況，虛線顯示利用第4圖之摩擦係數選擇手段26選擇零為摩擦係數之最小值之情況。

如第5圖之上段所示，在正負方向以速度梯形之動作模式驅動主控制軸之情況時，產生速度±v之區間成為時刻t1至t4間和時刻t5至t8間。

這時，第4圖之摩擦係數選擇手段26所選擇之摩擦係數c，如上所述，當主控制軸之速度方向與扭矩控制軸之壓接力為同一方向時，選擇其最大值，當主控制軸之速度方向與扭矩控制軸之壓接力為不同方向時，選擇其最小值。

在第5圖中，當將速度和驅動扭矩之正方向設成壓接力之方向之情況時，驅動扭矩變成在時刻t1至t4間使用摩擦係數c之最大值之驅動扭矩(實線部分)，而在時刻t5至t8間驅動扭矩變成使用摩擦係數c之最小值之驅動扭矩(虛線部分)。

依照此種方式，選擇摩擦係數c，算出驅動扭矩，藉此可以演算恆常使壓接力朝變大之方向之驅動扭矩。

如以上所說明，在本發明之實施形態1之扭矩控制裝置中，因為構建成不使用扭矩控制軸之驅動狀態之資訊，而是根據主控制軸之驅動狀態之資訊演算扭矩控制軸之驅動扭矩，所以不需要另外設置線性標度裝置等之檢測手段來獲得主控制軸和扭矩控制軸之相對位置，可以使裝置之構成簡化。

另外，由於考慮到屬於機械參數之慣性力矩和摩擦係數之變動，並設成根據主控制軸之驅動資訊，選擇慣性力矩和摩擦係數之值(特別是該等之最大值和最小值)的方式，所以可以進行恆常使壓接力變大之扭矩控制軸之扭矩控制，對於機械參數之變動或誤差，亦可以抑制主控制軸和扭矩控制軸之位置偏移之發生。

(產業上之可利用性)

本發明之扭矩控制裝置係作為利用扭矩控制軸對被主控制軸驅動之工件施加一定之負載，並使該扭矩控制軸與主控制軸同步地驅動之扭矩控制裝置而有用，特別適用於用以驅動產業用機械裝置之馬達之扭矩控制裝置。

21‧‧‧慣性力矩設定手段

25‧‧‧慣性力矩選擇手段

Claims

一種扭矩控制裝置，係藉由被扭矩控制軸驅動之驅動部，對被主控制軸驅動之工件施加壓接力，並與上述主控制軸同步地驅動上述扭矩控制軸，係具備有：機械參數設定手段，以上述壓接力變大之方式，根據上述主控制軸之驅動狀態，設定顯示上述驅動部之機械特性之機械參數；追隨驅動扭矩演算部，根據利用上述機械參數設定手段所設定之機械參數和上述主控制軸之驅動狀態，演算上述扭矩控制軸用以追隨上述主控制軸之驅動所必要之追隨驅動扭矩；和扭矩控制手段，以對上述追隨驅動扭矩加上另外設定之設定扭矩而算出扭矩指令值，並使上述扭矩控制軸之扭矩與上述扭矩指令值一致之方式，控制上述扭矩控制軸。
如申請專利範圍第1項所述之扭矩控制裝置，其中，上述機械參數設定手段儲存有顯示上述驅動部之機械特性之機械參數之複數個值，而依照上述主控制軸之驅動狀態選擇和設定被儲存之機械參數之最大值和最小值之任一個。
如申請專利範圍第2項所述之扭矩控制裝置，其中，上述機械參數設定手段包含有慣性力矩設定手段，用來將上述機械參數設為上述扭矩控制軸之慣性力矩；上述慣性力矩設定手段係根據上述主控制軸之加速度，於上述加速度與上述壓接力為同一方向時，設定慣性力矩之最大值，又於上述加速度與上述壓接力為不同方向時，設定慣性力矩之最小值；而且上述追隨驅動扭矩包含以上述慣性力矩設定手段設定之慣性力矩和上述主控制軸之加速度之積之加減速扭矩。
如申請專利範圍第2項所述之扭矩控制裝置，其中，上述機械參數設定手段包含有摩擦係數設定手段，用來將上述機械參數設為上述扭矩控制軸之摩擦係數；上述摩擦係數設定手段係根據上述主控制軸之速度，於上述速度與上述壓接力為同一方向時，設定摩擦係數之最大值，又於上述速度與上述壓接力為不同方向時，設定摩擦係數之最小值；而且上述追隨驅動扭矩包含從以上述摩擦係數設定手段設定之摩擦係數和上述主控制軸之速度演算出之摩擦扭矩。