CN102301297B - 伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伺服控制装置，为实现位置控制的精度提高，而适用于数值控制设备，所述数值控制设备具备：将电动机的旋转运动变换为直线运动的螺纹进给部、利用螺纹进给部进行直线移动的被驱动部、支撑螺纹进给部及被驱动部的支撑体，以使被驱动部的位置与位置指令相一致的方式控制电动机，其中，具备补偿支撑体的振动反作用力引起的被驱动部的振动的支撑体反作用力补偿部(311)，支撑体反作用力补偿部(311)所具备的传递函数中包含被驱动部的刚性项。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及伺服控制装置。

背景技术

例如用于机床的伺服控制装置中，为提高位置控制的精度，而提案有各种控制方法。图13中简单表示机床的概略构成之一例。如图13所示，机床具备床身1、和配置于床身1上的工作台2。工作台2在床身1上沿X轴方向可移动地设置。在圆形的立柱3上沿Y轴方向配置有横导轨。在横导轨4上螺纹连接(螺合)有具备滑块6的鞍座5，其沿Y轴方向可移动地设置。

工作台2在X轴方向的移动通过滚珠丝杠驱动机构进行。具备滑块6的鞍座5在Y轴方向的移动也通过设置于立柱3的其它滚珠丝杠驱动机构进行。

图13所示的较大型的机床中，要求精度高的鞍座5的位置控制及工作台2的速度控制，但在加工中，通过横导轨4及鞍座5以及滑块6移动，在立柱等上产生低频振动，存在不能正确地进行鞍座5及滑块6的位置控制的问题。

为解决这种问题，例如提案有将伺服系及机械系模型化，使用具有该模型的逆特性的传递函数进行前馈补偿(例如参照专利文献1)。

专利文献1：特开2007-25961号公报

但是，专利文献1中公开的发明中，虽然能够进行立柱自身的振动引起的鞍座5的位置补偿，但是不能与立柱的振动引起的鞍座5固有的振动对应，存在难以维持所希望的位置控制精度的问题。

另外，专利文献1等中记载的发明中，需要对前馈(フイ一ドフオワ一ド)补偿控制用的传递函数中的机械常数进行同定(同定)，但难以正确地进行这样的机械常数的同定，如果不能适宜地进行机械常数的同定，则存在即使进行折角前馈补偿控制也不能维持所希望的精度的问题。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而创立的，其目的在于，提供能够实现位置控制的精度提高的伺服控制装置。

为解决上述课题，本方面采用以下的发明。

本发明提供一种伺服控制装置，其适用于数值控制设备，所述数值控制设备具备：将电动机的旋转运动变换为直线运动的螺纹进给部、利用所述螺纹进给部进行直线移动的被驱动部、支撑所述螺纹进给部及所述被驱动部的支撑体，以使所述被驱动部的位置与指令位置相一致的方式控制所述电动机，其中，具备：机械挠曲补偿部，其以所述指令位置作为输入信息、并对所述支撑体的振动引起的位置控制误差进行补偿；以及速度前馈部，向该速度前馈部输入从所述机械挠曲补偿部输出的补偿后的指令位置，所述速度前馈部具备补偿所述支撑体的振动反作用力引起的所述被驱动部的振动的支撑体反作用力补偿部，所述支撑体反作用力补偿部具备由下述公式表示的传递函数，在所述传递函数中，以所述补偿后的指令位置的三次微分值作为输入信息，且包含所述支撑体的惯性、所述被驱动部的惯性、所述支撑体的粘性、所述螺纹进给部的刚性以及所述支撑体的弹簧刚性来作为系数，所述公式为：{(J_CJ_L/K_R)s²/(2J_Cs²+C_Cs+K_C)}，其中，J_C表示所述支撑体的惯性，J_L表示所述被驱动部的惯性，C_C表示所述支撑体的粘性，K_R表示所述螺纹进给部的刚性，K_C表示所述支撑体的弹簧刚性，s表示拉普拉斯算符。

根据这种构成，可通过支撑体反作用力补偿部补偿支撑体振动引起的被驱动部的振动造成的位置控制误差。由此，可以提高被驱动部的位置控制的精度。由于支撑体反作用力补偿部所具备的传递函数中包含被驱动部的刚性项，所以可以以相当的精度推顶支撑体的振动向被驱动部传递的程度。

所述伺服控制装置中，也可以为，支撑体反作用力补偿部设于所述电动机的速度控制用的前馈控制系统。

这样，通过设于电动机的速度控制用的前馈控制系统，能够正确地进行电动机的速度补偿。

所述伺服控制装置中，也可以为，所述支撑体反作用力补偿部所具备的所述传递函数中包含所述支撑体的刚性项，所述支撑体的刚性项基于对所述支撑体或所述被驱动部给予冲击而振动时的振动共振频率同定。

这样，由于使用振动共振频率，所以例如与根据力和歪斜的关系进行同定的方法相比，得到高的测定精度，且可以得到高的同定精度。

所述伺服控制装置中，也可以是具备同定所述支撑体的刚性项的常数同定部，所述常数同定部也可以具有：对所述被驱动部给予冲击而使所述被驱动部振动的冲击发生部、检测给予了冲击时的所述被驱动部或所述支撑体的振动的振动检测部、根据由所述振动检测部检测出的振动信号算出所述被驱动部的共振频率且根据该共振频率同定所述支撑体的刚性项的支撑体刚性项同定部。

这样，通过对被驱动部给予冲击而使被驱动部振动，基于该振动的状态同定支撑体的刚性项，因此，可以提高支撑体的刚性项的同定的可靠度。

所述伺服控制装置中，也可以是，所述支撑体反作用力补偿部所具备的所述传递函数中包含有所述支撑体的粘性(粘性)项，所述支撑体的粘性项基于对所述支撑体或所述被驱动部给予冲击而振动时的振动的衰减状态。

这样，由于基于振动的衰减状态来同定支撑体的粘性项，所以可以容易地同定支撑体的粘性项。

所述伺服控制装置也可以具备同定所述支撑体反作用力补偿部所具备的所述传递函数中包含的常数的常数同定部，所述常数同定部也可以具有：对所述被驱动部给予冲击而使所述被驱动部振动的冲击发生部、检测给予了冲击时的所述被驱动部或所述支撑体的振动的振动检测部、根据由所述振动检测部检测的振动信号算出所述被驱动部的振动的衰减率且根据该振动的衰减率同定所述支撑体的粘性项的支撑体粘性项同定部。

这样，通过对被驱动部给予冲击，使被驱动部振动，且基于该振动的状态来同定支撑体的粘性项，因此，可以提高支撑体的粘性项的同定的可靠度。

所述伺服控制装置中，也可以是，所述冲击发生部通过使所述被驱动部以规定的加速度以上移动而使所述被驱动部振动。

这样，通过使被驱动部移动，对被驱动部给予冲击而产生振动，因此，可以以更接近实际运用的方式确认振动的样态。

所述伺服控制装置中，也可以是，所述常数同定部在同定了所述常数后，在由所述振动检测部检测出的所述被驱动部的振动的振幅超过既定的阈值的情况下，基于由该振动检测部检测出的振动信号进行常数的调整。

这样，在同定了常数后，确认该常数是否适当，在不适当的情况下，调整常数，直至设定适当的值，因此，可以提高常数的同定精度。

所述伺服控制装置中，所述常数同定部在所述数值控制设备驱动的期间，将由所述振动检测部检测出的振动信号和由所述支撑体反作用力补偿部的模型算出的所述被驱动部的推定振动信号进行比较，基于该比较结果调整所述支撑体反作用力补偿部所具备的传递函数的机械常数。

根据这种构成，由于在数值控制设备驱动的期同也进行常数的调整，因此，可以总是将常数设定为适当的值。由此，可以提高被驱动部的位置控制的精度。

根据本发明，实现可以实现位置控制的精度提高的效果。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的伺服控制装置的控制对象设备的概略构成的图。

图2是表示本发明第一实施方式的伺服控制装置的框线图的图。

图3是表示图2所示的速度前馈部的框线图的图。

图4是表示包含立柱的控制对象设备的机械系模型的图。

图5是从构成速度前馈部的要素中抽出有关立柱反作用力补偿部的要素进行表示的图。

图6是表示本发明第一实施方式的常数同定部的概略构成的图。

图7是用于对由冲击发生部给予鞍座的冲击进行说明的图。

图8是用于对立柱粘性的同定方法进行说明的图。

图9是表示本发明第一实施方式的补偿部的效果的图。

图10是表示本发明第二实施方式的常数同定部的概略构成的图。

图11是表示本发明第三实施方式的机械常数调整部的概略构成的图。

图12是用于说明由图11所示的机械常数调整部实施的处理内容的流程图。

图13是表示应用本发明第一实施方式的伺服控制装置的机床的概略构成的图。

具体实施方式

下面，对将本发明的伺服控制装置适用于图13所示的机床(数值控制设备)的情况的实施方式进行说明。

〔第一实施方式〕

图13是表示应用本发明第一实施方式的伺服控制装置的机床的概略构成的图。如图13所示，机床具备床身1、和配置于床身1上且沿X轴方向可移动的工作台2。以跨过工作台2的方式配置有圆形的立柱(支撑体)3。在立柱3上沿Y轴方向安装有横导轨，通过鞍座(被驱动部)5在该横导轨上移动，鞍座5沿Y轴方向可移动。鞍座5具备沿Z轴方向可移动的滑块6。在滑块6的前端安装有进行切削加工等的机械前端。在本实施方式中，其目的在于，以使该滑块6的Y轴方向的机械前端位置与指令位置θ相一致的方式控制鞍座5的位置。

图1表示本实施方式的伺服控制装置的控制对象设备的概略构成。如图1所示，控制对象设备为将电动机12的旋转运动利用由滚珠丝杠螺母10和滚珠丝杠轴11构成的滚珠丝杠进给部(螺纹进给部)9变换成直线运动而使负荷即鞍座5进行直线移动(沿Y轴方向移动)的机床的滚珠丝杠驱动机构。在电动机12上配置有检测电动机速度ω_M并输出的电动机编码器13。直线检测元件14检测表示鞍座5的位置的负荷位置θ_L并输出。滚珠丝杠驱动机构中，当电动机12旋转驱动滚珠丝杠轴11旋转时，滚珠丝杠螺母10及与滚珠丝杠螺母10固定连结的鞍座5进行直线移动。

图2是表示本实施方式的伺服控制装置的框线图的图。本实施方式的伺服控制装置100是运算用于使安装于鞍座5的滑块6的在Y轴方向的机械前端位置与指令位置θ相一致的指令扭矩τ，且将该指令扭矩τ作为输出信号输出向电动机12的装置。

如图13所示，鞍座5安装于立柱3上。在进行切削加工等时，如果鞍座5向Y轴方向移动、或滑块6向Z轴方向移动，则在立柱3上产生振动，该振动对鞍座5及滑块6的位置控制的精度带来影响。本实施方式的伺服控制装置100具备用于对这种立柱3的振动引起的位置控制误差进行补偿的机械挠曲(たわみ)补偿部200。进而设有补偿电动机12及鞍座5上产生的“歪斜”、“挠曲”、“粘性”等位置误差要因，用于提高鞍座5的位置控制的精度的速度前馈部201。关于机械挠曲补偿部200及速度前馈部201的详细，之后叙述。

如图2所示，伺服控制装置100具有：机械挠曲补偿部200、速度前馈部201、减法部101、乘法部102、减法部103、及比例积分运算部104。

机械挠曲补偿部200将指令位置θ由后述的传递函数进行补偿，且输出补偿后的指令位置θ′。减法部101输出进行了立柱补偿的指令位置θ′和负荷位置θ_L之差即偏差位置Δθ。乘法部102将位置环路增益K_P与偏差位置Δθ相乘并输出偏差速度ΔV。减法部103输出从将从速度前馈部201输出的补偿速度V′与偏差速度ΔV相加所得的值减去电动机速度ω_M所得的指令速度V。比例积分运算部104将指令速度V进行比例积分运算并输出指令扭矩τ。在比例积分运算部104，使用速度环路增益K_v、积分时间常数T_v、及扭矩常数K_T进行τ＝VK_T{K_v(1+(1/T_vs))}这样的运算，求得指令扭矩τ。

该指令扭矩τ赋予图2所示的控制对象设备，进行基于该指令扭矩τ的各部的控制。例如，电动机12通过从电流控制器(图示省略)供给与指令扭矩τ相对应的电流而进行旋转驱动。该情况下，图示省略，但以成为与指令扭矩τ相对应的电流值的方式进行电流的反馈控制。电动机12的旋转运动通过滚珠丝杠进给部9变换成直线运动，其结果是使与滚珠丝杠进给部9螺纹连接的滚珠丝杠螺母10进行直线移动，固定于该滚珠丝杠螺母10的鞍座5与滚珠丝杠螺母10一同移动，使在鞍座5所具备的滑块6的前端安装的机械前端位置向指令位置θ移动。

其次，对速度前馈部201进行说明。如图3所示，速度前馈部201具备：一次微分项运算部301、二次微分项运算部302、三次微分项运算部303、四次微分项运算部304、将一次微分系数与一次微分项相乘的乘法部305、将二次微分系数与二次微分项相乘的乘法部306、将三次微分系数与三次微分项相乘的乘法部307、将四次微分系数与四次微分项相乘的乘法部308、加法部309、速度环路补偿部310、立柱反作用力补偿部(支撑体反作用力补偿部)311、减法部312。图3中，s是拉普拉斯算符(微分算符)。

上述一次微分系数～四次微分系数被设定为机械系模型中的扭矩及速度的逆特性模型的传递函数。上述速度环路补偿部310的传递函数使用位置闭环(ル一プ)增益K_P、积分时间常数T_v且由{K_P/(1+T_vs)}表示，立柱反作用力补偿部311的传递函数使用立柱的惯性J_C、鞍座及滑块的惯性J_L、立柱粘性C_C、进给系刚性K_R、立柱的弹簧刚性K_C且由{(J_CJ_L/K_R)s²/(2J_Cs²+C_Cs+K_C)}表示。

在速度前馈部201，在输入由机械挠曲补偿部200进行了位置补偿的指令位置θ′时，将乘法计算一次微分系数的一次微分项、乘法计算二次微分系数的二次微分项、乘法计算三次微分系数的三次微分项、乘法计算四次微分系数的四次微分项分别输入加法部309，由此，将这些不同的微分系数值相加，赋予速度环路补偿部310。在速度环路补偿部310，在实施了由上述传递函数表示的位置补偿后，输出向减法部312。

从三次微分项运算部303输出的三次微分项也被输入立柱反作用力补偿部311，在进行了由上述传递函数表示的位置补偿后，输出到减法部312。在减法部312，从来自速度环路补偿部310的输出减去立柱反作用力补偿部311的位置补偿量，算出补偿速度V′，将该补偿速度V′输出向图2的减法部103。

图2所示的伺服控制装置中，在减法部103将补偿速度V′与偏差速度ΔV相加，由此，补偿作为质点的电动机12及鞍座5的“歪斜”、“挠曲”、“粘性”这样的误差要因。其结果实现了鞍座5的位置控制的精度提高。

其次，对本实施方式的主要特征之一即图2所示的机械挠曲补偿部200及图3所示的立柱反作用力补偿部311进行说明。

如上所述，本实施方式的伺服控制装置100的目的在于，因鞍座5及滑块6等的移动，从而立柱3发生振动，防止该立柱3的振动引起的鞍座5的振动造成的位置控制的精度降低。

在立柱3振动的情况下，必须要考虑该立柱3自身的振动来进行鞍座5的位置控制，同时，必须也要考虑立柱3的振动的反作用力带来的鞍座5及滑块6的振动来进行鞍座5的位置控制。

即，在立柱3及鞍座5的刚性均高的情况下，鞍座5与立柱3一同以相同的振幅、相同的频率进行振动。因此，该情况下，不需要考虑鞍座5固有的振动，而仅考虑立柱3的振动引起的位置误差即可。

与之相对，在鞍座5的刚性低的情况下，鞍座5因立柱3的反作用力而发生振动，另外，该振动也未必与立柱3的振动相同，以与立柱3不同的周期及位相进行振动。该情况下，不仅立柱3的振动造成的位置误差，而且也考虑立柱3的振动的反作用力引起的鞍座5的固有的振动造成的位置误差，需要进行伴随此的位置控制误差。

这样，本发明着眼于立柱3的振动的反作用力引起的鞍座5的固有的振动，其特征之一是补偿该鞍座5的固有的振动导致的位置误差。

因此，本实施方式的伺服控制装置100具有用于不仅补偿上述的立柱3自身的振动，而且还对立柱3的振动的反作用力导致的鞍座5的振动所引起的位置误差进行补偿的补偿模型。而且，该补偿模型是图3所示的立柱反作用力补偿部311。

这样，本实施方式的伺服控制装置100具有由补偿立柱3其自身的振动导致的位置控制误差的机械挠曲补偿部200、和用于对立柱3的振动的反作用力导致的鞍座5的振动所引起的位置误差的立柱反作用力进行补偿的立柱反作用力补偿部311构成的两个补偿模型。这样，由于具有两个补偿模型，从而可以有效地消除立柱的振动引起的位置控制的误差，能够提高图13所示的机床的Y轴方向的位置控制的精度，

其次，对上述的机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311的传递函数的导出过程进行简单说明。

图4是表示包含立柱3的控制对象设备的机械系模型的图。如图4所示，本实施方式中，将机械系的模型作为以电动机12、负荷即鞍座5、及立柱3为质点的3质点系中的机械系的模型进行特定。

如图4所示，如果将电动机12的特性进行模型化并由传递函数表示，则由块12-1和块12-2表示。J_M表示电动机惯性，D_M表示电动机粘性。从块12-1输出电动机速度ω_M，从块12-2输出电动机位置θ_M。

如果将负荷即鞍座5的特性进行模型化并由传递函数表示，则由块5-1和块5-2表示。θ_M表示电动机位置，θ_L表示负荷位置，C_R表示进给系的并行衰减，K_R表示进给系刚性，J_L表示鞍座/滑块惯性，D_L表示负荷粘性(鞍座粘性)。

块5-1在被输入电动机位置θ_M和负荷位置θ_L的偏差(θ_M-θ_L)时，输出反作用力扭矩。如果将该反作用力扭矩及立柱振动的反作用力相加的值输入块5-2，则输出负荷位置θ_L。

如果将立柱3的特性进行模型化并由传递函数表示，则由块3-1和块3-2表示。另外，J_C表示立柱惯性，C_C表示立柱粘性，K_C表示立柱刚性。

其次，基于图4所示的机械系模型，对图2所示的机械挠曲补偿部200的传递函数及速度前馈部201内所设置的立柱反作用力补偿部311的传递函数的导出方法进行说明。

首先，在图4所示的机械系模型中，块101、块102、块103中的运动方程式由以下的(1)～(3)式分别表示。

τ-(θ_M-θ_L)K_R+θ_CJ_Cs²＝θ_M(J_Ms²+D_Ms)  (1)

(θ_M-θ_L)K_R-θ_CJ_Cs²＝θ_L(J_Ls²+D_Ls)  (2)

-(θ_M-θ_L)K_R-θ_C(K_C+C_Cs)＝θ_CJ_Cs²  (3)

将上述(2)式和(3)式相加，导出以下的(4)式。

-θ_CJ_Cs²-θ_C(K_C+C_Cs)＝θ_L(J_Ls²+D_Ls)+θ_CJ_Cs²

-θ_L(J_Ls²+D_Ls)＝θ_C(2J_Cs²+C_Cs+K_C)  (4)

机械前端位置θ为θ＝θ_L+θ_C，因此，

θ_C＝θ-θ_L  (5)

由上述(4)式和(5)式最终得到以下的(6)式。

-(J_Ls²+D_Ls)θ_L＝(θ-θ_L)·(2J_Cs²+C_Cs+K_C)

{(2J_Cs²+C_Cs+K_C)-(J_Ls²+D_Ls)}θ_L＝θ(2J_Cs²+C_Cs+K_C)

θ_L＝θ(2J_Cs²+C_Cs+K_C)/{(2J_C-J_L)s²+(C_C-D_L)s+K_C}  (6)

在此，为使机械前端位置和指令位置θ相一致，需要使通过直线检测元件(位置传感器)14检测的鞍座的位置θ_L不偏离(6)式。因此，机械挠曲补偿部200由以下的(7)表示(参照图2)。

G₁(s)＝(2J_Cs²+C_Cs+K_C)/{(2J_C-JL)s²+(C_C-D_L)s+K_C}(7)

其次，对速度前馈部201内的立柱反作用力补偿部311的传递函数进行说明。

如果根据图4所示的机械系模型求鞍座5的检测位置θ_L和电动机速度θ_Ms的关系，则从上述的(2)式导出以下的(8)式。

θ_C＝{(θ_M-θ_L)K_R-θ_LJ_Ls²}/J_Cs²  (8)

根据上述(3)式和(8)式导出以下的(9)式。

-(θ_M-θ_L)K_R-〔{(θ_M-θ_L)K_R-θ_LJ_Ls²}/J_Cs²〕*(K_C+C_Cs)＝(θ_M-θ_L)K_R-θ_LJ_Ls²  (9)

进而，θ_M〔-2K_R-K_R(K_C+C_Cs)/J_Cs²〕＝θ_L〔-2K_R-J_Ls²-(J_L/J_C)＊(K_C+C_Cs)-K_R/J_Cs²＊(K_C+C_Cs)〕

进行整理后，

θ_M〔-2K_RJ_Cs²-K_R(K_C+C_Cs)〕＝θ_L〔-2K_RJ_Cs²-J_Ls²＊J_Cs²-J_L＊(K_C+C_Cs)s²-K_R＊(K_C+C_Cs)〕

因此，得到以下的(10)式。

【数学式1】

${\mathrm{\θ}}_M={\mathrm{\θ}}_L(1+\frac{J_L{J}_C{s}^4+J_L(K_C+C_{C}s)s^2}{{2K}_R{J}_C{s}^2+K_R(K_C+C_{C}s)})---\left(10\right)$

在此，如果为了仅抽出立柱的反作用力补偿，而从上述(10)式减去上述(2)式的2质系下的补偿成分即以下的(11)式，则得到(12)式。

θ_Ms＝θ_Ls〔(J_L/K_R)s²+1〕  (11)

【数学式2】

${\mathrm{\θ}}_M={\mathrm{\θ}}_L\left(\frac{-(J_L{J}_C/K_R)s^4}{2J_C{s}^2+C_{C}s+K_C}\right)---\left(12\right)$

如果为实现电动机速度而在两边乘以拉普拉斯系数，则得到(13)式。

【数学式3】

${\mathrm{\θ}}_{M}s={\mathrm{\θ}}_{L}s\left(\frac{-(J_L{J}_C/K_R)s^4}{2J_C{s}^2+C_{C}s+K_C}\right)---\left(13\right)$

而且，如果将上述(13)式适用于图3所示的立柱反作用力补偿部311的框线图、即图5所示的框线图，则立柱反作用力补偿部的传递函数由以下的(14)式得到。

【数学式4】

$G_2\left(S\right)=\frac{(J_L{J}_C/K_R)s^2}{2J_C{s}^2+C_{C}s+K_C}---\left(14\right)$

其次，对上述机械挠曲补偿部200的传递函数及速度前馈部201的立柱反作用力补偿部3１１的传递函数中使用的机械常数的同定方法进行说明。

首先，如上述(7)式所示，机械挠曲补偿部200的传递函数G₁(s)及速度前馈部201的立柱反作用力补偿部311的传递函数G₂(s)包含立柱惯性J_C、立柱粘性C_C、立柱刚性K_C、鞍座/滑块惯性J_L、负荷粘性D_L、进给系刚性K_R这六个机械常数。其中，对于立柱惯性J_C、立柱粘性C_C、立柱刚性K_C、及进给系刚性K_R而言，是变化的常数，期望简单的同定方法。

而且，关于该四个机械常数中立柱惯性J_C，由于各部的机械重量是已知的，所以可进行推定，而不需要进行同定。关于进给系刚性K_R，也可以从滚珠丝杠刚性理论值进行推定，因此不需要进行同定。

因此，关于剩余的立柱粘性C_C及立柱刚性K_C，通过进行同定来决定，可以完全决定各补偿部的机械常数。

以下，对有关上述立柱粘性C_C及立柱刚性K_C的同定方法进行说明。

本实施方式中，给予立柱3冲击，从该冲击的响应振动同定立柱粘性C_C及立柱刚性K_C。

立柱刚性K_C的同定基于给予立柱3冲击而使鞍座5振动时的其共振频率进行。

因此，首先，对用于从共振频率算出立柱刚性K_C的运算式的导出进行说明。

在图4所示的机械系模型中，立柱刚性K_C的计算式在上述的(2)式及(3)式中可根据θ_M＝0的下述(15)、(16)式得到。在共振中，电动机12考虑不会因立柱3的反作用力而动作的电动机。

-θ_LK_R-θ_CJ_Cs²＝θ_LJ_Ls²  (15)

θ_LK_R-θ_C(K_C+C_Cs)＝θ_CJ_Cs²  (16)

根据(15)式，

θ_L＝-θ_cJ_cs²/(J_Ls²+K_R)  (17)

(根据16)及(17)式，

-θ_c(J_cs²K_R)/(J_Ls²+K_R)-θ_c(K_C+C_Cs)＝θ_cJ_cs²

J_cs²+C_Cs+K_C+(J_cs²K_R)/(J_Ls²+K_R)＝0

J_cs²(J_Ls²+K_R)+(K_c+C_Cs)＊(J_Ls²+K_R)+J_cs²K_R＝0

J_cJ_Ls⁴+C_CJ_Ls³+(2J_cK_R+J_LK_C)s²+C_CK_Rs+K_RK_C＝0  (18)

此时，仅设定与共振频率相关的项(C_C与共振无关)，如果s＝jω，则得到以下的(19)式。

J_cJ_Lω⁴-(2J_cK_R+J_LK_C)ω²+K_RK_C＝0  (19)

解上述(19)式，进而设为有关立柱刚性K_c的式时，得到以下的(20)式。

K_C＝(8J_C ²J_LK_Rω²-(2J_cJ_L)²ω⁴/(-4J_cJ_L ²)ω²+4J_CJ_LK_R)  (20)

如果由立柱共振频率q表示上述(20)式，则得到以下的(21)式。

K_C＝J_c(8K_Rq²-J_Lq⁴)/(K_R-J_Lq²)  (21)

上述(21)式中，K_R为进给系刚性，J_L为鞍座惯性，J_C为立柱惯性，q为立柱共振频率，其中，立柱惯性J_C、鞍座惯性J_L、及进给系刚性K_R是已知的。因此，通过检测立柱共振频率，可以根据上述(21)式同定立柱刚性K_C。

其次，对实际使用上述(21)式同定立柱刚性K_C的顺序进行说明。

图6是表示常数同定部50的概略构成的图。如图6所示，常数同定部50具备：冲击发生部51、加速度传感器(振动检测部)52、立柱刚性同定部(支撑体刚性项同定部)53、立柱粘性同定部(支撑体粘性项同定部)54、及机械常数设定部55。

冲击发生部51例如对于鞍座5沿Y轴方向给予规定的冲击。规定的冲击例如为台阶式响应之类的冲击。本实施方式中，如图7所示，在YZ平面上以描绘大致四边形的方式使鞍座5及滑块6移动，由此对鞍座5给予Y轴方向的冲击。

图7所示的四边形中，各角部被设定为具有规定的曲率的圆弧状。冲击发生部52具有图7所示的YZ平面上的大致四边形的移动轨迹，通过将与该移动轨迹对应的位置指令给予图2所示的伺服控制装置100，使电动机12旋转驱动，使鞍座5沿图7所示的移动轨迹移动。作为此时的鞍座5的移动速度，优选将容许加速度设定为0.2G以上。在本实施方式中，以速度4600mm/分钟移动，从半径3mm的圆弧移动为直线后，产生加速度0.2G～0G的冲击。

在用于机械常数同定的伺服控制中，伺服控制装置100内的机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311为OFF状态，不能进行机械的挠曲补偿及立柱反作用力补偿等。

加速度传感器52被安装于立柱3或鞍座5，检测由冲击发生部51给予鞍座5的冲击引起的鞍座5的振动，将该检测信号输出到立柱刚性同定部53及立柱粘性同定部54。

立柱刚性同定部53在通过冲击发生部51给予鞍座5冲击的情况下，根据由加速度传感器52取得的检测信号求立柱共振频率q，通过将其代入上述的(21)式，而同定立柱刚性K_C。

立柱粘性同定部54在通过冲击发生部51给予鞍座5冲击的情况下，根据由加速度传感器52取得的检测信号求振动的衰减率，基于该衰减率同定立柱粘性C_C。下面，使用图8对立柱粘性C_C的同定方法进行说明。

在得到图8所示的衰减振动的情况下，分别测定振动的振幅P1、P2、P3…。接着，由这些振幅值P1、P2、P3…求对数衰减率的平均δ。例如，在以4波形为对象的情况下，计算LN(P1/P2)、LN(P2/P3)、LN(P3/P4)的平均，并求对数衰减率的平均δ。接着，使用对数衰减率δ、立柱惯性J_c、及由上述的立柱刚性同定部53同定的立柱刚性K_c，根据以下的式算出立柱粘性C_C。

C_C＝δ＊SQRT(J_c＊K_c)/π

机械常数设定部55对机械挠曲补偿器200及速度前馈部201的立柱反作用力补偿部311设定由立柱刚性同定部53同定的立柱刚性K_C及由立柱粘性同定部54同定的立柱粘性C_C。机械常数设定部55保有使W轴位置、附件等机械状态和上述立柱刚性K_C及立柱粘性C_C以外的机械常数相对应的表格，从表格读出与此时的机械状态相对应的机械常数，在机械挠曲补偿器200及速度前馈部201的立柱反作用力补偿部311中设定读出的各机械常数。

而且，这样，如果对机械挠曲补偿器200及速度前馈部201的立柱反作用力补偿部311的机械常数全部进行设定，则伺服控制装置100使机械挠曲补偿器200及立柱反作用力补偿部311动作，进行使用了这些补偿模型的位置控制。

如以上说明，根据本实施方式的伺服控制装置，不仅具备进行立柱3的振动引起的位置控制误差的补偿的机械挠曲补偿部200，而且还具备补偿立柱3的反作用力引起的鞍座5的振动所导致的位置控制误差的立柱反作用力补偿部311，因此，可以补偿立柱3的反作用力所导致的鞍座5的振动，即使在立柱3振动的情况下，也能够以高的精度进行鞍座5的位置控制。

图9是表示通过机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311进行补偿之前和进行之后的位置控制的精度的图表。图9中，横轴为时间，纵轴为Y轴方向上的滑块前端的位置。

在本次的试验中，在图13所示的工作台的上面配置500mm的厚度的夹具(イケ一ル)，在该夹具上配置坐标纸(格子スケ一ル)。在该状态下，通过将与图7所示的YZ平面上的大致四边形的移动轨迹相对应位置指令发送到图2所示的伺服控制装置100，使电动机12旋转驱动，使鞍座5及滑块6沿图7所示的移动轨迹移动。该试验中，以速度4600mm/min使鞍座5及滑块6移动。图9是由坐标纸测定进行这样的试验时的滑块前端位置的图。图9是在滑块(ラム)前端沿Y轴移动后将装置描绘圆弧停止前的动作部分的波形切出而表示的图，以Y＝-103的位置为停止位置(基准位置)。根据图9可知，通过进行补偿，有效地抑制鞍座5及滑块6的振动，从而位置控制的精度提高。

〔第二实施方式〕

如上所述，即使在利用常数同定部50设定了机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311的常数的情况下，设定的常数也不适当，且即使使这些补偿部工作，鞍座5也依然振动，认为位置控制的精度降低。

因此，第二实施方式的伺服控制装置中，为确认一次设定的常数是否适当，在使机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311动作的状态下，冲击发生部51对于鞍座5沿Y轴方向给予冲击，由加速度传感器的检测信号对此时的鞍座5的振动的样子进行确认。该情况下，在来自加速度传感器52的检测信号中振动的振幅超过既定的阈值的情况下，调整一次设定的机械常数。因此，如图10所示，第二实施方式的伺服控制装置的常数同定部50′进一步具备振动判定部56和常数调整部57。

在利用振动判定部56且基于来自加速度传感器52的检测信号判定为鞍座5的振动的振幅超过既定的阈值的情况下，常数调整部57利用机械常数设定部55调整一次设定的机械常数。具体而言，常数调整部57在给予冲击之后的振动较大的情况下，将立柱粘性C_C变更为变大的方向，给予冲击不久后，在振动较大的情况下，变更补偿频率，由此调整机械常数。而且，在变更了机械常数的情况下，再次实施同样的过程，由此，重复进行机械常数的调整，直至利用振动判定部56判定为鞍座5的振动的振幅为既定的阈值以下。

这样，根据本实施方式的伺服控制装置，具有确认一次设定的机械常数是否适当的装置，由于重复进行机械常数的调整，直至得到机械常数为适当的判定结果，因此，可以进一步提高鞍座5的位置控制的精度。

本实施方式中，需要在鞍座5上安装加速度传感器52。这是由于，通过使机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311动作，鞍座5的位置控制的精度提高，与之相对，立柱3依然振动。因此，在立柱3上安装了加速度传感器52的情况下，不能确认机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311的位置补偿的效果，因此，也不能进行机械常数是否适当的判断。

〔第三实施方式〕

上述的第一实施方式及第二实施方式中，通过对于鞍座5给予外在的冲击，故意地使鞍座5振动，基于该振动的状态进行机械常数的同定。

与之相对，本实施方式是以一次设定了机械常数后的状态为前提，在伺服控制装置进行位置控制的状态下，换言之，在驱动机床的状态下，在位置控制的精度降低的情况下，渐渐进行机械常数的调整。

具体而言，本实施方式的伺服控制装置具备机械常数调整部60。如图11所示，机械常数调整部60具备：输入指令位置θ的立柱共振模型61、将由立柱共振模型61补偿的指令位置θ进行滤波的带通滤波器62、将来自加速度传感器52的信号进行滤波的带通滤波器63、以及将通过了带通滤波器62、63的各信号进行比较而调整机械常数直至差消失的调整部64。

在这样的机械常数调整部60，当输入指令位置θ时(图12的步骤SA1)，该指令位置θ在通过了立柱共振模型61后由带通滤波器62进行滤波，且输出到调整部64(图12的步骤SA2)。另一方面，来自加速度传感器52的振动的检测信号在通过了带通滤波器63后，输出向调整部64。在调整部64，将来自立柱共振模型61侧的信号的频率和来自加速度传感器52侧的信号的频率进行比较(图12的步骤SA3)。

其结果是，在来自立柱共振模型61侧的信号的频率比来自加速度传感器52侧的信号的频率大的情况下，调整部64将立柱刚性K_C减小规定量。另一方面，在来自立柱共振模型61侧的信号的频率比来自加速度传感器52侧的信号的频率小的情况下，调整部64将立柱刚性K_C增大规定量(图12的步骤SA4)。调整部64重复进行上述的立柱刚性K_C的调整，直至判定为两者的频率一致或两者的频率的差值为既定的阈值以内(图12的步骤SA5)。

接着，在调整部64，在判定为两者的频率一致的情况下，将两者的振幅进行比较(图12的步骤SA6)。其结果是，在来自立柱共振模型61侧的信号的振幅比来自加速度传感器52侧的信号的振幅大的情况下，调整部64将立柱粘性C_C增大规定量。另一方面，在来自立柱共振模型61侧的信号的振幅比来自加速度传感器52侧的信号的振幅大的情况下，调整部64将立柱粘性C_C减小规定量(图12的步骤SA7)。调整部64重复进行上述的立柱粘性C_C的调整，直至判定为两者的振幅一致或两者的振幅的差值为既定的阈值以内(图12的步骤SA8)。

而且，在两者的振幅一致的情况下，返回步骤SA1，重复进行上述的处理。

如以上说明，根据本实施方式的伺服控制装置，即使在通常的驱动状态下，也能够在一定的时间间隔确认机械挠曲补偿部200及立柱反作用力补偿部311的机械常数是否被设定为适当的值，在不适当的情况下，调整为适当的值，因此，能够将鞍座5的位置控制的精度总是维持在规定的精度以上。

符号说明

3   立柱

5   鞍座

6   滑块

9   滚珠丝杠进给部

10  滚珠丝杠螺母

11  滚珠丝杠轴

12  电动机

13  电动机编码器

14  直线检测元件

50、50′  常数同定部

51  冲击发生部

52  加速度传感器

53  立柱刚性同定部

54  立柱粘性同定部

55  机械常数设定部

56  振动判定部

57  常数调整部

60  机械常数调整部

61  立柱共振模型

62、63  带通滤波器

64  调整部

100 伺服控制装置

200 机械挠曲补偿部

201 速度前馈部

311 立柱反作用力补偿部

Claims (12)

1.一种伺服控制装置，其适用于数值控制设备，所述数值控制设备具备：将电动机的旋转运动变换为直线运动的螺纹进给部、利用所述螺纹进给部进行直线移动的被驱动部、支撑所述螺纹进给部及所述被驱动部的支撑体，以使所述被驱动部的位置与指令位置相一致的方式控制所述电动机，其特征在于，

具备：机械挠曲补偿部，其以所述指令位置作为输入信息、并对所述支撑体的振动引起的位置控制误差进行补偿；以及速度前馈部，向该速度前馈部输入从所述机械挠曲补偿部输出的补偿后的指令位置，

所述速度前馈部具备对由所述支撑体的振动反作用力所引起的所述被驱动部的振动进行补偿的支撑体反作用力补偿部，

所述支撑体反作用力补偿部具备由下述公式表示的传递函数，

在所述传递函数中，以所述补偿后的指令位置的三次微分值作为输入信息，且包含所述支撑体的惯性、所述被驱动部的惯性、所述支撑体的粘性、所述螺纹进给部的刚性以及所述支撑体的弹簧刚性来作为系数，

所述公式为：{(J_CJ_L/K_R)s²/(2J_Cs²+C_Cs+K_C)}，

其中，

J_C表示所述支撑体的惯性，

J_L表示所述被驱动部的惯性，

C_C表示所述支撑体的粘性，

K_R表示所述螺纹进给部的刚性，

K_C表示所述支撑体的弹簧刚性，

s表示拉普拉斯算符。

2.如权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述支撑体反作用力补偿部设于所述电动机的速度控制用的前馈控制系统。

3.如权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述支撑体反作用力补偿部所具备的所述传递函数中包含所述支撑体的刚性项，基于对所述支撑体或所述被驱动部给予冲击而使之振动时的振动共振频率而同定所述支撑体的刚性项。

4.如权利要求3所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具备同定所述支撑体的刚性项的常数同定部，

所述常数同定部具有：

对所述被驱动部给予冲击而使所述被驱动部振动的冲击发生部；

检测给予了冲击时的所述被驱动部或所述支撑体的振动的振动检测部；以及

根据由所述振动检测部检测出的振动信号算出所述被驱动部的共振频率且根据该共振频率同定所述支撑体的刚性项的支撑体刚性项同定部。

5.如权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述支撑体反作用力补偿部所具备的所述传递函数中包含有所述支撑体的粘性项来作为系数，基于对所述支撑体或所述被驱动部给予冲击而使之振动时的振动的衰减状态而同定所述支撑体的粘性项。

6.如权利要求5所述的伺服控制装置，其特征在于，

还具备对所述支撑体的粘性项进行同定的常数同定部，

所述常数同定部具有：

对所述被驱动部给予冲击而使所述被驱动部振动的冲击发生部；

检测给予了冲击时的所述被驱动部或所述支撑体的振动的振动检测部；以及

根据由所述振动检测部检测的振动信号算出所述被驱动部的振动的衰减率且根据该振动的衰减率同定所述支撑体的粘性项的支撑体粘性项同定部。

7.如权利要求4所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述冲击发生部通过使所述被驱动部以规定的加速度以上移动而使所述被驱动部振动。

8.如权利要求4所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述常数同定部在同定了所述支撑体的刚性项后，在由所述振动检测部检测出的所述被驱动部的振动的振幅超过既定的阈值的情况下，基于由该振动检测部检测出的振动信号进行所述支撑体的刚性项的调整。

9.如权利要求4所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述常数同定部在所述数值控制设备进行驱动的期间，将由所述振动检测部检测出的振动信号和由所述支撑体反作用力补偿部算出的所述被驱动部的推定振动信号进行比较，基于该比较结果对所述支撑体的刚性项进行调整。

10.如权利要求6所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述冲击发生部通过使所述被驱动部以规定的加速度以上移动而使所述被驱动部振动。

11.如权利要求6所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述常数同定部在同定了所述支撑体的粘性项后，在由所述振动检测部检测出的所述被驱动部的振动的振幅超过既定的阈值的情况下，基于由该振动检测部检测出的振动信号进行所述支撑体的粘性项的调整。

12.如权利要求6所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述常数同定部在所述数值控制设备进行驱动的期间，将由所述振动检测部检测出的振动信号和由所述支撑体反作用力补偿部算出的所述被驱动部的推定振动信号进行比较，基于该比较结果对所述支撑体的粘性项进行调整。