CN116438499A - 伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

在机床或工业机械的驱动电动机的伺服控制装置所具备的齿隙量测定系统中，课题在于能够利用较少的数量的检测器，利用更简易的结构的齿隙量测定系统准确地测定驱动轴的反转时的齿隙量。齿隙量测定部具备：反转检测部，其检测轴的反转开始；到达检测部，其检测从反转开始到达齿隙端的情况；以及时间/距离测定部，其对从反转检测部检测到反转开始到检测到到达检测部到达了齿隙端的时间、或者距离进行测定，由此能够解决所述技术课题。

Description

伺服控制装置

技术领域

本发明涉及电动机驱动轴的伺服控制装置，尤其涉及具备由伺服电动机驱动控制的电动机驱动轴的齿隙量的测定功能的伺服控制。

背景技术

在机床或工业机械的驱动轴的驱动控制中，驱动轴反转时产生的齿隙成为使控制的精度降低的1个主要原因。因此，为了提高轴驱动的控制精度，一直以来，测定驱动轴反转时的齿隙(backlash)量，进行考虑了齿隙(backlash)量的驱动控制。

在专利文献1中记载了以下内容：在数值控制装置中，位置控制部根据使轴往复的移动指令，读出机械可动部的位置检测数据和电动机的旋转位置检测数据，将各数据保存在存储部中，在一连串的往复移动结束时，通过将两者进行比较来自动地测定齿隙量。

在专利文献2中记载了以下内容：从驱动对象物的反转开始时间点起，测量驱动对象物开始移动的时间点，根据该时间决定齿隙驱动时间之后，仅在该时间驱动电动机而除去齿隙后，开始实际的驱动控制。

在专利文献3中记载了以下内容：在机器人控制装置中，根据通过由各致动器的编码器检测出的编码器值而求出的各关节的角度与根据由安装于保持工具上的惯性传感器检测出的惯性力而求出的保持工具的角度所对应的各关节的角度之差，检测齿隙量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平4-250950号公报

专利文献2：日本特开2003-224994号公报

专利文献3：日本特开2011-42022号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，已知在机床或工业机械的驱动轴控制中，检测驱动轴产生的反转时的齿隙(backlash)量，考虑齿隙量来进行驱动轴控制，从而提高驱动控制的精度。但是，在所述的专利文献1至专利文献3的齿隙量的检测中，需要几个检测器，检测的系统变得庞大，装置大型化，并且成本也增加。与以往的系统相比，要求能够以更简易的系统准确地测定齿隙量的系统。

因此，本公开的课题在于，在机床或工业机械的伺服电动机控制装置中，构建能够减少检测器的数量而利用更简易的系统准确地测定驱动轴的反转时的齿隙量的系统。

用于解决课题的手段

为了解决所述的课题，本公开的伺服控制装置是对机床或工业机械的驱动轴进行驱动的电动机的伺服控制装置，其特征在于，具备：控制部，其基于移动指令来控制电动机驱动；以及齿隙量测定部，其测定所述驱动轴的反转时产生的齿隙量，所述齿隙量测定部具备：反转检测部，其基于位置指令、速度指定、位置的检测值或速度的检测值，检测所述驱动轴的反转开始；到达检测部，其基于指令或检测值，检测出所述驱动轴从所述反转开始到达齿隙端；以及时间/距离测定部，其测定从所述反转检测部检测到所述反转开始起到所述到达检测部检测出到达所述齿隙端的时间、或距离。

发明效果

根据本公开，在机床或工业机械的驱动电动机的伺服控制装置所具备的齿隙量测量系统中，能够以较少的数量的检测器、更简易的结构的齿隙量测量系统准确地测量驱动轴的反转时的齿隙量。

附图说明

图1是表示本公开的伺服控制装置与电动机装置之间的信号流动的框图。

图2是说明反转开始和齿隙端的定义的图。

图3是说明齿隙端到达的检测方法的图。

图4是说明本公开的齿隙量的测定方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是表示本公开的一实施方式的伺服控制装置10与电动机装置20之间的信号流动的框图。如图1所示，从对电动机进行驱动控制的伺服控制装置10向电动机装置20发送驱动指令的信号，从电动机装置20向伺服控制装置10返回反馈信号、检测信息的信号。

伺服控制装置10具备转矩/位置/速度指令生成部11、加法器12、控制部13及齿隙量测定部30。转矩/位置/速度指令生成部11基于用户程序中的规定或来自上位的控制装置的指令，计算用于电动机驱动的转矩/位置/速度的指令值。另外，速度指令也能够使用以时间对位置指令进行微分而计算出的指令，另外，转矩指令也能够使用将对速度指令进行时间微分而求出的加速度指令乘以对电动机装置20、驱动轴等的惯性进行积分而得到的惯性(inertia)而计算出的指令。

由转矩/位置/速度指令生成部11计算并生成的转矩/位置/速度的指令值被输出到加法器12，减去在电动机装置20中被检测并被反馈的转矩、位置、速度的值，求出指令值和检测值的偏差。从加法器12输出的、基于转矩/位置/速度的指令值与检测值的偏差的指令值被输入到控制部13。在控制部13中，根据电动机装置20的特性、所要求的控制的精度、特性，应用现有的公知的控制、例如PID控制或学习控制等，并输出至电动机装置20。

电动机装置20具有电动机驱动部21、电动机主体22、位置/速度检测器23。在电动机驱动部21中，接收从伺服控制装置10输出的指令值，产生针对每个电动机规定的启动电力，对电动机主体22进行旋转驱动。关于电动机主体22的旋转，通过位置/速度检测器23进行其旋转位置、旋转速度(转速)的检测。另外，通过以时间对检测出的电动机的速度进行微分来计算加速度，对计算出的加速度乘以电动机装置20和驱动轴等惯性(inertia)，能够求出电动机装置20等中产生的实际转矩值。

如上所述，根据由位置/速度检测器23检测出的电动机主体22的位置/速度(转速)、以及由位置/速度检测器23检测出的电动机主体22的位置/速度(转速)计算出的实际转矩值被反馈给伺服控制装置10，输出到加法器12，并且还被发送到齿隙量测定部30。

齿隙量测定部30具备反转检测部31、到达检测部32以及时间/距离测定部33。并且，接收来自转矩/位置/速度指令生成部11的信号、来自电动机装置20的位置/速度检测器23的检测信号，在反转检测部31中检测反转开始，另外，在到达检测部32中检测到达齿隙端，将它们的检测结果用于时间/距离测定部33的时间/距离测定单元来计算齿隙量。关于其具体的方法，将在后面详细叙述。

接着，使用图2对本公开中的齿隙量的定义进行说明。图2的上段是沿着时间序列图示了如下状态的图：从由电动机装置20经由滚珠轴承的丝杠(滚珠丝杠201)对工作台202进行旋转驱动，工作台202朝向行进方向移动的状态到滚珠丝杠201反转而工作台202开始向相反方向移动为止的、工作台202与滚珠丝杠201的相对位置关系的状态。

在图2的沿着时间序列表示上段的工作台202与滚珠丝杠201的相对位置关系的5个图中，左端的(1)表示通过滚珠丝杠201的旋转而使工作台202向行进方向移动的状态。在工作台202与滚珠丝杠201的螺纹部之间具有轴承的功能的滚珠与工作台202以及螺纹部紧贴，承受用于向行进方向传递力的负荷，为了表示该情况，描绘为椭圆形。

图2上段的左起第二个(2)的状态表示滚珠丝杠201的反转开始，工作台202与螺纹部之间的滚珠在行进方向上成为无负荷的状态。即，是基于针对电动机装置20的转矩/位置/速度的移动指令的、工作台202相对于滚珠丝杠201的相对速度为0的时间点，在本公开中，将该状态的时间点定义为反转开始时间点。因此，反转检测部31通过检测工作台202相对于滚珠丝杠201的相对速度为0，检测出速度指令的反转或反馈的反转，检测反转开始。

图2上段中央的(3)的状态是从检测到反转开始起到到达齿隙端的中途的状态，是工作台202与螺纹部之间的滚珠在行进方向上成为无负荷的状态持续，齿隙的产生持续的状态。而且，滚珠丝杠201到达齿隙端，到达从右起第二个(4)的状态，滚珠在与行进方向相反的方向承受负荷，之后成为右端的(5)的状态，通过滚珠丝杠201的反转方向的旋转，工作台202向与行进方向相反的方向移动。

因此，齿隙定义为：通过图2的左起第二个速度指令或速度反馈的反转开始，在工作台202相对于滚珠丝杠201的相对速度为0的时间点开始，在图2的右起第二个滚珠丝杠201到达齿隙端的时间点结束。而且，其间的工作台202相对于滚珠丝杠201的相对移动距离或滚珠丝杠201相对于工作台202的相对移动距离是齿隙量，其是工作台202与螺纹部之间的滚珠移动距离，是在图2的下段的右图中表示为Δx的距离。

即，齿隙量通过从图2上段的左起第二个反转开始时间点和从右起第二个齿隙端到达时间点进行检测，求出其间的距离而得到。如上所述，从左起第二个反转开始时间点能够通过检测工作台202相对于滚珠丝杠201的相对速度为0的时间点来检测。接着，参照图2和图3对滚珠丝杠201到达齿隙端的时间点的检测进行详细说明。

在本公开中，考虑通过滚珠丝杠201到达齿隙端而引起的转矩指令的变化或加速度的变化来检测滚珠丝杠201到达齿隙端的时间点。在此，在图2、图3的电动机装置20中使滚珠丝杠201旋转，使工作台202移动的系统(模型)中，对于电动机装置20、滚珠丝杠201以及工作台202构成的系统所具有的惯性(inertia)，为了简化模型而使电动机装置20、滚珠丝杠201以及工作台202各自的惯性相等，设为J_M。

在产生齿隙而到达齿隙端之前的状态，即图2上段的中央的(3)的状态下，在该系统的模型中，仅在电动机装置20及滚珠丝杠201的2个要素产生动作，该系统的全惯性J_Σ为式(1)。

[数式1]

J_Σ＝2J_M式(1)。

与此相对，在滚珠丝杠201到达齿隙端的状态，即图2上段的从右起第二个(4)的状态下，在该系统的模型中，电动机装置20、滚珠丝杠201以及工作台202这3个要素产生运动，该系统的全惯性J_Σ为式(2)。

[数式2]

J_Σ＝3J_M 式(2)

关于转矩指令Tcmd与实际转矩T的关系，已知由下式(3)表示。

[数式3]

T_cmd[％]＝(T×100)/(K_t×I_max) 式(3)

在此，T_cmd[％]是转矩指令，T[Nm]是实际转矩，K_t[Nm/Ap]是电动机的转矩常数，I_max[Ap]是放大器最大电流。

另外，实际转矩T[Nm]由下式(4)定义。

[数式4]

T[Nm]＝J_Σ×(dω/dt) 式(4)

这里，ω是角速度，dω/dt是角加速度。

这样，在以角加速度(dω/dt)成为恒定的方式进行控制的情况下，从滚珠丝杠201到达齿隙端之前的状态向到达了齿隙端的状态的变化能够通过如下方式进行检测，即对式(3)代入式(4)以及式(1)后的到达齿隙端之前的转矩指令的值和向式(3)代入式(4)以及式(1)的情况下的到达齿隙端之前的转矩指令的值的变化进行检测。在角加速度dω/dt为恒定的前提下，对式(3)代入式(4)和式(2)得到的值成为将式(4)和式(1)代入式(3)得到的值的1.5倍，因此通过检测转矩指令值成为1.5倍，能够检测出到达齿隙端。相反，在以转矩指令恒定的方式进行控制的情况下，检测到角加速度成为2/3倍而能够检测出到达齿隙端。

若在图表中表示经过从反转开始检测到齿隙端到达检测为止的时间t而转矩指令值为1.5倍，则成为图3下段右的左侧的曲线图。在图3的下段右的左侧的曲线图中，纵轴表示转矩指令值TCMD，横轴表示时间。若曲线图表示经过从反转开始检测到齿隙端到达检测为止的时间t而使加速度成为2/3倍，则成为图3的下段右的右侧曲线图。在图3下段右的右侧图表中，纵轴表示加速度，横轴表示时间。

另外，关于滚珠丝杠201的角加速度(dω/dt)与工作台202的平移加速度a的关系，已知由下式(5)表示。

[数式5]

dω/dt[rad/s²]＝(2π/(L×10^-3))×a 式(5)

在此，L[mm]是滚珠丝杠201的导程，a[m/s²]是滚珠丝杠201的平移加速度。

此外，已知平移加速度a与齿隙量Δx的关系由以下的式(6)表示。

[数式6]

a[m/s²]＝2×10^-6×(Δx/t²) 式(6)

这样，齿隙量在产生齿隙的期间，由于系统的模型具有式(1)的惯性，因此从式(1)、式(3)～式(6)可知，齿隙量Δx由下式(7)表示。

[数式7]

Δx＝(1/(8π×10¹¹))×(K_t×I_max×L/J_M)×T_cmd×t² 式(7)

根据式(7)，进行转矩指令T_cmd恒定的控制，测量从检测到反转开始的时间点到检测到到达齿隙端的时间点为止的时间，则能够检测齿隙量。或者，在能够进行距离的测定的情况下，通过从检测到反转开始的时间点到检测到到达齿隙端的时间点为止测量移动距离，从而直接求出齿隙量。

为了使用式(7)测定齿隙量，需要电动机的控制周期以下的高速的测定周期。为了进一步进行高精度的测定，例如更优选以电动机的控制周期的一半以下的周期进行测定。作为一般的控制周期的基准有1ms，通过利用伺服控制装置的高速的控制周期，能够进行高精度的测定。

接着，使用图4的流程图说明本公开的伺服控制装置中的齿隙量测定方法的1个实施方式。首先，判定由伺服控制装置驱动控制的电动机装置进行的滚珠丝杠驱动的控制是a.加速度恒定控制，还是b.转矩指令恒定控制(步骤St10)。在判定结果为a.的加速度恒定控制的情况下，进入步骤St21，在判定结果为b.的转矩指令恒定控制的情况下，进入步骤St22。

在步骤St21中，检测滚珠丝杠的反转开始。具体而言，检测滚珠丝杠的速度为0，检测滚珠丝杠的反转开始。然后，进入步骤St31，检测滚珠丝杠是否到达了齿隙端。具体而言，在加速度恒定控制中，检测转矩指令成为1.5倍的时刻并检测滚珠丝杠到达齿隙端。同样地，在步骤St22中，检测滚珠丝杠的反转开始。具体而言，检测滚珠丝杠的速度为0，检测滚珠丝杠的反转开始。然后，接着进入步骤St32，检测滚珠丝杠是否到达了齿隙端。具体而言，在转矩指令恒定控制中，检测加速度为2/3倍的时刻并检测滚珠丝杠到达齿隙端。

在步骤St31和步骤St32之后，都进入步骤St40。在步骤St40中，判定是否能够进行滚珠丝杠的距离测定。关于滚珠丝杠的距离测定，例如，如果能够检测滚珠丝杠的位置，则能够根据滚珠丝杠的反转开始的位置和滚珠丝杠到达齿隙端的位置的差值来求出。在判定结果为“是”时，即，能够进行滚珠丝杠的距离测定时，进入步骤St51，在判定结果为“否”时，即不能进行滚珠丝杠的距离的测定时，进入步骤St52。

在步骤St51中，根据滚珠丝杠的反转开始的位置与滚珠丝杠到达齿隙端的位置之间的距离来测定齿隙量。并且，从测定出的滚珠丝杠的反转开始的位置到滚珠丝杠到达齿隙端的位置为止的移动距离为齿隙量。如果测定了齿隙量，则实现了本公开的目的，该流程结束。在步骤St52中，根据滚珠丝杠的反转开始到滚珠丝杠到达齿隙端的时间来测定齿隙量。与步骤St51的情况同样地，若测定齿隙量，则实现本公开的目的，该流程结束。

如上所述，在本公开中，关于滚珠丝杠的齿隙量的测定，根据滚珠丝杠的反转开始的检测和到达齿隙端的检测进行测定，滚珠丝杠的反转开始通过检测滚珠丝杠的速度成为0来检测，到达齿隙端通过检测转矩指令或加速度的变化来检测。因此，位置或速度(转速)的检测器仅需要1个电动机装置所具备的检测器，不需要其他值的检测器。因此，与以往的齿隙量测定系统相比，能够减少所需的检测器的数量，能够以更简易的结构准确地测定齿隙量。

另外，在滚珠丝杠驱动控制为加速度恒定控制的情况下，也能够应对转矩指令恒定控制的情况，而且，还可以列举在检测到滚珠丝杠的反转开始和到达齿隙端的检测后，也能够根据该距离、根据时间测定齿隙量，通用性高，对于各种条件都能够应用的优点。

以上，关于本发明的实施，对实施方式进行了说明，但本发明当然并不限定于这样的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内以各种方式实施。

附图标记的说明

10伺服控制装置

11转矩/位置/速度指令生成部

12加法器

13控制部

20电动机装置

201滚珠丝杠

202工作台

21电动机驱动部

22电动机主体

23位置/速度检测器

30齿隙量测定部

31反转检测部

32到达检测部

33时间/距离测定部。

Claims (8)

1.一种电动机的伺服控制装置，该电动机驱动机床或工业机械的驱动轴，其特征在于，

该伺服控制装置具备：

控制部，其基于移动指令来控制电动机驱动；以及

齿隙量测定部，其对所述驱动轴反转时产生的齿隙量进行测定，

所述齿隙量测定部具备：

反转检测部，其基于位置指令、速度指令、位置的检测值或速度的检测值来检测所述驱动轴的反转开始；

到达检测部，其基于指令或检测值，检测出所述驱动轴从所述反转开始到达齿隙端；以及

时间/距离测定部，其测定从所述反转检测部检测到所述反转开始起到所述到达检测部检测出到达所述齿隙端的时间或者距离。

2.根据权利要求1所述的伺服控制装置，其特征在于，

在所述齿隙量测定部中测定齿隙量所需要的电动机的位置或速度的检测器仅是电动机的位置或速度的1个检测器。

3.根据权利要求1或2所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述反转检测部通过速度指令的反转或速度反馈的反转来进行检测。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述到达检测部根据转矩指令或转矩反馈的变化、或加速度指令或加速度反馈的变化进行检测。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述时间/距离测定部的测定周期为1ms以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述时间/距离测定部的测定周期仅在齿隙量测定时缩短。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述时间/距离测定部的齿隙量测定时的测定周期为伺服电动机驱动控制的控制周期以下。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的伺服控制装置，其特征在于，

所述时间/距离测定部的齿隙量测定时的测定周期为伺服电动机驱动控制的控制周期的一半以下。

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