伺服控制裝置制造方法
【專利摘要】一種伺服控制裝置，其具有：粗動軸電動機，其驅(qū)動粗動軸在所確定的軸向上進行直線移動；以及微動軸電動機，其安裝在粗動軸的可動部上，驅(qū)動微動軸在粗動軸的可動部之上進行直線移動，該伺服控制裝置對基于粗動軸和微動軸的位置決定的合成軸的位置進行控制，該伺服控制裝置具有：粗動規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算粗動模型位置；粗動追隨控制部，其基于粗動模型位置和從粗動軸電動機提供的粗動軸電動機位置，對粗動軸電動機進行控制，以使得粗動軸電動機位置追隨粗動模型位置；合成規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算合成模型位置；以及微動追隨控制部，其基于從微動軸電動機提供的微動軸電動機位置、和根據(jù)合成模型位置及粗動模型位置而求出的微動模型位置，對微動軸電動機進行控制，以使得微動軸電動機位置追隨微動模型位置。
【專利說明】伺服控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種伺服控制裝置，其在激光加工機、工作機械等的控制裝置中，相對 于一個移動方向具有多個致動器，用于協(xié)調(diào)地對兩者進行控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 在使用激光加工機、工作機械等機械進行加工的情況下，進行控制以使得激光頭、 刀具相對于工件的位置沿著指示的路徑行進。該控制被稱為軌跡控制，通過進行伺服控制， 以使得機械的各可動軸的實際位置追隨各可動軸的位置指令的方式進行該軌跡控制。
[0003] 在通常的機械中相對于一個移動方向使用一個致動器。致動器通常使用伺服電動 機。在相對于一個移動方向使用一個致動器而進行伺服控制的情況下，存在由于伺服控制 系統(tǒng)的響應(yīng)延遲而產(chǎn)生追隨誤差的問題。此外，由于致動器的加速度存在極限，因此也會存 在無法實現(xiàn)高速響應(yīng)這樣的問題。在如要求大于或等于數(shù)十m/分鐘的高速動作的情況下， 追隨誤差、響應(yīng)性降低的影響特別顯著地出現(xiàn)。
[0004] 因此，提出有多個下述裝置，這些裝置在到目前為止所采用的致動器的基礎(chǔ)上，還 追加移動范圍較狹窄、但能夠高速響應(yīng)的附加的致動器，從而使用粗動和微動這兩個致動 器控制一個移動方向的運動。
[0005] 專利文獻1 :日本特開2007-95035號公報
[0006] 專利文獻2 :日本特開平7-168625號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 但是，根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)，例如在專利文獻1中，雖然按照規(guī)定的條件生成粗動和 微動的各自的指令，但是由于相對于各自的指令產(chǎn)生伺服系統(tǒng)的響應(yīng)延遲，因此存在將粗 動伺服響應(yīng)和微動伺服響應(yīng)合成而得到的合成位置響應(yīng)無法正確追隨將粗動位置指令和 微動位置指令合成而得到的合成位置指令的問題。
[0008] 此外，在專利文獻2中，粗動位直響應(yīng)由反饋控制系統(tǒng)的響應(yīng)決定。反饋控制系統(tǒng) 需要確保穩(wěn)定性，因此產(chǎn)生了對該響應(yīng)的制約，特別地，高速響應(yīng)由于控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定 而大多無法實現(xiàn)。此外，在專利文獻1和2中，都存在由于粗動軸加減速而在微動軸中產(chǎn)生 慣性力，從而在微動軸的響應(yīng)中產(chǎn)生誤差的問題。
[0009] 本發(fā)明是鑒于上述情況而提出的，其目的在于得到一種伺服控制裝置，該伺服控 制裝置能夠進行控制，以使得在不產(chǎn)生由響應(yīng)延遲、慣性力的影響而導(dǎo)致的誤差的情況下， 使粗動軸和微動軸的合成位置追隨指示的合成軸位置，并且能夠自由地設(shè)定粗動軸和微動 軸的響應(yīng)。
[0010] 為了解決上述課題，并達到目的，本發(fā)明的伺服控制裝置具有：粗動軸電動機，其 驅(qū)動粗動軸在所確定的軸向上進行直線移動；以及微動軸電動機，其安裝在所述粗動軸的 可動部上，驅(qū)動微動軸在所述粗動軸的可動部之上進行直線移動，該伺服控制裝置對基于 所述粗動軸和所述微動軸的位置決定的合成軸的位置進行控制，該伺服控制裝置的特征在 于，具有：粗動規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算粗動模型位置； 粗動追隨控制部，其基于從所述粗動軸電動機提供的粗動軸電動機位置、和所述粗動模型 位置，對所述粗動軸電動機進行控制，以使得所述粗動軸電動機位置追隨所述粗動模型位 置；合成規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算合成模型位置；以及 微動追隨控制部，其基于從所述微動軸電動機提供的微動軸電動機位置、和根據(jù)所述合成 模型位置及所述粗動模型位置求出的微動模型位置，對所述微動軸電動機進行控制，以使 得所述微動軸電動機位置追隨所述微動模型位置。
[0011] 發(fā)明的效果
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，能夠得到下述效果，即，能夠進行控制，以使得粗動軸和微動軸的合 成位置完全追隨指示的合成軸位置，并且能夠自由地設(shè)定粗動軸和微動軸的響應(yīng)。此外，能 夠使在粗動軸加減速時在微動軸上產(chǎn)生的慣性力不會對微動軸的運動造成影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是表示本發(fā)明的實施方式1涉及的伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0014] 圖2是表示本發(fā)明的實施方式1的追隨控制部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。
[0015] 圖3是表示本發(fā)明的實施方式2涉及的伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0016] 圖4是表示本發(fā)明的實施方式3涉及的伺服控制裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0017] 圖5是表示本發(fā)明的實施方式3的微動追隨控制部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。
[0018] 圖6是表示本發(fā)明的實施方式4涉及的粗動軸伺服控制裝置和微動軸伺服控制裝 置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0019] 圖7是表示本發(fā)明的實施方式1至4涉及的粗動軸和微動軸的關(guān)系的示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 以下，基于附圖詳細地說明本發(fā)明涉及的伺服控制裝置的實施方式。此外，本發(fā)明 并不限定于本實施方式。
[0021] 實施方式1
[0022] 圖1是表示本發(fā)明的實施方式1涉及的伺服控制裝置10的結(jié)構(gòu)的框圖。將結(jié)合 了粗動軸和微動軸而得到的合成軸的位置作為合成軸位置指令而輸入至伺服控制裝置10。 此外，將粗動軸電動機5和微動軸電動機6的各軸的電動機位置作為反饋信號輸入至伺服 控制裝置10。在粗動軸電動機5和微動軸電動機6上分別安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器、線性標尺等 位置檢測器，使用這些位置檢測器檢測各軸的電動機位置。伺服控制裝置10向粗動軸電動 機5和微動軸電動機6輸出用于驅(qū)動各個電動機的電動機驅(qū)動指令信號。
[0023] 在伺服控制裝置10中，將上述的合成軸位置指令分別輸入至粗動規(guī)則模型部1和 合成規(guī)則模型部2。粗動規(guī)則模型部1通過后述的運算而輸出粗動模型位置和粗動模型加 速度。此外，合成規(guī)則模型部2通過后述的運算而輸出合成模型位置和合成模型加速度。將 粗動模型位置和粗動模型加速度輸入至粗動追隨控制部3,粗動追隨控制部3輸出用于使 從粗動軸電動機5另外輸入的粗動軸電動機位置追隨粗動模型位置的電動機驅(qū)動指令信 號。此外，在減法器7中，從合成模型位置減去粗動模型位置，并將該減法計算結(jié)果，即合成 模型位置和粗動模型位置的差作為微動模型位置輸出。將微動模型位置和合成模型加速度 輸入至微動追隨控制部4,微動追隨控制部4輸出用于使從微動軸電動機6另外輸入的微動 軸電動機位置追隨微動模型位置的電動機驅(qū)動指令信號。
[0024] 在本實施方式中，粗動軸電動機5和微動軸電動機6使用旋轉(zhuǎn)型的伺服電動機。因 此，電動機驅(qū)動指令信號是轉(zhuǎn)矩的指令信號。粗動軸電動機5和微動軸電動機6按照作為 電動機驅(qū)動指令信號的轉(zhuǎn)矩指令信號而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，分別驅(qū)動粗動軸和微動軸的各可動部。
[0025] 在本實施方式1中，作為伺服控制裝置10所控制的對象的粗動軸和微動軸，分別 在由旋轉(zhuǎn)伺服電動機和滾珠絲杠構(gòu)成的可動機構(gòu)所決定的軸向上進行直線移動。粗動軸具 有固定部和進行直線移動的可動部。在粗動軸的可動部上安裝微動軸，微動軸的可動部在 粗動軸的可動部之上進行直線移動。此外，粗動軸和微動軸的移動方向相同。微動軸的可 動部相對于粗動軸的固定部的位置為合成軸的位置。圖7示意性地表示粗動軸和微動軸的 各電動機位置的關(guān)系，在粗動軸固定部50之上配置有粗動軸可動部51，進一步在粗動軸可 動部51之上配置有微動軸可動部52。本實施方式1中的伺服控制裝置10將該合成軸的電 動機位置Xa控制為所指示的位置。
[0026] 圖2是表示本實施方式1的粗動追隨控制部3和微動追隨控制部4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 框圖。粗動軸追隨控制部3和微動追隨控制部4的內(nèi)部的模塊結(jié)構(gòu)為相同結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為追 隨控制部20。追隨控制部20將模型位置及模型加速度和電動機位置作為輸入，輸出電動機 驅(qū)動指令信號。粗動追隨控制部3分別將粗動模型位置作為模型位置，將粗動模型加速度 作為模型加速度，將粗動軸電動機位置作為電動機位置而輸入，將粗動軸電動機驅(qū)動指令 信號作為電動機驅(qū)動指令信號而輸出。微動追隨控制部4分別將微動模型位置作為模型位 置，將合成模型加速度作為模型加速度，將微動軸電動機位置作為電動機位置而輸入，將微 動軸電動機驅(qū)動指令信號作為電動機驅(qū)動指令信號而輸出。
[0027] 追隨控制部20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如以下所述。在減法器31中，從模型位置減去電動機 位置，并將該減法計算結(jié)果，即模型位置和電動機位置的差輸入至位置控制部21。在位置控 制部21中進行比例控制等控制。此外，將模型位置輸入微分運算部24,對模型位置的一階 微分即模型速度進行運算。關(guān)于電動機位置也同樣，在微分運算部23中對電動機位置的一 階微分即電動機速度進行運算。在加減法器32中進行在位置控制部21的輸出上加上模型 速度，并進一步減去電動機速度的處理，并將該輸出輸入至速度控制部22。在速度控制部 22中進行比例?積分控制等控制。另一方面，將模型加速度輸入至轉(zhuǎn)矩運算部25,對模型 轉(zhuǎn)矩進行運算。模型轉(zhuǎn)矩的運算通過在模型加速度上乘以可動部的慣量而進行?？蓜硬康?慣量使用設(shè)計值或者測定值。利用加法器33將轉(zhuǎn)矩運算部25的輸出與速度控制部22的 輸出相加，將該加法計算結(jié)果作為電動機驅(qū)動指令信號而輸出。
[0028] 接下來，說明粗動規(guī)則模型部1和合成規(guī)則模型部2中的運算。在各個規(guī)則模型 部中使用具有高頻截止特性（高頻帶截止特性）的濾波器。粗動規(guī)則模型部1將針對所輸 入的合成軸位置指令進行了濾波運算得到的結(jié)果作為粗動模型位置而輸出。此外，將粗動 模型位置的二階微分作為粗動模型加速度而輸出。合成規(guī)則模型部2將針對所輸入的合成 軸位置指令進行了濾波運算得到的結(jié)果作為合成模型位置而輸出。此外，將合成模型位置 的二階微分作為合成模型加速度而輸出。
[0029] 在作為濾波器輸出的模型位置的基礎(chǔ)上，也需要利用作為其二階微分的模型加速 度，為了得到平穩(wěn)的模型加速度，優(yōu)選粗動規(guī)則模型部1和合成規(guī)則模型部2是大于或等于 2階的低通濾波器。此外，在對模型加速度進行運算的情況下的微分運算，可以利用將模擬 微分即差分除以采樣周期的方法進行，也可以利用例如日本特開2011-145884號公報中所 示的方法，從濾波器內(nèi)部的積分器輸出。能夠通過在粗動規(guī)則模型部1和合成規(guī)則模型部2 中使用具有高頻截止特性（高頻帶截止特性）的濾波器，從而使模型位置和作為其二階微 分的模型加速度平滑化，抑制急劇變化而平滑地驅(qū)動各驅(qū)動軸。
[0030] 接下來說明本實施方式1的伺服控制裝置10的動作。將粗動軸電動機位置設(shè)為 Xc，將微動軸電動機位置設(shè)為Xf，將合成軸電動機位置設(shè)為Xa。如圖7所示，合成軸電動機 位置Xa用粗動軸電動機位置Xc和微動軸電動機位置Xf的和表示。此外，分別將合成軸位 置指令設(shè)為Xr，將粗動模型位置設(shè)為Xmc，將合成模型位置設(shè)為Xma，將微動模型位置設(shè)為 Xmf。此外，將粗動規(guī)則模型部1的傳遞函數(shù)，即從作為輸入的合成軸位置指令至作為輸出 的粗動模型位置為止的傳遞函數(shù)設(shè)為Gc (s)。傳遞函數(shù)Gc以分母多項式為拉普拉斯運算符 s的2次式的下式表示。
[0031] 【公式1】
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種伺服控制裝置，其具有：粗動軸電動機，其驅(qū)動粗動軸在所確定的軸向上進行 直線移動；以及微動軸電動機，其安裝在所述粗動軸的可動部上，驅(qū)動微動軸在所述粗動軸 的可動部之上進行直線移動，該伺服控制裝置對基于所述粗動軸的位置和所述微動軸的位 置而決定的合成軸的位置進行控制， 該伺服控制裝置的特征在于，具有： 粗動規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算粗動模型位置； 粗動追隨控制部，其基于從所述粗動軸電動機提供的粗動軸電動機位置、和所述粗動 模型位置，對所述粗動軸電動機進行控制，以使得所述粗動軸電動機位置追隨所述粗動模 型位置； 合成規(guī)則模型部，其基于位置指令進行規(guī)定的濾波運算，從而計算合成模型位置；以及 微動追隨控制部，其基于從所述微動軸電動機提供的微動軸電動機位置、和根據(jù)所述 合成模型位置及所述粗動模型位置求出的微動模型位置，對所述微動軸電動機進行控制， 以使得所述微動軸電動機位置追隨所述微動模型位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服控制裝置，其特征在于， 所述位置指令是與所述合成軸的位置相關(guān)的指令， 所述粗動規(guī)則模型部基于與所述合成軸的位置相關(guān)的指令，計算粗動模型加速度， 所述粗動追隨控制部基于所述粗動模型加速度，控制所述粗動軸電動機， 所述合成規(guī)則模型部基于與所述合成軸的位置相關(guān)的指令，計算合成模型加速度， 所述微動追隨控制部基于所述合成模型加速度，控制所述微動軸電動機。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服控制裝置，其特征在于， 所述位置指令是與所述粗動軸的位置和所述合成軸的位置相關(guān)的指令， 所述粗動規(guī)則模型部基于與所述粗動軸的位置相關(guān)的指令，計算所述粗動模型位置和 粗動模型加速度， 所述粗動追隨控制部基于所述粗動模型加速度，控制所述粗動軸電動機， 所述合成規(guī)則模型部基于與所述合成軸的位置相關(guān)的指令，計算所述合成模型位置和 合成模型加速度， 所述微動追隨控制部基于所述合成模型加速度，控制所述微動軸電動機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的伺服控制裝置，其特征在于，具有粗動軸伺服控制部和微 動軸伺服控制部，其中， 該粗動軸伺服控制部具有：所述粗動規(guī)則模型部；粗動軸定時校正部，其使所述粗動 模型位置和所述粗動模型加速度的定時分別延遲規(guī)定的時間，輸出延遲粗動模型位置和延 遲粗動模型加速度；以及所述粗動追隨控制部，其基于所述延遲粗動模型位置和所述延遲 粗動模型加速度，控制所述粗動軸電動機， 該微動軸伺服控制部具有：所述合成規(guī)則模型部；合成軸定時校正部，其使所述合成 模型位置和所述合成模型加速度的定時分別延遲規(guī)定的時間，輸出延遲合成模型位置和延 遲合成模型加速度；以及所述微動追隨控制部，其基于根據(jù)所述延遲合成模型位置和所述 粗動模型位置而求出的延遲微動模型位置、和所述延遲合成模型加速度，控制所述微動軸 電動機。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的伺服控制裝置，其特征在于， 所述延遲微動模型位置是所述延遲合成模型位置和所述粗動模型位置的差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 所述粗動規(guī)則模型部的所述粗動模型位置相對于所述位置指令的響應(yīng)特性以及所述 合成規(guī)則模型部的所述合成模型位置相對于所述位置指令的響應(yīng)特性，都具有高頻截止特 性，所述粗動模型加速度是所述粗動模型位置的二階微分，所述合成模型加速度是所述合 成模型位置的二階微分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 具有單位換算部，該單位換算部對所述粗動模型位置進行單位換算并輸出， 根據(jù)所述合成模型位置、和通過所述單位換算部進行單位換算后的所述粗動模型位 置，求出所述微動模型位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 所述微動模型位置是所述合成模型位置和所述粗動模型位置的差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 基于與所述合成軸的位置和所述微動軸的位置相關(guān)的指令求出所述位置指令，或者， 基于與所述粗動軸的位置和所述微動軸的位置相關(guān)的指令求出所述位置指令。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 還具有參數(shù)變更部，該參數(shù)變更部基于所述位置指令的變化率、和所述粗動規(guī)則模型 部的所述粗動模型位置相對于所述位置指令的響應(yīng)時間常數(shù)，在所述微動模型位置不超過 所述微動軸的可動范圍的范圍內(nèi)，對所述合成規(guī)則模型部的所述合成模型位置相對于所述 位置指令的響應(yīng)時間常數(shù)進行設(shè)定。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的伺服控制裝置，其特征在于， 還具有參數(shù)變更部，該參數(shù)變更部基于所述位置指令的變化率、和所述合成規(guī)則模型 部的所述合成模型位置相對于所述位置指令的響應(yīng)時間常數(shù)，在所述微動模型位置不超過 所述微動軸的可動范圍的范圍內(nèi)，對所述粗動規(guī)則模型部的所述粗動模型位置相對于所述 位置指令的響應(yīng)時間常數(shù)進行設(shè)定。
【文檔編號】G05D3/12GK104115083SQ201280069273
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月8日
【發(fā)明者】長岡弘太朗, 福岡輝章, 中井孝洋 申請人:三菱電機株式會社