CN1072370C - 机床中的控制装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种机床控制装置和一种机床控制方法，其中当前操作可能是正常操作模式，也可以是一种心轴和次轴作位置同步的位置同步操作模式。若一旦确定了当前操作为位置同步操作模式，就推导出心轴和次轴的转换函数模型从而送到发至次轴的位置指令。

Description

机床中的控制装置和控制方法

本发明涉及机床中的控制装置和控制方法，机床通过向其控制装置发出速度或位置的指令达到控制心轴和次轴的速度或位置的目的。所述之控制装置具有心轴和次轴的位置同步功能。

为简化叙述，在下面将以同步丝攻功能作为例子加以叙述，该功能可以认为是调整心轴和次轴之间位置同步的代表性功能。图14、15和16画出了心轴驱动装置和Z轴伺服驱动装置。同时这些图中的长短间隔的虚线是指由软件提供的参照号值。

图14中，参照号1是表示一个控制装置(以下称控制装置或控制器)，它是能发出速度指令ωrs^*和位置指令θrs^*及θrz^*的控制装置。参照号2和2a所表示的乃是心轴驱动装置和Z轴伺服驱动装置(以后称Z轴驱动装置)，这二者分别与控制装置1相连接。参照号3和3a分别表示了一个与心轴驱动装置2相连的心轴电机和一个与Z轴驱动装置相连的Z轴电机。参照号4和4a则分别表示了直接与心轴电机3的旋转连杆相连的心轴位置检测器，该连杆可以产生例如256波动/每1转，以及一个Z轴位置检测器，该检测器与Z轴电机3a之旋转连杆相连，同时产生例如2500脉冲/每1转。

参照号17表示了一个心轴位置检测电路它接受来自心轴位置检测器4的输出信号同时产生位置检测信号θrs,17a则表示了Z轴位置检测电路它接受来自Z轴位置检测器4a的输出信号。同时产生一个位置检测信号θrz。参照号5则表示机床中之心轴以及由心轴电机3驱动的旋转连杆和由Z轴电机3a控制的垂直连杆(Z轴)。参照号5a是表示Z轴工作平台，它可以使心轴5按垂直方向上下滑动。参照号6是表示将心轴电机3与心轴5相连的齿轮，而参照号6a则表示将Z轴电机3a与Z轴工作平台相连的Z轴齿轮。参照号7表示攻丝纹用的工具(丝攻)。参照号8是表示一个鉴别器，它接受位置检测信号θrs和位置检测信号θrz并加以鉴别，同时发出速度检测信号ωrs和ωrz。

图15中，参照号10和10a为比较器它们对位置检测信号θrs^*,θrz^*与θrs,θrz作比较，同时输出位置偏差信号△θrs,△θrz。参照号11,11a为二个位置循环增益电路，它们分别与比较器10和10a相连，同时又分别按照位置循环增益K_PS,KPZ将位置偏差信号△θrs和△θrz作放大。参照号12则是模式选择开关。开关打到a接受速度指令ωrs^*，而打到b时则是接受来自位置循环增益电路11的信号。同时若要控制心轴5的旋转速度则应选择触点a，若要控制心轴5的旋转位置则应选择b。

参照号13也表示一个比较器，它对输出ωrs^*与速度检测信号ωrs二者作比较，然后将速度偏差信号△ωrs作为它的输出。参照号13a也是一个比较器，它对位置回路增益电路11a的输出ωrz^*同速度检测信号△ωrz作比较，同时输出速度偏差信号△ωrz。参照号14,14a指出了一个速度回路增益电路，它分别按速度循环增益K_vs,Kvz对速度偏差信号△ωrs,△ωrz作放大处理，同时它发出电流指令Is′^*,Iz′^*。参照号15,15a说明是一个限流电路它对从速度循环增益电路14,14a的输出Is′^*,Iz′^*分别限定到与电机的输出特性相应的电流值，同时分别以电流指令Is^*,Iz^*作为输出。而参照号16,16a分别表示电流变换电路，它将限流电路15,15a之输出分别提供给电机3和3a。

在下面的叙述中，将以往习惯上具有同步操作功能的机床之心轴驱动装置2和Z轴驱动装置2a的操作分为二部分：(1)正常心轴运转模式，(2)同步丝攻运转模式。

(1)正常心轴运转模式

在作正常心轴运转时，同步丝攻是不进行的。在心轴驱动装置2上的模式选择开关是打在a上。从控制装置1中发出对应于心轴5的目标旋转数的速度指令ωrs^*。接着，心轴驱动装置2对心轴电机3进行速度控制按速度指令ωrs^*达到速度(ωrs)。即，通过比较器13将速度指令ωrs^*与速度检测信号ωrs作比较，从比较器13中发出速度偏差信号△ωrs，再将△ωrs放大在速度回路增益电路14中作为电路指令Is′^*。然后在功率转换电路16中将其功率转换成足够大以驱动心轴电机3。心轴电机3就是这样的操作以保持对速度指令ωrs^*的跟踪。

同时在正常心轴运转模式中，Z轴驱动装置2a的工作与心轴驱动装置2是无关的。在这种情况下，由比较器10a对位置指令θrz^*和位置检测信号θrz作比较。由比较器10a发出位置偏差信号△θrz并在位置回路增益电路11a中加以放大，然后再输入到比较器13a中去。接下去的操作与上述的心轴驱动装置2在正常心轴运转模式时的情况是相同的。这样，Z轴平台5a的位置就可以由Z轴电机3a按位置指令θrz^*加以调整。

在同步丝攻操作模式时，心轴的旋转位置和Z轴的位置是同步的，尤其是在通过控制装置1将输入到心轴驱动装置2的指令拨至位置指令θrs^*时也是这样。心轴驱动装置2检测到该条件并将模式选择开关12拨至b点。由比较器10对位置指令θrs^*和位置检测信号θrs作比较，再由比较器10发出位置偏差信号△θrs。同时由位置回路电路11对该信号放大后作为速度指令输入到比较器13中去。下面的事情与上述的正常心轴运转模式时的情况是一样的。因而，由心轴电机3可对心轴5进行控制使其保持与位置指令θrs^*一致。

同样在同步丝攻运转模式中，Z轴驱动装置2a接受了由指令装置1发出的Z轴位置指令θrz^*，它同如上所述之位置指令θrs^*至心轴驱动装置2是同步关系。因而，Z轴电机3a可对Z轴平台5a作控制使其保持与位置指令θrz^*一致。

图16为一方框图，它是由图15在结构上稍作更改得到的。在图16中，速度回路增益电路14和14a通过转矩常数电路18与18a与转矩常数K_ts,Ktz相乘，并分别将其积作为转矩指令T_LS ^*,T_LZ ^*。同样还有二个比较器19和19a分别对转矩指令T_LS ^*,T_LZ ^*与外部未调过的转矩T_LS′,T_LZ′分别作比较。最后，由除法器20,20a对电机惯性J_s′,T_z′作减法以及在积分器21上作积分运算。

在如上所述的同步丝攻操作中，由于下面的理由(a)至(c)，使得心轴控制系统中的速度回路的响应总是比Z轴系统中的慢。

(a)首先，电机(转矩/惯性)值越大，则速度回路响应越高，但是在Z轴电机中的这些值由于使用了同步电机比使用传导电机的心轴电机的值大得多。同时各个不同的电机之间的响应也存在有差异。一般来说，一个电机部件在Z轴中之响应比在心轴中之响应速度高5至10倍。

(b)其次，在由电机驱动的机器中电机本身的惯性与其负载所具之惯性的比在Z轴中可以抑制至2倍，而在心轴系统中其范围可能在1至5倍(L齿：1至2倍，M齿：2至3倍，H齿：4至5倍)。在心轴中的速度回路增益中，特别使用M齿和H齿，因而就变成很低了。

(c)第三，即使上述之负载惯性是很大的，随着由上述的负载惯性的增加而增加的速度回路增益的响应也不会下跌。然而，由于心轴齿轮间存有很大的后座力和齿轮隙，因此一旦增益提得过高会因不稳定而产生振动。正因为这个原因，即使负载惯性变得很大也不能提高速度回路增益。

心轴控制系统和Z轴控制系统之间的速度之差异有时在加速或减速时会引起二者的位置之间的误差或由于外部负载之干扰会引起抖动。由于在同步丝攻操作中上述情况都发生瞬时状态，因而还可能会影响到螺纹的刻制。

如上所述，习惯上的做法时二者的位置差异在H齿时会变得很大。这样就造成了丝攻螺纹刻制精度的问题。因此以前一般只能使用L齿和M齿来完成同步丝攻。并且负载惯性也必须比较小。

有关本发明的技术文件包括日本专利公开出版号No.191606/1984介绍了“同步操作系统”，日本专利公开出版号No.16285/1989介绍了“转换控制装置”，日本专利公开出版号No.27808/1989介绍了“参照号控制装置”，以及日本专利公开号No.89904/1988介绍了“参照号控制装置”。

在一个如上所述的基于以往技术的基础上具有同步丝攻功能的机床上的指令装置中，在正常心轴操作模式和同步丝攻操作模式时都可以向Z轴控制装置发出相似的位置指令。在未必要求心轴与Z轴作位置同步时的心轴操作模式时，二者之间的速度响应差异不会引起任何特别的问题，但是在要求位置同步的如上所述的同步丝攻操作模式时这二者之间的速度响应的差异会影响丝攻刻制的精度。

为了提高精度，一般至少要求使二者的位置回路增益相等，这样可以使位置轨迹相同。然而，此时由于发生速度响应的差异也会引起相对位置误差。同时，Z轴的位置回路增益要比心轴那边的实际值设置得稍为低点，这样，由于外部干扰与差异是成正比的，故Z轴的波动就可以减少。另外，如果通过降低加速和减速的传动比来增大丝攻时间常数以达到减小心轴与Z轴之间的相对位置误差的目的的话，则周期就变长了，这样就降低了生产率。

同样，如上所述，使用以往的技术，一般不使用H齿来作同步丝攻的，为了提高精度和减小心轴和Z轴之间的速度差一般只使用L齿和M齿。但这样做后在Z轴上就存在响应延迟。另外，由于采用了L齿和M齿，在同步丝攻操作时机器的最高速度比起使用H齿时的最高速度要低，这样就达不到高速丝攻周期，于是也降低了生产率。

上述问题在以后的图13中会具体说明，其中波形(a)画出了心轴和Z轴对时间的速度。如图13(a)所示，心轴之速度线同Z轴之速度线不相重合，这是因为心轴为旋转轴而Z轴是线性轴。因此，它们在相对位置及宽度范围中有很大的不同。即在图13中，波形(c)是进行同步丝攻，一般来说，在心轴控制系统中的速度回路响应要比Z轴控制系统中的低。例如，由于负载GD2很大且电机惯性也较大。因而，即使位置回路增益是相同的，在Z轴上也要设置一个低于心轴的速度回路响应或位置回路增益。所以，在比如速度急速变化(t₄,t₆,t₇,t₉,t₁₀，等)或者在外部干扰急剧变化(t₅,t₈,t₁₁，等)而引起的负载变化时就可能发生相对位置误差。

本发明的目的在于对机床提供一种装置和控制方法，使其在同步丝攻操作中能减小Z轴和心轴之间的相对位置误差以提高丝攻精度，缩短丝攻的周期时间以及提高生产率。

根据本发明，提供一种机床控制装置，包括：

一个控制器，它通过给具有第一轴和第二轴之间的位置同步功能的机床输出位置指令以控制所述的第一轴和所述的第二轴的位置，其中每一轴均分别有不同的速度回路响应；

一个滤波器，它将所述第一轴与所述第二轴的转换函数模型在所述第一轴与所述第二轴之间同步的位置同步操作模式时施用于被输出至所述第二轴的所述位置指令上，所述滤波器设置在所述第一轴的控制信号支路内，以确定一位置指令信号。

根据本发明，提供一种机床控制方法，通过对具有第一轴和第二轴之间的位置同步函数的机床输出位置指令以实现对所述第一轴和所述第二轴之控制，每一轴均有各自不同的速度回路响应，所述方法包括下面步骤：

确定当前操作是否为所述第一轴的正常操作模式，还是在所述第一轴和所述第二轴之间同步情况下的位置同步操作模式，以及

若确定了当前操作是所述位置同步操作模式，则将所述第一轴和所述第二轴之转换函数模型均应用于所述第二轴上。

结合下面所示之各图例，本发明的其它目的和特点也能一目了然了。

图1是一方框图，说明按本发明的机床控制装置的总体结构。

图2是流程图，说明由图1所示的机床控制装置的操作。

图3A、B、C三个框图，说明即使心轴与次轴之位置回路增益K_ps,K_pz是不同的，二者的位置轨道也能是相同的。

图4为一控制方框图，说明按本发明的机床控制装置的总体结构。

图5为流程图，说明图4所示的机床控制装置的操作。

图6是方框图，说明按本发明的机床控制装置的总体结构。

图7是流程图画出了图6所示的机床的控制装置。

图8是控制方框图，说明按本发明的机床控制装置的总体结构。

图9是流程图，说明由图8所示的机床控制装置的操作。

图10是控制方框图，说明按本发明的机床控制装置的总体结构。

图11是流程图，说明由图10所示的机床控制装置的操作。

图12是时标图，说明按本发明的机床控制装置的模式选择操作。

图13是时标图，画出了按本发明的机床控制装置位置误差波形之间的不同。

图14是控制方框图，说明应用以前技术的机床控制装置的总体结构。

图15是控制方框图，说明应用以前技术的另一台机床控制装置的总体结构。

图16是控制方框图，说明了图15所示之机床经修改以后的控制装置的总体结构图。

结合有关的图例，下面要描述按本发明设计的机床控制装置的实施例。图中与以前装置技术中相同的部分采用相同的参照号，这些部分也不再赘述。图1是控制方框图，是按本发明设计的第一个实施例的控制装置的总体结构。在该图中，参照号1a表示控制装置，参照号22表示模式选择开关，它同模式选择开关12的开关条件相同，参照号23是一个滤波装置，它的功能是将分母部分上的心轴作转换，同时也对分子上的次轴作转换。

现在对上述的机床控制器之操作作如下描述。

(1)正常心轴操作模式

当心轴按正常操作模式而不是同步丝攻时，模式选择开关12和22置打在a一档，则其运行操作与一般的以前使用的技术是相同的。

(2)同步丝攻操作模式

在心轴和Z轴同步化的情况进行同步丝攻操作时，模式选择开关12和22打在b一档。在位置同步控制，即同步丝攻操作时仅仅Z轴将位置指令θrz^*送入滤波装置23一次，控制器1a发出位置指令作为位置指令θrzo^*，同时将上述位置指令θrzo^*送入比较器10a，接下去的操作同上述的以前的机床控制器的操作相同。由于加上了滤波装置23，即使心轴和Z轴的位置回路增益K_ps,K_pz不相同，这二者的位置轨迹也可以是相同的，这一点下面作介绍。

图2是流程图，既说明了正常心轴操作模式的运行情况也说明了在同步丝攻操作模式时运行情况。首先，机床控制器作出决定即当前操作是否是同步操作还是其它操作。若确定出当前操作不是同步操作模式，则控制器1a将模式选择开关22置于a档(S11a)，同时发出ωrs^*作为输出并送到心轴(S12a)，发出θrz^*并输出到Z轴(S13a)。同时心轴将模式选择开关也置于a档(S14a)，再进行速度控制(S15a)另外，Z轴按位置回路增益K_pz(S16b)进行位置控制。图3A-3C说明了即使心轴和Z轴的位置回路增益K_ps,K_pz是不相同的，但他们二者的位置轨迹还可以是相同的。在图3A-3C中，参照号24,24a表示假设在电流回路和速度回路是无穷大的情况下对位置指令θrs^*,θrz^*，或θrzo^*转换功能可以达到θrs,θrz。参照号25是按本发明设计的θrz和θrz^*之间的转换函数，它由与滤波装置23相乘以后再在Z轴经转换函数24a而得到的。

图3A是方框图，假定在由图15所示按传统方法设计的控制器中K_vs和K_vz是无穷大的。该图清楚地指出按位置指令至少要求条件K_ps=K_pz成立。图3B也是一个方框图。假设在图1中所示的控制框图中K_vs,K_vz是无穷大的。而图3C则是经修改过后的框图。从这些图中可以看出，即使K_ps不等于K_pz，心轴和Z轴还是有相同的转换函数，即他们有相同的位置轨道。

现在，结合图12来介绍当操作模式从正常心轴操作模式转换到同步丝攻操作模式时的运转情况。在该图中，参照号30表示心轴5的速度，参照号31表示同步丝攻期，参照号32表示保持同步丝攻模式返回到初始的时间，同时参照号33表示模式选择开关12和22的接触设置期。

如图12所示，从波形(c)和(b)中可见，如果从控制器1a中发出一个选取同步丝攻操作模式的信号并在时标t₁时送入心轴驱动器2，则心轴驱动器2就从速度控制模式转换至位置控制模式，这样操作就返回到如图12(c)所示的初始状态。在返回原始的操作结束之前(时标t₂)。如图12(d)所示，模式选择开关12和22就置成a。在时标t₂时返回原始操作结束时，模式选择开关12和22被置成b，且一直维持在高位。直至t₃时刻发出同步丝攻操作模式时为止。在此期间滤波器23只应用于Z轴。

参考图13的波形图(a),(b)和(d)下面再来描述本第一个实施例的效果。在图中，参照号35表示了心轴速度和在同步丝攻操作时的Z轴速度。参照号36表示由于在心轴和Z轴加载后的外部干扰而引起的负载波动，参照号37表示心轴与Z轴之间(在传统方法的控制器中)相对位置差。这个位置差的理想值应为0，且若该位置差值越大，则同步丝攻的精度就越差。在上述37所描述的相对位置差中(以下称位差)图13的波形(C)指出了在传统的方法中由于上述的原因而产生较大的位差的道理。

与传统方法相反，在本发明的第一个实施例中，因为仅在同步丝攻操作模式对于位置指令在Z轴上加上了滤波装置(包括对心轴和Z轴的转换函数模型)，由于在Z轴上的外部干扰引起的负载波动的位置回路增益比起传统方法的控制器来有较大的提高。因而，就减少了由于外部干扰引起的有关的负载波动而产生的位差，从而解决了上述的问题。如图13中波形(d)所示。应该指出的是滤波装置23不适用于心轴的位置指令而仅适用于Z轴的位置指令的原因是一般来说位置回路增益可以设置得比心轴的大。Z轴一边的速度响应也较高；因而位置回路响应较低的心轴不能按响应速度高的Z轴那样来调整。

现在来介绍本发明的第二个实施例。图4是控制方框图说明了第二实施例的总体结构。在该图中，参照号1b是控制器，参照号26是同转换函数24相同的滤波装置，它构成了一个设置装置。参照号27为一比较器，它将滤波装置26的输出与心轴的位置反馈θrs相比较，同时发出位置误差θrzb^*，参照号28表示一个加法器，它将比较器27的输出θrzb^*与滤波装置23的输出θrza^*相加，然后将相加的和发出作为最后的位置指令θrzo^*。上述比较器27和加法器28构成一补偿装置。现在介绍上述的控制器的操作。

(1)正常心轴操作模式

首先，心轴按照正常速度指令操作模式旋转；该模式不进行同步丝攻。模式选择开关12和22是置在a一档，操作同图15和16所示的传统技术几乎完全一样。

(2)同步丝攻操作模式

在与Z轴位置同步化时进行同步丝攻操作，模式选择开关12和22打在b档。在位置同步控制时，即同步丝攻操作模式，将由滤波装置23对位置指令θrz^*进行滤波后得到的输出θrza^*和由心轴的位置反馈θrs得到的经滤波装置26对位置指令θrz^*进行滤波后得到的θrzb^*相加。并将其和通过指令器1b发出作为最后的位置指令θrzo^*，然后将上述的位置指令θrzo^*送入比较器10a。其它操作与上述实施例一中的相同。

图5是流程图以说明正常心轴操作模式和同步丝攻操作模式；上面已作介绍。首先，确定当前操作是否是周期操作模式(S20)，若当前操作不是周期操作，控制器便将模式选择开关22打到a档(S21a)，然后将ωrs^*发至心轴(S22a)将θrz^*发至Z轴(S23a)，心轴也将模式选择开关12打到a档(S24a)，再进行速度控制(S25a)。另外，Z轴按位置回路增益K_pz(S26a)进行位置控制。

在上述第S20步中，若当前操作被确定为周期操作模式，则控制器1b将模式选择开关22置成b档(S21b)，并将θrs^*发至心轴(S22b)将θrzo^*(滤波装置26的转换函数θrs-θrz^*X+滤波装置23的转换函数θrz^*X)经过滤波装置23，滤波装置26，比较器27及加法器28(S23b)发送出去。心轴同时也将模式选择开关12置成b档(S24b)，同时按位置回路增益K_ps(S25b)进行位置控制。另外，Z轴按位置回路增益K_pz进行位置控制(S26b)。

因此，作为心轴的转换函数模式输出(即在理想的心轴位置和心轴对Z轴的位置指令的位置反馈之间加上一个补偿差值)可应用到实施例一上。这样，即使位置回路增益K_ps,K_pz相同，或者即使速度回路增益不是无穷大的，这二者的位置轨迹也可以是相同的。

现在来介绍本发明之第三个实施例。图6是方框图说明了第三个实施例的基本结构(配置)。在该图中参照号1c是控制器，参照字38是模式选择开关，它同模式选择开关12和22的开关条件相同。

现在对第三实施例作说明。

(1)正常心轴操作模式

首先，在正常速度指令操作模式时，此时心轴不执行同步丝攻。模式开关12,22及38均置在a档，同图15和16进行的操作几乎完全一样。

(2)同步丝攻操作模式

其次，在与Z轴同步化的情况下进行同步丝攻时，模式选择开关12,22和38都置成b档。在同步丝攻操作模式，即在同步丝攻操作模式期间，将输出θrza^*(该值仅在Z轴上同位置指令θrz^*相同)和θrzb^*(该值是通过滤波装置26从心轴的位置反馈θrs作相减和滤波后得到的)相加，并将其和通过指令器1c作为最后的位置指令θrzo^*发送出去。再将该位置指令θrzo^*送到比较器10a中去。同时，由模式选择开关38将Z轴驱动器2a的位置回路增益从K_ps转换到K_pz。其它的操作又同上述实施例一的相同。

图7为其流程图，说明了上述的正常心轴操作模式和同步丝攻操作模式的运行。首先，要确定当前操作是否为同步操作模式(S30)。若当前操作不是同步操作，则控制器1c将模式选择开关22打到a档(S31a)，再发出ωrs^*送至心轴(S32a)。同时心轴也将模式选择开关12打到a档(S33a)，并执行速度控制(S34a)。另外，Z轴再将模式选择开关38置成a档(S35a)且按位置回路增盖K_pz执行位置控制(S36a)。

在上述第S30步时，若确定当前操作是同步操作模式，则控制器1c将模式选择开关22置成b档(S31b)，并发出θrs^*送至心轴(S32b)，再通过滤波装置26，比较器27，和加法器28发出θrzo^*(θrs-θrz^*的X滤波装置26之转换函数+θrz^*)(S37)。心轴也将模式选择开关12置到b档(S33b)，并按位置回路增益K_ps进行位置控制(S34b)。另外，Z轴将模式选择开关38也置到b(S35b)同时按位置回路增益K_ps对位置进行控制(S36b)。

因此，不仅仅是因为心轴的位置回路增益K_ps和Z轴的位置回路增益可以是相同，而且也由于将心轴的转换函数的输出加到了上述实施例一中去(即在理想的心轴位置和心轴对Z轴的位置指令获取的位置反馈之间加一个补偿的方法)，因此即使位置回路增益K_ps,K_pz不相同，且不是无穷大，但二者的位置轨道还能是相同的。

现在介绍本发明之第四个实施例。图8为控制方框图说明了第四个实施例的基本配置。在该图中，参照号1d为控制器，参照号39为一比较器，它对Z轴的位置反馈θrz与θrs位置反馈作比较并且发出相对位差θrzc^*。参照号40为一个加法器，它将比较器39的输出与同位置信号θrz^*有相同值的θrza^*相加。

下面描述第四个实施例。

(1)正常心轴操作模式

首先，在正常速度指令操作模式时，心轴不进行同步丝攻操作。模式选择开关12,22和38均置在a档。它同图15和图16所示之操作几乎完全相同。

(2)同步丝攻操作模式

其次，在与Z轴位置同步化的情况下进行同步丝攻操作。模式选择开关12,22和38均被置成b档。在位置同步控制时，即同步丝攻操作模式时，将输出θrza^*(该值仅在Z轴上与位置指令θrz^*相同)和θrzc^*(由心轴的位置反馈θrs减去Z轴的反馈而得到的)相加同时通过控制器1d发送出去。其和被送到比较器10a。同时，由模式选择开关38将Z轴驱动器2a的位置回路增益从K_pz转换到K_ps。其余的操作均与实施例一相同。

图9为一流程图，说明了上述的正常心轴操作模式和同步丝攻操作模式。首先，确定当前操作是否为同步操作模式(S40)，若当前操作不是同步操作，则控制器1d将模式选择开关22置成a档(S41a)同时向心轴发出ωrs^*(S42a)。心轴也将模式选择开关12置成a档(S43a)，并执行速度控制(S44a)。另外，Z轴将模式选择开关38置成a档(S45a)，同时按位置回路增益K_pz控制位置(S46a)。

在上述第S40步中，若确定当前操作为同步操作模式，控制器1d便将模式选择开关22置成b档(S41b)。向Z轴发出θrs^*，同时将θrz^*通过比较器39和加法器40，并将θrzo^*(θrz^*+θrs-θrz)输出送至Z轴(S47)。心轴也将模式选择开关12置成b档(S43b)，同时按位置回路增益K_ps控制位置(S44b)。另外，Z轴将模式选择开关38置成b档(S45b)，又按位置回路增益K_pz控制位置(S46b)。

因此，可以使心轴的位置回路增益K_ps与Z轴的位置回路增益K_pz相同，作为补偿方法，将由心轴产生的位置反馈和由Z轴产生的位置反馈之间的差加到Z轴的位置指令上。因而，即使位置回路增益不相同，并且不是无穷大的然而二者的位置轨道还可以是相同的。

下面介绍本发明实施例五，图10为一控制方框图说明了实施例五的基本配置。在该图中，参照号1e是控制器，参照号23表示一滤波装置，它同实施例一中所述的相同。参照号39,40组成一比较器，对实施例四中的位置反馈θrs与Z轴的位置反馈θrz作比较，并且发出相对位差信号θrzc^*。最后，还有一个加法器它将从比较器39输出的值加上θrza^*。这个值与位置指令θrz^*相同。

现在对实施例五作说明

(1)正常心轴操作模式

首先，心轴是按正常速度指令操作模式运转而不作同步丝攻，模式开关12,22均被置成a档，操作同图15和16所示的几乎完全相同。

(2)同步丝攻操作模式

其次，与Z轴同步化的情况下进行同步丝攻。模式选择开关12,22均置成b档。在位置同步控制时，即在同步丝攻操作模式时，将输出θrza^*(由滤波装置23对位置θrz^*作滤波而得到的)和θrzc^*(从心轴的位置反馈θrs中减去Z轴的反馈而得到的)相加，且由控制器1e发出作为最后的位置指令θrzo^*，同时再将该位置指令θrzo^*发送到比较器10a中去。其余操作均与实施例一相同。

图11为一流程图，说明了上述的正常心轴操作模式和同步丝攻操作模式。首先，确定当前操作是否为一同步操作(S50)，若不是同步操作，则控制器1e将模式选择开关22置成a(S51a)，同时向心轴发出ωrs^*。心轴也将模式选择开关12置成a(S53a)且进行速度控制(S54a)。另外，Z轴按位置回路增益K_pz控制位置(S55a)。

在上述第S50步中，若确定当前的操作为同步操作模式，则控制器1e将模式开关22置成b档(S51b)，向心轴发出θrs^*(S52b)同时使θrz^*通过滤波装置23，比较器39以及加法器40。最后，将θrzo^*(θrz^*X滤波器23的转换函数+θrs-θrz)输出至Z轴(S56)。心轴也将模式选择开关12置成b档(S53b)，且按位置回路增益K_ps控制位置(S54b)。另外，Z轴按位置回路增益K_pz控制位置(S55b)。

因此，作为补偿方法，由心轴的位置反馈同Z轴的位置指令之间差再次被引进。因而，即使位置回路增益K_ps和K_pz不是无穷大且二者又是不相同的，但是可以使这二者的位置轨道相同。

现在参考图13(e)来看一下实施例二至5的效果。如图13的波形(C)所示，当一个系统在传统技术的基础上作同步丝攻时会产生很大的相对位差。

在实施例一中已经描述的，在考虑到心轴和Z轴的转换函数模型的基础上仅在同步丝攻模式的Z轴的位置指令上加上一个滤波装置，这样由于速度的变化和因外部干扰引起的负载波动而产生的差(这也是需要解决的问题)可以被减小，如图13的波形图(d)所示。然而，在实施例一中假设的条件，即速度回路增益必须是无穷大的这一假设实际上是办不到的，正因为这一点，有时就因为在同步丝攻操作时，心轴与Z轴之间速度回路响应的差而难以消除相对位差。

在上述的实施例二至实施例五中，因为Z轴的位置指令是按实时形式，使用心轴和Z轴的位置反馈作补偿的，这个补偿功能不仅在对由于外部干扰而引起负载波动有效，而且对加速和减速操作时也同样有效。由于这个原因，在上述如图13，波形(e)所述那样，可以在实施例一中的心轴与Z轴之间的位差降低不少。事实上，在上述实施例二到实施例五来看，各实施例中的相对位差波形可能都有一点不同的，但是每个实施例提供的实效几乎是相同的。图13的波形(e)是一个代表性的波形。

下面，要介绍在日本专利公开出版号No.191606/1984中发表的“同步操作系统”。在该“同步操作系统”中，有一个补偿系统，在该系统中，心轴位置与次轴位置之差与次轴位置相加。虽然该系统与上述各例极相似。系统中也是将心轴位置与次轴位置之差与次轴位置相加，但是“同步操作系统”有其不同的特点下面就来描述这一点。

在上述的实施例四中，在一种操作模式中，心轴和次轴(Z轴)之间的同步也未必一定需要，Z轴按照位置回路增益K_ps(K_pz＞K_ps)将模式选择开关12,22和38都置到a档，以形成位置回路。相反，在上述的“同步操作系统”中不设置增益开关装置，它主要是使次轴的位置回路增益一直与心轴的位置回路增益保持一致这样心轴与次轴之间的同步就能被维持不变。由于这个原因，经过上述的实施例与上述的“同步操作系统”相比较后可以得出：在位置同步模式时上述二个实施例所提供的效果几乎相同，但是在具有增益开关函数的本实施例中次轴的响应性要高于不设置位置同步的上述“同步操作系统”的响应性。

在上述实施例五中，在不需要心轴和次轴之间的同步的模式中，Z轴按照位置回路增益K_pz(K_pz＞K_ps)将模式选择开关12,22置成a档，以形成位置回路。同时，心轴中的位置指令的响应可以同次轴的响应相等，只要通过滤波器23使模式选择开关12,22置成b档即可，这样一来由于在对次轴中受外部干扰而产生的负载波动的响应高于心轴中的。而相反，前述的“同步操作系统”有一增益开关装置，因此，它主要能一直保持次轴的位置回路增益同心轴的相同以维持心轴和次轴之间的同步。由于这个原因，就上述的实施例五和“同步操作系统”而言，次轴的响应性比“同步操作系统”的要高。同时，在一种心轴和次轴之间不需要同步的模式中也可以提高对指令和外部干扰作出的响应。

在上述每一实施例中，控制器1包含了诸如模式选择开关22，滤波装置23,26，比较器27,28，加法器28,40和相对位差增益电路41等软件，但是也可以用硬件来实施上述所有功能。

上述每一实施例都是引入了“半闭环”系统来描述，作为同步丝攻系统来检测电机的边缘。但是使用类似方法也可建立一个“全封闭环”系统以检测机器的边缘。另外，如上所述每个实施例中都在控制器中应用了滤波器，同样也可以在Z轴控制器中应用滤波器以获取相同的效果。

再者，这里为了方便起见只是用同步丝攻功能作为例子来加以说明。然而，也可以用类似的方法构造其它的功能，比如按同步模式的心轴驱动器和次轴驱动器以及使用二个以上的心轴驱动器以驱动二个以上的机床系统的同步操作功能等。

按照本发明设计的机床控制器是通过向控制器发出速度指令或位置指令来控制心轴和次轴的速度和位置的，这种机床在心轴和其它的次轴之间带有位置同步指令。这种控制器有一种开关装置它可以使系统在正常心轴操作模式与位置同步操作模式之间作转换，其中心轴和次轴是位置同步的，有一个滤波器它适用于前述的开关装置，一个转换函数模型将心轴和次轴模型化成只有在位置同步操作模式时才发出的位置指令。

按本发明设计的机床控制方法，通过向机床控制器发布速度指令或位置指令来控制心轴或次轴的速度或位置的。这种控制器具有心轴和次轴之间的位置同步功能。可以确定当前操作是否是在心轴的正常操作模式还是在心轴和次轴是位置同步的位置同步操作模式。同时，若确定出当前操作为位置同步操作模式时，则推导出一个符合心轴和次轴的转换函数的模型并对次轴发送出位置指令。

按本发明的另外的实施例设计的机床控制器，它通过向控制器发送速度指令或位置指令来控制心轴和次轴的速度和位置。这种机床具有心轴和其它次轴之间的同步指令，这种控制器有开关装置，它可以在正常心轴操作模式和心轴和次轴是位置同步的位置同步操作模式之间进行转换，有一个滤波装置，它适用于将心轴和次轴的转换函数模型转换成仅在前述的开关装置的位置同步操作模式时，才发出的位置指令，以及一个补偿装置，它将心轴的转换函数模型之输出和心轴的位置反馈之间的差同上述滤波装置发出的位置指令相加。

按本发明的前述实施例的机床控制方法，通过向机床控制器发送速度指令和位置指令对心轴的速度或位置或次轴的速度或位置加以控制，该控制器具有心轴和次轴之间位置同步功能。确定出当前操作是否是在心轴正常操作模式还是在心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作为位置同步操作模式，则将心轴和次轴的转换函数模型应用于发至次轴的位置指令，同时将由心轴转换函数输出值和心轴的位置反馈之间的差与位置指令相加。

按本发明的不同实施例的机床控制器，通过向具有心轴和次轴之间位置同步指令的机床中的控制器发布速度指令或位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。该控制器有一个开关装置可以在如下二种模式间进行转换，即在正常心轴操作模式和心轴与次轴在位置同步情况下的位置同步操作模式之间进行转换，一个补偿装置将由心轴的转换函数模型的输出值与由心轴的位置反馈之差与要发送至仅在前述开关装置一起的位置同步操作中次轴的位置指令相加，以及一个设置装置将次轴的位置回路增益设置成与心轴的具有相同的值。

按本发明的各不同的前述的实施例的机床控制方法通过向具有心轴和次轴之间位置同步功能的机床中的控制器发布速度指令和位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。确定出当前操作是否是在心轴正常操作模式还是在心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式，若确定出当前操作是位置同步操作模式，则将由心轴的转换函数模型的输出值与由心轴的位置反馈之差与要发送至次轴的位置指令相加，同时，将次轴的位置回路增益设置成与心轴的具有相同的值。

按本发明的进一步的不同的实施例的机床控制器通过向具有心轴和次轴之间位置同步指令的机床中的控制器发布速度指令和位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。该控制器有一个开关装置，它可以在正常心轴操作模式同心轴和次轴是位置同步的位置同步操作模式之间进行转换，一个补偿装置，它将由心轴的转换函数模型的输出值与由心轴的位置反馈之差与发送至仅在位置同步模式时的次轴的位置指令相加，以及一个设置装置，它将次轴的位置回路增益设置成与心轴的具有相同的值。

按本发明的进一步的不同实施例的机床控制方法，通过向具有心轴和次轴之间位置同步指令的机床中的控制器发布速度和位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。确定出当前操作是否为心轴正常操作模式，还是为心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作是位置同步操作模式，将心轴的位置反馈和次轴的位置反馈值之差与发至次轴的位置指令相加，同时将次轴的位置回路增益的值设置成圆心轴的值一样。

按发明的另一些不同的实施例的机床控制器，通过向具有心轴和次轴之间位置同步指令的机床中的控制器发布速度和位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。该控制器有一个开关装置，它可以在正常心轴操作模式同心轴和次轴是位置同步时的位置同步操作模式之间进行转换，和一个补偿装置。它将心轴的反馈和次轴的反馈之差同前述的滤波装置中发出的位置指令相加。

按本发明的另一些不同的实施例的机床控制方法，通过向具有心轴和次轴之间位置同步指令的机床中的控制器发布速度和位置指令，以实现对心轴和次轴的速度和位置的控制。确定出当前操作是否为心轴正常操作模式，还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式，若确定出当前操作是位置同步操作模式，则推导出一个心轴和次轴的转换函数模型，并对次轴发出位置指令，同时将心轴的位置反馈和次轴反馈的位置反馈与位置指令相加。

按本发明的机床控制器和控制方法，确定当前操作是否是心轴正常操作模式，还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作是位置同步操作模式，则推导出心轴和次轴的转换函数模型，并对次轴发出位置指令。

按本发明另一些实施例的机床控制器和控制方法，确定当前操作是否是心轴正常操作模式还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定当前操作是位置同步操作模式，则将心轴和次轴的转换函数模型应用于发至次轴的位置指令，同时，将心轴的转换函数模型之输出值与心轴的位置反馈之差同发至次轴的位置指令相加。

按本发明的一个不同实施例的机床控制器及控制方法，确定当前操作是否是心轴正常操作模式还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作是位置同步操作模式，则将心轴转换函数模型之输出值与心轴的位置反馈之间的差同发至次轴的位置指令相加，同时将次轴的位置回路增益设置成同心轴的值相等。

按本发明前一步的不同实施例的机床控制器和控制方法，确定当前操作是否是心轴正常操作模式还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作是位置同步操作模式，则将心轴之位置反馈和次轴的位置反馈之差与发至次轴的位置指令相加，并同时将次轴的位置回路增益设置成同心轴的值相等。

按本发明的另一实施例的机床控制器和控制方法，确定当前操作是否是心轴正常操作模式还是心轴和次轴位置同步的位置同步操作模式。若确定出当前操作是位置同步操作模式，则将心轴的转换函数模型应用于发至次轴的位置指令同时将心轴的位置反馈与次轴的位置反馈之差与位置指令相加。

按本发明的机床控制器和机床控制方法，首先确定当前操作是否是正常心轴操作，还是心轴和次轴之间保持同步的位置同步操作模式，若确定为位置同步操作模式，则将心轴的转换函数模型和次轴的模型应用于发至次轴的位置指令，这样可以提高丝攻之精度，减少加工周期因而也就提高了生产率。

确定当前操作是否是正常心轴操作模式，还是心轴和次轴之间同步的位置同步操作模式，若确定为位置同步操作模式，则将心轴和次轴的转换函数模型应用于发至次轴的位置指令，同时将心轴转换函数模型的输出值与心轴位置反馈的差值同位置指令相加，这样可以提高丝攻之精度，减少加工周期因而也就提高了生产率。

确定当前操作是否为正常心轴操作模式，还是心轴和次轴之间同步的位置同步操作模式，若确定为位置同步操作模式，则将心轴和次轴的转换函数模型之输出值与心轴位置反馈的差值同位置指令相加，同时将心轴之位置回路增益设置成与次轴的值相同。这样可以提高丝攻之精度，减少加工周期因而也就提高了生产率。

另外，确定当前操作是否是正常心轴操作模式，还是心轴和次轴同步的位置同步操作模式。若确定当前操作为位置同步操作模式，则将心轴之位置反馈同次轴之位置反馈的差与发至次轴的位置指令相加，同时将次轴的位置回路增益设置成与心轴的值相同，这样可以提高丝攻精度，减少加工周期和提高生产率。

进一步确定当前操作是否是正常心轴操作还是位置同步操作。若确定当前操作是位置同步操作，则将心轴和次轴的转换函数模型应用于发往次轴的位置指令，这样提高了丝攻之精度，缩短加工周期，因而也提高了生产率。

虽然本发明是以具体实施例加以说明的以求得完整和清晰的揭示，然而所附的权利要求就不限于此了，根据上述内容，本领域的熟练人员可以对此进行各种修改和结构上的变换等。

Claims (10)

1．一种机床控制装置，包括：

一个控制器，它通过给具有第一轴和第二轴之间的位置同步功能的机床输出位置指令以控制所述的第一轴和所述的第二轴的位置，其中每一轴均分别有不同的速度回路响应，其特征在于它还包括：

一个滤波器，它将所述第一轴与所述第二轴的转换函数模型在所述第一轴与所述第二轴之间同步的位置同步操作模式时施用于被输出至所述第二轴的所述位置指令上，所述滤波器设置在所述第一轴的控制信号支路内，以确定一位置指令信号。

2．如权利要求1所述的机床控制装置，其特征在于进一步包括一个补偿装置，它将所述第一轴的所述转换函数模型的输出和所述第一轴的位置反馈之间的差与所述滤波器输出的位置指令相加。

3．如权利要求1或2所述的机床控制装置，其特征在于进一步包括一个设置装置，用来将所述第二轴之位置回路增益设置成同第一轴的相应值相等。

4．如权利要求1所述的机床控制装置，其特征在于进一步包括；

一个补偿装置，它将所述第一轴的位置反馈和所述第二轴的位置反馈之间的差同输出到第二轴的位置指令相加，此时第二轴是在所述第一轴与所述第二轴之间为同步情况下以位置同步操作模式时的形式，

一个设置装置，用来将所述第二轴之位置回路增益设置成同第一轴的相应值相等。

5．如权利要求1所述的机床控制装置，其特征在于进一步包括一个补偿装置，它将所述第一轴的位置反馈与所述第二轴的位置反馈之间的差与所述的滤波输出的位置指令相加。

6．一种机床控制方法，通过对具有第一轴和第二轴之间的位置同步功能的机床输出位置指令以控制所述第一轴和所述第二轴的位置，每一轴均有各自不同的速度回路响应，其特征在于，所述方法包括下面步骤：

确定当前操作是属于所述第一轴的正常操作模式，还是在所述第一轴和所述第二轴之间同步情况下的位置同步操作模式，以及

若确定了当前操作是所述位置同步操作模式，则将所述第一轴和所述第二轴之转换函数模型均应用于所述第二轴上。

7．如权利要求6所述的机床控制方法，其特征在于进一步包括将所述第一轴之所述转换函数模型的输出值与所述第一轴之位置反馈之差同所述位置指令相加的步骤。

8．如权利要求6或7所述的机床控制方法，其特征在于进一步包括将所述第二轴之位置回路增益设置成同所述第一轴之相应值相等的步骤。

9．如权利要求6所述的机床控制方法，其特征在于进一步包括将所述第一轴的位置反馈和所述第二轴的位置反馈之间的差同输出至所述第二轴的所述位置指令相加的步骤。

10．如权利要求9所述的机床控制方法，其特征在于进一步包括将所述第二轴的位置回路增益设置成与所述第一轴的相应值相等的步骤。

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