CN107728579B - 用于相异形态的主轴协同数控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于相异形态的主轴协同数控系统及方法，解译模块，从加工指令模块选取协同指令解译；路径规划模块，对解译后协同指令进行路径轮廓规划；动程规划模块，从参数模块中决定一第一主轴与至少一第二主轴，选取动态响应参数进行动程命令规划；插补规划模块，分别对应第一主轴与第二主轴，由前馈模块与指令转换模块构成；回授模块，经一第一驱动器与至少一第二驱动器接收动态讯号，分别回馈至插补规划模块，计算出补偿命令量；前馈模块将动程命令分别转换成对应的运动命令；指令转换模块将对应的运动命令分别与补偿命令量迭加，转换成命令格式经各驱动器传送至第一主轴与第二主轴，第一主轴与第二主轴在一协同状态，达到协同控制目的。

Description

用于相异形态的主轴协同数控系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种应用于工具机主轴协同工作的数控方法与系统，尤其涉及用于相异形态的主轴协同数控系统及其方法。

背景技术

目前，工具机产业，大部分的工具机台都会拥有主轴，主轴的主要使用方式为携带刀具旋转进行切削，或是夹持工件旋转被固定住的刀具切削，在计算机数值控制工具机(CNC)的数控装置应用中，常有需要两个主轴协同工作的时候，例如车床系统，两个主轴在旋转的状态下不停止接料、两个主轴同时夹持工件旋转切削、或是一个主轴夹持工件，另一个主轴架着多刃的刀盘同时旋转进行切削等等，这些加工技术都需要两个主轴协同动作的技术。

车床不停止旋转接料的动作如图1所示，图1所述的先前技术需要由两个主轴夹持一个工件状态，接料过程由一个主轴(称为基础主轴)夹持加工工件，加工完成后，第一不会停止旋转，由另一个主轴(称为同期主轴)先旋转至与第一的相同的速度与角度，等待条件到达后，第二可在不伤害工件且两颗主轴同时旋转的情况下夹取工件的另一端，完成夹取之后第一再松开工件，由第二进行后续的加工流程与动作，如图1的步骤1～4，由不停止旋转的接料动作，可以缩短接料过程所需的时间，增进加工效率。

工具机主轴主要有两种运行模式，分别为速度模式、位置模式。速度模式下主轴可以达到较高的转速，增加切削率有利于加工的效率与质量；位置模式下主轴的可控角度比较精准，对于角度精度要求较高的动作(如接料、两主轴共同夹持切削等动作)较适合在此模式进行。主轴控制模式的切换一般需要先让主轴停止动作，再透过参数设定或特定指令来改变主轴的控制模式。

现今主轴协同技术，需要两颗相同主轴型态的主轴才能进行控制，公开号为CN102027426的中国发明专利，其具有将主轴作为轮廓控制轴进行位置控制的C轴控制用位置控制模式、以及对第一和第二这两个主轴进行同步控制的主轴同步控制用位置控制模式，在各位置控制模式中，分别以不同的位置控制增益对主轴进行控制」。该篇专利揭示出现今接料技术在使用上的限制，只有在第一与第二为位置控制模式下才能启用。

为了达到两个主轴协同控制时的良好追随性，公开号为CN105278456A的中国发明专利，是需要藉由不断的调整两主轴的动态性能参数，设计上较为复杂、耗费系统效能，同时使用者在操作与设定上也不容易理解使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于相异形态的主轴协同数控系统及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于相异形态的主轴协同数控系统，特点是：包含：

加工指令模块；

解译模块，从加工指令模块选取一协同指令并将协同指令解译；

路径规划模块，针对解译后的协同指令进行一路径轮廓规划；

动程规划模块，与路径规划模块连接，并从参数模块中决定一第一主轴与至少一第二主轴，且再从参数模块个别选取第一主轴与第二主轴的一动态响应参数进行第一主轴与第二主轴的一动程命令规划；

至少一插补规划模块，分别对应第一主轴与第二主轴，由一个前馈模块与一个指令转换模块构成；

回授模块，经由一第一驱动器与至少一第二驱动器接收来自第一主轴与第二主轴的一动态讯号，将动态讯号分别回馈至第一主轴与第二主轴所对应的插补规划模块，并计算出一补偿命令量；

其中，前馈模块将第一主轴与第二主轴的动程命令分别转换成对应的一运动命令；

指令转换模块将第一主轴与第二主轴对应的运动命令分别与补偿命令量迭加，并转换成一命令格式经由第一驱动器与第二驱动器传送至第一主轴与该第二主轴，以使得第一主轴与第二主轴在一协同状态。

进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控系统，其中，所述第二主轴的数量为一个以上。

本发明用于相异形态的主轴协同数控方法，由加工指令模块中读取一协同指令并对协同指令进行解译；

由动程规划模块接收已解译的协同指令；

从参数模块中决定一第一主轴与至少一第二主轴，并选取第一主轴与第二主轴的动态响应参数，根据动态响应参数对该第一主轴与第二主轴分别进行动程命令规划；

由第一插补规划模块与至少一第二插补规划模块的前馈模块对第一主轴及第二主轴的动程命令分别转换成相对应的运动命令；

回授模块通过第一驱动器与至少一第二驱动器接收第一主轴与第二主轴的动态讯号，并将动态讯号分别回馈至第一插补规划模块及第二插补规划模块，以计算出补偿命令量；

由第一插补规划模块及第二插补规划模块的指令转换模块将相对应于第一主轴及第二主轴的运动命令分别与补偿命令量进行迭加，并转换成一命令格式经由第一驱动器与第二驱动器传送至第一主轴与第二主轴，以使得第一主轴与第二主轴在一协同状态。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述动态讯号为一速度或一位置讯号，包含角度差、速度差的物理量。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述动态响应参数为各主轴的位置、速度或电流增益，以及速度、加速度、加加速度的上限值。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述第一驱动器与第二驱动器接收的命令格式为电压、脉冲或封包命令形式。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述运动命令可于参数模块中选取位置、速度或电流增益的参数转换而来。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述参数模块为使用者定义。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，补偿命令量通过比例-积分-微分、自适应控制、强健控制方法计算得出。

更进一步地，上述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其中，所述第一主轴与第二主轴的主轴型态相同或不同，第二主轴的数量为一个以上。使用者可以指定任意一个运行中的主轴为第一主轴，其余的主轴则为第二主轴，在协同机制成立之后，数控装置会以第一主轴为基准，以第二主轴为辅，且各主轴型态可相同亦可不同，第二主轴的数量可为一个以上。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①使各主轴彼此在进行协同控制时，无须受限于主轴型态，即使不同主轴型态的主轴也可以达到协同控制的功能，并且根据不同的主轴型态进行动态补偿；使用者亦不需要在主轴运转中多做任何的额外设定，系统自动会根据各主轴的动态响应参数设定调整各主轴的命令规划；

②具有前馈技术的反模型模块，除了针对各主轴动程规划转换成适用的运动命令外，通过指令转换模块将运动命令转换成驱动器所接收的格式，进一步控制各主轴的运作，以及利用回授讯号使得各主轴的速度和相位关系能够随时保持在容许的误差范围内，达到协同控制的目的，并提升加工工件质量，使加工动作不需停顿，达到增加产能的效果；

③在各主轴协同运作的过程中不需限定主轴型态的友善性，解决工具机产业为求高产能而面临在两主轴要协同运作前须要停止加工动作、更改主轴型态的问题；避免使用需动态调整主轴动态特性参数的复杂控制法，增加控制方法的执行效能；解决使用者需要进行复杂的参数设定才能改善主轴协同的效果，可减少使用者操作的复杂度。

附图说明

图1：背景技术工具机的主轴动作示意图；

图2：本发明数控系统的框架示意图；

图3：本发明数控系统的插补规划模块示意图；

图4：本发明数控方法的状态流程示意图；

图5：本发明数控方法的命令流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。

如图2所示，本发明协同数控系统，用于相异主轴型态的控制，具能控制多个主轴驱动器与使第一主轴与第二主轴协同运作的能力。系统包括加工指令模块20、数控装置22、第一驱动器361、第二驱动器362、第一主轴381、第二主轴382以及设置于第一主轴381、第二主轴382上的第一编码器401、第二编码器402；数控装置22包含解译模块24、路径规划模块26、动程规划模块28、插补规划模块30、参数模块32以及回授模块34。

首先，使用者先从加工指令模块20选择主轴协同指令进入数控装置22的解译模块24，解译完成后，主轴协同指令再进入路径规划模块26进行路径命令规划；在动程规划模块28运作以前，使用者会先从参数模块32决定第一主轴381与第二主轴382，决定后，再次从参数模块32分别选择第一主轴381与第二主轴382最适当的动态响应参数(例如:速度、加速度、加加速度等参数)，规划出各主轴的动程命令，其中，参数模块32所储存的参数是使用者事先已经定义；之后，参数模块32再将所述的动程命令送到插补规划模块30中；如图3，插补规划模块30又可再区分为第一插补规划模块301与第二插补规划模块302，分别对应第一主轴381与第二主轴382，其中，第一插补规划模块301与第二插补规划模块302内部各自可再包含两个单元，分别是利用反模型将主轴动程命令还原成适合于各主轴动态特性的运动命令的前馈模块3011、前馈模块3021以及可将适合各主轴的运动命令与各主轴的插补规划模块所产生的补偿命令量迭加，并转换成位置或速度命令等适当格式供第一驱动器361、第二驱动器362所使用的指令转换模块3012、指令转换模块3022；其中，第一主轴数量为一个，第二主轴数量则为一个以上，故对应于第二主轴的第二驱动器、第二插补规划模块与第二编码器亦可为一个以上，以进行不同的加工动作。

使用者可根据需求，设定第二主轴382与第一主轴381分别以不同的转速倍率旋转，并且通过加工指令模块20可事先设定各第二主轴382与第一主轴381的角度差关系，通过动程规划模块28配合参数模块32的规划，再利用插补规划模块30中各主轴所对应的插补规划模块301、插补规划模块302中的前馈模块3011、前馈模块3021，可减少数控装置22的运算量，除此之外，可再进一步利用指令转换模块3012、指令转换模块3022，使主轴协同功能不会受限于不同的主轴形态。

再者，当第一驱动器361、第二驱动器362驱动第一主轴381、第二主轴382时，会再利用回授模块34，接收来自于运转中的第一主轴381与第二主轴382的动态讯号，两主轴间的动态差异讯号可由设置于各主轴上的编码器401、编码器402信息并经由数控装置22计算而来，第一编码器401、第二编码器402主要是将各主轴的动态讯号(例如:位置、速度等)分别回传至第一驱动器361、第二驱动器362，再通过回授模块34将动态讯号回馈至第一插补规划模块301与第二插补规划模块302中，第一插补规划模块301与第二插补规划模块302会再通过算法，例如:比例-积分-微分(PID，Proportional Integrative Derivative))、自适应控制(Adaptive control)、强健控制(Robust control)等方法，通过两主轴间动态差异讯号，于每一个插补时间计算出第二主轴382相对于第一381主轴的插补命令补偿量，后再将前述适合各主轴的运动命令与补偿命令量迭加，转换成位置或速度命令等适当格式再输出至第一驱动器361与第二驱动器362，进一步控制第一主轴381与第二主轴382保持在协同状态下运作，以提升加工质量。

本发明协同数控方法，在进行下一个加工动作之前，会先进行同期状态的确立；为了能同时控制多个主轴速度与相位关系的机制(称之为协同功能)，会先指定一个主轴为第一主轴，其余的主轴则为第二主轴，第二主轴会参考第一主轴的转速与相位，第二主轴与第一主轴间的转速比例与相位差可根据使用者下的指令做调整，以期达到协同状态。

如图4，协同数控方法的状态流程，协同状态判断由数控装置22来进行，步骤S31是接收协同指令，在接收到协同指令后，数控装置22的各模块会依序开始运作，当运动指令传输至第一主轴381与第二主轴382时，设置在第一主轴381与第二主轴382上的第一编码器401、第二编码器402会将各主轴的动态讯号通过第一驱动器361与第二驱动器362回传至回授模块34，并利用第一插补规划模块301与第二插补规划模块302判断第二主轴382的转速是否到达使用者设定(如步骤S32)，若无达到，则进入步骤S33，计算补偿转速落后量。在此步骤S33中，是用来计算第二主轴382落后第一主轴381的转速量，并针对第二主轴382进行补偿。

若第二主轴382的转速有达到使用者设定，则会进入步骤S34，继续判断第二相位差是否到达。在步骤S34中是进一步检查第一主轴381与第二主轴382的相位差是否也达到使用者设定，若无达到，进入步骤S35，计算补偿相位落后量。在此步骤S35中，是再次经由回授模块34通过第一插补规划模块301与第二插补规划模块302计算第二主轴382落后第一主轴381相位量并针对第二主轴382进行补偿；在第二主轴382与第一主轴381的转速与相位差尚未到达使用者设定前，则无法执行协同状态后的加工动作，若有达到使用者设定，则进入步骤S36，通知使用者进入协同状态。在步骤S36是数控装置22会通知使用者已进入协同状态，并开启协同完成讯号。

如图5，数控方法的命令流程，步骤S41，当协同状态成立后，数控装置22开始执行下一个加工动作指令；接着步骤S42，将加工动作指令进行解译；之后，进行步骤S43，利用参数模块规划动程命令。在步骤S43中，动程规划模块28会通过参数模块32，从已启用协同功能的各主轴中选取较缓和的动态响应参数(例如:速度、加速度、加加速度上限等)规划动程命令；接着步骤S44，将动程规划命令进行反模型转换，继而步骤S45，获得运动命令。在步骤S45中，是通过第一插补规划模块301与第二插补规划模块302内的前馈模块3011、前馈模块3021，将第一主轴381与第二主轴382的动程命令转换为适合的运动命令；此时，于步骤S46，回授模块取得第一编码器401、第二编码器402讯号信息。在此步骤S46中，回授模块34会接受从第一驱动器361与第二驱动器362所读取的第一编码器401与第二编码器402的动态讯号，传送至各主轴对应的第一插补规划模块301及第二插补规划模块302；然后紧接着步骤S47，计算第二主轴相对于第一主轴动态差异量。在步骤S47中，各主轴对应的插补规划模块301、插补规划模块302计算第一主轴381与第二主轴382的动态差异讯号，然后于步骤S48，算得补偿命令量。在步骤S48中，系利用算法例如:比例-积分-微分(PID，ProportionalIntegrative Derivative)、自适应控制(Adaptive control)、强健控制(Robust control)等方法计算出第二主轴382的补偿命令量，以确保两主轴的协同效果，以使得第一主轴与第二主轴可以在协同状态来进行加工制程。

接着步骤S49，将运动命令与补偿命令量迭加后转换为位置/速度格式。在步骤S49中，是将计算完成的补偿命令量分别与经过前馈模块3011、前馈模块3021所转换的适合各主轴的运动命令迭加在一起，成为下次发出给各主轴的总命令，因补偿命令量是由第二主轴382相对于第一主轴381的动态差异而来，因此第一主轴381的补偿命令量会设定为0；再者，在经迭加的总命令送出给第一驱动器361与第二驱动器362之前，还需先经过各主轴对应的插补规划模块内的指令转换模块3012、指令转换模块3022，针对需补偿的第二主轴形态判断为位置控制或是速度控制，对其作命令格式的转换；最后步骤S50，将命令格式送出至各主轴驱动器。在步骤S50中，是将步骤S49所得到的迭加的总命令分别输出给第一驱动器361与第二驱动器362，进一步驱动相对应的主轴。利用上述的数控方法，可以使得第一主轴与第二主轴在同一个协同状态，以提升加工工件质量，使加工动作不需停顿，达到增加产能的效果。

本发明相异形态的主轴协同数控方法与系统，使各主轴彼此在进行协同控制时，无须受限于主轴型态，即使不同主轴型态的主轴也可以达到协同控制的功能，并且根据不同的主轴型态进行动态补偿；使用者亦不需要在主轴运转中多做任何的额外设定，系统自动会根据各主轴的动态响应参数设定调整各主轴的命令规划；并配合具有前馈技术的反模型模块，除了针对各主轴动程规划转换成适用的运动命令外，更通过指令转换模块将运动命令转换成驱动器所接收的格式，进一步控制各主轴的运作，以及利用回授讯号使得各主轴的速度和相位关系能够随时保持在容许的误差范围内，达到协同控制的目的，并提升加工工件质量，使加工动作不需停顿，达到增加产能的效果。

在各主轴协同运作的过程中不需限定主轴型态的友善性，解决工具机产业为求高产能而面临在两主轴要协同运作前须要停止加工动作、更改主轴型态的问题；亦可避免使用需动态调整主轴动态特性参数的复杂控制法，增加控制方法的执行效能；更能解决使用者需要进行复杂的参数设定才能让改善主轴协同的效果，可减少使用者操作的复杂度。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (10)

1.用于相异形态的主轴协同数控系统，其特征在于：包含：

加工指令模块；

解译模块，从加工指令模块选取一协同指令并将协同指令解译；

路径规划模块，针对解译后的协同指令进行一路径轮廓规划；

动程规划模块，与路径规划模块连接，并从参数模块中决定一第一主轴与至少一第二主轴，且再从参数模块个别选取第一主轴与第二主轴的一动态响应参数进行第一主轴与第二主轴的一动程命令规划；

至少一插补规划模块，分别对应第一主轴与第二主轴，由一前馈模块与一指令转换模块构成；

回授模块，经由一第一驱动器与至少一第二驱动器接收来自第一主轴与第二主轴的一动态讯号，将动态讯号分别回馈至第一主轴与第二主轴所对应的插补规划模块，并计算出一补偿命令量；

其中，前馈模块将第一主轴与第二主轴的动程命令分别还原成适合于各主轴动态特性的运动命令；

指令转换模块将适合于各主轴的运动命令与各主轴的插补规划模块所产生的补偿命令量迭加，并转换成位置或速度命令格式供第一驱动器和第二驱动器使用，由第一驱动器和第二驱动器将命令格式传送至第一主轴与第二主轴，以使得第一主轴与第二主轴在一协同状态。

2.根据权利要求1所述的用于相异形态的主轴协同数控系统，其特征在于：所述第二主轴的数量为一个以上。

3.用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：由加工指令模块中读取一协同指令并对协同指令进行解译；

由动程规划模块接收已解译的协同指令；

从参数模块中决定一第一主轴与至少一第二主轴，并选取第一主轴与第二主轴的动态响应参数，根据动态响应参数对该第一主轴与第二主轴分别进行动程命令规划；

由第一插补规划模块与至少一第二插补规划模块的前馈模块对第一主轴及第二主轴的动程命令分别转换成相对应的运动命令；

回授模块通过第一驱动器与至少一第二驱动器接收第一主轴与第二主轴的动态讯号，并将动态讯号分别回馈至第一插补规划模块及第二插补规划模块，以计算出补偿命令量；

由第一插补规划模块及第二插补规划模块的指令转换模块将相对应于第一主轴及第二主轴的运动命令分别与补偿命令量进行迭加，并转换成一命令格式经由第一驱动器与第二驱动器传送至第一主轴与第二主轴，以使得第一主轴与第二主轴在一协同状态。

4.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述动态讯号为一速度或一位置讯号，包含角度差、速度差的物理量。

5.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述动态响应参数为各主轴的位置、速度或电流增益，以及速度、加速度、加加速度的上限值。

6.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述第一驱动器与第二驱动器接收的命令格式为电压、脉冲或封包命令形式。

7.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述运动命令可于参数模块中选取位置、速度或电流增益的参数转换而来。

8.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述参数模块为使用者定义。

9.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：补偿命令量通过比例-积分-微分、自适应控制、强健控制方法计算得出。

10.根据权利要求3所述的用于相异形态的主轴协同数控方法，其特征在于：所述第一主轴与第二主轴的主轴型态相同或不同，第二主轴的数量为一个以上。

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