通过实验模态分析来测量机械的润滑特性的伺服控制装置

摘要

本发明的伺服控制装置的特征在于，具备：正弦波干扰输入部，其向包括创建速度指令值的速度指令创建部、创建转矩指令值的转矩指令创建部、检测伺服马达的速度的速度检测部的速度控制环路输入正弦波干扰；频率响应计算部，其根据速度控制环路的输出来推断增益和相位；共振频率检测部，其检测增益成为极大的共振频率；共振模式特性分析部，其根据频率响应来推断共振特性；以及基准模式阻尼比保持部，其保持与作为基准的润滑状态对应的共振特性、即基准模式阻尼比，共振模式特性分析部基于基准模式阻尼比以及与此对应的共振频率中的实测模式阻尼比来计算润滑特性。

说明书

技术领域

本发明涉及伺服控制装置，尤其涉及具备基于实验模态分析来测量机械的润滑特性的功能的伺服控制装置。

背景技术

机床的引导机构的摩擦特性和振动特性影响进给轴的动作性能、加工时的颤振的产生。在这样的问题中，共通事项为机械的摩擦阻尼能力、即润滑特性本质上很重要。

例如，仅通过提高装置刚性是无法提高颤振稳定性的，需要优化装置的各部分的刚性和阻尼特性双方，这在实验和分析两方面均已明确(例如，品川干等，日本机械学会论文集C编，78卷，787号(2012)，p.1013－1025。以下，称为“非专利文献1”。)。

另外，报告有在机械的激振试验中存在激振力依存性，根据激振力的大小，共振频率和阻尼比较大地变动(例如，酒井康德等，精密工学刊物，Vol.80，No.8(2014)，p.783－791。以下，称为“非专利文献2”。)。存在如下技术启示：该主要的理由取决于数十μm的微小位移区域中的摩擦的非线形弹簧特性。另一方面，最近报告有定量地通过实验评价机械阻尼与非线形摩擦的关系性的例子(例如，酒井康德等，JIMTOF2014海报发表“波及滚动导轨的进给方向以及间距方向的阻尼的激振力振幅的影响”。以下，称为“非专利文献3”。)。进行机械的激振试验，通过实验模态分析来调查柔量函数(激振力和位移的频率响应)的共振特性，从而表示激振力越大模式阻尼比(共振曲线的半值宽度)也越大。

发明内容

本发明在于提供以机械的润滑状态的把握和使用该机械的润滑状态的把握的保护技术为主要目的的伺服控制装置。

本发明的一实施例的伺服控制装置的特征在于，在驱动设置于机床的进给 轴的伺服马达的控制装置中，具备：速度指令创建部，其创建伺服马达的速度指令值；转矩指令创建部，其基于速度指令值来创建伺服马达的转矩指令值；速度检测部，其对基于转矩指令值而被驱动的伺服马达的速度进行检测；正弦波干扰输入部，其向包括速度指令创建部、转矩指令创建部及速度检测部的速度控制环路输入正弦波干扰；频率响应计算部，其根据向速度控制环路输入正弦波干扰时的速度控制环路的输出来推断速度控制环路输入输出信号的增益和相位；共振频率检测部，其对频率响应计算部推断出的频率响应的增益成为极大的共振频率进行检测；共振模式特性分析部，其根据共振频率检测部检测到的共振频率及其附近频率中的频率响应来推断共振特性；以及基准模式阻尼比保持部，其保持与作为基准的润滑状态对应的共振特性、即基准模式阻尼比，共振模式特性分析部基于基准模式阻尼比以及与此对应的共振频率下的实测模式阻尼比来计算润滑特性。

附图说明

通过与附图相关的以下的实施方式的说明，本发明的目的、特征以及优点会更加清楚。在这些附图中：

图1是本发明的实施例1的伺服控制装置的框图。

图2是用二次系的和来表现机械传递机构的传递函数的框图。

图3A是表示施加了平移振动的情况下的共振频率的激振力依存性的曲线图。

图3B是表示施加了平移振动的情况下的阻尼比的激振力依存性的曲线图。

图4A是表示施加了旋转振动的情况下的共振频率的激振力依存性的曲线图。

图4B是表示施加了旋转振动的情况下的阻尼比的激振力依存性的曲线图。

图5A是表示施加了进给方向的平移振动的情况下的模式阻尼比的激振力依存性的曲线图。

图5B是表示施加了俯仰(ピッチ)方向的旋转振动的情况下的模式阻尼比的激振力依存性的曲线图。

图6是表示实测模式共振比/基准模式阻尼比的时间依存性的曲线图。

图7是表示实测模式共振比/基准模式阻尼比的时间依存性与警告级别阈值的关系的曲线图。

图8是用于对本发明的实施例的伺服控制装置的动作顺序进行说明的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的伺服控制装置进行说明。

[实施例1]

首先，对本发明的实施例1的伺服控制装置进行说明。图1表示本发明的实施例1的伺服控制装置的框图。就本发明的实施例1的伺服控制装置100而言，在驱动设置于机床的进给轴的伺服马达的控制装置中，其特征在于，具备：速度指令创建部1，其创建伺服马达20的速度指令值；转矩指令创建部2，其基于速度指令值来创建伺服马达的转矩指令值；速度检测部3，其检测基于转矩指令值来驱动的伺服马达的速度；正弦波干扰输入部5，其向包括速度指令创建部1、转矩指令创建部2及速度检测部3的速度控制环路4输入正弦波干扰；频率响应计算部6，其根据向速度控制环路4输入正弦波干扰时的速度控制环路4的输出来推断速度控制环路输入输出信号的增益和相位；共振频率检测部(未图示)，其检测频率响应计算部6推断出的频率响应的增益成为极大的共振频率；共振模式特性分析部7，其根据共振频率检测部检测到的共振频率及其附近频率中的频率响应来推断共振特性；以及基准模式阻尼比保持部8，其保持与作为基准的润滑状态对应的共振特性、即基准模式阻尼比，并且，共振模式特性分析部7基于基准模式阻尼比以及与此对应的共振频率中的实测模式阻尼比来计算润滑特性。

接下来，对本发明的实施例1的伺服控制装置的动作进行说明。首先，速度指令创建部1创建用于驱动伺服马达20的速度指令值，并向加法器10输出。加法器10将从正弦波干扰输入部5输入的正弦波干扰与速度指令值相加，并且减去速度检测器3检测到的伺服马达20的速度检测值，将计算结果向转矩指令创建部2输出。

转矩指令创建部2从加法器10获取计算结果，输出转矩指令并驱动伺服 马达20。伺服马达20经由传递机构30使驱动体(未图示)动作。

频率响应计算部6根据来自正弦波干扰输入部5的正弦波干扰、和向速度控制环路4输入正弦波干扰时的速度控制环路4的输出来推断速度控制环路输入输出信号的增益和相位，并将推断结果向共振模式特性分析部7输出。共振模式特性分析部7具备检测频率响应计算部6推断出的频率响应的增益成为极大的共振频率的共振频率检测部(未图示)。

共振模式特性分析部7根据共振频率检测部检测到的共振频率以及其附近频率中的频率响应来推断共振特性。基准模式阻尼比保持部8保持与作为基准的润滑状态对应的共振特性、即基准模式阻尼比。例如，也可以将制造时刻的特定频率中的共振模式阻尼比作为基准模式阻尼比来保持。共振模式特性分析部7从基准模式阻尼比保持部8获取基准模式阻尼比，基于基准模式阻尼比以及与此对应的共振频率中的实测模式阻尼比来计算润滑特性。

本发明使用能够容易实施的振动试验、即马达控制的频率响应来测定润滑特性。控制系统的频率响应能够基于模式分析来进行分析。机械润滑特性能够通过从实际测量计算共振模式的阻尼比，来求出与基准阻尼比的相对比而进行测量。通常，为了进行柔量测定，需要通过稳定振动激振器、冲击器对机械施加冲击，并测量此时的微小位移。但是，在机械进行组合而完成了板金框等的状态下，难以直接测量进给轴驱动系统的柔量。对于此，如发明的实施例1的伺服控制装置那样，如果使用马达控制的频率响应，则即使是制造最终工序或者处于运转状态，也能够测定机械的润滑特性。

为了分析机械振动而使用了称为实验模态分析的方法(与此相对，理论模态分析是指所谓的有限要素法)。实验模态分析是实际测量频率响应，并根据其结果推断出特性值的分析方法。若考虑有许多的独立的弹簧质量阻尼器系统，则能够得到独立于它们的运动方程组。

能够应用该模式分析的想法，以如图2那样的二次系的和来表现机械传递机构的传递函数。将一个一个的二次系称为共振模式，仅将积分器的项称为刚体模式。所谓实验模态分析是指根据实际测量的频率响应来决定这样表现的传递函数的参数。将ω_r称为共振角频率，将ζ_r称为模式阻尼比，将K_r称为模式等价刚性。在本发明中，使用着眼于模式阻尼比ζ_r的测量以及分析。就模式阻 尼比ζ_r而言，能够根据与振幅响应相比峰值点的频率f₀和与峰值点相比下降一半(－3dB)的点的频率宽度Δf来计算为ζ_r＝Δf/(2f₀)。

在非专利文献2以及3中描述的重要的点是指通过实验模态分析得到的共振频率和模式阻尼比取决于激振力。图3A是表示非专利文献2所记载的施加了平移振动的情况下的共振频率的激振力依存性的曲线图，图3B是表示非专利文献2所记载的施加了平移振动的情况下的阻尼比的激振力依存性的曲线图。图4A是表示非专利文献2所记载的施加了旋转振动的情况下的共振频率的激振力依存性的曲线图，图4B是表示非专利文献2所记载的施加了旋转振动的情况下的阻尼比的激振力依存性的曲线图。图5A是表示非专利文献3所记载的施加了进给方向的平移振动的情况下的模式阻尼比的激振力依存性的曲线图，图5B是表示非专利文献3所记载的施加了俯仰方向的旋转振动的情况下的模式阻尼比的激振力依存性的曲线图。图5A以及5B分别由两根曲线表示涂覆了润滑脂的情况(1)和未涂覆润滑脂的情况(2)。在图3A、图3B、图4A、图4B、图5A、图5B中通过实际测量示出了滚动导轨的摩擦的激振力依存性。若综合此处所示的模式阻尼比具有激振力依存性、和引导面的润滑状态对该特性有较大影响这二点，则原理上能够根据模式阻尼比来判断引导面的润滑状态。

本发明的实施例1的伺服控制装置根据共振频率和其附近频率中的频率响应来确认共振模式的特性值，理解为表示传递机构的特性的物理量。另外，共振特性中模式阻尼比与摩擦系数对应。因此，低次共振模式的模式阻尼比主要表示机械的引导面的润滑特性。因此，根据本发明的实施例1的伺服控制装置，得到能够把握机械的润滑状态的伺服控制装置。

[实施例2]

接下来，对本发明的实施例2的伺服控制装置进行说明。本发明的实施例2的伺服控制装置的特征在于，通过共振模式特性分析部7求出基准模式阻尼比与实测模式阻尼比的相对比，来评价润滑状态的相对降低程度。其他的构成与实施例1的伺服控制装置中的构成相同，所以省略详细说明。

例如，预先将制造时刻的特定频率中的共振模式阻尼比作为基准。在定期测定速度控制的频率响应的情况下，模式阻尼比按时间减少。此时，减小激振 力振幅来进行测量即可。在较大的激振力的情况下机械的位移充分地变大而机械的非线形特性不被反映，这是因为从测量值丢失了摩擦、润滑的信息。

所选择的共振模式可以不是一个，只要是引导面中的润滑状态显著地出现的共振模式则能够将多个共振模式作为测量、监视的对象。物理上更低频的共振模式在机械的动特性中占主导，所以理应使用一次(最低的共振频率)、二次模式即可。这是因为模式分析原本是将连续体的振动描述为许多的独立的1自由度系统的阻尼振动的总和的方法论，低次模式的1自由度系统为较强地支配整体的振动。因为各个的模式共振比表示各个的1自由度系统的粘性摩擦系数，所以模式阻尼比的降低与摩擦系数的降低直接关联。这意味着低次模式的摩擦系数的降低即为引导面的主导的摩擦要素的降低。

其结果能够作为预防保护技术而活用。作为前提，承认润滑剂随着时间流逝磨损劣化而使润滑变差的情况。控制装置预先存储例如以制造时刻的润滑性能作为基准的模式阻尼比(基准模式阻尼比)，并定期测定频率响应，通过模式分析来计算模式阻尼比(实测模式阻尼比)。

图6示出了表示实测模式共振比除以基准模式阻尼比的值(实测模式共振比/基准模式阻尼比)的时间依存性的曲线图。若在时刻t₁中，实测模式共振比和基准模式阻尼比相等，则随着t₂、t₃、t₄和时间的经过，实测模式共振比/基准模式阻尼比的值单调地减少。如图6所示，计算出的实测模式阻尼比得到了比基准模式阻尼比小的值，所以能够用该比作为润滑状态的计测结果。换句话说，能够评价为“相对于机械制造时为80％的润滑”。

如以上说明那样，根据本发明的实施例2的伺服控制装置，对于模式阻尼比的基准值，计算根据在某时刻测定的频率响应得到的模式阻尼比为哪种程度的相对比，所以得到能够进行使用了机械的润滑状态的保护的伺服控制装置。

[实施例3]

接下来，对本发明的实施例3的伺服控制装置进行说明。本发明的实施例3的伺服控制装置的特征在于，在实测模式阻尼比相对于基准模式阻尼比低于阈值的情况下，共振模式特性分析部7为了示出润滑状态的检查的必要性而警告润滑状态的劣化。其他的构成与实施例1的伺服控制装置中的构成相同，所以省略详细说明。

图7示出表示实测模式共振比/基准模式阻尼比的时间依存性与警告级别阈值的关系的曲线图。模式阻尼比过于下降，例如，在某次测定(t₄)中，在成为基准模式阻尼比的50％的情况下显示警告。这在运转中的机械的定期检查中有效。润滑状态由于异物进入等而容易变化，所以能够提供最能够享受根据马达控制的频率响应把握润滑状态的简便的活用方法。此外，将警告级别阈值设定为基准模式阻尼比的50％的例子仅是一个例子，也可以设定为其他的值。

机械的内部阻尼对加工性能影响较大，所以润滑的恶化直接导致机械的加工性能的恶化。因此，在润滑的劣化过大的情况下显示警告，催促润滑剂的涂覆。也可以为了显示警告而设置显示设备。另外，也可以通过声音通知警告。

接下来，使用图8所示的流程图来对本发明的实施例3的伺服控制装置的动作顺序进行说明。首先，在步骤S101中，正弦波干扰输入部5(参照图1)向速度控制环路4输入正弦波干扰。接下来，在步骤S102中，速度检测部3检测伺服马达20的速度。

接下来，在步骤S103中，转矩指令创建部2根据速度指令值和速度检测值来创建转矩指令值。接下来，在步骤S104中，频率响应计算部6根据正弦波干扰值和转矩指令值来计算频率响应。

接下来，在步骤S105中，共振模式特性分析部7根据频率响应推断至少一个共振模式的特性值的组。接下来，在步骤S106中，共振模式特性分析部7在特定的共振频率中计算实测模式阻尼比与基准模式阻尼比的比。

接下来，在步骤S107中，共振模式特性分析部7判断实测模式阻尼比与基准模式阻尼比的比是否低于阈值。在判断为实测模式阻尼比与基准模式阻尼比的比不低于阈值的情况下，结束一系列的处理。

另一方面，在判断为实测模式阻尼比与基准模式阻尼比的比低于阈值的情况下，在步骤S108中，共振模式特性分析部7警告润滑劣化，显示润滑检查的必要性。

根据本发明的实施例3的伺服控制装置，通过显示润滑检查的必要性，能够防止其相对比随着时间经过大幅度降低，而机械引导面的阻尼性能力显著降低进而加工性能劣化。

如以上说明那样，根据本发明的实施例的伺服控制装置，得到了以机械的润滑状态的把握和使用该机械的润滑状态的把握的保护技术为主要目的的伺服控制装置。