WO2021125714A1 - 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a tandem control system for a machine tool and a control method thereof, and more particularly, the notch filter coefficient of the notch filter unit is calculated in real time by the notch filter control unit, and is applied to the power conversion unit by the calculated notch filter coefficient By controlling the applied current in real time, the resonance suppression that occurs when two servo motors are operated in parallel with one power conversion unit and one servo drive is controlled through tandem control to improve the stability and reliability of the machine tool.
  • It relates to a resonance suppression control device and a resonance suppression control method of a machine tool that can improve operator convenience, reduce manufacturing and maintenance costs, and achieve miniaturization.
  • a machine tool refers to a machine used for the purpose of processing a metal/non-metal workpiece into a desired shape and size using an appropriate tool by various cutting or non-cutting methods.
  • NC numerical control
  • CNC computerized numerical control
  • the machine tool includes a table on which a workpiece material is seated and transferred for processing the workpiece, a pallet for preparing the workpiece before processing, a spindle that rotates when a tool or workpiece is combined, a tailstock for supporting the workpiece, etc. during processing, a vibration isolator etc. are provided.
  • a table, a tool rest, a main shaft, a tailstock, a vibration isolator, etc. are provided with a conveying unit which conveys along a conveying axis in order to perform various processing.
  • a machine tool uses a plurality of tools for various processing, and a tool magazine or a turret is used in the form of a tool storage place for storing and storing a plurality of tools.
  • a machine tool is provided with an automatic tool changer (ATC, Automatic Tool Changer) for withdrawing a specific tool from the tool magazine or receiving it again according to the command of the numerical control unit in order to improve the productivity of the machine tool.
  • ATC Automatic Tool Changer
  • a machine tool is provided with an automatic pallet changer (APC, Automatic Palette Changer) in order to minimize the non-working time.
  • the automatic pallet changer (APC) automatically exchanges pallets between the workpiece machining area and the workpiece installation area. Pallets may be loaded with workpieces.
  • a servo motor is used to drive an automatic tool changer (ATC), an automatic pallet changer (APC), a tailstock, or a vibration isolator in a machine tool.
  • ATC automatic tool changer
  • API automatic pallet changer
  • tailstock a tailstock
  • vibration isolator a vibration isolator
  • a device that controls the servo motor and finally controls the automatic tool changer (ATC), the automatic pallet changer (APC), the tailstock, or the vibration isolator is called a servo controller.
  • two servomotors can be installed in parallel due to productivity and economic factors and technical factors that cannot obtain sufficient torque with only one servomotor.
  • One axis is driven by driving, and this is called tandem control.
  • one inverter and one servo drive are coupled to one servo motor, respectively. That is, the first inverter 20 and the first servo drive 10 are connected to the first servo motor 30 , and the second inverter 21 and the second servo drive 11 are connected to the second servo motor 31 . It was operated as a multi-inverter multi servo motor connected.
  • FIG. 2 a single inverter multi servomotor of a method of parallel operation of one inverter 20 and one servo drive 10 in two servomotors 30 and 31 servo motor) has been proposed.
  • servomotors are permanent magnet type synchronous motors, and stable parallel operation is possible only when two servomotors are synchronized so that there is no speed deviation. There was a problem in that the stability and reliability of the control device was lowered, and finally, the stability and reliability and processing precision of the machine tool were lowered.
  • a damping control device and method using an auxiliary inverter and an auxiliary winding This has a structure in which the main inverter and the auxiliary inverter are separately provided, and the servo motor and the auxiliary winding are formed. Problems such as production difficulties still remain.
  • the active damping control device and method simply set the resonance suppression control as an empirical method, the reliability and stability of the servo control device are still guaranteed as it cannot actively cope with the actual resonance occurrence or many disturbances or variables. There is a problem in that only the manufacturing cost increases.
  • the resonance suppression control is calculated by an empirical method, and a sensor capable of detecting the pulsation of the magnetic flux axis current must be provided, which increases the manufacturing cost. And, as the resonance suppression control is performed without considering the actual resonance occurrence or real-time deformation amount according to the operating state of the device, the accuracy and reliability are significantly reduced, and finally, there is a problem in that the machining precision and reliability of the machine tool are reduced.
  • the resonance frequency ( ⁇ O ) of the notch filter As shown in FIGS. 3 and 4, in general, when a notch filter is used to suppress a resonance phenomenon, the resonance frequency ( ⁇ O ) of the notch filter, the attenuation magnitude ( ⁇ ) of the notch filter, and the bandwidth (Q) of the notch filter ) should be obtained.
  • the notch filter coefficient that is changed in real time is accurately calculated regardless of the capacity or type of the servomotor, and the resonance attenuation command is output through the calculated notch filter coefficient, and at the frequency at which resonance is generated by the output resonance attenuation command.
  • the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to calculate the notch filter coefficient of the notch filter unit in real time by the notch filter control unit, and transmit the notch filter coefficient to the power converter by the calculated notch filter coefficient in real time.
  • the resonance suppression that occurs when two servo motors are operated in parallel with one power converter and one servo drive is set stably regardless of the type or capacity of the servo motor through tandem control. and operation to promote operator convenience, and ultimately reduce manufacturing costs by controlling devices driven by servo motors such as automatic tool changers or automatic pallet changers, improve reliability by reducing noise, and reduce device size It is to provide a tandem control system for a machine tool and a control method thereof.
  • another object of the present invention is to calculate the notch filter coefficients in real time in the notch filter control unit and output a resonance attenuation command from the command unit through the pole-zero offset technique through the notch filter unit and apply the current delivered to the power conversion unit to the notch filter unit or Automatic tool exchange regardless of the type of servomotor through precise tandem control synchronized at all speeds and positions of the two servomotors by adjusting the current applied to the first and second servomotors from the power conversion unit as it is cut off
  • a tandem control system for a machine tool includes a numerical control unit; main work unit; PLC for executing a control command through communication with the numerical control unit or the main operation unit; a servo drive having a notch filter unit and performing a control command of the PLC; a servo motor unit driven under the control of the servo drive; and a power conversion unit electrically connected to the servo motor unit and the servo drive to apply a current to the servo motor unit, wherein the servo drive according to a change in the notch filter coefficient calculated in real time by the notch filter unit Resonance suppression according to the operation of the servo motor unit may be performed by controlling an application state of the current transmitted to the power converter.
  • the servo drive of the tandem control system of the machine tool outputs the operation speed signal of the servo motor unit and the torque signal transmitted to the power conversion unit. output unit; and a notch filter control unit that calculates a notch filter coefficient of the notch filter unit in real time, and controls whether or not a current transferred to the power converter is applied according to the calculated notch filter coefficient.
  • the servo motor unit of the tandem control system of the machine tool includes a first servomotor and a second servomotor connected in parallel to each other, and the notch According to the real-time change of the notch filter coefficient of the filter unit, the first servomotor and the second servomotor by adjusting in real time whether or not current is applied to the first servomotor and the second servomotor, respectively, through the power conversion unit Resonance generated during tandem control can be suppressed.
  • the notch filter control unit of the tandem control system of the machine tool is resonance generated during parallel operation of the first servomotor and the second servomotor a memory unit for storing information for tandem control to suppress a calculation unit for calculating a notch filter coefficient of the notch filter unit based on the information stored in the memory unit; and a command unit for performing resonance suppression through tandem control in real time as the notch filter unit blocks the current applied to the power conversion unit through a resonance attenuation command according to the result of the operation unit.
  • the memory unit of the tandem control system of the machine tool includes the maximum value of magnetic flux linkage by the corresponding permanent magnet, the angular velocity at the operating point, and the direct current of the notch filter unit.
  • a basic data storage unit configured to store information on gain, inductance of a winding of a stator of the thermo-motor unit, a pole constant of a servo-motor unit, a stator winding resistance of a thermo-motor unit, and a rotor moment of inertia of a rotational thermo-motor unit; Position and speed feedback information of the first servomotor generated when the first servomotor is operated in parallel with the second servomotor and the second servomotor is generated when the second servomotor is operated in parallel with the first servomotor 2 a feedback data storage unit for storing the position and speed feedback information of the servomotor; and a real-time data storage unit for storing the real-time notch filter coefficient of the notch filter unit calculated by the operation unit and the current resonance attenuation command output from the command unit.
  • the calculation unit of the tandem control system of the machine tool is a damping coefficient for calculating the damping coefficient of the servo motor unit by the data stored in the basic data storage unit.
  • a natural frequency calculation unit for calculating the natural frequency of the servo motor unit based on the data stored in the basic data storage unit
  • a pole calculation unit for calculating the pole of the tandem control system based on the data stored in the basic data storage unit, the calculated value of the damping coefficient calculation unit, and the calculated value of the natural frequency calculation unit
  • a zero point calculation unit for calculating a zero point of the notch filter unit based on the data stored in the basic data storage unit, a calculated value of the damping coefficient calculation unit, and a calculated value of the natural frequency calculation unit
  • a coefficient calculation for calculating a notch filter coefficient based on the data stored in the basic data storage unit, the calculated value of the damping coefficient calculation unit, the calculated value of the natural frequency calculation unit, the calculated value of the pole calculation unit, and the zero value of the zero point calculation unit may include;
  • the command unit of the tandem control system of the machine tool includes data stored in the basic data storage unit, the calculated value of the damping coefficient calculation unit, and the natural frequency calculation.
  • a resonance attenuation command may be output through the pole zero offset method using the negative calculated value, the calculated value of the pole calculation unit, the zero value of the zero point calculation unit, and the notch filter coefficient value of the coefficient calculation unit.
  • the output unit of the tandem control system of the machine tool according to the position command transmitted from the numerical control unit and the feedback signal transmitted from the feedback data storage unit a speed signal output unit for outputting a driving speed signal of the servo motor unit; and a torque signal output unit for outputting an effective torque signal transmitted to the power conversion unit to drive the servo motor unit according to the speed signal received from the speed signal output unit and the feedback signal received from the feedback data storage unit; may include
  • a control method of a tandem control system of a machine tool includes the steps of: storing basic data for a servo motor unit and a notch filter unit for tandem control; calculating a damping coefficient and natural frequency of the servo motor unit; calculating the poles of the tandem control system; calculating a zero point of the notch filter unit; calculating a notch filter coefficient of the notch filter unit through the stored basic data, the calculated damping coefficient and natural frequency of the servo motor unit, a pole of the tandem control system, and a zero point of the notch filter unit; performing a control command in the PLC through communication with a numerical control unit or a main operation unit; performing a control command transmitted from the PLC in a servo drive; applying a current to the servo motor unit including the first servo motor and the second servo motor by the power converter according to the signal of the servo drive; Position and speed feedback information of the first servomotor generated when the
  • the control method of the tandem control system of the machine tool is the current notch filter coefficient calculated in real time after the step of outputting the resonance attenuation command and storing the resonance attenuation command output in real time; may further include.
  • the tandem control system of a machine tool and its control method according to the present invention calculates the notch filter coefficient of the notch filter unit in real time by the notch filter control unit, and notch the current delivered to the power conversion unit by the notch filter coefficient calculated in real time
  • the resonance suppression that occurs when two servo motors are operated in parallel with one power conversion unit and one servo drive is stably set and operated regardless of the type or capacity of the servo motor through tandem control.
  • tandem control system of the machine tool and the control method thereof according to the present invention is a resonance generated in parallel operation of two servo motors by one power unit and a power conversion unit through a notch filter coefficient calculated in real time.
  • Resonance suppression is performed by applying or blocking the current transmitted from the notch filter unit to the power conversion unit according to the attenuation command, so unnecessary components are removed to reduce the size of the machine tool and the tandem control system of the machine tool, and space utilization is also improved. has the effect of maximizing
  • the tandem control system for a machine tool and a control method thereof are the feedback information of the first and second servo motors received in real time from the feedback data storage unit, and the notch filter coefficient and the current received from the real-time data storage unit in real time.
  • the resonance attenuation command of the notch filter unit through the pole-zero offset technique, it suppresses the resonance that occurs when two servo motors are operated in parallel by one power unit and the power conversion unit in accordance with the As it is performed in real time through the utilized tandem control, the precision and reliability of the servo control device of the automatic tool changer or automatic pallet changer can be maximized, and the stability and processing efficiency of the machine tool can be increased.
  • tandem control system for a machine tool and a control method thereof according to the present invention are real-time irrespective of the type and capacity of the servo motor, the resonance generated during parallel operation of two servo motors by one power unit and power conversion unit By automatically suppressing control, it promotes operator convenience and minimizes non-working time, thereby maximizing the productivity of the machine tool.
  • FIG. 1 shows a conceptual diagram of a multi-inverter multi-servo motor in which one inverter and one servo drive are coupled to one conventional servo motor.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a single inverter multi-servo motor in which tandem control is performed by combining one inverter and one servo drive with two conventional servo motors.
  • 3 and 4 are graphs for explaining the frequency characteristics of the conventional notch filter.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a tandem control system of a machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the notch filter control unit of the servo drive of the tandem control system of the machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph for explaining the process of outputting the resonance attenuation command through the pole-zero offset technique in the command unit of the tandem control system of the machine tool according to the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart of a control method of a tamdom control system of a machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • 9 to 10 are graphs for explaining the resonance suppression control effect through the tandem control by the tandem control system and the control method of the machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows a block diagram of the configuration of the tandem control system of the machine tool according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a notch filter control unit of the servo drive of the tandem control system of the machine tool according to an embodiment of the present invention
  • a block diagram of the configuration is shown.
  • 7 is a graph for explaining the process of outputting the resonance attenuation command through the pole-zero offset technique in the command unit of the tandem control system of the machine tool according to the present invention.
  • 8 is a flowchart of a control method of a tamdom control system of a machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • 9 to 10 are graphs for explaining the resonance suppression control effect through the tandem control by the tandem control system and the control method of the machine tool according to an embodiment of the present invention.
  • tandem control system 1 of a machine tool will be described with reference to FIGS. 5 to 7 .
  • the tandem control system 1 of a machine tool according to an embodiment of the present invention includes a numerical control unit 100, a main operation unit 200, a PLC 300, and a servo drive 400. , a servo motor unit 600 , and a power conversion unit 500 .
  • the numerical control unit 100 includes a numerical control (NC) or a computerized numerical control (CNC), and various numerical control programs are built-in. That is, the numerical control unit 100 includes a servo motor driving program, a tool operation program, and the like, and the corresponding program is automatically loaded and operated according to the driving of the numerical control unit. In addition, the numerical control unit 100 communicates with the main operation unit 200 , the PLC 300 , and the servo drive 400 by a predetermined protocol.
  • NC numerical control
  • CNC computerized numerical control
  • the numerical control unit 100 is a first servomotor 610 or a second servomotor 620 of the servomotor unit 600 used for driving an automatic tool changer (ATC) or an automatic pallet changer (APC).
  • ATC automatic tool changer
  • APC automatic pallet changer
  • the main operation unit 200 includes a screen display program and a data input program according to screen display selection, and displays a software switch on the display screen according to the output of the screen display program, and turns on/off the software switch. It recognizes and executes the function of issuing input/output commands for machine operation.
  • the main operation unit 200 is provided with a monitor that is installed on the housing, case, or one side of the machine tool to display various function switches or buttons and various information.
  • a programmable logic controller (PLC) 300 performs communication according to a predetermined protocol with the numerical control unit 100 or the main operation unit 200, and performs a function of executing a control command through such communication. That is, the PLC 300 operates by receiving a control command according to the numerical control program of the numerical control unit 100 or the main operation unit 200 .
  • the PLC 300 After receiving a control command from the numerical control unit 100 or the main operation unit 200 and performing it, the PLC 300 outputs it to the numerical control unit 100 , and outputs the control command to the servo drive through the main operation unit 200 . forward to (400). If necessary, the PLC 300 may transmit a real-time control command from the user to the servo drive 400 through the main operation unit 200 .
  • the servo drive 400 performs a control command of the PLC 300 . That is, the servo drive 400 controls the driving of the servo motor of the servo motor unit 500 to be described later through the control command of the PLC 300, and finally an automatic tool changer (ATC) or It controls the driving of various parts of machine tools driven by servo motors such as automatic pallet changer (APC), tailstock, and vibration protection.
  • ATC automatic tool changer
  • the servo drive 400 transmits the control result to the PLC 300 through a contact point or communication by a predetermined protocol.
  • the servo drive 400 is a first servo motor 610 or a second servo motor 620 of the servo motor unit 600 used for driving an automatic tool changer (ATC) or an automatic pallet changer (APC).
  • ATC automatic tool changer
  • APC automatic pallet changer
  • the servo motor unit 600 drives according to the control of the servo drive 400 .
  • the servo motor unit 600 of the servo control apparatus 1 of the machine tool includes a first servo motor 610 and a second servo motor 620 . .
  • the first servomotor 610 and the second servomotor 620 are connected in parallel to a power conversion unit 500 to be described later and operate in parallel through a current applied from the power conversion unit 500 according to a control signal of the servo drive. do.
  • the tandem of the first servomotor and the second servomotor is adjusted in real time by controlling whether or not current is applied to the first servomotor and the second servomotor respectively through the power conversion unit in real time. Performs suppression of resonance that occurs during control.
  • the servo motor unit 600 drives the first servo motor 610 or the second servo motor 620 according to the corresponding sequence information and position information or a program according to the control of the servo drive 400 .
  • the power conversion unit 500 is electrically connected to the servo motor unit 600 and the servo drive 400 . In addition, the power conversion unit 500 applies a current to the servo motor unit 600 according to the contact signal of the servo drive 400 .
  • the tandem control system of the machine tool calculates the notch filter coefficient of the notch filter unit in real time by the notch filter control unit 433, and transmits it to the power conversion unit 500 by the notch filter coefficient calculated in real time
  • the resonance suppression generated according to the parallel operation of each of the first servomotors 610 and the second servomotors 620 of the servomotor unit 600 is suppressed. do.
  • the notch filter unit 420 receiving the resonance attenuation command and the resonance attenuation command signal output from the command unit 430 of the servo drive blocks the current applied to the power conversion unit 500 at a specific frequency, and another frequency In the first servomotor 610 and the first servomotor 610 by supplying a current applied to the power converter 500 to adjust the current applied or blocked to each of the first servomotor 610 and the second servomotor 620 in real time. Resonance suppression generated during parallel operation of the second servomotor 620 is performed through tandem control using a notch filter unit.
  • the notch filter control unit calculates the notch filter coefficients of the notch filter unit in real time, and blocks or applies the current delivered to the power conversion unit to the notch filter unit by the notch filter coefficient calculated in real time, two servo motors are operated.
  • tandem control the resonance suppression that occurs during parallel operation with one power conversion unit and one servo drive is set and operated stably regardless of the type or capacity of the servomotor for operator convenience, and finally automatic tool replacement
  • the tandem control system can be used universally regardless of the type and capacity of the servomotor, reducing the manufacturing cost by controlling the device or automatic pallet changing device driven by the servomotor, and improving the reliability by reducing the noise. and the compatibility of its control method can be increased.
  • the servo drive 400 of the tandem control system 1 of a machine tool includes an output unit 410 , a notch filter unit 420 , and a notch filter control unit 430 . ) is included.
  • the servo drive 400 of the tandem control system of the machine tool may further include a controller if necessary.
  • a controller is installed inside the servo drive 400, and a detailed control command decoding program, various processing programs, and driving programs are separately built in.
  • the controller performs communication with the numerical control unit 100 , the main operation unit 200 , the PLC 300 , the servo motor unit 600 , and the power conversion unit 500 by a predetermined protocol.
  • the main operation unit 200 may directly transmit the control command of the main operation unit to the servo drive 400 through the PLC 300 without going through the numerical control unit 100 .
  • the main operation unit ( 200 ) and the servo drive 400 may execute a command through the PLC 300 to drive the servo motor unit 600 , which will be described later.
  • controller of the servo drive 400 detailed control commands performed in the numerical control unit 100 can be executed, so that only the other numerical control units and protocol functions can be programmed to perform the servo drive function. Through this, various programs can be operated, maximizing the compatibility of the equipment and promoting user convenience.
  • the output unit 410 outputs a driving speed signal of the servo motor unit 600 and a torque signal transmitted to the power conversion unit 500 .
  • the output unit 410 of the tandem control system 1 of the machine tool includes a speed signal output unit 411 and a torque signal output unit 412 . do.
  • the speed signal output unit 411 is a servo according to the feedback signals of the first servomotor 610 and the second servomotor 620 received from the position command received from the numerical control unit 100 and the feedback data storage unit 4312 .
  • An operation speed signal of the motor unit 600 is output.
  • the first servo motor 610 and the second servo motor 620 are in a state before parallel operation, and the position received from the numerical control unit 100 for the first time.
  • the operation speed signal of the servo motor unit 600 is output according to the command.
  • the first servo motor 610 and the second servo motor 620 of the servo motor unit 600 are parallelly operated.
  • the feedback information of the 610 is transmitted to the feedback data storage 4312, and after the initial driving, the feedback of the first servomotor 610 and the second servomotor 620 is transmitted through the feedback data storage 4312.
  • the operation speed signal of the servo motor unit 600 is output according to the signal and the position command received from the numerical control unit 100 .
  • the torque signal output unit 412 is a power conversion unit 500 to drive the servo motor unit 600 according to the speed signal received from the speed signal output unit 411 and the feedback signal received from the feedback data storage unit 4312 . ) to output the effective torque signal.
  • the torque signal output unit 412 is a state before the parallel operation of the first servo motor 610 and the second servo motor 620 during the initial driving of the tandem control system from the initial speed signal output unit 411. In order to drive the servo motor unit 600 according to the received speed command, an effective torque signal transmitted to the power conversion unit 500 is output.
  • the power conversion unit 500 drives the first servomotor 610 and the second servomotor 620 of the servomotor unit 600 in parallel
  • the feedback information of the first servomotor 610 and the feedback information of the second servomotor 620, which are generated during operation, are transmitted to the feedback data storage 4312, and after the initial driving, the feedback data storage 4312
  • the effective torque signal transmitted to the power conversion unit 500 is output according to the feedback signal transmitted through and the driving speed signal received from the speed signal output unit 411 .
  • the notch filter unit 420 blocks the current applied to the power converter 500 at a specific frequency, and transmits the current applied to the power converter 500 at another frequency without filtering.
  • the notch filter control unit 430 calculates a notch filter coefficient of the notch filter unit in real time, and controls whether or not a current transmitted to the power converter is applied by the calculated notch filter coefficient. Specifically, the notch filter control unit 430 calculates the damping coefficient and natural frequency of the servo motor before the initial driving of the tandem control system, and calculates the notch filter coefficient of the notch filter unit. In addition, the notch filter control unit 430 converts power through the notch filter unit after the first servo motor 610 and the second servo motor 620 of the servo motor unit 600 operate in parallel after the initial driving of the tandem control system. By outputting a resonance attenuation command to block transmission to the unit 500, it performs a function of suppressing and controlling the resonance generated according to the parallel operation of the first servomotor 610 and the second servomotor 620 .
  • the output unit 410, the notch filter unit 420, and the notch filter control unit 430 are all installed inside the servo drive 400, and a detailed control command decoding program, various processing programs, and driving programs are separately built-in. can be
  • the output unit 410 , the notch filter unit 420 , and the notch filter control unit 430 are the numerical control unit 100 , the main operation unit 200 , the PLC 300 , the servo motor unit 600 , and the power conversion unit. Communication with the 500 may be performed by a predetermined protocol.
  • the resonance generated when two servo motors are operated in parallel by one power unit and a power conversion unit is calculated in real time by the resonance attenuation command through the notch filter coefficient.
  • resonance suppression is performed by applying or blocking the current transmitted from the notch filter unit to the power conversion unit, unnecessary components are removed to reduce the size of the machine tool and the tandem control system of the machine tool and maximize the space utilization. have.
  • the notch filter control unit 430 of the servo drive 400 of the tandem control system 1 of the machine tool includes a memory unit 431 and an operation unit 432. ), and a command unit 433 .
  • the memory unit 431 stores various types of information for tandem control for suppressing resonance occurring during parallel operation of the first servomotor and the second servomotor.
  • the calculating unit 432 calculates the notch filter coefficients of the notch filter unit 420 in real time through the information stored in the memory unit 431 .
  • the command unit 433 blocks or transmits the current applied to the power converter through the resonance attenuation command according to the result of the operation unit 431 to the notch filter unit, thereby suppressing resonance through tandem control in real time.
  • the memory unit 431, the operation unit 432, and the command unit 433 are installed inside the notch filter control unit 430, and detailed control command decoding programs, various processing programs, and driving programs may be separately built in. have.
  • the memory unit 431 , the calculation unit 432 , and the command unit 433 are the numerical control unit 100 , the main operation unit 200 , the PLC 300 , the servo motor unit 600 , and the power conversion unit 500 .
  • the output unit 410 , and the notch filter unit 420 may communicate with each other by a predetermined protocol.
  • the memory unit 431 of the notch filter control unit 430 of the servo drive 400 of the tandem control system 1 of the machine tool is a basic data storage unit 4311 ), a feedback data storage unit 4312 , and a real-time data storage unit 4313 .
  • the basic data storage unit 4311 includes the maximum value of flux linkage by the equivalent permanent magnet, the angular velocity at the operating point, the DC gain of the notch filter unit, the inductance of the winding of the stator of the thermo motor unit, the pole constant of the servo motor unit, the stator of the thermo motor unit. Stores information on the winding resistance and the rotor moment of inertia of the circuit-thermomotor unit.
  • the basic data storage may be performed by the operator through the numerical control unit 100 or the main operation unit 200, and may be stored in the PLC 300 in the form of a program.
  • the feedback data storage unit 4312 stores the position and speed feedback information of the first servomotor generated when the first servomotor 610 is operated in parallel with the second servomotor 620 and the second servomotor as the first servomotor. and the position and speed feedback information of the second servomotor generated during parallel operation are stored.
  • the feedback data storage unit 4312 includes the output unit 410, the notch filter unit 420, the power conversion unit 500, the real-time data storage unit 4313, the servo motor unit 600, and the numerical control unit ( 100), the main operation unit 200, and the PLC 300 may be electrically connected to perform communication by a predetermined protocol.
  • the real-time data storage unit 4312 stores the real-time notch filter coefficients of the notch filter unit calculated by the operation unit and the current resonance attenuation command output from the command unit.
  • the real-time data storage unit 4312 includes an output unit 410, a notch filter unit 420, a power conversion unit 500, a feedback data storage unit 4312, a servo motor unit 600, a numerical control unit ( 100), the main operation unit 200, and the PLC 300 may be electrically connected to perform communication by a predetermined protocol.
  • the calculation unit 432 of the notch filter control unit 430 of the servo drive 400 of the tandem control system 1 of the machine tool is a damping coefficient calculation unit 4321. , a natural frequency calculation unit 4322 , a pole calculation unit 4323 , a zero point calculation unit 4324 , and a coefficient calculation unit 4325 .
  • the damping coefficient calculation unit 4321 calculates a damping coefficient of the servo motor unit based on data stored in the basic data storage unit.
  • the natural frequency calculation unit 4322 calculates the natural frequency of the servo motor unit by the data stored in the basic data storage unit.
  • the pole calculation unit 4323 calculates the pole of the tandem control system based on the data stored in the basic data storage unit, the damping coefficient calculation value of the damping coefficient calculation unit, and the natural frequency calculation value of the natural frequency calculation unit.
  • the zero point calculation unit 4324 calculates the zero point of the notch filter unit based on the data stored in the basic data storage unit, the damping coefficient calculation value of the damping coefficient calculation unit, and the natural frequency calculation value of the natural frequency calculation unit.
  • the coefficient calculation unit 4325 includes data stored in the basic data storage unit, the damping coefficient calculated value of the damping coefficient calculation unit, the natural frequency calculated value of the natural frequency calculation unit, the pole calculated value of the tandem control system of the pole calculation unit, and the notch filter of the zero point calculation unit Calculate the notch filter coefficients from the negative zero-point calculations.
  • the command unit 433 includes data stored in the basic data storage unit, the damping coefficient calculated value of the damping coefficient calculation unit, the natural frequency calculated value of the natural frequency calculation unit, the pole calculated value of the tandem control system of the pole calculation unit, and the zero point of the notch filter unit of the zero point calculation unit
  • the resonance attenuation command is output through the pole-zero offset technique as the calculated value and the coefficient value of the notch filter of the coefficient calculation unit.
  • the feedback information of the first and second servo motors received in real time from the feedback data storage unit, the notch filter coefficient and the current resonance attenuation command received from the real-time data storage unit in real time Accordingly, one power unit and a power conversion unit suppress the resonance that occurs when two servo motors are operated in parallel, allowing precise suppression control of two servo motors in tandem control using a notch filter unit through the pole-zero offset technique. It is possible to maximize the precision and reliability of the servo control device of the automatic tool changer or automatic pallet changer, and increase the stability and processing efficiency of the machine tool as it is performed in real time through the
  • tandem control system of the machine tool automatically suppresses resonance generated when two servo motors are operated in parallel by one power unit and power conversion unit in real time regardless of the type and capacity of the servo motor. By controlling it, it is possible to maximize the productivity of the machine tool by promoting the convenience of the operator and minimizing the non-working time.
  • the calculation principle of the calculation unit 432 and the command unit 433 of the notch filter control unit 430 will be described with reference to FIGS. 5 to 7 . That is, the operation unit 432 and the command unit 433 of the notch filter control unit 430 calculates the notch filter coefficient in real time according to the following principle, and outputs a resonance attenuation command based on the calculated notch filter coefficient.
  • Equation 1 the parallel operation tandem control system is too complicated to evaluate the stability.
  • Equation 1 it is assumed that the mechanical time constant of the servo motor is sufficiently larger than the electrical time constant, and when Equation 1 is arranged, Equation 2 is calculated.
  • the pole calculation unit 4323 is calculated by Equation (3).
  • Equation 5 the damping coefficient and natural frequency of the servo motor unit of the tandem control system for parallel operation of Equation 3, which is the characteristic equation of the transfer function, is calculated by Equation 5.
  • the zero point calculator 4324 is calculated by Equation (4).
  • the damping coefficient calculator 4321 and the natural frequency calculator 4322 are calculated by Equation (4).
  • FIG. 7 shows a conceptual diagram of a pole-zero offset technique in a complex plane.
  • the response characteristics of the system during control can be interpreted by setting the denominator of the transfer function to 0.
  • the pole of the tandem control system according to Equation 3 is displayed on the complex plane. (Indicated by the dotted line X in FIG. 7)
  • the pole of the tandem control system expressed by Equation 3 is close to the imaginary axis, which means that the tandem control system in which one operates as a power converter resonates. That is, it becomes more stable toward the left with respect to the X-axis of FIG. 7 and shows an unstable state due to resonance toward the right.
  • the resonance attenuation command of the command unit is derived by Equation (6).
  • the resonance frequency and the natural frequency of the servo motor of the tandem control system among the notch filter coefficients may be set as in Equation 7.
  • the zero point of the notch filter (the numerator part of Equation 4) and the pole point (the denominator part of Equation 3) of the tandem control system are combined with the notch filter as in Equation 8 by the pole placement method. coefficients can be obtained.
  • the coefficient calculator 4325 is derived by Equation (8).
  • the tandem control system of the machine tool calculates the notch filter coefficient of the notch filter unit in real time by the notch filter control unit, and converts the current delivered to the power converter by the notch filter coefficient calculated in real time to the notch filter unit
  • the resonance suppression that occurs when two servo motors are operated in parallel with one power conversion unit and one servo drive is set and operated stably through tandem control regardless of the type or capacity of the servo motor, so that the operator In the end, by controlling the device driven by a servo motor, such as an automatic tool changer or automatic pallet changer, the manufacturing cost is reduced, the reliability is improved by reducing noise, and power conversion with one power unit.
  • the resonance generated when two servo motors are operated in parallel can be used universally regardless of the type and capacity of the servo motor, and at the same time, by automatically suppressing and controlling in real time, the convenience of the operator is promoted and the non-working time is reduced. It is possible to maximize the productivity of the machine tool by minimizing it.
  • tandem control system 1 of the machine tool may further include an input unit and a display unit.
  • the input unit is installed in the form of a switch or a touch button on the operation panel or the main operation unit, and performs a function that the operator can arbitrarily select so as to perform or not perform resonance suppression control in real time during parallel operation of the servo motor unit.
  • the resonance suppression control function of the tandem control system of the machine tool does not work.
  • the damping coefficient value, natural frequency value, pole calculated value, zero point calculated value, notch filter coefficient value, resonance attenuation command value, and the operator can see in real time when the two servo motors of the servo motor are operated in parallel. The presence or absence of resonance suppression and control status can be checked.
  • the display unit may be composed of an LCD, LED, PDP monitor, etc. in the main operation unit or the numerical control unit.
  • the control method of the tandem control system of a machine tool includes a basic data storage step (S1), a damping coefficient and natural frequency calculation step of the servo motor unit (S2), tandem control The pole calculation step of the system (S3), the zero point calculation step of the notch filter unit (S4), the notch filter coefficient calculation step (S5), the PLC execution step (S6), the servo drive execution step (S7), the power application step of the power conversion unit ( S8), feedback information storage step (S9), resonance attenuation command output step (S10), and real-time data storage step (S11).
  • the performance or content of the system or device is the same as the tandem control system of the machine tool in the specification of the present invention.
  • the singularity of the control method of the tandem control system of the machine tool will be mainly described.
  • Basic data for the servo motor unit and the notch filter unit are stored in the basic data storage unit 4311 for tandem control.
  • the information about the rotor moment of inertia can be performed by the operator through the numerical control unit 100 or the main operation unit 200, and is stored in the PLC 300 in the form of a program.
  • the damping coefficient and natural frequency of the servo motor unit are calculated. That is, the servo motor buoy calculates the damping coefficient and natural frequency by Equation 5 through the damping coefficient calculator and the natural frequency calculator.
  • the pole calculation unit of the tandem control system calculates the pole of the tandem control system by Equation (3).
  • the zero point of the notch filter unit is calculated by Equation 4 in the zero point calculation unit of the notch filter unit.
  • the coefficient calculation unit After the step (S4) of calculating the zero point of the notch filter unit, the coefficient calculation unit through the basic data stored in the basic data storage unit, the calculated damping coefficient and natural frequency of the servo motor unit, the pole of the tandem control system, and the zero point of the notch filter unit Calculates the notch filter coefficients of the notch filter unit by Equation (8).
  • a control command is executed in the PLC through communication with the numerical control unit or the main operation unit.
  • the servo drive After the PLC execution step (S6), the servo drive performs the control command transmitted from the PLC.
  • the power conversion unit applies a current to the servo motor unit including the first servo motor and the second servo motor according to the signal of the servo drive.
  • the position and speed feedback information of the first servomotor generated when the first servomotor is operated in parallel with the second servomotor and the second servomotor are paralleled with the first servomotor
  • the position and speed feedback information of the second servomotor generated during operation is stored in the feedback data storage unit.
  • the command unit After the feedback information storage step (S9), the command unit outputs a resonance attenuation command according to Equation (6) in real time according to the notch filter coefficient calculated by the coefficient calculator and transmits it to the notch filter unit.
  • the notch filter unit blocks the current applied to the power converter through the notch filter coefficient calculated in real time and the resonance attenuation command to the notch filter unit, thereby suppressing resonance through tandem control in real time.
  • the current notch filter coefficient calculated in real time and the resonance attenuation command output in real time are stored.
  • the notch filter coefficient of the notch filter unit is calculated in real time by the notch filter control unit, and the current transmitted to the power conversion unit is calculated by the notch filter coefficient calculated in real time.
  • FIGS. 6 to 7 The effect of the resonance suppression control apparatus and the resonance suppression control method of the machine tool according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 7 .
  • 6 is a Bode diagram illustrating a change in the amount of vibration according to frequency
  • FIG. 7 is a Bode diagram illustrating a phase difference according to frequency. 6 to 7, a solid line indicates parallel operation of two servomotors in a conventional servo control device, and a dotted line indicates a state in which the resonance suppression control device and resonance suppression control method of the machine tool according to the present invention are applied.
  • tandem control system and the control method of the machine tool according to the present invention according to the present invention can guarantee stability and reliability of about 5 times or more than in the prior art.
  • the calculation unit calculates the notch filter coefficient of the notch filter unit in real time through Equations 6 and 8, and reflects this to give a resonance attenuation command from the command unit.
  • Resonance suppression during tandem control in which one power conversion unit simultaneously controls two servo motors by blocking or applying the current applied to the power conversion unit by outputting or controlling the current supplied to the first and second servo motors. By controlling in real time, it is possible to secure approximately 5.2 times the stability and reliability against disturbance.
  • resonance suppression control device 10 first servo drive
  • memory unit 4311 basic data storage unit
  • calculation unit 4321 damping coefficient calculation unit
  • command unit 500 power conversion unit
  • servo motor unit 610 first servo motor

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Abstract

본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 수치제어부; 주조작부; 상기 수치제어부 또는 상기 주조작부와의 통신을 통해 제어명령을 행하는 PLC; 노치필터부를 구비하고, 상기 PLC의 제어명령을 수행하는 서보 드라이브; 상기 서보 드라이브의 제어에 따라 구동하는 서보 모터부; 및 상기 서보 모터부 및 상기 서보 드리이브와 전기적으로 연결되어 상기 서보 모터부에 전류를 인가하는 전력 변환부;를 포함하고, 상기 서보 드라이브는 상기 노치필터부의 실시간으로 산출된 노치필터 계수의 변화에 따라 상기 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가상태를 조절하여 상기 서보 모터부의 운전에 따른 공진억제를 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법
본 발명은 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 인가되는 전류의 인가상태를 실시간으로 조절함에 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탬덤제어를 통해 제어하여 공작기계의 안정성과 신뢰성을 향상하고, 작업자의 편의를 향상하고, 제조비용과 유지비용을 절감하며 소형화를 도모할 수 있는 공작기계의 공진억제 제어장치 및 공진억제 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 공작기계라 함은 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속/비금속의 공작물을 적당한 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 기계를 말한다.
터닝센터, 수직/수평 머시닝센터, 문형머시닝센터, 스위스 턴, 방전 가공기, 수평형 NC 보링머신, CNC 선반 등을 비롯한 다양한 종류의 공작기계는 다양한 산업 현장에서 해당 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.
일반적으로 현재 사용되고 있는 다양한 종류의 공작기계는 수치제어(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control) 기술이 적용되는 조작반을 구비하고 있다. 이러한 조작반은 다양한 기능스위치 또는 버튼과 모니터를 구비한다.
또한, 공작기계는 공작물인 소재가 안착되고 공작물 가공을 위해 이송하는 테이블, 가공전 공작물을 준비하는 팔렛트, 공구 또는 공작물이 결합되어 회전하는 주축, 공작물 등을 가공중에 지지하기 위한 심압대, 방진구 등을 구비한다.
일반적으로 공작기계에서 테이블, 공구대, 주축, 심압대, 방진구 등은 다양한 가공을 수행하기 위해 이송축을 따라 이송하는 이송유닛을 구비한다.
또한, 일반적으로 공작기계는 다양한 가공을 위하여 다수의 공구를 사용하게 되며, 다수의 공구를 수납보관하고 있는 툴 보관장소의 형태로 툴 매거진이나 터렛이 사용된다.
또한, 일반적으로 공작기계는 공작기계의 생산성을 향상시키기 위해 수치제어부의 지령에 의해 특정한 툴을 툴 매거진으로부터 인출하거나 다시 수납하기 위한 자동공구교환장치(ATC, Automatic Tool Changer)를 구비한다.
또한, 일반적으로 공작기계는 비가공 시간을 최소화하기 위해, 자동팔레트교환장치(APC, Automatic Palette Changer)를 구비한다. 자동팔레트교환장치(APC)는 팔레트를 공작물 가공 영역과 공작물 설치 영역 간에 자동으로 교환한다. 팔레트에는 공작물이 탑재될 수 있다.
일반적으로 공작기계에서 자동공구교환장치(ATC), 자동팔레트교환장치(APC), 심압대, 또는 방진구 등를 구동하기 위해서 서보 모터가 사용된다.
이처럼, 서보 모터(SERVO MOTOR)를 제어하여 최종적으로 자동공구교환장치(ATC)나 자동팔레트교환장치(APC), 심압대, 또는 방진구를 제어하는 장치를 서보 제어장치라 한다.
특히, 대형 자동팔레트교환장치(APC)와 같이 크기가 크거나 큰 힘이 필요한 경우에 생산성 및 경제적인 요인과 하나의 서보모터만으로는 충분한 토크를 얻을 수 없는 기술적인 요인에 의해 2대의 서보모터를 병렬운전하여 하나의 축을 구동하게 되고, 이를 탬덤 제어(Tandem contril)이라 한다.
그러나 도 1에 도시된 것처럼, 종래 2개의 서보 모터를 사용하는 경우에 종래 서보 제어장치는 각각 1대의 서보모터에 1대의 인버터와 1대의 서보 드라이브가 결합되었다. 즉 제1 서보모터(30)에 제1 인버터(20)와 제1 서보 드라이브(10)가 연결되고, 제2 서보모터(31)에 제2 인버터(21)와 제2 서보 드라이브(11)가 연결되는 멀티 인버터 멀티 서보모터(Multi inverter multi servo motor) 방식으로 운영되었다.
그러나 멀티 인버터 멀티 서보모터의 경우 각각의 서보 모터 별로 별도의 인버터와 서보 드라이브를 결합해야 함에 따라 장치의 크기가 증가하고 제조비용과 유지비용이 증가하며, 공작기계의 소형화를 도모할 수 없는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 도 2에 도시된 것처럼 두대의 서보모터(30, 31)에 1개의 인버터(20)와 1대의 서보 드라이브(10)를 병렬운전하는 방식의 단일 인버터 멀티 서보모터(Single inverter multi servo motor)가 제안되었다.
그러나 슬립이 존재하는 유도 모터와는 달리 서보모터는 영구자석형 동기 모터로 슬립이 존재하지 않아 속도 편차가 없도록 두대의 서보모터를 동기화시켜야만 안정적인 병렬운전이 가능하며 그렇지 못할 경우 공진과 탈조를 통해 서보 제어장치의 안정성과 신뢰도가 저하되고, 최종적으로 공작기계의 안정성과 신뢰도 및 가공 정밀도가 저하되는 문제점이 있었다.
이러한 공진억제 제어 문제를 해결하기 위해 종래 3가지 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법이 제안되었다.
첫째로 보조 인버터와 보조 권선을 이용한 감쇠제어 장치 및 방법으로 이는 주 인버터와 보조 인버터를 따로 구비하고 서보 모터와 보조 권선을 형성하는 구조로 종래 2개의 인버터를 구비함에 따라 발생하는 제조비용 증가, 대량생산 어려움과 같은 문제점이 여전히 남아 있다.
둘째로 능동감쇠제어(active damping control)장치 및 방법으로 공진억제 제어를 단순히 경험적인 방법으로 설정함에 따라 실제 공진발생이나 많은 외란이나 변수에 능동적으로 대처하지 못하여 서보 제어장치의 신뢰성과 안정성이 여전히 보장되지 않고 제조비용만 증가하는 문제점이 있다.
셋째로 부하맥동분석기(load oscillation analyzer)를 이용한 맥동저감 장치 및 방법으로 공진억제 제어를 경험적인 방법으로 산출하고, 자속축 전류의 맥동현상을 감지할 수 있는 센서 등을 구비해야 함에 따라 제조원가가 증가하고, 실제 공진발생이나 장치 운영상태에 따른 실시간 변형량에 대한 고려 없이 공진억제 제어를 수행함에 따라 정확성과 신뢰성이 현저히 감소하며, 최종적으로 공작기계의 가공 정밀도와 신뢰성이 감소하는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 공진형상을 억제하기 위해 상술한 3가지의 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법을 통해 공진 운전 대역을 회피하거나 노치필터로 공진을 감쇄하는 방법이 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 것처럼, 일반적으로 공진현상을 억제하기 위해 노치필터를 사용하는 경우에는 노치필터의 공진주파수(ω O)와 노치필터의 감쇄크기(α) 및 노치필터의 대역폭(Q)에 대한 계수를 구해야 한다.
그러나 일반적으로 동일한 제조사의 동일한 모델의 서보모터라도 제조시점, 설계차이에 따라 노치필터의 계수가 달라지고, 동일한 용량의 서보모터라도 제조사에 ek라 노치필터의 계수가 달라지는 문제점이 있다.
더욱이, 공작기계의 작동중에 발생되는 노치필터의 공진주파수, 감쇄크기, 대역폭이 실시간으로 변경됨에 따라 각각의 공작기계마다 탠덤제어를 통한 공진억제를 위한 장비튜닝이나 장비설정에 많은 시간과 비용이 소요되고, 작업자의 불편을 초래하며, 생산성을 감소시키는 문제점이 있었다.
따라서, 서보모터의 용량이나 종류에 관계없이 실시간으로 변경되는 노치필터 계수를 정확하게 산출하고, 산출된 노치필터 계수를 통해 공진감쇄지령을 출력하고, 출력된 공진감쇄지령에 의해 공진이 발생되는 주파수에서 전력 변환부에 전달되는 전류를 차단하여 공진억제를 수행하는 노치필터를 활용한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 노치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 인가함에 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탠덤제어를 통해 서보모터의 종류나 용량에 관계없이 안정적으로 설정하고 운영하여 작업자의 편의를 도모하고, 최종적으로 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치와 같이 서보모터로 구동하는 장치를 제어함에 따라 제조 원가를 절감하고, 노이즈 감소에 따른 신뢰도 향상 및 장치의 소형화를 도모할 수 있는 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 노치필터 제어부에서 실시간으로 노치필터 계수를 산출하고 이를 통해 극점영점상쇄기법을 통해 지령부에서 공진감쇄지령을 출력하여 전력 변환부로 전달되는 전류를 노치필터부로 인가 또는 차단함에 따라 전력 변환부에서 제1 서보모터와 제2 서보모터로 인가되는 전류를 조절하여 2개의 서보 모터의 모든 속도와 위치에서 동기화된 정밀한 탠덤제어를 통해 서보모터부의 종류에 관계없이 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치의 서보 제어 정밀도와 신뢰도와 안정성을 극대화하고, 유지비용을 절감할 수 있는 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 수치제어부; 주조작부; 상기 수치제어부 또는 상기 주조작부와의 통신을 통해 제어명령을 행하는 PLC; 노치필터부를 구비하고, 상기 PLC의 제어명령을 수행하는 서보 드라이브; 상기 서보 드라이브의 제어에 따라 구동하는 서보 모터부; 및 상기 서보 모터부 및 상기 서보 드리이브와 전기적으로 연결되어 상기 서보 모터부에 전류를 인가하는 전력 변환부;를 포함하고, 상기 서보 드라이브는 상기 노치필터부의 실시간으로 산출된 노치필터 계수의 변화에 따라 상기 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가상태를 조절하여 상기 서보 모터부의 운전에 따른 공진억제를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 서보 드라이브는 상기 서보 모터부의 운전속도 신호와 상기 전력 변환부에 전달되는 토크 신호를 출력하는 출력부; 및 상기 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 산출된 노치필터 계수에 의해 상기 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가유무를 제어하는 노치필터 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 서보 모터부는 서로 병렬로 연결되는 제1 서보모터 및 제2 서보모터를 포함하고, 상기 노치필터부의 노치필터 계수의 실시간 변화에 따라 상기 전력 변환부를 통해 각각 상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터에 전달되는 전류의 인가유무를 실시간으로 조절하여 상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터의 탠덤제어 중에 발생하는 공진을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 노치필터 제어부는 상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터의 병렬운전시에 발생하는 공진을 억제하기 위한 탠덤제어를 위한 정보를 저장하는 메모리부; 상기 메모리부에 저장된 정보를 통해 상기 노치필터부의 노치필터 계수를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부의 결과에 따라 공진감쇄지령을 통해 상기 전력 변환부에 인가되는 전류를 상기 노치필터부로 차단함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행하는 지령부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 메모리부는 상당 영구자석에 의한 쇄교자속의 최대값, 동작 점에서의 각속도, 노치필터부의 직류이득, 서모 모터부의 고정자의 권선의 인덕턴스, 서보 모터부의 극 상수, 서모 모터부의 고정자 권선 저항, 및 회서모 모터부의 회전자 관성 모멘트에 관한 정보를 저장하는 기본 데이터 저장부; 상기 제1 서보모터를 상기 제2 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 상기 제2 서보모터를 상기 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 저장하는 피드백 데이터 저장부; 및 상기 연산부에 의해 산출된 상기 노치필터부의 실시간 노치필터 계수와 상기 지령부에서 출력된 현재의 공진감쇄지령을 저장하는 실시간 데이터 저장부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 연산부는 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 상기 서보 모터부의 댐핑계수를 계산하는 댐핑계수 계산부; 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 상기 서보 모터부의 고유주파수를 계산하는 고유주파수 계산부; 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 및 상기 고유주파수 계산부의 계산값에 의해 상기 탬덤제어 시스템의 극점을 계산하는 극점계산부; 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 및 상기 고유주파수 계산부의 계산값에 의해 상기 노치필터부의 영점을 계산하는 영점계산부; 및 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 상기 고유주파수 계산부의 계산값, 상기 극점계산부의 계산값, 및 상기 영점계산부의 영점값에 의해 노치필터 계수를 계산하는 계수계산부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 지령부는 상기 기본 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 상기 고유주파수 계산부의 계산값, 상기 극점계산부의 계산값, 상기 영점계산부의 영점값, 및 상기 계수계산부의 노치필터 계수값으로 극점영점상쇄기법을 통해 공진감쇄지령을 출력할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 상기 출력부는 상기 수치제어부로부터 전달 받은 위치지령과 상기 피드백 데이터 저장부로부터 전달 받은 피드백 신호에 따라 상기 서보 모터부의 운전속도 신호를 출력하는 속도신호 출력부; 및 상기 속도신호 출력부로부터 전달 받은 속도신호와 상기 피드백 데이터 저장부로부터 전달 받은 피드백 신호에 따라 상기 서보 모터부를 구동하기 위해 상기 전력 변환부에 전달되는 유효토크 신호를 출력하는 토크신호 출력부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법은 탠덤제어를 위해 서보 모터부와 노치필터부에 대한 기본 데이터를 저장하는 단계; 상기 서보 모터부의 댐핑계수 및 고유주파수를 계산하는 단계; 탬덤제어 시스템의 극점을 계산하는 단계; 노치필터부의 영점을 계산하는 단계; 저장된 상기 기본 데이터와 산출된 상기 서보 모터부의 댐핑계수와 고유주파수, 상기 탠덤제어 시스템의 극점, 및 상기 노치필터부의 영점을 통해 상기 노치필터부의 노치필터 계수를 계산하는 단계; 수치제어부 또는 주조작부와의 통신을 통해 PLC에서 제어명령을 수행하는 단계; 상기 PLC로부터 전달된 제어명령을 서보 드라이브에서 수행하는 단계; 상기 서보 드라이브의 신호에 따라 전력 변환부가 제1 서보모터와 제2 서보모터를 구비하는 서보 모터부에 전류를 인가하는 단계; 상기 제1 서보모터를 상기 제2 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 상기 제2 서보모터를 상기 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 저장하는 단계; 및 계산된 상기 노치필터 계수에 따라 실시간으로 공진감쇄지령을 출력하는 단계;를 포함하고, 실시간으로 계산되는 노치필터 계수와 공진감쇄지령을 통해 상기 전력 변환부에 인가되는 전류를 상기 노치필터부로 차단함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 공진억제 제어방법의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법은 상기 공진감쇄지령을 출력하는 단계 이후에, 실시간으로 계산되는 현재의 노치필터 계수와 실시간으로 출력되는 공진감쇄지령을 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 노치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 인가함에 따라 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탠덤제어를 통해 서보모터의 종류나 용량에 관계없이 안정적으로 설정하고 운영하여 작업자의 편의를 도모하고, 최종적으로 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치와 같이 서보모터로 구동하는 장치를 제어함에 따라 제조 원가를 절감하고, 노이즈 감소에 따른 신뢰도 향상하며, 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 범용적으로 사용될 수 있어 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법의 호환성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 실시간으로 산출된 노치필터 계수를 통해 공진감쇄지령에 의해 노치필터부에서 전력 변환부에 전달되는 전류를 인가하거나 차단하는 방식으로 공진억제를 수행함에 따라 불필요한 구성품을 제거하여 공작기계와 공작기계의 탠덤제어 시스템의 소형화를 도모하고, 공간활용도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 피드백 데이터 저장부로부터 실시간으로 전달받은 제1, 2 서보모터의 피드백 정보와 실시간 데이터 저장부로부터 실시간으로 전달받은 노치필터 계수와 현재의 공진감쇄지령에 따라 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 억제하여 2개의 서보 모터의 정밀한 공직억제 제어를 극점영점상쇄기법을 통한 노치필터부를 활용한 탠덤제어를 통해 실시간으로 수행함에 따라 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치의의 서보 제어장치의 정밀도와 신뢰도를 극대화하고, 공작기계의 안정성과 가공효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 실시간으로 자동으로 억제 제어함에 따라 작업자의 편의를 도모하고, 비가공시간을 최소화하여 공작기계의 생산성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 서보모터 한대에 1대의 인버터와 1대의 서보 드라이브가 결합되는 멀티 인버터 멀티 서보 모터의 개념도를 나타낸다.
도 2는 종래 2대의 서보모터에 1대의 인버터와 1대의 서보 드라이브가 결합되어 탠덤제어가 수행되는 단일 인버터 멀티 서보 모터의 개념도를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 종래 노치필터의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템의 구성에 대한 블럭도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템의 서보 드라이브의 노치필터 제어부의 구성에 대한 블럭도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 지령부에서 극점영점상쇄기법을 통해 공진감쇄지령을 출력 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탬덤제어 시스템의 제어방법의 절차도이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법에 의한 탬덤제어를 통한 공진억제 제어 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템의 구성에 대한 블럭도를 나타내고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템의 서보 드라이브의 노치필터 제어부의 구성에 대한 블럭도를 나타낸다. 도 7은 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 지령부에서 극점영점상쇄기법을 통해 공진감쇄지령을 출력 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탬덤제어 시스템의 제어방법의 절차도이다. 도 9 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법에 의한 탬덤제어를 통한 공진억제 제어 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)을 설명한다. 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)은 수치제어부(100), 주조작부(200), PLC(300), 서보 드라이브(400), 서보 모터부(600), 및 전력 변환부(500)를 포함한다.
수치제어부(100)는 NC(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control)를 포함하고, 각종 수치 제어 프로그램이 내장되어 있다. 즉, 수치제어부(100)에는 서보 모터의 구동프로그램, 공구의 가동프로그램 등이 내장되고, 수치제어부의 구동에 따라 해당 프로그램이 자동으로 로딩되어 작동한다. 또한, 수치제어부(100)는 주조작부(200), PLC(300), 서보 드라이브(400)와 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행한다.
또한, 수치제어부(100)는 자동공구교환장치(ATC) 또는 자동팔레트교환장치(APC)의 구동에 사용되는 서보 모터부(600)의 제1 서보모터(610) 또는 제2 서보모터(620)로부터 피드백 정보를 전달 받는다. 더욱 구체적으로 수치제어부(100)는 후술하는 노치필터 제어부(430)의 메모리부(431)의 피드백 데이터 저장부(4312)로부터 제1 서보모터(610) 또는 제2 서보모터(620)의 위치와 속도에 대한 피드백 정보를 전달받는다.
주조작부(200)는 화면표시 프로그램과 화면표시 선택에 따른 데이터 입력 프로그램을 포함하고, 화면표시 프로그램의 출력에 따라 표시화면에 소프트웨어 스위치를 디스플레이하고, 소프트웨어 스위치의 온(ON)/오프(OFF)를 인식하여 기계 동작의 입출력 명령을 내리는 기능을 수행한다.
또한, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 주조작부(200)는 공작기계의 하우징, 케이스, 또는 일측에 설치되어 다양한 기능스위치 또는 버튼과 각종 정보를 표시할 수 있는 모니터를 구비한다.
PLC(Programmable Logic Controller, 300)는 수치제어부(100) 또는 주조작부(200)와의 소정의 프로토콜에 의한 통신을 수행하고, 이러한 통신을 통해 제어명령을 행하는 기능을 수행한다. 즉, PLC(300)는 수치제어부(100) 또는 주조작부(200)의 수치 제어 프로그램에 따른 제어 명령을 받아 작동한다.
또한, 수치제어부(100)나 주조작부(200)로부터 제어명령을 전달받아 이를 수행한 후에 PLC(300)는 이를 수치제어부(100)로 출력하고, 제어명령을 주조작부(200)를 통해 서보 드라이브(400)에 전달한다. 필요에 따라 PLC(300)는 주조작부(200)를 통해 사용자로부터 실시간 제어명령을 서보 드라이브(400)에 전달할 수도 있다.
서보 드라이브(400)는 PLC(300)의 제어명령을 수행한다. 즉, 서보 드라이브(400)는 PLC(300)의 제어명령을 통해 후술하는 서보 모터부(500)의 서보 모터의 구동을 제어하고, 최종적으로 서보 모터에 의해 구동되는 자동공구교환장치(ATC) 또는 자동팔레트교환장치(APC), 심압대, 방진구와 같은 서보 모터에 의해 구동되는 공작기계의 다양한 부품의 구동를 제어한다. 서보 드라이브(400)는 제어 결과를 접점 또는 소정의 프로토콜에 의한 통신을 통해 PLC(300)에 전달한다.
또한, 서보 드라이브(400)는 자동공구교환장치(ATC) 또는 자동팔레트교환장치(APC)의 구동에 사용되는 서보 모터부(600)의 제1 서보모터(610) 또는 제2 서보모터(620)로부터 피드백 정보를 전달받는다. 더욱 구체적으로 수치제어부(100)는 후술하는 제1노치필터 제어부(430)의 메모리부(431)의 피드백 데이터 저장부(4312)로부터 제1 서보모터(610) 또는 제2 서보모터(620)의 위치와 속도에 대한 피드백 정보를 전달 받는다.
서보 모터부(600)는 서보 드라이브(400)의 제어에 따라 구동한다.
도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 서보 제어장치(1)의 서보 모터부(600)는 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)를 구비한다.
제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)는 후술하는 전력 변환부(500)에 병렬로 연결되어 서보 드라이브의 제어신호에 따라 전력 변환부(500)에서 인가되는 전류를 통해 병렬운전된다.
또한, 노치필터부의 노치필터 계수의 실시간 변화에 따라 전력 변환부를 통해 각각 제1 서보모터와 제2 서보모터에 전달되는 전류의 인가유무를 실시간으로 조절하여 제1 서보모터와 제2 서보모터의 탠덤제어 중에 발생하는 공진 억제를 수행한다.
또한, 서보 모터부(600)는 서보 드라이브(400)의 제어에 따라 제1 서보모터(610) 또는 제2 서보모터(620)가 해당 시퀀스 정보와 위치 정보나 프로그램에 따라 구동하게 된다.
전력 변환부(500)는 서보 모터부(600) 및 서보 드라이브(400)와 전기적으로 연결된다. 또한, 전력 변환부(500)는 서보 드라이브(400)의 접점 신호에 따라 서보 모터부(600)에 전류를 인가한다.
이처럼, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 노치필터 제어부(433)에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부(500)에 전달되는 전류를 노치필터부(420)로 차단하거나 인가함에 따라 서보 모터부(600)의 각각의 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)의 병렬운전에 따라 발생하는 공진 억제를 수행한다. 구체적으로 서보 드라이브의 지령부(430)에서 출력된 공진감쇄지령과 공진감쇄지령 신호를 전달받은 노치필터부(420)가 특정 주파수에서 전력 변환부(500)로 인가되는 전류를 차단하고, 다른 주파수에서는 전력 변환부(500)로 인가되는 전류를 공급하여 각각의 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)에 인가되거나 차단되는 전류를 실시간으로 조절하여 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)의 병렬운전시에 발생하는 공진억제를 노치필터부를 이용한 탠덤제어를 통해 수행한다.
따라서, 치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 인가함에 따라 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탠덤제어를 통해 서보모터의 종류나 용량에 관계없이 안정적으로 설정하고 운영하여 작업자의 편의를 도모하고, 최종적으로 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치와 같이 서보모터로 구동하는 장치를 제어함에 따라 제조 원가를 절감하고, 노이즈 감소에 따른 신뢰도 향상하며, 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 범용적으로 사용될 수 있어 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법의 호환성을 증가시킬 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)의 서보 드라이브(400)는 출력부(410), 노치필터부(420), 및 노치필터 제어부(430)를 포함한다.
도면에 도시되지는 않았지만, 공작기계의 탠덤제어 시스템의 서보 드라이브(400)는 필요에 따라 컨트롤러를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 컨트롤러는 서보 드라이브(400)의 내부에 설치되고, 세부적인 제어명령 해독 프로그램이나 각종 가공 프로그램, 구동 프로그램이 별도로 내장된다. 또한, 컨트롤러는 수치제어부(100), 주조작부(200), PLC(300), 서보 모터부(600), 전력 변환부(500)와 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행한다.
필요에 따라 주조작부(200)는 주조작부의 제어명령을 수치제어부(100)를 거치지 않고 바로 PLC(300)를 통해 서보 드라이브(400)에 전달할 수 있다.
이처럼, 세부적인 제어명령 해독 프로그램이나 별도의 제어 프로그램이 후술하는 서보 드라이브(400)의 컨트롤러에 모두 내장되어 있기 때문에 수치제어부(100)로부터 서보 모터부(500)의 구동명령을 받지 않고 주조작부(200)와 PLC(300)를 통한 명령을 서보 드라이브(400)가 실행하여 후술하는 서보 모터부(600)를 구동할 수도 있다.
따라서, 서보 드라이브(400)의 컨트롤러에 의해 수치제어부(100)에서 진행하는 세부적인 제어명령을 수행할 수 있어 다른 수치제어부와 프로토콜 기능만을 프로그램하여 서보 드라이브 기능을 수행할 수 있게 됨에 따라 서보 드라이브를 통해 다양한 프로그램의 구동이 가능하여 장비의 호환성을 극대화하고, 사용자의 편의를 도모할 수 있다.
출력부(410)는 서보 모터부(600)의 운전속도 신호와 전력 변환부(500)에 전달되는 토크 신호를 출력한다.
또한, 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)의 출력부(410)는 속도신호 출력부(411) 및 토크신호 출력부(412)를 포함한다.
속도신호 출력부(411)는 수치제어부(100)로부터 전달 받은 위치지령과 피드백 데이터 저장부(4312)로부터 전달 받은 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)의 피드백 신호에 따라 서보 모터부(600)의 운전속도 신호를 출력한다.
구체적으로 속도신호 출력부(411)는 탠덤제어 시스템의 초기 구동시에는 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)가 병렬운전하기 이전 상태로 최초 수치제어부(100)로부터 전달 받은 위치지령에 따라 서보 모터부(600)의 운전속도 신호를 출력한다. 이후, 속도신호 출력부(411)에서 출력된 속도지령에 따라 서보 모터부(600)의 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)가 병렬운전함에 따라 발생하는 제1 서보모터(610)의 피드백 정보가 피드백 데이터 저장부(4312)로 전달되고, 초기 구동 이후에는 이러한 피드백 데이터 저장부(4312)를 통해 전달되는 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)의 피드백 신호와 수치제어부(100)로부터 전달 받은 위치지령에 따라 서보 모터부(600)의 운전속도 신호를 출력하게 된다.
토크신호 출력부(412)는 속도신호 출력부(411)로부터 전달 받은 속도신호와 피드백 데이터 저장부(4312)로부터 전달 받은 피드백 신호에 따라 서보 모터부(600)를 구동하기 위해 전력 변환부(500)에 전달되는 유효토크 신호를 출력한다.
구체적으로, 토크신호 출력부(412)는 탠덤제어 시스템의 초기 구동시에는 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)가 병렬운전하기 이전 상태로 최초 속도신호 출력부(411)로부터 전달 받은 속도지령에 따라 서보 모터부(600)를 구동하기 위해 전력 변환부(500)에 전달되는 유효토크 신호를 출력한다. 이후, 토크신호 출력부(412)에서 출력된 유효토크 신호에 따라 전력 변환부(500)가 서보 모터부(600)의 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)를 구동하여 병렬운전됨에 따라 발생하는 제1 서보모터(610)의 피드백 정보와 제2 서보모터(620)의 피드백 정보가 피드백 데이터 저장부(4312)로 전달되고, 초기 구동 이후에는 이러한 피드백 데이터 저장부(4312)를 통해 전달되는 피드백 신호와 속도신호 출력부(411)로부터 전달 받은 운전속도 신호에 따라 전력 변환부(500)로 전달되는 유효토크 신호를 출력하게 된다.
노치필터부(420)는 특정 주파수에서 전력 변환부(500)로 인가되는 전류를 차단하고, 다른 주파수에서는 전력 변환부(500)로 인가되는 전류를 필터링하지 않고 전달한다.
노치필터 제어부(430)는 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가유무를 제어한다. 구체적으로 노치필터 제어부(430)는 탠덤제어 시스템의 초기 구동 이전에 서보모터의 댐핑계수와 고유주파수를 계산하고, 노치필터부의 노치필터 계수를 계산한다. 또한, 노치필터 제어부(430)는 탠덤제어 시스템의 초기 구동 이후에 서보 모터부(600)의 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)가 병렬운전한 후에 노치필터부를 통해 전력 변환부(500)에 전달이 차단되는 공진감쇄지령을 출력하여 제1 서보모터(610)와 제2 서보모터(620)의 병렬운전에 따라 발생하는 공진을 억제 제어하는 기능을 수행한다.
이러한 출력부(410), 노치필터부(420), 및 노치필터 제어부(430)는 모두 서보 드라이브(400)의 내부에 설치되고, 세부적인 제어명령 해독 프로그램이나 각종 가공 프로그램, 구동 프로그램이 별도로 내장될 수 있다.
또한, 출력부(410), 노치필터부(420), 및 노치필터 제어부(430)는 수치제어부(100), 주조작부(200), PLC(300), 서보 모터부(600), 전력 변환부(500)와 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 실시간으로 산출된 노치필터 계수를 통해 공진감쇄지령에 의해 노치필터부에서 전력 변환부에 전달되는 전류를 인가하거나 차단하는 방식으로 공진억제를 수행함에 따라 불필요한 구성품을 제거하여 공작기계와 공작기계의 탠덤제어 시스템의 소형화를 도모하고, 공간활용도를 극대화할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)의 서보 드리이브(400)의 노치필터 제어부(430)는 메모리부(431), 연산부(432), 및 지령부(433)를 포함한다.
메모리부(431)는 제1 서보모터와 제2 서보모터의 병렬운전시에 발생하는 공진을 억제하기 위한 탠덤제어를 위한 각종 정보를 저장한다.
연산부(432)는 메모리부(431)에 저장된 정보를 통해 노치필터부(420)의 노치필터 계수를 실시간으로 산출한다.
지령부(433)는 연산부(431)의 결과에 따라 공진감쇄지령을 통해 전력 변환부에 인가되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 전달함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행한다.
이러한, 메모리부(431), 연산부(432), 및 지령부(433)는 노치필터 제어부(430)의 내부에 설치되고, 세부적인 제어명령 해독 프로그램이나 각종 가공 프로그램, 구동 프로그램이 별도로 내장될 수 있다.
또한, 메모리부(431), 연산부(432), 및 지령부(433)는 수치제어부(100), 주조작부(200), PLC(300), 서보 모터부(600), 전력 변환부(500), 출력부(410), 및 노치필터부(420)와 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행할 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)의 서보 드리이브(400)의 노치필터 제어부(430)의 메모리부(431)는 기본데이터 저장부(4311), 피드백 데이터 저장부(4312), 및 실시간 데이터 저장부(4313)를 포함한다.
기본데이터 저장부(4311)는 상당 영구자석에 의한 쇄교자속의 최대값, 동작 점에서의 각속도, 노치필터부의 직류이득, 서모 모터부의 고정자의 권선의 인덕턴스, 서보 모터부의 극 상수, 서모 모터부의 고정자 권선 저항, 및 회서모 모터부의 회전자 관성 모멘트에 관한 정보를 저장한다.
기본 데이터 저장은 작업자가 수치제어부(100) 또는 주조작부(200)를 통해 수행할 수 있고, 프로그램 형태로 PLC(300)에 저장할 수도 있다.
피드백 데이터 저장부(4312)는 제1 서보모터(610)를 제2 서보모터(620)와 병렬운전시에 생성되는 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 제2 서보모터를 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 저장한다.
상술한 바와 같이 피드백 데이터 저장부(4312)는 출력부(410), 노치필터부(420), 전력 변환부(500), 실시간 데이터 저장부(4313), 서보 모터부(600), 수치제어부(100), 주조작부(200), 및 PLC(300)와 전기적으로 연결되어 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행할 수 있다.
실시간 데이터 저장부(4312)는 연산부에 의해 산출된 노치필터부의 실시간 노치필터 계수와 지령부에서 출력된 현재의 공진감쇄지령을 저장한다.
상술한 바와 같이 실시간 데이터 저장부(4312)는 출력부(410), 노치필터부(420), 전력 변환부(500), 피드백 데이터 저장부(4312), 서보 모터부(600), 수치제어부(100), 주조작부(200), 및 PLC(300)와 전기적으로 연결되어 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행할 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)의 서보 드리이브(400)의 노치필터 제어부(430)의 연산부(432)는 댐핑계수 계산부(4321), 고유주파수 계산부(4322), 극점계산부(4323), 영점계산부(4324) 및 계수계산부(4325)를 포함한다.
댐핑계수 계산부(4321)은 기본데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 서보 모터부의 댐핑계수를 계산한다.
고유주파수 계산부(4322)는 기본데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 서보 모터부의 고유주파수를 계산한다.
극점계산부(4323)는 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 댐핑계수 계산부의 댐핑계수 계산값, 및 고유주파수 계산부의 고유주파수 계산값에 의해 탬덤제어 시스템의 극점을 계산한다.
영점계산부(4324)는 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 댐핑계수 계산부의 댐핑계수 계산값, 및 고유주파수 계산부의 고유주파수 계산값에 의해 노치필터부의 영점을 계산한다.
계수계산부는(4325)는 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 댐핑계수 계산부의 댐핑계수 계산값, 고유주파수 계산부의 고유주파수 계산값, 극점계산부의 탠덤제어 시스템의 극점 계산값, 및 영점계산부의 노치필터부의 영점 계산값에 의해 노치필터 계수를 계산한다.
지령부(433)는 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 댐핑계수 계산부의 댐핑계수 계산값, 고유주파수 계산부의 고유주파수 계산값, 극점계산부의 탠덤제어 시스템의 극점 계산값, 영점계산부의 노치필터부의 영점 계산값, 및 계수계산부의 노치필터 계수값으로 극점영점상쇄기법을 통해 공진감쇄지령을 출력한다.
따라서, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 피드백 데이터 저장부로부터 실시간으로 전달 받은 제1, 2 서보모터의 피드백 정보와 실시간 데이터 저장부로부터 실시간으로 전달 받은 노치필터 계수와 현재의 공진감쇄지령에 따라 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 억제하여 2개의 서보 모터의 정밀한 공직억제 제어를 극점영점상쇄기법을 통한 노치필터부를 활용한 탠덤제어를 통해 실시간으로 수행함에 따라 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치의의 서보 제어장치의 정밀도와 신뢰도를 극대화하고, 공작기계의 안정성과 가공효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 실시간으로 자동으로 억제 제어함에 따라 작업자의 편의를 도모하고, 비가공시간을 최소화하여 공작기계의 생산성을 극대화할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 노치필터 제어부(430)의 연산부(432)와 지령부(433)를 산출원리를 설명한다. 즉, 노치필터 제어부(430)의 연산부(432)와 지령부(433)는 하기와 같은 원리로 노치필터 계수를 실시간으로 계산하고, 산출된 노치필터 계수에 의해 공진감쇄지령을 출력한다.
상태변수들을 정상상태에서 X = X0 + ΔX로 표현한 테일러 급수를 이용해 선형화된 상태 방정식을 구하면 수학식 1로 계산된다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000001
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000002
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000003
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000004
그러나 수학식 1은 안정도를 평가하기 위해서는 병렬운전하는 탠덤 제어시스템이 너무 복잡하다.
이에 수학식 1을 간단히 하기 위해 서보 모터의 기계적 시정수가 전기적인 시정수 보다 충분히 크다고 가정하고 수학식 1을 정리하면 수학식 2로 계산된다.
<수학식 2>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000005
따라서, 수학식 2로부터 전달함수를 구하면 수학식 3과 4가 된다.
<수학식 3>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000006
즉, 극점계산부(4323)는 수학식 3에 의해 계산된다.
또한, 전달함수인 특성방정식인 수학식 3을 병렬운전하는 탠덤제어 시스템의 서보 모터부의 댐핑계수와 고유주파수는 수학식 5로 계산된다.
<수학식 4>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000007
즉, 영점계산부(4324)는 수학식 4에 의해 계산된다.
<수학식 5>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000008
즉, 댐핑계수 계산부(4321)와 고유주파수 계산부(4322)는 수학식 4에 의해 계산된다.
도 7은 복소평면에서 극점영점상쇄기법에 대한 개념도를 나타낸다. 도 7에 도시된 것처럼, 일반적으로 제어시에 시스템의 응답특성은 전달함수의 분모를 0으로 설정하고 해석할 수 있다. 이에 따라 수학식 3에 의한 탠덤제어 시스템의 극점을 복소평면에 표시한다.(도 7에서 점선 X로 표시됨)
도 7에 도시된 것처럼, 수학식 3으로 표현되는 탠덤제어 시스템의 극점은 허수축과 가까우며 이는 하나이 전력 변환부로 동작하는 탠덤제어 시스템이 공진하는 것을 의미한다. 즉, 도 7의 X축을 기준으로 좌측으로 갈수록 안정되고, 우측으로 갈수록 공진에 의해 불안정한 상태를 나타낸다.
수학식 3의 분모부분인 탠덤제어 시스템의 극점의 위치에 수학식 4의 분자부분인 노치필터의 영점(도 7에서 실선 O로 표시됨)을 배치하여 1개의 전력 변환부로 동작하는 탠덤제어 시스템의 근본적인 공진성분을 상쇄하고 원하는 성능을 갖도록 노치필터의 극점(도 7에서 실선 X로 표시됨)을 배치하면 공진이 언제된 안정적인 탠덤제어가 가능하고 이는 수학식 6으로 표현된다.
<수학식 6>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000009
즉, 지령부의 공진감쇄지령은 수학식 6에 의해 도출된다.
이후 노치필터 계수중에 공진주파수와 탠덤제어 시스템의 서보모터의 고유주파수를 수학식 7과 같게 설정할 수 있다.
<수학식 7>
ω 0 = ω n
결국, 상술한 바와 같이 노치필터의 영점(수학식 4의 분자부분)과 탠덤제어 시스템의 극점(수학식 3의 분모부분)을 극점배치기법(pole placement method)에 의해 수학식 8과 같은 노치필터 계수를 구할 수 있다.
<수학식 8>
Figure PCTKR2020018210-appb-img-000010
즉, 계수계산부는(4325)는 수학식 8에 의해 도출된다.
상술한 수학식 1 내지 8에 각 인자는 하기와 같다.
αl : 고주파 이득 제한값
δ : V t와 E f 사이의 토크각
´δ: 과도상태에서의 토크각
Δδ : 선형화된 토크각
Δu : 입력변수 변동성분
Δx : 상태변수 변동성분
Δω r re: 선형화된 회전자 각속도
ζ: 감쇠정수
ω 0 : 동작점에서의 각속도
ω r re : 회전자 각속도
ω ω re : 임의의 각속도
ω s : 동기각속도
i uvw : 3상전류
i r ds, i r qs : 회전좌표계 d r-q r축 고정자 전류
i ω ds, i ω qs : 임의의 좌표계 d ω-q ω축 고정자 전류
i r* ds, i r* qs : 회전좌표계 d r-q r축 고정자 지령전류
i ω* ds, i ω* qs : 임의의 좌표계 d ω-q ω축 고정자 지령전류
Kn : 노치필터의 직류이득
ω o : 노치필터 공진주파수
α: 노치필터의 가쇄크기
Q : 노치필터 대역폭
L s : 전동기 고정자 권선의 인덕턴스
P f : 전동기 극상수
R s : 전동기 고정자 권선의 저항
V t : 단자전압
V uvw : 3상 전압
x : 상태변수
x 0 : 동작점에서의 상태변수
J : 모터 회전자 관성모멘트
S : σ+Jω(σ는 실수, Jω는 허수 즉 S는 주파수 공간에서의 크기와 위상을 나타내는 인자이다.)
이처럼, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템은 노치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 인가함에 따라 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탠덤제어를 통해 서보모터의 종류나 용량에 관계없이 안정적으로 설정하고 운영하여 작업자의 편의를 도모하고, 최종적으로 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치와 같이 서보모터로 구동하는 장치를 제어함에 따라 제조 원가를 절감하고, 노이즈 감소에 따른 신뢰도 향상하며, 1개의 전력부와 전력 변환부에 의해 2개의 서보 모터를 병렬운전시에 발생하는 공진을 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 범용적으로 사용함과 동시에 실시간으로 자동으로 억제 제어함에 따라 작업자의 편의를 도모하고, 비가공시간을 최소화하여 공작기계의 생산성을 극대화할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템(1)은 입력부와 표시부를 더 포함할 수 있다.
입력부는 조작반 또는 주조작부 등에 스위치 또는 터치 버튼 등의 형태로 설치되어 서보 모터부의 병렬운전시에 실시간으로 공진억제 제어를 수행하거나 수행하지 않도록 작업자가 임의로 선택할 수 있는 기능을 수행한다.
즉, 입력부에서 공작기계의 탠덤제어 시스템의 서보 모터부의 2개의 서보모터의 병렬운전시에 노치필터 제어부의 기능을 선택하지 않는 경우 공작기계의 탠덤제어 시스템의 공진억제 제어 기능이 작동하지 않게 된다.
표시부는 연산부의 댐핑계수값, 고유주파수값, 극점 계산값, 영점 계산값, 노치필터 계수값, 공진감쇄지령 값, 이에 따라 작업자가 육안으로 실시간으로 서보 모터부의 2대의 서보모터의 병렬운전시에 공진억제 유무와 제어 상태를 확인할 수 있다.
반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 표시부는 주조작부 또는 수치제어부에 LCD, LED, PDP 모니터 등으로 구성될 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법은 기본데이터를 저장 단계(S1), 서보 모터부의 댐핑계수 및 고유주파수 계산 단계(S2), 탠덤제어 시스템의 극점 계산 단계(S3), 노치필터부의 영점 계산 단계(S4), 노치필터 계수 계산 단계(S5), PLC 수행 단계(S6), 서보드라이브 수행 단계(S7), 전력변환부의 전력 인가 단계(S8), 피드백 정보 저장 단계(S9), 공진감쇄지령 출력 단계(S10), 및 실시간 데이터 저장 단계(S11)을 포함한다. 각 단계에서 구체적으로 시스템이나 장치의 수행이나 내용은 본 발명의 명세서의 공작기계의 탠덤제어 시스템과 동일한바 이하에서는 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법의 특이점을 중점으로 설명한다.
기본데이터 저장부(4311)에 탠덤제어를 위해 서보 모터부와 노치필터부에 대한 기본 데이터를 저장한다. 상당 영구자석에 의한 쇄교자속의 최대값, 동작 점에서의 각속도, 노치필터부의 직류이득, 서모 모터부의 고정자의 권선의 인덕턴스, 서보 모터부의 극 상수, 서모 모터부의 고정자 권선 저항, 및 회서모 모터부의 회전자 관성 모멘트에 관한 정보를 작업자가 수치제어부(100) 또는 주조작부(200)를 통해 수행할 수 있고, 프로그램 형태로 PLC(300)에 저장한다.
기본데이터 저장 단계(S1) 이후에, 서보 모터부의 댐핑계수 및 고유주파수를 계산한다. 즉, 댐핑계수 계산부와 고유주파수 계산부를 통해 수학식 5로 서보 모터부이 댐핑계수와 고유주파수를 계산한다.
서보 모터부의 댐핑계수 및 고유주파수 계산 단계(S2) 이후에, 탠덤제어 시스템의 극점 계산부에서 수학식 3에 의해 탠덤제어 시스템의 극점을 계산한다.
탠덤제어 시스템의 극점 계산 단계(S3) 이후에, 노치필터부의 영점계산부에서 수학식 4에 의해 노치필터부의 영점을 계산한다.
노치필터부의 영점을 계산하는 단계(S4) 이후에, 기본데이터 저장부에 저장된 기본 데이터와 산출된 서보 모터부의 댐핑계수와 고유주파수, 탠덤제어 시스템의 극점, 및 노치필터부의 영점을 통해 계수계산부에서 수학식 8에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 계산한다.
노치필터 계수 계산 단계(S5) 이후에, 수치제어부 또는 주조작부와의 통신을 통해 PLC에서 제어명령을 수행한다.
PLC 수행 단계(S6) 이후에, PLC로부터 전달된 제어명령을 서보 드라이브가 수행한다.
서보드라이브 수행 단계(S7) 이후에, 서보 드라이브의 신호에 따라 전력 변환부가 제1 서보모터와 제2 서보모터를 구비하는 서보 모터부에 전류를 인가한다.
전력변환부의 전력 인가 단계(S8) 이후에, 제1 서보모터를 제2 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 제2 서보모터를 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 피드백 데이터 저장부에 저장한다.
피드백 정보 저장 단계(S9) 이후에, 계수계산부에서 계산된 노치필터 계수에 따라 실시간으로 수학식 6에 의해 지령부가 공진감쇄지령을 출력하고 이를 노치필터부에 전달한다.
공진감쇄지령 출력 단계(S10) 이후에, 실시간으로 계산되는 노치필터 계수와 공진감쇄지령을 통해 전력 변환부에 인가되는 전류를 노치필터부로 차단함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행한다.
또한, 공진감쇄지령 출력 단계(S10) 이후에, 실시간으로 계산되는 현재의 노치필터 계수와 실시간으로 출력되는 공진감쇄지령을 저장한다.
따라서, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법은 노치필터 제어부에 의해 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수에 의해 전력 변환부에 전달되는 전류를 노치필터부로 차단하거나 인가함에 따라 따라 2개의 서보 모터를 1대의 전력 변환부와 1대의 서보 드라이브로 병렬운전할 때에 발생하는 공진 억제를 탠덤제어를 통해 서보모터의 종류나 용량에 관계없이 안정적으로 설정하고 운영하여 작업자의 편의를 도모하고, 최종적으로 자동공구교환장치 또는 자동팔레트교환장치와 같이 서보모터로 구동하는 장치를 제어함에 따라 제조 원가를 절감하고, 노이즈 감소에 따른 신뢰도 향상하며, 서보모터의 종류와 용량에 관계없이 범용적으로 사용될 수 있어 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법의 호환성을 증가시킬 수 있고, 실시간으로 산출된 노치필터 계수를 통해 공진감쇄지령에 의해 노치필터부에서 전력 변환부에 전달되는 전류를 인가하거나 차단하는 방식으로 공진억제를 수행함에 따라 불필요한 구성품을 제거하여 공작기계와 공작기계의 탠덤제어 시스템의 소형화를 도모하고, 공간활용도를 극대화할 수 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 의한 공작기계의 공진억제 제어장치 및 공진억제 제어방법의 효과를 더욱 구체적으로 설명한다. 도 6은 주파수에 따른 진동량의 변화를 나타내는 보데선도이고, 도 7은 주파수에 따른 위상차리를 나타내는 보데선도이다. 도 6 내지 도 7에서 실선은 종래 서보 제어장치에서 2대의 서보모터의 병렬운전을 나타내고, 점선은 본 발명에 의한 공작기계의 공진억제 제어장치 및 공진억제 제어방법이 적용된 상태를 나타낸다.
도 9 내지 도 10에서 알 수 있는 것처럼, 종래 본 발명에 의한 탠덤제어 시스템과 이의 제어방법이 적용되지 않은 공작기게의 경우 경우 공진이 발생하고, 위상도 180도 기준으로 대략 9도를 나타낸다. 이와 달리 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법이 적용된 경우 변곡점이 없어 공진 발생이 없어 공진을 완벽하게 억제하고, 위상도 180도 기준 57도를 나타낸다.
구체적으로 탠덤제어의 수학적 모델의 전달함수인 G(S)(도 9, 10에서 일점쇄선)의 주파수 응답을 보면 22.9 rad/sec에서 공진이 발생하고 있고, 위상 마진이 9도로 불안정한 응답을 보이고 있다. 그러나 전달함수 H(S)(도 9, 10에서 점선)인 노치필터로 인해 19db까지 증가하는 공진점 크기는 감쇄되고, 위상마진이 57도로 탠덤제어 전체 시스테인 G 0(S)의 주파수 응답이 공진이 억제된 안정적인 응답을 보이는 것을 확인할 수 있다.
결국, 종래보다 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 대략 5배 이상의 안정성과 신뢰성을 담보할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 공작기계의 탠덤제어 시스템 및 이의 제어방법은 계산부에서 수학식 6 및 수학식 8을 통해 실시간으로 노치필터부의 노치필터 계수를 계산하고, 이를 반영하여 지령부에서 공진감쇄지령을 출력하여 전력 변환부로 인가되는 전류를 차단하거나 인가하여 제1 서보모터와 제2 서보모터에 공급되는 전류를 제어함에 따라 1개의 전력 변환부로 2개의 서보모터를 동시에 제어하는 탠덤제어 중에 공진억제를 실시간으로 제어하여 외란에 대해 대략 5.2배의 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
<부호의 설명>
1 : 공진억제 제어장치 10 : 제1 서보 드라이브
11 : 제2 서보 드라이브 20 : 제1 인버터
21 : 제2 인버터 30 : 제1 서보모터
31 : 제2 서보모터 100 : 수치제어부
200 : 주조작부 300 : PLC
400 : 서보 드라이브 410 : 출력부
411 : 속도신호 출력부 412 : 토크신호 출력부
420 : 노치필터부 430 : 노치필터 제어부
431 : 메모리부 4311 : 기본 데이터 저장부
4312 : 피드백 데이터 저장부 4313 : 실시간 데이터 저장부
432 : 연산부 4321 : 댐핑계수 계산부
4322 : 고유주파수 계산부 4323 : 극점계산부
4324 : 영점계산부 4325 : 계수계산부
433 : 지령부 500 : 전력 변환부
600 : 서보 모터부 610 : 제1 서보모터
620 : 제2 서보모터

Claims (10)

  1. 수치제어부;
    주조작부;
    상기 수치제어부 또는 상기 주조작부와의 통신을 통해 제어명령을 행하는 PLC;
    노치필터부를 구비하고, 상기 PLC의 제어명령을 수행하는 서보 드라이브;
    상기 서보 드라이브의 제어에 따라 구동하는 서보 모터부; 및
    상기 서보 모터부 및 상기 서보 드리이브와 전기적으로 연결되어 상기 서보 모터부에 전류를 인가하는 전력 변환부;를 포함하고,
    상기 서보 드라이브는 상기 노치필터부의 실시간으로 산출된 노치필터 계수의 변화에 따라 상기 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가상태를 조절하여 상기 서보 모터부의 운전에 따른 공진억제를 수행하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서보 드라이브는,
    상기 서보 모터부의 운전속도 신호와 상기 전력 변환부에 전달되는 토크 신호를 출력하는 출력부; 및
    상기 노치필터부의 노치필터 계수를 실시간으로 산출하고, 산출된 노치필터 계수에 의해 상기 전력 변환부에 전달되는 전류의 인가유무를 제어하는 노치필터 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서보 모터부는,
    서로 병렬로 연결되는 제1 서보모터 및 제2 서보모터를 포함하고,
    상기 노치필터부의 노치필터 계수의 실시간 변화에 따라 상기 전력 변환부를 통해 각각 상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터에 전달되는 전류의 인가유무를 실시간으로 조절하여 상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터의 탠덤제어 중에 발생하는 공진 억제를 제어하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노치필터 제어부는,
    상기 제1 서보모터와 상기 제2 서보모터의 병렬운전시에 발생하는 공진을 억제하기 위한 탠덤제어를 위한 정보를 저장하는 메모리부;
    상기 메모리부에 저장된 정보를 통해 상기 노치필터부의 노치필터 계수를 산출하는 연산부; 및
    상기 연산부의 결과에 따라 공진감쇄지령을 통해 상기 전력 변환부에 인가되는 전류를 상기 노치필터부로 차단함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행하는 지령부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메모리부는,
    상당 영구자석에 의한 쇄교자속의 최대값, 동작 점에서의 각속도, 노치필터부의 직류이득, 서모 모터부의 고정자의 권선의 인덕턴스, 서보 모터부의 극 상수, 서모 모터부의 고정자 권선 저항, 및 회서모 모터부의 회전자 관성 모멘트에 관한 정보를 저장하는 기본데이터 저장부;
    상기 제1 서보모터를 상기 제2 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 상기 제2 서보모터를 상기 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 저장하는 피드백 데이터 저장부; 및
    상기 연산부에 의해 산출된 상기 노치필터부의 실시간 노치필터 계수와 상기 지령부에서 출력된 현재의 공진감쇄지령을 저장하는 실시간 데이터 저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 상기 서보 모터부의 댐핑계수를 계산하는 댐핑계수 계산부;
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터에 의해 상기 서보 모터부의 고유주파수를 계산하는 고유주파수 계산부;
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 및 상기 고유주파수 계산부의 계산값에 의해 상기 탬덤제어 시스템의 극점을 계산하는 극점계산부;
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 및 상기 고유주파수 계산부의 계산값에 의해 상기 노치필터부의 영점을 계산하는 영점계산부; 및
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 상기 고유주파수 계산부의 계산값, 상기 극점계산부의 계산값, 및 상기 영점계산부의 영점값에 의해 노치필터 계수를 계산하는 계수계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지령부는,
    상기 기본데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 댐핑계수 계산부의 계산값, 상기 고유주파수 계산부의 계산값, 상기 극점계산부의 계산값, 상기 영점계산부의 영점값, 및 상기 계수계산부의 노치필터 계수값으로 극점영점상쇄기법을 통해 공진감쇄지령을 출력하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 수치제어부로부터 전달받은 위치지령과 상기 피드백 데이터 저장부로부터 전달 받은 피드백 신호에 따라 상기 서보 모터부의 운전속도 신호를 출력하는 속도신호 출력부; 및
    상기 속도신호 출력부로부터 전달 받은 속도신호와 상기 피드백 데이터 저장부로부터 전달 받은 피드백 신호에 따라 상기 서보 모터부를 구동하기 위해 상기 전력 변환부에 전달되는 유효토크 신호를 출력하는 토크신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템.
  9. 탠덤제어를 위해 서보 모터부와 노치필터부에 대한 기본 데이터를 저장하는 단계;
    상기 서보 모터부의 댐핑계수 및 고유주파수를 계산하는 단계;
    탬덤제어 시스템의 극점을 계산하는 단계;
    노치필터부의 영점을 계산하는 단계;
    저장된 상기 기본 데이터와 산출된 상기 서보 모터부의 댐핑계수와 고유주파수, 상기 탠덤제어 시스템의 극점, 및 상기 노치필터부의 영점을 통해 상기 노치필터부의 노치필터 계수를 계산하는 단계;
    수치제어부 또는 주조작부와의 통신을 통해 PLC에서 제어명령을 수행하는 단계;
    상기 PLC로부터 전달된 제어명령을 서보 드라이브에서 수행하는 단계;
    상기 서보 드라이브의 신호에 따라 전력 변환부가 제1 서보모터와 제2 서보모터를 구비하는 서보 모터부에 전류를 인가하는 단계;
    상기 제1 서보모터를 상기 제2 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제1 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보 및 상기 제2 서보모터를 상기 제1 서보모터와 병렬운전시에 생성되는 상기 제2 서보모터의 위치와 속도 피드백 정보를 저장하는 단계; 및
    계산된 상기 노치필터 계수에 따라 실시간으로 공진감쇄지령을 출력하는 단계;를 포함하고,
    실시간으로 계산되는 노치필터 계수와 공진감쇄지령을 통해 상기 전력 변환부에 인가되는 전류를 상기 노치필터부로 차단함에 따라 탠덤제어를 통한 공진억제를 실시간으로 수행하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공진감쇄지령을 출력하는 단계 이후에, 실시간으로 계산되는 현재의 노치필터 계수와 실시간으로 출력되는 공진감쇄지령을 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 탠덤제어 시스템의 제어방법.
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