CZ21899U1

CZ21899U1 - Device to compensate quadrant errors on NC machine tools

Info

Publication number: CZ21899U1
Application number: CZ201023455U
Authority: CZ
Original assignee: Technická univerzita v Liberci; Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-03-07

Description

Zařízení pro kompenzaci kvadrantových chyb u NC obráběcích strojůDevice for compensating quadrant errors in NC machine tools

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká zařízení pro kompenzaci kvadrantových chyb u NC obráběcích strojů, kde NC obráběcí stroj obsahuje pohon s odměřováním, který je svým výstupním členem spřažen s mechanismem poháněného posuvu NC obráběcího stroje a výstupnímu členu pohonu s odměřováním a výstupnímu členu mechanismu poháněného posuvu NC obráběcího stroje jsou přiřazeny snímače pohybu, přičemž pohon s odměřováním a snímače pohybu výstupních členů jsou napojeny na kaskádní regulační obvod s proudovou, rychlostní a polohovou regulační smyčkou. Dosavadní stav technikyThe invention relates to a device for compensating quadrant errors in NC machine tools, wherein the NC machine tool comprises a metering drive which is coupled with its output member to the NC machine tool driven feed mechanism and the output member of the metering drive and the NC machine driven feed mechanism output member. Motion sensors are assigned to the machines, with the encoder drive and the output members motion sensors connected to a cascade control circuit with current, speed and position control loops. BACKGROUND OF THE INVENTION

U moderních NC obráběcích strojů je požadována vysoká rychlost obrábění v kombinaci s vysokou přesností polohování. Aby bylo možno obojího dosáhnout, je nutné se vypořádat s mnoha aspekty, které při vysoké rychlosti obrábění ovlivňují přesnost. Především musí mít konstrukce stroje dostatečnou tuhost, přiměřenou velikost setrvačných hmot, minimální vůle, kvalitní regulaci a v neposlední řadě také nízké pasivní odpory ve vedení stroje. Pasivní odpory způsobené třením ve vedení stroje významně ovlivňují přesnost polohování NC obráběcích strojů, protože vnášejí do zpětnovazební polohové regulační smyčky nežádoucí chyby, takže mají velký vliv na přesnost a kvalitu regulace.Modern NC machine tools require high machining speeds combined with high positioning accuracy. In order to achieve both, many aspects that affect accuracy at high machining speeds have to be addressed. Above all, the machine construction must have sufficient rigidity, adequate inertia size, minimum clearance, good regulation and, last but not least, low passive resistances in the machine guide. The passive resistances caused by friction in the machine guide significantly influence the positioning accuracy of NC machine tools, because they introduce undesirable errors in the feedback position control loop, so they have a great influence on the accuracy and quality of the control.

Nepříznivý vliv pasivních odporů se projevuje zejména při rozběhu, zastavení Či reverzaci pohonů, k čemuž dochází např. při kruhové interpolaci, kdy se vyskytují odchylky polohy řádově několik mikrometrů až desítek mikrometrů v tzv. kvadrantových přechodech. Při kruhové interpolaci totiž dochází ke spolupráci dvou os stroje, kdy dva pohony střídavě reverzují svůj pohyb při přechodech mezi jednotlivými kvadranty. V těchto okamžicích dochází díky změně směru pohybu ke skokovým změnám třecích sil - pasivních odporů a proudový regulátor NC obráběcího stroje musí změnit proud pro daný motor. Tato změna proudu však neproběhne skokově a než proud dosáhne požadované hodnoty, při které se reverzující pohon začne pohybovat opačným směrem, uplyne určitý čas, během něhož reverzující pohon stojí, zatímco druhý pohon se pohybuje maximální požadovanou rychlostí. Poloměr skutečné výsledné dráhy se proto zvětší a vznikne kvadrantová chyba, která se projeví jako chyba poloměru a/nebo místní tvarová odchylka.The unfavorable influence of passive resistors is manifested especially during start-up, stopping or reversing of drives, which occurs eg in circular interpolation, when position deviations of several micrometers to tens of micrometers occur in so-called quadrant transitions. In the case of circular interpolation, two axes of the machine cooperate, where the two drives alternately reverse their movement during transitions between individual quadrants. At these moments, due to a change in the direction of movement, there is a step change in the frictional forces - passive resistances, and the NC current controller of the machine tool has to change the current for the motor. However, this current change does not occur suddenly, and before the current reaches the setpoint at which the reversing drive begins to move in the opposite direction, a certain time elapses during which the reversing drive is stopped while the second drive is moving at the maximum desired speed. The radius of the actual resultant path is therefore increased and a quadrant error occurs, which results in a radius error and / or local shape deviation.

Kvadrantové chyby vznikající při kruhové interpolaci se v současném stavu techniky více či méně úspěšně potlačují použitím tzv. kompenzace, při které se buď na vstup rychlostního regulátoru příslušného pohonu NC obráběcího stroje, nebo na vstup proudového regulátoru příslušného pohonu NC obráběcího stroje přivádí v požadovaných okamžicích kompenzační signál obdélníkového tvaru. Velikost kompenzačního signálu je určena operátorem NC obráběcího stro35 je, a to na základě zjištěné skutečné odchylky mezi požadovanou polohou NC obráběcího stroje a skutečně dosazenou polohou NC obráběcího stroje. Velikost kompenzačního signálu je operátorem vložena do řídicího systému NC obráběcího stroje, které poté již provádí automatickou kompenzaci kvadrantových chyb.In the prior art, quadrant errors occurring in circular interpolation are more or less successfully suppressed by the use of so-called compensation, whereby either compensating input of the respective NC machine tool drive or the current regulator input of the respective NC machine tool drive is compensated at required times. rectangular signal. The magnitude of the compensation signal is determined by the NC machine tool operator based on the detected actual deviation between the desired NC machine tool position and the actual NC machine tool position. The amount of the compensation signal is entered by the operator in the NC machine tool control, which then performs automatic quadrant error compensation.

Nedostatkem stavu techniky je omezená účinnost kompenzace kvadrantových chyb doposud užívanými metodami.A drawback of the prior art is the limited efficiency of quadrant error compensation by the methods used hitherto.

Cílem technického řešení je zvýšit účinnost kompenzace kvadrantových chyb u NC obráběcích strojů.The aim of the technical solution is to increase the efficiency of quadrant error compensation in NC machine tools.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Cíle technického řešení je dosaženo zařízením pro kompenzaci kvadrantových chyb u NC obrá45 běcích strojů, jehož podstata spočívá v tom, že pohon s odměřováním je výstupem svého snímače proudu spřažen se vstupem pozorovatele, jehož druhý vstup je spřažen se snímačem pohybuThe object of the invention is achieved by a device for compensating quadrant errors in NC running machines, which is based on the fact that the drive with metering is coupled by the output of its current sensor to the input of the observer, the other input being coupled to the motion sensor

- 1 CZ 21899 Ul výstupního členu pohonu s odměřováním, přičemž pozorovatel obsahuje výpočetní jednotku pro výpočty v reálném čase a je svým výstupem spřažen se vstupem proudového regulátoru pohonu s odměřováním.The output member of the metering drive, wherein the observer comprises a computing unit for real-time calculations, is coupled to the output of the metering drive current regulator.

Výhodou tohoto technického řešení je, že kompenzace kvadrantových chyb pozorovatelem je, na rozdíl od kompenzací jednorázově určeným a nastaveným kompenzačním signálem podle stavu techniky, minimálně závislá na velikosti pasivních odporů (tj. tření) a na velikosti rychlosti.The advantage of this technical solution is that the observer's compensation of quadrant errors is, unlike the one-time compensation set by the prior art, adjusted at least depending on the magnitude of the passive resistances (ie friction) and velocity.

Kvalita kompenzace dle technického řešení je ovlivněna seřízením pozorovatele a kvalitou přicházejících signálů o rychlosti a elektrickém proudu. Každá pohybová osa NC obráběcího stroje, která se podílí na kruhové interpolaci má vlastního pozorovatele, který má nastavení konstant podle konkrétních parametrů příslušné pohybové osy NC obráběcího stroje.The quality of the compensation according to the technical solution is influenced by the observer's adjustment and the quality of the incoming signals of speed and electric current. Each NC axis of the machine tool involved in circular interpolation has its own observer, who has the constants set according to the specific parameters of the respective NC axis of the machine tool.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Technické řešení je schematicky znázorněno na výkresech, kde ukazuje obr. 1 uspořádání kaskádní regulace NC obráběcího stroje se třemi regulačními smyčkami (proudovou, rychlostní a polohovou), obr. 2 obecné schéma řešení a Činnosti pozorovatele a obr. 3 řešení a činnost pozo15 rovatele pomocí PC, přídavných I/O karet a softwaru Matlab.The technical solution is schematically shown in the drawings, where Fig. 1 shows the arrangement of the cascade control of an NC machine tool with three control loops (current, speed and position), Fig. 2 a general solution diagram and observer activity; PCs, additional I / O cards and Matlab software.

Příklad provedení technického řešeníExample of technical solution

Technické řešení bude popsáno na příkladu provedení technického řešení pro jeden posuv NC obráběcího stroje. Na celém NC obráběcím strojí je pak každý z posuvů, resp. každý z pohonů každého z posuvů, opatřen tímto technickým řešením, čímž je dosaženo optimální kompenzace všech posuvů NC obráběcího stroje.The technical solution will be described on the example of technical solution for one feed of NC machine tool. On the whole NC machine tool is then each of the feeds, respectively. each of the drives of each feed, provided with this technical solution, which provides optimum compensation for all feeds of the NC machine tool.

Na obr. 1 je znázorněna v podstatě klasická kaskádní regulace NC obráběcího stroje se třemi regulačními smyčkami, proudovou L rychlostní V a polohovou X. Výstup generátoru G žádaných hodnot jde na vstup prvního signálového slučovače L na jehož výstup je svým vstupem připojen polohový regulátor X-REG. Na výstup polohového regulátoru X-REG je svým vstupem připojen druhý signálový slučovač 2, na jehož výstup je svým vstupem připojen rychlostní regulátor V-REG. Na výstup rychlostního regulátoru V-REG svým vstupem napojen třetí signálový slučovač X na jehož výstup je svým vstupem napojen proudový regulátor I-REG. na jehož výstup je svým vstupem napojen ovládaný pohon P s odměřováním, který je svým výstupním členem P2, např. hřídelem, napojen na mechanismus 6 poháněného posuvu NC obráběcího stroje.Fig. 1 shows the basically classical cascade control of the NC machine tool with three control loops, current L speed V and position X. The output of the setpoint generator G goes to the input of the first signal combiner L, whose output is connected to the position controller X- REG. A second signal combiner 2 is connected to the output of the positioner X-REG with its input connected to the speed regulator V-REG. The third signal combiner X is connected to the output of the speed regulator V-REG by means of which the current regulator I-REG is connected by its input. to the output of which the actuator P with metering is connected via its input, which is connected by its output member P2, eg by a shaft, to the driven feed mechanism 6 of the NC machine tool.

Generátor G žádaných hodnot je sběrnicí JO pro přenos informací o požadované hodnotě zrychlení posuvu spřažen se vstupem Čtvrtého signálového slučovače 4, který je svým výstupem napojen na vstup třetího signálového slučovače 3. Generátor G žádaných hodnot je dále sběrnicí 11 pro přenos informací o požadované hodnotě rychlosti posuvu spřažen se vstupem druhého signálového slučovače 2.The setpoint generator G is coupled to the input of the fourth signal combiner 4, which is connected to the input of the third signal combiner 3, to transmit the setpoint acceleration information. feed coupled to the input of the second signal combiner 2.

Pohon P s odměřováním je výstupem 12 svého snímače proudu napojen na vstup třetího signálového slučovače X čímž je vytvořena proudová regulační smyčka I.The encoder drive P is connected to the input of the third signal combiner X via the output 12 of its current sensor to form a current control loop I.

Pohyb výstupního Členu P2, např. hřídele, pohonu P s odměřováním je sledován vhodným neznázoměným snímačem, jehož výstup je vedení 13 spřažen se vstupem druhého signálového slučovače 2, čímž je vytvořena rychlostní regulační smyčka V.The movement of the output member P2, e.g. the shaft, of the metering drive P is monitored by a suitable sensor (not shown), the output of which is coupled to line 13 of the second signal combiner 2, thereby forming a speed control loop V.

Pohyb výstupního členu 14 mechanismus 6 poháněného posuvu NC obráběcího stroje je sledován neznázoměným snímačem, jehož výstup je vedením 15 spřažen se vstupem prvního signálového slučovače 1, čímž je vytvořena polohová regulační smyčka X.The movement of the output member 14 of the NC drive mechanism 6 of the machine tool is monitored by a sensor (not shown), the output of which is coupled via line 15 to the input of the first signal combiner 1, thereby forming a position control loop X.

Zařízení podle technického řešení dále obsahuje pozorovatele 5, který je jedním svým vstupem spřažen s výstupem 12 snímače proudu pohonu P s odměřováním, přičemž svým druhým vstu45 pem je pozorovatel 5 spřažen se snímačem sledujícím pohyb výstupního členu P2, např. hřídele,The device according to the invention further comprises an observer 5 which is coupled with one input to the output current sensor output 12 of the metering drive P, and with its second inlet 45 the observer 5 is coupled to a sensor monitoring the movement of the output member P2, e.g.

-2 CZ 21899 Ul pohonu P s odměřováním. Svým výstupem je pozorovatel 5 spřažen se vstupem čtvrtého signálového slučovače 4.Drive P with encoder. By its output, the observer 5 is coupled to the input of the fourth signal combiner 4.

Pozorovatel 5 na základě stavových veličin pohonu P s odměřováním, jako jsou rychlost pohybu a velikost elektrického proudu protékajícího kotvou pohonu P, stanoví velikost vnější zatěžující síly na výstup pohonu P s odměřováním. Takto zjištěná vnější síla zahrnuje, také působící třecí síly a slouží pozorovateli 5 k vytvoření kompenzačního signálu, který je veden do proudového regulátoru 1-REG.The observer 5 determines the magnitude of the external loading force at the output of the metering drive P based on the state variables of the metering drive P, such as the speed of movement and the amount of electric current flowing through the armature of the drive P. The external force thus determined also includes the acting frictional forces and serves the observer 5 to generate a compensation signal which is applied to the current regulator 1-REG.

Na obr. 2 představují bloky 1/Jr a Di skrete-Time-Integrator hmoty, jejíchž pohyb je dán působením momentu Mm pohonu P s odměřováním a momentu Mext vnějších sil, přičemž moment ío Mext vnějších sil je vypočtený moment vnějších sil. Vypočtená rychlost ot 1 ie porovnána se skutečnou rychlostí ot a jejich rozdíl je zpracován Pl regulátorem (1/Tn, Pn, Diskrete-TimeIn Fig. 2, blocks 1 / Jr and Di represent the mass-time-integrator of a mass whose movement is given by the moment Mm of the measuring drive P and the moment Mext of the external forces, where the moment í Mext of the external forces is the calculated moment of the external forces. Calculated speed ot 1 ie is compared with actual speed ot and their difference is processed by Pl controller (1 / Tn, Pn, Diskrete-Time

Integrátoři). Výstupem Pl regulátoru je hodnota Mext 1. Je-li rychlost ot 1 rovna skutečné rychlosti ot, musí být také skutečný vnější moment (na obr. 2 není znázorněn) roven vypočtenému momentu vnějších sil Mext 1 (moment Mm ie u modelu i skutečného pohonu stejný).Integrators). The output P1 of the controller is Mext 1. If the speed ot 1 is equal to the actual speed ot, the actual external torque (not shown in Fig. 2) must also be equal to the calculated external torque Mext 1 (torque Mm ie ).

Součástí vnějšího momentu jsou také pasivní odpory (tření), takže přivedením Mext 1 na vstup proudového regulátoru I-REG je vliv pasivních odporů (tření) do značné míry kompenzován. Jednotlivé konstanty na obr. 2 znamenají:Passive resistors (friction) are also part of the external torque, so that by applying Mext 1 to the input of the current regulator I-REG, the effect of passive resistances (friction) is largely compensated. The individual constants in Fig. 2 mean:

Jr - redukovaný moment setrvačnosti jedné osy NC obráběcího stroje Km - proudová konstanta pohonu P s odměřovánímJr - reduced moment of inertia of one machine tool NC axis Km - drive constant P with measuring

Tn a Pn - nastavitelné parametry Pl regulátoruTn and Pn - adjustable parameters of Pl controller

Isk - skutečný proud protékající pohonem P s odměřovánímIsk - actual current flowing through drive P with transducer

Ts- vzorkovací frekvence (shodná se vzorkovací frekvencí rychlostní smyčky pohonu P s odměřováním)Ts- sampling frequency (identical to the sampling frequency of the P speed loop with encoder)

K - zesílení v diskrétním integrátoru (nastaveno na hodnotu „1“) ot - skutečné otáčky pohonu P s odměřováním.K - gain in the discrete integrator (set to "1") ot - actual drive speed P with encoder.

V provedení na obr. 3 je pozorovatel 5 realizován pomocí počítače typu PC a softwaru Matlab, Matlab toolboxů Simulink, Real-Time Workshop a RealTime Windows Target a dále pomocí vstupně výstupní I/O karty, která zajistí komunikaci počítače typu PC s okolím, resp. rozhraním NC obráběcího stroje. Přes I/O kartu vstupují do prostředí Simulink informace o aktuální veli30 kosti elektrického proudu Isk tekoucího pohonem P s odměřováním a skutečné otáčky ot pohonu P s odměřováním. Pozorovatel 5 počítá v reálném Čase korekční signál proudu I ext a tento korekční signál se přes I/O kartu přivádí z počítače typu PC na vstup proudového regulátoru l· REG příslušné pohybové osy NC obráběcího stroje, jak je znázorněno na obr. 1. Jeden počítač typu PC připojený externě k NC obráběcímu stroji je schopen současně počítat korekční signál í z více jednotlivých pozorovatelů 5, tzn., dokáže současně kompenzovat více pohybových os NC obráběcího stroje v reálném čase. Veškerá činnost pozorovatele 5 probíhá v reálném čase, čímž je zajištěna účinnost a efektivita kompenzace.In the embodiment of Fig. 3, the observer 5 is implemented using a PC and Matlab software, Simulink Matlab toolboxes, Real-Time Workshop and RealTime Windows Target, and an input / output I / O card to communicate with the environment or PC. . NC machine tool interface. Via the I / O card, the current size of the electric current Isk flowing through the encoder P and the actual RPM of the encoder P enter the Simulink environment. The observer 5 calculates in real time the current correction signal I ext and this correction signal is fed via an I / O card from a PC-type computer to the input of the current regulator l · REG of the respective NC machine tool axis as shown in Fig. The PC type connected externally to the NC machine tool is able to simultaneously calculate the correction signal i from several individual observers 5, i.e. it is able to simultaneously compensate multiple movement axes of the NC machine tool in real time. All the activity of the observer 5 takes place in real time, thereby ensuring the efficiency and effectiveness of the compensation.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Technické řešení je použitelné u NC obráběcích strojů na všech pohybových osách NC obrábě40 čího stroje, a to pro zlepšení vlastností stroje a dosažení kvalitativně vyšší výrobní přesnosti. Technické řešení je použitelné jak na starších NC obráběcích strojích, tak i na nově vyrobených NC obráběcích strojích.The technical solution is applicable to NC machine tools on all movement axes of the NC machine tool 40 to improve machine properties and achieve higher quality manufacturing accuracy. The technical solution is applicable on older NC machine tools as well as on newly manufactured NC machine tools.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

An apparatus for compensating quadrant errors in NC machine tools, wherein the NC machine tool comprises a drive (P) with transducer which is coupled by its output member (P2) to the driven machine feed mechanism (6) of the NC machine tool and the output member (P2). drive (P) p

Motion sensors are assigned to the transducer and output member (14) of the NC machine tool (6) of the machine tool, wherein the transducer drive (P) and the transducer motion sensors (P2, 14) are connected to a cascade control circuit with current (I), a speed (V) and a position (X) control loop, characterized in that the metering drive (P) is coupled by the output of its current sensor to the input of the observer (5), the other input being coupled to the motion sensor a metering actuator (P2), wherein the observer (5) comprises a real time computing unit and is coupled by its output to the current regulator input (I-REG) of the metering actuator (P).

Device according to claim 1, characterized in that the observer (5) comprises a PC-type computer with software and at least one input / output (I / O) card connected between the PC-type computer and the NC machine tool control system.