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Diese Anmeldung ist eine neue US-Patentanmeldung, die die Priorität von
JP 2014-058642 , eingereicht am 20. März 2014, beansprucht, wobei der gesamte Inhalt von
JP 2014-058642 hierin durch Bezugnahme gewürdigt wird.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuereinrichtung, die eine Maschine, wie etwa eine Werkzeugmaschine, unter Verwendung eines Elektromotors steuert, und spezifischer eine Servosteuereinrichtung, die Vibrationen aufgrund von Beeinflussung zwischen einer Mehrzahl durch Elektromotoren angetriebener Achsen zum Zeitpunkt einer spanenden Bearbeitung während der Synchronisation der Achsen reduziert.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei gewöhnlichen Werkzeugmaschinen und dergleichen wird, bei einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug, der Gegenstand mit einer Mehrzahl durch Elektromotoren angetriebener Achsen bearbeitet, die sich zusammenwirkend miteinander synchronisieren.
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Als Werkzeugmaschine, die mit einer Mehrzahl sich zusammenwirkend miteinander synchronisierender Achsen eine spanende Bearbeitung ausführt, ist beispielsweise etwa ein vertikales Bearbeitungszentrum, wie in 1 gezeigt, bekannt. Bei dem vertikalen Bearbeitungszentrum 100, bewegt sich ein Tisch 102, der ein Werkstück 101 fixiert, in X-Achsenrichtung und in Y-Achsenrichtung, und ein Drehwerkzeug 103 bewegt sich in Z-Achsenrichtung, so dass eine spanende Bearbeitung ausgeführt wird.
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Darüber hinaus ist als Werkzeugmaschine, die mit einer Mehrzahl sich zusammenwirkend miteinander synchronisierender Achsen eine spanende Bearbeitung ausführt, etwa eine Drehbank, wie in 2 gezeigt, bekannt. Bei der Drehbank 200 wird ein Werkstück 201 auf einer drehenden C-Achse fixiert und die spanende Bearbeitung durch Betätigen eines Werkzeugs 202 ausgeführt, um so in radialer Richtung (X-Achse) und einer Richtung längs der Drehachse (Z-Achse) mit dem Werkstück 201 in Kontakt zu stehen.
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Des Weiteren ist als Werkzeugmaschine, die mit einer Mehrzahl sich zusammenwirkend miteinander synchronisierender Achsen eine spanende Bearbeitung ausführt, etwa eine Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung, wie in 3 gezeigt, bekannt. Bei der Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung 300, wird ein Werkstück 301 auf der drehenden C-Achse fixiert und ein Werkzeug 302 auf einer B-Achse gedreht, wobei ein Elektromotor 304 für die B-Achse und ein Elektromotor 303 für die C-Achse so gesteuert werden, dass sich die Drehung der B-Achse und die Drehung der C-Achse in einem vorgegebenen Verhältnis (= Gewindezahl/Zähnezahl) miteinander synchronisieren, wodurch eine spanende Bearbeitung ausgeführt wird.
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Es kommt vor, dass das Werkstück 101 auf einer X-Y-Ebene des vertikalen Bearbeitungszentrums 100 kegelförmig ist. In diesem Fall arbeiten die Elektromotoren zum Antreiben der X-Achse bzw. Y-Achse synchron mit einer Drehzahl, die einem Kegelwinkel θ (Vx = Vcosθ, Vy = Vsinθ) entspricht. Das Verhältnis zwischen der X-Achsenposition und der Y-Achsenposition des Werkzeugs 103 ist in 4A gezeigt.
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Auch wenn das zylindrische Werkstück 201 durch die Drehbank 200 bearbeitet wird, wird ein synchroner Betrieb auf der Z-Achse proportional zu einer Drehzahl um die C-Achse ausgeführt. Das Verhältnis zwischen einem C-Achsenwinkel des Werkstücks 201 und der Z-Achsenposition des Werkzeugs 202 in diesem Fall ist in 4B gezeigt.
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Wenn das Werkstück 301 durch die Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung 300 bearbeitet wird, wird ein synchroner Betrieb auf der C-Achse proportional zu einer Drehzahl um die B-Achse ausgeführt (Verhältnis = Gewindezahl/Zähnezahl). Das Verhältnis zwischen dem C-Achsenwinkel des Werkstücks 301 und dem B-Achsenwinkel des Werkzeugs 302 in diesem Fall ist in 4C gezeigt.
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Bei einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mit zwei sich miteinander synchronisierenden Achsen, wie in den vorstehenden Fällen beschrieben, können abhängig von Bearbeitungslaststörungen und der Steifigkeit eines Werkzeugs, des Werkstücks und eines diese antreibenden Mechanismus Vibrationen auftreten. Des Weiteren könnten die Vibrationen aufgrund von Beeinflussung zwischen Achsen verstärkt werden, die durch den Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug verursacht wird, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt wird.
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In einem solchen Fall werden Vibrationen gemäß herkömmlicher Praxis durch ein Verfahren zum Unterdrücken von Vibrationen durch Herabsetzen der Ansprechempfindlichkeit eines jede Achse antreibenden Elektromotors oder durch ein Verfahren zum unabhängigen Steuern der Vibrationsdämpfung auf jeder Achse reduziert.
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Es ist beispielsweise ein Verfahren zum Reduzieren von Vibrationen für jeweilige Achsen durch ein der Maschinensteifigkeit entsprechendes Vibrationsreduktionsfilter bekannt (z. B. japanische Patentschrift Nr. 4658181 (
JP4658181B ). Obgleich diese herkömmliche Technik eine Vibrationsreduktion auf einer einzelnen Achse ermöglicht, besteht dabei das Problem, dass der Effekt einer Reduktion von durch Beeinflussung zwischen Achsen verursachten Vibrationen unzureichend ist.
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Andererseits ist als Verfahren zum Reduzieren von Vibrationen aufgrund von Beeinflussung zwischen Achsen, ein Vibrationsdämpfungssteuerverfahren zum Korrigieren eines Drehmomentbefehls unter Verwendung einer Drehzahldifferenz zwischen zwei Elektromotoren, wenn diese ein bewegbares Element antreiben, bekannt (z. B. japanische Patentschrift Nr. 3492583 (
JP3492583B )). Gemäß dieser herkömmlichen Technik sind zwei Elektromotoren fest miteinander gekoppelt und die zwei Elektromotoren werden mit derselben Drehzahl angetrieben. Demgemäß betrifft die herkömmliche Technik kein Verfahren zum Reduzieren von Vibrationen, die verursacht werden, wenn ein Gegenstand mit einem damit in Kontakt stehenden Werkzeug bearbeitet wird, und kann daher Vibrationen, die verursacht werden, wenn sich Achsen mit unterschiedlicher Drehzahl miteinander synchronisieren, nicht reduzieren. Darüber hinaus besteht bei der herkömmlichen Technik das Problem, dass die Technik einen nicht gekoppelten Zustand, etwa ein Verhältnis zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück, nicht handhaben kann.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Servosteuereinrichtung bereitzustellen, die Vibrationen aufgrund von Beeinflussung zwischen Achsen reduziert, die verursacht werden, wenn eine spanende Bearbeitung ausgeführt wird, während sich eine Mehrzahl durch Elektromotoren angetriebener Achsen miteinander synchronisiert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Servosteuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen auf einer ersten Achse bereitgestellten ersten Elektromotor und einen auf einer zweiten Achse bereitgestellten zweiten Elektromotor synchron miteinander antreibt, umfasst eine Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse einzuholen, eine Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die sich mit der ersten Achse synchronisierende zweite Achse einzuholen, eine Drehzahlumsetzungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Umsetzungskoeffizienten einzuholen, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in Übereinstimmung zu bringen und den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, eine Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahldifferenz zwischen dem umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse und dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse zu berechnen, eine Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentkorrekturwert zur Vibrationsdämpfung unter Verwendung der Drehzahldifferenz zu berechnen, eine Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse unter Verwendung des Drehmomentkorrekturwerts zu korrigieren, eine Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, den Drehmomentkorrekturwert unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, um einen Drehmomentbefehl für die erste Achse zu korrigieren, und eine Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, den Drehmomentbefehl für die erste Achse unter Verwendung des umgesetzten Drehmomentkorrekturwerts zu korrigieren.
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Eine Servosteuereinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen auf einer ersten Achse bereitgestellten ersten Elektromotor und einen auf einer zweiten Achse bereitgestellten zweiten Elektromotor synchron miteinander antreibt, umfasst eine Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse einzuholen, eine Drehzahlumsetzungseinrichtung zum Einholen eines Umsetzungskoeffizienten, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in Übereinstimmung zu bringen und den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, eine Zweitachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, den umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse zu differenzieren, um das erhaltene Ergebnis mit einer vorgegebenen Konstante zu multiplizieren, ein Zweitachsen-Phasenvoreilfilter, das dafür konfiguriert ist, eine Phasenanpassung durchzuführen, eine Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse basierend auf einem erhaltenen Drehmomentkorrekturwert für die zweite Achse zu korrigieren, eine Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die sich mit der ersten Achse synchronisierende zweite Achse einzuholen, eine Erstachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, den Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse zu differenzieren, um das erhaltene Ergebnis mit einer vorgegebenen Konstante zu multiplizieren, ein Erstachsen-Phasenvoreilfilter, das dafür konfiguriert ist, eine Phasenanpassung durchzuführen, eine Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen erhaltenen Drehmomentkorrekturwert für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, und eine Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentbefehl für die erste Achse unter Verwendung des umgesetzten Drehmomentkorrekturwerts für die erste Achse zu korrigieren.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Bearbeitungszentrums;
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2 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Drehbank;
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3 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Zahnradbearbeitungseinrichtung;
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4A ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Y-Achsenposition und einer X-Achsenposition bei einem herkömmlichen Bearbeitungszentrum darstellt;
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4B ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Z-Achsenposition und einem C-Achsenwinkel bei einer herkömmlichen Drehbank darstellt;
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4C ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einem C-Achsenwinkel und einem B-Achsenwinkel bei einer herkömmlichen Zahnradbearbeitungseinrichtung darstellt;
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5 ein Blockdiagramm, das ein Bearbeitungssystem darstellt, welches eine Servosteuereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
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6 ein Diagramm, dass eine Konfiguration einer Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung darstellt, die in der Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
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7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens der Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Synchronisationsfehlers darstellt, wenn einem Werkstück und einem Werkzeug eine Bearbeitungsstörung hinzugefügt wird;
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9 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Synchronisationsfehlers darstellt, wenn die Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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10 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung darstellt, die in einer Servosteuereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist; und
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11 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Synchronisationsfehlers darstellt, wenn die Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Nachfolgend ist eine Servosteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Der technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf deren beispielhafte Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auf eine im Rahmen der Patentansprüche angegebene Erfindung und deren Äquivalent.
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Erste Ausführungsform
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Zunächst wird anhand der Zeichnungen eine Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Bearbeitungssystem darstellt, welches eine Servosteuereinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Servosteuereinrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Servosteuereinrichtung, die den auf einer B-Achse als erster Achse bereitgestellten ersten Elektromotor 304 und den auf einer zweiten Achse bereitgestellten zweiten Elektromotor 303 synchron miteinander antreibt, und die eine Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 2, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse einzuholen, eine Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 3 zum Einholen eines Drehzahlrückführungsbetrags für die sich mit der ersten Achse synchronisierende zweite Achse, eine Drehzahlumsetzungseinrichtung 4, die dafür konfiguriert ist, einen Umsetzungskoeffizienten einzuholen, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in Übereinstimmung zu bringen und den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, eine Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung 5, die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahldifferenz zwischen dem umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse und dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse zu berechnen, eine Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentkorrekturwert zur Vibrationsdämpfung unter Verwendung der Drehzahldifferenz zu berechnen, eine Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse unter Verwendung des Drehmomentkorrekturwerts zu korrigieren, eine Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung 8, die dafür konfiguriert ist, den Drehmomentkorrekturwert unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, um einen Drehmomentbefehl für die erste Achse zu korrigieren, und eine Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 umfasst, die dafür konfiguriert ist, den Drehmomentbefehl für die erste Achse unter Verwendung des umgesetzten Drehmomentkorrekturwerts zu korrigieren.
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Die Servosteuereinrichtung 1 empfängt den Eingang eines Werkzeugbefehls zum Steuern des ersten Elektromotors 304, der das Werkzeug 302 auf der B-Achse als erster Achse dreht, und eines Werkstückbefehls zum Steuern des zweiten Elektromotors 303, der das Werkstück 301 als zu bearbeitenden Gegenstand auf der C-Achse als zweiter Achse dreht, von einer Host-Steuereinrichtung 20 als Einrichtung zur computergestützten numerischen Steuerung (CNC).
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Der Werkzeugbefehl wird in eine erste Positionssteuereinheit 11 auf einer Werkzeugseite (einer Erstachsenseite) eingegeben, so dass die erste Positionssteuereinheit 11 einen Drehzahlbefehl ausgibt. Der ausgegebene Drehzahlbefehl wird in eine erste Drehzahlsteuereinheit 21 auf der Werkzeugseite eingegeben, um einen Drehmomentbefehl auszugeben.
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Der ausgegebene Drehmomentbefehl wird zusammen mit einem von der Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung 8 ausgegebenen Drehmomentkorrekturwert in die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 eingegeben, so dass die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 einen korrigierten Drehmomentbefehl ausgibt.
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Der ausgegebene Drehmomentbefehl, der korrigiert worden ist, wird in eine erste Stromsteuereinheit 31 auf der Werkzeugseite eingegeben, um einen Strombefehl auszugeben. Der ausgegebene Strombefehl wird in einen ersten Verstärker 305 eingegeben, um den ersten Elektromotor 304 anzutreiben, wodurch das Werkzeug 302 auf der B-Achse gedreht wird.
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Der erste Elektromotor 304 ist mit einem Drehzahlsensor (nicht gezeigt) versehen, so dass ein durch den Drehzahlsensor erfasster Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse in die Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 2 eingegeben wird. Der Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse kann direkt von der Drehzahlumsetzungseinrichtung 4 eingeholt werden.
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Andererseits wird der Werkstückbefehl in eine zweite Positionssteuereinheit 12 auf einer Werkstückseite (einer Zweitachsenseite) eingegeben, so dass die zweite Positionssteuereinheit 12 einen Drehzahlbefehl ausgibt. Der ausgegebene Drehzahlbefehl wird in eine zweite Drehzahlsteuereinheit 22 auf der Werkstückseite eingegeben, um einen Drehmomentbefehl auszugeben.
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Der ausgegebene Drehmomentbefehl wird zusammen mit einem von Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 ausgegebenen Drehmomentkorrekturwert in die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7 eingegeben, so dass die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7 einen korrigierten Drehmomentbefehl ausgibt.
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Der ausgegebene Drehmomentbefehl, der korrigiert worden ist, wird in eine zweite Stromsteuereinheit 32 auf der Werkstückseite eingegeben, um einen Strombefehl auszugeben. Der ausgegebene Strombefehl wird in einen zweiten Verstärker 306 eingegeben, um den zweiten Elektromotor 303 anzutreiben, wodurch das Werkstück 301 auf der C-Achse gedreht wird.
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Der zweite Elektromotor 303 ist mit einem Drehzahlsensor (nicht gezeigt) versehen, so dass ein durch den Drehzahlsensor erfasster Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in die Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 3 eingegeben wird. Der Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse kann direkt von der Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung 5 eingeholt werden.
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Bei der Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn Elektromotoren auf zwei Achsen, die den ersten Elektromotor 304 und den zweiten Elektromotor 303 umfassen, synchron miteinander mit einem vorgegebenen Drehzahlverhältnis ein Werkstück bearbeiten, ein Korrekturbetrag zum Reduzieren von Vibrationen unter Verwendung einer Drehzahldifferenz zwischen den jeweiligen Elektromotoren berechnet und ein Drehmomentbefehl unter Verwendung des erhaltenen Korrekturbetrags korrigiert, wodurch Vibrationen aufgrund von Beeinflussung zwischen den Achsen reduziert werden.
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Im Hinblick auf die obige Drehzahldifferenz, wird die Drehzahldifferenz durch Einholen eines Umsetzungskoeffizienten von der Host-Steuereinrichtung 20 und Umsetzen eines Betrags einer Drehzahlrückführung (erste Achse) in ein Gewicht, das einem Betrag der anderen Drehzahlrückführung (zweite Achse) entspricht, unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten erhalten. Im Besonderen holt die Drehzahlumsetzungseinrichtung 4 einen Umsetzungskoeffizienten ein, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in Übereinstimmung zu bringen und den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen. Im umgekehrten Fall kann die Drehzahlrückführung für die zweite Achse in ein Gewicht umgesetzt werden, das der Drehzahlrückführung für die erste Achse entspricht.
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Da der obige Umsetzungskoeffizient einem Verhältnis zwischen Drehzahlbefehlen für die jeweiligen Achsen entspricht, kann er auch anhand von Drehzahlbefehlen für die jeweiligen Achsen berechnet werden, wie durch den folgenden Ausdruck dargestellt: [Umsetzungskoeffizient] = [Drehzahlbefehl für die zweite Achse]/[Drehzahlbefehl für die erste Achse]
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Mit anderen Worten, es ist bevorzugt, eine Umsetzungskoeffizienteneinholeinrichtung (nicht gezeigt), die von der Host-Steuereinrichtung 20 einen Umsetzungskoeffizienten einholt, und/oder eine Umsetzungskoeffizientenberechnungseinrichtung (nicht gezeigt) vorzusehen, die einen Umsetzungskoeffizienten basierend auf einem Drehzahlbefehl für die erste Achse und einem Drehzahlbefehl für die zweite Achse berechnet.
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Bei dem Beispiel einer Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung, die in 5 gezeigt ist, drehen sich das Werkstück 301 und das Werkzeug 302 synchron miteinander mit einem Verhältnis der Gewindezahl L des Werkzeugs (ein Schleifstein oder Fräser) 302 zu der Zähnezahl T auf einem Zahnrad des Werkstücks 301 (L/T), um eine spanende Bearbeitung durchzuführen. Die Werkstückbefehlsgeschwindigkeit kann durch den folgenden Ausdruck erhalten werden: [Werkstückbefehlsgeschwindigkeit] = [Werkzeug-(Fräser-)befehlsgeschwindigkeit] × L/T
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Die Servosteuereinrichtung 1 holt dieses Verhältnis (= L/T), d. h. einen Umsetzungskoeffizienten, von der Host-Steuereinrichtung 20 ein, multipliziert den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse auf der Werkzeugseite mit dem Verhältnis, um das erhaltene Ergebnis in ein Gewicht umzusetzen, das einer Werkstückdrehzahl entspricht, wodurch eine Drehzahldifferenz als Differenz von dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse auf der Werkstückseite durch den folgenden Ausdruck erhalten wird: [Drehzahldifferenz] = [Werkstückdrehzahlrückführung] – [Werkzeug-(Fräser-)drehzahlrückführung] × L/T
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Im Besonderen berechnet die Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung 5 eine Drehzahldifferenz zwischen dem umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse und dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse.
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Unter Verwendung einer derart berechneten Drehzahldifferenz berechnet die Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 einen Drehmomentkorrekturwert zur Vibrationsdämpfung. Ein Konfigurationsdiagramm der Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 ist in 6 gezeigt. Die Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 umfasst eine Integralberechnungseinrichtung 61, die einen integrierten Wert der Drehzahldifferenzen mit einer ersten Konstante multipliziert, um die Drehsteifigkeit zu korrigieren, eine Proportionalberechnungseinrichtung 62, die die Drehzahldifferenz mit einer zweiten Konstante multipliziert, um die Reibung zu korrigieren, eine Additionseinrichtung 63, die ein Berechnungsergebnis der Integralberechnungseinrichtung 61 und ein Berechnungsergebnis der Proportionalberechnungseinrichtung 62 addiert, und ein Phasenvoreilfilter 64, das eine Phasenanpassung der addierten Berechnungsergebnisse durchführt.
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Ein Drehmomentkorrekturverfahren in der Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 wird genau beschrieben. Wie in 6 gezeigt, berechnet die Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung 5 eine Drehzahldifferenz zwischen dem Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse (Werkzeug), der durch die Drehzahlumsetzungseinrichtung 4 umgesetzt wird, und dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse (Werkstück). Mit der berechneten Drehzahldifferenz werden eine Proportionalberechnung zur Reibungskompensation und eine Integralberechnung zur Federsteifigkeitskompensation ausgeführt. Die Proportionalberechnung und Integralberechnung werden beispielsweise basierend auf den folgenden Rechenformeln ausgeführt: P = K2 × Drehzahldifferenz (Proportionalberechnung) I = K1 × F Drehzahldifferenz (Integralberechnung) wobei K1 und K2 Konstanten und Σ ein Integral repräsentieren.
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Mit Reibung sind die Reibung einer Drehgleiteinrichtung, wie etwa eines Lagers eines Werkzeugs oder eines Werkstücks, und die Reibung eines Kontaktteils zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück gemeint. Mit Federsteifigkeit sind die Drehsteifigkeit von Kopplungsteilen zwischen dem Werkzeug und einem dasselbe antreibenden Elektromotor sowie zwischen dem Werkstück und einem dasselbe antreibenden Elektromotor und die elastische Verformung eines Werkzeugs, wie etwa eines Schleifsteins oder Abwälzfräsers, beispielsweise bei der Zahnradwälzfräsbearbeitung gemeint.
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Die Ergebnisse der Proportionalberechnung und der Integralberechnung werden durch die Additionseinrichtung 63 addiert (= P + I) und das Phasenvoreilfilter führt basierend auf dem Additionsergebnis eine Phasenanpassung durch. Dies dient zum Kompensieren einer Verzögerung bei der Abtastung der Drehzahlrückführung oder dergleichen.
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Das durch die Phasenanpassung erhaltene Ergebnis wird als Drehmomentkorrektur verwendet, die einer dem Elektromotor hinzuzufügenden Störung entspricht, und wird zu einem Drehmomentbefehl addiert oder von diesem subtrahiert, um eine Störung in vorwärtsregelnder Weise zu unterdrücken, wodurch eine Vibrationsreduktion ermöglicht wird.
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Die Drehmomentkorrektur wird unter Verwendung eines von der vorstehend beschriebenen Host-Steuereinrichtung 20 erhaltenen Umsetzungskoeffizienten in eine Drehmomentkorrektur für die zweite Achse umgesetzt, welche Korrektur zu dem Drehmomentbefehl addiert oder von diesem subtrahiert wird. Im umgekehrten Fall kann sie in eine Drehmomentkorrektur für die erste Achse umgesetzt werden.
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Bei einem Beispiel, das beispielsweise die vorstehend beschriebene Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung verwendet, werden ein neuer Drehmomentbefehl für die Werkstückachse und ein neuer Drehmomentbefehl für die Werkzeugachse (Schleifsteinachse) durch den folgenden Ausdruck erhalten: [neuer Drehmomentbefehl für Werkstückachse] = [Drehmomentbefehl für Werkstückachse] + [Drehmomentkorrektur] [neuer Drehmomentbefehl für Werkzeugachse (Schleifsteinachse)] = [Drehmomentbefehl für Werkzeugachse (Schleifsteinachse)] + [Drehmomentkorrektur] × (T/L).
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Die vorstehend beschriebene Drehmomentkorrektur wird nur in einem Zustand, in dem das Werkzeug und das Werkstück miteinander in Kontakt stehen, d. h. in einem Zustand, in dem das Werkstück bearbeitet wird, zu dem Drehmomentbefehl addiert oder von diesem subtrahiert. Es ist demzufolge erforderlich, ein Bearbeitungszustandssignal, das angibt, ob sie miteinander in Kontakt stehen, von der Host-Steuereinrichtung oder einer externen Vorrichtung einzuholen, um zu bestimmen, ob gemäß dem Zustandssignal eine Korrektur auszuführen ist.
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Es ist daher bevorzugt, dass die in 5 gezeigte Servosteuereinrichtung 1 ferner eine Kopplungszustandserfassungseinrichtung 10 umfasst, die ein Bearbeitungszustandssignal empfängt, das angibt, ob das Werkzeug 302 und das Werkstück 301 als zu bearbeitender Gegenstand miteinander in Kontakt stehen. Die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 und die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7 können dafür konfiguriert sein, einen Drehmomentbefehl für die erste Achse oder einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse gemäß dem Bearbeitungszustandssignal zu korrigieren. In 5 wird, wenn das Werkzeug 302 und das Werkstück 301 miteinander gekoppelt sind, ein erster Schalter 41 eingeschaltet, so dass ein von der Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung 8 ausgegebener Drehmomentkorrekturwert in die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 eingegeben wird. Ebenso wird, wenn das Werkzeug 302 und das Werkstück 301 miteinander gekoppelt sind, ein zweiter Schalter 42 eingeschaltet, so dass ein von der Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 ausgegebener Drehmomentkorrekturwert in die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7 eingegeben wird.
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Als nächstes wird ein Betriebsverfahren der Servosteuereinrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 7 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens der Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst holt, in Schritt S101, die Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 2 (siehe 5) einen Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse ein. Als nächstes holt, in Schritt S102, die Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 3 einen Drehzahlrückführungsbetrag für die sich mit der ersten Achse synchronisierende zweite Achse ein.
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Als nächstes holt, in Schritt S103, die Drehzahlumsetzungseinrichtung 4 einen Umsetzungskoeffizienten ein, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag der zweiten Achse in Übereinstimmung zu bringen. Ferner setzt, in Schritt S104, die Drehzahlumsetzungseinrichtung 4 den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten um.
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Als nächstes berechnet, in Schritt S105, die Drehzahldifferenzberechnungseinrichtung 5 eine Drehzahldifferenz zwischen dem umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse und dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse.
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Als nächstes berechnet, in Schritt S106, die Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 6 einen Drehmomentkorrekturwert zur Vibrationsdämpfung anhand der berechneten Drehzahldifferenz.
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Als nächstes empfängt, in Schritt S107, die Kopplungszustandserfassungseinrichtung 10 ein Bearbeitungszustandssignal, das angibt, ob das Werkzeug und das Werkstück miteinander in Kontakt stehen. Als nächstes korrigiert, in Schritt S108, die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7 gemäß dem Bearbeitungszustandssignal einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse durch Addieren der Drehmomentkorrektur zu einem Drehmomentbefehl für die zweite Achse. Als nächstes setzt, in Schritt S109, die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9 gemäß dem Bearbeitungszustandssignal die Drehmomentkorrektur unter Verwendung eines Umsetzungskoeffizienten in eine Drehmomentkorrektur für die erste Achse um und subtrahiert das Umsetzungsergebnis von einem ersten Drehmomentbefehl.
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Es wird nun ein Ergebnis beschrieben, das durch Bestätigen eines Effekts erhalten wird, der dementsprechend durch Korrigieren eines Drehmomentbefehls durch numerische Simulation mit beispielsweise einer Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung erzielt wird. 8 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Synchronisationsfehlers zeigt, wenn einem Werkstück und einem Werkzeug eine Bearbeitungsstörung hinzugefügt wird. Andererseits ist 9 ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung eines Synchronisationsfehlers zeigt, wenn die Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Ein zu steuerndes Objekt ist ein Vierfach-Inertialsystemmodell, das durch Nachbilden eines Zustands erhalten wird, in dem die vier Trägheiten eines Werkzeugachsen-Elektromotors, eines Werkzeugs (Schleifsteins), eines Werkstückzahnrads und eines Werkstückachsen-Elektromotors miteinander durch Federn und viskose Reibung gekoppelt sind. In diesem Fall wurde angenommen, dass die Kopplungssteifigkeit zwischen dem Werkstückzahnrad und dem Werkstückachsen-Elektromotor eine mechanische Resonanzfrequenz von 300 [Hz] und die Kopplungssteifigkeit zwischen dem Werkzeug (Schleifstein) und dem Werkzeugachsen-Elektromotor 1 [kHz] betrug. Beim Bestätigen, durch numerische Simulation, wird ein Synchronisationsfehler (= [Werkstückachsendrehzahl] – [Werkzeugachsendrehzahl] × L/T) verursacht, wenn zum Zeitpunkt der Bearbeitung dem Werkstück und dem Werkzeug eine Bearbeitungsstörung von 11 [Hz] zugefügt wird, eine Vibration von 300 [Hz], wie in 8 gezeigt, und es stellt sich ein instabiler Zustand ein. Es wurde angenommen, dass ein Drehzahlsteuerband für die Werkstückachse in diesem Fall 55 [Hz] betrug. Eine vertikale Achse des in 8 gezeigten Diagramms repräsentiert einen Synchronisationsfehler [rad] und eine horizontale Achse die Zeit [sec].
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Bei Verwendung der Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform trat auch bei einer Erhöhung des Drehzahlsteuerbands auf 150 [Hz] keine Vibration auf, so dass der Zustand stabil blieb, wie in 9 gezeigt.
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Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Vibrationsreduktion durch Einholen einer Drehmomentkorrektur unter Verwendung einer Drehzahldifferenz zwischen zwei Elektromotoren und Addieren oder Subtrahieren derselben zu oder von Drehmomentbefehlen für die jeweiligen Achsen.
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Es ist auch möglich, Vibrationen bei einer höheren Frequenz zu unterdrücken, indem ferner ein Proportionalterm zum Korrigieren der Reibung eines zu steuernden Objekts und ein Integralterm zum Korrigieren der Drehsteifigkeit einbezogen werden und des Weiteren ein Phasenregler (Phasenvoreilfilter) hinzugefügt wird, der eine Abtastverzögerung korrigiert.
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Zweite Ausführungsform
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Als nächstes wird eine Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 10 zeigt eine Konfiguration einer Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 60 der Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die Konfiguration anderer Teile als der Drehmomentkorrekturberechnungseinrichtung 60 im Wesentlichen der der in 5 gezeigten Servosteuereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform entspricht, wird auf eine genaue Beschreibung derselben verzichtet.
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Die Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Servosteuereinrichtung ist, die einen auf einer ersten Achse bereitgestellten ersten Elektromotor und einen auf einer zweiten Achse bereitgestellten zweiten Elektromotor synchron miteinander antreibt, umfasst die Erstachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 2, die dafür konfiguriert ist, einen Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse einzuholen, die Drehzahlumsetzungseinrichtung 4, die dafür konfiguriert ist, einen Umsetzungskoeffizienten einzuholen, um den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse mit dem Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse in Übereinstimmung zu bringen und den Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, eine Zweitachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 65, die dafür konfiguriert ist, den umgesetzten Drehzahlrückführungsbetrag für die erste Achse zu differenzieren, um das erhaltene Ergebnis mit einer vorgegebenen Konstante zu multiplizieren, ein Zweitachsen-Phasenvoreilfilter 66, das dafür konfiguriert ist, eine Phasenanpassung durchzuführen, die Zweitachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 7, die dafür konfiguriert, einen Drehmomentbefehl für die zweite Achse basierend auf einem erhaltenen Drehmomentkorrekturwert für die zweite Achse zu korrigieren (siehe 5), die Zweitachsen-Drehzahlrückführungseinholeinrichtung 3, die dafür konfiguriert ist, den Drehzahlrückführungsbetrag für die sich mit der ersten Achse synchronisierende zweite Achse einzuholen, eine Erstachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 67, die dafür konfiguriert ist, den Drehzahlrückführungsbetrag für die zweite Achse zu differenzieren, um das erhaltene Ergebnis mit einer vorgegebenen Konstante zu multiplizieren, ein Erstachsen-Phasenvoreilfilter 68, das dafür konfiguriert ist, eine Phasenanpassung durchzuführen, die Drehmomentkorrekturwertumsetzungseinrichtung 8, die dafür konfiguriert ist, einen erhaltenen Drehmomentkorrekturwert für die erste Achse unter Verwendung des Umsetzungskoeffizienten umzusetzen, und die Erstachsen-Drehmomentbefehlskorrigiereinrichtung 9, die dafür konfiguriert ist, einen Drehmomentbefehl für die erste Achse unter Verwendung des umgesetzten Drehmomentkorrekturwerts für die erste Achse zu korrigieren (siehe 5).
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Die Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass, ohne Verwendung einer Drehzahldifferenz, wie sie bei der Servosteuereinrichtung der ersten Ausführungsform verwendet wird, die Erstachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 67 und die Zweitachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 65 eine Differentiationsberechnung der Drehzahlrückführung für eine der Achsen durchführen, und das Erstachsen-Phasenvoreilfilter 68 und das Zweitachsen-Phasenvoreilfilter 66 eine Phasenanpassung ausführen, wodurch ein Drehmomentbefehl für die andere Achse korrigiert wird, um Vibrationen zu reduzieren.
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Bei einem Beispiel, das beispielsweise die vorstehend beschriebene Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung verwendet, wird die Drehzahlrückführung für eine Werkzeugachse als erste Achse unter Verwendung eines Umsetzungskoeffizienten in ein Gewicht umgesetzt, das einer Drehzahl für eine Werkstückachse als zweite Achse entspricht, so dass die Zweitachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 65 das Gewicht differenziert (Differenz pro Abtastung), um das Ergebnis mit einer geeigneten Konstante zu multiplizieren, und das Zweitachsen-Phasenvoreilfilter 66 eine Phasenanpassung durchführt, um das erhaltene Ergebnis von einem Drehmomentbefehl für die Werkstückachse zu subtrahieren.
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Des Weiteren wird die Drehzahlrückführung für die Werkstückachse durch die Erstachsen-Differentiationsberechnungseinrichtung 67 differenziert und das Differentiationsergebnis mit einer geeigneten Konstante multipliziert, um so durch das Erstachsen-Phasenvoreilfilter 68 einer Phasenanpassung unterzogen zu werden, so dass das erhaltene Ergebnis unter Verwendung des obigen Umsetzungskoeffizienten in ein der Werkzeugachse entsprechendes Gewicht umgesetzt wird, um das erhaltene Gewicht von einem Drehmomentbefehl für die Werkzeugachse zu subtrahieren. Ein neuer Drehmomentbefehl für die Werkstückachse und ein neuer Drehmomentbefehl für die Werkzeugachse (Schleifsteinachse) werden durch den folgenden Ausdruck erhalten: [neuer Drehmomentbefehl für Werkstückachse] = [Drehmomentbefehl für Werkstückachse] – K3 × [ΔDrehzahlrückführung für Werkzeugachse] × (L/T) [neuer Drehmomentbefehl für Werkzeugachse (Schleifsteinachse)] = [Drehmomentbefehl für Werkzeugachse (Schleifsteinachse)] – K3 × [Δ Drehzahlrückführung für Werkstückachse] × (T/L), wobei K3 eine Konstante und Δ eine Differentiation oder eine Differenz repräsentiert.
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Auch bei diesem Verfahren ist die Drehmomentkorrektur nur in einem Zustand, in dem das Werkzeug und der zu bearbeitende Gegenstand miteinander in Kontakt stehen, d. h. in einem Zustand, in dem das Werkstück bearbeitet wird, zu einem Drehmomentbefehl zu addieren oder von diesem zu subtrahieren. Demgemäß ist es erforderlich, ein Bearbeitungszustandssignal, das angibt, ob sie miteinander in Kontakt stehen, von einer Host-Steuereinrichtung oder einer externen Vorrichtung einzuholen, um zu bestimmen, ob gemäß dem Zustandssignal eine Korrektur auszuführen ist.
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Wie im Falle der ersten Ausführungsform, ist in 11 ein Ergebnis dargestellt, das durch Bestätigen eines Effekts erhalten wird, der durch die Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform durch numerische Simulation mit beispielsweise einer Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung erzielt wird. Bei der Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform traten auch dann keine Vibrationen auf als das Drehzahlsteuerband auf 150 [Hz] erhöht wurde und der Zustand blieb stabil.
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Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Servosteuereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform eine Vibrationsreduktion durch Einholen einer Beschleunigung durch Differentiation der Drehzahlrückführung und Multiplizieren der eingeholten Beschleunigung mit einer Konstante, um einen Drehmomentbefehl zu korrigieren.
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Obgleich die vorstehenden Beispiele in Bezug auf eine Servosteuereinrichtung beschrieben wurden, die beispielsweise eine Zahnradwälzfräsbearbeitungseinrichtung steuert, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und auch auf andere Werkzeugmaschinen anwendbar, wie etwa ein vertikales Bearbeitungszentrum oder eine Drehbank, sofern es sich dabei um eine Servosteuereinrichtung handelt, die eine Mehrzahl miteinander synchronisierter Achsen steuert.
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Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Servosteuereinrichtung der vorliegenden Erfindung eine Reduktion von durch Beeinflussung zwischen Achsen verursachte Vibrationen zum Zeitpunkt der Bearbeitung während sich eine Mehrzahl durch Elektromotoren angetriebener Achsen miteinander synchronisiert.
