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Querverweis auf verwandte Patentanmeldungen
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Diese Anmeldung ist eine neue US Patentanmeldung, die den Zeitrang der japanischen Patentanmeldung
JP 2014-079565 vom 8. April 2014 für sich in Anspruch nimmt. Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung
JP 2014-079565 wird durch Bezugnahme in diese aufgenommen.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Servo-Steuergerät zur Steuerung einer Maschine wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine, die elektrische Motoren verwendet, insbesondere bezieht sie sich auf ein Servo-Steuergerät, das Synchronisierungsfehler (Sync-Fehler) bei der maschinellen Bearbeitung verringert, während zwei durch elektrische Motoren angetriebene Antriebswellen synchronisiert werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Werkzeugmaschinen gibt es Fälle, in denen ein Werkstück unter Verwendung mehrerer synchron angetriebener Antriebswellen bearbeitet wird. Für solche Fälle, wie einem Bearbeitungsprozess mit Synchronisieren von zwei Antriebswellen, nämlich einer ersten und einer zweiten Antriebswelle, in einem festen Synchronisierungsverhältnis (Sync-Verhältnis) gibt es folgende Beispiele.
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Ein erstes Beispiel ist ein bekanntes Verfahren zum Gewindeschneiden. 1 ist eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zum Ausführen eines Verfahrens zum Gewindeschneiden. Eine Vorrichtung zum Gewindeschneiden 1000 führt ein Bearbeitungsverfahren durch Synchronisieren eines Master-Motors 1002 zum Drehen eines zu bearbeitenden stabförmigen Werkstücks 1001 mit einem Slave-Motor 1004 zum Bewegen eines Schneidwerkzeugs 1003 als ein Werkzeug aus. Durch synchrones Bewegen des Schneidwerkzeugs 1003 mit der Drehung des stabförmigen Werkstücks 1001 mit einem vorgegebenen Verhältnis wird ein Außengewinde auf dem stabförmigen Werkstück 1001 geschnitten. Alternativ kann das stabförmige Werkstück 1001 bewegt werden, während das Schneidwerkzeug 1003 festgehalten ist.
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Als ein zweites Beispiel ist ein Verfahren zum Gewindeschneiden (tapping), (mit steifem Gewindebohrer, rigid tap) bekannt. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine zum Gewindeschneiden. Eine Maschine zum Gewindeschneiden 1010 bearbeitet ein Werkstück 1011 zur Bearbeitung bei gleichzeitigem Synchronisieren eines Slave-Motors 1014 zum Drehen eines Gewindebohrers 1013 als dem Werkzeug mit einem Master-Motor 1012 zum Bewegen des Gewindebohrers 1013 als dem Werkzeug. Durch synchrones Bewegen des Gewindebohrers 1013 mit der Drehung des Gewindebohrers 1013 in einem vorgegebenen Verhältnis wird ein Innengewinde innerhalb einer Bohrung des Werkstücks 1011 geschnitten. Alternativ kann das Werkstück 1011 bewegt werden, während der Gewindebohrer 1013 festgehalten ist.
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Als ein drittes Beispiel ist ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern bekannt. 3 ist eine schematische Ansicht einer Maschine zur Herstellung eines Zahnrads. In einer Maschine zur Herstellung eines Zahnarzt 1020 wird ein Zahnradrohling zur Bearbeitung auf eine Werkstückwelle aufgespannt, nämlich die C-Welle, die durch einen Slave Motor 1024 in Drehung versetzt wird. Auf der anderen Seite ist ein Zahnradschneider bzw. Wälzfräser 1023 als das Werkzeug auf einer Werkzeugwelle, nämlich der B-Welle angebracht, die durch einen Master-Motor 1022 gedreht wird. Die Bearbeitung wird bei gleichzeitigem Synchronisieren der Drehung der Werkzeugwelle (Master-Welle) mit der der Werkstückwelle (Slave-Welle) mit einem vorgegebenen Verhältnis (Anzahl der Zähne des Zahnradschneiders (cutter)/Anzahl der Zähne des Zahnrads, auf das nachfolgend als ”Sync-Verhältnis” Bezug genommen werden wird, vorgenommen.
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Ganz allgemein werden zur Steuerung einer der oben angegebenen Vorrichtungen bzw. Maschinen die folgenden zwei Verfahren angewendet.
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1) Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung bzw. ein Feedback
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Das Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung ist ein Verfahren, bei dem die Rückmeldung bzw. das Feedback von der Master-Welle mit dem Synchronisierungsverhältnis multipliziert wird, um so als ein Steuerbefehl für die Slave-Welle verwendet zu werden (zum Beispiel,
japanisches Patent Nr. 1260207 (
JP 1260207 B )).
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4 ist eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsvorrichtung, die das Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung einsetzt. Ein das Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung einsetzendes Servo-Steuergerät 1040 umfasst eine erste Servo-Steuereinheit 1043 zum Steuern eines Master-Motors 1033, der das Werkzeug 1031 auf einer Master-Welle dreht, und eine zweite Servo-Steuereinheit 1041 zur Steuerung eines Slave-Motors 1034, der ein Werkstück 1032 dreht, und multipliziert die Rückmeldung der Master-Welle mit einem Synchronisierungsverhältnis (Zähneverhältnis, gear ratio) mithilfe eines Multiplizierers 1032, um so einen Steuerbefehl für die Slave-Welle zu erzeugen.
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2) Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung
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Das Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung ist ein Verfahren, bei dem ein Steuerbefehl für die Master-Welle mit einem Synchronisierungsverhältnis multipliziert wird, um einen Steuerbefehl für eine Slave-Welle zu erzeugen (zum Beispiel offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2003-200332 (
JP 2003-200332A ).
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5 ist eine schematische Ansicht, die eine Bearbeitungsvorrichtung zeigt, die das Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung einsetzt. Ein Servo-Steuergerät 1050, der das Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung einsetzt, weist eine erste Servo-Steuereinheit 1053 zur Steuerung eines Master-Motors 1033, der ein Werkzeug 1031 um eine Master-Welle dreht, und eine zweite Servo-Steuereinheit 1051 zur Steuerung eines Slave-Motors 1034, der ein Werkstück 1032 dreht, auf und multipliziert den Steuerbefehl für die Master-Welle mit einem Synchronisierungsverhältnis (Zahnradverhältnis) mit Hilfe eines Multiplizierers 1052, um so einen Steuerbefehl für die Slave-Welle zu erzeugen.
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Das Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung nach 1) hat den Vorteil, dass die Verwendung der Rückmeldung der Master-Welle als einen Befehl für die Slave-Welle es ermöglicht, Synchronisierungsfehler Fehler selbst dann zu unterdrücken, wenn die Drehzahl der Master-Welle verändert wird. Wenn jedoch eine Vibration abhängig von der Steifheit des Werkzeugs, des Werkstücks und/oder des mechanischen Bauteils zu deren Antrieb auftritt, kann die Vibration durch die Schleife bzw. den Steuerkreis als Folge hiervon verstärkt werden, und so das System unstabil machen, und daher hat dieses Verfahren den folgenden Nachteil: – Vibration –> Master (Werkzeug) –> Feedback der Master-Welle –> Befehl für die Slave-Welle –> Steuerung der Slave-Welle –> Slave (Werkstück) –> Master (Werkzeug).
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Auf der anderen Seite, da bei dem Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung nach 2) der Befehl an die Master-Welle zur Steuerung der Slave-Welle verwendet wird, wird die oben erwähnte Schleife bzw. der Steuerkreis nicht ausgebildet und daher hat das Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung nach 2) den Vorteil, dass keine Verstärkung der Vibration auftreten wird und dass es hinsichtlich der Stabilität hervorragend ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein Synchronisierungsfehler mit Bezug auf Drehzahländerungen der Master-Welle auftreten.
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Normalerweise wurden die beiden oben erwähnten Verfahren wahlweise eingesetzt, je nach den Bearbeitungsbedingungen und dem gegebenen mechanischen Zustand. Zum Beispiel kann bei einer Maschine, die einen Drehzahlminderer für die Master-Welle verwendet, die Servo-Steifheit der Master-Welle nicht hoch gemacht werden. Wenn starke Störungen bei der Bearbeitung aufgetreten, tritt folglich eine Drehzahländerung der Master-Welle auf. In einem solchen Fall wird das oben beschriebene Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung nach 1) eingesetzt.
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Auf der anderen Seite, wenn die Vibrationen in Abhängigkeit von der während der Bearbeitung aufgebrachten Kräfte, der Steifigkeit des Werkzeugs, der des Werkstücks und der der mechanischen Bauteile zu deren Antrieb auftreten, wird das oben erläuterte Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung nach 2) angewendet, um eine Verstärkung der Vibrationen bzw. Schwingungen aufgrund des oben erwähnten Steuerkreises bzw. der Schleife (loop) zu vermeiden.
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In diesem Fall hat sich im Stand der Technik das Problem ergeben, dass der Synchronisationsfehler in einer Maschine nicht ausreichend gesenkt werden kann, in der die Master-Welle eine geringere Servo-Steifigkeit hat, weshalb Drehzahländerungen aufgrund von Störungen während der Bearbeitung auftreten können und daher aufgrund von mechanischer Festigkeit bzw. Steifigkeit erfolgen.
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In diesem Fall wird bei dem bekannten Verfahren auf der Basis des oben erläuterten Verfahrens zur Befehlserzeugung nach 2) der Synchronisierungsfehler zwischen der Master-Welle und der Slave-Welle zur Korrektur einer der beiden Wellen verwendet.
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Es ist zum Beispiel ein Verfahren zur Korrektur der Stellungsabweichung der Slave-Welle auf der Basis des Synchronisierungsfehlers zwischen der Master-Welle und der Slave-Welle, die mit der Master-Welle zu synchronisieren ist, und einer selbstlernenden Steuerung (z. B. j
japanisches Patent Nr. 4361071 (
JP 4361071 B )) angewendet worden. Aufgrund dieser bekannten Vorgehensweise wird die Stellungsabweichung der Slave-Welle unter Verwendung des Synchronisierungsfehlers und der selbstlernenden Steuerung korrigiert, um so den periodisch auftretenden Synchronisierungsfehler auf der Basis des oben erwähnten Verfahrens zur Steuerbefehlserzeugung nach 2) zu verkleinern. Dieses Verfahren kann den Synchronisierungsfehler, der von einer periodischen Abweichung herrührt, durch eine selbstlernende Steuerung verringern, was aber die Schwierigkeit hat, dass aperiodisch auftretende Synchronisierungsfehler nicht unterdrückt werden können. Dieses Verfahren offenbart Filterungsmittel für die Bandbegrenzung. Dies ist gültig ist für eine Stellungskorrektur für aperiodisch auftretende Fehler unterhalb des vorgegebenen Bandes, kann aber keine Stellungskorrektur bei aperiodisch auftretenden Synchronisationsfehlern vornehmen, selbst wenn der Fehler unterhalb des vorgegebenen Bandes liegt, und, noch schlimmer, kann den Fehler verstärken.
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Im Allgemeinen beruhen die auftretenden Vibrationen auf der Festigkeit bzw. Steifigkeit des Werkzeugs und daher haben das Werkstück und die mechanischen Bauteilen für deren Antrieb hohe Frequenzen. Zum Beispiel, liegt die hohe Frequenz hier bei 100 Hz oder höher, und somit in einem Bereich, der durch die Servo-Steuerung schwer zu beherrschen ist. Auf der anderen Seite liegen die Vibrationen aufgrund von Laststörungen während der Bearbeitung und die Frequenzkomponenten, die mit der Drehung des Werkzeugs und des Werkstücks synchronisiert sind, bei niedrigen Frequenzen. Die niedrige Frequenzen liegen unter beispielsweise 30 Hz und damit in einem Bereich, der durch die Servosteuerung beherrschbar ist.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Servo-Steuergeräts zur Ausführung einer Steuerung durch Synchronisieren von zwei Wellen, das den zwischen den beiden Wellen auftretenden Synchronisierungsfehler zu verkleinern vermag.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Servo-Steuergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks bei synchronem Antreiben einer ersten und einer zweiten Welle mit einem vorgegebenen Synchronisierungsverhältnis mithilfe von Elektromotoren eingesetzt, wobei der Servo-Steuergerät enthält:
eine erste Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung für das Erfassen der Stellungsrückmeldung von der ersten Welle; eine zweite Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung für das Erfassen der Stellungsrückmeldung von der zweiten Welle; einen Konverter für das Konvertieren der Rückmeldung der erfassten Stellung der ersten Welle unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses in einen Wert, der der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle entspricht; einen Synchronisierungsfehlerrechner zum Berechnen eines Synchronisierungsfehlers, der eine Differenz zwischen der konvertierten Stellungsrückmeldung der ersten Welle und der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle ist; einen Stellungsabweichungsrechner zum Berechnen einer Stellungsabweichung der zweiten Welle, die die Differenz zwischen einem Stellungssteuerbefehl für die zweite Welle und der Stellungsrückmeldung von der zweiten Welle ist; eine Verarbeitungseinheit für eine Filterung zum Entnehmen von Komponenten in einem vorgegebenen Frequenzbereich aus der Differenz zwischen dem Synchronisierungsfehler und der Stellungsabweichung der zweiten Welle, und eine Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung zum Korrigieren der Stellungsabweichung der zweiten Welle unter Verwendung des Ausgangssignals der Verarbeitungseinheit für eine Filterung.
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Ein Servo-Steuergerät in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks bei synchronem Antreiben einer ersten und einer zweiten Welle mit einem vorgegebenen Synchronisierungsverhältnis mit Hilfe von Elektromotoren eingesetzt, wobei das Servo-Steuergerät enthält: eine Erfassungseinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl zum Erfassen eines Drehzahlsteuerbefehls für die erste Welle; einen Drehzahlsteuerbefehlskonverter zum Konvertieren des erfassten Drehzahlsteuerbefehls für die erste Welle in einen Wert, der dem Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle entspricht, unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses; eine erste Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung für das Erfassen der Drehzahlrückmeldung von der ersten Welle; ein erster Konverter für eine Drehzahlrückmeldung zum Konvertieren der erfassten Drehzahlrückmeldung von der ersten Welle in einen Wert, der der Drehzahlrückmeldung der zweiten Welle entspricht, unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses; einen Drehzahldifferenzrechner zum Berechnen einer Drehzahldifferenz zwischen dem konvertierten Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle und der konvertierten Drehzahlrückmeldung von der ersten Welle; eine Verarbeitungseinheit für eine Filterung zum Entnehmen von Drehzahldifferenzkomponenten in einem vorgegebenen Frequenzbereich aus der Drehzahldifferenz, und eine Korrektureinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl zum Korrigieren des Drehzahlsteuerbefehls für die zweite Welle unter Verwendung des Ausgangssignals der Verarbeitungseinheit für eine Filterung und dem konvertierten Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich durch Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verstehen, in denen
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1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsvorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Schneiden eines Außengewindes ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Schneiden eines Innengewinde ist;
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3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades ist;
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4 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsvorrichtung, die ein Verfahren zur Nachverfolgung einer Rückmeldung bzw. eines Feedbacks einsetzt, ist;
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5 eine Schaltungsanordnung einer Bearbeitungsvorrichtung, die ein Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung einsetzt; zeigt
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6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einem Servo-Steuergerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Fließschaltbild zur Darstellung der Arbeitsschritte eines -Servo-Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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8A ein Diagramm, das den Synchronisierungsfehler darstellt, wenn ein Verfahren zur Steuersignalerzeugung (FSC) verwendet wird, ist;
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8B ein Diagramm, das den Synchronisierungsfehler darstellt, wenn ein Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung (EGB) verwendet wird, ist;
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8C ein Diagramm, das den Synchronisierungsfehler darstellt, wenn ein Servo-Steuergerät gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist;
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9 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einem Servo-Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
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10 ein Fließschaltbild zur Darstellung der Betriebsschritte eines Servo-Steuergeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Servo-Steuergeräte bzw. -Controller gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der technische Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist sondern den Schutzbereich umfasst, die durch die Patentansprüche und die Äquivalente festgelegt ist.
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[Erste Ausführungsform]
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Ein Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst beschrieben. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einem Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Servo-Steuergerät 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für eine Werkzeugmaschine verwendet, in der ein Werkstück durch Antreiben einer ersten und einer zweiten Welle mit einem vorgegebenen Synchronisierungsverhältnis unter Verwendung von elektrischen Motoren bearbeitet wird. Das Servo Steuergerät 101 enthält: eine erste Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung 1 für das Erfassen der Stellungsrückmeldung von der ersten Welle; eine zweite Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung 2 für das Erfassen der Stellungsrückmeldung von der zweiten Welle; einen Konverter 3, der, auf der Basis des Synchronisierungsverhältnisses, die erfasste Stellung der ersten Welle in einen Wert konvertiert, der der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle entspricht; einen Synchronisierungsfehlerrechner 4 der einen Synchronisierungsfehler berechnet, der die Differenz zwischen der konvertierten Stellungsrückmeldung der ersten Welle und der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle ist; einen Stellungsabweichungsrechner 5, der eine Stellungsabweichung der zweiten Welle berechnet, die die Differenz zwischen dem Stellung Steuerbefehl für die zweite Welle und der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle ist; eine Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6, die die Differenz zwischen dem Synchronisierungsfehler und der Stellungsabweichung der zweiten Welle empfängt und Komponenten in einem vorgegebenen Frequenzbereich entnimmt, und eine Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung 7, die die Stellungsabweichung der zweiten Welle unter Verwendung des Ausgangssignals der Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 korrigiert.
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Das Servo-Steuergerät 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch folgende Arbeitsschritte gekennzeichnet: in einem Herstellungsprozess für ein Zahnrad das Berechnen des Synchronisierungsfehlers durch Integrieren von Differenzen der Stellungsrückmeldungen der zweiten Welle, die die Antriebswelle für das Werkstück ist, von dem Stellungssteuerbefehl, der als ein Produkt aus der Stellungsrückmeldung der ersten Welle, die die Antriebswelle für das Werkzeugs ist, und einem Synchronisierungsverhältnis (Zahnradverhältnis) gewonnen wird; Leiten des Ergebnisses, das durch Subtrahieren der Abweichung der Antriebswelle für das Werkstück von dem Synchronisierungsfehler gewonnen wird, durch ein Tiefpassfilter zum Entfernen von Hochfrequenzkomponenten, und Korrigieren der Abweichung der Antriebswelle für das Werkstück unter Verwendung des gewonnenen Ergebnisses. Eine geeignete Wahl des Bandes des Tiefpassfilters macht es möglich, Vibrationen zu unterdrücken und die Stabilität zu verbessern und lässt auch die Wirkung einer Verringerung des Synchronisierungsfehlers aufgrund von Drehzahlschwankungen der Antriebswelle für das Werkzeug erwarten.
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Als nächstes wird eine Konfiguration des Servo-Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Servo-Steuergerät 101 nimmt einen Stellungssteuerbefehl oder einen Drehzahlsteuerbefehl von einem übergeordneten Steuergerät 200 auf und treibt auf der Basis des aufgenommenen Stellungssteuerbefehls oder Drehzahlsteuerbefehls für einen Master-Motor 33 für das Drehen des Werkzeugs 31 um eine Master-Welle und zum synchronen Antreiben eines Slave-Motors 34 für das Drehen eines Werkstücks 32 um die Slave-Welle mit einem festen Synchronisierungsverhältnis mit dem Master Motor 33 an.
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Der von dem übergeordneten Steuergerät 200 aufgenommene Stellungssteuerbefehl für das Antreiben des Master-Motors 33 wird einem ersten Subtrahierer 10 eingegeben, mit dem die Stellungsrückmeldung der Master-Welle, die die erste Welle ist, subtrahiert wird, um so die Stellungsabweichung der ersten Welle zu berechnen. Die berechnete Stellungsabweichung der ersten Welle passiert dann einen ersten Integrationsprozessor 13 und einen ersten Regler für den Verstärkungsgrad 15 und wird an den Master-Motor 33 über einen Drehzahlregler, einen Stromregler und einen Verstärker, die alle nicht dargestellt sind, geleitet.
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Ein nicht dargestellter Stellungssensor ist nahe dem Master-Motor 33 so angeordnet, dass die erkannten Stellungsdaten rückgemeldet und in die erste Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung 1 eingeleitet werden. Durch Differenzieren der durch die erste Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung 1 erfassten Stellungsdaten nach der Zeit ist es möglich, die Drehzahl des Werkzeugs zu bestimmen.
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Das Servo-Steuergerät 101 enthält eine Erfassungseinheit für das Synchronisierungsverhältnis, die ein Synchronisierungsverhältnis von dem übergeordneten Steuergerät 200 aufnimmt. Auf der Basis des aufgenommenen Synchronisierungsverhältnisses, von dem Stellungssteuerbefehl oder dem Drehzahlsteuerbefehl (dem Steuerbefehl für die erste Welle) zum Antreiben des Master-Motors 33 zum Drehen des Werkzeugs 31, wird der Stellungsbefehl oder der Drehzahlbefehl – der Befehl für die zweite Welle – zum Antreiben des Slave-Motors 34 für das Drehen des Werkzeugs 32 berechnet. Diese Ausführungsform soll jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt sein. Das Servo-Steuergerät 101 kann mit einem Rechner für das Synchronisierungsverhältnis ausgestattet sein, der einen Steuerbefehl an die erste Welle und einen Steuerbefehl an die zweite Welle von dem übergeordneten Steuergerät 200 aufnimmt und ein Synchronisierungsverhältnis von den aufgenommenen Steuerbefehlen an die erste und die zweite Welle berechnet.
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Der Stellungssteuerbefehl, der unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses, das durch eine Erfassungseinheit für ein Synchronisierungsverhältnis 9 zum Antreiben des Slave-Motors 34 aufgenommen wurde,, wird an einen Stellungsabweichungsrechner 5 abgegeben, in dem die Stellungsrückmeldung der Slave-Welle, die die zweite Welle ist, subtrahiert wird, um so die Stellungsabweichung der zweiten Welle zu berechnen. Die berechnete Stellungsabweichung der zweiten Welle wird dann durch einen zweiten Integrationsprozess 11 einer Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung 7 und einem zweiten Regler für den Verstärkungsgrad 14 und dem Slave-Motors 34 über einen Drehzahlregler, einen Stromregler und einen Verstärker, die alle nicht dargestellt sind, geleitet.
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Ein nicht dargestellter Stellungssensor ist nahe dem Slave-Motors 34 angeordnet, so dass die erkannten Stellungsdaten als die Stellungsrückmeldung der zweiten Welle in die zweite Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung 2 eingeleitet werden.
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Der Konverter 3 konvertiert die Stellungsrückmeldung der Master-Welle (erste Welle) als der Mittelwelle des Master-Motors 33, die von der ersten Erfassungseinheit für Stellungsrückmeldungen 1 erfasst wird, in einen Wert, der der Stellungsrückmeldung der Slave-Welle (zweite Welle) als der Mittelwelle des Slave-Motors 34 entspricht, mithilfe des Synchronisierungsverhältnisses, das von der Erfassungseinheit für das Synchronisierungsverhältnis 9 empfangen wird.
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Der Synchronisierungsfehlerrechner 4 berechnet die Differenz zwischen dem durch den Konverter 3 konvertierten Ergebnis der Stellungsrückmeldung der Master-Welle (erste Welle) und der Stellungsrückmeldung der Slave-Welle (zweite Welle), die durch die zweite Erfassungseinheit für Stellungsrückmeldungen 2 erfasst wurde, und gibt diese Differenz als den errechneten Synchronisierungsfehler aus. Der berechnete Synchronisierungsfehler wird noch durch einen dritten Integrationsprozessor 12 integriert.
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Der durch den dritten Integrationsprozessor 12 integrierte Synchronisierungsfehler wird einem zweiten Subtrahierer 8 aufgegeben, mit dem die Differenz des Synchronisierungsfehlers von der Stellungsabweichung der zweiten Welle, integriert durch einen zweiten Integrationsprozessor 11, berechnet wird. Das berechnete Ergebnis wird in Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 eingegeben.
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Die Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 empfängt die Differenz zwischen dem Synchronisierungsfehler und der Stellungsabweichung der zweiten Welle und entnimmt Komponenten in dem vorgegebenen Frequenzbereich und gibt die entnommenen Komponenten als Korrekturdaten ab. Die Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 enthält einen Tiefpassfilter, dessen Transferfunktion gegeben ist durch 1/(1 + sτ). Hier ist s = jω eine Variable in der Laplace-Transformation und τ ist die Zeitkonstante des Filters. Wenn die Zeitkonstante τ auf den Wert null gesetzt ist, entspricht das Gerät der oben erwähnten Steuerung dem Nachverfolgungsverfahren nach 1). Mit der auf unendlich gesetzten Zeitkonstante τ stimmt das Gerät mit dem oben erwähnten Steuerverfahren nach 2) überein.
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Die Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung 7 korrigiert die Stellungsabweichung der zweiten Welle unter Verwendung der Korrekturdaten, wie sie von der Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 abgegeben werden.
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Hier können, anstelle einer regulären Eingabe, die Korrekturdaten, die von dem Filterungsprozessor 6 abgegeben werden, an die Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung 7 nur eingegeben werden, wenn das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 miteinander synchron laufen. Genauer gesagt, ist es möglich, eine Konfiguration bereitzustellen, in der ein Sensor für den Bearbeitungszustand 40, der ein Bearbeitungszustandssignal ausgibt, das anzeigt, ob das Werkzeug 31 und das Werkstück 32 miteinander synchron arbeiten, in deren Nähe angeordnet ist, während ein Schalter SW1 so vorgesehen ist, dass die Korrektureinheit für eine Stellungsabweichung 7 die Stellungsabweichung der zweiten Welle in Übereinstimmung mit dem Signal über den Bearbeitungszustand korrigieren kann. Zum Beispiel kann ein AE-Sensor (Sensor für eine akustische Emission) verwendet werden, um den Kontakt zwischen dem Werkzeug 31 und dem Werkstück 32 zu erkennen, in Abhängigkeit hiervon feststellen, dass der Bearbeitungszustand gestartet worden ist und das Signal über den Bearbeitungszustand freischalten. Anstelle der Verwendung des Sensors für den Bearbeitungszustand 40 ist es alternativ möglich, den Übergang in einen Bearbeitungszustand zu bestimmen und auf diese Weise das Signal über den Bearbeitungszustand auf der Basis der Änderung des Drehmomentsteuerungssignals (oder des Strom-Feedbacks) an den Motor 33 zum Antrieb der Werkzeugwelle oder an den Motor 34 zum Antrieb des Werkzeugs frei zu schalten, da die Last zunimmt, wenn das Werkzeug das Werkstück berührt und der Drehmomentsteuerbefehl oder das Strom-Feedbacksignal ansteigt.
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Als nächstes werden die Arbeitsschritte des Servo-Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des Fließschaltbilds in 7 näher beschrieben. Zunächst erfasst im Schritt S101 die erste Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung 1 die Stellungsrückmeldung der ersten Welle. Als nächstes erfasst im Schritt S102 die zweite Erfassungseinheit für eine Stellungsrückmeldung 2 die Stellungsrückmeldung der zweiten Welle.
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Daraufhin erfasst die Erfassungseinheit für das Synchronisierungsverhältnis 9 das Synchronisierungsverhältnis von dem übergeordneten Steuergerät 200, das ein CNC-Steuergerät (Computer Numerical Controller) ist, oder berechnet der Synchronisierungsfehler-Rechner einen Synchronisierungsfehler aus einem Steuerbefehl.
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Nun konvertiert im Arbeitsschritt S104 der Konverter 3 die Stellungsrückmeldung der ersten Welle in einen Wert, der der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle entspricht. Daraufhin berechnet im Schritt S105 der Rechner für den Synchronisierungsfehler 4 den Synchronisierungsfehler aus der Differenz zwischen der konvertierten Stellungsrückmeldung der ersten Welle und der Stellungsrückmeldung der zweiten Welle.
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Im nächsten Schritt S106 führt die Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 ein Filterverfahren auf die Differenz zwischen dem berechneten Synchronisierungsfehler und der Abweichung der zweiten Welle aus. Daraufhin bestimmte im Schritt S107 die Korrektureinheit für einen Stellungsfehler 7, ob sich das Werkzeug 31 und das Werkstück 32 in einem Bearbeitungszustand befindet, auf der Basis eines Signals des Maschinenzustands, dass angibt, ob das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 miteinander synchron laufen.
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Wenn sich das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 in einem Bearbeitungszustand befinden, bestimmt die Korrektureinheit für einen Stellungsfehler 7, dass der Master-Motor 33 zum Drehen des Werkzeugs 31 und der Slave Motor 34 zum Drehen des Werkstücks 32 miteinander synchron arbeiten. Im Schritt S108 korrigiert die Korrektureinheit für einen Stellungsfehler den Stellungsfehler der zweiten Welle unter Verwendung des Ausgangssignals des Filters.
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Auf der anderen Seite, wenn das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 sich nicht in einem Bearbeitungszustand befinden, wird erkannt, dass der Master Motor 33 und der Slave Motor 34 nicht miteinander synchron, sondern asynchron arbeiten, so dass eine Serie von Arbeitsschritten endet.
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Als nächstes wird der Effekt bzw. die Wirkung, die durch das Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielt wird, näher beschrieben. Die 8A bis 8C geben die Ergebnisse einer numerischen Simulation wieder, in der für ein Verfahren zur Erzeugung eines Zahnrades, wenn die Werkzeugwelle und die Werkstückwelle mit einem vorgegebenen Zahnradverhältnis synchron angetrieben werden, aufgrund einer Bearbeitungsstörung mit 1 Hz eine Drehzahländerung der Werkzeugwelle auftritt, während die Welle für das Werkstück eine Eigenfrequenz von 300 Hz hat. In jedem der Diagramme in den 8A bis 8C, ist auf der senkrechten Achse die Größe des Synchronisierungsfehlers und ist auf der waagerechten Achse die Zeit aufgetragen.
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8 gibt den Synchronisierungsfehler für den Fall des Verfahrens zur Steuerbefehlserzeugung (Flexibel Synchronous Control: FSC), wie es oben unter 2) beschrieben ist wieder. Bei dem Verfahren zur Steuerbefehlserzeugung (FSC) ergibt sich, dass die Drehzahländerung der Werkzeugwelle von 1 Hz synchron zum Synchronisierungsfehler ansteigt.
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8B gibt den Synchronisierungsfehler für den Fall des Nachverfolgungsverfahrens für eine Rückmeldung (Elektric Gear Box: EGB) wieder, wie es oben unter 1) beschrieben wurde. Bei dem Nachverfolgungsverfahren für eine Rückmeldung (EGB) versteht es sich, dass eine Vibration von 300 Hz auftritt, was zu einer Instabilität der Bearbeitung führt.
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8C gibt den Synchronisierungsfehler für den Fall wieder, in dem das Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Es versteht sich, dass die Verwendung des Servo-Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowohl die Vibrationen von 300 Hz als auch den Synchronisierungsfehler von 1 Hz unterdrücken kann.
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Wie zuvor beschrieben, wird der Synchronisierungsfehler zwischen dem Elektromotoren zur Bestimmung der Korrektur verwendet und dieser wird zu der Stellungsabweichung von einer der beiden Wellen hinzu addiert, wodurch es möglich ist, den Synchronisierungsfehler zu unterdrücken.
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[Zweite Ausführungsform]
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Als nächstes wird ein Servo-Steuergerät der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines Servo-Steuergeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Servo Steuergerät 101 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für eine Werkzeugmaschine eingesetzt, in der ein Werkstück durch Antreiben einer ersten und einer zweiten Welle mit einem vorgegebenen Synchronisierungsverhältnis unter Verwendung von Elektromotoren bearbeitet wird. Das Servo-Steuergerät 102 enthält: eine Erfassungseinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl 21 zum Erfassen eines Drehzahlsteuerbefehls für die erste Welle, einen Konverter für einen Drehzahlsteuerbefehl 22, der den Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle in einen Wert konvertiert, der dem Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle entspricht; eine erste Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung zum Erfassen der Drehzahlrückmeldung der ersten Welle, und einen ersten Konverter für eine Drehzahlrückmeldung 24, der die erfasste Drehzahlrückmeldung der ersten Welle in einen Wert unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses konvertiert, der der Drehzahlrückmeldung der zweiten Welle entspricht; einen Rechner für die Drehzahldifferenz 25, der die Drehzahldifferenz zwischen dem konvertierten Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle und der konvertierten Drehzahlrückmeldung der ersten Welle berechnet; eine Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6, die in einem vorgegebenen Frequenzbereich Drehzahldifferenzkomponenten aus der Drehzahldifferenz entnimmt, und eine Korrektureinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl 26, die den Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle auf der Basis des Ausgangssignals der Bearbeitungseinheit für eine Filterung und dem konvertierten Drehzahlbefehl für die erste Welle korrigiert.
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Da das Servo-Steuergerät gemäß der zweiten Ausführungsform die folgende Vorsteuerung (feed-forward control) zusätzlich zum Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform ausführt, ist es möglich, die Wirkung der Unterdrückung eines Synchronisierungsfehlers weiter zu verbessern.
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Die Differenz zwischen dem Drehzahlsteuerbefehl, der als ein Produkt des Drehzahlsteuerbefehls für die Werkzeugwelle und dem Zahnradverhältnis gewonnen wurde, und der Drehzahl, die als ein Produkt der Drehzahlrückmeldung der Werkzeugwelle und dem Zahnradverhältnis gewonnen wurde, wird berechnet. Die Differenz wird einer Tiefpassfilterung unterworfen und das Ergebnis und der zuvor erwähnte Drehzahlsteuerbefehl werden mit einem Addierer 20 addiert. Das erzielte Ergebnis wird mit einem Vorsteuer-Koeffizienten zum Korrigieren des Drehzahlsteuerbefehls für die Werkstückwelle multipliziert. Durch geeignete Wahl des Filterbandes des Tiefpassfilters wird es möglich, die Anzahl der Synchronisierungsfehler aufgrund von Drehzahlschwankungen der Werkzeugwelle zu verringern.
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In 9 erfasst eine zweite Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung 27 die Rückmeldung der Drehzahl (Werkstückdrehzahl) der zweiten Welle. Ein Subtrahierer 28 berechnet die Differenz zwischen dem Steuerbefehl für die zweite Welle entsprechenden Wert, der durch den Drehzahlsteuerbefehlskonverter 22 konvertiert wurde, und der Drehzahlrückmeldung der zweiten Welle, und somit der Drehzahlabweichung der zweiten Welle. Ein FF (29) gibt einen Vorsteuer-Koeffizienten wieder. Wenn die Zeitkonstante des Tiefpassfilters null ist, verwendet die Vorsteuerung den Drehzahlbefehl für die Werkzeugwelle, während, wenn die Zeitkonstante unendlich ist, die Vorsteuerung die Drehzahlrückmeldung der Werkzeugwelle verwendet.
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Hier sollten anstelle einer regulären Eingabe die von der Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 ausgegebenen Korrekturdaten der Korrektureinheit für den Drehzahlsteuerbefehl 26 nur aufgegeben werden, wenn das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 synchron miteinander arbeiten. Insbesondere ein Sensor für den Bearbeitungszustand 40, der ein Zustandssignal über die Bearbeitung ausgibt, das angibt, ob das Werkzeug 31 und das Werkstück 32 synchron miteinander arbeiten, kann in der Nähe des Werkzeugs 31 und des Werkstücks 32 vorgesehen werden, während die Korrektureinheit für den Drehzahlsteuerbefehl 26 mit einem Schalter SW2 versehen sein kann, um so den Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle in Abstimmung mit dem Bearbeitungszustandssignal zu korrigieren.
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Als nächstes werden die Arbeitsschritte des Servo-Steuergeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand des Fließschaltbilds in 10 beschrieben. Als erstes erfasst im Schritt S201 die Erfassungseinheit für den Drehzahlsteuerbefehl S201 einen Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle. Dann nimmt im Schritt S202 die erste Erfassungseinheit für eine Drehzahlrückmeldung 23 die Drehzahlrückmeldung der ersten Welle auf.
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Daraufhin erfasst im Schritt S203 die Erfassungseinheit für ein Synchronisierungsverhältnis 9 das Synchronisierungsverhältnis von dem übergeordneten Steuergerät 200, welches ein CNC-Steuergerät ist, oder berechnet der Rechner für ein Synchronisierungsverhältnis ein Synchronisierungsverhältnis aus einem Steuerbefehl.
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Im nächsten Schritt S204 konvertiert der Drehzahlsteuerbefehlskonverter 22 unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses den Drehzahlsteuerbefehl für die erste Welle in einen Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle. Daraufhin konvertiert im Schritt S205 der erste Konverter für eine Drehzahlrückmeldung unter Verwendung des Synchronisierungsverhältnisses die Drehzahlrückmeldung der ersten Welle in eine Drehzahlrückmeldung der zweiten Welle. Nun berechnet im Schritt S206 der Drehzahldifferenzrechner 25 die Drehzahldifferenz aus den konvertierten Werten des Drehzahlsteuerbefehls für die erste Welle und der Drehzahlrückmeldung der ersten Welle.
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Im nächsten Schritt S207 führt die Verarbeitungseinheit für eine Filterung 6 eine Filterung an der berechneten Drehzahldifferenz aus. Daraufhin bestimmt im Schritt S208 die Korrektureinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl 26 ob sich das Werkzeug 31 und das Werkstück 32 in einem Bearbeitungszustand befinden auf der Basis eines Signals über den Bearbeitungszustand, das angibt, ob das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 synchron miteinander laufen.
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Wenn sich das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 im Zustand der Bearbeitung befinden, bestimmt die Korrektureinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl im Schritt S209, dass der Master-Motor 33 zum Drehen des Werkzeugs 31 und der Slave-Motor 34 zum Drehen des Werkstücks 32 synchron miteinander laufen und korrigiert die Korrektureinheit für einen Drehzahlsteuerbefehl den Drehzahlsteuerbefehl für die zweite Welle unter Verwendung der Ausgabe des Filters und des konvertierten Drehzahlsteuerbefehls für die erste Welle.
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Auf der anderen Seite wird, wenn sich das Werkzeug 31 und das zu bearbeitende Werkstück 32 nicht im Zustand der Bearbeitung befinden, bestimmt, dass der Master-Motor 33 und der Slave-Motors 34 nicht synchron laufen bzw. asynchron laufen, so dass eine Serie von Arbeitsschritten endet.
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Bei dem Servo-Steuergerät der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht es die Verwendung der oben beschriebenen Vorsteuerung zusätzlich zu dem Servo-Steuergerät gemäß der ersten Ausführungsform möglich, die Wirkung der Unterdrückung eines Synchronisierungsfehlers zu verbessern.
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Nach der vorliegenden Erfindung schaltet das Ausführen einer Tiefpassfilterung auf den Synchronisierungsfehler den Synchronisierungsfehler bei hohen Frequenzen aus und unterdrückt den Synchronisierungsfehler der niedrigen Frequenzen allein. Diese Anwendung macht eine Korrektur der Stellungsabweichung von einer der beiden Wellen möglich. Das Sperren bzw. Unterdrücken hoher Frequenzen ermöglicht es ferner, die Verstärkung von Schwingungen mit hoher Frequenz zu unterdrücken und vermindert den Synchronisierungsfehler aufgrund von Schwingungen der Master-Welle mit niedriger Frequenz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-079565 [0001, 0001]
- JP 1260207 [0008]
- JP 1260207 B [0008]
- JP 2003-200332 [0010]
- JP 2003-200332 A [0010]
- JP 4361071 [0018]
- JP 4361071 B [0018]
