DE102015007194B4

DE102015007194B4 - Servosteuerung mit veringerter Ablenkung des vorderen Endpunktes einer Maschine

Info

Publication number: DE102015007194B4
Application number: DE102015007194.7A
Authority: DE
Inventors: Naoto Sonoda
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-05-30
Also published as: DE102015007194A1; JP2015230617A; CN105159229B; US9471055B2; JP5897645B2; CN105159229A; US20150355628A1

Abstract

Eine Servosteuervorrichtung hat eine Positionssteuereinheit und eine Geschwindigkeitssteuereinheit zur Steuerung eines vorderen Endpunktes einer Werkzeugmaschine und weist folgendes auf: eine Positionsdetektionseinheit zur Detektion der Position eines Motors; eine erste Positionsabweichungsberechnungseinheit zur Berechnung einer ersten Positionsabweichung auf Basis eines Positionsbefehls an den Motor und einer Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit; eine Torsionsabschätzeinheit zum Abschätzen des Betrages der Torsion am vorderen Endpunkt der Maschine; eine zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit zum Addieren der ersten Positionsabweichung und des abgeschätzten Betrages des Torsion zur Berechnung einer zweiten Positionsabweichung; eine Koeffizientenadaptionseinheit zum Bestimmen eines Koeffizienten für eine Feedforward-Steuerung zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung; und eine Steuereinheit für eine Feedforward-Steuerung höherer Ordnung unter Verwendung des bestimmten Koeffizienten und des Positionsbefehls.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung zum Steuern einer Werkzeugmaschine oder einer anderen, einen Motor verwendenden Maschine, insbesondere eine Servosteuervorrichtung, welche eine „Ablenkung” (Verbiegung) eines Arbeitspunktes erzeugt wenn ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstückes eingesetzt wird, d. h. die Ablenkung eines vorderen Endpunktes eines Werkzeuges („vorderer Endpunkt der Maschine”), als vom Motor angetriebenes Bauteil.
2. Zum Stand der Technik
Im Allgemeinen unterscheidet man bei Steuersystemen für durch Motoren angetriebene Achse sogenannte halbgeschlossene Systeme, welche Detektoren verwenden, die an den Motoren zur Steuerung vorgesehen sind, und voll geschlossene Systeme, welche getrennte Detektoren nahe den vorderen Endpunkten der Werkzeuge (nachfolgend „vordere Endpunkte der Maschinen”) haben.
Im Allgemeinen werden die zuerst genannten, halbgeschlossenen Systemen aus Kostengründen häufiger verwendet. Bei solchen Systemen kann ein Problem bei relativ geringer Steifigkeit des Motors und des vorderen Endpunktes der Maschine dahingehend auftreten, dass eine elastische Deformation der Maschine eine „Ablenkung” oder eine „Torsion” zur Folge hat und ein Fehler auftreten kann bezüglich der Bewegung des Frontendpunktes der Maschine relativ zu einem entsprechenden Befehl.
Bei eine höhere Präzision erfordernden Maschinen werden voll geschlossene Systeme eingesetzt. Durch Anordnung eines Detektors nahe dem vorderen Endpunkt der Maschine ist es möglich, die Abweichung zwischen dem Befehl und der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine zu reduzieren. Es ist aber im Allgemeinen schwierig, einen Detektor am vorderen Werkzeugende oder einer anderen Position nahe dem vorderen Endpunkt der Maschine anzuordnen. Deshalb tritt auch bei voll geschlossenen Systemen bisweilen ein Fehler (eine Abweichung) der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine in Bezug auf einen Bewegungsbefehl auf.
Wie oben erläutert, tritt bei relativ geringer Steifigkeit der Maschine nicht nur bei halb geschlossenen Systemen sondern auch bei voll geschlossenen Systemen eine „Abweichung” oder „Torsion” aufgrund einer elastischen Deformation der Maschine auf und dies verursacht einen Fehler in der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine mit Bezug auf einen Befehl (Bewegungsinstruktion). Tritt eine solche Abweichung auf, leidet die Bearbeitungspräzision und deshalb besteht ein Bedarf an der Verringerung dieser Abweichung.
Im Stand der Technik wurden zur Handhabung einer solchen „Abweichung” oder „Torsion” des vorderen Endpunktes der Maschine aufgrund einer elastischen Deformation hauptsächlich zwei Verfahren vorgeschlagen. Das eine Verfahren ist ein Steuerverfahren unter Verwendung einer Rückmeldung eines Detektors des Motors oder einer Rückmeldung eines Beschleunigungssensors, der an einer Stelle nahe dem vorderen Endpunkt der Maschine angeordnet werden kann, um so eine Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine abzuschätzen und die Ergebnisse der Abschätzung für die Steuerung des Motors zu verwenden. Das andere Steuerverfahren verwendet eine sogenannte Vorwärtsregelung („Feed forward”), zur Vorhersage der „Ablenkung” („Abweichung”) oder „Torsion” („Verwindung”) aufgrund der Maschinensteifigkeit (Biegesteifheit) zur Korrektur der Instruktion oder ein Verfahren zum beschränken der Beschleunigung etc. gemäß einem Befehl und Korrektur des Befehls dahingehend, dass keine Ablenkung des vorderen Endpunktes der Maschine auftritt.
Beispielsweise ist ein Verfahren bekannt mit Anordnung eines Beschleunigungssensors nahe dem vorderen Endpunkt der Maschine, Abschätzung der „Ablenkung” oder „Torsion” des vorderen Endpunktes der Maschine aufgrund der Rückmeldung, und Einsatz einer lernenden Steuerung, sodass der Fehler zwischen dem Befehl (Instruktion) und der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine minimal wird (beispielsweise japanische Patentveröffentlichung 2006-172149 A ). Weiterhin wurde ein Verfahren bekannt zum Abschätzen der „Ablenkung” oder „Torsion” des vorderen Endpunktes der Maschine aufgrund der Rückmeldung eines Detektors eines Motors ohne Verwendung eines Beschleunigungssensors und lernender Steuerung, sodass der Fehler zwischen dem Befehl und der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine minimal wird. Bei diesem Stand der Technik wird zur Reduzierung des Fehlers eine lernende Steuerung eingesetzt und deshalb ist bei allen obigen Verfahren eine Wiederholung der Instruktionen erforderlich. Deshalb besteht ein Problem dahingehend, dass die lernende Steuerung nicht mit normalen Befehlen eingesetzt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat die Bereitstellung einer Servosteuervorrichtung zum Ziel, welche ein Steuerverfahren unter Verwendung einer Rückmeldung und ein Steuerverfahren unter Verwendung einer Vorwärtsregelung kombiniert, um so die „Ablenkung” oder „Torsion” eines vorderen Endpunktes einer Maschine zu reduzieren und die Abweichung zwischen dem vorderen Endpunkt der Maschine in Bezug auf einen Befehl auch bei normalen Befehlen zu verringern.
Die Servosteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat eine Positionssteuereinheit und eine Geschwindigkeitssteuereinheit und steuert die Position und Geschwindigkeit eines Motors zur Steuerung eines vorderen Endpunktes der Maschine bei einer Werkzeugmaschine, wobei die Steuereinrichtung eine Positionsdetektionseinheit aufweist, welche eine Position eines von dem Motor angetriebenen Bauteils oder eine Position eines Motors detektiert, eine erste Positionsabweichungsberechnungseinheit, welche eine erste Positionsabweichung aus einem Positionsbefehl an den Motor und einer Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit berechnet, und eine Torsionsabschätzungseinheit, welche den Betrag einer Torsion des vorderen Endpunktes der Maschine berechnet, eine zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit, welche den ersten Positionsfehler und den geschätzten Betrag der Torsion addiert, um einen zweiten Positionsfehler zu berechnen, eine Koeffizientenadaptionseinheit, welche einen Koeffizienten der Vorwärtssteuerung bestimmt, um so die zweite Positionsabweichung zu minimieren, und eine Vorwärtssteuereinheit höherer Ordnung, welche den bestimmten Koeffizienten und den Positionsbefehl an den Motor einsetzt zur Ausführung der Vorwärtssteuerung.
Mit der Servosteuervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, einen Beschleunigungssensor nahe dem vorderen Endpunkt der Maschine anzuordnen, die „Ablenkung” oder „Torsion” des vorderen Endpunktes der Maschine aus der Rückmeldung abzuschätzen und die Ergebnisse der Abschätzung und den an den Motor gegebenen Befehl zur adaptiven Bestimmung der Koeffizienten einer Vorwärtssteuerung höherer Ordnung zu bestimmen, um so die „Ablenkung” oder „Torsion” unter Verwendung des Verfahren der kleinsten Quadrate, des Verfahrens des steilsten Abstiegs oder mit einem anderen Verfahren zu reduzieren. Eine solche Vorwärtssteuerung höherer Ordnung steuert die Maßnahmen so, dass die Beschleunigung gemäß einer Instruktion beschränkt ist. Dementsprechend ist es möglich, die „Ablenkung” oder „Torsion” zu verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung im Einzelnen mit Blick auf die Figuren:
1 zeigt den Aufbau einer Servosteuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt den Aufbau einer Steuervorrichtung mit Vorwärtsregelung höherer Ordnung („Feedforward”-Kontrolle) in einer Servosteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Servosteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 zeigt den Aufbau einer Servosteuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 zeigt den Aufbau einer Torsionsabschätzeinheit in einer Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
6A zeigt die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Abweichung zwischen einem Befehl und der Bewegung eines vorderen Endpunktes der Maschine bei Eingabe eines Sinuswellenbefehls in eine Servosteuervorrichtung bei normaler Steuerung;
6B zeigt die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Abweichung zwischen einem Befehl und einer Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine bei Eingabe eines Sinuswellenbefehls in eine Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Servosteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
8 zeigt den Aufbau einer Servosteuervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Servosteuervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
BESCHREIBUNG IM EINZELNEN
Mit Bezug auf die Figuren wird eine Servosteuervorrichung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Es versteht sich jedoch, dass der technische Umfang der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern sich auf Erfindungen erstreckt, wie sie in den Ansprüchen beschrieben sind sowie deren Äquivalente.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Eine Servosteuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die Figuren erläutert. 1 gibt den Aufbau der Servosteuerung nach dem ersten Ausführungsbeispiel im Einzelnen wieder. Diese Servosteuervorrichtung 101 ist mit einer Positionssteuereinheit 1 und einer Geschwindigkeitssteuereinheit 2 versehen und steuert die Position und die Geschwindigkeit des Motors 20 zur Steuerung des vorderen Endpunktes 30 der Maschine einer Werkzeugmaschine. Die Servosteuervorrichtung 101 hat eine Positionsdetektionseinheit 3, eine erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4, eine Torsionabschätzeinheit 5, eine zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit 6, eine Koeffizientenanpassungseinheit 7, und eine Steuereinheit 8 für eine Feedforward-(„Vorwärts-”)Steuerung höherer Ordnung (Optimalwertsteuerung).
Der Gegenstand der Steuerung, d. h. der vordere Endpunkt 30 der Maschine, wird durch den Motor 20 gesteuert. Dabei wird die Torsion 21 und die Reibung 22 berücksichtigt. Die Positionsdetektionseinheit 3 ist nahe dem Motor 20 angeordnet und detektiert die Position des vom Motor 20 angetriebenen Bauteils oder die Position des Motors und gibt diese als Positionsrückmeldung an die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4.
Die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4 berechnet aus dem Positionsbefehl an den Motor 20 und der Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit 3 die erste Positionsabweichung.
Die Torsionsabschätzeinheit 5 schätzt den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine. Das Verfahren zur Berechnung des Betrages der Torsion wird weiter unten näher erläutert.
Die zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit 6 addiert die erste Positionsabweichung und den abgeschätzten Betrag der Torsion zur Berechnung der zweiten Positionsabweichung.
Die Koeffizientenanpassungseinheit 7 gewinnt die zweite Positionsabweichung und verwendet diese und den Positionsbefehl zur Bestimmung des Koeffizienten für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate, des steilsten Abstiegs oder einer anderen Technik zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung.
Die Steuereinheit 8 für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung verwendet den durch die Koeffizientenanpassungseinheit 7 bestimmten. Koeffizienten und den Positionsbefehl an den Motor 20 zur Durchführung einer Feedforward-Kontrolle. Der mit der Steuereinheit 8 für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung berechnete Korrekturwert wird mit dem Addierer 10 zur Positionsabweichung addiert, welche die Positionssteuereinheit 1 mit der Positionsverstärkung multipliziert. Die Geschwindigkeitsrückmeldung, welche mit der Geschwindigkeitsberechnungseinheit 9 unter Verwendung der Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit 8 berechnet wurde, wird abgesenkt zur Berechnung des Geschwindigkeitsbefehls.
Die Geschwindigkeitssteuereinheit 2 gewinnt den berechneten Geschwindigkeitsbefehl und gibt einen Drehmomentbefehl an einen Verstärker 11. Der Verstärker 11 treibt den Motor 20 entsprechend dem Drehmomentbefehl.
Unterschiedliche Verfahren können eingesetzt werden zur Abschätzung des Betrages der Torsion. Bei der Servorsteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, ist eine Beschleunigungsdetektionseinheit 12 vorgesehen, welche die Beschleunigung des vorderen Endpunktes 30 der Maschine detektiert. Die Torsionsabschätzeinheit 5 schätzt den Betrag der Torsion des vorderen Endpunktes 30 der Maschine auf Basis der Beschleunigung ab, welche von der Beschleunigungsdetektionseinheit 12 rückgemeldet wird.
Die Torsionsabschätzeinheit 5 integriert die Beschleunigungsrückmeldung, welche durch die Beschleunigungsdetektionseinheit 12 gewonnen wurde, mit einer Integration zweiter Ordnung zur Entfernung der niederfrequenten Komponenten in einer Hochpassfilterung, um so den Betrag der Torsion des vorderen Endpunktes 30 der Maschine zu bestimmen.
Nunmehr wird das Verfahren zur Berechnung des Koeffizienten durch die Koeffizientenanpassungseinheit 7 näher erläutert. Die Steuereinheit für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung bildet einen FIR-Filter (Finite Impulse Response; Filter mit endlicher Impulsanwort) mit einer Vielzahl von Koeffizienten f₀, f₁, ..., f_N, wie in 2 dargestellt ist und kann beschrieben werden durch die nachfolgende Gleichung: F(z) = f₀ + f₁·z^–1 + f₂·z^–2 + ... f_N + z^–N
Die Koeffizientenanpassungseinheit führt eine Rechnung aus unter Verwendung des nachfolgenden Algorithmus wenn das Verfahren des steilsten Abstiegs eingesetzt wird: f_m(n) = f_m(n – 1) + μ(n)·e(n)·ω(n + m)
Dabei ist „f” ein Filterkoeffizient, „e” eine Abweichung, ω ist ein Befehl, und „m” ist die Ordnung der Feedforward-Kontrolle zwischen 0 bis N.
μ ist ein Adaptionskoeffizient, der beispielsweise mit der nachfolgenden Gleichung berechnet wird:
wobei η eine Konstante ist.
Angemerkt sei, dass diese Berechnung für jedes Probennahmeintervall durchgeführt wird.
Die Steuereinheit 8 für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung verwendet den in obiger Weise durch die Koeffizientenanpassungseinheit 7 bestimmten Koeffizienten und den Positionsbefehl an den Motor zur Ausführung der Feeforward-Steuerung.
Nunmehr wird der Betriebsablauf der Servosteuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Flussdiagramm nach 3 näher erläutert. Zunächst gewinnt in Schritt S101 die Positionsdetektionseinheit 3 die Positionsrückmeldung. Die detektierte Positionsrückmeldung wird an die erste Positonsabweichungsberechnungseinheit 4 gegeben.
Sodann berechnet in Schritt S102 die erste Positionsabweichungsberechnunsgeinheit 4 die erste Positionsabweichung aus dem Positionsbefehl an den Motor 20 und der Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit 3.
Sodann detektierte in Schritt S103 die Beschleunigungsdetektionseinheit 12 die Beschleunigung des vorderen Endpunktes 30 der Maschine zur Rückmeldung an die Torsionsabschätzeinheit 5. Die Daten bezüglich der detektierten Beschleunigung werden an die Torsionsabschätzeinheit 5 gegeben.
Sodann schätzt in Schritt S104 die Torsionsabschätzeinheit 5 den Betrag der Torsion des vorderen Endpunktes 30 der Maschine auf Basis der Beschleunigung ab, welche von der Beschleunigungsdetektionseinheit 12 rückgemeldet wurde.
Sodann addiert in Schritt S105 die zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit 6 den abgeschätzten Betrag der Torsion und die erste Positionsabweichung, um so die zweite Positionabweichung zu berechnen.
Sodann gewinnt in Schritt S106 die Koeffizientenanpassungseinheit 7 die zweite Positionsabweichung und verwendet diese und einen Positionsbefehl zur Bestimmung und Anpassung des Koeffizienten für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung unter Verwendung des Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder des Verfahrens des steilsten Abstiegs oder einer anderen Technik zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung.
Sodann wird in Schritt S107 der adaptierte Koeffizient für die Feedforward-Kontrolle verwendet.
In der vorstehend beschriebenen Weise schätzt die Servosteuervorrichtung 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine, addiert diesen Betrag der Torsion zur Abweichung, und bestimmt adaptiv den Koeffizienten für die Feedforward-Steuerung höherer Ordnung, um so die Abweichung hinsichtlich der addierten Abweichung und des Positionsbefehls zu minimieren. Im Ergebnis ist es möglich, durch Feedforward-Kontrolle den Geschwindigkeitsbefehl so zu korrigieren, dass „Ablenkung” (Abweichung) oder „Torsion” durch Adaption eines geeigneten Koeffizienten verhindern sind. Mit diesem Verfahren kann nicht nur der Betrag der Torsion gesenkt werden, vielmehr kann auch die Verzögerung bei der Steuerungsrückmeldung gleichzeitig kompensiert werden und im Ergebnis ergibt sich, dass keine Abweichung mehr besteht in der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine in Bezug auf den Positionsbefehl.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Nunmehr wird eine Servosteuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. 4 zeigt deren Aufbau. Die Servosteuervorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Servosteuervorrichtung 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle der Beschleunigungsdetektionseinheit 12 eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit 13 vorgesehen ist, welche die Geschwindigkeit des Motors 20 detektiert, und eine Stromdetektionseinheit 14, welche den Strom des Motors 20 detektiert. Die Torsionsabschätzeinheit 5 schätzt den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine aus der Geschwindigkeit des Motors 20 und dem Strom durch den Motor 20 ab. Ansonsten ist der Aufbau der Servosteuervorrichtung 102 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend dem Aufbau der Servosteuervorrichtung 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass sich insoweit eine Wiederholung der Beschreibung erübrigt.
Bei der Motorsteuervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, schätzt die Torsionsabschätzeinheit 5 den Betrag der Torsion mit einem Algorithmus ab mit der Voraussetzung, dass der gesteuerte Gegenstand ein System ist mit zwei Schwungmassen (two-inertia system), wie in 5 gezeigt ist. Die Bewegungsgleichung des mechanischen Modells (unter Vernachlässigung der Reibung) ergibt sich wie folgt:
wobei:

j:: Trägheitsmoment;
ω:: Geschwindigkeit;
Kc:: Federkonstante;
Tm:: Drehmomentbefehl; und
Td:: Störungsdrehmoment = 0

Die Anhängsel „m” und „L” in 5 und in der Formel haben folgende Bedeutung: „m” bezeichnet die Motorseite während „L” die Seite am vorderen Endpunkt der Maschine bezeichnet (die Last).
Deshalb gilt:

ω_n:: Motorgeschwindigkeit;
ω_L:: Geschwindigkeit des vorderen Endpunktes der Maschine (Last);
Jm:: Motorträgheit;
JL:: Trägheitsmoment des vorderen Endpunktes der Maschine (Last);
θm:: Motorposition; und
θL:: Position des vorderen Endpunktes der Maschine (Last).

Der Betrag der Torsion wird mit nachfolgender Gleichung abgeschätzt. θm(s) – θL(s) = (ω_m(s) – ω_L(s))/s = (Tm(s) – Jm·ω_m(s)·s)/Kc wobei θ die Position angibt.
An dieser Stelle wird zur Vermeidung einer Differentiation ein Tiefpassfilter mit einer Zeitkonstanten τ eingeführt: θm(s) – θL(s) = (Tm(s) – Jm·ω_m(s)·s)/Kc/(τ·s + 1) = Tm(s)/Kc/(τ·s + 1) – Jm·ω_m(s)/Kc/τ·(1 – 1/(τ·s + 1))
Die Diskretisierung Δθ gibt den Betrag der Torsion an und ergibt sich aus der folgenden Gleichung: Δθ(z) = (Tm(z)·F(z) – Jm·ω_m(z)/τ·(1 – F(z)))/Kc wobei F(z) einen Tiefpassfilter beschreibt.
Da Tm nicht beobachtet werden kann, wird die Stromrückmeldung (Drehmomentbefehl) Iq verwendet. Kt ist die Drehmomentkonstante des Motors. Δθ(z) = (Kt·Iq(z)·F(z) – Jm·ω_m(z)/τ·(1 – F(z)))/Kc
Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine abgeschätzt und dieser Betrag der Torsion wird zur Abweichung addiert und es wird der Koeffizient für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung adaptiv von der addierten Abweichung und dem Positionsbefehl bestimmt, sodass die Abweichung minimal wird. Im Ergebnis ist es möglich, den Geschwindigkeitsbefehl durch Feedforward-Steuerung so zu korrigieren, dass „Ablenkung” oder „Torsion” durch Adaption eines geeigneten Koeffizienten verhindert sind. Durch dieses Verfahren ist es nicht nur möglich, den Betrag der Torsion zu reduzieren, sondern gleichzeitig möglich, eine Verzögerung in der Steuerungsrückmeldung zu kompensieren. Im Ergebnis ergibt sich, dass keine Abweichung in der Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine in Bezug auf den Positionsbefehl gegeben ist.
Die 6A und 6B sind Darstellungen einer numerischen Simulation der Abweichung zwischen dem Befehl und der Bewegung am vorderen Endpunkt 30 der Maschine bei Eingabe eines sinusförmigen Befehls mit 5 Hz bei normaler Steuerung und bei einer Servosteuervorrichtung 102 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Eigenfrequenz der Maschine sei mit 15 Hz angenommen. In den 6A und 6B zeigt die Abszisse die Zeit und die Ordinate zeigt die Größe der Abweichung (= Befehl – Bewegung des vorderen Endpunktes der Maschine). Wie 6A zeigt, ist es bei einem normalen (herkömmlichen) Steuerverfahren nicht möglich, die Abweichung zu konvergieren. Mit einer Motorsteuervorrichtung 102 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hingegen kann der Koeffizient der Feedforward-Kontrolle mit der Zeit optimiert werden, wobei nicht die Beschleunigungsdetektionseinheit 12 sondern die Torsionsabschätzeinheit verwendet wird, und so kann bestätigt werden, dass die Abweichung konvergiert.
Nunmehr wird der Betriebsablauf der Servosteuervorrichtung 102 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit Blick auf das Flussdiagramm gemäß 7 näher erläutert. Zunächst gewinnt in Schritt S201 die Positionsdetektionseinheit 3 die Positionsrückmeldung. Die detektierte Positionsrückmeldung wird an die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4 gegeben.
Sodann berechnet in Schritt S202 die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4 die erste Positionsabweichung aus dem Positionsbefehl an den Motor 20 und der Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionseinheit 3.
Sodann detektiert in Schritt S203 die Geschwindigkeitsdetektionseinheit 13 die Geschwindigkeit des Motors 20 während die Stromdetektionseinheit 14 den Strom des Motors 20 detektiert. Der detektierte Geschwindigkeitswert und der detektierte Stromwert werden an die Torsionsabschnittseinheit 5 als Geschwindigkeitsrückmeldung bzw. Stromrückmeldung gegeben.
Sodann schätzt in Schritt S204 die Torsionsabschnittseinheit 5 den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine aus der Geschwindigkeitsrückmeldung und der Stromrückmeldung.
Sodann addiert in Schritt S205 die zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit 6 den geschätzten Betrag der Torsion und die erste Positionsabweichung zur Berechnung der zweiten Positionsabweichung.
Sodann gewinnt in Schritt S206 die Koeffizientenadaptionseinheit 7 die zweite Positionsabweichung und verwendet diese und den Positionsbefehl zur Bestimmung und Adaption des Koeffizienten für die Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate oder des steilsten Abstiegs oder einer anderen Technik zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung.
Sodann wird in Schritt S207 der adaptierte Koeffizient für die Feedforward-Kontrolle verwendet.
Gemäß der obigen Beschreibung ist es bei der Servosteuervorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, eine Beschleunigungsdetektionseinheit 12 am vorderen Endpunkt 30 der Maschine vorzusehen und deshalb ergibt sich ein einfacher Aufbau zur Abschätzung des Betrages der Torsion.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Nunmehr wird eine Servosteuervorrichtung 103 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. 8 zeigt deren Aufbau. Die Servosteuervorrichtung 103 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Servosteuervorrichtung 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass anstelle der Beschleunigungsdetektionseinheit 12 eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit 13' vorgesehen ist, welche die Geschwindigkeit des Motors 20 detektiert, und eine Torsionsabschätzeinheit 5 schätzt den Betrag der Torsion bezüglich des vorderen Endpunktes 30 der Maschine aus der Geschwindigkeit des Motors 20 und dem Drehmomentbefehl an den Motor 20 ab. Ansonsten ist der Aufbau der Servosteuervorrichtung 103 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechend dem Aufbau der Servosteuervorrichtung 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass sich eine nochmalige Beschreibung insoweit erübrigt.
Nunmehr wird der Betriebsablauf bei einer Servosteuervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel mit Blick auf das Flussdiagramm nach 9 näher erläutert. Zunächst gewinnt in Schritt S301 die Positionsdetektionsseinheit 3 eine Positionsrückmeldung. Die detektierte Positionsrückmeldung wird an die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4 gegeben.
Sodann berechnet in Schritt S302 die erste Positionsabweichungsberechnungseinheit 4 die erste Positionsabweichung aus dem Positionsbefehl an den Motor 20 und der Positionsrückmeldung von der Positionsdetektionsseinheit 3.
Sodann detektiert in Schritt S303 die Geschwindigkeitsdetektionseinheit 13 die Geschwindigkeit des Motors 20 zur Rückmeldung an die Torsionsabschätzeinheit 5 und die Geschwindigkeitssteuereinheit 2 gibt einen Drehmomentbefehl ab. Der detektierte Geschwindigkeitswert und der Drehmomentbefehl werden an die Torsionabschätzeinheit 5 gegeben.
Sodann schätzt in Schritt S304 die Torsionsabschätzeinheit 5 den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt 30 der Maschine aus der Geschwindigkeitsrückmeldung und dem Drehmomentbefehl.
Sodann addiert in Schritt S305 die zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit 6 den abgeschätzten Betrag der Torsion und die erste Positionsabweichung zur Berechnung der zweiten Positionsabweichung.
In Schritt S306 gewinnt die Koeffizientenadaptionseinheit 7 die zweiten Positionsabweichung und verwendet diese und einen Positionsbefehl zur Bestimmung und Adaption des Koeffizienten der Feedforward-Kontrolle höherer Ordnung unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate oder des steilsten Abstiegs oder einer anderen Technik zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung.
Sodann wird in Schritt S307 der adaptierte Koeffizient für die Feedforward-Kontrolle eingesetzt.
Aus der obigen Beschreibung der Servosteuervorrichtung 103 nach dem dritten Ausführungsbeispiel ergibt sich, dass keine Notwendigkeit besteht zur Bereitstellung einer Beschleunigungsdetektionseinheit 12 am vorderen Endpunkt 30 der Maschine. Auch besteht keine Notwendigkeit für eine Stromdetektionseinheit 14 und deshalb ist es möglich, mit einem Aufbau den Betrag der Torsion abzuschätzen.

Claims

Servosteuervorrichtung mit einer Positionssteuereinheit (1) und einer Geschwindigkeitssteuereinheit (2) zur Steuerung der Position und Geschwindigkeit eines Motors (20) und zur Steuerung eines vorderen Endpunktes (30) einer Werkzeugmaschine, wobei die Steuervorrichtung folgendes aufweist: eine Positionsdetektionseinheit (3), die eingerichtet ist, eine Position einer vom Motor (20) angetriebenen Komponente oder des Motors (20) zu detektieren; eine erste Positionsabweichungsberechnungseinheit (4), die eingerichtet ist, auf Basis eines Positionsbefehls an den Motor (20) und einer Positionsrückmeldung von der genannten Positionsdetektionseinheit (3) eine erste Positionsabweichung zu berechnen; eine Torsionsabschätzeinheit (5), die eingerichtet ist, den Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt (30) der Maschine zu schätzen; eine zweite Positionsabweichungsberechnungseinheit (6), die eingerichtet ist, die erste Positionsabweichung und den abgeschätzten Betrag der Torsion zu addieren zur Berechnung einer zweiten Positionsabweichung; eine Koeffizientenadaptionseinheit (7), die eingerichtet ist, einen Koeffizienten einer Feedforward-Kontrolle zu bestimmen zur Minimierung der zweiten Positionsabweichung; und eine Steuereinheit (8) für eine Feedforward-Steuerung höherer Ordnung, die eingerichtet ist, die Feedforward-Kontrolle unter Verwendung des bestimmten Koeffizienten und des Positionsbefehls an den Motor (20) durchzuführen.
Servosteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Beschleunigungsdetektionseinheit (12), die eingerichtet ist, die Beschleunigung des vorderen Endpunktes (30) der Maschine zu detektieren, wobei die Torsionsabschätzeinheit (5) einen Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt (30) der Maschine auf Basis der von der Beschleunigungsdetektionseinheit (12) rückgemeldeten Beschleunigung abzuschätzen.
Servosteuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit (13), die eingerichtet ist, die Geschwindigkeit des Motors (20) zu detektieren; und eine Stromdetektionseinheit (14), die eingerichtet ist, den Strom des Motors (20) zu detektieren, wobei die Torsionsabschätzeinheit (5) einen Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt (30) der Maschine auf Basis der Geschwindigkeit des Motors (20) abschätzt.
Servosteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit (13), die eingerichtet ist zur Detektion der Geschwindigkeit des Motors (20), wobei die Torsionsabschätzeinheit (5) einen Betrag der Torsion am vorderen Endpunkt (30) der Maschine auf Basis der Geschwindigkeit des Motors (20) und des Drehmomentbefehls an den Motor (20) abschätzt.