DE102016000832B4

DE102016000832B4 - Servosteuerung zum Messen der Schmierungseigenschaften einer Maschine durch experimentelle Modalanalyse

Info

Publication number: DE102016000832B4
Application number: DE102016000832.6A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: JP6208699B2; DE102016000832A1; CN105843168A; US9791103B2; JP2016144292A; US20160223138A1; CN105843168B

Abstract

Servosteuerung für einen Servomotor, welcher eine Vorschubachse einer Werkzeugmaschine antreibt, folgendes aufweisend:
einen Geschwindigkeitsbefehlsgenerator (1), eingerichtet zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehlswertes für einen Servomotor (20);
einen Drehmomentbefehlsgenerator (2), eingerichtet zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswertes für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes;
einen Geschwindigkeitsdetektor (3), eingerichtet zum Detektieren der Geschwindigkeit des auf Basis des Drehmomentbefehlswertes angetriebenen Servomotors;
eine Sinuswellen-Störeingabeeinheit (5), eingerichtet zum Einspeisen einer Sinuswellenstörung in eine Geschwindigkeitssteuerschleife (4), welche den Geschwindigkeitsbefehlsgenerator (1), den Drehmomentbefehlsgenerator (2) und den Geschwindigkeitsdetektor (3) enthält, wobei die Sinuswellenstörung zum Geschwindigkeitsbefehlswert hinzugefügt wird;
einen Frequenzgangrechner (6), eingerichtet zum Bestimmen der Verstärkung und Phase des Eingabe- bzw. Ausgabesignals der Geschwindigkeitssteuerschleife auf Basis des Ausgangs der Geschwindigkeitssteuerschleife wenn die Sinuswellenstörung in diese eingespeist wird;
einen Resonanzfrequenzdetektor, eingerichtet zum Detektieren von Resonanzfrequenzen, bei denen die Verstärkung der durch den Frequenzgangrechner bestimmten Frequenzantwort ein Maximum hat;
einen Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7), eingerichtet zum Bestimmen von Resonanzeigenschaften aufgrund des Frequenzgangs bei und nahe der durch den Resonanzfrequenzdetektor detektierten Resonanzfrequenz; und
einen modalen Bezugsdämpfungsverhältnishalter (8), eingerichtet zum Halten eines modalen Resonanzdämpfungsverhältnisses bei einer bestimmten Frequenz zum Zeitpunkt einer Bearbeitung als modales Referenz-Dämpfungsverhältnis als Resonanzeigenschaft entsprechend einem Referenz-Schmierungszustand, wobei
der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7) Schmierungseigenschaften berechnet auf Basis des modalen Referenz-Dämpfungsverhältnisses und des gemessenen modalen Dämpfungsverhältnisses bei der Resonanzfrequenz entsprechend dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis,
wobei dann, wenn das gemessene modale Dämpfungsverhältnis in Bezug auf das modale Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner ist als ein Schwellenwert, der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7) eine Warnung bezüglich der Verschlechterung des Schmierungszustandes abgibt zur Anzeige der Notwendigkeit einer Inspektion derselben.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung und insbesondere eine Servosteuervorrichtung, die mit einer Funktion zum Messen mechanischer Schmierungseigenschaften auf Basis einer experimentellen Modalanalyse versehen ist.
Zum Stand der Technik
Reibungseigenschaften und Vibrationseigenschaften der Führungsmechanik in einer Werkzeugmaschine beeinflussen die Arbeitsqualität einer Vorschubachse und die Erzeugung von Flattervibrationen bei der Bearbeitung. Hinsichtlich dieser Probleme war bekannt, dass die Reibungsdämpfung der Maschine, mit anderen Worten die Schmierungseigenschaften, von wesentlicher Bedeutung sind.
Beispielsweise wurde experimentell und analytisch geklärt, dass eine Verbesserung der Stabilität gegen Flattervibrationen nicht durch Vergrößerung der Formsteifigkeit der Maschine erreicht werden kann, sondern dass sowohl die Formsteifigkeit einzelner Komponenten der Maschinenanlage und die Dämpfungseigenschaften optimiert werden müssen (beispielsweise Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, series C, Vol. 78, Nr. 787 (2012, pp. 1013-1025, nachfolgend mit „Nicht-Patent-Dokument 1“ bezeichnet).
Es wurde berichtet, dass bei Anregungstests einer Maschine eine Anregungskraftabhängigkeit besteht und dass die Resonanzfrequenz und das Dämpfungsverhältnis stark von der Stärke der Anregungskraft abhängen (beispielsweise Yasunori Sakai et al., Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 80, Nr. 8 (2014), p. 783-791, nachfolgend mit „Nicht-Patent-Dokument 2“ bezeichnet). Die Veröffentlichung suggeriert, dass der Hauptgrund hierfür die nicht-linearen Federcharakteristik in einem Mikro-Verschiebungsbereich von einigen zehn Mikrometern ist. Eine jüngere Veröffentlichung berichtet über eine Untersuchung, in welcher die Beziehung zwischen der mechanischen Dämpfung und nicht-linearer Reibung quantitativ experimentell untersucht worden ist (beispielsweise: Yasunori Sakai et al., JIMTOF 2014 Poster-Präsentation „Influence of Excitation Force on Damping of Rolling Guideway in Feed and Pitch Direction“, „Einfluss der Anregungskraft auf Dämpfung der Roll-Führungsbahn in Vorschub- und Neigungsrichtung“, nachfolgend mit „Nicht-Patent-Dokument 3“ bezeichet). Diese Veröffentlichung zeigt, dass das modale Dämpfungsverhältnis (Halbwertbreite der Resonanzkurve) mit größer werdender Anregungskraft größer wird gemäß der Ausführung von Anregungstests an der Maschine zur Prüfung der Resonanzcharakteristikenfederfunktion (Anregungskraft und Versatz-Frequenzantwort) mittels experimenteller Modalanalyse.
Der Artikel „Influence of nonlinear spring behaviour of friction on dynamic characteristics of a rolling guideway“ (Sakai, Y., et al.; Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing; Vol. 9, No. 1, 2015) befasst sich mit der Modellierung des mechanischen Verhaltens einer Rollenführung, wie sie in Werkzeugmaschinen verwendet wird. Durch die elastische Deformation der Rollelemente werden Vibrationen hervorgerufen. Berechnet wurde u. a. das Verhalten der Frequenz bei sinusförmiger Anregung. Die Berechnungen wurden mit experimentellen Daten verglichen. Schmiermittel wurden bei den Experimenten nicht verwendet.
Aus der DE 600 20 399 T2 ist ein Verfahren zur Schwingungsanalyse bekannt. Hierbei werden in einem Objekt Vibrationen angeregt und durch Detektoren erfasst. Aus den Messdaten wird eine spektrale Dichtematrixfunktion bestimmt, aus der Autospektraldichten für die einzelnen Moden identifiziert werden. Aus diesen können Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse für die Moden geschätzt werden.
Aus der US 6,281,650 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen von Regelkreisparametern in einem Bewegungssteuerungssystem bekannt. Hierbei wird einem Geschwindigkeitsbefehl für eine Werkzeugmaschinenachse bei unterschiedlichen Bewegungsarten eine zufällige Anregung hinzugefügt. Während jeder Bewegungsart werden Messungen des Frequenzgangs durchgeführt.
Aus der DE 101 52 765 B4 ist ein Verfahren zur elektronischen Bereitstellung von Diensten für Maschinen über eine Datenkommunikationsverbindung bekannt. Hierbei werden maschinenbezogene Daten über ein Netzwerk an einen Arbeitsrechner einer Bearbeitungsmaschine bereitgestellt. Der Arbeitsrechner umfasst einen Sensor zum Erfassen von Maschinenzustandsdaten.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Servosteuerung bereitzustellen, welche den Schmierungszustand einer Maschine detektieren kann und die Maschine im Wesentlichen in einem Zustand entsprechend der Einschätzung des Schmierungszustandes halten kann.
Eine Servosteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerung für einen Servomotor, welcher eine Vorschubachse einer Werkzeugmaschine antreibt, aufweisend: einen Geschwindigkeitsbefehlsgenerator zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehls für den Servomotor, einen Drehmomentbefehlgenerator zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswertes für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes; einen Geschwindigkeitsdetektor zum Detektieren der Geschwindigkeit des auf Basis des Drehmomentbefehlswertes angetriebenen Servomotors; eine Sinuswellen-Störeingabeeinheit zum Einspeisen einer Sinuswellenstörung in eine Geschwindigkeitssteuerschleife (Regelkreis), welche den Geschwindigkeitsbefehlsgenerator, den Drehmomentbefehlsgenerator und den Geschwindigkeitsdetektor enthält, wobei die Sinuswellenstörung zum Geschwindigkeitsbefehl hinzugefügt wird; einen Frequenzgang-Rechner zum Abschätzen der Verstärkung und Phase des Geschwindigkeitssteuerschleifen-Eingangs- bzw. AusgangsSignales auf Basis des Ausgangs der Geschwindigkeitssteuerschleife bei Eingabe der Sinuswellenstörung in die Geschwindigkeitssteuerschleife (Regelkreis); einen Resonanzfrequenzdetektor zum Detektieren von Resonanzfrequenzen, bei denen die Verstärkung des mit dem Frequenzgang-Rechner abgeschätzten Frequenzganges ein Maximum hat; einen Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator zum Abschätzen von Resonanzcharakteristiken aus dem Frequenzgang bei und nahe der vom Resonanzfrequenzdetektor detektierten Resonanzfrequenz; und einen modalen Bezugsdämpfungsverhältnishalter zum Sichern eines modalen Resonanzdämpfungsverhältnisses bei einer bestimmten Frequenz zum Zeitpunkt einer Bearbeitung als modales Bezugsdämpfungsverhältnis als eine Resonanzeigenschaft entsprechend einer Bezugsschmierungsbedingung, wobei der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator die Schmierungscharakteristiken berechnet auf Basis des modalen Referenzdämpfungsverhältnisses und des gemessen
modalen Dämpfungsverhältnisses bei der Resonanzfrequenz entsprechend dem modalen Referenzdämpfungsverhältnis. Wenn das gemessene modale Dämpfungsverhältnis in Bezug auf das modale Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner ist als ein Schwellenwert, gibt der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator eine Warnung bezüglich der Verschlechterung des Schmierungszustandes ab zur Anzeige der Notwendigkeit einer Inspektion derselben.
Figurenliste
Die Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren:

1 ist ein Blockdiagramm einer Servosteuerung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt als Blockdiagramm eine Übertragungsfunktion eines mechanischen Übertragungsmechanismus mittels der Summe quadratischer Systeme;
3A zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Anregungskraft bei Translationsvibration;
3B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei einer Translationsvibration;
4A zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Anregungskraft im Falle einer Rotationsvibration;
4B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Rotationsvibration;
5A zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des modalen Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Translationsvibration in Vorschubrichtung;
5B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des modalen Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Rotationsvibration in Neigungsrichtung;
6 zeigt als Graph die Zeitabhängigkeit des gemessenen Modenresonanzverhältnisses/modales Referenzdämpfungsverhältnis;
7 zeigt als Graph die Zeitabhängigkeit von gemessenem Modenresonanzverhältnis/modales Referenzdämpfungsverhältnis sowie einen Warnpegelschwellenwert; und
8 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsablaufs in einer Servosteuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung im Einzelnen
Es werden Servosteuervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Zunächst wird eine Servosteuerung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramme einer Servosteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Servosteuerung 100 des ersten Ausführungsbeispieles wird eingesetzt zur Steuerung eines Servomotors zum Antreiben einer Vorschubachse einer Werkzeugmaschine und enthält: einen Geschwindigkeitsbefehlsgenerator 1 zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehlswertes für einen Servomotor 20; einen Drehmomentbefehlgenerator 2 zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswertes für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes; einen Geschwindigkeitsdetektor 3 zum Detektieren der Geschwindigkeit des auf Basis des Drehmomentbefehlswertes angetriebenen Servomotors; eine Sinuswellen-Störeingabeeinheit 5 zum Einspeisen einer Sinuswellenstörung in eine Geschwindigkeitssteuerschleife (Geschwindigkeitsregelkreis) 4, enthaltend den Geschwindigkeitsbefehlsgenerator 1, den Drehmomentbefehlsgenerator 2 und den Geschwindigkeitsdetektor 3; einen Frequenzgangrechner (Frequenzantwortrechner) 6, zum Bestimmen der Verstärkung und Phase des Eingangs-/Ausgangssignals der Geschwindigkeitssteuerschleife auf Basis des Ausgangs der Geschwindigkeitssteuerschleife 4 bei Eingabe der Sinuswellenstörung in die Geschwindigkeitssteuerschleife 4; einen Resonanzfrequenzdetektor (nicht dargestellt) zum Detektieren von Resonanzfrequenzen, bei welchen die Verstärkung der mit dem Frequenzgangrechner 6 bestimmten Frequenzantwort ein Maximum erreicht; einen Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 zum Bestimmen von Resonanzeigenschaften aus dem Frequenzgang bei und in der Nähe einer durch den Resonanzfrequenzdetektor detektierten Resonanzfrequenz; einen modalen Bezugsdämpfungsverhältnishalter 8 zum Halten des modalen Referenzdämpfungsverhältnisses als eine Resonanzeigenschaft entsprechend der ReferenzSchmierungsbedingung, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 Schmierungseigenschaften bestimmt auf Basis des modalen Referenzdämpfungsverhältnisses und des gemessenen modalen Dämpfungsverhältnisses bei der Resonanzfrequenz, welche dem modalen Referenzdämpfungsverhältnis entspricht.
Nunmehr wird der Betrieb der Servosteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Zunächst erzeugt der Geschwindigkeitsbefehlsgenerator 1 einen Geschwindigkeitsbefehlswert zum Antrieb des Servomotors 20 und gibt den Wert an den Addierer 10. Der Addierer 10 fügt zum Geschwindigkeitsbefehlswert die Sinuswellenstörung aus der Sinuswellen-Störeingabeeinheit 5 hinzu, subtrahiert den detektierten Geschwindigkeitswert des Servomotors 20, wie vom Geschwindigkeitsdetektor 3 detektiert, und gibt das berechnete Ergebnis an den Drehmomentbefehlsgenerator 2.
Der Drehmomentbefehlsgenerator 2 gewinnt das vom Addierer 10 berechnete Ergebnis und gibt einen Drehmomentbefehl ab zum Antrieb des Servomotors 20. Der Servomotor 20 betreibt einen angetriebenen Körper (nicht dargestellt) über den Transfermechanismus 30.
Der Frequenzgangrechner 6 schätzt die Verstärkung und Phase des Eingangs-/Ausgangssignals der Geschwindigkeitssteuerschleife auf Basis der Sinuswellenstörung der Sinuswellen-Störeingabeeinheit 5 und des Ausgangs der Geschwindigkeitssteuerschleife 4 wenn die Sinuswellenstörung in die Steuerschleife 4 eingegeben wird, und gibt das Schätzergebnis an den Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7. der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 enthält einen Resonanzfrequenzdetektor (nicht dargestellt) zum Detektieren der Resonanzfrequenzen, bei denen die Verstärkung des Frequenzganges, wie durch den Frequenzgangrechner 6 abgeschätzt, ein Maximum annimmt.
Der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 bestimmt Resonanzeigenschaften auf Basis des Frequenzganges bei und im Bereich der von dem Resonanzfrequenzdetektor detektierten Frequenz. Der modale Bezugsdämpfungsverhältnishalter 8 hält das modale Bezugsdämpfungsverhältnis als eine Resonanzeigenschaft entsprechend der Referenzschmierungsbedingung. Beispielsweise kann der Halter 8 ein modales Resonanzdämpfungsverhältnis bei einer bestimmten Frequenz zum Zeitpunkt einer Bearbeitung als modales Referenzdämpfungsverhältnis halten. Der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 gewinnt das modale Referenzdämpfungsverhältnis vom modalen Bezugsdämpfungsverhältnishalter 8 und berechnet Schmierungseigenschaften auf Basis des modalen Referenzdämpfungsverhältnisses und des gemessenen modalen Dämpfungsverhältnisses bei der Resonanzfrequenz entsprechend dem modalen Referenzdämpfungsverhältnis.
Mit der Erfindung werden Schmierungsverhältnisse gemessen unter Verwendung eines einfach ausführbaren Anregungstests, d.h. unter Verwendung des Frequenzganges einer Motorsteuerung. Der Frequenzgang (die Frequenzantwort) des Steuersystems kann auf Basis einer Modalanalyse analysiert werden. Die mechanischen Schmierungseigenschaften können gemessen werden durch Gewinnung des Dämpfungsverhältnisses im Resonanzmodus aus der tatsächlichen Messung und Bestimmung des relativen Verhältnisses zum Referenzdämpfungsverhältnis. Bei Ausführung einer Konformitätsmessung ist es üblicherweise erforderlich, Schläge auf der Maschine anzubringen mittels eines stationären Anregers oder eines Hammers und in diesem Moment den Versatz genau zu messen. Wenn aber die Maschine bereits zusammengebaut ist und mit Schutzblechen und dergleichen abgeschlossen ist, ist es schwierig, direkt die Konformität (Übereinstimmung mit der Vorgabe) bezüglich des Vorschubachsen-Antriebssystems zu messen. Im Unterschied dazu ermöglicht die Ausnutzung der Frequenzantwort (des Frequenzganges) in der Motorsteuerung, wie in der Servosteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die Messung der Schmierungseigenschaften der Maschine wenn die Maschine schon im endgültigen Zustand für einen Arbeitseinsatz ist oder sogar schon in Betrieb ist.
Die als experimentelle Modalanalyse bezeichnete Technik wird eingesetzt, um mechanische Vibrationen zu analysieren (im Unterschied dazu betrifft die theoretische Modalanalyse das Verfahren der sogenannten „finiten Elemente“). Die experimentelle Modalanalyse ist eine Analysetechnik, die tatsächlich Frequenzgänge misst und aus den Messergebnissen charakteristische Werte ableitet. Liegt eine größere Anzahl unabhängiger Feder-Masse-Dämpfer-Systeme vor, so ergeben sich viele Sätze unabhängiger Bewegungsgleichungen.
Bei Anwendung der Grundidee der Modalanalyse kann die Übertragungsfunktion des mechanischen Übertragungsmechanismus durch die Summe von Systemen zweiter Ordnung dargestellt werden, wie in 2 gezeigt ist. Jedes der Systeme zweiter Ordnung wird als Resonanzmodus behandelt während der Term eines Integrators einem Festkörpermodus entspricht. Bei der experimentellen Modalanalyse werden die so repräsentierten Parameter der Übertragungsfunktion aus der tatsächlich gemessenen Frequenzantwort bestimmt. ω_r ist die Resonanz-Winkelfrequenz, ζ_r ist ein modales Dämpfungsverhältnis und K_r ist eine modenäquivalente Formsteifigkeit. Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich die Messung und Analyse des modalen Dämpfungsverhältnisses ζ_r . Das modale Dämpfungsverhältnis ζ_r kann berechnet werden aus der Amplitudenantwort gemäß ζ_r = Δf/(2f₀) unter Verwendung der Frequenz f₀ am Peak (Höchstwert), der Frequenzbreite Δf beim halben Maximum oder auf einem Pegel, der mit -3 dB gegenüber dem Spitzenwert abgesenkt ist.
Ein wichtiger Gesichtspunkt, welcher in den Nicht-Patent-Dokumenten 2 und 3 beschrieben ist, besteht darin, dass die Resonanzfrequenz und das mit der experimentellen Modalanalyse gewonnene modale Dämpfungsverhältnis abhängt von der Anregungskraft. 3A zeigt mit einem Graphen bei Translationsvibration die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Anregungskraft, wie im Nicht-Patent-Dokument 2 beschrieben ist. 3B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Translationsvibration, wie in dem Nicht-Patent-Dokument 2 näher beschrieben ist. 4A zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Anregungskraft bei Rotationsvibration, wie ebenfalls im Nicht-Patent-Dokument 2 näher erläutert ist. 4B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Rotationsvibration entsprechend der Beschreibung im Nicht-Patent-Dokument 2. 5A zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des modalen Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Translationsvibration in Vorschubrichtung gemäß Nicht-Patent-Dokument 3. 5B zeigt mit einem Graphen die Abhängigkeit des modalen Dämpfungsverhältnisses von der Anregungskraft bei Rotationsvibration in Neigungsrichtung gemäß den Darstellungen im Nicht-Patent-Dokument 3. Die zwei Kurven in jeder der 5A und 5B betreffen einmal (1) einen Fall mit Schmiermitteleinsatz und zum Anderen (2) einen Fall ohne Schmiermitteleinsatz. Die 3A, 3B, 4A, 4B, 5A und 5B zeigen tatsächliche Messungen der Abhängigkeit der Reibung der Rollenführung von Anregungskräften. Werden zwei Gesichtspunkte, nämlich das Faktum, wonach das hier gezeigte modale Dämpfungsverhältnis von der Anregungskraft abhängig ist, sowie das Faktum, wonach die Schmierungsbedingung der Oberfläche die Eigenschaften stark beeinflusst, sorgfältig berücksichtigt, wird es grundsätzlich möglich, die Schmierungsbedingung der Führungsoberfläche auf Basis des modalen Dämpfungsverhältnisses zu ermitteln.
Bei der Servosteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die charakteristischen Werte des Resonanzmodus auf Basis der Frequenzantwort bei der und in der Umgebung von der Resonanzfrequenz ermittelt und als diejenigen physikalischen Größen betrachtet, welche die Charakteristik des Übertragungsmechanismus repräsentieren. Von den Resonanz-Charakteristiken entspricht das modale Dämpfungsverhältnis dem Reibungskoeffizienten. Dementsprechend repräsentieren die modalen Dämpfungsverhältnisse der Resonanzmoden tieferer Ordnung die Schmierungscharakteristiken der Führungsfläche der Maschine. Dementsprechend ist es mit der Servosteuervorrichtung des ersten Ausführungsbeispieles möglich, eine Servosteuerung bereitzustellen, welche in der Lage ist, die Schmierungseigenschaften der Maschine zu erfassen.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Nunmehr wird eine Servosteuerung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Diese Servosteuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 das Ausmaß der relativen Verminderung des Schmierungszustandes durch Bestimmung des relativen Verhältnisses zwischen dem modalen Referenzdämpfungsverhältnis und dem gemessenen modalen Dämpfungsverhältnis ermittelt. Hinsichtlich der anderen Komponenten besteht Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass insoweit auf eine wiederholte Beschreibung im Einzelnen verzichtet werden kann.
Beispielsweise wird das modale Resonanzdämpfungsverhältnis bei einer bestimmten Frequenz zum Zeitpunkt einer Bearbeitung als Referenzwert gesetzt. Wird die Frequenzantwort der Geschwindigkeitssteuerung periodisch gemessen, fällt das modale Dämpfungsverhältnis mit der Zeit ab. Dann kann die Messung mit einer kleineren Amplitude der Anregungskraft ausgeführt werden. Dies deshalb weil bei Einsatz einer starken Anregungskraft die Verschiebung in der Maschine zu groß ist, sodass nicht-lineare Eigenschaften der Maschine nicht erfasst werden, woraus sich ein Verlust an Informationen bezüglich Reibung und Schmierung mittels der Messwerte ergibt. Es besteht keine Einschränkung auf eine einzige Resonanzmode; mehrere Resonanzmoden können ausgewählt werden. Das bedeutet, dass mehrere Resonanzmoden vermessen und überwacht werden können, solange es sich um Resonanzmoden handelt, welche den Schmierungszustand auf der Führungsfläche deutlich zeigen. Da Resonanzmoden mit tiefen Frequenzen bezüglich der dynamischen Eigenschaften der Maschine überwiegende Wirkung haben ist es vom physikalischen Standpunkt aus hinreichend, die primäre (tiefste Resonanzfrequenz) und die sekundäre Mode heranzuziehen. Der Grund hierfür ist, dass die Modalanalyse vom Ausgangspunkt her eine Methode ist zum Beschreiben von Vibrationen eines kontinuierlichen Körpers als Summe von Dämpfungsvibrationen mehrerer unabhängiger Systeme mit einem Freiheitsgrad und dass Systeme mit einem Freiheitsgrad in Moden tieferer Ordnung überwiegende Vibrationen erzeugen. Da jedes der Moden-Resonanzverhältnisse den viskosen Reibungskoeffizienten des zugehörigen Systems mit einem Freiheitsgrad entspricht, zeigt eine Absenkung des modalen Dämpfungsverhältnisses direkt eine Verminderung des Reibungskoeffizienten an. Deshalb bedeutet eine Absenkung des Reibungskoeffizienten in Moden tiefer Ordnung eine Absenkung der vorherrschenden Reibungskomponenten auf der Führungsfläche.
Diese Erkenntnis kann eingesetzt werden für eine vorbeugende Wartungstechnik. Eine Voraussetzung ist, dass die Schmierung schlechter wird aufgrund abrasiver Verschlechterung des Schmiermittels mit der Zeit, wohingegen eine Verbesserung niemals auftritt. Beispielsweise speichert eine Steuerung ein „modales Referenzdämpfungsverhältnis“, also das modale Dämpfungsverhältnis entsprechend der Schmierungsqualität zum Zeitpunkt der Bearbeitung. Die Frequenzantwort wird periodisch gemessen, um das modale Dämpfungsverhältnis mittels Modalanalyse zu berechnen (das gemessene modale Dämpfungsverhältnis).
6 zeigt mit einem Graphen die Zeitabhängigkeit eines Wertes, der gewonnen wird durch Division des gemessenen Modenresonanzverhältnisses durch das modale Referenzdämpfungsverhältnis (gemessenes Modenresonanzverhältnis/modales Referenz-Dämpfungsverhältnis). Wird angenommen, dass das gemessene Modenresonanzverhältnis gleich ist dem modalen Referenzdämpfungsverhältnis zum Zeitpunkt t₁ , dann fällt der Wert des gemessenen Modenresonanzverhältnis/Referenz-Modenresonanzverhältnis monoton über die Zeitpunkt t₂ , t₃ und t₄ ab. Da das berechnete gemessene modale Dämpfungsverhältnis kleiner ist als das modale Referenz-Dämpfungsverhältnis kann gemäß 6 dieses Verhältnis als Messergebnis bezüglich des Schmierungszustandes angesehen werden. Das heißt, dass es möglich ist, abzuleiten, dass der „Schmierungszustand 80% des Wertes zum Produktionszeitpunkt der Maschine“ beträgt.
Da gemäß der obigen Beschreibung beim zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Servosteuerungsvorrichtung des relative Verhältnis von modalem Dämpfungsverhältnis, gewonnen durch Messung der Frequenzantwort zu einem bestimmten Zeitpunkt, zu dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis untersucht wird, ist es möglich, mit der Servosteuerung eine Wartung der Maschine entsprechend ihrem Schmierungszustand durchzuführen.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Nunmehr wird eine Servosteuerung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das gemessene modale Dämpfungsverhältnis in Bezug auf das modale Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner ist als ein Schwellenwert, der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 eine Warnung abgibt bezüglich des Abfalls des Schmierungszustandes, um die Notwendigkeit einer Untersuchung der Schmierungsbedingungen anzuzeigen. Die übrigen Komponenten entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispieles, sodass auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
7 zeigt mit einem Graphen den Zusammenhang zwischen dem zeitabhängigen Quotienten aus gemessenem Moden-Resonanzverhältnis/modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis und einem Warnungs-Schwellenwert. Ist das modale Dämpfungsverhältnis stark abgefallen und beträgt 50% des modalen Referenz-Verhältnisses, beispielsweise zum Zeitpunkt t₄ bei einer bestimmten Messung, wird einer Warnung gegeben. Diese Funktion ist hilfreich für eine periodische Inspektion der Maschine beim Betrieb. Da sich der Schmierungszustand leicht durch Eintritt von Fremdkörpern verändern kann, erreicht dieses Verfahren mit seiner Fähigkeit den Schmierungszustand aus der Frequenzantwort der Motorsteuerung abzuleiten, eine höchst effektive Überwachung. Die Einstellung des Schwellenwertpegels auf 50% des modalen Referenz-Dämpfungsverhältnisses ist nur ein Beispiel und der Schwellenwert kann andere Wert annehmen.
Da die interne Dämpfung der Maschine deren Leistungsfähigkeit stark beeinflusst, wird die Bearbeitungsleistung durch eine Verschlechterung der Schmierung direkt beeinträchtigt. Um dem zu begegnen erfolgt eine Anzeige wenn die Verschlechterung der Schmierung zu groß wird, um so den Einsatz von Schmiermittel vorzuschlagen. Eine Anzeigeeinrichtung kann für die Warnung vorgesehen sein, auch können akustische Mittel eingesetzt werden.
Nunmehr soll der Betriebsablauf in einer Servosteuerung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel näher mit Bezug auf das Flussdiagramm gemäß 8 beschrieben werden. Zunächst führt in Schritt S101 die Sinuswellen-Störeingabeeinheit 5 (1) eine Sinuswellen-Störung in die Geschwindigkeitssteuerschleife 4 (Regelkreis) ein. Sodann detektiert in Schritt S102 der Geschwindigkeitsdetektor 3 die Geschwindigkeit des Servomotors 20.
Sodann erzeugt im Schritt S103 der Drehmomentbefehlsgenerator 2 einen Drehmomentbefehlswert, abgeleitet aus dem Geschwindigkeitsbefehlswert und dem Geschwindigkeitsdetektionswert. Dann berechnet in Schritt S104 der Frequenzantwortrechner 6 einen Frequenzgang aus dem Sinuswellen-Störungswert und dem Drehmomentbefehlswert.
In Schritt S105 bestimmt der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 einen Satz von charakteristischen Werten bezüglich zumindest einer Resonanzmode. In Schritt S107 berechnet der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 das Verhältnis von gemessenem modalen Dämpfungsverhältnis zu dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis bei einer bestimmten Resonanzfrequenz.
In Schritt S107 bestimmt der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 ob das Verhältnis aus dem gemessen modalen Dämpfungsverhältnis und dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner ist als ein Schwellenwert oder nicht. Ist das Verhältnis aus gemessenem modalen Dämpfungswert und modalem Referenz-Dämpfungswert nicht kleiner als der Schwellenwert, ist das Verfahren beendet.
Ist andererseits das Verhältnis aus gemessenem modalen Dämpfungsverhältnis zum modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner als der Schwellenwert, warnt in Schritt S108 der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator 7 wegen der Verschlechterung der Schmierung und zeigt die Notwendigkeit einer Schmierungsinspektion an.
Die Anzeige der Notwendigkeit einer Schmierungsinspektion mit der Servosteuerung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ermöglicht zu verhindern, dass der relative Verhältniswert mit der Zeit sehr stark abfällt und somit eine Verhinderung eines Abfalls in der Maschinenleistung aufgrund einer beträchtlichen Beeinträchtigung der Schmierung auf der mechanischen Führungsfläche auftritt.
Wie oben beschrieben ist es mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung möglich, eine Servosteuervorrichtung bereitzustellen, welche den Schmierungszustand der Maschine erfassen und die Maschine in dem erfassten Schmierungszustand halten kann.

Claims

Servosteuerung für einen Servomotor, welcher eine Vorschubachse einer Werkzeugmaschine antreibt, folgendes aufweisend: einen Geschwindigkeitsbefehlsgenerator (1), eingerichtet zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsbefehlswertes für einen Servomotor (20); einen Drehmomentbefehlsgenerator (2), eingerichtet zum Erzeugen eines Drehmomentbefehlswertes für den Servomotor auf Basis des Geschwindigkeitsbefehlswertes; einen Geschwindigkeitsdetektor (3), eingerichtet zum Detektieren der Geschwindigkeit des auf Basis des Drehmomentbefehlswertes angetriebenen Servomotors; eine Sinuswellen-Störeingabeeinheit (5), eingerichtet zum Einspeisen einer Sinuswellenstörung in eine Geschwindigkeitssteuerschleife (4), welche den Geschwindigkeitsbefehlsgenerator (1), den Drehmomentbefehlsgenerator (2) und den Geschwindigkeitsdetektor (3) enthält, wobei die Sinuswellenstörung zum Geschwindigkeitsbefehlswert hinzugefügt wird; einen Frequenzgangrechner (6), eingerichtet zum Bestimmen der Verstärkung und Phase des Eingabe- bzw. Ausgabesignals der Geschwindigkeitssteuerschleife auf Basis des Ausgangs der Geschwindigkeitssteuerschleife wenn die Sinuswellenstörung in diese eingespeist wird; einen Resonanzfrequenzdetektor, eingerichtet zum Detektieren von Resonanzfrequenzen, bei denen die Verstärkung der durch den Frequenzgangrechner bestimmten Frequenzantwort ein Maximum hat; einen Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7), eingerichtet zum Bestimmen von Resonanzeigenschaften aufgrund des Frequenzgangs bei und nahe der durch den Resonanzfrequenzdetektor detektierten Resonanzfrequenz; und einen modalen Bezugsdämpfungsverhältnishalter (8), eingerichtet zum Halten eines modalen Resonanzdämpfungsverhältnisses bei einer bestimmten Frequenz zum Zeitpunkt einer Bearbeitung als modales Referenz-Dämpfungsverhältnis als Resonanzeigenschaft entsprechend einem Referenz-Schmierungszustand, wobei der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7) Schmierungseigenschaften berechnet auf Basis des modalen Referenz-Dämpfungsverhältnisses und des gemessenen modalen Dämpfungsverhältnisses bei der Resonanzfrequenz entsprechend dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis, wobei dann, wenn das gemessene modale Dämpfungsverhältnis in Bezug auf das modale Referenz-Dämpfungsverhältnis kleiner ist als ein Schwellenwert, der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7) eine Warnung bezüglich der Verschlechterung des Schmierungszustandes abgibt zur Anzeige der Notwendigkeit einer Inspektion derselben.
Servosteuerung gemäß Anspruch 1, wobei der Resonanzmoden-Eigenschaftsanalysator (7) das Ausmaß der relativen Verschlechterung der Schmierungsbedingungen ermittelt durch Bestimmung des relativen Verhältnisses zwischen dem modalen Referenz-Dämpfungsverhältnis und dem gemessenen modalen Dämpfungsverhältnis.