DE102019003731B4

DE102019003731B4 - Numerische Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102019003731B4
Application number: DE102019003731.6A
Authority: DE
Inventors: Kousuke Uno
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2039-05-29
Also published as: US10908594B2; US20190369603A1; DE102019003731A1; JP6787950B2; CN110554656B; CN110554656A; JP2019209419A

Abstract

Numerische Steuervorrichtung (1) zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks durch ein an einer Spindel angebrachtes Werkzeug basierend auf einem Bearbeitungsprogramm und zum Durchführen einer PID-Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit derart, dass eine Spindellast konstant wird, wobei die numerische Steuervorrichtung (1) umfasst:- eine Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) zum Bestimmen einer Amplitude einer auf eine Drehung der Spindel zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast, die dadurch erzeugt wird, dass eine Schneide des Werkzeugs in einem vorgegebenen Zyklus mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird,- eine Verstärkungsberechnungseinheit (180) zum Berechnen einer Verstärkung der PID-Regelung derart, dass eine Ausgabe der Vorschubgeschwindigkeit nicht durch die Amplitude beeinflusst wird, basierend auf der durch die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) bestimmten Amplitude der Schwingungskomponente, und- eine Geschwindigkeitsregeleinheit (110) zum Ausgeben der durch die PID-Regelung geregelten Vorschubgeschwindigkeit der Spindel unter Verwendung der durch die Verstärkungsberechnungseinheit (180) berechneten Verstärkung.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine numerische Steuervorrichtung und insbesondere eine numerische Steuervorrichtung zum automatischen Einstellen eines Einstellwerts.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Im Stand der Technik wird eine Technik zum Verkürzen einer Zyklusdauer einer Grobbearbeitung und zum Verlängern der Lebensdauer eines Schneidwerkzeugs durch Regeln einer Vorschubgeschwindigkeit derart, dass eine Spindellast konstant wird, offenbart (siehe z.B. JP H09 - 500 331 A und dergleichen). Es können verschiedene Verfahren zum Regeln der Vorschubgeschwindigkeit in Betracht gezogen werden, im Allgemeinen wird jedoch meist eine PID-Regelung als Regelung zum Halten eines Zielwerts auf einem konstanten Wert verwendet. Es ist möglich, einen Ausgang der PID-Regelung unter Verwendung des nachstehenden Ausdrucks 1 allgemein zu berechnen, und es ist möglich, die Regelung so durchzuführen, dass die Spindellast stabil konstant wird, und dabei schnell Bearbeitungsbedingungen zu befolgen, indem jede Verstärkung einer Verstärkung K_p eines Proportionalglieds, einer Verstärkung K_i eines Integralglieds und einer Verstärkung K_d eines Differentialglieds auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. $O (t) = K_{p} e_{L} (t) + \int_{t_{0}}^{t} K_{i} e_{L} (t) d t + K_{d} \frac{d}{d t} e_{L} (t) + C$

O(t):: Ausgangswert
eL(t):: Differenz zwischen einem zu regelnden Zielwert und einem aktuellen Wert (zu einem Zeitpunkt t)
Kp:: Verstärkung des Proportionalglieds der PID-Regelung
Ki:: Verstärkung des Integralglieds der PID-Regelung

Kd:: Verstärkung des Differentialglieds der PID-Regelung
C:: Regelabweichung (Offset) der PID-Regelung

3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für ein Regelungsblockdiagramm der PID-Regelung zeigt. Bei der PID-Regelung zum Durchführen einer Regelung derart, dass die Spindellast konstant wird, wird, wenn eine in 3 gezeigte Rückführungsregelung auf eine Werkzeugmaschine angewandt wird, um eine numerische Steuerung durchzuführen, bei jedem Regelzyklus der Rückführungsregelung der Ausgangswert O(t) für den aktuellen Regelzyklus gemäß einer Zielspindellast und einer Rückführung L(t) der Spindellast infolge einer tatsächlichen Bearbeitung berechnet und geregelt. Im Übrigen ist ein Filter eingefügt, in das die Rückführung L(t) eingegeben wird, um in der Rückführung L(t) enthaltenes Rauschen zu reduzieren.
Die Lastschwankung der Spindel hat eine auf eine Schwankung eines Schneidvolumens zurückzuführende Komponente und eine auf eine Spindeldrehung zurückzuführende Komponente und es besteht die Möglichkeit, dass die auf die Spindeldrehung zurückzuführende Komponente bei der Regelung eine Schwingung verursacht. Wie im oberen Abschnitt von 4 dargestellt, wird es beispielsweise in Betracht gezogen, eine Bearbeitung eines Werkstücks durch Bewegen der Spindel in eine Richtung des Werkstücks in einem Zustand durchzuführen, in dem das an der Spindel angebrachte Werkzeug gedreht wird. Zu dieser Zeit wird, davon ausgehend, dass das Werkzeug zum Zeitpunkt Sekunde a (null Sekunden) mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird und das Werkzeug zum Zeitpunkt Sekunde b aus dem Werkstück austritt, das Werkstück bearbeitet, wobei im unteren Abschnitt von 4 ein Diagramm gezeigt ist, in dem eine Beziehung zwischen der Zeit (s) und der Spindellast (%) dargestellt ist, und wobei in diesem Diagramm die Spindellast (die bei der PID-Regelung rückgeführte Spindellast) durch dünne schwarze Linien und eine auf eine Schwankung eines Schneidvolumens zurückzuführende Komponente der Spindellast durch eine dicke gestrichelte weiße Linie in der Mitte der dünnen Linien dargestellt ist.
Bei dem im unteren Abschnitt von 4 gezeigten Diagramm ist eine Differenz zwischen den dünnen schwarzen Linien und der dicken gestrichelten weißen Linie eine auf die Spindeldrehung zurückzuführende Komponente der Spindellast. Die auf die Spindeldrehung zurückzuführende Komponente der Spindellast wird durch eine Differenz zwischen einer Last, wenn eine Schneide des Werkzeugs, das an der Spindel angebracht ist und gedreht wird, mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird, und einer Last, wenn die Schneide des Werkzeugs, das an der Spindel angebracht ist und gedreht wird, nicht mit dem Werkstück in Kontakt steht, erzeugt und ist eine Schwingungskomponente mit einer Frequenz, die von der Anzahl der Schneiden des Werkstücks und der Drehzahl der Spindel abhängt. Folglich wird, da die auf die Spindeldrehung zurückzuführende Komponente der Spindellast als Rauschen zu einem Rückführungswert hinzugefügt wird, auch bei einer Korrektur (Override) (in diesem Fall der Vorschubgeschwindigkeit), die den Ausgangswert der PID-Regelung darstellt, eine Schwingung erzeugt, so dass Problem besteht, dass die Stabilität der Regelung nicht aufrechterhalten werden kann. Obgleich es möglich ist, diese Schwingung durch Einstellen eines in 3 gezeigten Filters bis zu einem gewissen Grad zu reduzieren, wird, wenn versucht wird, die Frequenzkomponente des Rauschens durch das Filter zu reduzieren, die Ansprechgeschwindigkeit des Filters zum Problem und auch die Ansprechgeschwindigkeit der PID-Regelung selbst nimmt ab, so dass das Problem besteht, dass es nicht möglich ist, zum einfachen Reduzieren der Frequenzkomponente des Rauschens ein Filter einzusetzen.
DE 10 2017 003 649 A1 beschreibt eine numerische Steuereinheit, die einen Ausgabewert bei einer rückgekoppelten Steuerung steuert.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Offenbarung darin, eine numerische Steuervorrichtung bereitzustellen, die dazu fähig ist, eine PID-Regelung so durchzuführen, dass die Vorschubgeschwindigkeit nicht durch die auf die Spindeldrehung zurückzuführende Schwingungskomponente beeinflusst wird. Gelöst wird die Aufgabe durch eine numerische Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die numerische Steuervorrichtung der vorliegenden Offenbarung handhabt das vorstehende Problem durch Messen oder Vorhersagen einer solchen eine Schwingung verursachenden Komponente und durch Einstellen einer Verstärkung derart, dass der Ausgang der PID-Regelung nicht durch die Wirkung der Schwingung beeinflusst wird.
Folglich wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung eine numerische Steuervorrichtung zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks durch ein an einer Spindel angebrachtes Werkzeug basierend auf einem Bearbeitungsprogramm und zum Durchführen einer PID-Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit derart, dass eine Spindellast konstant wird, bereitgestellt, wobei die numerische Steuervorrichtung umfasst: eine Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitude einer auf eine Drehung der Spindel zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast, die dadurch erzeugt wird, dass eine Schneide des Werkzeugs in einem vorgegebenen Zyklus mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird, eine Verstärkungsberechnungseinheit zum Berechnen einer Verstärkung der PID-Regelung derart, dass eine Ausgabe der Vorschubgeschwindigkeit nicht durch die Amplitude beeinflusst wird, basierend auf der durch die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplitude der Schwingungskomponente, und eine Geschwindigkeitsregeleinheit zum Ausgeben der durch die PID-Regelung geregelten Vorschubgeschwindigkeit der Spindel unter Verwendung der durch die Verstärkungsberechnungseinheit berechneten Verstärkung.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Verstärkung entsprechend der Werkzeugmaschine und der Bearbeitung automatisch einzustellen, so dass die Stabilität der Bewegung der Spindel basierend auf der eingestellten Verstärkung durch die PID-Regelung verbessert wird, wobei davon ausgegangen wird, dass sich Effekte zur Unterdrückung einer Schwingung in der Maschine und zur Verlängerung der Lebensdauer des Werkzeugs einstellen. Außerdem kann davon ausgegangen werden, da die Einstellung der Verstärkung automatisch durchgeführt wird, dass sich das erforderliche Fachwissen und der Aufwand durch die Vereinfachung der Einstellung verringern lassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor. In den Figuren zeigt:

1 eine schematische Hardwarekonfigurationsdarstellung einer numerischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 ein schematisches Funktionsblockdiagramm einer numerischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
3 eine Darstellung, die ein Regelungsblockdiagramm einer PID-Regelung gemäß einer Technik nach dem zugehörigen Stand der Technik zeigt; und
4 eine Darstellung zur Beschreibung der Komponenten einer Spindellast während der Bearbeitung.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
1 ist eine schematische Hardwarekonfigurationsdarstellung, die einen Hauptteil einer numerischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Eine CPU 11, die in einer numerischen Steuervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist, ist ein Prozessor, der die numerische Steuervorrichtung 1 insgesamt steuert. Die CPU 11 liest über ein Bus 20 ein in einem ROM 12 gespeichertes Systemprogramm aus und steuert die gesamte numerische Steuervorrichtung 1 gemäß dem Systemprogramm. Temporäre Berechnungsdaten und Anzeigedaten, verschiedene durch einen Bediener über eine Eingabeeinrichtung (nicht gezeigt) eingegebene Daten und dergleichen werden in einem RAM 13 zwischengespeichert.
Ein nichtflüchtiger Speicher 14 ist als Speicher konfiguriert, in dem ein Speicherzustand, beispielsweise gestützt durch eine Batterie (nicht gezeigt) und dergleichen, selbst dann aufrechterhalten wird, wenn eine Stromversorgung der numerischen Steuervorrichtung 1 abgeschaltet wird. Der nichtflüchtige Speicher 14 speichert ein Steuerprogramm, das über eine Schnittstelle 15 aus einem externen Gerät 72 ausgelesen wird, ein Steuerprogramm, das über eine Anzeige-/MDI-Einheit 70 eingegeben wird, und verschiedene Daten, die von jeder Einheit der numerischen Steuervorrichtung 1, der Werkzeugmaschine, einem Sensor und dergleichen erfasst werden. Das Steuerprogramm und die verschiedenen Daten, die im nichtflüchtigen Speicher 14 gespeichert werden, können während der Laufzeit oder beim Gebrauch auf das RAM 13 ausgedehnt werden. Außerdem werden verschiedene Systemprogramme, wie etwa bekannte Analyseprogramme, vorab in das ROM 12 geschrieben.
Die Schnittstelle 15 ist eine Schnittstelle zum Verbinden der numerischen Steuervorrichtung 1 und des externen Geräts 72, wie etwa ein USB-Gerät. Das Steuerprogramm, verschiedene Parameter und dergleichen werden aus dem externen Gerät 72 ausgelesen. Es ist möglich, das Steuerprogramm, die verschiedenen Parameter und dergleichen, die in der numerischen Steuervorrichtung 1 editiert werden, über das externe Gerät 72 in externe Speichereinrichtungen zu speichern.
Eine programmierbare Maschinensteuereinrichtung (PMC/Programmable Machine Controller) 16 gibt über eine Ein-/Ausgabe- (I/O-) Einheit 17 Signale an die Werkzeugmaschine und Peripheriegeräte der Werkzeugmaschine (z.B. einen Aktor, wie etwa eine Roboterhand zum Werkzeugaustausch, einen an der Werkzeugmaschine angebrachten Sensor oder dergleichen) aus und steuert die Werkzeugmaschine und die Peripheriegeräte durch ein in der Steuereinrichtung 1 enthaltenes Sequenzprogramm. Außerdem empfängt die PMC 16 Signale von verschiedenen Schaltern oder Peripheriegeräten eines am Hauptkörper der Werkzeugmaschine bereitgestellten Bedienpanels und übermittelt die Signale nach Durchführung einer notwendigen Signalverarbeitung an die CPU 11.
Die Anzeige-/MDI-Einheit 70 ist eine manuelle Dateneingabe- (MDI/Manual Data Input) Einrichtung, die eine Anzeigeeinrichtung, eine Tastatur und dergleichen umfasst, und eine Schnittstelle 18 empfängt Befehle und Daten von der Tastatur der Anzeige-/MDI-Einheit 70 und übermittelt die Befehle und Daten an die CPU 11. Eine Schnittstelle 19 ist mit einem Bedienpanel 71 verbunden, das einen manuellen Impulsgeber oder dergleichen aufweist, der zum manuellen Antreiben jeder Achse verwendet wird.
Eine Achsensteuerschaltung 30 zum Steuern der in der Werkzeugmaschine enthaltenen Achsen empfängt einen Befehl des Bewegungsbetrags einer Achse von der CPU 11 und gibt den Befehl der Achse an einen Servoverstärker 40 aus. In Antwort auf diesen Befehl treibt der Servoverstärker 40 einen Servomotor 50 an, um die in der Werkzeugmaschine enthaltene Achse zu bewegen. Der Servomotor 50 der Achse umfasst einen Positions-/Drehzahldetektor und führt Positions-/Drehzahlrückführungssignale vom Positions-/Drehzahldetektor zur Achsensteuerschaltung 30 zurück, um eine Rückführungsregelung der Position und Drehzahl durchzuführen. In der Hardwarekonfigurationsdarstellung von 1 sind nur eine Achsensteuerschaltung 30, ein Servoverstärker 40 und ein Servomotor 50 dargestellt, tatsächlich werden die Achsensteuerschaltung 30, der Servoverstärker 40 und der Servomotor 50 jedoch entsprechend der Anzahl der Achsen bereitgestellt, die in der zu steuernden Werkzeugmaschine enthalten sind.
Eine Spindelsteuerschaltung 60 empfängt einen Spindeldrehbefehl und gibt ein Spindeldrehzahlsignal an einen Spindelverstärker 61 aus. Der Spindelverstärker 61 empfängt das Spindeldrehzahlsignal und dreht einen Spindelmotor 62 der Werkzeugmaschine mit einer angewiesenen Drehzahl, um das Werkzeug anzutreiben. Ein Positionscodierer 63 ist mit dem Spindelmotor 62 gekoppelt, wobei der Positionscodierer 63 in Synchronisation mit der Drehung einer Spindel einen Rückführungsimpuls ausgibt und der Rückführungsimpuls durch die CPU 11 gelesen wird.
2 ist ein schematisches Funktionsblockdiagramm der numerischen Steuervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Jeder in 2 dargestellte Funktionsblock wird durch die CPU 11 implementiert, die in der in 1 gezeigten numerischen Steuervorrichtung 1 enthalten ist, wodurch es ermöglicht wird, jedes Systemprogramm auszuführen und den Betrieb jeder Einheit der numerischen Steuervorrichtung 1 zu steuern.
Die numerische Steuervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Befehlsanalyseeinheit 120, eine Geschwindigkeitsregeleinheit 110, eine Interpolationseinheit 100, eine Beschleunigungs-/Verzögerungseinheit 130, eine Servosteuereinheit 140, eine Spindellasterfassungseinheit 150, eine Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160, eine Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 und eine Verstärkungsberechnungseinheit 180 und der nichtflüchtige Speicher 14 ist in einem Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt 210 bereitgestellt, der ein Bereich zum Speichern einer Bearbeitungsbedingung ist, die auf eine Bearbeitung eines Werkstücks durch das Steuerprogramm bezogen ist.
Die Befehlsanalyseeinheit 120 liest sequentiell Blöcke zum Anweisen der Bewegung einer zu steuernden Maschine aus dem im nichtflüchtigen Speicher 14 gespeicherten Steuerprogramm und dergleichen aus und analysiert sie, erzeugt basierend auf den Analyseergebnissen Befehlsdaten zum Anweisen der Bewegung einer durch den Servomotor 50 angetriebenen Achse und gibt die erzeugen Befehlsdaten an die Geschwindigkeitsregeleinheit 110 aus.
Die Geschwindigkeitsregeleinheit 110 berechnet basierend auf einer durch die Spindellasterfassungseinheit 150 erfassten Spindellast des Spindelmotors 62 eine Korrektur der Vorschubgeschwindigkeit der von der Befehlsanalyseeinheit 120 eingegebenen Befehlsdaten derart, dass die Spindellast konstant wird, und gibt Befehlsdaten, deren Geschwindigkeit basierend auf der berechneten Korrektur angepasst wurde, an die Interpolationseinheit 100 aus. Die Geschwindigkeitsregeleinheit 110 ist dafür konfiguriert, eine Geschwindigkeitsregelung durchzuführen, um die Spindellast konstant zu halten (wie z.B. in 3 gezeigt).
Basierend auf den von der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 eingegebenen geschwindigkeitsangepassten Befehlsdaten erzeugt die Interpolationseinheit 100 gemäß den Befehlsdaten für jeden Interpolationszyklus Interpolationsdaten als Punkt auf einem Befehlspfad und gibt den Punkt an die Beschleunigungs-/Verzögerungseinheit 130 aus.
Die Beschleunigungs-/Verzögerungseinheit 130 berechnet basierend auf den von der Interpolationseinheit 100 eingegebenen Interpolationsdaten für jede Interpolationsperiode eine Geschwindigkeit jeder Achse und gibt Ergebnisdaten an die Servosteuereinheit 140 aus.
Dann steuert die Servosteuereinheit 140 basierend auf dem Ausgang der Beschleunigung-/Verzögerungseinheit 130 den Servomotor 50, um eine Achse der zu steuernden Maschine anzutreiben.
Die Spindellasterfassungseinheit 150 erfasst einen Spindellastwert, der durch einen am Spindelmotor 62 angebrachten Sensor (nicht gezeigt) gemessen wird, oder einen geschätzten Spindellastwert, der durch Messen eines durch den Servomotor 50 fließenden Stromwerts und dergleichen erhalten wird. Der durch die Spindellasterfassungseinheit 150 erfasste Spindellastwert wird in der Geschwindigkeitsregeleinheit 110, der Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160, der Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 und dergleichen verwendet.
Die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160 ist eine Funktionseinheit zum Bestimmen einer Frequenz H einer auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast. Beispielsweise kann die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160 basierend auf der vom Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt 210 erfassten Bearbeitungsbedingung und den von der Befehlsanalyseeinheit 120 erfassten Befehlsdaten die Anzahl N_b der Schneiden des an der Spindel angebrachten Werkzeugs und eine Drehzahl S (Min^-1) der Spindel sowie eine Frequenz H (Hz) der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast bestimmen, indem sie basierend auf der bestimmten Anzahl der Schneiden des Werkzeugs und der Drehzahl der Spindel unter Verwendung des nachstehenden Ausdrucks 2 eine Berechnung durchführt. Die Frequenz H kann jedoch auch durch Durchführen einer Berechnung unter Verwendung des Ausdrucks 3 durchgeführt werden, wobei berücksichtigt wird, dass die Rotationssymmetrie des Werkzeugs durch den Einfluss der Exzentrizität der Spindel, eines Werkzeugverschleißes, eines Nichtvorhandenseins und dergleichen gestört wird und eine Frequenzkomponente der Spindeldrehung zunimmt. Außerdem führt die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160 an den Zeitreihendaten des durch die Spindellasterfassungseinheit 150 erfassten Spindellastwerts beispielsweise eine Frequenzanalyse durch, so dass die Frequenz H der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast bestimmt werden kann. $H = \frac{N_{b} S}{60}$
$H = \frac{S}{60}$
Die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 ist eine Funktionseinheit zum Bestimmen eines Amplitudenwerts W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast. Beispielsweise kann die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 basierend auf der vom Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt 210 erfassten Bearbeitungsbedingung und den von der Befehlsanalyseeinheit 120 erfassten Befehlsdaten ein Material des Werkstücks (Härtegrad des Werkstücks), eine Schnitttiefe, eine Schnittbreite (oder einen Werkzeugdurchmesser), eine Vorschubgeschwindigkeit der Spindel und basierend auf der bestimmten Anzahl der Schneiden des Werkzeugs und der Drehzahl der Spindel einen Amplitudenwert W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast bestimmen. Wenn ein solches Verfahren angewandt wird, können im Vorfeld Experimente oder dergleichen durchgeführt werden, und eine Beziehung zwischen der Schnitttiefe, der Schnittbreite (oder dem Werkzeugdurchmesser) und der Vorschubgeschwindigkeit der Spindel bei jedem Werkstückmaterial und dem Amplitudenwert W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast wird gemäß einem bekannten Verfahren, wie etwa einer multivariaten Analyse, erhalten, der Amplitudenwert W kann jedoch auch unter spezifischen Bedingungen gemessen werden, die bei der Bearbeitung eines Ziels, auf das eine Funktion angewandt wird, verwendet werden. Außerdem kann die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 den Amplitudenwert W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast durch Durchführen einer Frequenzanalyse an den Zeitreihendaten des durch die Spindellasterfassungseinheit 150 erfassten Spindellastwerts bestimmen.
Nach dem vorstehend beschriebenen Bestimmen des Amplitudenwerts W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast erfasst die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 um wie viel die Amplitude beim Durchlaufen eines Filters (der einem Filter des Regelungsblockdiagramms aus 3 entspricht) in der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 reduziert wird, und gibt einen erhaltenen Amplitudenwert W_f nach der Reduzierung an die Verstärkungsberechnungseinheit 180 aus. Zum Erhalten des Amplitudenwerts W_f nach der Reduzierung verwendet die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 die im Vorfeld eingestellten (vom Typ und den Parametern des Filters abhängigen) Eigenschaften des Filters der Geschwindigkeitsregeleinheit 110, die durch die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit 160 bestimmte Frequenz H der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast und den wie vorstehend beschrieben bestimmten Amplitudenwert W der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast. Wenn der Amplitudenwert W der Schwingungskomponente aufgrund der Eigenschaften des Filters beispielsweise um 20 % reduziert wird, kann ein Wert von 0,8 W als Amplitudenwert W_f nach der Reduzierung ausgegeben werden. Im Übrigen ist die vorstehende Verarbeitung unnötig, wenn die Geschwindigkeitsregeleinheit 110 eine Konfiguration hat, die dem Filter des Steuerblockdiagramms aus 3 nicht entspricht.
Basierend auf dem von der Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit 170 eingegebenen Amplitudenwert W_f (nach der Reduzierung durch das Filter) der auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente stellt die Verstärkungsberechnungseinheit 180 eine Verstärkung (eine proportionale Verstärkung K_p und bei Bedarf eine weitere Integrationsverstärkung K_i, wie in 3 gezeigt) in der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 ein. Beispielsweise stellt die Verstärkungsberechnungseinheit 180 eine maximale K_p ein, die unter Verwendung des nachstehend dargestellten Ausdrucks 4 berechnet wird.
In Bezug auf die Konstante K_m im Ausdruck 4 können im Vorfeld Experimente und dergleichen durchgeführt werden und ein Wert kann erhalten und so eingestellt werden, dass die von der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 ausgegebene Vorschubgeschwindigkeit bei einem vorgegebenen Amplitudenwert W_f nicht durch die auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast beeinflusst wird. $K_{p} \leq \frac{K_{m}}{W_{f}}$
Nach dem Einstellen der proportionalen Verstärkung K_p gemäß dem obigen Verfahren muss die Verstärkungsberechnungseinheit 180, wenn die von der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 ausgegebene Vorschubgeschwindigkeit durch die auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast beeinflusst wird, ferner einen Wert der Integrationsverstärkung K_i auf einen Wert herabsetzen, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit nicht durch die Schwingungskomponente beeinflusst wird. Da eine integrale Komponente der PID-Regelung die gleichen Frequenzeigenschaften wie in Filter erster Ordnung aufweist, ist es möglich, eine Amplitude einer auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Komponente, die in einem Ausgang reflektiert wird, ähnlich wie bei dem Filter in der Geschwindigkeitsregeleinheit 110 zu schätzen, und die integrale Verstärkung K_i ähnlich wie bei der obigen proportionalen Verstärkung K_p einzustellen.
Bei der numerischen Steuervorrichtung 1 mit der obigen Konfiguration wird eine Verstärkung basierend auf einer auf die Spindeldrehung zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast automatisch eingestellt, so dass ein Ausgang der PID-Regelung nicht durch die Schwingungskomponente beeinflusst wird. Somit wird die Stabilität der Bewegung der Spindel weiter verbessert und es kann davon ausgegangen werden, dass sich im Vergleich zur PID-Regelung gemäß dem zugehörigen Stand der Technik, die die auf die Spindeldrehung zurückzuführende Schwingungskomponente der Spindellast nicht berücksichtigt, Effekte zur Unterdrückung der Schwingung in der Maschine und zur Verlängerung der Lebensdauer des Werkzeugs einstellen.
Wie vorstehend beschrieben, ist die vorliegende Offenbarung, obgleich die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, nicht ausschließlich auf die Beispiele der vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und lässt sich durch Vornehmen geeigneter Modifikationen auf verschiedene Art und Weise umsetzen.

Claims

Numerische Steuervorrichtung (1) zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks durch ein an einer Spindel angebrachtes Werkzeug basierend auf einem Bearbeitungsprogramm und zum Durchführen einer PID-Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit derart, dass eine Spindellast konstant wird, wobei die numerische Steuervorrichtung (1) umfasst: - eine Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) zum Bestimmen einer Amplitude einer auf eine Drehung der Spindel zurückzuführenden Schwingungskomponente der Spindellast, die dadurch erzeugt wird, dass eine Schneide des Werkzeugs in einem vorgegebenen Zyklus mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird, - eine Verstärkungsberechnungseinheit (180) zum Berechnen einer Verstärkung der PID-Regelung derart, dass eine Ausgabe der Vorschubgeschwindigkeit nicht durch die Amplitude beeinflusst wird, basierend auf der durch die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) bestimmten Amplitude der Schwingungskomponente, und - eine Geschwindigkeitsregeleinheit (110) zum Ausgeben der durch die PID-Regelung geregelten Vorschubgeschwindigkeit der Spindel unter Verwendung der durch die Verstärkungsberechnungseinheit (180) berechneten Verstärkung.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsberechnungseinheit (180) eine Verstärkung des Proportionalglieds der PID-Regelung berechnet.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Verstärkungsberechnungseinheit (180) ferner, wenn der Einfluss der Amplitude der Schwingungskomponente in einer Ausgabe der Vorschubgeschwindigkeit nicht unterdrückt werden kann, lediglich durch Ändern der Verstärkung des Proportionalglieds eine Verstärkung des Integralglieds der PID-Regelung berechnet.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner umfasst: - eine Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit (160) zum Bestimmen einer Frequenz der Schwingungskomponente, - wobei die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) basierend auf der durch die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit (160) bestimmten Frequenz unter Berücksichtigung einer Reduzierung der Rückführung der Amplitude der Schwingungskomponente eine Amplitude der Schwingungskomponente bestimmt.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 4, die ferner umfasst: - einen Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt (210) zum Speichern einer Bearbeitungsbedingung für die Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine, - wobei die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit (160) basierend auf einer im Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt (210) gespeicherten Bearbeitungsbedingung und einem Befehl des Bearbeitungsprogramms eine Frequenz der Schwingungskomponente bestimmt.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Schwingungsfrequenzbestimmungseinheit (160) basierend auf einer gemessenen Spindellast eine Frequenz der Schwingungskomponente bestimmt.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner umfasst: - einen Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt (210) zum Speichern einer Bearbeitungsbedingung für die Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine, - wobei die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) basierend auf einer im Bearbeitungsbedingungsspeicherabschnitt (210) gespeicherten Bearbeitungsbedingung und einem Befehl des Bearbeitungsprogramms eine Amplitude der Schwingungskomponente bestimmt.
Numerische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schwingungsamplitudenbestimmungseinheit (170) basierend auf einer gemessenen Spindellast eine Amplitude der Schwingungskomponente bestimmt.