DE102019106439A1

DE102019106439A1 - Positionsregelsystem

Info

Publication number: DE102019106439A1
Application number: DE102019106439.2A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Fukui
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110275486B; JP6999456B2; CN110275486A; JP2019160073A; US11079734B2; US20190286094A1

Abstract

Es werden jeweilige Beträge der Bewegung von Vorschubachsen, die einem ersten und einem zweiten Positionscontroller 101a, 101b entsprechen, bestimmt, und falls ein Wert, der durch Dividieren eines kleineren Betrags der Bewegung durch einen größeren Betrag der Bewegung in den zwei Beträgen der Bewegung erhalten wird, in einem vorgeschriebenen Referenzbereich liegt, wählt ein Positionscontroller für die Vorschubachse mit dem kleineren Betrag der Bewegung eine detektierte Motorposition als einen Positionsrückkopplungswert und wählt ein Positionscontroller für die andere Vorschubachse eine detektierte Objektposition als einen Positionsrückkopplungswert.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der JP-Patentanmeldung Nr. 2018-048436 , eingereicht am 15. März 2018.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Positionsregelsystem, das z. B. an einer Werkzeugmaschine montiert ist, und insbesondere auf ein Positionsregelsystem, das auf der Grundlage einer detektierten Motorposition von einem an einem Motor angebrachten Motorpositionsdetektor und einer detektierten Objektposition von einem in der Nähe eines geregelten Objekts angebrachten Objektpositionsdetektor eine Rückkopplungsregelung eines Antriebssystems ausführt.
HINTERGRUND
Anhand der Zeichnungen wird eine schematische Konfiguration eines Rückkopplungsregelsystems in einem an einer herkömmlichen Werkzeugmaschine montierten Positionsregelsystem beschrieben. 5 ist ein Systemblockschaltplan, der eine schematische Konfiguration eines herkömmlichen Positionsregelsystems für zwei Vorschubachsen, die geregelte Objekte sind, darstellt. Dieses herkömmliche Positionsregelsystem enthält ein System, das durch Antreiben mehrerer Vorschubachsen eine Position eines geregelten Objekts 117 regelt. Obwohl in 5 insgesamt zwei geregelte Objekte 117, eines auf der Seite der ersten Vorschubachse (Oberseite) und eines auf der Seite der zweiten Vorschubachse (Unterseite), dargestellt sind, geben diese zwei geregelten Objekte 117 dasselbe an. Allerdings sind die schließlich geregelten Objekte 117 aus Sicht der zwei Vorschubachsen streng genommen nicht dasselbe geregelte Objekt 117, da z. B. die zwei Vorschubachsen in einem Zustand sind, in dem ein Vorschubachsenmechanismus an der anderen Vorschubachse montiert ist, selbst wenn die geregelten Objekte 117 wie etwa ein Werkzeughalter, der mit einem Werkzeug ausgestattet ist, dasselbe geregelte Objekt 117 sind. Zur Erleichterung der Beschreibung werden die geregelten Objekte 117 hier als dasselbe behandelt.
Das Positionsregelsystem enthält einen ersten Positionscontroller 101a und einen zweiten Positionscontroller 101b, die jeweils für die zwei Vorschubachsen vorgesehen sind. Der erste Positionscontroller 101a und der zweite Positionscontroller 101b sind in Bezug auf die Konfiguration im Wesentlichen dieselben, so dass sie dort, wo keine Notwendigkeit besteht, zwischen dem „Ersten“ und dem „Zweiten“ zu unterscheiden, einfach als „Positionscontroller 101“ bezeichnet sind, wobei die Zusätze a und b weggelassen sind. Dasselbe betrifft andere Elemente.
Jeder Positionscontroller 101 berechnet über einen Subtrahierer 104 eine Differenz zwischen einer Befehlsposition P von einem numerischen Controller 102, der eine Einrichtung höherer Ebene ist, und einer von einem linearen Codierer 103 ausgegebenen detektierten Position Pd und stellt die Differenz als einen Positionsfehler Pe ein. Ein Geschwindigkeitsbefehlsrechner 105 verstärkt eine Befehlsgeschwindigkeit V auf der Grundlage des Positionsfehlers Pe mit einer proportionalen Verstärkung Kp und gibt die Befehlsgeschwindigkeit V aus. Währenddessen differenziert der Positionscontroller 101 eine detektierte Motorposition Pm von einem Motorpositionsdetektor 106 über einen Differenzierer 107 und stellt er ein Ergebnis der Differentiation als eine detektierte Motorgeschwindigkeit Vm ein und berechnet er über einen Subtrahierer 108 eine Differenz zwischen der detektierten Motorgeschwindigkeit Vm und der Befehlsgeschwindigkeit V und stellt er die Differenz als eine Geschwindigkeitsabweichung ein. Diese Geschwindigkeitsabweichung wird über einen Drehmomentbefehlsrechner (Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung Pv) 109 in eine Geschwindigkeitsabweichungs-Proportionalkomponente umgewandelt und gleichzeitig über einen Drehmomentbefehlsrechner (Geschwindigkeitsschleifen-Integralverstärkung Iv) 110 in eine Geschwindigkeitsabweichungs-Integralkomponente umgewandelt und die Geschwindigkeitsabweichungs-Proportionalkomponente und die Geschwindigkeitsabweichungs-Integralkomponente werden über einen Addierer 111 addiert und ein Ergebnis der Addition wird als ein Drehmomentbefehl T eingestellt. Der Drehmomentbefehl T wird über einen Stromcontroller 112 verschiedenen Arten einer Filterungsverarbeitung ausgesetzt und veranlasst daraufhin, dass ein Strom zum Regeln eines Motors 113 ausgegeben wird.
Eine Drehwelle des Motors 113 dreht sich gemäß dem Strom von dem Positionscontroller 101. Eine über eine Kupplung 114 mit der Drehwelle des Motors 113 gekoppelte Kugelgewindespindel 115 dreht sich ebenfalls. Eine mit einem geregelten Objekt 117 wie etwa einem Tisch verbundene Kugelgewindespindelmutter 116 ist z. B. durch eine nicht dargestellte Führungsfläche in Bezug auf eine Drehrichtung der Kugelgewindespindel 115 beschränkt und wird zusammen mit der Drehung der Kugelgewindespindel 115 in einer Achsrichtung der Kugelgewindespindel 115 angetrieben. Die detektierte Motorposition Pm von dem mit der Drehwelle des Motors 113 zusammengefügten Motorpositionsdetektor 106 ändert sich zusammen mit der Drehung der Drehwelle des Motors 113 ebenfalls. Darüber hinaus wird ein an dem geregelten Objekt 117 befestigter Detektionskopf 118 des linearen Codierers 103 zusammen mit der Drehung des Motors 113 in der Achsrichtung der Kugelgewindespindel 115 angetrieben und ändert sich ein Betrag der Bewegung des Detektionskopfs 118 relativ zu einer Skale 119 des linearen Codierers 113, wobei die Skale 119 festgesetzt ist, z. B. ein nicht dargestelltes Bett ist, d. h. die detektierte Position Pd des geregelten Objekts 117, ebenfalls. Die detektierte Position Pd und die detektierte Motorposition Pm, die sich wie oben angegeben geändert haben, werden an den Positionscontroller 101 ausgegeben und es wird eine Rückkopplungsregelung ausgeführt, um die Differenz zwischen der detektierten Position Pd und der Befehlsposition P von dem numerischen Controller 102 zu beseitigen.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, führen der erste Positionscontroller 101a und der zweite Positionscontroller 101b die Positionsregelung außerdem synchron zueinander aus, um zu arbeiten, während Einheitsintervalle jeweiliger Befehlspositionen von dem numerischen Controller 102 als einer Einrichtung höherer Ebene interpoliert werden. Hier ist angenommen, dass: das in 5 dargestellte Positionsregelsystem z. B. die numerische Regelung und die Positionsregelung einer 1-Bettschlitten-Drehbank ausführt; der erste Positionscontroller 101a die Regelung einer X-Achse davon übernimmt; und der zweite Positionscontroller 101b die Regelung einer Z-Achse davon übernimmt. Wo θ ein Winkel zwischen einer Bewegungsrichtung eines Werkzeugs, das das geregelte Objekt 117 ist, und der Z-Achse ist, Lx ein Betrag der Bewegung auf der X-Achse ist und Lz ein Betrag der Bewegung auf der Z-Achse ist, ist hier tanθ = (Lx/Lz). 6 ist eine Schnittansicht eines konischen Stopfenteils mit einem Kegelwinkel α°. Um einen konischen Abschnitt 602 eines konischen Stopfenteils 601, das in 6 dargestellt ist, mit guter Präzision über eine 1-Bettschlitten-Drehbank zu bearbeiten, ist es notwendig, die 1-Bettschlitten-Drehbank von dem Punkt Q bis zu dem Punkt R an Koordinaten mit der X-Achse und mit der Z-Achse synchron zueinander anzusteuern, während Mikrointervalle interpoliert werden.
7 ist ein beispielhafter schematischer Blockschaltplan, der die innere Verarbeitung in einem herkömmlichen numerischen Controller 102 darstellt. In den numerischen Controller 102 wird über eine Programmeingabevorrichtung 301 ein Programm zur Verarbeitung, z. B. des konischen Stopfenteils 601, eingegeben. Die Programmeingabevorrichtung 301 empfängt z. B. eine Eingabe über eine Tastatur einer Konsole und eine Eingabe einer Übertragung von einem Medium wie etwa einen USB-Speicher und enthält allgemein eine Ablagespeichereinheit zum Speichern eines Bearbeitungsprogramms selbst. Das Bearbeitungsprogramm wird an den Programminterpreter 302 ausgegeben und der Programminterpreter 302 erzeugt aus dem Bearbeitungsprogramm Daten wie etwa Vorschubrichtungen für die jeweiligen Vorschubachsen. Die erzeugten Daten werden an den Funktionsgenerator 303 ausgegeben. Wenn die Daten eingegeben werden, berechnet der Funktionsgenerator 303 für jeden Regelzyklus der Vorschubachsen Funktionserzeugungspositionen (Befehlspositionen Pa, Pb), um eine Axialbewegungsregelung der jeweiligen Vorschubachsen auszuführen. Die berechneten Befehlspositionen Pa, Pb werden für jeden Regelzyklus der Vorschubachsen an die jeweiligen Positionscontroller 101a, 101b ausgegeben.
Wo der konische Abschnitt 602 des konischen Stopfenteils 601 aus 6 bearbeitet wird, berechnet der Funktionsgenerator 303 in dem numerischen Controller 102 für ein Bearbeitungsprogramm für eine Bearbeitung, die bei dem Punkt Q beginnt und bei dem Punkt R endet, für jeden einzelnen Regelzyklus der Vorschubachsen gemäß einer durch das Bearbeitungsprogramm bestimmten Vorschubgeschwindigkeit eine Zielposition, um Befehlspositionen Pa, Pb für die zwei Vorschubachsen zu bestimmen. Falls hier angenommen ist, dass: die Koordinaten des Punkts Q (x, z) = (4,5, 100) sind; und die Koordinaten des Punkts R (x, z) = (12,40) sind, eine Vorschubgeschwindigkeit F während der Bearbeitung = 100 mm/min ist und der Regelzyklus der Vorschubachsen 6,4 ms ist, ist ein Betrag der Bewegung für jeden einzelnen Regelzyklus näherungsweise 10,67 µm. Darüber hinaus ist ein Betrag der Bewegung für jeden einzelnen Regelzyklus auf der X-Achse näherungsweise 1,32 µm und ist ein Betrag der Bewegung für jeden einzelnen Regelzyklus auf der Z-Achse näherungsweise 10,58 µm. Obwohl die ausführliche Beschreibung hier weggelassen wird, tritt die Bearbeitung allerdings in der Umgebung von Q, der der Anfangspunkt ist, in einen Beschleunigungszustand ein, und tritt sie in der Umgebung des Punkts R, der der Endpunkt ist, in einen Verzögerungszustand ein, so dass der Funktionsgenerator 303 die Befehlspositionen Pa, Pb unter Berücksichtigung des Beschleunigungs-/Verzögerungszustand berechnet.
In der Bearbeitung des konischen Stopfenteils 601 unter Verwendung des oben beschriebenen Positionsregelsystem veranlasst hier ein für den linearen Codierer 103 inhärenter Detektionsfehler, dass ein Trajektorienfehler des Kegelwinkels α° von einem Auslegungswert abweicht. Insbesondere tritt in einem regulären Zyklus unter den für den linearen Codierer 103 inhärenten Detektionsfehlern wiederholt ein Interpolationsfehler auf, so dass in einem regulären Zyklus in der Kegelfläche des konischen Stopfenteils 601 ebenfalls eine Ungleichmäßigkeit erzeugt wird.
Obwohl für den linearen Codierer 103 jene mit verschiedenen Merkmalen kommerziell verfügbar sind, wird für eine Vorschubachse einer allgemeinen Werkzeugmaschine ein linearer Codierer mit einem Interpolationsfehler von etwa ±0,1 µm bis ±0,4 µm gewählt. Außerdem ist eine Wellenlänge eines Interpolationsfehlers eine Wellenlänge, die eine Grundteilungslänge z. B. einer Glasskale oder eines Stahlbands, die in der Skale 119 des linearen Codierers 103 enthalten ist, oder eine Wellenlänge, die durch Division der Grundteilungswellenlänge durch eine ganze Zahl erhalten wird, ist. Es gibt Haupttypen des Detektionsprinzips des linearen Codierers 103: einen optischen Typ und einen magnetischen Typ (einschließlich eines Typs elektromagnetischer Induktion), wobei die oben erwähnte Grundteilungswellenlänge im Fall des optischen Typs allgemein etwa 8 µm bis 80 µm beträgt.
Obwohl es Motorpositionsdetektoren 106 mit verschiedenen Interpolationsfehlern gibt, wird für eine Vorschubachse einer allgemeinen Werkzeugmaschine gemäß der Nutzung andererseits ein Motorpositionsdetektor 106 mit einem Interpolationsfehler von etwa ±5 bis ±20 Bogensekunden gewählt. Im Fall einer Vorschubachse, an der kein linearer Codierer 103 montiert ist, wird eine detektierte Motorposition Pm, die durch den Motorpositionsdetektor 106 detektiert wird, in der Weise verwendet, dass die detektierte Motorposition Pm in Pd als ein Positionsrückkopplungswert umgewandelt wird und an den Subtrahierer 104 ausgegeben wird. In diesem Fall kann ein durch einen Interpolationsfehler des Motorpositionsdetektors 106 in der Kegelfläche erzeugter Grad Re der Ungleichmäßigkeit gemäß dem Ausdruck (1) berechnet werden, wobei der Interpolationsfehler ±ε Bogensekunden beträgt und eine Steigung der Kugelgewindespindel 115 L mm beträgt. $Re = \pm \frac{ε}{1296000} \cdot L \cdot 1000 (m)$
Wo der Interpolationsfehler des Motorpositionsdetektors 106 ±10 Bogensekunden beträgt und wo die Steigung der Kugelgewindespindel 115 10 mm beträgt, beträgt der Grad der in der Kegelfläche erzeugten Ungleichmäßigkeit, d. h. ein tatsächlicher Betrag des Fehlers an der Vorschubachse, ±0,077 µm. Das heißt, dass eine Wirkung des Interpolationsfehlers des Motorpositionsdetektors 106 kleiner als die des Interpolationsfehlers des gewählten linearen Codierers 103 ist, wobei eine solche Kombination häufig gewählt wird.
Wie folgt gibt es einige Gründe, weshalb selbst in einer solchen Kombination einer herkömmlichen Werkzeugmaschine die Schwierigkeiten des Montierens des linearen Codierers 103 angenommen werden. Ein erster Grund ist, dass das Montieren des linearen Codierers 103 die direkte Detektion eines Teilungsfehlers der Steigung der Kugelgewindespindel 115 ermöglicht. Ein zweiter Grund ist, dass das Montieren des linearen Codierers 103 die direkte Detektion eines Fehlers, der wegen linearer Ausdehnung z. B. der Kugelgewindespindel 115 und/oder des Betts auftritt, wenn eine Änderung der Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine auftritt, ermöglicht. Ein dritter Grund ist, dass das Montieren des linearen Codierers 103 die direkte Detektion eines Fehlers der Kugelgewindespindel 115, die durch einen an der Führungsfläche für das geregelte Objekt 117 erzeugten Reibungswiderstand verdreht wird, ermöglicht. Beispiele weiterer Gründe enthalten, dass das Montieren des linearen Codierers 103 die direkte Detektion eines Fehlers der Kugelgewindespindel 115, die sich durch Wärme, die durch Reibung zwischen der Kugelgewindespindel 115 und der Kugelgewindespindelmutter 116 erzeugt wird, linear ausdehnt, ermöglicht. Auf jeden Fall wird der lineare Codierer 103 montiert, da das Montieren des linearen Codierers 103 die direkte Detektion einer aktuellen Position des geregelten Objekts 117 ermöglicht.
Wie oben festgestellt wurde, ist ein durch einen Interpolationsfehler des linearen Codierers 103 oder des Motorpositionsdetektors 106 verursachter tatsächlicher Fehler der Vorschubachse häufig kleiner als ±0,4 µm und somit für eine bearbeitete Oberflächentextur in einer normalen Werkzeugmaschine nicht von großer Bedeutung. Allerdings wird eine Differenz zwischen jeweiligen Beträgen der Bewegung der Vorschubachsen für die X-Achse und für die Z-Achse groß und tritt in der Vorschubachse mit dem verhältnismäßig kleinen Betrag der Bewegung eine Erscheinung auf, in der ein Interpolationsfehler des linearen Codierers 103 in der Kegelfläche auf leicht sichtbare Weise erscheint, wo der Kegelwinkel α° des konischen Stopfenteils 601 in 6 ein kleiner Winkel ist oder umgekehrt ein großer Winkel nahe 180° ist, da der Interpolationsfehler vergrößert ist. Ein Beispiel einer bearbeiteten Oberfläche eines Teils, das in einem solchen Fall liegt, ist ein Fall, in dem eine dekorative Oberfläche eines Aluminiumradteils eines Kraftfahrzeugs durch Bearbeiten gebildet wird, was als ein Fall angesehen werden kann, in dem der Kegelwinkel α° aus Sicht der Neigung groß ist. Ein solches Teil ist ein Teil, bei dem die Bedeutung auf gutem Aussehen liegt, und falls auf einer dekorativen Oberfläche in einem regulären Zyklus wegen eines Interpolationsfehlers ein Fehler auftritt, ist die Qualität der Oberfläche beeinträchtigt. Außerdem tritt in einem anderen Beispiel bei einer Bearbeitung einer geneigten Oberfläche oder bei einer Freiformbearbeitung einer Oberfläche eines Formteils in einem Bearbeitungszentrum eine ähnliche Erscheinung wie die obige auf, bei der es ein Intervall an Koordinaten gibt, in dem eine Vorschubachse einen äußerst kleinen Betrag der Bewegung aufweist und die andere Vorschubachse einen äußerst großen Betrag der Bewegung aufweist, wenn die Bearbeitung mit mehreren Vorschubachsen synchron zueinander ausgeführt wird.
Selbst wenn in dem oben genannten Stand der Technik Interpolationsfehler von linearen Codierern, die an einer Werkzeugmaschine montiert sind, nicht so groß sind, ist dort, wo die Bearbeitung mit mehreren Vorschubachsen synchron zueinander ausgeführt wird, bei Ausführung der Bearbeitung einer äußerst gering geneigten Oberfläche oder bei der Bearbeitung einer äußerst gering konischen Oberfläche der Interpolationsfehler des linearen Codierers auf der Seite der Vorschubachse mit einem kleineren Betrag der Bewegung in den mehreren Vorschubachsen vergrößert, was zur Bildung eines leicht sichtbaren Streifenmusters auf einer bearbeiteten Oberfläche führt. Falls die bearbeitete Oberfläche eine dekorative Oberfläche einer Spiegeloberfläche in einem Aluminiumrad eines Kraftfahrzeugteils ist, ist ein solches Streifenmuster ein kritischer Mangel in der äußeren Erscheinung, der z. B. erfordert, dass nach der Verarbeitung über eine Werkzeugmaschine wie etwa eine Drehbank z. B. getrennt eine Polier-Endbearbeitung ausgeführt wird. Um eine solche Situation zu vermeiden, werden keine linearen Codierer verwendet, was dazu führt, dass ein Teilungsfehler der Steigung jeder Kugelgewindespindel nicht direkt detektiert wird. Darüber hinaus kann ein Fehler, der wegen der linearen Ausdehnung z. B. der Kugelgewindespindel und/oder des Betts auftritt, wenn eine Änderung der Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine auftritt, nicht direkt detektiert werden. Außerdem kann ein Fehler der Kugelgewindespindel, die durch einen an der Führungsfläche für das geregelte Objekt erzeugten Reibungswiderstand verdreht wird, nicht direkt detektiert werden. Außerdem kann ein Fehler der Kugelgewindespindel, die durch Reibungswärme zwischen der Kugelgewindespindel und einer Kugelgewindespindelmutter linear ausgedehnt wird, nicht direkt detektiert werden. Auf jeden Fall kann eine aktuelle Position des geregelten Objekts nicht direkt detektiert werden, falls keine linearen Codierer montiert sind, was zu einer Zunahme von Positionierungsfehlern von Vorschubachsen führt.
Angesichts des obigen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Positionsregelsystem, das daran montierte lineare Codierer enthält, bei der Oberflächenbearbeitung äußerst gering konischer Oberflächen, bei denen die Bearbeitung mit mehreren Vorschubachsen synchron zueinander ausgeführt wird, zu schaffen, wobei das Positionsregelsystem die Erzeugung eines einem Interpolationsfehler eines linearen Codierers in einer bearbeiteten Oberfläche zuzuschreibenden Streifenmusters verhindert, während das Merkmal des direkten Detektierens eines geregelten Objekts soweit wie möglich erhalten bleibt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein in der vorliegenden Patentschrift offenbartes Positionsregelsystem ist ein Positionsregelsystem zum Regeln einer Position eines geregelten Objekts durch Antreiben mehrerer Vorschubachsen, wobei das System enthält: einen Objektpositionsdetektor, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Objektpositionsdetektor eine Position des geregelten Objekts in einer Bewegungsrichtung der relevanten Achse als eine detektierte Objektposition detektiert; einen Motorpositionsdetektor, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Motorpositionsdetektor eine Position eines Motors, der die relevante Vorschubachse antreibt, als eine detektierte Motorposition detektiert; einen Positionscontroller, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Positionscontroller den Antrieb des relevanten Motors, der die relevante Vorschubachse antreibt, in der Weise regelt, dass eine Differenz zwischen einem Positionsrückkopplungswert und einer Befehlsposition beseitigt wird; und einen numerischen Controller, der jeweils die Befehlspositionen an die mehreren Positionscontroller ausgibt, wobei der Positionscontroller für eine Vorschubachse, deren Wert in einem vorgeschriebenen Referenzbereich liegt, wobei der Wert durch Dividieren eines Betrags der Bewegung der Vorschubachse durch einen größeren Betrag in Beträgen von Bewegungen der mehreren Vorschubachsen erhalten wird, einen Wert auf der Grundlage der detektierten Motorposition als den Positionsrückkopplungswert wählt und ein Positionscontroller für eine andere Vorschubachse einen Wert auf der Grundlage der detektierten Objektposition als den Positionsrückkopplungswert wählt.
Außerdem kann jeder Positionscontroller eine Differenz zwischen der detektierten Objektposition und der detektierten Motorposition zu einem Zeitpunkt des Schaltens des Positionsrückkopplungswerts von dem Wert auf der Grundlage der detektierten Objektposition zu dem Wert auf der Grundlage der detektierten Motorposition als eine Anfangsdifferenz speichern und während der Auswahl des Werts auf der Grundlage der detektierten Motorposition einen Wert, der dadurch erhalten wird, dass die detektierte Motorposition und die Anfangsdifferenz addiert werden, als den Positionsrückkopplungswert nutzen.
In einem Positionsregelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei der Bearbeitung äußerst gering geneigter Oberflächen oder bei der Bearbeitung äußerst leicht konischer Oberflächen, bei denen die Bearbeitung durch Antreiben mehrerer Vorschubachsen zum Regeln einer Position eines Objekts (z. B. eines Werkzeugs) ausgeführt wird, während lineare Codierer montiert sind, um die direkte Detektion einer aktuellen Position des geregelten Objekts zu ermöglichen, die Erzeugung eines unbeabsichtigten Streifenmusters auf der bearbeiteten Oberfläche wegen eines Interpolationsfehlers eines linearen Codierers verhindert werden. Mit anderen Worten, die Nutzung eines Positionsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Werkzeugmaschine ermöglicht, sowohl die fertigen Dimensionen eines bearbeiteten Produkts als auch die Qualität einer bearbeiteten Oberfläche sicherzustellen.
Figurenliste
Anhand der folgenden Figuren werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben; es zeigen:

1 einen beispielhaften Systemblockschaltplan, der eine schematische Konfiguration eines Positionsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 einen Systemblockschaltplan, der eine beispielhafte schematische Konfiguration eines numerischen Controllers in dem Positionsregelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 einen beispielhaften Ablaufplan, der die Verarbeitung in der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 darstellt;
4 einen beispielhaften Ablaufplan, der die Verarbeitung in einem Positionsregelschleifenschalter 120a darstellt;
5 einen Blockschaltplan, der ein herkömmliches Positionsregelsystem darstellt;
6 eine Schnittansicht eines konischen Stopfenteils mit einem Kegelwinkel α°; und
7 einen beispielhaften Blockschaltplan, der die interne Verarbeitung in einem herkömmlichen numerischen Controller darstellt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
[Ausführungsform 1]
1 ist ein beispielhafter Systemblockschaltplan, der eine schematische Konfiguration eines Positionsregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt und der mit Bezugszeichen versehen ist, die für Komponenten, die dieselben wie jene in 5 sind, dieselben wie jene in 5 sind. Außerdem wird eine Beschreibung der Verarbeitung, die ähnlich 5 ist, weggelassen. Das Positionsregelsystem enthält einen ersten Positionscontroller 101a bzw. einen zweiten Positionscontroller 101b, die für zwei Vorschubachsen vorgesehen sind. Es wird angemerkt, dass der erste Positionscontroller 101a und der zweite Positionscontroller 101b in Bezug auf die Konfiguration im Wesentlichen dieselben sind und dass die Zusätze a, b, wo es nicht notwendig ist, zwischen „erstem“ und „zweitem“ zu unterscheiden, somit weggelassen sind und dass sie einfach als „Positionscontroller 101“ bezeichnet sind. Dasselbe betrifft andere Elemente. Eine durch einen Motorpositionsdetektor 106 ausgegebene detektierte Motorposition Pm und eine durch einen linearen Codierer 103 ausgegebene detektierte Objektposition Pd werden einem Positionsregelschleifenschalter 120 jedes Positionscontrollers 101 zugeführt. Der Positionsregelschleifenschalter 120 empfängt von einem numerischen Controller 102 ein Schaltsignal C, um einen Befehl zum Wählen der detektierten Motorposition Pm oder der detektierten Objektposition Pd als eine Positionsregelschleifeneingabe (einen Positionsrückkopplungswert) bereitzustellen, und wählt gemäß dem Schaltsignal eine der detektierten Positionen als eine Positionsregelschleifeneingabe (einen Positionsrückkopplungswert) und führt die Positionsregelschleifeneingabe einem Subtrahierer 104 zu. Die Verarbeitung zum Subtrahieren der durch den Positionsregelschleifenschalter 120 ausgegebenen detektierten Position von einer Befehlsposition P und die nachfolgende Verarbeitung in dem Subtrahierer 104 sind ähnlich jenen in dem in 5 dargestellten Beispiel.
2 ist ein Systemblockschaltplan, der eine beispielhafte schematische Konfiguration des numerischen Controllers 102 in dem Positionsregelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und ist mit Bezugszeichen versehen, die für Komponenten, die dieselben wie jene in 7 sind, dieselben wie jene in 7 sind. Außerdem wird die Beschreibung einer Verarbeitung, die ähnlich der in 7 ist, weggelassen. Die Befehlspositionen Pa, Pb für zwei Vorschubachsen, die durch den Funktionsgenerator 303 berechnet worden sind, werden nicht nur an die Positionscontroller 101, sondern auch an die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 ausgegeben. Die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 enthält vorzugsweise z. B. eine CPU mit einer darin integrierten Ablagespeichereinheit wie etwa einem ROM. In der Ablagespeichereinheit sind z. B. ein Regelprogramm zum Wählen eines Positionsrückkopplungswerts, das später beschrieben wird, und Referenzbereichszahlenwerte, auf die zur Auswahl Bezug genommen wird, gespeichert. Außerdem hält die Ablagespeichereinheit in der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304, wo Pan, Pbn Befehlspositionen in einem n-ten Regelzyklus sind, außer den aktuellen Befehlspositionen Pa_n , Pb_n Befehlspositionen Pa_n-1 , Pb_n-1 in einem Regelzyklus, der ein Regelzyklus davor ist.
3 ist ein beispielhafter Ablaufplan, der die Verarbeitung in der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 darstellt. In S30 werden ein Betrag der n-ten Bewegung einer ersten Vorschubachse, der durch den ersten Positionscontroller 101a geregelt wird, und ein Betrag der n-ten Bewegung einer zweiten Vorschubachse, der durch den zweiten Positionscontroller 101b geregelt wird, miteinander verglichen. Mit anderen Worten, in den zwei Vorschubachsen wird eine Vorschubachse mit einem größeren Betrag der Bewegung identifiziert. Der „Betrag der Bewegung“ ist hier ein Betrag der Bewegung der relevanten Befehlsposition P und ein Betrag der Bewegung in einem Regelzyklus. Genauer berechnet die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 als einen Betrag der Bewegung einen Absolutwert einer Differenz zwischen einer aktuellen Befehlsposition P_n und einer Befehlsposition P_n-1 in einem Regelzyklus, der ein Regelzyklus davor ist. Allerdings kann der Betrag der Bewegung nach Bedarf durch ein anderes Verfahren berechnet werden. Zum Beispiel ist der zu berechnende Betrag der Bewegung nicht auf einen Betrag der Bewegung in einem Regelzyklus beschränkt, sondern kann er ein Betrag der Bewegung in einer längeren Zeitdauer wie etwa zwei Regelzyklen oder drei Regelzyklen sein. Außerdem kann der Betrag der Bewegung nicht auf der Grundlage von Befehlspositionen, sondern der detektierten Objektposition Pd oder der detektierten Motorposition Pm berechnet werden.
Falls der Betrag der Bewegung auf der Seite des ersten Positionscontrollers 101a größer ist (falls der Betrag der Bewegung der ersten Vorschubachse größer ist), geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu der Verarbeitung in S31 über, und falls das nicht der Fall ist (falls der Betrag der Bewegung der zweiten Vorschubachse größer ist oder die erste Vorschubachse und die zweite Vorschubachse den gleichen Betrag der Bewegung aufweisen), geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu der Verarbeitung in S32 über. In S31 (in dem der Betrag der Bewegung der ersten Vorschubachse größer ist), bestimmt die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304, ob ein durch Dividieren des Betrags der n-ten Bewegung der durch den zweiten Positionscontroller 101b geregelten Vorschubachse durch den Betrag der n-ten Bewegung der durch den ersten Positionscontroller 101a geregelten Vorschubachse (den größeren Bewegungsbetrag) erhaltener Wert in einem Referenzbereich von „größer als 0, aber kleiner als K“ liegt. Falls der durch die Division erhaltene Wert in dem Referenzbereich liegt, geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu S33 über, und wenn das nicht der Fall ist, geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu der Verarbeitung in S34 über. Der Referenzbereich kann hier durch einen Beteiligten, der die vorliegende Erfindung nutzt, frei bestimmt werden. Zum Beispiel ist der Referenzbereich größer als 0, aber kleiner als K = tan 5° = 0,0875, falls ein Bereich des Winkels θ, in dem in einer bearbeiteten Oberfläche kein einem Interpolationsfehler eines linearen Codierers zuzuschreibendes beabsichtigtes Streifenmuster erzeugt wird, 0° < θ < 5° ist. Dass das Ergebnis der Berechnung in der Verarbeitung in S31 0 ist, bedeutet hier, dass die Vorschubachse auf der Seite des Positionscontrollers 101b in einem Haltezustand ist.
Außerdem bestimmt die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 in S32 (wo der Betrag der Bewegung der zweiten Vorschubachse größer ist oder die Beträge der Bewegung der ersten Vorschubachse und der zweiten Vorschubachse gleich sind), ob ein durch Dividieren des Betrags der n-ten Bewegung der durch den ersten Positionscontroller 101a geregelten Vorschubachse durch den Betrag der n-ten Bewegung der durch den Positionscontroller 101b geregelten Vorschubachse (den größeren Bewegungsbetrag) erhaltener Wert in dem Referenzbereich von „größer als 0 und kleiner als K“ liegt. Falls der durch die Division erhaltene Wert in dem Referenzbereich liegt, geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu der Verarbeitung in S35 über, und wenn das nicht der Fall ist, geht die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 zu der Verarbeitung in S36 über.
In S34 und S36 werden an den ersten und an den zweiten Positionsregelschleifen-Schalter 120a bzw. 120b Schaltsignale Ca, Cb ausgegeben, um einen Befehl bereitzustellen, um detektierte Objektpositionen Pda, Pdb als Positionsregelschleifen-Eingaben zu nutzen, da die Bedingung, dass „ein durch Dividieren eines Betrags der Bewegung einer Vorschubachse durch einen größeren Bewegungsbetrag erhaltener Wert in dem Referenzbereich liegt“, nicht erfüllt ist. Andererseits gibt die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 in S33 ein Signal Cb zum Bereitstellen eines Befehls zur Nutzung der detektierten Motorposition Pmb als eine Positionsregelschleifen-Eingabe an den zweiten Signalpositionscontroller 101b aus und gibt sie ein Signal Ca zum Bereitstellen eines Befehls zur Nutzung der detektierten Motorposition Pma als eine Positionsregelschleifeneingabe an den ersten Positionscontroller 101a aus, da der durch Dividieren des Betrags der Bewegung der zweiten Vorschubachse durch den Betrag der Bewegung der ersten Vorschubachse mit dem größeren Bewegungsbetrag erhaltene Wert in dem Referenzbereich liegt.
Gleichfalls gibt in S35 die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 ein Signal Ca zum Bereitstellen eines Befehls zur Nutzung der detektierten Motorposition Pma als eine Positionsregelschleifen-Eingabe an einen ersten Positionscontroller 101a aus und gibt sie ein Signal Cb zum Bereitstellen eines Befehls zur Nutzung einer detektierten Motorposition Pmb als eine Positionsregelschleifen-Eingabe an den zweiten Positionscontroller 101b aus, da der durch Dividieren des Betrags der Bewegung der ersten Vorschubachse durch den Betrag der Bewegung der zweiten Vorschubachse mit dem größeren Bewegungsbetrag erhaltene Wert in dem Referenzbereich liegt. Die Verarbeitung in der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 wird in einer wie oben beschriebenen Weise ausgeführt.
Obwohl in der obigen Beschreibung nur der Fall, dass das geregelte Objekt durch zwei orthogonale Vorschubachsen angetrieben wird, als ein Beispiel genommen worden ist, kann die in der vorliegenden Patentschrift offenbarte Technik für den Fall genutzt werden, dass ein geregeltes Objekt durch mehr Vorschubachsen angetrieben wird. Zum Beispiel ist es möglich, dass dort, wo für die Vorschubachsen in einem Bearbeitungszentrum einer Werkzeugmaschine eine Konfiguration mit drei orthogonalen Achsen-, einer X-, einer Y- und einer Z-Achse, genutzt ist, für jede der Vorschubachsen ein Wert berechnet wird, der durch einen Betrag der n-ten Bewegung der Vorschubachse durch einen größeren Bewegungsbetrag erhalten wird, dass bestimmt wird, ob der Wert in einem Referenzbereich liegt, und dass für eine Vorschubachse, deren Bewegungsbetrag in dem Referenzbereich liegt, ein Schaltsignal C zum Wählen einer detektierten Motorposition Pm als eine Positionsregelschleifeneingabe ausgegeben wird.
[Ausführungsform 2]
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform beschrieben. Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 dadurch, dass die Verarbeitung in jedem in 1 dargestellten Positionsregelschleifenschalter 120 kompliziert ist. Vorzugsweise enthält jeder Positionsregelschleifenschalter 120 z. B. eine CPU mit einer darin integrierten Ablagespeichereinheit wie etwa einem ROM. Außerdem sind in der folgenden Beschreibung jeweilige n-te Daten in der Art als Ca_n oder Pman angegeben. 4 ist ein beispielhafter Ablaufplan, der die Verarbeitung in einem ersten Positionsregelschleifenschalter 120a darstellt. In S40 wird ein von der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 eingegebenes Schaltsignal Ca_n interpretiert und bestimmt, ob das Schaltsignal Ca_n ein Befehl zur Nutzung einer detektierten Motorposition Pma ist. Falls der Inhalt des Schaltsignals ein Befehl zum Wählen einer detektierten Motorposition Pma ist, geht der erste Positionsregelschleifenschalter 120a zu der Verarbeitung in S41 über, und wenn das nicht der Fall ist, d. h., wenn der Inhalt des Schaltsignals Ca_n ein Befehl zum Wählen einer detektierten Objektposition Pda ist, geht der erste Positionsregelschleifenschalter 120a zu der Verarbeitung in S44 über. In der in den Positionsregelschleifenschalter 120a integrierten Ablagespeichereinheit ist ein Schaltsignal Ca_n-1 gespeichert, das von der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 in einem Regelzyklus, der ein Regelzyklus davor ist, d. h. in einem n-1-ten Regelzyklus, eingegeben worden ist. In S41 bestimmt der Positionsregelschleifenschalter 120, ob das Schaltsignal Ca_n-1 ein Befehl zum Wählen einer detektierten Objektposition Pda ist. Falls der Inhalt des Schaltsignals ein Befehl zum Wählen einer detektierten Objektposition Pda ist, geht der Positionsregelschleifenschalter 120a zu der Verarbeitung in S42 über, und wenn das nicht der Fall ist, d. h., wenn der Inhalt des Schaltsignals Ca_n-1 ein Befehl zum Wählen einer detektierten Motorposition Pma ist, geht der Positionsregelschleifenschalter 120a zu der Verarbeitung in S43 über. In S42 berechnet der Positionsregelschleifenschalter 120a eine Differenz zwischen einer n-ten, d. h. aktuellen, detektierten Objektposition Pda_n , und einer n-ten, d. h. aktuellen, detektierten Motorposition Pma_n als eine Anfangsdifferenz D und geht er zu der Verarbeitung in S43 über. Die Anfangsdifferenz D wird hier in der in den Positionsregelschleifenschalter 120a integrierten Ablagespeichereinheit gespeichert. Die in der Ablagespeichereinheit gespeicherte Anfangsdifferenz wird erst aktualisiert, wenn die Berechnung in der Verarbeitung in Schritt S42 neu ausgeführt wird. Nachfolgend gibt der Positionsregelschleifenschalter 120a in S43 das durch Addieren der detektierten Motorposition Pman und der in der Ablagespeichereinheit gespeicherten Anfangsdifferenz D erhaltene „Pma_n + D“ als eine Positionsregelschleifeneingabe (einen Positionsrückkopplungswert) in einen Subtrahierer 104a aus. Andererseits gibt der Positionsregelschleifenschalter 120a in S44 die detektierte Objektposition Pda_n als eine Positionsregelschleifeneingabe an den Subtrahierer 104a aus.
Wie oben beschrieben wurde, ist der in Ausführungsform 2 beschriebene Positionsregelschleifenschalter 120a dafür konfiguriert, zu einem Zeitpunkt des Übergangs des Schaltsignals Ca von der Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 von der Auswahl Pda zu der Auswahl Pma eine Verarbeitung zum Aktualisieren einer Anfangsdifferenz D, die eine Differenz zwischen Pda und Pma ist, auszuführen, und „Pma_n + D“ als eine Positionsregelschleifeneingabe auszugeben, falls das Schaltsignal Ca eines zum Bereitstellen eines Befehls zum Wählen von Pma ist, und in jedem anderen Fall Pda_n auszugeben. Obwohl in Ausführungsform 2 die Verarbeitung in dem Positionsregelschleifenschalter 120a beschrieben worden ist, ist zu verstehen, dass in dem Positionsregelschleifenschalter 120b ebenfalls eine ähnliche Verarbeitung wie die obige ausgeführt wird.
Es sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, die die obigen Beispiele verwenden. Im Ergebnis der Nutzung einer der Ausführungsformen, bei denen die Bearbeitung mit mehreren Vorschubachsen synchron zueinander ausgeführt wird, wird für die Vorschubachse mit einem kleineren Betrag der Bewegung in mehreren Vorschubachsen eine detektierte Position eines linearen Codierers 103, die ein bearbeitetes Streifenmuster, d. h. einen Mangel der Textur einer bearbeiteten Oberfläche, verursacht, nicht genutzt, selbst wenn die Bearbeitung einer äußerst gering geneigten Oberfläche oder die Bearbeitung einer äußerst leicht konischen Oberfläche ausgeführt wird, was die Verringerung der Streifenungleichmäßigkeit in der bearbeiteten Oberfläche ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Hinzufügung der Ausführungsform 2 die Verringerung der Streifenungleichmäßigkeit in der bearbeiteten Oberfläche, während ein Vorteil der direkten Detektion einer aktuellen Position eines geregelten Objekts genutzt wird, die ein ursprünglicher Zweck der Montage des linearen Codierers 103 ist.
Obwohl einige Arten der vorliegenden Erfindung als Ausführungsformen beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf diese Arten beschränkt. Zum Beispiel ist die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 in der obigen Beschreibung als eine Komponente innerhalb des numerischen Controllers 102 beschrieben; wobei die Regelung aber mit dem ersten Positionscontroller 101a und mit dem zweiten Positionscontroller 101b synchron zueinander ausgeführt wird und somit eine Änderung der Komponenten in der Weise, dass der erste Positionscontroller 101a und der zweite Positionscontroller 101b die Beträge der Bewegung voneinander überwachen und jeder Positionscontroller 101 selbst bestimmt, ob ein durch Dividieren eines Betrags der Bewegung einer relevanten Vorschubachse durch einen Betrag der Bewegung der anderen Vorschubachse erhaltener Wert in einem Referenzbereich liegt, und eine Positionsregelschleifeneingabe (einen Positionsrückkopplungswert) gemäß einem Ergebnis der Bestimmung wählt, in der Technik der vorliegenden Erfindung liegt. Mit anderen Worten, die Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung 304 kann nicht nur in dem numerischen Controller 102, sondern in jedem der Positionscontroller 101 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste
101 Positionscontroller, 102 numerischer Controller, 103 linearer Codierer, 104 Subtrahierer, 108 Subtrahierer, 105 Geschwindigkeitsbefehlsrechner, 106 Motorpositionsdetektor, 107 Differenzierer, 111 Addierer, 112 Stromcontroller, 113 Motor, 114 Kupplung, 115 Kugelgewindespindel, 116 Kugelgewindespindelmutter, 117 geregeltes Objekt, 118 Detektionskopf, 119 Skale, 120 Positionsregelschleifenschalter, 301 Programmeingabevorrichtung, 302 Programminterpreter, 303 Funktionsgenerator, 304 Positionsregelschleifen-Auswahleinrichtung, 601 konisches Stopfenteil, 602 konischer Abschnitt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018048436 [0001]

Claims

Positionsregelsystem zum Regeln einer Position eines geregelten Objekts durch Antreiben mehrerer Vorschubachsen, wobei das System Folgendes umfasst: einen Objektpositionsdetektor, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Objektpositionsdetektor eine Position des geregelten Objekts in einer Bewegungsrichtung der relevanten Achse als eine detektierte Objektposition detektiert; einen Motorpositionsdetektor, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Motorpositionsdetektor eine Position eines Motors, der die relevante Vorschubachse antreibt, als eine detektierte Motorposition detektiert; einen Positionscontroller, der für jede der mehreren Vorschubachsen vorgesehen ist, wobei jeder Positionscontroller den Antrieb des Motors, der die relevante Vorschubachse antreibt, in der Weise regelt, dass eine Differenz zwischen einem Positionsrückkopplungswert und einer Befehlsposition beseitigt wird; und einen numerischen Controller, der jeweils die Befehlspositionen an die mehreren Positionscontroller ausgibt, wobei der Positionscontroller für eine Vorschubachse, deren Wert in einem vorgeschriebenen Referenzbereich liegt, wobei der Wert durch Dividieren eines Betrags der Bewegung der Vorschubachse durch einen größeren Betrag in Beträgen von Bewegungen der mehreren Vorschubachsen erhalten wird, einen Wert auf der Grundlage der detektierten Motorposition als den Positionsrückkopplungswert wählt und ein Positionscontroller für eine andere Vorschubachse einen Wert auf der Grundlage der detektierten Objektposition als den Positionsrückkopplungswert wählt.
Positionsregelsystem nach Anspruch 1, wobei jeder Positionscontroller eine Differenz zwischen der detektierten Objektposition und der detektierten Motorposition zu einem Zeitpunkt des Schaltens des Positionsrückkopplungswerts von dem Wert auf der Grundlage der detektierten Objektposition zu dem Wert auf der Grundlage der detektierten Motorposition als eine Anfangsdifferenz speichert und während der Auswahl des Werts auf der Grundlage der detektierten Motorposition einen Wert, der dadurch erhalten wird, dass die detektierte Motorposition und die Anfangsdifferenz addiert werden, als den Positionsrückkopplungswert nutzt.