-
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 20. Januar 2020 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr.
2020-006940 , die hier in ihrer Gesamtheit einschließlich der Beschreibung, Ansprüche, Zeichnungen und Zusammenfassung Bezug aufgenommen ist.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Servosteuervorrichtung für verschiedene Maschinen, einschließlich beispielsweise Werkzeugmaschinen, und insbesondere auf eine Schwingungssteuervorrichtung, die eine einem beweglichen Teil überlagerte Schwingung steuert.
-
HINTERGRUND
-
Maschinen, die ein bewegliches Teil durch einen Servomechanismus antreiben, sind bekannt. Beispielsweise treibt in einer Werkzeugmaschine ein Servomechanismus ein Werkstück und/oder ein Werkzeug an und bewirkt eine Relativbewegung zwischen ihnen, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Das bewegliche Teil wird von einem Motor über eine Kugelumlaufspindel oder dergleichen angetrieben oder wird direkt von einem Linearmotor oder dergleichen angetrieben. Wenn das bewegliche Teil beschleunigt oder verzögert wird, wird typischerweise eine große Kraft vom Motor ausgeübt, die eine Wellentorsionsschwingung der Kugelumlaufspindel oder eine Maschinenständerschwingung verursacht. Dies führt zu einer Verlängerung der Einstellzeit beim Positionieren und einer Verschlechterung der Genauigkeit des Ortes und der Oberflächenbearbei tungsquali tät.
-
JP 2004-334772 A offenbart eine Positionssteuervorrichtung, die den Betrag der Wellentorsion einer Antriebswelle aus einem Positionsbefehlswert und einem Positionsdetektionswert eines beweglichen Teils berechnet und den Positionsbefehlswert korrigiert, wodurch eine durch Wellenschwingungen verursachte Abweichung ausgeglichen und gesteuert wird.
-
In der in
JP 2004-334772 A offenbarten Technik wird, nachdem eine Abweichung durch Wellentorsion verursacht wurde, der Korrekturbetrag berechnet, und die Korrektur wird dann basierend auf diesem Korrekturbetrag durchgeführt, was unvermeidlich zu einer Verzögerung der Korrektur führt. Ferner weist ein Rückkopplungssteuersystem typischerweise eine Nachführverzögerung auf, die durch eine Phasenverzögerung verursacht wird, weshalb auch eine Verzögerung beim Korrekturbetrieb des beweglichen Teils entsprechend dem Korrekturbetrag verursacht wird, was zu einem Problem einer unzureichend gesteuerten Schwingung führt. Wenn eine Maschinenständerschwingung durch die Gegenkraft der Kraft des Motors, der das bewegliche Teil antreibt, erzeugt wird, würde das bewegliche Teil nach der Maschinenständerschwingung schwingen, und eine Werkzeugspitze würde somit schwingen, was zu keiner Verbesserung der Oberflächenbearbeitungsqualität führt, selbst wenn in einem idealen Rückkopplungssteuerungssystem ohne Nachführverzögerung die Wellentorsion vollständig korrigiert werden könnte und ein Positionsbefehlswert und ein Positionsdetektionswert jederzeit übereinstimmen könnten.
-
Um die Maschinenständerschwingung zu steuern, muss die Maschinenständerschwingung detektierbar sein. Zu diesem Zweck wird üblicherweise eine Technik angewendet, bei der beispielsweise ein Beschleunigungssensor am Maschinenständer installiert und der Sensor beobachtet wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Schwingungssteuervorrichtung und ein Schwingungssteuerverfahren zum Steuern der Wellentorsionsschwingung und der Maschinenständerschwingung bereitzustellen, ohne einen speziellen Sensor oder ein spezielles Messinstrument zu installieren.
-
Eine Schwingungssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Schwingungssteuervorrichtung zum Steuern der Schwingung eines beweglichen Teils in einer Maschine, wobei die Maschine das bewegliche Teil, das von einem Servomotor angetrieben wird, eine Vorrichtung für numerische Steuerung, die für das bewegliche Teil einen Bewegungsbefehl erzeugt, ein Filter, das den von der Vorrichtung für numerische Steuerung erzeugten Befehl formt und die zu übertragenden Frequenzen begrenzt, einen Detektor, der eine Position oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils detektiert, und einen Servoverstärker, der eine vom Servomotor erzeugte Kraft oder eine auf das bewegliche Teil ausgeübte Kraft so steuert, dass eine Abweichung zwischen einem Ausgang des Filters und einem Detektionswert, der durch den Detektor detektiert wird, 0 wird, umfasst und die Schwingungssteuervorrichtung eine Verstärkungsfaktor-Änderungseinheit, die einen Verstärkungsfaktor einer Verstärkungseinheit, die zum Verstärken der Abweichung in dem Servoverstärker verwendet wird, ändert, eine Schwingungsdetektionseinheit, die aus der Abweichung die Frequenz und die Amplitude der Schwingung, die dem beweglichen Teil überlagert ist, misst, und eine Filteränderungseinheit, die das Filter basierend auf der Frequenz und der Amplitude, die von der Schwingungsdetektionseinheit detektiert werden, ändert, umfasst.
-
Die Verstärkungsfaktor-Änderungseinheit kann es dem Detektor ermöglichen, zu Betriebsbeginn eine Schwingung des beweglichen Teils durch Verringerung des Verstärkungsfaktors der Verstärkungseinheit zu detektieren und am Betriebsende den Verstärkungsfaktor in seinen ursprünglichen Zustand zurückzusetzen.
-
Die Filteränderungseinheit kann eine Filtereigenschaft dann, wenn die Schwingungsamplitude eine vorbestimmte Amplitude überschreitet, so aktualisieren, dass die Verstärkung des Filters bei der Schwingungsfrequenz mindestens um das Verhältnis der Schwingungsamplitude zu der vorbestimmten Amplitude verringert wird.
-
Ein Schwingungssteuerverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Schwingungssteuerverfahren zum Steuern der Schwingung eines beweglichen Teils in einer Maschine, wobei die Maschine das bewegliche Teil, das von einem Servomotor angetrieben wird, eine Vorrichtung für numerische Steuerung, die einen Bewegungsbefehl für das bewegliche Teil erzeugt, ein Filter, das den von der Vorrichtung für numerische Steuerung erzeugten Befehl formt und die zu übertragenden Frequenzen begrenzt, einen Detektor, der eine Position oder eine Geschwindigkeit des beweglichen Teils detektiert, und einen Servoverstärker, der eine vom Servomotor erzeugte Kraft oder eine auf das bewegliche Teil ausgeübte Kraft so steuert, dass eine Abweichung zwischen einem Ausgang des Filters und einem vom Detektor detektierten Detektionswert 0 wird, umfasst, und das Schwingungssteuerverfahren die Schritte des Verringerns eines Verstärkungsfaktors einer Verstärkungseinheit, die zum Verstärken der Abweichung in dem Servoverstärker verwendet wird, des Messens der Frequenz und der Amplitude der Schwingung, die dem beweglichen Teil überlagert ist, und des Verringerns, wenn die Schwingungsamplitude eine vorbestimmte Amplitude überschreitet, der Verstärkung des Filters bei der Schwingungsfrequenz mindestens um das Verhältnis der Schwingungsamplitude zur vorbestimmten Amplitude und des Zurücksetzens des Verstärkungsfaktors der Verstärkungseinheit, die zum Verstärken der Abweichung verwendet wird, auf einen ursprünglichen Verstärkungsfaktor umfasst.
-
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, Wellentorsionsschwingungen und Maschinenständerschwingungen zu steuern, ohne einen speziellen Sensor oder ein spezielles Messinstrument zu installieren.
-
Figurenliste
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird basierend auf den folgenden Figuren beschrieben; es zeigen:
- 1 ein Beispiel einer allgemeinen Werkzeugmaschine;
- 2 ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Schwingungssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3 ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Schwingungssteuerverfahrens gemäß der Ausführungsform darstellt; und
- 4 ein Beispiel einer Filtereigenschaft vor und nach dem Ändern eines Filters.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
-
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigt ein Beispiel einer allgemeinen Werkzeugmaschine.
-
Die Werkzeugmaschine besitzt einen Motor 3, eine Kugelumlaufspindel 4, eine Führung 5 und einen Spindelkopf 6, der auf der Vorderfläche eines Strukturkörpers 2, der auf einer Basis 1, die auf einer Bodenfläche befestigt ist, steht, angeordnet ist. Das vom Motor 3 erzeugte Drehmoment wird durch die Kugelumlaufspindel 4 in eine Kraft, die entlang der linearen Richtung wirkt, umgewandelt, wobei die Kraft die Bewegung des Spindelkopfes 6, der beweglich von der Führung 5 getragen wird, entlang der Rechts- und Linksrichtung in der Figur steuert. Ein ähnlicher Mechanismus steuert die Bewegung des Spindelkopfes 6 entlang der Auf- und Abwärtsrichtung in der Figur, wodurch die Bewegung eines an einer Spitze des Spindelkopfes 6 befestigten Werkzeugs gesteuert wird. Die Bewegung eines Tisches 7, der auf der Basis 1 positioniert ist, wird entlang der Richtung, die die Papieroberfläche durchdringt, gesteuert, wodurch die Bewegung eines Werkstücks 8, das an der Oberseite des Tisches 7 befestigt ist, gesteuert wird. Das Werkstück 8 wird durch Drehen des am Spindelkopf 6 befestigten Werkzeugs bearbeitet.
-
Das vom Motor 3 erzeugte Drehmoment wird von einem Servoverstärker 20 so gesteuert und erzeugt, dass ein Positionsdetektionswert oder ein Geschwindigkeitsdetektionswert, der von einem Drehwinkeldetektor 9, der an dem Motor 3 befestigt ist, einem Lastpositionsdetektor 10, der an dem Strukturkörper 2 befestigt ist, um eine direkte Detektion einer Position des Spindelkopfes 6 zu ermöglichen, oder von beiden detektiert wird, mit einem Positionsbefehlswert oder einem Geschwindigkeitsbefehlswert, der von einer Vorrichtung für numerische Steuerung 11 erzeugt wird, übereinstimmt.
-
2 ist ein Blockdiagramm, das eine interne Konfiguration des oben beschriebenen Servoverstärkers 20 und eine Konfiguration einer Schwingungssteuervorrichtung 30 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
In dem Servoverstärker 20 formt ein Filter 21 den Positionsbefehlswert oder den Geschwindigkeitsbefehlswert, der von der Vorrichtung für numerische Steuerung 11 erzeugt wird. Der Positionsdetektionswert oder der Geschwindigkeitsdetektionswert, der vom Drehwinkeldetektor 9 und/oder vom Lastpositionsdetektor 10 detektiert wird, wird von einer Einstelleinheit 22 ausgewählt oder synthetisiert, wodurch ein Positionsdetektionswert oder ein Geschwindigkeitsdetektionswert zur Steuerverwendung berechnet wird. Von dem Filter 21 und der Einstelleinheit 22 ausgegebene Signale werden von einem Subtrahierer 23 subtrahiert, um dadurch einen Abweichungsfehler zu erhalten. Der Abweichungsfehler wird durch eine Verstärkungseinheit 24 verstärkt und eine Steuereinheit 25 steuert dann das vom Motor 3 erzeugte Drehmoment derart, dass der Abweichungsfehler = 0 erreicht wird.
-
Wenn hier die Kugelumlaufspindel 4 eine geringe Steifigkeit aufweist, verursacht die Wellentorsion der Kugelumlaufspindel 4 eine Verzögerung und eine Schwingung in einer Reaktion der Spindelwelle 6 verglichen mit dem von der Vorrichtung für numerische Steuerung 11 erzeugten Befehlswert. Das heißt, ein vom Lastpositionsdetektor 10 detektierter Detektionswert enthält die überlagerte Verzögerung und Schwingung, wodurch der Abweichungsfehler erzeugt wird.
-
Wenn im Gegensatz dazu beispielsweise die Kugelumlaufspindel eine hohe Steifigkeit aufweist und wenn die Verstärkungseinheit 24 und die Steuereinheit 25, die eine ausreichende Steuerung, die beispielsweise durch Einstellen des hohen Verstärkungsfaktors in der Verstärkungseinheit 24 erreicht wird, durchführen können, werden die Ansprechverzögerung und die Schwingung des oben beschriebenen Spindelkopfes 6 verringert, und der Abweichungsfehler ≒ 0 kann erreicht werden. Die Gegenkraft, die erzeugt wird, wenn der Spindelkopf 6 angetrieben wird, wird jedoch auf den Strukturkörper 2 übertragen und die Verschiebung und die Schwingung treten aufgrund der Steifigkeit des Maschinenständers und des Mechanismus auf. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Steuerung durchgeführt, um den Abweichungsfehler ≒ 0 zu erreichen, was zu einer einteiligen Verschiebung und Schwingung des Spindelkopfes 6 mit dem Strukturkörper 2 führt.
-
In der Schwingungssteuervorrichtung 30 verringert eine Verstärkungsfaktor-Änderungseinheit 31 nach Empfang eines Betriebsbefehls von einer übergeordneten Vorrichtung, etwa der Vorrichtung für numerische Steuerung 11, den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit 24 und eine Schwingungsdetektionseinheit 32 misst die Frequenz und die Amplitude der Schwingung, die in dem Abweichungsfehler enthalten ist. Wenn die Amplitude der detektierten Schwingung eine vorbestimmte Amplitude überschreitet, verringert eine Filteränderungseinheit 33 die Verstärkung des Filters 21 bei der Schwingungsfrequenz, die von der Schwingungsdetektionseinheit 32 detektiert wird. Die vorbestimmte Amplitude kann eine im Voraus bestimmte Amplitude sein oder von einem Administrator oder dergleichen geändert werden. Die Verstärkungsfaktor-Änderungseinheit 31 setzt dann den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit 24 auf den Faktor vor der Verstärkungsverringerung zurück und die Schwingungssteuervorrichtung 30 beendet den Betrieb.
-
Im obigen Betrieb verringert die Verstärkungsfaktor-Änderungseinheit 31 den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit 24 und daher können Verschiebung und Schwingung mittels des Abweichungsfehlers beobachtet werden, ohne einen Beschleunigungssensor oder dergleichen zu installieren, selbst wenn die Verschiebung und die Schwingung durch die Steifigkeit des Maschinenständers und des Mechanismus verursacht werden. Die Schwingungsdetektionseinheit 32 kann auch die Frequenz und die Amplitude der Schwingung, die in dem Abweichungsfehler enthalten ist, identifizieren, indem beispielsweise ein FFT-Algorithmus (Fast Fourier Transform-Algorithmus) verwendet wird. Ferner kann die Filteränderungseinheit 33 die Verstärkung bei der Schwingungsfrequenz des Filters 21 verringern, indem vor oder hinter dem vorhandenen Filter 21 ein Filter mit einer Bandsperrcharakteristik hinzugefügt und dieses Filter als Filter 21 neu definiert wird. Alternativ kann die Verstärkung des Filters 21 verringert werden, indem die Ordnung des Filters 21 im Voraus auf eine höhere Ordnung eingestellt und die Filterkoeffizienten geändert werden. Die Verstärkung bei der Schwingungsfrequenz wird mindestens um das Verhältnis der Amplitude der detektierten Schwingung zur vorbestimmten Amplitude verringert.
-
3 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Schwingungssteuerverfahrens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
Die Schwingungssteuervorrichtung 30 beginnt den Betrieb nach Empfang eines Betriebsbefehls von einer übergeordneten Vorrichtung, etwa der Vorrichtung für numerische Steuerung 11, und verringert den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit 24, die zum Verstärken eines Abweichungsfehlers verwendet wird (Schritt 1). Die Schwingungssteuervorrichtung 30 misst dann die Frequenz und die Amplitude der Schwingung, die in dem Abweichungsfehler enthalten ist (Schritt 2). Wenn die Amplitude der detektierten Schwingung eine vorbestimmte Amplitude überschreitet (Ja), verringert die Schwingungssteuervorrichtung 30 die Verstärkung des Filters 21 bei der Frequenz der detektierten Schwingung mindestens um das Verhältnis der Amplituden (Schritt 3). Wenn die Amplitude der detektierten Schwingung die vorbestimmte Amplitude nicht überschreitet (Nein), bleibt die Verstärkung des Filters 21 unverändert. Die Schwingungssteuervorrichtung 30 setzt dann den Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit 24 auf den Faktor vor der Verringerung zurück (Schritt 4). Damit ist der Betrieb beendet.
-
4 zeigt ein Beispiel von Filtereigenschaften vor und nach dem Ändern des Filters 21.
-
Bevor das Filter 21 geändert wird, beträgt die Verstärkung bei der Schwingungsfrequenz 1 und die relevanten Frequenzkomponenten, die in dem Befehl enthalten sind, durchlaufen das Filter 21 vollständig. Im Gegensatz dazu wird nach dem Ändern des Filters 21 die Verstärkung bei der Schwingungsfrequenz so verringert, dass die Verstärkung gleich oder kleiner als die vorbestimmte Amplitude/die Schwingungsamplitude wird. Die relevanten Frequenzkomponenten, die im Befehl enthalten sind, werden ebenfalls proportional zu dieser Verringerung verringert. Dies führt auch zu einer Verringerung der auf das mechanische System ausgeübten Anregungskraft und folglich der Schwingung, die durch die Wellentorsion der Kugelumlaufspindel 4 verursacht wird, und der Schwingung, die durch die Steifigkeit des Maschinenständers und des Mechanismus verursacht werden.
-
Mit der oben beschriebenen Schwingungssteuervorrichtung und dem oben beschriebenen Schwingungssteuerverfahren ist es möglich, Wellentorsionsschwingungen und Maschinenständerschwingungen zu steuern, ohne einen speziellen Sensor oder ein spezielles Messinstrument zu installieren.
-
Obwohl in der obigen Ausführungsform die Werkzeugmaschine, die mit einer Welle ausgestattet ist, die sich vom Motor über die Kugelumlaufspindel zum Antreiben des Spindelkopfs erstreckt, als Beispiel beschrieben wurde, kann die obige Ausführungsform auch auf eine linear motorgetriebene Werkzeugmaschine und auch auf andere Industriemaschinen als Werkzeugmaschinen angewendet werden. Die Ausführungsform kann nicht nur auf die linear angetriebene Welle, sondern auch auf eine rotatorisch angetriebene Welle angewendet werden.
-
Obwohl die Verstärkungseinheit 24 und die Steuereinheit 25 als Komponenten zum Steuern des in dem Motor 3 erzeugten Drehmoments basierend auf dem Abweichungsfehler zur Verdeutlichung des Zwecks enthalten sind, können diese Komponenten ferner als eine einzelne, integrierte Steuereinheit konfiguriert sein. Ein von der Schwingungsdetektionseinheit zu detektierendes Detektionsziel muss nicht notwendigerweise der Abweichungsfehler sein, beispielsweise kann er durch einen Detektionswert des Lastpositionsdetektors 10 ersetzt werden, solange es sich um ein Signal, dem Schwingungen des beweglichen Teils überlagert werden, handelt. Das Schwingungssteuerverfahren entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann unabhängig von seiner Form sowohl in manuellen als auch in automatischen Prozessen verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2020006940 [0001]
- JP 2004334772 A [0004, 0005]
