DE112015004133T5

DE112015004133T5 - Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112015004133T5
Application number: DE112015004133.8T
Authority: DE
Inventors: Tomoya Fujita; Kotaro Nagaoka; Takeshi Tsuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN106687792A; US10564032B2; US20170176244A1; JP6192849B2; WO2016039020A1; DE112015004133B4; CN106687792B; JPWO2016039020A1

Abstract

Es wird eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung bereitgestellt, die die Schwingungsmode einer Maschinenstruktur einer Maschine bestimmt, die einen oder mehrere Motoren beinhaltet und die eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit beinhaltet, die einen Schwingungsbefehl für den Motor erzeugt; ein Steuergerät, das einen Strombefehl für den Motor entsprechend dem Schwingungsbefehl erzeugt und einen Umwandlungswert für eine Motorerregungskraft an eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit ausgibt; eine Motorantriebseinheit, die den Motorstrombefehl vom Steuergerät empfängt und den Motor antreibtq; einen Schwingungssensor, der Schwingungen der Maschinenstruktur erfasst; eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit, die Informationen über den Befestigungspunkt des Schwingungssensors eingibt; eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit, welche die Schwingungsmode unter Verwendung des Umwandlungswerts für die Motorerregungskraft und der Ausgabe vom Schwingungssensor berechnet; und eine Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit.

Description

Gegenstand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, welche die Schwingungsmode von Maschinen bestimmt, die über Motoren verfügen.
Hintergrund
Herkömmliche bekannte Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtungen umfassen ein Schwingungsmessmittel, das über mehrere Sensoreingänge, ein Mittel zum Berechnen einer Übertragungsfunktion und ein Mittel zum Visualisieren und Ausgeben der Schwingungsmode verfügt (zum Beispiel Patentliteratur 1).
Ferner umfassen herkömmlich bekannte Vorrichtungen zum Analysieren der Empfindlichkeit der Steuerungsparameter eines Elektromotor-Steuergeräts einen Elektromotor, der an einer Maschine befestigt ist; ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen der Bewegungsmenge eines Objekts, das durch den Elektromotor oder die Maschine dargestellt wird; eine Befehlseinheit, die ein Befehlssignal erzeugt, und eine Steuervorrichtung, die das Befehlssignal empfängt, um den Elektromotor anzutreiben, Die Vorrichtung umfasst eine Messvorrichtung für eine rückkopplungsfreie Frequenzgangkennlinie, mit der eine rückkopplungsfreie Frequenzgangkennlinie, die keine Kennlinie der Steuervorrichtung beinhaltet, gemessen wird; ein Steuervorrichtungsmodell der Steuervorrichtung des Elektromotor-Steuergeräts; ein Berechnungsmittel, das eine rückkopplungsfreie Frequenzgangkennlinie bei einem Durchgang aus der gemessenen rückkopplungsfreien Frequenzgangkennlinie und dem Steuervorrichtungsmodell berechnet; und eine Empfindlichkeits-Analysevorrichtung, die die Empfindlichkeit des Verhältnisses zwischen den Steuerungsparametern der Steuervorrichtung und Veränderungen in der rückkopplungsfreien Frequenzgangkennlinie bei einem Durchgang analysiert (zum Beispiel Patentliteratur 2).
Referenzliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP H03-218421
Patentliteratur 2: JP 2006-227793

Zusammenfassung
Technisches Problem
Für das in der vorstehenden Patentliteratur 1 offenbarte Verfahren muss ein Impulshammer oder Vibrator als Schwingungserreger bereitgestellt werden. Wenn ein Impulshammer verwendet wird, muss ein Anwender einen Schlagvorgang ausführen; und wenn ein Vibrator verwendet wird, ist bei einer kleinen Maschine nicht gewährleistet, dass Raum für die Anbringung des Vibrators zur Verfügung steht; während bei einer größeren Maschine eine unzureichende Erregungskraft ausgeübt wird. Das heißt, mit der Technik aus Patentliteratur 1 bestehen dahingehend Probleme, dass der Anwender belastet wird und dass Einschränkungen durch die Maschinengröße bestehen.
Patentliteratur 2 stellt jedoch keine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung bereit, sondern eine Vorrichtung, die eine Maschine unter Verwendung eines Motors in Schwingung versetzen und eine Übertragungsfunktion aus der Erregungskraft, die von einem an der Maschinenstruktur befestigten Sensor aufgenommen wird, berechnen kann. Somit sollen die Probleme der Belastung des Anwenders und der Einschränkungen durch die Maschinengröße gelöst werden können.
Zur Anwendung der Technik aus Patentliteratur 2 auf Schwingungsmoden-Bestimmungen muss ein Anwender jedoch für jede der Bedingungen, die mit Informationen zu Messpunkten und der Ausrichtung des Sensors in Beziehung stehen, Datenverarbeitung durchführen und die Übertragungsfunktion neu berechnen oder in Phasendaten ändern, wenn die Empfindlichkeitsrichtung des Sensors entgegengesetzt zur Richtung einer Achse ist. Das heißt, mit der Technik aus Patentliteratur 2 ist es schwierig, eine sehr zuverlässige Schwingungsmode mit Effizienz und hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der vorstehenden Situation und eines ihrer Ziele besteht darin, eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung bereit zu stellen, die die Schwingungsmode einer Maschine, die über einen oder mehrere Motoren verfügt, mit hoher Zuverlässigkeit, Effizienz und hoher Genauigkeit bestimmt.
Lösung für das Problem
Um die vorgenannten Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, betrifft die vorliegende Erfindung eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, die eine Schwingungsmode einer Maschinenstruktur einer Maschine, die einen oder mehrere Motoren beinhaltet, bestimmt. Die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung beinhaltet eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Schwingungsbefehl für den Motor erzeugt; ein Steuergerät, das einen Strombefehl für den Motor entsprechend dem Schwingungsbefehl erzeugt und einen Umwandlungswert für eine Motorerregungskraft ausgibt; eine Motorantriebseinheit, die den Motorstrombefehl vom Steuergerät empfängt und den Motor antreibt; einen Schwingungssensor, der Schwingungen der Maschinenstruktur erfasst; eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit, die Informationen über einen oder mehrere Befestigungspunkte des Schwingungssensors eingibt; und eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit, welche die Schwingungsmode unter Verwendung des Umwandlungswerts für die Motorerregungskraft und der Ausgabe vom Schwingungssensor berechnet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Maschine, die über einen oder mehrere Motoren verfügt, mit einer Vorrichtung versehen werden, die Schwingungsmoden der Maschine mit hoher Zuverlässigkeit, Effizienz und hoher Genauigkeit bestimmt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform schematisch darstellt.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten eines Steuergeräts darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten eines Geschwindigkeitssteuergeräts darstellt.
4 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau der Maschinenstruktur in 1 schematisch darstellt.
5 ist ein Flussdiagram, welches das Verfahren zum Berechnen der Übertragungsfunktion und zum Ermitteln der Schwingungsmode durch ein Messsystem der ersten Ausführungsform, die in den 1 bis 4 dargestellt ist, darstellt.
6 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten einer Schwingungsmoden-Berechnungseinheit darstellt.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform darstellt.
8 ist eine perspektivische Darstellung, die den Aufbau einer dreiachsigen Werkzeugmaschine, für welche die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform verwendet wird, schematisch darstellt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über den Aufbau des Steuergeräts der zweiten Ausführungsform darstellt.
10 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten einer Maschineninformations-Übermittlungseinheit darstellt.
11 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über das Steuergerät einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung der dritten Ausführungsform darstellt.
12 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung in der vierten Ausführungsform darstellt.
13 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über das Steuergerät einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung der sechsten Ausführungsform darstellt.
14 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit gemäß der siebten Ausführungsform darstellt.
15 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform schematisch darstellt.
16 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform schematisch darstellt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Nachfolgend werden Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass die nachstehenden Ausführungsformen die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen.
1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt. Die Schwingungsmoden Bestimmungsvorrichtung 200 ist eine Vorrichtung, welche die Schwingungsmode einer Maschinenstruktur 16 bestimmt und ist derartig aufgebaut, dass sie Folgendes beinhaltet: eine Motorantriebsvorrichtung 19, die einen Motor 1 veranlasst, eine Antriebskraft f zu erzeugen, um die Maschinenstruktur 16 zum Schwingen zu bringen; eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11, die einen Schwingungsbefehl Cmd für den Motor 1 erzeugt; ein Steuergerät 12, das den Motor 1 unter Verwendung eines Strombefehls Im, der gemäß dem Schwingungsbefehl Cmd und einem Motorrotationswinkel Sd erzeugt wurde, steuert, und das einen Erregungskraft-Umwandlungswert fn des Motors 1 ausgibt; eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit 18, die die Koordinate Xi des i. Messpunkts und eine Sensorrichtung Ddi, die die Ausrichtung eines Sensors angibt, einstellt; und eine Schwingungsmaden-Berechnungseinheit 14, die die Schwingungsmode unter Verwendung einer Beschleunigung a berechnet, welche die Ausgabe eines Beschleunigungssensors 13 darstellt, der ein Beispiel für einen an einem Messpunkt der Maschinenstruktur 16 befestigten Schwingungssensor zum Erfassen von Schwingungen, die in der Maschinenstruktur 16 durch Schwingungserregung erzeugt werden, des Erregungskraft-Umwandlungswerts fn des Motors 1 und der Koordinate Xi des Messpunktes und der Sensorrichtung Ddi darstellt. Es ist zu beachten, dass eine Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit 15 bereitgestellt werden kann, die die festgestellte Schwingungsmode in Form eines Animationsbildes wie in der Figur dargestellt ausgibt.
Im Aufbau nach 1 gehören ein Pseudozufallssignal, ein Vorzeichen-Sweepsignal und dergleichen zu den Beispielen für Schwingungsbefehle, die von der Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 erzeugt werden. Das Pseudozufallssignal und Vorzeichen-Sweepsignal werden auch als Geschwindigkeitsbefehle betrachtet. Daher erfolgt in der ersten Ausführungsform eine Beschreibung, in welcher der „Schwingungsbefehl Cmd” als „Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmd” verwendet wird.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten eines Steuergeräts 12 darstellt. Das Steuergerät 12 erzeugt den Strombefehl Im und gibt diesen aus, um den Strom zu steuern, der durch den Motor 1 fließt (nachfolgend als ”Motorstrom” bezeichnet), so dass der Fehler zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmd und einer erfassten Position Sd, bei der es sich um die Position handelt, in die der von einem Encoder 3 erfasste Drehwinkel des Motors 1 umgewandelt wird, so klein wie möglich wird. Eine Stromwert-Erfassungseinheit 123 berechnet den Erregungskraft-Umwandlungswert fn des Motors 1 aus dem Strombefehl Im und gibt diesen aus. Obwohl die Stromwert-Erfassungseinheit 123 in 2 den Erregungskraft-Umwandlungswert fn unter Verwendung des Strombefehls Im berechnet, kann sie den Erregungskraft-Umwandlungswert fn unter Verwendung des Ist-Werts des tatsächlich durch den Motor 1 fließenden Motorstroms berechnen. Hier ergibt sich die Antriebskraft f des Motors 1 zum Beispiel durch den folgenden Ausdruck 1 unter Verwendung der Drehmomentkonstante Kt des Motors 1.
[Ausdruck 1]

f = Kt·Im (1)

Ein Positionssteuergerät 121 ist oft durch einen P-Regler gebildet. Die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 verringert die Verstärkung des Positionssteuergeräts 121 während der Schwingungserregung. Zum Einstellen des Wertes kann eines der folgenden Verfahren verwendet werden: Einstellen der Verstärkung gleich dem unteren Grenzwert des zu messenden Frequenzbereichs und Einstellen der Verstärkung gleich einem vorbestimmten Wert, der bei einem Fünftel bis zu einem Zehntel der anfänglich eingestellten Verstärkung für das Positionssteuergerät 121 liegt. Der Grund hierfür ist, dass das Response-Band der Geschwindigkeitssteuerung eines durch eine Vorschubspindel gebildeten Antriebsmechanismus im Allgemeinen mehrere Hundert Hz beträgt, wohingegen das Response-Band der Positionssteuerung nur bei einem Hz-Wert im einstelligen oder zweistelligen Bereich liegt; die Positionssteuerung kann daher nicht angemessen über ein breites Band Schwingungen erregen. Entsprechend wird eine Geschwindigkeitssteuerung, die über ein breiteres Band verfügt als die Positionssteuerung, verwendet.
Im Allgemeinen verfügt die Geschwindigkeitssteuerung über ein Band, das drei- bis achtmal größer ist als das der Positionssteuerung. Die in der Motorantriebsvorrichtung ausgeführte Stromsteuerung verfügt über ein Band, das fünf- bis zehnmal größer ist als das der Geschwindigkeitssteuerung. Wenn die Geschwindigkeitssteuerung verwendet wird, kann ein Schwingungserregungssignal als Geschwindigkeitsbefehl eingegeben werden. Wenn die Positionssteuerung jedoch effektiv funktioniert, weil der Geschwindigkeitsbefehl als Störung auf das Positionssteuergerät 121 wirkt, wird ein Schwingungserregungssignal, dessen Band kleiner oder gleich des Bandes der Positionssteuerung ist, unterdrückt. Entsprechend muss die Verstärkung des Positionssteuergeräts 121 verringert werden, so dass das Band der Positionssteuerung kleiner wird als die Untergrenze des Frequenzbereichs während der Schwingungserregung. Wenn ferner die Verstärkung des Positionssteuergeräts 121 auf 0 eingestellt wird, so dass die Positionssteuerung vollständig deaktiviert ist, wird die Position der Maschine nicht gesteuert und die Maschine kann sich in eine unerwünschte Position bewegen und daher wird die Positionssteuerung nicht vollständig deaktiviert. Ein Geschwindigkeitssteuergerät 122 wird oft durch einen PI-Regler gebildet. Das Geschwindigkeitssteuergerät 122 vollzieht die Geschwindigkeitssteuerung unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls für die Positionssteuerung Pcmd, den die Ausgabe des Positionssteuergeräts 121 darstellt, des Geschwindigkeitsbefehls für die Schwingung Cmd, der von der Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 120 empfangen wird und des Motordrehwinkels Sd, der die Ausgabe des Encoders darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten eines Geschwindigkeitssteuergeräts 122 darstellt. Eine Differentialeinheit 122a differenziert den Motor-Drehwinkel Sd, der die Ausgabe des Encoders darstellt, um die Geschwindigkeit des Motors 1 zu berechnen. Ein Addierglied 122b berechnet die Summe aus dem Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmd und dem Geschwindigkeitsbefehl für die Positionssteuerung Pcmd. Ein Substrahierglied 122c gibt die Differenz zwischen der Ausgabe der Differentialeinheit 122a und des Addierglieds 122b aus. Ein PI-Regler 122d führt eine PI-Steuerung der Ausgabe des Substrahierglieds 122c aus, um den Strombefehl Im auszugeben.
4 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau der Maschinenstruktur 16 in 1 schematisch darstellt. Die Motorantriebsvorrichtung 19 erzeugt die Antriebskraft f im Motor 1 gemäß dem Strombefehl Im, der von dem Steuergerät 12 ausgeben wird, damit die Maschinenstruktur 16 in Schwingungen versetzt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Drehbewegung des Motors 1 über eine Kupplung 8 an eine Vorschubspindel 2 übertragen und über eine Mutter 9 in eine Translationsbewegung umgewandelt. Die Translationsbewegung der Vorschubspindel 2 ist durch eine Lagerung 10 eingeschränkt. Die Translationsbewegung der Mutter 9 bewirkt, dass sich ein Arbeitstisch 4 in einer geraden Linie bewegt. Zu diesem Zeitpunkt misst der Beschleunigungssensor 13, der auf dem Arbeitstisch 4 angebracht ist, die Beschleunigung a und gibt sie an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 in der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 aus. Überdies dreht sich der Motor 1 gemäß dem Strombefehl Im, der von der Motorantriebsvorrichtung 19 der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 eingegeben wurde; und die Drehgeschwindigkeit und der Drehwinkel des Motors 1, die vom Encoder 3 gemessen wurden, werden an das Steuergerät 12 über die Motorantriebsvorrichtung 19 ausgegeben.
Ein Anwender gibt die Koordinate Xi des i. Messpunkts, an dem der Beschleunigungssensor 13 befestigt ist, sowie die Sensorrichtung Ddi, die die Ausrichtung des Sensors zu diesem Zeitpunkt angibt, in die Messpunktinformations-Eingabeeinheit 18 ein. Die Koordinate Xi des Messpunkts wird als die Koordinate verwendet, an der die Position des befestigten Sensors angezeigt wird, wenn ein Animationsbild angezeigt wird. Wenn außerdem der Beschleunigungssensor 13 nicht so befestigt werden kann, dass die Ausrichtungen, die die x-, y- und z-Achse der Maschine darstellen, mit denen der Koordinatenachsen des Sensors übereinstimmen, wird die Sensorrichtung Ddi so eingegeben, dass sie deren Korrespondenzverhältnis wiedergibt. Wenn zum Beispiel 1ch, 2ch und 3ch eines dreiachsigen Beschleunigungssensors so befestigt sind, dass sie jeweils auf der y-Achse in die positive Richtung, auf der x-Achse in die positive Richtung und auf der z-Achse in die negative Richtung einer dadurch gebildeten Maschine zeigen, wird die Sensorrichtung Ddi als (+y, +x, –z) angegeben.
Die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 berechnet die Übertragungsfunktion und ermittelt die Schwingungsmode unter Verwendung des Erregungskraft-Umwandlungswerts fn und der Beschleunigung a. 5 ist ein Flussdiagram, welches das Verfahren zum Berechnen der Übertragungsfunktion und zum Ermitteln der Schwingungsmode darstellt, das durch das Messsystem in der ersten Ausführungsform, die in den 1 bis 4 dargestellt ist, ausgeführt wird.
Zuerst befestigt ein Anwender den Beschleunigungssensor 13 an einem Messpunkt an der Maschinenstruktur 16. In Schritt S11 gibt der Anwender die Koordinate Xi des Messpunkts und die Sensorrichtung Ddi als Messpunktinformationen in die Messpunktinformations-Eingabeeinheit 18 ein. In Schritt S12 bestimmt der Anwender, welche Information fn vom Steuergerät 12 eingegeben wird, die eine Erregungskraft angibt; den Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmd, um die Schwingungsmode umzusetzen, in der der Motor 1 zu pseudozufälliger Drehung gebracht wird; und Information Im, die den Motorstrom angibt, damit das Messen der Schwingung der Maschinenstruktur 16 beginnt. Wenn die Messung beginnt, gibt die Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 einen Befehl zum Einstellen der Steuerungsparameter des Steuergeräts 12 aus. Es ist zu beachten, dass der Befehl zum Einstellen der Steuerungsparameter zu den Schwingungsbefehlen Cmd, die in 1 dargestellt sind, gehört. Wenn der Befehl zum Einstellen der Steuerungsparameter an das Steuergerät 12 ausgegeben wird, wird die Verstärkung des Positionssteuergeräts 121 geändert.
Bei Schritt S13 wird bestimmt, ob Steuerungsparameter, wie beispielsweise der Erregungskraft-Umwandlungswert fn und der Strombefehl Im, eingestellt wurden; und wenn die Steuerungsparameter eingestellt wurden (Ja bei Schritt S13), fährt das Verfahren bei S14 fort; und wenn sie nicht eingestellt wurden (Nein bei Schritt S13), werden die Schritte S12, S13 wiederholt.
Bei Schritt S14, gibt die Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 den Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmd an das Steuergerät 12 aus, und das Steuergerät 12 steuert die Motorantriebsvorrichtung 19 derart, dass sie den Motor 1 per Rotation antreibt, so dass dieser beginnt die Maschinenstruktur 16 in Schwingung zu versetzen. Bei Schritt S15 misst die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 während der Schwingung gleichzeitig den Erregungskraft-Umwandlungswert fn und die Beschleunigung a. Es ist zu beachten, dass der Wert des Motorstroms, der während der Schwingung überwacht wird, anstelle des Erregungskraft-Umwandlungswerts fn verwendet werden kann. Wenn in Schritt S16, die Schwingung beendet ist, gibt die Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 wieder einen Befehl zum Einstellen der Steuerungsparameter aus, um die Verstärkung, die in Schritt S12 geändert wurde, auf den ursprünglichen Wert zurückzusetzen.
Nachdem die Schwingung beendet ist, berechnet die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 in Schritt S17 die Übertragungsfunktion aus dem gemessenen Motorstromüberwachungswert fn und Beschleunigung a. In Schritt S18 wird bestimmt, ob die Messung abgeschlossen ist und wenn die Messung abgeschlossen ist (Ja bei Schritt S18), wird das Verfahren bei Schritt S19 fortgeführt; und wenn sie nicht abgeschlossen ist (Nein bei Schritt S18), kehrt das Verfahren zu Schritt S11 zurück. Es ist zu beachten, dass in Schritt S18 bestimmt werden kann, ob der Anwender Messung ausgewählt hat oder nicht; und wenn bestimmt wird, dass Messung ausgewählt wurde, fährt das Verfahren mit Schritt S19 fort, in dem die Schwingungsart berechnet wird.
In Schritt S19 berechnet die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 die Schwingungsmode. In Schritt S20 animiert die Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit 15 die Schwingungsmode und sie wird angezeigt.
6 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten der Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 darstellt. Die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 umfasst eine Übertragungsfunktion-Berechnungseinheit 141, einen Zwischenspeicherbereich 142, und eine Schwingungsmoden-Ermittlungseinheit 143. Die Erregungskraft fn, Beschleunigung a, und die Koordinate Xi des Messpunkts werden in die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 eingegeben.
Die Erregungskraft fn und Beschleunigung a werden von der Übertragungsfunktion-Berechnungseinheit 141 gleichzeitig abgefragt, und, nachdem die Schwingung beendet ist, wird die Übertragungsfunktion berechnet. Als Verfahren zum Berechnen einer Übertragungsfunktion aus einer Zeitreihen-Wellenform wurden viele Verfahren vorgeschlagen. Es gibt zum Beispiel ein Spektralanalyseverfahren, eine ARX-Identifikation, ein Teilraumverfahren und dergleichen. In der vorliegenden Ausführungsform der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nutzt das im Detail beschriebene Verfahren zum Berechnen der Übertragungsfunktion ein H1-Schätzungsverfahren, wobei es sich um eine Spektralanalyse mit der Erregungskraft als Eingabe und der Beschleunigung als Ausgabe handelt. Der Algorithmus zum Berechnen der Übertragungsfunktion ist offensichtlich nicht auf die nachfolgende Beschreibung beschränkt.
Wenn es sich bei dem Beschleunigungssensor 13 um einen dreiachsigen Typ handelt, weil eine Drei-Richtungs-Beschleunigungsantwort a als Dreikomponentenvektor erzielt wird, wird die Reihenfolge der Eingabekanäle des Sensors für die x-, y- und z-Richtung der Maschine geändert, damit sie der Sensorrichtung Ddi entspricht. Wenn F(s) und A(s) Fourier-Spektren der Erregungskraft f beziehungsweise der Beschleunigung a sind, dann wird ein Eingabeleistungsspektrum Gff durch den Ausdruck 2 ausgedrückt und ein Eingabe-/Ausgabekreuzspektrum durch den Ausdruck 3 ausgedrückt. Dabei bezeichnet · ein konjugiertes Spektrum. Die Übertragungsfunktion Gi(s) am i. Messpunkt wird durch den Ausdruck 4 ausgedrückt, wenn das H1-Schätzungsverfahren angewendet wird. Wenn das H1-Schätzungsverfahren angewendet wird, kann Rauschen, das im Signal der Beschleunigung a, wobei es sich um ein Ausgabesignal handelt, vorhanden ist, durch Mittelwertbildung minimiert werden.
[Ausdruck 2]

Gff = F(s) × F·(s) (2)

[Ausdruck 3]

Gaf = F(s) × A·(s) (3)

[Ausdruck 4]

Gi(s) = Gaf/Gff (4)

Informationen über die berechnete Übertragungsfunktion sind mit der Koordinate Xi der Messpunkteingabe von der Messpunktinformations-Eingabeeinheit 18 verbunden und werden im Zwischenspeicherbereich 142 gespeichert, bis die Messung der Übertragungsfunktion an allen Messpunkten beendet ist. Wenn die Messung an allen Messpunkten beendet ist, gibt die Übertragungsfunktion-Berechnungseinheit 141 Informationen über alle Übertragungsfunktionen an die Schwingungsart-Ermittlungseinheit 143 aus.
Die Schwingungsart-Ermittlungseinheit 143 ermittelt die Parameter der Schwingungsart (eine Eigenfrequenz, ein Modendämpfungsgrad), die die Schwingungsart definieren, mithilfe eines Verfahrens wie der Kurvenanpassung. Als Ermittlungsverfahren gibt es verschiedene Verfahren, wie beispielsweise die Modenkreisanpassung und die partielle Differenziteration. Dabei wird eine Schwingungsmode in Form von Amplituden- und Phasendaten der Zeitreihen-Response auf die Erregungskraft an jedem Punkt, der für die Bewertung der Schwingung unter dem Aspekt der Steuerung für die Verwendung geeignet ist, hergeleitet. Um die Frequenzcharakteristik der Übertagungsfunktion Gi(s) zu berechnen, wird jω substituiert. Dabei ist j die imaginäre Einheit und ω ist eine Frequenz (Ausdruck 5). In diesem Fall werden bei einer Frequenz ω das Amplitudenverhältnis R(ω) und die Phasendifferenz d(ω) für die Erregungskraft f durch den Ausdruck 6 ausgedrückt, wobei „abs” eine Absolutwertfunktion bezeichnet
[Ausdruck 5]

Gi(jω) = Gaf(jω)/Gff(jω) (5)

[Ausdruck 6]

R(ω) = abs(Gi(jω))
d(ω) = tan^–1(Gi(jω)) (6)

In diesem Fall kann der Weg (Betrag des Weges) dXi von der Referenzkoordinate Xi jedes Messpunktes i in Antwort auf die Eingabe der Erregungskraft f bei der Frequenz ω durch eine Sinusfunktion wie im folgenden Ausdruck 7 ausgedrückt werden, wenn davon ausgegangen wird, dass es sich um ein lineares System handelt. [Ausdruck 7]
Im obenstehenden Ausdruck ist t die Zeit und wenn es sich beim Beschleunigungssensor 13 um den dreiachsigen Typ handelt, enthält der Weg dXi Bestandteile der drei Richtungen x, y, und z. Nachdem der Weg dXi für alle Messpunkte i berechnet ist, kann die Form der Schwingungsmode bei einer Frequenz ω für die Erregungskraft f im Zeitbereich beschrieben werden. Die Schwingungsart-Berechnungseinheit 14 gibt die Referenzkoordinate Xi und den Weg dXi als Information, die die berechnete Schwingungsmode an jedem Messpunkt i repräsentiert, an die Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit 15 aus.
Die Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit 15 erstellt ein Animationsbild aus der Messpunktkoordinate Xi und dem Weg dXi und dieses wird angezeigt. Zuerst wird für alle Messpunkte i ein Drahtmodell der Maschine als Referenzpunkte in Übereinstimmung mit den Messpunktkoordinaten Xi gezeichnet. Dann wird der Weg dXi vom Referenzpunkt Xi Δt Sek. später für eine Zielfrequenz ω berechnet. Der Wert des Wegs dXi wird alle Δt Sekunden gemessen und die Koordinaten der Messpunkte werden aktualisiert. Somit wird ein Animationsbild der Schwingungsmode angezeigt.
Wie vorstehend beschrieben, versetzt die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Maschine unter Verwendung eines Motors einer Antriebsachse in Schwingung und berechnet die Schwingungsmode unter Verwendung des Erregungskraft-Umwandlungswertes und Informationen über einen oder mehrere Befestigungspunkte von Schwingungssensoren, die an mehreren Punkten an der Maschinenstruktur angebracht sind. Somit ist es möglich, die Frequenzgänge von den an den mehreren Punkten angebrachten Schwingungssensoren zu messen, so dass es möglich ist, eine Reihe von Schritten zur Berechnung der Schwingungsmode aus dem Frequenzgang für die Erregungskraft an jedem Punkt bis zur Ausgabe auszuführen. Ferner ist es möglich die Maschinenstruktur über ein breites Band in Schwingung zu versetzen, weil die Steuerungsparametereinstellungen während der Schwingungserregung geändert werden.
Zweite Ausführungsform
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform darstellt. Sie unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Maschineninformationen Dat vom Steuergerät 12 an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 ausgegeben werden.
8 ist eine perspektivische Darstellung, die den Aufbau einer dreiachsigen Werkzeugmaschine, für welche die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform verwendet wird, schematisch darstellt, In 8 verfügt die Werkzeugmaschine über mehrere bewegliche Achsen, deren Bewegungen in der Richtung einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse geführt sind; und die beweglichen Achsen werden jeweils von Antriebsmechanismen, welche die Motoren 1x, 1y 1z und die Vorschubspindeln 2x, 2y, 2z umfassen, angetrieben. Die Drehwinkel der Motoren 1x, 1y, 1z werden jeweils von den Encodern 3x, 3y, 3z erfasst und an ein Motorsteuergerät zurückgekoppelt. Der Aufbau des Antriebsmechanismus für jede Achse ist der gleiche wie im Aufbau der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, die in 1 schematisch dargestellt ist. In Bezug auf das Motorantriebsverfahren können jedoch anstelle der Motoren 1x, 1y, 1z und der Vorschubspindeln 2k, 2y, 2z Linearmotoren verwendet werden; und anstelle der Encoder 3x, 3y, 3z können lineare Skalen verwendet werden.
Bei dieser Werkzeugmaschine wird der Arbeitstisch 4 durch den Y-Achsen-Antriebsmechanismus angetrieben; und eine Stütze 5 wird durch den X-Achsen-Antriebsmechanismus angetrieben. Ein Hauptspindelkopf 7 wird über einen Stößel 6 durch den Z-Achsen-Antriebsmechanismus, der an der Stütze 5 befestigt ist, angetrieben und als Folge davon wird eine dreidimensionale Form zwischen dem am Ende des Hauptspindelkopfes 7 befestigten Werkzeug und einem auf dem Arbeitstisch 4 eingespannten Werkstück geschaffen. Der Arbeitstisch 4 und die Stütze 5 sind über einem Fuß 21 angebracht. In der zweiten Ausführungsform gibt die Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 die Bezeichnung der Achse, entlang der Schwingungen erfolgen sollen und einen Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmdx bis Cmdz für die entsprechende Achse aus, weil es drei Antriebsachsen gibt.
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über den Aufbau des Steuergeräts 12 in der zweiten Ausführungsform darstellt. Im Steuergerät 12 in der zweiten Ausführungsform werden jeweils Positionssteuergeräte 121x, 121y, 121z und Geschwindigkeitssteuergeräte 122x, 122y, 122z für die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse wie in 9 dargestellt bereitgestellt. Die Arbeitstischpositionen Sdx, SDy, Sdz, die die Ausgaben der Encoder 3x, 3y, 3z darstellen, werden in die Positionssteuergeräte 121x, 121y, 121z eingegeben. Geschwindigkeitsbefehle für die Positionssteuerung Pcmdx, Pcmdy, Pcmdz, die die Ausgaben der Positionssteuergeräte 121x, 121y, 121z darstellen, Geschwindigkeitsbefehle für die Schwingung Cmdx, Cmdy, Cmdz für die jeweiligen Achsen, die von einer Befehlswert-Verteilungseinheit 120 verteilt werden, und die Arbeitstischposition Sdx, SDy, Sdz werden jeweils in die Geschwindigkeitssteuergeräte 122x, 122y, 122z, eingegeben. Das Geschwindigkeitssteuergerät 122x gibt einen X-Achsen-Strombefehl Imx, der unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls für die Positionssteuerung Pcmdx erzeugt wurde, den Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmdx und die Arbeitstischposition Sdx an eine Motorantriebsvorrichtung 19x aus, die entlang einer X-Achse funktioniert. Genauso gibt, für die Y-Achse und die Z-Achse, das Geschwindigkeitssteuergerät 122y einen Y-Achsen-Strombefehl Imy, der unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls für die Positionssteuerung Pcmdy erzeugt wurde, den Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmdy und die Arbeitstischposition Sdy an eine Motorantriebsvorrichtung 19y aus, die entlang der Y-Achse funktioniert und das Geschwindigkeitssteuergerät 122z gibt einen Z-Achsen-Strombefehl Imz, der unter Verwendung des Geschwindigkeitsbefehls für die Positionssteuerung Pcmdz erzeugt wurde, den Geschwindigkeitsbefehl für die Schwingung Cmdz und die Arbeitstischposition Sdz an eine Motorantriebsvorrichtung 19z aus, die entlang der Z-Achse funktioniert. Ferner verfügt das Steuergerät 12 über eine Maschineninformations-Übermittlungseinheit 124, welche die Zustandsgröße der Maschine erfasst, um sie an Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 auszugeben.
10 ist ein Blockdiagramm, das die Einzelheiten einer Maschineninformations-Übermittlungseinheit 124 darstellt. Die Maschineninformations-Übermittlungseinheit 124 erhebt die Arbeitstischposition Sdx, SDy, Sdz der Maschine, die Strombefehle Imx bis Imz, die Lufttemperaturinformation Temp, die von einem Temperatursensor gemessen wird (nicht dargestellt) und eine Temperatur TempM der Maschine, die von einem Temperatursensor gemessen wird (nicht dargestellt) und gibt die Maschineninformationen Dat an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 aus. Der Grund dafür liegt darin, dass bekannt ist, dass sich die Schwingungsmode in einer mehrachsigen Werkzeugmaschine abhängig von der Position des Arbeitstischs, der Motorlast, der Temperatur der Maschine, der Lufttemperatur und dergleichen ändert. Daher müssen diese Zustandsinformationen zur Maschine und die Schwingungsmode in Verbindung zueinander verwaltet werden. Anstelle der Strombefehle Imx bis Imz kann der Ist-Wert des Motorstroms, der tatsächlich durch den Motor 1 fließt (insbesondere der Ruhestrom), die Maschineninformationen Dat darstellen.
Bei der Berechnung der Übertragungsfunktion, die im Zwischenspeicherbereich 142 gespeichert werden soll, speichert die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 diese in Verbindung mit Informationen über die für die Schwingung verwendete Achse und den Maschineninformationen Dat. Somit kann der Anwender den Zusammenhang zwischen den Maschineninformationen Dat und der Schwingungsmode leicht erhalten. Ferner kann der Anwender leicht die Differenz in Bezug auf die erregte Schwingungsmode zwischen den Achsen erhalten, entlang denen Schwingungen vorliegen. Da außerdem Informationen, wie beispielsweise die Achse, entlang der Schwingungen vorliegen, und die Maschinenposition und die Schwingungsmode in Verbindung miteinander gespeichert werden, ergibt sich die Wirkung, dass die Schwingungseigenschaften der Maschinenstruktur einfacher verstanden werden können.
Dritte Ausführungsform
11 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über das Steuergerät 12 einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung in der dritten Ausführungsform darstellt. Sie unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass die Schwingungsbefehle Cmdx, Cmdy, Cmdz nicht als Geschwindigkeitsbefehle, sondern als Strombefehle an die Motorantriebsvorrichtungen 19x, 19y, 19z, die jeweils Antriebsmechanismen darstellen, ausgegeben werden. Die Schwingungsbefehle werden als Strombefehle eingegeben, so dass die Maschine vom Motor 1 bis zu einem höheren Frequenzbereich in Schwingungen versetzt werden kann, als dies der Fall ist, wenn sie als Geschwindigkeitsbefehle eingegeben werden.
Währenddessen wird, da die Schwingungsbefehle Cmdx, Cmdy, Cmdz von Frequenzen, die nicht höher als das Band der Geschwindigkeitssteuerung sind, unterdrückt werden, die Verstärkung des Geschwindigkeitssteuergeräts 122 geändert, so dass das Band der Geschwindigkeitssteuerung mit der Untergrenze des Frequenzbereichs zusammenfällt, in dem Messungen ausgeführt werden. Entsprechend werden die Schwingungsbefehle Cmdx, Cmdy, Cmdz als Informationen Pdx, Pdy, Pdz verwendet, um mit ihnen die Verstärkung des Geschwindigkeitssteuergeräts 122 zu ändern. Wenn das Band der Positionssteuerung ferner breiter ist als das Band der Geschwindigkeitssteuerung, wird das Steuersystem instabil. Deshalb muss die Verstärkung des Positionssteuergeräts 121 ebenfalls geändert werden, so dass das Band der Positionssteuerung enger wird als das Band der Geschwindigkeitssteuerung. In diesem Fall kann zum Einstellen des Verstärkungswertes eines der folgenden Verfahren ausgewählt werden: das Einstellen der Verstärkungen des Positionssteuergeräts 121 und des Geschwindigkeitssteuergeräts 122 gleich dem unteren Grenzwert des Frequenzbereichs, in dem Messungen ausgeführt werden sollen, und das Einstellen der Verstärkungen gleich vorbestimmten Werten, die sich auf ein Fünftel bis ein Zehntel der ursprünglichen Verstärkereinstellungen belaufen.
Vierte Ausführungsform
In der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein anderer Sensor als der Beschleunigungssensor als Sensor zur Erfassung von Schwingungen verwendet werden. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung in der vierten Ausführungsform darstellt. Sie unterscheidet sich von den Ausführungsformen 1 bis 3 darin, dass ein Laser-Doppler-Schwingungsmessgerät 17 zum Messen der relativen Geschwindigkeit V zwischen dem Anbringungspunkt und einem zu messenden Objekt verwendet wird, um die Beschleunigung der Maschinenstruktur zu erfassen.
Weil der Beschleunigungssensor 13 die absolute Beschleunigung erfasst, wenn zum Beispiel die Steifigkeit des Bodens, auf dem eine Maschine aufgestellt ist, so niedrig ist, dass das Antreiben der Maschine den Boden in Schwingung versetzt, dann wird das Schwingen des Bodens als Schwingungsmode erfasst. Entsprechend muss, wenn es notwendig ist, den Einfluss der Bodenschwingung zu entfernen, der Vorgang des Entfernens eines der Bodenschwingung entsprechenden Teils aus der gemessenen Übertragungsfunktion ausgeführt werden. Wenn dagegen das Laser-Doppler-Schwingungsmessgerät 17 verwendet wird, wird die relative Geschwindigkeit V zwischen dem Aufstellungsboden und dem Messpunkt erfasst; daher muss der Vorgang des Entfernens der Bodenschwingung nicht ausgeführt werden.
Wenn das Laser-Doppler-Schwingungsmessgerät 17 verwendet wird, um eine Schwingung zu erfassen, stellt die durch die Übertragungsfunktion-Berechnungseinheit 141 berechnete Übertragungsfunktion eine Übertragungsfunktion aus der Erregungskraft zur Geschwindigkeit dar; und durch das Berechnen der Schwingungsmode kann die Schwingungsmoden-Ermittlungseinheit 143 die Schwingungsmode aus dem durch Ausdruck 8 ausgedrückten Ausdruck ermitteln.
[Ausdruck 8]

dXi(ω) = R(ω) / ωcos(ωt + d(ω)) (8)

Fünfte Ausführungsform
Die fünfte Ausführungsform hat einen Aufbau, bei dem anstelle des in 12 dargestellten Laser-Doppler-Schwingungsmessgeräts 17, ein Laser-Wegaufnehmer oder ein Laser-Interferometer zum direkten Messen eines Wegs verwendet wird. Wenn ein Laser-Wegaufnehmer oder ein Laser-Interferometer verwendet wird, kann der Weg der Maschinenstruktur in Reaktion auf die Erregungskraft direkt gemessen werden. Wenn ein Laser-Wegaufnehmer oder ein Laser-Interferometer verwendet wird, ergibt sich die Schwingungsmode zum Beispiel durch den Ausdruck 9. Da Wege direkt gemessen werden, ergibt sich die Wirkung, dass Fehler der Position und des Orts des Objekts direkt ausgewertet werden können.
[Ausdruck 9]

dXi(ω) = R(ω)sin(ωt + d(ω)) (9)

Sechste Ausführungsform
13 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht über das Steuergerät 12 einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung der sechsten Ausführungsform darstellt. Ein Feinbewegungsmechanismus zur Feineinstellung der Position von Arbeitstisch 4 kann in den Antriebsmechanismus von Werkzeugmaschinen integriert werden. Als Aktuatoren, die in allgemeinen Feinbewegungsmechanismen verwendet werden, gibt es zum Beispiel piezoelektrische Aktuatoren und Linearmotoren.
Derartige Aktuatoren, die zur Feinbewegung verwendet werden, verfügen über die Merkmale einer hohen Genauigkeit und Ansprechempfindlichkeit. Somit kann ein Ansprechvermögen von mehreren hundert Hz im Band der Positionssteuerung erzielt werden, ohne den Geschwindigkeitsbefehl oder Strombefehl als Schwingungsbefehl auszugeben. Damit kann der Schwingungsbefehl direkt als Positionsbefehl an das Steuergerät 12 ausgegeben werden. Somit ergibt sich die Wirkung, dass während der Schwingungserregung keine Steuerungsparameter verwendet werden müssen.
Siebte Ausführungsform
14 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau der Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit 11 in der siebten Ausführungsform darstellt. In der siebten Ausführungsform gibt ein Anwender die Achse, entlang der Schwingungen vorliegen sollen, die Ober- und Untergrenzen des Frequenzbands, in dem Messungen vorgenommen werden sollen, und die Art des Schwingungserregungssignals in eine Schwingungsbedingungs-Eingabeeinheit 110 ein. Die Schwingungsverfahren-Entscheidungseinheit 111 entscheidet abhängig von der eingegebenen Obergrenze des Frequenzbands, ob der Schwingungsbefehl für den Positionsbefehl, der Geschwindigkeitsbefehl oder der Strombefehl eingegeben wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Obergrenze für das Frequenzband, in dem Messungen vorgenommen werden sollen, unter dem Band der Positionssteuerung liegt, wird der Positionsbefehl ausgewählt; liegt er über oder bei dem Band der Positionssteuerung und unter dem Band der Geschwindigkeitssteuerung, wird der Geschwindigkeitsbefehl ausgewählt; und liegt er über oder bei dem Band der Geschwindigkeitssteuerung, wird der Strombefehl ausgewählt.
Eine Schwingungserregungssignal-Erzeugungseinheit 113 erzeugt abhängig vom Schwingungsbefehlstyp und vom Schwingungstyp den Schwingungsbefehl Cmd. Wenn der Typ eines Schwingungsbefehls zum Beispiel ein Geschwindigkeitsbefehl ist und der Typ des Schwingungserregungssignals ein Pseudozufallssignal ist, dann wird ein Pseudozufallsbefehl, der der Geschwindigkeitsbefehl ist, als Schwingungsbefehl Cmd ausgegeben. Wenn der Typ des Schwingungsbefehls ein Strombefehl ist und der Typ des Schwingungserregungssignals ein Vorzeichen-Sweepsignal ist, dann wird ein Vorzeichen-Sweepsignalbefehl, der der Strombefehl ist, als Schwingungsbefehl Cmd ausgegeben. Die Steuerungsparameter-Berechnungseinheit 112 entscheidet die Verstärkungen von Steuerungsparametern in Übereinstimmung mit dem Typ des Schwingungsbefehls und der Untergrenzen des Frequenzbands, in dem Messungen vorgenommen werden sollen.
Achte Ausführungsform
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass eine Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung in Software umgesetzt werden kann, die auf einem Computer ausgeführt werden soll, der über den Beschleunigungssensor 13, Motorantriebsvorrichtung 19 und dergleichen verfügt, und dass die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 insbesondere unter Verwendung der Hardware-Ressourcen eines Computers implementiert werden kann. Ferner ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 in der Form einer auf einem Speichermedium gespeicherten Software oder über ein Netzwerk auf dem Computer bereitgestellt wird; in einen RAM oder dergleichen geladen wird; und insbesondere unter Verwendung der Hardware-Ressourcen implementiert werden kann.
15 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 gemäß der achten Ausführungsform schematisch darstellt. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Bestandteile der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 keinen Beschleunigungssensor beinhalten und darin, dass sie über eine Sensorsignal-Eingabeschnittstelle (nachfolgend als Sensorsignal-Eingabe-SST) 30 verfügt, in die ein Sensorsignal eingegeben wird.
Die achte Ausführungsform beinhaltet die Sensorsignal-Eingabe-SST 30, um ein Signal vom Beschleunigungssensor 13 aufzunehmen, der ein Beispiel für einen außen installierten Schwingungssensor darstellt. Eine Sensorsignal-Eingabe-SST 30 wird z. B. als Signalaufnahme-A/D-Wandler implementiert. Die Sensorsignal-Eingabe-SST 30 nimmt ein Signal vom Sensor 13 auf und wandelt es in ein digitales Signal um, das an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 ausgegeben wird. Bei dem Schwingungssensor 13 kann es sich abhängig vom Messverfahren, der Größe und dem Preis um verschiedene Sensoren handeln. Entsprechend verfügt die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 über die Sensorsignal-Eingabe-SST 30, wobei es sich um eine verbreitete Signaleingabe-Schnittstelle handelt, so dass jeder beliebige Schwingungssensor verwendet werden kann, um Messungen auszuführen.
Neunte Ausführungsform
16 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 gemäß der neunten Ausführungsform schematisch darstellt. Sie unterscheidet sich darin von der achten Ausführungsform, dass das Steuergerät 12 die Maschineninformationen Dat an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit ausgibt. Außerdem nimmt die Sensorsignal-Eingabe-SST 30 ein Signal vom Sensor 13 auf und wandelt es in ein digitales Signal um, so dass es an die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 ausgegeben werden kann, wie in der achten Ausführungsform dargestellt.
Beim Berechnen der Übertragungsfunktion, die im Zwischenspeicherbereich 142 gespeichert werden soll, speichert die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit 14 diese in Verbindung mit Informationen über die für die Schwingung verwendete Achse und die Maschineninformationen Dat. Somit kann der Experimentator leicht den Zusammenhang zwischen den Maschineninformationen Dat und der Schwingungsmode erhalten. Ferner kann der Experimentator leicht den Unterschied in Bezug auf die erregte Schwingungsmode zwischen den Achsen, entlang denen Schwingungen vorhanden sein sollen, ermitteln. Da ferner Informationen, wie die Achse, die schwingen soll, und die Maschinenposition und die Schwingungsmode in Verbindung miteinander gespeichert werden, ergibt sich die Wirkung, dass die Schwingungseigenschaften der Maschinenstruktur einfacher zu verstehen sind.
Da die Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 Schwingungen in einem zu messenden Objekt unter Verwendung von Motor 1 des Objekts selbst verursachen kann, und diese Schwingung gemessen werden kann, wird kein Apparat zum Verursachen von Schwingungen in der zu messenden Vorrichtung benötigt, wie zum Beispiel bei einer Analyse im Versuchsbetrieb unter Verwendung eines Impulshammers. Dagegen muss bei einer Analyse im Versuchsbetrieb unter Verwendung eines Impulshammers die Vorrichtung wiederholt mit einem Impulshammer für alle Messpunkte geschlagen werden; und wenn es zum Beispiel viele Messpunkte gibt, müssen die Schwingungen viele Male in der Industriemaschine verursacht werden (zum Schwingen gebracht werden), während die Position des Beschleunigungssensors geändert wird. Außerdem muss im Fall des Testens einer großen Industriemaschine zum Erlangen einer Kraft (Erregungskraft), die hinreichende Schwingungen verursacht, ein großer Impulshammer verwendet werden, was für die Person, die den Test ausführt, anstrengende Arbeit ist. Mit der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 kann die Belastung für eine Person, die den Test ausführt, stark verringert werden.
Obwohl es ferner ein Verfahren gibt, dass einen Schwingungserreger anstelle des Impulshammers in einem zu messenden Objekt zum Verursachen von Schwingungen bereitstellt, muss hinreichender Platz gewährleistet sein, um den Schwingungserreger anzubringen, und somit kann ein Schwingungserreger nicht in einer kleinen Industriemaschine installiert werden. Obwohl sich ferner die Schwingungsformen, die ein Schwingungserreger in einer Industriemaschine verursacht, von der Schwingungsform unterscheiden können, wenn die Industriemaschine tatsächlich durch einen Motor angetrieben wird, können diese Probleme mit der Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung 200 gelöst werden.
Bezugszeichenliste

1, 1x, 1y, 1z: Motor
2, 2x, 2y, 2z: Vorschubspindel
3, 3x, 3y, 3z: ncoder
4: Arbeitstisch
5: Stütze
6: Stößel
7: Hauptspindelkopf
8: Kupplung
9: Mutter
10: Lagerung
11: Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit
12: Steuergerät
13: Beschleunigungssensor
14: Schwingungsmoden-Berechnungseinheit
15: Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit
16: Maschinenstruktur
17: Laser-Doppler-Schwingungsmessgerät
18: Messpunktdaten-Eingabeeinheit
19, 19x, 19y, 19z: otorantriebsvorrichtung
21: Fuß
30: Sensorsignal-Eingabe-SST
110: Schwingungsbedingungs-Eingabeeinheit
111: Schwingungsverfahren-Entscheidungseinheit
112: Steuerungsparameter-Berechnungseinheit
113: Schwingungserregungssignal-Erzeugungseinheit
120: Befehlswert-Verteilungseinheit
121, 121x, 121y, 121z: Positionssteuergerät
122, 122x, 122y, 122z: Geschwindigkeitssteuergerät
122a: Differentialeinheit
122b: Addierglied
122c: Substrahierglied
122d: PI-Regler
123: Stromwert-Erfassungseinheit
124: Maschineninformations-Übermittlungseinheit
141: Übertragungsfunktion-Berechnungseinheit
142: Zwischenspeicherbereich
143: Schwingungsart-Ermittlungseinheit
200: Schwingungsart-Bestimmungsvorrichtung.

Claims

Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, die eine Schwingungsmode einer Maschinenstruktur einer Maschine bestimmt, die einen oder mehrere Motoren beinhaltet, Folgendes aufweisend: eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Schwingungsbefehl für den Motor erzeugt; ein Steuergerät, das einen Strombefehl für den Motor entsprechend dem Schwingungsbefehl erzeugt und einen Umwandlungswert für eine Motorerregungskraft ausgibt; eine Motorantriebseinheit, die den Motorstrombefehl vom Steuergerät empfängt und den Motor antreibt; einen Schwingungssensor, der Schwingungen der Maschinenstruktur erfasst; eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit, die Informationen über einen oder mehrere Befestigungspunkte des Schwingungssensors eingibt; und eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit, welche die Schwingungsmode unter Verwendung des Umwandlungswerts für die Motorerregungskraft und der Ausgabe vom Schwingungssensor berechnet.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, die eine Schwingungsart einer Maschinenstruktur einer Maschine bestimmt, die einen oder mehrere Motoren beinhaltet, Folgendes aufweisend: eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Schwingungsbefehl für den Motor erzeugt; ein Steuergerät, das einen Strombefehl für den Motor entsprechend dem Schwingungsbefehl erzeugt und einen Umwandlungswert für eine Motorerregungskraft und Maschineninformationen, bei denen es sich um Informationen über einen Zustand und eine Position der Maschine handelt, ausgibt; eine Motorantriebseinheit, die den Motorstrombefehl vom Steuergerät empfängt und den Motor antreibt; einen Schwingungssensor, der Schwingungen der Maschinenstruktur erfasst; eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit, die Informationen über einen oder mehrere Befestigungspunkte des Schwingungssensors eingibt, und eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit, welche die Schwingungsmode unter Verwendung des Umwandlungswerts für die Motorerregungskraft und einer Ausgabe vom Schwingungssensor berechnet und die Maschineninformationen und die Schwingungsmode miteinander verbunden speichert
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung, die eine Schwingungsmode einer Maschinenstruktur einer Maschine bestimmt, die einen oder mehrere Motoren beinhaltet, Folgendes aufweisend: eine Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit, die einen Schwingungsbefehl für den Motor erzeugt; ein Steuergerät, das einen Strombefehl für den Motor entsprechend dem Schwingungsbefehl erzeugt und einen Umwandlungswert für eine Motorerregungskraft ausgibt; eine Motorantriebseinheit, die den Motorstrombefehl vom Steuergerät empfängt und den Motor antreibt; eine Sensorsignal-Erfassungsschnittstelle, die ein Signal von einem externen Sensor erfasst; eine Schwingungsmoden-Berechnungseinheit, welche die Schwingungsmode unter Verwendung des Umwandlungswerts für die Motorerregungskraft und dem von der Sensorsignal-Erfassungsschnittstelle erfassten Sensorsignal berechnet; und eine Messpunktinformations-Eingabeeinheit, die Informationen über den Befestigungspunkt des externen Sensors, der mit der Sensorsignal-Erfassungsschnittstelle verbunden ist, eingibt.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Schwingungsmoden-Berechnungseinheit die Maschineninformationen und die Schwingungsmode miteinander verbunden speichert.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei dem Schwingungsbefehl um einen Geschwindigkeitsbefehl für den Motor handelt.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät eine Verstärkung eines Positionssteuergeräts auf einen Wert ändert, der kleiner als ein momentaner Wert ist.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich beim Schwingungsbefehl im Steuergerät um einen Strombefehl für den Motor handelt.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät Verstärkungen eines Positionssteuergeräts und eines Geschwindigkeitssteuergeräts auf Werte ändert, die kleiner als momentane Werte sind.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei dem Schwingungssensor um einen Beschleunigungssensor, einen Geschwindigkeitssensor oder einen Wegsensor handelt.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei den Maschineninformationen um eine beliebige oder alle Elemente umfassende Kombination aus der Position der Maschine, der Umgebungstemperatur, der Temperatur der Maschine und einer Masse eines Objekts handelt.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schwingungsmoden-Ausgabeeinheit ein Animationsbild oder ein Standbild, das die Schwingung darstellt, ausgibt.
Schwingungsmaden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messpunktinformations-Eingabeeinheit dreidimensionale Koordinatenwerte eines Punktes enthält, an dem der Schwingungssensor befestigt ist und Informationen über eine Befestigungsrichtung des Schwingungssensors.
Schwingungsmoden-Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schwingungsbefehl-Erzeugungseinheit eine Achse, um die Schwingungen erfolgen sollen, einen Typ des Schwingungsbefehls und Steuerungsparameterwerte, die während der Schwingungserregung auf der Grundlage der eingegebenen Schwingungsbedingungen einzustellen sind, bestimmt.