DE112021005054T5

DE112021005054T5 - Servosteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112021005054T5
Application number: DE112021005054.0T
Authority: DE
Inventors: Shun Takarazawa; Satoshi Ikai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-09-21
Also published as: JP7492024B2; JPWO2022091941A1; US20230324872A1; CN116438499A; WO2022091941A1

Abstract

Bei einem Spielbetragsmesssystem, das in der Servosteuervorrichtung des Antriebsmotors von Werkzeugmaschinen und Industriemaschinen bereitgestellt ist, besteht ein technisches Problem darin, den Spielbetrag zu dem Zeitpunkt der Umkehr einer Antriebswelle mittels eines Spielbetragsmesssystems mit einer einfacheren Konfiguration mit einer geringen Anzahl an Detektoren genau zu messen. Das oben genannte technische Problem kann durch eine Spielbetragsmesseinheit gelöst werden, die ausgestattet ist mit einer Umkehrdetektionseinheit, die den Beginn der Umkehr der Welle detektiert, einer Ankunftsdetektionseinheit, die detektiert, dass das Spielende von dem Beginn der Umkehr erreicht wurde, und einer Zeit-/Distanzmesseinheit, welche die Zeit ab dann, wenn die Umkehrdetektionseinheit den Beginn der Umkehr detektiert, bis die Ankunftsdetektionseinheit detektiert, dass das Spielende erreicht wurde, oder die Bewegungsdistanz misst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servosteuervorrichtung für eine Motorantriebswelle und insbesondere eine Servosteuervorrichtung mit einer Funktion des Messens eines Betrags des Spiels einer Motorantriebswelle, die durch einen Servomotor angetrieben und gesteuert wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In einem Fall des Antreibens und Steuerns einer Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine ist ein Spiel, das auftritt, wenn die Antriebswelle umgekehrt wird, einer der Faktoren der Verschlechterung der Steuergenauigkeit. Daher erfolgt, um die Steuergenauigkeit für eine solche Antriebswelle zu verbessern, eine Steuerung, gemäß der ein Betrag des Spiels, das auftritt, wenn die Antriebswelle umgekehrt wird, gemessen und berücksichtigt wird.
Patentdokument 1 offenbart einen numerischen Controller, in dem eine Positionssteuereinheit gemäß einem Bewegungsbefehl, der eine Welle zur Hin- und Herbewegung anweist, Positionsdetektionsdaten bezüglich eines bewegbaren Teils einer Maschine und Drehpositionsdetektionsdaten bezüglich eines Motors liest, die gelesenen Daten in einer Speichereinheit speichert und automatisch einen Betrag des Spiels misst, indem sie die Daten miteinander vergleicht, wenn eine Reihe von Hin- und Herbewegungen abgeschlossen ist.
Patentdokument 2 offenbart, dass ein Zeitraum von einem Zeitpunkt, zu dem ein Antriebsziel beginnt, sich umzukehren, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Antriebsziel beginnt, sich zu bewegen, gemessen wird, eine Spielantriebszeit aus dem gemessenen Zeitraum bestimmt wird, ein Motor für die Spielantriebszeit angetrieben wird, um das Spiel aufzuheben, und dann eine wesentliche Antriebssteuerung begonnen wird.
Patentdokument 3 offenbart, dass ein Robotercontroller einen Betrag des Spiels aus einer Differenz zwischen einem Winkel jedes Gelenks, der aus einem Encoderwert berechnet wird, der durch einen jedem Aktuator bereitgestellten Encoder detektiert wird, und einem Winkel jedes Gelenks, der einem Winkel eines Haltewerkzeugs entspricht, der aus einer Trägheitskraft berechnet wird, die durch einen an dem Haltewerkzeug angebrachten Trägheitssensor detektiert wird, detektiert.

Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. H04-250950
Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2003-224994
Patentdokument 3: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2011-42022

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Wie oben beschrieben ist es bekannt, zu versuchen, die Genauigkeit einer Antriebssteuerung für eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine und eine Antriebswelle einer Industriemaschine zu verbessern, indem ein Betrag des Spiels detektiert wird, das an der Antriebswelle zu dem Zeitpunkt des Umkehrens auftritt, und die Antriebswelle unter Berücksichtigung des Betrags des Spiels gesteuert wird. Die Detektion des Betrags des Spiels gemäß den Patentdokumenten 1 bis 3 erfordert jedoch eine Reihe von Detektoren und das resultierende großangelegte Detektionssystem ist sehr groß und verursacht hohe Kosten. Es besteht ein Bedarf nach einem System, das eine einfachere Konfiguration als herkömmliche Systeme aufweist und imstande ist, einen Betrag des Spiels genau zu messen.
Unter den oben beschriebenen Umständen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung in der Konstruktion eines Systems, das für eine Servomotorsteuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine oder eine Industriemaschine ausgelegt ist, eine einfachere Konfiguration mit einer reduzierten Anzahl an Detektoren aufweist und imstande ist, einen Betrag des Spiels genau zu messen, das auftritt, wenn eine Antriebswelle umkehrt.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Offenbarung eine Servosteuervorrichtung für einen Motor bereit, der konfiguriert ist, eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder eine Antriebswelle einer Industriemaschine anzutreiben. Die Servosteuervorrichtung weist eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, einen Antrieb des Motors basierend auf einem Bewegungsbefehl zu steuern; und eine Spielbetragsmesseinheit auf, die konfiguriert ist, einen Betrag des Spiels zu messen, das auftritt, wenn die Antriebswelle umgekehrt wird. Die Spielbetragsmesseinheit weist auf eine Umkehrdetektionseinheit, die konfiguriert ist, einen Beginn der Umkehr der Antriebswelle basierend auf einem Positionsbefehl, einem Geschwindigkeitsbefehl, einem Positionsdetektionswert oder einem Geschwindigkeitsdetektionswert zu detektieren, eine Ankunftsdetektionseinheit, die konfiguriert ist, eine Ankunft der Antriebswelle an einem Spielende aus dem Beginn der Umkehr basierend auf einem Befehl oder einem Detektionswert zu detektieren, und eine Zeit-/Distanzmesseinheit, die konfiguriert ist, einen Zeitraum oder eine Bewegungsdistanz von einer Detektion des Beginns der Umkehr durch die Umkehrdetektionseinheit bis zu einer Detektion der Ankunft an dem Spielende durch die Ankunftsdetektionseinheit zu messen.
Wirkungen der Erfindung
Eine Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zur Steuerung eines Antriebsmotors einer Werkzeugmaschine oder einer Industriemaschine ausgelegt, ist mit einem Spielbetragsmesssystem versehen, weist eine einfachere Konfiguration mit einer geringen Anzahl an Detektoren auf und ist imstande, einen Betrag des Spiels genau zu messen, das auftritt, wenn eine Antriebswelle umkehrt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Flusses von Signalen, die zwischen einer Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung und einer Motorvorrichtung ausgetauscht werden;
2 ist ein Schaubild zur Erläuterung einer Definition eines Umkehrbeginns und einer Definition eines Spielendes;
3 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Detektion einer Ankunft an einem Spielende; und
4 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung eines Betrags des Spiels gemäß der vorliegenden Offenbarung.

BEVORZUGTE BETRIEBSART ZUR VERWIRKLICHUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Flusses von Signalen, die zwischen einer Servosteuervorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und einer Motorvorrichtung 20 ausgetauscht werden. Wie in 1 veranschaulicht überträgt die Servosteuervorrichtung 10, die einen Motor antreibt und steuert, ein Antriebsbefehlssignal an die Motorvorrichtung 20, während die Motorvorrichtung 20 ein Rückkopplungssignal, ein Detektionsinformationssignal usw. an die Servosteuervorrichtung 10 zurücksendet.
Die Servosteuervorrichtung 10 weist eine Drehmoment-/Positions-/Geschwindigkeitsbefehlsgeneratoreinheit 11, einen Addierer 12, eine Steuereinheit 13 und eine Spielbetragsmesseinheit 30 auf. Die Drehmoment-/Positions-/Geschwindigkeitsbefehlsgeneratoreinheit 11 berechnet einen Drehmomentbefehlswert, einen Positionsbefehlswert und einen Geschwindigkeitsbefehlswert zum Antrieb des Motors basierend auf einer Vorgabe in einem Nutzerprogramm oder einem Befehl von einer übergeordneten Steuervorrichtung. Es sei angemerkt, dass ein Geschwindigkeitsbefehl ein Wert sein kann, der durch Differenzieren eines Positionsbefehls mit der Zeit berechnet wird, und ein Drehmomentbefehl ein Wert sein kann, der durch Multiplizieren eines Beschleunigungsbefehls, der durch Differenzieren des Geschwindigkeitsbefehls mit der Zeit erlangt wird, mit der Trägheit berechnet wird, die zum Beispiel durch Ermitteln einer Summe der Trägheit der Motorvorrichtung 20 und der Trägheit der Antriebswelle erlangt wird.
Der Drehmomentbefehlswert, der Positionsbefehlswert und der Geschwindigkeitsbefehlswert, die durch die Drehmoment-/Positions-/Geschwindigkeitsbefehlsgeneratoreinheit 11 berechnet und erzeugt werden, werden an den Addierer 12 ausgegeben und ein Drehmomentwert, ein Positionswert und ein Geschwindigkeitswert, die durch die Motorvorrichtung 20 detektiert und von dieser zurückgemeldet werden, werden von den Befehlswerten subtrahiert, wodurch Abweichungen zwischen den Befehlswerten und den Detektionswerten bestimmt werden. Der Addierer 12 gibt Befehlswerte aus, die den Abweichungen des Drehmoment-, des Positions- und des Geschwindigkeitsbefehlswerts von dem Drehmoment-, dem Positions- und dem Geschwindigkeitsdetektionswert entsprechen, und die von dem Addierer 12 ausgegebenen Befehlswerte werden in die Steuereinheit 13 eingegeben. Die Steuereinheit 13, in der eine bekannte Steuerung wie etwa PID-Steuerung, Lernsteuerung oder dergleichen gemäß den Eigenschaften der Motorvorrichtung 20 und der/den erforderlichen Steuergenauigkeit und -eigenschaften angewendet wird, stellt der Motorvorrichtung 20 eine resultierende Ausgabe bereit.
Die Motorvorrichtung 20 weist eine Motorantriebseinheit 21, einen Motorkörper 22 und einen Positions-/Geschwindigkeitsdetektor 23 auf. Als Reaktion auf die von der Servosteuervorrichtung 10 ausgegebenen Befehlswerte erzeugt die Motorantriebseinheit 21 auf einer Motor-zu-Motor-Basis vorgeschriebene Startleistung und versetzt den Motorkörper 22 in Drehung. Der Positions-/Geschwindigkeitsdetektor 23 detektiert eine Drehposition und eine Drehgeschwindigkeit (Drehzahl) der Drehung des Motorkörpers 22. Eine Beschleunigung wird berechnet, indem die detektierte Geschwindigkeit des Motors mit der Zeit differenziert wird, und ein tatsächlicher Drehmomentwert, der in der Motorvorrichtung 20 oder dergleichen erzeugt wird, kann durch Multiplizieren der berechneten Beschleunigung mit der Trägheit der Motorvorrichtung 20, der Antriebswelle oder dergleichen bestimmt werden.
Wie oben erwähnt werden die Position und Geschwindigkeit (Drehzahl) des Motorkörpers 22, die durch den Positions-/Geschwindigkeitsdetektor 23 detektiert werden, und der tatsächliche Drehmomentwert, der aus der Position und Geschwindigkeit (Drehzahl) des Motorkörpers 22, die durch den Positions-/Geschwindigkeitsdetektor 23 detektiert werden, berechnet wird, an die Servosteuervorrichtung 10 zurückgemeldet und dann an den Addierer 12 ausgegeben und zudem an die Spielbetragsmesseinheit 30 übertragen.
Die Spielbetragsmesseinheit 30 weist eine Umkehrdetektionseinheit 31, eine Ankunftsdetektionseinheit 32 und eine Zeit-/Distanzmesseinheit 33 auf. Bei Empfangen eines Signals von der Drehmoment-/Positions-/Geschwindigkeitsbefehlsgeneratoreinheit 11 oder eines Detektionssignals von dem Positions-/Geschwindigkeitsdetektor 23 der Motorvorrichtung 20 detektiert die Umkehrdetektionseinheit 31 einen Beginn der Umkehr, während die Ankunftsdetektionseinheit 32 eine Ankunft an einem Spielende detektiert. Die Zeit-/Distanzmesseinheit 33 berechnet einen Betrag des Spiels basierend auf Ergebnissen der vorgenannten Detektion. Dieses Detektions- und Berechnungsverfahren wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Als nächstes wird die Definition des Betrags des Spiels gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 veranschaulicht im oberen Teil davon eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Tisch 202 und einer Spindel (Kugelumlaufspindel 201) mit einem dazwischen angeordneten Kugellager in mehreren Zuständen in chronologischer Reihenfolge ausgehend von einem Zustand, in dem die Kugelumlaufspindel 201 beginnt, durch die Motorvorrichtung 20 in Drehung versetzt zu werden, um so den Tisch 202 in einer Vorwärtsrichtung zu bewegen, bis zu einem Zustand, in dem die Kugelumlaufspindel 201 umgekehrt wird, um so den Tisch 202 in einer Rückwärtsrichtung zu bewegen.
Von den fünf Teilfiguren, welche die relative Positionsbeziehung zwischen dem Tisch 202 und der Kugelumlaufspindel 201 im oberen Teil von 2 chronologisch angeben, gibt die Teilfigur (1) am linken Ende einen Zustand an, in dem der Tisch 202 aufgrund der Drehung der Kugelumlaufspindel 201 in der Vorwärtsrichtung bewegt wird. Die Kugel, die als Lager zwischen dem Tisch 202 und dem Gewindeabschnitt der Kugelumlaufspindel 201 fungiert, steht in engem Kontakt mit dem Tisch 202 und dem Gewindeabschnitt und nimmt eine Last zur Übertragung einer Kraft in der Vorwärtsrichtung auf. Um diesen Zustand anzugeben, ist die Kugel in einer ovalen Form abgebildet.
Die Teilfigur (2) an zweiter Stelle von links im oberen Teil von 2 gibt einen Zustand an, in dem die Kugelumlaufspindel 201 beginnt, umgekehrt zu werden, und die Kugel zwischen dem Tisch 202 und dem Spindelabschnitt keine Last in der Vorwärtsrichtung aufnimmt. Das heißt, die Teilfigur (2) gibt einen Zeitpunkt an, zu dem eine Relativgeschwindigkeit des Tischs 202 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 201 als Reaktion auf an die Motorvorrichtung 20 gerichtete Bewegungsbefehle für Drehmoment, Position und Geschwindigkeit gleich 0 wird. Der Zeitpunkt, der diesem Zustand entspricht, ist in der vorliegenden Offenbarung als der Umkehranfangszeitpunkt definiert. Somit wird eine Detektion, dass die Relativgeschwindigkeit des Tischs 202 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 201 gleich 0 wird, durch die Umkehrdetektionseinheit 31 als Detektion der Umkehr des Geschwindigkeitsbefehls oder Umkehr der Rückkopplung betrachtet, wodurch der Beginn der Umkehr detektiert wird.
Die Teilfigur (3) in der Mitte des oberen Teils von 2 gibt einen Zustand inmitten des Wechsels von der Detektion des Beginns der Umkehr bis zur Ankunft an einem Spielende an. In dem durch die Teilfigur (3) angegebenen Zustand bleibt die zwischen dem Tisch 202 und dem Gewindeabschnitt angeordnete Kugel in der Vorwärtsrichtung unbelastet und ein Auftreten von Spiel setzt sich fort. Die Kugelumlaufspindel 201 kommt dann an dem Spielende an, wodurch der durch die Teilfigur (4) an zweiter Stelle von rechts angegebene Zustand herbeigeführt wird. In dem durch die Teilfigur (4) angegebenen Zustand nimmt die Kugel eine Last in der Richtung auf, die der Vorwärtsrichtung entgegengesetzt ist. Anschließend wird ein durch die Teilfigur (5) am rechten Ende angegebener Zustand herbeigeführt, in dem der Tisch 202 aufgrund der Drehung der Kugelumlaufspindel 201 in der Umkehrrichtung in der Richtung bewegt wird, die der Vorwärtsrichtung entgegengesetzt ist.
Somit ist definiert, dass das Spiel zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem die Relativgeschwindigkeit des Tischs 202 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 201 als Reaktion auf den Beginn der Umkehr des Geschwindigkeitsbefehls oder der Geschwindigkeitsrückkopplung gleich 0 wird, was durch die zweite Teilfigur von links in 2 angegeben ist, und zu dem Zeitpunkt endet, zu dem die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende ankommt, was durch die zweite Teilfigur von rechts in 2 angegeben ist. Eine Relativbewegungsdistanz, um die sich der Tisch 202 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 201 bewegt, oder eine Relativbewegungsdistanz, um die sich die Kugelumlaufspindel 201 in Bezug auf den Tisch 202 bewegt, während des Zeitraums vom Beginn bis zum Ende des Spiels ist Betrag des Spiels definiert. Der Betrag des Spiels entspricht einer Bewegungsdistanz, um die sich die zwischen dem Tisch 202 und dem Spindelabschnitt angeordnete Kugel bewegt, und ist in der rechten Teilfigur im unteren Teil von 2 durch Δx angegeben.
Mit anderen Worten wird der Betrag des Spiels bestimmt, indem der Umkehranfangszeitpunkt, der durch die zweite Teilfigur von links angegeben ist, und der Spielankunftszeitpunkt, der durch die zweite Teilfigur von rechts im oberen Teil von 2 angegeben ist, detektiert wird und die Bewegungsdistanz dazwischen berechnet wird. Wie oben beschrieben kann der durch die zweite Teilfigur von links angegebene Umkehranfangszeitpunkt detektiert werden, indem der Zeitpunkt detektiert wird, zu dem die Relativgeschwindigkeit des Tischs 202 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 201 gleich 0 wird. Als nächstes wird eine Detektion des Zeitpunkts, zu dem die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende ankommt, unter Bezugnahme auf 2 und 3 ausführlich beschrieben.
In der vorliegenden Offenbarung wird ein Fall erläutert, in dem der Zeitpunkt, zu dem die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende ankommt, bei einer Änderung eines Drehmomentbefehls oder einer Änderung einer Beschleunigung detektiert wird, die dadurch verursacht wird, dass die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende ankommt. Hierbei wird für das in 2 und 3 veranschaulichte System (Modell), in dem die Kugelumlaufspindel 201 durch die Motorvorrichtung 20 gedreht wird, um so den Tisch 202 zu bewegen, die Trägheit des Systems beschrieben. Zur Vereinfachung der Beschreibung des Modells wird angenommen, dass die Motorvorrichtung 20, die Kugelumlaufspindel 201 und der Tisch 202, die das veranschaulichte System bilden, eine gleiche Trägheit J_M aufweisen.
Es wird auf den Zustand vor der Ankunft an dem Spielende nach dem Auftreten des Spiels Bezug genommen, d.h. den Zustand, der durch die Teilfigur (3) in der Mitte des oberen Teils von 2 angegeben ist. Gemäß dem Modell dieses Systems sind lediglich zwei Elemente, nämlich die Motorvorrichtung 20 und die Kugelumlaufspindel 201, in diesem Zustand in Bewegung und eine Gesamtträgheit J_Σ dieses Systems ist gegeben durch:
[Formel 1] $J_{\sum} = 2 J_{M}$
Andererseits sind in dem Zustand, in dem die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende angekommen ist, d.h. in dem Zustand, der durch die Teilfigur (4) an zweiter Stelle von rechts im oberen Teil von 2 angegeben ist, gemäß dem Modell dieses Systems drei Elemente, nämlich die Motorvorrichtung 20, die Kugelumlaufspindel 201 und der Tisch 202, in Bewegung und eine Gesamtträgheit J_Σ dieses Systems ist gegeben durch:
[Formel 2] $J_{\sum} = 3 J_{M}$
Es ist bekannt, dass eine Beziehung zwischen einem Drehmomentbefehl T_cmd und einem tatsächlichen Drehmoment T durch die nachstehende Formel (3) ausgedrückt wird:
[Formel 3] $T_{cmd} [%] = (T \times 100) / (K_{t} \times I_{max})$
In dieser Formel steht T_cmd [%] für den Drehmomentbefehl, T [Nm] steht für das tatsächliche Drehmoment, K_t [Nm/Ap] steht für eine Drehmomentkonstante eines Motors und I_max [Ap] steht für einen maximalen Strom des Verstärkers. Das tatsächliche Drehmoment T [Nm] ist durch die nachstehende Formel (4) definiert.
[Formel 4] $T [Nm] = J_{\sum} \times (d ω /dt)$
In dieser Formel steht ω für eine Winkelgeschwindigkeit und dw/dt steht für eine Winkelbeschleunigung.
Dementsprechend kann in einem Fall, in dem eine Steuerung derart erfolgt, dass die Winkelbeschleunigung (dω/dt) konstant ist, der Wechsel von dem Zustand, in dem die Kugelumlaufspindel 201 noch nicht an dem Spielende angekommen ist, zu dem Zustand, in dem die Kugelumlaufspindel 201 an dem Spielende angekommen ist, detektiert werden, indem ein Wechsel von einem Drehmomentbefehlswert vor der Ankunft an dem Spielende, der durch Einsetzen der Formeln (4) und (1) in die Formel (3) gegeben ist, zu einem Drehmomentbefehlswert zu dem Zeitpunkt der Ankunft an dem Spielende, der durch Einsetzen der Formeln (4) und (2) in die Formel (3) gegeben ist, detektiert wird. Unter der Voraussetzung, dass die Winkelbeschleunigung dw/dt konstant ist, kann, da ein durch Einsetzen der Formeln (4) und (2) in die Formel (3) berechneter Wert das 1,5-Fache eines durch Einsetzen der Formeln (4) und (1) in die Formel (3) berechneten Werts beträgt, die Ankunft an dem Spielende detektiert werden, indem detektiert wird, dass der Drehmomentbefehlswert um das 1,5-Fache zugenommen hat. Im Gegensatz dazu kann in einem Fall, in dem eine Steuerung derart erfolgt, dass der Drehmomentbefehl konstant ist, die Ankunft an dem Spielende detektiert werden, indem detektiert wird, dass die Winkelbeschleunigung auf 2/3 abgenommen hat.
Ein Fall, in dem der Drehmomentbefehlswert bei einem Verstreichen einer Zeit t von einer Detektion des Beginns der Umkehr bis zu einer Detektion der Ankunft an dem Spielende um das 1,5-Fache zugenommen hat, ist im linken Diagramm im unteren rechten Teil von 3 dargestellt. In dem linken Diagramm im unteren rechten Teil von 3 stellt die Vertikalachse den Drehmomentbefehlswert TCMD dar und die Horizontalachse stellt die Zeit dar. Ein Fall, in dem die Beschleunigung bei einem Verstreichen einer Zeit t von einer Detektion des Beginns der Umkehr bis zu einer Detektion der Ankunft an dem Spielende auf 2/3 abgenommen hat, ist in dem rechten Diagramm dargestellt, das im unteren rechten Teil von 3 gezeigt wird. In dem rechten Diagramm, das im unteren rechten Teil von 3 gezeigt wird, stellt die Vertikalachse die Beschleunigung dar und die Horizontalachse stellt die Zeit dar.
Es ist zudem bekannt, dass eine Beziehung zwischen der Winkelbeschleunigung (dω/dt) der Kugelumlaufspindel 201 und einer Translationsbeschleunigung a des Tischs 202 durch die nachstehende Formel (5) ausgedrückt wird.
[Formel 5] $d ω /dt [{rad/s}^{2}] = (2 π / (L \times 10^{- 3})) \times a$
In dieser Formel steht L [mm] für eine Steigung der Kugelumlaufspindel 201 und a [m /s²] steht für die Translationsbeschleunigung der Kugelumlaufspindel 201. Ferner ist bekannt, dass eine Beziehung zwischen der Translationsbeschleunigung a und dem Betrag des Spiels Δx durch die nachstehende Formel (6) ausgedrückt wird.
[Formel 6] $a [{m/s}^{2}] = 2 \times 10^{- 6} \times (Δ {x/t}^{2})$
Da das Modell des Systems während des Auftretens des Spiels die durch Formel (1) gegebene Trägheit aufweist, wird der Betrag des Spiels Δx durch die nachstehende Formel (7) basierend auf den Formeln (1) und (3) bis (6) ausgedrückt.
[Formel 7] $Δ x = (1 / (8 π \times 10^{11})) \times (K_{t} \times I_{max} \times {K/J}_{M}) \times T_{cmd} \times t^{2}$
Formel (7) ermöglicht eine Detektion eines Betrags des Spiels, vorausgesetzt, dass eine Steuerung derart erfolgt, dass der Drehmomentbefehl T_cmd konstant ist, und eines Zeitraums von einem Zeitpunkt, zu dem der Beginn der Umkehr detektiert wird, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ankunft an dem Spielende gemessen wird. Alternativ wird in einem Fall, in dem eine Bewegungsdistanz gemessen werden kann, ein Betrag des Spiels mittels Messen einer Bewegungsdistanz von einem Zeitpunkt, zu dem der Beginn der Umkehr detektiert wird, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ankunft an dem Spielende detektiert wird, direkt bestimmt.
Die Messung eines Betrags des Spiels unter Verwendung von Formel (7) erfordert einen Hochgeschwindigkeits-Messzyklus, der gleich oder kürzer ist als ein Steuerzyklus für den Motor. Um eine genauere Messung zu erreichen, ist es zum Beispiel bevorzugt, die Messung in Zyklen durchzuführen, die gleich oder kürzer sind als eine Hälfte des Steuerzyklus für den Motor. Als Richtwert ist ein üblicher Steuerzyklus auf 1 ms festgelegt. Eine hochgenaue Messung kann durch Anwenden eines Hochgeschwindigkeits-Steuerzyklus der Servosteuervorrichtung erreicht werden.
Als nächstes wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Messung eines Betrags des Spiels in dem Fall der Servosteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 4 beschrieben. Zunächst wird bestimmt, ob die Motorvorrichtung, die durch die Servosteuervorrichtung angetrieben und gesteuert wird, die Kugelumlaufspindel mittels (a) konstanter Beschleunigungssteuerung oder (b) konstanter Drehmomentbefehlssteuerung steuert und antreibt (Schritt St10). Wenn das Bestimmungsergebnis (a) die konstante Beschleunigungssteuerung ist, geht der Prozess zu Schritt St21 über, wohingegen, wenn das Bestimmungsergebnis (b) die konstante Drehmomentbefehlssteuerung ist, der Prozess zu Schritt St22 übergeht.
In Schritt St21 wird ein Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel detektiert. Konkret wird der Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel detektiert, wenn eine Geschwindigkeit der Kugelumlaufspindel als 0 detektiert wird. Als nächstes geht der Prozess zu Schritt St31 über, in dem detektiert wird, ob die Kugelumlaufspindel an dem Spielende angekommen ist oder nicht. Konkret wird in dem Fall der konstanten Beschleunigungssteuerung die Ankunft der Kugelumlaufspindel an dem Spielende bei Detektion eines Zeitpunkts detektiert, zu dem der Drehmomentbefehl um das 1,5-Fache zunimmt. Analog dazu wird in Schritt St22 ein Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel detektiert. Konkret wird der Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel detektiert, wenn eine Geschwindigkeit der Kugelumlaufspindel als 0 detektiert wird. Als nächstes geht der Prozess zu Schritt St32 über, in dem detektiert wird, ob die Kugelumlaufspindel an dem Spielende angekommen ist oder nicht. Konkret wird bei der konstanten Drehmomentbefehlssteuerung die Ankunft der Kugelumlaufspindel an dem Spielende bei Detektion eines Zeitpunkts detektiert, zu dem eine Beschleunigung auf 2/3 abnimmt.
Nach den Schritten St31 und St32 geht der Prozess zu Schritt St40 über. In Schritt St40 wird bestimmt, ob eine Bewegungsdistanz der Kugelumlaufspindel gemessen werden kann oder nicht. Wenn eine Position der Kugelumlaufspindel detektiert werden kann, kann zum Beispiel die Bewegungsdistanz der Kugelumlaufspindel aus einer Differenz zwischen einer Position, an der die Kugelumlaufspindel mit der Umkehr begonnen hat, und einer Position, an der die Kugelumlaufspindel an dem Spielende angekommen ist, gemessen werden. Wenn das Bestimmungsergebnis Ja ist, das heißt wenn die Bewegungsdistanz der Kugelumlaufspindel gemessen werden kann, geht der Prozess zu Schritt St51 über. Wenn das Bestimmungsergebnis Nein ist, das heißt wenn die Bewegungsdistanz der Kugelumlaufspindel nicht gemessen werden kann, geht der Prozess zu Schritt St52 über.
In Schritt St51 wird ein Betrag des Spiels aus der Bewegungsdistanz zwischen der Position, an der die Kugelumlaufspindel mit der Umkehr begonnen hat, und der Position, an der die Kugelumlaufspindel an dem Spielende angekommen ist, gemessen. Die gemessene Bewegungsdistanz von der Position, an der die Kugelumlaufspindel mit der Umkehr begonnen hat, zu der Position, an der die Kugelumlaufspindel an dem Spielende angekommen ist, ist der Betrag des Spiels. Sobald der Betrag des Spiels gemessen ist, ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung erfüllt und der Ablauf endet. In Schritt St52 wird der Betrag des Spiels basierend auf einem Zeitraum von dem Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel bis zu der Ankunft der Kugelumlaufspindel an dem Spielende gemessen. Wie in Schritt St51 ist, sobald der Betrag des Spiels gemessen ist, die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung erfüllt und der Ablauf endet.
Wie oben beschrieben wird gemäß der vorliegenden Offenbarung der Betrag des Spiels an der Kugelumlaufspindel basierend auf der Detektion des Beginns der Umkehr der Kugelumlaufspindel und der Detektion der Ankunft der Kugelumlaufspindel an dem Spielende gemessen. Der Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel wird detektiert, wenn eine Geschwindigkeit der Kugelumlaufspindel als 0 detektiert wird, und die Ankunft an dem Spielende wird durch Detektieren einer Änderung des Drehmomentbefehls oder einer Änderung der Beschleunigung detektiert. Daher ist lediglich ein der Motorvorrichtung bereitgestellter Detektor als Detektor zum Detektieren der Position oder Geschwindigkeit (Drehzahl) erforderlich und es ist kein separater Detektor erforderlich. Daher kann im Vergleich zu herkömmlichen Spielbetragsmesssystemen die Anzahl an erforderlichen Detektoren reduziert werden und der Betrag des Spiels kann mit einer einfacheren Konfiguration genau gemessen werden.
Ferner ist die vorliegende Offenbarung nicht nur auf den Fall, in dem die Kugelumlaufspindel mittels der konstanten Beschleunigungssteuerung angetrieben und gesteuert wird, sondern auch auf den Fall anwendbar, in dem die Kugelumlaufspindel mittels der konstanten Drehmomentbefehlssteuerung angetrieben und gesteuert wird. Des Weiteren ermöglicht es die vorliegende Offenbarung, den Betrag des Spiels nicht nur aus einer Bewegungsdistanz, sondern auch einem Zeitraum von dem Beginn der Umkehr der Kugelumlaufspindel bis zu der Ankunft an dem Spielende nach der Detektion des Beginns und der Ankunft zu messen. Daher weist die vorliegende Offenbarung vorteilhafterweise eine hohe Vielseitigkeit auf und ist auf verschiedene Bedingungen anwendbar.
Obschon Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, um die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ERLÄUTERUNG DER BEZUGSZEICHEN

10: Servosteuervorrichtung
11: Drehmoment-/Positions-/Geschwindigkeitsbefehlsgeneratoreinheit
12: Addierer
13: Steuereinheit
20: Motorvorrichtung
201: Kugelumlaufspindel
202: Tisch
21: Motorantriebseinheit
22: Motorkörper
23: Positions-/Geschwindigkeitsdetektor
30: Spielbetragsmesseinheit
31: Umkehrdetektionseinheit
32: Ankunftsdetektionseinheit
33: Zeit-/Distanzmesseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H04250950 [0005]
JP 2003224994 [0005]
JP 201142022 [0005]

Claims

Servosteuervorrichtung für einen Motor, der konfiguriert ist, eine Antriebswelle einer Werkzeugmaschine oder eine Antriebswelle einer Industriemaschine anzutreiben, wobei die Servosteuervorrichtung aufweist: eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, einen Antrieb des Motors basierend auf einem Bewegungsbefehl zu steuern; und eine Spielbetragsmesseinheit, die konfiguriert ist, einen Betrag des Spiels zu messen, das auftritt, wenn die Antriebswelle umgekehrt wird, wobei die Spielbetragsmesseinheit aufweist eine Umkehrdetektionseinheit, die konfiguriert ist, einen Beginn der Umkehr der Antriebswelle basierend auf einem Positionsbefehl, einem Geschwindigkeitsbefehl, einem Positionsdetektionswert oder einem Geschwindigkeitsdetektionswert zu detektieren, eine Ankunftsdetektionseinheit, die konfiguriert ist, eine Ankunft der Antriebswelle an einem Spielende nach dem Beginn der Umkehr basierend auf einem Positionsbefehl, einem Geschwindigkeitsbefehl, einem Positionsdetektionswert oder einem Geschwindigkeitsdetektionswert zu detektieren, und eine Zeit-/Distanzmesseinheit, die konfiguriert ist, einen Zeitraum oder eine Bewegungsdistanz von einer Detektion des Beginns der Umkehr durch die Umkehrdetektionseinheit bis zu einer Detektion der Ankunft an dem Spielende durch die Ankunftsdetektionseinheit zu messen.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei lediglich ein Detektor zum Detektieren einer Position oder einer Geschwindigkeit des Motors erforderlich ist, damit die Spielbetragsmesseinheit den Betrag des Spiels misst.
Servosteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umkehrdetektionseinheit eine Detektion bei Umkehr eines Geschwindigkeitsbefehls oder Umkehr einer Geschwindigkeitsrückkopplung durchführt.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ankunftsdetektionseinheit eine Detektion basierend auf einer Änderung eines Drehmomentbefehls oder einer Änderung einer Drehmomentrückkopplung, oder einer Änderung eines Beschleunigungsbefehls oder einer Änderung einer Beschleunigungsrückkopplung durchführt.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zeit-/Distanzmesseinheit eine Messung in einem Messzyklus durchführt, der gleich oder kürzer als 1 ms ist.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zeit-/Distanzmesseinheit eine Messung in einem kurzen Messzyklus lediglich beim Messen des Betrags des Spiels durchführt.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei beim Messen des Betrags des Spiels die Zeit-/Distanzmesseinheit eine Messung in einem Messzyklus durchführt, der gleich oder kürzer ist als ein Steuerzyklus, in dem ein Servomotor angetrieben und gesteuert wird.
Servosteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beim Messen des Betrags des Spiels die Zeit-/Distanzmesseinheit eine Messung in einem Messzyklus durchführt, der gleich oder kürzer ist als eine Hälfte eines Steuerzyklus, in dem ein Servomotor angetrieben und gesteuert wird.