DE19818973A1

DE19818973A1 - Numerische Steuereinheit für einen Drehmechanismus

Info

Publication number: DE19818973A1
Application number: DE19818973A
Authority: DE
Inventors: Jun Fujita; Kiyoshi Inoue; Hideki Hayashi
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1998-11-05
Also published as: KR100496208B1; US6301511B1; KR19980081841A; JPH10296672A; JP3453043B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine numerische Steuereinheit für einen Drehmechanismus nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Üblicherweise umfaßt eine Werkzeugmaschine oder ähnliches einen Drehme chanismus, welcher einen Drehkörper um eine vorbestimmte Drehwelle dreht, wobei der Drehmechanismus einen Antrieb zur Bewegung in einer linearen Bewegung aufweist, und einen Übertragungsmechanismus, welcher die lineare Bewegung von dem Antrieb auf den Drehkörper überträgt. In bezug auf den Übertragungsmechanismus sind Zahnstangenmechanismen, Schneckenmechanismen und ähnliches in Gebrauch.

Unter derartigen Drehmechanismen gibt es einen Drehmechanismus, welcher einen Drehkörper unter Verwendung eines Nockenmechanismus dreht, wie beispielsweise der Drehmechanismus, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 8-198035 gezeigt ist.

Dieser Drehmechanismus 1 ist so gebildet, wie er in Fig. 12 gezeigt ist, und umfaßt Drehkörper 12, die durch ein Basiselement 11 drehbar gehalten werden, einen Antrieb 13, welcher den Drehkörper 12 dreht und einen Übertragungsmechanismus 14, welcher die Bewegung des Antriebs 13 auf den Drehkörper 12 überträgt.

Der Drehkörper 12 wird durch eine Stützwelle 15 so gehalten, daß er um eine Drehwelle A zu einem Basiselement 11 drehen kann und an der Spitze desselben ist ein konkaver Bereich 121 gebildet, der in eine Verbindungs welle 143 eingreift, wie später erklärt wird.

Ein Hauptwellenkopf 121 in einem eingebauten Motorsystem ist nahe der Drehwelle A des Drehkörpers 12 vorgesehen und es ist möglich, daß der Hauptwellenkopf 121 sich entsprechend der Drehbewegung des Drehkörpers 12 dreht, um verschiedene Bearbeitungen eines Werkstücks durchzuführen.

Der Antrieb 13 ist versehen mit: einem Servomotor 131; einem Ritzel 132, welches eingreift in ein Antriebsrad, das an der Spitze einer Drehwelle des Servomotors 131 vorgesehen ist; einer Förderschraubenstange 133, die von dem Ritzel 132 entsprechend den Umdrehungen der Drehwelle des Servomo tors 131 gedreht wird; und einer Fördermutter 134, welche mit der För derschraubenstange 133 schraubt und in einer linearen Bewegung sich entlang der Erstreckungsrichtung der Förderschraubenstange 133 bewegt.

Ein Übertragungsmechanismus 14, welcher eine lineare Bewegung der Fördermutter 134 des Antriebs 13 auf den Drehkörper 12 überträgt, umfaßt einen horizontalen Gleiter 141 und einen vertikalen Gleiter 142 und eine Verbindungswelle 143.

Der horizontale Gleiter 141 ist in einer bewegten Weise in der Erstrec kungsrichtung der horizontalen Führung 111 angebracht, die linear auf dem Basiselement 11 vorgesehen ist, und eine vertikale Führung 141A, die sich senkrecht zur Erstreckungsrichtung der horizontalen Führung 111 erstreckt, ist auf der oberen Fläche des Gleiters 141 vorgesehen.

Der vertikale Gleiter 142 ist angebracht in einer beweglichen Weise in Richtung der vertikalen Führung 141A und die Verbindungswelle 143, die in den konkaven Bereich 121 der Drehwelle 12 eingreift, ist auf der Ober fläche des vertikalen Gleiters 142 vorgesehen.

Die Fördermutter 134 des Antriebs 13 ist fest verbunden mit dem horizonta len Gleiter 141 rechts.

Die horizontalen Gleiter 141, die jeweils auf den zwei Drehkörpern 12 vorgesehen sind, sind miteinander durch eine Verbindungsstange 144 ver bunden und entsprechend der Drehbewegung des Drehkörpers 12, der auf der rechten Seite von Fig. 12 gezeigt ist, dreht sich auch der andere Drehkörper 12.

Der Drehmechanismus 1 verhält sich wie folgt.

1) Wenn der Servomotor dreht, dann dreht sich die Förderschraubenstange 133 durch das Ritzel 132.
2) Die Fördermutter 134 bewegt sich entlang der Richtung, die sich von der Förderschraubenstange 133 erstreckt, durch Drehung der Förderschrau benstange 133.
3) In Übereinstimmung mit der Bewegung der Fördermutter 134 bewegt sich der horizontale Gleiter 141 und der Drehkörper 12 dreht sich durch die Verbindungswelle 143.

Während der horizontale Gleiter 141 bewegt wird, bewegt sich die Ver bindungswelle 143 mit dem vertikalen Gleiter 142 entlang der vertikalen Führung 141A, um den Eingriff mit dem konkaven Bereich 121 des Dreh körpers 12 beizubehalten.

Wie in Fig. 13 gezeigt ist, bildet ein Weg 143A der Verbindungswelle 143 einen Bogen in θ-Richtung um die Drehwelle A zu einem Weg 134A der Fördermutter 134 in X-Richtung.

Entsprechend dem Drehmechanismus 1 kann eine lineare Bewegung des Antriebs 13 übertragen werden auf die Drehbewegung des Drehkörpers 12 durch eine einfache Bewegung entlang den Führungen 111 und 141a des horizontalen Gleiters 141 und des vertikalen Gleiters 142.

Daher kann ein Drehmechanismus mit einer extremen Haltbarkeit geschaffen werden, ohne die Gefahr eines Drehbewegungsausfalls, der durch Abrieb der Eingriffsbereiche verursacht wird, wie es beispielsweise bei einem Zahn stangenmechanismus oder einem Schneckenmechanismus der Fall ist.

Wenn eine Anzahl von Drehkörpern 12 in einem Zahnstangen-Übertragungs mechanismus oder ähnlichem nebeneinander angeordnet werden, ist es notwendig, einen großen Zwischenraum für jedes Element vorzusehen, so daß die Getriebe der benachbarten Übertragungsmechanismen sich nicht in die Quere kommen. Andererseits, wenn der oben beschriebene Drehmecha nismus 1 verwendet wird, müssen solche Betrachtungen nicht angestellt werden und die Drehkörper 12 können nahe zueinander angeordnet werden, so daß eine Werkzeugmaschine mit einer Anzahl von Drehkörpern in gerin ger Größe ausgeführt werden kann.

Um ein Werkstück in hoher Präzision mit dem Drehmechanismus 1 in der Werkzeugmaschine und ähnlichem zu bearbeiten, ist es notwendig, die Positionierungsgenauigkeit des Drehkörpers in bezug auf das eingegebene Drehwinkelsignal zu erhöhen und die Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers mit hoher Präzision zu stabilisieren. Insbesondere in einer Mehrwellen-Hoch präzisionswerkzeugmaschine für Konturbearbeitung wie beispielsweise einer Normfräsmaschine und ähnlichem ist das Erreichen einer hohen Genau igkeit bei der Positionierung und der Drehgeschwindigkeit ein wichtiger Punkt.

Da jedoch, wie in Fig. 13 gezeigt ist, ein solcher Drehmechanismus 1 eine lineare Bewegung der Fördermutter 134 in eine Drehbewegung des Drehkör pers 12 umsetzt, ändert sich der Abstand zwischen der Drehwelle A und einem Antriebspunkt der geraden Linie (Position der Fördermutter 134) des Antriebs 13 entsprechend mit dem Drehwinkel θ. Das bedeutet, daß selbst wenn die Fördermutter 134 sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang des Weges 134A bewegt, die Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers 12 sich ändert.

Daher muß, um den Drehkörper 12 zu drehen unter Beibehaltung einer konstanten Drehgeschwindigkeit die Linearbewegung des Antriebs 13 gesteu ert werden, um sich in Antwort auf die Drehwinkel θ zu ändern.

Da die Linearbewegung des Antriebs 13 in die Drehbewegung des Drehkör pers 12 umgesetzt wird, muß der Antrieb 13 mit trigonometrisch-funktionaler Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Antriebs 13 angetrieben wer den.

Wenn ein Positionsfehler (droop bzw. lockern) Ex am Antriebspunkt der geraden Linie des Antriebs 13 auftritt, dann ändert sich der Positionsfehler E_θ des Drehkörpers, welcher der linearen Bewegung folgt, entsprechend mit den Drehwinkeln.

Entsprechend muß der Positionsfehler E_θ gesteuert werden in Antwort auf die Winkel θ, so daß sie die gleichen sind, wie in dem Fall eines direkten Antreibens durch den Drehantrieb.

Eine solche Frage stellt sich nicht nur bei dem Drehmechanismus 1, der die Bewegung des Antriebs 13 auf den Drehkörper durch den Übertragungs mechanismus 14 überträgt, sondern auch in dem Drehmechanismus, welcher einen nicht-linearen Übertragungsmechanismus anwendet, wie beispielsweise Gelenkmechanismus und ähnliches.

In einer numerischen Steuereinrichtung eines Drehmechanismus, welcher einen Drehkörper mit einem nicht-kreisförmigen Bewegungsantrieb durch einen nicht linearen Übertragungsmechanismus dreht, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine numerische Steuereinrichtung für einen Drehme chanismus anzugeben, womit die Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers mit hoher Genauigkeit stabilisiert wird und das Lockern des Antriebs in einer ähnlichen Weise gesteuert wird, wie in dem Fall, wenn der Antrieb mit einem umdrehenden Antrieb erfolgt.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet.

Eine numerische Steuervorrichtung eines Drehmechanismus gemäß der vor liegenden Erfindung ist vorzugsweise, wie mit dem Blockdiagramm von Fig. 1 erklärt wird, eine numerische Steuervorrichtung 3 eines Drehmechanismus, welcher einen Drehkörper um eine vorbestimmte Drehwelle mit einem nicht kreisförmigen Bewegungsantrieb durch einen nicht-linearen Übertragungs mechanismus dreht. Die numerische Steuervorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung umfaßt vorteilhaft eine Koordinaten-Transformationseinrichtung 31, welche ein Signal ausgibt, das ein eingegebenes Drehwinkelsignal θ* in die Position des Antriebs, der oben beschrieben wurde, umsetzt, und einen Kompensator 32, der ein Signal ausgibt, welches den Kompensationswert des Antriebs in Übereinstimmung mit dem Drehwinkelsignal berechnet, und wobei der Antrieb unter Verwendung eines Servo-Eingangssignal X_t gesteuert wird, welches die Summe des Konversionssignals X* ausgibt von der oben beschrieben Koordinaten-Transformationseinrichtung 31 und das Kompensa tionssignal Xc ausgibt von dem Kompensator 32, der oben beschrieben wurde.

In diesem Fall bedeutet ein nicht-linearer Übertragungsmechanismus einen Übertragungsmechanismus, in welchem die Änderung der Position eines Antriebs nicht-linear zu einer Änderung der Drehposition eines Drehkörpers wird, wie beispielsweise bei einem Nockenmechanismus, einem Gelenkmecha nismus oder so ähnlich, die als Beispiele genannt werden können.

Eine nicht-kreisförmige Bewegung eines Antriebs bedeutet eine Bewegung, welche ausschließt, daß ein Antriebspunkt eines Antriebs sich kreisförmig bewegt und bedeutet hauptsächlich, daß der Antriebspunkt sich in einer Hin- und Herbewegung linear bewegt. Doch ist auch beispielsweise eine polygo nale Bewegung des Antriebspunktes hiervon umfaßt.

Insbesondere ist als Antrieb, dessen Antriebspunkt sich linear bewegt, ein Antrieb denkbar, der einen Servomotor, eine Förderschraube, die sich mit der Drehwelle des Servomotors dreht, und eine Fördermutter, die sich linear entlang der Erstreckungsrichtung der Förderschraube dreht.

Da die numerische Steuereinrichtung 3 vorteilhaft den Koordinaten-Trans formator 31 und den Kompensator 32 umfaßt und das Servo-Eingangssignal X_t des Antriebs aus der Summe des Konversionssignals X*, das von dem Koordinaten-Transformator 31 und dem Kompensator 32 ausgegeben wird, und dem Kompensationssignal Xc zusammensetzt, kann selbst in einem Drehmechanismus, welcher einen Drehkörper mit einem Antrieb dreht, der in einer nicht-kreisförmigen Bewegung durch einen nicht-linearen Übertra gungsmechanismus sich bewegt, die Drehgeschwindigkeit des Drehkörpers mit hoher Genauigkeit stabilisiert werden. Da weiterhin die NC-Einrichtung vorteilhaft einen Kompensator 31 umfaßt, ist es möglich, eine ähnliche Drehbewegung zu erreichen, die direkt einen Drehkörper bewegt mit einem umdrehenden Antrieb durch Kompensation mit dem Kompensationssignal Xc.

Als Kompensator ist es vorteilhaft, einen Kompensator 32 einzusetzen, der das Kompensationssignal Xc ausgibt, in welchem das Drehwinkelsignal θ* multipliziert wird durch einen Koeffizienten proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers.

In anderen Worten gelten während der Drehbewegung des Drehkörpers mit einer konstanten Geschwindigkeit die Beziehungen, die in der Gleichung (1) gezeigt sind, für die Position X des Antriebs, den Drehwinkel θ und der Zeit t.
X: Position des linearen Antreibens des Antriebs
θ: Drehwinkel des Drehkörpers
t: Zeit
X = f(θ), X und θ sind Funktionen von t.

Die Geschwindigkeit von X ist wie folgt:

(Das Symbol "." bedeutet Multiplikation)

Die Beschleunigung von X ist wie folgt:

In der obigen Gleichung (1) wird, da die Winkelgeschwindigkeit des Dreh körpers wunschgemäß auf eine Konstante gesteuert wird, die Winkelbeschleu nigung gleich 0, so daß die Gleichung (1) umgeordnet werden kann in die Gleichung (2).

Selbst wenn der Drehkörper sich mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, ändert sich die Geschwindigkeit des Antriebs. Da die Beschleunigung der obigen Geschwindigkeit den Lockerungsfehler (droop error) und ähnliches berührt, ist unter der Annahme, daß das Kompensationssignal Xc durch den Kompensator proportional zur Beschleunigung des Antriebs ist, die Gleichung (3) gültig.

Daher ist zu verstehen, daß das Kompensationssignal Xc, das die Positions abweichung kompensiert, einen Faktor aufweist proportional zu einem Qua drat der Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers (dθ/dt).

In anderen Worten, da das Kompensationssignal Xc groß wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers vergrößert wird, insbesondere wenn die Werkzeugmaschine mit einer hohen Geschwindigkeit betrieben wird, wird die Wirkung des Kompensators 32 größer. Auf diese Weise kann der Drehkörper, der durch den Drehmechanismus mit der numerischen Steuervor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung gedreht wird, stabil mit hoher Genauigkeit gedreht werden unabhängig von der Geschwindigkeit des Dreh körpers.

Als ein Ergebnis der unten beschriebenen Simulation wurde festgestellt, daß die Wirkung des Kompensators groß wird, wenn K gleichgesetzt wird mit:

K = 1/2 ω₀ ².

Weiterhin, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wenn sich die Drehwelle 143, die den Drehkörper 12 mit der Fördermutter 134 als einen linearen Bewegungs antrieb verwendet, entlang einer Bogenbahn mit dem Radius R des Drehkör pers bewegt wird, ist es vorteilhaft, daß das Konversionssignal X* durch die Koordinanten-Transformationseinrichtung eingestellt wird als:

X* = R.sin (θ*)

und das Kompensationssignal Xc durch den Kompensator 32 eingestellt wird auf

Das bedeutet, wie in einer schematischen Darstellung in Fig. 3 gezeigt ist, daß die Verbindungswelle 143 sich entlang der bogenförmigen Bahnen 143A bewegt, während die Fördermutter 134 einem linearen Weg 134A folgt.

Wenn daher der Positionsfehler Ex der Fördermutter konvertiert werden kann in einen Kosinus des Positionsfehlers L (Winkelfehler Eθ) der Ver bindungswelle 143, kann die Steuerposition X* und der Positionsfehler Ex unter diesen Umständen berechnet werden entsprechend zum eingegebenen Drehwinkelsignal θ und es wird möglich, den Spurfehler des Drehkörpers, der sich aus der Lockerung des Antriebs ergibt, weitgehend zu vermindern.

Wie in Fig. 8 gezeigt wird, wenn die Verbindungswelle 243, die den Drehkörper 22 und die Fördermutter 234 in seiner Bewegungsrichtung bewegt, nämlich entlang der linearen Spur, ist es vorteilhaft, daß das Konversionssignal X* durch den Koordinaten-Transformator 31 angenommen wird als

X* = R.tan (θ)

und das Kompensationssignal Xc durch den Kompensator 32:

Das bedeutet, wie in einer schematischen Darstellung in Fig. 9 gezeigt ist, da der Positionsfehler (der Winkelfehler Eθ) auf der bogenförmigen Bahn des Drehkörpers 22 in einen Positionsfehler Ex in der Bewegungsrichtung der Fördermutter 234 durch einen Sinus konvertiert werden kann, ist es möglich, den Positionsfehler Ex entsprechend dem eingegebenen Drehwinkel signal θ* zu berechnen und den Spurfehler des Drehkörpers, der sich aus der Lockerung des Antriebs ergibt, weitgehend zu vermindern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbei spielen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert, in welchen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das den Betrieb einer numerischen Steuer einrichtung in bezug auf eine erste Ausführungsform der vorliegen den Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Vorderansicht ist, die eine Drehbewegung eines Drehmechanis mus bezüglich der obigen Ausführungsform zeigt;

Fig. 3 eine schematische Ansicht ist, die einen Verlauf der Drehbewegung des Drehmechanismus von Fig. 2 zeigt;

Fig. 4 ein Blockdiagramm ist, das einen komparativen Steuermechanismus zur Erhaltung des am besten geeigneten Kompensationssignals zeigt;

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Spurfehlers zeigt, wenn eine komparative Steuerung unter nicht-kompensierter Bedingung in der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt wird;

Fig. 6 eine graphische Wiedergabe eines Spurfehlers ist, wenn eine kom parative Steuerung unter kompensierter Bedingung durch einen Kompensator in der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, das einen Steuermechanismus zeigt, welcher mit der numerischen Steuervorrichtung der Ausführungsform einge richtet ist;

Fig. 8 eine Vorderansicht ist, die die Drehbewegung des Drehmechanismus in einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 9 eine schematische Ansicht ist, die die Spur der Drehbewegung des Drehmechanismus in Fig. 8 zeigt;

Fig. 10 eine graphische Wiedergabe eines Spurfehlers ist, wenn eine kom parative Steuerung unter einer nicht-kompensierten Bedingung in der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt wird;

Fig. 11 eine graphische Wiedergabe eines Spurfehlers ist, wenn eine kom parative Steuerung unter einer kompensierten Bedingung durch einen Kompensator in der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt wird;

Fig. 12 eine Vorderansicht ist, die den Drehmechanismus wiedergibt, der im Stand der Technik gezeigt ist; und

Fig. 13 eine schematische Ansicht ist, die einen Bewegungsverlauf des Drehmechanismus in Fig. 12 zeigt.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Teile oder Komponenten, welche gleich oder ähnlich zu Teilen oder Komponenten sind, die bereits erklärt wurden, sind in der Beschreibung weggelassen oder vereinfacht worden.

Wie oben in bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, hat ein Drehmechanismus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform einen ähnlichen Aufbau zu dem, der in dem konventionellen Beispiel erklärt wurde.

Der Drehmechanismus 1 umfaßt einen Drehkörper 12, eine Fördermutter 134, eine Verbindungswelle 143 mit der Fördermutter 134 durch einen horizontalen Gleiter und einen vertikalen Gleiter (weggelassen in Fig. 2). Eine schematische Ansicht des Weges der Verbindungswelle 143 und des Weges der Fördermutter ist in Fig. 3 gezeigt.

Das oben beschriebene Konversionssignal X* und ein Kompensationssignal werden wie folgt berechnet.

Das bedeutet, da der Weg der Verbindungswelle 143 entlang einer bogenför migen Bahn mit dem Radius R des Drehkörpers 12 sich bewegt, wenn θ = 0 ist, nimmt X den Wert 0 an (θ = 0, X = 0). Unter der Annahme, daß die Tangentiallinie der umlaufenden Welle und der Welle der Linearbewe gung parallel zueinander sind, kann eine Gleichung (4) formuliert werden zwischen einem Bewegungsbetrag X der Fördermutter 134 und der Dreh winkel θ der Verbindungswelle 143 (des Drehkörpers 12).

X = R.sin (θ) (4).

Daher kann durch Differenzieren beider Seiten der Gleichung die folgende Gleichung (5) abgeleitet werden.

Wenn der Drehkörper gedreht wird mit einer vorgegebenen Winkelgeschwin digkeit ist der Positionsfehler proportional zur Winkelgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zur Rückkopplungsverstarkung ω₀ der Positionssteue rung, so daß der Positionsfehler Ex wie folgt abgeleitet werden kann.

In Fig. 3 können die Beziehungen zwischen dem Positionsfehler Eθ des Drehkörpers 12 und des Positionsfehlers Ex des obigen Antriebs eng analog zu L ≒ R.Eθ sein und sind in der folgenden Gleichung (7) ausgedrückt, wenn X und θ im Zentrum angenommen werden, obwohl das aktuelle Ex hinter X bzw. Eθ hinter θ existiert.

Aus dem obigen Ergebnis folgt daher, daß der Hauptfaktor, welcher den Winkelpositionsfehler Eθ des Drehkörpers 12 verursacht, darin liegt, daß die Gleichung (6) verwendet wird, während sich die Geschwindigkeit in Rich tung der geraden Achse ändert. Wenn die Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers 12 tatsächlich konstant ist, dann verändert sich die Geschwin digkeit in Richtung der geraden Achse proportional zu R.cos (θ).

Nimmt man die Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers als gleich Null, dann wird die Gleichung (5) differenziert und die Gleichung (8) abgeleitet.

Da ein Fehler auftreten kann durch die Gleichung (8), wie in dem Blockdia gramm in Fig. 4 gezeigt ist, wird eine Simulation ausgeführt mit einem relativen Steuermechanismus 4 zwischen dem Drehmechanismus 1 in Fig. 2 und dem Drehmechanismus durch den umdrehenden Antrieb, in welchem ein Servomotor direkt mit dem Drehkörper verbunden ist.

Ein erster Steuermechanismus 5 hat einen Eingabebereich 51, welcher die Drehwinkel θ* eingibt, einen Bewegungsbereich 52, welcher den Drehme chanismus 1 wie oben beschrieben umfaßt, und einen Detektorbereich 53, welcher die Position X der Fördermutter 134 aus der Bewegung des Bewe gungsbereiches 52 detektiert, um X umgekehrt in Winkel zu übersetzen.

Der zweite Steuermechanismus 6 hat einen Bewegungsbereich 61, welcher direkt den Drehkörper dreht. In dem Bewegungsbereich 61 wird das Drehwinkelsignal θ* des Eingabebereiches 51 in dem ersten Steuermechanis mus 5 direkt verwendet und zur gleichen Zeit wird der aktuelle Drehwinkel des Drehkörpers nach der Bewegung des Drehbereichs 61 detektiert durch den Detektorbereich 62.

Der Winkel des Drehkörpers, welcher durch den Steuermechanismus 5 detektiert wird, wird verglichen mit dem Winkel des Drehkörpers, der durch den Steuermechanismus 6 detektiert wird und die Differenz wird als Err ausgegeben.

Die Simulation wird unter der folgenden Bedingung ausgeführt.
Positionssteuer-Rückkopplungsverstärkung ω₀ = 30 (rad/sek)
Geschwindigkeitssteuer-Rückkopplungsverstärkung ω_c = 300 (rad/sek)
Integraler Kompensationsknickpunkt ω_a= 100 (rad/sek)
Drehradius R = 883 (mm)
Kugelumlaufspindelganghöhe L = 8 (mm/U)
Führungsgeschwindigkeit 1000 (Grad/min)
Bewegungsbereich des Drehkörpers 0 (Grad) bis 33.3333 (Grad)

Wenn der eingegebene Drehwinkel θ* in dem Eingabebereich 51 nicht kompensiert wird, werden die Werte von Err größer, wenn der Winkel θ des Drehkörpers 12 größer wird, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und der maxi male Fehler von ungefährt 0,0017 Grad ergibt sich.

Betrachtet man andererseits den Fehler, welcher proportional zu (dθ/dt)²sin (θ) ist, der aus der Gleichung (8) abgeleitet wird, dann wird das Kom pensationssignal Xc gesetzt auf Xc = K.(dθ/dt)²sin (θ). Dann wird die Simulation wiederholt mit der Änderung des Wertes K, während der Steuer mechanismus 5 betrieben wird unter Verwendung des oben gesetzten Kom pensationssignales Xc. Wenn der Wert K = 1/2ω₀ ² ist, dann ergibt sich der Wert für Err auf nahezu Null, unabhängig vom Wert von θ.

Daher ist es vorteilhaft, das folgende Kompensationssignal Xc für den Kompensator 32 zu verwenden.

und der Steuerung des Drehmechanismus 1 durch den Kompensator 32 mit dem obigen Kc werden geringe Führungsfehler in dem Drehmechanismus beobachtet, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Um folglich die Steuerung des Drehmechanismus 1 durch einen nicht-linea ren Übertragungsmechanismus, der in Fig. 2 und Fig. 12 gezeigt ist, zu steuern, ist es entsprechend vorteilhaft, daß die numerische Steuereinheit 3 mit der Koordinaten-Transformationseinrichtung 31 und dem Kompensator 32 zwischen der Steuereinheit 7 und dem Interpolationsbereich 33 liegt, wo der Winkelpositionsbefehlswert θ* des Drehkörpers 12 eingegeben wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Das Konversionssignal X* und das Kompensationssignal Xc, welche von der Koordinaten-Transformationseinrichtung 31 bzw. dem Kompensator 32 ausgegeben werden, werden als ein Servo-Eingangssignal Xt für den Antrieb 13 zu dem Steuerbereich 7 gesendet, um den Drehmechanis mus 1 zu bewegen.

Entsprechend der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann die folgende Wirkung erwartet werden.

Das heißt die numerische Steuereinheit 3 ist versehen mit der Koordinaten-Trans formationseinrichtung 31 und dem Kompensator 32 und das Servo-Ein gangssignal Xt des Antriebs 13 wird genommen von der Summe des Konversionssignals X* und dem Kompensationssignal Xc, welche von der Koordinaten-Transformationseinrichtung 31 bzw. dem Kompensator 32 ausge geben werden.

Folglich kann selbst für den Drehmechanismus 1, welcher den Drehkörper 12 durch den Antrieb 13, der in einer nicht-zirkularen Bewegung durch den nicht linearen Übertragungsmechanismus 14 bewegt, antreibt, die Drehge schwindigkeit des Drehkörpers 12 mit hoher Genauigkeit stabilisiert werden. Weiterhin kann der Spurfehler des Drehkörpers 12 vermindert werden durch Verminderung der Änderung des Lockerns des Antriebs 13 unter Verwen dung des Kompensators 32.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit (dθ*/dt) des Drehkörpers 12 hoch gesetzt wird, wird das Kompensationssignal Xc größer, da die Betriebsgeschwindig keit der Werkzeugmaschine größer wird. Auf diese Weise kann der Dreh körper 12 stabil gedreht werden unabhängig von der Geschwindigkeit des Drehkörpers 12, wenn der Drehmechanismus mit der numerischen Steuer einrichtung 3 verwendet wird.

Zusätzlich zu den obigen Wirkungen, da das Konversionssignal X* gleichge setzt ist zu R.sin (θ*) und das Kompensationssignal Xc gleichgesetzt ist zu

in der numerischen Steuereinheit 3 kann der Führungsfehler in dem Drehme chanismus 1 extrem vermindert werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegende Erfindung wird als nächstes erklärt.

In dem Drehmechanismus 1, der sich auf die oben beschriebene erste Ausführungsform bezieht, bewegt sich die Verbindungswelle 143 in Ver bindung mit der Drehung des Drehkörpers 12 entlang des Bogens mit Radius R.

In einem Drehmechanismus 2, der sich auf die zweite Ausführungsform bezieht, wie in Fig. 8 gezeigt ist, bewegt sich jedoch eine Verbindungswelle 243, welche einen Drehkörper 22 mit einer Fördermutter 234 verbindet, entlang der Bewegungsrichtung der Fördermutter 234, d. h. einer linearen Spur.

Der Aufbau der numerischen Steuereinheit ist ähnlich zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, doch da die Ver bindungswelle 243 sich linear bewegt, unterscheidet sich das Konversions signal X* durch die Koordinaten-Transformationseinrichtung von dem in der ersten Ausführungsform und folglich unterscheidet sich das Kompensations signal Xc von dem in der ersten Ausführungsform.

Für das Konversionssignal X* der Koordinaten-Transformationseinrichtung 31 kann die nächste Gleichung (9) formuliert werden auf der Basis der schema tischen Zeichnung in Fig. 9.

X = R.tan (θ) (9).

Die Gleichung (9) wird zweifach differenziert wie in dem Fall der ersten Ausführungsform, um die Beschleunigung der Fördermutter 234 bei den Winkeln θ des Drehkörpers 22 zu erhalten und die Gleichung (10) kann abgeleitet werden unter Beachtung, daß die Winkelbeschleunigung des Dreh körpers 22 gleich Null ist, da der Drehkörper 22 sich bei einer konstanten Geschwindigkeit dreht.

Entsprechend ist das Kompensationssignal Xc für das eingegebene Drehwin kelsignal θ* des Drehkörpers 22 wie folgt, wobei K eine Konstante ist.

Eine Simulation wurde ausgeführt von dem obigen Ergebnis unter Verwen dung des relativen Steuermechanismus 4, der in Fig. 4 gezeigt ist in der ersten Ausführungsform und ein optimierter Wert für die Konstante K wurde festgestellt.

Die Simulation wurde unter der folgenden Bedingung ausgeführt.
Positionssteuer-Rückkopplungsverstärkung ω₀ = 30 (rad/sek)
Geschwindigkeitssteuer-Rückkopplungsverstärkung ω_c = 300 (rad/sek)
Drehradius R = 750 (mm)
Integraler Kompensationsknickpunkt = 100 (rad/sek)
Kugelumlaufspindelganghöhe L = 8 (mm/U)
Führungsgeschwindigkeit 1000 (Grad/min)
Bewegungsbereich des Drehkörpers 0 (Grad) bis 33.3333 (Grad)

Als Ergebnis im Fall einer nicht-kompensierten Bedingung, wenn die Winkel θ des Drehkörpers 12 größer werden, wie in Fig. 10 gezeigt, steigen die Werte von Err in negativer Richtung an und der maximale Fehler von ungefähr -0,0033 Grad wird erzeugt.

Zwischenzeitlich ist auf der Basis des oben beschriebenen Kompensations signales

die Simulation ausgeführt worden mit K gleichgesetzt K = 1/ω₀ ² und es ist zu beachten, daß der Wert von Err gesteuert werden kann bis zu einem Ausmaß von 1/10000 (Grad), wie in Fig. 11 gezeigt ist.

Daher ist es ratsam, das folgende Xc als Kompensationssignal, welches für den Kompensator verwendet wird, anzunehmen,

und durch Steuerung des Drehmechanismus 2 mit dem obigen Wert kann der Drehmechanismus mit wenigen Spurfehlern erhalten werden, wie in Fig. 11 gezeigt ist.

Bei der Steuerung des Drehmechanismus 2 ist es ratsam, daß der Drehme chanismus sich bewegen kann in Übereinstimmung mit dem Blockdiagramm ähnlich zur ersten Ausführungsform, wie in Fig. 7 gezeigt ist, wobei das Konversionssignal X* gleichgesetzt ist zu der Gleichung (9) und das Kom pensationssignal Xc gleichgesetzt ist zu der Gleichung (11).

Die zweite Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, hat die folgende Wirkung zusätzlich zu der Wirkung in der ersten Ausführungsform.

Das heißt, selbst wenn die Verbindungswelle 243 sich linear entlang der Fördermutter 234 bewegt, kann der Spurfehler des Drehkörpers 22 extrem vermindert werden, wie in der ersten Ausführungsform. Da die Verbin dungswelle 143 nicht notwendig entlang des Bogens mit dem Radius R sich bewegt, wie in dem Drehmechanismus 1 der ersten Ausführungsform, kann zusätzlich der vertikale Gleiter weggelassen werden und der Aufbau des Drehmechanismus weiter vereinfacht werden.

Es ist zu beachten, daß diese Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern umfaßt auch die folgenden Modifikationen.

Das heißt im Drehmechanismus 1 der ersten Ausführungsform und dem Drehmechanismus 2 der zweiten Ausführungsform werden die Antriebe linear bewegt durch die Fördermuttern 134 und 234, doch ist die Erfindung nicht auf diese Bewegung beschränkt und der Antriebspunkt des Antriebs kann in einer polygonalen Form sich bewegen, d. h. in anderen Worten die Erfin dung kann auf jeden Drehmechanismus angewendet werden, welcher einen Drehkörper durch einen nicht-linearen Übertragungsmechanismus mittels eines Antriebs dreht.

Weiterhin übernehmen der Drehmechanismus 1 der ersten Ausführungsform und der Drehmechanismus 2 der zweiten Ausführungsform, die oben be schrieben sind, den nicht-linearen Übertragungsmechanismus, der aus dem horizontalen Gleiter und dem vertikalen Gleiter besteht, doch ist die vor liegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann angewendet werden auf den Drehmechanismus eines Gelenkmechanismus, in welchem ein Antrieb und ein Drehkörper über eine Gelenkstange oder ähnliches verbunden sind.

Zusätzlich kann der bestimmte Aufbau und die Form usw. in einem anderen Aufbau und ähnliches definiert werden, innerhalb des Bereichs, der den Zweck der vorliegenden Erfindung erfüllt.

Claims

1. Numerische Steuervorrichtung eines Drehmechanismus, welcher einen Drehkörper um eine vorbestimmte Drehwelle dreht, der durch einen Antrieb angetrieben wird, welcher in einer nicht-kreisförmigen Bewe gung sich bewegt durch einen nicht-linearen Übertragungsmechanismus, wobei die numerische Steuervorrichtung gekennzeichnet ist durch:
eine Koordinaten-Transformationseinrichtung, die ein Signal ausgibt, welches ein eingegebenes Drehwinkelsignal in eine Position des Antriebs umsetzt; und
einen Kompensator, der ein Signal ausgibt, welches einen Kompensa tionswert des Antriebs in Übereinstimmung mit dem Drehwinkelsignal berechnet,
wobei das umgesetzte Signal, das von der Koordinaten-Transformations einrichtung ausgegeben wird und das Kompensationssignal, das von dem Kompensator ausgegeben wird, zueinander addiert werden, um ein Servo-Eingangssignal zu ergeben, das zur Steuerung des Antriebs ver wendet wird.

2. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus gemäß Anspruch 1, worin der Antrieb in einer linearen Bewegung antreibt.

3. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 2, worin der Antrieb einen Servomotor, eine Förderschraube, welche sich in Übereinstimmung mit der Drehung der umdrehenden Welle des Servomotors sich dreht, und eine Fördermutter, die mit der Schraube sich schraubt, umfaßt, wobei die Fördermutter sich linear entlang der Ausbreitungsrichtung der Förderschraube bewegt.

4. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 2, worin der Kompensator ein Kompensationssignal ausgibt, das mit einem Koeffizienten multipliziert ist, welcher proportional zum Quadrat einer Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers ist.

5. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 4, worin das Drehwinkelsignal als θ* gesetzt ist, wobei das Konversions signal als X* gesetzt ist, das Kompensationssignal als Xc gesetzt ist, eine Positionssteuer-Rückkopplungsverstärkung des Antriebs als ω₀ gesetzt ist, der Drehradius des Drehkörpers als R gesetzt ist und die Zeit als t gesetzt ist, und dann X* und Xc wie folgt ausgedrückt sind:

6. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 4, worin das Drehwinkelsignal als θ* gesetzt ist, das Konversionssignal als X* gesetzt ist, das Kompensationssignal als Xc gesetzt ist, ein Posi tionssteuer-Rückkopplungsverstarkung des Antriebs als ω₀ gesetzt ist, der Drehradius des Drehkörpers als R gesetzt ist und die Zeit als t gesetzt ist, und dann X* und Xc wie folgt ausgedrückt sind:

7. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 3, worin das Drehwinkelsignal als θ* gesetzt ist, das Konversionssignal als X* gesetzt ist, das Kompensationssignal als Xc gesetzt ist, eine Posi tionssteuer-Rückkopplungsverstarkung des Antriebs als ω₀ gesetzt ist, der Drehradius des Drehkörpers als R gesetzt ist und die Zeit als t gesetzt ist, und dann X* und Xc wie folgt ausgedrückt sind:

8. Numerische Steuervorrichtung des Drehmechanismus nach Anspruch 3, worin das Drehwinkelsignal als θ* gesetzt ist, das Konversionssignal als X* gesetzt ist, das Kompensationssignal als Xc gesetzt ist, eine Posi tionssteuer-Rückkopplungsverstarkung des Antriebs als ω₀ gesetzt ist, der Drehradius des Drehkörpers als R gesetzt ist und die Zeit als t gesetzt ist, und X* und Xc wie folgt ausgedrückt sind: