DE19963414A1 - Numerisch gesteuertes System und für das System zu verwendende Totgang-Kompensationsvorrichtung - Google Patents
Numerisch gesteuertes System und für das System zu verwendende Totgang-KompensationsvorrichtungInfo
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Abstract
Eine Totgang-Kompensationsvorrichtung für ein numerisch gesteuertes System umfasst eine Umkehrerfassungseinheit (8) zum Erfassen der Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands, eine Maximal-Totgangsignal-Erzeugungseinheit (9) zum Erzeugen eines maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des Totgangfehlers zu jeder Zeit, zu der die Umkehrung der Antriebsrichtung des Gegenstands erfasst wird, ein Filter (10) zum Verringern des Pegels des maximalen Totgangsignals in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und einen Addierer (11) zum Addieren des verringerten, maximalen Totgangsignals seitens des Filters zu der Positionsführungsgröße.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein numerisch gesteuertes
oder ein NC-System, wie etwa ein NC-Bearbeitungssystem, ein
NC-Robotersystem oder ein NC-Transportsystem, und eine
Totgang-Kompensationsvorrichtung zur Verwendung mit einem
derartigen NC-System. Insbesondere betrifft die Erfindung
Verbesserungen zur Kompensation von Totgangfehlern, die
aufgrund der Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden
Gegenstands entstehen.
Beispielsweise können herkömmliche NC-Bearbeitungssysteme
einen zu bearbeitenden Gegenstand in einer komplizierten
Kontur bearbeiten (oder verarbeiten), indem der zu
bearbeitende Gegenstand auf einem Tisch bearbeitet wird und
die relative Distanz zwischen dem Tisch und dem
Bearbeitungswerkzeug numerisch gesteuert wird. Im allgemeinen
sind NC-Bearbeitungssysteme mit drei Servomotoren
ausgerüstet, die unabhängig auf senkrecht zueinander
stehenden X, Y und Z-Achsen betrieben werden, wobei durch
drei Servomotoren erzeugte Rotationsantriebskräfte zu
Tragteilen des Tisches und des Bearbeitungswerkzeugs derart
übertragen werden, dass die relative Distanz zwischen dem
Tisch und dem Bearbeitungswerkzeug gesteuert wird.
Bei herkömmlichen NC-Systemen, die durch derartige NC-
Bearbeitungssysteme typisiert sind, kann ein Versatz zwischen
den vorgegebenen Beträgen des relativen Verfahrwegs des
Tisches und der Verarbeitung, die als Steuerwerte vorgegeben
sind, und den aktuellen Beträgen des relativen Verfahrwegs
von Tisch und Verarbeitung auftreten, und zwar infolge eines
Totgangs und eines Spiels des die Antriebskräfte
übertragenden Getriebes, wie etwa als Antriebsquellen
vorgesehene Servomotoren, Kugelumlaufspinden zum Übertragen
jeweils eines Drehmoments jedes Servomotors in einer
Linearbewegung des Tisches, Kupplung zwischen jedem
Servomotor und jeder Kugelumlaufspindel, lineare Führungen
zur Definition der Richtung, in der der Tisch sich bewegt,
und der Tisch, an dem entweder ein zu bearbeitender (oder
verarbeitender) Gegenstand oder ein Bearbeitungswerkzeug
befestigt ist, wenn die Rotationsrichtung jedes Servomotors
umgekehrt wird. Als Folge davon kann die Konturgenauigkeit
nicht besser als der Totgangfehler sein.
Mit weiterer Bezugnahme auf Fig. 14 ist in einem
Blockschaltbild der Aufbau eines herkömmlich numerisch
gesteuerten Systems gezeigt, welches in der japanischen
Patentanmeldungsveröffentlichung (TOKKAIHEI) 10-154007
offenbart ist, das zur Kompensation eines Totgangfehlers
ausgebildet ist. In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 4
einen Motor, Bezugszeichen 35 eine
Antriebskraftübertragungseinheit und Bezugszeichen 1 einen zu
steuernden Gegenstand.
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Positionsführungsgrößen-
Erzeugungseinheit zum Erzeugen einer Positionsführungsgröße,
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Führungsgrößenumkehr-
Bestimmungseinheit zur Bestimmung, ob das
Positionsführungsgrößensignal sich gerade in einem Aufwärts-
oder Abwärtstrend in der Amplitude oder im Pegel umgekehrt
hat, also ob oder ob nicht die Antriebsrichtung des
Gegenstands 1 sich gerade umgekehrt hat, Bezugszeichen 36
bezeichnet einen Wegzähler zum Erfassen eines Pegels des zu
steuernden Gegenstands seit der Umkehrung der
Positionsführungsgröße, Bezugszeichen 37 bezeichnet eine
Einstelleinheit zum Einstellen eines Maximalwertes der
Totgangkompensation, Bezugszeichen 38 bezeichnet eine
wegabhängige Kompensationsberechnungseinheit zum Berechnen
eines Kompensationswerts entsprechend dem von dem zu
steuernden Gegenstand zurückgelegten Weg seit der Umkehrung
der Positionsführungsgröße, Bezugszeichen 39 bezeichnet eine
Kompensationsdifferentialwert-Berechnungseinheit zum
Berechnen eines Kompensationsdifferentialwertes auf der
Grundlage des Kompensationswertes der wegabhängigen
Kompensationsberechnungseinheit 38 zu vorgegebenen Zeiträumen
zur Kompensation, Bezugszeichen 40 bezeichnet einen Addierer
zum Addieren des Kompensationsdifferentialwertes mit der
Positionsführungsgröße und Bezugszeichen 41 bezeichnet eine
Steuereinheit zum Zuführen eines Steuerstroms, dessen Größe
von dem Ausgang des Addierers 40 zu dem Motor 4 abhängt.
Zu jedem Zeitpunkt, zu dem die Positionsführungsgröße seitens
der Positionsführungsgrößen-Erzeugungseinheit 7 eine
Aufwärts- oder Abwärtstendenz in deren Amplitude oder im
Pegel umkehrt, stellt die Führungsgrößenumkehr-
Bestimmungseinheit 8 während des Betriebes eine
Umkehrinformation bereit, die diese Tatsache anzeigt, und der
Wegzähler 36 erfasst eine Wegstrecke, die der zu steuernde
Gegenstand seit der Umkehrung der Positionsführungsgröße
zurückgelegt hat. Basierend auf dem Maximalwert für die
Totgangkompensation seitens der Einstelleinheit 37 und der
Wegstrecke des zu steuernden Gegenstands seitens des
Wegzählers 36 erzeugt die wegabhängige
Kompensationsberechnungseinheit 38 einen
Totgangkompensationswert entsprechend der Wegstrecke, die der
zu steuernde Gegenstand seit der Umkehrung der
Positionsführungsgröße zurückgelegt hat. Die
Kompensationsdifferentialwert-Berechnungseinheit 39 berechnet
sodann einen Kompensationsdifferentialwert aus dem
Totgangkompensationswert zu vorgegebenen Zeiträumen für die
Kompensation, und der Addierer 40 addiert den
Kompensationsdifferentialwert zu der Positionsführungsgröße
seitens der Positionsführungsgrößen-Erzeugungseinheit 7. Die
Steuerungsvorrichtung 41 führt einen Steuerstrom zu, dessen
Größe von dem Ausgang des Addierers 40 zu dem Servomotor 4
abhängt, so dass die Position der
Antriebskraftübertragungseinheit 35 und somit auch die
Position des zu steuernden Gegenstands 1 gesteuert wird.
Wie vorab erwähnt, ermöglichen es herkömmliche numerisch
gesteuerte Systeme, einen zu steuernden Gegenstand derart
numerisch zu steuern, dass dieser eine Wegstrecke
entsprechend dem Totgangfehler jedes Mal überfährt, wenn der
Motor seine Rotationsrichtung ändert, indem ein
Totgangkompensationswert im Hinblick auf die Umkehr der
Rotationsrichtung des Motors zu dem Führungsgrößenwert
addiert wird.
Da herkömmliche numerisch gesteuerte Systeme allmählich den
Totgangkompensationswert in Abhängigkeit von der Wegstrecke
erhöhen, die der zu steuernde Gegenstand seit der Umkehrung
der Rotationsrichtung des Motors zurückgelegt hat, neigen
diese dazu, zusätzlich zu der Addition des
Totgangkompensationswerts zu dem Positionsführungsgrößenwert
den Totgangfehler aufgrund der Umkehrung der
Rotationsrichtung des Motors allmählich überzukompensieren.
Ein Problem von herkömmlichen numerisch gesteuerten Systemen,
wie etwa NC-Bearbeitungssystemen, besteht darin, dass ein
hoher Grad an Konturgenauigkeit nicht erreicht werden kann.
Selbst wenn beispielsweise die relative Zuführgeschwindigkeit
des Tisches gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug auf eine
niedrige Geschwindigkeit reduziert wird, um einen hohen Grad
an Konturgenauigkeit zu erreichen, der mit einer normalen
Bearbeitungsgeschwindigkeit nicht erzielt werden kann, kann
das obengenannte, herkömmliche Kompensationsverfahren auf der
Grundlage der Wegstrecke des zu steuernden Gegenstands den
Totgangfehler nicht effektiv kompensieren, da die Art und
Weise, in der der Totgangfehler auftritt, sich ändert, wenn
die relative Zuführgeschwindigkeit des Tisches gegenüber dem
Bearbeitungswerkzeug sehr niedrig ist. Daher können
herkömmliche, numerisch gesteuerte Bearbeitungssysteme einen
gewünschten hohen Grad an Konturgenauigkeit nicht erreichen,
selbst wenn die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit des
Tisches gegenüber dem Bearbeitungswerkzeug auf eine sehr
niedrige Geschwindigkeit reduziert wird, um die
Konturgenauigkeit zu verbessern. Insbesondere kann das
Problem hinsichtlich der Konturgenauigkeit aufgrund des
Totgangs leicht auftreten, wenn ein Gegenstand in einer
vollendeten Kreisbahn mit einer Mehrachsen-Synchronsteuerung
bearbeitet wird.
Bei herkömmlichen numerisch gesteuerten Systemen kann der
Totgangkompensationswert zu für die Kompensation vorgesehenen
Zeiträumen berechnet werden, um die Konturgenauigkeit zu
verbessern. Eine Exponentialberechnung, die viele
arithmetische Operationen benötigt, ist erforderlich, um den
Totgangkompensationswert zu berechnen. Daher wird ein
bestimmter Zeitraum für jede Berechnung des
Totgangkompensationswerts zu den vorgesehenen Zeiträumen
benötigt, so dass die Anzahl der Zeitpunkte, zu denen der
Totgangkompensationswert aktualisiert werden kann, begrenzt
ist. Als Ergebnis davon muss der Zeitraum, während dessen der
Totgangfehler mit dem aktuellen Totgangkompensationswert
kompensiert wird, erhöht werden, wodurch ein in dem
Totgangkompensationswert erzeugter Fehler im Hinblick auf den
Totgangfehler erhöht werden kann. Daher kann ein hoher Grad
an Konturgenauigkeit nicht bereitgestellt werden.
Anstatt dem obengenannten, quasi geschlossenen
Rückkopplungsverfahren kann ein voll geschlossenes
Rückkopplungsverfahren auf die herkömmlichen, numerisch
gesteuerten Systeme angewendet werden, um den Totgangfehler
zu verringern, das die Schritte der Positionserfassung des
Tisches und Kompensation des Betrages der Rotation des Motors
auf der Grundlage der erfassten Position des Tisches umfasst.
Das voll geschlossene Rückkopplungsverfahren ist allerdings
zur praktischen Anwendung nicht geeignet, da zusätzlich die
Anzahl der benötigten Komponenten für das voll geschlossene
Rückkopplungsverfahren sich erhöht, die Positionsgenauigkeit
jeder einzelnen Komponente verbessert werden muss, eine
Verzögerung der Antwortfunktion in dem rückgekoppelten System
einen Fehler in der Konturgenauigkeit einführen kann und die
maximale Größe der Zuführgeschwindigkeit reduziert werden
kann.
Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, die
obengenannten Probleme zu lösen und eine hochgradige
Konturgenauigkeit bereitzustellen, und er hat herausgefunden,
dass zwar jede Änderung der Zuführgeschwindigkeit in starker
Weise eine Korrelation zwischen einer allmählich zunehmenden
Tendenz des Totgangfehlers nach der Umkehr der
Rotationsrichtung eines jeden Motors und der Wegstrecke, die
das zu steuernde Objekt seit der Umkehrung der
Rotationsrichtung jedes Motors zurückgelegt hat, besteht,
dass allerdings jede Änderung der Zuführgeschwindigkeit kaum
eine Korrelation zwischen einer Tendenz der allmählichen
Erhöhung des Totgangfehlers nach einer Umkehr der
Rotationsrichtung eines jeden Motors und der Tatsache, wie
viel Zeit seit der Umkehrung der Rotationsrichtung eines
jeden Motors verstrichen ist, besteht, was bedeutet, dass die
Art und Weise, wie der Totgangfehler sich nach der Umkehrung
der Rotationsrichtung eines jeden Servomotors erhöht kaum von
der verstrichenen Zeit seit der Umkehrung der
Rotationsrichtung eines jeden Servomotors abhängt, auch wenn
sich die Zuführgeschwindigkeit geändert hat. Der Erfinder
entdeckte darüber hinaus, dass sogar für den Fall einer
Mehrachsen-Synchronsteuerung, die Änderungen in der
Zuführgeschwindigkeit verursacht, die Korrelation zwischen
der Tendenz der allmählichen Erhöhung des Totgangfehlers nach
der Umkehrung der Rotationsrichtung eines jeden Servomotors
und der Tatsache, wie viel Zeit seit der Umkehrung der
Rotationsrichtung eines jeden Servomotors verstrichen ist,
sich kaum zu verändern mag, und zwar unabhängig von den
Änderungen der Zuführgeschwindigkeit. Der Erfinder hat die
vorliegende Erfindung aufgrund der gefundenen Korrelation zu
einer vollständigen Lehre entwickelt.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der obengenannten
Probleme ersonnen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Totgang-Kompensationsvorrichtung
bereitzustellen, die einen Totgangfehler unabhängig von dem
Betrag der Zuführgeschwindigkeit des zu steuernden Objekts
kompensieren kann, und darüber hinaus ein numerisch
gesteuertes System zur Durchführung einer numerischen
Steuerung bereitzustellen, die einen hohen Grad an
Genauigkeit unter Verwendung der Totgang-
Kompensationsvorrichtung aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine Totgang-Kompensationsvorrichtung bereitzustellen,
die einen Totgang-Kompensationswert mit einfachen
arithmetischen Operationen berechnen kann und ein numerisch
gesteuertes System bereitzustellen, um eine numerische
Steuerung mit einem hohen Grad an Genauigkeit unter
Verwendung der Totgang-Kompensationsvorrichtung
durchzuführen.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
eine Totgang-Kompensationsvorrichtung für ein numerisch
gesteuertes System bereitgestellt, um eine Kompensation für
eine Positionsführungsgröße zu bewirken, die zum Antreiben
und zur Steuerung eines zu steuernden Gegenstands dient,
wobei die Vorrichtung umfasst: Umkehrerfassungsmittel zum
Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu
steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung
einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten
Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer
Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der
Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines
maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des
Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das
zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der
Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der
die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel
erfasst wird; Filtereinheit zum Verringern des Pegels des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-
Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit
seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum
Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel zum Addieren des verringerten, maximalen
Totgangsignals seitens der Filtereinheit zu der
Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des
Additionsergebnisses als eine kompensierte
Positionsführungsgröße.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung enthält die Filtereinheit mehrere
Übertragungsfunktionsfilter, wobei jedes davon ein Signal
seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in
Abhängigkeit von einer identischen Übertragungsfunktion
verarbeiten kann und wobei allerdings jedes davon einen Satz
von Konstanten aufweist, der die Übertragungsfunktion
definiert und der von jedem anderen in dem Filtereinheit
enthaltenen Übertragungsfunktionsfilter verschieden ist, zum
Auswählen eines der mehreren Übertragungsfunktionsfilter in
Abhängigkeit von der Zuführgeschwindigkeit des zu steuernden
Gegenstands, um so eine Filterverarbeitung des maximalen
Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-
Erzeugungsmittels unter Verwendung des ausgewählten
Übertragungsfunktionsfilters durchzuführen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
a0/ (b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-
Operator ist. Für den Fall, dass die Filtereinheit mehrere
Übertragungsfunktionsfilter enthält, kann jedes dieser Filter
die Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels gemäss der obigen
Übertragungsfunktion durchführen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der
Laplace-Operator ist. Für den Fall, dass die Filtereinheit
mehrere Übertragungsfunktionsfilter enthält, kann jedes
dieser Filter die Filterverarbeitung des maximalen
Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-
Erzeugungsmittels gemäss der obigen Übertragungsfunktion
durchführen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, die
entsprechend der Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann
als:
a0/(b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-
Operator ist. Für den Fall, dass die Filtereinheit mehrere
Übertragungsfunktionsfilter enthält, kann jedes dieser Filter
die Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels gemäss der obigen
Übertragungsfunktion durchführen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(a2.s2 + a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der
Laplace-Operator ist. Für den Fall, dass die Filtereinheit
mehrere Übertragungsfunktionsfilter enthält, kann jedes
dieser Filter die Filterverarbeitung des maximalen
Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-
Erzeugungsmittels gemäss der obigen Übertragungsfunktion
durchführen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist ein numerisch gesteuertes System
mit einer Totgang-Kompensationsvorrichtung zur Erzeugung
einer kompensierten Positionsführungsgröße vorgesehen, um
eine Kompensation für eine Positionsführungsgröße zu
bewirken, mit einer Steuerungsvorrichtung zum Erzeugen eines
Steuersignals basierend auf der kompensierten
Positionsführungsgröße, und mit einem Antriebsmittel zum
Antreiben und Steuern eines zu steuernden Gegenstands in
Abhängigkeit von dem Steuersignal, wobei die Totgang-
Kompensationsvorrichtung umfasst: Umkehrerfassungsmittel zum
Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu
steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung
einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten
Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer
Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der
Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines
maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des
Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das
zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der
Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der
die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel
erfasst wird; Filtermittel zum Verringern des Pegels des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-
Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit
seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum
Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel zum Addieren des verringerten, maximalen
Totgangsignals seitens des Filtermittels zu der
Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des
Additionsergebnisses als eine kompensierte
Positionsführungsgröße an die Steuerungsvorrichtung.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung führt das Filtermittel eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(JL + JM)K/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die
Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines
zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel
angeordneten Federelements und D der Viskositätskoeffizient
der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung ist.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt das Filtermittel eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
{(JL + JM)K.Kf.s + (JL + JM)K}/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die
Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines
zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel
angeordneten Federelements, und D der Viskositätskoeffizient
der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung und Kf
eine Konstante zum Kompensieren einer Antwortverzögerung in
der Steuerungsvorrichtung ist.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
K/(D.s + K)
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden
Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements
und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement
wirkenden viskosen Reibung ist.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
{K.s2 + K(KP + KI)s + K.KP.KI}/{D.KP.s2 + KP(D.KI + K)s + K.KP.KI}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden
Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements,
D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement
wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der
Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-
Proportionalverstärkung und Kd eine in der
Steuerungsvorrichtung enthaltene Differentialverstärkung ist.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung führt die Filtereinheit eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durch, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(K.Kd.s2 + K.s + K.Ki)/{D.Kv.s2 + Kp(D.Ki + K)s + K.Kv.Ki}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden
Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements,
D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement
wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der
Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-
Proportionalverstärkung, Ki eine Positionsschleifen-
Integralverstärkung und Kd eine in der Steuerungsvorrichtung
enthaltene Differentialverstärkung ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im
folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen der
Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zur numerischen Steuerung des
relativen Abstandes zwischen einem Tisch und einem
Bearbeitungswerkzeug enthalten ist, und zwar unter Verwendung
eines dreiachsigen Antriebssystems, das auf den Achsen X, Y
und Z betrieben wird, die senkrecht aufeinander stehen;
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen Ansichten zur Erläuterung des
Grundes, warum ein Totgangfehler erzeugt wird;
Fig. 3(a) bis 3(e) zeigen Zeitabläufe aufgrund einer
beispielhaften Steueroperation, die durch den einachsigen
(z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus gemäss Fig. 1 durchgeführt
wird und in dem NC-Bearbeitungssystem gemäss dem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
Fig. 4(a) zeigt ein Schaubild mit einem Positionssteuersignal
für die X-Achse, dessen Pegel sich über die Zeit verändert;
Fig. 4(b) zeigt ein Schaubild mit einem Positionssteuersignal
für die Y-Achse, dessen Pegel sich über die Zeit verändert;
Fig. 4(c) zeigt ein Schaubild mit der Fahrspur eines
Bearbeitungswerkzeugs, das sich gegenüber einem Tisch bewegt;
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
Fig. 6 zeigt ein Steuerblockschaltbild eines modellierten
Antriebssystems mit einem Totgang, der die Tendenz aufweist,
sich allmählich zu vergrößern, was durch den Laplace-Operator
s dargestellt ist, gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7(a) zeigt ein Schaubild mit dem Verhältnis zwischen
einer Federkonstanten Km und dem Torsionswinkel th gemäss
einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7(b) zeigt ein Schaubild mit dem Verhältnis zwischen
einem Viskositätskoeffizienten Dm und dem Torsionswinkel th
gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem vierten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem sechsten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
Fig. 10 zeigt ein Steuerblockschaltbild eines modellierten
Antriebssystems mit Totgang, der die Tendenz aufweist, sich
allmählich zu vergrößern, was durch den Laplace-Operator s
dargestellt ist, gemäss einem siebten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem achten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
Fig. 12 zeigt ein Steuerblockschaltbild eines Modells gemäß
einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
bei dem ein Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der die
Tendenz aufweist, sich allmählich zu erhöhen, und bei dem das
Regelungssystem eine von dem Regelungssystem des
obengenannten siebten Ausführungsbeispiels verschiedenen
Aufbau aufweist, wobei das Modellverhalten durch den Laplace-
Operator s dargestellt ist;
Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus, der in einem
NC-Bearbeitungssystem gemäss einem elften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthalten ist; und
Fig. 14 zeigt ein Blockschaltbild mit dem Aufbau eines
herkömmlichen numerisch gesteuerten Systems.
Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein
Blockschaltbild mit dem Aufbau eines einachsigen (z. B.
X-Achse) Antriebsmechanismus gezeigt ist, der in einem NC-
Bearbeitungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zur numerischen Steuerung des
relativen Abstands zwischen einem Tisch und einem
Bearbeitungswerkzeug enthalten ist, und zwar unter Verwendung
eines dreiachsigen Antriebssystems, das auf den Achsen X, Y
und Z betrieben wird, die senkrecht aufeinander stehen.
In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 1 einen zu
bearbeitenden (oder zu verarbeitenden) Gegenstand,
Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Tisch, der einer Steuerung
unterworfen werden kann und auf dem der zu bearbeitende
Gegenstand befestigt ist, Bezugszeichen 3 bezeichnet ein
Bearbeitungswerkzeug, wie etwa einen Bohrer, der einer
Steuerung unterworfen werden kann, Bezugszeichen 4 bezeichnet
einen Servomotor, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine X-Achsen-
Kugelumlaufspindel bestehend aus einer Kugelumlauf-
Spindelwelle, die mit der Antriebswelle des Servomotors 4
verbunden ist, und einer Kugelumlauf-Spindelmutter 5b, die
mit dem Tisch 2 verbunden ist sowie mit der Kugelumlauf
Spindelwelle 5a in Eingriff steht, und Bezugszeichen 6
bezeichnet eine Codiereinrichtung zum Erfassen des
Drehwinkels des Servomotors 4.
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Positionsführungsgrößen-
Erzeugungseinheit zum Erzeugen einer Positionsführungsgröße
einschließlich einer Zielkoordinate in Richtung der X-Achse
als eine Richtungsinformation gemäß einem Maschinenprogramm,
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Motorumkehr-Erfassungseinheit
zum Erzeugen eines stufenförmigen Signals mit einem negativen
Wert von 1 zu jedem Zeitpunkt, an dem die empfangene
Positionsführungsgröße in ihrem Pegel von einer
Aufwärtstendenz zu einer Abwärtstendenz wechselt, und zum
Erzeugen eines stufenförmigen Signals mit einem positiven
Wert von 1 zu jedem Zeitpunkt, an dem die empfangene
Positionsführungsgröße in ihrem Pegel von einem Abwärtstrend
zu einem Aufwärtstrend wechselt, Bezugszeichen 9 bezeichnet
eine Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung zum
Bereithalten eines Wertes der X-Koordinate, in den ein
Maximalwert des im voraus gemessenen Totgangfehlers gewandelt
wurde, und zum Multiplizieren des stufenförmigen Signals
seitens der Motorumkehr-Erfassungseinheit mit dem Wert der
X-Achse, um ein stufenförmiges Signal zu erzeugen, das einen
Wert entsprechend dem maximalen Totgangfehler aufweist,
Bezugszeichen 10 bezeichnet ein zeitabhängiges Filter zum
Verringern des Pegels des seitens der Totgangverstärkungs-
Kompensationsvorrichtung 9 kompensierten stufenförmigen
Signals auf einen Pegel, der der verstrichenen Zeit seit der
erfassten Umkehr der Aufwärts- oder Abwärtstendenz des Pegel
der Positionsführungsgröße entspricht, und zum Bereitstellen
eines verringerten stufenförmigen Signals als ein
Positionskompensationssignal (oder Totgang-
Kompensationswert), und Bezugszeichen 11 bezeichnet einen
Addierer zum Addieren des Positionskompensationssignals
seitens des zeitabhängigen Filters 10 mit der
Positionsführungsgröße seitens der Positionsführungsgrößen-
Erzeugungseinheit und zum Bereitstellen des
Additionsergebnisses als eine kompensierte
Positionsführungsgröße.
Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Positionssteuereinheit, der
die kompensierte Positionsführungsgröße seitens des Addierers
11 und die Motordrehwinkelinformation seitens der
Codiereinrichtung zugeführt wird, um eine
Positionsführungsgrößeninformation auf der Grundlage der
Differenz zwischen einer aktuellen X-Koordinate, die aus der
Motordrehwinkelinformation bestimmt wurde, und einer
kompensierten Ziel-X-Koordinate, die aus der kompensierten
Positionsführungsgröße bestimmt wurde, zu bilden, und
Bezugszeichen 13 bezeichnet eine
Geschwindigkeitssteuereinheit, der die
Geschwindigkeitsführungsgrößeninformation seitens der
Positionssteuereinheit 12 und die Motordrehwinkelinformation
seitens der Codiereinrichtung 6 zugeführt werden, um eine
Stromführungsinformation zu erzeugen, so dass eine aktuelle
Geschwindigkeit in der Richtung der X-Achse des Tisches 2,
die aufgrund der Motordrehwinkelinformation bestimmt wird,
mit der Geschwindigkeitsführungsgrößeninformation in
Übereinstimmung gebracht wird.
Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Reibungskompensationseinheit
zum Multiplizieren des seitens der Motorumkehr-
Erfassungseinheit 8 zugeführten stufenförmigen Signals mit
einer Reibungskompensationsverstärkung entsprechend den
dynamischen Reibungsverlusten, wie etwa einem Drehverlust in
dem Servomotor, einem Gleitreibungsverlust in der X-Achsen-
Kugelumlaufspindel 5 und einem Gleitreibungsverlust, der
zwischen dem Tisch und einer nicht gezeigten Führungsschiene
erzeugt wird, und zum Bereitstellen des
Multiplikationsergebnisses als eine
Reibungskompensationsinformation, Bezugszeichen 15 bezeichnet
einen Addierer zum Addieren der
Reibungskompensationsinformation seitens der
Reibungskompensationseinheit 14 mit der
Stromführungsgrößeninformation seitens der
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 und zum Bereitstellen des
Additionsergebnisses als eine kompensierte
Stromführungsgrößeninformation, und Bezugszeichen 16
bezeichnet eine Stromsteuereinheit zum Erzeugen und Zuführen
eines Antriebsstromes, dessen Größe von der kompensierten
Stromführungsgrößeninformation zu dem Servomotor 4 abhängt.
Die Positionssteuereinheit 12, die
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 und die Stromsteuereinheit
16 bilden eine Steuerungsvorrichtung.
Bezugnehmend auf die Fig. 2(a) und 2(b) sind Ansichten zur
Erläuterung des Grundes gezeigt, warum ein Totgangfehler
erzeugt wird. In den Figuren bezeichnet Bezugszeichen 2a eine
Tischaussparung, die in der Unterseite des Tisches
ausgebildet ist. Die Kugelumlauf-Spindelmutter 5b steht mit
der Tischaussparung 2a in Eingriff. Wenn der
Antriebsmechanismus seine Bewegungsrichtung von rechts gemäß
Fig. 2(a) nach links gemäß Fig. 2(b) umschaltet, bleibt der
Tisch 2 stehen, obwohl die Kugelumlauf-Spindelmutter 5b sich
innerhalb eines Zeitraums bewegt, in dem sich die
Kugelumlauf-Spindelmutter 5b zu der linken Seite innerhalb
der Tischaussparung 2a bewegt. Ein derartiges Spiel zwischen
dem Tisch 2 und der X-Achsen-Kugelumlaufspindel 5 bedeutet
eine Verringerung der Positionsgenauigkeit und damit die
Erzeugung eines Totgangfehlers.
Bezugnehmend auf die nächsten Fig. 3(a) bis 3(e) sind
Zeitabläufe aufgrund einer beispielhaften Steueroperation
gezeigt, die durch den einachsigen (z. B. X-Achse)
Antriebsmechanismus gemäß Fig. 1 durchgeführt wird und in dem
NC-Bearbeitungssystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Fig. 3(a) zeigt die
Wellenform der Positionsführungsgröße, die durch die
Positionsführungsgrößen-Erzeugungseinheit 7 bereitgestellt
wird, Fig. 3(b) zeigt die Wellenform des stufenförmigen
Signals, das durch die Motorumkehr-Erfassungseinheit 8
bereitgestellt wird, Fig. 3(c) zeigt die Wellenform des mit
der Totgangverstärkung kompensierten, stufenförmigen Signals,
das durch die Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9
bereitgestellt wird, Fig. 3(d) zeigt die Wellenform des
Positionskompensationssignals, das durch das zeitabhängige
Filter 10 bereitgestellt wird, und Fig. 3(e) zeigt die
Wellenform des kompensierten Positionsführungsgrößensignals,
das durch den Addierer 11 bereitgestellt wird. In diesen
Figuren bezieht sich die Vertikalachse auf den Signalpegel
und die horizontale Achse auf die Zeit. Sobald die
Positionsführungsgröße in ihrem Pegel von einer
Aufwärtstendenz zu einer Abwärtstendenz wechselt, stellt die
Motorumkehr-Erfassungseinheit 8, wie in den Figuren gezeigt,
ein stufenförmiges Signal mit einem negativen Wert von 1
bereit. Die Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9
wechselt dann die Amplitude des stufenförmigen Signals
derart, dass das stufenförmige Signal eine Amplitude
entsprechend dem maximalen Totgangfehler aufweist. Daraufhin
verringert das zeitabhängige Filter 10 den Pegel des aufgrund
der Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9
kompensierten, stufenförmigen Signals auf einen Pegel
entsprechend der Zeit, die seit der Umkehr der
Positionsführungsgröße von einer Aufwärtstendenz zu einer
Abwärtstendenz verstrichen ist. Der Addierer 11 addiert
sodann das reduzierte stufenförmige Signal auf die
Positionsführungsgröße seitens der Positionsführungsgrößen-
Erfassungseinheit, um so ein kompensiertes
Positionsführungsgrößensignal zu erzeugen und der
Steuerungsvorrichtung bereitzustellen.
Die Positionssteuereinheit 12 erzeugt eine
Geschwindigkeitsführungsgrößeninformation auf der Grundlage
des kompensierten Positionsführungsgrößensignals seitens des
Addierers 11, und die Geschwindigkeitssteuereinheit 13
erzeugt sodann eine Stromführungsgrößeninformation auf der
Grundlage der Geschwindigkeitsführungsgrößeninformation. Der
zweite Addierer 15 addiert sodann die
Reibungskompensationsinformation seitens der
Reibungskompensationseinheit 14 auf die
Stromführungsgrößeninformation seitens der
Geschwindigkeitssteuereinheit 13. Die Stromsteuereinheit 16
führt sodann einen Antriebsstrom, dessen Größe von der
kompensierten Stromführungsgrößeninformation seitens des
zweiten Addierers 15 abhängt, dem Servomotor 4 zu, so dass
der Servomotor 4 um einen Winkel entsprechend dem
Antriebsstrom sich dreht. Als Ergebnis davon werden sowohl
der Tisch 2 als auch der auf dem Tisch 2 befestigte
Gegenstand 1 um eine Distanz entsprechend des
Umdrehungswinkels des Servomotors 4 verfahren.
Der Einfachheit halber ist die obige Beschreibung auf den
Betrieb eines Antriebsmechanismus hinsichtlich der X-Achse
bezogen. Es bedarf keiner weiteren Erwähnung, dass das NC-
Bearbeitungssystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung außerdem einen entsprechenden
Antriebsmechanismus für die Y- und Z-Achsen enthält, so dass
sich der zu bearbeitende und auf dem Tisch 2 befestigte
Gegenstand in beliebige Richtungen im Verhältnis zu dem
Bearbeitungswerkzeug 3 bewegt, indem die drei
Antriebsmechanismen in Synchronisation zueinander gemäß dem
Maschinenprogramm angesteuert werden, so dass der Gegenstand
1 in einer beliebigen Kontur aufgrund der Führungsbahn des
Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem Gegenstand 1 bearbeitet
werden kann.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen der mehrachsigen
Bearbeitung und der Konturgenauigkeit beschrieben, indem die
Bearbeitung eines vollständigen Kreises als Beispiel genommen
wird. Bezugnehmend als nächstes auf die Fig. 4(a) bis 4(c)
sind Schaubilder mit dem Verhältnis zwischen einem
Positionsführungsgrößensignal (und einem kompensierten
Positionsführungsgrößensignal) und einer bearbeiteten Kontur
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Fig. 4(a) zeigt ein Schaubild mit einem
Positionssteuersignal für die X-Achse, dessen Pegel sich über
die Zeit verändert, Fig. 4(b) zeigt ein Schaubild mit einem
Positionssteuersignal für die Y-Achse, dessen Pegel sich über
die Zeit verändert, und Fig. 4(c) zeigt ein Schaubild mit der
Fahrspur eines Bearbeitungswerkzeugs 3, das sich über den
Tisch 2 bewegt. Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnen zusätzlich
die kompensierten Positionsführungsgrößen für die X- und Y-
Achsen für den Fall, dass die Zuführgeschwindigkeit jeweils
V1 ist, Bezugszeichen 19 und 20 bezeichnen die kompensierten
Führungsgrößensignale für die X- und Y-Achsen für den Fall,
dass die Zuführgeschwindigkeit V2 (< V1) ist, Bezugszeichen
21 bezeichnet die Positionsführungsgröße für den Fall, dass
die Zuführgeschwindigkeit = V1, Bezugszeichen 22 und 23
bezeichnen Zeiträume, während denen der Verzögerungseffekt
aufgrund des zeitabhängigen Filters 10 eintritt,
Bezugszeichen 24 bezeichnet die Fahrspur des
Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem Tisch 2, wenn die
kompensierten Positionsführungsgrößen für sowohl die X- und
Y-Achsen verwendet werden und die Zuführgeschwindigkeit = V1
oder V2, Bezugszeichen 25 bezeichnet die Fahrspur des
Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem Tisch 2, wenn die
kompensierte Positionsführungsgröße für die X-Achse verwendet
wird, wobei die nicht kompensierte Positionsführungsgröße für
die Y-Achse verwendet wird und die Zuführgeschwindigkeit = V1
oder V2, Bezugszeichen 26 und 27 bezeichnen den Totgangrest
in Richtung der Y-Achse und Bezugszeichen 28 bezeichnet einen
Fehler (oder einen maximalen Fehler) hinsichtlich der
Kreisförmigkeit.
Wie in den Fig. 4(a) bis 4(c) gezeigt, kompensieren die
Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 und das
zeitabhängige Filter 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Positionsführungsgröße
hinsichtlich der Y-Achse, nachdem der Servomotor 4 seine
Drehrichtung gewechselt hat, so dass die kompensierte
Positionsführungsgröße leicht variiert. Als Ergebnis davon
verhindert das Bearbeitungssystem gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel im wesentlichen, dass ein Totgangrest
verbleibt, so dass die relative Distanz zwischen dem Tisch 2
und dem Bearbeitungswerkzeug 3 derart gesteuert wird, dass
eine erwünschte Fahrspur des Bearbeitungswerkzeugs 3
gegenüber dem Tisch 2 erzeugt wird.
Selbst wenn die Zuführgeschwindigkeit geändert wird, kann das
Bearbeitungssystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
zusätzlich die Entstehung eines Totgangrestes verhindern, so
dass die relative Distanz zwischen dem Tisch 2 und dem
Bearbeitungswerkzeug 3 derart gesteuert wird, dass eine
gewünschte Fahrspur des Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem
Tisch 2 erzeugt wird.
Wenn keine Kompensation der Positionsführungsgröße für jede
Achse durchgeführt wird, also wenn die Positionsführungsgröße
selber zur Steuerung der relativen Distanz zwischen dem Tisch
2 und dem Bearbeitungswerkzeug 3 verwendet wird, wird ein
großer Fehler gemäß Fig. 4(c) erzeugt, und die
Kreisförmigkeit der Fahrspur wird daher verringert. Im
Gegensatz dazu kann das Bearbeitungssystem gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel auf effektive Weise den Fehler reduzieren
und die Kreisförmigkeit beträchtlich verbessern.
Wie im voraus erwähnt, umfasst das Bearbeitungssystem gemäß
dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die
Motorumkehr-Erfassungseinheit 8 zum Erzeugen eines
stufenförmigen Signals mit einem negativen oder positiven
Wert von 1 zu jeder Zeit, an der die empfangene
Positionsführungsgröße eine Aufwärts- oder Abwärtstendenz in
ihrer Amplitude oder im Pegel umkehrt, eine
Totgangverstärkungs-Kompensationseinheit 9 zum Bereithalten
eines Koordinatenwertes, in den ein Maximalwert des im voraus
gemessenen Totgangfehlers umgewandelt wird, und zum
Multiplizieren des stufenförmigen Signals seitens der
Motorumkehr-Erfassungseinheit mit dem Koordinatenwert, um ein
stufenförmiges Signal mit einem Wert entsprechend dem
maximalen Totgangfehler zu erzeugen, ein zeitabhängiges
Filter 10 zum Verringern des Pegels des stufenförmigen
Signals, das zur Kompensation durch die Totgangverstärkungs-
Kompensationsvorrichtung 9 dient, und zwar um einen Pegel
entsprechend der Zeit, die seit der erfassten Umkehr der
Positionsführungsgröße in einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz
ihres Pegels verstrichen ist, und zum Bereitstellen des
verringerten stufenförmigen Signals als ein
Positionskompensationssignal (oder Totgangkompensationswert),
und einen Addierer 11 zum Addieren des
Positionskompensationssignals mit der Positionsführungsgröße
und zum Bereitstellen des Additionsergebnisses als eine
kompensierte Positionsführungsgröße. Dementsprechend kann das
Bearbeitungssystem zu jeder Zeit, zu der jeder innerhalb des
Bearbeitungssystems enthaltene Antriebsmechanismus die
Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands umkehrt, ein
stufenförmiges Signal erzeugen, dessen Amplitude dem
maximalen Totgangfehlerwert entspricht, den Pegel des
stufenförmigen Signals in Abhängigkeit von der verstrichenen
Zeit seit der Umkehrung der Antriebsrichtung des
Antriebsmechanismuses verringern und sodann das verringerte,
kompensierte stufenförmige Signal mit der
Positionsführungsgröße seitens der Positionsführungsgrößen-
Erzeugungseinheit addieren, um eine kompensierte
Positionsführungsgröße zu erzeugen. Dementsprechend weist das
erste Ausführungsbeispiel den Vorteil auf, dass der
Totgangfehler auf einen konstanten Pegel oder darunter unter
Verwendung der kompensierten Positionsführungsgröße
ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit verringert
werden kann, der ansonsten zu der Tendenz neigt, mit nahezu
konstanter Rate im Hinblick auf die verstrichene Zeit nach
der Umkehrung der Antriebsrichtung des Servomotors ungeachtet
der Größe der Zuführgeschwindigkeit sich zu vergrößern.
Da das Bearbeitungssystem des ersten Ausführungsbeispiels den
Totgangfehler verringern kann, der durch den Tisch 2, das
Bearbeitungswerkzeug 3 und den Servomotor 4 verursacht wird,
und zwar auf einen konstanten Pegel oder darunter ungeachtet
der Größe der Zuführgeschwindigkeit, kann ein Gegenstand mit
einem hohen Genauigkeitsgrad bearbeitet werden, was von
herkömmlichen Bearbeitungsmaschinensystemen nicht erwartet
werden konnte. Zusätzlich kann das Bearbeitungssystem einen
Gegenstand in einem vollständigen Kreis mit einem hohen
Genauigkeitsgrad bei niedriger Zuführgeschwindigkeit
bearbeiten.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist ein Blockschaltbild mit dem
Aufbau eines einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus
gezeigt, der in einem NC-Bearbeitungssystem gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
enthalten ist. In dieser Figur bezeichnet Bezugszeichen 29
ein zeitabhängiges Filter zum Durchführen einer
Filterverarbeitung, die einer Übertragungsfunktion zweiter
Ordnung gemäß Gleichung (10) entspricht, und zwar
hinsichtlich eines kompensierten stufenförmigen Signals
seitens der Totgangsverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9,
um so die Amplitude des kompensierten stufenförmigen Signals
zu verringern und zum Bereitstellen des verringerten
kompensierten stufenförmigen Signals als eine
Positionsführungsgröße (oder Totgangkompensationswert).
Y(s) = {a0/(b2.s2 + b1.s + b0)}X(s) (10)
wobei X(s) das kompensierte stufenförmige Signal ist, Y(s)
das Positionskompensationssignal ist, a0, b2, b1 und b0
Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
Der übrige Aufbau des Bearbeitungssystems gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die
gleichen Komponenten des Bearbeitungssystems des ersten
Ausführungsbeispiels sind durch die gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, weshalb auf die Beschreibung dieser Komponenten
im folgenden verzichtet wird.
Da wie oben erwähnt das zeitabhängige Filter 29 gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel eine Filterverarbeitung
durchführt, die einer Übertragungsfunktion zweiter Ordnung
gemäß der obigen Gleichung (10) entspricht, um so aus dem
kompensierten stufenförmigen Signal seitens der
Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 ein
Positionskompensationssignal zu erzeugen, kann das
Positionskompensationssignal mit wenigen
Multiplikationsoperationen und Additionsoperationen erzeugt
werden. Das Bearbeitungssystem kann somit einen neuen
Totgang-Kompensationswert bereitstellen, der zu der
Positionsführungsgröße aufgrund einfacher Operationen (z. B.
fünf Multiplikationsoperationen und vier
Additionsoperationen) ohne Durchführung von exponentiellen
Berechnungen, die viele arithmetische Operationen benötigen,
addiert wird, was im Gegensatz zu herkömmlichen numerisch
gesteuerten Systemen steht. Das Bearbeitungssystem gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel kann daher die Zeit verringern,
die benötigt wird, um die arithmetischen Operationen zur
Berechnung eines neuen Totgang-Kompensationswertes
durchzuführen, der zu der Positionsführungsgröße zu addieren
ist. Als Ergebnis davon kann zusätzlich zu der Verringerung
des Totgangfehlers, der durch den Tisch 2, das
Bearbeitungswerkzeug 3 und den Servomotor 4 verursacht wird,
auf einen konstanten Pegel oder sogar darunter, und zwar
ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit, das
Bearbeitungssystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die
Zeit verringern, die benötigt wird, um die arithmetischen
Operationen zur Berechnung eines neuen Totgang-
Kompensationswertes durchzuführen, der zu der
Positionsführungsgröße zu addieren ist, so dass die Länge der
Zeiträume verringert werden kann, an denen die Zielposition
für die Positionssteuerung aktualisiert werden.
Dementsprechend ermöglicht das Bearbeitungssystem gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel, die Zielposition für jede
kürzere Distanz einzustellen, über die sich das
Bearbeitungswerkzeug bewegen kann, wodurch der Gegenstand mit
einem höheren Genauigkeitsgrad bearbeitet werden kann, wenn
der zu steuernde Gegenstand mit einer niedrigen
Zuführgeschwindigkeit bewegt wird.
Die Filterverarbeitung kann durch Software implementiert
werden. In diesem Fall kann die Filterverarbeitung
beispielsweise auf der Grundlage der folgenden Gleichung (11)
durchgeführt werden, in die die obige Gleichung (10)
ausgehend von der Darstellung mit dem Laplace-Operator s
z-transformiert wurde.
Y(z) = [{4.a0.z2-8.a0.z + 4.a0}
/{(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0)z2
+ (2.b2.T-8.b0)z
+ (b2.T2-2.b1.T + 4.b0)}]X(z) (11)
/{(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0)z2
+ (2.b2.T-8.b0)z
+ (b2.T2-2.b1.T + 4.b0)}]X(z) (11)
wobei T die Abtastrate des Steuerungssystems ist.
Die folgende Gleichung (12) zeigt ein Beispiel der
Filterverarbeitung. Die arithmetische Operation der Filterung
basiert dabei auf der Gleichung (12).
Y(n) = A0X(n) + A1X(n-1) + A2X(n-2)-B1Y(n-1)-B2Y(n-2) (12)
wobei Y(n) das Positionskompensationssignal ist, das in der
laufenden arithmetischen Operation erzeugt wird, Y(n-1) das
Positionskompensationssignal ist, das in der letzten
arithmetischen Operation erzeugt wurde, Y(n-2) das
Positionskompensationssignal ist, das in der vorletzten
arithmetischen Operation erzeugt wurde, X(n) das kompensierte
stufenförmige Signal ist, das in der laufenden arithmetischen
Operation erzeugt wird, X(n-1) das kompensierte stufenförmige
Signal ist, das in der letzten arithmetischen Operation
erzeugt wurde, X(n-2) das kompensierte stufenförmige Signal
ist, das in der vorletzten arithmetischen Operation erzeugt
wurde und A0 = 4.a0/(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0), A1 =
-8.a0/(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0), A2 = 4.a0/(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0),
B1 = (2.b2.T-8.b0)/(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0), und B2 = (b2.T2-
2.b1.T + 4.b0)/(b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0) Filterkoeffizienten sind,
die im voraus berechnet wurden.
Bezugnehmend auf Fig. 6 ist ein Steuerblockschaltbild eines
modulierten Antriebssystems mit einem Totgang gezeigt, der
die Tendenz aufweist, sich allmählich zu vergrößern, was
durch den Laplace-Operator s dargestellt ist. In der Figur
bezeichnet Tr ein Motordrehmoment, Tf ein dynamisches
Reibungsdrehmoment, wM eine
Motorrotationswinkelgeschwindigkeit und wL eine
Tischgeschwindigkeit, deren Wert in einen Wert gewandelt
wird, der einer Motorrotationswinkelgeschwindigkeit
entspricht.
Zusätzlich ist JL die Trägheit der Last, wie etwa ein der
Entwicklung zugrundeliegender oder gemessener Wert des
Trägheitsmoments als Teil des Antriebssystems (oder
Mechanismus) seitens des zu steuernden Gegenstands, JM eine
Trägheit des Motors, wie etwa ein der Entwicklung
zugrundeliegender oder gemessener Wert des Trägheitsmomentes
der Antriebseinheit, d. h. des Servomotors des
Antriebssystems, th ein Torsionswinkel des zwischen dem
Servomotor 4 und dem Tisch 2 angeordneten Federelements, Km
die Federkonstante des zwischen dem Servomotor 4 und dem
Tisch 2 angeordneten Federelements und Dm der
Viskositätskoeffizient der viskosen Reibung, die auf das
Federelement ausgeübt wird.
Fig. 7(a) zeigt ein Schaubild mit dem Verhältnis zwischen der
Federkonstanten Km und dem Torsionswinkel th, und Fig. 7(b)
zeigt ein Schaubild mit dem Verhältnis zwischen dem
Viskositätskoeffizienten Dm und dem Torsionswinkel th. Wenn
der Absolutwert des Torsionswinkels th im Bereich kleiner als
der Maximalwert BL des Totgangfehlers liegt, kann angenommen
werden, dass die Federkonstante Km einen kleinen Wert K hat.
Wenn im Gegensatz dazu der Absolutwert des Torsionswinkels th
im Bereich größer als der maximale Totgangfehlerwert BL
liegt, kann angenommen werden, dass die Federkonstante Km
einen großen Wert K2 annimmt. Wenn der absolute Wert des
Torsionswinkels th im Bereich kleiner als der maximale
Totgangfehlerwert BL liegt, kann angenommen werden, dass der
Viskositätskoeffizient Dm einen großen Wert D annimmt. Wenn
im Gegensatz dazu der absolute Wert des Torsionswinkels th im
Bereich größer als der maximale Totgangfehlerwert BL liegt,
kann angenommen werden, dass der Viskositätskoeffizient Dm
einen kleinen Wert D2 annimmt. Der vorgenannte Wert D kann
durch Messung des zeitabhängigen Totgangfehlers derart
eingestellt werden, dass der zu der Positionsführungsgröße zu
addierende Totgangskompensationswert sich über die Zeit so
verändert, wie dies entsprechend bei dem Totgangfehler der
Fall ist. K steht für die Federkonstante des zwischen dem zu
steuernden Objekts und der Antriebseinheit, d. h. dem
Servomotor, angeordneten Federelement, die durch die folgende
Formel (13) gegeben ist, wenn der maximale Totgangsfehlerwert
BL beträgt.
K = Tf/BL (13)
Zusätzlich kann D, was der Viskositätskoeffizient der auf das
Federelement ausgeübten viskosen Reibung ist, durch Messen
des zeitveränderlichen Totgangfehlers derart eingestellt
werden, dass der Totgangkompensationswert sich über die Zeit
in der gleichen Weise wie der Totgangfehler verändert.
Wenn in dem oben genannten Modell auf Tf das
Motorantriebsmoment Tr ausgeübt wird, um den Effekt des
dynamischen Reibungsmoment Tf zu eliminieren, ist der
Torsionswinkel th durch die folgende Gleichung (14) gegeben.
In diesem Fall ist der Torsionswinkel th gleich dem
Totgangfehler.
th = [(JL + JM)/{JL.JM.s2 + (JL + JM) D.s + (JL + JM)K}]Tf (14)
Außerdem gilt, da der maximale Totgangfehlerwert BL gegeben
ist:
BL = Tf/K (15)
Durch Einsetzen von Tf = BL.K in die obige Gleichung (14)
kann der Totgangfehler th durch die folgende Gleichung (16)
ausgedrückt werden:
th = [(JL + JM)K/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}]BL (16)
Darüber hinaus sind die Konstanten durch die folgenden
Gleichungen (17) bis (20) durch Einsetzen in die obige
Gleichung (10) gegeben.
a0 = (JL + JM) K (17)
b2 = JL.JM (18)
b1 = (JL + JM) D (19)
b0 = (JL + JM) K (20)
Der obige Aufbau und die Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gleicht dem Bearbeitungssystem gemäß
dem zweiten Ausführungsbeispiel, weshalb auf die Beschreibung
des übrigen Aufbaus und der Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel im
folgenden verzichtet wird.
Die Tendenz des Totgangs, sich allmählich zu vergrößern, kann
auf diese Weise mit einem hohen Genauigkeitsgrad kompensiert
werden, indem die Funktion des Antriebsmechanismuses mit
einem Totgang, der die Tendenz aufweist, sich allmählich zu
vergrößern, mit einem Modell modelliert wird, bei dem
angenommen wird, dass der Totgang durch eine Torsionsfeder
mit einer geringen Torsionssteifigkeit verursacht wird, die
eine Begrenzung im maximalen Torsionswinkel bewirkt und auf
die eine große viskose Reibung wirkt, und indem die durch die
obigen Gleichungen (17) bis (20) gegebenen charakteristischen
Werte als konstante Werte in die Gleichung (10) eingesetzt
werden.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Funktion
des Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der die Tendenz
aufweist, sich allmählich zu vergrößern, mit einem Modell
modelliert werden, bei dem angenommen wird, dass der Totgang
durch eine Torsionsfeder mit einer geringen
Torsionssteifigkeit bewirkt wird, die eine Begrenzung des
maximalen Torsionswinkels aufweist und auf die eine große
viskose Reibung bei einer Wegänderung der Torsionsfeder
wirkt. Darüber hinaus werden die charakteristischen Werte
beim Modell als konstante Werte in Gleichung (10) berechnet,
die ein zeitabhängiges Filter darstellt. Dementsprechend kann
das Bearbeitungssystem des dritten Ausführungsbeispiels einen
Totgang, der die Tendenz aufweist, sich allmählich zu
vergrößern, mit einem hohen Genauigkeitsgrad kompensiert und
der Totgangfehler auf einen konstanten oder darunter
liegenden Wert ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit
reduziert werden. Da das Bearbeitungssystem die benötigte
Zeit zur Durchführung der arithmetischen Operationen zur
Berechnung eines neuen Totgangskompensationswerts verringern
kann, kann der Gegenstand mit einem hohen Genauigkeitsgrad
bearbeitet werden, was durch herkömmliche Bearbeitungssysteme
nicht erwartet werden kann. Darüber hinaus kann das
Bearbeitungssystem einen Gegenstand in einer vollständigen
Kreisform mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei niedriger
Zuführgeschwindigkeit bearbeiten.
Bezugnehmend als nächstes auf Fig. 8 ist ein Blockschaltbild
mit dem Aufbau eines einachsigen (z. B. X-Achse)
Antriebsmechanismus gezeigt, der in einem NC-
Bearbeitungssystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Gemäß der Figur
bezeichnet Bezugszeichen 30 ein zeitabhängiges Filter zur
Durchführung einer Filterverarbeitung, die einer
Übertragungsfunktion zweiter Ordnung gemäß der folgenden
Gleichung (21) entspricht, und zwar gegenüber einem
kompensierten, stufenförmigen Signal seitens einer
Totgangsverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9, um so die
Amplitude des kompensierten stufenförmigen Signals zu
verringern, und zum Bereitstellen des verringerten,
kompensierten stufenförmigen Signals als ein
Positionskompensationssignal (oder Totgangkompensationswert).
Y(s) = ((a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)}X(s) (21)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der
Laplace-Operator ist.
Der übrige Aufbau des Bearbeitungssystems gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die
gleichen Komponenten des Bearbeitungssystems des ersten
Ausführungsbeispiels sind durch die gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, weshalb im folgenden auf die Beschreibung dieser
Komponenten verzichtet wird.
Da wie bereits erwähnt gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
das zeitabhängige Filter 30 eine Filterverarbeitung gegenüber
dem kompensierten stufenförmigen Signal seitens der
Totgangsverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 entsprechend
einer Übertragungsfunktion zweiter Ordnung gemäß der obigen
Gleichung (21) derart durchführt, dass das
Positionskompensationssignal erzeugt wird, kann der
Totgangkompensationswert mit wenigen
Multiplikationsoperationen und Additionsoperationen erzeugt
werden. Das Bearbeitungssystem gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel kann daher den Totgangkompensationswert
mit einfachen Operationen bereitstellen, ohne exponentielle
Berechnungen durchführen zu müssen, die viele arithmetische
Operationen zur Folge haben, was einen Unterschied gegenüber
herkömmlichen numerisch gesteuerten System darstellt. Daher
kann das Bearbeitungssystem die benötigte Zeit zur
Durchführung der arithmetischen Operationen zur Berechnung
eines neuen Totgangkompensationswerts beträchtlich
reduzieren. Als Ergebnis davon und zusätzlich zu der
Verringerung des Totgangfehlers, der durch den Tisch 2, das
Bearbeitungswerkzeug 3 und den Servomotor 4 verursacht wird,
auf einen konstanten oder darunter liegenden Pegel, und zwar
ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit, kann das
Bearbeitungssystem gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel die
benötigte Zeit zur Durchführung arithmetischer Operationen
zur Berechnung eines neuen Totgangskompensationswerts
beträchtlich verringern und somit die Länge der Zeiträume, zu
denen die Zielpositionen für die Positionssteuerung
aktualisiert wird, ebenfalls verringern. Dementsprechend
ermöglicht das Bearbeitungssystem gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel, die Zielposition für jede kürzere
Distanz, über die der zu steuernde Gegenstand bewegt wird,
einzustellen, wodurch der Gegenstand mit einem höheren
Genauigkeitsgrad bearbeitet werden kann, wenn der zu
steuernde Gegenstand mit niedriger Geschwindigkeit bewegt
wird.
Die Filterverarbeitung kann durch Software implementiert
werden. In diesem Fall kann die Filterverarbeitung
beispielsweise auf der Grundlage der folgenden Gleichung (22)
durchgeführt werden, in die die obige Gleichung (21)
ausgehend von der Darstellung mit dem Laplace-Operator s z
transformiert wurde.
Y(z) = [((2.a1.T + 4.a0)z2-8.a0.z + (-2.a1.T + 4.a0)}
/{b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0)z2
+ (2.b2.T-8.b0)z
+ (b2.T2-2.b1.T + 4.b0)}]X(z) (22)
/{b2.T2 + 2.b1.T + 4.b0)z2
+ (2.b2.T-8.b0)z
+ (b2.T2-2.b1.T + 4.b0)}]X(z) (22)
wobei T die Abtastrate des Steuerungssystems ist.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel werden die durch die
folgenden Gleichungen (23) bis (27) gegebenen Konstanten in
die obige Gleichung (21) eingesetzt.
a1 = (JL + JM)K.Kf (23)
a0 = (JL + JM) K (24)
b2 = JL.JM (25)
b1 = (JL + JM) D (26)
b0 = (JL + JM) K (27)
wobei JL die Trägheit eines zu steuernden Gegenstands ist, JM
die Trägheit einer Antriebseinheit oder eines Servomotors
ist, Km die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden
Gegenstand und der Antriebseinheit angeordneten Federelements
ist, D ein Viskositätskoeffizient der auf das Federelement
wirkenden viskosen Dämpfung und Kf eine Konstante zum
Kompensieren einer Antwortverzögerung in einer
Steuerungsvorrichtung zum Steuern des zu steuernden
Gegenstands ist.
Durch Messung des zeitabhängigen Totgangfehlers kann D derart
eingestellt werden, dass der Totgangkompensationswert sich in
der gleichen Weise über die Zeit verändert wie der
Totgangfehler sich über die Zeit verändert. Durch eine
Beobachtung der Bewegung des zu steuernden Objekts, das einer
Totgangkompensation unterworfen werden soll, kann Kf derart
eingestellt werden, dass das zu steuernde Objekt sich in
Folge der Positionsführungsgröße so kontrolliert wie möglich
bewegt.
Der übrige Aufbau und die Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung sind identisch mit demjenigen des
Bearbeitungssystems gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
weshalb auf die Beschreibung des weiteren Aufbaus und der
Betriebsweise des Bearbeitungssystems gemäß dem fünften
Ausführungsbeispiel im folgenden verzichtet wird.
Durch Messung des dynamischen Reibungsmoments Tf und des
maximalen Totgangfehlerwerts BL kann die Federkonstante K
durch die folgende Gleichung (28) bestimmt werden.
K = Tf/BL (28)
Darüber hinaus ist die Antwortverzögerung in der numerischen
Steuerungsvorrichtung näherungsweise durch die folgende
Gleichung (29) gegeben.
thM = {1/(Td. s + 1)}thR (29)
wobei thM der Rotationswinkel des Servomotors 4 ist, Td die
Zeitkonstante der Antwortverzögerung in der numerischen
Steuerungsvorrichtung und thR die
Rotationswinkelführungsgröße oder die Positionsführungsgröße
hinsichtlich der Rotation des Servomotors 4 ist.
Um thM in Übereinstimmung mit dem durch die Gleichung (16)
gegebenen Totgangfehler th zu bringen, muss die
Positionsführungsgröße thR, bei der die Antwortverzögerung in
der numerischen Steuerungsvorrichtung kompensiert ist und die
durch die folgende Gleichung (30) gegeben ist, verwendet
werden.
thR = (Kf.s + 1)th (30)
wobei Kf = Td.
Als Ergebnis davon ist der Totgangkompensationswert unter
Berücksichtigung der Antwortverzögerung in der numerischen
Steuerungsvorrichtung durch die folgende Gleichung (31)
gegeben.
thR = [{(JL + JM) K. Kf.s + (JL + JM) K}
/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}]BL (31)
/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}]BL (31)
Auf diese Weise kann der Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, mit einem hohen Genauigkeitsgrad
kompensiert werden, indem die Antwortverzögerung in der
Steuerungsvorrichtung berücksichtigt wird, und zwar durch
Modellierung der Funktion des Antriebsmechanismus mit dem
Totgang, der dazu neigt, sich allmählich zu erhöhen, unter
Verwendung eines Modells, bei dem angenommen wird, dass der
Totgang durch eine Torsionsfeder mit einer geringen
Torsionssteifigkeit verursacht wird, die eine Begrenzung des
maximalen Torsionswinkels bewirkt und auf die eine hohe
viskose Reibung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird, und durch Einsetzen der charakteristischen Werte, die
durch die obigen Gleichungen (23) bis (27) unter
Berücksichtigung der gegebenen Antwortverzögerung in der
Steuerungsvorrichtung als konstante Werte gegeben sind, in
die Gleichung (21).
Wie bereits erwähnt, kann gemäß dem fünften
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Funktion
des Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt,
sich allmählich zu erhöhen, unter Verwendung eines Modells
modelliert werden, bei dem angenommen wird, dass der Totgang
durch eine Torsionsfeder mit einer geringen
Torsionssteifigkeit verursacht wird, die eine Begrenzung auf
den maximalen Torsionswinkel bewirkt, wobei eine große
viskose Reibung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird. Darüber hinaus werden die charakteristischen Werte, die
mit den obigen Gleichungen (23) bis (27) unter
Berücksichtigung der gegebenen Antwortverzögerung in der
Steuerungsvorrichtung berechnet werden, als konstante Werte
in die Gleichung (21) eingesetzt, die ein zeitabhängiges
Filter darstellt. Dementsprechend kann das Bearbeitungssystem
gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel den Totgangfehler, der
durch den zu steuernden Gegenstand und die Antriebseinheit
(oder Servomotor) verursacht wird, auf einen konstanten Pegel
oder darunter ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit
begrenzt werden. Darüber hinaus kann das Bearbeitungssystem
gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ebenso den
Totgangfehler verringern, der durch die Antwortverzögerung in
der Steuerungsvorrichtung verursacht wird, und zwar auf einen
konstanten Pegel oder darunter. Da das Bearbeitungssystem die
Zeit verringern kann, die zur Ausführung der arithmetischen
Operationen notwendig ist, um einen neuen
Totgangkompensationswert zu berechnen, kann ein Objekt
zusätzlich mit einem hohen Genauigkeitsgrad bearbeitet
werden, was von herkömmlichen Bearbeitungssystemen nicht
erwartet werden kann. Darüber hinaus kann das
Bearbeitungssystem einen Gegenstand in einer vollständigen
Kreisform mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei niedriger
Zuführgeschwindigkeit bearbeiten.
Bezugnehmend auf Fig. 9 ist ein Blockschaltbild mit dem
Aufbau eines einachsigen (z. B. X-Achse) Antriebsmechanismus
gezeigt, der in einem NC-Bearbeitungssystem gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
enthalten ist. In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 31 ein
zeitabhängiges Filter zur Durchführung einer
Filterverarbeitung, die einer Übertragungsfunktion zweiter
Ordnung gemäß der folgenden Gleichung (32) entspricht, und
zwar hinsichtlich eines kompensierten stufenförmigen Signals
seitens der Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9,
um so die Amplitude des kompensierten stufenförmigen Signals
zu verringern und um das verringerte, kompensierte
stufenförmige Signal als ein Positionskompensationssignal
(oder Totgangkompensationswert) bereitzustellen.
Y(s) = {a0/(b1.s + b0)}X(s) (32)
wobei a0, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-
Operator ist.
Der übrige Aufbau des Bearbeitungssystems gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems des ersten Ausführungsbeispiels. Die
gleichen Komponenten wie diejenigen des Bearbeitungssystems
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet, weshalb auf die Beschreibung dieser
Komponenten im folgenden verzichtet wird.
Da das zeitabhängige Filter 31 wie bereits erwähnt gemäß dem
sechsten Ausführungsbeispiel eine Filterverarbeitung
durchführt, die einer Übertragungsfunktion zweiter Ordnung
gemäß der obigen Gleichung (32) entspricht, und zwar
hinsichtlich des kompensierten stufenförmigen Signals seitens
der Totgangsverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9, um so
ein Positionskompensationssignal zu erzeugen, kann das
Positionskompensationssignal mit wenigen
Multiplikationsoperationen und Additionsoperationen erzeugt
werden. Das Bearbeitungssystem gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel kann daher den Totgangkompensationswert
mit einfachen Operationen bereitstellen, ohne exponentielle
Berechnungen durchführen zu müssen, die viele arithmetische
Operationen zur Folge haben, wie dies bei herkömmlichen
numerisch gesteuerten Systemen der Fall ist. Daher kann das
Bearbeitungssystem die Zeit beträchtlich verringern, die
benötigt wird, um die arithmetischen Operationen zur
Berechnung eines neuen Totgangkompensationswertes
durchzuführen. Zusätzlich zu der Verringerung des
Totgangfehlers, der durch den Tisch 2, das
Bearbeitungswerkzeug 3 und den Servomotor 4 erzeugt wird, auf
einen konstanten oder darunter liegenden Wert, und zwar
ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit, kann daher im
Ergebnis das Bearbeitungssystem gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel die Zeit beträchtlich verringern, die für
arithmetische Operationen benötigt wird, um einen neuen
Totgangkompensationswert zu berechnen, und somit auch die
Länge der Zeiträume, zu denen die Zielposition für die
Positionssteuerung aktualisiert wird. Dementsprechend
ermöglicht das Bearbeitungssystem gemäß dem sechsten
Ausführungsbeispiel, die Zielposition für jede kürzere
Distanz, über die der zu steuernde Gegenstand bewegt wird,
einzustellen, wodurch der zu bearbeitende Gegenstand mit
einem höheren Genauigkeitsgrad bearbeitet werden kann, wenn
der zu steuernde Gegenstand mit niedriger Geschwindigkeit
bewegt wird.
Die Filterverarbeitung kann durch Software implementiert
werden. In diesem Fall kann die Filterverarbeitung
beispielsweise auf der Grundlage der folgenden Gleichung (33)
durchgeführt werden, in die die obige Gleichung (32)
ausgehend von der Darstellung mit dem Laplace-Operator s
z-transformiert wurde.
Y(z) = [(a0.T.z + a0.T)
/{(2.b1 + b0.T)z
+ (-2.b1 + b0.T)}j](z) (33)
/{(2.b1 + b0.T)z
+ (-2.b1 + b0.T)}j](z) (33)
wobei T die Abtastrate des Steuerungssystems ist.
Bezugnehmend als nächstes auf Fig. 10 ist ein
Steuerblockschaltbild eines modellierten Antriebssystems mit
Totgang gezeigt, der die Tendenz aufweist, sich allmählich zu
vergrößern, was durch den Laplace-Operator s dargestellt ist.
In der Figur bezeichnet thR eine Rotationswinkelführungsgröße
oder eine Positionsführungsgröße, dth einen
Totgangkompensationswert, Tr eine Drehmomentführungsgröße, Tf
ein dynamisches Reibungsmoment, fc ein
Reibungskompensationsmoment, bM eine
Motorrotationswinkelgeschwindigkeit, thN einen
Motorrotationswinkel und thL eine Tischposition, deren Wert
in einem entsprechend dem Motorrotationswinkel entsprechenden
Wert konvertiert ist. Das Reibungskompensationsmoment fc hat
den gleichen Betrag wie das dynamische Reibungsmoment Tf und
weist ein Vorzeichen entgegengesetzt zu demjenigen des
dynamischen Reibungsmomentes auf, um den Effekt des
dynamischen Reibungsmomentes Tf zu eliminieren.
Darüber hinaus bezeichnet JL die Trägheit des zu steuernden
Gegenstandes, JM die Trägheit einer Antriebseinheit oder
eines Servomotors, K die Federkonstante eines zwischen dem
Servomotor 4 und dem Tisch 2 angeordneten Federelements, D
einen Viskositätskoeffizienten der auf das Federelement
ausgeübten viskosen Reibung, KP eine Positionsschleifen-
Proportionalverstärkung, die in einer Positionssteuereinheit
12 enthalten ist, KV eine Geschwindigkeitsschleifen-
Proportionalverstärkung, die in der
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 enthalten ist und KT eine
Geschwindigkeitsschleifen-Integralverstärkung, die in der
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 enthalten ist. Da die
Stromsteuereinheit 16 eine hohe Antwortdynamik aufweist, kann
angenommen werden, dass der mit der Stromsteuereinheit 16
verbundene Wert vernachlässigt werden kann.
In dem oben beschriebenen Modell ist die Tischposition thL
durch die folgende Gleichung (34) unter Verwendung der
Rotationswinkelführungsgröße thR, des
Totgangkompensationswerts dth und des dynamischen
Reibungsmoments Tf dargestellt.
thL = {KP.V(D.s + K)(thR + dth) + (JM.s2 + V.s + KP.V)Tf}
/(A.s2 + B.V.s + B.KP.V) (34)
/(A.s2 + B.V.s + B.KP.V) (34)
wobei V = KV(1 + KI/s), A = JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K, und
B = JL.s2 + D.s + K.
Der Totgangkompensationswert dth wird mit der folgenden
Formel (35) berechnet, um den Effekt des dynamischen
Reibungsmoments Tf, das auf die Tischposition thL ausgeübt
wird, zu eliminieren.
dth = -(JM.s2 + V.s + KP.V)Tf/{(D.s + K)KP.V} (35)
Unter der Annahme, dass die Positionsschleifen-
Proportionalverstärkung KP ausreichend groß (oder KP = ∞)
ist und die Positionssteuereinheit 12 eine schnelle Antwort
im Vergleich zu der zeitabhängigen Änderung des
Totgangfehlers abgeben kann, kann die obige Gleichung (35) in
die folgende Gleichung (36) transformiert werden.
dth = -Tf/(D.s + K) (36)
Auf der anderen Seite kann der maximale Totgangfehlerwert BL
ausgedrückt werden durch:
K = Tf/BL (37)
Durch Streichung von Tf aus den Gleichungen (36) und (37)
geht die folgende Gleichung (38) hervor, die den
Totgangkompensationswert dth angibt.
dth = -{K/(D.s + K)}Bh (38)
Sodann werden die durch die folgenden Gleichungen (39) bis
(41) gegebenen Konstanten in die obige Gleichung (32)
eingesetzt.
a0 = K (39)
b1 = D (40)
b0 = K (41)
Der übrige Aufbau und die Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel,
weshalb auf die Beschreibung des übrigen Aufbaus und der
Betriebsweise des Bearbeitungssystems gemäß dem siebten
Ausführungsbeispiel im folgenden verzichtet wird.
Auf diese Weise kann der Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, mit einem hohen Genauigkeitsgrad
kompensiert werden, indem die Funktion des
Antriebsmechanismus mit einem Totgang modelliert wird, der
dazu neigt, sich allmählich zu erhöhen, und zwar unter
Verwendung eines Modells, bei dem angenommen wird, dass der
Totgang durch eine Torsionsfeder mit einer niedrigen
Torsionssteifigkeit verursacht wird, die eine Begrenzung auf
den maximalen Torsionswinkel bewirkt und auf die eine große
Viskosedämpfung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird, sowie durch Einsetzen charakteristischer Werte, die
durch die obigen Gleichungen (39) bis (41) unter
Berücksichtigung der Eigenschaften eines geregelten
Steuerungssystems, etwa als konstante Werte, in die Gleichung
(32) eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß dem siebten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Funktion
des Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt,
sich allmählich zu erhöhen, und die Funktion eines geregelten
Steuerungssystems unter Verwendung eines Modells modelliert
werden, bei dem angenommen wird, dass der Totgang durch eine
Torsionsfeder mit einer niedrigen Torsionssteifigkeit
verursacht wird, die eine Begrenzung des maximalen
Torsionswinkels bewirkt und auf die eine große
Viskosedämpfung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird. Darüber hinaus kann das zeitabhängige Filter durch
Einsetzen der charakteristischen Werte als konstante Werte,
die bei der Modellbildung berechnet wurden, in die Gleichung
(32) dargestellt werden. Dementsprechend kann das
Bearbeitungssystem des siebten Ausführungsbeispiels den
Totgang, der dazu neigt, sich allmählich zu erhöhen, mit
einem hohen Genauigkeitsgrad kompensieren und den
Totgangfehler auf einen konstanten Wert oder darunter
verringern, und zwar ungeachtet der Größe der
Zuführgeschwindigkeit. Da das Bearbeitungssystem die Zeit,
die zur Ausführung der arithmetischen Operationen zum
Berechnen eines neuen Totgangskompensationswerts benötigt
wird, beträchtlich verringern kann, kann ein Gegenstand mit
einem hohen Genauigkeitsgrad bearbeitet werden, was von
herkömmlichen Systemen nicht erwartet werden kann.
Bezugnehmend als nächstes auf Fig. 11 ist ein Blockschaltbild
mit dem Aufbau eines einachsigen (z. B. X-Achse)
Antriebsmechanismus gezeigt, der in einem NC-
Bearbeitungssystem gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung enthalten ist. In der Figur bezeichnet
Bezugszeichen 32 ein zeitabhängiges Filter zum Durchführen
einer Filterverarbeitung, die einer Übertragungsfunktion
zweiter Ordnung gemäß der Gleichung (42) entspricht, und zwar
hinsichtlich eines kompensierten stufenförmigen Signals
seitens einer Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9,
um so die Amplitude des kompensierten stufenförmigen Signals
zu verringern und um das reduzierte, kompensierte
stufenförmige Signal als ein Positionskompensationssignal
(oder Totgangkompensationswert) bereitzustellen.
Y(s) = {(a2.s2 + a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)}X(s) (42)
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der
Laplace-Operator ist.
Der übrige Aufbau des Bearbeitungssystems des achten
Ausführungsbeispiels ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die
gleichen Komponenten wie diejenigen des Bearbeitungssystems
des ersten Ausführungsbeispiels sind durch die gleichen
Bezugszeichen bezeichnet, weshalb auf die Beschreibung dieser
Komponenten im folgenden verzichtet wird.
Da wie bereits erwähnt gemäß dem achten Ausführungsbeispiel
das zeitabhängige Filter 32 eine Filterverarbeitung
durchführt, die einer Übertragungsfunktion zweiter Ordnung
gemäß der obigen Gleichung (42) entspricht, und zwar
hinsichtlich des kompensierten stufenförmigen Signals seitens
der Totgangsverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9, um so
das Positionskompensationssignal zu erzeugen, kann das
Positionskompensationssignal mit wenigen
Multiplikationsoperationen und Additionsoperationen erzeugt
werden. Das Bearbeitungssystem gemäß dem achten
Ausführungsbeispiel kann daher den Totgangkompensationswert
mit einfachen Operationen bereitstellen, ohne exponentielle
Berechnungen durchführen zu müssen, die viele arithmetische
Operationen nach sich ziehen, was einen Unterschied gegenüber
herkömmlichen numerisch gesteuerten Systemen darstellt. Daher
kann das Bearbeitungssystem in beträchtlicher Weise die Zeit
verringern, die zur Durchführung der arithmetischen
Operationen benötigt wird, um einen neuen
Totgangkompensationswert zu berechnen. Als Ergebnis davon
kann zusätzlich zu der Verringerung des Totgangfehlers, der
durch den Tisch 2, das Bearbeitungswerkzeug 3 und den
Servomotor 4 verursacht wird, auf einen konstanten Pegel oder
darunter, und zwar ungeachtet der Größe der
Zuführgeschwindigkeit, das Bearbeitungssystem des achten
Ausführungsbeispiels die benötigte Zeit verringern, die
benötigt wird, um die arithmetischen Operationen zur
Berechnung eines neuen Totgangkompensationswerts
durchzuführen, und somit auch die Länge der Zeiträume, zu
denen die Zielposition für eine Positionssteuerung
aktualisiert wird. Dementsprechend ermöglicht es das
Bearbeitungssystem gemäß dem achten Ausführungsbeispiel, die
Zielposition für jede kürzere Distanz, über die der zu
steuernde Gegenstand sich bewegt, einzustellen, wodurch der
zu bearbeitende Gegenstand mit einem höheren Genauigkeitsgrad
bearbeitet werden kann, wenn der zu steuernde Gegenstand mit
niedriger Zuführgeschwindigkeit bewegt wird.
Die Filterverarbeitung kann mit Software implementiert
werden. In diesem Fall kann die Filterverarbeitung
beispielsweise auf der Grundlage der folgenden Gleichung (43)
durchgeführt werden, in die die obige Gleichung (42)
ausgehend von der Darstellung mit dem Laplace-Operator s
z-transformiert wurde.
Y(z) = [{(4.a2 + 2.a1.T + a0.T2)z2
+ (-8.a2 + 2.a0.T2)z
+ (4.a2-2.a1.T+ a0.T2)
/{(4.b2 + 2.b1.T + b0.T2)z2
+ (-8.b2 + 2.b0.T2)z
+ (4.b2-2.b1.T + b0.T2)}]X(z) (43)
+ (-8.a2 + 2.a0.T2)z
+ (4.a2-2.a1.T+ a0.T2)
/{(4.b2 + 2.b1.T + b0.T2)z2
+ (-8.b2 + 2.b0.T2)z
+ (4.b2-2.b1.T + b0.T2)}]X(z) (43)
wobei T die Abtastrate des Steuerungssystems ist.
Gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung werden die durch die folgenden Gleichungen (44) bis
(49) gegebenen Konstanten in die obige Gleichung (42)
eingesetzt.
a2 = K (44)
a1 = K (KP + KI) (45)
a0 = K.KP.KI (46)
b2 = D.KP (47)
b1 = KP(D.KI + K) (48)
b0 = K.KP.KI (49)
wobei K die Federkonstante eines Federelements ist, das
zwischen dem zu steuernden Objekt und der Antriebseinheit
oder dem Servomotor angeordnet ist, D ein
Viskositätskoeffizient der auf das Federelement ausgeübten
viskosen Reibung ist, KP eine Positionsschleifen-
Proportionalverstärkung ist, die in der
Positionssteuereinheit enthalten ist, und KI eine
Geschwindigkeitsschleifen-Integralverstärkung ist, die in der
Geschwindigkeitssteuereinheit enthalten ist.
Durch Messung des zeitveränderlichen Totgangfehlers kann D
derart eingestellt werden, dass der Totgangkompensationswert
über die Zeit in gleicher Weise wie der Totgangfehler sich
verändert.
Der übrige Aufbau und die Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems ge 18953 00070 552 001000280000000200012000285911884200040 0002019963414 00004 18834mäß dem achten Ausführungsbeispiel,
weshalb auf die Beschreibung des übrigen Aufbaus und der
Betriebsweise des Bearbeitungssystems gemäß dem neunten
Ausführungsbeispiel im folgenden verzichtet wird.
Durch Messung des dynamischen Reibungsmomentes Tf und des
maximalen Totgangfehlerwerts BL wird die Federkonstante K
durch die folgende Gleichung (50) bestimmt.
K = Tf/BL (50)
In dem Modell gemäß Fig. 11, bei dem der Antriebsmechanismus
mit einem Totgang, der dazu neigt, sich allmählich zu
erhöhen, und das geregelte Steuerungssystem modelliert sind,
kann der Totgangkompensationswert dth zur Eliminierung des
Effekts des dynamischen Reibungsmoments Tf auf die
Tischposition Thl mit der folgenden Gleichung (51) berechnet
werden.
dth = -(JM.s2.s + KP.V)Tf/{(D.s + K)KP.V}
= -{JM.s3 + KV.s2 + KV(KP + KI)s + KP.KV.KI}.K.BL
/[KP.KV{D.s2 + (D.KI + K)s + K.KI}] (51)
= -{JM.s3 + KV.s2 + KV(KP + KI)s + KP.KV.KI}.K.BL
/[KP.KV{D.s2 + (D.KI + K)s + K.KI}] (51)
wobei JM die Trägheit der Antriebseinheit, V = KV(1 + KI/s) und
KV die Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung ist,
die in der Geschwindigkeitssteuereinheit 13 enthalten ist. Da
das dynamische Reibungsmoment Tf sich stufenweise verändert
und daher nicht differenziert werden kann, wird durch
Weglassen des Terms s3, der in dem Zähler der Gleichung (51)
enthalten ist, der Totgangkompensationswert unter
Berücksichtigung der Antwortverzögerung in der numerischen
Steuerungsvorrichtung durch die folgende Gleichung (52)
dargestellt:
dth = -[{K.s2 + K(KP + KI)s + K.KP.KI}
/{KP.D.s2 + KP(D.KI + K)s + K.KP.KI}]BL (52)
/{KP.D.s2 + KP(D.KI + K)s + K.KP.KI}]BL (52)
Auf diese Weise kann der Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, mit einem hohen Genauigkeitsgrad
kompensiert werden, indem die Funktion des
Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, unter Verwendung eines Modells
modelliert wird, bei dem angenommen wird, dass der Totgang
durch eine Torsionsfeder mit einer niedrigen
Torsionssteifigkeit verursacht wird, die eine Begrenzung auf
den maximalen Torsionswinkel bewirkt und auf die eine große
Viskosereibung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird, und durch Einsetzen der durch die obigen Gleichungen
(44) bis (49) gegebenen charakteristischen Werte in die
Gleichung (42) unter Berücksichtigung der Eigenschaften eines
geregelten Steuerungssystems als konstante Werte.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß dem neunten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Funktion
des Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt,
sich allmählich zu erhöhen, und die Funktion eines geregelten
Steuerungssystems unter Verwendung eines Modells modelliert
werden, bei dem angenommen wird, dass der Totgang durch eine
Torsionsfeder mit einer niedrigen Torsionssteifigkeit
verursacht wird, die eine Begrenzung auf den maximalen
Torsionswinkel bewirkt und auf die eine große Viskosereibung
bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt wird. Darüber
hinaus wird das zeitabhängige Filter dadurch dargestellt,
dass die charakteristischen Werte, die mit den obigen
Gleichungen (44) bis (49) unter Berücksichtigung der
gegebenen Antwortverzögerung in der Steuerungsvorrichtung als
konstante Werte in die Gleichung (42) eingesetzt werden.
Dementsprechend kann das Bearbeitungssystem gemäß dem neunten
Ausführungsbeispiel den Totgangfehler, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, auf einen konstanten Pegel oder
darunter verringern, und zwar ungeachtet der Größe der
Zuführgeschwindigkeit. Da das Bearbeitungssystem die Zeit
verringern kann, die dazu benötigt wird, um die
arithmetischen Operationen zur Berechnung eines neuen
Totgangkompensationswerts durchzuführen, kann ein Gegenstand
mit einem hohen Genauigkeitsgrad bearbeitet werden, was bei
herkömmlichen Bearbeitungssystemen nicht erwartet werden
kann.
Bezugnehmend als nächstes auf Fig. 12 ist ein
Steuerblockschaltbild eines Modells gemäß einem zehnten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei
dem ein Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der die
Tendenz aufweist, sich allmählich zu erhöhen, und bei dem das
Steuerungssystem eine von dem Steuerungssystem des oben
genannten siebten Ausführungsbeispiels verschiedenen Aufbau
aufweist, wobei das Modellverhalten durch den Laplace-
Operator s dargestellt ist. In der Figur ist thR eine
Rotationswinkelführungsgröße oder eine
Positionsführungsgröße, dth ein Totgangkompensationswert, Tr
eine Drehmomentführungsgröße, Tf ein dynamisches
Reibungsmoment, fc ein Reibungskompensationsmoment, wM eine
Motorrotationswinkelgeschwindigkeit, thM ein
Motorrotationswinkel und thL eine Tischposition, deren Wert
in einen entsprechend dem Motorrotationswinkel entsprechenden
Wert gewandelt ist. Das Reibungskompensationsmoment fc hat
den gleichen Betrag wie das dynamische Reibungsmoment Tf und
weist ein Vorzeichen auf, das zu dem Vorzeichen des
dynamischen Reibungsmoments Tf entgegengesetzt ist, um den
Effekt des dynamischen Reibungsmoments Tf zu eliminieren.
Darüber hinaus ist JL die Trägheit eines zu steuernden
Gegenstands, JN die Trägheit einer Antriebseinheit oder eines
Servomotors, K die Federkonstante eines Federelements, das
zwischen dem Servomotor 4 und dem Tisch 2 angeordnet ist, D
der Viskositätskoeffizient einer viskosen Reibung, die auf
das Federelement ausgeübt wird, KI die Positionsschleifen-
Integralverstärkung, die in der Positionssteuereinheit 12
enthalten ist, Kv die Positionsschleifen-
Proportionalverstärkung, die in einer
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 enthalten ist und Kd eine
Differentialverstärkung, die in der
Geschwindigkeitssteuereinheit 13 enthalten ist. Da die
Stromsteuereinheit 16 eine hohe Antwortdynamik aufweist, kann
angenommen werden, dass der mit der Stromsteuereinheit 16
verbundene Wert vernachlässigt werden kann.
In dem oben genannten Modell ist die Tischposition thL unter
Verwendung der Rotationsführungsgröße thR, des
Totgangkompensationswerts dth und des dynamischen
Reibungsmoments Tf durch die folgende Gleichung (53) gegeben.
thL = {P.Kv(D.s + K)(thR + dth) + (JM.s2 + Kv.Kd.s + P.Kv)Tf}
/(A.s2 + B.Kv.Kd.s + B.P.Kv) (53)
/(A.s2 + B.Kv.Kd.s + B.P.Kv) (53)
wobei P = (1-Ki/s), A = JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K, und
B = JL.s2 + D.s + K.
Der Totgangkompensationswert dth, der dazu dient, den Effekt
des dynamischen Reibungsmoments Tf, das auf die Tischposition
thL ausgeübt wird, zu eliminieren, wird mit der folgenden
Gleichung (54) berechnet.
dth = -(JM.s3 + Kv.Kd.s2 + Kv.s + Kv.KI) Tf
/{Kv D.s2 + Kv(D.Ki + K)s + K.Kv.Ki} (54)
/{Kv D.s2 + Kv(D.Ki + K)s + K.Kv.Ki} (54)
Da das dynamische Reibungsmoment Tf stufenweise sich ändert
und daher nicht differenziert werden kann, kann die obige
Gleichung (54) durch Fortlassen des Terms s3, der in dem
Zähler der Gleichung (54) enthalten ist, in die folgende
Gleichung (55) transformiert werden.
dth = -(Kd.s2 + s + Ki)Tf/{D.s2 + (D.Ki + K) s + K.Ki} (55)
Auf der anderen Seite kann der maximale Totgangfehler BL
ausgedrückt werden als
K = Tf/BL (56)
Durch Streichung von Tf aus den Gleichungen (55) und (56)
folgt die folgende Gleichung (57), die den
Totgangkompensationswert tdh angibt.
dth = -[(K.Kd.s2 + K.s + K.Ki)/{D.s2 + (D.Ki + K)s + K.Ki}]BL (57)
Sodann werden die durch die folgenden Gleichungen (58) bis
(63) gegebenen Konstanten in die Gleichung (42) eingesetzt.
a2 = K.Kd (58)
a1 = K (59)
a0 = K.Ki (60)
b2 = D (61)
b1 = D.Ki + K (62)
b0 = K.Ki (63)
Der übrige Aufbau und die Betriebsweise des
Bearbeitungssystems gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem achten Ausführungsbeispiel,
weshalb auf die Beschreibung des übrigen Aufbaus und der
Betriebsweise des Bearbeitungssystems gemäß dem zehnten
Ausführungsbeispiel im folgenden verzichtet wird.
Auf diese Weise kann der Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, mit einem hohen Genauigkeitsgrad
kompensiert werden, indem die Funktion des
Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt, sich
allmählich zu erhöhen, unter Verwendung eines Modells
modelliert wird, bei dem angenommen wird, dass der Totgang
durch eine Torsionsfeder mit niedriger Torsionssteifigkeit
verursacht wird, die eine Begrenzung auf den maximalen
Torsionswinkel bewirkt und auf die eine große viskose Reibung
bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt wird, und durch
die durch die obigen Gleichungen (58) bis (63) gegebenen
charakteristischen Werte als konstante Werte in die Gleichung
(42) eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß dem zehnten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Funktion
des Antriebsmechanismus mit einem Totgang, der dazu neigt,
sich allmählich zu erhöhen, unter Verwendung eines Modells
modelliert werden, bei dem angenommen wird, dass der Totgang
durch eine Torsionsfeder mit einer niedrigen
Torsionssteifigkeit verursacht wird, die eine Begrenzung auf
den maximalen Torsionswinkel bewirkt und auf die eine große
viskose Reibung bei Verschiebung der Torsionsfeder ausgeübt
wird. Darüber hinaus kann das zeitabhängige Filter dadurch
dargestellt werden, dass die bei der Modellbildung
berechneten charakteristischen Werte als konstante Werte in
die Gleichung (42) eingesetzt werden. Dementsprechend kann
das Bearbeitungssystem gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel
den Totgangfehler, der dazu neigt, sich allmählich zu
erhöhen, auf einen konstanten Pegel oder darunter verringern,
und zwar ungeachtet der Größe der Zuführgeschwindigkeit. Da
darüber hinaus das Bearbeitungssystem die Zeit beträchtlich
verringern kann, die dazu benötigt wird, um die
arithmetischen Operationen zur Berechnung eines neuen
Totgangkompensationswerts durchzuführen, kann ein Gegenstand
mit einem hohen Genauigkeitsgrad bearbeitet werden, was von
herkömmlichen Bearbeitungssystemen nicht erwartet werden
kann.
Bezugnehmend als nächstes auf Fig. 13 ist ein Blockschaltbild
mit dem Aufbau eines einachsigen (z. B. X-Achse)
Antriebsmechanismus gezeigt, der in einem NC-
Bearbeitungssystem gemäß einem elften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung enthalten ist. In der Figur bezeichnet
Bezugszeichen 33 eine Signalleitung, über die eine gewünschte
(oder vorgegebene) Zuführgeschwindigkeitsinformation, die
durch eine Positionsführungsgrößen-Erzeugungseinheit 7
bereitgestellt wird, übertragen wird, und Bezugszeichen 34
bezeichnet ein adaptives Filter für die
Zuführgeschwindigkeit, das mit mehreren
Übertragungsfunktionsfiltern versehen ist, wobei jedes davon
eine Filterverarbeitung hinsichtlich des Ausgangs einer
Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 gemäß einer
identischen Übertragungsfunktion durchführen kann, und wobei
jedes einen Satz von Konstanten aufweist, der die
Übertragungsfunktion definiert, die allerdings jeweils von
den anderen Übertragungsfunktionsfiltern verschieden sind,
die in dem adaptiven Filter für die Zuführgeschwindigkeit
enthalten sind, um so ein Filter aus den mehreren
Übertragungsfunktionsfiltern gemäß der vorgegebenen
Zuführgeschwindigkeit auszuwählen und um eine
Filterverarbeitung hinsichtlich des Ausgangs der
Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 unter
Verwendung des ausgewählten Übertragungsfunktionsfilters
durchzuführen.
Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel kann der Satz der
Konstanten, der jedes der Übertragungsfunktionsfilter
definiert, unter Berücksichtigung der Tatsache ausgewählt
werden, dass die Reibungserscheinungen und somit Km und Dm
mit der Zuführgeschwindigkeit sich ändern. Beispielsweise
können drei Übertragungsfunktionsfilter entsprechend einem
Zuführgeschwindigkeitsbereich von 50 bis 300 nm/min. einem
Zuführgeschwindigkeitsbereich von 300 bis 2000 nm/min und
einem Zuführgeschwindigkeitsbereich von 2000 bis 5000 nm/min
bereitgestellt werden. Für diesen Fall führt jedes der drei
Filter eine Filterverarbeitung unter Verwendung des jeweils
gleichen Satzes von Konstanten für jeden
Zuführgeschwindigkeitsbereich durch.
Der übrige Aufbau des Bearbeitungssystems gemäß dem elften
Ausführungsbeispiel ist der gleiche wie derjenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem eingangs genannten ersten
Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Komponenten wie
diejenigen des Bearbeitungssystems gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel durch die gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 1 gezeigt bezeichnet sind. Deshalb wird auf eine
Beschreibung des übrigen Aufbaus im folgenden verzichtet.
Sobald die Positionsführungsgrößen-Erzeugungseinheit 7 eine
vorgegebene Zuführgeschwindigkeitsinformation sowie eine
Positionsführungsgröße ausgibt, bestimmt das adaptive Filter
für die Zuführgeschwindigkeit die Zuführgeschwindigkeit auf
der Grundlage der vorgegebenen
Zuführgeschwindigkeitsinformation und wählt ein
Übertragungsfunktionsfilter aus, das einem jeweils
spezifizierten Zuführgeschwindigkeitsbereich zugewiesen ist,
in dem die bestimmte Zuführgeschwindigkeit enthalten ist. Das
adaptive Filter 34 für die Zuführgeschwindigkeit verringert
sodann die Amplitude des kompensierten stufenförmigen Signals
seitens der Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9
unter Verwendung des ausgewählten
Übertragungsfunktionsfilters und stellt das verringerte,
kompensierte stufenförmige Signal als ein
Positionskompensationssignal zur Verfügung. Die übrige
Betriebsweise des Bearbeitungssystems des elften
Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie diejenige des
Bearbeitungssystems gemäß dem eingangs erwähnten ersten
Ausführungsbeispiel, weshalb auf die Beschreibung der übrigen
Betriebsweise im folgenden verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, ist gemäß dem elften Ausführungsbeispiel
das adaptive Filter 34 für die Zuführgeschwindigkeit mit
mehreren Übertragungsfunktionsfiltern versehen, die jeweils
Sätze von verschiedenen Konstanten bereitstellen, die die
Übertragungsfunktion des adaptive Filters für die
Zuführgeschwindigkeit definieren. Das adaptive Filter 34 für
die Zuführgeschwindigkeit wählt unter den mehreren
Übertragungsfunktionsfiltern ein Filter gemäß der
vorgegebenen Zuführgeschwindigkeit aus und führt sodann eine
Filterverarbeitung hinsichtlich des Ausgangs der
Totgangverstärkungs-Kompensationsvorrichtung 9 unter
Verwendung des ausgewählten Übertragungsfunktionsfilters
durch. Dementsprechend kann das Bearbeitungssystem einen
Totgangkompensationswert zu der Positionsführungsgröße für
jeden Zuführgeschwindigkeitsbereich addieren, um den
Totgangfehler zu verringern, wodurch der Vorteil der
Verringerung des Totgangfehlers über den gesamten
Zuführgeschwindigkeitsbereich verbessert werden kann. Darüber
hinaus kann das Bearbeitungssystem einen Gegenstand in einer
vollständigen Kreisform mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei
niedriger Zuführgeschwindigkeit bearbeiten.
Wie bereits erwähnt, basiert das Bearbeitungssystem gemäß dem
elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf dem
Aufbau des Bearbeitungssystems gemäß dem eingangs genannten
ersten Ausführungsbeispiel. Alternativ dazu kann das
Bearbeitungssystem gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung auch auf dem Aufbau des
Bearbeitungssystems eines Ausführungsbeispiels des zweiten
bis zehnten Ausführungsbeispiels basieren. Auch in diesem
Fall können die gleichen Vorteile erzielt werden.
Ein Vergleich der Filterverarbeitungen, die gemäß dem zweiten
bis zehnten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden, ergibt
folgendes. Bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel
kann der Totgangfehler effektiv kompensiert werden, der durch
den Antriebsmechanismus unter Verwendung des Servomotors 4
und einer X-Achsen-Kugelumlaufspindel 5 entsteht. Bei dem
vierten und fünften Ausführungsbeispiel kann die
Antwortverzögerung in der Steuerungsvorrichtung (oder der
Servosteuerungsvorrichtung) weiterhin effektiv kompensiert
werden. Bei dem sechsten und siebten Ausführungsbeispiel kann
der Totgangfehler effektiv kompensiert werden, wenn die
Antwortverzögerung in der Steuerungsvorrichtung ausreichend
klein im Vergleich mit der Antwortverzögerung des
Antriebsmechanismus ist. In dem achten bis zehnten
Ausführungsbeispiel kann der Totgangfehler effektiv
kompensiert werden, selbst wenn die Steuerungsvorrichtung
(oder Servosteuerungsvorrichtung) aus einer
Geschwindigkeitsregelschleife und einer
Positionsregelschleife besteht und eine Antwortverzögerung in
der Steuerungsvorrichtung auftritt.
Aus einem Vergleich zwischen dem neunten und dem zehnten
Ausführungsbeispiel wird ersichtlich, dass das zehnte
Ausführungsbeispiel den Vorteil mit sich bringt, dass der
Totgangfehler ungeachtet der Antwortverzögerung in der
Steuerungsvorrichtung effektiv kompensiert werden kann, wenn
die Steuerungsvorrichtung ein Integralelement in dessen
Positionssteuereinheit enthält, während das neunte
Ausführungsbeispiel den Vorteil mit sich bringt, dass der
Totgangfehler ungeachtet einer Antwortverzögerung in der
Steuerungsvorrichtung effektiv kompensiert werden kann, wenn
die Steuerungsvorrichtung ein Integralelement in dessen
Geschwindigkeitssteuereinheit enthält.
Viele und in weiten Bereichen verschiedene
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind denkbar,
ohne dass der Sinngehalt und der Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung verlassen wird. Es versteht sich, dass
die vorliegende Erfindung auf die in der Beschreibung
beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele nicht
beschränkt ist, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche
definiert ist.
Claims (16)
1. Totgang-Kompensationsvorrichtung für ein numerisch
gesteuertes System, um eine Kompensation für eine
Positionsführungsgröße zu bewirken, die zum Antreiben
und zur Steuerung eines zu steuernden Gegenstands dient,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:
Umkehrerfassungsmittel (8) zum Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel (9) zum Erzeugen eines maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel erfasst wird;
Filtermittel (10, 29, 30, 31, 32 oder 34) zum Verringern des Pegels des maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel (11) zum Addieren des verringerten, maximalen Totgangsignals seitens des Filtermittels zu der Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des Additionsergebnisses als eine kompensierte Positionsführungsgröße.
Umkehrerfassungsmittel (8) zum Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel (9) zum Erzeugen eines maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel erfasst wird;
Filtermittel (10, 29, 30, 31, 32 oder 34) zum Verringern des Pegels des maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel (11) zum Addieren des verringerten, maximalen Totgangsignals seitens des Filtermittels zu der Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des Additionsergebnisses als eine kompensierte Positionsführungsgröße.
2. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Filtermittel mehrere Übertragungsfunktionsfilter
enthält, wobei jedes davon ein Signal seitens des
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in Abhängigkeit
von einer identischen Übertragungsfunktion verarbeiten
kann und wobei allerdings jedes davon einen Satz von
Konstanten aufweist, der die Übertragungsfunktion
definiert und der von jedem anderen in dem Filtermittel
enthaltenen Übertragungsfunktionsfilter verschieden ist,
zum Auswählen eines der mehreren
Übertragungsfunktionsfilter in Abhängigkeit von der
Zuführgeschwindigkeit des zu steuernden Gegenstands, um
so eine Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals
seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels
unter Verwendung des ausgewählten
Übertragungsfunktionsfilters durchzuführen.
3. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
a0/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
a0/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
4. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
jedes der mehreren in dem Filtermittel enthaltenen
Übertragungsfunktionsfilter eines spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt,
wobei die Filterverarbeitung entsprechend der
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
a0/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
a0/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
5. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(a1 + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
(a1 + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
6. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
jedes der mehreren in dem Filtermittel enthaltenen
Übertragungsfunktionsfilter eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt,
wobei die Filterverarbeitung entsprechend der
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
(a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
(a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
7. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
a0/(b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
a0/(b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
8. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
jedes der mehreren in dem Filtermittel enthaltenen
Übertragungsfunktionsfilter eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt,
wobei die Filterverarbeitung entsprechend der
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
a0/(b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
a0/(b1.s + b0)
wobei a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
9. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend der Übertragungsfunktion
ausgedrückt werden kann als:
(a2.s2 + a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
(a2.s2 + a1.s + a0)/(b2.s2 + b1.s + b0)
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
10. Totgang-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
jedes der mehreren in dem Filtermittel enthaltenen
Übertragungsfunktionsfilter eine spezielle
Filterverarbeitung des maximalen Totgangsignals seitens
des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt,
wobei die Filterverarbeitung entsprechend der
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
wobei a2, a1, a0, b2, b1 und b0 Konstanten sind und s der Laplace-Operator ist.
11. Numerisch gesteuertes System mit einer Totgang-
Kompensationsvorrichtung zur Erzeugung einer
kompensierten Positionsführungsgröße, um eine
Kompensation für eine Positionsführungsgröße zu
bewirken, mit einer Steuerungsvorrichtung (12, 13 und
16) zum Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der
kompensierten Positionsführungsgröße, und mit einem
Antriebsmittel (4) zum Antreiben und Steuern eines zu
steuernden Gegenstands in Abhängigkeit von dem
Steuersignal, wobei die Totgang-Kompensationsvorrichtung
umfasst:
Umkehrerfassungsmittel (8) zum Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel (9) zum Erzeugen eines maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel erfasst wird;
Filtermittel (10, 29, 30, 31, 32 oder 34) zum Verringern des Pegels des maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel (11) zum Addieren des verringerten, maximalen Totgangsignals seitens des Filtermittels zu der Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des Additionsergebnisses als eine kompensierte Positionsführungsgröße an die Steuerungsvorrichtung.
Umkehrerfassungsmittel (8) zum Erfassen der Umkehrung einer Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands auf der Grundlage einer Umkehrung einer Aufwärts- oder Abwärtstendenz im Pegel der zugeführten Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen einer Richtungsumkehrinformation, wenn die Umkehrung der Antriebsrichtung des zu steuernden Gegenstands erfasst wird;
Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittel (9) zum Erzeugen eines maximalen Totgangsignals entsprechend einem Maximalwert des Totgangfehlers in Verbindung mit einer Richtung, in der das zu steuernde Objekt nach der erfassten Umkehrung der Antriebsrichtung bewegt wird, und zwar zu jeder Zeit, zu der die Richtungsumkehrinformation von dem Umkehrerfassungsmittel erfasst wird;
Filtermittel (10, 29, 30, 31, 32 oder 34) zum Verringern des Pegels des maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-Totgangsignal-Erzeugungsmittels in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit seit der erfassten Umkehr der Antriebsrichtung und zum Bereitstellen des verringerten, maximalen Totgangsignals; und
Additionsmittel (11) zum Addieren des verringerten, maximalen Totgangsignals seitens des Filtermittels zu der Positionsführungsgröße und zum Bereitstellen des Additionsergebnisses als eine kompensierte Positionsführungsgröße an die Steuerungsvorrichtung.
12. Numerisch gesteuertes System nach Anspruch 11, wobei das
Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
(JL + JM)K/{JL.JM.s2 + (JL + JM) D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung ist.
(JL + JM)K/{JL.JM.s2 + (JL + JM) D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung ist.
13. Numerisch gesteuertes System nach Anspruch 11, wobei das
Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
{(JL + JM)K.Kf.s + (JL + JM)K}/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung und Kf eine Konstante zum Kompensieren einer Antwortverzögerung in der Steuerungsvorrichtung ist.
{(JL + JM)K.Kf.s + (JL + JM)K}/{JL.JM.s2 + (JL + JM)D.s + (JL + JM)K}
wobei JL die Trägheit des zu steuernden Gegenstands, JM die Trägheit des Antriebsmittels, K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung und Kf eine Konstante zum Kompensieren einer Antwortverzögerung in der Steuerungsvorrichtung ist.
14. Numerisch gesteuertes System nach Anspruch 11, wobei das
Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
K/(D.s + K)
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung ist.
K/(D.s + K)
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements und D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung ist.
15. Numerisch gesteuertes System nach Anspruch 11, wobei das
Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
{K.s2 + K(KP + KI)s + K.KP.KI}/{D.KP.s2 + KP(D.KI + K)s + K.KP.KI}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung und Kd eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Differentialverstärkung ist.
{K.s2 + K(KP + KI)s + K.KP.KI}/{D.KP.s2 + KP(D.KI + K)s + K.KP.KI}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung und Kd eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Differentialverstärkung ist.
16. Numerisch gesteuertes System nach Anspruch 11, wobei das
Filtermittel eine spezielle Filterverarbeitung des
maximalen Totgangsignals seitens des Maximal-
Totgangsignal-Erzeugungsmittels durchführt, wobei die
Filterverarbeitung entsprechend einer
Übertragungsfunktion ausgedrückt werden kann als:
(K.Kd.s2 + K.s + K.Ki)/{D.Kv.s2 + Kp (D.Ki + K) s + K.Kv.Ki}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung, Ki eine Positionsschleifen-Integralverstärkung und Kd eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Differentialverstärkung ist.
(K.Kd.s2 + K.s + K.Ki)/{D.Kv.s2 + Kp (D.Ki + K) s + K.Kv.Ki}
wobei K die Federkonstante eines zwischen dem zu steuernden Gegenstand und dem Antriebsmittel angeordneten Federelements, D der Viskositätskoeffizient der auf das Federelement wirkenden viskosen Reibung, Kv eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Geschwindigkeitsschleifen-Proportionalverstärkung, Ki eine Positionsschleifen-Integralverstärkung und Kd eine in der Steuerungsvorrichtung enthaltene Differentialverstärkung ist.
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