DE4107707C2

DE4107707C2 - Verfahren zum Kompensieren eines Lagefehlers eines durch eine numerische Steuereinrichtung gesteuerten beweglichen Teils einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE4107707C2
Application number: DE4107707A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Ueta; Masahito Shiozaki; Jun Fujita
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1991-03-09
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2011-03-10
Also published as: DE4107707A1; US5237509A; JPH03260708A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kompensieren eines Lagefehlers eines durch eine numerische Steuereinrichtung in seiner Lage gesteuerten beweglichen Teils einer Werkzeugmaschine, das aus der DE 16 38 032 C3 bekannt ist.

Bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine tritt ein Lagefehler des gesteuerten Teils infolge eines Gewindespindel-Teilungsfehlers oder dergleichen auf. Aus diesem Grund ist eine numerische Steuereinrichtung im allgemeinen mit einer Lagefehler-Kompensationsvorrichtung versehen. Dabei wird der Lagefehler wie folgt kompensiert. Beispielsweise wird der Bewegungsbereich jeder Welle des bewegbaren Teils der Maschine in mehrere Abschnitte unterteilt. So wird beispielsweise der Bewegungsbereich in Richtung der X-Achse in Xi (i = 1, 2, 3, . . .) Abschnitte unterteilt und der Kompensationsbetrag Exi (i = 1, 2, 3, . . .) jedes Abschnitts gemessen und in einer Speichereinrichtung gespeichert. Wenn das bewegliche Teil in Richtung seiner X-Achse in einen vorbestimmten Bereich AX1 eintritt, wird die augenblickliche Lage in Richtung der X-Achse in Abhängigkeit von dem Kompensationsbetrag Exi und der Bewegungsrichtung kompensiert.

Bei einer bekannten numerischen Steuervorrichtung werden der Bereich, in dem das Teil positioniert wird, und entsprechende Lagekompensationsdaten als Paar gespeichert und der Lagefehler in Abhängigkeit von den gespeicherten Daten kompensiert. Infolgedessen würde sich der Lagefehler über eine kurze Strecke ändern, z. B. ein Bewegungsfehler, der durch einen Steigungsfehler der Gewindespindel bewirkt wird, der bei jeder Umdrehung während der Herstellung einer Gewindespindel (Vorschubspindel) auftritt. Wenn eine derartige Änderung wiederholt im Bewegungsbereich des beweglichen Teils auftritt, muß die Anzahl der Unterteilungen erhöht (d. h. die Länge der unterteilten Abschnitte verringert) werden, wenn eine äußerst genaue Kompensation erreicht werden soll. Wenn die Speicherkapazität der Speichervorrichtung begrenzt ist, die die Kompensationsdaten speichert, würde die Anzahl der Kompensationspunkte unzureichend. Andernfalls müßte die Kapazität der Speichervorrichtung vergrößert werden. Selbst wenn die Kapazität der Speichervorrichtung ausreichend wäre, müßten mehrmals gleiche Daten gespeichert werden, die bei jeder Umdrehung einer Gewindespindel über den gesamten Bewegungsbereich auftreten.

Aus der DE 16 38 032 C3 ist es bekannt, Korrekturwerte vorab zu ermitteln, einzugeben und zu speichern. Sodann werden dort die Korrekturwerte über einen Digitalrechner ausgelesen und zur Verbesserung der Bahngenauigkeit herangezogen. Bei diesem bekannten Verfahren müssen jedoch zur Korrektur periodischer Fehler in einem Bewegungsbereich von einem Mieter die Fehler an 500 Punkten korrigiert werden, wenn die Vorschubspindel der Werkzeugmaschine eine Steigung von 10 mm hat und fünf Korrekturpunkte pro Umdrehung vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß der DE 16 38 032 C3 so weiterzuentwickeln, daß die Kompensation des Lagefehlers eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Anzahl von Bereichen vorkommt, in denen das gleiche Muster von Lagefehleränderungen in einem bestimmten Bewegungsbereich des beweglichen Teils auftritt.

Aus der DE 32 18 612 A1 ist zu entnehmen, daß dort eine Achse mehrere sinusförmige Abweichungen aufweist. Hierbei handelt es sich jedoch um Fehler, die durch den Einfluß einer Achse auf eine andere Achse hervorgerufen werden. Bei vorliegender Erfindung handelt es sich dagegen um die Korrektur von Fehlern, die bei ein und derselben Achse auftreten.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung eines Falles, bei dem die Beziehung zwischen einem Bewegungs-Sollwert und der Antwort- bzw. Ist-Lage eines mechanischen beweglichen Teils ein sich periodisch wiederholendes Lage-Fehlermuster aufweist,

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Falles, bei dem die Beziehung zwischen dem Bewegungs-Sollwert und der Ist-Lage eines beweglichen Maschinen-Teils zwei verschiedene Lagefehlermuster aufweist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Art des Lagefehlermusters und den entsprechenden Koor dinatenabschnitten,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge einer Periode des Lagefehlermusters und dem Koordinatenabschnitt, der der Art des Lagefehlermusters entspricht,

Fig. 5 eine Datentabelle, die die in den Fig. 3 und 4 dar gestellten Beziehungen darstellt,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Unterabschnitten in einer Periode des Lagefehlermusters und der Lagefehlerwerte, die den jeweiligen Unterabschnitten entsprechen,

Fig. 7 eine Datentabelle, die die Lagefehlerdaten der jeweiligen unterteilten Abschnitte zeigt, die den Arten der jeweiligen Fehler entsprechen,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer numerischen Steuervorrichtung zur Lagefehlerkompensation,

Fig. 9 eine Abwandlung der numerischen Steuervorrichtung nach Fig. 8,

Fig. 10 eine graphische Darstellung eines Falles, bei dem das erfindungsgemäße Lagefehlerkompensationsverfahren bei einem Modell angewandt wird, das durch das in Fig. 1 dar gestellte Lagefehlermuster veranschaulicht wird,

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Bewegungsgenauig keit eines Bearbeitungszentrums und

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Ergebnisses, das sich durch Anwendung des Lagefehlerkompensationsverfahrens bei dem Bearbeitungszentrum mit der in Fig. 11 dargestellten Bewegungsgenauigkeit erreichen läßt.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Kompensieren eines Lagefehlers anhand der Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung, bei der eine gerade Linie l, die ideale Antwort-Lagen des beweglichen Teils 17 der Werkzeugmaschine entsprechend bestimmten Lage-Sollwerten (bzw. einer Führungsgröße) darstellt, Lagefehlern überlagert ist, die sich mit dem gleichen Muster (von sinusförmigem Kurvenverlauf) in zugeordneten Unterteilungs-Abschnitten gleicher Länge L wiederholen. Auf gleiche Weise ist in Fig. 2 ein Fehlermuster durch zwei verschiedene sinusförmige Muster 1 und 2 dargestellt.

Nachstehend wird beschrieben, wie die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Lagefehler mit möglichst geringer Anzahl von Korrekturdaten kompensiert werden. In Fig. 3 ist der Bewegungsbereich des beweglichen Teils 17 in mehrere Abschnitte 1 . . . M unterteilt. In jedem Abschnitt 1 . . . M wiederholen sich die gleichen Muster 1 oder 2, die in Fig. 2 dargestellt sind. In Fig. 3 stellt ein Bereich einen Abschnitt dar, in dem das in Fig. 2 zuerst dargestellte Muster 1 sich wieder holt, während mit ein Abschnitt bezeichnet ist, in dem sich ein J-tes Muster wiederholt. Mit BP1 ist in Fig. 3 eine erste Koordinatenposition eines Abschnitts bezeichnet, in dem das Muster 1 auftrift, während EP1 die Koordinatenposition darstellt, in der dieser Abschnitt endet, in dem das erste Muster 1 auftrift. In gleicher Weise bezeichnet BPJ die erste Koordinatenposition, in der ein erster Abschnitt beginnt, in dem sich das J-te Muster wiederholt, während EPJ die Koordinatenposition bezeichnet, in der ein Abschnitt endet, in dem sich das J-te Muster wiederholt. Die Längen der Abschnitte sind so gewählt, daß sie das ganzzahlige Vielfache der Periode eines sich in jedem Abschnitt wiederholenden Muster ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, die den Abschnitt darstellt.

Fig. 5 ist eine Datentabelle numerischer Daten, die die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Zustände darstellen. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Zustände können als Matrix aus M Zeilen und drei Spalten dargestellt werden, wobei M die Arten der vorkommenden Muster darstellt. So stellen beispielsweise A (J, 1) den Koordinatenwert BPF des Anfangspunktes des Abschnitts des J-ten Musters, A (J, 2) den Koordinatenwert EPJ des Endpunkts des Abschnitts und A (J, 3) die Länge LPJ der Periode dar, die der Art des J-ten Musters entspricht. Die graphische Darstellung nach Fig. 6 dient zur Ableitung von Daten, die zur Korrektur eines Lagefehlers verwendet werden sollen, aus den Mustern der betreffenden Lagefehlerkurven, z. B. aus dem Muster der Lagefehlerkurve der J-ten Art. Die Länge LPJ der Periode des Musters J wird in eine Vielzahl von K kleineren Abschnitten unterteilt, die ihrerseits jeweils eine Länge SLJ haben, um einen Lagefehler, der irgendeinem der kleinen Abschnitte SLJ entspricht, durch Verwendung der Lagefehlerkurve zu bestimmen.

Fig. 7 ist eine Datentabelle von Lagefehlerdaten der K kleineren Abschnitte, die jeweils Arten von Mustern entsprechen. In Fig. 7 stellt C (J, K) die Lagefehlerdaten des K-ten kleineren Abschnitts des J-ten Musters dar.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen numerischen Steuervorrichtung zum Kompensieren von Lagefehlern. Diese Steuervorrichtung enthält einen Hauptteil 1A, einen NC-Datenleser 3 zum Lesen von NC-Daten von einem NC-Band 5, eine Kathodenstrahlröhre (CRT) 7, eine Tastatur 9, eine Regeleinrichtung 11, einen Elektromotor (Motor) 13, eine Gewindespindel 15, ein bewegliches Teil 17, z. B. den Tisch einer Werkzeugmaschine, und einen Lagefühler 19. Der Hauptteil 1A der numerischen Steuervor richtung enthält einen (NC)-Programmanalysator 101, eine Lage-Kompensationsbetrag-Berechnungseinheit 102 sowie Datenspeicher 103 und 104. Die Beziehung zwischen Lage-Sollwert und Lage-Istwert wird zuvor gemessen und zur Bestimmung der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Beziehungen sowie zur Bildung der Daten verwendet, die in der Datentabelle nach Fig. 5 dargestellt sind. Diese Daten werden über die Tastatur 9 und das NC-Band 5 eingegeben und in dem Datenspeicher 103 gespeichert. Die Länge einer Periode jedes Lagefehlermusters wird in mehrere (K) kleinere Abschnitte unterteilt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, und die Daten gemäß Fig. 7 werden über die Tastatur 9 oder das NC-Band 5 in den Datenspeicher 104 eingegeben.

Nach Fig. 8 wird das NC-Programm, das durch den NC-Daten leser 3 von dem NC-Band 5 abgelesen worden ist, durch den Programmanalysator 101 analysiert, und seine Ausgangsgröße Xc wird einem Addierer 21 zur Bildung der Differenz zwischen der Ausgangsgröße Xc und der Ist-Lage zugeführt. Die so ermittelte Differenz wird der Regelein richtung 11 als Bewegungsanweisung zugeführt. Die Regel einrichtung 11 steuert den Motor 13, um die Gewindespindel 15 zu drehen und dadurch die Lage des beweglichen Teils 17 der Werkzeugmaschine zu verändern. Die Lage des beweglichen Teils 17 wird durch einen Lagefühler 19 festgestellt, der die Drehwinkellage des Läufers des Motors 13 mißt, und das Meßsignal X_f des Lagefühlers 19 wird zur Lagekompensations betrag-Berechnungseinheit 102 der numerischen Steuervor richtung über einen Addierer 23 zurückgeführt.

Die Lagekompensationsbetrag-Berechnungseinheit 102 ver gleicht das zurückgeführte Meßsignal (Ist-Lage) X_f mit den im Datenspeicher 103 gespeicherten Daten. Das heißt, wenn bestätigt wird, daß das Meßsignal X_f in einem Abschnitt zwischen A (J, 1) und A (J, 2) liegt, d. h. zwischen den Koordinaten positionen BPJ und EPJ, wird der Wert von J ermittelt, und dann werden die nachstehenden Berechnungen

a = {X_f - A (J, 1)} LPJ = (X_f - BPJ) LPJ (1)

durchgeführt.

Ersetzt man {X_f - A (J, 1)} durch X und LPJ durch Y, dann stellt XY einen Überschuß dar, der sich durch die Division von X und Y ergibt. Die Größe a stellt auch die Diffe renz zwischen der Länge von (X_f - BPJ) und einem ganzzahligen Vielfachen der Länge LPJ der Periode des Musters dar.

b = a/(LPJ/K) = a/SLJ (2)

wobei b eine positive ganze Zahl darstellt.

Wie bereits erwähnt, stellt b die Lage von b in einem vor bestimmten kleinen Abschnitt dar. Nach Bestimmung von J und b kann ein Lagefehlerbetrag Cx = C (J, b) aus dem Daten speicher 104 ausgelesen werden. Der Wert von Cx = C (J, b) wird als Istlage-Korrekturwert dem Addierer 23 aus der Lagekompensationsbetrug Berechnungseinheit 102 zugeführt.

Der Addierer 23 berechnet den Wert (X_f - Cx) und führt diesen Wert dem Addierer (Soll-Ist-Vergleich) 21 als Rückführwert (Rückführungsgröße) für die korrigierte Ist-Lage zu.

Fig. 9 stellt ein Blockschaltbild eines abgewandten Aus führungsbeispiels der Erfindung dar, bei dem anstelle der gemessenen Ist-Lage (Meßsignal) X_f ein Sollwert Xc zur Bestimmung des Lage-Korrekturwertes verwendet wird. Diejenigen Bauelemente, die den in Fig. 8 dargestellten ähnlich sind oder gleichen, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Da in diesem Falle bei der Bestimmung eines dem Sollwert Xc entsprechenden Lagefehlers ein Fehler durch eine Verzöge rung der Regeleinrichtung bewirkt wird, wird der Sollwert Xc dadurch korrigiert, daß die gemessene Ist-Lage (Meßsignal) Xf zunächst mittels eines Differenziergliedes 25 differenziert wird, um so die Geschwindigkeit Vf zu ermitteln, und um dann die Geschwindigkeit Vf mit einem Koeffizienten Kv mittels eines Multiplizierers 27 zu multipli zieren. Der Sollwert Xc wird dann mittels dieses Produktes Vf×Kv kompensiert. Das heißt

Xcf = Xc + Kv × Vf,

wobei Kv einen durch eine Lageregelkreisverstärkung bestimmten Faktor bezeichnet und Xcf mittels des Addierers 29 berechnet wird. Die Lagekompensationsbetrag-Berechnungs einheit 102 berechnet daher einen Lagefehler, der einem kleinen Abschnitt entspricht, durch Verwendung von Xcf anstelle von X_f in den Gleichungen (1) und (2). Auf diese Weise läßt sich die Lagekompensation auf die gleiche Weise wie in Fig. 8 bewirken.

Fig. 10 stellt graphisch das Ergebnis der durch die Erfin dung bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm bewirkten Kompensation dar.

Fig. 11 stellt graphisch die Bewegungsgenauigkeit (ohne Lagefehlerkompensation) eines Bearbeitungszentrums dar, die nach dem Doppelkugelverfahren (double ball method DBB) gemessen wurde. Diese Darstellung zeigt Schwankungen von etwa 3 µm, die durch die Gewindespindel bewirkt werden.

Fig. 12 stellt ein Diagramm der Bewegungsgenauigkeit für den Fall dar, daß das Lagefehlerkompensationsverfahren nach der Erfindung angewandt wird, wobei die Bewegungsge nauigkeit ebenfalls nach dem Doppelkugelverfahren gemessen wurde. Wie Fig. 12 zeigt, wurde die Genauigkeit auf etwa 0,5 µm gesteigert.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird mithin zur Kompensation eines Lagefehlers, der einer Soll-Lage des beweglichen Teils einer Maschine entspricht, die Kompensation durch ein Muster des Lagefehlers darge stellt und in einer Speichervorrichtung (Datenspeicher) gespeichert, so daß die Anzahl der in der Speichervorrichtung zur Durchführung der Kompensation des Lagefehlers gespeicherten Daten ver ringert und dennoch die Zeit zur Korrektur verkürzt werden kann. Mit anderen Worten, es ist eine genauere Positionierung oder Lageregelung durch Speicherung einer kleineren Anzahl von Lagefehler-Kompensationsdaten möglich. Ferner ist es möglich, die Bedienungszeit zu verringern, die zur Eingabe von Lagefehler-Kompensationsdaten in die Speicher vorrichtung erforderlich ist.

Claims

Verfahren zum Kompensieren eines Lagefehlers eines durch eine numerische Steuereinrichtung in seiner Lage gesteuerten beweglichen Teils einer Werkzeugmaschine, bei dem folgende Maßnahmen durchgeführt werden:
- a) der Bewegungsbereich des beweglichen Teils (17) der Werkzeugmaschine wird in mehrere Abschnitte (1 . . . M), die verschiedene, sich wiederholende Lagefehlermuster (charakteristische Lagefehlerabweichungen) zeigen, unterteilt;
- b) die Anfangs- (BP1 . . . BPM) und Endpunkte (EP1 . . . EPM) sowie die Länge (LP1 . . . LPM) der jeweiligen Abschnitte (1 . . . M) werden gespeichert;
- c) jeder dieser Abschnitte (1 . . . M) wird seinerseits in kleinere Abschnitte unterteilt (in Art einer Treppenkurve), wobei die Größe jedes dieser einzelnen kleineren Abschnitte aus dem Verlauf des jeweiligen (zugehörigen) Lagefehlermusters (J) bestimmt wird;
- d) die Größe der einzelnen kleineren Abschnitte wird in Form einer Datentabelle (C(J, K)) für die jeweiligen Lagefehlermuster gespeichert;
- e) aus einer Ist-Lage (X_f) des beweglichen Teils (17) der Werkzeugmaschine wird mit einer Lagekompensationsbetrags-Berechnungseinheit (102) derjenige Abschnitt (1 . . . M), der das zugehörige Lagefehlermuster (J) aufweist, ermittelt; und
- f) mit Hilfe der gespeicherten Daten des ermittelten zugehörigen Lagefehlermusters (J) und der Ist-Lage (X_f) wird daraufhin:
  - - derjenige kleinere Abschnitt (b), in dem sich die Ist-Lage (X_f) des beweglichen Teils (17) der Werkzeugmaschine innerhalb des zugehörigen Lagefehlermusters (J) befindet, bestimmt und
  - - für den so bestimmten kleineren Abschnitt (b) der in der Datentabelle (C(J, K)) gespeicherte zugehörige Lagefehlerbetrag (Cx) ausgelesen und (X_f) des beweglichen Teils (17) der Werkzeugmaschine als Rückführungsgröße (x_f-Cx) einem Soll-Vergleich (Addierer 21) zugeführt.