DE4431326B4

DE4431326B4 - Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE4431326B4
Application number: DE4431326A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Nagoya Hayashida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2014-09-03
Also published as: GB2281639A; KR950008036A; JP2866556B2; JPH0772911A; GB9417664D0; HK1009655A1; GB2281639B; CN1103967A; DE4431326A1; KR0128489B1; US5517097A; CN1072370C

Abstract

Vorrichtung zum Steuern von Position und Drehzahl mehrachsiger Antriebseinrichtungen für eine Werkzeugmaschine, umfassend eine Einrichtung zur Antriebssynchronisation (1a) zwischen einer rotierenden Achse und einer linearen, untergeordneten Achse, wobei beiden Achsen je eine Antriebseinrichtung mit einer Drehzahlschleife zugeordnet ist und die Antriebseinrichtung für die lineare, untergeordnete Achse ein besseres Ansprechverhalten hinsichtlich ihrer Drehzahlschleife aufweist als die Antriebseinrichtung für die rotierende Achse, und wobei die Einrichtung zur Antriebssynchronisation (1a) ein Filter (23) mit einer Filterübertragungsfunktion beinhaltet, die im Zähler mit einer die rotierende Achse beschreibenden Übertragungsfunktion und im Nenner mit einer die lineare Achse beschreibenden Übertragungsfunktion übereinstimmt, wobei das Filter (23) im Steuersignalzweig für die lineare, untergeordnete Achse zum Bestimmen eines Positionsanweisungssignals angeordnet und für einen synchronen Betriebsmodus über einen Modusumschalter (22) aktivierbar ist, wobei auf den Filtereingang ein Positionsanweisungssignal (θrz*) gelangt, wobei der Filterausgang mit einem Komparator (10a) in Verbindung steht, an dessen Vergleichseingang das Positionserfassungssignal (θrz) für die lineare, untergeordnete...

Description

Diese Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine, die die Drehzahl oder die Position einer Spindel und einer θuntergeordneten Achse durch die Abgabe einer Drehzahlanweisung oder einer Positionsanweisung steuert wobei die Steuervorrichtung eine Positionssynchronisierungsfunktion für die Spindel und eine untergeordnete Achse aufweist.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird in der folgenden Beschreibung das Beispiel einer synchronen Gewindebohrfunktion angenommen, die eine bekannte Funktion für die Positionssynchronisierung zwischen einer Spindel und einer untergeordneten Achse darstellt. 14, 15 und 16 zeigen eine bekannte Spindelantriebseinrichtung sowie ein Z-Achsenservo-Antriebseinrichtung, und in 14, 15 und 16 gibt eine strichpunktierte Linie einen digitalen Wert an, der von der Software geliefert wurde.
In 14 gibt die Bezugsziffer 1 eine Steuervorrichtung (im folgenden so genannt) an, die durch eine NC-Steuervorrichtung dargestellt ist, die eine Drehzahlanweisung xrs* sowie Positionsanweisungen θrs* und θrz* abgibt, wobei die Bezugsziffern 2, 2a eine Spindelantriebseinrichtung bzw. eine Z-Achsenservo-Antriebseinrichtung (im folgenden Z-Achsenantriebseinrichtung genannt) aufweisen, die jeweils mit der Steuervorrichtung 1 verbunden sind. Die Bezugsziffern 3, 3a geben einen Spindelmotor an, der mit der Spindelantriebseinrichtung 2 verbunden ist, bzw. einen Z-Achsenmotor, der mit der Z-Achsenantriebseinrichtung 2a verbunden ist. Die Bezugsziffern 4, 4a geben einen Spindelpositionsdetektor, der direkt mit einer Drehwelle des Spindelmotors 3 verbunden ist und beispielsweise ein Ausgangsgangssignal von 256 Wellenzügen/1 Umdrehung ausgibt, bzw. einen Z-Achsen Positionsdetektor an, der direkt mit der Drehwelle des Z-Achsenmotors 3a verbunden ist und beispielsweise 2500 Impulse/1 Umdrehung erzeugt.
Ebenso geben die Bezugsziffern 17, 17a eine Spindelpositions-Erfassungsschaltung an, die ein Ausgangssignal von dem Spindelpositionsdetektor 4 aufnimmt und ein Positionserfassungssignal θrs erzeugt, bzw. eine Z- Achsenerfassungsschaltung, die ein Ausgangssignal von dem Z-Achsenpositionsdetektor 4a aufnimmt und ein Positionserfassungssignal θrz erzeugt. Die Bezugsziffer 5 gibt eine Spindel in einer Werkzeugmaschine an, wobei die Drehwelle von dem Spindelmotor 3 angetrieben wird und die vertikale Welle (Z-Achse) von dem Z-Achsenmotor 3a gesteuert wird, die Bezugsziffer 5a gibt einen Z-Achsentisch an, der die Spindel 5 in vertikaler Richtung gleiten läßt, die Bezugsziffern 6, 6a geben ein Spindelgetriebe, das den Spindelmotor 3 mit der Spindel 5 verbindet, bzw. ein Z-Achsengetriebe an, das den Z-Achsenmotor 3a mit dem Z-Achsentisch 5a verbindet, die Bezugsziffer 7 gibt ein Werkzeug (Gewindebohrer) zum Gewindebohren an, und die Bezugsziffer 8 gibt einen Differenzierer an, der das Positionserfassungssignal θrs und ein Positionserfassungssignal θrz aufnimmt und differenziert und die Drehzahlerfassungssignale xrs und xrz ausgibt.
In 15 geben die Bezugsziffern 10, 10a Komparatoren an, die Positionsanweisungen θrs*, θrz* mit Positionserfassungssignalen θrs, θrz vergleichen und Positionsabweichungssignale Δθrs, Δθrz ausgeben, die Bezugsziffern 11, 11a geben Positions-Schleifenverstärkungsschaltungen an, die mit dem Komparator 10 bzw. 10a verbunden sind und die Positionsabweichungssignale Δθrs und Δθrz gemäß den Positionsschleifenverstärkungen K_PS bzw. K_PZ verstärken, und die Bezugsziffer 12 gibt einen Moduswählschalter mit einem Kontakt a, zu dem die Drehzahlanweisung ωrs* eingegeben wird, sowie mit einem Kontakt b an, zu dem der Ausgang von der Positions-Schleifenverstärkungsschaltung 11 eingegeben wird, und der in einem Drehzahlsteuermodus zum Steuern der Umdrehungsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Spindel 5 den Kontakt a und in einem Positionssteuermodus zum Steuern einer Drehposition der Spindel 5 den Kontakt b auswählt.
Ebenso gibt die Bezugsziffer 13 einen Komparator an, der den Ausgang ωrs* mit einem Drehzahlerfassungssignal ωrs vergleicht und als Ausgang ein Drehzahlabweichungssignal Δωrs liefert, die Bezugsziffer 13a gibt einen Komparator an, der den Ausgang ωrz* von der Positions-Schleifenverstärkungsschaltung 11a mit dem Drehzahlerfassungssignal Δωrz vergleicht und das Drehzahlabweichungssignal Δωrz liefert, die Bezugsziffern 14, 14a geben eine Drehzahl-Schleifenverstärkungsschaltung an, die die Drehzahlabweichungssignale Δωrs, Δωrz gemäß den Drehzahlschleifenverstärkungen K_VS, bzw. K_VZ verstärkt und Stromanweisungen Is'*, Iz'* liefert, die Bezugsziffern 15, 15a geben eine Strombegrenzerschaltung an, die den Ausgang Is'*, Iz'* von den Drehzahl-Schleifenverstärkungsschaltungen 14 bzw. 14a auf einen Stromwert begrenzt, der den Ausgangscharakteristika eines Motors entspricht, und als Ausgang Stromanweisungen Is* bzw. Iz* liefert, und die Bezugszeichen 16, 16a geben eine Stromrichterschaltung an, die den Ausgang Is*, Iz* von den Energiebegrenzerschaltungen 15, 15a an die Motoren 3 bzw. 3a liefert.
In der folgenden Beschreibung wird der Betrieb der Spindelantriebseinrichtung 2 und der Z-Achsenantriebseinrichtung 2a einer Werkzeugmaschine mit synchroner Betriebsfunktion auf der Basis des herkömmlichen Standes der Technik in (1) einen Betrieb im normalen Spindelbetriebsmodus und (2) einen Betrieb im synchronen Gewindebohrmodus unterteilt.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Im Falle eines normalen Spindelbetriebsmodus, bei dem kein synchrones Gewindebohren durchgeführt wird, ist ein Moduswählschalter 12 in der Spindelantriebseinrichtung 2 auf den Kontakt a gelegt. Die Drehzahlanweisung ωrs*, die einer Sollumdrehungszahl für die Spindel 5 entspricht, wird von der Steuervorrichtung 1 abgegeben. Dementsprechend liefert die Spindelantriebseinrichtung 2 Steuerbefehle, die eine Drehzahl (ωrs) des Spindelmotors 3 veranlassen, der Drehzahlanweisung ωrs* zu folgen. Die Drehzahlanweisung ωrs* und das Drehzahlerfassungssignal ωrs werden von dem Komparator 13 verglichen, das Drehzahlabweichungssignal Δωrs wird aus dem Komparator 13 ausgegeben, und das Drehzahlabweichungssignal Δωrs wird verstärkt und als Stromanweisung Is'* in der Drehzahl-Schleifenverstärkungsschaltung 14 geliefert und dann in einer Stromrichterschaltung 16 in Energie zum Antrieb des Spindelmotors 3 umgewandelt. Mit dieser Operation wird der Spindelmotor 3 so gesteuert, daß er der Drehzahlanweisung ωrs* folgt.
Im normalen Spindelbetriebsmodus arbeitet die Z-Achsenantriebseinrichtung 2a auch unabhängig von der Spindelantriebseinrichtung 2. In diesem Fall werden die Positionsanweisung θrz* und das Positionserfassungssignal θrz von dem Komparator 10a verglichen. Das Positionsabweichungssignal Δθrz wird von dem Komparator 10a abgegeben, in der Positions-Schleifenverstärkungsschaltung 11a verstärkt und dann in den Komparator 13a eingegeben. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei der Spindelantriebseinrichtung 2 im oben beschriebenen, normalen Spindelbetriebsmodus, während der Z-Achsentisch 5a so gesteuert wird, daß er der Positionsanweisung θrz* über den Z-Achsenmotor 3a folgt.
(2) Synchroner Gewindebohrmodus
Im Falle eines synchronen Gewindebohrmodus werden die Drehposition einer Spindel und die Position einer Z-Achse synchronisiert. Insbesondere wird eine an die Spindelantriebseinrichtung 2 gegebene Anweisung durch die Steuervorrichtung 1 zu der Positionsanweisung θrs* geschaltet. Die Spindelantriebseinrichtung 2 erfaßt diese Bedingung und schaltet den Moduswählschalter 12 zum Kontakt b um. Die Positionsanweisung θrs* und das Positionserfassungssignal θrs werden von dem Komparator 10 verglichen, das Positionsabweichungssignal Δθrs wird von dem Komparator 10 abgegeben, und das Positionsabweichungssignal Δθrs wird durch die Positions-Schleifenverstärkungsschaltung 11 verstärkt und in den Komparator 13 als Drehzahlanweisung eingegeben. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei dem oben beschriebenen Spindelbetriebsmodus. Folglich wird die Spindel 5 über den Spindelmotor 3 so gesteuert, daß sie der Positionsanweisung θrs* folgt.
Im Falle eines synchronen Gewindebohrbetriebsmodus empfängt die Z-Achsenantriebseinrichtung 2a auch von der Anweisungsvorrichtung 1 eine Z-Achsenpositionsanweisung θrz*, die in synchroner Beziehung zu der Positionsanweisung θrs* zu der oben beschriebene Spindelantriebseinrichtung 2 steht. Ebenso wird der Z-Achsentisch 5a über den Z-Achsenmotor 3a so gesteuert, daß er der Positionsanweisung θrz* folgt.
16 ist ein Blockdiagramm, das eine gegenüber der in 15 gezeigten Ausgestaltung modifizierte Form zeigt. In 16 multipliziert eine Drehmomentkonstantenschaltung 18, 18a den Ausgang aus der Drehzahl-Schleifenverstärkungsschaltung 14, 14a mit Drehmomentkonstanten K_tS, K_tZ und gibt die Produkte als Drehmomentanweisungen T_LS* bzw. T_LZ* ab. Ein Komparator 19, 19a vergleicht auch die Drehmomentanweisungen T_LS*, T_LZ* mit dem äußeren Stördrehmoment T_LS bzw. T_LZ. Schließlich führt eine Teilerschaltung 20, 20a die Subtraktion mit der Motorträgheit JS, JZ durch, und ein Integrator 21 führt die Integration durch.
Bei der oben beschriebenen, synchronen Gewindebohroperation ist das Ansprechverhalten auf die Drehzahlschleife in dem Spindelsteuersystem aus den unten beschriebenen Gründen (a) bis (c) im allgemeinen schlechter als in dem Z-Achsensteuersystem.

(a) Zunächst ist die Reaktion auf eine Drehzahlschleife um so stärker, je größer das Drehmoment eines Motors ist. Im allgemeinen ist in einer Motoreinheit die Reaktion der Z-Achse etwa 5 bis 10-mal stärker als die der Spindel.
(b) Zweitens läßt sich das Trägheitsverhältnis eines Motors selbst gegenüber der Lastträgheit an der Seite der von dem Motor angetriebenen Maschine auf unter etwa 2-mal in der Z-Achse unterdrücken, während dasjenige bei einer Spindel in einem Bereich von 1- bis 5-mal liegt (L-Gang: 1- bis 2-mal, M-Gang: 2- bis 3-mal, H-Gang: 4- bis 5-mal), und die Drehzahlschleifenverstärkung in einer Spindel, insbesondere im M-Gang und H-Gang, wird relativ niedriger.
(c) Drittens fällt die Ansprechempfindlichkeit selbst dann, wenn die oben beschriebene Lastträgheit größer wird, nicht ab, wenn die Drehzahlschleifenverstärkung im Verhältnis zur oben beschriebenen Lastträgheit erhöht wird. Da allerdings in einem Spindelgetriebe allgemein ein größerer Totgang bzw. Spiel vorhanden ist, werden aufgrund der Instabilität Vibrationen erzeugt, wenn die Verstärkung zu stark erhöht wird. Aus diesem Grund läßt sich die Drehzahlschleifenverstärkung selbst dann nicht erhöhen, wenn die Lastträgheit größer wird.

Dieser Unterschied in der Drehzahlschleifenreaktion zwischen einem Spindelsteuersystem und einem Z-Achsensteuersystem kann manchmal einen Positionsfehler zwischen beiden bei Operationen zur Beschleunigung oder Verzögerung oder bei einer Schwankung aufgrund einer externen Laststörung verursachen, die beide einen Übergangszustand bei einer synchronen Gewindebohroperation darstellen, womit andererseits das Gewindeschneiden bei der synchronen Gewindebohroperation beeinflußt wird. Wie oben beschrieben wird der Positionsunterschied zwischen beiden in einem H-Gang größer. Dies verursacht ein Problem bezüglich der Gewindeschneidgenauigkeit eines Gewindebohrers, so daß das synchrone Gewindebohren nur in einem L-Gang und einem M-Gang durchgeführt wird, die jeweils eine relativ kleine Lastträgheit aufweisen.

Die technischen Dokumente, die den Hintergrund für die vorliegende Erfindung betreffen, umfassen die offengelegte japanische Patentveröffentlichung JP 59-191606 A, die offengelegte japanische Patentveröffentlichung JP 64-016285 A, die offengelegte japanische Patentveröffentlichung JP 64-027808 A sowie die offengelegte japanische Patentveröffentlichung JP 63-089904 A, die eine numerische Steuervorrichtung offenbart, welche als nächstliegender Stand der Technik anzusehen ist.

Aus der EP 0 429 768 A2 ist ein Verfahren zur Fehlerkorrektur bei der Antriebssteuerung von Servomotoren vorbekannt. Bei dieser Lösung wird eine wechselseitige Berechnung von momentanen Ist- und Sollwerten hinsichtlich Position und/oder Drehzahl vorgenommen, wobei die entsprechenden Meßwerte der einzelnen Zweige der Antriebseinrichtungen bzw. der einzelnen Achsen laufend untereinander verglichen werden müssen. Auf der Basis der Vergleichsergebnisse wird dann dort eine Korrekturgröße ermittelt und dem jeweiligen Treiber der entsprechenden Antriebseinrichtung zugeführt. Eine derartige vorbekannte laufende Berechnung ist nicht nur hinsichtlich des eigentlichen Zeitaufwandes kritisch, sondern erfordert eine exakte Istwert-Erfassung am entsprechenden System, was bei Servomotoren durchaus möglich, bei Werkzeugmaschinen mit einer Spindel und mit einer Z-Antriebseinrichtung bereits schwieriger ist.

Hinsichtlich der nächstliegenden JP 63-089904 A ist anzumerken, daß die dortige Vorrichtung zum Steuern von Position und Drehzahl mehrachsiger Antriebsvorrichtungen für eine Werkzeugmaschine eine Einrichtung zur Antriebssynchronisation zwischen einer rotierenden und einer linearen Achse umfaßt. Dabei weisen beide Achsen je eine Antriebseinheit mit üblicherweise einer Drehzahlschleife auf. Die Antriebseinrichtung für die lineare Achse besitzt hier ein besseres Ansprechverhalten hinsichtlich ihrer Drehzahlschleife als die Antriebseinrichtung für die rotierende Achse. Eine Vorfilterung erfolgt nicht.

Aus der DE 37 08 266 A1 ist eine Vorkompensation zur Kompensation von Positionierverzögerungen bei Servosystemen bekannt, wobei die Vorkompensation vor dem das Servosystem steuernden Steuersystem angeordnet ist. Die Vorkompensation besitzt eine Übertragungsfunktion, die der reziproken Übertragungsfunktion des Steuer-/Servosystems entspricht.

Bei einer Anweisungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer synchronen Gewindebohrfunktion auf der Grundlage des oben beschriebenen Stands der Technik wird sowohl im normalen Spindelbetriebsmodus als auch dem synchronen Gewindebohrbetriebsmodus eine ähnliche Positionsanweisung an eine Z-Achsensteuervorrichtung abgegeben. Im normalen Spindelbetriebsmodus, bei dem keine Positionssynchronisierung zwischen einer Spindel und einer Z-Achse erforderlich ist, verursacht eine Differenz in der Drehzahlreaktion zwischen beiden keinerlei spezielle Probleme, aber bei dem synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, bei dem, wie oben beschrieben, eine Positionssynchronisierung erforderlich ist, beeinflußt die Differenz in der Drehzahlreaktion zwischen den beiden die Gewindeschneidgenauigkeit eines Gewindebohrers.

Zur Erhöhung der Genauigkeit wird im allgemeinen die Positionsschleifenverstärkung für die beiden abgeglichen, um als Minimalanforderung die Positionsbahn für beide identisch zu gestalten. In diesem Fall kann allerdings aufgrund der unterschiedlichen Drehzahlreaktion ein Relativpositionsfehler zwischen den beiden auftreten. Da auch die Positionsschleifenverstärkung der Z-Achse auf einen Wert eingestellt werden muß, der etwas unter dem Istwert für die Spindelseite liegt, wird die Z-Achse im Verhältnis zu der Differenz empfindlicher gegenüber einer Schwankung aufgrund einer externen Störung. Falls darüber hinaus die Gewindebohrzeitkonstante erhöht wird, um den Relativpositionsfehler zwischen der Spindel und der Z-Achse zu reduzieren, indem das Übersetzungsverhältnis für die Beschleunigung und Verzögerung reduziert wird, dann wird die Zykluszeit länger, so daß die Produktivität reduziert wird.

Wie oben beschrieben, wird im Stand der Technik das synchrone Gewindebohren auch nicht mit einem H-Gang, sondern einem L-Gang und einem M-Gang durchgeführt, um die Genauigkeit zu verbessern und den Unterschied in der Drehzahlreaktion zwischen der Spindel und der Z-Achse zu minimieren. Nichtsdestoweniger besteht eine Reaktionsverzögerung zur Z-Achse. Darüber hinaus kann, da die maximale Drehzahl der Spindel im Vergleich zu einem H-Gang sinkt, wenn mit einem L-Gang und einem M-Gang gearbeitet wird, kein Gewindebohrzyklus mit hoher Drehzahl erreicht werden, so daß die Produktivität ebenfalls reduziert wird.

Die oben erwähnten Probleme werden im folgenden unter Bezug auf 13 konkret beschrieben. In 13 zeigt die Wellenform (a) die Drehzahl einer Spindel und der Z-Achse gegenüber der Zeit. Wie in 13(a) gezeigt, deckt sich die Drehzahllinie der Spindel nicht mit der Drehzahllinie der Z-Achse, da die Spindelachse eine Drehachse und die Z-Achse eine lineare Achse ist. Dementsprechend liegen deutliche Differenzen in der Relativposition und in einem weiten Bereich vor. In 13, in der Wellenform (c) ist nämlich bei der Durchführung des synchronen Gewindebohrens die Drehzahlschleifenreaktion in einem Spindelsteuersystem im Vergleich zu einem Z-Achsensteuersystem im allgemeinen niedriger. Dem ist beispielsweise so, weil die Last GD2 groß und die Motorträgheit höher ist. Dementsprechend wird selbst dann, wenn die Positionsschleifenverstärkung identisch ist, eine Differenz in der Drehzahlschleifenreaktion oder der Positionsschleifenverstärkung in der Z-Achse für die Spindel auf einen etwas niedrigeren Wert gesetzt. Dementsprechend kann eine hohe Relativpositionsdifferenz auftreten, wenn sich beispielsweise die Drehzahl rasch ändert (t4, t6, t7, t9, t10 usw.) oder wenn sich eine Last aufgrund einer externen Störung rasch ändert (t5, t8, t11 usw.).

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine anzugeben, die ohne komplexe Berechnungen von Beschleunigungs- und Verzögerungswerten die Reduzierung der Relativpositionsdifferenz zwischen einer Z-Achse und einer Spindel im synchronen Gewindebohrbetrieb ermöglicht und so die Gewindebohrgenauigkeit erhöht, die Zykluszeit beim Gewindebohren verbessert und damit die Produktivität verbessert.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Operationen der in 1 gezeigten Werkzeugmaschinensteuervorrichtung;
3A, B und C sind Ansichten, die belegen, daß selbst dann, wenn sich die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ für eine Spindel und eine untergeordnete Achse unterscheiden, ihre beiden Positionsbahnen identisch gemacht werden können;
4 ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen der in 4 gezeigten Werkzeugmaschinensteuervorrichtung;
6 ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
7 ein Flußdiagramm der in 6 gezeigten Werkzeugmaschinensteuervorrichtung;
8 ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
9 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen der in 8 gezeigten Werkzeugmaschinensteuervorrichtung;
10 eine Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
11 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen der in 10 gezeigten Werkzeugmaschinensteuervorrichtung;
12 ein Zeitsteuerdiagramm zur Veranschaulichung einer Moduswähloperation einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
13 ein Zeitsteuerdiagramm, das eine Differenz zwischen den Positionsfehlerwellenformen in einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung darstellt;
14 ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung auf der Grundlage des Stands der Technik;
15 ein Zeitsteuerdiagramm einer allgemeinen Konfiguration einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
16 ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer gegenüber der in 15 gezeigten Vorrichtung modifizierten Steuervorrichtung.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen Ausführungsformen einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Komponenten, die gleich denjenigen bei herkömmlichen Typen der Vorrichtung sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf ihre Beschreibung wird hier verzichtet. 1 ist ein Steuerblockdiagramm zu Veranschaulichung der allgemeinen Ausgestaltung einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser 1 gibt die Bezugsziffer 1a die Steuervorrichtung an, die Bezugsziffer 22 einen Moduswählschalter, der unter den gleichen Bedingungen wie der Moduswählschalter 12 umschaltet, und die Bezugsziffer 23 steht für eine Filtereinrichtung mit einer Übertragungsfunktion für eine Spindel im Zähler und einer Übertragungsfunktion für eine untergeordnete Achse im Nenner.
Nun werden Operationen der oben beschriebenen Werkzeugmaschinensteuervorrichtung beschrieben.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Läuft eine Spindel im normalen Betriebsmodus, bei dem kein synchrones Gewindebohren durchgeführt wird, dann werden die Moduswählschalter 12 und 22 auf die Seite a gelegt; danach läuft der Betrieb wie auf der Grundlage des Stands der Technik ab.
(2) Synchroner Gewindebohrbetriebsmodus
Wird bei Synchronität zwischen Spindel und Z-Achse ein Gewindebohren durchgeführt, dann werden die Wählschalter 12 und 22 zur Seite b umgeschaltet. Bei dieser Operation gibt die Z-Achse während einer positionssynchronisierten Steuerung, nämlich während einer synchronen Gewindebohroperation, nur einmal eine Positionsanweisung θrz* in die Filtereinrichtung 23 ein, und dann gibt die Steuereinrichtung 1a die Positionsanweisung θrz0* ab; danach wird die Positionsanweisung θrz0* in einen Komparator 10a eingegeben. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Typ einer Werkzeugmaschinensteuervorrichtung. Wie dies später beschrieben wird, können selbst dann, wenn sich die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ für eine Spindel und eine Z-Achse unterscheiden, die Positionsbahnen durch die Hinzufügung der Filtereinrichtung 23 abgeglichen werden.
2 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen im normalen Spindelbetriebsmodus sowie derjenigen im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus. Zunächst führt die Werkzeugmaschinensteuervorrichtung eine Bestimmung durch, ob die aktuelle Operation im synchronen Betriebsmodus stattfindet oder nicht (S10), und falls bestimmt wird, daß die aktuelle Operation nicht im synchronen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1a den Moduswählschalter 22 zur Seite a (S11a), gibt ωrs* als Ausgang an eine Spindel (S12a) und θrz* an eine Z-Achse ab (S13a). Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 auf die Seite a (S14a) und führt eine Drehzahlsteuerung durch (S15a). Darüber hinaus führt die Z-Achse eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S16b).
Wird in dem oben beschriebenen Schritt S10 bestimmt, daß die aktuelle Operation im zyklischen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1a den Moduswählschalter 22 zur Seite b (S11b), gibt θrs* an die Spindel ab (S12b), θrz* wird über die Filtereinrichtung 23 angeordnet und θrz0* (θrz* x Übertragungsfunktion für die Filtereinrichtung) wird zur Z-Achse ausgegeben (S13b). Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 zur Seite b (S14b) und führt nach der Positionsschleifenverstärkung K_PS eine Positionssteuerung durch (S15b). Darüberhinaus führt die Z-Achse eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S16b).
3A bis 3C sind Zeichnungen, die belegen, daß selbst dann, wenn sich die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ für eine Spindel und eine Z-Achse unterscheiden, die Positionsbahnen für beide abgeglichen werden können. In den 3A bis 3C geben die Bezugsziffern 24, 24a Übertragungsfunktionen bis zu θrs, θrz zu den Positionsanweisungen θrs*, θrz* oder θrz0* in einem Fall an, wo angenommen wird, daß Reaktionen auf eine Stromschleife sowie auf eine Drehzahlschleife unendlich sind, die Bezugsziffer 25 steht für eine Übertragungsfunktion zwischen θrz und θrz* nach der vorliegenden Erfindung, die erhalten wird, indem die Filtereinrichtung 23 und die Übertragungsfunktion 24a in der Z-Achse multipliziert werden.
3A ist ein Blockdiagramm mit der Annahme, daß K_VS und K_VZ in dem herkömmlichen Typ der in 15 gezeigten Steuervorrichtung unendlich sind. Diese Figur weist deutlich darauf hin, daß bei synchronem Gewindebohren nach einer Positionsanweisung wenigstens die Bedingung K_PS = K_PZ erforderlich ist. 3B ist auch ein Blockdiagramm mit der Annahme, daß K_VS und K_VZ in dem in 1 gezeigten Steuerblock unendlich sind, und 3C ist eine Modifizierung dazu. Aus diesen Figuren ist zu verstehen, daß selbst dann, wenn K_PS nicht gleich K_PZ ist, die Spindel und die Z-Achse die gleiche Übertragungsfunktion aufweisen, sie folgen nämlich der gleichen Positionsbahn.
Nun wird unter Bezug auf 12 eine Beschreibung von Operationen gegeben, wenn der Betriebsmodus vom normalen Spindelbetriebsmodus zum synchronen Gewindebohrbetriebsmodus umschaltet. In dieser Figur gibt die Bezugsziffer 30 eine Drehzahl der Spindel 5 an, die Bezugsziffer 31 gibt eine Periode im synchronen Gewindebohrmodus an, die Bezugsziffer 32 gibt eine Periode an, während der der synchrone Gewindebohrbetriebsmodus in Rückkehr zum Ausgangspunkt gehalten wird, und die Bezugsziffer 33 gibt eine Kontakteintellperiode für die Moduswählschalter 12 und 22 an.
Wie in 12 an den Wellenformen (a) und (b) gezeigt, wird die Spindelntriebseinrichtung 2 dann, wenn zum Zeitpunkt t1 von der Steuervorrichtung 1a an die Spindelantriebseinrichtung 2 ein Signal zur Auswahl des synchronen Gewindebohrbetriebsmodus eingegeben wird, die Spindelantriebseinrichtung 2 von einem Drehzahlsteuermodus zu einem Positionssteuermodus umgeschaltet, so daß die in 12(c) gezeigte Rückkehroperation zum Ausgangspunkt durchgeführt wird. Vor dem Abschluß dieser Rückkehroperation zum Ausgangsunkt (zum Zeitpunkt t2) werden die Moduswählschalter 12 und 22 an einen Kontakt a gelegt, wie dies in 12(s) gezeigt ist. Zum Zeitpunkt t2, also wenn die Rückkehroperation zum Ausgangspunkt abgeschlossen ist, werden die Moduswählschalter 12 und 22 zu einem Kontakt b umgeschaltet und bleiben auf dem oberen Pegel, bis zum Zeitpunkt t3 die synchrone Gewindebohrbetriebsart freigegeben wird, und das Filter 23 wird während dieser Periode nur an die Z-Achse angelegt.
Im Folgenden werden nun unter Bezugnahme auf 13 (Wellenformen (a), (b) und (d) die Wirkungen dieser ersten Ausführungsform beschrieben. In dieser Figur gibt die Bezugsziffer 35 eine Spindeldrehzahl sowie eine Z-Achsendrehzahl während einer synchronen Gewindebohroperation an, die Bezugsziffer 36 gibt eine Lastschwankung aufgrund einer die Spindel und die Z-Achse belastenden externen Störung an, und die Bezugsziffer 37 gibt eine Relativpositionsdifferenz zwischen der Spindel und der Z-Achse (bei einem herkömmlichen Typ einer Steuervorrichtung) an. Diese Relativdifferenz beträgt im Idealfall Null, und je größer dieser Wert ist, desto geringer ist die Genauigkeit des synchronen Gewindebohrvorgangs. Aus den oben beschriebenen Relativpositionsdifferenzen 37 gibt die 13, Wellenform (c) an, daß bei dem herkömmlichen Typ einer Steuervorrichtung aus den obengenannten Gründen eine hohe Relativpositionsdifferenz erzeugt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Positionsschleifenverstärkung auf Lastschwankungen aufgrund von externen Störungen in der Z-Achse bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Typ einer Steuervorrichtung relativ erhöht, da die Filtereinrichtung (mit den Übertragungsfunktionsmodellen für eine Spindel und eine Z-Achse) auf die Positionsanweisung an die Z-Achse nur im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus angewendet wird. Im Ergebnis läßt sich eine Differenz reduzieren, die im Zusammenhang mit der Lastschwankung aufgrund einer externen Störung steht, was ein zu lösendes Problem darstellte, wie dies in 13, Wellenform (d), gezeigt ist. Es sei bemerkt, daß der Grund dafür, daß die Filtereinrichtung 23 nicht auf eine Positionsanweisung für eine Spindel, sondern auf eine für eine Z-Achse angewendet wird, darin liegt, daß eine Positionsschleifenverstärkung im allgemeinen auf einen höheren Wert als für eine Spindel eingestellt werden kann. Wie oben beschrieben, ist auch die Drehzahlreaktion an der Seite der Z-Achse höher; dementsprechend kann eine Spindel mit einer niedrigeren Positionsschleifenreaktion nicht gemäß einer Z-Achse mit hoher Reaktion eingestellt werden.
Im Folgenden wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform. In dieser Figur steht die Bezugsziffer 1b für eine Steuervorrichtung, die Bezugsziffer 26 für die gleiche Filtereinrichtung wie die Übertragungsfunktion 24, die Bezugsziffer 27 ist ein Komparator, der den Ausgang von der Filtereinrichtung 26 mit der Positionsrückkopplung θrs von einer Spindel vergleicht und einen Positionsfehler θrzb* abgibt, und die Bezugsziffer 28 gibt einen Addierer an, der einen Ausgang θrzb* von dem Komparator 27 zu einem Ausgang θrza* von der Filtereinrichtung 23 addiert und die Summe als endgültige Positionsanweisung θrz0* abgibt.
Nun werden Operationen der oben beschriebenen Steuervorrichtung erläutert.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Zunächst, also wenn sich eine Spindel im normalen Drehzahlanweisungsbetriebsmodus dreht, bei dem kein synchrones Gewindebohren durchgeführt wird, werden die Moduswählschalter 12 und 22 zur Seite a gelegt, und es werden nahezu die gleichen Operationen wie beim Stand der Technik durchgeführt, wie dies in 15 und 16 gezeigt ist.
(2) Synchroner Gewindebohrbetriebsmodus
Wird dann positionssynchron zu einer Z-Achse ein synchrones Gewindebohren durchgeführt, dann werden die Moduswählschalter 12 und 22 zur Seite b gelegt. Bei dieser Operation wird während einer Positionssynchronisierungssteuerung, nämlich während eines synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, eine Summe aus dem Ausgang θrza*, der durch das Filtern einer Positionsanweisung θrz* durch eine Filtereinrichtung 23 erhalten wurde, sowie θrzb*, das durch die Subtraktion einer durch eine Filtereinrichtung 26 gefilterten Positionsanweisung θrz* von der Positionsrückkopplung θrs für eine Spindel erhalten wurde, von der Anweisungsvorrichtung 1b als endgültige Positionsanweisung ausgegeben, und die Positionsanweisung θrz0* wird in den Komparator 10a eingegeben. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
5 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen im normalen Spindelbetriebsmodus und im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, die jeweils oben beschrieben wurden. Zunächst wird bestimmt, ob die aktuelle Operation in einem synchronen Betriebsmodus stattfindet oder nicht (S20). Wird bestimmt, daß die aktuelle Operation nicht als synchrone Operation stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung den Moduswählschalter 22 zur Seite a (S21a) und gibt an eine Spindel ωrs* (S22a) und an eine Z-Achse θrz* aus (S23a). Die Spindel legt den Moduswählschalter 12 auch zur Seite a (S24a) und führt eine Drehzahlsteuerung durch (S25a). Darüber hinaus führt die Z-Achse eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S26a).
Wird im oben beschriebenen Schritt S20 bestimmt, daß die aktuelle Operation im zyklischen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1b den Moduswählschalter 22 zur Seite b (S21b), gibt θrs* an die Spindel (S22b) und θrz0*(θrs – θrz* × Übertragungsfunktion für die Filtereinrichtung 26 + θrz* × Übertragungsfunktion für die Filtereinrichtung 23) über die Filter einrichtung 23, die Filtereinrichtung 26, den Komparator 27 und den Addierer 28 (S32b) ab. Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 zur Seite b (S24b) und führt eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S25b). Darüber hinaus führt die Z-Achse eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PS durch (S26b).
Da demnach das Ausgangssignal eines Übertragungsfunktionsmodells für eine Spindel (nämlich eine Kompensationseinrichtung durch Anwendung einer Differenz zwischen einer idealen Position der Spindel und einer Positionsrückkopplung von der Spindel auf eine Positionsanweisung für eine Z-Achse) zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform hinzugefügt ist, können selbst dann, wenn die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ unterschiedlich sind, oder auch wenn die Drehzahlschleifenverstärkung nicht unendlich ist, die Positionsbahnen für beide identisch gemacht werden.
Nachstehend wird die Beschreibung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. 6 ist ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung der dritten Ausführungsform. In dieser Figur steht die Bezugsziffer 1c für eine Steuervorrichtung, die Bezugsziffer 38 gibt einen Moduswählschalter an, der unter den gleichen Bedingungen wie für die Moduswählschalter 12 und 22 umschaltet.
Im Folgenden werden Operationen bei der dritten Ausführungsformen beschrieben.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Zunächst, also im normalen Drehzahlanweisungsbetriebsmodus, bei dem kein synchrones Gewindebohren für eine Spindel durchgeführt wird, werden die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite a gelegt, und es werden nahezu die gleichen Operationen wie die in 15 und 16 gezeigten durchgeführt.
(2) Synchroner Gewindebohrbetriebsmodus
Wird positionssynchron zur Z-Achse ein synchrones Gewindebohren durchgeführt, dann werden die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite b umgeschaltet. Mit dieser Operation wird während einer Positionssynchronisierungssteuerung, nämlich während eines synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, von der Anweisungseinrichtung 1c eine Summe aus dem Ausgang θrza* (der gleiche Wert wie die Positionsanweisung θrz*, nur in der Z-Achse) und θrzb* (erhalten durch Subtraktion der durch die Filtereinrichtung 26 gefilterten Positionsanweisung θrz* von der Positionsrückkopplung θrs für eine Spindel) als endgültige Positionsanweisung θrz0* abgegeben. Diese Positionsanweisung θrz0* wird in den Komparator 10a eingegeben. Gleichzeitig wird eine Positionsschleifenverstärkung für die Z-Achsenantriebseinrichtung 2a durch den Moduswählschalter 38 von K_PS auf K_PZ geschaltet. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
7 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen im normalen Spindelbetriebsmodus und im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, wie sie oben beschrieben wurden. Zunächst wird bestimmt, ob die aktuelle Operation in einem synchronen Betriebsmodus stattfindet oder nicht (S30). Wird bestimmt, daß die aktuelle Operation nicht im synchronen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1c den Moduswählschalter 22 zur Seite a (31a) und gibt an eine Spindel ωrs* ab (S32a). Die Spindel legt den Moduswählschalter 12 auch zur Seite a (S33a) und führt eine Drehzahlsteuerung durch (S34a). Darüber hinaus legt die Z-Achse den Moduswählschalter 38 zur Seite a (S35a) und führt eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S36a).
Wird im oben beschriebenen Schritt S30 bestimmt, daß die aktuelle Operation im zyklischen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1c den Moduswählschalter 22 zur Seite b (S31b), gibt θrs* an die Spindel (S32b) und θrz0*(θrs – θrz* × Übertragungsfunktion für die Filtereinrichtung 26 + θrz*) über die Filtereinrichtung 26, den Komparator 27 und den Addierer 28 ab (S37). Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 zur Seite b (S33b) und führt eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PS durch (S34b). Darüber hinaus legt die Z-Achse den Moduswählschalter 38 zur Seite b (S35b) und führt eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PS durch (S36b).
Da demnach nicht nur eine Positionsschleifenverstärkung K_PS für eine Spindel und eine Positionsschleifenverstärkung K_PZ für eine Z-Achse identisch gemacht sind, sondern auch ein Ausgangssignal eines Übertragungsfunktionsmodus für eine Spindel (nämlich eine Kompensationseinrichtung durch Anwendung einer Differenz zwischen einer idealen Position der Spindel und einer Positionsrückkopplung von der Spindel auf eine Positionsanweisung für eine Z-Achse) der oben beschriebenen ersten Ausführungsform hinzugefügt ist, können selbst dann, wenn die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ unterschiedlich und nicht unendlich sind, die Positionsbahnen für beide identisch gemacht werden.
Im Folgenden wird nun eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8 ist ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung der vierten Ausführungsform. In dieser Figur steht die Bezugsziffer 1d für eine Steuervorrichtung, die Bezugsziffer 39 gibt einen Komparator an, der die Positionsrückkopplung θrs mit der Positionsrückkopplung θrz für die Z-Achse vergleicht und eine Relativpositionsdifferenz θrzc* abgibt. Die Bezugsziffer 40 gibt einen Addierer an, der den Ausgang von dem Komparator 39 mit θrza* vergleicht, das den gleichen Wert wie das Positionssignal θrz* aufweist.
Nachstehend werden Operationen bei der vierten Ausführungsformen beschrieben.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Zunächst, also im normalen Drehzahlanweisungsbetriebsmodus, bei dem kein synchrones Gewindebohren für eine Spindel durchgeführt wird, werden die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite a gelegt, und es werden nahezu die gleichen Operationen wie die in 15 und 16 gezeigten durchgeführt.
(2) Synchroner Gewindebohrbetriebsmodus
Wird positionssynchron zu einer Z-Achse ein synchrones Gewindebohren durchgeführt, dann werden die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite b umgeschaltet. Mit dieser Operation wird während einer Positionssynchronisierungssteuerung, nämlich während eines synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, von der Steuervorrichtung 1c eine Summe aus dem Ausgang θrza* (der gleiche Wert wie die Positionsanweisung θrz*, nur in der Z-Achse) und θrzc* (erhalten durch Subtraktion einer Rückkopplung θrz von einer Z-Achse von einer Positionsrückkopplung θrs von der Spindel) abgegeben und in den Komparator 10a eingegeben. Gleichzeitig wird eine Positionsschleifenverstärkung für die Z-Achsenantriebseinrichtung 2a durch den Moduswählschalter 38 von K_PS auf K_PZ umgeschaltet. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
9 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen im normalen Spindelbetriebsmodus und im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, die jeweils oben beschrieben wurden. Zunächst wird bestimmt, ob die aktuelle Operation in einem synchronen Betriebsmodus stattfindet oder nicht (S40), und falls bestimmt wird, daß die aktuelle Operation nicht als synchrone Operation stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1d den Moduswählschalter 22 zur Seite a (41a) und gibt an die Spindel ωrs* ab(S42a). Die Spindel legt den Moduswählschalter 12 auch zur Seite a (S43a) und führt eine Drehzahlsteuerung durch (S44a). Darüberhinaus legt die Z-Achse den Moduswählschalter 38 zur Seite a (S45a) und führt eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S46a).
Wird im oben beschriebenen Schritt S40 bestimmt, daß die aktuelle Operation im zyklischen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1d den Moduswählschalter 22 zur Seite b (S41b). Sie gibt θrs* an die Spindel ab (S42b), θrz* wird über den Komparator 39 und den Addierer 40 geleitet, und θrz0*(θrz* + θrs – θrz) wird zur Z-Achse ausgegeben (S47). Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 zur Seite b (S43b) und führt eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PS durch (S44b). Darüber hinaus legt die Z-Achse den Moduswählschalter 38 zur Seite b (S45b) und führt eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S46b).
Demnach sind die Positionsschleifenverstärkung K_PS für eine Spindel und die Positionsschleifenverstärkung K_PZ für eine Z-Achse identisch gemacht, und zur Kompensation wird eine Differenz zwischen einer Positionsrückkopplung von der Spindel und einer Positionsrückkopplung von der Z-Achse erneut auf eine Positionsanweisung für die Z-Achse angewendet. Dementsprechend können selbst dann, wenn die Positionsschleifenverstärkungen unterschiedlich und nicht unendlich sind, die Positionsbahnen für beide identisch gemacht werden.
Im Folgenden wird nun eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 10 ist ein Steuerblockdiagramm zur Veranschaulichung einer allgemeinen Ausgestaltung der fünften Ausführungsform. In dieser Figur steht die Bezugsziffer 1e für eine Steuervorrichtung, die Bezugsziffer 23 gibt eine Filtereinrichtung an, die gleich der in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist. Die Bezugsziffern 39, 40 stehen für einen Komparator, der die oben bei der vierten Ausführungsform 4 gezeigte Positionsrückkopplung θrs mit der Positionsrückkopplung θrz von einer Z-Achse vergleicht und ein Relativpositionsdifferenzsignal θrzc* abgibt. Schließlich ist ein Addierer vorgesehen, der einen Ausgang von dem Komparator 39 mit θrza* addiert, das den gleichen Wert wie die Positionsanweisung θrz* hat.
Nachstehend werden Operationen bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform beschrieben.
(1) Normaler Spindelbetriebsmodus
Zunächst, also in einem Fall, wo sich eine Spindel im normalen Drehzahlanweisungsbetriebsmodus dreht, ohne daß ein synchrones Gewindebohren für eine Spindel durchgeführt wird, werden die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite a gelegt, und es werden nahezu die gleichen Operationen wie die in 15 und 16 gezeigten durchgeführt.
(2) Synchroner Gewindebohrbetriebsmodus
Wird positionssynchron zur Z-Achse ein synchrones Gewindebohren durchgeführt, dann werden die Moduswählschalter 12, 22 zur Seite b umgeschaltet. Mit dieser Operation wird während einer Positionssynchronisierungssteuerung, nämlich während eines synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, von der Steuereinrichtung 1e eine Summe aus dem Ausgang θrza* (erhalten durch Filtern der Position θrz* durch die Filtereinrichtung 23) und θrzc* (erhalten durch Subtraktion einer Rückkopplung θrz von einer Z-Achse von der Positionsrückkopplung θrs von einer Spindel) als endgültige Positionsanweisung θrz0* abgegeben, und die Positionsanweisung θrz0* wird in den Komparator 10a eingegeben. Die nachfolgenden Operationen sind die gleichen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
11 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung von Operationen im normalen Spindelbetriebsmodus und im synchronen Gewindebohrbetriebsmodus, wie sie jeweils oben beschrieben wurden. Zunächst wird bestimmt, ob die aktuelle Operation in einem synchronen Betriebsmodus stattfindet oder nicht (S50), und falls bestimmt wird, daß die aktuelle Operation nicht im synchronen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1e den Moduswählschalter 22 zur Seite a (51a) und gibt an eine Spindel ωrs* ab (S52a). Die Spindel legt den Moduswählschalter 12 auch zur Seite a (S53a) und führt eine Drehzahlsteuerung durch (S54a). Darüber hinaus führt die Z- Achse eine Positionssteuerung nach der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S55a).
Wird im oben beschriebenen Schritt S50 bestimmt, daß die aktuelle Operation im synchronen Betriebsmodus stattfindet, dann legt die Steuervorrichtung 1e den Moduswählschalter 22 zur Seite b (S51b), gibt θrs* an die Spindel (S52b) ab, und θrz* wird über die Filtereinrichtung 23, den Komparator 39 und den Addierer 40 vorgesehen. Schließlich wird θrz0* (θrz* × Übertragungsfunktion für das Filter 23 + θrs – θrz) zur Z-Achse ausgegeben (S56). Die Spindel legt auch den Moduswählschalter 12 zur Seite b (S53b) und führt eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PS durch (S54b). Darüber hinaus führt die Z-Achse eine Positionssteuerung gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PZ durch (S55b).
Demnach wird zur Kompensation erneut eine Differenz zwischen einer Positionsrückkopplung von der Spindel und derjenigen von einer Z-Achse in eine Positionsanweisung für die Z-Achse eingeführt. Dementsprechend können selbst dann, wenn die Positionsschleifenverstärkungen K_PS, K_PZ nicht unendlich und bei beiden unterschiedlich sind, die Positionsbahnen für beide identisch gemacht werden.
Nun werden unter Bezug auf 13(e) Wirkungen in der zweiten bis fünften Ausführungsform beschrieben. Wie in 13, Wellenform (c) gezeigt, wird bei Durchführung eines synchronen Gewindebohrens in einem System auf der Grundlage des Stands der Technik eine starke Relativpositionsdifferenz erzeugt.
13, Wellenform (d) zeigt, daß sich auch bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine aufgrund einer Drehzahländerung und einer Lastschwankung durch eine externe Störung erzeugte Differenz, die jeweils zu den zu lösenden Problemen gehören, reduziert werden kann, da eine Filtereinrichtung aufgrund von Überlegungen zu Übertragungsfunktionsmodellen für eine Spindel und eine Z-Achse nur in einem synchronen Gewindebohrmodus auf eine Positionsanweisung für eine Z-Achse verwendet wird. Allerdings ist die in der ersten Ausführungsform angenommene Bedingung, daß die Drehzahlschleifenverstärkung unendlich ist, tatsächlich unmöglich; aus diesem Grund kann es manchmal unmöglich sein, eine Relativpositionsdifferenz aufgrund einer Differenz in der Drehzahlschleifenreaktion zwischen einer Spindel und einer Z-Achse bei einer synchronen Gewindebohroperation aufzuheben.
Da bei den oben beschriebenen Ausführungsformen 2 bis 5 eine Positionsanweisung für eine Z-Achse unter Verwendung einer Positionsrückkopplung für eine Spindel und eine Z-Achse in Echtzeit kompensiert wird, ist die Kompensationsfunktion nicht nur bei Lastschwankungen aufgrund einer externen Störung, sondern auch bei einer Beschleunigungs- oder Verzögerungsoperation wirksam. Aus diesem Grund läßt sich bei der Ausführungsform 2 eine Positionsdifferenz zwischen einer Spindel und einer Z-Achse stärker reduzieren als dies in 13, Wellenform (e), gezeigt ist. Tatsächlich kann die Wellenform für die Relativpositionsdifferenz in der zweiten bis fünften Ausführungsform von Ausführungsform zu Ausführungsform etwas unterschiedlich sein, aber die durch jede Ausführungsform erreichten Wirkungen sind nahezu gleich, und repräsentative Wellenformen sind in 13, Wellenform (e), gezeigt.
Im Folgenden wird als nächstes das in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung JP 59-191606 A offenbarte "Synchronous Operation System" auch bezüglich der Unterschiede zu jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen erläutert. Bei diesem "Synchronous Operation System" ist ein Kompensationssystem vorgesehen, bei dem eine Differenz zwischen der Position einer Spindel und derjenigen einer untergeordneten Achse zu einer Position der untergeordneten Achse addiert wird. Ein ähnliches System, bei dem eine Differenz zwischen der Position einer Spindel und derjenigen einer untergeordneten Achse zu einer Position des untergeordneten Achsensystems addiert wird, ist zwar auch in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, dieses "Synchronous Operation System" weist aber die im Folgenden beschriebenen, unterschiedlichen Merkmale auf.
Bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform bildet die Z-Achse bei einem Betriebsmodus, bei dem keine Synchronität zwischen einer Spindel und einer untergeordneten Achse (Z-Achse) erforderlich ist, eine Positionsschleife gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PS (K_PZ > K_PS), indem die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite a umgeschaltet werden. Da aber das oben beschriebene "Synchronous Operation System" keine Verstärkungsschalteinrichtung aufweist, ist es wesentlich, daß die Positionsschleifenverstärkung für eine untergeordnete Achse stets identisch mit derjenigen für eine Spindel gehalten wird, so daß die Synchronität zwischen der Spindel und der untergeordneten Achse aufrechterhalten werden kann. Aus diesem Grund deutet der Vergleich zwischen der obigen Ausführungsform und dem oben beschriebenen "Synchronous Operation System" darauf hin, daß im positionssynchronisierten Modus zwar die von den beiden Ausführungsformen gelieferten Wirkungen nahezu gleich sind, daß aber die Reaktionsbereitschaft bzw. die Ansprechempfindlichkeit einer untergeordneten Achse in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Verstärkungsschaltfunktion bei einem Modus, bei dem Positionssynchronität nicht erforderlich ist, höher als bei dem oben beschriebenen "Synchronous Operation System" ist.
Bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform bildet eine Z-Achse in einem Modus, bei dem keine Synchronität zwischen einer Spindel und einer untergeordneten Achse erforderlich ist, eine Positionsschleife gemäß der Positionsschleifenverstärkung K_PZ (K_PZ > K_PS), indem die Moduswählschalter 12, 22 und 38 zur Seite a umgeschaltet werden. Ebenso ist die Ansprechempfindlichkeit auf eine Positionsanweisung in einer Spindel über die Filtereinrichtung 23 durch Umschalten der Moduswählschalter 12, 22 zur Seite b auf diejenige bei einer untergeordneten Achse abgeglichen, so daß die Ansprechempfindlichkeit auf Lastschwankungen aufgrund einer externen Störung in der untergeordneten Achse höher als bei der Spindel ist.
Dagegen weist das oben erwähnte "Synchronous Operation System" eine Verstärkungsschalteinrichtung auf, so daß es wesentlich ist, daß die Positionsschleifenverstärkung für eine untergeordnete Achse stets identisch mit derjenigen für eine Spindel gehalten wird, um die Synchronität zwischen der Spindel und der untergeordneten Achse aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund ist bezüglich der fünften Ausführungsform und dem oben beschriebenen "Synchronous Operation System" die Ansprechempfindlichkeit bei der untergeordneten Achse im positionssynchronisierten Betriebsmodus im Vergleich zum "Synchronous Operation System" höher. Ebenso läßt sich die Ansprechempfindlichkeit auf eine Anweisung sowie auf eine externe Störung in einem Modus erhöhen, bei dem keine Synchronität zwischen der Spindel und der untergeordneten Achse erforderlich ist.
Ebenso weist die Steuervorrichtung 1 bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen eine Software wie den Moduswählschalter 22, eine Filtereinrichtung 23, 26, Komparatoren 27, 39, Addierer 28, 40 sowie eine Relativpositionsdifferenz-Verstärkungsschaltung 41 auf, es können aber in allen Abschnitten äquivalente Einrichtungen nur unter Verwendung von Hardware-Komponenten eingebaut sein.
In den Zeichnungen mit den 1 bis 16 haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung:

1: Steuervorrichtung (Anweisungsvorrichtung)
2: Spindelantriebseinrichtung
2a: Z-Achsenservoantriebseinrichtung
3: Spindelmotor
3a: Z-Achsenmotor
4: Spindelpositionsdetektor
4a: Z-Achsenpositionsdetektor
5: Spindel
5a: Z-Achsentisch
6: Spindelgetriebe
6a: Z-Achsengetriebe
7: Werkzeug (Gewindebohrer)
8: Differenzierer
10(a): Komparator
11(a): Positions-Schleifenverstärkungsschaltung
12: Moduswählschalter
13(a): Komparator
14(a): Drehzahl-Schleifenverstärkungsschaltung
15(a): Strombegrenzerschaltung
16(a): Stromrichterschaltung
17: Spindelpasitionserfassungsschaltung
17a: Z-Achsenerfassungsschaltung
18(a): Drehmomentkonstantenschaltung
19(a): Komparator
20(a): Teilerschaltung
21: Integrator
22: Moduswählschalter
23: Filtereinrichtung
24: Übertragungsfunktion
25: Übertragungsfunktion
26: Filtereinrichtung
27: Komparator
28: Addierer
30: Spindeldrehzahl
31: Synchrone Gewindebohrmodusperiode
32: Rückkehr zum Ausgangspunkt
33: Kontakteinstellmodus
35: Spindel-/Z-Achsendrehzahl
36: Lastschwankung bei externer Störung
37: Relativpositionsdifferenz zwischen Spindel und Z-Achse
39: Komparator
40: Komparator
41: Relativpositionsdifferenz-Verstärkungsschaltung

Claims

Vorrichtung zum Steuern von Position und Drehzahl mehrachsiger Antriebseinrichtungen für eine Werkzeugmaschine, umfassend eine Einrichtung zur Antriebssynchronisation (1a) zwischen einer rotierenden Achse und einer linearen, untergeordneten Achse, wobei beiden Achsen je eine Antriebseinrichtung mit einer Drehzahlschleife zugeordnet ist und die Antriebseinrichtung für die lineare, untergeordnete Achse ein besseres Ansprechverhalten hinsichtlich ihrer Drehzahlschleife aufweist als die Antriebseinrichtung für die rotierende Achse, und wobei die Einrichtung zur Antriebssynchronisation (1a) ein Filter (23) mit einer Filterübertragungsfunktion beinhaltet, die im Zähler mit einer die rotierende Achse beschreibenden Übertragungsfunktion und im Nenner mit einer die lineare Achse beschreibenden Übertragungsfunktion übereinstimmt, wobei das Filter (23) im Steuersignalzweig für die lineare, untergeordnete Achse zum Bestimmen eines Positionsanweisungssignals angeordnet und für einen synchronen Betriebsmodus über einen Modusumschalter (22) aktivierbar ist, wobei auf den Filtereingang ein Positionsanweisungssignal (θrz*) gelangt, wobei der Filterausgang mit einem Komparator (10a) in Verbindung steht, an dessen Vergleichseingang das Positionserfassungssignal (θrz) für die lineare, untergeordnete Achse anliegt und dessen Vergleichsausgang auf einen Schleifenverstärker (11a) des Steuersignalzweiges führt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang eines weiteren für den synchronen Betriebsmodus über den Modusumschalter (22) aktivierbaren Filters (26) mit einer Filterübertragungsfunktion, die mit der Übertragungsfunktion der rotierenden Achse übereinstimmt, ein zweiter Komparator (27) angeordnet ist, der das Filterausgangssignal mit dem Positionsrückkopplungssignal (θrs) der rotierenden Achse vergleicht, wobei das am Ausgang des zweiten Komparators (27) erhaltene Positionsfehlersignal (θrzb*) auf einen Addierer (28) gelangt, an dessen anderem Eingang der Ausgang des ersten Filters (23) anliegt, wobei der Ausgang des Addierers (28) mit dem ersten Komparator (10a) in Verbindung steht.