DE69025321T2

DE69025321T2 - Verfahren zur steuerung eines servomotors

Info

Publication number: DE69025321T2
Application number: DE69025321T
Authority: DE
Inventors: Yasusuke Iwashita
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2010-12-11
Also published as: EP0460224A1; WO1991009358A1; DE69025321D1; EP0460224B1; JPH03228106A; EP0460224A4; US5204602A; JP2709969B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelungsverfahren für einen Servomotor zum Antreiben einer Vorschubspindel, insbesondere auf ein Verfahren zum Regeln des Triebs des Servomotors derart, daß eine Vorschubverzögerung, die zum Zeitpunkt der Drehungsumkehr der Vorschubspindel infolge eines Totgangs der Vorschubspindel verursacht wird, beseitigt oder verringert werden kann.
In einer Maschine, die einen beweglichen Teil hat, der derart angeordnet ist, daß er längs einer oder jeder von mehreren Vorschubspindeln hin- und herbewegbar ist, wird typischerweise jede Vorschubspindel in einer gewünschten Richtung mittels eines entsprechenden Servomotors gedreht, der zu dessen Treiben durch ein Servosystem derart gesteuert wird, daß er den beweglichen Teil der Maschine in gewünschten Richtungen längs der Vorschubspindeln bewegt, um einen gewünschten Vorgang durchzuführen. Wenn die Bewegungsrichtung des beweglichen Teils umgekehrt wird, kann der bewegliche Teil indessen manchmal infolge eines Totgangs der Vorschubspindeln oder dgl. einem Befehl zu seiner Bewegung nicht akkurat folgen, um den gewünschten Vorgang mit Genauigkeit durchzuführen.
Beim Bearbeiten eines Werkstücks beispielsweise zu einer Form eines Hohlzylinders werden typischerweise Servomotoren für X- und Y-Achsen derart gedreht, daß sich ein Schneidwerkzeug, welches auf einem Werkzeugtisch montiert ist, relativ zu dem Werkstück längs eines Werkzeugwegs innerhalb einer X-Y-Ebene bewegt. Hierbei wird das Schneidwerkzeug auf der Y-Achse zunächst sowohl in der negativen Richtung längs der X-Achse als auch in der negativen Richtung längs der Y-Achse bewegt, damit es z. B. längs des Werkzeugwegs innerhalb des zweiten Quadranten der X-Y-Ebene bewegt wird. Dann wird das Werkzeug sowohl in der positiven Richtung längs der X-Achse als auch in der negativen Richtung längs der Y-Achse bewegt, damit es innerhalb des dritten Quadranten der X-Y-Ebene bewegt wird. Ferner wird das Werkzeug in dem vierten und dem ersten Quadranten der X-Y-Ebene bewegt. Wenn das Werkzeug zwischen den benachbarten Quadranten wechselt, wird eine positionsmäßige Abweichung in dem Servosystem, das der Achse (der Vorschubspindel) entspricht, die der Unkehrbewegung des Werkzeugs zugeordnet ist, im allgemeinen auf Null verringert, und es wird ein Drehmomentbefehlwert aus dem Servosystem verringert, während eine Reibungskraft, die in dem mechanischen System erzeugt wird, vor und nach dem Wechsel in verschiedenen Richtungen wirkt. Demzufolge kann der Servomotor, wenn das Werkzeug zwischen den benachbarten Quadranten wechselt, nicht unverzüglich ein Ausgangsdrehmoment erzeugen, das ausreichend groß ist, um sich der Reibungskraft zu widersetzen, so daß die Drehung des Servomotors manchmal nicht sofort umgekehrt werden kann. Wenn das Werkzeug beispielsweise von dem zweiten Quadranten zu dem dritten wechselt, kann die Drehungsumkehr des X-Achsenmotors eine Verzögerung erfahren. Da die Vorschubspindeln des Werkzeugtisches einem Totgang unterworfen sind, kann darüber hinaus der Werkzeugtisch manchmal während des Wechsels zwischen den Quadranten nicht dem Bewegungsbefehl folgen, so daß die Umkehrbewegung des Tisches verzögert wird. Wenn die Fähigkeit des Folgens auf diese Weise vermindert ist, ist die Schneidbearbeitung unzureichend, so daß auf der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks vorstehende Stellen ausgebildet werden.
Herkömmlicherweise werden, um diese Probleme zu beseitigen, eine Totgangkorrektur und eine Totgang-Beschleunigungskorrekin dem Servosystem bewirkt, wenn der Servomotor von einer ersten Drehrichtung zu einer zweiten Drehrichtung umgekehrt wird, vergl. z. B. die Druckschrift JP-A-63-308613. Als ein weiteres Beispiel ist eine herkömmliche digitale Servoschaltung (Fig. 8), die mit einem Prozessor versehen ist zum Ausführen von Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelungsprozessen auf Software-Basis in Reaktion auf einen Positionsbefehl aus einer numerischen Steuereinrichtung, die einen eingebauten Rechner hat; so eingerichtet, daß sie Totgang- Korrekturdaten empfängt, welche von der Steuereinrichtung geliefert werden, wenn das Vorzeichen des Positionsbefehls umgekehrt wird. Wenn die Korrekturdaten eingegeben sind, addiert der Prozessor, welcher als ein Totgang-Korrekturmittel 13 fungiert, diese Korrekturdaten zu einem Wert (der positionsmäßigen Abweichung), der in einem Abweichungszähler 10 gespeichert ist. Dann multipliziert der Prozessor, welcher als ein Positionsregelungsmittel 11 fungiert, die positions mäßige Abweichung nach der Korrektur mit einem Positionsübertragungsfaktor Kp, um dadurch einen Geschwindigkeitsbefehl VCMD zu erzeugen. Ferner führt der Prozessor, welcher als ein Geschwindigkeitsregelungsmittel 12 und als ein Stromregelungsmittel (nicht gezeigt) fungiert, nach der Korrektur nacheinander die Geschwindigkeits- und Stromregelungsprozesse in Übereinstimmung mit einem Geschwindigkeitsbefehl aus, der durch Addieren eines Totgang-Beschleunigungsbetrags zu der Geschwindigkeit VCMD gewonnen ist, um dadurch den Servomotor beschleunigend in der zweiten Drehrichtung zu treiben.
Die Totgang-Beschleunigungskorrektur ist beabsichtigt, um die Motorumkehrverzögerung, welche dem Totgang und der Reibungskraft des mechanischen Systems zuzuschreiben ist und verursacht wird, wenn die Drehrichtung des Servomotors umgekehrt wird, zu kompensieren. Um dies zu erreichen, müssen der Totgang-Beschleunigungsbetrag, der Totgang-Beschleunigungszeitpunkt und die Totgang-Beschleunigungszeit richtig eingestellt sein. Falls diese Parameter nicht richtig sind, kann der Hub des Schneidwerkzeugs zu lang oder zu kurz sein, so daß vorstehende Stellen und Vertiefungen auf oder in der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden. Falls die Totgang-Beschleunigungskorrektur z. B. gleichzeitig mit der Eingabe von Totgang-Korrekturdaten ausgeführt wird, wird die Totgang-Beschleunigungskorrektur begonnen, bevor sich das Vorzeichen des Geschwindigkeitsbefehls VCND umgekehrt hat, und der Servomotor wird in seiner Drehrichtung vor einem vorbestimmten Zeitpunkt für den Beginn der Motordrehungsumkehr umgekehrt. Demzufolge ist der Betrag des Vorschubs des Schneidwerkzeugs übermäßig, so daß auf dem Werkstück Vertiefungen ausgebildet werden. Vertiefungen werden ebenfalls ausgebildet, falls der Totgang-Beschleunigungsbetrag übermäßig ist.
Um die Bestimmung des Totgang-Beschleunigungskorrekturzeitpunkts zu vereinfachen, wird daher herkömmlicherweise die Totgang-Beschleunigungskorrektur begonnen, nachdem darauf geschlossen worden ist, daß der Motordrehungsumkehrzeitpunkt erreicht ist, wenn das Vorzeichen der positionsmäßigen Abweichung umgekehrt ist. Ferner werden der Totgang-Beschleunigungsbetrag und die Totgang Beschleunigungszeit mittels einer Methode des systematischen Probierens ("Ttrial and Error"-Methode) in einer Weise bestimmt, daß der Geschwindigkeitsbefehl nach der Korrektur mit einem idealen Geschwindigkeitsbefehl übereinstimmt, der durch das Produkt des Positionsubertragungsfaktors Kp und einer positionsmäßigen Abweichung e(t) gegeben ist, die als eine Funktion der Zeit t dargestellt ist, welche nach der Umkehr des Vorzeichens der positionsmäßigen Abweichung verstrichen ist. Die Totgang-Beschleunigungskorrektur wird beendet, wenn Positionsrückmeldeimpulse einer Anzahl, die der Beschleunigungszeit entspricht, welche auf diese Weise bestimmt ist, eingegeben werden.
Wie zuvor beschrieben, müssen die optimalen Werte der Parameter, wie derjenige des Totgang-Beschleunigungsbetrags, der Beschleunigungszeit usw., genau bestimmt werden, und diese optimalen Werte ändern sich abhängig von den Schneidbearbeitungsbedingungen (i. a. den Maschinenbetriebsbedingungen), welche die Schnittgeschwindigkeit enthalten. Andererseits werden herkömmlicherweise die optimalen Werte der Totgang- Beschleunigungskorrekturparameter mittels einer Methode des systematischen Probierens ("Trial and Error"-Methode) bestimmt, so daß es schwierig ist, die Parameterwerte einzustellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Servomotor-Regelungsverfahren zu schaffen, das in der Lage ist, selbstätig eine optimale Totgang-Beschleunigungskorrektur unter verschiedenen Maschinen-Betriebsbedingungen zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Servomotor-Regelungsverfahren für ein Servosystem vorgesehen, das einen Servomotor zum Drehen einer Vorschubspindel einer Maschine regelt und einen Geschwindigkeitsregelkreis zum Gewinnen eines Integralausdrucks in Übereinstimmung mit einem Geschwindigkeitsbefehl und einer Ist-Geschwindigkeit des Servomotors hat, wobei das Verfahren das Addieren eines Totgang-Beschleunigungsbetrags zu dem Geschwindigkeitsbefehl zum Zeitpunkt einer Drehrichtungsumkehr der Vorschubspindel umfaßt, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch Schritte zum (a) Bestimmen eines Zielwerts, der gleich der Größe des Integralausdrucks ist, welcher zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Umkehrung der Drehrichtung der Vorschubspindel gewon-nen ist und ein Vorzeichen hat, das gegenüber demjenigen des Integralausdrucks umgekehrt ist, (b) wiederholten Bestimmen eines Totgang-Beschleunigungsbetrags, bis eine vorbestimmte Periode von der Umkehrung der Vorschubspindel-Drehrichtung abgelaufen ist, wobei sich der Totgang-Beschleunigungsbetrag im Verlauf der Zeit nach der Umkehrung der Vorschubspindel- Drehrichtung graduell von dem Wert des Integralausdrucks bis zu dem Zielwert ändert, und (c) wiederholten Korrigieren des Geschwindigkeitbefehls während der vorbestimmten Periode in Übereinstimmung mit dem Totgang-Beschleunigungsbetrag.
Vorzugsweise wird das Regelungsverfahren auf ein Servosystem zum zyklischen Ausführen eines Geschwindigkeitsregelungsprozesses angewendet und enthält Schritte zum (b1) Bestimmen des Integralausdrucks in jedem der Geschwindigkeitsregelungsprozesse innerhalb der vorbestimmten Periode und (b2) Bestimmen des Totgang-Beschleunigungsbetrags in jedem Geschwindigkeitsregelungsprozeß auf der Grundlage eines Zwischenzielwerts, der durch Subtrahieren des Integralausdrucks, welcher in jedem Geschwindigkeitsregelungsprozeß erhalten ist, von dem Zielwert gewonnen wird. Noch mehr vorzuziehen ist, daß der Totgang-Beschleunigungsbetrag durch Multiplizieren des Zwischenzielwerts mit einem vorbestimmten Koeffizienten bestimmt wird. Der vorbestimmte Koeffizient ist proportional zu einer Schneidbearbeitungsgeschwindigkeit, die unmittelar nach der Umkehrung der Vorschubspindel-Drehrichtung benutzt wird. Vorzugsweise wird das Regelungsverfahren auf ein Servosystem zum zyklischen Ausführen eines Positionsregelungsprozesses in Übereinstimmung mit einem Positionsbefehl und einer Ist-Position angewendet, wobei der vorbestimmte Koeffizient proportional zu der Quadratwurzel einer positionsmäßigen Abweichung ist, die gewonnen wird, wenn das Vorzeichen des Positionsbefehls um-gekehrt wird. Vorzugsweise wird die vorbestimmte Periode in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Koeffzienten bestimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie zuvor beschrieben, der Zielwert, welcher eine Größe hat, die gleich derjenigen des Integralausdrucks hat, der unmittelbar vor der Umkehr der Vorschubspindel-Drehrichtung gewonnen ist, und der ein Vorzeichen hat, das entgegengesetzt zu demjenigen des Integralausdrucks ist, gewonnen, und während der vorbestimmten Periode unmittelbar nach der Umkehr der Vorschubspindel-Drehrichtung wird der Geschwindigkeitsbefehl wiederholt in Übereinstimmung mit dem Totgang-Beschleunigungsbetrag, welcher sich im Verlaufe der Zeit graduell von dem Integralausdruck zu dem Zielwert ändert, korrigiert. Auf diese Weise kann ein optimaler Wert des Totgang-Beschleunigungsbetrags selbstätig bestimmt werden, und es kann eine optimale Totgang-Beschleunigungskorrektur selbsttätig unter verschiedenen Maschinenbetriebsbedingungen bewirkt werden. Daher kann beispielsweise im Falle einer Bearbeitung eines Werkstücks zu einer zylindrischen Form durch Bewegen eines Werkzeugs oder des Werkstücks in einer Werkzeugmaschine, auf die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird, das Werkzeug oder das Werkstück akkurat längs eines vorbestimmten Wegs bewegt werden, während es in zufriedenstellender Weise einem Bewegungsbefehl folgt, so daß verhindert werden kann, daß vorstehende Stellen oder Vertiefungen auf oder in der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks gebildet werden.
Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm eines Totgang-Beschleunigungskorrekturprozesses, der mittels eines Servomotor-Regelungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Servosystems zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das Änderungen eines Geschwindigkeitsbefehls und eines Drehmomentbefehls darstellt, die zum Zeitpunkt der Drehungsumkehr einer Vorschubspindel gewonnen werden.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das Änderungen des Geschwindigkeitsbefehls und eines Integratorausgangssignals (Drehmomentbefehls) gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die zum Zeitpunkt der Drehungsumkehr einer Vorschubspindel gewonnen werden.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Konstanten k, die für die Totgang-Beschleunigungskorrektur benutzt wird, und dem Reziprokwert 1/τ einer Umkehr-Zeitkonstanten des Integratorausgangssignals darstellt.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Art und Weise einer Bearbeitung eines Werkstück zu einem Zylinder.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild, das in vereinfachter Form das Servosystem darstellt.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild, das eine digitale Servoschaltung zur Durchführung einer herkömmlichen Totgangkorrektur und Totgang-Beschleunigungskorrektur darstellt.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das Änderungen des Geschwindigkeitsbefehls und des Drehmomentbefehls darstellt, die gewonnen werden, wenn die Totgang-Beschleunigungskorrektur nicht bewirkt wird.
Fig. 10A zeigt ein Diagramm, das Änderungen des Geschwindigkeitsbefehls und des Drehmomentbefehls darstellt, die gewonnen werden, wenn eine herkömmliche Totgang-Beschleunigungskorrektur bewirkt wird.
Fig. 10B zeigt ein Diagramm ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10A, das den Fall daarstellt, in dem die Totgang- Beschleunigungskorrektur gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt wird.
Fig. 11A zeigt ein Diagramm ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10A, das den Fall darstellt, in dem die herkömmliche Korrektur unter verschiedenen Bedingungen bewirkt wird.
Fig. 11B zeigt ein Diagramm ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10B, das den Fall darstellt, in dem die Korrektur gemäß der vorliegenden Erfindung unter denselben Bedingungen wie in dem Fall gemäß Fig. 11A bewirkt wird.
Fig. 12A zeigt ein Diagramm ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10A, das den Fall darstellt, in dem die herkömmliche Korrektur unter weiteren, alternativen Bedingungen bewirkt wird.
Fig. 12B zeigt ein Diagramm ähnlich demjenigen gemäß Fig. 10B, das den Fall darstellt, in dem die Korrektur gemäß der vorliegenden Erfindung unter denselben Bedingungen wie in dem Fall gemäß Fig. 12A bewirkt wird.
Ein Servosystem zur Durchführung eines Servomotor-Regelungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine digitale Servoschaltung oder dgl., die Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelungsprozesse auf Software-Basis in Reaktion auf einen Positionsbefehl ausführt, der von einer numerischen Steuereinrichtung oder dgl. der Art, die einen eingebauten Rechner hat, zugeführt wird. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß dieses Servosystem von der Funktion her eine Positionsregelungseinrichtung umfaßt, welche einen Geschwindigkeitsregelkreis und einen Stromregelkreis als ihre Unterregelungseinrichtungen enthält. Das Servosystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf einer Werkzeugmaschine montiert, die mit X- und Y-Achsen-Servomotoren zum Drehen von X- bzw. Y-Achsen-Vorschubspindeln eines Werkzeugtisches versehen ist, auf dem ein Schneidwerkzeug montiert ist.
In einem Servosystem gemäß Fig. 2, das dem X- oder Y-Achsen- Servomotor entspricht, wird ein Totgang-Korrekturbetrag, wenn dies erforderlich ist, zu einer Abweichungsgröße (einer positionsmäßigen Abweichung) zwischen einem Positions-Rückmeldungssignal, das kennzeichnend für eine Ist-Motordrehposition ist und von einem Detektor geliefert wird, der durch einen siebten Block 7 dargestellt ist, und einem Positionsbefehl addiert. In einem ersten Block 1 wird die positionsmäßige Abweichung oder eine positionsmäßige Abweichung, die nach der Totgang-Korrektur gewonnen ist, mit einem Positionsübertragungsfaktor Kp multipliziert, und es wird ein Totgang-Beschleunigungsbetrag, wenn dies erforderlich ist, zu dem sich ergebenden Geschwindigkeitsbefehl VCMD addiert. Dann wird in einem Integrator, der durch einen zweiten Block 2 dargestellt ist, eine Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsbefehl oder einem Geschwindigkeitsbefehl, der nach der Totgang-Beschleunigungskorrektur gewonnen ist, und einem Geschwindigkeits- Rückmeldungssignal, das kennzeichnend für eine Ist-Motorge schwindigkeit ist, mit einem Integralfaktor K1 integriert, während das Geschwindigkeits-Rückmeldungssignal mit einem Proportionalfaktor K2 in einem dritten Block 3 multipliziert wird. Dann wird das Ausgangssignal des dritten Blocks 3 von dem Ausgangssignal des zweiten Blocks 2 subtrahiert, um einen Drehmomentbefehl TCMD zu gewinnen. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß eine "Integral-plus-Proportional- Regelung" in dem Geschwindigkeitsregelungsprozeß ausgeführt wird. Ferner regeln in Reaktion auf den Drehmomentbefehl TCMD ein Stromregelkreis, der durch einen vierten Block 4 darge stellt ist, und ein Stromverstärker (z. B. ein Impulsbreitenmodulations- (PWM-)Wechselrichter) den Trieb des Servomotors, der durch einen fünften und einen sechsten Block 5 u. 6 dargestellt ist. Die Symbole Kt u. Im bezeichnen die Drehmomentkonstante bzw. das Trägheitsmoment des Servomotors.
In dem Servosystem gemäß Fig. 2 nimmt die Änderung des Positionsbefehls unmittelbar, bevor die Drehrichtung der Vorschubspindel des Werkzeugtisches umgekehrt wird, graduell ab, so daß die positionsmäßige Abweichung im allgemeinen verringert wird. Wenn dies geschehen ist, werden die jeweiligen Absolutwerte des Geschwindigkeitsbefehls VCMD und des Geschwindigkeits-Rückmeldungssignals verringert, um sie dem Wert "0" anzunähern. Während dieser Zeit wird in dem mechanischen System eine Reibungskraft A, die in einer ersten Richtung gegen die Motordrehung wirkt, erzeugt, und der Servomotor erzeugt ein Ausgangsdrehmoment, um dieser Reibungskraft A entgegenzuwirken (Fig. 3 u. Fig. 4). Das Geschwindigkeitsregelkreis-Ausgangssignal oder der Drehmomentbefehl TCMD, welcher gewonnen wird, wenn die Motorgeschwindigkeit "0" ist, wird durch das Ausgangssignal (den Integralausdruck) des Integrators 2 dargestellt, da das Ausgangssignal (der Proportionalausdruck) des Blocks 3 zu diesem Zeitpunkt den Wert "0" annimmt.
Darauffolgend wird ein Positionsbefehl, dessen Änderungsrichtung umgekehrt ist, um die Drehrichtung der Vorschubspindel umzukehren, von der numerischen Steuereinrichtung geliefert, und der Totgang-Korrekturbetrag wird zu der positionsmäßigen Abweichung addiert, um eine Umkehrverzögerung der Vorschubspindel, die dem Totgang derselben zuzuschreiben ist, zu kompensieren. Wenn darauf geschlossen wird, daß das Vorzeichen der positionsmäßigen Abweichung umgekehrt ist, wenn der Motor in umgekehrter Richtung dreht, wird danach eine Totgang-Beschleunigungskorrektur derart bewirkt, daß sich das Integratorausgangssignal (der Drehmomentbefehl TCMD) längs der Kurve ändert, die in Fig. 4 gezeigt ist. Im einzelnen wird zunächst ein Zielwert eingestellt, der in seiner Größe gleich dem Integratorausgangssignal umittelbar vor der Drehungsumkehr der Vorschubspindel ist und dessen Vorzeichen entgegengesetzt zu demjenigen des Integratorausgangssignals ist. Dann wird in jedem der Geschwindkeitsregelungsprozesse, die innerhalb einer vorbestimmten Zeit T wiederholt ausgeführt werden, ein Totgang-Beschleunigungsbetrag berechnet, der gleich dem Produkt aus einer Konstanten k (0 < k < 1) und einem Wert ist, der durch Subtrahieren des augenblicklichen Integratorausgangssignals von dem Zielwert gewonnen ist. Dann wird in jedem Geschwindigkeitsregelungsprozeß der Geschwindigkeitsbefehl VCMD unter Benutzung des Totgang-Beschleunigungsbetrags, der auf diese Weise berechnet ist, korrigiert.
Als Ergebnis wird der Servomotor innerhalb der vorbestimmten Zeit T nach dem Beginn der Drehungsumkehr in die Lage versetzt, ein Motor-Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, das ausreichend groß ist, um der Reibungskraft A entgegenzuwirken, die in einer zweite Richtung wirkt, welche der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Demzufolge wird die Drehrichtung des Motors schnell für einen Totgang-Abschnitt umgekehrt, in dem keine wesentliche Reibungskraft wirkt, so daß der Totgang schnell kompensiert wird, wodurch keine Bearbeitungsfehler, die dem Totgang zuzschreiben sind, auftreten. Darüber hinaus wird innerhalb der vorbestimmten Zeit nach dem Beginn der Umkehr der Motordrehung der Drehmomentbefehl TCMD niemals in bezug auf die Reibungskraft A überschwingen, so daß keine Bearbeitungsfehler durch eine übermäßige Totgang-Beschleunigungskorrektur verursacht werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden außerdem, um eine geeignete Totgang-Beschleunigungskorrektur auf der Grundlage von Maschinenbetriebsbedingungen zu bewirken, z. B. eine Schnittgeschwindigkeit, die zum Zeitpunkt der Drehungsumkehr der Vorschubspindel benutzt wird, die Konstante k und die Totgang-Beschleunigungszeit T, welche benutzt werden, um den Totgang-Beschleunigungsbetrag in jedem Geschwindigkeits regelungsprozeß zu bestimmen, einzeln in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit eingestellt. Im folgenden wird eine Erklärung zu diesem Punkt gegeben.
Beim zyklischen Abtasten des Integratorausgangssignals bei und nach dem Beginn der Drehungsumkehr der Vorschubspindel ist ein Integratorausgangssignal S(n) für einen n-ten Abtastzyklus durch Gl. (1) gegeben. Wenn die Umkehrzeitkonstante des Integratorausgangssignals τ ist, ist ein Integratorausgangssignal S(t) für den Zeitpunkt, zu dem die Zeit t nach dem Beginn der Drehungsumkehr der Vorschubspindel abgelaufen ist, durch Gl. (2) gegeben.
Wenn der Abtastzyklus Δt ist, kann Gl. (3) aus Gl. (2) abgeleitet werden.
Wenn S(t+Δt) = S(n+l) und S(t) = S(n) gegeben sind, können die Gl. (4) bis (6) aus den Gl. (1) u. (3) abgeleitet werden. Das Symbol ln bezeichnet einen natürlichen Logarithmus.
Wie aus Fig. 5 die Gl. (6) entspricht, ersichtlich, sind der Reziprokwert 1/τ der Umkehrzeitkonstanten τ des Integratorausgangssignals und die Konstant k für die Berechnung des Totgang-Beschleunigungsbetrags einander proportional. Vorzugsweise sollte, je hoher die Schnittgeschwindigkeit während der Drehungsumkehr der Vorschubspindel ist, desto schneller die Drehrichtung der Vorschubspindel umgekehrt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß es ratsam ist, die Zeitkonstante τ proportional zu dem Ansteigen der Schnittgeschwindigkeit zu verringern. Um dies zu erreichen, wird die Konstante k so eingestellt, daß sie sich proportional zu der Schnittgeschwindigkeit ändert, wodurch die Zeitkonstante τ proportional zu dem Anstieg Schnittgeschwindigkeit verringert wird. Die Totgang-Beschleunigungszeit T wird auf einen Wert eingestellt, der das Zweifache oder das Dreifache desjenigen der Zeitkonstante τ beträgt. Wenn der Abtastzyklus Δt ungefähr 1 ms lang ist, wird die Konstante k höchstens auf ungefähr 0,1 ein gestellt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird außerdem die Schnittgeschwindigkeit aus der positionsmäßigen Abweichung geschätzt, wenn sie nicht direkt in dem Servosystem ermittelt werden kann.
Das Folgende stellt eine Erläuterung des Grundes dafür dar, weshalb die Schnittgeschwindigkeit aus der positionsmäßigen Abweichung geschätzt werden kann.
Beim Bewegen des Schneidwerkzeugs, das auf dem Werkzeugtisch zur Benutzung als ein beweglicher Maschinenteil montiert ist, in einer X-Y-Ebene, um ein Werkstück zu einem Zylinder mit einem Radius R zu bearbeiten, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, ist ein Positionsbefehl m(t) in bezug auf die X-Achse durch Gl. (7) gegeben, wobei die Zeit, welche nach dem Durchtritt des Werkzeugs durch einen Punkt A verstrichen ist, und die Winkelgeschwindigkeit t bzw. ω sind. Wenn die Ist-Position des Werkzeugs in the X-Achsen-Richtung P(t) ist, ist außerdem eine positionsmäßige Abweichung e(t) in der X-Achsen Richtung durch Gl. (8) gegeben. Ferner wird Gl. (9) durch Unterziehen der Gl. (8) einer Laplace-Transformation gewonnen.
m(t) = Rcosωt ... (7)
e(t) = m(t) - P(t) ... (8)
E(S) = M(S) - P(S) ... (9)
In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 71 das in vereinfachter Form das Servosystem gemäß Fig. 2 darstellt, ist
P(S) = (Kp/S) E(S)
erfüllt, so daß Gl. (10) aus Gl. (9) gewonnen wird. Durch Umstellung von Gl. (10) wird Gl. (11) gewonnen.
P(S) = (K/S) (M(S) - P(S)) ... (10)
P(S) = {Kp/(S + Kp)} M(S) ... (11)
Durch Unterziehen der Gl. (7) einer Laplace-Transformation wird darüber hinaus gewonnen:
Durch Einsetzen von Gl. (12) in Gl. (11) wird Gl. (13) gewonnen. Durch Umstellen der Gl. (13) wird Gl. (14) gewonnen.
Wenn die jeweiligen rechten Seiten von Gl. (13) und Gl. (14) als gleich betrachtet werden, wird gewonnen:
Durch Umordnen der Gl. (15) wird gewonnen:
Aus Gl. (16) werden Gl. (17) bis Gl. (19) gewonnen:
Durch Auflösung der Gl. (17) bis Gl. (19) werden gewonnen:
Durch Einsetzen der Gl. (20) bis Gl. (22) in Gl. (14) wird gewonnen
Durch Unterziehen der Gl. (23) einer inversen Laplace-Transformation wird gewonnen:
In einem eingeschwungenen Zustand ist der erste Ausdruck von der rechten Seite von Gl. (24) "0" Durch Einsetzen der Gl. (24), die zu diesem Zeitpunkt gewonnen ist, in Gl. (8) wird Gl. (25) gewonnen:
Durch Einsetzen des Werts t = 0 in Gl. (25) wird Gl. (26) gewonnen, die kennzeichned für eine positionsmäßige Abweichung e(0) ist, welche gewonnen wird, wenn die Änderung der Richtung des Positionsbefehls z. B. bei dem Punkt A in Fig. 6 umgekehrt wird. Da die Größe einer Variablen "ω/Kp" in dieser Gleichung höchstens ungefährt 10-2 beträgt, kann Gl. (26) näherungsweise zu Gl. (27) gemacht werden:
Nach all diesem ist die Schnittgeschwindigkeit während der Umkehr der Änderungsrichtung des Positionsbefehls, die der Winkelgeschwindigkeit ω entspricht, für den betrachteten Zeitpunkt proportional zu der Quadratwurzel der positionsmäßigen Abweichung e(0) , so daß sie aus der positionsmäßigen Abweichung geschätzt werden kann.
Im folgenden wird anhand von Fig. 1 ein Totgang-Beschleunigungskorrekturprozeß, der zyklisch mittels eines Prozessors der digitalen Servoschaltung ausgeführt wird, welche dem Servosystem gemäß Fig. 2 entspricht, beschrieben.
In jedem Verarbeitungszyklus stellt der Prozessor fest, ob das Vorzeichen der positionsmäßigen Abweichung, die in einem Abweichungszähler gespeichert ist, umgekehrt oder nicht umgekehrt ist, um dadurch festzustellen, ob der Zeitpunkt für den Beginn der Totgang-Beschleunigungskorrektur erreicht oder nicht erreicht ist (Schritt S1). Wenn das Entscheidungsergebnis positiv ist, werden die Konstante k, welche zur Berechnung des Totgang-Beschleunigungsbetrags benutzt wird, und die Totgang-Beschleunigungszeit T in Übereinstimmung mit der Schnittgeschwindigkeit zu dem betrachteten Zeitpunkt berechnet (Schritt S2). Falls die Schnittgeschwindigkeit zu Beginn der Totgang-Beschleunigungskorrektur unbekannt ist, wird die Schnittgeschwindigkeit aus der Quadratwurzel der positionsmäßigen Abweichung e(0) für diesen Zeitabschnitt geschätzt, und die Parameter k u. T für Schritt S2 werden in Übereinstimmung mit der geschätzten Schnittgeschwindigkeit berechnet.
Dann liest der Prozessor den Integralausdruck (das Integratorausgangssignal) aus, das in dem Geschwindigkeitsregelungsprozeß von einem Akkumulator gewonnen ist, der als ein Integrator für den Geschwindigkeitsregelkreis fungiert. Durch Umkehren des Vorzeichens des Werts, der auf diese Weise ausgelesen ist, wird ein Zielwert A gewonnen, der in seiner Größe gleich dem Integralausdruck ist und dessen Vorzeichen entgegengesetzt zu demjenigen des Integralausdrucks ist. Dieser Zielwert A wird in einem Register gesetzt (Schritt S3), das in den Prozessor eingebaut ist, und die Totgang- Beschleunigungszeit T, die in Schritt S2 gewonnen ist, wird in einem Beschleunigungszähler BLCNT gesetzt (Schritt S4). Dann verdoppelt der Prozessor den Zielwert A, um dadurch die Differenz zwischen dem Zielwert A ein und dem augenblicklichen Integratorausgangssignal zu gewinnen. Ferner gewinnt der Prozessor das Produkt aus dieser Differenz und der Konstanten k, die in Schritt 82 gewonnen ist, und lädt das Produkt 2A k in ein Beschleunigungsbetragsregister BLCMP (Schritt S5). Dann addiert der Prozessor das Produkt 2A k zu dem Geschwindigkeitsbefehl VCMD, der in dem Positionsregelungsprozeß berechnet ist, um dadurch den Geschwindigkeitsbefehl einer Totgang- Beschleunigungskorrektur zu unterziehen. Ferner führt der Prozessor eine Geschwindigkeitsregelungsverarbeitung in Übereinstimmung mit einem Geschwindigkeitsbefehl nach der Korrektur durch, um dadurch den Drehmomentbefehl TCMD zu gewinnen (Schritt S6), woraufhin der Totgang-Beschleunigungskorrekturprozeß für den augenblicklichen Zyklus endet.
Das Entscheidungsergebnis in Schritt 81 in dem nächsten Verarbeitungszyklus wird negativ, woraufhin sich das Programm zu Schritt S7 fortsetzt. In Schritt S7 stellt der Prozessor fest, ob der Wert, welcher in dem Beschleunigungszähler BLCNT gespeichert ist, positiv oder nicht positiv ist "Schritt C7). Falls darauf geschlossen wird, daß der Zählerwert positiv ist, so daß die Totgang-Beschleunigungskorrektur vorgenommen wird, multipliziert der Prozessor einen Wert, der durch Sübtrahieren des gegenwärtigen Integratorausgangssignals von dem Zielwert A gewonnen ist, mit der Konstanten k, um dadurch den Totgang-Beschleunigungsbetrag für den augenblicklichen Verarbeitungszyklus zu gewinnen, und lädt den gewonnenen Wert in das Register BLCMP (Schritt S8). Nachdem dann der Wert "1" von dem Wert, welcher in dem Beschleunigungszähler BLCNT gespeichert ist, in Schritt S9 sübtrahiert ist, setzt sich das Programm zu Schritt S6 fort, woraufhin die Geschwindigkeitsregelungsverarbeitung ausgeführt wird.
Darauf folgend wird die zuvor angegebene Reihe von Prozessen (Schritts S1, S7 bis S9 u. S6) wiederholt. Falls in Schritt S7 des nachfolgenden Verarbeitungszyklus darauf geschlosssen wird, daß der Wert in dem Beschleunigungszähler BLCNT nicht positiv ist, lädt der Prozessor den Wert "0" in das Beschleunigungsbetragsregister BLCMP und führt dann Schritt 86 aus. Als Ergebnis wird in Schritt S6 eine normale Geschwindig keitsregelungsverarbeitung ohne Ausführung der Totgang-Beschleunigungskorrektur für den Geschwindigkeitsbefehl VCMD ausgeführt.
Das Folgende stellt eine Erläuterung der Vorteile dar, die sich durch die Totgang-Beschleunigungskorrektur gemäß de, vorliegenden Ausführungsbeispiel ergeben.
Wie in Fig. 9 gezeigt, steigt, wenn eine Schneidbearbeitung unter bestimmten Schneidbearbeitungsbedingungen ohne Vornehmen der Totgang-Beschleunigungskorrektur ausgeführt wird, der Geschwindigkeitsbefehl VCMD verglichen mit einem idealen Geschwindigkeitsbefehl TCMD, der sich linear ändert, wie dies durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, plötzlich in seinem Wert, unmittelbar nachdem sein Vorzeichen umgekehrt ist, an. Dieser plötzliche Anstieg des Geschwindigkeitsbefehls ist einer Verringerung des Motor-Ausgangsdrehmoments, das umittelbar nach dem Beginn der Umkehr der Drehung des Motors erzeugt wird, auf einen derartigen Wert, daß das Drehmoment nicht der statischen Reibung des mechanischen Systems entgegenwirken kann, die wirkt, wenn die Motordrehung umgekehrt wird, zuzuschreiben. Wenn der Drehmomentbefehl TCMD und demzufolge das Motor-Ausgangsdrehmoment auf Werte ansteigen, um der statischen Reibung entgegenzuwirken, wenn der Geschwindigkeitsbefehl rasch ansteigt, wird danach die positionsmäßige Abweichung verringert, so daß sich der Geschwindigkeitsbefehls langsam ändert. Wenn die Totgang-Beschleunigungskorrektur nicht ausgeführt wird, wird die Umkehr der Motordrehung verzögert, wie dies durch das Symbol Q in Fig. 9 gezeigt ist, so daß vorstehende Stellen auf der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks ausgebildet werden.
Wenn die herkömmliche Totgang-Beschleunigungskorrektur unter denselben Schneidbearbeitungsbedingungen wie denjenigen, die in Fig. 9 gezeigt sind, und mit dem Totgang-Beschleunigungsbetrag und der Beschleunigungszeit, die auf ihre jeweiligen optimalen Werte eingestellt sind, ausgeführt wird, ändern sich der Geschwindigkeitsbefehl VCMD und der Drehmomentbefehl TCMD in einer Weise, wie dies in Fig. 10A gezeigt ist. Wenn im Gegensatz dazu die Totgang-Beschleunigungskorrektur gemäß dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, ändert sich der Geschwindigkeitsbefehl VCMD mehr linear, wie dies in Fig. 10B gezeigt ist, und es werden keine vorstehenden Stellen auf der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks ausgebildet. Ferner wird der Drehmomentbefehl VCMD einer geringeren Änderung unterzogen.
Ein Vergleich zwischen Fig. 11A, die Änderungen des Geschwindigkeitsbefehls und des Drehmomentbefehls zeigt, welche sich ergeben, wenn die herkömmliche Totgang-Beschleunigungskorrektur bei halbierter Schnittgeschwindigkeit ausgeführt wird, und Fig. 11B, die der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, zeigt, daß sich gemäß der vorliegenden Erfindung der Geschwindigkeitsbefehl mehr linear ändert und die Änderung des Drehmoments eingeschränkt ist.
Wenn das herkömmliche Verfahren in einem Leeerlaufzustand angewendet wird, ändert sich der Geschwindigkeitsbefehl in hohem Maße, wie dies in Fig. 12A gezeigt ist, so daß auf der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks vorspringende und ver tiefte Stellen gebildet werden und sich gleichzeitig der Drehmomentbefehl beträchtlich ändert. Gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie in Fig. 12B gezeigt, die Änderungen des Geschwindigkeitsbefehls und des Drehmomentbefehls beseitigt oder verringert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, und es können verschiedene Modifizierungen derselben vorgenommen werden.
Gemäß dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung z. B. auf eine Werkzeugmaschine für eine Schneidbearbeitung angewendet. Indessen kann die vorliegende Erfindung auf beliebige verschiedenartige Maschinen angewendet werden, die eine oder mehrere Vorschubspindeln haben.
Obgleich in dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel die Schnittgeschwindigkeit für die Berechnung der Totgang- Beschleunigungskorrekturparameter k und T aus der positionsmäßigen Abweichung geschätzt wird, wird darüber hinaus eine Ist-Schnittgeschwindigkeit, sofern sie erfaßbar ist, für diesen Zweck benutzt. Alternativ dazu können außerdem die betreffenden Werte der Parameter k und T, die den verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten entsprechen, vorab berechnet und in eine Speichereinrichtung geladen werden, so daß die Parameterwerte in Übereinstimmung mit der geschätzten oder tatsächlichen Schnittgeschwindigkeit bestimmt werden können.

Claims

1. Servomotor-Regelungsverfahren für ein Servosystem, das einen Servomotor (5, 6) zum Drehen einer Vorschubspindel einer Maschine regelt und einen Geschwindigkeitsregelkreis zum Gewinnen eines Integralausdrucks in Übereinstimmung mit einem Geschwindigkeitsbefehl (VCMD) und einer Ist-Geschwindigkeit des Servomotors (5, 6) hat, wobei das Verfahren das Addieren eines Totgang-Beschleunigungsbetrags zu dem Geschwindigkeitsbefehl (VCMD) zum Zeitpunkt einer Drehrichtungsumkehr der Vorschubspindel umfaßt, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch Schritte zum

(a) Bestimmen eines Zielwerts, der gleich der Größe des Integralausdrucks ist, welcher zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Umkehrung der Drehrichtung der Vorschubspindel gewonnen ist und ein Vorzeichen hat, das gegenüber demjenigen des Integralausdrucks umgekehrt ist,

(b) wiederholten Bestimmen eines Totgang-Beschleunigungsbetrags, bis eine vorbestimmte Periode (T) von der Umkehrung der Vorschubspindel-Drehrichtung abgelaufen ist, wobei sich der Totgang-Beschleunigungsbetrag im Verlauf der Zeit nach der Umkehrung der Vorschubspindel- Drehrichtung graduell von dem Wert des Integralausdrucks bis zu dem Zielwert ändert, und

(c) wiederholten Korrigieren des Geschwindigkeitbefehls (VCMD) während der vorbestimmten Periode (T) in Übereinstimmung mit dem Totgang-Beschleunigungsbetrag.

2. Servomotor-Regelungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren auf ein Servosystem zum zyklischen Ausführen eines Geschwindigkeitsregelungsprozesses angewendet ist und Schritt enthält zum

(b1) Bestimmen des Integralausdrucks in jedem der Geschwindigkeitsregelungsprozesse innerhalb der vorbestimmten Periode (T) und

(b2) Bestimmen des Totgang-Beschleunigungsbetrags in jedem Geschwindigkeitsregelungsprozeß auf der Grundlage eines Zwischenzielwerts, der durch Subtrahieren des Integralausdrucks, welcher in jedem Geschwindigkeitsregelungsprozeß erhalten ist, von dem Zielwert gewonnen wird.

3. Servomotor-Regelungsverfahren nach Anspruch 2, bei dem der Totgang-Beschleunigungsbetrag durch Multiplizieren des Zwischenzielwerts mit einem vorbestimmten Koeffizienten (k) gewonnen wird.

4. Servomotor-Regelungsverfahren nach Anspruch 3, bei dem der vorbestimmte Koeffizient (k) proportional zu einer Vorschübgeschwindigkeit ist, die unmittelar nach der Umkehrung der Vorschubspindel-Drehrichtung benutzt wird.

5. Servomotor-Regelungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren auf ein Servosystem zum zyklischen Ausführen eines Positionsregelungsprozesses in Übereinstimmung mit einem Positionsbefehl und einer Ist-Position angewendet ist und wobei der vorbestimmte Koeffizient (k) proportional zu der Quadratwurzel einer positionsmäßigen Abweichung ist, die gewonnen wird, wenn das Vorzeichen der Positionsbefehls umgekehrt wird.

6. Servomotor-Regelungsverfahren nach Anspruch 3, bei dem die vorbestimmte Periode (T) in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Koeffzienten bestimmt wird.