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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer
numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wie beispielsweise einer
Fräsmaschine,
eines Bearbeitungszentrums oder einer Erodiermaschine, welche mehrere
Zugspindeln (Zugspindeln) über
drei orthogonale X-, Y- und Z-Achsen aufweist, oder welche zusätzlich zu
den drei orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen mehrere Zugspindeln, mit
mindestens einer über
die Drehwellen der Achsen A, B und C aufweist. Weiterhin betrifft
die vorliegende Erfindung eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine.
Die vorliegende Erfindung betrifft mit anderen Worten eine neue
Technik einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, durch welche
ein Werkstück
selbst bei einer hohen Vorschubgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit
bearbeitet werden kann.
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Bei
einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine ist es erforderlich,
dass ein Werkstück
in einer kurzen Zeit genau bearbeitet wird, d.h., dass ein Werkstück äußerst effizient
und genau bearbeitet wird. Im Allgemeinen ist bekannt, dass sich
die Bearbeitungsgenauigkeit verschlechtert, wenn die Vorschubgeschwindigkeit
einer Werkzeugmaschine erhöht
wird. Diese Verschlechterung bei der Bearbeitungsgenauigkeit wird
durch einen Bewegungsverlust der Zugspindel und eine Verzögerung einer
Servo- beziehungsweise Stellantriebs-Steuerung der numerisch gesteuerten
Werkzeugmaschine verursacht. Daher wird, um eine Bearbeitung selbst
bei einer auf einen hohen Wert erhöhten Vorschubgeschwindigkeit
mit hoher Genauigkeit auszuführen,
bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine das Spiel/der Nachlauf
(Backlash) und weiter die Reibung der Zugspindel korrigiert, wobei
weiter die Geschwindigkeitseinstellung der Zugspindel entsprechend
des Gewichts eines Werkstücks
und der Temperatur des Zugspindelmotors gesteuert wird. Beispielhaft
wird der folgende Stand der Technik angeführt.
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Der
erste Stand der Technik, in der Japanischen Patent-Veröffentlichung
2606773, offenbart Beschleunigungs-Steuerverfahren und eine Vorrichtung
in einem Servo-System. Gemäß diesem
Stand der Technik werden Bewegungsverluste der Zugspindel, die durch
Spiel, elastische Verformung und statische Reibung bewirkt werden,
bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung der Zugspindeln durch Ausführen der
am besten geeigneten Beschleunigungssteuerung, die den entsprechenden
Eigenschaften entspricht, korrigiert, um so die Verschlechterung
einer Bearbeitungsgenauigkeit zu verringern. Um die vorstehende
Aufgabe zu erfüllen,
werden die erste, zweite und dritte Beschleunigung zur Kompensation der
Bewegungsverluste, die durch Spiel, elastische Verformung und statische
Reibung in dem Vorschubsystem bewirkt werden, zu den Geschwindigkeits-Befehlen
der Stellantriebs-Steuereinheit
zugegeben, so dass die Verzögerung
durch Bewegungsverlust unmittelbar ausgeglichen werden kann.
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Der
zweite Stand der Technik besteht in einem Servo-Motor-Steuerungsverfahren,
das in der Japanischen Patent-Veröffentlichung 2709969 offenbart
ist. Gemäß diesem
Verfahren zum Ausführen
der am besten geeigneten Korrektur des Spiels, selbst wenn die Schneidebedingungen
fluktuieren, wird der Zielwert bei einem Wert eingestellt, wobei
das dessen Vorzeichen zu dem des Integrators der Geschwindigkeitssteuerungseinheit
umgekehrt ist, bevor die Bewegungsrichtung umgekehrt wird, und wobei
ein Wert erhalten wird, wenn der Wert des von dem Zielwert abgezogenen
Integrators der Geschwindigkeitssteuerungseinheit mit einer Konstanten
multipliziert wird, und wobei der so erhaltene Wert zu einem Wert
einer Spielbeschleunigung in der Geschwindigkeitssteuerungseinheit
gemacht wird. So wird beispielsweise ein erhaltener Wert multipliziert, wenn
ein Wert proportional zu der Quadratwurzel einer Positionsabweichung
zu dem Moment bei dem die Bewegungsrichtung umgekehrt wird, wobei
der so erhaltene Wert zu einem Wert einer Spielbeschleunigung in
der Geschwindigkeitssteuerungseinheit gemacht wird.
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Der
dritte Stand der Technik besteht in einem Verfahren und einer Vorrichtung
zum Steuern einer Beschleunigung und Entschleunigung/Verlangsamung/Abbremsen
einer Werkzeugmaschine, welche in der nicht-geprüften Japanischen Patent-Veröffentlichung
11-900769 offenbart
sind. Gemäß diesem Stand
der Technik wird eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Verkürzung der
Bearbeitungszeit gewährleistet,
wenn die Gewichte der sich bewegenden Gegenstände, wie beispielsweise eines
Werkzeugs und eines Werkstücks
in Falle eines Austauschs, gewechselt werden, wobei das Antriebssystem
durch eine Beschleunigung entsprechend der Festigkeit der Werkzeugmaschine,
der Bearbeitungsgenauigkeit (erlaubte Fehler) und des Gewichts des
Werkstücks
gesteuert wird. Das heißt,
es wird eine Technik offenbart, bei der die Beschleunigung entsprechend der
Belastungsmasse, die vorher eingestellt wurde, geändert wird.
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Der
vierte Stand der Technik besteht in einer Geschwindigkeits-Steuerungseinheit
eines Servo-Motors, die in der nicht-geprüften Japanischen Patent-Veröffentlichung
6-274763 offenbart ist. Diese Patent-Veröffentlichung beschreibt eine
Drehmoment-Beobachtungseinrichtung durch die das Last-Drehmoment
von einem Ausgabe-Drehmoment des Zugspindelmotors und die Beschleunigung
eines anzutreibenden Gegenstandes abgeschätzt wird.
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Gemäß dieser
Technik wird eine Änderung des
Schätzwertes
des Belastungs-/Last-Drehmoments bestimmt, wobei die Last-Trägheit geschätzt wird,
und wobei anschließend
die Belastungsmasse/Last-Trägheit,
die in der Drehmoment-Beobachtungseinrichtung eingestellt wurde,
erneuert beziehungsweise ausgewechselt wird.
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Der
fünfte
Stand der Technik besteht in einem Verfahren und einer Vorrichtung
zur Steuerung einer numerisch gesteuerten Vorrichtung, die in der japanischen
Patent-Veröffentlichung
2853023 offenbart ist. Gemäß dieser
Technik wird zum Schutz des Zugspindelmotor vor Überhitzen sogar bei einem kontinuierlichen
Betrieb der Zugspindel mit häufiger Beschleunigung
und Verlangsamung des Motors mit gleichzeitiger schnellen Drehung
der Zugspindel die Temperatur des Zugspindelmotors erfaßt, und
die so erfaßte
Temperatur mit den dem Zugspindelmotor erlaubten bestimmten Temperaturdaten
verglichen. Aufgrund des Ergebnisses des Vergleichs werden die Beschleunigungs-
und die Entschleunigungs-Kurven der Zugspindel gesteuert geändert.
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Die
EP 0 292 575 offenbart ein
Verfahren zur Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
gemäß de Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die
EP 0 426 873 offenbart ein
Verfahren zum Steuern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine,
bei der ein geeigneter Drehmoment-Befehl aus Programmdaten berechnet
und zur Steuerung eines Servo-Motors eingesetzt wird.
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Gemäß des ersten
Standes der Technik wird die Beschleunigung aufgefunden, wobei die
derart aufgefundene Beschleunigung einem Geschwindigkeits-Befehlswert
der Servo-Motoreinheit zugegeben wird. In einer, aktuell verwendeten,
numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine wird es schließlich erforderlich
sein, wie ein hoher Drehmoment-Befehlswert oder wie der hohe elektrische
Strom-Befehlswert an das Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben
werden kann. Wird daher der Geschwindigkeits-Befehlswert in der
Mitte einer Servo- Steuerung, wie
der erste Stand der Technik, geändert,
dann wird eine Verzögerung
bewirkt, wenn der Befehlswert in einen Drehmoment-Befehlswert oder
einen elektrischen Stromwert umgewandelt wird und das Zugspindelmotor-Antriebsmittel
erreicht.
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Gemäß dem zweiten
Stand der Technik wird die gemäß der Positionsabweichung
berechnete Spiel-Beschleunigung zu einer Spiel-Beschleunigung in
der Geschwindigkeits-Steuereinheit
gemacht. Daher existiert die Verzögerung immer noch in dem Servo-System,
das aus einem Positions-Rückkoppelungs-Steuermittel
und Geschwindigkeits-Rückkoppelungs-Steuermittel
zusammengesetzt ist.
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Gemäß dem dritten
Stand der Technik wird die Last-Trägheit vorher auf einen bestimmten
Wert eingestellt. Somit wird entsprechend des Gewichts eines Werkstücks die
Beschleunigung geändert.
Das heißt,
ist das Gewicht eines Werkstücks
schwer, dann wird die Beschleunigung bis zu einem erlaubten Grenzewert
erhöht,
während
bei einem leichten Gewicht eines Werkstücks die Beschleunigung herabgesetzt
wird. Wird die Beschleunigung herabgesetzt, dann verschlechtert
sich die Bearbeitungseffizienz.
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Der
vierte Stand der Technik bezieht sich auf eine Drehmoment-Beobachtungseinrichtung
zum Abschätzen
des Belastungs-Drehmoments eines allgemeinen Servo-Motors. Das Belastungs-Drehmoment
wird gemäß dem Geschwindigkeits-Befehlswert
abgeschätzt,
wobei die Last-Trägheit
gemäß des geschätzten Belastungs-Drehmoments
abgeschätzt
wird. Anschließend
wird die geschätzte Last-Trägheit an
die Übertragungsfunktion
des mechanischen Systems übermittelt,
um so eine Vorschubsteuerung auszuführen. Gemäß der vorstehend aufgeführten Technik,
wird, da die Last-Trägheit einen
geschätzten
Wert darstellt, eine Verzögerung in
der Zugspindel der Vorrichtung bewirkt, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit
durch die Verzögerung beeinflußt wird.
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Gemäß dem fünften Stand
der Technik wird die Zeitkonstante einer Beschleunigung und einer Entschleunigung/Verlangsamung
entsprechend der Temperatur des Zugspindelmotors derart gesteuert, dass
der Zugspindelmotor vor Überhitzung
geschützt wird
ohne die Befehls-Vorschubgeschwindigkeit
zu ändern.
Wird dieses Verfahren angepaßt,
dann ist es möglich,
den Zugspindelmotor vor Überhitzen
zu schützen,
wobei jedoch die Zeitkonstante einer Beschleunigung und einer Entschleunigung/Verlangsamung
erhöht
wird und wobei sich die Bearbeitungsgenauigkeit verschlechtert.
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In
anderen als dem vorstehend aufgeführten Stand der Technik werden
herkömmliche
Verfahren bereitgestellt, bei denen eine Korrektur eines Spiels oder
eine Korrektur der Reibung durchgeführt wird. Gemäß diesem
herkömmlichen
Verfahren wird jedoch der gleiche Korrekturwert verwendet ohne Berücksichtigung
der Geschwindigkeit und Beschleunigung eines sich bewegenden Gegenstands.
Im Fall eines aktuellen Bearbeitungsvorgangs wird, wenn ein Gegenstand
des gleichen Profils mit einer unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeit
bearbeitet wird, die Bearbeitungsabmessungen geändert, wenn die herkömmliche
Korrektur ausgeführt
wird. Wird eine gekrümmte
Oberfläche,
wobei der Radius der Krümmung
unterschiedlich ist, über
mehrere Quadranten bearbeitet, dann wird die Vorschubgeschwindigkeit
von mindestens einer Zugspindel in Fall einer Änderung über dem Quadranten einmal Null.
Danach wird die Richtung der Vorschubgeschwindigkeit umgekehrt.
Daher wird eine Beschleunigung erzeugt. In diesem Fall wird die
Beschleunigung durch den Radius der Krümmung geändert. Wird das herkömmliche Korrekturverfahren
auf den vorstehend aufgeführten Fall
angewendet, dann wird die Bearbeitungsgröße geändert. Das heißt, in dem
Fall einer Umkehr einer Bewegungsrichtung und ebenfalls in dem Fall
eines Starts einer Bewegung nach einem zeitweiligen Stopp ist es
erforderlich, eine Korrektur der Reibung gemäß der Geschwindigkeit und Beschleunigung eins
sich bewegenden Gegenstandes auszuführen.
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Hinsichtlich
des Wertes einer Last-Trägheit der
herkömmlichen,
numerisch gesteuerten Vorrichtung, beispielsweise der Wert einer
Last-Trägheit
bei einem aufzuladenden Werkstück,
wird das Gewicht, das der Hälfte
des Gewichts eines maximal zu beladenden Werkstücks entspricht, als ein konstanter Wert
angepaßt.
Es wird ein Wert aufgefunden, wenn dieser konstante Wert mit der
Beschleunigung multipliziert wird, der/die zu jedem Zeitpunkt zu
dem Vorschubmotor-Antriebsmittel als ein Drehmoments-Befehl ausgegeben
wird. Unter der vorstehenden Steuerbedingung, ist es unmöglich, einen
notwendigen Drehmoments-Befehl zu erzeugen, selbst wenn die Last-Trägheit erhöht wird,
wenn eine schwergewichtige Arbeit aufgeladen wurde. Daher wird die
aktuelle Bewegung der Zugspindel hinsichtlich des Bewegungs-Befehls
verzögert.
Auch wenn die Last-Trägheit
verringert ist, wenn ein leichtes Werkstück geladen ist, so wird ein
Drehmoment-Befehl erzeugt, der unnötigerweise hoch ist, so dass
dem Bewegungskörper
ein Stoß/eine
Erschütterung übermittelt
wird. Als ein Ergebnis fluktuiert die Vorschubgeschwindigkeit, wobei
eine Bearbeitung nicht mit Genauigkeit erfolgen kann, und wobei
sich das so erhaltene Profil verschlechtert. Weiterhin wird, obwohl
sich das Gewicht eines Werkstücks
jede Sekunde ändert,
das heißt,
obwohl sich die Last-Trägheit ändert, der
Drehmoment-Befehl konstant gehalten. Mit anderen Worten, die Servo-
Steuerung kann nicht der sich jede Sekunde ändernden Belastungsbedingung
folgen. Als ein Ergebnis wird die Bearbeitungsgenauigkeit geändert.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vollbracht, um die vorstehenden Probleme
des Standes der Technik zu lösen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Steuern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine bereitzustellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ebenfalls darin,
eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit
der eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden
kann, selbst wenn ein sich bewegender Gegenstand der Maschine mit
hoher Geschwindigkeit bewegt wird.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Bearbeitungsgenauigkeit
im Fall einer Bearbeitung eines Profils oder einer gekrümmten Oberfläche durch
gleichzeitiges Bewegen mehrerer Zugspindeln zu erhöhen.
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Eine
noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Bearbeitung mit hoher Genauigkeit auszuführen, indem eine Änderung
der dynamischen Reibungskraft und ebenfalls eine Änderung
der statischen Reibungskraft im Fall einer Umkehr einer Bewegungsrichtung
der Zugspindel und ebenfalls im Fall eines Bewegungsstarts von einem
Stopp berücksichtigt
wird.
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Eine
noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Bearbeitung mit hoher Genauigkeit auszuführen, indem eine Änderung
des Gewichts berücksichtigt
wird, wenn ein Werkstück auf
dem sich bewegenden Körper
der Zugspindel geladen wird, oder einer Anbringung ersetzt wird,
oder wenn ein Werkstück
so bearbeitet wird, dass das Gewicht des Werkstücks mit der Zeit verringert
wird.
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Ein
noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Bearbeitung hoch effizient mit hoher Genauigkeit auszuführen, ohne
dass eine Überhitzung
des Zugspindelmotors auftritt, selbst wenn der Zugspindelmotor durch
häufiges
Beschleunigen und Entschleunigen/Verlangsamen/Abbremsen fortdauernd
bedient wird.
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Um
die vorstehend erwähnten
Aufgaben zu lösen,
ist die vorliegende Erfindung wie folgt zusammengesetzt. Durch Verwenden
des Ausführungsergebnisses
der numerisch gesteuerten Programmdaten, die von der Servo-Steuereinheit
der numerisch gesteuerten Vorrichtung erhalten wurden, wird ein
erwünschter
Drehmoment-Befehl oder ein elektrischer Strom-Befehl, welcher einer Änderung
in der Reibungskraft eines Vorschubmechanismus der Zugspindel oder
einer Änderung
eines Werkstücks
entspricht, durch Berechnen geschätzt, wobei der so erhaltene
Schätzwert
an das Vorschubmotor-Antriebsmittel ausgegeben wird.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Steuern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
bereitgestellt, welche aufweist, mehrere Zugspindeln über drei
orthogonale X-, Y- und Z-Achsen von X oder mindestens eine Drehwelle über A-,
B- und C-Achsen, zusätzlich
zu den mehreren Zugspindeln über
drei orthogonale X-, Y- und Z-Achsen, wobei das Verfahren die Schritte
umfasst: Aufnehmen numerischer Steuerprogrammdaten von einer Lese- und
Auswerteinheit, welche in einer numerischen Steuereinrichtung bereitgestellt
ist; Senden der Programmdaten an eine Bewegungsbefehl-Verteilungssteuereinheit,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst:
Berechnen eines Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls, basierend
auf einem von der Bewegungsbefehl-Verteilungssteuereinheit ausgegebenen
Bewegungsbefehls-Wert, in einer Stellantriebssteuereinheit zur Ausgabe
an ein Zugspindelmotor-Antriebsmittel, um einen Zugspindelmotor
anzutreiben; Aufnehmen des Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls,
welcher von der Stellantriebssteuereinheit an das Zugspindelmotor-Antriebsmittel
ausgegeben wurde; Schätzen
eines gewünschten
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls entsprechend der Änderung
der Reibungskraft des Vorschubmechanismus der entsprechenden Zugspindeln
oder des Gewichts eines Werkstück,
basierend auf dem aufgenommenen Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehl und
der Beschleunigung der Zugspindel; Ausgeben des geschätzten gewünschten
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls an das Zugspindelmotor-Antriebsmittel,
und Antreiben des Zugspindelmotors durch den gewünschten Drehmoment- oder elektrischen
Strom-Befehl.
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Die
Schätzung
des gewünschten
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls entsprechend den Änderungen
der Reibungskraft in den Vorschubmechanismen oder des Gewichts eines
Werkstücks ist
eine Schätzung
eines Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls, entsprechend der Änderungen der
Reibungskraft des Vorschubmechanismus oder in des Gewichts eines
Werkstücks
basierend auf einem tatsächlichen
elektrischen Strom gemäß des aufgenommenen
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls und der Beschleunigung
des Zugspindel.
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Weiterhin
wird erfindungsgemäß eine numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine bereitgestellt, welche aufweist, mehrere
Zugspindeln über
drei orthogonale X-, Y- und Z-Achsen oder mindestens eine Drehwelle über A-,
B- und C-Achsen, zusätzlich
zu mehreren Zugspindeln über
drei orthogonale X-, Y- und Z-Achsen von X, wobei die numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine umfasst: einen Vorschubmechanismus zum
Bewegen eines Bewegungskörpers
von jeder Zugspindel; einen Zugspindelmotor zum Antreiben des Vorschubmechanismus;
ein Zugspindelmotor-Antriebsmittel zum Antreiben des Zugspindelmotors;
ein numerisches Steuermittel zum Ausführen der numerisch gesteuerten
Programmdaten, um den Zugspindelmotor anzutreiben durch eine Bewegungsbefehls-Verteilungseinheit
und eine Stellantriebssteuerungseinheit zum Berechnen eines Drehmoment-
oder elektrischen Strom-Befehls, basierend auf einem Bewegungsbefehlswert,
der von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit ausgegeben
wird, und zum Ausgeben des Ergebnis der Ausführung an den Zugspindelmotor
durch das Zugspindelmotor-Antriebsmittel; dadurch gekennzeichnet, dass
die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine ferner umfasst: ein Berechnungs-Steuermittel
zum Schätzen
eines gewünschten
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls entsprechend einer Änderung
in der Reibungskraft des Vorschubmechanismus oder in dem Gewicht
eines Werkstücks
basierend auf dem Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehl und
der Beschleunigung der Zugspindel, ausgegeben von der Stellantriebssteuereinheit an
das Zugspindelmotor-Antriebsmittel, wenn der Zugspindelmotor angetrieben
ist, und Ausgeben des geschätzten
gewünschten
Drehmoment- oder elektrischen Strom-Befehls an das Zugspindelmotor-Antriebsmittel.
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In
der erfindungsgemäßen numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschine ist es gemäß des Bewegungsbefehls, der
von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit ausgegeben wird, möglich, die
Bestimmung eines Bewegungsstarts von einem Stopp, eine Berechnung
einer Beschleunigung durch die zweite Ordnung der Differenzierung, eine
Vorwärtsschub-Geschwindigkeitssteuerung
und eine Vorwärtsschub-Beschleunigungssteuerung
auszuführen.
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Daher
kann, bevor der Zugspindelmotor angetrieben wird, eine Steuerung
durch das Berechnungssteuermittel ausgeführt werden.
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Demgemäß kann sogar
dann, wenn die Vorschubgeschwindigkeit hoch ist, eine Bearbeitung
mit hoher Genauigkeit erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird die
Temperatur des Zugspindelmotors durch Berechnung geschätzt und mit
den bestimmten Temperaturdaten, die dem Zugspindelmotor erlaubt
sind, verglichen, wobei die Zeitkonstante der Beschleunigung und
Entschleunigung der Zugspindel gemäß dem Ergebnis des Vergleichs geändert wird.
Weiterhin wird der gewünschte
Drehmoment-Befehl oder elektrische Strom-Befehl entsprechend der Änderungen
der Reibungskraft der Zugspindel und dem Gewicht eines Werkstücks in das
Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben. In der vorliegenden Erfindung
kann die vorstehende Steuerung kombiniert ausgeführt werden.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, ein Verfahren zum Steuern
einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit
welcher eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden
kann, selbst wenn ein Bewegungskörper
der Werkzeugmaschine mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Weiter
ist es möglich,
eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit
welcher eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit erfolgen kann, selbst
wenn ein Bewegungskörper
der Werkzeugmaschine mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Selbst
wenn der Quadrant einer Zugspindel während einer Profil-Bearbeitung
oder einer Bearbeitung gekrümmter
Oberflächen
durch Bewegen mehrerer Zugspindeln gleichzeitig, geändert wird,
oder selbst wenn das Gewicht eines an die Zugspindel gegebenen Werkstücks geändert wird, kann die Bearbeitungsgenauigkeit hoch gehalten
werden.
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Selbst
wenn eine Änderung
der dynamischen und statischen Reibungskraft des Vorschubmechanismus
bei der Bewegungsumkehr der Zugspindel und beim Start einer Bewegung
ausgehend von Stopp bewirkt wird, ist es möglich eine Bearbeitung mit
hoher Genauigkeit auszuführen.
Wird ein auf den Bewegungskörper
der Zugspindel angebrachtes Werkstück ausgetauscht oder eine zum
Anbringen des Werkstücks
verwendete Anbringung ausgetauscht, und ebenfalls wenn das Gewicht
eines Werkstücks,
während
es bearbeitet, mit der Zeit verringert wird, wird ein gewünschter
Drehmoment- oder elektrischer Strom-Befehl in das Zugspindelmotor-Antriebsmittel
ausgegeben, während
es eine Änderung
in Masse erfolgt, die durch die Änderung
in dem Gewicht bewirkt wurde. Daher kann die Bearbeitungsgenauigkeit
hoch gehalten werden. Selbst wenn der Zugspindelmotor durch häufiges Beschleunigen
und Entschleunigen fortdauernd bedient wird, gibt es weiterhin keine
Möglichkeit
einer Überhitzung des
Zugspindelmotors. Demgemäß kann ein
Bearbeiten mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird mit den vorstehend erwähnten fünf Ausführungen
des Standes der Technik verglichen. Gemäß des ersten Standes der Technik
werden unterschiedliche Beschleunigungen, die durch Bewegungsverluste
bewirkt wurden, zu dem Geschwindigkeits-Befehl der Servo-Steuerungseinheit
addiert, wobei der Zugspindelmotor danach über die Geschwindigkeits-Steuerungseinheit angetrieben
wird. Andererseits wird erfindungsgemäß der erwünschte Drehmoment-Befehl oder
elektrische Strom-Befehl durch Berechnung geschätzt, wobei das Schätzergebnis
direkt in das Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben wird. Daher
kann der Zugspindelmotor ohne einhergehende Verzögerung angetrieben werden.
Gemäß des zweiten
Standes der Technik tritt in dem Servo-System des Positions-Feedback-Steuerungsmittels
und des Geschwindigkeits-Feedback-Steuerungsmittels immer noch eine
Verzögerung
auf. Erfindungsgemäß wird jedoch
die vorstehend erwähnte
Verzögerung
nicht bewirkt. Gemäß des dritten
Standes der Technik wird eine Beschleunigung der Zugspindel so gesteuert, dass
sie verringert werden kann. Andererseits wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Beschleunigung der Zugspindel bei einem geeigneten
bestimmten Wert gehalten, wobei ein erwünschter Drehmoments-Befehl
oder elektrischer Strom-Befehl in das Zugspindelmotor-Antriebsmittel
ausgegeben wird, wenn sich ein Masse-Wert ändert. Daher wird die Bearbeitungseffizienz
nicht verschlechtert. Gemäß des vierten
Standes der Technik erfaßt
die Drehmoment-Beobachtungseinrichtung eine Änderung in dem Belastungs-Drehmoment,
die durch den Geschwindigkeits-Befehl geschätzt wird, wobei das Belastungs-Drehmoment
geschätzt
wird. Andererseits wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Last-Trägheit
unter Verwendung des Drehmoments- oder elektrischen Strom-Befehls
berechnet, der tatsächlich
in das Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben wird. Daher kann
eine aktuellere Last-Trägheit
aufgefunden werden, wobei ein akkurater Drehmoments-Befehl in das
Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben werden kann. Der fünfte Stand
der Technik betrifft eine Technik, um zu verhindern, dass der Zugspindelmotor überhitzt.
Andererseits wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein erwünschter Drehmoments-Befehl
oder elektrischer Strom-Befehl (Befehl für elektrischen Strom), der Änderungen
in der Reibungskraft des Vorschubmechanismus und dem Gewicht eines
Werkstücks
entspricht, in das Zugspindelmotor-Antriebsmittel ausgegeben. Daher kann
ein Bearbeiten mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
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1 ist
eine Ansicht einer gesamten Anordnung der erfindungsgemäßen numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschine.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau der ersten Ausführungsform
der Steuereinheit zum Steuern der erfindungsgemäßen numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
zeigt.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau der zweiten Ausführungsform
der Steuereinheit zum Steuern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
zeigt.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau der dritten Ausführungsform
der Steuereinheit zum Steuern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
zeigt.
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5 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau der vierten Ausführungsform
der Steuereinheit zum Steuern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
zeigt.
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6 ist
ein Blockdiagramm, das einen Aufbau der fünften Ausführungsform der Steuereinheit zum
Steuern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine zeigt.
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7 ist
eine Ansicht zur Darlegung einer Richtungsumkehr der Zugspindel,
wobei ein oberer Abschnitt von 7 ein Diagramm
ist, das eine Änderung
der Vorschubgeschwindigkeit in Bezug auf die Zeit zeigt, und ein
unterer Abschnitt von 7 ein Diagramm ist, das eine Änderung
des Belastungs-Drehmoment in Bezug auf die Zeit zeigt.
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8 ist
ein Überblick
zur Darlegung eines Verfahrens zum Berechnen der Last-Trägheit, wobei ein
oberer Abschnitt von 8 ein Diagramm ist, das eine Änderung
der Vorschubgeschwindigkeit in Bezug auf die Zeit zeigt, ein mittlerer
Abschnitt von 8 ein Diagramm ist, das eine Änderung
der Beschleunigung in Bezug auf die Zeit zeigt, und ein unterer
Abschnitt von 8 ein Diagramm ist, das eine Änderung
des Belastungs-Drehmoments
in Bezug auf die Zeit zeigt.
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9A ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der Last-Trägheit zeigt.
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9B ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der Last-Trägheit zeigt.
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10 ist
ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren der erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform
zeigt.
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11 ist
ein Diagramm, das eine Temperaturkurve des Zugspindelmotors zeigt,
der in der erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform
hergestellt wird.
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12 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Steigung θ der Temperaturkurve und
der Beschleunigungs- und Entschleunigungs-Zeitkonstanten τ in der erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform
zeigt.
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Die
erfindungsgemäße numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine wird nachfolgend unter Bezug auf 1 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, ist die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 10 ein
horizontales Bearbeitungszentrum und mit dem Bett 12 bereitgestellt,
das auf dem Boden einer Fabrik eingerichtet ist. Auf der oberen
Fläche/Oberfläche des
Betts 12 wird eine Z-Achsen-Führungsschiene 28 in
der horizontalen Richtung der Z-Achse bereitgestellt. In 1 ist
die horizontale Richtung der Z-Achse eine Vorschubrichtung bzw.
Transversalrichtung. Der Tisch 14, an den ein Werkstück W befestigt
ist, ist an der Z-Achsen-Führungsschiene 28 verschiebbar
angebracht. 1 zeigt ein Beispiel, in dem
der NC-Drehtisch, der um die B-Achse
drehbar ist, an dem Tisch 14 befestigt und das Werkstück W an
dem NC-Drehtisch angebracht ist. Es ist jedoch möglich das Werkstück W ohne
Anordnen des NC-Drehtisches unmittelbar an dem Tisch 14 anzubringen.
An der oberen Fläche
des Betts 12 ist eine X-Achsen-Führungsschiene 36 in
einer horizontalen Richtung senkrecht zu der Z-Achse angeordnet,
das heißt,
dass die X-Achsen-Führungsschiene 36 in
einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche von 1 steht.
Die Säule 16 ist
an der X-Achsen-Führungsschiene 36 verschiebbar
angebracht. In der Säule 16 ist
in der Richtung der Y-Achse, die senkrecht zu sowohl der X-Achse
als auch der Z-Achse steht, die Y-Achsen-Führungsschiene 34 angeordnet,
das heißt,
dass die Y-Achsen-Führungsschiene 34 in
der Richtung der oberen und unteren Seiten von 1 angeordnet
ist. Der Spindelkopf 18 ist zum drehbaren bzw. schwenkbaren
Stützen
der Hauptspindel 20 an der Y-Achsen-Führungsschiene 34 verschiebbar
angebracht.
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An
der unteren Seite des Tisches 14 in dem Bett 12 wird
die Z-Achsen-Vorschubschraube 24 in der Richtung der Z-Achse
angeordnet, die als eine Z-Achsen-Zugspindel verwendet wird. Die
auf die Z-Achsen-Vorschubschraube 24 geschraubte Mutter 26 ist
an der unteren Fläche
des Tisches 14 befestigt. Der Z-Achsen-Vorschubservomotor
MZ ist mit einem Ende der Z-Achsen-Vorschubschraube 24 verbunden.
Wird der Servomotor MZ angetrieben, um so
die Z-Achsen-Vorschubschraube 24 zu drehen, dann wird der
Tisch 14 entlang der Z-Achsen-Führungsschiene 28 bewegt.
Auf die gleiche Art und Weise wird auf der unteren Seite der Säule 16 in
dem Bett 12 die X-Achsen-Vorschubschraube (nicht gezeigt), die
eine X-Achsen-Zugspindel ist, die in der X-Achsen-Richtung angeordnet
ist. An der unteren Fläche der
Säule 16 ist
eine an der X-Achsen-Vorschubschraube angeschraubte Mutter (nicht
gezeigt) befestigt. Der X-Achsen-Vorschubservomotor MX ist
mit einem Ende der X-Achsen-Vorschubschraube
verbunden. Wird der X-Achsen-Vorschubservomotor MX angetrieben
und die X-Achsen-Vorschubschraube gedreht, dann wird die die Säule 16 entlang
der X-Achsen-Führungsschiene 36 bewegt.
Weiterhin ist die Y-Achsen-Vorschubschraube 32, die eine
Y-Achsen-Zugspindel ist in der Säule 36 in
der Y-Achsen-Richtung angeordnet. An der Rückseite des Spindelkopfes 18 ist
die an der Y-Achsen-Vorschubschraube 32 geschraubte Mutter 30 befestigt.
Der Y-Achsen-Vorschubservomotor MY ist mit
einem oberen Ende der Y-Achsen-Vorschubschraube 32 verbunden.
Wird der Y-Achsen-Vorschubservomotor MY angetrieben
und die Y-Achsen Vorschubschraube 32 gedreht, dann wird
der Spindelkopf 18 entlang der Y-Achsen Führungsschiene 34 bewegt.
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Ein
Werkzeug 22, beispielsweise ein Schaftfräser, ist
an das Vorwärts-Ende
der Hauptspindel 20 angebracht. Während das Werkzeug 22 gedreht wird,
werden die Säule 16,
der Spindelkopf 18 und der Tisch 14 relativ in
die Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen bewegt. Aufgrund des Vorstehenden
kann das an dem Tisch 14 befestigte Werkstück W in
eine bestimmte Form bearbeitet werden. Wenn der NC-Drehtisch an
der Maschine befestigt ist, dann kann die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 10 als
eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einer B-Achse vom
Vier-Achsen-Typ bezeichnet werden. Die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 10 umfasst
eine numerische Steuereinheit 40 zum Steuern der Servomotoren
MX, MY und MZ, um sie in die drei Achsen-Richtungen der
X-, Y- und Z-Achse
der Säule 16,
des Spindelkopfes 18 und des Tisches 14 zu befördern. Selbstverständlich wird
in dem Fall, dass der NC-Drehtisch an der Maschine befestigt ist
der B-Achsen Vorschubservomotor MB (nicht
gezeigt) bereitgestellt. Die numerische Steuereinheit 40 umfasst:
eine Programm-Lese und Auswerteinheit 44 zum Lesen und
Auswerten des NC-Programms 42, eine Speichereinheit 46 für interpretiertes
Programm zum vorüberge henden
Speichern eines interpretierten bzw. ausgewerteten Programms, eine
Programmausführ-Befehlseinheit 48, um
auf geeignete Art und Weise ein Programm aus/von der Interpretiertes-Programm-Speichereineheit 46 zu
ziehen und um Programm-Ausführ-Daten auszugeben,
eine Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 zum Ausgeben
eines Bewegungs-Befehls für
jede Richtung der X-, Y- und Z-Achse gemäß der Ausführprogrammdaten von der Programmausführ-Befehlseinheit 48 und
eine Servo- bzw. Stellantriebs-Steuereinheit 52 zum
Ausgeben eines Drehmoment-Befehls oder elektrischen Strom Befehls
an die Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 gemäß des Bewegungsbefehls
von der Bewegungs-Befehls-Verteilungssteuereinheit 50 und ebenfalls
gemäß des nachfolgend
beschriebenen Rückkopplungssignals.
Die Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 gibt einen elektrischen
Strom entsprechend des Drehmoment-Befehls oder elektrischen Strom-Befehls
aus, der von der Stellantriebssteuerungseinheit 52 gesendet
wurde, um so die Vorschubmotoren MX, MY und MZ der X-,
Y- und Z-Achsen anzutreiben. Weiterhin wird in dieser Ausführungsform
eine Berechnungssteuereinheit 56 bereitgestellt, um einen
von der Stellantriebssteuereinheit 52 an die Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 ausgesendeten
Drehmoments-Befehl oder elektrischen Strom-Befehl zu korrigieren.
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Als
nächstes
wird nachfolgend in Bezug auf 2 eine bevorzugte
Ausführungsform,
die die Stellantriebssteuerungseinheit 52 und Berechnungssteuereinheit 56 umfasst,
erläutert.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform
wird die Berechnungssteuereinheit 56 mit der Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 bereitgestellt,
durch welche eine Spiel-Beschleunigungskorrektur ausgeführt wird.
Es werden ähnliche
Bezugszeichen verwendet, um in 1 und 2 ähnliche
Teile anzuzeigen. In den folgenden Beschreibungen wird lediglich
die Vorschubsteuerung der Z-Achse an dem Tisch 14 dargelegt,
wobei jedoch klar sein sollte, dass die Vorschubsteuerung der X-Achse
und Y-Achse auf ähnliche
Weise ausgeführt
werden kann.
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Die
Stellantriebssteuerungseinheit 52 umfasst eine Subtraktionseinheitleinen
Subtraktor58, um den von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 gesendeten
Bewegungsbefehl mit dem Positions-Rückkopplungssignal zu vergleichen,
das von dem Positionsdetektor SP, wie beispielsweise einer an dem
Tisch 14 angebrachten digitalen Laufbuchsenskalierung bzw.
einer digitalen Einsatzskalierung gesendet wurde, eine Positionssteuereinheit 60 zum
Verstärken
einer Ausgabe von dem Subtraktor 58, einen Subtraktor 62 zum Vergleichen
des Ausgabewertes der Positionssteuereinheit 60 mit dem Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal von dem Impulscodierer
PC, der an dem Z-Achsen-Vorschubservomotor MZ angebracht
ist und eine Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 zum Verstärken einer
Ausgabe des Subtraktors 62.
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Andererseits
wird der von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 ausgegebene Bewegungsbefehl
sowohl an die Detektionseinheit 66 als auch die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 jede
Sekunde gesendet. Die Detektionseinheit 66 analysiert einen
von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 gesendeten
Bewegungsbefehl und überwacht
eine Änderung
der Bewegungsrichtung des Tisches 14. Wird die Bewegungsrichtung
des Tisches 14 umgekehrt, dann wird das die Bewegungsrichtung
umkehrende Signal an die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 und
die Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 ausgegeben,
die ein Beispiel der Berechnungssteuereinheit 56 bereitstellt.
-
Die
Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 umfasst eine
Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72, die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 und
die Belastungs-Drehmoment-Detektionseinheit 76 als wesentliche
Bestandteile. Die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 führt an dem
Bewegungsbefehl die Differenzierung zweiter Ordnung aus, um so eine
Beschleunigung des Bewegungskörpers
zu finden, wobei die so aufgefundene Beschleunigung zu der Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72 gesendet
wird. Die Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72 berechnet
entsprechend der von der Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 gesendeten
Beschleunigung eine Zeitkonstante. Andererseits empfängt die
Belastungs-Drehmoment-Detektionseinheit 76 ein von der Detektionseinheit 66 gesendetes
Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal und einen Drehmoment-Befehl oder
elektrischen Strom-Befehl, der ein Ausgabe der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 der
Stell-antriebssteuereinheit 52 ist,
um einen Drehmoments-Befehl oder elektrischen Strom-Befehl vor der Umkehr
der Bewegungsrichtung des Tisches 14 umgehend an die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 auszugeben.
In diesem Fall ist es möglich,
einen tatsächlichen
elektrischen Strom zu empfangen, der ausgegeben wurde, um Z-Achsen
Vorschubservomotor Mz gemäß dem Drehmoments-Befehl
oder elektrischen Strom-Befehl, der von der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 ausgegeben
wurde, von der Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 zu
befördern,
um der Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 unmittelbar
vor der Umkehr in der Bewegungsrichtung des Tisches 14 einen Drehmoments-Befehl
oder elektrischen Strom-Befehl bereitzustellen. Die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 berechnet
entsprechend der Zeitkonstanten, die als Ergebnis der durch die
Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72 durchgeführten Berechnung
und ebenfalls entsprechend des Drehmoments-Befehls oder elektrischen
Strom-Befehls, der
unmittelbar vor der Umkehr der Bewegungsrichtung von der Belastungs-Drehmoment-Detektionseinheit 76 gesendet wurde,
einen Belastungs-Drehmoment-Korrekturwert. Der so berechnete Belastungs-Drehmoment-Korrekturwert
wird anschleißend
an die Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 gesendet. Die
Umkehr in der Bewegungsrichtung und die Berechnung der Beschleunigung
können
nicht aus dem Bewegungsbefehl gefunden werden, wobei sie jedoch
aufgefunden werden können,
indem das von der Positionssteuereinheit 60 ausgegebene
Ausgabesignal genommen wird. Sie können ebenfalls aufgefunden werden,
indem der an dem Bewegungskörper
angebrachte Beschleunigungssensor verwendet wird.
-
In 7 wird
ein Zustand gezeigt, in dem eine Vorschubsteuerung unter der Bedingung
ausgeführt
wird, dass die Beschleunigung konstant ist. Das in den oberen Abschnitt
von 7 gezeichnete Diagramm zeigt eine Änderung
in der Vorschubgeschwindigkeit in Bezug auf die Zeit, und das in
dem unteren Abschnitt gezeichnete Diagramm zeigt eine Änderung
in dem Belastungs-Drehmoment, das entsprechend auf die Zugspindel
in Bezug auf die Zeit aufgeprägt
wurde. In 7 wird die Geschwindigkeitsänderung
in Bezug auf die Zeit auf derartige Weise ausgedrückt, dass Änderungen
im Geschwindigkeitsunterschied Δv
in Bezug auf einen bestimmten Zeitunterschied ΔT miteinander durch gerade Linien
verbunden sind.
-
In
dem in 7 gezeigten Diagramm ist der Moment an dem die
Vorschubgeschwindigkeit V von negativ zu positiv (zu diesem Moment
ist die Vorschubgeschwindigkeit Null) geändert wird, durch die Markierung
Tc gekennzeichnet. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das Belastungs-Drehmoment
wie folgt. Das Belastungs-Drehmoment ändert sich von Belastungs-Drehmoment
Qp, welches ein Drehmoment vor Tc darstellt zu dem Ziel-Belastungs-Drehmoment Qt. In
diesem, in 7 gezeigten Beispiel ist, unter der
Bedingung, dass die Beschleunigung konstant ist, der absolute Wert
des vorherigen Belastungs-Drehmoments Qp, der ein Drehmoment vor
TC ist, der gleiche, wie der absolute Wert der Ziel-Belastungs-Drehmoment Qt, wobei
das Vorzeichen (+, –) eines
vorherigen Belastungs-Drehmoments Qp dem Vorzeichen (+, –) des Ziel-Belastungs-Drehmoments Qt
entgegengesetzt ist.
-
Die
vorstehend erwähnte
Umkehr der Antriebsrichtung des Servomotors wird beispielsweise an
einem Umkehrpunkt des Bewegungsweges des Werkzeugs 22 von
einem Quadranten zu dem anderen bewirkt, wenn die numerisch gesteuerte
Werkzeugmaschine 10 einen Schneidvorgang entlang eines
Bogens ausführt.
An diesem Punkt kann aufgrund des Spiels und der Reibung der Vorschubschrauben
die Werkzeugmaschine nicht augenblicklich umgekehrt werden, so dass
allgemein in der Bewegung der Werkzeugmaschine eine Verzögerung bewirkt
wird. Daher wird, wie durch eine unterbrochene Linie in dem Diagramm
gezeigt ist, das Belastungs-Drehmoment schrittweise von dem vorherigen Belastungs-Drehmoment Qp zu
dem Ziel-Belastungs-Drehmoment Qt geändert. Als Ergebnis wird in der
bearbeiteten Oberfläche
eines Werkstücks
ein Vorsprung erzeugt.
-
Die
Erfinder machten verschiedene Experimente und stellten die folgenden
Bedingungen fest, die keinen zu erzeugenden Vorsprung oder keine
zu erzeugende Vertiefung in der bearbeiteten Oberfläche eines
Werkstücks
gestatteten, wenn die Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers umgekehrt wird.
Es gibt zwischen der Belastungs-Drehmomentkorrektur und der Beschleunigung
des Bewegungskörpers
eine bestimmte Korrelation. So kann insbesondere das Auftreten der
vorstehenden Fehler bei der bearbeiteten Oberfläche verhindert werden, falls die
Zeitkonstante der Belastungs-Drehmomentkorrektur einen Wert darstellt,
der in umgekehrtem Verhältnis
zur Quadratwurzel der Beschleunigung steht.
-
Gemäß dem vorstehenden
Fachwissen wird die Belastungs-Drehmomentkorrektur in dieser Ausführungsform
wie folgt aufgefunden. Erstens wird eine Änderung in der Bewegungsrichtung
durch die Detektionseinheit 66 überwacht. Wird die Bewegungsrichtung
des Tisches 14 umgekehrt, dann wird ein Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal
von der Detektionseinheit 66 an die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 und
die Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 ausgegeben.
Die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 sendet eine Beschleunigung
des Bewegungskörpers
an die Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72, wenn die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 das
Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal empfängt. Die Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 72 berechnet
die Zeitkonstante durch die folgende Formel, die auf der Beschleunigung
von der Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 basiert,
wobei die derart erhaltene Zeitkonstante an die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 gesendet
wird. τ =
kα–1/2
-
In
der vorstehenden Formel bedeutet τ die Zeitkonstante, α bedeutet
die Beschleunigung und k bezeichnet einen Koeffizienten für die Zeitkonstante.
-
Zu
diesem Zeitpunkt sendet die Belastungs-Drehmoment-Detektionseinheit 76 den
Ausgabewert von der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 an
die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74,
wobei das Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal als ein Belastungs-Drehmoment vor
der Umkehr der Bewegungsrichtung empfangen wird. Die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 setzt
das Belastungs-Drehmoment Qp vor der Umkehr der Bewegungsrichtung
von der Belastungs-Drehmoment-Detektionseinheit 76 als
einen Belastungs-Drehmoment-Bezugwert Qs ein. Als nächstes kehrt
die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 vor
der Umkehr der Bewegungsrichtung (das heißt, + – werden miteinander ausgetauscht)
das Vorzeichen des Belastungs-Drehmoments
Qp um, wobei der so erhaltene Wert mit einer bestimmten Konstanten
multipliziert wird, um einen Belastungs-Drehmoment-Zielwert Qt an
der Zugspindel nach der Umkehr in der Bewegungsrichtung bereitzustellen.
Als nächstes
wird gemäß der folgenden
Formeln durch die Belastungs-Drehmoment-Korrekturberechnungseinheit 74 eine
Belastungs-Drehmomentkorrektur ΔQ,
die dem durch die Geschwindigkeits-Steuereinheit 64, basierend
auf dem Bewegungsbefehl und dem Rückkopplungssignal erzeugte
Belastungs-Drehmoment
hinzugefügt wird. ΔQ
= a × Qs × 1/τ
= a × Qs × 1/ka1/2 worin die Konstante "a" eine Konstante ist, die experimentell
aufgefunden werden kann. So bezieht sich beispielsweise "a" auf die Beschleunigung des Bewegungskörpers, die
durch die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68 erhalten
und als eine Datentabelle gespeichert und angeordnet wird, so dass
sie auf geeignete Weise abgerufen und basierend auf Beschleunigung α verwendet
werden kann.
-
Wie
vorstehend beschrieben, wird im Falle einer Umkehr der Bewegungsrichtung,
die Korrektur ΔQ
durch die Zeitkonstante τ berechnet,
die durch eine Funktion der Beschleunigung α ausgedrückt wird. Basierend auf der
Korrektur ΔQ
wird bei einer Umkehr der Bewegungsrichtung eine Zunahme des Belastungs-Drehmoment
Q bis zu dem Ziel-Belastungs-Drehmoment
Qt, das eingesetzt/eingefügt
wurde, wenn die Umkehr in die Bewegungsrichtung des Tisches 14 erfasst
wird. Basierend auf dem Belastungs-Drehmoment Q berechnet die Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 einen
erwünschten
Drehmoments-Befehl oder elektrischen Strom-Befehl, der dem Belastungs-Drehmoment
Q nach der Umkehr in der Bewegungsrichtung entspricht. Der so erhaltene Drehmoments-Befehl
oder elektrische Strom-Befehl wird an die Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 ausgegeben,
und wobei der Z-Achsen-Vorschubservomotor
MZ angetrieben wird den Tisch 14 zu
bewegen.
-
In
der in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Zeitkonstante
als ein Wert aufgefunden, der in einem umgekehrten Verhältnis zu
der Quadratwurzel der Beschleunigung steht. Das vorstehend erwähnte Verfahren
ergibt ein hervorragendes Ergebnis, wenn der Tisch 14,
die Säule 16 und
der Spindelkopf 18, die den Bewegungskörper bereitstellen, relativ
leicht sind. Sind jedoch der Tisch 14, die Säule 16 und
der Spindelkopf 18, die den Bewegungskörper bereitstellen, relativ
schwer, oder wenn die statische Reibung hoch ausfällt, dann
kann die anstelle des Quadrats durch 1/3 oder 3/5 Leistung der Beschleunigung
erhaltene Zeitkonstante bessere Ergebnisse bereitstellen. Die Berechnung
der Korrektur ΔQ
für das
Belastungs-Drehmoment kann basierend auf der Zunahme für das Belastungs-Drehmoment bis
zu dem Ziel-Qt oder auf der Entfernung von der Position der Zugspindel
bei der Umkehr in die Bewegungsrichtung abgeschlossen beziehungsweise
beendet werden.
-
Falls
der Koeffizient der statischen Reibung hoch ausfällt können zwei Zeitkonstanten τ1 und τ2, wobei
eine größer ist
als die andere, derart verwendet werden, dass bei Umkehr der Bewegungsrichtung
die kleinere Zeitkonstante τ1
ausgewählt
wird, wobei anschließend
die größere Zeitkonstante τ2 gewählt wird.
Dies ermöglicht
den Zugspindel-Servomotoren MX, MY und MZ unmittelbar
nach der Umkehr der Bewegungsrichtung ein hohes Belastungs-Drehmoment aufzuprägen, so
dass die Verzögerung
der Servosteuerung, wie durch die feste Linie auf dem Diagramm an
der unteren Seite von 7 gezeigt, verringert ist.
-
Falls
der Koeffizient der statischen Reibung hoch ausfällt, kann der Ausführungsform
von 2, wie in 3 gezeigt,
eine statische Reibungs-Korrektureinheit 80 angefügt werden.
Das heißt,
dass ein erwünschter
Drehmoments-Befehl, elektrischer Strom-Befehl oder Geschwindigkeits-Befehl
entsprechend der statischen Reibung des Vorschubmechanismus vorher
eingestellt wird, und wobei ein Drehmoments-Befehl oder elektrischer
Strom-Befehl, der an
Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 gesendet wurde, basierend
auf dem voreingestellten erwünschten
Drehmoments-Befehl, elektrischen Strom-Befehl oder Geschwindigkeits-Befehl
bestimmt werden kann. Im Übrigen
werden ähnlich
Bezugzeichen verwendet, um in 1, 2 und 3 ähnliche
Teile anzuzeigen.
-
In
der in 3 gezeigten Ausführungsform wird die statische
Reibungs-Korrektureinheit 80 zwischen der Detektionseinheit 66 und
der Stellantriebssteuerungseinheit 52 bereitgestellt. Die
statische Reibungs-Korrektureinheit 80 gibt die Geschwindigkeitskorrektur 82,
die einen erwünschten
Geschwindigkeits-Befehl darstellt, bzw. die Drehmomentskorrektur 84,
die einen erwünschten
Drehmoments-Befehl darstellt, an den Subtraktor 62 und
den Subtraktor 94 aus, der stromabwärts der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 angeordnet
ist. Statische Reibung bewirkt ein Problem, wenn des Tisch 14 einschließlich, der
Säule 16 und
der Spindelwelle 18, die den Bewegungskörper bilden, aus dem stationären Zustand
heraus bewegt werden, wobei die statische Reibung ebenfalls ein
Problem bewirkt, wenn die Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers umgekehrt wird.
Daher sendet die Detektionseinheit 66 in der in 3 gezeigten
Ausführungsform
gemäß des von der
Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 gesendeten
Bewegungsbefehls nicht nur das Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal des
Bewegungskörpers,
sondern auch das Bewegungs-Startsignal, das anzeigt, dass der Bewegungskörper begonnen
hat, sich aus dem stationären
Zustand heraus zu bewegen, an die Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 und
die statische Reibungs-Korrektureinheit 80.
Die Belastungs-Drehmoment-Berechnungseinheit 70 arbeitet
im Wesentlichen gleich wie die in 2 gezeigte
Ausführungsform.
-
Wenn
die statische Reibungs-Korrektureinheit 80 ein Bewegungsrichtungs-Umkehrsignal
oder Bewegungs-Startsignal von der 66 empfängt, wird ein
bestimmter Geschwindigkeits-Befehl an den Subtraktor 62 gesendet,
das heißt,
dass der Geschwindigkeits-Befehl in der Form eines umgekehrten "V" oder Dreiecks, in dem die Geschwindigkeit
linear ansteigt und anschließend
linear in Bezug auf die Zeit abnimmt, an den Subtraktor 62 gesendet
wird. Zur gleichen Zeit gibt die statische Reibungs-Korrektureinheit 80 einen
bestimmten aus Rechteckwellen zusammengesetzten Drehmoments-Befehl
an den Subtraktor 94 aus, der stromabwärts der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 angeordnet
ist, um die Beschleunigung des Z-Achsen Vorschubservomotor MZ zu steuern.
-
Gemäß dem Stand
der Technik mit einer Last-Trägheit,
von der angenommen wird, dass sie konstant ist und einen Wert aufweist,
der durch Multiplizieren der Last-Trägheit mit der Beschleunigung zu
jedem Moment erhalten wird, wird an die Zugspindelmotor-Antriebsein heit 54 als
ein Drehmoments-Befehl ausgegeben. Die Last-Trägheit ändert sich jedoch mit dem Gewicht
eines an dem Tisch 14 befestigten Werkstücks, und ändert sich
weiter mit dem Bearbeitungsfortgang des Werkstücks. Falls der Drehmoment-Befehl
konstant gehalten wird, wird es daher unmöglich, die Bearbeitungsgenauigkeit
zu verbessern.
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Daher
wird in der in 4 gezeigten Ausführungsform,
die Änderung
in der Last-Trägheit berechnet,
um den Drehmoments-Befehl oder elektrischen Strom-Befehl, der an
die Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 gegeben wird, basierend
auf den berechneten Last-Trägheit bestimmt.
Im Übrigen
werden ähnliche
Bezugszeichen verwendet, um in 1, 2, 3 und 4 ähnliche
Teile anzuzeigen.
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Die
in 4 gezeigte Ausführungsform umfasst eine Massenberechnungseinheit 96 und
eine Massenspeichereinheit 98, die der Berechnungssteuereinheit 56 von 1 bereitgestellt
wird. In der in 4 gezeigten Ausführungsform
umfasst die Stellantriebssteuerungseinheit 52 nicht nur
eine Positionssteuereinheit 60 und eine Geschwindigkeits-Steuereinheit 64,
sondern ebenfalls die Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 und
die Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92.
Die Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 und
die Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 erzeugen
basierend auf dem von der Zugspindelmotor-Antriebseinheit 54 gesendeten
Positionsbefehl einen Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Wert
und einen Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärtswert.
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Die
Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 führt an dem
von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 gesendeten
Bewegungsbefehls eine Differenzierung erster Ordnung aus, um eine
Geschwindigkeit zu berechnen. Die so berechnete Geschwindigkeit
wird als ein Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Wert an die Massenberechnungseinheit 96 und
den Subtraktor 62 ausgegeben, der stromabwärts der
Positionssteuereinheit 60 angeordnet ist. Die Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 arbeitet wie
folgt. Die Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 berechnet
eine Beschleunigung durch Ausführen
der Differenzierung der zweiten Ordnung an dem Bewegungsbefehl,
der von der Bewegungsbefehls-Verteilungssteuereinheit 50 gesendet
wurde. Die so berechnete Beschleunigung wird an die Massenberechnungseinheit 96 ausgegeben
während
gleichzeitig die berechnete Beschleunigung mit dem Wert einer Masse
multipliziert wird, um so den Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert
zu berechnen. Der so berechnete Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert
wird an den stromabwärts
der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 angeordneten Subtraktor 94 ausgegeben.
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Bei
dem Subtraktor 62 wird ein Unterschied zwischen dem Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Wert,
der Ausgabe von der Positions-Steuereinheit 60 und dem
von dem Pulscodierer übermittelten
Geschwindigkeits-Rückkoppelungssignal
in die Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 eingegeben.
In der Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 wird der Unterschied
nacheinander mit dem Zuwachs 64a und der Trägheit 64b multipliziert,
so dass das Last-Drehmoment
ausgegeben wird. Der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert
von dem Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert 92 wird zu
dem Last-Drehmoment addiert, um den Drehmoment-Befehl zu erhalten,
wobei der so erhaltene Drehmoment-Befehl zu der Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 ausgegeben
wird.
-
Die
die Trägheit
berechnende Einheit 96 berechnet die Last-Trägheit basierend
auf der Geschwindigkeit von der Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90,
der Beschleunigung von der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 und
dem Drehmoment-Befehl oder dem elektrischen Strom-Befehl, der in
die Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 eingegeben wurde,
wie folgt.
-
In 8 sind Änderungen
der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Drehmoments als Funktionen
in Bezug auf die Zeit gezeigt, wenn der sich bewegende Körper von
einem stationären
Zustand mittels einer konstanten Beschleunigung auf eine bestimmte
Geschwindigkeit V1 beschleunigt wird, wobei der sich bewegende Körper in
einer Geschwindigkeit V1 schnell versetzt wird. Bei den in 9A und 9B gezeigten
Flusscharts wird der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform
unter der Annahme erläutert,
dass die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und das Drehmoment
wie in 8 gezeigt, verändert
werden.
-
Zuerst
bestimmt, nachdem ein Signal für eine
schnelle Versetzung erhalten wurde, der Schritt S10 durch die von
der Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 übermittelten
Geschwindigkeit und der von der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 übermittelten
Beschleunigung, ob die Zugspindel einer schnellen Versetzungsbedingung
unterliegt oder nicht. Unterliegt die Zugspindel keiner schnellen
Versetzungsbedingung, d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S10 "Nein" ist, dann wartet
der Flusschart auf eine schnelle Versetzungsbedingung. Wenn die
Zugspindel einer schnellen Versetzungs bedingung unterliegt, d.h. wenn
das Ergebnis in Schritt S 0 "Ja" ist, dann bestimmt
Schritt S12 mittels der Änderung
der Beschleunigung, die von der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 übermittelt
wird, ob die Zugspindel unter der Bedingung einer konstanten Beschleunigung
beschleunigt wurde oder nicht. Wird die Welle in einer konstanten
Beschleunigung gefördert,
d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S12 "Ja" ist, dann
wird das Drehmoment der Welle, die beschleunigt wird, einer Überprüfung durch
den Drehmoment-Befehl
oder den elektrischen Strom unterworfen, der zu der Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 übermittelt
wird. Wir die Überprüfung durch
die bestimmte Zahl N durchgeführt,
dann ist die vorstehende Überprüfung beendet,
d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S16 "Ja" ist,
dann ist die vorstehende Überprüfung beendet.
Wenn die Anzahl der Überprüfungen kleiner
als N ist, d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S 16 "Nein" ist, dann kehrt
das Programm zu Schritt S 10 zurück
und die Überprüfung des
Drehmoments erfolgt erneut.
-
Im
Fall, dass die Welle nicht mit einer konstanten Beschleunigung vorgeschoben
wird (wenn die Zugspindel nicht mit konstanter Beschleunigung angetrieben
wird) wird, d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S12 "Nein" ist, dann bestimmt
Schritt S18 durch die Änderung
der Geschwindigkeit, die von der Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 übermittelt
wird, ob die Zugspindel bei einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben
wird oder nicht. Wird die Zugspindel bei einer konstanten Geschwindigkeit
angebtrieben, d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S18 "Ja" ist, dann wird in
Schritt S20 durch den Drehmoment-Befehl oder den elektrischen Strom-Befehl,
welcher von der Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 übermittelt
wird, eine Überprüfung des
Drehmoments durchgeführt,
während
die Zugspindel bei konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird.
Wenn diese Überprüfung mit
der bestimmten Zahl M durchgeführt
wurde, dann ist die vorstehende Überprüfung beendet,
d.h. wenn das Ergebnis in Schritt S22 "Ja" ist,
dann ist die vorstehende Überprüfung beendet.
Ist die Anzahl an Überprüfungsvorgängen kleiner
M, d.h. das Ergebnis in Schritt S22 ist "Nein",
dann kehrt das Programm zu Schritt S10 zurück und die Überprüfung des Drehmoments wird erneut
durchgeführt.
-
Ist
die Drehmoment-Überprüfung unter
der Bedingung beendet, dass die Beschleunigung oder die Geschwindigkeit
konstant ist, dann wird in Schritt S24 das Mittel Q1 des Drehmoments
unter der Beschleunigungs-Bedingung, und das Mittel Qr des Drehmoments
bei der Bedingung einer konstanten Geschwindigkeit berechnet. Anschließend werden
in den Schritten S26 und S28 das Reibungsdrehmoment Qf, das proportional
zu der Geschwindigkeit bei der Beschleunigungs-Bedingung ist, und
das Beschleunigungs-Drehmoment Qa durch das Drehmoment bei der konstanten
Geschwindigkeits-Bedingung mittels der folgenden Gleichung berechnet. Qf = Qr × (Vm/Vr) Qa = Qm – Qf
= Qm – Qr × (Vm/Vr)wobei
- Vr:
- konstante Wellendförderungsgeschwindigkeit
bei schneller Versetzung
- Vm:
- durchschnittliche
Zugspindelsgeschwindigkeit bei konstanter Beschleunigung
- α:
- konstante Beschleunigung
unter der Beschleunigungs-Bedingung
- Qm:
- durchschnittliches
Drehmoment bei Beschleunigung α
- Qr:
- durchschnittliches
Drehmoment bei konstanter Geschwindigkeit bei einer schnellen Versetzungs-Bedingung
- Qa:
- Beschleunigungs-Drehmoment
-
Anschließend wird
in Schritt S30 die Belastungs-Trägheit
J mittels der folgenden Gleichung berechnet. J
= Qa/α – JMwobei
- J
- die Belastungs-Trägheit ist
und JM die Motor-Trägheit.
-
Anschließend berechnet
in Schritt S32 die die Trägheit
berechnende Einheit 96 einen Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert
relativ zu der Last-Trägheit
J und überprüft den Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert,
der übermittelt
und in der Trägheits-Wert-Speicher-Einheit
gespeichert wurde (Schritt S34).
-
Der
so berechnete Trägheits-Wert
wird an die Geschwindigkeits-Steuereinheit 64 ausgegeben, so
dass der letzte Trägheits-Wert
verwendet wird, wenn der Trägheits-Befehl
oder der Befehl für
den elektrischen Strom berechnet wird. Gleichzeitig wird der berechnete
Trägheits-Befehl
auch zu der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 ausgegeben,
so dass der letzte Trägheits-Befehl
verwendet wird, wenn der zu dem Addierer 95 auszugebende
Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Wert berechnet
wird. Die Last-Trägheit
J kann basierend auf dem Trägheits-Befehl
oder dem Befehl für
den elektrischen Strom, der zu der Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 ausgegeben
wurde berechnet werden.
-
In
der in 4 gezeigten Ausführungsform werden zur Berechnung
der Last-Trägheit
J die Geschwindigkeit und die Beschleunigung, die von der Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 90 und
der Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit 92 ausgegeben
wurden, verwendet. Es ist jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf die vorstehend aufgeführte
spezifische Ausführungsform
beschränkt
ist. So kann beispielsweise, wie in 5 gezeigt,
die Last-Trägheit
J derart berechnet werden, dass eine Änderung des Gewichts des Werkstücks W direkt
mittels des Gewichts-Detektors, wie einer Belastungs-Nadel, die
an den Tisch 14 angebracht ist, gemessen wird, wobei der
gemessene Wert an die Trägheits-Berechnungs-Einheit 98 ausgegeben
wird, um die Last-Trägheit
zu berechnen.
-
Anschließend wird
unter Bezugnahme auf die 6 eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausführlicher
erläutert.
Gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um vergleichbare Teile in
den unterschiedlichen Ansichten, einschließlich 6, zu bezeichnen.
-
Wie
vorstehend beschrieben, liest das NC-Programm 42 in der
Servo-Steuer-Einheit 52 (1 bis 5)
und interpretiert die Programm-Ablesungs- und -Interpretations-Einheit 44,
wobei die Programm-Ausführ-Befehls-Einheit 48 das
in der Speichereinheit für
interpretiertes Programm 46 gespeicherte interpretierte
Programm hervorzieht, worauf die Zugspindeln-Motoren Mx, My und Mz des in 10 gezeigten
numerisch gesteuerten Maschinenwerkzeugs 10 gemäß den Bewegungs-Befehlen von
der Verteilungs-Steuereinheit 50 gesteuert werden. Werden
die Zugspindeln-Motoren innerhalb einer kurzen Zeitspanne wiederholte
beschleunigt und abgebremst, dann werden die Zugspindeln-Antriebseinheit 54 und
die Zugspindeln-Motoren MX, My und MZ erhitzt. Erreicht die Temperatur die erlaubt
obere Grenze, dann wird ein thermischer Alarm ausgelöst, so dass
das numerisch gesteuerte Maschinenwerkzeug im Notfall gestoppt wird.
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Die
Zeitkonstante der Beschleunigung und Verlangsamung der Zugspindel,
die für
das numerisch gesteuerte Maschinenwerkzeug geeignet sind, die Beziehung
zwischen dem Drehmoment-Befehl oder dem Befehl für den elektrischen Strom, welcher aus
der Servo-Steuereinheit 52 entnommen
wird, und die Temperatur eines jeden Zugspindeln-Motors Mx, My,
Mz, die Temperaturkurve, die Temperaturänderungen der Zugspindeln-Motore
Mx, My, Mz darstellen, wenn die bestimmten Ströme kontinuierlich zu den Zugspindeln-Motoren
Mx, My, Mz gegeben werden, und die Beziehungen zwischen der Steigung Q
der Temperaturkurven und der Zeitkonstanten der Beschleunigung und
Verlangsamung der Zugspindeln, werden durch Experimente vorab bestimmt, und
in der Daten-Speichereinheit 110 gespeichert. Darüber hinaus
werden auch Parameter, die die Grösse der Zugspindeln-Motoren
Mx, My, Mz und die der Zugspindeln-Motor-Antriebseinheit 54 darstellen, ebenfalls
in der Daten-Speicher-Einheit gespeichert. Die Temperatur-Berechnungs-Einheit 112 berechnet und
bewertet zu jedem Zeitpunkt die Temperatur der Antriebsmittel, wie
der Zugspindeln-Motoren
Mx, My, Mz, indem der Drehmoment-Befehl oder der Befehl für den elektrischen
Strom, der aus der Servo-Steuereinheit 52 entnommen wurde
mit den Beziehungen zwischen dem Dremoment-Befehl oder dem Befehl für den elektrischen
Strom und den Temperaturen der Zugspindeln-Motoren Mx, My, Mz in
Bezug gesetzt wird.
-
Die
Berechnungseinheit 114 für die Beschleunigungs- und
Verlangsamungs-Zeitkonstanten erhält ein Ergebnis einer Berechnung,
die von der Temperatur-Berechnungs-Einheit 112 verschickt wurde,
und berechnet eine Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante
der Zugspindel zu jedem Zeitpunkt basierend auf dem Verhältnis der
Steigung der Temperaturkurve (nicht gezeigt) und der in der Datenspeicher-Einheit 110 gespeicherten
Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante, und gibt die
Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante der Zugspindel
aus. Die Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante-Befehlseinheit 116 gibt
einen Befehl der Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante der Zugspindel
zu jedem Zeitpunkt von der Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstanten-Berechnungseinheit 114 zu
der Bewegungs-Befehls-Verteilungs-Steuereinheit 50 unmittelbar
mit dem Fortschreiten des Betriebs des numerisch gesteuerten Maschinenwerkzeugs 10.
In diesem Zusammenhang wird beim Beginn der Steuerung eine Beschleunigungs-
und Verlangsamungs-Zeitkonstante T0 der Zugspindel direkt zu der
Bewegungs-Befehl-Verteiler-Steuereinheit 50 von der Datenspeicher-Einheit 110 übermittelt.
-
Anschließend wird
unter Bezugnahme auf 10 der Betrieb dieser Ausführungsform
nachstehend erläutert.
-
Zuerst
werden benötige
Daten in die Datenspeichereinheit 110 (Schritt S50) eingegeben.
Wie vorstehend aufgeführt
sind die benötigten
Daten: die Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante der
Zugspindel, die für
das numerisch gesteuerte Maschinen werkzeug 10 geeignet
ist; die Beziehungen zwischen dem Drehmoment-Befehl oder dem Befehl
für den
elektrischen Strom von der Servo-Steuereinheit 52 und die
Temperatur eines jeden Zugspindeln-Motors Mx, My, Mz; die Temperaturkurven
(nicht gezeigt), die Änderungen
der Temperaturen der Zugspindeln-Motoren Mx, My, Mz zeigen, wenn
die bestimmten Ströme
den Zugspindeln-Motoren Mx, My, Mz kontinuierlich zugeführt werden;
die Verhältnisse
zwischen den Steigungen der Temperaturkurven und der Beschleunigungs-
und Verlangsamungs-Zeitkonstante der Zugspindeln; und die Parameter,
die die Grösse
der Zugspindeln-Motoren Mx, My und Mz und der Antriebseinheit 54 darstellen. Diese
werden zuvor durch Experimente bestimmt und während der Herstellung des numerisch
gesteuerten Maschinenwerkzeugs 10 gespeichert. Wird das numerisch
gesteuerte Maschinenwerkzeug 10 gemäß einem NC-Programm betrieben,
dann wird nacheinander der Drehmoment-Befehl oder der Befehl für den elektrischen
Strom in die Temperatur-Berechnungs-Einheit 112 (Schritt
S 112) von der Servo-Steuereinheit 52 eingegeben.
-
Die
Temperatur-Berechnungs-Einheit 112 setzt den Drehmoment-Befehl
und den Befehl für
den elektrischen Strom mit dem Verhältnis zwischen dem Drehmoment-Befehl
oder dem Befehl für
den elektrischen Strom und der Temperatur der Antriebsmittel der
Zugspindeln-Motoren
Mx, My, Mz in Bezug, die in der Datenspeichereinheit 110 gespeichert
sind, um die Temperatur der Antriebsmittel zu jedem Zeitpunkt zu
berechnen und zu bewerten, und erstellt die Temperaturkurve der
Antriebsmittel im Hinblick auf den Zeitablauf, beispielsweise die
in 11 gezeigten Temperaturkurven (1) und
(2) (Schritt S54). Die Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante-Berechnungseinheit 114 vergleicht
die gegenwärtige
Steigung θ der
Temperaturkurve mit der Steigung θ bei der gleichen Temperatur
(Temperatur MT1 in 11) der Temperaturkurve für den bestimmten Strom,
der zuvor in Schritt 50 festgelegt wurde (Schritt S56).
Bei der Temperaturkurve (1), ist die momentane Steigung θ θ1, und bei der Temperaturkurve (2)
ist die momentane Steigung θ θ2. Das Ergebnis des Vergleichs wird auf die
Beziehung zwischen der Steigung θ der
in 12 gezeigten Temperaturkurve und der Beschleunigungs-
und Verlangsamungs-Zeitkonstante T der Zugspindel angelegt.
-
Wenn Θ > θ0 ist
(wenn das Ergebnis in Schritt S59 "Ja" ist,
wie θ = θ1), dann wird eine Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante
von grösser
T0 berechnet, basierend auf dem in 12 gezeigten
Verhältnis
(Schritt S60) und in die Bewegungs-Befehl-Verteiler-Steuereinheit 50 über die
Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstanten-Befehlseinheit 116 (Schritt
S62) ausgegeben. Wenn θ < θ0 ist (wenn das Ergebnis in Schritt S52 "Nein" ist, wie θ = θ2) dann wird die Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante
T0 der Zugspindel, die zuvor in Schritt S50 eingestellt wurde, so
wie sie ist zu der Bewegungs-Befehl-Verteiler-Steuereinheit 50 über die
Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstanten-Befehlseinheit 116 übermittelt (Schritt
S64).
-
In 12 weist
die Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Zeitkonstante T der Zugspindel
ein oberes Limit Tmax auf, welches eine Überhitzung der Antriebsmittel
sogar dann verhindert, wenn wiederholt beschleunigt und verlangsamt
wurde. Es gibt eine minimale Steigung θP der Temperaturkurve, welcher
Tmax entspricht. D.h. in einem Bereich, in dem θ grösser als θP ist, ist T Tmax. Diesbezüglich ist
die Temperaturkurve des Antriebsmittels nicht auf die in 11 gezeigte
beschränkt.
Die Temperaturkurve des Antriebsmittels kann in der Form einer Tabelle
ausgedrückt
werden, in der das Verhältnis
zwischen der Zeit und der Steigung θ durch eine bestimmte Zeitspanne
ausgedrückt
ist. Die vorliegende Ausführungsform
umfasst ein Verfahren, bei dem die Temperaturen der Zugspindeln-Motoren
mittels der Anzahl an Beschleunigungen und Verlangsamungen der Zugspindeln
berechnet und bewertet werden, oder die Temperaturen der Zugspindeln
werden tatsächlich
durch Temperatur erfassende Sensoren erfasst, um die Zugspindel
aufgrund eines Vergleichs der so erhaltenen Temperaturen mit der
erlaubten Temperatur zu beschleunigen und zu verlangsamen.
-
Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. Es ist
jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte
Ausführungsformen
beschränkt
ist und Variationen und Modifikationen können vom Fachmann vorgenommen
werden.
-
So
werden beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
eine sogenannte Spiel-Beschleunigungs-Korrigier-Steuerung in 2 und 3,
eine Trägheits-Korrigier-Steuerung in 4 und 5 und
eine Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Steuerung der Zugspindeln-Motoren
in 6 separat beschrieben. Eine vorteilhafte Kombinierung
der vorstehenden Steuer-Typen miteinander wird eine höchst-effiziente
und genaue maschinelle Verarbeitung ergeben.
-
In
der vorstehenden Beschreibung stellt das numerisch gesteuerte Maschinenwerkzeug
der vorliegenden Erfindung ein horizontal angeordnetes Bearbeitungszentrum
mit drei orthogonalen Achsen, X, Y und Z-Achsen, wie in 1 gezeigt,
dar. Es ist jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die vorstehende spezifische Maschine beschränkt ist. So können beispielsweise
zusätzlich
zu den drei Achsen, der X- Y- und Z-Achse, zwei Achsen der A- und B-Achse
bereitgestellt werden, durch die die Tabelle 14 um eine horizontale
Achse gedreht werden kann, d.h. die vorliegende Erfindung kann auf ein
numerisch gesteuertes Maschinenwerkzeug des fünf Achsen-Typs angewendet werden.
Darüber
hinaus kann die vorliegende Erfindung auf das numerisch gesteuerte
Maschinenwerkzeug des vier-Achsen-Typs mit den vier Achsen X-, Y-,
Z- und A-Achse angewendet werden, oder die vorliegende Erfindung kann
alternativ auf das numerisch gesteuerte Maschinenwerkzeug des vier-Achsen-Typs
mit den vier Achsen X-, Y-, Z- und B-Achse angewendet werden, und
die vorliegende Erfindung kann darüber hinaus auf das numerisch
gesteuerte Maschinenwerkzeug angewendet werden, deren Anzahl an
Achsen nicht weniger als sechs ist. Darüber hinaus kann die vorliegende
Erfindung nicht nur auf das in 1 gezeigte horizontal
verlaufende Bearbeitungszentrum angewendet werden, sondern auch
auf vertikal verlaufende Bearbeitungszentren und auf andere numerisch gesteuerte
Maschinenwerkzeuge, wie einer Frässmaschine.
Darüber
hinaus kann die vorliegende Erfindung auf DüsenSenken (die sink) -Maschinen
mit elektrischer Entladung mit drei Achsen, der X-, Y- und Z-Achse angewendet
werden. Die vorliegende Erfindung kann auch auf die die Draht-Erodiermaschine mit
den vier Achsen, der X- Y- U und V-Achse angewendet werden.
-
Die
Berechnungs-Steuereinheit 56, die Erfassungseinheit 66,
die Beschleunigungs-Berechnungseinheit 68, die Last-Drehmoment-Berechnungseinheit 70,
die Statische Reibungs-Korrigiereinheit 80,
die Trägheits-Berechnungseinheit 96 und die
Trägheits-Speichereinheit 98 sind
alle Komponenten, die von der numerischen Steuereinheit 40 unabhängig sind.
Die Komponenten können
daher in dem gemeinsamen Gehäuse
mit der numerischen Steuereinheit 4 aufgenommen werden.
Alsternativ können
diese Komponenten in einem Gehäuse
der Maschinen-Steuereinheit aufgenommen werden, welches separat
von dem Gehäuse
für die
numerisch gesteuerte Steuereinheit 40 angeordnet ist.
-
- 10
- Numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine
- 12
- Bett
- 14
- Tisch
- 16
- Säule
- 18
- Spindelkopf
- 20
- Spindel
- 22
- Werkzeug
- 24
- Vorschubspindel
bzw. -schraube der Z-Achse
- 26
- Mutter
- 28
- Führungsschiene
der Z-Achse
- 30
- Mutter
- 32
- Vorschubspindel
der Y-Achse
- 34
- Führungsschiene
der Y-Achse
- 36
- Führungsschiene
der X-Achse
- 40
- Numerische
Steuereinheit
- 42
- NC
Programm
- 44
- Programmlese-
und Auswerteeinheit
- 46
- Speichereinheit
für interpretiertes
Programm
- 48
- Programmausführbefehlseinheit
- 50
- Bewegungsbefehlverteilungssteuereinheit
- 52
- Stellantriebssteuereinheit
- 54
- Zugspindelmotorantriebseinheit
- 56
- Berechnungssteuereinheit
- 58
- Subtraktor
- 60
- Positionssteuereinheit
- 62
- Subtraktor
- 64
- Geschwindigkeitssteuereinheit
- 64a
- Geschwindigkeitsschleifenzuwachs
- 64b
- Trägheit
- 66
- Detektionseinheit
- 68
- Beschleunigungsberechnungseinheit
- 70
- Belastungsdrehmomentberechnungseinheit
- 72
- Zeitkonstantenberechnungseinheit
- 74
- Belastungsdrehmomentkorrekturberechnungseinheit
- 76
- Belastungsdrehmomentdetektionseinheit
- 80
- Haftreibungskonektureinheit
- 82
- Geschwindigkeitskorrekturwert
- 84
- Drehmomentkonekturwert
- 90
- Geschwindigkeits-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit
- 92
- Beschleunigungs-Vorschub-Vorwärts-Steuereinheit
- 94
- Subtraktor
- 96
- Massenberechnungseinheit
- 98
- Massenspeichereinheit
- 100
- Gewichtdetektionseinheit
- 110
- Datenspeichereinheit
- 112
- Temperaturberechnungseinheit
- 114
- Beschleunigungs-
und Entschleunigungszeitkonstantenberechnungseinheit
- 116
- Beschleunigungs-
und Entschleunigungszeitkonstantenbefehlseinheit
- W
- Werkstück
- Mx
- X-Achsen-Vorschub-Servo-
bzw. Stellmotor
- My
- Y-Achsen-Vorschub-Servo-
bzw. Stellmotor
- Mz
- Z-Achsen-Vorschub-Servo-
bzw. Stellmotor
- PC
- Pulskodierer
- SP
- Positionsdetektor