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Querverweis
zu der zugehörigen
Anmeldung
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Diese
Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der vorhergehenden
japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-83696, angemeldet am 24.3.2006,
deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Servomotor-Steuerungsverfahren
und speziell auf ein Servomotor-Steuerungsverfahren
zum Antrieb einer Vorschubwelle einer Werkzeugmaschine oder eines
Armes eines Industrieroboters.
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Stand der
Technik
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Um
die Bewegungsgenauigkeit einer numerisch gesteuerten (NC) Werkzeugmaschine
oder eines Industrieroboters zu verbessern, muss die Genauigkeit
der Form jeder Komponente verbessert werden, und der Zusammenbau
von Mechanismen und die Einstellung eines Steuerungssystems müssen genau
ausgeführt
werden, um die Arbeitsgänge optimal
zu steuern.
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Zum
Beispiel in einem allgemeinen Servomotor-Steuerungssystem für einen
Servomotor in einer Werkzeugmaschine, die eine Zwei-Achsen Bogeninterpolations-Vorschubbewegung
ausführt,
ist eine Positionsschleife vorgesehen, die eine Abweichung zwischen
einem NC-Positionsbefehl und einem Rückkopplungssignalausgang aus
einem Positionsdetektor, der an einem Servomotor oder einem sich
bewegenden Bauteil angeordnet ist, wie zum Beispiel ein Tischschlitten,
der durch den Servomotor angetrieben wird, von null zulässt, und
es wird eine Geschwindigkeitsschleife für ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal,
das durch Differenzierung eines Positionsrückkopplungssignals erhalten
wird, bereitgestellt, um einen Ausgang einer Geschwindigkeitsschleifenverstärkung als
ein Drehmomentsteuerwert zu verwenden.
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Jedoch
kann in solch einem Servomotor-Steuerungssystem, wenn eine Drehrichtung
des Servomotors umgekehrt wird, die Bewegungsrichtung des sich bewegenden
Bauteils nicht direkt umgekehrt werden. Dies wird durch einen toten
Gang oder Reibung in einem Vorschubmechanismus verursacht. Wenn
solch ein Kreisbogenschneiden ausgeführt wird, wird ein Quadrant
eines Kreisbogens gewechselt, und ein aktueller Bewegungsweg weicht
ab von einem vorgegebenen Weg, so dass eine Ausbuchtung des Weges
auftreten kann. Das Phänomen wird
als eine Haftbewegung oder ein Quadrantenvorsprung bezeichnet und
wird einer der Verschlechterungsfaktoren in der Genauigkeit bei
der Konturbearbeitung, die einer der wichtigsten Verarbeitungsschritte
der Werkzeugmaschine ist.
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Das
Phänomen
gilt als Ursache für
den zeitweisen Ausfall einer Vorschubwelle. Genauer gesagt, wenn
die Bewegungsrichtung umgekehrt wird, muss ein Drehmoment entsprechend
einem Reibmoment umgekehrt werden. Jedoch in einer Führung, einem
Kugellager, einer Kugelgewindespindel oder dergleichen bekommt ein
Dreipunktkontakt einen Zweipunktkontakt, wenn die Bewegungsrichtung
des Servomotors umgekehrt wird. Daher tritt eine Verzögerung in
der Geschwindigkeitsschleife auf, so dass die Vorschubwelle zeitweise
angehalten werden kann.
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Um
den Fehler zu korrigieren sind Techniken zur Drehmomentkorrektur
zum Zeitpunkt der Umkehrung offenbart. Insbesondere die japanische
offen gelegte Patentanmeldungsveröffentlichung (JP-A) Nr. 10-63325
(Patentdokument), zuvor durch den Anmelder der vorliegenden Anmeldung
eingereicht, beschreibt, dass das Drehmoment nur zum Zeitpunkt der
Bewegungsrichtungsumkehr unterstützt
wird.
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Zusätzlich zu
dem Phänomen
zeigen neuere Forschungen, dass eine Reibung nach der Umkehr in eine
freie Zone, dass heißt
einen Bereich niedriger Reibung einer Kugelgewindespindel (bezeichnet
als Kugelkontaktzahl-Änderungsbereich),
geändert
wird. Wenn die sich ändernde
Reibung nicht korrigiert wird, wird der vorsprungförmige Bearbeitungsfehler
beibehalten, oder ein niedergedrückter
Abschnitt kann auftreten.
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Da
zum Beispiel die Technik, die in JP-A-10-63325 nicht mit dem Reibungswechsel,
der durch die zuvor genannte freie Zone verursacht wird, zurechtkommt,
kann der vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler nicht null werden.
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Als
Stand der Technik zum Bewältigen
eines durch die freie Zone verursachten Wechsels der Reibung beschreibt
die JP-A-7-13631
eine Technik zur Durchführung
der Steuerung mittels der Bestimmung der Start- und Endpositionen
der Korrektur basierend auf einem Bewegungsbetrag der Umkehr des
Servomotors und der Bereitstellung eines Geschwindigkeitsbefehls.
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Jedoch
in der in der JP-A-7-13631 (Patentdokument 2) offenbarten Technik
wird, da der Geschwindigkeitsbefehl korrigiert wird, der Korrekturbetrag
entsprechend einer Durchtrittsgeschwindigkeit in demselben Werkzeug
geändert.
Daher müssen
Befehlsbeträge
entsprechend den verschiedenen Durchtrittsgeschwindigkeiten vorbereitet
werden, so dass die Steuerung kompliziert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Servomotor-Steuerungsverfahren und ein System zur
Verfügung,
das in der Lage ist, einen Quadrantenvorsprung und einen Momentenwechsel
bezüglich
einer Reibung, die durch eine freie Zone zum Zeitpunkt der Umkehr
einer Kugelgewindespindel verursacht wird, zu korrigieren.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Servomotor-Steuerungsverfahren
vorgesehen, das direkt oder indirekt eine Position eines sich bewegenden
Bauteils erkennt, das eine kreisbogenförmige Interpolationsvorschubbewegung
durch einen Servomotor ausführt,
und das eine Rückkopplungssteuerung
ausführt,
um die Übereinstimmung der
Position des sich bewegenden Bauteils mit einem Positionsbefehl
zu ermöglichen,
wobei zu einer Quadrantwechselzeit, wenn eine Bewegungsrichtung
des sich bewegenden Bauteils geändert
wird, die Drehmomentkorrektur auf einem Drehmomentbefehlswert gemäß einem
Abstand von einer Position, wo die Bewegungsrichtung geändert wird,
ausgeführt
wird.
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Gemäß dem Servomotor-Steuerungsverfahren
der vorliegenden Erfindung werden die Positionen, wo die Korrektur
beginnt und endet, entsprechend dem Abstand von der Umkehr des Servomotors
bestimmt. Die Korrektur wird nicht auf ein Geschwindigkeitsbefehl
sondern auf ein Drehmomentbefehl hin ausgeführt. Daher kann der erforderliche Korrekturbetrag
nur aus einer Zeitmessung erhalten werden. Außerdem, obwohl die Quadrantendurchtrittsgeschwindigkeit
geändert
wird, wird der Korrekturbetrag nicht geändert, und eine stabile Korrektur kann
durchgeführt
werden. Außerdem
ist jede der Kugelgewindespindeln mit einer spezifischen Länge der
freien Zone versehen, und die Länge
der freien Zone wird nicht entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit
oder dergleichen geändert.
Daher wird die Drehmomentkorrektur entsprechend dem Abstand ausgeführt. Dementsprechend
kann eine geeignete Korrektur ohne Verwendung der Geschwindigkeit
ausgeführt
werden.
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Des
weiteren ist gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Servomotor-Steuerungsverfahren
vorgesehen, das umfasst: direktes oder indirektes Erkennen einer
Position eines sich bewegenden Bauelements, das eine kreisbogenförmige Interpolationsvorschubbewegung durch
einen Servomotor ausführt;
und Ausführen
einer Rückkopplungssteuerung,
um die Übereinstimmung
der Position des sich bewegenden Bauteils mit einem Positionsbefehl
zu ermöglichen;
wobei eine erste Drehmomentkorrektur für eine statische Reibung an
der Position ausgeführt
wird, wo die Bewegungsrichtung geändert wird, und eine zweite
Drehmomentkorrektur für
eine Reibung nach der Bewegung über
einen Abstand, der der freien Zone entspricht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Drehmomentkorrektursystem darstellt,
das ein Drehmomentsteuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
umsetzt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Drehmomentsteuerverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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3 ist
ein Diagramm, das ein DBB Messergebnis (Positionsfehler in einer
Kreisbogen-Radiusrichtung)
eines Kreisbogenquadranten-Wechselabschnitts
in einem Fall darstellt, in dem die Drehmomentkorrektur nicht durchgeführt wird;
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4 ist
ein Wellenformdiagramm, das eine Korrekturdrehmoment-Wellenform
zum Zeitpunkt der Bewegungsrichtungsumkehr darstellt;
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5 ist
ein Wellenformdiagramm, das einen Drehmomentbefehl darstellt, welcher
ein Korrekturdrehmoment in 4 widerspiegelt;
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6 ist
ein Diagramm, das ein DBB Messergebnis in einem Fall darstellt,
in dem ein vorsprungförmiger
Bearbeitungsfehler im Vergleich mit dem Fall der 3 weiter
reduziert ist;
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7 ist
ein Wellenformdiagramm, das einen Drehmomentbefehl in einem Fall
darstellt, in dem das Diagramm aus 6 erzielt
ist;
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8 ist
ein Diagramm, das ein DBB Messergebnis in einem Fall darstellt,
in dem ein niedergedrückter
Abschnitt innerhalb eines Kreisbogens durch Aufbringen eines großen Drehmoments
auftritt, um den vorsprungförmigen
Bearbeitungsfehler zu reduzieren;
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9 ist
ein Wellenformdiagramm, das einen Drehmomentbefehl darstellt, der
auf einen Servomotor in einem Fall aufgebracht wird, in dem das Ergebnis
der 8 erzielt ist;
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10 ist
ein Diagramm, das ein DBB Messergebnis in einem Fall darstellt,
in dem der vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler im Vergleich mit dem Fall der 6 weiter
reduziert ist;
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11 ist
ein Wellenformdiagramm, das eine Korrekturdrehmoment-Wellenform
in einem Fall darstellt, wo das Diagramm der 10 erzielt
ist;
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12 ist
ein Wellenformdiagramm, das einen Drehmomentbefehl darstellt, welcher
die Korrekturdrehmoment-Wellenform der 11 widerspiegelt;
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13 ist
ein Wellenformdiagramm, das eine Korrekturdrehmoment-Wellenform
darstellt, die ein Korrekturdrehmoment vom schrittweise absenkenden Typ
bezüglich
einer Bewegungsreibung verwendet, um einen Stoß zu reduzieren;
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14 ist
ein Wellenformdiagramm, das ein Korrekturdrehmoment in einem Fall
darstellt, wo eine freie Zone nicht vorhanden ist;
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15 ist
ein Wellenformdiagramm, das ein Korrekturdrehmoment vom schrittweise
absenkenden Typ in einem Fall darstellt, wo eine freie Zone nicht
vorhanden ist; und
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16 ist
ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel darstellt, wo ein Korrekturdrehmomentmuster
bezüglich
einer Bewegungsreibung vorbestimmte ansteigende und absteigende
Winkel aufweist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Im
Folgenden wird einen Servomotor-Steuerungsverfahren gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben.
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2 stellt
das Drehmoment-Steuerungsverfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung dar, und 1 stellt einen Gesamtaufbau
eines Servosystems für
die Anwendung des Drehmoment-Steuerungsverfahrens dar. Vor deren
Beschreibung wird zuerst ein Überblick
einer Drehmomentkorrektur für
den Servomotor gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In der späteren
Beschreibung wird ein Beispiel einer Korrektur eines vorsprungförmigen Bearbeitungsfehlers,
der zum Zeitpunkt der Umkehr einer Kugelgewindespindel auftritt,
die eine freie Zone von 0,02 mm aufweist, erläutert.
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3 stellt
einen Positionsfehler in einer Kreisbogen-Radiusrichtung in einem Zustand dar,
in dem eine spezielle Drehmomentkorrektur nicht ausgeführt wird.
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In 3 veranschaulicht
eine gestrichene Linie einen originalen Kreisbogen und eine durchgezogene
Linie veranschaulicht die Form eines Bearbeitungsfehlers. In 3 ist
die Form des Bearbeitungsfehlers zu dessen besseren Verständnis übertrieben. Die
mittlere vertikale Linie bezeichnet eine Quadrantwechselzeit zum
Zeitpunkt der Umkehr der Bewegungsrichtung. Es ist zu sehen, dass
ein vorsprungförmiger
Bearbeitungsfehler (Quadrantenvorsprung) an der Quadrantwechselposition
beginnt, wo ein eigentlicher Bewegungspfad von einem Befehlspfad abweicht.
Wie oben beschrieben, wird der vorsprungförmige Bearbeitungsfehler als
von der Antwortverzögerung
der Geschwindigkeitsschleife zum Quadrantwechselzeitpunkt und dem
zeitweisen Ausfall der Vorschubwelle verursacht betrachtet. Außerdem wird
der vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler als von dem Einfluss der freien Zone verursacht
betrachtet, wobei dort fast keine Reibung vorhanden ist. Da der
vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler eine Qualität
eine Bearbeitungsform eines Produkts ernsthaft verschlechtert, muss
der vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler geeignet korrigiert werden.
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Das
Diagramm der 3 wird erzielt durch ein Präzisionsform-Messverfahren,
genannt Doppel-Kugel-Stangen-(double
ball bar DBB) Messung. Das DBB ist durch Professor Dr. Yoshiaki
Kakino des Department of Precision Engineering der Universität Kyoto
entwickelt worden. Das Prinzip ist folgendes. Eine Vorrichtung,
in der Hochpräzisionskugeln
an Enden einer Stange eines ausziehbaren Messkörpers vorgesehen sind, der
eine Moirè Skala
aufweist, wird durch eine magnetische Platte zwischen eine Hauptachse
einer NC-Werkzeugmaschine
und einen Tisch gesetzt. Eine Kreisbogen-Interpolationsbewegung wird in den XY-,
YZ- und ZX-Ebenen bezüglich einer
Mitte einer Kugel ausgeführt.
Ein sich erstreckender Betrag, der aus einem Fehler zwischen einem
Befehlswert und einer eigentlichen Bewegung der Werkzeugmaschine
erzeugt wird, wird erfasst, und ein Abbild des Pfades wird unter
Verwendung eines Personalcomputers erhalten. Eine Ursache des Bewegungsfehlers
kann basierend auf dem erhaltenen Pfad analysiert werden.
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Durch
die Verwendung des DBB Messsystems wird der Fehler der NC-Werkzeugmaschine
bei der Kreisbogen-Interpolationsbewegung erfasst, und die Ursache
für den
Bewegungsfehler kann aus dem Bewegungsfehlerpfad erhalten werden,
der durch Analyse der Bewegungsgenauigkeit erhalten wird. Dementsprechend
kann die Genauigkeit der NC-Werkzeugmaschine verbessert werden,
und die Qualität
der Bearbeitung eines Produkts kann stabilisiert werden.
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Um
den in 3 gezeigten vorsprungförmigen Bearbeitungsfehler zu
reduzieren, wird eine in 4 gezeigte Korrekturdrehmoment-Wellenform auf
einen Servoverstärker
zum Zeitpunkt der Umkehr der Bewegungsrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebracht.
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Bezüglich 4 wird
ein erstes Korrekturdrehmoment Trq1 für eine statische Reibung, dass heißt eine
Last zum Zeitpunkt der Umkehr aufgebracht, und danach wird ein zweites
Korrekturdrehmoment Trq2 für
eine Bewegungsreibung, dass heißt eine
Belastung zum Zeitpunkt des Bewegungsstarts nach der Umkehr erzeugt
entsprechend einem Abstand von der Quadrantwechselposition, dass
heißt der
Position der Umkehr. Der erste Korrekturdrehmomentbefehl Trq1 für die statische
Reibkraft ist ein einmaliger Pulsbefehl (ein Schuss). Der zweite
Korrekturdrehmomentbefehl Trq2 für
die Bewegungsreibkraft ist ein Drehmomentbefehl, der über eine
gewisse Distanz beibehalten wird.
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Ein
letzter Drehmomentbefehl, der dem zuvor genannten Korrekturdrehmoment
hinzugefügt
ist, wird auf den Servomotor wie in 5 gezeigt
aufgebracht. In dem Ausführungsbeispiel,
bezüglich
des Korrekturbefehlswerts, ist in dem ersten Korrekturdrehmoment
Trg1 der Drehmomentwert festgelegt, um als ein großer Minuswert
zum Quadrantenumkehrzeitpunkt unterschritten zu werden und um in
einer freien Zone fast Null zu sein. Nachfolgend wird in dem zweiten
Korrekturdrehmoment Trg2 das Drehmoment der Umkehrrichtung festgelegt,
um schrittweise erhöht
zu werden.
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Um
den vorsprungförmigen
Bearbeitungsfehler zu reduzieren wird die Korrekturdrehmoment-Wellenform
so bestimmt, dass eine optimale Drehmomentbefehl-Wellenform erzielt
werden kann. Bei der Korrektur wird ein Drehmoment für die Reibung
zum Zeitpunkt der Umkehr unterstützt
(korrigiert). Der Korrekturbetrag wird mit Bezug auf das Ergebnis
der DBB Messung eingestellt, so dass ein niedergedrückter Abschnitt
nicht auftritt. In einem Fall, wo ein willkürliches positives Korrekturdrehmoment gesetzt
ist, ist das Ergebnis der DBB Messung in 6 gezeigt.
Im Vergleich mit 3 ist der vorsprungförmige Bearbeitungsfehler
reduziert, aber leicht verblieben. Das Ergebnis der Messung einer Drehmoment-Wellenform, die auf
den Servomotor in diesem Fall aufgebracht ist, wird in 7 veranschaulicht.
In diesem Fall ist zu sehen, dass dort keine große Unterschreitung wie in 5 vorhanden
ist.
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Um
den vorsprungförmigen
Bearbeitungsfehler zu reduzieren, wird ein größeres Drehmoment aufgebracht.
Das Ergebnis der DBB Messung ist in 8 gezeigt,
und der auf den Servomotor aufgebrachte Drehmomentbefehl ist in 9 gezeigt.
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In
dem in 8 gezeigten Ergebnis der DBB Messung tritt der
niedergedrückte
Abschnitt innerhalb des Kreisbogens auf. Daher ist es verständlich, dass,
wenn nur das Korrekturdrehmoment erhöht wird, die Genauigkeit der
Form abnimmt.
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Daher,
um die Genauigkeit der Form zum Quadrantwechselzeitpunkt zu erhöhen, ist
es wichtig, den Drehmomentkorrekturbetrag für die statische Reibung zum Quadrantwechselzeitpunkt,
den Drehmomentkorrekturbetrag für
die Bewegungsreibung nach der freien Zone und deren optimale Kombination
in den aufeinander folgenden Korrekturabschnitten zu erzielen und
die Drehmomentunterstützung basierend
auf den erhaltenen Drehmomentkorrekturbeträgen durchzuführen.
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Daher,
während
die DBB Messung an verschiedenen Drehmomentkorrekturbeträgen und
Korrekturabschnitten durchgeführt
wird, wird der optimale Korrekturdrehmomentbetrag bestimmt, so dass der
niedergedrückte
Abschnitt nicht auftritt und der vorsprungförmige Bearbeitungsfehler minimiert
wird. Das erhaltene Ergebnis der DBB Messung ist in 10 gezeigt,
und dessen Korrekturdrehmoment-Wellenform ist in 11 gezeigt.
Außerdem
ist das Ergebnis der Messung der Drehmomentbefehl-Wellenform, die
durch Aufbringen der Korrekturdrehmoment-Wellenform erhalten worden
ist, in 12 gezeigt. Es ist zu erkennen,
dass der vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler der 10 deutlich reduziert ist im
Vergleich mit 5, wo keine Korrektur durchgeführt worden
ist.
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Vorzugsweise
wird der optimale Korrekturdrehmomentbetrag zuvor aus verschiedenen
Betriebsbedingungen berechnet und als ein Parameter in einem Speichermittel
gespeichert, wie zum Beispiel einer Parametererzeugenden Einheit,
die in einer später
beschriebenen Korrekturbetrags-Berechnungseinheit eingeschlossen
ist.
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Andererseits
in einem Fall, wo ein Drehmoment unterstützt wird, um eine Verzögerung zu
entfernen, die durch eine Reibung der Werkzeugmaschine über einem
vorbestimmten Abschnitt verursacht wurde, ein rechtwinklig geformter
Drehmomentkorrekturbetrag, dessen Korrekturdrehmoment abrupt Null
wird, nachdem eine gewisse Distanz passiert wurde, so dass ein Aufprall
auf die Bewegung der Vorschubwelle ausgeübt werden kann. Dieser Fall
ist in 11 und 12 gezeigt.
Wie in 11 gezeigt, wird das Korrekturdrehmoment
für die
Bewegungsreibung abrupt Null nach einem vorbestimmten Intervall.
Wie in 12 gezeigt, tritt zu diesem
Zeitpunkt ein diskontinuierlicher Abschnitt in der entsprechenden
Drehmoment-Wellenform auf, so dass der Aufprall, der durch den abrupten
Wechsel in dem Drehmomentwert verursacht wird, erzeugt wird.
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Wie
in 14 gezeigt, wird, um das Auftreten des Aufpralls
zu verhindern, bezüglich
des Drehmomentkorrekturbetrags für
die Bewegungsreibung eine Drehmomentkorrektur vom schrittweise absenkenden
Typ durchgeführt,
wobei der Korrekturdrehmomentwert schrittweise entsprechend dem
Abstand abgesenkt wird, anstelle der rechtwinklig geformten Drehmomentkorrektur
der 11.
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In
dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel
ist eine Kugelgewindespindel dargestellt, die eine freie Zone aufweist.
Jedoch in einigen Fällen kann
anstelle der Kugelgewindespindel ein Linearmotor, der keine freie
Zone aufweist, verwendet werden. In dem Linearmotor ist eine Antriebskraftquelle direkt
mit einer Antriebswelle verbunden, so dass solch eine Stahlkugel
der Kugelgewindespindel nicht vorgesehen werden muss. Da dort keine
freie Zone vorhanden ist, kann eine Drehmomentkorrektur durchgeführt werden,
wobei das erste und zweite Korrekturdrehmoment Trg1 und Trg2 der 11 und 13 kontinuierlich
miteinander verbunden sind. Daher kann die Drehmomentkorrektur unter
Verwendung des ersten Korrekturdrehmoments Trg1 ausgelassen werden.
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Ein
Beispiel einer typischen Korrekturdrehmoment-Wellenform im Falle
keiner freien Zone ist in 14 gezeigt.
Die Korrekturdrehmoment-Wellenform entspricht der 11.
Desgleichen ist die Korrekturdrehmoment-Wellenform vom schrittweise
absenkenden Typ im Falle keiner freien Zone in
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15 gezeigt.
Die Korrekturdrehmoment-Wellenform entspricht der 13.
In allen Fällen
wird die Drehmomentkorrektur für
die Bewegungsreibung entsprechend dem Abstand von dem Quadrantenumkehrzeitpunkt
durchgeführt.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Servosteuerungssystem einer Werkzeugmaschine
für die Anwendung
des zuvor genannten Servomotor-Steuerungsverfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt. In dem Ausführungsbeispiel ist eine vorbestimmte
Last auf einem Tisch der NC-Werkzeugmaschine montiert. Der Tisch wird
in einer Kreisbogen-Interpolationsvorschubbewegung mit einem vorbestimmten
Kreisbogenradius bei einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit bewegt.
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Bezüglich 1 treibt
der Servomotor 13 die Rotation einer Vorschubspindel einer
Vorschubwelle an. Der Servomotor führt eine Zweiachsensteuerung für Vorschubwellen
des Tisches und des Schlittens rechtwinklig zueinander durch und
wendet die Kreisbogen-Interpolationsvorschubbewegung auf den Tisch
an.
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Nun
werden ein Aufbau und die Abläufe
des Servosystems nacheinander beschrieben.
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Wenn
ein NC-Befehlsprogramm aus einem ROM (nicht gezeigt) einer Steuereinheit
ausgelesen wird oder extern zugeführt wird, wird der NC-Befehl durch
eine Analyseeinheit analysiert, um in einen NC-Ausführungswert
konvertiert zu werden. Ein Geschwindigkeitsbefehlswert V-CMD wird
aus einem Kreisbogenradius extrahiert, ein Positionsbefehl entsprechend
einer Vorschubgeschwindigkeit und dergleichen in den Ausführungswert
durch eine Verteilungseinheit 3 eingeschlossen und zu einer
Integrationseinheit 4 übertragen.
Der Geschwindigkeitswert wird in der Integrationseinheit 4 integriert,
um als ein Positionsbefehlswert P-CMD ausgegeben zu werden.
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Der
Ausgang der Integrationseinheit 4 wird durch einen Subtraktionskreis 5 zu
einer Positionsschleifen- Verstärkungseinheit 6 übertragen,
so dass eine Positionsschleifenverstärkung erhalten wird. Die Positionsschleifenverstärkung wird
durch einen Subtraktionskreis 7 übertragen, um auf eine Integrationseinheit 8 und
auf einen Eingangsanschluss eines Additionskreises 9 aufgebracht
zu werden. Ein Ausgang der integrationseinheit 8 wird auf
den anderen Eingangsanschluss der Additionseinheit 9 aufgebracht. Ein
Ausgang des Additionskreises 9 wird auf die Geschwindigkeitsschleifen-Verstärkungseinheit 10 aufgebracht,
so dass eine Geschwindigkeitsschleifenverstärkung erhalten wird. Die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung wird
durch einen Additionskreis 11 in einen Servoverstärker 12 eingegeben.
Der Ausgang des Servoverstärkers 12 wird
einem Servomotor 13 zugeführt, so dass der Servomotor 13 angetrieben
wird. Der Servomotor 13 ist mit einem Rotationspositionsdetektor 14 versehen,
wie zum Beispiel einem Drehwertgeber, so dass die Rotation des Servomotors
erfasst werden kann.
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Ein
Ausgang des Rotationspositionsdetektors 14 wird auf den
anderen Eingangsanschluss des Subtraktionskreises 5 aufgebracht.
Außerdem
wird der Ausgang des Rotationspositionsdetektors durch eine Differenzierungseinheit 15 differenziert.
Deren differenzierter wert wird auf den anderen Eingangsanschluss
der Subtraktionseinheit 7 und auf eine den Korrekturbetrag
berechnende Einheit 16 als eine Geschwindigkeitsrückkopplung
(V-FBK) aufgebracht. Der zuvor genannte Geschwindigkeitsbefehlswert (V-CMD)
und der Positionsbefehlswert (P-CMD) werden in die den Korrekturbetrag
berechnende Einheit 16 eingegeben. Die den Korrekturbetrag
berechnende Einheit 16 berechnet einen Drehmomentkorrekturbetrag
Trq, der auf Parametern beruht, die von einer Parameterzufuhreinheit 17 zugeführt werden, welche
Parameter speichert, die zu einem zuvor erhaltenen optimalen Drehmomentkorrekturbetrag
gehören.
Der erhaltende Drehmomentkorrekturbetrag wird auf den anderen Eingangsanschluss
des Additionskreises 11 gegeben. Daher weist das Servosteuerungssystem
zwei Rückkopplungschleifen
auf, dass heißt
die Positionsrückkopplungschleife
und die Geschwindigkeitsrückkopplungschleife.
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Dementsprechend
wird die Servosteuerung durchgeführt
basierend auf dem Drehmomentwertbefehlswert, der mit der Drehmomentkorrektur
angewendet wird, so dass Abweichungen von der Position und Geschwindigkeit
des Servomotors 13 von den Befehlswerten Null werden.
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Unter
den Verarbeitungsblöcken
in 1 führt
zumindest die Verteilungseinheit 3, die Integrationseinheit 4,
die Positionsschleifen-Verstärkungseinheit 6,
die Integrationseinheit 8, die Differenzierungseinheit 15 und
die den Korrekturbetrag berechnende Einheit 16 die entsprechenden
Prozesse einer Periode aus, die durch Multiplikation einer Abtastperiode
erhalten wird.
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Außerdem kann
die Position der Vorschubwelle erfasst werden durch Verwendung verschiedener
direkter oder indirekter Positionserfassungseinheiten wie zum Beispiel
ein Laserinterferrometer oder ein Positionsdetektor vom Piezotyp
sowie der zuvor genannte Drehwertgeber.
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Entsprechend
dem in 1 gezeigten Aufbau werden der Geschwindigkeitsbefehlswert V-CMD,
der von der Verteilungseinheit 3 ausgegeben wird, der Positionsbefehlswert
P-CMD, der von der Integrationseinheit für den Geschwindigkeitsbefehl ausgegeben
wird, und die Geschwindigkeitsrückkoppelung
V-FBK, die von der Differenzierungseinheit 15 ausgegeben
wird, welche die Positionsrückkopplung differenziert,
die von dem Positionsdetektor 14 ausgegeben wird, in die
den Korrekturbetrag berechnende Einheit 16 eingegeben.
Die den Korrekturbetrag berechnende Einheit 16 erhält den Drehmomentkorrekturbetrag
Trq mit Bezug auf den Drehmomentwertbefehlswert für den Servoverstärker 12.
Genauer gesagt umfasst der zuvor genannte Drehmomentkorrekturbetrag
einen ersten Drehmomentkorrekturbetrag, der einer statischen Reibung
zum Zeitpunkt der Umkehr der Bewegungsbefehlsrichtung entspricht, und
einen zweiten Drehmomentkorrekturbetrag, der einer Bewegungsreibung
entspricht.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das die Prozesse der den Korrekturbetrag berechnenden
Einheit 16 veranschaulicht, die den Drehmomentkorrekturbetrag
ausgibt, der auf den Drehmomentbefehl für den Servoverstärker 12 angewendet
wird. Obwohl die Steuerung der Vorschubwelle 1 dargestellt
ist, kann dieselbe Steuerung an anderen Wellen ausgeführt werden.
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Nachdem
der Prozess beginnt, wird bestimmt, ob die Bewegungsbefehlsrichtung
umgekehrt wird oder nicht (Schritt ST1). Wenn die Bewegungsbefehlsrichtung
nicht umgekehrt wird, endet der Prozess. Wenn die Bewegungsbefehlsrichtung
umgekehrt wird, wird bestimmt, ob die durch den Positionsdetektor 14 erhaltende
Geschwindigkeit Null oder umgekehrt ist (Schritt ST2). Wenn nicht,
endet der Prozess. Die Umkehr der durch den Positionsdetektor 14 erhaltenen
Geschwindigkeit kann bestimmt werden durch die Bestimmung, ob ein
Vorzeichen des Geschwindigkeitsrückkopplungssignals,
das von der Differenzierungseinheit 15 ausgegeben wird,
umgekehrt ist oder nicht.
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Wenn
in Schritt ST2 bestimmt worden ist, dass die Geschwindigkeit null
oder umgekehrt ist, wird bestimmt, ob die Bewegungsbefehlsrichtung umgekehrt
ist und der Prozess der erste Prozess ist, nachdem die Geschwindigkeit
null oder umgekehrt ist (Schritt ST3).
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Wenn
die Bedingung des Schrittes ST3 erfüllt ist, wird der erste Drehmomentkorrekturbetrag Trg1
zur Korrektur der statischen Reibung in dem ersten Pfad (Prozess)
zu einem Zeitpunkt (ein Schuss) vorbereitet (Schritt ST4). Wie oben beschrieben,
wird der Korrekturbetrag durch einen vorherigen Prozess oder eine
Simulation bestimmt als ein Wert in solch einem Bereich, dass der
vorsprungförmige
Bearbeitungsfehler so klein wie möglich ist und der niedergedrückte Abschnitt
innerhalb des Kreisbogens nicht auftreten kann. Der Korrekturbetrag
wird in einem Speicher (nicht gezeigt) einer Steuereinheit gespeichert.
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Wenn
der Prozess nicht als erster Prozess in dem Schritt ST3 bestimmt
wird, wird basierend auf dem Positionsbefehlswert P-CMD und dem Positionsrückkopplungswert
bestimmt, ob der Abstand von der Umkehrposition jenseits der freien
Zone ist (Schritt ST5). Wenn der Abstand in der freien Zone erst,
wird die Korrektur für
die Bewegungsreibung nicht durchgeführt, sondern der Prozess endet.
Gleichermaßen
wird basierend auf dem Positionsbefehlswert P-CMD und dem Positionsrückkopplungswert
bestimmt, ob der Abstand von der Umkehrposition jenseits der freien
Zone und in der Korrekturzone ist oder nicht (Schritt ST6). Wenn
der Abstand jenseits der Korrekturzone ist, endet der Prozess. Wenn der
Abstand in der Korrektur Zone ist, wird der zweite Drehmomentkorrekturbetrag
Trg2 für
die Bewegungsreibung vorbereitet (Schritt ST7). Der Befehl für den Endzeitpunkt
des zweiten Drehmomentkorrekturbetrags Trg2 wird basierend auf der
ermittelten Position erzeugt.
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Der
erste in Schritt ST4 erhaltene Drehmomentkorrekturbetrag Trq1 und
der zweite in Schritt ST7 erhaltende Drehmomentkorrekturbetrag Trg2 werden
durch die den Korrekturbetrag berechnende Einheit 16 auf
den Drehmomentbefehl in dem Servoverstärker 12, wie in 1 gezeigt,
aufgebracht (Schritt ST8). Nachfolgend wird der Drehmomentbefehl
auf den Servomotor 13 aufgebracht, so dass dessen Antrieb
ausgeführt
wird.
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Wie
in den 14 und 15 beschrieben, werden
in einem Fall, in dem keine freie Zone vorhanden ist, die Schritte
ST5 und ST6 von den Prozessen der in dem Flussdiagramm der 2 gezeigten
den Korrekturbetrag berechnenden Einheit 16 ausgelassen,
und der zweite Drehmomentkorrekturbetrag Trg2 für die Bewegungsreibung wird
als der Drehmomentkorrekturbetrag Trq verwendet.
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Wie
oben beschrieben, wird mit Blick auf die Vorbereitung des Drehmomentkorrekturbetrags
Trq der Drehmomentbefehl zur Korrektur der statischen Reibung vorbereitet,
wenn die Bewegungsbefehlsrichtung umgekehrt wird und der Prozess
der erste Prozess ist, nachdem die von dem Positionsdetektor erhaltende
Geschwindigkeit Null oder umgekehrt ist, und wird der Drehmomentbefehl
zur Korrektur der Bewegungsreibung vorbereitet, wenn der Abstand von
der Umkehrposition jenseits der freien Zone und innerhalb der Drehmomentkorrekturzone
ist, in einem Fall, wo der Prozess nicht der erste Prozess ist, nachdem
die von dem Positionsdetektor erhaltende Geschwindigkeit Null oder
umgekehrt ist.
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Daher
wird der Drehmomentbefehl zum Quadrantwechselzeitpunkt, wenn die
Bewegungsrichtung des sich bewegenden Bauteils, das eine Kreisbogen-Interpolationsvorschubbewegung
durch den Servomotor ausführt,
gewechselt wird, erfasst. Die Drehmomentkorrektur wird auf den Drehmomentbefehlswert
in einem Bereich durchgeführt,
in dem eine spezielle freie Zone der Kugelgewindespindel entsprechend
einem Zugdrehmomentmodell in solch einer Richtung hinzugefügt ist,
dass das Reibmoment aufgehoben ist.
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Entsprechend
dem Servomotor-Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung werden
die Positionen, wo die Korrektur beginnt und endet, entsprechend
dem Abstand von der Umkehrung des Servomotors bestimmt. Die Korrektur
wird nicht auf dem Geschwindigkeitsbefehl, sondern auf dem Drehmomentbefehl
ausgeführt.
Daher kann der erforderliche Korrekturbetrag aus einer Messung an
nur einem Zeitpunkt erhalten werden. Außerdem wird, obwohl die Quadrantendurchgangsgeschwindigkeit
geändert
wird, der Korrekturbetrag nicht geändert, und eine stabile Korrektur
kann durchgeführt
werden. Außerdem
ist jede der Kugelgewindespindeln mit einer speziellen Länge der
freien Zone versehen, und die Länge
der freien Zone wird nicht gemäß der Bewegungsgeschwindigkeit
oder dergleichen geändert. Daher
wird die Drehmomentkorrektur entsprechend dem Abstand durchgeführt. Dementsprechend
kann eine geeignete Korrektur ohne die Verwendung der Geschwindigkeit
durchgeführt
werden.
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Obwohl
das Korrekturdrehmoment-Wellenformmuster für die Bewegungsreibung in fast
vertikaler Richtung zum Start- oder Endzeitpunkt ansteigt oder fällt in dem
zuvor genannten Ausführungsbeispiel,
kann das aktuelle Korrekturdrehmoment-Wellenformmuster zu einem vorbestimmten
Anstieg ansteigen oder fallen, wie in 16 gezeigt.
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Zur
Vereinfachung der Beschreibung kann die Endposition der freien Zone
als ein Referenzpunkt genommen werden, und die Korrekturdrehmoment-Wellenform
kann ein Trapezoid aufweisen, das einen ansteigenden Anstiegsbereich,
der durch die Gleichung t = (t1/a)x ausgedrückt wird, einen horizontalen
Bereich, der durch die Gleichung t = t1 ausgedrückt wird, und einen fallenden
Anstiegsbereich aufweist, der durch die Gleichung t = t2 – (t2/a)x
ausgedrückt
wird. In diesem Fall, wenn der fallende Anstieg niedrig gesetzt
wird, wird die Drehmomentkorrektur mehr schrittweise ausgeführt, so
dass, wie oben beschrieben, ein abrupter Wechsel, der einen Stoß auf die
Drehmomentkorrektur verursacht, vermieden werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das zuvor genannte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sondern
die vorliegende Erfindung kann an jeden Fall angepasst werden, wo
eine Drehmomentkorrektur auf dem Drehmomentbefehl zum Quadrantwechselzeitpunkt
entsprechend dem Abstand von der Quadrantwechselposition durchgeführt wird,
unabhängig
von den Typen einer steuerungssymmetrischen Welle oder einer Steuerungseinheit.