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PRIORITÄTSINFORMATION
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-282081 , eingereicht
am 31. Oktober 2008, die hiermit durch Bezugnahme in Gänze
zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht wird.
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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positionssteuervorrichtung,
die bei einer numerisch gesteuerten Maschine angewendet werden kann.
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2. Stand der Technik
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Herkömmlich
ist eine Werkzeugmaschine oder eine ähnliche industrielle
Maschine mit einem Zustellachsenantriebsmechanismus ausgestattet, der
eine Kugelumlaufspindel umfaßt. Beispielsweise enthält
die Werkzeugmaschine einen Servomotor, der die Kugelumlaufspindel,
welche an einer Abtriebswelle des Motors befestigt ist, drehen kann
und dazu eingerichtet ist, eine an einer Spindelmutter befestigte
Last linear anzutreiben. Aufgrund des oben beschriebenen Mechanismus
kann jedoch ein Kugelumlaufspindelteil aufgrund des Gewichts der
Last eine Biegung verursachen.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer herkömmlichen
Positionssteuervorrichtung veranschaulicht. Ein von einer Host-Vorrichtung (in
der Zeichnung nicht gezeigt) erzeugter Positionssollwert y* wird
in einen Motorrotationssollwert θ* konvertiert. Die Positionssteuervorrichtung
empfängt den Motorrotationssollwert θ* als eine
Eingabeführungsgröße.
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Die
herkömmliche Positionssteuervorrichtung setzt ein Feed-Forward-Steuersystem
ein, um die Antwort des Motors zu verbessern. Das Feed-Forward-Steuersystem
kann eine Biegung, die von der Kugelumlaufspindel erzeugt werden
kann, kompensieren. Ein Biegungswert θdf der Kugelumlaufspindel kann
gemäß der folgenden Formel 1 erhalten werden,
wobei Mh ein Belastungsgewicht dargestellt, Ks eine Starrheit eines
Kugelumlaufspindelantriebssystems darstellt und θ* einen
Positionssollwert darstellt. θdf
= (Mh/Ks) × (d2θ*/dt2) Formel
1
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Ein
Block Ca (= (Mh/Ks) × s2) kann
den Biegungswert θdf gemäß der oben beschriebenen
Formel 1 berechnen. Ein Addierer 51 kann den Positionssollwert θ*
zu dem Biegungswert θdf addieren, um einen Positionssollwert θc
für die Steuerung zu erzeugen. Das Steuersystem kann den
Biegungswert θdf nach der Zeit differenzieren, um eine
Biegungsgeschwindigkeit Vdf zu erhalten. Das Steuersystem kann außerdem
den Positionssollwert θ* nach der Zeit differenzieren.
Ein Addierer 53 kann die Biegungsgeschwindigkeit Vdf zu
dem nach der Zeit differenzierten Wert des Positionssollwertes θ*
addieren, um einen Geschwindigkeits-Feed-Forward-Wert Vff zu erzeugen.
Das Steuersystem kann außerdem den Geschwindigkeits-Feed-Forward-Wert
Vff nach der Zeit differenzieren, um einen Beschleunigungs-Feed-Forward-Wert
Aff zu erhalten. Ein Konvertierungsblock Cb kann, basierend auf dem
Beschleunigungs-Feed-Forward-Wert Aff, einen Drehmoment-Feed-Forward-Wert τff
erhalten. Der Drehmoment-Feed-Forward-Wert τff entspricht
einem Motordrehmoment, das eine zu dem Beschleunigungs-Feed-Forward-Wert
Aff äquivalente Beschleunigung erzeugen kann.
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Die
herkömmliche Positionssteuervorrichtung umfaßt
außerdem die folgende Rückkopplungs-Regelungskonfiguration.
Eine von der Positionssteuervorrichtung zu steuernde Zieleinrichtung 50 hat
einen Mechanismus (nicht gezeigt), der einen Servomotor umfaßt,
der dazu eingerichtet ist, eine Last über eine Kugelumlaufspindel
anzutreiben, basierend auf einem Drehmomentsollwert τm,
der als eine Stellgröße eingegeben wird. Der Servomotor umfaßt
einen darin eingebauten Positionsdetektor (nicht gezeigt), der einen
Motordrehwinkel θm und eine Winkelgeschwindigkeit vm erfassen
kann. Ein Linearmaßstab (nicht gezeigt), der separat vorgesehen
ist, erfasst eine Position ”y” der Last. Das Steuersystem
multipliziert die Lastposition ”y” der Last mit einer
Konstante (2π/P), um eine Lastposition θi als einen
Umrechnungswert auf einer Motordrehachse unter Berücksichtigung
einer Steigungshöhe P der Kugelumlaufspindel zu erhalten.
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Ein
Subtrahierer 52 kann einen Positionsrückführwert θf
von dem Positionssollwert θc für die Steuerung
subtrahieren. Ein Positionsabweichungsverstärker Gp kann
eine Positionsabweichung (d. h., eine Ausgabe des Subtrahierers 52)
verstärken. Ein Addierer 54 kann die Ausgabe des
Positionsabweichungsverstärkers Gp zu dem Geschwindigkeits-Feed-Forward-Wert
Vff addieren, um einen Geschwindigkeitssollwert Vc zu erzeugen.
Ein Subtrahierer 55 kann die Motorrotationswinkelgeschwindigkeit
vm von dem Geschwindigkeitssollwert Vc subtrahieren, um eine Geschwindigkeitsabweichung
zu erhalten. Ein Geschwindigkeitsabweichungsverstärker Gv
kann eine Proportional-Integral-Verstärkung der Geschwindigkeitsabweichung
(d. h., der Ausgabe des Subtrahierers 55) durchführen.
Ein Addierer 56 kann die Ausgabe des Geschwindigkeitsabweichungsverstärkers
Gv zu dem Drehmoment-Feed-Forward-Wert τff addieren, um
den Drehmomentsollwert (d. h., Motordrehmomenterzeugung) τm
zu erzeugen.
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Die
folgende Formel 2 stelle eine Beziehung zwischen dem Positionsrückführwert θf
und anderen Parametern θm, θdf und θi
dar, welche unter Bezugnahme auf 4 erhalten
werden kann. θf = θm
+ G(S)[θi – (θm – θdf)] Formel 2
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In
der Formel 2 hat G(S) Verzögerungssystemübertragungseigenschaften,
gemäß derer G(S) einen größeren
Wert für eine niedrigfrequente Eingabe und einen kleineren
Wert für eine hochfrequente Eingabe in einem Bereich von
0 ≤ |G(S)| ≤ 1 annimmt.
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Demgemäß kann
in einem stabilen Zustand eine Beziehung θf = θi
+ θdf erfüllt werden. Die Rückkopplungsregelung
kann den Positionsrückführwert an den Positionssollwert θc
angleichen (d. h., θc = θf). Somit kann eine Beziehung θ*
= θi erreicht werden. Kurzum, das Steuersystem kann die
Lastposition ”y” exakt gemäß dem
Positionssollwert θ* steuern. Die oben beschriebene herkömmliche
Positionssteuerungsvorrichtung wird beispielsweise in
JP 3351990 B erörtert.
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Wie
oben beschrieben, führt die herkömmliche Positionssteuervorrichtung
eine Steuerung durch, um den Positionssollwert θ* und die
Belastungsposition θi durch Vorausführen der Motorposition
(d. h., des Motorrotationswinkels) θm um einen Wert, der
dem in dem Kugelumlaufspindelteil verursachten Biegungswert θdf
entspricht, einander anzugleichen. Jedoch kann ein Bauelement, das
das Antriebssystem trägt und fixiert, eine niedrige Starrheit haben.
Jenseits einer Lastposition, an der die Erfassung durch den Linearmaßstab
durchgeführt wird, kann ein Element mit einer geringeren
Starrheit vorhanden sein. In solchen Fällen kann die oben
beschriebene herkömmliche Positionssteuervorrichtung Biegungsanteile,
die von Maschinenelementen an den Teilen mit niedrigerer Starrheit
verursacht werden, nicht ausgleichen. Darüber hinaus vergrößert
sich in einer Maschine, die einen Teil aufweist, der schwach ist
oder eine unzureichende mechanische Starrheit hat, wenn es erforderlich
ist, die Zustellachse mit einer hohen Beschleunigung oder Verzögerung
anzutreiben, ein Biegungswert eines mechanischen Systems mit zunehmender
Beschleunigung.
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Die
Biegung in dem mechanischen System wird unten detaillierter beschrieben. 2A veranschaulicht
ein Modell, das einen schematischen Mechanismus eines Doppelständer-Bearbeitungszentrums
als ein Beispiel einer Werkzeugmaschine darstellt, die eine der
numerisch gesteuerten Maschinen ist. Ein Bett 11 ist stationär
auf dem Boden befestigt. Ein Tisch 12, der auf dem Bett 11 angeordnet
ist, kann sich in der X-Richtung bewegen. Ein Werkstück 18,
d. h., ein zu fräsendes oder zu bearbeitendes Objekt, wird
auf dem Tisch 12 montiert und fixiert.
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Ähnlich
wie das Bett 11 ist ein Paar von Ständern 13 starr
auf dem Boden befestigt. Eine Querführung 14 kann
sich relativ zu den Ständern 13 in einer durch
W gekennzeichneten Richtung bewegen. Ein Sattel 15 kann
sich relativ zu der Querführung 14 in einer durch
Y gekennzeichneten Richtung bewegen. Das Doppelständer-Bearbeitungszentrum
umfaßt einen Mechanismus, der dazu eingerichtet ist einen Schieber 16 in
einer durch Z gekennzeichneten Richtung (d. h., in der Aufwärts-
und Abwärts-Richtung) zu bewegen. Der Schieber 16 hat
ein vorderes Ende, das mit einem Spindelkopf ausgestattet ist. Das
Doppelständer-Bearbeitungszentrum kann ein an dem Spindelkopf
des Schiebers 16 angebrachtes Werkzeug 17 mit
einer höheren Geschwindigkeit drehen, um das Werkstück 18 zu
fräsen (zu bearbeiten).
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Im
folgenden wird unten eine betriebsmäßige Bewegung
in der Y-Richtung beschrieben. Ein Beispielsystem kann einen Servomotor
(nicht gezeigt) steuern, der an der Querführung 14 installiert ist
und als Y-Achsenantriebssystem dient, um den Sattel 15 über
eine Kugelumlaufspindel (nicht gezeigt) anzutreiben. Ein Linearmaßstab
(nicht gezeigt), der an der Querführung 14 angebracht
ist, kann die Position des Sattels 15 erfassen.
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Die
herkömmliche Positionssteuervorrichtung kann eine in dem
Kugelumlaufspindelteil erzeugte Biegungskomponente kompensieren,
um den Positionssollwert θ* und die Position θi
des Sattels 15 einander anzugleichen. Jedoch können
die die Querführung 14 tragenden Ständer 13 eine
niedrigere Starrheit haben, oder der Grad der Kopplung zwischen
den Ständern 13 und dem Boden kann gering sein.
In solchen Fällen, wenn beispielsweise der Sattel 15 in
der –Y-Richtung beschleunigt, erfahren die Querführung 14 und
die Ständer 13 Reaktionskräfte und verschieben
sich in der +Y-Richtung, wie in 2B veranschaulicht
ist. In diese Fall weicht selbst dann, wenn der Positionssollwert θ*
gleich der von dem Linearmaßstab erfassten Position 81 des Sattels 15 ist,
die absolute Position des Sattels 15 im Raum von einer
gewünschten Position um einen Versatzwert der Ständer 13 ab.
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In ähnlicher
Weise erfährt der an der Front des Schiebers 16 angebrachte
Spindelkopf eine Trägheitskraft, wenn der Sattel 15 in
der –Y-Richtung beschleunigt, wenn die Starrheit des Schiebers 16 gering
ist. Als Folge davon verschiebt sich der Spindelkopf in der +–Y-Richtung.
Dementsprechend weicht ein vorderes Ende des Werkzeugs 17 von
einer gewünschten Ortskurve im Raum ab. Somit verursacht
das Werkzeug 17 einen Versatz relativ zu dem Werkstück 18 (d.
h., eines zu bearbeitenden Objektes), und das Werkzeug 17 kann
eine Fräsoperation nicht an einer richtigen Position durchführen.
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Darüberhinaus ändert
sich der Lasteinwirkungspunkt in Abhängigkeit von der Position
der Querführung 14 relativ zu den Ständern 13 (d.
h., einem W-Achsen-Koordinatenwert) oder in Abhängigkeit
von einem Überstandsbetrag (d. h., einem Z-Achsen-Koordinatenwert)
des Schiebers 16 relativ zu dem Sattel 15. Mit
anderen Worten, die mechanische Starrheit der Ständer 13 oder
des Schiebers 16 verändert sich, und infolgedessen
ist der Wert der Biegung, die durch eine Beschleunigung des Sattels 15 erzeugt
wird, veränderlich.
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Die
von der vorliegenden Erfindung zu lösenden Probleme umfassen
ein Phänomen, dass in einem mechanischen System eine Biegung
dadurch erzeugt werden kann, daß ein Bauelement eine geringere
Starrheit hat, welches ein Antriebssystem trägt und fixiert,
und daß der Ort eines vorderen Endes eines Werkzeugs einen
Versatz relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück verursachen
kann. Darüberhinaus verändert sich der Versatzwert
entsprechend einer Stellung der Maschine.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionssteuervorrichtung
zur Verfügung zu stellen, die fortwährend eine
Biegung kompensieren kann, die in dem mechanischen System erzeugt
werden kann, selbst dann, wenn die Stellung der Maschine sich ändert.
Somit kann die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung das vordere Ende des Werkzeugs entlang einer
gewünschten Ortskurve bewegen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
eine Positionssteuervorrichtung zur Verfügung, die verwendbar
ist in einem Fall, daß ein Motor einen bewegbaren Teil
einer numerisch gesteuerten Maschine antreibt, um eine relative
Positionsbeziehung zwischen zwei Steuerobjekten zu verändern,
mit denen die numerisch gesteuerte Maschine versehen ist, wobei
die Positionssteuervorrichtung die Position des bewegbaren Teils basierend
auf einem Positionssollwert des Motors steuert, der von einer Host-Vorrichtung
eingegeben wird. Die Positionssteuervorrichtung umfaßt
eine Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit, die, basierend auf
Information, die eine Stellung des dazwischengeschalteten Bauelements
angibt, und auf Information, die eine Antriebsbeschleunigung des
bewegbaren Teils angibt, einen Maschinenbiegungswert-Schätzwert
berechnet, der einen relativen Versatzwert zwischen den zwei Steuerobjekten
repräsentiert, der durch eine Biegung eines Bauelements
verursacht werden kann, welches zwischen den zwei Steuerobjekten
geschaltet ist; eine Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit,
die einen Maschinenbiegungspositionskompensationswert berechnet
basierend auf dem Maschinenbiegungswert-Schätzwert zum
Kompensieren wenigstens einer Positionsabweichung, die durch eine
Biegung des dazwischengeschalteten Bauelements verursacht sein kann;
und eine Sollwert-Berechnungseinheit, die einen neuen Positionssollwert
für die Steuerung erzeugt, indem sie den Maschinenbiegungspositionskompensationswert
zu dem Positionssollwert addiert.
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In
einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die die Stellung des
dazwischengeschalteten Bauelements angebende Information ein Maschinenkoordinatenwert
des bewegbaren Teils in jeder axialen Richtung, und die die Antriebsbeschleunigung
des bewegbaren Teils angebende Information ist der Positionssollwert
des Motors. Die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit umfaßt
eine Speichereinheit, die Beschleunigungsproportionalitätsinformation
speichert, welche Information darstellt zum Berechnen eines Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten eines
Maschinenbiegungswerts, der sich entsprechend dem Maschinenkoordinatenwert
des bewegbaren Teils in jeder axialen Richtung ändert;
eine Beschleunigungsproportionalitätskoeffizient-Berechnungseinheit,
die den Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten des
Maschinenbiegungswerts gemäß einer gegenwärtigen
Stellung des dazwischengeschalteten Bauelements berechnet, basierend
auf dem Maschinenkoordinatenwert des bewegbaren Teils in jeder axialen
Richtung und der in der Speichereinheit gespeicherten Beschleunigungsproportionalitätsinformation;
zwei Diffenziatoren, die eine Sollbeschleunigung berechnen, die
einem Differenzialwert zweiter Ordnung des Positionssollwertes des Motors
entspricht; und einen Multiplizierer, der den Maschinenbiegungswert-Schätzwert
berechnet durch Multiplizieren des Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten
des Maschinenbiegungswertes mit der Sollbeschleunigung.
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In
einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens
eines der zwei Steuerobjekte an dem bewegbaren Teil angeordnet,
und die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit berechnet einen
in einer Bewegungsrichtung des bewegbaren Teils erzeugten Biegungswert
als den Maschinenbiegungswert-Schätzwert.
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In
einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt
die Positionssteuervorrichtung weiter eine Berechnungseinheit, die
einen Geschwindigkeitssollwert berechnet unter Verwendung eines Positionsabweichungsverstärkers,
der einen Differenzwert zwischen dem Positionssollwert des Motors und
einem Positionserfassungswert verstärken kann, und eine
Berechnungseinheit, die einen Drehmomentsollwert berechnet unter
Verwendung eines Geschwindigkeitsabweichungsverstärkers,
der einen Differenzwert zwischen dem Geschwindigkeitssollwert und
einem nach der Zeit differenzierten Wert des Positionserfassungswertes
verstärken kann. Die Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit
berechnet wenigstens einen eines Maschin enbiegungsgeschwindigkeitskompensationswertes
und eines Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswertes zusätzlich
zu dem Maschinenbiegungspositionskompensationswert, und die Sollwertberechnungseinheit
berechnet einen neuen Geschwindigkeitssollwert für die
Steuerung durch Addieren des Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswertes
zu dem Geschwindigkeitssollwert in einem Fall, bei dem der Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert
berechnet wird, und weiter berechnet die Sollwertberechnungseinheit
einen neuen Drehmomentsollwert für die Steuerung durch
Addieren des Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswertes zu dem
Drehmomentsollwert in einem Fall, bei dem der Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswert
berechnet wird.
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In
einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung berechnet die
Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit den Maschinenbiegungspositionskompensationswert
unter Verwendung eines Proportionalkompensators basierend auf dem
eingegebenen Maschinenbiegungswert-Schätzwert, berechnet
einen Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert unter Verwendung
eines Differenziators und eines Proportionalkompensators und berechnet
einen Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswert unter Verwendung
von zwei Differenziatoren, eines Beschleunigungs-Drehmoment-Konversionskoeffizienten
und eines Proportionalkompensators, wobei Positions-, Geschwindigkeits-
und Drehmoment-Kompensationswerte eingestellt werden durch Verändern
von Einstellwerten der Proportionalkompensatoren.
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In
den oben beschriebenen Fällen kann die Sollwertberechnungseinheit
einen neuen Geschwindigkeitssollwert für die Steuerung
berechnen durch Subtrahieren des Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswertes
von dem nach der Zeit differenzierten Wert des Positionserfassungswertes, der
als ein Geschwindigkeitsrückführwert dient. Außerdem
kann die Sollwertberechnungseinheit einen neuen Positionssollwert
für die Steuerung berechnen durch Subtrahieren des Maschinenbiegungspositionskompensationswertes
von dem Positionserfassungswert, der als ein Positionsrückführwert
dient.
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Die
Positionssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann fortwährend eine Biegung kompensieren, die
in dem mechanischen System generiert werden kann, selbst wenn die
Biegung durch die Starrheit eines Bauele ments verursacht wird, welches
ein Antriebssystem trägt und fixiert. Außerdem
ist sie angepaßt an einen sich gemäß der Stellung
der Maschine verändernden Betrag der Biegung. Somit kann
die Positionssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung das vordere Ende des Werkzeugs entlang einer gewünschten
Ortskurve bewegen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Positionssteuervorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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1B ist
ein Blockdiagramm, das einen inneren Aufbau einer Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit
veranschaulicht, mit der die Positionssteuervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist.
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1C ist
ein Blockdiagramm, das einen inneren Aufbau einer Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit
veranschaulicht, mit dem die Positionssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung versehen ist.
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2A veranschaulicht
ein Modell, das einen schematischen Mechanismus einer numerisch gesteuerten
Maschine darstellt, der ein von der vorliegenden Erfindung zu lösendes
Problem erzeugen kann.
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2B veranschaulicht
ein Modell, das den schematischen Mechanismus der numerisch gesteuerten
Maschine darstellt, der das von der vorliegenden Erfindung zu lösende
Problem erzeugt hat.
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3 ist
ein Graph, der Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform
veranschaulicht.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer herkömmlichen
Positionssteuervorrichtung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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2B veranschaulicht
ein Modell des Doppelständer-Bearbeitungszentrums als ein
Beispiel einer numerisch gesteuerten Maschine. In dem in 2B gezeigten
Modell wird angenommen, daß die Starrheit der die Querführung 14 tragenden
Ständer 13 gering ist oder der Grad der Kopplung
zwischen den Ständern 13 und dem Boden gering
ist, und daß die Starrheit des Schiebers 16 gering
ist. Wenn der Sattel 15 in der –Y-Richtung beschleunigt,
erfahren die Querführung 14 und die Ständer 13 Reaktionskräfte
und verschieben sich jeweils in der +Y-Richtung. Der an dem vorderen
Ende des Stößels 16 angebrachte Spindelkopf
erfährt eine Trägheitskraft. Als Folge davon verschiebt
sich der Spindelkopf in der +Y-Richtung. Das vordere Ende des Werkzeugs 17 weicht
von einer gewünschten Ortskurve im Raum ab.
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In
diesem Fall definiert die folgende Formel 3 einen Betrag der Biegung
oder Biegungswert εc der Ständer 13,
wobei Fc eine Belastung in Y-Richtung darstellt, die auf die Ständer 13 wirkt,
wenn der Sattel 15 beschleunigt, und Kc eine Starrheit
der Ständer 13 in Y-Richtung darstellt, die den
Kopplungsgrad zwischen den Ständern 13 und dem
Boden einschließt. εc
= Fc/Kc Formel 3
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In ähnlicher
Weise kann ein Biegungswert εr des Schiebers 16 gemäß der
folgenden Formel 4 definiert werden, wobei Fr eine auf den Schieber 16 aufgebrachte
Belastung in Y-Richtung darstellt und Kr eine Starrheit des Schiebers 16 in
Y-Richtung darstellt in einem Fall, bei dem der Sattel 15 beschleunigt. εr = Fr/Kr Formel 4
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Dementsprechend
verursacht das Werkzeug 17 einen durch die folgende Formel
5 ausgedrückten Versatz an seinem vorderen Ende. ε = εc + εr Formel 5
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In
den oben beschriebenen Formeln sind Fc und Fr proportional zur Beschleunigung α des
Sattels 15 (d. h., eines bewegbaren Teils). Somit kann
der Betrag des Versatzes oder Versatzwert ε des vorderen
Endes des Werkzeuges 17 ausgedrückt werden unter
Verwendung von zur Beschleunigung proportionalen Koeffizienten oder
Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten Gc, Gr und
G gemäß der folgenden Formel 6. ε = Fc/Kc + Fr/Kr = (Gc + Gr) × α =
G × α Formel
6
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Die
oben beschriebene Formel 6 definiert eine Beziehung zwischen der
Beschleunigung α, dem Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten G
und einem Gesamtbiegungswert eines Bauelements, das zwischen einem
zu bearbeitenden Werkstück und dem vorderen Ende des Werkzeuges 17 (d.
h., zwei Steuerobjekten) geschaltet ist. Die Formel 6 kann verwendet
werden, um einen Schätzwert eines zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück und dem vorderen Ende des Werkzeuges 17 verursachten
Maschinenbiegungswertes zu erhalten durch Verwendung einer Sollbeschleunigung
der Antriebsachse als die Beschleunigung α.
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Nun
sind die mechanische Starrheit Kc der Ständer 13 und
die mechanische Starrheit Kr des Schiebers 16 variabel
in Abhängigkeit von der Position der Querführung 14 relativ
zu den Ständern 13 oder in Abhängigkeit
von dem Überstandsbetrag des Schiebers 16 relativ
zu dem Sattel 15. Kurz gesagt, die Starrheit des mechanischen
Systems kann angesehen werden als variabel gemäß einem
W-Achsenkoordinatenwert oder einem Z-Achsenkoordinatenwert. Mit
anderen Worten, der Parameter G in der Formel 6 ist ein variabler
Parameter G(z, w), der in Abhängigkeit von einer W-Achsen-Position
oder einer Z-Achsen-Position variiert.
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1A ist
ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Positionssteuervorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht. 1B ist
ein Blockdiagramm, das einen detaillierten Aufbau einer in 1A veranschaulichten
Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 veranschaulicht. 1C ist
ein Blockdiagramm, das einen detaillierten Aufbau einer in 1A gezeigten Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 veranschaulicht.
In den in den 1A, 1B und 1C gezeigten
Blockdiagrammen sind Komponenten oder Teile, die den in 4 (d.
h., dem oben beschriebenen herkömmlichen Stand der Technik)
veranschaulichten ähnlich sind, durch dieselben Bezugszeichen
und Begriffe bezeichnet, und ihre Beschreibungen werden hier nicht
wiederholt.
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Verglichen
mit der oben beschriebenen herkömmlichen Positionssteuervorrichtung
umfaßt die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60,
die dazu eingerichtet ist, den Maschinenbiegungswert ε zu
schätzen, und die Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61,
die dazu eingerichtet ist, drei Arten von Maschinenbiegungskompensationswerten θmdf, Vmdf
und τmdf basierend auf dem Maschinenbiegungswert ε (d.
h., einem Schätzwert) zu berechnen, der von der Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 geschätzt
wurde.
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Die
Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 kann Positionssollwerte
x*, y*, z* und w* entsprechender Achsen von einer Host-Vorrichtung
empfangen. In der vorliegenden Ausführungsform können die
Positionssollwerte x*, y*, z* und w* der jeweiligen Achsen angesehen
werden als Stellungsinformation eines zwischen dem zu bearbeitenden
Werkstück und dem vorderen Ende des Werkzeugs 17 (d.
h. zwei Steuerobjekten) geschalteten Bauelements, d. h., Information,
die eine Maschinenstellung angibt.
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Die
Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 kann einen
Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten des Maschinenbiegungswerts
gemäß der Maschinenstellung berechnen, basierend
auf den eingegebenen Positionssollwerten x*, y*, z* und w* jeweiliger
Achsen und einer vorbestimmten Funktion G(x, y, z, w). Die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 kann
weiter dem berechneten Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten
mit einer Sollbeschleunigung (d. h., einem Differenzialwert zweiter
Ordnung des Positionssollwertes θ*) multiplizieren, um
den Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε zu berechnen.
Kurz gesagt, die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 führt
eine Berechnung gemäß der folgenden Formel 7 aus. ε = G(x, y, z, w) × (d2θ*/dt2) Formel 7
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Die
Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 empfängt
den Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε von der
Maschinenbiegungswert- Schätzeinheit 60. Weiter
kann die Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 den
Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf, den Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert
Vmdf und den Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswert τmdf
berechnen unter Verwendung von Differenziatoren und Proportionalkompensatoren
Cmp, Cmv und Cmt. Die Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 kann
die folgenden Formeln 8 bis 10 verwenden, um die oben beschriebenen
drei Arten von Maschinenbiegungskompensationswerten θmdf,
Vmdf und τmdf zu erhalten. θmdf
= Cmp × ε Formel
8 Vmdf
= Cmv × (dε/dt) Formel
9 τmdf
= Cmt × (d2ε/dt2) Formel
10
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Die
in 1A veranschaulichte Positionssteuervorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Feed-Forward-Kompensation
auf die in 4 veranschaulichte Positionssteuervorrichtung anwenden
in Bezug auf den Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf,
dem Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert Vmdf und
den Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswert τmdf,
die von der Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 ausgegeben
werden. Somit kann die in 1A veranschaulichte
Positionssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform die Ortskurve des vorderen Endes des Werkzeuges 17 so korrigieren,
daß sie identisch mit der gewünschten Ortskurve
ist.
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Insbesondere
enthält die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform einen Addierer 62,
der den Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf
zu der Ausgabe des Addierers 51 addieren kann, der in der
in 4 veranschaulichten herkömmlichen Positionssteuervorrichtung
vorgesehen ist, um den Positionssollwert θc für
die Steuerung in der vorliegenden Ausführungsform zu erhalten.
Weiter enthält die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform einen Addierer 63,
der den Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert Vmdf
zu der Ausgabe des Addierers 54 addieren kann, der in der
in 4 veranschaulichten herkömmlichen Positionssteuervorrichtung
vorgesehen ist, um den Geschwindigkeitssollwert Vc zu erhalten.
Die Positionssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält weiter einen Addierer 64, der
den Maschinenbie gungsdrehmomentkompensationswert τmdf zu
der Ausgabe des Addierers 56 addieren kann, der in der
in 4 veranschaulichten herkömmlichen Positionssteuervorrichtung
vorgesehen ist, um den Drehmomentsollwert τm zu erhalten.
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Die
Konfiguration der Funktion G(x, y, z, w) ist variierbar in Abhängigkeit
von dem Aufbau der Maschine. Eine FEM-(Finite-Elemente-Methode)-Analyse
oder eine tatsächliche Gerätevermessung können
verwendet werden, um die Funktion G(x, y, z, w) zu erhalten. Beispielsweise
können Koordinatenwerte jeweiliger Achsen und ein Beschleunigungswert
als Argumente verwendet werden, um eine Funktion zu erhalten, die
einen zwischen dem vorderen Endabschnitt des Werkzeuges 17 und
dem zu bearbeitenden Werkstück 18 verursachten
relativen Versatzwert darstellt.
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Beispielsweise
wird nun in 2B angenommen, daß der
Versatzwert des vorderen Endabschnittes des Werkzeuges 17 variabel
ist in Abhängigkeit von einer W-Achsen-Position oder einer Z-Achsen-Position
desselben, selbst wenn die Beschleunigung dieselbe ist. In diesem
Fall kann eine Wirkung der von den Ständern 13 verursachten
Biegung angenähert werden durch eine Funktion zweiten Grades,
die die W-Achsen-Position als ein Argument verwendet. Eine Wirkung
der von dem Schieber 16 verursachten Biegung kann angenähert
werden durch eine lineare Funktion, die eine proportionale Beziehung
zu der Z-Achsen-Position beschreibt. In diesem Fall kann die Funktion
G(x, y, z, w) ausgedrückt werden durch die folgende Formel
11, die Konstanten a, b, c und d verwendet. G(x, y, z, w) = a × (w*)2 +
b × w* + c × z* + d Formel 11
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Weiter
kann, verglichen mit dem in 2B veranschaulichten
Fall, in welchem die Summe einer Mehrzahl von Biegungskomponenten
verursacht, daß das vordere Ende des Werkzeuges 17 von
der gewünschten Ortskurve abweicht, eine an einem bestimmten
Teil erzeugte Biegung der einzige maßgebende Faktor sein,
der verursacht, daß das vordere Ende des Werkzeuges 17 von
der gewünschten Ortskurve abweicht. In einem solchen Fall
kann die Funktion G(x, y, z, w) bestimmt werden durch Berechnen physikalischer
Werte (z. B. einer mechanischen Starrheit und einem Belastungsgewicht)
an dem bestimmten Teil.
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Die
Berechnungseinheit, die den Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten
berechnet, der in der Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 zur
Verfügung gestellt wird, muß nicht als Funktion
G(x, y, z, w) konfiguriert sein. Beispielsweise kann der Proportionalitätskoeffizient
G bestimmt werden durch Bezugnahme auf eine Datentabelle, die im
voraus erstellt werden kann, basierend auf den Koordinatenwerten
jeweiliger Achsen.
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In 1A und 1B werden
Positionssollwerte x*, y*, z* und w* jeweiliger Achsen in die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 eingegeben. Jedoch
können diese Eingabewerte ersetzt werden durch die Werte
x, y, z und w, die als Positionserfassungswerte gelesen wurden.
Außerdem müssen die oben erwähnten Positionssollwerte
und die Positionserfassungswerte nicht von der Host-Vorrichtung angegeben
werden, und sie können von einer Positionssteuervorrichtung,
welche andere Achsen steuert, übermittelt werden.
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3 ist
ein Graph, der Wirkungen der Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Positionssteuervorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet den
Geschwindigkeitssollwert Vc und den Drehmomentsollwert τm
basierend auf dem von der Host-Vorrichtung empfangenen Positionssollwert θ*.
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In
diesem Fall ist, wenn das Feed-Forward-Steuersystem richtig funktioniert,
der Positionssollwert θc für die Steuerung im
wesentlichen gleich dem Positionsrückführwert θf
in einem Zustand, in welchen es keine wesentliche Nachlaufverzögerung in
der Steuerung gibt.
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Insbesondere
wird eine Belastung gemäß dem Drehmomentsollwert τm
auf ein Maschinenbauelement ausgeübt. Der in diesem Fall
in dem mechanischen System erzeugte Biegungswert und der Versatz ε des
vorderen Endes des Werkzeuges 17 werden proportional zu
dem Drehmomentsollwert τm.
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Es
wird nun angenommen, daß der Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf,
der proportional zu dem Drehmomentsollwert τm (d. h., dem
Beschleunigungs-Feed-Forward-Wert Aff) ist, zu dem Positionssollwert θ*
addiert wird. In dieser Ausführungsform wird zur Vereinfachung
der Beschreibung angenommen, daß der Maschinenbiegungspositionskompensationswert gleich
dem Versatz ε des vorderen Endes des Werkzeuges 17 ist
(d. h., θmdf = ε).
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Wie
oben beschrieben, ist θc – θf = 0. Wenn θc
= θ* + θmdf ist, ist daher θ* + θmdf – θf
= 0. Namentlich ist θ* – θf = –θmdf.
Der Positions-Rückführwert θf wird so
gesteuert, daß er um einen Wert von θmdf relativ
zu dem Positionssollwert θ* voreilt. Aufgrund der Wirkung
einer in dem mechanischen System verursachten Biegung wird jedoch
die Bewegung des vorderen Endabschnitts des Werkzeuges 17 um einen
Wert von ε(= θmdf) relativ zu dem Positions-Rückführwert θf
verzögert. Dementsprechend kann eine als Steuergröße
dienende ”voreilende Komponente” aufgehoben werden
durch eine von der Biegung des mechanischen Systems an dem vorderen
Endabschnitt des Werkzeugs 17 verursachte ”Verzögerungskomponente”.
Mit anderen Worten, die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung kann die Position des vorderen Endes des
Werkzeuges 17 an den Positionssollwert θ* angleichen.
Somit kann der vordere Endabschnitt des Werkzeuges 17 entlang
der gewünschten Ortskurve angetrieben werden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist es zum Erzielen der
oben beschriebenen Wirkungen erwünscht, daß der
Proportional-Kompensator Cmp der Maschinenbiegungskompensationswert-Berechnungseinheit 61 gleich
1 ist (Cmp = 1), so daß der Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε gleich
dem Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf wird.
Jedoch kann der Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε einen
Schätzfehler enthalten.
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Daher
mag es für den Zweck, einen geeigneten Kompensationswert
zu erhalten, wirkungsvoll sein, den Wert des Proportionalkompensators
Cmp zu erhöhen (z. B. Cmp = 1,2), um den Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf
zu erhöhen. Andererseits mag es für den Zweck,
zu verhindern, daß die Maschinenbiegungskompensation übermäßig
groß wird, wirkungsvoll sein, den Wert des Proportionalkompensators
Cmp zu verringern (z. B. Cmp = 0,8), um den Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf
zu dämpfen, falls erforderlich.
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Weiter
können in einem Fall, in dem die Antwort des Positionsrückkopplungs-Regelungssystems ausreichend
hoch ist, die oben beschriebenen Wirkungen selbst dann erhalten
werden, wenn die Werte der Proportionalkompensatoren Cmv und Cmt
auf 0 gesetzt sind (Cmv = 0 und Cmt = 0). Wenn andererseits das
Positionsrückkopplungs-Regelungssystem ein unzureichendes
Antwortband hat, ist es notwendig, die Werte der Proportionalkompensatoren
Cmv und Cmt unter Berücksichtigung des Wertes des Proportionalkompensators
Cmp zu setzen.
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Allerdings
ist der Maschinenbiegungs-Drehmomentkompensationswert τmdf
von seinem Aufbau her proportional zu einem Differentialwert vierter
Ordnung des Positionssollwertes θ*. Der Maschinenbiegungsdrehmomentkompensationswert τmdf
kann eine Impulswellenform in Abhängigkeit von dem Positionssollwert θ*
haben und kann einen Stoß auf das Antriebssystem aufbringen.
Um den oben beschriebenen Nachteil zu vermeiden, ist es wünschenswert,
die Proportionalkompensatoren Cmp, Cmv und Cmt so einzustellen,
daß sie eine Beziehung Cmp > Cmv > Cmt ≥ 0
erfüllen.
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Weiter
addiert in 1 die Positionssteuervorrichtung
den Maschinenbiegungspositionskompensationswert θmdf zu
dem Positionssollwert, um die Kompensation durchzuführen.
Jedoch kann eine ähnliche Wirkung erzielt werden durch
Subtrahieren des Maschinenbiegungspositionskompensationswertes θmdf
von dem basierend auf dem Positionserfassungswert berechneten Positionsrückführwert θf. In ähnlicher
Weise kann, statt den Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert
Vmdf zu dem Geschwindigkeitssollwert zu addieren, der Maschinenbiegungsgeschwindigkeitskompensationswert
Vmdf von dem Geschwindigkeitsrückführwert Vm subtrahiert
werden.
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Außerdem
erhält die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 Koordinatenwerte
jeweiliger Achsen von der Host-Vorrichtung, berechnet dann intern
einen Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten und
gibt weiter den Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε aus.
Jedoch kann die Host-Vorrichtung eine Berechnungseinheit enthalten,
die den Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten berechnen
kann. In diesem Fall kann die Maschinenbiegungswert-Schätzeinheit 60 dazu
eingerichtet sein, den Beschleunigungsproportionalitätskoeffizienten direkt
von der Host-Vorrichtung zu empfangen und den Maschinenbiegungswert-Schätzwert ε zu
berechnen.
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Die
Zieleinrichtung 50, welche einem Maschinenantriebssystem
entspricht, hat den Mechanismus, der den Servomotor umfaßt
und eingerichtet ist, um eine Last über die Kugelumlaufspindel
anzutreiben.
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Eine
gemäß der vorliegenden Erfindung zu verarbeitende
Biegung in dem mechanischen System ist nicht eine in dem Antriebssystem
selbst enthaltene Komponente (wie z. B. die Kugelumlaufspindel).
Die gemäß der vorliegenden Erfindung zu verarbeitende
Biegung ist eine von einem Maschinenbauelement, wie beispielsweise
dem Ständer 13 oder dem Schieber 16,
verursachte Biegung. Daher kann, wenn eine Maschinen einen Direkt-Antriebsmechanismus
mit einem Linearmotor hat, die Positionssteuervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung die Ortskurve des vorderen Endes des Werkzeuges 17 an
die gewünschte Ortskurve gemäß einem ähnlichen
Kompensationsverfahren angleichen.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die betriebsmäßige
Bewegung in der Y-axialen Richtung unter Bezug auf 2B beschrieben.
Jedoch kann die Technik zum Kompensieren einer in dem mechanischen
System verursachten Biegung gemäß der vorliegenden
Erfindung auf eine Bewegung in einer anderen axialen Richtung angewandt werden. Ähnliche
Wirkungen können erzielt werden. Wenn beispielsweise der
Schieber 16 in der Z-Richtung beschleunigt/verzögert
wird, verursacht die eine Last tragende Querführung 14 einen
Versatz in der Z-Richtung aufgrund einer von dem beschleunigten/verzögerten
Schieber 16 verursachten Biegung. Der Biegungswert des
Schiebers 16 ist klein, wenn der Sattel 15 nahe
dem Ständer 13 positioniert ist, und ist groß,
wenn der Sattel 15 in der Mitte der Querführung 14 positioniert
ist. Daher kann die Positionssteuervorrichtung einen Biegungskompensationswert
basierend auf einem Beschleunigungswert in der Z-Achsen-Richtung
berechnen. Weiter kann die Positionssteuervorrichtung den Kompensationswert gemäß einer
Y-Achsen-Position verändern, um fortwährend die
gemäß einer Änderung in der Maschinenstellung
erzeugte Biegung in der Z-axialen Richtung zu kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2008-282081 [0001]
- - JP 3351990 B [0011]