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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Regler zum Regeln einer Werkzeugmaschine
und, genauer gesagt, einen Positionsregler für ein angetriebenes Element
in Bezug auf ein Maschinen-Bearbeitungsende in der Werkzeugmaschine.
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2. Beschreibung des nächsten Standes der Technik
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Zum
Regeln der Position und Geschwindigkeit eines angetriebenen Elements,
das von einem Servomotor angetrieben wird, werden in Werkzeugmaschinen
gewöhnlich
eine Positions-Feedbackregelung und eine Geschwindigkeits-Feedbackregelung
sowie eine Strom-Feedbackregelung durchgeführt. So lassen sich Position
und Geschwindigkeit des angetriebenen Elements mit der befohlenen
Position und Geschwindigkeit in Übereinstimmung
bringen.
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Das
angetriebene Element ist anfällig
für Vibrationen,
wenn sich die Beschleunigung des Servomotors plötzlich ändert, auch wenn diese Positions-,
Geschwindigkeits- und
Strom-Feedbackregelungen durchgeführt werden. Damit dies vermieden
wird, hat man einen Regelmechanismus vorgeschlagen, wobei ein Beschleunigungssensor
zum Ermitteln der Beschleunigung von einem angetriebenen Element
geliefert wird, ein von dem Beschleunigungssensor ausgegebenes Signal
von einem Strombefehl subtrahiert wird, der von der Geschwindigkeits-Feedbackregelung
abgeleitet wird, und die erhaltene Differenz als Strombefehl für die Strom-Feedbackregelung
verwendet wird. Genauer gesagt, wenn das angetriebene Element vibriert,
dann bildet die Vibrationskomponente, die in dem Beschleunigungssignal
enthalten ist, das die Beschleunigung des angetriebenen Elements
anzeigt, die von dem Beschleunigungssensor ermittelt wird, einen
Fehler in Bezug auf den Strombefehl für die Strom-Feedbackregelung.
Also wird die Vibrationskomponente von dem Strombefehl abgezogen,
so dass der Fehler beseitigt wird. Unter Verwendung der erhaltenen
Differenz wird der Antriebsstrom für den Servomotor derart geregelt,
dass die Vibration unterdrückt
wird (siehe
JP-06-91482A ).
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Zudem
wird eine lernende Regelung eingesetzt, wenn ein in zuvor festgelegten
Intervallen wiederholtes Muster gearbeitet wird. Dabei lässt man
das Ausmaß der
Positionsabweichung in die Nähe
von Null konvergieren, so dass die Bearbeitung mit größerer Präzision erfolgen
kann (siehe
JP 06-309021A und
JP 04-323706A ).
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Das
Blockdiagramm in 6 zeigt einen Lernregler zur
Durchführung
einer herkömmlichen
Lernregelung. In jedem Positionsregelschleifen-Verarbeitungsintervall
wird ein Positionsfeedbackwert P1 von einem Positionsbefehl Pc subtrahiert,
so dass eine Positionsabweichung ε erhalten
wird. Zu dieser wird ein Korrekturwert x hinzuaddiert, der in dem
unmittelbar vorausgegangenen Intervall des wiederholten Musters
erhalten wurde. Das Ergebnis wird durch einen Bandbegrenzungsfilter 22a gefiltert
und in einem Verzögerungselementspeicher 22b gespeichert.
Der Verzögerungselementspeicher 22b enthält ein Speicherelement
zum Speichern des Korrekturwertes x, der einem Intervall des wiederholten
Musters entspricht. In jedem Positionsregelschleifen-Verarbeitungsintervall
gibt er den Korrekturwert x aus, der in dem unmittelbar vorausgegangenen
Positionsregelschleifen-Verarbeitungsintervall des wiederholten
Musters erhalten wurde. Der ausgegebene Korrekturwert wird durch
ein Kompensationselement für
dynamische Merkmale 22c hinsichtlich einer Phasenverzögerung und
Absinken des Verstärkungsfaktors
kompensiert und dann zu der Positionsabweichung ε addiert. Die erhaltene Summe
wird mit einem Positionsverstärkungsfaktor 21 multipliziert,
und das Ergebnis wird als Geschwindigkeitsbefehl Vc ausgegeben.
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Bei
der Lernregelung wird also der Korrekturwert x, der im unmittelbar
vorausgegangenen Positionsregelschleifen-Verarbeitungsintervall
des wiederholten Musters gespeichert wurde, zur Positionsabweichung ε hinzuaddiert.
Der auf Basis der so korrigierten Positionsabweichung erhaltene
Geschwindigkeitsbefehl Vc wird an den Geschwindigkeitsregelabschnitt
ausgegeben. Die Lernregelung wird wiederholt ausgeführt, so
dass die Positionsabweichung ε gegen "0" konvergiert.
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Im
Allgemeinen wird das von dem Servomotor angetriebene Element geregelt,
so dass es sich in Bezug auf ein Bearbeitungsende der Maschine bewegt,
an dem ein Werkzeug zum Durchführen
der Bearbeitung in Kontakt mit einem Werkstück fest in der Werkzeugmaschine
bereitgestellt ist. Die relative Position, Geschwindigkeit usw.
des angetriebenen Elements in Bezug auf das Bearbeitungsende wird
geregelt. Mit einem an dem angetriebenen Element montierten Detektor
wird also der Servomotor, der das angetriebene Element antreibt,
einer Positions-, Geschwindigkeits- und Stromregelung unterworfen,
so dass die Position und Geschwindigkeit des angetriebenen Elements
geregelt werden. Zudem wird die oben genannte Lernregelung ausgeführt, so
dass die Positionsabweichung gegen "0" geht.
Dadurch lässt
man das angetriebene Element sich wie befohlen bewegen.
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Bei
einer Werkzeugmaschine mit kleiner Steifigkeit zwischen dem angetriebenen
Element und dem Bearbeitungsende stimmt jedoch die Bewegung des
angetriebenen Elements in Bezug auf das Bearbeitungsende nicht immer
mit der befohlenen Bewegung überein.
Betreibt man zudem eine Werkzeugmaschine, die eine Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisionsbearbeitung
durchführen
muss, bei hoher Beschleunigung, wird manchmal die Positionsverstellung
zwischen dem angetriebenen Element und dem Maschinen-Bearbeitungsende
aufgrund von Torsinn oder dergleichen so groß, dass sie sogar bei vergleichsweise
großer
Maschinensteifigkeit nicht vernachlässigt werden kann.
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Zum
Unterdrücken
von Vibration an dem angetriebenen Element wird in
JP 06-91482A ein Beschleunigungssensor
an dem angetriebenen Element montiert. Auf Basis der von dem Beschleunigungssensor
ermittelten Beschleunigung wird der Strombefehl derart korrigiert,
dass die Vibration unterdrückt
wird. Die offenbarte Technik soll also Vibration unterdrücken und
dadurch die Bearbeitung stabilisieren und nicht die Bewegung des
angetriebenen Elements in Bezug auf das Bearbeitungsende mit dem
Befehl in Übereinstimmung bringen.
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EP-A-1 441 270 des
Anmelders offenbart einen Regler nach der Präambel jedes unabhängigen Anspruchs.
Eine erste Positionsabweichung wird erhalten zwischen einer ermittelten
Position von einem Motor und einem Positionsbefehl. Eine Lernregelvorrichtung
addiert einen Korrekturwert zu dieser ersten Positionsabweichung,
bevor ein Geschwindigkeitsbefehl aus der ersten Positionsabweichung
ermittelt wird. Es wird jedoch keine zweite Positionsabweichung
aus der Ermittlung der Beschleunigung oder der Bestimmung der Torsinn
eines Bearbeitungsendes gefunden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt einen Regler bereit, der die Relativbewegung eines
von einem Motor angetriebenen Elements in Bezug auf ein Bearbeitungsende
einer Werkzeugmaschine regeln kann, so dass sie mit einem Befehl
an den Regler übereinstimmt.
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Unter
einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Regler bereitgestellt
mit einem Positionsregelabschnitt und einem Geschwindigkeitsregelabschnitt,
mit denen die Position bzw. die Geschwindigkeit eines Motors geregelt
werden, zum Regeln der Relativbewegung eines von dem Motor angetriebenen
Elements in Bezug auf ein Bearbeitungsende einer Werkzeugmaschine,
wobei der Regler folgendes umfasst:
eine Positionsermittlungsvorrichtung
zum Ermitteln einer Position des Motors oder des angetriebenen Elements;
eine
Vorrichtung zum Erhalten einer ersten Positionsabweichung zwischen
einem Positionsbefehl für
den Motor und der Position des Motors, die von der Positionsermittlungsvorrichtung
ermittelt wird; und
eine Lernregelvorrichtung zum Berechnen
und Ausgeben eines Korrekturwerts, der zu der ersten Positionsabweichung
addiert wird, wobei die erhaltene Summe mit einer Positionsverstärkung multipliziert
wird und das erhaltene Produkt an den Geschwindigkeitsregelabschnitt
als Geschwindigkeitsbefehl ausgegeben wird, gekennzeichnet durch:
eine
Beschleunigungsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Beschleunigung
von dem Bearbeitungsende;
eine Umwandlungsvorrichtung zum Ermitteln
einer Position des Bearbeitungsendes, indem die von der Beschleunigungsermittlungsvorrichtung
ermittelte Beschleunigung umgewandelt wird; und
eine Vorrichtung
zum Erhalten einer zweiten Positionsabweichung durch Addieren der
erhaltenen ersten Positionsabweichung und der ermittelten Position
des Bearbeitungsendes, wobei die Lernregelvorrichtung derart ausgelegt
ist, dass sie die zweite Positionsabweichung gegen Null gehen lässt.
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Die
durch Umwandeln der Beschleunigung des Bearbeitungsendes durch die
Umwandlungsvorrichtung erhaltene Position kann Filtern durch einen
Hochpassfilter unterworfen werden.
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Unter
einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Regler bereitgestellt
mit einem Positionsregelabschnitt und einem Geschwindigkeitsregelabschnitt,
mit denen die Position bzw. die Geschwindigkeit eines Motors geregelt
werden, zum Regeln der Relativbewegung eines von dem Motor angetriebenen
Elements in Bezug auf ein Bearbeitungsende einer Werkzeugmaschine,
wobei der Regler folgendes umfasst:
eine Positionsermittlungsvorrichtung
zum Ermitteln der Position des Motors oder des angetriebenen Elements;
eine
Vorrichtung zum Erhalten einer ersten Positionsabweichung zwischen
einem Positionsbefehl für
den Motor und der Position von dem Motor, die ermittelt wird von
der Positionsermittlungsvorrichtung;
eine Geschwindigkeitsermittlungsvorrichtung
zum Ermitteln der Geschwindigkeit des Motors oder des angetriebenen
Elements und
eine Lernregelvorrichtung zum Berechnen und Ausgeben
eines Korrekturwerts, der zu der ersten Positionsabweichung addiert
wird, wobei die erhaltene Summe mit einer Positionsverstärkung multipliziert
wird und das erhaltene Produkt an den Geschwindigkeitsregelabschnitt
als Geschwindigkeitsbefehl ausgegeben wird, gekennzeichnet durch:
eine
Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Ausmaßes der Torsinn von dem Bearbeitungsende
anhand der Geschwindigkeit, ermittelt von der Geschwindigkeitsermittlungsvorrichtung,
und eines Drehmomentbefehls, ausgegeben von dem Geschwindigkeitsregelabschnitt;
und
eine Vorrichtung zum Erhalten einer zweiten Positionsabweichung
durch Addieren der erhaltenen ersten Positionsabweichung und des
bestimmten Torsionsausmaßes,
wobei die Lernregelvorrichtung derart ausgelegt ist, dass sie die
zweite Positionsabweichung gegen Null gehen lässt.
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Das
von der Bestimmungsvorrichtung bestimmte Torsionsausmaß des Bearbeitungsendes
kann Filtern durch einen Hochpassfilter unterworfen werden.
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So
wird das Ausmaß der
Positionsverstellung des Bearbeitungsendes ermittelt, an dem ein
Werkzeug montiert ist. Die Position des Bearbeitungsendes, einschließlich der
Verstellung, wird durch die Lernregelung derart geregelt, dass sie
mit der befohlenen Position übereinstimmt.
Sogar wenn die Maschinensteifigkeit klein ist und dadurch eine Positionsabweichung
zwischen dem von dem Motor angetriebenen Element und dem Bearbeitungsende
durch Spannung oder Torsinn verursacht wird, kann diese Abweichung
korrigiert werden, wodurch sich das Bearbeitungsende wie befohlen
bewegen kann. Muss eine Werkzeugmaschine eine Hochgeschwindigkeits-,
Hochpräzisionsbearbeitung
durchführen,
so dass selbst eine kleine, auf Spannung oder Torsinn zurückzuführende Positionsabweichung
zwischen dem von einem Motor angetriebenen Element und dem Bearbeitungsende
nicht vernachlässigt
werden kann, kann man somit zufrieden stellend eine Hochgeschwindigkeits-,
Hochpräzisionsbearbeitung
durchführen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt/zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm von einem hauptsächlichen
Teil einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
detailliertes Blockdiagramm von einem Positionsregelabschnitt der
ersten Ausführungsform;
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3 ein
Blockdiagramm von einem hauptsächlichen
Teil einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
-
4 ein
detailliertes Blockdiagramm von einem Positionsregelabschnitt der
zweiten Ausführungsform;
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5 ein
Blockdiagramm von einem Maschinenmodell und einem Torsionsbestimmer
der zweiten Ausführungsform;
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6 ein
Blockdiagramm von einem Lernregler;
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7a und 7b Diagramme
von den Ergebnissen einer Simulation der Motorposition in Relation zu
einer befohlenen Position und der Position des Bearbeitungsendes,
wo bei Positions- und Geschwindigkeits-Feedbackregelungen in einer
halbgeschlossenen Regelschleife ohne Durchführung einer Lernregelung durchgeführt wurden;
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8a und 8b Diagramme
von den Ergebnissen einer Simulation der Motorposition in Relation zu
einer befohlenen Position und der Position des Bearbeitungsendes,
wobei Positions- und Geschwindigkeits-Feedbackregelungen in einer
halbgeschlossenen Regelschleife mit Durchführung einer Lernregelung durchgeführt wurden;
und
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9a und 9b Diagramme
von den Ergebnissen einer Simulation der Motorposition in Relation zu
einer befohlenen Position und der Position des Bearbeitungsendes,
wobei Positions- und Geschwindigkeits-Feedbackregelungen in einer
halbgeschlossenen Regelschleife durchgeführt wurden, wobei die zweite Ausführungsform
der Erfindung angewendet wurde.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Das
Blockdiagramm in 1 zeigt einen hauptsächlichen
Teil von einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. Bei der ersten Ausführungsform ist ein Beschleunigungssensor
an einem Bauteil an einem Bearbeitungsende montiert, an dem ein
Werkzeug oder dergleichen befestigt ist, das sich gerade in Kontakt
mit einem Werkstück
befindet, das bearbeitet werden soll. Auf Basis der von dem Beschleunigungssensor
ermittelten Beschleunigung wird eine Positionsabweichung des Bauteils
erhalten, an dem das Werkzeug befestigt ist, und derart korrigiert,
dass sich das Werkzeug wie befohlen bewegen kann.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
wird als Beispiel ein Linearmotor als Servomotor zum Antreiben eines
angetriebenen Elements eingesetzt. Siehe 1: Ein Werkstück 8,
das bearbeitet werden soll, wird an dem angetriebenen Element 7 befestigt,
das von dem Linearmotor 6 angetrieben wird. Ein Beschleunigungssensor 11 ist
an einem Bauteil 10 angebracht, das ein Bearbeitungsende
ist, an dem ein Werkzeug, beispielsweise ein Schneidewerkzeug, zum
Durchführen
der Bearbeitung auf dem Werkstück
befestigt ist. Die Relativposition des Werkstücks 8 (des angetriebenen
Elements 7) in Bezug auf das Bearbeitungsende wird von
einem Bearbeitungsprogramm befohlen, so dass sie hinsichtlich der
Bearbeitung des Werkstücks 8 durch das
Werkzeug geregelt wird. Ein Positionsdetektor 9 zum Ermitteln
der Position des angetriebenen Elements 7 ist an dem Linearmotor 6 montiert.
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Wie
herkömmliche
Motorregler, umfasst ein Regler zum Regeln des Linearmotors 6 Positions-,
Geschwindigkeits- und Stromregelabschnitte, mit denen Positions-,
Geschwindigkeits- und Strom-Feedbackregelungen mithilfe eines Prozessors
usw. durchgeführt
werden. Bei dieser Ausführungsform
ist der Positionsregelabschnitt anders konfiguriert als bei herkömmlichen
Reglern.
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Zunächst wird
der Regler beschrieben. Der Positionsregelabschnitt 1 führt ein
Positions-Feedbackregelverfahren, eine Lernregelung usw. durch auf
Basis von einem Positionsbefehl Pc, der von einem Hostregler ausgegeben
wird, und einem Positionsfeedback von dem Positionsdetektor 9 und,
bei dieser Ausführungsform,
zudem auf Basis von einem Beschleunigungsfeedback A von dem Beschleunigungssensor 11,
so dass ein Geschwindigkeitsbefehl Vc erhalten wird, der an den
Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 ausgegeben wird. Der Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 führt ein
Geschwindigkeitsregelverfahren ähnlich
dem herkömmlichen durch
auf Basis von dem Geschwindigkeitsbefehl Vc vom Positionsregelabschnitt 1 und
von einem Geschwindigkeitsfeedback w1, das von einem Differentiator 5 durch
Differenzieren des Positionsfeedbacks P1 von dem Positionsdetektor 9 erhalten
wird, so dass ein Drehmomentbefehl (Strombefehl) Tc erhalten wird.
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Wie
bei herkömmlichen
Reglern, führt
der Stromregelabschnitt 3 eine Stromregelung durch auf
Basis des Drehmomentbefehls Tc von dem Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 und
eines Stromfeedbacks, das von einem Stromdetektor (nicht dargestellt)
geliefert wird, so dass der Linearmotor 6 über einen
Verstärker 4 angetrieben
wird. Bei dem Regler zum Regeln des Linearmotors 6 hat
der Positionsregelabschnitt 1 eine andere Konfiguration
als ein herkömmlicher
Positionsregelabschnitt. Der Geschwindigkeitsregelabschnitt 2,
der Stromregelabschnitt 3 usw. sind genauso aufgebaut wie
bei herkömmlichen
Reglern.
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Das
Blockdiagramm in 2 zeigt Einzelheiten des Positionsregelabschnitts 1.
Dieser unterscheidet sich von einem herkömmlichen Positionsregelabschnitt
dadurch, dass er mit einem Lernregler 22, einem Hochpassfilter 23 und
einem Positionswandler 24 ausgestattet ist. Der vom Beschleunigungssensor 11 gelieferte Beschleunigungsfeedback
A wird im Positionswandler 24 einer Integration zweiter
Ordnung unterzogen, so dass eine Positionsabweichung des Bearbeitungsendes
(des Bauteils 10 am Bearbeitungsende, das der letzte Regelpunkt
der Werkzeugmaschine ist) erhalten wird. Das Bearbeitungsende-Bauteil 10 ist
an der Werkzeugmaschine befestigt. Deshalb bleibt seine Position
unverändert.
Ist jedoch die Steifigkeit zwischen dem angetriebenen Element 7 und
dem Bauteil 10 am Bearbeitungsende klein, weicht das Bearbeitungsende
von seiner ursprünglichen
Position ab. Auch wenn eine Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisionsbearbeitung
erforderlich ist, beeinträchtigt
sogar eine kleine Positionsabweichung die Bearbeitungsgenauigkeit.
Also wird die Positionsabweichung erhalten, indem die von dem Beschleunigungssensor 11 ermittelte
Beschleunigung einer Integration zweiter Ordnung unterworfen wird.
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Andererseits
wird, wie bei dem herkömmlichen
Positionsregelverfahren, der vom Positionsdetektor 9 gelieferte
Positionsfeedbackwert P1 von dem Positionsbefehl Pc subtrahiert,
den der Hostregler liefert. So wird eine Positionsabweichung ε1 erhalten,
die im folgenden als erste Positionsabweichung bezeichnet wird.
Die erste Positionsabweichung ε1
wird zu einem Wert addiert, der erhalten wird, indem das vom Positionswandler 24 erhaltene
Ausmaß der
Positionsabweichung durch den Hochpassfilter 23 geleitet
wird, in dem eine Störungskomponente
extrahiert wird. So wird eine zweite Positionsabweichung ε2 erhalten,
die in den Lernregler 22 eingegeben wird. Dann werden die
Ausgabe des Lernreglers 22 und die erste Positionsabweichung ε1 miteinander
addiert, wodurch die erste Positionsabweichung ε1 korrigiert wird. Die korrigierte
Positionsabweichung wird mit einem Positionsverstärkungsfaktor 21 multipliziert.
So wird ein Geschwindigkeitsbefehl Vc als Ausgabe des Positionsregelabschnitts 1 erhalten.
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Die
erste Positionsabweichung ε1
gibt eine Positionsabweichung des angetriebenen Elements (des Motors) 7 in
Bezug auf den Positionsbefehl Pc an. Andererseits ist die vom Positionswandler 24 erhaltene
Positionsabweichung eine Verstellung des Bauteils 10 am
Bearbeitungsende von der ursprünglichen
Position. Sie gibt das Ausmaß der
Abweichung an, die durch Spannung oder Torsinn der Werkzeugmaschine
verursacht wird. Die zweite Positionsabweichung ε2 ist die Summe dieser zwei
Verstellungsausmaße,
d. h. der Positionsabweichung des angetriebenen Elements 7 in
Bezug auf den Positionsbefehl Pc und der Positionsabweichung des
Bearbeitungsendes in Bezug auf das angetriebene Element. Daher gibt
sie das Ausmaß der
Positionsabweichung des Bearbeitungsendes in Bezug auf die befohlene
Position an. Lässt
man also die zweite Positionsabweichung ε2 gegen "0" gehen,
lässt sich
die Position des Bearbeitungsendes in Übereinstimmung bringen mit
der befohlenen Position für
das angetriebene Element 7, d. h. für das an dem angetriebenen
Element 7 befestigte Werkstück 8. Bei dieser Ausführungsform
erfolgt damit die Lernregelung derart, dass man die zweite Positionsabweichung ε2 gegen "0" gehen lässt.
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Die
Konfiguration der Lernregelung 22 ist identisch mit der
in 6 dargestellten herkömmlichen Lernregelung. Sie
umfasst einen Bandbegrenzungsfilter 22a, einen Verzögerungselement-Speicher 22b und
das Element zur Kompensation dynamischer Eigenschaften 22c.
Der einzige Unterschied zwischen dem Lernregler 22 und
dem herkömmlichen
Lernregler liegt darin, dass in den Lernregler 22 die zweite
Positionsabwei chung ε2
eingegeben wird und dass seine Ausgabe zur ersten Positionsabweichung ε1 addiert
wird.
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Bei
der ersten Ausführungsform
wird in jedem Positionsregelungsintervall die zweite Positionsabweichung ε2 zu dem
Korrekturwert x addiert, der im unmittelbar vorausgegangenen Positionsregelintervall
des in zuvor festgelegten Intervallen wiederholten Musters gespeichert
wurde. Die erhaltene Summe wird zur Stabilisierung des geregelten
Systems durch den Bandbegrenzungsfilter 22a gefiltert und
dann im Verzögerungselement-Speicher 22b als
Korrekturwert x des gegenwärtigen
Positionsregelungsintervalls gespeichert. Außerdem wird der im Verzögerungselement-Speicher 22b gespeicherte
Korrekturwert x des unmittelbar vorausgegangenen Positionsregelintervalls
des wiederholten Musters hinsichtlich einer Phasenverzögerung und
Absinken der Verstärkung
des geregelten Systems durch das Element zur Kompensation dynamischer
Eigenschaften 22c kompensiert. Das Ergebnis wird vom Lernregler 22 ausgegeben.
Im Positionsregelabschnitt 1 werden die erste Positionsabweichung ε1 und die
Ausgabe des Lernreglers 22 miteinander addiert. Die erhaltene
Summe wird mit der Positionsverstärkung 21 multipliziert
und das Ergebnis als Geschwindigkeitsbefehl Vc ausgegeben.
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Die
zweite Positionsabweichung ε2
wird durch die Lernregelung des Lernreglers 22 derart geregelt, dass
sie gegen "0" geht. Dadurch lässt sich
die Position des Bearbeitungsendes (des Bauteils 10) mit
dem Positionsbefehl Pc in Übereinstimmung
bringen, so dass Hochpräzisionsbearbeitung
möglich
ist.
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Das
Blockdiagramm in 3 zeigt einen hauptsächlichen
Teil einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
wird kein Beschleunigungssensor verwendet. Stattdessen wird die Position
des Bearbeitungsendes unter Verwendung eines Maschinenmodells vorhergesagt
und derart geregelt, dass sie mit der befohlenen Position übereinstimmt.
Zunächst
wird das Arbeitsprinzip der zweiten Ausführungsform erläutert.
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Wird
die Beziehung zwischen dem Positionsdetektor und dem Bearbeitungsende
als Zwei-Trägheiten-System
dargestellt, wobei der Reibungsterm vernachlässigt wird, gelten die folgenden
Gleichungen (1) und (2) in Bezug auf die Motorseite bzw. die Maschinenseite:
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In
den obigen Gleichungen (1) und (2) ist J1 die Motorträgheit, J2
die Maschinenträgheit,
w1 die Motorgeschwindigkeit, w2 die Geschwindigkeit des Bearbeitungsendes,
k die Federkonstante der Maschine, Tm das befohlene Drehmoment,
Td das Störmoment
und s die komplexe Variable der Laplace-Transformation.
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Setzt
man als Position des Motors P1 und als Position des Bearbeitungsendes,
das der Motorposition P1 entspricht, P2 voraus, ist ein Torsionsausmaß Δθ gegeben
durch folgende Gleichung (3):
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Gleichung
(3) enthält
einen Ableitungsterm. Wird eine Ableitung durchgeführt, wird
das Rauschen im Hochfrequenzband unkontrollierbar. Also wird ein
stabilisierender Filter hinzugefügt
und dann die folgende Gleichung (4) abgeleitet:
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Zur
Diskretisierung wird eine herkömmliche
Form eines Tiefpassfilters verwendet. Der Filter f(s) = 1/(τ·s + 1)
lässt sich
mit folgender Gleichung (5) ausdrücken:
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In
Gleichung (5) ist γ =
exp(–t/τ), wobei
t das Abtastungsintervall ist. Also ist das Torsionsausmaß Δθ gegeben
durch die folgende Gleichung (6):
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In
Gleichung (6) wird der Drehmomentbefehl Tm mit einer Krafteinheit
ausgedrückt
und ist eine nicht beobachtbare physikalische Größe. Unter der Voraussetzung,
dass die Drehmomentkonstante kt ist, stehen dann der Drehmoment
Tc, der vom Stromregelabschnitt ausgegeben wird, und der Drehmomentbefehl
Tm in folgender Beziehung zueinander: Tm = kt·Tc
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Gleichung
(6) wird unter Verwendung des Drehmomentbefehls Tc ausgedrückt, der
beobachtbar ist, und man erhält
die folgende Gleichung (7):
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Das
Blockdiagramm in 5 veranschaulicht die Beziehungen
zwischen den oben genannten Gleichungen (1) bis (7), wobei der durch
die Bezugszahl 26 angegebene Teil den durch die Gleichungen
(1) und (2) ausgedrückten
Motor- bzw. Maschinenmodellen entspricht und die Bezugszahl 25 einen
später
noch beschriebenen Torsionsbestimmer bezeichnet, mit dessen Hilfe
das Torsionsausmaß Δθ erhalten
wird.
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Das
Blockdiagramm in 3 veranschaulicht den hauptsächlichen
Teil der zweiten Ausführungsform. Die
zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch das Weglassen
des Beschleunigungssensors sowie in der Konfiguration des Positionsregelabschnitts.
Verglichen mit herkömmlichen Motorreglern
ist zudem der Positionsregelabschnitt bei der zweiten Ausführungsform
anders aufgebaut, während
der Geschwindigkeitsregelabschnitt, der Stromregelabschnitt usw.
gleich aufgebaut sind.
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Der
Positionsregelabschnitt 1' erhält einen
Geschwindigkeitsbefehl Vc auf Basis des Positionsbefehls Pc, der
von dem Hostregler ausgegeben wird, des Positionsfeedbacks P1, das
vom Positionsdetektor 9 ermittelt und zurückgesendet
wird, des vom Differentiator 5 durch Differenzieren des
Positionsfeedbacks P1 erhaltenen Geschwindigkeitsfeedbacks w1 und
des Drehmomentbefehls Tc, der vom Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 ausgegeben
wird. Er gibt den erhaltenen Geschwindigkeitsbefehl Vc an den Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 aus.
Dieser führt,
wie herkömmliche
Regler, ein Geschwindigkeitsregelungsverfahren durch auf Basis des
Geschwindigkeitsbefehls Vc vom Positionsregelabschnitt 1' und des Geschwindigkeitsfeedbacks
w1, das vom Differentiator 5 durch Differenzieren des Positionsfeedbacks
P1 vom Positionsdetektor 9 erhalten wird. Es wird ein Drehmomentbefehl
(Strombefehl) Tc erhalten.
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Der
Stromregelabschnitt 3 führt
eine Stromregelung aus, wie bei herkömmlichen Reglern, und zwar auf
Basis des Drehmomentbefehls Tc vom Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 und
des Stromfeedbacks, das vom Stromdetektor (nicht gezeigt) zurückgesendet
wird. So wird der Linearmotor 6 über den Verstärker 4 angetrieben.
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Das
Blockdiagramm in 4 zeigt Einzelheiten des Positionsregelabschnitts 1' bei der zweiten
Ausführungsform.
Der Positionsregelabschnitt 1 der zweiten Ausführungsform
unterscheidet sich von dem Positionsregelabschnitt 1 der
ersten Ausführungsform
darin, dass der Torsionsbestimmer 25 anstelle des Positionswandlers 24 eingesetzt
wird.
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Der
Torsionsbestimmer 25 führt
die in der obigen Gleichung (7) dargestellte Berechnung durch. Der Teil
in 5, der von der Strichpunktlinie umgeben ist, entspricht
dem Verfahren, das der Torsionsbestimmer 25 durchführt. Genauer
gesagt, wird der vom Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 ausgegebene
Drehmomentbefehl Tc durch den Filter (F(z)) gefiltert. Der gefilterte
Wert wird mit der Drehmomentkonstanten kt multipliziert (das Ergebnis
ist die Ausgabe des Terms 25a). Zudem wird der Geschwindigkeitsfeedback
w1, der vom Differentiator 5 durch Differenzieren des Positionsfeedbacks
vom Positionsdetektor 9 erhalten wird, durch den Filter (F(z))
gefiltert. Der gefilterte Wert wird von "1" subtrahiert,
die erhaltene Differenz wird mit der Zeitkonstanten τ des Filters
multipliziert, und die Motorträgheit
J1 wird durch das erhaltene Produkt geteilt (das Ergebnis ist die
Ausgabe des Terms 25b). Der Wert, der durch die Berechnung
des Terms 25b erhalten wird, wird von dem Wert abgezogen,
der durch die Berechnung des Terms 25a erhalten wird. Die
erhaltene Differenz wird mit dem Kehrwert (1/k) der Federkonstanten
(Term 25c) multipliziert, so dass das Torsionsausmaß Δθ erhalten
wird. Das auf diese Weise erhaltene Torsionsausmaß Δθ wird zur
Extraktion einer Störkomponente
durch den Hochpassfilter 23 ausgegeben.
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Andererseits
wird der Positionsfeedback P1 vom Positionsdetektor 9 von
dem Positionsbefehl Pc subtrahiert, der von dem übergeordneten Regler stammt.
So wird die erste Positionsabweichung ε1 erhalten. Zum Erhalten der
zweiten Positionsabweichung ε2
wird dann die erste Positionsabweichung ε1 zum Torsionsausmaß Δθ addiert,
das durch den Hochpassfilter 23 gefiltert wurde. Unter
Verwendung der zweiten Positionsabweichung ε2 als Eingabe in den Lernregler 22 erfolgt
die Lernregelung. Der Lernregler 22 führt in jedem Verarbeitungsintervall
im Wesentlichen dasselbe Verfahren durch wie der Lernregler in 6 sowie
dasselbe Verfahren, wie es anhand der ersten Ausführungs form
erläutert
wurde. Der einzige Unterschied liegt darin, dass in den Lernregler 22 die
zweite Positionsabweichung ε2
eingegeben wird, die mittels Addieren der ersten Positionsabweichung ε1 und des
Torsionsausmaßes Δθ erhalten
wird.
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So
wird die Lernregelung durch den Lernregler 22 ausgeführt. Die
Korrekturwertausgabe vom Lernregler 22 wird zur ersten
Positionsabweichung ε1
hinzuaddiert. Die erhaltene Summe wird mit der Positionsverstärkung 21 multipliziert,
wobei das erhaltene Produkt vom Positionsregelabschnitt 1 an
den Geschwindigkeitsregelabschnitt 2 als Geschwindigkeitsbefehl
Vc ausgegeben wird.
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Wie
Gleichung (3) zeigt, zeigt das vom Torsionsbestimmer 25 bestimmte
Torsionsausmaß Δθ den Unterschied
an zwischen der Motorposition P1 und der Position P2 des Bearbeitungsendes
(der Position des Bauteils 10, an dem ein Werkzeug oder
dergleichen befestigt ist). Hat die Maschine eine hohe Steifigkeit
und befindet sich im Idealzustand, beträgt das Torsionsausmaß Δθ, das die
obige Positionsabweichung anzeigt, "0".
Ist jedoch Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisionsbearbeitung gefordert,
kann das Torsionsausmaß Δθ nicht vernachlässigt werden.
Hat die Maschine eine kleine Steifigkeit, ist das Torsionsausmaß Δθ signifikant groß.
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Das
Torsionsausmaß Δθ wird deshalb
zur ersten Positionsabweichung ε1
addiert, so dass man die zweite Positionsabweichung ε2 erhält, die
den Unterschied zwischen dem Positionsbefehl Pc und der Position P2
des Bearbeitungsendes, einschließlich des Torsionsausmaßes Δθ, anzeigt,
wie in der folgenden Gleichung (8) angegeben: ε2
= ε1 +Δθ = Pc – P1 + P1 – P2 = Pc – P2 (8)
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Die
Lernregelung erfolgt derart, dass die zweite Positionsabweichung ε2 "0" werden kann. Also wird der Unterschied
zwischen dem Positionsbefehl Pc und der Position P2 des Bearbeitungsendes
derart geregelt, dass er "0" wird. Die Position
P2 des Bearbeitungsendes wird sogar dann derart geregelt, dass sie
mit dem Positionsbefehl Pc übereinstimmt,
wenn die Maschine einer Torsinn Δθ unterliegt,
so dass hochpräzise
Bearbeitung möglich
ist.
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Bei
den obigen Ausführungsformen
wird ein Linearmotor als Motor zum Antreiben des angetriebenen Elements
verwendet. Es kann stattdessen ein Rotationsmotor eingesetzt werden.
Die Erfindung kann zudem für
das Positionsfeedback auf eine halbgeschlossene Regelschleife angewendet
werden, wobei die von einem Motorpositionsdetektor ermittelte Motorposition
als Positionsfeedback zurückgemeldet
wird, oder auf eine vollständig
geschlossene Regelschleife, wobei die Position eines von dem Motor
angetriebenen Elements als Positionsfeedback zurückgemeldet wird. Zudem kann
man anstel le des Differentiators 5 einen Detektor zum Ermitteln
der Geschwindigkeit des Motors oder des angetriebenen Elements einsetzen.
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Die 7 bis 9 veranschaulichen
die Ergebnisse einer Simulation, die zur Nachprüfung der mit der Erfindung
erzielten Ergebnisse durchgeführt
wurde. Für
die Simulation wurde ein Synchronmotor als Motor verwendet. Die
Maschinenträgheit
J2 wurde so eingestellt, dass sie gleich der Motorträgheit J1
war (0,228 kgf cm2). Im Hinblick auf die
Federkonstante k wurden die Resonanzfrequenz auf 100 Hz und das
Geschwindigkeitsband auf 20 Hz eingestellt (die Federkonstante wird
anhand der Trägheiten
und der Resonanzfrequenz bestimmt). Unter Verwendung des Rotationsmotors
wurde ein Positionsbefehl Pc eingegeben, der einen Geschwindigkeitsbefehl
von 300 U/min lieferte, die Positionsverstärkung wurde auf 30/s eingestellt,
das Störmoment
auf 50 kgf mit einer 5-Hz-Sinuswelle
und das Lernband auf 50 Hz, so dass die Simulation unter Regelung des
Motors in einer halbgeschlossenen Regelschleife durchgeführt wurde,
wobei die Position des Rotationsmotors ermittelt und zurückgemeldet
wurde.
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7a und 7b veranschaulichen
den Fall, bei dem herkömmliche
Positions- und Geschwindigkeitsregelungen ohne Durchführung einer
Lernregelung ausgeführt
wurden. 7a zeigt die Positionsabweichung,
d. h. die Abweichung der Motorposition von der befohlenen Position,
die während
der Regelung mit einer halbgeschlossenen Regelschleife beobachtet
wird. 7b zeigt die Positionsabweichung
des Bearbeitungsendes in Bezug auf den Positionsbefehl. Wie dargestellt,
werden die Motorposition und die Position des Bearbeitungsendes
durch Störung
beeinflusst, so dass die Positionsabweichungen nicht konvergieren.
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8a und 8b zeigen
den Fall, bei dem eine herkömmliche
Lernregelung durchgeführt
wurde. 8a zeigt die Motorpositionsabweichung
(die Abweichung der Motorposition von der befohlenen Position), die
während
der Regelung mit einer halbgeschlossenen Regelschleife beobachtet
wird. 8b zeigt die Positionsabweichung
des Bearbeitungsendes in Bezug auf den Positionsbefehl. Aus den
Figuren ist ersichtlich, dass die Motorpositionsabweichung konvergiert,
die Positionsabweichung des Bearbeitungsendes jedoch nicht.
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9a und 9b zeigen
den Fall, bei dem die zweite Ausführungsform der Erfindung angewendet wurde
(wobei ein Rotationsmotor als Motor eingesetzt wurde). 9a zeigt
die Motorpositionsabweichung (die Abweichung der Motorposition von
der befohlenen Position), die während
der Regelung mit einer halbgeschlossenen Regelschleife beobachtet
wird. 9b zeigt die Positionsabweichung
des Bearbeitungsendes in Bezug auf den Positionsbefehl. Wie dargestellt,
konvergiert zwar die Motorpositionsabweichung nicht, jedoch die
Positionsabweichung des Bearbeitungsendes, die schließlich geregelt
werden soll.
