DE112009003699T5

DE112009003699T5 - Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung, numerisch gesteuertewerkzeugmaschine und maschinenbewegungsbahnmessverfahren

Info

Publication number: DE112009003699T5
Application number: DE200911003699
Authority: DE
Inventors: Ryuta Sato; Tomonori Sato; Kotaro Nagaoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: WO2010067651A1; US20110246132A1; JP5127934B2; TWI491847B; DE112009003699B4; CN102245349B; CN102245349A; US9144869B2; JPWO2010067651A1; TW201027030A

Abstract

Eine Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung zum Messen einer Bewegungsbahn einer Maschine wird bereitgestellt, die in einer Vorrichtung verwendet wird, die die Stellung der Maschine steuert, indem eine erfasste Stellung rückgemeldet wird, die durch Umrechnen der Drehwinkel mehrerer Motoren 1 für mehrerer bewegliche Achsen erhalten wird, und die Motoren 1 dann so angetrieben werden, dass die erfasste Stellung eine Sollstellung befolgt. Die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung umfasst Beschleunigungsmessvorrichtungen 13 zum Messen einer Beschleunigung der Maschine; und eine Bewegungsbahnmesseinheit 14, die die Bewegungsbahn der Maschine misst, indem die Stellung der Maschine durch eine doppelte Integration der Beschleunigung ermittelt und die Stellung der Maschine so berichtigt wird, dass der Verlauf der Stellung der Maschine mit dem Verlauf der erfassten Stellung oder dem Verlauf einer geschätzten Stellung zusammenfällt, die unter Verwendung eines Modells zur Simulation des Ansprechens der Stellung der Maschine auf die Sollstellung geschätzt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Messen einer Maschinenbewegungsbahn bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder einem Roboter.
Hintergrund
Bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder einem Roboter werden Motoren betrieben, um eine Maschinenbewegung entlang mehrerer beweglicher Achsen zu erzielen, so dass die Maschinenstellung möglichst genau zu einer Sollstellung gesteuert wird. In diesem Fall kann ein Fehler zwischen der Sollstellung und der Maschinen-Iststellung aufgrund des Einflusses von Maschinenschwingungen und Reibungskraft während einer Umkehr der Bewegungsrichtung auftreten. Deshalb kann zum Beispiel die gerade in Bearbeitung befindliche Oberfläche Schaden nehmen. Falls ein solches Problem auftritt, wird die Maschinenbewegungsbahn gemessen, um die Ursache des Problems ausfindig zu machen, und es werden verschiedene Parameter einer Steuervorrichtung zum Steuern der Motoren eingestellt. Es sind mehrere Verfahren zum Messen und Anzeigen der Maschinenbewegungsbahn bekannt.
In dem in der Patentschrift 1 aufgezeigten Verfahren sind zwei Hochpräzisionsstahlkugeln durch ein Verlagerungsmessgerät verbunden, und die Verlagerung, wenn sich die Kugeln so bewegen, dass der relative Abstand zwischen ihnen (d. h. entlang eines Bogens) konstant gehalten ist, wird abgelesen. Dieses Verfahren wird Kugelstabverfahren (ball bar method) genannt und weitverbreitet eingesetzt.
In der Abhandlung 1, bei der es sich um keine Patentschrift handelt, ist ein Verfahren zum Messen einer Bewegungsbahn bei einer Werkzeugmaschine aufgezeigt, die sich einer Messvorrichtung bedient, die Querrastermessgeber (cross grid encoder) genannt wird. Bei der Messung, die den Querrastermessgeber einsetzt, werden ein Maßstab mit zwei sich orthogonal schneidenden optischen Gittern, die auf einem Glassubstrat angeordnet sind, und ein Erfassungskopf mit zwei Lichtempfangseinheiten, die orthogonal zu den jeweiligen optischen Gittern des Maßstabs angeordnet sind, verwendet, um die Messung einer relativen zweidimensionalen Verlagerung zu ermöglichen.
Bei dem in der Patentschrift 2 aufgezeigten Verfahren werden drei Paare pneumatischer Schlitten und ein Linearmaßstab orthogonal kombiniert, um die Messung einer relativen dreidimensionalen Verlagerung zu ermöglichen. Patentschrift 3 zeigt ein Verfahren zum Messen des Fehlers zwischen einer zweckmäßigerweise aus Rückmeldungssignalen ermittelten Maschinenstellung und einer Maschinenstellung auf, die von einer Steuereinheit bestimmt wurde.
Liste der Anführungen
Patentschriften

Patentschrift 1: japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer S61-209857
Patentschrift 2: japanisches Patent Nr. 3858062
Patentschrift 3: japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H4-177408
Abhandlung 1, bei der es sich um keine Patentschrift handelt „Measurement and Improvement of Motion Accuracy in Ultra-high Precision NC Maschine Tools Using Cross grid Encoder", Journal of the JSPE, bd. 62, Nr. 11, (1996) S 1612–1616.

Zusammenfassung
Technisches Problem
Ein Problem bei dem in der Patentschrift 1 beschriebenen Verfahren ist, dass die Messung auf eine Bogenbahn mit einem vorbestimmten Radius beschränkt ist. Deshalb kann zum Beispiel eine Bewegungsbahn in einem Eckabschnitt, in dem ein Auftreten von Maschinenschwingungen wahrscheinlich ist, nicht gemessen werden.
Bei der Genauigkeitsmessung, die sich des in der Patentschrift 1 beschriebenen Querrastermessgebers bedient, muss der Spalt zwischen dem Maßstab und dem Kopf auf ca. 0,5 mm gehalten werden, und ein Problem besteht darin, dass es wahrscheinlich ist, dass der Maßstab und der Kopf kollidieren und dadurch eine Schädigung entsteht. Außerdem kann eine dreidimensionale Bewegungsbahn nicht gemessen werden.
Das in der Patentschrift 2 beschriebene Verfahren ermöglicht die Messung einer dreidimensionalen Bewegungsbahn. Allerdings besteht ein Problem darin, dass die Messvorrichtung einen Aufbau hat, in dem drei Schlittenmechanismen sich überlagernd vorgesehen sind und deshalb einer Bewegung mit hoher Beschleunigung, die eine große Trägheitskraft bewirkt, nicht folgen kann. In diesem Fall kann keine Messung durchgeführt werden. Da außerdem pneumatische Schlitten verwendet werden, muss Druckluft eingesetzt werden, und deshalb ist die Vorrichtung sehr groß.
In allen vorstehenden Verfahren wird die Bewegungsbahn mit einem Verlagerungsmessgerät gemessen, das an der Maschine angebracht ist. Wenn zum Beispiel eine Einspannvorrichtung oder ein Werkzeug an der Werkzeugmaschine angebracht wurde, muss die Einspannvorrichtung oder das Werkzeug erst gelöst werden, um die Messung durchzuführen. Deshalb kann unglücklicherweise die Bewegungsbahn in der Maschine bei eigentlichem Gebrauch nicht gemessen werden.
In allen vorstehenden Verfahren ist der Messbereich auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt. Deshalb kann die Messvorrichtung, wenn die Maschinenbewegung versehentlich über den Messbereich hinausgeht, Schaden nehmen. Um außerdem eine Bewegungsbahn in einer Maschine mit großem Hub zu messen, muss die angebrachte Messvorrichtung gelöst und an einer anderen Stelle wieder angebracht werden.
In dem in der Patentschrift 3 beschriebenen Verfahren wird die Messvorrichtung nicht an der Machine angeordnet, und die Bewegungsbahn wird aus der aus Rückmeldungssignalen bestimmten Maschinenstellung berechnet. Dies ermöglicht für jede Form eine Messung über den gesamten beweglichen Bereich, und es wird verhindert, dass die Messvorrichtung Schaden nimmt. Allerdings ist die eigentliche Maschinenstellung nicht immer dieselbe wie die rückgemeldete Stellung. Falls die Maschine beispielsweise schwingt oder Spiel hat, kann die Bewegungsbahn in der Maschine nicht richtig ausgewertet werden.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden auf den Weg gebracht, und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung, die eine Bewegungsbahn in einer Maschine mühelos und angemessen messen kann, wobei Schwingungen und Spiel reflektiert werden, eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die mit der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung versehen ist, und ein Maschinenbewegungsbahnmessverfahren bereitzustellen.
Lösung für das Problem
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung zum Messen einer Bewegungsbahn einer Maschine bereit, die in einer Vorrichtung verwendet wird, die die Stellung der Maschine steuert, indem eine erfasste Stellung, die durch mehrere Motoren zum Antreiben mehrerer beweglicher Achsen rückgemeldet wird, und die mehreren Motoren für die beweglichen Achsen so angetrieben werden, dass die erfasste Stellung eine Sollstellung befolgt. Die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung umfasst: eine Beschleunigungsmessvorrichtung zum Messen einer Beschleunigung der Maschine; und eine Bewegungsbahnmesseinheit zum Messen einer Bewegungsbahn der Maschine, indem die Stellung der Maschine durch eine doppelte Integration der Beschleunigung ermittelt und die Stellung der Maschine so berichtigt wird, dass ein Verlauf der Stellung der Maschine mit einem Verlauf der erfassten Stellung oder mit einem Verlauf einer geschätzten Stellung zusammenfällt, die unter Verwendung eines Modells zur Simulation des Ansprechens der Stellung der Maschine auf die Sollstellung geschätzt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Bei der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine Beschleunigungsmessvorrichtung für die Messung verwendet. Da die Beschleunigungsmessvorrichtung in einer beweglichen Einheit an einer beliebigen Stelle vorgesehen werden kann, kann die Messung durchgeführt werden, ohne eine Einspannvorrichtung oder ein Werkzeug von der in Gebrauch befindlichen Maschine zu lösen. Zusätzlich dazu kann eine dreidimensionale Bewegungsbahn gemessen werden. Bei der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorlegenden Erfindung wird die Maschinenstellung unter Verwendung einer erfassten Stellung oder einer geschätzten Stellung berichtigt. Deshalb ist es weniger wahrscheinlich, dass die Probleme auftreten, die von den Mess- und Integrationsfehlern herrühren, die auftreten, wenn das Signal aus der Beschleunigungsvorrichtung integriert wird, um die Maschinenstellung zu berechnen. Deshalb kann vorteilhafter Weise die Bewegungsbahn der Maschine gemessen werden, wobei Schwingungen und Spiel reflektiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Auslegung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine veranschaulicht, die mit einer Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Antriebsmechanismus veranschaulicht, der in der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine vorgesehen ist.
3 ist ein Schaubild, das die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist ein Schaubild, das das Bewegungsbahnmessverfahren bei der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein Schaubild, das das Detail eines Beispiels für das Bewegungsbahnmessverfahren bei der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
Bei 6 handelt es sich um eine Reihe von Schaubildern, die den Einfluss von Fehlern bei einer Beschleunigungsmessung auf Geschwindigkeit and Stellung zeigen.
7 ist ein Schaubild, das ein Beispiel des Unterschieds zwischen einer Maschinenstellung, die aus der Beschleunigung berechnet wurde, und einer erfassten Stellung zeigt.
8 ist ein Schaubild, das ein Beispiel des Unterschieds zwischen einer Maschinenstellung, die aus der Beschleunigung berechnet wurde, und einer erfassten Stellung zeigt.
9 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Veränderungsrate des Fehlers zwischen einer Sollstellung und einer erfassten Stellung zeigt.
10 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der unter Verwendung der Daten berichtigten Ergebnisse in einem Bereich zeigt, in dem es sich bei der Veränderungsrate des Fehlers zwischen einer Sollstellung und einer erfassten Stellung um einen Schwellenwert oder weniger handelt.
11 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Ergebnisse der Messung einer Kreisbewegungsbahn durch das Querrastermessgeberverfahren zeigt.
12 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Ergebnisse der Messung der Kreisbewegungsbahn unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Ergebnisse der Messung einer Bewegungsbahn in Eckabschnitten durch das Querrastermessgeberverfahren zeigt.
14 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Ergebnisse der Messung der Bewegungsbahn in Eckabschnitten unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist ein Schaubild, das ein Beispiel der Ergebnisse der Messung einer dreidimensionalen Bewegungsbahn zeigt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen
Eine Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, worin eine Maschinenbewegungsbahn in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gemessen wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt.
1 zeigt ein Beispiel der Auslegung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine. Die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine besitzt mehrere bewegliche Achsen, und ihre Bewegungen werden von den Achsen in der X-, Y- bzw. Z-Achsenrichtung geführt. Jede der beweglichen Achsen wird durch einen Antriebsmechanismus angetrieben, der einen Motor 1 und eine Vorschubspindel 2 umfasst. Die Drehwinkel der Motoren werden von Drehwinkeldetektoren 3 erfasst und zur Steuereinheit rückgemeldet. In einem alternativen Antriebsverfahren werden Linearmotoren anstelle der Motoren 1 und Vorschubspindeln 2 verwendet, und anstelle der Drehwinkeldetektoren 3 werden Linearmaßstäbe verwendet.
Bei der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit der in 1 gezeigten Auslegung wird ein Arbeitstisch 4 vom Y-Achsenantriebsmechanismus angetrieben, und ein Ständer 5 wird vom X-Achsenantriebsmechanismus angetrieben. Ein Spindelkopf 7 wird über ein Maschinenteil 6 vom Z-Achsenantriebsmechanismus angetrieben, der am Ständer 5 angebracht ist. Deshalb ist eine dreidimensionale Form zwischen einem am Ende des Spindelkopfs 7 angebrachten Werkzeug und einem Werkstück gebildet, das auf dem Werktisch 4 angeordnet ist.
2 zeigt eine schematische Seitenquerschnittsansicht des in 1 gezeigten Y-Achsenantriebsmechanismus. Der Einfachheit halber ist nur der Y-Achsenantriebsmechanismus gezeigt, der X- und Z-Achsenantriebsmechanismus sind dem Y-Achsenantriebsmechanismus aber ähnlich. Die Drehbewegung des Motors 1 wird über eine Kupplung 8 an die Vorschubspindel 2 übertragen und über eine Mutter 9 in die Linearbewegung des Tischs 4 umgesetzt. Die Linearbewegung der Vorschubspindel 2 wird von einem Stützlager 10 gehemmt. Eine Sollstellung, die von einer Befehlserzeugungseinheit 11 einer Steuervorrichtung ausgegeben wird, wird an eine Motorantriebseinheit 12 übertragen. Die Motorantriebseinheit 12 treibt den Motor 1 so an, dass der Fehler zwischen der Sollstellung und einer erfassten Stellung minimiert wird, die ermittelt wird, indem der vom Drehwinkeldetektor 3 erfasste Motordrehwinkel mit der Gewindesteigung der Vorschubspindel 2 multipliziert wird.
Ein Linearmaßstab oder ein Laser-Verlagerungsmessgerät zum Erfassen der Stellung des Tischs kann zusätzlich vorgesehen sein, und die Stellung des Tischs kann zusätzlich zum Drehwinkel des Motors 1 an die Motorantriebseinheit 12 rückgemeldet werden. Ein Linearmotor kann anstelle des Motors 1 und der Vorschubspindel 2 verwendet werden.
Bei der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine ist die relative Verlagerung zwischen dem am Ende des Spindelkopfs 7 angebrachten Werkzeug und dem Arbeitstisch 4 von Bedeutung. Im Allgemeinen wird die relative Verlagerung vorab gemessen, um Fehler bei der Maschine unter Verwendung der Befehlserzeugungseinheit 11 oder der Motorantriebseinheit 12 zu beheben. Die Ursachen der Fehler umfassen statische Fehler wie etwa fehlende Rechtwinklingkeit der beweglichen Achsen und einen Gewindesteigungsfehler. Diese Fehler werden gemessen und berichtigt, wenn die Maschine zusammengebaut wird, und es ist unwahrscheinlicher, dass sie während normalen Gebrauchs verändert werden.
Jedoch entstehen Fehler bekanntlich durch elastische Verformungen und Schwingungen, die hauptsächlich in den Kupplungen 8, den Vorschubspindeln 2 und den Stützlagern 10 auftreten, und durch die Veränderungen bei den Lagen des Ständers 5 und Maschinenteils 6, deren Schwingungen und der zwischen diesen bestehenden Reibung. Die Charakteristika dieser dynamischen Fehler kann größtenteils durch die Gebrauchsbedingung der Maschine, die Lastmasse auf dem Arbeitstisch, die alterungsbedingte Verschlechterung der Maschine, Reibung u. dgl. verändert sein. Deshalb ist es wünschenswert, dass die Bewegungsbahn in der Maschine selbst während des Gebrauchs der Maschine regelmäßig oder kontinuierlich gemessen wird, so dass verschiedene Korrekturparameter der Steuervorrichtung eingestellt werden können.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, um Bewegungsbahninformation mühelos und angemessen zu ermitteln, die für die Einstellung der Parameter der Steurvorrichtung notwendig ist, wobei sich das Verfahren von herkömmlichen Messverfahren vollständig unterscheidet. Der Begriff „angemessen” bedeutet, Information mit aufzunehmen, die für die Einstellung der Steuervorrichtung notwendig ist. Konkreter ausgedrückt, umfasst eine derartige Information das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Schwingung, die Periode und die Amplitude der Schwingung, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von spitzenartigen Bahnfehlern (Quadrantenüberhöhungen), die während des Umschaltens zwischen Quadranten auftreten, die Höhe und Weite der Quadrantenüberhöhungen, und die Periode und die Amplitude einer Schwingung, die nach dem Auftreten einer Quadrantenüberhöhung auftritt.
Die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt. Die Befehlserzeugungseinheit 11 generiert eine Sollstellung auf Grundlage einer eingegebenen Zielstellung. Die Motorantriebseinheit 12 gibt eine Motorantriebsspannung aus, um die Motoren 1 so anzutreiben, dass die eingegebene Sollstellung mit einer erfassten Stellung zusammenfällt, die erhalten wird, indem Erfassungssignale, die von den Drehwinkeldetektoren 3 her übertragen werden, so weit wie möglich verarbeitet werden.
Die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung misst die Bewegungsbahn einer Maschine, die in einer Vorrichtung verwendet wird, die die Stellung der Maschine steuert, indem eine erfasste Stellung, die durch mehrere Motoren 1 mit verschiedenen beweglichen Achsen erfasst wird, rückgemeldet wird und die Motoren 1 so angetrieben werden, dass die erfasste Stellung eine Sollstellung befolgt. Die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung umfasst: Beschleunigungsmessvorrichtungen 13 zum Messen der Beschleunigung der Maschine; und eine Bewegungsbahnmesseinheit 14 zum Messen der Bewegungsbahn der Maschine. Die Bewegungsbahn wird dadurch gemessen, dass die Beschleunigung zweimal integriert wird, um die Maschinenstellung zu erhalten, und die Maschinenstellung so berichtigt wird, dass der Verlauf der Maschinenstellung im Wesentlichen mit dem Verlauf der erfassten Stellung oder dem Verlauf einer geschätzten Stellung zusammenfällt, die unter Verwendung eines Modells zur Simulation des Ansprechens der Maschinenstellung auf die Sollstellung geschätzt wird.
Bei dem „Verlauf” handelt es sich um eine Kurve, die die Veränderung in der Maschinenstellung grob darstellt, wobei eine horizontale Achse die Zeit und eine vertikale Achse die Maschinenstellung angibt, oder wobei die horizontale und vertikale Achse die Maschinenstellung angeben. Man stelle sich zum Beispiel eine Einzelkurve vor, die unter Verwendung eines Spline gezeichnet ist, um nahe des Zentrums einer endlich schwingenden Wellenform zu verlaufen. Der Verlauf ist auch eine Kurve, die erhalten wird, indem die Sollstellung mit einer Transferfunktion mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten multipliziert wird, und auch eine Kurve, die die Veränderung in der Maschinenstellung unter Verwendung gerader Linien, eines Polynoms n-ter Ordnung oder Sinus- bzw. Kosinuswellen annähert.
Eine Bewegungsbahnanzeigeeinheit 15 fasst mehrere Zielstellungen zusammen, die in die Befehlserzeugungseinheit 11 eingegeben werden sollen, um eine Zielbahn zu bilden, fasst Sollstellungen zusammen, die aus der Befehlserzeugungseinheit 11 ausgegeben werden, um eine Sollbahn zu bilden, und fasst auch mehrere rückgemeldete erfasste Stellungen zusammen, um eine Erfassungsabschnittsbahn zu bilden. Dann zeigt die Bewegungsbahnanzeigeeinheit 15 die Zielbahn, Sollbahn- und/oder Erfassungsabschnittsbahn und eine Maschinenbewegungsbahn überlagert an, die gebildet wird, indem Maschinenstellungen kombiniert werden, die von der Bewegungsbahnmesseinheit 14 ausgegeben werden.
In der vorliegenden Erfindung wird die Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung von Beschleunigungsmessvorrichtungen gemessen. Deshalb kann, wie in 3 gezeigt, die Maschinenbewegungsbahn bei angebrachtem Werkzeug 16 und Werkstück 17 gemessen werden, und es kann auch eine freie dreidimensionale Form gemessen werden. Wenn Signale aus Beschleunigungsmessvorrichtungen integriert werden, um eine Stellung zu berechnen, tritt im Allgemeinen ein Problem auf, das auf Fehler bei der Beschleunigungsmessung und auf Integrationsfehler zurückzuführen ist. Bei der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird jedoch beim Messen der Beschleunigung die Maschinenstellung in der Bewegungsbahnmesseinheit unter Verwendung der Sollstellung und der erfassten Stellung berichtigt, bei denen es sich um Signale handelt, die in der Steuereinheit verwendet werden. Deshalb können die Fehler in der Beschleunigungsmessung und die Integrationsfehler berichtigt werden.
Außerdem wird die gesamte oder ein Teil der Zielbahn, Sollbahn, Erfassungsabschnittsbahn und Maschinenbahn überlagert angezeigt. Deshalb kann, falls ein Fehler in der Maschinenbewegungsbahn aufgetreten ist, das Stadium, in dem der Bahnfehler aufgetreten ist, klar gezeigt werden.
In diesem Fall kann der Bahnfehler auf der Anzeige noch klarer gezeigt werden, indem der Fehler in der zur Zielbahn normalen Richtung zwischen der Zielbahn und jeweils der Sollbahn, Erfassungsabschnittsbahn und Maschinenbewegungsbahn vergrößert wird. Indem der Fehler der normalen Richtung zwischen der Sollbahn und der Erfassungsabschnittsbahn, zwischen der Sollbahn und der Maschinenbewegungsbahn, oder zwischen der Erfassungsabschnittsbahn und der Maschinenbewegungsbahn auf der Anzeige vergrößert wird, kann darüber hinaus zum Beispiel nur der durch die Motorantriebseinheit 12 verursachte Bahnfehler oder der durch die Antriebsmechanismen verursachte Bahnfehler extrahiert werden.
Das Verfahren zum Berechnen einer Stellung durch Integrieren von Beschleunigung ist hinlänglich bekannt und wird zum Beispiel dazu verwendet, Schwingungen in einem Trägheitsnavigationssystem und in Gebäuden zu messen. Bekanntlich beträgt allerdings die Messgenauigkeit für ein Trägheitsnavigationssystem mehrere Meter und für Gebäude mehrere zehn Millimeter und ist somit 4 bis 6 Größenordnungen schlechter als die Genauigkeit, die zum Messen bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen erforderlich ist. Wenn Beschleunigung zur Berechnung einer Stellung integriert wird, umfassen Probleme ein Problem, das auf die Fehler in der Messung der Beschleunigung zurückzuführen ist, und ein Problem, das auf die Fehler in der Integrationsberechnung zurückzuführen ist. Die vorliegende Erfindung löst die vorstehenden Probleme und stellt ein Verfahren zum Messen einer Maschinenbewegungsbahn mit hoher Genauigkeit bereit.
Wenn eine Beschleunigung integriert wird, steigt der akkumulierte Fehlerbetrag mit zunehmender Messzeit und die Genauigkeit der Messung ist beeinträchtigt. Um die Steuervorrichtung einzustellen, werden Korrekturparameter für einen Bahnfehler bestimmt, der hauptsächlich auf Schwingung und Reibung in der Maschine zurückzuführen ist. Deshalb reicht es aus, die Bewegungsbahn in einem Bereich anzuzeigen, in dem der von einem solchen dynamischen Verhalten herrührende Bahnfehler auftritt. im Spezielleren wird ein Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich, in dem voraussichtlich ein Bahnfehler auftritt, aus der Sollstellung und/oder der erfassten Stellung unter Verwendung einer vorbestimmten Regel oder Formel bestimmt und die Beschleunigung in diesem Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich zweimal integriert, um die Maschinenstellung zu berechnen.
Bei der vorstehenden vorbestimmten Regel oder Formel handelt es sich um eine Regel oder Formel zur Angabe eines Bereichs, in dem ein Bahnfehler empirisch bekannt auftritt, oder um eine Regel oder Formel zum Bestimmen des Auftritts eines Bahnfehlers aus einer geschätzten Maschinenstellung, die unter Verwendung eines Modells zum Simulieren der Ansprechcharakteristika der Maschinenstellung auf die Sollstellung geschätzt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, nur die Beschleunigung in einem Bereich zur Berechnung der Maschinenstellung zu Integrieren, in dem wahrscheinlich ein Bahnfehler auftritt. Deshalb ist es nicht notwendig, die Integrationsberechnung länger als nötig durchzuführen, und die zur Messung der Maschinenbewegungsbahn erforderliche Zeit kann dadurch verkürzt werden. Zusätzlich kann der dynamische Bahnfehler, der sich wahrscheinlich je nach den Gebrauchsbedingungen der Maschine verändert, mühelos und angemessen gemessen werden.
Indem die Maschinenbewegungsbahn in dem Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich und die Zielbahn, Sollbahn oder Erfassungsabschnittsbahn überlagert angezeigt werden, kann die Bahninformation, die für die Einstellung der Steuervorrichtung erforderlich ist, angemessen angezeigt werden.
Auch in diesem Fall kann der Bahnfehler auf der Anzeige noch klarer gezeigt werden, indem der Fehler in der zur Zielbahn normalen Richtung zwischen der Zielbahn und jeweils der Sollbahn, Erfassungsabschnittsbahn und Maschinenbewegungsbahn vergrößert wird. Indem der Fehler der normalen Richtung zwischen der Sollbahn und der Erfassungsabschnittsbahn, zwischen der Sollbahn und der Maschinenbewegungsbahn, oder zwischen der Erfassungsabschnittsbahn und der Maschinenbewegungsbahn auf der Anzeige vergrößert wird, kann darüber hinaus zum Beispiel nur der durch die Motorantriebseinheit 12 verursachte Bahnfehler oder der durch die Antriebsmechanismen verursachte Bahnfehler extrahiert werden.
In einem folgenden konkreten Beispiel erfolgt eine detaillierte Beschreibung eines Verfahrens zum Berechnen einer Maschinenstellung, indem ein Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich bestimmt und dann eine Beschleunigung im Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich zweimal integriert wird. Wie in dem Ablaufschema in 4 gezeigt ist, werden in der Bewegungsbahnmesseinheit 14 Daten ausgelesen, die zum Messen der Bewegung verwendet werden, und ein Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich, in dem ein Bahnfehler voraussichtlich auftreten wird, wird aus der Sollstellung und/oder der erfassten Stellung, bei denen es ich um ausgelesene Daten handelt, unter Verwendung einer vorbestimmten Regel oder Formel bestimmt. Dann wird die Beschleunigung im Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich zweimal integriert, um die Maschinenstellung zu berechnen, und der Fehler in der berechneten Maschinenstellung wird behoben.
Ein konkretes Beispiel für das Datenverarbeitungsverfahren in der in 3 gezeigten Bewegungsbahnmesseinheit 14 ist in 5 gezeigt. Die Bewegungsbahnmesseinheit 14 umfasst in diesem Beispiel: Maschinenbewegungsbahnmessdatenextraktionseinrichtung 18; eine Beschleunigungsintegrationseinrichtung 19; und eine Integrationsfehlerkorrektureinrichtung 20.
In der Maschinenbewegungsbahnmessdatenextraktionseinrichtung 18 wird ein Zeitpunkt, zu dem sich das Vorzeichen einer durch Differenzieren der Sollstellung erhaltenen Sollgeschwindigkeit umkehrt, und ein Zeitpunkt, zu dem die durch Differenzieren der Sollstellung erhaltene Veränderungsrate der Beschleunigung (die auch als Rütteln oder Stoßen bezeichnet wird) dreimal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, aufgezeichnet. Dann wird eine Verzögerungszeit der erfassten Stellung in Bezug auf die Sollstellung zu den aufgezeichneten Zeitpunkten hinzuaddiert, um Startzeitpunkte zu berechnen, und Zeiträume ab den Startzeitpunkten bis eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, werden als Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche bestimmt. Die Erfassungsempfindlichkeit in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen kann verändert werden, indem der Schwellenwert für die Veränderungsrate J der Beschleunigung verändert wird, und es ist angemessen, den Schwellenwert auf ca. mehrere bis mehrere zehn m/s³ einzustellen.
Konkreter ausgedrückt, werden Sollstellungsdaten Pr im Hinblick auf Zeit differenziert, um eine Sollgeschwindigkeit Vr zu berechnen. Die Sollgeschwindigkeit Vr wird zweimal differenziert, um die Veränderungsrate J der Sollbeschleunigung zu berechnen, und es werden die Zeitpunkte ta(Na), zu denen die Veränderungsrate J der Sollbeschleunigung zu einem vorbestimmten Schwellenwert oder größer als dieser wird, und Zeitpunkte tb(Nb), zu denen sich das Vorzeichen der Sollgeschwindigkeit Vr umkehrt, ausfindig gemacht. Hier ist Na die Anzahl, wie oft die Veränderungsrate J der Sollbeschleunigung zum Schwellenwert oder größer als dieser wird, und Nb ist die Anzahl, wie oft sich das Vorzeichen der Sollgeschwindigkeit Vr umkehrt. Der Schwellenwert für die Veränderungsrate J der Sollbeschleunigung kann je nach der erforderlichen Leistung der für die Messung und Einstellung, verwendeten Maschine verändert werden.
Es ist allgemein bekannt, dass eine bestimmte Verzögerungszeit zwischen der Sollstellung und der erfassten Stellung besteht. Deshalb wird in der Maschinenbewegungsbahnmessdatenextraktionseinrichtung 18 ein Fehler E zwischen den Sollstellungsdaten Pr und den Erfassungsstellungsdaten Pfb bestimmt und die Verzögerungszeit Delay aus dem Fehler E berechnet. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Verzögerungszeit in Bewegung aus dem Fehler E berechnet werden kann. Die Verzögerungszeit kann nicht aus der Differenz zwischen den Sollstellungsdaten Pr und den Erfassungsstellungsdaten Pfb berechnet werden, und kann unter Verwendung eines Modells zum Simulieren des Ansprechens des Steuersystems berechnet werden.
Die Verzögerungszeit Delay wird zu den Zeitpunkten ta(Na), zu denen die Veränderungsrate J der Sollbeschleunigung zum Schwellenwert oder größer als dieser wird, und zu den Zeitpunkten tb(Nb), zu denen sich das Vorzeichen der Sollgeschwindigkeit Vr umkehrt, hinzuaddiert, und dadurch werden Messstartzeitpunkte ts(N) bestimmt. Hier ist N die Anzahl der Messstartzeitpunkte ts und ist die Summe von Na und Nb. Eine große Beschleunigungsveränderungsrate zeigt an, dass sich die Beschleunigung abrupt verändert. Die Umkehr des Vorzeichens der Geschwindigkeit zeigt an, dass sich die Bewegungsrichtung umkehrt. Deshalb stellt jeder der Messstartzeitpunkte ts einen Zeitpunkt dar, zu dem sich die Beschleunigung der Bewegung abrupt verändert, oder einen Zeitpunkt, zu dem sich die Richtung der Bewegung umkehrt.
Es ist allgemein bekannt, dass in einem Bereich, in dem sich die Beschleunigung abrupt verändert, weil eine Schwingung in der Maschine hervorgerufen wird, wahrscheinlich ein Bahnfehler auftritt, und in einem Bereich, in dem sich die Richtung der Bewegung umkehrt, weil sich die Reibungsrichtung umkehrt, wahrscheinlich ein Bahnfehler auftritt. Konkreter ausgedrückt, können durch Extrahieren solcher Bereiche Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche, in denen wahrscheinlich ein Bahnfehler auftritt, angemessen bestimmt werden.
Es ist hinlänglich bekannt, dass das Verhalten des Bahnfehlers, der durch die in der Maschine hervorgerufene Schwingung oder durch die Reibungsveränderung bei der Umkehr der Bewegungsrichtung verursacht wird, dynamisch ist, d. h. sich mit der Zeit verändert. Deshalb kann, indem Daten in einem Zeitraum ab einem Messstartzeitpunkt ts bis eine vorbestimmte Messzeit te verstrichen ist, extrahiert werden, ein Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich bestimmt werden. Der Wert der Messzeit te kann je nach den dynamischen Charakteristika der zur Messung verwendeten Maschine verändert werden, und eine angemessene Zeit beträgt ca. 0,1 bis 0,5 Sekunden.
Die Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche können bestimmt werden, indem die Bewegungsbahn der Maschine unter Verwendung eines Modells zum Simulieren der Ansprechcharakteristika der Maschinenstellung auf die Sollstellung geschätzt wird und Bereiche bestimmt werden, in denen der Bahnfehler zwischen der geschätzten Bewegungsbahn und der Zielbahn einen voreingestellten Toleranzbereich überschreitet. Auf diese Weise kann der Auftritt eines Bahnfehlers, der nicht von einer abrupten Veränderung der Beschleunigung und der Umkehr der Bewegungsrichtung herrührt, vorhergesagt und die Maschinenbewegungsbahn in einem solchen Fall gemessen werden. Der Toleranzbereich für den Bahnfehler kann je nach der Genauigkeit verändert werden, die für die zur Messung verwendete Maschine erforderlich ist, beträgt aber vorzugsweise mehrere bis mehrere zehn Mikrometer.
Wenn die Beschleunigung gemessen wird, sollten die Empfindlichkeitsrichtungen der Beschleunigungsmessvorrichtungen wünschenswerter Weise mit den Bewegungsrichtungen der beweglichen Achsen der Maschine übereinstimmen. Falls die Empfindlichkeitsrichtungen der Beschleunigungsmessvorrichtungen nicht mit den Bewegungsrichtungen der beweglichen Achsen der Maschine übereinstimmen, oder falls sich die Empfindlichkeit der Beschleunigungsmessvorrichtungen von einer voreingestellten Empfindlichkeit unterscheidet, müssen die Ergebnisse der Beschleunigungsmessung berichtigt werden. Es sind verschiedene Verfahren zum Berichtigen einer Beschleunigung hinlänglich bekannt. Zum Beispiel kann der Korrekturkoeffizient für die Beschleunigung aus den Beschleunigungsmessergebnissen berechnet werden, wenn die Maschine mit einer bekannten Beschleunigung bewegt wird.
In der Beschleunigungsintegrationseinrichtung 19 werden die Ergebnisse der Beschleunigungsmessung in Abständen, die kürzer sind als der Messzeitraum, einer Interpolation unterzogen und dann integriert. Auf diese Weise kann die Maschinenbewegungsbahn mit hoher Genauigkeit berechnet werden, ohne die Beschleunigung bei einer höheren Frequenz als nötig zu messen. Der Beschleunigungsmesszeitraum kann je nach den Schwingungscharakteristika der für die Messung verwendeten Maschine verändert werden, wird aber vorzugsweise auf ca. 0,001 Sekunden bis ca. 0,002 Sekunden (ca. 1.000 Hz bis ca. 500 Hz) eingestellt, und die Interpolationsabstände für die Daten werden vorzugsweise auf ca. 0,0001 Sekunden (ca. 10.000 Hz) eingestellt.
Wenn eine Beschleunigung A(n) in einem Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich integriert wird, um die Maschinenstellung zu berechnen, wird zuerst die erfasste Stellung Pfb(n) differenziert, um eine Erfassungsgeschwindigkeit Vfb(n) zu berechnen. Dann wird die Beschleunigung integriert, wobei die Erfassungsgeschwindigkeit Vfb(ts(n)) zum ersten Zeitpunkt ts(n) im Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich als Ausgangswert angesetzt wird, um dadurch eine Maschinengeschwindigkeit Va(n) zu berechnen (Gleichung 1). Ferner wird die Maschinengeschwindigkeit Va(n) integriert, wobei die erfasste Stellung Pfb(ts(n)) zum ersten Zeitpunkt ts(n) im Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich als Ausgangswert angesetzt wird, um dadurch eine Maschinenstellung Pa(n) zu berechnen (Gleichung (2)). Hier ist n die Sequenzzahl des Messstartzeitpunkts ts und ist 1 bis N.
Auf diese Weise ist es nicht notwendig, die Wellenform der Beschleunigung ab der Bewegungsstartzeit kontinuierlich zu integrieren, und es kann die Beschleunigungswellenform in nur wirklich notwendigen kurzen Zeiträumen integriert werden. Deshalb kann die Berechnungsmenge drastisch reduziert und die Maschinenstellung mit hoher Genauigkeit berechnet werden.
Die Maschinenstellung lässt sich wie folgt berechnen. Eine geschätzte Stellung und eine geschätzte Geschwindigkeit werden unter Verwendung eines Modells zum Simulieren der Ansprechcharakteristika der Maschinenstellung auf die Sollstellung berechnet, und die Beschleunigung wird integriert, wobei die geschätzte Geschwindigkeit zum ersten Zeitpunkt in einem Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich als Ausgangswert angesetzt wird, um dadurch eine Maschinengeschwindigkeit zu berechnen. Dann wird die Maschinengeschwindigkeit integriert, wobei die geschätzte Stellung zum ersten Zeitpunkt im Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich als Ausgangswert angesetzt wird, um dadurch eine Maschinenstellung zu berechnen. Auf diese Weise kann, selbst wenn Berichtigungen wie eine Steigungsfehlerkorrektur und eine Spielkorrektur vorgenommen werden, eine vom Einfluss dieser Berichtigungen freie Stellung geschätzt werden, um die Maschinenstellung zu berechnen.
Wenn Beschleunigung integriert wird, um eine Stellung zu berechnen, akkumulieren sich Fehler der Beschleunigungsmessung und Integrationsfehler und wirken sich negativ auf die Ergebnisse aus. In der Integrationsfehlerkorrektureinrichtung 20 werden die Fehler der Beschleunigungsmessung und Integrationsfehler berichtigt. Bei 6 handelt es sich um eine Reihe von schematischen Schaubildern, die den Einfluss auf die Stellung zeigen, die durch Integrieren der Beschleunigung erhalten wird, wenn die Messung der Beschleunigung einen konstanten Fehler enthält. Wenn die Beschleunigung einen konstanten Fehler enthält, erscheint der Fehler als quadratische Zeitfunktion, wenn die Beschleunigung zweimal integriert wird.
Um eine Fehlerkomponente aus der in der Beschleunigungsintegrationseinrichtung 19 berechneten Maschinenstellung Pa(n) zu extrahieren und die extrahierte Fehlerkomponente zu berichtigen, wird die Differenz E1 zwischen der erfassten Stellung Pfb(n) und der aus der Beschleunigung berechneten erfassten Maschinenstellung Pa(n) in jedem Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich berechnet. Ein Beispiel des Fehlers E1, der aus tatsächlichen Messergebnissen berechnet wurde, ist in 7 durch eine durchgezogene Linie gezeigt. Der Fehler wird durch eine quadratische Zeitfunktion angenähert und es erfolgt eine Korrektur, indem die unter Verwendung des Annäherungsausdrucks berechnete Stellung von der Maschinenstellung Pa(n) subtrahiert wird, um die Fehler der Beschleunigungsmessung und die Integrationsfehler zu beheben. Die Korrektur kann unter Verwendung eines Modells zum Simulieren der Ansprechcharakteristika der Maschinenstellung auf die Sollstellung anstelle der erfassten Stellung Pfb(n) erfolgen.
Die Differenz zwischen der Maschinenstellung Pa(n), die durch das vorstehende Verfahren berichtigt wurde, und der erfassten Stellung Pfb(n) ist in 7 durch eine unterbrochene Linie gezeigt. Diese entspricht E2 in 5. Wie aus 7 ersichtlich ist, wurde die Differenz zwischen der Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Position Pf(b) mit Ausnahme kleiner Schwankungen eliminiert und deshalb wurden die Fehler der Beschleunigungsmessung und die Integrationsfehler behoben. Zusätzlich schwankt die übrige Differenz zwischen der Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Position Pfb(n) mit einer geringen Amplitude um Null, und dies zeigt, dass der Verlauf der Maschinenstellung und der Verlauf der erfassten Stellung im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. Die geringen Schwankungen in der Figur stellen die Differenz zwischen der erfassten Stellung und der Maschinenstellung dar und sind durch die Antriebsmechanismen und die Bewegungsbahnfehler in der Maschine verursacht.
In den in 7 gezeigten Ergebnissen ist der Fehler E2 nach der Korrektur gering, und es kann eine ausreichende Messgenauigkeit nach einer Korrektur erzielt werden. In diesem Fall wird der Korrekturprozess entsprechend dem in 5 gezeigten Ablaufschema beendet, und die Ergebnisse werden als Maschinenstellungsdaten Pa(n) gespeichert.
Falls sich die Beschleunigung jedoch abrupt ändert, wie etwa beim Verhalten in Eckabschnitten, können die Fehler durch eine einzige Korrektur nicht genau behoben werden. Ein Beispiel für den Fehler zwischen der aus der Beschleunigung berechneten Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Stellung Pfb(n) in einem solchen Fall ist in 8 gezeigt. In 8 ist selbst nach der vorstehend beschriebenen Korrektur (unterbrochene Linie) der Fehler in dem Bereich vor 2,55 Sekunden groß und die gesamte Wellenform hat einen krummen Verlauf. Der Grund dafür ist, dass die Daten, die Daten im schattierten Bereich von 8 enthalten, zur Korrektur durch eine quadratische Funktion angenähert sind. Der schattierte Bereich entspricht einem Bereich, in dem die Differenz E zwischen der Sollstellung und der erfassten Stellung weitgehend verändert ist.
Wenn der Fehler E2 zwischen der erfassten Stellung Pfb(n) und der Maschinenstellung Pa(n), der aus der Beschleunigung berechnet und der ersten Korrektur unterzogen wurde, gleich einem voreingestellten der größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist, wird die Veränderungsrate des Fehlers E(n) zwischen der Sollstellung Pr(n) und der erfassten Stellung Pfb(n) nach dem in 5 gezeigten Ablaufschema berechnet. Dann wird die erfasste Stellung oder die geschätzte Stellung in einem Bereich extrahiert, in dem die vorstehende Veränderungsrate gleich dem voreingestellten oder kleiner als der voreingestellte Schwellenwert ist, und die Korrektur wird unter Verwendung der extrahierten erfassten Stellung oder geschätzten Stellung erneut durchgeführt. Der Schwellenwert für den Fehler E2 kann je nach den Charakteristika der zur Messung verwendeten Maschine verändert werden, beträgt aber vorzugsweise ca. zehn bis mehrere zehn Mikrometer. Ein Modell zum Simulieren der Ansprechcharakteristika der Maschinenstellung auf die Sollstellung kann anstelle der erfassten Stellung Pfb(n) verwendet werden.
Die Veränderungsrate des Fehlers E(n) zwischen der Sollstellung Pr(n) und der erfassten Stellung (Pfb(n)) im selben Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereich wie dem, der für die in 8 gezeigten Ergebnisse verwendet wurde, ist in 9 gezeigt. In 9 ändert sich der Fehler E(n) abrupt vor einem i-ten Datenpunkt. Die erneute Korrektur wird wie folgt durchgeführt. Es wird nach der Datenanzahl i gesucht, bei der die Veränderungsrate des Fehlers (E) gleich dem oder kleiner als der voreingestellte Schwellenwert ist, und die Datenpunkte des Fehlers E2 zwischen der berichtigen Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Stellung Pfb(n) nach dem i-ten Datenpunkt werden durch eine quadratische Zeitfunktion angenähert. Dann wird die erneute Korrektur durchgeführt, indem die unter Verwendung des Annäherungsausdrucks berechnete Stellung von der Maschinenstellung Pa(n) subtrahiert wird. Das Maß des Schwellenwerts für die Veränderungsrate des Fehlers E(n) ist die Stellungsauflösung der Sollstellung und der erfassten Stellung.
Der Fehler zwischen der Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Stellung Pfb(n), nachdem die erneute Korrektur unter Verwendung der Datenpunkte des Fehlers E2 zwischen der berichtigten Maschinenstellung Pa(n) und der erfassten Stellung Pfb(n) nach dem i-ten Datenpunkt durchgeführt wurde, ist in 10 gezeigt. In 10 bleibt der Fehler in dem Bereich vor 2,55 Sekunden bestehen, aber der Fehler, der die vor der erneuten Korrektur vorhandene Krümmung der gesamten Wellenform verursachte, wurde beseitigt. Deshalb können selbst bei der Bewegung, die eine abrupte Beschleunigung und Abbremsung umfasst, wie etwa der Bewegung in einem Eckabschnitt, die Fehler der Beschleunigungsmessung und Integrationsfehler behoben werden, und die Maschinenbewegungsbahn kann mit hoher Genauigkeit berechnet werden.
Die Ergebnisse nach den Berichtigungen werden als Maschinenstellungsdaten Pa(n) gespeichert. Wenn die Folgeanzahl n des aktuellen Messstartzeitpunkts ts kleiner als die Anzahl N von Messstartzeitpunkten ts ist, wird Eins zur Folgeanzahl n hinzuaddiert und der Prozess kehrt zur Maschinenbewegungsbahnmessdatenextraktionseinrichtung 18 zurück. Dann wird die Verarbeitung in der Beschleunigungsintegrationseinrichtung 19 und der Integrationsfehlerkorrektureinrichtung 20 wiederholt, bis die Folgeanzahl n des aktuellen Messstartzeitpunkts ts die Anzahl N der Messstartzeitpunkte ts erreicht. Auf diese Weise kann die Maschinenstellung in allen Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen berechnet werden. Die vorstehende Verarbeitung wird für alle der mehreren beweglichen Achsen durchgeführt, und die Datensätze für die mehreren Achsen werden in der Bewegungsbahnanzeigeeinheit 15 zusammengefasst, um eine Maschinenbewegungsbahn zu bilden.
Um die Stichhaltigkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu überprüfen, wurde die Maschinenbewegungsbahn einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine in einer XY-Ebene tatsächlich gemessen. Zum Vergleich wurde dieselbe Messung mit dem Querrastermessgeberverfahren durchgeführt, bei dem es sich um ein praktisch eingesetztes Verfahren handelt.
11 zeigt die Ergebnisse der Messung der Maschinenbewegungsbahn während einer Kreisbewegung mit einem Radius von 10 mm bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 3.000 mm/min unter Verwendung eines Querrastermessgebers. In der Figur ist die Differenz zur Zielbahn auf der Anzeige vergrößert und es sind die Erfassungsabschnittsbahn und die Zielbahn wie auch die Maschinenbewegungsbahn gezeigt. In 11 hat die Maschinenbewegungsbahn eine Ellipsenform, wobei sich deren Hauptachse in der X-Achsenrichtung erstreckt. Dies ist auf die elastische Verformung in der X-Achsenrichtung zurückzuführen und es handelt sich um einen Fehler, der in der vorliegenden Erfindung nicht gemessen werden soll. Die in der vorliegenden Erfindung zu messenden Fehler sind spitzenartige Fehler (Quadrantenüberhöhungen), die in Bereichen an den Grenzen zwischen Quadranten und Schwingungen auf der Bahn auftreten. Allerdings ist zu sehen, dass auch andere Schwingungen und Quadrantenüberhöhungen als diejenigen auf der Erfassungsabschnittsbahn auf der Maschinenbewegungsbahn vorhanden sind.
12 zeigt die Ergebnisse der Messung der Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung. In 12 sind Bereiche gezeigt, die als Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche bestimmt wurden, und es ist die Maschinenbewegungsbahn in diesen Bereichen gezeigt. Wie in 12 gezeigt ist, konnten selbst wenn die Maschinenbewegungsbahn aus der Beschleunigung unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen wurde, die Schwingungen und Quadrantenüberhöhungen auf der Maschinenbewegungsbahn wie in dem Fall angemessen angezeigt werden, als die Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung des Querrastermessgebers gemessen wurde.
13 zeigt die Ergebnisse der Messung einer Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung eines Querrastermessgebers bei Bestimmung einer quadratischen Bahn. Der Fehler in Bezug auf die Zielbahn ist in der Anzeige vergrößert. Schwingungen sind dafür bekannt, dass sie wahrscheinlich in vier Eckabschnitten auftreten, weil sich die Beschleunigung abrupt verändert. In 13 sind Schwingungen, die in der Erfassungsabschnittsbahn nicht zu beobachten sind, auf der Maschinenbewegungsbahn zu finden.
Die Ergebnisse der Messung der Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in 14 gezeigt. In 14 handelt es sich bei den durch Rechtecke umgebenen Bereichen um durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung bestimmte Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche, in denen ein Bahnfehler wahrscheinlich auftritt, und es sind die Maschinenbewegungsbahnen in diesen Bereichen angezeigt. Wie in 14 gezeigt ist, konnten, selbst wenn die Maschinenbewegungsbahn aus der Beschleunigung unter Verwendung der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung gemessen wurde, Schwingungen, die in der Erfassungsabschnittsbahn nicht zu beobachten waren, wie in dem Fall gemessen werden, als die Maschinenbewegungsbahn unter Verwendung des Querrastermessgebers gemessen wurde. Mit der Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Maschinenbewegungsbahn selbst in vier Eckabschnitten angemessen gemessen werden.
Konkreter ausgedrückt können mit der Maschinenbewegungsbahnmess- und -anzeigevorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche automatisch erfasst werden, und die Maschinenbewegungsbahn in diesen Bereichen kann unter Verwendung von Beschleunigungsmessvorrichtungen angemessen gemessen werden. Zusätzlich kann, wenn ein Fehler in der Maschinenbewegungsbahn aufgetreten ist, das Stadium, in dem der Bahnfehler aufgetreten ist, klar gezeigt werden, indem die Sollbahn, die Erfassungsabschnittsbahn und die Maschinenbewegungsbahn überlagert angezeigt werden.
15 zeigt ein Beispiel für die Messung einer dreidimensionalen Maschinenbewegungsbahn. Bei der in 15 gezeigten Bahn handelt es sich um eine Bahn, die erhalten wird, indem die X-Achse der Maschine in einer positiven Richtung bewegt wird, die Y-Achse in einer positiven Richtung bewegt wird, und dann die Z-Achse in einer positiven Richtung bewegt wird. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können selbst bei einer dreidimensionalen Bahn Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche bestimmt werden, und die Maschinenbewegungsbahn kann wie in 15 gezeigt gemessen werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben, eignet sich die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen der Bewegungsbahn einer Maschine, die in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder einem Roboter zum Einsatz kommt.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Vorschubspindel
3: Drehwinkeldetektor
4: Arbeitstisch
5: Ständer
6: Maschinenteil
7: Spindelkopf
8: Kupplung
9: Mutter
10: Stützlager
11: Befehlserzeugungsabschnitt
12: Motorantriebseinheit
13: Beschleunigungsmessvorrichtung
14: Bewegungsbahnmesseinheit
15: Bewegungsbahnanzeigeeinheit
16: Werkzeug
17: Werkstück
18: Maschinenbewegungsbahnmessdatenextraktionseinrichtung
19: Beschleunigungsintegrationseinrichtung
20: Integrationsfehlerkorrektureinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 61-209857 [0006]
JP 3858062 [0006]
JP 177408 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Measurement and Improvement of Motion Accuracy in Ultra-high Precision NC Maschine Tools Using Cross grid Encoder”, Journal of the JSPE, bd. 62, Nr. 11, (1996) S 1612–1616 [0006]

Claims

Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung zum Messen einer Bewegungsbahn einer Maschine, die in einer Vorrichtung verwendet wird, die die Stellung der Maschine steuert, indem eine erfasste Stellung rückgemeldet wird, die durch mehrere Motoren zum Antreiben mehrerer beweglicher Achsen erfasst wird, und die Motoren so angetrieben werden, dass die erfasste Stellung eine Sollstellung befolgt, wobei die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung umfasst: eine Beschleunigungsmessvorrichtung zum Messen einer Beschleunigung der Maschine; und eine Bewegungsbahnmesseinheit zum Messen einer Bewegungsbahn der Maschine, indem die Stellung der Maschine durch eine doppelte Integration der Beschleunigung ermittelt und die Stellung der Maschine so berichtigt wird, dass ein Verlauf der Stellung der Maschine mit einem Verlauf der erfassten Stellung oder mit einem Verlauf einer geschätzten Stellung zusammenfällt, die unter Verwendung eines Modells zur Simulation des Ansprechens der Stellung der Maschine auf die Sollstellung geschätzt wird.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes ermittelt: Speichern eines Zeitpunkts, zu dem sich ein Vorzeichen einer durch Differenzieren der Sollposition erhaltenen Sollgeschwindigkeit umkehrt, und eines Zeitpunkts, zu dem eine Veränderungsrate der Beschleunigung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei die Veränderungsrate durch dreimaliges Differenzieren der Sollposition erhalten wird; Hinzuaddieren einer Verzögerungszeit der erfassten Position in Bezug auf die Sollstellung zu den Zeitpunkten, um Startzeitpunkte zu berechnen; Bestimmen von Zeiträumen ab den Startzeitpunkten bis eine vorbestimmte Zeit verstreicht als Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche, in denen voraussichtlich ein Bahnfehler auftritt; und zweimaliges Integrieren der Beschleunigung in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes ermittelt: Schätzen einer Bewegungsbahn der Maschine unter Verwendung eines Modells, das Ansprechcharakteristika der Stellung der Maschine auf die Sollstellung simuliert; Bestimmen von Bereichen, in denen ein Bahnfehler zwischen der geschätzten Bewegungsbahn und einer Zielbahn einen voreingestellten Toleranzbereich überschreitet, als Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche, in denen voraussichtlich ein Bahnfehler auftritt; und zweimaliges Integrieren der Beschleunigung in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes ermittelt: berechnen einer erfassten Geschwindigkeit durch Differenzieren der erfassten Stellung bei der Integration der Beschleunigung in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen; Berechnen einer Maschinengeschwindigkeit durch Integrieren der Beschleunigung, wobei die erfasste Geschwindigkeit zu einem ersten Zeitpunkt in jedem der Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche als Ausgangswert angesetzt wird; und Integrieren der Maschinengeschwindigkeit, wobei die erfasste Stellung zum ersten Zeitpunkt in jedem der Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche als Ausgangswert angesetzt wird.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes ermittelt: Berechnen der geschätzten Position und einer geschätzten Geschwindigkeit unter Verwendung des Modells, das die Ansprechcharakteristika der Stellung der Maschine auf die Sollstellung simuliert, bei der Integration der Beschleunigung in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen; Berechnen einer Maschinengeschwindigkeit durch Integrieren der Beschleunigung, wobei die geschätzte Geschwindigkeit zum ersten Zeitpunkt in jedem der Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche als Ausgangswert angesetzt wird; und Integrieren der Maschinengeschwindigkeit, wobei die geschätzte Stellung zum ersten Zeitpunkt in jedem der Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche als Ausgangswert angesetzt wird.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes berichtigt: Berechnen eines Fehlers zwischen der Maschinenstellung in jedem der Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereiche und der geschätzten Stellung oder der erfassten Stellung; Annähern des berechneten Fehlers durch eine quadratische Zeitfunktion; und Subtrahieren einer unter Verwendung der angenäherten Funktion berechneten Stellung von der Maschinenstellung.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Maschinenstellung durch Folgendes erneut berichtigt: Berechnen einer Veränderungsrate eines Fehlers zwischen der Sollstellung und der erfassten Stellung oder der geschätzten Stellung, wenn ein Fehler zwischen der berichtigten Maschinenstellung und der geschätzten Stellung oder der erfassten Stellung gleich einem voreingestellten oder größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist; Extrahieren der geschätzten Stellung oder der erfassten Stellung in einem Bereich, in dem die Veränderungsrate gleich einem voreingestellten oder kleiner als ein voreingestellter Schwellenwert ist; erneutes Berechnen eines Fehlers zwischen der berichtigten Maschinenstellung und der extrahierten erfassten Stellung oder der extrahierten geschätzten Stellung; Annähern des erneut berechneten Fehlers durch eine quadratische Zeitfunktion; und Subtrahieren einer unter Verwendung der angenäherten Funktion berechneten Stellung von der berichtigten Maschinenstellung.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungsbahnmesseinheit die Ergebnisse der Messung der Beschleunigung in Abständen, die kürzer sind als eine Periode der Messung, einer Interpolation unterzieht und dann die interpolierten Ergebnisse integriert.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, darüber hinaus eine Bewegungsbahnanzeigeeinheit umfassend, um die Bewegungsbahn der Maschine anzuzeigen, und wobei die Bewegungsbahnmesseinheit eine Zielbahn unter Verwendung einer in eine Befehlserzeugungseinheit eingegebene Zielstellung erzeugt, eine Sollbahn unter Verwendung der aus der Befehlserzeugungseinheit ausgegebenen Sollstellung erzeugt, aus der erfassten Stellung eine Erfassungsabschnittsbahn erzeugt und bewirkt, dass die Bewegungsbahnanzeigeeinheit die Bewegungsbahn der Maschine und die Zielbahn, die Sollbahn und/oder die Erfassungsabschnittsbahn überlagert anzeigt.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Bewegungsbahn der Maschine in den Bewegungsbahnfehlerauftrittsbereichen durch die Bewegungsbahnanzeigeeinheit angezeigt wird.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Bewegungsbahnanzeigeeinheit einen Fehler in einer zur Zielbahn normalen Richtung zwischen der Zielbahn und jeweils der Sollbahn, Erfassungsabschnittsbahn und Bewegungsbahn der Maschine vergrößert anzeigt.
Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Bewegungsbahnanzeigeeinheit einen Fehler in einer zur Zielbahn normalen Richtung zwischen der Sollbahn und der Erfassungsabschnittsbahn, zwischen der Sollbahn und der Bewegungsbahn der Maschine, oder zwischen der Erfassungsabschnittsbahn und der Bewegungsbahn der Maschine vergrößert anzeigt.
Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die die Maschinenbewegungsbahnmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
Maschinenbewegungsbahnmessverfahren zum Messen einer Bewegungsbahn einer Maschine, die in einer Vorrichtung verwendet wird, die die Stellung der Maschine steuert, indem eine erfasste Stellung rückgemeldet wird, die durch mehrere Motoren zum Antreiben mehrerer beweglicher Wellen erfasst wird, und die Motoren so angetrieben werden, dass die erfasste Stellung eine Sollstellung befolgt, wobei das Verfahren umfasst: Messen einer Beschleunigung der Maschine unter Verwendung einer Beschleunigungsmessvorrichtung; zweimaliges Integrieren der Beschleunigung, um die Stellung der Maschine zu berechnen; und Berichtigen der Stellung der Maschine, und zwar derart, dass der Verlauf der Stellung der Maschine im Wesentlichen mit einem Verlauf der erfassten Stellung oder einem Verlauf einer geschätzten Stellung zusammenfällt, die unter Verwendung eines Modells zur Simulation des Ansprechens der Stellung der Maschine auf die Sollstellung geschätzt wird, wodurch die Bewegungsbahn der Maschine gemessen wird.