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Anordnung an Werkzeugmaschinen zum Gewinnen von Steuerimpulsen Die
Erfindung betrifft eine Anordnung an Werkzeugmaschinen zum Gewinnen von Steuerimpulsen,
deren Anzahl der zurückgelegten Wegstrecke des bewegten Werkstückes oder Werkzeuges
entspricht, mit dem der Läufer des Gebers eines Drehfeldsystems mechanisch gekuppelt
ist, dessen Speisefrequenz mehrfach höher als seine Drehzahl liegt.
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Es ist bereits bekannt, die Stellung eines beweglichen Teiles einer
Werkzeugmaschine durch eine digitale oder analoge Ortsmessung zu ermitteln und mit
einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen. Das einfachste bekannte digitale Meßverfahren
besteht darin, von einer bestimmten Ausgangslage fortlaufend vorwärts und rückwärts
zu zählen (Inkrementalverfahren). Die Ausgangslage, gleichzeitig Nullpunkt der Zählung,
kann durch Löschen der Zählwerke an jeden beliebigen Punkt verlegt werden. Lineare
Maßstäbe mit Strichgittern oder rotierende Impulsgeber mit optischer oder sonstiger
Abtastung geben die Impulse entsprechend der Maßeinheit. Die Herstellung derartiger
Maßstäbe ist aber schwierig.
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Es ist weiterhin eine analoge Messung des Ortswertes mit Hilfe von
Drehmeldersynchros bekannt. Ein Synchro ist ein Einphasentransforinator in Form
einer kleinen, aus Ständer und Läufer bestehenden elektrischen Maschine. Durch drei
im Ständer uih 1201 räumlich versetzte Wicklungen kann die magnetische Achse durch
von außen angelegte Spannungen beliebig im Raum gedreht werden. Die in der Wicklung
des mit dem beweglichen Teil gekuppelten Läufers induzierte Fehlerspannung wird
nach einem Drehwinkel von je 180' elektrisch zu Null, so daß ein bestimmter
Weg eindeutig auf einem Winkel abbildbar ist. Durch Kombination mehrerer Synchros
über ein Meßgetriebe mit entsprechendem übersetzungsverhältnis läßt sich eine große
Strecke eindeutig und mit großem Auflösungsvermögen abbilden.
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Bei analogenWegemeßsystemen ist es auch bekannt, ähnlich wie bei den
elektrischen Wellen, die Ständerwicklungen zweier Drehmelder dreiphasig miteinander
zu verbinden. Es wird nur die Läuferwicklung des einen Drehmelders einphasig mit
Wechselspannung gespeist, während über die Ständerwicklungen eine Fehlerspannung
in der Läuferwicklung des mit dem beweglichen Maschinenteil gekuppelten Drehmelders
induziert wird. Der Läufer dieses Drehmelders (und damit der bewegliche Maschinenteil)
wird durch einen Folgemotor so lange verdreht, bis die Fehlerspann*g zu Null geworden
ist. Durch eine dem gewünschten Ortssollwert entsprechende Einstellung des nicht
mit dem beweglichen Maschinenteil gekuppelten Läufers ergibt sich dadurch eine Folgeregelung
mit Wegvergleich.
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Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß man für ein großes Auflösungsvermögen
mehrere überlagerte Drehmeldesysteme benötigt. Die Aufgabe der Erfindung besteht
nun darin, mit nur einem Drehmeldersystem den gesamten zurückzulegenden Weg zu erfassen
und gleichzeitig die für eine numerische Steuerung notwendigen Impulse zu bilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Läufer
des Drehfeldempfängers festgebremst ist und daß bei bestimmten gleichen Werten seiner
gleichgerichteten Spannung jeweils ein Impuls gebildet und einem Zählwerk zugeführt
wird. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet, da sie praktisch keiner Abnutzung
ausgesetzt ist, mit hoher Genauigkeit. Vorteilhaft sind ferner zwecks Zuordnung
der Impulse zu bestimmten Wegstreckenpunkten der Ständer des Gebers oder des Empfängers
oder der Läufer des Empfängers relativ zueinander verdrehbar. Auf diese Weise läßt
sich die Zahl der zu bildenden Impulse verhältnismäßig- klein halten.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand eines
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt F i g. 1 ein
Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter
schematischer Darstellung, F i g. 2 die Läuferspannung abhängig vom zurückgelegten
Weg, F i g. 3 eine schematische Darstellung für die An-,wendung des in F
i g. 1 dargestellten Gegenstandes zur Drehzahlsteuerung eines Vorschubmotors
und F i g. 4 den Signalspannungsverlauf zur Drehzahlsteuerung.
Bei
dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei einer Relativbewegung
des nicht dargestellten Maschinenschlittens durch die Zalmstange 2 und das Ritzel
3, die Welle 4, wie durch den Doppelpfeil 55 angedeutet, gedreht.
Mit der Welle 4 ist der Läufer 5 eines als Geber dienenden Drehmelders
1
gekuppelt. Bei einer Bewegung des Maschinenschlittens führt daher der Läufer
5 des Gebers 1 entsprechende wegabhängige Drehungen aus. Es entspricht
jeweils eine bestimmte Zahl von Umdrehungen oder eine bestimmte Teildrehung einer
bestimmten zurückgelegten Weglänge des bewegten Maschinenteils. Die einphasig ausgebildete
Läuferwicklung des Gebers 1 wird über Schleifringe mit einer Wechselspannung
von beispielsweise 50Hz gespeist. Die Mindesthöhe der zu wählenden Frequenz hängt
von der Maschinengeschwindigkeit sowie von der Höhe des übersetzungsverhältnisses
zwischen Zahnstange 2 und Ritzel 3 ab.
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Im Ständer des Gebers 1 werden in der Dreiphasenwicklung
6, 7, 8 gleichphasige Wechselspannungen verschiedener Amplitude induziert.
Durch die Verbindungsleitungen 9, 10 und 11 werden diese Spannungen
an die entsprechenden Wicklungen 13,
14 und 15 des als Empfänger dienenden
Drehmelders 12 geführt. Dadurch wird in dem mit der Bremse 22 festgehaltenen Läufer
56 des Empfängers 12 eine Wechselspannung induziert, die über Schleifringe
abgegriffen werden kann. Die Amplitude dieser Wechselspannung ist abhängig von der
relativen Stellung der Läufer zu den Ständern in beiden Drehmeldern. Bei einer vollen
Umdrehung des Läufers 5 ergibt sich eine volle sinusförmige Modulationsperiode
der Wechselspannung.
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Diese Ausgangsspannung wird, wie F i g. 2 zeigt, gleichgerichtet,
so daß bei einer vollen Umdrehung des Läufer-s 5 zwei Halbwellen entstehen,
denen die angelegte Wechselstromspeisefrequenz überlagert ist. Die Strecke
a, b umfaßt dabei eine halbe Drehung und die Strecke a, c eine
volle Umdrehung von 360'
des Läufers 5. Die Speisefrequenz liegt dabei,
wie die Darstellung zeigt, so hoch, daß eine nennenswerte Anzahl von Halbwellen
der Speisefrequenz innerhalb einer Halbwelle der gleichgerichteten Empfängerspannung
liegt.
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Man kann nun jeweils durch an sich bekannte Maßnahmen bei bestimmten
Amplituden dieser gleichgerichteten Spannung einen Impuls bilden und einem
Zählwerk 21 zuführen. Das Spannungsniveau für die Impulsgabe ist durch die Linie
16, die die beiden Halbwellen 17 und 18 schneidet, dargestellt.
Die Lage des Impulses in bezug auf den abgebildeten Weg kann entsprechend der Höhe
des Spannungsniveaus, also durch Verschieben der Linie 16 nach oben oder
unten gemäß dem Doppelpfeil 19, innerhalb eines Phasenwinkels zwischen
0 und 90' verändert werden. Die Zählimpulse werden dementsprechend
dann durch die Impulsfonnerstufe 20 bei bestimmten Werten der Läuferspannung gebildet.
Man kann bei dieser Anordnung wahlweise nur die Anstiegs- oder die Abstiegsflanke
einer Halbwelle oder auch beide benutzen.
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Der Impuls wird also jeweils dann gebildet, wenn der Läufer des Empfängers
eine ganz bestimmte Winkelstellung gegenüber dem Läufer des Gebers besitzt. Da die
Stellung des Läufers im Geber infolge des Antriebs durch das sich bewegende Maschinenteil
wegabhängig ist, wird der Impuls ebenfalls an bestimmten Punkten des Weges gebildet.
Wird beispielsweise der Antrieb des Geberläufers so vorgenommen, daß der Läufer
beim Durchfahren eines Weges von 20 mm eine volle Umdrehung ausführt, so entstehen,
falls die Nulldurchgänge der Läuferausgangsspannung benutzt werden, Impulse im
Ab-
stand von jeweils 10 mm. Da im Gegensatz zu einer übertragung in
Form einer elektrischen Welle der Empfängerläufer nicht nachlaufen muß und keinerlei
mechanische Leistung und kein Drehmoment abgenommen wird, erfolgt die Impulsgabe
bezüglich ihrer Zuordnung zur Stellung des Maschinenteils sehr genau.
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In weiterer Gestaltung der Erfindung läßt sich die absolute Wegzuordnung
des Impulses auf verschiedene Weise verändern, da sie von der relativen Stellung
der Läufer zu den Ständern bzw. der Ständer unter sich abhängig ist. Diese drei
zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade können einerseits dazu benutzt werden, einer
vorhandenen Maschinenstellung eine Ausgangsstellung zuzuordnen und andererseits
eine Feinprogrammierung vorzunehmen.
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Für die Feinprogrammierung im Bereich von z. B. 0 bis
10 mm kann man beispielsweise einen der Ständer der Drehmelderkette, z. B.
den Ständer des Empfängers 12, durch z. B. einen Nachlaufmotor um einen bestimmten
Winkelwert verdrehen. In dem vorstehend geschilderten Fall, bei dem einer Verdrehung
um einen Winkel von 180' ein Weg von 10 mm entspricht, erreicht man
durch eine Verdrehung um 0,18 Winkelgrad eine Verschiebung der Impulsgabe
entsprechend einem Weg von 0,01 mm.
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Durch Einfügen eines Differentialdrehmelders kann man zwei weitere
Freiheitsgrade hinsichtlich der Zuordnung der Impulse zu bestimmten Wegpunkten erhalten.
Der in F i g. 1 dargestellte Differentialdrehmelder 31 weist eine
mehrphasige Ständerwicklung und eine mehrphasige Läuferwicklung auf. Ein solcher
Drehmelder wird nun, wie dies in F i g. 1 durch die gestrichelten Verbindungslinien
23, 24, 25, 26
und 27 angedeutet ist, zwischen Geber
1 und Empfänger 12 geschaltet. Durch Verdrehen des Läufers 29 oder
des Ständers 30 läßt sich dann eine weitere Zuordnung der Impulse zu bestimmten
Wegstreckenpunkten erzielen.
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Die Steuerung der Maschine kann nun in der Weise vorgenommen werden,
daß die Maschine angehalten wird, wenn das Zählwerk eine bestimmte Zahl von Impulsen
registriert hat. Weiterhin läßt sich aber auch noch die Geschwindigkeit des überwachten
Antriebes der Maschine steuern, indem z.B. nach einer bestimmten Anzahl von Impulsen
der Antrieb auf langsame Bewegung umgeschaltet wird. Aus dieser langsamen Bewegung
kann die Maschine dann angehalten werden, wenn z. B. wieder ein neuer Impuls gebildet
wird. Dadurch läßt sich die Maschine über Magnetkupplungen im Vorschubgetriebe genau
steuern und der Nachlauf der bewegten Massen beim Einfahren in die programmierte
Stellung gering halten.
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Entsprechend einer Verschiebung der Linie 16 im Sinne des Doppelpfeiles
19 (F i g. 2) kann man aber gegebenenfalls zusätzlich beim Einfahren
in die Endstellung den Nachlauf ausgleichen.
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Da die Bildung der Impulse wegabhängig ist, ist es also wie geschildert
möglich, an be*71mmten einstellbaren Stellen die Geschwindigkeit des Antriebes durch
eine vom Zählwerk beeinflußte Wahl des Sollwertes
zu verändern.
Insbesondere kann man die Ausgangsspannung der Drehmelderkette selbst als Eingangsspannung
im Regler wirksam werden lassen. Durch diese Maßnahme läßt sich ein noch sanfteres
und stoßfreies Einführen in den gewünschten Ortswert erzielen, da beim Durchlaufen
langer Verstellwege die hohen Geschwindigkeiten rechtzeitig auf entsprechend niedrige
Geschwindigkeiten herabgemindert werden können, ohne daß die Gefahr von Pendelungen
im Antriebssystem auftritt.
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F i g. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel. Von einem durch
das Zählwerk festgelegten Einsatzpunkt aus wird die Sollspannung für den Antriebsmotor
durch die Spannung am Ausgang des Empfängers ersetzt. Wenn diese Spannung dann den
Wert Null oder einen anderen vorher eingestellten Wert erreicht hat, bleibt der
Antriebsmotor stehen. Mit 40 und 41 sind hier die Anschlüsse an den in F i
g. 1
mit 12 bezeichneten Empfänger benannt. Neben der Impulsforinerstufe 20
und dem Zählwerk 21 ist noch an die Leitungen 40 und 41 eine Gleichrichteranordnung
mit den einzelnen Gleichrichtern 42, 43, 44 und 45 sowie parallel dazu ein Kondensator
46 angeschlossen. Wenn die Maschine anläuft, wird die Sollspannung, die die Geschwindigkeit
des Vorschubantriebes festlegt, am Kondensator 46 abgenommen. Durch die Glättwirkung
des Kondensators wird der Antrieb praktisch mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit
geführL Nach einer bestimmten Anzahl von dem Zählwerk 21 registrierter Impulse wird,
wie durch die Wirkungslinie 48 angedeutet, der Schalter 47 geöffnet, so daß der
Kondensator 46 abgeschaltet wird. Die Amplitude der Spannung im Läufer des Drehmelders
12 übernimmt nun die Funktion des Sollwertes und führt den Motor bis zum gewählten
Haltepunkt. Da der Antriebsmotor und das Drehfeldsystem über das sich bewegende
Maschinenteil gekoppelt sind, ist die nun vorhandene Sollspannung dem noch zurückzulegenden
Weg des Schlittens angepaßt. Beim Nulldurchgang oder auch einem anderen eingestellten
Spannungsniveau der gleichgerichteten Läuferspannung bleibt der Motor stehen und
wird abgeschaltet.
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Die Sollspannung für den Vorschubmotor kann auch aus einer Batterie
oder sonstigen Stromquelle entnommen werden und zum Einstellen der Geschwindigkeit
durch geeignete Mittel verändert werden. Der Schalter 49 schaltet in diesem Fall
wahlweise die Vergleichsspannung der Batterie 50 oder die gleichgerichtete
Läuferspannung an die Steuereinrichtung des Antriebes. -
F i g. 4 zeigt
schematisch die Wirkungsweise der Geschwindigkeitssteuerung des Vorschubmotors.
Der Einfachheit halber wird angenommen, daß das Zählwerk jeweils bei der maximalen
Amplitude des Drehmelderausganges anspricht. Die mit S bezeichnete Strecke
von t nach t' bezeichnet den Beginn und das Ende der Zählung, während mit Y' die
Haltestelle bezeichnet ist. Beim Beginn der Maschinenbewegung fährt der Motor bis
auf die durch den Sollwert (Linie 51) vorgegebene Geschwindigkeit hoch. An
der Stelle t' wird der Sollwert von der Spannung am Ausgang des Drehfeldsystems
gebildet. Mit diesem Sollwert wird dann der Motor bis zum Stillstand ge-
führt.