DE19708894A1 - Verfahren zur Lage- und/oder Geschwindigkeitsregelung von Achsen an einer Werkzeugmaschine sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lage- und/oder Geschwindigkeitsre­ gelung von Achsen an einer Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Ver­ fahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.

Es ist bekannt, daß bei standardmäßigen numerischen Lage- und Ge­ schwindigkeitsregelungen aufgrund der Abtastung und der Interpolation der Meßsignale für die hochauflösende Positions-/Geschwindigkeitserfassung durch Aliasing Drehungleichförmigkeiten entstehen, welche für schnelldre­ hende hochgenaue Achsen nicht mehr vernachlässigbar sind, und daß fer­ ner durch die Zykluszeit die Dynamik begrenzt wird.

Es sind demgegenüber Meß- und Regelungsverfahren bekannt, welche die­ se Nachteile nicht aufweisen, vorzugsweise analoge oder quasianaloge Verfahren. Beispielhaft erwähnt sei hierfür der Phasenvergleich von Geber­ signalen mit Sollwertsignalen gleicher Signalform. Diese sind jedoch mit dem Konzept einer Standard-NC nicht vereinbar und können ihrerseits mit ver­ tretbarem Aufwand nicht mit dem vollen Funktionsumfang einer Standard-NC versehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren und die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß einerseits die Vorteile der höheren Genauigkeit genutzt werden können und andererseits der volle Funktionsumfang der Standard-NC erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungs­ gemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Anspruches 13 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens die Regelung einer NC-Achse durch ein zweites Regelungssystem durchgeführt, das zusätzlich zu dem der Standard-NC vorgesehen ist. Dieses zweite Regelungssystem ist so aufgebaut, daß die bekannten durch Unterabtastung erzeugten Alia­ singeffekte und die Begrenzung der Dynamik durch die Zykluszeiten vermie­ den oder zumindest deutlich reduziert werden. Der NC-interne numerische Lagesollwert für die externe Regeleinheit wird mittels der Lageregelung in der NC in serielle Pulse oder serielle sinusförmige Signale gewandelt, indem deren Geschwindigkeitsstellgröße einen spannungsgesteuerten Generator ansteuert. Er erzeugt das gewünschte Ausgangssignal, das wieder in das für den Istwert-Eingang erforderliche Sinussignal rückgewandelt und an den Istwert-Eingang der NC-Lageregelung rückgeführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das ergänzende Regelungs­ system mit der Standard-NC verbunden und mit dem in der NC vorhandenen Lagesollwert versorgt. Dadurch werden Drehungleichförmigkeiten durch Aliasingeffekt und eine Begrenzung der Dynamik durch die Zykluszeiten vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Gleichzeitig kann der volle Funktionsumfang der Standard-NC bezüglich der Achse weiterhin genutzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprü­ chen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung das der Erfindung zugrunde­ liegende Verfahren,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 in schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist in eine Vorrichtung zusätzlich zu einem standardmäßig vorhandenen Lageregelkreis 12 einer NC-Achse, wel­ cher aus den Komponenten Antriebsverstärker 7, Motor 8, mechanische Achse 9, Positionsgeber 10 und einem in der NC 1 (Fig. 2) integrierten Soll- Ist-Vergleicher 5.1 mit Lageregler 5.2 besteht, ein ergänzendes Regelungs­ system zur Bildung eines Lageregelkreises 24 installiert. Dieses Regelungs­ system besteht aus den Komponenten Positionsgeber 11, welche den Lage-Ist­ wert der Achse 9 in einer für das ergänzende Regelungssystem erforderli­ chen Signalform erfaßt, oder einem Wandler 25, welcher die Signale des Positionsgebers 10 in die erforderliche Signalform wandelt, sowie einem Soll-Ist-Vergleicher 19 und einem Regler 21. Ein Wandler 14 wandelt den von einem Interpolationsmodul 4 der NC 1 (Fig. 2) generierten Lage-Sollwert in eine für den Soll-Ist-Vergleicher 19 geeignete Form. Das Ausgangssignal des Soll-Ist-Vergleichers 19 wird vom Regler 21 in eine Stellgröße für den Antriebsverstärker 7 gewandelt. Entsprechend den Anforderungen an dies Regelung wird über einen Umschalter 22 der Antriebsverstärker 7 auf diese Stellgröße umgeschaltet. Da die geregelte Achse nach dem Umschalten auf die Stellgröße aus dem Regler 21 weiterhin durch den jetzt geschlossenen externen Regelkreis 24 in der Sollage des Interpolationsmoduls 4 gehalten und die Ist-Lage der Achse 9 über den Positionsgeber 10 weiterhin der NC 1 zur Verarbeitung zurückgemeldet wird, hat sich für den Ablauf in der NC 1 nichts geändert. Das bedeutet, daß sämtliche Funktionen der NC 1 bezüg­ lich der Achse 9, wie beispielsweise Überwachungsfunktionen, Absolutwert­ bearbeitung, Bahnsteuerung, Korrekturen usw. und somit auch bestehende NC-Programme, weiterhin genutzt werden können.

In dem ergänzenden Regelungsverfahren wird der Lage-Istwert über einen Positionsgeber mit Rechtecksignalen erfaßt und mit einem Sollwert gleicher Signalform in seiner Phasenlage zu diesem verglichen. Das entstehende analoge Differenzsignal wird zur Lage- und Geschwindigkeitsregelung ver­ wendet. Über eine geeignete Vorrichtung wird der numerische Lagesollwert der NC in die erforderliche Signalform gewandelt. Es können jedoch auch andere Meß- und Vergleichsverfahren, welche die Aufgabe erfüllen, ange­ wendet werden. Genannt seien sinusförmige Istwerterfassung und analoger Phasenvergleich, numerische Bildung der Soll-Ist-Abweichung, usw. Ent­ sprechend können auch andere Wandler eingesetzt werden.

Den prinzipiellen Aufbau zeigt Fig. 2 anhand eines Ausführungsbeispieles. Die üblicherweise vorhandene Struktur einer NC-geregelten Rundachse ist unter 12 dargestellt. Die zu regelnde mechanische Achse 9 ist eine Rund­ achse. Sie wird vom Motor 8 angetrieben. Mit dieser Achse 9 ist der Positi­ onsgeber 10 starr verbunden. Er liefert sinusförmige Signale, welche in der Lageregeleinheit 5 zwecks hoher Auflösung der Position vielfach interpoliert werden. Der Lagesollwert wird im Interpolationsmodul 4 der NC 1, welche nur teilweise dargestellt ist, erzeugt und an die Lageregeleinheit 5 geführt. Hier wird er mit dem interpolierten Lageistwert des Positionsgebers 10 ver­ glichen. Die Differenz wird mit geeigneten Regelfaktoren gewichtet und als analoger Geschwindigkeitsollwert an die unterlagerte Geschwindigkeitsre­ geleinrichtung im Antriebsverstärker 7 geleitet. Aus Genauigkeitsgründen wird für hochgenaue Geschwindigkeitserfassung üblicherweise dasselbe Meßsystem 10 verwendet wie für die Lageerfassung. Das bekannte Verfah­ ren der Geschwindigkeitsregelung im Antriebsverstärker 7 ist nicht im Detail dargestellt. Diese übliche Anordnung hat die Nachteile, daß aufgrund der Abtastung und der Interpolation der Meßsignale für die hochauflösende Po­ sitions-/Geschwindigkeitserfassung durch Aliasing Drehungleichförmigkei­ ten entstehen, welche für schnelldrehende hochgenaue Achsen nicht mehr vernachlässigbar sind, und daß ferner durch die Zykluszeit die Dynamik be­ grenzt wird.

Erfindungsgemäß wird deshalb eine weitere Lage- oder Lage- und Ge­ schwindigkeitsregelung hinzugefügt. Zu ihrer Ansteuerung muß der numeri­ sche Lagesollwert der NC 1 in die passende Signalform gewandelt werden. Hierfür wird in einem Interpolator 2 der NC 1 mittels bekanntem Verfahren der Getriebe-Interpolation in einem Getriebe-Interpolator 3 mit konstantem Koppelfaktor ein der Soll-Lage am Ausgang des Interpolationsmoduls 4 glei­ cher Lage-Sollwert erzeugt. Dieser Lagesollwert wird in einer Lageregelein­ heit 13 mit einem Istwert verglichen, welcher vom Wandler 14 an den Ist­ werteingang der Lageregeleinheit 13 rückgeführt wird. Die Differenz wird mit geeigneten Regelfaktoren bewertet und als Stellgröße an den Wandler 14 übergeben. Im Wandler 14 wird die Stellgröße zwecks Glättung von Quanti­ sierungssprüngen über ein Filter 15 geführt und in einem Spannungs- Frequenz-Wandler 16 zur weiteren Verarbeitung in einer ergänzenden Re­ gelungseinheit 18 in eine serielle Pulsfolge mit Richtungsinformation ge­ wandelt. Ein Wandlerelement 17 des Wandlers 14 wandelt diese Pulsfolge entsprechend der Spezifikation der Geberschnittstelle der Lageregeleinheit 13 wiederum in sehr reine sinusförmige Signale. Aufgrund des über die Rückführung geschlossenen Regelkreises und geeigneter Reglerparameter entspricht der vom Spannungs-Frequenz-Wandler 16 erzeugte Sollwert dem Lage-Sollwert des Interpolationsmoduls 4.

Die eigentliche Regelung der Achse 9 erfolgt in der Regelungseinheit 18. Die Position der Achse 9 wird über den zweiten Positionsgeber 11 mit recht­ eckförmigen Signalen erfaßt und zum Soll-Ist-Vergleicher 19 rückgeführt. Bei ausreichender Genauigkeit kann auch das Signal des Positionsgebers 10 verwendet werden, indem es in rechteckförmige Signale gewandelt wird. Der Soll-Ist-Vergleich wird im Soll-Ist-Vergleicher 19 nach dem Puls-Phasen-Ver­ gleich durchgeführt und liefert ein mit der Lagedifferenz pulsweitenmo­ duliertes Signal mit einer der Pulsfolge des Positionsgebers 11 proportiona­ len Frequenz. Mittels eines geeigneten Tiefpasses 20 werden diese weit über der Reaktionsfrequenz der Regelstrecke liegenden Frequenzanteile herausgefiltert. Die sich ergebende Lageregelabweichung wird in der Reg­ lereinheit 21 mit geeigneten Regelfaktoren bewertet und als Stellgröße über den Umschalter 22 an den Antriebsverstärker 7 geleitet wird, falls der Um­ schalter 22 die entsprechende Stellung hat.

Als weitere Besonderheit kann die Geschwindigkeitsdifferenz durch analo­ ges Differenzieren der Lageregelabweichung in der Reglereinheit 21 erzeugt und der Geschwindigkeitsregler in diese Reglereinheit 21 integriert werden. Dadurch können die oben erwähnten nachteiligen Effekte auch in der Ge­ schwindigkeitserfassung vermieden werden. Bei Einsatz dieser Variante wird der Antriebsverstärker 7 von einer Anpaßlogik 23 auf Momentenregelung umgeschaltet.

Es gibt Verfahren des Puls-Phasen-Vergleichs, welche sich nur für einen Bereich der Frequenz des Positionsgebers 11 weit oberhalb der Reaktions­ frequenz des Regelsystemes eignen. Daraus folgt, daß in diesem Falle das ergänzende Regelungssystem nicht für den Stillstand und das Anfahren der Achse 9 geeignet ist. Deshalb wird abhängig vom Prozeßzustand von der Anpaßlogik 23 über den Umschalter 22 zwischen der Stellgröße der Lagere­ geleinheit 5 und der Stellgröße der ergänzenden Regelungseinheit 18 um­ geschaltet. Im vorliegenden Anwendungsfall ist während der Bearbeitung hohe Drehgleichförmigkeit bei annähernd konstanter Geschwindigkeit gefor­ dert.

Neben dem Erreichen eines besseren Regelverhaltens bietet die Erfindung die Möglichkeit, mit einfachen Mitteln über analoge Addition mit dem Ein­ gangssignal der Reglereinheit 21 analoge Lage- und/oder Geschwindigkeits-Kor­ rekturgrößen, beispielsweise über analoge Sensoren 27 erfaßte Größen, in Echtzeit aufzuschalten.

Da die Achse 9 nach dem Umschalten auf die Stellgröße der Regelungsein­ heit 18 über Getriebe-Interpolator 3, Lageregeleinheit 13, Wandler 14 und ergänzende Regelungseinheit 18 weiterhin dem Sollwert des Interpolations­ moduls 4 folgt und der Istwerteingang der Lageregeleinheit 5 den Lage­ istwert der Achse 9 erhält, können alle Funktionen der NC bezüglich der Achse 9, wie beispielsweise Überwachungsfunktionen, Absolutwertbearbei­ tung, Bahnsteuerung, Korrekturen usw. und somit auch bestehende NC-Programme, weiterhin genutzt werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der numerische Lagesoll­ wert des Interpolationsmoduls 4 dem Wandler 14 direkt zugeführt und in den Lage-Sollwert für die ergänzende Regelungseinheit 18 gewandelt wird.

Wenn das ergänzende Regelungssystem auch zum Positionieren und An­ fahren der Achse geeignet ist, kann der Umschalter 22 (Fig. 1) entfallen. Das Ausgangssignal der ergänzenden Regelungseinheit 18 wird direkt an den Antriebsverstärker 7 geführt. Die Verbindung zwischen der Lageregel­ einheit 5 und dem Umschalter 22 entfällt.

Ist die ergänzende Regelungseinheit 18 ein numerisch arbeitendes System, welches die geforderten Eigenschaften aufweist, so kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, auch der Lage-Istwert, durch den Wandler 25 in einen nume­ rischen Wert gewandelt, direkt der Lageregeleinheit 5 der NC 1 rückgeführt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die nahezu gleich ausgebildet ist wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß mit der Achse 9 ein Sensor 26 zur Messung der Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung, beispielsweise basierend auf dem Ferraris-Prinzip, ver­ bunden ist. Das Ausgangssignal des Sensors 26 wird der Reglereinheit 21 zwecks Geschwindigkeitsregelung rückgeführt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Lage- und/oder Geschwindigkeitsregelung von Achsen an einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise von schnelldrehenden, hochgenauen Rundachsen einer Verzahnmaschine, unter Verwendung einer Standard-NC, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Re­ gelung einer NC-Achse (9) durch ein zweites Regelungssystem (18) durchgeführt wird, das zusätzlich zu dem der Standard-NC (1) vorge­ sehen und so aufgebaut ist, daß die bekannten durch Unterabtastung erzeugten Aliasingeffekte und die Begrenzung der Dynamik durch die Zykluszeiten vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lage­ sollwert der NC (1) für die zu regelnde Achse (9) in die für das zweite Regelungssystem (18) erforderliche Signalform gewandelt wird, daß der Lageistwert der zu regelnden Achse (9) in einer für das zweite Re­ gelungssystem (18) erforderlichen Signalform erzeugt oder in eine sol­ che gewandelt wird, daß über einen Soll-Ist-Vergleich die Abweichung ermittelt und daraus die Stellgröße für einen Antriebsverstärker (7) der zu regelnden Achse (9) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der Achse (9) an die NC-Regelung (12) rückgeführt wird und daß dadurch die volle Funktionalität der NC (1) bezüglich der Achse (9) weiterhin nutzbar ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Regelungssystem (18) über eine NG-Achse angesteu­ ert wird, welche mit der von der NC (1) geregelten Achse (9) in ihrer Sollage synchronisiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesollwert für das zweite Regelungssystem (18) aus dem internen Lagesollwert nachgebildet wird, indem eine synchrone Ach­ senregelung einen Wandler (14) ansteuert, welcher den Lagesollwert in eine für das ergänzende Regelungssystem (18) geeignete Signal­ form wandelt, und indem ferner dieses Signal in die für den Istwert-Ein­ gang der NC-Achse (9) erforderliche Form gewandelt und an diesen rückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das zweite Regelungssystem (18) ein Puls-Phasen-Vergleich zur Bildung der Lagedifferenz verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das zweite Regelungssystem (18) ein Sinus-Phasen-Vergleich zur Bildung der Lagedifferenz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Geschwindigkeitsregelung benötigte Geschwindigkeitsdifferenz über das Verfahren des Phasen-Vergleichs mit Differentiation der La­ gedifferenz gebildet wird und daß der Antriebsverstärker (7) in Mo­ mentenregelung betrieben wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ergänzenden Regelungssystem (18) dem Signal der Lage­ differenz mindestens ein analoger Lagesollwert als Lagekorrekturgröße in Echtzeit aufgeschaltet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lage­ sollwert für das zweite Regelungssystem (18) direkt aus der NC (1) gelesen und in einem numerisch arbeitenden Regelungssystem (14) verarbeitet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Erfassung der Geschwindigkeit der zu regelnden Achse (9) ein separater Sensor (26) verwendet wird und dessen Signal in der Geschwindigkeitsregelung des ergänzenden Regelungssyste­ mes (18) verarbeitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Regelungssystem (18) mit der NC (1) sowohl über den numerischen Sollwert als auch über einen numerischen Istwert direkt kommuniziert.

13. Vorrichtung zur Lage- und/oder Geschwindigkeitsregelung von Achsen an einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise von schnelldrehenden, hochgenauen Rundachsen einer Verzahnmaschine, unter Verwendung einer Standard-NC, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zur Re­ gelung einer NC-Achse (9) ein zweites Regelungssystem (18) zusätz­ lich zu dem der Standard-NC (1) vorgesehen ist und das so aufgebaut ist, daß die bekannten durch Unterabtastung erzeugten Aliasingeffekte und die Begrenzung der Dynamik durch die Zykluszeiten vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der NC-interne numerische Lagesollwert für eine externe Regeleinheit (24) mittels der Lageregelung in der NC (1) in serielle Pulse oder serielle sinusförmige Signale gewandelt wird, indem deren Geschwindigkeits­ stellgröße einen spannungsgesteuerten Generator ansteuert, welcher das gewünschte Ausgangssignal erzeugt, und indem dieses Signal wieder in das für den Istwert-Eingang erforderliche Sinussignal rück­ gewandelt und an den Istwert-Eingang der NC-Lageregelung rückge­ führt wird.