DE2032278C3 - Stellungs- und Geschwindigkeits-Steuersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellungs- und Geschwindigkeits-Steuersystem für Werkzeugmaschinen od. dgl, bei dem ein sich bewegendes Teil entlang wenigstens einer Achse mittels eines zugeordneten Servomotors unter Steuerung einer iCeihe von aufeinanderfolgenden Stellungs- und Geschwindigkeitsbefehlen positionierbar ist, die in numerischer Form von einer Programmeinheit

jo geliefert werden, wobei jeder Stellungsbefehl von einem ersten Digital-Analog-Umsetzer zu einem Analogsignal umgesetzt und anschließend als Befehlssignal einem Stellungsfehlerdetektor zwecks Erzeugens eines analogen durch den Unterschied zwischen der momentanen

j5 Stellung und dem Stellungsbefehl gegebenen Fehlersignals zugeführt wird, um die Geschwindigkeit des Servomotors zu steuern, bei dem jeder Geschwindigkeitsbefehl einen absoluten Geschwindigkeitswert darstellt und von einem zweiten Digital-Α aalog-Umsetzer in eine analogen Form umgesetzt wird.

Es ist ein kontinuierliches Posiüonierungssystem bekannt, bei dem die Programmeinheit gebildet wird von einem Programmband, auf dem Stellungsbefehle, die sich auf sehr nahe benachbarte Punkte beziehen, aufgezeichnet sind, einem Bandleser sowie von dem Leser gespeiste Register, die die aufeinanderfolgenden Befehle für eine Zeitspanne speichert, die zur Übertragung des jeweiligen Befehls an den Stell-Servomechanismus ausreicht (DE-OS 14 63 460). Es ist weiter ein

V) kontinuierliches Positionierungssystem bekannt, bei dem das Programmband lediglich sich auf diskrete Punkte beziehende Befehle enthält und der Bandleser einen Interpolator speist, der ausgangsseilig die Befehle liefert, die alle zwischen zwei aufeinanderfolgenden diskreten Punkten des Programms eingeschlossenen Zwischenpunkte betreffen (DE-OS 15 63 596).

Der von dem Stellungsdetektor erzeugte Lagefehler darf dabei einen bestimmten Lagefehler nicht übersteigen, damit die maschinelle Bearbeitung nicht ungenau

bo wird, und zwar besonders dann, wenn zyklische Detektoren verwendet werden, damit die Schrittweite zwischen den durch die aufeinanderfolgenden Stellungsbefehle angegebenen Soltstellungen und den tatsächlich von dem sich bewegenden Teil während seiner Verschiebung eingenommenen Stellungen nicht verloren geht.

Dies ist auch der Fall bei einer anderen bekannten Geschwindigkeitssteuerung einer Werkzeugmaschine

mit Steuer-ing mittels eines Interpolators und mit einer Meßeinrichtung, deren Zyklus nicht größer als der Fehler sein darf (Siemens-Zeitschrift, 40, Jahrgang, 1966, Heft 2, S, 55-62),

Es ist ferner bekannt, dem unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreis einen absoluten Geschwindigkeitsbefehl als analogen Sollwert zuzuführen (Regelungstechnik, 13, Jahrgang, 1965, Heft 3, S, 137-138).

Aber auch auf diese Weise ist keine größere Arbeitsgeschwindigkeit erreichbar, als sie mittels eines aus dem einfachen Stellungsfehler ableitbaren Befehls erreichbar wäre, wenn eine genaue maschinelle Bearbeitung gewährleistet werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr hohe Bewegungsgeschwindigkeit des sich bewegenden Teils bei den Leerlaufbewegungen zu ermöglichen, und zwar selbst wenn der Fehler oder die Verzögerung der Bewegung mit Bezug auf den Befehl größer als der Zyklus des Stellungsdetektors oder des Inductosyns ist

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Stellungs- und Geschwindigkeits-Steuersystem der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, AaH eine Einrichtung zum Addieren des analogen Geschwindigkeitsbefehls ohne Rückführung des Geschwindigkeit-Istwertes zu dem analogen Fehlersignal, um ein Geschwindigkeitsbefehlssignal für den Servomotor zu erhalten, das ausreichend groß ist, um Arbeitsgeschwindigkeiten zu gestatten, die höher als die mittels eines aus einem einfachen Stellungsfehler abgeleiteten Befehls erreichbaren sind und daß ein Nachfolgeregister vorgesehen ist, das zum zeitweiligen Speichern wenigstens einer konstanten numerischen Größe, die unter Steuerung eines Fehlermessers immer dann übertragen wird, wenn die Amplitude des vom Stellungsdetektor signalisierten Lagefehlers ein vorbestimmtes Niveau übersteigt, und zum anschließenden Anlegen des Inhalts des Nachfolgeregisters an den Umsetzer an Stelle des analogen Geschwindigkeitsbefehls vorgesehen ist, wenn letzterer niedriger als ein vorbestimmtes zweites Niveau wird.

Auf diese Weise beeinträchtigt die Verzögerung in dieser Bewegung nicht den Bearbeitungsvorgang, während die von der Maschine für den Bearbeitungsvorgang benötigte Gesamtzeit erheblich herabgesetzt wird. Wenn bei diesem System die Programmeinheit ein Stellungsregisler zum Speichern der aufeinanderfolgenden Stellungsbefehle und ein Geschwindigkeitsregister zum Speichern der aufeinanderfolgenden Geschwindi-gkeitsbefehle aufweist, wobei diese Register jeweils den ersten und den zweiten Umsetzer speisen, empfiehlt es sich, daß der Inhalt des Nachfolgeregisters einem digitalen Addidrglied zugeführt wird, das den Unterschied zwischen dem Inhalt des Stellungsregisters und dem des Nachfolgeregisters bildet, um das analoge Stellungsfehlersignal auf einer Amplitude zu halten, die das erste Niveau nicht übersteigt.

Vorteilhaft ist es, wenn der Fehlermesser eine Ausgabe erzeugen kann, um die Einführung der konstanten numerischen Größe in das Nachfolgeregister mit einem Vorzeichen in Übereinstimmung mit dem Vorzeichen des Lagefehlers zu steuern, wobei das Nachfolgeregister als algebraischer Summierer arbeitet. Eine Weiterausbildung ist möglich durch eine erste Einrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden des Ausgangs des Nachfolgercgisters mit dem zweiten Umsetzer, wenn der Inhalt des Geschwindigkeitsregisters gleich Null ist, und eine zweite Einrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden des Ausgangs des Geschwindigkeitsregisters mit dem zweiten Umsetzer, wenn der Inhalt des Nachfolgeregisters gleich Null ist

Ferner ist es möglich, daß das Nachfolgeregister an den ersten Umsetzer eine digitale Größe liefern und bis zu einem vorbestimmten Vielfachen dieser Größe speichern kann, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, um diese Größe an das Nachfolgeregister jedesmal dann anzulegen, wenn der Niveaufehlermesser diese Ausgabe erzeugt, damit sie gemäß dem Vorzeichen des

ίο Fehlersignals algebraisch integriert wird, wodurch das digitale Addierglied zu der digitalen Stellung den Inhalt des Nachfolgeregisters algebraisch hinzuzählt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung, die ein Blockdiagramm eines numerischen Steuersystems für eine Werkzeugmaschine zeigt, dargestellt und wird im folgenden näher erläutert

Zur Programmeinheit der Werkzeugmaschine gehört ein Programmband 1, auf dem Stellungs- und Geschwindigkeitsbefehlr aufgezeichnet sind. Diese Befehle werden von einem Leser 2 gelesen und in entsprechenden Registern Rp, Rv einer Steuercia''eil 3 der Programmeinheit gespeichert, um direkt als Befehle zum Stell-Servomechanismus übertragen zu werden, sofern es sich um Befehle handelt, die ausreichend dicht zur Steuerung einer Bewegung längs eines kontinuierlichen Weges liegen, oder um von einem Interpolator in der Steuereinheit verarbeitet zu werden, sofern es sich um Befehle handelt, die sich auf diskrete Punkte längs eines kontinuierlichen Weges beziehen. Im ietztgenannten Fall ist die Berechnung von Befehlen für zwischen zwei diskreten Punkten liegende Zwischenpunkte erforderlich.

Der numerische Ausgang des Registers Rp für die Stellungsbefehle speist einen Digital-Analog-Wandler 5,

j5 dessen analoges Ausgangssignal als Befehl zu einem Fehlerdetektor 7 übertragen wird, der ein Fehiersignal ε erzeugt, das gleich der Differenz zwischen der tatsächlichen über den Kanal 11 übertragenden Stellung des sich bewegenden Maschinenteils und der durch den gerade am Detektor anliegenden Stellungsbefehl angegebenen Stellung ist. Das von einem Verstärker 9 geeignet verstärkte Fehlersignal ε steuert die Geschwindigkeit des Servomotors 10, der wiedeiiim das momentane Stellungssignal auf dem Kanal 11 steuert

Um hohe Geschwindigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung zu erreichen, wäre ein großes Fehlersignal e erforderlich. Dies könnte jedoch Ungenauigkeiten verursachen. Um diesen Nachteil zu beseitigen, hat das erfindungsgemäße Steuersystem einen weiteren Digital-Analog-Wandler 6, der mit dem numerischen Wert des Geschwindigkeitsregisters Rv gespeist wird und als Ausgang ein analoges Signal liefert, das der für die maschinelle Bearbeitung programmierten Geschwindigkeit proportional ist. Das Signal e' vom Wandler 6 wird über einen Addie^sr 8 zum Fehlersignal n addiert, von wo aus der Servomotor 10 gespeist wird. Auf diese Weise wird eine hohe Geschwindigkeit bei zugleich hoher Genauigkeit erreicht, da ein Betrieb mit einem Stellungsfehlersignal, uas klein und in jedem Fall kleiner

6Q als das dem größtmöglichen Fehler entsprechende Signal ist, zulässig ist.

Dieser Stellungsfehler Übernimmt die Steuerung des Servomechanismus, wenn die programmierte Ge* schwindigkeit allmählich gegen Null geht (Verzöge· rungsphase) und sorgt soiür eine genaue Positionierung des beweglichen Teils am programmierten Ankunfts· punkt.
Der Digital-Analog-Wandler 6 für die Geschwindig*

keitsbefehle ist im allgemeinen von einfacherem Aufbau als der Wandler 5 für die Stellungsbefehle, da er durch einfache lineare Umwandlung arbeitet. Der Wandler 5 kann dagegen so aufgebaut sein, daß er am Analogaus· gang bestimmte trigonometrische Punktionen der numerischen Stellung, mit der er gespeist wird, liefert, wobei dies in Abhängigkeit vom Aufbau des im Eiristellservomechanismus verwendeten Stellungsfehlerdetektors geschieht.

Bei dem Aufbau des bisher beschriebenen Steuersystems wird der geschlossene Kreis des Servosystems an verschiedenen Punkten mit Ausgangssignalen der Wandler 5 und 6 gespeist, es gibt jedoch keine Rückführung vom Servosystem zur Steuereinheit 3.

Wenn es gewünscht wird, mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, daß heißt zum Beispiel bei einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10 m/min, wie sie bei der Vorbereitung der maschinellen Bearbeitung erwünscht sein kann, dann wäre die durch das Geschwindigkeitssignal ε' gegebene Korrektur im Verhältnis zum größtmöglichen vom Stellungsdetektor lieferbaren Fehlersignal ε zu groß.

Unter der Annahme, daß mit einem zyklischen Stellungsdetektor mit einer Schrittweite von 2 mm gearbeitet wird, ist nämlich der theoretische, größte Fehler 0,5 mm. Dagegen ergibt sich bei einer gewünschten Geschwindigkeit V — 12 m/min — 200 mm/sec für K = 40, wie es bereits vorher angenommen worden ist, ein Geschwindigkeitssignal

200 _
40" ~ "

mm.

Dies bedeutet, daß das Stellungsfehlersignal maximal 10% des Geschwindigkeitssignals sein kann.

Daher wird für schnelle Bewegungen eine andere Betriebsart angewendet, bei der es zulässig ist. daß die Nacheilung des sich bewegenden Teils hinter der Sollstellung sogar größer der im Hinblick auf das Schritthalten größtzulässige theoretische Fehler ist.

j-o ^._i:-u_ \r :_u

vorhanden sind, die den Wert dieses
Stellungsfehlers berücksichtigen und eine Wiederanpassung an die programmierte Sollstellung in der Phase der Verzögerung und Ankunft am Zielpunkt erlauben.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße System

momentanen mit einem besonderen Nachfolgeregister Ri in der Steuereinheit 3 versehen. Zu dem Nachfolgeregister wird eine konstante numerische Größe Q unter Steuerung durch einen Fehlermesser 13 immer dann übertragen, wenn die Amplitude des vom Stellungsdetektor 7 erzeugten Stellungsfehlersignals eine bestimmte Höhe überschreitet, die mittels einer geeigneten Schwelle im Fehlermesser 13 vorher festgelegt worden ist. Wenn der Ausgang 14 des Fehlermessers 13 erregt ist. wird demzufolge das Tor 15 geöffnet und ermöglicht die Übertragung der konstanten Größe Qzum Register Ri. das diese aufeinanderfolgend zugeführten Größen addiert. Darüber hinaus ist der Fehiermesser 13 in der Lage, außer der Höhe auch das Vorzeichen des Fehlers e festzustellen und daher die Übertragung der Größe Q zu Ri entsprechend mit positivem oder negativem Vorzeichen zu steuern.

Wenn zum Beispiel der Stellungsfehler e positiv und größer als + 0,125 mm ist, wird eine Größe (? = +0,125 mm an Ri gesendet, wogegen bei negativem Stellungsfehler kleiner als -0,125 mm die Größe Q = -0,125 mm an Rigesendet wird.

Die Inhalte der Register Ri und Rp werden auf einen Addierer 4 gegeben, der die Differenz zwischen dem numerischen Stellungsbefehl in Rp und der in Ri eingegebenen Größe bildet, bevor der Digital-Analog-Wandler 3 gespeist wird.

Ferner wird statt des Inhalts des Geschwindigkeitsregisters Rv der Inhalt des Nachfolgeregisters auf den Wandler 6 gegeben. Dies ist in der Zeichnung schematisch durch Tore 16 und 17 dargestellt, die jeweils die Ausgänge des Nachfofgeregisters Ri beziehungsweise des Geschwindigkeitsregisters Rv steuern. Das Tor 17 wird von dem Signal 18 nur dann geöffnet, wenn das Register /?/leer ist, wogegen das Tor 16 über die Leitung 19 geöffnet wird, wenn kein Geschwindigkeitsbefehl im Register /?v vorliegt.

Auf diese Weise wird ein vom Stellungsfehlerdetektor 7 gemessener Stellungsfehler ε erhalten, der immer klein ist, obwohl das bewegliche Teil hinter dem Siciiuiigsucfclii sugai mein ere Suiiritiweiien des Detektors 7 nacheilen kann. Das Nachfolgeregister ermöglicht dann die Speicherung eines Maßes des momentanen Stellungsfehlers, das am Ende der Positionierungsphase dazu verwendet wird, genau zum festgelegten Zielpunkt zu gelangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Stellung?- und Geschwindigkeits-Steuersystem for Werkzeugmaschinen od, dgL, bei dem ein sich bewegendes Teil entlang wenigstens einer Achse mittels eines zugeordneten Servomotors unter Steuerung einer Reihe von aufeinanderfolgenden Stellungs- und Geschwindigkeitsbefehlen positionierbar ist, die in numerischer Form von einer Programmeinheit geliefert werden, wobei jeder Stellungsbefehl von einem ersten Digital-Analog-Umsetzer zu einem Analogsignal umgesetzt und anschließend als Befehlssignal einem Stellungsfehlerdetektor zwecks Erzeugens eines analogen durch den Unterschied zwischen der momentanen Stellung und dem Stellungsbefehl gegebenen Fehlersignals zugeführt wird, um die Geschwindigkeit des Servomotors zu steuern, bei dem jeder GeschwiudigkeitsbefehJ einen absoluten Geschwindigkeitswert darstellt und von einem zweiten Digital-Analog-Umsetzer in eine analogen Form umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (8) zum Addieren des analogen Geschwindigkeitsbefehls ohne Rückführung des Geschwindigkeit-Istwertes zu dem analogen Fehlersignal, um ein Geschwindigkeitsbefehlssignal für den Servomotor (10) zu erhalten, das ausreichend groß ist, um Arbeitsgeschwindigkeiten zu gestatten, die höher als die mittels eines aus einem einfachen Stellungsfehler abgeleiteten Befehls erreichbaren sind, und daß ein Nachfolgeregister (Ri) vorgesehen ist, das zum zeitweiligen Speiche; ti wenigstens einer konstanten numerischen Gi öBe, die unter Steuerung eines Fehlermessers (13) immer oann übertragen wird, wenn die Amplitude des vom Stellungsfehlerdetektor (7) signalisierten Lagefehlers ein vorbestimmtes erstes Niveau übersteigt, und zum anschließenden Anlegen des Inhalts des Nachfolgeregisters an den Umsetzer (6) an Stelle des analogen Geschwindigkeitsbefehls vorgesehen ist, wenn letzterer niedriger als ein vorbestimmtes zweites Niveau wird.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Programmeinheit ein Stellungsregister zum Speichern der aufeinanderfolgenden Stellungsbefehle und ein Geschwindigkeitsregister zum Speichern der aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitsbefehle aufweist, wobei diese Register jeweils den ersten und den zweiten Umsetzer speisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Nachfolgeregisters (Ri) einem digitalen Addierglied (4) zugeführt wird, das den Unterschied zwischen dem Inhalt des Stellungsregisters (Rp) und dem des Nachfolgeregisters (Ri) bildet, um das analoge Stellungsfehlersigna¹, auf einer Amplitude zu halten, die das erste Niveau nicht übersteigt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlermesser (13) eine Ausgabe erzeugen kann, um die Einführung der konstanten numerischen Größe in das Nachfolgeregister (Ri) mit einem Vorzeichen in Übereinstimmung mit dem Vorzeichen des Lagefehlers zu steuern, wobei das Nachfolgeregister (Ri) als algebraischer Summierer arbeitet.

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (16) zum kraftschlüssigen Verbinden des Ausgangs des Nachfolgeregisters (Ri)

mit dem zweiten Umsetzer (6), wenn der Inhalt des Geschwindigkeitsregisters (Hy) gleich Null ist, und eine zweite Einrichtung (17) zum kraftschlüssigen Verbinden des Ausgangs des Geschwindigkeitsregisters (Rv) mit dem zweiten Umsetzer (6), wenn der Inhalt des Nachfolgeregjsters (Rt) gleich Null ist,

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachfolgeregister (Ri) an den ersten Umsetzer eine digitale Größe liefern und bis zu einem vorbestimmten Vielfachen dieser Größe speichern kann, wobei eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, um diese Größe an das Nachfolgeregister (Ri) jedesmal dann anzulegen, wenn der Niveaufehlermesser (13) diese Ausgabe erzeugt, damit sie gemäß dem Vorzeichen des Fehlersignals algebraisch integriert wird, wodurch das digitale Addierglied (4) zu der digitalen Stellung den Inhalt des Nachfolgeregisters (Ri) algebraisch hinzuzahlt