Apparat zur kontinuierlichen Steuerung einer automatischen Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur kontinuierlichen Steuerung einer automatischen Maschine, wobei die Steuerung durch ein Grob steuersignal und ein Feinsteuersignal erfolgt, und wobei die Verschiebung eines Maschinenteils durch einen Servomotor bewirkt wird, der durch einen Komparator zum Erzeugen eines Verschiebungsfeh lerssignals für die Grobsteuerung und einen auf die Stärke des Verschiebungsfehlersignals ansprechenden Schalter, welcher den Servomotor entweder von dem Grobsteuersignal oder dem Feinsteuersignal abhängig macht, gesteuert wird.
Der Apparat nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Ableseeinrichtungen zum Ablei ten von Einzelsignalen aus einer Aufzeichnung vor gesehen sind, welche Aufzeichnung diskrete Werte mindestens eines der Steuersignale darstellt, und dass ferner Speicher vorgesehen sind, um die Einzelsignale simultan in Gruppen zu speichern, wobei diese Grup pen an Interpolationsvorrichtungen gelegt werden, welche das entsprechende Steuersignal als ein prak tisch kontinuierliches Signal aus den Gruppen von Einzelsignalen erzeugen.
In der beiliegenden Zeichnung sind zwei Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes darge stellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels, Fig.2 eine Zusammenstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Apparates nach Fig. 1, Fig. 3 schematisch die Abtastorgane, Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wirkungs weise der Vorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 stellt 1 eine Welle dar, deren Winkel stellung stetig von einem Servomotor 2 gesteuert wer- den muss. Die Welle 1 ist mit einem Gewinde ver sehen, und es wird angenommen, dass sie die Bewe gung des Arbeitstisches einer Werkzeugmaschine steuert, wobei sie mit diesem Tisch mittels der Mutter 3 verbunden ist. Der Servomotor 2 ist mittels des Getriebes 4 mit der Welle 1 verbunden. Die Anwei sungen für die Steuerung der Winkelstellung der Welle 1 werden der Vorrichtung in Form von Zahlen zugeführt, die Stellungen entsprechen, die die Welle zu bestimmten, diskreten Zeiten einzunehmen hat. Diese Befehle sind im Binärsystem auf einem Auf zeichnungsträger, beispielsweise einer Lochkarte, regi striert.
In der Zusammenstellung der Fig. 2 wird an genommen, dass die Zahlen der Spalte 5a eine Serie von registrierten Befehlen darstellen.
In dieser Figur stellt die Spalte 5 die Befehle dar, wobei sie in der Spalte 5a im dezimalen und in der Spalte 5b mit vierzehn Ziffern im binären System geschrieben sind. Die binären Zahlen werden aber nicht als solche registriert, sondern als zwei in den Spalten 6 und 7 angegebene achtstellige binäre Zah len. In der Spalte 6 sind die Grobeinstellungsteile und in der Spalte 7 die Feineinstellungsteile einge tragen. Man beachte, dass der Grobeinstellungsteil aus den acht Ziffern höherer Ordnung der Zahlen der Spalte 5b besteht. Dieser Teil entspricht dem Anteil der sieben Ziffern höchster Ordnung (d. h.
links der gestrichelten Linie in der Spalte 5b, ent sprechend 213 bis 27) plus eine Approximation der weiteren Stellen, die durch die achte, mittels eines Kommas abgetrennte Ziffer dargestellt wird. Der Feineinstellungsteil weist auch acht Ziffern auf, wo bei die erste, (eingeklammerte) Ziffer 27 entspricht, während die übrigen sieben rechts der Ziffern die gestrichelten Linie in der Spalte 5b vorhandenen Ziffern sind, entsprechend 26 bis 20. Die erste (ein- geklammerte) Ziffer dieses Teils wird in folgendem als Spezialstelle bezeichnet.
Die mit 8 bezeichnete Vorrichtung ist eine an sich bekannte Interpolationsvorrichtung (siehe Schwei zer Patent Nr. 336608). Diese Vorrichtung hat drei Eingangsklemmen 81, 82, und 83, welchen jeweils drei Wechselspannungen gleichzeitig zugeführt werden, deren Amplituden je einer Gruppe von drei aufein anderfolgenden Zahlen der Spalte 6 entsprechen. So werden diesen Klemmen z. B. Spannungen zugeführt, die der ersten resp. zweiten resp. dritten Zahl der Spalte 6 entsprechen, dann Spannungen, die der zwei ten resp. dritten resp. vierten Zahl entsprechen usw. Wie diese Spannungen erzeugt werden, wird später noch erläutert werden.
Die in bekannter Weise durch Interpolation aus den drei Eingangsspannungen ge bildeten Ausgangssignale bilden die einen Eingangs signale eines Differenzkreises 10. Mit 30 und 31 sind zwei weitere Interpolationsvorrichtungen für die Fein einstellungsbefehle bezeichnet, die mit Eingangsklem men 301, 302 und 303 bzw. 311,<B>312</B> und 313 ver sehen sind.
Die Ausgangssignale der Interpolationsvorrich- tungen 30 und 31 werden wahlweise mittels eines Umschalters 32 einem zweiten Differenzkreis 11 zu geführt. Der Kreis 10 bekommt ein zweites Signal von einem Potentiometer 12 (gespiesen über Klem men 19), welches Signal von dem der Vorrichtung 8 abgezogen wird. Das vom Potentiometer 12 gelieferte Signal hat einen der Lage der Mutter 3 entsprechen den Wert.
Der Arm 13 des Potentiometers 12 ist derart von einem Getriebe 14 angetrieben, dass er eine ganze Umdrehung macht, während die Welle 1 128 Umdrehungen macht, welche 128 Umdrehungen der Welle 1 dem Verstellen der Mutter 3 um einen ihrer Länge entsprechenden Betrag entsprechen.
Das zweite Signal für den Kreis 11, wird von einem Potentiometer 33 (gespiesen über Klemmen 18) abgeleitet. Dieses Potentiometer 33 weist zwei auf einer Welle 36 diametral entgegengesetzt ange ordnete Bürsten 34, 35 auf, welche Welle mittels des Getriebes 37, 38 von der Welle 1 angetrieben ist. Dieses Getriebe hat ein übersetzungsverhältnis gleich 2 : 1, so dass die Welle 36 eine Umdrehung pro zwei Umdrehungen der Welle 1 macht.
Die den Bürsten 34, 35 angelegten Spannungen sind wahlweise mittels des Umschalters 39 dem Kreis 11 angelegt. Die Umschalter 32, 39 sind von einem einzigen Relais 40 gesteuert. Der Steuerkreis dieses Relais weist einen bogenförmigen Kontakt von 180 auf, der während halben Umdrehungen der Bürste 34 mit einem Kontakt 43 derselben zusammenwirkt. Die Wirkung des Kontaktes 43 ist die, dass die Stellung der Umschalter 32, 39 in einem bestimmten Moment während einer Umdrehung der Welle 1 umgekehrt wird. Der Ausgangsimpuls des Kreises 10 wird einer Klemme eines Schalters 20 und der Ausgangsimpuls des Kreises 11 einer andern Klemme dieses Schalters zugeführt. Dieser Schalter 20 führt wahlweise über einen Verstärker 21 die Impulse des einen oder andern Kreises dem Servomotor 2 zu.
Der Schalter 20 enthält eine in ihrem Anodenkreis die Spule eines Relais aufweisende, als Anodengleichrichter wirkende Röhre. Die Kontakte dieses Relais bilden den Schal ter 20, so dass, wenn der Ausgangsimpuls des Kreises 10 einen kritischen Wert übersteigt, der nicht grösser als 1/12.8 der vollen, dem Potentiometer 12 angeleg ten Spannung ist, der Anodenstrom der Röhre bis zu einem solchen Wert zunimmt, dass der Servo motor mit dem Kreis 10 verbunden wird, während er sonst mit dem Kreis 11 verbunden ist.
Bei der beschriebenen Vorrichtung liefert die Vorrichtung 8 die Grobeinstellung und die Vorrich tungen 30, 31 die Feineinstellung des Servomotors 2. Der Schalter 20 ist derart gebaut, dass der Servo motor 2 solange die Ausgangssignale des Kreises 10 gross genug sind, Impulse von der Vorrichtung 8 be kommt.
Sobald die Signale des Kreises 10 nicht gross genug sind, schaltet der Schalter 20 selbsttätig um, und der Servomotor bekommt Impulse entweder von der Vorrichtung 30 oder von der Vorrichtung 31. Somit steuert die Vorrichtung 8 die Winkelstellung der Welle 1 mit einer Genauigkeit von ungefähr 1/128, da mit sieben Binärstellen 27 =<B>128</B> verschie dene Grössen dargestellt werden können.
Wenn die Welle 1 von der Vorrichtung 8 mit dieser Genauig keit eingestellt worden ist, übernehmen die Vorrich tungen 30, 31 die weitere Einstellung mit 128 mög lichen Zwischenstufen, so dass sich insgesamt eine Genauigkeit von 1/1s8 # 1/12s -@= 0,0001 ergibt, wobei Feineinstellungs- und Grobeinstellungssignale glei cher Grössenordnung sind. Die Vorrichtung 8 über nimmt die Steuerung nur dann wieder, wenn eine brüske Befehlsänderung vorkommt, d. h. eine neue Operation.
Um die Wirkungsweise der Vorrichtungen 30 und 31 zu erläutern, werden Fig. 3 und 4 herangezogen. In Fig. 3 bezeichnet 54 eine Lochkarte - oder einen andern Befehlsspeicher -, auf welcher sowohl die Fein- wie die Grobeinstellungsbefehle registriert sind. Die Karte wird zwischen zwei Spulen 56 abgewickelt. 55 bezeichnet eine Abtastvorrichtung, welche die im binären Code aufgezeichneten Impulssignale der Spalte 7, d. h. die Feineinstellungssignale abtastet. Die Abtastvorrichtung für die Grobeinstellung (Spalte 6) ist nicht dargestellt.
Die abgeleiteten Impulse sind einer Reihe als Speicher dienender Relais R1 . . . R8 zugeführt, wobei ein Impuls, welcher der kleinsten Stelle R1 entspricht, und der Impuls, welcher der nächstgrösseren Stelle entspricht, R2 zugeführt wird usw. Die Spezialstelle der Spalte 7 wird dem Relais R8 zugeführt. Die Relais R1 <B>...</B> R8 betätigen eine Reihe von Schaltern S1 . . . S8, von denen nun die letzten drei dargestellt sind.
Die Schalter S1 <I>. . .</I> S8 sind mit Sekundärwicklungen T1 <B>...</B> T8 verbunden, welche eine gemeinsame Primärwicklung 58 haben, welcher eine bestimmte Wechselspannung angelegt wird.
Die Sekundärwicklungen T1 <B>...</B> T8 haben ganz bestimmte Windungszahlen, so dass die in jeder Wick- lung induzierte EMK doppelt so gross ist, wie die in der vorausgehenden Wicklung induzierte EMK. Die Schalter sind derart gebaut, dass in einer Stellung die entsprechende Wicklung in einem Stromkreis zwi schen Ende und Ausgangsklemme geschaltet ist, von welcher Klemme die Signale der Vorrichtung 30 zu geführt werden.
Die Relais R1 <B>...</B> R7 sind derart ge baut, dass, wenn sie einen Impuls empfangen, der die binäre Zahl 1 darstellt, sie die entsprechende Wicklung einschalten, wobei sonst die Wicklungen ausgeschaltet sind, um die binäre Zahl 0 darzustellen. Das Relais R8 ist umgekehrt eingestellt, so dass die Wicklung T8 für die binäre Zahl 0 eingeschaltet und für die binäre Zahl 1 ausgeschaltet ist. Der Vor richtung 30 müssen gleichzeitig drei Eingangsspan nungen angelegt werden. Es sind vier zyklisch arbei tende Umwandler vorgesehen, die die binären Zah len in Spannungen umwandeln, und mit der Abtast- vorrichtung 55 zusammenarbeiten.
Von diesen vier Umwandlern, denen durch die Abtastvorrichtung 55 aufeinanderfolgende Zahlen zugeführt werden, ist in Fig. 3 nur einer gezeigt, der die Elemente R1 R$ und Tl- T8 mit den zugehörigen Kontakten aufweist. Vier Umwandler sind für die gleichzeitigen Inter- polationssignale vorgesehen, der vierte, um den Zy kluswechsel vornehmen zu können. Die Weiterleitung der Feineinstellungssignale ist an sich bekannt (siehe Schweizer Patent Nr. 336483).
Die Interpolationsvorrichtung 31 benötigt eben falls vier Umwandler, die von dem in Fig. 3 darge stellten Typ sind, mit der Ausnahme, dass der Schalter S8 wie die übrigen Schalter gebaut ist. Die Abtast- vorrichtung 55 kann ebenfalls für die vier die Vor richtung 31 speisenden Umwandler dienen. Man be achte, dass die der Vorrichtung 31 zugeführten, der Spezialzahl (27 Stelle) der Feineinstellungsteile ent sprechenden Signale keine Änderung bei der Um wandlung der binären Zahlen verursachen.
Bei der Umwandlung der der Vorrichtung 30 zugeführten binären Zahlen wird dagegen die binäre Ziffer 0 an der 27-Stelle mit einem der Ziffer 1 entsprechen den Wert und die binäre Ziffer 1 mit einem der Ziffer 0 entsprechenden Wert wiedergegeben.
In Fig. 4 sind die Ausgangssignale der Interpola- tionsvorrichtungen graphisch dargestellt.
Die vertikalen Linien,<I>n, n + 1,</I> n + 2 . . ., stel len (nicht unbedingt gleich weit voneinander ent fernte) Zeiten dar bzw. die Anfangszeit einer kom pletten Umdrehung der Welle 1. Die Kurven 44, 45 und 46 stellen die Variation der Amplitude der Aus gangsspannung der Vorrichtung 30 während aufein anderfolgenden Paaren von Umdrehungen dar, und die Kurven 47, 48 die entsprechende Funktion für die Vorrichtung 31 während andern aufeinanderfol genden Paaren von Umdrehungen. Man beachte, dass für die Vorrichtung 30 die Funktion von einem Mini mum stetig bis zu einem Maximum anwächst, wobei sie letztere am Ende der zweiten Umdrehung erreicht, um wieder auf ein Minimum zurückzufallen.
Der abfallende Teil der Kurve wurde nicht dargestellt, denn es sind irgendwelche Unstetigkeiten in diesem Bereich auf die Wirkungsweise wirkungslos. Das gleiche gilt für die Vorrichtung 31, aber die Extrema sind um eine Periode, d. h. um eine Umdrehung - 360 - versetzt. Es sei angenommen, dass der erste Befehl der Fig. 2 den Punkt 49 darstellt und dass in diesem Zeitpunkt die Vorrichtung 31 wirksam ist, während, um dem Servomotor 2 das Steuersignal zu liefern, das der Winkellage der Welle 1 entspre chende Rückmeldesignal für den Servomotor 2 über die Bürste 34 erfolgt.
Nachdem die betreffende Um drehung (n) vorgenommen worden ist, liefern die Bürste 34 und die Vorrichtung 31 weiter Impulse für den Servomotor 2, bis der Kontakt 43 nicht mehr mit dem Kontakt 41 zusammenwirkt. Dies ist durch die gestrichelte Linie 50 dargestellt (Fig. 4). Das Re lais 40 schaltet dann die Umschalter 32, 39 um und die Vorrichtung 30 und die Bürsten 35 übernehmen das Zuführen von Signalen für den Servomotor 2. Da die Bürste 35 in bezug auf die Bürste 34 eine Phasennacheilung von 360 aufweist (im Drehsinn der Welle 1) sinken die Signale um den einer Um drehung entsprechenden Betrag. Das Ausgangssignal der Vorrichtung 30 ist jedoch kleiner als das der Vorrichtung 31, und zwar um einen gleichen Betrag, da für die Stelle 27 die Ziffer 1 durch den Wert 0 wiedergegeben ist.
Somit erfolgt trotz der brüsken Umschaltung von einer Vorrichtung 30, 31 zur an dern und einer Bürste 34 und 35 zur andern eine gleichmässige Steuerung des Servomotors 2, welcher auf die nach jeder zweiten Umdrehung auftauchen den Unstetigkeiten nicht reagiert. Die gestrichelten Geraden 51, 52 und 53 stellen sukzessive Umschal tungen der Relais 40 dar, die auf die Umschaltung 50 folgen. Auf diese Weise werden Unbestimmthei- ten in der Feineinstellung dadurch vermieden, dass die nächst höhere Stelle nach der höchsten Stelle der Feineinstellung berücksichtigt wird.
Die den Vor richtungen 30, 31 zugeführten Signale sind wechsel weise um einen Betrag erhöht, welcher der Spezial stelle in Spalte 7 also der Einheit bei der Stelle 27 entspricht, dies jeweils, wenn eine Veränderung die ser Grössenordnung auftritt, wobei der Schalter 32 wechselweise die Interpolationsvorrichtungen ein schaltet. Die Umwandler für die Vorrichtung 8 sind dieselben wie für die Vorrichtung 31.
Der in Fig. 5 dargestellte Apparat ist im wesent lichen von gleicher Anordnung wie der gemäss Fig. 1 und gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen. Die Feineinstellungssteuerung für den Servomotor 2 ist jedoch nicht von Interpolationsvorrichtungen abge leitet, sondern von einem magnetischen Tastkopf 60, neben welchem ein zweiter Kopf 61 vorgesehen ist. Die Köpfe 60, 61 sind derart angeordnet, dass sie Signale von zwei Spuren 63, 64 eines magnetischen Speichers 65 ableiten. Der Speicher 65 ist in an sich bekannter Weise stetig zwischen den Köpfen 60, 61 bewegt.
Ein Wechselsignal konstanter Frequenz und konstanter Phase ist auf der Spur 64 aufgezeichnet, während auf der Spur 63 ein Wechselsignal gleicher Frequenz, jedoch mit modulierter Phase aufgezeich net ist. Die Aufzeichnungen der Spur 63 stellen die Feineinstellungssignale für die Welle 1 dar. Diese treibt einen Phasenschieber 66 an, beispielsweise mit zwei Statorwicklungen, deren Axen rechtwinklig zu einander stehen. Die Klemmen einer dieser Wicklun gen sind mit 67 bezeichnet und bekommen über den Verstärker 69 die Signale der Spur 64.
Die an der Wicklung mit Klemmen 68 bekommt die glei chen Signale aber mit einer Verschiebung von 90 , die von einem Phasenverschiebungsnetzwerk bewirkt wird.
Die Klemmen 70 sind die Klemmen des Rotors, wobei der von den Klemmen 70 abgeleitete Wech selstrom eine Phasenverschiebung in bezug auf die Signale der Spur 64 aufweist, welche der Winkelstel lung der Welle 1 entspricht. Der den Klemmen 70 abgenommene Wechselstrom wird zusammen mit dem Ausgangsstrom des Kopfes 60 einem Phasen- diskriminator 71 zugeführt, dessen Ausgangsspan nung dem Unterschied zwischen den Phasen der Signale des Kopfes 60 und des Phasenschiebers 66 entspricht. Diese Spannung stellt somit den Fehler in der Einstellung der Welle 1 dar und wird an die Klemme des Schalters 20 angelegt.
Wenn der Schal ter 20 sich in der dargestellten Lage befindet, ist das effektive Antriebssignal für den Servomotor 2 das Signal von dem Gleichrichter, so dass der Motor bestrebt ist, die Winkeleinstellung der Welle 1 in der Stellung zu halten, die den Instruktionen bzw. den Befehlen der Spur 63 entspricht.
Die auf der Spur 63 aufgezeichneten Befehle kön nen in einer gesonderten Vorrichtung erzeugt werden, welche diskrete Feineinstellungssignale in binärer Form bekommt, wie beispielsweise die Instruktionen der Spalte 7 in Fig. 2. Ein solcher Apparat würde ein Servosystem gemäss Fig. 1 aufweisen, jedoch ohne Grobeinstellung für den Servomotor. Die Welle 1 dieses Apparates, die nicht unbedingt mit Gewinde versehen sein müsste, wird derart angeordnet, dass sie einen dem Phasenschieber 66 ähnlichen Phasen schieber antreibt. Somit stellt das Ausgangssignal des Phasenschiebers eine Oszillation dar, deren Phasen modulation den Feineinstellungsbefehlen in stetiger Form entspricht.
Die Vorrichtung zur Herstellung dieser stetigen Befehle kann für mehrere verschiedene Maschinen verwendet werden, welche ganz verschie dene Operationen bewerkstelligen. Sie könnte auf viel schnellere Weise arbeiten als die zu steuernden Maschinen. Das heisst, dass die Aufnahme auf dem magnetischen Speicher mit einer Frequenz von etwa 10 kHz erfolgen sollte, wogegen die Frequenz der Maschinen etwa 100 Hz beträgt.
Apparate gemäss Fig. 1 könnten auch zur Vor interpolation von Grobeinstellungsbefehlen verwendet werden.
Anstatt die Aufzeichnungen der Spur 63 mit Pha senmodulation vorzunehmen, könnte man sie mit Amplitudenmodulation vornehmen. In diesem Falle wird ein Signal konstanter Amplitude auf die Spur 64 aufgezeichnet, das Ganze derart, dass das Ampli- tudenverhältnis zwischen beiden Spuren den ge wünschten, umgewandelten Befehl darstellt. Auch wenn Amplitudenmodulaion verwendet wird, ist eine zweite Spur notwendig.
Auf die Spur 63 wird eine Spannung aufgezeichnet, die der des Speichers 65 in Fig. 5 entspricht, und auf der zweiten Spur wird eine Spannung aufgezeichnet, die der des Speichers 65 in Fig. 1 entspricht. Frequenzmodulation kann auch zum Aufzeichnen der Befehle auf die Spur 63 verwendet werden.
Die Ausgangsspannung der Interpolationsvorrich- tungen ist gewöhnlich eine Wechselspannung, hin gegen ist für die Steuerung des Servomotors eine Gleichspannung notwendig. Somit ist es klar, dass die mit 8, 30 und 31 dargestellten Vorrichtungen Gleichrichter umfa%-,en.