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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten aus rauschbehafteten Eingangswerten. Solche Verfahren bzw. solche Rauschfilter kommen z. B. in Numerischen Steuerungen zum Einsatz, die eine manuelle Einstellung von programmierten Vorschüben und Drehgeschwindigkeiten erlauben.
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Moderne Numerische Steuerungen für Werkzeugmaschinen oder Roboter verfügen üblicherweise über eine Einstellmöglichkeit, mit der der Benutzer einer solchen Steuerung die durch ein Programm vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit einer oder mehrer Achsen in gewissen Grenzen verändern kann. Dadurch ist es beispielsweise möglich, beim ersten Testen eines solchen Programms eine deutlich reduzierte Vorschubgeschwindigkeit für ein Werkzeug zu wählen, um etwaige Probleme erkennen und noch rechtzeitig eingreifen zu können. Eine solche Einstellmöglichkeit, die auch als „Override” bezeichnet wird, ist oft in Form eines Potentiometers realisiert, das leicht zugänglich am Bedienpult der Steuerung oder an einem Handbedienteil angebracht ist. So kann jederzeit auf die Bearbeitungsgeschwindigkeit der jeweiligen Anlage eingewirkt werden.
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Die Stellung des Potentiometers wird analog abgegriffen. Als Signal kann zum Beispiel die Spannung am Schleifkontakt des Potentiometers dienen. Dieses analoge Signal wird dann zu einem A/D-Wandler geleitet und dort digitalisiert und der Steuerung zur Verfügung gestellt. Da aber die Verbindung zwischen Potentiometer und A/D-Wandler unter umständen sehr lang sein kann, und diese Verbindung zudem meist in einer sehr rauen Umgebung wie beispielsweise einer Maschinenhalle verläuft, ist das Analogsignal oft rauschbehaftet. Damit ist auch das digitalisierte, der Steuerung zugeführte Override-Signal verrauscht. Das bedeutet aber, dass die Steuerung letztlich eine verrauschte Geschwindigkeitsvorgabe erzeugt, die vom Regelkreis auch nachvollzogen wird. Dies führt z. B. zu unsauberen Oberflächen beim Fräsen oder Drehen. Es ist daher wünschenswert, das digitalisierte Override-Signal vom Rauschen möglichst zu befreien. Der Einsatz einfacher Filter ist hier nicht zielführend, da solche Filter zu Einschwingvorgängen und verzögertem Ansprechen neigen.
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In der
JP 5068389 A wird daher zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten aus rauschbehafteten Eingangswerten vorgeschlagen, die Abweichung zwischen Ausgangswert und Eingangswert zu akkumulieren, und den Eingangswert als neuen Ausgangswert zu übernehmen, und dabei gleichzeitig die akkumulierte Abweichung zurück zu setzen, wenn die akkumulierte Abweichung einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, dass die akkumulierte Abweichung selbst bei völlig zufälligem Rauschen nach einer gewissen Zeit jeden Grenzwert erreichen wird, ohne dass eine echte Änderung des Eingangswerts (also z. B. an der Stellung des Potentiometers) vorliegt. Dieser Effekt ist vergleichbar mit der Brownschen Bewegung eines Moleküls, das reine Zufallsbewegungen ausführt, und dennoch irgendwann jeden Punkt in einem Raum erreichen wird, in den es eingeschlossen ist. Im Falle des Override-Signals bedeutet dies, das zwar durch solch ein Filter hochfrequente Rauschanteile deutlich reduziert werden, niederfrequente Anteile bleiben aber erhalten bzw. werden sogar zusätzlich erzeugt und wirken sich negativ auf das Arbeitsergebnis aus.
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Auch aus der
US 5701261 A ist ein Verfahren zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten aus rauschbehafteten Eingangswerten bekannt. Das Verfahren eignet sich vor allem für solche Signale, die mit Rauschen in Form von Signalspitzen überlagert sind. Diese Signalspitzen werden erkannt und führen nicht zu geänderten Ausgangswerten. Zum Ausgleich von zufälligem Rauschen wird allerdings eine Mittelwertbildung vorgenommen, wodurch sich eine verzögerte Weitergabe von echten Änderungen am Eingang an den Ausgang ergibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem rauschbehaftete Eingangswerte besser vom Rauschen befreit werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Details des Verfahrens ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Rauschfilter anzugeben, der eine bessere Filterung von rauschbehafteten Eingangssignalen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 7 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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So wird nun ein Verfahren zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten aus rauschbehafteten Eingangswerten vorgeschlagen, bei dem der Eingangswert als neuer Ausgangswert übernommen und ein Akkumulierer zurückgesetzt wird, wenn eine Eingangswertänderungsbedingung zutrifft. Zusätzlich wird der Akkumulierer unter Beibehaltung des Ausgangswerts zurückgesetzt, wenn wenigstens eine Rauscherkennungsbedingung zutrifft.
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Dies vermeidet, dass z. B. eine im Akkumulierer akkumulierte Abweichung zwischen einem Eingangswert und einem Ausgangswert nach einer gewissen Zeit einen Grenzwert für die akkumulierte Abweichung erreicht, obwohl lediglich zufälliges Rauschen aufsummiert wurde. Auf diese Weise kann auch niederfrequentes Rauschen gut unterdrückt werden. Bei geeigneter Wahl der Eingangswertänderungsbedingung und der Rauscherkennungsbedingung erhält man einen Filter, der die gestellte Aufgabe sehr gut löst, schnell anspricht und eine feinfühlige Einstellung des Override-Parameters ermöglicht.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 das Bedienpult einer Numerischen Steuerung,
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2 einen Rauschfilter, und
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3 ein Verfahren zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten aus rauschbehafteten Eingangswerten.
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In 1 ist ein Bedienpult 1 einer Numerischen Steuerung dargestellt. Man erkennt neben einem Bildschirm 2 und Eingabetasten 3 zwei Potentiometer 4. Mit diesen Potentiometern lässt sich der Vorschub oder die Drehzahl von zwei numerisch gesteuerten Achsen gegenüber einem programmierten Vorschub oder einer programmierten Drehzahl in gewissen Grenzen verändern. Im Beispiel ist eine Einstellung von 0%–150% des programmierten Wertes möglich. Einem einzigen Potentiometer lassen sich softwaretechnisch auch mehrere Achsen zuordnen, so dass mit einem der beiden Potentiometer 4 die Drehzahl einer Werkzeugspindel und mit dem anderen Potentiometer 4 die Vorschubgeschwindigkeit aller Positionierachsen gleichzeitig beeinflusst werden kann. Von den beiden Potentiometern 4 werden rauschbehaftete Signale abgegriffen, die am Eingang einer Folgeelektronik anliegen und dort ausgewertet werden.
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Das analoge Signal eines Potentiometers 4 wird zunächst in einem nicht dargestellten A/D-Wandler digitalisiert. Hierdurch entsteht eine Folge von rauschbehafteten Eingangswerten. Würde man diese Eingangswerte unmittelbar zur Beeinflussung der programmierten Drehzahl- und Geschwindigkeitswerte verwenden, so würde sich das Rauschen direkt auf den Bearbeitungsvorgang und damit auf das Bearbeitungsergebnis in Form unregelmäßiger Oberflächen auswirken. Als besonders nachteilig hat sich dieser Effekt bei der Override-Einstellung für die Drehzahl der Hauptspindel von Drehmaschinen erwiesen.
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2 zeigt daher einen Rauschfilter 10 zum Bilden von rauschgefilterten Ausgangswerten A aus den rauschbehafteten Eingangswerten E. Die Eingangswerte E sind einem Übernahmemittel 14 zugeführt, das den Eingangswert E als neuen Ausgangswert A übernimmt, wenn an seinem Auslöseeingang L ein entsprechendes Signal anliegt. Das Übernahmemittel 14 enthält daher im Wesentlichen einen Speicher, dessen Inhalt als Ausgabewert A ausgegeben wird, und der jeweils mit dem aktuellen Eingangswert E überschrieben wird, wenn ein entsprechendes Signal am Auslöseeingang L anliegt. Solche Übernahmemittel werden auch als Latch-Schaltungen bezeichnet.
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Die jeweils aktuellen Eingangswerte E und Ausgangswerte A sind außerdem einem Differenzbildner 11 zugeführt, der die Abweichung d aus dem Ausgangswert A und dem Eingangswert E bildet. Der Differenzbildner 11 enthält hierfür ein Rechenwerk, an dessen Ausgang die Differenz oder Abweichung d seiner beiden Eingänge A, E liegt.
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Die Abweichung d ist einem Akkumulierer 12 zugeführt, der die Abweichung d zeitlich aufintegriert oder aufsummiert. Dies kann besonders einfach dadurch erzielt werden, dass einem Speicher im Akkumulierer 12 in festen zeitlichen Abständen die jeweilige Abweichung d hinzuaddiert wird. Als zeitlicher Abstand eignet sich hier besonders der Takt der A-D-Wandlung des analogen Signals des Potentiometers 4. Der Inhalt des Speichers im Akkumulierer 12 entspricht so der akkumulierten Abweichung Sd. Der Akkumulierer 12 weist einen Rücksetzeingang R auf, der auf ein entsprechendes Signal hin den Akkumulierer 12 zurücksetzt. Dies kann z. B. durch ein Setzen der akkumulierten Abweichung auf Null oder auf die gerade aktuelle Abweichung d erfolgen.
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Die akkumulierte Abweichung Sd ist einem ersten Vergleicher 13 zugeführt. Dieser erste Vergleicher 13 vergleicht die akkumulierte Abweichung Sd gegen einen Grenzwert LSd. Nur wenn die akkumulierte Abweichung Sd größer als der Grenzwert LSd ist, wird ein Auslösesignal an den Auslöseeingang L des Übernahmemittels 14 und ein Rücksetzsignal an den Rücksetzeingang R des Akkumulierers 12 gesendet. Dadurch wird der aktuelle Eingangswert E als neuer Ausgangswert A übernommen und der Akkumulierer zurückgesetzt. Der Fall Sd = LSd ist nicht von besonderer Bedeutung und kann entweder eine Übernahme und Rücksetzung auslösen, oder auch nicht. Der Differenzbildner 11, der Akkumulierer 12 und der erste Vergleicher 13 bilden zusammen eine Eingangswertänderungserkennungsschaltung.
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Um nun zu verhindern, dass der Akkumulierer 12 alleine durch akkumuliertes Rauschen eine akkumulierte Abweichung Sd erreicht, die über dem Grenzwert LSd liegt, umfasst der Rauschfilter 10 zusätzlich Rauscherkennungsmittel 15, 16. Diese sind ebenfalls mit dem Rücksetzeingang R des Akkumulierers 12 verbunden, und können so ein Rücksetzen des Akkumulierers 12 bewirken, wenn erkannt wird, das Änderungen am Eingang E des Rauschfilters 10 lediglich auf Rauschen zurückzuführen sind. Eine Übernahme des Eingangswertes E als neuer Ausgangswert A findet in diesem Falle nicht statt.
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Ein erstes Rauscherkennungsmittel stellt ein zweiter Vergleicher 16 dar. Dieser vergleicht die Abweichung d (erhalten vom Differenzbildner 11) mit einem Grenzwert Ld für die Abweichung. Liegt die Abweichung d dem Betrage nach unterhalb dieses Grenzwertes Ld, so wird Rauschen erkannt, und ein entsprechendes Signal an den Rücksetzeingang R des Akkumulierers 12 gegeben. Liegt die Abweichung d oberhalb des Grenzwerts Ld, so unterbleibt das Rücksetzer. Der Umgang mit dem Fall d = Ld ist wieder beliebig. Der Grenzwert Ld sollte sehr klein gewählt werden, da er eine gewollte Veränderung des Overrides, die kleiner als dieser Grenzwert ist, verhindert. In der Praxis muss ein Wert gefunden werden, der den jeweiligen Anforderungen an die Feinheit der möglichen Einstellung des Overrides sowie des tatsächlichen Rauschanteils im Eingangssignal gerecht wird. Das Rauschen der Eingangswerte E sollte möglichst innerhalb eines Intervalls [–Ld; Ld] liegen. Ein typischer Grenzwert Ld könnte beispielsweise 0,5 Promille des Wertebereichs des A/D-Wandlers betragen. Dies entspricht z. B. dem niederwertigsten Bit eines 12-Bit Wandlers, dessen Wert sowieso prinzipiell unsicher und damit dem Rauschen unterworfen ist. Eine Änderung lediglich dieses niederwertigsten Bits wird also Grundsätzlich als Rauschen erkannt, und der Akkumulierer zurückgesetzt.
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Passend zum Grenzwert Ld für die Abweichung im zweiten Vergleicher 16 sollte auch der Grenzwert für die akkumulierte Abweichung LSd im ersten Vergleicher 13 gewählt werden. Es hat sich bewährt, diesen Grenzwert LSd etwa ein bis zwei Größenordnungen größer zu wählen als den Grenzwert Ld. Im Bedarfsfalle kann dieser Grenzwert LSd ebenso wie Ld durch Versuche an die jeweilige Situation angepasst werden. Die genannten Werte mögen dann als sinnvoller Ausgangspunkt für eine Optimierung dienen.
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Ein zweites Rauscherkennungsmittel 15 nützt die Tatsache aus, dass bei unterschiedlichen Vorzeichen von der Abweichung d und der akkumulierten Abweichung Sd auf Rauschen geschlossen werden kann, da d und Sd dann sozusagen in unterschiedliche Richtung weisen und damit eine Trendumkehr vorliegt. Ein Vorzeichenermittler 15 erhält daher sowohl die Abweichung d vom Differenzbildner 11 als auch die akkumulierte Abweichung Sd vom Akkumulierer 12. Am einfachsten gelingt der Vorzeichenvergleich durch eine Multiplikation der beiden Werte und einen anschließenden Vergleich mit 0. Ist das Produkt kleiner als Null, so haben d und Sd unterschiedliche Vorzeichen. Dann gibt der Vorzeichenermittler 15 ein Rücksetzsignal an den Akkumulierer 12 ab. Ist das Produkt größer als Null, so unterbleibt das Rücksetzsignal. Der Fall, dass das Produkt aus d und Sd gleich Null ist, kann wieder beliebig behandelt werden.
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Die in 2 beschriebene Vorrichtung führt eine Folge von Verfahrensschritten aus, die anhand der 3 naher erläutert werden sollen. Ein solches Verfahren eignetet sich auch hervorragend, um softwaretechnisch nachgebildet zu werden. So kann mit der bereits vorhandenen Hardware einer Numerischen Steuerung eine Vorrichtung gemäß der 2 nachgebildet werden. Die für das Verfahren notwendigen Schritte werden nachfolgend beschrieben.
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In einem Schritt 100 wird das analog vorliegende Potentiometersignal mit einem A/D-Wandler digitalisiert.
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In einem Schritt 200 wird anhand einer Rauscherkennungsbedingung geprüft, ob lediglich Rauschen zu Änderungen im Eingangsignal E führte. Dies erfolgt über die Bedingungen |d| < Ld oder d·Sd < 0, wobei die Erfüllung einer der beiden Bedingungen genügt, um ein Rauschen zu erkennen. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zu Schritt 600, der weiter unten beschrieben wird.
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Liegt kein Rauschen vor, verzweigt das Verfahren zu einem Schritt 300. Hier wird der Inhalt Sd des Akkumulierers 12 um die Abweichung d erhöht.
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In einem Schritt 400 wird sodann geprüft, ob die akkumulierte Abweichung Sd die Grenze LSd überschritten hat. Ist diese Eingangswertänderungsbedingung nicht erfüllt, so verzweigt das Verfahren wieder zum Schritt 100, wo einer neuer Durchlauf des Verfahrens beginnt. Wurde die Eingangswertänderungsbedingung jedoch erfüllt, also die Grenze LSd überschritten, so erkennt das Verfahren eine tatsächliche Änderung des Eingangswertes E und verzweigt zu einem Schritt 500. Hier wird der Eingangswert E zum neuen Ausgangswert A gemacht. Die Änderung am Eingang E liegt damit auch am Ausgang A an. Im Schritt 500 wird außerdem der Akkumulierer 12 zurückgesetzt.
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Nach Schritt 500 start das Verfahren erneut mit Schritt 100.
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Im Schritt 600, der nach Schritt 200 folgt, wenn Rauschen erkannt wird, wird der Akkumulierer 12 zurückgesetzt. Dies kann z. B. durch ein Setzen des internen Speichers auf Null, auf d oder einen anderen im vergleich zu LSd kleinen Wert erfolgen. Nach Schritt 600 kann vorteilhaft mit Schritt 100 das Verfahren erneut begonnen werden, es kann aber auch mit Schritt 300 fortgefahren werden. Die erste Variante spart Rechenzeit, die zweite Variante erkennt eine große Änderung (|d| > Ld) des Eingangs E, die mit unterschiedlichen Vorzeichen von d und Sd einhergeht, noch im gleichen Takt und schaltet diese Änderung im Schritt 500 auf den Ausgang. Nach der ersten und in 3 dargestellten Variante geschieht dies erst einen Takt (Durchlaufzyklus des Verfahrens) später, was aber normalerweise vernachlässigbar ist und dafür ökonomischer mit den Ressourcen der Numerischen Steuerung umgeht.
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Abschließend seien noch einige Varianten zum Formulieren der Eingangswertänderungsbedingung genannt. So genügt im Akkumulierer 12 ein Zähler Z, der mitzählt, wie oft die Abweichung d betragsmäßig größer als ein Grenzwert Ld ist. Es wird also die Zahl dieser Ereignisse akkumuliert. Im ersten Vergleicher 14 wird dann geprüft, ob eine gewisse Grenzanzahl LZ von Überschreitungen bereits erfolgt ist und ggf. die Übernahme des Eingangswertes E als Ausgangswert A und das Rücksetzen des Zählers Z im Akkumulierer 12 veranlasst.
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Es ist auch denkbar, mit mehreren unterschiedlichen Grenzwerten Ld1 < Ld2 < Ld3 < Ld4 ... für d und entsprechend mehreren Zählern Z1, Z2, Z3, Z4 ... im Akkumulierer 12 zu arbeiten. Für jeden Grenzwert Ldn gibt es dann einen Zähler Zn und ein Limit LZn für diesen Zähler Zn, wobei gilt LZ1 > LZ2 > LZ3 > LZ4 usw.. Liegt die Abweichung d betragsmäßig z. B. zwischen den Grenzwerten Ld2 und Ld3, so werden der erste und zweite Zähler Z1, Z2 inkrementiert, der dritte und alle weiteren Zähler Z3, Z4, ... zurückgesetzt. Für wenigstens einen der inkrementierten Zähler Z1, Z2 (vorzugsweise für alle inkrementierten Zähler) wird dann geprüft, ob der jeweilige Grenzwert LZn des Zählers Zn überschritten wurde, und in diesem Fall der Eingangswert E als neuer Ausgangswert A übernommen, und alle Zähler zurückgesetzt. So können Ereignisse, bei denen d betragsmäßig sehr groß ist, anders gewichtet werden (schon wenige Ereignisse (kleines LZn) genügen, um eine Eingangswertänderung zu erkennen) als solche mit kleinerem d (viele Ereignisse (großes LZn) werden benötigt, um eine Eingangswertänderung zu erkennen). So lässt sich das Verhalten des Filters 10 sehr fein an die Umstände anpassen.
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Zusammenfassend sei noch einmal erläutert, dass durch das Rücksetzen des Akkumulierers 12 unter Beibehaltung des Ausgangswertes A bei zutreffender Rauscherkennungsbedingung (wenn also erkannt wird, dass eine Änderung am Eingangswert E relativ zum Ausgangswert A lediglich auf Rauschen beruht), ein zu schnelles Ansprechen der Eingangswertänderungsbedingung vermieden wird. Im Vergleich zum Stand der Technik kann der Grenzwert LSd im ersten Vergleicher 13 deutlich niedriger gesetzt werden, da ein Aufsummieren von Zufallswerten über längere Zeit durch die Rücksetzvorgänge unterbunden wird. Dadurch spricht der Filter 10 schneller und feinfühliger auf tatsächliche Änderungen im Eingangswert E an, und hält Rauschen vom Ausgangswert A und damit von den zu fertigenden Oberflächen fern.
