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Steuereinrichtung für Werkzeugmaschinen Es sind Steuereinrichtungen
für Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen ein Element einer Werkzeugmaschine durch
Signale, die von Lochkarten, einem Lochstreifen oder einer Magrnetbandaufzeichrrung
abgeleitet werden, in eine bestimmte Stellung gebracht werden ruß. In derartigen
Einrichtungen ist es üblich, das von der Aufzeichnung abgeleitete Signal in Form
eines elektrischen Signals nach entsprechender Verstärkung einem motorischen Antrieb
zuzuführen, der gewöhnlich in einer Regeleinrichtung angeordnet ist, die den Antrieb
veranlaßt, eine von dem Signal abhängige Stellung einzunehmen. Das bewegliche Maschinenelement
ist mit dem Antrieb gekuppelt, und die Stellung des Elements wird elektrisch gemessen,
Die Ausgangsgröße des elektrischen Meßgeräts wird -dann mit dem Steuersignal verglichen.
Wenn das Steuersignal und das Meßsignal verschiedene Größe haben, erhält man bei
.dem Vergleich beider Signale ein Fehlersignal, das den Betrag angibt, um den .das
von dem Antrieb bewegte Maschinenelement von seiner richtigen Stellung abweicht.
Dieses Fehlersignal wird dann zur Korrektur wieder in die Einrichtung eingeführt.
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Es gibt jedoch Umstände, unter denen es unzweckmäßig ist, die Stellung
des Maschinenelements zu messen. In solchen Fällen kann es zwar möglich sein, die
Stellung des Antriebs zu wessen, doch sind dann in der Regelschleife nur das Steuersignal
und der Antrieb enthalten. Ein in ,der Kraftübertragung zwischen dem Antrieb und
dein Ma.chinenelement vorhandener Stellungsfehler geht aber auch in den Steilvorgang
des Maschinenelements ein. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn der Antrieb
eine Drehbewegung erzeugt und das Maschinenelement linear bewegt werden ruß, so
saß es notwendig ist, die lineare Stellung des Maschinenelements zu: messen. Während
kurze lineare Verschiebungen auf einfache Weise gemessen werden können, treten bei
langen linearen Verschiebungen Schwierigkeiten auf, weil ausgedehnte lineare elektromechanische
Wandler von einfacher und wirtschaftlicher Form kaum erhältlich sind. Ein derartiger
Wandler, der diese Funktion einwandfrei ausführt, ist an anderer Stelle vorgeschlagen
worden, Dieser Wandler gibt jedoch bei normaler Verwendung keine eindeutigen Ergebnisse
und ruß zusammen mit einem weiteren Grobwandler verwendet werden. Zum Betrieb ;des
Wandlers kann ein eigener Servomechanismus erforderlich sein, Daher sind S.ystemo,;
in denen diese oder jede andere lineare Stellungsanzeigevorrichtung verwendet wird,
aufwendig und können unerwünschte Verzögerungen bedingen.
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Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung einer Steuereinrichtung,
welche das Messen der Stellung eines Maschinenelements in einer .solchen Weise gestattet,
daß alle Stellungsfehler erfaßt werden, ohne d.aß eine absolute Messung der Stellung
des Maschinenelements erforderlich ist.
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Die erfinfdungsgemäße Steuereinrichtung zur Lösung dieser Aufgabe,
hei der das zu steuernde Maschinenelement durch eine Antriebsvorrichtung mittels
eines Getriebes in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Sollwert und dem
Istwert der Lage des Maschinenelements verstellt wird, ist gekennzeichnet durch
eine mit,der Antriebsvorrichtung über ein weiteres Getriebe verbundene Nachbildung,
mit der ein Absolutmeßgerät für die Stellung der Nachbildung verbunden -ist, durch
ein starr mit dem Maschinenelement verbundenes Differenzmeßgerät zur Messung der
Relativverschiebung zwischen Mascllinenelement und Nachbildung und durch eine Kombinationsvorrichtung
zur Erzeugung des Istwert-,s:i-gnals aus den vom Absolutmeßgerät und ;dem D.ifferenzmeßgerät
gelieferten Signalen.
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In dieser Beschreibung und den Ansprüchen wird mit einer Nachbildung
eine Einrichtung bezeichnet, ,die bei Verbindung mit einem mechanischen Antrieb
einen bestimmten Punkt im Raum veranlaßt, sich im Raum relativ zu einen festen Bezugspunkt
längs einer Bahn zu bewegen, die der Bahn tdes Maschinenelements ähnlich und zu
ihr parallel ist, wobei ein und derselbe mechanische Abtrieb der Antriebsvorrichtung
im wesentlichen die gleiche Bewegung der Nachbildung und des Maschinenelements erzeugt.
Die Genauigkeit der Einrichtung Bist abhängig von .der Genauigkeit der Beziehung
zwischen der Stellung der Nachbildung und dem Meßwert dieser Stellung.
Spezielle
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beispielsweise an Hand :der
zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt Fig. 1 die wesentlichen -Teile einer ersten
Ausführungsfirm der Erfindung; Fig. 2 die wesentlichen Teile einer gegenüber der
Fig. 1 abgeänderten Ausführungsform, Fig. 3 ein Schema einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, Fig.4 vergrößert eine spezielle Form eines Teils der Einrichtung
nach Fig.3. Fig. 5 ein Schema einer -der Fig. 3 ähnlichen dritten Ausführungsform,
woben nur -die gegenüber ,der Fig. 3 geänderten Teile dargestellt sind.
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Fng. 1 zeigt ein Kommandogerät 10; das ein der gewünschten Stellung
des Maschinenelements proportionales Signal erzeugt. Dieses Signal kann, wie bereits
erwähnt worden ist,- von- Lochkarten, Magnet= bändern u. dgl. abgeleitet werden.
Das von idem Kommandogerät kommende Signal wird dem Kombinator 11 und von dort der
Antriebsvorrichtung 12 zugeführt. Diese Antriebsvorrichtung 12 ist über ,das Getriebe
13 mit dem zu steuernden Maschinenelement verbunden: Ein weiteres Getriebe 15 stellt
eine mechanische Verbindung zwischen der Nachbildung 16 und der Antriebsvorrichtung
.her. Es sei angenommen, daß das Maschinenelement 14 um eine absolute Strecke von
einem Bezugspunkt bewegt und verstellt werden soll, der beispielsweise ein bestimmter
Punkt des Betts der Werkzeugmaschine sein kann. Ein Absolutmeßgerät 17 mißt die
Absoluteinstellung der Nachbildung in Bezug auf (den gleichen Bezugspunkt. Ein Differenzmeßgerät
18' ist über eine mechanische Kupplung 19 starr mit =ödem Maschinenelement 14 verbunden
und mißt die Stellungsabweichungen zwischen demselben und der 2Nachbildung 16. Die
Ausgangssignale von dem Abolutmeßgerät 17 und dem Differenzmeßgerät 18 werden in
einem Kombinator 20 vereinigt und an den Kqmbinator 11 angelegt.
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Es sei hier darauf hingewiesen, daß die von .dem Kommandogerät, dem
Dnfferenzmeßgerät und dem Absolutmeßgerät kommenden Signale gleichartig sein müssen.
Wenn das Befehlssignal beispielsweise die Stellung des Elements 14 :durch die Höhe
der Spannung als Funktion des linearen Abstandes von dem Bezugspunkt darstellt,
müssen auch das Differenzmeßgerät und das Absolutmeßgerät Signale erzeugen, deren
Spannung der Linearverschiebung entspricht. Ferner ist es notwendig, :daß die Beziehung
zwischen der Spannung und .der Linearverschiebung bei dem Differenzmeßgerät und
-dem Absolutmeßgerät identisch ist. Das heißt, wenn das Differenzmeßgerät eine Spannung
von 1 Volt pro Zentimeter erzeugt, muß das Absolutmeßgerät ebenfalls eine Spannung
von 1 Volt pro Zentimeter erzeugen. Man kann die ganze Information auch in Ziffern
ausdrücken, beispielsweise jeder Stellung und jedem Teilbetrag der Verschiebung
einen Ziffernwert zuordnen.
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Es sei angenommen, .daß das Kommandogerät ein Signal C erzeugt und
die ganze Steuereinrichtung so ausgelegt ist, daß dieses Signal bei Anlegung an
die Antriebsvorrichtung eine Bewegung des Maschinenelements 14 gleich D + E hervorruft,
wobei E (der Fehler des Getriebes 13 .ist, der z. B. :durch Spiel oder elastische
Verformungenverursacht wird. Gleichzeitig verursacht der Antrieb eine Bewegung oder
Nachbildung um den Betrag D+El, wobei El der in dem Getriebe 15 auftretende Fehler
ist: Das Absolutmeßgerät '" 17 mißt die Stellung der Nachbildung und wanlde@lt sie
in ein Signal üm"das dem Befehlssignal gleichartig ist und dem Wert C+Ei entspricht.
Die Stellung des Maschinenelements ist D+E, die Stellung der Nachbildung ist D+El,
so daß die vom Gerät 18 gemessene Differenz zwischen den Stellungen der Nachbindung
und des Maschinenelements E-Ei beträgt. Die beiden in der Kombinationseinrichtung
20 vereinigten Signale ergeben daher bei richtiger Polarität ein Signal C+E. Die
Kombination von C+E mit C in dem Kombinator 11 ergibt bei richtiger Polarität der
Eingangssignale ein weiteres Signal E, das an die Antriebsvorrichtung angelegt wird.
Die Bewegung der Antriebsvorrichtung wird daher fortgesetzt, bis das Fehlersignal
E verschwindet. Bei richtiger Phasenlage. wird somit -das Element 14 genau dem Befehl
C entsprechend eingestellt, ohne daß die absolute Stellung des Elements 14 jemals
gemessen wird.
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In der Ausführungsform nach Fig. 2 wird angenommen, daß die Antriebsvorrichtung
12 eine Drehbewegung erzeugt, die über das Getriebe 13 in eine lineare Bewegung
-des Elements 14 umgewandelt und über das Getriebe 15 an die Nachbildung 16 angelegt
wird. In diesem Falle besteht die Nachbildung aus einem Wandler, dessen Drehung
eine Verschiebung einer Signalnullstelle längs des Wandlers verursacht. Das .heißt,
@daß für jede Drehstellung,der Nachbildung mindestens ein Punkt vorhanden ist,-
an dem das Differenzmeßgerät 18 einen Ausgangswert Null erzeugt. Beiderseits dieser
Stellung erzeugt das Differenzmeßgerät eine elektrische Spannung, die reit der Verschiebung
zunimmt, bis sie ein Maximum erreicht, von wo aus sie dann wieder bis zur nächsten
Nullstelle abnimmt. Wenn der Wandler jetzt so ausgelegt ist, daß die Verschiebung
der Nullstelle bei einer Umdrehung im wesentlichen -gleich der Verschiebung des
Maschinenelements bei derselben Drehbewegung des Antriebes ist, dann !ist die Spannung
des Differenzmeßgeräts ein Signal; @dessen Amplitude die Relativlage zwischen der
Nachbildung und dem Maschinenelement darstellt, sofern -das Differenzmeßgerät keine
Spannung abgibt, wenn sich das Maschinenelement in der Bezugssteltungbefindet.
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Der Einfachheit halber ist das Absolutmeßgerät 17 hier als ein Zerleger
dargestellt, an dessen Eingängen zwei um 90° phasenverschobene Wechselspannungen
liegen und der je nach der Stellung der Nachbildung eine Drehstellung von a Grad
hat, .so daß am Ausgang des Zerlegers Wechselströme mit rder Phase a und ;der Phase
a+90° auftreten. Diese beiden Ausgangsspannungen werden an den Kombinator 20 angelegt,
der ebenfalls ein Zerleger ist. Der Ausgang des Differenzmeßgeräts 18 wird an einen
Kömbinator 21 .und von dort über einen Verstärker 22 an einen Stellmotor 23 angelegt,
dessen Welle mit der Welle einer Gleichlaufeinrichtung 24 gekuppelt ist. Der Stellmotor,
die Gleichlaufeinrichtung, der Kombinator und der Verstärker bilden zusammen eine
Regelschleife, die einen Ausgangswert in Form einer mechanischen Stellung besitzt,
die durch -den Winkel ß bezeichnet wird, der die Verschiebung des Differenzmeßgeräts
gegenüber der Nachbildung als äquivalente Winkelbewegung der Nachbildung ausdrückt.
Das heißt, wenn eine Teilumdrehung der Nachbildung eine bestimmte Verschiebung (der
Nullstelle bewirkt, dann verursacht das resultierende Signal durch die Regelschleife
die Erzeugung einer Winkeldrehung ß; welche- Odem gleichen Teil von 360° entspricht.
Am Ausgang des Zerlegers 20 tritt daher die ebenfalls in einen Winkelwert umgewandelte
Summe .der Signale von dem hier einen Zerleger bildenden Absolutmeßgerät 17 und
dem
Differenzmeßgerät 18 auf. Bei der Anwendung eines Systems dieser
Art ist es natürlich notwendig, daß der Befehl ebenfalls als Winkelwert ausgedrückt
wird, so daß beim Anlegen des Signals von ldem Zerleger 20 an den Kombinator 11
das richtige Ergebnis erhalten wird und der Antrieb sich wieder weiterdreht, bis
sich das Element 14 mit minimalem Fehler in der richtigen Stellung befindet.
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Wie bereits angedeutet wurde, -können in !dieser Einrichtung verschiedenartige
Signale verwendet werden. Je nach der Form .des Wandlers oder !der Art der grundlegenden
Regelschleife können sogar in verschiedenen Teilen der Einrichtung verschiedenartige
Signale verwendet werden, sofern sie nur vor ihrer Vereinigung auf eine gemeinsame
Form gebracht werden. Das vorstehend beschriebene System .ist nur ein Beispiel der
Verwendung einer Regelanordnung, bei der die Signale die Form von Phasensignalen
oder Winkelstellungen von Wellen haben.
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Fig. 3 erläutert eine andere Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe
13 besteht aus einer Leitspindel für den Tisch 14 einer Werkzeugmaschine. Die Leitspindel
ist in Lagern 25 und 26 angeordnet. Das Getriebe 15 besteht aus einem Satz von Zahnrädern
27, 28 zum Drehantrieb der in den Lagern 29 und 30 gelagerten Nachbildung 16. Im
übrigen entspricht die Einrichtung den in Eig. 2 und 1 dargestellten und an Hand
derselben beschriebenen. Der Kombinator 20 kann wie der in Fig. 2 dargestellte Kombinator
ausgebildet sein und einen Zerleger aufweisen.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Differenzmeßgeräts, das in Fig.
3 als Element 18 Verwendet werden kann. Die Nachbildung besteht einfach aus einer
in den totgangfreien Lagern 29 und 30 gelagerten Spindel 31 mit Feingewinde
und einer totgangfreien Mutter 32, die mit Feinpassung auf dem Gewinde der Spindel
angeordnet ist, welche ein starr mit der Brücke 19 verbundenes Gehäuse 33 ;durchsetzt.
Die Mutter 32 wird in dem Gehäuse zwischen Feldern 35 und 36 gehalten, die eine
Längsbewegung der Mutter in dem Gehäuse relativ zu diesem gestatten. Eine Stange
34 durchsetzt ein Loch in der Mutter 32
und verhindert eine Drehung, gestattet
aber eine Längsbewegung der Mutter. Im unteren Teildes Gehäuses ist ein Differentialtransformator
37 angeordnet, der einen starr am Gehäuse befestigten E-förmigen Kern 38 und einen
auf der Mutter 32 angeordneten beweglichen Anker 39 besitzt. Auf den äußeren Schenkeln
des Kerns ,sind zwei Wicklungen 40 und 41 angeordnet. Diese beiden Wicklungen bilden
zusammen mit den Impedanzelementen 42 und 43 eine Brückenschaltung, !die von einem
Generator 44 mit Wechselstrom gespei#stwird. Der Differentialtransformator ist so
ausgelegt, daß er eine Ausgangsspannung mit der erforderlichen Charakteristik erzeugt;
beispielsweise kann eine lineare Verschiebung (des Ankers 39 eine lineare Veränderung
des an den Klemmen 45 erhaltenen Ausgangs bewirken.
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Jetzt sei die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung
betrachtet, wenn das Element 18 nach Fig. 4 ausgebildet ist. Das Gewinde 13 habe
eine Steigung von 2,5 mm und .die Antriebsvorrichtung habe ein Befehlssignal erhalten,
das eine Bewegung um 25 mm erfordert. Der Antrieb dreht sich jetzt zehnmal, wobei
er zehn Umdrehungen der Spindel 13
und eine Verschiebung des Elements 14 um
etwa 25 mm bewirkt. Jeder Teilungsfehler der Spindel 13 verursacht jedoch eine Veränderung
der Verschiebung des Elements 14. Es sei angenommen, daß dieser Fehler 0,25 mm beträgt
und das Element 14 tatsächlich um 25,25 mm von seinem Bezugspunkt verschoben wurde.
Ferner habe die Spindel 31 ein Feingewinde mit einer Steigung von 2,5 mm und :habe
das Getriebe 14 einen gewissen Totgang. Wenn das Getriebe 15 fehlerfrei ist, bewirken
zehn Umdrehungen ,des Antriebes 12 eine Verschiebung der Mutter 32 um genau 25 mm.
Es sei jedoch angenommen, daß der To.tgangfehler eine Verschiebung der Nachbildung
um eine Zehntelumdrehung verursacht hat, was 0,25 mm entspricht, so daß die Mutter
32 um 24,75 mm verschoben worden ist. Somit wurde der Kern des Differentialtransformators
37 .um 25,25 mm und der mit der Mutter 32 verbundene Anker um 24,75 mm bewegt, so
daß die Gesamtverschiebung des Ankers relativ zu :dem Kern 0,5 mm beträgt. Das Befehlssignal
habe eine Spannung von 1 V12,5 cm. Das Absol.utmeßigerät 17 kann beispielsweise
raus einem Präzisionspotentiometer mit mehreren Umdrehungen bestehen, das im Stande
ist, eine Spannung von 1 Volt pro zehn Umdrehungen zu erzeugen. Die Spannung des
Absolutmeßgeräts beträgt daher 1 Volt minus 0,01 Volt. Die Brückenschaltung soll
ebenfalls über eine geeignete Schaltung an Iden Klemmen 45 eine Spannung erzeugen,
die 1 Volt pro 2,5 cm der Verschiebung entspricht. Unter diesen Annahmen beträgt
die Ausgangsspannung des Differenzmeßgeräts 0,02 Volt. Die Ausgangsspannung .des
Koinbinators 20 beträgt 1,01 Volt, der Ausgang des Kom#binators 11 -fl,01 Volt,
so daß sich der Antrieb um eine Zehntelumdrehung in der Gegenrichtung dreht und
das Element 14 um 0,25 mm in der Gegenrichtung bewegt, wodurch der durch ldie Kraftübertragungen
verursachte Fehler ganz .ausgeglichen wird.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Abänderung der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung.
Dabei können das Differenzmeßgerät und die Nachbildung der Fig. 4 oder 2 entsprechen.
Zwischen die Nachbildung 16 und Idas Getriebe 15 ,ist jetzt ein Ausgleichsgetriebe
46 eingeschaltet. Der Ausgang des Differenzmeßgerätes wird über einen Verstärker
47 an einen Stellmotor 48 angelegt, der von dem Verstärker 47 eine Spannung erhält,
solange das Differenzmeßgerät eine Spannung abgibt. Diese Ausgangsspannung .des
Verstärkers 47 bewirkt eine Drehung des Stellmotors 48, der das Ausgleichsgetriebe
46 in einer solchen Richtung treibt, daß die Ausgangsspannung -des Differenzmeßgeräts
verringert wird. Die Nachbildung wird so lange verstellt, bis .die Ausgangsspannung
des Differenzmeß,geräts gleich Null ist. In diesem Fall wird die Differenz dazu
verwendet, die Nachbildung so lange zu bewegen, bis die Stellung -der Nachbildung
genau der des Maschinenelements entspricht. Mit Hilfe des drehbaren Absolutmeßgeräts
wird dann die Stellung der Nachbildung gemessen, die jetzt genau der des Maschinenelements
entspricht. Daher kann die Spannung von dem -drehbaren Absolutmeßgerät 17 direkt
an den Kom#binator 11 angelegt werden, an dessen Ausgang daher nur der Signalfehler
erscheint, der dem Stellungsfehler des Elements 14 entspricht.