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Anordnung zur numerischen Steuerung von Arbeitsmaschinen Es sind bereits
Anordnungen zur numerischen Steuerung von Arbeitsmaschinen bekanntgeworden, bei
denen eine geregelte Positionierung vorgesehen ist. Die jeweilige Ist-Position wird
mit einem geeigneten Meßsystem gemessen und mit einer programmierten Soll-Position
verglichen. Ein sich aus der auftretenden Abweichung ergebendes Signal bewirkt eine
entsprechende Verstellung des bewegbaren Elementes an der Arbeitsmaschine. Mit solchen
Steuerungen können einzelne Arbeitspunkte angefahren werden, wie dies beispielsweise
bei Koordinaten-Bohrwerken, Hobelmaschinen, Punktschweißmaschinen, Stanzen od. dgl.
notwendig ist. Bei Steuerungen für beispielsweise Koordinaten-Bohrwerke wird ein
einziger Arbeitspunkt in die Steueranordnung nach Xund Yeingegeben, der eingefahren
wird, worauf dann beispielsweise am zu bearbeitenden Werkstück ein Loch gebohrt
wird.
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Sehr oft tritt der Fall auf, daß Werkstücke in mehr als zwei Koordinaten
bearbeitet werden müssen. Das bewegbare Maschinenelement, welches das zu bearbeitende
Werkstück trägt (z. B. ein Maschinentisch), soll dabei beispielsweise in mehr als
zwei senkrecht aufeinander stehende Richtungen verstellbar sein. Es besteht auch
oft die Forderung, daß das Werkzeug aus einer bestimmten Lage in bestimmte andere
Lagen geschwenkt werden soll, beispielsweise um am zu bearbeitenden Werkstück schrägstehende
Bohrungen anzubringen. Es ist nicht ungewöhnlich, mehr als fünf Lageverstellungen
von Werkstück und Werkzeug vorzunehmen, wobei alle diese Lageverstellungen selbsttätig
erfolgen sollen. Solche relativ kompliziert zu bearbeitenden Werkstücke setzen für
jede Koordinate und sonstig-- Verstellung eine vollständige Steueranordnung voraus.
Entsprechend ergibt sich hierdurch ein ganz beträchtlicher Gesamtaufwand. Die Erfindung
hat sich die Aufgabe gestellt, diesen großen Aufwand entscheidend zu verringern.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur numerischen Steuerung
von Arbeitsmaschinen, bei welcher ein Positionierungs-Regelkreis vorgesehen ist,
wobei die Anordnung mit den für die Bearbeitung des jeweiligen Werkstückes notwendigen
Koordinatenwerten bzw. Verstellsignalen beaufschlagt wird, indem der Regelkreis
in zyklischer Folge für jede Koordinate vorübergehend geschlossen wird. Die Erfindung
besteht darin, daß für alle Koordinaten ein gemeinsames nicht umschaltbares Soll-Ist-Wert-Vergleichsglied
vorhanden ist, während zur Messung bzw. Verstellung in jeder einzelnen Koordinate
getrennte Meßsysteme und Stellmotore vorgesehen sind. Einer weiteren Ausbildung
entsprechend sind dem Soll-Ist-Wert-Vergleichsglied für jede gesteuerte Koordinate
Speicher nachgeschaltet, die die zu verarbeitenden Signale nur bei Auftreten von
Speicherbefehlen übernehmen, und die die Regelabweichung in digitaler Form speichern
und auf Digital-Analog-Umsetzer schalten. Zweckmäßig ist eine entsprechend der Anzahl
der gesteuerten Koordinaten taktmäßig betriebene logische Schaltung vorgesehen,
die die Regelgröße in digitaler Form erhält und diese an ein Soll-Ist-Wert-Vergleichsglied
in digitaler Form ausgibt. Einer weiteren Ausbildung entsprechend ist die Soll-Position
in digitaler Form auf das Soll-Ist-Wert-Vergleichsglied gegeben. Zweckmäßig ist
die als digitaler Wert am Ausgang des Soll-Ist-Vergleichsgliedes vorliegende Regelabweichung
unmittelbar auf einen einzigen Digital-Analog-Umsetzer geschaltet, dem ein entsprechend
der Zahl der Koordinaten taktmäßig betriebener Umschalter nachgeschaltet ist.
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Es ist bereits eine Vergleichsmatrix bekannt, die umschaltbar ist
und bei welcher die Sollwerte durch Vorspannung der bei der Matrix verwendeten Dioden
eingestellt und synchron umgeschaltet werden. Die Einstellung der Sollwerte bei
dieser umschaltbaren Vergleichsmatrix durch bestimmte Vorspannungsgabe der verwendeten
Dioden ist sehr nachteilig. Es müssen hierfür Spannungsquellen mit verschiedenen
Potentialen verwendet werden. Rückwirkungen der Diodenkreise aufeinander sind dabei
nicht ausgeschlossen, so daß sich keine sichere Sollwerteinstellung ergibt. Bei
dieser Vergleichsmatrix werden die Sollwerte direkt am Vergleichsglied eingestellt
und umgeschaltet. Im Gegensatz hierzu macht die Erfindung von einem nicht umschaltbaren
Soll-Ist-Vergleichsglied Gebrauch, das mit einem besonderen Soll-Positionsgeber
zussmmenarbeitet, der die Sollwerte in digitaler Form an das Vergleichsglied ausgibt.
Die
Erfindung wird mit weiteren erfindungsgemäßen Ausbildungen an Hand eines in der
Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In Fig. 1 ist eine Anlage schematisch dargestellt, bei welcher eine
einzige Steueranordnung für eine Mehrzahl von Koordinaten herangezogen wird. Von
der Arbeitsmaschine ist in schematischer Weise ein Maschinentisch T dargestellt,
der über Spindeln P von Stellmotoren Mx, My, Mz verstellt wird. Das feststehende
Maschinenbett ist mit B bezeichnet. Der absolute Nullpunkt der Maschine ist mit
Na bezeichnet. Auf dem Maschinentisch T ist ein zu bearbeitendes Werkstück
W' in geeigneter Weise aufgespannt. Der Ort der Aufspannung des Werkstückes kann
beliebig sein. Das zu bearbeitende Werkstück hat einen Anriß N,. Dieser Werkstücksnullpunkt
N, wird in Beziehung zum absoluten Nullpunkt Na der Arbeitsmaschine gebracht.
Diese Beziehung wird beispielsweise durch lichtelektrische Abtastanordnungen Nx,
Ny, N, hergestellt, die über als Lineale ausgebildete Codemaßstäbe verschiebbar
sind. Für die Koordinaten X, Y sind die Maßstäbe mit Lx, Ly angedeutet.
Der Anfang Null dieser Maßstäbe stimmt mit dem absoluten Nullpunkt Na überein.
Die Maßstäbe sind in geeigneter Weise an dem Maschinenbett B befestigt. Am Ausgang
der lichtelektrischen Abtastanordnungen Nx, Ny, Nz tritt ein digitaler Wert auf,
der beispielsweise mit zur Bildung der Soll-Position herangezogen werden kann. Die
Maßstäbe, über die die Abtasteinrichtungen verschoben werden, haben beispielsweise
eine Wertbreite von 20 bit. Außer dem digitalen Raster kann auch eine dezimale Teilung
D vorgesehen sein.
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Unter der Annahme, daß als Arbeitsmaschine beispielsweise ein Bohrwerk
mit feststehendem Bohrer vorliegt, wird der auf dem Werkstück W' angerissene Werkstücksnullpunkt
N, durch Verstellung des Maschinentisches T unter den Bohrer gefahren. Diese Einstellung
braucht im allgemeinen nicht sehr genau , zu sein, da das rohe Werkstück (z. B.
Gußstück) größere Abmessungen aufweist, als dann im endgültig bearbeiteten Zustand
notwendig sind. Die fest am Maschinentisch T angeordneten Abtasteinrichtungen Nx,
Ny, N, werden durch diese Nullpunkteinstellung gleichfalls über den zugeordneten
Maßstäben verstellt. An ihren Ausgängen treten den abgefahrenen Strecken entsprechende
digitale Werte auf. Diese elektrischen Werte werden in nicht weiter dargestellte
Speicher eingespeichert. Nach der Aufnahme dieser Werte werden die Speicher gesperrt.
Die Werte stehen dann unverlierbar an den Ausgängen der Speicher an.
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Diese Grundeinstellung wird nur ein erstes Mal durchgeführt. Die dabei
gelesenen Lagewerte bleiben während der darauf folgenden Arbeitsoperationen wegen
der Speicherung erhalten, selbst wenn nachfolgend beispielsweise eine Verstellung
der lichtelektrischen Abtasteinrichtungen Nx, Ny erfolgt. Damit ist also der Werkstücksnullpunkt
N, in bezug auf den absoluten Nullpunkt Na in die Steuereinrichtung eingeführt
worden.
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Nach dieser Nullpunktsübernahme kann die Bearbeitung des Werkstückes
W' beginnen.
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Die Abtasteinrichtungen Nx, Ny, N, sind mit einer logischen Schaltung
A verbunden, deren Ausgang mit einem Eingang eines Soll-Ist-Wert-Vergleichsgliedes
SJverbunden ist. Wie durch tx, ty, tz angedeutet, handelt es sich bei der logischen
Schaltung A um eine gesteuerte Einrichtung. Mit t,2, N?,, soll angedeute sein, daß
dieser logischen Schaltung beliebige weitere Meßwerte von Koordinaten oder sonstigen
Verstellungen zugeführt werden können.
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Mit S ist ein Soll-Positionsgeber bezeichnet. S", Sy. SZ sind
taktweise geöffnete Speicher. DA, DA", DAy. DA, sind
Digital-Analog-Umsetzer. Mit U ist ein Koordinatenumschalter bezeichnet.
Die Elemente A, Sx, Sy, S, und U werden durch löckende Signale tx, ty, tz
bzw. txw, tyu., tzw bzw. txu, tyu, tzu gesteuert. Das Taktdiagramm zeigt die Fig.
2.
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Die zur Zeit des Signals tx am Ausgang des Soll-Positionsgebers und
an der logischen Schaltung A anstehenden digitalen Werte werden an die beiden Eingänge
des Soll-Ist-Vergleichsgliedes SJ geschaltet. An dessen Ausgang ergibt sich eine
Abweichung in Form eines digitalen Signals, das an den Eingang der Speicher S.,
Sy, S" gelangt. Diese Speicher werden durch Befehle txw, tyw, tzw taktweise geöffnet,
wie auch aus Fig.2 ersichtlich ist. Die Befehle txw, tyw, tzw treten synchron mit
den Signalen t", t_, tz auf. Der Speicherbefehl txw = L kommt beispielsweise,
wenn der Takt t" schon vorhanden ist. Das Ausgangssignal von SJ (Fig. 1) wird in
diesem Falle von dem Speicher Sx übernommen und steht an dessen Ausgang als Abweichung
X" an. Der digitale Ausgangswert X", dieses Speichers Sx bleibt auch bei Verschwinden
des Speicherbefehles txw = L bestehen. Jeder (alte) Wert Xw wird überschrieben,
wenn ein neuer Speicherbefehl txw auftritt. Der Wert X" wird einem an sich bekannten
Digital-Analog-Wandler DAx zugeführt, der diesen digitalen Wert in eine analoge
Spannung umwandelt, die einen Stellmotor M" steuert. Dieser Stellmotor verstellt
den Maschinentisch M in der X-Koordinate.
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Die obigen Ausführungen gelten sinngemäß auch für die Verarbeitung
der in die Steuereinrichtung über den Soll-Positionsgeber S eingegebenen digitalen
Werte der weiteren Koordinaten bzw. Verstellungen beim Auftreten der Takte ty bzw.
tyw sowie tz bzw. tzw USW.
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Das schwarze Dreieck an verschiedenen Blöcken in Fig. 1 bedeutet,
daß in diesen Stufen mehrstellige digitale Signale in paralleler Form verarbeitet
werden, daß also jede dieser Stufen aus mehreren gleichartigen Zellen besteht, entsprechend
der Stellenzahl der eingegebenen Soll- und Meßwerte.
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Wie aus der Beschreibung der Anordnung nach Fig. 1 in Verbindung mit
den Diagrammen nach Fig. 2 ersichtlich ist, erfolgt hier eine in den einzelnen Koordinaten
getastete Lageregelung des Maschinentisches. Der Soll-Ist-Wert-Vergleich wird beispielsweise
immer erst in der X-Koordinate vorgenommen, dann in der Y-Koordinate, dann in der
Z-Koordinate, dann wieder in der X-Koordinate usf. Der Rhythmus kann dabei so schnell
sein, daß für die Stellmotore Mx, My, Mz die unstetige Arbeitsweise der Regelung
überhaupt nicht in Erscheinung tritt. Offensichtlich können also mit einer einzigen
Anordnung nach Fig. 1 Bewegungen in beliebig vielen Koordinaten gesteuert werden.
Wie durch Nm und t. an der logischen Schaltung A angedeutet ist, kann die Anordnung
nach Fig. 1 leicht für vier oder mehr Koordinaten ausgebildet werden, ohne daß sich
der Aufwand dabei wesentlich erhöht.
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Dies wird durch die erfindungsgemäße Abtastregelung erreicht, bei
der der Regelkreis immer nur während der kurzen Takte wirklich geschlossen wird.
Während eines Taktes wird aus der Regelgröße sozusagen
eine Koordinatenprobe
herausgenommen, diese wird mit dem entsprechenden Sollwert sofort verglichen, und
das Ergebnis (die Regelabweichung in dieser Koordinate) wird gespeichert (z. B.
in Sx) und weiterverarbeitet. Gleich darauf wird der Regelkreis wieder geöffnet,
wobei das der gerade betrachteten Koordinate zugeordnete Meßsystem und Stellglied
(z. B. N., Mx) vom Regelkreis abgeschaltet wird. Das Stellglied führt dann
bis zu seiner nächsten Einbeziehung in den Regelkreis die gespeicherten Befehle
aus. Nach einer bestimmten Zeit wird der Regelkreis unter Hereinnahme eines der
nächsten Koordinate zugeordneten Meß- und Stellgliedes wieder kurzzeitig geschlossen,
während der Schließungszeit eine Probe in dieser Koordinate entnommen, mit dem zugehörigen
Sollwert verglichen und die Abweichung wird ausgegeben und gespeichert. Dieser Ablauf
wiederholt sich für jede gesteuerte Koordinate.
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Die Speicher Sx, Sy, S, können auch fortgelassen werden, wie durch
die gestrichelte Überbrückung in der Fig. 1 angedeutet ist. Vom Soll-Ist-Vergleichsglied
SJ geht es unmittelbar auf einen einzigen Digital-Analog-Umsetzer DA. Dieser
Umsetzer wird über eine Umschalteinrichtung U während der Zeiten txu, tyu bzw. tzu
= L auf die zugeordneten Stellmotore M., My, M, geschaltet. Dies ist auch
in Fig. 2 an den drei letzten Taktdiagrammen veranschaulicht. Wie aus Fig. 1 ersichtlich,
wird die am SJ-Glied auftretende digitale Regelabweichung entsprechend der an der
logischen Schaltung A anliegenden Meßwerte für die Zeiten t", ty, t, = L
unmittelbar auf den Umsetzer DA einwirken.