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Digitale Stellungsregeleinrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine digitale Regeleinrichtung für Maschinen, insbesondere zur numerischen
Positionierung von Werkzeugmaschinen, mit einem von der Maschinenbewegung angetriebenen
Impulsgeber und einer Programmierungseinrichtung, wobei die Differenz zwischen dem
von der Programmierungseinrichtung in einem Sollwertzählwerk eingespeicherten Sollwert
und dem in einem weiteren Zählwerk gespeicherten Istwert mit Hilfe eines Impulsoszillators
und eines Differenzzählers gebildet wird.
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Es ist bereits eine Regelanordnung bekannt, bei der die im Soll- bzw.
Istwertzähler gespeicherten Werte gleichzeitig mit Hilfe eines Impulsoszillators
ausgezählt werden. Das bei der Nullstellung eines Zählers noch im anderen Zähler
vorhandene Signal gibt die Abweichung zwischen Soll- und Istwert. Diese Einrichtung
hat den Nachteil, daß das Differenzsignal sowohl im Soll- wie auch im Istwertzähler
erscheinen kann, so daß noch zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen, um das
Regelsignal in den gewünschten Zähler zu bringen, Es ist ferner eine Einrichtung
zur Positionssteuerung bekannt, bei der Sollwert- und Istwertimpulse dauernd auf
Koinzidenz überwacht werden. Stimmt der Sollwert mit dem Istwert überein, so wird
die Maschine stillgesetzt. Diese laufende überwachung der Koinzidenz ist relativ
aufwendig.
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Es ist ferner bekannt, zur Gewinnung eines Steuersignals die im Soll-
bzw. Istwertregister gespeicherten Werte in regelmäßigen Zeitabständen miteinander
zu vergleichen, wobei dann die Differenz auf einem dritten Register erscheint.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache numerische
Positionierungseinrichtung zu schaffen, bei der die bekannten Zahlenschlüssel verwendet
werden können und die genauer und schneller arbeitet als die bisher bekannten Einrichtungen
dieser Art.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sollwert
für die nächste Position dem Sollwertzähler zugeführt wird, der Istwert vom Istwertzähler
auf einen Differenzzähler übertragen wird und Sollwert- und Differenzzähler gleichzeitig
mit Hilfe eines Impulsoszillators ausgezählt werden, wobei das nach Auszählung des
Sollwertzählers im Differenzzähler verbleibende Signal die Abweichung zwischen Soll-
und Istwert liefert.
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Die von dem Impulsgeber abgegebenen Impulse werden zur laufenden Korrektur
der Abweichung auch auf das Differenzzählwerk gegeben. Die Einspeicherung der Werte
in das Soll- und in das Istwertzählwerk wird zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Stufenschaltvorrichtung
bei Weiterschaltung auf eine neue Position ausgelöst.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen aufgezeigt.
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F i g. 1 zeigt eine Ansicht von oben auf ein Werkstück, wobei eine
Ausgangs- oder gegenwärtige Stellung der Maschine und eine weitere Stellung der
Maschine angedeutet sind, in welche sie bewegt werden soll; F i g. 2 und 3 zeigen
ein Ausführungsbeispiel der numerischen Regeleinrichtung gemäß der Erfindung im
Blockschaltbild.
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In F i g. 1 ist mit 10 ein Werkstück bezeichnet, das auf einem Arbeitstisch
12 od. dgl. einer Werkzeugmaschine, z. B. einer Bohrmaschine, angeordnet ist. Es
sei angenommen, daß ein erstes Loch 14 bereits gebohrt worden ist, dessen Koordinaten
in bezug auf einen Punkt A mit Yl und X, bezeichnet sind. Es soll nun ein zweites
Loch 16 gebohrt werden, dessen Koordinaten mit Y2 und X2 bezeichnet sind. Zu diesem
Zweck ist es erforderlich, daß ein erster Motor vorgesehen ist, der den Bohrmechanismus
entlang der Y-Achse von der Stellung Yl nach der Stellung Y, bewegt. Ferner ist
es notwendig, daß ein zweiter Motor vorgesehen ist, der den Bohrmechanismus entlang
der X-Achse von der Stellung X1 nach der Stellung X2 bewegt. Alsdann wird der Bohrer
in der Stellung sein, in der das Loch 16 entsprechend den vorgegebenen Koordinaten
Y2 und X2 gebohrt werden kann.
In F i g. 2 ist schematisch die numerische
Positionierungseinrichtung für den Bohrmechanismus dargestellt, welcher mit 20 bezeichnet
ist. Die gewünschte Position ist auf einem Band, welchem eine Leseeinrichtung 22
zugeordnet ist, in Form von einem binärverschlüsselten Dezimalsignal gespeichert,
welches über Gatterschaltungen 24, 26 und 28 den entsprechenden Stufen
30, 32 und 34 eines Sollwert-Zählwerkes 36 bereitgestellt wird. Die
Reihenfolge und Art der Ablesung wird durch eine Stufenschaltvorrichtung 38 vorbestimmt.
Die Vorrichtung 38 kann beispielsweise ein mechanisch oder elektrisch betätigter
Stufenschalter sein. Die von dem Aufnehmer 22 abgenommenen Signale werden Dekade
für Dekade auf das Sollwertzählwerk 36 gegeben. Wenn das Werkstück beispielsweise
in eine Stellung mit einer Koordinate X2 = 43,8 gebracht werden soll, so müßte die
Vorrichtung 38 über die Gatterschaltung 24 das wichtigste Dekadensignal
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in die binärverschlüsselte Dezimalform 0100 bringen. Als nächstes müßte
die Vorrichtung 38 die Ziffer 3 in ähnlicher Weise mit Hilfe des Gatters 26 in die
Stufe 32 des Zählwerkes 36 speichern, und schließlich müßte die Vorrichtung 38 das
Gatter 28 öffnen, damit die Ziffer 8 in binärverschlüsselter Dezimalform in die
Stufe 34 des Zählwerkes 36 eingespeichert werden kann.
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Die Signalvorrichtung 38 wird anschließend das X Achsengatter
40 öffnen. Dadurch werden von einem Oszillator 42, der beispielsweise mit
einer Frequenz von 10 kHz arbeitet, über das Gatter 44 Zählimpulse auf die erste
Stufe 30 des Zählwerkes 36 und gleichzeitig auf die erste Stufe 46 eines Fehler-
oder Differenzzählwerkes 48 gegeben. Sobald die Signale von dem Oszillator 42 die
erste Stufe 30 des Zählwerkes 36 veranlassen, daß der gespeicherte Wert abgezogen
wird, bis schließlich die Zahl 0 erscheint, wird der Nullsignalanzeiger 50, welcher
die Zahl 0 in der ersten Stufe 30 feststellt, ein Steuersignal abgeben, das
das Gatter 44 schließt und ein Gatter 52 öffnet. Dadurch werden die Zählsignale
vom Oszillator 42 über das Gatter 52 auf die zweite Stufe 32 des Zählwerkes 36 und
auf die zweite Stufe 54 des Fehlerzählwerkes 48 gegeben. Die von dem Oszillator
42 kommenden Signale bauen nun den in der zweiten Stufe 32 gespeicherten Wert ab.
Wird schließlich der Wert 0 erreicht, so wird ein Ausgangssignal vom Nullsignalanzeiger
56 das Gatter 52 schließen und das Gatter 58 öffnen. Dadurch werden die Zählsignale
vom Oszillator 42 über das Gatter 58 auf die dritte Stufe 34 des Zählwerkes 36 und
auf die dritte Stufe 60 des Zählwerkes 48 gegeben. Hierdurch wird auch diese letzte
Stufe 34 des Zählwerkes 36 auf Null gesetzt sowie dieser Wert in der dritten Stufe
60 des Differenzzählwerkes 48 eingespeichert.
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Vor der Zuführung der Zählsignale von dem Oszillator 52 zu den entsprechenden
Stufen des Differenzzählwerkes 48, wurde dem Zählwerk 48 ein Steuersignal
in übereinstimmung mit der tatsächlichen Stellung der Maschine 20 bereitgestellt.
Das Maschinenteil 20 wird mit Hilfe einer passenden Einrichtung, z. B. einem
Motor 62, eingestellt. Gemäß F i g. 2 wird angenommen, daß es der Motor für
die Bewegung in der X-Achse ist. Der Motor 62
ist mechanisch mit einem passenden
Impulsgeber 64 verbunden, welcher in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann
und bei einem vorbestimmten Bewegungszuwachs der Maschine ein Ausgangssignal abgibt,
beispielsweise einen Impuls pro 0,1 Zoll. Mit anderen Worten, wenn die Maschine
20 sich um 1/1" Zoll bewegt, wird von der Einrichtung 64 ein geeigneter Einzelimpuls
bereitgestellt. Ferner können Mittel zur Anzeige der Bewegungsrichtung der Maschine
vorgesehen sein. Diese sind in F i g. 2 nicht gezeigt, da, wie beschrieben, der
Motor 62 die Maschine 20 nur in eine einzige Richtung bewegen soll. Daher ist es
nicht erforderlich, daß der Impulsgenerator 64 anzeigt, ob die Bewegung der Maschine
in Richtung zum oder vom Bezugspunkt A gemäß F i g . 1 erfolgt. Die Steuerimpulse
oder Signale des Impulsgenerators 64 werden auf ein Istwertzählwerk 66, und zwar
auf die kleinste Stufe 68 gegeben, so daß jeder Impuls des Generators 64 in dem
Zählwerk 66, und zwar auf die kleinste Stufe 68 gegeben, so Differenzzählwerk 48
über Gatter 69, 71 und 73 gemäß F i g. 2 derart verbunden, daß das in jeder Stufe
des Istwertzählwerkes 66 gespeicherte Steuersignal in die entsprechenden Stufen
des Differenzzählwerkes 58 übertragen wird.
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Das Differenzzählwerk 48 empfängt also ein Steuersignal in Übereinstimmung
mit der tatsächlichen Stellung durch das Istwertzählwerk 66 und ferner ein Steuersignal
entsprechend der gewünschten Stellung, welches von dem Sollwertzählwerk 36 durch
die Wirkung des Oszillators 42 bereitgestellt wird, und zwar durch Abzählen der
Signale, welche in dem Zählwerk 36 eingespeichert worden sind. Wenn also irgendeine
Differenz zwischen der tatsächlichen Stellung der Maschine und der gewünschten Stellung
auftritt, so wird diese Differenz durch ein Fehler- oder Differenzsignal von dem
Differenzzählwerk 48 ausgedrückt. Das Differenzzählwerk 48 muß daher in der Lage
sein, nach beiden Richtungen zu zählen. Da es das tatsächliche Stellungssignal als
eine Ziffer in der einen Richtung und das erwünschte Stellungssignal als eine Ziffer
in der anderen Richtung empfängt, kann es die erforderliche Differenzoperation ausführen.
Das Fehler- oder Differenzsignal von dem Zählwerk 48 wird einem Digital-Analog-Wandler
70 zugeführt, welcher über eine geeignete Gatterschaltung 72 und einen Verstärker
74 das erforderliche analoge Fehlersignal auf den Motor 62 überträgt. Wie F i g.
2 zeigt, werden die Steuersignale von dem Impulsgenerator 64 über eine Gatterschaltung
76 zu der letzten Stufe 60 des Differenzzählwerkes 48 geleitet. Diese Steuerimpulse
ändern also den Betrag sowohl im Istwert 66 als auch im Differenzzählwerk 48 derart,
daß das Fehler- oder Differenzsignal im Zählwerk 48 entsprechend der Maschinenbewegung
den Wert 0 annimmt.
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Bezüglich F i g. 2 wird noch bemerkt, daß der Nullsignalanzeiger 59
der dritten Stufe des Zählwerkes 36 ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, um
das Gatter 58 bei Erreichen des Wertes 0 zu sperren und anschließend die Einrichtung
38 zu veranlassen, daß die Lesevorrichtung 22 die Stellungssignale für die Position
Y" in Richtung der Y-Achse abnimmt.
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F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Steuerung gemäß F i g. 2, wobei
für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in F i g. 2 verwendet sind. Es wird
bemerkt, daß die Fehler- oder Differenzzähleinrichtung 49 für die Y-Achse in ähnlicher
Weise wie die Zähleinrichtung 48 für die X-Achse mit dem Oszillator 42 in Wirkverbindung
steht. In F i g. 3 sind die
entsprechenden Gatterschaltungen übersichtshalber
nicht gezeichnet.
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Das Differenzzählwerk 49 für die Y-Achse ist ebenfalls ein vorwärts
und rückwärts zählendes Zählwerk und empfängt ein Steuersignal von dem Ist Wertzählwerk
67 der Y-Achse entsprechend der tatsächlichen Stellung der Maschine 20 in Richtung
der Y-Achse durch ein Ausgangssignal von einem Impulsgenerator 65. Ferner empfängt
das Differenzzählwerk 49 der Y-Achse das nächste oder gewünschte Stellungssignal
von dem Bandabnehmer 22 durch das Sollwertzählwerk 36 für die nächste Y-Koordinate
entlang der Y-Achse, und zwar für die Stellung Y, gemäß F i g. 1. Das Differenz-
oder Fehlersignal, das durch das Differenzzählwerk 49 bereitgestellt wird, wird
einem Digital-Analog-Wandler 71 zugeführt und von diesem einen der Bewegung in der
Y-Achse zugeordneten Motor 63.
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In F i g. 3 ist ferner eine Nullausgleichseinrichtung 78 dargestellt,
welche mit dem Differenzzählwerk 48 der X-Achse und dem Istwertzählwerk 66 der X-Achse
zusammenwirkt. Entsprechend der Y-Achse ist auch dort eine Nullausgleichseinrichtung
79 vorhanden, welche mit dem Differenzzählwerk 49 und dem Istwertzählwerk 67 der
Y-Achse zusammenwirkt. Mit den Nullausgleichsvorrichtungen 78 und 79 kann der Bezugspunkt
geändert werden, beispielsweise von Stellung A nach Stellung B gemäß
F i g.1. Derartige Maßnahmen sind bei Werkzeugmaschinensteuerungen an sich bekannt.
Die Wirkungsweise der Nullausgleichsvorrichtung 78 ist wie folgt: Es wird ein bestimmter
Betrag von dem Istwertzählwerk 66 abgezogen, der gleichzeitig dem Betrag in dem
Differenzzählwerk 48 der X-Achse hinzugefügt wird. Dieser Betrag entspricht der
Differenz in Richtung der Koordinate X zwischen dem Bezugspunkt
A und dem Bezugspunkt B. In gleicher Weise wird der Nullausgleich mit der
Einrichtung 79 vorgenommen. Hierbei muß aber die Polarität der Signale berücksichtigt
werden.
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Bei der Steuereinrichtung gemäß F i g. 2 bewirkt der Oszillator 42
ein Wegzählen irgendeines gespeicherten Steuersignals in dem Sollwertzählwerk 36,
und zwar Stufe für Stufe, so daß das in dem Zählwerk 36 gespeicherte Steuersignal
wirksam auf das Differenzzählwerk 48 übertragen wird. Wenn die Frequenz des Oszillators
42 in der Größenordnung von 10 kHz ist und das Sollwertzählwerk hätte fünf Dekadenstufen,
so würde die maximale Zahl für jede Dekade zehn Zählsignale betragen. Die maximale
Zeitperiode würde in diesem Falle in der Größenordnung von 5 Millisekunden liegen,
um den größten praktisch vorkommenden Wert abzählen zu können.
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Ferner wird bemerkt, daß die Verwendung der Nullsignalanzeiger 50,
56 und 59 zum Vergleich der einzelnen dekadischen Stufen des Zählwerkes 36 den Vorteil
hat, daß eher eine Nullziffer in den Dekadenstufen des Sollwertzählwerkes 36 festgestellt
werden kann, als das Feststellen einer Koinzidenz zwischen einer willkürlichen Zahl
in den einzelnen Stufen des Istwertzählwerkes 66.
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Ferner wird in den Ausführungsbeispielen gemäß F i g. 2 und 3 jede
tatsächliche Stellung der Maschine 20 gespeichert, und zwar als Steuersignal in
dem Zählwerk 66 für die Stellung in der X-Achse und das gleiche für die Y-Achse
durch das Zählwerk 67. Dieses Steuersignal ist bezogen auf einen Nullbezugspunkt,
z. B. dem Punkt A in F i g. 1. Das Istwertzählwerk 66 für die X-Achse wirkt als
absoluter Stellungsspeicher oder Aufzeichnungsträger, während das Fehlerzählwerk
48 als Differenzspeicher wirksam ist.
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Nachdem das Steuersignal von dem Band in geeigneter Weise abgenommen
worden ist, wird das nächste erwünschte Stellungssignal, z. B. für die X-Achse,
bereitgestellt und unmittelbar dem Sollwertzählwerk 36 mitgeteilt. Es wird in bezug
auf F i g. 2 bemerkt, daß das Steuersignal von der Stufenschaltvorrichtung 38, welche
das Gatter 24 öffnet, außerdem auch noch die Gatter 69, 71 und 73 zwischen dem Zählwerk
66 und dem Differenzzählwerk 48 öffnet, so daß die tatsächliche Stellung des Maschinenteils
20 in bezug auf die X-Achse in der Differenzzähleinrichtung 48 festgehalten wird.
Wenn das Gatter 24 geschlossen wird, werden die Gatter zwischen dem Zählwerk 66
und dem Differenzzählwerk 48 gleichfalls geschlossen. Die Wirkung des Oszillators
42 durch das Gatter 40 -der X-Achse, um die einzelnen eingespeicherten Zahlen in
den entsprechenden Stufen des Zählwerkes 36 abzuzählen und danach die entsprechenden
Stufen des Differenzzählers 48 in bezug auf das tatsächliche Stellungssignal zuzusetzen,
welches von dem Istwertzählwerk 66 übertragen wird, wird gebraucht, um ein Fehler-
oder Differenzsignal vom Zählwerk 48 für den Digital-Analog-Umformer 70 zu
erhalten.
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Sobald der der X-Achse zugeordnete Motor 62 auf das entsprechende
Differenz- oder Fehlersignal reagiert, das von dem Digital-Analog-Umformer
70
bereitgestellt wird, und die Stellung der Maschine korrigiert, stellt der
Impulsgeber 64 Ausgangssignale zur Verfügung, um einerseits das Ist-Stellungssignal
zu ändern, das in dem Istwertzählwerk 66 gespeichert ist, und andererseits das Differenzzählwerk
49 zu korrigieren, indem über das Gatter 76 ebenfalls die Ausgangssignale zugeführt
werden. Dieser Prozeß setzt sich so lange fort, bis das Fehlersignal Null geworden
und die Maschine 20 in die gewünschte Position gelangt ist.
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Anschließend wird das Verfahren für die Y-Achse wiederholt, wobei
das erwünschte Stellungssignal über das Gatter der Y-Achse, ähnlich wie bei der
X-Achse, gegeben wird, so daß die Zählsignale von dem Oszillator 42 richtig
auf das Differenzzählwerk 49 der Y-Achse übertragen werden.
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Falls es erwünscht ist, kann das Differenz- oder Fehlersignal des
Differenzzählwerkes 48 durch ein Gatter 72 zur Wirksamkeit gebracht werden, um den
Motor 62 in Betrieb zu setzen, während zur selben Zeitperiode das der Y-Achse zugeordnete
Zählwerk 49 eingestellt wird. Unter Umständen mag es erwünscht sein, daß sowohl
der Motor für die X-Achse als auch der Motor für die Y-Achse gleichzeitig wirksam
sind. In diesem Falle wird das Gatter 72 für den Motor 62 der X-Achse gleichzeitig
mit dem entsprechenden Gatter für den Motor 63 der Y-Achse gemäß F i g. 3
geöffnet.
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Wenn die Steuerimpulse von dem Impulsgenerator 64 das Fehlersignal
der -Zähleinrichtung 48 vollständig abgezählt haben, wird die Bewegung des Motors
62 angehalten. In gleicher Weise wird die Bewegung in der Y-Richtung abgestoppt.
Die Polarität der Steuerimpulse des Impulsgenerators als auch die Steuerimpulse
selbst werden dem Istwertzählwerk und dem Differenzzählwerk in solcher Weise zugeführt,
daß die Istwertzählwerke die vollständige Bewegung
von dem Bezugspunkt
Null aus registrieren. Wenn es erwünscht ist, die Bewegung des Maschinenteils 20
sowohl in Richtung der X-Achse als auch in Richtung der Y-Achse zu steuern, müssen
polaritätsabhängige Schalter vorgesehen sein, um die Bewegungsrichtung erfassen
zu können.
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Falls ein Einlaufen in die gewünschte Stellung mit niedrigerer Geschwindigkeit
erwünscht ist, wird an dem Digital-Analog-Umformer die Abnahme des Fehlersignals
überwacht und bei Unterschreitung eines bestimmten, vorgegebenen Wertes über einen
Verstärker ein entsprechendes Steuersignal für den Motor eingeleitet.