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Anordnung zur Steuerung aufeinanderfolgender Arbeitsvorgänge Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung aufeinanderfolgender Arbeitsvorgänge,
insbesondere bei Werkzeugmaschinen, nach einem vorgegebenen Programm, bestehend
aus einer Kette bistabiler Kippstufen, bei denen einer der beiden zueinander komplementären
Ausgänge jeder Kippstufe mit einem der beiden Eingänge der folgenden Kippstufe jeweils
durch ein Und-Gatter gekoppelt ist, über dessen zweiten Eingang die Kippstufenkette
mittels einer Impulsfolge aus einem Signalgeber fortschaltbar ist.
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Eine solche Kippstufenkette ist - gemäß der deutschen Patentschrift
846 319 - bereits aus der elektronischen Zähltechnik bekannt und umfaßt eine kontaktlose
ruhende Anordnung, bei welcher durch vorgegebene Eingangssignale schrittweise nacheinander
die einzelnen Kettenglieder in ihre Arbeitslage unter gleichzeitiger Rückstellung
des vorhergehenden Kettengliedes in die Ruhelage umsteuerbar sind. Solche Kippstufenketten
sind in ihrem Aufbau und ihrer Zusammenschaltung nach ausschließlich für die Weitergabe
des Schaltzustandes von einer Stufe zur nächsten geeignet; wollte man sie unter
Abkehr von ihrem bisherigen Verwendungszweck in der Zähltechnik nunmehr in der Programmsteuertechnik
zur Steuerung zeitlich aufeinanderfolgender Arbeitsvorgänge, insbesondere von Werkzeugmaschinen,
verwenden, so ergeben sich Schwierigkeiten und komplizierte Schaltungen, wenn die
Aufgabe besteht, einzelne Programmschritte zu wiederholen, zu überspringen oder
eine gleichzeitige Einschaltung zweier oder mehrerer Arbeitsvorgänge sicherzustellen.
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Die Erfindung ist bei einer Anordnung der eingangs genannten Art darin
zu sehen, daß der ersten bistabilen Kippstufe der Kette ein erstes weiteres Und-Gatter
vorgeschaltet und der letzten bistabilen Kippstufe der Kette ein zweites weiteres
Und-Gatter nachgeschaltet ist und daß alle Und-Gatter eingangsseitig unmittelbar
mit einer vom Signalgeber gespeisten gemeinsamen Steuerleitung verbunden sind und
daß ferner der andere Ausgang mindestens der ersten bistabilen Kippstufe mit einem
Eingang des ersten weiteren Und-Gatters verbunden ist und daß außerdem der Ausgang
der Und-Gatter jeweils mit dem anderen Eingang der vorausgehenden bistabilen Kippstufe
verbunden ist.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann jedes der Und-Gatter
weitere Eingänge aufweisen, die entsprechend dem gewünschten Programm wahlweise
mit den anderen Ausgängen der Kippstufen - ausgenommen der unmittelbar vorausgehenden
Kippstufe - verbindbarsind. Durch die im vorstehenden erläuterte Erfindung werden
mit relativ einfachen Mitteln die Nachteile der bekannten Kippstufenketten beseitigt,
wobei durch die Kopplungen der Stufen mittels der Gatter eine völlige Freizügigkeit
in der Vorwahl des gewünschten Programms besteht: Es liegt nicht mehr nur eine Kopplung
von Stufe zu Stufe vor, sondern es können eine oder mehrere Stufen mit mehreren
oder allen anderen Stufen in einer bestimmten Weise und in beliebiger Kombination
gekoppelt sein. Als Impulsgeber zur Fortschaltung der Kette kann eine Einrichtung
verwendet werden, die im wesentlichen gleiche Impulse abgibt, z. B. ein Endkontakt
in Verbindung mit einer Stromquelle mit im wesentlichen gleichbleibender Spannung.
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Die auf diese Weise beeinflußte Steuereinrichtung hat nun die Aufgabe,
diese Schaltkommandos, die in irgendeiner zeitlichen Folge nacheinander am Eingang
der Steuereinrichtung auftreten, so zu verarbeiten, daß unterschiedliche Steuerbefehle
nach einem vorgegebenen Programm abgegeben werden. Die Eingangskommandos stellen
lediglich neutrale Impulse dar. Demgegenüber liefert die Steuereinrichtung Steuerbefehle,
die, für die verschiedenen Vorgänge differenziert, auf verschiedene Motoren, Schaltkupplungen
usw. in einer bestimmten Reihenfolge gegeben werden.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen F i g.1 und 2 ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen
Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung, F i g. 3 und 4 die Wirkungsweise
für zwei verschiedene Steuerprogramme.
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Für gleiche Teile sind in den Figuren in weitgehender übereinstimmung
gleiche Bezugszeichen verwendet.
F i g. 1 zeigt eine Anordnung mit
drei bistabilen KippstufenBK1, BK2 und BK3. Diese Anordnung läßt sich, wie durch
die Pfeile 1 und 2 angedeutet ist, in beliebiger Weise durch den Anschluß weiterer
Kippstufen vergrößern. Die Schaltkommandos werden in Form von Spannungsimpulsen
zugeführt und gelangen, wie durch den Pfeil 3 angedeutet ist, an die gemeinsame
Steuerleitung 4. Die Anzahl der bistabilen Kippstufen entspricht im wesentlichen
der Anzahl der gewünschten Schaltschritte. Die bistabilen Kippstufen sind durch
einfache Diodengatter G1, G2, Gs miteinander gekoppelt.
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Die bistabilen Kippstufen werden durch Spannungsimpulse, die z. B.
von Endkontakten an einer Werkzeugmaschine über eine gemeinsame Steuerleitung 4
hergeleitet werden, nacheinander für den Zeitraum des Impulsabstandes zum Kippen
gebracht, so daß an den Ausgängen Cl, C3 und C5 Spannungen auftreten, die die Steuerbefehle
für die verschiedenen Vorgänge darstellen. Dadurch können dann etwa die verschiedenen
Arbeitsgänge einer Werkzeugmaschine über einen Programmgeber eingeschaltet werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß dem in F i g. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel sei an Hand der ausführlicheren Darstellung gemäß F i g. 2 erläutert.
An der Leitung 5 liegt die Betriebsspannungsquelle mit ihrem negativen Pol, z. B.
bei Verwendung von Transistoren des pnp-Typs. Dementsprechend ist an der Leitung
5 die Spannung mit - U, versinnbildlicht. Jede der bistabilen Kippstufen
enthält zwei Transistoren, die mit Trl bis Trs bezeichnet sind. Die Kollektoren
der einzelnen Transistoren liegen einerseits über den Widerständen 11 bis 16 am
negativen Pol der Betriebsspannungsquelle, andererseits über den Rückkopplungswiderstand
17 bis 22 an der Basis des jeweils anderen Transistors derselben Kippstufe, während
emitterseitig für jedes Transistorenpaar je ein gemeinsamer Widerstand 24,27 und
30 vorgesehen ist. In der gezeichneten Betriebsstellung mögen in allen Kippstufen
die links befindlichen Transistoren Trl, Trs und Tr" sich in geöffnetem Zustand
befinden, während die rechts liegenden Transistoren Tr2, Tr4 und Trs gesperrt sind.
Dieser Ausgangszustand kann leicht dadurch erreicht werden, daß über je einen Widerstand
oder Kondensator (die in F i g. 2 nicht gezeichnet sind) an die Basis des rechten
Transistors einer jeden Kippstufe gleichzeitig ein kurzes positives Signal oder
an die Basis des linken Transistors einer jeden Kippstufe ein negatives Signal gegeben
wird.
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Die Ausgänge Cl, C3 und C5 nehmen in diesem Schaltzustand ein sehr
kleines negatives Potential an, das annähernd dem Emitterpotential der Transistoren
entspricht. Der Spannungsabfall tritt dabei vornehmlich an den Widerständen 24,
27 und 30 auf. Das gleiche Potential liegt auch an den Widerständen 38, 42 und 45,
die jeweils zusammen mit den Gleichrichtern 39, 43, 46 die Und-Gatter G2, G3 und
G4 bilden.
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Die Ausgänge C2, C4 und C6, d. h. die Kollektoren der sich in gesperrtem
Zustand befindlichen Transistoren Tr2, Tr4 und Trs und die Dioden 32 und 33 sowie
der Widerstand 31, liegen dagegen auf hohem negativem Potential, entsprechend der
Spannungsteilung des Widerstandes 12 zu den Widerständen 17 und 23.
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Während beispielsweise die Widerstände 24, 27 und 30 klein sind, sind
die Widerstände 17 und 23 , gilt entsprechengroß. Für die Ausgänge C4 und
C,
des, wobei die Widerstände 14 und 16 klein sind gegenüber der Reihenschaltung
der Widerstände 19 und 26 sowie 21 und 29. Die Dioden 34, 39, 43 und 46 liegen,
wenn man von der Zeitdauer, innerhalb der die Impulse wirksam sind, absieht, anodenseitig
auf Erdpotential.
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In beliebigen Zeitabständen werden nun auf die gemeinsame Steuerleitung
4 Impulse gegeben, die beispielsweise als Rechteckimpulse auftreten können. Diese
Impulse sind so gewählt, daß sie negative Spannungen darstellen. Die Kurvenform
der Impulse ist durch die Rechteckdarstellung 7 in F i g. 3 versinnbildlicht. Während
der Dauer dieser Impulse liegt auch am Ausgang des ersten weiteren Und-Gatters Gi
ein negativer Rechteckimpuls, wie dies der Arbeitsweise eines Und-Gatters entspricht,
da ja alle Dioden 32, 33, 34 dieses Gatters G1 in Sperrichtung beansprucht sind
und gleichzeitig auch am Widerstand 31, der mit dem Kondensator 35 ein weiteres
Rückkoppelglied bildet, ein negatives Potential liegt. Da der Rechteckimpuls eine
bestimmte Breite besitzt, gelangt bei Beginn des Impulses an den Verbindungspunkt
des RC-Gliedes 31,35 ein Spannungssprung und damit eine negative Differenzierspitze
an die Basis des Transistors Trl, die aber keinen Einfluß ausüben kann, da dieser
Transistor bereits in Durchlaßrichtung ausgesteuert ist. Erst die positive Spannung
der bei Impulsende über den Kondensator 35 an die Basis von Trl gelangenden Differenzierspitze
ist in der Lage, den Transistor Trl in den gesperrten Zustand zu versetzen. Das
Kollektorpotential Cl des Transistors wird dann negativ. über den Widerstand 18
erhält nun die Basis des Transistors Tr. eine negative Spannung, welche bewirkt,
daß der Transistor Tr. von seinem bisherigen Sperrzustand in den Durchlaßzustand
kippt.
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Dieser geschilderte Eingangsimpuls kann auf die zweite, dritte und
gegebenenfalls weitere Kippstufe keinen Einfluß ausüben. Dies liegt daran, daß die
Gatterwiderstände 38, 42 und 45 an den auf einem kleinen negativen Ausgangspotential
befindlichen Ausgängen Cl, C3, C5 liegen. Die wirksame Spannung ist dabei annähernd
Erdpotential über die durchlässigen Transistoren Trl, Trs und Tr. und die niedrigen
Widerstände 24, 27 und 30. Erst nach dem Umkippen der ersten Stufe liegt am Widerstand
38 eine höhere negative Spannung. Die vorher am ersten weiteren Und-Gatter G1 wirksame
negative Spannung vom Ausgang C2 über den Widerstand 31 ist nicht mehr vorhanden.
Während beim ersten Eingangsimpuls am Gatter G1 die Eingangsspannung wirksam wurde,
ist nun die Anordnung so vorbereitet, daß der folgende Impuls über die Steuerleitung
4 am Und-Gatter G2 wirksam werden kann.
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Die über die Kondensatoren 36 und 37 an die Basisanschlüsse der Transistoren
Tr2 und Trs ge-
langenden negativen, durch Differentiation bedingten Spannungsspitzen
bleiben wieder ohne Einfluß, da diese Transistoren bereits durchlässig sind. Wiederum
ist es erst das Ende des Impulses, welches für die Steuerung wirksam ist. Die positive
Spannungsspitze beim Verschwinden des Eingangsimpulses ist in der Lage, die beiden
Transistoren Tr2 und Tr. in den Sperrzustand zu versetzen. Die erste Stufe kippt
auf diese Weise wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück, während gleichzeitig in
der zweiten Stufe eine Umschaltung in dem Sinne erfolgt, daß der vorher
im
Durchlaßzustand befindliche Transistor Trs nunmehr gesperrt wird, während der vorher
gesperrte Transistor Tr4 nunmehr durchlässig wird. Der gleiche Vorgang wiederholt
sich beim nächsten Eingangsimpuls am Und-Gatter G., und in entsprechender Weise
kann je nach Anzahl der vorhandenen bistabilen Kippstufen die Schaltfolge weiter
ausgedehnt werden.
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In F i g. 3 ist der Verlauf der Eingangssignale und Ausgangsspannungen
dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Schaltkommandos ist durch die Eingangsimpulse
7 versinnbildlicht, die als Rechteckimpulse mit im allgemeinen kleiner Impulsbreite
erscheinen. Für die Steuerung ist es, wie aus dem oben beschriebenen hervorgeht,
ohne Bedeutung, in welchem zeitlichen Abstand die einzelnen Impulse eintreffen und
wie groß die Impulsbreite im einzelnen bemessen ist. Die Steuerung spricht jeweils
erst auf das Ende eines jeden Impulses an, so daß die Breite der einzelnen Impulse
keinen Einfluß auf die Steuerung auszuüben vermag. Man wird lediglich darauf bedacht
sein, daß die Spannungshöhe bei den einzelnen Impulsen nicht allzu großen Abweichungen
unterworfen ist, damit einerseits mit Sicherheit der beabsichtigte Kippvorgang in
den einzelnen Kippstufen ausgelöst werden kann, andererseits aber nicht durch zu
hohe Spannungen womöglich irgendwelche unbeabsichtigten Effekte eintreten können.
Der Einfachheit der Darstellung halber sind in F i g. 3 die Impulse nicht nur in
gleicher Höhe, sondern auch in gleicher Breite und mit gleichem Abstand gezeichnet.
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F i g. 3 zeigt durch die Kurven 8, 9 und 10 die Ausgangsspannungen,
die als Steuerbefehle für die verschiedenen Vorgänge von der Anordnung abgegeben
werden. Dabei versinnbildlicht 8 den Verlauf der Spannung am Ausgang Cl, und in
entsprechender Weise zeigen die Kurven 9 und 10 die Spannungen an den Ausgängen
C, und C..
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Wie in F i g. 2 dargestellt ist, ist vom Ende der letzten Kippstufe
ein Rückführungsweg zur ersten Stufe gelegt. In diesem Sinn ist eine Rückführung
von C8 über die Diode 33 zum ersten weiteren Und-Gatter G1 vorgesehen. Die Folge
davon ist eine stetige Wiederholung des Arbeitszyklus, wie er in F i g. 3 gezeigt
ist.
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Wenn man diese Rückführung wegläßt, wobei also die Diode 33 in Wegfall
kommen kann, so erhält man eine Signalfolge, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist.
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Die Anzahl der Kippstufen kann in dieser Schaltung beliebig erweitert
werden. Auch der Aufbau einer Dezimalzählschaltung ist damit möglich. So lassen
sich auch beliebig viele andere Signalfolgen erreichen je nach Verkoppelung der
einzelnen Kippstufen durch die Diodengatter. Die Anordnung läßt sich damit jeder
gestellten Aufgabe ohne weiteres anpassen, und die Reihenfolge der Signalfolgen
ist durch die verschiedenartigen Gatterverbindungsmöglichkeiten beliebig wählbar.