DE1788015B2

DE1788015B2 - Positionierungseinrichtung für einen beweglichen Teil einer Arbeitsmaschine, insbesondere Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE1788015B2
Application number: DE1788015A
Authority: DE
Inventors: Luciano Dr.-Ing. Lauro; Piero Dr.-Ing. Pomella
Original assignee: Ing C Olivetti and C SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1965-09-03
Filing date: 1968-09-16
Publication date: 1979-05-03
Also published as: US3595106A; DE1788015A1; GB1180514A; FR95745E

Description

Das Hauptpatent 1563 596 bezieht sich auf eine Positionieningseinrichtung für einen beweglichen Teil einer Arbeitsmaschine, insbesondere Werkzeugmaschine, längs einer oder mehrerer Achsen, die von einer diskontinuierliche Positionierungsbefehle liefernden Programmeinheit gespeist wird und einen Interpolator aufweist, der in aufeinanderfolgenden Interpolationszyklen Positionierungsinkremente errechnet, für jede der Achsen einen die Positionierung des beweglichen Teils durchführenden Servomechanismus speist und einen Speicher sowie eine von der Programmeinheit gespeiste, mit dem Speicher verbundene arithmetische Einheit enthält Dem Hauptpatent liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionierungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in der Lage ist über einen gradlinigen Bahnabschnitt die Weglinie zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten zu interpolieren, so daß trotz der Speisung der Positionier-Steueranordnung mit intermittierend gelieferten Daten eine stetige Stellungssteuerung ermöglicht wird, ohne daß besondere Mittel für das Beschleunigen des zu verstellenden Maschinenteils am Startpunkt und für sein Abbremsen vor dem Zielpunkt erforderlich sind, ohne daß Sprünge, Schwingungen oder Lageungenauigkeiten im Zusammenhang m'\* Geschwindigkeitsänderungen des zu verstellenden Maschinenteils auftreten können und ohne daß besonders komplizierte, zusätzlich durchzuführende Programmierungsarbeiten erforderlich sind.

Für eine solche Positionieningseinrichtung ist beim Hauptpatent vorgeschlagen worden, daß der Interpolator ferner ein Register in dem Speicher zum Speichern der Koordinaten-Differenzen des von der Programmeinheit hinsichtlich seiner Koordinaten gelieferten Zielpunkts und Ausgangspunkts enthält ferner eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben der Koordinaten-Differenzen in dem Register zur Bestimmung von den Koordinaten-Differenzen proportionalen Positionierinkrementen für jede Achse in der Weise, daß der bewegliche Teil sich längs einer geraden Linie zwischen den beiden Punkten verschiebt sowie logische Vergleichskreise zum Vergleich vorbestimmter, von der

Programmifinbeit gelieferter Daten für die maximale Geschwindigkeit und für die Koordinaten des Ankunftspunkts mit der Ist-Geschwindigkeit und Stellung des beweglichen Teils zwecks Modulation der Geschwindigkeit des beweglichen Teils gemäß einer vorgegebe- nen Bewegungsablaufvorschrift und einem logischen Schaltkreis, der auf die logische Vergleichskreise anspricht, indem er die arithmetische Einheit zur Ansammlung de- Positionierinkremente für jede Achse in einem anderen Register des Speichers zusätzlich zu denlst-Koordinaten des beweglichen Teils einstellt

Der Gegenstand des Hauptpatentes soll durch den vorliegenden Zusatz dahingehend ausgebildet werden, daß die gradlinige Bewegung des Werkzeuges einer Drehmaschine mit der Drehung des Werkstückes synchronisiert wird und beide Bewegungen mittels Signalen von Inkrementen zu steuern, die durch einen Interpolator entsprechend den diskontinuierlich gelieferten Daten errechnet werden.

Diese Ausgestaltung wird dadurch verwirklicht, daß wenigstens eine der Versehiebungsachsen für eine gradlinige Bewegung und eine weitere ;är eine Drehbewegung um eine Drehachse herum vorgesehen sind und daß die diskontinuierlichen Positionierungsbefehle Koordinaten des Zielpunktes und des Ausgangs- punktes der Verschiebung entlang jeder gradlinigen Achse sowie das Verschiebungsinkrement entlang der gradlinigen Verschiebungsachse für jede Drehung um die Drehachse und die gleichförmige Drehbewegung des Elementes beinhalten, das sich um die Drehachse jo dreht sowie dadurch, daß ein Drehstellungs-Meßwert-Umformer vorgesehen ist, der die gegenwärtige Stellung des Elementes bezüglich der Drehachse mit der durch den Interpolator errechneten Stellung vergleicht und in den Eingang des Umformers eingibt, der an js seinem Ausgang ein Fehlersignal liefert, das die Berechnung des Interpolators derart steuert, daß der Betrag des in jedem Interpolationszyklus für jede der gradlinigen Verschiebungsachsen errechneten VerschiebungsinWrementes so beschaffen ist, daß das Verschiebungsinkrement in Richtung der Verschiebungsachse für jede Umdrehung um die Drehachse dem entsprechenden programmierten Inkrement gleicht

Es ist eine numerische Steuerung für eine Drehbank bekannt (GB-PS 10 47 629), bei der eine Gewindesteuerung mit einer vorbestimmten Frequenz einen Satz von Impulsen erzeugt Letztere werden an einen Funktionsgenerator angelegt, der die Impulse in Übereinstimmung mit der Eingabeinformation oder Eingabeimpulsen verändert, und zw&r in einer Menge, die die Drehgeschwindigkeit der Spindel anzeigt, um die Verschiebung entlang der gradlinigen Achse entsprechend zu befehlen. Das Problem des Steuems und Synchronisierens der gradlinigen Bewegung des Werkzeugs und der Drehung des Werkstücks wird also unterschiedlich gelöst und die sich aus dieser Lösung ergebende Lehre kann bei einer auf der Verwendung eines Interpolators basierenden numerischen Steuerung nicht angewendet werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteren-Sprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und wird nachstehend erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein sche:r>atisches Blockschaltbild einer erfin- >>5 dungsgemäßen Steuereinrichtung,

Fig.2 ein Geschwindgkeitsdiagramm der Einrichtung nach F i g. 1 und

F i g. 3 die Zuordnung gewisser Grenzwerte für die Steuerung der Einrichtung nach F i g. 1.

Die in den Zeichnungen dargestellte Einrichtung kann als Positionssteuereinrichtung für Drehbänke angewandt werden, beispielsweise bei der Herstellung und Prüfung von Schraubengewinden. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf diesen speziellen Anwendungsfall.

Die X- und V-Achsen sind die linearen Verschiebungsachsen des beweglichen Teils einer Drehbank und liegen in einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse Cder Spindel, die das zu bearbeitende oder zu prüfende Werkstück in Umdrehung versetzt verläuft Die Z-Achse ist eine parallel zur Drehachse C verlaufende Verschiebungsachse.

Wie F i g. 1 zeigt ist auf der Achse Cder Spindel eine Drehstellungsmeßeinrichtung 1 angebracht in die die Signale sin c und cos c eingespeist werden, wobei c die umlaufende Drehstellungskoordinate in bezug auf die Achse C darstellt Auf der linearen Ve-jchiebungsachse Z für das Werkzeug ist eine Linecr-Positionsmeßeinrichtung 2 angebracht in die die Signale sin ζ und cos ζ eingespeist werden, wobei ζ die Koordinate längs der Achse Zist Das Werkstück 3, das beispielsweise ein Schraub^nrohling, in den ein Gewinde geschnitten werden soll, sein kann, wird auf der Spindel der Werkzeugmaschine so befestigt daß es um die Achse C umlaufen kann. Auch der Drehstellungsmeßwertumformer 1 wird auf der Spindei der Werkzeugmaschine so befestigt, daß er mit gleicher Geschwindigkeit umläuft

Eine Interpolationseinheit 4 von im Hauptpatent beschriebener Bauart wird durch eine Programmierungseinheit 5 gespeist und liefert digitale Stellbefehle an Digital-Analogumsetzer 6 und 7 für die Achsen C bzw. Z

Wenn die Berechnung der Drehstellung c im Interpolator genau synchron mit der tatsächlichen Umlaufbewegung der Spindel erfolgt hat ein Fehlersignal err c, das am Ausgang der Drehstellungsmeßeinri htung 1 vorliegt und die genannte Interpolationseinheit 4 speist den Wert Null.

Die Positionsmeßeinrichtung 2 gibt ein Fehlersignal Z an einen Servomechanismus 5Af weiter, der das Werkzeug 8 längs der Z-Achse positioniei ü

Damit das Werkzeug 8 sich auf dem Werkstück 3 entlang einer Schraubenlinie bewegen kann, muß die Berechnung von c mit der Drehbewegung der Spindel genau synchron gehalten werden. Das Verhältnis der für cum die Achse Cund für zlängs der Achse Zgegebenen Inkremente muß der programmierten Gewindesteigung entsprechen.

Zur Ausführung eines Gewindeschnittes auf dem Werkstück 3 muß die Programmierungseinheit die folgenden Daten liefern:

1. Die Hilfsfunktion des Gewindeschneidens, die durch den Code A UG gekennzeichnet ist,

2. die Länge des Gewindes in Koordinaten, die durch die Ad-esse Z gekennzeichnet wird, der das Vorzeichen und sieben Binärziffern folgen,

3. die Gewindesteigung, die durch die Adresse K gekennzeichnet wird, der fünf Binärziffern folgen,

4. die Hilfsfunktion der Umdrehung der Spindel, die durch A UM gekennzeichnet ist

5. die Umdrehungsgeschwindigkeit der Spindel, die durch die Adresse S gekennzeichnet, der zwei Binärziffern folgen.

Wenn das zu bearbeitende Gewinde konisch ist, so ist es noch notwendig, im Programm die Länge des Gewindes entlang der quergerichteten Achse X und die quergerichtete »Gewindesteigung« /festzulegen.

Das Verhältnis zwischen dem Inkrement Azn längs der Achse Zund dem Inkrement Acn längs der Achse C im n-ien Interpolationszyklus muß konstant und gleich der Gewindesteigung k sein, d. h.

der Interpolationseinheit gelieferten Befehl phasenverschoben ist.

Bei Beginn ist cn=0. Wenn die Spindel die Nullstellung durchläuft, d. h. wenn aus einem negativen Fehler ein positiver Fehler wird beginnt die Berechnung der Position c.

Die für Acn durchgeführten Berechnungen werden auch für Δζη durchgeführt, so daß immer

Im

IfM

= k.

Daher wird der Wert -jn-mm direkt in einen ersten

Speicher eingegeben, um das Minimalgeschwindigkeitsinkrement längs Z zu bestimmen, und der Wert

__ I ImHrphuni?en wird in einen zweiten Sneit-her

eingegeben, um das Minimalgeschwindigkeitsinkrement längs Γ zu bestimmen. Der Positions-Meßwertumwandler 2 arbeitet zyklisch und enthält im Abstand von 2 mm eine Reihe von Nullstellungen.

Anschließend werden die genannten Größen fortlaufend mit 2 multipliziert, indem der Speicherinhalt in die Binärstellungen der nächsthöheren Ordnung »verschoben« wird, bis die Umdrchungsgeschwindigkeitsinkremente bei einem Interpolationszyklus, d. h. des zweiten Differentials, den Wert

l²f = JQQQ Umdrehung

erreicht, was für die Berechnung von c eine Beschleunigung von 40 U/sec² bedeutet, da die Dauer eines Interpolationszyklus 5 msec beträgt.

Da alle für c und ζ gegebenen Inkremente immer gleiche Vielfache der entsprechenden Minimalinkremente sind, bleibt das gewünschte Verhältnis von Acn und Δζη stets erhalten.

Das von der Drehstellungsmeßeinrichtung 1 gelieferte Fehlersignal wird Verstärkern zugeführt, deren Ausgänge logische Signale liefern, wenn

a) der Fehler größer ist als
1

1000

Umdrehung.

b) der Fehler größer ist als

^Umdrehun&

c) der Fehler größer ist als

d) der Fehler größer ist als
^Umdrehun&

I r/i

IfH

ist. ledoch wird die Berechnung von zn + Azn zunächst gesperrt, wodurch während der Synchronisierung keine Verschiebungen zur Längsachse Znntreten können.

Während die vorbestimmten Werte von Δ ^:cund Δ ²z in den zuvor beschriebenen Speicher gespeichert sind, geht die Berechnung in normaler Weise vor sich, d. h. mit konstanter Beschleunigung; Δ ²cn und Δ ²zn sind also konstant, während die Spindel sich bereits mit einer konstanten, durch die Adresse 5 im Programm festgelegten Geschwindigkeit V_Mdreht.

Eventuell stimmt Acn für einem Interpolationszyklus mit der Spindelgeschwindigkeit überein; die Stellung von cn einspricht jedoch nicht der der Spindelstellung.

Daher wird während der ersten Synchronisierungsphase die Größe cn + IAcn=2cn von der Interpolationseinheit 4 in den Umsetzer 6 gegeben, so daß die folgende Bedingung erfüllt wird (Fig. 2):

Zur Zeit Tn beträgt die berechnete Geschwindigkeit Vn, wobei die aus der Berechnung von cn ersichtliche Verstellung gleich der Fläche des Dreiecks OdTn ist. während cn+ZAcn gleich der Fläche OTnBVn ist und die tatsächliche Verstellung der Spindel gleich der Fläche OTnCV_Mtst.

Der Fehler ist positiv, weil die Spindel dem rechnerischen Wert vorauseilt.

Wenn die berechnete Geschwindigkeit gleich Vw ist. ist die Verstellung der Spindel der den Umsetzer eingegebenen Größe cn+ZAcn gleich, d. h. der Fehler überschreitet den Nullwert, er wechselt vom Positiven ins Negative. In diesem Augenblick wird die Größe cn + 2Acn in den Speicher für cn eingegeben. Die Spindel ist daher hinsichtlich Geschwindigkeit und Stellung mit dem Rechenwert synchronisiert Anschließend wird die durch Acn dargestellte Geschwindigkeit bezüglich des Interpolationszyklus mit Hilfe der Fehlergrenzwerte gesteuert

a) wenn der am Ausgang err cder Drehstellungsmeßeinrichtung 1 vorliegende Fehler größer wird als ±

tj™ Umdrehung, d. h. gleich Δ ²C, so ändert sich die

berechnete Geschwindigkeit in der Interpolationseinheit 4 folgendermaßen:

wobei das Vorzeichen + oder - bedeutet, daß die Spindel im positiven bzw. negativen Sinne zu dem von \c_m =

cα« ± l²c;

der Fehler dann immer noch größer als
•-jLr Umdrehung ist

c.+, = cn + 1Cg_n, ± 1²r;

b) wenn der Fehler größer ist als i-n==) Umdrehung, & h. gleich 4 · Δ ²C, so ändert sich die berechnete

Geschwindigkeit in der Interpolationseinheit folgendermaßen:

!<„,.„ = Ic,,,, t 4 !·'<■:

Steigung des Drehstellungsmeßwertumwandlers ist. Der maximal zulässige Fehler tritt bei

ι =

Ts

ITs = Synchronisationszeit) auf.

and wenn der Fehler dann immer noch größer ist als ± _TSfSiUmdrehung ist

1000

= cn

Wenn bei der Berechnung erneut die Nullstellung durchschritten wird, wird für die Koordinate ζ der Startbefehl gegeben, d. h. die Berechnung von ζη + Δ/.η beginnt und damit auch das Gewindeschneiden.

Wegen der Unsicherheit des Nulldurchganges dos Rechenwertes für die Sninrlrl wirrl rW Speicher für c; auf Null zurückgestellt, wenn für zder Startbefehl erteilt wird.

/. 1 und 7.7 sind als die entsprechenden Koordinaten für den Beginn bzw. das Ende des Gewindes vorgegeben.

Die erste Operation nach dem Anlauf von ζ wird daher sein:

.-I t I r/i = r„...

0 f U-H = C_{n +} , . _J()

Daraus ergibt sich, daß aufeinanderfolgende Schnitte immer mit derselben Phase erreicht werden.

Wenn der Abstand von zn zu zi geringer als 250 μίτι ist, wird der Befehl »Ende« erteilt und die Inter- _Γ) polationseinheit nimmt ihre normalen Operationen wieder auf. Wenn ein weiterer Schnitt vorgenommen werden soll, wird die Rückkehr zu ζ 1 und dann erneut der Ge windeschneid Vorgang A UC einprogrammiert.

Wenn ein konisches Gewinde vorliegt, dann muß die Gewindelänge und die quergerichtete »Gewindesteigung« / auch für die Achse X einprogrammiert werden. In diesem Fall ist der Arbeitsablauf dem eben beschriebenen analog: die für ζ durchgeführte Berechnung wird bei χ wiederholt. 4-,

Die beschriebene Einrichtung arbeitet unter der Voraussetzung, daß der größte Fehler während der Synchronisationsphase stets niedriger als die halbe Während der Beschlcunigungsphase, die beim Synchronisieren der rechnerischen Geschwindigkeit mit der Spindelgeschwindigkeit erforderlich ist, beträgt die rechnerische Beschleunigung 4 Δ ²C= 160 U/scc¹. Daher würde die maximal zulässige Geschwindigkeit für clic Spindel sich folgendermaßen ergeben:

I 2 Umdrehung —

= 40 U see')

!2

= 8,95 U sec = 537 U min.

Um auch eine Synchronisation bei höheren Geschwindigkeiten .-uu ermöglichen, wenn der Fehler höher als +tJ^t Umdrehungen ist, wird der Wert ._„„ Um-

drehungen zu cn addiert. Dieser Wert kann sieben Mal addiert werden, wobei ein Zähler diese auszählt. Wenn der Fehler dann erneut negativ wird, wird der Wert subtrahiert und der Zähler springt zurück.

Der Befehl für das Ende der Synchron^:sation wird erteilt, wenn der Fehler negativ wird und der Zähler den Wert Null anzeigt. Auf diese Weise beträgt der Wert, der zum maximalen Fehler addiert werden kann

⁷ KXX) ^Umdrcliune^cn = -jfj^A Umdrehungen:

In diesem Fall beträgt die maximal mögliche Geschwindigkeit für die Spindel:

Vl, a = I 2 + 875 lOOO: V = 885 U min.

Bei einer solchen Geschwindigkeit beträgt

75
IÖ(X) ·

Ic =

Dieser Wert ist noch hinreichend gering, um eine ausreichende Steuerung innerhalb der Gewindesteigung durchzuführen, so daß die verschiedenen Fehler voneinander unterschieden werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Positionierungseinrichtung für einen beweglichen Teil einer Arbeitsmaschine, insbesondere Werkzeugmaschine, längs einer oder mehrerer Achsen, die von einer diskontinuierliche Positionierungsbefehle liefernden Programmeinheit gespeist wird und einen Interpolator aufweist, der in aufeinanderfolgenden Interpolationszyklen Positionierungsinkremente errechnet, für jede der Achsen einen die Positionierung des beweglichen Teils durchführenden Servomechanismus speist, und einen Speicher sowie eine von der ProgrammeinheJt gespeiste, mit dem Speicher verbundene arithmetisehe Einheit enthält, nach Patent 15 63 596, dadurch gekennzeichnet, daß der Interpolator (100) ferner ein Register in dem Speicher (LDR) zum Speichern der Koordinaten-Differenzen des von der Programmeinheit (56, Fig.9) hinsichtlich seiner Koordinaten gelieferten Zielpunkts und Ausgangspunkts enthält, ferner eine Verschiebeeinrichtung (76, 77, Fig. 14) zum Verschieben der Koordinaten-Differenzen in dem Register zur Bestimmung von den Koordinaten-Differenzen proportionalen Positionierinkrementen für jede Achse in der Weise, daß der bewegliche Teil sich längs einer geraden Linie zwischen den beiden Punkten verschiebt, sowie logische Vergleichskreise (133, Fig.26; 135, Fig.27; 137, Fig.28; 139, F i g. 29; 140, F ^: g. 30) zum Vergleich vorbestimmter, von der Programmeinheit (56) belieferter Daten für die maximale Geschwindigkeit und für die Koordinaten des Ankunftspunkts aiit de- Ist-Geschwindigkeit und Stellung des beweglicnen Teils zwecks Modulation der Geschwindigkeit des beweglichen Teils gemäß einer vorgegebenen Bewegungsablaufvorschrift und einem logischen Schaltkreis (70, Fig. 13), der auf die logischen Vergleichskreise anspricht, indem er die arithmetische Einheit (71,72, Fig. 13) zur Ansammlung der Positionierinkremen te für jede Achse in einem anderen Register des Speichers (LDR) zusätzlich zu den Ist-Koordinaten des beweglichen Teils einstellt

2. Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das programmierte Verschiebungsinkrement durch die Programmeinheit dem Speicher des Interpolators (4) als minimales Verschiebungsinkrement für ein gegebenes minimales Drehinkrement pro Interpolationszyklus gelie- so fert wird und daß der Interpolator in einer Synchronisierungsphase eingestellt ist, während der die errechnete Verschiebung für jede geradlinige Achse nicht erhöht wird, um die minimalen Inkremen te in einer Einrichtung zum Multiplizieren mit den gleichen Beträgen zu vervielfachen, bis das vervielfachte minimale Drehinkrement einen vorbestimmten Wert erreicht, und um dann in einer Einrichtung zum Zusammenfassen die Drehpositionsinkremente zu sammeln, die in jedem lnterpola- ^o tionszyklus um einen dem vorbestimmten Wert gleichen Betrag anwachsen, bis das in jedem Interpolationszyklus errechnete Drehverschiebungsinkrement der tatsächlichen programmierten Drehgeschwindigkeit des Teils entspricht, das sich um die Drehachse (C) herum dreht, und bis das Doppelte der für die Drehkoordinate errechneten Drehverschiebung gleich der tatsächlich von dem sich drehenden Teil gedecken Drehverschiebung ist, und daß der Interpolator (4) danach so eingestellt ist, daß die errechnete Verschiebung für jede geradlinige Achse um den dem durch das Verschiebungsinkrement pro Interpolationszyklus erreichten Wert entsprechenden Wert erhöht wird.

3. Positionieningseinrichtung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die Schwellenwerte für den durch den Ausgang des Drehpositionsmeßumformers zugeführten Fehler liefert, wobei mit dem Interpolator (4) gearbeitet werden katin, wenn der Fehler einen dieser Schwellenwerte überschreitet, um den Betrag des in jedem Intürpolationszyldus gesammelten Positiousinkrements zu verändern, damit der Geschwindigkeit des beweglichen Teils um die Drehachse (C) herum gefolgt wird.

4. Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwerteinrichtung wenigstens einen positiven und wenigstens einen negativen Schwellenwert liefert, die die Richtung und den Fehlerbetrag der errechneten Drehstellung bezüglich der genauen Drehstellung des beweglichen Teils anzeigen.