DE2143126A1 - Regelsystem zur Lageneinstellung - Google Patents

Description

PHN.5150 Dr. Herbert Seit·!» Va/AvdV

Patentanwalt

. philips' Gloellampenfabriekeß 2143126

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Anmeldung vomi ^

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"Regelsystem zur Lageneinstellung".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem zur Lageneinstellung mit Rege!verstärkern, einem Motorantrieb mit einem mechanischen Getriebe und einer positiven Rückkopplung, wobei im Regelsystem ein Hilfswechselsignal zur Beseitigung mechanischer Störgrössen, wie Spiel und Reibung, erzeugt wird.

Zur Einstellung einer Lage, wie eines Abstandes oder eines Winkels, auf einen Sollwert ist es üblich, ein Servosystem zu verwenden. Ein derartiges System

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enthält in der Regel einen Motor, der einen Antrieb steuert, um die mechanische Grosse auf verschiedene Werte einstellen zu können. Auch sind eine Messvorrichtung zur Bestimmung dieser Werte und eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleich des Messwertes mit dem eine gewünschte Lage darstellenden Sollwertsignal erforderlich, welche Vergleichsvorrichtung ein etwaiges Differenzsignal erzeugt, mit dem der Motor gesteuert wird. Mit einer

^ bestimmten Geschwindigkeit und einer gewissen Genauigkeit wird die gewünschte Lage eingestellt werden.

Bei vielen Servosystemen geht das Bestreben

dahin, die Einstellgenauigkeit und die Einstellgeschwindigkeit zu steigern. Dazu sollen die Verstärkung und die Bandbreite der Regelung entsprechend dem Servosystem gesteigert werden. Die Stabilitätsbedingung des Systems setzt hier aber die Grenze. Eine sich namentlich bei diesen Servosystemen ergebende Schwierigkeit infolge

L· des Vorhandenseins des mechanischen Getriebes im Regelkreis ist die veränderliche Verstärkung in der Gesamtregelschleife. Bei Umkehrung der Einstellrichtung tritt nämlich Spiel im Getriebe auf, das manchmal den Charakter eines reinen Spieles aufweist (wohl Eingangs—, aber keine Ausgangsleistung), oder einer schlaffen Zone (bei Bewegung in einer Richtung ist das Getriebe starr, bei Umkehr ' der Bewegungsrichtung schlaff). Eine schlaffe Zone, in Verbindung mit trockner Reibung, ergibt ein gleiches

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Resultat xvie reines Spiel, und zwar wohl Eingangs-, aber keine Ausgangsleistung, bis eine genügende Federkraft aufgebaut ist, um die Reibung zu überwinden. Diese mechanischen Störgrössen veranlassen eine Hysteresezone, innerhalb deren das Servosystem meistens unstabil ist und mit einer kleinen Amplitude und einer niedrigen Frequenz schwingt (das sogenannte Pendeln). Da dieses Pendeln die Lage beeinflusst und über das Messystem rückgekoppelt ist, liegt die endgültige Lage nicht genau während längerer Zeit fest. Dies veranlasst Lagenfehler und ist für ein genau wirkendes System unzulässig.

Dieses Problem wird auf bekannte Weise dadurch gelöst, dass dem Regelsystem ein Hilfswechselsignal zugeführt wird. Dieses Signal, auch als "dither"-Signal bezeichnet, hat eine verhältnismässig hohe Frequenz und dient dazu, eine Schwingung des Antriebsmotors hierbeizuführen, die gerade derart gross ist, dass die Lage des angetriebenen Gliedes dadurch nicht beeinflusst wird.

Im idealen Fall ist die Amplitude dieses

Hilfssignals derart gross, dass die Hysteresezone gerade bestrichen wird. Diese bekannte Massnahme hat den Nachteil, dass die Hysteresezone genau bekannt sein muss, um die richtige Amplitude einstellen zu können. Es ist im allgemeinen nämlich nicht zulässig, dass die Amplitude grosser als die Hysteresezone ist, weil die Lageneinstellung' dann doch noch beeinflusst werden kann.

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Das sich in der Praxis ergebende Problem

besteht darin, dass die Hysteresezone, wie sich herausstellt, infolge veränderlicher trockner Reibung, veränderlicher Spielcharakteristik - beide z.B. abhängig von der Lageneinstellung - und veränderlichen Einflusses trockner Reibung als Funktion der Lage der Spielcharakteristik nicht konstant ist.

Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen, indem das Hilfswechselsignal von dem Wert abhängig gemacht wird, den die mechanischen Störgrössen aufweisen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem ein Messglied zum Messen des Wertes der mechanischen Störgrössen und ein Einstellglied enthält, das auf den vom Messglied gemessenen Wert anspricht und dementsprechend die Amplitude des Hilfswechselsignals einstellt.

Dies bietet den Vorteil, dass bei befohlenem Stillstand, wobei,die richtige Lage eingestellt ist, die ■^y Hilfsschwingung klein oder abwesend ist - sie ist dann auch entbehrlich - und bei befohlener Verschiebμng in der Grössenordnung der Hysteresezone die Hilfsschwingung einen grösseren Wert aufweist, um die Zone zu überbrücken, wobei die Verschiebung glatt vor sich geht.

Eine Ausführungsform eines Regelsystems nach

der Erfindung, bei der das Hilfssignal von eimern Oszillator in das Regelsystem injiziert wird, ist dadurch gekenn-

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zeichnet, dass das Messglied ein Kraftaufnehmer ist, der auf dem mechanischen Getriebe befestigt ist, das ein Signal abgibt, das der Uebersetzungskraft im Getriebe proportional ist und das ein Mass für die Reibung und. das Spiel ist, während das Einstellglied mit dem Oszillator gekoppelt ist. »

Bevor das Lageneinstellglied wirksam iirird

und eine Verschiebung herbeiführt, wird sich im Getriebe eine Kraft aufbauen, die zum Teil zum Ueberwinden der Federkraft benötigt wird und zum anderen Teil die Reibung kompensieren muss. Was das Spiel angelangt: zwei Getriebeelemente sind nie unendlich starr miteinander gekuppelt (kein Spiel). Andererseits stellt sich in der Praxis heraus, dass reines Spiel meistens durch passende ¥ahl der Bauart vermieden werden kann. Die beiden Getriebeelemente müssen dann innerhalb zweier Grenzen als federnd miteinander verbunden betrachtet werden. Durch geringe gegenseitige Verschiebung der beiden Getriebeelemente wird die Uebersetzung unter Aufbau einer "Federkraft" oder eines "Federkräftepaares" erhalten. Die Messung dieser Kraft oder dieses Kräftepaares ergibt also ein Mass für die mechanischen Störgrössen und kann zur Steuerung der Amplitude eines Oszillators verwendet werden, der sein Signal in das Regelsystem vor dem Antriebsmotor indiziert.

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Eine andere Ausführungsform nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied ein Differenzdetektor ist, der den Unterschied zwischen der vom Regelsystem eingestellten Lage und einer von einem Uebersetzungsgetriebe hergeleiteten imaginären Lage als Mass für das Spiel und die durch Reibung aufgebaute Spannkraft misst, während das Einstellglied mit dem Oszillator gekoppelt ist.

Dadurch, dass der Unterschied zwischen der Istlage und der vom Uebersetzungsgetriebe befohlenen Lage gemessen wird, wird ein Mass einerseits für das Spiel und andererseits für die Reibungskraft erhalten, die im Getriebe eine kompensierende Federkraft hervorruft, wobei eine gegenseitige Verschiebung der Getriebeelemente stattfinden wird.

Der Differenzdetektor kann z.B. ein Differenzzähler sein, der einerseits Zahlimpulse von dem vorhandenen Lagenmessystem und andererseits Zählimpulse von einem Messglied empfängt, das auf dem Motor befestigt ist und z.B. Umdrehungen misst.

Servosysteme der obengeschriebenen Art sind meistens mit einer Geschwindigkeitsrückkopplung versehen, so dass sie den Stabilitätsanforderungen des ganzen Systems entsprechen können, wobei ein Tachogenerator das Geschwindigkeitssignal liefert.

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Eine derartige Ausführungsform ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied der Motorantrieb ist und das Einstellglied durch einen nichtlinearen Regelverstärker gebildet wird, der in die Tacho-Schleife aufgenommen ist und für kleine Eingangssignale eine grosse Verstärkung und für grosse Eingangssignale eine kleine Verstärkung aufweist, derart, dass die Tacho-Rückkopplungsschleife unstabil ist und das Hilfssignal selbst generiert.

Das Spiel kann durch eine amplitudenabhängige Verstärkungs- und Phasencharakteristik gekennzeichnet werden. In diesem Spielbereich verhält sich der Antriebsmechanismus wie ein Element, dessen Verstärkung besonders klein ist. Im Gesamtregelkreis tritt gleichsam eine Unterbrechung auf. Dadurch, dass in die Tacho-Schleife ein Verstärker grosser Verstärkung mit einer Begrenzung aufgenommen wird, kann die Tacho-Schleife unstabil werden und ein Schwingungssignal erzeugen. Die Amplitude dieses Signals wird infolge der begrenzenden Wirkung klein sein. Wenn eine kleine Verschiebung eines innerhalb der Hysteresezone liegenden Wertes stattfindet, spricht der Motorantrieb derart an, dass er den Spielbereich durchläuft, wobei wegen des "federnden"Charakters der Widerstand allmählich grosser wird und im Regelkreis der Motorantrieb ein Element bildet, das eine zunehmende Verstärkung aufweist. Die Schwingungsbedingung in der Tacho-

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Schleife hat sich infolgedessen geändert, was bedeutet, dass die Schwingungsamplitude infolge der grösseren Verstärkung gleichfalls zunehmen wird.

Daraus ergibt sich, dass der Motorantrieb als Messglied wirkt und das Erzeugen eines Hilfswechselsignals in der Tachoschleife bestimmt, während die Amplitude vom nichtlinearen Verstärker geregelt wird, k Dieser sichert, dass die Verstärkung bei kleiner Amplitude gross ist, so dass ein Hilfssignal kleiner Amplitude erzeugt wird, und dass die Verstärkung bei grösserer Schwingungsamplitude kleiner wird. Infolge dieser grossen Schwingungsamplitude wird das Getriebe ¹¹ losgerüttelt" und werden Spiel und Reibung überwunden, so dass eine neue Lage eingenommen werden kann, wie sie durch den Verschiebungsbefehl vorgeschrieben war.

Ein derartiges System hat den Vorteil, dass mit geringem Aufwand und unter Verwendung der Eigen- ^ schäften vorhandener Elemente eine sehr schnelle und

genaue Lageneinstellung erhalten wird. '

Eine andere Ausführungsform des ebenbeschriebenen Regelsystems nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker in den gerade verlaufenden, das Lageneinsteilsignal durchlassenden Kreis des Regelsystems aufgenommen ist.

Dadurch, dass zur Verstärkung des Lageneinstellsignals die bereits erwähnten Eigenschaften des

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nichtlinearen Verstärkers benutzt werden, der bereits in der Tacho-Schleife vorhanden sein soll, kann der Regelkreis derart ausgebildet werden, dass auch beim Vorhandensein einer Hysteresezone stabile Verschiebungen innerhalb der Hysteresezone möglich werden. Kleine Abweichungen von der Sollage werden nun auf eine giosse Amplitude verstärkt und dem Motor zugeführt, während bei grösseren Abweichungen gegebenenfalls eine geringere Verstärkung genügend ist, um ein schnelles Ansprechen des ganzen Systems zu bewirken.

Anwendungen der Regelsysteme nach der Erfindung liegen z.B. in servogesteuerten Maschinen, wie Antennenrichtgeräten, Zeichenmaschinen, Werkzeugmaschinen (sowohl numerisch gesteuerte Maschinen als auch Maschinen mit einer Kopiervorrichtung).

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden nähert beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelsystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit einer unstabilen Tachoschleife nach der Erfindung,

Fig. k die Ausführungsform nach Fig.3 mit einer mit Hilfe einer Spindel und einer Mutter erhaltenen Lageneinstellung, und

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Fig. 5 schematisch eine Werkzeugmaschine mit einem Regelsystem nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Regelsystems nach der Erfindung, wobei bei 1 ein Lagenbefehl eintrifft, der zu einer Lageneinstellung bei 2 verarbeitet wird. Die Lageneinstellung wird von einem Messystem 3 gemessen und fe der Messwert wird in einer Vergleichsvorrichtung k mit dem Lagenbefehl 1 verglichen.

Ein etwaiger Unterschied wird in einem Regelverstärker 5 verstärkt, der differenzierende und integrierende Funktionen aufweisen kann. Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 5 wird einem Verstärker 6 zugeführt, der einen Motor M betätigt. Der Motor M treibt ein mehanisches Getriebe 8 an, das für die Lageneinstellung sorgt. Ein Aufnehmer 9 wirkt als Messglied zum Messen des Wertes mechanischer Grossen, wie Spiel und Reibung,

und stellt mittels seines Messwertes ein Einstellglied 10 ein, das an einen Oszillator 11 angeschlossen ist, der ein Signal verhältnismässig hoher Frequenz abgibt, das z.B. bei 12 in das Regelsystem injiziert wird. Die Frequenz und die Amplitude dieses Hilfswechselsignals sind derart gewählt,dass der Motor 7 das mechanische Getriebe 8 derart antreibt, dass das Gebiet, in dem durch Spiel und Reibung die Hysteresezone gebildet wird, ohne dass die Lageneinstellung mit grossen Amplituden schwingt; die Einstellung geht im Gegenteil glatt vor sich.

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In Fig. 2 sind die entsprechenden Teile der Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Kraftaufnehmer ist durch einen Differenzdetektor 15 er-» setzt.

Letzteres weist zwei Eingänge auf, an die Messaufnehmer 13 und Ik angeschlossen sind. Der Messaufnehmer 13 detektiert die Istlage, Auch kann das Messsystem 3 derart ausgebildet sein, dass es statt des Messaufnehmers 13 dem Differenzdetektor 15 die Lageninformation liefert. Der Messaufnehmer 1^ misst eine imaginäre' Lage, und zwar z.B. die Lage der Antriebswelle des Motors.

Der Unterschied zwischen den Messungen der

Messaufnehmer ist ein Mass für das Spiel und die Reibung im Getriebe.

Das Regelsystem der Fig. 3 ist mit einer

Tachorückkopplungsschleife versehen, in der ein Tachogenerator T mit 16 und ein nichtlinearer Verstärker mit 17 bezeichnet ist. Wenn es einen befohlenen Stillstand gibt, also wenn die Lage bei 2 gleich der Befehlslage bei 1 ist, gibt der Verstärker 5 kein Signal ab und kann sich der Motor M gewissermassen in der Hysteresezone frei einstellen.

Der Motor stellt in der Tachoschleife ein Element mit geringer Verstärkung dar. Die Parameter in der Schleife, die aus dem Verstärker 6, dem Motor 7, dem Tachogenerator 16 und dem Verstärker 17 besteht,

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sind derart gewählt, dass die Schleife unstabil ist und ein Schwingungssignal erzeugt» Da der Verstärker 17 bei kleinen EingangsSignalen eine grosse Verstärkung aufweist, wird die Amplitude der Schwingung klein sein.

Wenn innerhalb der Hystersezone eine also geringe befohlene Lagenänderung auftritt, so dass der Verstärker 5 ein Signal "kleiner Amplitude liefert, wird der Motor M darauf derart ansprechen, dass er das Getriebe 8 antreibt, wobei eine Federkraft aufgebaut wird, oder mit anderen Worten, wobei die Verstärkung des Motors M zunimmt. Dies hat zur Folge, dass die Schwingungsamplitude zunimmt und der Verstärker 17 in einem Gebiet verstärken wird, in dem die Verstärkung kleiner ist. Infolge der grösseren Amplitude wird das Getriebe 8 "losgerüttelt" und tritt in der Hystereseschleife dennoch eine Verschiebung auf, so dass die neue Soll-Lage eingenommen wird.

In Fig. k wird das Blockschaltbild nach Fig.3 angewandt, wobei der nichtlineare Verstärker 17 zwischen dem Signaladdierer 18 und dem Motorverstärker 6 angeordnet ist, wodurch auch das Differenzsignal der Vergleichsvorrichtung k die Charakteristik des Verstärkers benutzt, was zur Folge hat, dass für kleine Signale eine grosse Verstärkung des Regelkreises erzielt wird.

Der Motor M, der mit 7 bezeichnet ist, kann ein Elektromotor, aber auch ein hydraulischer Servomotor

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sein. Auf der Welle des Motors M ist einerseits der Tachogenerator T angeordnet, der dem Signaladdierer ein der Drehgeschwindigkeit der Motorwelle proportionales Signal liefert, während andererseits auf dieser Welle die-Spindel 19 angebracht ist, auf der ein Mutter befestigt ist. Die Mutter 20 ist an einem'Schlitten befestigt, der endgültig die befohlene Verschiebung vollführen muss. Am Schlitten 21 ist ein Messystem befestigt, das symbolisch durch die Lampe 22 und die Photozelle dargestellt ist.

Die Zelle 23 misst Dunkel-Hell-Uebergänge

eines fest angeordneten Messlineals 24. Die Verschiebung des Schlittens 21 äussert sich in Zählimpulsen der Zelle 23, die über eine biegsame Verbindungsleitung einem Zähler 26 zugeführt werden. Das Messystem 3 ist also aus den Vorrichtungen 22, 23, 24, 25 und 2.6 aufgebaut .

Fig. 5 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit eines Regelsystems nach der Erfindung bei einer Werkzeugmaschine, z.B. einer Riffelbank.

Im Kasten 28 ist der elektronische Teil untergebracht ₉ der aus den Vorrichtungen 4, 5> 18, 17, 16 und 2.6 der Fig. 4 besteht. Der Motor 7 ist vom hydraulischen Typ und wird von dem elektrohydraulisehen Ventil 29 betätigt. Auf der Kugelspindel 19 ist der Tachogenerator 16 angebracht. Die Kugelmutter 20 ist fest mit dem

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Schlitten 21 verbunden, auf dem ein Werkstück befestigt werden kann. An diesem Schlitten 21 ist ein Lagenaufnehmer 27 befestigt, der die Elemente 22 und 23 der Fig. k enthält. Mit Hilfe des Messlineals 2k wird die Lage des Schlittens 21 gemessen.

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Claims (7)

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   PATENTANSPRÜCHE:

   Γ1 .J Regelsystem zur Lageneinstellung mit Regelverstärkern, einem Motorantrieb mit einem mechanischen Getriebe und einer Lagenrückkopplung, wobei im Regelsystem ein Hilfswechselsignal zur Beseitung mechanischer Störgrössen, wie Spiel und Reibung, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem ein Messglied zum Messen des Wertes der mechanischen Störgrössen und ein Einstellglied enthält, das auf den vom Messglied gemessenen Wert anspricht und dementsprechend die Amplitude des Hilfswechselsignals einstellt.
2. 2. Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem das Hilfswechselsignal von einem Oszillator in das Regelsystem injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied ein Kraftaufnehmer ist, der auf dem mechanischen Getriebe befestigt ist, das ein Signal abgibt, das der Uebersetzungskraft im Getriebe proportional ist und das ein Mass für die Reibung und das Spiel ist, während das Einstellglied mit dem Oszillator gekoppelt ist.
3. 3. Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem das Hilfswechselsignal von einem Oszillator in das Regelsystem injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied ein Differenzdetektor ist, der den Unterschied zwischen der vom Regelsystem eingestellten Istlage und einer vom Getriebe hergeleiteten imaginären Lage als Mass für das Spiel und die durch Reibung aufgebaute Spannkraft misst, während das Einstellglied mit dem Oszillator gekoppelt ist.

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4. 4. Regelsystem nach Anspruch 1 mit einer Tachorückkopplungsschleife,· dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied der Motorantrieb ist, während das Einstellglied durch einen nichtlinearen Regelverstärker gebildet wird, der in die Tachoschleife aufgenommen ist und der für kleine Eingangssignale eine grosse Verstärkung und für grosse Eingangssignale eine kleine Verstärkung aufweist,, dass die Tacho-Rückkepplungsschleife unstabil ist und das Hilfssignal selbst generiert.
5. 5. Regelsystem nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker in den gerade verlaufenden, das Lagenexnstellsignal durchlassenden Kreis des Regelsystems aufgenommen ist.
6. 6. Servogesteuerte Maschine, die mit einem Regelsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche versehen ist.
7. 7. Numerisch gesteuerte Maschine nach Anspruch

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