DE2253578A1

DE2253578A1 - Ueberwachungseinrichtung fuer die steuerung eines stellmotors

Info

Publication number: DE2253578A1
Application number: DE19722253578
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dipl Ing Mall; Bernd Schulz-Heise
Original assignee: Masing & Co KG Dr
Current assignee: Masing & Co KG Dr
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1974-05-16
Also published as: DE2253578C3; DE2253578B2

Description

Uberwachungseinxichtung für die Steuerung eines Stellmotors Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für die mit digitalen Steuerbefehlen arbeitende Steuerung eines Stellmotors, dessen Geschwindigkeit über einen Stelimotorregeikreis entsprechend einer Soll-Istwertabweichung steuerbar ist, die in einer Soll-Istwert-Differenzstufe gebildet wird, welche einen Sollwert mit einem Istwert vergleicht, wobei der Istwert mit einem Istwertgeber gebildet wird, der mechanisch mit dem Stellmotor gekoppelt ist.
Immer häufiger werden derartige digitale Steuerungen für Stellmotoren insbesondere für Werkzeugmaschinen angewendet, die nicht nur sehr genaue Einstellungen -ermöglichen, sondern auch eine möglichst sichere Verstellung gewährleisten sollen. So lassen sich die digitalen Steuerbefehle sehr genau kontrollieren und ermöglichen eine eindeutige Aussage, inwieweit nach- Ausführung des Steuerbefehls die gewünschte Stellung erreicht worden ist.
So ist es z.B. bekannt (DAS 1 259 442), nach jedem einzelnen Programmschritt die Position mit einem entsprechenden Sollwert zu vergleichen und die Anlage stillzusetzen, wenn die eingefahrene Position eine zulässige Abweichung überschreitet.
Diese Einrichtungen ermöglichen eine eindeutige Uberprüfung der Steuerbefehle, lassen Jedoch den eigentlichen Stellkreis des Stellmotors außer Betracht, und eine Kontrolle erfolgt erst nach Ausführung eines abgeschlossenen Programmschrittes.
So kann z,B. durch einen Fehler in der Steuerung ein Steuersignal dem Stellmotor zugeführt werden, der keinen Soll-Istwert-Vergleich mehr zuläßt bzw. eine Steuerung in eine völlig andere Richtung bewirkt. Um dies zu vermeiden ist es bekannt, bei Überschreiten von maximal möglichen Steuer-, Regel- und Vergleichssignalen eine Abschaltung der Anlage zu bewirken. In vielen FAllen reicht eine derartige Sicherheitseinrichtung jedoch nicht aus, da schon vor einem Abschalten eine derart große Abweichung des Stellgliedes möglich wird, die ein Zerstören der Anlage, des Werkzeuges, des Werkstückes oder eine sonstige Gefährdung hervorrufen kann. Durch eine entsprechende Einschränkung der maximal möglichen Steuer-, Regel- oder Vergleichssignale ließe sich bei einigen Steuerungen zwar eine ausreichels Sicherheit erzielen, Jedoch muß hierdurch in den meisten FEllen die Arbeitsgeschwindigkeit, die Verstellgröße bzw. der einze°-«ne Programmschritt derart klein gewählt werden, aaß lnn die Anlage sehr unrr(t4ktiv arbeitet.
Um Steuerbefehlsfehl r sofort erkennen zu können, ist es weiterhin bekannt (DAS 1 2o7 47B), große Teile der Steuerung mehrfach auszubilden und die Steuerbefehle laufend zu vergleichen. Bei den heute verwendeten komplizierten und aufwendigen Steuerungen bedeutet dies nicht nur einen sehr erhöhten Aufwand, sondern nahezu eine Verdoppelung der Ausfallrate einer solchen Steuerung, da bei einem Fehler in der Kontrolleinrichtung die Sicherheitsvorrichtung gleichfalls anspricht. Trptz dieses Aufwandes werden weiterhin auch hierbei Fehler im Stellmotorkreis nicht erkannt, die z,B. auftreten wenn der Stellmotor oder der Antrieb blockiert wird, ein Fehler oder eine Unterbrechung im Istwertgeberkreis auftritt, oder sich auch in der Anlage z.B.
während des Beschleunigens ein ungünstiges dynamisches Verhalten ergibt. Diese Nachteile lassen sich mit verhältnisnäßig geringem Aufwand beseitigen, wenn gemäß der Erfindung parallel zur Soll- Istwert-Differenzstufe eine zusätzliche Differenzstufe vorgesehen ist, der gleichfalls entsprechende Sollwertsignale und mit diesen zu vergleichenden angestrebten Istwerten adäquate Signale zugeführt werden, die den angestrebten Istwerten adäquaten Signale einer digitalen, dem Stellmotorregelkreis entsprechenden Nachbildung entnommen sind, und daß ein Vergleicher vorgesehen ist, der ein vom Stellmotor bewirktes Istwertsignal mit einem von der Nachbildung bewirkten Istwert-Signal vergleicht.
Hierbei kann den beiden Differenzstufen eine dem Sollwert entsprechende Impulsreihe zugeführt werden, die zusätzliche Differenz stufe von der digitalen Nachbildung eine - einem angestrebten Istwert entsprechende - zweite Impulsreihe erhalten, und aus den Differenzwerten dieser beiden der zusätzlichen Differenzstufe zugeführten Impulsreihen die digitale Nachbildung gesteuert werden.
Durch eine derartige Einrichtung wird eine laufende Überwachung der Stellbewegung möglich, mit welcher eine Sicherheitsschaltung betätigt werden kann, die sofort anspricht wenn die Stell -bewegung eine einstellbare Sicherheits- oder Toleranzgrenze überschreitet.
Bei der Verwendung eines phasenanalogen Regelkreises ergibt sich eine besonders vorteilhafte Schaltung, wenn die zusätzliche Differenz stufe aus der Differenz der ihr zugeführten Sollwertsignale mit den angestrebten den Istwerten adäquaten Signalen ein Steuersignal für die digitale Nachbildung liefert, und die digitale Nachbildung mit Hilfe eines dem Geschwindigkeitsregelkreis angepaßten Proportionalitätsfaktor ein der Phasenabweichung des phasenanalogen-Regelkreises entsprechendes Signal erzeugt; Hierbei kann die zusätzliche Differenzstufe eine der Nachlaufabweichung des Stellmotors proportionale Impuls zahl liefern, welche der digitalen Nachbildung zugeführt ist, die mit Hilfe eines Taktsignales - das auch dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist - digital ein artgleiches gegenüber einem Referenzimpulssignal phasenverschobenes Impulssignal erzeugt, und das phasenverschobene Impuls signal einem Ausgangssignal angepaßt ist, das von einem Phasenschieber bewirkt wird, der mit dem Stellmotor fest verkoppelt ist. Die Nachbildung läßt sich vereinfacht mit einem Impulsgenerator aufbauen, wobei dieser als einstellbarer Oszillator ausgebildet sein kann, dessen Frequenz dem Jeweiligen Proportionalitätsfaktor des Geschwindigkeitsregelkreises angepaßt ist. Soll eine Überwachung der Stellbewegung in beiden Drehrichtungen des Stellmotors durchgeführt werden, kann es erforderlich werden, daß eine Vorzeichenerkennungsstufe vorgesehen ist, der ein in der digitalen Nachbildung erzeugtes phasenversqhobenes Impuls signal und ein Referenzimpulssignal aus dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist, die Vorzeichenerkennungsstufe Je nach positiver oder negativer Phasenverschiebung ein unterschiedliches Vorzeichensignal erzeugt, das der zusätzlichen Differenz stufe zugeführt ist.
Von besonderem Vorteil ist die Überwachungseinrichtung für die Steuerung eines Stellmotors in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, wenn über den Stellmotor eine Bahnbewegung eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Achsrichtung entsprechend einem vorgegebenen Programm bewirkt werden soll. Eine derartige Bahnbewegung wird hierbei im allgemeinen in einzelne Verfahrschritte unterteilt, deren Endpunkte im Programm festgehalten sind. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird eine laufende Überwachung der Bahnbewegung auch zwischen den Endpunkten der einzelnen Verfahrschritte möglich, die bei einer Abweichung über einstellbare Sicherheits- oder Toleranzgrenzen hinaus eine Sicherheitsvorrichtung betätigt bzw. Schaltbefehle abgibt, die eine weitergehende Abweichung unterbinden. Hierdurch wird ein weitgehender Schutz des Werkzeuges oder Werkstückes möglich.
Wird für die Steuerung des Stel3 motors eine dem. Verfahrweg entsprechende Anzahl von Steuerimpulsen mit einer der Verfahrgeschwindigkeit entsprechenden Impuls frequenz eiLngegebens läßt sich eine eng zu begrena,ende Überwachungseinrichtung erzielen, wenn die digitale Nachbildung einen Sollwertzähler und einen Impulsfrequenzteiler enthElzs, durch die sie - in an sich bekannter Weise - mit Hilfe eines zugeführten Taktsignales ein angestrebtes Istwertimpulssignal erzeugt, das gegenüber einem Referenzsignal des phasenanalogen Regelkreises eine Phasenverschiebung aufweist, welche der ihr aus der zusätzlichen Differenzstufe zueführte'n Impulszahl entspricht.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Fig-. 1 das Schaltungsprinzip einer erfindungsgemäßen Steuerung mit Überwachungskreis, Fig. 2 Kurven nach der Wirkungsweise der Steuerung gemäß Fig. 1, Fig. 3 das Schaltungsprinzip einer Bahnsteuerung mit phasenanalogen Regelkreisen, Fig. Iia bis 4e Impulszüge aus einer Steuerung gemäß Fig. 3 und Fig. 5a und 5b Kurven nach der Wirkungsweise der Steuerung gemäß Fig. 3.
Zur Steuerung des Stellmotors 1 in Fig. 1 dient ein Impulsgeber 2, dessen Impulse - in bekannter Weise - in einer Soll-Is twert-Differenzstufe 3 mit in einem Wandler 4 entsprechend angepaßten, Impulsen aus einem Istwertgeber 5 verglichen werden. Das aus diesem Vergleich entstehende einer Soll-Istwert-Abweichung entsprechende Signal wird über einen Verstärker 6 dem Stellmotor 1 zugeführt, der neben der zu verstellenden Vorrichtung und dem Istwertgeber 5 einen Tachogenerator 7 antreibt. Die Ausgangsspannung des Tachogenerators 7 wird gleichfalls dem Verstärker 6 in einer Weise zugeführt, daß sich ein Geschwindigkeitsregelkreis 8 ergibt.
Dieser - an sich bekannten Steuerung - ist eine Uberwachungseinrichtung 9 parallel geschaltet, die eine zusätzliche Differenz stufe lo aufweist, der gleichfalls die Impulse aus dem Impuisgeber 2 und Impulse aus einer digitalen Nachbildung 11 zugeführt sind. Mit dem Ausgangssignal der zusätzlichen Differenzstufe io wird die digitale Nachbildung 11 gesteuert, die einen Ausgang aufweist, von dem Signale an einen Vergleicher 12 gelangen Diese Signale werden im Vergleicher 12 mit gleichwertigen Signalen verglichen, die ihm aus dem Steuerkreis für den Stellmotor 1 zugeführt werden und z.B. die aus dem Wandler 4 der Soll-Istwert-Differenzstufe 3 zugeführten Impulse sein können. Die Ausgangssignale des Vergleichers 12 sind einer Anzeigevorrichtung und/oder einer Sicherheitsschaltvorrichtung zugeführt.
In Fig. 2 sind Kurven mit Steuerungswerten einer derartigen bekannten Steuerung dargestellt. Soll z.B. eine vom Stellmotor 8 angetriebene Vorrichtung einen Weg sl in einer Zeit t1 zurücklegen, können vom Impulsgeber 2 eine diesem Weg s1 entsprechende Zahl Impulse abgegeben werden, wobei Jeder Impuls einem Weginkrement entspricht. Werden diese Impulse - die sehr kleinen Weginkrementen entsprechen - mit annähernd gleichen Abständen zugeführt, ergibt sich eine Gerade 14 im Weg-Zeit-Diagramm. Der Stellmotor kann dieser Geraden Jedoch nicht folgen, da er erst langsam auf die durch die Steilheit der Geraden gegebene Geschwindigkeit gebracht werden muß. Er folgt daher annähernd einer Verfahrkurve 15 und muß, wenn der Impulsgeber schon alle Impulse abgegeben hat noch einen Restweg 16 zurücklegen, wobei er wieder auf eine Geschwindigkeit v = abgebremst werden muß. Diese Nachsteuerung wird - in bekannter Weise - über den Stellmotorregelkreis bewirkt9 wobei ein zum Jeweiligen Zeitpunkt entstehendes der Nachlaufabweichung 17 entsprechendes Signal aus der Soll-Istwert-Differenzstufe über den Verstärker 6 dem Stellmotor zugeführt wird.
Durch eine bekannte Überwachungseinrichtung ist nun zwar eine Überwachung der Stillstandsposition in sehr engen Grenzen 18 möglich, Jedoch kann diese Überwachung erst zu einem Zeitpunkt wirksam werden, wenn der Stellmotor zum Stillstand gekommen ist. Durch einen Fehler in der Steuerung, ein Blockieren, durch Störimpulse u.s.w. ist es Jedoch möglich, daß der Motor eine von der Verfahrkurve völlig abweichende Kurve bewirkt-die den Sollwert zu früh, überhaupt nicht erreicht oder über£thrt, wodurch Zerstörungen oder Unfälle bewirkt werden können. Um diese Gefahren einzuschränken ist es weiterhin bekannt zusätzlich eine der maximal möglichen Nachlauf-Abweichung (17) entsprechende Begrenzung 20 dadurch zu schaffen, daß eine Sicherheitsschaitung anspricht, sobald der dieser Abweichung entsprechende Wert aus der Soll-istwertDifferenzstufe 3 einen Maximalwert überschreitet. In vielen Fällen reicht diese Begrenzung Jedoch nicht aus, da verhältnismäßig große Nachlaufabweichungen 17 erforderlich werden, wenn der Stellmotor 1 auch mit größeren Geschwindigkeiten gefahren werden soll und häufig schon eine geringe Abweichung von der Verfahrkurve 15 zu Zerstörungen oder Unfällen führt.
Um dies zu vermeiden bzw. derartige Abweichungen sofort auch während des Verfahrweges erkennen zu können bzw. diesen entgegenzuwirken, ist die erfindungsgemäße digitale Nachbildung 11 vorgesehen, welche - entsprechend den Impulsen aus dem Impulsgeber 2 - eine Nachbildung der Verfahrkurve lr oder ein den Jeweiligen Nachlauf-Abweichungen 17 entsprechendes Signal erzeugt, das in dem Vergleicher 12 mit dem entsprechenden Wert des Stellmotorregelkreises verglichen wird. Dies kann z.B.
gemäß Fig. 1 derart erfolgen, daß Jeweils eine den Weginkrementen der Abweichung 17 entsprechende Zahl von Impulsen in der zusätzlichen Differenzstufe 1o vpn den Impulsen aus dem Impuisgeber 2 subtrahiert werden, wodurch sich ein (wie später noch genauer erläutert) der momentanen idealen Motorgeschwindlgkeit entsprechendes Signal ergibt, aus dem eine dem Geschwindigkeitsregelkreis angepaßte und der Nachlauf-Abweichung 17 entsprechende Anzahl Impulse erzeugt werden, die wiederum der zusätzlichen Differenzstufe 10 zugeführt werden. Diese Impulse können in Abhängigkeit von Taktimpulsen gebildet werden, welche von einem Taktimpulsgeber 21 der digitalen Nachbildung und üblicherweise auch dem Wandler 4 zugeführt sind, wobei digital eine der Jeweiligen Motorgeschwindigkeit entsprechende Impulszahl einem Impulsgenerator entnommen wird. Dieser in der digitalen Nachbildung 11 vorgesehene Impulsgeber kann einen ein stellbaren Oszillator enthalten, dessen Frequenz dem Stellmotorregelkreis angepaßt ist.
Durch den Vergleich der über die Nachbildung 11 erzeugten Werte, die der idealisierten Regelkurve 15 entsprechen, mit den tatsächlichen Werten 21 des Stellmotorregelkrelses wird im Vergleicher 12 ein Signal gewonnen, das den Abweichungen von der idealisierten Verfahrkurve 15 entspricht. Diese Abweichungen entstehen im ungestörten Betrieb vor allem, wenn hohe Beschleunigungen vom Stellmotor 1 gefordert werden. Die Abweichungen werden geringer, wenn t.B. durch eine Verringerung der Impulsfrequenz am Ausgang des Impuisgebern 2 der gleiche Weg si mit kleinerer Geschwindigkeit verfahren wird. Es ergibt sich dann eine flacher liegende Steuergerade iq' t und eine idealisierte Verfahrkurve 15' mit geringeren momentanen Nachlauf-Abweichungen 17', von der die tatsächliche yertahRkurve 21 nur noch geringfügig abweicht. Bei den üblichen Stelliotorsteuerungen mit einem Geschwindigkeitsregeikreis 8 ändern sich die Nachlauf-Abweichungen 17 bzw, 17' proportional mit der Geschwindigkeit.
Soll die Ansteuerung mit einer sich ändernden Geschwindigkeit erfolgen, kann z,B. während des Verfahrweges.s2 die Impulsfrequenz geändert werden wobei sich anstelle der Geraden 14 und 14t eine Kurve 14 ergibt. Die idealisierte Verfahrkurve 15" folgt dieser Kurve dann mit sich entsprechend der Stellmotorgeschwindigkeit ändernden Nachlaufabweichungen 17". Nach entsprechender Umschaltung z.B. durch Vorzeichensignale kann eine Stellbewegung auch in entgegengesetzter Richtung in gleicher Weise erfolgen, wobei sich dann Kurven gemäß 14tut und 15tut ergeben.
In Fig. 3 ist das Schaltungsprinzip für eine numerische Steuerung zweier Achsen einer Werkzeugmaschine dargestellt, wie sie bei Bahnsteuerungen benötigt wird. Ein --in bekannter Weise - unter anderem auch entsprechend einem Programm gesteuerter xXy-Interpolator 30 ist mit Je einem x-Steuerungszähler 31 und einem y-Steuerungszähler 32 verbunden, die beide zusätzlich vom Taktsignalgeber (33) Taktimpulse fT von z.B.
3 Hz erhalten. Die Steuerungszähler 31 und 32 sind mit einem Ausgang an Jeweils einem Phasenschieber z.B. Resolver 34, 35 für die Jeweiligen Achsen x und y angeschlossen, die mechanisch fest mit den entsprechenden Stellmotoren 36, 37 für diese Achse, gekuppelt sind. Wie bei phasenanalogen Regelkreisen bekannt, geben die Steuerungszähler entsprechend der'Impulse soll aus dem Interpolator 30 gegenüber einer Referenzimpulsspannung aus einem Referenzimpulserzeuger 38 phasenverschobene Impulse an die Resolver 33 und 34. Aus den Resolvern 33, 34 werden um den Nachlauf berichtigte mit einer Restphasenverschiebung behaftete Impulse über einen Impulsfrequenzteiler 39 auf einen Digitalanalogwandler 40 bzw. Phasendetektor gegeben, der eine der Restphasenabweichung proportionale Steuerspannung erzeugt, die über einen Stellverstärer 41 verstärkt den Stellmotor 36 steuert.
Der Stellmotor 36 treibt neben dem eigentlichen Verstellglied noch einen Tachogenerator 42 an, dessen Ausgangsspannung - in bekannter Weise - derart dem Stellverstärker 41 zugeführt ist, daß sich ein Geschwindigkeitsregelkreis ergibt, der dafür sorgt, daß der Stellmotor 36 eine der Ausgangsspannung des D-A-Wandler 40 weitgehend proportionale åeschwlndigkeit annimmt.
In den Steuerungszählern 31, 37 wird hierbei die dem Sollwegmaß entsprechende Impulszahl aus dem Interpolator 30 Je nach einem anliegenden Rlchtungssignal 43 von den Taktimpulsen des Taktsignalgebers subtrahiert oder addiert und die so entstehenden Impulse in einem Teilerverhältnis T1 geteilt, daß sich um einen Soll-Winkel phasenversehobene Impulse ergeben. Der Referenzimpulserzeuger 38 ist in gleicher Weise aufgebaut und erzeugt als Bezugsspannulzg eine Impulsreferenzspannung (Fig. 4a), die keine Phasenverschlebung aufweist, da ihr lediglich die Taktimpulse zugeführt werden. Sie enthält Jedoch noch einen zusätzlichen Impulsfrequenzteiler mit einem Teilerverhältnis T2, das dem Teilerverhältnis des dem Resolver 33 nachgeschalteten Impulsfrequenzteilers entspricht.
Durch die Drehung des Resolvers 33 in Sollrichtung wird die Phasenverschiebung der dem Resolver zugeführten Impulse Jeweils soweit rückgängig gemacht, wie dies dem tatsächlichen Verstellweg entspricht und diese phasenberichtigten Impulse dem D-A-Wandler 40 mit einer Restphasenabweichung (Fig. 4b) zugeführt.
Aus dieser Restabweichung wird durch Phasenvergleich mit der Referenzimpulsspannung aus dem Referenz-Impulserzeuger 38 im D-A-Wandler 40 eine der Sollwertabweichung entsprechende Spannung erzeugt, die wiederum durch den Geschwindigkeitsregelkreis weitgehend proportional der Stellmotorgeschwindigkeit ist.
Parallel zu diesem Maschinenregelkreis für die Verstellung in der x-Achse (31 - 43) ist nun eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die eine Differenzstufe 44 enthält, der die gleichen Sollwegimpulse aus dem Interpolator und das Vorzeichensignal 43 zugeführt werden wie dem x-Steuerungszähler 31. Der Ausgang der Differenzstufe wird ist mit einem Nachbildungszähler 45 verbunden, dem gleichfalls Taktimpulse (fT) )aus dem Taktsignalgeber 33 zu--geführt sind. Der Ausgang des Nachbildungszählers 45 ist an einem Vergleicher 46, an einem Wandler 117 und an der Vorzeichenerkennungsstufe 118 angeschlossen. Der Wandler 47 erhält Referenzimpulse (Fig. 5a) aus dem Referenzimpulserzeuger 38, Impulse von einem einstellbaren Oszillator 49 und ist mit seinem Ausgang an einem weiteren Eingang der-Differenzstufe 44 angeschlossen. Die Vorzeichenerkennungsstufe 48 erhält weiterhin gleichfalls das AusgangsSignal des Referenzimpulserzeugers und gibt ein weiteres Vorzeichensignal an die Differenzstufe 44.
Der Differenzstufe 44 werden nun wie dem Steuerungszähler 31 die dem Verfahrweg sa nach 5e (Fig. 5) entsprechenden Impulse fsoll aus dem Interpolator zugeführt, wobei sich für eine konstante Geschwindigkeit die Gerade a) ssoll (t) = vo . t ergibt. Diese Impulse f5011 erzeugen im Nachbildungszähler 45 eine phasenverschobene Impulsspannung (Fig. 4b) wie im Steuerungszähler 31, die dem Wandler 117 zugeführt wird. Im Wandler 117 wird nun eine der Phasenverschiebung proportionale, dem Ste Ilmotorregelkre is angepaßte Anzahl von Impulsen-aus dem einstellbaren Oszillator 49 ausgewählt, die zur Subtraktion von den Sollwertimpulsen fsoll der Differenzstufe 44 zugeführt werden. Die Auswahl der Impulszahl kann hierbei durch entsprechende Gatter erfolgen, denen die Impulsspannungen gemäß ?ig. 11a und 4b derart zugeführt werden, daß sie nur während einer der Phasenverschiebung entsprechenden Zeit 5o Impulse Fig. 4e des vom Oszillator 49 erzeugten Impulszuges Fig. 4d an den Ausgang gelangen lassen. bei richtiger Einstellung der Oszillatorfrequenz werden hierbei der Differenzstufe 44 den Istwerten adäquate Impulse nach einer idealisierten Verfahrkurve sx (t) zugeführt.
Diese idealisierte Verfahrkurve ergibt sich, da bei einer Vorgabe des Verfahrweges a nach se mit Impulsen entsprechend ssoll (t) aus dem Intcrpolator 30 sich zuerst eine, nach einer Exponentialfunktion auf ihren Endwert ansteigende Stellmotorgeschwindigkeit v ergibt. Dieser Endwert ergibt sich bei Ver-0 wendung eines Geschwindigkeitsregelkreises aus b) v0 W KV * As wobei W ein konstanter Faktor des Regelkreises ist und As der Nachlaufabweichung entspricht. Bei einem idealen Regelkreis gilt dieses Verhältnis auch während des Beschleunigens. Ist:

c) s (t) = |v fv dt; b) v0 = . As und d)As = ssOll-sx

o s

so ist t

e) 9x = KV f (8soll Sx ) dt

o

und f) 1 . dsx = vo . f - Sx Kv dt Eine Lösung ergibt sich mit

g) sx : Vo . t - ##(1-e-t-Kv)

wobei nach a) ssoll vo . t und d) = ssoll - sx der Subtrahend einem As (Fig. 5) entspricht, das adäquat der Exponentialfunktion der auf ihren Endwert ansteigenden Stellmotorgeschwindigkeit ist.
Durch eine vorzeichenrichtige Subtraktion in der Differenzstufe ergibt sich so eine der Nachlaufabweichung bS entsprechende Impulszahl, die eine der Restphasenabweichung aus dem Resolver 33 adäquate Phasenabweichung bewirkt, wobei sich durch eine zusätzliche Impulsteilung entsprechend dem Teilerverhältnis T2 des Impulsfrequenzteilers 39 eine Impulsspannung ergibt, deren Phasenlage sich leicht und genau mit der Phasenlage der Impulsspannung aus dem Impulsfrequenzteiler 39 im Vergleicher 46 vergleichen läßt.
Um Bahnabweichungen bei Geschwindigkeitsänderungen der Stellmotore bei einer Bahnsteuerung zu vermeiden ist es üblich, den -Faktor für die Maschinenregelkreise der einzelnen Achsen z.B. x und y) gleich groß einzustellen, sodaß lediglich Abweichungen von der idealisierten Verfahrkurve 15 bzw. s, (t) eine Bahnabweichung bewirken können. Gerade diese Abweichungen werden durch eine Schaltung gemäß Fig. 3 im Vergleicher 46 erkannt und können über einen geeigneten Anzeigewandler 51 angezeigt oder einer Sicherheitsschalteinrichtung zugeführt werden, die z.B. bei einer Abweichung in engeren Grenzen über ein erstes Ausgangssignal 52 eine die Sicherheit erhöhende und/oder,der Abweichung entgegenwirkende Hilfseinrichtung in Betrieb setzt.
Dies kann z.B. eine Einrichtung sein, welche eine Vorwarnung abgibt, die Geschwindigkeit'eines, mehrerer oder aller Antriebe herabsetzt, oder eine Kühlung bzw. Schmierung von Anlageteilen, des Werkstückes, des Werkzeuges usw. erhöht. Bei Erreichen einer Abweichung über eine äußere Grenze kann, dann über ein zweites Ausgangs signal 53 die Anlage völlig stillgesetzt werden.
Häufig werden auch die Steuerungen dazu verwendet, im Eilgang bei erhöhten Beschleunigungen ohne große Genauigkeit zu verfahren. Hierbei ergeben sich dann leicht Abweichungen, welche die Sicherheitsschalteinrichtung ansprechen lassen ohne daß dies erforderlich wäre. Um dies zu vermeiden kann z.B. über ein entsprechendes Signal 54 die Empfindlichkeit des Vergleichers herabgeschaltet oder die Ansprechgrenze umschaltbar sein. Eine Veränderung der LnT£indlichkeit und/oder der Ansprechgrenzen kann auch in Abhängigkeit von Jeweilig geforderten bzw. programmierten Verfahrgeschwindigkeiten selbsttätig erfolgen, vor allem wenn eine empfindliche Überwachung bei kleinen Verfahrgeschwindigkeiten erforderlich wird, da bei kleinen Verfahrgeschwindigkeiten im normalen Betrieb nur sehr kleine Abweichungen zu erwarten sind, die nur wenigen, kleinsten Weginkrementen entsprechen.
Die Vorzeichenerkennungsstufe 48 wird erforderlich, wenn z.B.
ohne wesentliche Verweilzeiten bzw. übergangslos die Wegrichtung umgekehrt werden soll. Vom Wegausgangspunkt 5a (Fig.5) an, von welchem aus sich erst eine Phasenverschiebung durch Impulse f5011 vom Interpolator 3o atlfbaut, gibt der Wandler 47 dem idealen Istwert adäquate Impuls

fist = fo . (#coll - #istideal)

360°

an die Differenzstufe 44, in der diese Impulse first von den Impulsen fsoll aus dem Interpolator subtrahiert werden. Bei richtig eingestellter Oszillatorfrequenz wird gleichzeitig dann, wenn der Stellmotor 36 die der Interpolatorimpulsfrequenz entsprechende Geschwindigkeit erreicht hat, die Zahl der Impulse aus dem Wandler derart angestiegen sein, daß sie der Zahl der Sollimpulse aus dem Interpolator entspricht. Da nun der Nachbildungszähler 45 keine Impulse mehr aus der Differenzstufe 44 erhält, bleibt die Phasenverschiebung der Ausgangsimpulse Fig. 4b konstant.
Stellt der Interpolator zu- einem Zeitpunkt te seine Impulsabgabe ein, wird durch die im Nachbildungszähler 45 gespeicherte Phasenabweichung im ersten Moment weiterhin eine Anzahl Oszillator--!w.pulse an die Differenzstufe gelangen, die nun als Negativ-impulse z.B. über eine weitere Verbindung 54 zwischen Differenz stufe 44 und Nachbildungszähler 45 eine Rückstellung der Phasenverschiebung einleiten. Durch die Rückstellung der Phasenverschiebung werden Jedoch immer weniger Impulse Fig. 4e aus dem Oszillator an die DifferenzstuSe 44 gelangen, sodaß die Phasenverschiebung wie die Nachlaufabweichung As nach einer e-Funktion auf Null abfällt. Bei einer Steuerung in eine andere Bewegungsrichtung ist es an sich nicht erforderlich, auch eine entsprechende Umschaltung in der Überwachungsstufe vorzunehmen, da in Jeder Bewegungsrichtung die gleichen Wirkungen auftreten und auch von außen z.B., über das Stellglied einwirkende Kräfte durch eine Lastkompensation im Geschwindigkeitsregelkreis insbesondere durch eine Zusatzspannung zum Verstärker 41 in bekannter Weise kompensiert werden können.
Dies bedingt Jedoch, daß im Verb eher 46 nur ein Grdßenvergleich ohne Anzeige der Abweichrichtung möglich ist oder im Vergleicher eine zusätzliche -der Richtungumkehr entspreehende Umschaltung vorgenommen werden muß.
Führt man die Schaltung der Differenzstufe 44 gemäß Fig. 3 derart aus, daß die Impulse fsoll aus dem Interpolator richtungsabhängig z.B. über ein Vorzeichensignal 43 in der Nachbildungsstufe eine positive oder negative Phasenverschiebung wie im x-Steuerungszähler 31 bewirken, kann die Referenzimpulsspannung Fig. 4a als Vorzeichensignal für die vom Wandler 47 abgegebenen Impulse verwendet werden. Da die freigegebenen Oszillatorimpulse Fig. 4c Je nach Bewegungsrichtung vor oder hinter der Rückflanke des Pseferenzimpulssignales liegen, kann die Referenzimpulsspannung durch eine laufende Umschaltung eine vorzeichenrichtige Subtraktion in der Diffeinstufe bewirken.
Bei stark eingeengten Grenzen der Überwachungseinrichtung bzw.
bei einer sehr empfindlichen Anzeige der Abweichungen im Vergleicher 46 kann es von Vorteil iu, die husga}a.s lm)ulse Fig.
4e des Wandlers gleichmäßiger Ubcr die Zeit zu veltcllen. Dies kann in einfacher Weise dadurch bewirkt werden, daß bei Halbierung der Oszillatorfrequenz immer dann (50 und 55) Oszillatorimpulse über den Wandler gelangen wenn keine zeitliche Übereinstimmung der Referenzimpulse Fig. 4a mit den phasenverschobenen Impulsen Fig. 4b aus dem Nachbildungszähler 45 vorliegt. Dies kann über ein Antivalenzgatter bewirkt werden, durch dessen Ausgangsiinpulse 50 und 55 (Fig. 4c) die Auswahl der Oszillatorimpulse erfolgt. In diesem Falle eignet sich das Referenzsignal Jedoch nicht mehr als Vorzeichensignal. Durch einen Vergleich der Phasenlage des Referenzimpulssignales Fig.
4a mit dem Impulssignal Fig. 4b aus dem Nachbildungszähler 45 in einer Vorzeichenerkennungsstufe 48 läßt sich Jedoch in einfacher Weise ein geeignetes Vorzeichensignal gewinnen.
Bei einer vorzeichenrichtigen Differenzbildung in der Differenz stufe 44 ergibt sich noch ein wesentlicher zusätzlicher Vorteil bei der Überwachung der Steuerungen. So wird in vielen Fällen eine Steuerung erforderlich, die sich auch übergangslos oder nur bei geringen Stillstandszeiten des Interpolators umsteuern läßt.
Hierbei kann der Interpolator sofort oder kurz nach Erreichen der Schußzeit te eine weitere Impulsreihe z.B. für eine entgegengesetzte Bewegungsrichtung abgeben, die einer Geraden 56 entspricht. Für sich allein würde diese Impulsreihe am Ausgang des Wandlers 47 eine Impulsreihe bewirken, die eine s (t) Kurve 57 ergibt, wodurch hinter der Differenzstufe Impulse entsprechend einer As-Kurve 58 entstehen würden. Bei einer vorzeichenrichtigen Steuerung der Differenzstufe 1111 addieren sich die nun negativ geschalteten Impuls -fsoll mit den Wandlerausgangsimpulsen fist und stellen zu Beginn die in Nachbildungszähler gespeicherte positive Phasenverschiebung hierdurch rascher auf Null zurück. IETach Erreichen des Nullwertes zum Zeitpunkt tu schaltet die Vorzeichenerkennungsstufe 48 die Impulse aus dem Wandler 47 umS und die nun allein durch die Interpolatorimpulse wachsende negative Phasenverschiebung bewirkt Jetzt positive idealisierte Ista-rertimpulse, die einer weiteren Phasenverschiebung entgegenwirken.
Die hierbei über die Ausgänge der Differenzstufe 44 an den Nachbildungsz"hler gelangenden Impulse entsprechen dann einer As-Kurve 59 und erzeugen eine Nachführkurve 60, welche der idealisIerten Nachführkurve des Stellmotors weitgehend entspricht. In gleicher Weise wirkt die Uberwachungseinrichtung auch bei allen anderen Beschleunigungsänderungen, wobei sich immer eine idealisierte Nachführkurve ergibt, die ohne wesentliche Abweichungen der Nachstellkurve des Stellgliedes angepaßt ist2 solange ein gutes dynamisches Verhalten der Regelkreise und der maschine vorliegt.
Im Gegensatz zu anderen bekannten überwachungsschaltungen wird hierbei eine überwachung in engen Grenzen auch dann möglich, wenn z.B. wie in Fig. 5 dargestellt der Endpunkt 5e eines ersten Verfahrweges durch eine übergangs lose Umsteuerung programmgemäß nicht erreicht wird.
Bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen mit einer Bahnsteuerung kann eine derartige Uberwachungseinrichtung Jeder wichtigen Verstellachse zugeordnet werden. Bei einer Schaltung gemäß Fig. 3 sollte eine gleichartige Schaltung auch bei den entsprechenden Stufen für die y-Achse vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche

1. OberwaclgungKeirlrichtuns für eine mit digitalen Steuerbefehlen arbeitende Steuerung eines Stellmotors, dessen Geschwindigkeit über einen Stellmotorregelkreis entsprechend einer Soll-Istwertabweichung steuerbar ist, die in einer Soll-Ist'ert-Differenzstufe gebildet wird, welche einen Sollwert rnit einem Istwert vergleicht, wobei der Istwert mit einem Istwertgeber gebildet wird der mechanisch rait dem Stellmotor gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, d parallel zur Soll-Istwert-Differenzstufe eine zusätzliche Differenzstufe (io; 44) vorgesehen ist, der gleichfalls entsprechende Sollvertsignale und mit diesen zu vergleichenden angestrebten Istwerten adäquate Signale zugeführt werden, die den angestrebten adäquaten Signale einer digitalen, dem Stellmotorregelkreis entsprechenden Nachbildung (11; 45) entnommen sind, und daß ein Vergleieher (12; 46) vorgesehen ist, der ein vom Stellmotor (1; 36) bewirktes Istwertsignal mit einem von der Nachbildung (11; 45) bewirkten Istwertsignal vergleicht.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Differenzstufen eine dem Sollwert entsprechende Impulsreihe zugeführt ist, die zusätzliche Differenzstufe (lo; 44) von der digitalen Nachbildung (11; 45) eine - einem angestrebten Istwert entsprechende -zweite Impulsreihe erhält, und aus den Differenzwerten dieser beiden der zusätzlichen Differenzstufe (lo; 44) zugeführten Impulsreihen die digitale Nachbildung steuerbar ist.

3. überwachungseinrichtung für die Steuerung eines Stellmotors, der über einen Geschwindigkeitsregelkrels in Abhängigkeit von einer Phasenabweichung in einen phasenanalogen Regelkreis gesteuert wird, nach ein der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzelchnetn daß die zusätzliche Differenzstufe (io; 44) aus der Differenz der ihr zugeführten Sollwertsignale mit den angestrebten den Istwerten adäquaten Signalen ein Steuersignal für die digitale Nachbildung (11; 45) liefert, und die digitale Nachbildung mit Hilfe eines dem Geschwindigkeitsreg,elkreis (8) angepaßten Proportionalitätsfaktor (W) ein der Phasenabweichung des phasenanalogen Regelkreises entsprechendes Signal erzeugt.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwertsignal einem Interpolator (30) entnommen ist, der eine dem Sollwegmaß entsprechende Impulsreihe liefert, und in der zusätzlichen Differenzstufe (44) von dieser Impuisreihe eine der Phasenabweichung entsprechende Anzahl von Impulsen subtrahiert werden.

5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3 oder X, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Differenzstufe (114) eine der Nachlaufabweichung des Stellmotors (36) proportionale Impulszahl liefert, welche der digitalen Nachbildung (45) zugeführt ist, die mit Hilfe eines Taktsignales - das auch dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist - digital ein artgleiches gegenüber einem Referenzimpulssignal (Fig. 4a) phasenverschobenes Impuissignal (Fig. 4b) erzeugt, und das phasenverschobene Impulssignal (ig. 4b) einem Ausgangssignal angepaßt ist, daß von einem Pllasenschieber (33) bewirkt wird, der mit dem Stellmotor (36) fest verkoppelt ist.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dr'? die digitale Nachbildung (11; 45) einen Impulsgenerator (47; 49) aufweist, der eine der erzeugten Phasenabweichung proportionale Anzahl von Impulsen (Fig.4e) liefert, welche der zusätzlichen Differenzstufe (44) zugeführe snd.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator einen in der Frequenz einstellbaren Oszillator (49) enthält und die Frequenz dem jeweiligen Proportionalitätsfaktor (K;. des G'eschwindigkeitsregelkreises des Stellmotors (36) angepaßt ist.

8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet) daß der Ausgang des Oszillators (49) über Und-oder Oder-Gatter Impulse an die zusätzliche Differenzstufe (44) liefert und die Und- oder Oder-Gatter durch ein Antivalenzgatter steuerbar sind, dessen Eingängen das Referenzimpulssignal (Fig. 4a) und ein in der digitalen Nachbildung (45) erzeugtes, zum Referenzimpulssignal phasenverschobenes Impulssignal (Fig. 4b) derart zugeführt sind, daß während einer der Phasenverschiebung der Einzelimpulse entsprechenden Zeit Impulse aus dem Oszillator (49) an die zusätzliche Differenzstufe (44) gelangen.

9. überwachungseinrlchtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeIchnet, daß eine Vorzeichenerkennungsstufe (48) vorgesehen ist2 der ein in der digitalen Nachbildung (45) erzeugtes phasenverschobenes Impulssignal (Fig. leib) und ein Referenztrnpulssignal (Fig. 4a) aus dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist7 und daß die Vorzeichenerkennungsstufe (88) Je nach positiver oder negativer Phasenverschiebung ein unterschiedliches Vorzeichensignal erzeugt, das der zusätzlichen Differenzstufe zugeführt ist.

lo. überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Differenzstufe (44) eine in der digitalen Nachbildung erzeugte und der Phasenabweichung proportionale Impulszahl Je nach einem Vorzeichensignal dem Sollwertsignal zuaddiert oder von diesem subtrahiert.

11. Überwachungseinrichtung nach den Ansprüchen 5 und lo, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorzeichensignal das Referenzimpulssignal dient.

12. Uberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (g6) dem die vom Stellmotor (36) über den Istwertgeber (33) bewirkten Istwertsignale und die in der digitalen Nachbildung (45;47) erzeugten den Istwerten adäquaten Signale zugeführt sind, ein oder mehrere Ausgangssignale (52; 53) liefert, sobald ein Differenzwert zwischen den beiden Signalen überschritten wird und das Ausgangssignal eine Um- und/oder Ausschaltung von Stromkreisen in der Anlage bewirkt, in welcher der Stellmotor arbeitet.

13. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzwert einstellbar oder umschaltbar ist.

14. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 1d, dadurch gekentlzeichnet, daß der Vergleicher (46) ein der Abweichung der zugeführten Signale proportionales Ausgangssignal liefert.

15. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß a Ausgangssignal eine Anzeige (51) steuert und/oder ein Stl;uersignal für die Anlage liefert, in welcher der Stsellmotor arbeitet.

16. Überwachungseinrichtung fUr die Steuerung eines Stellmotors in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, welche der Bahnsteuerung eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Achsrichtung dient, wobei die Steuerung über ein eingegebenes Programm erfolgt3 nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (46) ein Ausgangssignal liefert, sobald die Differenz der ihm zugefÜhrten Signale einen einstellbaren und/oder vorprogramnlerten Wert überschreitet, und das Ausgangs signal einer Schalt-und/oder Steuerstufe der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine zugeführt ist.

17. Uberwachungseinrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für zwei Stellmotoren zum Verfahren des Werkzeuges und/oder Werkstückes in unterschiedliche A,chsrichtungen (x; y) zwei ge-eennte, gleichartige überwachungseinrichtungen lrorgesel-en sind.

18. Uberwachungseinrichtung für eine Steuerung, die eine den Verfahrweg entsprechende Anzahl von Steuer impulsen mit einer der Verfahrgeschwindigkeit entsprechenden Impulsfrequenz erhält, nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Nachbildung (45; 47) einen Sollwertzähler und einen Impulsfrequenzteiler enthält, durch die sie - in an sich bekannter Weise -mit Hilfe eines zugeführten Taktsignales ein angestrebtes Istwertimpulssignal (Fig. 4b) erzeugt, das gegenüber einem Referenzsignal (Fig. qa) des phasenanalogen Regelkreises eine Phasenverschiebung aufweist, welche der ihr aus der zusätzlichen Differenzstufe (44) zugeführten Impulszahl entspricht.

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