DE2253578B2

DE2253578B2 - Überwachungseinrichtung für die Steuerung eines Stellmotors

Info

Publication number: DE2253578B2
Application number: DE19722253578
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Dipl.-Ing. 6122 Erbach Mall; Ing.(grad.) Bernd 6120 Michelstadt Schulz-Heise
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1981-07-09
Also published as: DE2253578A1; DE2253578C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für die mit digitalen Steuerbefehlen arbeitende Steuerung eines Stellmotors, dessen Geschwindigkeit über einen Stellmotorregelkreis entsprechend einer Soll-Ist-Wertabweichung 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 (DE-AS 12 59 442), 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 Überprüfung der Steuerbefehle, lassen jedoch den eigentlichen Stellkreis oes Stellmotors außer Betracht, und eine Kontrolle erfolgt erst nach Auslührung 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

ι» Abschaltung der Anlage zu bewirken. In vielen Fällen 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 Werkstük-

r> kes oder eine sonstige Gefährdung hervorrufen kann. Durch eine entsprechende Einschränkung der maximal möglichen Steuer-, Regel- oder Vergleichssignale ließe sich bei einigen Steuerungen zwar eine ausreichende Sicherheit erzielen, jedoch muß hierdurch in den meisten Fällen die Arbeitsgeschwindigkeit, die Verstellgröße bzw. der einzelne Programmschritt derart klein gewählt werden, daß dann die Anlage sehr unproduktiv arbeitet.

Um Steuerbefehlsfehler sofort erkennen zu können,

j-, ist es weiterhin bekannt (DE-AS 12 07 478), 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

in nahezu eine Verdoppelung der Ausfallrate einer solchen Steuerung, da bei einem Fehler in der Kontrolleinrichtung die Sicherheitsvorrichtung gleichfalls anspricht. Trotz dieses Aufwandes werden weiterhin auch hierbei Fehler im Stellmoiorkreis nicht erkannt, die z. B.

π 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.

4(i Aufgabe der Erfindung ist es, mit verhältnismäßig geringem Auswand eine Überwachungseinrichtung zu ermöglichen, welche unabhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit und der Verstellgröße laufend die Stellbewegung überwacht und bei einer unnormalen

r, Stellbewegung, bzw. einem Steuerbefehlsfehler oder Fehler im Motorstellkreis, ein Ausgangssignal liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß parallel zur Soll-Istwert-Differenzstufe eine zusätzliche Differenzstufe vorgesehen, der gleichfalls entsprechen-

)(i de 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, wobei

;■> ein Vergleicher vorgesehen ist, der ein vom Stellmotor bewirktes Istwertsignal mit einem von der Nachbildung bewirkten Istwertsignal vergleicht und aus diesem Vergleich das Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung gebildet wird.

.0 Hierbei kann den beiden Differenzstufen eine dem Sollwert entsprechende Impulsreihe zugeführt werden, die zusätzliche Differenzstufe von der digitalen Nachbildung eine — einem angestrebten Istwert entsprechende — zweite Impulsreihe erhalten, und aus

". der 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 Stellbewegung eine einstellbare Sicherheits- oderToleranzgrcnze überschreitet.

Bei der Verwendung eines phasenanalogen Regelkreises ergibt sich eine besonders vorteilhafte Schaltung, wenn die zusätzliche Differenzstufe aus der Differenz der ihr zugeführten Soilwertsignale 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 Impulszahl liefern, welche der digitalen Nachbildung zugeführt ist, die mit Hilfe eines Taktsignals — das auch dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist — digital ein artgleiches gegenüber einem Referenzimpulssignal phasenverschobenes Impulssignal erzeugt, und das phasenverschobene Impulssignal 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 phasenverschobenes Impulssignal und ein Referenzinipulssignal aus dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist, die Vorzeichenerkennungsstufe je nach positiver oder negativer Phasenverschiebung ein unterschiedliches Vorzeichensignal erzeugt, das der zusätzlichen Differenzstufe 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 Sicherheitsoder 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 Stellmotors eine dem Verfahrweg entsprechende Anzahl von Steuerimpulsen mit einer der Verfahrgeschwindigkeit entsprechenden Impulsfrequenz eingegeben, läßt sich eine eng zu begrenzende Überwachungseinrichtung erzielen, wenn die digitale Nachbildung einen Sollwertzähler und einen Impulsfrequenzteiler enthält durch die sie — in an sich bekannter Weise — mit Hilfe eines zugeführten Taktsignals ein angestrebtes Istwertimpulssignal erzeugt das gegenüber einem Referenzsignal des phasenanalogen Regelkreises eine Phasenverschiebung aufweist welche der ihr aus der zusätzlichen Differenzstufe zugeführten Impulszahi entspricht.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltungsprinzip einer erfindungsgemäßen Steuerung mit Überwachungskreis,

Fig. 2 Kurven nach der Wirkungsweise der Steuerung pemäß Fig. 1,

F ι g. 3 das Schaltungsprinzip einer Bahnsteuerung mit phasenanalogen Regelkreisen,

F i g. 4a bis 4e Impulszüge aus einer Steuerung gemäß Fi g. 3 und

F i g. 5a und 5b Kurven nach der Wirkungsweise der Steuerung gemäß F i g. 3.

Zur Steuerung des Stellmotors 1 in F i g. 1 dient ein Impulsgeber 2, dessen Impulse — in bekannter Weise — in einer Soll-Istwert-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 Überwachungseinrichtung 9 parallel geschaltet, die eine zusätzliche Differenzstufe 10 aufweist der gleichfalls die Impulse aus dem Impulsgeber 2 und Impulse aus einer digitalen Nachbildung 11 zugeführt sind. Mit dem Ausgangssignal der zusätzlichen Differenzstufe 10 wird die digitale Nachbildung U 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 I 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 F i g. 2 sind Kurven mit Steuerungswerten einer derartigen bekannten Steuerung dargestellt. Soll z. B. eine vom Stellmotor 1 angetriebene Vorrichtung einen Weg Si in einer Zeit /i zurücklegen, können vom Impulsgeber 2 eine diesem Weg Si 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=0 abgebremst werden muß. Diese Nachsteuerung wird — in bekannter Weise — über den Stellmotorregelkreis bewirkt 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 usw. ist es jedoch möglich, daß der Motor eine von der Verfahrkurve völlig abweichende Kurve bewirkt, die den Sollwert zu früh, überhaupt nicht erreicht oder überfährt, 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 Sicherheitsschaltung anspricht, sobald der dieser Abweichung entsprechende Wert aus der Soll-Istwert-Differenzstufe 3 einen Maximalwert überschreitet. In vielen Fällen reicht diese Begrenzung jedoch nicht aus, da verhältnismäßig große Nachiaufabweicnungen 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 Verfahrensweges 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 15 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 F i g. 1 derart erfolgen, daß jeweils eine dien Weginkrementen der Nachlauf-Abweichung 17 entsprechende Zahl von Impulsen in der zusätzlichen Differenzstufe 10 von den Impulsen aus dem Impulsgeber 2 subtrahiert werden, wodurch sich ein (wie später noch genauer erläutert) der momentanen idealen Motorgeschwindigkeit 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 Taktimpuisen gebildet werden, welche von einem Taktimpulsgeber 13 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 einstellbaren Oszillator enthalten, dessen Frequenz dem Stellmotorregelkreis angepaßt ist.

Durch den Vergleich der über die Nachbildung U erzeugten Werte, die der idealisierten Verfahrkurve 15 entsprechen, mit den tatsächlichen Werten 21 des Stellmotorregelkreises 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 z. B. durch eine Verringerung der Impulsfrequenz am Ausgang des Impulsgebers 2 der gleiche Weg Si mit kleinerer Geschwindigkeit verfahren wird. Es ergibt sich dann eine flacher liegende Steuergerade 14' und eine idealisierte Verfahrkurve 15' mit geringeren momentanen Nachlauf-Abweichungen 17', von der die tatsächliche Verfahrkurve 21' nur noch geringfügig abweicht Bei den üblichen Stellmotorsteuerungen mit einem Geschwindigkeitsregelkreis 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 14' 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 14'" und 15'" ergeben.

H 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 A/y-lnterpolator 30 ist mit je einem x-Steuerungszähler 31 und einem y-Steuerungszähler 32 verbunden, die beide zusätzlich vom Taktsignalgeber (33) Taklimpulse fr von z. B. 3 MHz erhalten. Die Steuerungszähler 31 und 32 sind mit einem Ausgang an jeweils einem Phasenschie-

2", ber z. B. Resolver 34,35 für die jeweiligen Achsen χ 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

so /"_so//aus dem Interpolator 30 gegenüber einer Referenzimpulsspannung aus einem Referenzimpulserzeuger 38 phasenverschobene Impulse an die Resolver 34 und 35. Aus den Resolvern 34, 35 werden um den Nachlauf berichtigte mit einer Restphasenverschiebung behaftete

r> Impulse über einen Impulsfrequenzteiler 39 auf einen Digitalanalogwandler 40 bzw. Phasendetektor gegeben, der eine der Restphasenabweichung proportionale Steuerspannung erzeugt, die über einen Stellverstärker 41 verstärkt den Stellmotor 36 steuert. Der Stellmotor

4(i 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

•i> Ausgangsspannung des D-A-Wandlers 40 weitgehend proportionale Geschwindigkeit annimmt.

In den Steuerungszählern 31, 32 wird hierbei die dem Sollwegmaß entsprechende Impulszahl aus dem Interpolator 30 je nach einem anliegenden Richtungssignal

M) 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 phasenverschobene Impulse ergeben. Der Referenzimpulserzeuger 38 ist in gleicher Weise

ϊϊ aufgebaut und erzeugt als Bezugsspannung eine Impulsreferenzspannung (Fig.4a), die keine Phasenverschiebung aufweist, da ihr lediglich die Taktimpulse zugeführt werden. Sie enthält jedoch noch einen zusätzlichen Impulsfrequenzteiler mit einem Teilerver-

w) hältnis 7J, das dem Teilerverhältnis des dem Resolver 34 nachgeschalteten Impulsfrequenzteilers entspricht.

Durch die Drehung des Resolvers 34 in Sollrichtung wird die Phasenverschiebung der dem Resolver zugeführten Impulse jeweils so weit rückgängig

b5 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

so ist

durch Phasenvergleich mit der Referenzimpulsspannung aus dem Referenz-Impulserzeuger 38 im D-A-Wandler 40 eine der Sollwertabweichung entspre- und chende Spannung erzeugt, die wiederum durch den Geschwindigkeitsregelkreis weitgehend proportional "> der Stellmotorgeschwindigkeit ist.

Parallel zu diesem Maschinenregelkreis (31,34,36,38 bis 43) für die Verstellung in der x-Achse ist nun eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die eine Differenzstufe 44 enthält, der die gleichen Sollwegimpulse ι» aus dem Interpolator und das Richtungssignal 43 zugeführt werden wie dem x-Steuerungszähler 31. Der Ausgang der Differenzstufe 44 ist mit einem Nachbildungszähler 45 verbunden, dem gleichfalls Taktimpulse (fi) aus dem Taktsignalgeber 33 zugeführt sind. Der i> Ausgang des Nachbildungszählers 45 ist an einem Vergleicher 46, an einem Wandler 47 und an der Vorzeichenerkennungsstufe 48 angeschlossen. Der Wandler 47 erhält Referenzimpulse (F i g. 5a) aus dem Referenzimpulserzeuger 38, Impulse von einem einstell- 2» baren Oszillator 49 und ist mit seinem Ausgang an einem weiteren Eingang der Differenzstufe 44 angeschlossen. Die Vorzeichenerkennungsstufe 48 erhält _un(j weiterhin gleichfalls das Ausgangssignal des Referenzimpulserzeugers und gibt ein weiteres Vorzeichens!- gnal an die Differenzstufe 44.

Der Diiferenzstufe 44 werden nun wie dem Steuerungszähler 31 die dem Verfahrweg S₃ nach s_c (F i g. 5) entsprechenden Impulse /Ή,»aus dem Interpolator zugeführt, wobei sich für eine konstante Geschwin- jo digkeit die Gerade

a) v\„,, U) = V₁₁-I

ergibt Diese Impulse /»«erzeugen im Nachbildungszäh- J'> ier 45 eine phasenverschobene Impulsspannung (F i g. 4b) wie im Steuerungszähler 31, die dem Wandler 47 zugeführt wird. Im Wandler 47 wird nun eine der Phasenverschiebung proportionale, dem Stellmotorregelkreis angepaßte Anzahl von Impulsen aus dem <■» einstellbaren Oszillator 49 ausgewählt, die zur Subtraktion von den Sollwertimpulsen /«,// der Differenzstufe 44 zugeführt werden. Die Auswahl der Impulszahl kann hierbei durch entsprechende Gatter erfolgen, denen die Impulsspannungen gemäß Fig.4a und 4b derart 4> zugeführt werden, daß sie nur während eber der Phasenverschiebung entsprechenden Zeit 50 Impulse F i g. 4e des vom Oszillator 49 erzeugten Impulszuges F i g. 4d an den Ausgang gelangen lassen. Bei richtiger Einstellung der Oszillatorfrequenz werden hierbei der Differenzstufe 44 den Istwerten adäquate Impulse nach einer idealisierten Verfahrkurve S_x (t) zugeführt Diese idealisierte Verfahrkurve ergibt sich, da bei einer Vorgabe des Verfahrweges s_a nach s_e mit Impulsen entsprechend s_saii (t) aus dem Interpolator 30 sich zuerst eine, nach einer Exponentialfunktion auf ihren Endwert ansteigende Stellmotorgeschwindigkeit v_o ergibt Dieser Endwert ergibt sich bei Verwendung eines Geschwindigkeitsregelkreises aus

b) H₁ == K_x-A s

d) /( ν = v„,„ - s;

O -v, = K_t ■ I (.ν,,,,, -s_v)-d/

Γ)

d.s\

K_x d/
Eine Lösung ergibt sich mit

g) \ = >'<> ■ ' - -jl· 1
wobei nach

a) v„,„ = ι»,, · /

b)

= Ky - Λ s

bO

wobei Kvein konstanter Faktor des Regelkreises ist und As der Nachlaufabweichung entspricht Bei einem idealen Regelkreis gilt dieses Verhältnis auch während des Beschleunigens. Ist:

c)

S_x(O - J

ν - at;

d) A ν = v\„„ - λ\

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 As 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. χ und y) gleich groß einzustellen, so daß lediglich Abweichungen von der idealisierten Verfahrkurve 15 bzw. S_x (t) eine Bahnabweichung bewirken können. Geade diese Abweichungen werden durch eine Schaltung gemäß F i g. 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 Ausgangssignal 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, weiche 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 Empfindlichkeit 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 et forderlich, wenn z. B. ohne wesentliche Verweilzeiten bzw. übergangslos die Wegrichtung umgekehrt werden soll. Vom Wegausgangspunkt s_a (F i g. 5) an, von welchem aus sich erst eine Phasenverschiebung durch Impulse f.„n vom Interpolator 30 aufbaut, gibt der Wandler 47 dem idealen Istwert adäquate Impulse

an die Differenzstufe 44, in der diese Impulse f,_s, von den Impulsen /,„»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 Ausgangsirnpulse F i g. 4b konstant

Stellt der Interpolator zu einem Zeitpunkt i_c. seine Impulsabgabe ein, wird durch die im Nachbildungszähler 45 gespeicherte Phasenabweichung im ersten Moment weiterhin eine Anzahl Oszillatorimpulse an die Differenzstufe 44 gelangen, die nun als Negativ-Impulse z. B. über eine weitere Verbindung zwischen Differenzstufe 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 Differenzstufe 44 gelangen, so daß 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 ein wirken de Kräfte durch eine Lastkompensation im Geschwindigkeitsregelkreis insbesondere durch eine Zusatzspannung zum Verstärker 41 in bekannter Weise kompensiert werden können. Dies bedingt jedoch, daß im Vergleicher 46 nur ein Größenvergleich ohne Anzeige der Abweichrichtung möglich ist oder im Vergleicher eine zusätzliche der Richtungsumkehr entsprechende Umschaltung vorgenommen werden muß.

Führt man die Schaltung der Differenzstufe 44 gemäß Fig.3 derart aus, daß die Impulse /»// aus dem Interpolator richtungsabhängig z. B. über ein Richtungssignal 43 in der Nachbildungsstufe eine positive oder negative Phasenverschiebung wie im x-Steuerungszähler 31 bewirken, kann die Referenzimpulsspannung F i g. 4a als Vorzeichensignal für die vom Wandler 47 abgegebenen Impulse verwendet werden. Da die freigegebenen Oszillatcrimpulse Fig. 4c je nach Bewegungsrichtung vor oder hinter der Rückflanke des Referenzimpulssignals liegen, kann die Referenzimpulsspannung durch eine laufende Umschaltung eine vorzeichenrichtige Subtraktion in der Differenzsiufe bewirken.

Bei stark eingeengten Grenzen der Überwachungseinrichtung bzw. bei einer sehr empfindlichen Anzeige der Abweichungen im Vergleicher 46 kann es von Voneil sein, die Ausgangsimpulse F i g. 4e des Wandlers gleichmäßiger über die Zeit zu verteilen. 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 F i g. 4a mit den phasenverschobenen Impulsen F i g. 4b aus dem Nachbildungszähler 45 vorliegt. Dies kann über ein Antivalenzgatter bewirkt werden, durch dessen Ausgangsimpulse zu den Zeiten 50 und 55 (F i g. 4c) die Auswahl der Oszillatorimpulse erfolgt. In diesem Falle eignet sich das Referenzsignal jedoch nicht mehr als Vorzeichensigna!. Durch einen Vergleich der Phasenlage des Referenzimpulssignals Fig.4a mit dem Inpulssignal 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 Differenzstufe 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 Schlußzeit r_t.eine weitere Impulsreihe z. B. für eine entgegengesetzte Bewegungsrichtung abgeben, die einer Geraden 56 entspricht. Für sich allein würde diese Impulsreihe am Ausgang des Wandiers 47 eine Impulsreihe bewirken, die eine S_x (t) Kurve 57 ergibt, wodurch hinter der Differenzstufe Impulse entsprechend einer 4s-Kurve 58 entstehen würden Bei einer vorzeichenrichtigen Steuerung der Differenzstufe 44 addieren sich die nun negativ geschalteten Impulse -f_s„ii mit den Wandlerausgangsimpulsen - f,_s, und stellen zu Beginn die im Nachbildungszähler gespeicherte positive Phasenverschiebung hierdurch rascher auf Null zurück. Nach Erreichen des Nullwertes zum Zeitpunkt t_u schaltet die Vorzeichenerkennungsstufe 48 die Impulse aus dem Wandler 47 um, und die nun allein durch die Interpolatorimpulse wachsende negative Phasenverschiebung bewirkt jetzt positive idealisierte Istwertimpulse, die einer weiteren Phasenverschiebung entgegenwirken.

Die hierbei über die Ausgänge der Differenzstufe 44 an den Nachbildungszähler 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 Überwachungseinrichtung auch bei allen anderen Beschleunigungsänderungen, wobei sich immer eine idealisierte Nachführkurve ergibt, die ohne wesentliche Abweichungen der Nachstellkurve des Stellgliedes angepaßt ist, 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 F i g. 5

13 14

dargestellt der Endpunkt s_e eines ersten Verfahrweges chungseinrichtung jeder wichtigen Verstellachse zu-

durch eine übergangslose Umsteuerung programmge- geordnet werden. Bei einer Schaltung gemäß F i g. 3

maß nicht erreicht wird. sollte eine gleichartige Schaltung auch bei den

Bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen mit entsprechenden Stufen für die y-Achse vorgesehen

einer Bahnsteuerung kann eine derartige Überwa- 5 werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnun»en

Claims

Patentansprüche:

1. Überwachungseinrichtung für eine mit digitalen Steuerbefehle arbeitende Steuerung eines Stellmotors, dessen Geschwindigkeit über einen Stellmotorregelkreis entsprechend einer Soll-Istwertabweichung steuerbar ist, die in einer Soll-Istwert-Differenzstufe gebildet wird, weiche einen Sollwert mit einem Istwert vergleicht, wobei der Istwert mit ι υ einem Istwertgeber gebildet wird, der mechanisch mit dem Stellmotor gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Soll-Istwert-Differenzstufe (3) eine zusätzliche Differenzstufe (10; 44) vorgesehen ist, der gleichfalls entsprechende Sollwertsignale 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 Vergleicher (12; 46) vorgesehen ist, der ein vom Stellmotor (1; 36) bewirktes Istwertsignal mit einem von der Nachbildung (11; 45) bewirkten Istwertsignal vergleicht und aus diesem Vergleich das Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung gebildet wird.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Differenzstufen eine dem Sollwert entsprechende Impulsreihe zugeführt ist, die zusätzliche Differenzstufe (10; 44) jo von der digitalen Nachbildung (11; 45) eine — einem angestrebten Istwert entsprechende — zweite Impulsreihe erhält, und aus den Differenzwerten dieser beiden der zusätzlichen Differenzstufe (10; 44) zugeführten Impulsreihen die digitale Nachbil- )> dung (11,45) steuerbar ist.

3. Überwachungseinrichtung für die Steuerung eines Stellmotors, der über einen Geschwindigkeitsregelkreis in Abhängigkeit von einer Phasenabweichung in einem phasenanalogen Regelkreis gesteuert wird, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Differenzstufe (10; 44) aus der Differenz der ihr zugeführten Sollwertsignale mit den angestrebten den Istwerten adäquaten Signalen ein Steuersignal 4"> für die digitale Nachbildung (11; 45) liefert, und die digitale Nachbildung mit Hilfe eines dem Geschwindigkeitsregelkreis (8) angepaßten Proportionalitätsfaktor (Kv) ein der Phasenabweichung des phasenanalogen Regelkreises entsprechendes Signal er- >o zeugt.

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

5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche w> Differenzstufe (44) eine der Nachlaufabweichung des Stellmotors (36) proportionale Impulszahl liefert, welche der digitalen Nachbildung (45) zugeführt ist, die mit Hilfe eines Taktsignals — das auch dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist fe^r> — digital ein artgleiches gegenüber einem Referenzimpulssignal (Fig.4a) phasenverschobenes Impulssignal (F i g. 4b) erzeugt, und das phasenverschobene Impulssignal (F i g. 4b) einem Ausgangssignal angepaßt ist, daß von einem Phasenschieber (33) bewirkt wird, der mit dem Stellmotor (36) fest verkoppelt ist.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Nachbildung (11; 45) einen Impulsgenerator (47; 49) aufweist, der eine der erzeugten Phasenabweichung proportionale Anzahl von Impulsen (F i g. 4e) liefert, welche der zusätzlichen Differenzstufe (44) zugeführt sind.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator einen in der Frequenz einstellbaren Oszillator (49) enthält und die Frequenz dem jeweiligen Proportionalitätsfaktor (Kv) des Geschwindigkeitsregelkreises 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.

S. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorzeichenerkennungsstufe (48) vorgesehen ist, der ein in der digitalen Nachbildung (45) erzeugtes phasenverschobenes Impulssignal (F i g. 4b) und ein Referenzimpulssignal (F i g. 4a) aus dem phasenanalogen Regelkreis zugeführt ist, und daß die Vorzeichenerkennungsstufe (48) je nach positiver oder negativer Phasenverschiebung ein unterschiedliches Vorzeichensignal erzeugt, das der zusätzlichen Differenzstufe (44) zugeführt ist.

10. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Differenzstufe (44) eine in der digitalen Nachbildung (45) erzeugte und der Phasenabweichung proportionale Impulszahl je nach einem Vorzeichensignal dem Sollwertsignal zuaddiert oder von diesem subtrahiert.

U. Überwachungseinrichtung nach den Ansprüchen 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorzeichensignal das Referenzimpulssignal dient.

12. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (46) dem die vom Stellmotor (36) über den Resolver (34) bewirkten Istwertsignale und die in der digitalen Nachbildung (45) 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 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (46) ein der Abweichung der zugeführten Signale propotionales Ausgangssignal liefert.

15. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal eine Anzeige (51) steuert und/oder ein Steuersignal für die Anlage liefert, in welcher der Stellmotor arbeitet.

16. Überwachungseinrichtung für die Steuerung eines Stellmotors in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, weiche der Bahnsteuerung eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Achsrichtung dient, wobei die Steuerung über ein eingegebenes Programm erfolgt, 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 vorprogrammierten Wert überschreitet, und das Ausgangssignal einer Schalt- und/oder Steuerstufe der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine zugeführt ist.

17. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für zwei Stellmotoren zum Verfahren des Werkzeuges und/oder Werkstückes in unterschiedliche Achsrichtungen (λγ; y) zwei getrennte, gleichartige Überwachungseinrichtungen vorgesehen sind.

18. Überwachungseinrichtung für eine Steuerung, die eine dem Verfahrweg entsprechende Anzahl von Steuerimpulsen mit einer der Verfahrgeschwindigkeit entsprechenden Impulsfrequenz erhalt, nach einem der Ansprüche 3 bis 17, 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 Taktsignals ein angestrebtes Istwertimpulssignal (Fig.4b) erzeugt, das gegenüber einem Referenzsignal (Fig.4a) des phasenanalogen Regelkreises eine Phasenverschiebung aufweist, welche der ihr aus der zusätzlichen Differenzstufe (44) zugeführten Impulszahl entspricht