DE2346846B1

DE2346846B1 - Brennschneidmaschine mit Koordinatenantriebssteuerung

Info

Publication number: DE2346846B1
Application number: DE19732346846
Authority: DE
Inventors: Guenter Schumann
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1973-09-18
Filing date: 1973-09-18
Publication date: 1975-01-09
Also published as: FR2243766A1; FR2243766B1; JPS5073854A; JPS5330096B2; GB1484870A; DE2346846C2; IT1019282B

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennschneidmaschine mit Koordinatenantriebssteuerung, die zwei Koordinatenmotore aufweist, in deren

65 Motorstromkreis zwei antiparallelgeschaltete, als Gleichrichter dienende steuerbare Halbleiter vorgesehen sind, denen je eine Phasenanschnittsteuerung zugeordnet ist, und wobei die Phasenanschnittsteuerungen unter Zwischenschaltung von Verstärkern mit den Ausgängen einer Steuervorrichtung zum Steuern der Koordinatenmotore in Verbindung steht.

Mit diesem Oberbegriff wird auf einen Stand der Technik Bezug genommen, wie er bei Brennschneidmaschinen allgemein bekannt ist. Bei diesen Brennschneidmaschinen· wird ein Werkzeug (Autogenoder Plasmabrenner, Laser od. dgl.) entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt, wobei die notwendigen Steuerbefehle für die das Werkzeug in die jeweilige Koordinatenrichtung (je-, y-, z-Richtung) bewegenden Koordinatenmotore durch eine Steuervorrichtung (fotoelektrische Abtastvorrichtung, Numerik-Steuerung usw.) erhalten werden.

Dabei ist es, um hohe Vorschubgeschwindigkeiten des Werkzeuges zu erreichen, erforderlich, daß die Umsetzung der Steuerbefehle aus der Steuervorrichtung in Steuerimpulse für die Koordinatenmotore in sehr kurzer Zeit erfolgt. Weiterhin ist es bei der Verwendung einer fotoelektrischen Abtastvorrichtung als Steuervorrichtung erforderlich, daß bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten (Vorschubgeschwindigkeit entspricht Abtastgeschwindigkeit, da Abtastvorrichtung und Werkzeug elektrisch oder mechanisch miteinander gekoppelt sind) von der Abtastvorrichtung die Steuerbefehle in kurzer Zeit erzeugt werden.

Es ist jedoch bei der Erzeugung der Steuerbefehle notwendig, daß das von der Abtastvorrichtung gewonnene Signal verstärkt wird, da es in seinem Wert zu klein ist, um direkt als Steuerbefehl verwendet werden zu können. Hierzu sind bei den bekannten Koordinatensteuerungen Verstärkerstufen vorgesehen, die mit einer reinen Gleichspannung versorgt werden.

Es ist nun aber eine allgemein bekannte Tatsache, daß Verstärkerstufen in einem Steuerkreis eine Zeitverzögerung bei der Signalerzeugung bewirken. Diese auftretenden Zeitverzögerungen stehen jedoch der eingangs genannten Forderung — schnelle Signalerzeugung — entgegen und wirken sich insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten nachteilig aus, da unter Umständen das Steuersystem instabil werden kann.

Man hat deshalb bisher die durch die Verstärkerstufen bedingte Zeitverzögerung durch Gegenkopplung in den einzelnen Verstärkerstufen möglichst klein gehalten. Eine Gegenkopplung führt jedoch — wie allgemein bekannt — zu einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors der Verstärkerstufen, so daß eine Vielzahl (10 und mehr) von hintereinandergeschalteten, gegengekoppelter Verstärkerstufen erforderlich wird. Hinzu kommt neben dem dadurch bedingten baulichen Aufwand, daß die Einstellung und Abstimmung des Steuersystems zeitraubend und aufwendig wird.

Ein weiterer Nachteil ist, daß, je höher die Abtastbzw. Vorschubgeschwindigkeit werden soll, desto größer der Aufwand für die Verstärkerstufen bezüglich Anzahl und Einstellung wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennschneidmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweist und trotz einfachem Aufbau hohe Abtast- und Vorschubgeschwindigkeiten ermöglicht.

nung im gleichen Rhythmus wie die Betriebsspannung der Verstärker pulsiert.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung bei einer Brennschneidmaschine mit einer fotoelektrischen 5 Abtastvorrichtung, die einen Abtastkopf aufweist, dessen Ausgangssignale einem Stellmotor zuführbar sind, vorgeschlagen, daß im Stellmotorstromkreis zwei antiparallelgeschaltete als Gleichrichter dienende steuerbare Halbleiter mit zugeordneten Phasenanschnittsteuerungen vorgesehen sind und daß die Ausgangssignalverstärker mit einer eine pulsierende Spannung abgebenden Spannungsquelle verbunden sind, wobei die Pulsfrequenz proportional der Frequenz der dem Stellmotorstromkreis zugeführten

Die Erfindung besteht darin, daß die Verstärker mit einer eine pulsierende Spannung abgebenden Spannungsquelle in Verbindung stehen und daß die Pulsfrequenz proportional der Frequenz der dem Motorstromkreis zugeführten Wechselspannung ist.

Durch die Erfindung ist es überraschenderweise möglich geworden, den gesamten Aufbau der Koordinatensteuerung auf ein Minimum zu vereinfachen, insbesondere deshalb, weil nur noch wenige Verstärkerstufen (etwa 1 bis 3) erforderlich sind. io Dies ist wohl darauf zurückzuführen, daß die Verstärkerstufen in jeder Halbwelle durch die Betriebsspannung auf Null gesteuert werden, also durch die Betriebsspannung getaktet werden, und somit nahezu

keine Gegenkopplung erforderlich wird, so daß das 15 Wechselspannung ist.
Verstärkungsverhältnis der Verstärkerstufe hoch aus- Eine derartig ausgebildete Abtastvorrichtung hat gelegt und dieses Verstärkungsverhältnis auch voll den Vorteil, daß einerseits die erforderlichen Steuerausgenutzt werden kann. Überraschend ist weiterhin, befehle in sehr kurzer Zeit erzeugt werden und daß daß trotz der wenigen Verstärkerstufen die Steue- andererseits auf Grund der ebenfalls nur erforderrung auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten 20 liehen wenigen Verstärker eine kleine und einfache (gr. 6 m/min) völlig stabil ist. Steuerung möglich wird, deren Genauigkeit über den

Durch die Erfindung wird somit ein Steuerungs- bisherigen fotoelektrischen Abtastvorrichtungen liegt,

aufbau möglich, welcher auch bei hohen Vorschub- Hinzu kommt, daß es durch den kleineren Steue-

geschwindigkeiten bezüglich dem Aufbau einfach rungsaufbau möglich wird, die gesamte Steuerung

und damit wenig störanfällig ist. Somit wird durch 25 innerhalb des Abtastkopfes anzuordnen. Dies ist ins-

die Erfindung eine bezüglich ihrer Baugröße kleine besondere im Hinblick auf die Baugröße der Brenn-

Steuerung erreicht, die servicefreundlich ist und dar- maschine von Vorteil. Zur weiteren Verbesserung

über eine geringe Verdrahtungsarbeit erfordert. Hin- der Regelempfindlich- und -genauigkeit wird erfin-

zu kommt, daß durch die kleinere und damit leich- dungsgemäß vorgeschlagen, daß die Verstärker vor-

tere Steuerung das Gesamtgewicht der Brennschneid- 30 gespannte Transistoren aufweisen. Dadurch wird

maschine ebenfalls reduziert wird, was wiederum für erreicht, daß über die Phasenanschnittsteuerung und

den Steuervorgang von Vorteil ist, da durch die die steuerbaren Halbleiter die Koordänatenmotore

Koordinatenmotore geringere Massen beschleunigt bzw. den Stellmotor bereits ohne Steuerbefehl so an-

bzw. abgebremst werden müssen. gesteuert werden, daß die Motoren unmittelbar vor

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird 35 Drehbeginn sind (Eigenreibung, Eigenmoment usw.

vorgeschlagen, daß die Verstärker betriebsspannungs- des Motors wird durch die Zusatzspannung über-

seitig mit der Phasenanschnittsteuerung zusammen- wunden).

geschlossen sind. Dadurch wird eine weitere Verein- In vorteilhafter Weiterbildung wird hierzu vorgefachung der Steuerung erreicht, da die bisher für schlagen, daß den Transistoren ein polaritätsabhänjede Verstärkerstufe erforderliche reine Gleichspan- 40 giger Spannungsteiler vorgeschaltet ist. Durch diesen nungsversorgung entfallen kann. Bei der Erfindung wird erreicht, daß der gerade für die Steuerung der wird die Verstärkerstufe mit der gleichen Betriebs- positiven Halbwelle maßgebende Transistor mit einer spannung (pulsierende Gleichspannung) wie die Pha- hohen Steuerspannung, der in dieser Zeit jedoch zu senanschnittsteuerung versorgt. sperrende zweite Transistor für die negative Halb-Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung 45 welle mit einer Steuerspannung, die diesen Tranist die pulsierende Spannung für die Verstärker und sistor geringfügig unterhalb der Sperrschwelle hält, die Phasenanschnittsteuerung gegenüber der dem beaufschlagt wird. In der nächsten negativen HaIb-Motorstromkreis der Koordinatenmotore zugeführten welle wird dagegen der erste Transistor gesperrt und Wechselspannung phasenverschoben. Besonders gün- der zweite Transistor voll angesteuert. Durch den stig ist eine Phasenverschiebung im Winkelbereich 50 Spannungsteiler wird somit vorteilhaft erreicht, daß zwischen 5 und 30°. Durch die Phasenverschiebung der jeweilig maßgebende Transistor in kürzester Zeit wird das Anfahr- und Bremsverhalten der Koordi- ansteuerbar ist.

natenmotore verbessert, so daß dadurch die gesamte Nachstehend wird die Erfindung an Hand von

Steuerung, insbesondere aber die Koordinaten- Zeichnungen sowie unter Hinweis auf weitere vorteil-

motore, auf Steuerbefehle schneller als bisher reagie- 55 hafte Merkmale näher erläutert,

ren, was wiederum für die Nachfahrgenauigkeit, ins- Es veranschaulicht

besondere bei scharfen Ecken und Linienverläufen, Fig. 1 ein Blockschaltbild
von Vorteil ist.

Durch die erfindungsgemäß betriebenen Verstärkerstufen ist es ferner vorteilhaft möglich geworden, 60 die bei Koordinatensteuerungen übliche Motorrückführung einfacher auszubilden. Hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Koordinatenmotore in einer EMK-Brückenschaltung angeordnet

sind, deren Mittelabgriff mit den Eingängen der Ver- 65 Abtastkopfes 10 gegenüber einer abzutastenden

stärker in Verbindung steht. Die EMK-Brücken- Linie 12 kennzeichnen, und welche über die Leitun-

schaltung erzeugt eine der Drehzahl der Koordinaten- gen 13 einer in ihrer Gesundheit mit 14 bezeich-

motore proportionale Spannung, wobei diese Span- neten Steuerung zugeführt werden. Die Lichtquelle

einer Koordinatensteuerung sowie einer fotoelektrischen Abtastvorrichtung einer Brennschneidmaschine,

F i g. 2 ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Steuerung.

In Fig. 1 ist ein fotoelektrischer Abtastkopf mit 10 bezeichnet, welcher mittels Fotowiderstände 11 erzeugte Steuersignale, die die Relativstellung ä&s

im Abtastkopf 10 zum Anleuchten der Linie 12 ist mit 15 bezeichnet. Der Aufbau des Abtastkopfes 10 ist nicht näher dargestellt, da er für die Erfindung unwesentlich ist.

Der Abtastkopf 10 ist in bekannter Weise mechanisch mit einem Nachdrehmotor 16 gekoppelt, welcher den Abtastkopf 10 und gegebenenfalls das mit ihm verbundene Werkzeug (Trennmesser, Laser, Plasma- oder Autogenschneidbrenner od. dgl.) entsprechend den gelieferten Steuersignalen, die dem Motor 16 von der Steuerung 14 zugeführt werden, jeweils in die sich ändernde Richtung der Tangente an den abzutastenden Linienzug 12 dreht.

Der Stellmotor 16 ist ferner mechanisch über ein Getriebe 17 mit einem Drehmelder (Resolver) 18 verbunden, der eine Zerlegung der Verstellbewegung des Motors 16 in eine x- und eine v-Komponente bewirkt. Durch die Ausgangssignale des Resolvers 18 werden über die in ihrer Gesamtheit mit 19 und 20 bezeichneten Steuerungen die beiden Koordinatenmotore (Vorschubmotore) 21 bzw. 22 gesteuert. Die Motoren 16, 21 und 22 sind im Hinblick auf eine gute Regelung als Gleichstromnebenschlußmotore ausgebildet.

Die Steuerungen 14, 19 und 20 sind ebenfalls gleich ausgebildet und bestehen im wesentlichen aus einer im jeweiligen Motorstromkreis angeordneten steuerbaren Halbleiteranordnung 23, denen eine Phasenanschnittsteuerung 24 zugeordnet ist. Ferner ist eine Verstärkerstufe 25 vorgesehen, deren Eingang unter anderem mit einer Motordrehzahl-Rückführstufe 26 in Verbindung steht. Ein Netzteil zur Versorgung des Motorstromkreises, der Phasenanschnittsteuerung 24 sowie zur Erzeugung einer Vorspannung der Verstärkerstufe 25 ist mit 27 bezeichnet.

Da, wie bereits erwähnt, die Steuerung 14, 19 und 20 gleich ausgebildet sind, wird der Einfachheit halber an Hand der F i g. 2 nur der elektrische Aufbau der Steuerung 14 erläutert.

Die im Motorstromkreis 28 des Stellmotors 16 angeordnete Halbleiteranordnung 23 weist zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 29, 30 auf, die als steuerbare Halbleiter und gleichzeitig als Gleichrichterelemente dienen, damit dem Motor 16 eine durch Phasenanschnitt veränderbare Gleichspannung zuführbar ist.

Die Steuerelektroden 31,32 der Thyristoren 29,30 sind mit der Phasenanschnittsteuerung 24 verbunden. Diese Steuerung 24 besteht im wesentlichen aus zwei spiegelbildlich aufgebauten Zündimpulsschaltungen 33 und 34, die über Versorgungseinrichtungen 35 und 36 mit einer pulsierenden Gleichspannung betrieben werden.

Die Zündschaltungen 33, 34 weisen einen Unijunktion-Transistor 37 auf, dessen Emitter 38 mit einem Kondensator 39 sowie einem Transistor 40 mit nachgeschaltetem Widerstand 41 in Verbindung steht. Der Basiskontakt 42 a des Transistors 37 ist über einen Auskoppeltransformator 43 mit der jeweiligen Steuerelektrode 31 bzw. 32 der Thyristoren 29 bzw. 30 verbunden. Der Basiskontakt 42 b ist über einen Widerstand 82 mit der Diode 51 verbunden. Ferner ist eine Diode 83 parallel zur Primärwicklung des Transformators 43 vorgesehen. Die Versorgungseinrichtungen 34 und 36 sind derart aufgebaut, daß der Zündschaltung 33 nur die positiven und der Zündschaltung 34 nur die negativen Halbwellen einer Wechselspannung 44 zugeführt werden, die die gleiche Frequenz wie die dem Motorstromkreis 28 zugeführte Wechselspannung 45 aufweist. Hierzu ist ein primärseitig an den Motorstromkreis 28 angeschlossener Transformator 46 vorgesehen, der zwei Sekundärwicklungen 47 und 48 aufweist. Die eine Sekundärwicklung 47 ist über ein als Phasenschieber wirkendes ftC-Glied 49, 50 und eine Gleichrichterdiode 51 an die Zündschaltung 33, und die andere Sekundärwicklung 48 ist über ein als Phasenschieber wirkendes i?C-Glied 52, 53 und eine Gleichrichterdiode 54 an die Zündschaltung 34 angeschlossen. Die Phasenschieber sind dabei gleich dimensioniert und derart ausgelegt, daß sich eine Phasenverschiebung zwischen der Motorwechselspannung 45 und den Zündschaltungsbetriebsspannungen von etwa 5 bis 30° ergibt. Bevorzugt ist eine Phasenverschiebung von etwa 25°.

Den Eingängen der Zündschaltungen 33 und 34 (Basis des Transistors 40) ist je eine Verstärkerstufe

55 des Verstärkers 25 zugeordnet. Die Verstärkerstufen 55 sind als einstufige Transistorverstärker ohne Rückkopplung aufgebaut und bestehen aus einem Transistor 56 sowie einem Kollektorwiderstand 57. Gegebenenfalls ist ein kleiner Emitterwiderstand (gestrichelt dargestellt) im Verstärker vorsehbar.

Erfindungsgemäß sind die Verstärker 55 mit einer eine pulsierende Spannung abgebenden Spannungsquelle verbunden, und zwar beim Ausführungsbeispiel über die Leitung 58 und die Diode 51 mit der Sekundärwicklung 47 bzw. über die Leitung 59 und die Diode 54 mit der Sekundärwicklung 48. Die Verstärker 55 sind somit betriebsspannungsseitig mit der Phasenanschnittsteuerung 24 verbunden.

Die Transistoren 56 der Verstärker 55 sind erfindungsgemäß vorgespannt. Hierzu ist eine verstellbare (Potentiometer 60 a) Gleichspannungsquelle 60 vorgesehen, deren eine Ausgangsleitung 61 mit den Emittern der Transistoren 56 (Nullpotential) in Verbindung steht. Die andere Ausgangsleitung 62 ist an den Mittelpunkt 63 eines polaritätsabhängigen Spannungsteilers 64 angeschlossen. Dieser Spannungsteiler

64 besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 65 und 66, wobei der eine Widerstand

65 mit der Basis des einen Transistors 56 und der Widerstand 66 mit der Basis des anderen Transistors

56 in Verbindung steht. Parallel zu den Widerständen 65, 66 ist eine Dioden-Widerstandsanordnung 67, 68 vorgesehen, wobei die Dioden 67 gegeneinander geschaltet sind.

Dem Eingang 69 des Spannungsteilers 64 wird entweder über die Leitung 13 das Abtastsignal oder über die x- bzw. y-Leitung das jeweilige Resolverausgangssignal zugeführt.

Ferner weist die Steuerung 14 eine Rückführstufe 16 auf, die zur Erzeugung eines motordrehzahlproportionalen Signals dient, welches an den Eingang des Verstärkers 25 zurückgeführt wird. Die Stufe 26 ist als EMK-Brückenschaltung ausgebildet, in deren Brückenzweige 70, 71, 72 und 73 der Stellmotor 16 bzw. ein Ankerstromwiderstand 74 bzw. Widerstände 75 und 77 angeordnet sind. Der Mittelabgriff 78 steht über einem Einkoppelwiderstand 79 mit dem Eingang 69 des Verstärkers 25 in Verbindung. Die Feldwicklung 80 des Motors 16 wird über einen Gleichrichter 81 gespeist.

Im nachstehenden werden — als bevorzugtes Beispiel — Bezeichnungen und Kenngrößen der in oben

beschriebener Steuerung aufgeführten Bauteile angegeben, unter denen sie im Handel erhältlich sind:

Stellmotor 16 Gleichstromnebenschlußmotor beliebiger Bauart

Koordinatenmotor 21, 22 Gleichstromnebenschlußmotor beliebiger Bauart

Thyristoren 29, 30 C 51 - 08 g

Unijunktion-Transistor 37 2 N 2646

Kondensator 39 0,33 μΡ

Transistor 40 BC 177 A

Widerstand 41 IkQ

Auskoppeltrafo 43 ZBK407/037-0,3 PF

Fa. Vacumtechnik

Widerstand 82 390

Diode83 IN4004

Motorstromkreisspannung 220 V

Transformator 46, 47, 48 220 V/2-20 V

Widerstand 49 IK

Kondensator 50 1 uF

Diode51 IN4004

Widerstand 52 IK

Kondensator 53 1 uF

Diode54 IN4004

Transistor 56 BC 107 A

Widerstand 57 27 K

Gleichspannungsquelle 60 .... etwa 1,5 V

Widerstand 65 1OK

Widerstand 66 1OK

Diode 67 IN 4004

Widerstand 68 IK

Eingangsspannungssignal 69 .. 10 bis 15 V

Widerstand 74 15 K

Widerstand 75 1OK

Widerstand 77 1OK

Gleichrichter81 4-1N4007

Mit der oben beschriebenen Steuerung für Reversierbetrieb sind vorteilhaft bei gleicher Schnittqualität und kleinerem Aufbau Vorschub- bzw. Abtastgeschwindigkeiten erreichbar, die etwa 30 bis 5O°/o über den Geschwindigkeiten liegen, die mit bisher bekannten Steuerungen erreichbar sind. Hinzu kommt, daß sowohl die Steuerung 14 für den Abtastvorrichtungstellmotor als auch die Steuerungen für die Koordinatenmotore gleich aufgebaut sind, was im Hinblick auf Herstellung, Wartung usw. von besonderem Vorteil ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 582/128

Claims

Patentansprüche:

1. Brennschneidmaschine mit Koordinatenantriebssteuerung, die mindestens zwei Koordinatenmotore aufweist, in deren Motorstromkreis zwei antiparallelgeschaltete steuerbare Halbleiter vorgesehen sind, denen je eine Phasenanschnittsteuerung zugeordnet ist und wobei die Phasenanschnittsteuerungen unter Zwischenschaltung von Verstärkern mit den Ausgängen einer Steuervorrichtung zum Steuern der Koordinatenmotore in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (25) mit einer eine pulsierende Spannung abgebenden Spannungsquelle (35, 36) in Verbindung steht und daß die Pulsfrequenz proportional der Frequenz der dem Motorstromkreis (28) zugeführten Wechselspannung (45) ist.

2. Brennschneidmaschine, insbesondere nach Anspruch 1, mit einer fotoelektrischen Steuerung, die einen Abtastkopf aufweist, dessen Ausgangssignale einem Stellmotor zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Stellmotorstromkreis zwei antiparallelgeschaltete, steuerbare Halbleiter (29, 30) mit zugeordneter Phasenanschnittsteuerung (24) vorgesehen sind und daß die Ausgangssignalverstärker (25) mit einer eine pulsierende Spannung abgegebenen Spannungsquelle (35, 36) verbunden sind und daß die Puls- frequenz proportional der Frequenz der dem Motorstromkreis (28) zugeführten Wechselspannung (45) ist.

3. Brennschneidmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (25) betriebsspannungsseitig mit der Phasenanschnittsteuerung (24) zusammengeschlossen sind.

4. Brennschneidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenmotor (21, 22) bzw. der Stellmotor (16) in einer EMK-Brückenschaltung (26) angeordnet ist, deren Mittelabgriff (78) mit den Eingängen (69) der Verstärker (25) in Verbindung stehen.

5. Brennschneidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (25) vorgespannte Eingangstransistoren (56) aufweisen.

6. Brennschneidmaschine nach einem der An-Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingangstransistoren (56) ein polaritätsabhängiger Spannungsteiler (64) vorgeschaltet ist.

7. Brennschneidmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatenmotore (21, 22) und der Stellmotor (16) als Gleichstromnebenschlußmotore ausgebildet sind.