DE2400298A1

DE2400298A1 - Digitale steuervorrichtung zur positionierung eines beweglichen objektes

Info

Publication number: DE2400298A1
Application number: DE19742400298
Authority: DE
Inventors: Alain Gueprotte
Original assignee: AUTOMATISME ET TECH ELECTRONIQ
Current assignee: AUTOMATISME ET TECH ELECTRONIQ
Priority date: 1973-01-05
Filing date: 1974-01-04
Publication date: 1974-07-18
Also published as: GB1451681A; FR2213713A5

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKO¥

München, den 4. Januar 1974 We/Sv - A 2365

AÜTOMATISKE EP TECHNIQUES ELECTRONIQUES POUR LE

CONTROIiE - ATEC

15-17 Impasse Dumur, CIichy, Hauts de Seine,

Frankreich

Digitale Steuervorrichtung zur Positionierung eines "beweglichen Objektes

Die Erfindung "betrifft eine digitale Steuervorrichtung zur Positionierung eines "beweglichen Objektes.

Bei der Werkzeugmaschinensteuerung ist es "beispielsweise "bekannt, ein "bewegliches Objekt mittels einer digitalen Steuereinrichtung über eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung zu positionieren.

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Zu diesem Zweck wird der Verstellweg oder der Verschiebeweg des beweglichen Objektes in Einheitselemente oder in "Verlagerungsinkremente unterteilt, wobei die Positionierung des beweglichen Objektes in einem Zähler durch die Zahl angezeigt wird, welche derjenigen der Inkremente entspricht, wo die Positionierung gewünscht wird. Über einen magnetischen oder einen photoelektrischen Aufnehmer werden die bei der Verlagerung des beweglichen Objektes abgetasteten Inkremente gezählt und ein Anhalten wird erreicht, wenn die Anzahl der gezählten Inkremente gleich der Anzahl der vorgegebenen Inkremente ist.

Es ist weiterhin bekannt, das beim Durchgang der einzelnen Inkremente ermittelte Signal zur leichteren Zählung in ein Schwarz-Weiß-Signal umzuformen und einen Aufnehmer zu verwenden, der zwei in der Phase gegeneinander um 90 verschobene Generatoren aufweist derart, daß die Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes ermittelt werden kann, und zwar in der Weise, daß das eine der Signale gegenüber dem anderen in der Phase entweder um eine Viertelperiode vorauseilt oder um ei^{ne x}ertelperiode nacheilt.

Die bekannten Einrichtungen zur Positionierung ermöglichen jedoch nur, daß das bewegliche Objekt angehalten wird, wenn es das Halteinkrement erreicht.

Der Positionierungsfehler kann somit in der Nähe eines Inkrementenwertes liegen, und darüberhinaus müssen komplementäre Einrichtungen vorgesehen sein, um das bewegliche Element in dieser Position festzulegen.

Um die Genauigkeit zu steigern, ist es daher erforderlich, die Größe der Verlagerungsinkremente zu vermindern, wodurch die Herstellung der Verlagerungsmaßeinteilung kompliziert wird, und zwar ebenso wie die entsprechenden Aufnehmer. Dies führt somit zu einer hochgezüchteten und störanfälligen Einrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Überwindung der obengenannten Nachteile eine Positionierungsvorrichtung zu

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schaffen, die mit besonderer Genauigkeit arbeitet und darüberhinaus auch in der Lage ist, das bewegliche Objekt in der erreichten Position ohne zusätzlichen Aufwand an Geräten zu fixieren.

Ausgehend von den Signalen, welche durch die zwei Generatoren eines selben Aufnehmers erzeugt werden, wobei Wechselstromoder Wechselspannungssignale verwendet werden, deren Periode, welche in gleiche Teile unterteilbar ist, gleich der Auswertezeit eines Inkrementes des Weges ist, wird gemäß der Erfindung ein Signal erzeugt, welches in zwei benachbarten Abschnitten dieser Periode sich kontinuierlich in derselben Richtung, ändert und durch einen Sollwert geht, während diesseits und jenseits der Abschnitte das Signal von dem Sollwert verschieden bleibt.

In der einfachsten und vorteilhaftesten Ausführungsform der Erfindung wird die Periode in vier gleiche Teile unterteilt^ und in zwei aufeinanderfolgenden Viertelperioden ändert sich das Signal kontinuierlich zwischen seinen Extremwerten, geht 'durch Null, indem es sein Vorzeichen ändert und bleibt wenigstens gleich jedem seiner Extremwerte, und zwar in den zwei anderen Viertelperioden derart, daß das Signal vor und nach derjenigen Halbperiode konstant bleibt, wo es invertiert wird.

Praktisch erzeugt ein Generator eines Aufnehmers eine periodische Spannung von im allgemeinen sinusförmiger Form, die gemäß den obigen Ausführungen transformiert werden muß, um die üblicherweise in Zählern verwendeten Rechtecksignale zu erhalten.

Ausgehend von diesen sinusförmigen Signalen und von Schwarz-Weiß-Signalen, indem eventuell die Frequenz geteilt wird, lassen sich durch logische Schaltungen solche Positionierungssignale erzeugen, daß eine Hal-testellung innerhalb eines Inkrementes erreicht wird. Es lassen sich insbesondere die zwei Abschnitte der Periode, wo das Signal sich in derselben Richtung ändert, durch einen Abschnitt trennen, in welchem das Signal den Sollwert beibehält. Auf diese Weise reduziert man die Intervallbreite, in welchem das Anhalten des beweglichen Objektes erreicht werden soll. Vorzugsweise sind die Abschnitte,

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wo das Signal sich in derselben Richtung ändert, aufeinanderfolgend vorgesehen, und der Sollwert entspricht einem bestimmten Punkt.

Wenn insbesondere die Periode in vier Abschnitte unterteilt wird, können nur die zwei aufeinanderfolgenden Viertelperioden gewählt werden, d.h.' die Halbperiode, während welcher dieses Signal der Positionierung sich vom Ursprung oder am Ende des Signals verändert.

Vorzugsweise sind die zwei Viertelperioden, während welcher ^ie feignalspannung sich ändert, die zwei mittleren Viertelperioden, während welcher die Spannung konstant bleibt, und zwar jeweils positiv oder negativ oder umgekehrt, und zwar in der Viertelperiode, welche vorangegangen ist und in derjenigen, welche den zwei mittleren Viertelperioden folgt.

Vorzugsweise sind der positive Wert und der negative Wert der konstanten Spannungen gleich.

Somit erscheint der Wert Null der Signalspannung dann, wenn das bewegliche Objekt exakt in der Mitte des Inkrementes ist, und zwar unabhängig von der Verschiebungsrichtung.

Dieses Signal zur Positionierung des beweglichen Objektes läßt sich auch bei einer Handsteuerung anwenden, beispielsweise dadurch, daß bei einer geeigneten Einrichtung der Hulldurchgang (oder jeder andere Bezugswert) des Signalwertes ermittelt wird, wenn sich das bewegliche Objekt in das Inkrement verlagert.

Diese Steuerung läßt sich auch automatisieren, indem das Anhalten des beweglichen Objektes durch den Durchgang des Signals durch den Bezugswert festgelegt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verlagerung des beweglichen Objektes mittels eines Stellmotors erfolgt, der durch das in geeigneter Weise verstärkte Positionierungssignal gespeist wird.

Somit hält ein solcher Motor an, indem das erforderliche Moment auf das angehaltene bewegliche Objekt weiterhin übertragen wird, wenn die St euer spannung gleich null wird-. Somit wird das "öeweg-

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liehe Objekt in dieser .'Haltestellung festgelegt, wenn die Speisung durch das Signal aufrechterhalten wird, und zwar aufgrund der Tatsache, daß ein aktiver Wert der Signalspannung vorhanden ist, um das "bewegliche Objekt in die vorgegebene Haltestellung zurückzuführen, sobald die Tendenz entsteht, das bewegliche Objekt aus dieser Stellung herauszuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

S¹Xg. 1 eine schematische Darstellung einer an sich bekannten Vorrichtung, bei welcher die Erfindung angewandt wird,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema des Aufbaus einer solchen Vorrichtung,

Fig. 3 clas Schalt schema der erfindungsgemäßen Anordnung, welche es ermöglicht, das Positionierungssignal in einem Inkrement zu erhalten,

Fig. 4- ein Diagramm verschiedener Signale, die in der Anordnung gemäß Fig. 3 kombiniert sind,

Fig. 5 eine schematische Darstellung, in welcher die erfindungsgemäße Anordnung mit der in der Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Anordnung kombiniert ist und

Fig. 6 ein Diagramm derjenigen Spannungen, die im Falle der Fig.5 an den Positionierungsmotor des beweglichen Objektes gelegt werden.

Gemäß Fig. 1 ist ein Elektromotor M drehfest, und aar direkt oder über eine entsprechende Untersetzung, mit einer Scheibe D verbunden, deren Umfang gleiche Sektoren aufweist, die abwechselnd lichtdurchlässig und lichtundurchlässig sind.

Über diese Sektoren beleuchten zwei (nicht dargestellte) punkteförmige Lichtquellen die zwei photoelektrischen Zellen einer Aufnehmeranordnung C, beispielsweise zwei Phototransistoren TA und TB₁ die winkelmäßig um eine ganze gerade Zahl, vermehrt um einen Halbsektor, versetzt angeordnet sind.

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Somit liefern die Aufnehmer zwei Signale, die stets um eine Viertelperiode gegeneinander versetzt sind.

In an sich "bekannter V/eise (J'ig.2) werden die Signale, welche von den Aufnehmern kommen, in einem Zähler EL gezählt und mit einer Zahl verglichen, die in einem Zähler EL· vorhanden ist, um ein Signal zu liefern, welches über einen Verstärker Amp den Motor M speist, bis der Inhalt der Zähler EL und EL, gleich ist, wodurch gewöhnlich das Ausgangssignal des Verstärkers zu null wird.

Gemäß der Erfindung ist diese Anordnung durch eine in der Fig.3 dargestellte Schaltung realisiert, welche es gestattet, exakt in einem Punkt von jedem der Inkremente des Weges anzuhalten, den ein bewegliches Objekt zurücklegt, beispielsweise die Scheibe D.

Die sinusförmigen Signale a und b, welche durch die Phototransistoren TA und TB geliefert werden, sind jeweils an den einen der Eingänge von Operationsverstärkern OA und OB geführt, deren Ausgangssignale A und B eine Phasenverschiebung gegeneinander von 90° aufweisen.

Nachdem die Signale A und B jeweils an die Basis der Transistoren TrA und TrB geführt sind, werden die Ja-N7ein-Signale oder Schwarz-Weiß-Signale ~5t und "Jo erzeugt, die in ihrer Phasenlage jeweils zu den Signalen A und B entgegengesetzt sind.

Durch die Inverter InA und InB werden aus den Signalen «■* und Ά die Signale öl und β erzeugt.

Die Arbeitsweise der Schaltung wird unter Bezugnahme auf die iig. 4- erläutert.

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In Bezug auf die Nullinien 1 und 2 dieser Figur sind die Darstellungen der Signale A und B, in bezug auf die Linien 3 und 4 die Signale $ und fi und in bezug auf die Linien 6 und 8 die Signale oi und /? angegeben.

Das Gatter E. (Fig.3) ermöglicht es, das logische Signal a./9 zu erreichen, und das Gatter Ep gestattet es, das logische Signal .% . /"> zu erhalten.

Gemäß Fig. 5 und 7 entsprechen die auf diese Weise erhaltenen Signale exakt dem ersten und dem letzten Viertel jeder Periode des Signals A.

Diese Signale werden jeweils an analoge Gatter geführt, beispielsweise an die Basis der Transistoren Tr. und Tr₂, deren Kollektoren jeweils durch die Relaisspulen b^ und b~ beaufschlagt sind, deren Arbeitskontakte c. und Cp jeweils vorübergehend ermöglichen, den Punkten X und Z der Schaltung die Spannungen V^, und -V. (siehe Linien 9 und 10 in der Fig.4) zuzufüh- * durch die Potentiometer p,, und Pp jeweils einstellbar sind.

Das Signal /^, welches den zwei mittleren Vierteln jeder Periode des Signals A entspricht, steuert auch ein analoges Gatter, welches durch den Transistor Tr, gebildet ist, und zwar durch die Spule Id₇T und den Kontakt c^, wodurch es möglich wird, den entsprechenden Anteil des Signals A (Linie 11 der Fig.4) am Ausgang des Verstärkers OA am Punkt T der Schaltung zur Anwendung zu bringen.

Die drei Signale werden an den Eingang der analogen Summiereinrichtung SA geführt, so daß man am Ausgang dieser Einrichtung das der Linie oder Zeile 12 in der Fig.4 entsprechende Signal erhält, wenn die Werte V. und -V. korrekt gewählt sind. Diese entsprechen praktisch den Extremwerten der sinusförmigen Spannung und liegen eventuell etwas höher oder etwas tiefer als diese Extremwerte.

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Somit läßt sich, wenn die in den Zählern H,. und Hp enthaltenen Zahlen gleich geworden sind, das "bewegliche Teil oder das bewegliche Objekt exakt in die Mitte des entsprechenden Inkrementenintervalls führen, indem dieses bewegliche Objekt so lange bewegt wird, bis die Spannung am Ausgang der Summiereinrichtung SA gleich null ist.

Dieses Ergebnis läßt sich automatisch erreichen, und zwar mit der Anordnung gemäß Fig. 5» wenn der Motor M ein Stellmotor ist.

In dieser Anordnung hält ein Steuerorgan K, welches auf gleichen Inhalt der Zähler H_x. und H geregelt ist, den Kontakt k,, geschlossen, solange die beiden Inhalte nicht gleich sind, öffnet jedoch den Kontakt k*, indem der Kontakt k~ geschlossen wird, wenn die Inhalte gleich sind. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß das Organ K eine Heiaisspule ist und daß die Kontakte k. und k^ jeweils ein Ruhekontakt und ein Arbeitskontakt dieses Relais darstellen. Selbstverständlich könnten die Steuerkontakte auch elektronisch arbeiten.

Der Kontakt k^, schließt die an sich bekannte Komparatorschaltung, während der Kontakt kp den Ausgang der Summiereinrichtung SA (Fig.5) mit dem Eingang des Verstärkers Amp verbindet.

Die an sich bekannte Komparatorschaltung ermöglicht es, und zwar über den Verstärker Amp, entsprechend der Richtung der Abweichung, die zwischen dem in Hp vorhandenen Wert und dem momentanen Wert des Zählers H^. ausgeglichen werden soll, eine Spannung zu erhalten, welche den Motor in der einen oder der anderen Richtung antreibt.

Wenn diese Abweichung groß ist, befindet sich das Ausgangssignal des Verstärkers auf einem konstanten Pegel (+V oder -V), und die Geschwindigkeit ist maximal.

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Wenn die Abweichung abnimmt, vermindert sich die Spannung in Schritten gr bei jedem entsprechenden Spannungsinkrement, wodurch der Motor¹ verzögert wird.

Wenn das bewegliche Objekt sich seiner Endstellung nähert, indem die Abnahme der Speisespannung des Motoü herbeigeführt wird, welche durch den Pfeil f^ angegeben ist, und zwar nach der erfindungsgemäßen Schaltung, so wird dann, wenn die Abweichung gleich null geworden ist, die Spannung an den Klemmen des Motors noch gleich +V_x, sein, und der Motor setzt seine Drehung fort, bis die Spannung zu null geworden ist, wodurch das bewegliche Objekt exakt in die Mitte des gewünschten Intervalls gebracht wird.

Wenn (gemäß Pfeil f₂) der Ausgleich der Zählerinhalte durch Veränderung in der Richtung des Pfeils fo erreicht wird, so ist die Spannung an den Klemmen des Motors in diesem Moment gleich -V., und in der anderen Richtung führt der Motor das bewegliche Objekt bis an die Stelle, an welche die Mitte des gewünschten Inkrementes erreicht ist, d.h., er führt das bewegliche Objekt genau an denselben Punkt wie oben.

Die Spannung V^, kann verhältnismäßig hoch sein, wenn das Inkrement klein ist, wobei die Neigung in der Mitte des Kurvenabschnittes groß sein kann, so daß die Schaltung unter Spannung bleibt, und zwar in der Weise, daß das bewegliche Objekt mit großer Kraft in die Mittelstellung in bezug auf das ausgewählte Inkrement gebracht wird oder dort gehalten wird, wenn die lendenz besteht, daß es diese Lage verlassen will. Man erreicht somit eine genaue und zuverlässige Positionierung.

Weiterhin ist es möglich, die Inkremente einzeln in den Zähler IU einzugeben. Der Motor M arbeitet dann als Schrittmotor, und die Genauigkeit der Positionierung ist durch den optischen Aufnehmer gegeben, d.h., sie entspricht der Genauigkeit der Inkre-

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mententeilung. Im übrigen kann das Überschreiten einer Stufe dadurch erreicht werden, daß die entwickelte Leistung oder Energie jedesmal eingestellt wird, und zwar durch entsprechende Wahl von Yy, und einer entsprechenden Motorleistung« Außerdem kann die Anzahl der Stufen oder Schritte für eine Umdrehung der Scheibe D sehr groß gewählt werden, beispielsweise mit 5000 Schritten pro Umdrehung.

Dadurch wird es möglich, beispielsweise zwischen mehreren drehbaren Organen eine Verbindung zu schaffen, die als "elektrische Welle" zu bezeichnen ist, bei welcher die Stellungen der einander zugeordneten drehbaren Organe in jedem Zeitpunkt synchronisiert ist.

Es ist auch möglich, einen Motor durch eine digitale Steuerung so weit zu drehen, bis eine genaue Positionierung eines beweglichen Objektes erreicht ist, beispielsweise bei einem Zeichentisch oder einem sogenannten Plotter, der durch einen Rechner steuerbar ist.

Schließlich läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen anwenden.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.j Digitale Positionierungseinrichtung für ein bewegliches Objekt, ^-' dessen Weg in eine Folge von Inkrementen unterteilt ist, welche durch die Bewegung von zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Aufnehmern abtastbar sind, welche beim Durchgang jedes Inkrementes sinusförmige periodische Signale erzeugen, dadurch gekennz ei chnet, daß aus den Signalen der Aufnehmer ein solches Signal erzeugt wird, welches in zwei benachbarten Abschnitten dieser Periode sich in kontinuierlicher Weise in derselben Richtung ändert und durch einen Sollwert geht, während diesseits und jenseits der Abschnitte dieses Signal von diesem Sollwert verschieden bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t, daß die zwei benachbarten Abschnitte aufeinanderfolgen und daß das- Signal (y) sich kontinuierlich ändert, wenn der Sollwert überschritten wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diesseits und jenseits der Abschnitte, wo das Signal sich ändert, dieses Signal einen konstanten Wert beibehält.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß die Periode in vier gleiche Abschnitte geteilt ist, daß sich das Signal in kontinuierlicher Weise von einem seiner Extremwerte zum anderen ändert, indem es während zwei aufeinanderfolgender Viertelperioden durch null geht und wenigstens gleich einem dieser Extremwerte in dem Eest der Periode bleibt.

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5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Viertelperioden die mittleren Viertel der Periode sind und daß jeder der zwei Extremwerte in dem einen und dem anderen der zwei übrigen Viertelperioden gehalten wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Signal symmetrisch ist und daß die Extremwerte zueinander entgegengesetzt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer sinusförmige Signale erzeugen, daß diese Signale in Schwarz-Weiß-Signale umgeformt werden und in die entsprechenden invertierten Signale, welche in Koinzidenzgattern miteinander kombiniert werden, wodurch die Steuersignale für analoge Gatter gebildet werden, von denen das eine während zwei aufeinanderfolgender Viertelperioden den Durchgang eines Teils von einem dieser sinusßrmigen Signale mit geeigneter Verstärkung ermöglicht, und zwar eines solchen Teils, in dessen Verlauf das Signal sich ständig in einer bestimmten Richtung ändert und daß wenigstens ein weiteres den Durchgang eines Signals mit konstantem Wert ermöglicht, welcher wenigstens einem Extremwert des verstärkten sinusförmigen Signals entspricht.

8. Anwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf die digitale Steuerung zur Verlagerung eines beweglichen Objektes über einen Stellmotor, welcher das durch die Vorrichtung erzeugte Signal aufnimmt.

9. Anwendung gemäß Anspruch 8 auf einen Schrittmotor, der für jede Umdrehung eine Vielzahl von Haltepositionen aufweist.

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