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Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Stellglieds Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines in einer Ein-
oder MelBrkoordinatensteuerung angeordneten Stellglieds, durch das ein längs einer
vorgegebenen Bahn zu verschiebendes Element in einer Koordinatenrichtung bewegbar
ist, wobei je Koordinatenachse ein Lagesoliwertgeber und ein Vorschubsoliwertgeber
vorhanden sind, von denen Lage- und Vorschubsoliwerte digital und taktweise ausgegeben
werden.
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Eine derartige Vorrichtung ist bekannt. Sie wird bei der numerischen
Steuerung von Arbeitsmaschinen eingesetzt, deren Bearbeitungswerkzeug nach einem
Steuerprogramm, das auf einem Datenträger aufgezeichnet ist, längs einer gewiinschten
Bahn verschoben wird. Das Steuerprogramm enthält in kodierter Form die Stiitzpllnkte
einer Bearbeitungskontur fiir ein Werkstück, die Verfahrgeschwindigkeit des Werkzeugs
in den einzelnen zii durchlaufenden Wegabschnitten sowie Schaitbefehle fiir einzelne
Elemente der Arbeitsmaschine.
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Die Stiitzwerte der vorgegebenen Bahn werden einem Inneninterpolator
zugefiihrt, der als Sollwerte eine zwischen beiden Punkte liegende Punktfolge errechnet.
Der Interpolator gibt die errechnete Punkt folge den jeweils einer
Koordinate
zugeordneten Lageregeikreisen vor, in denen aus dem Soll- und dem Istwert der Lage
des Bearbeitungswerkzeugs eine Regelabweichung errechnet wird, die über einen Digital-Analog-Wandler
einem unterlagerten Drehzahlregelkreis zugefiihrt wird (DT-PS 17 63 466).
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Damit ein vorgegebener Sollwert der Bahnkurve in möglichst kurzer
Zeit vom Werkzeug erreicht wird, ist eine zeitoptimale Wegregelung erforderlich.
Die Antriebe fiir das Werkzeug werden bei einer derartigen Wegregelung mit hoher
Beschleunigung auf eine maximalzulässige Vorschubgeschwindigkeit gebracht, die solange
aufrecht erhalten wird, bis nach Unterschreiten einer bestimmten Schwelle der Regelabweichung
die Antriebe einer größtmöglichen Bremsbeschleunigung ausgesetzt werden. Der Sollwert
wird dabei nai einem kurzen Bremsweg erreicht. Die bekannte Anordnung setzt die
digitalen Regelabweichungen nahezu linear in analoge Spannungen um. Zwischen der
Lageregelabweichung und der Vorschubgeschwindigkeit besteht daher eine lineare Proportionalabweichung.
Bei einer sprungförmigen Zunahme der Regelabweichung, wie sie durch die Vorgabe
neuer Sollwerte eintritt, stellt sich aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen
Vorschubgeschwindigkeit und Regelabweichung ein exponentiell verlaufender Abbau
der Regelabweichung in Abhängigkeit von der Zeit ein. Wenn Bahnpunkte mit großer
Genauigkeit angefähren werden sollen, ergeben sich bei den bekannten Anordnungen
unerwiinscht lange Anfahrzeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß bei kurzer Anfahrzeit Bahnpunkte mit sehr
großer Genauigkeit angefahren werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß je Koordinatenachse
der Vorschubsollwert in einem Sieb-Multiplizierer in eine rmpulsfolge umwandelbar
ist, die einem Regelkreis zur Zwangssynchronisierung eines spannungsabgestinaten
Oszillators auf die Frequenz der Impulsfolge
zuführbar ist, daß
die Zeitkonstante des Regelkreises auf einen gewünschten Wert einstellbar ist und
daß mit dem Ausgangssignal des Regelkreises ein Stellglied beaufschlagbar ist. Mit
dieser Anordnung wird bei einer sprungförmigen Erhöhung der Regelabweichung die
von der Drehzahl des Stellglieds abhängige Vorschubgeschwindigkeit linear bis zum
maximal vorgegebenen Wert erhöht. Nach genügender Verringerung der Regelabweichung
wird die über das Stellglied einstellbare Vorschubgeschwindigkeit linear vermindert
bis der vorgegebene Bahmpunkt erreicht ist. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung
werden überdies Schwingungen des Stellglieds beim Ändern des Vorschubwerts und beim
Abbremsen weitgehend unterdriickt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Regelkreis
ein Zähler und ein Phasenzähler nachgeschaltet sind, daß der Phasenzahler die Statorwicklungen
eines Schrittmotors speist und daß der Inhalt ds Zählers mit dem Inhalt eines Lagesollwertregisters
vergleichbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis eine Steuerschaltung
für die Ausgabe der Vorschub- und Lagesollwerte betätigbar ist.
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Mit dieser Anordnung ist ein sehr genaues Anfahren eines vorgegebenen
Bahnpunkts möglich. Der schaltungstechnische Aufwand zur Steuerung des Stellglieds
ist gering.
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Eine zweckmäßige Ausfiihrungsform hesteht darin, daß der Regelkreis
mit einem Wegzähler, der an eine Steuereinheit angeschlossen ist, und mit einer
Soll-Istwert-Vergleichsschaltung verbunden ist, deren Istwerteingang an einen mit
dem Stellglied verbundenen Meßwertgeber angeschlossen ist, und daß der Soll-Istwert-Vergleichsschaltung
ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einem Drehzahlregelkreis
für das Stellglied zufiihrbar ist.
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Mit dieser Anordnung wird bei analog arbeitenden Lagerregeikreisen
eine minimale Zeit auf eine sprunghafte Änderung des Lagesollwerts zum Bremsen und
Beschleunigen benötigt.
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Die Integrationszeitkonstante kann auf die Gegebenheiten des jeweiligen
Lageregelkreises abgestimmt werden. Unter Beriicksichtigung der Nenndaten des Stlllids,
der zu beschleunigenden Massen Imd der maximal zulässigen Beschleunigung und Bremsung
des Stellglieds kann ein optimaler Verlauf der Rampenfunktion eingestellt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten
Ausfiihrungsbei spielen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuerung für ein Stellglied
mit einem Schrittmotort Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuerung für ein Stellglied,
dem ein Drehzahlregelkreis vorgeschaltet ist> Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen
Verlaufs der von der Drehzahl des Stellglieds abhängigen Vorschubgeschwindigkeit,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Regelkreises zur Zwangssynchronisierung eines spannungsabgestimmten
Oszillators auf eine Impulsfolge.
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Eine an sich bekannte Steuerschaltung 1 erhält die Daten eines Steuerprogramms
von einem nicht näher dargestellten Lesegerät.
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Durch die Steuerschaltung werden die Koordinaten der von einem Werkzeug
anzufahrenden Bahnpunkte berechnet. Ferner errechnet die Steuerschaltung die bei
der Bewegung des Werkzeugs zwischen zwei Bahnpunkten vorgesehene Vorschubgeschwindigkeit.
Die Bahnpunkte und die Vorschubgeschwindigkeiten werden, nach Koordinaten getrennt,
den je Koordinate vorhandenen Stellgliedern zugefiihrt. In Fig. 1 ist die Steuerung
fiir eine Koordinate dargestelt. Die Steuerung für jeweils eine Koordinate enthält
ein Vorschubsollwertregister 2 und ein Lagesollwertregister 3, die an die Steuerschaltung
1 angeschlossen sind. Vorschub- und Lagesollwerte werden in digitaler Form in den
Registern 2 und 3 gespeichert.
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Mit den Ausgängen des Vorschubsollwertregisters 2 ist ein Sieb-Multiplizierer
4 verblmden, der an eine Freqllenzunterteilerschaltung 5 angeschlossen ist, die
von einem Oszillator 6 gespeist wird. Der Ausgang des Si eb-Multiplizierers 4 steht
mit einem Regelkreis 7 zur Zwangssynchronisierung eines spann11ngsabgestimmten Oszillators
auf die Frequenz der den Eingang zuzefjjhrten Impulsfolge in Verbindung. Der Regelkreis
7 speist einen Zähler 8, der eine nicht näher dargestellte Vergleichsstufe enthält,
dadurch die der Inhalt des Zählers 8 und der Inhalt des Lagesollwertregisters 3
miteinander verglichen werden. Bei einer einstellbaren Beziehung zwischen den Inhalten
wird ein Signal auf eine Leitung 9 gegeben, die an die Steuerschaltung 1 angeschlossen
ist.
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Der Phasenregelkreis 7 ist mit einem Phasenzähler 10 vorhunden, der
die Impulse an seinem Eingang aiif fiinf Ausgangs leitungen 11, 12 13, 14, 15 aufteilt,
die iiher nicht näher bezei chnete Phasenstromregekrei s an die fiinf Phasen eines
Schrittmotors i6 angeschlossen sind, der als Stellglied das zu verschiehende Element
antreibt.
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Der Regelkreis 7 enthält einen Phasenkomparator 17, dessen einer Eingang
18 von der Frequenzunterteilerschaitung 5 gespeist wird. Mit dem Phasenkomparator
17 ist ein Tiefpaß 19 verbunden, der einen nicht näher bezeichneten Widerstand und
einen einstellbaren Kondensator 20 aufweist. Der Tiefpaß 19 ist an einen spannungskontrollierten
Oszillator 21 angeschlossen, dessen Ausgang einerseits einen zweiten Eingang 22
des Phasenkomparators 17 Imd andererceits den Phasenzähler 10 und den Zähler 8 speist.
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Wird von der Steuerschaltung 1 ein neuer Vorschubsollwert iind ein
neuer Lagesoliwert in die Register 2 iind 3 eingegeben, dann multipliziert der Sieb-Multiplizierer
4 die an seinem Eingang anstehende Frequenz mit der im VorschiIbsollwertregister
2 vorhandenen Zahl. Am Ausgang des Sieb-Multiplizierers 4
steht
somit eine Impulsfolge zur Verfügung, deren Frequenz der Vorschubsollzeschwi ndigkei
t proportional ist. Der Regelkreis 7 ist nach der Vorgabe einer neigen Frequenz
noch nicht zwangssynchronisiert. Daher steigt die Frequenz der Impulsfolge am Ausgang
des Oszillators so Zange linear an, bis die Frequenz der Eingangsimpulsfolge erreicht
ist. In der Ausgangsspannung des Phasenkomparators 17 ist eine G1 eichspannungskomponente
enthalten. Der Tiefpaß 19 wirkt bezüglich der falei chspannlmgskomf)onente als Integrator.
Die Zeitkonstante di eser Integrationsschaltung bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit
der Frequenz. Die Zeitkonstante kann durch Veränderung der Werte des Widerstands
oder des Kondensators auf einen gewijnschten Wert eingestellt werden.
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Während des linearen Anstiegs der Frequenz am Ausgang des spannungsabgestimmten
Oszillators 21 erhöht sich aiich die Drehzahl des Schrittmotors 16 linear. Wenn
die Frequenz am Ausgang des Regelkreises 7 mit der Frequenz des Signals am Ausgang
ds Sieb-Multiplizierers 4 iibereinstimmt, läuft der Schrittmotor 16 mit einer dem
Vorschubsollwert entsprechenden Drehzahl.
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Über den Zähler 8 und das Lagesollwertregister 3 läßt sich der vom
Werkstück noch zurückzulegende Wert berechnen. Bei einem bestimmten Grenzwert entsteht
ein Signal auf der Leitens 9, durch das iiber die Steuerschaltung l das Vorschubsollwertregister
2 gelöscht wird. Der Sieb-Multiplizierer 4 gibt danach an seinem Ausgang keine Impulsfolge
mehr ab. Daher fällt die Frequenz der Impulsfolge am Ausgang des Regelkreises 7
linear auf den Wert null zurfick. Während des Rü.ckangs der Frequenz vermindert
sich die Drehzahl des Motors 16 ebenfalls linear. Das Werkzeug läuft daher mit linear
abnehmender Geschwindigkeit aiif den gel.riinschten Bahnpunkt .zu . Wenn die Drehzahl
des Stellmotors 16 aiif den Wert niill. abgesirnken ist, hat das Werkzeug den vorgegebenen
Lagesollwert erreicht. Den Verlauf der Geschwindigkeit V in Aghängigkeit von der
Größe der Regelabweichung X hei einer sprunghaften Änderung des Lagesollwerts w
ist
in Fig. 3 gezeigt.
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Durch ein Signal auf einer Leitung 23, die zwischen der Steuer schaltung
1 und der Frequenzlmterteilllngeschaltung 5 verläuft, ist es möglich, die Frequenz
der Impulsfolge am Ausgang der Schaltung 5 in Stufen einzustellen. Es können z.B.
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zwei verschiedene Frequenzen vorgesehen sein, von denen eine der bei
der Bearbeitung zweckmäßigen Vorschuhgeschwindi gkeit und die andere einem Eilgang
zugeordnet ist, der dazu dient, das Werkzeug zu Beginn der Bearbeitung aus einer
Ruhestellung schnell in eine Arbeitsstellung Zll bringen.
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Die in Fig. 2 dargestellte Steuerschaltung enthält eine Steuereinheit
24, die mit einem Einleseregister 25 verbunden ist, in das die Befehle des Steuerprogramms
nach dem Auslesen aus einem nicht näher dargestellten Aufzeichnungsträger gelangen.
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Die Vorschubsollwerte werden in das Vorschubsollwertregister 2 übertragen,
dessen Ausgange mit dem Sieb-Multiplizierer 4 verbunden sind. Der Oszillator 6,
die Frequenzlmterteilerschaltllng 5, der Sieb-Multiplizierer 4, der Regelkreis 7
und die Steuerleitung 23 sind bei der in Fig. 2 dargestellten Steuerschaltung in
gleicher Weise vorhanden und miteinander verbunden wie bei der Anordnung gemäß Fig.
1. Der Regelkreis 7 speist einen Wegzahler 26, der mit der Steuereinheit 24 verbunden
ist. Weiterhin ist der Phasenregelkreis 7 an eine Soll-Istwert-Vergleichsschaltlmg
27 angeschlossen. Der Eingang der Vergleichsschaltung 27 fiir den Istwert steht
mit einem Meßwertgeber 31 in Verbindung. Der Meßwertgeber 31 wird von dem Stellglied
30 angetrieben, das in einem Drehzahlregelkreis 29 angeordnet ist. Als Stellglied
30 kann ein Gleichstrommotor vorgesehen sein,der von einem Verstärker 32 gespeist
wird, dem ein Summierpunkt 33 vorgeschaltet ist, dem von dem Digital/Analog-Wandler
28 der Sollwert und von einem Tachogenerator 34 der Drehzahlistwert zugeführt wird.
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TJnter der Kontrolle der Steuereinheit 24 erfolgt das Einlesen von
Daten aus einem Programmträger in das Register 25. Vom Einleseregister 25 gelangen
die Daten, die sich auf den Vorschubsollwert beziehen, in das Register 2. Die Steuereinheit
24 bestimmt
den Zeitpunkt der Abgabe des Borschubsollwerts an den
Sieb-Multiplizierer 4 sowie die Einstellung des Untersetzungsverhältnisses an der
Frequenzunterteilerschaltung 5. Die vom Phasenregelkreis 7 abgegebenen Vorschubimpulse
werden im Wegzähler 26 aufsummiert. Aus dem Inhalt des Wegzählers 26 läßt sich mittels
der Steuerschaltung 24 der noch vom Stellglied 30 zurückzulegende Weg ermitteln.
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In der Soll-Istwert-Vergleichsschaltung 27 wird aus den Vorschubimpulsen
und dem Meßwert des Meßwertgebers 31, bei dem es sich um einen Winkelkodierer handeln
kann, die Regdabweichung gebildet, die im Digital/Analog-Wandler 28 in eine analoge
Spannung umgewandelt wird, die dem Drehzahlregelkreis 29 als Sollwert zugeführt
wird. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung verhält sich bei einer sprunghaften Erhöhung
des Lagesollwerts, der in das Register 25 eingegeben wird, bezüglich der Geschwindigkeit
des Stellglieds 30 in gleicher Weise wie die Schaltung gemäß Fig. 1. Die Steuereinheit
24 ermittelt über den Inhalt des Wegzählers 26 den Zeitpunkt, zu dem der Inhalt
des Vorschubsollwertregisters 2 gelänfrt wird. Der Sieb-Multiplizierer 4 gibt danach
an seinem Ausgang keine Frequenz mehr ab. Daher nimmt die Frequenz der Impulsfolge
am Ausgang des Phasenregelkreises 7 linear auf den Wert null ab. Die Drehzahl des
Stellglieds 30 vermindert sich beim Rückgang der Frequenz ebenfalls linear bis zum
Stillstand. Im Stillstand wird der gewünschte Bahnpunkt erreicht.