DE2420285C3 - Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Stellglieds - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Stellglieds

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines in einer Ein- oder Mehrkoordinatensteuerung angeordneten Stellglieds, durch das ein längs einer vorgegebenen Bahn zu verschiebendes Element in einer Koordinatenrichtung bewegbar ist, wobei je Koordinatenachse ein Lagesollwertgeber und ein Vorschubsollwertgeber vorhanden sind, die taktweise digitale Lage· und Vorschubsollwerte ausgeben, von denen die letzteren in eine Impulsfolge umwandelbar sind.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (DE-AS 29 592). Sie wird für die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen verwendet, deren Werkzeugträger bzw. Werkstück nach einem Steuerprogramm, das auf einem Lochstreifen aufgezeichnet ist, längs gewünschter Bahnen verschoben werden. Auf dem Lochstreifen sind in kodierter Form die Stützpunkte einer Bearbeitungskontur für das Werkstück, die resultierende Verfahrensgeschwindigkeit für das Werkstück bzw. das Werkstück sowie Schaltbetehle für einzelne Elemente der Arbeitsmaschine aufgezeichnet.
Mittels Interpolatoren werden aus den Stützpunkten als Sollwerte Impulsfolgen erzeugt, die den einzelnen Achsen zugeordneten Lageregelkreisen zugeführt werden, in denen aus den Soll- und den Istwerten der Lage des Werkstücks Regelabweichungen gebildet werden, die über Digital-Analog-Wandler die Antriebsmotoren für die einzelnen Achsen beeinflussen.
Bei einer weiteren bekannten digitalen Ste'igbahnsteuerung für Werkzeugmaschinen, die digital arbeiten- de Wegmeßeinrichtungen und Interpolatoren für die Erzeugung von Impulsfolgen als Sollwerte enthält, wird bei Annäherung des Werkzeugs bzw. Werkstückträgers an den Bahnendpunkt die Impulsfrequenz eines Oszillators kontinuierlich verringert mit dem die Ausgabeimpulsfolgen für die einzelnen Antriebsachsen herabgesetzt werden (DE-AS 12 51 411).
Diese bekannten numerischen Steuerungen setzen die digitalen Regelabweichungen nahezu linear in analoge Spannungen um. Zwischen der Lageregelab weichung und der Vorschubgeschwindigkeit besteht somit 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. Daraus ergeben sich lange Anfahrzeiten.
Es ist auch bereits eine Vorrichtung mit einem
Phasendetektor bekannt der Ausgangsimpulse erzeugt deren Dauer ein Maß für den Phasenunterschied zwischen einer Eingangsimpulsfolge und einer von einem spannungsgestuuerten Oszillator abgegebenen Impulsfolge ist Die Ausgangsimpulse des Phasendetek tors werden einer weiteren Phasenvergieichsschaltung zugeführt die Bestandteil eines Regelkreises für die Anpreßkraft eines Magnetbands ist (GB-PS 9 40 449).
Bekannt ist schließlich eine Schaltungsanordnung mit einem auf die Frequenz einer Eiiigangsimpulsfolge zwangssynchronisierten Oszillator, der den Sollwert für einen Drehzahlregelkreis abgibt Kurzzeitige Schwankungen der Frequenz der Eingangsimpulsfolge wirken sich bei dieser Anordnung nicht auf die vom Oszillator abgegebene Frequenz aus (DE-AS 19 09 430).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß Bahnpunkte mit sehr großer Genauigkeit in möglichst kurzer Zeit angefahren werden können.
so Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Impulsfolge einem Regelkreis zur Zwangssynchronisierung eines spannungsabgestimmten Oszillators auf die Frequenz der Impulsfolge zuführbar ist, dem ein Impulse verarbeitendes Stellglied oder Impulsumwandlungsschaltungen für ein analoge Signale verarbeitendes Stellglied nachgeschaltet sind, und daß die Zeitkonstante des Regelkreises auf die maximale zulässige Beschleunigung und Bremsung des Stellglieds abgestimmt ist
Mit dieser Anordnung wird bei einer sprungförmigen Erhöhung der Regelabweichung, wie sie in numerischen Steuerungen nach Vorgabe neuer Lagesollwerte eintritt, die von der Drehzahl des Stellglieds abhängige Vorschubgeschwindigkeit linear bis zum maximal
h1) vorgesehenen Wert erhöht, der so lange aufrechterhalten wird, bis eine bestimmte Schwelle der Regelabweichung unterschritten wird. Danach wird die über das Stellglied einstellbare Vorschubgeschwindigkeit linear
vermindert, bis der vorgegebene Bahnpunkt erreicht ist Die Anordnung ermöglicht daher eine zeUoptimale Wegregelung, Darüber hinaus werden Schwingungen des Stellglieds beim Ändern des Vorschubwerts und beim Abbremsen weitgehend unterdrückt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Regelkreis ein Zähler und ein Phasenzähler nachgeschaltet sind, daß der Phasenzähler die Statorwicklungen eines Schrittmotors speist und daß der Inhalt des Zählers mit dem Inhalt eines Lagesollwertregisters vergleichbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis eine Steuerschaltung für die Ausgabe der Vorschub- und Lagesollwerte betätigbar ist Mit dieser Anordnung ist ein sehr genaues Anfahren eines vorgegebenen Bahnpunkts möglich. Der schaltungstechnische Aufwand zur Steuerung des Stellglieds ist gering.
Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß der Regelkreis mit einem Wegzähler, der an eine Steuereinheit angeschlossen ist und mit einer Soll-Istwert-Vergleichsschaltung verbunden ist deren Istwsrteingang 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 zuführbar ist
Die Integrationszeitkonstante kann auf die Gegebenheiten des jeweiligen Lageregelkreises abgestimmt werdea Unter Berücksichtung der Nenndaten des Stellglieds, der zu beschleunigenden Massen und der maximal zulässigen Beschleunigung und Bremsung des Stellglieds kann ein optimaler Verlauf der Rampenfunktion eingestellt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Steuerung für ein Stellglied mit einem Schrittmotor,
Fig.2 ein Blockschaltbild einer Steuerung für ein Stellglied, dem ein Drehzahlregelkreis vorgeschaltet ist
F i g. 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.
Eine an sich bekannte Steuerschaltung 1 erhält die Daten eines Steuerprogramms von einem nicht näher dargestellten Lesegerät. 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 zugeführt. In Fig. 1 ist die Steuerung für eine Koordinate dargestellt. Die Steuerung für jeweils eine Koordinate enthält ein Vorschubsollwertregister 2 und ein Lagesollwertregister 3, die an die Steuerschaltung 1 so angeschlossen sind. Vorschub- und Lagesollwerte werden in digitaler Form in den Registern 2 und 3 gespeichert.
Mit den Ausgängen des Vorschubsollwertregisters 2 ist ein Sieb-Muliip'izierer 4 verbunden, der an eine ι,ϊ Frequenzunterteilerschaltung 5 angeschlossen ist, die von einem Oszillator 6 gespeist wird. Der Ausgang des Sieb-Miiltiplizierers 4 steht mit einem Regelkreis 7 zur Zwangssynchronisierung eines spannungsabgestimmten Oszillators auf die Frequenz der dem Eingang zugeführten Impulsfolge in Verbindung, Der Regelkreis
7 speist einen Zähler 8, der eine nicht näher dargestellte Vergleichsstufe enthält durch die der Inhalt des Zählers
8 und der Inhalt des Lagesollwertregistsrs 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
Der Phasenregelkreis 7 ist mit einem Phasenzähler 10 verbunden, der die Impulse an seinem Eingang auf fünf Ausgangsleitungen 11, 12, 13, 14, 15 aufteilt die über nicht näher bezeichnete Phasenstromregelkreise an die fünf Phasen eines Schrittmotors 16 angeschlossen sind, der als Stellglied das zu verschiebende Element antreibt
Der Regelkreis 7 enthält einen Phasenkomparator 17, dessen einer Eingang 18 von der Frequenzunterteilerschaltung S gespeist wird. Mit dem Phasenkomparator 17 ist ein Tiefpaß 19 verbunden, dei -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 Phaseniomparators 17 und andererseits den Phasenzähler 10 und den Zähler 8 speist
Wird von der Steuerschaltung 1 ein neuer Vorschubsollwert und ein neuer Lagesollwert, in die Register 2 und 3 eingegeben, dann multipliziert der Sieb-Multiplizierer 4 die an seinem Eingang anstehende Frequenz mit der im Vorschubsollwertregister 2 vorhandenen Zahl. Am Ausgang des Sieb-Multiplizierers 4 steht somit eine Impulsfolge zur Verfügung, deren Frequenz der Vorschubsollgeschwindigkp.it proportional ist Der Regelkreis 7 ist nach der Vorgabe einer neuen Frequenz noch nicht zwangssynchronisiert Daher steigt die Frequenz der Impulsfolge am Ausgang des Oszillators so lange linear an, bis die Frequenz der Eingangsunpulsfolge erreicht ist In der Ausgangsspannung des Phasenkomparators 17 ist eine Gleichspannungskonv ponente enthalten. Der Tiefpaß 19 wirkt bezüglich der Gleichspannungskomponente als Integrator. Die Zeitkonstante dieser Integrationsschaltung bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit der Frequenz. Die Zeitkonstante kann durch Veränderung der Werte des Widerstands oder des Kondensators auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Während des linearen Anstiegs der Frequenz am Ausgang des spannungsabgestimmten Oszillators 21 erhöht sich auch die Drehzahl der Schrittmotors 16 linear. Wenn die Frequenz am Ausgang des Regelkreises 7 mit der Frequenz des Signals am Ausgang des Sieb Misltiplizierers 4 übereinstimmt läuft der Schrittmotor 16 mit einer dem Vorschubsollwert entsprechenden Drehzahl.
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 eier Leitung 9, durch das über die Steuerschaltung 1 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 zurück. Während des Rückgangs der Frequenz vermindert sich die Drehzahl des Motors 16 ebenfalls linear. Das Werkzeug läuft daher mit linear abnehmender Geschwindigkeit auf den gewünschten Bahnpunkt zu.
Wenn die Drehzahl des Stellmotors 16 auf den Wert Null abgesunken ist, hat das Werkzeug den vorgegebenen Lagesollwert erreicht. Den Verlauf der Geschwindigkeit V in Abhängigkeit von der Größe der Regelabweichung X» bei einer sprunghaften Änderung des Lagescllwerts ist in F i g. 3 gezeigt.
Durch ein Signal auf einer Leitung 23, die zwischen der Steuerschaltung 1 und der Frequenzunterteilungsschaltung 5 verläuft, ist es möglich, die Frequenz der Impulsfolge am Ausgang der Schaltung 5 in Stufen einzustellen. Es können z. B. zwei verschiedene Frequenzen vorgesehen sein, von denen eine der bei der Bearbeitung zweckmäßigen Vorschubgeschwindigkeit und die andere einem Eilgang zugeordnet ist, der dazu dient, das Werkzeug zu Beginn der Bearbeitung aus einer Ruhestellung schnell in eine Arbeitsstellung zu bringen.
Die in Fig. 2 dargestellte Steuerschaltung enthält
einem Verstärker 32 gespeist wird, dem ein Summier punkt 33 vorgeschaltet ist, dem von dem Digital/Ana log-Wandler 28 der Sollwert und von einem Tachogene rator 34 der Drehzahlistwert zugeführtwird.
Unter der Kontrolle der Steuereinheit 24 erfolgt da! Einlesen von Daten aus einem Programmträger in das Register 25. Vom Einleseregister 23 gelangen die Daten die sich auf den Vorschubsollwert beziehen, in da; Register 2. Die Steuereinheit 24 bestimmt den Zeitpunk
ίο der Abgabe des Vorschubsollwerts an den Sieb-Multi plizierer 4 sowie die Einstellung des Untersetzungsver hältnisses an der Frequenzunterteilungsschaltung 5. Dit vom Phasenregelkreis 7 abgegebenen Vorschubimpulse werden im Wegzähler 26 aufsummiert. Aus dem Inhal des Wegzählers 26 läßt sich mittels der Steuerschaltung 24 der noch vom Stellglied 30 zurückzulegende Weg ermitteln.
In der Soll-Istwert-Vergleichsschaltung 27 wird aus
verbunden ist, in das die Befehle des Steuerprogramms nach dem Auslesen aus einem nicht näher dargestellten Aufzeichnungsträger gelangen. Die Vorschubsollwerte werden in das Vorschubsollwertregister 2 übertragen, dessen Ausgänge mit dem Sieb-Multiplizierer 4 verbunden sind. Der Oszillator 6, die Frequenzunterteilerschaltung 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. I. Der Regelkreis 7 speist einen Wegzähler 26, der mit der Steuereinheit 24 verbunden ist. Weiterhin ist der Phasenregelkreis 7 an eine Soll-Istwert-Vergleichsclialtung 27 angeschlossen. Der Eingang der Vergleichsschaltung 27 für 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 2Π wertgebers 31, bei dem es sich um einen Winkelkodieret handeln kann, die Regelabweichung gebildet, die im Digital/Analog-Wandler 28 in eine analoge Spannung umgewandelt wird, die dem Drehzahlregelkreis 29 al 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 gelöscht 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;
1. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines in einer Ein- oder Mehrkoordinatensteuerung angeordneten Stellglieds, durch das ein längs einer vorgegebenen Bahn zu verschiebendes Element in einer Koordinatenrichtung bewegbar ist, wobei je Koordinatenachse ein Lagesollwertgeber und ein Vorschubsollwertgeber vorhanden sind, die taktweise digitale Lage- und Vorschubsollwerte ausgeben, von denen die letzteren in eine Impulsfolge umwandelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge einem Regelkreis (7) zur Zwangssynchronisierung eines spannungsabgestimmten Oszillators auf die Frequenz der Impulsfolge zuführbar ist, dem ein Impulse verarbeitendes Stellglied (10,16) oder Impulsumwandlungsschaltungen (27,28.32) für ein analoge Signale verarbeitendes Stellglied (30) nachgeschaltet sind, und daß die Zeitkonstante des Regelkreises (7) auf die maximale zulässige Beschleunigung und Bremsung des Stellglieds abgestimmt ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regelkreis (7) ein Zähler (U) und ein Phasenzähler (10) nachgeschaltet sind, daß der Phasenzähler die Statorwicklungen eines Schrittmotors (16) speist und daß der Inhalt des Zählers (8) mit dem Inhalt eines Lagesollwertregisters (3) vergleichbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis eine Steuerschaltung (1) für die Ausgabe der Vorschub- und Lagesollwerte !·etätigbar ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkrc^ (7) mit einem Wegzähler (26), der an eine Steuereinheit (24) angeschlossen ist, und mit einer Soll-Istwert-Vergleichsschaltung (27) verbunden ist, deren Istwerteingang an einen mit dem Stellglied (30) verbundenen Meßwertgeber (31) angeschlossen ist und daß der Soll-Istwert-Vergleichsschaltung (27) ein Digital/ Analog-Wandler (28) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal einem Drehzahlregelkreis (29) für das Stellglied (30) zuführbar ist
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