DE2423196B2 - Servo-positioniereinrichtung fuer eine numerische werkzeugmaschinensteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Servopositioniereinrichtung für eine numerische Werkzeugmaschinensteuerung mit einem Antriebsmotor, mit einem von diesem bewegten Drehmelder, mit einem Taktgeber einer vorgegebenen Arbeitsfrequenz und mit einer einen Phasendiskriminator aufweisenden Regelschleife, welehe einerseits vom Drehmelder her mit Ist-Stellungssignalen beaufschlagt wird und andererseits vom Taktgeber her mit Referenz-Stellungssignalen beaufschlagt wird und welche das Steuersignal für den Antriebsmotor bereitstellt, wobei der Drehmelder ebenfalls mit der Arbeitsfrequenz beaufschlagt wird.

In der Industrie sind seit vielen Jahren numerische Steuerungen bekannt, die für den Betrieb verschiedener Anlagen, wie Fräs- und Zeichenmaschinen eingesetzt werden. Bei einer normalen numerischen Steuerung werden Stellungsbefehle von einem Datenträger, beispielsweise einem Lochstreifen, abgelesen und als eines von zwei Eingangssignal einem Servo-Regelkreis zugeführt. Der Servo-Regelkreis erzeugt ein Fehlersignal für die augenblickliche Abweichung zwisehen der Sollstellung und der Iststellung des gesteuerten Elements. Dieses Fehlersignal wird dann dem Antrieb der Positioniersteuerung in einer solchen Weise eingespeist, daß diese den Fehler gegen Null fährt. Meist wird ein Servo mit hohem Verstärkungsgrad verwendet, dessen Stellungsfehler sehr gering ist, d. h. bei dem die körperlich-mechanische Abweichung zwischen der Sollstellung und der iststellung des gesteuerten Elements sehr gering ist. Dabei besteht die Möglichkeit des Überschießens an scharfen Ecken oder anderen Flächen, an denen eine plötzliche Richtungsänderung der Werkzeugbahn programmiert ist. Insbesondere bei einem Regelservo mit geringer Nacheilung kann die Trägheit des Werkzeugs zu einem solchen Oberschießen führen. Dabei kann beispielsweise beim Fräsen einer Innenecke das Werkstück zerstört werden. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wurde eine sequentielle Verringerung des Vorschubs bei Annäherung an die Fläche der Richtungsänderung programmiert, der eine stetige Erhöhung des Vorschubs folgte. Der dieser Lösungsweise der Aufgabe anhaftende Nachteil besteht in einer Verlängerung der Rüstzeit für den Lochstreifen sowie des Lochstreifens selbst wenn ein bestimmtes Programm für die Bahn des besteuerten Elements vorgegeben ist

Die Alternative zu einem Servo mit hohem Verstärkungsfaktor und geringer Nacheilung, dessen Stellungsfehler sehr klein ist, ist ein Servo mit großer Nacheilung und geringem Verstärkungsfaktor, bei dem der Positionierbefehl im wesentlichen der Iststellung des Werkzeugs voreilt. Bei dieser Art von Anordnung verlangsamt sich das Werkzeug automatisch bei Annäherung an den Ort des plötzlichen Richtungswechsels.

Ein solcher, bekannter Servo-Fehlersignalgeber umfaßt eine Anzahl von Drehmeldern, und zwar je einen für jede Achse einer gesteuerten Bahn, die eine Reihe von phasenverschobenen Sinussignalen erzeugen. Der Grad der Phasenverschiebung ist dabei eine Funktion der momentanen Abweichung der Iststellung des Werkzeugs gegenüber der Sollstellung. Diese Signale gelangen an einen Nulldurchgangsdetektor, der eine Rechteckspannung mit einer gegenüber einem Bezugssigna! veränderlichen Phase erzeugt. Diese phasenverschobene Rechteckspannung wird einem Meßfühler für die Phasenverschiebung eingespeist. Dessen Ausgangssignal stellt das Stellungsfehlersignal dar. Das Ausgangssignal ist in der Impulslänge moduliert, wobei seine Gleichspannungskomponente den Stellungsfehler darstellt. Dieses Signal gelangt an den Eingang des Antriebs für den Werkzeugschlitten. Das Signal mit modulierter Impulsbreite muß noch gefiltert werden, so daß eine verhältnismäßig glatte Spannung erzeugt wird. Unter der Annahme eines hochwirksamen Ausgangsfilters ist die Form des Gleichspannungs-Fehiersignals eine Spannung, welche sich linear von einem Negativwert für die Stellungsnacheilung zu einem Positivwert für die Stellungsvoreilung ändert. Der Iststellungsfehler wird bei numerischen Steuerungen gewöhnlich in der Form von »Zählschritten« ausgedrückt. Die früheren Fehlermeßfühler waren normalerweise auf einen Bereich von je 32 Zählschritten in positiver und negativer Richtung beschränkt, d. h., auf einen vollen Bereich von 64 Zählschritten, worin jeder Zählschritt 0,0001" = 0,000254 mm darstellt.

Eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus der deutschen Auslegeschrift 12 49 977 bekannt. Diese weist einen zentralen Taktgeber auf, dessen Impulse auf zwei unterschiedlichen Wegen auf einen Phasendiskriminator gegeben werden. Einerseits dienen die Taktimpulse zum Ansteuern eines durch einen Antriebsmotor mitbewegten Drehmelders. Die gemäß dessen Stellung phasenverschobenen Signale werden nach Rückformung in Rechteckimpulse als Iststellungssignale auf den Phasendiskriminator gegeben. Auf dem zweiten Wege werden die Taktimpulse gemäß dem vorliegenden Vorschubbefehl der Werkzeugmaschinensteuerung abgeändert und gelangen als Sollwertsignale auf den Phasendiskriminator. Um feine Änderungen des Sollwertsignals bewerkstelligen zu können, arbeitet der Taktgeber mit hoher Frequenz; in die beiden Zweige,

über die Taktimpulse zum Phasendiskriminator gelangen können, sind Frequenzteiler mit gleichem Teilverhältnis geschaltet

Ein Problem tritt bei derartigen Servopositioniereinrichtungen dann auf, wenn diese mit großer zulässiger Nacheilung oder Voreilung arbeiten sollen und hierzu die Frequenzteiler mit großem Teilverhältnis gewählt werden. Dann wird am Ausgang eines üblichen Phasendiskriminators ein impulsbreitenmoduliertes Signal zum Ansteuern des Antriebsmotors mit so niederer Frequenz bereitgestellt, daß die erforderliche Glättung Schwierigkeiten macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Servopositioniereinrichtung zu schaffen, die einerseits mit hoher Nacheilung arbeitet, andererseits ein möglichst wenig Welligkeit aufweisendes Steuersignal bereitstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang des Drehmelders über eine erste Frequenzteüerschaltung mit einem Teilfaktor π mit einer Steuerklemme des Phasendiskriminators verbunden ist, daß durch eine zweite Frequenzteilschaltung ein Zwischensignal ebenfalls mit dem n-ten Teil der Arbeitsfrequenz bereitgestellt wird, daß ein durch dieses Zwischensignal gesteuerter Rampengenerator ein sich stückweise gleichförmig mit der Zeit änderndes Rampensignal erzeugt, das auf einen Signaleingang des Phasendiskriminators gegeben wird; und daß der Phasendiskriminator bei Erhalt eines Signals von der ersten Frequenzteilerschaltung das jeweils an ihm anliegende Rampensignal speichert und bis zum Erhalt eines weiteren Signals von der ersten Frequenzteilerschaltung an seinem Ausgang zur Steuerung des Antriebsmotors bereitstellt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

F 1 g. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen numerischen Steuerung;

F 1 g. 2 ein Kurvenbild für die Übertragungscharakteristik des Fehlersignals, die sich aus der praktischen Anwendung der Erfindung ergibt;

F i g. 3 den Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiel und die Durchführung der Erfindung;

Fig.4 ein Kurvenbild der Wellenform für die Signalgrößen, die an verschiedenen Punkten des Stromlaufplans der F i g. 3 auftretea

Das Blockschaltbild der F i g. 1 zeigt eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 10 wie eine Fräs- oder Zeichenmaschine und dergleichen mit einem durch den Motor 11 angetriebenen verfahrbaren Element wobei der Motor durch ein positives oder negatives Fehlersignal gesteuert wird. Der Motor 11 treibt den Tachogenerator 13 an, dessen Ausgangsspannung proportional zur Verfahr- oder Bahngeschwindigkeit ist Ferner treibt der Motor 11 auch den herkömmlichen Drehmelder 12 an, um für eine gegebene Achse der Werkzeugversetzung oder Werkzeugbahn eine phasenveränderliche Sinusspannung von im wesentlichen feststehender Frequenz und Amplitude zu erzeugen, deren Phase sich im Bereich von 360 elektrischen Graden für jeden vorgegebenen Streckenabschnitt des Werkzeugbahnfehlers verändert Diese Grundanordnung ist allgemein bekannt. Am Drehmelder 12 liegen zwei um 90° verschobene Spannungen als Ansteuerungssignale des Befehlszählers 32 an. Der Zähler 32 erhält Stellungsbefehle oder Impulse von einem herkömmlichen Interpolator 30 für Achsenbefehle. Obwohl nur ein Interpolator gezeigt ist, wird bei der normalen numerischen Steuerung je ein Interpolator für jede Achse einer gesteuerten Bahn verwendet.

Der Drehmelder erzeugt ein Rückführungssignal, das als Eingangssignal am Nulldurchgangsdetektor 18 anliegt, dessen Ausgang ein im wesentlichen periodisches impuisförmiges Signal ist, dessen Phase sich in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Nulldurchgänge der sinusförmigen Ausgangsspannung des Drehmelders 12 verschiebt. Die Rückführungsimpulse des Nulldurchgangsdetektors 18 können zur Bestimmung des Ist-Stellungsfehlers der Werkzeugmaschine 10 zu jedem gegebenen Zeitpunkt verwendet und stellen eines der beiden Grund- oder Hauptsignale dar, auf welchen die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage beruht.

Das Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 18 gelangt zum Tor 19, das die Aufgabe eines »Fenstergenerators« für das Abtastsignal erfüllt. Diese Vorrichtung begrenzt in wirksamer Weise die Zeit, in der ein Nulldurchgang der Ausgangsspannung des Detektors 18 abgetastet wird, auf einen engen Ausschnitt der Periode der Wellenform des Rückführungssignals. Nulldurchgänge, die außerhalb des zeitlichen »Fensters« liegen, werden durch den Generator 19 unterdrückt. Der Ausfall des sonst periodischen Impulszuges kann zur Anzeige eines Alarmzustandes dienen, wie nachstehend anhand der F i g. 3 näher eriäutert wird.

Die Frequenz des Rückführungsimpulses wird durch den Frequenzteiler 20 herabgesetzt, der als Zähler ausgebildet sein kann. Diese Frequenzzählung ergibt die Multiplizierung des linearen Fehlerbereichs der Anlage durch die Multiplikation der Zahl der Perioden oder »Zählschritte« der Ausgangssignale des Stellungsdrehmelders mit dem Frequenzteilungsfaktor. In einer Anlage, in der eine Drehmelderdrehung um 180° einen Ausgang von 500 Zählschritten erzeugt wird der meßbare Bereich auf 500 χ 16 oder 8000 Zählschritte erweitert, wenn das Ausgangssignal des Drehmelders oder die Frequenz des Rückführungssignals durch 16 geteilt wird. Das frequenzgeteilte Rückführungssignal gelangt zuerst zum Obermaß- oder Plusfehlerdetektor 29, welcher den Rückführungsfehler mit einem Bezugssignal vergleicht und ein Ausgangssignal an die Leitung 160 abgibt, welches die Interpolation von Befehlen bei einem Fehler von beispielsweise 8000 Zählschritten sperrt. Der Detektor 29 kann auch ein Ausgangssignal an die Leitung 158 abgeben, um bei einem Fehler von 9000 Zählschritten die Anlage abzuschalten.

Diese Zahlen sind natürlich nur als Beispiel gegeben. Das Ausgangssignal des Impulszähler-Frequenzteilers 20 gelangt auch über einen weiteren Frequenzteiler 21 an den Eingang des Wechselrichters 22, der Teile, im wesentlichen Halbperioden einer genauen linearen Sägezahnspannung mit einer festen Phase umkehrt Diese Sägezahnspannung ist das andere Haupt- oder Grundsignal der in F i g. 1 gezeigten Fehlererkennungsoder Abgriffseinrichtung.

Die Sägezahnspannung wird durch Anlegen einer ausgewählten Frequenzkomponente eines Rechteckbezugssignals des spannungsstabilisierten Oszillators 14 erzeugt Nach einer weiteren Frequenzteilung im Zähler 15 gelangt dieses Signal an den Schalter 16, der abwechselnd eine genaue positive Spannung einer gegebenen Größe und eine genaue negative Spannung von der gleichen Größe an die Integrationsschaltung 24 abgibt. Dies ergibt eine zweipolige symmetrische

^Sägezahnspannung, deren Amplitude sich mit fester frequenz und fester Phase linear von einem Wert zu einem anderen und zurück verändert.
• Der Wechselrichter 22 kehrt ganz einfach bestimmte Teile der Sägezahnform um, d. h. die Teile, die zwischen abwechselnden Rückführungsimpulspaaren auftreten ; (F i g. 4), und gibt das daraus resultierende Signal über Ben zweipoligen Verstärker 23 an die Tastspeicher-■Schaltung 25 ab. An der Tastspeicherschaltung liegen auch die Impulse FB/16 des Frequenzteilers 20 an; er tastet die Amplitude der Sägezahnspannung ab und speichert sie zum Zeitpunkt des Auftretens des Impulses FB/16. Diese Amplitude stellt den Stellungsfehler dar und gelangt über den Vorverstärker 26 zum Leistungsverstärker 28 für den Antriebsmotor, um den Motor 11 in einer Richtung anzutreiben, die bewirkt, daß das Fehlersignal gegen Null läuft. Wie nachstehend näher erläutert wird, gibt die Schaltung 25 das Fehlersignal kontinuierlich als Gleichspannungssignal ab. wobei keine Filter- oder Glättungsstufcn vor dem Vorverstärker 26 erforderlich sind.

Die Übertragungskennlinie der Schaltung der Fig. 1 ist in F i g. 2 durch die Kurve 34 dargestellt, welche eine sich linear verändernde Spannung zeigt, deren Polarität im Voreilbereich von 8000 Zählschritten oder 0.8 Zoll (20,32 mm) positiv ist. Ferner zeigt die Kurve 34 die im negativen Bereich ansteigende lineare Fehlerspannung, welche die Nacheilung des gesteuerten Elements gegenüber dem Positionierbefehl darstellt. Die in F i g. 2 angegebenen speziellen Werte plus und minus 8000 Zählschritten dienen natürlich nur der Erläuterung und sollen den außergewöhnlichen Arbeitsbereich der Erfindung aufzeigen. Natürlich können andere Werte in Abhängigkeit von den Zwecken und Forderungen der speziellen Anwendung der Erfindung gewählt werden.

Anhand der F i g. 3 und 4 wird nun der Stromlauf plan des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher beschrieben. Die Spannungskurven oder Wellenformen der F i g. 4 auf den Zeilen A, B. C, D und E sind Haupttaktgebersignale, die durch den Bezugstaktgeber 14 der F i g. 1 erzeugt werden. Wie allgemein bekannt, werden solche Bezugssignale einfach mit Hilfe eines Quarzoszillators und einer Anzahl von Frequenzteilern in Kaskadenschaltung in der Form von Digitalzählern erzeugt. Dem Quarzoszillator im Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Ausgangsfrequenz von 3000 kH/ zugrunde gelegt, wobei die Ausgangsfrequenz des ersten Zählers 3 kHz (Zeile A), die Ausgangsfrequenz des zweiten kaskadenförmig nachgeschalteten Zählers 1,5 kHz (Zeile B) und die Ausgangsfrequenz des dritten kaskadengeschalteten Zählers 187,5 Hz (Zeile C) beträgt. Die Wellenformen der Zeilen A, B und C sind durch die Bezugszeichen 40, 42 und 44 gekennzeichnet und als Rechteckspannungen ausgebildet, die sich leicht durch bekannte Digitalkreise wie Flip-Flops erzeugen lassen. Die Wellenform der Zeile D ist in den Zeichnungen mit »REF/16 STROBE« (»BEZ/16 TAST«) bezeichnet und umfaßt die periodische Impulsfolge 46. Die Wellenform der Ausgangsspannung 48 auf der Zeile E von Fig.4 ist in den Zeichnungen mit REF/32 gekennzeichnet und stellt ebenfalls eine sehr genaue Wellenform vor. deren Obergänge bei der halben Obergangsfrequenz der Wellenform 44 der Zeile C auftreten.

Das zu vorgegebenen Zeiten abgetastete Hauptbe- M zugssignaL das durch das Auftreten de«, Rückführungsignals des Drehmelders 12 der F i g. 1 bestimmt wird, ist auf Zeile F der Fig. 4 gezeigt, wo es als eine genaue zweipolige Sägezahnspannung dargestellt ist, deren Frequenz direkt auf die Frequenz des Signals 48 auf der Zeile E der Fig.4 bezogen ist. Die Wellenform 50 ändert sich linear zwischen —0,9 V und +8,9V. Die Einzelheiten der Schaltung, welche diese lineare Präzisionssägezahnspannung erzeugt, sind in Fig.3A gezeigt. Die Umkehr dieses Signals erfolgt in der Schaltung der Fig.3B₁ und die Einzelheiten der Tastspeicherschaltung sind hauptsächlich in Fig.3C gezeigt.

In Fig. 3A sind die Einzelheiten der Schaltung gezeigt, mit welcher die Wellenform 50 der Zeile F erzeugt wird. Diese Schaltung umfaßt den herkömmlichen Flip-Flop 52, an dessen Takteingang die Impulse REF/16 STROBE (BEZ/16 TAST) (Impuls 46 der Zeile D der Fig.4) über dem Widerstand 54 anliegen. Der Flip-Flop 52 steuert den Spannungsschalter 16. der wiederum genaue positive und negative Spannungswerte abwechselnd an die Integrationsschaltung 24 abgibt. Das erste Ausgangssignal des Flip-Flops 52 wird über die Leitung 56 an den Steuerteil 58 des Feldeffekttransistors 60 geführt, um dessen Durchsteuerung zu regeln in Fig. 3A ist er als einpoliger Schalter 62 gezeigt. Das andere Ausgangssignal des Flip-Flops 52 gelangt über die Leitung 64 zum Steuerteil 66 des zweiten Feldeffekttransistors 68. Der Feldeffektransistor dieses Kreises ist im Block 68 durch den schematischen Schalter 70 dargestellt. Die Ausgangssignale des Flip-Flops 52 sind natürlich komplementär und somit führen die Leitungen 56 und 64 abwechselnd Spannung, um abwechselnd die Schalter 62 und 70 über die Steuervorrichtungen 68 und 66 zu schließen.

An der Leitung 72. welche mit dem Schalter 70 verbunden ist, liegen eine stabile Bezugsspannung von + 8,9 V an, die von der 15 V-Versorgungsleitung 74 und der Präzisionszenerdiode 76 hergeführt ist, welche an die Masseleitung 78 angeschlossen ist. Ebenso liegt aul der an den Schalter 62 angeschlossenen Eingangsieitung 80 eine stabile Bezugsspannung von - 8,9 V, die von der —15 V-Versorgungsleitung 81 und der Bezugsspannungsdiode 84 hergeführt ist die vorzugsweise 86 und 88 der Schalter 62 und 70 sind am gemeinsamen Knotenpunkt 90 zusammengeführt. Die am Punkt 90 ir F i g. 3A anliegende Spannung hat die Wellenform der Zeile E der F i g. 4, d. h. sie ist eine genaue Rechteckspannung, die sich zwischen den Grenzen von +8.9V = bei der Frequenz REF/32 verändert.

Diese Rechteckbezugsspannung gelangt über den Widerstand 92 an die Integrationsschaltung 24, welche (F i g. 3A) den Rechenverstärker 94 mit dem integrierten Rückführungskondensator 94a umfaßt dessen Inversionseingang direkt an den Widerstand 92 gefühn ist. Der Ausgang 96 ist über die Leitung 98 an die Eingangsklemme 100 der Schaltung der F i g. 3B angeschlossen und führt ein Signal von der Wellenform 50 der Zeile F in F i g. 4.

Um zu gewährleisten, daß die Wellenform 50 der Zeile F in Fig.4 auch genau bei einem mittleren Nullwert eingehalten wird, ist der Ausgang 96 des Rechenverstärkers 94 auch an das Tiefpaßfilter 102 mit dem zweiten Verstärker 102a angeschlossen, der mit den nicht symmetnerten Rückführungskreisen 103 und 105 bestückt ist. Der Ausgang von 102a ist über die fiC-Filter 107 und 109 mit dem Verstärker 106 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers IOC wird über die Leitung 104 an den nicht invertierender Eingang des Rechenverstärkers 94 zurückgeführt Zwischen dem Inversions- und Nichtinversionseingang

des Rechenverstärkers 94 ist der Kondensator 108 geschaltet. Das auf der Rückführungsleitung 104 anliegende Signal ist eine Gleichspannung, deren Wert normalerweise Null V beträgt, die jedoch zwischen positiv und negativ schwankt, um eine Auswanderung s des Gleichspannungswertes der Wellenform 50 in F i g. 4 auszugleichen.

Zusammengefaßt, dient die Schaltung der Fig.3A zur Erzeugung einer Präzisionsbezugsspannung der Sägezahnform 50, deren Amplitude sich genau linear zwischen genau bestimmten negativen und positiven Spannungswerten zu einem Zeitpunkt ändert, der auf die Frequenz der Haupttaktspannung der Anlage der Fig. 1 bezogen ist. Anschließend wird das Signal der Wellenform 50 an die Klenme 100 der Schaltung der Fig.3B angelegt, deren Einzelheiten nachstehend näher erläutert werden.

Für das Lesen der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 3B und 3C ist es nützlich die beiden Seiten mit diesen Figuren nebeneinander zu legen, und zwar Fig. 3C rechts neben Fig. 3B. Damit ist ein direkter Anschluß und eine direkte Fortsetzung zwischen den beiden Zeichnungen gegeben.

Wie bereits erwähnt, liegt die lineare Bezugssägespannung der Wellenform 50 (Zeile F, Fig.4)an der Eingangsklemme 100 der Schaltung der Fig. 3B an. Dies ist eines der beiden Hauptsignale, mit welchem die Schaltung der F i g. 3B arbeitet, um das Ausgangsfehlersignal von einer im wesentlichen kontinuierlichen Gleichspannungsform an der Ausgangsklemme 27 der Fig. 1 zu erzeugen.

Das andere Hauptsignal, mit welchem die Schaltung der Fig. 3B arbeitet, ist das Rückführungssignal des Drehmelderläufers in der Form einer phasenverschiebenden Sinuswelle. Dieses Signal liegt an der Eingangsklemme 100 an und gelangt nach Filterung in ÄC-Filter

111 an den Rechenverstärker Ü2 im Rechteckspannungsgenerator 18. Am Inversionseingang d's Verstärkers liegt das gefilterte Drehmeldersignal von der Klemme 110 her an. und am Nichtinversionseingang steht eine kleine Gleichvorspannung über die Versorgungsleitung 113 und die Spannungsteilerwiderstände 114 und 115 an. welche in Reihe zwischen die

15 V-Versorgungsspannung und Masse geschaltet sind Die kleine Gleichspannung ist so gewählt, daß sie im Falle eines Signalverlustes des Drehmelders die Anlage abschaltet. Die Amplitude der Vorspannung reicni normalerweise aus, um jedes Störsignal zu unterdrükken, das aus einer unterbrochenen Leitung zwischen dem Drehmelder und dem Rechteckspannungsgenerator 18 entstehen kann. Dadurch wird verhindert, daß die übrige Schaltung und Anlage auf Störsignale anspricht, die sonst fälschlicherweise als Drehmeldersignale abgegriffen werden würden und eine Beschädigung des Schneidwerkzeugs und Werkstücks verursachen könnten. Die Ausgangsspannung 116 des Rechenverstärkers

112 ist ein Rechtecksignal, dessen Periode ca. 333 Mikrosekunden dauert und dessen Phase zeitlich in Abhängigkeit von der Stellung des Drehmelderläufers verschoben wird um somit auch in Abhängigkeit von der Phase der Sinuswelle, welche vom Drehmelder an die Klemme 110 abgegeben wird.

Dieses Ausgangssignal gelangt an den Eingang des Tores 117, welches auf ein Taktsignal auf der Rückführungsleitung 118 anspricht, um einen Nulldurchgang im Rechteckausgangssignal des Verstärkers 112 nur während des verhältnismäßig engen »Zeitfensters« in der Gesamtperiode des Rechtecksignals abzutasten.

Beispielsweise läßt das Tor 117 durch nachstehend beschriebene Maßnahmen das Signal des Rechteckspannungsgenerators 18 nur während annähernd 33 Mikrosekunden von einer Gesamtperiode von 333 Mikrosekunden durch. Dies wird durch den Anschluß des Ausgangs des Tores 117 über das Tor 120 der Fig.3C an die Verzögerungsschaltung 122 erreicht, deren Ausgangssignal über die Rückmeldungsleitung 118 an den Eingang des Tors 117 zurückgeführt wird. Die Verzögerungsschaltung 122 kann als mehrfach auslösbarer monostabiler Multivibrator ausgeführt sein.

Die auf der Leitung 124 anliegende Ausgangsspannung der Verzögerungsschaltung 122 besitzt die Wellenform der Zeile G der F i g. 4. Diese auf der Leitung 124 anliegende Spannung ist das Hauptrückführungssignal, das den Stellungsfehler des Drehn ciders darstellt. Wie oben erwähnt, würde das 3 kHz-Signa! nur einen verhältnismäßg schmalen linearen Fehlerbereich ergeben, wenn es direkt zum Abgreifen der Phase verwendet werden würde, da es die direkt vom Drehmelder 112 her anliegende periodische Signaländerung darstellt. Daher wird das Signal auf der Leitung 124 dem Frequenzteiler 126 eingespeist, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 128 anliegt und auf Zeile II der Fig.4 während des Null- oder Nullfehlerzustandes gezeigt ist. Daraus ergibt sich die Multiplizierung des linearen Fehlerbereichs mit dem Faktor 16. Nach der Frequenzteilung im Teilerkreis 126 gelangt das Signal auf der Leitung 128 über die Tore 130 und 132 an den Tastsignalgenerator 134, wobei die Tore 130 und 132 einfache Steuer- und Auswahlaufgaben erfüllen wie »Anschalten des Stellungsfehlers« und andere Funktionen welche am Tastenfeld des Schaltpultes oder ähnlichen Einrichtungen gewählt werden können. Das am Ausgang 136 des Tastsignalgenerators anliegende Signal hat die Wellenform der Zeile ! der F i g. 4, wenn sich dieser Kreis im Nullzustand befindet. Dieses Tastsignal triu an der positiven Flanke des Signals der Zeile H der F i g. 4 auf, welches auf der Leitung 128 der F'g-3B anliegt. Das am Ausgang 136 anstehende Tastsignal gelangt über die Leitung 138 zur Verzöge rungsschaltung 140 und von dort aus zum Tastspeicher-Steuerkreis 25. der nachstehend näher beschrieben wird.

Der Ausgang der Schaltung 134 ist auch an den Flip-Flop-Frequenzteiler 142 geführt, um die Komple mentärsignale FB/32 und FB/32 zu erzeugen, wobei das erste Signal auf der Leitung 144 und das zweite Signal auf der Leitung 146 anliegt. Die Phase des Flip-Flop Ausgangssignals kann durch ein Signal auf der Leitung 147 voreingestellt werden. Das Signal auf der Leitung 146 wird an die Steuer- oder Eingangsklemmen des Wechselrichters 22 zurückgeführt dessen Einzelheiten nachstehend näher erläutert werden. Der Ausgang 144 des Flip-Flops 142 ist über das Tor 148 gemeinsam an die Eingänge der Zähler 150 und 152 geführt, wobei am Zahler 150 über den Widerstand 154 und die i>ignalleitung 156 ein Bezugssignal für den Überschußoder Plusfehler anliegt, so daß an die Leitung 158 ein Ausgangssignal abgegeben wird, wenn die Fehlerzählung 9000 (0,9 Zoll = 22,86 mm) überschreitet. Wenn ein Signal auf der Leitung 158 anliegt, wird die Anlage automatisch durch eine Vorrichtung, beispielsweise ein Relais abgeschaltet. Am Zähler 152 liegen auch entsprechende Bezugsspannungen an, so daß ein Signal aut der Leitung 160 bewirkt, daß die Interpolatoren der numerischen Steuerung ihrer Arbeit wegen eines Uberscnuß-Stellungsfehlers unterbrechen. Die Wirkung dieses Signals besteht darin, die Interpolatoren am

Fehlerzählstand 8000 zu halten, wobei angenommen wird, daß die Fehlerzählung 8000 den Knickpunkt in der Kurve 34 der F i g. 2 darstellt.

Der Wechselrichter 22 enthält die Schaltstufen 162 und 164, die jeweils Feldeffekttransistorschalter besitzen, deren Anschlüsse in Fig.3B gezeigt sind, um während eines Teils der Sägezahnspannungsperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen auf der Zeile I der F i g. 4 einen Teil der linearen Sägezahnspannung 50 auf der Zeile F der F i g. 4 umzukehren. Die an der Klemme 100 anliegende lineare Sägezahnspannung wird gemeinsam den Feldeffekttransistorschaltern 166 und 168 der Schaltstufen 162 und 164 zugeführt, und das Signal FB/32 wird durch die Steuerverstärker 170 und 172 durchgeschaltet, um das komplementäre öffnen und Schließen der Schalter 166 und 168 zu steuern, so daß der Schalter 168B geöffnet ist, wenn der Schalter 166Λ geschlossen ist (wie gezeigt) und umgekehrt. Wenn die Sägezahnspannung über den Schalter 166Λ geleitet wird, gelangt sie über das Regelpotentiometer 174 an den Inversionseingang des Rechenverstärkers 176, der einen Teil des Wechselrichters 22 bildet. Wenn die Sägezahnspannung über den Schalter 168ß geleitet wird, gelangt sie; an den nicht invertierenden Eingang des Rechenverstärkers 176, so daß ein durch die Zeile K. der F i g. 4 für den Nullzustand dargestelltes Ausgangssignal auf der Leitung 178 anliegt, sowie ein Signal für einen Voreilfehler von 2000 Zählschritten, das durch die Zeile S der Fig.4 dargestellt und nachstehend näher erläutert wird. Die Ausgangsleitung 178 des Rechenverstärkers 176 ist dann an die »Nachlauf- und Taststeuerstufe« 180 des Tastspeicherkreises 25 geführt. Die Stufe 180 umfaßt den Feldeffekttransistorschalter 182 mn dem Steuerverstärker 184. an welchem das Ausgangssignal des Abtastkreises 140 anliegt. Der Nullzustand dieses Ausgangssignals ist auf der Zeile L der Fig.4 gezeigt; nach dem Auftreten des Tastsignals FB/16 ist eine Millisekunde lang hochpegelig. Ein Schließen des Schalters 182 bewirkt, daß der Kondensator 186 der Sägezahnspannung der Integrationsschaltung so lange nacheilt, bis der Tastimpuls FB/16 anliegt, wobei der Schalter öffnet und die im Augenblick der öffnung herrschende Spannungsamplitude als Ladung des Kondensators 186 hält. Der Ausgang der Stufe 180 ist über den Widerstand 188 und den Übertragungssteuerverstärker 190 an die zweite Stufe 192 mit dem Feldeffekttransistorschalter 194 und dem Steuerverstärker 1% geführt, der vom Vorbereitungsausgangssignal der Schaltung 140 beaufschlagt wird, nachdem dieses über das zwischengeschaltete Impulsformtor 199 und die Inversionsschaltung 200 geleitet worden ist. Das Tor 199 verzögert das Übertragungssignal, Zeile N in F i g. 4, um die Länge des Tastimpulses FB/16, Zeile I, damit die Einschwingstöße auslaufen können, ehe die Übertragung stattfindet. Somit findet ein komplementärer Schaltvorgang zwischen den Schaltern 182 und 194 statt. Wenn der Schalter 194 geschlossen ist. wird die vorher im Kondensator 186 gespeicherte Spannung an den Kondensator 198 übertragen, der das Abtastsignal während der Perioden zwischen zwei Abtastzeitpunkten hält Das heißt, daß der Kondensator 186 periodisch einen neuen Tastimpuls erhält, den er dann an den Kondensator 198 überträgt. Der Kondensator 198 ist über den Widerstand 201 mit dem Vorverstärker 26 und dann mit der Ausgangsklemme 27 verbunden, an welcher das endgültige Ausgangsfehleragnal anliegt, das dem Leistungs- oder Endverstärker 28 des Servos abgeschaltet wird.

Der monostabile Multivibrator 202 stellt ein weiteres Sicherheitsmerkmal der Schaltung der F ί g. 3C dar; am monostabilen Multivibrator 202 liegt das Ausgangssignal der Verzögeruugsschaltung 122 an. Er ist eine mehrfach auslösbare Vorrichtung, welche für eine Zeitspanne von 500 Mikrosekunden ein Ausgangssignal an die Leitung 206 abgibt und kann durch jedes Eingangssignal mit einer zur Ausgangsperiode zusätzlichen Dauer von 500 Mikrosekunden gelöscht werden. Wenn am Ausgang der Vorrichtung 202 kein anderer Eingangsimpuls während der Periode von 500 Mikrosekunden anliegt, herrscht der Zustand »Verlust des Rückführungssignals«, wobei die Anlage abgeschaltet wird. Dies wird durch den Anschluß der Ausgangsleitung 206 an den Flip-Flop 208 erreicht, auf dessen Ausgangsleitung 210 der Signalverlust gemeldet wird, und dessen Ausgangsleitung 212 hochpegelig ist, wenn die Rückführungsimpulse mit der vorgeschriebenen Frequenz anliegen. Da das Signal auf der Leitung 212 zum Ausgangssignal 214 des Flip-Flops 150 in eine logische ODER-Beziehung gebracht wird, entsteht ein Ausgangssignal auf der Leitung 216, welches den Zustand des Synchronisationsverlustes darstellt. Wenn ein Signal an der Ausgangsleitung 216 anliegt, wird die Anlage vorzugsweise abgeschaltet.

Anhand von Fig.4 seien nun 2wei Beispiele für die Arbeitsweise der Anlage beschrieben.

Die Zeilen G bis O der F i g. 4 stellen die Beziehungen zwischen den Wellenformen der Signale und der Schaltung der F i g. 3 für einen Nullfehler oder einen »Nullzustand« dar. Die lineare Sägezahnspannung der Zeile F der F i g. 4 wird für den Teil, der dem Impuls 220 FB/16 STROBE (FB/16 TAST) auf der Zeile I der F i g. 4 folgt, der zeitlich der positiven Halbperiode der Rechteckspannung 222 auf der Zeile J der Fig.4 entspricht. Das an den Steuerverstärkern 170 und 172 der Schalter 160 und 168 anliegende Steuersignal folgt der Form 222 auf Zeile j der F i g. 4 und bewirkt, daß ein sonst positiv verlaufender Teil der Sägezahnspannung 50 negativ wird, wie es durch den Wellenformteil 226 auf der Zeile K dargestellt ist. Der Tastzeitpunkt tritt bei jedem Übergang der Wellenform 222 auf Zeile ] auf und entsteht aus der Durchschaltung des Impulses 220 über die Ausgangsleistung 136 zur Steuervorrichtung 184 der Stufe 180 im Tastspeicherkreis 25. Somit werden sowohl die umgekehrten als auch die nicht invertierten Teile der aus Leitung 178 anliegenden Sägezahnspannung abgetastet, und ihre Amplituden im Kondensator 18S gespeichert, wie es durch die Zeile M der F i g 4 gezeigt ist. Diese Signale werden später an den Kondensatoi 198 während der »Übertragungszeiten« 228 übertragen und sind in der Wellenform der Zeile M der Fig. ^l dargestellt Wie die Zeile O der F i g. 4 zeigt, beträgt dit an der Ausgangsklemme 27 anliegende Restspannunj für den »Nullzustand« Null.

Die Zeilen P bis V der Fig.4 zeigen dii Beschaffenheit der Wellenformen im speziellen Ausfüh rungsbeispiel der F i g. 3 bei einem Voreilfehler voi 2000 Zählschritten. Die Wellenform Q ist das Tastsigna FB/16, dessen Periodenzahl dem Signal in Zeile I de Fi g. 4 entspricht Jedoch wurde die Phase der Impulsi 220' in der Zeile Q verschoben, so daß sie zeitlich späte auftreten als die Impulse 220 der Zeile I. Da jedoch di Bezugssägezahnspannung 50 auf Zeile F der Fig. nicht verschoben wird, wird sie von selbst zeitlich späte beim Beispiel des Fehlers von 2000 Zählschritte abgetastet. Auch der Inversions- und Nichtinversions Vorgang wird zeitlich verschoben, wie durch die Zeile ]

der Fig.4 gezeigt w?-d. Die umgekehrte lineare Sägezahnspannung für den Zustand des Fehlers von 2000 Zählschritten ist In Zeile F der Fig.4 dargestellt, und man erkennt, daß infolge der Verschiebung der Tastimpulse FB/16 die Inversion der Sägezahnspannung nicht langer gleichmäßig sondern an einem Mittelpunkt in der priodischen Veränderung auftritt Der spätere Abtastzeitpunkt, der sich aus dem verzögerten Auftreten der Tastimpulse ergibt, erzeugt eine abgetastete Spannung von 2,2 V am Kondensator 186 am Ende der »Nacheilzeit« und am Kondensator 198 nach der Übertragung sowie während der »Halte- oder Speicherzeit«, wie es in den Teilen T und U der F i g. 4 gezeigt ist Somit lieg; ein Fehlersignal von 2,22 V als kontinuierliche Darstellung des Fehlers an der Ausgangsklemme 27 im Zustand des Fehlers von 2000 Zählschritten an. Dieses Signal ist eine kontinuierliche Gleichspannung und braucht nicht wie bei den bisherigen Einrichtungen gefiltert zu werden, bevor es dem Vorverstärker des Servotriebs eingespeist wird.

Wenn sich der Ist-Stellungsfehler ändert, beispielsweise während einer Beschleunigung, ändert sich die Fehlerspannung an der Klemme 27 in einer etwa treppenförmigen Weise entweder positiv csder negativ, sie besitzt jedoch nicht den diskontinuierlichen Charakter des in seiner Impulsbreite modulierten Signals der früheren Anlagen. Somit bewirken selbst plötzliche Änderungen des Stellungsfehlers keine Verschlechterung des Fehlersignals, die ein Merkmal der früheren Anlagen mit erweiterten Fehlerbereichsmöglichkeiten ist.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche: 24

1. Servopositioniereinrichtung für eine numerische Werkzeugmaschinensteuerung mit einem Antriebsmotor, mit einem von diesem bewegten Drehmelder, mit einem Taktgeber einer vorgegebenen Arbeitsfrequenz und mit einer einen Phasendiskximinator aufweisenden Regelschleife, welche einerseits vom Drehmelder her mit Ist-Stellungssigna- ίο len beaufschlagt wird und andererseits vom Taktgeber her mit Referenz-Stellungssignalen beaufschlagt wird und welche das Steuersignal für den Antriebsmotor bereitstellt, wobei der Drehmelder ebenfalls mit der 4rbeitsfrequenz beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Drehmelders (12) über eine erste Frequenzteilerschaltung (20, 21) mit einem Teilfaktor (n) mit einer Steuerklemme des Phasendiskriminators (22, 23,25, 26) verbunden ist; daß durch eine zweite Frequenzteilerschaltung (15) ein Zwischensignal ebenfalls mit dem /7-ten Teil der Arbeitsfrequenz bereitgestellt wird; daß ein durch dieses Zwischensignal gesteuerter Rampengenerator (16, 24) ein sich stückweise gleichförmig mit der Zeit änderndes Rampensignal erzeugt, das auf einen Signaleingang des Phasendiskriminators (22, 23, 25, 26) gegeben wird; und daß der Phasendiskriminator bei Erhalt eines Signals von der ersten Frequenzteilerschaltung (20, 21) das jeweils an ihm anliegende Rampensignal speichert und bis zum Erhalt eines weiteren Signals von der ersten Frequenzteilerschaltung (20, 21) an seinem Ausgang zur Steuerung des Antriebsmotors (11) bereitstellt.

2. Servopositioniereinrich'ung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Rampengenerator eine steuerbare Schalteranordnung \16) und einen Integrator (24) aufweist, wobei die Schalteranordnung (16) bei Erhalt aufeinanderfolgender Steuerimpulse von der zweiten Frequenzteilerschaltung (15) abwechselnd den positiven und negativen Pol einer Konstantspar nungsquelle ( + V -V) mit ihrer Ausgangsklemme verbindet, so daß nach Integrierung am Ausgang des Integrators (24) ein stückweise gleichförmig anwachsendes oder abnehmendes Rampensigna! mit einem Mittelwert von 0 bereitgestellt wird.

3. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator in an sich bekannter Weise einen Differenzverstärker (94) und einen Integrationskondensator (94a^ aufweist, wobei ein erster Eingang des Differenzverstärkers (94) mit dem zu integrierenden Signal beaufschlagt wird; und daß das integrierte Signal über ein aktives Tiefpaßfilter (102) auf den zweiten Eingang des Differenzverstärkers (94) gegeben wird.

4. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Tiefpaßfilter einen ersten Verstärker (102a,) mit nicht abgeglichenen /?C-Rückkoppelnetzwerken (103, 105) aufweist.

5. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Tiefpaßfilter dem ersten Verstärker (102a,) nachgeschaltete /?C-Kreise (107,109) zum Glätten des rückzuführenden Signals und einen nachfolgenden Verstärker (106) aufweist.

6. Servopositioniereinrichtung nach einem der

196

Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenzteilerschaltung einen ersten Frequenzteiler (16) mit einem Teilverhältnis von n/2 und einem ersten Frequenzteiler (21) mit einem Teilverhältnis von 2 aufweist; daß der Phasendiskriminator einen Wechselrichter (22) und eine mit dessen Ausgang verbundene Tastspeicherschaltung (25) aufweist; daß der mit dem Rampensignal beaufschlagte Wechselrichter (22) jeweils während einer Halbperiode des vom zweiten Frequenzteiler (21) erhaltenen Signals das Rampensignal mit ins Gegenteil veränderter Polarität an seinem Ausgang bereitstellt und während der anderen Halbperiode mit unveränderter Polarität bereitstellt; und daß die Tastspeichersehahung (25) jeweils bei Erhalt eines Impulses vom ersten Frequenzteiler (20) das Ausgangssignal des Wechselrichters (22) speichert und bis zum Erhalt eines weiteren Impulses vom ersten Frequenzteiler (20) an ihrem Ausgang zur Ansteuerung des Antriebsmotors (11) bereitstellt.

7. Servopositioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Umformung der vom Drehmelder (12) geliefer ten Signale in Rechtecksignale an sich bekannter Verstärker ein Differenzverstärker (112) ist, dessen einer Eingang mit dem zu formenden Signal beaufschlagt wird und dessen zweiter Eingang durch eine Gleichspannungsquelle so stark vorgespannt ist. daß Störsignale auf der Eingangsleitung, wie sie bei nicht ordnungsgemäßem Arbeiten des Drehmelders noch angetroffen werden, zu keinem geformten Ausgangssignal führen.

8. Servopositioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten Frequenzteilerschaltung (20, 21) vorgeschaltete Sicherheitsschaltung (19), welche Impulse nur weitergibt, wenn sie in kleinerem als einem vorgegebenem Maximalabstand aufeinanderfolgen, und welche aufweist: eine Torschaltung (117) und eine mit dem Ausgang der letzteren verbundene Verzögerungsschaltung (122), deren Ausgangssignal zum Aktivieren der Torschaltung verwendet wird und zugleich das Ausgangssignai der Sicherheitsschaltung darstellt.

9. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Warnschaltung, welche ein Warnsignal erzeugt, wenn zwei aufeinanderfolgende Impulse am Ausgang der Verzögerungsschaltung (122) um mehr als den maximalen Abstand getrennt sind, und welche aufweist: einen wieder triggerbaren monostabilen Multivibrator (202) und ein nachgeschaltetes Flip-Flop (208), wobei die Impulslänge des vom monostabilen Multivibrator (202) abgegebenen Signals dem maximal zulässigen Abstand der Impulse am Ausgang der Verzögerungsschaltung (122) entspricht.

10. Servopositioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspeicherschaltung (25) aufweist: einen ersten Speicher (186), der über einen ersten steuerbaren Schalter (180) mit dem Ausgang des Wechselrichters (22) verbindbar ist, einen zweiten Speicher (198), der über einen zweiten Steuerbaren Schalter (192) mit dem ersten Speicher (i86) verbindbar ist, und eine Steuerschaltung (140), die durch die von dem ersten Frequenzteiler (16) bereitgestellten Impulse periodisch angestoßen wird und dann zunächst den zweiter, steuerbaren Schalter (192) schließt und den

ersten steuerbaren Schalter (180) öffnet und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne bis zum Erhalt eines weiteren Impulses vom ersten Frequenzteiler (16) den ersten steuerbaren Schalter (180) schließt und den zweiten (192) öffnet; und daß das zum Ansteuern des Antriebsmotors (11) verwendete Signal am zweiten Speicher Ί98) abgegriffen wird.

11. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Speicher (186) ein Verstärker (190) nachgeschaltet ist

12. Servopositioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Frequenzteiler (21 = 142) eine Steuerklemme zur Einstellung der Phasenlage des heruntergestellten Signals bezüglich des herunterzuteilenden Signals aufweist.

13. Servopositioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Abweichungsüberwachungsschaliung (29), die bei zu großem Vor- und Nachlauf ein Warnsignal erzeugt und die mindestens einen durch von der ersten Frequenzteilerschaltung bereitgestellte Impulse aktivierten Zähler(150,152) aufweist.

14. Servopositioniereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Abweichungsüberwachungsschaltung (29) erzeugte Warnsignal zum Blockieren eines dem Antriebsmotors (11) zugeordneten Interpolators (30) auf eine Steuerklemme desselben gegeben wird.