DE2659090A1 - Bahnsteuereinrichtung bei einer von einem rechner gefuehrten steuerung einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschine - Google Patents

Bahnsteuereinrichtung bei einer von einem rechner gefuehrten steuerung einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschine

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DE2659090A1 DE19762659090 DE2659090A DE2659090A1 DE 2659090 A1 DE2659090 A1 DE 2659090A1 DE 19762659090 DE19762659090 DE 19762659090 DE 2659090 A DE2659090 A DE 2659090A DE 2659090 A1 DE2659090 A1 DE 2659090A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA
-«« . „ g » ρ pn
Bahnsteuereinrichtung bei einer von einem Rechner geführten Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bannsteuereinrichtung bei einer von einem Rechner geführten Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit geregelten Antrieben in den Vorschubachsen, bei welcher der Rechner aus Eingabedaten die zu verfahrende Bahnkurve ermittelt. Eine derartige Bahnsteuereinrichtung ist bekannt aus SIEMENS-Zeitschrift, 1966, Seite 67 - 72.
Figur 1 zeigt die Struktur einer bekannten rechnergeführten Bahnsteuereinrichtung bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 9. Von einem Leser 1 werden die beispielsweise auf einem Lochstreifen oder einem Magnetband abgespeicherten Informationen über den programmierten Bearbeitungsablauf einem Führungsgrößenrechner 2 eingegeben. Der Führungsgrößenrechner 2 decodiert die eingegebenen Informationen und ermittelt hieraus die räumliche Bahnkurve für die Bahnsteuerung. Die vom Führungsgrößenrechner 2 ermittelten Größen sind jedoch nicht zur unmittelbaren Sollwertvorgabe für die Lageregelkreise geeignet, sondern werden in einem dem Führungsgrößenrechner 2 nachgeschalteten Interpolator 3 in den gesteuerten Vorschubachsen interpoliert. Der Interpolator 3 ermittelt Sollwerte für die den einzelnen Vorschubachsantrieben zugeordneten Lageregelkreise. Die vom Interpolator 3 ermittelten Lagesollwerte werden jeweils in einer Vergleichseinrichtung 4 mit den Lageistwerten der zugeordneten Vorschubachsen verglichen. Die jeweilige Regeldifferenz steuert den Lageregler 5 der zugeordneten Vorschubachse an. Der Lageregler 5 erzeugt die Führungsgröße für den Dreh-
Gud 21 Bim / 15.12.1
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Zahlregelkreis mit dem Drehzahlregler 7 vn& dem Antriebssystem 8 der geregelten Vorschubachse. Die -vom Lageregler 5 ermittelten Drehzahlsollwerte werden in einer ?ergleichselnriehtung 6 mit den Drehzahlistwerten des Antriebssystems 8 verglichen. Die Drehzahldifferenz steuert den Drehzahlregler 7 aus. Der Drehzahlregler 7 steuert seinerseits das Antriebssystem 8 an.
Es sind auch rechnergeführte Bahnsteuerungen bekannt, bei denen der Führungsgrößenrechner bereits eine Vorinterpolation der räumlichen Bahnkurve vornimmt, während ein dem Rechner pro Vorschubachse nachgeschalteter Interpolator eine Nachinterpolation durchführt. Bei bekannten rechnergeführten Bahnsteuerungen von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ist jedoch in jedem Fa .Ie dem Führungsgrößenrechner Jeweils ein als getrennte Schaltung lusgeführter Interpolator pro Vorschubachse nachgeschaltet, dem wiederum ein Lageregler nachgeordnet ist, der ebenfalls als getrennte Schaltung ausgeführt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bahnsteuer- und Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
a) der Rechner weist eine Interpolationseinheit auf, welche die ermittelte räumliche Bahnkurve interpolatorisch vollständig in axiale geschwindigkeitsproportionale Vorschubinkremente zerlegt und digitale Lagesollwerte bildet,
b) der Rechner weist eine zusätzliche Eingabeeinheit für digitale Lageistwerte der Vorschubachsantriebe auf,
c) der Rechner weist diskrete Lageregeleinheiten auf, welche die digitalen Lagesollwerte mit den digitalen Lageistwerten vergleichen und nach Maßgabe vorgegebener Regelparameter Sollwerte für den Drehzahlregelkreis des Jeweiligen Vorschubachsantriebs bilden.
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Bei der erfindungsgemäßen Bahnsteuereinrichtung liefert die Interpolationseinrichtung bei geringem Speicherplatzbedarf ein geschwindigkeitsproportionales, rundungsfehlerfreies und aufweitungsfehlerfreies Interpolationsergebnis, das für die direkte Ansteuerung diskretisierter Lageregelkreise geeignet ist. Die Diskretisierung der Lageregelkreise ermöglicht die Verwendung eines Rechners als echten Regler. Dabei kann eine numerische Maßsystemwandlung des Sollwertes, eine numerische Schleppabstandsbildung und ein numerischer Regelalgorithmus entsprechend den regelungstechnischen Notwendigkeiten programmäßig vorgegeben werden. Weiterhin kann auf einfache Weise eine numerische Überwachung der Lageregelkreise und der Meßsysteme durchgeführt werden, bei der beispielsweise eine Schleppabstandsbegrenzung bei Servofehlern, ein Beschleunigungsstop„p, eine Erhaltung des Istwertes bei einer Notabschaltung und eine Klemmfehlererkennung, sowie auch eine numerische Fehlerkompensation, beispielsweise eine Losekompensation oder eine Drift-Kompensation, vorgesehen sein können.
Figur 2 zeigt die Struktur einer erfindungsgemäßen rechnergeführten Bahnsteuerung bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine. Vom Leser 1 werden wiederum die beispielsweise auf einem Lochstreifen oder einem Magnetband abgespeicherten Informationen über den programmierten Bearbeitungsablauf in einen Rechner 10 eingegeben. Der Rechner 10 weist eine zusätzliche Eingabeeinheit für die Lageistwerte der einzelnen Vorschubachsantriebe auf. Der Rechner 10 decodiert wiederum die eingegebenen Daten und ermittelt hieraus die zu verfahrende räumliche Bahnkurve. Erfindungsgemäß führt der Rechner jedoch auch eine interpolator!sehe Zerlegung der Bahnkurve in die geschwindigkeitsproportionalen Weginkremente der beteiligten Vorschubachsen aus und ermittelt diskrete Lagesollwerte. Besonders.vorteilhaft erweist sich ein Interpolationsverfahren, das auf dem bekannten Prinzip der direkten Funktionsberechnung basiert (Fischer, Klinge, Schendel "Interpolationsverfahren für Bahnsteuerung bei Werkzeugmaschinen", Siemens-Zeitschrift, 1966, Seite 61 - 66). Anstelle der dort vorgesehenen Verwendung von fest vorgegebenen kleinsten Wegeinheiten als Interpolationsinkremente werden jedoch bei der erfindungsgemäßen Einrichtung bahngeschwindigkeitsproportionale Weginkremente verwendet, die nach einem Suchschrittverfahren bis zu einer Genauigkeit
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kleiner als eine kleinste Wegeinheit ermittelt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Interpolationsalgorithmen erweisen sich aufgrund ihres rekursiven Zuschnittes als besonders rechnergeeignet.
Der Rechner 10 vergleicht schließlich auch die ermittelten Lagesollwerte mit den aktuellen Lageistwerten und führt eine Lageregelung nach Maßgabe von vorgegebenen Regelkriterien und Regelparametern aus. Die Ausgabedaten des Rechners 10 stellen Drehzahlsollwerte für die jeweiligen Drehzahlregelkreise und den ihren zugeordneten Drehzahlreglern 7 und Vorschubantriebe 8 dar. Die vom Rechner 10 ermittelten Drehzahlsollwerte werden in Vergleichseinrichtungen 6 mit den Drehzahlistwerten der einzelnen Vorschubachsantriebs systeme 8 verglichen und steuern deren Drehzahlregler 7 aus, die ihrerseits die Antriebssysteme 8 steuern.
Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten bekannten rechner^eführten Bahnsteuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine übernimmt der Rechner 10 in der in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen rechnergeführten Bahnsteuerung die vollständige Interpolation der Bahnkurve im Raum und insbesondere auch echte Regelaufgaben. Der Rechner zerlegt die räumliche Bahnkurve interpolatorisch in ihre axialen Inkremente in den einzelnen Vorschubachsen und führt für jede Achse die vollständige Lageregelung durch. Bei einer erfindungsgemäßen rechnergeführten Bahnsteuerung können somit pro Vorschubachse sowohl ein schaltungsmäßig ausgeführter Interpolator, ein schaltungsmäßig ausgeführter Lageregler sowie alle schaltungsmäßig ausgeführten Überwachungs- und Kompensationseinrichtungen entfeilen. An ihre Stelle tritt eine entsprechende Programmierung des Rechners.
An die Stelle einer stetigen Lageregelung tritt eine diskrete Lageregelung, da die Ausgabefrequenz des Rechners 10 nicht die Ausgabefrequenz einer schaltungsmäßig realisierten, beispielsweise in Paralleltechnik arbeitenden Lageregelung erreichen kann, wenn der Rechner alle genannten Aufgaben zu bewältigen hat. Diese hohe Informationsausgabefrequenz ist aber aus regelungstechnischer und systemtheoretischer Sicht garnicht nötig.
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Der Übergang von einer stetigen Lageregelung zu ©iner diskreten Lageregelung* für. eine Bahnsteuerung ist bei Einhaltung gewisser Zeit=-bzw.- Frequenzbedingungen zwischen den Drehzahlregelkreisen und dem sie mit DrehzahlSollwerten versorgenden Rechner möglich. Bei Einhaltung dieser Bedingungen kann von einem "quasistetigen" Übertragungsverhalten gesprochen werden, bei dem sich das Übertragungsverhalten des diskretisierten Systems im interessierenden Bereich nicht oder nur unwesentlich vom Übertragungsverhalten eines stetigen Systems unterscheidet=
Als charakteristische systembestimmende Kenngröße eines rechnergeregelten diskreten Lageregelkreises kann das Verhältnis der Abtastfrequenz zum Grenzwert der Eigenfrequenz eines diskreten LageregelkreJass angesehen werden, bei dem die Bedingung des quasistetigen Übertragungsverhaltens noch erfüllt ist. Diese Bedingung kann für ein Verhältnis größer 8 als hinreichend gut erfüllt gelten. Gegenüber dieser Bedingung sind diejenigen Zeitbedingungen im allgemeinen weitaus weniger systembestimmend, die von der Geometrie, der Genauigkeit der digitalen Interpolation und der Informationsvorbereitung an die diskrete Ermittlung von Lagesoliwerten gestellt werden.
Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die regelungstechnisch notwendige Abtastzeit eines diskreten Lageregelkreises die maximale Rechenzykluszeit sowie die Prioritierungsstruktur des Rechnerprogramms festlegt. Unter der Rechenzykluszeit wird diejenige Zeit verstanden, nach der bestimmte Rechenalgorithmen im systembedingten Funktionsablauf erneut abgehandelt werden müssen. Es ist erforderlich, daß die minimale Rechenzyklus-Summenzeit der jeweils aktualisierten Systemteile kleiner ist als die regelungstechnisch erforderliche Abtastzeit des schnellsten Lageregelkreises.
Figur 3 zeigt die Struktur eines regelungstechnischen Modells einer diskreten Lagesollwertverarbeitung bei einer erfindungsgemäßen rechnergeführten Werkzeugmaschinensteuerung. Der von der Arbeitsmaschine 9 abgegriffene analoge Lageistwert S^ + (t) wird in einem Analog-Digital-Umsetzer 15 in einen digitalisierten La-
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-^- * 2859090
geistwert S* . (t) umgesetzt. Der kontinuierlich anfallende, digitalisierte Lageistwert wird von einem Abtast-Halteglied 16 zu den Zeitpunkten t = ι>"ΐ abgetastet und über die nachfolgende Abtastperiode T gehalten. Es entsteht ein diskretisierter, gehaltener Lagesollwert Sgoll (t) in Form einer Treppenfunktion.
In gleicher Weise wird im Rechner 10 ein digitalisierter Lagesollwert S* -,-, (t) durch ein weiteres Abtast-Halteglied 11 zu
soll
dem Zeitpunkt t = V- T abgetastet und über die nachfolgende Abtastperiode gehalten. Das Abtast-Halteglied 11 erzeugt einen diskretisierten, gehaltenen Lagesollwert S3011 (t) in Form einer Treppenkurve.
In einer Vergleichseinrichtung 12 wird der diskretisierte, gehaltene Lagesollwert Ssoll (t) mit dem diskretisierten, gehaltenen Lageistwert S. . (t) verglichen, um einen diskretisierten, gehaltenen Schleppabstand Sd (t) zu erhalten. Es gilt die Gleichung (1):
^ (t> ■ 3^I(t) - 5I^ <*>
Der diskretisierte, gehaltene Schleppabstand 3ΓΓ (t) wird einem diskreten Lageregler 13 mit einem Verstärkungsfaktor V eingegeben. Der diskrete Lageregler 13 erzeugt einen diskretisierten, gehaltenen Drehzahlsollwert nsoll (*) nach Gleichung (2):
nsoll (t) - V
Der diskretisierte, gehaltene Drehzahlsollwert η ,, (t) wird
SOXX
von einem Digital-Analog-Umsetzer 14 in einen analogen Drehzahlsollwert D-goll (t) umgesetzt und in der Vergleichseinrichtung 6 im Eingang des Drehzahlreglers 7 mit einem vom Antriebssystem 8 abgegriffenen analogen Drehzahlistwert η. . (t) verglichen.
Das in Bild 3 dargestellte und durch die Gleichungen (1) und (2) beschriebene regelungstechnische Modell einer diskreten Lagesollwertverarbeitung beschreibt zwar den regelungstechnischen Vorgang, aber nicht den hierzu erforderlichen Berechnungslauf im Rechner
Figur 4 zeigt die Struktur eines rechentechnischen Modells einer diskreten LageSollwertverarbeitung bei einer erfindungsgemäßen rechnergeführten Werkzeugmaschinensteuerung. Die mit 17 und 18 bezeichneten Blöcke stellen Differenzbildner- und Abtastglieder für die in t = vT zyklischen Operationen dar. Der mit 19 bezeichnete Block stellt ein Summationsglied in t = Π dar. Der mit 20 bezeichnete Block ist ein Halteglied nullter Ordnung.
Der digitalisierte Lagesollwert S*Qll (t) wird vom Differenzbildner- und Abtastglied 17 in eine diskrete Lagesollwertdifferenz AS -I1 [^T] umgesetzt. In gleicher Weise wird der digitalisierte Lageistwert S4_+ (t) vom Differenzbildner- und Abtastglied 18 in eine diskrete Lageistwertdifferenz Δ S^ +IyXJ umgesetzt. In der Vergleichseinrichtung 21 wird die diskrete Lagesollwertdifferenz 4Sgoll[?"0 mit der diskreten Lageistwertdifferenz 4S. .IrI-I verglichen, um eine diskrete Schleppab-Standsdifferenz AS,L/"tJ zu erhalten. Die diskrete Schleppabstandsdifferenz wird im Summationsglied 19 im vT-Raster zu einem diskreten Schleppabstand S^IV"U aufsummiert, der dem dis-
) kreten Lageregler 13 eingegeben wird. Der vom diskreten Lageregler 13 erzeugte diskrete Drehzahl Sollwert η -,, [τΤΐ wird über das Halteglied nullter Ordnung 20 geführt, dessen Ausgangssignal dem diskretisierten, gehaltenen Drehzahlsoliwert ηsoll (^) darstellt. Dieser wird vom Rechner ausgegeben und in einem Digital-Analog-Umsetzer 14 in einen analogen Drehzahlsollwert η -,-, (t) umgesetzt, der in der bereits beschriebenen Weise in der Vergleichseinrichtung 6 des Drehzahlreglers mit einem analogen Drehzahlistwert verglichen wird.
) Für die Vergleichseinrichtung 21 gilt die Gleichung (3):
ν
V-Tl - I IΛ<1 Γν"Π Α ς Ftf-rl I
» Hierbei ist ά S --.L^XJ eine geschwindigkeitsproportionale Lagesollwertinformation. AS1^CrT] ist eine gemessene geschwindigkeitsproportionale Lageistwertinformation. Beides sind Differenzen der laufenden Soll- bzw. Istposition.
4 Figuren
3 Patentansprüche 8 0 9 8 2 ?/ 0 2 5 5

Claims (3)

7$ P 3 2 9 8 BRD Patentansprüche 265909Q
1.JBahnsteuereinrichtung bei einer von einem Rechner geführten J Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit geregelten Antrieben in den Vorschubachsen, bei welcher der Rechner aus Eingabedaten die zu verfahrende Bahnkurve ermittelt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) der Rechner weist eine Interpolationseinheit auf, welche die ermittelte räumliche Bahnkurve interpolatorisch vollständig in axiale geschwindigkeitsproportionale Vorschubinkremente zerlegt und digitale Lagesollwerte bildet,
b) der Rechner weist eine zusätzliche Eingabeeinheit für digitale Lageistwerte der Vorschubachsantriebe auf,
c) der Rechner weist diskrete Lageregeleinheiten auf, welche die digitalen Lagesollwerte mit den digitalen Lageistwerten vergleichen und nach Maßgabe vorgegebener Regelparameter Sollwerte für den Drehzahlregelkreis des jeweiligen Vorschubachsantriebs bilden.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 mit einer Interpolationseinheit, die nach der Methode der direkten Funktionsberechnung arbeitet, gekennzeichnet durch die Verwendung von bahngeschwindigkeitsproportionalen Weginkrementen, die nach einem Suchschrittverfahren ermittelt werden.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden geregelten Vorschubachsantrieb eine diskrete Lageregeleinheit mit den nachstehend aufgeführten, in vorgegebenen Abtastperioden (T) synchron abgetasteten Gliedern vorgesehen ist:
a) ein erstes Differenzbildner- und Abtastglied (17) zur Umsetzung eines digitalen LageSollwertes (S* ΊΊ (t)) in
SOlJ.
eine diskrete Lagesollwertdifferenz ( Δ S nnL^TU ) ^ ein zweites Differenzbildner- und Abtastglied (18) zur
8 0 9 8 2"F/ 0 2 5 5
ORIGINAL INSPECTED
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Umsetzung eines digitalen Lageistwert (S. , (t)) in eine diskrete Lageistwertdifferenz (4 S. +L^TJ ),
b) eine von der diskreten Lagesollwertdifferenz ( und von der diskreten Lageistwertdifferenz ( Δ beaufschlagte Vergleichseinrichtung (21) zur Bildung einer diskreten Schleppabstandsdifferenz ( d S^ [f U ),
c) ein von der diskreten Schleppabstandsdifferenz ( dS-Iy"Q ) beaufschlagtes Summationsglied (19) dung eines diskreten Schleppabstandes (S^ [V-T] ),
d) ein vom diskreten Schleppabstand (Sd CrTl ) beaufschlagter diskreter Lageregler (13) zur Bildung eines diskreten Drehzahlsollwertes (π τ-, E^T] ) >
e) ein vom diskreten Drehzahlsollwert (n ,, IVTJ ) beaufschlagtes Halteglied nullter Ordnung (20) zur Bildung eines diskretisierten, gehaltenen DrehzahlSollwertes (nsoll (t)) zur Ausgabe an den Drehzahlregelkreis des betreffenden Vorschubachsantriebs.
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