DE2659090C2

DE2659090C2 -

Info

Publication number: DE2659090C2
Application number: DE2659090A
Authority: DE
Inventors: Guenter Ing.(Grad.) 8521 Spardorf De Broemer; Horst Dipl.-Ing. Gose; Klaus-Ruediger Dipl.-Ing. 8520 Erlangen De Hoffmann; Christian Ing.(Grad.) 8521 Grossenseebach De Seeliger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1988-10-27
Also published as: US4214192A; DE2659090A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bahnsteuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Das Grundprinzip einer derartigen Bahnsteuereinrichtung ist in der SIEMENS-Zeitschrift, 1966, Seiten 67 bis 72 beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Struktur einer solchen rechnergeführten Bahn steuereinrichtung 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 Drehzahlregelkreis mit dem Drehzahlregler 7 und dem Antriebssystem 8 der geregelten Vorschubachse. Die vom Lageregler 5 ermittelten Drehzahlsollwerte werden in einer Ver gleichseinrichtung 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 Falle dem Führungsgrößenrechner jeweils ein als getrennte Schaltung ausgeführter Interpolator pro Vorschubachse nachgeschaltet, dem wiederum ein Lageregler nachgeordnet ist, der ebenfalls als getrennte Schaltung ausgeführt ist.

Aus der DE-OS 21 24 983 ist eine Bahnsteuereinrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Dabei wird vom Rechner die Bahnkurve ermittelt, diese wird interpolatorisch vollständig in axiale geschwindigkeitsproportionale Vorschubinkremente zerlegt, und es werden digitale Lagesollwerte gebildet. Der Rechner weist außerdem eine zusätzliche Eingabeeinheit für digitale Lageistwerte der Vorschubachsantriebe sowie diskrete Lageregeleinheiten auf, die nach Maßgabe vorgegebener Regelparameter Sollwerte für den Drehzahlregelkreis des jeweiligen Vorschubantriebs bilden. Eine derartige Absolutwertverarbeitung erfordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Rechneraufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bahnsteuereinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß in einem dem Rechner angepaßten Zeitraster in technisch ausgesprochen einfacher Weise die Drehzahlsollwerte für die jeweiligen Vorschubachsantriebe ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Bahnsteuereinrichtung liefert die Inter polationseinrichtung bei geringem Speicherplatzbedarf ein geschwin digkeitsproportionales, 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 regelungsstechnischen Notwendigkeiten programmäßig vorgegeben werden. Weiterhin kann auf einfache Weise eine numerische Überwachung der Lagerregelkreise und der Meßsysteme durchgeführt werden, bei der beispielsweise eine Schleppabstandsbegrenzung bei Servofehlern, ein Beschleunigungsstopp, eine Erhaltung des Istwertes bei einer Notabschaltung und eine Klemmfehlererkennung, sowie auch eine numerische Fehler kompensation, beispielsweise eine Losekompensation oder eine Drift-Kompensation, vorgesehen sein können.

Fig. 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 interpolatorische 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 Funktionsbe rechnung basiert (Fischer, Klinge, Schendel "Interpolationsverfahren für Bahnsteuerung bei Werkzeugmaschinen", Siemens-Zeitschrift, 1966, Seite 61-66). Anstelle der dort vorgegebenen Verwendung von fest vorgegebenen kleinsten Wegeinheiten als Inter polationsinkremente weden jedoch bei der erfindungsgemäßen Einrichtung bahngeschwindigkeitsproportionale Weginkremente verwendet, die nach einem Suchschrittverfahren bis zu einer Genauigkeit kleiner als eine kleinste Wegeinheit ermittelt werden. Die auf diese Weise erhaltenen Interpolationsalgorithmen erweisen sich aufgrund ihres rekursiven Zuschnitts 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 ihnen zugeordneten Drehzahlreglern 7 und Vorschubantriebe 8 dar. Die vom Rechner 10 ermittelten Drehzahlsollwerte werden in Vergleichseinrichtungen 6 mit den Drehzahlistwerten der einzelnen Vorschub achsantriebssysteme 8 verglichen und steuern deren Drehzahlregler 7 aus, die ihrerseits die Antriebssysteme 8 steuern.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten bekannten rechnergeführten Bahnsteuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine übernimmt der Rechner 10 in der in Fig. 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 entfallen. 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 gar nicht nötig.

Der Übergang von einer stetigen Lageregelung zu einer 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 Über tragungsverhalten des diskretisierten Systems im interessierenden Bereich nicht oder nur unwesentlich vom Übertragungsverhalten eines stetigen Systems unterscheidet.

Als charakteristische systembestimmende Kenngröße eines rechner geregelten diskreten Lageregelkreises kann das Verhältnis der Abtastfrequenz zum Grenzwert der Eigenfrequenz eines diskreten Lageregelkreises 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 Lagesollwerten 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 Rechnerzykluszeit 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.

Fig. 3 zeigt die Struktur eines regelungstechnischen Modells einer diskreten Lagesollwertverarbeitung bei einer erfindungsgemäßen rechnergeführten Werkzeugmaschinensteuerung. Der von der Arbeitsmaschine 9 abgegriffene analoge Lageistwert S _ist (t) wird in einem Analog-Digital-Umsetzer 15 in einen digitalen Lageistwert S _*ist (t) umgesetzt. Der kontinuierlich anfallende, digitalisierte Lageistwert wird von einem Abtast-Halteglied 16 zu den Zeitpunkten t = ν T abgetastet und über die nachfolgende Abtastperiode T gehalten. Es entsteht ein diskretisierter, gehaltener Lagesollwert (t) in Form einer Treppenfunktion.

In gleicher Weise wird im Rechner 10 ein digitalisierter Lagesollwert S _*soll (t) durch ein weiteres Abtast-Halteglied 11 zu dem Zeitpunkt t = ν T abgetastet und über die nachfolgende Abtastperiode gehalten. Das Abtast-Halteglied 11 erzeugt einen diskretisierten, gehaltenen Lagesollwert (t) in Form einer Treppenkurve.

In einer Vergleichseinrichtung 12 wird der diskretisierte, gehaltene Lagesollwert (t) mit dem diskretisierten, gehaltenen Lageistwert (t) verglichen, um einen diskretisierten, gehaltenen Schleppabstand (t) zu erhalten. Es gilt die Gleichung (1):

Der diskretisierte, gehaltene Schleppabstand (t) wird einem diskreten Lageregler 13 mit einem Verstärkungsfaktor V eingegeben. Der diskrete Lageregler 13 erzeugt einen diskretisierten, gehaltenen Drehzahlsollwert (t) nach Gleichung (2):

Der diskretisierte, gehaltene Drehzahlsollwert (t) wird von einem Digital-Analog-Umsetzer 14 in einen analogen Drehzahlsollwert n _soll (t) umgesetzt und in der Vergleichseinrichtung 6 im Eingang des Drehzahlreglers 7 mit einem vom Antriebssystem 8 abgegriffenen analogen Drehzahlistwert n _ist (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 10.

Fig. 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 = ν T zyklischen Operationen dar. Der mit 19 bezeichnete Block stellt ein Summationsglied in t = ν T dar. Der mit 20 bezeichnete Block ist ein Halteglied nullter Ordnung.

Der digitalisierte Lagesollwert S _*soll (t) wird vom Differenzbildner- und Abtastglied 17 in eine diskrete Lagesollwertdifferenz Δ S _soll [ν T] umgesetzt. In gleicher Weise wird der digitalisierte Lageistwert S _ist (t) vom Differenzbildner- und Abtastglied 18 in eine diskrete Lageistwertdifferenz Δ S _ist [ν T] umgesetzt. In der Vergleichseinrichtung 21 wird die diskrete Lage sollwertdifferenz Δ S _soll [ν T] mit der diskreten Lageistwert differenz Δ S _ist [ν T] verglichen, um eine diskrete Schleppabstandsdifferenz Δ S _d [ν T] zu erhalten. Die diskrete Schleppab standsdifferenz wird im Summationsglied 19 im ν T-Raster zu einem diskreten Schleppabstand S _d [ν T] aufsummiert, der dem diskreten Lageregler 13 eingegeben wird. Der vom diskreten Lageregler 13 erzeugte diskrete Drehzahlsollwert n _soll [n T] wird über das Halteglied nullter Ordnung 20 geführt, dessen Ausgangssignal dem diskretisierten, gehaltenen Drehzahlsollwert (t) darstellt. Dieser wird vom Rechner ausgegeben und in einem Digital- Analog-Umsetzer 14 in einen analogen Drehzahlsollwert n _soll (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):

Hierbei ist ΔS_soll [ν T] eine geschwindigkeitsproportionale La gesollwertinformation. Δ S _ist [ν T] ist eine gemessene geschwin digkeitsproportionale Lageistwertinformation. Beides sind Differenzen der laufenden Soll- bzw. Istposition.

Claims

Bahnsteuereinrichtung bei einer von einem Rechner mit vorgegebenen Abtastperioden ge führten Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit geregelten Antrieben in den Vorschubachsen, bei welcher der Rechner aus Eingabedaten die zu verfahrende Bahnkurve ermittelt, wobei der Rechner eine Interpolationseinheit aufweist, welche die ermittelte räumliche Bahnkurve interpolatorisch vollständig in axiale Vorschubinkremente zerlegt und digitale Lagesollwerte bildet, wobei der Rechner eine zusätzliche Eingabeeinheit für digitale Lageistwerte der Vorschubachsantriebe aufweist und wobei der Rechner diskrete Lageregeleinheiten aufweist, welche die digitalen Lagesollwerte mit den digitalen Lageistwerten vergleichen und nach Maßgabe vorgegebener Regelparameter Sollwerte für den Drehzahlregelkreis des jeweiligen Vorschubachsantriebs bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die für jeden geregelten Vorschubachsantrieb vorgesehene diskrete Lageregeleinheit, nachstehend aufgeführte, in vorgegebenen Abtastperioden (T) synchron abgetastete Glieder aufweist:
- a) ein erstes Differenzbildner- und Abtastglied (17) zur Umsetzung des digitalen Lagesollwertes S _*soll (t)) in eine diskrete Lagesollwertdifferenz (Δ S _soll [γ T]) und ein zweites Differenzbildner- und Abtastglied (18) zur Umsetzung des digitalen Lageistwertes (S _ist (t)) in eine diskrete Lageistwertdifferenz (Δ S _ist [γ T]),
- b) eine von der diskreten Lagesollwertdifferenz (Δ _soll [q T]) und von der diskreten Lageistwertdifferenz (Δ S _ist [γ T]) beaufschlagte Vergleichseinrichtung (21) zur Bildung einer diskreten Schleppabstandsdifferenz (Δ S _d [γ T]),
- c) ein von der diskreten Schleppabstandsdifferenz (Δ S _d [γ T]) beaufschlagte Summationsglied (19) zur Bildung eines diskreten Schleppabstandes (S _d [q T]),
- d) ein vom diskreten Schleppabstand (S _d [γ T]) beaufschlagter diskreter Lageregler (13) zur Bildung eines diskreten Drehzahlsollwertes (n _soll [γ T]),
- e) ein vom diskreten Drehzahlsollwert (n _soll [γ T]) be aufschlagtes Halteglied nullter Ordnung (20) zur Bildung eines diskretisierten, gehaltenen Drehzahlsollwertes ((t)) zur Ausgabe an den Drehzahlregelkreis des betreffenden Vorschubachsantriebs.