-
Lageregelkreis für überschwingfreies und zeitsparendes
-
Positionieren Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lageregelkreie,
die zum Zweck des überschwingfreien und zugleich in geringer Zeit ablaufenden numerischen
Positionierens mit einer Zusatzschaltung versehen sind. Diese Zusatzschaltung nimmt
Einfluß auf den Verlauf der Ausgangsgeschwindigkeit des Lageregelkreises sowohl
während des Hochlaufens als auch während des Bremsens.
-
Lageregelkreise mit einer Zusatzschaltung, die ein zeitsparendes numerisches
Positionieren ohne Überschwingen in der Zielposition realisleren, sind bereits bekannt.
-
Man erreicht die kurze Positionierzeit und das überschwinfreie Einfahren
des bewegten Teils in die programmierte Zielposition durch entsprechende Beeinflussung
des Geschwindigkeitsverlauf während der Beschleunigungs- und
der
Verzögerungsphase des Positioniervorgangs. Der Geschwindigkeitsverlauf wird durch
Maßnahmen, die direkt oder indirekt auf den Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor Einfluß
nehmen, während der genannten Phasen verändert In diesem Zusammenhang ist aus DE-AS
1 109 249 bekannt, bei einem Legeregelkreis mit unterlagertem Drehzahlregelkreis
und diesem wiederum unterlagertem Stromregelkreis der in Abhängigkeit von der Lageabweichung
gestalteten Sollgeschwindigkeit einen parabelförmigen Verlauf zu geben. Dieser Verlauf
wird mit Hilfe von Dioden, viiderständen und Schwellwertigliedern durch einen Polygonzug
angenähert.
-
Aus DE-AS 2 201 924 ist auch bekannt, einen parabolischen Zusammenhang
zwischen der Lageabweichung und der Positioniersollgeschwindigkeit durch ein Rechenglied
zu realisieren, wobei die parabelfönaige Beziehung durch den Verlauf der statischen
Kennlinie von Bauelementen hergestellt wird.
-
Weiterhin ist aus DE-AS 2 304 888 bekannt, bei großer Lageabweichung
eine parabelförmige Verstärkungskennlinie zu realisieren und bei kleiner Lageabweichung.,
die sich bei fortschreitendem Positioniervorgang einstellt, auf eine gerade Verstärkungskennlinie
umzuschalten. Letztere verwirklicht eine konstante Verst.irkung unabhängig von der
Lageabweichung.
-
Allen vorgena-nnten Lösungen haftet der Nachteil an, daß eine Beeinflussung
der Geschwindigkeitskreisverstärkung in Abhängigkeit von der aktuellen Lageabweichung
erfolgt. Dieser Nachteil äußert sich zum einen in einer stoßartigen hohen Anfahrbeschleunigung.
Diese ist bei verschiedenen Llaschinen, beispielsweise Werkzeugmaschinen, wegen
der damit verbundenen Schwingungsanregung und hohen mechanischen Beanspruchung der
Ub ertragungs elemente unerwünscht.
-
Nachteilig ist aber zum anderen auch der hohe Geräteaufwand für die
Realisierung einer parabolischen Abhängigkeit, wie
sie zwischen
dem Geschwindigkeitsverlauf und der Lageabweichung vorgesehen ist.
-
Aus DE-AS 2 310 443 ist weiterhin bereits bekannt, die Kreisverstärkung
in Abhängigkeit sowohl von der Lageabweichung als auch voi.-t Quartal der Drehzahl
zu beeinflussen.
-
Trotz des erhöhten Schaltungsaufwandes treten die vorstehend beschriebenen
Nachteile unverändert auf.
-
Als Ziel der Erfindung soll erreicht werden, da.6 die Gefahr der Anregung
mechanischer Schwingungen bei schnellen und überschwingfreien Positioniervorgängen
herabgesetzt, dabei hohe Geschwindigkeitskreisverstärkungen im Arbeitsvorschubbereich
ermöglicht und der dabei verwendete Geräteaufwand vermindert wird.
-
Die in der Charakteristik der bekannten technischen Lösungen beschriebenen
Mängel haben ihre Ursache darin, daß die Beeinlussung des Geschwindigkeitsverlaufs
ohne Berücksichtigung des Beschleunigungsverlaufs in ausschließlicher oder überwiegender
Abhängigkeit von der Lageabweichung erfolgt.
-
Um diese Ursache zu beseitigen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Lageregelkreis für überschwingfreies und zeitsparendes numerisches Positionieren
mit einem Subtrahierer, der die Vlegdifferenz zwischen Lagesollwert und Lageiswert
bildet, einer Stellglied und einer Zusatzschaltung, die auf den Geschwindigkeitsverlauf
des zu positionierenden Teils während des Hochlaufens und während des Bremsens Einfluß
nimmt, zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln der Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor
im Hinblick auf die Vermeidung unstetiger Beschleunigungen variabel gestaltet ist.
-
Erfindungsgemäß wird das ddurch erreicht, daß ein mit seinem ersten
Eingang an den Ausgang des Subtrahierers und mit seinem zweiten Eingang an den Ausgang
einer Arithmetikeinheit angeschlossener sowie ausgangsseiti mit dem Stellglied verbundener
Produktbildner vorgesehen ist und die Arithmetikeinheit über einen ersten und über
einen zweiten Eingang getrennt jeweils mit einem der beiden Eingänge oder mit dem
Ausgang des Substrahierers soviele außerdem mit einer Konstantsignalquelle verbunden
ist.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Arithmetikeinheit für
den Pall, daß sie über ihren ersten Eingang von der Wegdifferenz und über ihren
zweiten Eingang voln Lagesollwert beaufschlagt ist, an ihrem ersten und zweiten
Eingang je ein Differenzierglied mit je einem nachgeschalteten Absolutwertbildner,
einen mit seinen beiden Eingängen getrennt an den Ausgang je eines der Absolut-iertbildnei.
-
angeschlossenen Addierer, einen dem Addierer nachgesclialteten Verstärker
und ein mit seinem Substrahendeneingang an den Verstärker angeschlossenes Substraktionsglied
auf, mit dessen Minuendeneingang die Konstantsignalquelle verbunden ist.
-
Der Produktbildner, die Arithmetikeinheit, die Konstantsignalquelle
und deren Anordnung im Lageregelkreis bewirken, daß während eines Positioniervorgangs
der Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor so verändert wird, daß Unstetigkeiten in
der Beschleunigung abgebaut werden.
-
Die Figur zeigt die erfinungsgemäße Schaltungsanordnung.
-
Dabei ist im Vorwärtszweig eines Lageregelkreises zwischen einem Subtrahierer
1 und dem Istwertausgang des Lageregelkreises ein Produktbildner 2 und ein demselben
nachgeschaltetes Stellglied 3 angeordnet. Das Stellglied 3 setzt sich aus einen
Motor 4 und aus einem Getriebe 5 zusammen.
-
Der Rückwärtszweig des Lageregelkreises enthält ein Lagemeßglied 6,dessen
Ausgang auf den Istwerteingang des Subtrahierers 1 geführt ist.
-
An den Sollwerteingang des Subtrahierers 1 ist ein erstes Differenzierglied
7, an den Ausgang des Substrahierers 1 ein zweites Differenzierglied 8 angeschlossen.
Der Differenzierglied 7 ist ein erster Absolutwertbildner 9 und den Differenzierglied
8 ein zweiter Absolutwertbildner 10 nachgeschaltet. Die Ausgänge beider Absolutwertbildner
9 und 10 führen auf getrennte Eingänge eines Addierers 11, dem ausgangsseitig ein
Verstärker 12 folgt.
-
Ein Subtraktionsglied 13 ist über seinen Subtrahendeneingang mit dem
Ausgang des Verstärkers 12 verbunden, während gang mit dem Ausgang des Verstärkers
12 verbunden, während sein Minuendeneingang an eine Konstantsignalquelle 14 angeschlossen
ist. Ausgangsseitig führt das Subtraktionsglied 13 auf einen separaten Eingang des
Produktbildners 2.
-
Die Differenzierglieder 7 und 8, die Absolutwertbildner 9 und 10,
der Addierer 11, der Verstärker 12 und des Subtraktionsglied 13 sind Bestandteile
einer Arithmetikeinheit 15.
-
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist wie folgt: Der Lagesollwert
SSoll wird dem Sollwerteingang, der vom Lagemeßglied 6 ausgegebene Lageistwert Sist
hingegen dem Istwerteingang des Subtrahierers 1 zugeführt. Aus beiden Eingangsgrößen
bildet der Subtrahierer 1 die Wegdifferenz # s. Diese Wegdifferenz # s wird im Produktbildner
2 mit einem Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor kv multipliziert verändert wird und
den Wert # s'=kv##s annimmt.
-
Der Motor 4 erzeugt nach Naßgabe der Wegdifferenz # s' über das Getriebe
5 eine translatorische oder rotatorische Bewegung, als deren Ergebnis am Istwertausgang
des Lageregelkreises
die aktuellen Lageistwerte zustande kommen.
-
Das erste Differenzierglied 7 bildet ein Ausgangsignal, das der zeitlichen
Änderung des Lagesollwertes SSoll entspricht, demzufolge bei Vorgabe eines neuen
Sollwertes zunächst einen hohen Wert annimmt und danach bis auf den Wert Null zurückgeht.
Das zweite Differenzierglied 8 bildet hingegen ein Ausgangssignal, deren Größe der
zeitlichen Änderung der Wegdifferenz entspricht. Die Absolutwertbildner 9 und 10
stellen die Unabhängigkeit der Ausgangssignale beider Differenzeirglieder 7 und
8 vom Vorneichen her. Im Addierer 11 werden die beiden so behandelten Signale zusammengefaßt
und ihre Summe wird im nachfolgenden Verstärker 12 mit dem Verstärkungsfaktor k1
beaufschlagt.
-
Das Subtraktionsglied 13 vermindert eine von der Konstantsignalquelle
14 ausgegebene konstante Ausgangsgröße kmax um die vom Verstärker 12 ausgegebene
variable Größe.
-
Die konstante Ausgangsgröße kmax ist die von der Stabilität bestimmte
maximale Kreisverstärkung. Die Differenz zwischen der konstanten Ausgangsgröße kmax
und der vom Verstärker 12 ausgegebenen Größe ergibt den bereits genannten Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor
kv, mit dem der Produktbildner 2 beaufschlagt wird. Der Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor
kv beträgt somit
Von dynamischen Parametern des Lageregelkreises selbst beeinflußt wirkt der Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor
kv wiederum auf den dynamischen Parameter Wegdifferenz des Lageregelkreises zurück.
Auf diese Weise beeinflußt der Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor kv das Drehzahl-,
Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten des Motors 4 während eines Positioniervorgangs.
Dabei wird bewirkt, daß bei sprung- und rampenförmigen Lagesollwertänderungen sehr
schnelle
Geschwindigkeitsänderungen schon im Geschwindigkeitssollwert des Drehzahlregelkreises
abgebaut und somit hohe stoß- und sprungsförmige Beanspruchungen im gesamten Antriebsteil
vermieden werden. Die damit erreichten stetigeren Istgeschwindigkeitsänderungen
während eines Positioniervorganges führen zu einer geringeren Scheingungsanrerung
der Werkzeugmaschine in der Positionierphase und zu geringeren Bauteilbeanspruchungen.
-
In verbindung mit diesen Eingenschaften wird bei geringer Geschwindigkeit
eine hohe Geschwindigkeitsverstärkung einstellbar, die für kleine Bahnfehler im
Bahnsteuerbetrieb notwendig ist.
-
Wird der getrennte Anschluß beider Differenzierglieder 7 und 8 nicht
am Sollwerteingang und am Ausgang des Subtrahierers # vorgenommen, sondern anstelle
dieses Sollwerteingangs oder dieses Ausgangs der Istwerteingang des Substrahierers
1 verwendet, so wird eine zusätzliche arithmetische Operation notwendig, mit der
die beschriebene Beaufschlagung des Addierers 11 sichergestellt bleibt.
-
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Subtrahierer 2 Produktbildner
3 Stellglied 4 Motor 5 Getriebe G Lagemeßglled 7 Differenzierglied 8 9 Absolutwertbildner
10 11 Addierer 12 Verstärker 13 Subtraktionsglied 14 Konstantsignalquelle 15 Arithmetikeinheit
L
e e r s e i t e