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Steuereinrichtung für eine numerisch gesteuerte Ein-
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richtung, z.B. eine Werkzeugmaschine.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine
numerisch gesteuerte, für jede Bewegungsachse einen Antrieb aufweisende Vorrichtung,
z.B. eine Werkzeugmaschine, gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei einer bekannten Steuereinrichtung dieser Art ist ein einziger
Rechner vorhanden, der in jedem Abtastintervall, für alle Bewegungsachsen die Sollwerte
für die Lageregelkreise ermittelt (DE-OS 26 43 los8). Dadurch, dass dieser eine
Rechner alle für die Bestimmung dieser Sollwerte erforderlichen Rechenoperationen
durchzuführen hat, ergeben sich entweder entsprechend grosse Rechenzeiten, was den
erzielbaren Vorschubgeschwindigkeiten Grenzen setzt, oder es muss ein entsprechend
schneller Rechner eingesetzt werden. Zudem erfolgt bei dieser bekannten Steuereinrichtung
das Anfahren jeweils mit konstantem Beschleunigungsmoment und das Bremsen mit einem
gleichgrossen und ebenfalls konstanten Bremsmoment. Die Gegebenheiten der Antriebe,
wie z.B. die Reibung,der Ankerwiderstand des Antriebsmotores und dgl., bleiben somit
unberücksichtigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, unter
Behebung dieser Nachteile eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
die ohne grossen Aufwand und möglichst unter Einsatz von handelsüblichen Bauelementen
hohe Verfahrgeschwindigkeiten unter Einhaltung der erforderlichen Genauigkeit bezüglich
abzufahrender Bahn ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäss kennzeichnendem Teil des Anspruches 1 gelöst.
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Durch die Aufteilung der Rechenarbeit auf den allen Bewegungsachsen
gemeinsamen ersten Rechner und auf die jeweils einer Bewegungsachse zugeordneten
zweiten Rechner kann eine Parallelverarbeitung der Daten erfolgen, so dass gleichzeitig
mehrere Bewegungsachsen gesteuert werden können, ohne dass eine Einbusse an Vorschubgeschwindigkeit
und Genauigkeit in Kauf genommen werden muss.
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Vorzugsweise ändert sich das Beschleunigungsmoment und/ oder das Bremsmoment
der Antriebe während der Anfahrtperiode bzw. der Bremsperiode, wobei es zudem von
Vorteil ist, wenn während der Anfahrperiode der Wert der Beschleunigung kleiner
ist als der Wert der Verzögerung während der Bremsperiode. Diese Massnahme erlaubt
kurze Positionierungszeiten bei gleichzeitig geringster Beanspruchung der Antriebselemente,
wie Motor, Getriebe, Spindel, Lager usw..
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Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des
Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt schematisch: Fig. 1 anhand eines
vereinfachten Blockschaltbildes den grundsätzlichen Aufbau einer Steuereinrichtung
für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, Fig. 2 ein nur eine Bewegungsachse
umfassendes detailliertes Blockschaltbild der Steuereinrichtung gemäss Fig. 1, und
Fig. 3 ein den Geschwindigkeitsverlauf bei einem Positioniervorgang darstellendes
Diagramm.
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Wie die Fig. 1 zeigt, weist die Steuereinrichtung für eine numerisch
gesteuerte Werkzeugmaschine einen ersten Rechnerl auf, dem eingangsseitig Eingabedaten
zugeführt werden und der von einem Takt geber 2 Taktimpulse empfängt. Dieser erste
Rechner 1 vermittelt auf Grund der Eingabedaten für die einzelnen Abtastintervalle,
die durch die vom Taktgeber 2 erzeugten Taktliiulse bestimmt werden, Beschleunigungs-,
Geschwindigkeits- und Wegsollwerte. Diese Werte werden über eine an den Ausgang
dieses ersten Rechners 1
angeschlossene Datensammelleitung 3 einzelnen
zweiten Rechnern 4, 5, 6 zugeführt, von denen jeder einer Bewegungsachse zugeordnet
ist. So ist beispielsweise der Rechner 4 der X-Achse,der Rechner 5 der Y-Achse und
der Rechner 6 der Z-Achse zugeordnet. Wie die Fig. 1 zeigt, können entsprechend
weitere zweite Rechner an die Datensammelleitung 3 angeschlossen werden, falls mehr
als drei Bewegungsachsen zu steuern sind. Jeder dieser zweiten Rechner 4, 5, 6 ist
ausgangsseitig mit einem Vorschubantrieb 7, 8 bzw. 9 für die entsprechende Bewegungsachse
verbunden. Eingangsseitig erhält jeder zweite Rechner 4, 5, 6 zudem Lagestwerte,
die von einem Istwertgeber 10, 11 bzw.
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12 erzeugt werden. Jeder zweite Rechner 4, 5, 6 erzeugt auf Grund
der vom ersten Rechner 1 erhaltenen Daten in Abhängigkeit von der abzufahrenden
Bahn und von den von den Istwertgebern 10, 11, 12 erhaltenen Lageistwerten Sollwerte
für den zugeordneten Antrieb 7, 8, 9.
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Anhand der Fig. 2 wird der Aufbau und die Funktionsweise dieser Steuereinrichtung
näher beschrieben. Diese Fig. 2 umfasst nur eine Bewegungsachse, da der Aufbau und
die Wirkungsweise des Steuerungsteils für die andern Bewegungsachsen analog ist.
Die auf einem Datenträger gespeicherten Daten für die Bearbeitung eines Werkstückes
werden in einem Dateneingabegerät ausgelesen und einer ersten Rechnereinheit 14,
die Teil des ersten Rechners 1 bildet, eingegeben. Diese erste Rechnereinheit 14
führt auf Grund der eingegebenen Daten eine Vorinterpolation durch, wie
das
beispielsweise in der schweizerischen Patentanmeldung Nr. (Vertreterakte A 3026
CH) beschrieben ist.
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Dieser ersten Rechnereinheit 14 ist eine ebenfalls Teil des Rechners
1 bildende zweite Rechnereinheit 15 nachgeschaltet, der zudem vom Taktgeber 2 die
die einzelnen Abtastintervalle festlegenden Taktimpulse zugeführt werden.
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Diese zweite Rechnereinheit 15 errechnet für jedes Abtastintervall
neue Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-und Wegsollwerte für die abzufahrende Bahn.
Diese Sollwerte werden über die an den Ausgang dieser zweiten Rechnereinheit 15
angeschlossene Datensammelleitung den zweiten Rechnern 4, 5, 6, für die verschiedenen
Bewegungsachsen zugeführt. Der zweite Rechner 4 weist eine eingangsseitig an die
Datensammelleitung 3 angeschlossene Rechnereinheit 16 auf, der ein Halteglied nullter
Ordnung 17 nachgeschaltet ist. Die Rechnereinheit 16 errechnet auf Grund der von
der zweiten Rechnereinheit 15 des ersten Rechners 1 erhaltenen Daten und in Abhängigkeit
von der zu verfahrenden Bahn und der vom Istwertgeber 10 erhaltenen Lageistwerte
für jedes Abtastintervall einen Sollwert für den nachgeschalteten Antrieb 7. Dieser
Sollwert wird für die Dauer eines Abtastintervalles im Halteglied 17 gespeichert.
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Die Rechnereinheit 16 führteine Nachinterpolation durch, wie das ebenfalls
in der bereits erwähnten schweizerischen Patentanmeldung Nr. (Vertreterakte A 3026
CH) beschrieben ist. Das Halteglied 17 ist mit einem Drehzahlregler 18 für den Antriebsmotor
19 des Vorschubantriebes 7 verbunden. Die im Halteglied 17 gespeicherten Sollwerte
werden
von diesem Drehzahlregler 18 übernommen.
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Der erste Rechner 1 bzw. dessen zweite Rechnereinheit 15 prüft in
jedem Abtastintervall, ob der Bremseinsatzpunkt zum Einleiten des Bremsvorganges
für das Positionieren im nächsten Abtastintervall erreicht wird. Stellt die Rechnereinheit
15 fest, dass der Bremseinsatzpunkt in das nächste Abtastintervall fällt, so leitet
er den Bremsvorgang zu Beginn dieses Abtastintervalles ein. Das hat nun zur Folge,
dass mit der Bremsung zu früh eingesetzt wird. Eine entsprechende Schaltungsanordnung
in der Rechnereinheit 15 steuert jedoch diesen Bremsvorgang derart, dass die Fahrgeschwindigkeit
möglichst wenig vom vorgegebenen Sollwert abweicht. Wird, wie das anhand der Fig.
3 noch näher erläutert werden wird, während des Bremsvorganges abschnittweise mit
unterschiedlichem Bremsmoment verzögert, so bewirkt zudem der Rechner 1 bzw. dessen
zweite Rechnereinheit 15, dass während demjenigen Abtastintervall, in welchem sich
die Grösse der Verzögerung ändert, mit dem jeweils grösseren der beiden Verzögerungswerte
gebremst wird.
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Da die für die Ermittlung der Drehzahlsollwerte für die einzelnen
Vorschubantriebe 7, 8 und 9 erforderlichen Rechenoperationen auf den allen Bewegungsachsen
gemeinsamen ersten Rechner 1 und die einzelnen Achsrechner 4, 5 und 6 aufgeteilt
wird, ist in diesen Achsrechnern 4, 5, 6 eine parallele Datenverarbeitung möglich,
was sich in einer entsprechend grossen Vorschubgeschwindigkeit auswirkt.
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Es lassen sich somit eine grosse Anzahl von Bewegungsachsen gleichzeitig
steuern, ohne dass eine Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit in Kauf genommen
werden muss.
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Zudem ermöglicht diese Aufteilung der Rechenoperationen den Einsatz
von Multiprozessoren für die Rechnereinheiten 14, 15 und 16.
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Der beschriebene Aufbau der Steueranordnung ermöglicht es weiter,
im ersten Rechner 1 bzw. in dessen zweiter Rechnereinheit 15 Geschwindigkeitssollwerte
für den Anfahr-, Konstantfahr- und Bremsbetrieb abzuspeichern, die auf der in Fig.
3 gezeigten Kurve liegen. Bei bekannten Steuereinrichtungen weist die entsprechende
Kurve des Geschwindigkeitsverlaufes eine symmetrische Form auf, da im Anfahrbereich
mit einem konstanten Beschleunigungsmoment beschleunigt und im Bremsbereich mit
einem ebenfalls konstanten, gleich grossen Bremsmoment verzögert wird, wie das beispielsweise
in der bereits früher erwähnten DE-OS 26 43 148 beschrieben ist.
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Wie die Fig. 3 zeigt, wird bei der Steuereinrichtung gemäss den Figuren
1 und 2 die Beschleunigung bzw. die Verzögerung den Eigenschaften des Antriebes
angepasst und beispielsweise die Reibung, der Ankerwiderstand des Gleichstromantriebsmotores
und dgl, berücksichtigt.
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Anhand der Fig. 3 werden nun die einzelnen Abschnitte der den Geschwindigkeitsverlauf
darstellenden Kurve näher erläutert. Zu Beginn des Anfahrbereiches 20 wird in einem
ersten Abschnitt I mit einer verhältnismässig geringen Beschleunigung angefahren,
bis das im Antriebssystem vorhandene Spiel überwunden ist. Dadurch wird die Abnutzung
von Spindeln und Getrieben herabgesetzt und ein schlagartiges Beanspruchen dieser
Teile nach Ueberwindung des Spieles vermieden. Anschliessend, d.h. nach Durchfahren
der
Lose, wird in einem zweiten Abschnitt II der Antriebsmotor
mit maximal möglicher Beschleunigung hochgefahren.
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Diese Beschleunigung hängt u.a. von der Art des Antriebsmotors und
von dem von diesem bewegten Bauteil ab. Im letzten Abschnitt III der Anfahrperiode
20 wird die Beschleunigung gegenüber dem vorangehenden Abschnitt II reduziert, was
eine Verminderung des Kollektorabbrandes bei Antriebsmotoren mit einem Kollektor,
d.h. insbesondere bei Gleichstrommotoren, zur Folge hat.
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Nach Beendigung der Anfahrphase 20, d.h. nach Erreichen der Sollgeschwindigkeit
für die Konstantfahrt,wird die Geschwindigkeit während der Konstantfahrtperiode
21 auf diesem Sollwert gehalten. Wird der auf die vorstehende beschriebene Weise
durch die zweite Rechnereinheit 15 des ersten Rechners 1 ermittelte Bremseinsatzpunkt
erreicht, so beginnt die Bremsphase, die in Fig. 3 durch den Bremsbereich 22 dargestellt
ist. Im ersten Abschnitt IV dieses Bremsbereiches 22 wird entsprechend dem Abschnitt
III mit einem Bremsmoment verzögert, so dass der Kollektorabbrand auf ein Mincestmass
herabgesetzt wird. Im an diesen ersten Abschnitt IV anschliessenden zweiten Abschnitt
V wird nun mit der maximal möglichen Verzögerung gebremst, die ebenfalls von der
Art des Antriebsmotors und des von diesem bewegten Teiles abhängt. Im letzten Abschnitt
VI des Bremsbereiches 22 wird mit gegenüber diesem Abschnitt V geringerer Verzögerung
ins Ziel eingefahren. Trotz vorangegangener starker Bremsung im Abschnitt V wird
somit ein
genaues überschwingfreies Einfahren ins Ziel erreicht.
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Wie aus Fig. 3 deutlich hervorgeht, ist die Geschwindigkeitskurve
nicht symmetrisch, d.h., dass im allgemeinen im Anfahrbereich 20 mit einem Beschleunigungsmome.lt
beschleunigt wird, dessen Wert kleiner ist als das Bremsmoment im Bremsbereich 22.
Insbesondere zeigt es sich, dass der Wert der Beschleunigung im Abschnitt II bzw.
im Abschnitt III kleiner ist als der Wert der Verzögerung im entsprechenden Abschnitt
V bzw. IV. Der Grund hiefür liegt in den Berücksichtigung der mechanischen Reibung
und der Kollektorleistung des Antriebsmotors. Beim Anfahren wirkt diese mechanische
Reibung der Beschleunigung entgegen, während sie beim Einfahren ins Ziel den Bremsvorgang
unterstützt. Entsprechend findet die Tatsache Berücksichtigung, dass die Klemmenspannung
des Antriebsmotors beim Anfahren grösser isc als beim Abbremsen.
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Die beschriebene Anpassung des Anfahr- und Bremsvorganges an die mechanischen
und elektrischen Gegebenheiten des Antriebes und des von diesem angetriebenen Bauteils
hat eine entsprechend kurze Positionierzeit zur Folge. Gleichzeitig werden die Antriebselemente,
wie beispielsweise Antriebsmotor, Getriebe, Spindel, Lager etc., einer möglichst
geringen Beanspruchung unterworfen.
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Die zeitliche Dauer der einzelnen Abschnitte I - VI sowie die Beschleunigungs-
bzw. Verzögerungswerte in diesen Ab-
schnitten sind entsprechend
den Gegebenheiten frei wählbar.
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In gewissen Fällen ist es auch möglich, auf den Abschnitt I zu verzichten
und für den Beginn des Abschnittes II einen von Null verschiedenen Sollwert vorzugeben.
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Die beschriebene Steuereinrichtung lässt sich insbesondere mit Vorteil
für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen im weitesten Sinn verwenden. Doch ist
es auch möglich, diese Steuereinrichtung in andern numerisch gesteuerten Vorrichtungen,
z.B. in Zeichenautomaten, einzusetzen.