DE3027581A1 - Position control of speed regulated NC machine tool - has position and velocity loops to provide high speed positioning - Google Patents
Position control of speed regulated NC machine tool - has position and velocity loops to provide high speed positioningInfo
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Abstract
Description
Verfahren zum Positionieren eines drehzahlgeregelten MaschinenteilsMethod for positioning a speed-controlled machine part
Die Erfindung betrifft das Positionieren eines drehzahlgeregelten Maschinenteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to the positioning of a speed-controlled Machine part according to the preamble of claim 1.
Wird es erforderlich ein Maschinenteil - das über ein Schaltgetriebe angetrieben in mehreren, wahlbaren Drehzahlbereichen eine Drehzahlregelung aufweist - zusätzlich in eine vorgegebene Stillstandsposition zu bringen, ist es schwierig das Maschinenteil ohne störendes Überschwingen rasch und genau zu positionieren. Werden zum Einfahren in die Endposition Schalter wie Endschalter, Annäherungsschalter, Nockenschalter oder ähnliche verwendet, wird ein genaues Positionieren nur möglich, wenn das Einfahren mit sehr kleiner Geschwindigkeit erfolgt undZoder mehrere Schaltkontakte bzw. Schaltstellen vorgesehen sind. Wird das Maschinenteil häufig mit hohen Drehzahlen gefahren; sind besondere Vorkehrungen zu treffen, damit bei dem sehr häufigen Durchfahren diese Schaltstellen (auch wenn hierbei keine Schaltsignale abgegeben werden mussen), keine Schäden entstehen bzw. kein Verschleiß auftritt.If it becomes necessary a machine part - that via a manual transmission driven in several, selectable speed ranges has a speed control - It is difficult to bring it into a predetermined standstill position as well to position the machine part quickly and precisely without annoying overshoot. Are switches such as limit switches, proximity switches, If a cam switch or similar is used, precise positioning is only possible if if the retraction takes place at a very low speed andZor several switching contacts or switching points are provided. If the machine part is often operated at high speeds drove; special precautions must be taken to ensure that the vehicle is driven through very frequently these switching points (even if no switching signals have to be given), no damage occurs or no wear occurs.
Insbesondere bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen sind derartig zu steuernde Maschinenteile mit kontaktlosen Lagewertgebern hoher Auflösung versehen, uber deren Ausgangssignale nach entsprechender Umrechnung der Antriebsmotor gesteuert wird. Ein genaues Positionieren ist jedoch bei den bekannten numerischen Steuerungen nur dann möglich, wenn die Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Stufen des Schaltgetriebes nicht zu weit auseinanderliegen und das Schaltgetriebe ein zu vernachlässigendes Spiel aufweist. Müssen jedoch hohe Leistungen auf das Maschinenteil übertragen werden und wird diese hohe Leistung in sehr unterschiedlichen Drehzahlbereichen erforderlich, muß das Schaltgetriebe sehr weit auseinanderliegende Übersetzungsverhältnisse aufweisen oder der Antrieb derart überdimensioniert werden7 daß er auch bei einer Ansteuerung für kleine Drehzahlen eine ausreichend große Leistung an das Maschinenteil abgeben kann.In particular with numerically controlled machine tools are such Provide the machine parts to be controlled with contactless position encoders of high resolution, The drive motor is controlled via their output signals after appropriate conversion will. However, precise positioning is possible with the known numerical controls only possible if the gear ratios of the individual stages of the gearbox not too far apart and the gearbox is a negligible one Has game. However, high performance must be transferred to the machine part and if this high performance is required in very different speed ranges, the gearbox must have gear ratios that are very far apart or the drive is so oversized7 that it can also be activated when it is activated Deliver a sufficiently high power to the machine part for low speeds can.
Derartige Anforderungen können sowohl bei Sondermaschinen in der Druck-oder Textilindustrie wie auch bei Werkzeugmaschinen vorliegen. So werden z. B. für den Spindelantrieb bei Werkzeugmaschinen zum Fräsen oder Spindeln hohe Drehleistungen für die Spindel in sehr weit auseinanderliegenden Drehzahlbereichen erforderlich, die durch einen Antriebsmotor mit Leistungen zwischen 5 und 100 kW und mehr aufgebracht und über Schaltgetriebe auf die Spindel ubertragen werden. Bei derartigen Werkzeugmaschinen kann es erforderlich werden, z.B. fur einen automatischen Werkzeugwechsel oder ein Herausziehen des Werkzeuges aus dem Werkstuck, die Spindel zuvor in ihrer Drehlage genau zu positionieren. Um eine Automatisierung sinnvoll zu machen, sollte das Positionieren in jeder Getriebestufe des Schaltgetriebes in möglichst kurzer Zeit (z.B.Such requirements can be used both for special machines in the printing or Textile industry as well as machine tools. So z. B. for the Spindle drive in machine tools for milling or spindles with high turning capacities required for the spindle in very widely spaced speed ranges, applied by a drive motor with powers between 5 and 100 kW and more and transmitted to the spindle via a gearbox. With such machine tools it may be necessary, e.g. for an automatic tool change or a Pulling the tool out of the workpiece, the spindle in its rotational position beforehand to position precisely. To make automation useful, positioning should be in each gear stage of the gearbox in the shortest possible time (e.g.
in ca. 1 bis 3 Sekunden) abgeschlossen sein.in approx. 1 to 3 seconds).
Ein«erartiges Positionieren wird nur über einen Lagegeber möglich, der möglichst direkt (ohne Spiel) mit dem zu positionierenden Maschinenteil verbunden ist. Dies bedingt jedoch eine an den Lageregelkreis angepaßte Ansteuerung der Regelkreise, entsprechend der unterschiedlichen Übersetzung und des unterschiedlichen Spieles der einzelnen Getriebestufen des Schaltgetriebes. Wurde man hierzu eine Rechnersteuerung (CNC) verwenden, ist dies nur mit einem erheblichen Aufwand, insbesondere bei der Programmierung und Datenspeicherung, moglich.Such a positioning is only possible via a position encoder, which is connected as directly as possible (without play) to the machine part to be positioned is. However, this requires an activation of the control loops adapted to the position control loop, according to the different translation and different game of the individual gear stages of the gearbox. If you became a computer control for this (CNC), this is only possible with considerable effort, especially with the Programming and data storage, possible.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Scnaltungsandordnungen anzugeben, die mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine sehr genaue positionierung ermöglicht, unabhängig von der gewählten Stufe des Schaltgetriebes. Die Erfindung, wie sie in den Anspruchen gekennzeichnet ist, löst diese Aufgabe, wobei mit einem Lagegeber hoher Auflösung ein schnelles und genaues Positionieren möglich wird.It is the object of the invention to provide a method and circuit arrangements indicate the very precise positioning with relatively little effort made possible, regardless of the selected stage of the gearbox. The invention, as it is characterized in the claims, solves this problem, with one High resolution position encoder enables fast and precise positioning.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 den Spindelantrieb fur eine Fräseinrichtung mit einer Schaltungsanordnung (Blockschaltbild) zu deren' Steuerung Fig. 2 und 3 Positionierverfahren anhand von Spindeldrehzahl-Diagrammen.In the following the invention is illustrated by means of one in the drawings Embodiment explained in more detail. It shows Fig. 1 the spindle drive for a Milling device with a circuit arrangement (block diagram) for its' control Fig. 2 and 3 positioning method based on spindle speed diagrams.
Ein Spindelantriebsmotor 1 mit einem Tachogenerator 2 treibt über eine starre Kupplung 3 und ein Leistungsschaltgetriebe 4 die Spindel 5 für ein Fräswerkzeug 6 an, wobei am Ausgang des Schaltgetriebes 4 ein digitaler Lagegeber 7 vorgesehen ist. Bei besonderen Arbeitsvorgängen wie z.B. Spindeln (Innenfrasen) kann es erforderlich werden, das Werkzeug oder Werkstuck bei genau festgelegter Drehstellung der Spindel 5 herauszuziehen. Auch bei einem automatischen Werkzeugwechsel wird ein genaues Positionieren der Spindel 5 erforderlich, wenn wie ublich am Schaft 8 des Werkzeuges 6 Nutensteine 9 vorgesehen sind, die in eng tolerierte Nuten am Spindelkopf eingeführt werden müssen. Ein problemloses Einsetzen eines Werkzeuges ist hierbei häufig nur dann möglich, wenn die Spindel nur geringfügig, z.B. nicht mehr als ein zehntel Grad von einer vorgegebenen Drehstellung abweicht.A spindle drive motor 1 with a tachometer generator 2 drives over a rigid coupling 3 and a power transmission 4, the spindle 5 for a milling tool 6, a digital position encoder 7 being provided at the output of the gearbox 4 is. It may be necessary for special work processes such as spindles (internal milling) the tool or workpiece with a precisely defined rotational position of the spindle 5 pull out. Even with an automatic tool change, an accurate Positioning of the spindle 5 is necessary if, as usual, on the shank 8 of the tool 6 sliding blocks 9 are provided, which are inserted into grooves with close tolerances on the spindle head Need to become. A problem-free use of a tool is often only here possible if the spindle is only slightly, e.g. not more than a tenth Degree deviates from a specified rotational position.
Während der normalen Bearbeitung des Werkstückes hingegen wird eine genaue Drehzahlregelung erforderlich, wobei je nach Werkstück, Werkstückmaterial, geforderter Oberflächenbeschaffenheit, Fräserradius usw. sehr unterschiedliche Spindel-Drehzahlbereiche Anwendung finden. Da der Antriebsmotor 1 in allen Drehzahlbereichen eine hohe Mindestleistung fur das Werkzeug 6 aufbringen muß und der Motor 1 bei heruntergeregelter Drehzahl nur eine entsprechend kleinere Leistung aufbringen kann, ist das Schaltgetriebe 4 vorgesehen, das durch Umschaltung auf unterschiedliche Getriebe stufen mit entsprechenden Übersetzungsverhältnissen ein zelne Spindeldrehzahlbereiche schafft, bei deren Untergrenze die Drehzahl des Antriebes 1 noch groß genug ist, um die Mindestleistung auf das Werkzeug 6 zu übertragen.During normal machining of the workpiece, however, a precise speed control required, depending on the workpiece, workpiece material, Required surface quality, cutter radius, etc., very different spindle speed ranges Find application. Since the drive motor 1 has a high minimum power in all speed ranges must apply for the tool 6 and the motor 1 at a reduced speed The manual transmission is only able to provide a correspondingly lower performance 4 provided that by switching to different gear stages with appropriate Transmission ratios creates individual spindle speed ranges at their lower limit the speed of the drive 1 is still high enough to achieve the minimum output on the Transfer tool 6.
So sind z,B, bei einem funfstufigem Leistungs-Schaltgetriebe mit Ubersetzungsverhältnissen von l:loo, 1;34, 1:11, 1:3,4 und 1:1 folgende Drehzahlbereiche möglich: Stufe 1: Spindel lo - 35 U/min Motor looo - 3500 U/min (1/loo) Stufe 2: Spindel 30 - 105 " Motor 1020 - 3570 " (1/ 34) Stufe 3: Spindel 95 - 320 " Motor 1045 - 3520 " (1/ 11) Stufe 4: Spindel 300 - 1050 " Motor la20 - 357o " (1/3,4) Stufe 5: Spindel looo - 3500 " Motor looo - 3500 " (1/ 1) Hierzu mußte der Motor derart ausgelegt werden, daß er bei looo U/min noch die Mindestleistung aufbringen kann.For example, with a five-stage power gearbox with gear ratios from l: loo, 1; 34, 1:11, 1: 3.4 and 1: 1, the following speed ranges are possible: Level 1: Spindle lo - 35 rpm Motor looo - 3500 rpm (1 / loo) Level 2: Spindle 30 - 105 "Motor 1020 - 3570" (1/34) Stage 3: Spindle 95 - 320 "Motor 1045 - 3520" (1 / 11) Level 4: Spindle 300 - 1050 "Motor la20 - 357o" (1 / 3.4) Level 5: Spindle looo - 3500 "Motor looo - 3500" (1/1) For this, the motor had to be designed in such a way that that he can still produce the minimum power at looo rpm.
Bei einem.Bearbeitungszentrum ist die Spindel 5 nur eine von mehreren zu steuernden Achsen. Die Steuerung dieser Achsen erfolgt üblicherweise durch eine numerische Steuerung 1o und einen Leistungsverstärker. Dieser Leistungsserstãrker kann mit einer Zusatzeinrichtung versehen werden, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Positionieren der Spindel 5 ermöglichst. Hierzu ist der Lagegeber 7 derart ausgebildet, daß er über eine Verbindung 11 hochauflösbare drehrichtungsbestimmbare Impulse und über eine Leitung 12 Nullimpulse an einen Auf-/Abwãrtszãhler 13 geben kann. Der Lagegeber 7 kann derart justiert sein, daß die Nullimpulse genau in der Drehlage abgegeben werden, in welcher die Spindel positioniert werden soll. Die Nullimpulse dienen gleichzeitig dazu, bei jeder Spindelumdrehung z.B. durch ein Nullsetzen, die Werte des Zählers 13 zu korrigieren. Der Zähler 13 ist Teil eines Lageregelkreises mit einer Decodierstufe 14 und einem Digital- Analogwandler 15, der über eine Verbindung 16 ein -von der Nullageabweichung abhangiges Analogsignal an einen Lageregelkreisverstärker 17 abgibt. Dieser Lageregelkreisverstärker 17 erhalt aus einer Steuerlogik 18 über die Stufenzahl des Schaltgetriebes entsprechende Befehlsleitungen 19, Schaltbefehle zur Regelkreisumschaltung. Die Schaltbefehle werden in der Steuerlogik aus einem Signal gewonnen, das über eine Verbindung 2o von der numerischen Steuerung abgegeben wird, die auch. nach. dem vorliegendem Programm über eine Verbindung 21 das Schaltgetriebe 4 umschaltet.In a machining center, the spindle 5 is only one of several axes to be controlled. These axes are usually controlled by a numerical control 1o and a power amplifier. This power booster can be provided with an additional device that the method according to the invention for positioning the spindle 5 possible. For this purpose, the position encoder 7 is designed in such a way that that he has a connection 11 high-resolution rotational direction-determinable pulses and Can give zero pulses to an up / down counter 13 via a line 12. Of the Position encoder 7 can be adjusted in such a way that the zero pulses are exactly in the rotational position in which the spindle is to be positioned. The zero pulses serve at the same time, with each spindle revolution, e.g. by setting to zero, to correct the values of the counter 13. The counter 13 is part of a position control loop with a decoding stage 14 and a digital-to-analog converter 15, which has a connection 16 an analog signal dependent on the zero position deviation to a position control loop amplifier 17 gives up. This position control loop amplifier 17 receives from a control logic 18 over the number of stages of the gearbox corresponding command lines 19, shift commands for control loop switching. The switching commands are made from one in the control logic Signal obtained, which is output via a connection 2o from the numerical control will that too. after. the present program via a connection 21 the manual transmission 4 toggles.
Je nach anliegendem Befehl auf den Befehisleitungen 19 wird der Lageregelkreisverstärker 17 derart umgeschaltet, das das gerade vorliegende ttbersetzungsverhaltnis des Schaltgetriebes ausgeglichen wird.Depending on the pending command on the command lines 19, the position control loop amplifier 17 switched in such a way that the current transmission ratio of the manual transmission is balanced.
Das Ausgangssignal des Lageregelkreisverstärkers 17 kann hiermit, durch die entsprechende Umschaltung unabhängig von der geraden geschalteten Getriebestufe des Schaltgetriebes 4, als Sollwertsignal für einen Drehzahlregelkreis dienen, der abhängig vom Ausgangssignal des hier als Tachogenerator 2 ausgebildeten Drehzahlgebers den Stromregler 22 für den Antriebsmotor 1 steuert.The output signal of the position control loop amplifier 17 can hereby by switching over independently of the gear stage that has just been switched of the gearbox 4, serve as a setpoint signal for a speed control loop, the depending on the output signal of the tachometer generator 2 designed here the current regulator 22 for the drive motor 1 controls.
Wie später noch erläutert, kann es vorteilhafter sein, hierzu nicht den fur die Drehzahlregelung beim normalen Bearbeitungsvorgang erforderlichen Drehzahlregelkreis 23 zu verwenden, sondern wie in Fig. 1 dargestellt, einen zusätzlichen Drehzahlregelkreis 24. Dieser Regelkreis 24 erhält über eine Leitung 25 das Ausgangssignal des Lageregelkreisverstärkers 17 und von Tachogenerator 2 über die Leitung 26 das Drehzahlistwertsignal und gibt ein Ausgangssignal an eine Reglerumschaltstufe 27, die entsprechend einem Schaltsignal, das. sie über eine Leitung 28 von der Steuerlogik 18 erhält, entweder den Ausgang des Drehzahlregelkreises 23 für den normalen Bearbeitungsvorgang oder den Ausgang des zusätzlichen Drehzahlregelkreises 24 für das Positionieren der Spindel 5 über eine Leitung 29 an einen Eingang des Stromreglers 22 legt.As will be explained later, it can be more advantageous not to do this the speed control loop required for speed control during normal machining 23, but as shown in Fig. 1, an additional speed control loop 24. This control loop 24 receives the output signal of the position control loop amplifier via a line 25 17 and from tachometer generator 2 via line 26 the actual speed value signal and is an output signal to a controller switching stage 27, which according to a switching signal, that. She receives via a line 28 from the control logic 18, either the output of the speed control loop 23 for the normal machining process or the output of the additional speed control loop 24 for positioning the spindle 5 via a line 29 connects to an input of the current regulator 22.
Beim normalen Bearbeitungsvorgang, z.B. dem Fräsen eines WerkstUEkes mit dem Fräswerkzeug 6, wird entsprechend dem in der numerischen Steuerung lo vorliegendem Programm und der hieraus vorgewählten Getriebestufe des Schaltgetriebes 4 ein Drehzahlsollwert uber eine Verbindung 30 dem Drehzahlregelkreis 23 vorgegeben. Gleichzeitig erhält die Steuerlogik 18 aus der numerischen Steuerung lo über eine Verbindung 31 ein Befehl zur Bearbeitung und schaltet über die Reglerumschaltstufe 27 das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 23 auf den Eingang des Stromreglers 22, der den Antriebsmotor 1 auf diese Sollwertdrehzahl bringt..During the normal machining process, e.g. milling a workpiece with the milling tool 6, according to the present in the numerical control lo Program and the gear stage of the gearbox 4 preselected from it, a speed setpoint Specified via a connection 30 to the speed control loop 23. Simultaneously receives the control logic 18 from the numerical control lo via a connection 31 a Command for processing and switches the output signal via controller switching stage 27 of the speed controller 23 to the input of the current controller 22, which the drive motor 1 brings it to this setpoint speed ..
Wird nun z.B. nach Abschluß eines Bearbeitungsganges und nach Entfernen des Fräswerkzeuges 6 vom Werkstuck bei einer Spindeldrehzahl n1 'gemaß Fig. 2 zu einem Zeitpunkt tl über die numerische Steuerung lo der Steuerlogik 18 über eine Verbindung 32 ein Befehl zum Positionieren für einen anschließenden Werkzeugwechsel gegeben, erzeugt die Steuerlogik 18, entsprechend der geschalteten Getriebestufe des Schaltgetriebes 4 einen diskreten Drehzahlsollwert, der über die Leitung 34 anstelle des Drehzahlsollwertes aus der numerischen Steuerung lo dem Drehzahlregelkreis 23 zugefuhrt wird. Dieser diskrete Drehzahlsollwert kann derart gewählt werden, daß sich eine Spindeldrehzahl ergibt, bei der mit Sicherheit ein Positionieren über den Lageregelkreis 13, 14, 15, 17 innerhalb einer vollen Spindelumdrehung möglich ist. Ist das Schaltgetriebe 4 auf eine Stufe mit kleiner Übersetzung (Bereich mit hohen Spindeldrehzahlen) geschaltet, ergibt dies häufig einen diskreten Drehzahlsollwert mit einer unter der Höchstdrehzahl liegenden Spindeldrehzahl n2, die zu einem Zeitpunkt t2 erreicht wird. Durch einen Vergleich der Ausgangsspannung des Tachogenerators 2, welche über die Leitung 26 auch der Steuerlogik 18 zugeführt wird, mit dem diskreten Drehzahlsollwert oder über ein Signal aus einer zusätzlichen Stufe zur Drehzahluberwachung, wird ein Signal "Drehzahl erreicht" erzeugt, das die Steuerlogik 18 veranlaßt mit dem nächstfolgenden Nullimpuls des Lagegebers 7, der über eine Leitung 35 der Steuerlogik 18 zugeführt wird, einen Umschaltbefehl auszubilden, der über die Leitung 28 die Reglerumschaltstufe 27 betätigt, wobei auf den zusätzlichen Drehzahlregelkreis 24 umgeschaltet wird. Während dieser Zeit bis zum Eintreffen des Nullimpulses bei t3, die - je nach Drehlage der Spindel zum Zeitpunkt t2 - verschieden groß sein kann, bleibt die, durch den diskreten Drehzahlsollwert vorgegebene Spindeldrehzahl n2 erhalten. Der Lageregelkreis 13, 14, 15, mit dem auf die gewahlte Getriebestufe angepaßten Lageregelkreisverstarker 17, gibt hierbei laufend analoge Sollwertsignalge an den Drehzahlregelkreis 24 ab, die sich jedoch erst dann auswirken können, wenn die Reglerumschaltstufe 26 auf diesen Drehzahlregelkreis 24 umschaltet. Die Ausgangsspannung und Regelkreiskennlinie ist hierbei so gewahlt, daß nach einem Umschalten auf den zusätzlichen Drehzahlregelkreis 24, ein Positionieren der Spindel 5 am Ende einer vollen Umdrehung zum Zeitpunkt t4 ergibt. Hierbei erfolg das Stillsetzen der Spindel, ohne Überschwingen, annahernd nach einer e-Funktion.Is now e.g. after completion of a processing step and after removal of the milling tool 6 from the workpiece at a spindle speed n1 'according to FIG a point in time tl via the numerical control lo the control logic 18 via a Connection 32 a command for positioning for a subsequent tool change given, generates the control logic 18, according to the switched gear stage of the gearbox 4 a discrete speed setpoint, which is transmitted via the line 34 instead of the speed setpoint from the numerical control lo the speed control loop 23 is fed. This discrete speed setpoint can be selected in such a way that that there is a spindle speed at which a positioning over with certainty the position control loop 13, 14, 15, 17 possible within a full spindle revolution is. If the gearbox 4 is on a level with a small gear ratio (area with high spindle speeds), this often results in a discrete speed setpoint with a spindle speed n2 below the maximum speed, which at a point in time t2 is reached. By comparing the output voltage of the tachometer generator 2, which is also fed to the control logic 18 via the line 26, with the discrete Speed setpoint or via a signal from an additional stage for speed monitoring, a signal "speed reached" is generated, which the control logic 18 prompts with the next zero pulse of the position encoder 7, which is transmitted via a line 35 of the control logic 18 is supplied to form a switchover command, which via the line 28 the Controller switching stage 27 actuated, with the additional speed control loop 24 is switched. During this time until the arrival of the zero pulse at t3, which - depending on the rotational position of the spindle at time t2 - can be of different sizes, the spindle speed n2 specified by the discrete speed setpoint remains obtain. The position control loop 13, 14, 15, with which on the selected gear stage adapted position control loop amplifier 17, here continuously gives analog setpoint signals to the speed control loop 24, which, however, can only have an effect if the controller switching stage 26 switches to this speed control loop 24. The output voltage and control loop characteristic is selected in such a way that after switching to the additional speed control loop 24, a positioning of the spindle 5 at the end of a full revolution at time t4. The shutdown takes place here the Spindle, without overshoot, approximating to an exponential function.
Der zusätzliche Drehzahlregelkreis 24 kann entfallen, wenn der Ausgang des Drehzahlregelkreises 23 direkt mit dem Stromregler 22 verbunden ist und die Reglerumschaltstufe 27 jeweils die Leitungen 25 oder 34 auf den Sollwerteingang des Drehzahlregelkreises 23 umschaltet.The additional speed control loop 24 can be omitted if the output of the speed control loop 23 is connected directly to the current controller 22 and the Controller switching stage 27 each the lines 25 or 34 to the setpoint input of the speed control loop 23 switches.
In Fig. 2 sind Positionierverfahren dargestellt, bei denen das Schaltgetriebe 4 auf Stufen für hohe Spindeldrehzahlen geschaltet ist. Bei Einschaltung einer Getriebestufe für einen Bereich mit kleinen Spindeldrehzahlen (hohes Übersetzungsverhältnis), ergibt sich im allgemeinen ein optimaler theoretischer Spindeldrehzahlwert n4 (Fig.. 3) für ein kurzfristiges Positionieren, der bedingt durch die Getriebeubersetzung, weit über der maximalen Drehzahl des Antriebsmotors 1 liegt.In Fig. 2 positioning methods are shown in which the gearbox 4 is switched to levels for high spindle speeds. When switching on a gear stage for a range with low spindle speeds (high gear ratio), this generally results in an optimal theoretical spindle speed value n4 (Fig. 3) for short-term positioning, which is due to the gear ratio, is far above the maximum speed of the drive motor 1.
So kann man nur eine möglichst hohe Spindeldrehzahl n5 wählen (n5 9 n lllax Auch ein kurzfristiges Abbremsen nach Eintreffen des nachstfolgenden Nullimpulses aus dem Lageregler 7 zum Zeitpunkt t7 bringt nur Nachteile.So you can only choose the highest possible spindle speed n5 (n5 9 n lllax Also a short-term deceleration after the arrival of the next zero pulse from the position controller 7 at time t7 only brings disadvantages.
So würde die Spindeldrehzahl n5 von z.B. 30 Umdrehungen je Minute zwar in Bruchteilen einer Sekunde auf z.B. 6 Umdrehungen je Minute abzubremsen sein, wobei die Spindel nur eine kleine Drehbewegung ausführt, die restliche Drehung bis zur richtigen Position nach einer vollen Umdrehung würde danach aber mit einer Ausgangsdrehzahl von z.B. 6 Ulmin mehr als lo Sekunden dauern.For example, the spindle speed n5 would be 30 revolutions per minute can be braked to e.g. 6 revolutions per minute in fractions of a second, whereby the spindle only executes a small rotary movement, the rest of the rotation up to the correct position after a full revolution would then be at an initial speed of e.g. 6 Ulmin take more than 10 seconds.
Um dies zu vermeiden erhalt die Steuerlogik 18 aus der Dekodierstufe über eine Verbindung 39 binare Lagewertsignale, die sie mit voreingestellten je nach geschalteter Getriebestufe ausgewählten Vorabschaltwerten vergleicht.To avoid this, the control logic receives 18 from the decoding stage via a connection 39 binary position value signals that they each with preset compares selected pre-switch-off values according to the switched gear stage.
Nach Eintreffen des nachstfolgenden Nullimpulses zum Zeitpunkt t7 er-7 folgt nun kein sofortiges kurzfristiges Abbremsen über den Lageregelkreis 13, 14, 15, 17, sondern dies wird erst spater ausgelost, wenn der fur die geschaltete Getriebestufe ausgewählte Vorabschaltwert erreicht ist. Im wesentlichen, bedingt durch die niedrige Spindeldrehzahl n2, muß hierbei immer noch mit einer verhältnismäßig langen Positionierzeit t gerechnet werden. Diese Zeit läßt sich weiter verp kürzen, wenn über einen entsprechenden spat gewahlten Vorabschaltwert die Drehzahl n5 moglichst lang erhalten bleibt und nach Erreichen des Vorabschaltwertes - anstelle einer sofortigen Reglerumschaltung - kurzfristig dem Drehzahlregelkreis 23 über die Leitung 33 ein Drehzahlsollwert "Null" solange zugeführt wird, bis zu einem Zeitpunkt t6 an dem der Istwert aus dem Tachogenerator 2 dem Sollwert aus dem Lageregelkreis entspricht. Dies kann durch eine Vergleichsstufe 37 bewirkt werden, die eine Ausgangsspannung aus dem Lageregelkreisverstarker 17 mit der Ausgangsspannung aus dem Tachogenerator 2 vergleicht und bei Gleichheit ein Signal über eine Leitung 38 an die Steuerlogik 18 gibt. Erst wenn dieses Signal in der Steuerlogik 18 anliegt, gibt diese einen Umschaltbefehl an die Reglerumschaltstufe 27. Das eigentliche Positionieren uber den Lageregelkreis 13, 14, 15, 17 erfolgt hier erst kurz vor der Endposition mit einer geringen Spindeldrehzahl, wobei sich die Positionierzeit t wesentlich verringert.After the next zero pulse has arrived at time t7 er-7 there is now no immediate short-term braking via position control circuit 13, 14, 15, 17, but this will only be drawn later when the for the switched Gear stage selected pre-switch-off value is reached. Essentially, conditionally due to the low spindle speed n2, must still be with a relatively long positioning time t. This time can be shortened further, if the speed n5 is possible via a correspondingly late pre-switch-off value is retained for a long time and after the pre-switch-off value has been reached - instead of an immediate one Controller switchover - short-term the speed control circuit 23 over line 33 is supplied with a speed setpoint value "zero" until one Time t6 at which the actual value from the tachometer generator 2 matches the setpoint from the position control loop is equivalent to. This can be brought about by a comparison stage 37 which provides an output voltage from the position control loop amplifier 17 with the output voltage from the tachometer generator 2 compares and, if they are equal, a signal via a line 38 to the control logic 18 there. Only when this signal is present in the control logic 18 does it give one Switching command to the controller switching stage 27. The actual positioning via the position control loop 13, 14, 15, 17 takes place shortly before the end position a low spindle speed, whereby the positioning time t is significantly reduced.
p2 Hierbei ergeben sich noch weitere Vorteile, wie eine einfachere Anpassung des Ausgangssignales des Regelkreisverstärkers 17 bei der Umschaltung, da Abweichungen über den Vergleich in der Vergleichs stufe 37 weitgehend ausgeglichen werden und der Drehzahlregelkreis 24 für einen kleinen Drehzahlbereich mit kleinen Drehzahlen wesentlich besser optimiert werden kann, als dies beim Drehzahlregelkreis 23 moglich ist, der für den gesamten Drehzahlbereich des Antriebsmotors 1 ausgelegt sein muß. Eine Optimierungsumschaltung dürfte in den meisten Anwendungsfällen aufwendiger sein als die Verwendung eines zusätzlichen Drehzahlregelkreises 24, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. p2 There are other advantages here, such as a simpler one Adaptation of the output signal of the control loop amplifier 17 during the switchover, as deviations from the comparison in comparison level 37 are largely balanced out and the speed control loop 24 for a small speed range with small Speeds can be optimized much better than with the speed control loop 23 is possible, which is designed for the entire speed range of the drive motor 1 have to be. Switching over to optimization is likely to be more time-consuming in most applications than the use of an additional speed control loop 24, as shown in FIG Fig. 1 is shown.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ermöglicht ein Positionieren der Spindel 5 in beiden Drehrichtungen, wobei wie in den häufigsten Fallen z.B. bei einem Werkzeugwechsel erforderlich, nur eine Endposition angefahren wird.The circuit arrangement according to FIG. 1 enables the positioning of the Spindle 5 in both directions of rotation, whereby as in the most common cases e.g. a tool change required, only one end position is approached.
Dies wird vor allem dadurch möglich, daß ausgehend von einem Nullimpuls des Lagegebers nach einer vollen Rechts- oder Linksdrehung der Spindel in die Endposition gefahren wird. Ist die Endposition erreicht, kann ein Signal der Dekodierstufe 14 das über die Verbindung 40 an die Steuerlogik gelangt, dazu dienen, der numerischen Steuerung über die Leitung 41 die Anweisung "Spindel positioniert" zu geben, die z.B.This is mainly made possible by starting with a zero pulse of the position encoder after a full clockwise or counterclockwise rotation of the spindle to the end position is driven. Once the end position has been reached, a signal from the decoding stage 14 that arrives at the control logic via connection 40 are used to generate the numerical Control via line 41 to give the instruction "spindle positioned" to the e.g.
einen Werkzeugwechsel einleitet. Je nach Anlage und Aufgabe kann nach Erreichen der Endposition der Antrieb abgeschaltet, oder die Position gegen Einwirkungen von außen über den Antriebsmotor gehalten werden.initiates a tool change. Depending on the system and task, When the end position is reached, the drive is switched off, or the position against influences be held from the outside via the drive motor.
Bei entsprechender Optimierung der Regelkreise läßt sich eine Positionsgenauigkeit + 1 Inkrement des hochauflosenden digitalen Lagewertgebers 7 einhalten, wobei das Spiel des Schaltgetriebes 4 voll ausgeglichen wird.Position accuracy can be achieved with appropriate optimization of the control loops + 1 increment of the high-resolution digital position encoder 7, whereby the Game of the gearbox 4 is fully compensated.
Das erfindungsgemäße Positionierverfahren kann auch bei anderen Anwendungsfallen Verwendung finden, bei denen die Spindel 5 oder ein entsprechendes Maschinenteil, in unterschiedliche Positionen positioniert werden muß. Dies kann durch entsprechende Änderungen im Lageregelkreis 13, 14, 15 über zusätzliche Stufen mit voreinstellbaren Zählern, programmierbaren Speichern, Dekadenschaltern oder ähnlichen Stufen durch Eingeben eines voreinstellbaren, einer wahlbaren Endposition entsprechenden Sollwertsignals in einer Weise erfolgen, wie dies bei numerisch zu positionierenden Achsen bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen üblich ist.The positioning method according to the invention can also be used in other applications Find use in which the spindle 5 or a corresponding machine part, must be positioned in different positions. This can be done through appropriate Changes in the position control loop 13, 14, 15 via additional stages with presettable Counters, programmable memories, decade switches or similar steps Input of a presettable setpoint signal corresponding to a selectable end position take place in a way, as is done with numerically to be positioned axes with numerical controlled machine tools is common.
Eine einfache Erweiterungsschaltung ergibt sich, wenn der Nullimpuls aus dem Lagegeber 7 über die Leitung 12 nicht dem Zähler 13 sondern einem weiteren von außen über eine Verbindung 42 voreinstellbaren Zahler 43 zugeführt ist. Dieser Zahler 43 erhält wie der Zahler 13 die Einzelimpulse des Lagegebers 7 und wird durch diese Impulse nach Freigabe durch einen Nullimpuls stufenweise zurückgestellt.A simple expansion circuit results when the zero pulse from the position sensor 7 via the line 12 not to the counter 13 but to another is supplied from the outside via a connection 42 presettable counter 43. This Like the payer 13, the payer 43 receives the individual pulses from the position encoder 7 and is activated by these pulses are gradually reset after being enabled by a zero pulse.
Jedesmal wenn der Zahlerstand "Null" erreicht wird, gibt der Zähler 43 einen Impuls über eine Leitung 44 an den Zahler 13, der dort wie der ursprüngliche Nullimpuls wirkt. Der Nullimpuls kann hierbei dazu benutzt werden, den Zähler in den von außen vorgegebenen Zahlerstand zuruckzusetzen. Die Voreinstellung kann z.B. über einen Dekadenschalter von Hand oder uber entsprechende Stufen der numerischen Steuerung lo entsprechend dort vorliegender Programmteile erfolgen.Every time the counter reaches "zero", the counter gives 43 an impulse via a line 44 to the counter 13, which is there like the original Zero pulse is effective. The zero pulse can be used to set the counter in to reset the externally specified payment status. The presetting can e.g. manually using a decade switch or using the corresponding numerical steps Control lo take place in accordance with the program parts present there.
Zusammenfassung: Verfahren zum Positionieren eines drehzahlgeregelten Maschinenteils.Summary: Procedure for positioning a speed-controlled Machine part.
Bei drehzahlgeregelten Maschinenteilen (5) die huber ein Schaltgetriebe (4) von einem Motor (1) angetrieben werden, kann es erforderlich sein, das Maschinenteil auch ohne vorherige Umschaltung des Schaltgetriebes in einer vorgegebenen Drehlage zu positionieren. Um moglichst genau und schnell positionieren zu konnen erfolgt dies in mehreren Schritten.With speed-controlled machine parts (5) the huber has a gearbox (4) Driven by a motor (1), the machine part may be required even without switching the gearbox in a given rotational position beforehand to position. In order to be able to position as precisely and quickly as possible this in several steps.
Zuerst wird das Maschinenteil auf eine maschinenbedingte Drehzahl (n2, n5) gebracht und danach, ausgehend von einem Nullsignal eines digitalen Lagegebers (7) für das Maschinenteil (5), ein drehzahlgesteuertes Stillsetzen des Maschinenteils in die Endposition über einen Lageregelkreis bewirkt. Ist das Schaltgetriebe (4) in eine Stufe mit hohem Übersetzungsverhältnis für kleine Maschinenteildrehzahlen geschaltet, erfolgt die Umschaltung erst kurz vor Erreichen der zu positionierenden Endposition nach kurzfristigem Abbremsen auf eine kleine Drehgeschwindigkeit. Das Positionierverfahren kann bei entsprechend aufgebauten Werkzeug-, Textil- oder Druckereimaschinen Anwendung finden, wobei eine Steuerschaltung mit verhaltnismaßig geringem Aufwand moglich wird.First, the machine part is set to a machine-dependent speed (n2, n5) and then, based on a zero signal from a digital position encoder (7) for the machine part (5), a speed-controlled shutdown of the machine part in the end position via a position control loop. Is the manual transmission (4) into a stage with a high transmission ratio for low partial machine speeds switched, the switchover takes place shortly before the to be positioned is reached End position after brief braking to a low rotational speed. That Positioning methods can be used with appropriately constructed machine tools, textile machines or printing machines Find application, with a control circuit with relatively little effort becomes possible.
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