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Programmsteuereinichtung für motorische Antriebe
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beispielsweise von Werkzeugmaschinen Die Erfindung betrifft eine
Programmsteuereinrichtung für motorische Antriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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In der DE-OS 29 08 936 ist eine Programmsteuereinrichtung für einen
elektromotorischen Antrieb bes(hriebent die einen Mikroprozessor umfaßt, der bei
Empfang eines Einschaltsignals ein gespeichters Programm durchführt, das mit der
Zeit wechselnde Drehzahlen und wechselnde Drehrichtung angibt. Das Programm ist
in einem auf einer Schaltungskarte vorgesehenen ROM-Speicher gespeichert und kann
durch Austauschen der Schaltungskarte gewechselt werden. Es besteht ferner die Möglichkeit,
mehrere derartige motorische Antriebe derart miteinander zu verbinden, daß am Ende
oder zu einem bestimmten zeitpunkt während des Programmablaufs eines Antriebs die
nächste einges(hal tet wird. Diese Programmsteuereinrichtung ist in ihrer Anwendung
sehr beschränkt.
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Das einzige gespeicherte Programm ist in seinen Parametern fest vorgegeben,
so daß eine Anwendung für Positioniervorrichtungen, wie sie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen
oder Sondermaschinen benötigt werden, nicht infrage kommen kann. Ein Programmwechsel
ist nur durch Austausch einer Schaltungskarte möglich.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird zwar vorgeschlagen, einen
RAM-Speicher für die Programmspeicherung zu verwenden, doch auch in diesem Falle
ist es für einen Programmwechsel jeweiis erforderlich, über ein eigenes Eingabegerät
das Programm einzuspeichern.
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Aus der DE-AS 26 52 706 ist eine Schaltungsanordnung für Datenübertragung
zwischen einer Recheneinheit und der Programmsteuereinrichtung einer numerisch gesteuerten
Werkzeugmaschine mit elektromotorischen Antrieben (Stellmotoren)bekannt, bei der
ein Hauptrechner der Recheneinheit über eine gemeinsame Datensammelschiene mit einem
Hilfsrechner in Verbindung steht, der einen Teil der Rechenaufgaben des Hauptrechners
ausführt und die Ergebnisse in Speicherstellen des Hauptrechners zurücküberträgt.
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über eine Schnittstelle ist die numerische Programmsteuereinzichtung
der Werkzeugmaschine an die gemeinsame Datensammelsciiien anycscrlllosscn. Das Arbeiten
der verschiedenen Antriebe der Werkzeu<Jflcsci0inC wird vollständig von der zentralen
Recheneinheit gesteuert, die von den Antrieben entsprechende Rückinformationen empfängt.
Bei der bekannten Programmsteuereinrichtung muß die Programmsteuerung vollständig
der jeweiligen Werkzeugmaschine angepaßt werden, was mit einem hohen P1-oaranunieraufwand
verbunden ist. Die erforderliche elektronische Ausrüstung ist entsprechend kompliziert
und es muß neben der Hauptrecheneinheit ein Hilfsrechner vorgesehen werden. Die
einzelnen Befehle werden nacheinander an die Programmsteuereinrichtung der Werkzeugmaschine
übertragen, so daß auch dort eine serielle Ansteuerung der verschiedenen Antriebe
erfolgt.
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Die DE-AS 22 44 170 offenbart eine Programmsteuereinrichtung zum numerischen
Rechendirektsteuern mehrerer Werkzeugmaschinen einer Fertigungsanlage über impulsgesteuerte
(Stell-)Antriebe an den Werkzeugmaschinen, mit. einem Rechner zum Steuern mehrerer
Werkzeugmascliinen und einem Register für jede Werkzeugmaschine,
welches
die vom Rechner bereits interpolierten Daten empfängt.
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Auch bei diesem System erfolgt die gc<iamte Prc,yrammsteuerunc3
von der zentralen Recheneinheit aus und die Wrk.tugtnaschinei besitzen lediglich
Register, dercn vom zentralen Rechner ge3 i(f('1 tQ Inhalte zur Steuerung der Antriebe
der Werkzeugmaschinen lediglich dekodiert werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Programmsteuereinrichtung
für motorische Antriebe, beispielsweise von Werkzeugmaschinen, anzugeben, bei der
sowohl der Programmieraufwand für die Anpassung an spezielle Anwendungsfälle erheblich
reduziert und übersichtlich gemacht wird als auch die elektronische Ausrüstung (Hardware)
verhältnismäßig einfach ausgelegt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Programmsteuereinrichtung ist im Patentanspruchs
1 und hinsichtlich vorteilhafter AusgestaZtungen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Sie eignet sich insbesondere für die Anwendung bei Werkzeugmaschinen, Sondermaschinen
(z.B. Verpackungsmaschinen) und Industrierobotern.
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Da die einzelnen Programme für die verschiedensten Aufgaben der motorischen
Antriebe in der Antriebssteuereinheit gespeichert sind und von dieser selbständig
durchgeführt werden, reduziert sich die Größe der zentralen Recheneinheit erheblich.
Andererseits können von dieser ausreichend viele motorische Antriebe über die gemeinsame
Verbindung gleichzeitig angesteuert werden.
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Der Befehlsvorrat ist dabei im wesentlichen nur auf die möglichen
in der Antriebssteuerungseinheit speicherbaren Programme beschränkt. Die erfindungsgemäße
Pr<>grammsteuere inrichtung erlaubt eine äußerst flexible Arbeitsweise, da
über die gemeinsame Verbindungsleitung entsprechende Informationen, wie Positionierungsdaten,
Drehzahl, etc. an die verschiedenen motorischen Antriebe geleitet werden und die
zentrale Recheneinheit von diesen motorischen Antrieben entsprechende Statusinformationen
über
die gemeinsame Verbindungsleitung zurückerhalten kann.
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Es können absolute Positionierbefehle ausgeführt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Programmsteuereinrichtung
werden derartige unterschiedliche Positionierbefehle den verschiedenen motorischen
Antrieben zur Ausführung im gleichen Zeitrahmen mit gleichen Beschleunigungs-und
Bremszeiten und/oder gleichem Zeitverhalten zugeführt und anschliessend gleichzeitig
ausgelöst.
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Die erfindungsgemäße Programmsteuereinrichtung ist ferner derart ausgestaltet,
daß Positionierbefehle ohne zwischenzeitliches Anhalten des Antriebs verkettet werden
können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Programmsteuereinrichtung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
anhand einer Zeichnung, in der zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild und Fig. 2 ein
Zeitdiagralnm zur Veranschaulichung der Verkettung von Steuerbefehlen ohne zwischenzeitliches
Anhalten des Antriebs.
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Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel richtet sich auf
eine Programmsteuereinrichtung für Maschinen, bei denen mittels mehrerer motorischer
Antriebe Positionierungen eines Werkzeugs oder Werkstücks in-entsprechenden Freiheitsgraden
vorgenommen werden. Fig. 1 zeigt einen Motor als Antrieb 10, der von einer Antriebssteuerungseinheit
12 gesteuert wird, die an eine Verhindungslcitung 14 angeschlossen ist, die zu einem
zentralen Rechner 36 führt. Weitere Antriebssteuerungseinheiten für weitere Motoren
sind an die gleiche Verbindungsleitung angeschlossen. Die Verbindungsleitung 14
bietet ferner die
Möglichkeit, weitere zentrale Rechner, andere
SteujeiriJ ten, Anzeige- und/oder Druckeinheiten, DatenübertragungskanäJ e oder
dgl., insbes. über standartisierte Schnittstellen anzufügen, wie dies durch die
Blöcke 18, 20 und 22 angedeutet ist. Auch wird durch diese Verbindungsleitung ein
nachträglicher Ausbau für weitere motorische Antriebe gegeben.
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Die Verbindungsleitung 14 kann eine beliebige geeignete Form haben,
die einen Dialogverkehr zwischen dem zentralen Rechner 16 und den verschiedenen
Antriebssteuerungseinheiten 12 ermöglicht.
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So kann die Verbindungsleitung 14 eine parallele, serielle, sternförmige,
netzförmige oder ringförmige Verbindung darstellen. Die spezielle Ausführungsform
zeigt eine Sammelleitung, an die der zentrale Rechner 16 und die Antriebssteuerungseinheiten
12 für einen Informationsaustausch in beiden Richtungen angeschlossen sind.
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Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist die Ausgestaltung der
Antriebs- bzw. Motorsteuerungseinheiten 12. Diese besitzen einen Programmspeicher
24, in dem einzelnc Prograns,c für die Durchführung gewünschter Steuerungsaufgaben
gespeichert sind.
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Hierbei besteht die Möglichkeit für eine Standardisierung alle gängigen
Programme bzw. bestimmte Konfigurationen zu speichern.
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Alternativ dazu kann der Programmvorrat bzw. die Programmgestaltung
individuell sein. Entsprechend ist auch die Art die Speichers gewählt: Für die Festspeicherung
kommt ein ROM-Speicher (Nur-Lesen-Speicher) infrage. Sollten gewisse Änderungen
möglich sein, wird man einen programmierbaren ROM-Speicher, d.h. einen PROM-Speicher
wählen. Vollkommene Flexibilität ergibt sich mit einem RAM-Speicher, bei dem auch
die Möglichkeit besteht, einen raschenen Programmwechsel über die Verbindungsleitung
14 etwa vom zentralen Rechner 16 her durchzuführen.
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Die Antriebssteuerungseinheit 12 besitzt ferner einen Betriebsdatenspeicher
26 für die Speicherung der vcrsc}liedsnen Steuert
parameter für
den motorischen Antrieb 10 sowie zum Speichern von Daten, die von dem zentralen
Rechner 16 her an die Antriebssteuerungseinheit 12 übertragen werden. Der Betriebsdatenspeicher
26 wird somit zumindest teilweise als RAM-Speicher (Speicher mit wahlfreiem Zugriff)
ausgebildet sein.
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Eine Schnittstelle 28, vorzugsweise eine Normschnittstelle, stellt
die Verbindung der Antriebssteuerungseinheit 12 mit der Verbindungsleitung 14 her.
Eine digitale Eingangs-Ausgangs-Einheit 30 ermöglicht beispielsweise den Empfang
von Ist-Werten bezüglich des Zustandes, insbes. der Position des zugeordneten Antriebs
10. Uber diese Einheit 30 lassen sich andererseits entsprechende Digitaldaten abnehmen.
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Eine analoge Eingangs-/Ausgangs-Einheit 32 empfängt Analogsignale
von Meßwertnchmer 34 und kann entsprechende analoge Ausgangssignale an Stellglieder
36 abgeben.
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Der Antrieb 10 wird erregt über einen Leistungsteil 38, der vorzugsweise
Bestandteil der Antriebssteuerungseinheit 12 ist. Dieser Leistungsteil 38 cnthält
die notwendigen Schalt- und Steuerungselemente, wie Thyristoren und steht mit der
Stromversorgung in Verbindung. Die Art der vom Leistungsteil 38 ausgeübten Steuerung
hängt naturgemäß von der Art des gewählten Antriebs 10 ab. Handelt es sich um einen
Schrittmotor, dann erfolgt die Steuerung durch eine entsprechende Anzahl von Impulsen.
Bei Gleichstrommotoren kommt eine Phasenanschnittsteuerung oder eine Zwei-Punkt-Regelung
infrage.
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Wesentlicher Bestandteil der Antriebssteuerungseinheit 12 ist ein
Mikroprozessor 40, der über entsprechende Verbindungen mit den übrigen Einheiten
der Antriebssteuerungseinheit 12 in Verbindung steht und den Ablauf der verschiedenen
Programme steuert.
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Die hohe Intelligenz der Antriebsstellerux seinheit 12 ermöglicht
erhebliche Einsparung in der Speicher- ud Steuerfähigkeit des zentralen Rechners
16 zur Steuerung der Antriebe. Der Befehlsvorrat des zentralen Rechners 16 kann
auf wenige Makrobefehle beschränkt werden, die sich auf die verschiedenen Betriebsarten
der Antriebssteuerungseinheiten 12 und einige Hilfsbefehle beziehen. Derartige Betriebsarten
sind beispielsweise relatives Positionieren oder absolutes Positionieren, wobei
bei der ersten Betriebsart die Positionierung von der letzten i>osition und bei
der zweiten Betriebsart von einer Null-Position aus erfolgt.
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Einigen Befehlen für die Betriebsarten sind Zusatzdaten angefügt,
etwa bei der relativen Positionierung entsprechende Koordinatenangaben des Zielpunktes.
Uber die iiilfsbefehSe lassen sich ebenfalls bestimmte Daten den einzelnen Antriebssteuerungseinheiten
zuführen; so können beispielsweise Sperrbereiche oder Referenzpunkte gesetzt werden.
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Der zentrale Rechner 16 sendet nicht nur entsprechende Informationen
an die einzelnen Antriebssteuerungseinheiten aus sondern er empfängt auch Rückinformationen
über den Status der Antriebssteuerungseinheiten 12, die sich beispiclsweise auf
die Arbeitsbereitschaft und ordnungsgemäße Funktion der betreffenden Motorsteuerungseinheit
beziehen. Aufgrund dieser Rückinformationen werden dann im zentralen Rechner 16
entsprechende Vorgänge ausgelöst, etwa der Ausfall einer Motorsteuerungseinheit
12 durch einen Alarm angezeigt.
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Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist weiterhin, daß die
Programmsteuerung von allen Treiber- und Leistungsschaltungen galvanisch entkoppelt
ist, was insbes. über opto-elektronische Koppler erfolgt.
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Die Reduzierung der Hardware ermöglicht es gemäß der Erfindung, den
oder die zentralen Rechner 16 sowie die Antricbssteucrunqseinheiten
12
in einem einzigen mechanischen Rahmen unterzubringen.
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Das Zeitdiagramm der Fig. 2 veranschaulicht einen besonders wichtigen
Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Programmsteuereinrichtung: Es ist ein gemeinsamer
Zeitrahmen vorgesehen, in dem verschiedenen Antriebssteuerungseinheiten 12 gleichzeitig
die jeweiligen vom zentralen Rechner 16 empfangenen Positionierbefehle ausführen.
In den Antriebssteuerungseinheiten 12 ist Sorge dafür getragen, daß vergleichbare
Antriebssteuerungseinheiten nach g3eichen Gesetzen arbeiten, d.h. mit gleichen Beschleunigungs-
und Bremszeiten bzw. -kurven arbeiten. Hierdurch ergibt sich eine einwandfreie lineare
Interpolation. Durch die Verkettung von Positionierbefehlen kann ohne großen zentralen
Rechenaufwand eine beliebige Kurve nachgefahren werden. Auch eine optimierte zirkulare
Interpolation ist bei den dezentralen Antriebssteuerungseinheiten 12 möglich.
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Das Zeitdiagramm verdeutlicht die Ausführung einzelner sowie verketteter
Positionierbefehle innerhalb des gleichen Zeitraumes. Die Beschleunigungs- bzw.
Bremszeit TB ist für alle Achsen, d.h. für alle Antriebe 10 die gleiche. Nach einer
bestimmten minimalen Vorhaltezeit Tmin nach Anlegen der Zeit- und Positionierbefehle
folgt der Auslösebefehl für alle Antriebe und das Motorgeschwindigkeitsdiagramm
nach Fig. 2 eines Antriebs beginnt mit einem einzelnen Positionierbefehl. Während
der Zeit TB wird der Antrieb auf eine gewünschte Geschwindigkeit hochgeregelt, bleibt
auf dieser Geschwindigkeit für eine entsprechende Zeit und wird innerhalb einer
weiteren gleichen Zeit TB auf Null zurückgeregelt. Die Antriebsgeschwindigkeit und
die Erregungsdauer bestimmen sich einmal nach den im Beriebsdatenspeicher 26 gespeicherten
Daten und zum anderen aus den mit dem Positionierungsbefehl vom zentralen Rechner
16 an die Steuereinheit des Antriebs übertragenen Daten. Ist die Soll-Position erreicht
und
der Antrieb stillgesetzt, kann eine Status information an den
zentralen Rechner 16 gegeben werden.
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In der Mitte des Zeitdiagramms nach Fig. 2 ist eine Verkettung von
weiteren Positionierbefehlen für den Antrieb ver-anscEwaulicht. Hierbei wird deutlich,
daß innerhalb der gleichen Zeit TB der Antrieb von einer Geschwindigkeit auf eine
andere beschleunigt wird. In ähnlicher Weise erfolgt während einer gleichen Zeit
TB das Abbremsen des Antriebs auf eine andere Geschwinigkeit, gegebenenfalls auch
auf Null.
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Obwohl in dem Zeitdiagramm lineare Ubergänge aufgrund abrupter Befehlsänderungen
von der Beschleunigungs- bzw. Bremsphase zum Soll- bzw. Null-Geschwindigkeitswert
gezeigt sind, wird der Übergang in Wirklichkeit quasi-parabolisch gewählt, wie dies
mit der Einzelheit A, rechts oben in Fig. 2, verdeutlicht ist. Hierdurch ergeben
sich minimale Spitzenströme, ein ruckfreie Arbeiten und es erfolgt kein Überlaufen
der gewünschten Sollposition.
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Nachstehend wird noch näher auf die Arbeitsweise der Antriebssteuerungseinheit
12 eingegangen. Wenn diese vom zentralen Rechner 16 einen Befehl gegebenenfalls
mit zusätzlichen Daten empfängt, wird dieser Befehl dekodiert und mit einem neuen
Startbefehl in entsprechende Abläufe umgesetzt, wobei die jeweiligen Arbeitsparameter
und Betriebszustände zu berücksichtigen sind. Ist ein Positionierbefehl auszuführen,
dann wird durch Auswahl des entsprechenden Programms im Programmspeicher 24 der
Geschwindigkeitsverlauf bestimmt und der Antrieb 10 unter Berücksichtigung der von
den Meßwertaufnehmern 34 festgestellten Ist-Werte entsprechend geregelt. Aus an
die digitale Eingangs-/-Ausgangs-Einheit 30 angelegten Daten wird die Ist-Position
bestimmt, die bei der vorgenannten Berechnung des Geschwindigkeitsverlaufs verwendet
werden kann. Die Antriebssteuerungseinheit 12 führt ferner eine Überwachung der
ordnungsgemäßen Funktion der Einheit und des Antriebs durch, löst für den jeweiligen
Störungsfall
entsprechende Betriebsabläufe aus und gibt beispielsweise einen Alarm an den zentralen
Rechner 16.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße
Programmsteuerung einen zentralen Rechner 16 mit nur geringer Auslegung und einem
maschinenbezogenen Befehlsvorrat verwendet, wobei die Befehle anwenderfreundlich,
d.h. problemorientiert ausgerichtet sind. Die Ausführung der Befehle erfolgt durchwegs
selbständig in den angesprochenen Antriebssteuerungseinheiten 12 mit entsprechender
Servoregelung des Antriebs 10.
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Die dabei verwendeten Programme können maschinenbezogen sein, da sie
standardmäßig für die gängigen Funktionen des Antriebs aufgestellt werden. Durch
gleichzeitiges Auslösen der Abeitsabläufe in den verschiedenen Antriebssteuerungseinheiten
12 läßt sich eine ruckfreie Nachführung jeder beliebigen Kurve durchführen.
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Als Antriebe kommen die verschiedensten Elektromotoren, wie Permanentmagnet-MotoreEn,
Nebenschluß-Motoren, bürstenlose Gleichstrom-Motoren, Synchron-Motoren, Asynchron-Motoren,
Induktionswechselstrom-Motoren, Schritt- und Linear-Motoren in Bctracht. Der Antrieb
kann auch ein pneumatischer oder hydraulischer Motor sein.
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L e e r s e i t e