DE3145894C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Programmsteuereinrichtung für die gleichzeitige Steuerung mehrerer motorischer Antriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Programmsteuerein­ richtung ist durch die DE-OS 29 45 587 bekannt.

In der DE-OS 29 08 936 ist eine Programmsteuereinrichtung für einen elektromotorischen Antrieb beschrieben, die einen Mikro­ prozessor umfaßt, der bei Empfang eines Einschaltsignals ein gespeichertes Programm durchführt, das mit der Zeit wechselnde Drehzahlen und wechselnde Drehrichtung angibt. Das Programm ist in einem auf einer Schaltungskarte vorgesehenen ROM-Speicher ge­ speichert und kann durch Austauschen der Schaltungskarte gewech­ selt werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, mehrere derarti­ ge motorische Antriebe derart miteinander zu verbinden, daß am Ende oder zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Programmab­ laufs eines Antriebs die nächste eingeschaltet wird. Diese Pro­ grammsteuereinrichtung ist in ihrer Anwendung sehr beschränkt. Das einzige gespeicherte Programm ist in seinen Parametern fest vorgegeben, so daß eine Anwendung für Positioniervorrichtungen, wie sie beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder Sondermaschi­ nen benötigt werden, nicht infrage kommen kann. Ein Programm­ wechsel ist nur durch Austausch einer Schaltungskarte möglich.

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 je­ weils erforderlich, über ein eigenes Eingabegerät das Programm einzuspeichern.

Aus der DE-AS 26 52 706 und der DE-OS 29 45 587 sind eine Pro­ grammsteuereinrichtung für Datenübertragung zwischen einem zentralen Rechner und der Motorsteuereinheit einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit elektromotorischen Antrieben (Stellmoto­ ren) bekannt, bei der ein zentraler Rechner über eine gemein­ same Datensammelschiene einer eigenständigen Motorsteuereinheit mit Programm- und Datenspeichern in Verbindung steht, die einen Teil der Rechenaufgaben des Hauptrechners ausführen und die Ergebnisse in Speicherstellen des Hauptrechners zurücküber­ tragen. Über eine Schnittsstelle ist die numerische Programm­ steuereinrichtung der Werkzeugmaschine an die gemeinsame Datensammelschiene angeschlossen. Das Arbeiten der verschie­ denen Antriebe der Werkzeugmaschine wird vom zentralen Rechner gesteuert, der von den Antrieben entsprechende Rückinforma­ tionen empfängt. Bei der bekannten Programmsteuereinrichtung muß die Programmsteuerung vollständig der jeweiligen Werkzeug­ maschine angepaßt werden, was mit einem hohen Programmierauf­ wand verbunden ist. Die erforderliche elektronische Ausrüstung ist entsprechend kompliziert und es muß neben der Hauptrechen­ einheit 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.

Es ist eine Programmsteuereinrichtung für motorische Antriebe in Form eines Prozeßrechners, beispielsweise von Werkzeug­ maschinen, bekannt (G. Spur "Industrieroboter", München Wien 1979, Carl Hanser Verlag, Seiten 70 bis 72), denen jeweils ein Programmspeicher und eine Recheneinheit zur selbständigen Durchführung eines festgelegten Arbeitsablaufes zugeordnet sind. Das im Programmspeicher enthaltene Programm wird von mindestens einem für mehrere Antriebe vorgesehenen zentralen Rechner mittels eines Befehls gestartet. Die Recheneinheit steuert den dem Programm entsprechenden Arbeitsablauf unter Zugrundelegung von dem zentralen Rechner ständig empfan­ genen und von in einem der Recheneinheit zugeordneten Daten­ speicher gespeicherten Daten. Der Umstand, daß der bekannte zentrale Rechner ständig die Programmsteuer-Interfacekarte für die Motoransteuerung bedienen muß, führt dazu, daß der Prozeß­ rechner-Datenbus wegen des häufigen Datenaustausches überlastet werden kann. Da der Datenaustausch sehr häufig vorgenommen wird, führt dies dazu, daß man nur den schnellen internen Datenbus statt eines langsamen externen Datenbus, also eines längeren und einfacheren Datenwegs, der zu Peripheriegeräten bestehen könnte, verwenden kann.

Die DE-AS 22 44 170 offenbart eine Programmsteuereinrichtung zum numerischen Rechnerdirektsteuern mehrerer Werkzeugmaschinen einer Fertigungsanlage über impulsgesteuerte (Stell)-Antriebe an den Werkzeugmaschinen, mit einem Rechner zum Steuern mehre­ rer Werkzeugmaschinen und einem Register für jede Werkzeug­ maschine, welches die vom Rechner bereits interpolierten Daten empfängt. Auch bei diesem System erfolgt die gesamte Programm­ steuerung von der zentralen Recheneinheit aus und die Werkzeug­ maschinen besitzen lediglich Register, deren vom zentralen Rechner gelieferte Inhalte zur Steuerung der Antriebe der Werkzeugmaschinen lediglich dekodiert werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Programmsteuer­ einrichtung für die gleichzeitige Steuerung motorischer An­ triebe, insbesondere 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) verhält­ nismäßig einfach ausgelegt und der Arbeitsablauf verbessert werden kann.

Eine erfindungsgemäße Programmsteuereinrichtung ist im Patentan­ spruch gekennzeichnet. Sie eignet sich insbesondere für die Anwendung bei Werkzeugmaschinen, Sondermaschinen (z. B. Ver­ packungsmaschinen) und Industrierobotern.

Die einzelne Programme für die verschiedensten Aufgaben der motorischen Antriebe sind in der Motorsteuerungseinheiten ge­ speichert und werden von dieser selbständig durchgeführt. Die Größe der zentralen Recheneinheit ist erheblich reduziert. Andererseits können von dieser ausreichend viele motorische Antriebe über die gemeinsame Verbindung gleichzeitig ange­ steuert werden. Der Befehlsvorrat ist dabei im wesentlichen nur auf die möglichen in der Motorsteuerungseinheit speicherbaren Programme beschränkt. Die erfindungsgemäße Programmsteuerein­ richtung 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 Rechen­ einheit von diesen motorischen Antrieben entsprechende Status­ informationen über die gemeinsame Verbindungsleitung zurücker­ halten kann. Es können absolute Positionierbefehle ausgeführt werden. Unterschiedliche Positionierbefehle werden den verschie­ denen motorischen Antrieben zur Ausführung im gleichen Zeitrah­ men mit gleichen Beschleunigungs- und Bremszeiten und/oder gleichem Zeitverhalten zugeführt und anschließend gleichzeitig ausgelöst.

Die Positionierbefehle sollen ohne zwischenzeitliches Anhalten des Antriebs verkettet werden können. Für eine zirkulare Interpolation bzw. ein Annäherungsverfahren zur Bahnsteuerung ist die Ausführung von Positionierbefehlen für einen Antrieb von der Ausführung eines vorhergehenden Befehls oder von Befehlen für andere Rotorsteuerungseinheiten abhängig.

Die erfindungsgemäße Programm­ steuereinrichtung wird in der nachfolgenden Beschrei­ bung einer bevorzugten Ausführungsform anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Verkettung von Steuerbefehlen ohne zwischenzeitliches Anhalten des Antriebs.

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 Motorsteuerungseinheit 12 gesteuert wird, die an eine Verbindungsleitung 14 angeschlossen ist, die zu einem zentralen Rechner 16 führt. Weitere Motorsteuerungseinheiten für weitere Motoren sind an die gleiche Verbindungsleitung an­ geschlossen. Die Verbindungsleitung 14 bietet ferner die Möglichkeit, weitere zentrale Rechner, andere Steuereinheiten, Anzeige- und/oder Druckeinheiten, Datenübertragungskanäle 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.

Die Verbindungsleitung 14 kann eine beliebige geeignete Form haben, die einen Dialogverkehr zwischen dem zentralen Rechner 16 und den verschiedenen Motorsteuerungseinheiten 12 ermöglicht. So kann die Verbindungsleitung 14 eine parallele, serielle, sternförmige, netzförmige oder ringförmige Verbindung darstel­ len. Die spezielle Ausführungsform zeigt eine Sammelleitung, an die der zentrale Rechner 16 und die Motorsteuerungseinheiten 12 für einen Informationsaustausch in beiden Richtungen ange­ schlossen sind.

Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist die Ausgestaltung der Antriebs- bzw. Motorsteuerungseinheiten 12. Diese besitzen einen Programmspeicher 24, in dessen Unterspeicher einzelne Programme für die Durchführung gewünschter Steuerungsaufgaben gespeichert sind. Hierbei besteht die Möglichkeit für eine Standardisierung alle gängigen Programme bzw. bestimmte Konfigu­ rationen zu speichern. 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 programmier­ baren ROM-Speicher, d. h. einen PROM-Speicher wählen. Voll­ kommene Flexibilität ergibt sich mit einem RAM-Speicher, bei dem auch die Möglichkeit besteht, einen raschenen Programm­ wechsel über die Verbindungsleitung 14 etwa vom zentralen Rechner 16 her durchzuführen.

Die Motorsteuerungseinheit 12 besitzt ferner einen Betriebs­ datenspeicher 26 für die Speicherung der verschiedenen Steuer­ parameter für den motorischen Antrieb 10 sowie zum Speichern von Daten, die von dem zentralen Rechner 16 her an die Motorsteuerungseinheit 12 übertragen werden. Der Betriebsdaten­ speicher 26 wird somit zumindest teilweise als RAM-Speicher (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) ausgebildet sein.

Eine Schnittstelle 28, vorzugsweise eine Normschnittstelle, stellt die Verbindung der Motorsteuerungseinheit 12 mit der Verbindungsleitung 14 her. Eine digitale Eingangs-Ausgangs-Ein­ heit 30 ermöglicht beispielsweise den Empfang von Ist-Werten bezüglich des Zustandes, insbes. der Position des zugeordneten Antriebs 10. Über diese Einheit 30 lassen sich andererseits ent­ sprechende Digitaldaten abnehmen.

Eine analoge Eingangs-/Ausgangs-Einheit 32 empfängt Analogsi­ gnale von Meßwertaufnehmer 34 und kann entsprechende analoge Ausgangssignale an Stellglieder 36 abgeben.

Der Antrieb 10 wird erregt über einen Leistungsteil 38, der vor­ zugsweise Bestandteil der Motorsteuerungseinheit 12 ist. Die­ ser Leistungsteil 38 enthält die notwendigen Schalt- und Steue­ rungselemente, 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.

Wesentlicher Bestandteil der Motorsteuerungseinheit 12 ist ein Mikroprozessor 40, der über entsprechende Verbindungen mit den übrigen Einheiten der Motrorsteuerungseinheit 12 in Ver­ bindung steht und den Ablauf der verschiedenen Programme steuert.

Die hohe Intelligenz der Motorsteuerungseinheit 12 ermöglicht erhebliche Einsparung in der Speicher- und Steuerfähigkeit des zentralen Rechners 16 zur Steuerung der Antriebe. Der Befehls­ vorrat des zentralen Rechners 16 kann auf wenige Makrobefehle beschränkt werden, die sich auf die verschiedenen Betriebsarten der Motorsteuerungseinheiten 12 und einige Hilfsbefehle beziehen. Derartige Betriebsarten sind beispielsweise relatives Positionieren oder absolutes Positionieren, wobei bei der ersten Betriebsart die Positionierung von der letzten Position und bei der zweiten Betriebsart von einer Null-Position aus erfolgt. Einigen Befehlen für die Betriebsarten sind Zusatzdaten ange­ fügt, etwa bei der relativen Positionierung entsprechende Ko­ ordinatenangaben des Zielpunktes. Über die Hilfsbefehle lassen sich ebenfalls bestimmte Daten den einzelnen Motorsteuerungs­ einheiten zuführen; so können beispielsweise Sperrbereiche oder Referenzpunkte gesetzt werden.

Der zentrale Rechner 16 sendet nicht nur entsprechende Informa­ tionen an die einzelnen Motorsteuerungseinheiten aus sondern er empfängt auch Rückinformationen über den Status der Motor­ steuerungseinheiten 12, die sich beispielsweise auf die Arbeits­ bereitschaft und ordnungsgemäße Funktion der betreffenden Motorsteuerungseinheit beziehen. Aufgrund dieser Rückinforma­ tionen werden dann im zentralen Rechner 16 entsprechende Vor­ gänge ausgelöst, etwa der Ausfall einer Motorsteuerungseinheit 12 durch einen Alarm angezeigt.

Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist weiterhin, daß die Programmsteuerung von allen Treiber- und Leistungsschaltun­ gen galvanisch entkoppelt ist, was insbes. über opto-elektro­ nische Koppler erfolgt.

Die Reduzierung der Hardware ermöglicht es gemäß der Erfindung, den oder die zentralen Rechner 16 sowie die Motorsteuerungs­ einheiten 12 in einem einzigen mechanischen Rahmen unterzu­ bringen.

Das Zeitdiagramm der Fig. 2 veranschaulicht einen besonders wichtigen Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Programmsteuereinrichtung: Es ist ein gemeinsamer Zeitrahmen vorgesehen, in dem verschiedenen Motorsteuerungseinheiten 12 gleichzeitig die jeweiligen vom zentralen Rechner 16 empfangenen Positionierbefehle ausführen. In den Motorsteuerungseinheiten 12 ist Sorge dafür getragen, daß vergleichbare Motorsteuerungseinheiten nach gleichen 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 Motorsteuerungseinheiten 12 möglich.

Das Zeitdiagramm verdeutlicht die Ausführung einzelner sowie verketteter Positionierbefehle innerhalb des gleichen Zeit­ raumes. Die Beschleunigungs- bzw. Bremszeit T _B ist für alle Achsen, d. h. für alle Antriebe 10 die gleiche. Nach einer be­ stimmten minimalen Vorhaltezeit T _min 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 T _B wird der Antrieb auf eine gewünschte Geschwindigkeit hochge­ regelt, bleibt auf dieser Geschwindigkeit für eine entsprechende Zeit und wird innerhalb einer weiteren gleichen Zeit T _B auf Null zurückgeregelt. Die Antriebsgeschwindigkeit und die Erregungs­ dauer bestimmen sich einmal nach den im Betriebsdatenspeicher 26 gespeicherten Daten und zum anderen aus den mit dem Positionie­ rungsbefehl vom zentralen Rechner 16 an die Steuereinheit des Antriebs übertragenen Daten. Ist die Soll-Position erreicht und der Antrieb stillgesetzt, kann eine Statusinformation an den zentralen Rechner 16 gegeben werden.

In der Mitte des Zeitdiagramms nach Fig. 2 ist eine Verkettung von weiteren Positionierbefehlen für den Antrieb veranschau­ licht. Hierbei wird deutlich, daß innerhalb der gleichen Zeit T _B der Antrieb von einer Geschwindigkeit auf eine andere be­ schleunigt wird. In ähnlicher Weise erfolgt während einer gleichen Zeit T _B das Abbremsen des Antriebs auf eine andere Geschwindigkeit, gegebenenfalls auch auf Null.

Obwohl in dem Zeitdiagramm lineare Übergänge 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. Hier­ durch ergeben sich minimale Spitzenströme, ein ruckfreies Arbei­ ten und es erfolgt kein Überlaufen der gewünschten Sollposition.

Nachstehend wird noch näher auf die Arbeitsweise der Motor­ steuerungseinheit 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 je­ weiligen Arbeitsparameter und Betriebszustände zu berücksich­ tigen 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 festge­ stellten 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 Motor­ steuerungseinheit 12 führt ferner eine Überwachung der ord­ nungsgemäßen 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.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die erfin­ dungsgemäße 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 Motorsteuerungseinheiten 12 mit entsprechender Servoregelung des Antriebs 10. Die dabei verwendeten Programme können maschinenbezogen sein, da sie standardmäßig für die gängigen Funktionen des Antriebs aufgestellt werden. Durch gleichzei­ tiges Auslösen der Arbeitsabläufe in den verschiedenen Motor­ steuerungseinheiten 12 läßt sich eine ruckfreie Nachführung jeder beliebigen Kurve durchführen.

Als Antriebe kommen die verschiedensten Elektromotoren, wie Permanentmagnet-Motoren, Nebenschluß-Motoren, bürstenlose Gleichstrom-Motoren, Synchron-Motoren, Asynchron-Motoren, Induktionswechselstrom-Motoren, Schritt- und Linear-Motoren in Betracht. Der Antrieb kann auch ein pneumatischer oder hydrau­ lischer Motor sein.

Claims (1)

1. Programmsteuereinrichtung für die gleichzeitige Steuerung mehrerer motorischer Antriebe, insbesondere von Werkzeugmaschi­ nen, Sondermaschinen und Industrierobotern, mit einem zentralen Rechner und jedem motorischen Antrieb (10) zugeordneten eigen­ ständigen Motorsteuerungseinheiten (12), die jeweils einen Datenspeicher (26), einen Programmspeicher (24) sowie eine Recheneinheit (40) umfassen, über eine gemeinsame Verbindungsleitung mit dem zen­ tralen Rechner verbunden sind und die selbständig den Bewe­ gungsablauf des jeweiligen motorischen Antriebs (10) durchfüh­ ren, nachdem ein externer Aufrufbefehl für diesen Bewegungsab­ lauf an sie erfolgt ist, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn mittels der motorischen Antriebe (10) Positionierungen ausgeführt werden, für eine Interpolation verschiedene Positio­ nierbefehle in mehreren Antrieben in gleichem Zeitrahmen mit vorgesehenen Beschleunigungs- und Bremszeiten und vorgegebenem Zeitverhalten vorliegen und anschließend gleichzeitig auslösbar sind.