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Regeleinrichtung zur Zielpositionierung bei Werkzeug-
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maschinen mit einer Spindel Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung
zur Zielpositionierung bei Werkzeugmaschinen mit einer Spindel gemaß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine derartige Regeleinrichtung ist aus der DE-OS 30 27 581 bekannt.
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Während der Bearbeitung eines Werkstückes auf der Werkzeugmaschine
arbeitet der Spindelantrieb drehzahlgeregelt, wobei ein analoger Drehzahl-Sollwert
von einer Prozeßsteuerung vorgegeben wird. Den Drehzahl-Istwert liefert eine mit
dem Motor verbundene Drehzahlerfassungseinrichtung. Für einen automatischen Werkzeug-
oder Werkstückwechsel muß die Spindel in einer vorgegebenen Zielposition angehalten
werden. Dies erfolgt durch Umschalten des Drehzahl-Sollwerteinganges auf den Ausgang
eines Ortsreglers (Winkellagereglers). Zur inkrementalen Lageerfassung der Spindelposition
ist die Spindel mit einem Impulsgeber ausgerüstet, der eine bestimmte Anzahl
von
Geberpulsen pro Drehung an eine Auswerteeinrichtung weitergibt.
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Der Ortsregler arbeitet üblicherweise nicht integrierend, sondern
nur proportional. Somit besteht ein fester Zusammenhang zwischen der Regelabweichung
(Abweichung zwischen Zielposition und Lage-Istwert) und der Regler ausgangsspannung.
Diese Spannung ist in der Zielposition Null, so daß der Spindelantrieb still steht.
Bei Auftreten einer Regelabweichung ist sie ungleich Null und der Drehzahlregler
erhält einen Sollwert, der die Spindel zum Ziel hin dreht. Die Proportionalverstärkung
Kv des Ortsreglers (fleglerverstärkung) bestimmt, wie groß der Drehzahl-Sollwert
im Verhältnis zum Winkelfehler (Reelabweichung) ist. Soweit es die regelungstechnische
Stabilität erlaubt, muß die Verstärkung Kv möglichst groß sein, damit kleine Winkelfehler
und kurze Ausregelzeiten zustande kommen können.
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Die zur Lageerfassung der Spindelposition dienende Auswerteeinrichtung
enthält üblicherweise einen binär Codierten Zähler zum Zählen der Geberimpulse des
Impulsgebers. Der Zählerinhalt entspricht dem Winkel der Spindelposition. Zur genauen
Lageregelung der Spindelposition ist es erforderlich, daß die Pulszahl, die der
Impulsgeber pro Umdrehung der Spindelachse liefert, auf den maximalen Zählerstand
des Zählers abgestimmt ist.
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Bei binär codierten Zählern ist der maximale Zählerstand eine Binarzahl,
z.B. 2048 oder 4096. Der entsprechende Impulsgeber muß also 2048 oder 4096 Geberpulse
pro Umdrehung der Spindelachse abgeben. Es hat sich herausgestellt, daß die Abhängigkeit
des Impulsgebers vom eingesetzten Zähler sehr hinderlich ist, da Je nach vorgesehenem
Impulsgeber ein unterschiedlicher Zähler verwendet werden muß.
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Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung
zur Zielpositionierung bei Werkzeugmaschinen mit einer Spindel der eingangs genannten
Art anzugeben, bei der ein beliebiger Impulsgeber unabhängig vom verwendeten Zähler
der Auswerteeinrichtung für die Spindelpositionierung eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß je nach gewünschter Genauigkeit der Lageregelung für die Spindelposition ein
entsprechender Imsulsgeber vorgesehen werden kann, während der Zähler der Auswerteeinrichtung
unabhängig davon stets gleich ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung ist damit
universell filr viele gängige Impulsgebertypen einsetzbar.
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Bei sehr hohen Anforderungen an die Genaugkeit wird z.B.
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ein Impulsgeber mit einer hohen Anzahl von Winkelinkrementen (z.B.
2500) und bei weniger hohen Genauigkeitsanforderungen ein Impulsgeber mit einer
geringeren Anzahl von Winkelinkrementen (z.B. 500) eingesetzt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform erläutert.
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In der Zeichnung ist eine Regeleinrichtung für Werkzeugmaschinen mit
einer Spindel dargestellt. Eine Spindel 1 wird über ein Getriebe 2 von einem Motor
3 (Gleichstrom-oder Drehstrommotor) angetrieben. Die Spindel 1 dient zum Halten
und Treiben eines Werkzeuges, z.B. eines Bohrers oder Fräskopfes oder auch eines
Werkstückes. Zur
Ermittlung des Motordrehzahl-Istwertes nist ist
eine Drehzahlerfassungseinrichtung 4 <Tachogenerator) mit dem Motor 3 verbunden.
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Zur Erfassung der Spindelposition (Winkel lage) ist ein Impulsgeber
5 an der Spindelachse befestigt. Der Impulsgeber 5 weist z.B. N = 2500 Winkelinkremente
auf und gibt somit 2500 Impulse pro Umdrehung der Spindelachse in Form zweier um
900 phasenversetzter Pulsketten PA und PB an eine Impulslogikschaltung 6 ab. Die
Impulslogikschaltung 6 ermittelt die Drehrichtung der Spindel 1 anhand der phasenversetzten
Pulsketten PA,PB und führt einem Impulszähler 7 entsprechende flichtungssignale
V/R (V = Vorwärts, R = Rückwärts) zum Aufwärts- bzw. Abwärtszählen zu. Desweiteren
leitet die Impulslogikschaltung 6 Geber impulse P (mit beispielsweise vierfach höhe
rer Frequenz) aus den Pulsketten ab und führt diese dem Takteingang CL des Impulszählers
7 zur Ermittlung der Spindelposition zu.
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An den Ausgang des Impulszählers 7 ist ein als Ortsregler dienender
Digital/Analog-Wandler 8 angeschlossen, der ausgangsseitig einen Drehzahl-Sollwert
n50113 in Abhängigkeit der eingangsseitig zugeleiteten Spindelooo sition an den
ersten schaltbaren Pol eines Umschalters 8a-abgibt. Dem zweiten schaltbaren Pol
des Umschalters 8a liegt ein Drehzahl-Sollwert nsoll2 und dem dritten Pol ein Drehzahl-Sollwert
nSoll1 einer Prozeßsteuerung an. Der Umschalter 8a schaltet einen dieser drei Werte
mit positivem Vorzeichen als Drehzahl-Sollwert nsoll an eine Vergleichsstelle 9
durch.
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Der Vergleichsstelle 9 liegt mit negativem Vorzeichen der mit Hilfe
der Drehzahlerfassungseinrichtung 4 ermittelte Motordrehzahl-Istwert nist an. Die
Vergleichstelle 9 bildet die RegelabweiChung n5011 > nist und führt
diese
einer flegel- und Steuereinrichtung mit Drehzahlregler 10 zu. Die Regel- und Steuereinrichtung
10 beeinflußt ausgangsseitig einen zur Speisung des Motors 3 dienenden Stromrichter
11. Der Stromrichter 11 liegt eingangsseitig an einem Netz und gibt ausgangsseitig
eine veränderbare Spannung an den Motor 3 ab.
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Das der Spindelposition entsprechende Ausgangssignal des Impulszählers
7 wird neben dem Digital/Analog-Wandler 8 auch einem ODER-Gatter 12 zugeführt. Ausgangsseitig
ist das ODER-Gatter mit einem Monoflop 13 (Zeitgeber, Impulserzeuger, Timer, Blocker)
beschaltet. Das Monoflop 13 liefert Impulse an die jeweils ersten Eingänge eines
ODER Gatters 14 und eines UND-Gatters 15. Das ODER-Gatter 14 empfängt an seinem
zweiten Eingang Null-Impulse PN vom Impulsgeber 5. Der Impulsgeber 5 ist zur Erzeugung
der Nullimpulse PN mit einer Nullmarke versehen.
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Pro 360O-Umdrehung der Spindelachse liefert der Impulsgeber 5 dabei
einen Nullimpuls PN bei Durchlaufen der Nullmarke. Ausgangsseitig ist das ODER-Gatter
14 an den Preset-Enable-Eingang Pe des Impulszählers 7 angeschlossen.
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Die Nullimpulse PN werden ferner dem ersten Eingang eines UND-Gatters
16 zugeführt. Ausgangsseitig ist das UND-Gatter 16 an den ersten Eingang eines ODER-Gatters
17 angeschlossen. Der zweite Eingang des ODER-Gatters 17 ist mit dem Ausgang des
UND-Gatters 15 verbunden, während der Ausgang des ODER-Gatters 17 die Preset-Eingänge
Pr des Impulszählers 7 beaufschlagt.
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Den jeweils zweiten Eingängen der UND-Gatter 15 bzw. 16 werden über
Programmierschalter 18 bzw. 19 die Anzahl N der Zählimpulse pro Umdrehung (= Anzahl
der Winkelinkremente) bzw. die Anzahl Z der Zählimpulse zwischen der Zielposition
und der Nullmarke (= Zielentfernung) zuge-
leitet. Zwischen den
vielooligen Programmierschaltern 18 bzw. 19 und den Eingängen der UND-Gatter 15
bzw. 16 sind dabei Widerstände 20 bzw. 21 angeschlossen.
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Zur Steuerung bzw. Regelung der zur Positionierung der Spindel 1 in
eine vorgebbare Zielposition durchzufiihrenden Schritte ist eine übergeordnete Steuerlogik
22 vorgesehen. Die Steuerlogik 22 empfängt eingangsseitig den Motordrehzahl-Istwert
nist sowie den Drehzahl-Sollwert soll2 und steuert ausgangsseitig die ImDulslogikschaltung
6, den Umschalter 8a und die Programmierschalter 18, 19 an.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung beschrieben.
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Während der Bearbeitung eines Werkstückes wird der von der Prozeßsteuerung
vorgegebene Drehzahl-Sollwert soll1 über den Umschalter 8a an die Vergleichstelle
9 abgegeben. Für einen Werkzeugwechsel muß die Spindel 1 der Werkzeugmaschine in
eine vorgegebene Zielposition gebracht werden, was durch den als Ortsregler (Winkel
lageregler) dienenden Digital/Analog-Wandler 8 in Verbindung mit den Bauteilen 5
bis 8a, 12 bis 22 erfolgt.
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In einem ersten Schritt zur Einleitung einer ersten Betriebsart "Drehzahlregeln
bis zum Erreichen einer ausreichend kleinen Anfangsdrehzahl" wird mit Hilfe der
Steuerlogik 22 der Drehzahl-Sollwert soll2 mittels des Umschalters 8a an die Vergleichstelle
9 gelegt, während der Sollwert der Prozeßsteuerung soll1 unterbrochen wird. Gleichzeitig
werden die Programmierschalter 18,19 durch die Steuerlogik 22 geschlossen.
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Der Drehzahlsollwert soll2 ist so gewählt, daß eine Stillsetzung des
Spindelantriebes und damit eine Zielpositionierung der Spindel in eine bestimmte
Spindellage
während einer einzigen Spindelumdrehung erfolgen kann,
d.h. es ist sichergestellt, daß die Anfangsdrehzahl genügend klein ist, damit das
Anfahren an die Zielposition ohne taberschwingen gelingen kann, wobei die Polarität
der Anfangsdrehzahl die Richtung der Zielannäherung bestimmt.
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Bei der Betriebsart "Drehzahlregelung" wird der Impulszähler 7 durch
die von der Steuerlogik 22 entsprechend angesteuerte Impulslogik 6 auf Abzählen
programmiert, so daß er nach dem Durchlauf durch die vorgegebene Zielposition (Zählerstand
ist Null in Zielposition) nicht wieder aufzählt, sondern auf den an den Pr-Eingängen
anstehenden Wert N springt und abwärts zählt.
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Der Zählerstand Null wird über das ODER-Gatter 12 erfaßt. Wenn alle
Zählerausgänge Null sind, liefert das ODER-Gatter 12 ein entsprehendes Nullsignal
an das Monoflop 13. Dreht die Spindel 1 um ein Winkelinkrement weiter, d.h. das
Nullsignal verschwindet, so wird das Monoflop 13 durch das ODER-Gatter 12 angesteuert.
Das Monoflop 13 gibt entsprechende Durchschaltimpulse an das ODER-Gatter 14 und
das UND-Gatter 15 ab, was zu einem Preset-Enable-Befehl und damit zur Eingabe des
Bitmusters der Zahl N in den Impulszähler 7 führt.
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Das Bitmuster der Zahl N ist dabei auf den Impulsgeber 5 abgestimmt,
d.h. bei Einsatz von Impulsgebern mit unterschiedlicher Anzahl N von Winkelinkrementen
werden verschiedene Werte N eingegeben, es wird jedoch in allen Fällen der gleiche
Zähler verwendet.
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Die vorgegebene Zielposition der Spindelposition wird in Beziehung
gesetzt zu der Nullpolsition der Spindel, die durch den Null impuls PN vom Impulsgeber
9 angezeigt wird. Der Abstand wird zwischen beiden Positionen (= Ab-
stand
zwischen Spindel-Istposition und Zielposition = Zielentfernung) wird genau dann
in den Zähler 7 eingegeben, wenn der Nullimpuls PN des Impulsgebers 5 erscheint.
Dies wird erreicht, indem das der Zielentfernung entsprechende Bitmuster Z an die
Preset-Eingänge Pr des Zählers 7 angelegt wird und dieses Bitmuster Z durch ein
Preset-Enable-Signal am Pe-Eingang des Zählers 7 bei Erscheinen des Null impulses
PN in den Zähler 7 übernommen wird. Auf- diese Weise wird gewährleistet, daß der
Zähler 7 bei jedem Nulldurchgang des Impulsgebers 5 (= Durchlauf der Nullmarke)
aktualisiert wird.
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In der Betriebsart "Drehzahlregeln" werden die Pr-Eingänge des Zählers
7 also abwechselnd mit den Werten Z und N beaufschlagt. Die Zielentfernung Z wird
beim Auftreten des Null impulses PN des Impulsgebers 5 und die auf den Impulsgeber
5 abgestimmte Zahl N wird beim Verschwinden des Signales "Zählerausgang Null?1 in
den Zähler übernommen, wobei der Zähler stets abwärts zählt.
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Die Umschaltung von der ersten Betriebsart 'tDrehzahlregeltung auf
eine zweite Betriebsart "Ortsregelung" erfolgt, wenn bei einem Zieldurchlauf der
Spindel 1 der Drehzahl-Istwert nist den Drehzahl-Sollwert nsoll2 unterschreitet,
was durch die Steuerlogik 22 erkannt wird.
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Dann ist die Drehzahl ausreichend niedrig, um den Antrieb innerhalb
einer Umdrehung der Spindel 1 stillsetzen zu können.
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Zur Durchführung der Betriebsart "Ortsregeln" wird der Zähler 7 durch
die von der Steuerlogik 22 angesteuerte Impulslogik 6 auf Auf/Abzählen umgeschaltet.
Gleichzeitig wird der Umschalter 8a von der Steuerlogik 22 derart beeinflußt, daß
der Drehzahl-Sollwert "so113 des Ortsreglers 8 an die Vergleichsstelle 9 durchgeschaltet
wird. Als dritte Maßnahme wird der Pe-Eingang des Zählers
7 blockiert.
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Damit ergibt sich folgendes Verhalten: Der Zähler 7 zählt von der
Zahl Z bis zum Wert Null ab und die Spindel 1 bleibt in der Zielposition stehen.
Bei einem geringfügigen berschwingen der Spindel 1 um einige Winkelinkremente springt
der Zählerstand nicht wie bei der Betriebsart "Drehzahlregelung" auf den Wert N,
sondern der Zähler summiert die Anzahl der Inkremente der Uberschwingung. Anschließend
dreht die Spindel in Gegenrichtung in die Zielposition zurück, bis der Zählerstand
Null erreicht ist.