DE3310619C2 - Regeleinrichtung an Werkzeugmaschinen zur Zielpositionierung einer durch einen Motor angetriebenen Arbeitsspindel - Google Patents

Regeleinrichtung an Werkzeugmaschinen zur Zielpositionierung einer durch einen Motor angetriebenen Arbeitsspindel

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Abstract

Bei dieser Regeleinrichtung zur Zielpositionierung bei Werkzeugmaschinen soll eine Spindel (1) für einen Werkzeugwechsel in eine vorgegebene Zielposition gebracht werden. Während einer ersten Betriebsart "Drehzahlregelung" wird die Spindeldrehzahl dabei auf einen derart niedrigen Anfangswert herabgefahren, daß die Stillsetzung der Spindel in der Zielposition während der nachfolgenden zweiten Betriebsart "Ortsregelung" innerhalb einer einzigen Spindelumdrehung möglich ist. Zur Lageerfassung der Spindel (1) ist ein Impulsgeber (5) an der Spindelachse vorgesehen, der Geberpulse (P) und pro Umdrehung einen Nullimpuls an einen Impulszähler (7) abgibt. Um eine Anpassung der Zählersteuerung an Impulsgeber (5) mit wahlfreier Inkrementenanzahl (N) pro Umdrehung zu ermöglichen, wird der Zähler (7) in der Betriebsart "Drehzahlregelung" nach Erreichen des Zählerstandes Null nicht auf seinen Maximalwert, sondern auf einen der Inkrementenanzahl (N) des Impulsgebers (5) entsprechenden Wert gesetzt und zählt danach ab. Die Zielposition ist als Inkrementedifferenz (Z) zwischen der Nullmarke des Impulsgebers (5) und dem Ziel derart definiert, daß beim Erscheinen des Nullimpulses die Inkrementedifferenz (Z) im Zähler (7) steht und der Zählerinhalt beim Erreichen der Zielposition genau Null wird.

Description

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Die Erfindung bezieht siv.h auf eine Regeleinrichtung an Werkzeugmaschinen zur Zie positionierung einer durch einen Motor angetriebenen Arbeitsspindel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.
Eine derartige Regeleinrichtung Ist aus der DE-OS 30 27 581 bekannt.
Während der Bearbeitung eines Werkstückes auf der Werkzeugmaschine arbeitet der Spindelantrieb drehzahlgeregeit, wobei ein analoger Drehzahl-Sollwert von einer Prozeßsteuerung vorgegeben wird. Den Drehzahl-Istwert liefert eine mit dein Motor verbundene Drehzahlerfassungseinrichtung. Für einen automatischen Werkzeugoder Werkstückswechsel muß die Spindel in einer vorgegebenen Zielposition angehalten werden. Dies erfolgt durch Umschalten der Drehzahl-Sollwerteinganges auf den Ausgang eines Ortsreglers (Winkellagerreglers). Zur inkrementalen Lageerfassung der Spindelposition Ist die Spindel mit einem Impulsgeber ausgerüstet, der eine bestimmte Anzahl von Geberpulsen pro Drehung an eine Auswerteeinrichtung weltergibt.
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 Reglerausgangsspannung. Diese Spannung ist In der Zlelposltlon Null, so daß der Spindelantrieb stillsteht. Bei Auftreten einer Regelabweichung ist sie ungleich Null und der Drehzahlregler erhält einen Sollwert, der die Spindel zum Ziel hin dreht. Die Proportionalverstärkung Ky des Ortsreglers (Reglerverstärkung) bestimmt, wie groß der Drehzahl-Sollwert Im Verhältnis zum Winkelfehler (Regelabweichung) Ist. Soweit es die regelungstechnische Stabilität erlaubt, muß die Verstärkung Kv möglichst groß sein, damit kleine Winkelfehler und kurze Ausregelzelten zustande kommen können.
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 1st. Bei binär codierten Zählern ist der maximale Zählerstand eine Binärzahl, 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 1st, da je nach vorgesehenem Zähler ein unterschiedlicher Impulsgeber verwendet werden muß.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung an Werkzeugmaschinen zur Zielpositionierung einer durch einen Motor angetriebenen Arbeitsspindel der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein beliebiger Impulsgeber unabhängig vom verwendeten Zähler der Auswerteeinrichtung für die Spindelpositionierung eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die Im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß je nach gewünschter Genauigkeit der Lageregelung für die Spindelposition ein entsprechender Impulsgeber vorgesehen werden kann, während der Zähler der Auswerteeinrichtung unabhängig davon stets gleich ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung ist damit universell für viele gängige Impulsgebertypen einsetzbar. Bei sehr hohen Anforderungen an die Genaugigkeit wird z. B. ein Impulsgeber mit einer hohen Anzahl von Wlnkelinkrementen (z. B. 2500) und bei weniger höhen Genauigkeitsanforderungen ein Impulsgeber mit einer geringeren Anzahl von Wlnkelinkrementen (z. B. 500) eingesetzt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der In der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.
In der Zeichnung 1st 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 einen Werkstückes. Zur Ermittlung des Motordrehzahl-Istwertes nisl 1st eine Drehzahlerfassungseinrichtung 4 (Tachogenerator) mit dem Motor 3 verbunden.
Zur Erfassung der Spindelposition (Winkellage) Ist ein Impulsgeber 5 an der Spindelachse befestigt. Der Impulsgeber 5 weist z. B. /V = 2500 Wlnkellnkremente auf und gibt somit 2500' Impulse pro Umdrehung der Spindelachse in Form zweier um 90° phasenversetzter Pulsketten P4 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 Richtungssignale VIR (V- Vorwärts, R - Rückwärts) zum Aufwärts- bzw. Abwärtszählen zu. Des weiteren leitet die Impulsloglkscha.ltung 6 Geberimpulse P (mit beispielsweise vierfach höherer Frequenz) aus den Pulsketten ab und führt diese dem Takteingang CL des Impulszählers 7 zur Ermittlung der Spindelposition zu.
An den Ausgang des Impulszählers 7 Ist ein als Ortsregler dienender Dlgital/Analog-Wandler 8 angeschlossen, der ausgangsseltig einen Drehzahl-Sollwert /i„,m In Abhängigkeit der elngangsseltig zugeleiteten Splndelposl-
tion an den ersten schaltbaren Pol eines Umschalters 8α abgibt. Dem zweiten schaltbaren Pol des Umschalters 8a liegt ein Drehzahl-Sollwert nMia und dem dritten Pol ein Drehzahl-Sollwert «,„„, einer Prozeßsteuerung an. Der Umschalter 8a schaltet einen dieser drei Werte mit posltivem Vorzeichen als Drehzahl-Sollwert nwl, an einer Vergleichsstelle 9 durch.
Der Vergleichsstelle 9 liegt mit negativem Vorzeichen der mit Hilfe der Drehzahlerfassungseinrichtung 4 ermittelte Motordrehzahl-Istwert nh, an. Die Vergleichstelle 9 bildet die Regelabweichung ηχ1, - nj5, und führt diese einer Regel- 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 iiegt eingangsseltig an einem Neu und gibt ausgangsseitig eine veränderbare Spannung an den Motor 3 ab.
Das der Spindelposition entsprechende Ausgangssignal des Impulszählers 7 wird neben dem Digital/Analog-WandSer 8 auch einem ODER-Gatier 12 zugeführt. Ausgangsseitig ist das ODER-Gatter mit eimern 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 Impu'sgeber 5. Der Impulsgeber 5 ist zur Erzeugung der Nullimpulse Pn mit einer Nullmarke versehen. Pro 360°- Umdrehung der Spindelachse liefert der Impulsgeber 5 dabei einen Nullimpuls Pn bei Durchlaufen der Nullmarke. Ausgangsseitig ist das ODER-Gatter 14 an de-.i Preset-Enable-Elngang Pe des Impulszählers 7 angeschlossen.
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 P, des Impulszählers 7 beaufschlagt.
Den jeweils zweiten Eingängen der UND-Gatter 15 bzw. 16 werden über Programmierschalter 18 bzw. 19 die Anzahl /V der Zählimpulse pro Umdrehung (= Anzahl der Wlnkelinkreniente) bzw. die Anzahl Z der Zählimpulse zwischen der Zielposition und der Nullmarke (= Zielentfernung) zugeleitet. Zwischen den vielpoligen Programmierschaltern 18 bzw. 19 und den Eingängen der UND-Gatter 15 bzu. 16 sind dabei Widerstände 20 bzw. 21 angeschlossen.
Zur Steuerung bzw. Regelung der zur Positionierung der Spindel 1 in eine vorgebbare Zielposition durchzuführenden Schritte Ist eine übergeordnete Steuerlogik 22 vorgesehen. Die Steuerlogik 22 empfängt eingangsseitlg den Motordrehzahl-Istwert «,„ sowie den Drehzahl-Sollwert "win unc* steuert ausgangsseitig die Impulslogikschaltung 6, den Umschalter 8a und die Programmlerschalter 18, 19 an.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung beschrieben.
Während der Bearbeitung eines Werkstückes wird der von der Prozeßsteuerung vorgegebene Drehzahl-Sollwert //,„„ι über den Umschalter 8a an die Vergleichstelle 9 abgegeben. Für einen Werkzeugwechsel muß die Spindel 1 der Werkzeugmaschine In eine vorgegebene Zielposltion gebracht werder.. was durch den als Ortsregler (Winkellageregler) dienenden Dlgltal/Analog-Wandler 8 In Verbindung mit den Bauteilen 5 bis 8a, 12 bis 22 erfolgt.
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 nioin mittels des Umschalters 8a an die Vergleichstelle 9 gelegt, während der Sollwert der Prozeßsteuerung /7mH, unterbrochen wird. Gleichzeitig werden die Programmierschalter 18, 19 durch die Steuerlogik 22 geschlossen.
Der Drehzahlsollwert η^1n ist so gewählt, daß eine Stillsetzung dss Spindelantriebes und damit eine Zielpositionterung 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 Überschwingen gelingen kann, wobei die Polarität der Anfangsdrehzahl die Richtung der Zielannäherung bestimmt.
Bei der Betriebsart »Drehzahlregelung« wird der Impulszähler 7 durch die von der Si.vrxrloglk 22 entsprechend angesteuerte Impulslogik 6 auf Atzähler. 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 ai.itehenden Wert N springt und abwärts zählt.
Der Zählerstand Null wird über das ODER-Gatter 12 erfaßt. Wenn alle Zählerausgänge Null sind, liefert das ODER-Gatter 12 ein entsprechendes Nullsignal an das Monoflop 13. Dreht die Spindel 1 um ein. Winkellnkrement 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.
Das Bitmuster der Zahl N ist dabei auf den Impulsgeber 5 abgestimmt, d. h. bei Einsatz von Impulsgeöern mit unterschiedlicher Anzahl N von Wlnkelinkrementen wurden verschiedene Werte Λ' eingegeben, es wird jedoch In allen Fällen der gleiche Zähler verwendet.
Die vorgegebene Zielposition der Spindelpcsition wird In Beziehung gesetzt zu der Nullposition der Spindel, die durch den Nullimpuls Pn vom Impulsgeber 5 angezeigt wird. Der Abstand zwischen beiden Positionen (= Abstand zwischen Splndel-Istposition und ZielposKion = 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 P, des Zählers 7 angelegt wird und dieses Bitmuster Z durch eine Preset-Enable-Signal am /^-Eingang des Zählers 7 bei Erscheinen des Nulümpulses Pn In den Zähler 7 übernommen wird. Auf diese Welse wird gewährleistet, daß der Zähler 7 bei jedem Nclldurchgang des Impulsgebers 5 (= Durchlauf der Nullmarke) aktualisiert wird.
In der Betrieb?*« »Drehzahlregeln« werden die /»,-Eingänge des Zählers 7 also abwechselnd mit den Werten Z und N beaufschlagt. DIa Zielentfernung Z wird beim Auftreten des Nullimpulses Pn des Impulsgeber 5 und die auf den Impulsgeber 5 abgestimmte Zahl N wird beim Verschwinden des Signals »Zählerausgang Null« in den Zähler übernomrrcn, wobei der Zähler stets abwärts zählt.
Die Umschaltung von der ersten Betriebsart »Drehzahlregelung« auf eine zweite Betriebsart »Ortsregelung« erfolgt, wenn bei einem Zieldurchlauf der Spindel 1 der
Drehzahl-Istwert //,„ den Drehzahl-Sollwert nw/n unterschreitet, was durch die Steuerlogik 22 erkannt wird. Dann Ist die Drehzahl ausreichend niedrig, um den Antrieb Innerhalb einer Umdrehung der Spindel 1 stillsetzen zu können.
Zur Durchführung der Betriebsart »Ortsregeln« wird der Zähler 7 durch die von der Sieuerlogik 22 angesteuerte Impulslogik 6 auf Auf/Abzählen umgeschaltet. Gleichzeitig wird der Umschalter 8a von der Steuerlogik 22 derart beeinflußt, daß der Drehzahl-Sollwert nioin des Ortsreglers 8 an die Vergleichsstelle 9 durchgeschaltet W'd. Als dritte Maßnahme wird der /',-Eingang des Zählers 7 blockiert.
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 ÜberschwlnRen der Spindel I um einige Wlnkel-Inkremente springt der Zählerstand nicht wie bei der Betriebsart »Drehzahlregelung« auf den Wert N, sondern der Zähler summiert die Anzahl der Inkremente der Überschwlngung. Anschließend dreht die Spindel In Gegenrichtung In die Zielposition zurück, bis der Zählerstand Null erreicht ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Regeleinrichtung an Werkzeugmaschinen zur Zlelposltionierung einer durch einen Motor angetriebenen Arbeitsspindel, wobei eine Drehzahlerfassungseinrichtung zur Ermittlung des Motordrehzahl-Istwertes, eine Vergleichstelle für einen Drehzahl-Istwert-Sollwert-Vergleich. eine Regel- und Steuereinrichtung mit Drehzahlregler sowie ein Stellglied zur Motorsteuerung vorgesehen sind und zur Splndelposltionicrung in eine vorgebbare Zielposition ein Impulsgeber, ein Impulszähler und ein Ortsregler dienen, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulszähler (7) auf die Anzahl (W) der pro Umdrehung der Spindel (1) vom Impulsgeber (5) abgegebenen Zählimpulse voreinstellbar ist, daß die Anzahl (Z) der Zählimpulse zwischen der Zielposition und der Nullmarke des Impulsgebers (5) über eltran ersten Programmlerschalter (19) und nachgeschaltete Gatter (16, 17) in den Impulszähler (7) eingebbar ist und daß zur Erfassung des Zählerstandes Null des Impulszählers (7) ein ODER-Gatter (12) vorgesehen ist, das über ein Monoflop (13) die Eingabe der Anzahl der Zählimpulse pro Umdrehung (N) über einen zweiten Programmierschalter (18) und nachgeschaltete Gatter (15, 17) In den Impulszähler (7) bewirkt.
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