DE3609259A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausregeln eines nachlauf-stellungsfehlers - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum ausregeln eines nachlauf-stellungsfehlersInfo
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Description
M.ÜKADOR AA Λ
K 23 128/3kl
Toshiba Kikai Kabushiki Kaisha 2-11, Ginza 4-chome,
Chuo-ku Tokyo 104 Japan
Verfahren und Vorrichtung zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers
3603259
κ/
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur des Nachlauffehlers in einem Servoregelsystem,
insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausregelung eines
Nachlauf-Stellungsfehlers auf einen gewünschten Wert in einem Stellungs-Regelsystem für eine Werkzeugmaschine
oder dgl.
10
Bisherige Stellungs- oder Lageregelsysteme für Werkzeugmaschinen oder dgl. regeln die Stellung eines Gegenstands,
wie beispielsweise eines Werkstücktisches anhand der Differenz zwischen Vorschubimpulsen und Stellungs-
!5 Rückkopplungsimpulsen, wobei der Differenzwert jeweils
als momentaner Geschwindigkeits-Vorgabewert verwendet wird. Der Weg bzw. die Spur, welcher der Gegenstand
folgt, ist in bezug auf die momentan vorgegebene Sollstellung stets verzögert, wobei die Verzögerung abhängig
von der Soll-Vorschubgeschwindigkeit sowie der Verstärkung der Regelschleife variiert.
Herkömmliche digitale Regelsysteme enthalten einen Differentialzähler zum Zählen der vorgegebenen Vorschubimpulse
und der Stellungs-Rückkopplungsimpulse, um den Differenzwert als ein eine Sollgeschwindigkeit vorgebendes
Ausgangssignal zu erzeugen und einen Digital/Analogümsetzer, der das von dem Differentialzähler kommende
Ausgangssignal in ein Analogsignal umsetzt. Das Ausgangssignal des Differentialzählers ist repräsentativ
für die Verzögerung der Laststellung von der Sollstellung und hängt ab von der vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit
und der Verstärkung der Regelschleife.
g5 Wenn unter Regelung zweier oder mehrerer Achsen einer
Werkzeugmaschine ein Werkstück bearbeitet werden soll, ist die Kontur des bearbeiteten Werkstücks mit einem
Fehler behaftet, wenn die Verstärkungen der Regelschlei-
fen für die jeweiligen Achsen, in denen das Werkstück versetzt oder verschoben wird, voneinander abweichen. Um
diesen Nachteil zu vermeiden, besitzen die Regelungen herkömmlicher Werkzeugmaschinen einstellbare Schleifenverstärkungen
für die einzelnen Achsen, um ein gewünschtes Maß an Bearbeitungsgenauigkeit zu erzielen. Wenn
jedoch Bearbeitungsfehler im Submikrometerbereich verbleiben, läßt sich die gewünschte Bearbeitungsgenauigkeit
nicht einfach dadurch erreichen, daß man die Schleifenverstärkungen für die jeweiligen Achsen einstellt.
Besonders wurde bei hochgenauen Werkzeugmaschinen herausgefunden, daß der durch unterschiedliche
Verzögerungen bewirkte Bearbeitungs- oder Konturenfehler durch unterschiedliche Verzögerungen für die
jeweiligen Achsen hervorgerufen wird, wenn die Schleifenverstärkungen in dem Regelsystem von Achse zu Achse
differieren, auch wenn den Achsen die gleiche Sollgeschwindigkeit zugeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers für ein System mit mehreren Achsen, die unterschiedliche Schleifenverstärkungen
aufweisen, zu schaffen, welches in der Lage ist, den Nachlauffehler für jede Achse so auszuregeln,
daß er in einen vorbestimmten Bereich möglichst nahe bei Null fällt, damit jegliche von einer Werkzeugmaschine
hervorgerufenen Konturenfehler aufgrund unterschiedlicher Schleifenverstärkungen eliminiert werden
können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Außerdem soll die Erfindung eine Vorrichtung schaffen, g5 mit der sich die oben erläuterte Regelung durchführen
läßt. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 3 und 4 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur
zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers
gemäß der Erfindung.
Wie in der Figur gezeigt ist, enthält eine als elektrische Schaltung ausgebildete Vorrichtung zur Durchführung
einer Nachlauffehler-Ausregelung einen Korrekturimpulsgenerator
10 mit einem Sollstellungszähler 12, der Vorschubimpulse zählt, d. h. Vorschubimpulse, die von einem
Vorschubimpulsgenerator 11 erzeugt werden, einen Laststellungszähler 14, der Stellungs-Rückkopplungsimpulse
zählt, und einen Prozessor 16, der die Differenz zwischen den Zählerständen des Sollstellungszählers 12 und
des Laststellungszählers 14 berechnet. Der Ausgang des Prozessors 16 ist an einen Korrekturzähler 20 angeschlossen,
in welchem das Ausgangssignal des Prozessors 16 ansprechend auf einen als Ladeimpuls von einem Zeitsteuerimpuls-Generator
18 geliefertn Zeitsteuerimpuls voreingestellt wird. Der Korrekturzähler 20 ist mit
seinem Ausgang an einem Nulldetektor 22 angeschlossen, der feststellt, wann der Zählerstand des Korrekturzählers
20 den Wert Null annimmt. Der Korrekturzähler 20 ist außerdem mit einem anderen Ausgang an einen Eingangsanschluß
eines Addierers 30 (dieser wird unten noch
QQ näher erläutert) angeschlossen. Ferner ist der Ausgang
des Prozessors 16 an einen Digital/Analog-(D/A-)Wandler 24 angeschlossen, der das Ausgangssignal des Prozessors
16 in eine Analogspannung umsetzt. Der D/A-Wandler 24 ist mit einem Ausgang an einen Spannungs/Frequenz-(ü/F-)
gg Wandler 26 angeschlossen, der die von dem D/A-Wandler 24
kommende Analogspannung in eine entsprechende Frequenz umsetzt. Der Ausgangsanschluß des ü/F-ümsetzers ist an
eine Gatterschaltung 28 gekoppelt, die ansprechend auf
das Ausgangssignal des Nulldetektors 20 geschlossen wird. Das Ausgangssignal der Gatterschaltung 28 gelangt
an den Korrekturzähler 20 und außerdem an den Addierer 30, dessen anderer Eingangsanschluß von dem Vorschub-Impulsgenerator
11 die Vorschubimpulse empfängt.
Der Ausgang des Addierers 30 ist an einen Eingang eines Abweichungsdetektors 32 angeschlossen, dessen anderer
Eingang die Stellungs-Rückkopplungsimpulse empfängt, die auch an den Laststellungszähler 14 gegeben werden. Der
Ausgang des Abweichungsdetektors 32 ist an einen D/AWandler 34 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluß an
einen Analog-Subtrahierer 36 angeschlossen ist. Der Analog-Subtrahierer 36 ist mit seinem Ausgang an einen
Verstärker 38 angeschlossen, dessen Ausgang an einen Motor 40 gekoppelt ist. Die Drehantriebsachse des Motors
40 ist mechanisch an eine Zugspindel 32 gekoppelt, die über ein Gewinde mit einem Werkstücktisch 44 in Eingriff
steht. Der Werkstücktisch 44 steht in Eingriff mit einem einen Drehcodierer, einen Linear-Stellungsdetektor oder
dgl. aufweisenden Impulsgenerator 46. Dessen Ausgangssignal wird in Form von Vorschubimpulsen an den Abweichungsdetektor
32 und an den Laststellungszähler 14 gegeben. Mit dem Motor 40 ist koaxial ein Tachogenerator
48 gekoppelt, dessen Ausgang an einen weiteren Eingangsanschluß des Analog-Subtrahierers 36 angeschlossen
ist.
Die oben beschriebene elektrische Schaltung zur Durch-3Q
führung des Verfahrens zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers arbeitet wie folgt:
Einen Sollgeschwindigkeitswert bildende Vorschubimpulse zum Bewegen des Werkstücktisches 44 werden von dem Vorschubimpulsgenerator
11 an den Addierer 30 und den Sollstellungszähler 12 gegeben. Der Sollstellungszähler 12
zählt die ihm zugeführten Impulse, d. h die Sollgeschwindigkeitsimpulse. Der Impulsgenerator 46 stellt in
Form eines Impulszuges die Versetzung oder Verschiebung des Werkstücktisches 44, verursacht durch die Vorschubimpulse,
fest und liefert einen solchen Impulszug in Form von Stellungs-Rückkopplungsimpulsen an den Last-
oder Iststellungszähler 14. Der Laststellungszähler 14 zählt die ihm zugeführten Stellungs-Rückkopplungsimpulse.
Der Zählerstand des Sollstellungszählers 12 hat einen Wert, der der Sollstellung des Werkstücktisches
entspricht. Der Zählerstand des Laststellungszählers 14 hat einen Wert, der der momentanen Verschiebung des
Werkstücktisches 44 entspricht. Die Differenz zwischen dem Zählerstand des Sollstellungszählers 12 und dem
Zählerstand des Laststellungszählers 14 wird von dem Prozessor 16 berechnet, und dessen Ausgangssignal wird
!5 in dem Korrekturzähler 20 voreingestellt, ansprechend
auf einen Zeitsteuerimpuls, der als Ladesignal von einem Zeitsteuerimpuls-Generator 18 erzeugt und an den Zähler
20 gegeben wird. Der Prozessor 16 legt außerdem ein für die Polarität des Differentialsignals maßgebliches
Vorzeichensignal mit dem Differentialsignal selbst an den Korrekturzähler 20. Die von dem Prozessor 16 berechnete
Differenz wird von dem D/A-Wandler 24 in eine entsprechende Analogspannung umgesetzt, welche ihrerseits
von dem ü/F-Wandler 26 in eine entsprechende Frequenz umgewandelt wird. Deshalb ist die Frequenz der
Ausgangsimpulse des ü/F-Wandlers 26 in Einklang mit der von dem Prozessor 16 berechneten und abgegebenen Differenz
3q Wenn die berechnete Differenz nicht null ist, ist die
Gatterschaltung 28 geöffnet, und zwar aufgrund des Ausgangssignals, das von dem Korrekturzähler 20 über den
Null-Detektor 22 geliefert wird. Deshalb gelangt das Ausgangssignal des ü/F-Wandlers 26 über die Gatterschal-
g5 tung 28 an den Addierer 30. Das Ausgangssignals de's U/F-Wandlers
26 gelangt außerdem in Form von Korrekurimpulsen über die Gatterschaltung 28 an den Korrekturzähler
20, um dessen Zählestand auf Null zu erhöhen oder zu
vermindern. Insbesondere wird jedesmal dann, wenn ein Korrekturimpuls von dem U/F-Wandler 26 angelegt wird,
der Inhalt des Korrekturzählers 20 um 1 erhöht oder vermindert, bis der Zählerstand des Korrekturzählers
mit dem Wert Null übereinstimmt. Folglich erzeugt der Korrekurimpulsgenerator 10 eine Anzahl von Korrekturimpulsen
entsprechend der Differenz zwischen der Sollstellung und der Iststellung der Last, d. h. dem akkumulierten
Wert, der die Verschiebung des Werkstücktisches 44 darstellt.
Die von dem Korrekturimpulsgenerator 10 erzeugten Korrekturimpulse werden auf den Addierer 30 gegeben, dem
außerdem das Vorzeichensignal von dem Korrekturzähler innerhalb des Korrekturimpulsgenerators 10 zugeführt
wird. Der Addierer 30 addiert die ihm zugeführten Korrekturimpulse auf die ihm von dem Vorschubimpulsgenerator
11 zugeführten Vorschubimpulse oder subtrahiert sie, abhängig vom Vorzeichen des Vorzeichen- oder
Polaritätssignals, das von dem Korrekturzähler 20 kommt. Als Ergebnis liefert der Addierer 30 in Form eines
Impulszuges ein korrigiertes Sollgeschwindigkeitssignal, erzeugt durch Addieren der Korrekturimpulse auf oder
Subtrahieren der Korrekturimpulse von den ursprünglichen Sollimpulsen vom Vorschubimpulsgenerator 11, und
zwar abhängig von dem Vorzeichensignal, das von dem Korrekturzähler 20 kommt.
Die vom Addierer 30 kommenden korrigierten VorschubimgQ
pulse und die von dem Impulsgenerator 46 kommenden Stellungs-Rückkopplungsimpulse werden auf den Abweichungsdetektor
32 gegeben, der die Abweichung zwischen den ihm zugeführten Signalen erfaßt. Die so von dem
Abweichungsdetektor 32 festgestellten Abweichungsdaten werden in dem Detektor vorübergehend gespeichert und
dann von dem D/A-Wandler 34 in eine entsprechende Analogspannung umgesetzt, die von dem Verstärker 38
verstärkt wird. Die verstärkte Analogspannung vom Ver-
stärker 38 wird auf den Motor 40 gegeben, um diesen anzutreiben. Der Motor 40 dreht die Zugspindel 42, um den
Werkstücktisch 44 zu bewegen, dessen Verschiebung von dem Impulsgenerator 46 erfaßt wird. Die Drehgeschwindigkeit
des Motors 40 wird von dem Tachogenerator 48, der mit dem Motor 40 gekoppelt ist, festgestellt. Das Ausgangssignal
des Tachogenerators 48 wird zurück zu dem Analogsubtrahierer 36 geführt, so daß die Stellung des
Werkstücktisches 44 auch durch diese Unter-Regelschleife geregelt werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, werden von dem Impulsgenerator 46 Rückkopplungsimpulse erzeugt, welche der Verschiebung
oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücktisches 44 entsprechen. Der Zählerstand des Laststellungszählers
14, der die Rückkopplungsimpulse zählt, entspricht der Laststellung, d. h. der Stellung des
Werkstücktisches.
Die Regelschleife, die sich an den Abweichungsdetektor 32 anschließt, entspricht im Prinzip einem herkömmlichen
Aufbau. Allerdings werden erfindungsgemäß die dem Abweichungsdetektor
32 zugeführten Vorschubimpulse von den Korrekturimpulsen korrigiert. Insbesondere wird die
Sollgeschwindigkeit geregelt von dem Stellungsfehler zwischen der Sollstellung und der Ist-Laststellung, so
daß die Abweichung der Ist-Laststellung von mindstens der Sollstellung jederzeit "Null" ist. Deshalb wird die
Sollgeschwindigkeit in äquivalenter Weise durch die Differenz zwischen der Sollstellung und der Iststellung
variiert, und die Verzögerung der Iststellung der Last gegenüber der Sollstellung läßt sich jederzeit auf praktisch
"Null" einregeln. Da sich die Verzögerung für jede Achse eliminieren läßt, läßt sich die Konturengenauig-
gg keit eines von einer mehrachsigen Werkzeugmaschine bearbeiteten
Werkstücks erhöhen, ohne daß es notwendig ist, eine präzise Justierung der Schleifenverstärkungen
der Regelsysteme für die jeweiligen Achsen vorzunehmen.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das
Ausgangssignal des Prozessors 16 an den D/A-Wandler 24 gelegt, dessen Ausgangsspannungsignal von dem ü/F-Wandler
26 in eine entsprechende Frequenz umgesetzt wird, und das von dem ü/F-Wandler 26 kommende Frequenz-Signal
wird über den Addierer und den Abweichungsdetektor 32 dem D/A-Wandler 34 zugeführt. Allerdings kann das
Ausgangssignal des D/A-Wandler 24 auch direkt dem Analog-Subtrahierer 36 zugeführt werden, der an den Ausgangsanschluß
des D/A-Wandlers 24 angeschlossen ist.
Hierdurch läßt sich der Aufbau der Schaltung vereinfachen, so daß sich die Vorrichtung mit weniger Kosten
herstellen läßt.
Im Rahmen der Erfindung werden gemäß obiger Beschreibung die Vorschubimpulse korrigiert durch den Stellungsfehler
zwischen der Sollstellung und der Iststellung, und die Verschiebung der Last wird gesteuert durch die korrigierten
Vorschubimpulse. Als Konsequenz läßt sich die Konturengenauigkeit einer mehrachsigen Werkzeugmaschine
durch ein erfindungsgemäßes Servosystem verbessern. Das System kann überall dort für Werkzeugbearbeitungen eingesetzt
werden, wo ein hohes Maß an Genauigkeit im Submikrometerbereich gefordert wird. Speziell läßt sich die
Konturengenauigkeit einer Werkzeugmaschine mit zwei oder mehr Achsen erhöhen, ohne daß die Notwendigkeit besteht,
eine komplizierte Justierung vorzunehmen, um die Schleifenverstärkungen der jeweiligen Achsen miteinander in
Einklang zu bringen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde oben als durch
einzelne Schaltungselemente realisierte Schaltung beschrieben. Diese Hardware-Vorrichtung kann auch vollständig
oder teilweise ersetzt werden durch einen Rechner, und die jeweiligen Funktionen können im Zeitmultiplexbetrieb
durchgeführt werden.
- Leerseite -
Claims (1)
- Patentansprüche1. Verfahren zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers einer Last, gekennzeichnet durch die Schritte:Addieren eines für den Antrieb der Last vorgesehenen Vorschubimpulssignals auf eine Abweichung eines Ist-Stellungssignals, welches an der Last ermittelt wird, von einem Soll-Stellungssignal, abhängig von der Polarität der Abweichung;Bestimmung einer Abweichung des durch die Addition gewonnenen Vorschubimpulssignals von dem Ist-Stellungssignal der Last;Ableiten eines Antriebssignals zum Antreiben der Last aus dem für die zuletztgenannte Abweichung kennzeichnenden Abweichungssignal und -ι* Steuern einer Antriebsquelle zum Antreiben der Last in Abhängigkeit des Abweichungssignals.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ! daß zwischen dem Antriebssignal zum Antreiben derLast und einem von der Antriebsquelle erzeugten Rückkopplungssignal eine zweite Abweichung bestimmt wird und daß die Antriebsquelle im wesentlichen mit einem Signal angetrieben wird, welches repräsentativ 3Q für diese zweite Abweichung ist.5.Vorrichtung zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers einer Last, gekennzeichnet durcheinen Vorschubimpulsgenerator (11) zum Erzeugen von Antriebsimpulsen für den Antrieb der Last (44), .einen Rückkopplungs-Impulsgenerator (46), welcherRückkopplungsimpulse erzeugt, die kennzeichnend sind für einen Antriebszustand der Last (44),einen Abweichungsdetektor (32), der eine Abweichung der Rückkopplungsimpulse von den Vorschubimpulsen ermittelt,einen ersten Digital/Analog-Wandler (34), der ein von dem Abweichungsdetektor (32) als Abweichungssignalerzeugtes digitales Signal umsetzt in ein Analogsignal,einen Sollstellungszähler (12), der die von dem Vorschubimpulsgenerator (11) angegebenen Impulse zählt,einen Laststellungszähler (14), der die von dem Rückkopplungs-Impulsgenerator (46) erzeugten Impulse zählt,.20einen Prozessor (16), der ein digitales Signal berechnet, welches kennzeichnend ist für die Differenz zwischen einem Ausgangssignal des Sollstellungszählers (12) und einem Ausgangssignal des Laststellungszählers (14),einen zweiten Digital/Analog-Wandler (24), der das von dem Prozessor (16) kommende digitale Signal in ein Analogsignal umsetzt, und30eine Einrichtung (36, 38), die die Last (44) mit denvon dem ersten und dem zweiten Digital/Analog-Wandler (34, 24) erzeugten Analogsignalen steuert.4. Vorrichtung zum Ausregeln eines Nachlauf-Stellungsfehlers einer Last, gekennzeichnet durcheine Korrekturimpuls-Generatoreinrichtung (20), dieImpulse einer Frequenz erzeugt, welche der Differenz zwischen dem Zählwert eines Sollstellungszählers (12), der Vorschubimpulse zählt, und dem Zählwert eines Laststellungszählers (14), welcher Rückopplungsimpulse entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit der Last (44) zählt, entspricht, und die ein Polaritätssignal erzeugt, welches die Polarität der Differenz angibt,einen Addierer (30), der selektiv die Anzahl der Vorschubimpulse mit den von der Korrekturimpuls-Generatoreinrichtung (20) erzeugten Impulsen abhängig von der Polarität erhöht bzw. reduziert, undeine Einrichtung (32, 34, 36, 38), die die Last (44) nach Maßgabe der Differenz zwischen einem Zählwert der Ausgangsimpulse des Addierers (30) und einem Zählwert der Rückkopplungsimpulse antreibt.5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturimpuls-Generatoreinrichtung aufweist: einen Prozessor (16), der die Differenz zwischen den Zählerständen des Sollstellungszählers (12) und des Laststellungszählers (14) berechnet, einen Korrekturzähler (20), der an einen Ausgang des Prozessors (16) angeschlossen ist, einen Digital/Analog-Wandler (24), der an den Ausgang des Prozessors (16) angeschlossen ist, einen an den Ausgang des Digital/QQ Analog-Wandlers angeschlossenen Spannungs/Frequenz-Wandler, eine an den Ausgang des Spannungs/Frequenz-Wandlers angeschlossene Gatterschaltung und einen an den Ausgang des Korrekturzählers (20) angeschlossenen Nulldetektors zum Steuern der Gatterschaltung, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, daß, wenn die Gatterschaltung durch den Nulldetektor (22) geschlossen wird, ein Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers an den Addierer (30) gelegt wird, um die Anzahl der Vorschubimpulse selektiv zu erhöhen und zureduzieren, während ebenfalls ein Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers an Taktimpulssignal an den Korrekturzähler (20) gelegt wird, so daß dessen Zählerstand selektiv erhöht und reduziert wird, damit er den Wert null annnimmt.6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen an den Ausgang des Addierers (30) angeschlossenen Abweichungsdetektor (32), der eine Abweichung zwischen den von dem Addierer korrigierten Vorschubimpulsen und den Rückkopplungsimpulsen feststellt und einene Digital/Analog-Wandler (34), der ansprechend auf ein digitales Ausgangssignal des Abweichungsdetektors (32) ein analoges Antriebssignal zum Antreiben der Last (44) erzeugt.7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Antriebsquelle (38, 40), die auf das Antriebssignal anspricht und die Last (44) antreibt, wobei die Antriebsquelle eine Lastverschiebungs-Detektoreinrichtung (49) aufweist, die ein Ausgangssignal betreffend eine Verschiebung der Last (44) erzeugt, und einen Analog-Subtrahierer (36), der ein Abweichungssignal erzeugt, welches die Abweichung zwischen dem Ausgangssignal der Lastverschiebungs-Detektoreinrichtung und dem analogen Antriebssignal von dem Digital/Analog-Wandler (34) angibt.
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