DE3635305C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Positionssteuergerät, bei dem ein angetriebenes Teil, beispielsweise der Tisch einer Werkzeugmaschine, von einer zum Verstellen des angetriebenen Teils dienenden Antriebsquelle, beispielsweise einem Motor, mit sehr hoher Genauigkeit in vorgegebene Sollpositionen gebracht werden soll.

Aus der DE 28 18 209 A1 ist ein Positioniersteuergerät mit einem Motor zum Verstellen eines Werkstückträgers, mit einem Sollwertgeber zum Bereitstellen eines Lagesollwerts, mit einem Lagemeßsystem zum Erfassen des Drehwinkels des Motors und zum Bereitstellen eines des erfaßten Drehwinkels entsprechenden Lageistwerts sowie mit einem Lageregelkreis bekannt, der in Abhängigkeit vom Lagesollwert und Lageistwert betrieben wird und dem ein Geschwindigkeitsregelkreis unterlagert ist. Dem Geschwindigkeitsregelkreis ist ein elektronischer Programmspeicher mit einem Speicherbereich zugeordnet, in welchem ein Programmteil zur Korrektur von Fehlern abgelegt ist, die in Abhängigkeit vom Vorschubweg des Werkzeugs auftreten. Das diesbezügliche vom elektronischen Programmspeicher bereitgestellte Korrektursignal verändert in einer Summierschaltung das vom Sollwertgeber ausgegebene Lagesollwertsignal für den unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreis. Dieses Korrektursignal wirkt zusätzlich zur Geschwindigkeitsaufschaltung und veranlaßt den Lageregelkreis, eine dem Fehler entsprechende Korrektur im Vorschub des Werkstückträgers herbeizuführen.

Aus der DE 26 26 784 B2 ist es bei einer numerischen Steuervorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Elements in mehreren aufeinanderfolgenden Bewegungsabschnitten um jeweils einen numerischen Sollwert bekannt, diesen Sollwert zusammen mit einem von einer Meßeinrichtung ermittelten numerischen Istwert einem numerisch gesteuerten Regelkreis zuzuführen, dessen Stellglied ein zum Antrieb des Elements dienender Motor ist. Zum Erzielen einer höheren Genauigkeit wird dort zu Beginn jedes Bewegungsabschnitts eine etwa verbliebene restliche Soll-Ist-Differenz des vorherigen Bewegungsabschnitts in einen Fehlerspeicher eingeschrieben und zur Korrektur des numerischen Sollwerts bzw. des numerischen Istwerts herangezogen. Dadurch soll insbesondere einer Drift des im Regelkreis vorhandenen Digital/Analog-Umsetzers begegnet werden.

Aus Walcher, H.: Digitale Lagemeßtechnik, Januar 1974, Seiten 64 bis 67 und 75, ist es auf dem Gebiet der digitalen Messung von Winkeln und Wegen bekannt, Resolver und Codelineale einzusetzen.

Zur Steuerung der Position des Tisches einer Werkzeugmaschine ist ein Gerät in Benutzung, dessen Aufbau und Ausbildung aus Fig. 3 hervorgeht. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Gerät ist ein Inkrementalpositionsdetektor 24 mit einem Elektromotor 23 verbunden, der dazu dient, mittels einer Kugelumlaufspindel 22 einen Tisch 21 in Horizontalrichtung zu verstellen. Eine vom Positionsdetektor 24 detektierte Verschiebeadresse wird einem Meßpositionsregister 25 zugeführt, das die bei der vorangegangenen Verstellung erreichte absolute Position speichert (oder eine Anfangs- oder Ausgangsposition, die gesetzt wird, nachdem der Tisch zu einer Ursprungsposition zurückgekehrt ist, und zwar zur Zeit der Schließung eines Quellenschalters). Der Inhalt des Registers 25 wird vom Inhalt eines Sollpositionsregisters 26 mittels eines Subtrahierglieds 27 subtrahiert. Aufgrund der dabei ermittelten Differenz wird der Motor 23 mit Hilfe eines Geschwindigkeitsreglers 28 angesteuert. Die Positionsmessung für den Zweck der Rückführung erfolgt bei dem Gerät nach Fig. 3 durch indirekte Messung der Position des Tisches 21 mit Hilfe des am Motor 23 vorgesehenen Positionsdetektors 24, was den Nachteil hat, daß die tatsächliche Istposition des Tisches 21 und die detektierte Position oder Meßposition nicht ständig miteinander übereinstimmen, und zwar aufgrund von Fehlern, die durch Ungenauigkeiten der Kugelumlaufspindel 22 und des Positionsdetektors 24 verursacht werden. Diese Fehler verhindern die genaue Verstellung des Tisches 21 in seine Sollposition.

Zur Überwindung der geschilderten Schwierigkeit ist eine Fehlerkorrigiereinrichtung 29 vorgeschlagen worden. Mit dieser Fehlerkorrigiereinrichtung wird der zwischen der Istposition und der Meßposition des Tisches 21 auftretende Fehler bei der entsprechenden Sollposition oder der Meßposition mit Hilfe eines hochpräzisen Meßgerätes gemessen, wobei der gemessene Fehler in einer Fehlertabelle gespeichert wird oder eine Schaltung derart ausgelegt wird, daß sie einen approximierten Korrekturwert bzw. ein approximiertes Korrektursignal liefert. Die Differenzen zwischen der Istposition und der Meßposition des Tisches können dann eliminiert werden, und zwar durch Korrektur der Sollposition oder der vorher benutzten Meßposition mit einer entsprechenden Fehleradresse derart, so daß der Tisch 21 genau in die Sollposition verstellt werden kann.

Das herkömmliche Gerät mit einem Inkrementalpositionsdetektor kann jedoch nur relative Bewegungs- oder Verstelldaten erfassen, so daß es zur Ermittlung absoluter Positionsdaten erforderlich ist, eine absolute Position heranzuziehen, die als Referenz dient. Zum Setzen des Referenzpunktes des Inkrementalpositionsdetektors ist es notwendig, die Antriebsvorrichtung nach Schließung des Quellenschalters zurückzufahren, so daß somit ein Initialisiervorgang zur Speicherung eines Anfangswertes erforderlich ist, der als Ursprung im Meßpositionsregister 25 und einem Sollpositionsregister 26 dient. Dadurch wird aber die Arbeitseffizienz vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein hochgenaues Positionssteuergerät zu schaffen, bei dem der Ursprungsrückfahr- oder Ursprungsrückkehrvorgang zur Zeit der Schließung des Quellenschalters vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Hauptvorteil dieser Lösung besteht somit darin, daß bei der anfänglichen Inbetriebnahme das angetriebene Teil nicht in einen Ursprungspunkt mit genau vorgegebenen absoluten Positionsdaten zurückgefahren werden muß, wie dies bei herkömmlichen Positionssteuergeräten mit Inkrementalpositionsdetektoren der Fall ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auch auf die übrigen Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Posi­ tionssteuergeräts,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines modifizierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bekannten Positionssteuergeräts und

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläute­ rung der Arbeitsweise eines Approximierungsfunktionsgenerators.

Zunächst soll das Positionssteuergerät nach der Erfindung an Hand des in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels erläutert werden, und zwar im Zusammen­ hang mit der Anwendung der Erfindung auf die Positions­ steuerung des Tisches einer numerisch gesteuerten Werk­ zeugmaschine.

Gleichermaßen wie bei der Darstellung nach Fig. 3 wird ein Tisch 1 einer numerisch gesteuerten Werkzeug­ maschine in der Horizontalrichtung von einem Elektro­ motor 3 über eine Kugelumlaufspindel 2 bewegt oder ver­ stellt. Ein Linearpositionsdetektor 11, der in der Lage ist, die Position des Tisches 1 direkt zu messen, ist zu diesem Zweck für den Tisch vor­ gesehen; zum genauen Messen der augenblicklichen Po­ sition des Tisches 1 auf der Grundlage des Drehwinkels des Motors 3 oder der Kugelumlaufspindel 2 dient ein mit dem Motor 3 verbundener Resolver 4. Die vom Resol­ ver 4 und vom Linearpositionsdetektor 11 gemessenen Daten werden einem Positionsberechner 12 zugeführt, und zwar zum Zwecke der Berechnung der Absolutposition des Tisches 1. Die auf diese Weise berechnete Absolut­ position gelangt zu einem Meßpositions­ register 5 und wird dann in einem Addierglied 10 durch einen Korrekturwert korrigiert, der von einer Fehlerkorrigiervorrichtung 9 stammt.

Zum Zwecke der Korrektur der Position des Tisches 1 enthält die Fehlerkorrigiereinrichtung 9 eine Fehlertabelle oder einen Approximierungsfunk­ tionsgenerator, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine Fehleradresse, die durch Ver­ gleich des Inhalts des Meßpositionsregisters 5 bei irgendeiner Position des Tisches innerhalb seines Verstellbereiches mit einer von einem unab­ hängigen Meßgerät hoher Genauigkeit gemessenen Istposi­ tion erhalten worden ist, zur Korrektur der Position des Tisches 1 während des Be­ triebs der Werkzeugmaschine gesetzt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläu­ terung der Arbeitsweise eines Approximierungsfunktionsgenerators. In dieser graphischen Darstellung ist auf der Ordinate ein Fehler E und längs der Abszisse der Abstand von einem Ursprung aufgetragen. Mit L 1, L 2, L 3, ... sind Abschnitte einer Fehlerkurve bezeichnet. Diese Abschnit­ te erhält man durch Annäherung gekrümmter Abschnitte der Fehlerkurve durch geradlinige Abschnitte. Bezeichnet man die Steigungen der Abschnitte L 1, L 2, L 3, ... mit a 1, a 2, a 3, ... und bezeichnet man die Ordinatenwerte, bei denen die Verlängerungen der Ab­ schnitte die Ordinate schneiden, mit b 1, b 2, b 3, ..., erhält man für den Fehler die folgenden Beziehungen:

Fehler für Abschnitt L 1 = a 1 x - b 1 (0 x x 1)
Fehler für Abschnitt L 2 = a 2 x + b 2 (x 1 x x 2)
Fehler für Abschnitt L 3 = a 3 x + b 3 (x 2 x x 3)

Dieses Fehlerfunktionssystem erfordert weniger Kapazität einer Speichervorrichtung im Vergleich zu einem System, bei dem Fehlerwerte für zugeordnete Positionen x 1, x 2, x 3, ... in der Speichervorrichtung in Form einer Fehler­ tabelle gespeichert sind.

Die der jeweiligen Meßposition zugehörende Fehleradresse wird dem Addierglied 10 zugeführt und dort mit dem Aus­ gangssignal des Meßpositionsregisters 5 addiert. Das Ausgangs­ signal des Addierglieds 10 wird mittels eines Subtra­ hierglieds 7 von einem Sollpositionssignal eines Sollpositionsregisters 6 subtrahiert. Weiterhin wird das Ausgangssignal der Fehlerkorrigiereinrichtung 9 dem Sollpositionsregister 6 zugeführt, und zwar zum Zwecke von dessen Initialisierung zur Zeit der Schließung des Quellenschalters. Das Ausgangssignal des Subtrahier­ glieds 7, d.h. die Differenz zwischen einer Sollposition und einer Meßposition, gelangt zu einem Geschwindig­ keitsregler 8 zur Ansteuerung des Motors 3.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Absolutposition des Tisches 1 zu Beginn mittels des Positionsberechners 12 unter Verwendung von durch den Linearpositionsdetektor 11 und den Resolver 4 erfaßter Daten berechnet. Die vom Positionsberechner 12 berechnete Absolutposition wird dem Meßpositionsregi­ ster 5 zugeführt und dann im Addierglied 10 zu dem Ausgangssignal der Fehlerkorrigiereinrichtung 9 addiert, und zwar unter Verwendung des in Fig. 4 dargestellten Funktionsgenerators. Bei der Ausgabe eines Verstellbefehls durch die numerische Steuerung wird der Inhalt des Befehlspositionsregisters 6 mittels dieses Verstellbefehls erneuert. Die Folge davon ist, daß der Motor 3 mit der Differenz zwi­ schen einer Sollposition im Sollpositionsregister 6 und einem korrigierten Inhalt des Meßpositionsregi­ sters 5 zum Zwecke des Antriebs des Tisches 1 über die Kugelumlaufspindel 2 betrieben wird. Die Position des sich bewegenden Tisches 1 wird vom Linear­ positionsdetektor 11 und vom Resolver 4 gemessen, und die Abso­ lutposition wird vom Positionsberechner 12 berechnet. Dann wird die berechnete Absolutposition mit Hilfe der Fehlerkorrigiereinrichtung 9 auf die genaue Absolut­ position korrigiert, und die korrigierte Absolutposi­ tion wird im Subtrahierglied mit der Soll­ position verglichen, wodurch es möglich ist, den Tisch 1 genau auf die Sollposition zu verstellen.

Da bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ein als Absolutpositionsdetektor arbeitender Linearpositionsdetektor 11 und ein Resolver 4 verwendet werden, ist eine Rückkehroperation zum Ursprungspunkt des Tisches 1 unmittelbar nach der Schließung des Quellenschalters nicht erforderlich. Dadurch wird die Betriebseffizienz verbessert. Da die Anfangs- oder Ausgangsposition des Tisches 1 unmittel­ bar nach der Schließung des Quellenschalters in das Sollpositionsregister 6 geschrieben wird, kann der Tisch 1 von der Ausgangsposition aus ruckfrei ange­ fahren werden. Da die Meßposition mittels einer Fehler­ korrigiereinrichtung 9 vom Funktionsgeneratortyp korrigiert wird, ist es möglich, den Tisch 1 auf die Sollposition mit hoher Geschwindigkeit zu verstellen.

Während bei dem bis jetzt beschriebenen Ausführungs­ beispiel eine Fehlerkorrigiereinrichtung 9 verwendet wird, die von einer Meßposition als Referenz Gebrauch macht, weist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2 eine Fehlerkorrigiereinrich­ tung 9 auf, die von einer Sollposition als Referenz Gebrauch macht und die noch einen Konverter 9A aufweist. Wie man sieht, ist die Fehlerkorrigiereinrichtung 9 mit dem Sollpositionsregister 6 verbunden, und das Meßpositionsregister 5 ist mit dem Konverter 9A ver­ bunden, der seinerseits mit der Fehlerkorrigierein­ richtung 9 verbunden ist.

Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel berechnet der Positionsberechner 12 die Absolutposition auf der Grundlage der Daten, die vom Linearpositionsdetektor 11 und vom Resolver 4 gemes­ sen werden, gleichermaßen wie beim ersten Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1. Der auf diese Weise berechnete Absolutwert wird in das Meßpositionsregister 5 geschrieben und dann weiter an den Konverter 9A ge­ leitet, der aufgrund des Ausgangssignals der Fehler­ korrigiereinrichtung 9 einen Wert bestimmt, der die von der Fehlerkorrigiereinrichtung 9 korrigierte Meß­ position darstellt. Das Ausgangssignal des Konverters 9A wird mittels eines Addierglieds 50 dem Ausgangssi­ gnal des Meßpositionsregisters 5 hinzuaddiert. Das Ausgangssignal des Addierglieds 50 dient zur Aktuali­ sierung des Sollpositionsregisters 6. Ein Verstellbefehl der numerischen Steuerung wird zur Neueinschreibung in das Sollpositionsregister 6 verwendet. In Übereinstimmung mit dem Inhalt des Soll­ positionsregisters 6 wird die Werkzeugmaschine in Gang gesetzt, und der Tisch 1 wird in richtiger Weise zur Sollposition verstellt, und zwar durch wiederholte Messung und Antriebsansteuerung, bis die durch die Fehlerkorrigiereinrichtung 9 korrigierte Sollposition und die Meßposition miteinander überein­ stimmen.

Da beim zweiten Ausführungsbeispiel das Ausgangs­ signal der Fehlerkorrigiervorrichtung 9 mittels des Konverters 9A umgesetzt oder umgearbeitet wird, wenn das Sollpositionsregister 6 zur Zeit der Schließung des Quellenschalters gesetzt wird, ist es erforderlich, eine Korrektur vorzunehmen, die sich von derjenigen Korrektur unterscheidet, die während des Normalbetriebs vorgenommen wird. Der Aufbau des zweiten Ausführungs­ beispiels der Erfindung ist daher etwas komplizierter als derjenige des ersten Ausführungsbeispiels. Erhal­ ten bleiben aber die Vorteile des ersten Ausführungs­ beispiels, nämlich daß es nicht erforderlich ist, daß der Tisch 1 zu seiner Originalposition zurückkehrt. Darüber hinaus treten zusätzliche Vorteile auf, die darin bestehen, daß die Korrektur mittels der Fehler­ korrigiereinrichtung 9 mit einer höheren Geschwindig­ keit als beim ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden kann, bei dem ja die Korrektur während der Be­ wegung oder Verstellung des Tisches 1 vorgenommen wird.

Es sei bemerkt, daß die Ausbildung des Positions­ detektors nicht auf einen Linearpositionsdetektor 11 und einen Resolver 4 beschränkt sein muß, wie es in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist: Der Resolver kann beispielsweise ersetzt werden durch einen Inductosyn-, einen Magnetskala- oder einen Abso­ lutcodierer. Anstelle der Verwendung der Kombination aus dem Linearpositionsdetektor 11 und dem Resolver 4 ist es auch möglich, in Verbindung mit dem Motor 3 einen Absolutcodierer hoher Genauigkeit vorzusehen. Es kann ein beliebiger Absolutpositionsdetektor ver­ wendet werden. Ist die Fehlerkorrigiereinrichtung 9 vorzugsweise noch als Approximierungsfunktionsgenerator ausgebildet und zwar anstelle einer Fehlerkorrektureinrichtung vom Fehlerta­ bellentyp, können die Korrekturen mit größerer Genau­ igkeit vorgenommen werden, obgleich wegen der etwas komplizierteren Verarbeitung die Verarbeitungsge­ schwindigkeit abnimmt. Vorzugsweise können beide Typen oder Arten von Fehlerkorrigiereinrichtungen angewendet werden, wobei die Vorrichtung vom Funktionsgeneratortyp generell verwendet wird und die Vorrichtung vom Fehlertabellen­ typ lediglich Fehlerdaten bezüglich spezieller Ver­ stellpositionen liefert, bei denen eine Korrektur durch Approximation nur schwer oder überhaupt nicht möglich ist. Bei Verwendung einer solchen Kombination ist es möglich, die Korrekturen sowohl mit hoher Ge­ schwindigkeit als auch großer Genauigkeit vorzunehmen.

Claims (4)

1. Positionssteuergerät, enthaltend

• a) eine Antriebsquelle (3) zum Verstellen eines angetriebenen Teils (1),
• b) ein Sollpositionsregister (6) zum Bereitstellen eines einer Sollposition entsprechenden Sollpositionssignals,
• c) eine Absolutpositionserfassungseinrichtung (4, 11, 12) zum Erfassen der Istposition der Antriebsquelle (3) und des angetriebenen Teils (1) und zum Bereitstellen eines der erfaßten Istposition entsprechenden Istpositionssignals,
• d) eine Fehlerkorrigiereinrichtung (9; 9, 9A) zum Bereitstellen eines der Sollposition oder der Istposition zugeordneten Korrektursignals,
• e) eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung (8) zum Regeln der Geschwindigkeit der Antriebsquelle (3) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istpositionssignal und dem Sollpositionssignal und in Abhängigkeit von dem Korrektursignal, und
• f) Einrichtungen (10; 50) zum Addieren des Korrektursignals zu dem Istpositionssignal sowie zum Zuführen des resultierenden Summensignals zu dem Sollpositionsregister (6) zum Aktualisieren des Registers bezüglich einer neuen Anfangsposition des angetriebenen Teils (1).

2. Positionssteuergerät nach Anspruch 1, bei dem die Absolutpositionserfassungseinrichtung enthält: einen der Antriebsquelle (3) zugeordneten Resolver (4), einen dem angetriebenen Teil (1) zugeordneten Linearpositionsdetektor (11) und eine die Ausgangssignale des Resolvers (4) und des Linearpositionsdetektors (11) verarbeitende Einrichtung (12) zum Gewinnen des der Absolutposition des angetriebenen Teils (1) entsprechenden Istpositionssignals.

3. Positionssteuergerät nach Anspruch 1, bei dem die Absolutpositionserfassungseinrichtung (4, 11, 12) einen Absolutcodierer aufweist.

4. Positionssteuergerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner enthaltend einen mit der Fehlerkorrigiereinrichtung (9) und der Absolutpositionserfassungseinrichtung (4, 11, 12) verbundenen Konverter (9A) und ein Addierglied (50) zum Addieren der Ausgangssignale des Konverters (9A) und der Absolutpositionserfassungseinrichtung (4, 11, 12) zum Gewinnen des dem Sollpositionsregister (6) zugeführten resulierenden Summensignals.