DE4420598A1 - Verfahren zur numerisch gesteuerten Lageregelung gekoppelter Achsen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur numerisch gesteuerten Lageregelung gekoppelter Achsen aus mindestens einem Leit-/Folgeachspaar mit Führung der Folgeachse durch Signale der Leitachsbewegung. Günstig ist es dabei, wenn die Führungssignale der Folgeachse sowohl von Ist- als auch von Soll-Signalen der Leitachsbewegung abgeleitet werden können, um auch bei wechselnden Leitachsgeschwindigkeiten bei Last­ störungen oder vorgegebenen Pendelbewegungen für die Leit­ achse nicht nur eine hohe Geschwindigkeits- sondern auch eine hohe Lage-Synchronlaufqualität zu erzielen.

Eine numerisch gesteuerte Lageregelung gekoppelter Achsen (Synchronlaufregelung) ist aus der europäischen Patentschrift EP-0 309 824 A1, "Verfahren zur numerisch gesteuerten Lage­ regelung elektromotorisch angetriebener Achsen" bekannt. Dieses Verfahren berücksichtigt sowohl das Soll-Lage als auch das Drehzahl-Ist-Signal der Leitachsbewegung für die Führung der Folgeachsbewegung, um die Synchronlaufabweichung auf Null zu halten. Dabei wird die Aufgabe, jeden systembedingten Syn­ chronlauffehler zu vermeiden, dadurch gelöst, daß alle Achsen durch Verwendung identisch strukturierter und spezifisch ein­ gestellter Regelkreise gleiches dynamisches Verhalten aufwei­ sen, daß sich der jeweilige Lage-Sollwert der jeweiligen Folgeachse aus dem mit dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis gewichteten jeweiligen Lage-Sollwert der jeweiligen Leitachse ergibt, daß der resultierende Drehzahl-Istwert der jeweiligen Leitachse mit dem resultierenden Drehzahl-Istwert der jewei­ ligen Folgeachse unter Berücksichtigung des jeweiligen Über­ setzungsverhältnisses verglichen wird und daß bei einer Differenz der resultierenden Drehzahl-Istwerte die Drehzahl der jeweiligen Folgeachse über einen Zustandsausgleichsregler durch Vorgabe eines entsprechenden Drehzahlsollwertes der Folgeachse nachregelbar ist.

Wegen der Forderung nach gleicher Achsdynamik ist bei der Einstellung des Folgeachslagereglers eine zur Leitachs-Ein­ stellung gleiche Parameterwahl vorzunehmen, dies gilt auch bei einer Leitachse mit gegenüber der Folgeachse geringerer Dynamik. Die Stabilität des Folgeachsregelkreises wird dabei bestimmt durch die Rückkopplung im Folgeachslageregler sowie die Rückkopplung im Zustandsausgleichsregler.

Die Einstellung des Zustandsausgleichsreglers erfolgt somit im Rahmen der strukturbedingten Abhängigkeitsbeziehung zum eingestellten Folgeachse-Lageregler-Verstärkungsfaktor. Der infolge dieser Abhängigkeit nutzbare Einstellbereich des Zu­ standsausgleichsreglers wird umso kleiner, je größer der Folgeachs-Lageregler-Verstärkungsfaktor eingestellt wird. Da­ mit ist das statische und dynamische Folgevermögen des Folge­ achslageregelkreises zur Leitachs-Istlage nicht immer voll nutzbar.

Weiterhin zeigt dieses bekannte Verfahren auf, wie zur Erzie­ lung eines optimalen Einschwingverhaltens mittels einer das Anlaufverhalten des Motors berücksichtigenden dynamischen Vorsteuerung der Lage-Sollwert pro Zeiteinheit als Drehzahl- Sollwert über ein Proportionalglied direkt an die Drehzahl­ regelstrecke vorgegeben wird. Um dabei beim Anlaufverhalten ein Überschwingen über die Soll-Lageposition zu vermeiden, wird das Soll-Lage-Signal, bevor es dem Lagevergleicher auf­ geschaltet wird, über ein Verzögerungsglied geführt, das das Zeitverhalten des gesamten Drehzahlregelkreises nachbildet. Dadurch wird der jeweilige Lagesollwert mit der Zeitverzöge­ rung, die dem Anlaufverhalten des Motors entspricht, auf den Lage-Vergleicher des Lageregelkreises gegeben.

Die Inbetriebnahme und Parametrierung der spezifisch einzu­ stellenden Regelkreise erfordert allerdings Erfahrung und einen nicht unbeträchtlichen Zeitaufwand.

Bei einem Verfahren für das Gewindeerzeugen auf numerisch gesteuerten Automaten gemäß dem europäischen Patent EP- 0 332 975 wird der dynamische Schleppabstand (-fehler) der Folgeachse minimiert, indem für ein besseres synchrones An­ fahren und Abbremsen gleichfalls wie bei dem obengenannten Verfahren eine Vorsteuerung eingesetzt wird, bei der gleich­ zeitig mit der Aufschaltung des Drehzahlsollwertes auf den Drehzahlregelkreis der (Leit-)Drehachse ein aus dem (Leit­ achs-)Drehzahlsollwert gebildeter Vorschubsollwert (Folge­ achs-Drehzahlsollwert) zusammen mit einer aus dem (Leit-) Lageistwert der Drehachse und dem (Folgeachs-)Lageistwert der Linearbewegung gebildeten Regeldifferenz auf den Regelkreis für die (Folgeachs-)Linearbewegung aufschaltbar ist. Zum Ausgleich der gegenüber der folgeachsdrehzahlregelkreislang­ sameren Leitachsdrehzahlregelkreis-Dynamik kann der Vor­ schubsollwert über ein Verzögerungsglied geführt werden.

Beide Verfahren vermindern den dynamischen Schleppabstand beim interpolatorisch gesteuerten Anfahren und Abbremsen der Leitachse.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß ausgehend von einer einheit­ lichen Struktur die Geschwindigkeits- und Lage-Synchronlauf­ qualität der Folgeachs-Istlage gegenüber der Leitachs-Istlage bzw. der Summe der Leitachs-Istlagen für spezielle Techno­ logieanforderungen verbessert wird, indem mittels einfacher Parametrierung eine Koppel-Strukturanpassung ausführbar ist und dabei eine Einstellung der Regelkreise auf ihre optimale Achsdynamik möglich ist. Das Verfahren ist geeignet für eine oder mehrere gegebenenfalls auch nicht lagegeregelte Leit­ achsen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Soll- und Ist-Signale der Leitachsbewegung in Sollsignal- und Istsignal-Koppelpfaden mit zweigspezifisch zugeordneten Soll- und Ist-Anteilsfaktoren für die Koppelpfad-Intensität gewichtet werden und daß die so gewichteten Koppelpfadsignale additiv zusammengefügt zur gekoppelten Führung der Folgeachs­ bewegung aufgeschaltet werden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung, wie diese in den Unteransprüchen ihren Niederschlag finden, werden im Rahmen des Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels darge­ stellt und im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Blockschaltbild,

Fig. 2 ein zweites Blockschaltbild.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt in Form eines ersten Block­ schaltbilds eine erste Möglichkeit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. (Der Leitachssollwert ist als LAS bezeichnet, eine mögliche Laststörung mit LS.)

Dabei sind zwei gekoppelte Achsen lagegeregelt, von denen eine als Leitachse und eine als Folgeachse geschaltet ist. Jede Achse besitzt einen Lageregelkreis mit unterlagertem Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsregelkreis, Leitachslageregler LLR, Leitachsdrehzahlregler LDR, Folgeachslageregler 1 im Ist-Lagekoppelzweig, Folgeachslageregler 2 im Soll-Lage­ koppelzweig, Folgeachsdrehzahlregelkreis FDR. Ein Leitachs- Lage-Sollwert 3 wird von einer der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten übergeordneten Steuerung bereitgestellt. Der Folgeachslageregelkreis ist mit zwei Folgeachslagereglern 1 und 2 mittels der parallel arbeitenden Vergleicher 5 und 6 und der Koppel-Multiplikatoren 7 und 8, die einen Leitachs- Soll-Lage-Koppelpfad und einen Leitachs-Ist-Lage-Koppelpfad bilden, an den Leitachssollwert 3 und den Leitachsistwert 4 angeschaltet. Auf die Koppel-Multiplikatoren 7 und 8 ist der vorgegebene Koppelfaktor KF aufgeschaltet.

Das Führungssignal des Folgeachs-Drehzahl- bzw. Geschwindig­ keitsregelkreises setzt sich additiv aus den beiden Ausgangs­ signalen der Folgeachslageregler 1 und 2 sowie dem vom Signalmischer 11 bereitgestellten Geschwindigkeits-Führungs­ signal zusammen.

Die Stabilität des Gesamt-Folgeachs-Lageregelkreises wird durch den Gesamt-Verstärkungsfaktor FA-KV beeinflußt, der in zwei Anteilen (FA-KV1 und FA-KV2 wobei FA-KV = FA-KV1+FA-KV2) in den beiden Lage-Koppelpfaden jeweils als Pfad-P-Verstär­ kungsfaktor 9 in den beiden Folgeachslagereglern 1 und 2 wirkt. Die Koppelintensität eines Lage-Koppelpfades in Rela­ tion zum zweiten Lagekoppelpfad wird durch das Verhältnis der beiden Lagekoppelpfad-P-Verstärkungsfaktoren festgelegt.

Der größte einstellbare Summenwert FA-KV aus beiden Lage­ koppelpfad-P-Verstärkungsfaktoren ist durch die Stabili­ tätseigenschaften des Folgeachslageregelkreises festgelegt. Eine Abhängigkeit von der Einstellung eines oder bei mehreren Leitachsen von mehreren Leitachslageregelkreisen besteht bei der Einstellung des Gesamt-P-Verstärkungsfaktors (Summenwert FA-KV) beim Folgeachslageregelkreis nicht. Es können lage­ geregelte und nichtlagegeregelte Leitachsen gemischt zum Einsatz kommen. Da keine Abhängigkeiten vorliegen, ergeben sich keine daraus resultierenden Einstell-Beschränkungen. Die Inbetriebnahme der gekoppelten Folgeachse, samt Parametrie­ rung ihres Lageregelkreises, ist unabhängig von der/den Leit­ achs-Einstellung/en vornehmbar und damit einfach und kurz. Entsprechendes gilt für die Parametrierung der Leitachsen.

Bei der Inbetriebnahme der Lagekoppelpfade ist das Anteils­ verhältnis für die Koppelintensität der beiden Lagekoppel­ pfade frei festlegbar. Das Anteilsverhältnis wird durch die Größenwahl des Faktors f₁ gesteuert. Für den verfügbaren Wertebereich gilt: 0 f₁ 1.

In Fällen, wo nur die Ist-Lage-Synchronlaufabweichung von Interesse ist, wird eine dominierende Koppelintensität des Ist-Lagekoppelpfades eingeschaltet. Mit Aufschalten des Fak­ tors f₁ = 1 wird schließlich die maximale Koppelintensität im Ist-Lagekoppelpfad eingeschaltet. Die Koppelintensität im Soll-Lagekoppelpfad geht dabei dann auf Null zurück. Das dazu entsprechende Blockschaltbild zeigt Fig. 2.

Neben den Lage-Koppelpfaden sind noch zwei Geschwindigkeits- Koppelpfade vorsehbar. Im Soll-Geschwindigkeits-Koppelpfad wird das mit dem Koppelfaktor gewichtete Soll-Geschwindig­ keitssignal der Leitachse und im Ist-Geschwindigkeits-Koppel­ pfad wird das mit dem Koppelfaktor KF gewichtete Ist-Ge­ schwindigkeitssignal über die Anteils-Multiplikatoren 19 und 20 auf den Signalmischer 11, der im einfachsten Fall ein Addierglied sein kann, geführt.

Die Koppelintensität in den beiden Geschwindigkeitskoppel­ pfaden wird durch den Anteilsverhältnisfaktor f_g gesteuert. Der Wertebereich für f_g ist: 0 f_g 1. Wird f_g = 1 auf das Anteil-Multiplikationsglied 20 aufgeschaltet, so ist eine 100%-ige Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsführung der Folge­ achse durch das Istgeschwindigkeitssignal der Leitachsbe­ wegung eingeschaltet. Mit f_g = 0 wird eine 100%-ige Führung des Folgeachs-Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsregelkreises durch das Soll-Geschwindigkeitssignal der Leitachsbewegung eingeschaltet.

Das Filter 21 im Soll-Geschwindigkeits-Koppelpfad gleicht Signallaufzeitunterschiede aus, um eine optimale Synchron­ laufqualität auch bei oszillierendem Führungssignal zu er­ halten.

Für das Filter 21 gibt es keine feste Einstellung, weil diese vom Unterschied der wirksamen Achsdynamiken von Leit- und Folgeachse abhängt.

Bei gleicher Achsdynamik von Leit- und Folgeachse wird zum Zweck eines bestmöglichen Führungsverhaltens des Synchron­ laufachspaares auch die Leitachse in bekannter Weise vorge­ steuert, was nicht dargestellt ist. Nachdem bei der Inbe­ triebnahme die Leitachse parametriert ist, wird deren Filter­ einstellung vom Vorsteuerzweig für die Einstellung des Fil­ ters 21 im Soll-Geschwindigkeits-Koppelpfad übernommen.

Im Falle stark unterschiedlicher Leit- und Folgeachsdynami­ ken, wenn die Folgeachse wesentlich dynamischer als die Leitachse ist, soll das Filter die Signallaufzeitdifferenz der Ist-Lage-Signale von der Leit- und der Folgeachse aus­ gleichen, die bei nicht vorhandener Filterwirkung im Soll- Geschwindigkeits-Koppelpfad am Lage-Vergleicher des Folge­ achslageregelkreises auftritt und die unerwünschte Synchron­ laufabweichung bewirkt. Der richtige, ausgleichende Zeitkon­ stantenwert des Filters 21 ergibt sich etwa als Differenz zwischen der dominierenden Zeitkonstanten des Leitachs-Lage­ regelkreises zur dominierenden Zeitkonstante des Folgeachs- Drehzahlregelkreises.

Die richtige Filtereinstellung ist in der Praxis einfach her­ beiführbar bzw. überprüfbar, wenn bei der Inbetriebnahme bei maximaler Frequenz des oszillierenden Führungssignals das Filter 21 so lange verstellt wird, bis über den periodischen Gesamtverlauf der Oszillationsbewegung der Folgeachsschlepp­ fehler seinen minimalen Verlauf einnimmt.

Die Koppelintensität der beiden Geschwindigkeits-Koppelpfade ist im aufgezeigten Beispiel in zwei Varianten steuerbar.

Variante 1

Bei abgeschaltetem Adaptionsglied 17 wird der Anteilverhältnisfaktor f_g bei der Inbetriebnahme passend zum Einsatzfall gewählt und fest aufgeschaltet.

Die Anwendung findet eine vorgewählte, dominierende Koppelin­ tensität im Sollgeschwindigkeitskoppelpfad bei oszillierenden Leitachsbewegungen, wie sie auf Schleifmaschinen oder auch Wälzstoßmaschinen benötigt werden.

Eine vorteilhafte Anwendung findet eine dominierende Koppel­ intensität im Soll-Geschwindigkeitskoppelpfad auch dann, wenn das schneidende Werkzeug am Umanfang verteilte Schneidzähne aufweist und Wechsellaststörungen auf das Leitachs-Istsignal auftreten, denen der geregelte Folgeachsantrieb wegen seiner endlichen Folgedynamik nicht mehr folgen kann. Der geregelte Folgeantrieb würde bei dominierender Koppelintensität im Ist- Geschwindigkeitskoppelpfad zu Regelbewegungen angeregt, die den Synchronlauf verschlechtern.

Liegen die lastbedingten Schwankungen auf dem Ist-Leitachs­ signal frequenzmäßig im Bereich der Folgedynamik des Folge­ achsantriebes, so wird vorteilhaft eine dominierende Koppel­ intensität im Ist-Geschwindigkeitskoppelpfad eingeschaltet.

Durch eine vorzugsweise vollständige, also 100%-ige geschwin­ digkeitsseitige Führung des Folgeachsantriebes aus Anteilen des Leitachssoll- und -istwertes muß die Folgeachs-Lagerege­ lung dominierend nur das Ausregeln der "Langzeit"-Lage-Syn­ chronlaufabweichungen vornehmen und die hohe Genauigkeit gewährleisten.

Anhand des oszillografisch dargestellten zeitlichen Signal­ verlaufs des Vergleichssignals vom Vergleicher 6 kann kon­ trolliert und für den konkreten praktischen Fall entschieden werden, ob eine f_g-Verstellung eine Synchronlaufverbesserung bringt. Da diese Einstellung keine Nebenwirkungen auf die Systemstabilität hat, ist sie einfach ausführbar. Es ist so­ mit bei höchsten Anforderungen für den jeweiligen konkreten Einsatzfall die optimale spezifische Einstellung herbeiführ­ bar.

Variante 2

Bei zugeschaltetem Adaptionsglied 17 übernimmt dieses die Steuerung der Koppelintensität in den beiden Geschwindigkeits-Koppelpfaden in Abhängigkeit der Signal­ verläufe der Leitachsbewegung. Vorzugsweise wird bei Anfahr-, Umsteuer- und Bremsphasen der Leitachse der Soll-Geschwin­ digkeits-Koppelpfad in seiner Koppelintensität aufgesteuert. Der Folgeachsantrieb erhält damit quasi zeitlich parallel zum Leitachsantrieb die sich stark ändernden Führungs-Soll­ werte und kann so auch quasi zeitlich parallel seine ge­ koppelt auszuführende Anfahr-, Umsteuer- und Bremsphase ein­ leiten. Dadurch wird auch in diesen Phasen eine hohe Synch­ ronlaufqualität erzielbar.

Beim Übergang zur stationären Leitachsfahrt wird schließlich zunehmend auf eine höhere Koppelintensität im Ist-Geschwin­ digkeits-Koppelpfad zurückgesteuert, die Voraussetzung für bestes Folgeverhalten des Folgeantriebs zur Leitachsistbe­ wegung ist. Das Verhältnis ist anwendungsspezifisch wählbar.

Weitere Ausführungen ergeben sich in Kombination unterschied­ licher Soll-/Ist-Anteilsverhältnisse in den Geschwindigkeits- und in den Lage-Koppelpfaden. Dabei ist mit einfacher Parame­ trierung und kurzer Inbetriebnahme für die geforderten unter­ schiedlichen Einsatzbedingungen, auch bei nichtstationärer Fahrt der Leitachse, die bestmögliche Synchronlaufqualität erzielbar.

Im Verlauf der Bearbeitung kann das Anteilsverhältnis der Soll-/Ist-Geschwindigkeitskoppelpfade abgeändert werden, wo­ bei parallel dazu anhand des oszillografischen Verlaufs der Synchronlaufabweichung kontrollierbar ist, ob eine Ver­ besserung oder Verschlechterung der Synchronlaufqualität eintritt. Die Verstellung wird dann entsprechend korrigiert bis die minimale Schleppfehlerabweichung erreicht ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur numerisch gesteuerten Lageregelung gekoppel­ ter Achsen aus mindestens einem Leit-/Folgeachspaar, mit Führung der Folgeachse durch Signale der Leitachsbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll- und Ist-Signale der Leitachsbewegung in Sollsignal- und Ist­ signal-Koppelpfaden mit zweigspezifisch zugeordneten Soll- und Ist-Anteilsfaktoren für die Koppelpfad-Intensität ge­ wichtet werden und die gewichteten Koppelpfadsignale additiv zusammengefügt zur gekoppelten Führung der Folgeachsbewegung aufgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Summe aus Soll- und Ist-Anteils­ faktor von korrespondierenden Koppelpfaden vorzugsweise auf EINS gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mit dem Koppelfaktor ge­ wichtete Sollgeschwindigkeitssignal der Leitachse mit dem Soll-Anteilsfaktor gewichtet, über ein Filter mit mindestens PT1-Wirkung und über einen Signalmischer zur Führung der Folgeachse aufgeschaltet wird, sowie das mit dem Koppelfaktor gewichtete Istgeschwindigkeitssignal der Leitachse mit dem Ist-Anteilsfaktor gewichtet über einen zweiten Eingang des Signalmischers zur Führung der Folgeachse aufgeschaltet wird, dabei das Ausgangssignal des Signalmischers mit dem Ausgangs­ signal eines mindestens aus einem Lageregler bestehenden Folgeachs-Gesamtlagereglers additiv zusammengefügt als Ge­ schwindigkeitsführungswert dem Geschwindigkeitsregelkreis des Folgeachs-Gesamtlageregelkreises aufgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf den Folgeachs-Lageregler des Soll-Lage-Koppelpfades als P-Ver­ stärkungsfaktor der mit der Größe des Soll-Lage-Anteilsfak­ tors des Lage-Koppelpfades gewichtete P-Verstärkungsfaktor des Folgeachs-Gesamtlagereglers und auf den Folgeachs-Lage­ regler des Ist-Lage-Koppelpfades als P-Verstärkungsfaktor der mit der Größe des Ist-Anteilsfaktors gewichtete P-Verstär­ kungsfaktor des Folgeachs-Gesamtlagereglers aufgeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Soll- und Ist-Anteilsfaktor der Geschwindigkeits-Koppelpfade von einem Adaptionsglied ent­ sprechend der Soll- und Ist-Leitachsbewegung gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Adaptionsglied jeweils den Koppelpfad aufsteuert, dessen zeitlicher Signalverlauf die größere Änderung erfährt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem Aufschalten des Soll-An­ teilsfaktors von der Größe EINS (der Größe NULL) und dem ent­ sprechenden Aufschalten des Ist-Anteilsfaktors von der Größe NULL (der Größe EINS) im Geschwindigkeits-Koppelpfad eine dominierende Sollgeschwindigkeits-Kopplung (bzw. Istgeschwin­ digkeits-Kopplung) von der Leitachse zum Folgeachs-Geschwin­ digkeitsregelkreis eingeschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch ein Hochsteuern des P-Verstär­ kungsfaktors des Folgeachs-Lagereglers, dessen Führungsein­ gang mit dem Leitachs-Istlagesignal (bzw. dem Leitachs-Soll- Lagesignal) beaufschlagt ist, gegenüber dem P-Verstärkungs­ faktor des Folgeachs-Lagereglers, dessen Führungseingang mit dem Leitachs-Soll-Lagesignal (bzw. Leitachs-Ist-Lagesignal) beaufschlagt ist, eine dominierende Leitachs-Ist-Lage-Kopp­ lung (bzw. Leitachs-Soll-Lagekopplung) eingeschaltet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei Werkzeugmaschinen eingesetzt wird.