DE4432143A1

DE4432143A1 - Regelung von Spindelachsen bei Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE4432143A1
Application number: DE19944432143
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Boehm; Siegfried Dr Ing Schleicher; Johannes Dipl Ing Welker; Bernd Dipl Ing Quaschner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1996-03-14

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung von Spindelach sen bei Werkzeugmaschinen, bei der jeweils eine Kaskadenrege lung - bestehend aus Momenten-Drehzahl und Lageregelkreis für Leit- und Folgespindel vorgesehen ist.

Im Synchronbetrieb werden zwei gegenüberliegend angeordnete Spindeln, d. h. die Leitspindel und die Folgespindel, winkel- und geschwindigkeitssynchron betrieben, so daß im synchronen Zustand über Kupplungen ein Werkstück eingespannt oder über geben werden kann. Sind Leit- und Folgespindel mit der vor stehend erwähnten Kaskadenregelung ausgestattet, so kann es zu Verspannungen im Werkstück kommen.

Ohne Gegenmaßnahmen können dann bei eingespannten Werkstücken in beiden Antrieben hohe Momente entstehen, die sich gegen seitig über das Werkstück kompensieren.

Dafür gibt es zwei grundsätzliche Ursachen:
Bei der Übernahme des Werkstückes entsteht durch das Schlie ßen der Kupplung mechanisch bedingt ein Winkelversatz, den die Lageregelung zu korrigieren versucht. Solange das Werk stück eingespannt ist, kann die Korrektur nicht herausge fahren werden, sondern führt ebenfalls zu einer Verspannung.

Auch bei digitaler Sollwertvorgabe können aufgrund von Quan tisierungseffekten die Drehzahlsollwerte für die beiden Spin delantriebe niemals exakt gleich vorgegeben werden. Ohne mechanische Verkopplung würden derartige Geschwindigkeitsab weichungen zu einer Wegdifferenz führen und infolgedessen über die Lageregelung - bereits ohne Ausgleichsregler - kor rigiert. Liegt die Kopplung vor, so stimmt zwangsweise die Wegbilanz, der Lageregler wird also nicht korrigieren. Auf der Drehzahlebene wird sich eine mittlere Drehzahl einstel len, die zwischen den beiden Drehzahlsollwerten von Leit- bzw. Folgespindel liegt. Beide Drehzahlregelkreise haben somit eine Regelabweichung und integrieren dementsprechend auf. Die bisherigen regelungstechnischen Abhilfen haben nicht befriedigen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei ei ner Regelung der eingangs genannten Art dafür zu sorgen, daß es nicht zu Verspannungen kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit folgenden Merkmalen gelöst:

a) der beim Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zwi schen Leit- und Folgespindelachse auftretende Synchron lagefehler zwischen Leit- und Folgeachse wird erfaßt und zur entsprechenden Korrektur des Lagesollwertes der Folge achse auf Synchronlaufdifferenz Null verwendet,
b) der Ausgang des Drehzahlintegrators des Drehzahlreglers der Folgeachse wird auf einen von der Regeldifferenz ab hängigen Wert begrenzt.

Auf diese Weise können Verspannungen weitgehend vermieden werden.

Die Begrenzung des Integrators kann in bekannter Weise, z. B. durch Rückkopplung des Ausgangssignals erreicht werden.

Die vorstehend beschriebene Schaltung wird mit Vorteil digi tal aufgebaut sein und im Rahmen einer Rechnersteuerung ver wirklicht. In einer derartigen Steuerung ist dann auch ein fach die Korrektur der Lagesollwerte der Folgeachse durch ein spezielles Kommando ein- und abschaltbar.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spiels wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leit- und Folgeachse,

Fig. 2 die Reglerstruktur und

Fig. 3 und 4 Einzelheiten der Integratorbegrenzung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist zwischen der Leitspindelach se 1 und der Folgespindelachse 2 ein Werkstück 4 einspannbar. Zur Halterung und zum Festlegen des Werkstückes 4 sind in beiden Spindelantrieben Kupplungen 3 vorgesehen, die durch ein Kommando wirksam gemacht werden können.

Wie einleitend bemerkt, kann es im Zusammenhang mit der in Fig. 2 beschriebenen Regelung zu Verspannungen kommen, wenn die zusätzlichen Maßnahmen nicht vorgenommen werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht die geregelte Leitspin delachse 1 aus einem Lageregler 11, dem ein Drehzahlregler 12 unterlagert ist. Dieser gibt seinerseits wieder den Momenten sollwert an einen Momentenregelkreis 13, über den der Motor 14 und die Last 15 angesteuert werden. Ähnliches gilt für die Folgespindelachse 2, die aus Lageregler 21, Drehzahlregler 22, Momentenregelkreis 23 und den durch Motor und Last gebil deten Trägheiten 24 und 25 besteht.

Ferner ist eine Sollwertvorgabe 5 vorgesehen, die das Lage sollwertsignal x_soll,LS an den Lageregler 11 gibt. Dem Lage regler wird ferner der Lageistwert x_ist,LS, der am Ende der Strecke gewonnen wird, zugeführt und hieraus das Eingangs signal für den Lageregler 11 gebildet.

Der gleiche Lagesollwert wird als Lagesollwert X_sollFs für die Spindelachse 2 verwendet. Hierbei wird im Lageregler 21 dieser Sollwert mit dem Lageistwert x_ist,FS verglichen.

Zur Berücksichtigung möglicher Winkelversätze und zur span nungsfreien Halterung des Werkstückes ist nun eine Zusatzvor richtung vorgesehen, mit der der Lageistwert x_ist,LS der Leitspindelachse 1 und Lageistwert x_ist,FS der Folgespin delachse 2 miteinander verglichen werden. Dies ist symbolisch durch den Vergleicher 6 dargestellt. Dieser Differenzwert, d. h. der Synchronlauffehler, ist über einen Schalter 7 zu sätzlich auf den Lagesollwert x_soll,FS der Folgespindelachse 2 aufschaltbar.

Ferner ist noch, wie durch 8 angedeutet, der Integrator im Drehzahlregler 22 derart in seinem Ausgang begrenzbar, daß vorgegebene Werte nicht überschritten werden können.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die Begrenzung im Drehzahlreglerinte grator beispielsweise durch eine Rückführung 81 oder, wie Fig. 4 zeigt, durch eine von der Eingangsgröße abhängige Inte gratorbegrenzung 82 vorgenommen werden.

Hinsichtlich der Wirkungsweise ist folgendes zu bemerken: Vor dem Schließen der mechanischen Verkopplung mit Hilfe der Kupplung werden Leit- und Folgespindelachsen 1, 2 durch Vor gabe gleicher Lagesollwerte in einen drehzahl- und winkelsyn chronen Zustand gebracht, so daß die Abweichung zwischen Leit- und Folgespindelposition, der Synchronlauffehler
ΔLS, FS = X_ist,LS - X_ist,FS zu Null wird. Durch das Schließen der mechanischen Kupplung 3 kann jedoch wieder ein Synchronlauffehler entstehen. Durch Aktivieren eines Signals wird nun der Sollwert der Folgespindelachse 2 um den vor liegenden Synchronlauffehler ΔLS, FS korrigiert, so daß sich als Synchronlaufdifferenz Null ergibt, ohne daß eine Korrek turbewegung stattfinden muß. Dieses Signal muß solange an stehen, bis der mechanische Kraftschluß vollkommen gegeben ist, d. h. kein Durchrutschen mehr möglich ist. Solange das Signal aktiv ist, wird die Folgeachslageregelung Winkelab weichungen bezüglich der Leitachse nicht korrigieren, die eingangs beschriebene Verspannung wird also vermieden.

Nach dem Schließen der mechanischen Kopplung sind weiterhin Maßnahmen auf der Drehzahlregelebene erforderlich, und zwar die Begrenzung.

Wie beschrieben, führt die mechanische Verkopplung der An triebe bei geringfügig abweichenden Drehzahlsollwerten von Leit- und Folgeachse zum Hochlaufen der Integratoren in den PI-Drehzahlreglern. Ein Abschalten des Folgeachsintegrators als Gegenmaßnahme führt zu vom Leitantrieb abweichenden Führungsverhalten, die Folge ist eine beim Beschleunigen und Bremsen ungünstige Momentenverteilung. Ein gewisser Ausgleich wäre durch Verzögerung des Leitspindelsollwertes gegenüber dem Sollwert der Folgespindel über ein Sollwertfilter mög lich. Statt durch Abschaltung des Folgeachsintegrators kann das Aufintegrieren der Drehzahlreglerintegratoren im Syn chronbetrieb durch eine Rückführung des Folgeachsintegrator ausgangs i (k) auf seinen Eingang vollständig vermieden werden (vgl. z. B. Fig. 3). Bei dieser Schaltung ergibt sich dabei eine Begrenzung des Integratorausgangs auf einen von der Regeldifferenz ε (k) abhängigen Wert. Die Regeldifferenz ist im mechanisch gekoppelten Betrieb bei digitalen Antrieben praktisch Null, bei analogen Antrieben ebenfalls sehr klein.

Bei großen Abweichungen, z. B. beim Bremsen, Beschleunigen oder einer starken Störung, wird dagegen die Begrenzung prak tisch unwirksam. Die Folgeachsregelung verhält sich wie die der Leitachse. Beide Antriebe werden gleichmäßig am Beschleu nigungsmoment beteiligt. Störungen werden durch die Regelung abgefangen.

Claims

1. Regelung von Spindelachsen bei Werkzeugmaschinen, bei der eine Kaskadenregelung - bestehend aus Momenten, Drehzahl und Lageregelkreis jeweils für Leit- und Folgespindelachse vor gesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der beim Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung (3) zwischen Leit- und Folgeachse (1, 2) auftretende Synchronlauflagefehler zwischen Leit- und Folgespindel achse wird erfaßt und zur entsprechenden Korrektur des Lagesollwertes der Folgeachse (2) auf Synchronlauffehler Null verwendet und
b) der Ausgang des Drehzahlintegrators (9) des Drehzahlreg lers (22) der Folgespindelachse (2) wird auf einen von der Regeldifferenz abhängigen Wert begrenzt.

2. Regelung nach Anspruch 1 mit einer Integratorbegrenzung durch Rückführung (81) des Ausgangssignals.

3. Regelung nach Anspruch 1, bei der die Korrektur des Lage sollwertes der Folgespindelachse (2) durch ein spezielles Kommando einer Steuerung ein- und abschaltbar ist.