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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Steuersysteme für Antriebe
(z.B. Elektronikantriebe, Hydraulikantriebe usw.). Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere Steuersysteme für Antriebe mit einer kaskadierten
Reglerstruktur.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Antriebe
erfordern eine präzise
Positionierungsantwort und Konturbildungsantwort. Um einen Antrieb
zu betreiben, schreibt ein Bediener zuerst ein Teilprogramm, das
Teile, Geschwindigkeiten usw. beschreibt. Als nächstes wird während eines
Vorbereitungsschritts das Teilprogramm kompiliert. Dann wird während eines
Interpolationsschritts das kompilierte Programm interpoliert, um
als Sollpositionsdaten bezeichnete zeitkritische Kontur-, Fräs- und Drehpunkte
zu erzeugen. In der Regel werden die Sollpositionsdaten einer kaskadierten
Reglerstruktur mit Regelschleifen für eine Stromregelung, Geschwindigkeitsregelung
und Positionsregelung zugeführt.
Eine kaskadierte Reglerstruktur empfängt die Sollpositionsdaten
und leitet die Sollpositionsdaten durch jede der Regelkreise weiter,
damit die Position des Antriebs gesteuert wird.
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Es
wird bei einer kaskadierten Reglerstruktur bevorzugt, die Position
des Antriebs mit Regelkreisen auf unterer Ebene (d.h. den Stromregler
und dem Geschwindigkeitsregler) zu steuern und nicht mit dem Positionsregler,
da die Antwortzeit des Positionsreglers (z.B. etwa 10 bis 60 Millisekunden)
viel länger
ist als die Antwortzeiten des Geschwindigkeitsreglers (z.B. etwa
1-2 Millisekunden) und des Stromreglers (z.B. etwa 0,2 Millisekunden).
Der Positionsregler wird bevorzugt für die Störantwort des Systems, nicht
die Positionsantwort, verwendet.
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Bekannterweise
wird deshalb ein Regelungsweg mit Störgrößenaufschaltung bereitgestellt, um
die Sollpositionsdaten an dem Positionsregler vorbei dem Geschwindigkeitsregler
zuzuführen.
Gleichermaßen
kann ein Regelungsweg mit Störgrößenaufschaltung
bereitgestellt werden, um die Sollpositionsdaten an dem Positionsregler
vorbei dem Stromregler zuzuführen.
Die Vorwärtskopplung
der Positionsdaten reduziert die Reaktionszeit des Systems (d.h.
die Zeit zwischen dem, da eine Sollposition empfangen wird, und
dem, da der Antrieb die Sollposition erreicht). Infolgedessen kann
mit dem System eine schmalere Kontur erreicht werden. Das Vorwärtskoppeln
verursacht außerdem
ein Überschwingen über die
Sollposition hinaus, was inakzeptabel ist. Zu dem Überschwingen
kommt es, da die Sollpositionsdaten dem Positionsregler sowie den
Reglern auf niedrigerer Ebene zugeführt werden, was zu einer kombinierten
Antwort am Antrieb führt.
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Um
das Überschwingen
zu reduzieren, wurde zwischen den Sollpositionsdaten und dem Positionsregler
ein Modellierungsfilter verwendet. Das Modellierungsfilter versucht,
die Verzögerung
zwischen der Istposition des Antriebs und der Sollposition des Antriebs
sauber zu modellieren, so dass im Idealfall keine Differenz zwischen
verzögerter
Sollposition und Istposition (gemessener Position) dem Positionsregler
zugeführt
wird, so dass der Positionsregler das Überschwingen nicht verursacht.
Die Verzögerung,
die modelliert werden muss, wird durch die Vorwärtskopplungswege, die Regelkreise
auf unterer Ebene und die mechanischen Komponenten des Antriebs
verursacht.
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Ein
Tiefpassfilter wurde als das Modellierungsfilter verwendet, dessen
Zeitkonstante bei dem Versuch, die Verzögerung zu modellieren, auf
die dominante äquivalente
Zeitkonstante des Rests des Regelkreises gesetzt wird (d.h. die
Zeitkonstante des Geschwindigkeitsreglers in diesem Beispiel). Die
Effektivität
des Tiefpassfilters hängt
jedoch von der Geschwindigkeit des Antriebs ab. Beispielsweise können bei
einer gegebenen Zeitkonstante niedrige Antriebsgeschwindigkeiten
zu einem geringfügigen
Unterschwingen führen
(beispielsweise an der Ecke eines Werkstücks), während höhere Antriebsgeschwindig keiten
zu einem geringfügigen Überschwingen
führen
können.
Somit besteht eine Option darin, die Zeitkonstante zu justieren,
um Überschwingen
zu verhindern. Diese Option modelliert jedoch die Verzögerung nicht
sauber (d.h., der Positionsregler trägt immer noch zu der Positionsantwort
bei), und deshalb ist die Positionsantwort langsamer als erwünscht. Eine
weitere Option besteht darin, die Zeitkonstante für ein geringfügiges Überschwingen
einzustellen und die Größe des Überschwingens
zu reduzieren, indem zusätzliche
Sollpositionsdaten verwendet werden. Diese Option ist jedoch zu
langsam und erfordert mehr Berechnung als der Interpolationsschritt.
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Noch
eine weitere Option besteht darin, einen Geschwindigkeitsregler
mit einem Referenzmodell anstelle einer Proportional-Integral-Antwort
zu verwenden. Das Referenzmodell verwendet ein zusätzliches
Filter vor dem Integrator des Proportional-Integral-Geschwindigkeitsreglers.
Diese Option macht den Geschwindigkeitsregler schneller und erleichtert
die Vorwärtskopplungsjustierung,
doch ist das Abstimmen des Geschwindigkeitsreglers schwierig und
erfordert mehr Wissen über
die mechanische Dynamik des Systems. Noch eine weitere Option besteht
darin, Filter höherer
Ordnung zu verwenden (z.B. einschließlich einer Zeitkonstante zweiter
oder dritter Ordnung). Je höher
die Ordnung jedoch des verwendeten Filters ist, umso größer sind die
Berechnungszeit und die Komplexität.
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Was
deshalb benötigt
wird, sind ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Objekts
mit verbesserter Genauigkeit. was weiterhin benötigt wird, ist ein verbessertes
System und Verfahren zum Modellieren der Istposition eines gesteuerten
Objekts. Ein derartiges verbessertes System und Verfahren würde verbesserte
Genauigkeit bei der Positionsantwort an Konturen gestatten. Außerdem würde durch
das verbesserte System und Verfahren die Notwendigkeit entfallen,
einen Kompromiss aus Unterschwingen und Überschwingen zu akzeptieren, wie
bei dem oben beschriebenen Tiefpassfilter. Noch weiter würde sich
das verbesserte System und Verfahren leichter justieren lassen als
Systeme nach dem Stand der Technik.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 534 690 A2 beschreibt eine Servomotorsteuereinrichtung zum
Steuern eines einen Roboterarm antreibenden Servomotors, ein Zielpositionsbefehlssignal
wird in eine erste Operationssektion angegeben, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert
für die
Geschwindigkeitsvorwärtskopplung
erzeugt.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 479 136 A1 beschreibt eine digitale Servosteuervorrichtung,
die die Drehung eines Servomotors auf der Basis eines für eine Zielposition
repräsentativen
digitalen Positionsbefehlwerts und eines von einer Positionsdetektierungseinrichtung
ausgegebenen digitalen Positionsrückkopplungswerts steuert.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
wird ein Steuersystem offenbart zum Steuern der Bewegung eines Objekts
auf der Basis von Sollpositionsdaten. Das Steuersystem enthält: einen
ersten Regler, der konfiguriert ist, die Position des Objekts zu
regeln; eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung,
die konfiguriert ist, Vorwärtskopplung
zu einem zweiten Regler auf einer niedrigeren Ebene als der erste
Regler zu liefern; und ein Modellierungsfilter, das konfiguriert ist,
die Sollpositionsdaten zu empfangen und die Sollpositionsdaten mit
einer vorbestimmten Zeitverzögerung
an den ersten Regler zu liefern.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
wird ein Verfahren zum Regeln der Bewegung eines Objekts unter Verwendung
einer kaskadierten Reglerstruktur offenbart. Die kaskadierte Reglerstruktur
weist einen Positionsregler und einen Geschwindigkeitsregler auf.
Das Verfahren beinhaltet das Geschwindigkeitsregeln der Bewegung
des Objekts auf der Basis der Sollpositionsdaten und das Positionsregeln
der Bewegung des Objekts auf der Basis verzögerter Sollpositionsdaten,
die um eine vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert worden sind.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine Vorrichtung offenbart zum Regeln der Bewegung eines Objekts
unter Verwendung einer kaskadierten Reglerstruktur. Die Vorrichtung
enthält
Mittel zum Geschwindigkeitsregeln der Bewegung des Objekts auf der
Basis der Sollpositionsdaten und Mittel zum Positionsregeln der
Bewegung des Objekts auf der Basis verzögerter Sollpositionsdaten,
die um eine vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert worden sind.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
wird eine Werkzeugmaschine zum Steuern der Bewegung eines Werkzeugs
bezüglich
eines Werkstücks
auf der Basis von Sollpositionsdaten offenbart. Die Werkzeugmaschine
enthält
einen Tisch, der konfiguriert ist, das Werkstück zu halten, einen ersten
Motor, der konfiguriert ist, den Tisch oder das Werkzeug zu bewegen,
einen zweiten Motor, der konfiguriert ist, den Tisch oder das Werkzeug
zu bewegen, und einen Controller, der konfiguriert ist, den ersten
und zweiten Motor zu betätigen.
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Der
Controller enthält
einen ersten Regler, der konfiguriert ist, die Position des ersten
Motors zu regeln, eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung, die konfiguriert
ist, die Sollpositionsdaten vorwärts
zu einem zweiten Regler auf einer niedrigeren Ebene als der erste
Regler zu koppeln, und ein Modellierungsfilter, das konfiguriert
ist, die Sollpositionsdaten zu empfangen und die Sollpositionsdaten
mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung
an den ersten Regler zu liefern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Steuerflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2A-2D zeigen
Positions-Zeit-Diagramme für
eine Sollposition (2A), eine Vorwärtskopplungsantwort
(2B), eine Vorwärtskopplungsantwort
mit Tiefpass filter (2C) und eine Vorwärtskopplungsantwort
mit Verzögerungszeitmodellierungsfilter
(2D);
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3 zeigt
eine in einem Speicher gespeicherte Tabelle von Sollpositionen;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines Steuerflusses gemäß einer alternativen Ausführungsform und
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5 zeigt
eine Werkzeugmaschine gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Zuerst
unter Bezugnahme auf 1 wird ein Steuerfluss gemäß einem
Ausführungsbeispiel
gezeigt. Der Steuerfluss ist in Software auf einem Computer, einer
Workstation oder einem anderen Controller implementiert, kann aber
alternativ unter Verwendung diskreter Schaltungskomponenten oder
anderer dem Durchschnittsfachmann bekannter Recheneinrichtungen
implementiert sein. Beispielsweise kann der Steuerfluss auf dem
von der Siemens AG, München,
Deutschland hergestellten Simodrive 611D oder 611U implementiert
sein.
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Aus 1 ist
ein Steuersystem und -verfahren 10 zum Steuern eines Objekts
(z.B. eines Elektronikantriebs, Motors usw. mit verbesserter Genauigkeit,
besonders an stark geknickten oder konturierten Oberflächen, bekannt.
Sollpositionsdaten 12 werden erzeugt durch Interpolieren
eines kompilierten Teilprogramms, das von einem Bediener für eine gewünschte Aufgabe
erstellt wird. Beispielsweise führt die
ebenfalls von der Siemens AG hergestellte Sinumerik 840D die Schritte
durch, das Teilprogramm zu kompilieren und dann die Kontur-; Fräs- und Drehpunkte auf
eine Weise Punkt für
Punkt zu interpolieren. Diese Punkte werden Sollpositionsdaten 12.
Alternativ können
Sollpositionsdaten 12 durch andere Systeme und Verfahren
erzeugt werden.
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Sollpositionsdaten 12 werden
durch einen Differenzierungsschritt 14 bereitgestellt,
um Sollgeschwindigkeitsdaten zu erzeugen. Alternativ können Sollgeschwindigkeitsdaten
durch den Interpolationsschritt für jede Menge Sollpositionsdaten
(z.B. für jede
Achse des Antriebssystems) erzeugt werden, wobei dann im System 10 kein
Differenzierungsschritt 14 erforderlich ist. Die Sollgeschwindigkeitsdaten
werden an die Geschwindigkeitsregelung mit Störgrößenaufschaltung geliefert,
die die Sollgeschwindigkeitsdaten an einem Positionsregler 18 vorbei
zu einem Mischer 20 leitet, wo sie mit den Ausgangsdaten
von dem Positionsregler 18 summiert werden. Die Ausgabe
des Mischers 20 wird an einem Geschwindigkeitsregler 22 geliefert.
Auf diese Weise steuert der Geschwindigkeitsregler 22 ein
Objekt 24 (z.B. einen Antrieb, Motor usw.) mit verbesserter
Positionsantwort. Ein Positionssensor (z.B. ein optischer oder magnetischer
Positionssensor) wird verwendet, um die Istposition des Objekts 24 zu
messen und Istpositionsdaten 30 zu erzeugen, die zu einem Mischer 28 zurückgekoppelt
werden. Die Istgeschwindigkeit wird von der Istposition abgeleitet
und zurück
an den Mischer 20 gekoppelt. Somit ist der Integrationsschritt 32 nicht
notwendigerweise ein Berechnungsschritt, könnte es aber in einer alternativen Ausführungsform
sein.
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Da
der Mischer 20 auch die Ausgangsdaten vom Positionsregler 18 summiert,
wird jedoch, um zu vermeiden, dass ein vom Positionsregler 18 verursachtes Überschwingen
zu der Positionsantwort beiträgt,
zwischen Sollpositionsdaten 12 und Positionsregler 18 ein
Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 verwendet.
Das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 ist
konfiguriert, Sollpositionsdaten 12 zu empfangen und die
nachfolgende Übertragung
der Daten 12 zum Positionsregler 18 um eine vorbestimmte
Zeitperiode (d.h. eine Zeitkonstante Td) zu verzögern. Jede der Daten 12 wird
um die vorbestimmte Zeitperiode verzögert und dann an den Mischer 28 geliefert. Der
Mischer 28 subtrahiert für die Istposition des Objekts 24 repräsentative
Istpositionsdaten 30. Die vorbestimmte Zeitperiode ist
so eingestellt, dass sie gleich der durch die Regelung mit Störgrößenaufschaltung 16,
den Geschwindigkeitsregler 22 (und gegebenenfalls einen
Stromregler) und die mechanischen Komponenten des Objekts 24 verursachte Verzögerung ist.
Wenn die vorbestimmte Zeitperiode auf diese Weise eingestellt ist,
wird die Differenz am Mischer 28 zwischen den verzögerten Sollpositionsdaten
und Istpositionsdaten 30 etwa 0 betragen und der Positionsregler 18 wird
nicht zu der Positionsantwort des Steuersystems beitragen.
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Bei
einigen Anwendungen, beispielsweise für Antriebe für größere Maschinen,
sind die Antwortzeiten der verschiedenen Regelkreise länger. Bei diesen
größeren Maschinen
kann das Modellierungsfilter vorteilhafterweise eine Kombination
aus einer Tiefpassfilterung und einer Verzögerungszeitfilterung enthalten.
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2A-2D veranschaulichen
die mit dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter
mögliche verbesserte
Positionsantwort. 2A veranschaulicht eine Sollposition 58. 2B veranschaulicht
die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einer Regelung mit Störgrößenaufschaltung
ohne ein Modellierungsfilter. Der Positionsregler trägt die bei 60 angezeigte
Antwort bei, die der Sollposition bei einer langsamen Rate nahe
kommt. Die Istposition des Objekts ist bei 62 gezeigt.
Ein Überschwingen
ist bei 64 angezeigt, das unannehmbar ist. 2C veranschaulicht
die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einem Tiefpassfilter
für eine
Modellierungsschaltung gemäß dem Stand
der Technik. Die Istposition des Objekts ist bei 66 gezeigt.
In diesem Beispiel ist die Zeitkonstante des Tiefpassfilters justiert
worden, um Überschwingen
zu reduzieren, doch ist zu sehen, dass das Objekt die Sollposition
recht langsam erreicht. 2D veranschaulicht
die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einer Verzögerungszeitmodellierungsschaltung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 1. Die vorbestimmte Zeitperiode ist durch 68 und
Td dargestellt. Somit trägt
der Positionsregler 18 bis zu diesem Zeitpunkt nicht zu
der Positionsantwort bei. Vorteilhafterweise haben bis zu dem Zeitpunkt,
zu dem der Positionsregler 18 die Sollpositionsdaten 12 von
dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 empfängt, die
Steuerkreise auf der niedrigen Ebene (z.B. Geschwindigkeitsregler 22)
bereits den größten Teil
der Posi tionsantwort geliefert, um die Istposition des Objekts 24 in
die Nähe der
Sollposition zu bewegen, wie bei 70 gezeigt. Es ist somit
zu sehen, dass das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 die
Antwortzeit verbessert und Überschwingen
stark reduziert, wodurch die Positionsantwort des Steuersystems
insbesondere auf Konturen verbessert wird. Außerdem ist zu sehen, dass nicht
länger
eine Notwendigkeit vorliegt, Unterschwingen zu akzeptieren, wenn
das Überschwingen reduziert
wird, wie dies die Situation mit dem Tiefpassfilter war.
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Ein
weiterer Vorteil des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 gegenüber dem
Tiefpassfilter betrifft die Zeit, während der keine zusätzlichen
Sollpositionsdaten 12 empfangen werden. Wenn keine zusätzlichen
Sollpositionsdaten 12 empfangen werden, sollte der Positionsregler 18 alleine
das Positionieren am Zielpunkt steuern (d.h. ohne Beiträge von den
Reglern auf niedriger Ebene). Wenn bei dem Tiefpassfiltersystem
das Tiefpassfilter die Zielposition zu dem Zeitpunkt, wenn keine
zusätzlichen
Sollpositionsdaten empfangen werden, die Zielposition noch nicht
vollständig
deduziert hat, ist es auch für den
Positionsregler noch nicht möglich,
die Störantwort
zu steuern. Bei dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 ist
die Zielposition am Ausgang des Filters 26 bekannt, nachdem
die vorbestimmte Verzögerungszeit
abgelaufen ist, so dass der Positionsregler 18 das Objekt 24 schneller
zu dem Ziel bewegen kann, als wenn das Tiefpassausgleichsfilter
verwendet wird.
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Gemäß einer
weiteren Verbesserung lässt sich
die vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters
26 in
feineren Stufen als dem zwischen Sollpositionsdaten
12 einstellen. Diese
Verbesserung gestattet eine erhöhte
Effektivität
des Verzögerungszeitmodellierungsfilters
26.
Beispielsweise werden in einem beispielhaften System Sollpositionsdaten
12 alle
10 Millisekunden empfangen, und die Antwortzeit des Geschwindigkeitsreglers
22 liegt
in der Größenordnung
von 1-2 Millisekunden. Bei diesem System wäre es vorteilhaft, die verzögerten Sollpositionsdaten
alle 1- 2 Millisekunden
oder weniger anstatt alle 10 Millisekunden auszugeben. Ein Verfahren,
um dies zu bewerkstelligen, besteht darin, zwischen im Speicher
gespeicherten Sollpositionsdaten
12 zu interpolieren, um
gemäß der folgenden
Gleichung zusätzliche
Datenpunkte zu erzeugen:
wobei y(t) der interpolierte
Datenpunkt zwischen x(t0) und x(t1) ist, x(t0) der Sollpositionsdatenpunkt
zum Zeitpunkt t0, x(t1) der nächste
Sollpositionsdatenpunkt zum Zeitpunkt t1, k die Anzahl der Werte,
zwischen denen interpoliert werden soll, und m die Nummer eines
einzelnen interpolierten Datenpunkts ist. Der erste interpolierte
Datenpunkt (bei m = 0) entspricht dem ersten Sollpositionsdatenpunkt
x(t0). Wenn m = k gesetzt wird, führt dies zu y(t) gleich x(t1).
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Weitere
alternative Verfahren zum Erzeugen zusätzlicher Datenpunkte aus den
Sollpositionsdaten 12 werden in Betracht gezogen. Beispielsweise
können
andere Interpolationsformen (z.B. kubische Interpolation) anstelle
des oben spezifizierten Interpolationsverfahrens verwendet werden.
Alternativ können
die zusätzlichen
Datenpunkte durch Hardwareinterrupts erzeugt werden, wenngleich
dieses Verfahren komplexe Hardware- und Softwareadaptationen erfordert
und durch Feineinstellungsgrenzen in einem digitalen System begrenzt
wäre. Außerdem können alternative
Verfahren zum Berechnen oder Messen verwendet werden, um ein feiner
einstellbares Verzögerungszeitmodellierungsfilter
zu realisieren.
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3 offenbart
eine durch das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 erzeugte
Tabelle im Speicher (z.B. DRAM, SRAM, usw.). Die Zeit wird durch
die Höhe
jeder Speicherstelle in dem Diagramm dargestellt. Zu einem Speicherschreiben
zu Spalte A kommt es immer dann, wenn ein Solldatenpunkt empfangen
wird, wie bei Speicherort 72 gezeigt. Die gespeicherten
Daten in Spalte A werden dann interpoliert, um die Anzahl gewünschter
Solldatenpunkte zu erhöhen,
und in Spalte B geschrieben.
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In
diesem Diagramm entsprechen sechs Datenpunkte in Spalte B einem
Datenpunkt in Spalte A, obwohl in alternativen Ausführungsformen
die Anzahl der Datenpunkte in Spalte B entsprechend jenen in Spalte
A größer oder
kleiner als sechs sein könnte. Die
vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 ist
durch Td dargestellt. Nach der Zeit Td kommt es zu einem Speicherlesen
der Daten von Spalte B, wie etwa am Speicherort 74 gezeigt,
und der gelesene Datenpunkt wird an den Positionsregler 18 geliefert.
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Wie
erwähnt
wird die vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 gleich
der durch die Regelung mit Störgrößenaufschaltung 16,
den Geschwindigkeitsregler 22 (und gegebenenfalls einen
Stromregler) und die mechanischen Komponenten des Objekts 24 verursachte Verzögerung gesetzt.
Der Wert der vorbestimmten Zeitperiode kann auf vielerlei Weisen
bestimmt werden. Der Startwert für
die vorbestimmte Zeitperiode kann beispielsweise die Zeitkonstante
des Geschwindigkeitsreglers 22 sein. Dieser Wert kann dann
manuell über
eine Bedienereingabeeinrichtung (z.B. eine Einstellscheibe, einen
Knopf oder einen Wähler
auf einer graphischen Benutzerschnittstelle wie etwa eine Ziehleiste
auf einem Videoschirm usw.) manuell abgeglichen oder durch die Software
automatisch abgeglichen werden. Unter Verwendung des Startwerts
wird das Objekt 24 gemäß einem
Kalibrierungsprogramm bewegt. Die Istpositionen werden mit starker
Vergrößerung betrachtet,
um zu bestimmen, ob ein Überschwingen
beobachtet wird, oder ob eine übermäßig langsame
Annäherung
beobachtet wird. Wenn ein Überschwingen
beobachtet wird, wird die vorbestimmte Zeitperiode erhöht. Wenn
eine übermäßig langsame
Annäherung
beobachtet wird, wird die vorbestimmte Zeitperiode herabgesetzt.
Der Effekt des Einstellens er vorbestimmten Zeitperiode auf den
Positionsregler 18 kann unter Bezugnahme auf 2D gesehen
werden. Wenn die vorbestimmte Zeitperiode (Td) herabgesetzt wird,
wird der Beitrag zu der Positionsantwort von dem Positionsregler 18 (durch
Linie 60 gezeigt) über
0% erhöht,
und der Beitrag zu der Positionsantwort von den Reglern auf der
unteren Ebene wird dementsprechend von 100% herabgesetzt. Somit
sollte Td so kurz wie möglich eingestellt
werden, wobei das Vorliegen eines Überschwingens während des
Positionierens die Untergrenze bestimmt. Dieser Prozess kann unter
Verwendung des gleichen Prozesses und der gleichen Einschränkungen
von einem Verzögerungszeitjustierer
automatisch ausgeführt
werden.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 4 wird nun eine alternative
Ausführungsform
des Steuerflusses von 1 beschrieben. Der Steuerfluss
von 4 ist ähnlich
dem von 1, außer dass ein Stromregelungsweg
mit Störgrößenaufschaltung
und ein Stromregler hinzugefügt
sind. Insbesondere werden Sollpositionsdaten durch eine erste und
zweite Differenzierung 40, 42 bereitgestellt,
um Sollbeschleunigungsdaten zu erzeugen, die dann an eine Stromregelung
mit Störgrößenaufschaltung 44 geliefert
werden. Ein Mischer 46 kombiniert die Stromvorwärtskopplungsdaten
mit Ausgabedaten vom Geschwindigkeitsregler 22. Der Mischer 46 liefert
die kombinierten Daten an einen Stromregler 48, der wiederum
das Objekt 24 antreibt. Die Istbeschleunigung des Objekts 24 wird
zum Mischer 46 zurückgekoppelt.
Ein Integrationsschritt 50 integriert die Istbeschleunigungsdaten
des Objekts 24, um die Istgeschwindigkeitsdaten zu erzeugen.
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Ein
zweites Verzögerungszeitmodellierungsfilter 52 ist
in dieser Ausführungsform
zwischen der Geschwindigkeitsregelung mit Störgrößenaufschaltung 16 und
dem Mischer 20 vorgesehen. Das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 52 funktioniert
wie das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 durch
Verzögern
der Übertragung
von Daten zum Geschwindigkeitsregler 22.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 5 wird eine Werkzeugmaschine 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
gezeigt. Die Werkzeugmaschine 100 ist eine Drei-Achsen-Materialabtragsmaschine,
es kann sich bei ihr aber alternativ um andere Arten von Werkzeugmaschinen
handeln (z.B. Ein-Achsen-, andere Mehr-Achsen-Formmaschinen usw.). Die Werkzeugmaschine 100 enthält eine
numerische Steuerung 102, die konfiguriert ist, ein Teilpro gramm
zu kompilieren und eine Interpolation durch den Steuerfluss von 1 oder 4 laufen
zu lassen. Die Steuerung 102 liefert Steuersignale (z.B.
entweder Gleich- oder Wechselstromsignale) entsprechend dem Steuerfluss,
um verschiedene Motoren anzutreiben, einschließlich: einen Drehmotor in Säule 104, um
ein Schneidwerkzeug 105 zu drehen, einen X-Achse-Linearmotor und einen
Y-Achse-Linearmotor in der Basis 106, um einen Tisch 108 in
der X- bzw. Y-Richtung zu bewegen, und einen Z-Achse-Linearmotor
im Aufbau 110, um das Schneidwerkzeug 105 in der
Z-Richtung zu bewegen. Die Motoren sind Servomotoren, können aber
alternativ Schrittmotoren, Hydraulikaktuatoren, Pneumatikeinrichtungen oder
andere in Werkzeugmaschinen verwendete Motoren sein. Ein Werkstück 112 ist
am Tisch 108 befestigt. Die Steuerung 102 betätigt die
verschiedenen Motoren gemäß dem Steuerfluss,
um eine Kontur 114 in Werkstück 112 maschinell
zu bearbeiten. Die Steuerung 102 kann je nach dem Teilprogramm
und der Interpolationsroutine auch programmiert sein, Punkt-zu-Punkt-Löcher, gerade
geschnittene Löcher usw.
herauszuarbeiten. Die Werkzeugmaschine 100 enthält weiterhin
nicht gezeigte Positionssensoren an jedem Motor, die konfiguriert
sind, die Position des Motors zu erfassen, Positionsrückkopplungssignale auf
der Basis darauf zu erzeugen und die Positionsrückkopplungssignale an die Steuerung 102 zu
liefern.
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Wenngleich
die in den FIGUREN dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsformen
gegenwärtig
bevorzugt werden, versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft
dargeboten werden. Beispielsweise können verschiedene Schaltungsanordnungen,
Steuerungen, Software, Benutzereingabeeinrichtungen usw. verwendet
werden, um die hier offenbarten Steuerschritte zu bewerkstelligen.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausführungsform begrenzt, erstreckt
sich aber auf verschiedene Modifikationen, die dennoch in den Schutzbereich
der beigefügten
Ansprüche
fallen.
