ITMI20012798A1 - Procedimento e dispositivo di generazione di onde particolarmente peril controllo degli assi per macchine utensili e simili - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un procedimento e dispositivo di generazione di onde, particolarmente per il controllo degli assi, per macchine utensili e simili.

Come è noto, esistono attualmente sul mercato sistemi di controllo assi che sono generalmente di due tipi: ad anello chiuso e ad anello aperto.

Il primo tipo di sistema di controllo è generalmente applicato a motori brushless o torque motor o a corrente continua, i quali eseguono un movimento individuando istante per istante la posizione in cui ci si trovi, comparando con quella in cui si dovrebbe essere e modificando la coppia per raggiungere il punto successivo con il minimo errore possibile.

La soluzione sopra esposta è caratterizzata da una bassa ripetibilità della traiettoria, che diventa ancora più critica quando il numero di assi in gioco, interpolati fra loro, diventa consistente (ad esempio 8 o 10).

Per migliorare la ripetibilità delle traiettorie l'unica soluzione possibile è aumentare la densità dei punti costituenti le traiettorie stesse: in questo caso tuttavia le coppie in gioco e le vibrazioni aumenterebbero notevolmente.

Di conseguenza, il controllore che deve esaminare un numero enorme di parametri rischia di non riuscire a controllare l'errore di tutti gli assi in gioco arrivando pertanto alla instabilità del sistema o al suo collasso.

Il secondo sistema di controllo, ad anello aperto, utilizza normalmente motori passo-passo. Il sistema ad anello aperto non prevede una minimizzazione dell'errore, ma parte dalla presunzione che, se in un certo istante si desidera raggiunge una particolare posizione, sicuramente in quel preciso istante la posizione sarà raggiunta. E<1 >evidente che questo sistema è particolarmente vulnerabile nel caso in cui si verifichi un'improvvisa e imprevista variazione della coppia resistente ma, a prescindere da questo inconveniente, se la traiettoria è ben gestita consente un'elevata ripetibilità.

I controllori ad anello chiuso attualmente presenti sul mercato, per poter essere di utilizzo generale sono caratterizzati da un enorme serie di parametri che riguardano tutte le variabili dinamiche in gioco (velocità, accelerazioni, masse ecc.) e dalle modalità di correzione della traiettoria che di fatto sono una dinamica composizione parametrizzata del controllo PID (Proporzionale, Integrativo, Derivativo).

Questa soluzione è pertanto attuabile soltanto quando i tempi di intervento e quindi di correzione sono sufficientemente lunghi per permettere al controllore di eseguire tutti i calcoli necessari.

I controllori ad anello aperto invece eseguono esclusivamente una traiettoria prefissata che presuppone sempre un corretto posizionamento. In sostanza non vi è una correzione in funzione di errore.

Anche nei sistemi ad anello aperto si assiste attualmente alla proliferazione di parametri con l'obiettivo di migliorare sempre più le traiettorie e con il risultato di appesantire enormemente il controllo.

Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare un procedimento e un dispositivo di generazione di onde, particolarmente per il controllo degli assi che consenta di ottenere un movimento armonico nello spazio con la combinazione di un numero elevato di assi elementari.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un procedimento e un sistema di controllo degli assi che consentano, data una traiettoria univoca garantita da un flusso molto elevato di punti, di ottenere un movimento armonico con la cadenza nell'ordine dei millisecondi e di trovare un sistema che esegua questa traiettoria.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un procedimento e un dispositivo di controllo degli assi che siano di elevata affidabilità, di relativamente semplice realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un procedimento di generazione di onde, particolarmente per il controllo degli assi di motori, per macchine utensili e simili, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi che consistono nel:

dalla sequenza di dati di posizione relativi di ciascun asse e di stati di attuazione ad ogni istante temporale definito, calcolare una traiettoria per ogni singolo asse, a partire da parametri di velocità iniziale, numero di passi e velocità finale;

definire una matrice tridimensionale contenente, per ciascun asse, velocità iniziale, numero di passi e velocità finale, ciascun elemento di detta tabella tridimensionale costituito dall'intersezione nello spazio dei detti tre parametri, contenendo un indirizzo atto a puntare a detto vettore atto a descrivere una relativa forma d'onda;

pilotare detto asse secondo detta forma d'onda.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del procedimento e del dispositivo secondo il presente trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui l'unica figura illustra uno schema a blocchi di una forma di realizzazione preferita del dispositivo di controllo degli assi secondo il presente trovato.

Con riferimento alla sopra citata figura, il procedimento di controllo degli assi secondo il presente trovato prevede le seguenti fasi.

Si supponga di avere a disposizione un generatore di flusso di punti, ad esempio un sistema di visione, che fornisce in uscita un insieme di punti generati ai tempi t^.

Tali punti costituiscono quindi un vettore (Xli, X2i,..., Xni, Ti). Il dispositivo di controllo che impiega il procedimento di controllo secondo il trovato deve ricevere il flusso suddetto di punti, costruire una traiettoria ad n dimensioni, modulando il segmento i-esimo con il precedente e il successivo, in modo tale da avere garanzie sull'eseguibilità del movimento e quindi poterlo eseguire.

In sostanza, dal generatore di flusso di punti provengono le posizioni relative che devono assumere tutti gli assi di una macchina utensile a tempi prefissati (ad esempio ogni 20 msec), partendo da lina posizione iniziale già raggiunta. A ciascuna posizione relativa che deve assumere ciascun asse ad un tempo prefissato è associato un valore di attuazione specifico della lavorazione che deve essere eseguita.

Per ottenere un movimento armonico i dati di spostamento relativo devono essere correlati con il dato di spostamento precedente con il dato di spostamento successivo per cui ogni spostamento, indipendentemente dal segno, è caratterizzato da tre dati, uno dei quali è già noto ed è lo spostamento stesso mentre gli altri due sono la velocità iniziale e la velocità finale.

Pertanto, ogni posizione relativa di un asse è caratterizzata da tre valori, ossia velocità iniziale, spostamento, velocità finale. E'pertanto possibile costruire una tabella tridimensionale caratterizzata da questi tre parametri.

L'elemento che viene puntato nella tabella tridimensionale conterrà un indirizzo che a sua volta punterà ad un vettore che contiene in dettaglio la descrizione della forma d'onda che dovrà essere inviata al driver del motore, compresa la modalità di funzionamento. Il vettore puntato fa parte di una tabella di vettori puntabili tramite l'indirizzo trovato nella tabella tridimensionale dalla intersezione dei tre parametri precedentemente descritti. In sostanza, si ha un vettore per ogni indirizzo e ogni indirizzo è determinato, nella tabella tridimensionale, dall'intersezione di tre particolari parametri di velocità iniziale, velocità finale e spostamento.

Pertanto, la tabella di vettori completa che contiene tutte le traiettorie che possono essere descritte dai tre parametri velocità iniziale.

velocità finale e numero di passi o spostamento, è estremamente grande e quindi per costruirla è necessario un programma che calcoli tutte le traiettorie elementari.

Una volta calcolata la tabella è possibile eseguire un programma di verifica della stessa ed eventuale correzione che esamini criticamente tutte le traiettorie ed eventualmente le corregga.

La tabella finale è puramente teorica dato che non tiene conto delle masse in gioco, della potenza dei motori, degli attriti, delle geometrie e quindi, nella fase di inizializzazione della macchina utensile su cui deve essere applicato il dispositivo di controllo, sarà necessario provare una ad una tutte le traiettorie e validarle utilizzando la circuiteria di controllo della perdita del passo o delle eventuali discrepanze che possono fuoriuscire dalla finestra temporale di accettabilità durante il movimento dell'asse della macchina utensile.

Quindi, il procedimento secondo il trovato prevede tuia prima fase di acquisizione di dati di posizione relativi e di stati di attuazione per ogni tempo Ti.

A questo punto, un opportuno programma calcola la traiettoria per ogni singolo asse e trasferisce al dispositivo di controllo una parola di bit che per ogni asse specifica:

l'indirizzo dell'asse, il verso del movimento, lo stato di attuazione e l'indirizzo del vettore nella tabella validata.

A questo punto l'esecuzione passa al dispositivo di controllo.

La preparazione della tabella teorica precedentemente descritta comprende quindi una fase di generazione della tabella descrittiva dei vettori del segnale partendo dai parametri di velocità iniziale, numero di passi (o spostamento) e velocità finale.

Successivamente viene effettuata una verifica del movimento reale e quindi una riduzione della tabella teorica ad una tabella validata. Tale tabella validata tiene conto delle masse di gioco, degli attriti e di tutte quelle situazioni che si verificano nella realtà e che non erano state tenute in conto nella fase teorica di preparazione della tabella.

Questa fase di validazione porta quindi ad una costruzione di una nuova tabella che dai tre dati iniziali di velocità iniziale, spostamento e velocità finale consente di risalire agli indirizzi della tabella validata.

In sostanza, la tabella teorica è la tabella che descrive tutte le traiettorie che possono essere descritte dai tre parametri, velocità iniziale, numero di passi e velocità finale, e pertanto è di dimensioni assai elevate.

Tale tabella teorica è la tabella di vettori sopra descritta che viene puntata dalla tabella tridimensionale che contiene i tre parametri di velocità iniziale, spostamento e velocità finale.

La figura allegata illustra uno schema a blocchi del dispositivo utilizzato nel procedimento secondo il presente trovato. In tale figura si assume che gli assi da pilotare siano centoventotto con corrispondenti centoventotto motori.

Pertanto, il numero di bit che vengono utilizzati deve essere inteso unicamente correlato al numero di motori impiegati. In tale caso, infatti, con centoventotto motori, la selezione dell'indirizzo dell'asse da movimeritare può essere effettuata con un salto di sette bit che consenta appunto di specificare al massimo un numero pari a centoventotto.

Naturalmente, qualora il numero di motori dovesse essere differente, il numero di bit impiegati potrebbe ovviamente subire delle modifiche.

La figura allegata è suddivisa in due porzioni di cui la porzione A rappresenta il mondo esterno ossia il personal computer che viene utilizzato per pilotare la porzione B che rappresenta invece la scheda su cui è implementato il dispositivo secondo il trovato che permette di eseguire il relativo procedimento.

Pertanto, dal personal computer impiegato viene inviato un dato, in questo caso di sette bit, che rappresenta l'indirizzo dell'asse da movimentare, tale dato essendo indicato dal numero di riferimento 1, ed inoltre una parola, in questo caso di trentadue bit, indicata dal numero di riferimento 2, di cui i primi tre bit contengono il verso del movimento e due segnali di uscita (comandi di attuatori, ecc...) e nei successivi ventinove bit l'indirizzo ottenuto dalla tabella tridimensionale precedentemente definita (velocità iniziale, velocità finale e numero di passi) di un vettore contenuto in una memoria EPROM, indicata dal numero di riferimento 3, facente parte del dispositivo atto a implementare il procedimento secondo il trovato. Il vettore rappresenta il movimento elementare che deve essere eseguito dall'asse selezionato mediante l'indirizzo 1 dell'asse.

La parola 2 viene immessa in una memoria temporanea 4 che è indirizzata dal dato di sette bit 1 di selezione dell'asse. Nel caso specifico, pertanto, si avranno a disposizione centoventotto memorie temporanee 4, una per ciascun motore, che dovranno essere riempite dai dati emessi dal personal computer.

Ad ogni memoria temporanea 4 (si noti che per semplicità di descrizione nella figura 2 è illustrato un unico blocco indicante la pluralità di memoria temporanee, ma si deve intendere che tale blocco è suddiviso in questo caso in centoventotto blocchi fra loro distinti) è associato un elemento di aggancio 5 ed è associato pure un contatore 6. Nel caso in questione l'elemento di aggancio (latch) è a 3 bit ed il contatore è un contatore di ventinove bit. Il dato contenuto nella memoria temporanea 4 seguirà immediatamente nell'elemento di aggancio 5 e nel contatore ogni volta che un ulteriore contatore 7, atto a conteggiare le parole rimanenti di cui è costituito il vettore del movimento dell'asse X, sarà pari a zero La parte sopra descritta della scheda del dispositivo è asincrona e pilotata dal personal computer.

La parte che sarà invece descritta nel seguito è sincrona e compietamente scorrelata dalla prima porzione per quanto riguarda la tempistica.

Un secondo contatore 10, in questo caso i dieci bit di cui i sette bit alti finiscono in sequenza centoventotto configurazioni selezionando uno ad uno moduli 100 di tutti gli assi presenti nella scheda, ed i cui tre bit bassi ad una configurazione prefissata, inviano un segnale di sito di scrittura, indicato dal numero di riferimento 11.

Il secondo contatore, conteggiato, seleziona il primo contatore 6 che indirizza il primo elemento del vettore all'interno della memoria 3), il contatore 7, un registro 8 ed i due elementi di aggancio 5 e G.

Quando il segnale 11 giunge, se il contatore 7 è uguale a zero, il dato puntato nella memoria 3 entra nel contatore 7 ed il contatore 6 si incrementa di uno. Al contrario, se il contatore 7 è diverso da zero, ed il registro 8 è vuoto, il dato contenuto nella memoria 3 viene scritto nel registro 8, il dato contenuto nell'elemento di aggancio 5 viene scritto nel secondo elemento di aggancio 6, il primo contatore 6 si incrementa di uno, mentre il contatore 7 si decrementa dì uno.

Infine, se il contatore 7 è uguale a zero ed il registro 8 non è vuoto, non accade nulla e, per operare, si attenda la prossima selezione relativa all'asse, effettuata mediante la selezione di indirizzo 1.

A questo punto, i dati devono essere trasferiti agli attuatori, e tale trasferimento avviene in modo asincrono.

Quando un quarto contatore 12 è zero, l'elemento di aggancio 6 ed il registro 8 compongono il dato che lo trasferiscono ad un attuatore 13 relativo al motore da pilotare, oltre a trasferire il dato nel quarto contatore 12.

Gli elementi 4-9 e 12, 13 sono ciascuno presente per ognuno dei motori che deve essere pilotato.

Nella tabella dei vettori, oltre alle traiettorie, per ogni traiettoria è indicata la modalità di attuazione del driver del motore che determina il funzionamento del motore in half-step, full-step o microstep.

Si è in pratica constatato come il procedimento ed il dispositivo di controllo assi secondo il trovato, consentono di assolvere il compito nonché gli scopi sopra esposti, in quanto permettono di ottenere un movimento armonico nello spazio con la combinazione di un numero elevato di assi elementari. Il movimento armonico è ottenuto con calcoli estremamente semplificati rispetto a sistemi della tecnica nota.

Il procedimento ed il dispositivo così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (6)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Procedimento di generazione di onde, particolarmente per il controllo degli assi di motori, per macchine utensili e simili, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi che consistono nel: dalla sequenza di dati di posizione relativi di ciascun asse e di stati di attuazione ad ogni istante temporale definito, calcolare una traiettoria per ogni singolo asse, a partire da parametri di velocità iniziale, numero di passi e velocità finale; definire una matrice tridimensionale contenente, per ciascun asse, velocità iniziale, numero di passi e velocità finale, ciascun elemento di detta tabella tridimensionale costituito dall'intersezione nello spazio di detti tre parametri, contenendo un indirizzo atto a puntare a detto vettore atto a descrivere una relativa forma d'onda; pilotare detto asse secondo detta forma d'onda.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase che consiste nel calcolare la traiettoria per ogni singolo asse comprende trasferire per ogni asse una parola di bit atta a specificare: l'indirizzo di detto asse, il verso del movimento, lo stato di almeno un'uscita attuativa, e l'indirizzo di detto vettore di traiettoria in detta tabella di vettori di traiettorie.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta tabella di vettori di traiettorie è generata partendo dai parametri velocità iniziale, numero di passi e velocità finale.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta fase che consiste nel generare detta tabella dei vettori di traiettorie comprende le ulteriori fasi che consistono nel: verificare le traiettorie reali di detti assi e ridurre detta tabella dei vettori ad una tabella di vettori validata.
5. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto vettore di forma d'onda è atto ad essere inviato al driver del relativo motore per l'attuazione di detto motore.
6. 6. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'elemento di detta tabella tridimensionale definito dalla terna di detti tre parametri, contiene un indirizzo atto a puntare ad un vettore di detta tabella di vettori di traiettorie.