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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine in eine Zielposition, wobei der Antrieb durch Vergleich eingegebener DrehzahlSollwerte mit von einem Drehzahlgeber erhaltenen Drehzahl-Istwerten von einer Auswertelogik nachgeregelt, am Beginn einer Verzögerung in einem ersten Arbeitsbereich ein Drehzahl-Sollwert kleiner als der noch anstehende gewählt und auf ihn umgeschaltet wird, wobei nach Übereinstimmung von Drehzahl-Istwert und Drehzahl-Sollwert von der Arbeitsspindel eine bestimmte von der Zielposition abhängige Winkelposition erreicht und dadurch der Beginn eines zweiten Arbeitsbereiches markiert wird, in dem ein abnehmender Drehzahl-Sollwert aufgeschaltet und die Arbeitsspindel in der Zielposition zum Stillstand gebracht wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-A 65991 bekannt. Die Geschwindigkeit des Antriebes der Arbeitsspindel wird durch Vergleich von Drehzahl-Istwerten und Drehzahl-Sollwerten geregelt.
Nach dem Empfang eines Haltesignals schaltet nun eine Auswertelogik auf einen konstanten, kleineren Drehzahl-Sollwert um. Infolgedessen wird auch der Drehzahl-Istwert der Arbeitsspindel herabgesetzt. Erreicht nun die Arbeitsspindel den Drehzahl-Sollwert, so wird innerhalb von 180 vor dem Haltepunkt ein immer stärker abnehmender Drehzahl-Sollwert eingestellt, dem der Drehzahl-Istwert
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Steigung der Tangente (Verzögerung) dem Nullpunkt (Haltepunkt) auf der Zeitachse und wird dadurch hart abgebremst. Dieses Verfahren wird auf den Seiten 12 und 13 der EP-A 65991 detailliert erläutert.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE-OS 2818526 bekannt. Die darin geoffenbarte Anordnung zum Steuern einer Spindel einer Werkzeugmaschine passt über einen analogen Spannungskomparator den Drehzahl-Istwert der Spindel an den Drehzahl-Sollwert an. Um den Motor anzuhalten, wird dieser auf einen Niedrigdrehzahlzustand gebracht. Nach dem ersten Auftreten des vorbestimmten, stets gleichen Stellungssignals eines Impulscodierers soll eine Steuerschaltung den Motor in einer bestimmten Stellung anhalten. Da das Stellungssignal aber unabhängig von der anzufahrenden Zielposition festgelegt ist, kann der Fall auftreten, dass der Spindelmotor quasi augenblicklich zum Stillstand gebracht werden müsste. Somit ist bei diesem Verfahren die Genauigkeit, mit der eine Zielposition angefahren wird, abhängig von deren zufälliger Lage.
Um trotzdem zu einigermassen brauchbaren Ergebnissen zu gelangen, ist es nötig, die Niedrigdrehzahl nach der ersten Bremsphase so gering zu wählen, dass die maximal aufbringbare Bremsenergie grösser ist als die kinetische Energie der rotierenden Massen. Das führt aber zu unzumutbar langen Wartezeiten, wenn eine Zielposition anzufahren ist, die beispielsweise mehr als 180 von dem vorbestimmten Stellungssignal entfernt ist.
Ein Verfahren zur Steuerung einer Hobelmaschine, das den Wendevorgang mit einer analogen Nachbildung der Bremsparabel steuert (Technische Rundschau, Bern, Nr. 38 vom 11. 9. 1959, Seite 31, Bild 11) ist bereits bekannt. Zur Bestimmung des Bremseinsatzpunktes wird hier eine der IstGeschwindigkeit entsprechende Referenzspannung in einem Diskriminator mit der analogen Nachbildung der Bremsparabel verglichen. Beim Positionieren eines Antriebes ist die Verwendung eines derartigen analogen Kreises unerwünscht, weil er die erreichbare Genauigkeit beeinträchtigen würde.
Es ist auch ein elektronisches Steuerungssystem bekannt, welches eine wahlweise Einstellung des Zielabstandes, eine angenäherte Darstellung der idealen Bremskurve durch einige charakteristische Punkte an Geschwindigkeitsstufen und eine Messung des momentanen Zielabstandes und der Geschwindigkeit erlaubt (DE-AS 1556326). Die Messwerte werden mit den charakteristischen Punkten der Bremskurve verglichen und einem Regler als Nachführeinrichtung zum Angleichen der Messwerte an die charakteristischen Punkte der Bremskurve zugeführt. Mit logischen Schaltkreisen wird ein Signal erzeugt, das den Antrieb abschaltet, wenn dieser einen zugeordneten Zielabstand erreicht hat, und eine Geschwindigkeit aufweist, die der zugeordneten Geschwindigkeit entspricht.
Ein den Antrieb beschleunigendes Signal wird erzeugt, wenn die Geschwindigkeit kleiner als die dem betreffenden Punkt der Bremskurve zugeordnete Geschwindigkeit ist. Dabei ist nachteilig, dass der Antrieb auf Geschwindigkeitsstufen gehalten und an einen der charakteristischen Punkte der Bremskurve herangeführt werden muss. Die praktische Realisierung des Positionierverfahrens erfordert
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einen sehr grossen Schaltungsaufwand.
Schliesslich ist aus der DE-AS 2334455 ein Verfahren zum Abbremsen eines Antriebssystems bekannt, bei dem eine Linearisierung des quadratischen Zusammenhangs zwischen Bremsweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung durchgeführt wird, um zu einer vereinfachten Näherungslösung zu gelangen. Auch zur Realisierung dieses Verfahrens sind relativ aufwendige spezielle Schaltungsanordnungen notwendig.
Beim Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine soll neben der Genauigkeit der Positioniervorgang möglichst zeitoptimal durchgeführt werden. Hiezu ist eine Ermittlung des Bremseinsatzpunktes vor Erreichen der Sollposition in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen die maximal zulässige Beschleunigung bzw. Verzögerung des Antriebssystems nicht überschritten wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positionierverfahren zu schaffen, bei dem in kurzer Zeit die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mittels ihres Antriebes genau in eine vorgegebene Position gebracht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass während des ersten Arbeitsbereiches zuerst der Drehzahl-Sollwert Null vorgegeben wird und anschliessend ein konstanter Sollwert bis zum Erreichen des zweiten Arbeitsbereiches aufgeschaltet wird. Durch die Vorgabe des DrehzahlSollwertes Null erfolgt ein sehr kurzfristiges Abbremsen des Antriebs, und anschliessend wird von einem Ausgangswert hinsichtlich der Position und Drehzahl ein solcher Sollwert vorgegeben, von dem man rascher in die Zielposition gelangt. Dadurch ergibt sich eine zeitliche Optimierung des Positioniervorganges.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass im zweiten Arbeitsbereich der DrehzahlSollwert zumindest anfänglich linear abnimmt.
Durch eine Weiterbildung der Erfindung wird ein durch Halbleiter bedingtes Driften der Arbeitsspindel bei Stillstand derselben durch eine Korrektur des Drehzahl-Sollwertes verhindert.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist, dass die aus einem mit dem Antrieb gekuppelten inkrementalen Pulsgeber erhaltenen Ist-Impulse einer mit einem einer bestimmten Winkelposition entsprechenden Sollwert voreingestellten Zählstufe zugeführt werden, deren Ausgang mit einem Digital/Analog-Umsetzer verbunden ist, wonach die an seinem Ausgang anstehenden Drehzahl-Sollwerte dem Antrieb eingegeben werden.
Vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass die vom inkrementalen Pulsgeber gelieferten Impulse vorzeichenrichtig der beim Auftreten der Nullmarke voreingestellten Zählstufe zugeführt werden.
Dabei erübrigt sich eine gesonderte Berücksichtigung der Drehrichtung des Antriebes.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass der Ausgangspunkt für die Winkelposition-Soll-Istwert-Differenz dadurch gebildet wird, dass die Zählstufe durch die Nullmarke auf einen bestimmten Wert gesetzt wird. Dieser Wert wird aus dem vorgegebenen Positionssollwert gebildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die, dass beim Mittelwert der Zählstufe am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers null Volt anliegen. Dadurch ist die Ansteuerung des nachfolgenden Antriebes mit geringem Aufwand möglich.
Von Vorteil ist bei der Erfindung, dass während des Positionierens und dem Anhalten des Antriebes eine vorhandene numerische Steuerung frei verfügbar ist. Dies begünstigt die zeitliche Optimierung des Bearbeitungsverfahrens der Werkzeugmaschine.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l ein Block-Diagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die Fig. 2 den Verlauf des Drehzahl-Soll- bzw. Ist-Wertes in Abhängigkeit der Winkelposition des Antriebes, die Fig. 3 einen Teil der vom inkrementalen Pulsgeber abgegebenen Impulsfolgen und die Fig. 4 den am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers anstehenden Drehzahl-Sollwert in Abhängigkeit der Winkelposition des Antriebs und die dazugehörige Nullmarke.
Gleiche Merkmale sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. l zeigt ein Block-Diagramm des Verfahrens zum Positionieren eines Antriebs einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine. Ein Positionierbefehl bewirkt, dass mittels eines Schaltelements --1-- der am Antrieb --2-- anstehende Drehzahl-Sollwert --3-- der numerischen Steuerung auf
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den vom Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers --4-- gelieferten, einer bestimmten Winkelposition zugeordneten Drehzahl-Sollwert --5-- umgeschaltet wird. Unter Antrieb --2-- soll hier die Kombination des mit steuerbaren Halbleitern bestückten Motorregelungsgerätes mit Motor und eventuelle Zwischengetriebe zur Arbeitsspindel verstanden werden. Durch den Drehzahl-Sollwert --5--, der nunmehr am Antrieb --2-- ansteht, wird dieser abgebremst und in den Zielpunkt geführt. Den
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Der am Ausgang --9-- der Zählstufe --7-- anstehende digitale Drehzahl-Sollwert wird in den Digital/Analog-Umsetzer--4--in die Form des den Antrieb --2-- steuernden Drehzahl-Sollwertes --5-- gebracht.
Fig. 2 gibt die Abhängigkeit der Drehzahl --10-- der Arbeitsspindel über deren Winkelposition - wieder. Dabei ist der Verlauf einerseits des Drehzahl-Sollwertes --5-- und anderseits der Drehzahl-Istwert --13-- dargestellt. Der Drehzahl-Sollwert --5-- wird in der dem Eintreffen des
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im Bereich --15-- ergibt. Bis der Antrieb eine Grenzdrehzahl --16-- erreicht hat, aus der innerhalb von etwa 0, 75 Umdrehungen gehalten werden kann, bleibt Null als Drehzahl-Sollwert --5-vorgegeben, der anschliessend auf einen Wert --17-- gebracht wird, welcher etwa der halben Grenz- drehzahl --16-- entspricht. Im Bereich --18-- wird dieser Wert --17-- so lange beibehalten, bis der Antrieb in eine Winkelposition --19-- gelangt ist, die 180 vor dem Zielpunkt --20-liegt.
Jetzt wird als Drehzahl-Sollwert --5-- ein der Winkelabweichung proportionaler Wert vorgegeben, der den Antrieb im idealen Fall zum Zielpunkt --20-- führen würde. Um die unvermeidliche Eingangsdrift der bei der Realisierung verwendeten Halbleiter, die zu geringfügigen Positionsabweichungen führen würden, auszugleichen, wird bei fast stillstehendem Antrieb (dies ist bei etwa kleiner 3 Umdr/min der Fall) ein Korrekturwert gebildet und dem Sollwert addiert. In der Fig. 2 entspricht dies dem Bereich --21--. Um beide Drehrichtungen im Bereich --22--, welcher Plus und Minus 180 um den Zielpunkt --20-- liegt, zu erfassen, wird ein der Winkelabweichung proportionales Signal benötigt.
Der Winkel-Istwert, bezogen auf die Positionierstellung, wird dadurch gebildet, dass die Pulse --23, 24 und 25-- des inkrementalen Pulsgebers, welche in Fig. 3 dargestellt sind, ausgehend von der Nullmarke --26-- des Pulsgebers vorzeichenrichtig gezählt werden. An den durch Pfeile --27-- markierten Flanken wird ein Zählimpuls gebildet. Das Vorzeichen wird aus der Phasenlage zwischen dem Puls --23-- und dem Puls --24-- abgeleitet.
Den im Bereich --22-- am Ausgang des Digital ! Analog-Umsetzers --4-- anstehenden DrehzahlSollwert --28-- in Abhängigkeit der Winkelposition --11-- erreicht man dadurch, wie in Fig. 4 gezeigt, dass die Zählstufe --7-- durch die Nullmarke --26-- auf einen bestimmten Winkelwert --29-gesetzt wird und der Digital/Analog-Umsetzer--4-so geschaltet wird, dass beim Mittelwert --20-der Zählstufe --7--, welcher dem Zielpunkt --20-- entspricht, am Ausgang null Volt anliegen.
Der automatische Abgleich von unvermeidlichen Driftfehlern, die eine Drehzahlanforderung n = 0 (Stillstand) störend beeinflussen, ist deswegen in einfacher Weise möglich, weil durch die Wahl des Zielpunktes --20-- bei der Hälfte des Standes der Zählstufe --7-- das höchstwertige Bit der Zählstufe --7-- die Polarität der Abweichung des Lage-Istwerts vom Lage-Sollwert angibt und als Zusatz-Sollwert zum eigentlichen Drehzahl-Sollwert den Antrieb --2-- immer zum Zielpunkt - hintreibt. Ein z. B. von diesem Wert gesteuerter Integrator ermittelt während dieses Vorganges den vom Drehzahlregler verlangten Offsetwert und wird nach Erreichen der Zielposition --20-auf diesem Wert festgehalten.
Da dieser automatische Abgleich erst dann einsetzen darf, wenn Lageabweichungen nur mehr durch einen Driftfehler verursacht werden, was der Fall ist, wenn der Antrieb schon beinahe zum Stillstand gekommen ist, d. h. weniger als 3 Umdr/min macht, wird z. B. ein monostabiler Multivibrator durch die Zählimpulse dauernd getriggert, so dass ein Ausgang dauernd gesetzt ist. Erst bei sehr niedriger Frequenz der Zählimpulse kann die monostabile Kippstufe auch rückgesetzt werden und gibt ein pulsfrequenzmoduliertes Signal ab, mit dem das Korrektursignal aufgeschaltet wird.