DD228374A1 - Schaltungsanordnung zur fuehrungsgroessenberechnung in numerischen bahnsteuerungen - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Fuehrungsgroessenberechnung in numerischen Bahnsteuerungen zur Interpolation von Bahnkurven zwischen moeglichst wenigen, von einer uebergeordneten Recheneinheit vorgegebenen Stuetzpunktwerten. Dabei soll eine moeglichst hohe Bahngenauigkeit bei sehr hohen Verfahrgeschwindigkeiten, wie sie bei Handhabungsgeraeten notwendig sind, erreicht werden. Bei Anwendung einer, die Abstaende der, von einer Recheneinheit vorgegebenen, Koordinaten von Bahnstuetzpunkten in Kurvensegmente hoeherer Ordnung unterteilenden Grobinterpolation und daran angeschlossener linearer Feininterpolation ist der Grobinterpolator in mindestens zwei Kaskadenstufen unterteilt, die die dafuer aufbereiteten Stuetzpunktkoeffizienten von zugeordneten Ausgaberegistern der uebergeordneten Recheneinheit uebernehmen und durch mehrfache Unterteilung eine ausreichende genaue Kurvenform gewaehrleisten. Die Erfindung ist vorteilhaft fuer Steuerungen von Industrierobotern geeignet. Fig. 3

Description

Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zur Führungsgrößenberechnung in numerischen Bahnsteuerungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur interpolierenden Führungsgrößenberechnung in Abhängigkeit von Stützpunktwerten für Raumkurven, insbesondere für numerische Steuerungen von Be- und Verarbeitungsmaschinen und Geräten der Handhabetechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, in numerischen Bahnsteuerungen die Führungsgröße für den Lageregelkreis durch Grob- und Feininterpolationsschritte zu erzeugen. Bei Rechnersteuerungen werden dem Grobinterpolator die Koordinatenwerte von auf der im Programm vorgesehenen Bewegungsbahn liegenden Stützpunkten vorgegeben, der daraus, je nach seiner Ausgestaltung, Zwischenwerte eines Kurvenverlaufes, beispielsweise die Koordinaten von Kreissegmenten, ermittelt. Die Abstände zwischen diesen Werten werden

η ι

durch eine Feininterpolation, bei der ein linearer Verlauf eine ausreichende Genauigkeit der Bewegung gewährleistet, weiter unterteilt und das Ergebnis wird als digitaler Sollwert dem Lageregelkreis der gesteuerten Maschine vorgegeben (DE-OS 21 46 627).

Der Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, daß die von dem Rechner vorgegebenen Stützpunktkoordinaten bei ausreichender Bahngenauigkeit in verhältnismäßig dichter Folge an den Grobinterpolator ausgegeben werden müsen. Dadurch wird der Rechner vorrangig für diese Aufgaben beansprucht, was letztlich dazu führt, daß mögliche Verfahrgeschwindigkeiten durch die Rechengeschwindig- · keit begrenzt werden.

Es ist weiterhin bekannt, eine geschwindigkeitsproportionale Linearinterpolation über eine Frequenzteilung mit diskret einstellbaren Teilungsverhältnissen durchzuführen (DD-WP 206 853).

Nachteilig an dieser, sehr einfachen Lösung ist die Notwendigkeit einer sehr hochfrequenten Betriebsweise des Linearinterpolators, die nur in begrenztem Umfang die notwendige Bahngenauigkeit in Abhängigkeit von den Zeitabschnitten, in denen die interpolierten Sollwerte bereitgestellt werden, gewährleistet.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt eine Führungsgrößenberechnung für numerische Bahnsteuerungen bei einer möglichst geringen, vom Rechner der Steuerung vorzugebenden, Anzahl von Stützpunkten auf der Bewegungsbahn eine hohe Bahngenauigkeit bei höchstmöglichen, nicht durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Steuerung begrenzten Bahngeschwindigkeiten ermöglicht.

Wesen der Erfindung

Zur Erreichung einer hohen Bahngenauigkeit bei großen Verfahrgeschwindigkeiten auf numerisch gesteuerten Be- und Verarbeitungsmaschinen sowie Handhabegeräten mit möglichst wenigen, von einer Recheneinheit auf einer programmierten Bewegungsbahn dem Interpolator vorzugebenden Stützpunktkoordinatenvverten ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Führungsgrößenberechnung zu schaffen, die eine die Abstände zwischen den Stützpunkten in eine ausreichende Anzahl von Segmenten einer höheren Kurvenform unterteilende Grobinterpolation und eine für die Segmentabschnitte Zwischenwerte bildende lineare Feininterpoaltion durchführt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Grobinterpolator aus mindestens zwei in Kaskade angeordneten Stufen besteht, die jede aus einem an Stützpunktkoeffizientenausgänge der Recheneinheit und an eine gemeinsame Übernahmetaktleitung angeschlossenem Rechenregister, das mit seinem Ausgang auf den ersten Eingang eines Addierwerkes, dessen zweiter Eingang an den Ausgang eines Multiplizierwerkes angeschlossen ist, aufgebaut ist. Die Multiplizierwerke sind mit einem Eingang an den Ausgang des Addierwerkes der vorgeordneten Kaskadenstufe und die zweiten Eingänge der Multiplizierwerke an eine, gegenüber dem Übernahmetakt für die Rechenregister höherfrequente, Taktimpulsquelle angeschlossen. Der erste Eingang des Multiplizierwerkes der ersten Kaskadestufe ist mit dem ersten Stützpunktkoeffizientenausgang der Recheneinheit und der Ausgang des Addierwerkes der untersten Kaskadesteufe ist auf den. Feininterpolator geführt. Der als Linearinterpolator ausgeführte Feininterpolator besteht aus einem, an den Grobinterpolator angeschlossenen und mit einem Auf ruf eingang an eine, gegenüber dem Übernahmetakt der Rechenregister des Grobinterpolators höherfrequentere, Taktimpulsquelle verbundenen Übernahmeregister. Der Ausgang des Übernahmeregisters ist mit einem Eingang eines ersten Addierwerkes und über ein/ mit seinem Auf ruf eingang an die gleiche Taktimpulsquelle wie das Übernahmeregister angeschlossenes,

Rechenregister mit dessen zweitem Eingang, der mit einem Eingang eines zweiten Addierwerkes gekoppelt ist, verbunden. Der Ausgang des ersten Addierwerkes ist auf einen Eingang eines Multiplizierwerkes, das mit seinem zweiten Eingang an eine gegenüber dem Übernahmetakt der Register höherfrequentere Taktimpulsquelle angeschlossen ist, geführt. Der Ausgang des Multiplizierwerkes ist mit dem zweiten Eingang des zweiten, die Führungsgröße ausgebenden, Addierwerkes verbunden. Die, die Stützpunktkoeffizienten bereitstellende, Recheneinheit besteht aus einer, mit der Übernahmetaktleitung der Rechenregister des Grobinterpolators verbundenen, zentralen Verarbeitungseinheit, die über ein BUS-System mit achsbezogenen Ausgaberegisterfeldern, einem Registersatz und einem Eingangsregister, das an einen Punktdatenspeicher, einen Formelementgenerator und mit seinem Übernahmeauf ruf eingang über einen Frequenzuntersetzer an die Übernahmetaktleitung angeschlossen ist. Dem Punktspeicher und dem Formelementgenerator ist ein Pufferspeicher nachgeschaltet, dessen Ausgang auf eine, mi.t einem Übernahmeauf ruf eingang an den Ausgang des Frequenzuntersetzers angeschlossene, Koordinatentransformationseinrichtung geführt ist, deren Ausgang auf ein dem Eingangsregister vorgeschaltetes Akkumulatorregister geführt ist. Zur Bildung der verschiedenen Taktimpulsfrequnezen von einer gemeinsamen Taktimpulsquelle sind an diese gleichartige Frequenzuntersetzer angeschlossen. Dazu ist ein dekodierter Ausgang des ersten Frequenzuntersetzers mit dem Multiplizierwerk des Feininterpolators und der Übertragsausgang des ersten Frequenzuntersetzers mit dessen Registern ein dekodierter Ausgang des zweiten Frequenzuntersetzers mit den Multiplizierwerken der Grobinterpolatorstufen, der Übertragsausgang dieser F.requenzuntersetzer mit, den Übernahmeauf ruf eingängen der Rechenregister der Grobinterpolatorstufen sowie einem Interrupteingang der zentralen Verarbeitungseinheit und der Übertragsausgang der dritten Frequenzuntersetzer mit dem Eingangsregister, dem Akkumulatorregister und der Koordinatentransformationseinrichtung verbunden.

Die Recheneinheit errechnet aus extern vorgegebenen Punktdaten die Koeffizienten der Stützpunktkoordinaten für die Grobinterpolatorstuf en.

Die Recheneinheit errechnet aus extern vorgegebenen Punktdaten die Koeffizienten der Stützpunktkoordinaten für die Grobinterpolatorstufen. Der Grobinterpolator bildet daraus Segmente von Kurven höherer Ordnung, beispsielsweise in Spline-Interpolation. Innerhalb dieser Kurvensegmente bildet der Feininterpolator Zvvischenvverte, die als Führungsgröße der Lageregelung dienen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert,werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: das Blockschaltbild der Gesamtanordnung, Fig. 2: das Blockschaltbild der Recheneinheit, Fig. 3: das Blockschaltbild des Grob-/Feininterpolators.

In Fig. 1 sind an eine Recheneinheit y drei Interpolatoren xl bis x3, zur Führungsgrößenberechnung von drei lagegeregelten Achsantrieben wl bis w3, mit ihren Koeffizienteneingängen ExI bis Ex3 angeschlossen. Die Interpolatoren xl bis x3 bestehen aus je einem Grobinterpolator GI 1 bis GI 3 und je einem Feininterpolator FI 1 bis FI 3. An eine zentrale Taktimpulsquelle Co sind drei mehrstufige Impulsuntersetzer C 1 bis C 3 in Kaskade angeschlossen. Ein dekodierter Ausgang LDC und der Übertragsausgang des ersten Impulsuntersetzers C 1 steuern die Feininterpolatoren FI 1 bis FI 3. Ein dekodierter Ausgang LDG und der Übertragsausgang LTG des zweiten Impulsuntersetzers C 2 steuern die Grobinterpolatoren GI 1 bis GI 3. Dabei wird die Übernahme der zu verarbeitenden Eingabewerte durch das jeweils niederfrequentere Signal von den Übertragsausgängen LTC, LTG ausgelöst. Die Verarbeitung dieser Eingangsgrößen erfolgt mit der höherfrequenteren, durch Dekodierung der Parallelausgänge des betreffenden Impulsuntersetzers C 1, C 2 gewonnenen Taktimpulse ah den Ausgängen LDC, LDG. Der Übernahmetakt für die Recheneinheit y wird auf den. Übertragsausgang LTD des dritten Impuls-

Untersetzers C 3 und deren Verarbeitungstakt wird vom Übertragsausgang des zweiten Impulsuntersetzers C 2 geliefert.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Recheneinheit 4. Ein Eingang B für extern vorgegebene Punktdaten, die beispielsweise in einem sogenannten "teach-in"-Verfahren oder von einem Programmgeber geliefert werden, ist parallel mit den Eingängen eines Punktspeichers 1 und eines Formelementgenerators 2 verbunden, deren Ausgänge auf einem Pufferspeicher 3 geführt sind. Der Ausgang des Pufferspeichers 3 ist auf eine Koordinatentransformationseinrichtung 4 geführt, die mit einem Übernahmeeingang an'den Ausgang LTD des dritten Impulsuntersetzers C 3 angeschlossen und deren Ausgang aufsein Akkumulatorregister 5 geführt ist. Die Ausgänge des Akkumulatorregisters 5 sind auf ein Eingangsregister 6, das über ein BUS-System 7 mit einer zentralen Verarbeitungseinheit CPU verbunden ist, geführt. Das Akkumulatorregister 5 und das Eingangsregister 6 sind, ebenso wie.die Koordinatentransformationseinrichtung 4, mit einem Übernahmeauf ruf eingang an den Übertragsausgang LTD des dritten Impulsuntersetzers C 3 angeschlossen. Ein Interrupteingang der zentralen Verarbeitungseinheit CPU ist an den Übertragsausgang LTG des zweiten Impulsuntersetzers C 2 angeschlossen. An dem BUS-System 7 befinden sich noch ein frei adressierbarer Registersatz 8 zur Bereitstellung und Akkumulierung der von der zentralen Verarbeitungseinheit CPU zu behandelnden Daten und weiterhin Ausgaberegisterfelder 11 bis In; 21 bis 2n ; 31 bis 3, zur Ausgabe der zu interpolierenden Stützpunktkoeffizienten.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild eines Interpolators x dargestellt. Dieser ist in einen Grobinterpolator GI und einen Feininterpolator FI unterteilt. Der Grobinterpolator GI weist mehrere in Kaskade angeordnete, Interpolationsstufen Z 1 bis Zn auf. In jeder Interpolationsstufe Z 1 bis Z η ist, wie für die Interpolationsstufe Zn dargestellt, ein Register R vorgesehen, dessen Eingang En zur Übernahme der Stützpunktkoeffizienten herausgeführt ist. Ein Übernahmetakteingang des Registers R ist an den

Übertragsausgang LTG des zweiten Impulsuntersetzers C 2 angeschlossen. Der Ausgang des Registers R ist auf einen Eingang eines Addierwerkes A geführt, dessen zweiter Eingang an den Ausgang eines Multiplizierwerkes M angeschlossen ist. Das iViultipliz ierwerk Μ ist mit einem Eingang an den dekodierten Ausgang LDG des zweiten Impulsuntersetzers C 2 und mit seinem zweiten Eingang an den Ausgang des Addierwerkes der jeweils vorgeordneten Interpolationsstufe Z 1 bis Z 3 angeschlossen. Der Ausgang des Addierwerkes A der letzten Interpolationsstufe Zn ist auf ein Übernahmeregister R 3 des Feininterpolators FI geführt. An den zweiten Eingang des Multiplizierwerkes der ersten Interpolationsstufe Z 1 ist der Ausgang des ersten Registers 11, 21, 31 des der jeweils zu steuernden Achse w 1 bis w 3 zugeordneten Ausgaberegisterfeldes 11 bis In; 21 bis 2n; 31 bis 3n der übergeordneten Recheneinheit y angeschlossen.

Im Feininterpolator FI ist der Ausgang des Übernahmeregisters R 3 auf einen Eingang eines ersten Addierwerkes A 1 und über ein Rechenregister R 2 auf den zweiten Eingang dieses Addierwerkes A 1 geführt. Gleichzeitig ist der Ausgang des Rechenregisters R 2 an einen Eingang eines zweiten Addierwerkes A 2 angeschlossen, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang eines Multiplizierwerkes Ml verbunden ist. Das Multiplizierwerk M 1 ist mit einem Eingang an den dekodierten Ausgang LDC des ersten Impulsuntersetzers C 1 und mit seinem zweiten Eingang an den Ausgang des ersten Addierwerkes A 1 angeschlossen. Das Übernahmeregister R 3 ist mit seinem Übernahmeauf ruf eingang mit dem Übertragsausgang LTC des ersten Impulsuntersetzers C 1 verbunden. Zwischen dem Ausgang des zweiten Addierwerkes A 2 und dem Ausgang des Feininterpolators FI ist ein, die Führungsgröße akkumulierendes Register R 1 angeordnet.

Die extern vorgegebenen Punktdaten werden über den Eingang B in den Punktspeicher 1 und den Formelementgenerator 2 eingegeben, die daraus Werte auf einer Kurve in Weltkoordinaten-ermitteln, die

in dem Pufferspeicher 3 abgelegt werden. Mit einem Signal vom Ausgang LTD des dritten Impulsuntersetzers C 3 werden diese Werte von der Koordinatentransformationseinrichtung 4 übernommen und mit dem nächsten Takt als Maschinenkoordinatenwerte an das Akkumulatorregister 5 ausgegeben. Mit dem folgenden Takt werden diese Maschinenkoordinatenwerte in das Eingangsregister 6 übertragen. Die zentrale Verarbeitungseinheit CPU ermittelt daraus und aus weiteren, im Registersatz 8 enthaltenen/ anlagen- und programmspezifischen Werten, gemäß ihrem Befehlsprogramm Vorgabewerte und gibt diese achsbezogen an die Ausgaberegisterfelder 11 bis In; 21 bis 2n; 31 bis 3n aus. Der Inhalt jedes Registers eines Ausgaberegisterfeldes 11 bis In; 21 bis 2n, 31 bis 3n wird einem der Register R in den Interpolationsstufen Z 1 bis Z η des Grobinterpolators GI der betreffenden Achse zugeführt. Durch den Grobinterpolator GI werden Stützpunktwerte für eine Kurvenform höherer Ordnung ermittelt und an den Feininterpolator FI ausgegeben. Zur linearen Unterteilung in Zwischenwerte, die als Führungsgröße an einen Achsantrieb w 1 bis w 3 ausgegeben werden, wird in dem jeweiligen Feininterpolator FI. durch das Rechenregister R 2, welches einen um eine Taktzeit verzögerten Sollwert des Grobinterpolators GI vom Register R 3 , zwischenspeichert, und dem ersten Addierwerk A 1 die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sollwerten berechnet. In dem Multiplizierwerk M 1 wird diese Differenz durch die Taktimpulse vom dekodierten Ausgang LDC der zweiten Frequenzuntersetzerstufe C 2 gewichtet und danach von dem zweiten Addierwerk A 2 zum zwischengespeicherten Wert im Rechenregister R 2 addiert. Das Ergebnis wird in dem Register R 1 abgelegt. Auf diese Weise erfolgt eine Linearinterpolation zwischen den beiden, im Übernahmeregister R 3 und .im Rechenregister R 2 gespeicherten Werten mit der Frequenz des Taktgenerators Co.

Claims (5)

Erf indungsanspruch

1. Schaltungsanordnung zur Führungsgrößenberechnung in numerischen Bahnsteuerungen, vorzugsweise für Handhabungsgeräte, mit einer, für eine Bewegungsbahn Stützpunktkoordinaten vorgebenden Recheneinheit und nachgeschaltetem Grobinterpolator für Segmente von Kurven höherer Ordnung und daran angeschlossenem linearen Feininterpolator, gekennzeichnet dadurch, daß der Grobinterpolator (GI) aus mindestens zwei in Kaskade angeordneten Stufen besteht, die jede aus einem an Stützpunktkoeffizientenausgänge der Recheneinheit (Y) und an eine gemeinsame Übernahmetaktleitung (LTG) angeschlossenem Rechenregister (R), das mit seinem Ausgang auf den ersten Eingang eines Addierwerkes (A), dessen zweiter Eingang an den Ausgang eines Multipliziervverkes (M) angeschlossen ist, aufgebaut ist, und daß die Multiplizierwerke (M) mit einem Eingang an den Ausgang des "Addierwerkes (A) der vorgeordneten Kaskadenstufe (Z 1 bis Z 3) und die zweiten Eingänge der iViultipliz ierwerke (M) an eine, gegenüber dem Übernahmetakt für die Rechenregister (R) höherfrequentere, Taktimpulsquelle (C 2/LDG) angeschlossen sind, und daß der erste Eingang des Multiplizierwerkes (M) der ersten Kaskadenstufe (Z 1) mit dem ersten Stützpunktkoeffizientenausgang der Recheneinheit (Y) und der Ausgang des Addierwerkes

(A) der letzten Kaskadenstufe (Zn) mit dem Eingang des Feininterpolators (FI) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,

daß der als Linearinterpolator ausgeführte Feininterpolator (FI) aus einem, an den Grobinterpolator (GI) angeschlossenen, mit einem Aufrufeingang an eine, gegenüber dem Übernahmetakt (LTG) der Rechenregister (R) des Grobinterpolators (GI) höherfrequentere, Taktimpulsquelle (C 1, LTC) verbundenen Übernahmeregister (R 3) besteht, dessen Ausgang mit einem Eingang eines ersten Addierwerkes (A 1) und über ein, mit seinem Auf ruf eingang an die.gleiche Taktimpulsquelle (C 1; LTC) wie das Übernahemre-

gister (R 3) angeschlossenes/ Rechenregister (R 2) mit dessen zweiten Eingang., der mit einem Eingang¹ eines zweiten Addierwerkes (A 2) gekoppelt ist, verbunden ist, und daß der Ausgang des ersten Addierwerkes (A 1) auf einen Eingang eines Multiplizierwerkes (M 1), das mit seinem zweiten Eingang an eine gegenüber dem Übernahmetakt der Register (R 2/R 3) höherfrequentere Taktimpulsquelle angeschlossen ist und dessen Ausgang auf den zweiten Eingang des zweiten, die Führungsgröße ausgebenden, Addierwerkes (A 2) geführt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die, die Stützpunkte bereitstellende, Recheneinheit (Y) aus einer, mit der Übernahmetaktleitung (LTG) der Rechenregister

(R) des Grobinterpolators (GI) verbundenen, zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, die über ein BUS-System (7) mit achsbezogenen Ausgaberegisterfeldern (11 bis In; 21 bis 2n; 31 bis 3n) einem frei adressierbaren Registersatz (8) und einem Eingangsregister (6), das an einen Punktdatenspeicher (1), einen Formelementgenerator (2) und mit seinem Übernahmeauf ruf eingang über einen Frequenz.untersetzer (C 3) an die Übernahmetaktleitung (LTG) angeschlossen ist, verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Punktspeicher (1) und dem Formelementgenerator (2) ein Pufferspeicher (3) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang auf eine, mit einem Übernahmeauf ruf eingang an den Ausgang des Frequenzuntersetzers (C 3) angeschlossene, Koordinatentransformationseinrichtung (4) geführt ist, deren Ausgang auf ein dem Eingangsregister (6) vorgeschaltetes Akkumulatorregister (5) geführt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß zur Bildung der verschiedenen Taktimpulsfrequenzen von einer gemeinsamen Taktimpulsquelle, an diese Frequenzuntersetzer (C 1 bis C 3) angeschlossen sind, wobei ein dekodierter Ausgang (LDC) des ersten Frequenzuntersetzers ( C 1) mit dem Multiplizierwerk (M 1) des Feininterpolators (FI), der Übertragsausgang (LTC) des ersten Frequenzuntersetzers (C 1) mit dessen

Registern (R 2/R 3), ein dekodierter Ausgang (LDG) der zweiten Untersetzerstufe (C 2) mit den Multiplizierwerken (M) der Grobinterpolatorstufen (Z 1 bis Zn) der Übertragsausgang des zweiten Frequenzuntersetzers (C 2) mit den Übernahmeaufruf eingängen der Rechenregister (R) der Grobinterpolatorstufen (Z 1 bis Zn) sowie einem Interrupteingang der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) und der Ausgang des dritten Frequenzuntersetzers (C 3) mit dem Eingangsregister (6) dem Akkumulatorregister (5) und der Koordinatentransformationseinrichtung verbunden ist.

- Hierzu drei Blatt Zeichnungen -