Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches Nockensteuerwerk
bzw. ein Verfahren zur Generierung einer Nocke anzugeben, welches
erhöhte
Genauigkeitsanforderungen insbesondere bei Komplexen bzw. verteilten
Automatisierungssystemen erfüllt.
Die
Lösung
der Aufgabe gelingt durch ein elektronisches Nockensteuerwerk mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen
nach Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche 2 bis
8 bzw. 10 bis 12 betreffen Weiterbildung der Erfindung.
Das
erfindungsgemäße elektronische
Nockensteuerwerk weist eine Berechnungseinheit zur Ermittlung zumindest
einer Nocke und eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe zumindest dieser
Nocke auf. Die Berechnungseinheit ist insbesondere eine Steuerung bzw.
eine Software. Die Berechnungseinheit ist mit der Ausgabeeinheit
mittels eines Datenbusses datentechnisch verbunden, wobei an den
Datenbus, insbesondere ein Antrieb und/oder eine Geberschnittstelle
anschließbar
sind. Der Datenbus ist also zum Anschluss von bezüglich der
Berechnungseinheit externen Automatisierungskomponenten wie z.B.
einem Antrieb, einer Nocken-Ausgabeeinheit oder dergleichen vorgesehen.
Bei
einem derartigen elektronischen Nockensteuerwerk erfolgt eine funktionale
Auflösung des
Nockensteuerwerkes. Die Ausgabeeinheit bildet dabei eine dezentrale
Hardwarekomponente zur Ausgabe einer Nocke, wobei die Nocke insbesondere
durch eine Flanke eines Digitalausgangs erzeugt wird bzw. erzeugbar
ist. Die Steuerung ist zumindest zur Ermittlung zumindest einer Nocke
vorgesehen. Weitere Aufgaben der Steuerung sind beispielsweise Regelungsfunktionen
für ein
Automatisierungssystem wie eine Produktions-, bzw. Werkzeugmaschine oder
einem Handhabungsautomaten. Dabei weist die Steuerung als Berechnungseinheit
eine Softwarefunktion auf. Die Steuerung ist insbesondere auch für überlagerte
Steuerungsaufgaben vorgesehen. Auch ein Stromregler eines Stromrichters
oder eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS) sind teilweise
als Steuerung des als Steuerung des elektronischen Nockensteuerwerkes
nutzbar, wenn die erforderliche Rechenzeit zur Verfügung steht.
Die Verbindung zwischen der Steuerung bzw. der Berechnungseinheit
und der Ausgabeeinheit wird durch einen Datenbus hergestellt. Das
elektronische Nockensteuerwerk weist also eine Trennung zwischen einer
Ausgabeeinheit für
eine oder mehrere Nocken und der Berechnungseinheit für die Schaltzeitpunkte der
einen oder der mehreren Nocken auf. Die Berechnung bzw. die Ausgabe
der Nocken erfolgt präzise
und auf verschiedenen Komponenten die über einen Datenbus gekoppelt
sind. Der Datenbus ist vorteilhafter Weise ein äquidistantes Kommunikationssystem.
Die
Ausgabeeinheit verfügt über Funktionen, um
Nockensignale mit hoher Wiederholungsgenauigkeit auszugeben. Dabei
weist die Ausgabeeinheit beispielsweise ein Register zur Speicherung
von Zeitwerten, eine lokale Systemuhr bzw. eine Vergleichslogik
auf. Der Zeitwert ist beispielsweise ein Schaltzeitwert. Die Steuerung/Berechnungseinheit bzw.
die Software des elektronischen Nockensteuerwerkes in der Steuerung
und die Ausgabeeinheit weisen eine gemeinsame Zeitbasis auf. Diese
gemeinsame Zeitbasis ermöglicht
die genaue Ausgabe von einem bzw. von mehreren Nocken.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Datenbus als äquidistantes
Kommunikationssystems ausgeführt.
Dies ermöglicht
eine hohe Genauigkeit des elektronischen Nockensteuerwerkes. In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Datenbus ein
taktsynchroner Datenbus. Mit Hilfe eines takt synchronen Datenbusses
lassen sich äquidistante Kommunikationssysteme
aufbauen.
In
einer weiteren Ausgestaltung des elektronischen Nockensteuerwerkes
weist die Steuerung bzw. die Berechnungseinheit eine Systemuhr auf.
Alternativ dazu ist der Datenbus zur Einspeisung einer Systemzeit
vorgesehen, wobei die Systemzeit zur Steuerung übertragen wird. Weiterhin weist
die Ausgabeeinheit eine lokale Systemuhr auf. Mittels des Datenbusses
ist eine Synchronisation der Systemuhr bzw. der Systemzeit des Datenbusses
mit der lokalen Systemuhr durchführbar.
Ist
in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung am Datenbus auch ein
Antrieb angeschlossen, so weist beispielsweise auch der Antrieb
eine lokale Systemuhr auf. Dabei ist die lokale Systemuhr des Antriebs
mit der Systemuhr der Steuerung bzw. der Berechnungseinheit bzw.
der Systemzeit des Datenbusses synchronisierbar.
Mit
Hilfe der Steuerung als Beispiel für eine Berechnungseinheit bzw.
mit Hilfe der Software in der Steuerung sind Schaltzeitpunkte von
Nocken auf der Basis einer systemweit bekannten Zeitbasis – der Systemzeit
T – in
Abhängigkeit
von in der Steuerung allgemein vorliegenden Bewegungsdaten wie z.B. Positionsdaten,
Geschwindigkeitsdaten etc. berechenbar. Die Schaltzeitpunkte, d.h.
die Nocken werden als Zeitwert, was einem Zeitstempel entspricht, an
die Ausgabeeinheit über
den Datenbus übertragen.
Der Datenbus ist beispielsweise ein kabelgebundenes Bussystem oder
auch ein System zur Datenübertragung
mittels eines nach dem Stand der Technik bekannten Übertragungsmediums
wie beispielsweise Infrarot, Funk, Laser usw. Die Nocken sind bis
zum Schaltzeitpunkt durch eine zyklische Aktualisierung der Zeitwerte
korrigierbar. Erfordern beispielsweise Änderungen von Geschwindigkeiten bzw.
Positionen eine Korrektur eines Schaltzeitpunktes bzw. einer Korrektur
von mehreren Schaltzeitpunkten, so ist dies durch eine zyklische
Anpassung der Schaltzeitpunkte möglich.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels der Steuerung auch
ein Gebersignal verarbeitbar, welches zur Ermittlung des Schaltzeitpunktes
der Nocke dient. Das Gebersignal wird über den Datenbus, an welchem
der entsprechende Geber angeschlossen ist, übermittelt.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuerung zumindest
einen Eingang zum Anschluss zumindest eines Gebers auf.
Die
Steuerung ist beispielsweise eine zentrale Steuerung mit genau einer
Steuereinheit. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung
auch als dezentrale Steuerung ausführbar, wobei die dezentrale
Steuerung zwei oder mehrere Steuereinheiten aufweist, die insbesondere
mittels des Datenbusses miteinander verbunden sind. Somit kann die
Berechnung der Zeitwerte zur Auslösung einer Nocke sowohl einer
zentralen Steuerung bzw. auch in einer verteilten Steuerung in verschiedenen
Steuereinheiten erfolgen. Das elektronische Nockensteuerwerk weist
entweder genau eine Ausgabeeinheit oder zwei bzw. mehrere Ausgabeeinheiten
auf. Die Ausgabeeinheiten sind dabei insbesondere im Fall mehrerer Ausgabeeinheiten
einer Steuerung fest zugeordnet bzw. von einer Steuerung mittels
einer Erkennung ansprechbar. Bei der Verwendung einer dezentralen Steuerung
wird das System zwar komplex, jedoch stets klar strukturiert und überschaubar
durch die Dezentralisierung.
Mit
Hilfe des Zeitstempels, d.h. mit Hilfe des Zeitwertes sind auch
Nockenimpulse, die sich über mehrere
Ausgabezyklen erstrecken zum gleichen Zeitpunkt, d.h. in einem Ausgabezyklus übergebbar. Dadurch
vereinfacht sich die Handhabung der Eingabe bzw. der Ausgabe von
Signalen in der Steuerung. Die Abhängigkeit des Programmablaufs
wird weitgehend von den zeitlichen Bedingungen der Peripherie entkoppelt.
Zur
Realisierung des erfindungsgemäßen elektronischen
Nockensteuerwerkes sind in einer vorteilhaften Ausführung lediglich
einfache Hardwarekomponenten notwendig. Die Ausgabeeinheit enthält als Hardwarekomponente
vorteilhafter Weise in einer Ausführungsform nur die Funktionen,
die für ein
präzises
Schalten innerhalb eines begrenzten Zeitbereiches, z.B. den Buszyklus
erforderlich sind. Alle technologischen Abhängigkeiten werden in der Steuerung,
d.h. mittels einer Software in einer Steuerung realisiert. Da bei
Automatisierungssystemen wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder
Handhabungsautomaten Steuerungen bereits vorhanden sind, kann dadurch
Hardware eingespart werden.
Durch
die Berechnung von Nockenschaltpunkten in der Steuerung, insbesondere
in einer zentralen Steuerung, können
auch Istwerte von dezentral über
einen Feldbus angeordneten Antrieben bzw. Gebern herangezogen werden.
Der Feldbus ist in einer Ausführungsform
der Datenbus. Weiterhin ist es möglich
komplexe geräteübergreifende
Abhängigkeiten
zu berücksichtigen.
Eine zusätzliche
Verdrahtung von Gebersignalen zu einem speziellen elektronischen
Nockensteuerwerk nach dem Stand der Technik ist nicht mehr erforderlich.
Mittels
des erfindungsgemäßen elektronischen
Nockensteuerwerkes sind auch virtuelle Achsen zur Ermittlung von
Nocken heranziehbar. Durch die funktionelle Trennung können die
Nocken auch auf in der Steuerung erzeugte oder nur in der Steuerung
verfügbare
Signale bezogen werden. Ein derartiges Signal ist beispielsweise
eine virtuelle Achse.
Durch
die Modifikation der Software der Steuerung gegenüber einer
herkömmlichen
Steuerung sind vielfältige
Funktionalitäten
des Nockensteuerwerkes realisierbar, ohne die Hardwarekomponente
der Steuerung zu verändern.
Mit jedem Bearbeitungszyklus kann die Steuerung auf der Basis der aktuellen
Prozessistwerte die Nockenschaltpunktwerte neu berechnen und den
der Hardwarekomponente geladenen Zeitstempel mit Korrekturwerten überschreiben.
Die
Darstellung gemäß 1 zeigt beispielhaft den
Aufbau eines elektronischen Nockensteuerwerkes 1, welches
symbolisch strichliniert dargestellt ist. Das elektronische Nockensteuerwerk 1 weist
eine Ausgabeeinheit 15 auf, welche über einen Datenbus 5 mit
einer Steuerung 3 datentechnisch verbunden ist. Die Steuerung 3 weist
zumindest ein Mittel zur Zeitpunktermittlung 29 für auszugebende
Nocken aus. Dieses Mittel zur Zeitpunktermittlung bzw. zur Zeitwertermittlung
stellt die Berechnungseinheit dar, die sowohl als Hardware als auch
als Software oder als Kombination aus Hardware und Software realisierbar
ist. Die Steuerung 3 ist derart ausführbar, dass durch diese noch
weitere Steuerungs- bzw. Regelungsfunktionen durchführbar sind.
Demzufolge umfasst das gestrichelt dargestellte elektronische Nockensteuerwerk 1 zumindest
einen Teil der Steuerung 3 mit zumindest zur Ermittlung
zur Zeitermittlung 29. Der Datenbus 5 ist ein
externer Datenbus, an welchen noch weitere Automatisierungskomponenten anschließbar sind.
Weitere Automatisierungskomponenten sind beispielsweise ein Antrieb 27 und/oder eine
Geberschnittstelle 22. Die Geberschnittstelle 22 empfängt beispielsweise
ein Gebersignal 26 von einem Geber 20. Der Antrieb 27 empfängt ein
Gebersignal 26 beispielsweise von einem Geber 19.
Der Geber 19 ist beispielsweise an einen elektrischen Motor des
Antriebs 27 angeschlossen. Der Antrieb 27 weist zumindest
einen Stromrichter und einen elektrischen Motor auf. Das Gebersignal 26 des
Ge bers 19 wird sowohl an den Antrieb 27 als auch
an die Steuerung 3 weitergeleitet. Das Gebersignal 26 wird
in der Steuerung 3 im Mittel zur Zeitpunktermittlung 29 weiterverarbeitet.
Das Mittel zur Zeitpunktermittlung 29 ist zumindest zur
Berechnung von Schaltzeiten, welche abhängig vom Gebersignal sind,
verwendet. Das Gebersignal 26 liefert Istwerte des Gebers.
Zur Berechnung der Schaltzeiten, d.h. zur Berechnung der Schaltwerte
für Nocken
ist auch ein virtuelles Gebersignal 25 verwendbar. Dieses
virtuelle Gebersignal 25 wird beispielsweise in der Steuerung 3 generiert und
zur Ermittlung eines Zeitwertes zur Ausgabe einer Nocke verwendet.
Ist ein Zeitwert für
die Nocke ermittelt, so wird dieser Zeitwert über den Datenbus 5 an
die Ausgabeeinheit 15 übertragen.
Zum berechneten Zeitwert, welcher z.B. ein Zeitpunkt ist, erfolgt die
Ausgabe der Nocke, d.h. des Nockensignals mittels eines Digitalausgangs 17.
Die Nocken 10, 11 sind also beispielsweise Digitalsignale.
Einheit 15 dient folglich zur Ausgabe entsprechender Zeitwerte und
ist als Nockenmodul hardwaremäßig realisiert. Demgegenüber ist
das Mittel zur Zeitpunktermittlung 29, welches die Steuerung 3 aufweist
vorteilhafter Weise als Software realisiert.
Die
Darstellung gemäß 2 zeigt ein elektronisches
Nockensteuerwerk 1. Im Unterschied zur 1 zeigt die 2 eine detailliertere Darstellung des
Antriebs 27, der Ausgabeeinheit 15 und der Steuerung 3.
Dabei wird insbesondere auf Signalverläufe eingegangen. Der Antrieb 27 ist
zur Verarbeitung eines Gebersignals 26 vorgesehen. Anhand
des Gebersignals 26 erfolgt eine Auswertung des Gebersignals 26 in
einer Geberauswertungseinheit 28. In der Geberauswertungseinheit 28 ist
eine Position zum Zeitpunkt Tx bestimmbar. Diese Position zum Zeitpunkt
Tx ist als Positionssignal 40 (POS (Tx) an die Steuerung 3 übertragbar.
In einer Technologie-Software 31 als Berechnungseinheit,
welche die Steuerung 3 aufweist, wird das Positionssignal 40 verarbeitet.
Zur Verarbeitung des Positionssignals 40 wird eine Systemzeit
herangezogen. Die Systemzeit wird im vorliegenden Beispiel durch
eine Systemuhr 33 erzeugt. Die Systemzeit T ist jedoch
nicht nur durch eine in der Steuerung 3 befindlichen Systemuhr 33 erzeugbar,
sondern auch als Signal in die Steuerung 3 einspeisbar,
was in der 2 jedoch nicht
dargestellt ist. Die Technologie-Software 31 ermittelt
einen Zeitwert Tz 42, zu welchem eine Nocke, d.h. ein Nockensignal
auszugeben ist. Dieser Zeitwert Tz 42 ist an die Ausgabeeinheit 15 übermittelbar.
Der Zeitwert Tz 42 gibt eine Nocke (Tz) an, wobei der Zeitwert
oben Tz ist. Der Zeitwert Tz wird in einem Zeitwertspeicher 37 gespeichert.
Der Zeitwertspeicher 37 ist in der Ausgabeeinheit 15 integriert.
Da es bei der Ausgabe von Nocken auf die richtige Ausgabezeit ankommt,
weist sowohl die Steuerung 3 als auch beispielsweise der
Antrieb 27 und die Ausgabeeinheit 15 eine Uhr
auf. Die Uhr der Steuerung 3 ist die Systemuhr 33,
welche als lokales Mittel zur übergeordneten
Zeitvorgabe dient. Der Antrieb 27 und die Ausgabeeinheit 15 weisen
lokale Systemuhren 35, 36 auf. Diese lokale Systemuhren
sind über
ein Synchronisationssignal 38 oder auch über ein
Telegramm über
den Datenbus 5 mit der Systemuhr 33 synchronisierbar.
Es erfolgt also eine Synchronisation der Zeit T mit den lokalen
Zeiten T1. In der Ausgabeeinheit 15 wird mittels eines
Vergleichers 44 der gespeicherte Zeitwert Tz mit der Zeit
der lokalen Systemuhr 36 verglichen. Bei Übereinstimmung
erfolgt eine Ausgabe der Nocke 10 beispielsweise über ein Digitalausgang 17.
Die
Darstellung gemäß 3 zeigt einen zeitlichen
Ablauf von Signalen für
bzw. in einem elektronischen Nockensteuerwerk. Gezeigt sind Basiszyklen 46, 47, 48 und 49 mit
den Zeiten T1, T2, T3 und T4 der Steuerung 3 gemäß 1 bzw. 2. Vor Beginn eines Basiszyklusses T1,
T2, T3, T4 erfolgt für
eine Einlesezeit 55, welche eine Zeit Ti zugrundelegt,
das Einlesen eines Gebersignals 26. Nach dem Einlesen des
Gebersignals 26 erfolgt zu Beginn des Basiszyklusses 46 der
Datenaustausch 57 des Gebersignals 26 über den
Datenbus 5. Der Datenaustausch ist in der 3 auch als Dx (Data Exchange) bezeichnet.
Das Positionssignal 40 POS (T0) wird also an das Mittel
zur Zeitpunktermittlung 29 übertragen. Dieses Mittel zur
Zeitpunktermittlung 29 ermittelt den Zeitwert 50,
welcher über
den Datenbus 5 an die Ausgabeeinheit 15 gemäß 1 und 2 übertragen wird.
Der Zeitwert 50 Tnocke wird im zweiten Basiszyklus 47 übertragen.
In der Ausgabeeinheit 15 erfolgt die Speicherung des Zeitwertes 50 in
einem Register. In den Basiszyklen 47 und 48,
d.h. in T2 und T3 erfolgen die gleichen Abläufe wie das im Basiszyklus 46 beschrieben
ist. Dabei wird im Basiszyklus 48 bzw. auch im Basiszyklus 49 der
Registereintrag, d.h. der Zeitwert 50, jeweils durch einen
aktualisierten Zeitwert 50 überschrieben. Damit erhält man im
Basiszyklus 48 eine Speicherung des Zeitwertes im Register
gleich Tnocke* und im Basiszyklus 49 einen Registerwert
von Tnocke**. Da im Basiszyklus 49 der Zeitwert 50 gemäß der lokalen
Systemuhr 36 eintritt was über einen Vergleicher gemäß 1 und 2 feststellbar ist, erfolgt damit die
Ausgabe der Nocke zum Zeitpunkt Tnocke**.
Somit erfolgt die Ausgabe einer Flanke 52 die wie im vorliegenden
Beispiel durch einen Sprung des Digitalausgangs vom Wert "Null" auf den Wert "EINS" realisiert ist.
Gemäß der Darstellung
nach 3 soll also bei
einer bestimmten Position, die nach Berechnung des Mittels zur Zeitpunktermittlung 29 also
der Berechnungseinheit zum Zeitpunkt Tnocke im Basiszyklus 49 eintreffen
wird eine Flanke 52 als Nockenflanke ausgelöst werden.
Der Schaltzeitpunkt Tnocke wird zyklisch in das Register der Ausgabeeinheit 15 (Nockenmodul) übertragen.
Durch die nachfolgend empfangenen Positionswerte POS (T1) usw. kann eine
Prozessabweichung, z.B. eine Geschwindigkeitsänderung erkannt werden, die
dazu führt,
dass sich die Zielposition verschiebt und damit auch der Schaltzeitpunkt
Tnocke. Durch Übertragen
des korrigierten Schaltzeitpunktes Tnocke*,
Tnocke** kann dies ausgeglichen werden.
Aus das Unterdrücken der
Nockenausgabe ist z.B. möglich,
in dem ein entsprechender Wert bzw. ein spezieller Befehl übertragen
bzw. ausgegeben wird. Ein Unterdrücken der Nockenausgabe ist
beispielsweise bei einem Stoppsignal denkbar. Je nach Auflösung des
Nockenmoduls, d.h. der Ausgabeeinheit 15 können zeitlich
beliebig kleine Nockenimpulse erzeugt werden, die kleiner sind als
der überlagerte
Basiszyklus mit den Zykluszeiten T1, T2, T3 und T4.