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Digitale Stellungsregeleinrichtung für Maschinen Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf Stellungsregeleinrichtungen für Maschinen, insbesondere zur numerischen
Positionierung von Werkzeugmaschinen, bei der die von einer Programmierungseinrichtung
in einem Sollwert-Zählwerk eingespeicherte neue Position und die mit Hilfe eines
von der Maschinenbewegung angetriebenen Impulsgebers in einem Istwert-Zählwerk eingespeicherte
tatsächliche Position der Maschine in einem Differenzzählwerk verglichen werden
und bei Nichtübereinstimmung der Werte ein der Größe der Abweichung entsprechendes
Signal gegeben wird, wobei die übertragung des neuen Sollwertes von dem Sollwert-Zählwerk
auf das Differenzzählwerk mit einem Oszillator, der die beiden Zählwerke schrittweise
fortschaltet, unter Zuhilfenahme einer Stufenschaltvorrichtung dekadenweise vorgenommen
wird.
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Bei einem älteren Vorschlag sind sämtliche Zählwerke gleichartig aufgebaut
und besitzen das gleiche Fassungsvermögen. Bei einem anderen älteren Vorschlag dieser
Art werden mit Hilfe der Stufenschaltvorrichtung die neuen Positionswerte dem Sollwert-Zähler
über Gatterschaltungen bereitgestellt. Sind sämtliche Werte in dem Sollwert-Zählwerk
eingespeichert, wird in einer weiteren Stufe der Schaltvorrichtung die Übertragung
dieser Werte in das Differenzzählwerk ausgelöst. Zur Übertragung werden die Impulse
des Oszillators mit sehr hoher Frequenz über Gatterschaltungen auf die einzelnen
Stufen des Sollwert-Zählwerkes sowie auf die entsprechenden Stufen des Differenzzählwerkes
gegeben, wobei die Weiterschaltung von einer zur anderen Dekade durch einen jeder
Dekadenstufe zugeordneten Nullsignalanzeiger erfolgt.
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Gemäß der Erfindung kann der Aufwand einer solchen Regeleinrichtung
dadurch erheblich herabgesetzt werden, daß als Sollwert-Zählwerk ein Eindekaden-Zählwerk
verwendet ist, jeder Dekadenwert einzeln auf das Sollwert-Zählwerk und anschließend
mit Hilfe der Oszillatorfrequenz auf das Differenzzählwerk unmittelbar übertragen
wird und daß die Weiterschaltung der Stufenschalteinrichtung für die nächste Dekade
durch einen dem Sollwert-Zählwerk zugeordneten Nullsignalanzeiger veranlaßt wird,
welcher das Erreichen des Nullwertes jeder Dekade überwacht. Eine derartige Maßnahme
hat noch den weiteren Vorteil, daß die Positionierung schneller und genauer als
bisher erfolgen kann.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden in der Beschreibung
in Verbindung mit den Zeichnungen aufgezeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Ansicht von oben auf ein Werkstück, wobei eine Ausgangs-
oder gegenwärtige Stellung der Werkzeugmaschine und eine zweite Stellung der Werkzeugmaschine
angedeutet sind, in welche sie bewegt werden soll. Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel
der numerischen Regeleinrichtung gemäß der Erfindung im Blockschaltbild.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein Werkstück bezeichnet, das auf einem Arbeitstisch
12 od. dgl. einer Werkzeugmaschine, z. B. einer Bohrmaschine, angeordnet ist. Es
sei angenommen, daß ein erstes. Loch 14 gebohrt worden ist, dessen Koordinaten in
bezug auf einen Punkt A mit Y 1 und X 1 bezeichnet sind. Es
soll nun ein zweites Loch 16 gebohrt werden, dessen Koordinaten mit Y 2 und
X 2 bezeichnet sind. Zu diesem Zwecke ist es erforderlich, daß ein Motor
vorgesehen ist, der den Bohrmechanismus entlang der Y-Achse von der Stellung
Y 1 nach der Stellung Y 2
bewegt. Ferner ist ein zweiter Motor vorgesehen,
der die Bohrmaschine entlang der X-Achse von der Stellung X 1 nach der Stellung
X 2 bewegt. Alsdann wird der Bohrer in der Stellung sein, in der das Loch
16 entsprechend den Koordinaten Y2 und X2 gebohrt werden soll.
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In Fig. 2 ist sechmatisch die numerische Positionierungseinrichtung
für die Werkzeugmaschine dargestellt, welche mit 20 bezeichnet ist. Die gewünschte
Stellung ist auf einem Band in Form eines digitalen Steuersignals, beispielsweise
eines binärverschlüsselten Dezimalsignals, gespeichert. Diese Steuersignale werden
mit
Hilfe eines Abnehmers 22 dem Band entnommen und dem Sollwert-Zählwerk 24 zur Verfügung
gestellt. Die Reihenfolge der Entnahme wird durch eine Stufenschaltvorrichtung 26
bestimmt. Die Vorrichtung 26 kann beispielsweise ein mechanisch oder elektrisch
betätigter Stufenschalter oder eine völlig kontaktlose Einrichtung sein. Die von
dem Bandabnehmer 22 abgenommenen Signale werden dekadisch auf das Sollwert-Zählwerk
24 gegeben. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, .die Werkzeugmaschine in eine
Stellung mit einer Koordinate X2 = 43,8 zu bringen, so würde die - Vorrichtung 26-
veranlassen, daß vorerst das wichtigste Dekadensignal 4 in binärverschlüsselter
Form 01.00 dem Sollwert-Zählwerk 24
zur Verfügung gestellt wird. Als nächstes
würde die Stufenvorschaltvorrichtung das Gatter 28 öffnen, damit die Ausgangsimpulse
von dem Oszillator 30 den in dem Sollwert-Zählwerk 24 gerade eingespeicherten Wert
wieder herumerzählen. Gleichzeitig wird die Zahl dieser Impulse in das Fehlerzählwerk
32 eingezählt. Der Nullsignalanzeiger 34 prüft die Nullbedingung des Sollwert-Zählwerkes
24 und veranlaßt die Weiterschaltung der Stufenschalteinrichtung 26 in ihre nächste
Stellung, in der das Gatter 28 geschlossen wird.
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Nun stellt der Bandabnehmer 22 das nächste Dekadensignal 3 in binärer
Form 0011 dem Sollwert-Zählwerk 24 zur Verfügung. Anschließend öffnet die Stufenschaltvorrichtung
das Gatter 36, damit die Ausgangsimpulse des Oszillators 30 den in dem Sollwert-Zählwerk
24 eingespeicherten Wert abziehen. Gleichzeitig wird die Zahl der Impulse, die zum
Herabzählen auf den Wert Null erforderlich ist, in die nächste Dekadenstufe des
Fehlerzählwerkes 32 eingezählt. Der Nullsignalanzeiger 34 prüft wiederum die Nullstellungsbedingung
des Sollwert-Zählwerkes 24 und veranlaßt die Stufenschaltvorrichtung 26 zur nächsten
Operation, welche das Gatter 36 schließt.
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Nun gibt der Bandabnehmer 22 das letzte Dekadensignal 8 in binärer
Form 1000 an das Sollwert-Zählwerk 24. Anschließend öffnet die Stufenschaltvorrichtung
26 das Gatter 38, um dieses letzte Dekadensignal abzuzählen, wie zuvor beschrieben,
und gleichzeitig in die letzte Dekadenstufe 62 des Fehlerzählwerkes 32 diese Impulse
einzuzählen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Steuerungseinrichtung
selbstverständlich auch für eine größere Zahl von Dekadenziffern geeignet ist, als
dies das angegebene Zahlenbeispiel vermuten läßt.
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Vor der Einspeicherung der von dem Oszillator 30 kommenden Zählsignale
in die entsprechenden Stufen des Fehlerzählwerkes 32 wurde ein der tatsächlichen
Stellung der Werkzeugmaschine 20 entsprechendes Steuersignal eingespeichert, und
zwar in folgender Art: Die Werkzeugmaschine 20 wird positioniert durch eine geeignete
Vorrichtung, z. B. durch einen Motor 40. Der Motor 40 ist mechanisch verbunden mit
einem geeigneten Impulsgeber 42, welcher in bekannter Weise ausgebildet sein kann
und entsprechend der Bewegung der Maschine ein Ausgangssignal abgibt, beispielsweise
einen Impuls pro 0,1 Zoll oder einen Impuls bei 0;01 Zoll zurückgelegten Weges.
Mit anderen Worten: Wenn sich die Maschine 20 um 0,01 Zoll bewegt, wird ein Einzelimpuls
von der Einrichtung 42 bereitsgestellt. Weiter kann eine Anzeige vorgesehen sein,
welche die Richtung der Bewegung der Maschine 20 angibt. Dies ist in Fig. 2 nicht
gezeigt. Da, wie beschrieben, der Motor 40 die Maschine 20 nur in einer Richtung
bewegen soll und daher die Impulsvorrichtung 42 nicht anzugeben braucht, ob die
Maschine in Richtung zum Bezugspunkt A oder umgekehrt bewegt werden soll. Die Steuerimpulse
des Impulsgebers 42 werden auf ein Istwert-Zählwerk 44, und zwar auf die kleinste
Stufe 46 gegeben, so daß jeder Impuls des Impulsgebers 42
in dem Zählwerk
44 gespeichert wird. Das Istwert-Zählwerk 44 ist mit dem Fehlerzählwerk 32
über Gatter 48, 50 und 52 verbunden, und zwar derart, daß die in jeder Stufe des
Istwert-Zählwerkes 44 gespeicherten Signale in die entsprechenden Stufen des Fehlerzählwerkes
32 übertragen werden können.
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Das Fehlerzählwerk 32 erhält also ein Steuersignal entsprechend der
tatsächlichen Stellung der Maschine 20 durch das Istwert-Zählwerk 44 und weiter
ein zweites Steuersignal entsprechend der gewünschten Stellung, welches von dem
Zählwerk 24 durch die Wirkung des Oszillators 30 bereitgestellt wird, und zwar durch
Abzählen der Signale, welche in dem Sollwert-Zählwerk 24 gespeichert sind. Jede
Differenz zwischen der tatsächlichen Stellung der Maschine 20 und der gewünschten
Position wird in dem Fehlerzählwerk ein Fehler- oder Differenzsignal hervorrufen.
Das Fehlerzählwerk 32 muß in der Lage sein, nach beiden Richtungen zu zählen, um
eine Differenzbildung zu ermöglichen. Dieses Fehler- oder Differenzsignal von dem
Fehlerzählwerk 32 wird einem Digital-Analogumformer 54 bereitgestellt, welcher über
eine geeignete Gatterschaltung 56 und einen Verstärker 58 das erforderliche analoge
Fehlersignal für den X-Motor 40 bereitsstellt, um die Maschine 20 in die gewünschte
Stellung entlang der X-Achse zu bewegen. Wie Fig. 2 zeigt, werden die Steuersignale
von dem Impulsgeber 42 über eine Gattcrschaltung 60 auch auf die letzte Stufe 62
des Fehlerzählwerkes 32 geleitet. Die Steuerimpulse vom Impulsgeber 42 ändern den
Betrag sowohl im Istwert-Zählwerk 44 als auch im Fehlerzählwerk 32 entsprechend
der tatsächlichen Stellung der Maschine. Dies geht so lange weiter, bis das Fehler-
oder Differenzsignal im Zählwerk 32 schließlich den Wert Null annimmt. Anschließend
erfolgt eine ähnliche Operation in Richtung der Y-Achse, um in die Position Y2 zu
gelangen.
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In Fig. 3 ist nun die Steuereinrichtung nach Fig. 2 im Blockschaltbild
unter Berücksichtigung der Verstellung in Richtung der Y-Achse dargestellt, wobei
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet sind. In bezug
auf Fig. 3 wird bemerkt, daß das Fehlerzählwerk 33 mit dem Oszillator 30 in gleicher
Weise wie das Fehlerzählwerk 32 der X-Achse in Wirkverbindung steht. Die Gatterschaltungen
sind in Fig. 3 nicht gezeigt. Das Fehlerzählwerk 33 für die Y-Achse ist ebenfalls
ein vor- und rückwärts zählendes Zählwerk und empfängt ein Steuersignal von einem
Istwert-Zählwerk 45 in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Stellung der Werkzeugmaschine
20 durch ein Ausgangssignal von einem Impulsgeber 43. Das Zählwerk 33 empfängt also
das nächste oder gewünschte Stellungssignal für die nächste Y-Koordinate von dem
Bandabnehmer 22 ebenfalls durch die Wirkung des Sollwert-Zählwerkes 24 entsprechend
Fig. 2. Das Differenz- oder Fehlersignal, das durch das Fehlerzählwerk 33 bereitgestellt
wird, wird einem Digital-Analogumformer 55 zugeführt und danach einem der Y-Achse
zugeordneten Motor 41 zugeführt.
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In Fig. 3 ist eine Nullausgleichseinrichtung 66 dargestellt, welche
mit dem Fehlerzählwerk 32 und dem
Istwert-Zählwerk 44 der X-Achse
in Wirkverbindung steht. Die der Y-Achse zugeordnete Nullausgleichseinrichtung ist
mit 67 bezeichnet. Sie steht in Wirkverbindung mit dem Fehlerzählwerk 33 und dem
Istzählwerk 45. Mit den Nullausgleichsvorrichtungen 66 und 67 kann der Bezugspunkt
von der Stellung A nach der Stellung B gemäß Fig. 1 geändert werden. Derartige Maßnahmen
sind bei Werkzeugmaschinen an sich bekannt. Die Wirkungsweise der Nullausgleichsvorrichtungen
66 und 67 ist an sich sehr einfach. Es wird der Differenzbetrag zwischen den Bezugspositionen
A und B in Richtung der X-Achse bzw. Y-Achse in dem Istwert-Zählwerk
44 bzw. 45 abgezogen und gleichzeitig in dem Fehlerzählwerk 32 bzw. 33 hinzugefügt.
Hierbei ist es aber erforderlich, daß die Polarität der Nullausgleichssignale berücksichtigt
wird.
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Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 2 bewirkt der Oszillator 30 ein
Wegzählen irgendeines in dem Sollwert-Zählwerk 24 eingespeicherten digitalen Steuersignals,
und zwar derart, daß dieses digitale Steuersignal wirksam auf eine vorbestimmte
Stufe des Fehlerzählwerkes 32 übertragen wird. Wenn die Frequenz des Oszillators
im Bereich von 10 kHz liegt und das Positionierungssignal fünf Dekadenziffern enthält,
so ergibt sich für jede Dekadenziffer maximal ein Betrag von zehn Zählsignalen,
so daß für jede Dekadenziffer maximal eine Zeitperiode in der Größenordnung von
einer Millisekunde zur Verfügung steht, um den größten praktisch vorkommenden Wert
abzählen zu können. Es wird bemerkt, daß die Verwendung des Nullsignalanzeigers
34 eine größere Genauigkeit und noch verschiedene andere Vorteile bringt. So kann
mit Hilfe des Nullsignalanzeigers eher ein Nullbetrag in den Zählstufen festgestellt
werden als durch das Feststellen der Gleichheit zwischen willkürlichen Zahlen in
den Stufen des Istwert-Zählwerkes 44.
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Ferner wird zu den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 und 3 bemerkt,
daß jede Stellung der Maschine 20 in den Istwert-Zählwerken 44 und 45 in Form von
digitalen Steuersignalen gespeichert wird. Diese Steuersignale sind auf einen Nullbezugspunkt
bezogen, z. B. auf den Punkt A in Fig. 1. Das Istwert-Zählwerk 44. das der X-Achse
zugeordnet ist, ist also ein absoluter Stellungsspeicher, während das Fehlerzählwerk
32 ein Differenzstellungsspeicher ist.
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Nachdem ein Stellungssignal von dem Band in geeigneter Weise abgenommen
worden ist, wird das nächste erwünschte Stellungssignal, z. B. für die X-Achse,
bereitgestellt. Diese Stellung wird unmittelbar in das Sollwert-Zählwerk
24 eingegeben. Es wird in bezug auf Fig. 2 bemerkt, daß das von der Stufenschaltvorrichtung
26 gelieferte Steuersignal sowohl die Lesevorrichtung des Bandes auslöst, als auch
die Gatter 48, 50 und 52 zwischen dem Istwert-Zählwerk 44 und dem Fehlerzählwerk
32 öffnet, so daß die wirkliche Stellung der Maschine 20 in bezug auf die X-Achse
in dem Fehlerzählwerk 32 registriert wird. Dann öffnet sich das Gatter 28, während
sich die Gatter 48, 50 und 52 schließen. Durch die Wirkung des Oszillators 30 werden
die einzelnen in dem Sollwert-Zählwerk 24 gespeicherten Ziffern abgezählt und dadurch
auch die Ziffern in den entsprechenden Stufen des Differenzzählwerkes 32 weggezählt,
die von dem Istwert-Zählwerk 44 übertragen worden sind. Auf diese Weise wird ein
Fehler- oder Differentialsignal von dem Fehlerzählwerk 32 erhalten, und zwar in
der Form einer Ziffer, die durch einen Digital-Analogwandler 54 in eine analoge
Größe umgewandelt wird. Der der X-Achse zugeordnete Motor 40
empfängt dieses
analoge Steuersignal und korrigiert in entsprechender Weise die Stellung der Maschine
20,
während der Impulsgeber 42 Ausgangssignale bereitstellt, die sowohl auf
das Istwert-Zählwerk 44 als auch auf das Fahlerzählwerk 32, und zwar über ein Gatter
60, gegeben werden. Dadurch wird das von dem Fehlerzählwerk 32 abgegebene Differenz-
oder Fehlersignal entsprechend der Maschinenbewegung vermindert. Dies setzt sich
so lange fort, bis das Fehlersignal Null geworden ist und die Maschine 20 die gewünschte
Stellung in Richtung der X-Achse erreicht hat.
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Anschließend wird eine ähnliche Operation für die Positionierung in
der Y-Achse durchgeführt.
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Falls es erwünscht ist, kann das Differenz- oder Fehlersignal des
Fehlerzählwerkes 32 der X-Achse durch ein Gatter 56 zur Wirksamkeit gebracht werden,
um den Motor 40 in Betrieb zu setzen, während zur selben Zeit die entsprechenden
Zahlen für die erwünschte Stellung in der Y-Achse in dem Sollwert-Zählwerk 24 und
in dem Fehlerzählwerk 33 eingespeichert werden. Sobald nämlich das Gatter geöffnet
wird, wird der Motor 40 in Betrieb gesetzt. Unter Umständen kann es. erwünscht sein,
daß sowohl der Motor 40 für die X-Achse als auch der Motor 41 für die Y-Achse gleichzeitig
wirksam sind. In diesem Falle wird das Gatter 56 gemäß Fig. 2 für den Motor 40 gleichzeitig
mit dem Gatter des Motors 41 für die Y-Achse geöffnet.
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Sobald die Steuerimpulse von dem Impulsgeber 42 das Fehler- oder Differenzsignal
des Fehlerzählwerkes 32 ausgezählt haben, wird die Bewegung des Motors 40 angehalten.
In gleicher Weise wird auch die Bewegung in. der Y-Richtung angehalten. Die Polarität
der Steuerimpulse sowie die Steuerimpulse selbst werden in dem Istwert-Zählwerk
gespeichert, so daß die wirkliche Bewegung von dem Bezugspunkt Null aus registriert
wird. Falls es erwünscht ist, die Bewegung der Maschine 20 in beiden Richtungen
der X-Achse bzw. der Y-Achse zu steuern, müssen polaritätsabhängige Steuerschalter
vorgesehen sein, um die tatsächliche Bewegungsrichtung erfassen zu können.
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Falls ein Einlaufen in die gewünschte Stellung mit niedrigerer Geschwindigkeit
erwünscht ist, wird das von dem Digital-Analogumformer abgegebene Signal überwacht
und bei Unterschreitung eines bestimmten vorgegebenen Wertes - gegebenenfalls über
einen Verstärker - ein entsprechendes Steuersignal für den Motor gegeben.