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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Wegmessung für die numerische Punktregelung von Werkzeugmaschinen.
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Bei den bekannten numerischen Punktregelungen sind im wesentlichen
zwei Verfahren zur Gewinnung der Steuersignale üblich. Es sind dies das Inkremental-
und das Absolutverfahren.
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Bei dem Inkrementalverfahren wird, wenn das Organ, dessen Lage geregelt
werden soll, z. B. der Schlitten einer Werkzeugmaschine, einen bestimmten Weg zurücklegt,
eine ihm proportionale Anzahl von elektrischen Impulsen erzeugt. Sie werden mittels
geeigeter Zählwerke gezählt. Das Ergebnis der Zählung kennzeichnet die Stellung
des Schlittens, wenn der Punkt bekannt ist, von dem aus die Zählung begonnen wurde,
oder allgemeiner ausgedrückt, wenn zumindest die Zuordnung einer Zählerangabe zu
einer Stellung bekannt ist.
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Der Vorteil des Inkrementalverfahrens besteht vor allem in seiner
einfachen Durchführbarkeit und dem geringen dazu erforderlichen Aufwand. Ein weiterer
Vorteil ist die außerordentlich einfache Verschiebung des relativen Nullpunktes.
Er kann z. B. auf jede mögliche Stellung des Schlittens gelegt werden, indem die
bei ihr vorhandene Zählerangabe gelöscht wird. Das Löschen ist bei den gebräuchlichen
elektronischen Zählern aber meist durch einen einfachen Tastendruck zu erreichen.
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Diesen Vorteilen steht jedoch ein schwerwiegender Nachteil gegenüber,
denn unabhängig davon, ob die Impulse durch die Bewegung der Verstelleinrichtung
selbst, etwa bei der Drehung der Leitspindel erzeugt werden oder ob die Impulse
durch Abtastung eines fest mit dem Maschinenbett verbundenen Inkrementalmaßstabes
durch eine mit dem Schlitten verbundene Abtasteinrichtung erfolgt, wird die Lagebestimmung
schon ungenau, wenn auch nur ein einziger Störimpuls mitgezählt wird.
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In der Praxis hat es sich als außerordentlich schwierig erwiesen,
das Auftreten von Störimpulsen zu vermeiden, ohne den an sich erforderlichen geringen
Aufwand an elektronischen Mitteln derart zu vergrößern, daß der Hauptvorteil des
Inkrementalverfahrens verlorengeht.
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Die Absolutverfahren sind frei von Fehlern durch Störimpulse. Sie
haben sich jedoch wegen anderer Nachteile nicht durchsetzen können.
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Bei den Absolutverfahren ist die Lage des zu positionierenden Gliedes,
z. B. des Schlittens, fest mit einer Anzeigeeinrichtung gekuppelt. Seine Lage wird
also ständig als Abstand von einem im wesentlichen festen Nullpunkt angezeigt. Da
die Anzeigevorrichtung maschinell abgelesen werden soll, erfolgt die Anzeige durch
ein hierfür geeignetes Codebild.
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Numerische Punktregelungen nach den Absolutverfahren weisen also grundsätzlich
eine eindeutige Zuordnung zwischen der Lage des Schlittens und dem sie darstellenden
Codebild auf. Dies gilt jedoch nur innerhalb eines verhältnismäßig großen Fehlerbereiches.
Er ergibt sich als Summe von verschiedenen nicht zu vermeidenden Fehlern. Sie wäre
bei Verwendung eines Codelineals, d. h. eines mit Codezeichen versehenen Maßstabes,
der wie der Inkrementalmaßstab am Maschinenbett angebracht ist und der mittels einer
fest mit dem Schlitten verbundenen Ableseeinrichtung abgelesen wird, verhältnismäßig
klein. Derartige Codelineale sind jedoch in den für Werkzeugmaschinen im allgemeinen
erforderlichen großen Abmessungen bei erträglichem Aufwand nicht mit der notwendigen
feinen Teilung auszuführen.
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Die praktische Durchführung der Absolutverfahren erfolgt daher mittels
Codescheiben, die von der Spindel der Maschine über Übersetzungsgetriebe angetrieben
werden. Die einen großen Aufwand an elektronischen Mitteln erfordernde Ablesung
des durch die Stellung der einzelnen Codescheiben gegebenen Codebildes ergibt auch
bei richtiger Ablesung einen großen Fehler, da die Anzeige selbst ungenau ist. Sie
stellt nämlich ein Meßergebnis dar, das Fehler enthält, wie z. B. Steigungsfehler
der Spindel, Fehler durch Torsion der Spindel infolge ihres Antriebes, durch Spiel
und Abnutzung an Spindel, Schlitten und Übersetzungsgetrieben.
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Eine Schwierigkeit ergibt sich dazu noch bei der Ablesung des Codebildes,
wenn sich der Meßwert in der Nähe eines Punktes befindet, bei dem das Codebild wechselt.
Hier können an sich sehr kleine Ungenauigkeiten zur scheinbaren Darstellung falscher
Zahlen führen. Fehler dieser Art lassen sich zwar durch Anwendung der bekannten,
sogenannte V-Abtastung vermeiden. Dadurch wird aber der bei der Absolutmethode an
sich schon hohe Aufwand an elektronischen Mitteln weiter erhöht und damit die Möglichkeit
für das Auftreten von Defekten vergrößert, ohne daß die Genauigkeit der Messung
selbst verbessert wird.
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Es ist bekannt, bei der Lagemessung beide Verfahren zu kombinieren.
Die Kombination geschieht dabei in der Weise, daß die Grobmessung nach dem Absolut-,
die Feinmessung aber nach dem Inkrementalverfahren vorgenommen wird. Die beiden
Meßverfahren werden also jeweils nacheinander durchgeführt. Die Genauigkeit der
Messung wird deshalb durch das ungenauere der beiden kombinierten Meßverfahren bestimmt.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wegmessung für die numerische
Punktregelung von Werkzeugmaschinen unter gleichzeitiger Anwendung des absoluten
und des inkrementalen Meßverfahrens liegt die Aufgabe zugrunde, die den Absolutverfahren
und den Inkrementalverfahren eigenen Vorteile auszunutzen und ihre Mängel jedoch
zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird bei einem derartigen Verfahren erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die absolute und die inkrementale Wegmessung parallel arbeiten,
die absolute Messung jedoch nur dann wirksam wird, wenn die inkrementale Wegmessung
ein Signal abgibt, und daß der absolut gemessene Wert bis zur nächstfolgenden Messung
gespeichert bleibt.
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Weil die absolute Messung nur dann wirksam wird, wenn die inkrementale
Wegmessung ein Signal abgibt, wird erreicht, daß die Ablesung des Absolutwertes
immer dann und nur dann erfolgt, wenn sich das Organ, dessen Lage geregelt werden
soll, in derjenigen Lage befindet, die dem gerade absolut angezeigten Wert mit der
durch den Inkrementalmaßstab gegebenen Genauigkeit entspricht. Störimpulse können
sich nicht auswirken, da die Inkremente nicht gezählt werden. Im ungünstigsten Fall
können Störimpulse eine Ablesung des Codebildes zu einem Zeitpunkt auslösen, in
dem der angezeigte Wert nicht mit der Genauigkeit der Lage entspricht, wie zu dem
Zeitpunkt eines regulären Impulses. Ein Fehler dieser Art hat praktisch jedoch keine
Bedeutung, da die fälschlich abgelesene Lage mit außerordentlich großer
Sicherheit
nicht mit dem Sollwert übereinstimmt und deshalb keine Schaltvorgänge auslöst und
eine übernahme des Fehlers nicht stattfindet.
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Die beim Absolutverfahren nur umständlich vermeidbaren Fehler, die
beim Ablesen des von den Codescheiben angezeigten Wertes in einer Zeit, an der das
Codebild wechselt, auftreten können, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen.
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Bei einer Wegmeßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung,
bei durch Stellung des Organs, dessen Lage geregelt werden soll, ständig mittels
eines Codebildes als absoluter Wert erfaßt und in maschinell lesbarer Form angezeigt
wird und bei der ein zusätzlicher Inkrementalmaßstab am Maschinenbett angebracht
ist, dem eine eigene Ablesevorrichtung zugeordnet ist, derart, daß das absolute
und das inkrementale Meßsystem zusammenwirken, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß
die vom Inkrementalmaßstab in der ihm zugeordneten Ablesevorrichtung (7) erzeugten
Impulse zur Gewinnung des Ablesesignals einer Impulsformerstufe zugeführt sind,
die über einen Umschalter mit der Ablesevorrichtung für das Codebild verbunden ist,
deren Ausgang auf einen Signalspeicher führt.
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Die Abbildung zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für
eine Wegmeßeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das zu
positionierende Organ wird hierbei durch den Schlitten 1 gebildet. Er kann mittels
der Spindel 2 von dem Antriebsaggregat 3 bewegt werden. Die Stellung des Schlittens
1 wird über die ein Codebild liefernde Positionsanzeigevorrichtung 4 angezeigt,
die über ein Getriebe 5 mit dem Antriebsaggregat 3 und daher auch mit der Spindel
2 gekuppelt ist.
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Das Codebild an der Anzeigevorrichtung 4 kann mittels der Ablesevorrichtung
6 selbsttätig abgelesen werden. Da eine Ablesung immer dann und nur dann erfolgen
soll, wenn sich das Bild etwa in der Mitte zwischen zwei Stellungen befindet, bei
denen das Codebild wechselt, muß der Steuerbefehl dieser Bedingung entsprechend
kommen. Er wird aus einem mittels der auf dem Schlitten 1 angebrachten Ablesevorrichtung
7 beim Erreichen eines der auf dem Inkrementalmaßstab 8 angebrachten Marken erzeugten
Impuls gewonnen. Dieser Impuls gelangt zunächst an die Impulsformerstufe 9. Es ist
zweckmäßig, diese derart auszubilden, daß bei hohen Impulsfolgefrequenzen, d. h.
bei Bewegungen des Schlittens im Schnellgang, die Flankensteilheit der Impulse kleiner
gemacht wird, als bei kleinen Geschwindigkeiten. Der als Steuerbefehl dienende Impuls
gelangt über eine Umschalteinrichtung 10 an die Ablesevorrichtung 6, wobei er eine
Ablesung bewirkt.
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Das Ergebnis dieser Ablesung wird gespeichert und mit dem, in der
Vergleichseinrichtung 12 voreingestellten Wert verglichen. Wenn dieser mit der Ablesung
übereinstimmt, wird ein Signal gebildet, das erstens das Antriebsaggregat 3 auf
eine geringere Geschwindigkeit, den Schleichgang, herunterschaltet, zweitens ein
Umlegen der Umschalteinrichtung 10
bewirkt und drittens eine Änderung entweder
der Ablesung des Codebildes oder eine entsprechende Änderung des voreingestellten
Wertes auf den Sollwert bewirkt.
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Die Umschalteinrichtung 10 dient zur Feineinstellung auf zwischen
zwei Inkrementalmarken liegenden Abschaltwerten.
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Durch die Umlegung der Umschalteinrichtung 10
tritt an die Stelle
der fest mit dem Schlitten 1 verbundenen Ableseeinrichtung 7 die willkürlich um
mindestens den Abstand zweier Marken des Inkrementalmaßstabes verstellbare Ableseeinrichtung
13. Die von ihr abgelesenen Impulse gelangen, analog zu denen der Ableseeinrichtung
7, über eine Impulsformerstufe und die Umschalteinrichtung 10 an die Ableseeinrichtung
6.
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Im Zusammenwirken zwischen ihr, dem Speicher 11 und der Vergleichseinrichtung
12 wird beim Erreichen der Sollstellung ein Steuerbefehl gewonnen, der das Antriebsaggregat
3 über die Leitung 15 stillsetzt, wenn der Schlitten 1 seine Sollstellung erreicht
hat.