DE2536974A1

DE2536974A1 - Digital-differentialanalysator

Info

Publication number: DE2536974A1
Application number: DE19752536974
Authority: DE
Inventors: Richard Lynn Friberg
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-20
Publication date: 1976-03-04
Also published as: FR2282678A1; DE2536974C2; FR2282678B1; DE2560651A1; DE2560651C2; JPS5146682A; JPS5829528B2; IT1041963B; US3934130A

Description

Patenicnrwalie

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel
pi-iiii;. Weligcng Mckel

6 Fi-nnkiwri a. M. 1
siroßa 13

8251

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA

Digital-Differentialanalysator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital-Differentialanalysator (DDA) bzw. eine Ziffern-Integrieranlage und befaßt sich insbesondere mit DDA-Schaltungen, bei denen man die Ausgangsimpulsfolgefrequenz mit Faktoren maßstäblich ändern kann, bei denen es sich um andere Faktoren als die Potenzen der Basis des benutzten Zahlensystems handelt»

Die Arbeitsweise von DDA-Schaltungen ist allgemein bekannt. Dazu wird auf die US-PS 2 841 328 verwiesen. In DDA-Rechenschaltungen wird eine Variable durch einen Zug von Impulsen dargestellt, deren Impulsfolgefrequenz der Ableitung nach der Integrationsvariablen proportional ist· Aus der zitierten Patentschrift (vgl. auch Fig. 1 der Beschreibung) geht hervor, daß die
grundlegende DDA-Schaltung aus drei Elementen besteht: einem Zähler, der auf inkrementale Änderungen Δ ν des

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Integranden anspricht, um den Integranden V auf dem laufenden Wert zu halten, einem Rest-Register» das den gebrochenen Anteil des Integrals speichert, und einer Addier-Subtrahier-Schaltung, die aufgrund einer Einheitsänderung der Integrationsvariablen ^ u den gegenwärtigen Wert des Integranden mit dem gebrochenen Wert des Integrals addiert. Der Überlaufausgang des Restregisters stellt eine Einheitsänderung A ζ des Werts des Integrals dar. Wenn man den Fehler infolge des Werts des Restes vernachlässigt, ergibt sich die DDA-Ausgangsfrequenz wie folgt:

Az _m At M

Aus dieser Gleichung geht hervor, daß sich die Ausgangsfrequenz des DDA direkt proportional zur Variablen V und zur Eingangsfrequenz der Integrationsvariablen ändert. Die Konstante M ist ein Maßstabsfaktor, der von der Basis des benutzten arithmetischen Zahlensystems und von der Anzahl der Stufen des Rest-Registers abhängt· Wenn eine Binärarithmetik verwendet wird und wenn das

12 Rest-Register zwölf Stufen aufweist, ist M » 2 · Bei Verwendung einer Dezimalarithmetik und bei fünf Dezimalziffern des Rest-Registers ist M « 10 . Die Eingangsfrequenz der Integrationsvariablen U ist oft gleichförmig und wird durch die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um den Wert des Integranden zum Rest-Register zu addieren· Den Maximalwert, den V annehmen kann, wenn das Rest-Register ein 12-Stufen-Binärregister ist, beträgt 2-1, was bedeutet, daß sich die Ausgangsimpulsfolgefrequenz der Eingangsfrequenz der Integrationsvariablen annähern kann, jedoch niemals gleich ihr ist oder sie überschreitet. Wenn der Wert von V abnimmt, fällt die Ausgangsimpulsfolgefrequenz proportional ab. Wenn der Wert des Integranden V nie-

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mais 2 überschreitet, steigt die maximale Ausgangsfrequenz niemals über die Hälfte der Eingangsfrequenz an. Bei gewissen Anwendungen ist es erwünscht, eine hohe Ausgangsimpulsfolgefrequenz aufrechtzuerhalten, selbst wenn der durchschnittliche Wert des Integranden klein ist. Eine bekannte Möglichkeit zum Erhöhen der Ausgangsimpulsfolgefrequenz besteht darin₅ das überlaufsignal Δ ζ von einer tieferen Stufe des Rest-Registers abzunehmen. Wenn beispielsweise der Integrand V niemals

2 überschreitet, kann man das Überlaufsignal anstatt

von der zwölften Stufe des Rest-Registers von der elften Stufe abnehmen, so daß die Ausgangsimpulsfolgefrequenz nahezu gleich der Eingangsimpulsfolgefrequenz gemacht werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausgangsimpulsfolgefrequenz zwischen dem 0,5- und dem 1-fachen Wert der Eingangsfrequenz zu halten, und zwar in Abhängigkeit vom Wert und Bereich der Variablen V. Bei gewissen Anwendungen ist es erwünscht, die Ausgangsimpulsfolgefrequenz sehr dicht bei der Eingangsimpulsfolgefrequenz zu halten, und zwar unabhängig vom Wert des Integranden V. Es ist beispielsweise üblich, Digital-Differentialanalysatoren als Funktionsgeneratoren zur numerischen Werkzeugmaschinensteuerung zu verwenden· Ein Funktionsgenerator dieser Art ist aus der US-PS

3 449 554 bekannt. Nach diesem Stand der Technik (vgl. auch Fig. 5 der Beschreibung) empfängt der Funktionsgenerator einen Zug von Impulsen, die eine gewünschte Bahngeschwindigkeit darstellen, und löst den Impulszug in zwei Impulskomponenten auf, wobei jeder Impuls eine inkrementale Befehlsdistanz längs einer von zwei senkrecht aufeinanderstellenden Achsen darstellt. Wenn man den Ausgang des X-Integrators zur inkrementalen Veränderung des Y-Integranden heranzieht und umgekehrt, befiehlt der Funktionsgenerator dem Werkzeug eine kreisförmige Bogenbahn zu durchfahren. Die Anfangswerte der

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Integranden sind die X- und Y-Bogenmittelpunktversetzungen vom Startpunkt des Bogens. Jeder Ausgangsimpuls stellt eine inkrementale Bewegungedistanz längs der Achse dar. Trotz der bekannten Möglichkeit, nämlich das Überlauf signal an einer Stufe tieferer Ordnung des Rest-Registers abzunehmen, wird die tatsächliche Bahngeschwindigkeit nur innerhalb eines Bereiches von 0,5 bis 1,0 der gewünschten Bahngeschwindigkeit gehalten. Es wäre zweckmäßig, wenn man für alle Werte der X- und Y-Bogenmittelpunktsversetzungen die gewünschte Bahngeschwindigkeit beibehalten könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Digital-Differentialanalysator zu schaffen, bei dem die Ausgangsimpulsfolgefrequenz auch auf einen anderen Wert als einen Paktor der Basis des benutzten Zahlensystems ausgewählt werden kann.

Ferner soll es vorzugsweise möglich sein, daß die Ausgangsimpulsfolgefrequenz unabhängig von der Eingangsimpulsfolgefrequenz und der Größe des Integranden steuerbar ist.

Ferner soll nach der Erfindung ein Funktionsgenerator für eine Anordnung zur numerischen Werkzeugmaschinensteuerung geschaffen werden.

Fer Funktionsgenerator soll vorzugsweise derart weitergebildet sein, daß die tatsächliche Bahngeschwindigkeit unabhängig von der Anfangsgröße der X- und Y-Bogenmittelpunktsversetzungen so groß wie möglich gemacht werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, für eine Anordnung zur numerischen Bahnsteuerung bei

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Werkzeugmaschinen eine Einrichtung zum Erzeugen der X- und Y-Achsenbefehlsimpulse zu schaffen.

Eine nach der Erfindung ausgebildete DDA-Schaltung erzeugt inkrementale Änderungen eines Integrals darstellende Impulse mit einer Impulsfolgefrequenz, die durch eine programmierbare oder programmierte Restgrößezahl bestimmt ist» Ein Integrand-Zähler spricht auf Impulse an, die eine inkrementale Änderung des Integranden darstellen, um den Integranden laufend auf dem richtigen Wert zu halten· Beim Auftreten eines Impulses, der eine inkrementale Änderung der Integrationsvariablen darstellt, wird der gegenwärtige Wert des Integranden mit der in einem Rest-Register gespeicherten Zahl addiert, um eine vorläufig neue Restzahl zu erzeugen. Die vorläufig neue Restzahl wird mit der programmierten Restgrößezahl verglichen, und, falls der vorläufig neue Rest gleich oder größer als die programmierte Restgrößezahl ist, wird ein Impuls erzeugt, der eine inkrementale Änderung des Integrals darstellt, und der tatsächliche neue Rest wird dadurch gebildet, daß die programmierte Restgrößezahl von der vorläufigen neuen Restzahl subtrahiert wird.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blocksehaltbild einer bekannten DDA-Schaltung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer DDA-Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer DDA-Schaltung nach der Erfindung,

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Fig. 4 ein Blockschaltbild einer an sich üblichen Anordnung zur numerischen Kontursteuerung mit einer DDA-Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Geschwindigkeitssteuer- und Funktionsgeneratorteile der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung zur numerischen Kontursteuerung mit üblichen DDA-Schaltungen,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Geschwindigkeitssteuer- und Funktionsgeneratorteile der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung zur numerischen Kontursteuerung mit DDA-Schaltungen nach der Erfindung und

Fig. 7 eine grafische Darstellung mit einem Vergleich der Werte für die Konturgeschwindigkeit, die man theoretisch zum einen mit üblichen DDA-Schaltungen und zum anderen mit erfindungsgemäßen DDA-Schaltungen erhält.

In einer DDA-Rechenschaltung (DDA= Digital-Differentialanalysator bzw. digitale Integrieranlage) werden die Variablen durch Impulszüge dargestellt. Dabei stellt jeder Impuls eine inkrementale Änderung in der betreffenden Variablen dar.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten DDA-Schaltung gezeigt, wie sie beispielsweise aus der US-PS 2 841 328 bekannt ist.

Diese bekannte DDA-Schaltung 10 enthält einen Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler 12, einen Addierer-Subtrahierer 13 und ein Rest-Register 14. Der Zähler 12 spricht an seinem Δν-Eingang auf einen Impuls an, der eine inkrementale Änderung einer Variablen V darstellt. Weiterhin berücksichtigt der Zähler 12 an seinem S-Ein-

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gang ein Vorzeichensignal S, das anzeigt, ob die inkrementale Änderung eine Zunahme oder eine Abnahme des Wertes der Variablen darstellt, um die Variable V auf dem richtigen Wert zu halten. Ferner kann man den Zähler auf einen Anfangswert V_Q der Variablen V einstellen. Wenn am Au-Eingang des Addierers-Subtrahierers 13 ein Impuls, im allgemeinen ein Taktimpuls, auftritt, der eine inkrementale Änderung einer Variablen U darstellt, wird der gerade im Zähler 12 gespeicherte Wert der Variablen V dem alten Restteil des im Rest-Register 14 gespeicherten Integrals algebraisch hinzuaddiert, wobei ein neuer Rest erzeugt wird. Das Rest-Register 14 weist im allgemeinen dieselbe Anzahl von Stufen wie der Integrand- Vor/Rückwärts-Zähler 12 auf. Wenn als Folge des Addierens des gegenwärtigen Wertes des Integranden zu dem alten Wert des Restes die Kapazität des Rest-Registers 14 überschritten wird, wird ein überlaufsignal Δ ζ erzeugt, das eine inkrementale Änderung im Wert des Integrals Z darstellt. Ein auf das Überlaufsignal Δζ ansprechender Integral-Zähler 16 hält das Integral Z laufend auf dem richtigen Wert. Wenn man den Fehler vernachlässigt, der sich aus dem Wert des akkumulierten Restes ergibt, ist die Impulsfolgefrequenz amA'z-Ausgang des Registers 14 durch die folgende Gleichung gegeben:

Az _m V Au
M

Dabei hängt M von dem benutzten Zahlensystem und von der Anzahl der Stufen des Rest-Registers 14 ab. Die maximale Eingangsimpulsfolgefrequenz τχ ist im allgemeinen durch die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um die Addition des Integranden mit der alten Restzahl zu vervollständigen. Da V stets kleiner als M sein muß, kann die maximale Ausgangsimpulsfolgefrequenz nahezu

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gleich der maximalen Eingangsimpulsfolgefrequenz sein· Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß die Ausgangsimpulsfolgefrequenz dem Wert des Integranden direkt proportional und dem Wert von M umgekehrt proportional ist· Wenn ein Binärzahlensystem benutzt wird und der Zähler

12 und das Register 14 Jeweils aus zwölf Stufen bestehen, ist M gleich 2 oder 4096, Wenn bei einem gegebenen Problem der Maximalwert des Integranden 2047 ist, wird die maximale Ausgangsimpulsfolgefrequenz auf die Hälfte der Eingangsimpulsfolgefrequenz begrenzt. Eine bekannte Möglichkeit zum Erhöhen der Ausgangsimpulsfolgefrequenz bestand bei einem bekannten Maximalwert des Integranden von 2047 darin, das Rest-Register 14 als ein 11-Stufen-Register zu betrachten und ein Überlaufsignal Az zu erzeugen, wenn der Addierer-Subtrahierer

13 veranlaßte, daß die Kapazität dieses 11-Stufen-Registers überschritten wurde. Auf diese Weise erreichte man, daß trotz des Maximalwertes des Integranden von 2047 die maximale Ausgangsimpulsfolgefrequenz nahezu gleich der Eingangsimpulsfolgefrequenz war. Diese bekannte Möglichkeit zum Erhöhen der Ausgangsimpulsfolgefrequenz ist in gewissen Fällen hilfreich, ist jedoch weniger nützlich, wenn der Maximalwert des Integranden 2100 beträgt. In diesem Fall muß man die Gesamtkapazität des Rest-Registers verwenden, und die maximale Ausgangsimpulsfolgefrequenz ist geringfügig größer als die Hälfte der Eingangsimpulsfolgefrequenz·

Der Einfachheit halber sind gleiche oder einander ähnliche Elemente und Teile, die in mehreren Figuren dargestellt sind, in jeder Figur mit derselben Bezugszahl versehen. Die Flg. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer nach der Erfindung ausgebildeten DM-Schaltung, mit der man für einen beliebigen Maximalwert des Integranden die maximale Ausgangsimpulsfolgefrequenz erzielen kann. Wie

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bei der bekannten DDA-Schaltung so wird auch hier der Integrand in einem Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler 12 akkumuliert. Ein Restgröße-Register 18 speichert eine Zahl, die einem programmierten oder programmierbaren Wert des Restes entspricht, der, wenn er überschritten wird, die Erzeugung eines ÜberlaufimpulsesAz veranlaßt, der eine inkrementale Änderung im Wert des- Integrals darstellt. Ein Addierer-Subtrahierer 13 spricht auf eine inkrementale Änderung der Variablen U an, und zwar auf eine Änderung in Form eines A,u-Impulses, im allgemeinen eines Taktimpulses, um zu veranlassen, daß der gegenwärtige Wert des im Zähler 12 gespeicherten Integranden dem in einem Rest-Register 14 gespeicherten alten Restteil des Integrals algebraisch hinzuaddiert wird und daß das Ergebnis der Addition, das als "vorläufig neuer Rest" bezeichnet wird, über ein UND-Glied 30 und ein ODER-Glied 34 im Register 14 gespeichert wird. Ein Vergleicher 22 spricht ebenfalls auf die inkrementale Änderung der Variablen ü an und vergleicht den vom Addierer-Subtrahierer 13 erzeugten vorläufig neuen Rest mit der Zahl in dem Restgröße-Register 18 und erzeugt ein Überlaufsignal Δ'ζ» wenn der vorläufig neue Rest größer oder gleich der Restgröße-Zahl ist. Ein Addierer-Subtrahierer 20 spricht auf ein Signal vom Vergleicher 22 an einer Leitung 28 an. Dieses Signal zeigt an, daß der vorläufig neue Rest gleich oder größer als die programmierte Restgröße-Zahl ist und veranlaßt, daß die Restgröße-Zahl von dem vorläufig neuen Rest subtrahiert wird. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird im Rest-Register 14 über ein UND-Glied 32 und das ODER-Glied 34 gespeichert. Für den "kleiner als"-Fall führen die Einheiten 16 und 20 ihren Betrieb unverändert weiter, wohingegen die Einheit 14 den Ausgang der Einheit 13 empfängt.

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Beim Betrieb spricht der Zähler 12 auf einen Impuls an seinem Δν-Eingang an und zählt in Abhängigkeit vom Zustand des Vorzeichensignals S um einen Schritt vorwärts oder rückwärts · Wenn am Äu-Eingang ein Impuls erscheint, addiert der Addierer-Subtrahierer 13 den gegenwärtigen Wert des Integranden zu dem alten Rest (in 14) und liefert das Ergebnis (den vorläufig neuen Rest) zum Vergleicher 22, der den vorläufig neuen Rest mit der Zahl in dem Restgröße-Register 18 vergleicht· Wenn der vorläufig neue Rest kleiner als die Restgröße-Zahl ist, wird der vorläufig neue Rest zu dem tatsächlichen neuen Rest (in Einheit 14) und die DDA-Schaltung ist bereit, auf den nächsten Impuls am Au-Eingang anzusprechen. Wenn der vorläufig neue Rest gleich oder größer als die Restgröße-Zahl ist, erzeugt der Vergleicher 22 einen Überlaufimpuls am Δζ-Ausgang, der eine inkrementale Änderung des Wertes des Integrals darstellt, und gibt den Addierer-Subtrahierer 20 frei, der die programmierte Restgröße-Zahl von dem vorläufig neuen Rest subtrahiert und das Ergebnis in dem Rest-Register 14 speichert· Die DDA-Schaltung ist dann bereit, auf den nächsten Impuls am Äü-Eingang anzusprechen, der eine weitere inkrementale Änderung der Variablen U anzeigt. Die Zahl im Restgröße-Register ist derart gewählt, daß sie gleich oder geringfügig größer als der Maximalwert des Integranden ist. Wenn daher der Integrand den Maximalwert aufweist, ist die Ausgangsimpulsfolgefrequenz gleich oder nahezu gleich der Eingangsimpulsfolgefrequenz,

Obwohl die erfindungsgemäße DDA-Schaltung an Hand eines besonderen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, liegt es für den Fachmann auf der Hand, daß die DDA-Schaltung auch beispielsweise in einem programmierten Digitalrechner verwirklicht werden kann. Das Restgröße-Register 18 und das Rest-Register 14 sowie der Integrand-Speicher wären dann RechnerSpeicherplätze, und die Zählfunktion

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des Zählers 12 als auch die Punktionen der Addierer-Subtrahierer 13 und 20, des Vergleichers 22 und der Verknüpfungsglieder 30, 32 und 3A- würden durch entsprechende arithmetische und logische Befehle im Rechner ausgeführt werden·

Die in der Fig. 2 dargestellte Anordnung ist auf Fälle begrenzt, bei denen der vorläufig neue Rest höchstens das Doppelte der Restgröße-Zahl beträgt. In dem Grenzfall, bei dem die Verdopplung genau stimmt, erzeugt ein Au-Impuls einen Δz-Impuls. Wenn die neue Rest-Zahl den zweifachen Wert der Restgröße-Zahl Überschreiten kann, wird es notwendig sein, eine Divisionsoperation durchzuführen· Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die vom Addierer-Subtrahierer 13 erzeugte vorläufig neue Rest-Zahl dem Dividenden-Eingang eines arithmetischen Dividierers 21 zugeführt, und die Restgröße-Zahl wird an den Divisor-Eingang des arithmetischen Dividierers 21 gelegt· Der am Ausgang des arithmetischen Dividierers 21 auftretende Divisionsrest wird dem Rest-Register 14 zugeführt und der am Ausgang des arithmetischen Dividierers 21 auftretende Quotient wird an einen Δζ-Impulsgenerator 23 gelegt, der die Anzahl der Δz-Impulse in Abhängigkeit vom Wert des Quotienten bestimmt· Der Dividierer 21 vergleicht notwendigerweise den Divisor mit dem Dividenden und stellt daher eine dem Vergleicher 22 in der Fig. 2 analoge Einheit dar. Weiterhin ist die Division eine einer wiederholten Subtraktion äquivalente Maßnahme, so daß der Dividierer 21 der Einheit 20 der Fig. 2 analog ist·

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß bei gewissen DDA-Anwendungen entweder die Restgröße-Zahl oder der Wert des Integranden konstant sein können und daher von Hand mit Hilfe von Schaltern eingestellt werden können.

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Die Vorzüge der erfindungsgemäßen DDA-Schaltung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Funktionsgenerators hervor, der zur numerischen Konturen- oder Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine eingesetzt wird.

In der Fig· 4 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer typischen, an sich bekannten Anordnung zur numerischen Bahnsteuerung dargestellt·

Die gezeigte Anordnung zur numerischen Bahnsteuerung hat zwei Bewegungsrichtungen, und zwar eine in einer X-Achse und eine andere in einer Y-Achse· Die beiden Achsen stehen senkrecht aufeinander und liegen in einer Ebene. Abweichend davon können aber auch mehr als zwei oder nur eine Bewegungsachse vorgesehen sein. Die miteinander vereinten Bewegungsachsen liefern die tatsächliche resultierende Bewegung. Eine numerische Dateneingabeeinheit 40 liefert die numerische Befehlsinformation. Diese Information kann sich auf einer Lochkarte, einem Lochband, einem Magnetband oder auf einem anderen Aufzeichnungsträger befinden. Im allgemeinen enthält diese Information eine gewünschte Relativbewegung zwischen einem Werkzeug, beispielsweise einem Fräser,und einem zu bearbeitenden Werkstück sowie die gewünschte Bahnrichtung der Relativbewegung, Die numerische Dateneingabeeinheit 40 liest die Befehlsinformation und erzeugt entsprechende elektrische Signale zur Steuerung der Anordnung und zur Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Anordnung benutzt Impulse oder Impulszüge, die Befehlsinkremente für die Bewegung darstellen· So erzeugt ein Taktoszillator 41 Impulse mit einer Frequenz von C1. Diese C1-Frequenz wird in einem Impulsfrequenzteiler 42 geteilt oder herabgesetzt· Der Frequenzteiler 42 erzeugt Impulse verschiedenartiger Frequenzen einschließlich einer in der Figur eingezeichneten Frequenz C2· Der Im-

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pulsfrequenzteiler 42 liefert auch Impulse zu einem Sinus- und Kosinus-Generator 43, der ein Sinus- und Kosinussignal zur Verwendung im Servoteil der Anordnung erzeugt.

Vom Impulsfrequenzteiler 42 werden Impulse einer manuellen Vorschubübersteuerungseinheit 44 zugeführt, die es einer Bedienungsperson gestattet, die Geschwindigkeit der Relativbewegung manuell zu steuern· Die manuelle Vorschubübersteuerungseinheit 44 liefert Impulse an eine Geschwindigkeitsbefehlseinheit 45, die die ankommende Impulsfrequenz von der manuellen Vorschubübersteuerungseinheit 44 um einen Betrag modifiziert, den die numerische Dateneingabeeinheit 40 anfordert. Die Geschwindigkeitsbefehlseinheit 45 liefert dann Bahngeschwindigkeitsimpulse CV, Diese Bahngeschwindigkeitsimpulse CV treten mit einer Impulsfolgefrequenz auf, die längs der zu schneidenden Bahn die resultierende Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück angibt.

Die Bahngeschwindigkeitsimpulse CV werden einem Bahnfunktionsgenerator 46 zugeführt, der die Impulse CV in X- und Y-Komponentenimpulse auflöst, wobei jeder Komponentenimpuls ein Befehlsinkrement der Bewegung längs der X- bzw, Y-Achse darstellt. Die Ausgangsimpulsfolgefrequenz wird dann durch die Befehlsgeschwindigkeit längs der Achse dargestellt. Die Komponenten der Impulse sind mit Ay und Δχ bezeichnet und werden Y- und X-Distanz-Zählern 47 und 48 sowie Y- und X-Befehlsphase-Zählem 49 und 50 zugeführt. Wie es durch unterbrochene Linien dargestellt ist, können die ^y-Impulse und ^x-Impulse Y- und X-Distanz-Zählern 47 und 48 oder X- und Y-Distanz-Zählern 48 und 47 zugeführt werden. Diese Maßnahme wird getroffen, damit der Bahnfunktionsgenerator 46 lediglich in einem Quadranten, also über einen Winkel von 90°, zu arbeiten

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braucht. Wenn zusätzliche Bewegungsquadranten erwünscht sind, wird Information von der numerischen. Dateneingabeeinheit 40 dem Bahn funktionsgenerator 46 und den Distanz-Zählern 47 und 48 zugeführt, um den Funktionsgeneratorquadranten wirksam in einen anderen Quadranten zu verschieben. Auf diese Weise kann man in allen vier Quadranten, d.h. über einen Winkel von 360°, eine Bewegung vorsehen. Den Distanz-Zählern 47 und 48 wird Information zugeführt, um die in einer vorgegebenen Operation zurückgelegte Distanz auf einen gewissen vorbestimmten absoluten Punkt zu begrenzen, so daß sich Fehler nicht akkumulieren. Nachdem die vorbestimmte Anzahl von ΔΥ- oder Δ x-Impulsen durch die betreffenden Distanz-Zähler gelaufen sind, verhindern die Distanz-Zähler, daß weitere Impulse durch die Befehlsphase-Zähler 49 und 50 geleitet werden, und bringen die Bewegung längs der betreffenden Achsen zum Stillstand. Jeder der Befehlsphase-Zähler 49 und 50 erzeugt ein Signal, dessen Phase sich proportional zur Anzahl der seinem Eingang zugeführten £x- oder £y-Impulse ändert. Die phasenveränderlichen Ausgangssignale der Befehlsphase-Zähler 49 und 50 werden zugehörigen Y- und X-Phasendiskriminatoren 51 und 52 zugeführt.

Die Phasendiskriminatoren 51 und 52 vergleichen die Phasen der Signale von den zugehörigen Y- und X-Bef ehlsphase-Zählern 49. und 50 mit den Phasen von Signalen von Y- und X-Resolvern 53 und 54 und erzeugen Steuersignale, die Y- und X-Servos 55 und 56 zugeführt werden. Diese Servos 55 und 56 bewirken die Bewegung eines Werkzeugs 57 in der Y- und X-Richtung, wie es durch unterbrochene Linien angedeutet ist. Die Y- und X-Servos 55 und wirken auch auf die Y- und X-Resolver 53 und 54 ein. Wenn sich die Resolver 53 und 54 bewegen, ändern sich die Phasen ihrer Ausgangssignale· Solange zwischen den beiden Signalen, die einem Phasendiskrlminator zugeführt werden,

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eine Phasendifferenz besteht, wird eine Bewegung angefordert· Bei dieser Bewegung bewegt sich das Werkzeug und die Resolver. Wenn die Anordnung richtig arbeitet, werden keine weiteren Bewegungssignale erzeugt, sobald das Werkzeug die befohlene oder gewünschte Position erreicht hat.

In der Fig. 5 ist gezeigt, wie man die bekannten DDA-Schaltungen nach der Fig. 1 einsetzen kann, um den CV-Impulszug sowie die Ay- und yxx-Ofapulszuge _Zu erzeugen, um eine kreisförmige Bogenbahn auszuführen. Der Impulszug von der manuellen Vorschubübersteuerungseinheit 44 wird dem Äu-Eingang einer DDA-Schaltung 1OC zugeführt (Einheit 45 in Fig. 4). Die numerische Dateneingabeeinheit 40 veranlaßt, daß eine Konstante F in den Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler der DDA-Schaltung 1OC gebracht wird. Die Ausgangsfrequenz der DDA-Schaltung 1OC ist dann dem Verhältnis von F zu der bereits erwähnten Maßstabskonstanten M direkt proportional. Die Y- und X -Versetzungsdistanzen des Startpunkts des Bogens gegenüber dem Mittelpunkt des Bogens sind in den betreffenden Integrand-Vor/ Rückwärts-Zählem von DDA-Schaltungen 1OA und 1OB gespeichert. Die Vorzeichen S der DDA-Schaltungen 1OA und 1OB werden ebenfalls von der numerischen Dateneingabeeinheit 40 gesteuert, und zwar in Abhängigkeit vom Betrieb squadranten und der Drehrichtung. Bei einem vorgegebenen Bogen wird der eine Integrand stets rückwärts und der andere stets vorwärts gezählt. Das ÄV-Ausgangssignal der DDA-Schaltung 1OA wird dem ^v-Eingang der DDA-Schaltung 1OB und der^' x-Ausgang der DDA-Schaltung 1OB wird dem Äv-Eingang der DDA-Schaltung 1OA zugeführt.

Unter der Annahme, daß die CV-Impulsfrequenz ihren maximalen Wert Vmax hat, beträgt die tatsächliche Befehlsbahngeschwindigkeit einen Bruchteil der Maximal-

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geschwindigkeit,wie es durch die X- und Y-Radiusversetzungen bestimmt ist, die in den DDA-Integrand-Zählern programmiert sind. Wenn man wie zuvor eine Binärarithmetik verwendet, ist es möglich, den Überlauf oder ^z- Ausgang einer DDA-Schaltung 10 (1OA, 1OB, 10C) einer Stufe niedrigerer Ordnung zu nehmen und damit die Ausgangsimpulsfolgefrequenz dieser DDA-Schaltung 10 zu erhöhen. Wenn man diese Technik bei dem bekannten Funktionsgenerator anwendet, kann man die Beziehung zwischen der tatsächlichen Befehlsgeschwindigkeit und der theoretischen maximalen Geschwindigkeit der ausgezogenen Linie in der Fig. 7 entnehmen. Wenn somit der Bahnradius 2ⁿ⁺^ Einheiten beträgt, ist die Bahngeschwindigkeit nahezu gleich dem maximalen Geschwindigkeitswert Vmax. Wenn der Radius abnimmt, nimmt die tatsächliche Befehlsgeschwindigkeit proportional ab. Sobald der Radius unter 2ⁿ⁺ abfällt, kann man den Überlauf Δ ζ vom Ausgang der nächst niedrigeren Stufe verwenden, und die Maximalgeschwindigkeit Vmax wird nahezu wieder erreicht. Nimmt der Radius weiter ab, kann man in entsprechender Weise den Überlauf von der darauffolgenden niedrigsten Stufe verwenden.

In der Fig. 6 ist dargestellt, wie die erfindungsgemäßen DDA-Schaltungen eingesetzt werden können, um die Δγ- und Δχ-Impulszüge zu erzeugen und kreisförmige. Bogenbahnen mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu durchfahren. Wie bei dem Funktionsgenerator nach der Fig. 4 programmiert die numerische Dateneingabeeinheit 40 die Radiusversetzungsdistanzen X_Q und Y_Q in die Integrand-Zähler und steuert auch die Vorzeicheneingänge S zu DDA-Schaltungen 11A und 11B. Der Impulszug von der manuellen Vorschubübersteuerungseinheit 44 wird dem Au-Eingang der DDA-Schaltungen 11A und 11B direkt zugeführt. Die in der Fig. 4 dargestellte Einheit 45 oder die

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in der Fig. 5 dargestellte Einheit 1OC können daher entfallen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar. Der Δχ-Ausgangsimpulszug der DDA-Schaltung 11B wird dem Δν-Impulseingang der DDA-Schaltung 11A und der Ay-Ausgangsimpulszug der DDA-Schaltung 11A wird dem Δν-Impulseingang der DDA-Schaltung 11B zugeführt, um einen kreisförmigen Bogen zu erzeugen.' Die numerische Dateneingabeeinheit 40 programmiert die Restgröße-Zahl in die Restgröße-Register (Eingänge RS) der DDA-Schaltungen 11A und 11B. Um die Möglichkeit der DDA-Schaltungen voll auszuschöpfen, ist die Restgröße-Zahl derart programmiert, daß sie dem Radius des Kreisbogens direkt proportional und der gewünschten Geschwindigkeit längs des Bogens umgekehrt proportional ist. Die Proportionalitätskonstante ist der Maximalgeschwindigkeit, die der Impulsfrequenz von der Einheit 44 entspricht, gleich oder proportional. Wenn die Impulsfrequenz von der manuellen Vorschubübersteuerungseinheit 44 der maximalen Geschwindigkeit entspricht und die Restgröße-Zahl derart gewählt ist, daß sie gleich dem Radius des Bahnbogens ist, stimmt die tatsächliche Bahngeschwindigkeit mit dem maximalen Wert überein. Die in der Fig. 7 dargestellte gestrichelte Linie 61 zeigt die tatsächliche Befehlsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Radius, wenn erfindungsgemäße DDA-Schaltungen benutzt werden, um den Funktionsgenerator einer Anordnung zur numerischen Bahnsteuerung bei Werkzeugmaschinen zu verwirklichen. Die Kurve zeigt, daß die maximale Bahngeschwindigkeit bei jedem beliebigen Wert des Bahnradius erreicht werden kann.

Die Erfindung wurde an Hand eines besonderen Ausführungsbeispiels erläutert. Es liegt auf der Hand, daß verschiedenartige Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne die erfindungsgemäße Lehre zu verlassen. Wenn beispielsweise die in den X- und Y-Integrand-Zähler programmierten Zahlen durch die ^y- und

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Ausgangsimpulse nicht geändert werden, befiehlt der
Funktionsgenerator eine gerade Bahn mit einer Neigung,
die von den in dem X- und Y-Integrand-Zähler gespeicherten Zahlen abhängt. Weiterhin kann man durch Steuern der Modifikation des X- und Y-Integrand-Zählers andere Bahnformen erzeugen, beispielsweise Parabeln.

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Claims

Patentansprüche

ünteranordnung für einen Digital-Differentialanalysator (DDA) zur Maßstabsänderung des DDA um einen auswählbaren Faktor, der nicht auf eine Potenz der Basis des im DDA verwendeten Zahlensystems begrenzt ist, und zur Lieferung von Überlaufausgangsimpulsen, die inkrementale Änderungen für ein berechnetes digitales Integral darstellen, um den Wert des digitalen Integrals auf den neuesten Stand zu bringen, wobei der DDA enthält:

a) einen Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler zum Speichern einer ersten Digitalzahl, die den gegenwärtigen Wert eines variablen Integranden darstellt,

b) ein Rest-Register zum Speichern einer zweiten Digitalzahl, die den "gebrochenen" Anteil des digitalen Integrals darstellt und mit "Rest" bezeichnet wird,

c) arithmetische und logische Schaltungsmittel, die aufgrund eines jeden einer Folge von Eingangsimpulsen betätigbar sind, von denen jeder eine inkrementale Änderung der Integrationsvariablen darstellt, um auf der Grundlage des Inhalts des Zählers und des Registers eine arithmetische Operation auszuführen und das endgültige Resultat der arithmetischen Operation als auf den neuesten Stand gebrachter Rest in das Rest-Register zu bringen sowie gelegentlich einen der Überlaufimpulse zu erzeugen, und

d) einen Integral-Zähler zum Zählen der Überlaufimpulse und zum Speichern des akkumulierten Zählwerts als das genannte digitale Integral,
gekennzeichnet durch

e) ein in der Unteranordnung enthaltenes "Restgröße "-Register (18) zum Speichern einer dritten Digitalzahl, die eine programmierbare Restgröße darstellt, und

f) eine solche Ausgestaltung der arithmetischen und logischen Schaltungsmittel (13, 20, 22, 30, 32, 34 in Fig. 2; 13, 21, 23 in Fig. 3), daß die Mittel aufgrund jedes Eingangsimpulses (1) die erste und die zweite Digi-' talzahl algebraisch summieren, um eine vorläufig neue Restzahl zu bilden, (2) den Betrag der vorläufig neuen Restzahl mit dem Betrag der programmierbaren Restgröße-Zahl vergleichen, (3) die Eingabe der vorläufig neuen Restzahl in das Rest-Register (14) veranlassen, wenn die vorläufig neue Restzahl kleiner als die programmierbare Restzahl ist, und (4), wenn die zuerstgenannte Zahl nicht kleiner als die zuletztgenannte Zahl ist, die Erzeugung eines tJberlaufimpulses, die Subtraktion der zuletztgenannten Zahl von der zuerstgenannten Zahl und die Eingabe der Subtraktionsdifferenz als auf den neuesten Stand gebrachte Restzahl in das Rest-Register (14) veranlassen,

2, Unteranordnung nach Anspruch 1,mit einem ersten Addierer-Subtrahierer zum algebraischen Summieren der gegenwärtig gespeicherten Werte des Integrand-Zählers und des Rest-Registers und zum Erzeugen des vorläufig neuen Restes am Ausgang des ersten Addierers-Subtrahierers, dadurch gekennzeichnet, daß die arithmetischen und logischen Schaltungsmittel enthalten:

einen eingangsseitig an den ersten Addierer-Subtrahierer (13) und an das Restgröße-Register (18) angeschlossenen Vergleicher (22), der die Überlaufimpulse abgibt und Signale liefert, die die im Anspruch 1 zitierten Beziehungen "kleiner als" und "nicht kleiner als" darstellen,

einen mit seinem Minuend- und Subtrahend-Eingang an das Rest-Register (14) und das Restgröße-Register (18) angeschlossenen zweiten Addierer-Subtrahierer (20), der mit einem Steuereingang an den "kleiner als/nicht kleiner als^l!-Ausgang des Vergleichers (22) angeschlossen

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ist und an einem Ausgang ein Signal abgibt, das der algebraischen Differenz an seinen Eingängen entspricht, wenn eine "nicht kleiner als"-Beziehung besteht, und

eine Logikschaltung (30, 32, 34), die eingangsseitig an den zweiten Addierer-Subtrahierer (20) und den Vergleicher (22) und ausgangsseitig an das Rest-Register (14) angeschlossen ist, um in das Rest-Register den geeigneten neuen Rest zu geben, wie es durch das Vorhandensein einer "kleiner als"-oder "nicht kleiner als"-Beziehung gefordert ist.

3. ühteranordnung nach Anspruch 1 mit einem Addierer-Subtrahierer zum algebraischen Summieren der gegenwärtig gespeicherten Werte des Integrand-Zählers und des Rest-Registers und zum Erzeugen des vorläufigen Restes am Ausgang des Addierers-Subtrahierers, gekennzeichnet durch

einen mit seinem Divisoreingang an den Ausgang des Restgröße-Registers (18) und mit seinem Dividendeneingang an den Ausgang des Addierers-Subtrahierers (13) angeschlossenen arithmetischen Dividierer (21), dessen Divisionsrestausgang an den Eingang des Rest-Registers (14) angeschlossen ist, um in das Rest-Register den tatsächlich neuen Rest einzugeben, und

einen an den Quotientenausgang des arithmetischen Dividierers (21) angeschlossenen Impulsgenerator (23)> der aufgrund des Quotienten Überlaufausgangsimpulse erzeugt,

4. Digital-Differentialanalysator wie in den Abschnitten a), b), c) und d) des Anspruchs 1 beschrieben, gekennzeichnet durch eine Unteranordnung wie in den Abschnitten e) und f) des Anspruchs 1 oder wie im Anspruch 2 oder wie im Anspruch beansprucht.

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5. Digitaler Funktionsgenerator mit einer Impulsquelle, deren Impulse eine auswählbare, im wesentlichen gleichförmige Impulsfolgefrequenz haben, zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Überlaufimpulszuges der im Anspruch 1 zitierten Art, wobei die Impulse jedes Impulszuges mit einer Impulsfolgefrequenz auftreten, die eine gewünschte inkrementale Vorschubgeschwindigkeit längs einer ersten bzw. zweiten Achse eines kartesischen Koordinatensystems für eine zu berechnende mathematische Funktion darstellt, die in das kartesische Koordinatensystem eingezeichnet werden kann,
gekennzeichnet durch

einen ersten und einen zweiten Integrand-Vor/ Rückwärts-Zähler jeweils wie im Anspruch 1 zitiert,

ein erstes und ein zweites zugeordnetes Rest-Register jeweils wie im Anspruch 1 zitiert und

eine erste und eine zweite zugeordnete Unteranordnung jeweils wie in den Ansprüchen 2 oder 3 zitiert, die den ersten bzw. zweiten Überlaufimpulszug erzeugen, und dadurch daß

die Impulsquellen direkt mit dem Integrationsvariableneingang der im Anspruch 2 oder 3 genannten ersten Addierer-Subtrahierer-Einheit verbunden sind und die erste und die zweite Uhteranordnung durch Verbindungen vom Überlaufimpulsausgang der einen Unteranordnung zum Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler der anderen Unteranordnung und umgekehrt über Kreuz miteinander verbunden sind, so daß der in jedem Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler gespeicherte Inhalt durch die Überlaufimpulse der anderen Unteranordnung geändert wird.

6. Digitaler Funktionsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Überkreuzverbindung eine direkte Verbindung ist, so daß die zu berechnende mathematische Funktion eine Kreisfunktion darstellt.

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7. Digitaler Funktionsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Überlaufimpuls einer Unteranordnung den Inhalt des Integrand-Vor/Rückwärts-Zählers der anderen Unteranordnung um den numerischen Wert von 1 ändert und umgekehrt.

8. Digitaler Funktionsgenerator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Restgrößezahl-Registern der Unteranordnungen dieselbe Restgrößezahl gespeichert ist.

9. Digitaler Funktionsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Restgrößezahl derart ausgewählt ist, daß sie dem Radius der zu berechnenden Kreisfunktion direkt proportional und der beabsichtigten Vorschubgeschwindigkeit längs der berechneten Kreisfunktion umgekehrt propotional ist,

10. Digitaler Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 5 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die im Anspruch 5 zitierte Impulsquelle auch zur Synchronisation der Arbeitsweise der Komponenten des digitalen Funktionsgenerator dient.

11. Anordnung zur automatischen numerischen Werkzeugmaschinensteuerung,

dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Funktionsgenerator nach dem Anspruch 5, 6 oder 7 vorgesehen ist, daß die Impulsquellen ihre Impulse mit einer Impulsfolgefrequenz liefern, die allgemein einer gewünschten Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück entspricht, daß die Impulse ohne die Notwendigkeit einer Modifikation in eine Bahngeschwindigkeitsfrequenz direkt den ersten Addier-Subtrahier-Einheiten

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zugeführt werden und daß ein erster und ein zweiter Distanz-Zähler vorgesehen sind, von denen jeder einen Integral-Zähler nach Anspruch 1 darstellt und den ersten bzw, zweiten Impulszug empfängt.

12. Anordnung nach Anspruch 8 mit einer numerischen Dateneingabeeinheit,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabeeinheit zumindest anfangs gewünschte Restgrößezahlen in das erste und das zweite Restgröße-Register eingibt und Anfangswerte und Inkr ementvor zei chensignale in den ersten und den zweiten Integrand-Vor/Rückwärts-Zähler eingibt.

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