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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Feststellung einer absoluten Position eines Servoregelsystems
zur Steuerung eines Servomotors.
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Servomotore werden weithin für die sehr genaue Positionierung
von bewegbaren Elementen eines Industrieroboters oder
ähnlichem verwendet und sind servogesteuert.
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Wenn eine derartige Servosteuerung durchgeführt wird, gibt es
Fälle, in denen die absolute Position eines Servoregelsystems
festgestellt wird, um die Position zu erhalten, siehe z. B.
W. Sinon, "Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen",
Carl Hanser Verlag, München, 1971, Seiten 85 bis 98. Eine
weitere Anordnung der in Fig. 4 gezeigten Art ist zur
Feststellung der absoluten Position anwendbar. In Fig. 4
bezeichnet das Bezugszeichen 110 einen absoluten Decoder (encoder),
welcher zusammen mit einem Impulscodierer 116 direkt mit der
rotierenden Welle eines Servomotors 105 verbunden ist. Der
absolute Decoder umfaßt eine Scheibe, deren Umfang mit
Codierungen entsprechend der Rotationsstellung versehen ist,
und optische Leseeinrichtungen zum Lesen des Codes an einer
speziellen Position. Der absolute Decoder kann mit dem
Impulscodierer 116 integriert sein. Die Bezugszeichen 111a,
111b bezeichnen Zahnräder, welche jeweils auf der rotierenden
Welle des Servomotors 105 und der rotierenden Welle eines
Drehwinkelgebers zur Übertragung der Rotationsbewegung des
Servomotors 105 auf den Drehwinkelgeber 202 vorgesehen sind.
Es wird vorausgesetzt, daß der vollständige Hub eines
bewegbaren Elementes 112, welches durch die Drehbewegung des
Servomotors 105 angetrieben wird, 1 ist, wie in den Fig. 3
und 4 gezeigt ist, und daß die Anzahl der Umdrehungen des
Motors 105, welche für diesen Hub benötigt werden, Pm ist
(die Anzahl Pm der Umdrehungen ist nicht auf eine ganze Zahl
beschränkt). In einem solchen Fall ist das
Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 111a, 111b in einer
derartigen Weise bestimmt,daß der Drehwinkelgeber 202 eine
Umdrehung pro Pm Umdrehungen des Motors 105 ausführt.
Entsprechend führt der Drehwinkelgeber 202 eine Umdrehung für
eine Bewegung entlang des gesamten Hubs 1 aus PCC stellt
eine Positionssteuerschaltung dar, welche eine
Fehlerberechnungs- und Speichereinheit 107 aufweist. RPC
bezeichnet eine Drehwinkeldetektionsschaltung zur Ausgabe
einer Rasterstellung Ri aufgrund der Feststellung einer
Phasendifferenz von dem Ausgangssignal des Drehwinkelgebers
202. APC stellt eine absolute Stellungsdetektorschaltung zur
Feststellung einer absoluten Position A des bewegbaren
Elementes 112 aus der Rasterstellung Ri und einem
Ausgangssignal Ah des absoluten Decoders 110 dar.
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Somit werden beim Stand der Technik sowohl ein absoluter
Decoder und ein Drehwinkelgeber verwendet, um die absolute
Position eines Servoregelsystems festzustellen. Jedoch
handelt es sich bei einem Drehwinkelgeber um einen sich
drehenden Wandler mit einem Stator und Rotorwindungen. Fig.
5 ist eine teilweise gebrochene perspektivische Ansicht zur
Darstellung des Aufbaus eines solchen Drehwinkelgebers. In
der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 202a eine Welle, 202b
einen Lagerstellring, 202c einen Stator, 202d eine
Anschlußklemme, 202e einen Schleifring, 202f einen
Statorkäfig, 202g ein Gehäuse, 202h einen Rotor und 202i ein
Kugellager.
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Daher ist ein Drehwinkelgeber ein mechanischer Detektor von
einer komplizierten Konstruktion und erfordert deshalb einen
beträchtlichen Raumbedarf, ist kostenintensiv und erfordert
sowohl Zeit und Arbeit bei der Montage und Unterhaltung.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht eine
Vorrichtung zur Feststellung einer absoluten Position eines
Servoregelsystems vor, deren Vorrichtung so gestaltet sein
kann, daß sie einen kompakten Raumbedarf erfordert, preiswert
ist und vorteilhaft bezüglich Montage und Unterhalt ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur
Feststellung der absoluten Position eines Servoregelsystems
zur Feststellung einer absoluten Position eines durch einen
Servomotor angetriebenen bewegbaren Elementes vorgesehen, mit
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einem ersten absoluten digitalen Decoder zum Aufteilen einer
Bewegung des bewegbaren Elements in eine Vielzahl von
Rasterstellungen,
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einem zweiten absoluten digitalen Decoder zum Feststellen
einer Position des bewegbaren Elementes in einem Zwischenraum
zwischen jeweils zwei benachbarten der genannten
Rasterstellungen, und
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Mittel zur Feststellung einer absoluten Position des
bewegbaren Elementes auf der Grundlage von Ausgangssignalen
der ersten und zweiten absoluten Stellungsdecoder,
dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor eingerichtet ist,
das bewegbare Element entlang einer gradlinigen Bahn mit
einem vorgegebenen Hub 1 anzutreiben, wobei der zweite
absolute Stellungsdecoder direkt durch den Servomotor
angetrieben wird, und der erste absolute Stellungsdecoder
durch den Servomotor über einen Untersetzungsmechanismus
angetrieben wird, so daß der erste absolute Stellungsdecoder
sich einmal pro Anzahl m von Umdrehungen dreht, die von dem
Servomotor ausgeführt werden, um einen einzelnen
vollständigen gradlinigen Hub 1 des bewegbaren Elementes zu
erzeugen, wobei der Winkel α des ersten absoluten
Stellungsdecoders eine unzweideutige grobe Position des
gradlinig bewegbaren Elements entlang seines Hubs zur
Verfügung stellt, welcher in Kombination mit der durch den
zweiten absoluten Stellungsdecoder erzeugten Anzeige eine
genaue Anzeige der Position des bewegbaren Elements entlang
seines Hubs 1 liefert, da der erste absolute Stellungsdecoder
den mechanischen Winkel α einer eine Rasterstellung
erzeugenden Schaltung zuführt, welche eine Rasterstellung
berechnet, und daß der zweite absolute Decoder die gleiche
Anzahl von absoluten Stellungen für jeden ganzen Teil einer
vollständigen Umdrehung des Servomotors ausgibt, so daß dann
die Rasterstellung in eine Rasterstellung des zweiten
absoluten Decoders für die i-te Umdrehung des Servomotors
umgewandelt wird, wobei die endgültige absolute Position des
gradlinig bewegbaren Elements als eine Kombination der
Rasterstellung und des Feststellungsausgangssignals des
zweiten absoluten Decoders bereitgestellt wird. Im Vergleich
mit der herkömmlichen Vorrichtung zur Feststellung einer
absoluten Position mit einem Drehwinkelgeber erfordert eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weniger Platz, ist
preiswert und vorteilhaft bezüglich der Montage und der
Instandhaltung.
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Fig. 1 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer
Vorrichtung zur Feststellung einer absoluten Position eines
Servoregelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 ist ein Gesamtblockschaltbild, welches ein Verfahren
zur Feststellung einer absoluten Position in einem
Servoregelsystem darstellt,
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Fig. 3 ist eine Darstellung für eine Beschreibung der
Arbeitsweise eines Verfahrens eines Servoregelsystems zur
Feststellung der absoluten Position,
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Fig. 4 ist eine Darstellung zur Beschreibung einer
konventionellen Vorrichtung zur Feststellung einer absoluten
Position mit einem Drehwinkelgeber, und
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Fig. 5 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene
Ansicht zur Beschreibung des Aufbaus eines Drehwinkelgebers.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
ausführlich mit Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Gesamtüberblick über eine Anordnung zur
Feststellung der absoluten Position in einem Servoregelsystem
gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur bezeichnet 105
den Servomotor und die Nummer 106 bezeichnet eine Vorrichtung
zur Feststellung der absoluten Position mit einem ersten
absoluten (d. h., nicht-inkrementellen) Decoder 106a, einem
zweiten absoluten (d. h., nicht-inkrementellen) Decoder 106b,
einem Impulscodierer 106c, einen Untersetzungsmechanismus 106d
und einer Ausgangswelle 106e des Servomotors 105. Der erste
absolute Decoder 106a ist mit der rotierenden Welle 106e des
Servomotors 105 über den Untersetzungsmechanismus 106d und
Zahnräder 106g, 106h gekoppelt. Das Bezugszeichen 200
bezeichnet einen Signalprozessor, welcher eine eine Rasterstellung
erzeugende Schaltung GPG, die Schaltung APC zur Feststellung
der absoluten Position, die Positionssteuerschaltung PCC und
die Fehlerberechnungs- und Speichereinheit 107 enthält. Mit
ri ist ein Rasterstellungssignal gezeigt.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieses Servoregelsystems
beschrieben.
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Die Rotationsbewegung des Servomotors 105 wird auf den
zweiten absoluten Decoder 106b und den Impulscodierer 106c
über die Ausgangswelle 106 und auf den ersten absoluten
Decoder 106a über die Zahnräder 106g, 106h und den
Untersetzungsmechanismus 106d übertragen. Der erste absolute
Decoder 106a ersetzt den konventionellen Drehwinkelgeber und
wird für die grobe Feststellung der absoluten Position
verwendet. Z.B. weist der erste absolute Decoder einen 12-
Bit-Aufbau auf und führt, obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt,
eine Umdrehung für den gesamten Hub 1 des beweglichen
Elementes aus. Ein grobes Signal, das als ein Ausgangssignal
durch den ersten absoluten Decoder 106a erzeugt wurde, wird
der Rasterstellung erzeugenden Schaltung GPG eingegeben,
welche das Rasterstellungssignal ri ausgibt. Wie oben
erwähnt, wird die Drehbewegung der Ausgangswelle 106e auch
auf den Impulscodierer 106c und den zweiten absoluten Decoder
106b übertragen. Es wird nun ein Gesamtblockdiagramm eines
Servoregelsystems, das in Fig. 2 gezeigt ist, beschrieben.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 101 ein Papierband,
in welches NC-Befehlsdaten eingestanzt sind. Das Band
speichert solche NC-Befehlsdaten wie
Positionierungsinformationen für die maschinelle Bearbeitung, M-, S- und T-
Funktionsinformationen und ähnliches. Das Bezugszeichen 102
bezeichnet eine NC-Einheit, welche einen Bandleser 102e
veranlaßt, die NC-Daten von dem Papierband 101 zu lesen, und
welche die NC-Daten decodiert. Wenn eine Große der NC-Daten
z. B. eine M-, S- oder T-Funktionsanweisung ist, wird die
Anweisung an die Maschinenseite über einen magnetischen
Einschub, nicht gezeigt, übergeben. Wenn eine Größe der NC-
Daten ein Bewegungsbefehl Zc ist, wird der Befehl einem
Impulsverteiler 103 übergeben. Die NC-Einheit 102 besitzt
einen Prozessor 102a zur Ausführung des Verfahrens in
Übereinstimmung mit einem Steuerprogramm, einen
Programmspeicher 102b für die Abspeicherung eines
vorgegebenen Steuerprogramms, einen Datenspeicher 102c für
die Abspeicherung von Daten, ein Bedienfeld 102d für die
Bedienungsperson zur Steuerung, eine
Bandlese/Stanzvorrichtung 102e, eine Anzeigevorrichtung 102f, einen
Eingangs-/Ausgangsanschluß 102g, einen Zähler für die
momentane Stellung, und einen Adreß-/Datenbus 102j, welcher
diese Komponenten verbindet.
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Das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen Impulsverteiler,
welcher eine gut gezeigte Impulsverteilungsberechnung
durchführt auf der Grundlage des Bewegungsbefehls Zc, um
aufgeteilte Impulse PUS einer Frequenz zu erzeugen, die einer
geforderten Geschwindigkeit entspricht. Das Bezugszeichen 104
bezeichnet eine Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung zur
linearen Beschleunigung der Impulsrate des aufgeteilten
Impulszuges PUS, wenn die Impulsfolge erzeugt wird, und zum
linearen Verzögern der Impulsrate am Ende der Impulsfolge,
dabei gleichzeitig eine Impulsfolge PUI erzeugend. Das
Bezugszeichen 105 bezeichnet den Servomotor, welcher eine
Arbeitswelle antreibt. Das Bezugszeichen 106 bezeichnet die
Vorrichtung zur Feststellung der absoluten Position des
Servoregelsystems, wobei die Vorrichtung an der Ausgangswelle
des Servomotors 105 vorgesehen ist und ausführlich in Fig. 1
dargestellt ist. PCC stellt die Fehlerberechnungs- und
Speichereinheit dar, welche z. B. durch einen umsteuerbaren
Zähler gebildet ist, zum Speichern einer Differenz Er
zwischen einer Anzahl von Rückführungsimpulsen und einer
Anzahl von Eingangsimpulsen PUI, die durch die
Beschleunigungs-/Verzögerungsschaltung 104 erzeugt worden
sind und kennzeichnend für einen Positionsbefehlswert sind.
Die Fehlerberechnungs- und Speichereinheit kann durch eine
arithmetische Schaltung 107a zur Berechnung der Differenz Er
zwischen der Impulsfolge PUI und den Rückführungsimpulsen und
dem Fehlerregister 107 zum Speichern des Fehlers Er, wie
dargestellt, bestehen. Das Bezugszeichen 108 bezeichnet einen
Digital-Analog-Wandler (D/A) zur Erzeugung einer analogen
Spannung proportional zu den Inhalten des Fehlerregisters
107, und 109 bezeichnet eine Geschwindigkeitssteuerschaltung.
Die Fehlerberechnungs- und Speichereinheit PCC und der D/A-
Wandler 108 bilden eine Motorpositionssteuerschaltung DCC.
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Fig. 3 ist eine Darstellung zur Beschreibung der
Wirkungsweise der in Fig. 2 gezeigten Anordnung. Wie in
Fig. 3 gezeigt ist, soll 1 den gesamten Hub des bewegbaren
Elements entlang der Arbeitswelle, die durch die Rotation des
Servomotors 105 angetrieben wird, sein und soll in die Anzahl
der Umdrehungen repräsentieren, welche von dem Servomotor 105
ausgeführt werden müssen, um diesen Hub zu durchqueren (wobei
die Anzahl m der Umdrehungen nicht auf eine ganze Zahl
beschränkt ist). In einem solchen Fall führt der
Untersetzungsmechanismus 106d eine
Geschwindigkeitsuntersetzung durch, so daß der erste absolute Decoder 106
sich einmal für eine Bewegung, welche einem vollen Hub
entspricht, dreht. In Fig. 1 bezeichnet PCC die
Positionssteuerschaltung, welche die Fehlerberechnungs- und
Speichereinheit 107 usw., gezeigt in Fig. 2, umfaßt. Die
Positionssteuerschaltung empfängt Impulse P, die durch den
Impulscodierer 106c erzeugt worden sind und mit dem
Ausgangssignal der absoluten Positionsfeststellungsschaltung
APC zugeführt werden. Die Positionssteuerschaltung führt die
Positionssteuerung auf der Grundlage dieser Signale durch.
APC stellt die Feststellungsschaltung für die absolute
Position dar, welche die absolute Position x aus dem
Rasterstellungssignal Ri und dem Ausgangssignal ah des
zweiten absoluten Decoders 106b feststellt.
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Die Wirkungsweise des Servoregelsystems wird weiterhin
ausführlich mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
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Wenn der Zustand des die momentane Position feststellenden
Zählers 102h und die aktuelle momentane Position des
bewegbaren Elements 112 nicht länger übereinstimmen,
verursacht durch einen Fehler im Servoregelsystem (z. B. wenn
die momentane Position verloren wird), erhält man eine
Rasterstellung ri auf der Grundlage des Ausgangssignals von
dem ersten absoluten Decoder 106a.
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Genauer ausgedrückt, erhält die die Rasterstellung erzeugende
Schaltung GPG einen mechanischen Winkel α aus dem
Ausgangssingal des ersten absoluten Decoders 106a und
berechnet die Rasterstellung ri. Da der erste absolute
Decoder 106a eine Umdrehung pro in Umdrehungen des Servomotors
105 durchführt (welches einer Bewegung entspricht, die einem
vollständigen Hub l entspricht), wie oben erwähnt wurde,
entspricht der mechanische Winkel der Stellung eines Punktes
A. Soll n die Lösung des ersten absoluten Decoders 106a
darstellen, ergibt sich
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ri = i · l/n.
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Dies wird in die Rasterstellung des ersten absoluten Decoders
106a umgewandelt.
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Unterdessen teilt der zweite absolute Decoder 106b ein
Viertel einer Umdrehung bei jeder Viertelumdrehung des
Servomotors 105 in 16 gleiche Teile und gibt dazu
entsprechend absolute Stellungen a&sub1; bis a&sub1;&sub6; aus. Folglich
werden die absoluten Stellungen a&sub1; bis a&sub1;&sub6; viermal für jede
einzelne Umdrehung des Servomotors 105 erzeugt. Die
Rasterstellung ri wird in die Rasterstellung Pjk des zweiten
absoluten Decoders 106b für die i-te Umdrehung des
Servomotors 105 umgewandelt. Dies kann leicht erfolgen, da
die Auflösung n und die Anzahl in der Umdrehungen des
Servomotors bereits bekannt sind. Speziell für die Breite der
Rasterstellung Pjk des zweiten absoluten Decoders 106b
entspricht die Rasterstellung ri des ersten absoluten
Decoders 106a n/4m. Daher entspricht die i-te Rasterstellung
ri des ersten absoluten Decoders 106a der i.4m/n-te
Rasterstellung Pjk des zweiten absoluten Decoders 106b.
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Wenn auf diese Weise die Rasterstellung Pjk erhalten wird und
das Detektionsausgangssignal ah des zweiten absoluten
Decoders 106b ausgelesen und damit kombiniert wird, erhält
die Feststellungsschaltung APC die absolute Position des
Punktes A. Es ist festzustellen, daß der zweite absolute
Decoder 106 z. B. einen 4-Bit-Aufbau aufweist, um eine sehr
präzise Feststellung der Position zu ermöglichen. Die
Vorrichtung zur Feststellung der absoluten Position kann in
kompakter Weise innerhalb eines Gehäuses 106f untergebracht
werden, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 angegeben
ist.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt das
Regelsystem eine Antriebswelle. Es steht jedoch fest, ohne
daß es gesagt wird, daß die Erfindung ebenso bei einem
Steuersystem mit einer Vielzahl von Antriebswellen angewendet
werden kann.
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Die vorliegende Erfindung ist anwendbar bei einer Vorrichtung
zur Feststellung einer absoluten Position eines
Servoregelsystems mit einer numerischen Steuereinheit zur
Steuerung des bewegbaren Elementes eines Roboters oder des
bewegbaren Elementes eines Maschinenwerkzeugs wie einer
Drehbank.