DE1922510A1

DE1922510A1 - Numerische Steueranlage

Info

Publication number: DE1922510A1
Application number: DE19691922510
Authority: DE
Inventors: Marion Kosem
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1968-05-02
Filing date: 1969-05-02
Publication date: 1969-11-13
Also published as: US3546559A; GB1266541A; FR2007705A1; JPS4914678B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft numerische Steueranlagen für Werkzeugmaschinen und insbesondere eine Verbesserung solcher Anlagen.

Für eine Anlage, die die Bewegung einer Werkzeugmaschine dadurch steuert, daß für jede Achse die gegenwärtige Stellung der Werkzeugmaschine mit einer gewünschten Stellung verglichen und Befehlssignale gemäß einem Unterschied zwischen beiden erzeugt werden, schafft die vorliegende Erfindung eine Anordnung, durch die solche" Vergleichswerte mit höherer Geschwindigkeit erzielt werden, als bisher möglich war, wodurch eine genauere Steuerung und höhere Betriebsgeschwindigkeiten ermöglicht werden.

909846/1003

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

In einer in den V. St. A. anhängigen Patentanmeldung für numerische Steuersysteme, Serial No. 654,887, eingereicht am 20. Juli 1967» wird eine Anlage ,zur absoluten Positionsgebung beschrieben, bei der ein Befehlszähler absolute Befehlsinformation oder die gewünschte Endstellung der Werkzeugmaschine speichert, ein Steuerzähler die Jeweils vorhandene Stellung der Werkzeugmaschine enthält und ein .Bezugszähler als absolute Referenz für die Anlage dient. Die Zählung des Befehls- und des Steuerzählers wird miteinander verglichen, und die Werkzeugmaschine muß in der laufenden Bewegung so lange fortfahren, bis die Zählung beider übereinstimmt. Der Befehls-, der Steuer- und der Bezugszähler sind dynamische Zähler; d. h. sie zählen kontinuierlich gemäß einer gemeinsamen Taktzeitgebung. Sämtliche Information wird also in Phasenform gespeichert. Für ein Mehrfachach sen sy st em muß für Jede Achse ein Befehls- und ein Steuerzahler vorgesehen sein; jedoch genügt für sämtliche Achsen ein einziger Bezugszähler.

Ein grundlegender Nachteil der oben beschriebenen Anlage besteht darin, daß die zur Verarbeitung der Eingangsdaten benötigte Zeit eine Funktion der Zählerlänge ist. Beispielsweise benötigt eine Anlage von 2,5 m (100 Zoll) und einer Auflösung von 0,0127 mm (0,0005 Zoll; Zählerlängen

5
von 4 χ 10 . Daraus ergibt sich eine Periode von 0,4 see für den Bezugszähler und eine Abtastgeschwindigkeit von nur 5 pro see. Diese grobe Abtastgeschwindigkeit dient zur

909846/1003

Ermittlung des Fehlervorzeichens. Die Gesamtzeit, die sich aus aer Bezugszähler-Periode von 0,4 see und den 5 Abtastungen pro Sekunde ergibt, begrenzt die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit der Steueranlage. Eine Erweiterung der Anlage auf eine Auflösung von 0",0025 mm (0,0001 Zoll) führt zu weiteren Zeiteinschränkungen.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabenstellung zugrunde: Es soll eine Anordnung geschaffen werden, bei der die Verarbeitungszeit für die Eingangsdaten beträchtlich niedriger liegt.

Es soll weiterhin eine verbesserte Anlage der oben beschriebenen Art geschaffen werden, bei der eine größere" ■ Zahl von Abtastungen pro Zeitintervall erzielt werden kann, was eine Verbesserung der Betriebssteuerung zur Folge hat.

Es soll weiterhin eine neuartige und verbesserte numerische Abtaststeuerung geschaffen werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine numerische Steueranlage, bei der der Befehls- und der Steuerzähler in kleinere Teilzähler unterteilt sind. Alle Teilzähler des ι Befehlszählers werden mit der Taktfrequenz betrieben. Alle Teilzähler des Steuerzahlers werden mit der Taktfrequenz, erhöht oder erniedrigt um das Fehlersignal, betrieben. Diese Teilzähler füllen sich in viel kürzerer Zeit, so daß in viel kürzeren Intervallen Abtastwerte zum Vergleich entnommen werden können, a-as denen die Differenz zwischen der tatsächlichen und der Befehlsstellung ermittelt werden kann.

9098A6/10U3

Figur 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Anlage, für die die vorliegende Erfindung eine Verbesserung ν darstellt.

Figur 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der Abänderungen von Figur 1, die die vorliegende Erfindung darstellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines G-erätes, das Befehlssignale empfängt, die in Form ^ codierter Ziffern auf einem geeigneten Medium gespeichert werden, beispielsweise auf Lochstreifen, wobei die Befehle dann in geeignete Signale zur Steuerung des Betriebs einer Werkzeugmaschine umgewandelt werden, die diese Befehle ausführt. Da die Apparatur zum Auslesen der gespeicherten Befehlsinformation aus dem Speicher, beispielsweise dem Lochstreifen, zur Umwandlung der Information in eine geeignete, kennzeichnende Signalanordnung und zur Eingabe dieser Signalanordnung in ein Register oder einen Zähler, sowie für andere zugehörige Funktionen, wie sie bei numerisch ge- W steuerten Werkzeugmaschinen durchgeführt werden, für die vorliegende Erfindung die gleiche sein kann wie für andere Geräteausführungen, erübrigt sich eine ins einzelne gehende Beschreibung.

Die vorliegende Figur 1 entspricht der Figur 1 aus der schon erwähnten Patentanmeldung für ein numerisches Steuersystem (Numerical Control System), Serial No. 654,887, von der gleichen Anmelderin eingereicht am 20, Juli 1967.

909846/1003

SAD ORJGiNAL

Ι 922510

Die Zeichnung dient hier zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, die eine Verbesserung der dargestellten figur 1 bietet.

Der Block mit der Bezugsziffer 10 und der Beschriftung "gemeinsame Steuerlogik" setzt die Antriebsschaltung für den Bandleser in den Bereitschaftszustand, um das Band

fortzubewegen, auf dem numerische Steuerdaten aufgezeichnet sind, so daß der Bandleser 14- eine Anordnung von Ausgangssignalen liefern kann, die Instruktionen oder Befehle für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine darstellen. Dieses sind die üblichen Instruktionen bezüglich des zu benutzenden Werkzeugs, der Zuführungsgeschwindigkeit, des zu verwendenden Schmiermittels und Instruktionen, die den Endpunkt oder die Endstellung angeben, bis zu der die Werkzeugmaschine von der gegenwärtigen Stellung aus bewegt werden soll. Mit diesen letzteren Instruktionen befaßt sich die vorliegende Erfindung. Die Instruktionen, die für gewöhnlieh in ein elektrisches Signalmuster umgewandelt werden, werden der Schaltung 16 eingegeben, die als "Banddaten-Übertragungslogik" bezeichnet ist. Die Schaltung besteht aus einer Anordnung von Gattern und Registern, in denen, gesteuert von der gemeinsamen Steuerlogik 10, einige Daten zur Verwendung während und nach der Bewegung der Werkzeugmaschine gespeichert und außerdem einige dieser Daten an andere Einheiten übertragen werden, die gemäß diesen Daten augenblicklich den Betrieb der Maschine einleiten.

909846/1003

Die bis hierher beschriebene Anlage entspricht einer herkömmlichen und gegenwärtig verwendeten Bauweise für numerische Steuergeräte, die im Handel erhältlich sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hauptoszillator 20 vorgesehen, der beispielsweise Schwingungen mit einer Frequenz von 1 MHz erzeugt. Außerdem ist ein Bezugszähler 22 vorgesehen, der die absoluten Bezugswerte für die Anlage liefert. Seine Ausgabe kann dazu dienen, den Zeitpunkt für

. das Auftreten von' Betriebsfunktionen zu bestimmen, soweit

sie nicht die Bewegung des Werkzeugmaschinentisches betreffen.

Zu Beginn wird in die betreffenden Befehlszähler 24, 26, 28 für die Achsenstellungen eine Zahl eingegeben, die die gewünschte Endstellung des Werkzeugmaschinentisches darstellt. Der für jede Achse vorgesehene Steuerzähler 30, oder 34 liefert die gegenwärtige oder augenblickliche Stellung des Maschinentisches, und der Tisch muß so lange fortbewegt werden, bis die Zahl im Stellungsbefehlszähler mit der Zählung des Steuerzählers für jede Achse übereinstimmt. Zu r Beginn wird also jeder Stellungsbefehlszähler 24, 26, 28 gemäß den Daten der Banddaten-Übertragungslogik 16 in eine Zählstellung gebracht, die der gewünschten Endstellung für den Tisch entspricht. Gleichzeitig enthält der Steuerzähler die gegenwärtige Stellung des Tisches. Ersichtlicherweise braucht diese Ausgangsstellung nicht notwendigerweise 0, 0, zu sein.

Die Länge dieser Zähler hängt von den maximalen

9098Ü6/1003

Abmessungen und der Einstellgenauigkeit ab. Beispielsweise wird für eine Anlage von 2,5 m (100 Zoll) und einer Auflösung von 0,0127 mm (0,0005 Zoll) ein Zähler mit einer Zählerlänge von 4 χ 10 benötigt. Unter der Voraussetzung von 1 MHz Eingangsfrequenz für die Zähler ergibt sich eine Abtastgeschwindigkeit von 5 pro Sekunde. Da diese Abtastgeschwindigkeit zu langsam ist, als daß sie von der Servoelektronik, die üblicherweise zur Bewegung eines Maschinentisches verwendet wird, direkt benutzt werden könnte, muß ein effektives Fehlersignal erzeugt werden, das eine sehr viel höhere Abtastgeschwindigkeit aufweist.

Die im folgenden beschriebene Apparatur ist für · jede Achse dieselbe.

Ein Komparator 36 vergleicht die Phase der Ausgaben des Stellungsbefehlszählers 24 und des Steuerzählers 30. Ersichtlicherweise benötigt jede Achse einen eigenen Komparator. Der Komparator vergleicht die letzte Zählausgabe des Stellungsbefehlszählers (G) und die letzte Zählung des Steuerzählers (FB). Die logische Verneinung dieser Zählungen (C und FB*) ist ebenfalls vorgesehen. Außerdem v/erden dem Komparator vom zugehörigen Stellungsbefehlszähler und Steuerzähler die Ausgaben der Zählung G/100 und FB/100 sowie ihre logische Verneinung "C/100 und fS/100 eingegeben. Unter der Voraussetzung, daß der Zähler eine Zählerlänge von 4 χ 10 Zählungen besitzt und mix einem Signal von 1 LlHz betrieben wird, tritt das Signal C 2,5 mal pro Sekunde und das Signal C/100 250 mal

909 846/1.00-3
BAD ORIGINAL

pro Sekunde auf. Das Auftreten der Ausgaben PB und FB/100 wird durch die Bewegungsrichtung und durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Werkzeugmaschine bewegt wird. Diese Tatsache wird später noch näher erläutert.

Der Komparator 36, der sich aus einem groben und einem feinen Demodulator zusammensetzt, trifft bei jeder Abtastung des groben Demodulators (5 Abtastungen pro Sekunde) eine Entscheidung. Wenn der Abstand zum gewünschten Endpunkt des Werkzeugmaschinentisches mit mehr als 2,5 cm (1 Zoll) im Komparator angegeben ist (diese Zahlenangabe dient nur zur Erläuterung und nicht als Einschränkung der Erfindung), ergibt sich ein Signal mit konstantem Pegel. Wenn sich der Abstand bis zum Endpunkt auf weniger als 2,5 cm (1 Zoll) verringert hat, liefert der Ausgang des feinen Demodulators (500 Abtastungen pro Sekunde) des Komparators ein Signal, das proportional zum tatsächlichen Fehler zwischen dem Befehls- und dem Steuerzähler ist. Wenn ein Hinausschießen über den Endpunkt auftritt, wird ein Pehlersignal mit entgegengesetzter Polarität erzeugt, das die Anlage in die gewünschte Stellung zurückführt. Diejenige Ausgabe des Komparators, die eine Vorzeicheninformation liefert, wird einem Geschwindigkeitsbefehlsmodulator 38 eingespeist. Die Information über die Größe des Vorzeichen- und des Fehlersignals wird einer Modus-Auswahllogik 40 eingespeist.

Von der Banddaten-Übertragungslogik 16 werden einem Zufuhrgeschwindigkeits-Generator 42 Geschwindigkeits-

909846/1003

daten eingegeben, und zwar zur gleichen Zeit, während Stellungs-Befehlsdaten dem Stellungsbefehlszähler 24 eingespeist werden. Der Geschwindigkeitsgenerator 42 wird gemäß dem Ausgang des Zufuhrgeschwindigkeitsoszillators 24 betrieben. Der Geschwindigkeitsgenerator liefert eine Ausgabe an die Modus-Auswahllogik 40, die aus einer Pulsfolge besteht, deren Frequenz von dem Zufuhrgeschwindigkeits-Datenwort abhängt, das von der Datenübertragungslogik 16 eingegeben wird. Der Aufbau des Geschwindigkeitsgenerators ist in der Technik numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen bekannt und im Handel erhältlich. Ein geeigneter Geschwindigkeitsgenerator wird im einzelnen in dem U. S. Patent Uo. 3,079,522 von P. H. McGarrell, beschrieben. Es kann jedoch auch jede andere bekannte Anordnung verwendet werden, die eine Pulsfolge mit einer durch eine Geschwindigkeitszahl definierten Geschwindigkeit liefert.

Die Modus-Auswahllogik 40 wählt die Pulsquelle aus, die jeweils an den Geschwindigkeitssteuerkreis des Maschinentisches angeschlossen ist. Die Pulse werden über den Geschwindigkeitsbefehlsmodulator 38 einem Geschwindigkeitsbefehlszähler 46 eingespeist, dessen Ausgabe einem Demodulator 48 zugeführt wird, dessen Ausgabe wiederum zu der üblichen Zwischenelektronik führt, die normalerweise aus einer Digital/ Analog-Schaltung besteht, die Pulsbreitensignale in analoge Treibersignale umwandelt. Die Ausgabe der Zwischenelektronik wird einem Antriebssystem mit gesteuertem Siliziumgleichrichter 52 eingespeist, dessen Ausgabe einen Gleichstrommotor 54

90 9846/1003

-ιοί 9225 10

betreibt, der mit dem Maschinentisch (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein Schritt-Codierer 56 erzeugt gemäß der Drehung der Motorwelle für jeden Bewegungsschritt einen Puls sowie ein Vorzeichensignal für die Richtung oder das Vorzeichen der Bewegung. Die Pulsfolge und die Vorzeicheninformation werden einem Eückführ- oder Steuermodulator 64 eingegeben. Der Steuermodulator hat die Aufgabe, die Pulse vom Codierer 56 zur Frequenz von 1 MHz zu addieren oder zu subtrahieren, die der Hauptoszillator 20 über die gemeinsame Steuerlogik 10 liefert, und zwar abhängig von der Drehrichtung der Rotorwelle und daher abhängig von der Bewegungsrichtung des Maschinentisches, die durch das Vorzeichensignal bestimmt wird. Es werden also Pulse mit 1 MHz, erhöht oder erniedrigt um die Pulse, die vom Schritt-Codierer empfangen werden, an den Steuermodulator 64 angelegt, um den Steuerzähler 30 zu betreiben, bis er mit dem Stellungsbefehlszähler 24 in Phase ist, was der Komparator 36 abtastet.

Zum besseren Verständnis der Ilodus-Auswahllogik soll hier ein Beispiel angegeben werden. Die Entfernung zu dem gewünschten Endpunkt des Maschinentisches sei größer als 2,5 cm (1 Zoll). Die Vorzeichensignalausgabe des Komparators bestimmt das Vorzeichen der Eingabe für den Geschwindigkeitsbefehlsmodulator 38. Da der tatsächliche Abstand zum Endpunkt nun größer ist als der "Nachlauffehler", den die Ausgabe des Demodulators 48 darstellt, werden vom Zufuhrgeschwindigkeitsgenerator Pulse an den Geschwindigkeitsbefehlsmodulator

909846/1003

abgegeben. Der Nachlauffehler ist eine Angabe über den Abstand, mit dem die Werkzeugmaschine hinter der Befehls-Pulsfolge zurückliegt. Der Nachlauffehler, der am Ausgang des Demodulators 48 erzeugt wird, bestimmt außerdem die Quelle der Treibersignale, also ob die Zufuhrgeschwindigkeit oder Signale von 20 Hz der folgenden Schaltung eingespeist werden sollen.

Während sich das Werkzeug dem Endpunkt nähert, wird ein Punkt erreicht, an dem der Abstand zum Endpunkt geringer oder gleich diesem Nachlauffehler ist. Wenn das der Fall ist, wird die Ausgabe des Zufuhrgeschwindigkeitsgenerators unterbrochen, und der Maschinentisch bewegt sich, sowohl durch seine Trägheit als auch durch die Pulsfolge von 20 Hz verursacht, die der Bezugszähler liefert. Es erfolgt eine konstante Abbremsung, und der Nachlauffehler wird kleiner. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Fehlerintegration. Hierdurch wird sichergestellt, daß das Werkzeug die gewünschte Stellung erreicht.

Die Geschwindigkeit, mit der die Werkzeugmaschine zuerst betrieben wird, wird ursprünglich durch die auf Band gespeicherte Geschwindigkeitszahl bestimmt. Hierdurch ist die Frequenz der Pulse festgelegt, die der Zufuhrgeschwindigkeitsgenerator empfängt. In diesem Betriebsmodus mit der Zuführgeschwindigkeit (wenn der Abstand zum Endpunkt größer als der Nachlauffehler ist) erzeugen die auf 1 MHz aufmodulierten Geschwindigkeitspulse eine Phasenverschiebung im Geschwindigkeitsbefehlszähler. Dieser Zähler hat eine

909846/1003

Zählkapazität, die 2,5 cm (1 Zoll) entspricht. Die Ausgabe dieses Zählers wird im Demodulator 48 mit einem entsprechenden Punkt im Steuerzähler (PB/100) verglichen, wodurch in der Ausgabe des Demodulators 48 ein Nachlauffehler erzeugt wird. Dieser Folgefehler, der ein digitales Signal ist, wird dann durch die Zwischenelektronik 50 in eine bipolare, analoge Spannung verwandelt. Diese bipolare, analoge Spannung wird dann durch die übliche Schaltung 52 mit gesteuertem Siliziumgleichrichter in ein Motorantriebssignal umgewandelt.

Der Schritt-Codierer 56 kann eine Platte mit einer inneren und einer äußeren kreisförmigen Spur enthalten, die nahe dem Außenrand nebeneinander verlaufen. Jede Spur kann abwechselnde senwarze und weiße Bereiche oder voneinander getrennte Löcher enthalten. Auch kann ein Anzeigebereich auf aer inneren Spur mit einem Anzeige bereich auf aer äußeren Spur abwechseln. Jeder Spur gegenüber sind photoelektrische Geräte vorgesehen, die zwei Pulsfolgen, etwa A und B, erzeugen, wobei für die eine Drehrichtung der Platte die Pulse A den Pulsen B vorausgehen und umgekehrt für die andere Drehrichtung der Platte. Übliche Logikschaltungen wandeln diese Pulsfolgen in Vorzeichensignale und Pulsfolgesignale um, wie angegeben ist. Geräte dieser Art sind in der Technik bekannt und im Handel erhältlich. Diese Geräte sind unter der Bezeichnung "Incremental Encoders" beispielsweise bei der Trump-Eoss Corporation, Boaton, Massachusetts, oder bei der Dynamics Research Corporation, Stoneham, Massachusetts,

909846/1003

erhältlich. Der Schritt-Codierer wandelt also die analoge Stellungsinformation in eine Pulsfolge mit Vorzeichensignal um. Die quantisierte Rotation der Welle dient dann dazu, die absolute, tatsächliche Stellung des Maschinentisches zu jedem Zeitpunkt wiederzugeben.

Die Arbeitsweise der Anlage sei kurz zusammengefaßt: Zu Beginn wird eine Ziffer, die die Endstellung angibt, in den Stellungsbefehlszähler 24 eingegeben, der auf diese Ziffer gesetzt wird. Daten über die Zufuhrgeschwindigkeiten werden an den Zufuhrgeschwindigkeits-Generator angelegt. Die Ausgabe des Hauptoszillators kann dann an den Bezugszähler 22, den Stellungsbefehlszähler 24, den Steuermodulator 64 und außerdem an den G-eschwindigkeitsbefehlsmodulator 38 angelegt werden. Zu Beginn enthält der Steuerzähler die gegenwärtige Stellung des Maschinentisches, während der Stellungsbefehlszähler zu Beginn die gewünschte Endstellung des Maschinentisches enthält. Der Komparator 36 vergleicht die relative Phasenbeziehung zwischen dem Stellungsbefehlszähler und dem Steuerzähler und erzeugt ein erstes Ausgangssignal, das angibt, daß der Abstand zum Endpunkt größer als ein bestimmter Wert (beispielsweise 2,5 cm (1 Zoll)) ist, oder aber ein zweite? Signal (eine Pulsfolge), das angibt, daß der Abstand zum Endpunkt weniger als 2,5 cm (1 Zoll) beträgt. Der Komparator liefert außerdem ein Yorzeichensignal.

Der Zufuhrgeschwindigkeits-Generator erzeugt Pulse, die, solange der Komparator anzeigt, daß der Abstand zum

909846/1003

Endpunkt größer als der bestimmte Wert ist, am Ausgang des Hauptoszillators moduliert werden und dann einen Geschwin-digkeitsbefehlszähler betreiben können. Der Geschwindigkeitsbefehlszähler ist ein zyklischer Zähler, dessen Zählkapazität dem erwähnten, bestimmten Wert entspricht (im vorliegenden Fall 2,5 cm (1 Zoll) oder 4 χ 10 Zählschritte). Die Ausgabe dieses Zählers v/ird hinsichtlich ihrer Phase mit der Ausgabe des Steuerzählers bei der gleichen Zählstellung (4 χ 10 ) verglichen. Den Vergleich führt ein Demodulator 48 durch. Die Ausgabe des Demodulators wird dann durch die Zwischenelektronik 50 in Steuersignale umgewandelt, aie den iäotor betreiben, der den LIaschinentisch bewegt.

Der mit dem Itotor gekoppelte Schritt-Codierer 56 erzeugt ein Vorzeichensignal und eine Pulsfolge. Der Steuermodulator 64 addiert diese Pulsfolge zu oder subtrahiert diese Pulsfolge von der Frequenz von 1 IJHz, die zum Eetrieb des Steuerzählers 30 geliefert wird.

Wenn der Maschinentisch eine Stellung erreicht, bei der der Abstand vom gewünschten Endpunkt geringer ist als der bestimmte Wert, blockiert die LIodus-Auswahllogik 40 alle weiteren Pulse des Zufuhrgeschwindigkeits-G-enerators zum G-eschwindigkeitsbef ehlszähler. Zu diesem Zeitpunkt wird die Fehlerintegration durch die Signale von 20 Hz vom Bezugszähler 22 bestimmt.

Wenn die Zählung des »Steuerzahlers und die des Stellungsbefehlszählers für sämtliche Achsen jeweils gleich

909846/10Ü3

BAD ORiGiNAL

ist, hat der Maschinentisch die gewünschte Stellung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Signal an die gemeinsame Steuerlogik 10 angelegt. Dann können die anderen Instruktionen für die Werkzeugmaschine ausgeführt werden, die für den Zeitpunkt bestimmt sind,-wenn der Maschinentisch die bestimmte Stellung erreicht hat. Dann werden der Bandleser und andere Scheltkreise geschaltet, um in die entsprechenden Befehlszähler und Steuerzähler neue Zählungen einzugeben.

Figur 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer abgewandelten Form der Ausführung aus Pigur 1 und enthält eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind anstelle des Stellungsbefehls-t Zählers 24 ein feiner Stellungsbefehlszähler 24A und ein grober Stellungsbefehlszähler 24B vorgesehen. Anstelle des Steuerzählers 30 sind ein feiner Steuerzähler 30A und ein grober Steuerzähler 30B vorgesehen. Außerdem ist ein Modulator 60 hinzugefügt. Anstelle des Bezugszählers 22 ist ein Bezugszähler 22A vorgesehen, dessen gesamte Zählkapazität 10⁵ beträgt. Ein UND-Gatter 62 erzeugt für jeweils 999 Zählschritte des Zählers 22A ein Ausgangssignal. Da der Zähler mit einer Frequenz von 1 MHz betrieben wird, bedeutet dies eine Pulsfolge mit einer Frequenz von 999 kHz. Der übrige Schaltungsaufbau aus Figur 2 ist der gleiche wie bei Figur 1 und enthält die gleichen Bezugsziffern. Dazu gehören der Steuermodulator 64 und der Komparator 36, die deshalb in Figur 2 eingezeichnet sind, um den Zusammenhang mit Figur 1 anzugeben.

909846/10Ü3

BAD OBiQiNAL

Der feine Stellungsbefehlszähler 24A, der grobe Stellungsbefehlszähler 24-B, der feine Steuerzähler 3OA und der grobe Steuerzähler 30B haben jeweils eine Zählkapazität ·

■5
von 10 . Ersichtlicherweise dienen diese Angaben nur zur Erläuterung und nicht als Einschränkung der Erfindung, da für Fachleute ersichtlich ist, auf welche Weise die Zählkapazität geändert werden muß, wenn die Abtastgeschwindigkeit geändert werden soll.

Der Befehlszähler besteht, wie gezeigt ist, aus zwei Zählerabschnitten, die jeder eine Zählkapazität von 1000 haben. Die Eingangsfrequenz für jeden Zählerabschnitt beträgt 1 MHz. Mit diesen als Beispiel angegebenen Zählern der Zählkapazität 1000 können Systeme betrieben werden, deren Bewe-* gungsSpielraum insgesamt 2,5 m (100 Zoll) bei einer Auflösung von 0,0025 mm (0,0001 Zoll) beträgt. Bei der zuvor beschriebenen Anlage wurde eine grobe Abtastgeschwindigkeit von 5 Abtastungen pro Sekunde am Ausgang erreicht. Die Periode des Bezugszählers betrug 0,4 Sekunden. Die sich aus der Periode des Bezugszählers und der angegebenen Abtastgeschwindigkeit ergebende Gesamtzeit begrenzt die Geschwindigkeit, mit der die Daten von der Steuereinheit verarbeitet werden können. Eine Erweiterung der Steuereinheit auf eine Auflösung von 0,0025 mm (0,0001 Zoll) würde weitere Einschränkungen zur Folge haben, wenn aas bisherige System verwendet würde. Durch Unterteilung des Befehlszählers in zwei Zähler von 10 ■ und dadurch, daß beide mit einer Eingangsfrequenz von 1 MHz

909846/1003

betrieben werden, wird eine Ausgangsfrequenz bei dem feinen und bei dem groben Stellungsbefehlszähler von 1 kHz erreicht. Wenn die Phase des 1 kHz Signals des feinen Befehlszählers mit einem Bezugssignal von 1 kHz verglichen wird, hat jede Phasendifferenz von 1yusec zwischen den beiden Zählungen ein Gewicht von 0,0025 mm (0,_0001 Zoll). Das ergibt sich aus der Tatsache, daß die niedrigste Stelle des Zählers 0,0025 mm (10~⁴ Zoll) beträgt.

Die niedrigste Stelle des groben Befehlszählers hat ein Gewicht von 2,5 mm ("io~ Zoll). Deshalb hat jede Phasendifferenz von 1 /usec zwischen dem Ausgang des Zählers und einem Bezugssignal von 1 kHz ein Gewicht von 2,5 mm (0,1 Zoll).

Es sollte nun ersichtlich sein, daß die Befehlskoordinate aus den Zählern mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1 kHz ausgelesen werden kann. Das ist 1000 mal schneller als in einem System mit einem Zähler, der eine Zähll'erlänge von 10 für eine 2,5 m (100 Zoll) Anlage bei einer Auflösung von 0,0025 mm (0,0001 Zoll) enthält. Die Koordinate besteht wie bisher aus zwei Teilen, ohne daß eine kompliziertere elektronische Schaltung erforderlich wäre.

Die Eingangssignale für den feinen Steuerzahler 30A sind 1 MHz - p, wobei ρ wie bisher die Signale vom Steuerwandler darstellt und wobei das Vorzeichen, ebenfalls wie bisher, durch die Drehrichtung bestimmt wird. Die Ausgabe ■ des feinen Steuerzählers lautet deshalb 1 kHz - ρ / 1000.

909846/1003

Die,zweite Komponente der Frequenz, nämlich p/1000, ist das Trägersignal des groben Steuerzählers und hat ein Gewicht von 2,5 mm (0,1 Zoll). Da die Trägerfrequenz des groben Befehlszählers 1 MHz beträgt, sollte die Eingangsfrequenz für den groben Steuerzähler 1 MHz i ρ / 1000 betragen. Diese letztere Frequenz wird dadurch hergestellt, daß 999 kHz zu der Ausgabe des feinen Steuerzählers von 1 kHz — p/1000 addiert werden. Diese Frequenzzusammensetzung erfolgt dadurch, daß die Ausgabe des Bezugszählers 22A, die dann auftritt, wenn der Zähler jeweils den Zählschritt von 999 kHz hat, an ein UND-Gatter 62 angelegt wird, dessen Ausgabe zu jenem Zeitpunkt an den digitalen Modulator 60 abgegeben v/ird. Der digitale Modulator addiert oder subtrahiert in bekannter Weise einen Puls von der 999 kHz Pulsfolge, und zwar abhängig von dem Vorzeichen der modulierenden Pulsfolge. Der digitale Modulator kombiniert also das Signal von 1 kHz - p/100 mit dem Signal von 999 kHz und erzeugt eine Ausgabe von 1MHz - p/10 , Diese Frequenz wird dem groben Steuerzähler 3OB eingespeist, dessen Zählzyklus dadurch betrieben wird. Die Ausgabe des groben Steuerzählers beträgt also 1 kHz - p/10 . Diese Ausgabe wird dem Komparator 36 eingespeist und dort bezüglich ihrer Phase mit der Ausgabe des groben Stellungsbefehlszählers verglichen.

Der Komparator erzeugt das Fehlervorzeichen, das der Geschwindigkeitsbefehlsmodulator 46 benötigt und dessen Größe die Modus-Auswahllogik 40 zur Steuerung der Zufuhr-

909846/1003

geschwindigkeit braucht. Die Ausgabe des Komparators ist ein Gleichspannungspegel, der so lange herrscht, bis die Differenz zwischen dem Befehls- und dem Steuerzähler bis in einen Bereich von 6,4 mm (0,4 Zoll) verringert wurde. Innerhalb dieses Abstands von 6,'4 mm (0,4 Zoll) ist die Größenausgabe des !Comparators ein Signal, das dem tatsächlichen Fehler proportional ist.

Es soll nun ein Beispiel angeführt werden, um die Arbeitsweise dieser Anlage und die Unterschiede zu der in der zuvor erwähnten Patentanmeldung, Serial No. 654,887» beschriebenen Anlage aufzuzeigen.

Wenn die Steueranlage zu Beginn eingeschaltet wird, werden alle Zähler gleichzeitig zurückgesetzt. Hierdurch wird innerhalb der Steueranlage ein Zustand mit dem Fehler Null erzeugt. Der Befehlszähler wird niemals für die Dateneingabe abgeschaltet. Der Befehlszähler wird nur zwischen den einzelnen Eingabe-Taktpulsen zurückgesetzt. Die Daten werden dann zwischen einzelnen Taktpulsen eingegeben. Nach der Dateneingabe in den Befehlszähler wird das Vorzeichen der Differenz aufgestellt, und die Ausführung der befohlenen Bewegung erfolgt, Der Geschwindigkeits"zähler wird durch die zugeführten Pulse moduliert, bis der feine Befehlszähler und der Geschwindigkeitszähler innerhalb der letzten 6,4 mm (0,4 Zoll) vor dem Endpunkt in Phase sind. Zu diesem Zeitpunkt werden die Zufuhrpulse beendet und der Nachlauffehler wird gegen den Endpunkt hin eingeschaltet. Wenn die Befehlsdaten ausgeführt sind,

909846/10 03

ist die Steueranlage bereit, eine weitere Serie von Befehlsdaten vom Eingabemedium zu empfangen.

Wenn eine raschere Datenverarbeitung benötigt wird,■

können weniger als drei Stellen als Gruppen zusammengefaßt werden. Wenn es sich um eine größere Koordinate handelt, können mehr Unterabschnitte zur Zählerlänge hinzugefügt werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß durch Unterteilung der Befehls- und Steuerzähler und dadurch, daß die unterteilten Befehlszähler von der gleichen ' , Quelle wie der Bezugszähler parallel betrieben werden und außerdem dadurch, daß die unterteilten Steuerzähler von der gleichen Treiberquelle betrieben werden, mehr Abtastungen innerhalb einer gegebenen Zeit vom Zähler erhalten werden können, wodurch die Stellung der Werkzeugmaschine relativ zum gewünschten Endpunkt innerhalb der vorgeschriebenen Bewegungsbahn an mehr Punkten festgestellt werden kann. Hierdurch wiederum läßt sich die Bewegung der Werkzeugmaschine genauer steuern, so daß nicht nur bessere Ergebnisse erzielt werden, sondern auch die Möglichkeit für auftretende Fehler verringert wird und die Werkzeugmaschine mit einem höheren Genauigkeitsgrad betrieben werden kann.

Obwohl im vorstehenden spezielle Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist ersichtlich, daß Abwandlungen vorgenommen werden können, soweit sie in den Bereich der Erfindung fallen.

909846/1003

Claims

Patentanmeldung: Numerische Steueranlage. PATENTANSPRÜCHE

1.) Anlage zur Führung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung gemäß einem numerischen Wort, das die zweite Stellung darstellt, wobei jede Stellung längs der Koordinatenachsen durch ein numerisches Wort spezifiziert wird, gekennzeichnet durch folgende Einzelteile, die für jede Achse vorhanden sind: mehrere Steuerzähler (30, 32, 34), die eine Ausgabe liefern, die die erste Stellung .der Werkzeugmaschine darstellt, eine gleiche Anzahl von Befehlszählern (24, 26, 28), Vorrichtungen, die auf ein numerisches Wort ansprechen, das die zweite Stellung darstellt, um die Befehlszähler auf eine Zählung zu setzen, die der

909846/1003

Patentanwälte Dipl.-lng. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

zweiten Stellung entspricht; Vorrichtungen (56), um bestimmte Zählerausgaben der Befehls- und Steuerzähler miteinander zu vergleichen und ein Komparator-Ausgangssignal zu liefern, das eine Differenz der Ausgaben angibt; Vorrichtungen, die auf das Ausgangssignal des !Comparators ansprechen und eine Bewegung der Werkzeugmaschine in Sichtung auf die zweite Stellung ermöglichen; Vorrichtungen, um die Zählung jedes der Befehlszähler mit einer ersten Geschwindigkeit zu ändern, und Vorrichtungen, um die Zählung jedes der Steuerzähler mit einer zweiten Geschwindigkeit zu ändern, die von der ersten Geschwindigkeit und von der Ausdehnung der Bewegung der Werkzeugmaschine abhängt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Ändern der Zählung der Befehlszähler mit einer ersten Geschwindigkeit eine Schwingungsquelle und Vorrichtungen enthält, um diese Schwingungen an jeden der Befehlszähler anzulegen, um deren Zählung entsprechend zu ändern; wobei die Vorrichtung zum Ändern der Zählung der Steuerzähler mit einer zweiten Geschwindigkeit, die von der ersten Geschwindigkeit und von der Ausdehnung der Bewegung der Werkzeugmaschine abhängt, Vorrichtungen enthält, um für jeden Bewegungsschritt der Werkzeugmaschine einen Puls zu erzeugen, mit Vorrichtungen, um ein Vorzeichensignal zu erzeugen, das die Richtung der Bewegung der Werkzeugmaschine angibt, Vorrichtungen, um die Schwingungen von der Oszillator-

909846/10 0-3

quelle mit Pulsen zu vergleichen, die einzelne Schritte der Bewegung der Werkzeugmaschine gemäß den Vorzeichensignalen darstellen, um eine erste Pulsfolge zu erzeugen; Vorrichtungen, um diese erste Pulsfolge an einen ersten der Steuerzähler anzulegen, wodurch der Zähler seine Zählungen ausführt; Vorrichtungen zur Erzeugung von Schwingungen mit einer zweiten Frequenz und Vorrichtungen zur Verbindung dieser Schwingungen mit der zweiten frequenz und der Ausgabe der letzten Stufe des ersten der Steuerzähler, um eine zweite Pulsfolge zu erzeugen, und Vorrichtungen, um einen zweiten der Steuerzähler mit dieser zweiten Pulsfolge zu betreiben.

3· Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählkapazität jedes der Befehlszähler einen gleichen proportionalen Anteil an der Gesamtzählkapazität eines vergleichbaren Systems enthält, das nur einen einzigen Befehlszähler verwendet, und wobei die Zählkapazität jedes der Steuerzähler einen gleichen proportionalen Anteil an der Gesamtzählkapazität eines vergleichbaren Systems enthält, das nur einen einzigen Steuerzähler verwendet.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzähler aus einem ersten und einem zweiten Steuerzähler bestehen, die Befehlszähler aus einem ersten und einem zweiten Befehlszähler bestehen* die Quelle für die Schwingungen eine erste und eine zweite Schwingungsquelle enthält und die Anlage weiterhin eine Befehlss4.gnalquelle

909846/1003

für die Bewegung der Werkzeugmaschine enthält; mit Vorrichtungen, um die Werkzeugmaschine gemäß diesen Werkzeugmaschinenbefehlssignalen zu bewegen; Vorrichtungen, die auf die Komparator-Ausgangssignale ansprechen, damit die Werkzeugmaschinen-Befehlssignale von der Quelle an die Vorrichtung zum Bewegen der Werkzeugmaschine angelegt werden können; Vorrichtungen, um ein Bewegungs-Anzeigesignal zu erzeugen, das auf jeden Bewegungsschritt der Werkzeugmaschine anspricht; Vorrichtungen, um die Schwingungen von der ersten Schwingungsquelle mit den Bewegungs-Anzeigesignalen zu modulieren; Vorrichtungen, um diese modulierten Schwingungen an einen ersten der Steuerzähler anzulegen, damit seine Zählung entsprechend geändert wird, wobei die zweite Schwingungsquelle eine Frequenz aufweist, die, wenn sie zur Frequenz der letzten Ausgabe des ersten Befehlszählers addiert wird, gleich der Frequenz der ersten Schwingungsquelle ist; Vorrichtungen zum Verbinden der Schwingungen der zweiten Schwingungsquelle mit der letzten Ausgabe des ersten Steuerzählers, um zweite, modulierte Schwingungen zu erzielen, Vorrichtungen, um die zweiten modulierten Schwingungen an den zweiten Steuerzähler anzulegen, damit dessen Zählung entsprechend geändert wird, und Vorrichtungen, um das Anlegen der Bewegungs-Befehlssignale an die Vorrichtung zum Bewegen der Werkzeugmaschine zu beenden, wenn die Differenzsignale einen bestimmten, kleinsten Wert erreichen.

90984 6/1003

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Ändern der Zählung der Befehlszähler Vorrichtungen enthält, um jeden der Befehlszähler gleichzeitig und mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Zählzyklen zu schalten.

909846/1003