METHOD FOR POSITIONING A SPINDLE DRIVE OF A MACHINE-TOOL

Abstract: 1. A process for controlling a drive (2) of a main spindle of a machine tool into a target position (20), where the drive (2) is regulated by comparing input speed theoretical values (5) with speed actual values (13), obtained from an impulse transmitter, by means of an analysis logic unit, on the arrival of a positioning command in a full braking range (15) and a positioning range (18) a speed theoretical value (5) which is smaller than that still occurring is selected and a switch-over takes place thereto, and where, when speed actual value (13) and speed theoretical value (5) are identical, the main spindle is brought by the drive (2) into a specified run-in position (19) which is dependent upon the target position (20) which thus marks the start of a run-in range (22) in which a reducing speed theoretical value (5), proportional to the angular deviation, is imposed and the main spindle is brought to halt in the target position (20), characterised in that during the full braking range (15) the speed theoretical value (5) of zero is preset, and in the positioning range (18) a constant speed theoretical value (5) is imposed until the run-in range is reached, when the speed actual value (13) has attained a limit speed (16) of approximately double the magnitude of a base speed (17) from which the main spindle is maintained within the angle between the run-in position (19) and the target position (20).

Description: Verfahren zum Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine und eine Vorrichtuns zur Durchführunq des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, bei der aus eingegebenen Drehzahlsollwerten und aus von einem Drehzahlgeber erhaltenen Drehzahl-Ist Werten mit Hilfe eines Vergleichers und einer nachgeschalteten Auswertelogik eine Steuerung des Antriebs derart erfolgt, dass mit optimaler Geschwindigkeit eindeutig in einer Zielposition eingefahren wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Beim Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine soll neben der Genauigkeit der Positioniervorgang möglichst zeitoptimal durchgeführt werden. Hierzu ist eine Ermittlung des Bremseinsatzpunktes vor Erreichen der Sollposition in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen die maximal zulässige Beschleunigung bzw. Verzögerung des Antriebssystems nicht überschritten wird. Ein Verfahren zur Steuerung einer Hobelmaschine, das den Wendevorgang mit einer analogen Nachbildung der Bremsparabel steuert (Technische Rundschau, Bern, Nr.38 vom 11.09.1959, Seite 31, Bild 11) ist bereits bekannt. Zur Bestimmung des Bremseinsatzpunktes wird hier eine der Ist-Geschwindigkeit entsprechende Referenzspannung in einem Diskriminator mit der analogen Nachbildung der Bremsparabel verglichen. Beim Positionieren eines Antriebes ist die Verwendung eines derartigen analogen Kreises unerwünscht, weil er die erreichbare Genauigkeit beeinträchtigen würde. Es ist auch ein elektronisches Steuerungssystem bekannt, welches eine wahlweise Einstellung des Zielabstandes, eine angenäherte Darstellung der idealen Bremskurve durch einige charakteristische Punkte an Geschwindigkeitsstufen und eine Messung des momentanen Zielabstandes und der Geschwindigkeit erlaubt (DE-AS 15 56 326). Die Messwerte werden mit den charakteristischen Punkten der Bremskurve verglichen und einem Regler als Nachführeinrichtung zum Angleichen der Messwerte an die charakteristischen Punkte der Bremskurve zugeführt. Mit logischen Schaltkreisen wird ein Signal erzeugt, das den Antrieb abschaltet, wenn dieser einen zugeordneten Zielabstand erreicht hat und eine Geschwindigkeit aufweist, die der zugeordneten Geschwindigkeit entspricht. Ein den Antrieb beschleunigendes Signal wird erzeugt, wenn die Geschwindigkeit kleiner als die dem betreffenden Punkt der Bremskurve zugeordnete Geschwindigkeit ist. Dabei ist nachteilig, dass der Antrieb auf Geschwindigkeitsstufen gehalten und an einen der charakteristischen Punkte der Bremskurve herangeführt werden muss. Die praktische Realisierung dieses Positionierverfahrens erfordert einen sehr grossen Schaltungsaufwand. Schliesslich ist aus der DE-AS 23 34 455 ein Verfahren zum Abbremsen eines Antriebssystems bekannt, bei dem eine Linearisierung des quadratischen Zusammenhangs zwischen Bremsweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung durchgeführt wird, um zu einer vereinfachten Näherungslösung zu gelangen. Auch zur Realisierung dieses Verfahrens sind relativ aufwendige spezielle Schaltungsanordnungen notwendig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positionierverfahren zu schaffen, bei dem in kurzer Zeit die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mittels ihres Antriebes genau in eine vorgegebene Position gebracht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zum Positionieren auf einen Drehzahl-Sollwert umgeschaltet wird, der kleiner als der vorher anstehende Drehzahl Sollwert ist und nach Ablauf eines ersten Arbeitsbereiches bei Ubereinstimmung. von Drehzahl-Istwert und -Sollwert ein abnehmender Sollwert zu Beginn eines zweiten Arbeitsbereiches in einer Winkelposition der Arbeitsspindel aufgeschaltet wird, wobei die Winkelposition und die Kennlinie des abnehmenden Sollwerts so vorgegeben sind, dass die Arbeitsspindel in die Zielposition einfährt. Durch die Vorgabe eines Drehzahl-Sollwertes, der kleiner als der vorher anstehende Drehzahl-Sollwert ist, erfolgt ein sehr kurzfristiges Abbremsen des Antriebs und anschliessend wird von einem Ausgangswert hinsichtlich der Position und Drehzahl ein solcher Sollwert vorgegeben, von dem man rascher in die Zielposition gelangt. Vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass während des ersten Arbeitsbereiches zuerst der Drehzahl-Sollwert Null vorgegeben wird und anschliessend ein konstanter Sollwert bis zum Erreichen des zweiten Arbeitsbereiches aufgeschaltet wird. Dadurch ergibt sich eine zeitliche Optimierung des Positioniersorganges. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass im zweiten Arbeitsbereich der Drehzahl-Sollwert zumindest anfänglich linear abnimmt. Durch eine Weiterbildung der Erfindung wird ein durch Halbleiter bedingtes Driften der Arbeitsspindel bei Stillstand derselben durch eine Korrektur des Drehzahl Sollwertes verhindert. Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist, dass die aus einem mit dem Antrieb gekuppelten inkrementalen Pulsgeber erhaltenen Ist-Impulse einer mit einem einer bestimmten Winkelposition entsprechenden Sollwert voreingestellten Zählstufe zugeführt werden, deren Ausgang mit einem Digital/Analog-Umsetzer verbunden ist, wonach die an seinem Ausgang anstehenden Drehzahl-Sollwerte dem Antrieb eingegeben werden. Vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass die vom inkrementalen Pulsgeber gelieferten Impulse vorzeichenrichtig der beim Auftreten der Nullmarke voreingestellten Zählstufe zugeführt werden. Dabei erübrigt sich eine gesonderte Berücksichtigung der Drehrichtung des Antriebes. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, dass der Ausgangspunkt für die Winkelposition-Soll-Istwert Differenz dadurch gebildet wird, dass die Zählstufe durch die Nullmarke auf einen bestimmten Wert gesetzt wird. Dieser Wert wird aus dem vorgegebenen Positionssollwert gebildet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die, das beim Mittelwert der Zählstufe, am Ausgang des Digital Analog-Umsetzers null Volt an liegen. Da durch ist die Ansteuerung des nachfolgenden Antriebes mit geringem Aufwand möglich. Von Vorteil ist bei der Erfindung, dass während des Positionierens und dem Anhalten des Antriebes eine eventuell vorhandene numerische Steuerung frei verfügbar ist. Dies begünstigt die zeitliche Optimierung des Bearbeitungsverfahrens der Werkzeugmaschine. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Block-Diagramm einer Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens, die Fig. 2 den Verlauf des Drehzahl-Soll- bzw. -Ist-Wertes in Abhängigkeit der Winkelposition des Antriebes, die Fig. 3 einen Teil der vom inkrementalen Pulsgeber abge gebenen Impulsfolgen und die Fig. 4 den am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers an stehenden Drehzahl-Sollwert in Abhängigkeit der Winkelposition des Antriebs und die dazugehörige Nullmarke. Gleiche Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt ein Block-Diagramm des Verfahrens zum Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine. Ein Positionierbefehl bewirkt, dass mittels eines Schaltelements 1 der am Antrieb 2 anstehende Drehzahl-Sollwert 3 der numerischen Steuerung auf den vom Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 4 gelieferten, einer bestimmten Winkelposition zugeordneten Drehzahl-Sollwert 5 umgeschaltet wird. Unter Antrieb 2 soll hier die Kombination des mit steuerbaren Halbleitern bestückten Motor regelungsgerätes mit Motor und eventuelle Zwischengetriebe zur Arbeitsspindel verstanden werden. Durch den Drehzahl-Sollwert 5, der nunmehr am Antrieb 2 ansteht, wird dieser abgebremst und in den Zielpunkt geführt. Den einem bestimmten Arbeitsgang entsprechenden Drehzahl Sollwert 5 erhält man, indem die von einem inkrementalen Pulsgeber 6 gelieferten Impulse einer Zählstufe 7 zugeführt werden, die mit einem einer bestimmten Winkelposition entsprechenden Sollwert 8 voreingestellt wird. Der am Ausgang 9 der Zählstufe 7 anstehende digitale Drehzahl-Sollwert wird in den Digital/Analog-Umsetzer 4 in die Form des den Antrieb 2 steuernden Drehzahl-Sollwertes 5 gebracht. Figur 2 gibt die Abhängigkeit der Drehzahl 10 der Arbeitsspindel über deren Winkelposition 11 wieder. Dabei ist der Verlauf einerseits des Drehzahl-Soll wertes 5 und andererseits der Drehzahl-Istwert 13 dargestellt. Der Drehzahl-Sollwert 5 wird in der dem Eintreffen des Positionierbefehls entsprechenden Winkelposition 14 zu Null gemacht. Dadurch wird der Antrieb an der Stromgrenze abgebremst, was den parabelförmigen Verlauf des Drehzahl Istwertes 13 im Bereich 15 ergibt. Bis der Antrieb eine Grenzdrehzahl 16 erreicht hat, aus der innerhalb von etwa 0,75 Umdrehungen gehalten werden kann, bleibt Null als Drehzahl-Sollwert 5 vorgegeben, der anschliessend auf einen Wert 17 gebracht wird, welcher etwa der halben Grenzdrehzahl 16 entspricht. Im Bereich 18 wird dieser Wert 17 so lange beibehalten, bis der Antrieb in eine Winkelposition 19 gelangt ist, die 1800 vor dem Zielpunkt 20 liegt. Jetzt wird als Drehzahl-Sollwert 5 ein der Winkelabweichung proportionaler Wert vorgegeben, der den Antrieb im idealen Fall zum Zielpunkt 20 führen würde. Um die unvermeidliche Eingangsdrift der bei der Realisierung verwendeten Halbleiter, die zu geringfügigen Positionsabweichungen führen würden, auszugleichen, wird bei fast stillstehendem Antrieb (dies ist bei etwa kleiner drei Umdrehungen pro Minute der Fall) ein Korrekturwert gebildet und dem Sollwert addiert. In der Fig. 2 entspricht dies dem Bereich 21. Um beide Drehrichtungen im Bereich 22, welcher Plus und Minus 1800 um den Zielpunkt 20 liegt, zu erfassen, wird ein der Winkelabweichung proportionales Signal benötigt. Der Winkel-Istwert, bezogen auf die Positionierstellung, wird dadurch gebildet, dass die Pulse 23, 24 und 25 des inkrementalen Pulsgebers, welche in Figur 3 dargestellt sind, ausgehend von der Nullmarke 26 des Pulsgebers vorzeichenrichtig gezählt werden. An den durch Pfeile 27 markierten Flanken wird ein Zählimpuls gebildet. Das Vorzeichen wird aus der Phasenlage zwischen dem Puls 23 und dem Puls 24 abgeleitet. Den im Bereich 22 am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 4 anstehenden Drehzahl-Sollwert 28 in Abhängigkeit der Inkelpositio 11 erreicht rt. durch, wie in Fig. 4 gezeigt, dass die Zafllstufe 7 durch die Nullmarke 26 auf einen bestimmten Winkelwert 29 gesetzt wird und der Digital/Analog-Emsetze. 4 so geschaltet wird, dass beim Mittelwert 20 der Zählstufe 7, welcher dem Zielpunkt 20 entspricht, am Ausgang null Volt anliegen. Der automatische Abgleich von unvermeidlichen Driftfehlern, die eine Drehzahlanforderung n = O (Stillstand) störend beeinflussen, ist deswegen in einfacher Weise möglich, weil durch die Wahl des Zielpunktes 20 bei der Hälfte des Standes der Zählstufe 7 das höchstwertige Bit der Zählstufe 7 die Polarität der Abweichung des Lage Istwerts vom Lage-Sollwert angibt und als Zusatz-Sollwert zum eigentlichen Drehzahl-Sollwert den Antrieb 2 immer zum Zielpunkt 20 hintreibt. Ein, z.B. von diesem Wert gesteuerter Integrator ermittelt während dieses Vorganges den vom Drehzahlregler verlangten Offsetwert und wird nach Erreichen der Zielposition 20 auf diesem Wert festgehalten. Da dieser automatische Abgleich erst dann einsetzen darf, wenn Lageabweichungen nur mehr durch einen Driftfehler verursacht werden, was der Fall ist, wenn der Antrieb schon beinahe zum Stillstand gekommen ist, d.h. weniger als 3 U/Min. macht, wird z.B. ein monostabiler Multivibrator durch die Zählimpulse dauernd getriggert, so dass ein Ausgang dauernd gesetzt ist. Erst bei sehr niedriger Frequenz der Zählimpulse kann die monostabile Kippstufe auch rückgesetzt werden und gibt ein pulsfrequenzmoduliertes Signal ab, mit dem das Korrektursignal aufgeschaltet wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Positionieren eines Antriebes einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, bei der aus eingegebenen Drehzahl-Sollwerten und aus von einem Drehzahlgeber erhaltenen Drehzahl-Istwerten mit Hilfe eines Vergleichers und einer nachgeschalteten Auswertelogik eine Steuerung des Antriebs derart erfolgt, dass mit optimal hoher Geschwindigkeit eindeutig in eine Zielposition eingefahren wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Positionieren auf einen Drehzahl-Sollwert umgeschaltet wird, der kleiner als der vorher anstehende Drehzahl-Sollwert ist und nach Ablauf eines ersten Arbeitsbereiches (15 + 18) bei Übereinstimmung von Drehzahl-Istwert und -Sollwert ein abnehmender Sollwert zu Beginn eines zweiten Arbeitsbereichs (22) in einer bestimmten Winkelposition (19) der Arbeitsspindel aufgeschaltet wird, wobei die Winkelposition (19) und die Kennlinie des abnehmenden Sollwertes so vorgegeben sind, dass die Arbeitsspindel in die Zielposition (20) einfährt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während des ersten Arbeitsbereiches (15 + 18) zuerst (15) der Drehzahl Sollwert Null vorgegeben wird und anschliessend (18) ein konstanter Sollwert bis zum Erreichen des zweiten Arbeitsbereiches (22) aufgeschaltet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im zweiten Arbeitsbereich (22) der Drehzahl-Sollwert zumindest anfänglich linear abnimmt. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein durch Halbleiter bedingtes Driften der Arbeitsspindel bei Stillstand derselben durch eine Korrektur des Drehzahl-Sollwertes (5) verhindert wird. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die aus einem mit dem Antrieb gekuppelten inkrementalen Pulsgeber (6) erhaltenen Ist-Impulse einer mit einem einer bestimmten Winkelposition entsprechenden Sollwert (8) voreingestellten Zählstufe (7) zugeführt sind, deren Ausgang (9) mit einem Digital/Analog-Umsetzer (4) verbunden ist, wonach die an seinem Ausgang ansterenden Drehzahl-Sollwerte (5) dem Antrieb (2) eingegeben sind. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die vom inkrementalen Pulsgeber (6) gelieferten Impulse (23, 24) vorzeichenrichtig der beim Auftreten der Nullmarke (26) voreingestellten Zählstufe (7) zugeführt sind. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass der Ausgangspunkt für die Winkelposition-Soll-Ist Wert-Differenz dadurch gebildet ist, dass die Zählstufe (7) durch die Nullmarke (26) auf einen bestimmten Wert gesetzt ist. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass durch die Nullmarke (26) die Zählstufe (7) auf ihren Mittelwert + Sollwert gesetzt ist. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass beim Mittelwert der Zählstufe (7), am Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers (4) null Volt anstehen. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass während des Positionierens und dem Anhalten des Antriebes (2) eine eventuell vorhandene numerische Steuerung frei verfügbar ist.

Inventors: HACKL, FRANZ, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT OSTERREICH
Application year: 1983
Main classification: G05B19
IPC codes: G05B19