Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1797
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
von Staatssekretiir Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 621.941.24
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz
Dr.-Ing. fosif Derichs Dipl.-1nX. Volker Meyringer
Dipl.-Ing. Walter Hofmann Dr.-Ing. Hans-Gerold hfobius
Dipl.-Ing. Manfred Riinnenburger
Laboratorium fiir Werkzeugmaschinen U11d Betriebslehre
der Rhein.-Westj. Techn. Hochschule Aachen
Automatisierung der Werkzeugmaschine
fiir die spanabhebende Bearbeitung
Untersuchungen an Weggebern fUr die Positionierung
Untersuchungen an Stelltrieben fur numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen
Untersuchullgen an MeGsteuerungen
SPRINGER F ACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-06185-4 ISBN 978-3-663-07098-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07098-6
Verlags-Nr. 011797
© 1 967 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, K61n und Opladen 1967
Inhalt
A. Untersuchungen an Weggebern fiir die Positionierung .. . . . . . . . . . . . . . 7
1. Das WegmeBsystem .......................................... 7
2. Arbeitsweise und Blockschaltung der Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. Sollwert-Speicher und Impulseingabe .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
4. Soll-Istwert-Vergleich ........................................ 14
5. Zusammenfassung............................................ 18
B. Untersuchungen an Stellantrieben fiir numerisch gesteuerte Werkzeug-
maschinen ..................................................... 19
1. Einleitung .................................................. 19
2. Auslegung der Leistungsschaltstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.1 Gebrauchliche Schaltungen zur Schnellerregung
und Spannungsbegrenzung ............................... 22
2.2 Schaltung zur Erzeugung eines konstanten Stromes ......... 28
2.3 Transistoren als Schalter (i = const) .... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30
2.4 Thyristoren als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2.4.1 Thyristorschaltung an einer Konstantspannungsquelle . . . . . . .. 34
2.4.2 Thyristorschaltung an einer Konstantstromquelle . . . . . . . . . . .. 40
2.4.3 Besondere Eigenschaften der Konstantstromquelle
nach Schaltung 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
3. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
Literatur ...................................................... 51
C. Untersuchungen an MeBsteuerungen .............................. 52
Einleitung ..................................................... 52
1. Statistische Informationsverarbeitung in der Mengenfertigung . . . . .. 52
1.1 Toleranz und Regelgrenzen .............................. 53
1.2 Ergebnisse eines automatischen Fertigungsverfahrens ........ 54
1.3 Analyse von Versuchsergebnissen verschiedener Fertigungs-
verfahren .............................................. 55
1.4 Auswahl eines statistischen Regelverfahrens ................ 58
1.5 Optimaler Arbeitsbereich ................................ 59
1.6 Differenz der Wahrscheinlichkeiten ........................ 60
5
2. Entwicklung eines pneumatisch statistischen Rechners
nach der Differenzmethode .................................... 62
2.1 Aufbau des pneumatischen statistischen Rechners . . . . . . . . . . .. 62
2.2 Schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
2.3 Ziihlsicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
2.4 Verhalten unter Betriebsbedingungen ...................... 68
3. Entwurf eines pneumatischen statistischen Rechners nach dem Mittel-
wert mit Selbsteinstellung der Regelgrenzen ..................... 71
3.1 Rechner im Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
3.2 Selbsteinstellende Systeme ............................... 72
3.3 Aufbau des Rechners .................................... 72
3.3.1 Schaltung fur den Mittelwert ............................. 73
3.3.2 Schaltung fur die Selbsteinstellung der Regelgrenzen ........ 74
4. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
Literatur ...................................................... 79
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A. Untersuchungen an Weggebern fur die Positionierung
Dieser Bericht befaBt sich im Rahmen der Untersuchungen an numerisch ge
steuerten Werkzeugmaschinen mit dem Aufbau und der Erprobung eines Steue
rungssystems, das mit einem absolut eodierten Weggeber ausgeriistet ist.
Hierbei werden, bedingt dureh die eodiert vorliegenden Daten von Soll- und
Istwert, andere Anforderungen an die Datenverarbeitung der Steuerung gestellt
als bei inkrementalen Systemen. Insbesondere solltt" untersucht werden, inwieweit
der fiir den Soll-Istwert-Vergleieh erforderliche Aufwand dureh Anwendung
spezieller Sehaltungen reduziert werden kann.
1. Das WegmeBsystem
Fiir die Istwert-Anzeige wurde ein Drehgeber der Fa. Giittinger verwendet.
Eine stabformige Lampe im Zentrum des Gebers beleuchtet fiinf Trommeln, auf
denen die Ziffern binar-dezimal codiert in Form von Schlitzen eingestanzt sind.
Die Drehzahlen der Trommeln sind dutch Getriebe jeweils im Verhaltnis 10: 1
abgestuft, so daB jede Trommel eine Dezimalstelle anzeigt. Auf der ersten
Trommel sind zwei Dekaden untergebraeht, d. h. cine Umdrehung der Antriebs
welle wird in 100 Winkeleinheiten aufgelOst. Dis Auflosungsvermogen des
Gebers ist 106. Auf der Innenseite der Trommeln sind Fototransistoren eingebaut,
die die einzelnen Ziffern ablesen. Die Anordnung der Sehlitze ist in dem Code
Diagramm (Abb. 1) zu erkennen, das die abgewickelten Trommeln der ersten
drei Dekaden zeigt.
Die Dezimalstelle der Einer ist im Gray-Code versehliisselt. Dieser Code hat die
Eigensehaft, daB bei einem beliebigen Obergang von einer Ziffer zur anderen nur
eine Spur weehselt, d. h., es wird nur der Betriebszustand eines Fototransistors
geandert. AIle folgenden Dekaden sind im Exzess-3-Code versehliisselt. Fehl
anzeigen werden bier dureh eine Doppelablesung verhindert, die aueh die folgende
Fehlermogliehkeit aussehlieBt: Angenommen, aIle Dezimalstellen stehen auf 9.
Naeh der Addition einer Einheit miissen aIle Dezimalstellen eine Null anzeigen.
Auf dem Umfang der Trommel fiir die Einer-Dezimalstelle ist ein Weg von 1 mm
zuriiekgelegt worden. Die Trommel der 6. Dezimalstelle miiBte sich theoretisch
um 0,1 IJ-m weiterbewegt haben. Diese Veranderung, wenn sic nicht dureh das
Getriebespiel ganz unterdriiekt wiirde, kann natiirlieh keinen ausreiehenden Hel
ligkeitsuntersehied erzeugen. Nur dureh die in der Abbildung gezeigte Anordnung
von zwei Ableseebenen ist es moglich. dies en Obergang' eindeutig zu unter
seheiden. Die Untersetzung 10: 1 ist dadureh beriieksichtigt, daB die untere Co
dierung um den Faktor 10 vergroBert gezeichnet ist. Die Fototransistoren der
7
~Masken
Zyklischer
Code ~Gelriebe
L·I e ht que IeI Fot otransisloren
Zehner
Exzess- 3
Code Hunderter
Ableseebene
Abb. 1 Winkelcodierer
®
Abfrageimpul, "tiner" (- loW)
0
.....c:::r-+iC:r,-I-c-:-_--~1 /:
k:J-Hcrr'-lC~}--1H-+'~0 ®
+
Lc:::r-+i(rT~~~-:::,~I-+,r-,:..1chmitl-Trigge~
Einer
®
Abfrageimpuls
"Zehner" '----- LO,chleilung.
+ +
nach'eilend
Abb. 2 Abfrageschaltung
8
oberen Dezimalstelle zeigen bereits eine Null an. Wurde man unten auf der linken
Ableseebene ablesen, so Hinde man dort eine 9, und die Anzeige ware faisch. Die
beiden Ableseebenen der unteren Dekade werden jedoch abhangig von der
Ste11ung der oberen Trommel so geschaltet, daB die nacheilende Ableseebene
dann eingeschaltet ist, wenn die obere Dekade die Ziffern 5,6, 7, 8,9 anzeigt, und
die voreilende Ableseebene dann, wenn die Ziffern 0, 1,2,3, 4lauten. Das Signal
zum Umschalten der Ableseebenen erhalt man von der 4. Spur der jeweils vorher
gehenden Dekade, die beim Obergang von 4 nach 5 und von 9 nach 0 ihren Signal
zustand andert. In der Abbildung ist als Schalter ein Relais eingezeichnet, das die
voreilende Ableseebene eingeschaltet hat.
Der Abstand der Ableseebenen ist so ausgelegt, daB die Fehler im Untersetzungs
getriebe ± 9 Grad ausmachen durfen, ohne daB Ablesefehler vorkommen. Der
Geber hat keinen Para11elausgang fur a11e Dezimalste11en. Die einzelnen Dezimalen
werden hintereinander mit einer Frequenz von 6 kHz abgelesen. Fur den Sol1-
Istwert-Vergleich ist noch ein zusatzlicher Speicher notwendig, in den die Ziffern
periodisch einlaufen.
Die Abb.2 erlautert die Technik der Serien-Parallelausgabe an der Abfrage
schaltung fUr die Einer- und Zehner-Dezimale. Die Abfrageimpulse liefert ein
Ringzahler, dessen Ausgange mit den einzelnen Dekaden verbunden sind. Steht
z. B. ein Abfrageimpuls an der Einer-Dezimale, dann liegen die vier Fototran
sistoren uber ihre Ko11ektorwiderstande auf einem negativen Potential. Je nach
dem, ob die Fototransistoren beleuchtet oder abgedunkelt sind, fUhren ihre
Kollektorausgange Null- oder Minuspotential und geben die der anstehenden
Ziffer (hier die Ziffer 7) entsprechende Information auf die gemeinsamen Aus
gange, die zum Speicher gehen. Wah rend des Ablesens der Einer-Dezimale wird
in der Zehner-Dezimale uber eine Torschaltung und einen Speicher die Wahl der
Ableseebene vorbereitet. Der Speicher wird vor jedem Abfrageimpuls geloscht.
Er schaltet dann urn, wenn am Ausgang 8 wahrend des Ablesens der Einer
Dezimale Potentialliegt, d. h. wenn die Ziffern 5, 6, 7, 8, 9 anliegen.
1st kein Signal vorhanden, bIeibt der Speicher in Ruhelage. Die Abfrageleitung
der Zehner ist uber zwei Widerstande mit den Fototransistoren der beiden Ablese
ebenen verbunden. Eine der beiden Zuleitungen bleibt je nach Stellung des
Speichers uber den jeweils leitenden Transistor kurzgeschlossen, so daB der Ab
frageimpuls nur die von der vorhergelesenen Ziffer vorgewahlte Ableseebene er
reichen kann. In diesem Beispiel ist die nacheilende Ableseebene wahrend des Ab
frageimpulses eingeschaltet. Das Signal am Ausgang 8 bereitet die Hunderter
Dekade vor. Beim Abfragen der folgenden Dekaden wiederholen sich diese Vor
gange.
2. Arbeitsweise und Blockschaltung der Steuerung
Verglichen mit inkrementalen Steuerungssystemen erfordert die Verwendung von
absolut codierten Weggebern beim Soll-Ist-Vergleich einen erhohten Aufwand.
Naheliegend ist der Einsatz eines kleinen Digitalrechners zur laufenden Ermitt-
9
lung der Positionsabweichung. Da der Aufbau eines solchen Rechners, insbe
sondere auch durch die - eingabeseitig bedingte - dezimalbinare (tetradische)
Codierung erheblich kompliziert wird, wurde bei dem untersuchten Steuerungs
system nach einer anderen Losung gesucht. Die realisierte Schaltung zeichnet
sich, im Vergleich mit einem Rechner, durch verringerten Aufwand aus.
Das Blockschaltbild der gesamten Steuerung zeigt Abb. 3.
Rechteck Vorschubum
generator schaltung
Ht
Zt
T
H
z
E
Abb. 3 Blockschaltbild
Die mit Hilfe des Ringzahlers ausgeiesenen Istwert-Signale aus den einzelnen
Tetraden gelangen tiber Und-Glieder, die ebenfalls vom Ringzahler aus umge
schaltet werden, in die zugehorigen Istwert-Speicher. Der Code-Umsetzer hinter
dem Einer-Ausgang transformiert den Gray-Code in den Exzess-3-Code. Die
Istwert-Speicher behalten ihre Informationen wahrend eines Ablesezyklus bis kurz
vor Eingabe der neuen Werte. Sie werden jeweils vom Abfrageimpuls der davor
liegenden Dekade geioscht. Sollwert- und Istwert-Speicher sind gleich aufge
baut. Zwischen jedem Sollwert-Speicher und dem dazugehorigen Istwert-Speicher
liegt ein Vergleichsglied, das fUr jede Dekade feststellt, ob der Soli wert groBer
oder kleiner als der Istwert ist oder ob Koinzidenz vorliegt. Am Ende eines jeden
Ablesezyklus, der durch den Abfrageimpuls der HT-Dekade gekennzeichnet ist,
werden in einer kombinierten U nd-Oder-Schaltung die Vergleichsergebnisse der
einzelnen Dekaden zusammengefaBt und so ausgewertet, daB am Ausgang der
Schaltung dauernd eine Aussage tiber Vorzeichen und Koinzidenz zwischen der
sechsstelligen Istwert-Angabe und dem Sollwert vorliegt. Mit einer solchen
Schaltung konnte man bereits positionieren, wenn dieser Regier zusammen mit
10
einem Motor als Regelkreis arbeiten wurde. Eine Regelung uber den gesamten
V orschubbereich ware jedoch wegen des zu beherrschenden Drehzahlbereiches
aus Stabilitatsgrunden nicht befriedigend, so daB man in jedem Fall die Umschalt
signale zur Getriebeumschaltung braucht. Die Vorsignale sollen 10 mm und
1 mm vor dem Sollwert kommen. Verfalscht man den Sollwert nach der Sollwert
Eingabe vorzeichenrichtig urn einen Betrag, der 10 mm Weg entspricht, dann wird
das erste Koinzidenzsignal bereits 10 mm vor dem Sollwert ausgelost. Wenn man
zu dies em Zeitpunkt denselben Betrag mit umgekehrten Vorzeichen zuruck
speichert und gleichzeitig einen 1 mm entsprechenden Wert vorzeichenrichtig
addiert, dann kommt die nachste Koinzidenz 1 mm vor dem Sollwert. Nach
wiederholtem Zuruckspeichern des 1-mm-Betrages erscheint schlieBlich das dritte
Koinzidenzsignal bei Erreichen des zu Beginn der Positionierung eingespeicherten
Sollwertes. Das »Verfalschen« des Sollwertes laBt sich sehr einfach dadurch er
reichen, daB man die Speicher als Zweirichtungszahler aufbaut und die Ver
stellungen durch Zahlimpulse vornimmt. Auf Grund dieser Oberlegungen erhalt
man folgendes Arbeitsschema (Abb. 4).
S--J> 2:IOmm 10>S-J>1 mm S-J < Imm
cm mm cm mm cm mm
Oekade Oekade Oekade Oekade Oekade Oekade
2:1 2:1 2:1
-----"------ -----------
,
EiI- gang Vorzeichenumkehr Vorzeichenumkehr
__ __
Start :;:1 2:1 _~~_J !~
r-----------
L Koinzidenz Vor- schub v orzeichenumkehr
:;:1 2:1 Start +1
----------
f--_~~-.:.1_~~u~ __ 1. Koinzidenz Schleich-, gang
2. Koinzidenz +:1 Start
r-----------
+1 Schleich-:.l gang 1. Koinzidenz
---- -----
I-s.:h~c~j _ ~~g_ _ 2. Koihzidenz
3. Koinzidenz
Abb. 4 Ablaufdiagramm
Unabhangig yom Differenzbetrag zwischen Soll- und Istwert wird immer in der
cm-Dekade ein Impuls vorzeichenrichtig addiert. 1st die Differenz groBer als 1 em,
dann wird der Start freigegeben und die Maschine fahrt im Eilgang an. Das erste
Koinzidenzsignal lost einen Impuls in der entgegengesetzten Zahlrichtung aus
und anschlieBend einen Impuls am Eingang der mm-Dekade. Die Maschine
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