DE19939137A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung eines Antriebs - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung eines Antriebs

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung zumindest eines Antriebs, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, vorgeschlagen, wobei in einem Teileprogramm (20) zur Beschreibung einer Bewegungsbahn eines von dem zumindest einen Antrieb (18) bewegbaren Werkzeugs (12) zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X2, Y2, Z2; X3, Y3, Z3) hinterlegt sind. Eine Steuerung (18) ermittelt aus dem Teileprogramm (20) zumindest einen Antriebssollwert (VA(S)) zur Ansteuerung des Antriebs (18). Es sind Mittel (18) vorgesehen zur Ermittlung einer Strecke (S), die zwischen den zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X3, Y3, Z3) liegt, und zum Erzeugen eines Antriebssollwerts (VA(S)) in Abhängigkeit von der Strecke (S) und von zumindest einer Teileprogrammkenngröße (V1, V2).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung zumindest eines Antriebs, insbesondere für Werkzeugmaschinen. Bei herkömmlichen Werkzeugmaschinensteuerungen können Bewegungsvorgaben innerhalb eines sogenannten Teileprogramms als Folge von Stützstellen hinterlegt werden. Um bestimmten technischen Bedingungen Rechnung zu tragen, werden dynamische Bedingungen im Teileprogramm in Form von Vorschubwerten hinterlegt. Insbesondere bei einer Bewegungsbahn mit stark schwankenden Vorschubwerten können sich rampenförmige Geschwindigkeitsverläufe einstellen, da die Steuerung den Antrieb in der Regel mit einer Sollwertfolge beaufschlagt, um mit Maximalbeschleunigung den nächsten programmierten Vorschubwert zu erreichen. Die sich hierbei unter Umständen ergebenden diskontinuierlichen Geschwindigkeitsverläufe verlangen der Maschinenmechanik hohe Anforderungen ab. Auf die Bearbeitungsqualität wirken sich diese negativ aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Antrieb einer Werkzeugmaschine geeignete Sollwerte vorzugeben, um einen gleichförmigen Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsverlauf zu erreichen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung zumindest eines Antriebs, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, umfaßt ein Teileprogramm oder eine vergleichbare Einrichtung zur Beschreibung einer Bewegungsbahn eines von dem Antrieb bewegbaren Werkzeugs. Das Teileprogramm enthält zumindest zwei Teileprogrammpositionen mit einer zugehörigen Teileprogrammkenngröße wie beispielsweise der Vorschub. Eine Steuerung ermittelt aus dem Teileprogramm eine Sollwertfolge zur Ansteuerung des Antriebs. Es sind Mittel vorgesehen zur Ermittlung einer Strecke, die zwischen den zumindest zwei Teileprogrammpositionen liegt, und zum Erzeugen der Sollwertfolge in Abhängigkeit von der Strecke und von der Teileprogrammkenngröße.
Die Einbeziehung der zurückzulegenden Strecke zwischen zwei Positionswerten erlaubt eine gleichmäßige und kontinuierliche Vorgabe des Antriebssollwerts. Durch die Ermittlung der noch zu durchlaufenden Strecke fließt der gesamte (zukünftige) Bewegungsbahnablauf in die Sollwertvorgabe mit ein. Dadurch läßt sich eine schnelle und kontinuierliche Bearbeitung von Werkstücken erreichen. Weiche Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsübergänge lassen sich selbst bei stark schwankenden Bewegungsabläufen erzielen. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einfache Programmierung eines Teileprogramms bei stark unterschiedlichen Geschwindigkeitsvorgaben. Lediglich zwei Positionswerte müssen mit den zugehörigen Bewegungswerten (Geschwindigkeit oder Beschleunigung) programmiert werden. Die Steuerung ermittelt selbständig die zwischen den beiden Positionswerten liegende Strecke und leitet daraus einen kontinuierlichen Verlauf der Antriebssollwerte in Abhängigkeit von der Änderung der zwei hinterlegten Teileprogrammkenngrößen ab. Eine Bewegungsbahn mit sich monoton ändernden Vorschubwerten muß nicht anhand einzelner NC-Sätze vorgegeben werden, ausreichend ist lediglich eine Programmierung der Anfangs- und Endvorschubwerte als Teileprogrammkenngrößen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung werden die zumindest zwei Teileprogrammpositionen, denen jeweils Anfangs- und Endteileprogrammbewegungswerte zugeordnet sind, in bestimmter Weise gekennzeichnet, um die Steuerung zur Ermittlung der Strecke zwischen eben diesen zwei Teileprogrammpositionen zu veranlassen. Der Benutzer kann in einfacher Weise zwischen der herkömmlichen Vorgabe eines Antriebssollwerts oder der erfindungsgemäßen wechseln, je nach der gewünschten Bearbeitungsart.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Antriebssollwerte linear bezüglich der Geschwindigkeit zwischen den Teileprogrammkenngrößen zu interpolieren.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein Blockschaltbild, die Fig. 2, 3a, 3b, 5 typische Sollwertverläufe, die Fig. 4 ein Teileprogramm sowie die Fig. 6 ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein Werkstück 10 wird von einem Werkzeug 12 bearbeitet, welches von einem Antrieb 16 zumindest in x-Richtung bewegt wird. Der Antrieb 16 erhält Sollwerte von einer Steuerung 18, die Daten eines Teileprogramms 20 entsprechend aufbereitet. Fig. 2 zeigt einen typischen rampenförmigen Vorschubverlauf V nach dem Stand der Technik.
In den Fig. 3a, 3b ist ein Vorschub- beziehungsweise Beschleunigungsverlauf dargestellt, wie er sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt. In dem Teileprogramm 20 gemäß Fig. 4 sind exemplarisch drei NC-Datensätze gezeigt. Ein als Gxx bezeichneter Startbefehl legt für die Steuerung 18 fest, daß mit der erfindungsgemäßen Sollwertvorgabe begonnen werden soll. In diesem ersten NC-Satz sind darüber hinaus erste Teileprogrammpositionen X1, Y1, Z1 mit zugehöriger ersten Teileprogrammkenngröße V1 hinterlegt. Als Teileprogrammkenngröße wird in dem Ausführungsbeispiel der programmierte Vorschub V1 verwendet, nachfolgend als Teileprogrammvorschub bezeichnet. Im zweiten Datensatz wird eine zweite Teileprogrammposition X2, Y2, Z2 angegeben, die angefahren werden soll. Dem dritten NC-Datensatz ist ein Endebefehl Gxy vorangestellt neben einer dritten Teileprogrammposition X3, Y3, Z3 mit zweiter Teileprogrammkenngröße V2, nachfolgend als zweiter Teileprogrammvorschub V2 bezeichnet. Das zugehörige Bewegungsdiagramm zeigt Fig. 5. Die auf der Geraden liegenden Kreuze stellen die von der Steuerung 18 ermittelten streckenabhängigen Antriebssollwerte VA(S) dar. Hierbei handelt es sich um erfindungsgemäß ermittelte Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungswerte, die eventuell durch Integration dem Antrieb 16 als Lagesollwerte zur Verfügung gestellt werden können.
Bei einer herkömmlichen Antriebssollwertvorgabe ergibt sich ein Vorschubverlauf wie in Fig. 2 dargestellt. In dem Teileprogramm 20 ist nach herkömmlicher Weise jeder Teileprogrammposition X1, X2, X3 der jeweilige Teileprogrammvorschub V1, V2, V3 zugeordnet. In der ersten Teileprogrammposition gibt die herkömmliche Steuerung eine Maximalbeschleunigung als Sollwert an den Antrieb 16, um bis spätestens in der zweiten Teileprogrammposition X2 den programmierten Teileprogrammvorschub V2 zu erreichen. Dieser zweite Teileprogrammvorschub V2 wird in der Regel schon deutlich vor der zweiten Teileprogrammposition X2 erreicht, so daß sich der gezeigte rampenförmige Verlauf einstellt, der zu dem dargestellten Geschwindigkeitsverlauf führt.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen werden kontinuierliche Bewegungsverläufe gezielt erreicht, wie in den Fig. 3a, 3b dargestellt. Das Zustandekommen dieses Bewegungsverlaufs wird anhand des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 4 und 5 erläutert. Der Anfang eines Abschnitts in einem Teileprogramm 20, der sich durch stark schwankende Vorschubverläufe auszeichnet, wird mit dem Startbefehl Gxx markiert. Die erste Teileprogrammposition X1, Y1, Z1 wird mit dem ersten Teileprogrammvorschub V1 erreicht. Falls in dem Datensatz kein erster Teileprogrammvorschub V1 programmiert wurde, greift die Steuerung 18 auf den letzten Teileprogrammvorschub im NC-Programm zurück. Durch den Startbefehl Gxx wird die erfindungsgemäße Sollwertvorgabe angestoßen. Erkennt die Steuerung 18 den Startbefehl Gxx, Schritt 103, ermittelt sie durch Integration die Strecke S. die ausgehend von der durch den Startbefehl Gxx markierten ersten Teileprogrammposition X1 über die weitere Teileprogrammposition X2 bis hin zu der durch den Endebefehl Gxy markierten dritten Teileprogrammposition X3 durchlaufen wird. Die Steuerung 18 errechnet zunächst die Strecke S zur zweiten Teileprogrammposition X2, an die sich noch weitere Zwischenpositionen anschließen können. Es wird so lange die Strecke S zur nächsten anzufahrenden Zwischenposition X bestimmt, Schritt 105, bis der Endebefehl Gxy erkannt wird, Schritt 107. Die sich bei durch den Endebefehl Gxy gekennzeichneten dritten Teileprogrammposition X3 ergebende Streckenlänge wird als Maximalstrecke Smax für die weitere Bestimmung der Antriebssollwerte VA abgespeichert, Schritt 109. In diesem dritten NC-Satz ist der zu erreichende zweite Teileprogrammvorschub V2 hinterlegt. Die Steuerung 18 erkennt, daß eine Erhöhung des Vorschubs von V1 auf V2 innerhalb der ermittelten Strecke Smax zu erreichen ist.
Die Vorgabe der Antriebssollwerte VA(S), im Ausführungsbeispiel die Antriebssollgeschwindigkeit, erfolgt in Abhängigkeit von der Strecke S. Gemäß Fig. 5 ist eine lineare Vorschubanhebung vorgesehen. Die Antriebssollwerte lassen sich durch eine bekannte Geradengleichung der Form
VA(S) = (V2 - V1) . (S : Smax) + V1
beschreiben. Damit könnte sich beispielsweise der in Fig. 5 gezeigte, durch Kreuze markierte Antriebssollwertverlauf VA ergeben, wenn die Antriebssollwerte VA(S) diskret mit gleichem Streckenabstand ΔS vorgegeben werden. Die Antriebssollwerte VA zeichnen sich damit durch einen gleichförmigen Verlauf aus, so daß sich eine Bewegungsbahn entsprechend der Fig. 3a, 3b ergibt.
In der Anwendungsweise sind zahlreiche Abwandlungen denkbar. Anstelle eines linearen Geschwindigkeitsübergangs wie vorher beschrieben, könnten die Antriebssollwerte VA prinzipiell durch beliebige mathematische Funktionen beschrieben werden. Eine in Fig. 5 strichlinierte dargestellte Funktion gewährleistet einen glatten Übergang zwischen den beiden Vorschubwerten V1, V2, ohne daß Knickpunkte im Beschleunigungsverlauf auftreten.
Die erfindungsgemäße Berechnung der Antriebssollwertvorgabe könnte auch eingesetzt werden, wenn anstelle der Vorschubwerte V1, V2 entsprechende Beschleunigungsänderungen ruckfrei zu durchlaufen sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung zumindest eines Antriebs (16), insbesondere für eine Werkzeugmaschine, wobei in einem Teileprogramm (20) zur Beschreibung einer Bewegungsbahn eines von dem zumindest einen Antrieb (18) bewegbaren Werkzeugs (12) zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X2, Y2, Z2; X3, Y3, Z3) hinterlegt sind, mit einer Steuerung (18), die aus dem Teileprogramm (20) zumindest einen Antriebssollwert (VA(S)) zur Ansteuerung des Antriebs (18) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18) vorgesehen sind zur Ermittlung einer Strecke (S), die zwischen den zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X3, Y3, Z3) liegt, und zum Erzeugen eines Antriebssollwerts (VA(S)) in Abhängigkeit von der Strecke (S) und von zumindest einer Teileprogrammkenngröße (V1, V2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X3, Y3, Z3) durch einen Befehl (Gxx, Gxy) gekennzeichnet werden zur Ermittlung des Antriebssollwerts (VA(S)).
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebssollwert (VA(S)) sich zumindest linear in Abhängigkeit der Zeit ändert.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebssollwert (VA(S)) ein Geschwindigkeits- oder Beschleunigungswert verwendet wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Antrieb (16) eine durch Integration des Antriebssollwerts (VA(S)) gebildete Größe als Sollwert zugeführt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Teileprogrammkenngröße (V1, V2) der programmierte Vorschub verwendet ist.
7. Verfahren zur Erzeugung eines Sollwerts für die Ansteuerung zumindest eines Antriebs (18), insbesondere für eine Werkzeugmaschine, wobei in einem Teileprogramm (20) zur Beschreibung einer Bewegungsbahn eines von dem zumindest einen Antrieb (16) bewegbaren Werkzeugs (12) zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X2, Y2, Z2; X3, Y3, Z3) hinterlegt sind, wobei eine Steuerung (18) aus dem Teileprogramm (20) zumindest einen Antriebssollwert (VA(S)) zur Ansteuerung des Antriebs (18) ermittelt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Ermitteln der Strecke, die zwischen den zumindest zwei Teileprogrammpositionen (X1, Y1, Z1; X3, Y3, Z3) liegt,
  • - Erzeugen des Antriebssollwerts (VA(S)) in Abhängigkeit von der Strecke und von zumindest einer Teileprogrammkenngröße (V1, V2).
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