Aufbau und Wirkungsweise einer Magnetbandsteuerung PDF
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OK 621-523.8-527.7:621.9 FORSCH U NGSBE RICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRH E I N-WESTFAlE N Herausgegeben von Staatssekretăr Prof. Or. h. c. Or. E. h. Leo Brandt Nr.669 Prof. Dr.-Ing. Herwart Opitz Dipl.-Ing. Hans Uhrmeister Dipl.-Ing. Klaus Justel Laboratorium fur Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Technischen Hochschule Aachen Aufbau und Wirkungsweise einer Magnetbandsteuerung Ais Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1958 ISBN 978-3-663-03524-4 ISBN 978-3-663-04713-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04713-1 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g Einleitung · . . . . . s. 5 I. Anforderungen an das Nachlauf-Regelungs-System und Auswahl der Bauelemente • • • S. 1 1. Werkzeugmaschine ••• s. 1 · . . 2. Informationsspeicher •• • • S. 1 3. Magnetbandgerat S. 12 4. Stellungsftihler · S. 12 5. Stellglieder ••• · S. 13 6. Bedienung der Anlage • · · · s. 14 II. Aufbau der einzelnen Bausteine · · · s. 15 . 1. Magnetbandgerat · · · · · · s. 15 2. Loschfrequenzgenerator • · · · · · · s. 16 3. 200 Hz Oszillator mit Drei-Phasen Generator und Phasenkompensation · · s. 16 4. Aufnahmeverstarker • • • · · · S. 19 5. Wiedergabe-Verstarker · • S. 20 6. Frequenzrelais •.•.. · . s. 22 1. Impuls-Phasen-Vergleich • • S. 23 8. StellgroBen-Verstarker • · . s. 24 9. Thyratron-Aggregat . • • • S. 25 10. Automatische Druckknopf-Steuerung · . s. 26 11. Handsteuerung · s. 21 12. Stromversorgung · . s. 21 III. Wirkungsweise der Magnetbandsteuerung • · . . . s. 30 IV. Regelungstechnische Untersuchungen einzelner Bausteine sowie Ermittlung von Ansprechempfind- lichkeit und Getriebelose •.••• · . s. 33 1. Die Zeitkonstante des Reglers · . s. 33 2. Die Regelstrecke ••••••• s. 36 V. Das Verhalten des gesamten Regelkreises · . . s. 43 1. Berechnung des aufgeschnittenen Regelkreises aus den einzelnen Regelkreisgliedern · . . . . . s. 43 Seite 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 2. Der EinfluB von Totzeit, Reibung und Getriebelose auf die Stabilitat des Regelkreises . . . s. 44 3. Die Zustellgenauigkeit des Schlittens • • • • S. 47 VI. Kritische Betrachtung des Regelvorganges . . s. 48 Seite 4 Forsohungsberiohte des Wirtsobafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Einleitung Die Enwicklung der Fertigungsmethoden zur Herstellung von Massenglitern hat seit ihrer Einftihrung bei der Automobilindustrie vor rund 40 Jahren sehr groBe Fortschritte gemacht. Durch geschickte Kombination mechani scher, hydraulischer und elektrischer Bauelemente sind Maschinen ent wickelt worden, die es gestatten, Massengtiter schnell und billig herzu stellen. Ein wirtschaftliches Arbeiten dieser Einzweckmaschinen und TransferstraBen ist aber an sehr groBe Sttickzahlen gebunden. So trifft man oft die Meinung, daB ftir eine Automatisierung groBe Sttickzahlen un erlaBlich sind. Das mag ftir die genannten Einzweckmaschinen und Trans ferstraBen zutreffen. SolI auf ihnen ein Werksttick mit anderen Abmes sungen hergestellt werden, so muB die Maschine mit erheblichem Zeitauf wand umgerichtet, wenn nicht sogar in einzelnen Teilen umgebaut werden. Damit nun die Kosten fur dieses Umrichten, auf das Werkstuck bezogen, gering werden, muB eine groBe Menge gleichartiger Werkstticke gefertigt werden. Wori·n besteht nun das Umrichten einer Maschine? Zur Erzeugung der gewtinschten Form eines Werksttickes muB der Rohling auf einer genau vorgegebenen Bahn am Werkzeug oder umgekehrt vorbeigeftihrt werden. Diese Bahnen kennen aus Geraden, Kreisen oder sonstigen Kurvenztigen heherer Ordnung zusammengesetzt sein. SolI die Maschine selbsttatig diese vor geschriebenen Bahnen nachfahren, so muB der Bewegungsablauf in ihr selbst festgehalten werden. Bei einem Revolverautomaten z.B. gehort zu jedem Werkzeug eine ganz bestimmte Arbeitstiefe, die durch Anschlage oder Endschalter einmal eingestellt wird. 1st diese Tiefe vom Werkzeug erreicht, so erfolgt der Rticklauf, der Werkzeugwechsel, und der neue Bearbeitungsvorgang beginnt. Dieses System, das die Arbeitsgange in der richtigen Reihenfolge bis zur eingestellten Tiefe ablaufen laBt, nennt man '1nformationsspeicher'. Bei einer Kopierdrehmaschine ist beispielsweise die Bahn der MeiBel spitze durch die Schablone bestimmt. Sie stellt ebenfalls einen 1nfor mationsspeicher dar, der hier die genaue Zuordnung von Langs- und Plan bewegung enthalt. Aus den angeftihrten Beispielen ergeben sich zwei Speicherarten: 1. Der Programmspeicher, der die einzelnen Werkzeuge oder Arbeitsgange vorschreibt, 2. der Weg- oder Kdordinatenspeicher, der die Bewegungen des Werkzeuges oder Werksttickes bei der Bearbeitung vorschreiht. Seite 5 Forschungsberichte des Wirtscbafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Ein Umrichten der Arbeitsmaschine besteht also darin, diese beiden Speicher mit neuen Informationen zu fullen. Gelingt dies in relativ kurzer Zeit, so wird auch die Herstellung von Kleinserien, ja sogar von Einzelstucken wirtschaftlich. Der erste Schritt in dieser Richtung wurde schon in den 30-iger Jahren mit der Entwicklung der Kopiermaschinen gemacht. Bedingt durch die schnelle Entwicklung der Elektrotechnik wahrend und nach dem 2. Weltkrieg, sind vornehmlich in England und den USA etwa seit dem Jahre 1950 Versuche unternommen worden, Werkzeugmaschinen mit Hilfe von Lochstreifen und Magnetband zu steuern. Auch diese beiden sind Informationsspeicher, die von Fernschreibern und Magnettongeraten allgemein bekannt sind. Grundsatzlich laBt sich jede Maschine mit einem derartigen Steueraggre gat ausrusten. Bekannt geworden sind bis jetzt: Fras-, Hobel- und Brenn schneidemaschinen, Drehbanke und Bohrwerke (Literaturhinweise sind am SchluB des Berichtes zusammengefaBt). Bei diesen Steuerungen lassen sich zwei groBe Gruppen unterscheiden: 1. Die Bearbeitung findet nach dem Einfahren in bestimmte Koordinaten punkte statt, 2. die Bearbeitung erfolgt zur Erzeugung bestimmter geometrischer Linien oder Flachen wahrend der Bewegung des Werkzeuges oder Werkstuckes. Es ist verstandlich, daB die unter 2) genannten Aggregate wesentlich umfangreicher und komplizierter in ihrem Aufbau sind und ebenfalls an das dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine, die ein wesentliches Glied in diesem 'Nachlaufregelungssystem' ist, hahere Anforderungen stellen. Fur einen derartigen Regelkreis muB auch die FuhrungsgroBe w kontinuierlich zur Verfugung gestellt werden. Das erreicht man auf der einen Seite durch Verwendung eines Magnetbandes, das die FuhrungsgroBe w bei gleichmaBiger Bandgeschwindigkeit als Funktion der Zeit beim Ab spielen wiedergibt. Lochstreifen oder Lochkarten konnen dagegen immer nur blockweise abgetastet werden. Fur die Bereitstellung einer konti nuierlichen FuhrungsgroBe ist deshalb ein besonderer Interpolator er forderlich. Die Aufnahme des Programms auf Lochstreifen oder Magnetband erfolgt in der elegantesten Weise unter Verwendung eines elektronischen Rechen- Sei te 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen gerates. Diesem werden lediglich die Koordinaten der Eckpunkte geradlini ger Bewegungen, die Radien und Mittelpunkte von kreisformigen Bewegungen oder aber auch beliebige Kurvenzuge in Form von Polynomen eingegeben, und der gestanzte Lochstreifen oder das bespielte Magnetband kann fertig fur den Gebrauch entnommen werden. Um die hohen Kosten fUr eine derartige Rechenanlge zu sparen, wurde fur die Versuche im Institut fUr Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Rheinisch-Westf. Technischen Hochschule Aachen ein anderer Weg beschrit ten, der aber genau so gut gestattet, die Arbeitsweise von Steueraggre gat und Werkzeugmaschine zu studieren. Bei diesem sog. Aufnahme-Wieder gabe-Verfahren wird auf einem Magnetband bei der Herstellung des ersten WerkstUckes das Programm gespeichert. AIle folgenden StUcke werden dann nach diesem Programm bearbeitet. Der Entwicklungsgang dieser Anlage sowie die ersten Messungen bezUglich Genauigkeit und Zeitverhalten sol len im folgenden aufgezeigt werden. Ie Anforderungen an das Nachlauf-Regelungs-System und Auswahl der Bauelemente 1. Die Werkzeugmaschine Als Arbeitsmaschine wird eine Feindrehbank der Firma Pfeiffer vorgese hen. Die Bewegung des Supportes soll in 2 Koordinaten, d.h. in Langs und Planrichtung, vor- und zuruck mit stufenlos einstellbarer Geschwin digkeit erfolgen. Die maximale Stellgeschwindigkeit solI fUr die Langs und Planrichtung 2 mm/sec betragen. Jede Koordinate erhalt ihren eigenen Antriebsmotor, samtliche Verbindungen zum Hauptantrieb der Maschine mus sen gelost werden. Die Einstellung eines festen Vorschubes pro Spindel umdrehung, wie er bei Kopiermaschinen noch ublich ist, ist damit nicht mehr moglich. 2. Informationsspeicher Um einen Interpolator zu umgehen, wird als Informationstrager Magnet band verwendet. Auf diesem mussen die Informationen fUr eine Bewegung in 2 Koordinaten sowie Kommandos fur den automatischen RUcklauf bei Been digung des Bearbeitungsprozeases und sonstige Hilfsfunktionen gespeichert Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen werden. Die Aufzeichnung der Signale auf dem Magnetband kann in allen bekannten Modulationsarten erfolgen, von denen die gebrauchliohaten in Abbildung 1 dargestellt sind. 8e/ehl Ampliduden modulation Frequenz modulation \ A An A A M\ A Phasen vv vvv modulation V V ~V A b b i I dun g 1 Moglichkeiten einer Modulation bei sin-Spannungen und Impulsen Von diesen ist die Amplitudenmodulation, die bei den Magnetbandgeraten fur tonfrequente Wiedergabe verwendet wird, die bekannteste. Es gibt eine Vielzahl von Moglichkeiten, aus der Lageanderung des Supportes oder der Winkeldrehung einer Welle eine Modulation des Tragersignales zu erhalten. So liegt es nahe, die Langsbewegung eines Supportes dazu auszunutzen, um auf einem Widerstand einen Schleifer zu verschieben. Die am Schleifer liegende Spannung ist dann (ohne Stromentnahme) pro 2). portional der Strecke x (Abb. Nimmt man an, daB die Lange des Widerstandes 1 mist und die angelegte Spannung 100 V betragt, so ergibt das eine Spannungsanderung von 1 V/cm = 0,1 V/mm = 0,0001 V/;U' Will man mit einer derartigen Anord nung in jeder Stellung des Supportes die Lage auf 1 0 ;U genau bestim. % men, so muS die angelegte Spannung von 100 V auf 1 mV oder 0,001 genau eingehalten werden. Mit derselben Genauigkeit muBte die vom Schlei fer des Widerstandes abgenommene Gleichspannung einer Tragerfrequenz aufgedruckt und diese auf dem Magnetband festgehalten werden. Da die besten Magnetbandgerate keinen groBeren Dynamikbereich als 60 db, d.h. ein Verhaltnis von Nutzspannung zu Rauschspannung = 1000 : 1, gestatten, Sei te 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen ist dieses Verfahren bei derartigen Ansprtichen an die Genauigkeit nicht zu gebrauchen. Zusatzlich hierzu ergeben sich noch Amplitudenfehler, die auf Inhomogenitaten des Bandes sowie auf schwankenden AnpreBdruck % zurlickzuftihren sind. Diese Fehler liegen bei 5 - 10 der Maximalampli tude und bringen eine noch groBere Verfalschung der Modulation • . -_. H+----4ii1- \+-+-- ~-----Uo----------~ A b b i 1 dun g 2 Eine weitere Moglichkeit bietet die Frequenzmodulation. Aber auch hier stoBt man auf Schwierigkeiten. Der Abstand zweier markanter Punkte auf dem Tonband ist von der Aufnahmegeschwindigkeit v abhangig. Normaler weise wird zum Antrieb des Bandes ein Motor benutzt, dessen Drehzahl sil;h mit der Netzfrequenz andert. Die Frequenzschwankungen des Netzes %. liegen bekanntlich in der GroBenordnung ~ 1 Dieselben Frequenz schwankungen erhalt man aber auch beim Abspielen des Bandes, wenn die Netzfrequenz sich andert. Liegt die Netzfrequenz z.B. zur Zeit der Auf nahme bei 49,5 Hz und ist die aufzunehmende Frequenz 1000 Hz, so erhalt man bei einerWLedergabe mit der Netzfrequenz 50 Hz eine Frequenz von 1010 Hz. Hinzu kommen noch Fehler, die durch eine periodische Ungleich formigkeit der Bandgeschwindigkeit, meist durch eine unrundlaufende Tonrolle bedingt, hervorgerufen werden. Bei den gebrauchlichen Antrieben %. liegt diese Ungleichformigkeit zwischen 0,1 - 0,4 Auf Grund dieses Fehlers wtirde eine aufgespielte Frequenz von 1000 Hz beim Abspielen Sei te 9 Forschungsberichte des Wirtscbafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen urn 1 - 4 Hz periodisch schwanken. Mit dieser Methode sich also l~St ebenfalls ein AuflBsung~vermBgen von 10-5, wie es in unserem Beispiel gefordert wird, nicht erreichen. Das gleiche gilt flir die der Frequenz modulation sehr nahe kommene Phasenmodulation. Selbst, wenn man in den beiden letzt genannten eine Bezugsfrequenz oder Be F~llen zus~tzlich zugsphase mit auf dem Tonband speichert, reicht das Auflosungsvermogen der Demodulatoren nicht an den gewtinschten Wert heran. Ahnlich liegen die Verh~ltnisse bei der Speicherung von Impulsmodulationsarten. Eine Ausnahme bildet die Impulsfrequenzmodulation, bei der die Gesamtbewe gung des Supportes aus kleinsten nicht mehr weiter unteilbaren Einhei ten zusammengesetzt ist und pro Einheit, z.B. 1 , ein Impuls abgege ~ ben wird. Aus der Gesamtzahl der Impulse errechnet sich der zurlickgelegte Weg. Die Pulsfrequenz gibt die Geschwindigkeit an. Diese Art der Positionie rung oder Lageeinstellung flihrt auf ein digitales Regelungssystem, dessen Untersuchung einem Zeitpunkt vorbehalten sein solI. sp~teren Urn liberhaupt mit einem analogen, d.h. stufenlosen System arbeiten zu kBnnen, muS also das erforderliche Auflosungsvermogen kleiner gemacht werden. Das wurde in folgender Weise erreicht: Bei gleiehbleibender Genauigkeit von 10-2 mm wird die Gesamtstreeke aus kleineren Abschnitten von 3,6 mm zusammengesetzt. Diese 3,6 mm werden mit Hilfe einer Zahn stange und eines passend dimensionierten Ubersetzungsgetriebes in eine Winkeldrehung von 3600 umgesetzt. Gelingt es nun, diese 3600 auf 10 genau einzuhalten, was auf ein Auflosungsvermogen von 360 hinausl~uft, -2 so l~Bt sieh die Schlittenbewegung auf 10 mm genau messen. Ein Stel- lungsfuhler, der diese Aufgabe losen kann, ist der Drehfeldgeber (Abb.3). Dieser besitzt einen Stator, der mit Drei-Phasenstrom gespeist wird. Wie bei einem Drehstrommotor wird dadurch ein Drehfeld erzeugt. In der Wicklung des Rotors wird bei Stillstand durch dieses Drehfeld eine Spannung gleicher Frequenz aber mit einem sich je nach Drehwinkel ~n dernden Phasenwinkel induziert. Die Drehung des Rotors bewirkt also eine der Rotorspannung, die tiber Schleifringe abgenommen wer Phasen~nderung den kann. Derartige Drehfeldsysteme werden mit einer Genauigkeit von < 0,50 geliefert. Die Abbildung 3 zeigt schematisch den Aufbau sowie ein Baumuster der Firma Schoppe & Faeser, Minden. Seite 10
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