Zusammenfassung: Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sind industrielle Steuerungscomputer, die speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurden. Sie bieten signifikante Vorteile wie hohe Störfestigkeit, extrem hohe Zuverlässigkeit und geringe Größe und eignen sich ideal zur Integration von Mechatronik. Daher schlägt dieser Beitrag auf Grundlage praktischer Erfahrungen und eingehender Forschung Erkenntnisse und Methoden für die Ansteuerung von Schrittmotoren mit SPS vor, um Punkt-zu-Punkt-Steuerungsfunktionen in CNC-Systemen zu realisieren. Er erläutert verschiedene Aspekte, die bei der Entwicklung von Steuerungssystemen berücksichtigt und gelöst werden müssen, und liefert Designansätze für Steuerungssystemkonzepte und Hardware-/Softwarestrukturen. Dies ist für Industrie- und Bergbauunternehmen bei der Modernisierung ihrer Werkzeugmaschinen von hohem Anwendungs- und Referenzwert. Schlüsselwörter: SPS; CNC-System; Punkt-zu-Punkt-Steuerung. I. Einleitung: Die CNC-Technologie basiert auf der umfassenden Anwendung moderner wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften wie Elektronik, Computertechnik, Automatisierungstechnik und automatischer Erkennung. Ihre Anwendung ist in vielen Bereichen, insbesondere in der Zerspanungsindustrie, zunehmend verbreitet. CNC-Systeme werden nach ihren Steuerungsmethoden in Punkt-zu-Punkt-Steuerungssysteme, lineare Steuerungssysteme und kontinuierliche Steuerungssysteme unterteilt. In der Zerspanung wird die Punkt-zu-Punkt-Steuerung von CNC-Systemen üblicherweise bei Werkzeugmaschinen zur Lochbearbeitung (z. B. Bohr-, Reib- und Ausdrehmaschinen) eingesetzt. Charakteristisch ist, dass die beweglichen Teile der Werkzeugmaschine präzise von einer Position zur anderen bewegt werden können, d. h. die Endpunktposition der beweglichen Teile genau gesteuert wird. Die Bewegungsbahn wird dabei nicht berücksichtigt, und das Werkzeug schneidet das Werkstück während der Bewegung nicht. Es gibt im Allgemeinen zwei Methoden zur Realisierung der Punkt-zu-Punkt-Steuerung von CNC-Systemen: Zum einen die Verwendung einer vollfunktionsfähigen CNC-Maschine, die zwar über einen sehr großen Funktionsumfang verfügt, aber sehr teuer ist und viele Funktionen für die Punkt-zu-Punkt-Steuerung redundant sind; zum anderen die Verwendung eines Einplatinencomputers oder Mikrocontrollers zur Steuerung. Diese Methode erfordert neben der Softwareentwicklung auch die Entwicklung von Hardware-Schaltungen, Schnittstellenschaltungen und Treiberschaltungen, insbesondere unter Berücksichtigung der Störfestigkeit in industriellen Umgebungen. Da speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) speziell für industrielle Anwendungen entwickelte Industriecomputer sind, bieten sie erhebliche Vorteile wie hohe Störfestigkeit, extreme Zuverlässigkeit, geringe Größe und eignen sich ideal für die Integration von Mechatronik. Daher schlägt dieser Beitrag auf Grundlage praktischer Erfahrungen und eingehender Forschung Erkenntnisse und Methoden für die Ansteuerung von Schrittmotoren mit SPS vor, um Punkt-zu-Punkt-Steuerungsfunktionen in CNC-Systemen zu realisieren. Er stellt verschiedene Aspekte vor, die bei der Entwicklung von Steuerungssystemen berücksichtigt und gelöst werden müssen, und liefert Designvorschläge für das Steuerungssystemkonzept sowie die Hardware-/Softwarestruktur. Dies ist für Industrie- und Bergbauunternehmen bei der Modernisierung ihrer Werkzeugmaschinen von hohem Anwendungs- und Referenzwert. II. Zu berücksichtigende Aspekte bei der Entwicklung von Steuerungssystemen 1. Vermeidung von Schrittverlusten und Fehlern im Schrittmotorbetrieb Schrittmotoren sind leistungsstarke digitale Aktuatoren und können als Antriebsmotoren in der Punkt-zu-Punkt-Steuerung von CNC-Systemen eingesetzt werden. In der Open-Loop-Steuerung werden Schrittmotoren durch Impulse einer bestimmten Frequenz angesteuert. Die direkte Impulsgenerierung durch die SPS zur Ansteuerung des Schrittmotors kann die Hardware des Systems deutlich vereinfachen und die Zuverlässigkeit weiter verbessern. Da SPSen im zyklischen Abtastmodus arbeiten, mit einem Abtastzyklus typischerweise zwischen wenigen Millisekunden und einigen zehn Millisekunden, können Schrittmotoren aufgrund der Betriebsart der SPS und des Einflusses des Abtastzyklus nicht mit hohen Frequenzen betrieben werden. Beträgt die Impulsfrequenz zur Ansteuerung des Schrittmotors beispielsweise 4000 Hz, so beträgt die Impulsperiode 0,25 Millisekunden. Diese Impulsperiode ist deutlich kürzer als die Abtastperiode. Wird der Schrittmotor mit dieser Frequenz angesteuert, sendet die SPS viele Steuerimpulse, bevor die Ausgabeaktualisierung abgeschlossen ist, der Schrittmotor bewegt sich jedoch nicht, was zu erheblichen Schrittverlusten führt. Bei einer Impulsfrequenz von 100 Hz beträgt die Impulsperiode 10 Millisekunden, was in etwa der Größenordnung der Abtastperiode der SPS entspricht. Auch dies kann zu erheblichen Fehlern im Schrittmotorbetrieb führen. Um Schrittverluste und Fehler zu vermeiden, sollte ein Schrittmotor, der von einer SPS angesteuert wird, mit niedriger Frequenz betrieben werden. Die Impulsfrequenz sollte dabei im Bereich von zehn bis einigen zehn Hertz liegen. Dies lässt sich programmtechnisch realisieren. 2. Der Widerspruch zwischen Positioniergenauigkeit und Positioniergeschwindigkeit: Die Drehzahl des Schrittmotors ist direkt proportional zur Frequenz seiner Steuerimpulse. Bei extrem niedrigen Frequenzen ist die Drehzahl zwangsläufig sehr gering. Um die Positioniergenauigkeit des Systems zu gewährleisten, darf die Impulsäquivalenz – die Strecke, die Werkzeug oder Arbeitstisch bei einer Umdrehung des Schrittmotors um einen Schrittwinkel zurücklegt – nicht zu groß sein. Diese beiden Faktoren führen zusammen zu einem gravierenden Problem: übermäßig langen Positionierzeiten. Wenn der Schrittmotor beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz arbeitet, also alle 50 ms einen Schritt ausführt und die Impulslänge δ = 0,01 mm/Schritt beträgt, bewegt sich das Werkzeug bzw. der Arbeitstisch in einer Sekunde um 20 × 0,01 = 0,2 mm und in einer Minute um 60 × 0,2 = 12 mm. Bei einer Positionierdistanz von 120 mm würde die Positionierzeit 10 Minuten betragen. Eine solch langsame Positioniergeschwindigkeit ist im praktischen Betrieb nicht akzeptabel. Um die Positioniergenauigkeit zu gewährleisten, darf die Impulslänge nicht zu groß sein, was jedoch die Positioniergeschwindigkeit beeinträchtigt. Daher ist die Frage, wie die Positioniergeschwindigkeit bei gleichbleibender Positioniergenauigkeit verbessert werden kann, ein Problem, das sorgfältige Überlegungen und praktische Lösungen erfordert. 3. Online-Änderung variabler Steuerungsparameter: Bei der Anwendung von SPS zur Punkt-zu-Punkt-Steuerung wünschen sich Anwender die Möglichkeit, bestimmte Steuerungsparameter des Systems entsprechend den Feldbedingungen anzupassen, beispielsweise die Schrittzahl des Schrittmotors oder seine Drehzahl. Um eine kontinuierliche Produktion zu gewährleisten, müssen Änderungen an den variablen Parametern des Steuerungssystems online durchgeführt werden. Programmierer können die ursprünglichen Einstellungen zwar einfach und schnell ändern, diese stehen den Bedienern vor Ort jedoch in der Regel nicht zur Verfügung. Obwohl die Online-Änderung von Steuerungsparametern über SPS-Eingabetasten und Software-Design möglich ist, erfordert das Fehlen einer digitalen Anzeigeeinheit in der SPS die Entwicklung einer separaten digitalen Eingangs- und Anzeigeschaltung. Dies erhöht die Hardwarekosten erheblich, erschwert die Bedienung und verlangsamt die Dateneingabegeschwindigkeit. Daher sollten andere einfache und effektive Methoden zur Online-Änderung der variablen Steuerungsparameter der SPS in Betracht gezogen werden. 4. Weitere Aspekte Um die Anforderungen an die Anzeige digitaler Änderungen und Fehlercodes während der Punkt-zu-Punkt-Steuerung zu erfüllen, muss eine separate digitale Ausgangs- und Anzeigeschaltung für die SPS entwickelt werden. Angesichts der derzeit hohen Kosten für SPS-E/A-Punkte sollte eine geeignete Methode zur Reduzierung der Anzahl der Anzeigeausgänge Priorität haben. Um den sicheren und stabilen Betrieb des Steuerungssystems zu gewährleisten, müssen außerdem Sicherheitsaspekte wie der Systemausweichschutz und die automatische Erkennung fehlerhafter Komponenten berücksichtigt werden. III. Steuerungssystemschema 1. Aufteilung des Positioniervorgangs in zwei Phasen mit unterschiedlichen Impulsäquivalenten Um eine hohe Positioniergeschwindigkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der Positioniergenauigkeit zu erreichen, kann der gesamte Positioniervorgang in zwei Phasen unterteilt werden: Grobpositionierung und Feinpositionierung. Beide Phasen verwenden die gleiche Impulsfrequenz zur Ansteuerung des Schrittmotors, jedoch mit unterschiedlichen Impulsäquivalenten. Grobpositionierungsphase: Da das Werkzeug das Werkstück während des Positioniervorgangs nicht bearbeitet, kann in dieser Phase ein größerer Impulsäquivalentwert verwendet werden, z. B. 0,1 mm/Schritt oder 1 mm/Schritt oder sogar höher. Beispiel: Bei einer Schrittmotor-Ansteuerimpulsfrequenz von 20 Hz, einem Impulsäquivalentwert von 0,1 mm/Schritt und einem Positionierabstand von 120 mm beträgt die für den gesamten Vorgang benötigte Zeit 1 Minute, was die Geschwindigkeitsanforderungen deutlich erfüllt. Feinpositionierungsphase: Nachdem die Grobpositionierung abgeschlossen ist und das Werkzeug bzw. der Arbeitstisch mithilfe eines größeren Impulsäquivalents schnell in die Nähe des Positionierpunkts bewegt wurde, wird zur Sicherstellung der Positioniergenauigkeit in der Feinpositionierungsphase ein kleineres Impulsäquivalent verwendet. Dadurch nähert sich das Werkzeug bzw. der Arbeitstisch dem Positionierpunkt langsam an, beispielsweise mit einem Impulsäquivalent von 0,01 mm/Schritt. Obwohl das Impulsäquivalent kleiner ist, wird die Positioniergeschwindigkeit nicht beeinträchtigt, da der Feinpositionierhub sehr kurz ist (etwa ein Fünfzigstel des Gesamthubs). Um dies zu erreichen, werden zwei mechanische Drehzahlumschaltmechanismen eingesetzt. In der Grobpositionierungsphase wird das Werkzeug bzw. der Arbeitstisch direkt von einem Schrittmotor angetrieben, während in der Feinpositionierungsphase ein Untersetzungsgetriebe zum Einsatz kommt. Welcher der beiden Drehzahlumschaltmechanismen verwendet wird, wird durch eine elektromagnetische Kupplung gesteuert. 2. Anwendung von Funktionsbefehlen zur Implementierung der BCD-Code-Wähldateneingabe: Moderne, fortschrittliche SPSen verfügen nicht nur über grundlegende Logikbefehle, die die Anforderungen der sequenziellen Steuerung erfüllen, sondern bieten auch eine Vielzahl von Funktionsbefehlen. Wenn grundlegende Logikbefehle eine abstrakte Weiterentwicklung der Relaissteuerungsprinzipien darstellen, dann sind Funktionsbefehle vergleichbar mit einer abstrakten Weiterentwicklung der Assemblersprache. Der BCD-Datenwähler ist ein gängiges Eingabegerät für Dezimalzahlen in Computersteuerungssystemen. Der Wähler verfügt über Positionen von 0 bis 9+, denen jeweils eine numerische Anzeige zugeordnet ist. Ein Wähler repräsentiert eine Dezimalziffer. Zur Eingabe mehrerer Ziffern können mehrere BCD-Wähler parallel geschaltet werden. Der Autor wählte für das SPS-gesteuerte System einen BCD-Wähler. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer separaten digitalen Eingabe- und Anzeigeschaltung, was SPS-Eingabepunkte spart, die Hardware vereinfacht und die Nutzung erweiterter Funktionsbefehle für die Datenspeicherung und -übertragung ermöglicht. Dies erlaubt eine komfortable Online-Dateneingabe oder -änderung (z. B. von Zählereinstellungen). Mit einer einfachen Hardware-Decodierschaltung lassen sich dynamische Änderungen relevanter Parameter (z. B. die abnehmende Anzahl von Motorschritten) anzeigen. Um Systemschwankungen durch die Bedienung der Wähler während des Betriebs zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung einer Eingabetaste. Diese Taste sollte erst gedrückt werden, nachdem sichergestellt wurde, dass sich alle Wähler in der korrekten Position befinden. Erst dann werden die Daten von der SPS gelesen und verarbeitet. 3. „Software-Codierung, Hardware-Decodierung“ Um die Voraussetzung komprimierter Ausgabepunkte zu erfüllen, ist die digitale Ausgabeschaltung der SPS mit einer „Software-Codierung, Hardware-Decodierung“-Methode ausgelegt. Beispielsweise kann zur Anzeige von neun oder weniger Fehlerzuständen eine 8-4-Software-Codierung und eine 4-8-Hardware-Decodierung verwendet werden, um die Ausgabepunkte der Fehleranzeige auf vier zu komprimieren. Die Hardware-Schaltung umfasst Komponenten wie 74LS04, 74LS48 und Siebensegmentanzeigen mit gemeinsamer Kathode. 4. Automatische Erkennung externer Komponentenfehler in SPSen Aufgrund der extrem hohen Zuverlässigkeit von SPSen entstehen die meisten Fehler in SPS-Steuerungssystemen nicht durch die SPS selbst, sondern durch Fehler in externen Komponenten. Häufige Probleme wie Verschweißen und Oxidation von Taster- oder Endschalterkontakten entsprechen beispielsweise Kurzschluss- bzw. Unterbrechungsfehlern. Sobald das System einen Komponentenfehler automatisch erkennt, sollte es nicht nur über akustische und optische Alarmfunktionen verfügen, sondern auch umgehend den Fehlercode anzeigen, damit der Benutzer die Fehlerursache schnell ermitteln kann. Der Programmentwurf für diesen Abschnitt ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Referenzen zu finden. IV. Hardware- und Softwarestruktur des Steuerungssystems 1. Softwarestruktur Die Softwarestruktur ist gemäß den Steuerungsanforderungen ausgelegt und in fünf Module unterteilt: Schrittmotor-Steuerungsmodul, Positionssteuerungsmodul, Dateneingabe- und Datenübertragungsmodul, digitales Ausgabemodul und Modul zur automatischen Komponentenfehlererkennung und -alarmierung. Da die gesamte Softwarestruktur relativ umfangreich ist, generiert der Impulsregler 0,1 Sekunden lange Steuerimpulse und erzeugt mithilfe des Schieberegisters Sechs-Schritt-Taktimpulse. Über einen dreiphasigen Sechs-Schritt-Ringverteiler steuern die drei Ausgangsrelais Y430, Y431 und Y432 den Schrittmotor im einfachen/doppelten Sechs-Schritt-Ansteuermodus. Zur Positionssteuerung werden unterschiedliche Zähler für den Grob- und Feinpositionierhub verwendet. Die Sollwerte der Zähler werden entsprechend dem Hub bestimmt. Angenommen, das Werkzeug oder der Arbeitstisch soll von Punkt A nach Punkt C bewegt werden, wobei AC = 200 mm beträgt. AC ist in zwei Segmente unterteilt: AB = 196 mm und BC = 4 mm. Segment AB ist der Grobpositionierhub mit einer Impulsrate von 0,1 mm/Schritt für schnelle Bewegungen und einem 6-Bit-Zähler (C660/C661). Segment BC ist der Feinpositionierhub mit einer Impulsrate von 0,01 mm/Schritt für präzise Positionierung und einem 3-Bit-Zähler C460. Sobald die Grobpositionierung endet und die Feinpositionierung beginnt, aktiviert die SPS automatisch den Ausgang Y433 der elektromagnetischen Kupplung, um den Geschwindigkeitswechsel zu realisieren. 2. Hardwarestruktur V. Fazit Systemversuche zeigen, dass die in diesem Beitrag vorgestellte Methode, die Schrittmotoren mittels SPS steuert, um die Punkt-zu-Punkt-Steuerungsfunktion des CNC-Systems zu realisieren, die Steuerungsanforderungen erfüllt und im praktischen Betrieb praktikabel ist. Das entwickelte Steuerungssystem bietet signifikante Vorteile wie klare Programmierkonzepte, einfache und praktische Hardware-Schaltungen, hohe Zuverlässigkeit, starke Störfestigkeit und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Seine Software- und Hardware-Designkonzepte können für die Umrüstung entsprechender Werkzeugmaschinen in Industrie- und Bergbauunternehmen eingesetzt werden.