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Regelung für den relativen Gleichlauf von mechanisch gekoppelten Werkzeugmaschinenachsen - Dokument DE4434525A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4434525A1 28.03.1996
Titel Regelung für den relativen Gleichlauf von mechanisch gekoppelten Werkzeugmaschinenachsen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Papiernik, Wolfgang, Dr.-Ing., 91054 Erlangen, DE;
Tröndle, Hans-Peter, Dr.-Ing., 91301 Forchheim, DE
DE-Anmeldedatum 27.09.1994
DE-Aktenzeichen 4434525
Offenlegungstag 28.03.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1996
IPC-Hauptklasse B23Q 5/10
IPC-Nebenklasse G05D 13/64   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Regelung für den relativen Gleichlauf von mechanisch gekoppelten Werkzeugmaschinenachsen (A1-An). Für alle Achsen ist ein gemeinsamer Drehzahlregler (D) vorgesehen, dessen Istwert dem Mittelwert aller Istdrehzahlen entspricht. Für jeweils zwei Achsen (A1, A2) ist ein Drehzahlausgleichsregler (D1) vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung für den relativen Gleichlauf von mechanisch miteinander gekoppelten Werkzeugmaschinenachsen.

Aus der europäischen Patentanmeldung 03 09 842 Al ist ein Verfahren zur Realisierung von elektronischen Getrieben bekannt, das z. B. auch bei Synchronspindeln und Gantry-Achsen zum Einsatz kommt. Jeder der einzelnen Achsen ist hierbei in eigener Lage und Drehzahlregler zugeordnet. Um Störungen schneller ausregeln zu können, wird darüber hinaus ein Ausgleichsregler verwendet, der aus der Differenzlage und/oder Drehzahl aller Achsen zusätzliche Stellgrößen für den Drehzahlregler der Folgeachse bildet.

Im Falle mechanisch zwangsgekoppelter Achsen (Synchronspindeln, Gantry-Achsen, Master-Slave-Betrieb) ist allerdings die Regelung überbestimmt, weil die Drehzahl- und Lagegleichheit bereits stationär von der Mechanik vorgegeben wird. Falls hierbei die Drehzahlregelkreise nicht voll symmetrisch eingestellt sind, arbeiten die PI-Drehzahlregler der einzelnen Achsen - wenn auch nur geringfügig - gegeneinander, was zum Hochlaufen ihrer Integratoren und damit zu Verspannungen des Werkstückes führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Regelstruktur anzugeben, mit der derartige Verspannungen vermieden werden können.

Die Lösung besteht in einer Regelung mit folgenden Merkmalen:

  • a) einem gemeinsamen Drehzahlregler für alle Achsen,
  • b) einem Drehzahlistwert für den Drehzahlregler, der aus den Mittelwerten der Drehzahlistwerte der einzelnen Achsen abgeleitet ist,
  • c) einem gemeinsamen Drehzahlausgleichsregler für jeweils zwei Achsen, dessen Eingangsgröße von der Differenz der Drehzahlistwerte der betreffenden beiden Achsen abhängig ist und dessen Ausgangssignal zusätzlich als Korrektursignal dem Ansteuersignal der betreffenden Achsen aufschaltbar ist.


Über den gemeinsamen Drehzahlregler, dessen Drehzahlistwert aus dem arithmetischen Mittel aller Drehzahlen gebildet ist, wird der Arbeitspunkt festgelegt. Mit den Ausgleichsreglern können Störungen sowie Schwingungen zwischen den einzelnen Teilmechaniken optimal ausgeregelt werden. Ein großer Vorteil für die Einstellbarkeit und Stabilität des Gesamtsystems ist die völlige Entkopplung der beteiligten Einzelregelkreise.

Entsprechend wie bei der Drehzahlregelung kann auch eine Lageregelung mit nur einem gemeinsamen Lageregler auf die Schwerpunktlage vorgenommen werden. Zusätzlich werden jeweils für zwei Achsen Lageausgleichsregler verwendet. Auf letztere kann bei weniger hohen Anforderungen an die Lagegenauigkeit verzichtet werden (z. B. bei Betrieb von Zwillingsantrieben für Pressen), da bereits durch die Drehzahlausgleichsregler ein relativ guter Gleichlauf erreicht werden kann.

Das vorgenannte Regelkonzept ist auch bei der Verwendung zusätzlicher Getriebe (unterschiedliche Drehzahlniveaus einzelner Achsen) anwendbar. Hierbei sind dann die Getriebefaktoren in der Istwertaufbereitung zu berücksichtigen.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert:

In der Zeichnung sind Werkzeugmaschinenachsen A1 und An gestrichelt umrandet dargestellt. Diese Antriebsachsen sollen Umrichter, Antriebsmotor und Last jeweils umfassen. Die Ansteuersignale für die einzelnen Achsen A1 bis A1 n stammen von einem allen Achsen gemeinsamen Drehzahlregler D. Dieser Drehzahlregler erhält seinen Sollwert nw von einem überlagerten Lageregler L. Als Lageistwert φi wird der arithmetische Mittelwert der Lageistwerte φ1 bis φn der einzelnen Achsen A1 bis An genutzt (Sollwert φw). Zur Mittelwertbildung dient das Umformerglied m2 in der Rückführung. Ebenso wird aus den Drehzahlen n1 bis nn der einzelnen Achsen A1 bis An ein arithmetischer Mittelwert gebildet und als Istwert ni dem Drehzahlregler D zugeführt. Hierzu dient der Umformer m1.

Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Streckenverstärkungen, Hochlaufzeitkonstanten usw. ist zwischen Drehzahlreglern und Achsen noch eine Einstellmöglichkeit in Form von Anpaßgliedern α1 bis αn vorgesehen.

Unterschiedliche Auslegungsverhältnisse können auch gegebenenfalls in den Istwertkreisen berücksichtigt werden.

Jeweils zwei Achsen, z. B. A11 und A12 ist ein gemeinsamer Drehzahlausgleichsregler, in diesem Fall D1, zugeordnet. Dieser Ausgleichsregler D1 wird im entgegengesetzten Sinn eingangsseitig mit den Drehzahlistwerten n&sub1;, n&sub2; der Achsen A1 und A2 beaufschlagt. Sein Ausgangssignal wird gegensinnig zusätzlich dem Ansteuersignal S aus dem Drehzahlregler D für die einzelnen Achsen A1 und A2 aufgeschaltet.

In gleicher Weise ist eine derartige Ausgleichsregelung in Form des Drehzahlausgleichsreglers D2 für die Achsen A2 und A3 vorgesehen usw., bis zu den Achsen An-1 und An, die über den Ausgleichsregler Dn-1 korrigierend beaufschlagt werden.

Die mechanische Kopplung der Achsen untereinander ist durch Federn K angedeutet.

Zusätzlich zu den Drehzahlausgleichsreglern können auch noch Lagerausgleichsregler L1 bis Ln-1 vorgesehen werden. Z.B. wird der Lagerausgleichsregler L1 mit den Lageistwerten der Achsen A1 und A2, d. h. also mit den Istwerten φ1 und φ2 beaufschlagt. Ein Ausgangssignal wird zusätzlich auf den Eingang des Drehzahlausgleichsreglers D1 aufgeschaltet. Das gleiche gilt sinngemäß für die übrigen Lastausgleichsregler L1 bis Ln-1 mit den Lageerfassungen U1 bis Un.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, beträgt der Aufwand für die Drehzahlregelung von n-Achsen also nach wie vor n-Regler.


Anspruch[de]
  1. 1. Regelung zum relativen Gleichlauf von mechanisch gekoppelten Werkzeugmaschinenachsen mit
    1. a) einem gemeinsamen Drehzahlregler (D) für alle Achsen (A1 bis An),
    2. b) einem Drehzahlistwert (ni) für den Drehzahlregler (D), der aus dem Mittelwert der Drehzahlistwerte (n&sub1;, nn) der einzelnen Achsen abgeleitet ist,
    3. c) einem gemeinsamen Drehzahlausgleichsregler (D1) für jeweils zwei Achsen (A1, A2), dessen Eingangsgröße von der Differenz der Drehzahlistwerte (n1, n2) der betreffenden beiden Achsen (A1, A2) abhängig ist und dessen Ausgangssignal zusätzlich als Korrektursignal dem Ansteuersignal (S) der betreffenden Achsen aufschaltbar ist.
  2. 2. Regelung nach Anspruch 1, bei der
    1. a) dem Drehzahlregler (D) ein Lageregler (L) vorgeschaltet ist, dessen Istwert dem Mittelwert der Lageistwerte der einzelnen Achsen entspricht und
    2. b) jeweils zwei Achsen mit gemeinsamem Drehzahlausgleichsregler (D1) auch ein gemeinsamer Lageausgleichsregler (L1) für die Lage zugeordnet ist, dessen Eingangsgröße aus der Differenz der beiden Lageistwerte gebildet ist und dessen Ausgangssignal ebenfalls in das Korrektursignal eingeht.
  3. 3. Regelung nach Anspruch 2, bei der das Ausgangssignal des Lageausgleichsreglers (L1) auf den Eingang des betreffenden Drehzahlausgleichsreglers (D1) geführt ist.
  4. 4. Regelung nach Anspruch 1 unter Bildung der arithmetischen Mittelwerte von Drehzahl und Lage.






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