AT392552B - Vorrichtung zum anhalten eines elektrischen antriebes - Google Patents

Description

AT 392 552 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anhalten eines betriebsmäßig unterschiedlich belasteten elektrischen Antriebes, an dessen Antriebswelle ein Drehgeber und an dessen Motorwelle ein Tachogenerator angebracht ist, wobei eine Winkelstellung der Antriebswelle als Zielposition vorgegeben und ein den Antrieb steuernder Mikrocomputer vorhanden ist, der zur Übertragung des gemessenen Drehzahlwertes mit dem 5 Tachogenerator verbunden ist und wobei der Antrieb durch Nachregeln eines Bremsstromes über die Differenz des

Drehzahlwertes zu einem vorgegebenen Drehzahlsollwert anhaltbar ist, wobei der Antrieb vor dem Erreichen eines festgelegten Bremswinkels vor der Zielposition auf eine Sockeldrehzahl gebracht ist

Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP-A 65 991 bekannt Die Spindel einer Werkzeugmaschine hat während der Bearbeitung eines Werkstückes eine bestimmte Winkelposition als Arbeitspunkt bzw. zum 10 Werkzeugwechsel anzufahien. Dazu wird die Spindel erst auf eine fest eingestellte Sockeldrehzahl gebremst Diese

Sockeldrehzahl ist so nieder, daß die Spindel unabhängig von Gewicht und Trägheitsmoment des gerade eingespannten Werkzeuges innerhalb eines Bremswinkels von 180° angehalten werden kann. Die Zeit bis zum Anhalten der Spindel in der Zielposition ist abhängig vom größtmöglichen Bremsstrom und der Höhe der Sockeldrehzahl. Bei konstantem maximalen Bremsstrom hat der Zusammenhang zwischen Spindelposition und 15 Drehzahl im günstigsten Fall die Form einer quadratischen Parabel.

In der EP 87 812 wird zwar auf die Bedeutung des Trägheitsmomentes von Last und Antrieb hingewiesen, auf Seite 19,2. Absatz jedoch gesagt, daß das Trägheitsmoment der Last vemachlässigbar ist. Das mag wohl für in Datenverarbeitungsmaschinen verwendete Motoren zutreffen. Es wird nichtauf eine Sockeldrehzahl abgebremst, das Trägheitsmoment des Motors wird beim Anlaufen gemessen und das Überschwingen über die Zielposition 20 hinaus wird in Kauf genommen.

Die DE-C 30 26 474 beschreibt die Drehmomentsteuerung eines Asynchronmotors. Das Trägheitsmoment einer etwaigen Last wird nicht berücksichtigt. Die beiden Entgegenhaltungen DE-B 23 48 026 und DE-A 33 10 619 beschreiben zwar gleichfalls Regeleinrichtungen von Werkzeugmaschinen, eine Berücksichtigung des Trägheitsmomentes einer Last erfolgt gleichfalls nicht. 25 Insbesondere bei einer großen Anzahl von Positioniervorgängen ist die Anhaltezeit für die Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Maschinen von großer Bedeutung. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anhaltezeit des elektrischen Antriebes ohne mechanische Bremsmittel bei konstantem maximalen Bremsstrom zu verkürzen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Sockeldrehzahl erst eine Leersockeldrehzahl vorgegeben 30 ist, die die höchstmögliche Sockeldrehzahl zum Anhalten des Antriebes ohne betriebsmäßiger Last innerhalb des Bremswinkels mit maximalem Bremsstrom ist, daß während des Nachregelns auf die Leersockeldrehzahl die Geschwindigkeit der Änderung des Drehzahlwertes vom Mikrocomputer berechnet und durch Division des Bremsstromes durch die Geschwindigkeit der Drehzahländerung das Trägheitsmoment der Last des Antriebes ermittelt wird und dadurch eine Lastsockeldrehzahl zum Anhalten des Antriebes innerhalb des Bremswinkels 35 gegeben ist.

Das Trägheitsmoment der Last des elektrischen Antriebes kann bis zu einem Faktor 10 variieren, was nunmehr durch eine gleichfalls variable, entsprechend angepaßte Sockeldrehzahl berücksichtigt wird. Dadurch kann bei geringer Belastung des Antriebes die Zielposition wesentlich rascher erreicht werden. Die Einleitung des Bremsvorganges mit der höchstmöglichen Sockeldrehzahl, der Leersockeldrehzahl, gewährleistet, daß die 40 anschließend ermittelte Lastsockeldrehzahl nur mehr niedriger sein kann. Dadurch wird ein zu starkes Abbremsen ausgeschlossen. Das Einstellen der bei jedem Positioniervorgang trägheitsmomentabhängig ermittelten Lastsockeldrehzahl bewirkt das Erreichen des Bremswinkels in kürzestmöglicher Zeit Das macht die Verwendung derart geregelter Antriebe auf neuen Einsatzgebieten möglich.

Um den Antrieb in möglichst kurzer Zeit auf Lastsockeldrehzahl zu bringen, ist die Lastsockeldrehzahl vor 45 Übereinstimmung des Drehzahlwertes mit der Leersockeldrehzahl vorgegeben. Dadurch wird der Drehzahlwert der

Bremsparabel folgend direkt auf die Lastsockeldrehzahl gebracht.

Es ist vorteilhaft, daß zur Ermittlung der Leersockeldrehzahl der Antrieb ohne betriebsmäßiger Last auf hohe Drehzahl gebracht ist, daß der Drehzahlsollwert Null vorgegeben ist und daß während des Anhaltens durch den Mikrocomputer mehrfach jene Zeitspanne gemessen wird, in der der Drehzahlwert um einen bestimmten Brachteil 50 abnimmt und durch Division des Bremsstromes durch die Drehzahlabnahme je Zeitspanne das Trägheitsmoment des Antriebes ohne betriebsmäßiger Last ermittelt ist Somit wird die Leersockeldrehzahl auf gleiche Weise wie die Lastsockeldrehzahl ermittelt Dies erfolgt bei der ersten Inbetriebnahme des Antriebes und es werden dabei alle unveränderlichen, anlagenspezifischen Faktoren wie Trägheitsmoment der Grundlast des Antriebes in betriebsbereitem Zustand, Lagerreibung, Getriebeübersetzung, Wirbelströme oder ähnliches berücksichtigt 55 Die Zielgenauigkeit wird dadurch erhöht daß der tatsächliche Wert des Bremsstromes während des Anhaltevorganges zu konstant aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen wird und der arithmetische Mittelwert je Zeitspanne gebildet ist Auf diese Weise werden Trägheitseffekte der Regelung des Bremsstromes, wie Hoch-und Rücklaufzeiten, berücksichtigt

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet besonders genau mit ein» Ausführung in Digitaltechnik, wobei 60 an der Antriebswelle ein inkrementaler Drehgeber befestigt ist, der über eine Zähleinheit der Drehpulse des Drehgebers mit dm Mikrocomputer verbunden ist -2-

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Die Drehrichtung und Winkelposition des Antriebes ist auf einfache Weise dadurch meßbar, daß der Drehgeber zwei gegeneinander versetzte Folgen von Drehpulsen und einen Nullmaikenpuls erzeugt, daß zwischen dem Drehgeber und der Zähleinheit ein Differenzverstärker und eine Auswerteeinheit geschaltet sind und daß der Differenzverstärker zur Weiterleitung der in Taktimpulsfolgen umgesetzten Drehpulsfolgen mit 5 Verknüpfungsgliedern der Auswerteeinheit verbunden ist, die einen die Drehrichtung des Antriebes charakterisierenden Takt der Zähleinheit zuleiten.

Mit einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der im Ausführungsbeispiel verwendeten Vorrichtung,

Fig. 2 den Verlauf des Drehzahl- und Drehzahlsollwertes während des Anhaltevoiganges und 10 Fig. 3 den Zusammenhang des Bremsstromes mit dem Drehzahlverlauf und die Meßpunkte bei der Bestimmung des Trägheitsmomentes.

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Antrieb (EM) einer Werkzeugmaschine, an dessen Motorwelle (MW) ein Tachogenerator (TG) zur Messung der tatsächlichen Motordrehzahl angebracht ist. Der Antrieb (EM) ist über ein Getriebe (G) mit der Antriebswelle (AW) einer Last (L) verbunden. Zur Messung der Lastdrehzahl ist ein IS inkrementaler Drehgeber (DG) mit der Antriebswelle (AW) verbunden. Die Last (L) ist ein Bohrfutter mit eingespanntem Werkzeug oder Werkstück, das auf einer bestimmten Bearbeitungsdrehzahl gehalten wird. Das geschieht dadurch, daß ein Mikrocomputer (fxC) die über den Tachogenerator (TG) gemessene Motorendrehzahl unter Berücksichtigung der eingestellten Getriebestufe mit einem die Bearbeitungsdrehzahl bestimmenden Drehzahlsollwert vergleicht. Durch Nachregeln des jeweiligen Drehzahlwertes auf den vorgegebenen 20 Drehzahlsollwert wird die Bearbeitungsdrehzahl gehalten oder geändert.

Der inkrementale Drehgeber (DG) erzeugt aus der Abtastung eines Strichcodes zwei um 90° versetzte Gegentakteingangssignale und ein Nullmarkensignal. Diese worden einem Differenzverstärker (DV) zugeführt, der aus den Gegentakteingangssignalen und dem Nullmarkensignal Taktimpulsfolgen erzeugt. Durch Vierfachauswertung der von den Gegentakteingangssignalen abgeleiteten Taktimpulsfolgen über deren steigende 25 und fallende Flanken wird von einer Auswerteeinheit (AE) mit (TTL)-Gattem Rechtslauf und Linkslauf der Antriebswelle (AW) der unterschieden. Dazu wird ermittelt, auf welcher Taktimpulsfolge die steigende Flanke zuerst auftritt. Die Taktimpulsfolgen für Rechtslauf, Linkslauf und Nullmarke werden einer Zähleinheit (Z) zugeleitet. Diese enthält drei Zähler die die Rechtslauf-, Linkslauf- und Nullmaikenpulse zählen. Der Rechtszähler und der Linkslaufzähler wird vom Nullmaikensignal zurückgesetzt. Die Zählerstände werden von Mikrocomputern 30 (JJ.C) abgelesen, der daraus die genaue Position der Last (L) bestimmt.

Die Schaltung dieses Ausführungsbeispieles ist in Digitaltechnik ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber, insbesondere wenn die Positionierung nicht mit so großer Genauigkeit erfolgen muß, auch von einer Schaltung in Analogtechnik durchgeführt werden.

Fig. 2 zeigt den Drehzahlverlauf des Antriebes (EM) beim Anfahren einer Zielposition (ZP). Aus der 35 Bearbeitungsdrehzahl (UB), die durch Übereinstimmung des Drehzahlwertes (UI) mit dem Drehzahlsollwert (US) gehalten wird, wird vom Mikrocomputer eine Leersockeldrehzahl (ULe) als Drehzahlsollwert (US) vorgegeben. Der Antrieb (EM) bremst mit maximalem Bremsstrom und der Drehzahlwert (UI) nimmt mit der Bremsparabel folgend ab. Die Leersockeldrehzahl (ULe) ist jener Wert, bei dem die Last (L) bei geringstmöglichem Trägheitsmoment, also das Bohrfutter ohne Werkzeug oder Werkstück, innerhalb von 360° 40 mit maximalem Bremsstrom zum Stillstand gebracht werden kann. Nach dem Einleiten des Bremsvorganges durch Vorgabe der Leersockeldrehzahl (ULe) wird das tatsächliche Trägheitsmoment der Last (L) berechnet, das je nach Werkzeug oder Werkstück bis zum Zehnfachen des leeren Bohrfutters betragen kann. Das höhere Trägheitsmoment bedingt einen längeren Bremsweg bei gleichem maximalen Bremsstrom. Daher muß die Drehzahl der Last (L) 360° vor der Zielposition (ZP) auf einen geringeren Wert als die Leersockeldrehzahl 45 (ULe) gesenkt werden. Diese Lastsockeldrehzahl (ULa) wird während des Bremsvorganges vom Mikrocomputer ermittelt und als Drehzahlsollwert (US) vorgegeben.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Bremsstromes (BS) des Antriebes (EM) und die Meßpunkte des Mikrocomputers an der Drehzahlkurve während des Anhaltevorganges. Der Antrieb wird durch einen konstanten Strom auf Bearbeitungsdrehzahl (UB) gehalten. Folgt nun der Befehl zum Werkzeugwechsel oder 50 Positionswechsel des Werkstückes, so ist eine bestimmte Zielposition (ZP) anzufahren. Zur Einleitung des Anhaltevorganges wird vom Mikrocomputer die Leersockeldrehzahl (ULe) vorgegeben (Pos.0), der Bremsstrom (BS) steigt auf seinen Maximalwert und der Drehzahlwert (UI) nimmt ab. Der Mikrocomputer mißt die Zeitspanne (tj...tn), bis der Drehzahlwert (UI) um 10 % gesunken ist (Pos. 1). Gleichzeitig wird alle 3,3 msec der Bremsstrom (BS) gemessen und daraus der arithmetische Strommittelwert je Zeitspanne (tj..·^) 55 gebildet. Dieser wird durch den Quotienten von Drehzahländerung und dafür benötigter Zeit dividiert, was einen dem Trägheitsmoment der Last proportionalen Faktor eigibt. Daraus ermittelt der Mikrocomputer die notwendige Lastsockeldrehzahl (ULa) und gibt sie sofort als Drehzahlsollwert (US) vor. Dieser Vorgang wird vom Mikrocomputer zur Kontrolle mehrmals wiederholt (Pos. 2,3,4). Der Antrieb dreht mit der Lastsockeldrehzahl (ULa) bis 360° vor die Zielposition (ZP). Dann wird der Antrieb entlang der Bremsparabel exakt in die 60 Zielposition geregelt. Das wird dadurch erreicht, daß der Drehzahlsollwert (US) so nieder vorgegeben wird, daß -3-

Claims (6)

1. AT392 552 B einerseits der Biemsstrom (BS) möglichst groß wird, andererseits aber eine gewisse Bandbreite für Korrekturen von Halbleiterdrift oder Schwankungen der Lagerreibung bleibt Auf ähnliche Weise erfolgt die Ermittlung der Leersockeldrehzahl als Grundeinstellung der Werkzeugmaschine. Dazu wird die Last, das leere Bohrfutter, vom Antrieb auf hohe Drehzahl gebracht. Nach Übereinstimmung von Drehzahl- und Drehzahlsollwert wird durch einen Sprung des Drehzahlsollwertes auf Null gebremst Der Bremsstrom erreicht seinen Maximalwert und der Drehzahlwert nimmt parabelförmig ab. Wie anhand der Fig. 3 beschrieben, wird die Zeit der Drehzahlabnahme um jeweils 10 % und alle 3,3 msec der Bremsstrom gemessen. Die Ermittlung des Trägheitsmomentes wird sooft wiederholt, bis der Drehzahlwert um 70 % gefallen ist Aus den einzelnen gemessenen Trägheitsmomenten wird ein Durchschnittsträgheitsmoment gebildet das da Berechnung da Leersockeldrehzahl zugrundegelegt wird. Die Berechnungen werden nach folgenden, vereinfacht dargestellten Fonnein durchgeführt: dUI M = kFBS = kTr- M.... Bremsmoment dt daraus folgt das Trägheitsmoment da Last BS k...... verschiedene Konstanten F ..... Fluß BS... Bremsstrom Tr = k- Tr.... Trägheitsmoment dUVdt und die entsprechende Sockeldrehzahl UI.... Drehzahlwert USo = k BS dUI = k USo.. Sockeldrehzahl Tr dt Die Hauptspindel der Werkzeugmaschine hat während des Bearbeitens von Werkstücken eine Fülle von Positioniavorgängen auszuführen. So sind Werkzeuge in verschiedenen Spindelstellungen zu wechseln, Drehteile am Umfang durch Bohren oder Fräsen zu bearbeiten und bei der Werkstückentnahme mit einem automatischen Greifer kann die Werkstückgeometrie eine bestimmte Entnahmeposition erfordern. Da bisher die Sockeldrehzahl fest auf einen so niedrigen Wert eingestellt war, daß da Antrieb der Werkzeugmaschine auch bei größtmöglicher Belastung sicher in der Zielposition gebremst werden konnte, ist durch die variable, bei jedem Positioniervorgang neu berechnete Lastsockeldrehzahl insbesondere bei einer großen Zahl von Positioniervorgängen eine beträchtliche Einsparung an Bearbeitungszeit zu erreichen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Verwendung der stromgebremsten Antriebe in neuen Einsatzgebieten möglich. Es können damit schrittweise weiterzudrehende Maschinen wie Füllanlagen, Koordinatentische zur Werkstückpositionierung oder Kräne, ebenso wie die Antriebe von Aufzügen gesteuert werden. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Anhalten eines betriebsmäßig unterschiedlich belasteten elektrischen Antriebes, an dessen Antriebswelle ein Drehgeber und an dessen Motorwelle ein Tachogenerator angebracht ist, wobei eine Winkelstellung der Antriebswelle als Zielposition vorgegeben und ein den Antrieb steuernder Mikrocomputer vorhanden ist, der zur Übertragung des gemessenen Drehzahlwertes mit dem Tachogenerator verbunden ist und wobei der Antrieb durch Nachregeln eines Bremsstromes über die Differenz des Drehzahlwertes zu einem vorgegebenen Drehzahlsollwert anhaltbar ist, wobei der Antrieb vor dem Erreichen eines festgelegten Bremswinkels vor der Zielposition auf eine Sockeldrehzahl gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Sockeldrehzahl erst eine Leersockeldrehzahl (ULe) vorgegeben ist, die die höchstmögliche Sockeldrehzahl zum Anhalten des Antriebes (EM) ohne betriebsmäßiger Last (L) innerhalb des Bremswinkels mit maximalem Bremsstrom (BS) ist, daß während des Nachregelns auf die Leersockeldrehzahl (ULe) die Geschwindigkeit der Änderung des Drehzahlwertes (UI) vom Mikrocomputer (μΟ berechnet und durch Division des Bremsstromes -4- AT 392 552 B (BS) durch die Geschwindigkeit der Drehzahländerung das Trägheitsmoment der Last (L) des Antriebes (EM) ermittelt wird und dadurch eine Lastsockeldrehzahl (ULa) zum Anhalten des Antriebes (EM) innerhalb des Bremswinkels gegeben ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastsockeldrehzahl (ULa) vor Übereinstimmung des Drehzahlwertes (UI) mit der Leersockeldrehzahl (ULe) vorgegeben ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Leersockeldrehzahl der Antrieb (EM) ohne betriebsmäßiger Last (L) auf hohe Drehzahl gebracht ist, daß der Drehzahlsollwert (US) 10 Null vorgegeben ist und daß während des Anhaltens durch den Mikrocomputer QxC) mehrfach jene Zeitspanne <*1 ·** tj,) gemessen wird, in der der Drehzahlwert (UI) um einen bestimmten Bruchteil abnimmt und durch Division des Bremsstromes (BS) durch die Drehzahlabnahme je Zeitspanne (tj·..^) das Trägheitsmoment des Antriebes (EM) ohne betriebsmäßiger Last (L) ermittelt ist. IS
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Wert des Bremsstromes (BS) während des Anhaltevorganges zu konstant aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen wird und der arithmetische Mittelwert je Zeitspanne (tj...tjj) gebildet ist
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antriebswelle 20 (AW) ein inkrementaler Drehgeber (DG) befestigt ist, der über eine Zähleinheit (Z) der Drehimpulse des Drehgebers (DG) mit dem Mikrocomputer (με) verbunden ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeber (DG) zwei gegeneinander versetzte Folgen von Drehpulsen und einen Nullmarkenpuls erzeugt, daß zwischen dem Drehgeber (DG) und der 25 Zähleinheit (Z) ein Differenzverstärker (DV) und eine Auswerteeinheit (AE) geschaltet sind und daß der Differenzverstärker (DV) zur Weiterleitung der in Taktimpulsfolgen umgesetzten Drehpulsfolgen mit Verknüpfungsgliedem der Auswerteeinheit (AE) verbunden ist, die einen die Drehrichtung des Antriebes (EM) charakterisierenden Takt der Zähleinheit (Z) zuleiten. 30 Hiezu 2 Blatt Zeichnung»! -5-