DE10027775A1 - Aktive Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile - Google Patents

Aktive Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile

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Abstract

Verfahren zur Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile einer Maschine, beispielsweise Werkzeugträger einer Werkzeugmaschine, mit der Verwendung von einer oder mehreren, dem oder den beschleunigten Maschinenteilen zugeordneten Ausgleichsmassen und von einer oder mehreren, steuerbaren aktiven Antriebskomponenten, die mit der oder den Ausgleichsmassen zu deren Beschleunigung gekoppelt ist beziehungsweise sind, wobei mittels einer Steuerung die eine oder mehreren Antriebskomponenten zur Herbeiführung eines zeitlichen Beschleunigungsverlaufs der einen oder mehreren Ausgleichsmassen derart angesteuert werden, dass deren Beschleunigungskräfte den Beschleunigungskräften des oder der Maschinenteile kompensierend entgegenwirken und/oder diese überlagern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile einer Maschine, beispielsweise Werkzeugträger einer Werkzeugmaschine. Ferner betrifft die Erfindung eine insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung zur Kompensation von Kraftrückwirkungen für eine Maschine mit einem oder mehreren, in Bahnführungen mechanisch beschleunigten Maschinenteilen.
In bekannten Schneidrillautomaten, mittels welchen sich bis zu acht Meter pro Sekunde Pappe herstellen lassen, werden dazu eine Vielzahl von Rillenmessern verfahren. Für jeden Auftrag werden diese angetrieben und über z. B. Kugelrollspindeleinrichtungen zu einer bestimmten Zielposition bewegt. Hierfür sind in der Maschinensteuerung Verfahrsätze abgespeichert. Aufgrund der hohen Produktionsgeschwindigkeit kommt es darauf an, dass die Rillenmesser bei jedem Auftragswechsel möglichst schnell zu einer bestimmten Zielposition gefahren werden. Die dabei den Rillenmessern erteilten, hohen Beschleunigungen führen zu hohen Belastungen des Chassis, Gehäuses und Fundaments des Schneidrillautomaten. Bei jedem Auftragswechsel ist deshalb ein deutlicher und starker "Ruck" spürbar. Um diesem Stand zu halten, muß der Schneidrillautomat oder auch eine andersartige Werkzeugmaschine mit ähnlicher Problematik, Werkzeuge oder dergleichen mit maximaler Beschleunigung in bestimmte Stellungen verfahren zu müssen, mit einer aufwendig konstruierten und verstärkten Lagerung, dicken Gußkonstruktionen usw. versehen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Methodik sowie einen entsprechenden Aufbau zu schaffen, womit mechanische Systeme, insbesondere Maschinen mit mechanisch beschleunigten Teilen, weitgehend frei von mechanischen Vibrationen bei vermindertem Lager- und Fundament-Aufwand und unter Erzielung einer erhöhten Betriebszuverlässigkeit mit hoher Bewegungsdynamik betrieben werden können. Im Falle von Werkzeug- und Produktionsmaschinen soll die Bearbeitungs- und Produktionsgeschwindigkeit erhöht und gleichzeitig die Ausfallhäufigkeit vermindert sein. Auch soll eine für die Außenumgebung und die Bedienungspersonen angenehme, ruhige Betriebsweise sowie eine vereinfachte Konstruktion und Lagerung unter Verminderung des notwendigen Stabilisierungsaufwands möglicht werden.
Zur Lösung dieser Problematik wird bei dem Verfahren der Anfangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine oder mehrere, dem oder den beschleunigten Maschinenteilen zugeordnete Ausgleichsmassen sowie eine oder mehrere, steuerbare aktive Antriebskomponente verwendet werden, die mit der oder den Ausgleichsmassen zu deren Beschleunigung gekoppelt sind, wobei mittels einer Steuerung die eine oder mehreren Antriebskomponenten zur Herbeiführung eines zeitlichen Beschleunigungsverlaufs für die eine oder mehreren Ausgleichsmassen derart angesteuert werden, dass die von den Ausgleichsmassen resultierenden Beschleunigungskräfte den Beschleunigungskräften des oder der Maschinenteile kompensierend entgegenwirken oder überlagert werden. Mit dieser Superposition von rückwirkenden Beschleunigungskräften und ebenfalls rückwirkenden Gegen- Beschleunigungskräften läßt sich eine Freistellung der Maschine oder eines einzelnen kompensierten Maschinenabschnittes von Kräften gegenüber der Außenumgebung erreichen. Von hohen Beschleunigungen herrührende Kraftrückwirkungen der Maschinenteile werden gezielt maschinenintern durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise Bewegen der Ausgleichsmassen aufgefangen bzw. "zu Null" gemacht. Ein Rucken und Wackeln, das sich nach außen unangenehm bemerkbar machen würde, ist weitgehend unterbindbar.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung einsetzen für die Kompensation rückwirkender Beschleunigungskräfte, die von rein linear bewegten Maschinenteilen herrühren, welche in der praktischen Technik einen Großteil der Fälle betreffen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Rückwirkungskräfte von Maschinenteilen zu kompensieren, die längs freier Bahnkurven bewegt werden. In diesem Zusammenhang besteht eine besondere Ausbildung der Erfindung darin, dass die eine oder mehreren Ausgleichsmassen auf der oder denselben Linien oder Bahnkurven wie das oder die Maschinenteile bewegt werden. Dies läßt sich besonders leicht konstruktiv dadurch umsetzen, dass für das Maschinenteil wie auch für die Ausgleichsmasse dieselbe Führungseinrichtung oder -bahn verwendet wird. Nach einer anderen Ausbildung werden die eine oder mehreren Ausgleichsmassen auf einer geraden Linie oder einer gekrümmten Bahnkurve jeweils parallel zu der des jeweiligen Maschinenteils bewegt. Zweckmäßig erfolgt die Bewegung der Ausgleichsmasse in einer Richtung, die der des Maschinenteils umgekehrt ist. Damit ist gewährleistet, dass die resultierenden Beschleunigungskräfte sich gegenseitig auslöschen können.
Allerdings entsteht durch gegensätzlich wirkende Kräfte eines Maschinenteils und einer Ausgleichsmasse auf einer beabstandeten Bahnkurve ein Drehmoment. Dem wird nach einer Ausbildung der Erfindung begegnet, nach der mindestens eines der Maschinenteile und wenigstens zwei diesem zugeordnete Ausgleichsmassen in einer gemeinsamen Ebene, und meist konstruktiv bedingt auf voneinander beabstandeten, parallelen Bewegungsbahnen beschleunigt werden. Diese Ausbildung läßt sich besonders einfach einsetzen, wenn Maschinenteil und Ausgleichsmassen rein linear bewegt werden. Das bei Kompensation durch nur eine Ausgleichsmasse auftretende Dreh- beziehungsweise Kippmoment läßt sich auch dadurch kompensieren, dass ein Maschinenteil und eine diesem zugeordnete erste Ausgleichsmasse auf zueinander parallel Bahnen beschleunigt werden, und zwei weitere Ausgleichsmassen orthogonal zur Beschleunigungsbahn des zu kompensierenden Maschinenteils beschleunigt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Kombination des Verfahrens der einen oder mehreren Ausgleichsmassen sowohl parallel als auch senkrecht zu der oder den Führungsbahnen der bewegten und zu kompensierenden Maschinenteile.
Werden in einer Maschine unterschiedliche Maschinenteile in kurzen zeitlichen Abständen hintereinander beschleunigt, tritt entsprechend ein unangenehmer, nachteiliger Ruck mehrfach hintereinander auf. Um die Anzahl der Kraftrückwirkungen zu minimieren und/oder die einzelnen Kraftrückwirkungen zu vereinheitlichen oder ineinander zu integrieren, werden nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sowohl dem einzelnen Maschinenteil als auch dem einen oder den mehreren Ausgleichsmassen mittels der Antriebskomponenten Beschleunigungen erteilt, die zueinander derart synchronisiert sind, dass wenigstens Extrema, Nullstellen und/oder Polstellen der (zeitlichen) Beschleunigungsverläufe der Maschinenteile und der einen oder mehreren Ausgleichsmassen zeitgleich auftreten. Die so aufeinander in ihren Bewegungen und Beschleunigungen synchronisierten, mehreren Maschinenteile erzeugen scheinbar nur noch einen (Gesamt-)Ruck auf die Gesamtmaschine, der sich dann um so leichter analysieren, beherrschen bzw. kompensieren läßt mittels einer oder mehrerer entsprechend gegenbeschleunigter Ausgleichsmassen. Mit anderen Worten, werden die zeitlichen Bewegungsfunktionen der Maschinenteile entsprechend skaliert und synchronisiert, so dass deren Zielpositionen zeitgleich erreicht werden, geht von diesen nur noch ein einziger Ruck aus, der sich leicht kompensieren läßt. Besonders leicht läßt sich die Skalierung in die Praxis umsetzen, wenn allen Maschinenteilen und auch den Ausgleichsmassen ein in der Grundform gleichartiges Verfahrprofil bzw. gleichartiger Kurvenverlauf verliehen wird. Nach dieser besonders vorteilhaften Ausbildung werden die Weg- und Beschleunigungsverläufe der Maschinenteile und Ausgleichsmassen über eine Verknüpfung beziehungsweise Skalierung einer für alle bewegten Massen identischen zeitsynchronen Bewegungsfunktion (Synchronisationsfunktion g(t)) mit der jeweils vom Maschinenteil oder der Ausgleichsmasse zurückzulegenden Wegstrecke vorgegeben. Als praktisch besonders geeignet erscheint die S- Kurvenform, welche eine "weiche", "sanfte" Verfahrverweise für den betreffenden Körper ergibt, da keine sprunghaften Bescchleunigungswechsel auftreten.
Die genannte Synchronisation der einzelnen Bewegungen läßt sich prozeßrechnertechnisch leicht verarbeiten, da sämtliche Einzel-Bewegungen auf der identischen Synchronisationsfunktion beruhen. Diese können mit einfachen wenigen Rechenperationen gemäß unten stehender Gleichung (6) leicht bestimmt werden, da in der Aufsummierung der Einzel-Anteile keine Zeitabhängigkeit existiert. Die Berechnung erfolgt in einer übergeordneten Steuerung, welche entsprechend ausgerechnete Wegfunktionen untergeordneten Steuerungen oder Reglern vorgibt. Dies kann im Rahmen einer an sich bekannten Master-Slave- Struktur mit übergeordneter Steuerung erfolgen, welche lokalen Substeuerungen in den jeweiligen Antriebskomponenten die entsprechenden Sollwerte mitteilt.
Im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe bei der eingangs genannten Kompensationsanordnung für Kraftrückwirkungen von beschleunigten Maschinenteilen vorgeschlagen, dass den Ausgleichsmassen entsprechende Ausgleichskörper (ein oder mehrere), die zweckmäßig in Abhängigkeit von dem oder den zu kompensierenden Maschinenteilen dimensioniert sind, in einer oder mehreren Bahnführungen beschleunigbar gelagert sind. Die Beschleunigung erfolgt mittels aktiver Antriebskomponenten, die von einer Steuerung kontrollierbar sind. Diese ist zur Ansteuerung der Antriebskomponenten zwecks Herbeiführung einer zeitlichen Beschleunigungsfunktion für je einen der Ausgleichskörper ausgebildet und programmiert. Die in der Steuerung zu implementierende Beschleunigungsfunktion für eine oder mehrere Ausgleichsmassen ist nach nachstehender Gleichung (2) auf der Basis einer Multiplikation und Summierung der Einzelbeschleunigungen mit den Einzelmassen der zu kompensierenden Maschinenteile im Sinne einer kompensierenden Überlagerung der Kraftwirkungen des oder der Maschinenteile durch die von den angetriebenen Ausgleichskörpern ausgelösten Beschleunigungskräfte gebildet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungswege der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen jeweils schematisch ohne konstruktive Einzelheiten in:
Fig. 1 das mechanische System einer Werkzeugmaschine mit linear bewegten Werkzeugkörpern ohne erfindungsgemäßes Kompensationssystem,
Fig. 2 das mechanische System gemäß Fig. 1 mit erfindungsgemäßem Kompensationssystem, jedoch ohne Kippmoment-Kompensation,
Fig. 3 in entsprechender Darstellung das mechanische System mit erfindungsgemäßem Kompensationssystem einschließlich Kippmoment-Kompensation,
Fig. 4-6 normierte Weg-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs­ funktionen, abhängig von der Zeit, für Maschinenteile bzw. Werkzeugträger und einen Ausgleichskörper.
Gemäß Fig. 1 werden auf einer oder mehreren linearen Antriebsachsen 1 Maschinenteile 2 jeweils mit der Masse m1, m2, m3, m4, m5, . . . entsprechend jeweiligen geraden Wegstrecken S1, S2, S3, S4, S5, . . . bewegt. Die Maschinenteile können Werkzeugkörper einer Werkzeugmaschine sein und über dicht zusammenliegende, parallel angeordnete Kugellagerspindeln unabhängig voneinander linear bewegt werden. Zweckmäßig erfolgt der Antrieb der Spindeln über Servomotoren, die über geregelte Umrichter mit Strom versorgt werden. Eine übergeordnete, intelligente Steuerung ermöglicht im Rahmen der Belastungsfähigkeit des Antriebssystems die Programmierung beliebiger Fahrprofile x1(t), x2(t), x3(t), . . . . Die Werkzeugträger befinden sich an horizontalen Positionen X1 bis X5 und sollen zeitgleich in verschiedene Sollpositionen gefahren werden. Dabei sind sowohl die Richtungen als auch die zurückzulegenden Wegstrecken S1, . . ., S5 der einzelnen Maschinenteile 2 unterschiedlich. Um die Zeit bis zum Erreichen der Sollpositionen kurz zu halten, werden hohe Geschwindigkeiten gefahren, die mit großen Beschleunigungen verbunden sind. Die rückwirkenden Kräfte gemäß Gleichung (1)
belasten die Maschine und deren Fundamente oder Lagerung erheblich und erfordern eine sehr stabile und damit aufwendige Konstruktion.
Dem wird erfindungsgemäß durch eine "Ruck"-Kompensation mittels einer oder mehrerer Ausgleichskörper 3, im in Fig. 2 gezeichneten Beispiel mit einem einzigen Ausgleichskörper 3 mit der Ausgleichsmasse mA, begegnet: Die Übertragung der kurzzeitig auftretenden, gemäß gezeichnetem Beispiel horizontal wirkenden Kräfte (Verfahrruck) auf die übrigen Maschinenabschnitte und das Fundament kann durch eine aktiv gesteuerte, ebenfalls linear bewegte Ausgleichsmasse 3 vermieden werden. Diese wird dazu auf einer Antriebsachse 1a, die zur erstgenannten linearen Antriebsachse 1 parallel ist, von einer aktiven Antriebskomponente mit vorbestimmter Beschleunigung verfahren. Um die Kraftrückwirkung der einzelnen Maschinenteile 2 zu kompensieren, wird der Ausgleichskörper 3 mit vorbestimmter Masse mA in einem Beschleunigungsprofil xA(t) gefahren, das den infolge der Beschleunigung der einzelnen Maschinenteile 2 auftretenden Kräften gemäß nachstehender Gleichung (3) entgegenwirkt. Damit wird das mechanische System gemäß nachstehender Gleichung (2), die den allgemeineren Fall der Verwendung mehrerer Ausgleichskörper beschreibt, für n Maschinenteile 2 und q Ausgleichsmassen 3 nach außen hin in horizontaler Richtung kräftefrei:
Für den in Fig. 2 behandelten, speziellen Fall des Arbeitens mit einem einzigen Ausgleichskörper gilt entsprechend:
Gleichung (3)
stellt das Bewegungsprofil für das vereinfachte Beispiel der Verwendung eines einzigen den Ausgleichskörper 3 dar. Die beiden Antriebsachsen 1, 1a sind über eine Verbindungseinrichtung 4 aneinander steif und starr fixiert. Zwischen den beiden Antriebsachsen 1, 1a besteht der Abstand A. Durch die gegensätzlich wirkenden Kräfte der Maschinenteile 2 einerseits und des Ausgleichskörpers 3 andererseits tritt ein Kippmoment Mk gemäß Gleichung (4)
auf, das vertikale Kräfte auf die Maschinenkonstruktion bzw. das Fundament des mechanischen Systems bewirkt. Diese Rückwirkung kann jedoch bei entsprechend dichter Anordnung der linearen Antriebs- bzw. Bewegungsachsen 1, 1a, indem die beidseitigen Abstände A minimal ausgeführt sind, meist vernachlässigt werden. Mit der Ausführung gemäß Fig. 2 läßt sich also eine im wesentlichen ausreichende Kompensation der Kraftrückwirkung mit einem einzigen Ausgleichskörper 3 unter Inkaufnahme eines vernachlässigbaren Kippmoments erreichen.
Stellen die Anwendung oder der Aufstellungsort der Maschine jedoch höhere Anforderungen an einen störungsfreien Betrieb oder kann der oben genannte Achsabstand A aus konstruktiven Gründen nicht hinreichend gering gewählt werden, so ist eine vollständige Kompensation der nach außen wirkenden Kräfte einschließlich auftretender Drehmomente über weitere Ausgleichskörper notwendig.
Hierzu werden gemäß Fig. 3 beidseitig der zu kompensierenden Maschinenteile 2 und deren Führungsbahnen je eine oder mehrere Ausgleichskörper 3a, 3b, im bezeichneten Beispiel zu je einer Seite ein Ausgleichskörper 3a, 3b, angeordnet. Diese werden auf separaten Linearachsen 1a, 1b angetrieben bzw. beschleunigt. Um das Kippmoment Mk vollständig ausgleichen bzw. kompensieren zu können, verlaufen alle Linearbewegungsachsen 1, 1a, 1b in einer gemeinsamen Ebene, die gemäß Fig. 3 vertikal liegt, grundsätzlich jedoch beliebig ausgerichtet sein kann. Alle drei Linear-Antriebs- bzw. Bewegungsachsen 1, 1a, 1b sind über steife Verbindungseinrichtungen 4 aneinander gekoppelt. Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht gemäß Fig. 3 darin, die beiden Ausgleichskörper 3a, 3b bezüglich der mittig angeordneten Antriebsachse 1 der Maschinenteile 2 spiegelsymmetrisch synchronisiert zu bewegen. Dazu ist es zweckmäßig, dass die Antriebsachsen 1a, 1b der Ausgleichskörper 3a, 3b mit jeweils gleichem Abstand A zu der oder den mittig angeordneten Antriebsachsen 1 der Maschinenteile 2 verlaufen. Wird der als Hebelarm wirkende Abstand A verdoppelt, dann läßt sich der Beschleunigungsbetrag oder die Masse mA für die Ausgleichskörper 3a, 3b halbieren, wobei Gleichung (2) weiterhin erfüllt bleiben muß. Entsprechendes gilt für den Abstand A und die Beschleunigung oder Masse mA des Ausgleichskörpers 3 gemäß Fig. 2. In jedem Fall läßt sich eine vollständige Kompensation der von den Maschinenteilen 2 herrührenden Beschleunigungs-Kraftrückwirkungen nach Fig. 3 mit zwei Ausgleichskörpern 3a, 3b bewerkstelligen.
Ist die hier dargestellte, beidseitige Anordnung der Ausgleichskörper- Antriebsachsen 1a, 1b im Einzelfall aus konstruktiven Gründen nicht möglich, so kann das bei nur einem einzelnen Ausgleichskörper nach Fig. 2 auftretende Kippmoment Mk auch über zwei zusätzliche, links- und rechtsseitig angebrachte, zu den Maschinenteilen orthogonal beschleunigte Ausgleichsmassen ausgeglichen werden.
Die hier in den Fig. 1-3 für den einfachen Fall linearer Bewegungen in einer zweidimensionalen Anordnung betrachtete Art der Kraftkompensation ist in vergleichbarer Weise auch für beschleunigte Massen auf beliebigen dreidimensionalen Bahnkurven sowie für rotatorische Bewegungsänderungen möglich. Dabei ist der konstruktive Aufwand mit entsprechender Anzahl an Ausgleichskörpern sowie der Aufwand zur Berechnung der notwendigen Kompensationsbewegungen der Ausgleichsmassen beziehungsweise Ausgleichsbeschleunigungen in Abhängigkeit von den zu kompensierenden Maschinenteilen jedoch ungleich höher und muß daher unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten für den jeweiligen Anwendungsfall gesondert betrachtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn insbesondere in den erörterten Beispielen die Sollpositionen der einzelnen Maschinenteile 2, beispielsweise Werkzeugträger, zeitgleich angefahren werden. Bei jeweils demselben Beschleunigungsverhalten der Maschinenteile 2 und der Ausgleichskörper 3, 3a, 3b würden sich aufgrund der verschieden langen Wegstrecken s1, . . ., s5, sA unterschiedliche Verfahrzeiten und somit unterschiedliche Zeitpunkte bis zum Erreichen der Endposition ergeben. Dies wiederum würde zu mehreren ruckartigen Belastungen der Maschine aufgrund mehrerer, rückwirkender Kraftstöße hintereinander führen. Um dies auszugleichen, müßte auch das Bewegungs- und Beschleunigungsprofil des oder der Ausgleichskörper 3, 3a, 3b dementsprechend ungleichmäßig bzw. "ruckhaft" gestaltet werden.
Eine deutliche Abhilfe gegenüber diesem Problem ergibt sich, wenn die Bewegungen der einzelnen Maschinenteile 2 zeitlich synchronisiert werden. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die einzelnen Maschinenteile mit Verfahr- und Beschleunigungsprofilen bewegt werden, die auf einer gemeinsamen Grund-Kurvenform über der Zeit basieren. Diese Grund-Kurvenform wird gemäß nachstehender Gleichung (5) entsprechend der jeweils zurückzulegenden Wegstrecke s1, . . ., s5, sA skaliert, so dass die Endpositionen zeitgleich erreicht werden. Damit wird der Vorteil bzw. die Vereinfachung erzielt, dass die zu kompensierende Kraftrückwirkung dann nur noch aus einem einzigen bzw. gleichmäßigen "Ruck" besteht. Bei jedem Anfahren neuer Sollpositionen durch die Maschinenteile 2 ist dann jeweils nur eine einmalige Bewegung der einen oder mehreren Ausgleichskörper 3, 3a, 3b notwendig. Da das Fahrprofil dabei auf einer gemeinsamen Synchronisationsfunktion g(t), also auf einer gemeinsamen Grund- Kurvenform, basiert, ergibt sich ein relativ geringer rechnerischer Aufwand für die Steuerung des Antriebs der Maschinenteile 2 und Ausgleichskörper 3, 3a, 3b. Den nur noch geringen rechnerischen Aufwand zur Bestimmung des Beschleunigungsprofils zeigt nachstehende Gleichung (6). Die jeweilige, zeitabhängige Position xi(t) der einzelnen Maschinenteile wird durch die nachstehende Gleichung (5) bestimmt, deren maßgebliches Kernelement die genannte, gemeinsame Synchronisationsfunktion g(t) (die z. B. einer "weichen S"- Kurve entsprechen kann) und die jeweils lokalspezifischen Wegstrecke si ist - vgl. Gleichung (5):
xi(t) = g(t) . si + xi0 Gl. (5)
Für die Bewegung eines n Maschinenteilen gemeinsamen Ausgleichskörpers gilt dann:
Die Fig. 4-6 zeigen normierte, skalierte Verläufe möglicher Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile für die einzelnen Maschinenteile 2 und Ausgleichskörper 3, 3a, 3b, wobei bei der jeweiligen Weg-Zeit-Funktion xi(t) als gemeinsame Kurven-Grundform die "weiche S-Bewegungskurve" zugrundegelegt ist.
Vorzugsweise erfolgt der Antrieb der Ausgleichskörper 3, 3a, 3b und/oder der einzelnen Maschinenteile 2 bzw. Werkzeugkörper über Linearmotoren, ist jedoch auch auf herkömmliche Weise über rotatorische elektrische Antriebe und Kugellagerspindeln möglich.
Bezugszeichenliste
1
lineare Antriebsachse
1
a lineare Antriebsachse
1
b lineare Antriebsachse
2
Maschinenteil
m1
. . ., m5
Massen
s1
, . . ., s5
, sA
Wegstrecke
x1
(t), . . ., x5
(t), xA
(t) horizontale Positionen (zeitabhängig)
3
,
3
a,
3
b Ausgleichskörper
4
Verbindungseinrichtung
A Achsabstand

Claims (18)

1. Verfahren zur Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile (2) einer Maschine, beispielsweise Werkzeugträger einer Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch die Verwendung von einer oder mehreren, dem oder den beschleunigten Maschinenteilen (2) zugeordneten Ausgleichsmassen (mA) und von einer oder mehreren, steuerbaren aktiven Antriebskomponenten, die mit der oder den Ausgleichsmassen (mA) zu deren Beschleunigung gekoppelt ist beziehungsweise sind, wobei mittels einer Steuerung die eine oder mehreren Antriebskomponenten zur Herbeiführung eines zeitlichen Beschleunigungsverlaufs der einen oder mehreren Ausgleichsmassen (mA) derart angesteuert werden, dass deren Beschleunigungungskräfte den Beschleunigungskräften des oder der Maschinenteile (2) kompensierend entgegenwirken und/oder diese und/oder überlagern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Ausgleichsmassen (mA) jeweils nach einer zeitlichen Beschleunigungsfunktion verfahren werden, die einer Integration oder Summierung der Einzelbeschleunigungen und/oder Einzelmassen (m1, . . ., m5) der jeweiligen Maschinenteile (2) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einen oder mehreren Maschinenteile (2) linear oder längs einer gekrümmten Bahnkurve bewegt und beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Ausgleichsmassen (mA) auf der oder den selben Linien oder Kurven wie das oder die Maschinenteile (2) oder auf jeweils einer Linie (1a, 1b) beziehungsweise Bahnkurve parallel zu der des jeweiligen Maschinenteils (2) und/oder in gegenüber diesem umgekehrter Richtung bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Maschinenteile (2) und wenigstens zwei diesem zugeordnete Ausgleichsmassen (mA) in einer gemeinsamen Ebene beschleunigt und vorzugsweise linear bewegt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsmassen (mA) auf zueinander parallelen Bahnen (1a, 1b) und/oder spiegelsymmetrisch zur Beschleunigungsbahn (1) des mindestens einen Maschinenteiles (2) beschleunigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ausgleichsmassen (mA) äquidistant (A) zu je einer Seite der Beschleunigungsbahn (1) des mindestens einen Maschinenteils (2) verfahren werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Maschinenteile (2) und wenigstens eine diesem zugeordnete erste Ausgleichsmasse (mA) auf zueinander parallel Bahnen beschleunigt werden, und zwei weitere Ausgleichsmassen (mA) orthogonal zur Beschleunigungsbahn (1) des mindestens einen Maschinenteils (2) beschleunigt werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl Maschinenteile (2) mittels steuerbarer, aktiver Antriebskomponenten verfahren und beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl den einzelnen Maschinenteilen als auch der einen oder den mehreren Ausgleichsmassen (mA) mittels der Antriebskomponenten Beschleunigungen derart synchronisiert zueinander erteilt werden, dass wenigstens die Extrema, Nullstellen und/oder Polstellen der Beschleunigungsverläufe der Maschinenteile (2) und der Ausgleichsmasse(n) zeitgleich auftreten.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenteile (2) und die mindestens eine Ausgleichsmasse (mA) nach zumindest in der Grundform gleichartigen Zeitfunktions-Kurvenverläufen verfahren und beschleunigt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Maschinenteilen (2) und Ausgleichsmassen (mA) Weg- und Beschleunigungsverläufe über die Zeit eingeprägt werden, die über eine Verknüpfung der jeweils zurückzulegenden Wegstrecke (si) mit einer gemeinsam zugeordneten, zeitlichen Synchronisationsfunktion (g(t)) skaliert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsfunktion (g(t)) einen stetig gekrümmten, S-förmigen Kurvenverlauf aufweist
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsfunktion (g(t)) und/oder Parameter für die jeweilige Wegsstrecke (s1, s2, . . . s5, sA) aus einer übergeordneten Steuerung lokalen Substeuerungen in den jeweiligen Antriebskomponenten vorgegeben werden.
13. Anordnung zur Kompensation von Kraftrückwirkungen für eine Maschine mit einem oder mehreren, in Bahnführungen (1) mechanisch beschleunigten Maschinenteilen (2), beispielsweise Werkzeugträgern einer Werkzeugmaschine, von welchen die Kraftrückwirkungen aus den jeweiligen Beschleunigungen resultieren, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ausgleichskörper (3, 3a, 3b) in einer oder mehreren Bahnführungen (1a, 1b) jeweils mittels aktiver Antriebskomponenten beschleunigbar gelagert sind, und die eine oder mehreren Antriebskomponenten von einer Steuerung kontrolliert sind, die zur Einprägung einer zeitlichen Beschleunigungsfunktion für je einen Ausgleichskörper (3, 3a, 3b) ausgebildet und/oder programmiert ist, die auf der Basis einer Integration oder Summierung der Einzelbeschleunigungen und/oder Einzelmassen (m1, . . ., m5) der jeweiligen Maschinenteile (2) im Sinne einer kompensierenden Überlagerung der Kraftrückwirkungen des oder der Maschinenteile (2) durch die von den angetriebenen Ausgleichskörpern (3, 3a, 3b) ausgelösten Beschleunigungskräfte gebildet ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Steuerung implementierte Beschleunigungs- oder Wegfunktion bei Verwendung eines Ausgleichskörpers (3, 3a, 3b) alternativ folgenden Beziehung genügt:
wobei xA(t) die zeitabhängige Beschleunigungsfunktion für die einen oder mehreren Ausgleichskörper (3, 3a, 3b), mA, die Masse des oder der Ausgleichskörper (3, 3a, 3b), ml die einzelnen Massen der Maschinenteile (2), g(t) eine Synchronisationsfunktion, si die einzelnen Wegstrecken der Maschinenteile (2) und xA0 eine Ausgangsposition des Ausgleichskörpers (3, 3a, 3b) sind.
15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebskomponenten elektrische Linear- und/oder Rotationsmotoren, letztere über einen jeweiligen Spindeltrieb, in Angriff an die Maschinenteile (2) und/oder Ausgleichskörper (3, 3a, 3b) gebracht werden.
16. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mechanisch steife Verbindung (4) der Bahnführungen von Maschinenteil(en) (2) und Ausgleichskörpern (3, 3a, 3b) miteinander.
17. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnführungen wenigstens je eines Maschinenteils (1, 1a, 1b) und Ausgleichskörpers (3, 3a, 3b) zueinander parallel und/oder mit entsprechend den Konstruktionsbedingungen in der Maschine kleinstmöglichem Abstand (A) voneinander verlaufen.
18. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gemeinsamen Ebene wenigstens drei Bahnführungen (1, 1a, 1b) verlaufen, von denen eine (1) einer oder mehreren Maschinenteilen (2) und die beiden anderen je einem oder mehreren Ausgleichskörpern (3, 3a, 3b) zugeordnet sind.
DE10027775A 2000-05-23 2000-06-07 Aktive Kompensation von Kraftrückwirkungen mechanisch beschleunigter Maschinenteile Ceased DE10027775A1 (de)

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