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Die
Erfindung betrifft eine Lineardirektantriebsanordnung und ein Verfahren
zu seiner Regelung mit einem geregelten Nutzantrieb, enthaltend
einen von einer Wicklung gebildeten Primärteil, einen Sekundärteil sowie
eine Führung
für einen
mit dem Primärteil
verbundenen Schlitten, dem ein etwa gleichartig aufgebauter, geregelter,
gegensinnig bewegter Kompensationsantrieb zur Vermeidung von Gestellschwingungen,
beispielsweise Gestellschwingungen von Werkzeugmaschinen, zugeordnet
ist.
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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Lineardirektantriebe
sind bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem von einer Wicklung gebildeten
Primärteil,
einem Sekundärteil
sowie einer Führung.
Je nach Anwendung kann entweder das Primär- oder das Sekundärteil an
einer festen Einheit, dem Gestell, verbunden sein, wobei das jeweils andere
Teil an der angetriebenen Einheit, dem Schlitten, befestigt ist.
Eine Führung
verbindet Gestell und Schlitten und definiert den Freiheitsgrad
des Schlittens. Die Antriebskraft wird durch ein elektromagnetisches
Feld zwischen Primär-
und Sekundärteil
erzeugt. Linearmotoren sind in der Lage, sehr schnell sehr große Antriebskräfte aufzubauen,
welche den Schlitten beschleunigen. Dieselben Kräfte wirken allerdings auch
nach dem Satz von der Erhaltung der Bewegungsgröße (Impulssatz) in entgegengesetzter Richtung
auf das Gestell, wodurch dieses zu Schwingungen angeregt wird. Die
Gestellschwingungen sind oftmals unerwünscht, beispielsweise bei Lineardirektantrieben
für Werkzeugmaschinen.
Die Erfindung dient der Verringerung der Gestellanregung.
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Zur
Lösung
des o.g. Problems sind bereits verschiedene Lösungsansätze bekannt.
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Eine
allgemein übliche
Lösung
ist die Verringerung der Vorgaben für die Sollgeschwindigkeit,
die Sollbeschleunigung und den maximal zulässigen Ruck, sowie die Herabsetzung
der Reglerparameter. Der dadurch verringerte Kraftanstieg bei Beschleunigungs-
und Bremsvorgängen
bewirkt eine geringere Gestellanregung, hat aber auch eine deutliche
Verringerung der Achsdynamik zur Folge.
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Ein
anderer Lösungsansatz
besteht darin, Reaktionskräfte
und -momente, die bei der Beschleunigung eines Schlittens auf das
Gestell wirken, zu kompensieren. Dabei soll die Wirkung der Reaktionskraft
auf das Gestell entweder dadurch verhindert werden, dass der Antrieb
beweglich auf dem Gestell angeordnet ist und die Reaktionskraft
direkt auf eine gestellunabhängige
Basis wirkt (
DE 690
09 841 T2 ), oder es wird eine Impulsentkopplung mit Hilfe
eines Zwischenschlittens vorgenommen (
DE 198 10 996 A1 ). Bei
letzterem Direktantrieb wird das normalerweise fest am Gestell befestigte
Motorteil beweglich über
einen Zwischenschlitten mit dem Gestell verbunden. Dieser Zwischenschlitten
stützt
sich über
ein Feder-Dämpfer-System
am Gestell ab, welches das in das Gestell eingeleitete Kraftspektrum
beeinflusst.
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Allerdings
lässt diese
Lösung
nur eine Abstimmung auf eine einzige Gestelleigenfrequenz zu. Andere
durch den Kraftimpuls angeregte Gestelleigenfrequenzen, auf die
das System nicht abgestimmt ist, werden entsprechend schlechter
bedämpft.
Weiterhin ist der technische Aufwand zur Realisierung sehr hoch,
da ein zusätzliches
Meßsystem
und eine zusätzliche
Führung
sowie das Feder-Dämpfer-System
erforderlich sind.
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Aus
DE 100 19 226 A1 ist
weiterhin ein Linearantrieb mit Momentenkompensation bekannt. Diese
Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit relativ geringen Massen
und Verfahrwegen, z.B. zum Antrieb von Zeilenscannern, welcher in
der Lage ist, eine Zustellbewegung in eine Richtung auszuführen und
nicht einen Lineardirektantrieb nach obiger Beschreibung. Die Rückstellung
erfolgt mittels Federn. Kern der Erfindung ist ein zusätzlicher
Antrieb, der analog zum Hauptantrieb aufgebaut ist und eine zweite
Kompensationsmasse in entgegengesetzter Richtung zur Hauptmasse
beschleunigt. Die Kompensationsmasse führt dabei grundsätzlich dieselbe Bewegung
wie die Hauptmasse aus, jedoch mit entsprechend dem Masseverhältnis verändertem
Verfahrbereich.
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Diese
Lösung
eignet sich nur für
Achsen mit sehr geringen Verfahrwegen, da der Kompensationsantrieb
bei Verfahrwegen, wie sie beispielsweise an Werkzeugmaschinen vorkommen,
zu viel Raum für die
Kompensationsbewegung beanspruchen würde. Die Rückstellung mittels Federn sowie
weitere Konstruktionsdetails nach vorliegendem Erfindungsgedanken
treffen auf einen gattungsgemäßen Lineardirektantrieb
nicht zu.
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In
US 5 959 427 ist ferner
eine Methode zur Kompensation von Reaktionskräften beschrieben, mit der mittels
zusätzlicher
Aktoren Kompensationskräfte
in Höhe
der Reaktionskräfte
von einer gestellunabhängigen
Basis in das Gestell eingebracht werden. Da in der Regel nicht davon
ausgegangen werden kann, dass eine zum Maschinengestell unabhängige Basis,
in die rückwirkungsfrei
Reaktionskräfte abgeleitet
werden können,
zur Verfügung
steht, muss diese Lösung
als Sonderfall gesehen werden.
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Wesen der Erfindung
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Der
Erfindung liegt, ausgehend vom bekannten Stand der Technik, die
Aufgabe zugrunde, einen Lineardirektantrieb mit einem geregelten
Kompensationsdirektantrieb zur Vermeidung von Gestellschwingungen
zu schaffen, welcher eine geringe Baulänge aufweist, einen vergleichsweise
geringen Regelungsaufwand erfordert und welcher hocheffizient ist.
Beispielsweise soll sich der Lineardirektantrieb für den Einsatz
in Werkzeugmaschinen eignen, hoch präzis arbeiten und eine Schwingungsanregung auf
das Gestell der Maschine minimieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
ein zusätzliches
Primärteil
als Kompensationsantrieb verwendet wird, welches in Reihe zu einem
ersten Primärteil,
dem Nutzantrieb, angeordnet ist, und welches dasselbe Sekundärteil verwendet wie
der Nutzantrieb, wobei der Nutzantrieb und der Kompensationsantrieb
jeweils eine eigene Regelschaltung aufweisen.
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Jede
Regelschaltung enthält
bevorzugt einen Lage-, einen Geschwindigkeits- und einen Stromregelkreis
sowie ein eigenes Meßsystem.
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Um
eine vollständige
Kompensation der durch den Nutzantrieb in das Gestell eingeleiteten Kräfte mit
dem Kompensationsantrieb zu erreichen, wäre es nach dem Stande der Technik
erforderlich, dass dieser die gleiche Verfahrbewegung wie der Nutzantrieb
ausführt,
jedoch in entgegengesetzter Richtung, wobei die Geschwindigkeits-
und Beschleunigungsvorgaben entsprechend des Masseverhältnisses
der Antriebe angepasst werden müssten.
Das würde
einen sehr großen
Gesamtverfahrweg erfordern und ist daher nicht sinnvoll. Weiterhin sind
hinsichtlich der Gestellanregung die Kräfte in den Beschleunigungs-
und Bremsphasen maßgeblich.
Erfindungsgemäß kompensiert
daher der Kompensationsantrieb nur die aus der Be schleunigung des
Nutzantriebs resultierenden Kraftanteile, indem er in entgegengesetzter
Richtung beschleunigt wird. Die niederfrequenten Kraftanteile, z.
B. beim Verfahren mit konstanter Geschwindigkeit, werden nicht kompensiert.
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Nach
einer ersten Ausprägung
der Erfindung wird der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebs mittels
eines Hochpasses gefiltert. Die so gewonnenen hochfrequenten Anteile
des Sollstromes des Nutzantriebs werden zum Sollstrom des Kompensationsantriebs
addiert.
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Nach
einer weiteren Ausprägung
der Erfindung wird der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebs
ungefiltert zum Sollstrom des Kompensationsantriebs addiert. Lage-
und Geschwindigkeitsregler des Kompensationsantriebs müssen dann
so weich parametriert werden, dass die gleiche Wirkung wie nach
der ersten Ausprägung
erzielt wird.
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Da
der Kompensationsantrieb erfindungsgemäß nur in den Bewegungsphasen
verfährt,
in denen der Nutzantrieb beschleunigt oder bremst, ist sein Verfahrbereich
klein. Die letztendliche Rückführung in
die Ausgangslage erfolgt mittels des eigenen Lage- und Geschwindigkeitsregelkreises.
Deren Parametrierung muss relativ weich sein, um die aus der Rückstellbewegung
resultierende Gestellanregung gering zu halten. Der Stromregler
des Kompensationsantriebs hingegen muss erfindungsgemäß hart eingestellt
sein, damit der Kompensationsantrieb entsprechend des addierten
Sollstromsignals bezogen auf den Nutzantrieb vergleichbar hohe,
hochfrequente Beschleunigungskräfte
in die jeweils entgegengesetzte Richtung erzielt.
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Die
Einleitungsstellen der Kräfte
von Nutz- und Kompensationsantrieb liegen nach einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung möglichst
dicht zusammen. Bei großen
Verfahrwegen des Nutzantriebs wird hierfür in weiterer Ausgestaltung
erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass der Kompensationsantrieb nicht an einer festen Position des
Verfahrbereiches arbeitet, sondern mit der Bewegung des Nutzantriebs
mitgeführt
wird.
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Alles
in allem lässt
sich erfindungsgemäß in vorteilhafter
Weise die Gestellanregung deutlich verringern, ohne dass die Antriebsdynamik
verringert werden muss. Insbesondere werden alle gestellanregenden
hochfrequenten Kraftanteile weitestgehend kompensiert.
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Ausführungsbeispiel für die Erfindung
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Hierzu zeigen in den zugehörigen
Zeichnungen:
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1 einen
prinzipiellen konstruktiven Aufbau,
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2 eine
Regelschaltung für
eine erfindungsgemäße Lineardirektantriebsanordnung
und
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Gemäß der 1 trägt ein Gestell 1 einer nicht
näher ausgeführten Werkzeugmaschine
eine doppelschienige Geradführung 2,
auf der ein Schlitten 3a eines Nutzantriebs 3 und
ein Schlitten 4a eines Kompensationsantriebs 4 geführt sind.
Auf der Unterseite des Schlittens 3a sitzt eine Primärwicklung 3b des
Nutzantriebs 3 und ist mit diesem fest verbunden. Auf der
Unterseite des Schlittens 4a sitzt eine Primärwicklung 4b und
ist mit diesem fest verbunden. Zwischen der Geradführung 2 erstreckt
sich ein fest angeordnetes Sekundärteil 5 der Lineardirektantriebsanordnung.
Nutzantrieb 3 und Kompensationsantrieb 4 haben
folglich einen gemeinsamen Sekundärteil 5. Nutzantrieb 3 und
Kompensationsantrieb 4 sind technischphysikalisch gleichartig
aufgebaut, wobei die jeweilige Dimensionierung der Primärwicklungen 3b, 4b des
Nutzantriebs 3 und des Kompensationsantriebs 4 vom
vorgesehenen Einsatzfall abhängig
ist. Auch Masse und Form der Schlitten 3a, 4b weichen
anwendungsbedingt voneinander ab. Die Antriebe 3, 4 sind
mechanisch nicht miteinander verbunden, sondern zueinander und gegeneinander
auf ein und derselben Führung 2 frei
beweglich. Durch eine noch zu beschreibende Regelschaltung wird
die Anfahr- und Bremskraft, die der Nutzantrieb 3 während des
Arbeitens einer Werkzeugmaschine ausübt, durch eine gegensinnige
Anfahr- und Bremskraft des Kompensationsantriebs 4 kompensiert,
wobei die Parameter Masse und Weg beider Antriebe in die Regelung
eingehen. Da der Kompensationsantrieb 4 erfindungsgemäß nur höherfrequente
Anfahr- und Bremskräfte
des Nutzantriebs 3 ausgleicht, hat der Kompensationsantrieb kleinere
Weghübe
auszuführen.
Dies führt
zu einer insgesamt kürzeren
Führung 2 und
damit zu einem kürzeren
Werkzeugmaschinengestell. Hat der Nutzantrieb 3 größere Arbeitswege
zurückzulegen,
so fährt
der Kompensationsantrieb nach einer Ausgestaltung der Erfindung
mit, das heißt,
er wird in gleicher Richtung und mit annähernd gleicher Geschwindigkeit
bewegt wie der Nutzantrieb. Da diese Bewegungen in aller Regel gleichförmig sind,
wirken sie sich nicht auf das Schwingungsverhalten des Gestells 1 aus.
Der Vorteil des trabantartigen Mitfahrens des Kompensationsantriebs 4 besteht
darin, dass beide Antriebe 3, 4 immer nahe beieinander
positioniert sind, wodurch die Anfahr- und Bremskräfte des Nutzantriebs 3 und
die gegenläufigen
Anfahr- und Bremsmomente des Kompensationsantriebs 4 über eine
entsprechend kurze Gestelldistanz in das Gestell 1 hart
eingeleitet werden, was ein (Oberwellen-) Schwingen des Gestells 1 über seine
gesamte Auflagerlänge
verhindert.
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2 zeigt
schematisch das Funktions-Blockschaltbild einer dynamischen Regelung
der erfindungsgemäßen Lineardirektantriebsanordnung. Mit 1, 5 ist
wieder das Gestell 1 mit dem Sekundärteil 5 einer Werkzeugmaschine
bezeichnet, 3 stellt schematisch den Nutzantrieb und 4 den
Kompensationsantrieb dar. Beide Antriebe 3, 4 nutzen
gemeinsam das Sekundärteil 5,
sowie die hier nicht dargestellte Führung 2 (1)
und ein und dasselbe Gestell 1. Der Nutzantrieb 3 und
der Kompensationsantrieb 4 werden von je einer selbständigen Regelschaltung R3
und R4 angesteuert. Der Aufbau der Regelschaltungen R3, R4 ist im
Wesentlichen identisch.
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Von
einer übergeordneten
Steuerung wird der Sollweg dem Lageregler LR3 des Nutzantriebs 3 als
Eingangsgröße vorgegeben.
Der Lageregler LR3 erkennt die momentane Lage des Nutzantriebs 3 auf der
Führung 2 anhand
eines nicht näher
dargestellten Lagesensors und leitet das Verfahren des Nutzantriebs 3 auf
der Führung 2 ein.
Ein Geschwindigkeitsregler GR3 ist dem Lageregler LR3 unterlagert. Grundsätzlich erfolgt
das Anfahren und Bremsen mit maximaler Beschleunigung im Sinne einer
hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit einer Werkzeugmaschine, wodurch
hohe Anfahr- und Bremskräfte
auftreten. Ein Stromregler SR3 erhält ein Sollstromsignal vom Geschwindigkeitsregler
GR3 und beaufschlagt seinerseits die Primärwicklung 3b des Nutzantriebs 3, wodurch
der Nutzantrieb 3 elektromagnetisch verursacht bewegt wird.
Ein Messsystem MS3 erfasst die Istposition. Die Differenz zwischen
Soll- und Istposition, allgemein als Lageabweichung bezeichnet,
wird dem Lageregler LR3 zugeführt.
In analoger Weise erfolgt die Regelung des Kompensationsantriebs 4. Der
Nutzantrieb 3 und der Kompensationsantrieb 4 sind
zwar nicht mechanisch miteinander verbunden, wohl aber elektrisch,
indem das Sollstromsignal des Regelkreises R3 für den Nutzantrieb 3 auch
dem Stromregler SR4 des Regelkreises R4 für den Kompensationsantrieb 4 vorgegeben
wird, jedoch reziprok. Das heißt,
beschleunigt oder bremst der Nutzantrieb 3 in einer Richtung,
beschleunigt oder bremst der Kompensationsantrieb 4 in
der entgegengesetzten Richtung. Hierzu wird der reziproke Strom sollwert des
Nutzantriebs 3 zum Sollstrom des Kompensationsantriebs 4 addiert.
Der Stromregelkreis SR4 des Kompensationsantriebs 4 ist
so hart eingestellt, dass der Kompensationsantrieb 4 entsprechend
des addierten Sollstromsignals genauso stark beschleunigt wie der
Nutzantrieb 3.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass der Kompensationsantrieb 4 ausschließlich die
aus der Anfangs – und
Endbeschleunigung beim Verfahren des Nutzantriebs 3 resultierenden
hochfrequenten Kraftanteile kompensiert. Hierdurch wird erreicht,
dass der Verfahrbereich des Kompensationsantriebs 4 sehr
klein gegenüber
dem Verfahrbereich des Nutzantriebs 3 ist und entsprechend
kurz die Führung 2 und
das Gestell 1 einer Werkzeugmaschine ausgeführt werden
können.
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Nach
einer Ausprägung
wird hierzu der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebs 3 zum
Stromsollwert des Kompensationsantriebs 4 ungefiltert addiert,
wobei jedoch der Lageregler LR4 und der Geschwindigkeitsregler GR4
des Kompensationsantriebs 4 so weich parametriert werden,
dass die niederfrequenten Kraftanteile des Nutzantriebs 3 nicht kompensiert
werden.
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Nach
einer anderen Ausprägung
filtert ein Hochpass HP die reziproken Stromsollwerte des Nutzantriebs 3,
und die so gewonnenen hochfrequenten Anteile des Sollstromes des
Nutzantriebs 3 werden zum Sollstrom des Kompensationsantriebs 4 addiert.
Auch auf diese Weise wird unterbunden, dass der Kompensationsantrieb 4 den
gesamten Weg läuft
wie der Nutzantrieb 3.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung fährt der Kompensationsantrieb 4 mit
dem Nutzantrieb 3 mit, wodurch die Einleitungsstellen der
Kräfte von
Nutzantrieb 3 und Kompensationsantrieb 4 möglichst
dicht zusammen liegen. Dies wird durch die Regelschaltung R4 ebenfalls
erreicht, indem dem Lageregelkreis LR4 des Kompensationsantriebes 4 keine konstante
Sollposition, sondern ein Sollverfahrweg, welcher etwa dem Verfahrweg
des Nutzantriebes 3 entspricht, von einer übergeordneten
Steuerung vorgegeben wird. Die weiche Parametrierung von Lageregler
LR4 und Geschwindigkeitsregler GR4 des Kompensationsantriebes 4 erfordert,
dass bei der Vorgabe des Sollverfahrweges des Kompensationsantriebes 4 die
insgesamt wesentlich geringere Dynamik des Regelkreises R4 gegenüber R3 beachtet werden
muss, um Kollisionen der Antriebe 3 und 4 zu vermeiden.
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Durch
Einleitung der Kompensationskraft in der Nähe der Nutzantriebskraft und
damit in einem begrenzten, von der Schwingungsanregung betroffenen
Bereich des Gestells 1, wird erreicht, dass tatsächlich eine
Kompensation erfolgt, während
ggf. bei sehr großem
Abstand der Antriebe 3, 4 statt einer Kompensation
eine zusätzliche
Schwingungsanregung eines weiteren Gestellbereiches durch den Kompensationsantrieb 4 erfolgt.
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- 1
- Gestell
- 2
- Führung
- 3
- Nutzantrieb
- 3a
- Schlitten
des Nutzantriebs
- 3b
- Primärwicklung
des Nutzantriebs
- 4
- Kompensationsantrieb
- 4a
- Schlitten
des Kompensationsantriebs
- 4b
- Primärwicklung
des Kompensationsantriebs
- 5
- Sekundärteil der
Linerardirektantriebsanordnung
- R3
- Regelschaltung
für den
Nutzantrieb
- R4
- Regelschaltung
für den
Kompensationsantrieb
- LR3
- Lageregler
für den
Nutzantrieb
- LR4
- Lageregler
für den
Kompensationsantrieb
- GR3
- Geschwindigkeitsregler
für den
Nutzantrieb
- GR4
- Geschwindigkeitsregler
für den
Kompensationsantrieb
- SR3
- Stromregler
für den
Nutzantrieb
- SR4
- Stromregler
für den
Kompensationsantrieb
- MS3
- Messsystem
für den
Nutzantrieb
- MS4
- Messsystem
für den
Kompensationsantrieb
- HP
- Hochpassfilter