DE102004057062B4 - Linear direct drive arrangement and method for its regulation - Google Patents

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Abstract

Lineardirektantriebsanordnung mit einem geregelten Nutzantrieb (3), enthaltend einen von einer Primärwicklung (3b) des Nutzantriebes (3) gebildeten Primärteil, einen Sekundärteil (5) sowie eine Führung (2) für einen mit dem Primärteil des Nutzantriebes (3) verbundenen Schlitten (3a), dem ein etwa gleichartig aufgebauter, geregelter, gegensinnig bewegter Kompensationsantrieb (4) zur Vermeidung von Gestellschwingungen zugeordnet ist, wobei der Schlitten (4a) mit dem von einer Primärwicklung (4b) gebildeten Primärteil des Kompensationsantriebes ( 4 ) gleichfalls auf dem Sekundärteil (5) und in der Führung (2) des Nutzantriebes (3) läuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzantrieb (3) und der Kompensationsantrieb (4) jeweils eine eigene Regelschaltung (R3; R4) aufweisen, welche jeweils einen eigenen Lageregelkreis (LR3; LR4), einen eigenen Geschwindigkeitsregelkreis (GR3; GR4), einen eigenen Stromregelkreis (SR3; SR4), sowie ein eigenes Meßsystem (MS3; MS4) aufweisen, und wobei der Kompensationsantrieb (4) ausschließlich die aus der Anfangs – und Endbeschleunigung beim Verfahren des Nutzantriebes (3) resultierenden hochfrequenten Kraftanteile kompensiert, wodurch der Verfahrbereich des Kompensationsantriebes (4) sehr...Linear direct drive arrangement with a regulated utility drive (3), containing a primary part formed by a primary winding (3b) of the utility drive (3), a secondary part (5) and a guide (2) for a slide (3a) connected to the primary part of the utility drive (3) ), to which an approximately identically structured, regulated, counter-moving compensation drive (4) is assigned to avoid frame vibrations, the carriage (4a) with the primary part of the compensation drive (4) formed by a primary winding (4b) also on the secondary part (5 ) and runs in the guide (2) of the useful drive (3), characterized in that the useful drive (3) and the compensation drive (4) each have their own control circuit (R3; R4), each of which has its own position control loop (LR3; LR4 ), its own speed control loop (GR3; GR4), its own current control loop (SR3; SR4) and its own measuring system (MS3; MS4), and the Kompe nsation drive (4) only compensates for the high-frequency force components resulting from the initial and final acceleration when moving the power drive (3), which means that the travel range of the compensation drive (4) is very ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Lineardirektantriebsanordnung und ein Verfahren zu seiner Regelung mit einem geregelten Nutzantrieb, enthaltend einen von einer Primärwicklung 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, wobei der Schlitten mit dem Primärteil des Kompensationsantriebes gleichfalls auf dem Sekundärteil und in der Führung des Nutzantriebes läuft.The invention relates to a linear direct drive arrangement and a method for its control with a controlled useful drive, comprising a primary part formed by a primary winding, a secondary part and a guide for a carriage connected to the primary part, the approximately identically constructed, controlled, oppositely moving compensation drive to avoid is assigned by frame vibrations, such as frame vibrations of machine tools, wherein the carriage with the primary part of the compensation drive also runs on the secondary part and in the leadership of the Nutzantriebes.

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Lineardirektantriebe sind bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem von einer Primärwicklung 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, weiche 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.Linear direct drives are known. They consist essentially of a primary part formed by a primary winding, a secondary part and a guide. Depending on the application, either the primary or the secondary part can be connected to a fixed unit, the frame, with the respective other part being fastened to the driven unit, the slide. A guide connects the frame and the sled and defines the degree of freedom of the sled. The driving force is generated by an electromagnetic field between the primary and secondary parts. Linear motors are able to build up very large drive forces very quickly, which accelerate the slide. However, the same forces act on the frame in the opposite direction even after the law of the conservation of momentum (momentum), causing it to vibrate. The frame vibrations are often undesirable, for example in linear direct drives for machine tools. The invention serves to reduce the frame excitation.

Stand der TechnikState of the art

Zur Lösung des o. g. Problems sind bereits verschiedene Lösungsansätze bekannt.To solve the o. G. Problems are already known various approaches.

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.A common solution is the reduction of the specifications for the target speed, the target acceleration and the maximum allowable jerk, as well as the reduction of the controller parameters. The resulting increase in power during acceleration and braking causes a lower frame excitation, but also has a significant reduction in the dynamics of the axle.

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.Another approach is to compensate for reaction forces and moments acting on the carriage as it accelerates a carriage. The effect of the reaction force on the frame should be prevented either by the fact that the drive is movably arranged on the frame and the reaction force acts directly on a frame-independent base ( DE 690 09 841 T2 ), or a pulse decoupling is carried out with the aid of an intermediate slide ( DE 198 10 996 A1 ). In the latter direct drive the normally fixed to the frame motor part is movably connected via an intermediate slide with the frame. This intermediate slide is supported by a spring-damper system on the frame, which influences the force spectrum introduced into the frame.

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. 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.However, this solution only allows tuning to a single frame natural frequency. Other rollout frequencies excited by the force pulse to which the system is not tuned are correspondingly less well damped. Furthermore, the technical complexity for the realization is very high, since an additional measuring system and an additional guide and the spring-damper system are required. Out DE 100 19 226 A1 Furthermore, a linear drive with torque compensation is known. This invention relates to a linear drive with relatively low masses and travel, z. B. for driving line scanners, which is able to perform a feed movement in one direction and not a linear direct drive as described above. The provision is made by means of springs. Core of the invention is an additional drive, which is constructed analogously to the main drive and accelerates a second compensation mass in the opposite direction to the main mass. The compensation mass basically carries out the same movement as the main mass, but with the displacement range changed according to the mass ratio.

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.This solution is only suitable for axes with very small travel distances, since the compensation drive would take up too much space for the compensation movement in travel paths, as they occur, for example, on machine tools. The provision by means of springs and other construction details according to the present invention do not apply to a generic linear direct drive.

In US 5 959 427 A 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.In US 5,959,427 A. Furthermore, a method for the compensation of reaction forces is described, are introduced by means of additional actuators compensation forces in the amount of reaction forces from a frame independent base in the frame. Since it can not generally be assumed that a base independent of the machine frame, into which reaction forces can be derived without reaction, is available, this solution must be regarded as a special case.

Gemäß der JP 2001352746 A , die den gattungsgemäßen Oberbegriff für die vorliegende Erfindung bildet, arbeitet der Nutzantrieb mit einer Regelschaltung, der Kompensationsantrieb hingegen wird gesteuert betrieben, das heißt, er hat kein eigenes Lagemesssystem und damit auch keinen Lage- und Geschwindigkeitsregler. Das führt gemäß 5 und 6 der japanischen Patentanmeldung zu einem Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf der beiden Antriebe, der sich nur aufgrund der Masseunterschiede von Nutz- und Kompensationsantrieb in der Geschwindigkeitsamplitude unterscheidet. Für den Verfahrbereich des Kompensationsantriebes ergibt sich damit, dass dieser nur geringer ist als der Verfahrbereich des Nutzantriebes, wenn seine Masse größer ist. Zum Erzwingen eines kleinen Verfahrbereiches für den Kompensationsantrieb sind beiderseits am Schlitten mechanische Anschläge befestigt. Die Kompensation durch den Kompensationsantrieb ist insgesamt ungenau. Außerdem leitet der Kompensationsantrieb beim Anschlagen an die mechanischen Anschläge unliebsame Schwingungen in das Gestell ein. According to the JP 2001352746 A , which forms the generic generic term for the present invention, the Nutzantrieb works with a control circuit, the compensation drive, however, is operated in a controlled manner, that is, he has no own position measuring system and thus also no position and speed controller. That leads according to 5 and 6 the Japanese patent application to a speed-time course of the two drives, which differs only in the speed amplitude due to the mass differences of payload and compensation drive. For the travel range of the compensation drive, this results in that it is only smaller than the travel range of the Nutzantriebes when its mass is greater. To force a small travel range for the compensation drive mechanical stops are attached to both sides of the carriage. The compensation by the compensation drive is overall inaccurate. In addition, the compensation drive initiates unpleasant vibrations in the frame when it hits the mechanical stops.

Aus der DE 690 10 218 T2 ist es noch bekannt, zur Ansteuerung eines Kompensationsantriebes die Beschleunigung des Nutzantriebes zu verwenden. Der Kompensationsantrieb führt damit prinzipiell bedingt dieselbe Verfahrbewegung aus wie der Nutzantrieb, wiederum mit einem um das Masseverhältnis veränderten Verfahrbereich. Eine Verwendung nur hochfrequenter Beschleunigungs- bzw. Kraftanteile ist nicht offenbart.From the DE 690 10 218 T2 it is still known to use the acceleration of the useful drive to control a compensation drive. In principle, the compensation drive performs the same traversing movement as the useful drive, again with a traversing range changed by the mass ratio. The use of only high-frequency acceleration or force components is not disclosed.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

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.The invention is, starting from the known state of the art, the object of the invention to provide a linear direct drive with a regulated Kompensationsdirektantrieb to avoid frame vibrations, which has a small length, requires a relatively low control effort and which is highly efficient. For example, the linear direct drive should be suitable for use in machine tools, work with high precision and minimize vibration excitation on the frame of the machine.

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, welche jeweils einen Lage-, einen Geschwindigkeits- und einen Stromregelkreis sowie ein eigenes Meßsystem besitzen.The object is achieved by an additional primary part is used as a compensation drive, which is arranged in series with a first primary part, the Nutzantrieb, and which uses the same secondary part as the Nutzantrieb, the Nutzantrieb and the compensation drive each have their own control circuit, which each have a position, a speed and a current control loop and a separate measuring system.

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 Beschleunigung des Nutzantriebes resultierenden Kraftanteile, indem er in entgegengesetzter Richtung beschleunigt wird. Die niederfrequenten Kraftanteile, z. B. beim Verfahren mit konstanter Geschwindigkeit, werden nicht kompensiert.In order to achieve a complete compensation of the forces introduced by the useful drive into the frame forces with the compensation drive, it would be necessary in the prior art that this performs the same movement as the Nutzantrieb, but in the opposite direction, the speed and acceleration specifications accordingly the mass ratio of the drives would have to be adjusted. That would require a very large total travel and therefore does not make sense. Furthermore, with regard to the frame excitation, the forces in the acceleration and braking phases are decisive. According to the invention therefore compensates the compensation drive only resulting from the acceleration of the Nutzantriebes force components by being accelerated in the opposite direction. The low-frequency force components, z. B. in the constant speed method are not compensated.

Nach einer ersten Ausprägung der Erfindung wird der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebes mittels eines Hochpasses gefiltert. Die so gewonnenen hochfrequenten Anteile des Sollstromes des Nutzantriebes werden zum Sollstrom des Kompensationsantriebes addiert.According to a first embodiment of the invention, the reciprocal current setpoint of the useful drive is filtered by means of a high-pass filter. The thus obtained high-frequency components of the desired current of the useful drive are added to the desired current of the compensation drive.

Nach einer weiteren Ausprägung der Erfindung wird der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebes ungefiltert zum Sollstrom des Kompensationsantriebes addiert. Lage- und Geschwindigkeitsregler des Kompensationsantriebes müssen dann so welch parametriert werden, dass die gleiche Wirkung wie nach der ersten Ausprägung erzielt wird.According to another embodiment of the invention, the reciprocal current setpoint of the useful drive is added unfiltered to the desired current of the compensation drive. Position and speed controller of the compensation drive must then be parameterized so that the same effect as after the first expression is achieved.

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 Kompensationsantriebes 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.Since the compensation drive according to the invention moves only in the movement phases in which the useful drive accelerates or brakes, its travel range is small. The final return to the starting position by means of its own position and velocity control loop. Their parameterization must be relatively soft in order to minimize the frame excitation resulting from the return movement. The current controller of the compensation drive, however, must be set according to the invention hard, so that the compensation drive according to the added nominal current signal, based on the useful drive, comparably high, high-frequency acceleration forces achieved in the opposite direction.

Die Einleitungsstellen der Kräfte von Nutz- und Kompensationsantrieb liegen nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglichst dicht zusammen. Bei großen Verfahrwegen des Nutzantriebes wird hierfür in weiterer Ausgestaltung erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Kompensationsantrieb nicht an einer festen Position des Verfahrbereiches arbeitet, sondern mit der Bewegung des Nutzantriebes mitgeführt wird.The discharge points of the forces of payload and compensation drive are as close together as possible according to a preferred embodiment of the invention. In the case of long travel paths of the useful drive, according to the invention, in a further embodiment, it is proposed that the compensation drive not be in a fixed position Moving range works, but is carried along with the movement of the Nutzantriebes.

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.All in all, the frame excitation can be significantly reduced according to the invention in an advantageous manner without the drive dynamics having to be reduced. In particular, all frame-exciting high-frequency force components are largely compensated.

Ausführungsbeispiel für die ErfindungEmbodiment of the invention

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierzu zeigen in den zugehörigen Zeichnungen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings:

1 einen prinzipiellen konstruktiven Aufbau, 1 a basic structural design,

2 eine Regelschaltung für eine erfindungsgemäße Lineardirektantriebsanordnung und 2 a control circuit for a linear direct drive arrangement according to the invention and

Gemäß der 1 trägt ein Gestell 1 einer nicht näher ausgeführten Werkzeugmaschine eine doppelschienige Führung 2, auf der ein Schlitten 3a eines Nutzantriebes 3 und ein Schlitten 4a eines Kompensationsantriebes 4 geführt sind. Auf der Unterseite des Schlittens 3a sitzt eine Primärwicklung 3b des Nutzantriebes 3 und ist mit diesem fest verbunden. Auf der Unterseite des Schlittens 4a sitzt eine Primärwicklung 4b des Kompensationsantriebes 4 und ist mit diesem fest verbunden. Zwischen der Führung 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 technisch-physikalisch gleichartig aufgebaut, wobei die jeweilige Dimensionierung der Primärwicklungen 3b, 4b des Nutzantriebes 3 und des Kompensationsantriebes 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 Kompensationsantriebes 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 Nutzantriebes 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 Kompensationsantriebes 4 besteht darin, dass beide Antriebe 3, 4 immer nahe beieinander positioniert sind, wodurch die Anfahr- und Bremskräfte des Nutzantriebes 3 und die gegenläufigen Anfahr- und Bremsmomente des Kompensationsantriebes 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.According to the 1 carries a frame 1 an unspecified machine tool a double-railed leadership 2 on a sled 3a a Nutzantriebes 3 and a sled 4a a compensation drive 4 are guided. On the bottom of the carriage 3a sits a primary winding 3b the Nutzantriebes 3 and is firmly connected to it. On the bottom of the carriage 4a sits a primary winding 4b of the compensation drive 4 and is firmly connected to it. Between the leadership 2 extends a fixed secondary part 5 the linear direct drive assembly. Nutzantrieb 3 and compensation drive 4 therefore have a common secondary part 5 , Nutzantrieb 3 and compensation drive 4 are technically-physically similar, with the respective dimensions of the primary windings 3b . 4b the Nutzantriebes 3 and the compensation drive 4 depends on the intended application. Also mass and shape of the sled 3a . 4b vary depending on the application. The drives 3 . 4 are not mechanically connected to each other, but to each other and against each other on one and the same leadership 2 versatile. By a yet to be described control circuit, the starting and braking force, the Nutzantrieb 3 while working a machine tool exercises, by an opposing approach and braking force of the compensation drive 4 compensated, wherein the parameters ground and path of both drives are included in the scheme. Because of the compensation drive 4 According to the invention only higher-frequency starting and braking forces of the Nutzantriebes 3 compensates, the compensation drive has to make smaller Weghübe. This leads to an overall shorter leadership 2 and thus to a shorter machine tool frame. Has the Nutzantrieb 3 To cover longer working distances, so the compensation drive moves according to an embodiment of the invention with, that is, it is moved in the same direction and at approximately the same speed as the useful drive. Since these movements are usually uniform, they do not affect the vibration behavior of the frame 1 out. The advantage of Trabantartigen Mitfahren the compensation drive 4 is that both drives 3 . 4 are always positioned close to each other, whereby the starting and braking forces of the Nutzantriebes 3 and the opposite starting and braking torques of the compensation drive 4 over a correspondingly short frame distance in the frame 1 hard to be initiated, causing a (harmonic) oscillation of the frame 1 prevented over its entire support length.

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. 2 schematically shows the functional block diagram of a dynamic control of the linear direct drive assembly according to the invention. With 1 . 5 is the frame again 1 with the secondary part 5 denotes a machine tool, 3 schematically represents the Nutzantrieb and 4 the compensation drive. Both drives 3 . 4 share the secondary part together 5 , as well as the guide, not shown here 2 ( 1 ) and one and the same frame 1 , The Nutzantrieb 3 and the compensation drive 4 are each driven by an independent control circuit R3 and R4. The structure of the control circuits R3, R4 is substantially identical.

Von einer übergeordneten Steuerung wird der Sollweg dem Lageregler LR3 des Nutzantriebes 3 als Eingangsgröße vorgegeben. Der Lageregler LR3 erkennt die momentane Lage des Nutzantriebes 3 auf der Führung 2 anhand eines nicht näher dargestellten Lagesensors und leitet das Verfahren des Nutzantriebes 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 Nutzantriebes 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 Kompensationsantriebes 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 Stromsollwert des Nutzantriebes 3 zum Sollstrom des Kompensationsantriebes 4 addiert. Der Stromregelkreis SR4 des Kompensationsantriebes 4 ist so hart eingestellt, dass der Kompensationsantrieb 4 entsprechend des addierten Sollstromsignals genauso stark beschleunigt wie der Nutzantrieb 3.From a higher-level controller, the setpoint path becomes the position controller LR3 of the useful drive 3 specified as input. The position controller LR3 recognizes the momentary position of the useful drive 3 on the lead 2 based on a position sensor, not shown, and directs the process of the Nutzantriebes 3 on the lead 2 one. A speed controller GR3 is subordinate to the position controller LR3. Basically, the starting and braking with maximum acceleration in terms of a high processing speed of a machine tool, whereby high starting and braking forces occur. A current controller SR3 receives a desired current signal from the speed controller GR3 and in turn acts on the primary winding 3b the Nutzantriebes 3 , whereby the Nutzantrieb 3 Electromagnetically caused to be moved. A measuring system MS3 records the actual position. The difference between the setpoint and actual position, generally referred to as positional deviation, is fed to the position controller LR3. In an analogous manner, the control of the compensation drive 4 , The Nutzantrieb 3 and the compensation drive 4 Although not mechanically interconnected, but electrically but by the desired current signal of the control loop R3 for the Nutzantrieb 3 also the current regulator SR4 of the control circuit R4 for the compensation drive 4 is given, but reciprocal. That is, accelerates or brakes the Nutzantrieb 3 in one direction, accelerates or brakes the compensation drive 4 in the opposite direction. For this purpose, the reciprocal current setpoint of the Nutzantriebes 3 to the nominal current of the compensation drive 4 added. The current control circuit SR4 of the compensation drive 4 is set so hard that the compensation drive 4 accelerated as much as the useful drive according to the added nominal current signal 3 ,

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kompensationsantrieb 4 ausschließlich die aus der Anfangs – und Endbeschleunigung beim Verfahren des Nutzantriebes 3 resultierenden hochfrequenten Kraftanteile kompensiert. Hierdurch wird erreicht, dass der Verfahrbereich des Kompensationsantriebes 4 sehr klein gegenüber dem Verfahrbereich des Nutzantriebes 3 ist und entsprechend kurz die Führung 2 und das Gestell 1 einer Werkzeugmaschine ausgeführt werden können.It is preferably provided that the compensation drive 4 only those from the initial and final acceleration in the process of the Nutzantriebes 3 resulting high-frequency force components compensated. This ensures that the traversing range of the compensation drive 4 very small compared to the travel range of the drive 3 is and accordingly short the lead 2 and the frame 1 a machine tool can be performed.

Nach einer Ausprägung wird hierzu der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebes 3 zum Stromsollwert des Kompensationsantriebes 4 ungefiltert addiert, wobei jedoch der Lageregler LR4 und der Geschwindigkeitsregler GR4 des Kompensationsantriebes 4 so welch parametriert werden, dass die niederfrequenten Kraftanteile des Nutzantriebes 3 nicht kompensiert werden.After one expression, this is the reciprocal current setpoint of the useful drive 3 to the current setpoint of the compensation drive 4 unfiltered added, but with the position controller LR4 and the speed controller GR4 of the compensation drive 4 which are parameterized such that the low-frequency force components of the Nutzantriebes 3 can not be compensated.

Nach einer anderen Ausprägung filtert ein Hochpass HP die reziproken Stromsollwerte des Nutzantriebes 3, und die so gewonnenen hochfrequenten Anteile des Sollstromes des Nutzantriebes 3 werden zum Sollstrom des Kompensationsantriebes 4 addiert. Auch auf diese Weise wird unterbunden, dass der Kompensationsantrieb 4 den gesamten Weg läuft wie der Nutzantrieb 3.According to another characteristic, a high-pass filter HP filters the reciprocal current nominal values of the useful drive 3 , And thus obtained high-frequency components of the desired current of the Nutzantriebes 3 become the rated current of the compensation drive 4 added. Also in this way it is prevented that the compensation drive 4 the whole way runs like the Nutzantrieb 3 ,

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.According to a further advantageous embodiment, the compensation drive moves 4 with the Nutzantrieb 3 with, whereby the discharge points of the forces of Nutzantrieb 3 and compensation drive 4 as close together as possible. This is also achieved by the control circuit R4 by the position control circuit LR4 of the compensation drive 4 no constant desired position, but a Sollverfahrweg, which approximately the travel of the Nutzantriebes 3 is specified by a higher-level control. The soft parameterization of position controller LR4 and speed controller GR4 of the compensation drive 4 requires that when specifying the Sollverfahrweges the compensation drive 4 the overall significantly lower dynamics of the control loop R4 compared to R3 must be considered to collisions of the drives 3 and 4 to avoid.

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.By introducing the compensation force in the vicinity of the Nutzantriebskraft and thus in a limited, affected by the vibration excitation region of the frame 1 , It is achieved that actually a compensation, while possibly with a very large distance of the drives 3 . 4 instead of a compensation an additional vibration excitation of another frame area by the compensation drive 4 he follows.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gestellframe
22
Führungguide
33
NutzantriebNutzantrieb
3a3a
Schlitten des NutzantriebesCarriage of the Nutzantriebes
3b3b
Primärwicklung des NutzantriebesPrimary winding of the Nutzantriebes
44
Kompensationsantriebcompensation drive
4a4a
Schlitten des KompensationsantriebesCarriage of the compensation drive
4b4b
Primärwicklung des KompensationsantriebesPrimary winding of the compensation drive
55
Sekundärteil der LineardirektantriebsanordnungSecondary part of the linear direct drive assembly
R3R3
Regelschaltung für den NutzantriebControl circuit for the Nutzantrieb
R4R4
Regelschaltung für den KompensationsantriebControl circuit for the compensation drive
LR3LR3
Lageregler für den NutzantriebPosition controller for the useful drive
LR4LR4
Lageregler für den KompensationsantriebPosition controller for the compensation drive
GR3GR3
Geschwindigkeitsregler für den NutzantriebSpeed controller for the useful drive
GR4GR4
Geschwindigkeitsregler für den KompensationsantriebSpeed controller for the compensation drive
SR3SR3
Stromregler für den NutzantriebCurrent controller for the useful drive
SR4SR4
Stromregler für den KompensationsantriebCurrent controller for the compensation drive
MS3MS3
Messsystem für den NutzantriebMeasuring system for the useful drive
MS4MS4
Messsystem für den KompensationsantriebMeasuring system for the compensation drive
HPHP
HochpassfilterHigh Pass Filter

Claims (6)

Lineardirektantriebsanordnung mit einem geregelten Nutzantrieb (3), enthaltend einen von einer Primärwicklung (3b) des Nutzantriebes (3) gebildeten Primärteil, einen Sekundärteil (5) sowie eine Führung (2) für einen mit dem Primärteil des Nutzantriebes (3) verbundenen Schlitten (3a), dem ein etwa gleichartig aufgebauter, geregelter, gegensinnig bewegter Kompensationsantrieb (4) zur Vermeidung von Gestellschwingungen zugeordnet ist, wobei der Schlitten (4a) mit dem von einer Primärwicklung (4b) gebildeten Primärteil des Kompensationsantriebes ( 4 ) gleichfalls auf dem Sekundärteil (5) und in der Führung (2) des Nutzantriebes (3) läuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzantrieb (3) und der Kompensationsantrieb (4) jeweils eine eigene Regelschaltung (R3; R4) aufweisen, welche jeweils einen eigenen Lageregelkreis (LR3; LR4), einen eigenen Geschwindigkeitsregelkreis (GR3; GR4), einen eigenen Stromregelkreis (SR3; SR4), sowie ein eigenes Meßsystem (MS3; MS4) aufweisen, und wobei der Kompensationsantrieb (4) ausschließlich die aus der Anfangs – und Endbeschleunigung beim Verfahren des Nutzantriebes (3) resultierenden hochfrequenten Kraftanteile kompensiert, wodurch der Verfahrbereich des Kompensationsantriebes (4) sehr klein gegenüber dem Verfahrbereich des Nutzantriebes (3) ist.Linear direct drive arrangement with a regulated useful drive ( 3 ) containing one of a primary winding ( 3b ) of the Nutzantriebes ( 3 ) formed primary part, a secondary part ( 5 ) as well as a guided tour ( 2 ) for one with the primary part of the Nutzantriebes ( 3 ) connected carriages ( 3a ), an approximately identically constructed, regulated, oppositely moving compensation drive ( 4 ) is assigned to avoid frame vibrations, wherein the carriage ( 4a ) with that of a primary winding ( 4b ) formed primary part of the compensation drive ( 4 ) also on the abutment ( 5 ) and in the leadership ( 2 ) of the Nutzantriebes ( 3 ), characterized in that the Nutzantrieb ( 3 ) and the compensation drive ( 4 each have their own control loop (LR3; LR4), their own speed control loop (GR3; GR4), their own current control loop (SR3; SR4), and their own measuring system (MS3; MS4) and the compensation drive ( 4 ) only those from the initial and final acceleration in the process of the Nutzantriebes ( 3 ) high-frequency force components, whereby the travel range of the compensation drive ( 4 ) very small compared to the travel range of the drive ( 3 ). Lineardirektantriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungsstellen der Kräfte von Nutzantrieb (3) und Kompensationsantrieb (4) dicht beieinander liegen, indem der Kompensationsantrieb (4) der Bewegung des Nutzantriebes (3) folgt.Linear direct drive arrangement according to claim 1, characterized in that the introduction points of the forces of Nutzantrieb ( 3 ) and compensation drive ( 4 ) are close together by the compensation drive ( 4 ) the movement of the Nutzantriebes ( 3 ) follows. Lineardirektantriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochpass (HP) die reziproken Stromsollwerte des Nutzantriebes (3) filtert, wobei die so gewonnenen hochfrequenten Anteile des Sollstromes des Nutzantriebes (3) zum Sollstrom des Kompensationsantriebes (4) addiert werden.Linear direct drive arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a high pass (HP) the reciprocal current setpoint values of the Nutzantriebes ( 3 ) filters, wherein the thus obtained high-frequency components of the desired current of the Nutzantriebes ( 3 ) to the nominal current of the compensation drive ( 4 ) are added. Lineardirektantriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der reziproke Stromsollwert des Nutzantriebes (3) ungefiltert zum Sollstrom des Kompensationsantriebes (4) addiert wird und der Lageregler (LR4) und der Geschwindigkeitsregler (GR4) des Kompensationsantriebes (4) so weich parametriert sind, dass durch sie die niederfrequenten Anteile im reziproken Stromsollwert des Nutzantriebes (3) aufgehoben werden.Linear direct drive arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the reciprocal current setpoint of the Nutzantriebes ( 3 ) unfiltered to the nominal current of the compensation drive ( 4 ) and the position controller (LR4) and the speed controller (GR4) of the compensation drive ( 4 ) are parameterized so softly that through them the low-frequency components in the reciprocal current setpoint of the useful drive ( 3 ) To get picked up. Lineardirektantriebsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromregelkreis (SR4) des Kompensationsantriebes (4) so hart eingestellt ist, dass dieser entsprechend des addierten Sollstromsignals etwa gleich große, jedoch entgegengesetzt gerichtete Beschleunigungskräfte erzeugt wie der Nutzantrieb (3)Linear direct drive arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the current control circuit (SR4) of the compensation drive ( 4 ) is set so hard that it generates according to the added nominal current signal about the same size, but oppositely directed acceleration forces as the Nutzantrieb ( 3 ) Verfahren zum Regeln einer Lineardirektantriebsanordnung, enthaltend einen geregelten Nutzantrieb (3), enthaltend einen von einer Primärwicklung (3b) des Nutzantriebes (3) gebildeten Primärteil, einen Sekundärteil (5) sowie eine Führung (2) für einen mit dem Primärteil des Nutzantriebes (3) verbundenen Schlitten (3a), sowie enthaltend einen etwa gleichartig aufgebauten, geregelten Kompensationsantrieb (4) zur Vermeidung von Gestellschwingungen, wobei der Schlitten (4a) mit dem von einer Primärwicklung (4b) gebildeten Primärteil des Kompensationsantriebes (4) gleichfalls auf dem Sekundärteil (5) und in der Führung (2) des Nutzantriebes (3) läuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsantrieb (4) der Fahrbewegung des Nutzantriebes (3) folgt und ausschließlich die aus der Anfangs – und Endbeschleunigung beim Verfahren des Nutzantriebes (3) resultierenden hochfrequenten Kraftanteile durch gegensinniges Bewegen des Kompensationsantriebes (4) kompensiert werden.Method for controlling a linear direct drive arrangement, comprising a controlled useful drive ( 3 ) containing one of a primary winding ( 3b ) of the Nutzantriebes ( 3 ) formed primary part, a secondary part ( 5 ) as well as a guided tour ( 2 ) for one with the primary part of the Nutzantriebes ( 3 ) connected carriages ( 3a ), and containing an approximately similarly constructed, regulated compensation drive ( 4 ) to avoid frame vibrations, wherein the carriage ( 4a ) with that of a primary winding ( 4b ) formed primary part of the compensation drive ( 4 ) also on the abutment ( 5 ) and in the leadership ( 2 ) of the Nutzantriebes ( 3 ), characterized in that the compensation drive ( 4 ) of the travel movement of the Nutzantriebes ( 3 ) follows and only those from the initial and final acceleration in the process of the Nutzantriebes ( 3 ) resulting high-frequency force components by oppositely moving the compensation drive ( 4 ) are compensated.
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