DE102005027437B4 - Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Lade- und Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements (9) einer Lade- und Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes mit folgenden auf einer Steuereinrichtung (8) zur Steuerung der Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder des Kranes ablaufenden Verfahrensschritten a) Eingabe einer von dem Maschinenelement (9) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und eines Optimierungskriteriums (OpK), wobei als Optimierungkriterium (OpK) eine robuste oder zeitoptimale Verfahrbewegung auswählbar ist, b) Bestimmung eines Bewegungsprofils (Xsollk(t)) anhand der vom Maschinenelement (9) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und des Optimierungskriteriums (OpK), indem in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium (OpK) eine Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens erfolgt und das Bewegungsprofil (Xsollk(t)) mit dem ausgewählten Optimierungsverfahren bestimmt wird, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) zeitoptimal ein Optimierungsverfahren ausgewählt wird, bei dem lediglich eine Hauptschwingungsfrequenz nicht angeregt wird, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) robust ein Optimierungsverfahren ausgewählt wird, bei dem möglichst wenige der Eigenfrequenzen angeregt werden, c) Bestimmung einer Lagesollgröße (Xsoll(n)) mittels des Bewegungsprofils (Xsollk(t)), d) Ausgabe der Lagesollgröße (Xsoll(n)) an eine Regelung (6) zur Durchführung der Verfahrbewebung des Maschinenelements (9)
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Lade- und Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes sowie eine korrespondierende Steuereinrichtung.
- Bei Maschinen wie z. B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Robotern muss häufig ein bewegbares Maschinenelement exakt, schwingungsfrei und möglichst schnell positioniert werden. In Abhängigkeit eines vorgegebenen Verfahrwegs und vorgegebener Dynamikparameter lässt sich ein bewegbares Maschinenelement durch Ausregeln mit Hilfe einer einfachen Sollvorgabe mit einem Regler zum Verfahren der Maschinenachsen nicht schwingungsfrei und zeitoptimal positionieren. In Abhängigkeit von der aktuellen Last, der Weglänge, der eingestellten Parameter für Ruck, Beschleunigung und Geschwindigkeit treten beim Positionieren des Maschinenelements mehr oder weniger große Schwingungen des Maschinenelements und/oder einer Last auf, die sich nur schwer vermeiden lassen.
- Insbesondere bei Produktionsmaschinen in Form von Lade- und Endladeeinrichtungen von Hochregallagern oder Kränen treten vermehrt Schwingungen der Last auf.
- Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Optimierungsverfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements bekannt, die es erlauben, entsprechende Bewegungsprofile, die z. B. ein zeitoptimales Verfahren, d. h. ein Verfahren des Maschinenelements und/oder der Last mit möglichst hoher Geschwindigkeit ermöglichen und dabei auftretende Schwingungen des Maschinenelements und/oder der Last in einem vertretbaren Rahmen halten. Mit Hilfe solcher Verfahren können aber auch nahezu schwingungsfreie Bewegungsvorgänge berechnet werden, wobei diese dann in der Regel nicht mehr zeitoptimal sind, d. h. die Verfahrbewegung wird langsamer durchgeführt.
- Solche Optimierungsverfahren sind z. B. aus den deutschen Offenlegungsschriften
DE 100 63 722 A1 ,DE 102 00 680 A1 undDE 103 15 525 A1 dem Fachmann hinreichend bekannt. Mit Hilfe der oben beschriebenen Optimierungsverfahren können eine oder mehrere Eigenfrequenzen, der zu verfahrenden Maschinenachsen, unterdrückt werden. Es gilt dabei im Allgemeinen zumindest prinzipiell der Grundsatz dass, je schwingungsärmer die Verfahrbewegung realisiert werden soll, je weniger zeitoptimal, d. h. je weniger schnell kann die Bewegung durchgeführt werden und umgekehrt. - All diese aus dem Stand der Technik bekannten Optimierungsverfahren werden handelsüblich nicht auf einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Maschine durchgeführt, sondern sie werden im Vorfeld auf einer von der Maschine externen Recheneinrichtung wie z. B. einem Personalcomputer vom Anwender durchgeführt. Handelsüblich wird dabei dem externen Rechner die zu verfahrende Verfahrbewegung eingegeben (z. B. das Maschinenelement um 3 m in X-Richtung zu verfahren und das Optimierungsverfahren berechnet ein entsprechendes optimiertes Bewegungsprofil.
- Mit Hilfe eines solchermaßen für jede Maschinenachse extern berechneten Bewegungsprofils wird dann in der Steuereinrichtung für jede Maschineachse der Maschine eine Lagesollgröße erzeugt und als Sollgröße an eine Regelung zur Durchführung des Verfahrvorgangs des bewegbaren Maschinenelementes weitergegeben.
- Die bisherige bekannte Vorgehensweise hat dabei den Nachteil, dass, wie schon gesagt, zuerst auf einem externen Rechner das Bewegungsprofil berechnet werden muss und dann das berechnete Bewegungsprofil auf die Steuereinrichtung der Maschine überspielt werden muss, die dann die Bewegung entsprechend dem Bewegungsprofil ausführt, Der Anwender, d. h. der Bediener der Maschine hat, vor Ort an der Maschine, somit keine Möglichkeit mehr, den Verfahrvorgang quasi online vor Ort direkt an der Maschine hinsichtlich eines z. B. noch schwingungsärmeren Bewegungsvorgangs oder hinsichtlich eines zeitoptimaleren Bewegungsvorgangs zu beeinflussen, weil z. B. bei dem berechneten Bewegungsprofil die Last noch zu stark schwingt. Hierzu muss handelsüblich erst auf dem externen PC wieder ein neues Bewegungsprofil berechnet werden, das dann wieder auf die Steuereinrichtung überspielt werden muss. Erst dann kann die Bewegungsführung mit dem neuen Bewegungsprofil durchgeführt werden. Die bisherige Vorgehensweise ist somit sehr umständlich und kostenintensiv.
- Aus den deutschen Offenlegungsschriften
DE 101 64 496 A1 ist ein Automatisierungssystem zur Bewegungsführung bekannt, wobei zur Bewegungsführung Bewegungsprofile zeitbezogen und positionsbezogen abgearbeitet werden. - Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 65 422 A1 ist ein Verfahren und eine Steuerung zur Erstellung und Optimierung von Kurvenscheibenfunktionen bekannt. - In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 55 169 A1 ist eine handelsübliche industrielle Steuerung insbesondere für Produktionsmaschinen offenbart. -
DE 100 64 182 A1 (nächstliegender Stand der Technik) betrifft einen Kran oder Bagger zum Umschlagen von einer an einem Lastseil hängenden Last, die in drei Raumrichtungen bewegbar ist. Der Kran oder Bagger weist eine computergestützte Regelung zur Dämpfung der Lastpendelung auf. -
DE 101 18 477 A1 beschreibt eine Beschleunigungs-Verzögerungssteuerung auf Grundlage einer angewiesenen Beschleunigungsdifferentialsteuerung. -
DE 103 21 970 A1 offenbart ein Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer numerisch gesteuerten Werkzeug- oder Produktionsmaschine auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn eines Maschinenelements. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine einfache Steuereinrichtung zur optimierten Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes zu schaffen, bei der der Anwender direkt die Optimierung der Bewegungsführung beeinflussen kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Steuereinrichtung zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements einer Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4.
- Es erweist sich dabei als vorteilhaft, dass eine Bestimmung einer Lagesollgröße mittels des Bewegungsprofils erfolgt, indem das Bewegungsprofil zeitlich abgetastet wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Bestimmung der Lagesollgröße ermöglicht.
- Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Bestimmung einer Lagesollgröße mittels des Bewegungsprofils erfolgt, indem aus dem Bewegungsprofil Polynomfunktionen ermittelt werden und anhand der Koeffizienten der Polynomfunktionen die Lagesollgröße bestimmt wird. Die Bestimmung der Lagesollgröße anhand von Koeffizienten der Polynomfunktion stellt eine handelsübliche Vorgehensweise dar.
- Eine Bestimmung eines Bewegungsprofils erfolgt anhand der vom Maschinenelement durchzuführenden Verfahrbewegung und des Optimierungskriteriums, indem in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium eine Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens erfolgt und das Bewegungsprofil mit dem ausgewählten Optimierungsverfahren bestimmt wird. Indem nicht nur ein einzelnes Optimierungsverfahren zur Optimierung des Verfahrprofils verwendet wird, sondern die Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium erfolgt, wird die Bestimmung eines hinsichtlich der konkreten Anwendung besonders gut optimierten Bewegungsprofils ermöglicht.
- Werkzeugmaschine, Produktionsmaschinen und/oder Robotern stellen übliche Ausbildungen von Maschinen dar, bei denen das Problem von schwingfähigen Maschinenelementen und/oder Lasten auftritt.
- Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass ein Computerprogramm für eine Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, das Codeabschnitte enthält mit der das Verfahren ausführbar ist.
- Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zur vorteilhaften Ausbildung der Steuereinrichtung und umgekehrt.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung und -
2 ein Bewegungsprofil. - In
1 ist im Wesentlichen eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung8 dargestellt. Die Steuereinrichtung8 dient zur Steuerung der Maschine, insbesondere eines bewegbaren Maschinenelements9 der Maschine. Hierzu bestimmt die Steuereinrichtung8 eine Lagesollgröße Xsoll(n) in Form von Lagesollwerten, wobei die Lagesollgröße Xsoll(n) als Regelsolleingangsgröße an eine Regelung6 ausgegeben wird. Die Regelung6 steuert einen Antrieb7 an, der zur Bewegung des bewegbaren Maschinenelements9 dient. Die Steuereinrichtung8 kann dabei z. B. zur Steuerung eines Kranes dienen und das Maschinenelement9 kann z. B. in Form eines Schlittens, der entlang dem Kranausleger bewegt werden kann und über ein Seil den Kranhaken zum Einhängen einer Last trägt. Die Lagesollgröße Xsoll(n), die die gewünschte Sollposition des Schlittens entlang dem Kranausleger beschreibt, wird der Regelung6 als Sollregelgröße vorgegeben. Mit Hilfe eines Messsystems wird eine gemessene Lageistgröße Xist(n), d. h. die gemessene Position des Maschinenelements9 als Istgröße der Regelung6 zur Regelung der Verfahrbewegung des Maschinenelements9 zugeführt. Selbstverständlich kann der Regelung6 auch integraler Bestandteil der Steuereinrichtung8 sein. - Die Bewegungsführung des Schlittens
9 soll nun so erfolgen, dass die über ein Seil mit dem Schlitten9 verbundene Last bei einer Verfahrbewegung des Schlittens z. B. um 3 m entlang dem Kranausleger entweder nur extrem wenig schwingt oder z. B. etwas mehr schwingen darf, dafür aber eine möglichst schnelle Verfahrbewegung des Maschinenschlittens und damit der Last durchgeführt wird. - Hierzu weist die Steuereinrichtung
8 ein Mittel zur Eingabe einer von dem Maschinenelement9 durchgeführten Verfahrbewegung und eines Optimierungskriteriums OpK auf, der in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Eingabeblocks1 vorliegt. Zu Beginn des Verfahrens erfolgt innerhalb des Eingabeblocks1 vom Anwender eine Eingabe einer vom Schlitten9 durchzuführenden Verfahrbewegung XV, z. B. den Schlitten und damit die Last um 3 m entlang dem Kranausleger zu bewegen. Weiterhin wird der Anwender aufgefordert, ein Optimierungskriterium OpK einzugeben, mit der die durchzuführende Verfahrbewegung durchgeführt werden soll. Die Eingabe kann dabei z. B. innerhalb einer entsprechenden Eingabemaske auf einen Bildschirm erfolgen, wobei der Anwender als Optimierungskriterium z. B. robust oder zeitoptimal auswählen kann. - Die eingegebenen Daten werden, was durch einen Pfeil angedeutet ist, einem Mittel zur Bestimmung eines Bewegungsprofils, das in dem Ausführungsbeispiel in Form einer Bewegungsprofilberechnungseinheit
2 vorliegt, zugeführt. In der Bewegungsprofilberechnungseinheit2 wird ein Bewegungsprofil Xsollk(t) zur Bewegungsführung des bewegbaren Maschinenelements9 anhand der vom Maschinenelement9 durchzuführenden Verfahrbewegung und des Optimierungskriteriums OpK bestimmt. Hat der Anwender z. B. im Eingabeblock1 robust angewählt, so wird in der Bewegungsprofilberechnungseinheit2 mittels z. B. einer der Optimierungsverfahren, die in den OffenlegungsschriftenDE 103 15 525 A1 ,DE 102 00 680 A1 undDE 100 63 722 A1 beschrieben sind, ein optimiertes Bewegungsprofil berechnet, wobei, da der Anwender eine robuste Bewegungsführung wünscht, die Bewegungsführung des Maschinenelements9 so berechnet wird, dass möglichst wenig Schwingungen der am Seil hängenden Last durch die Verfahrbewegung angeregt bzw. erzeugt werden. Hierzu wird von dem Optimierungsverfahren eine Bewegungsführung berechnet, die möglichst wenige der Eigenfrequenzen des schwingfähigen Systems (Last, Seil) anregt, um so das System möglichst schwingungsarm zu bewegen. - Hat der Anwender innerhalb des Eingabeblocks
1 eingegeben, dass er eine zeitoptimale Bewegungsführung wünscht, so wird mit Hilfe eines der Optimierungsverfahren ein Bewegungsprofil berechnet, bei dem z. B. lediglich die Haupteigenschwingfrequenz durch die Verfahrbewegung nicht angeregt wird, aber dafür die Bewegung des Maschinenelements mit z. B. höheren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erfolgt. - Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, dass in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium zunächst, innerhalb der Bewegungsprofilberechnungseinheit
2 , eine Auswahl eines für das jeweilige Optimierungskriterium optimale Optimierungsverfahren erfolgt und das Bewegungsprofil mit dem ausgewählten Optimierungsverfahren bestimmt wird. Es lässt sich z. B. mit dem Optimierungsverfahren gemäß derDE 100 63 722 A1 bevorzugt gezielt eine einzelne Eigenfrequenz unterdrücken, was z. B. für eine zeitoptimale Bewegungsführung von Vorteil ist, während mit dem Verfahren z. B. gemäß der OffenlegungsschriftDE 102 00 680 A1 mehrere Eigenfrequenzen gleichzeitig unterdrückt werden können, was für eine sehr schwingungsarme Bewegungsführung von Vorteil ist. - Die Bewegungsprofilberechnungseinheit
2 gibt als Ausgangsposition ein Bewegungsprofil Xsollk(t) aus, das in2 dargestellt ist. - Das Bewegungsprofil Xsollk(t) gibt in Abhängigkeit der Zeit t den kontinuierlichen Verlauf der Lagesollgröße an. Das Bewegungsprofil Xsollk(t) wird einer Koeffizientenermittlungseinheit
3 zugeführt, die mit Hilfe z. B. der in den deutschen OffenlegungsschriftenDE 101 64 496 A1 undDE 100 65 422 A1 offenbarten Verfahren, mehrere Polynomfunktionen ermittelt, die das Bewegungsprofil Xsollk(t) beschreiben. Hierzu wird das Bewegungsprofil Xsollk(t) in Bewegungsabschnitte unterteilt und die Profilverläufe zwischen den Bewegungsabschnitten jeweils mittels einer Polynomfunktionen nachgebildet. Die Koeffizientenermittlungseinheit3 gibt als Ausgangsgröße die Koeffizienten qi der einzelnen Polynomfunktionen an ein Berechnungsmodul4 aus. Im Berechnungsmodul4 werden dann aus den Koeffizienten qi die Lagesollgröße Xsoll(n) bestimmt und an die Regelung6 zur Durchführung der Verfahrbewegung des Maschinenelements9 ausgegeben. Die Berechnung der Lagesollgröße Xsoll(n) aus den Koeffizienten qi kann z. B. in aller einfachster Form erfolgen, in dem zunächst der zeitliche Verlauf des jeweiligen Polynoms über die Zeit t berechnet wird und dann die Polynomfunktion entsprechend äquidistant abgetastet wird. - Die Koeffizientenermittlungseinheit
3 und das Berechnungsmodul4 stellen dabei Mittel zur Bestimmung der Lagesollgröße mittels des Bewegungsprofils und Ausgabe der Lagesollgröße an eine Regelung zur Durchführung der Verfahrbewegung des Maschinenelements dar. - Alternativ, was in
1 gestrichelt dargestellt ist, können die Mittel zur Bestimmung einer Lagesollgröße auch in Form einer Abtasteinheit5 vorliegen. Diese tastet in äquidistanten Zeitintervallen das Bewegungsprofil Xsollk(t) ab und erzeugt somit die Lagesollgröße Xsoll(n), die sich aus den äquidistanten Abtastwerten zusammensetzt. - Weiterhin sei an dieser Stelle bemerkt, dass als Optimierungskriterium alternativ oder zusätzlich z. B. auch die Eigenfrequenzen, die unterdrückt werden sollen, im Eingabeblock
1 eingeben werden können und/oder gegebenenfalls alternativ oder zusätzlich weitere Parameter wie z. B. ein maximal zulässiger Ruck, eine maximal zulässige Beschleunigung und/oder eine maximal zulässige Geschwindigkeit als Optimierungskriterium eingeben werden können.
Claims (5)
- Verfahren zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements (
9 ) einer Lade- und Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes mit folgenden auf einer Steuereinrichtung (8 ) zur Steuerung der Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder des Kranes ablaufenden Verfahrensschritten a) Eingabe einer von dem Maschinenelement (9 ) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und eines Optimierungskriteriums (OpK), wobei als Optimierungkriterium (OpK) eine robuste oder zeitoptimale Verfahrbewegung auswählbar ist, b) Bestimmung eines Bewegungsprofils (Xsollk(t)) anhand der vom Maschinenelement (9 ) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und des Optimierungskriteriums (OpK), indem in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium (OpK) eine Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens erfolgt und das Bewegungsprofil (Xsollk(t)) mit dem ausgewählten Optimierungsverfahren bestimmt wird, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) zeitoptimal ein Optimierungsverfahren ausgewählt wird, bei dem lediglich eine Hauptschwingungsfrequenz nicht angeregt wird, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) robust ein Optimierungsverfahren ausgewählt wird, bei dem möglichst wenige der Eigenfrequenzen angeregt werden, c) Bestimmung einer Lagesollgröße (Xsoll(n)) mittels des Bewegungsprofils (Xsollk(t)), d) Ausgabe der Lagesollgröße (Xsoll(n)) an eine Regelung (6 ) zur Durchführung der Verfahrbewebung des Maschinenelements (9 ) - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung einer Lagesollgröße (Xsoll(n)) mittels des Bewegungsprofils (Xsollk(t)) erfolgt, indem das Bewegungsprofil (Xsollk(t)) zeitlich abgetastet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung einer Lagesollgröße mittels des Bewegungsprofils (Xsollk(t)) erfolgt, indem aus dem Bewegungsprofil (Xsollk(t)) Polynomfunktionen ermittelt werden und anhand der Koeffizienten (qi) der Polynomfunktionen die Lagesollgröße (Xsoll(n)) bestimmt wird.
- Steuereinrichtung (
8 ) zur Bewegungsführung eines bewegbaren Maschinenelements (9 ) einer Lade- oder Entladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes, wobei die Steuereinrichtung (8 ) aufweist, – Mittel (1 ) zur Eingabe einer von dem Maschinenelement (9 ) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und eines Optimierungskriteriums (OpK), – Mittel (2 ) zur Bestimmung eines Bewegungsprofils (Xsollk(t)) anhand der vom Maschinenelement (9 ) durchzuführenden Verfahrbewegung (XV) und des Optimierungskriteriums (OpK), wobei in Abhängigkeit vom Optimierungskriterium (OpK) eine Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens erfolgt und das Bewegungsprofil (Xsollk(t)) mit dem ausgewählten Optimierungsverfahren bestimmt wird, wobei als Optimierungskriterium (OpK) eine robuste oder zeitoptimale Verfahrbewegung (XV) auswählbar ist, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) zeitoptimal ein Optimierungsverfahren zur Auswahl vorgesehen ist, bei dem lediglich die Hauptschwingungsfrequenz nicht zur Anregung vorgesehen ist, wobei bei der Wahl des Optimierungskriteriums (OpK) robust ein Optimierungsverfahren ausgewählt ist, bei dem möglichst wenige der Eigenfrequenzen zur Anregung vorgesehen sind, – Mittel (3 ,4 ,5 ) zur Bestimmung einer Lagesollgröße (Xsoll(n)) mittels des Bewegungsprofils (Xsollk(t)) und Ausgabe der Lagesollgröße (Xsoll(n)) an eine Regelung (6 ) zur Durchführung der Verfahrbewebung des Maschinenelements (9 ). - Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das die Lade- und Endladevorrichtung eines Hochregals oder eines Kranes als Roboter ausgebildet ist.
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