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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dämpfung von
Maschinenresonanzen.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen ist es bekannt, dass
durch einen elektrischen Antrieb Resonanzen der angetriebenen Maschine
auftreten können, welche wiederum den Betrieb der Maschine
stören. Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen
und Verfahren zur Dämpfung derartiger Maschinenresonanzen
bekannt. So ist es im Zusammenhang mit Optimierungstätigkeiten
an Maschinen und Anlagen bekannt, dass sich niedrigere Resonanzfrequenzen
beispielsweise mit klassischen Kaskadenreglern und Sperrfiltern
nicht in den Griff bekommen lassen und hierbei andere Ansätze
erforderlich sind. Derartige Anlagen an Maschinen stellen grundsätzlich
schwingungsfähige Systeme dar, die sich nur hinsichtlich
ihrer Eigenfrequenzen und Dämpfungen unterscheiden. Eine
erreichbare Maschinendynamik wird häufig durch derartige
mechanische Resonanzfrequenzen begrenzt, wobei gerade die oben erwähnten
niederfrequenten Eigenmoden limitierend wirken. Typische (kritische)
Strukturschwingungen liegen dabei in einem Bereich zwischen 5 und
30 Hz.
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Im
Betrieb werden diese Eigenschwingungen bzw. Eigenmoden durch den
Bearbeitungsprozess bzw. eine Verfahrbewegung von Arbeitselementen
bei dieser Verfahrbewegung angeregt.
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Eine
Möglichkeit bestünde darin, die Mechanik zu versteifen,
um die Resonanzfrequenz zu erhöhen. Höhere Frequenzen
werden weniger stark angeregt und sind darüber hinaus noch
besser gedämpft, bzw. man kann dann wieder klassische Filterverfahren
anwenden. Diese Vorgehensweise ist doch in vielen Fällen
relativ kostenintensiv und damit nicht zielführend.
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Weiterhin
ist es bekannt, Schwingungen mittels einer aktiven Bedämpfung
durch einen Kaskadenregler zu bedämpfen. Dabei ist es beispielsweise möglich,
um eine Anregung der Eigenmoden der Maschinenstruktur zu vermeiden,
die Positionierdynamik d. h. die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und
den Ruck anzupassen. Dabei ist es auch möglich, bereits
in der Sollwert-Aufbereitung durch Bandbegrenzung des Sollwertverlaufs
den Ruck zu begrenzen, wobei zur Eliminierung der niedrigen Frequenzen
eine sehr starke Filterungswirkung benötigt wird, was sich
negativ auf die erreichbare Positionierzeit bzw. Konturgenauigkeit
auswirkt. Weiterhin ist es bekannt, zur Bedämpfung von
Resonanzstellen Stromsollwert – Filter einzusetzen, wobei
diese Vorgehensweise jedoch nur für Frequenzen oberhalb 100
Hz tauglich ist. Weiterhin sinkt bei all den beschriebenen Maßnahmen
insgesamt die Produktivität.
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Die
DE 102 46 093 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Dämpfung mechanischer Schwingungen von Achsen
von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern. Bei diesem
Verfahren sind Rückführglieder vorgesehen, wobei
ein Ausgangssignal jedes Rückführglieds gegengekoppelt
auf den Drehzahlsollwert eines Motordrehzahlreglers aufgeschaltet
wird und solchermaßen die Motorsolldrehgeschwindigkeit
für den Motordrehzahlregler gebildet wird. Dabei misst
mindestens ein Sensor oder ein Messsystem den jeweiligen Lage-Istwert
der Achse und bestimmt durch Differenzierung eine Ist-Geschwindigkeit
der Achse, wobei diese Ist-Geschwindigkeit jedem Rückführglied
zugeführt wird und jedes Rückführglied
spezifisch auf jeweils einen zu dämpfenden Schwingungsfrequenzbereich
der Schwingungen der Achse abgestimmt ist.
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Aus
der
EP 1 672 448 B1 ist
eine Steuerung für eine Werkzeugmaschine bekannt. Dabei
ist eine Beschleunigungs-Ermittlungsvorrichtung vorgesehen, welche
eine Beschleunigung von einem Bearbeitungsende ermittelt sowie eine
Umwandlungsvorrichtung, welche hieraus eine Position des Bearbeitungsendes
ermittelt, indem die von der Beschleunigung- und Ermittlungsvorrichtung
ermittelte Beschleunigung umgewandelt wird. Weiterhin wird eine Positionsabweichung
festgelegt, wobei dies durch Addieren einer erhaltenen ersten Positionsabweichung
und einer ermittelten Position dieses Bearbeitungsendes erfolgt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren
erfordern immer einen zusätzlichen lastseitigen Sensor
und es kann weiterhin zu Konturproblemen kommen, da die Schwingungsdämpfung
unabhängig von dem Sollwertverlauf erfolgt. Der vorliegenden
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Bedämpfung von Resonanzschwingungen
erlaubt. Weiterhin soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung gestellt
werden, welche eine Schwingungsdämpfung ermöglichen,
die unter Berücksichtigung (Einhaltung) des Sollwertverlaufes
erfolgt.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach
Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 11 erreicht. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dämpfung
von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen
Maschinen ist wenigstens ein Antrieb vorgesehen und an diesem Antrieb
werden von einer Steuerungseinrichtung, welche auch im Antrieb integriert
sein kann, Bewegungs-Sollwerte vorgegeben. Erfindungsgemäß wird wenigstens
ein durch den Antrieb verursachter mechanischer Bewegungs-Istwert
des Antriebs oder der durch den Antrieb angetriebenen Maschine ermittelt und
der von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb ausgegebene Bewegungs-Sollwert
wird unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts
ermittelt, wobei der mechanische Bewegungs-Istwert ein Beschleunigungswert
ist.
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Damit
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, insbesondere
niederfrequente Resonanzfrequenzen mittels einer im Antrieb realisierten
Beschleunigungsregelung aktiv zu bedämpfen. Dabei ist es
möglich, den Beschleunigungsistwert direkt im Antrieb zu
ermitteln, es wäre jedoch auch möglich, den Beschleunigungsistwert
aus einem Lage-Istwert des Drehgebers zu ermitteln indem dieser
Lage-Istwert zweimal nach der Zeit differenziert wird.
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Durch
die Beschleunigungsregelung ist der Lösungsansatz einfach
anwendbar und robust, da keine exakte Kenntnis der Resonanzfrequenzen
vorliegen muss. Es ist daher möglich, breitbandig zu bedämpfen,
wobei das Frequenzband über Filter (Hoch-/Tiefpass) definierbar
ist. Weiterhin ergibt sich dadurch eine Möglichkeit den
Ansatz auch für konturgenaue Bearbeitungen einzusetzen.
Der Beschleunigungsistwert kann insbesondere über einen
Sensor, ein Modell oder durch Ableitung aus einer lastseitigen Position
erfolgen.
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Vorzugsweise
enthält der mechanische Bewegungs-Sollwert einen Beschleunigungssollwert
für den Antrieb.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine angepasste Sollwert-Aufbereitung
bekannt, welche ein hochdynamisches Verfahren erlaubt, ohne dass
die störenden Eigenfrequenzen der Struktur über
den Sollwertpfad angeregt werden. Hierzu ist es jedoch erforderlich,
ein entsprechend optimiertes und an die Struktur angepasstes Sollwertprofil
zu erzeugen, welches die störenden Frequenzanteile nicht
mehr enthält. In diesem Verfahren kann zwar eine Bedämpfung
am TCP (ToolCenterPoint), dem Mittelpunkt eines bewegten Arbeitselementes,
erreicht werden, aber an einer Achse selbst wird mehr Bewegung zu
beobachten sein.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise können
interpolierende Achsen für Werkzeugmaschinen Anwendungen
berücksichtigt werden, woraus sich eine höhere
Konturgenauigkeit und eine verbesserte Oberflächengüte
bei der Bearbeitung ergibt. Weiterhin kann die Positionierzeit reduziert
werden, ohne ein Überschwingen bei der Zieleinfahrt (beispielsweise
einer Positionierachse beim Nibbeln oder Stanzen) erreicht werden.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird daher eine Ist-Beschleunigung über
einen zusätzlichen Sensor in der mechanischen Struktur
oder durch eine Differentiation des gemessenen Lage-Istwerts (falls ein
externes Messfeldsystem vorhanden ist) erfasst. Weiterhin wird eine
Sollbeschleunigung aus dem Lage- oder Geschwindigkeits-Sollwert
aufbereitet und schließlich die Regelung der Beschleunigung
im TCP durchgeführt. Damit wird vorgeschlagen, die auftretenden
mechanischen Schwingungen durch eine definierte Ausgleichsbewegung
zu bedämpfen. Bei dieser Vorgehensweise wird die Servoachse
gewissermaßen als „elektrischer Tilger” verwendet.
Unter einem Tilger oder Schwingungstilger wird üblicherweise
ein schwingungsfähiges Teilsystem verstanden, welches aus
Masse, Feder und Dämpfer besteht. Schwingungstilger dienen
bekanntlich zur Beruhigung einer schwingenden Struktur bei einer
bestimmten Frequenz oder in einem Frequenzbereich. Im Falle der
vorliegenden Erfindung wird gewissermaßen der Antrieb selbst
bzw. eine Achse als elektrisch wirkender Tilger eingesetzt, da er
durch die entsprechende Sollwert-Aufbereitung direkt die Schwingungsenergie
der anzutreibenden Maschine abfängt. Damit führt
das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Bekämpfung
am TCP indem der Motor sich bevorzugt in Reaktion auf Resonanzen
mehr bewegt. Ein großer Vorteil dieser Lösung
im Gegensatz zu einem mechanischen Tilger ist, dass man die Tilgerfrequenz
sehr einfach parametrieren und ggf. sogar nachführen bzw.
adaptieren kann falls dies erforderlich ist. Denn oftmals ändern
sich Resonanzfrequenzen auch Positions- oder lastabhängig
so dass mechanischen Tilger versagen würden.
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Mit
anderen Worten wird der elektrische Servoantrieb selbst, d. h. das
elektromechanische Stellglied in einer Maschine als adaptierbarer
und parametrierbarer elektrischer Tilger genutzt, was Vorteile hinsichtlich
der Verwendung bei variablen Resonanzfrequenzen bringt da eine automatische
Nachführung erreicht werden kann.
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Vorzugsweise
sind die Bewegungs-Sollwerte Beschleunigungs-Sollwerte oder enthalten
Bewegungs-Sollwerte. Damit wird hier eine Beschleunigungsbasierte
Regelung verwendet.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der mechanische Bewegungs-Istwert
d. h. der Beschleunigungswert laufend ermittelt und damit werden
die Maschinenresonanzen laufend gedämpft. Dies bedeutet,
dass während des gesamten Arbeitbetriebs die oben beschriebene
Dämpfung des Systems stattfindet.
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Bevorzugt
wird der mechanische Bewegungs-Istwert an eine Steuerungseinrichtung übergeben.
Auch wäre es möglich anstelle des mechanischen
Bewegungs-Istwerts einen hieraus abgeleiteten Wert zu übergeben.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der mechanische Bewegungs-Istwert
auf Basis von dem Antrieb vorhandenen Zustandsgrößen
ermittelt. Bei diesen Zustandsgrößen kann es sich
dabei um Zustandgrößen handeln wie beispielsweise
eine Drehzahl, einen Strom, ein Drehmoment, Kombinationen hieraus
oder dergleichen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mechanische
Bewegungs-Istwert mittels einer an dem Antrieb angeordneten Sensoreinrichtung
ermittelt. Bei dieser Sensoreinrichtung handelt es sich insbesondere
aber nicht ausschließlich um einen Motorgeber. Es wäre
jedoch auch möglich, einen „virtuellen Sensor” zu
verwenden, durch den erreicht werden kann, das neben einem Motorgeber
keine zusätzlichen Sensoren auf der Lastseite erforderlich
sind, wobei auch hier durch die Beschleunigungsregelung bei interpolierenden
Achsen die Konturtreue gesteigert werden kann. Dabei wird dieser „virtuelle
Sensor” für die lastseitige Beschleunigung auf
Basis der vorhandenen Zustandsgrößen im Antrieb,
wie beispielsweise Strom, Drehzahl und dergleichen entwickelt. Dies
kann mittels eines klassischen Beobachters oder auch durch ein neuronales Netzwerk
erfolgen. So wäre es beispielsweise möglich, mit
Hilfe von Simulationen für eine bestimmte Maschine zu ermitteln,
welche lastseitige Beschleunigung jeweils zu bestimmten Zustandsgrößen
im Antrieb d. h. Strom, Drehzahl und dergleichen korrespondiert.
Diese Simulationsdaten können im anschließenden
Arbeitsbetrieb verwendet werden, um aus den Zustandsgrößen
im Antrieb die Lastseitige Beschleunigung zu ermitteln und auf Grundlage
dieser so ermittelten Beschleunigung wiederum die Bewegungs-Sollwerte
vorzugeben.
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Damit
erfolgt hier die aktive Bedämpfung sensorlos durch den
oben erwähnten Beobachter oder das neuronale Netzwerk.
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Die
Erfindung stellt damit eine kostengünstige Methode zur
Performance- und Produktivitätssteigerung von Maschinen
dar. Weiterhin ist es möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren einfach über Software nachzurüsten oder
auch nur durch Laden eines Parametersatzes, da insbesondere bei
dem sensorlosen Ansatz keine Zusatzhardware erforderlich ist. Weiterhin
ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der
Beschleunigungsregelung sehr robust gegenüber Frequenzänderungen.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Bewegungs-Sollwert
auf Grundlage eines Basiswerts und eines additiven Sollwerts gebildet, wobei
der additive Sollwert aus dem Bewegungs-Istwert des Antriebs abgeleitet
ist. Dies bedeutet, dass der Korrekturwert als additiver Wert bei
der Ermittlung des Bewegungs-Sollwerts aufgeschaltet wird. Bei einem
weiteren bevorzugten Verfahren ist der Wirkort des Bewegungs-Istwerts
oder einer aus dem Bewegungs-Istwert abgeleiteten Größe
bei der Bildung des Bewegungs-Sollwerts veränderbar. Dabei wäre
es möglich, den Bewegungs-Sollwert als Lage-Sollwert aufzuschalten
oder auch als Geschwindigkeits-Sollwert oder auch als Drehmomentsollwert oder
dergleichen. Hierbei kann die Aufschaltung sehr einfach über
additive Sollwerte in der Kaskadenreglerstruktur erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zur Dämpfung
von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen
Maschinen gerichtet. Diese Vorrichtung weist einen Antrieb auf,
der wenigstens ein Element der Maschine antreibt, sowie eine Steuereinrichtung, welche
den Antrieb durch Vorgabe von Bewegungs-Sollwerten an den Antrieb
steuert. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Sensoreinrichtung
vorgesehen, welche wenigstens ein durch den Antrieb verursachten
mechanischen Bewegungs-Istwert des Antriebs oder der durch den Antrieb
angetriebenen Maschine ermittelt sowie eine Prozessoreinrichtung, welche
unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts
den von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb auszugebenden Bewegungs-Sollwert
ermittelt, wobei der mechanische Bewegungs-Istwert ein Beschleunigungswert
ist.
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Damit
wird auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgeschlagen, einen Beschleunigungswert zu ermitteln und bevorzugt
auch einen Beschleunigungssollwert auszugeben.
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Vorzugsweise
ist die Sensoreinrichtung eine Beschleunigungsmesseinrichtung, die
beispielsweise an der anzutreibenden Maschine angeordnet ist. Zum
Einsatz können hier zum Beispiel Ferraris-Sensoren oder
piezoelektrische Sensoren kommen. Es wäre jedoch auch,
wie oben erwähnt, möglich, dass es sich bei der
Sensoreinrichtung um den Geber des Antriebs bzw. einem lastseitigen
Längenmesssystem handelt und dessen Lagewerte durch Differenzieren in
Beschleunigungswerte umgewandelt werden. Damit werden hier nicht
unmittelbar Beschleunigungswerte gewonnen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die
Vorrichtung eine Aufbereitungseinheit auf, welche die mechanischen
Beschleunigungsistwerte aufbereitet. Dabei können beispielsweise
die Lagewerte durch Differenzierglieder in Beschleunigungswerte
umgesetzt werden. Weiterhin können Tiefpass- oder Hochpassfilter
vorgesehen sein, welche den ermittelten Beschleunigungsistwert aufbereiten,
bzw. bandbegrenzen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
Darin zeigen:
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1 eine
Veranschaulichung für ein Verfahren nach dem Stand der
Technik;
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen
Schwingungsdämpfung;
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3 ein
Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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5 eine
weitere Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens; und
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6 eine
weitere Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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1 zeigt
eine Darstellung zur Veranschaulichung eines aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahrens. Dabei ist eine Steuerungseinrichtung 106 vorgesehen,
welche einen Antrieb 102 ansteuert d. h. diesem Sollwerte
X_Soll für die Lage, Sollwerte für die Geschwindigkeit
v_Soll und/oder Beschleunigungssollwerte a_Soll vorgibt. An einem mechanischen
Element 110 werden Schwingungen wie beispielsweise Eigenfrequenzen
gemessen. Im Rahmen einer angepassten Sollwert-Aufbereitung, bei
der es sich beispielsweise um einen Ruckfilter 111, einen
Ruckfilter mit gleitender Mittelwertbildung 112 oder auch
eine Bandsperre handeln kann werden die jeweiligen Sollwerte angepasst.
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Diese
angepasste Sollwert-Aufbereitung erlaubt ein hochdynamisches Verfahren
ohne dass die störenden Eigenfrequenzen der Struktur über
den Sollwertpfad angeregt werden. Allerdings muss hier ein entsprechend
optimiertes an die Struktur der Mechanik 110 angepasstes
Sollwertprofil erzeugt werden, welches die störenden Frequenzanteile
nicht mehr enthält. Es wird damit eine Dämpfung
nur über einen Wirkzusammenhang erzeugt und eine Rückführung
erfolgt nicht.
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Derartige
Regelungen erlauben teilweise eine optimierte Dämpfung
für Eigenfrequenzen in einem geschlossenen Regelkreis.
Falls die Lastträgheit und die Motorträgheit im
gleichen Bereich liegen, ist ein relativ großer Dämpfungseffekt
möglich. Falls jedoch die Lastträgheit und die
Motorträgheit stark unterschiedlich sind, kann nur ein
geringer Dämpfungseffekt mit dem aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren erreicht werden.
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2 zeigt
eine Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Auch hier ist eine Steuerungseinrichtung 6 in Form eines Lageregelkreises
vorgesehen, welcher einen Antrieb 2 steuert. Daneben ist
es möglich, dass an der mechanischen Struktur 10 eine
Sensoreinrichtung 8 angeordnet ist, welche Beschleunigungswerte
der mechanischen Struktur misst. Daneben wäre es auch möglich,
eine Messung über einen Sensor 9, der an dem Antrieb 2 angeordnet
ist, und bei dem es sich beispielsweise um den Drehgeber handeln
kann, vorgenommen wird. Über eine Schalteinrichtung 14 kann
ausgewählt werden, ob mit einem externen Sensor 8 oder
dem Drehgeber 9 gearbeitet werden soll.
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Damit
wird mit Hilfe eines oder beider Sensoren 8, 9 die
Ist-Beschleunigung in der mechanischen Struktur oder durch Differentiation
des gemessenen Lagewertes gemessen. In einer Schwingungsdämpfungseinheit 5 wird
auf Grundlage der gemessenen Ist-Beschleunigungen ein additiver
Sollwert bestimmt, der der Steuerungseinrichtung 6 aufgeschalten
wird, und der verwendet wird, um wiederum den Antrieb 2 anzusteuern.
Dieser Sollwert erzeugt damit eine definierte Ausgleichsbewegung
sodass die Servoachse des Antriebs gleichsam als elektrischer Tilger
verwendet wird. Damit wird hier eine aktive Schwingungsdämpfung
vorgenommen d. h. der additive Sollwert wird sowohl aus dem Beschleunigungs-Istwert
als auch aus dem Beschleunigungs-Sollwert ermittelt.
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Wie
erwähnt, ist es möglich, mit Hilfe eines Sensors 8 Beschleunigungen
in TCP bzw. auf der Lastseite zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform werden
dabei Ferraris-Sensoren eingesetzt, welche eine relative Beschleunigung
nach dem Wirbelstromprinzip messen, wobei hier eine berührungslose Messung
von rotativen Beschleunigungen möglich ist. Daneben könnten
jedoch auch piezoelektrische Sensoren zur Messung einer absoluten
Beschleunigung eingesetzt werden, welche den Vorteil bieten, sehr
kostengünstig und einfach montierbar zu sein.
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Die
Sollbeschleunigung kann durch Differentiation eines Lage-Sollwerts
bestimmt werden und auch die Ist-Beschleunigung in TCP kann durch
Differentiation eines lastseitigen Lage-Istwerts ermittelt werden.
Daneben ist es auch möglich, die Ist-Beschleunigung im
TCP mittels eines virtuellen Sensors durch einen Beschleunigungsbeobachter
zu bestimmen.
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Daneben
erfolgt vorzugsweise noch eine Istwert-Aufbereitung, beispielsweise
eine einfache Bandbegrenzung des Beschleunigungsistwertes wobei
beispielsweise durch einen Hochpass ein eventuell vorhandener Sensor
Offset-Anteil eliminiert werden kann und durch einen Tiefpass eine
Bandbegrenzung durchgeführt werden kann, so dass nur Frequenzen
unterhalb der Eckfrequenz gedämpft werden.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines möglichen erfindungsgemäßen
Aufbaus. Dabei ist auch hier eine Steuerungseinrichtung 6 vorgesehen,
welche den Antrieb 2 mit Positions- bzw. Geschwindigkeits-
und Beschleunigungswerten versorgt. Die von einem Drehgeber 9 des
Antriebs ermittelte Drehzahl bzw. die Lagewerte werden wiederum
an die Steuerungseinrichtung 6 an einem Knotenpunkt 62c zugeführt.
Weiterhin können die Daten eines Sensors 8, der
an der Maschine 10 angeordnet ist, oder die Lagewerte x-Ist
an eine Istwert-Aufbereitungseinrichtung 11 gegeben werden.
Falls die Positionsdaten des Antriebs 2 zugrundegelegt
werden sollen, werden diese (zweimal) differenziert um auf diese
Weise einen Istwert für die Beschleunigung zu erhalten.
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Falls
die Daten aus dem Sensor 8 stammen, können sie
direkt über Verstärkungseinheiten und Filtereinrichtungen
ausgegeben werden. Das Bezugszeichen 52 bezieht sich auf
eine Schalteinrichtung, welche auswählt, von welchem der
Sensoren 8, 9 die Daten verwendet werden. Die
so erhaltenen Beschleunigungswerte werden anschließend
gefiltert und an den Beschleunigungsregler 5 übergeben.
Daneben werden an diesen Beschleunigungsregler 5 auch Sollwerte
für die Beschleunigung übermittelt (Pfeil P1).
Dabei ist es auch möglich, dass diese Sollwerte aus Lagewerten
mit (zwei) Differenziereinrichtungen gebildet werden. Es wäre
jedoch auch möglich, hier einen Sollwert für die
Beschleunigung von 0 vorzugeben, wobei dies ebenfalls mit einer
Schalteinrichtung 58 eingestellt werden kann.
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Ausgehend
von dem Beschleunigungsregler 5 können die so
ermittelten Sollwerte für die Beschleunigung ausgegeben
werden, wobei sowohl eine Momentenaufschaltung in dem Verknüpfungspunkt 62d möglich
ist, bei dem ein Drehmoment oder ein Kraftsollwert additiv aufgeschalten
wird, als auch eine Drehzahlaufschaltung, wobei ein Geschwindigkeits-Sollwert
additiv in dem Punkt 62b aufgeschalten wird oder auch durch
eine Lage-Sollwertaufschaltung, wobei ein Lage-Sollwert Additiv
in dem Punkt 62a aufgeschalten wird. Damit kann auf diese
Weise der Wirkort der Beschleunigungsregelung variiert werden. Die Bezugszeichen 63 und 64 der
Steuerungseinrichtung beziehen sich auf Regler, die jeweils zur
Verarbeitung der einzelnen Sollwerte dienen.
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Vorzugsweise
erfolgt dabei die Regelung der Beschleunigung im TCP mittels eines
zur Kaskadenstruktur überlagerten PI-Reglers der eine Stellgrößenbegrenzung
aufweist.
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Experimentell
sowie mittels Simulationen wurde der Genauigkeitsgrad einer im Stand
der Technik verwendeten Ruckfilterung sowie der hier erfindungsgemäß vorgeschlagenen
aktiven Schwingungsdämpfung überprüft.
Dabei konnte festgestellt werden, dass bei der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise sowohl hinsichtlich der Position der jeweiligen Antriebe
als auch hinsichtlich der Geschwindigkeits-Sollwerte eine wesentlich
höhere Genauigkeit erreicht werden konnte.
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Grundsätzlich
kann unterschieden werden zwischen rückkopplungsfreien
und rückkopplungsbehafteten Systemen. Der in 3 gezeigte
Sensor 8 ist insbesondere für Rückkopplungsfreie
Systeme hilfreich. Unter einem rückkopplungsfreien System wird
verstanden, dass die Schwingung in der Maschine nicht im Antrieb
messbar ist.
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4 zeigt
eine Darstellung eines unbedämpften Schwingverhaltens.
Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 91 auf einen Verlauf
des Lage-Istwerts des Antriebs und das Bezugszeichen 92 auf eine
Ist-Beschleunigung an der Maschine bzw. auf der Lastseite. Man erkennt,
dass bei dieser Variante erhebliche Schwingungen der Maschine auftreten. Eine
Regelung erfolgt hier nur über den Motorgeber und die Achse
kehrt in der Hauptbetriebsart die Lageregelung um. Das Positionierverhalten
wurde hier nur auf den Motorgeber optimiert, wobei das Drehmoment
der Last wesentlich kleiner ist als das Drehmoment des Motors.
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5 zeigt
eine Gegenüberstellung zwischen einem Fall A, in dem keine
Dämpfung verwendet wird und einem Fall B, in dem eine Dämpfung
verwendet wird. Das Bezugszeichen 91 bezieht sich auch
hier wieder auf den Lage-Istwert des Antriebs und das Bezugszeichen 92 auf
die auf der Lastseite festgestellte Beschleunigung. Man erkennt
hier, dass bei zugeschalteter Dämpfung die Ist-Beschleunigungen
auf der Lastseite sehr gering gehalten werden können und
nur in einen Spitzenbereich 93 im Verlauf des Lage-Istwerts
auftreten.
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6 zeigt
eine Detaildarstellung des in 5 gezeigten
Spitzenbereiches. Man erkennt, dass auch in diesem Spitzenbereichen
die Schwingungen der Maschine erheblich unter dem ungedämpften
Fall (Teilbild A) liegen.
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Im
Ergebnis ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere
zur Bedämpfung von Resonanzfrequenzen im Bereich von 3
Hertz bis 180 Hertz geeignet. Weiterhin kann eine Erhöhung
der Positionierdynamik und der Konturtreue ein TCP bzw. auf der
Lastseite erreicht werden. Weiterhin ist eine einfache Anwendung
durch Verwendung von Beschleunigungssensoren und mit einem universellen
Ansatz zur Schwingungsdämpfung möglich. Dabei
kann insbesondere eine Dämpfung breitbandig und nicht nur selektiv
vorgenommen werden. Wegen der Regelung des Beschleunigungssollwertes
ist das Verfahren auch für konturtreue Achsen geeignet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf
Basis der im Antrieb verfügbaren Intelligenz unabhängig
von einer externen Steuerung umgesetzt, das heißt es handelt
sich um ein im Antrieb integriertes Verfahren.
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Weiterhin
wird neben der sensorbehafteten Lösung vorzugsweise auch
die sensorlose Lösung ermöglicht, was hinsichtlich
des Anwendungsspektrums und der Kostensituation Vorteile mit sich
bringt. Damit ist zusammenfassend wenigstens ein Antrieb zur Bedämpfung
von Maschinenresonanzen vorgesehen, darüber hinaus können
jedoch auch mehrere Antriebe parallel achsbezogen arbeiten.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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- 2
- Antrieb
- 5
- Beschleunigungsregler
- 6
- Steuerungseinrichtung
- 8
- externer
Sensor
- 9
- Sensor,
Drehgeber
- 10
- mechanische
Struktur
- 14
- Schalteinrichtung
- 52
- Schalteinrichtung
- 62a,
62b
- Knotenpunkt
- 62c,
62d,
- Knotenpunkt
- 63,
64
- Regler
- 91
- Lage-Istwert
- 92
- Ist-Beschleunigung
- 93
- Spitzenbereich
- 102
- Antrieb
(Stand der Technik)
- 106
- Antrieb
(Stand der Technik)
- 110
- mechanisches
Element
- 111
- Druckfilter
- 112
- Mittelwertbildung
- X_Soll
- Sollwert
Lage
- v_Soll
- sollwert
Geschwindigkeit
- a_Soll
- Sollwert
Beschleunigung
- x_Ist
- Lagewert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10246093
C1 [0006]
- - EP 1672448 B1 [0007]