DE102010021001A1 - Antriebssystem, insbesondere für Werkzeugmaschinen, sowie Verfahren zur aktiven Dämpfung eines solchen Antriebssystems - Google Patents

Abstract

Antriebssysteme mit Motor und schwingungsfähiger Mechanik sind im Werkzeugmaschinenbau oder auch in der Robotertechnik bekannt. Um bei solchen Antriebssystemen eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Güte der Positionier- bzw. Vorschubbewegung zu erreichen, wirkt in Abhängigkeit von wenigstens einer Zustandsgröße zumindest teilweise eine Gegenkraft der Bewegungsrichtung der Mechanik entgegen. Die Gegenkraft wird durch eine zusätzliche Aktorik erzeugt. Auf diese Weise lassen sich Schwingungen unterdrücken, das Überschwingen einzelner Zustandsgrößen verhindern bzw. begrenzen und das Folge- und Störverhalten des Antriebssystems insgesamt verbessern. Die Gegenkraft sorgt dafür, dass die Differenz der einzelnen Zustandsgrößen, beispielsweise die Differenz der Geschwindigkeiten der beiden Massen, ein tolerierbares Maß nicht überschreitet. Auf diese Weise lassen sich sehr kurze Positionierzeiten und eine sehr hohe Bahntreue erreichen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für Werkzeugmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines solchen Antriebssystems nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.
• Bekannte Antriebssysteme mit Motor und schwingungsfähiger Mechanik sind im Werkzeugmaschinenbau oder auch in der Robotertechnik in Form von Kugelrollspindelantrieben, Zahnstangen/Ritzelantrieben, Riemenantrieben oder rotatorischen Antrieben mit Getriebeuntersetzungen bekannt. Bei solchen Antriebssystemen ist eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Güte der Positionier- bzw. Vorschubbewegung gefordert. Antriebs- und Störkräfte bewirken dabei eine Anregung der schwingungsfähigen Mechanik, welche bei entsprechender Ausprägung und vergleichsweise geringer Systemdämpfung zu Abweichungen in der Positionier- bzw. Vorschubbewegung führen. In der Praxis wird dies häufig durch eine Reduzierung der Anregung, beispielsweise durch Anpassung der Regelparameter oder durch eine entsprechende Gestaltung der Sollwertprofile (Ruckbegrenzung) vermieden, was letztlich zu Lasten der erreichbaren Dynamik des Antriebssystems fällt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Antriebssystem sowie das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass eine definierte Positionier- und/oder Vorschubbewegung bei hoher Dynamik in konstruktiv und regelungstechnisch einfacher Weise möglich ist.
• Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Antriebssystem erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.
• Das erfindungsgemäße Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von wenigstens einer Zustandsgröße zumindest teilweise eine Kraft auf das schwingungsfähige System aufgebracht wird, die der Bewegungsrichtung der Mechanik entgegen gerichtet ist und gegenüber dieser und dem Bezugssystem der Antriebseinheit (Inertialsystem) wirkt. Auf diese Weise lassen sich Schwingungen unterdrücken, das Überschwingen einzelner Zustandsgrößen verhindern bzw. begrenzen und das Folge- und Störverhalten des Antriebssystems insgesamt verbessern. Ein schwingungsfähiges Antriebssystem lässt sich vereinfacht beschreiben als ein System zweier Massen die über ein nachgiebiges Element miteinander verbunden sind. Eine Masse repräsentiert dabei den Antrieb und die andere Masse den Abtrieb bzw. die zu bewegende Last. Auf Grund der endlich steifen Kopplung der beiden Massen treten bei Beschleunigungsvorgängen Abweichungen zwischen den einzelnen Zustandsgrößen wie Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung auf. Die bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem eingebrachte Gegenkraft sorgt dafür, dass die Differenz der einzelnen Zustandsgrößen, beispielsweise die Differenz der Geschwindigkeiten der beiden Massen, ein tolerierbares Maß nicht überschreitet. Generell lässt sich dabei die Gegenkraft derart einstellen, dass sich hinsichtlich der gewünschten Bewegungserzeugung ein optimales Dämpfungsverhalten ergibt. Häufig werden solche schwingungsfähigen Antriebssysteme als positions- bzw. lagegeregelte Antriebssysteme ausgeführt, wobei die Ist-Position mit der Sollposition verglichen und entsprechend der Regelabweichung eine Stellgröße für den Antrieb erzeugt wird. In einem solchen Fall wirkt sich die Erhöhung der Systemdämpfung durch die eingebrachte Gegenkraft positiv auf die Einstellung der Regelparameter und damit letztlich auf die Dynamik des Antriebssystems aus. Wird das Antriebssystem beispielsweise zum Antrieb eines Maschinentisches herangezogen, so lassen sich verglichen zu einem konventionellen Antriebssystem deutlich kürzere Positionierzeiten und eine gesteigerte Bahntreue erreichen. Unerwünschte Schwingungen, angeregt durch die Antriebskraft des Motors werden durch die Gegenkraft kompensiert, so dass der Maschinentisch ohne Überschwingen in der Lage den vorgegebenen Sollwerten folgt.
• Als Zustandsgröße kann vorteilhaft die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der angekoppelten Mechanik herangezogen werden. Diese Zustandsgrößen lassen sich ohne großen Aufwand erfassen bzw. berechnen. In vielen Fällen verfügen Antriebssysteme bereits über die hierfür erforderlichen Messsysteme, so dass keine zusätzliche Aktorik erforderlich ist.
• Als besonders einfaches und wirkungsvolles Konzept zur Bestimmung der erforderlichen Gegenkraft hat sich die Rückführung der Geschwindigkeit der angekoppelten Mechanik herausgestellt. Hierbei werden die Geschwindigkeiten am Ein- und Ausgang der Übertragungsstrecke, über welche die Positionier- bzw. Vorschubbewegung erfolgt, miteinander verglichen und für die Erzeugung der Stellgröße für die zusätzliche Aktorik verwendet. Diese erzeugt eine Gegenkraft die auf den Ausgang der Übertragungsstrecke wirkt. Dabei wird vorteilhaft nur dann eine Kraft eingebracht, wenn die Regelgröße, in diesem Fall die Geschwindigkeit, ihren Sollwert übersteigt bzw. ein Überschwingverhalten auftritt. Die Höhe und die Wirkdauer der Gegenkraft richtet sich dabei nach der Ausprägung der auftretenden Schwingungen und kann hinsichtlich einer optimalen Systemdämpfung für die Lagerregelung und/oder Geschwindigkeitsregelung eingestellt werden.
• Beim erfindungsgemäßen Antriebssystem kann die Gegenkraft diskontinuierlich wirksam sein. Sie wird in diesem Falle nur dann aufgebracht, wenn der Istwert der jeweiligen Regelgröße seinen Sollwert übersteigt.
• Grundsätzlich ist aber auch eine kontinuierlich wirkende Kraft möglich. Diese Kraft wirkt nur dann als Gegenkraft, wenn die betrachtete Regelgröße größer ist als ihr Sollwert. Wenn die Regelgröße jedoch kleiner ist als ihr Sollwert, beispielsweise die Ist-Geschwindigkeit geringer als die Sollgeschwindigkeit ist, dann wirkt die Kraft in Bewegungsrichtung, um den Istwert auf den Sollwert zu bringen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in das Antriebssystem eine der Bewegungsrichtung entgegen gerichtete Kraft eingeleitet wird. Vorteilhaft wird die Gegenkraft dann aufgebracht, wenn die jeweilige Regelgröße ihren Sollwert übersteigt. Über die eingeleitete Gegenkraft wird dem Antriebssystem gezielt Energie entzogen, was zu einer Dämpfung auftretender, unerwünschter Schwingungen führt.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
• 1 in vereinfachter Darstellung ein schwingungsfähiges Antriebssystem nach dem Stand der Technik mit einer dominanten Eigenfrequenz,
• 2 das Systemverhalten des schwingungsfähigen Antriebssystems gemäß 1,
• 3 das Systemverhalten eines schwingungsfähigen erfindungsgemäßen Antriebssystems,
• 4 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes schwingungsfähiges Antriebssystem, bei dem zur Verbesserung des Dämpfungsverhaltens eine Gegenkraft kontinuierlich oder diskontinuierlich aufgebracht wird,
• 5 in schematischer Darstellung einen Vorschubantrieb mit Kaskadenschaltung von Geschwindigkeits- und Lageregelkreis nach dem Stand der Technik,
• 6 das Übertragungsverhalten der Mechanik des Antriebssystems gemäß 5,
• 7 in einer Darstellung entsprechend 5 das erfindungsgemäße Antriebssystem,
• 8 das Übertragungsverhalten der Mechanik des erfindungsgemäßen Antriebssystems gemäß 7
• 9 ein konkretes Beispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
• Antriebssysteme mit Motor und schwingungsfähiger Mechanik sind üblicherweise im Werkzeugmaschinenbau oder in der Robotertechnik in Form von Kugelrollspindelantrieben, Zahnstangen/Ritzelantrieben, Riemenantrieben oder rotatorischen Antrieben mit Getriebeuntersetzungen bekannt. Solche Antriebssysteme weisen aufgrund ihrer angekoppelten mechanischen Massen m über eine nachgiebige Feder c in Form von Getrieben, Kupplungseinheiten oder sonstigen nachgiebigen Maschinenelementen mindestens eine Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) Ω_M auf die sich nach der Gleichung

  

  errechnet.
• 1 zeigt die vereinfachte Darstellung eines solches schwingungsfähiges Antriebssystem mit einer dominanten Eigenfrequenz. Die beiden Massen m₁ und m₂ sind über die nachgiebige Feder c und eine Systemdämpfung d miteinander gekoppelt, und besitzen einen Freiheitsgrad für die Vorschubbewegung in horizontaler Richtung, entsprechend mit x₁ und x₂ bezeichnet.
• Aufgrund der Systemeigenschaften (Steifigkeit, Dämpfung, Masse) treten bei einer Anregung des Antriebssystems unerwünschte Schwingungen auf, die sich der eigentlichen Vorschubbewegung überlagern. Wird die Masse m₁ angetrieben, sollte die Masse m₂ der Vorgabe durch die Masse m₁ optimal folgen. Dies ist allerdings bei Systemen mit geringer Dämpfung wie sie in der Praxis häufig vorkommen nicht der Fall. Das Verhalten solcher unzureichend gedämpfter Systeme soll anhand von 2 erläutert werden.
• 2 zeigt das Antriebssystem nach 1 in verschiedenen Zuständen, für eine Bewegung der Masse m₁ in Vorschubrichtung. Im Anfangszustand (2a) befinden sich die beiden Massen m₁ und m₂ in Ruhe und die Geschwindigkeiten ẋ₁ und ẋ₂ sind jeweils 0. Wird die Masse m₁ in Vorschubrichtung bewegt, so ist auf Grund der Trägheit der Masse und der endlich steifen Kopplung zwischen den beiden Massen die Geschwindigkeit ẋ₁ im ersten Moment größer als die Geschwindigkeit ẋ₂. Die Bewegungsenergie der Masse m₁ wird dabei teilweise von der Feder c aufgenommen und in dieser als potentielle Energie gespeichert.
• 2c zeigt den Zustand, wenn beide Massen m₁ und m₂ das erste Mal die gleiche Geschwindigkeit erreichen, also ẋ₁ = ẋ₂ ist.
• Die in der Feder c gespeicherte potentielle Energie sorgt beim weiteren Verlauf der Bewegung dafür, dass die Masse m₂ gegenüber der Masse m₁ beschleunigt wird, so dass die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer wird als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁ und damit ihren eigentlichen Sollwert übersteigt.
• In 2e ist das Ende des Einschwingvorgangs dargestellt, wenn beide Massen m₁ und m₂ die gleiche Geschwindigkeit ẋ₁ bzw. ẋ₂ aufweisen.
• Dieses sogenannte Überschwingverhalten ergibt sich anschaulich aus den beiden Diagrammen der 2. Im oberen Diagramm ist der Weg x gegen die Zeit t und im unteren Diagramm die Geschwindigkeit ẋ gegen die Zeit t aufgetragen. Die gestrichelte Linie repräsentiert dabei die Zustandsgrößen der Masse m₁ und die durchgezogene Linie die Zustandsgrößen der Masse m₂. Wird über die Masse m₁ eine Bewegung vorgegeben, in 2 handelt es sich dabei um eine rampenförmige Zunahme der Lage, dann sollte die Masse m₂ dieser Vorgabe möglichst dynamisch und im Idealfall ohne Überschwingen in der Lage folgen. Tatsächlich tritt jedoch auf Grund der endlich steifen Kopplung und der unzureichenden Systemdämpfung ein Überschwingverhalten auf. Wie die ausgezogene Linie in 2 zeigt, tritt bei dem betrachteten System ein ausgeprägtes Überschwingen der Geschwindigkeit auf, das sich letztlich auch in einem Überschwingen der Lage widerspiegelt. Erst nach einer gewissen Zeit t ist das Einschwingen des Antriebssystems vollzogen und die beide Massen m₁ und m₂ weisen die gleiche Endgeschwindigkeit ẋ auf.
• Ein derartiges Schwingungsverhalten steht einer hohen Dynamik des Antriebssystems entgegen.
• 3 zeigt das erfindungsgemäße Antriebssystem, bei dem durch eine entsprechende Gegenkraft F_D ein nahezu ideales Einschwingverhalten erreicht wird. Die Einschwingdauer ist in diesem Fall deutlich geringer und es tritt kein Überschwingen in der Lage auf. Dieses Antriebssystem hat wiederum die beiden Massen m₁ und m₂, die durch die Feder c miteinander gekoppelt und durch die Dämpfung d gegeneinander gedämpft sind. 3a zeigt den Zustand, dass sich beide Massen m₁ und m₂ in der Ausgangslage befinden, sich also noch nicht in Vorschubrichtung bewegt haben. Demnach ist ẋ₁ = ẋ₂ = 0.
• Gemäß 3b wird die Masse m₁ in Vorschubrichtung mit der Geschwindigkeit ẋ₁ bewegt. Infolge der endlich steifen Ankopplung der Masse m₂ ist die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ zunächst kleiner als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. Dementsprechend liegt die ausgezogene Kurve im Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm (unteres Diagramm) unterhalb der durch die gestrichelte Linie angegebenen Geschwindigkeit der Masse m₁.
• Nach einer gewissen Zeit t hat auch die Masse m₂ das erste Mal die gleiche Geschwindigkeit wie die Masse m₁ erreicht, wie sich aus 3c ergibt. Im Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm äußert sich dies darin, dass die ausgezogene Linie mit der gestrichelten Linie zusammenfällt.
• Beim weiteren Verschieben wird die Masse m₂ durch die Feder c gegenüber der Masse m₁ beschleunigt, so dass die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer wird als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. Dies zeigt sich im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm (unteres Diagramm in 3) dadurch, dass die ausgezogene Kurve über die gestrichelte Linie überschwingt. Um ein übermäßiges Überschwingen der Geschwindigkeit zu vermeiden, wird eine Gegenkraft F_D auf die Masse m₂ ausgeübt, die der Bewegungsrichtung von m₂ entgegenwirkt. Diese Gegenkraft F_D sorgt dafür, dass sich keine Dauerschwingung ausprägen kann und die beiden Massen m₁ und m₂ innerhalb kürzester Zeit die angestrebte Endgeschwindigkeit ẋ₁ und ẋ₂ erreichen. (3e). Die ausgezogene Linie im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm fällt mit der gestrichelten Linie zusammen. Wie dem Weg-Zeit-Diagramm (oberes Diagramm) entnommen werden kann, tritt in diesem Fall kein Überschwingen in der Lage auf.
• Die Gegenkraft F_D wird nur dann aufgebracht, wenn die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer wird als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. Die Amplitude und die Phase der Gegenkraft F_D richten sich nach der Amplitude und Phase der der Vorschubbewegung überlagerten, unerwünschten Schwingungen. Auf diese Weise ist eine bedarfsgerechte Krafteinbringung in das Antriebssystem gewährleistet. Die Gegenkraft F_D erfolgt am Ausgang der betrachteten Übertragungsstrecke, im dargestellten Beispiel an der Masse m₂. Im Unterschied zu aktiven Dämpfungssystemen, wie Tilger oder Hilfsmassendämpfer, wirkt die Kraft F_D zwischen der bewegten Masse und dem Bezugssystem der Antriebseinheit (Inertialsystem), so dass keine zusätzliche Hilfsmasse bewegt werden muss.
• Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kraft F_D kontinuierlich wirkt. In diesem Falle muss diese Kraft F_D in und entgegen der Vorschubkraft wirksam sein. Ist die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ kleiner als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁ (3b) dann wirkt die Kraft F_D in Vorschubrichtung, damit die Masse m₂ möglichst rasch die gleiche Geschwindigkeit erreicht wie die Masse m₁. Ist die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ hingegen größer als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁, dann wirkt die Kraft F_D entgegen der Vorschubkraft.
• Die Ansteuerung erfolgt in Abhängigkeit von aktuellen und/oder zukünftigen Zustandsgrößen zur gezielten Unterdrückung unerwünschter Schwingungen. Solche Schwingungen können durch interne oder externe Kräfte angeregt werden, die auf das System einwirken. Die Zustandsgrößen können erfasst, berechnet oder beobachtet werden. Durch die bedarfsgerechte Einbringung der Gegenkraft F_D ist ein vergleichsweise geringer Effektivwert der Gegenkraft bereits ausreichend, um eine erhebliche Verbesserung des Dämpfungsverhaltens des Antriebssystems zu erreichen. Auf Grund der Ansteuerung der Aktorik ist die Gegenkraft F_D dabei unabhängig von den Absolutwerten der Vorschubbewegung, wie Lage, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, trotz der Abstützung gegenüber dem Inertialsystem.
• Als ein besonders einfaches und wirkungsvolles Konzept für die Bestimmung der erforderlichen Gegenkraft F_D bzw. für die Aktoransteuerung hat sich die Geschwindigkeitsrückführung erwiesen. Bei dieser Ausbildung werden zur Erzeugung der Stellgröße die Geschwindigkeiten ẋ₁ und ẋ₂ am Ein- und Ausgang der betrachteten Übertragungsstrecke miteinander verglichen und die Regelabweichung mit einem Proportionalfaktor K_d gewichtet.
• Anhand von 4 soll diese Vorgehensweise erläutert werden. Das Antriebssystem hat die beiden Massen m₁ und m₂, die über die Feder c miteinander gekoppelt sind. Die Dämpfung der beiden Massen ist mit d bezeichnet. Die beiden Massen m₁ und m₂ können sich in Vorschubrichtung x₁ bzw. x₂ bewegen, wobei ihre Geschwindigkeiten mit ẋ₁ und ẋ₂ bezeichnet sind.
• Auf die Masse m₂ kann die Gegenkraft F_D ausgeübt werden, die einstellbar ist. Die Größe der Gegenkraft F_D wird so gewählt, dass sich ein optimales Einschwingverhalten für das betrachtete Antriebssystem ergibt. Die Masse m₂ stellt den Ausgang und die Masse m₁ den Eingang der Übertragungsstrecke dar. Die Gegenkraft berechnet sich nach folgender Beziehung: F_D = (ẋ₂ – ẋ₁)·K_d
• Im oberen Diagramm von 4 ist die Geschwindigkeitsdifferenz Δẋ gegen die Zeit t aufgetragen. Die Gegenkraft F_D wirkt kontinuierlich und wird nach der oben angegebenen Beziehung berechnet. Die schraffierten Bereiche kennzeichnen die Zeitdauer, während der eine Gegenkraft F_D aufgebracht wird, um die Schwingungen so rasch wie möglich abzubauen. Sind die Δẋ-Werte größer Null, bedeutet dies, dass die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer ist als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. Dementsprechend wird die Gegenkraft F_D wirksam, die der Bewegungsrichtung der Masse m₂ entgegenwirkt. Sind die Δẋ-Werte negativ, bedeutet dies, dass die Masse m₂ eine geringere Geschwindigkeit als die Masse m₁ hat. In diesem Fall wird die Kraft F_D so eingestellt, dass sie in Bewegungsrichtung der Masse m₁ wirkt. Bei dem Ablauf entsprechend dem oberen Diagramm von 4 wirkt somit die Kraft F_D ständig, wobei sie in einem Fall als Gegenkraft, im anderen Fall als unterstützende Beschleunigungskraft wirksam ist.
• Dem unteren Diagramm der 4 liegt ein Antriebssystem zugrunde, bei dem die Gegenkraft F_D nicht kontinuierlich wirksam ist, sondern nur dann, wenn der Δẋ-Wert den vorgegebenen Soll-Wert überschreitet, das heißt wenn die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer ist als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. In diesen Fällen sind die Δẋ-Werte positiv. Dann wird durch Erzeugung der Gegenkraft F_D erreicht, dass die Schwingungen innerhalb kürzester Zeit abgebaut werden bzw. es erst gar nicht zum Auftreten einer Dauerschwingungen kommt.
• Ist der Δẋ-Wert (ẋ₂ – ẋ₁) > 0, wird eine der Geschwindigkeitsdifferenz entsprechende Gegenkraft F_D = (ẋ₂ – ẋ₁)·K_d auf das System aufgebracht. Ist der Δẋ-Wert ≤ 0 (ẋ₂ – ẋ₁ ≤ 0), wirkt hingegen keine Kraft (F_D = 0). Im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel wirkt somit die Gegenkraft F_D stets entgegen der Bewegungsrichtung des Antriebssystems. In diesem Falle wirkt auf den Systemausgang, definiert durch die Masse m₂, nur dann die Gegenkraft F_D, wenn die Regelgröße ihren Sollwert übersteigt, wenn also im beschriebenen Beispiel die Geschwindigkeit ẋ₂ der Masse m₂ größer ist als die Geschwindigkeit ẋ₁ der Masse m₁. Über die eingeleitete Gegenkraft F_D wird dem Antriebssystem gezielt Energie entzogen, um unerwünschte Schwingungen zu unterdrücken bzw. die Dämpfungseigenschaften des Systems zu verbessern.
• Neben der Rückführung der Geschwindigkeit bietet es sich an, noch weitere Zustandsgrößen wie beispielsweise die Beschleunigung der Massen m₁ und m₂ zur Bildung einer geeigneten Stellgröße heranzuziehen. Weitere Vorteile ergeben sich, insbesondere was die Komplexität der Aktoransteuerung anbelangt, aus dem Einsatz diskreter unstetiger Regelverfahren für die Erzeugung der Gegenkraft. Prinzipiell lassen sich beliebige Regelungskonzepte für die Ansteuerung der Aktorik einsetzen. Entscheidend ist dabei, dass eine von den aktuellen Zustandsgrößen abhängige, bedarfsgerechte Ansteuerung der Aktorik erfolgt.
• Unabhängig vom verwendeten Regelungskonzept ist das Ziel die Dissipation unerwünschter, im schwingungsfähigen Antriebssystem vorhandener Energie, um ein gefordertes Systemverhalten zu erreichen.
• Durch die bedarfsgerechte Einbringung der Gegenkraft F_D lässt sich die Dämpfung des schwingungsfähigen Antriebssystems in geeigneter Weise erhöhen und damit das dynamische Übertragungsverhalten verbessern. Hierzu gehören insbesondere die Verbesserung des Führungsverhaltens und des Störverhaltens sowie die Unterdrückung von Lastschwingungen (Rückwirkung angekoppelter Massen). Die aktive Dämpfung des Antriebssystems hat zudem einen positiven Einfluss auf Zustandsgrößen, die außerhalb des betrachteten Teilsystems liegen.
• 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel in Form einer Vorschubachse nach dem Stand der Technik. 5 zeigt eine typische Kaskadenschaltung von Geschwindigkeits- und Lageregler. Der Lagesollwert x_s wird mit dem Lageistwert x_i verglichen und die Regelabweichung mit einem Lageregelungsverstärkungsfaktor K_v sowie mit einem Verstärkungsfaktor K_p für den Geschwindigkeitsregelkreis verstärkt. Das verstärkte Signal wird einem Umrichter mit Stromregler 1 zugeführt, der die entsprechenden Ströme für den Motor 2 einstellt, um das Antriebsmoment zu erzeugen und die Kugelrollspindel 3 anzutreiben. Die drehbare Lagerung sowie die axiale Abstützung der Kugelrollspindel erfolgt dabei über wenigstens ein Lager 4. Mittels eines Lagemesssystems 6 lässt sich die Lage des Tisches 5 bestimmen. Der ermittelte Lageistwert x_i des Tisches 5 wird dem Lageregler 7 zugeführt und mit dem Lagesollwert x_s verglichen, um das Antriebsmoment des Motors entsprechend zu regeln.
• Ein zweiter Regler 8 vergleicht die Drehgeschwindigkeit φ ._i der Motorwelle des Motors 2 mit der Sollgeschwindigkeit φ ._s. Bei Bedarf wird über diesen zweiten Regler 8 die Drehgeschwindigkeit der Motorwelle geregelt.
• Bei solchen Vorschubantrieben, wie sie für Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, sind die mechanischen Übertragungselemente in der Regel schlecht gedämpft. Gleichzeitig bestehen jedoch hohe Anforderungen an die Qualität der Vorschubbewegung. Es wird insbesondere eine hohe Dynamik angestrebt, um den Tisch 5 in die Sollposition zu bringen. Hierbei soll trotz hoher Dynamik ein Überschwingen des Tisches 5 über die Sollposition hinaus vermieden werden.
• 6 zeigt das typische Übertragungsverhalten der Mechanik (Frequenzgang) der Vorschubachse gemäß 5. Im oberen Diagramm ist die Amplitude der Schwingung gegen die Frequenz aufgetragen. Im unteren Diagramm ist die Phase in Abhängigkeit von der Frequenz angegeben. Die erste Eigenfrequenz 9 begrenzt die einstellbaren Regelparameter der beschriebenen Kaskaderegler 7, 8 und damit die erreichbare Dynamik des Vorschubantriebes. Die Bandbreite des Vorschubantriebes ist dementsprechend eingeschränkt.
• 7 zeigt als Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Antriebssystem eine Vorschubachse, die ähnlich dem Vorschubsystem nach 5 ausgebildet ist, jedoch ergänzt um eine Aktorik 10, mit der die Gegenkraft F_D aufgebracht werden kann. Die Gegenkraft F_D wirkt auf den Tisch 5, der in diesem Falle den Ausgang der Übertragungsstrecke bildet. Die Kraft F_D wirkt zwischen dem Tisch 5 und der die Achse tragenden Struktur, in diesem Fall dem Maschinenbett.
• Die Ansteuerung der Aktorik erfolgt dabei über eine Geschwindigkeitsrückführung. Hierzu werden die Ist-Geschwindigkeit des Tisches 5 (berechnet aus dem Lagesignal x_s des Lagemesssystems) mit der Drehgeschwindigkeit φ ._i der Motorwelle verglichen und für die Erzeugung der Stellgröße für die Aktorik 10 verwendet. Der Vergleich der beiden Geschwindigkeiten muss dabei in einem einheitlichen Bezugssystem stattfinden. Im Ausführungsbeispiel nach 7 wird daher die Drehgeschwindigkeit φ ._i der Motorwelle mit Hilfe des Übersetzungsverhältnisses (h/2π; h = Gewindesteigung der Kugelrollspindel) der Kugelrollspindel in eine lineare Geschwindigkeit umgerechnet. Anstelle der Drehgeschwindigkeit der Motorwelle φ ._i kann für den Vergleich auch die Sollgeschwindigkeit φ ._s des Motors 2 herangezogen werden. Die Regelabweichung zwischen den beiden betrachteten Geschwindigkeiten wird über den Proportionalfaktor K_d gewichtet und als Sollwert der Aktorik 10 zugeführt.
• Mit Hilfe des Proportionalfaktors K_d lässt sich gezielt der Amplituden- und der Phasenverlauf bei der ersten Eigenfrequenz der Vorschubachse beeinflussen. Mit zunehmendem Proportionalfaktor K_d steigt die Systemdämpfung der Vorschubachse. Über die Einstellung der Regelparameter führt dies zu einer wesentlichen Verbesserung der Dynamik der Vorschubachse, verglichen mit der Vorschubachse gemäß 5 ohne die Aktorik 10.
• 8 zeigt den Frequenzgang der Mechanik (Amplituden- und Phasenverlauf) für das erfindungsgemäße Antriebssystem. In beiden Diagrammen sind die Kurven gemäß 6 als ausgezogene Linien eingezeichnet, die den Amplituden- und den Phasenverlauf bezüglich der Vorschubachse gemäß 5 ohne die Aktorik zeigen. Die gepunkteten Linien zeigen, dass mit Einsatz der Aktorik 10 die Amplitudenüberhöhung bei der ersten Eigenfrequenz verkleinert bzw. nahezu vollständig unterdrückt werden kann.
• Auch erfolgt der Phasenabfall bei der ersten Eigenfrequenz wesentlich flacher als bei der Vorschubachse nach 5, bei der der Abfall der Phase im Bereich der ersten Eigenfrequenz sehr abrupt erfolgt. Weiterhin die Einbringung einer Gegenkraft eine Anhebung der 90°-Eckfrequenz, welche ein Kennzeichen für die dynamischen Eigenschaften des Systems darstellt.
• Über den Proportionalfaktoren K_d, K_v und K_p lässt sich die beschriebene Regelung optimal so einstellen, dass die Vorschubachse eine hohe Dynamik aufweist und dennoch ein Überschwingen des Tisches 5 über die Sollposition x_s vermieden wird.
• Eine kostengünstige Möglichkeit zur Erzeugung der Gegenkraft F_D ist im Falle der nicht kontinuierlichen Krafteinbringung der Einsatz von Reibkräften. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, über wenigstens ein zusätzlichen Reibkraftaktor, beispielsweise ein Bremselement, eine der Bewegungsrichtung entgegen gerichtete Kraft zu erzeugen, die zwischen dem Maschinentisch 5 und dem Maschinenbett wirkt. Aufgrund der beschriebenen Ansteuerung der Aktorik 10 wird diese nur dann tätig, wenn es erforderlich ist, um ein gewünschtes Betriebsverhalten zu gewährleisten. Auf diese Weise lässt sich auf energetisch sinnvolle Art und Weise ein gewünschtes Maß an Dämpfung einstellen.
• Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Vorschubachse mit zusätzlichem Bremselement zeigt 9. Der Motor 2 sitzt auf dem Maschinenbett 11, welches das Inertialsystem repräsentiert. Mit dem Motor 2 wird die Kugelrollspindel 3 angetrieben, die im Lager 4 drehbar gelagert und axial abgestützt ist. Die Kugelrollspindel 3 befindet sich zwischen zwei Linearführungen 12, 13, auf denen der Maschinentisch 5 mit Führungsschuhen 14, 15 geführt ist.
• Der Maschinentisch 5 ist mit wenigstens einer Bremseinheit 16 versehen, mit der er auf wenigstens eine der beiden Linearführungen 12, 13 eine Kraft ausgeübt werden kann. Die durch das aktive Bremselement 16 erzeugte Reibkraft wirkt dabei als Gegenkraft F_D zwischen Tisch und Maschinenbett.
• Anstelle des Kugelrollspindelantriebs können auch Zahnstangen/Ritzelantriebe oder auch andere an einen Motor angekoppelte schwingungsfähige Mechaniken vorgesehen sein.
• Auch das Dämpfungsverhalten von hydraulischen Antriebssystemen kann durch die bedarfsgerechte Einprägung einer Gegenkraft F_D verbessert werden. Hydraulikzylinder beispielsweise, weisen in der Regel nur eine geringe Systemdämpfung auf, was zu Problemen bzw. zu einer begrenzten Dynamik bei Positionier- und Vorschubbewegungen führt. Die Dämpfung eines solchen Antriebssystems kann entscheidend verbessert werden, wenn am Ausgang der Übertragungsstrecke, in diesem Falle an der Kolbenstange des Zylinders, eine Reibkraft als Gegenkraft F_D entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren eingebracht wird. Auch in diesem Fall wird die zusätzliche Aktorik in einen Regelkreis eingebunden, über welchen die bedarfsgerechte Ansteuerung erfolgt.
• Das beschriebene Antriebssystem kann überall dort eingesetzt werden, wo es auf eine hohe Dynamik ankommt und sichergestellt werden muss, dass das angetriebene Teil ohne bzw. mit einem begrenzten Überschwingen in seine Soll-Lage gelangt. Ein bevorzugter Anwendungsbereich sind die beispielhaft beschriebenen Werkzeugmaschinen.

Claims (9)

1. Antriebssystem, insbesondere für Werkzeugmaschinen, mit wenigstens einem Motor und einer angekoppelten schwingungsfähigen Mechanik, und mit mindestens einem Lage- und/oder Geschwindigkeitsregelkreis, in dem der Motor liegt, der eine auf die Mechanik wirkende Antriebskraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von wenigstens einer Zustandsgröße zumindest teilweise eine durch eine zusätzliche Aktorik erzeugte Gegenkraft (F_D) der Bewegungsrichtung der Mechanik entgegenwirkt.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgröße die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Mechanik herangezogen wird.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Größe der Gegenkraft (F_D) die Rückführung der Geschwindigkeit der Mechanik herangezogen wird.
4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft (F_D) am Ausgang der Übertragungsstrecke angreift, und zwischen dieser und dem Bezugssystem des Antriebssystems (Inertialsystem) wirkt.
5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lageregler (7) der Geschwindigkeitsregler (8) kaskadenförmig unterlagert ist, und ein weiterer Regelkreis für die Aktorik existiert.
6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft (F_D) eine Reibkraft ist.
7. Verfahren zur aktiven Dämpfung eines schwingungsfähigen Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer definierten Bewegung der Mechanik eine Gegenkraft (F_D) eingeleitet wird, die der Bewegungsrichtung der Mechanik entgegen gerichtet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft (F_D) dann aufgebracht wird, wenn eine Regelgröße des Antriebssystems gegenüber ihrem Sollwert überschwingt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Geschwindigkeit herangezogen wird.

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