DE102012101979A1

DE102012101979A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung

Info

Publication number: DE102012101979A1
Application number: DE201210101979
Authority: DE
Inventors: Knut Grossmann; Jens Müller; Marcel Merx
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Merx Marcel De
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: DE102012101979B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis (10) beweglichen Elementen (11, 12), bei dem die Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen (11, 12) entsprechend einem Faktor, welcher im Wesentlichen aus dem Massenverhältnis der beweglichen Elemente (11, 12) gebildet und aus den Relativbewegungen der beweglichen Elemente (11, 12) gegenüber der Basis (10) und/oder gegenüber vorgelagerten beweglichen Elementen (11, 12) zusammengesetzt ist, wobei sich die in die Basis (10) und/oder die in das vorgelagerte bewegliche Element (11, 12) übertragenen und in Folge der entsprechend der Massen der beweglichen Elemente (11, 12) angepassten Bewegungsvorgaben im Wesentlichen in ihrem Verlauf über die Zeit identischen Antriebsreaktionskräfte in der Basis (10) aufheben. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein regelungstechnisches Verfahren zur Erzeugung einer Relativbewegung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis beweglichen Elementen einer Bewegungseinrichtung sowie eine regelungstechnische Anordnung zur Realisierung dieses Verfahrens.
Die Erzeugung präziser und schneller Relativbewegungen von Elementen gegenüber einem Bezugspunkt ist die Grundvoraussetzung für die Mehrzahl der industriellen Fertigungsverfahren. Dies umfasst insbesondere die Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugmaschinen und ähnlichen bewegungsgeführten Maschinensystemen (beispielsweise auch in der Halbleiterindustrie) sowie die Handhabung von Werkstücken mit Handhabungseinrichtungen. Dabei wird üblicherweise die relative Bewegung zwischen Werkstück (WST) und dem Werkzeugbezugspunkt bzw. Endeffektorpunkt – auch als „Tool Center Point” (TCP) bezeichnet – betrachtet. Die wesentliche Herausforderung in der heutigen industriellen Fertigung stellt die weitere Steigerung der Produktivität unter Gewährleistung einer mindestens gleichbleibend hohen Qualität der bearbeiteten Werkstücke dar. Die Maßnahmen zur Produktivitätssteigerung sind vielfältig und greifen dementsprechend an verschiedenen Punkten der Prozessketten ein. Als Beispiele seien die Komplettbearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, beispielsweise Drehen, Fräsen und Bohren auf einem Bearbeitungszentrum, oder die Reduktion unproduktiver Nebenzeiten, beispielsweise beim Werkzeugwechsel in der Werkzeugmaschine, genannt. Da diese Maßnahmen nach dem Stand der Technik vielfach weitestgehend ausgereizt sind, kann die weitere Steigerung der Produktivität nur durch eine erhöhte Dynamik der prozessführenden Bewegungseinrichtungen erreicht werden. Der Oberbegriff Dynamik umfasst dabei die Bewegungsgrößen Geschwindigkeit v, Beschleunigung a und Beschleunigungsänderung (Ruck) r der Relativbewegung zwischen TCP und Werkstück.
Problematisch ist, dass die Steigerung der Dynamik, insbesondere der Beschleunigung und des Rucks, mit erhöhten Antriebskräften und Kraftanstiegsgeschwindigkeiten einhergehen. Damit erhöht sich zum einen die für die Bewegungserzeugung erforderliche Leistung gemäß P = F·v, was in Folge von Wandlungsverlusten (beispielsweise im elektrischen Antrieb selbst oder in Bremswiderständen) einen absoluten Mehrbedarf an Energie pro gefertigtem Werkstück bedeuten kann. Darüber hinaus werden die Strukturbauteile, insbesondere aber die Gestelle der Bewegungseinrichtungen durch die betragsmäßig vergrößerten Antriebsreaktionen (Reaktionskräfte und Reaktionsmomente) und steileren Kraftanstiege zu stärkeren Schwingungen angeregt. Diese pflanzen sich über die kinematische Kette zum TCP fort und werden durch den Bearbeitungsprozess im Werkstück abgebildet, was eine Minderung der Qualität bedeutet. Die nach dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätze zur Steigerung der Dynamik bewegungsgeführter Maschinensysteme unter Maßgabe des Erhalts oder der Verbesserung der Bewegungsgenauigkeit und damit der Qualität des bearbeiteten Werkstücks werden im Folgenden dargelegt und bewertet.
Eine seit langem praktizierte Lösung zur Reduktion der Schwingungsanregung ist die Begrenzung der Dynamik der bewegungsgeführten Maschinensysteme. Durch Beschleunigungs-, besonders aber durch Ruckbegrenzung wird der Frequenzgehalt im Antriebskraftsignal zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben (analog zur Tiefpassfilterung), was eine geringere Anregung von Strukturschwingungen bewirkt. Allerdings steht die Dynamikbegrenzung in Konkurrenz zur erreichbaren Produktivität und vermindert zudem die Konturtreue. Niedrige Dynamikgrenzen sind damit nicht mehr zeitgemäß.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik seit langem bekannt, dass die Position der Krafteinleitung an einer bewegten Baugruppe einen wesentlichen Einfluss auf die von der Bewegungseinrichtung erreichbare Bewegungsgüte hat. Wirkt die Antriebskraft außerhalb des Massenschwerpunktes der bewegten Baugruppe, entsteht in Folge des Hebelabstands des Massenschwerpunktes zur Krafteinleitungsstelle ein Kippmoment. Dieses bewirkt eine Schwingung der Baugruppe in ihren Führungen oder gar die Schwingungsanregung der tragenden Baugruppe (beispielsweise des Maschinengestells). Der Antrieb im Massenschwerpunkt ist daher in hochdynamischen Bewegungseinrichtungen bestmöglich einzuhalten. Dazu kommen vermehrt Parallelantriebe (beispielsweise Gantry-Anordnung in Fräsmaschinen) zum Einsatz, welche auch bei veränderlicher Lage des resultierenden Massenschwerpunktes die Einhaltung des Kraftangriffs im Massenschwerpunkt ermöglichen.
Redundante Achsanordnungen sind seit längerem bekannt. In den ersten Anwendungen erfolgte noch eine getrennte Bewegung der redundanten Achsen, also beispielsweise eine Achse mit großem Bewegungsraum zum Abdecken des Arbeitsraumes, welche fixiert wird, während eine präzise Achse mit begrenztem Bewegungsraum für die lokale Positionierung verwendet wird. Derartige Anwendungen sind insbesondere aus der Halbleiterfertigung bekannt. Die nächste Entwicklungsstufe stellen redundante Achsanordnungen dar in denen die Achsen synchron Verfahren werden. Dies setzt eine Aufteilung der Sollbewegung auf die Achsen voraus. Ein frühes Anwendungsbeispiel ist die Unrundbearbeitung (Unrunddrehen). Dabei werden die hochfrequenten Bewegungsanteile beispielsweise von einem hochdynamischen Piezoaktor mit begrenztem Stellweg ausgeführt, während die niederfrequenten Bewegungsanteile von der herkömmlichen Vorschubeinheit erzeugt werden. In dieser Anwendung erfolgt die Aufteilung der Bewegungsanteile durch eine Fouriertransformation.
In der Druckschrift US 5 798 927 A wird eine redundante Achsanordnung bestehend aus einer langsamen, kartesischen Bewegungseinrichtung (beispielsweise einem Kreuztisch) sowie einer Einheit zur hochdynamischen Ablenkung eines hochenergetischen Strahls (z. B. Lasterstrahl, Elektronenstrahl oder Ionenstrahl) beschrieben. Dabei wird ein Positioniervorgang (Punkt-zu-Punkt-Bewegung) auf die langsame Bewegungseinrichtung und die hochdynamische Strahlablenkeinheit aufgeteilt. Als Bewegungsprofil zwischen den Sollpositionen werden halbsinusförmige Rampen verwendet. Die Aufteilung der Positionierbewegung erfolgt durch Filterung des Zeit-Sollweg-Signals. So wird die Sollbahn der langsamen Bewegungseinrichtung beispielsweise durch Tiefpassfilterung gewonnen, die Sollbahn der Strahlablenkeinheit aus der Differenz von Ausgangssignal und gefiltertem Signal. Eine derartige redundante Achsanordnung ermöglicht hochdynamische Positionierbewegungen im gesamten Arbeitsbereich. An den definierten Positionen wird dann die Bearbeitung (z. B. an einem Halbleiter) mittels des hochenergetischen Strahls durchgeführt. Andere Verfahren erweitern das in der Druckschrift US 5 798 927 A vorgestellte Prinzip auf kontinuierliche Bewegungen (Bahnfahrt). Für sehr „leichte” Werkzeuge, wie z. B. einen mittels Spiegeln ablenkbaren Laserstrahl oder einen mittels einer Spulenanordnung ablenkbaren Elektronenstrahl, stellen derartige redundante Achsanordnungen die ideale Lösung zur signifikanten Steigerung der Dynamik dar.
Für diverse Laserbearbeitungsanlagen wurden ähnliche Lösungen entwickelt, wobei mit dem Aufkommen von Faserlasern bzw. beim Einsatz größerer Laserleistung die Anwendung von Strahlablenkeinheiten (Galvanometerantriebe und Ablenkspiegel) nicht mehr sinnvoll ist. Zudem erfordert die Laserbearbeitung dickerer Materialen einen Strahleintritt normal zur Oberfläche des Werkstücks. Dies führte zur Entwicklung diverser redundanter kartesischer Kinematiken, sowie verschiedenen Ansätzen zur Bewegungsaufteilung. Da die hochdynamischen Zusatzachsen der Strahl-Bearbeitungsmaschinen bei steigender Strahlleistung immer schwerer werden und zudem höchste Beschleunigungen und Rucke gefordert sind, kommt es wiederum zur Anregung der Maschinenstrukturen durch die Antriebsreaktionskräfte und -momente.
Eine Lösung hierfür wird in der Druckschrift EP 1 724 054 A1 am Beispiel einer Laserbearbeitungsanlage (Lasterstrahlschneiden oder Laserstrahlschweißen) vorgestellt. Zur Verringerung oder idealerweise vollständigen Auslöschung der Antriebsreaktionskräfte werden Ausgleichsmassen (in der Druckschrift EP 1 724 054 A1 auch „Gegengewichtseinheiten” genannt) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der werkzeugtragenden Zusatzachsen beschleunigt. Dabei verfügen die Ausgleichsmassen über eigene geregelte Antriebe und haben in Summe die gleiche Masse wie die werkzeugtragende Baugruppe (Nutzmasse). Nutzmasse und Ausgleichsmassen erhalten identische Bewegungsvorgaben, so dass sich ein im Wesentlichen gleicher Bewegungszustand (gekennzeichnet durch den zeitlichen Verlauf von Weg s, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a und Ruck r) einstellt. Damit entstehen im Idealfall entgegengesetzt gerichtete Antriebsreaktions- und Reibkräfte gleicher Amplitude, welche sich in der die Nutz- und Ausgleichsmassen tragenden Baugruppe kompensieren. Dieses als „Kraftkompensation” bekannte Verfahren wurde zunächst für andere Bewegungseinrichtungen zur hochdynamischen und hochpräzisen Bewegungserzeugung (beispielsweise für die die schnelle Positionierung eines Strahlenfilters, wie er in Röntgen-Computer-Tomographen verwendet wird oder in Zugriffsmechanismen von Festplatten) entwickelt.
Eine in der Druckschrift EP 0 523 042 A1 beschriebene Bewegungseinrichtung setzt die Kraftkompensation für eine Bewegung in der Ebene um. Dazu werden zwei, jeweils ober- und unterhalb einer feststehenden Baugruppe beweglich gelagerte und gleichschwere Platten mittels elektrischer Direktantriebe (beispielsweise elektrodynamische Antriebe) mit gleicher Sollwegvorgabe entgegengesetzt bewegt. In der feststehenden Baugruppe heben sich die entstehenden Antriebsreaktionskräfte auf. Die Anordnung ermöglicht neben der Bewegung in X- und Y-Richtung zudem die Rotation der bewegten Platten um die Hochachse Z. Die hinter dem Verfahren stehenden Anwendungen beziehen sich auf die hochdynamische und präzise Positionierung kleinster Bauteile gegenüber einem Bezugspunkt. Als Beispiele sind die Rasterelektronenmikroskopie, Lithografie, Robotermontage und das automatische Testen elektronischer Schaltungen aufgeführt. Die vorgestellte Ausführung mit plattenförmigen bewegten Baugruppen ermöglicht es zudem die Wirklinie der resultierenden Antriebskräfte in den Massenschwerpunkt zu verlegen. Damit entfallen Kippmomente in den bewegten Baugruppen, was die Bewegungsqualität nochmals steigert. In der Druckschrift EP 0 523 042 A1 wird jedoch nicht die Ausnutzung der zwischen oberer und unterer Platte entstehenden Relativbewegung in Betracht gezogen.
Um die für die Kraftkompensation benötigten Verfahrwege zu verringern ist es vorteilhaft wenn die Ausgleichsmassen um ein Vielfaches größer als die Nutzmassen sind. Ein anderer, in der Druckschrift DE 10 2004 057 062 A1 dargelegter Ansatz verringert den Weg der Kompensationsmassen durch Modifikation des in der Kompensationskraft beinhalteten Frequenzspektrums. Hierzu wird die Sollkraft des Antriebs der Nutzmasse (im Folgenden auch als Nutzantrieb bezeichnet) mit einem Bandpass gefiltert und dem Antrieb der Kompensationsmasse (im Folgenden auch als Kompensationsantrieb bezeichnet) als Sollkraftvorgabe zugeführt. Die in der Antriebskraft enthaltenen niedrigen Frequenzen (bis etwa zur unteren Grenzfrequenz f_G des Bandpasses) und die damit einhergehende Starrkörperbewegung des Kompensationsantriebes werden dadurch stark verringert. Hohe Frequenzen (bis etwa zur oberen Grenzfrequenz f_G + f_B des Bandpasses) werden ebenfalls herausgefiltert, um eine Anregung des Stromregelkreises durch hochfrequente Störungen zu vermeiden.
Dieses als Impulskompensation bezeichnete Verfahren wurde in „Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen” [Müller, Jens: Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen. Dissertation, TU Dresden, 2009. ISBN 978-3-86780-109-6 untersucht. In „Vorab-Sollwertberechnung für die Impulskompensation von Lineardirektantrieben” [Großmann, Knut; Müller, Jens; Peukert, Christoph: Vorab-Sollwertberechnung für die Impulskompensation von Lineardirektantrieben. ZWF 106 (2011) 5, S. 352–356] wurde darüber hinaus ein Ansatz zur Generierung des Kompensationskraft-Signals aus der Sollwegvorgabe des Nutzantriebes bzw. der Nutzmasse erläutert. Kraft- und Impulskompensation bieten zwar ein erhebliches Potential zur Reduktion der schwingungsanregenden Antriebsreaktionskräfte, gehen aber mit einem signifikanten konstruktiven und steuerungsseitigen Mehraufwand einher. Zudem bedeuten die zusätzlich bewegten, nicht an der Bewegungserzeugung beteiligten Ausgleichsmassen einen Mehrverbrauch an Energie bei gleicher Dynamik.
In „Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen” [Müller, Jens: Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen. Dissertation, TU Dresden, 2009. ISBN 978-3-86780-109-6] wurde ebenfalls das Verfahren der Ruckentkopplung bzw. Impulsentkopplung untersucht. Das Prinzip entspricht dem Rohrrücklauf bei Geschützen und wurde für die Anwendung in Werkzeugmaschinen adaptiert. Die Antriebsreaktionskraft wird zuerst auf einen beweglichen Entkopplungsschlitten übertragen, welcher mittels Feder- und Dämpferelementen an der unterlagerten Baugruppe (meist das Maschinengestell) befestigt ist. Die Anordnung aus Feder, Masse des Entkopplungsschlittens und Dämpfer entspricht einem mechanischen Tiefpass – die verminderte Anregung der Maschinenstruktur wird also analog zur Ruckbegrenzung erreicht. Zur maschinennahen Realisierung der Ruckentkopplung wurden diverse weitere Anordnungen entwickelt. Die Ruck- bzw. Impulsentkopplung kann zwar die Strukturanregung vermindern, erfordert dafür aber bei gleicher Dynamik einen höheren Energieeinsatz in Folge der Energiedissipation im Dämpfer. Zudem erhöht sich der konstruktive Aufwand durch die zur Entkopplung benötigten Bauteile und Baugruppen, welche nicht aktiv zur Bewegungserzeugung in der kinematischen Kette beitragen. Auch die Ableitung der Antriebsreaktionskräfte auf eine gestellunabhängige Basis wurde in Betracht gezogen ist aber als wenig praxistauglich einzustufen.
In der Druckschrift CZ 298 615 B6 und „New Principles for Design of Highly Dynamic Machine Tools” [Bubak, A.; Soucek, P.; Zelený, J.: New Principles for Design of Highly Dynamic Machine Tools, In: Proceedings of the international conference ICPR-17, Blacksburg, Virginia, USA. 08/2003.] wird ein als „floating principle” bezeichnetes Verfahren zur Bewegungserzeugung durch die Einleitung einer Antriebskraft zwischen zwei relativ zueinander und relativ gegenüber dem Maschinengestell beweglich – „schwimmend” – gelagerten Baugruppen vorgestellt. Die kinematische Kette vom Werkstück zum TCP wird zwischen den beiden bewegten Maschinenbaugruppen geschlossen. Die bewegten Baugruppen müssen gegenüber dem Maschinengestell zentriert werden. Hierzu dient im einfachsten Fall eine Feder, in der Druckschrift CZ 298 615 B6 wird ein weiterer Antrieb mit schwach eingestelltem Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis bevorzugt. Das Maschinengestell bzw. die Basis ist – bis auf die zur Zentrierung der bewegten Baugruppen aufgebrachten Kräfte – praktisch frei von Antriebsreaktionskräften. Allerdings ist bei dieser Form der Kraftentkopplung die auf die Maschinenbasis übertragene Anregung von eher untergeordneter Bedeutung. Da die kinematische Kette zum TCP über die relativ zueinander bewegten Baugruppen geschlossen wird, müssen diese ausreichende Abstände und Freiräume zueinander realisieren. Damit wird es, besonders bei mehrachsigen Anordnungen, schwierig den Anforderungen nach hoher statischer und dynamischer Steifigkeit der Baugruppen nachzukommen – die bewegten Baugruppen werden gestellähnlich. Bei großen Abständen der Antriebskrafteinleitung zu den Masseschwerpunkten der bewegten Baugruppen kann es damit zu den bekannten Schwingungsproblemen durch eine Momentenanregung kommen. Das „floating principle” eignet sich demnach vorwiegend für eine einachsige Bewegungseinrichtung mit einer hochdynamischen Haupt-Vorschub-Bewegung und falls erforderlich weiteren Zustellbewegungen.
Nach dem Stand der Technik stehen verschiedene Verfahren zur Steigerung der Dynamik bewegungsgeführter Maschinensysteme unter Maßgabe des Erhalts oder der Verbesserung der Bewegungsqualität zur Verfügung. Den bekannten Verfahren ist gemein, dass eine Reduktion der Schwingungsanregung bei gleicher Dynamik nur mit einem erhöhten konstruktiven Aufwand sowie einem gesteigerten Energieverbrauch erreicht werden kann. Eine Ausnahme bildet das in der Druckschrift CZ 298 615 B6 vorgestellte „floating principle”, wobei ein Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren nur bei einer einachsigen Bewegungseinrichtung erwartet wird. Ebenso bieten redundante Achsanordnungen bei hinreichend geringem Gewicht der dynamischen Achse (insbesondere bei Ablenkung eines praktisch masselosen hochenergetischen Strahls) Vorteile hinsichtlich eines verminderten Energieeinsatzes bei gesteigerter Dynamik und mindestens gleichbleibender Bewegungsqualität.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Erzeugung einer präzisen ein- oder mehrdimensionalen Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis beweglichen Elementen sowie eine Vorrichtung hierzu und ein regelungstechnisches Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung anzubieten, wobei die beweglichen Elemente bei minimaler Schwingungsanregung durch die mechanischen Rückwirkungen auf die Basis mit hoher Dynamik bewegt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch Verfahren zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis beweglichen Elementen. Die Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen ist entsprechend einem Faktor, welcher im Wesentlichen aus dem Massenverhältnis der beweglichen Elemente gebildet wird, aus den Relativbewegungen der beweglichen Elemente gegenüber der Basis und/oder gegenüber vorgelagerten beweglichen Elementen zusammengesetzt. Die in die Basis und/oder in das vorgelagerte bewegliche Element übertragenen und in Folge der entsprechend der Massen der beweglichen Elemente angepassten Bewegungsvorgaben im Wesentlichen in ihrem Zeitverlauf identischen Antriebsreaktionskräfte heben sich in der Basis im Wesentlichen auf. Es sind im Wesentlichen entgegengesetzte Relativbewegungen gegenüber der Basis bzw. gegenüber dem vorgelagerten beweglichen Element betroffen. Die Basis ist zunächst eine im Wesentlichen gegenüber dem äußeren Bezug unbewegliche Baugruppe, die in den Bewegungsrichtungen, die mit den dominierenden Richtungen des Kraftflusses gleichzusetzen sind, möglichst steif ausgeführt ist. Als Basis ist auch ein gegenüber weiteren unterlagerten Baugruppen bewegliches Element anzusehen.
Die Bewegungsvorgaben sind Sollweg s, Sollgeschwindigkeit v, Sollbeschleunigung a und Sollruck r jeweils über der Zeit. Die Basis ist eine im Wesentlichen gegenüber dem äußeren Bezug unbewegliche Baugruppe, kann aber auch durch ein gegenüber weiteren unterlagerten Baugruppen bewegliches Element gebildet werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zusätzliche oder redundante Achsen durch ein oder mehrere zusätzliche bewegliche Elemente auf einem gegenüber der Basis beweglichen Element erzeugt werden. Dann ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl geeignet, in dem als sekundäre Basis anzusehenden beweglichen Element die Reaktionskräfte auszugleichen, insbesondere wenn sich mehr als ein bewegliches Element der zweiten oder einer höheren Ebene dort bewegt. Zudem ist aber auch vorgesehen, die Reaktionskräfte insgesamt, die die beweglichen Elemente aller Ebenen hervorrufen, von dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erfassen und die Relativbewegungen aller beweglichen Elemente in allen Ebenen zu kontrollieren bzw. zu steuern.
Die Steuerung erfolgt somit über mehrere bewegliche Elemente hinweg, also beispielsweise wenn sich zwei Zusatzachsen auf den Elementen (insbesondere Normal zur Bewegungsrichtung der Elemente) bewegen und der Kraftschluss nicht direkt über die Basis erfolgt, sondern die Kräfte auch ein Stück weit über die beweglichen Elemente gehen müssen.
Dabei erfolgt die Bewegung der (beispielsweise in Normalenrichtung wirksamen) Zusatzachsen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Erfindungsgemäß wird eine redundante Achsanordnung so aufgebaut, dass eine Relativ- oder Nutzbewegung zwischen mindestens zwei gegenüber einer Basis beweglichen Elementen entsteht, wenn sich diese Elemente im Wesentlichen jeweils entgegengesetzt (bezogen auf die Basis) bewegen. Dazu werden die Elemente gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren so angesteuert, dass sich möglichst identische Antriebskraft-Zeit-Verläufe ausbilden, wodurch sich die auf die Basis wirkenden Antriebsreaktionskräfte im Wesentlichen aufheben (Kraftkompensation). Das Verfahren wird auch als „kinematisch gekoppelte Kraftkompensation” bezeichnet. Die kinematischen Größen, also Sollweg s_soll bzw. x_soll, Sollgeschwindigkeit v_soll, Sollbeschleunigung a_soll und Sollruck r_soll, der beweglichen Elemente werden durch einen formalen Zusammenhang abhängig vom Verhältnis der Massen K_m bzw. der Dynamik K_D der beweglichen Elemente festgelegt (siehe Gleichungen 1 bzw. 2 beispielhaft für zwei bewegliche Elemente). Gleichungen 1, 2 und 3:
Gemäß Gleichung 3 ergeben sich im Wesentlichen identische Kraft-Zeit-Verläufe für die Antriebskräfte der beweglichen Elemente, welche sich in der Basis annährend aufheben. Dadurch wird die Schwingungsanregung der Maschinenstruktur (Basis und bewegliche Elemente) stark vermindert, was die Bewegungsqualität steigert.
Prinzipiell ergeben sich bei einer Menge von k beweglichen Elementen die Sollverläufe für die Bewegungsgrößen Weg s, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a, und Ruck r, bzw. die korrespondierenden bewegungserzeugenden physikalischen Größen, bspw. eine Kraft F, ein Motorstrom i oder ein Druck p, gemäß den Gleichungen 4 in Abhängigkeit der jeweiligen an den anderen beweglichen Elementen wirksamen Größen. Dabei können eine Vielzahl weiterer Parameter P, wie bspw. Übersetzungsverhältnisse, Kraftkonstanten, Zeitkonstanten oder allgemeine Übertragungsfunktionen, für die Ermittlung der Bewegungs- bzw. weiteren Größen relevant sein. Gleichungen 4: s_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, s₁ ... s_j, P₁ ... P_z) v_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, v₁ ... v_j, P₁ ... P_z) a_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, a₁ ... a_j, P₁ ... P_z) r_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, r₁ ... r_j, P₁ ... P_z) F_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, F₁ ... F_j, P₁ ... P_z) i_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, i₁ ... i_j, P₁ ... P_z) p_k(t) = f(t, m₁ ... m_j, p₁ ... p_j, P₁ ... P_z)
Abhängig von der Größe der bewegten Massen bzw. Trägheiten ist es möglich die für die Bewegungserzeugung aufzubringende kinetische Energie gegenüber der Bewegung einer Einzelachse (eines einzelnen gegenüber der Basis beweglichen massebehafteten Elementes) signifikant zu verringern. Dies schlägt sich direkt in den von den Antrieben bereitzustellenden Antriebsleistungen nieder, welche bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung deutlich gesenkt werden können. Zur Erläuterung sei auf Gleichung 5 verwiesen. So ergibt sich beispielsweise bei zwei beweglichen Elementen mit m₁ = m₂ = m und v₁ = v₂ = ½v gegenüber der Bewegung einer einzelnen Masse m mit der Geschwindigkeit v die Hälfte der kinetischen Energie. Bei Betrachtung der Antriebsleistung gemäß Gleichung 6 ergibt sich für das eingeführte Beispiel (m₁ = m₂ = m, v₁ = v₂ = ½v und demnach a₁ = a₂ = ½a) eine ebenfalls auf die Hälfte des Ausgangswertes (Bewegung einer einzelnen Masse m mit der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung a) reduzierte Gesamt-Antriebsleistung. Gleichungen 5 und 6:
Ebenso können die elektrischen Verluste (Stromwärme) in den Antrieben signifikant vermindert werden wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Mehrzahl von Antrieben an der Bewegungserzeugung beteiligt ist. Die benötigten Kräfte und – proportional zu diesen – die Motorströme sinken. Da der Motorstrom nach Gleichung 7 quadratisch in die elektrische Verlustleistung eingeht kann diese, ebenso wie die im Antrieb dissipierte Energie, vergleiche Gleichung 8, signifikant verringert werden. Der Antrieb kann also kleiner (geringere mechanische Leistung und geringere Verlustleistung) dimensioniert werden. Gleichungen 7 und 8:
Auch die mechanischen Verluste gemäß Gleichungen 9 und 10 können in einer Anordnung mit mehreren an der Relativbewegungserzeugung beteiligten Antrieben verringert werden. Dies folgt aus der i. d. R. proportional zur Geschwindigkeit ansteigenden Reibkraft der nach dem Stand der Technik bekannten Führungssysteme. Sind bspw. zwei bewegliche Elemente an der Erzeugung einer Relativbewegung beteiligt bleibt der von den reibungsbehafteten Elementen zurückgelegte Weg gleich, während in Folge der geringeren Geschwindigkeit eine geringere Reibkraft überwunden werden muss. Gleichungen 9 und 10:
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik das Potential zur weiteren Steigerung der Bewegungsqualität in Verbindung mit einem verminderten Leistungs- und Energiebedarf für die Bewegungserzeugung. Dabei ist der konstruktive Aufwand für eine Bewegungseinrichtung nicht höher als der konstruktive Aufwand für die Realisierung der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Reduktion der Schwingungsanregung bewegungsgeführter Maschinensysteme.
Als vorteilhaft hat sich die Aufteilung der Bewegungsvorgaben auf die beweglichen Elemente vor oder während der Ausführung der Bewegung mittels analytischer Berechnungen und durch einen konstanten oder variablen Faktor erwiesen. Als Faktor wird bevorzugt ein Massenfaktor verwendet.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Aufteilung der Bewegungsvorgaben auf die beweglichen Elemente vor oder während der Ausführung der Bewegung auf einer Optimierungsrechnung basierend und durch einen konstanten oder variablen Faktor erfolgt. Es können auch Vorgaben für Sollgeschwindigkeit, Sollbeschleunigung und Sollruck bzw. Sollstrom oder andere physikalischer Sollgrößen, die mit der Bewegungserzeugung in Verbindung stehen, für die jeweiligen beweglichen Elemente generiert werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der konstante oder variable Faktor zur Bewegungsaufteilung entsprechend den während der Bewegung veränderlichen oder unveränderlichen und für die Ausprägung der auf die Basis wirkenden Antriebsreaktionskräfte relevanten Systemparametern während der Ausführung der Bewegung oder/und im Vorfeld der Bewegungsausführung zur Steigerung der Bewegungsgüte angepasst wird. Die Anpassung der Bewegungsaufteilung erfolgt damit prozessaktuell entsprechend des Massenverhältnisses oder anderer für die Ausprägung und Wirkung der Antriebskräfte relevanter Systemparameter. Als relevante, veränderliche Systemparameter kommen beispielsweise die Massen der bewegten Elemente, während der Bewegung veränderliche Störkräfte, beispielsweise Reibkräfte, während der Bewegung veränderlichen Verstärkungsfaktoren der Regelkreise bzw. der Antriebe in Frage.
Als Faktor zur Bewegungsaufteilung wird bevorzugt ein Massenfaktor verwendet, die Verwendung anderer Systemparameter oder physikalischer Größen ist jedoch vorgesehen.
Vorteilhaft ist auch ein Verfahren, bei dem eine unabhängige Bewegungsführung der beweglichen Elemente untereinander und/oder der beweglichen Elemente gegenüber der Basis ohne eine Kraftkompensation und/oder ohne eine kinematische Kopplung der Bewegungen der beweglichen Elemente möglich ist. Dies ist besonders für langsame Bewegungen wie Zustell- oder Vorschubbewegungen wichtig, aber auch für Werkzeug- bzw. Werkstückwechsel.
Es ist vorgesehen, dass zwei oder mehr, relativ zueinander und relativ zu einer Basis bewegliche, in sich möglichst steife und leichte Elemente die zu ihrer Bewegung benötigten Antriebsreaktionskräfte in die Basis ableiten, so dass sich die Antriebsreaktionskräfte in der Basis möglichst vollständig auslöschen. Dabei ist die Basis eine im Wesentlichen gegenüber dem äußeren Bezug unbewegliche Baugruppe oder durch ein gegenüber weiteren unterlagerten Baugruppen bewegliches Element gebildet. Eine Veränderung des Ortes bzw. der Richtung der Reaktionskrafteinleitung auf die Basis kann während der Bewegung, zum, Beispiel bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Koppelgetriebe, möglich sein. Die Basis ist in den Bewegungsrichtungen, welche mit den dominierenden Richtungen des Kraftflusses gleichzusetzen sind, bevorzugt möglichst steif ausgeführt. Gleiches gilt für die beweglichen Elemente, vor allem, wenn sie als Basis für ein bewegliches Element einer zweiten oder höheren Ebene dienen.
Weitere Vorzüge ergeben sich, wenn die auf die beweglichen Elemente wirkenden und in die Basis abgeleiteten Antriebskräfte einander in ihrem zeitlichen Verlauf in der Weise angeglichen werden, dass die in die Basis abgeleitete resultierende Restkraft minimiert und/oder die in die Basis eingeleiteten resultierenden Restschwingungen gezielt modifiziert werden. Insbesondere weist erfindungsgemäß die relativ zwischen den beweglichen Elementen untereinander bzw. zwischen den beweglichen Elementen und der im Basis zu erzeugende Sollbewegung ein Bewegungsprofil mit begrenzter Geschwindigkeit, begrenzter Beschleunigung und endlichem Ruck auf. Im Vorfeld der Bewegungsausführung ist eine Modifikation des Bewegungsprofils zur Verbesserung der Bewegungsgenauigkeit oder Steigerung der Kompensationsgüte zulässig. Weiterhin werden die auf die beweglichen Elemente wirkenden und in die Basis abgeleiteten Antriebskräfte durch geeignete steuerungs- und regelungstechnische Maßnahmen einander in ihrem zeitlichen Verlauf angeglichen, so dass die in der Basis verbleibende Restkraft minimiert bzw. hinsichtlich ihres Frequenzinhaltes gezielt verändert wird
Vorteilhafter Weise erfolgt eine Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen im Wesentlichen in einer Bewegungsrichtung und diese Bewegung ist von Relativbewegungen in einem oder zwei weiteren Bewegungsfreiheitsgraden überlagerbar, wobei das Antriebs- und Führungssystem eine Bewegung in diesen weiteren Bewegungsfreiheitsgraden ermöglicht.
Günstig ist es auch, wenn die Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen im Wesentlichen in zwei Bewegungsrichtungen erfolgt und diese Bewegung von Relativbewegungen in einem weiteren Bewegungsfreiheitsgrad überlagerbar ist, wobei das Antriebs- und Führungssystem eine Bewegung in diesem weiteren Bewegungsfreiheitsgrad ermöglicht.
Dabei ist die Relativbewegung beispielsweise eine planare Bewegung oder eine rotativ-translatorische Bewegung. Diese kann von einer in ihrer Amplitude begrenzten Relativbewegung, welche durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Mehrzahl von Antrieben (Parallelantrieb) erzeugt wird, in einem weiteren oder mehreren Freiheitsgraden überlagert sein. Es ist vorteilhaft, wenn ein Antriebs-, Mess- und Steuer- und/oder Regelungssystem eine Ansteuerung dieser zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade zulässt.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn zu dem oder den Bewegungsfreiheitsgraden der beweglichen Elemente ein oder mehrere zusätzliche oder/und redundante Bewegungsfreiheitsgrade durch zumindest eine auf wenigstens einem der beweglichen Elemente angebrachte zusätzliche Bewegungseinrichtung oder durch in der kinematischen Kette eingebrachte zusätzliche Stellelemente hinzutreten. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade und Bewegungsrichtungen werden bevorzugt durch aufgesetzte (serielle) Achsen oder durch zusätzliche kleine Bewegungen, beispielsweise in den Anbindungen zur Führung realisiert. Bei diesen Bewegungseinrichtungen handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um Verstelleinrichtungen mit kleinsten Verstellwegen (z. B. Piezo-Aktoren), die direkt, alternativ über eine kinematische Transformation (Hebel) oder auf andere nach dem Stand der Technik bekannte Weise die Bewegung erzeugen. Die zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade werden also bei dieser Ausführungsform durch Mikrostellachsen hervorgerufen. Dies kann so realisiert sein, dass auf einem Führungsschuh ein Piezoaktor aufgebracht wird und so eine begrenzte Drehung bzw. über den Hebel zum TCP auch eine Verschiebung erreicht werden kann.
Vorteile erwachsen zudem aus einer Ausführungsform, bei der die beweglichen Elemente durch Führungssysteme, welche die Bewegungsfreiheitsgrade zur Verfügung stellen und in den darüber hinaus gehenden Koordinatenrichtungen im Wesentlichen unbeweglich gelagert sind. Damit ist eine sichere Führung bei hoher Bewegungsgenauigkeit möglich.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die beweglichen Elemente ausschließlich gegenüber der Basis oder gegenüber der Basis bzw. gegenüber einem äußeren Bezug sowie relativ zueinander beweglich sind. Damit ist deren Bewegung gegenüber einem definierten Bezugspunkt möglich mit der Folge einer sehr sicheren, kontrollierbaren und qualitativ hochwertigen Bewegungsführung. Durch die unterschiedlichen Varianten besteht darüber hinaus eine hohe Flexibilität bei der Wahl des Bezugspunktes.
Bevorzugt werden ein bis sechs Bewegungsfreiheitsgrade zur Verfügung gestellt werden. Damit kann bei überschaubarem Steuerungsaufwand die Mehrzahl der Bewegungsaufgaben realisiert werden.
Günstig ist es auch, wenn eine durch ein Führungssystem in unzureichendem Maße aufgebrachte relative Steifigkeit zwischen den beweglichen Elementen oder/und mindestens einem beweglichen Element und der Basis, durch ein Regelungssystem kompensiert wird, sofern die Anordnung der Antriebe die Erzeugung einer Antriebskraft oder eines Antriebsmomentes in dieser Bewegungsrichtung zulässt und die Rückführung des aktuellen Bewegungszustandes in dieser Bewegungsrichtung über Messsysteme realisiert werden kann. Die Führungssysteme stellen die benötigen Bewegungsfreiheitsgrade der beweglichen Elemente zur Verfügung mit Bezug ausschließlich gegenüber der Basis oder gegenüber der Basis und relativ zueinander. Weiterhin stellen die Führungssysteme die benötigen Bewegungsfreiheitsgrade alternativ gegenüber einem äußeren Bezug zur Verfügung. In den überzähligen Koordinatenrichtungen sind die beweglichen Elemente im Wesentlichen unbeweglich gelagert, wobei die relative Steifigkeit zwischen den beweglichen Elementen durch das Regelungssystem erzeugt werden kann. Als hierfür geeignete Bewegungsformen kommen neben anderen vor allem Translation, Rotation, Planare Bewegung, planar-rotatorische Bewegung und translatorisch-rotatorische Bewegung in Frage. Die Antriebe umfassen sowohl die Antriebe für die Hauptbewegung als auch zusätzliche Stellelemente für andere als die Bewegungsachsen der Hauptbewegung.
Vorzüge erwachsen insbesondere auch daraus, dass in wenigstens einer der Bewegungsachsen oder wenigstens einer Zusatzachse ein oder mehrere Verfahren zur Verminderung der Schwingungsanregung durch die Antriebsreaktionskräfte angewandt werden. Dies erfolgt bevorzugt durch den Einsatz einer kraftkompensierten oder ruckentkoppelten Teilkinematik, beispielsweise in Z-Richtung, oder auch in anderen Bewegungsrichtungen, damit in dieser Ausführungsform einseitig, beispielsweise nur auf der Werkzeugseite. Als geeignete Verfahren zur Verminderung der Schwingungsanregung sind bevorzugt Ruckbegrenzung, Kraftkompensation, Impulskompensation, Ruckentkopplung bzw. Impulsentkopplung vorgesehen. Dies gilt für alle Ebenen einschließlich einer bewegten Basis, auf die insoweit gleichfalls Kompensationsverfahren anwendbar sind.
Vorteile bringt es auch, wenn die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen und am Werkzeugbezugspunkt (TCP) erfolgt, wobei eine Einrichtung zur Rückführung der beweglichen Elemente in deren Nulllage gegenüber der Basis vorgesehen ist (dies ist beispielsweise eine Feder). Eine Messung am Werkzeugbezugspunkt (TCP) umfasst dabei auch Messungen, die nahe bzw. möglichst nahe am TCP erfolgen, zumal dieser einen virtuellen Punkt im Raum beschreibt und nicht in jedem Fall physisch auch einer Messung zugänglich ist. Abweichungen zwischen dem tatsächlichen TCP und dem Messpunkt werden vorteilhafterweise von der Steuerung berücksichtigt. Bei der Messung relativ zwischen den beweglichen Elementen erfolgt eine Aufteilung des gemessenen Signals mit dem für die Aufteilung der Sollbewegung verwendeten Faktor (bevorzugt der Massenfaktor) oder durch andere geeignete Mittel, beispielsweise inverse Strukturmodelle oder Mehrkörpermodelle. Bei Verwendung eines gemeinsamen übergeordneten Regelkreises für mehrere bewegliche Elemente kann auf eine Aufteilung des relativ zwischen den beweglichen Elementen gemessenen Wertes verzichtet werden.
Besonders günstig ist es dabei, wenn die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck ausschließlich jeweils zwischen einem beweglichen Element gegenüber der Basis oder zwischen einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis unabhängigen Bezugspunkt und dem jeweils beweglichen Element erfolgt.
Alternativ hierzu erfolgt die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck sowohl zwischen beweglichen Elementen und Basis oder einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis unabhängigen Bezugspunkt, als auch relativ zwischen den beweglichen Elementen, wobei ggf. eine Aufteilung des relativ zwischen den beweglichen Elementen gemessenen Signals erfolgt.
Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn zu einer Handhabung von Werkzeugen und einer Bearbeitung von Werkstücken die beweglichen Elemente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verschiedene Stationen anfahren, in denen die Bearbeitung oder Handhabung erfolgt, wobei die beweglichen Elemente mittels eines Führungs- und Antriebssystem in der Vorrichtung umlaufen oder aus der Vorrichtung entnommen und wieder zugeführt werden können. Die beweglichen Elemente werden dann bevorzugt in Form einer Werkstückpalette beispielsweise in einem Kreislauf handhabbar und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in dieser Ausführungsform in der Art einer Taktstraße betrieben werden. Die beweglichen Elemente sind bevorzugt mit einem eigenen Antrieb ausgestattet, um sich von Station zu Station zu bewegen, alternativ werden sie durch externe Antriebsmittel bewegt.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend zwei oder mehr, relativ zueinander und relativ zu einer Basis bewegliche, in sich weitgehend steife und leichte Elemente. Diese sind so gestaltet, dass sie die zu ihrer Bewegung und zur Erzeugung einer resultierenden Nutzbewegung benötigten Antriebsreaktionskräfte in die Basis ableiten. Sie sind weiterhin derart gegenüber der Basis beweglich angeordnet sind, dass sich die am momentanen Ort und in der momentanen Richtung während der Bewegung einleitbaren Antriebsreaktionskräfte in der Basis unmittelbar und bei unterdrückter Schwingungsanregung der Basis im Wesentlichen ausgleichen. Die kinematische Kette zur Erzeugung der Nutzbewegung wird unmittelbar, also auf einem möglichst kurzen Weg geschlossen. Dabei wird ein Kraftverlauf über z. B. auskragende, dynamisch weiche Elemente, der sich zu weit von dem Wirkort der Nutzbewegung entfernt, vermieden.
Die Basis ist dabei eine im Wesentlichen gegenüber dem äußeren Bezug unbewegliche Baugruppe, sie kann auch durch ein gegenüber weiteren unterlagerten Baugruppen bewegliches Element gebildet werden. Die Basis ist so ausgeführt, dass sie die Relativbewegung der beweglichen Elemente in der Weise zulässt, dass die Ableitung der Reaktionskräfte auf dem kürzesten Weg und damit unmittelbar erfolgt.
Günstig ist es, wenn die Basis in den Bewegungsrichtungen, welche mit den dominierenden Richtungen des Kraftflusses gleichzusetzen sind, möglichst steif ausgeführt ist. Eine Veränderung des Ortes und/oder der Richtung der Reaktionskrafteinleitung auf die Basis während der Bewegung, beispielsweise bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Koppelgetriebe, ist möglich.
Als vorteilhaft wird eine Vorrichtung angesehen, bei der die beweglichen Elemente für eine überwiegend lineare oder planare Bewegung ausgeführt sind. Ebenso vorteilhaft ist eine Vorrichtung, bei der die beweglichen Elemente für eine überwiegend rotative oder rotativ-translatorische oder rotativ-rotative Bewegung als zylindrische oder kugelartige, in den Bewegungsrichtungen steife Elemente oder Stabtragwerke ausgeführt sind. Die beweglichen Elemente sind in den Bewegungsrichtungen möglichst steif ausgeführt und dazu beispielsweise als plattenförmige bewegliche Elemente oder Stabtragwerke für eine überwiegend lineare oder planare Bewegung bzw. als zylindrische Elemente oder entsprechende Stabtragwerke für eine überwiegend rotatorische oder rotatorisch-translatorische Bewegung gestaltet. Die beweglichen Elemente weisen bevorzugt zusätzliche Gestaltungsmerkmale zur Verstärkung (z. B. Rippen, Stäbe oder Zuganker) in den Bewegungsrichtungen sowie anderen als den Bewegungsrichtungen auf.
Als vorteilhaft erwies sich auch, wenn die Verbindung der Basis zur unterlagerten Struktur eine Ruckentkopplung aufweist. Dies erfährt seine bevorzugte praktische Ausgestaltung vor allem mit der Entkopplung der unbeweglichen Basis vom Fundament. Hierzu ist die Basis durch geeignete Feder- und Dämpfermittel elastisch und dämpfend mit dem Untergrund oder einer oder mehreren unterlagerten Baugruppen verbunden. Die Verbindung der Basis zur unterlagerten Struktur kann auch durch eine Ruckentkopplung, bestehend aus einem zusätzlichen oder durch die Basis gebildeten Ruckentkopplungsschlitten und Feder- und Dämpfermittel, gebildet werden.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der Antrieb der beweglichen Elemente gegenüber der Basis im Wesentlichen im Massenschwerpunkt des jeweiligen beweglichen Elementes erfolgt. Als Antriebsanordnung kommt bevorzugt ein Parallelantrieb in Betracht. Weiterhin ist der Antrieb der beweglichen Elemente gegenüber der Basis durch mechanisch übersetzende Antriebssysteme (beispielsweise Kugelgewindeantrieb, Ritzel und Zahnstange, Zahnriemenantrieb, Differentialzahnriemenantrieb, Seil- oder Bowdenzüge) oder durch nicht mechanisch übersetzende Direktantriebe (beispielsweise Synchronlinearmotoren, Asynchronlinearmotoren, elektrodynamische Linearantriebe, auch als „Voice-Coil” bezeichnet, oder Linearschrittmotoren bzw. fluidische Antriebe, z. B. Hydraulik und Pneumatik) vorgesehen. Eine andere Kategorie der Ausführungsformen der Erfindung betrifft aus den zuletzt genannten Antriebsformen zusammengesetzte Planarantriebe (beispielsweise planarer Asynchronantrieb, planarer Synchronantrieb, Planarschrittmotor) oder entsprechenden Mehrkoordinatenantriebe, wie sie nach dem Stand der Technik beispielsweise zur Realisierung einer rotativ-translatorischen Bewegung zum Einsatz kommen. Der Angriff des Antriebs erfolgt im Wesentlichen, wie nach dem Stand der Technik bekannt in der vorliegenden Vorrichtung in den bevorzugten Ausführungsformen erforderlich, im oder in der Nähe des Massenschwerpunktes des jeweiligen beweglichen Elementes, wozu auch in einer alternativen Ausführungsform eine Mehrzahl von Antrieben der oben genannten Arten zwischen je einem beweglichem Element und der Basis zur Anwendung gebracht werden kann (Parallelantrieb).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens ein bewegliches Element mindestens eine zusätzliche Bewegungseinrichtung mit wenigstens einem weiteren beweglichen Element aufweist oder durch wenigstens ein in die kinematischen Kette eingebrachtes zusätzliches Stellelement wenigstens ein zusätzlicher oder/und redundanter Bewegungsfreiheitsgrad bereitgestellt wird. Hieraus resultieren zusätzliche Freiheitsgrade und Bewegungsrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch aufgesetzte (serielle) Achsen oder durch zusätzliche kleine Bewegungen, beispielsweise in den Anbindungen zur Führung. Die zusätzlichen Bewegungseinrichtungen sind in einer bevorzugten Ausführungsform als Verstelleinrichtungen mit kleinsten Verstellwegen (z. B. Piezo-Aktoren) ausgeführt. Diese erzeugen direkt oder über eine kinematische Transformation (Hebel) die Bewegung.
Vorteilhaft ist es auch, wenn Führungssysteme vorgesehen sind, welche den beweglichen Elementen die erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade zur Verfügung stellen, wobei die Führungssysteme ausschließlich zwischen den beweglichen Elementen und der Basis, zwischen den beweglichen Elementen und der Basis und gleichzeitig relativ zwischen mindestens zwei beweglichen Elementen oder zwischen den beweglichen Elementen und einem äußeren Bezugspunkt wirken und die Führungssysteme in den übrigen Koordinatenrichtungen im Wesentlichen unbeweglich sind. Es ist somit zu unterscheiden zwischen Relativführung (zwischen den Elementen einer Ebene) und Absolutführung (ebenenübergreifend zur Basis bzw. zum äußeren Bezug), die durch Führungssysteme realisiert werden. Die Führungssysteme stellen bevorzugt ein bis sechs Bewegungsfreiheitsgrade ausschließlich gegenüber der Basis, gegenüber der Basis sowie relativ zur Verfügung, wo demnach die beweglichen Elemente zueinander beweglich sind. In den weiteren, den überzähligen Koordinantenrichtungen sind sie im Wesentlichen unbeweglich gelagert, wobei die relative Steifigkeit zwischen den beweglichen Elementen durch das Regelungssystem erzeugt werden kann, sofern das Führungssystem in dem zugeordneten Freiheitsgrad keine oder eine nur unzureichende Steifigkeit realisiert und die Anordnung der Antriebe die Erzeugung einer Antriebskraft oder eines Antriebsmomentes in dieser Bewegungsrichtung zulässt und die Rückführung des aktuellen Bewegungszustandes in dieser Bewegungsrichtung über Messsysteme realisiert werden kann. Als zu beeinflussende Bewegungsarten kommen bevorzugt Translation, Rotation, planare Bewegung, planar-rotatorische Bewegung, translatorisch-rotatorische Bewegung in Betracht.
Besonders vorteilhaft ist wenigstens eine Messeinrichtung, die die Messung der aktuellen Position und/oder der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen und am Werkzeugbezugspunkt (TCP), ausschließlich jeweils zwischen einem beweglichen Element gegenüber der Basis, zwischen einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis unabhängigen Bezugspunkt und dem jeweiligen beweglichen Element und/oder sowohl zwischen beweglichen Elementen und Basis als auch relativ zwischen den beweglichen Elementen erfolgen kann. Bei der Messung ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen ist eine Einrichtung zur Rückführung der beweglichen Elemente in deren Nulllage gegenüber der Basis vorgesehen. Bei der Messung relativ zwischen den beweglichen Elementen ist eine Aufteilung des gemessenen Signals mit dem für die Aufteilung der Sollbewegung verwendeten Faktor vorgesehen. Der Faktor umfasst dabei auch geeignete Mittel, insbesondere geeignete physikalische Größen und Systemparameter, wie sie im Zuge der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach erwähnt sind.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn wenigstes eines der beweglichen Elemente und/oder die Basis wenigstens ein Mittel zur Aufnahme von einem Werkstück und/oder Werkzeug und/oder Mittel zur Ablenkung von Strahlung besitzt, wobei die erforderlichen Relativbewegungen zur Bearbeitung, Positionierung und Handhabung zwischen Werkzeug und Werkstück oder alternativ zur Ablenkung von Strahlung als Relativbewegung zwischen jeweils zwei oder mehreren beweglichen Elementen und/oder einem oder mehreren beweglichen Elementen und der Basis entstehen. Bevorzugt ist eine Vorrichtung mit in einer oder mehreren Bewegungsfreiheitsgraden wirksamem mechanisch übersetzendem Antrieb, beispielsweise Zahnstangenantrieb, Spindelantrieb oder Koppelgetriebe, nicht mechanisch übersetzendem Antrieb wie Lineardirektantrieb oder fluidischem Antrieb (Hydraulik, Pneumatik).
Dabei besitzen die beweglichen Elemente bevorzugt Spannvorrichtungen zur Aufnahme von Werkstücken bzw. Werkzeugen, bzw. Werkstücke und oder Werkzeuge sind der Basis zugeordnet, wobei die zur Bearbeitung, Positionierung, Handhabung usw. erforderlichen Relativbewegungen zwischen Werkzeugen und Werkstücken als Relativbewegung zwischen jeweils zwei oder mehreren beweglichen Elementen bzw. einem oder mehreren beweglichen Elementen und der Basis entstehen. Als Bearbeitungsverfahren sind bevorzugt abtragende Fertigungsverfahren (z. B. Spanende Formgebung) oder auftragende bzw. generative Fertigungsverfahren vorgesehen. Ebenso ist der Einsatz für Kameraführungen, beispielsweise zur Überwachung von Fertigungsprozessen, für Mikroverfahren wie in der Halbleiterfertigung vorgesehen. Hinzu kommt die Führung von energiereicher Strahlung, wie z. B. Laser, Elektronenstrahl. Die beweglichen Elemente besitzen Mittel zur Ablenkung hochenergetischer Strahlung (z. B. Laserstrahlung), welche derart angeordnet sind, dass durch eine Relativbewegung der beweglichen Elemente zueinander bzw. gegenüber dem Gestell eine definierte Ablenkung des hochenergetischen Strahls bewirkt wird. Der Strahl verbleibt bevorzugt während der Ablenkung in seiner ursprünglichen Lotrichtung, alternativ erfährt er eine Ablenkung aus der ursprünglichen Lotrichtung, und zusätzliche, den beweglichen Elementen und oder der Basis zugeordnete Mittel zur Fokussierung des Strahls und zur Bereitstellung weiterer Prozessfunktionalitäten (z. B. Schneidgaszufuhr) können verwendet werden.
Weiterhin sind Handhabungsgeräte, Fräser, Drehmeißel, Räumwerkzeuge, Stoßwerkzeuge, Schleifscheiben oder Schleifstifte, Kameraoptik, Wasserstrahl oder Sandstrahl, um nur einige Einsatzgebiete zu nennen, in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, speziell der bewegliche Elemente und der Basis, einsetzbar.
Ebenso ist ein Werkstückträgerkonzept vorgesehen, nach dem die beweglichen Elemente Mittel zur Aufnahme von Werkstücken bzw. Werkzeugen besitzen, bzw. Werkstücke und oder Werkzeuge der Basis zugeordnet sein können, wobei die beweglichen Elemente in der Bearbeitungseinrichtung mehrere Stationen anfahren können, um dort unterschiedliche Bearbeitungen, Messungen, Handhabungen oder ähnliche Aktionen durchzuführen, Werkstücke und oder Werkzeuge aufzunehmen bzw. auszuwechseln. Nicht in allen Stationen muss hierbei das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden.
Ein besonders vorteilhafter Praxiseinsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mit einem Bearbeitungsverfahren mit wenigstens einem dominierenden hochdynamisch zu bedienenden Bewegungsfreiheitsgrad realisierbar. Dies kann auf vielfältige Weise an Maschinen nach dem Stand der Technik oder entsprechend modifizierten Anlagen erfolgen. Insbesondere ist ein Einsatz bei einer Presse (Linearmotorpresse, Kurbelpresse, Spindelpresse), beim Flachschleifen, Hobeln oder Unrunddrehen und beim Öffnen und Schließen von geteilten Werkzeugen (beispielsweise Druck- oder Spritzgießen) vorgesehen. Weiter Einsatzfelder bestehen bei zwei oder mehr gleichberechtigten, hochdynamisch zu bedienenden Bewegungsfreiheitsgraden, wie sie bei spanenden Fertigungsverfahren (z. B. Fräsen), trennenden Fertigungsverfahren (z. B. Laserbearbeitung), generativen Fertigungsverfahren (z. B. Lasersintern) erforderlich sind.
Besonderes vielversprechend ist eine erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Ablenkung und/oder Modifikation von Strahlung mittels optischer Elemente in der Weise realisierbar ist, dass die Ablenkung und/oder Modifikation der Strahlung durch wenigstens zwei bewegliche Elemente oder auch im Zusammenspiel mit der Basis erfolgt. Die beweglichen Elemente bzw. die Basis sind hierzu mit optischen Elementen wie Spiegel, Linsen oder optische Gitter ausgestattet.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem gelöst durch ein regelungstechnisches Verfahren zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis beweglichen Elementen, wobei die Regelung der Bewegung der beweglichen Elemente durch getrennte, kaskadierte Lageregelkreise mit unterlagertem Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelkreis, unterlagertem Kraft-, Momenten-, Beschleunigungs- oder Stromregelkreis erfolgt. Von denen kommt bevorzugt je nach Aufbau des Antriebs eine Variante zum Einsatz. Jeder Regelkreis erhält die für das jeweilige bewegliche Element und die jeweilige Bewegungsrichtung gültigen, durch analytische Berechnungen oder Optimierungsrechnung ermittelten Werte wenigstens einer Führungsgröße. Die Regelung erhält dabei den ermittelten, zeitlichen Bewegungsverlauf und alternativ auch zusätzlich den Verlauf von Sollgeschwindigkeit, Sollbeschleunigung bzw. Sollstrom oder eine entsprechende physikalische Führungsgröße, zudem den Sollruck bzw. eine korrespondierende physikalische Führungsgröße als Sollvorgabe.
Es ist auch vorgesehen, das regelungstechnische Verfahren für andere bewegungserzeugende physikalische Größen anzuwenden, z. B. für Fluidantriebe wie Hydraulik- oder Pneumatikantriebe.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Lage- oder eine Lage- und Geschwindigkeitsregelung für jeweils zwei oder mehr bewegliche Elemente in einer den Elementen zugeordneten Bewegungsrichtung durch jeweils einen für alle beweglichen Elemente wirksamen, übergeordneten Lageregelkreis oder Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis erfolgt. Vorteilhaft ist die Aufteilung der Sollgeschwindigkeiten im übergeordneten Lageregelkreis entsprechend dem Massenverhältnis der beweglichen Elemente. Gleichfalls günstig ist die alternative Aufteilung der Sollströme im übergeordneten Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis entsprechend einem Antriebsfaktor, der sich aus den elektrischen Parametern der beteiligten Antriebssysteme der beweglichen Elemente ergibt, so dass im Wesentlichen gleiche Kraft-Zeit-Verläufe der beweglichen Elemente resultieren. Alternativ ist ein anderer Faktor aus einer physikalischen Größe Grundlage des Regelungsverfahrens.
Es ist dabei zwischen der Aufteilung der Sollgeschwindigkeit und der Aufteilung der Sollströme zu unterscheiden. Bei der Geschwindigkeit wird entsprechend dem Faktor zur Bewegungsaufteilung, bevorzugt dem Massenverhältnis, aufgeteilt, beim Strom wird im Wesentlichen ein Faktor +/–1 (bei zwei Elementen und gleicher Kraftkonstante) berücksichtigt. Als Faktor ist bevorzugt ein Antriebsfaktor vorgesehen, der sich aus den elektrischen Parametern der beteiligten Antriebssysteme der beweglichen Elemente ergibt. Beim Aufteilen des Stromes sind also in erster Linie die Parameter der beiden beteiligten Antriebssysteme relevant, so dass sich im Wesentlichen gleiche Kraft-Zeit-Verläufe ergeben.
Die Lage- oder Lage- und Geschwindigkeitsregelung erfolgt für jeweils zwei oder mehr bewegliche Elemente in einer den Elementen zugeordneten Bewegungs- bzw. Antriebsrichtung durch jeweils einen für beide Elemente wirksamen, übergeordneten Lage- oder Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis, während die Ansteuerung der Achsantriebe durch getrennte, unterlagerte Geschwindigkeits- und Beschleunigungs- bzw. Stromregelkreise (übergeordneter Lageregler) bzw. durch getrennte, unterlagerte Beschleunigungs- bzw. Stromregelkreise (übergeordneter Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis) erfolgt. Die Aufteilung der Sollgeschwindigkeiten (übergeordneter Lageregelkreis) bzw. der Sollströme (übergeordneter Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis) wird entsprechend einem analytisch oder anderweitig bestimmten Faktor (z. B. Massenverhältnis) vorgenommen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsverfahren werden anhand der Figuren dargestellt. Es zeigen:
1A: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
1B: eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen einachsigen Bewegungseinrichtung;
2A bis 2C: jeweils ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufteilung der Sollbewegung (Solltrajektorie) auf die beweglichen Elemente dargestellt;
3: eine Diagrammdarstellung eines für Werkzeugmaschinen und Handhabungseinrichtungen typischen Verlaufs der Antriebskraft und deren Angleichung;
4A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit elektromechanischem Spindelantrieb
4B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit elektromechanischem Spindelantrieb;
5A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad;
5B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad;
6A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und zwei weiteren ansteuerbaren Bewegungsfreiheitsgraden;
6B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und zwei weiteren ansteuerbaren Bewegungsfreiheitsgraden;
7A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer planaren Bewegung;
7B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer planaren Bewegung;
8A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer planaren Bewegung mit Parallelantrieb in einer Bewegungsrichtung;
8B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer planaren Bewegung mit Parallelantrieb in einer Bewegungsrichtung;
9A: eine perspektivische Darstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung;
9B: eine perspektivische Explosionsdarstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung;
10A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung;
10B: eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung;
11A: eine perspektivische Darstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung;
11B: eine perspektivische Explosionsdarstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung;
12A: eine perspektivische Darstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung;
12B: eine perspektivische Explosionsdarstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung;
13A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und jeweils einer seriell angeordneten Zusatzachse an jedem beweglichen Element;
13B: eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und jeweils einer seriell angeordneten Zusatzachse an jedem beweglichen Element;
14: eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer einachsigen erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung, welche über ein Relativführungssystem zwischen den beweglichen Elementen verfügt;
15: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und jeweils einer seriell angeordneten Zusatzachse an jedem beweglichen Element und Ausgleichsmassen;
16: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem eigenen kaskadierten Regelkreise für jedes bewegliche Element;
17: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem übergeordneten Lageregelkreis für beide beweglichen Elemente;
18: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem übergeordneten Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis für beide beweglichen Elemente;
19: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung eines trennenden bzw. umformenden Fertigungsverfahrens (Stanzen);
20: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung eines trennenden Fertigungsverfahrens (Flachschleifen);
21: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung eines trennenden Fertigungsverfahrens (Hobeln);
22: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Realisierung eines trennenden Fertigungsverfahrens (Unrunddrehen);
23A: eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Ablenkung eines hochenergetischen Strahls;
23B: eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung zur Ablenkung eines hochenergetischen Strahls;
24A: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem hydraulisch angetriebenen Koppelgetriebe (Kniehebel) in geschlossener Stellung;
24B: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem hydraulisch angetriebenen Koppelgetriebe (Kniehebel) in geöffneter Stellung;
25A: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem elektromechanisch angetriebenen Koppelgetriebe (Kniehebel) in geschlossener Stellung;
25B: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem elektromechanisch angetriebenen Koppelgetriebe (Kniehebel) in geöffneter Stellung;
26A: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem elektromechanischen Antrieb (Spindelantrieb) in geöffneter Stellung; und
26B: eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem elektromechanischen Antrieb (Spindelantrieb) in geschlossener Stellung.
1A zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der relativ zwischen Werkzeug (dieses ist beispielsweise dem ersten beweglichen Element 11 bzw. der Bewegungsachse AX₁ zugeordnet) und Werkstück (dieses ist beispielsweise dem zweiten beweglichen Element 12 bzw. der Bewegungsachse AX₂ zugeordnet) zu erzeugende Sollweg s_{soll_TCP_12} wird an die Bahnaufteilung BAT weitergeleitet und von den Antriebsregelgeräten ATR eine korrespondierende bewegungserzeugende physikalische Größe (beispielsweise ein Motorstrom i_soll bei elektrischen Direktantrieben) ermittelt und an die Antriebe der beteiligten Bewegungsachsen AX_i weitergegeben. In der Bahnaufteilung wird für zwei bewegliche Elemente 1 und 2 gemäß Gleichung 11:
die Dynamik der beweglichen Elemente 11, 12 festgelegt. Die Gleichung 11 und 1A beschränken sich dabei nicht auf die Relativbewegung zwischen ausschließlich zwei Elementen 11, 12. Außerdem können Relativbewegungen zwischen einer Mehrzahl von Elementen bzw. Bewegungsachsen AX₁ bis AX_i, beispielsweise wenn mehrere Werkzeuge gleichzeitig an einem Werkstück im Eingriff sind (so entsteht beispielsweise s_{TCP_2i}), oder Relativbewegungen zwischen einem oder mehreren Elementen gegenüber der Basis 10 (beispielsweise s_{TCP_Bj} zwischen A_Xj und der Basis 10) erzeugt und für den Prozess bzw. die Handhabung genutzt werden. Es gilt dann im Wesentlichen die Gleichung 12.
Erfindungsgemäß wird dabei die vollständige oder zumindest teilweise Auslöschung der Antriebsreaktionskräfte in der Basis 10 durch die kinematische Kopplung (also eine überlagerten Bewegung) mindestens zweier beweglicher Elemente 11, 12 erreicht. Der zur Bewegungsaufteilung verwendete mathematische Zusammenhang kann von Gleichung 11 bzw. Gleichung 12 abweichen. Es sind auch andere formale Zusammenhänge zur Bewegungsaufteilung vorstellbar, beispielsweise mittels Übertragungsfunktionen, durch iterative Optimierungsverfahren oder auf andere Weise.
Gleichung 12 (m bewegliche Elemente in positiver Bewegungsrichtung, n bewegliche Elemente in negativer Bewegungsrichtung):
Es können auch weitere bewegliche Elemente 11, 12 in das System eingebracht werden, die nicht in der kinematischen Kette liegen und lediglich dazu dienen die Kompensationsgüte zu steigern (beispielsweise AX_k). Die Bewegungsvorgaben für diese Elemente genügen dann weiterhin beispielsweise der Gleichung 12 bzw. den Gleichungen 4 oder können durch andere nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Verminderung der Strukturanregung erzeugt werden, beispielsweise durch Verfahren zur aktiven und adaptiven Schwingungsdämpfung.
1B zeigt eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen einfachen, einachsigen Bewegungseinrichtung mit Bewegung in X-Richtung. Die Einrichtung verfügt über ein Führungssystem 18 zur Führung der beweglichen Elemente 11, 12 gegenüber der Basis 10. Zur Abstraktion der Schwingungsfähigkeit der Basis 10 in sich wird diese elastisch und dämpfend (c_B, b_B) über ein Feder-Dämpfer-Element 9 an das Fundament 7 gekoppelt.
Als Antrieb ist beispielhaft ein elektrischer Lineardirektantrieb 15, bestehend aus dem im Beispiel an den beweglichen Elementen 11, 12 befestigten Primärteilen 13 (bevorzugt ein Spulensystem) und an der Basis 10 befestigten Sekundärteilen 14 (bevorzugt Permanentmagnete) vorgesehen. Auf die Abbildung der Steuerungs- und Regelungseinrichtungen sowie Messsysteme wurde im Sinne der Übersichtlichkeit hier verzichtet. Zudem wird die dominante Eigenfrequenz des elastischen Gestells durch die elastisch mit c_B und dämpfend mit b_B gegenüber dem Fundament 7 befestigte Masse m_B der Basis 10 abstrahiert. In realen Anordnungen treten immer eine Vielzahl von relevanten Eigenfrequenzen und zugehörigen Eigenschwingformen auf.
In 1B ist die Entstehung der Nutzbewegung beispielhaft als Relativbewegung zweier beweglicher Elemente 11, 12 (AX₁ und AX₂) abgebildet, weitere Elemente AX_i bis AX_k gemäß 1A wurden im Sinne der Übersichtlichkeit nicht abgebildet. Die Nutzbewegung x_TCP am Werkzeugbezugspunkt TCP ergibt sich als Differenz der Bewegungsgrößen (Weg s bzw. x, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a, Ruck r) der beweglichen Elemente 11, 12 AX₁ und AX₂. Dabei ist es unerheblich, ob die Bewegungen (x₁ bzw. x₂) der Elemente 11, 12 absolut, also gegenüber dem Fundament 7 (beispielsweise x_abs1 bzw. x_abs2), oder relativ gegenüber der Basis 10 (beispielsweise x_rel1, x_rel2) erfasst werden. Dementsprechend kann die Messung der Bewegungsgrößen absolut gegenüber dem Fundament 7, relativ gegenüber der Basis 10 oder relativ zwischen den beweglichen Elementen 11, 12 erfolgen. Die Messverfahren können auch sinnvoll miteinander kombiniert werden.
In 1B ist eine unvollständige Kompensation der dynamischen Antriebsreaktionskräfte (F_{B_1} und F_{B_2}) dargestellt. Es verbleibt eine geringe Restkraft F_{Rest_B}, welche die Basis 10 zu minimalen Schwingungen anregt. Die dargestellten beweglichen Elemente 11, 12 sollen, ebenso wie die Basis 10, in sich möglichst steif und leicht sein.
2A bis 2C zeigen jeweils ein Blockschaltbild 91, 92, 93 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Aufteilung der Sollbewegung (Solltrajektorie) auf die beweglichen Elemente.
In den 2A bis 2C ist beispielhaft für zwei bewegliche Elemente die Aufteilung der zu realisierenden Bewegungsgrößen und anderer Sollgrößen auf die elektrischen Direktantriebe dieser Elemente dargestellt. Stellvertretend für die Bewegungsgrößen wird der Sollweg s_soll verwendet. ST bezeichnet einen Solltrajektoriengenerator, BAT eine Bahnaufteilung, SP einen Speicher, ATR ein Antriebsregelgerät und AX eine Achse, die Bewegungsführung und Antrieb eines beweglichen Elementes 1 oder 2. Es kann sich aber gleichermaßen um die Ableitungen des Sollweges nach der Zeit (Geschwindigkeit v, Beschleunigung a und Ruck r) handeln sowie deren Entsprechungen für Drehbewegungen (Drehwinkel φ, Winkelgeschwindigkeit φ ., Winkelbeschleunigung φ .. und Winkelruck φ ...).
Ebenso können andere Sollgrößen, wie Sollströme i und Spannungen U, welche hier stellvertretend für die bewegungserzeugenden physikalischen Größen genannt seien, vorausberechnet werden. In 2A und 2B werden zunächst die Bewegungsgrößen im Solltrajektoriengenerator ST erzeugt. Dieser kann Bestandteil der übergeordneten Steuereinrichtung (beispielsweise einer CNC-Steuerung) sein. In 2A wird die Solltrajektorie erzeugt, gegebenenfalls zwischengespeichert (Zwischenspeicher nicht dargestellt) und direkt in der Bahnaufteilung BAT in die Solltrajektorien der Achsen AX₁(s_soll1) und AX₂(s_soll1) aufgeteilt und in einem Speicher SP₁ bzw. SP₂ abgelegt. Die Erzeugung der Solltrajektorien der einzelnen Achsen erfolgt also vor der Ausführung der Bewegung. Zur Laufzeit wird entsprechend einer zeit- oder wegdiskreten Taktung (in 2a bis 2C sind die zeitdiskrete Taktung mit dem Zeitschritt t_i dargestellt) die jeweilige Sollgröße (s_soll1(t_i), s_soll2(t_i)) für den aktuellen Schritt aus dem Speicher an die Antriebsregelgeräte ATR₁ bzw. ATR₂ weitergegeben. Diese erzeugen ihrerseits beispielsweise einen Sollstrom (i_soll1(t_i) bzw. i_soll2(t_i)) welcher über den Antrieb die mechanische Bewegung der Achsen AX₁ bzw. AX₂ bewirkt. Entsprechend dem Stand der Technik können dazu lagegeregelte Achsantriebe verwendet werden.
Auf die Darstellung der Rückführung der Messsignale wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Je nach Antriebsprinzip können auch andere physikalische Größen als der Strom als Ausgangsgrößen der Anriebsregelgeräte auftreten.
In 2B erfolgt die Bewegungsaufteilung während der Ausführung der Bewegung mit dem Takt t_i. Hierzu kann die Solltrajektorie aus dem Generator ST vorab in einem Speicher SP abgelegt worden sein. Die Bewegungsaufteilung BAT ruft die aktuelle Sollbewegungsgröße s_soll(t_i) aus dem Speicher ab und teilt sie in die Sollbewegungsgrößen der Antriebsregelgeräte ATR₁ und ATR₂ (s_soll1(t_i), s_soll2(t_i)) auf, welche daraus wiederum Sollströme i_soll1(t_i) bzw. i_soll2(t_i) generieren die in den Achsantrieben eine Antriebskraft bzw. ein Antriebsmoment hervorrufen und damit die Achsen AX₁ bzw. AX₂ in Bewegung versetzen. In 2C wird ein möglicher Zwischenschritt der Optimierung OPT der Sollbewegung s_soll eingeführt, welcher zur weiteren Verbesserung der Bewegungsqualität beiträgt. Die Optimierung ist unabhängig vom Verfahren der Bewegungsaufteilung (vor oder während der Bewegung) und kann auf verschiedenen Verfahren basieren.
In 2A, 2B und 2C wird auch die Anpassung der Faktoren für die Bewegungsaufteilung dargestellt. Beispielsweise wird der Massenfaktor K_m bzw. K_m(t_i) während der Bewegung an veränderliche Bedingungen (z. B. Verringerung einer an der Bewegungserzeugung beteiligten Masse in Folge eines abtragenden Bearbeitungsprozesses) angepasst. Diese Anpassung kann wiederum vor oder während der Bewegungsausführung erfolgen. Es können dabei auch weitere Kenngrößen der Regelung (z. B. Verstärkungsfaktoren, Filterparameter, usw.) angepasst werden. Mit der zeitaktuellen Anpassung der Parameter ändert sich Gleichung 11 entsprechend, so dass Gleichung 13 entsteht:
Für Werkzeugmaschinen und ähnliche Bewegungseinrichtungen werden in der Regel ruck- und beschleunigungsbegrenzte Bewegungsprofile, wie beispielsweise das bekannte 7-Segment-Profil, verwendet. Auch andere in der Dynamik begrenzte Bewegungsprofile können als Bewegungsvorgabe für die Bewegung am TCP oder der einzelnen relativ gegenüber der Basis bewegten Elemente verwendet werden. Als Beispiel seien sinusförmige Geschwindigkeitsprofile, wie sie häufig bei Positionieranwendungen zum Einsatz kommen, genannt. Auch andere Methoden zur Dynamikbegrenzung wie beispielsweise eine Tiefpassfilterung oder das Ausblenden bestimmter Frequenzbereiche in der Bewegungsvorgabe beispielsweise mit Hilfe einer schnellen Fouriertransformation (FFT) oder einer Bandpassfilterung sind zulässig.
3 zeigt eine Diagrammdarstellung eines für Werkzeugmaschinen und Handhabungseinrichtungen typischen Verlaufs der Beschleunigung mit der dazu korrespondierenden Antriebskraft und deren Angleichung. Die voneinander beispielsweise in Folge unterschiedlicher Motorkraftkonstanten oder abweichender Reibverhältnisse abweichenden Kraftverläufe (durchgezogene und gestrichelte Linie) werden einander durch die erfindungsgemäße Kopplung der entsprechenden Regelkreise (beispielsweise Stromregelkreise) angeglichen. Auf diese Weise kann die Kompensationsgüte der Kraftkompensation weiter erhöht werden, wobei natürlich die kinematischen Zwangsbedingungen einzuhalten sind.
Im Folgenden werden die grundlegenden Prinzipien der Kraftleitung in der Basis bzw. den beweglichen Elementen dargestellt. In der einfachsten Ausführung wird der Kraftschluss in einer stabförmigen Basis erreicht. Die Antriebsreaktionskräfte werden dann überwiegend als Zug- und Druckkräfte F weitergeleitet. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung dass stabförmige Bauteile mit hinreichend großem Querschnitt eine hohe Zug- und Drucksteifigkeit aufweisen. Zudem erfahren stabförmige Bauteile unter ideal zentrischer Belastung im Schwerpunkt ausschließlich eine Längenänderung in ihrer Achsrichtung.
Ebenfalls vorteilhaft ist die Kraftleitung als Schubkraft F, beispielsweise in einer Platte oder in einem kompakten Körper. Der Körper erfährt jeweils eine Deformation entsprechend einem Parallelogramm. Wie bei der Kraftleitung als Zug-/Druckkraft F können auch bei verteiltem Lastangriff und Kraftleitung über Querkraftschub hohe Steifigkeiten erreicht werden.
Bei Drehbewegungen ist eine Kraftleitung F als Torsionsmoment (Torsionsschubspannung) vorteilhaft. Es erfolgt lediglich eine Verdrehung der Enden des Körpers gegeneinander sofern das resultierende Torsionsmoment im Schwerpunkt des Querschnitts angreift. Allgemein können kompakte Querschnitte bzw. geschlossene kreisförmige Querschnitte eine hohe Steifigkeit gegenüber Schubkräften bzw. Torsionsmomenten realisieren. Zudem erfolgt die Deformation im Wesentlichen in Richtung der angreifenden Last. Eine Kraftleitung als Torsionsschubspannung ist auch in gekrümmten Bauteilen (beispielsweise Kugelschalen) möglich.
Als ungünstig wird ein Kraftschluss F angesehen, der Biegemomente hervorruft. Während der Kraftschluss im Wesentlichen durch Zugkräfte realisiert wird, entsteht in Folge des Kraftangriffs außerhalb der neutralen Faser ein Biegemoment. Dieses führt zur Deformation der Basis (Biegebalken) außerhalb der Richtung der Kraftwirkung und damit normal zur Bewegungsrichtung. Noch ungünstiger ist die Kraftableitung über geknickte Biegebalken. In Folge der größeren Hebelabstände entstehen hier signifikante Biegemomente, welche dominierend zur Schwingungsanregung der Struktur beitragen.
Alternativ zu einem mechanisch zwangläufigen Spindelantrieb für jeweils zwei bewegliche Elemente können auch getrennte Spindelantriebe für die beweglichen Elemente verwendet werden. Eine entsprechende Bewegungseinrichtung 149, beispielsweise eine Servospindelpresse, ist in 4A dargestellt. 4B zeigt die Explosionsdarstellung zu 4A. Durch die Anordnung von jeweils drei mittels Elektromotor 154 angetriebenen Spindelantrieben 153 rotierende Spindel, nicht rotierende Spindelmutter, können die beweglichen Elemente neben der Zustellbewegung in X-Richtung auch in gewissen Grenzen um die Y- und Z-Achse gekippt werden. Dazu muss das Führungssystem 158 eine Bewegung in diesen Freiheitsgraden zulassen. Die beweglichen Elemente 151 und 152 tragen die Umformwerkzeuge – bspw. Stempel 140 und Matrize 141. Im vorliegenden Beispiel wird die Basis durch zwei mittels Zugankern verspannte Platten gebildet, wodurch ein unmittelbarer Kraftschluss zwischen den Antrieben erreicht wird. Das vorgestellte Maschinenkonzept bietet die mit der erfindungsgemäßen Ausführung einhergehenden Vorteile hinsichtlich erreichbarer Dynamik, möglicher Energieeinsparung und der weitgehenden Kompensation der dynamischen- und Prozesslasten. Darüber hinaus ist ein modulares Maschinenkonzept geschaffen, wobei die Basis (beispielsweise durch den Einsatz kürzerer oder längerer Zuganker) an andere Prozesse und Werkzeugabmessungen angepasst werden kann. Auch ein Austausch der Antriebssysteme ist einfach realisierbar. Vorteilhaft ist die in 4A und 4B dargestellte Ausführung insbesondere in einer horizontalen Anordnung wodurch ein Gewichtsausgleich vollständig entfällt.
Neben der in 4A bzw. 4B dargestellten Ausführungsvariante können derartige Bewegungssysteme auch in anderen Anordnungen der Antriebe aufgebaut werden. So können die beweglichen Elemente 151, 152 auch fluchtend hintereinander angeordnet sein (die Spitzen der dreieckigen beweglichen Elemente zeigen dann in die gleiche Richtung). Der Antrieb ist auch mit angetriebenen Spindelmuttern möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einem Antrieb mit angetriebenen Spindelmuttern jeweils eine durchgehende in der Basis verankerte Spindel für den Antrieb mehrerer beweglicher Elemente genutzt wird. Die nicht rotierende Spindel bildet dann einen Teil der Basis. Die von den angetriebenen Spindelmuttern in die nicht rotierende Spindel eingeleiteten Kräfte schließen sich in dieser auf kürzestem Wege als reine Zug- und Druckkräfte. Eine derartige Ausführung erreicht damit bei geringem Aufwand für die Gestellbauteile eine maximale Steifigkeit und einen unmittelbaren Kraftschluss in der Basis.
5A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad X, einer dominierenden Bewegungsrichtung. 5B zeigt hierzu eine perspektivische Explosionsdarstellung. Die Basis 10 der Bewegungseinrichtung 1 ruht auf einem Untergestell 8, welches mit dem Fundament 7 verbunden ist. Im vorliegenden Beispiel erfolgt der Antrieb der plattenförmigen beweglichen Elemente 11, 12 mittels eisenloser elektrischer Lineardirektantriebe 15, bevorzugt als permanentmagneterregte Synchronmotoren ausgeführt. Diese bestehen jeweils aus einem Primärteil 13 (hier beispielhaft vergossene Motorwicklungen) und einem Sekundärteil 14 (z. B. Magnete und Eisenrückschluss). In 5A und 5B sind die Sekundärteile 14 gestückelt ausgeführt.
Die Bewegungseinrichtung 1 verfügt über ein Führungssystem 18, bevorzugt in Form von Profilschienenwälzführungen, bestehend aus Führungswagen 17 und Führungsschienen 16. Auf die Darstellung im Ausführungsbeispiel vorhandener Steuerungs- und Regelungseinrichtungen sowie Messsysteme zur Lage-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von mechanisch nicht übersetzenden Antrieben (elektrische Lineardirektantriebe) ausgegangen. Prinzipiell kann das Verfahren auf jede Art von Antriebssystem sowohl für translatorische, rotatorische oder kombinierte Bewegungen angewendet werden. Beispielhaft seien für die mechanisch übersetzenden Antriebssysteme Kugelgewindetriebe, Zahnstangenantriebe, Reibradantriebe, Riemenantriebe bzw. Differentialzahnriemenantriebe und Seilzugantriebe genannt. Auch pneumatische oder hydraulische Antriebe können zum Einsatz kommen. Als Beispiel für elektrische Antriebssysteme seien Synchron- bzw. Asynchron-Linearmotoren genannt, lineare bzw. rotatorische Schrittmotoren und elektrodynamische Antriebe (auch als „Voice Coil” bezeichnet) aufgeführt. Die Antriebe können dabei in einem oder mehreren Bewegungsfreiheitsgraden wirksam sein. Solche Mehrkoordinatenantriebe können beispielsweise als elektrische Asynchronmotoren für eine planare Bewegungserzeugung realisiert werden. Auch planare Schrittmotoren sind bekannt.
In 5A erfolgt der Kraftschluss im Wesentlichen als Zug-/Druckkraft über die Sekundärteile 14, welche alternativ auch aus einem Stück gefertigt sein können. Der Angriff der Antriebskraft an den beweglichen Elementen 11, 12 erfolgt im Beispiel in der Ebene des Schwerpunktes des jeweiligen Elementes 11, 12, wodurch vorteilhafterweise die Entstehung von Kippmomenten vermindert wird. Die beweglichen Elemente 11, 12 sind in 5A und 5B als plattenförmige Elemente dargestellt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit in Bewegungsrichtung, hier X, aus. Es wären aber auch andere Ausführungen denkbar, beispielsweise Stabtragwerke oder kompakte bewegliche Elemente. Darüber hinaus können die beweglichen Elemente auch über Gestaltungsmerkmale zur Steigerung ihrer Steifigkeit – wie beispielsweise Verstrebungen, Verrippungen, Zuganker oder ähnliches – verfügen.
Neben erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtungen mit je einem Antrieb pro beweglichem Element können auch Einrichtungen mit einer Mehrzahl von Antrieben an jedem beweglichen Element realisiert werden. Die in 5A und 5B dargestellte Bewegungseinrichtung 1 verfügt beispielhaft über eine parallele Anordnung von jeweils zwei Lineardirektantrieben 15 an jedem beweglichen Element 11, 12. Durch differentielle Ansteuerung ist es damit möglich einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad – die Drehung des Schlittens um die Hochachse φ_Z – in gewissen Grenzen zu ermöglichen und gezielt anzusteuern. Dazu müssen die Führungen eine hinreichende Nachgiebigkeit für diesen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad aufweisen. Hierzu können beispielsweise Festkörpergelenke als Gelenke dienen (nicht dargestellt). Derartige zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade können besonders vorteilhaft für die Korrektur von Bewegungsfehlern, wie sie beispielsweise in Folge thermischer Dehnung oder Biegung entstehen, genutzt werden.
6A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad X und zwei weiteren ansteuerbaren Bewegungsfreiheitsgraden φ_y, φ_z. Es sind jeweils drei Lineardirektantriebe 15, 15', 15'' an jedem beweglichen Element 11, 12 dargestellt.
6B zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad X und zwei weiteren ansteuerbaren Bewegungsfreiheitsgraden φ_y, φ_z. In der Explosionsdarstellung sind Gelenke 19, beispielsweise Festkörpergelenke, sichtbar, welche es den beweglichen Elementen 11, 12 erlauben sich in zwei weiteren Freiheitsgraden φ_y, φ_z definiert zu bewegen. Dies sind die Rotation um die Hochachse Z und die Rotation um die Querachse Y. Bei hinreichender Nachgiebigkeit der Gelenke 19 wird die Steifigkeit in den zusätzlichen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden φ_y, φ_z nur durch die Regelung begrenzt. Voraussetzung ist die Messung der Verdrehung in den zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgraden φ_y, φ_z, welche auch aus den Messsignalen mehrerer (im Beispiel vorzugsweise dreier jeweils an den Lineardirektantrieben 15, 15', 15'' angeordneter) Linearmesssysteme abgeleitet werden kann. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die durch den Parallelantrieb ansteuerbaren zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade ist möglich.
Die erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung 1 kann auch für mehr als einen dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad realisiert werden. Die Figuren 7 bis 12 zeigen einige Beispiele solcher Bewegungseinrichtungen mit mehr als einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad.
7A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 2 zur Realisierung einer planaren Bewegung, 7B zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung hierzu. Die Bewegungseinrichtung 2 besteht im Wesentlichen aus der Basis 20, der gegenüber zwei plattenförmige bewegliche Elemente 21, 22 angeordnet sind. Als Führungssystem 28 dienen kreuzförmig angeordnete Profilschienenwälzführungen, bestehend aus Führungsschienen 26 und Führungswagen 27. An der Basis 20 sind die Sekundärteile 24 des Linearmotors (Magnete segmentiert dargestellt) als Lineardirektantrieb 25 angebracht, wobei jedem beweglichen Element 21, 22 zwei Sekundärteile 24 (entsprechend den beiden Teilbewegungsrichtungen über und unter der Basis 20) zugeordnet sind. Die Sekundärteile 24 sind breiter als die an den beweglichen Elementen 21, 22 befestigten Primärteile 23 des Lineardirektantriebs 25. Dadurch bleiben gleiche magnetische Verhältnisse auch bei einer Verschiebung des jeweiligen Primärteils 23 quer zu seiner Vorschubrichtung erhalten. Als Beispiel für eine Bearbeitung ist eine in Z-Richtung beweglich gelagerte Frässpindel 45, alternativ auch Schleifspindel, am oberen, dem zweiten beweglichen Element 22, sowie ein Werkstück 29 mit angedeuteter Bearbeitungskontur am unteren, dem ersten beweglichen Element 21, angeordnet.
Der Antrieb der beweglichen Elemente 21, 22 erfolgt im Wesentlichen in den beiden Wirklinien, die sich im resultierenden Massenschwerpunkt des jeweiligen Elementes 21, 22 schneiden. Dadurch wird die Anregung von dynamischen Kippmomenten durch die Lineardirektantriebe 25 vermieden. Die Nutzbewegung ergibt sich als Summe der Relativbewegungen der beiden Elemente 21, 22 gegenüber der Basis 20. Über die Basis 20 wird der Kraftschluss durch eine Kraftübertragung als Querkraftschub realisiert. Ein Messsystem ist im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Das Messsystem ist bei einer bevorzugten Ausführungsform in den als Profilschienenwälzführungen ausgeführten Führungssystemen 28 integriert. Bei der vorliegenden Anordnung wird die Steifigkeit in den Bewegungsrichtungen nur durch die Antriebe und deren Regelung bestimmt. Die Führungssysteme 28 verhindern im Beispiel die Verdrehung um die Hochachse Z und definieren die Lage der beweglichen Elemente 21, 22 in Z-Richtung.
8A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 3 zur Realisierung einer planaren Bewegung mit Parallelantrieb in einer Bewegungsrichtung und eine Basis 30. Die Komponenten entsprechen im Wesentlichen denen aus 7. Die vorliegende Bewegungseinrichtung verfügt jedoch über einen Parallelantrieb in der X- bzw. Y-Achse, da für jedes bewegliche Element 31, 32 jeweils zwei Primärteile 33, 33' und zwei Sekundärteile 34, 34' zum Einsatz kommen, so dass für jede Bewegungsrichtung an jedem beweglichen Element 31, 32 ein Lineardirektantrieb 35, 35' zur Verfügung steht. Dadurch kann bei variabler Lage des Massenschwerpunktes (beispielsweise unterschiedliche Anordnung der Werkstücke 39 gegenüber der Frässpindel 45) die resultierende Antriebskraft immer in der Flucht des Schwerpunktes gehalten werden. Weiterhin ermöglicht es ein derartiger Parallelantrieb einen weiteren Freiheitsgrad, beispielsweise die Drehung (φ_Z) um die Hochachse Z, anzusteuern. Die in 8 dargestellten Führungswagen 37 müssten hierzu in Zusammenwirken mit den Führungsschienen 36 als Führungssystem 38 eine Verdrehung um ihre Hochachse Z zulassen. Alternativ wäre die Anordnung mit einer hydrostatischen Führung, einer magnetisch vorgespannten Luftlagerung oder einem ähnlichen, nur in Z-Richtung wirksamen Führungssystem 38 denkbar. In Verbindung mit einem berührungslosen, zweidimensionalen Messsystem kann die Einrichtung dann auch den Drehfreiheitsgrad φ_Z um die Hochachse Z in einem begrenzten Bereich ansteuern.
8B zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 3 zur Realisierung einer planaren Bewegung mit Parallelantrieb in einer Bewegungsrichtung.
9A zeigt eine perspektivische Darstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 4 zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung und 9B eine perspektivische Explosionsdarstellung hierzu. Auf die Abbildung von Antriebs- und Führungselementen sowie Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen wurde im Sinne der Übersichtlichkeit verzichtet. Hierzu sind die nach dem Stand der Technik bekannten Systeme adaptierbar.
Als Basis 40 dient im Beispiel ein Hohlzylinder. In diesem bewegen sich zwei zylindrische bewegliche Elemente 41, 42 jeweils in einem rotatorischen und einem translatorischen Freiheitsgrad φ_Z, Z. Eine Frässpindel 45 am oberen beweglichen Element 42 bzw. ein Werkstückspanntisch 43 mit Nuten am unteren beweglichen Element 41 verdeutlichen das Entstehen der Relativbewegung am TCP. Im Beispiel sind Frässpindel 45 und Werkstücktisch 43 jeweils einer zusätzlichen seriellen Bewegungsachse X-Y zugeordnet. Bei einer rotatorischen Bewegung φ_Z erfolgt die erfindungsgemäße Überlagerung der Relativbewegungen zur Nutzbewegung am TCP, während die entgegengesetzt auf die Basis wirkenden Antriebsmomente (Torsionsmomente) als Torsionsschubspannung in die Basis 40 geleitet werden und sich aufheben. Bei einer Bewegung der beweglichen Elemente 41, 42 in Z-Richtung werden die entgegengesetzt wirkenden Antriebskräfte ebenfalls in die Basis 40 eingeleitet und als Zug-/Druckkräfte weitergeleitet bis sie sich aufheben. Die Bewegung in Z-Richtung addiert sich somit ebenfalls.
10A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 5 zur Realisierung einer rotatorisch-translatorischen Bewegung, 10B zeigt hierzu eine perspektivische Explosionsdarstellung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Basis 50 durch ein zylindrisches Bauteil gebildet, die beweglichen Elemente 51, 52 entsprechen zylinderförmigen Bauteilen mit einer Bohrung. Das erste bewegliche Element 51 weist einen Werkstückspanntisch, das zweite bewegliche Element 52 eine Frässpindel 45 auf. Entsprechend der Bewegungseinrichtung 4 aus 9 erfolgen der Momenten- bzw. Kraftschluss und die Überlagerung der Relativbewegungen zur Nutzbewegung.
11A zeigt eine perspektivische Prinzipdarstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 6 zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung, 11B zeigt die entsprechende Explosionsdarstellung. Auf die Abbildung von Antriebs- und Führungselementen sowie Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen wurde auch hier im Sinne der Übersichtlichkeit verzichtet. Hierzu sind ebenfalls die nach dem Stand der Technik bekannten Systeme adaptierbar.
Als Basis 60 dient im Beispiel eine Kugelschale (vereinfacht ohne Trennung dargestellt). In dem einer Kugel entsprechenden und von der Kugelschale umschlossenen Volumen bewegen sich die beiden beweglichen Elemente 61, 62. Diese entsprechen jeweils einem Kugelsegment. Die Bewegungen der beweglichen Elemente 61, 62 addieren sich wiederum in Folge der erfindungsgemäßen Anordnung am (virtuellen, nicht dargestellten) Werkzeugbezugspunkt TCP zur Nutzbewegung. Dabei werden die entstehenden Antriebsmomente an der Innenseite in die Kugelschale (Basis 60) eingeleitet, im Wesentlichen als Torsionsschubspannung weitergeleitet und heben sich schließlich gegenseitig auf. Zur Verdeutlichung der Überlagerung der Relativbewegungen am TCP sind wiederum eine Frässpindel 45 bzw. ein Werkstücktisch 63 dargestellt. Die Frässpindel 45 realisiert einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad mittels einer seriell angeordneten Bewegungsachse, deren Richtung im definierten Koordinatensystem von der Stellung des zweiten beweglichen Elements 62 abhängt.
12A zeigt eine perspektivische Darstellung mit verdeckten Kanten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 6' zur Realisierung einer rotatorisch-rotatorischen Bewegung, 12B die zugehörige Explosionsdarstellung. Im Beispiel wird die Basis 60' ebenfalls durch eine Kugelschale gebildet.
Das innere, werkzeugtragende bewegliche Element 62' mit der Frässpindel 45 entspricht einem Kugelsegment. Die darin geführte Frässpindel 45 hat einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad, in der dargestellten Position etwa Z. Das äußere bewegliche Element 61' entspricht im Beispiel einer Kugelschale. Es trägt wie in den vorhergehenden Beispielen einen Werkstücktisch 63. Wie zuvor erläutert erfolgt die Überlagerung der Bewegungen am TCP und die Einleitung und Auslöschung der Antriebsreaktionskräfte bzw. -momente in der Basis 60'. Abweichend von dem in 11 abgebildeten Beispiel werden die Antriebsreaktionen jeweils an der Innenseite bzw. an der Außenseite der die Basis 60' bildenden Kugelschale eingeleitet.
13A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 mit einer Basis 10 und einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad und jeweils einer seriell angeordneten Zusatzachse an jedem beweglichen Element 11, 12 mit einer Explosionsdarstellung in 13B zum besseren Verständnis. Dabei ist die in 5 eingeführte erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung 1 mit einem dominierenden Freiheitsgrad X dargestellt. Die Komponenten entsprechen wiederum denen aus 5.
Zusätzlich verfügt die in 13 dargestellte Bewegungseinrichtung 1 über jeweils eine zusätzliche translatorische Bewegungsachse in Y- und Z-Richtung. Diese beiden Bewegungsachsen sind im Beispiel mittels Führungssystemen 76, 76', bevorzugt Profilschienenwälzführungen, bestehend aus Führungswagen 75, 75' und Führungsschienen 74, 74', geführt und werden durch einen Kugelgewindetrieb 71, 71' angetrieben. Die Antriebsmotoren der Gewindetriebe sowie Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen sind im Interesse der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die zusätzlichen Bewegungsachsen Y und Z erfüllen zwar nicht die Anforderungen an eine hohe Dynamik, eignen sich aber als Zustellachsen oder für die Realisierung von Bewegungen mit geringerer Dynamik. Die dominierend einachsige Bewegungseinrichtung X aus 5 wird durch die Zusatzachsen Y', Z' zu einer vollwertigen dreiachsigen Bewegungseinrichtung. Dabei realisiert die Hauptachse X die für den Prozess notwendige hochdynamische Bewegung, während die beiden Zusatzachsen Y', Z' Zustellbewegungen mit geringer Dynamik und ohne die Anforderung an eine Kraftkompensation ausführen. Entsprechend dem Stand der Technik sind auch andere Antriebssysteme für die Zusatzachsen X', Y' vorgesehen.
Als Alternative zu seriell an der erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung angeordneten Zusatzachsen sind auch Bewegungsachsen mit begrenztem Stellweg, beispielsweise Piezoaktoren oder Magnetlager mit einstellbarem Luftspalt, zur Realisierung zusätzlicher Bewegungsfreiheitsgrade vorgesehen. Als Beispiel sei auf die in 6B sichtbaren Festkörpergelenke verwiesen. Werden diese beispielsweise durch in Z-Richtung wirksame Piezoaktoren ersetzt, ergeben sich mit der Rotation der beweglichen Elemente um die X- und die Y-Achse zwei zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade φ_X, φ_Y.
14 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer einachsigen erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1', welche über eine Relativführung 77 zwischen den beweglichen Elementen 11, 12 verfügt. Dabei wird die aus 1B bekannte erfindungsgemäße Bewegungseinrichtung X aufgegriffen und modifiziert. Der Antrieb der beweglichen Elemente 11, 12 erfolgt bevorzugt ebenfalls durch elektrische Lineardirektantriebe 15.
Abweichend von 1B wird die Führung des zweiten beweglichen Elementes 12' ausschließlich als Relativführung 77 gegenüber dem ersten beweglichen Element 11' realisiert. Eine derartige Anordnung kann vorteilhaft für den Kraftfluss zwischen den beweglichen Elementen 11', 12' sein, da weniger Führungselemente benötigt werden. Zudem kann die Absolutführung 78 gegenüber der Basis 10 so gestaltet werden, dass sie unerwünschte Momentenwirkungen bzw. Kippschwingungen nicht an bzw. in die beweglichen Elemente 11', 12' überträgt. Sollte in einer solchen Anordnung die Basis 10 schwingen, würde sich diese Schwingung kaum auf die beweglichen Elemente 11', 12', welche mittels einer Relativführung 77 sehr steif gegeneinander geführt werden, übertragen. Damit kann die Bewegungsqualität in der erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1' nochmals gesteigert werden. Prinzipiell können Relativ- und Absolutführungssysteme 77, 78 beliebig kombiniert werden. Jedoch muss mindestens eines der beweglichen Elemente 11', 12' über eine Absolutführung 78 gegenüber der Basis 10 oder einem äußeren Bezug (nicht dargestellt) verfügen.
Für die Anordnung der Messsysteme 79, 80, 82 zur Bewegungserfassung bieten sich die gleichen Möglichkeiten wie für die Gestaltung und Anordnung von Führungssystemen. So wird im einfachsten Falle die Messwerterfassung relativ gegenüber der Basis 10 durch ein Messsystem 80 realisiert. Dabei können allerdings die Schwingungen der Basis 10 in sich bzw. gegenüber dem äußeren Bezug 81, bevorzugt ein Fundament 7, in den Regelkreis eingekoppelt werden, was die Bewegungsgenauigkeit mindern kann.
Als Alternative besteht die Möglichkeit gegenüber dem äußeren Bezug 81 zu messen, was jedoch in der Regel mit erhöhtem Aufwand für das Messsystem 82 verbunden ist. Entsprechend der zuvor beschriebenen Relativführung 77 bietet sich die Messwerterfassung zwischen den beweglichen Elementen 11', 12' an. Dabei wird die relevante Bewegungsgröße direkt erfasst und kaum parasitäre Schwingungen in den Regelkreis eingekoppelt. Um den Bezug zur Position auf der Basis 10 zu erhalten bleibt jedoch mindestens ein Messsystem 80, 82 gegenüber der Basis 10 bzw. dem äußeren Bezug 81 erforderlich. Bei ausschließlicher Messwerterfassung zwischen den beweglichen Elementen 11', 12' würden diese sonst in Folge des niemals exakt erfüllten Kräftegleichgewichts unweigerlich zu einer Endposition auf der Basis 10 driften. Im Sinne der Verbesserung der Bewegungsqualität ist auch eine Kombination verschiedener Messsysteme möglich. Die zu 14 für einen Bewegungsfreiheitsgrad erläuterten Zusammenhänge sind prinzipiell auch auf eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einer Mehrzahl von Bewegungsfreiheitsgraden bzw. verschiedenste Messprinzipien übertragbar.
15 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1'' mit einem dominierenden Bewegungsfreiheitsgrad X und jeweils einer seriell angeordneten Zusatzachse an jedem beweglichen Element 11'', 12'' sowie zusätzlichen Ausgleichsmassen. Es handelt sich um die in 5 eingeführte und in 13 um bevorzugt zwei translatorische Zusatzachsen Y', Z' erweiterte Bewegungseinrichtung 1, die hier erneut aufgegriffen und um Mittel zur Kompensation der durch die Zusatzachsen Y', Z' eingeleiteten Antriebsreaktionskräfte erweitert wird.
Dazu werden zwei symmetrisch um den Kugelgewindetrieb 71 angeordnete Ausgleichsmassen 83 eingesetzt. Der Antrieb (nicht dargestellt) der Ausgleichsmassen 83 kann beispielsweise durch elektrische Direktantriebe, mechanisch übersetzende Antriebe oder andere nach dem Stand der Technik bekannte Antriebssysteme realisiert werden. Mittels bekannter Verfahren wie Kraftkompensation oder Impulskompensation können die durch die Zusatzachse in das jeweilige bewegliche Element eingeleiteten Antriebsreaktionskräfte ausgeglichen bzw. minimiert werden. Entsprechend dem bekannten Stand der Technik können dazu auch andere Verfahren, wie die Ruckentkopplung der Zusatzachsen eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 wird die Kraftkompensation in Verbindung mit der kinematischen Kopplung der Relativbewegung gegenüber dem jeweils unterlagerten beweglichen Element 11, 12 angewandt. Zur Erläuterung wird auf 8 verwiesen. Als Erweiterung zu der beispielhaft in 8 dargestellten Ausführung soll das Werkstück ebenfalls in Z-Richtung beweglich gelagert und mit einem eigenen Antrieb samt Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) versehen sein. Damit wird es im Beispiel ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auf die Bewegung in Z-Richtung zu erweitern. Die Relativbewegung in Z-Richtung am Werkzeugbezugspunkt TCP entsteht nun in Folge der entgegengesetzten Relativbewegungen von Frässpindel 45 und Werkstück 39 aus 8. Der Kraftschluss erfolgt im Beispiel jeweils über das bewegliche Element 31, 32 und dessen Absolutführung in die Basis. In der Basis heben sich die Antriebsreaktionskräfte in Z-Richtung auf. Entsprechend den zuvor beschriebenen Varianten kann der Kraftschluss auch direkt zwischen den beweglichen Elementen 11, 12 über eine Relativführung 77 oder einen äußeren Bezug 81 gemäß 14 erfolgen.
16 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem eigenen kaskadierten Regelkreis für jedes bewegliche Element. Als Eingangssignal dient die vom Trajektoriengenerator (ST in 2) erzeugte Solltrajektorie x_soll am Werkzeugbezugspunkt TCP. Diese wird entsprechend dem Verhältnis der Massen K_m der an der Bewegungserzeugung beteiligten beweglichen Elemente aufgeteilt und als Sollweg x_soll1 bzw. x_soll2 an die den beweglichen Elementen zugeordneten Regelkreise 84, 85 weitergegeben. Im Beispiel wird eine kaskadierte Reglerstruktur verwendet, wobei prinzipiell auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Regleranordnungen (Mehrgrößenregler, modellbasierte Regler o. Ä.) eingesetzt werden können.
Aus den vorgegebenen Sollbewegungsgrößen x_soll1 bzw. x_soll2 und dem aktuell gemessenen Ist-Weg x_ist1 bzw. x_ist2 wird zunächst die Regelabweichung x_w1 bzw. x_w2 (auch als Schleppabstand bezeichnet) ermittelt. Diese Regelabweichung wird mit dem jeweiligen Geschwindigkeitsverstärkungsfaktor K_V1 bzw. K_V2 multipliziert, woraus sich die Sollgeschwindigkeitsvorgabe v_soll1 bzw. v_soll2 ergibt. Aus der jeweiligen Sollgeschwindigkeitsvorgabe, der vorgesteuerten Geschwindigkeitsvorgabe v_vorst1 bzw. v_vorst2 und der gemessenen Ist-Geschwindigkeit v_ist1 bzw. v_ist2 wird die Geschwindigkeitsabweichung v_w1 bzw. v_w2 berechnet und an den Proportional-Integral-Geschwindigkeitsregler weitergegeben. Dieser bewertet die Regelabweichung mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor K_P1 bzw. K_P2 sowie der für die Wichtung des Integralanteils relevanten Nachstellzeit T_N1 bzw. T_N2 und generiert die Sollvorgabe für den Stromregler i_soll1 bzw. i_soll2. Aus der Sollvorgabe, dem vorgesteuerten Sollstrom i_vorst1 bzw. i_vorst2 und dem gemessenen Ist-Strom i_ist1 bzw. i_ist2 wird die jeweilige Abweichung vom Sollstrom i_w1 bzw. i_w2 berechnet und vom Proportional-Integral-Stromregler mit dem Verstärkungsfaktor K_Pi1 bzw. K_Pi2 und der Nachstellzeit T_Ni1 bzw. T_Ni2 bewertet. Der vom Stromregler ausgegebene Strom (eigentlich wird eine Spannung erzeugt, vereinfachend kann das Schaltbild aber auch für den Strom angegeben werden) wird durch die elektrische Zeitkonstante T_el1 bzw. T_el2 des Motors zeitlich verzögert. Aus Motorstrom i_ist1 bzw. i_ist2 und der Motorkraftkonstante K_Mot1 bzw. K_Mot2 ergibt sich die wirksame Antriebskraft, welche an der jeweiligen bewegten Masse m₁ bzw. m₂ des beweglichen Elementes zu einer Relativbeschleunigung a_rel1 bzw. a_rel2 gegenüber der Basis führt. Durch Integration ergeben sich aus der Relativbeschleunigung die Relativgeschwindigkeit v_rel1 bzw. v_rel2 und die Relativwege x_rel1 bzw. x_rel2 gegenüber der Basis.
Im Ausführungsbeispiel wird vereinfachend von identischen elektrischen Zeitkonstanten T_el1 und T_el2 und Motorkraftkonstanten K_Mot1 und K_Mot1 ausgegangen. Für Lage- und Stromregler sind ebenfalls gleiche Verstärkungsfaktoren vorausgesetzt. Damit ergeben sich aus dem geforderten Kräftegleichgewicht die Reglerparameter für den Geschwindigkeitsregler gemäß Gleichung 14: K_P2 = K_P1·K_m und Gleichung 15:
Besonders bevorzugt ist der Einsatz einer Einrichtung zur Angleichung der Antriebskräfte, die in den Regelkreis eingebracht wird (vergleiche KE in 16 bzw. 3). Diese wird erforderlich, wenn die elektrischen Parameter der Antriebe nicht identisch sind bzw. nicht prognostizierbare Störkräfte auftreten. In 16 erfolgt die Erfassung der Ist-Geschwindigkeit und des Ist-Weges relativ zwischen dem jeweiligen beweglichen Element und der Basis.
17 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem übergeordneten Lageregelkreis 87 für beide beweglichen Elemente. In 17 ist ein alternatives Verfahren zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung dargestellt. Als Eingangssignal dient wieder die vom Trajektoriengenerator (ST in 2) erzeugte Solltrajektorie x_soll 86 am Werkzeugbezugspunkt TCP. Der im Beispiel dargestellte Regelkreis basiert ebenfalls auf einem kaskadierten Lage-, Geschwindigkeits- und Stromregler. Prinzipiell können jedoch auch beliebige andere Reglerstrukturen eingesetzt werden.
Abweichend von dem in 16 dargestellten Regelkreis wird in 17 ein übergeordneter Lageregler 87 mit dem Verstärkungsfaktor K_V verwendet. Dieser wird im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem zwischen den beiden beweglichen Elementen gemessenen Ist-Weg x_ist beaufschlagt. Dadurch werden parasitäre, in der Basis entstehende Schwingungen nicht in den Lageregelkreis eingekoppelt, was die Bewegungsqualität verbessert. Zudem muss nur noch ein Lageregelparameter eingestellt werden.
Nach dem Lageregler erfolgt die Aufteilung der ermittelten Sollgeschwindigkeit v_soll bzw. des Sollweges x_soll (für die Geschwindigkeitsvorsteuerung) gemäß des Massenverhältnisses K_m. Die anschließende Reglerstruktur entspricht der aus 16. Die Ist-Geschwindigkeit v_ist wird ebenfalls als Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden beweglichen Elementen gemessen und entsprechend dem Massenverhältnis auf die beiden Geschwindigkeitsregler aufgeteilt. Alternativ wäre auch eine Geschwindigkeitsmessung gegenüber der Basis möglich. Auch der aktuelle Ist-Weg könnte gegenüber der Basis gemessen, addiert und als Eingangssignal für den übergeordneten Lageregler genutzt werden.
Zusätzlich verfügt die hier dargestellte Reglerstruktur über eine Funktionalität ZENTR zur Zentrierung der beweglichen Elemente gegenüber der Basis. Diese Funktion ermittelt beispielsweise gemäß Gleichung 16
einen Strom i_Zentr aus der bekannten Motorkraftkonstante K_Mot, einer virtuellen Federsteifigkeit zur Zentrierung c_Zentr und der aktuellen Entfernung des jeweiligen bewegten Elementes zur zentrierten Position Δx_zentr.
18 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung mit einem übergeordneten Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis 88 für beide beweglichen Elemente. Damit ist ein weiteres alternatives Verfahren zur Steuerung und Regelung der Bewegung einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung dargestellt. Als Eingangssignal dient wiederum die vom Trajektoriengenerator (ST in 2) erzeugte Solltrajektorie x_soll 86 am TCP. Der im Beispiel dargestellte Regelkreis basiert wieder auf einem kaskadierten Lage-, Geschwindigkeits- und Stromregler. Prinzipiell können jedoch auch beliebige andere Reglerstrukturen eingesetzt werden.
Abweichend von 17 sind hierbei sowohl Lage- (K_V) als auch Geschwindigkeitsregler (K_P, T_N) als übergeordnete Regler ausgeführt. Die Messung des Ist-Weges sowie der Ist-Geschwindigkeit erfolgt wieder relativ zwischen den beweglichen Elementen, wobei auch andere Messanordnungen möglich sind. Der vom Drehzahlregler ermittelte Sollstrom i_soll wird mittels zweier Faktoren K_{Korr_i1} bzw. K_{Korr_i2} auf die beiden Antriebe aufgeteilt. Im Beispiel handelt es sich dabei um den Faktor –1 bzw. +1. Prinzipiell können an dieser Stelle auch Elemente zur Korrektur von abweichenden elektrischen Zeitkonstanten (beispielsweise PT₁-Glieder, Totzeitglieder) eingefügt werden, um die Sollkraftverläufe einander anzugleichen. Zusätzlich kann dazu auch die Funktionalität KE in den beispielhaft in 17 und 18 dargestellten Regleranordnungen integriert werden.
In den Figuren 19 bis 26 sind beispielhaft verschiedene Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit entsprechenden Bewegungseinrichtungen dargestellt.
19 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 zur Realisierung eines trennenden bzw. umformenden Fertigungsverfahrens, hier Stanzen bzw. Schneiden. Die Darstellung geht dabei von der in 5 dargestellten Bewegungseinrichtung 1 aus und erweitert diese um ein Modul 100 zur Realisierung eines umformenden bzw. trennenden Bearbeitungsverfahrens. Einrichtungen für die Handhabung des Blechbandes bzw. der Stanz- oder Umformteile wurden nicht dargestellt.
Das eingefügte Modul 100 besteht aus Trägerplatten 101, welche einen Schneidstempel (verdeckt) und eine Schneidmatrize 102 tragen. Diese schneiden beispielsweise eine Ronde aus einem Blechrohling 103 aus. In der vorliegenden Anordnung könnten mit einem optional an Stelle des Schneidwerkzeuges eingesetzten Tiefziehwerkzeug auch Tiefziehoperationen durchgeführt werden. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfällt die insbesondere bei Linearmotorpressen erforderliche aufwändige Entkopplung vom Fundament, da die dynamischen Kräfte ebenso wie die Prozesskräfte (besonders der Schnittschlag) nahezu vollständig in der Basis 10 kompensiert werden. Zudem werden der Energieverbrauch und die Antriebsleistung für die Bewegungserzeugung verringert.
Durch die im Beispiel realisierte horizontale Anordnung der Bewegungsrichtung entfällt zudem ein Gewichtsausgleich bzw. muss der Pressenantrieb keine Dauerkraft entgegen der Schwerkraftwirkung aufbringen. In der beispielhaft vorgestellten Anordnung könnten zur Verkettung mehrerer Prozessschritte mehrere derartige Linearmotorpressen übereinander gestapelt werden. Die am Beispiel einer Linearmotorpresse vorgestellte, beispielsweise horizontale Anordnung eines Pressenantriebes kann gleichermaßen auf diverse andere Antriebsarten übertragen werden. Dies umfasst insbesondere auch die typischerweise in Pressen verwendeten mechanisch übersetzenden (beispielsweise Spindelantriebe, Exzenterantrieb, Raumlenkerantrieb) sowie hydraulische Antriebssysteme.
20 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 zur Realisierung eines trennenden Fertigungsverfahrens, hier Flachschleifen. Dazu wird die aus 13 bekannte dreiachsige Bewegungseinrichtung 1 um ein Modul 110 zur spanenden Bearbeitung (Flachschleifen) erweitert. Ein Tisch 111 am hinteren beweglichen Element 12 nimmt das Werkstück 113 auf, während am vorderen beweglichen Element 11 die Schleifspindel 112 mit der Schleifscheibe 114 befestigt ist.
In X-Richtung findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung. Es ermöglicht hochdynamische Umsteuervorgänge (Überlauf und Richtungsumkehr der Schleifscheibe), wobei die Maschinenstruktur nur minimal zu Schwingungen angeregt wird. Die beiden weiteren Bewegungsachsen werden für kleine Zustellbewegungen während des Prozesses benötigt und müssen dementsprechend nur eine geringe Dynamik erreichen.
21 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 zur Realisierung eines trennenden Fertigungsverfahrens, hier Hobeln, wobei die Anordnung ähnlich der in 20 ist. Die Schleifspindel wurde durch ein Hobelwerkzeug 115 ersetzt, wie es beispielsweise zur Herstellung feinster strukturierter Oberflächen zur Anwendung kommt.
22 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 1 zur Realisierung eines speziellen trennenden Fertigungsverfahrens, des Unrunddrehens. Dazu wird die aus 13 bekannte Bewegungseinrichtung 1 für das Unrunddrehen adaptiert, indem das vordere bewegliche Element 11 einen Drehmeißel 118, das hintere bewegliche Element 12 in einer Aufnahme die Drehspindel 116 mit dem Werkstück 117 trägt. Die dominierende Bewegungsrichtung der Einrichtung entspricht der radialen Zustellung am Werkstück. In dieser Richtung wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, um bei den erforderlichen hochdynamischen Umsteuervorgängen eine ausreichende Bewegungsqualität zu gewährleisten. Die zusätzlichen Bewegungsachsen dienen wiederum als Zustellachsen.
23A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 4' für eine translatorische Bewegung zur Ablenkung eines hochenergetischen Strahls, 23B die Explosionsdarstellung hierzu. Die Bewegungseinrichtung 4' dient der Ablenkung hochenergetischer Strahlung, beispielsweise von Laserstrahlung.
Hierzu sind zwei verschiebbare Spiegel 122, 123 in der zylinderförmigen Basis 125 angeordnet. Die Basis 125 selbst kann gegenüber dem äußeren Bezug 124 verdreht werden, so dass die Bewegungseinrichtung 4' in ihrer Gesamtheit einen kreisringförmigen Arbeitsbereich abdecken kann. Die beiden Spiegel 122, 123 sind im Beispiel um +45° bzw. –45° gegenüber der Waagrechten angestellt. Der innere Spiegel 122 ist so angeordnet, dass ihn der von oben einfallende Strahl 121 immer trifft und in einem Winkel von 90° reflektiert wird. Wird nun der innere Spiegel 122 zum Mittelpunkt der Basis 125 hin verschoben, so wird der Strahl 121 in einer weiter unten liegenden Ebene reflektiert. Dadurch verschiebt sich der am äußeren Spiegel 123 reflektierte Strahl 121 weiter vom Mittelpunkt der Basis 125 weg (radial nach außen). Wird der äußere Spiegel 123 radial nach außen bewegt, folgt der am äußeren Spiegel 123 senkrecht nach unten reflektierte Strahl 121 dieser Bewegung. Folglich kann durch eine gegensätzliche Bewegung der dargestellten Spiegelanordnung der doppelte Stellweg gegenüber der Bewegung nur eines Spiegels realisiert werden.
Darüber hinaus wird bei dieser Bewegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kompensation der auf die Basis 125 wirkenden dynamischen Antriebsreaktionskräfte erreicht. Die Einrichtung kann zudem so ausgeführt werden, dass sich durch die gegensätzliche Bewegung der Elemente das rotatorische Trägheitsmoment der gesamten Anordnung nicht oder nur in geringem Maße ändert. Damit ist eine solche beispielhaft dargestellte Anordnung für die Anwendung in hochdynamischen Zusatzachsen von Laserbearbeitungsanlagen prädestiniert.
Prinzipiell können auch andere erfindungsgemäße Bewegungseinrichtungen zur Ablenkung von hochenergetischen Strahlen eingesetzt werden. Beispielhaft sei auf die rotatorisch-rotatorisch bewegliche Einrichtung aus 11 verwiesen, wobei Frässpindel und Werkstücktisch durch Spiegel zu ersetzen und Öffnungen für den Ein- und Austritt der Strahlen vorzusehen wären.
24A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 127 mit einem hydraulisch angetriebenen Koppelgetriebe 130, hier ein Kniehebel, in geschlossener Stellung und 24B in geöffneter Stellung. Damit wird das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Bewegungseinrichtung 127 angewandt dargestellt.
Erfindungsgemäß ergibt sich die Relativbewegung am zweiteiligen Werkzeug 134, beispielsweise der Matrize zum Spritzgießen, aus der Summe der entgegengesetzt gerichteten Relativbewegungen der beweglichen Elemente 128, 129 gegenüber der Basis 132. Die Antriebszylinder 133 sind im Beispiel so angeordnet, dass der Kraftschluss in der Basis 132 auf kürzestem Wege erfolgt. Alternativ sind aber auch andere Anordnungen vorgesehen. Die im Beispiel dargestellte Einrichtung kann beispielsweise in Spritzgießmaschinen Anwendung finden. In derartigen Maschinen besteht zum einen die Anforderung nach einer geringen Prozesszeit, gleichzusetzen mit einer hohen Dynamik beim Öffnen und Schließen des zweiteiligen Werkzeugs 134, hier der Matrize. Zum anderen müssen große statische Haltekräfte im Prozess aufgebracht werden, weshalb hoch übersetzende Koppelgetriebe, beispielsweise Kniehebelgetriebe, zum Einsatz kommen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet in dieser Anwendung das Potential zur Verringerung der auf die Maschinenstruktur wirkenden dynamischen Lastspitzen in Verbindung mit einer gesteigerten Dynamik, gleichzusetzen mit einer höheren Ausbringung.
25A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 127' mit einem elektromechanisch angetriebenen Koppelgetriebe 130 (Kniehebel) in geschlossener Stellung und 25B in geöffneter Stellung, wobei eine zu der in 24 dargestellten Ausführung ähnliche Variante dargestellt wird. Im Gegensatz zu 24 wird jedoch ein mit einen Riemenvorgelege 136 versehener elektromechanischer Spindelantrieb 131 (hier als Beispiel ein Kugelgewindeantrieb, alternativ ein Planetenrollengewindeantrieb oder andere Formen von Spindelantrieben) anstelle eines hydraulischen Schließmechanismus verwendet. Dabei wird eine Gewindespindel mit beidseitig gegensätzlicher Steigung verwendet. Der Antrieb der Spindel erfolgt beispielsweise über einen Elektromotor 137. Eine Anordnung mit zwei getrennten Spindeln und einem einzelnen oder zwei Elektromotoren 137 wäre ebenfalls möglich.
26A zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung 127'' in geöffneter Stellung (zweiteiliges Werkzeug 134 bzw. Matrize aufgefahren) und 26B in geschlossener Stellung (zweiteiliges Werkzeug 134 bzw. Matrize zugefahren). Dabei wird das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Bewegungseinrichtung 127'' mit einem elektromechanischen Spindelantrieb (beispielsweise Kugelgewindeantrieb oder Planetenrollengewindeantrieb) mit einem Elektromotor 137 und einem Spindelantrieb 131 angewandt.
Die Anordnung entspricht beispielsweise einer Spindelpresse (in dieser Bauform auch als „Servopresse” oder „Synchropresse” bezeichnet), wobei Ober- und Unterteil die beweglichen Elemente 127'', 128'' bilden, der Pressenfuß ist die Basis 132''. Im Beispiel werden mit gegensätzlichen Steigungen versehene Gewindespindeln, welche beispielsweise über ein Riemenvorgelege 136 von je einem Elektromotor 137 angetrieben werden, verwendet. Die vorliegende Ausführung mit gegensätzlich steigenden Spindeln bietet die Möglichkeit des zwangsweisen Gewichtsausgleichs der Anordnung (Annahme gleicher Massen für Ober- und Unterteil). Darüber hinaus kann der mit dem Verfahren erreichbare Vorteil hinsichtlich Dynamik, Energieverbrauch und Leistungsbedarf, insbesondere aber bezüglich der in das Fundament abgeleiteten dynamischen Kräfte auf Spindelpressen übertragen werden.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 2, 3: Bewegungseinrichtung
4, 4, 5, 6, 6': Bewegungseinrichtung
7: Fundament
8: Untergestell, unterlagerte Struktur
9: Feder-Dämpfer
10: Basis (linear)
11, 11', 11'': erstes bewegliches Element
12, 12', 12'': zweites bewegliches Element
13: Primärteil
14: Sekundärteil
15: Lineardirektantrieb
16: Führungsschiene
17: Führungswagen
18: Führungssystem
19: Gelenk
20: Basis (rechtwinklig)
21: erstes bewegliches Element
22: zweites bewegliches Element
23: Primärteil
24: Sekundärteil
25: Lineardirektantrieb
26: Führungsschiene
27: Führungswagen
28: Führungssystem
29: Werkstück
30: Basis (U-förmig)
31: erstes bewegliches Element
32: zweites bewegliches Element
33, 33': Primärteil
34, 34': Sekundärteil
35: Lineardirektantrieb
36: Führungsschiene
37: Führungswagen
38: Führungssystem
39: Werkstück
40: Basis (hohlzylindrisch)
41: erstes bewegliches Element
42: zweites bewegliches Element
43: Werkstückspanntisch
45: Frässpindel, Werkzeug
50: Basis (stabförmig)
51: erstes bewegliches Element
52: zweites bewegliches Element
53: Werkstückspanntisch
59: Werkstück
60, 60': Basis (Kugelschale)
61, 61': erstes bewegliches Element
62, 62': zweites bewegliches Element
63: Werkstückspanntisch
71, 71': Kugelgewindetrieb
74, 74': Führungsschiene
75, 75': Führungswagen
76, 76': Führungssystem
77: Relativführung
78: Führungssystem gegenüber Basis
79: Relativmesssystem
80: Messsystem gegenüber Basis
81: äußerer Bezug
82: Messsystem gegenüber äußerem Bezug
83: Ausgleichsmasse
84: Regelkreis Achse 1
85: Regelkreis Achse 2
86: Solltrajektorie
87: übergeordneter Lageregelkreis
88: übergeordneter Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis
100: Modul Schneiden/Umformen
101: Trägerplatte
102: Schneidmatrize
103: Blechrohling
110: Modul spanende Bearbeitung
111: Tisch
112: Mittel zur Aufnahme Schleifspindel
113: Werkstück
114: Schleifscheibe, Werkzeug
115: Hobelwerkzeug, Werkzeug
116: Drehspindel
117: Werkstück
118: Drehmeißel, Werkzeug
120: Modul Strahlleitung
121: Strahl, Strahlung
122: erstes optisches Element, verschiebbarer Spiegel
123: zweites optisches Element, verschiebbarer Spiegel
124: äußerer Bezug
125: Basis (zylinderförmig)
127, 127', 127'': Bewegungseinrichtung
128, 128', 128'': erstes bewegliches Element
129, 129', 129'': zweites bewegliches Element
130: Koppelgetriebe
131: Spindelantrieb
132, 132', 132'': Basis
133: Antriebszylinder
134: zweiteiliges Werkzeug
136: Riemenvorgelege
139: Pressenfuß
140: Stempel
141: Matrize
149: Bewegungseinrichtung
150: Basis
151: erstes bewegliches Element
152: zweites bewegliches Element
153: Spindelantrieb
154: Elektromotor
158: Führungssystem

Liste der Abkürzungen und Formelzeichen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5798927 A [0007, 0007]
EP 1724054 A1 [0009, 0009]
EP 0523042 A1 [0010, 0010]
DE 102004057062 A1 [0011]
CZ 298615 B6 [0014, 0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Müller, Jens: Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen. Dissertation, TU Dresden, 2009. ISBN 978-3-86780-109-6 [0012]
Großmann, Knut; Müller, Jens; Peukert, Christoph: Vorab-Sollwertberechnung für die Impulskompensation von Lineardirektantrieben. ZWF 106 (2011) 5, S. 352–356 [0012]
Müller, Jens: Vergleichende Untersuchung von Methoden zur Verringerung der Gestellanregung durch linearmotorgetriebene Werkzeugmaschinenachsen. Dissertation, TU Dresden, 2009. ISBN 978-3-86780-109-6 [0013]
Bubak, A.; Soucek, P.; Zelený, J.: New Principles for Design of Highly Dynamic Machine Tools, In: Proceedings of the international conference ICPR-17, Blacksburg, Virginia, USA. 08/2003 [0014]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen zwei oder mehr relativ zueinander und relativ gegenüber einer Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62), dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) entsprechend einem Faktor zur Bewegungsaufteilung aus den Relativbewegungen der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) und/oder gegenüber vorgelagerten beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) zusammengesetzt ist, wobei sich die in die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) und/oder die in das vorgelagerte bewegliche Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) übertragenen und in Folge der entsprechend der Massen der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) angepassten Bewegungsvorgaben im Wesentlichen in ihrem Verlauf über der Zeit im Betrag im Wesentlichen identischen Antriebsreaktionskräfte in der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) aufheben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Bewegungsvorgaben auf die beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) vor oder während der Ausführung der Bewegung durch einen konstanten oder variablen Faktor zur Bewegungsaufteilung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante oder variable Faktor zur Bewegungsaufteilung entsprechend den für die Ausprägung der auf die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) wirkenden Antriebsreaktionskräfte (F_B) relevanten Systemparametern während der Ausführung der Bewegung oder/und im Vorfeld der Bewegungsausführung zur Steigerung der Bewegungsgüte angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) wirkenden und in die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) abgeleiteten Antriebskräfte einander in ihrem zeitlichen Verlauf in der Weise angeglichen werden, dass die in die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) abgeleitete resultierende Restkraft (F_Rest) minimiert und/oder die in die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) eingeleiteten resultierenden Restschwingungen gezielt modifiziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) im Wesentlichen in einer Bewegungsrichtung erfolgt und diese Bewegung von Relativbewegungen in einem oder zwei weiteren Bewegungsfreiheitsgraden (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z) überlagerbar ist, wobei das Führungssystem (18, 28, 38) eine Bewegung in diesen weiteren Bewegungsfreiheitsgraden (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z) ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) im Wesentlichen in zwei Bewegungsrichtungen erfolgt und diese Bewegung von Relativbewegungen in einem weiteren Bewegungsfreiheitsgrad (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z) überlagerbar ist, wobei das Führungssystem (18, 28, 38) eine Bewegung in diesem weiteren Bewegungsfreiheitsgrad (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebs-, Mess- und Steuer- und/oder Regelsystem eine Ansteuerung dieser zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z) zulässt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem oder den Bewegungsfreiheitsgraden (X, Y, Z, φ_x, φ_y, φ_z) der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) ein oder mehrere zusätzliche oder/und redundante Bewegungsfreiheitsgrade (X', Y', Z', φ_x', φ_y', φ_z') durch zumindest eine auf wenigstens einem der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) angebrachte zusätzliche Bewegungseinrichtung oder durch in der kinematischen Kette eingebrachte zusätzliche Stellelemente hinzutreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position (s), Geschwindigkeit (v), Beschleunigung (a) und Ruck (r) ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und am Werkzeugbezugspunkt (TCP) erfolgt, wobei eine Einrichtung zur Rückführung der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) in deren Nulllage gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position (s), Geschwindigkeit (v), Beschleunigung (a) und Ruck (r) ausschließlich jeweils zwischen einem beweglichen Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) oder zwischen einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) unabhängigen Bezugspunkt und dem jeweils beweglichen Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung wenigstens eines der Werte aktuelle Position (s), Geschwindigkeit (v), Beschleunigung (a) und Ruck (r) sowohl zwischen beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) oder einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) unabhängigen Bezugspunkt, als auch relativ zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend zwei oder mehr, relativ zueinander und relativ zu einer Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) bewegliche, in sich weitgehend steife und leichte Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62), die so gestaltet sind, dass sie die zu ihrer Bewegung und zur Erzeugung einer resultierenden Nutzbewegung benötigten Antriebsreaktionskräfte (FB) in der Weise in die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) ableiten und welche derart gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) beweglich angeordnet sind, dass sich die am momentanen Ort und in der momentanen Richtung während der Bewegung einleitbaren Antriebsreaktionskräfte (FB) in der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) unmittelbar und bei unterdrückter Schwingungsanregung der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) im Wesentlichen ausgleichen und die kinematische Kette zur Erzeugung der Nutzbewegung unmittelbar geschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein bewegliches Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) mindestens eine zusätzliche Bewegungseinrichtung mit wenigstens einem weiteren beweglichen Element aufweist oder durch wenigstens ein in die kinematischen Kette eingebrachtes zusätzliches Stellelement wenigstens ein zusätzlicher oder/und redundanter Bewegungsfreiheitsgrad (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z, φ_x', φ_y', φ_z') bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Führungssysteme (18, 28, 38) vorgesehen sind, welche den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) die erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade (X, X', Y, Y', Z, Z', φ_x, φ_y, φ_z, φ_x', φ_y', φ_z') zur Verfügung stellen, wobei die Führungssysteme ausschließlich zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60), zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) und gleichzeitig relativ zwischen mindestens zwei beweglichen Elementen oder zwischen den beweglichen Elementen und einem äußeren Bezugspunkt (81) wirken und die Führungssysteme in den übrigen Koordinatenrichtungen im Wesentlichen unbeweglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messeinrichtung vorgesehen ist, die die Messung der aktuellen Position (s) und/oder der Geschwindigkeit (v), der Beschleunigung (a), des Ruckes (r) ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und am Werkzeugbezugspunkt (TCP), ausschließlich jeweils zwischen einem beweglichen Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60), zwischen einem im Wesentlichen unbewegten und von der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) unabhängigen Bezugspunkt und dem jeweiligen beweglichen Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und/oder sowohl zwischen beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) als auch relativ zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) realisiert, wobei bei der Messung ausschließlich relativ zwischen den beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) eine Einrichtung zur Rückführung der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) in deren Nulllage gegenüber der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstes eines der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und/oder die Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) wenigstens ein Mittel (112) zur Aufnahme von einem Werkstück (29, 39, 117) und/oder Werkzeug (45, 114, 115, 118, 140, 141) und/oder Mittel zur Ablenkung von Strahlung besitzt, wobei die erforderlichen Relativbewegungen zur Bearbeitung, Positionierung und Handhabung zwischen Werkzeug (45, 114, 115, 118, 140, 141) und Werkstück (29, 39, 117) oder alternativ zur Ablenkung von Strahlung als Relativbewegung zwischen jeweils zwei oder mehreren beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und/oder einem oder mehreren beweglichen Elementen (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und der Basis (10, 20, 30, 40, 50, 60) entstehen.
Regelungstechnisches Verfahren zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Bewegung der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) durch getrennte, kaskadierte Lageregelkreise (86) mit unterlagertem Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelkreis (87), unterlagertem Kraft-, Momenten-, Beschleunigungs- oder Stromregelkreis (88, 89) erfolgt, wobei jeder Regelkreis (86, 87, 88, 89) die für das jeweilige bewegliche Element (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) und die jeweilige Bewegungsrichtung gültigen, durch analytische Berechnungen oder Optimierungsrechnung ermittelten Werte wenigstens einer Führungsgröße erhält.
Regelungstechnisches Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage- oder die Lage- und Geschwindigkeitsregelung für jeweils zwei oder mehr bewegliche Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) in einer den Elementen zugeordneten Bewegungsrichtung durch jeweils einen für alle beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) wirksamen, übergeordneten Lageregelkreis (86) oder Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis (87) erfolgt.
Regelungstechnisches Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Sollgeschwindigkeiten (v_soll) im übergeordneten Lageregelkreis (87) entsprechend dem Faktor zur Bewegungsaufteilung für die beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) erfolgt.
Regelungstechnisches Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Sollströme (i_soll) im übergeordneten Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis (87) entsprechend einem Antriebsfaktor (K_{korr_i}) erfolgt, so dass im Wesentlichen gleiche Kraft-Zeit-Verläufe der beweglichen Elemente (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 51, 52, 61, 62) resultieren.