DE10297678T5

DE10297678T5 - Integriertes System zum Steuern von Achsen einer industriellen Maschine

Info

Publication number: DE10297678T5
Application number: DE10297678T
Authority: DE
Inventors: Adriano Cazzavillan; Dario Zatton; Pietro Magnabosco
Original assignee: QEM Srl
Current assignee: QEM Srl
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2005-04-14
Also published as: WO2003081355A1; BR0215655A; US20050253547A1; AU2002367800A1; ITVI20020053A1

Abstract

Integriertes System zum Steuern der Achsen (A1, A2) einer industriellen Maschine, wobei die Achsen (A1, A2) durch Aktuatormittel (AN, AZ, AZ1, AZ2) bestätigt werden, welche eine Kraft aufbringen, um eine Verlagerung im Raum zu bestimmen, wobei an die Achsen (A1, A2) auch mindestens ein Motor (M) angelegt ist, der geeignet ist, mindestens einer der Achsen (A1, A2) Bewegungsbefehle zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Motor (M) mit mindestens einer Schnittstelle (DMA1, DMA2) zur Verbindung mit mindestens einer Aktuatorvorrichtung (AMU) verbunden ist, wobei die Schnittstelle (DMA1, DMA2) Mittel vorsieht, welche dazu geeignet sind, demjenigen Motor (M) Energie zuzuführen oder nicht zuzuführen, der dem entspricht, welcher von der Aktuatorvorrichtung (AMU) verlangt wird, wobei die Aktuatorvorrichtung (AMU) ferner Mittel für die Verwaltung und Auswahl (LSA) jeder Achse (A1, A2) über die Schnittstelle DMA1, DMA2 vorsieht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein integriertes System zum Steuern von Achsen einer industriellien Maschine.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein System zum Steuern der Kraft, die von bestimmten Mechanismen (Achsen), welche von Motoren oder Kolben betätigt werden, auf mechanische Vorrichtungen (Lasten) ausgeübt wird, die eine Aufgabe erfüllen; die Verlagerung der Last im Raum wird als Bahn bzw. Trajektorie definiert, wobei die Weise, in der die Bahn ausgeführt wird, von den auf die Last ausgeübten Bewegungsgesetzen abhängt.
Bei der Herstellung von Maschinen für die industrielle Produktion ist es bekannt und üblich, Elektromotoren zu verwenden, die als Bausteine zur Steuerung der Kraft genutzt werden können, welche auf mechanische Vorrichtungen ausgeübt wird, die eine Aufgabe erfüllen.
Der gegenwärtige Entwicklungsstand versorgt Entwickler mit einem breiten Bereich von Elektromotoren unterschiedlicher konstruktiver Typen, deren technische und wirtschaftliche Eigenschaften sie mehr oder weniger geeignet zur Verwendung in bestimmten Anwendungen als in anderen machen. Die meisten bekannten und eingesetzten Typen solcher Motoren umfassen Synchron-, Asynchron-, Gleichstrom- und Schrittmotoren.
Der Begriff Achse wird gewöhnlich zur Bezeichnung der Gruppe verwendet, die aus dem Elektromotor, dem elektromechanischen Aktuator (Relays, Fernsteuerschalter, Elektroventile, Servomechanismen, elektrische Aktuatoren, usw.) und den möglichen Geschwindigkeits- und/oder Positionswandlern besteht, die als Rückkopplungselemente verwendet werden, um die auf den Mechanismus ausgeübte Kraft geeignet zu modulieren.
Zur zeitlichen Regulierung einer derartigen Kraft werden im allgemeinen elektrische Aktivatoren verwendet, die die Richtung und Stärke des in den elektrischen Windungen des Motors fließenden Stroms nach bestimmten Regelungstechniken modulieren, welche sich abhängig vom Konstruktionstyp des Motors unterscheiden.
Im allgemeinen sind in einer industriellen Maschine viele Achsen vorhanden, die jeweils die Aufgabe haben, ein spezielles Arbeitsprogramm auszuführen, und die oftmals mit unterschiedlichen Arten von Motoren ausgestattet sind.
Um ihre Aufgaben korrekt erfüllen zu können, müssen einige Achsen bei bestimmten Bearbeitungsschritten gleichzeitig aktiviert werden, weswegen sie gekoppelte Achsen genannt werden; andere Achsen dagegen können entsprechend dem ablaufenden Bearbeitungsschritt unabhängig voneinander bestätigt werden, weswegen sie üblicherweise als unabhängige Achsen bekannt sind.
Eine weitere Klassifikation von Achsen basiert auf der Unterscheidung zwischen Achsen, die dazu verwendet werden, den Produktionszyklus der Maschine betreffende Operationen zyklisch auszuführen (Produktivachsen), und auf der anderen Seite Achsen, die lediglich dazu verwendet werden, die Maschine einzurichten, bevor sie mit der Ausführung der zyklischen Produktionssequenzen beginnt (Hilfs- oder „Formatwechsel"-Achsen).
Aus wirtschaftlichen Gründen sind Hilfsachsen im allgemeinen selten motorisiert, wobei ihre Einstellung auf unterschiedliche Bearbeitungspositionen – abhängig von der Art des herzustellenden Produkts – im allgemeinen dem Bediener überlassen bleibt, der die Maschine bedient.
Die Industrie, deren momentane Tendenz es ist, lediglich zuvor schon verkaufte Artikel zu produzieren, um die Lagerbestände fertiger Produkte zu reduzieren, die einen ökonomischen Verlust an Kapital sowie ungenutzten Platz bedeuten, verlangt letztendlich immer flexiblere Maschinen, die also in der Lage sind, sich rasch an Produktionsänderungen anzupassen.
Wenn man zudem weitere Faktoren berücksichtigt, die einen Einfluss auf die Wahl haben, wie stark der Maschinenpark zu automatisieren ist, wie etwa eine Produktion mit zertifizierter Qualität oder die zunehmenden Arbeitskosten, kann man sich vorstellen, dass die Anzahl der motorisierten und gesteuerten Hilfsachsen dazu bestimmt ist, in den kommenden Jahren zuzunehmen.
Die Ausführung von Maschinen mit so vielen gesteuerten Achsen bedeutet jedoch eine erhebliche wirtschaftliche Investition, die die Maschinen nicht sehr zugänglich für kleine und mittlere Unternehmen macht.
Eine mögliche Methode, um die Kosten pro Achse einer Maschine zu reduzieren, ist die Anwendung einer als „Bündelung" bzw. „Multiplexierung" bekannten Technik der elektrischen Verbindung, mittels der eine geringere Anzahl von Aktuatoren als die Anzahl der zu steuernden Achsen eingebaut werden kann, wobei die elektrischen Verbindungen nach Maßgabe des ablaufenden Bearbeitungsschritts elektromechanisch von einer Achse zur nächsten umgeschaltet werden.
In der Realität stehen den Möglichkeiten der Kosteneinsparung, die durch Verwendung eines einzigen elektrischen Aktuators zur Steuerung vieler Achsen erzielt werden können, zahlreiche Einschränkungen und Nachteile stark entgegen.
Zunächst können diese Möglichkeiten nur bei Achsen realisiert werden, die unterschiedliche Aufgaben mit demselben Motortyp ausführen müssen.
Diese Einschränkung beschränkt den Einsatzbereich, da es eben gerade die einem Motortyp eigenen konstruktiven Merkmale sind, die ihn mehr oder weniger geeignet für eine bestimmte Anwendung machen.
Da es gegenwärtig nicht möglich ist, die Betriebsweise eines Aktuators augenblicklich zu ändern, um ihn unmittelbar an unterschiedliche konstruktive Typen von Motoren anzupassen, wird die herkömmliche Technik der „Bündelung" im allgemeinen zur Steuerung von Hilfsachsen eingesetzt, wobei davon ausgegangen wird, dass diese leichter alle mit Motoren des gleichen Typs ausgestattet werden können, da sie nicht die hohen dynamischen Eigenschaften gewährleisten müssen, die im allgemeinen von Produktivachsen verlangt werden.
Selbst wenn die Motoren und Wandler vom gleichen Typ wären, würden die Betriebsparameter aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsbedingungen der Achsen in jedem Fall unterschiedlich sein; gewöhnlich kann diese Art der Leistungsfähigkeit nur mit einem Steuersystem erreicht werden, das komplexer als das gegenwärtig auf dem Markt angebotene ist.
Außerdem ist das elektromechanische Umschalten der Eingänge und Ausgänge von einer Achse auf die nächste in jedem Fall eine fehlerbehaftete Lösung hinsichtlich ihrer größeren Komplexität, geringeren Zuverlässigkeit und höheren Verkabelungskosten, weil dem System Komponenten hinzugefügt werden, die anderenfalls nicht benötigt würden.
Schließlich bedeutet die Technik der „Bündelung" unvermeidlich Zeitverluste, wenn die Achsen während des Umschaltschritts von einer Achse auf die nächste nicht in Gebrauch sind, was gelegentlich einen negativen Effekt auf die Produktivität der Maschine hat.
Die zur Realisierung von Maschinen mit gesteuerten Achsen verwendeten herkömmlichen Techniken werden nun vorgestellt und um der besseren Klarheit willen im Rest der Beschreibung im Einzelnen erläutert.
Beispielsweise stellt das in 1 gezeigte Blockdiagramm ein Steuersystem bekannter Art dar, das dazu geeignet ist, einen geschwindigkeitsmäßig und/oder positionsmäßig gesteuerten Betrieb einer Achse A zu erzielen.
Der mit M bezeichnete Elektromotor hat in diesem Fall die Aufgabe, die Bewegung der Achse A physikalisch zu bewirken, wobei die mechanischen Größen Geschwindigkeit und Position von den mit T und E bezeichneten Relativwandlern gebildet werden.
Für die Leistungszufuhr zum Motor M sorgt der Aktuator AN, der üblicherweise auch die mit RV bezeichnete Geschwindigkeitsregel vornimmt; die Regelung des Stroms ist dagegen mit RC bezeichnet.
Höherwertige Aktuatoren, definiert als „intelligent" (mit AZ bezeichneter Block in 1), umfassen auch die mit RP bezeichnete Positionsregelung.
Die Steuerlogik LC kann mit Hilfe einer PLC („Programmable Logic Controller"; programmierbare Logiksteuerung), einer in den Figuren als Beispiel mit MC bezeichneten Achsensteuerung oder „Bewegungssteuerung" oder einem Industrie-PC^TM („Personalcomputer") realisiert werden.
Sie hat gewöhnlich die Aufgabe, alle in die Maschine eingebauten Geräte bzw. Bauteilen zu steuern und zu verwalten und kann auch die Funktionen des Positionsreglers RP übernehmen, wenn diese nicht in dem verwendeten Aktuator enthalten ist.
Wandler, Aktuatoren und Steuerlogik können untereinander Informationen mit Hilfe digitaler als auch analoger elektrischer Signale austauschen.
In jüngerer Zeit wurden Systeme zum Informationsaustausch durch verschiedene Arten serieller Kommunikation eingeführt, die jeweils durch ein spezielles Protokoll definiert sind.
So ein System, das viel flexibler im Vergleich zu dem herkömmlichen ist, welches elektrische Entitäten direkt verwendet, wird üblicherweise als Feldbus bezeichnet; mit einem Feldbus ist es möglich, eine einzige Kommunikationsleitung zwischen den verschiedenen Bauteilen vorzusehen, die physikalisch versetzt sind, auch an entfernter Position.
Jedes Bauteil ist in diesem Fall durch eine spezielle Adresse charakterisiert und schaltet sich nur dann in die Kommunikation ein, wenn es dazu aufgefordert wird.
Innerhalb des Kommunikationsnetzes gibt es ferner „Leit"-Geräte, die die Rolle haben, die Kommunikation als solche zu verwalten, und „Tochter"-Geräte, die nur auf das antworten, was von den Leitgeräten verlangt wird, sodass die Informationen in intelligenter Weise über eine begrenzte Anzahl von elektrischen Leitern von einem Bauteil zum anderen transportiert werden können.
Je größer die Anzahl der Benutzer und die Arten von Information sind, die der Feldbus bewältigen muss, desto niedriger die Geschwindigkeit, mit der die an den Bus angeschlossenen verschiedenen Bauteile miteinander kommunizieren.
Diese Tatsache schränkt seinen Nutzen als Kanal zum Austausch von Informationen zwischen den verschiedenen bei der Steuerung der Achsen eingesetzten Regelstufen ein.
Bei einer gesteuerten Achse sind nämlich die Interventions- und Signalverarbeitungszeiten unterschiedlich und haben unterschiedliche kritische Werte bei jedem Stellruf; der vom Aktuator kommende und zum Motor fließende Strom beispielsweise ist einer der wichtigsten zu steuernden Parameter, weil das Verhalten und die Zuverlässigkeit des Motors wie auch des Aktuators davon abhängen.
Aus diesem Grund ist es notwendig, diesen Wert in einer Zeit in der Größenordnung von zehn Mikrosekunden zu messen und zu regulieren – eine Zeit, die zu schnell für die meisten gewöhnlichen seriellen Feldbusse ist; angesichts dessen erfolgt die Regelung des Stroms im allgemeinen im Aktuator, umso mehr deshalb, weil dessen Wert in der lokalen Umgebung bleiben kann, da er für die Verwaltung des Prozesses selbst nicht von besonderer Bedeutung ist.
Der Fall der Überwachung von Signalen, die von der Steuerlogik kommen, liegt allerdings anders; in diesem Fall betrifft er allgemeine Befehle wie das Starten oder Stoppen von Achsen, die üblicherweise keine besondere Dringlichkeit verlangen und deren Antwortzeiten von einigen zehn Millisekunden auch mit dem Feldbus als Mittel der Kommunikation zwischen den verschiedenen Geräten wirksam gehandhabt werden können.
Die Steuersignale der unterschiedlichen Regelstufen der Achsen haben daher unterschiedliche Verwender und unterschiedliche Geschwindigkeiten, die so unterschiedlich sind, dass es praktisch unmöglich ist, für alle Signale, die zwischen ihnen ausgetauscht werden müssen, effektiv einen einzigen Feldbus zu verwenden.
Bei der Steuerung von Achsen werden im allgemeinen zwei Typen von seriellem Feldbus verwendet: einer, der ausreichend flexibel, jedoch nicht bestimmend bzw. determinierend ist und zur Überwachung vorgesehen ist, wie beispielsweise „Profibus", „Canbus", „Modbus", „Interbus" oder „Ethernet", und der andere, der sehr schnell und bestimmend ist, um die Geschwindigkeit und/oder Position der Achse in Echtzeit zu übertragen, wie beispielsweise „Sercos".
Die physikalische Anordnung der im Blockdiagramm der 1 angegebenen Komponenten folgt einem Kriterium, das nun für Jahre wohletabliert ist.
Insbesondere befindet sich der Motor M aus naheliegenden mechanischen Gründen in unmittelbarer Nähe zum Aktuator und somit an der Maschine; am selben Ort befinden sich die Geschwindigkeits- und Positionswandler T bzw. E, die letztendlich in einem einzelnen hochauflösenden Wandler enthalten sind, der gleichzeitig Informationen über beide der zu messenden physikalischen Größen liefern kann.
Der Aktuator ist jedoch üblicherweise in dem Schaltbrett angeordnet, das die Leit- und Steuerlogik LC der gesamten Einrichtung abschließt und deswegen physikalisch weit von dem Motor M und den Wandlern T und E entfernt ist; schließlich ist die Anzahl der verwendeten Aktuatoren üblicherweise gleich der Anzahl der zu steuernden Motoren.
In 2 ist das Blockdiagramm eines weiteren Steuersystems des bekannten Typs gezeigt, das einen Aktuator für jede Achse vorsieht; das Blockdiagramm der 2, in dem gleiche Komponenten wie im Diagramm der 1 mit gleichen Bezugszeichen gezeigt sind, umfasst insbesondere ein Schaltbrett QC, das geeignet ist zur Steuerung von zwei Achsen A1, A2 mittels der herkömmlichen Aktuatoren AN, wenngleich dasselbe Diagramm auf nAchsen ausgedehnt werden kann.
Jede Achse A1, A2 umfasst neben einem Motor M und einem Geschwindigkeits- und Positionswandler T darüber hinaus eine Handbremse F.
Es ist zu beachten, dass im Fall der 2 die Positionsregelung mittels des Bewegungssteuerungsblocks MC vorgenommen wird, der mit der Steuerlogik LC im allgemeinen über einen Feldbus FB kommuniziert.
Bei bestimmten Konfigurationen ist es möglich, dass die Steuerlogik LC auch die Funktionen der Bewegungssteuerung MC übernimmt oder umgekehrt.
Sofern „intelligente" Aktuatoren verwendet werden, wird die Aufgabe der Steuerung der Position direkt von dem Aktuator ausgeführt, der in diesem Fall fast immer mit einer Schnittstelle ausgestattet ist, die zur Kommunikation über den Feldbus FB fähig ist.
Der Aktuator wird somit direkt von der Steuerlogik LC verwaltet, wie im Blockdiagramm der 3 dargestellt, die ein System mit zwei Achsen A1, A2 mit „intelligenten" Aktuatoren AZ1, AZ2 zeigt; des weiteren sind in 3 die Schnittstellen zur Kommunikation mit dem Feldbus FB mit INT bezeichnet und es sind auch in diesem Fall gleiche Komponenten wie in den Diagrammen der 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen gezeigt.
Sodann gibt es einige Konfigurationen (siehe das Blockdiagramm der 4), bei denen der „intelligente" Aktuator in einer Gruppe gezeigt ist, die auch den Motor selbst umfasst.
Jeder „intelligente" Aktuator AZ1, AZ2 ist in diesem Fall nicht mehr physikalisch im Schaltbrett QC angeordnet, sondern befindet sich an der Maschine integral mit dem Motor M, wobei die für den Aktuator benötigte Leistungszufuhr ebenso wie die Signale des Feldbusses FB vom Schaltbrett QC kommen.
Diese Lösung hat in jedem Fall einige Nachteile sowohl in thermischer Hinsicht, da zwei Wärmequellen zusammenkommen, als auch hinsichtlich des mechanischen Aufwand, weil sie das Gesamtvolumen erhöht.
Bei der herkömmlich verwendeten „Bündelungs"-Technik ist der Aktuator nicht vom „intelligenten" Typ, wobei die Positionsregelung üblicherweise der Bewegungssteuerung MC überlassen bleibt, in der gleichen Weise wie im System der 2 beschrieben.
Das Blockdiagramm dieser Ausgestaltung ist im einzelnen in 5 gezeigt, wo Komponenten mit gleicher Funktion wie in den vorhergehenden Figuren dargestellt gleiche Bezugszeichen haben.
Die Stromausgabe des Aktuators AN wird über den Block elektromechanischer Schalter CE elektromechanisch auf denjenigen Motor M umgeschaltet, der bewegt werden soll.
Im allgemeinen betrifft der „Bündelungs"-Betrieb nicht allein die Leistungsausgänge, sondern auch die Eingänge für den Geschwindigkeitsregler RV und den Positionsregler RP, wobei die Auswahl der Eingänge und der Ausgänge INT der Bewegungssteuerung MC oder der Steuerlogik LC überlassen ist, in welchem Fall diese auch die Funktionen der Bewegungssteuerung MC übernimmt.
Mit der gegenwärtigen „Bündelungs"-Technologie ist es jedoch nur möglich, Motoren M des gleichen Typs mit einem Aktuator AN zu verbinden, da es auf dem Markt keine elektrischen Aktuatoren gibt, die sich selbst augenblicklich umkonfigurieren können, um von einem Moment auf den nächsten Motoren eines anderen Konstruktionstyps zu steuern.
Wenngleich nämlich Aktuatoren auf dem Markt verfügbar sind, die – geeignet parametrisiert – in Verbindung mit synchronen wie auch mit asynchronen Motoren arbeiten können, so gibt es doch keinen, der in der Lage ist, sich all die verschiedenen Parameter zu merken, die notwendig sind, um die zwei verschiedenen Betriebsweisen handzuhaben und auf den Befehl einer externen Steuerlogik hin den einen oder den anderen aktiv zu machen.
Bei dieser Art der Applikation werden üblicherweise Absolutwandler verwendet, um während der Zeitintervalle, in denen die Wandler von der Bewegungssteuerung MC getrennt sind, nicht die Positionsreferenz der Achsen A1, A2 zu verlieren.
Das generelle Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Vermeidung der Nachteile des vorstehend angesprochenen Stands der Technik und insbesondere die Angabe eines integrierten Systems zum Steuern von Achsen industrieller Maschinen, das es ermöglicht, die mit herkömmlichen Lösungen verbundenen einschränkenden Effekte zu minimieren, um die Technik der „Bündelung" von zwei oder mehr elektrischen Achsen ökonomisch vorteilhaft und zuverlässig zu machen.
Diese und andere Zielsetzungen werden durch ein integriertes System zum Steuern von Achsen einer industriellen Maschine nach Anspruch 1 erreicht, auf den wir uns um der Kürze willen beziehen; die weiteren abhängigen Ansprüche enthalten detaillierte Merkmale der Erfindung.
Vorteilhafterweise ermöglicht das vorgeschlagene System gemäß der vorliegenden Erfindung die Integration der zur Realisierung der „Bündelung" notwendigen Komponenten mit der sich ergebenden Platzersparnis im Schaltbrett und der sich ergebenden Verringerung derjenigen Zeiten, wenn der Aktuator während des Umschaltschritts von einer Achse auf die andere ungenutzt ist.
Die Anwendung einer derartigen Architektur verringert zudem die zur elektrischen Verkabelung und zur Vorbereitung der Achsen benötigte Zeit und erlaubt es, Achsen, die mit unterschiedlichen Typen von Motoren (synchron, asynchron, Gleichstrom- und Schritt) ausgestattet sind, mit demselben Aktuator zu steuern, was eine Optimierung der Kosten des Motors im Hinblick auf die tatsächlichen technisch-applikatorischen Anforderungen jeder Achse möglich macht.
Ein solches System bietet auch maximale Flexibilität bei der Konfiguration zueinander in der Funktionalität der Produktivachsen ähnlicher Architekturen, die sich aber in der Anzahl der automatisierten Hilfsachsen unterscheiden, da die verwendeten Elemente (Aktuatoren, Wandler, Kabel, usw.) standardisiert werden können und daher in unterschiedlichen Arten von Applikationen und unabhängig vom verwendeten Motortyp verwendet werden können.
Die Möglichkeit, die Architektur gemäß der Erfindung direkt an der Maschine zu implementieren, erlaubt eine Verringerung der Verdrahtung zwischen den verschiedenen Geräten bzw. Bauteilen und ermöglicht eine Verringerung der elektromagnetischen Emissionen am elektrischen Schaltbrett.
Diese Ausbildung vereinfacht auch die Anbringung gesteuerter Hilfsachsen als Zusatz zur Grundausstattung sowohl bei neu konstruierten Maschinen als auch im Rahmen der Aufrüstung bereits bestehender Maschinen und Einheiten.
Schließlich kann bei Anordnung des Aktuators an der Maschine die während des Betriebs desselben dissipierte Wärmeenergie vorteilhafterweise über die mechanische Struktur der Maschine abgeführt werden, wenn man davon ausgeht, dass die typische hohe thermische Trägheit von eisenmetallischen Strukturen perfekt zum Impulsbetrieb des gemäß der Technik der „Bündelung" eingesetzten Aktuators passt.
Weitere Zielsetzungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen heraus klar werden, die lediglich als nicht beschränkendes Beispiel dienen und in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern der Geschwindigkeit und/oder Position einer Achse einer industriellen Maschine nach dem Stand der Technik zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern zweier Achsen mittels herkömmlicher Aktuatoren nach dem Stand der Technik zeigt;
3 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern zweier Achsen einer industriellen Maschine mit einem „intelligenten" Aktuator für jede Achse gemäß dem Stand der Technik zeigt;
4 ein Blockdiagramm eines Steuersystems mit einem mit dem Motor für die betreffende Achse integrierten intelligenten Aktuator nach dem Stand der Technik zeigt;
5 ein Blockdiagramm eines Steuersystems nach dem Stand der Technik zeigt, das auf der herkömmlichen Technik der „Bündelung" basiert;
6 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines integrierten Systems zum Steuern der Achsen industrieller Maschinen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A ein beispielhaftes Blockdiagramm einer bevorzugten und nicht beschränkenden Variante des integrierten Systems zum Steuern der Achsen industrieller Maschinen gemäß der Erfindung zeigt;
7 ein Diagramm zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung die Bedingungen der Anwendbarkeit einer Achse entsprechend den Attributen zeigt, die sie hinsichtlich der Anwendung hat;
8 ein Diagramm bezüglich der Gesamtsituation der Anwendbarkeit der Achsen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ein schematisches Beispiel der Synchronisierung zweier erfindungsgemäßer Aktuatorvorrichtungen des Tochter-Typs mit einer Aktuatorvorrichtung des Leit- bzw. Mutter-Typs mit einem vereinigten Steuer- und Übermittlungsbus zeigt;
9A ein schematisches Beispiel der Synchronisierung von drei erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtungen in einer Kaskade vom Mutter/Tochter-Typ zeigt.
Unter besonderer Bezugnahme auf das Blockdiagramm der in 6 gezeigten erfindungsgegenständlichen Architektur tauscht das betrachtete Steuersystem Informationen und Signale über vier verschiedene Busse aus, die mit FB, CB, TB und MB bezeichnet sind.
Jeder Bus FB, CB, TB, MB hat seine eigene Geschwindigkeit, die an die Erfordernisse der elektrischen Größen oder der Austauschsignale angepasst ist, welche zwischen den verschiedenen angeschlossenen Geräten bzw. Bauteilen laufen, wobei jedoch keineswegs verhindert ist, dass die von zwei oder mehr Bussen ausgeführten Funktionen in einem einzigen Bus integriert sein können, der jedenfalls die gleiche Leistung gewährleisten kann.
Die vier Busse FB, CB, TB, MB werden von einem Mehrachsen-Aktuatorsystem AMU verwaltet, das den ausgewählten Motor M über die Regler RP, RV, RC hinsichtlich Strom, Geschwindigkeit und Position steuert.
Eine jeder Achse A1, A2 zugeordnete „Bündelungs"-Vorrichtung DMA1 bzw. DMA2 ermöglicht es, viele Motoren M und viele Wandler T mit einem einzigen Aktuator AMU zu verbinden, wobei der Aktuator AMU seinerseits von der Steuerlogik LC gesteuert wird.
Die beschriebenen Blöcke kommunizieren über die als FB, CB, TB und MB festgelegten vier Busse, von denen jeder eine spezielle Funktion hat.
Als erstes ist der Feldbus FB die Schnittstelle für den Aktuator AMU zu irgendeiner allgemeinen Steuerlogik LC hin.
Dieser Typ von Bus tauscht Informationen zwischen „intelligenten" Komponenten aus und benötigt keine besonderen Eigenschaften hinsichtlich Geschwindigkeit und Be stimmtheit bzw. Determiniertheit- als ein Beispiel können wir einige der eher gewöhnlichen Feldbusse FB auflisten, die perfekt für diese Art von Anwendung geeignet sind: ModBus, CanBus, ProfiBus, Interbus, Ethernet, usw.
Der Steuerbus CB hat die Aufgabe, die „Bündelungs"-Vorrichtungen DMA1, DMA2 jeder Achse A1, A2 zu verbinden und ihren Betrieb zu koordinieren, und er kann aus irgendeinem seriellen oder parallelen Bus bestehen, der mindestens zwei Vorrichtungen DMA1, DMA2 bewältigen kann.
Wenn die Anzahl der anzuschließenden Achsen groß ist, wird es zweckmäßig, einen seriellen Bus zu verwenden, der in jedem Fall eine gute Datenaustauschgeschwindigkeit mit Verzögerungen bei der Kommunikation von nicht mehr als 10 Millisekunden und eine absolute Betriebssicherheit gewährleisten muss.
Derselbe Bus CB kann auch zur Versorgung der Vorrichtungen DMA1, DMA2 und der möglichen elektromechanischen Spule der Handbremse F der ausgewählten Vorrichtung DMA1, DMA2 verwendet werden.
Der Bus TB (Wandlerbus) hat die Aufgabe, die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen von den Wandlern der Achsen A1, A2 zur Aktuatorvorrichtung AMU zu übertragen.
Da der Wandler TB am Ende jedes Betriebszyklus vom Aktuator getrennt ist, müssen die Positionsinformationen absolut sein, um mögliche inkrementale Informationsverluste zu vermeiden, die während des zwischen einem Betriebszyklus und dem nächsten vergehenden Zeitraums stattfinden, während die übertragenen Geschwindigkeitsinformationen schnell sein und hinreichende Auflösung besitzen müssen, um auch eine gute Regulierung der Geschwindigkeitsschleife der Achse zu ermöglichen.
Der ideale Bus TB muss daher die Übertragung dieser Informationen in Echtzeit und mit Bestimmtheit ermöglichen.
Für diese Anforderungen an die Kommunikation kann ein schneller digitaler Bus TB verwendet werden, selbst wenn solche gewöhnlich teuer sind, oder es kann ein analoger Bus mit zwei oder mehr Signalen verwendet werden, deren Verarbeitung in jedem Fall die Ermittlung der absoluten Position des Wandlers T und der Augenblicksgeschwindigkeit der Achse A1, A2 mit guter Präzision gestattet.
Nur die ausgewählte Vorrichtung DMA1, DMA2 soll den Bus TB zur Übertragung der von ihrem Wandler T kommenden Signale zur Aktuatorvorrichtung AMU benutzen, während alle anderen Vorrichtungen DMA1, DMA2 abgetrennt bleiben sollen, um so nicht die ablaufenden Geschwindigkeits- und Positionsmessungen zu stören.
Der Motorbus MB ist ein paralleler Bus mit einem oder mehreren Leitern (typischerweise drei), mit dem Energie von dem Aktuator AMU zu den mit diesem verbundenen Elektromotoren M übertragen werden kann, welche gleichzeitig allen bekannten Arten von Motoren angehören können, etwa Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Synchronmotoren, Asynchronmotoren, sowohl einphasig als auch dreiphasig, Schrittmotoren und Reluktanzmotoren.
Die Aktuatorvorrichtungen AMU und die „Bündelungs"-Vorrichtungen der Achsen DMA1, DMA2 sind in der Tat der Kern der erfindungsgegenständlichen Architektur; wir wollen nun eine kurze Beschreibung der von diesen Vorrichtungen ausgeführten Funktion liefern.
Jede „Bündelungs"-Vorrichtung der Achse DMA1, DMA2 bildet ein repräsentatives Element des erfindungsgemäßen integrierten Steuersystems, da sie nacheinander die Verbindung vieler Achsen A1, A2 mit einer einzigen Aktuatorvorrichtung AMU gestattet und somit eine Verringerung der erforderlichen Investitionen auf ein Minimum ermöglicht.
Die Vorrichtung DMA1, DMA2 wird über den Bus CB direkt von der Aktuatorvorrichtung AMU gesteuert und benötigt daher keine eigene eingebaute logische Steuerintelligenz, die unvermeidbar ihre Kosten und ihren Aufwand erhöhen würde.
Ihre Hauptfunktion ist die Verbindung oder Trennung des Elektromotors M der Achse A1, A2 vom Motorbus MB.
Die Aktivierung und Deaktivierung des Motorbusses MB kann bei Fehlen eines Stromflusses stattfinden, wodurch das Entstehen unerwünschter transienter Erscheinungen während des Schattens vermieden wird und die Leistung beschränkt wird, die von den verwendeten Komponenten dissipiert wird, welche folglich von ihren Größen her so ausgelegt werden können, dass sie leicht am Motor M oder in dessen unmittelbarer Nähe eingebaut werden können.
Die Vorrichtung DMA1, DMA2 kann mit Hilfe des Steuerbusses CB Informationen betreffend ihren Betriebszustand (beispielsweise ob sie aktiviert oder deaktiviert ist, ob es gerade Alarme gibt, usw.) und auch Informationen, die den Status einer bestimmten Anzahl von Eingängen und/oder Ausgängen betreffen, welche mit dem Betrieb der Achse A1, A2 mehr oder weniger verbunden sind, wie etwa elektrische Stopps, manuelle Bewegungsbefehle der Achse, Ein-/Ausschalten des Elektroventils oder anderer Automationsvorrichtungen, die in der Nähe der Vorrichtung DMA1, DMA2 vorhanden sind und am Betrieb der Maschine beteiligt sind, empfangen und zum Aktuator AMU übertragen.
Die Vorrichtung DMA1, DMA2 kann jedenfalls auch zusätzliche Funktionen ausführen, die abhängig vom verwendeten Typ von Elektromotor und der relativen mechanischen Anwendung mehr oder weniger wichtig sind; eine dieser Funktionen kann beispielsweise sein, die Signale des Wandlers T anzupassen und/oder zu verstärken, bevor sie an den Bus TB angelegt werden, oder die Einschaltung oder Deaktivierung der möglichen elektromechanischen Handbremse F zu befehlen.
Das Vorhandensein des Wandlers T und/oder der Handbremse F hängt von der Anwendung und vom Typ des verwendeten Motors M ab; diese Komponenten können daher weggelassen werden, ohne die korrekte Funktion des integrierten Steuersystems der Erfindung zu beeinträchtigen.
Die Aktuatorvorrichtung AMU ist das Herz des Systems, da sie das zur Ausführung der eigentlichen Regelfunktionen der Achsen vorgesehene Element ist; sie ist mit einer beliebigen Steuerlogik zur industriellen Automation über den Feldbus FB verbunden, sowohl weil dieser Typ von seriellem Bus ein standardisiertes Mittel ist, das ausreichend schnell und zuverlässig ist, um mehrere intelligente Geräte bzw. Bauelemente in Kommunikation miteinander zu bringen, als auch weil die Vorrichtung AMU folglich leichter im Feld – an der Maschine – nahe derjenigen Achsen angeordnet werden kann, die sie steuern soll, was es gestattet, die Busse CB, TB und MB mit kürzeren und deswegen weniger teuren Kabeln zu realisieren.
Der Aktuator AMU enthält eine Management- und Wähllogik für die Achsen LAS, die zahlreiche Funktionen wirksam vollenden kann.
Als erstes muss sie über den Feldbus FB mit der Steuerlogik LC kommunizieren, um mit dieser diejenigen Informationen auszutauschen, die für die korrekte Verwaltung der Aktivierungssequenz der Achsen A1, A2 auf Grundlage der unterschiedlichen ablaufenden Bearbeitungsschritte notwendig sind.
Sodann muss sie über den Steuerbus CB die Vorrichtung DMA1, DMA2 der Achse A1 bzw. A2 anwählen, um die erforderlichen Blockierungs-/Entblockierungssequenzen der Logiksignale auszulösen und zu aktivieren, die es gestatten, den Motor M und den Wandler T der ausgewählten Achse A1, A2 in Verbindung mit den Bussen MB und TB zu setzen.
Nachdem er sich vergewissert hat, dass die Verbindung der Vorrichtung DMA1, DMA2 mit den Bussen MB, TB stattgefunden hat, verwaltet der Aktuator AMU, der alle Betriebs- und Arbeitsparameter hinsichtlich der ausgewählten Achse aus einem geeigneten Speicherbereich entnimmt, sie mit den Betriebsweisen betreffend den in diesem Moment zugeschalteten Typ von Elektromotor in den verschiedenen Regelschleifen der Achse (RC, RV und RP), um die seitens der Logik LC von ihm verlangte Operation zu ihrem Abschluss zu bringen.
Es wichtig zu unterstreichen, dass die Architektur innerhalb der Software zum Steuern des Aktuators AMU in der Lage ist, den Betrieb des Aktuators augenblicklich an den Typ des über die Vorrichtung DMA1, DMA2 zugeschalteten Elektromotors M anzupassen, der daher von Achse zu Achse hinsichtlich der Konstruktionsart, hinsichtlich der Größe und hinsichtlich der Betriebsparameter unterschiedlich sein kann.
Der Aktuator AMU, der in einer einzigen Vorrichtung die Steuerung aller Regelschleifen der Achse umfasst, macht es möglich, eine gleichzeitige Steuerung des gelieferten Moments (über den Regler RC), der Momentangeschwindigkeit (über den Regler RV) und der Position (über den Regler RP) der Achse A1, A2 in Echtzeit auszuführen, um rasch Leistung von dem Motor M wegzunehmen, wenn die ausgewählte Achse auf mechanische Hindernisse stößt.
Solche Hindernisse werden nämlich anhand einer plötzlichen und unvorhergesehenen Änderung der Stromaufnahme seitens des Motors M in Kombination mit einem Absinken der Geschwindigkeit und des überdeckten Raums erkannt.
Die Kosten für die elektromechanischen Stopps für die langsameren und kostenträchtigeren Achsen können somit ebenfalls beseitigt werden, was die Verwendung der betrachteten Architektur noch vorteilhafter macht.
Schließlich führt der Aktuator AMU die Überwachung und Verwaltung der Alarme durch, die während des dynamischen Betriebs der Achse auftreten können (wie beispielsweise Strombegrenzungen, Folgefehler, usw.) oder die entweder von der Diagnose der Vorrichtung DMA1, DMA2 oder von möglichen anderen Hilfssignalen stammen, welche als Eingangs- und/oder Ausgangssignal in deren Hardwarestruktur verfügbar sind.
Es wurde gezeigt, wie auf Grundlage der im ersten Teil der Beschreibung gemachten Klassifikation es möglich ist, jede Achse, die einen Teil einer Maschine bildet, mit zwei anwendungsmäßigen Attributen zu versehen, von denen eines mit der Funktion der Achse im Produktionszyklus verbunden ist (Produktiv- oder Hilfsachse) und das andere auf Grundlage ihrer betriebsmäßigen Wechselwirkung mit anderen Achsen definiert ist (gekoppelte oder unabhängige Achse).
Diesbezüglich bietet die Architektur des integrierten Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung wirtschaftliche Vorteile gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen Architekturen entsprechend der Anzahl von Achsen, bei der sie angewendet werden kann.
In der folgenden Tabelle sind die hypothetischen Bedingungen der Anwendbarkeit einer Achse entsprechend den Attributen gezeigt, die sie hinsichtlich der Anwendung hat.
Die Anwendbarkeit des erfindungsgegenständlichen integrierten Steuersystems kann auch mit Hilfe eines ohne weiteres verständlichen grafischen Hilfsmittels bewertet werden.
In einer kathesischen Ebene, wie sie in 7 dargestellt ist, werden die folgenden Größen für jede Achse dargestellt:
Achse X+ = Prozentsatz der Anzahl unabhängiger Achsen zur Gesamtzahl der Achsen;
Achse X– = Prozentsatz der Anzahl gekoppelter Achsen zur Gesamtzahl der Achsen;
Achse Y+ = Prozentsatz der Anzahl von Hilfsachsen zur Gesamtzahl der Achsen;
Achse Y– = Prozentsatz der Anzahl von Produktivachsen zur Gesamtzahl der Achsen.
7 gestattet es uns, den Grad der Anwendbarkeit des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen integrierten Steuersystems visuell durch Vergleich der Position des Rechtecks RE zu bewerten, wobei beide Seiten eine Breite gleich 100% haben, was die Gesamtzahl der in der untersuchten Anwendung verwendeten Achsen repräsentiert.
Der maximale Grad der Anwendbarkeit wird in dem Fall erreicht, dass alle Achsen Hilfsachsen sind und unabhängig sind, weil die gesamte Fläche des Rechtecks RE, die alle Achsen insgesamt repräsentiert, im Quadrant X+, Y+ enthalten ist.
Eine Veränderung des prozentualen Zusammenhangs zwischen den beiden Arten von Attributen der Achsen bedeutet eine Verschiebung der Position des Rechtecks RE zu einem der drei anderen Quadranten hin, wodurch folglich die in dem Quadrant X+, Y+ enthaltene Fläche verringert wird, die den maximalen Grad der Anwendbarkeit des integrierten Steuersystems der vorliegenden Erfindung repräsentiert.
Es sei beispielsweise der Fall einer Holzfeinschleifmaschine angenommen, die ein motorisiertes Förderband (TN) umfasst, welches das zu behandelnde Holzstück unter drei Behandlungsgruppen transportiert, die jeweils mit n identifiziert sind und ein Schleifband (Ln) umfassen, das im Raum durch die kartesichen Achsen Xn, Yn und Zn ausgerichtet werden kann.
Die Ausrichtung jeder Schleifgruppe im Raum muss vor dem Start der Bearbeitung erfolgen, wobei die zwischen den Achsen bestehenden Bearbeitungseinschränkungen in der Notwendigkeit bestehen, die Bänder stets während des Durchgangs des Stücks anzutreiben.
Die folgende Tabelle fasst die Gesamtsituation der Anwendung zusammen:

Die grafisch gezeigten Daten führen zum Diagramm der 8, das klar herausstellt, dass die im positiven Quadrant X+, Y+ enthaltene Fläche AR1 hinreichend groß ist, um die Anwendbarkeit des erfindungsgegenständlichen integrierten Steuersystems in jedem Fall zu gewährleisten; die im Quadrant X+, Y– vorhandene Fläche AR2 zeigt darüber hinaus an, dass die Anzahl der Produktivachsen beträchtlich gegenüber derjenigen der Hilfsachsen ist, wobei dies eine weitere interessante Gelegenheit darstellt, die Anwendung des betrachteten Steuersystems vorteilhaft auszunutzen. Angesichts der universellen Eigenschaften der Aktuatoren AMU kann nämlich daran gedacht werden, die Maschine mit einer zur Anzahl der Produktivachsen ähnlichen Anzahl von Aktuatoren AMU auszustatten und mit diesen die Produktivachsen wie auch die Hilfsachsen zu steuern.
In diesem speziellen Fall könnte daher daran gedacht werden, ein System zum Steuern der Achsen zu realisieren, das aufgebaut ist aus:

– 1 für die Achse TN bestimmten normalen Aktuator AN;
– 3 Aktuatoren AMU, die während des Produktionszyklus die Achsen L1, L2, L3 steuern, während des Einrichtungsschritts der Maschine für die vorzunehmende Behandlung hingegen die betreffenden Achsen X, Y, Z in die von der Logik LC bestimmten Arbeitskoordinaten positionieren;
– 12 Vorrichtungen DMA1, DMA2, die erforderlich sind, um vier Achsen an jeden Aktuator AMU anzuschließen.

Gegenüber einem herkömmlichen System mit einem Aktuator für jede Achse (wie dem in 2 beschriebenen) sind daher die Vorteile erheblich, weil eine kleinere Anzahl von Aktuatoren verwendet wird und deswegen die Kosten für die Komponenten geringer sind und weniger Aufwand beim elektrischen Schaltbrett QC besteht. Bei Verwendung des Aktuators AMU kann darüber hinaus die Bewegungssteuerung MC weggelassen werden, und die Anzahl der Verbindungskabel zwischen dem elektrischen Schaltbrett QC und der Maschine verringert sich, mit der Folge einer Einsparung an Material und Verdrahtungszeit, zumal dann, wenn die Aktuatoren AMU an der Maschine eingebaut werden.
Im Hinblick auf ein System mit einem intelligenten Aktuator für jede Achse (beschrieben mit Bezug auf 3) verringert das integrierte Steuersystem gemäß der Erfindung neben einer Herabsetzung der benötigten Anzahl von Aktuatoren, einer Verringerung der Verdrahtung und der Ermöglichung, den Aktuator AMU an der Maschine zu montieren, zudem drastisch die Anzahl der mit dem Feldbus FB verbundenen Knoten, was die Logik vereinfacht und die Kosten weiter minimiert.
Verglichen mit einem System, das mit einem intelligenten Aktuator realisiert ist, der mit dem Motor integriert ist (beschrieben mit Bezug auf 4), hat das betrachtete Steuersystem überdies niedrigere Kosten, einen geringeren Aufwand und eine bessere Wärmedissipation, insofern als die eingesetzten Komponenten weniger werden und die Anzahl der zu verwaltenden Knoten des Feldbusses FB abnimmt, mit der Folge niedrigerer Kosten und einer geringeren Komplexität.
Im Vergleich zur herkömmlichen Technik der „Bündelung" mit normalen Aktuatoren AN, die elektromechanisch auf mehrere Motoren geschaltet werden (wie mit Bezug auf 5 beschrieben), gestattet das in der vorliegenden Erfindung beschriebene innovative integrierte Steuersystem schließlich eine Verringerung der zur Realisierung der bordseitigen Architektur des elektrischen Schaltbretts QC benötigten Anzahl von Komponenten und der Verdrahtungszeit.
Durch Verwendung des Aktuators AMU fällt auch die Bewegungssteuerung MC weg und der Betrieb des Aktuators AMU kann an unterschiedliche Typen von Elektromotor angepasst werden, indem für jeden abhängig von den speziellen mechanischen Anforderungen jeder einzelnen Achse die geeigneten Regelungsparameter der Regler RC, RV angewendet werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgegenständlichen integrierten Steuersystems besteht in der Tatsache, dass die Zeit, für die die Achsen während des Umschaltens von einer Achse auf eine andere ungenutzt sind, gegenüber dem elektromechanischen System verringert ist, da alle zu erzielenden Parameter direkt im Aktuator AMU gesteuert werden; in der Praxis verringert der Integrationsprozess die Zeitverzögerung zwischen dem Steuerschritt und dem Befehlsschritt.
In diesem Fall ist es zudem möglich, den Aktuator AMU an der Maschine anzuordnen, um die Länge und Kosten der Verbindungskabel zwischen den Motoren und dem elektrischen Schaltbrett zu verringern und die Probleme der elektromagnetischen Kompatibilität zu verringern.
Eine weitere von dem erfindungsgemäßen Steuersystem gebotene Möglichkeit ist, dass viele Aktuatorvorrichtungen AMU mit den gleichen „Bündelungs"-Vorrichtungen DMA1, DMA2 verbunden werden können, um eine Redundanz zu erhalten (diesbezüglich siehe 6A für einen schnellen Vergleich, wo eine einzelne Management- und Steuerlogik LC viele parallel angeordnete Aktuatorvorrichtungen AMU verwaltet).
Aus der vorstehenden Beschreibung sind die Eigenschaften des erfindungsgegenständlichen integrierten Systems zum Steuern der Achsen von industriellen Maschinen ebenso klar wie die Vorteile klar sind.
Schließlich ist es auch klar, dass das betrachtete integrierte Steuersystem zahlreichen anderen Varianten zugänglich ist, ohne dass hierdurch von den der Erfindungsidee inhärenten Neuheitsprinzipien abgewichen wird, genauso wie es klar ist, dass bei praktischer Ausführung der Erfindung die Materialien, Formen und Größen der dargestellten Einzelheiten entsprechend den Anforderungen beliebig sein können und dass sie durch andere, technisch äquivalent ersetzt werden können.
In der „Steuerflächen/Flächenfolger"-Technologie drückt sich die Position jeder Achse des „Tochter"-Typs entsprechend der Position einer als „Mutter" bekannten Referenzachse aus; die „Mutter" kann eine reale Achse oder eine gedachte Achse sein. Damit die „Tochter"-Achse einer Bahn folgt, die sich als Funktion der von der „Mutter"-Achse während der Ausführung ihrer Bahn eingenommenen Momentanposition ausdrückt, ist es freilich in beiden Fällen notwendig, dass diese Information in Echtzeit und in bestimmender Weise von der „Mutter"-Achse zu der Achse oder zu den Achsen vom „Tochter"-Typ übertragen wird.
Die Bestimmtheit kann zu einem stärkeren oder schwächeren Grad abhängig von den Anforderungen an die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Anwendung ausgedrückt werden, und aufgrund dieser Notwendigkeit kann die Übertragung der Momentanposition der „Mutter"-Achse zur „Tochter"-Achse mit Hilfe eines der folgenden in dem erfindungsgemäßen integrierten Steuersystem vorgesehenen Kommunikationsbusse als Mittel der Übertragung stattfinden:

– dem Feldbus FB, falls eine nicht zu genaue Bestimmtheit ausreichend ist (maximaler Jitter von 1 ms);
– dem Steuerbus CB, sofern eine mittlere Bestimmtheit ausreichend ist (maximaler Jitter von 0,1 ms);
– dem Übertragungsbus TB, falls ein hoher Grad an Bestimmtheit erforderlich ist (maximaler Jitter von 0,01 ms).

In dem Fall, dass der Steuerbus CB und der Übertragungsbus TB vereinigt sind, wird es notwendig sein, eine Konfiguration der Verbindung zwischen den Aktuatorvorrichtungen AMU zu wählen, wie sie in den in den 9 und 9A gezeigten Hauptdiagrammen dargestellt ist.
Insbesondere stellt 9 eine Prozedur zur Synchronisierung von zwei Aktuatorvorrichtungen AMU2, AMU3 des „Tochter"-Typs mit einer Aktuatorvorrichtung AMU1 vom „Mutter"-Typ dar, mit einem Feldbus FB und zum Bus CTB vereinigtem Kommunikationsbus CB und Übertragungsbus TB, wobei die Steuerlogik LC, die Schnittstellen DMA1, DMA2 und die Motoren und Wandler M1, T1, M2, T2 vorhanden sind, die zu der Schnittstelle DMA1 bzw. der Schnittstelle DMA2 gehören.
9A zeigt dann eine Prozedur zur Synchronisierung von drei Aktuatorvorrichtungen in einer „Mutter/Tochter"-Kaskade, von denen eine (AMU1) vom „Mutter"-Typ ist, eine (AMU3) vom „Tochter"-Typ ist und eine (AMU2) „Tochter/Mutter" AMU1 ist, mit einem ein Feldbus FB und zum Bus CTB vereinigten Kommunikationsbus CB und Übertragungsbus TB, wobei die Steuerlogik LC, die Schnittstellen DMA1, DMA2 und die Motoren und Wandler M1, T1, M2, T2 vorhanden sind, die zu den Schnittstellen DMA1 bzw. DMA2 gehören.
Zusammenfassung
Integriertes System zum Steuern von Achsen einer industriellen Maschine Ein integriertes System zum Steuern der Achsen (A1, A2) einer industriellen Maschine, bei dem die Achsen (A1, A2) durch Aktuatormittel (AN, AZ, AZ1, AZ2) betätigt werden, welche eine Kraft aufbringen, um eine Verlagerung im Raum zu bestimmen; mindestens ein Motor (M) und mindestens ein Wandler ("T), welcher zur Umwandlung physikalischer Größen in elektrische Signale geeignet ist, die von einer Steuerlogikeinheit (LC) und/oder von den vorgenannten Aktuatormitteln verwendet werden können, um die Wirkung der von dem Motor (M) an jede der Achsen (A1, A2) gegebenen Bewegungsbefehle auszuführen. Insbesondere ist jeder Motor (M) mit mindestens einer Schnittstelle (DMA1, DMA2) zur Verbindung mit einer Aktuatorvorrichtung (AMU) verbunden, wobei die Schnittstelle (DMA1, DMA2) Mittel vorsieht, welche dazu geeignet sind, demjenigen Motor (M) Energie zuzuführen oder nicht zuzuführen, der dem entspricht, welcher von der Aktuatorvorrichtung (AMU) verlangt wird, sowie Mittel für das Management und die Auswahl (LSA) jeder Achse (A1, A2).

Claims

Integriertes System zum Steuern der Achsen (A1, A2) einer industriellen Maschine, wobei die Achsen (A1, A2) durch Aktuatormittel (AN, AZ, AZ1, AZ2) bestätigt werden, welche eine Kraft aufbringen, um eine Verlagerung im Raum zu bestimmen, wobei an die Achsen (A1, A2) auch mindestens ein Motor (M) angelegt ist, der geeignet ist, mindestens einer der Achsen (A1, A2) Bewegungsbefehle zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Motor (M) mit mindestens einer Schnittstelle (DMA1, DMA2) zur Verbindung mit mindestens einer Aktuatorvorrichtung (AMU) verbunden ist, wobei die Schnittstelle (DMA1, DMA2) Mittel vorsieht, welche dazu geeignet sind, demjenigen Motor (M) Energie zuzuführen oder nicht zuzuführen, der dem entspricht, welcher von der Aktuatorvorrichtung (AMU) verlangt wird, wobei die Aktuatorvorrichtung (AMU) ferner Mittel für die Verwaltung und Auswahl (LSA) jeder Achse (A1, A2) über die Schnittstelle DMA1, DMA2 vorsieht.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwaltungs- und Auswahlmittel (LSA) mittels mindestens eines Kommunikationsbusses (MB, CB, TB, FB) mit den Achsen (A1, A2) und mit mindestens einer Steuerlogik (LC) des gesamten Verwaltungs-, Mess- und Versorgungsinformationssystems senden und sich austauschen.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (DMA1, DMA2) mit der Aktuatorvorrichtung (AMU) mittels funktionaler Koordinationsbusse (CB), Übertragungsbussen (TB) für die von Wandlern (T), welcher zur Umwandlung von physikalischen Amplituden in elektrische Signale geeignet sind, kommenden Informationen und Versorgungsbussen (MB) kommuniziert, welche zur Zufuhr von Energie zu dem Motor (M) geeignet sind, wobei die Kommunikationsbusse (CB, TB, FB, MB) zur Leitung von Informationssignalen und/oder zur Bereitstellung einer Zufuhr zu dem System vorgesehen sind.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung (AMU) eine intelligente elektrische Aktuatorvorrichtung ist, welche dazu geeignet ist, ihre eigene Betriebsweise im Hinblick auf den Typ und die Größe des mit der speziellen Schnittstelle (DMA1, DMA2) verbundenen Motors (M) selbst automatisch zu konfigurieren.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung (AMU) Schaltmittel integrieren kann, welche mittels einer „Bündelungs"-Technik zur Befehlssteuerung vieler Motoren (M) verwaltet werden.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsbusse (FB, CB, TB, MB) von der Mehrachsen-Aktuatorvorrichtung (AMU) verwaltet werden, welche den ausgewählten Motor (M) mittels einer Mehrzahl von Reglern (RP, RV, RC) hinsichtlich Strom, Geschwindigkeit und Position steuert.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung (AMU) an der Außenseite oder an der Maschine nahe der Achsen (A1, A2) angebracht werden kann, die sie steuern soll.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorvorrichtung (AMU) die Überwachung und Verwaltung der Alarme ausführt, welche während des dynamischen Betriebs der Achse (A1, A2) auftreten können oder welche von der Diagnose der Schnittstelle (DMA1, DMA2) und von möglichen anderen Hilfssignalen kommen, die als Eingang und/oder Ausgang in deren Hardwarestruktur verfügbar sind.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es dann, wenn die Anzahl der Produktivachsen gegenüber derjenigen der Hilfsachsen wesentlich ist, möglich ist, einen Maschinenteil mit einer Anzahl von Aktuatorvorrichtungen (AMU) auszustatten, die vergleichbar der Anzahl der Produktivachsen ist, um sowohl die Produktiv- als auch die Hilfsachsen mit diesen zu steuern.
Integriertes Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, die Bahnen von vielen Produktivachsen zu synchronisieren und zu interpolieren, und zwar durch ein integriertes Management einer Technik zur Positionssynchronisierung zwischen einer Achse vom „Mutter"-Typ und einer Achse vom „Tochter"-Typ in den Aktuatorvorrichtungen (AMU1, AMU2, AMU3) und durch geeignete Verwendung mindestens eines der Kommunikationsbusse (FB, CB, TB), um die Position der Achse des „Mutter"-Typs in bestimmter Weise zu derjenigen Aktuatorvorrichtung (AMU2, AMU3) zu übertragen, welche die Achse des „Tochter"-Typs steuert.
Integriertes System zum Steuern der Achsen (A1, A2) einer industriellen Maschine, wie es in den beigefügten Zeichnungen und für die angegebenen Zwecke im wesentlichen beschrieben und dargestellt ist.