DE19826587A1 - Regelvorrichtung und -verfahren für Bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung zur Regelung des Antriebes (40) für eine Nutzlast (10), beispielsweise ein Werkzeug oder ein Werkstück, in einer Bearbeitungsmaschine (80) mit einem Sollwertgeber (50), einer Meßvorrichtung (20) als Istwertgeber und mindestens einem Vergleicher (60) zum Vergleich von Soll- und Istwert und zur Erzeugung eines Antriebssteuersignals. DOLLAR A Um bei einer derartigen bekannten Regelvorrichtung eine hochpräzise Regelung auch bei einem weniger starren Aufbau zu erreichen bzw. die Präzision der Regelung bei starrem Aufbau zu erhöhen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Meßvorrichtung (20) getrennt vom Antrieb (40), möglichst nahe an der Nutzlast (10), anzuordnen. Da auf diese Weise die Erfassung des Bewegungszustandes oder der Lage der Nutzlast getrennt vom Antrieb erfolgt, können sich Erschütterungen, die vom Motor auf das Motorfundament ausgeübt werden, nicht auf den Meßvorgang auswirken. DOLLAR A Die Erfindung betrifft des weiteren eine mit der beschriebenen Regelvorrichtung ausgestattete Bearbeitungsmaschine sowie ein entsprechendes Regelverfahren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine mit einer sol­ chen Regelvorrichtung ausgestatteten Bearbeitungsmaschine und ein Regelverfahren gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 14.

Bearbeitungsmaschinen im Sinne der folgenden Ausführungen sind beispielsweise Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrma­ schinen oder auch Bestückungsautomaten, Bondingautomaten etc. Bei derartigen Maschinen wird in der Regel eine Nutz­ last in Bezug auf ein Bearbeitungsteil bewegt, wobei die Nutzlast ein Werkzeug oder Werkstück und entsprechend das Bearbeitungsteil ein Werkstück oder Werkzeug sein kann.

Gebräuchlich sind Maschinen, in denen die Nutzlast in drei orthogonalen Richtungen geführt wird ("kartesische Maschi­ nen"), wobei ggf. noch Neigungen der Nutzlast einstellbar sind. Jeder der orthogonalen Richtungen ist dabei ein eige­ ner Antrieb zugeordnet, und die Steuerung der Lage und/oder des Bewegungszustandes der Nutzlast erfolgt unter Einbezie­ hung eines Maßstabes am Antrieb, der einen Rückschluß auf die Position der Nutzlast zuläßt.

Die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine hängt im wesentli­ chen von der Geschwindigkeit der Zustell- und Transportbe­ wegungen ab, und im Sinne hoher Maschinenproduktivitäten werden daher hohe Transportgeschwindigkeiten angestrebt.

In den meisten Fällen werden die Zustellungsbewegungen, von denen eine gewisse Präzision gefordert wird, von geregelten elektrischen Servoantrieben ausgeführt. Um die erheblichen gestiegenen Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindig­ keit zu erfüllen, werden seit vielen Jahren in zunehmendem Maß Direktantriebe für anspruchsvolle Zustell- und Trans­ portbewegungen eingesetzt. Bei Direktantrieben wird die zur Bewegung benötigte Vortriebs- und Drehkraft von einem Motor bzw. Kraftwandler erzeugt und ohne Umweg über Getriebe oder mechanische Transmissionen in die Nutzlast eingeleitet. Entsprechende Servo- oder Linearmotoren stehen zur Verfü­ gung. Die mit den schnellen Achsbewegungen einhergehenden hohen Beschleunigungen und Rucke (Änderungen der Beschleu­ nigung je Zeiteinheit) führen zur Erschütterung in den Ma­ schinenstrukturen und damit zu negativen Einflüssen auf die Bearbeitungsergebnisse. Auch wirken sich diese Erschütte­ rungen auf die Regelung der Antriebe aus. Wie erwähnt er­ folgt bei konventionellen Direktantrieben normalerweise die Regelung des Antriebs über einen am Direktantrieb ange­ brachten Maßstab und einen entsprechenden Sensor. Erschüt­ terungen des Motorträgers können somit die Motorregelung nachteilig beeinflussen.

Bei den kartesischen Maschinen tritt dabei noch zusätzlich das Problem auf, daß die Antriebe für eine Bewegung in al­ len drei Dimensionen nicht äquivalent sind. Bei einer ein­ dimensionalen Bewegung treibt zwar nur ein Antrieb das Werkzeug, um eine Bewegung in zwei Dimensionen zu realisie­ ren muß jedoch dieser Antrieb zusammen mit dem Werkzeug in der zweiten Dimension bewegt werden, und entsprechendes gilt für die dritte Dimension, so daß der dritte Antrieb zwei Antriebe zusammen mit dem Werkzeug bewegen muß. Die Antriebe müssen somit deutlich unterschiedlich stark ausge­ legt werden, und im Zuge einer Lagen- und/oder Bewegungsre­ gelung addieren sich Fehler bei der Positionsbestimmung.

Desweiteren sind die Aufhängungen für die verschiedenen An­ triebe bauartbedingt anfällig gegen Biegebeanspruchungen, die zur weiteren Erhöhung der Fehlerquote beitragen.

Zur Vermeidung dieser Probleme wurden sog. "Hexapodenma­ schinen" vorgeschlagen, die sich durch eine besondere steife Struktur zur Aufhängung der Antriebe auszeichnen. Hexapodenmaschinen haben in der Regel einen starren Käfig in Fachwerkstruktur auf Basis eines modifizierten Okta­ eders, wobei ausgehend von einigen Knoten des Oktaeders mehrere Antriebe, beispielsweise 6, angeordnet sind. Diese Antriebe sind Linearantriebe und stützen sich einerseits auf die Knoten des Oktaeders und tragen andererseits eine Werkzeughalterung. Auf diese Weise ist es möglich, eine sehr starre Trägerstruktur für die Antriebe zu schaffen, in der die einzelnen Stäbe des Oktaederkäfigs im wesentlichen nur auf Zug oder Druck beansprucht sind, und es ist mög­ lich, im wesentlichen äquivalente Antriebe zu verwenden. Demgegenüber besteht das Problem, daß diese Hexapodenma­ schinen einen relativ komplizierten Aufbau haben und die Bewegungen der einzelnen Antriebe, die im Gegensatz zu kar­ tesischen Maschinen nicht mehr unabhängig voneinander ar­ beiten können, sehr genau geregelt werden müssen, um Ver­ spannungen zu vermeiden. Dadurch bedingt sind nur sehr kleine Toleranzen für Verformungen des Oktaederkäfigs zu­ lässig.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren und eine Regelungsvorrichtung für Bear­ beitungsmaschinen derart anzugeben, daß eine hochpräzise Regelung auch bei einem weniger starren Aufbau erreicht wird bzw. die Präzision einer Regelung bei starrem Aufbau erhöht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 13; die weiteren Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Dadurch, daß die Meßvorrichtung zur Ermittlung der Lage und/oder des Bewegungszustandes der Nutzlast getrennt vom Antrieb angeordnet ist, können sich Erschütterungen, die vom Motor auf das Motorfundament ausgeübt werden, nicht auf den Meßvorgang auswirken, anders als bei konventionellen Regelungen, bei denen die Messung anhand eines Maßstabs am Motor vorgenommen wird.

Vorzugsweise sind eine Anzahl von Sensoren vorgesehen, bei kartesischen Maschinen mit Verschiebungen in drei Richtun­ gen z. B. drei, und die Meßsignale der Sensoren werden als Vektoren mit drei Komponenten definiert.

Vorzugsweise sind die Sensorelemente als ein Meßrahmen aus­ gebildet, der am Werkzeug selbst oder an der Werkzeugauf­ hängung angebracht ist. Die Geometrie der Sensoren ent­ spricht dabei sinnvollerweise der Geometrie der Antriebs­ elemente, d. h. die Sensoren sind im mathematischen Sinne ähnlich den Antriebselementen angeordnet.

Erfindungsgemäß weist die Meßvorrichtung einen ersten Meß­ teil auf, der der Nutzlast zugeordnet ist und sich mit der Nutzlast bewegt, und einen zweiten Meßteil, der in Bezug auf einen Referenzort, der einem Bearbeitungsteil der Ma­ schine zugeordnet ist, feststeht, bzw. sich daran abstützt.

Durch die räumliche Trennung des Referenzortes vom Antrieb können Bewegungen des Werkzeugs bzw. der Werkzeugaufhängung unmittelbar erfaßt werden, und auch Erschütterungen, die über das Motorfundament auf das Werkzeug übertragen werden, können bei der Regelung berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß liegt somit eine Entkoppelung der Genauig­ keit (Meßvorgang) von der Krafterzeugung vor.

Vorteilhafterweise ist die Erfindung im Prinzip bei allen Bearbeitungsmaschinen wie Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Bestückungsautomaten, Bondingmaschinen etc. einsetzbar, seien es konventionelle kartesische Maschinen oder auch Hexapodenmaschinen.

Darüber hinaus bietet die Erfindung die Möglichkeit eines völlig neuen Aufbaus derartiger Bearbeitungsmaschinen. Da es bei dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren nicht er­ forderlich ist, die Trägerstruktur für die Antriebe über­ mäßig steif auszubilden, können die Antriebe an einer rela­ tiv weichen Struktur aufgehängt werden. Dies ist im Extrem­ fall beispielsweise die Decke einer Maschinenhalle, an der einzelne Direktantriebe aufgehängt und an einem Werkzeug­ träger zusammengeführt sind. Die Direktantriebe werden dann entsprechend ihrer Position angesteuert.

Besonders vorteilhaft wird die Erfindung mit einem impuls­ gekoppelten Direktantrieb verwendet, der beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 198 10 996 der Krauss Maffei AG beschrieben ist. Ein impulsgekoppelter Direktantrieb (als "Stoiber-Inertia-Drive" bezeichnet) weist, wie ein konventioneller Motor, einen ersten Motorteil auf (An­ triebsteil), der direkt das Werkzeug bzw. die Nutzlast an­ treibt, und einen zweiten Motorteil, der mit dem ersten Mo­ torteil für diesen Antrieb wechselwirkt (Reaktionsteil). Anders als bei konventionellen Motoren ist dieser zweite Motorteil dabei nicht starr mit einem Motorfundament ver­ bunden, sondern im wesentlichen frei gegen das Motorfunda­ ment verschiebbar. Auf diese Weise werden die bei Oszilla­ tionsbewegungen erforderlichen Kräfte durch die Trägheits­ kraft des zweiten Motorteils als Gegenkraft aufgebracht. Um die Bearbeitungskräfte zur Verfügung zu stellen, ist der zweite Motorteil lediglich durch eine Feder od. dgl. gegen das Motorfundament abgestützt. Durch diese Abkoppelung des Reaktionsimpulses des Motors vom Motorfundament werden kaum Erschütterungen in das Motorfundament eingeleitet, und dementsprechend sind weniger starre Strukturen für Motor­ fundamente erforderlich.

Für die oben dargestellte Anwendung ist die vorliegende Er­ findung insbesondere in Verbindung mit dem impulsgekoppel­ ten Direktantrieb vorteilhaft. Die Offenbarung der obenge­ nannten deutschen Anmeldung 198 10 996 wird hiermit ausdrück­ lich in die vorliegende Anmeldung einbezogen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsge­ mäßen "kartesischen" Maschine,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer Hexapodenma­ schine,

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung einer an einer Decke aufgehängten Bearbeitungsmaschine,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Meßrahmens, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Regelvorrich­ tung.

Fig. 1 zeigt am Beispiel einer Drehmaschine 80 den erfin­ dungsgemäßen Aufbau bzw. das Regelschema.

In Fig. 1 ist schematisch die Drehmaschine 80 dargestellt, auf der ein zu bearbeitendes Werkstück 30, hier ein Dreh­ teil, angeordnet ist. Bearbeitet wird das Werkstück mit ei­ nem Werkzeug 10, d. h. einem Drehmeißel, der auf einem Werk­ zeugträger 43 eines Antriebsmotors 40 angeordnet ist. Sche­ matisch ist am Drehmeißel ein Maßstab 11 dargestellt, der mit einem Sensor 21 auf einem Maschinenfundament 81 der Drehmaschine 80 zusammenwirkt.

Eine Hin- und Herbewegung des Drehmeißels verursacht eine entsprechende Bewegung des Maßstabs 11, die vom Sensor 21 als Wegmeßsignal erfaßt wird.

Über eine Maschinensteuerung 50 wird ein Sollsignal für den Weg bzw. die Position vorgegeben, und in einem Komparator 51 wird das Wegmeßsignals des Sensors 21 mit dem Wegsollsi­ gnal verglichen. Dieser Vergleich entspricht einer Diffe­ renzbildung und damit einer Ableitung zur Bildung einer Sollgeschwindigkeit. Desweiteren wird in einem Differenzie­ rer 52 das Wegmessungssignal differenziert (dx/dt), und das Ausgangssignal des Komparators 51 und des Differenzierers 52 wird an den invertierenden bzw. nichtinvertierenden Ein­ gang eines Komparators 60 angelegt. Im Komparator 60 wird ein Vergleich der beiden Signale hinsichtlich der Sollge­ schwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit durchgeführt, und durch diese Differenzbildung wird ein Signal für eine Soll­ beschleunigung ermittelt, die über einen Umrichter 70 als Stromsignal dem Antrieb 40 angelegt wird. Der Antrieb wan­ delt das Stromsignal in eine Kraft, die auf den Drehmeißel einwirkt.

Die Einzelheiten der Signalverarbeitung über die oben dar­ gestellten Elemente 50, 51, 52, 60 und 70 sind hier nicht relevant, und es können auch geeignete andere Umsetzungen gewählt werden. Wichtig ist, daß die Meßvorrichtung 20 vom Antrieb getrennt angeordnet ist und somit von diesem ent­ koppelt ist.

Wie in Fig. 1 angedeutet ist, ist der Antrieb 40 vorzugs­ weise ein elektrischer Linearmotor, der vorzugsweise vom oben dargestellten impulsentkoppelten Typ ist. Bei diesem Teil ist der Reaktionsteil 42 nicht fest mit einem Motor­ fundament verbunden, sondern kann sich im wesentlichen frei gegen das Motorfundament in Antriebsrichtung bewegen. Le­ diglich zum Aufbringen der Bearbeitungskräfte ist der Reak­ tionsteil 42 beispielsweise durch eine Feder vorgespannt, um den Antriebsteil 41 anzutreiben.

Fig. 2 zeigt in schematisierter Darstellung den Aufbau ei­ ner Hexapodenmaschine. Aus Gründen der Einfachheit ist sym­ bolisch der auf einem Oktaeder basierende Käfig 100 als Dreieck dargestellt, wobei dieser Käfig aus Trägern 120 aufgebaut ist, die an den Knotenpunkten 110 des Oktaeders (hier Dreieck) miteinander verbunden sind. In der Zeichnung sind nur drei Antriebe 40 ₁, 40 ₂, 40 ₃ dargestellt, bei tatsächlichen Hexapodenmaschinen sind es 6 Antriebe. Jeder Antrieb 40 stützt sich einerseits an eine, Knoten 110 ab und ist andererseits an einem Werkzeugträger 43 befestigt, wobei die Befestigungen am Werkzeugträger 43 bzw. an den Knoten gelenkig ist. Durch eine koordinierte Bewegung der drei Antriebe kann somit der Werkzeugträger 43 in jede ge­ wünschte Position gebracht werden.

Herkömmliche Hexapodenmaschinen setzen zur Regelung Maß­ stäbe an den Antrieben ein, die symbolisch bei der Bezugs­ ziffer X angedeutet sind.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Position an der Werk­ zeugaufhängung 43 oder am Werkzeug 10 selbst erfaßt. Zu diesem Zweck ist am Werkzeugträger oder am Werkzeug ein Meßrahmen 15 angeordnet, der später erläutert werden wird.

Da, wie oben dargestellt, impulsentkoppelte Antriebe keine sehr starre Motoraufhängung benötigen, kann bei dem erfin­ dungsgemäßen Regelungsverfahren mit entsprechenden Antrie­ ben von dem Aufbau eines Oktaeders abgewichen werden, und im Extremfall können die Antriebe an einer hängenden Trä­ gerstruktur oder an der Geschoßdecke einer Maschinenhalle angebracht werden. Dies ist schematisch in Fig. 3 darge­ stellt. Die Antriebe 40 ₁ bis 40 ₃ sind lediglich an der Ge­ schoßdecke einer Maschinenhalle schwenkbar aufgehängt und sind in einer Werkzeughalterung 43 zusammengeführt. Auch hier sind die Antriebe in Gelenklagern 44 bzw. 202 am Werk­ zeugträger 43 bzw. der Hallendecke 200 oder einer Stütz­ struktur gelagert. Die Werkzeughalterung trägt ein Werkzeug 10 für ein zu bearbeitendes Werkstück 30, das in dieser schematischen Darstellung auf dem Hallenboden 210 darge­ stellt ist. Tatsächlich ist natürlich das Werkstück 30 in ein Bearbeitungsteil der Bearbeitungsmaschine eingespannt und stützt sich an einer entsprechende Halterung bzw. dem Maschinenfundament ab. Auch kann das Werkstück 30 selbst bewegbar sein, beispielsweise durch Verschiebung parallel zur Bodenebene.

Desweiteren ist am Werkzeughalter 43 ein Meßrahmen 15 befe­ stigt. Dieser Meßrahmen trägt Sensoren (nicht dargestellt), die einerseits am Meßrahmen befestigt sind, andererseits sich auf Trägern 16 abstützen, wobei die Träger 16 vorzugs­ weise fest an dem Maschinenfundament des Bearbeitungsteils bzw. dem Hallenboden 210 befestigt sind.

Wie bereits erwähnt sind die Antriebselemente 40 ₁ bis 40 ₃ vorzugsweise impulsentkoppelte Antriebe, bei denen der Re­ aktionsteil im wesentlichen frei beweglich ist und die so­ mit wenig Erschütterungen in die Hallendecke 200 einleiten. Jeder Antrieb ist einerseits an der Hallendecke 200, ande­ rerseits am Werkzeughalter 43 angelenkt. In der schemati­ schen Darstellung der Fig. 3 sind drei Antriebe vorgesehen; grundsätzlich können, je nach Anwendungszweck, eine belie­ bige Anzahl von Antrieben vorgesehen sein, beispielsweise 6 wie bei Hexapodenmaschinen etc.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß durch die Aufhängung der Antriebe 40 an der Geschoßdecke 200 und durch die Zuordnung des Werkstücks zum Geschoßboden 210 eine Entkopplung der Antriebe vom Werkstück erzielt ist, wobei durch Einsatz des erfindungs­ gemäßen Meßrahmens 15, der sich am Bezugsort des Werkstückes 30 abstützt, eine genaue Messung der Werkzeugbewegung und damit eine genaue Regelung der Bearbeitungsmaschine möglich ist. Erschütterungen, die dennoch innerhalb der An­ triebe auftreten und in die Geschoßdecke 200 eingeleitet werden, haben keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Rege­ lung.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Meßrahmen 15. An einer Trä­ gerstruktur 17, beispielsweise einem Metallgitter oder ei­ ner Metallplatte, sind Sensoren 20 mit Sensorelementen 18, 19 angebracht, die von der Funktion her im wesentlichen dem Maßstab 11 und dem Sensor 21 der Fig. 1 entsprechen. Dabei sind die Sensorelemente 18 in diesem Beispiel gelenkig aber unverschiebbar am Meßrahmen angebracht und in Sensorelemen­ ten 19 aufgenommen, die ihrerseits mit den Trägern 16 ge­ lenkig aber unverschiebbar verbunden sind. Bei einer Bewe­ gung der Werkzeughalterung 43 bewegt sich der fest an die Werkzeughalterung 43 angebrachte Meßrahmen 15 mit, und ent­ sprechend der relativen Verschiebung werden die jeweiligen Sensorteile 18 und 19 mit Bezug aufeinander verschoben. Durch einen geeigneten Signalumsetzer (nicht dargestellt) ist so aus der Gesamtheit der Sensorsignale ein vektoriel­ les Signal ableitbar, das die jeweilige Position des Meß­ rahmens und damit des Werkzeugs 10 repräsentiert. Dieses Signal stellt somit das Ist-Signal für die Werkzeugposition dar und dient der koordinierten Regelung der einzelnen An­ triebe 40 ₁ bis 40 ₃.

Im allgemeinsten Fall kann der Meßrahmen eine beliebige Struktur mit einer gewünschten Anzahl von Sensoren aufwei­ sen, solange eine eindeutige Identifizierung der Position der Werkzeughalterung 43 bzw. des Werkzeugs 10 dadurch mög­ lich ist. Vorzugsweise ist jedoch der Meßrahmen derart aus­ gebildet, daß der Rahmen 15 zusammen mit der Anordnung der Sensoren 20 der Geometrie der Struktur der Antriebe nachge­ bildet ist bzw. vorzugsweise eine mathematische Ähnlichkeit aufweist, d. h. die gleiche Struktur in verkleinertem Maß­ stab aufweist. Der Grund dafür wird aus der folgenden Er­ läuterung der Fig. 5 ersichtlich.

Fig. 5 zeigt schematisch den Regelaufbau einer erfindungs­ gemäßen Regelvorrichtung.

Wie bei der Regelung gemäß Fig. 1 wird über eine Maschinen­ steuerung 50 ein Sollwert S_K vorgegeben. Dieser Sollwert ist eine vektorielle Größe zur genauen Lagebestimmung des Werkzeugs und gibt üblicherweise die Lage in kartesischen Koordinaten an.

Wenn demgegenüber n Sensoren im Meßrahmen 15 vorgesehen sind, geben diese Sensoren n Meßsignale zur Lagebestimmung des Werkzeugs aus. Es handelt sich dabei somit um eine vek­ torielle Größe des Ist-Wertes der Lage mit n Komponenten, d. h. ein n-Tupel. Aus diesem Grunde wird in einem Umsetzer 310 der (kartesische) Positionssollwert S_K, allgemein mit k Komponenten, auf ein entsprechendes n-Tupel im System des Meßrahmens umgerechnet. Im Folgenden wird auf der Grundlage der allgemein gebräuchlichen Kaskadenregelung ein Beispiel dargestellt, in dem der Meßrahmen 6 Sensoren umfassen soll, und dementsprechend ist die Vektorgröße des Positionssoll­ wertes S_k nach der Umrechnung im Umsetzer 310 eine Größe mit 6 Komponenten. Dieser Positionssollwert SP_H wird über eine 6-fache Leitung 320 an einen Vergleicher 60 gegeben.

Da der Meßrahmen 15 in diesem Beispiel 6 Sensoren umfaßt, wird ein entsprechendes Signal I_H auf eine Sechsfachleitung 360 an einen zweiten Eingang des Vergleichers 60 gegeben. Aus den Differenzen zwischen den Soll- und Istpositionen an den einzelnen Sensoren des Meßrahmens 15 werden die Sollge­ schwindigkeiten SV_H für die einzelnen Sensoren ermittelt, und am Ausgang des Vergleichers 60, sortiert nach den 6 Sensoren als 6-komponentiges Signal, an die Leitung 330 ausgegeben. Der Vergleicher 60 erfüllt somit die Funktion der Positionsregelungskaskade der weit verbreiteten Kaska­ denregelung. Die Verstärkung dieses Vergleichers wird all­ gemein als K_V-Wert bezeichnet und ist für Werkzeugmaschinen von herausragender Bedeutung.

In einer zweiten Regelungskaskade werden den 6 Sensoren des Meßrahmens 15 die Sollbeschleunigungen zugewiesen. Hierzu ist ein Vergleich zwischen der Ist- und Sollgeschwindigkei­ ten der Sensoren erforderlich. Überlicherweise wird die Istgeschwindigkeit durch Differenzieren der Istposition nach der Zeit berechnet. In dem hier ausgeführten Beispiel wird dies im Differenzierglied 345 durchgeführt. Dieses legt die Istwerte der Geschwindigkeit IV_H, sortiert nach den 6 Sensoren als 6-komponentiges Signal, an die Leitung 332.

Zur Ermittlung der Istgeschwindigkeit IV_H, können direkte Geschwindigkeitssensoren verwendet werden, die in den sel­ ben Meßachsen sitzen wie die Positionssensoren des Meßrah­ mens 15. In diesem Falle wird das Differenzierglied einge­ spart, und die Meßzeit wird verkürzt. Dies wirkt sich posi­ tiv auf die Qualität der Regelung aus. In jedem Falle müs­ sen aber die Istgeschwindigkeitssensoren so angebracht wer­ den, daß deren Meßergebnis die Geschwindigkeit an den Posi­ tionsmessensoren wiedergibt.

Im Vergleicher 65 werden aus den Differenzen zwischen Soll- und Istgeschwindigkeiten an den einzelnen Sensorachsen des Meßrahmens 15 die Sollbeschleunigungen SA_H für die einzel­ nen Sensoren ermittelt, und am Ausgang des Vergleichers 65, sortiert nach den 6 Sensoren als 6-komponentiges Signal, an die Leitung 335 ausgegeben. Der Vergleicher 65 erfüllt so­ mit die Funktion der Geschwindigkeitsregelungskaskade der weit verbreiteten Kaskadenregelung. Zwischen die Antriebs­ elemente 40, die die Kraftwandler beinhalten, und die Steu­ erleitung 335, an der die Sollbeschleunigungen anliegen, wird ein weiterer Umsetzer 340 geschaltet, dessen Funktion nachfolgend erklärt wird.

Darüber hinaus ist es dem Fachmann bekannt, zur weiteren Verbesserung der Regelungsqualität zusätzlich direkte Be­ schleunigungssensoren zu verwenden, die in einer zusätzli­ chen nachgeschalteten Kaskade verarbeitet werden. Für die Anbringung der Beschleunigungssensoren gilt das gleiche wie für die Geschwindigkeitssensoren. Ihr Meßsignal muß die Be­ schleunigung der einzelnen Positionssensoren repräsentie­ ren.

Im allgemeinsten Fall entspricht die Geometrie des Meßrah­ mens 15 nicht der Geometrie der Antriebselemente 40, und dementsprechend können auch unterschiedliche Anzahlen von Sensoren (n) und Antriebselementen (m) vorhanden sein. Da­ her kann im Allgemeinen die Beschleunigung an einer Sensor­ meßstelle nicht einem einzelnen der m Antriebselemente 40 zugeordnet werden, vielmehr wird im allgemeinen Fall die Kraft jedes der m Antriebselemente Einfluß auf die Be­ schleunigung eines beliebigen, in Betracht gezogenen Meß­ sensors haben. Unter Berücksichtigung einiger Nutzlastpara­ meter wie beispielsweise der Geometrie der Antriebsele­ mente, der Auslenkung des Meßrahmens, der Lage und Größe des Schwerpunktes, des Trägheitsmomentes und gegebenenfalls weiterer Parameter, wie beispielsweise des Drehimpulses des Werkzeuges, sofern dies an der bewegten Nutzlast verankert ist, läßt sich eine eindeutige Beziehung zwischen der An­ triebskraft jedes einzelnen der m Antriebselemente und der Beschleunigung an jedem einzelnen der n Sensoren des Meß­ rahmens 15 herstellen.

Aufgabe des Umsetzers 340 ist es, die berechneten Sollbe­ schleunigungen SA_H aus dem Geometriesystem des Meßrahmens, die als vektorielle Steuergröße am Eingang anliegt, nach den oben genannten Beziehungen zwischen der Antriebskraft jedes einzelnen der m Antriebselemente 40 und der Beschleu­ nigung an jedem einzelnen der n Sensoren des Meßrahmens 15, in Signale zur Ansteuerung der m Antriebselemente 40 umzu­ setzen. Das System der Antriebe ist in der Zeichnung als hex_A bezeichnet. Dieses Signal wird als vektorielle Steuer­ größe D_A an die Leitung 350 zur Ansteuerung der Kraftwand­ ler des Antriebssystemes 40 angelegt. Im dargestellten Fall ist diese Größe ebenfalls ein 6-Tupel, es können jedoch, wie oben angemerkt, auch unterschiedliche Anzahlen von Sen­ soren und Antrieben verwendet werden, solange ein eindeuti­ ger Zusammenhang zwischen dem n-Tupel der Sensoren und dem m-Tupel der Antriebe herstellbar ist.

Zur Berechnung der Signalumsetzung muß der Umsetzer 340 mit den Informationen über die Geometrie der Antriebselemente, der aktuellen Auslenkung des Meßrahmens, der aktuellen Lage und Größe des Schwerpunktes, des Trägheitsmomentes und ge­ gebenenfalls weiterer Parameter, wie beispielsweise des Drehimpulses des Werkzeuges, sofern dies an der bewegten Nutzlast verankert ist, versorgt werden. Im Beispiel der Fig. 5, werden die Geometrieinformationen direkt aus den Positionssensoren des Meßrahmens 15 auf der Leitung 362 und die Informationen über den Lastzustand aus der zentralen Maschinensteuerung 50 über die Leitung 364 an den Umsetzer 340 übertragen.

Über die Maschinenstruktur wirkt dann die Kraft der einzel­ nen Antriebe auf den Meßrahmen 15 (angedeutet durch die ge­ strichelte Linie), der in "seinem" System wieder vektori­ elle Ist-Signale erzeugt.

Der oben beschriebene Vorgang wird wiederholt, bis sich der Ist-Wert bis auf eine erlaubbare Toleranz dem Sollwert an­ genähert hat bzw. diesen erreicht hat oder bis ein neuer Sollwert durch die Maschinensteuerung 50 vorgegeben wird. Einzelheiten des Regelschemas wie Verstärker, Umrichter etc. sind in der schematischen Darstellung der Fig. 5 nicht ausdrücklich dargestellt, da dem Fachmann geläufig ist, wie diese Elemente zu implementieren sind.

Für die Umrechnung der vektoriellen Größen gelten die fol­ genden Formeln 1 bis 5.

SP_H = S_K.(M_KH) (1)

SV_H = (SP_H - IP_H).k_V (2)

IV_H = IP_H/dt (3)

SA_H = (SV_H - IV_H).k_P (4)

D_A = SA_H.(M_HA) (5)

dabei ist S_K die vektorielle Sollgröße der Position im kar­ tesischen System,
die vektorielle Sollgröße im System des Meßrahmens, (M_KH) der Tensor zur Umrechnung von kartesischen Größen in Größen im Sensorsystem,
SV_H die Sollgeschwindigkeit der Sensoren, berechnet aus der Differenz des Positionssollwertes SP_H und des Positionsist­ wertes IP_H vom Meßrahmen, multipliziert mit dem Verstär­ kungsfaktor k_V,
IV_H die Istgeschwindigkeit der Sensoren (in Fig. 5 berech­ net aus der zeitlichen Differenzierung der Istposition),
SA_H die Sollbeschleunigung der Sensoren, berechnet aus der Differenz der Sollgeschwindigkeit SV_H und der Istgeschwin­ digkeit IV_H vom Meßrahmen, multipliziert mit dem Verstär­ kungsfaktor k_P,
D_A Sollkräfte im System der Antriebselemente, die über den Umrechnungstensor (M_HA) aus der Sollbeschleunigung SA_H des Sensorsystemes ermittelt wurde. Dabei sind, wie oben er­ wähnt, die Elemente des Umrechnungstensors in vorherbe­ stimmbarer Weise abhängig vom Lastzustand und der geometri­ schen Position des Meßrahmens.

Zur Umsetzung der Steuerung ist es lediglich erforderlich, die Elemente der Tensoren M_KH bzw. M_HA zu ermitteln und in den Umsetzern 310 bzw. 340 zu implementieren. Dies kann durch Hardware geschehen.

Die Dimensionen der Tensoren sind von der Anzahl der Kompo­ nenten k, n, m des Sollwertes, der Anzahl der Komponenten im System des Meßrahmens bzw. der Anzahl der Komponenten im System der Antriebe abhängig, so daß die Tensoren M_KH und M_HA in der Regel Rechtecktensoren sind (k x n, n x m).

Insbesondere der Tensor M_HA läßt sich ganz wesentlich da­ durch vereinfachen, daß die Anzahl n der Sensoren gleich der Anzahl m der Antriebselemente ist. In diesem Fall ist der Tensor M_HA eine quadratische Matrix. Wenn darüber hinaus die Geometrie des Meßrahmens an die Geometrie der Antriebe angepaßt ist (oder umgekehrt), und zwar derart, daß jedes Sensorelement einem entsprechenden Antriebselement zugeord­ net ist, ist die Matrix M_HA eine Diagonalmatrix, was den Aufbau der Steuerung erheblich vereinfacht, da nur die Ele­ mente auf der Diagonalen der Matrix M_HA einen Wert ungleich Null aufweisen, und nur diese Elemente bestimmt werden müs­ sen.

Auch wenn die vollständige Anpassung der Antriebsgeometrie auf die Meßrahmengeometrie nicht möglich ist, ist es sinn­ voll, die Antriebsgeometrie der Geometrie des Meßrahmens nachzuempfinden, um den Einfluß der last- und geometrieab­ hängigen Korrekturgrößen auf den Umrechnungstensor (M_HA) im Umsetzer 340 möglichst gering zu halten.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß erfindungsgemäß die Krafterzeugung von dem Meßvorgang zur Lagen- und/oder Bewe­ gungszustandsmessung der Nutzlast getrennt ist, so daß eine hochgenaue Regelung auch mit einer relativ "weichen" Stütz­ struktur für die Antriebselemente möglich ist. Darüber hin­ aus erfolgt die Messung anhand eines feststehenden Bezugs­ ortes, der möglichst frei von Einflüssen durch die Antriebe gewählt wird. Insbesondere im Zusammenhang mit impulsgekop­ pelten Antrieben läßt sich durch das erfindungsgemäße Re­ gelsystem ein völlig neues Konzept von Bearbeitungsmaschi­ nen wie Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Bon­ dingautomaten, Bestückungsautomaten etc. erstellen, bei dem eine Anzahl äquivalenter Antriebe an einer relativ weichen Struktur abgestützt ist, beispielsweise einer Geschoßdecke, und ein zu bearbeitendes Werkstück davon entkoppelt, bei­ spielsweise mit Stützung auf einem Hallenboden angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Konzept zeichnet sich einerseits durch die Einfachheit des Aufbaus aus, andererseits durch die Flexibilität, da in einfacher Weise, abhängig vom An­ wendungsbereich, die Anzahl der Antriebe verändert werden kann bzw. eine Bearbeitungsmaschine aus im Prinzip gleichen Bauelementen im Baukastenprinzip aufgebaut werden kann.

Als Sensoren oder Meßvorrichtungen können alle bekannten wegmessenden Einrichtungen verwendet werden, z. B. elektri­ sche, optische, induktive Sensoren, Maßstäbe, Tauchspulen etc.

Claims (21)

1. Regelvorrichtung zur Regelung des Antriebs (40) für eine Nutzlast (10) in einer Bearbeitungsmaschine (80) mit einem Sollwertgeber (50), einer Meßvorrichtung (15, 20) als Ist­ wertgeber und mindestens einem Vergleicher (60, 65) zum Vergleich von Soll- und Istwert und zur Erzeugung eines An­ triebssteuersignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung (15, 20) getrennt von dem Antrieb (40) angeordnet ist.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung (15, 20) der Nutzlast (10) zugeordnet ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung die Lage, die Geschwindigkeit und/oder die Be­ schleunigung der Nutzlast (10) erfaßt.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung eine Anzahl von Sensoren (20) zur Ermittlung von vektoriellen Istwerten aufweist, daß die Sollwerte als vek­ torielle Größen vorgegeben sind und daß der Vergleicher einen vektoriellen Vergleich durchführt.

5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung (15, 20) an der Nutzlast (10) oder einer Nutz­ lastaufhängung (43) in der Bearbeitungsmaschine angebracht ist.

6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung als Meßrahmen (15) mit einer Anzahl von Sensoren (20) ausgebildet ist.

7. Regelvorrichtung nach Anspruch 6 zur Regelung einer An­ zahl von Antriebselementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Meßrahmens (15) der Geometrie der Antriebselemente (40 ₁, 40 ₂, 40 ₃) nachgebildet bzw. ähnlich ist.

8. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine Bearbeitungsmaschine mit einem Bearbeitungsteil, der in Bezug auf die Nutzlast zumindest zeitweilig translato­ risch feststehend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung einen ersten Meßteil (11, 18) aufweist, der der Nutzlast zugeordnet ist, und einen zweiten Meßteil (21, 19), der dem Bearbeitungsteil zugeordnet ist.

9. Bearbeitungsmaschine mit einer Regelvorrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Bearbeitungsmaschinen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mindestens ein Antriebselement (40 ₁, 40 ₂, 40 ₃) aufweist, das als impulsentkoppelter Direktantrieb ausgebildet ist.

11. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, wobei jedes Antriebselement einen Antriebsteil (41), der der Nutzlast zugeordnet ist, einen Reaktionsteil (42), der mit dem Antriebsteil wechselwirkt, und einen Unterbau zur Befestigung des Antriebselementes an der Maschine aufweist, wobei der Reaktionsteil an dem Unterbau so gelagert ist, daß bei einer Bewegung des Antriebsteils der Reaktionsteil eine entsprechende Gegenbewegung ausführen kann.

12. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs­ elemente (40) getrennt von dem Fundament (210) eines Bear­ beitungsteils verankert sind.

13. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ trieb einen oder mehrere Kraftwandler als Antriebselemente aufweist, deren Antriebskraft im wesentlichen von einer eingegebenen Steuergröße und nicht von der Geschwindigkeit oder Auslenkung des Antriebselementes abhängig ist.

14. Verfahren zum Regeln des Antriebs für eine Nutzlast in einer Bearbeitungsmaschine mit den Schritten:
Vorgeben mindestens eines Sollwertes (S_K) für die Lage und/oder den Bewegungszustand der Nutzlast (10),
Ermitteln eines oder mehrerer Istwerte (IP_H, IV_H) für die Nutzlast,
Vergleichen eines oder mehrerer Sollwerte (SP_H, SV_H) mit dem entsprechenden Istwert (I_PH, IV_H),
Steuern des Antriebs entsprechend der Differenz (DA) zwi­ schen Soll- und Istwerten,
dadurch gekennzeichnet, daß man den Ist­ wert oder die Istwerte (IP_H, IV_H) in Bezug auf einen Refe­ renzort feststellt, der räumlich getrennt vom Antrieb ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenz­ ort einem Bearbeitungsteil der Maschine zugeordnet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert und der Istwert vektorielle Größen sind, die zur Steuerung mehrerer getrennter Antriebselemente verwendet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß n Antriebs­ elemente vorgesehen sind und der Istwert n Vektorkomponen­ ten aufweist, wobei je einem Antriebselement je eine der n Vektorkomponenten zugeordnet ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß n Sensorele­ mente vorgesehen sind und daß man die Sensorelemente in ei­ ner zur Geometrie der Antriebselemente ähnlichen Geometrie anordnet, wobei man die Sensorsignale den jeweils entspre­ chenden Vektorkomponenten zuweist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die in einem Bezugssystem vorgegebenen Sollwerte (S_K) in Sollwerte (SP_H) im durch die Antriebselemente oder Sensorelemente de­ finierten Vektorsystem umrechnet und den Vergleich von Sollwert und Istwert in diesem Vektorsystem durchführt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß man die in einem durch Sensorelemente definierten Sensorsystem ermit­ telten Istwerte in Istwerte in einem Bezugssystem umwandelt und diese Istwerte mit vorgegebenen Sollwerten in diesem Bezugssystem vergleicht.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man Soll­ größen in einem Bezugssystem oder in einem Sensorsystem in Sollgrößen in einem durch Antriebselemente definierten Sy­ stem umwandelt und bei der Umwandlung last- oder geome­ trieabhängige Einflüsse berücksichtigt.