DE4108402A1

DE4108402A1 - Positioniersystem

Info

Publication number: DE4108402A1
Application number: DE19914108402
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl Ing Halmos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1992-09-17

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum stufenlosen Positionieren von "schweren" Maschinen bzw. Anlagenelementen bei "hoher" Vor schubgeschwindigkeit und exakter Positionier - und Wiederholge nauigkeit über "lange" Strecken.

Stand der Technik

Bezüglich der Funktion und Aufgabenstellung kann ein Positionier system in folgende Baugruppen aufgeteilt werden.

1. Antrieb mit hochdynamischen

- Servomotoren
- Gleichstrommotoren oder
- Schrittmotoren

2. Organe zur Herstellung der Linearbewegung.

Hierzu gehören:
- Zahnstange - Zahnrad Verbindungen
- Kugelgewindetriebe
- Planeten - Rollengewindetriebe
- Rollengewindetriebe mit Rollenrückführung usw.

4. Positionierelemente

5. Positionerfassungseinheiten wie inkrementale Drehgeber

- Meßzahnstangen - Drehgeber Kombination
- photoelektrische Meßsysteme
- Ultraschall Meßsysteme usw.

Hauptmerkmale der konventionellen Positioniersysteme: die gesamte Verstellstrecke wird bei digitaler Erfassung je nach gewünschter Genauigkeit, in kleine, gleichmäßige Abstände "aufgeteilt" für jeden dieser Abstände steht ein elektrisches Signal des Position erfassungssystems.

Eine bestimmte Position von einem fix gewählten Nullpunkt wird so erreicht, daß die Verfahrstrecke (= vorgewählte Anzahl der Signale vom Steuergerät quittiert wird und ein Stoppbefehl die Bewegung unterbricht.

Die Erfindung

Das erfindungsgemäße Positioniersystem kann bezüglich seiner Funktion in zwei Bereiche geteilt werden, nämlich dem
- Leistungsbereich und den
- Feinpositionierbereich.

Im Leistungsbereich wird für die entsprechende Beschleunigung Vorschubgeschwindigkeit und den Schleichgang (mit Bremsfunktion) des Systems gesorgt. Die verschiedenen Phasen dieses Bewegungs ablaufes werden von einer "grob" ausgelegten Positionerfas sungseinheit "gesteuert". Diese Einheit liefert die Befehlssignale für
- das Aus- und Einfahren eines Anschlagbolzens
- sowie das Startsignal für den Feinpositionierbereich: nach Stopp (Anschlagbolzen erreicht Referenzanschlag; siehe später unter Feinpositionierbereich) des Supports wird die Signalfolge von der Positioniereinheit des Leistungsbreiches unterbrochen und der nächste Positioniervorgang im Feinpositionierbereich wird eingeleitet.

Der Leistungsbreich besteht aus:

- Antrieb mit, vorzugsweise, Drehstrommotor, Getriebe, Frequenz umrichter und Bremsen (Druckluft oder Druckölantriebe sind auch möglich)
- Organe zur Herstellung der Linearbewegung, wie Zahnrad- Zahn stangenverbindung, Zahnscheibe - Zahnriemenverbindung, usw.
- Positionerfassungseinheit mit inkrementalem Drehgeber.

Feinpositionierbereich

Der entscheidende Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen und einem konventionellen Positioniersystem besteht darin, daß beim erfindungsgemäßen Positioniersystem nicht die gesamte Verstell strecke. Sondern nur ein Bruchteil davon für das exakte Positio nieren zuständig ist.

Im Feinpositionierbereich befinden sich über die gesamte Verstell strecke miteinander fest verbundene und in gleichen Abständen angebrachte Anschläge.

Diese "Anschlagstange" mit den gleichmäßig verteilten Anschlägen, ist parallel zur Bewegungsachse des Supports, in beide Richtungen verschiebbar.

Die gewünschte Position des Supports wird dadurch erreicht, daß ein Anschlag der Anschlagstange (samt Anschlägen) in die Referenzposition (Sollposition) geschoben wird, wobei ein ausfahrbarer Bolzen des Supports zu dem jeweiligen Referenz anschlag gefahren wird. Mittels des Referenzanschlags wird die Bewegung des Supports unterbrochen.

Um den jeweiligen Referenzpunkt stufenlos erreichen zu können, genügt es, wenn die Anschlagstange maximal um die Hälfte des Abstandes zwischen zwei Anschlägen in beide Richtungen verschieb bar ist. Aus steuerungstechnischen Gründen wählt man aber sinn gemäß das Verhältnis : nach "vorn"/nach "hinten"=51/49 oder umgekehrt.

Es ist natürlich auch möglich, statt die Anschlagstange zu ver schieben, den ausfahrbaren Anschlagbolzen des Supports in die je weilige Referenzposition zu bringen.

Wählt man z. B. für den festen Abstand zwischen den Anschlägen 100 mm, so bedeutet das eine maximal notwendige Verschiebung der Anschlagstange von 51 mm nach vorn und 49 mm nach hinten oder um gekehrt.

Beispiele

1. Der Support soll, von einem fixen Nullpunkt gerechnet, die Position 1 737 erreichen. Hierzu wird der Referenzanschlag "n" so in diese Position gebracht, daß die Anschlagstange um 37 mm nach "vorn" geschoben wird.

2. Sollte die Position 1 769 erreicht werden, wird der Referenz anschlag "n + 1" um 100 - 69 = 31 mm nach hinten geschoben usw.

Die exakte Einstellung der Anschlagstange in die Referenzposition wird von der Feinpositioniereinheit vorgenommen. Der Feinportionierbereich besteht z. B. aus:
- Anschlagstange, mit den, in gleichen Abständen angebrachten Anschlägen
- Verstellmutter mit Verstellspindel
- Antrieb, mit vorzugsweise Drehstrommotor, Getriebe und Frequenz umrichter
- inkrementaler Drehgeber.

Vorteile der Erfindung

Die o.g. Aufteilung des erfindungsgemäßen Positioniersystems er möglicht die
- Erhöhung der Positionier- und Wiederholgenauigkeit
- Erhöhung der Verstellgeschwindigkeit
- störungsfreier Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Maschine
- den Einsatz von wesentlich preisgünstigeren Bauelementen
- eine kostengünstigere Fertigung und Montage.

Diese Aussage wird im Folgenden an einigen Beispielen näher erläutert.

Antrieb

Weil beim erfindungsgemäßen Positioniersystem das Support mittels der "festen" Anschläge positioniert wird, können durch die entsprechend niedrige Anforderung an die Positionierfähigkeit und die Antriebsdynamik im Leistungsbreich Drehstrommotoren in Verbindung mit Frequenzumrichtern eingesetzt werden.

Ein Frequenzumrichter kann mehrere, nicht gleichzeitig arbeitende Achsen bedienen.; damit sind die Kosten für diesen Umrichter pro Achse entsprechend geringer.

Im Feinpositionierbereich können ebenfalls Drehstrommotoren in Verbindung mit Frequenzumrichter aus folgenden Gründen eingesetzt werden:
Weil während des Positioniervorganges die Anschlagstange nicht belastet wird, ist das für die Verschiebung dieser Stange an der Motorwelle benötigte Drehmoment sehr gering. In diesem Falle liegt der Regelbereich bei n max/n min≅200; im Zusammenhang mit den oben erwähnten kurzen Verstellwegen von 49 bzw. 51 mm wird eine sehr hohe Systemdynamik, d. h. schnelle Zustellgeschwindigkeit und sehr langsame Rampen ermöglicht.

Die Positionier- und Wiederholgenauigkeit des Systems liegt im 0;01 mm Bereich.

Bei konventionellen Positioniersystemen benötigt man hochdyna mische
- Gleichstrommotoren, Servomotoren oder Schrittmotoren
- je eine Steuereinheit pro Achse deren Kosten weit über den Kosten der oben erwähnten Drehstromsysteme liegen.

Organe zur Erzeugung der Linearbewegung des Supports

Beim erfindungsgemäßen System werden
- Zahnstange
- Zahnradverbindungen
- Zahnscheibe
- Zahnriemenverbindungen usw. benutzt.
Am Positioniervorgang nehmen sie nicht teil, erlauben deshalb hohe Beschleunigungen und Verstellgeschwindigkeiten des Supports.

Bei konventionellen Systemen sind hier folgende Antriebsverbindungen bekannt:
- Zahnstange - Zahnradverbindungen, bei denen das Gesamtsystem nur in Verbindung mit sehr kostspieligen Meßsystemen (Positioner fassungssystemen funktionsfähig ist.
- Kugelgewindetriebe
- Planeten - Rollengewindetriebe
- Rollengewindetriebe mit Rollenrückführung.
Mit den letzteren kann man nur verhältnismäßig niedrige Supportgeschwindigkeiten erzeugen, ( z. B. 250-300 mm/sec bei Einspannlängen von über 2000 mm ), da das
- Schwingungsverhalten der Spindel sowie die
- Kugelgeschwindigkeit bei der Kugelrückführung in der Mutter die zulässige Drehzahl begrenzen.
Diese Systeme sind sehr teuer. Eine Spindel mit 3000 mm Arbeitslänge kostet
- gerollt ca. DM 3000.-
- geschliffen ca. DM 5000.-
Planeten - Rollengewindetriebe sind noch teurer.

Positionierelemente

Beim erfindungsgemäßen Positioniersystem gehören eine
1- Anschlagstange sowie eine
- kurze Gewindespindel und eine Mutter zu den Positionierelementen.

Die Anschlagstange mit den Anschlägen kann sehr preisgünstig und äußerst genau gefertigt werden Nimmt man z. B. eine Gewindespindel, M 16 als Kaufteil (zur Zeit DM 6.40.-/Meter ) und für jeden Anschlag zweigehärtete und ge schliffene Muttern, die man nach Schablone einstellt, kontert und eventuell anklebt entsteht eine Anschlagstange
- die über die gesamte Lebensdauer der Maschine keine Abnutzung und dadurch keine Maßänderung erleidet,
- bei der keine Addition von längenabhängigen Fertigungstoleranzen auftreten,
- keine Temperaturerhöhung und dadurch keine Maßänderung während des Betriebs auftritt,
- die keine Schmierung benötigt, und dadurch vollkommen unempfindlich gegen Staub und jegliche Verschmutzung ist.

Gewindespindel

Die Linearbewegung der Anschlagstange kann in Verbindung mit der entsprechenden Mutter von einer relativ kurzen, und mit metnischer Feingewinde versehenen Gewindespindel erzeugt werden. Bei entsprechender Fertigungsqualität und Schmierung ist bei einer solchen Spindel die hohe Positioniergenauigkeit und eine ausreichende Lebensdauer gesichert.

Beim konventionellen System hat z. B. eine Gewindespindel zwei Funktionen zu erfüllen, nämlich das Beschleunigen und Schieben des Supports und unter Last das Support zu positionieren, wozu Abbremsen und Stoppen des Supports gehört.
- Je nach Einsatz muß man bei einem
- Kugelgewindetrieb während der Lebensdauer mit einem Verschleiß und dadurch einer Verschlechterung der Positioniergenauigkeit rechnen.
- Durch Addition von Steigungstoleranzen (ca. 0,25 mm bei 3000 mm Arbeitslänge bei gerollten Spindeln) können Positionierfehler auftreten.
- Da Kugelgewindetriebe geschmiert werden müssen, können beim staubigen Betrieb (z. B. Holzstaub) Störungen, insbesondere bei der Kugelrückführung in der Mutter auftreten.

Zusammenfassend gilt für das erfindungsgemäße Positioniersystem folgendes.

Obwohl Leistungsbereich und Feinpositionierbereich zeitlich getrennt im Einsatz sind, bedeutet dies keine Erhöhung der Positionierzeit gegenüber konventionellen Systemen, zumal das Feinpositionieren eines Referenzanschlags innerhalb der Zeit eines Arbeitstaktes (Bohren z. B. einer Lochgruppe) vorgenommen wird
- Sehr hohe Positionier - und Wiederholgenauigkeit
- unempfindlicher Betrieb
- niedrige Anschaffungskosten.
Das Kostenverhältnis zwischen dem konventionellen und er findungsgemäßen Positioniersystem liegt bei ca. 4 : 1 zu Gunsten des erfindungsgemäßen Positioniersystems.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Leistungsbereich

Ein Antrieb 1 treibt über ein Zahnriemen - Zahnscheiben system 5 einen auf Führungswellen 6 geführten Support 3 mit dem zustellbaren (aus- und einfahrbaren) Anschlagbolzen 4 und Bremsen 7 an. Eine Positionerfassungseinheit 2 sorgt für die "grobe" Erfassung der Position des Supports 3 und liefert entsprechende Befehlssignale für den geregelten Ablauf des Vor schubes, das Aus- und Einfahren des Anschlagbolzens 4, sowie das Startsignal für den Feinpositionierbereich. Bremsen 7 halten den Support in der Sollstellung.

Feinpositionierbereich

Auf einer Anschlagstange 8 befinden sich in gleichen Abständen "A" Anschläge 9. Die Anschlagstange 8 ist parallel zur Bewe gungsachse des Supports 3 verschiebbar. Die Linearbewegung und somit die Feinpositionierung eines der Referenzanschläge 9 wird vom Antrieb 10 mit Hilfe einer nicht gezeigten Positionier einheit mit einem Drehgeber 13 über eine Gewindespindel 12 sowie eine Mutter 11 vorgenommen. Der Positioniereinheit wird die Soll stellung vorgegeben.

Claims

1. Positioniersystem für Maschinen- oder Anlagenelemente, bei dem das zu positionierende Element entlang einer linearen Bahn mittels eines Antriebs in eine Sollposition gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Bahn eine Anschlagleiste mit mehreren, gleiche Abstände A zueinander aufweisende Anschläge verschiebbar angeordnet ist, daß ein Antrieb und ein Steuergerät für die Anschlagsleiste vorgesehen sind, die diese im Betrieb um maximal den Abstand A verschieben, daß die Sollposition durch einen der Anschläge (Sollanschlag) bestimmt ist und von einem Bezugspunkt durch eine Anzahl von Abständen A und die Verschiebung der Anschlagsleiste um einen Anteil von A gegeben ist, daß mit dem zu positionierenden Element ein weiterer, mit den anderen Anschlägen zusammenarbeitender Anschlag verbunden ist, daß der Anschlag und die anderen Anschläge rechtwinklig zur Bahn relativ zueinander bewegbar sind und daß das zu positionierende Element so lange verfahren wird, bis es am Sollanschlag anliegt.

2. Positioniersystem für Maschinen- oder Anlagenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der weitere Anschlag ausfahrbar ausgebildet ist.

3. Positioniersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionerfassungseinheit für das zu positionierende Element sowie ein Steuergerät für den Antrieb des zu posi tionierende Elements vorgesehen ist, das das Ausfahren des weiteren Anschlag bei Erreichen des Bereichs des n. Abstands aus löst.

4. Positioniersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß die Positionerfassungseinheit einen vorzugsweise inkremen talen Drehgeber aufweist.

5. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagleiste um maximal ca. A/2 in beide Richtungen verstellt wird.

6. Positioniersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen Verstellwege in die beiden Richtungen leicht verschieden sind.

7. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für das zu portionierende Element ein Drehstrommotor in Verbindung mit einem Fre quenzumrichter ist.

8. Positioniersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter nacheinander mehreren Drehstrom motoren (mehreren Achsen) zugeordnet ist.

9. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für die Anschlagleiste ein Drehstrommotor mit vorgeschaltetem Frequenzumrichter ist.

10. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagleiste mittels einer ange triebenen Gewindespindel und einer Mutter verschiebbar ist.

11. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagleiste durch eine Gewinde spindel gebildet wird, auf die pro Anschlag wenigstens eine vorzugsweise zwei gekonterte Muttern aufgeschraubt sind.

12. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagleiste feststeht und der weitere Anschlag relativ zum zu portionierenden Element um maximal A vorzugsweise ca. A/2 verstellbar ausgebildet ist.