DE4335371A1

DE4335371A1 - Linearmotor-Kontrollsystem und Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE4335371A1
Application number: DE4335371A
Authority: DE
Inventors: David J Chesney; Robert C Petrof; Nathaniel L Field; Bernhard Huang; John W Grant
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-16
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2013-10-17
Also published as: GB2271866B; GB9321487D0; CA2108430A1; GB2271866A; US5250880A; CA2108430C; DE4335371C2

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Kontrollsystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein verbessertes Kontrollsystem und Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors, um dessen scheinbare Starrheit bezüglich von Störungen zu erhöhen, die durch externe Kräfte in Werkzeugmaschinen-Anwendungen verursacht werden.

Verbesserte Effektivität und Produktivität sind das per manent angestrebte Ziel moderner Bearbeitungsverfahren. In zunehmenden Maße wird die Hochgeschwindigkeits-Bear beitung benutzt, um dieses Ziel zu erreichen. Die Hoch geschwindigkeits-Bearbeitung ist jedoch mit konventio nellen Geräten nur schwer zu verwirklichen und es können sich spezifische Begleitprobleme ergeben.

Auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinenbearbeitung ergibt sich aus der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eine Viel zahl von Problemen. In der konventionellen Werkzeugma schinenbearbeitung werden wälzgelagerte Spindeln oder andere mechanische Mittel benutzt, um das Werkstück relativ zum Schneidewerkzeug, wie etwa einem Fräskopf, zu bewegen. Diese mechanischen Antriebe sind jedoch begleitenden Verschleißerscheinungen ausgesetzt, die sich durch den extensiven Gebrauch über große Zeiträume ergeben. Der Verschleiß durch die mechanischen Antriebe wird in zunehmenden Maße in der Hochgeschwin digkeitsbearbeitung problematisch. Die Hochgeschwindig keitsbearbeitung kann einen erhöhten und schnelleren Verschleiß konventioneller, mechanischer Antriebe bewirken. Unter solchen Umständen erfordern mechanische Antriebe eine häufigere Wartung, wodurch die Effek tivität und Produktivität verringert wird.

Um dieses begleitende Verschleißproblem zu umgehen, kön nen konventionelle mechanische Antriebe durch Linear motoren ersetzt werden. Linearmotoren sind ebenfalls gut für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung geeignet. Ein Nachteil der Linearmotoren in der Werkzeugmaschinenanwendung ist jedoch die relativ geringe Starrheit, Störungen zu widerstehen, die durch externe Kräfte verursacht werden, die mit dem Werkzeugmaschinenbearbei tung verbunden sind.

Während einer gewöhnlichen Werkzeugmaschinenbearbeitung ist das Werkstück auf einer Plattform befestigt, die me chanisch relativ zu einem Schneidwerkzeug bewegt wird. Verschiedene äußere Kräfte können dabei auf die Werkzeug maschinen-Plattform ausgeübt werden. Die wichtigste hierbei auftretende Kraft ist die, die durch den mecha nischen Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück verursacht wird. Konventionelle mechanische Antriebe besitzen eine in der Bauart liegende Starrheit oder einen Widerstand solchen äußeren Kräften gegenüber, die durch die Reibung zwischen den Einzelteilen des An triebs bedingt ist. Demgegenüber werden Linearmotoren durch die Variation des elektromagnetischen Feldes ange trieben. Hierdurch bedingt fehlt bei Linearmotoren eine inhärente Starrheit, um solchen externen Kräften zu widerstehen.

Linearmotoren können jedoch mit einer scheinbaren Starr heit ausgestattet werden. Diese wird durch eine Servo steuerung des Motors erreicht, die Abweichungen von einer vorherbestimmten Position korrigiert. Trotzdem war es in konventionellen Linearmotoranwendungen bisher nur möglich, eine meßbare Starrheit in der Größenordnung von 2-9 N/µm zu erreichen.

Unglücklicherweise liegt eine solche Starrheit weit unterhalb der, die notwendig ist, den Anforderungen der Qualitätssicherung in den Hochgeschwindigkeits-Werkzeug maschinen-Anwendungen zu genügen.

Das Patent US 48 08 901 von Sakamoto beschreibt einen typischen Kontrollapparat für einen Linearmotor, der im Zusammenhang mit einem optischen Plattengerät benutzt wird. Die Kontrolleinheit von Sakamoto′s Patent benutzt Einrichtungen zur Positionsbestimmung, um ein Signal der momentanen Position der sich bewegenden Spule eines Linearmotors zu erzeugen. Durch Differentiation des momentanen Positionssignals wird die momentane Ge schwindigkeit und Beschleunigung erzeugt. Die Abwei chungen in der momentanen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von der erwarteten Sollposition, -ge schwindigkeit und -beschleunigung der bewegten Spule werden dann berechnet und dazu benutzt, Abweichungs signale der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu erzeugen. Ein Steuersignal aus diesen Momentan- und Abweichungssignalen wird erzeugt, um die bewegte Spule des Linearmotors richtig zu positionieren. Der Apparat mißt hierbei auch den Neigungswinkel, um ein Neigungswinkelsignal, daß der Schräglage des optischen Plattengerätes entspricht, zu erzeugen, wodurch die Position unabhängig vom Gravitationsfeld der Erde kontrolliert werden kann.

Bemerkenswert ist jedoch, daß das Kontrollgerät von Sakamotors Patent die Beschleunigung des Linearmotors durch Differenzieren der Positionssignale des Motors be stimmt. Außerdem ist der Kontrollapparat aus Sakamotors Patent nicht besonders auf das Starrheitsproblem ausge richtet, das mit dem zuvor diskutierten Linearmotor ver bunden ist. Als Folge daraus ist ein solcher Kontrollap parat nicht geeignet, die scheinbare Starrheit eines Linearmotors zu erzielen, die erforderlich ist, den Störungen zu widerstehen, die durch äußere Kräfte verur sacht werden, die in den normalen Hochgeschwindigkeits- Werkzeugmaschinen-Anwendungen auftreten.

Das Patent US 49 21 365 von Sanders et al. beschreibt einen Hochgeschwindigkeits-Pendelkopfdrucker. Dieses Ge rät benutzt einen Positionsdetektor, um die Position des Linearmotors zu bestimmen, der den Pendelkopfin einem Punktmatrixdrucker antreibt. Der Positionsdetektor kann auch ein Beschleunigungsmesser sein, der die Beschleuni gung des Kopfes bestimmt. In diesem Fall wird die Posi tion durch Integration des Beschleunigungssignals bestimmt. Wie bei der Differentiation wird bei der Inte gration der dem Beschleunigungssignal inhärente Fehler kaum weggemittelt, so daß ein solcher Fehler eine unge naue Positionsbestimmung zur Folge hat, die oft als Drift bezeichnet wird. Auch hier sei erwähnt, daß das Patent von Sanders sich nicht besonders mit dem Starr heitsproblem beschäftigt, das mit dem zuvor diskutierten Linearmotor verbunden ist. Als Folge hieraus kann das Gerät nicht die scheinbare Starrheit erzeugen, die ein Linearmotor benötigt, um Störungen zu widerstehen, die durch äußere Kräfte verursacht werden, die in den norma len Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen-Anwendungen auftreten.

Das Patent US 49 67 292 von Aruga et al. beschreibt eine Magnetplattenspeicher-Einheit mit Mehrfachpositionie rung, die über die Möglichkeiten verfügt, Vibrationsin terferenzen zwischen den einzelnen Positionierern zu reduzieren. Das von Arugas Patent beschriebene Gerät benutzt einen Vibrationsmesser, wie etwa einen Beschleu nigungsmesser, um die Erschütterungen zu messen, die durch den Magnetplattenbetrieb verursacht werden. Das Gerät erzeugt zusätzliche Vibrationen, die die durch den Magnetplattenbetrieb erzeugten Erschütterungen dämpfen sollen. Jedoch ist das Gerät aus Arugas Patent nicht speziell auf das Starrheitsproblem ausgerichtet, das mit dem zuvor diskutierten Linearmotor verbunden ist. Noch mals, als Folge hieraus kann das Gerät nicht die schein bare Starrheit erzeugen, die ein Linearmotor benötigt, um Störungen zu widerstehen, die durch äußere Kräfte verursacht werden, die in den normalen Hochgeschwindig keits-Werkzeugmaschinen-Anwendungen auftreten.

Entsprechend der Erfindung wird ein verbessertes Kon trollsystem und Steuerverfahren für einen Linearmotor bereitgestellt, das den Motorwiderstand gegenüber äuße ren Kräften erhöht. Das System besteht aus einem primä ren Meßwertaufnehmer, um die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zum Boden zu messen und das dazu gehörige Beschleunigungssignal zu erzeugen. Das System enthält auch einen sekundären Meßwertaufnehmer, um die Beschleunigung der Basismasse relativ zum Boden zu mes sen und hieraus das dazugehörige zweite Beschleunigungs signal zu erzeugen.

Weiterhin enthält das System einen Positionsdetektor, um die Position der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen und das zugehörige Positionssignal zu er zeugen. Das System enthält ferner eine Signalverarbei tungseinheit, um das erste und zweite Beschleunigungs signal und das Positionssignal zu verarbeiten und ein Motor-Kontrollsignal zu erzeugen, daß den Linearmotor mit einem Widerstand gegen äußere Kräfte ausstattet.

Das Steuerverfahren des Linearmotors, daß den Motor widerstand gegen äußere Kräfte während des Betriebs er höht, enthält den Schritt der Bestimmung der Be schleunigung der Schlitten- und der Basismasse relativ zum Boden und die Erzeugung des zugehörigen ersten und zweiten Beschleunigungssignals. Das Verfahren enthält ferner den Schritt der Bestimmung der Position der Schlittenmasse relativ zur Basismasse und die Erzeugung des entsprechenden Positionssignals.

Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Verar beitung des ersten und zweiten Beschleunigungssignals und des Positionssignals, um die Abweichung der Posi tion, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse, die durch externe Kräfte erzeugt werden, von vorgewählten Werten zu be stimmen. Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Erzeugung der Motor-Kontrollsignale, um den Linearmotor mit einem Widerstand gegen solche Abweichungen aus zu statten.

Dementsprechend ist es ein Hauptziel dieser Erfindung, ein verbessertes Kontrollsystem und Steuerverfahren für einen Linearmotor bereitzustellen, das die scheinbare Motorstarrheit erhöht, indem der Linearmotor durch die Verwendung eines mehrfachen Rückkopplungssystems wider standsfähiger gegen Störungen wird, die durch äußere Kräfte verursacht werden.

Ein weiteres Hauptziel dieser Erfindung ist es, ein ver bessertes Kontrollsystem und Steuerverfahren für einen Linearmotor bereitzustellen, das die scheinbare Motor starrheit erhöht, indem der Linearmotor widerstands fähiger gegen Störungen wird, die durch äußere Kräfte in der Werkzeugmaschinenbearbeitung verursacht werden, indem die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse benutzt wird.

Noch ein weiteres Hauptziel dieser Erfindung ist es, ein verbessertes Kontrollsystem und Steuerverfahren für einen Linearmotor bereitzustellen, das die scheinbare Motorstarrheit erhöht, indem der Linearmotor wider standsfähig gegen Störungen wird, die durch äußere Kräfte in der Werkzeugmaschinenbearbeitung verursacht werden, indem die Positions- und Geschwindigkeitsparame ter der Schlittenmasse relativ zur Basismasse benutzt werden.

Dieses und weitere Ziele sowie Vorteile werden sofort erkennbar, wenn man die folgende Beschreibung und Figuren in Betracht zieht.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des verbesserten Kontrollsystems dieser Erfindung für einen Linearmotor;

Fig. 2 ein Logikdiagramm des verbesserten Kontrollsystems dieser Erfindung für einen Linearmotor und

Fig. 3 ein Blockdiagramm des verbesserten Steuerverfahrens dieser Erfindung für einen Linearmotor.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Kontrollsystem 10 dieser Erfindung für einen Linearmotor zu sehen. Das System 10 besteht aus einer Schlittenmasse 12 und einer Basismasse 14, auf der die Schienen 16 befestigt sind. In einer gewöhnlichen Werkzeugmaschinen-Anwendung dient die Schlittenmasse 12 als Plattform, auf der ein Werkstück 18 für die Bearbeitung durch ein Schneid werkzeug 20 befestigt ist. Hierfür ist die Schlitten masse 12 unidirektional in einer Ebene, die praktisch horizontal zum Boden verläuft, beweglich und wird durch einen bürstenlosen synchronen Linearmotor (Permanent magnet), linearen Induktionsmotor oder ähnlichen Motor 22 angetrieben. Die Schlittenmasse 12, die Basismasse 14, die Schienen 16 und der Linearmotor 22 sind von gewöhnlicher bekannter Bauart.

Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist das Schneidwerkzeug typischerweise ein Fräskopf. Das Schneidwerkzeug 20 kann jedoch auch jedes beliebige andere Werkzeug sein, wie zum Beispiel ein Bohrer. Typischerweise ist das Schneidwerkzeug 20 auf der Basis 14 befestigt. Wie später im Detail diskutiert werden wird, resultieren die externen Kräfte, die auf die Schlittenmasse wirken, hauptsächlich aus dem Kontakt zwischen dem Werkstück 18 und dem Schneidwerkzeug 20. Als eine Folge daraus kor rigiert diese Erfindung die Kräfte die auf die Schlit tenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 wirken, um dem Linearmotor die nötige Starrheit zu geben, solchen Kräf ten zu widerstehen.

Weiterhin, unter Bezugnahme auf Fig. 1, ist ein breit bandiger Beschleunigungsmesser 24 auf die Schlittenmasse 12 montiert. Der Beschleunigungsmesser 24 liefert eine erste Meßmöglichkeit, um die Beschleunigung der Schlit tenmasse 12 relativ zum Boden zu messen, um daraus das hierzu proportionale erste Beschleunigungssignal zu er zeugen. Die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zum Boden wird auch als die absolute Beschleunigung der Schlittenmasse 12 bezeichnet. Zusätzliche mechanische Vibrationen der Schlittenmasse 12 in der Bewegungsrich tung können zu Anomalien in der Bestimmung der absoluten Beschleunigung der Schlittenmasse 12 durch den Beschleu nigungsmesser 24 führen. Dementsprechend ist der Ort, an dem der Beschleunigungsmesser 24 auf der Schlittenmasse 12 befestigt wird, durch experimentelle Beobachtungen der Art gewählt worden, daß der Einfluß dieser zusätz lichen Vibrationen minimiert wird.

Ein zweiter breitbandiger Beschleunigungsmesser 26 ist auf die Basismasse 14 montiert. Der Beschleunigungs messer 26 liefert eine zweite Meßmöglichkeit, um die Beschleunigung der Basismasse 14 bezüglich des Bodens zu bestimmen und ein zweites, hierzu proportionales Be schleunigungssignal zu erzeugen. Genau wie bei dem Be schleunigungsmesser 24 ist der Befestigungsort des Beschleunigungsmessers 26 auf der Basismasse 14 experi mentell so festgelegt, daß der Einfluß von Vibrationen der Basismasse 14 in Richtung der Bewegung der Schlit tenmasse 12 auf die Messung minimiert sind. Durch einen solchen Befestigungsort werden die Anomalien in der Be stimmung der absoluten Beschleunigung der Basismasse 14 durch den Beschleunigungsmesser 26 reduziert.

Weiterhin ist in Fig. 1 ein Positionsmesser 28 gezeigt. Der Positionsmesser 28 besitzt ein festes Teil, das auf der Basismasse 14 montiert ist, und ein bewegtes Teil, das auf der Schlittenmasse 12 angebracht ist. Der Posi tionsmesser 28 liefert eine Positionsmeßmöglichkeit, um die Position der Schlittenmasse 12 relativ zu Basismasse 14, also die relative Position der Schlittenmasse 12, zu bestimmen. Der Positionsmesser 28 erzeugt außerdem ein Positionssignal, daß der relativen Position der Schlit tenmasse 12 entspricht.

Während der Werkzeugmaschinenbearbeitung können ver schiedene Kräfte an der Schlittenmasse 12 oder der Basismasse 14 angreifen. Die im allgemeinen wichtigste Kraft ist hierbei die, die mit dem Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug 20 und dem Werkstück 18 verbunden ist. Wie zuvor beschrieben messen die Beschleunigungsmesser 24, 26 die absolute Beschleunigung der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 und erzeugen das da zugehörige er ste und zweite Beschleunigungssignal. Das erste und zweite Signal entspricht also der absoluten Beschleuni gung der Schlittenmasse 12 beziehungsweise der Basis masse 14, die durch solche externen Kräfte erzeugt wird. Gleichzeitig mißt der Positionsmesser 28 die relative Position der Schlittenmasse 12 und erzeugt ein entspre chendes Positionssignal.

Immer noch Bezug nehmend auf Fig. 1 sind die Beschleu nigungsmesser 24, 26 und der Positionsmesser 28 mit ei nem Prozessor 30 elektrisch verbunden. Der Prozessor 30 liefert eine Möglichkeit, das erste und zweite Beschleu nigungssignal und das Positionssignal, die er von den Beschleunigungsmessern 24 und 26 und dem Positionsmesser 28 erhält, zu verarbeiten. Mit der Information aus dem ersten und zweiten Beschleunigungssignal und dem Positi onssignal erzeugt der Prozessor 30 ein Motorkontrollsi gnal, um den Linearmotor 22 zu steuern. Das Motorkontrollsignal dient dazu die Position, die Ge schwindigkeit und die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 der Gestalt zu ändern, daß der Linearmotor die nötige Starrheit erhält, um den äußeren, auf den Linearmotor einwirkenden Kräften zu widerstehen, die während der Werkzeugmaschinenbearbeitung auftreten.

Der Prozessor 30 enthält ferner einen Rückkopplungs signal-Generator 32 und eine Kontrolleinheit 34. Der Rückkopplungssignal-Generator liefert Möglichkeiten zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen, steht in elektri scher Verbindung mit den Beschleunigungsmessern 24, 26 und dem Positionsmesser 28, um das erste und zweite Be schleunigungssignal sowie das Positionssignal zu em pfangen und um hieraus eine Vielzahl von Rückkopplungs signalen zu erzeugen, die der Position, Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, oder der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 entsprechen.

Der Rückkopplungssignal-Generator 32 ist auch mit einer Steuereinheit 34 elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 34 liefert eine Steuermöglichkeit, um die Rückkopplungs signale des Rückkopplungssignal-Generators 32 zu empfan gen und die Abweichungen von den relativen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparametern der Schlittenmasse 12 von bestimmten Werten zu bestimmen. Solche Abweichungen können durch externe Kräfte, wie die zuvor beschrieben, stammen, die auf die Schlittenmasse 12 oder die Basismasse 14 wirken.

Die Steuereinheit 34 ist auch mit dem Linearmotor 22 elektrisch verbunden. Mit den Rückkopplungssignalen stellt die Steuereinheit 34 ein Mittel zur Verfügung, um das entsprechende Motorkontrollsignal zu erzeugen. Das Motorkontrollsignal bewirkt eine Regelung des Stroms, den der Motor 22 erhält, und dadurch eine Änderung der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12, um die Abweichungen, der relati ven Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 zu korrigieren, die durch irgendwelche externen Kräfte erzeugt wurden. Das Kontrollsignal, daß die Steuereinheit 34 erzeugt, stattet damit den Linearmotor mit der nötigen Starrheit aus, um externen Kräften zu widerstehen, denen der Linearmotor ausgesetzt ist.

Nehmen wir nun Bezug auf Fig. 2. Dort ist ein Logikdia gramm des Kontrollsystems 10 dieser Erfindung gezeigt. Das Kontrollsystem 10 des Linearmotors, wie es in Fig. 2 zu sehen ist, ist charakterisiert durch eine Beschleu nigungs-Rückkopplungsschleife 36 für die Kraftunter drückung sowie einer Positions-Rückkopplungsschleife 38 und Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife 40 für die Positionsgenauigkeit und die Geschwindigkeitskontrolle. Der Schlüsselpunkt dieser Erfindung zur Erzeugung einer verbesserten Linearmotor-Starrheit, ausreichend, um Stö rungen zu kontrollieren, die durch externe Kräfte in Werkzeugmaschinen-Anwendungen erzeugt werden, ist die hohe Verstärkung in den Kontrollschleifen.

Hierzu wird in der Beschleunigungs-Rückkopplungsschleife 36 eine zweifach-integierende Kompensation benutzt. Zu sätzlich sollen die Beschleunigungsmesser 24 und 26 und der Verstärker 42 in der Beschleunigungs-Rückkopplungs schleife 36 breitbandig sein, um die Verstärkung zu maximieren. Außerdem sollte der Verstärker 42 vor zugsweise nach dem Prinzip eines Pulsweitenmodulators arbeiten. Eine hohe Verstärkung in der Beschleunigungs- Rückkopplungsschleife 36 wird auch durch ein richtiges, experimentell bestimmtes Anbringen der Beschleuni gungsmesser 24, 26 auf der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 erleichtert. Wie schon erwähnt, sollen die Beschleunigungsmesser 24, 26 so angebracht werden, daß die Messung von zusätzlichen Vibrationen in der Schlittenmasse 12 und in der Basismasse 14 in Richtung der Bewegung der Schlittenmasse 12, die zu Anomalien in der Bestimmung der absoluten Beschleunigung der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 führen, unterdrückt wird. Solche Anomalien bewirken auch eine ungenaue Berechnung der relativen Beschleunigung der Schlittenmasse 12.

Im Betrieb wird ein Positionierungsbefehl 44 in das Linearmotor-Kontrollsystem 10 dieser Erfindung ein gegeben. Mit dem Positionierungsbefehl 44 ist ein Positionskompensator 46, ein Geschwindigkeitskompensator 48 und ein Beschleunigungskompensator 50 verbunden. Während der Bewegung der Schlittenmasse 12 durch den Linearmotor 22, als Folge des Positionierungsbefehls 44, messen die Beschleunigungsmesser 24, 26 die absoluten Kräfte, die auf die Schlittenmasse 12 und die Basismasse 14 durch irgendeine Ursache hervorgerufen werden. Um die Verstärkung zu maximieren, und damit die Linearmotor starrheit zu verbessern, sollten die Beschleunigungs messer 24, 26 eine große Bandbreite besitzen.

Als Antwort auf die absoluten Kräfte, die auf die Schlittenmasse 12 und die Basismasse 14 ausgeübt werden, erzeugen die Beschleunigungsmesser 24, 26 das erste und das zweite Beschleunigungssignal. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Verstärker 42 eine große Bandbreite haben soll, um die Verstärkung zu maximieren und die Linearmotorstarrheit zu verbessern. Vorzugsweise soll der Verstärker 42 mit dem Pulsweiten-Modulationsprinzip arbeiten.

Das erste und das zweite Beschleunigungssignal, die von einem Addierer 56 empfangen werden, sind proportional zur absoluten Schlittenmassen-Beschleunigung 52 bezie hungsweise der absoluten Basismassen-Beschleunigung 54. Der Addierer 56 ist Bestandteil eines Rückkopplungs signal-Generators 32 und liefert eine Subtraktions möglichkeit, um die absolute Beschleunigung 54 der Basismasse 14 von der absoluten Beschleunigung 52 der Schlittenmasse 12 zu subtrahieren, um ein differen tielles Beschleunigungsmesser-Rückkopplungssignal 58 zu liefern. Das differentielle Beschleunigungsmesser- Rückkopplungssignal 58 entspricht der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, also der relativen Beschleunigung der Schlittenmasse 12. Auf diese Weise nimmt das Linearmotor-Kontrollsystem 10 eine Korrektur auf jegliche Beschleunigung der Basismasse 14 vor. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß eine zweifach-integrierende Beschleunigungs-Rückkopplungs schleife 36 verwendet werden soll, um die Verstärkung zu maximieren und die Linearmotorstarrheit zu verbessern.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2 erhält der Rück kopplungssignal-Generator 32 eine relative Schlitten massen-Position 60, die der Position der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 entspricht, vom Positionsmesser 28. Auf diese Weise wird in der Erfin dung auf jegliche Positionsänderung der Basismasse 14 korrigiert. Hierfür enthält der Rückkopplungsgenerator 32 einen Differentiator 62. Der Differentiator 62 gibt eine Differentiationsmöglichkeit, um die relative Schlittenmassen-Position 60 zu differenzieren, um so die relative Schlittenmassen-Geschwindigkeit 66 zu bestim men. Auf diese Weise wird in der Erfindung auf jegliche Geschwindigkeitsänderung der Basismasse 14 korrigiert.

Der Rückkopplungssignal-Generator 32 enthält auch einen Konverter 64. Der Konverter 64 liefert eine Konvertie rungsmöglichkeit, um die relative Schlittenmassen-Posi tion 60 und -Geschwindigkeit 66 von einem analogen in ein digitales Signal zu verwandeln. Der Konverter 64 dient auch dazu, ein relatives Positions-Rückkopplungs signal 68 und ein relatives Geschwindigkeits-Rückkopp lungssignal 70 zu erzeugen.

Das differentielle Beschleunigungsmesser-Rückkopplungs signal 58, das relative Positions-Rückkopplungssignal 68 und das relative Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal 70 werden von der Steuereinheit 34 des Prozessors 30 emp fangen. Die Steuereinheit 34 leitet dann die Rückkopp lungssignale 58, 68 und 70 zu einem entsprechenden Beschleunigungs-Kompensator 50, Positionskompensator 46 und Geschwindigkeitskompensator 48 des Positionierungs befehls 44, um die Abweichungen von der relativen Posi tion, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlitten masse 12 von der vorgewählten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu bestimmen, die durch den Positionierungsbefehl 44 vorgegeben sind.

Basierend auf der Bestimmung der Abweichungen von der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 von vorgewählten Werten erzeugt die Steuereinheit 34 ein Motorkontrollsignal. Die Steuereinheit enthält einen breitbandigen Verstärker zur Verstärkung des Motorkontrollsignals (nicht darge stellt). Das Motorkontrollsignal wirkt in der Art, daß der Strom, den der Linearmotor erhält, geregelt wird, wodurch die relative Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 verändert wird, so daß auf Abweichungen in der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12, die durch irgendwelche äußeren Kräfte verursacht werden, korrigiert werden kann. Das Steuersignal, das von der Steuereinheit erzeugt wird, stattet dadurch den Linearmotor mit der nötigen Starrheit aus, um äußeren Kräften, die auf den Linearmotor wirken, zu widerstehen.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des Line armotor-Steuerverfahrens der Erfindung gezeigt. Das Ver fahren beginnt mit dem Schritt der Messung 72 der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zum Boden (absolute Beschleunigung) und der Erzeugung 74 des hier zu gehörigen ersten Beschleunigungssignals. Das Verfah ren enthält auch den Schritt der Messung 76 der Beschleunigung der Basismasse 14 relativ zum Boden (ab solute Beschleunigung) und der Erzeugung 78 des hierzu gehörigen zweiten Beschleunigungssignals. Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Messung 80 der Position der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 (relative Position) und der Erzeugung 82 des ent sprechenden Positionssignals.

Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Ver arbeitung 84 des ersten und des zweiten Beschleunigungs signals und des Positionssignals, um Abweichungen von vorbestimmten Werten in der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, die durch irgendwelche äußeren Kräfte verursacht werden, zu bestimmen. Das Verfahren enthält außerdem den Schritt der Erzeugung 86 eines Motorkon trollsignals zum Empfang durch den Linearmotor 22, um den Linearmotor 22 mit einem Widerstand gegen solche Abweichungen, die durch äußere Kräfte, die an der Schlittenmasse 12 und an der Basismasse 14 angreifen, auszustatten.

Unter weiterem Bezug auf Fig. 3 enthält der Schritt der Verarbeitung 84 noch den weiteren Schritt der Erzeugung 88 der nominalen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, basierend auf vorgegebenen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten. Der Ver arbeitungsschritt 84 enthält außerdem weitere Schritte der Bestimmung 92 der Position, Geschwindigkeit und Be schleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basis masse 14 und der Erzeugung 92 einer Vielzahl von dazugehörigen Rückkopplungssignalen.

Der Schritt der Bestimmung 90 der Position, der Ge schwindigkeit und der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 selbst enthält weitere Schritte der Verstärkung 94 des ersten und zweiten Beschleunigungssignals, um die Steuerverstärkung zu maximieren, und der Berechnung 96 der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssignal, um die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Ba sismasse 14 zu bestimmen. Der Schritt der Bestimmung 90 enthält ebenfalls als weiteren Schritt die Differen tiation 98 des Positionssignals, um die Geschwindigkeit der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 zu bestimmen.

Unter weiterem Bezug auf Fig. 3 enthält der Schritt der Erzeugung 92 einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen selbst den weiteren Schritt der Benutzung 100 einer zweifach-integrierenden Kompensation mit dem relativen Beschleunigungssignal, um die Steuerverstärkung in der Beschleunigungs-Rückkopplungsschleife in Fig. 2 zu maximieren und damit die Starrheit der Linearmotors zu erhöhen. Der Schritt der Erzeugung 92 einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen enthält auch den Schritt der Kon vertierung 102 des relativen Positions- und Geschwindig keitssignals von analoger in digitaler Form.

Wie zuvor erwähnt, besitzen konventionelle mechanische Werkzeugmaschinen-Antriebe eine inhärente Starrheit oder Widerstand gegenüber äußeren Kräften aufgrund der Reibung zwischen den einzelnen Bestandteilen des mechani schen Antriebs. Demgegenüber werden Linearmotoren durch die Variation des elektromagnetischen Feldes angetrie ben, wodurch ihnen jede inhärente Starrheit, um solchen externen Kräften zu widerstehen, fehlt.

Wie oben erwähnt, können Linearmotoren jedoch durch den Gebrauch einer Servosteuerung des Motors mit einer scheinbaren Starrheit ausgestattet werden. Trotzdem war es in konventionellen Linearmotoranwendungen bisher nur möglich, eine meßbare Starrheit in der Größenordnung von 2-9 N/µm zu erreichen. Die konventionell erreichbare Linearmotorstarrheit ist deshalb weit unterhalb des Starrheit, die für Hochgeschwindigkeits-Werkzeug maschinen-Anwendungen erforderlich ist.

Demgegenüber ist das verbesserte Linearmotor-Kontroll system und Steuerverfahren der Erfindung in der Lage, eine Starrheit von 30 N/µm und mehr zu erzeugen. Durch die vergrößerte Linearmotorstarrheit, die diese Erfindung ermöglicht, können also Linearmotoren den Anforderungen der Qualitätskontrolle in Hochgeschwin digkeits-Werkzeugmaschinen-Anwendungen genügen.

Das Linearmotor-Kontrollsystem und -Steuerverfahren der gegenwärtigen Erfindung wurde im Zusammenhang mit Werkzeugmaschinen-Anwendungen beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, daß das Linearmotor-Kontrollsystem und - Steuerverfahren der Erfindung für jede Art der Anwendung geeignet ist, bei der eine Linearmotorstarrheit in der Größenordnung von 30 N/µm und mehr erforderlich sind.

Es ist deshalb so zu verstehen, daß die gegenwärtige Er findung nur in illustrativer Weise beschrieben wurde und daß die benutzte Terminologie nur als eine Ausdrucksmög lichkeit diente, nicht aber eine Beschränkung der Erfin dung darstellt. Mit dieser Erkenntnis sind offen sichtlich eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen der Erfindung denkbar. Es ist deshalb, in Hinblick auf die nachfolgenden Ansprüchen, so zu verstehen, daß die Erfindung auch aufandere als die hier speziell beschriebene Anwendung übertragen werden kann.

Claims

1. Linearmotor-Kontrollsystem für die Verwendung mit einer Schlittenmasse, die bezüglich einer Basismasse beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontrollsystem vorhanden ist, das den Motor widerstand gegen äußere Kräfte in Übereinstimmung mit vorgegebenen Betriebsparametern erzeugt, bestehend aus:
primären Meßelementen, die auf der Schlittenmasse montierbar sind, für die Messung der Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zum Boden und die Erzeugung des hierzu gehörigen ersten Beschleunigungssignals,
sekundären Meßelementen, die auf der Basismasse montierbar sind, für die Messung der Beschleunigung der Basismasse relativ zum Boden und die Erzeugung des hierzu gehörigen zweiten Beschleunigungssignals und
einer Signalverarbeitungseinheit in elektrischer Verbindung mit den ersten und zweiten Meßelementen für den Empfang und die Verarbeitung des ersten und zweiten Beschleunigungssignals und die Erzeugung eines Motor kontrollsignals, das den Linearmotor mit einem Widerstand gegen äußere Kräfte ausstattet.

2. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Positionsdetektor in elektrischer Verbindung mit der Signalverarbeitungs einheit zur Bestimmung der Position der Schlittenmasse relativ zur Basismasse und Erzeugung des zugehörigen Positionssignals vorhanden ist, und das Positionssignal für den Empfang durch die Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist.

3. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Meßelement so angeordnet sind, daß die Messung von zusätzlichen Vibrationen der Schlittenmasse und Basismasse in Bewegungsrichtung der Schlittenmasse minimiert sind.

4. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit eine Rückkopplungseinheit umfaßt, welche in elektrischer Verbindung mit den ersten und zweiten Meßelementen für den Empfang des ersten und zweiten Beschleunigungs signals steht und zur Erzeugung eines Rückkopplungs signal entsprechend der Beschleunigung der Schlitten masse relativ zur Basismasse vorgesehen ist und
Steuerelementen in elektrischer Verbindung mit der Rück kopplungssignaleinheit und dem Linearmotor für den Empfang des Rückkopplungssignals zur Bestimmung der Abweichung der Beschleunigungsparameter von vorgewählten Werten, die durch äußere Kräfte verursacht werden, und zur Erzeugung eines entsprechenden Motorkontrollsignals, um einen Widerstand des Linearmotors gegen Beschleuni gungsabweichungen wirksam zu erzeugen.

5. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit folgendes umfaßt:
eine Rückkopplungssignaleinheit in elektrischer Verbindung mit primären Meßelementen, sekundären Meßelementen und einem Positionsdetektor zum Empfang des ersten und zweiten Beschleunigungssignals und des Positionssignals und zur Erzeugung einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen, entsprechend der Position, Ge schwindigkeit und Beschleunigung von der Schlittenmasse relativ zur Basismasse und
eine Steuereinheit in elektrischer Verbindung mit der Rückkopplungssignaleinheit und dem Linearmotor zum Empfang von Rückkopplungssignalen, zur Bestimmung der Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsab weichung gegenüber vorgewählten Werten, verursacht durch äußere Kräfte und zur Erzeugung eines entsprechenden Motorkontrollsignals, um den Widerstand des Linearmotors gegen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs abweichungen wirksam zu verbessern.

6. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Meßelement ein breitbandiger Beschleunigungsmesser zur Maximierung der Kontrollsystemverstärkung ist.

7. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sekundäre Meßelement ein breitbandiger Beschleunigungsmesser zur Maximierung der Kontrollsystemverstärkung ist.

8. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssignaleinheit folgendes umfaßt:
eine breitbandige Verstärkungseinheit in elektrischer Verbindung mit den primären und sekundären Meßelementen zur Verstärkung von den ersten und zweiten Be schleunigungssignalen und zur Maximierung der Kontroll systemverstärkung und
eine Subtraktionseinheit in elektrischer Verbindung mit der Verstärkungseinheit zum Empfang des ersten und zweiten Beschleunigungssignals, zur Berechnung der Differenz zwischen beiden, um die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen und zur Erzeugung eines entsprechenden relativen Be schleunigungssignals.

9. Linearmotor-Kontrollsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssignaleinheit folgendes umfaßt:
eine breitbandige Verstärkungseinheit in elektrischer Verbindung mit den primären und sekundären Meßelementen zur Verstärkung von den ersten und zweiten Be schleunigungssignalen und zur Maximierung der Kontroll systemverstärkung,
eine Subtraktionseinheit in elektrischer Verbindung mit der Verstärkungseinheit zum Empfang des ersten und zweiten Beschleunigungssignals zur Berechnung der Differenz zwischen beiden, um die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen und zur Erzeugung eines entsprechenden Beschleunigungs signals,
eine Differentiationseinheit in elektrischer Verbindung mit dem Positionsdetektor zum Empfang und zur Differenzierung des Positionssignals, um die Ge schwindigkeit von der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen und zur Erzeugung des entsprechenden Geschwindigkeitssignals und
eine Konvertierungseinheit in elektrischer Verbindung mit der Differentiationseinheit und Verstärkungseinheit zum Empfang vom Positions- und Geschwindigkeitssignal und zur Umwandlung der Signale von analoger in digitaler Form.

10. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors für die Verwendung mit einer Schlittenmasse und einer Basis masse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motorwiderstand gegen äußere Kräfte in Übereinstimmung mit vorgegebenen Betriebsparametern erzeugt wird, bestehend aus:
der Messung der Beschleunigung von der Schlittenmasse relativ zum Boden,
der Erzeugung des ersten Beschleunigungssignals, das der Messung der Beschleunigung der Schlittenmasse ent spricht,
der Messung der Beschleunigung von der Basismasse relativ zum Boden,
der Erzeugung des zweiten Beschleunigungssignals, das der Messung der Beschleunigung der Basismasse ent spricht,
der Messung der Position von der Schlittenmasse relativ zur Basismasse,
der Erzeugung des Positionssignals, das der Messung der Position der Schlittenmasse entspricht,
der Verarbeitung von den ersten und zweiten Be schleunigungssignalen und des Positionssignals, um die Abweichungen von vorgewählten Werten in der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse, die durch externe Kräfte verursacht werden, zu bestimmen, und
der Erzeugung eines Motorkontrollsignals, das geeignet ist, den Motorwiderstand gegen die Abweichungen zu erzielen.

11. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Signalverarbeitung die folgenden Schritte umfassen:
die Erzeugung der nominalen Positions-, Geschwindig keits- und Beschleunigungswerte der Schlittenmasse relativ zur Basismasse, basierend auf den vorgewählten Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten,
die Bestimmung der Position, Geschwindigkeit und Be schleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse,
die Erzeugung einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen, die der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse entsprechen.

12. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Bestimmung der Position, Geschwindigkeit und Be schleunigung von der Schlittenmasse relativ zur Basis masse die folgenden Schritte umfassen:
die Verstärkung des ersten und zweiten Beschleunigungs signals zur Maximierung der Steuerverstärkung,
die Berechnung der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Beschleunigungssignal, um die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen und
die Differentiation des Positionssignals zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Schlittenmasse relativ zur Basismasse.

13. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung von einer Vielzahl von Rückkopplungs signalen die folgenden Schritte umfaßt:
die Verwendung einer zweifach-integrierenden Kom pensation mit dem relativen Beschleunigungssignal zur Maximierung der Steuerverstärkung und
der Umwandlung des relativen Positions- und Geschwindig keitssignals von analoger in digitaler Form.