DE4409823C1 - Regelantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelantrieb nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung desselben.

Die Regelungstechnik hat in den zwei vergangenen Jahrzehnten eine enorme Wandlung erfahren. Lange wurde die Closed-Loop- Regelung als höhere Stufe gegenüber einer einfachen Steuerung eingeschätzt. Die bloße Steuertechnik setzt normalerweise bessere Kenntnisse des Arbeits-Prozesses voraus, wenn höchste Qualitäten erreicht werden sollen. Eine Regelung wird vielfach dann eingesetzt, wenn die Prozeß-Einflußparameter nicht genügend oder nicht alle bekannt sind. Bis weit in die 80er Jahre galt sozusagen als höchste Entwicklungsstufe die Verwendung eines Prozeßrechners. Gestützt auf die Signale von Sensoren an der Verarbeitungsmaschine oder von meßtechnisch erfaßten Produktparametern, wurden alle Hauptfunktionen von dem Prozeßrechner zentral koordiniert und gesteuert bzw. geregelt. Dieses Modell wurde in der Folge abgelöst durch die sogenannten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), welchen jedoch für aufwendigere Rechneraufgaben ein Mikroprozessor zugeordnet wurde. Dabei wurden der SPS die Steuer- und Verriegelungsfunktionen, teils aber auch Startprogramme, Anlaufprogramme usw. zugeordnet. Der Mikroprozessor übernahm einen Teil der Prozeßregelung.

Seit einiger Zeit haben Servomotoren bei vielen Verarbeitungsmaschinen z. B. auch bei Spritzgießmaschinen eine immer größere Verbreitung gefunden. Die motorisch erzeugte Drehbewegung wird dabei als solche übersetzt und nach Bedarf in eine translatorische Bewegung umgesetzt. Mit Servomotoren können mit überraschend hoher Genauigkeit, über die Kontrolle des elektrischen Feldes (ϕ) sowie die Stromregelung (I), bzw. einer entsprechenden Momentregelung für die Motorachse, sowohl die Position wie die Geschwin­ digkeit der Achse von einem Interpolator nach vorgegebenen Sollwerten beherrscht werden. Eine Maschinensteuerung weist heute für die Prozeßsteuerung und -Regelung eine CNC- Steuerung auf. Die Servomotoren sind bedingt durch ihren Einsatz auf die ganze Maschine verteilt. Die zusammen­ wirkenden Steuer- und Regelvorrichtungen - nachfolgend als Drives bezeichnet - können eine Gruppe bilden. Von den Interpolatoren findet über die dazu benötigte Verdrahtung zu jedem Drive, entweder eine frequenzielle oder eine analoge Datenübertragung statt. Signale werden bei der Analogüber­ tragung in Form einer Spannung mit einem Wert im Bereich von plus-minus 10 Volt übertragen. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß die Datenübertragung an sich einen Problemkreis darstellt. Die Signalleitungen, insbesondere für die Regelaufgaben müssen speziell gegen Störfelder geschützt werden. Es können die sehr vorteilhaften Bussysteme nicht oder nur sehr beschränkt eingesetzt werden, da die Geschwindigkeit der Datenübertragung mit dem Bussystem nicht mehr gewährleistet ist. Die Intergrierung des Interpolators in die CNC-Steuerung ist zur Zeit die optimalste Lösung, wobei festgestellt wird, daß die Systeme als Ganzes bis an ihre Leistungsgrenze ausgeschöpft sind. Eine weitere Erhöhung der Beherrschbarkeit des Prozesses könnte nur mit unverhält­ nismäßigem Einsatz erreicht werden.

Regelantriebe der eingangs genannten Art sind beispiels­ weise aus den nachfolgenden Druckschriften bekannt: EP 331 733; DE 43 14 722; EP 273 979; EP 224 589; EP 382 857; EP 363 498; US 4,805,112; US 4,826,418; und US 5,251,146.

Diese Beispiele zeigen alle Regelantriebe, vorwiegend für Spritzgießmaschinen, mit einer oder mehreren elektromo­ torisch angetriebenen Achse/n. Den Regelantrieben liegt dabei ein gemeinsames Prinzip zugrunde: Sie enthalten eine zentrale Recheneinheit, von der aus alle Steuer- bzw. Re­ gelbefehle für die zu beeinflussenden Achsen abgesendet sowie die gesamte Datenmenge an Meßwerten der Regelgrößen empfangen werden. Daher haben diese bekannten Regelantriebe den zuvor erwähnten Nachteil.

Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, den Arbeits­ ablauf von Maschinen bzw. Verarbeitungsmaschinen über Regelantriebe in noch höherem Grad zu beherrschen, so daß je nach Einsatz, z. B. eine wesentliche Leistungssteigerung und/oder eine Steigerung der Reproduzierbarkeit und/oder der Qualität möglich werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 12.

Der erfindungsgemäße Regelantrieb weist danach unter anderem eine Kontrolleinheit bestehend aus einer Driveintelligenz mit dem Prozeßrechner sowie dem Speicher bzw. Arbeitsspeicher für Rezepte bzw. Programme auf, welche zur Regelung von wenigstens zwei Achsen ausgelegt ist.

Von den Erfindern ist erkannt worden, daß man für die jüngste Entwicklung auf falschen Annahmen basierte. Sehr anschaulich kann dies an dem Modell der Raumbewegung eines Krans oder eines Roboters verständlich gemacht werden. Der Robotergreifer bewegt sich üblicherweise in allen drei Raumrichtungen. Der bisherige Ansatz lag darin, daß die resultierende Bewegung des Greifers von dem Roboter dann beherrscht wird, wenn jede Teilbewegung in jeder der drei Raumrichtungen (bei drei Achsen) beherrscht wird. Der Rechner müßte nur schnell genug sein, und die Befehle an jeden Drive richtig gegeben werden. Vorausgesetzt, daß die Berechnung der Raumkurve genau genug war, nahm man an, daß das Resultat sozusagen zu 100% stimmen müßte. In der Praxis ist dies aber leider nicht der Fall. Es treten bekanntlich variierende Massenträgheiten, Reibkräfte und andere Widerstände usw. auf, welche man mit extrem großen Fehlerkorrekturprogrammen auszuschalten versucht. Dies aber oft mit nur teilweisem Erfolg.

Der erste Fehlansatz lag darin, daß das Problem dreidimensional betrachtet und dann einfach in die drei Dimensionen zerlegt bzw. reduziert wurde. Tatsächlich aber ist das Problem mehr als dreidimensional, da sich zum Beispiel die Zeit über Geschwindigkeitsänderungen so auswirkt wie wenn eine 4. Dimension vorhanden wäre. Damit aber ist der mathematische Ansatz, nur auf den drei Raumdimensionen aufbauend, falsch. Der zweite Fehlansatz lag darin, daß der Faktor der gegenseitigen Beeinflussung der drei Raum­ bewegungen sehr groß ist, wenn Reibung, wechselnde Träg­ heitskräfte, variierende Geschwindigkeiten usw. vorhanden sind. Auch der beste mathematische Ansatz kann letztlich nur eine grobe Näherung sein. Jede Beherrschung eines Arbeits­ prozesses wird in dem Mikrobereich (µ sec./µ mm usw.) über eine starre Steuerlogik oder Regellogik unmöglich, wenn nichtlogische Funktionen großen Einfluß haben. Die dritte, möglicherweise gravierende Fehlannahme lag darin, daß die Leistungsfähigkeit, bzw. die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Prozeßrechnern und die Signalübertragung in Datenüber­ tragungssystemen mit Lichtgeschwindigkeit, als so groß angenommen wurde, daß es gar keine Rolle mehr spielt, an welcher Stelle in einem System die Datenverarbeitung geschieht. Man ging von einer beinahe Gleichzeitigkeit aus. Viele Praxisfälle zeigten, daß alle komplexen Informations­ übertragungssysteme relativ große Zeitspannen bis zu Sekunden von der ersten Signal-Auslösung bis zur Durchführung eines Befehls brauchen. Bedingt ist dies z. B. durch die vielen Schnittstellen und Umformungen aber auch durch Übertragungssicherungen, durch Sicherheitssysteme mit Auftrags- und Meldebestätigungen. Bei komplexeren Systemen müßten oft mehrere Rechenaufgaben gleichzeitig gelöst werden. Die Summierung selbst kleinster Zeitverzögerungen ergibt ein träges System, das sich für Regelfunktionen schlecht eignet. Der eigentliche Fehler liegt darin, daß die innere Regelungstechnik des Servo-Regel-Antriebes getrennt bearbeitet wurde von der eigentlichen Prozeßregelung bzw. Arbeitsprozeßsteuerung.

Die Erfinder haben ferner erkannt, daß die Lösung nur darin bestehen kann, daß der Korrektureingriff für die Prozeßsteuerung oder -regelung möglichst an dem Ort des Geschehens und dort möglichst schnell durchgeführt wird. Es muß ein unmittelbares Zusammenwirken vor Ort, nämlich in dem Drive von jeder Steuer- und Regelfunktion erfolgen. Wird den Drives eine gemeinsame Kontrolleinheit unmittelbar zugeordnet so kann mit nahezu Gleichzeitigkeit die Feldkontrolle sowie Strom-, Lage- sowie Geschwindigkeitsregelung aller Drives koordiniert werden. Dem Gedanken einer gemeinsamen Kontrolleinheit kommt der spezifische Aufbau der an sich bekannten Driverechner entgegen. Diese Drives weisen bereits einen internen ϕ-Kontroller sowie je einen I-, V- und Positionsregler auf. Diese erlauben selbst bei stark wechselnden Kräften in der Maschine z. B. eine Positionierung über der Zeit mit extrem hoher Genauigkeit. Die Kontrolleinheit kann als Interpolator nahezu ohne Zeitverlust z. B. die Positionsregler für zwei oder drei Achsen koordinieren. Dazu besitzt die Kontrolleinheit mit der Driveintelligenz die erforderliche Rechnerleistung. Der Kontrolleinheit sind alle unmittelbar benötigten Werte als ganze Rezepte oder Programme vor Ort verfügbar. Damit entsteht im Rahmen eines vorgegebenen Rezeptes eine Funktionseinheit, die als ein echter, hoch sensitiver Regler auch für zwei Achsen arbeiten kann. Das Kommunikationssystem wird nicht mehr belastet, umgekehrt verzögert das Kommunikationssystem die Prozeßregelung nicht mehr. Die Synchronisation von zwei oder mehr geregelten Achsen kann auf diese Weise mit einem bisher nicht erreichten Grad an Vollkommenheit sichergestellt werden. Die Erfindung erlaubt eine echte und gleichzeitige Zusammenarbeit für alle Achsen, da hierzu die räumliche Distanz und eine nachteilige Datenübertragung über einen Bus für die eigentliche Regelfunktion entfällt. Vorteilhafterweise wird der Mehrfachdrive als Baueinheit mit integriertem Programm­ speicher und Driverechner mit vorzugsweise digitaler Signal­ verarbeitung zur mehrachsigen Synchronisation von Bewegungs- und/oder Bahnkurven für eine elektrisch, über mehrere Servo- Motoren angetriebene Maschine, verwendet.

Im Stand der Technik wurde der Prozeßrechner als selbstständiges Hirn benutzt, der über die notwendige Anzahl Sensoren den Prozeß lenkte. Bei Servomotoren können nun z. B. der Lage-Ist-Wert und der Geschwindigkeits-Ist-Wert direkt aus dem Signalrechner entnommen werden. Prozeßrechner und Signalrechner arbeiten gemäß der neuen Erfindung gestützt auf die ihnen zugeteilten Rezepte als geschlossene Funktionseinheit als ein intelligenter "Vor-Ort-Regler". Wie in der Folge gezeigt wird, erlaubt die neue Erfindung wahlweise die je momentan benötigten Parameter, sei es zu steuern oder regeln, besonders auch im Closed-Loop zu regeln, z. B. für die Bewegung von einem Roboter oder einem Kranhaken.

Die Erfindung erlaubt eine ganze Anzahl vorteilhafter Ausge­ staltungen, die in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben sind.

Danach ist z. B. der Prozeßrechner als eine Funktions­ einheit als Mehrgrößen-Prozeß-Kontroller bzw. Mehrgrößen-Regler ausgebildet, dem als Zielgrößen Grenzwerte von Regelgrößen (z. B. Kraft und/oder Geschwindigkeit und/oder Weg) eingebbar sind, zur größtmöglichen Annäherung an Zielgrößen-Sollwerte. Bis heute besteht in vielen Verarbeitungsprozessen, wie z. B. beim Spritzgießen, ein Streit. Welche von den physikalischen Parametern sollen, und wie müssen sie beherrscht werden, über eine

• - Maschinenparameter-Steuerung, oder eine
• - Maschinenparameter-Regelung; über eine
• - Maschinenparameter-Regelung; über eine
• - Prozeß(parameter)-Steuerung oder eine
• - Prozeß(parameter)-Regelung; und/oder eine
• - Produkteigenschaft-Regelung.

Der neue Mehrgrößen-Regler beantwortet alle diese Fragen optimal. Von den Erfindern ist erkannt worden, daß in der Praxis für die Beherrschung des Arbeitsprozesses sehr selten alle Parameter gleichzeitig einer möglichst vollkommenen starren Regelung unterworfen werden müssen. Sehr häufig besteht nämlich die Aufgabe darin, schnell von einem Punkt O nach Punkt B zu gelangen, wobei jedoch eine bestimmte Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung, eine bestimmte Kraft und eine bestimmte Wegmarke nicht überschritten werden dürfen. In einer ersten Phase wird häufig die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung, die kritische und tatsächlich zu regelnde Größe sein. Ergibt sich von dem Verarbeitungsprozeß eine Gegenkraft, so kann diese sich als kritische Größe ergeben, so daß z. B. die Geschwindigkeit reduziert oder gestoppt werden muß. Eine Regelung z. B. im Closed-Loop erfolgt dann allein auf eine bestimmte Kraft oder einen bestimmten Druck, z. B. mit einem Soll-Drehmoment-Verlauf. In einer Endphase, bei Annäherung an den Punkt B kann die Positionsregelung aktiv werden. Die jeweils nicht aktiven Regel-Parameter bleiben überwacht, werden regelungstechnisch abschnittweise jedoch nicht beachtet. Die Erfindung erlaubt damit je nach momentaner Anforderung im Rahmen von Zielgrößen zu steuern oder zu regeln bzw. nicht zu steuern oder nicht zu regeln.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Mehrgrößen-Regler - mit vorzugsweise digitaler Sig­ nalverarbeitung (in Software) - kaskadenartig regel- bzw. be­ grenzbar. Es ist ohne weiteres möglich, daß mehrere Arbeits- Phasen mit unterschiedlichen Zielgrößen (z. B. Kraft oder Geschwindigkeit oder Weg) in dem Mehrgrößen-Kontroller fest­ legbar sind, welche vorzugsweise über das Geschwindigkeits­ signal zu dem Drive regel- bzw. begrenzbar sind. Ganz beson­ ders für zyklische Arbeitsprozesse, wie z. B. bei Schweiß­ robotern oder bei Druck- und Spritzgießmaschinen oder in der Papier- oder Druckindustrie, können damit für je einen ganzen Arbeitszyklus alle erforderlichen und teils wechselnden Soll­ werte in den Arbeitsspeicher gegeben werden, so daß auch Übergänge von einer Phase in eine andere innerhalb eines Zyklusses ohne Totzeit bewältigbar sind. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist als Stellgröße an den elektromotorischen Antrieb (Achse) der Geschwindigkeitseingang (V) oder der Stromeingang (I) wählbar, wobei die Ist-Geschwindigkeit und die Ist-Position aus dem Drive nehmbar bzw. berechenbar ist. In vielen Fällen können so mit einem Minimum an Sensoren in dem Bereich der Verarbeitungsmaschine optimale Ergebnisse erzielt werden. Gemäß einem weiteren Vorschlag werden in einem Groß­ signalbereich, d. h. bei großen Regelabweichungen, das Geschwindigkeits-Stellsignal zu dem Drive mit einer parabelartigen bzw. einer wurzelartigen Funktion der Druck-Soll-Ist-Abweichung und/oder die Weg-Soll-Ist-Ab­ weichung vorzugsweise mit dem größtmöglichen Verstärkungs­ faktor berechnet zur Annäherung an die größtmögliche Be­ schleunigung des Servomotores, besonders vorzugsweise im wesentlichen mit der Formel:

Vor allem im Großsignalbereich kann ferner der Ver­ stärkungsfaktor K1 bzw. K2 (Fig. 8) unsymmetrisch sein; und/oder im Kleinst-Signalbereich, d. h. bei kleinen Regelabweichungen, kann zur Erreichung der Stabilität das Geschwindigkeits-Stellsignal zu dem Drive als lineare Funktion der Soll-Ist-Abweichung berechnet werden.

In vielen Fällen kann als Stellgröße an dem elektrischen An­ trieb der Geschwindigkeitseingang gewählt werden, wenn ab­ triebsseitig von dem elektromotorischen Antrieb wenigstens ein mechanisch, elastisches Systemteil bzw. ein federndes Element vorhanden ist. Als elektromotorischer Antrieb können insbesondere Motoren mit Servomotor-Charakteristik, z. B. ein permanent erregter Servomotor oder ein vektoriell geregelter Asynchronmotor (z. B. Kurzschlußläufer), oder ein geregelter Gleichstrommotor verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, AC- und DC-Servomotoren oder DC-brushless-Motoren oder sehr preisgünstige Reluctance-Motoren, vorzugsweise Switched-Reluctance- Motoren, einzusetzen. Gemäß einem weiteren sehr vorteil­ haften Ausgestaltungsgedanken ist der Prozeßrechner für drei oder mehr Achsen ausgelegt; er weist eine Schnittstelle auf, zur Verbindung mit einem Datenübertragungssystem an ei­ nen Maschinenrechner, wobei der Arbeitsablauf vorzugsweise in dem Maschinen-Rechner definiert und die entsprechenden Werte, Sollwerte, Grenzwerte usw., als Rezepte bzw. Programme vorgeb­ bar und über das Datenübertragungssystem in den Arbeitsspeicher der Driveintelligenz des Prezeßrechners einlesbaar sind. Das Datenübertragungs­ system wird vorzugsweise als Datenbus, besonders vorzugsweise als Sensor/Actor-Businterface bzw. Can-Bus ausgebildet. Sehr vorteilhaft ist ferner, wenn zumindest für einzelne Werte ein Sicherheitsgrenzband bzw. ein Toleranzband von dem Maschinen­ rechner festgelegt und dem Prozeßrechner als Teil des Rezeptes bzw. des Programmes übermittelt wird, zur Steuerung bzw. Überwachung z. B. von speziellen Phasen. Dabei wird z. B. für einzelne Achsen bei Überschreitung des Toleranzbandes die Bewegung gestoppt und/oder umgekehrt. Auf diese Weise können nicht nur sehr vorteilhafte Sicherheitsfunktionen für die Maschinenteile sondern auch für die Produktqualitäten wirkungsvoll beherrscht werden. Bei sehr vielen Maschinen sind durch den Arbeitsprozeß gegebene Funktionsgruppen vorhanden. Es ist ohne weiteres möglich, unabhängig von der Funktionsgruppe alle Achsen durch eine einzige Groß-Kontroll­ einheit zu koordinieren. Aus Gründen der Systemübersicht, der Störkontrolle und evtl. Standardisierung wird als besonders bevorzugte Lösung vorgeschlagen bei Arbeitsmaschinen, die mehr als 4 resp. 5 Achsen haben, zwei oder mehrere Kontrolleinheiten bzw. Module vorzusehen, wobei jedes Modul als Funktionsgruppe zwei oder drei Achsen koordiniert. Der Maschinenrechner kann als Rechner-Speicher, z. B. als kostengünstiger PC ausgebildet sein, und Grundprogramme bzw. Grundrezepte insbesondere alle Startprogramme und Ablaufprogramme abrufbereit speichern. Das ganze System wird auf diese Weise als dezentrales offenes System modular ausgebildet. Damit können die einzelnen Hardware-Teile oder die Software selektiv den jeweiligen Neuentwicklungen angepaßt werden.

In der Folge wird die Erfindung nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die zentralen Funktionselemente für einen Mehrgrößen-Regler;

Fig. 2 ein Steuerkonzept für eine Mehrachs-Steuer- und Regelvorrichtung;

Fig. 3 eine Mehrachs-Steuer- und Regelvorrichtung figürlich dargestellt;

Fig. 4 eine räumliche Bewegungskurve O-E;

Fig. 5 die Bewegung von einem Punkt O zu A und B in einer Ebene;

Fig. 6, 6a, 6b verschiedene Ausbaustufen eines linear­ parabolischen Reglers;

Fig. 7 einen Vergleich der statischen Druck-Weg-Kenn­ linie mit linerarem und nicht linearem Regler;

Fig. 8 ein Beispiel einer optimierten linear/parabo­ lischen Funktion;

Fig. 9 schematisch ein vollständiges Steuerkonzept an Hand einer Spritzgießmaschine mit je einem Spritzmodul sowie einem Form-Modul.

In der Folge wird nun auf die Fig. 1 Bezug genommen. Ein Antriebsmotor 1 weist einen Rotor 2 mit Permanentmagnet sowie einem Positionssensor 3 auf. Der Stator 4 weist mehrere, meistens drei, Wicklungen sowie einen Inverter auf. Über ein Abtriebsritzel 5, das fest auf der Welle des Rotors 2 aufgekeilt ist, wird über einen Übertrieb 6, welcher zum Beispiel ein Zahnriemen, bevorzugt jedoch ein Zahnrad­ übertrieb ist, ein eigentliches Übersetzungsgetriebe 7 ange­ trieben. Das Übersetzungsgetriebe 7 formt die Rotations­ bewegung des motorischen Antriebes in eine Linearbewegung um, welche direkt auf eine Zahnstange 8 aufgebracht wird. Die Zahnstange ist kraftschlüssig verbunden mit der Arbeitswelle 9, so daß die entsprechende Rotationsbewegung des Rotors 2 unmittelbar in eine Linearbewegung 18 umgeformt wird und die vom Arbeitsprozeß verlangte Bewegung durchführt.

Anstelle des dargestellten Übertriebes kann aber auch die Welle des Rotors 2 direkt mit einer Arbeitswelle verbunden werden. Für die Umsetzung der Drehbewegung in eine Linearbewegung kann zum Beispiel auch eine Kugelspindel dazwischen angeordnet werden. Zwischen der Zahnstange 8 sowie der Arbeitswelle 9 ist eine Feder 10 eingebaut. Die Feder 10 kann eine physische Druckfeder sein, oder eine entsprechende Elastizität des mechanischen Systems oder aber die Elastizität der herzustellenden Teile. Im Falle einer Spritzgießmaschine kann die flüssige Kunststoffmasse die je momentane Kraft bzw. den Druck fest und gibt über einen Sensor 12 sowie eine Signalleitung 13 die entsprechende Information an einen Mehrgrößen-Prozeßkontroller bzw. -Regler 25. Der Mehrgrößen-Prozeßkontroller weist eine Kontrolleinheit 26 auf, bestehend aus einer Driveintelligenz 23 sowie einem Rezeptspeicher 24. Die Driveintelligenz 23 ist in direktem Arbeitsverbund mit einem Prozeß- bzw. Driverechner 22 der über einen Interpolator 21 sowie einem Kontroller 20 die Bewegung des Rotores 2 steuert bzw. regelt. Mit 14 resp. "X" sind ein oder mehrere Funktionsparameter als "Ist-Werte" von der Maschine, von dem Prozeß oder von dem Produkt symbolisiert, welche je nach Erfordernis als Steuer-Regel- oder Begrenzungsfunktion kontrolliert werden müssen. Die Rezepte resp. Programme werden über ein Kommandogerät 16 bzw. einem Maschinenrechner 15 sowie einem Datenbus 17 in den Datenspeicher 24 der Driveintelligenz 23 eingelesen.

In der Fig. 2 ist ein vorteilhaftes Grundschema dargestellt das die Hauptfunktionselemente für eine(n) Mehrachsendrive bzw. Mehrachsen-Steuer/Regelvorrichtung 30 dar­ stellt. Die Fig. 2 ist gleichzeitig auch ein entsprechender Ausschnitt aus der Fig. 1. Der Maschinenrechner 15 mit einem Rechner-Datenspeicher 19 ist über einen Bus bzw. einen Sen­ sor/Actor-Bus 17 an den Mehrachsdrive 30 verbunden, welcher aus drei Signalrechnern bzw. Kontrollern 20 (20.2; 20.2; 20.3 usw.) und dem Driverechner 22 mit Rezeptspeicher 24 besteht. Der Driverechner 22 besteht aus dem Interpolator 21 und drei Positionsreglern Pos. M1, Pos. M2 Pos. M3, die als Funktionseinheit die bestmögliche und kürzestmögliche Koordinierung aller Posi­ tionsregler gewährleistet. Jeder Kontroller 20 weist je einen eigenen Geschwindigkeitsregler (V-Regler, V-1, V-2, V-3) sowie einen Stromregler (I-Regler, I1, I2, I3), der das Dreh­ moment regelt, sowie Feld-Kontroller (ϕ-Kontrolle, ϕ1, ϕ2, ϕ3) auf, und ist jeweils mit einer Achse resp. dem entspre­ chenden Motor M1, M2 resp. M3 verbunden. An dem Sensor/Actor- Bus 17 können auch alle notwendigen Signal- oder Steuer­ verbindungen der Maschine wie Schalter, Kontrollen, Sensoren, Hilfsmotoren usw. angeschlossen werden, z. B. gemäß Fig. 1. Die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung für alle Regelaufgaben findet jedoch direkt in dem Mehrachsdrive 30 statt, und zwar auf Grund von Sollwerten, Grenzwerten, bzw. einem entsprechenden Rezept, und Toleranzwerten, die für jede spezifische Arbeit von dem Rechner-Datenspeicher 19 übermittelt werden.

In der Fig. 3 ist "hardwaremäßig" ein erfindungsgemäßer Mehrfachdrive bzw. Mehrachsdrive mit drei Achsen (M1, M2, M3) sehr vereinfacht dargestellt. Das Herzstück ist der Mehrachs­ drive 30, der hier für die gleichzeitige, koordinierte Steuer­ ung und Regelung von drei Achsen bzw. drei Motoren (M1, M2, M3) konzipiert ist. Die Datenübertragung kann über eine direkte Leitung 17′ oder einen Datenbus 17, wie in der Fig. 1 resp. Fig. 2, erfolgen, je nach Ausbaugrad, resp. Komplexität der ganzen Steuerung. Die Visualisierung findet in einem Komman­ dogerät 16 z. B. einem PC der Maschinensteuerung resp. des Maschinenrechners 15 statt. Grundkomponenten, auf denen die neue Lösung aufgebaut ist, ist die Steuerverbindung (S1, S2, S3) mit dem jeweiligen Motor (M1, M2, M3) sowie die Rückmeldeverbindung (R1, R2, R3) über welche insbesondere die ϕ-Kontrolle bzw. die Positions-Istwerte von jeder Achse rückgemeldet werden bzw. worüber die entspechende interne Regelung stattfindet. Der Mehrachsdrive ist eine Motor­ steuerung/Regelung für mehrere Achsen.

In der Folge wird nun auf die Fig. 4 Bezug genommen, welche eine Raumkurve CR-soll in den Koordinaten X-Y-Z darstellt. Eine Grundaufgabe besteht darin, von dem Startpunkt O genau über die Kurve CR-soll zu dem Punkt E mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, allenfalls einen Geschwindigkeitsverlauf zu gelangen, z. B. mit den Greifern eines Roboters oder dem Haken eines Krans. Fig. 4 stellt damit den idealisierten Verlauf dar, wobei in genügend kurzen Teilschritten vorzugsweise im Millisekundenbereich jeweils für jede Koordinate bzw. jede entsprechende Achse M1, M2, M3 die zugehörigen neuen Bewegungsbefehle gegeben werden müssen.

Die Fig. 5 veranschaulicht zwei Teilschritte von O zu A und von A zu B, nur in einer Ebene X-Y. In der Fig. 2 werden verschiedene nichtlogische Parameter wie Reibung (Ri) schwingende Masse (M) angenommen. Bei dem Punkt A bewegt sich die Masse in Richtung Ri mit einer bestimmten Geschwindigkeit Vi und erreicht nicht die Position A sondern A′. Die Position A′ ist aber außerhalb der Sollkurve O-A-B, so daß bei A′ ein korrigierter Bewegungsbefehl für die beiden Richtungen X und Y errechnet und übergeben werden muß.

Die Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße, verbesserte Lage­ regelung, konkret für eine Spritzgießmaschine, dabei sind:
71: Positionskontroll-Funktionsbaustein
72: Unterlagerter Drive/Motor-Geschwindigkeitsregler
73: Mechanischer Integrator der Motordrehzahl zum Lage-ist­ wert

Mit der zeit- bzw. beschleunigungs- oder verzögerungs­ optimierten Annäherung an den Zielpunkt, beinhaltet der PK- FUB auch die Vorgabe der maximalen Beschleunigungs- und Verzögerungswerte, als auch den Wert für die erlaubte und anzustrebende Verfahrensgeschwindigkeit, die nicht über­ schritten werden darf.

Die Fig. 6a zeigt eine optimierte Druckregelung, dabei bedeuten:
81: Positionskontroll-Funktionsbaustein
82: Unterlagerter Drive/Motor-Geschwindigkeitsregler
83: Mechanischer Integrator der Motordrehzahl zum Lage-ist- wert
84: Statische Systemdruckverstärkung (bar/m)

Erfindungsgemäß zeigt sich, bzw. läßt sich heute unter gewissen Randbedingungen auch mathematisch belegen, daß bei der Druckregelung die Analoge gilt, falls man hingeht und das Sollwegsignal mit dem Solldrucksignal und entsprechend die Istsignale vertauscht. Die Begründung liegt in der Tatsache, daß im statischen Fall ein unmittelbarer, linearer Zusammenhang zwischen Wegdifferenz und entsprechender Druckdifferenz besteht. Bei einer 1000 kN IMM beträgt die statische Systemdruckverstärkung ca. 200 (bar/mm) im vorderen Bewegungsbereich und vermindert sich auf ca. ¹/₃ dieses Wertes im hinteren Bereich. Damit für die Lage- und Druckregelung die gleichen Parameter verwendet werden können, muß die Druck­ differenz mit einem Skalierfaktor angepaßt werden (Kp.)

Beispielsweise bei einem Spritzvorgang wird im allgemeinen Fall sowohl der Druck, als auch die Geschwindigkeit vorge­ geben. In der ersten Phase liegt die Priorität vielfach in der Geschwindigkeitskontrolle und später in der Druckvorgabe. Im weiteren muß in der Software des Einspritzkontrollers dafür gesorgt werden, daß die Endlagen nicht überfahren werden, das heißt, diese dürfen im Normalfall nicht berührt werden. Keinesfalls darf mit hoher Geschwindigkeit in die mechani­ schen Begrenzungen gefahren werden. Folgende Anforderungen stellen sich somit an den Spritzkontroller:

• - Beherrschen der vorgegebenen (Maximal-) Beschleunigung und Verzögerung
• - Beherrschen der (maximalen-) Spritzgeschwindigkeit = F (s, t)
• - Beherrschen des (Maximal-) Spritzdruckes = f (s, t)
• - Beherrschen des (Minimal/Maximal-) Weges → maschinen­ typisch.

Die Fig. 6b zeigt einen, auf noch eine höhere Stufe optimierten Spritzkontroller, dabei bedeuten:
91: Anpassung der Kraft-Druckregelverstärkung
92: Positions(überlauf)begrenzungen
93: Positionskontroll-Funktionsbaustein
94: Unterlagerter Drive/Motor-Geschwindigkeitsregler mit unterlagertem Stromregler
95: Mech. Integrator der Motordrehzahl zum Lageistwert
96: Statische Systemkraft-Druckverstärkung (bar/m)
a: Maximalwegbegrenzung
b: Minimalwegbegrenzung
c: Sollbeschleunigung
d: Sollverzögerung
e: Sollspritzgeschwindigkeit = f (s, t)

Der optimierte Spritzkontroller läßt sich für spezifische Aufgaben noch weiter verbessern. So kann vor allem im Groß- Signalbereich als weitere Optimierung die Verstärkung Kp. bzw. Kz unsymmetrisch ausgeführt werden, um von der höheren Winkelverzögerung unter Last Nutzen zu ziehen.

Gemäß Fig. 7 ergibt sich bei der Drucksprungantwort ein na­ hezu idealer linear-Verlauf der Ist-Geschwindigkeit. Die Fig. 7 zeigt zudem eine Gegenüberstellung der statischen Druck- Weg-Kennlinie. Dabei kommt sehr anschaulich zum Ausdruck, daß bei einem neuen, nicht-linearen Regler viel näher an die Auslegungsgrenzwerte heran gefahren werden kann.

Die Fig. 8 zeigt den Funktionsverlauf eines linear-parabo­ lischen Reglers. Damit im Kleinsignalbereich die hohe Ver­ stärkung nicht zu Instabilitäten führt, wurde die Parabel im Bereich nahe der Sollposition durch eine herkömmliche lineare Funktion ersetzt. Es zeigt sich, daß bei der Lageregelung im Großsignalbereich mit einer parabelförmigen Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Sollwegdifferenz eine (zeit)optimale Verfahrfunktion erreicht werden kann. Mit anderen Worten wirken die Soll/Istabweichungen beim neuen Regler vor allem parabelartig auf die Geschwindigkeits-Stellgröße ein und nicht nur linear, wie bei herkömmlichen Reglern.

Die Fig. 9 zeigt eine ganz besonders vorteilhafte Ausge­ staltung einer Gesamtsteuerung wobei die Kommunikation über einen Feldbus 17 erfolgt. Alle Soll-Programme werden dabei in einem Rechner-Speicher zum Beispiel in einem PC 15 abgelegt und form- bzw. materialspezifisch für den jeweiligen Arbeits­ auftrag bzw. der Herstellung einer bestimmten Anzahl gleicher Teile als Rezept zum Beispiel einer SPS überspielt und gege­ benenfalls von dort aus über den Feldbus 17 zusammen mit allen übrigen Sensorsignalen koordiniert als Arbeitssignale abgege­ ben. In der Fig. 9 sind je zwei Mehrachsendrive als Hard­ wareeinheit, als Modul 41 und Modul 42 zusammengefaßt. Das Modul 41 koordiniert für das Beispiel der Spritzgießmaschine die drei Achsen für Einspritzen (Translation), Plastifizieren (Rotation) sowie die Aggregatbewegung. Beim Modul 54 sind zwei Achsen aufgeführt: Formschluß sowie der Auswerfer (Kernzug). Andere Kombinationen sind auch möglich.

Zusammenfassend gestatten die erfindungsgemäßen Lösungen einfache, überschaubare und stabile Maschinensteuerungen zu konzipieren.

• - aufbauend von der eigentlichen Führung und Überwachung des Arbeitsvorganges an sich,
• - gemäß einem besonders vorteilhaften neuartigen Mehr­ größenregler werden insbesondere Grundparameter wie Kraft, Geschwindigkeit und Wegführung in einer bisher nicht möglichen Art beherrscht,
• - insbesondere werden die unmittelbar zusammenwirkenden Achsfunktionen als Regel- und Steuer-Modul für mehrere Achsen zusammengefaßt.

Als Mehrgrößenregler wird vor allem, aber nicht ausschließ­ lich, die Regelung einer Achse bzw. eines Antriebes aber auf mehrere Zielgrößen hin verstanden. Dem Mehrgrößenregler wird (bildlich gesprochen) eine räumliche Hüll-Begrenzungs- Haube, bestehend aus den drei genannten Grundparametern, für jeden spezifischen Arbeitsauftrag als Rezept vorgegeben. (Der klassische Regler ist demgegenüber gekennzeichnet durch eine strenge Koppelung von Soll- und Istwert, wobei er immer aktiv ist und tendiert, diese beiden zur Übereinstimmung zu bringen.) Der Mehrgrößenregler weicht hiervon teilweise grundsätzlich ab. Da wenigstens zwei oder drei Sollwert oder entsprechende Grenzwerte als Zielgrößen vorgegeben werden, ist im Normalfall jeweils nur eine der Größen im klassischen Sinne geregelt bzw. begrenzt, während im entsprechenden Zeit­ punkt die anderen Reglerteile inaktiv sind jedoch die entsprechenden Werte überwachen. Konkret bedeutet dies, daß zum Beispiel bei Erreichen des maximalen vorgegeben Druckes (z. B. 2000 bar) die entsprechende Druckregelung das Regelkommando übernimmt, während die beiden anderen rege­ lungstechnisch inaktiv sind. Das gleiche gilt je für die anderen Parameter. Damit aber läßt sich tatsächlich eine Optimierung aller Grundparameter (Druck/Kraft, Geschwindig­ keit usw.) mit den entsprechenden elektrischen Antrieben erreichen. Z. B. im Falle der Einspritzschneckenregelung einer Spritzgießmaschine wird für alle drei als Stellgröße ein Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung der Einspritzschnecke gewählt. Die Maschine als ganzes kann also sowohl z. B. den Spritzvorgang wie die Formschließung mit einer neuen, einheitlichen Steuerung bzw. Regelungs­ philosophie geführt werden, was die Beherrschung des ganzen Prozeßablaufes erleichtert und insbesondere eine extrem große Flexibilität mit höchsten qualitativen Ergebnissen erlaubt. Die ganz besonders kritischen Phasen bzw. Bereiche des Prozesses können zudem mit einer bisher nicht erreichten Stabilität und Reproduzierbarkeit des Produktionsablaufes innerhalb einer sehr kurzen Gesamt-Zykluszeit geführt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Kombination von Mehrgrößenregelung und Mehrachsdrive. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es ferner möglich, das Geschwindigkeits­ stellsignal zu integrieren und als Wegstellsignal (evtl. in Form von Wegsignalen) zur Steuerelektronik (Drive mit integriertem Geschwindigkeits- und Lageregler) gesandt wird.

Ganz besonders vorteilhaft kann die neue Erfindung besonders für die Linearbewegungen zumindest für einen Teil vorzugs­ weise für alle Achsen eines Roboters z. B. eines Schweiß­ roboters oder eines Krans von der Driveintelligenz gesteuert bzw. koordiniert werden. Ferner bietet die neue Lösung bei Grieß- und Preßmaschinen generell, so bei Druckgieß- Spritzgieß- resp. bei Dixotrophen-Pressen und bei Textil- und Papierverarbeitungsmaschinen sowie Werkzeugmaschinen z. B. für Holz, Stein oder Metall, eine Verbesserung in bezug auf die Beherrschung des Arbeitsprozesses.

Claims (12)

1. Regelantrieb für mehrere elektromotorisch angetriebene Achsen (M1, M2, M3) von Maschinen, insbesondere Spitzgießmaschinen, der eine Steuer- und Regelvor­ richtung mit einem oder mehreren internen Signalrech­ ner/n (20) aufweist, welcher/welche die folgenden Funktionen umfaßt/umfassen: Phasenwinkelsteller (ϕ), Strom- (I) und Geschwindigkeitsregler (V), dadurch gekennzeichnet, daß
ein getrennt anbringbares, von einem Maschinenrechner (15, 16) unabhängiges Modul (30) zum autonomen Steuern oder Regeln der Achsen (M1, M2, M3) vorgesehen ist, welches neben dem oder den Signalrechner/n (20) einen diesem oder diesen übergeordneten Prozeßrechner (22) aufweist, der zur verzögerungsfreien, gleichzeitigen Steuerung oder Regelung der Achsen (M1, M2, M3) ausge­ legt ist und seine notwendigen Informationen aus einem im Modul (30) vorgesehenen Speicher (24) bezieht.

2. Regelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßrechner (22) für wenigstens eine Achse (M1, M2, M3) als Mehrgrößen-Regler (25) ausgebildet ist, dem als Zielgrößen Grenzwerte von Regelgrößen (z. B. Kraft und/oder Geschwindigkeit und/oder Weg) eingebbar sind.

3. Regelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mehrgrößenregler (25) als Kaskaden­ regler ausgebildet ist.

4. Regelantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er eine Schnittstelle zu einem Datenbus (17) oder direkt zum Maschinenrechner (15, 16) auf­ weist.

5. Regelantrieb nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Arbeitsphasen mit unter­ schiedlichen Sollwerten oder Zielgrößen (z. B. Kraft oder Geschwindigkeit oder Weg) im Mehrgrößen-Regler (25) festlegbar sind.

6. Regelantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal bei klei­ nen Regelabweichungen eine lineare und bei großen Regelabweichungen eine Wurzelfunktion der Regelabwei­ chung ist.

7. Regelantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromotorische Antrieb (1) ein permanent erregter Servomotor, ein vektoriell geregelter Asynchronmotor, ein geregelter Gleichstrommotor, ein bürstenloser DC-Motor oder ein geschalteter Reluctance-Motor ist.

8. Regelantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßrechner (22) für drei oder mehr Achsen ausgelegt ist.

9. Regelantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verarbeitungsmaschinen mit vier und mehr Achsen zwei oder mehrere Module (30) vorgesehen sind, die über Start- und Ablaufprogramme koordiniert sind.

10. Regelantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modul (30) als übergeordnetes Modul die Start- und Ablaufprogramme beinhaltet.

11. Regelantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für einzelne Werte ein Sicherheitsgrenzband in einem Modul (30) festgelegt und seinem Prozeßrechner (22) als Teil des Rezeptes bzw. des Programmes zur Überwachung übermit­ telt wird.

12. Verwendung des Regelantriebes nach einem der vorste­ henden Ansprüche für Druckgußmaschninen, Roboter, ein­ schließlich Schweißroboter, Krane, Gieß- und Preßma­ schinen, Textil- und Papierverarbeitungsmaschinen sowie Werkzeugmaschinen.