EP1052093B2 - Elektrisches Antriebssystem zur Vorstellung von einem oder mehreren dreh- und/oder verschwenkbaren Funktionsteilen in Geräten und Maschinen, Antriebsordnung mit einem Winkellagegeber und Druckmaschine - Google Patents

Elektrisches Antriebssystem zur Vorstellung von einem oder mehreren dreh- und/oder verschwenkbaren Funktionsteilen in Geräten und Maschinen, Antriebsordnung mit einem Winkellagegeber und Druckmaschine Download PDF

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EP1052093B2
EP1052093B2 EP00116859A EP00116859A EP1052093B2 EP 1052093 B2 EP1052093 B2 EP 1052093B2 EP 00116859 A EP00116859 A EP 00116859A EP 00116859 A EP00116859 A EP 00116859A EP 1052093 B2 EP1052093 B2 EP 1052093B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
driving system
angular position
encoder
functional part
electric motor
Prior art date
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EP00116859A
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English (en)
French (fr)
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EP1052093A2 (de
EP1052093A3 (de
EP1052093B1 (de
Inventor
Fritz Rainer Dr.-Ing. Götz
Harold Ing.(Grad) Meis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baumueller Nuernberg GmbH
Original Assignee
Baumueller Nuernberg GmbH
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Publication date
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Application filed by Baumueller Nuernberg GmbH filed Critical Baumueller Nuernberg GmbH
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Publication of EP1052093A3 publication Critical patent/EP1052093A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41F—PRINTING MACHINES OR PRESSES
    • B41F13/00—Common details of rotary presses or machines
    • B41F13/004—Electric or hydraulic features of drives
    • B41F13/0045—Electric driving devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41P—INDEXING SCHEME RELATING TO PRINTING, LINING MACHINES, TYPEWRITERS, AND TO STAMPS
    • B41P2213/00—Arrangements for actuating or driving printing presses; Auxiliary devices or processes
    • B41P2213/70—Driving devices associated with particular installations or situations
    • B41P2213/73—Driving devices for multicolour presses
    • B41P2213/734—Driving devices for multicolour presses each printing unit being driven by its own electric motor, i.e. electric shaft

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system for adjusting one or more rotatable and / or pivotable functional parts of devices and machines, in particular printing presses, according to the preamble of claim 1.
  • Einsbphasegige drive systems, drive arrangements and methods and printing presses are from the DE-A-41 38 479 and EP-A-0 621 133 known.
  • the individual functional units of printing machines such as unwinding / reel splicer, printing units, printing cylinders, dryers with chill rolls, folders, sheeters, trays, etc. coupled by mechanical shafts and / or gears with each other to bring about their mutual angular position orientation.
  • the individual functional parts are equipped with their own drive systems, after the above DE-A-41 38 479 are designed as direct drives.
  • a corresponding synchronization of the drive systems is required.
  • control card CLC is described in the company publication, which is to serve the data exchange between drive controllers, I / O modules, control computer, programmable logic controller and remote control units.
  • This control card is optionally described as an option card for drive amplifiers, as a plug-in card for PCs and as a plug-in card for VME bus systems.
  • PLC programmable logic controller
  • a parallel I / O RS232 / 422/485 bus, a PC bus or a VME bus is specified.
  • the invention has for its object to ensure a fast, highly dynamic signal processing for the angular position control with a maximum number of functional part axes in an electric drive system with a variety to be adjusted functional parts and their respective associated drive controllers and angle encoders.
  • each assigned to a part of the controller or rows of control elements to be coupled together.
  • the signal processing module forms a configurable and parameterizable drive controller with which even complex control algorithms and / or multiple control loops can be realized.
  • a concept for multiple control of a plurality of axes of rotation is created, with the associated control system can be configured modular.
  • the drive system according to the invention is particularly suitable, because thus a high quality or accuracy of the angular position orientation, such. B. between the printing units where the halftone dots of different colors must be printed within a narrow tolerance range, can be achieved.
  • the rotor of the electric motor with the functional part for. B. pressure cylinder, structurally integrated and / or executed in one piece.
  • this can be done by attaching the rotor to a stub shaft of the rotatable functional part.
  • Analogous to the said direct drive of the functional part is within the scope of the invention, a direct measurement of its angular position, speed, acceleration, etc.
  • the angular position encoder directly attached to the functional part for direct measurement of its angular or rotary / pivotal movements , Especially in connection with high-resolution, fast angle encoders, as known per se, so an immediate and therefore extremely realistic observation of the controlled system, namely the rotating or pivoting functional part, can be performed.
  • the electric motor is associated with a single angular position sensor, which receives the angular movements of the rotor of the electric motor;
  • an observer module known per se in control engineering, for state variables of the functional part is set up, which is preferably coupled to the angular position sensor and / or the signal processing module in differential signal connection (known per se in control engineering).
  • the Differenzsignalaufscnies can be used on the basis of the invention also in connection with at least two Winkelellagegebem, which are each attached to the rotor of the electric motor and the functional part for immediate recording of their angular movements.
  • fast angular position encoder for example in the design as a sine / cosine absolute encoder, as incremental encoder with square wave signals and zero pulse signal and as an incremental encoder with sine / cosine signal together with zero pulse signal in question.
  • angular position encoder in the context of the invention, especially hollow shaft encoder with a (tooth) graduation exhibiting encoder wheel and a donor head. These are radially spaced from each other via an air gap, and axial displacements against each other within a certain frame do not affect the scanning function of the encoder head relative to the encoder wheel.
  • the advantage achieved with the use of the hollow shaft encoder consists in the fact that the sender wheel with the (functional part to be scanned) structurally integrated and / or can be made in one piece, so that an immediate observation or detection of its angular movements is ensured due to this direct connection.
  • Reaction-fast power amplifiers with digital phase-current regulators are advantageously used in the drive system according to the invention.
  • the inverter can be designed with voltage intermediate claw or with direct supply and thus high DC link voltage (as known per se). With the latter, a large temporal change of current is possible.
  • the digital phase current control is expediently carried out for the drive system according to the invention with pulse width modulation of high clock frequency, fast transistor switches and voltage precontrol, the phase current setpoints and / or the precontrol values being predetermined via fail-safe optical waveguide connections. Furthermore, a feedback of the phase current actual values and / or voltages for motor control as well as a specification of values for configuration and parameterization in addition to feedback of status information for diagnosis is advantageous.
  • the signal processor is a configurable and parameterisable drive controller with realizable sampling times of 100 ⁇ sec. (also for complex control algorithms and several control loops) as well as for calculation times in the range of 50 ⁇ sec. available.
  • the functions of the signal processor may include encoder evaluation, motor control, speed control, angular position control, fine interpolation of the default values and others.
  • the Achsperipheriemodul is useful with an ongoing over fiber optic interface to the digital phase current regulators and also with an interface to the angular encoders preferably in the design as a sine / cosine absolute encoder, as incremental encoder with square wave signals and zero pulse signal and as an incremental encoder with sine / cosine signal with zero pulse signals Mistake.
  • the setpoint values can be generated in the signal processing module, taking into account the limitations in the jerk, in the acceleration, in the speed. In particular, an activation or precontrol of the angular position speed, acceleration and pressure can be brought about.
  • a play-free, low-inertia and mechanically stiff measuring strand or measuring chain can be constructed for each functional part, namely cylinder or printing-unit roller.
  • the relevant rotational masses (for example, plate and blanket cylinders in a printing unit) according to the invention directly, without intermediate arranged spring, damping, friction members, etc., detected so that the absence of elasticities, resiliencies and games, the movement behavior of the press to be observed functional parts can be passed on faithfully in the control system. It is expedient to fix the sensing element of the angular position sensor on a stationary wall, for example, the printing machine wall, elasticity and play.
  • FIG. 1 consists of the printing unit of a web offset machine from the four plate or blanket cylinders D1, D2, D3 and D4 (shown schematically), via bearings 40 on the stationary wall H (see Figure 6).
  • the machine are rotatable. For their rotation, they each have an electric motor with a rotor stack F and a stator pair G assigned.
  • the stub axle 41 of the rotor F is directly connected to the stub axle 42 of the cylinder D; in other words, both are integrated with each other so structurally that they merge into one another and thereby form a drive connection, which is about as torsionally stiff as a one-piece steel shaft.
  • the projecting at the free end faces of the electric motors F, G stub axle 43 are provided with sine / cosine absolute angular position sensors 44.
  • stub axle 45 of the cylinders D1 - D4 before are also each provided with a similar absolute angular position sensor 46.
  • the electric motors F, G are structurally designed as built-in motors. They can be designed with three-phase servomotors in synchronous design with permanent magnets. These are controlled by a power block 47 each with digital current controller 48.
  • the power block 47 is powered by a DC link supply 49 from electrical energy.
  • the digital current controllers 48 each communicate via interference-proof optical waveguides 50 with an axis peripheral module AP.
  • the axle peripheral modules further have respective interfaces 44a, 46a on the one hand for each one of the angular position sensors 44 attached to the electric motors F, G and for one each on the opposite shaft ends or
  • the axis peripheral modules AP are controlled by a common digital signal processor 51. This can be configured as a drive controller for a maximum number of axes with position controller, speed controller, motor control and encoder evaluation.
  • FIG. 3 is the respective internal structure of the signal processor 51 and the axis peripheral modules AP shown enlarged and referred to the skilled worker abbreviations, so that further explanations are basically unnecessary.
  • SCC is a so-called serial communication control module.
  • FIG. 4 is the integration of the drive system according to the invention Figure 1-3 into a global concept for a multiple control with configurable, modular control and regulation units.
  • CPU-68-3 blocks are also provided for programmable logic controller and setpoint generation.
  • the signal processors 51 are coupled via a system bus.
  • the block scheme according to FIG. 5 represents an exemplary, inventive drive system for two coupled via friction slip (Schmitz rings), position-controlled axes I, II.
  • a setpoint generation for example, according to FIG. 4
  • ⁇ soll I position control angle setpoints
  • ⁇ soll II position control angle setpoints
  • the respective control difference is fed to a position controller K VI , K VII .
  • Its respective output value is a difference formation 52I, 52II with the differentiated angular position actual value, ie the respective actual angular velocity ⁇ IstI , ⁇ IstII the axes I, II subjected.
  • each characteristic link is connected on the input side to the output of the corresponding angular contactor 46I, 46II.
  • the summing members 53I, 53II, the respective outputs of proportional feedback elements K I, II ,, K II, I are also supplied, which crosswise tap into the actual angular velocity ⁇ Ist II or ⁇ Ist I at the respective differentiating element 54II, 54I.
  • the inputs of the differentiators 54I, 54II are respectively connected to the output of the respective angular position sensors 46I and 46II. This cross coupling by means of the proportional links K I, II or K II, I acts on the coupled for example via the Schmitz rings controlled systems / axes I and II decoupling.
  • the respective outputs of the summing members 53I and 53II lead directly into respective proportional members K -1 SI , K -1 SII , which, inter alia, represent factors related to the rotational masses of the functional parts comprising the axes I, II.
  • Current control circuits 55I, 55II which convert the input current setpoints I sollI , I sollII into actual current values I istI , I istII .
  • the current control circuits 55I, 55II behave outwardly approximately as in control engineering known per se PT 2 members.
  • the respective actual current values I istI , I istII are supplied to proportional terms K TI , K TII , which represent the electric motor constant for converting current into an engine torque M MotI , M MotII .
  • the angular position actual value ⁇ istI , ⁇ istII can be determined in conjunction with the respective angular position sensors 46I, 46II and the respective comparisons 58I, 58II at the input of the block diagram according to FIG. 5 feed to the setpoint-actual value comparison.
  • the respective web speeds v I , v II of the two rotational masses I, II are calculated according to a respective first or outer of the two proportional element pairs R I and R II , which have the respective angular velocities ⁇ I, ⁇ II of the two rotary masses as an input variable.
  • the web speeds V I , V II are subtracted from each other within the scope of a difference formation 70.
  • the slip s results from the quotient of this difference and one of the two circumferential path velocities V I , V II of the two rotational masses, as illustrated by the divider 59.
  • the following characteristic curve element 60 represents the specific friction characteristic when rolling up cylinder jacket surfaces and, as a function value, yields the coefficient of friction ⁇ R.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inking, Control Or Cleaning Of Printing Machines (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Rotary Presses (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem zur Verstellung von einem oder mehreren dreh- und/oder verschwenkbaren Funktionsteilen von Geräten und Maschinen, insbesondere von Druckmaschinen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Einsbhägige Antriebssysteme, Antriebsanordnungen bzw. -verfahren und Druckmaschinen sind aus der DE-A-41 38 479 und EP-A-0 621 133 bekannt.
  • Nach dem sonstigen Stand der Technik sind die einzelnen Funktionseinheiten von Druckmaschinen, beispielsweise Abrollung /Rollenwechsler, Druckwerke, Druckzylinder, Trockner mit Kühlwalzen, Falzer, Querschneider, Ablage usw. durch mechanische Wellen und/oder Zahnräder miteinander verkoppelt, um deren gegenseitige Winkellageorientierung herbeizuführen. Will man diese Funktionsteile bzw. -komponenten vereinzeln und auf die mechanische Verkopplung verzichten, so sind die einzelnen Funktionsteile mit eigenen Antriebs-Systemen auszurüsten, die nach der genannten DE-A-41 38 479 als Direktantriebe ausgeführt sind. Zur Erzielung der notwendigen Winkellageorientierung der einzelnen Druckmaschinen-Komponenten untereinander ist eine entsprechende Synchronisation der Antriebssysteme erforderlich.
  • Zur Lösung der aufgezeigten Probleme wird in der mutmaßlich im April 1993 veröffentlichten Firmenschrift "Elektronische Welle mit digitalen intelligenten Antrieben für Druckmaschinen" (HMI/04.93) von Mannesmann Rexroth Indramat ein elektrisches Antriebssystem etwa der anfangs genannten Art beschrieben. Es wird dabei als Ersatz für mechanische Koppelelemente eine elektronische Welle bzw. ein elektronisches Getriebe mit Einzelantrieben vorgeschlagen, wobei Druckwerke und Walzen flexibel beliebigen Druckprozessen zugeordnet werden können (zum Beispiel Zweibahn-Betrieb). Ferner können dabei einzelne Druckwerke bzw. Walzen flexibel zugeschaltet bzw. stillgesetzt werden. Zur Leitsteuerung lässt sich wahlweise eine reale oder eine virtuelle Leitachse einsetzen. Durch einen modularen Aufbau können beliebig viele Antriebe für einzelne Druckzylinder zusammengeschaltet werden. Über einen optischen Feldbus (sogenanntes SERCOS-Interface) und einen IBM-kompatiblen PC lässt sich eine zentrale Parametrierung, Bedienung und Anzeige durchführen, wobei auch einzelne Antriebsregler mit antriebsinterner Lageregelung für je einen Druckzylinder an den optischen Feldbus angekoppelt sind. Insbesondere wird in der Firmenschrift eine sogenannte Steuerungskarte CLC beschrieben, die dem Datenaustausch zwischen Antriebsreglern, E-/A-Baugruppen, Leitrechner, speicherprogrammierbarer Steuerung und dezentralen Bediengeräten dienen soll. Diese Steuerungskarte ist wahlweise als Optionskarte für Antriebsverstärker, als Einsteckkarte für PC und als Einschubkarte für VME-Bussysteme beschrieben. Zur Ankopplung einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) wird wahlweise eine Parallel-E-/A-RS232/422/485-Bus, ein PC-Bus oder ein VME-Bus angegeben.
  • Daneben ist aus US-A-5 329 216 eine Fluid-Rotationsvorrichtung mit Mehrwellen-Antrieb bekannt, bei der die Synchronisation der einzelnen Wellen untereinander zentral von einem Pulsgenerator mit für jede Welle nachgeschaltetem Pulsfilter erfolgt, wobei der Pulsgenerator und die Pulsfilter jeweils mit eigens zugeordneter Steuerleitung von einem zentralen Prozessor kontrolliert werden. Von den jeweiligen Pulsfiltern aus erhalten ein erster und ein zweiter Phasenregelkreis sowie ein Winkelregelkreis (jeweils pro anzutreibender Welle vorgesehen) parallel ihre Leitsignale. Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Phasenregelkreise sowie des jeweiligen Winkelregelkreises werden einem nachgeordneten Antriebsverstärker wahlweise über jeweilige Durchschalteinrichtungen zugeführt, welche von dem zentralen Prozessor kontrolliert bzw. angesteuert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen Antriebssystem mit einer Vielzahl zu verstellender Funktionsteile und diesen jeweils zugeordneten Antriebsreglern sowie Winkellagegebern eine schnelle, hochdynamische Signalverarbeitung für die Winkellageregelung mit einer maximalen Anzahl von Funktionsteilachsen zu gewährleisten. Zudem sollen die je einem Funktionsteil zugeordneten Regler oder Reihen mit Regelgliedern miteinander verkoppelbar sein.
  • Zur Lösung wird das im Patentanspruch 1 angegebene, elektrische Antriebssystem zur Verstellung von mehreren dreh- und/oder verschwenkbaren Funktionsteilen von Geräten und Maschinen vorgeschlagen. Wegen vorteilhafter Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.
  • Dabei bildet das Signalverarbeitungsmodul einen konfigurierbaren und parametrierbaren Antriebsregler, mit dem auch komplexe Regel-Algorithmen und/oder mehrere Regelkreise realisiert werden können. Mit der Erfindung ist ein Konzept für eine Vielfachsteuerung einer Mehrzahl von Drehachsen geschaffen, wobei sich das zugehörige Steuerungs- und Regelungssystem modular projektieren läßt. Beim besonderen Anwendungsfall in Druck-, insbesondere Offsetmaschinen, ist das erfindungsgemäße Antriebssystem besonders geeignet, weil damit eine hohe Qualität bzw. Genauigkeit der Winkellageorientierung, wie z. B. zwischen den Druckeinheiten, wo die Rasterpunkte verschiedener Farben in einem engen Toleranzbereich gedruckt werden müssen, erreichbar ist.
  • Nach einer baulichen Konkretisierung des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist der Rotor des Elektromotors mit dem Funktionsteil, z. B. Druckzylinder, baulich integriert und/oder einstückig ausgeführt. Einerseits kann dies durch Anbau des Rotors an einem Wellenstummel des drehbaren Funktionsteiles erfolgen. Zum anderen kann es vorteilhaft sein, den im erfindungsgemäßen Antriebssystem eingesetzten Elektromotor mit einem walzen- oder zylinderförmigen Außenläufer oder -rotor auszubilden. Damit ist erreicht, daß die Form des Rotors etwa der zweckmäßig rotationssymmetrischen Form des Funktionsteiles entspricht, und insbesondere darin baulich aufgenommen sein kann.
  • Analog dem genannten Direktantrieb des Funktionsteiles liegt im Rahmen der Erfindung eine Direktmessung von dessen Winkellage, -geschwindigkeit, -beschleunigung usw. So ist nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung der winkellagegeber direkt am Funktionsteil zur unmittelbaren Messung von dessen Winkel- bzw. Dreh/Schwenkbewegungen angebracht. Vor allem im Zusammenhang mit hochauflösenden, schnellen Winkellagegebern, wie an sich bekannt, kann so eine unmittelbare und mithin äußerst wirklichkeitsgetreue Beobachtung der Regelstrecke, nämlich des zu drehenden oder schwenkenden Funktionsteiles, durchgeführt werden.
  • Nach einer alternativen Ausbildung ist dem Elektromotor ein einziger Winkellagegeber zugeordnet, der die Winkelbewegungen des Rotors des Elektromotors aufnimmt; gleichzeitig ist ein in der Regelungstechnik an sich bekanntes Beobachtermodul für Zustandsgrößen des Funktionsteiles eingerichtet, das vorzugsweise in Differenzsignalaufschaltung (in der Regelungstechnik an sich bekannt) mit dem Winkellagegeber und/oder dem Signalverarbeitungsmodul gekoppelt ist. Die Differenzsignalaufschaltung läßt sich auf der Basis der Erfindung auch im Zusammenhang mit wenigstens zwei Winkellagegebem einsetzen, die je am Rotor des Elektromotors und am Funktionsteil zur unmittelbaren Aufnahme von deren Winkelbewegungen angebracht sind.
  • Für die Zwecke der Erfindung kommen höchstauflösende, schnelle Winkellagegeber, beispielsweise in der Ausführung als Sinus/Kosinus-Absolutgeber, als Inkrementalgeber mit Rechtecksignalen und Nullimpulssignal und als Inkrementalgeber mit Sinus/Kosinus-Signal nebst Nullimpulssignal in Frage. Um im Betrieb axiale Verstellungen des Funktionsteiles, bei Druckmaschinen beispielsweise die sogenannte Seitenregisterverstellung, zuzulassen, sind als Winkellagegeber im Sinne der Erfindung vor allem Hohlwellengeber mit eine (Zahn-) Teilung aufweisendem Geberrad und einem Geberkopf geeignet. Diese sind über einen Luftspalt voneinander radial beabstandet, und axiale Versetzungen gegeneinander innerhalb eines bestimmten Rahmens beeinträchtigen die Abtastfunktion des Geberkopfes gegenüber dem Geberrad nicht. Der mit dem Einsatz des Hohlwellengebers erzielte Vorteil besteht vor allem darin, daß das Geberrad mit dem (abzutastenden) Funktionsteil baulich integriert und/oder einstückig ausgeführt sein kann, so daß aufgrund dieser Direktverbindung eine unmittelbare Beobachtung bzw. Erfassung von dessen Winkelbewegungen gewährleistet ist.
  • Mit Vorteil werden beim erfindungsgemäßen Antriebssystem reaktionsschnelle Leistungsverstärker mit digitalen Phasenstromreglern verwendet. Der Umrichter kann dabei mit Spannungszwischenkrels oder mit Direkteinspeisung und damit hoher Zwischenkreisspannung ausgeführt sein (wie an sich bekannt). Mit letzterer wird eine große zeitliche Stromänderung ermöglich. Die digitale Phasenstromregelung ist für das erfindungsgemäße Antriebesystem zweckmäßig mit Pulsbreitenmodulation hoher Taktfrequenz, schnellen Transistorschaltern und Spannungsvorsteuerung ausgeführt, wobei die Phasenstromsollwerte und/oder die Vorsteuerwerte über störsichere Lichtwellenleiter-Verbindungen vorgegeben werden. Ferner ist eine Rückmeldung der Phasenstromistwerte und/oder -spannungen zur Motorführung sowie eine Vorgabe von Werten zur Konfigurierung und Parametrierung nebst Rückmeldung von Statusinformationen zur Diagnose vorteilhaft.
  • Damit für die Kontrolle der Schwenk- oder Drehbewegungen des Funktionsteiles eine hohe Dynamik gewährleistet ist, empfiehlt sich für das erfindungsgemäße Antriebssystem der Einsatz schneller Signalverarbeitung. Diese ist zweckmäßig strukturiert in einen digitalen Signalprozessor und einen damit gekoppelten, separat ausgeführten Achsperipheriemodul. Der Signalprozessor ist als konfigurierbarer und parametrierbarer Antriebsregler mit realisierbaren Abtastzeiten um 100µsec. (auch bei komplexen Regel-Algorithmen und mehreren Regelkreisen) sowie bei Rechenlaufzeiten im Bereich von 50µsec. erhältlich. Die Funktionen des Signalprozessors können die Geberauswertung, die Motorführung, Drehzahlregelung, Winkellageregelung, Feininterpolation der Vorgabewerte und anderes umfassen. Das Achsperipheriemodul ist zweckmäßig mit einer über Lichtwellenleiter laufenden Schnittstelle zu den digitalen Phasenstromreglern und ferner mit einer Schnittstelle zu den Winkellagegebern vorzugsweise in der Ausführung als Sinus/Kosinus-Absolutgeber, als Inkrementalgeber mit Rechtecksignalen und Nullimpulssignal und als Inkrementalgeber mit Sinus/Kosinus-Signal mit Nullimpulssignalen versehen.
  • Durch diese Struktur für das erfindungagemäß eingesetzte Signalverarbeitungemodul läßt sich durch simultane Vorgabe der Sollwerte entsprechend dem Prinzip der Lagesteuerung ein winkellageorientierter Betrieb für die relevanten Drehmassen bzw. einzelne Funktionsteile eines Gerätes oder einer Maschine, insbesondere Druckmaschine, realisieren. Dabei können im Signalverarbeitungsmodul die Sollwerte unter Beachtung der Begrenzungen im Ruck, in der Beschleunigung, in der Geschwindigkeit generiert werden. Es läßt sich insbesondere eine Aufschaltung bzw. Vorsteuerung der Winkellage-Geschwindigkeit, -beschleunigung und des -rucks herbeiführen.
  • Reiben mehrere Funktionsteile bei ihrer Drehung aufeinander, stellen sie über Reibschlupf verkoppelte Drehmassen dar. Bei Druckmaschinen-Zylinder bezeichnet man aufeinanderreibende, blanke Mantelabschnitte, die wegen Druck aufeinanderliegen, als sogenannte Schmitz-Ringe. Dem Problem der über Reibschlupf verkoppelten Drehmassen wird durch eine besondere Ausbildung der Erfindung begegnet, nach der die mehreren, je einem Funktionsteil zugeordneten Regler oder Reihen mit mehreren Regelgliedern des Signalverarbeitungsmoduls miteinander über zusätzliche, gewichtete Rückführungen verkoppelt sind. Zweckmäßig ist eine Kreuzverkopplung realisiert.
  • Beim Anwendungsfall "Druckmaschinen" tritt bei den rotierenden Druckzylindern als Störgröße der an sich bekannte "Kanalschlag" auf, der auf eine Längsrille im Zylinder zum Aufziehen eines Gummituchs oder einer Druckplatte beruht. Die an der Manteloberfläche zu Tage tretende Rille führt zu einer sich ändernden Normalkraft und damit zu einem sich ändernden Drehmoment. Diesem Phänomen des "Kanalschlags" läßt sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Antriebssystems zweckmäßig durch Bewertung der Istwerte mit Kennliniengliedern und Störgrößenaufschaltung begegnen.
  • Im Hinblick auf die eingangs genannte Problematik ist bei Druckmaschinen anzustreben, deren dreh- oder schwenkbare Funktionsteile zuverlässig beobachten und entsprechende Zustandagrößen einem geregelten Antriebssystem zuführen zu können. Dabei sollen Verfälschungen des Meßergebnisaes möglichst ausgeschlossen bzw. eine möglichst verlustlose Kopplung mit maximaler Kraftschlüssigkeit in Kraft- bzw. Drehmomentübertragungsrichtung zwischen den anzutreibenden-Zylindern und dem Meßwertgeber ermöglicht sein. Dazu ist es zweckmäßig, daß die Zylinder zur unmittelbaren Messung ihrer Winkelgrößen mit je einem Winkellagegeber direkt verbunden sind, der ausgangsseitig an das Antriebssystem angeschlossen ist. Der Winkellagegeber bildet damit einen Direkt-Beobachter für das Funktionsteil im Rahmen einer Antriebs-Steuerungskette oder eines Antriebs-Regelkreises, der insbesondere die Umfangsregisterverstellung herbeiführt. Mit dieser Direktbeobachtung kann für jedes Funktionsteil, nämlich Zylinder- bzw. Druckwerkswalze, ein spielfreier, trägheitsarmer und mechanisch steifer Meßstrang bzw. Meßkette aufgebaut werden. Dies ergibt eine hohe Regelgenauigkeit und -dynamik, so daß sich exakte Bahnführung, konstante Bahnspannung und gleichbleibende Farbgebung über die so ermöglichte, hochpräzise Registersteuerung und Druckanstellung erreichen lassen. Die relevanten Drehmassen (beispielsweise Platten- und Gummituch-Zylinder in einem Druckwerk) werden erfindungsgemäß direkt, ohne dazwischen angeordnete Feder-, Dämpfungs-, Reibungsglieder usw., erfaßt, so daß unter Ausschluß von Elastizitäten, Nachgiebigkeiten und Spielen das Bewegungsverhalten des in der Druckmaschine zu beobachtendem Funktionsteiles originalgetreu im Regelungssystem weitergegeben werden kann. Dabei ist es zweckmäßig, auch das Abtastorgan des Winkellagegebers an einer stationären Wandung, beispielsweise der Druckmaschinenwand, elastizitäts- und spielfrei zu fixieren.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ansführungsbeispiele der Erfindung sowie den Zeichnungen. Diese zeigen in:
    • Fig. 1
    das Schema eines erfindungsgemäßen Direkt-Antriebsystems teilweise in Längsansicht,
    Fig. 2
    im teilweisen Längsschnitt, einen mit einem zu drehenden Zylinder gekoppelten Direktantrieb,
    Fig. 3
    ein Blockschaltbild eines Signalverarbeitungsmoduls des erfindungsgemäßen Antriebssystems,
    Fig. 4
    ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen, modularen Antriebssystems zur Steuerung und Regelung einer Mehrzahl von Funktionsteile-Achsen, und
    Fig. 5
    das dynamische Verhalten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand eines Strukturblockschemas.
  • Gemäß Figur 1 besteht das Druckwerk einer Rollenoffset-Maschine aus den vier Platten- bzw. Gummituchzylindern D1, D2, D3 und D4 (schematisch dargestellt), die über Lager 40 an der ortsfesten Wandung H (vgl. Figur 6). der Maschine drehbar sind. Zu ihrer Drehung ist ihnen jeweils ein Elektromotor mit einem Rotorpaket F und einem StatorpaXet G zugeordnet. Der Achsstummel 41 des Rotors F ist unmittelbar mit dem Achsstummel 42 des Zylinders D verbunden; mit anderen Worten, beide sind miteinander so baulich integriert, daß sie ineinander übergehen und dabei eine Antriebsverbindung bilden, die etwa so drehsteif wie eine einstückige Stahlwelle ist. Die an den freien Stirnseiten der Elektromotoren F,G herausragenden Achsstummel 43 sind mit Sinus/Kosinus-Absolut-Winkellagegebern 44, versehen. Am entgegengesetzten Ende stehen Achsstummel 45 von den Zylindern D1 - D4 vor, die ebenfalls je mit einem gleichartigen Absolut-Winkellagegeber 46 versehen sind. Die Elektromotoren F,G sind konstruktiv als Einbaumotoren ausgeführt. Sie können mit Drehstrom-Servomotoren in synchroner Bauart mit Permanentmagneten ausgeführt sein. Diese werden von einem Leistungsblock 47 jeweils mit digitalem Stromregler 48 angesteuert. Der Leistungsblock 47 wird von einer Zwischenkreis-Versorgung 49 aus mit elektrischer Energie versorgt. Die digitalen Stromregler 48 kommunizieren jeweils über störsichere Lichtwellenleiter 50 mit einem Achs-Peripheriemodul AP. Die Achs-Peripheriemodule weisen ferner jeweilige Schnittstellen 44a, 46a einerseits für je einen der an den Elektromotoren F,G angebrachten Winkellagegeber 44 als auch für je einen der auf den entgegengesetzten Wellenenden bzw.
  • Achsstummeln 45 an den freien Stirnseiten der Zylinder D1 - D4 befindlichen Winkellagegeber 46 auf. Die Achs-Peripheriemodule AP werden von einem gemeinsamen, digitalen Signal-Prozessor 51 kontrolliert. Dieser ist als Antrieberegler für eine maximale Anzahl von Achsen mit Lageregler, Drehzahlregler, Motorführung und Geberauswertung konfigurierbar.
  • In Figur 3 ist die jeweilige interne Struktur des Signal-Prozessors 51 als auch der Achs-Peripheriemodule AP vergrößert dargestellt und mit dem Fachmann geläufigen Abkürzungen bezeichnet, so daß sich weitere Erläuterungen grundsätzlich erübrigen. Mit SCC ist ein sogenannter serieller Kommunikations-Steuerbaustein bezeichnet.
  • In Figur 4 ist die Einbindung des erfindungsgemäßen Antriebssystems gemäß Figur 1 - 3 in ein globales Konzept für eine Vielfachsteuerung mit projektierbaren, modularen Steuerungs- und Regelungseinheiten veranschaulicht. Neben einem Leitrechner IPC-486 sind Bausteine CPU-68-3 zur speicherprogrammierbaren Steuerung und zur Sollwertgenerierung vorgesehen. An diese sind die Signalprozessoren 51 über einen Systembus angekoppelt.
  • Das Blockschema gemäß Figur 5 stellt ein beispielhaftes, erfindungsgemäßes Antriebssystem für zwei über Reibschlupf (Schmitz-Ringe) verkoppelte, lagegeregelte Achsen I, II dar. Aus einer Sollwert-Generierung (beispielsweise gemäß Figur 4) werden jeder Achse I, II zu ihrer Lagesteuerung Winkellagesollwerte φsoll I, φsoll II vorgegeben. Nach Vergleich mit dem über die Winkellagegeber 46 jeweils erhaltenen Istwerten φ ist I, φ ist II wird die jeweilige Regeldifferenz einem Lageregler KVI, KVII zugeführt. Dessen jeweiliger Ausgangswert wird einer Differenzbildung 52I, 52II mit dem differenzierten Winkellage-Istwert, d.h. der jeweiligen Ist-Winkelgeschwindigkeit ΩIstI, ΩIstII der Achsen I, II unterworfen. Der daraus jeweils resultierende Differenzwert wird einem Drehzahlregler KpI, KpII zugführt, dessen jeweiliger Ausgang auf ein Summierglied 53I, 53II trifft. Jedem dieser Summierglieder 53I, 53II ist zur Bildung einer Störgrößenaufschaltung der Ausgang eines Kennliniengliedes f(φI), f(φII) als Funktion der Winkellage φI, φII zugeführt. Demgemäß ist jedes Kennlinineglied eingangsseitig mit dem Ausgang des entsprechenden Winkellagergebers 46I, 46II verbunden. Den Summiergliedern 53I, 53II sind ferner die jeweiligen Ausgänge proportionaler Rückführungsglieder KI,II, , KII,I zugeführt, welche kreuzweise in die Ist-Winkelgeschwindigkeit Ω Ist II bzw. ΩIst I am jeweils entsprechenden Differenzierglied 54II, 54I abgreifen. Die Eingänge der Differenzierglieder 54I, 54II sind jeweils mit dem Ausgang der entsprechenden Winkellagegeber 46I bzw. 46II verbunden. Diese Kreuzverkopplung mittels der Proportionalglieder KI,II bzw. KII,I wirkt auf die beispielsweise über die Schmitz-Ringe verkoppelten Regelstrecken/Achsen I bzw. II entkoppelnd.
  • Die jeweiligen Ausgänge der Summierglieder 53I und 53II münden direkt in jeweilige Proportionalglieder K-1 SI, K-1 SII, welche u.a. auf die Drehmassen der die Achsen I, II umfassenden Funktionsteile bezogene Faktoren darstellen. Danach folgen. Stromregelungskreise 55I, 55II, die die eingangsseitigen Stromsollwerte IsollI, IsollII in Ist-Stromwerte IistI, IistII umwandeln. Die Stromregelkreise 55I, 55II verhalten sich nach außen näherungsweise wie in der Regelungstechnik an sich bekannte PT2-Glieder. Die jeweiligen Ist-Stromwerte IistI, IistII sind Proportionalgliedern KTI, KTII zugeführt, welche die Elektromotor-Konstante zur Umwandlung von Strom in ein Motor-Drehmoment MMotI, MMotII darstellen. Nach Verknüpfung mit dem jeweiligen Proportionalglied I-1 I, I-1 II entsprechend der jeweiligen Drehmasse der Achse I, II und unmittelbar nachfolgender Aufintegration der Winkelbeschleunigung βI, βII mittels des Integrations-Gliedes 56I, 56II ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ΩI, ΩII, mit denen die Drehmassen/Funktionsteile um ihre jeweiligen Drehachsen I, II rotieren. Nach Integration mit einem weiteren IntegrationsGlied 57I, 57II läßt sich in Verbindung mit den jeweiligen Winkellagegebern 46I, 46II der Winkellage-Istwert φistI, φistII ermitteln und den jeweiligen Vergleichen 58I, 58II am Eingang des Blockschaltbildes gemäß Figur 5 zum Soll-Istwert-Vergleich zuführen.
  • Zu berücksichtigen ist noch, daß im Anwendungsfall bei Platten-/Gummizylindern eines Druckwerks einer Rollenoffset-Maschine (vgl. Figur 1) die jeweiligen Zylinder D1, D2 bzw. D3, D4 mit Schlupf aufeinander reiben, woraus ein Störmoment resultiert. Dies ist in Figur 5 im Ausgangsbereich des Blockschemas bzw. der Antriebsstruktur durch die paarweise übereinstimmenden und parallel liegenden Proportionalglieder RI (entsprechend dem Halbdurchmesser bzw. Radius der die Achse I umfassenden Drehmasse) einerseits und RII (entsprechend dem Radius bzw. Halbmesser, der die Achse II umfassenden Drehmasse) andererseits zum Ausdruck gebracht. Die jeweiligen Bahngeschwindigkeiten vI, vII der beiden Drehmassen I, II errechnen sich nach je einem ersten bzw. äußeren der beiden Proportionalglieder-Paare RI bzw. RII, die die jeweilgen Winkelgeschwindigkeiten ΩI, ΩII der beiden Drehmassen als Eingangsgröße haben. Die Bahngeschwindigkeiten VI, VII werden im Rahmen einer Differenzbildung 70 voneinander subtrahiert. Der Schlupf s ergibt sich durch den Quotienten aus dieser Differenz und einer der beiden Umfangsbahn-Geschwindigkeiten VI, VII der beiden Drehmassen, wie durch das Dividierglied 59 verdeutlicht. Das diesem nachfolgende Kennlinienglied 60 repräsentiert die spezifische Reibungscharakteristik beim Aufeinanderrollen von Zylinder-Mantelflächen und ergibt als Funktionswert den Reibungskoeffizienten µR. Wird diese mit der Normalkraft FN entsprechend dem Anpressdruck der Zylinder aufeinander mulitpliziert, ergibt sich die störende Reibungskraft in Zylinder-Tangantial- bzw. Umfangsrichtung. Diese multipliziert mit dem jeweiligem zweiten bzw. inneren Radius-Proportionalglied RI bzw. RII jedes Parallel -Proportionalgliedpaares ergibt den Drehmomenteneinfluß, der jedem vom zugeordneten Antriebsmotor erzeugten Drehmoment MMotI bzw. MMotII aufgrund der Schlupfreibung entgegenstehend wie durch das jeder Achse I bzw. II zugeordnete Vergleichsglied 61I bzw. 61II veranschaulicht.

Claims (15)

  1. Elektrisches Antriebssystem zur Verstellung von mehreren dreh- und/oder verschwenkbaren Funktionsteilen (D1-D4) von Geräten und Maschinen, insbesondere von Druckmaschinen, in ihrer Winkellage (ØistI, ØistII), mit mehreren Elektromotoren (F, G), deren jeweiliger Rotor (F) zur steifen und direkten Verbindung mit dem Funktionsteil (D1-D4) ausgebildet ist, mit mehreren Winkellagegebern (44, 46), die Winkelbewegungen des jeweiligen Elektromotor-Rotors und/oder Funktionsteiles (D1-D4) aufnehmen, mit mehreren Signalverarbeitungsmodulen (51, AP), die eingangsseitig zur Aufnahme der Winkellagesignale (ØistI, ØistII) als Istwerte mit den Winkellagegebern (44, 46) verbunden sind und mehrere, je einem Funktionsteil (D1-D4; I, II) zugeordnete Regler oder Reihen mit mehreren Regelgliedern aufweisen, die zur simultanen Aufnahme von je einem Funktionsteil (D1-D4; I, II) zugeordneten Sollwerten (ØsoII) und zu deren Vergleich mit den Istwerten ausgebildet sind, und mit mehreren, von den Signalverarbeitungsmodulen (51, AP) kontrollierten Leistungsverstärkern (47, 48), die ausgangsseitig mit dem jeweiligen Elektromotor (F, G) zu dessen Ansteuerung verbunden sind, wobei das Antriebssystem ferner einen bidirektionalen Systembus aufweist, über den mehrere, jeweils die Regler oder Reihen von Regelgliedern enthaltende Signalverarbeitungsmodule (51, AP) mit einem Prozessor (CPU-68-3) zur Sollwertgenerierung verbunden sind, wobei die Regler oder Regelglieder zur simultanen Aufnahme von je einem Funktionsteil (D1-D4) zugeordneten Sollwerten ausgebildet sind,
    gekennzeichnet durch
    einen Lokalbus, über den die Regler oder Reihen mit mehreren Regelgliedern des Signalverarbeitungsmoduls (51, AP) mit Achsperipheriemodulen (AP) als Schnittstellen (44a, 46a, 50) zu den Leistungsblöcken (47) der Elektromotoren (F, G) und zu den Winkellagegebern (44, 46) verbunden sind.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (F) mit dem Funktionsteil (D1 - D4) baulich integriert und/oder einstükkig ausgeführt ist.
  3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (F, G) zum Anbau an einem Wellenstummel eines drehbaren Funktionsteiles (D1 - D4) ausgebildet ist.
  4. Antriebssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor mit einem walzen- oder zylinderförmigen Außenläufer oder -rotor gebildet ist, dessen Form der des Funktionsteiles entspricht, insbesondere zur Aufnahme darin ausgeführt ist.
  5. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromotor ein einziger Winkellagegeber (44) zugeordnet ist, der am Rotor (F) des Elektromotors (F, G) zur unmittelbaren Aufnahme von dessen Winkelbewegungen (φistI, φistII) angebracht ist, wobei das Signalverarbeitungsmodul (51, AP) und/oder der Winkellagegeber (44) mit einem Beobachtermodul für Zustandsgrößen des Funktionsteiles vorzugsweise In Differenzsignalaufschaltung gekoppelt ist.
  6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromotor (F, G) wenigstens zwei Winkellagegeber (44, 46) zugeordnet sind, die je am Rotor (F) des Elektromotors (F, G) und am Funktionsteil (D1 - D4) zur unmittelbaren Aufnahme von deren Winkelbewegungen (φistI, φistII) angebracht sind, wobei die Signalausgänge (44a, 46a) dieser beiden Geber mit dem Signalverarbeitungsmodul (51, AP) vorzugsweise in Differenzsignalaufschaltung gekoppelt sind.
  7. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkellagegeber als Sinus/Cosinus-Absolutgeber, Inkrementalgeber mit Rechtecksignalen und Nullimpulssignal, als Inkrementalgeber mit Sinus/Cosinus-Signal nebst Nullimpulssignat oder als Hohlwollengeber mit Geberkopf (46) und die Winkelteilung aufweisendem Geberrad (63) ausgeführt ist.
  8. Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Geberrad (63) mit dem Funktionsteil (D1 - D4) baulich integriert und/oder einstükkig ausgeführt ist.
  9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberkopf (66) und das Geberrad (63) entsprechend der Dreh- oder Schwenkachse des Funktionsteiles (D1 - D4) axial gegeneinander verschiebbar sind.
  10. Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberkopf (66) an oder gegenüber dem stationären Teil des Elektromotors (F, G), insbesondere dem Stator (G) oder dessen Gehäuse, fixiert beziehungsweise abgestützt ist.
  11. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (47) mit Umrichter mit Spannungszwischenkreis (49) und/oder mit Direkteinspeisung ausgeführt ist.
  12. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (47) mit digitaler Phasenstromregelung (48) auf der Basis von Pulsbreitenmodulation hoher Taktfrequenz, schneller Transistorschalter, Spannungsvorsteuerung und/oder Vorgabe der Phasenstromsollwerte und/oder der Vorsteuerwerte über Lichtwellenleiter-Verbindungen (50) realisiert ist.
  13. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalverarbeitungsmodul (51, AP) ein digitaler Signalprozessor (51) angeordnet ist, mit dem Funktionen zur Geberauswertung, Motorsteuerung, Drehzahlregelung, Winkeltageregelung und/oder Feininterpolation der Soll- oder Vorgabewerte implementiert sind.
  14. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler oder Reihen mit mehreren Regelgliedern miteinander über zusätzliche, gewichtete Rückführungen (KI,II, KII,I), vorzugsweise über Kreuz, verkoppelt sind.
  15. Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler und/oder Reihen von Regelgliedern mit einem eingangsseitig Istwerte (ØistI, ØistII) aufnehmenden Kennlinienglied zur Störgrößenaufbchaltung (53I, 53II) verknüpft sind.
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