EP4659076A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM AUTOMATISIERTEN BESTIMMEN DES WERTS EINER ZUSTANDSGRÖßE EINES ANTRIEBSSTRANGS ZUM BEWEGEN EINER LAST - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM AUTOMATISIERTEN BESTIMMEN DES WERTS EINER ZUSTANDSGRÖßE EINES ANTRIEBSSTRANGS ZUM BEWEGEN EINER LAST

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EP4659076A1
EP4659076A1 EP24703701.3A EP24703701A EP4659076A1 EP 4659076 A1 EP4659076 A1 EP 4659076A1 EP 24703701 A EP24703701 A EP 24703701A EP 4659076 A1 EP4659076 A1 EP 4659076A1
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EP
European Patent Office
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drive
load
acceleration
state variable
actual
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703701.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wiebke Salome Zenn
Alexander Keck
Eckhard Binder
Sebastian Roeding
Marcus Beck
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Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP4659076A1 publication Critical patent/EP4659076A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Program-control systems electric
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    • G05B19/416—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/025—Test-benches with rotational drive means and loading means; Load or drive simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F16H19/04—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising a rack

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the automated determination of the value of a state variable of a drive train for moving a load, in particular a translatorily guided load, wherein the drive train has a drive and a drive element driven by the drive, which is moved along with the load, as well as a fixed support element on which the drive element is supported in order to move the load relative to the support element.
  • known 2D laser cutting machines use a rack and pinion drive train to move a translationally guided guide carriage.
  • the drive train includes a motor and a pinion driven by the motor via a gearbox, all of which are attached to the guide carriage and thus move together with the guide carriage, and a fixed rack with which the pinion meshes to move the guide carriage relative to the rack.
  • Backlash describes the distance between one tooth flank of the pinion and the next tooth flank of the rack when the opposing tooth flanks are in contact with each other.
  • the present invention is based on the object of specifying a method and a device with which a state variable of the drive train, such as a backlash, can be measured automatically.
  • the load is moved by means of a drive control in accordance with the driving profile and accelerated in such a way that an acceleration reversal, i.e. a zero crossing of the acceleration, takes place.
  • the drive-side acceleration (actual acceleration of the drive) and the output-side acceleration (actual acceleration of the load) are recorded.
  • the value of the state variable can be calculated from the comparison of these two recorded acceleration signals using suitable algorithms.
  • the state variable can be monitored automatically.
  • the actual acceleration of the drive can, for example, correspond to the target acceleration of the load specified by the drive control.
  • the method according to the invention can provide information about the condition of the machine and, if necessary, support in error diagnosis.
  • the state variable is a backlash of the drive train, which is inevitably present, for example, in a rack/pinion drive or a helical gear (e.g. ball screw drive).
  • the backlash has a particular effect in the area when an acceleration reversal occurs on the load.
  • the tooth flanks of the pinion and rack separate from each other and the load continues to move until the backlash has been completed once and the tooth flanks on the opposite side abut each other. In this way, the backlash can be automatically monitored while the machine is running.
  • the state variable can also be, for example, an elasticity or a degree of contamination of the drive train.
  • the moving drive element meshes with the fixed support element in order to move the load relative to the support element.
  • the moving drive element is a pinion and the fixed support element is a rack (or vice versa), both of which mesh with each other.
  • the drive is preferably moved together with the load, but could alternatively not be moved with the load, i.e. be arranged in a fixed position just like the support element.
  • the speed of the rotary motor can be recorded, for example, by a motor measuring system that is usually already present on the rotary motor.
  • the actual acceleration of the load is recorded using an acceleration sensor that is attached to the load itself or to an element that moves with the load.
  • the use of such an acceleration sensor is a very cost-effective solution, especially since so-called MEMS acceleration sensors are already available inexpensively and in sufficiently good quality.
  • the actual accelerations of the drive and the load are preferably recorded synchronously during the acceleration of the load, but can alternatively also be time-synchronized with each other subsequently, i.e. after the recording processes.
  • the specified travel profile preferably has a forward and backward movement of the load.
  • the axis of the load to be examined is moved forward and backward by a few millimeters once or several times using a jump-shaped (jerk-limited) trajectory, for example, via the motor control in order to achieve a reversal of acceleration through this reversal of movement.
  • a travel profile with only a forward movement of the load or with only a backward movement of the load is also possible, as long as a reversal of acceleration occurs.
  • the recorded actual accelerations of the drive and the load can be evaluated using various methods in order to determine the value of the state variable of the drive train.
  • the relationship between the state variable and changes in the acceleration curves of the actual accelerations of the drive and the load is determined experimentally and stored for different values of the state variable.
  • the tooth flanks collide after the acceleration reversal the moving load mass is abruptly braked or the drive is started.
  • the larger the state variable the stronger these sudden changes in the acceleration curves. This relationship can be determined experimentally and stored on the machine. Based on the stored
  • the value of the state variable can be determined from the recorded actual accelerations of the drive and the load.
  • the relationship between the state variable and the time period within which the drive and support elements separate from one another and then come back into contact with one another when the acceleration is reversed is determined experimentally for different values of the state variable and stored.
  • the time of separation is when the drive undergoes an acceleration reversal, e.g. when it changes from acceleration to braking.
  • the time of collision is when the mass acceleration abruptly decreases or the drive acceleration abruptly increases.
  • the relationship between this time period and the state variable can be determined experimentally and stored on the machine. Based on the stored relationship, the value of the state variable can be determined from the recorded actual accelerations of the drive and the load.
  • the recorded actual accelerations of the drive and the load are used to analytically calculate the times at which the drive and support elements separate from each other and come back into contact with each other during an acceleration reversal, the distance traveled in the process and the value of the state variable. If the measurement signals of the accelerations are of sufficiently good quality (resolution, noise), the distance traveled and thus the state variable can be analytically calculated from the time at which the tooth flanks separate and the time at which the tooth flanks collide.
  • the invention also relates to a device for automatically determining the value of a state variable of a drive train for moving a load, in particular a translationally guided load, in particular for carrying out the method according to the invention, comprising:
  • an evaluation device which is programmed or set up to determine the value of a state variable of the drive train from the recorded actual accelerations of the drive and the load.
  • the drive element meshes with the fixed support element and the drive also moves with the load.
  • the drive can be, for example, an electric rotary or linear motor or a hydraulic motor.
  • the first device is preferably formed by an already existing motor measuring system of the rotary motor for determining the motor speed.
  • the drive train has a gear (e.g. planetary gear) acting between the drive and the drive element, which moves with the load.
  • a gear e.g. planetary gear
  • the second device is preferably formed by an acceleration sensor which is attached to the load itself or to an element moving with the load.
  • the drive train is provided by a pinion/rack drive train, in particular with a pinion as the drive element and with a rack as the support element, or by a helical gear, in particular a
  • Fig. 1 shows schematically a device according to the invention for the automated determination of a backlash in a pinion/rack drive train
  • Fig. 2a shows a backlash in the pinion/rack drive train when accelerating the pinion on the rack in an anti-clockwise direction
  • Fig. 2b shows a backlash in the pinion/rack drive train when accelerating the pinion on the rack in a clockwise direction
  • Fig. 3 shows an exemplary driving profile (target trajectory) of a guide carriage shown in Fig. 1 and moved by the drive train when carrying out the method according to the invention for the automated determination of the backlash;
  • Fig. 4 shows the time-synchronized actual accelerations of the drive and the load recorded when carrying out the method according to the invention.
  • the device 1 shown in Fig. 1 serves for the automated determination of the value of a state variable, here a backlash S ( Figures 2a, 2b), in a Drive train 2 for moving a load, which here is exemplified by a translatory guided guide carriage 3.
  • a state variable here a backlash S ( Figures 2a, 2b)
  • Figures 2a, 2b Figures 2a, 2b
  • the drive train 2 comprises a drive, here designed as a (rotary) motor 4, and a drive element, here designed as a pinion 6, which is driven by the motor 4 by means of an optional gear 5.
  • the motor 4, the gear 5 and the pinion 6 are attached to the guide carriage 3 and are thus moved along with the guide carriage 3.
  • the drive train 2 also has a fixed support element, here designed as a rack 7, with which the pinion 6 meshes in order to move the guide carriage 3 together with the motor 4, gear 5 and pinion 6 relative to the rack 7 in its longitudinal direction A.
  • the rotary movement of the motor 4, the gear 5 and the pinion 6, here anti-clockwise, is illustrated by arrows 19, 20 and 21.
  • the tooth thickness of the teeth of the pinion 6 is smaller by the (reverse) play S than the gap width between two teeth of the rack 7. If the pinion 6 is driven anti-clockwise as shown in Fig. 2a, the pinion 6 moves, rolling on the rack 7, to the left (rotational movement 21, direction of arrow A), particularly shown here with acceleration b1 of the pinion 6 to the left, as a result of which the guide carriage 3 together with the motor 4 and gear 5 are moved to the left.
  • the pinion 6 engages with a tooth 8 in a tooth gap 9 of the rack 7, with the right tooth flank 8a of the tooth 8 being supported on the right tooth flank 9a of the tooth gap 9.
  • the actual acceleration of the guide carriage 3 is determined by means of an acceleration sensor 11 which is attached to the guide carriage 3 itself or to one of the elements 4-6 moving with the guide carriage 3, for example here on the housing of the gear 5.
  • the value of the backlash S of the drive train 2 can be determined in an evaluation device 12.
  • the guide carriage 3 is accelerated by means of the motor 4 by specifying a travel profile with acceleration reversal.
  • the travel profile is stored, for example, in a motor control system.
  • Fig. 3 shows such a travel profile 13 in a path (s)/time (t) diagram in the form of a jerk-limited, jump-shaped target trajectory 14 of the guide carriage 3.
  • both the actual acceleration of the motor 4 are recorded by means of the motor measuring system 10 and the actual acceleration of the guide carriage 3 are recorded by means of the acceleration sensor 11. More precisely, the motor acceleration can be determined from the recorded motor speed by differentiation and optional smoothing.
  • the evaluation device 12 the ACTUAL accelerations of the motor 4 and the guide carriage 3, which are recorded synchronously or subsequently synchronized, are evaluated using various methods in order to determine the value of the backlash S of the drive train 2.
  • a time offset ⁇ t occurs between the two curves a, b, which results from the reversal play S.
  • the reversal play S can be determined from this time offset ⁇ t using various methods.
  • the relationship between changes in the acceleration curves of the actual accelerations of the motor 4 and the guide carriage 3 is determined experimentally and stored for different values of the reversal play S.
  • the tooth flanks collide after the acceleration reversal the moving guide carriage 3 is abruptly braked or the motor 4 is started.
  • This relationship can be determined experimentally and stored in the evaluation device 12. Based on the stored relationship, the value of the reversal play S can be determined from the recorded actual accelerations of the motor 4 and the guide carriage 3.
  • the relationship between the time period within which pinion 6 and rack 7 separate from each other and come into contact with each other again during an acceleration reversal is experimentally determined and stored for different values of the reversal play S.
  • the moment of release is when the acceleration reversal occurs in motor 4, e.g. when the transition is made from acceleration to braking.
  • the moment of collision is when the mass acceleration abruptly decreases or the motor acceleration abruptly increases.
  • the relationship between this time period and the reversal play S can be determined experimentally and stored in the evaluation device 12. Using the stored relationship, the value of the reversal play S can be determined from the recorded ACTUAL accelerations of motor 4 and guide carriage 3.
  • the recorded actual accelerations of the motor 4 and the guide carriage 3 are used to analytically calculate the times at which the pinion 6 and rack 7 separate from each other and come back into contact with each other during an acceleration reversal, the distance traveled in the process and, from this, the value of the reversal play S. If the measurement signals of the accelerations are of sufficiently good quality (resolution, noise), the distance traveled and thus the reversal play S can be analytically calculated from the time at which the tooth flanks separate and the time at which the tooth flanks collide.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs (2) zum Bewegen einer Last (3), wobei der Antriebsstrang (2) einen Antrieb (4) und ein vom Antrieb (4) angetriebenes Antriebselement (6), welches mit der Last (3) mitbewegt wird, sowie ein feststehendes Abstützelement (7) aufweist, an dem sich das Antriebselement (6) abstützt, um die Last (3) relativ zu dem Abstützelement (7) zu bewegen, umfasst folgende Verfahrensschritte: a) Beschleunigen der Last (3) mittels des Antriebs (4) durch Vorgeben eines Fahrprofils (13) mit Beschleunigungsumkehr; b) während der Beschleunigung der Last (3), Erfassen der IST-Beschleunigung des Antriebs (4) und Erfassen der IST-Beschleunigung der Last (3); und c) Bestimmen eines Werts der Zustandsgröße des Antriebsstrangs (2) durch Auswerten der erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs zum Bewegen einer Last
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs zum Bewegen einer Last, insbesondere einer translatorisch geführten Last, wobei der Antriebsstrang einen Antrieb und ein vom Antrieb angetriebenes Antriebselement, welches mit der Last mitbewegt wird, sowie ein feststehendes Abstützelement aufweist, an dem sich das Antriebselement abstützt, um die Last relativ zu dem Abstützelement zu bewegen.
Beispielsweise verwenden bekannte 2D-Laserschneidmaschinen einen Zahnstange/Ritzel-Antriebsstrang zum Bewegen eines translatorisch geführten Führungsschlittens. Der Antriebsstrang umfasst einen Motor und ein vom Motor mittels eines Getriebes angetriebenes Ritzel, die alle am Führungsschlitten angebracht sind und somit zusammen mit dem Führungsschlitten mitbewegt werden, sowie eine feststehende Zahnstange, mit der das Ritzel kämmt, um den Führungsschlitten relativ zu der Zahnstange zu bewegen.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und zum Schutz vor Verschleiß aller beteiligter Komponenten liegt an Zahnstange/Ritzel-Antrieben üblicherweise ein Umkehrspiel vor. Das Umkehrspiel beschreibt den Abstand zwischen der einen Zahnflanke des Ritzels zur nächsten Zahnflanke der Zahnstange, wenn die gegenüberliegenden Zahnflanken aneinander anliegen.
Die Größe dieses Umkehrspiels muss für die Sicherstellung der Funktionsfähigkeit der Maschine regelmäßig überprüft werden. Da an Zahnstange/Ritzel-Antrieben oft kein direktes Messsystem verbaut ist, muss für die Spielmessung zusätzliche Messtechnik angebracht und der Wert, z.B. bei Serviceeinsätzen, manuell vermessen werden. Bisher wird dazu eine Messuhr oder ein Messtaster so angebracht, dass die relative Verschiebung des Führungsschlittens, an dem das Getriebe und das Ritzel angebracht sind, zur Führungsschiene, auf dem sich der Führungsschlitten bewegt, gemessen werden kann. Dann wird der Führungsschlitten manuell entlang der Führungsschiene verschoben und der Weg, der ohne starke Kraftaufwendung zurückgelegt wird, von dem Messtaster oder auf der Messuhr abgelesen. Dieser Wert entspricht dem Umkehrspiel.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine Zustandsgröße des Antriebsstrangs, wie z.B. ein Umkehrspiel, automatisiert gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs zum Bewegen einer Last, insbesondere einer translatorisch geführten Last, gelöst, wobei der Antriebsstrang einen Antrieb und ein vom Antrieb angetriebenes Antriebselement, welches mit der Last mitbewegt wird, sowie ein feststehendes Abstützelement aufweist, an dem sich das Antriebselement abstützt, um die Last relativ zu dem Abstützelement zu bewegen, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Beschleunigen der Last mittels des Antriebs durch Vorgeben eines Fahrprofils mit Beschleunigungsumkehr; b) während der Beschleunigung der Last, Erfassen der IST-Beschleunigung des Antriebs und Erfassen der IST-Beschleunigung der Last; und c) Bestimmen eines Werts der Zustandsgröße des Antriebsstrangs durch Auswerten der erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last.
Erfindungsgemäß wird die Last mittels einer Antriebssteuerung entsprechend dem Fahrprofil bewegt und dabei so beschleunigt, dass eine Beschleunigungsumkehr, also ein Nulldurchgang der Beschleunigung stattfindet. Während dieser Bewegung werden die antriebsseitige Beschleunigung (IST-Beschleunigung des Antriebs) und die abtriebsseitige Beschleunigung (IST-Beschleunigung der Last) erfasst. Aus dem Vergleich dieser beiden erfassten Beschleunigungssignale lässt sich mit geeigneten Algorithmen der Wert der Zustandsgröße berechnen. Im laufenden Betrieb der Maschine (immer, wenn vom Beschleunigen zum Bremsen der Last übergegangen wird) kann die Zustandsgröße automatisch überwacht werden. Die IST- Beschleunigung des Antriebs kann beispielsweise der von der Antriebssteuerung vorgegebenen Soll-Beschleunigung der Last entsprechen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Teil einer Zustandsdiagnose Informationen über den Zustand der Maschine und ggf. Unterstützung bei Fehlerdiagnosen liefern.
Vorzugsweise ist die Zustandsgröße ein Umkehrspiel des Antriebsstrangs, das beispielsweise bei einem Ritzel/Zahnstange-Antrieb oder einem Schraubgetriebe (z.B. Kugelgewindetrieb) zwangsläufig vorhanden ist. Das Umkehrspiel wirkt sich insbesondere in dem Bereich aus, wenn an der Last eine Beschleunigungsumkehr stattfindet. Zu diesem Zeitpunkt lösen sich die Zahnflanken von Ritzel und Zahnstange voneinander, und die Last fährt so lang weiter, bis das Umkehrspiel einmal durchlaufen ist und die Zahnflanken auf der gegenüberliegenden Seite aneinanderstoßen. So kann im laufenden Betrieb der Maschine das Umkehrspiel automatisch überwacht werden. Alternativ kann die Zustandsgröße aber beispielsweise auch eine Elastizität oder ein Verschmutzungsgrad des Antriebsstrangs sein.
Bevorzugt kämmt das mitbewegte Antriebselement mit dem feststehenden Abstützelement, um die Last relativ zu dem Abstützelement zu bewegen. Beispielsweise ist das bewegte Antriebselement ein Ritzel und das feststehende Abstütz-element eine Zahnstange (oder umgekehrt), die beide miteinander kämmen.
Der Antrieb wird bevorzugt zusammen mit der Last bewegt, könnte aber alternativ auch nicht mit der Last bewegt werden, also genauso wie das Abstützelement feststehend angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft wird die IST-Beschleunigung des Antriebs aus der erfassten Drehzahl eines als Drehmotor ausgebildeten Antriebs bestimmt. Die Drehzahl des Drehmotors kann beispielsweise von einem meist ohnehin vorhandenen Motormesssystem des Drehmotors erfasst werden. Vorzugsweise wird die IST-Beschleunigung der Last mittels eines Beschleunigungssensors erfasst, der an der Last selbst oder an einem mit der Last mitbewegten Element angebracht ist. Die Nutzung eines solchen Beschleunigungssensors bildet eine sehr günstige Lösung, zumal sogenannte MEMS-Beschleunigungssensoren kostengünstig bereits in ausreichend guter Qualität erhältlich sind.
Die IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last werden bevorzugt während der Beschleunigung der Last zeitsynchron erfasst, können aber alternativ auch nachträglich, also nach den Erfassungsvorgängen, miteinander zeitsynchronisiert werden.
Vorzugsweise weist das vorgegebene Fahrprofil eine Vorwärts- und Rückbewegung der Last auf. Die zu untersuchende Achse der Last wird beispielsweise über die Motorsteuerung ein- oder mehrmals mit einer sprungförmigen (ruckbegrenzten) Trajektorie um wenige Millimeter vor- und zurückgefahren, um durch diese Bewegungsumkehr eine Beschleunigungsumkehr zu erreichen. Alternativ ist auch ein Fahrprofil mit ausschließlich einer Vorwärtsbewegung der Last oder mit ausschließlich einer Rückwärtsbewegung der Last möglich, solange dabei eine Beschleunigungsumkehr auftritt.
Die erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last können durch verschiedene Methoden ausgewertet werden, um daraus den Wert der Zustandsgröße des Antriebsstrangs zu bestimmen.
In einer ersten Auswertungsvariante wird der Zusammenhang zwischen der Zustandsgröße und Änderungen in den Beschleunigungsverläufen der IST- Beschleunigungen des Antriebs und der Last für unterschiedliche Werte der Zustandsgröße experimentell ermittelt und hinterlegt. Beim Zusammenstoß der Zahnflanken nach der Beschleunigungsumkehr wird die bewegte Lastmasse abrupt abgebremst bzw. der Antrieb angestoßen. Umso größer die Zustandsgröße, desto stärker sind diese plötzlichen Änderungen in den Beschleunigungsverläufen. Dieser Zusammenhang kann experimentell ermittelt und an der Maschine hinterlegt werden. Anhand des hinterlegten
Zusammenhangs kann aus erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last der Wert der Zustandsgröße bestimmt werden.
In einer zweiten Auswertungsvariante wird der Zusammenhang zwischen der Zustandsgröße und dem Zeitraum, innerhalb dessen sich bei einer Beschleunigungsumkehr die Antriebs- und Abstützelemente voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, für unterschiedliche Werte der Zustandsgröße experimentell ermittelt und hinterlegt. Umso größer die Zustandsgröße, desto länger ist der Zeitraum zwischen dem Lösen und dem erneuten Zusammenstößen der Zahnflanken. Der Zeitpunkt des Lösens ist dann, wenn beim Antrieb eine Beschleunigungsumkehr stattfindet, also z.B. vom Beschleunigen zum Bremsen übergeht. Der Zeitpunkt des Zusammenstoßens ist dann, wenn die Massebeschleunigung abrupt abnimmt bzw. die Antriebsbeschleunigung abrupt zunimmt. Der Zusammenhang zwischen diesem Zeitraum und der Zustandsgröße kann experimentell ermittelt und an der Maschine hinterlegt werden. Anhand des hinterlegten Zusammenhangs kann aus erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last der Wert der Zustandsgröße bestimmt werden.
In einer dritten Auswertungsvariante werden aus erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last die Zeitpunkte, an denen bei einer Beschleunigungsumkehr die Antriebs- und Abstützelemente sich voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, der dabei zurückgelegte Weg und daraus der Wert der Zustandsgröße analytisch berechnet. Liegen die Messsignale der Beschleunigungen in ausreichend guter Qualität (Auflösung, Rauschen) vor, können aus dem Zeitpunkt des Lösens der Zahnflanken, und dem Zeitpunkt des Zusammenstoßens der Zahnflanken der zurückgelegte Weg und somit die Zustandsgröße analytisch berechnet werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs zum Bewegen einer Last, insbesondere einer translatorisch geführten Last, insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend:
- einen Antriebstrang mit einem Antrieb und mit einem vom Antrieb angetriebenen Antriebselement, welches mit der Last mitbewegt ist, sowie mit einem feststehenden Abstützelement, an dem sich das Antriebselement abstützt, um die Last relativ zu dem Abstützelement zu bewegen,
- eine erste Einrichtung zum Erfassen einer IST-Beschleunigung des Antriebs,
- eine zweite Einrichtung zum Erfassen der IST-Beschleunigung der Last, und
- eine Auswerteeinrichtung, die programmiert oder eingerichtet ist, aus den erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last den Wert einer Zustandsgröße des Antriebsstrangs zu bestimmen.
Vorzugsweise kämmt das Antriebselement mit dem feststehenden Abstützelement und ist auch der Antrieb mit der Last mitbewegt.
Der Antrieb kann beispielsweise ein elektrischer Dreh- oder Linearmotor oder ein Hydraulikmotor sein. Für den Fall eines elektrischen Drehmotors ist die erste Einrichtung bevorzugt durch ein ohnehin vorhandenes Motormesssystem des Drehmotors zum Bestimmen der Motordrehzahl gebildet.
In vorteilhaften Ausführungsformen weist der Antriebsstrang ein zwischen dem Antrieb und dem Antriebselement wirkendes Getriebe (z.B. Planetengetriebe) auf, das mit der Last mitbewegt ist.
Die zweite Einrichtung ist bevorzugt durch einen Beschleunigungssensor gebildet, der an der Last selbst oder an einem mit der Last mitbewegten Element angebracht ist.
Vorzugsweise ist der Antriebstrang durch einen Ritzel/Zahnstange-Antriebsstrang, insbesondere mit einem Ritzel als Antriebselement und mit einer Zahnstange als Abstützelement, oder durch ein Schraubgetriebe, insbesondere einen
Kugelgewindetrieb, gebildet. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum automatisierten Bestimmen eines Umkehrspiels in einem Ritzel/Zahnstange- Antriebsstrang;
Fig. 2a ein im Ritzel/Zahnstange-Antriebsstrang vorhandenes Umkehrspiel beim Beschleunigen des Ritzels auf der Zahnstange entgegen dem Uhrzeigersinn;
Fig. 2b ein im Ritzel/Zahnstange-Antriebsstrang vorhandenes Umkehrspiel beim Beschleunigen des Ritzels auf der Zahnstange im Uhrzeigersinn;
Fig. 3 ein beispielhaftes Fahrprofil (Solltrajektorie) eines in Fig.1 gezeigten, vom Antriebsstrang bewegten Führungsschlittens beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum automatisierten Bestimmen des Umkehrspiels; und
Fig. 4 die beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfassten, zeitsynchronisierten IST-Beschleunigungen des Antriebs und der Last.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße, hier eines Umkehrspiels S (Figuren 2a, 2b), in einem Antriebsstrang 2 zum Bewegen einer Last, die hier beispielhaft durch einen translatorisch geführten Führungsschlitten 3 gebildet ist.
Der Antriebstrang 2 umfasst einen hier als (Dreh)Motor 4 ausgeführten Antrieb und ein vom Motor 4 mittels eines optionalen Getriebes 5 angetriebenes, hier als Ritzel 6 ausgeführtes Antriebselement. Der Motor 4, das Getriebe 5 und das Ritzel 6 sind am Führungsschlitten 3 angebracht und werden somit mit dem Führungsschlitten 3 mitbewegt. Der Antriebstrang 2 weist ferner ein, hier als Zahnstange 7 ausgeführtes, feststehendes Abstützelement auf, mit dem das Ritzel 6 kämmt, um den Führungsschlitten 3 samt Motor 4, Getriebe 5 und Ritzel 6 relativ zu der Zahnstange 7 in deren Längsrichtung A zu bewegen. Die Drehbewegung des Motors 4, des Getriebes 5 und des Ritzels 6, hier entgegen dem Uhrzeigersinn, wird durch Pfeile 19, 20 und 21 veranschaulicht.
Wie in Figuren 2a, 2b gezeigt, ist funktionsbedingt die Zahndicke der Zähne des Ritzels 6 um das (Umkehr)Spiel S kleiner als die Lückenweite zwischen zwei Zähnen der Zahnstange 7. Wird das Ritzel 6, wie in Fig. 2a gezeigt, entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben, so bewegt sich das Ritzel 6, auf der Zahnstange 7 abrollend, nach links (Drehbewegung 21 , Pfeilrichtung A), insbesondere hier mit Beschleunigung b1 des Ritzels 6 nach links dargestellt, wodurch der Führungsschlitten 3 samt Motor 4 und Getriebe 5 nach links mitbewegt wird. Das Ritzel 6 greift dabei mit einem Zahn 8 in eine Zahnlücke 9 der Zahnstange 7 ein, wobei die rechte Zahnflanke 8a des Zahns 8 sich an der rechten Zahnflanke 9a der Zahnlücke 9 abstützt. Wenn am Führungsschlitten 3 und somit auch am Ritzel 6 eine Beschleunigungsumkehr stattfindet, so lösen sich, wie in Fig. 2b gezeigt, die rechten Zahnflanken 8a, 9a voneinander, bis nach Durchlaufen des Umkehrspiels S nunmehr die linke Zahnflanke 8b des Zahns 8 sich an der linken Zahnflanke 9b der Zahnlücke 9 abstützt. Das Ritzel 6 bewegt sich, auf der Zahnstange 7 abrollend, weiterhin nach links (Drehbewegung 21 , Pfeilrichtung A), allerdings mit nach rechts gerichteter Beschleunigung b2, wodurch der Führungsschlitten 3 samt Motor 4 und Getriebe 5 nach rechts mitbeschleunigt wird. Mittels einer ersten Einrichtung, hier in Form eines Motormesssystems 10, wird die Drehzahl des Motors 4 erfasst. Aus der erfassten Drehzahl kann dann die IST- Beschleunigung des Motors 4 bestimmt werden. Alternativ kann die IST- Beschleunigung des Motors 4 aber auch mittels eines zusätzlichen Beschleunigungssensors, der beispielsweise am Ritzel 6 angebracht ist, bestimmt werden.
Die IST-Beschleunigung des Führungsschlittens 3 wird mittels eines Beschleunigungssensors 11 bestimmt, der an dem Führungsschlitten 3 selbst oder an einem der mit dem Führungsschlitten 3 mitbewegten Elemente 4-6, beispielsweise hier am Gehäuse des Getriebes 5, angebracht ist.
Aus den erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs 4 und des Führungsschlittens 3 kann in einer Auswerteeinrichtung 12 der Wert des Umkehrspiels S des Antriebsstrangs 2 bestimmt werden.
Zum automatisierten Bestimmen des Werts des Umkehrspiels S werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt.
Der Führungsschlitten 3 wird mittels des Motors 4 durch Vorgeben eines Fahrprofils mit Beschleunigungsumkehr beschleunigt. Das Fahrprofil ist beispielsweise in einer Motorsteuerung hinterlegt. Fig. 3 zeigt ein solches Fahrprofil 13 in einem Weg(s)/Zeit(t)-Diagramm in Form einer ruckbegrenzten, sprungförmigen Solltrajektorie 14 des Führungsschlittens 3. Im gezeigten Fahrprofil 13 wird der Führungsschlitten 3 zum Zeitpunkt t = ca. 1s sprungförmig um 3mm vor- und zum Zeitpunkt t = ca. 2,2s sprungförmig wieder um 3mm zurückverfahren.
Während dieser Bewegung des Führungsschlittens 3 werden sowohl die IST- Beschleunigung des Motors 4 mittels des Motormesssystems 10 als auch die IST- Beschleunigung des Führungsschlittens 3 mittels des Beschleunigungssensors 11 erfasst. Genauer gesagt kann aus der erfassten Motordrehzahl durch Differentiation und optionale Glättung die Motorbeschleunigung ermittelt werden. In der Auswerteeinrichtung 12 werden die zeitsynchron erfassten oder nachträglich zeitsynchronisierten IST-Beschleunigungen des Motors 4 und des Führungsschlittens 3 durch verschiedene Methoden auswertet, um daraus den Wert des Umkehrspiels S des Antriebsstrangs 2 zu bestimmen.
Fig. 4 zeigt die beim Fahrprofil 13 um den Zeitpunkt t = ca. 1s erfassten Beschleunigungen des Motors 4 (durchgezogene Linie a) und des Führungsschlittens 3 (gestrichelte Linie b) in einem Beschleunigung(a)/Zeit(t)- Diagramm. Beim Übergang vom Beschleunigen zum Abbremsen, also bei Beschleunigungsumkehr (Nulldurchgang) zum Zeitpunkt t = ca. 1 ,1s, tritt zwischen den beiden Kurven a, b ein Zeitversatz At auf, der aus dem Umkehrspiel S resultiert. Aus diesem Zeitversatz At kann das Umkehrspiel S durch verschiedene Methoden bestimmt werden.
In einer ersten Auswertungsvariante wird der Zusammenhang zwischen Änderungen in den Beschleunigungsverläufen der IST-Beschleunigungen des Motors 4 und des Führungsschlittens 3 für unterschiedliche Werte des Umkehrspiels S experimentell ermittelt und hinterlegt. Beim Zusammenstoß der Zahnflanken nach der Beschleunigungsumkehr wird der bewegte Führungsschlitten 3 abrupt abgebremst bzw. der Motor 4 angestoßen. Umso größer das Umkehrspiel S, desto stärker sind diese plötzlichen Änderungen in den Beschleunigungsverläufen. Dieser Zusammenhang kann experimentell ermittelt und in der Auswerteeinrichtung 12 hinterlegt werden. Anhand des hinterlegten Zusammenhangs kann aus erfassten IST-Beschleunigungen des Motors 4 und des Führungsschlittens 3 der Wert des Umkehrspiels S bestimmt werden.
In einer zweiten Auswertungsvariante wird der Zusammenhang zwischen dem Zeitraum, innerhalb dem bei einer Beschleunigungsumkehr Ritzel 6 und Zahnstange 7 sich voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, für unterschiedliche Werte des Umkehrspiels S experimentell ermittelt und hinterlegt. Umso größer das Umkehrspiel S, desto länger ist der Zeitraum zwischen dem Lösen und dem erneuten Zusammenstößen der Zahnflanken von Ritzel 6 und Zahnstange 7. Der Zeitpunkt des Lösens ist dann, wenn beim Motor 4 eine Beschleunigungsumkehr stattfindet, also z.B. vom Beschleunigen zum Bremsen übergegangen wird. Der Zeitpunkt des Zusammenstoßens ist dann, wenn die Massebeschleunigung abrupt abnimmt bzw. die Motorbeschleunigung abrupt zunimmt. Der Zusammenhang zwischen diesem Zeitraum und dem Umkehrspiel S kann experimentell ermittelt und in der Auswerteeinrichtung 12 hinterlegt werden. Anhand des hinterlegten Zusammenhangs kann aus erfassten IST-Beschleunigungen des Motors 4 und des Führungsschlittens 3 der Wert des Umkehrspiels S bestimmt werden.
In einer dritten Auswertungsvariante werden aus erfassten IST-Beschleunigungen des Motors 4 und des Führungsschlittens 3 die Zeitpunkte, an denen bei einer Beschleunigungsumkehr Ritzel 6 und Zahnstange 7 sich voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, der dabei zurückgelegte Weg und daraus der Wert des Umkehrspiels S analytisch berechnet. Liegen die Messsignale der Beschleunigungen in ausreichend guter Qualität (Auflösung, Rauschen) vor, können aus dem Zeitpunkt des Lösens der Zahnflanken und dem Zeitpunkt des Zusammenstoßens der Zahnflanken der zurückgelegte Weg und somit das Umkehrspiel S analytisch berechnet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs (2) zum Bewegen einer Last (3), wobei der Antriebsstrang (2) einen Antrieb (4) und ein vom Antrieb (4) angetriebenes Antriebselement (6), welches mit der Last (3) mitbewegt wird, sowie ein feststehendes Abstützelement (7) aufweist, an dem sich das Antriebselement (6) abstützt, um die Last (3) relativ zu dem Abstützelement (7) zu bewegen, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Beschleunigen der Last (3) mittels des Antriebs (4) durch Vorgeben eines Fahrprofils (13) mit Beschleunigungsumkehr; b) während der Beschleunigung der Last (3), Erfassen der IST- Beschleunigung des Antriebs (4) und Erfassen der IST-Beschleunigung der Last (3); und c) Bestimmen eines Werts der Zustandsgröße des Antriebsstrangs (2) durch Auswerten der erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße ein Umkehrspiel (S) des Antriebsstrangs (2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (6) mit dem feststehenden Abstützelement (7) kämmt, um die Last (3) relativ zu dem Abstützelement (7) zu bewegen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Antrieb (4) mit der Last (3) mitbewegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl eines als Drehmotor ausgebildeten Antriebs (4) erfasst und aus der erfassten Drehzahl die IST-Beschleunigung des Antriebs (4) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Drehmotors von einem Motormesssystem (10) des Drehmotors erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die IST-Beschleunigung der Last (3) mittels eines Beschleunigungssensors (11 ), der an der Last (3) selbst oder an einem mit der Last (3) mitbewegten Element (4-6) angebracht ist, erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) während der Beschleunigung der Last (3) zeitsynchron erfasst oder nach den Erfassungsvorgängen nachträglich miteinander zeitsynchronisiert werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Fahrprofil (13) eine Vorwärts- und Rückbewegung der Last (3), ausschließlich eine Vorwärtsbewegung der Last (3) oder ausschließlich eine Rückwärtsbewegung der Last (3) aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der Zustandsgröße und Änderungen in den Beschleunigungsverläufen der IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) für unterschiedliche Werte der Zustandsgröße experimentell ermittelt und hinterlegt wird und dass aus den erfassten IST- Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) der Wert der Zustandsgröße anhand des hinterlegten Zusammenhangs bestimmt wird.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der Zustandsgröße und dem Zeitraum, innerhalb dessen sich bei einer Beschleunigungsumkehr die Antriebs- und Abstützelemente (6, 7) voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, für unterschiedliche Werte der Zustandsgröße experimentell ermittelt und hinterlegt wird und dass aus den erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) der Wert der Zustandsgröße anhand des hinterlegten Zusammenhangs bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten IST-Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) die Zeitpunkte, an denen bei einer Beschleunigungsumkehr die Antriebs- und Abstützelemente (6, 7) sich voneinander lösen und wieder aneinander anliegen, der zurückgelegte Weg und daraus der Wert der Zustandsgröße analytisch berechnet werden.
13. Vorrichtung zum automatisierten Bestimmen des Werts einer Zustandsgröße eines Antriebsstrangs (2) zum Bewegen einer Last (3) aufweisend: einen Antriebstrang (2) mit einem Antrieb (4) und mit einem vom Antrieb (4) angetriebenen Antriebselement (6), welches mit der Last (3) mitbewegt ist, sowie mit einem feststehenden Abstützelement (7), an dem sich das Antriebselement (6) abstützt, um die Last relativ zu dem Abstützelement (7) zu bewegen, eine erste Einrichtung (10) zum Erfassen einer IST-Beschleunigung des Antriebs (4), eine zweite Einrichtung (11 ) zum Erfassen der IST-Beschleunigung der Last (3), und eine Auswerteeinrichtung (12), die programmiert ist, aus den erfassten IST- Beschleunigungen des Antriebs (4) und der Last (3) den Wert einer Zustandsgröße des Antriebsstrangs (2) zu bestimmen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (6) mit dem feststehenden Abstützelement (7) kämmt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Antrieb (4) mit der Last (3) mitbewegt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (4) ein elektrischer Dreh- oder Linearmotor oder ein Hydraulikmotor ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (4) ein elektrischer Drehmotor ist und die erste Einrichtung durch ein Motormesssystem (10) des Drehmotors zum Bestimmen der Motordrehzahl gebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (2) ein zwischen dem Antrieb (4) und dem Antriebselement (6) wirkendes Getriebe (5) aufweist, das mit der Last (3) mitbewegt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung durch einen Beschleunigungssensor (11) gebildet ist, der an der Last (3) selbst oder an einem mit der Last (3) mitbewegten Element (4-6) angebracht ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebstrang (2) durch einen Ritzel/Zahnstange-Antriebsstrang oder durch ein Schraubgetriebe gebildet ist.
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