WO1999048191A1

WO1999048191A1 - Impulsentkoppelter direktantrieb

Info

Publication number: WO1999048191A1
Application number: PCT/EP1999/001482
Authority: WO
Inventors: Dietmar Stoiber
Original assignee: Siemens Linear Motor Systems Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 1999-09-23
Also published as: US6744155B1; DE19810996A1; JP2002507489A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Motor zum Antrieb einer Nutzlast, beispielsweise in einer Unrunddrehmaschine, wobei die Nutzlast ein Werkzeug oder ein Werkstück ist. Der Motor weist einen Abtriebsteil (20) auf, der der Nutzlast zugeordnet ist, einen Reaktionsteil (30), der mit dem Antriebsteil wechselwirkt, und einen Unterbau (40) zur starren Befestigung des Motors in der Maschine. Bei bekannten Motoren dieser Art ist der Reaktionsteil (30) normalerweise starr an der Maschine befestigt, so daß bei starken Beschleunigungen oder Rucken der Nutzlast entsprechend starke Gegenkräfte und Vibrationen in das Maschinenbett eingeleitet werden. Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß der Reaktionsteil (30) so am Unterbau (40) gelagert, daß bei einer Bewegung des Abtriebsteils (20) der Reaktionsteil (30) eine entsprechende Gegenbewegung ausführen kann. Die entsprechenden Gegenkräfte bei Beschleunigung der Nutzlast werden somit durch die Trägheit des Reaktionsteils kompensiert.

Description

Impulsentkoppelter Direktantrieb

Bei vielen Maschinen in industriellen Produktionsprozessen werden Werkstücke oder Werkzeuge bewegt, wobei die Bewegung entlang fest vorgegebener Achsbahnen erfolgt. Die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine hängt wesentlich von der Geschwindigkeit der Zustell- und Transportbewegungen ab. Im Sinne von hohen Maschinenproduktivitäten werden daher hohe Achsgeschwindigkeiten angestrebt .

In den meisten Fällen werden die Zustellbewegungen, von denen eine gewisse Präzision gefordert wird, von geregelten elektrischen Servoantrieben ausgeführt. Um den erheblich gestiegenen Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindigkeit Rechnung zu tragen, werden seit vielen Jahren in zunehmendem Maße Direktantriebe für anspruchsvolle Zustell - und Transportbewegungen eingesetzt . Bei Direktantrieben wird die zur Bewegung benötigte Vortriebs- oder Drehkraft von einem Motor bzw. Kraftwandler erzeugt und ohne den Umweg über Getriebe oder mechanische Transmissionen in die Nutzlast eingeleitet. Es stehen entsprechende Servo- und Linearmotoren zur Verfügung. Die mit den schnellen Achsbewegungen einhergehenden hohen Beschleunigungen und Rucke (Änderung der Beschleunigung je Zeiteinheit) führen zu Erschütterungen in den Maschinenstrukturen und damit zu negativen Einflüssen auf die Bearbeitungsergebnisse.

Wie alle Motoren besitzen auch Direktantriebe zwei zueinander gepaarte Wirkflächen, zwischen denen sich als Folge der Einspeisung in den Motor die Antriebskraft aufbaut . Die Motorkraft bzw. das Motormoment ist im wesentlichen proportional zur Einspeisegröße oder wird durch eine geeignete elektronische Entzerrung linearisiert . Diejenige Motorseite, in welche die Einspeisung erfolgt, wird als "aktive - 2 -

Seite" bezeichnet. Als Beispiel sei hier der Linearmotor herausgegriffen, dessen aktiver Teil auch "Primärteil" genannt wird. Es sind sowohl Anordnungen verbreitet, bei denen der aktive Teil mit der Nutzlast verbunden ist, als auch solche, bei denen der passive Teil die Nutzlast treibt. Derjenige Motorteil, welcher der Nutzlast zugewandt ist wird als "Abtriebsseite" des Motors bezeichnet. Die der Nutzlast abgewandte Motorseite wird im Folgenden als Reaktionsseite bezeichnet.

Um die Nutzlast möglichst präzise zu den vorbestimmten Soll-Positionen zu transportieren, wird die Ist-Position mittels eines Positionsmeßsystemes erfaßt und einer Regelungseinheit zugeführt. Hier werden die Positionsabweichungen ausgewertet, und durch Aufschalten einer berechneten Motorkraft wird die Nutzlast beschleunigt, so daß die die unerwünschte Positionsabweichung wieder verkleinert wird. Dieser Vorgang wird als Regelung bezeichnet.

Aus DE 23 54 947 ist ein Linearmotor bekannt, der auf Schwingmetall -Glockenelementen ruht und der in Bereichen eingesetzt wird, in denen keine hohe Präzision der Bewegung erforderlich ist, beispielsweise bei Fahrstühlen, Laufkatzen etc. Durch diese Lagerung wird ein "weiches" Anfahren des Motors gewährleistet .

Im Maschinenbau geht man jedoch davon aus, daß Antriebsaggregate, die präzise und schnelle Bewegungen ausführen sollen, einen möglichst festen (starren) Kontakt zu ihren Bezugsmassen haben müssen. Man ist daher immer bestrebt, die Motorabtriebsseite möglichst fest an die Nutzlast und die Motorreaktionsseite möglichst hart an den Unterbau zu koppeln. Um dies zu erreichen, ist z. B. in DE 297 18 566 vorgesehen, die Motorreaktionsseite über ein Material mit hoher Schwingungsdämpfung (deutlich höher als Stahl) an den Unterbau zu koppeln. Ebenso ist es von entscheidender Bedeutung, die Positionssensoren, die Bestandteil des oben beschriebenen Regelungssystems sind, möglichst fest und schwingungsarm mit den Bezugskörpern zu verbinden. Bei dynamischen Bewegungsvorgängen erzeugen die vorgegebenen Bahnkurven hohe Impulsänderungen, die durch den Direktantrieb an die Nutzlast übertragen werden müssen. Aufgrund der Impulserhaltung muß die Motorreaktionsseite den Gegenimpuls aufnehmen. Dieser wird wegen der harten Anbin- dung direkt in den Unterbau eingeleitet. Das führt zu starken Erschütterungen der Maschinenbezugskörper, z. B. dem Maschinenbett, die sich unvorteilhaft auf die Genauigkeiten und Oberflächengüte der Bearbeitung auswirken können.

In dem Artikel "A Fast-Tool-Servo System based on electro- dynamic and piezoelectπc Actuaters" (Annais of the German Academic Society for Production Engineering 2 (1996), no . 2 und CIRP Annais. Manufactunng technology 1 (1995)) wird für eine Bearbeitungsmaschine eine weiche Ankoppelung des Antriebssystem an den Unterbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Allerdings wird vom Meßsystem der Relativbezug zwischen dem Abtriebstell und dem Reaktionsteil mittels eines Linear-Tachos gemessen. Das Ergebnis der Messung wird dann der Regelungsemheit zugeführt. Dadurch gibt man den direkten Zugriff des Regelungssystems auf die Relativbewegung zwischen dem Abtπebsteil (Nutzmasse bzw. Werkzeug) und dem Unterbau auf, da man der Bewe^¬ gung des Abtriebsteils relativ zum festen Unterbau die Bewegung des Reaktionsteils überlagert. Daher muß die Bewegung des Reaktionsteils in den Positionsdaten numerisch korrigiert werden, weshalb man auf ein absolut definierbares und konstantes Verhalten der weichen Ankopplung des Antriebsystems an den Unterbau angewiesen ist. Bereits kleinste Abweichungen der Parameter der Ankopplung fuhren zu großen Fehlern der Nutzlastbewegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsge- maßen Motor für Werkzeugmaschinen oder dergleichen zu schaffen, der so gestaltet ist, daß eine Regelung auf einfache Weise möglich ist, insbesondere, ohne auf eine numerische Korrektur für die Bewegung des Reaktionsteils angewiesen zu sein. Di IQ tn Hl 13 rt S Ω Di td < σ <! 3 Su Φ Φ P- y SU ü Cß O 3 td d rt Di Φ ö Di Φ Q' ö Hi X) ö

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Der gemeinsame Schwerpunkt des Kraftwandlersystemes (mit den daran angekoppelten Massen) erfährt hingegen keine Geschwindigkeitsänderung. Wegen der genannten Unabhängigkeit der Motorkraft von der Relativgeschwindigkeit der Motorarbeitsflächen wird der auf die Nutzlast übertragene Ist-Impuls in keiner Weise durch die Gegenbewegung der Motorreaktionsseite beeinflußt. Es können daher exakt die gleichen Positionssensoren und Regelungsstrategien eingesetzt werden, die auch bei den bekannten Maschinen mit starr angebunden Kraftwandlern Verwendung finden. Insbesondere bleiben die Bezugspunkte des Positionssensors der Achse, die bekanntlich für die Qualität der Bewegungsführung von großer Bedeutung sind, identisch vorhanden. Es wird demnach m unveränderter Art und Weise die Relativposition zwischen dem in Bezug auf die Achsbewegungsrichtung ortsfesten Unterbau und der beweglichen Nutzlast gemessen.

Aufgrund der Positionsmessung des Abtriebsteils gegenüber dem ortsfesten Unterbau erhalt das Regelungssystem für den Motor nur Daten, m denen die Bewegung des Reaktionsteils nicht enthalten ist. Eine numerische Kompensation der Bewegung des Reaktionsteils gegenüber dem Unterbau ist daher nicht notig. Auf diese Weise wird die Regelung erheblich vereinfacht. Da außerdem das Rektionsteil vom Unterbau entkoppelt ist und somit kein Impuls mehr auf dieses übertragt, ist eine deutlich genauere Positionsbestimmung möglich. Eine Impulsubertragung auf den Unterbau wurde nämlich zu Vibrationen des Unterbaus fuhren. Solche Vibrationen des Unterbaus wurden ebenfalls m die Positionsdaten eingehen und somit deren Schwankungsbreite erhohen. Dies wurde wiederum die Positionsregelung erschweren. Mit dem erfin- dungsgemaßen Motor kann daher eine sehr viel genauere Posi- tionsregelung durchgeführt werden als dies mit den Motoren nach Stand der Technik möglich ist.

Zu beachten ist lediglich, daß bei denjenigen Kraftwandlern, bei denen die Einspeisung mehrphasig erfolgt, wie beispielsweise bei den weit verbreiteten dreiphasigen Elektromotoren, die Motorphasenlage der Einspeisung m einer G Φ rt > 03 rt CQ to t*. tr P- 00 Q < 3 2 Di 5 3 Di rt 03 3 rt 2 s; ζ y X) Di 3 EU Od 3 Ό N Hi

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reaktionsseite ist dann durch das Kräftegleichgewicht zwischen dem Gleichanteil der Nutzlastkraft und der Reaktionskraft des eingefederten Rückstellelementes gegeben. Die Größe der mittleren Auslenkung der Motorreaktionsseite läßt sich somit durch die Beschaffenheit des Federelementes vorgeben.

Bei der Verankerung der Motorreaktionsseite mittels eines elastischen Gliedes ist es offenkundig, daß kinetische Energie in Form von Schwingungen der Motorreaktionsseite gegen den Unterbau gespeichert werden kann. Charakteristisch für ein schwingfähiges System ist dessen Resonanzfrequenz . Diese wird durch das Verhältnis von Federhärte zur schwingenden Masse bestimmt. Besonders interessant ist hierbei die Tatsache, daß in die für die Resonanzfrequenz in Betracht zu ziehende Masse die Masse der angetrieben Nutzlast nicht eingeht, weil der Kraftwandler auf Grund seiner oben dargestellten Eigenschaften keinerlei eigenstabile Rückstellkräfte zwischen den beiden Motorarbeitsflächen aufbauen kann. Dies Verhalten ist erwünscht und führt dazu, daß die Nutzlast perfekt von den Schwingungen der Motorreaktionsseite entkoppelt ist.

Wenn Schwingfrequenzen, die in der Nähe der oben beschriebenen Eigenresonanzfrequenz liegen, übertragen werden sollen, kann es zu für Resonanzphänomene typischen großen Schwingungsamplituden kommen. Dies ist nicht erwünscht. Abhilfe schafft gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form ein Dämpferelement, das dem Federelement parallelgeschaltet wird. Dieses zieht die Energie aus den Schwingvorgängen und begrenzt somit wirksam und vorhersagbar die Schwingungsamplitude der Motorreaktionsseite. Das Resonanzverhalten kann mittels der Dämpfungskonstante abgestimmt werden. Als besonders günstig erweist sich häufig ein aperiodisches Resonanzverhalten, bei dem eine Ampitudenüberhö- hung im Resonanzfalle vermieden wird. In diesem Falle verhält sich das schwingfähige System wie ein Tiefpass, der oberhalb seiner Grenzfreqenz (der Resonanzfrequenz) die entsprechenden Frequenzanteile aus dem Spektrum der Reakti- onskräfte des Kraftwandlers herausfiltert und vom Maschinenuntergrund fernhält. Als Dämpfungselemente sind magnetische Dämpfer besonders vorteilhaft, weil diese auf Grund ihres berührungslosen Arbeitsprinzips frei von Haft- und Gleitreibung sind.

Bekanntlich sind moderne Maschinen je nach Bauweise gegen Störfrequenzen bis hinauf zu 80Hz recht stabil, und Anregungsfrequenzen, die darüber liegen, sollten vermieden werden. Dies ist bei der Wahl der Grenzfrequenz des mechanischen Tiefpassfilters zu beachten. Berücksichtigt man, daß im Dämpfungsbereich des aperiodisch abgestimmten mechanischen Filters sich die Kraftamplitude bei Frequenzverdoppelung halbiert, dann ist offensichtlich, daß bei Abstimmung der Eckfrequenz auf Werte um 5 bis 10Hz bereits eine recht ordentliche Impulsentkopplung im sensiblen Bereich oberhalb der erwähnten 80Hz erzielt wird. Selbstverständlich ist die Abstimmung der Eckfrequenz ein Kompromiß zwischen den Schwingungsamplituden der Motorreaktionsseite, die man zulassen möchte, und dem Entkopplungsgrad gegenüber den Rückstoßimpulsen im oberen Frequenzband.

Dem Maschinenkonstrukteur steht mit dem Verfahren der Impulsentkopplung, das als "Stoiber-Inertia-Drive" bezeichnet werden soll, ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Verfügung, der es gestattet, die Rückstoßimpulse bei Direktantrieben vor allem bei den für die Genauigkeit schädlichen höheren Frequenzen wirksam aus der Maschinenstruktur fernzuhalten.

Dabei ist das erfindungsgemäße Prinzip nicht auf elektrische Linearmotoren beschränkt, sondern kann auch bei Rotationsmotoren, Fluidmotoren etc. angewendet werden. Es eignet sich für alle Maschinen, in denen Oscillationsbewegun- gen realisiert werden müssen, beispielsweise Unrunddrehmaschinen sowie für Fräsen, Bohr-, Bonding- oder Bestückungsautomaten, Auswuchtmaschinen, Pumpen oder sogar Lautsprecher . - 9 -

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert . Es zeigt :

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Linearmotor in einer teilweise gebrochenen Seitenansicht,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Motors der Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der

Fig. 1, Fig. 4 eine Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Motors in schematischer

Darstellung,

Fig. 5 eine Vorderansicht des Motors der Fig. 4,

Figuren 6, 6a, 7, 7a schematische Seitendarstellungen eines Motors zur Erläuterung der erfindungs- gemäßen Aufhängung.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Linearmotor zum Einsatz beispielsweise bei einer Unrunddrehmaschine.

Der prinzipielle Aufbau des Linearmotors ist an sich bekannt und umfaßt ein Abtriebsteil 20 und ein Reaktionsteil 30, wobei im dargstellten Aufbau der Reaktionsteil 30 als Primärteil mit Wicklungen 80, Anschlüssen etc. aufgebaut ist . Insbesondere aus den Ansichten der Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß der Reaktionsteil 30 zwei gleichartige Wicklungsteile 80, 80' aufweist, zwischen denen der Abtriebsteil 20, der hier der Sekundärteil ist, aufgenommen ist .

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist an einer Seite des Abtriebsteils 20 eine Halterung 50 für ein Werkzeug 60 ausgebildet, das im dargestellten Beispiel ein Drehmeißel zur Bearbeitung eines Werkstücks 70 ist. Zum Unrunddrehen des Werkstücks 70 wird der Motor 10 entsprechend angesteuert, und es wird eine Positionsregelung durchgeführt, die hier rt 03 tr ö 03 td Od 3 ö ö Φ ö 3 t Z G tr rt CQ

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Φ Φ 3 tr 3 Ω 3 P- 3 3 φ 3 ti tr Φ Φ Φ p- 3 P- 03 tr rt ti 3 tr to fr 3 3 CQ CQ P- 3 φ P- H y to i-i Φ Φ 3=

3 H Φ Di tr rt P- 3 3 H y Φ p- tr

O H Φ o 3 Φ 00

- 13 -

Figur 6a zeigt in vergrößerter Darstellung die Auslenkungen der Federzungen 210 im Betrieb des Motors.

Figur 7 zeigt einen als Sekundärteil ausgebildeten Reaktionsteil 30, der ebenfalls über elastische Zungen federnd auf dem Unterbau 40 gelagert ist. Hier wird die Dämpfung direkt auf der Oberfläche einer Magnetplatte 30' (Sekundärteil) erzeugt. Hierzu ist ein entsprechendes Wirbelstromelement 220 am Ende der Magnetplatte 30' des Reaktionsteils 30 angeordnet. Das Wirbelstromelement 220 steht mit dem Unterbau 40 in fester Verbindung und erzeugt bei Bewegung des Reaktionsteils Wirbelströme. Diese wirken der Bewegung proportional zur Geschwindigkeit entgegen und dämpfen somit die Eigenschwingungen des federnd gelagerten Reaktionsteils 30. Auch dieses Element kann in den Reaktionsteil 30 integriert oder als Montageadapter hergestellt werden.

Erfindungsgemäß kann die Lagervorrichtung auch als separates Bauteil ausgestaltet sein, wobei eine Montagefläche 230 für den Reaktionsteil 30 und eine Montagefläche 240 zur Befestigung an einem Unterbau vorgesehen sind.

Claims

- 14 -Patentansprüche

1. Antriebsmotor für Werkzeugmaschinen o. dgl . mit einem Abtriebsteil (20), der einer Nutzlast zugeordnet ist, einem Reaktionsteil (30), der mit dem Abtriebsteil (20) wechselwirkt, einem Unterbau (40) zur Befestigung des Motors an der Maschine, einer Lagervorrichtung (110; 160, 170; 200) zwischen dem Reaktionsteil (30) und dem Unterbau (40), in der der Reaktionsteil (30) so gelagert ist, daß bei einer Bewegung des Abtriebsteils (20) der Reaktionsteil (30) eine Gegenbewegung ausführen kann, und einer Einrichtung (140, 150) zum Ableiten von Daten zur Positiosregelung des Motors , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung (140, 150) zum Ableiten von Daten zur Positiosregelung Positionsdaten des Abtriebsteils (20) relativ zum Unterbau (40) bestimmt.

2. Antriebsmotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung (140, 150) zum Ableiten von Daten zur Positiosregelung aus einem mit dem Abtriebsteil (20) fest verbundenen Maßstab (140) und einem mit dem Unterbau (40) fest verbundenen Sensor (150) besteht .

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch elastische Federmittel (100) , die einerseits am Unterbau (40) , andererseits am Reaktionsteil (30) angreifen.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastischen Federmittel (100) in die Lagervorrichtung (200) integriert sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Dämpfungsmittel (90) zwischen dem Unterbau (40) und dem Reaktionsteil (30) vorgesehen sind. - 15 -

6. Motor nach Anspruch 5 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dämpfungsmittel in die Lagervorrichtung integriert sind.

7. Motor nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine elektromagnetische Dämpfungsvorrichtung vorgesehen ist .

8. Motor nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Reaktionsteil (30) der Sekundärteil des Motor ist und eine Magnetplatte (30') aufweist und daß am Unterbau (40) ein Wirbelstromelement (220) vorgesehen ist, das zur Dämpfung mit der Magnetplatte (30') wechselwirkt.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lagervorrichtung ein hydrostatisches Lager (110) aufweist.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lagervorrichtung ein Wälzlager aufweist.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lagervorrichtung ein magnetisches Lager aufweist.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lagervorrichtung eine Anzahl von elastischen Zungen (210) aufweist, die sich rechtwinklig zur Antriebsrichtung des Motors zwischen dem Unterbau (40) und dem Reaktionsteil (30) erstrecken.

13. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unterbau (40) weitgehend vom Impuls der Gegenbewegung des Reaktionsteils (30! entkoppelt ist. - 16 -

14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unterbau (40) die vom Antriebsteil (20) vermittelten Bearbeitungskräfte und das Reaktionsteil (30) die vom Abtriebsteil (20) vermittelten Verstellkräfte aufnimmt.

15. Motor nach den Ansprüchen 4 und 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die übertragbare Bearbeitungskraft durch die elastischen Federmittel (100) einstellbar ist.

16. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e z e i c h n e t , daß der Motor ein elektrischer Linearmotor ist .

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Motor ein mehrphasiger Linearmotor ist und daß für die Kommutierung eine Wegmessvorrichtung (120, 130) vorgesehen ist, zur Ermittlung der Relativposition von Antriebsteil (20) und Reaktionsteil (30) .

18. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß er ein Rotationsmotor ist .

19. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß er ein Fluidmotor ist .

20. Maschine zur Bearbeitung von Werkstücken mit einem Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Nutzlast ein Werkstück oder ein Werkzeug ist.

21. Maschine nach Anspruch 20, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lagervorrichtung und/oder der Unterbau in die Maschine integriert oder Teile der Maschine sind.

22. Maschine nach Anspruch 20 oder 21, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maschine eine Unrunddrehmaschine ist . - 17 -

23. Pumpe mit einem Motor nach einem der Ansprüche 1 bis