Beschreibung

Einrichtung zur Bewegungsführung eines Maschinenelementes einer Maschine

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bewegungsführung eines Maschinenelementes einer Maschine.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein diesbezügliches Verfah- ren.

Bearbeitungsprozesse sind insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder bei Robotern häufig komplex, zeitaufwendig und die an dem Prozess beteiligten Materialien und Werkzeuge sind teuer. Beim Bearbeitungsprozess können bei einer handelsüblichen Maschine viele Fehler auftreten, die trotzt intensiver Vorplanung oftmals erst während des Bear ^¬ beitungsprozesses erkannt werden. So kommt es oftmals während des Bearbeitungsvorganges zu so genannten kritischen Prozess- zuständen wie z.B. Auftreten von Ratterschwingungen, drohenden Kollisionen zwischen einem Maschinenelement und einem zu bearbeitenden Werkstück, Temperaturüberhöhung eines Antriebs, vorzeitiges Verschleißen von Werkzeugen, Verfahren des Maschinenelementes in die Endschalterposition und/oder ein feh- lendes Werkzeug im Magazin. Diese Fehler und/oder Störungen führen häufig zu einem vorzeitigen Abbruch des Bearbeitungsprozesses .

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optimierten Bearbeitungs- prozess zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zur Bewe ^¬ gungsführung eines Maschinenelements einer Maschine, wobei die Einrichtung ein Sollwertberechungsmittel aufweist, wobei das Sollwertberechungsmittel Sollwerte bestimmt und zur Rege ^¬ lung eines Motors an eine Antriebseinrichtung ausgibt, wobei die Einrichtung ein Sollwertberechungsmittelmodell, das Mo ^¬ dellsollwerte bestimmt und an ein Auswertemittel ausgibt,

aufweist, wobei die Modellsollwerte zeitlich vor den Sollwer ^¬ ten vom Sollwertberechungsmittelmodell bestimmt und an das Auswertemittel ausgegeben werden.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bewegungsführung eines Maschinenelements einer Maschine, wo ^¬ bei mittels eines Sollwertberechungsmittels Sollwerte be ^¬ stimmt werden und zur Regelung eines Motors an eine An ^¬ triebseinrichtung ausgegeben werden, wobei mittels eines Sollwertberechungsmittelmodells Modellsollwerte bestimmt und an ein Auswertemittel ausgegeben werden, wobei die Modell ^¬ sollwerte zeitlich vor den Sollwerten vom Sollwertberechungs ^¬ mittelmodell bestimmt und an das Auswertemittel ausgegeben werden .

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausbildungen der Einrichtung und umgekehrt .

Es erweist sich als vorteilhaft wenn das Sollwertberechungs ^¬ mittelmodell im Wesentlichen mit dem Sollwertberechnungsmit- tel übereinstimmt, insbesondere mit dem Sollwertberechnungs ^¬ mittel übereinstimmt. Hierdurch wird eine optimale Nachbil ^¬ dung des Sollwertberechnungsmittels erzielt.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die aktuellen Betriebsparameter des Sollwertberechungsmittels vor Bestim ^¬ mung der Modellsollwerte auf das Sollwertberechungsmittelmo ^¬ dell übertragen werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Sollwertberechnungsmittelmodell immer mit den aktuellen Betriebsparametern, die auch das Sollwertberechnungsmittel zur Berechnung der Sollwerte verwendet, arbeitet.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn dass das Sollwertberechungsmittelmodell die Modellsollwerte an ein An-

triebsmodell ausgibt, wobei das Antriebsmodell die regelungs ^¬ technischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Antriebseinrichtung nachbildet. Wenn nicht nur mit Hilfe eines Sollwertberechnungsmittelmodells das Sollwertberechnungsmit- tel nachgebildet wird, sondern ebenfalls die Antriebseinrich ^¬ tung in Form eines Antriebsmodells, so können auch die rege ^¬ lungstechnischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Antriebseinrichtung in der Simulation berücksichtigt werden.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die aktuellen

Betriebsparameter der Antriebseinrichtung vor Bestimmung der Modellsollwerte auf das Antriebsmodell übertragen werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Antriebsmodell immer auf Basis der tatsächlichen aktuellen Betriebsparameter der Antriebseinrichtung arbeitet.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Antriebsein ^¬ richtung eine Regelung und/oder einen Stromrichter und/oder einen Motor und/oder ein Getriebe und/oder das Maschinenele- ment umfasst. Eine Regelung, ein Stromrichter, ein Motor, ein Getriebe und ein Maschinenelement stellen übliche Komponenten einer Antriebseinrichtung dar.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Sollwertbe- rechnungsmittel und das Sollwertberechungsmittelmodell inte ^¬ graler Bestandteil einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Maschine ist. Durch diese Maßnahme wird eine kompakte Bauform der Einrichtung erzielt.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Antriebsmo ^¬ dell integraler Bestandteil einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Maschine ist. Durch diese Maßnahme wird eine besonders kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielt .

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Sollwertbe ^¬ rechnungsmittel integraler Bestandteil einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Maschine ist und das Sollwertbere-

chungsmittelmodell und/oder das Antriebsmodell integraler Be ^¬ standteil einer externen Recheneinrichtung ist. Diese Maßnahme erlaubt eine Realisierung der Erfindung auch wenn die Rechenleistung der Steuerungseinrichtung nicht ausreicht um zu- sätzlich das Sollwertberechnungsmittelmodell und/oder das An ^¬ triebsmodell mit Ablaufen zu lassen.

Insbesondere bei Maschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder bei Robotern ist eine Anwendung der Erfindung vorteilhaft, da bei diesen Maschinen die Bearbeitungsprozesse komplex und zeitaufwendig sind. Es sei aber an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass selbstverständlich die Erfindung auch bei anderen Maschinen einsetzbar ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen :

FIG 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein- richtung und

FIG 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung .

In FIG 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine erste Aus- führungsform der Erfindung dargestellt. Eine Steuereinrichtung 5 weist ein Sollwertberechnungsmittel 1 und ein Auswer ^¬ temittel 2 auf. Die Steuereinrichtung 5 steuert eine Maschine (z.B. eine Werkzeugmaschine), insbesondere steuert sie die Bewegung eines Maschinenelementes 8, das z.B. in Form eines Werkstückschlittens oder eine Werkzeughaltevorrichtung oder eines Werkzeugs vorliegen kann. Das Maschinenelement 8 kann aber auch z.B. bei einer Druckmaschine in Form einer sich drehenden Druckerwalze vorliegen. Die Steuereinrichtung 5 kann dabei in Form einer so genannten numerischen Steuerung vorliegen. Selbstverständlich weist die Steuereinrichtung 5 noch andere Elemente auf, die jedoch, da sie für das Ver ^¬ ständnis der vorliegenden Erfindung unwesentlich sind, der übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Mit Hilfe

des Sollwertberechnungsmittels 1 werden im Rahmen des Ausfüh ^¬ rungsbeispiels Lagesollwerte x _so ii, die eine zu verfahrende Sollbewegung des Maschinenelementes 8 vorgeben, als Regel ^¬ sollgröße an eine Regelung 4 vorgegeben. Die Regelung 4 steu- ert entsprechend einen Stromrichter 16 an, der wiederum einen Motor 6 entsprechend ansteuert, was durch entsprechende Pfei ^¬ le in FIG 1 angedeutet ist. Die Istlage x _lst des Motors 6 wird von einem Lagegeber 15 erfasst und als Regelistgröße an die Regelung 4 zurückgeführt. Der Motor 6 bewegt über ein Getrie- be 7 das Maschinenelement 8. Die Regelung 4, der Stromrichter 16, der Motor 6, das Getriebe 7 und das Maschinenelement 8 sind im Rahmen des Ausführungsbeispiels Bestandteil einer An ^¬ triebseinrichtung 3. Das Sollwertberechnungsmittel 1 berech ^¬ net die Lagesollwerte x _so ii anhand von Betriebsparametern die vom Anwender z.B. in Form einer gewünschten Bewegung vorgegeben werden. Weiterhin liegen die Betriebsparameter aber z.B. auch in Form von maximal möglichen Beschleunigungsgrenzen der Bewegung des Maschinenelements und den Leistungsdaten des Mo ^¬ tors 6 und/oder des Stromrichters 16 vor. Die Betriebsparame- ter der Antriebseinrichtung 3 können an die Steuereinrichtung 5 und insbesondere an das Sollwertberechnungsmittel 1 über ^¬ tragen werden, was durch einen Pfeil 11 angedeutet ist. Die bis jetzt beschriebene Ausführung der Steuereinrichtung 5 und der Antriebseinrichtung 3 entspricht der Ausführung wie bei einer handelsüblichen Maschine, wobei das Sollwertberechnungsmittel 1 handelsüblich in Form eines so genannten Numerischen Control Kernel (NCK). vorliegt.

Der Nachteil einer solchen handelsüblichen Maschine ist, dass wie schon eingangs erwähnt, Fehler oft erst während Bearbei- tungsprozess auftreten und erkannt werden und der Bearbei- tungsprozess infolge gestoppt werden muss.

Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, unmittelbar vor dem an der Maschine ablaufenden Bearbeitungsprozess diesen zumindest teilweise oder vollständig zu simulieren um vor dem Bearbeitungsprozess anhand der Simulationsergebnisse zu über ^¬ prüfen ob der reale Bearbeitungsprozess fehlerfrei durchge-

führt werden wird. Dabei kann z.B. das Auftreten von Ratterschwingungen schon im Vorfeld erkannt werden und entsprechend die Betriebsparameter vor dem Starten des realen Bearbeitungsprozesses geändert werden.

Die Einrichtung weist neben der Steuereinrichtung 5 eine externe Recheneinrichtung 13 auf, die in Form von einem einzelnen Rechner oder mehreren Rechnern vorliegen kann. Die Steuereinrichtung 5 ist mit der externen Recheneinrichtung 13 zum Austausch von Daten verbunden, was durch einen Pfeil 12 dargestellt ist. Die externe Recheneinrichtung 13 weist ein Sollwertberechnungsmittelmodell 9 auf, das mit dem Sollwert ^¬ berechnungsmittel 1 übereinstimmt, so dass im Idealfall das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 eine Kopie des Sollwertbe- rechnungsmittel 1 ist. Das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 liegt somit in Form eines Virtuellen Numerical Control Ker ^¬ nels (VNCK) vor. Unmittelbar (z.B. 1 bis 10 Min. vorher) vor dem Start der Simulation d.h. bevor der virtuelle Bearbei- tungsprozess gestartet wird, d.h. bevor die Modelllagesoll- werte x _so iim vom Modellsollwertberechnungsmittel 9 erzeugt werden, werden die Betriebsparameter über die Verbindung 12 an das Sollwertberechnungsmittel 9 übertragen. Vom Sollwert- berechnungsmittelmodell 9 werden darauf hin Modellsollwerte Xsoiim berechnet und zur Auswertung einem Auswertemittel 2 als Eingangsgröße zugeführt. Das Auswertemittel 2 kann nun anhand der solchermaßen simulierten Modellsollwerte x _so iim mit zeit ^¬ lichen Vorlauf erkennen, ob beim realen Bearbeitungsprozess Störungen oder Fehler auftreten werden, so dass der reale Bearbeitungsprozess erst gar nicht gestartet wird oder aber rechtzeitig vor Auftreten von Fehlern und/oder Störungen angehalten wird, um z.B. eine drohende Kollision des Maschinenelementes 8 mit einem anderen Maschinenelement oder einem Werkstück zu vermeiden. Die simulierten Modellsollwerte x _so iim können aber auch innerhalb des Auswertemittels 2 weitergehend analysiert werden um z.B. das Auftreten von Ratterschwingungen schon im Vorfeld festzustellen.

Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß FIG 1, weist die externe Recheneinrichtung 13 zusätzlich ein Antriebsmodell 10 auf, das die regelungstechnischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Antriebseinrichtung 3 nachbildet, auf. Das Antriebsmodell 10 kann dabei z.B. in Form eines linearen Mehr-Körper-Modells, als räumliches Mehr-Körper-Modell mit Berücksichtigung der Maschinenkinematik bis hin zu einem Fi- nite-Elemente-Modell vorliegen, wobei gegebenenfalls nicht lineares Maschinenverhaltens wie Reibung und Lose ebenfalls im Modell berücksichtigt werden können. Dabei werden vorzugs ^¬ weise die Eigenschaften der Regelung 4, des Stromrichters 16 und des Motors 6 mit berücksichtigt.

Die vom Antriebsmodell 10 erzeugten Daten, wie z.B. entspre- chende Istwerte werden dem Sollwertberechnungsmittel 9 zuge ^¬ führt, was durch einen Pfeil 14 angedeutet ist. Die solcher ^¬ maßen erzeugten Istwerte können dann bei Bedarf an das Auswertemittel 2 weitergeleitet werden, was durch einen Pfeil 12 angedeutet ist. So kann z.B. wenn sich innerhalb des An- triebsmodells 10 eine zu hohe Temperatur z.B. eines nachge ^¬ bildeten Motors ergibt, diese an das Auswertemittel 2 gesandt werden, worauf dieses eine entsprechende Warnmeldung an den Bediener der Maschine ausgibt. Umgekehrt werden unmittelbar vor Start der Simulation (z.B. 1 bis 10 Min. vorher) die ak- tuellen Betriebsparameter des Sollwertberechnungsmittels und der Antriebseinrichtung 3 über die Datenleitung 12 an das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 und an das Antriebsmodell 10 übertragen. Solchermaßen ist sichergestellt, dass das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 und das Antriebsmodell mit den Daten der realen Maschine quasi online abgeglichen, z.B. hinsichtlich auftretender Reibung, Werkstückmasse, Regelparameter und Werkzeugzustand. Durch diesen Abgleich ist sichergestellt, dass das Sollwertberechnungsmittelmodell und das Antriebsmodell immer konsistent mit der sich veränderten rea- len Maschine und Bearbeitungstechnologie bleiben und Ihre Gültigkeit behalten.

Stellt der Anwender fest, dass beim simulierten Bearbeitungs ^¬ prozesses Fehler auftreten, so kann er die entsprechenden Betriebsparameter unmittelbar an der Maschine ändern, einen erneuten Testdurchlauf starten und wenn dieser fehlerfrei ver- läuft, den realen Bearbeitungsprozess starten.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung können Prozessgrößen und das Prozessverhalten vorherbestimmt und gegebenenfalls Anpassungen wie z.B. eine Optimierung der Spindeldreh- zahl und/oder der Spanntiefe zur Vermeidung von Ratterschwingungen vorgenommen werden. Weiterhin können Regelparameter angepasst und optimiert werden, wenn sich z.B. Randbedingungen wie die Werkstückmasse während der Bearbeitung verändern. Die Werkstückmasse wird hierzu gemessen und anschließend die Regelparameter nach durchgeführter Simulation optimiert. Dadurch wird die Bearbeitung nicht durch aufwendige Messungen behindert. Weiterhin kann auch die Genauigkeit des Bearbei ^¬ tungsprozesses vor der eigentlichen Bearbeitung bestimmt und gegebenenfalls die entsprechenden Betriebsparameter wie Ge- schwindigkeit , Beschleunigung oder Ruck, der die beim Bewegungsvorgang des Maschinenelementes 8 auftreten, entsprechend verändert werden. Weiterhin können auch physikalische Größen der Maschine, die nicht direkt oder nur mit großem Aufwand gemessen werden können mit Hilfe des Modells im Vorfelds er- mittelt werden. Die Diagnosemöglichkeiten der Maschine werden damit erweitert ohne zusätzliche Messtechnik.

Die in FIG 2 dargestellte Ausführungsform entspricht von der Funktionsweise im Wesentlichen der vorstehend in FIG 1 be- schriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der einzige wesentliche Unterschied zu der Ausführungsform gemäß FIG 1 besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 2 das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 und das Antriebs- modeil 10 integraler Bestandteil der Steuereinrichtung 5 sind. Diese Ausführungsform hat gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 1 den Vorteil, dass keine zusätzliche Hardware not ^¬ wendig ist als die ohnehin vorhandene Hardware der Steuerein-

richtung 5 der Maschine. Um Rechenzeit zu sparen, ist es nicht unbedingt notwendig dass das Sollwertberechnungsmittel- modell 9 und das Antriebsmodell 10 unbedingt wie das Soll ^¬ wertberechnungsmittel 1 in Echtzeit abgearbeitet werden. Auf diese Weise kann die Rechenleistung gespart werden.

Es ist jedoch auch möglich während des Bearbeitungsprozesses (d.h. bei laufenden Bearbeitungsprozess) die Modellsollwerte und/oder andere Daten vom Sollwertberechnungsmittelmodell 9 und/oder dem Antriebsmodell 10 zeitlich konstant (z.B. konstant einige Minuten im Voraus) im Voraus zu berechnen um z.B. eine mögliche Kollision bei laufenden Bearbeitungspro ^¬ zess zeitlich im Voraus erkennen zu können und den Bearbeitungsprozess entsprechend vorausschauend verändern oder Not- falls stoppen zu können. Bei dieser Betriebsweise der Erfindung muss das Sollwertberechnungsmittelmodell 9 und falls vorhanden das Antriebsmodell 10 ebenfalls in Echtzeit ablau ^¬ fen .