eines Antriebstranges

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Echt zeitSteuerung eines Antriebsstranges mit einem Elektromotor und einer Übertragungseinheit, beispielsweise einem Getriebe. Die Übertragungseinheit bzw. das Getriebe weist ein Eingangselement auf, das vom Elekt ^¬ romotor antreibbar ist. Die Übertragungseinheit bzw. das Getriebe weist außerdem ein zu positionierendes Aus ^¬ gangselement auf, an dem beispielsweise ein Rundtisch, ein Schlitten oder dergleichen befestigt ist. Das Ausgangsele ^¬ ment ist vorzugsweise drehend antreibbar, kann aber auch eine lineare oder eine sonstige Bewegung ausführen. Im einfachsten Fall kann die Übertragungseinheit eine starre Ver ^¬ bindung zwischen Eingangselement und Ausgangselement sein. Die Übertragungseinheit kann aber auch eine beliebige Bewe ^¬ gungskopplung bzw. Bewegungsübertragung zwischen Eingangselement und Ausgangselement bewirken. Wird als Über ^¬ tragungseinheit ein Getriebe verwendet, kann eine Über- o- der eine Untersetzung zwischen Eingangselement und Aus ^¬ gangselement vorgegeben werden.

Als Elektromotor dient insbesondere ein Servomotor.

Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei Werkzeugma ^¬ schinen, ist es erforderlich, das Ausgangselement der Übertragungseinheit exakt und wiederholbar positionieren zu können. Diese Aufgabe ist insbesondere dann schwierig, wenn der Antriebsstrang zwischen dem Elektromotor und dem Ausgangselement spielbehaftet ist und/oder Elastizitäten auf- weist, die ein wiederholbares genaues Positionieren des Ausgangselements in einer vorgegebenen Sollposition erschweren. Außerdem können Temperaturschwankungen und andere äußeren Einflüsse die genaue Positionierung des Aus ^¬ gangselements beeinträchtigen.

Ein Ansatz zur Vermeidung dieses Problems ist beispielsweise die Anordnung von exakt positionierten Endlagenschaltern, die das Erreichen einer Sollposition des Ausgangselements anzeigen. Allerdings ist eine solche Lösung nur dann möglich, wenn immer eine bestimmte Sollposition vom Ausgangselement angefahren werden soll und das Errei ^¬ chen dieser Sollposition durch einen fixierten Endlagenschalter angezeigt wird. Bei vielen Anwendungen ist es je ^¬ doch erforderlich, die Sollposition frei über den gesamten möglichen Weg, den das Ausgangselement zurücklegen kann, vorgeben zu können.

Deswegen wurden auch andere Lösungsansätze verfolgt, wie sie beispielsweise in DE 195 06 403 AI beschrieben sind. Dort wird vor dem Betrieb des Antriebsstranges zur Positionierung eines Drehtisches ein Kalibrierverfahren durchgeführt, um die durch Sensorfehler und Spiel erzeugten Ungenauigkeiten zu messen und in einer Tabelle abzuspeichern. Diese Tabelle kann später beim Betrieb des Tisches zur korrigierten Ansteuerung genutzt werden, um die Sensorwerte zu korrigieren und eine genauere Positionierung zu erreichen .

Problematisch bei derartigen Kalibrierverfahren ist es allerdings, dass die Kalibrierung aufwendig ist und auf veränderte Bedingungen während des Betriebs nicht ohne wei ^¬ teres reagieren kann. Beispielsweise müssen Positionsabwei ^¬ chungen durch Temperaturschwankungen durch Temperaturmessung und eine temperaturabhängige Korrektur bei der Ansteu- erung des Antriebstranges berücksichtigt werden. Eine Ver ^¬ größerung des Spiels im Antriebsstrang durch Materialalterung und Verschleiß kann durch dieses Verfahren nicht be ^¬ rücksichtigt werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Antriebsstrangs zu schaffen, das bzw. die auch bei veränderten Betriebsbedingungen eine wiederholbare und exakte Posi ^¬ tionierung des Ausgangselements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkma ^¬ len des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.

Die Erfindung sieht vor, den Antriebsstrang in Echtzeit zu steuern, um das Ausgangselement zu positionieren. Vor Inbetriebnahme der Vorrichtung bzw. vor der Durchführung des Verfahrens müssen deswegen keine Kalibriervorgänge ausgeführt werden. Das Ausgangselement wird in Echt zeit exakt in eine vorgegebenen Sollposition bewegt, wobei das Spiel im Antriebsstrang, das sich verschleiß- oder tempera ^¬ turbedingt ändern kann, oder andere die Positionierung beeinflussenden Parameter in Echtzeit ausgeregelt werden.

Zunächst wird eine Sollposition für das Ausgangsele ^¬ ment vorgegeben, beispielsweise manuell über eine Eingabe ^¬ schnittstelle oder automatisch durch ein Steuerprogramm o- der eine externe Steuerung. Vorzugsweise wird dann zunächst eine Drehrichtung für den Elektromotor ermittelt, die so gewählt wird, dass das Ausgangselement abhängig von seiner aktuellen Istposition auf kürzestem Weg bzw. in kürzester Zeit in die Sollposition bewegt werden kann.

Im Anschluss daran wird der Elektromotor durch die Steuereinheit angetrieben. Während einer ersten Zeitphase erfolgt der Antrieb des Elektromotors mit einer Drehzahl, die kleiner ist als ein erster Drehzahlschwellenwert. Die Drehzahl kann dabei in der ersten Zeitphase insbesondere stetig erhöht werden. Diese erste Zeitphase endet frühes ^¬ tens dann, wenn ein die Position des Ausgangselements er ^¬ fassender Positionssensor anzeigt, dass sich das Ausgangselement aus seiner ursprünglichen Position in Richtung der Sollposition bewegt.

Es wird ferner eine Vorsteuerposition für das Ausgangselement berechnet. Die Vorsteuerposition ist durch ei ^¬ ne fest vorgegebene oder variable Positionsdifferenz von der Sollposition entfernt. Abhängig davon, ob sich das Ausgangselement linear oder rotierend bewegt, kann die Positi ^¬ onsdifferenz eine Strecke und/oder eine Drehwinkel sein. Das Ausgangselement kann eine beliebeige Bewegung entlang einer vorgegebenen Bahn ausführen. Die Positionsdifferenz kann daher auch ein mehrdimensionale gekrümmter Bahnabschnitt sein, der durch Vektoren oder einen Polynomzug (sogenannte „Spline") oder eine Überlagerung aus Strecken und Winkeln oder auf eine sonstige geeignete mathematische Art beschrieben ist. In einer sich an die erste Zeitphase unmittelbar anschließenden zweiten Zeitphase wird der Elektromotor angetrieben, um das Ausgangselement in die berechnete Vorsteuerposition zu bewegen. Insbesondere wird die Drehzahl in der zweiten Zeitphase in einem Beschleunigungszeitabschnitt bis zu einer Maximaldrehzahl erhöht und vor dem Erreichen der Vorsteuerposition in einem Verzögerungszeitabschnitt wieder verringert. Dadurch kann eine mög ^¬ lichst schnelle Bewegung des Ausgangselements in die Vor ^¬ steuerposition erzielt werden. Sobald das Ausgangselement die Vorsteuerposition erreicht hat, wird der Elektromotor stillgesetzt . Die Position des Ausgangselements wird während der zweiten Zeitphase vorzugsweise über die von einem Dreh- lagenbestimmungsmittel ermittelte Position des Elektromo ^¬ tors und die gegebenenfalls vorhandene Getriebeübersetzung berechnet. Insbesondere weist der Positionssensor des Aus ^¬ gangselements eine derart hohe Auflösung auf, dass bei hö ^¬ heren Drehzahlen des Elektromotors während der zweiten Zeitphase das Positionssignal des Positionssensors keine Positionsbestimmung mehr ermöglicht. Da die Vorsteuerposi ^¬ tion nicht exakt eingehalten werden muss, genügt hier eine mit einer größeren Ungenauigkeit behaftete Bestimmung über das Drehlagenbestimmungsmittel . Als Drehlagenbestimmungs ^¬ mittel dient insbesondere ein Drehlagensensor, der eine ge ^¬ ringere Auflösung bzw. Genauigkeit aufweist, als der Posi ^¬ tionssensor .

Sobald über das Drehlagenbestimmungsmittel erkannt wird, dass das Ausgangselement die Vorsteuerposition er ^¬ reicht hat, wird der Elektromotor stillgesetzt. Er ver ^¬ bleibt während einer dritten Zeitphase im Stillstand, bis das Positionssignal des die Position des Ausgangselements anzeigenden Positionssensors unverändert bleibt. Durch Tor ^¬ sionen und Elastizitäten im Antriebsstrang kann es nach dem Abbremsen und Stillsetzen des Elektromotors in der Vorsteu ^¬ erposition zu Schwingungen kommen, die durch das Positionssignal angezeigt werden. Erst wenn der Antriebsstrang insgesamt zur Ruhe gekommen ist, wird die dritte Zeitphase be ^¬ endet .

Schließlich wird im Anschluss an die dritte Zeitphase während einer vierten Zeitphase der Elektromotor mit einer niedrigen Drehzahl angetrieben, die kleiner ist als ein zweiter Drehzahlschwellenwert. Es findet sozusagen eine Kriechbewegung des Ausgangselements von der Vorsteuerposi ^¬ tion in die Sollposition statt. Der Elektromotor wird wäh- rend der vierten Zeitphase solange angetrieben, bis das Ausgangselement die Sollposition erreicht hat, die vom Po ^¬ sitionssignal angezeigt wird. Der Betrag des ersten Dreh ^¬ zahlschwellenwerts ist größer als der Betrag des zweiten Drehzahlschwellenwerts, insbesondere zumindest um den Fak ^¬ tor 2 bis 25.

Die Drehrichtung des Elektromotors wird während der Bewegung des Ausgangselements von der ursprünglichen Position in die Sollposition nicht umgekehrt. Ein Bewegen des Ausgangselements über die Sollposition hinaus und ein Nach ^¬ regeln durch Richtungsumkehr des Elektromotors findet nicht statt .

Während der ersten Zeitphase kann es dazu kommen, dass trotz einer Drehung des Elektromotors wegen des im Antriebsstrang vorhandenen Spiels keine Bewegung des Ausgangselements bewirkt wird. Bis zum Auftreten einer Ände ^¬ rung des Positionssignals kann die veränderte Drehlage des Elektromotors über das Motordrehlagensignal erfasst und da ^¬ raus während der ersten und/oder auch während der zweiten Zeitphase ein Spielwert für das im Antriebsstrang zwischen der Motorwelle des Elektromotors und dem Ausgangselement vorhandene Spiel insbesondere in Echt zeit berechnet werden. Die Berechnung des Spielwertes kann bei jeder durchgeführten Bewegung des Ausgangselements aus einer ursprünglichen Position in eine Sollposition ermittelt werden. Es ist auch möglich, den Spielwert in vorgegebenen Intervallen lediglich von Zeit zu Zeit zu ermitteln. Die Spielwerte können abgespeichert werden. Daraus kann beispielsweise der Ver ^¬ schleiß der Übertragungseinheit bzw. des Getriebes bzw. des Antriebsstranges erkannt werden. Ferner besteht die Mög ^¬ lichkeit, den aktuell ermittelten Spielwert bei der Ermitt ^¬ lung der Vorsteuerposition zu berücksichtigen. Die Vorsteuerposition kann parameterabhängig ermittelt werden. Wie erwähnt, kann ein aktuell ermittelter Spielwert als Parameter bei der Ermittlung der Vorsteuerposition bzw. der Positionsdifferenz dienen. Zusätzlich oder alternativ können auch Parameter wie etwa die Masse und/oder die Trägheit der bewegten Teile des Antriebsstranges verwendet wer ^¬ den. Die Masse und/oder die Trägheit der bewegten Teile kann in der Steuereinheit rechnerisch insbesondere in Echt ^¬ zeit ermittelt und beispielsweise abgespeichert werden. Während eine Beschleunigung oder eine Verzögerung kann das hierfür vom Elektromotor aufgebrachte Drehmoment - bei ^¬ spielsweise durch Messung des Motorstromes - ermittelt und daraus durch eine Messung der Drehzahländerung in einem vorgegebenen Zeitraum ein Rechenwert für die Masse der bewegten Teile ermittelt werden. Durch mehrfache Berechnung und vorzugsweise Mittelwertbildung kann daher eine relativ genaue Bestimmung der bewegten Masse erhalten werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Masse der bewegten Teile in der Steuereinheit als Parameter vorzugeben und ab ^¬ zuspeichern. Zusätzlich oder alternativ kann auch die erreichbare Maximalverzögerung beim Reduzieren der Drehzahl während der zweiten Zeitphase als Parameter zur Bestimmung der Vorsteuerposition bzw. der Positionsdifferenz verwendet werden. Die Positionsdifferenz zwischen der Vorsteuerposition und der Sollposition wird ausreichend groß gewählt, um sicherzustellen, dass das Ausgangselement auch durch Elas ^¬ tizitäten im Antriebsstrang und dadurch bedingte Schwingungen oder Positionsänderungen des Ausgangselements beim Stillsetzen des Motors in der Vorsteuerposition die Sollposition vom Ausgangselement nicht erreicht wird.

Es ist vorteilhaft, wenn das Ausgangselement unmittel ^¬ bar nach Erreichen der Sollposition arretiert wird. Hierfür kann eine entsprechende Arretiervorrichtung vorgesehen sein. Die Arretiervorrichtung beaufschlagt das Ausgangsele- ment unmittelbar und klemmt dieses insbesondere kraft ^¬ schlüssig in der Sollposition fest. Beim Festklemmen wird jede Positionsänderung des Ausgangselements gegenüber der Sollposition vermieden. Die Arretiereinrichtung kann elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch ansteuerbar sein. Es ist vorteilhaft, wenn ein das Aus ^¬ gangselement kraftschlüssig beaufschlagendes Klemmmittel in die Klemmstellung federvorgespannt ist.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Änderung des Positionssignals mit einer Änderung des Motordrehlagensig- nals verglichen wird. In der Steuereinheit kann daraus ein Fehler im Antriebsstrang erkannt werden, beispielsweise der Bruch oder die Blockade eines Bauteils der Übertragungseinheit oder auch der Ausfall des Positionssensors bzw. des Drehlagenbestimmungsmittels .

Bei einem Ausführungsbeispiel kann zusätzlich wenigs ^¬ tens ein Zustandssignal der Übertragungseinheit bzw. des Getriebes erfasst werden, beispielsweise ein Geräusch der Übertragungseinheit bzw. des Getriebes während des Antriebs des Elektromotors und/oder die Temperatur der Übertragungs ^¬ einheit bzw. des Getriebes an wenigstens einer Position und/oder eine vorgegebene Lage wenigstens eines Elements der Übertragungseinheit bzw. des Getriebes, die beispiels ^¬ weise als Nulllage verwendet werden kann. Die Frequenz bzw. die Frequenzen des Geräuschs können ausgewertet und daraus auf die Drehzahl und/oder die Drehzahländerung des Elektromotors und des Ausgangselements geschlossen werden. Dieser aus dem Geräusch ermittelte Wert für die Drehzahl und/oder die Drehzahländerung kann mit den Werten des Positionssensors und/oder des Drehlagenbestimmungsmittels insbeson ^¬ dere in Echtzeit verglichen werden, um deren Plausibilität zu prüfen. Um eine Echt zeitregelung zu erreichen, weist die Steuereinheit bei einem Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein prozessorgesteuertes Echt zeitsystem mit einem FPGA (Field Programmable Gate Array) auf. An das FPGA können eine oder mehrere Ein- und/oder Ausgabemodule für die Programmierung bzw. Bedienung angeschlossen sein. Die Steuereinheit bzw. das FPGA kann weitere drahtlose oder drahtgebundene

Schnittstellen zur Übertragung von Nachrichten, bspw. zur Ausgabe von Fehlermeldungen, aufweisen.

Das Positionssignal des Positionssensors gib nicht nur ein Maß für die Bewegung und die Richtung der Bewegung des Ausgangselements an, sondern das Positionssignal beinhaltet auch eine Angabe über die Absolutposition des Ausgangele ^¬ ments. Auch das Motordrehlagensignal kann eine Angabe über die Absolutposition der Drehlage des Elektromotors enthal ^¬ ten .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Echt zeitSteuerung eines Antriebstrangs und

Figur 2 einen stark schematisierten, beispielhaften zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ausgangelements aus ei ^¬ ner ursprünglichen Position in eine Sollposition sowie die dazugehörige Drehzahl des Elektromotors abhängig von der Zeit . In Figur 1 ist das Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Durchführung einer Echt zeitsteue- rung eines Antriebstrangs 11 veranschaulicht. Zu dem An ^¬ triebstrang 11 gehören ein Servomotor 12 und eine Übertragungseinheit, die beispielsgemäß als Getriebe 13 ausgeführt ist. Anstelle des Servomotors 12 kann auch ein anderer Elektromotor eingesetzt werden. Das Getriebe 13 umfasst ein als Eingangswelle 14 ausgeführtes Eingangselement und ein als Ausgangswelle 15 ausgeführtes Ausgangselement. Das von der Ausgangswelle 15 gebildete Ausgangselement soll positi ^¬ onsgeregelt werden. Hierzu dient die Vorrichtung 10. Rela ^¬ tiv zum Ausgangselement unbeweglich kann ein Maschinenele ^¬ ment 16 angeordnet sein. Beim Ausführungsbeispiel sitzt drehfest auf der Ausgangswelle 15 bspw. ein Drehtisch 17.

Der Servomotor 12 hat eine Motorwelle 18, die beim Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer Kupplung 19 drehfest mit der Eingangswelle 14 verbunden ist. Die Kupplung 19 ist nicht umschaltbar. Sie dient dazu, Ausrichtungsfehler zwischen der Motorwelle 18 und der Eingangswelle 14 auszuglei ^¬ chen und Spannungen im Antriebsstrang 11 zu reduzieren.

Dem Servomotor 12 ist ein Drehlagenbestimmungsmittel 25 zugeordnet, das die Drehlage des Servomotors 12 ermit ^¬ telt. Die Drehlage des Servomotors 12 kann dabei unmittel ^¬ bar gemessen oder aus Messsignalen des Servomotors 12 in einer Steuereinheit 27 berechnet werden. Beim Ausführungs ^¬ beispiel ist das Drehlagenbestimmungsmittel 25 durch einen Drehlagensensor 26 ausgeführt, der der Motorwelle 18 zuge ^¬ ordnet ist. Der Drehlagensensor 26 erzeugt ein Motordrehla- gensignal DM, das vom Drehlagensensor 26 an die Steuereinheit 27 übermittelt wird.

Der Ausgangswelle 15 ist ein Positionssensor 28 zuge ^¬ ordnet, der die Position des von der Ausgangswelle 15 ge- bildeten Ausgangselements erfasst und ein Positionssignal P an die Steuereinheit 27 übermittelt. Das Ausgangselement, hier die Ausgangswelle 15, führt beim Ausführungsbeispiel eine Dreh- bzw. Rotationsbewegung aus. Der Positionssensor 28 ist daher als Drehalgensensor ausgeführt, so dass das Positionssignal P die Drehlage der Ausgangswelle 15 angibt. Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann anstelle einer rotierenden Ausgangswelle 15 auch ein linear bewegbares oder ein schwenkbares oder ein entlang einer gekrümmten Bahn bewegbares Ausgangselement verwendet werden, dessen Position vom Positionssensor 18 erfasst wird.

Sowohl der Drehlagensensor 26 des Servomotors 12, als auch der Positionssensor 28 sind beispielsgemäß als Abso ^¬ lutsensoren ausgeführt, so dass das Positionssignal P bzw. das Motordrehlagensignal DM jeweils die absolute Position der Ausgangswelle 15 bzw. der Motorwelle 18 angibt. Zumin ^¬ dest einer der beiden Sensoren 26, 28 muss eine Absolutpo ^¬ sition erfassen können, um bei einer Inbetriebnahme die absolute Position des Ausgangselements bzw. der Ausgangswelle 15 ohne eine Referenzfahrt ermitteln zu können. Alternativ können auch reine Inkrementalsensoren ohne Absolutpositionsbestimmung verwendet werden, wobei Bei der Inebtriebnah- me eine Referenzfahrt durchgeführt wird, um eine definierte Null- oder Ausgangslage anzufahren oder zu durchfahren, so dass die absolute Position bestimmbar ist. Die Genauigkeit des Positionssensors 28 ist größer als die des Drehlagen ^¬ sensors 26, beispielsweise zumindest um eine Größenordnung. Es ist bei der Vorrichtung ohne Weiteres möglich einen vorhandenen Positionssensor 26, 28 auszutauschen, wobei lediglich eine einfache Parameteränderung erfolgen muss, um beispielsweise die Anzahl der Impulse pro Umdrehung bzw. bei Lineargebern entlang einer vorgegebenen Strecke vorzugeben.

Das Getriebe 13 kann eine Sensoranordnung 31 aufwei- sen, um wenigstens ein Getriebezustandssignal GZ zu erfas ^¬ sen und an die Steuereinheit 27 zu übermitteln. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden drei Ge- triebezustandssignale GZ erfasst: die Temperatur T des Ge ^¬ triebes 13 und insbesondere des Getriebeöls, eine Null ^¬ punktlage N eines Getriebeelements des Getriebes 13, bei ^¬ spielsweise über einen Endlagenschalter oder dergleichen, sowie ein Geräusch A, des Getriebes.

Zu der Vorrichtung 10 gehört beim Ausführungsbeispiel außerdem eine Klemmeinheit 32, die der Ausgangswelle 15 zu ^¬ geordnet ist und diese gegen ein Verdrehen blockieren kann. Beim Ausführungsbeispiel wird diese Blockierung durch ein kraftschlüssiges Verklemmen der Ausgangswelle 15 erzeugt. Hierfür weist die Klemmeinheit 32 wenigstens ein Klemmteil 33 auf, das mechanisch über eine Federeinrichtung 34 in die Klemmposition vorgespannt ist. In der Klemmposition verhindert das Klemmteil 33 durch kraftschlüssige Beaufschlagung der Ausgangswelle 15 deren Drehung. Über das Klemmsignal K kann die Klemmeinheit 32 in die Freigabestellung umgeschal ^¬ tet werden, so dass das wenigstens eine Klemmteil 33 die Drehung der Ausgangswelle 15 ungehindert ermöglicht. Das Bewegen des wenigstens einen Klemmteils 33 entgegen der Kraft der Federeinrichtung 34 kann durch elektrische und/oder hydraulische und/oder pneumatische Mittel bewirkt werden, die in Figur 1 der Übersicht halber nicht veranschaulicht sind. Beispielsweise kann das Klemmteil 33 als Kolben ausgeführt sein, dass durch hydraulischen oder pneumatischen Druck gegen die Feder die Kraft der Federeinrichtung 34 vom durch die Ausgangswelle 15 gebildeten Ausgangselement weg in die Freigabestellung bewegt werden kann .

Zur Ansteuerung des Servomotors 12 ist die Steuereinheit 27 mit einem Servomotortreiber 41 verbunden. Der Ser- vomotortreiber 41 dient dazu, eine ausreichende elektrische Leistung zum Betrieb des Servomotors 12 bereit zu stellen. Über den Servomotortreiber 41 wird beim Ausführungsbeispiel der Motorstrom I für den Servomotor 12 eingestellt. Abhängig vom Typ des verwendeten Elektromotors kommen hier neben dem Motorstrom I andere bzw. weitere Motorsteuergrößen in Betracht, wie etwa die Frequenz eines Wechselstromes und/oder die Motorspannung.

Die Steuereinheit 27 übermittelt dem Servomotortreiber 41 ein Antriebssignal MA, das die Motordrehzahl vorgibt. Der Servomotortreiber 41 kann optional, wie beim Ausführungsbeispiel veranschaulicht, einen Fehler im Servomotor ^¬ treiber 41 durch ein Treiberfehlersignal FT an die Steuereinheit 27 übermitteln.

Die Steuereinheit 27 kann mit wenigstens einer weite ^¬ ren vorzugsweise digitale Ein- und/oder Ausgabeschnittstel ^¬ le 42 verbunden sein, um Überwachungs- oder Sicherheits ^¬ funktionen oder externe Zusatzsteuerfunktionen auszuführen, wie etwa Funktionen betreffend die Kühlung und/oder Schmie ^¬ rung des Getriebes 13. Über die digitale Ein- und/oder Aus ^¬ gabeschnittstelle 42 kann die Steuereinheit 27 auch para- metrisierbar sein.

Die Vorrichtung 10 enthält außerdem eine oder mehrere Bedienerschnittstellen 35, 36. Eine erste Bedienerschnitt ^¬ stelle 35 dient zur Bedienung der Vorrichtung 10 während dem üblichen Betrieb. Über die erste Bedienerschnittstelle 35 kann beispielsweise eine Sollposition P _So ii für das Aus ^¬ gangselement und beispielsgemäß die Ausgangswelle 15 vorge ^¬ geben werden. Außerdem kann die erste Bedienerschnittstelle 15 Informationen über den aktuellen Betriebszustand anzeigen, wie etwa die aktuelle Istposition P _Ist der Ausgangswel ^¬ le 15, die Temperatur T des Getriebes, Fehlerzustände und andere Daten. Die zweite BedienerschnittStele 36 dient zur Programmierung bzw. Parametrisierung der Vorrichtung 10 über die Steuereinheit 27. Über diese zweite Bediener ^¬ schnittstelle 36 lässt sich das Steuer- bzw. Regelverhalten der Echt zeitregelung verändern. Diese zweite Bedienerschnittstelle 36 ist vorzugsweise nur ausgebildetem Fach ^¬ personal zugänglich und kann gegen unbefugten Zugang geschützt sein, beispielsweise durch ein Passwort. Die zweite Bedienerschnittstelle 36 kann unmittelbar mit der Steuer ^¬ einheit 27 und/oder über einen Befehlsinterpreter 37 mit der Steuereinheit 27 kommunizieren.

Die Schnittstellen 35, 36, 42 werden insbesondere pri- orisiert, so dass ein gleichzeitiger Zugriff über mehrere Schnittstellen auf die Steuereinheit 27 nicht zu Undefi ^¬ nierten Zuständen oder Fehlern führt.

Die Steuereinheit 27 kann auch eine drahtgebundene o- der drahtlose Schnittstelle 38 zur Kommunikation mit exter ^¬ nen, vorzugsweise portablen Rechnern 40 aufweisen, um Fehler, aktuelle Betriebszustände oder dergleichen zu übermit ^¬ teln. Als portable Rechner können bspw. Notebooks, Laptops, Smartphones, Computer-Pads oder andere portable, einen Rechner aufweisende Geräte verwendet werden. Die drahtlose Übertragung kann bspw. über eine Telefonverbindung, über eine Bluetooth-Verbindung oder auf sonstige aus dem Stand der Technik bekannte und geeignete Weise hergestellt wer ^¬ den. Bei der Kommunikation mit einem portablen Rechner 40 ist beispielsgemäß eine Datenübertragung zur Steuerung oder Beeinflussung der Steuerung zur Steuereinheit 27 nur nach expliziter Freigabe an der Steuereiheit 27 möglich. Ansons ^¬ ten dient der portable Rechner lediglich zur Datenausgabe oder -anzeige.

Die Vorrichtung 10 dient dazu, das von der Ausgangs- welle 15 gebildete Ausgangselement in Echtzeit zu regeln, insbesondere die Position des Ausgangselements. Um die Da ^¬ ten des Positionssensors 28 und die Ansteuerung des Servo ^¬ motors 12 in Echtzeit realisieren zu können, ist die Steu ^¬ ereinheit 27 beispielsgemäß durch ein FPGA (Field

Progammable Gate Array) gebildet. Das FPGA ermöglicht eine sehr schnelle Datenverarbeitung. Die Steuereinheit 27 ist mit einer Speichereinrichtung 39, die einen RAM und/oder einen ROM aufweisen kann, verbunden, um Daten abzuspeichern bzw. auszulesen. Die Speichereinrichtung kann auch einen externen Speicher aufweisen, der über eine bekannte

Schnittstelle (z.B. USB-Schnittstelle) mit der Steuerein ^¬ heit 27 verbunden ist.

Die Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet das folgende Ver ^¬ fahren in Echtzeit auszuführen:

Zu einem ersten Zeitpunkt tl sei angenommen, dass sch die Ausgangswelle 15 in einer ursprünglichen Position Ρ _Ό befindet. Über die erste Bedienerschnittstelle 35 oder auch durch eine Steuerprogramm wird eine Sollposition P soii vor ^¬ gegeben, in die die Ausgangswelle 15 gedreht werden soll, Zunächst wird beim Ausführungsbeispiel in der Steuereinheit 27 ermittelt, in welche Richtung der Servomotor 12 gedreht werden muss, so dass die Ausgangswelle 15 auf den kürzesten Weg und mithin in der kürzesten Zeit aus der ursprünglichen Position Ρ _Ό in die Sollposition P _So ii gedreht werden kann. Befindet sich die Klemmeinrichtung 32 in ihrer Klemmposition, wird über das Klemmsignal K ein Umschalten bewirkt, so dass die Ausgangswelle 15 frei drehbar ist.

Im Anschluss daran veranlasst die Steuereinheit 27 das Antreiben des Servomotors 12 in der festgelegten Drehrichtung während einer ersten Zeitphase Tl. In dieser ersten Zeitphase Tl wird das im Antriebsstrang 11 vorhandene Spiel eliminiert. Die erste Zeitphase Tl dauert zumindest solan ^¬ ge, bis der Positionssensor 28 eine Bewegung des Ausgangselements anzeigt, also beim Ausführungsbeispiel eine Drehung der Ausgangswelle 15. Während der ersten Zeitphase Tl ist die Drehzahl des Servomotors 12 kleiner als ein ers ^¬ ter Drehzahlschwellenwert Sl. Die Drehzahl wird während der ersten Zeitphase Tl stetig vergrößert und kann mit Ablauf der ersten Zeitphase Tl dem ersten Drehzahlschwellenwert Sl entsprechen, wie dies in Figur 2 schematisch veranschaulicht ist.

Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 während der ersten Zeit ^¬ phase Tl beginnd sich die Ausgangswelle 15 zu drehen. Somit ist das Spiel im Antriebsstrang 11 beseitigt und insbesondere im Getriebe 13 liegen die ineinandergreifenden Getriebeelemente, insbesondere Zahnräder, in ihrer jeweiligen Antriebsrichtung aneinander an. Durch dieses Aneinanderanle- gen der Getriebeelemente während der ersten Zeitphase Tl mit einer geringen Drehzahl rot < Sl werden Schläge und Stöße zwischen ineinandergreifenden Getriebeelemente vermieden, so dass die Beanspruchung und der Verschleiß gemindert ist.

Die aktuelle Drehzahl rot des Servomotors 12 kann aus dem Motordrehlagensignal DM in der Steuereinheit 27 ermit ^¬ telt werden. In Figur 2 ist schematisch dargestellt, dass sich das Positionssignal P erst ab einem zweiten Zeitpunkt t2 ändert und dadurch eine Drehung der Ausgangswelle 15 an ^¬ zeigt. Aus der Änderung der Drehlage des Servomotors 12 zwischen dem ersten Zeitpunkt tl und dem zweiten Zeitpunkt t2 kann in der Steuereinheit 27 ein Spielwert für das im Antriebsstrang 11 zwischen der Motorwelle 18 und der Ausgangswelle 15 vorhandene Spiel ermittelt und beispielweise in der Speichereinrichtung 39 abgespeichert werden. Es ist möglich und beispielsgemäß vorgesehen, diese Spielwerte bei jeder Bewegung des Ausgangselements 15 zu bestimmen und ab ^¬ zuspeichern oder zumindest von Zeit zu Zeit in einem vorge ^¬ gebenen Intervall. Aus den Spielwerten kann beispielweise der Verschleißzustand des Getriebes 13 festgestellt werden. Es können auch Wartungs- und/oder Reparaturempfehlungen über eine der Bedienerschnittstellen 35, 36 oder auch die Schnittstelle 38 ausgegeben werden, wenn die Spielwerte ein vorgegebenes Maß überschreiten.

Die Steuereinheit 27 berechnet eine Vorsteuerposition P _vor für die Ausgangswelle 15. Die Vorsteuerposition P _vor wird derart ermittelt, dass eine berechnete oder fest vor ^¬ gegebene Positionsdifferenz PD zur Sollposition P _so ii be ^¬ steht. Die Positionsdifferenz PD kann im einfachsten Fall fest abgespeichert sein. Alternativ hierzu kann sie parame ^¬ terabhängig durch die Steuereinheit 27 ermittelt werden. Beispielweise kann die Positionsdifferenz PD und mithin die Vorsteuerposition P _vor abhängig von der Trägheit der beweg ^¬ ten Teile des Antriebsstranges 11 und/oder der Masse der bewegten Teile des Antriebsstranges 11 und/oder der maximal erreichbaren Beschleunigung bzw. Verzögerung der bewegten Teile des Antriebsstranges 11 ermittelt werden. Die Masse, die Trägheit und die Maximalbeschleunigung bzw. Maximalverzögerung können beim Betrieb der Vorrichtung 10 anhand des vom Servomotors 12 bereitgestellten Motormoments, das wie ^¬ derum vom Motorstrom I abhängig ermittelt werden kann, und der dadurch bewirkten Drehzahländerung der Drehzahl rot berechnet werden. Dadurch kann die Vorsteuerposition P _vor aus ^¬ reichend weit von der Sollposition P _so ii entfernt bleiben, um eine exakte Positionierung ohne Überschwingen zu erreichen und dennoch ausreichend nah an der Sollposition P _so ii , um unnötige Zeitverzögerungen beim Positionieren des Ausgangselements bzw. der Ausgangswelle 15 zu vermeiden.

Während einer sich an die erste Zeitphase Tl anschlie- ßenden zweiten Zeitphase T2 wird der Servomotor 12 angetrieben, um die Ausgangswelle 15 bis zur Vorsteuerposition P _vor zu drehen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbei ^¬ spiel gliedert sich diese zweite Zeitphase T2 in mehrere Zeitabschnitte. Unmittelbar nach Ende der ersten Zeitphase Tl ist ein Beschleunigungszeitabschnitt T21 vorgesehen, während dem die Drehzahl rot des Servomotors 12 stetig bis zu einer Maximaldrehzahl rmax erhöht wird. Die Drehzahlerhöhung kann linear in einer oder mehreren Stufen mit unterschiedlichen Steigungen (wie in Figur 2 veranschaulicht) oder alternativ auch nicht-linear erhöht werden. Zu einem dritten Zeitpunkt t3 ist der Beschleunigungszeitabschnitt T21 beendet und die Maximaldrehzahl rmax erreicht. Nach Er ^¬ reichen der Maximaldrehzahl rmax bleibt diese bis zu einem vierten Zeitpunkt t4 während der zweiten Zeitphase T2 kon ^¬ stant .

Ab dem vierten Zeitpunkt t4 beginnt ein Verzögerungs ^¬ zeitabschnitt T22, während dem die Drehzahl rot des Servo ^¬ motors 12 reduziert wird. Auch die Drehzahlreduzierung während des Vergrößerungszeitabschnitts T22 kann linear in ei ^¬ ner oder mehreren Stufen mit unterschiedlichen Steigungen durchgeführt werden. Auch eine nicht-lineare Verzögerung ist möglich. Vorzugsweise wird die Drehzahl rot während des Verzögerungszeitabschnitts T22 zunächst bis auf eine in et ^¬ wa dem ersten Drehzahlschwellenwert Sl entsprechende Dreh ^¬ zahl reduziert und anschließend mit einer geringeren Verzö ^¬ gerung bis zum Stillstand des Servomotors am Ende der zwei ^¬ ten Zeitphase T2 weiter reduziert. Die zweite Zeitphase T2 endet, sobald das Positionssignal P anzeigt, dass sich die Ausgangswelle 15 in der Vorsteuerposition P _vor? was beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zu einem fünften Zeitpunkt t5 der Fall ist.

Die Maximaldrehzahl rmax ist die vom Servomotor 12 ma- ximal zur Verfügung gestellte Drehzahl. Abhängig vom Weg zwischen ursprünglicher Position P ₀ und Sollposition P _so ii kann es sein, dass diese Maximaldrehzahl rmax nicht erreicht wird und der Beschleunigungszeitabschnitt T21 unmit ^¬ telbar in den Vergrößerungszeitabschnitts T22 übergeht.

Mit dem fünften Zeitpunkt t5 und dem Erreichen der Vorsteuerposition P _vor beginnt eine dritte Zeitphase T3. Während dieser dritten Zeitphase T3 bleibt der Servomotor 12 im Stillstand. Aufgrund der Trägheit der bewegten Teile im Antriebsstrang 11 kann es nach dem Stillsetzen des Servomotors 12 zum fünften Zeitpunkt t5 zu Schwingungen kommen, die über den hochgenauen Positionssensor 28 an der Ausgangswelle 15 erfasst werden. Solange sich das Positi ^¬ onssignal P des Positionssensors 28 nach dem fünften Zeit ^¬ punkt t5 ändert, bleibt der Servomotor 12 im Stillstand.

Bei der schematischen Darstellung in Figur 2 wird zu einem sechsten Zeitpunkt t6 festgestellt, dass sich das Po ^¬ sitionssignal P nicht mehr ändert, so dass die dritte Zeit ^¬ phase T3 beendet wird.

Zum sechsten Zeitpunkt t6 beginnt eine vierte Zeitpha ^¬ se T4. Während dieser vierten Zeitphase T4 wird der Servo ^¬ motor 12 mit einer Drehzahl rot angetrieben, die kleiner ist als ein zweiter Drehzahlschwellenwert S2. Der zweite Drehzahlschwellwert S2 ist kleiner als der erste Drehzahl ^¬ schwellenwert Sl. Der Servomotor 12 und mithin die Aus ^¬ gangswelle 15 werden langsam, sozusagen im Kriechgang gedreht, wodurch die Ausgangswelle 15 aus der Vorsteuerposi ^¬ tion P _vor in die Sollposition P _so ii gedreht wird.

Zu einem siebten Zeitpunkt t7 zeigt das Positionssig ^¬ nal P an, dass die Ausgangswelle 15 die Sollposition P _so ii erreicht hat, woraufhin der Servomotor 12 durch die Steuer- einheit 27 sofort gestoppt und die Klemmeinheit 32 über das Klemmsignal K in ihre Klemmstellung umgeschaltet wird. Die Ausgangswelle 15 wird dann kraftschlüssig exakt in der Sollposition P _so ii festgehalten.

Während der gesamten Bewegung des von der Ausgangswelle 15 gebildeten Ausgangselements wird die Drehrichtung des Servomotors 12 nicht umgekehrt. Es wird eine schnelle, wie ^¬ derholbare und positionsgenaue Bewegung des Ausgangsele ^¬ ments in die Sollposition P _so ii erreicht. Unabhängig vom Spiel, von temperaturbedingten oder verschleißbedingten Spieländerungen oder sonstigen Einflüssen, wird die Genauigkeit der Positionierung des Ausgangselements nicht beein- flusst. Aufwendige Kalibrierverfahren zur Fehlerermittlung im Getriebe 13 oder sonstigen Teilen des Antriebsstrangs 11 entfallen. Die Position des Ausgangselements bzw. der Aus ^¬ gangswelle 15 wird in Echtzeit beim Betrieb der Vorrichtung 10 geregelt.

Die Erfindung wurde am Beispiel eines Ausgangselements 15 erläutert, an dem drehfest ein Drehtisch 17 angeordnet ist. Anstelle einer drehenden oder rotierenden Bewegung können auch linear oder entlang von Bahnkurven bewegte Ausgangselemente verwendet werden. Der Positionssensor 28 ist in diesem Fall nicht als Drehgeber, sondern beispielsweise als linearer Positionssensor ausgestaltet. Entscheidend ist, dass der Positionssensor 28 dem Ausgangselement des Getriebes 13 und mithin am letzten bewegten Teil des Antriebsstranges 11 angeordnet ist. Wären nachfolgend an den Positionssensor 28 Überset zungs- oder Getriebestufen vorgesehen, könnte deren Spiel bei der Regelung nicht berücksichtigt werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Echt zeitsteuerung eines Antriebsstrangs 11 mit ei- nem Servomotor 12 und einem Getriebe 13. Das Getriebe 13 weist ein vom Servomotor 12 angetriebenes Eingangselement 14 und ein zu positionierendes Ausgangselement, insbesonde ^¬ re eine Ausgangswelle 15, auf. Ein Positionssensor 28 er- fasst die Position der Ausgangswelle 15. Ein Drehlagenbe- stimmungsmittel 25 ermittelt die Drehlage des Servomotors 12. Die Genauigkeit des Positionssensors 28 ist um zumin ^¬ dest eine Größenordnung höher als die Genauigkeit des Dreh- lagenbestimmungsmittels 25. Der Servomotor 12 wird von ei ^¬ ner Steuereinheit 27 derart angesteuert, dass sich die Drehzahl zur Bewegung des Ausgangselements aus einer ursprünglichen Position in eine Sollposition P _so ii langsam erhöht, bis das Spiel in dem Antriebsstrang 11 vollständig überwunden ist. Anschließend wird die Ausgangswelle 15 in eine berechnete Vorsteuerposition P _vor bewegt, die eine be ^¬ rechnete oder vorgegebene Positionsdifferenz PD zur Sollposition P _So ii aufweist und der Servomotor 12 wird bei Errei ^¬ chen der Vorsteuerposition P _vor gestoppt. Das Stillsetzen des Servomotors 12 wird solange aufrecht erhalten, bis sich das Positionssignal P des Positionssensors 28 nicht mehr ändert. Anschließend wird über den Servomotor 12 die Aus ^¬ gangswelle 15 von der Vorsteuerposition P _vor in die Sollpo ^¬ sition P _So ii bewegt.

Bezugs zeichenliste :

10 Vorrichtung

11 Antriebsstrang

12 Servomotor

13 Getriebe

14 Eingangswelle

15 Ausgangswelle

16 Maschinenelement

17 Drehtisch

18 Motorwelle

19 Kupplung

25 Drehlagenbestimmungsmittel

26 Drehlagensensor

27 Steuereinheit

28 Positionssensor

31 Sensoranordnung

32 Klemmeinheit

33 Klemmteil

34 Federeinrichtung

35 erste Bedienerschnittstelle

36 zweite Bedienerschnittstelle

37 Befehlsinterpreter

38 drahtlose Schnittstelle

39 Speichereinrichtung

40 portabler Rechner

41 Motortreiber

42 Ein- und/oder Ausgabeschnittstelle

A Geräusch

DM Motordrehlagensignal

FT Treiberfehlersignal I Motorstrom

K Klemmsignal

MA Antriebssignal

N Nullpunktläge

P Positionssignal

PD Positionsdifferenz

P _ist Istposition

Psoii Sollposition

P _u ursprüngliche Position rot Drehzahl

rmax Maximaldrehzahl

51 erster Drehzahlschwellenwert

52 zweiter Drehzahlschwellenwert T Temperatur tl erster Zeitpunkt

t2 zweiter Zeitpunkt

t3 dritter Zeitpunkt

t4 vierter Zeitpunkt

t5 fünfter Zeitpunkt

t6 sechster Zeitpunkt

t7 siebter Zeitpunkt

Tl erste Zeitphase

T2 zweite Zeitphase

T21 Beschleunigungszeitabschnitt

T22 Verzögerungszeitabschnitt

T3 dritte Zeitphase

T4 vierte Zeitphase