Beschreibung

Verfahren zum überwinden der Haftreibung, Verfahren zum Bewegen einer Nutzlast sowie Baumaschine, Produktionsmaschine o- der Roboter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum überwinden der Haftreibung einer vermittels eines durch einen Motor bewegten Antriebselements über ein Getriebe zu bewegenden (von Antrieb und Getriebe verschiedenen) Nutzlast. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Bewegen einer Nutzlast vermittels eines Antriebselements über ein Getriebe. Schließlich betrifft die Anmeldung auch eine Baumaschine, beispielsweise einen Kran, eine Produktionsmaschine oder einen Roboter nach dem Oberbeg- riff des Patentanspruchs 4. (Bei den Begrifflichkeiten ist zwischen Motor und Antriebselement unterschieden, wobei der Motor eine Antriebskraft oder ein Antriebsmoment aufbringt und das Antriebselement die Antriebskraft und das Antriebsmo ^¬ ment aufnimmt. Als Antriebselement in diesem Sinne kann zum Beispiel das mechanische Bauteil bestehend aus dem Rotor des Motors, der Motorwelle und dem Antriebsritzel verstanden wer ^¬ den . )

Ist eine zu bewegende Last zu Beginn unbewegt, so muss zu- nächst die Haftreibung überwunden werden. Es muss eine hohe Losbrechkraft oder ein hohes Losbrechmoment aufgebracht wer ^¬ den .

Bisher werden zum überwinden der Haftreibung die Eigenschaf- ten des Antriebssystems (bestehend aus Motor, gegebenenfalls mechanischen übertragungselementen wie einem Getriebe, und einer Last) nicht berücksichtigt. Es wird vielmehr motorsei- tig eine Antriebskraft oder ein Antriebsmoment aufgebracht, die/das groß genug ist, um die Haftreibung zu überwinden. (Vorliegend wird sowohl der Fall behandelt, dass Antrieb und Getriebe translatorisch arbeiten, als auch, dass sie rotatorisch arbeiten. Die Hinweise auf die Kraft beziehungsweise das Moment betreffen die jeweiligen Fälle.)

Es wird davon ausgegangen, dass die Antriebskraft oder das Antriebsmoment des Motors im Rahmen des Möglichen vollständig auf die Nutzlast übertragen wird. Damit definiert die Los- brechkraft beziehungsweise das Losbrechmoment die Kraft oder das Moment, die das Antriebssystem zum überwinden der Haftreibung aufbringen muss. Dadurch müssen die Motoren (wie auch verwendete Umrichter etc.) so groß definiert werden, dass sie diese Losbrechkraft oder dieses Losbrechmoment aufbringen können. Die im Dauerbetrieb aufgebrachte Dauerkraft bezie ^¬ hungsweise das aufgebrachte Dauermoment und die Leistung sind dann weit von der für das Losbrechen definierten Belastungsgrenze entfernt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, auch schwächere Motoren in Ma ^¬ schinen, insbesondere in Baumaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern, einzusetzen und dennoch die Haftreibung zu ü- berwinden .

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 mit Erweiterung durch das Verfahren nach Patentanspruch 3 und durch eine Baumaschine, eine Produktionsmaschine oder einen Roboter nach Patentanspruch 4 gelöst .

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die physikali ^¬ schen Eigenschaften des Antriebssystems, insbesondere die Fä ^¬ higkeit des Antriebssystems, Schwingungen auszuführen, beim überwinden der Haftreibung genutzt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement durch den Mo ^¬ tor mit einer Antriebskraft oder einem Antriebsmoment beauf ^¬ schlagt wird, die/das eine konstante Komponente und eine pe ^¬ riodisch variierende Komponente umfasst.

Die konstante Komponente dient dazu, eine Bewegungsrichtung zu definieren. Die periodisch variierende Komponente bewirkt, dass eine Schwingung im Antriebssystem eingeleitet und danach

weiter angefacht wird. Hierbei schwingt die Motorträgheits ^¬ masse gegenüber der anfangs noch festsitzenden Last, und die mechanischen übertragungselemente (z. B. Getriebe, Kugelge ^¬ windespindel) wirken als Feder. Durch die Schwingung variiert die von dem Getriebe auf die Last übertragene Kraft bezie ^¬ hungsweise das von dem Getriebe übertragene Moment periodisch und unterschreitet hierbei einmal einen Wert, den der Motor als konstante Komponente bereitstellt und überschreitet die ^¬ sen ein andermal. Durch die Schwingung der Mechanik wird zu- sätzlich eine Kraft ausgeübt, die zusammen mit der Kraft des Motors die Haftreibung überwindet. Damit wird es möglich, schwächere Motoren zu verwenden, die in ihrer Auslegung, was die aufzubringende Kraft beziehungsweise das aufzubringende Moment betrifft, mehr auf den Dauerbetrieb, also das eigent- liehe Bewegen der Nutzlast, eingerichtet sind, als auf das überwinden der Haftreibung.

Die Erfindung ist besonders wirksam, wenn für die Anregung der Schwingungen eine Resonanzfrequenz des Antriebssystems verwendet wird, weil der Motor dann die Schwingungen im Antriebssystem besonders effektiv anfachen kann und besonders hohe Kräfte wirken. Bevorzugt wird deswegen vor dem eigentli ^¬ chen Verfahren, d. h. vor dem Beaufschlagen bei unbewegter Nutzlast, eine Resonanzfrequenz der Anordnung von Antriebs- element und Getriebe gemessen. Beim eigentlichen Verfahren, also beim Beaufschlagen, wird die von der konstanten Komponente verschiedene Komponente mit der Resonanzfrequenz perio ^¬ disch variiert. An sich kann eine beliebige Resonanzfrequenz gewählt sein. Die erste Resonanzfrequenz, d. h. die Frequenz einer Grundschwingung des Antriebssystems, ist am besten geeignet .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bewegen einer Nutzlast vermittels eines Antriebselements über ein Getriebe nach Pa- tentanspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der unbewegten Nutzlast:

das erfindungsgemäße Verfahren zum überwinden der Haftreibung durchgeführt wird, ständig oder wiederholt ermittelt wird, ob die Nutzlast in Bewegung kommt, - nach Ermitteln einer Bewegung das erfindungsgemäße Verfahren beendet wird.

Insbesondere wird dann weiter eine im Wesentlichen nur in eine Richtung wirkende Antriebskraft oder ein Antriebsmoment aufgebracht. Es soll die Nutzlast nicht wieder stehen blei ^¬ ben. Dies lässt sich so ausdrücken, dass das Antriebselement mit einer an die bewegte Last angepassten Antriebskraft oder einem an die bewegte Last angepassten Antriebsmoment beauf ^¬ schlagt wird.

Die erfindungsgemäße Baumaschine, Produktionsmaschine bezie ^¬ hungsweise der erfindungsgemäße Roboter umfasst eine An ^¬ triebssteuereinheit, die dazu ausgelegt ist, Antriebssteuer ^¬ signale abzugeben derart, dass bei einer noch unbewegten Nutzlast der Antrieb mit einer äußeren Antriebskraft oder ei ^¬ nem äußeren Antriebsmoment beaufschlagt wird, die/das eine konstante Komponente und eine periodisch variierende Kompo ^¬ nente umfasst.

Hierzu kann in der Antriebssteuereinheit eine entsprechende Software abgelegt sein.

Bei der Baumaschine, Produktionsmaschine beziehungsweise dem Roboter kann der Antrieb ein elektrischer oder hydraulischer Antrieb sein.

Die Baumaschine, Produktionsmaschine oder der Roboter sind bevorzugt auch zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 3 ausgelegt. Hierzu umfassen sie eine Ermittlungsein- heit, die dazu ausgelegt ist zu ermitteln, ob die Nutzlast sich zu bewegen beginnt, wobei die Antriebssteuereinheit Sig ^¬ nale von der Ermittlungseinheit empfangen kann und dazu aus ^¬ gelegt ist, in Antwort auf eine Bewegung der Nutzlast (d. h.

nach Empfang entsprechender Signale von der Ermittlungseinheit) die Antriebssteuersignale zu ändern.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin- düng unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der

FIG 1 ein physikalisches Modell einer Anordnung aus An ^¬ triebselement, Getriebe und Last veranschaulicht,

FIG 2 die Haftreibungskraft beziehungsweise das Haftrei ^¬ bungsmoment in Abhängigkeit von einer Geschwindig ^¬ keit der Last veranschaulicht,

FIG 3A den zeitlichen Verlauf einer äußeren Antriebskraft oder eines äußeren Antriebsmoments veranschaulicht, mit dem das Antriebselement bei dem erfindungsgemä ^¬ ßen Verfahren beaufschlagt wird,

FIG 3B schematisch die Positionsänderung eines Antriebsele- ments bei Beaufschlagen des Antriebselements mit der

Kraft beziehungsweise dem Moment aus FIG 3A veran ^¬ schaulicht .

In einer Baumaschine wie beispielsweise einem Kran, oder in einer Produktionsmaschine, einem Roboter oder einer sonstigen Maschine erfolgt die Bewegung einer Last grundsätzlich nach immer den selben physikalischen Prinzipien. FIG 1 veranschaulicht ein physikalisches Schemabild einer Anordnung, bei der die Erfindung verwirklicht werden kann.

Ein Antriebselement hat die Masse m _antr . Das Antriebselement kann beispielsweise eine Motorwelle sein und wird im Rahmen der Erfindung als vom eigentlichen Motor getrenntes Bauteil behandelt. Das Antriebselement wird durch den Motor mit einer Kraft F _antr (bei translatorischer Bewegung) beziehungsweise einem Drehmoment M _antr (bei rotatorischer Bewegung) beauf ^¬ schlagt. Das Antriebselement bewegt sich in Antwort auf die Kraft beziehungsweise des Moments. Es ist eine Größe x _an t _r de-

finierbar, die die Stellung des Antriebselements repräsentiert. Bei translatorischer Bewegung entspricht x _antr einem zurückgelegten Weg, bei rotatorischer Bewegung einem Winkel.

Entsprechende Größen können lastseitig definiert werden. Die Last hat eine Masse m _Last . Auf sie wirkt eine Reibungskraft beziehungsweise ein Reibungsmoment F _reib /M _reib , und eine ent ^¬ sprechende Stellung der Last ist durch die Größe x _La st wieder ^¬ gebbar. Das Antriebselement bewegt die Last über ein Getrie- be, das physikalisch gesehen durch eine Federkonstante k und eine Dämpfungskonstante d symbolisierbar ist.

Die auf die Last wirkende Reibungskraft beziehungsweise das Reibungsmoment ergibt sich als Summe von Haftreibung und Gleitreibung. Diese Größen sind geschwindigkeitabhängig. FIG 2 stellt F _reib beziehungsweise M _reib in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Last, v _Last , dar.

Deutlich zu sehen ist, dass die Hauptprobleme bei der Bewe- gung der Last beim Einleiten der Bewegung, d. h. beim Beschleunigen der Last aus der Ruhe heraus, entstehen. Die Haftreibung ist bei der Geschwindigkeit v _Last =0 maximal, sinkt dann rapide ab, und dann steigt allmählich die Gleitreibung an. Die Haftreibung legt die Losbrechkraft beziehungsweise das Losbrechmoment fest.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass nicht unbedingt F _antr beziehungsweise M _antr direkt gleich der benötigten Los ^¬ brechkraft / dem benötigten Losbrechmoment sein müssen. Viel- mehr kann eine Schwingung innerhalb des Antriebssystems aus ^¬ genutzt werden. Bevorzugt wird eine Resonanzfrequenz der Anordnung aus m _antr mit dem Getriebe (Konstanten k und d) bei feststehender Last mit der Masse m _Last ermittelt. F _antr bezie ^¬ hungsweise M _antr wird nun gewählt, wie dies in FIG 3A gezeigt ist. F _antr /M _antr hat eine konstante Komponente. Der konstanten

Komponente überlagert ist eine Schwingung mit der Periode T _an _ _reg =l/f _anreg , wobei f _anr e _g bevorzugt gleich der gemessenen oder berechneten Resonanzfrequenz ist. In FIG 3B ist wiedergege-

ben, wie sich x _an tr in Abhängigkeit von der Zeit in Antwort auf F _antr beziehungsweise M _antr aus FIG 3A verhält. x _antr zeigt eine oszillatorische Bewegung von m _an tr mit steigender Ampli ^¬ tude. Die Schwingung des Gesamtsystems wird angefacht. Bei einer Schwingung von m _antr an der Feder mit der Konstanten k wird ständig zwischen kinetischer Energie (Feder bewegt sich) und potentieller Energie (Spannung der Feder) gewechselt. Im Rahmen der oszillatorischen Bewegung gibt es schließlich eine Situation, in der die potentielle Energie ausreichend groß ist, um die Haftreibung zu überwinden. Mit anderen Worten ist dann die Feder so stark gespannt, dass eine Kraft aufgebracht wird, welche höher ist als die Losbrechkraft (beziehungsweise ein Moment definiert, das höher ist als das Losbrechmoment) .

In FIG 3B ist eingezeichnet, dass die Last zu einem bestimm ^¬ ten Zeitpunkt tatsächlich losgebrochen wird. Die Größe x _antr setzt dann nicht die erwartete oszillatorische Bewegung fort (punktierte Linie) , sondern es erfolgt eine änderung des Ist ^¬ wertverlaufs gegenüber dem erwarteten Verlauf (durchgezogene Linie) . Aufgrund einer Ermittlungseinheit, die entweder di ^¬ rekt eine Bewegung der Last erfasst oder eben die änderung des Istwertverlaufs von x _antr misst (Geber an dem Antrieb) ist es möglich, das Losbrechen der Last zu erkennen. Der Zeitpunkt des Erkennens des Losbrechens ist in den FIG 3A und 3B eingezeichnet. Direkt anschließend wird das bisher durchge ^¬ führte Verfahren abgebrochen, und F _antr beziehungsweise M _antr enthält keine oszillatorische Komponente mehr. Eingezeichnet in FIG 3A ist, dass von der bisherigen Komponente aus eine Erhöhung von F _antr beziehungsweise M _antr auf einen noch höheren konstanten Wert erfolgt. Andere Signalformen sind jedoch denkbar .

In Antwort auf das Losbrechen und die änderung von F _antr be ^¬ ziehungsweise M _antr verändert sich auch das Verhalten von x _an tr- Wie FIG 3B zu entnehmen, steigt x _an tr nach dem Erkennen des Losbrechens (und damit nach Beendigung des Beaufschlagens des Antriebselements mit der periodischen Schwingung) konti-

nuierlich an, was einer Bewegung der Last in eine Richtung entspricht .