AT506758B1 - Verfahren zur dämpfung von maschinenresonanzen - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 758B1 2012-01-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUR DÄMPFUNG VON MASCHINENRESONANZEN

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dämpfung von Maschinenresonanzen.

[0002] Bei aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen ist es bekannt, dass durch einen elektrischen Antrieb Resonanzen der angetriebenen Maschine auftreten können, welche wiederum den Betrieb der Maschine stören. Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen und Verfahren zur Dämpfung derartiger Maschinenresonanzen bekannt. So ist es im Zusammenhang mit Optimierungstätigkeiten an Maschinen und Anlagen bekannt, dass sich niedrigere Resonanzfrequenzen beispielsweise mit klassischen Kaskadenreglern und Sperrfiltern nicht in den Griff bekommen lassen und hierbei andere Ansätze erforderlich sind. Derartige Anlagen an Maschinen stellen grundsätzlich schwingungsfähige Systeme dar, die sich nur hinsichtlich ihrer Eigenfrequenzen und Dämpfungen unterscheiden. Eine erreichbare Maschinendynamik wird häufig durch derartige mechanische Resonanzfrequenzen begrenzt, wobei gerade die oben erwähnten niederfrequenten Eigenmoden limitierend wirken. Typische (kritische) Strukturschwingungen liegen dabei in einem Bereich zwischen 5 und 30 Hz.

[0003] Im Betrieb werden diese Eigenschwingungen bzw. Eigenmoden durch den Bearbeitungsprozess bzw. eine Verfährbewegung von Arbeitselementen bei dieser Verfahrbewegung angeregt.

[0004] Eine Möglichkeit bestünde darin, die Mechanik zu versteifen, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen. Höhere Frequenzen werden weniger stark angeregt und sind darüber hinaus noch besser gedämpft, bzw. man kann dann wieder klassische Filterverfahren anwenden. Diese Vorgehensweise ist doch in vielen Fällen relativ kostenintensiv und damit nicht zielführend.

[0005] Weiterhin ist es bekannt, Schwingungen mittels einer aktiven Bedämpfung durch einen Kaskadenregler zu bedämpfen. Dabei ist es beispielsweise möglich, um eine Anregung der Eigenmoden der Maschinenstruktur zu vermeiden, die Positionierdynamik d.h. die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und den Ruck anzupassen. Dabei ist es auch möglich, bereits in der Sollwert-Aufbereitung durch Bandbegrenzung des Sollwertverlaufs den Ruck zu begrenzen, wobei zur Eliminierung der niedrigen Frequenzen eine sehr starke Filterungswirkung benötigt wird, was sich negativ auf die erreichbare Positionierzeit bzw. Konturgenauigkeit auswirkt. Weiterhin ist es bekannt, zur Bedämpfung von Resonanzstellen Stromsollwert-Filter einzusetzen, wobei diese Vorgehensweise jedoch nur für Frequenzen oberhalb 100 Hz tauglich ist. Weiterhin sinkt bei all den beschriebenen Maßnahmen insgesamt die Produktivität.

[0006] Die DE 102 46 093 C1 beschreibt ein Verfahren zur Dämpfung mechanischer Schwingungen von Achsen von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern. Bei diesem Verfahren sind Rückführglieder vorgesehen, wobei ein Ausgangssignal jedes Rückführglieds gegengekoppelt auf den Drehzahlsollwert eines Motordrehzahlreglers aufgeschaltet wird und solchermaßen die Motorsolldrehgeschwindigkeit für den Motordrehzahlregler gebildet wird. Dabei misst mindestens ein Sensor oder ein Messsystem den jeweiligen Lage-Istwert der Achse und bestimmt durch Differenzierung eine Ist-Geschwindigkeit der Achse, wobei diese Ist-Geschwindigkeit jedem Rückführglied zugeführt wird und jedes Rückführglied spezifisch auf jeweils einen zu dämpfenden Schwingungsfrequenzbereich der Schwingungen der Achse abgestimmt ist.

[0007] Aus der EP 1 672 448 B1 ist eine Steuerung für eine Werkzeugmaschine bekannt. Dabei ist eine Beschleunigungs-Ermittlungsvorrichtung vorgesehen, welche eine Beschleunigung von einem Bearbeitungsende ermittelt sowie eine Umwandlungsvorrichtung, welche hieraus eine Position des Bearbeitungsendes ermittelt, indem die von der Beschleunigung- und Ermittlungsvorrichtung ermittelte Beschleunigung umgewandelt wird. Weiterhin wird eine Positionsabweichung festgelegt, wobei dies durch Addieren einer erhaltenen ersten Positionsabweichung und einer ermittelten Position dieses Bearbeitungsendes erfolgt. 1 /12 österreichisches Patentamt AT506 758B1 2012-01-15 [0008] Die Druckschrift EP 0 693 333 A1 beschreibt ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen Bauteilen oder Maschinen, wobei ein Bewegungs-Istwert ermittelt wird und ein von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb aus gegebener Bewegungs-Sollwert unter Berücksichtigung des Bewegungs-Istwerts ermittelt wird. Bei der ermittelten Zustandsgröße handelt es sich um die Beschleunigung, welche entweder direkt gemessen oder mittels eines Beobachters, also eines außenstehenden Messsystems oder einer Messvorrichtung rekonstruiert wird.

[0009] Die Druckschrift US 2003/123046 A1 beschreibt einen Regelkreis, bei dem an einer mechanischen Einrichtung ein mechanischer Istwert ermittelt wird und anhand dieses Istwerts ein Sollwert bestimmt wird, welcher an den Antrieb ausgegeben wird. Bei dem mechanischen Istwert kann es sich insbesondere um die Position, die Geschwindigkeit, oder die Beschleunigung eines mechanischen Bauteils handeln. Dieser mechanische Istwert wird durch einen Sensor aufgenommen. Schließlich zeigt die WO 2005/111749 A2 eine Ansteuerung eines Antriebsmotors, bei der die Ist-Beschleunigung gemessen wird und von einem Regler eine Soll-Beschleunigung bestimmt wird. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Beschleunigungssensor zur Erfassung der Ist-Beschleunigung. Des Weiteren umfasst diese Vorrichtung auch einen Drehzahlregelkreis, über den die Drehzahl des Antriebsmotors zurückgeführt wird. Die Drehzahl des Antriebsmotors wird jedoch nicht dazu verwendet, den mechanischen Bewegungs-Istwert ohne einen Sensor zu bestimmen.

[0010] Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren erfordern immer einen zusätzlichen lastseitigen Sensor und es kann weiterhin zu Konturproblemen kommen, da die Schwingungsdämpfung unabhängig von dem Sollwertverlauf erfolgt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bedämpfung von Resonanzschwingungen erlaubt. Weiterhin soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welche eine Schwingungsdämpfung ermöglichen, die unter Berücksichtigung (Einhaltung) des Sollwertverlaufes erfolgt.

[0011] Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 10 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0012] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dämpfung von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen Maschinen ist wenigstens ein Antrieb vorgesehen und an diesem Antrieb werden von einer Steuerungseinrichtung, welche auch im Antrieb integriert sein kann, Bewegungs-Sollwerte vorgegeben. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein durch den Antrieb verursachter mechanischer Bewegungs-Istwert des Antriebs oder der durch den Antrieb angetriebenen Maschine auf Basis von im Antrieb vorhandenen Zustandsgrößen ermittelt und der von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb ausgegebene Bewegungs-Sollwert wird unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts ermittelt, wobei der mechanische Bewegungs-Istwert ein Beschleunigungswert ist.

[0013] Damit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, insbesondere niederfrequente Resonanzfrequenzen mittels einer im Antrieb realisierten Beschleunigungsregelung aktiv zu bedämpfen. Dabei ist es möglich, den Beschleunigungsistwert direkt im Antrieb zu ermitteln, es wäre jedoch auch möglich, den Beschleunigungsistwert aus einem Lage-Istwert des Drehgebers zu ermitteln indem dieser Lage-Istwert zweimal nach der Zeit differenziert wird.

[0014] Durch die Beschleunigungsregelung ist der Lösungsansatz einfach anwendbar und robust, da keine exakte Kenntnis der Resonanzfrequenzen vorliegen muss. Es ist daher möglich, breitbandig zu bedämpfen, wobei das Frequenzband über Filter (Hoch-/Tiefpass) definierbar ist. Weiterhin ergibt sich dadurch eine Möglichkeit den Ansatz auch für konturgenaue Bearbeitungen einzusetzen. Der Beschleunigungsistwert kann insbesondere über einen Sensor, ein Modell oder durch Ableitung aus einer lastseitigen Position erfolgen.

[0015] Vorzugsweise enthält der mechanische Bewegungs-Sollwert einen Beschleunigungs- 2/12 österreichisches Patentamt AT506 758B1 2012-01-15

Sollwert für den Antrieb.

[0016] Aus dem Stand der Technik ist eine angepasste Sollwert-Aufbereitung bekannt, welche ein hochdynamisches Verfahren erlaubt, ohne dass die störenden Eigenfrequenzen der Struktur über den Sollwertpfad angeregt werden. Hierzu ist es jedoch erforderlich, ein entsprechend optimiertes und an die Struktur angepasstes Sollwertprofil zu erzeugen, welches die störenden Frequenzanteile nicht mehr enthält. In diesem Verfahren kann zwar eine Bedämpfung am TCP (ToolCenterPoint), dem Mittelpunkt eines bewegten Arbeiteelementes, erreicht werden, aber an einer Achse selbst wird mehr Bewegung zu beobachten sein.

[0017] Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise können interpolierende Achsen für Werkzeugmaschinen Anwendungen berücksichtigt werden, woraus sich eine höhere Konturgenauigkeit und eine verbesserte Oberflächengüte bei der Bearbeitung ergibt. Weiterhin kann die Positionierzeit reduziert werden, ohne ein Überschwingen bei der Zieleinfahrt (beispielsweise einer Positionierachse beim Nibbeln oder Stanzen) erreicht werden.

[0018] Bei der vorliegenden Erfindung wird daher eine Ist-Beschleunigung über einen zusätzlichen Sensor in der mechanischen Struktur oder durch eine Differentiation des gemessenen Lage-Istwerts (falls ein externes Messfeldsystem vorhanden ist) erfasst. Weiterhin wird eine Sollbeschleunigung aus dem Lage- oder Geschwindigkeits-Sollwert aufbereitet und schließlich die Regelung der Beschleunigung im TCP durchgeführt. Damit wird vorgeschlagen, die auftretenden mechanischen Schwingungen durch eine definierte Ausgleichsbewegung zu bedämp-fen. Bei dieser Vorgehensweise wird die Servoachse gewissermaßen als „elektrischer Tilger" verwendet. Unter einem Tilger oder Schwingungstilger wird üblicherweise ein schwingungsfähiges Teilsystem verstanden, welches aus Masse, Feder und Dämpfer besteht. Schwingungstilger dienen bekanntlich zur Beruhigung einer schwingenden Struktur bei einer bestimmten Frequenz oder in einem Frequenzbereich. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird gewissermaßen der Antrieb selbst bzw. eine Achse als elektrisch wirkender Tilger eingesetzt, da er durch die entsprechende Sollwert-Aufbereitung direkt die Schwingungsenergie der anzutreibenden Maschine abfängt. Damit führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Bekämpfung am TCP indem der Motor sich bevorzugt in Reaktion auf Resonanzen mehr bewegt. Ein großer Vorteil dieser Lösung im Gegensatz zu einem mechanischen Tilger ist, dass man die Tilgerfrequenz sehr einfach parametrieren und ggf. sogar nachführen bzw. adaptieren kann falls dies erforderlich ist. Denn oftmals ändern sich Resonanzfrequenzen auch Positions- oder lastabhängig so dass mechanischen Tilger versagen würden.

[0019] Mit anderen Worten wird der elektrische Servoantrieb selbst, d.h. das elektromechanische Stellglied in einer Maschine als adaptierbarer und parametrierbarer elektrischer Tilger genutzt, was Vorteile hinsichtlich der Verwendung bei variablen Resonanzfrequenzen bringt da eine automatische Nachführung erreicht werden kann.

[0020] Vorzugsweise sind die Bewegungs-Sollwerte Beschleunigungs-Sollwerte oder enthalten Bewegungs-Sollwerte. Damit wird hier eine Beschleunigungsbasierte Regelung verwendet.

[0021] In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der mechanische Bewegungs-Istwert d.h. der Beschleunigungswert laufend ermittelt und damit werden die Maschinenresonanzen laufend gedämpft. Dies bedeutet, dass während des gesamten Arbeitbetriebs die oben beschriebene Dämpfung des Systems stattfindet.

[0022] Bevorzugt wird der mechanische Bewegungs-Istwert an eine Steuerungseinrichtung übergeben. Auch wäre es möglich anstelle des mechanischen Bewegungs-Istwerts einen hieraus abgeleiteten Wert zu übergeben. In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der mechanische Bewegungs-Istwert auf Basis von dem Antrieb vorhandenen Zustandsgrößen ermittelt. Bei diesen Zustandsgrößen kann es sich dabei um Zustandgrößen handeln wie beispielsweise eine Drehzahl, einen Strom, ein Drehmoment, Kombinationen hieraus oder dergleichen.

[0023] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der mechanische Bewegungs-Istwert mittels einer an dem Antrieb angeordneten Sensoreinrichtung ermittelt. Bei dieser Sensoreinrichtung handelt es sich insbesondere aber nicht ausschließlich um einen Motorgeber. Es 3/12 österreichisches Patentamt AT506 758B1 2012-01-15 wäre jedoch auch möglich, einen „virtuellen Sensor" zu verwenden, durch den erreicht werden kann, das neben einem Motorgeber keine zusätzlichen Sensoren auf der Lastseite erforderlich sind, wobei auch hier durch die Beschleunigungsregelung bei interpolierenden Achsen die Konturtreue gesteigert werden kann. Dabei wird dieser „virtuelle Sensor" für die lastseitige Beschleunigung auf Basis der vorhandenen Zustandsgrößen im Antrieb, wie beispielsweise Strom, Drehzahl und dergleichen entwickelt. Dies kann mittels eines klassischen Beobachters oder auch durch ein neuronales Netzwerk erfolgen. So wäre es beispielsweise möglich, mit Hilfe von Simulationen für eine bestimmte Maschine zu ermitteln, welche lastseitige Beschleunigung jeweils zu bestimmten Zustandsgrößen im Antrieb d.h. Strom, Drehzahl und dergleichen korrespondiert. Diese Simulationsdaten können im anschließenden Arbeitsbetrieb verwendet werden, um aus den Zustandsgrößen im Antrieb die Lastseitige Beschleunigung zu ermitteln und auf Grundlage dieser so ermittelten Beschleunigung wiederum die Bewegungs-Sollwerte vorzugeben.

[0024] Damit erfolgt hier die aktive Bedämpfung sensorlos durch den oben erwähnten Beobachter oder das neuronale Netzwerk.

[0025] Die Erfindung stellt damit eine kostengünstige Methode zur Performance- und Produktivitätssteigerung von Maschinen dar. Weiterhin ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren einfach über Software nachzurüsten oder auch nur durch Laden eines Parametersatzes, da insbesondere bei dem sensorlosen Ansatz keine Zusatzhardware erforderlich ist. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der Beschleunigungsregelung sehr robust gegenüber Frequenzänderungen.

[0026] Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Bewegungs-Sollwert auf Grundlage eines Basiswerts und eines additiven Sollwerts gebildet, wobei der additive Sollwert aus dem Bewegungs-Istwert des Antriebs abgeleitet ist. Dies bedeutet, dass der Korrekturwert als additiver Wert bei der Ermittlung des Bewegungs-Sollwerts aufgeschaltet wird. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren ist der Wirkort des Bewegungs-Istwerts oder einer aus dem Bewegungs-Istwert abgeleiteten Größe bei der Bildung des Bewegungs-Sollwerts veränderbar. Dabei wäre es möglich, den Bewegungs-Sollwert als Lage-Sollwert aufzuschalten oder auch als Geschwindigkeits-Sollwert oder auch als Drehmomentsollwert oder dergleichen. Hierbei kann die Aufschaltung sehr einfach über additive Sollwerte in der Kaskadenreglerstruktur erfolgen.

[0027] Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zur Dämpfung von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen Maschinen gerichtet. Diese Vorrichtung weist einen Antrieb auf, der wenigstens ein Element der Maschine antreibt, sowie eine Steuereinrichtung, welche den Antrieb durch Vorgabe von Bewegungs-Sollwerten an den Antrieb steuert. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Sensoreinrichtung vorgesehen, welche wenigstens ein durch den Antrieb verursachten mechanischen Bewegungs-Istwert des Antriebs oder der durch den Antrieb angetriebenen Maschine ermittelt sowie eine Prozessoreinrichtung, welche unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts den von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb auszugebenden Bewegungs-Sollwert ermittelt, wobei der mechanische Bewegungs-Istwert ein Beschleunigungswert ist.

[0028] Damit wird auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, einen Beschleunigungswert zu ermitteln und bevorzugt auch einen Beschleunigungssollwert auszugeben.

[0029] Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung eine Beschleunigungsmesseinrichtung, die beispielsweise an der anzutreibenden Maschine angeordnet ist. Zum Einsatz können hier zum Beispiel Ferraris-Sensoren oder piezoelektrische Sensoren kommen. Es wäre jedoch auch, wie oben erwähnt, möglich, dass es sich bei der Sensoreinrichtung um den Geber des Antriebs bzw. einem lastseitigen Längenmesssystem handelt und dessen Lagewerte durch Differenzieren in Beschleunigungswerte umgewandelt werden. Damit werden hier nicht unmittelbar Beschleunigungswerte gewonnen.

[0030] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Aufberei- 4/12 österreichisches Patentamt AT506 758 B1 2012-01-15 tungseinheit auf, welche die mechanischen Beschleunigungsistwerte aufbereitet. Dabei können beispielsweise die Lagewerte durch Differenzierglieder in Beschleunigungswerte umgesetzt werden. Weiterhin können Tiefpass- oder Hochpassfilter vorgesehen sein, welche den ermittelten Beschleunigungsistwert aufbereiten, bzw. bandbegrenzen.

[0031] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen: Darin zeigen: [0032] Fig. 1 eine Veranschaulichung für ein Verfahren nach dem Stand der Technik; [0033] Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Schwingungs dämpfung; [0034] Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Vorrich tung; [0035] Fig. [0036] Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 5 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und [0037] Fig. 6 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfah rens.

[0038] Fig. 1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens. Dabei ist eine Steuerungseinrichtung 106 vorgesehen, welche einen Antrieb 102 ansteuert d.h. diesem Sollwerte X_Soll für die Lage, Sollwerte für die Geschwindigkeit v_Soll und/oder Beschleunigungssollwerte a_Soll vorgibt. An einem mechanischen Element 110 werden Schwingungen wie beispielsweise Eigenfrequenzen gemessen. Im Rahmen einer angepassten Sollwert-Aufbereitung, bei der es sich beispielsweise um einen Ruckfilter 111, einen Ruckfilter mit gleitender Mittelwertbildung 112 oder auch eine Bandsperre handeln kann werden die jeweiligen Sollwerte angepasst.

[0039] Diese angepasste Sollwert-Aufbereitung erlaubt ein hochdynamisches Verfahren ohne dass die störenden Eigenfrequenzen der Struktur über den Sollwertpfad angeregt werden. Allerdings muss hier ein entsprechend optimiertes an die Struktur der Mechanik 110 angepasstes Sollwertprofil erzeugt werden, welches die störenden Frequenzanteile nicht mehr enthält. Es wird damit eine Dämpfung nur über einen Wirkzusammenhang erzeugt und eine Rückführung erfolgt nicht.

[0040] Derartige Regelungen erlauben teilweise eine optimierte Dämpfung für Eigenfrequenzen in einem geschlossenen Regelkreis. Falls die Lastträgheit und die Motorträgheit im gleichen Bereich liegen, ist ein relativ großer Dämpfungseffekt möglich. Falls jedoch die Lastträgheit und die Motorträgheit stark unterschiedlich sind, kann nur ein geringer Dämpfungseffekt mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht werden.

[0041] Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch hier ist eine Steuerungseinrichtung 6 in Form eines Lageregelkreises vorgesehen, welcher einen Antrieb 2 steuert. Daneben ist es möglich, dass an der mechanischen Struktur 10 eine Sensoreinrichtung 8 angeordnet ist, welche Beschleunigungswerte der mechanischen Struktur misst. Daneben wäre es auch möglich, eine Messung über einen Sensor 9, der an dem Antrieb 2 angeordnet ist, und bei dem es sich beispielsweise um den Drehgeber handeln kann, vorgenommen wird. Über eine Schalteinrichtung 14 kann ausgewählt werden, ob mit einem externen Sensor 8 oder dem Drehgeber 9 gearbeitet werden soll.

[0042] Damit wird mit Hilfe eines oder beider Sensoren 8, 9 die Ist-Beschleunigung in der mechanischen Struktur oder durch Differentiation des gemessenen Lagewertes gemessen. In einer Schwingungsdämpfungseinheit 5 wird auf Grundlage der gemessenen Ist-Beschleunigungen ein additiver Sollwert bestimmt, der der Steuerungseinrichtung 6 aufgeschalten wird, und der verwendet wird, um wiederum den Antrieb 2 anzusteuern. Dieser Sollwert erzeugt damit eine 5/12 österreichisches Patentamt AT506 758 B1 2012-01-15 definierte Ausgleichsbewegung sodass die Servoachse des Antriebs gleichsam als elektrischer Tilger verwendet wird. Damit wird hier eine aktive Schwingungsdämpfung vorgenommen d.h. der additive Sollwert wird sowohl aus dem Beschleunigungs-Istwert als auch aus dem Beschleunigungs-Sollwert ermittelt.

[0043] Wie erwähnt, ist es möglich, mit Hilfe eines Sensors 8 Beschleunigungen in TCP bzw. auf der Lastseite zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform werden dabei Ferraris-Sensoren eingesetzt, welche eine relative Beschleunigung nach dem Wirbelstromprinzip messen, wobei hier eine berührungslose Messung von rotativen Beschleunigungen möglich ist. Daneben könnten jedoch auch piezoelektrische Sensoren zur Messung einer absoluten Beschleunigung eingesetzt werden, welche den Vorteil bieten, sehr kostengünstig und einfach montierbar zu sein.

[0044] Die Sollbeschleunigung kann durch Differentiation eines Lage-Sollwerts bestimmt werden und auch die Ist-Beschleunigung in TCP kann durch Differentiation eines lastseitigen Lage-Istwerts ermittelt werden. Daneben ist es auch möglich, die Ist-Beschleunigung im TCP mittels eines virtuellen Sensors durch einen Beschleunigungsbeobachter zu bestimmen.

[0045] Daneben erfolgt vorzugsweise noch eine Istwert-Aufbereitung, beispielsweise eine einfache Bandbegrenzung des Beschleunigungsistwertes wobei beispielsweise durch einen Hochpass ein eventuell vorhandener Sensor Offset-Anteil eliminiert werden kann und durch einen Tiefpass eine Bandbegrenzung durchgeführt werden kann, so dass nur Frequenzen unterhalb der Eckfrequenz gedämpft werden.

[0046] Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines möglichen erfindungsgemäßen Aufbaus. Dabei ist auch hier eine Steuerungseinrichtung 6 vorgesehen, welche den Antrieb 2 mit Positions- bzw. Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten versorgt. Die von einem Drehgeber 9 des Antriebs ermittelte Drehzahl bzw. die Lagewerte werden wiederum an die Steuerungseinrichtung 6 an einem Knotenpunkt 62c zugeführt. Weiterhin können die Daten eines Sensors 8, der an der Maschine 10 angeordnet ist, oder die Lagewerte x-lst an eine Istwert-Aufbereitungseinrichtung 11 gegeben werden. Falls die Positionsdaten des Antriebs 2 zugrundegelegt werden sollen, werden diese (zweimal) differenziert um auf diese Weise einen Istwert für die Beschleunigung zu erhalten.

[0047] Falls die Daten aus dem Sensor 8 stammen, können sie direkt über Verstärkungseinheiten und Filtereinrichtungen ausgegeben werden. Das Bezugszeichen 52 bezieht sich auf eine Schalteinrichtung, welche auswählt, von welchem der Sensoren 8, 9 die Daten verwendet werden. Die so erhaltenen Beschleunigungswerte werden anschließend gefiltert und an den Beschleunigungsregler 5 übergeben. Daneben werden an diesen Beschleunigungsregler 5 auch Sollwerte für die Beschleunigung übermittelt (Pfeil P1). Dabei ist es auch möglich, dass diese Sollwerte aus Lagewerten mit (zwei) Differenziereinrichtungen gebildet werden. Es wäre jedoch auch möglich, hier einen Sollwert für die Beschleunigung von 0 vorzugeben, wobei dies ebenfalls mit einer Schalteinrichtung 58 eingestellt werden kann.

[0048] Ausgehend von dem Beschleunigungsregler 5 können die so ermittelten Sollwerte für die Beschleunigung ausgegeben werden, wobei sowohl eine Momentenaufschaltung in dem Verknüpfungspunkt 62d möglich ist, bei dem ein Drehmoment oder ein Kraftsollwert additiv aufgeschalten wird, als auch eine Drehzahlaufschaltung, wobei ein Geschwindigkeits-Sollwert additiv in dem Punkt 62b aufgeschalten wird oder auch durch eine Lage-Sollwertaufschaltung, wobei ein Lage-Sollwert Additiv in dem Punkt 62a aufgeschalten wird. Damit kann auf diese Weise der Wirkort der Beschleunigungsregelung variiert werden. Die Bezugszeichen 63 und 64 der Steuerungseinrichtung beziehen sich auf Regier, die jeweils zur Verarbeitung der einzelnen Sollwerte dienen.

[0049] Vorzugsweise erfolgt dabei die Regelung der Beschleunigung im TCP mittels eines zur Kaskadenstruktur überlagerten PI-Reglers der eine Stellgrößenbegrenzung aufweist.

[0050] Experimentell sowie mittels Simulationen wurde der Genauigkeitsgrad einer im Stand der Technik verwendeten Ruckfilterung sowie der hier erfindungsgemäß vorgeschlagenen aktiven Schwingungsdämpfung überprüft. Dabei konnte festgestellt werden, dass bei der erfin- 6/12 österreichisches Patentamt AT506 758B1 2012-01-15 dungsgemäßen Vorgehensweise sowohl hinsichtlich der Position der jeweiligen Antriebe als auch hinsichtlich der Geschwindigkeits-Sollwerte eine wesentlich höhere Genauigkeit erreicht werden konnte.

[0051] Grundsätzlich kann unterschieden werden zwischen rückkopplungsfreien und rückkopplungsbehafteten Systemen. Der in Fig. 3 gezeigte Sensor 8 ist insbesondere für Rückkopplungsfreie Systeme hilfreich. Unter einem rückkopplungsfreien System wird verstanden, dass die Schwingung in der Maschine nicht im Antrieb messbar ist.

[0052] Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines unbedämpften Schwingverhaltens. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 91 auf einen Verlauf des Lage-Istwerts des Antriebs und das Bezugszeichen 92 auf eine Ist-Beschleunigung an der Maschine bzw. auf der Lastseite. Man erkennt, dass bei dieser Variante erhebliche Schwingungen der Maschine auftreten. Eine Regelung erfolgt hier nur über den Motorgeber und die Achse kehrt in der Hauptbetriebsart die Lageregelung um. Das Positionierverhalten wurde hier nur auf den Motorgeber optimiert, wobei das Drehmoment der Last wesentlich kleiner ist als das Drehmoment des Motors.

[0053] Fig. 5 zeigt eine Gegenüberstellung zwischen einem Fall A, in dem keine Dämpfung verwendet wird und einem Fall B, in dem eine Dämpfung verwendet wird. Das Bezugszeichen 91 bezieht sich auch hier wieder auf den Lage-Istwert des Antriebs und das Bezugszeichen 92 auf die auf der Lastseite festgestellte Beschleunigung. Man erkennt hier, dass bei zugeschalteter Dämpfung die Ist-Beschleunigungen auf der Lastseite sehr gering gehalten werden können und nur in einen Spitzenbereich 93 im Verlauf des Lage-Istwerts auftreten.

[0054] Fig. 6 zeigt eine Detaildarstellung des in Fig. 5 gezeigten Spitzenbereiches. Man erkennt, dass auch in diesem Spitzenbereichen die Schwingungen der Maschine erheblich unter dem ungedämpften Fall (Teilbild A) liegen.

[0055] Im Ergebnis ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Bedämpfung von Resonanzfrequenzen im Bereich von 3 Hertz bis 180 Hertz geeignet. Weiterhin kann eine Erhöhung der Positionierdynamik und der Konturtreue ein TCP bzw. auf der Lastseite erreicht werden. Weiterhin ist eine einfache Anwendung durch Verwendung von Beschleunigungssensoren und mit einem universellen Ansatz zur Schwingungsdämpfung möglich. Dabei kann insbesondere eine Dämpfung breitbandig und nicht nur selektiv vorgenommen werden. Wegen der Regelung des Beschleunigungssollwertes ist das Verfahren auch für konturtreue Achsen geeignet.

[0056] Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf Basis der im Antrieb verfügbaren Intelligenz unabhängig von einer externen Steuerung umgesetzt, das heißt es handelt sich um ein im Antrieb integriertes Verfahren.

[0057] Weiterhin wird neben der sensorbehafteten Lösung vorzugsweise auch die sensorlose Lösung ermöglicht, was hinsichtlich des Anwendungsspektrums und der Kostensituation Vorteile mit sich bringt. Damit ist zusammenfassend wenigstens ein Antrieb zur Bedämpfung von Maschinenresonanzen vorgesehen, darüber hinaus können jedoch auch mehrere Antriebe parallel achsbezogen arbeiten.

[0058] Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. 7/12

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT506 758 B1 2012-01-15 BEZUGSZEICHENLISTE 2 Antrieb 5 Beschleunigungsregler 6 Steuerungseinrichtung 8 externer Sensor 9 Sensor, Drehgeber 10 Mechanische Struktur 11 Istwert- Aufbereitungseinrichtung 14 Schalteinrichtung 52 Schalteinrichtung 62a, 62b Knotenpunkt 62c, 62d Knotenpunkt 63,64 Regler 91 Lage-Istwert 92 Ist-Beschleunigung 93 Spitzenbereich 102 Antrieb (Stand der Technik 106 Antrieb (Stand der Technik) 110 mechanisches Element 111 Druckfilter 112 Mittelwertbildung X Soll Sollwert Lage v Soll Sollwert Geschwindigkeit a_Soll Sollwert Beschleunigung xjst Lagewert Patentansprüche 1. Verfahren zur Dämpfung von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb angetriebenen Maschinen, wobei wenigstens ein Antrieb vorgesehen ist und an diesen Antrieb von einer Steuerungseinrichtung Bewegungs-Sollwerte vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein durch den Antrieb verursachter mechanischer Bewegungs-Istwert des Antriebs oder der durch den Antrieb angetriebenen Maschine auf Basis von im Antrieb vorhandenen Zustandsgrößen ermittelt wird und der von der Steuerungseinrichtung an den Antrieb ausgegebene Bewegungs-Sollwert unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts ermittelt wird, wobei der mechanische Bewegungs-Istwert ein Beschleunigungswert ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen aus einer Gruppe von Zustandsgrößen ausgewählt sind, welche eine Drehzahl, einen Strom, einen Drehmoment, Kombinationen oder dergleichen enthält.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Bewegungs-Sollwert einen Beschleunigungssollwert für den Antrieb enthält.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Bewegungs-Istwert laufend ermittelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Bewegungs-Istwert an die Steuerungseinrichtung übergeben wird. 8/12 österreichisches Patentamt AT506 758 B1 2012-01-15
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Bewegungs-Istwert mittels einer an dem Antrieb angeordneten Sensoreinrichtung ermittelt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Bewegungs-Istwert mittels eines neuronalen Netzwerks oder Beobachters ermittelt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungs-Sollwert auf Grundlage eines Basiswerts und eines additiven Sollwerts gebildet wird, wobei der additive Sollwert aus dem Bewegungs-Istwert des Antriebs abgeleitet ist.
9. 9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkort des Bewegungs-Istwerts oder einer aus dem Bewegungs-Istwert abgeleiteten Größe bei der Bildung des Bewegungs-Sollwerts veränderbar ist.
10. 10. Vorrichtung zur Dämpfung von Maschinenresonanzen bei von einem elektrischen Antrieb (2) angetriebenen Maschinen (10), mit einem Antrieb, der wenigstens ein Element der Maschine (10) antreibt, mit einer Steuereinrichtung (6), welche den Antrieb (2) durch Vorgabe von Bewegungs-Sollwerten an den Antrieb (2) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensoreinrichtung (6) vorgesehen ist, welche wenigstens einen durch den Antrieb (2) verursachten mechanischen Bewegungs-Istwert des Antriebs (2) oder der durch den Antrieb (2) angetriebenen Maschine (10) auf Basis von im Antrieb (2) vorhandenen Zustandsgrößen ermittelt, sowie eine Prozessoreinrichtung, welche unter Berücksichtigung des mechanischen Bewegungs-Istwerts den von der Steuerungseinrichtung (6) an den Antrieb (2) ausgegebenen Bewegungs-Sollwert ermittelt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine Beschleunigungsmesseinrichtung ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Aufbereitungseinheit aufweist, welche die mechanischen Beschleunigungs-Istwerte aufbereitet. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 9/12