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DE10156781C1 - Aktive Kompensation von mechanischen Schwingungen und Verformungen in industriellen Bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Aktive Kompensation von mechanischen Schwingungen und Verformungen in industriellen Bearbeitungsmaschinen

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Publication number
DE10156781C1
DE10156781C1 DE10156781A DE10156781A DE10156781C1 DE 10156781 C1 DE10156781 C1 DE 10156781C1 DE 10156781 A DE10156781 A DE 10156781A DE 10156781 A DE10156781 A DE 10156781A DE 10156781 C1 DE10156781 C1 DE 10156781C1
Authority
DE
Germany
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machine
drive
movement
active compensation
tcp
Prior art date
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DE10156781A
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English (en)
Inventor
Gerhard Heinemann
Wolfgang Papiernik
Guido Stoeppler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
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Priority to US10/299,590 priority patent/US6819073B2/en
Application granted granted Critical
Publication of DE10156781C1 publication Critical patent/DE10156781C1/de
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Expired - Fee Related legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/445—Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms using a first carriage for a smaller workspace mounted on a second carriage for a larger workspace, both carriages moving on the same axes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0032—Arrangements for preventing or isolating vibrations in parts of the machine
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
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Abstract

Die Erfindung umgeht das mechanische Problem von durch hochdynamische Bewegungen erzeugten Trägheitskräften, die eine Maschinenmechanik zu Schwingungen anregen, indem es Leichtbauelemente mit entsprechenden Schwingungen zulässt und die entstehenden Schwingungen durch einen Zusatzantrieb (ZA) mit kleiner Bewegungsamplitude im zu positionierenden Maschinenpunkt (TCP) aktiv kompensiert. Die Schwingungen können dabei entweder durch direkte Messung der Position oder indirekt über eine Beschleunigungsmessung im zu positionierenden Maschinenpunkt erfasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine korrespondie­ rende Vorrichtung zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen und/oder Verformungen in industriellen Bearbei­ tungsmaschinen sowie eine darauf aufbauende industrielle Be­ arbeitungsmaschine.
Bei industriellen Bearbeitungsmaschinen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen und Robotern, werden hochdynamische und gleichzeitig hochgenaue Bewegungsvorgänge gefordert. Beide Forderungen stehen jedoch zueinander im Widerspruch, da die hochdynamischen Bewegungen Trägheitskräfte erzeugen, die die Maschinenmechanik zu Schwingungen anregen.
Bei spanender Bearbeitung treten zusätzlich statische Verfor­ mungen durch Prozesskräfte auf. Beide Störungen wirken sich besonders ungünstig aus, wenn räumlich große Maschinenteile bewegt werden und eine große Distanz zwischen dem Antriebsmo­ tor und dem Positionsmeßsystem auf der einen Seite und dem zu positionierenden Maschinenpunkt (Tool Center Point bei Werk­ zeugmaschinen) auf der anderen Seite besteht.
Zur Lösung dieser Problematik wird herkömmlich zusätzlich zu der Verwendung entsprechend leistungsfähiger Antriebs- und Regelaggregate versucht, sehr steif konstruierte mechanische Maschinenkomponenten einzusetzen, um Verformungen und Schwin­ gungen, die durch die Trägheitskräfte angeregt werden, zu mi­ nimieren. Die mechanische Steifigkeit wird in der Regel durch besonders massive (dickwandige) oder aufwendige (verippte, verstrebte, aus hochfesten Materialien gefertigte) mechani­ sche Elemente erkauft.
Neben den höheren Herstellungskosten der Mechanik stört hier­ bei vor allem die höhere Masse, die im Widerspruch zu der Forderung nach hochdynamischen Bewegungen steht und entspre­ chend stärker dimensionierte Antriebe erfordert.
Neben der steifen mechanischen Konstruktion werden herkömm­ lich auch sogenannte Gantry-Antriebe eingesetzt, bei denen die Krafterzeugung innerhalb einer Bewegungsrichtung auf meh­ rere Antriebe verteilt wird. Dadurch lassen sich die An­ triebskräfte gleichmäßiger verteilt in die mechanische Kon­ struktion einleiten und Schwingungen an den Angriffspunkten der Motorkräfte aktiv bedämpfen. Das Problem der großen Dis­ tanzen zwischen Einleitungspunkten der Antriebskräfte und dem zu positionierenden Maschinenpunkt bleibt jedoch bestehen. Außerdem ist der Aufwand an Antriebs- und Regelungstechnik bei einer Gantry-Maschine deutlich höher.
Aus der deutschen Patentschrift DE 196 20 439 C2 ist ein Ver­ fahren zur Bedämpfung von mechanischen Schwingungen, insbe­ sondere von Kippschwingungen sowie Drehschwingungen bei Werk­ zeugmaschinen und Robotern bekannt, wobei mittels zwei Be­ schleunigungsaufnehmern, zwei Regelgrößen ermittelt werden und über Regler auf einen Sollwert einer Antriebssteuerung zurückgeführt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbes­ serte Kompensation solcher unerwünschter Schwingungen oder mechanischer Verformungen vorzuschlagen, die insbesondere den Nachteil einer höheren Masse sowie das Problem der großen Distanzen zwischen Einleitungspunkten der Antriebskräfte und dem zu positionierenden Maschinenpunkt vermeidet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, indem mindestens eine Hauptachse und ein dieser zugeordneter Hauptantrieb zur Durchführung einer ersten Bewegung vorgesehen sind, die ein mechanisches Maschinenelement mit einem einer Zusatzachse zu­ geordneten Zusatzantrieb verfährt, der zur Durchführung einer zweiten vergleichsweise feineren Bewegung dient. Die zweite Bewegung verfährt einen zu positionierenden Maschinenpunkt so, dass sich die Bewegung des Maschinenpunktes aus den über­ lagerten Anteilen der ersten und der zweiten Bewegung zusam­ mensetzt, wobei die erste Bewegung den Maschinenpunkt gemäß einem vorgegebenen Lagesollwert verfährt und die zweite Bewe­ gung dabei auftretende eventuelle Schwingungen und/oder eine eventuelle Verformung des mechanischen Maschinenelementes so ausgleicht, dass der Maschinenpunkt dennoch die vorgegebene Solllage erreicht.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird dazu der Zusatzantrieb mit einem eigenen Lagesollwert angesteuert, der im wesentlichen der Auslenkung des mechanischen Maschinenele­ mentes relativ zu einem solchen ideal starren mechanischen Maschinenelemente entspricht.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn zur Ableitung eines Ansteuerwertes für den Zusatzantrieb eine Schwingung und/oder eine Verformung des mechanischen Maschinenelementes durch direkte Messung der Position im zu positionierenden Ma­ schinenpunkt ermittelt wird.
Alternativ kann zur Ableitung eines Ansteuerwertes für den Zusatzantrieb eine Schwingung des mechanischen Maschinenele­ mentes durch Differenzmessung zwischen nichtschwingender und schwingender Position des Maschinenpunktes ermittelt werden.
Zur Ableitung eines Ansteuerwertes für den Zusatzantrieb kann erfindungsgemäß auch eine Schwingung des mechanischen Maschi­ nenelementes durch indirektes Messen einer tatsächlichen ers­ ten Beschleunigung und einer zugehörigen nichtschwingenden zweiten Beschleunigung im zu positionierenden Maschinenpunkt sowie durch Vergleichen beider Beschleunigungen ermittelt werden.
Allgemein wird erfindungsgemäß wenigstens eine der Zustands­ größen Beschleunigung und Geschwindigkeit und Lage beim Hauptantrieb und beim Zusatzantrieb erfasst und daraus ein jeweiliges Differenzsignal zur Ansteuerung des Zusatzantriebs abgeleitet.
Um zu verhindern, dass ein schwingungsfähiges System ent­ steht, hat es sich als günstig erwiesen, wenn eine Beschleu­ nigungsmessung derart erfolgt, dass dabei ein möglichst ge­ ringer Phasenverlust auftritt. Andernfalls wird ein bei einer Beschleunigungsmessung auftretender Phasenverlust sinnvoller­ weise kompensiert.
Da bei mechanischen Maschinenelementen wie einer elastischen Traverse keine stationären Auslenkungen entstehen, wird nach einer weiter vorteilhaften Ausführung der Erfindung ein even­ tueller Gleichanteil einer ermittelten Relativbeschleunigung durch Hochpassfilterung eliminiert.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt be­ sonders vorteilhaft, wenn die Zusatzachse parallel zur Haupt­ achse über eine solche Traverse mechanisch beweglich gekop­ pelt wird.
Daneben eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur aktiven Kompensation von Regelabweichungen des Hauptantriebs durch den Zusatzantrieb.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung auch durch eine Rege­ lungsvorrichtung zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen und/oder Verformungen und/oder Regelabweichungen in industriellen Bearbeitungsmaschinen mit den folgenden Merkmalen gelöst:
  • - einer ersten einem oder mehreren Hauptantrieben zugeordne­ ten Kaskadenreglerstruktur mit einem Kraftregler, einem über­ geordneten Geschwindigkeitsregler und einem wiederum über­ geordneten Lageregler,
  • - einer zweiten einem Zusatzantrieb zugeordneten Kaskadenreg­ lerstruktur mit einem Kraftregler, einem übergeordneten Ge­ schwindigkeitsregler und einem wiederum übergeordneten La­ geregler, und mit wenigstens einer der folgenden Distribu­ tionseinheiten:
  • - einer Kraftdistributionseinheit, die eingangsseitig mit den beiden Beschleunigungsistwerten und/oder mit einem von der Geschwindigkeitsdistribitionseinheit bereitgestellten Ge­ samtkraftsollwert beaufschlagt wird und die jeweilige Rela­ tivbeschleunigungssignale zur eingangsseitigen Aufschaltung auf die jeweiligen Kraftregler liefert,
  • - einer Geschwindigkeitsdistributionseinheit, die eingangs­ seitig mit den beiden Geschwindigkeitsistwerten und/oder mit einem von der Lagedistributionseinheit bereitgestellten Gesamtgeschwindigkeitssollwert beaufschlagt wird und die jeweilige Relativgeschwindigkeitssignale zur eingangsseiti­ gen Aufschaltung auf die jeweiligen Geschwindigkeitsregler liefert,
  • - einer Lagedistributionseinheit, die eingangsseitig mit den beiden Lageistwerten und einem Gesamtlagesollwert beauf­ schlagt wird und die jeweilige Relativlagesignale zur ein­ gangsseitigen Aufschaltung auf die jeweiligen Lageregler liefert.
Auf der Grundlage dieser erfindungsgemäßen Regelungsvorrich­ tung lässt sich eine vorteilhafte industrielle Bearbeitungs­ maschine konstruieren mit
  • - mindestens einer Hauptachse und
  • - einem dieser zugeordneten Hauptantrieb zur Durchführung ei­ ner ersten Bewegung, mittels derer
  • - ein mechanisches Maschinenelement mit einem einer Zusatz­ achse zugeordneten Zusatzantrieb verfahrbar ist, wobei
  • - der Zusatzantrieb zur Durchführung einer zweiten ver­ gleichsweise feineren Bewegung dient, mit der ein zu posi­ tionierenden Maschinenpunkt verfahrbar ist, wobei
  • - der Hauptantrieb mittels der ersten Kaskadenreglerstruktur angesteuert wird und
  • - der Zusatzantrieb mittels der zweiten Kaskadenreglerstruk­ tur angesteuert wird, und wobei
  • - sich die Bewegung des Maschinenpunktes in einer Richtung aus den überlagerten Anteilen der ersten und der zweiten Bewegung zusammensetzt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung einer solchen indus­ triellen Bearbeitungsmaschine ist die Zusatzachse parallel zur Hauptachse über eine Traverse mechanisch beweglich gekop­ pelt. Nach einer ebenfalls vorteilhaften Alternative sind zwei parallele Hauptachsen mit jeweiligem Hauptantrieb vorge­ sehen und sind die Hauptantriebe mittels einer Traverse ge­ koppelt, wobei die Zusatzachse zwischen den beiden Hauptach­ sen parallel zu diesen angeordnet ist und die Traverse den Zusatzantrieb trägt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Zusatzantrieb als Linearantrieb in Doppelkammanord­ nung ausgestaltet ist.
In jedem Fall ist es günstig, dass die Traverse mechanisch derart ausgestaltet ist, dass diese im ausgelenkten Zustand für eventuelle Prozesskräfte erforderliche Stützkräfte rever­ sibel aufnehmen kann.
Die Erfindung umgeht somit - anders als die geschilderten be­ kannten Verfahren - das beschriebene mechanische Problem, in­ dem es Leichtbauelemente mit entsprechenden Schwingungen zu­ lässt und die entstehenden Schwingungen durch einen Zusatzan­ trieb mit kleiner Bewegungsamplitude im zu positionierenden Maschinenpunkt aktiv kompensiert. Die Schwingungen können da­ bei entweder durch direkte Messung der Position oder indirekt über eine Beschleunigungsmessung im zu positionierenden Ma­ schinenpunkt erfasst werden.
Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile:
  • - durch die einfache und leichte Bauweise der mechanischen Komponenten ergeben sich Einsparungen bei Materialaufwand, Fertigungsaufwand und Konstruktionsaufwand.
  • - der Hauptantrieb der Achse kann entsprechend der Ge­ wichtseinsparung bei den bewegten Maschinenteilen schwächer ausgelegt werden.
  • - der Zusatzantrieb benötigt nur einen Verfahrweg im Millime­ terbereich und muss keine schweren Maschinenteile beschleu­ nigen; er kann daher entsprechend klein gebaut werden und in unmittelbarer Nähe des zu positionierenden Maschinen­ punktes angeordnet werden, wo die Kompensationswirkung am größten ist,
  • - nur der kleine Zusatzantrieb muss den Frequenzbereich der mechanischen Schwingungen regelungstechnisch beherrschen können,
  • - Regelabweichungen des großen Hauptantriebs können von dem kleinen Zusatzantrieb ebenfalls kompensiert werden,
  • - wenn keine statischen Verformungen (z. B. durch Gewichts- und Prozesskräfte), sondern nur Schwingungen kompensiert werden sollen, können zur Erfassung der Schwingungen Be­ schleunigungssensoren verwendet werden. Hierdurch ergibt sich bezüglich des mechanischem Aufbaus ein besonders ein­ facher Aufbau.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung erge­ ben sich anhand des im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen jeweils in Prinzipdarstellung:
Fig. 1 eine beispielhafte mechanische Anordnung für eine er­ findungsgemäße Bearbeitungsmaschine mit einem Gantry- Antrieb,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelungs­ struktur, u. a. zum Betrieb der in Fig. 1 gezeigten An­ ordnung.
Das folgende Ausführungsbeispiel, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, verwendet einen Gantry-Antrieb mit Hauptantrieben HA1, HA2 für die beiden parallelen Hauptachsen X1 und X2, die eine "grobe" Bewegung ausführen. Über einen Zusatzantrieb ZA, der der Zusatzachse X3 zugeordnet ist, erfolgt die "feine" Bewe­ gung in die gleiche Richtung. Dazu sind die Hauptantriebe HA1, HA2 über eine Traverse T mechanisch gekoppelt. Die Tra­ verse trägt den Hauptantrieb HA3, der über die Hauptachse Y eine Bewegung in die zu den Gantry-Achsen X1 und X2 senkrech­ te Richtung durchführt. Auf der Hauptachse Y befindet sich wiederum der Zusatzantrieb ZA, welcher einen Maschinenpunkt TCP parallel zur Richtung der Gantry-Achsen X1 und X2 positi­ oniert.
Die Bewegung einer Achse der Maschine setzt sich somit aus zwei überlagerten Anteilen zusammen: einer "groben" Bewegung, die die großen Maschinenteile verfährt, und einer "feinen" Bewegung, die nur den zu positionierenden Maschinenpunkt TCP verfährt und für die geforderte Genauigkeit sorgt.
Schwingungen werden nicht durch eine entsprechende mechani­ sche Konstruktion oder durch zusätzliche Antriebe gedämpft (Gantry), sondern durch einen Zusatzantrieb ZA aktiv kompen­ siert.
Hierzu werden die Schwingungen z. B. messtechnisch erfasst. Dies kann geschehen durch:
  • - direkte Messung einer Schwingung,
  • - Differenzmessung zwischen nichtschwingender und schwingen­ der Position,
  • - indirekte Messung über die Beschleunigung im zu positionie­ renden Maschinenpunkt und Vergleich mit der nichtschwingen­ den Beschleunigung oder
  • - eine Kombinationen dieser Messverfahren.
Durch die Beschleunigung träger Massen wie im Maschinenpunkt TCP (z. B. mit einem Fräskopf etc.) entsteht eine Durchbiegung der Traverse. Die Zusatzachse X3 kompensiert die Abweichung des Tool Center Points (TCP) von einer ideal starren Traverse (in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet). Ein anschließender Bremsvorgang verursacht ein Überschwingen (vgl. strich­ punktierter Verlauf), das sich aus der Überlagerung der Ei­ genmoden der Traverse T, die mit den jeweiligen Eigenfrequen­ zen schwingen, zusammensetzt.
Vor allem die niederfrequenten Eigenmoden können dabei durch die vorliegende Erfindung kompensiert werden. Durch Einsatz eines hochdynamischen Lineardirektantriebs in Doppelkamman­ ordnung als X3 Achse können auch Schwingungen mittlerer Fre­ quenz kompensiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Stützkraft des Zusatzantriebs ZA gegen die Traverse unter Um­ ständen nicht mehr vernachlässigt werden kann. Die Kraftdist­ ributionseinheit muss dann für eine Bedämpfung der elasti­ schen Traverse sorgen.
Ansonsten ist der Vorteil eines bewegten Sekundärteils und feststehenden Primärteilen, dass die Zusatzachse X3 nur ver­ gleichsweise geringe Massen bewegt, und somit die Stützkräfte gegen die Traverse unter Umständen vernachlässigt werden kön­ nen, falls die Beschleunigungen an der Zusatzachse ZA nicht zu groß sind und damit nur niedrige Frequenzen kompensiert werden sollen. Falls die Stützkräfte nicht vernachlässigbar sind, z. B. wenn der Zusatzantrieb eine Z-Achse mit großer Masse bewegen muss, ist darauf zu achten, dass der Zusatzan­ trieb ZA die Traverse T nicht zu Schwingungen anregt. Daher ist dieses Antriebskonzept besonders vorteilhaft für Werk­ zeugmaschinen ohne ausgeprägte Z-Achse mit geringer zu bewe­ genden Masse, z. B. Laser-Schneidemaschinen.
Falls Prozesskräfte (z. B. bei spanender Bearbeitung) auftre­ ten, muss sichergestellt sein, dass die nun leichter gebaute Traverse auch im ausgelenkten Zustand die Stützkräfte rever­ sibel aufnehmen kann.
Zur Positionierung des Zusatzantriebs ZA wird mindestens eine der drei Zustandsgrößen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Lage beim Hauptantrieb und dem Zusatzantrieb erfasst. Dabei können die Zustandsgrößen absolut oder relativ gemessen wer­ den. Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt dazu eine Regelungs­ struktur mit zwei Kaskadenregelungen, eine für die beiden Hauptantriebe HA1, HA2 (oberer Zweig), die andere für den Zu­ satzantrieb ZA (unterer Zweig).
Jede Kaskadenreglerstruktur besteht aus einem jeweiligen La­ geregler 1a bzw. 1b, Geschwindigkeitsregler 2a bzw. 2b und Kraftregler 3a bzw. 3b. Der Gesamtlagesollwert ssoll, der z. B. von der numerischen Steuerung vorgegeben wird, wird der Lage­ distributionseinheit 11 zugeführt. Diese berechnet die Lage­ sollwerte für die Hauptantriebe sH_soll und den Zusatzantrieb sZ_soll, und gegebenenfalls einen Gesamtgeschwindigkeitssoll­ wert vsoll für die Geschwindigkeitsdistributionseinheit 10. Dabei werden die Lageistwerte sH und sZ an die Lagedistribu­ tionseinheit 11 zurückgeführt.
Nach dem gleichen Prinzip berechnet die Geschwindigkeitsdist­ ributionseinheit 10 die Geschwindigkeitsrückführungswerte für die Hauptantriebe vH_rück und den Zusatzantrieb vZ_rück und ge­ gebenenfalls einen Gesamtkraftsollwert Fsoll für die Kraft­ distributionseinheit 9. Dabei werden die Geschwindigkeitsist­ werte vH und vZ and die Geschwindigkeitsdistributionseinheit 10 zurückgeführt. Die Kraftdistributionseinheit 9 berechnet wiederum die Kraftrückführungswerte für die Hauptantriebe FH_rück und den Zusatzantrieb FZ_rück. Dabei werden die jeweilige Beschleunigungsistwerte aH und aZ an die Kraftdistribution 9 zurückgeführt.
Statt alleine den Gesamtlagesollwert der numerischen Steue­ rung an die Lagedistributionseinheit zu übergeben, ist es vorteilhaft, den unterlagerten Distributionseinheiten zusätz­ lich ein Geschwindigkeits- und gegebenenfalls Kraftvorsteuer­ signal zuzuführen.
Alternativ kann auf die den Distributionseinheiten eingangs­ seitig aufgeschalteten Gesamtgeschwindigkeits- und Gesamt­ kraftsollwerte verzichtet werden.
Die Kraftregler 3a bzw. 3b stellen ausgangsseitig den Stell­ wert für die jeweiligen Antriebe zur Verfügung. Die Glieder 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a und 7b repräsentieren die jeweili­ ge Regelstrecke. Dabei wird die Verzögerung des jeweiligen Antriebs durch ein PT1-Glied 4a bzw. 4b (ausgangsseitiger Kraftistwert FH bzw. FZ) beschrieben. Die Streckenverstär­ kung, also die inverse Masse bei translatorischen Antrieben, ist durch das P-Glied 5a bzw. 5b (ausgangsseitiger Beschleu­ nigungsistwert aH bzw. aZ) dargestellt. Die erste Integra­ torstufe 6a bzw. 6b integriert den jeweiligen Beschleuni­ gungsistwert zum Geschwindigkeitsistwert (vH bzw. vZ), der wiederum von der zweiten Integratorstufe 7a bzw. 7b zum je­ weiligen Lageistwert (sH bzw. sZ) integriert wird. Die Lage­ istwerte sH und sZ, die im jeweils eigenen Koordinatensystem vorliegen, werden in einem Addierer 8 zu einem Gesamtlagewert sges verknüpft.
Es gibt nun mehrere Möglichkeiten, den Zusatzantrieb ZA er­ findungsgemäß zu regeln. Die beiden folgenden Ausführungen bilden nur eine unvollständige Liste von Beispielen, wie der Zusatzantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung geregelt wer­ den kann:
Der Zusatzantrieb ZA kann alleine mit einem Kraftregler be­ trieben werden. Der Kraftsollwert FZ_soll für den Zusatzantrieb ZA wird dabei gleich dem Kraftistwert der Hauptantriebe FH gesetzt. Dies ist identisch mit der Forderung, dass der rela­ tive Kraftistwert FH-FZ auf Null geregelt wird.
Unter der Annahme, dass der Eigenmode mit niedrigster Fre­ quenz einer sehr leichten Traverse bei f = 10 Hz liegt, und die Traverse T mit 20 m/sec2 beschleunigt wird, und dadurch eine Amplitude der Auslenkung der Traverse von = 100 µm entsteht, so ergibt sich eine maximale Beschleunigung von:
Diese Beschleunigung der unerwünschten Schwingung ist der ge­ wollten Beschleunigung, die in der Regel sehr viel höher ist, überlagert. Der Beschleunigungssensor muss den gesamten Be­ schleunigungsbereich mit einer für die wesentlich geringere Beschleunigung der unerwünschten Schwingungen ausreichenden Genauigkeit auflösen können. Zu beachten ist, dass der Pha­ senverlust der Beschleunigungsmessung möglichst gering ist oder kompensiert wird, da ansonsten ein schwingfähiges System entstehen kann. Piezosensoren sind wegen ihrer sehr hohen Dy­ namik besonders geeignet zur Durchführung der weiter oben an­ geführten Messungen.
Bei einer elastischen Traverse T werden sich keine stationä­ ren Auslenkungen einstellen, daher muss der Gleichanteil des Relativbeschleunigungssignals, z. B. durch ein Hochpassfilter eliminiert werden.
Dadurch kann auf den Geschwindigkeits- 2b und Lageregelkreis 1b für den Zusatzantrieb verzichtet werden und nur ein Be­ schleunigungsregelkreis 3b mit Sollwert Null für die Relativ­ beschleunigung verwendet werden.
Als alternative Ausführung ist es denkbar, dass die Auslen­ kung der Traverse T mit einem an einem Schlitten der X1- oder X2-Achse befestigten Laser und einer Photodiodenanordnung am beweglichen Teil der X3-Achse gemessen wird. Die Auslenkung kann dann direkt als Lagesollwert für die Zusatzachse verwen­ det werden und stimmt im Idealfall mit der Auslenkung der Traverse T (vgl. Fig. 1) relativ zu einer ideal starren Tra­ verse überein.
Alternativ kann die Auslenkung auch als Relativsignal zwi­ schen dem absoluten Lageistwert der Hauptachsen sH und dem absoluten Lageistwert der Zusatzachse X3 sZ gebildet werden.
Liegt das Auslenkungssignal in genügend hoher Auflösung vor, so kann durch numerische Differenziation ein Geschwindig­ keitssignal für die unterlagerte Distributionseinheit berech­ net werden.
Darüber hinaus ist eine Kombination der beiden Ausführungen denkbar. In diesem Fall sind alle drei Distributionseinheiten im Einsatz.

Claims (17)

1. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen und/oder Verformungen in industriellen Bearbei­ tungsmaschinen mit mindestens einer Hauptachse (X1, X2) und einem dieser zugeordneten Hauptantrieb (HA1, HA2) zur Durch­ führung einer ersten Bewegung, die ein mechanisches Maschi­ nenelement (T) mit einem einer Zusatzachse (X3) zugeordneten Zusatzantrieb (ZA) verfährt, der (ZA) zur Durchführung einer zweiten vergleichsweise feineren Bewegung dient, die einen zu positionierenden Maschinenpunkt (TCP) so verfährt, dass sich die Bewegung des Maschinenpunktes (TCP) aus den überlagerten Anteilen der ersten und der zweiten Bewegung zusammensetzt, wobei die erste Bewegung den Maschinenpunkt (TCP) gemäß einem vorgegebenen Lagesollwert (ssoll) verfährt und die zweite Be­ wegung dabei auftretende eventuelle Schwingungen und/oder ei­ ne eventuelle Verformung des mechanischen Maschinenelementes (T) so ausgleicht, dass der Maschinenpunkt (TCP) dennoch die vorgegebene Solllage erreicht, wobei wenigstens eine der Zu­ standsgrößen Beschleunigung (aH, aZ) und Geschwindigkeit (vH, vZ) und Lage (sH, sZ) beim Hauptantrieb (HA1, HA2) und beim Zusatzantrieb (ZA) erfasst werden und daraus ein jeweiliges Differenzsignal zur Ansteuerung des Zusatzantriebs (ZA) abge­ leitet wird.
2. Verfahren zur aktiven Kompensation von Regelabweichungen in industriellen Bearbeitungsmaschinen mit mindestens einer Hauptachse (X1, X2) und einem dieser zugeordneten Hauptan­ trieb (HA1, HA2) zur Durchführung einer ersten Bewegung, die einen einer Zusatzachse (X3) zugeordneten Zusatzantrieb (ZA) verfährt, der (ZA) zur Durchführung einer zweiten vergleichs­ weise feineren Bewegung dient, die einen zu positionierenden Maschinenpunkt (TCP) so verfährt, dass sich die Bewegung des Maschinenpunktes (TCP) aus den überlagerten Anteilen der ers­ ten und der zweiten Bewegung zusammensetzt, wobei die erste Bewegung den Maschinenpunkt (TCP) gemäß einem vorgegebenen Lagesollwert (ssoll) verfährt und die zweite Bewegung dabei auftretende eventuelle Regelabweichungen des Hauptantriebs (HA1, HA2) so ausgleicht, dass der Maschinenpunkt (TCP) den­ noch die vorgegebene Solllage erreicht, wobei wenigstens eine der Zustandsgrößen Beschleunigung (aH, aZ) und Geschwindig­ keit (vH, vZ) und Lage (sH, sZ) beim Hauptantrieb (HA1, HA2) und beim Zusatzantrieb (ZA) erfasst werden und daraus ein je­ weiliges Differenzsignal zur Ansteuerung des Zusatzantriebs (ZA) abgeleitet wird.
3. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen und/oder Verformungen nach Anspruch 1, wobei der Zusatzantrieb (ZA) mit einem eigenen Lagesollwert angesteuert wird, der im wesentlichen der Auslenkung des mechanischen Ma­ schinenelementes (T) relativ zu einem solchen ideal starren mechanischen Maschinenelemente (T) entspricht.
4. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen und/oder Verformungen nach Anspruch 1 oder 3, wobei zur Ableitung eines Ansteuerwertes für den Zusatzan­ trieb (ZA) eine Schwingung und/oder eine Verformung des me­ chanischen Maschinenelementes (T) durch direkte Messung der Position im zu positionierenden Maschinenpunkt (TCP) ermit­ telt wird.
5. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen nach Anspruch 1 oder 3, wobei zur Ableitung ei­ nes Ansteuerwertes für den Zusatzantrieb (ZA) eine Schwingung des mechanischen Maschinenelementes (T) durch Differenzmes­ sung zwischen nichtschwingender und schwingender Position des Maschinenpunktes (TCP) ermittelt wird.
6. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen nach Anspruch 1, wobei zur Ableitung eines An­ steuerwertes für den Zusatzantrieb (ZA) eine Schwingung des mechanischen Maschinenelementes (T) durch indirektes Messen einer tatsächlichen ersten Beschleunigung und einer zugehöri­ gen nichtschwingenden zweiten Beschleunigung im zu positio­ nierenden Maschinenpunkt (TCP) sowie durch Vergleichen beider Beschleunigungen ermittelt wird.
7. Verfahren zur aktiven Kompensation nach Anspruch 6, wobei eine Beschleunigungsmessung derart erfolgt, dass dabei ein möglichst geringer Phasenverlust auftritt.
8. Verfahren zur aktiven Kompensation nach Anspruch 6, wobei ein bei einer Beschleunigungsmessung auftretender Phasenver­ lust kompensiert wird.
9. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, wobei ein eventueller Gleichanteil einer ermittelten Relativ­ beschleunigung durch Hochpassfilterung eliminiert wird.
10. Verfahren zur aktiven Kompensation von mechanischen Schwingungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzachse (X3) parallel zur Hauptachse (X1, X2) über eine Traverse (T) mechanisch beweglich gekoppelt wird.
11. Regelungsvorrichtung zur aktiven Kompensation von mecha­ nischen Schwingungen und/oder Verformungen und/oder Regelab­ weichungen in industriellen Bearbeitungsmaschinen mit
einer ersten einem oder mehreren Hauptantrieben (HA1, HA2) zugeordneten Kaskadenreglerstruktur mit einem Kraftregler (3a), einem übergeordneten Geschwindigkeitsregler (2a) und einem wiederum übergeordneten Lageregler (1a),
einer zweiten einem Zusatzantrieb (ZA) zugeordneten Kaska­ denreglerstruktur mit einem Kraftregler (3b), einem überge­ ordneten Geschwindigkeitsregler (2b) und einem wiederum ü­ bergeordneten Lageregler (1b),
und mit wenigstens einer der folgenden Distributionseinhei­ ten:
einer Kraftdistributionseinheit (9), die eingangsseitig mit den beiden Beschleunigungsistwerten (aH, aZ) und/oder einem Gesamtkraftsollwert (Fsoll) beaufschlagt wird und die jewei­ lige Relativbeschleunigungssignale zur eingangsseitigen Aufschaltung auf die jeweiligen Kraftregler (3a, 3b) lie­ fert,
einer Geschwindigkeitsdistributionseinheit (10), die ein­ gangsseitig mit den beiden Geschwindigkeitsistwerten (vH, vZ) und/oder einem Gesamtgeschwindigkeitssollwert (vsoll) beaufschlagt wird und die jeweilige Relativgeschwindig­ keitssignale zur eingangsseitigen Aufschaltung auf die je­ weiligen Geschwindigkeitsregler (2a, 2b) liefert,
einer Lagedistributionseinheit (11), die eingangsseitig mit den beiden Lageistwerten (sH, sZ) und einem Gesamtlagesoll­ wert (ssoll) beaufschlagt wird und die jeweilige Relativla­ gesignale zur eingangsseitigen Aufschaltung auf die jewei­ ligen Lageregler (1a, 1b) liefert.
12. Regelungsvorrichtung zur aktiven Kompensation nach An­ spruch 11, mit einem Hochpassfilter zur Eliminierung von einem eventuellen Gleichanteil in einem der Relativsignale.
13. Industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Regelungsvor­ richtung zur aktiven Kompensation nach Anspruch 11 oder 12, mit
mindestens einer Hauptachse (X1, X2) und
einem dieser zugeordneten Hauptantrieb (HA1, HA2) zur Durchführung einer ersten Bewegung, mittels derer
ein mechanisches Maschinenelement (T) mit einem einer Zu­ satzachse (X3) zugeordneten Zusatzantrieb (ZA) verfahrbar ist, wobei
der Zusatzantrieb (ZA) zur Durchführung einer zweiten ver­ gleichsweise feineren Bewegung dient, mit der ein zu posi­ tionierenden Maschinenpunkt (TCP) verfahrbar ist, wobei
der Hauptantrieb (HA1, HA2) mittels der ersten Kaskadenreg­ lerstruktur (1a, 2a, 3a) angesteuert wird und
der Zusatzantrieb (ZA) mittels der zweiten Kaskadenregler­ struktur (1b, 2b, 3b) angesteuert wird, und wobei
sich die Bewegung des Maschinenpunktes (TCP) aus den über­ lagerten Anteilen (sges) der ersten (sH) und der zweiten (sZ) Bewegung zusammensetzt.
14. Industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Regelungsvor­ richtung zur aktiven Kompensation nach Anspruch 13, wobei die Zusatzachse (X3) parallel zur Hauptachse (X1, X2) über eine Traverse (T) mechanisch beweglich gekoppelt ist.
15. Industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Regelungsvor­ richtung zur aktiven Kompensation nach Anspruch 13, wobei zwei parallele Hauptachsen (X1, X2) mit jeweiligem Hauptan­ trieb (HA1, HA2) vorgesehen sind und die Hauptantriebe mit­ tels einer Traverse (T) gekoppelt sind, wobei die Zusatzachse (X3) zwischen den beiden Hauptachsen (X1, X2) parallel zu diesen angeordnet ist und die Traverse den Zusatzantrieb (ZA) trägt.
16. Industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Regelungsvor­ richtung zur aktiven Kompensation nach Anspruch 15, wobei der Zusatzantrieb (ZA) als Linearantrieb in Doppelkammanordnung ausgestaltet ist.
17. Industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Regelungsvor­ richtung zur aktiven Kompensation nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die Traverse mechanisch derart ausgestaltet ist, dass diese im ausgelenkten Zustand für eventuelle Prozess­ kräfte erforderliche Stützkräfte reversibel aufnehmen kann.
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