DE10027864A1 - System und Verfahren zur Projektierung von Kurvenscheiben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Projektierungssystem zur Entwicklung und Optimierung von Kurvenscheiben, insbesondere von elektrischen Kurvenscheiben. Es wird vorgeschlagen, dass man für die gesamte Definition einer kompletten elektrischen Kurvenscheibe nur noch die technologisch relevanten Abschnitte vorgeben muss (Dateneingabe) und das Projektierungssystem automatisch die fehlenden Teilabschnitte durch Bewegungselemente ergänzt (Kurvenverbindung), wobei der Gesamtverlauf der durch die Kurvenscheibe beschriebenen Bewegung auf der Basis der physikalischen Bewegungsgesetze berechnet und hinsichtlich Ruckfreiheit, Energieverbrauch und/oder Schwingungsreduzierung optimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Projektierung von Kurvenscheiben, insbesondere zur Entwicklung und Optimierung von elektri­ schen Kurvenscheiben, sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Projektierungssystem.

Ein derartiges Projektierungssystem findet beispielsweise im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik Anwendung.

In der Vergangenheit wurden Kopplungen von mehreren Bewegungen im wesentlichen durch mechanische Kurvenscheiben realisiert. Aufgrund der Trends zu einem höheren Automatisierungsgrad und zur Ablösung mechani­ scher durch elektrische Komponenten werden Lösungen mit mechanischen Kurvenscheiben zunehmend durch elektrische Kurvenscheiben ersetzt. Da­ bei kann der Entwurf von Kurvenscheiben im wesentlichen durch die Vorga­ be aller Segmentabschnitte erfolgen, die dann durch entsprechende mathe­ matische Verfahren parametriert werden müssen (Berechnung der Koeffizi­ enten). Trotz Unterstützung mit mathematischen Hilfsmitteln und Tabellen­ werken ist der Entwurf der Kurvenscheibe und deren Parametrierung ein Prozess, der hohe Anforderungen an die Qualifikation des Entwicklers stellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur Projektierung von Kurvenscheiben anzugeben, das den Prozess der Entwicklung von Kurvenscheiben vereinfacht und durch automatisierbare Schritte ergänzt.

Diese Aufgabe wird durch ein System bzw. durch ein Verfahren zur Projektie­ rung von Kurvenscheiben mit den in den Ansprüchen 1 bzw. 12 angegebe­ nen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schlägt ein Projektierungssystem vor, das die technologischen Vorgaben aus dem Prozess, der Maschine oder der Anlage streng von den technischen Anforderungen an die Verbindungssegmente trennt. In Abhän­ gigkeit von der zu lösenden technologischen Aufgabe muss der Entwickler einer Kurvenscheibe nur noch die prozessbestimmenden Abschnitte dieser Kurvenscheibe definieren. Das können beispielsweise Bereiche sein, in de­ nen die Slaveachse auf Rastpositionen verweilt, über Umkehrpunkte läuft oder sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegen muss. Diese Bereiche hängen von den spezifischen Anforderungen des Prozesses ab.

Nach der erfolgten Dateneingabe dieser Bereiche ergänzt das Projektie­ rungssystem automatisch die fehlenden Teilbereiche. Als Verbindungsele­ mente für diese Bereiche können verschiedene mathematische Funktionszu­ sammenhängen in Betracht kommen, wie sie beispielsweise in der VDI 2143 beschrieben sind. Je nach Aufgabenstellung müssen dabei neben den Be­ wegungsgrößen an den Rändern des Bereiches (Position x, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a) auch die Vorgaben für die Verbindung berücksichtigt werden (z. B. Stoß- und Ruckfreiheit der Bewegung, Einhalten von gewissen Dynamikvorgaben, Reduzierung von Schwingneigungen, energieoptimale Bewegung). Aufgrund dieser Vorgaben und unter Berücksichtigung der phy­ sikalischen Bewegungsgesetze wählt das Projektierungssystem den Typ der Verbindung aus und berechnet dessen Parameter. Insgesamt ergibt sich somit ein Projektierungssystem, das auch für einen ungeübteren Anwender eine optimale Projektierung von Kurvenscheiben ermöglicht.

Um die Menge der Möglichkeiten und der Einflussgrößen optimal berück­ sichtigen zu können, wird für die Ermittlung des Verbindungstyps und für die Berechnung der Parameter vorteilhaft ein Expertensystem eingesetzt. Wenn man dieses Expertensystem auf der Basis von Fuzzy-Regeln ausführt, kann man das Erfahrungswissen von hochqualifizierten Entwicklern direkt in das Projektierungssystem integrieren und gibt zusätzlich dem Anwender die Möglichkeit seine Vorgaben zu quantifizieren. So kann man beispielsweise der Reduzierung der Schwingneigung ein hohes Gewicht verleihen aber gleichzeitig auch nach Möglichkeit eine energieoptimale Bewegung fordern.

Der Vorteil der Erfindung für den Anwender liegt in der schnellen, fehlerfreien Entwicklung von Kurvenscheiben, wobei neben den technologischen Anfor­ derungen aus dem Prozess auch noch technische Vorgaben für die Verbin­ dungselemente definiert werden können. Durch den Einsatz des erfindungs­ gemäßen Projektierungssystems können auch weniger qualifizierte Anwen­ der in kurzer Zeit anspruchsvolle Lösungen für Kurvenscheiben entwickeln.

Eine Kurvenscheibe, die mit Hilfe des Projektierungssystems nach dem vor­ geschlagenen Verfahren entwickelt wurde, besteht aus einer Folge von Be­ wegungselementen, die durch mathematische Funktionsgleichungen und de­ ren Parameter definiert sind. Da aber nicht jede Antriebsregelung diese Be­ wegungselemente direkt verarbeiten kann, muss man vor einer Datenüber­ tragung in ein solches Antriebssystem noch einen weiteren Bearbeitungs­ schritt zufügen. Weit verbreitet sind Antriebsregelungen, die Tabellenwerte im Sinne einer Linearinterpolation von Kurvenzusammenhängen verarbeiten können. Für einen solchen Typ von Antriebssystemen wird im Projektie­ rungssystem die Interpolation berechnet. Die Anzahl der Interpolationsstütz­ punkte ist vom Anwender wählbar.

Dem Stand der Technik entsprechend werden für die Berechnung der Linea­ rinterpolation in der Regel äquidistante Abstände der Stützpunkte eingesetzt. Da aber Kurvenscheiben typischerweise aus Abschnitten unterschiedlicher Krümmung bestehen, werden durch die Gleichverteilung der Stützpunkte diese Abschnitte unterschiedlich gut durch die Linearinterpolation nachgebil­ det.

Durch die Verteilung der Stützpunkte über den gesamten Verlauf der Kur­ venscheibe in der Weise, dass in Abschnitten mit starker Krümmung viele Punkte und in Abschnitten mit geringer Krümmung wenige Punkte angeord­ net sind, wird erreicht, dass man bei einer fest vorgegebenen Anzahl von Stützpunkten eine Güte der linearinterpolierten Bewegung erzielen kann, für die im Falle der Äquidistanz der Stützpunke die 2- bis 5-fache Anzahl von Punkten benötigt würde.

Vorteilhaft kann man für die Optimierung der Verteilung der Stützpunkte Me­ thoden der Künstlichen Intelligenz einsetzen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird neben der Linearinterpolation auch eine Interpolation mit Polynomen geringer Ordnung eingesetzt.

Bei der Berechnung der Verbindungselemente treten Fälle auf, bei denen der Übergang von einer Bewegungsaufgabe zur nächsten nur durch die Kombi­ nation von positiven und negativen Beschleunigungswerten erreicht werden kann, was zu einem unerwünschten Über- bzw. Unterschwingen im Bewe­ gungsverlauf führt. Hierzu wird vorgeschlagen, die Verbindungselemente so durch angepasste Geraden zu ergänzen, dass ein ruckfreier Bewegungs­ verlauf ohne Über- bzw. Unterschwingen auftritt. Die Entscheidung über den Einsatz der Geraden und deren Parametrierung wird vom integrierten Ex­ pertensystem vorgenommen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass dadurch nur positive oder nur negative Werte für die Beschleunigung in diesen Abschnit­ ten auftreten, was zu einer Verbesserung der Güte der Bewegung führt.

Bei der Berechnung von Verbindungselementen, die an Umkehrpunkte gren­ zen, tritt die Besonderheit auf, dass je nach dem Typ der Verbindungsele­ mente, wie beispielsweise Polynome 5. Grades, die Beschleunigung im Um­ kehrpunkt ein freiwählbarer Parameter sein kann. Die Erfindung schlägt vor, die Beschleunigung im Umkehrpunkt so einzustellen, dass der Ruck im Um­ kehrpunkt stetig verläuft und das Projektierungssystem die dafür notwendi­ gen Parameter automatisch berechnet. Andere Beschleunigungswerte im Umkehrpunkt, wie beispielsweise der Wert 0, führen im Gegensatz dazu zu ungünstigeren Bewegungsverläufen mit einem unstetigen Ruckverlauf im Umkehrpunkt.

Da es aber auch Fälle gibt, bei denen der automatisch berechnete Wert für einen stetigen Ruckverlauf nicht die optimalen Eigenschaften aufweist (z. B. bei stark unsymmetrischen Verbindungselementen), schlägt die Erfindung vor, ausgehend vom automatisch berechneten Wert ein interaktives Einstel­ len der Beschleunigung zu ermöglichen.

Besonders vorteilhaft ist eine direkte grafische Visualisierung der resultieren­ den Kurvenscheibe während des Einstellen der Beschleunigung, wodurch ei­ ne direkte Kontrolle der Ergebnisse möglich ist.

Eine einfache und intuitive Bedienung ist ein wichtiges Kriterium für eine er­ folgreiche Entwicklung von Kurvenscheiben. Die Erfindung schlägt vor, dass die Funktionen Dateneingabe, Kurvenverbindung und Interpolation auf ge­ trennten Bedienebenen angeordnet sind. Der Entwickler arbeitet zuerst auf der untersten Ebene, in die er seine technologischen Vorgaben einträgt (Dateneingabe, im folgenden auch als Eingabemodus bezeichnet). In der darüberliegenden Ebene werden die automatisch generierten Verbindungs­ elemente berechnet und dargestellt (Kurvenverbindung), wobei die Daten der darunterliegenden Ebene noch sichtbar sind, aber nicht durch den Bediener verändert werden können. Diese Arbeitsweise ist mit dem Zeichnen auf Transparentpapier vergleichbar. Die dritte Ebene berechnet die Interpolation. In dieser Ebene ist die gesamte Kurvenscheibe und deren technologische Vorgaben aus den beiden unteren Ebenen sichtbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Projektierungssystems mit automati­ sierter Generierung von Kurvenscheiben,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm mit den prinzipiellen Ablaufschritten zur Pro­ jektierung von Kurvenscheiben,

Fig. 3 eine Tabelle mit möglichen Bewegungsaufgaben, deren Kurzzei­ chen, den zugehörigen Werten für Geschwindigkeit und Be­ schleunigung und die resultierende grafische Darstellungsform,

Fig. 4 ein Anzeigefeld mit einer beispielhaften Eingabe von technologi­ schen Anforderungen für ein Bewegungsproblem mit 3 Rastposi­ tionen (R), 1 Umkehrpunkt (U) und einem Bereich mit konstanter Geschwindigkeit (G) im Eingabemodus,

Fig. 5 ein Anzeigefeld mit Darstellung der kompletten Kurvenscheibe nach Fig. 4, mit der Ergänzung von 4 Verbindungselementen im Kurvenmodus durch ein Expertensystem,

Fig. 6 ein Anzeigefeld mit zeitlichen Ableitungen (Geschwindigkeit, Be­ schleunigung) der kompletten Kurvenscheibe nach Fig. 5,

Fig. 7 ein weiteres Anzeigefeld mit Darstellung der Berechnung der li­ nearen Interpolation der Kurvenscheibe nach Fig. 5 unter Verwen­ dung von 30 Stützpunkten und äquidistanten Abständen im Inter­ polationsmodus,

Fig. 8 eine beispielhafte Kurvenscheibe mit optimierter Linearinterpolati­ on nach Fig. 7 mit einer Verdichtung der Punkte bei starken Krümmungen,

Fig. 9 einen beispielhaften Optimierungsverlauf der Linearinterpolation nach Fig. 8 mit 10000 Optimierungsschritten unter Zuhilfenahme eines Neuronalen Netzes,

Fig. 10a eine beispielhafte Darstellung für das Verbinden von Bewegungs­ aufgaben mit Polynomen ohne ergänzende Geraden mit dem Er­ gebnis des Über- bzw. Unterschwingens im Bewegungsverlauf,

Fig. 10b eine beispielhafte Darstellung für das Verbinden von Bewegungs­ aufgaben mit Polynomen und ergänzenden Geraden, die so an­ geordnet sind, dass kein Über- bzw. Unterschwingens im Bewe­ gungsverlauf auftritt,

Fig. 11a eine beispielhafte Darstellung für eine automatische Berechnung der Beschleunigung im Umkehrpunkt mit dem Ziel, einen stetigen Ruckverlauf zu erreichen,

Fig. 11b eine beispielhafte Darstellung für ein manuelles Setzen der Be­ schleunigung im Umkehrpunkt auf den Wert 0, wodurch ein Sprung im Ruckverlauf auftritt,

Fig. 12 eine beispielhafte Darstellung für ein interaktives Einstellen der Beschleunigung im Umkehrpunkt und der direkten Darstellung des resultierenden Kurvenverlaufes und

Fig. 13 eine schematische Darstellung der Bedienebenen für Datenein­ gabe, Kurvenverbindung und Interpolation auf getrennten Ebenen.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Projektierungssystems 1 mit auto­ matisierter Generierung von Kurvenscheiben. Das Projektierungssystem 1 dient zur Entwicklung und Optimierung von Kurvenscheiben 7, insbesondere von elektrischen Kurvenscheiben im Bereich der Automatisierungs- und An­ triebstechnik. Das Projektierungssystem 1 umfaßt Eingabemittel 4 zur Vor­ gabe von technologisch relevanten Teildaten einer gewünschten Kurven­ scheibe durch einen Anwender 10. Das Projektierungssystem 1 weist dar­ über hinaus Rechnermittel 8 zur automatischen Ergänzung fehlender Teilab­ schnitte auf. Die Rechnermittel 8 enthalten ein Expertensystem 11 zur auto­ matische Ergänzung der durch die Teildaten vorgegeben Teilabschnitte durch Bewegungselemente. Dem Expertensystem 11 ist eine erste Daten­ verarbeitungseinheit 12 nachgeschaltet, die auf der Datenbasis einer defi­ nierten Kurvenscheibe eine Interpolation in Form von Geraden berechnet. Der ersten Datenverarbeitungseinheit 12 ist eine zweite Datenverarbeitungs­ einheit 13 parallelgeschaltet, die auf der Datenbasis einer definierten Kur­ venscheibe eine Interpolation in Form von Polynomen geringer Ordnung be­ rechnet. Das Projektierungssystem 1 umfaßt mehrere Bedienebenen B1, B2, B3, die so angeordnet sind, dass die Funktionen Dateneingabe, Kurvenver­ bindung und Interpolation auf getrennten Ebenen angeordnet sind. Die Daten der jeweils darunterliegenden Ebenen werden dabei sowohl in datentechni­ scher als auch in grafischer Hinsicht jeweils automatisch an die darüberlie­ genden Ebenen übergeben. Dies führt zu einer einfachen und intuitiven Be­ dienung und somit zu einer erfolgreichen Entwicklung von Kurvenscheiben.

Mit Hilfe des in Fig. 1 dargestellten Projektierungssystems wird der Gesamt­ verlauf der durch die Kurvenscheibe beschriebenen Bewegung auf der Basis der physikalischen Bewegungsgesetze berechnet und hinsichtlich Ruckfrei­ heit, Energieverbrauch und/oder Schwingungsreduzierung optimiert.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm mit den prinzipiellen Ablaufschritten zur Projektierung von Kurvenscheiben. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt durch einen Anwender 10 in einem Eingabemodus 20 des Projektierungssy­ stems (vgl. Fig. 1) eine Eingabe von Teildaten, d. h. eine Vorgabe von tech­ nologisch relevanten Teildaten einer gewünschten Kurvenscheibe beispiels­ weise in Form durch das Projektierungssystem vorgegebener Bewegungs­ aufgaben. Dies ist in Fig. 2 durch das im Bildschirmfenster 30, welches auf einem Monitor 9 des Projektierungssystems darstellbar ist graphisch veran­ schaulicht und wird im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 noch weiter er­ läutert. Nach Vorgabe der Eckdaten der gewünschten Kurvenscheibe erfolgt durch die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Programmittel 8 in einem Kurvenmodus 21 des Projektierungssystems eine automatisierte Ergänzung der durch die Teildaten vorgegebenen Kurvenscheibenverbin­ dungen. Dies ist durch das Bildschirmfenster 31 symbolisiert und wird im Zu­ sammenhang mit Fig. 5 noch genauer gezeigt und erläutert. In einem Inter­ polationsmodus 22a erfolgt eine Linearinterpolation, symbolisiert durch ein Bildschirmfenster 32. Die Anzahl der Interpolationsstützpunkte ist dabei vom Anwender wählbar, was durch die Verbindung zwischen Anwender 10 und Programmittel 8 angedeutet ist. In einem Interpolationsmodus 22b kann die Verteilung der Stützpunkte über den gesamten Verlauf der Kurvenscheibe so verändert werden, dass in Abschnitten mit starker Krümmung viele Punkte und in Abschnitten mit geringer Krümmung wenige Punkte angeordnet sind, was in einem Bildschirmfenster 33 symbolisiert und im Zusammenhang mit Fig. 8 noch genauer gezeigt und erläutert wird. Hierdurch wird erreicht, dass im Vergleich zu einer fest vorgegebenen Anzahl von Stützpunkten eine Güte der linearinterpolierten Bewegung erzielt werden kann, für die im Falle der Äquidistanz der Stützpunke die 2- bis 5-fache Anzahl von Punkten benötigt würde.

Fig. 3 zeigt eine Tabelle mit möglichen Bewegungsaufgaben in einer ersten Spalte SP1, deren Kurzzeichen in einer zweiten Spalte SP2, den zugehöri­ gen Werten für Geschwindigkeit in einer dritten Spalte SP3 und für Be­ schleunigung in einer vierten Spalte SP4 und die resultierende grafische Darstellungsform in einer fünften Spalte SP5. Als mögliche Bewegungsauf­ gaben sind in der ersten Spalte SP1 Rast R, konstante Geschwindigkeit G, Umkehr U und Bewegung B enthalten, wobei die Bewegungsaufgaben Rast R und konstante Geschwindigkeit G jeweils durch eine Linie und die Bewe­ gungsaufgaben Umkehr U und Bewegung B im Projektierungssystem jeweils durch einen Punkt grafisch dargestellt werden. Die Bewegungszusammen­ hänge werden aufgrund der Anforderungen an die Prozesse definiert. In der Regel lassen sich diese technologischen Anforderungen auf die in Fig. 3 be­ schriebenen vier Bewegungsaufgaben abbilden. Mit Hilfe von diesen vier Bewegungsaufgaben werden die Teile einer Kurvenscheibe beschrieben, die aus technologischer Sicht eine bestimmte Bewegungszuordnung erfordern.

Fig. 4 zeigt ein Anzeigefeld 30, wie es mit Hilfe des in Fig. 1 beschriebenen Projektierungssystems auf einem Monitor des Projektierungssystems dar­ stellbar ist. Im Anzeigefeld 30 ist eine beispielhafte Eingabe von technologi­ schen Anforderungen für ein Bewegungsproblem mit drei Rastpositionen R (Bezugszeichen 6a, 6d, 6e), einem Umkehrpunkt U (Bezugszeichen 6c) und einem Bereich mit konstanter Geschwindigkeit G (Bezugszeichen 6b) im Eingabemodus des Projektierungssystems gezeigt. Eine aus diesen Bewe­ gungsaufgaben zu erzeugende elektrische Kurvenscheibe stellt einen Bewe­ gungszusammenhang von einer Leit- oder Masterachse zu einer Folge- oder Slaveachse dar. Die mechanische Kopplung wird dabei durch ein Bewe­ gungsdiagramm ersetzt, das für jede Position der Masterachse eine eindeu­ tige Position der Slaveachse vorschreibt.

Fig. 5 zeigt ein Anzeigefeld 31 mit Darstellung der kompletten Kurvenschei­ be nach Fig. 4, mit der Ergänzung von 4 Verbindungselementen V1. .V4 im Kurvenmodus durch ein Expertensystem. Dabei werden die Lücken zwischen den definierten Bewegungsaufgaben durch die aus den Verbindungsele­ menten V1. .V4 gebildeten vier Segmente geschlossen, die den spezifischen Anforderungen der Lösung genügen müssen, um beispielsweise höhere Be­ arbeitungsgeschwindigkeiten und einen geringeren Maschinenverschleiß zu erreichen. Typische Anforderungen an diese Verbindungssegmente sind Stoß- und Ruckfreiheit der Bewegung, Einhalten von gewissen Dynamikvor­ gaben, Reduzierung von Schwingneigungen und energieoptimale Bewegung. Die Segmente, die für die Verbindung der Bewegungsaufgaben eingesetzt werden, müssen dafür bestimmten mathematischen und physikalischen Vor­ aussetzungen genügen. Eingesetzt werden beispielsweise Polynome ver­ schiedener Ordnung und harmonische Funktionen. Eine detaillierte Be­ schreibung der Bewegungsaufgaben und der Vorschriften für die Verbin­ dungssegmente ist in der VDI 2143 enthalten. Eine Kurvenscheibe, die mit Hilfe des Projektierungssystems nach dem vorgeschlagenem Verfahren ent­ wickelt wurde, besteht aus einer Folge von Bewegungselementen, die durch mathematische Funktionsgleichungen und deren Parameter definiert sind.

Fig. 6 zeigt ein Anzeigefeld 34 mit zeitlichen Ableitungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung) der kompletten Kurvenscheibe nach Fig. 5. Diese Anzeige­ option ist Teil des in Fig. 1 gezeigten Projektierungssystems, denn ein wich­ tiges Kriterium für die Güte des Bewegungsablaufes ist die Qualität der zu­ geordneten Funktionen für Geschwindigkeit Ge und Beschleunigung Be.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Anzeigefeld 32 mit Darstellung der Berechnung der linearen Interpolation der Kurvenscheibe 7 nach Fig. 5 unter Verwendung von 30 Stützpunkten P1. .Pn und äquidistanten Abständen im Interpolations­ modus. Dieser Interpolationsmodus wird dadurch erforderlich, da nicht jede Antriebsregelung die ermittelten Bewegungselemente direkt verarbeiten kann. Aus diesem Grund wird vor einer Datenübertragung in ein solches An­ triebssystem noch ein weiterer Bearbeitungsschritt hinzufügt. Weit verbreitet sind Antriebsregelungen, die Tabellenwerte in Sinne einer Linearinterpolation von Kurvenzusammenhängen verarbeiten können. Für einen solchen Typ von Antriebssystemen wird im Projektierungssystem die in Fig. 7 gezeigte Interpolation berechnet. Die Anzahl der Interpolationsstützpunkte ist dabei vom Anwender wählbar. In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem für die Berechnung der Linearinterpolation äquidistante Abstände der Stützpunkte eingesetzt sind. Da aber Kurvenscheiben typischerweise aus Abschnitten unterschiedlicher Krümmung bestehen, werden durch die Gleichverteilung der Stützpunkte diese Abschnitte unterschiedlich gut durch die Linearinterpolation nachgebildet.

Fig. 8 zeigt daher eine beispielhafte Kurvenscheibe 7 mit optimierter Linea­ rinterpolation nach Fig. 7 mit einer Verdichtung der Punkte bei starken Krümmungen. Dabei wird die Verteilung der Stützpunkte über den gesamten Verlauf der Kurvenscheibe so verändert, dass in Abschnitten mit starker Krümmung viele Punkte und in Abschnitten mit geringer Krümmung wenige Punkte angeordnet sind. Dadurch erreicht man, dass man bei einer fest vor­ gegebenen Anzahl von Stützpunkten eine Güte der linearinterpolierten Be­ wegung erzielen kann, für die im Falle der Äquidistanz der Stützpunke die 2- bis 5-fache Anzahl von Punkten benötigt würde. Vorteilhaft kann man für die Optimierung der Verteilung der Stützpunkte Methoden der Künstlichen Intel­ ligenz einsetzen.

Eine andere Ausprägung von Antriebsreglern kann neben den Tabellenwer­ ten aus der Linearinterpolation zusätzlich auch Polynome geringer Ordnung (z. B. Polynome 3. Grades) verarbeiten. Die Erfindung schlägt vor, dass ne­ ben der Linearinterpolation auch eine Interpolation mit Polynomen geringer Ordnung eingesetzt wird.

Fig. 9 zeigt einen beispielhaften Optimierungsverlauf der Linearinterpolation nach Fig. 8 mit 10000 Optimierungsschritten unter Zuhilfenahme eines Neu­ ronalen Netzes. Es ist deutlich zu sehen, dass sich im Verlaufe der Optimie­ rung die Werte für den maximalen und den minimalen Fehler einander annä­ hern, was ein Indiz dafür ist, dass sowohl stark gekrümmte als auch schwach gekrümmte Abschnitte mit nahezu gleicher Güte abgebildet werden.

Fig. 10a zeigt eine beispielhafte Darstellung für das Verbinden von Bewe­ gungsaufgaben mit Polynomen ohne ergänzende Geraden mit dem Ergebnis des Über- bzw. Unterschwingens im Bewegungsverlauf. Bei der Berechnung der Verbindungselemente treten Fälle auf, bei denen der Übergang von einer Bewegungsaufgabe zur nächsten nur durch die Kombination von positiven und negativen Beschleunigungswerten erreicht werden kann, was zu einem unerwünschten Über- bzw. Unterschwingen im Bewegungsverlauf führt (vgl. Fig. 10a). Die Erfindung schlägt vor, die Verbindungselemente so durch an­ gepasste Geraden zu ergänzen, dass ein ruckfreier Bewegungsverlauf ohne Über- bzw. Unterschwingen auftritt. Die Entscheidung über den Einsatz der Geraden und deren Parametrierung wird vom integrierten Expertensystem vorgenommen.

Fig. 10b zeigt eine beispielhafte Darstellung für das Verbinden von Bewe­ gungsaufgaben mit Polynomen und ergänzenden Geraden, die so angeord­ net sind, dass kein Über- bzw. Unterschwingens im Bewegungsverlauf auf­ tritt. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass dadurch nur positive oder nur negative Werte für die Beschleunigung in diesen Abschnitten auftreten, was zu einer Verbesserung der Güte der Bewegung führt.

Fig. 11a zeigt eine beispielhafte Darstellung für eine automatische Berech­ nung der Beschleunigung im Umkehrpunkt mit dem Ziel, einen stetigen Ruckverlauf zu erreichen.

Fig. 11b zeigt eine beispielhafte Darstellung für ein manuelles Setzen der Beschleunigung im Umkehrpunkt auf den Wert 0, wodurch ein Sprung im Ruckverlauf auftritt,

Bei der Berechnung von Verbindungselementen, die an Umkehrpunkte gren­ zen, tritt die Besonderheit auf, dass je nach dem Typ der Verbindungsele­ mente (wie beispielsweise Polynome 5. Grades) die Beschleunigung im Um­ kehrpunkt ein freiwählbarer Parameter sein kann. Die Erfindung schlägt vor, die Beschleunigung im Umkehrpunkt so einzustellen, dass der Ruck im Um­ kehrpunkt stetig verläuft und das Projektierungssystem die dafür notwendi­ gen Parameter automatisch berechnet (Fig. 11a). Andere Beschleunigungs­ werte im Umkehrpunkt, wie beispielsweise der Wert 0 (Fig. 11b), führen im Gegensatz dazu zu ungünstigeren Bewegungsverläufen mit einem unsteti­ gen Ruckverlauf im Umkehrpunkt.

Fig. 12 zeigt eine beispielhafte Darstellung für ein interaktives Einstellen der Beschleunigung im Umkehrpunkt und der direkten Darstellung des resultie­ renden Kurvenverlaufes. Da es auch Fälle gibt, bei denen der automatisch berechnete Wert für einen stetigen Ruckverlauf nicht die optimalen Eigen­ schaften aufweist (z. B. bei stark unsymmetrischen Verbindungselementen), schlägt die Erfindung vor, ausgehend vom automatisch berechneten Wert ein interaktives Einstellen der Beschleunigung zu ermöglichen (Fig. 12). Beson­ ders vorteilhaft ist eine direkte grafische Visualisierung der resultierenden Kurvenscheibe während des Einstellen der Beschleunigung, wodurch eine di­ rekte Kontrolle der Ergebnisse möglich ist.

Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung der Bedienebenen B1, B2, B3 für Dateneingabe, Kurvenverbindung und Interpolation auf getrennten Ebe­ nen. Eine einfache und intuitive Bedienung ist ein wichtiges Kriterium für eine erfolgreiche Entwicklung von Kurvenscheiben. Die Erfindung schlägt vor, dass die Funktionen Dateneingabe, Kurvenverbindung und Interpolation auf getrennten Bedienebenen B1. .B3 angeordnet sind. Der Entwickler arbeitet zuerst auf der untersten Ebene, in die er seine technologischen Vorgaben einträgt (Dateneingabe). In der darüberliegenden Ebene werden die automa­ tisch generierten Verbindungselemente berechnet und dargestellt (Kurven­ verbindung), wobei die Daten der darunterliegenden Ebene noch sichtbar sind, aber nicht durch den Bediener verändert werden können. Diese Ar­ beitsweise ist mit dem Zeichnen auf Transparentpapier vergleichbar. Die dritte Ebene berechnet die Interpolation. In dieser Ebene sind die gesamte Kurvenscheibe und deren technologische Vorgaben aus den beiden unteren Ebenen sichtbar.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit ein Projektierungssystem, das die technologischen Vorgaben aus dem Prozess, der Maschine oder der Anlage streng von den technischen Anforderungen an die Verbindungsseg­ mente trennt. In Abhängigkeit von der zu lösenden technologischen Aufgabe muss der Entwickler einer Kurvenscheibe nur noch die prozessbestimmen­ den Abschnitte dieser Kurvenscheibe definieren. Das können beispielsweise Bereiche sein, in denen die Slaveachse auf Rastpositionen verweilt, über Umkehrpunkte läuft oder sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegen muss. Diese Bereiche hängen von den spezifischen Anforderungen des Pro­ zesses ab.

Nach der erfolgten Dateneingabe dieser Bereiche ergänzt das Projektie­ rungssystem automatisch die fehlenden Teilbereiche. Als Verbindungsele­ mente für diese Bereiche können verschiedene mathematische Funktionszu­ sammenhängen in Betracht kommen, wie sie beispielsweise in der VDI 2143 beschrieben sind. Je nach Aufgabenstellung müssen dabei neben den Be­ wegungsgrößen an den Rändern des Bereiches (Position x, Geschwindigkeit v, Beschleunigung a) auch die Vorgaben für die Verbindung berücksichtigt werden (z. B. Stoß- und Ruckfreiheit der Bewegung, Einhalten von gewissen Dynamikvorgaben, Reduzierung von Schwingneigungen, energieoptimale Bewegung). Aufgrund dieser Vorgaben und unter Berücksichtigung der phy­ sikalischen Bewegungsgesetze wählt das Projektierungssystem den Typ der Verbindung aus und berechnet dessen Parameter.

Um die Menge der Möglichkeiten und der Einflussgrößen optimal berück­ sichtigen zu können, setzt man für die Ermittlung des Verbindungstyps und für die Berechnung der Parameter vorteilhaft ein Expertensystem ein. Wenn man dieses Expertensystem auf der Basis von Fuzzy-Regeln ausführt, kann man das Erfahrungswissen von hochqualifizierten Entwicklern direkt in das Projektierungssystem integrieren und gibt zusätzlich dem Anwender die Möglichkeit seine Vorgaben zu quantifizieren. So kann man beispielsweise der Reduzierung der Schwingneigung ein hohes Gewicht verleihen aber gleichzeitig auch nach Möglichkeit eine energieoptimale Bewegung fordern. Der Vorteil der Erfindung für den Anwender liegt in der schnellen, fehlerfreien Entwicklung von Kurvenscheiben, wobei neben den technologischen Anfor­ derungen aus dem Prozess auch noch technische Vorgaben für die Verbin­ dungselemente definiert werden können. Durch den Einsatz des erfindungs­ gemäßen Projektierungssystems können auch weniger qualifizierte Anwen­ der in kurzer Zeit anspruchsvolle Lösungen für Kurvenscheiben entwickeln.

Claims (23)

1. Projektierungssystem (1) zur Entwicklung und Optimierung von Kurven­ scheiben (7), insbesondere von elektrischen Kurvenscheiben im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem (1) Eingabemittel (4) zur Vorgabe von tech­ nologisch relevanten Teildaten (6a. .6e) einer gewünschten Kurvenscheibe (7) aufweist und daß das Projektierungssystem (1) Rechnermittel (8) zur au­ tomatischen Ergänzung fehlender Teilabschnitte (V1. .V4) durch Bewegungs­ elemente enthält, wobei die Rechnermittel (8) den Gesamtverlauf der durch die Kurvenscheibe (7) beschriebenen Bewegung auf der Basis der physikali­ schen Bewegungsgesetze berechnen und hinsichtlich Ruckfreiheit, Energie­ verbrauch und/oder Schwingungsreduzierung optimieren.

2. Projektierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem (1) ein Expertensystem (11) zur automati­ schen Ergänzung der Teilabschnitte (V1. .V4) aufweist, das aufgrund der ge­ wählten Vorgaben zur Optimierung den Typ eines einem Teilabschnitt (V1. .V4) zuordenbaren Bewegungselementes auswählt und dessen Para­ meter konfiguriert.

3. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenverbindung eine erste Datenverarbeitungseinheit (12) nach­ geschaltet ist, die auf der Datenbasis einer definierten Kurvenscheibe eine Interpolation in Form von Geraden berechnet.

4. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenverbindung eine zweite Datenverarbeitungseinheit (13) nachgeschaltet ist, die auf der Datenbasis einer definierten Kurvenscheibe eine Interpolation in Form von Polynomen geringer Ordnung berechnet.

5. Projektierungssystem nach einem der Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Datenverarbeitungseinheit (12) zur Interpolation eine automa­ tische Optimierung der Interpolationsstützpunkte so vornimmt, dass aufgrund eines vorgegebenen Kriteriums der Fehler zwischen der Datenbasis der Kur­ venscheibe (7) und des Ergebnisses der Interpolation möglichst klein wird.

6. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Optimierung der Interpolation mit Hilfe eines Neuro­ nalen Netzes erfolgt.

7. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für die automatische Optimierung der Interpolation die Krümmung der Kurve verwendet wird.

8. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein unerwünschtes Über- bzw. Unterschwingen im Bewegungsverlauf der Kurvenscheibe (7) dadurch vermieden wird, dass in den betroffenen Ab­ schnitten die jeweiligen Bewegungselemente, insbesondere Polynome 5. Grades, mit Geraden kombiniert werden.

9. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem mehrere Bedienebenen (B1, B2, B3) auf­ weist, die so angeordnet sind, dass die Funktionen Dateneingabe, Kurven­ verbindung und Interpolation auf getrennten Ebenen angeordnet sind, und die Daten der darunterliegenden Ebenen sowohl in datentechnischer als auch in grafischer Hinsicht jeweils automatisch an die darüberliegenden Ebenen übergeben werden.

10. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umkehrpunkten (U) der Wert der Beschleunigung so berechnet wird, dass man einen stetigen Verlauf der Ruckfunktion erreicht.

11. Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem Mittel zur interaktiven Veränderung des Wertes der Beschleunigung im Umkehrpunkt und zur direkten Beobachtung der Auswirkungen auf den Kurvenverlauf durch den Anwender (10) aufweist.

12. Verfahren zur Projektierung von Kurvenscheiben (7), insbesondere von elektrischen Kurvenscheiben im Bereich der Automatisierungs- und Antrieb­ stechnik, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem (1) Eingabemittel (4) zur Vorgabe von tech­ nologisch relevanten Teildaten (6a. .6e) einer gewünschten Kurvenscheibe (7) aufweist und dass das Projektierungssystem (1) Rechnermittel (8) zur automatischen Ergänzung fehlender Teilabschnitte (V1. .V4) durch Bewe­ gungselemente enthält, wobei die Rechnermittel (8) den Gesamtverlauf der durch die Kurvenscheibe (7) beschriebenen Bewegung auf der Basis der physikalischen Bewegungsgesetze berechnen und hinsichtlich Ruckfreiheit, Energieverbrauch und/oder Schwingungsreduzierung optimieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem (1) ein Expertensystem (11) zur automati­ schen Ergänzung der Teilabschnitte (V1. .V4) aufweist, das aufgrund der ge­ wählten Vorgaben zur Optimierung den Typ eines einem Teilabschnitt (V1. .V4) zuordenbaren Bewegungselementes auswählt und dessen Para­ meter konfiguriert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenverbindung eine erste Datenverarbeitungseinheit (12) nach­ geschaltet ist, die auf der Datenbasis einer definierten Kurvenscheibe eine Interpolation in Form von Geraden berechnet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenverbindung eine zweite Datenverarbeitungseinheit (13) nachgeschaltet ist, die auf der Datenbasis einer definierten Kurvenscheibe eine Interpolation in Form von Polynomen geringer Ordnung berechnet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Datenverarbeitungseinheit (12) zur Interpolation eine automa­ tische Optimierung der Interpolationsstützpunkte so vornimmt, dass aufgrund eines vorgegebenen Kriteriums der Fehler zwischen der Datenbasis der Kur­ venscheibe (7) und des Ergebnisses der Interpolation möglichst klein wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Optimierung der Interpolation mit Hilfe eines Neuro­ nalen Netzes erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium für die automatische Optimierung der Interpolation die Krümmung der Kurve verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein unerwünschtes Über- bzw. Unterschwingen im Bewegungsverlauf der Kurvenscheibe (7) dadurch vermieden wird, dass in den betroffenen Ab­ schnitten die jeweiligen Bewegungselemente, insbesondere Polynome 5. Grades, mit Geraden kombiniert werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektierungssystem mehrere Bedienebenen (B1, B2, B3) auf­ weist, die so angeordnet sind, dass die Funktionen Dateneingabe, Kurven­ verbindung und Interpolation auf getrennten Ebenen angeordnet sind, und die Daten der darunterliegenden Ebenen sowohl in datentechnischer als auch in grafischer Hinsicht jeweils automatisch an die darüberliegenden Ebenen übergeben werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umkehrpunkten (U) der Wert der Beschleunigung so berechnet wird, dass man einen stetigen Verlauf der Ruckfunktion erreicht.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass davon ausgehend der Bediener (10) den Wert der Beschleunigung im Umkehrpunkt interaktiv verändern und direkt die Auswirkungen auf den Kur­ venverlauf beobachten kann.

23. Computerprogrammprodukt mit einem Projektierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11.