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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer Maschine mit
elektrisch betriebenen Achsen, insbesondere einer Bearbeitungsmaschine, welche
Bewegungsabläufe mit einem funktionalen Zusammenhang ausführt,
gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, sowie
ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung, gemäß dem
unabhängigen Anspruch 13.
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Aus
dem Stand der Technik sind digitale Mehrachssteuerungen zur Steuerung
von Echtzeitvorgängen insbesondere von Bewegungsabläufen mit
funktionalem Zusammenhang bekannt. Die Offenlegungsschrift
DE 197 239 56 A1 zeigt
beispielsweise eine digitale Mehrachssteuerung zur Steuerung von
Echtzeitvorgängen. Die Mehrachssteuerung umfasst mehrere
dezentrale Instanzen (CPU's), welche durch ein programmierbares
Taktsignal auf eine Zentralinstanz (Zentral CPU) synchronisierbar sind.
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Die
Steuerung ist derart realisiert, dass jeder dezentralen Instanz
(CPU2 bis CPUn) jeweils ein elektrischer Antrieb (A2 bis An) zugeordnet
ist. Sowohl zentrale als auch dezentrale Instanzen besitzen jeweils
einen zugeordneten Taktgenerator (Q1 bis Qn) mit welchem ein Betriebstakt
generiert wird. Von der zentralen Instanz CPU1 aus, welche beispielsweise
eine numerische Steuerung darstellen kann, führt eine Taktleitung
zu jeder dezentralen Instanz. Über diesen Takt sind die
entsprechenden dezentralen Instanzen auf die zentrale Instanz synchronisierbar.
Des weiteren sind alle Distanzen mittels eines Bussystems miteinander
verbunden.
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Antriebs-
und Steuerungsapplikationen, welche aus mehreren Achsen bestehen,
beispielsweise Werkzeugmaschinen, werden mit derartigen Mehrachssteuerungen
ausgestattet. Die zuvor erläuterte Lösung aus
der genannten Schrift hat den Nachteil eines hohen Verdrahtungsaufwandes
für Takt- und Busleitungen zwischen den dezentralen Instanzen und
der zentralen Instanz, was das Ausfallrisiko auf Grund von Laufzeit-
und Verdrahtungsfehlern erhöhen kann, und damit die Betriebssicherheit
beeinträchtigen kann. Außerdem ist der erhöhte
Verdrahtungsaufwand mit Zusatzkosten behaftet, da die Verdrahtungen
in der Regel von einem Monteur vor Ort durchgeführt werden
müssen. Die übertragbaren Datenmengen sind wegen
der Feldbusübertragung und mit zunehmender Länge
der Leitungen begrenzt, ebenso sind aufgrund der vorhandenen Leitungen Totzeitoptimierungen
limitiert. Alles in allem handelt es sich bei der in der
DE 197 239 56 A1 gezeigten
Lösung um einen sehr aufwändigen Ansatz, welcher
zu erhöhten Maschinenwartungs- und Maschinenherstellkosten
führt.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine preiswerte und wartungsunanfällige
Vorrichtung zu realisieren, welche zum Betrieb von Maschinen mit elektrisch
betriebenen Achsen geeignet ist. Neben dem Kostenansatz spielt auch
die Handhabung der Vorrichtung eine große Rolle, insbesondere
bei der Montage an der Maschine. Die Vorrichtung soll dementsprechend
kompakt ausgeführt und leicht zu montieren sein, so dass
der Monteur mit wenigen Handgriffen die Maschine mittels der Vorrichtung
in Betrieb nehmen kann.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung
zum Betrieb einer Maschine mit elektrisch betriebenen Achsen, wobei
diese Vorrichtung ein Leistungsmodul zur Versorgung von Achsantrieben
mit elektrischer Energie umfasst, ein Achsregelmodul zur Regelung
von achsspezifischen Kenngrößen umfasst und ein
Achssteuermodul zur Steuerung von Achsantrieben untereinander umfasst,
wobei die zuvor genannten Module als integrale Bestandteil der Vorrichtung
innerhalb der Vorrichtung miteinander verschaltet sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass man auf die aus dem Stand der Technik bekannten
Taktleitungen und Feldbussysteme zur Verbindung der dezentralen
und zentralen Instanzen vollständig verzichten kann, da die
erforderliche Verdrahtung innerhalb des Gerätes erfolgt
und welches bereits bei der Auslieferung vollständig verdrahtet
ist, so dass der Kunde sich bezüglich der Verdrahtung keine
Gedanken mehr machen muss und auch keinen Aufwand betreiben muss.
Die Erfindung stellt somit eine Vorrichtung zur Verfügung, welche
alle Komponenten zum Betrieb einer Maschine mit diversen Achsen
bereits umfasst. Der Verdrahtungsaufwand reduziert sich daher auf
ein Minimum und beschränkt sich lediglich auf die Verbindung
der Vorrichtung mit der zu betreibenden Maschine.
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Die
Vorrichtung stellt sowohl NC- als auch SPS-Funktionalität
zur Verfügung, so dass Mehrachsbahninterpolationen und
typische SPS-Anwendungen realisierbar sind. Der integrierte Antriebsregler
dient zur Regelung der von der anzusteuernden Maschine umfassten
Motoren. Zusätzlich kann die Vorrichtung eine Visualiserungssoftware
umfassen, mittels derer die Anwender die ablaufenden Prozesse konfigurieren
und darstellen können. Es sind damit Mehrachslösungen
ohne interne Geräteverdrahtung bei Leistungsbereichen bis
25 Kilowatt oder mehr möglich. Zusätzlich kann
ein gemeinsames Kühlsystem für das Leistungsmodul,
das Achsregelmodul und das Achssteuermodul verwendet werden, was
zusätzlich die Kosten senkt. Auch eine gemeinsame Bedieneinheit
kann für alle Module eingesetzt werden, so dass auch hier
Kosten eingespart werden können.
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Der
Unterschied zu bekannten Lösungen liegt demnach darin,
dass unter anderem alle Funktionen einer Maschinensteuerung und
Achsregelung in einem einzigen Gerät integriert und die
kommunizierenden Module bereits vorverdrahtet sind. Da diese Geräte
in der Regel in Schaltschränken untergebracht werden, kann
man damit die Schaltschrankverdrahtung erheblich reduzieren und
dadurch wesentliche Einsparungen erzielen.
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Besonders
bevorzugt ist in die Vorrichtung ein Vorrichtungssteuermittel integriert,
wobei mittels des Vorrichtungssteuermittels die zeitliche Koordination
der Abläufe der mittels der zuvor genannten Module realisierten
Vorrichtungsfunktionen bewirkt wird. Hierdurch wird es erstmals
möglich, dass sowohl leistungsseitig und regelseitig und
steuerseitig ein absolut synchroner Betrieb möglich wird,
so dass beispielsweise die Antriebsregelung zusammen mit einer von
einer Antriebssteuerung durchgeführten Bahninterpolation
synchron ablaufen kann. Außerdem werden Totzeiten zwischen
der Sollwerterzeugung und der Verarbeitung der Sollwerte reduziert, da
aufgrund der internen Verdrahtung und der damit fehlenden Leitungslängen,
wie sie bei aus dem Stand der Technik bekannten dezentralen Lösungsansätzen
vorherrschen, auch kaum Protokollübertragungszeiten anfallen.
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Besonders
bevorzugt wird das Vorrichtungssteuermittel mittels einer programmierbaren
Logik realisiert, dies könnte beispielsweise ein FPGA sein (Field
Programmable Array), wobei diese programmierbare Logik von zumindest
einem der Module zusätzlich umfasst ist. Vorzugsweise ist
das Vorrichtungssteuermittel am Achsregelmodul angeordnet. Das Achsregelmodul
und das Vorrichtungssteuermittel bilden damit einen integralen Bestandteil
der Vorrichtung zum Betrieb einer Maschine. Der Vorteil dieser Lösung
liegt auch hier auf der Kostenseite. Programmierbare Logikbausteine
sind preiswert zu erwerben und können im Gegensatz zu herkömmliche Prozessoren
mehrere Logikanweisungen parallel ausführen, was zur Realisierung
synchroner Vorgänge vorteilhaft ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist mittels des Vorrichtungssteuermittels zusätzlich
die Kommunikation zwischen zumindest zwei Modulen untereinander
realisiert. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um das Achsregelmodul
und das Achssteuermodul. Es ist jedoch auch denkbar eine Kommunikation
zwischen Leistungsmodul und Achssteuermodul zu realisieren. Durch
dieses Merkmal kann auf die Verwendung eines externen Bussystems
verzichtet werden. Die Kommunikation erfolgt mittels der auf einer
Leiterbahn angeordneten gedruckten Schaltung, welche auf den den
Modulen zugrunde liegenden Leiterplatten angeordnet sind.
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Vorzugsweise
umfasst das Vorrichtungssteuermittel ein zeitgesteuertes Signalerzeugungsmittel
zur Erzeugung von Steuersignalen für die. Module, insbesondere
für das Achsregelmodul und das Achssteuermodul. Mittels
dieser Steuersignale ist es möglich die Abarbeitung von
Programmcode in Verbindung mit Unterbrechungsanforderungen (Interrupts)
für zumindest eines der Module zu bewirken.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es möglich, dass mittels des
Signalerzeugungsmittels auch das Vorrichtungssteuermittel selbst
getaktet bzw. betrieben wird. Es ist damit gezielt möglich,
die Funktion der mittels der Steuersignale angesteuerten Module zu
beeinflussen und damit die Module bezüglich ihrer Funktion
zu synchronisieren. Zusätzlich können innerhalb
des Vorrichtungssteuermittels ablaufende Prozesse, sofern sie ebenfalls
mittels der Steuersignale steuerbar sind, mit den Modulfunktionen
auf gleiche Art und Weise synchronisiert werden. Dies hilft etliche
Verzögerungen zwischen den Modulfunktionen und/oder den
Vorrichtungssteuermittelfunktionen auf ein Mindestmaß zu
reduzieren.
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Vorteilhafter
Weise umfasst das Vorrichtungssteuermittel zumindest zwei Funktionsblöcke, mittels
derer zumindest zwei Module an das Vorrichtungssteuermittel anschließbar
sind, so dass die vom Signalerzeugungsmittel erzeugten Steuersignale
für die anschließbaren Module zur Realisierung
einer Unterbrechungsanforderung für die anschließbaren Module
an diese weiterleitbar sind und/oder so dass eine Kommunikation
zwischen den anschließbaren Modulen realisierbar ist, wobei
insbesondere jeweils an dem ersten Funktionsblock das Achsregelmodul und
an dem zweiten Funktionsblock das Achssteuermodul angeschlossen
ist. Letztlich stellen die Funktionsblöcke Schnittstellen
zwischen den Modulen und dem Vorrichtungssteuermittel dar.
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Bevorzugt
umfassen die Funktionsblöcke ebenfalls Schnittstellen zum
Austausch von für den Betrieb der Maschine relevanten Daten
zwischen dem Vorrichtungssteuermittel und den Modulen sowie gegebenenfalls
zwischen den Modulen untereinander. Bei diesen Daten kann es sich
beispielsweise um Soll- oder Istwertübertragungen handeln,
welche sowohl für das Achsregelmodul als auch für
das Achssteuermodul von Interesse sein können. Ebenso könnten
diese Daten innerhalb des Vorrichtungssteuermittels verarbeitet
werden, beispielsweise in Verbindung mit Messvorgängen
oder mit Auswertungen der Feedbacksignale, so dass auch eine Weitergabemöglichkeit
der Daten an das Vorrichtungssteuermittel sinnvoll sein kann.
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Ganz
besonders bevorzugt ist beispielsweise die Versorgung von Maschinenachsen
mit Energie unter Verwendung des Leistungsmoduls, mittels des Vorrichtungssteuermittels
steuerbar. Insbesondere könnte der zur Erzeugung der Antriebs-/Ansteuerströme
erforderliche Pulsweitenmodulator unter Verwendung des Vorrichtungssteuermittels
angesteuert werden, so dass die Ansteuerung dieses Pulsweitenmodulators
beispielsweise synchron mit auf dem Antriebssteuermodul oder dem
Antriebsregelmodul ablaufenden Prozessen in Einklang gebracht werden könnte.
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Die
Funktionen des Achsregelmoduls und Achssteuermoduls sind mittels
einer dem jeweiligen Modul zugeordneten separaten Recheneinheit
realisiert, welche insbesondere mittels eines Echtzeitbetriebssystems
betrieben wird. Die Scheduler eines oder beider Echtzeitbetriebssysteme
können ebenfalls mittels der vom Vorrichtungssteuermittels
erzeugten Steuersignalen angesteuert werden, so dass auch das Echtzeitbetriebssystem
relativ zu anderen Vorrichtungsfunktionen synchronisierbar ist. Dadurch
ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, um alle
Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
miteinander zu synchronisieren oder einem vorgegebenen Zeitraster
zu unterwerfen.
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Vorteilhafter
Weise ist eine externe Bedieneinheit an die erfindungsgemäße
Vorrichtung anschließbar, mittels der alle Komponenten
der Vorrichtung konfigurierbar und überwachbar sind. Es
wäre auch möglich diese Bedieneinheit zusätzlich
in die Vorrichtung zu integrieren.
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Bevorzugt
wird eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Werkzeugmaschine
mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen
ausgestattet und betrieben. Es gibt jedoch vielfältige
weitere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise könnte
ein Roboter mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgestattet und betrieben werden.
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Anhand
der folgenden 1 und 2 wird der
interne Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielhaft erläutert und deren Basisfunktionen dieser
beschrieben.
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1 zeigt
beispielhaft die Realisierung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mittels verschiedener integrierter und verdrahteter
Module.
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2 zeigt
ein Prinzipschaltbild des Vorrichtungssteuermittels und dessen Funktionsblöcke.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten
Zustand mit (rechts) und ohne (links) Abdeckung.
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Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen bei den nun folgenden Figurenbeschreibungen
identische Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt
vier bedruckte Schaltungen auf separaten Platinen 1, 2, 3, 4 wie
sie für einen Prototypen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung realisiert wurden. Selbstverständlich kann
sowohl die Anordnung der Komponenten auf den Platinen 1, 2, 3, 4 relativ
zueinander, als auch die Realisierung der Funktionsblöcke
auf den Platinen 1, 2, 3, 4 durch
fachmännische Abwandlungen auch in geänderter
Form realisiert werden, ohne den erfindungsgemäßen
Gedanken dabei aus dem Auge zu verlieren.
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Die
Platine 1 im Bild unten repräsentiert das sogenannte
Leistungsmodul 1 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Dieses Leistungsmodul 1 dient zur Versorgung
der Achsantriebe einer Maschine, welche mittels der Vorrichtung
betrieben wird. Die Versorgung erfolgt mittels einer dreiphasigen
Versorgungsspannung. Es können beispielsweise mittels des
hier gezeigten Leistungsmoduls 1 vier Achsen angesteuert
werden. Hierzu umfasst die Platine 1 für jede
Achse jeweils einen Treiber 11 zur Ansteuerung eines Transistormoduls
bzw. IGBT-Moduls 12, eine Strommesseinrichtung 13 und
eine Schnittstelle zum Anschluss der anzutreibenden Achsen 14.
Dieses Konzept ist erweiterbar auf weitere Achsen, beispielsweise
sechs oder acht Achsen. Es könnte ebenfalls auf weniger
als vier Achsen reduziert werden. Zusätzlich vom Modul 1 umfasst
ist eine elektronische Schaltung zur Überwachung der Umgebungstemperatur 15,
eine Schaltung zur Überwachung der Kühlkörpertemperatur 16 und
eine Schaltung zur Kurzschlussüberwachung 17.
Ebenso anschließbar an die Platine sind vier Motorbremsen.
Die Anzahl der Bremsanschlüsse 18 entspricht stets
der Anzahl der Achsen. Die PWM-Treiber 11 und ein analoges Interface 19 sind
mit der Recheneinheit des später erläuterten Achsregelmoduls 2 mittels
des Datenbusses 120 verbunden.
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Zusätzlich
umfasst das Leistungsmodul 1 einen Netzanschluss 121,
beispielsweise für ein dreiphasiges Netz, sowie einen Gleichrichter 122,
welcher die eingespeiste dreiphasige Spannung in eine Zwischenkreisspannung
umwandelt. Der Zwischenkreis umfasst dann weiterhin eine Ladeschaltung 123,
eine Zwischenkreiskurzschlussüberwachung 124,
einen Brems-Chopper 125 und eine Spannungsmessschaltung 126.
An den Brems-Chopper 125 wird ein externer Widerstand angeschlossen, welcher
die überschüssige Energie im Rückspeisefall in
Wärme umwandelt.
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Gezeigt
sind bei dieser Lösung auch zwei Elektrolytkonsentatoren 127 und 128,
welche zur Pufferung des Zwischenkreises dienen können.
Alternativ und gegebenenfalls separat vom Leistungsmodul 1 könnte
allerdings auch ein Energiespeichermodul als externer Puffer (nicht
gezeigt) vorgesehen sein, welches mit einer Vielzahl von Elektrolytkonsentatoren
ausgestattet ist. Das Energiespeichermodul (nicht gezeigt) wäre
dann weiterer integraler Bestandteil der Vorrichtung.
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Das
Leistungsmodul 1 wird auf einem Kühlkörper
montiert (nicht gezeigt) und zwar so, dass die IGBT-Module 12 unmittelbar
am Kühlkörper anliegen. Im montierten Zustand
wird später ein Kühl- und Lüftungsmodul
(nicht gezeigt) vorgesehen, welches sowohl zur Beaufschlagung des
Kühlkörpers, als auch aller Vorrichtungsmodule 1, 2, 3, 4,
mit Kühlluft dient. Es gibt zwei mögliche Ausgestaltungsformen für
das Leistungsmodul 1. Die erste Ausgestaltungsform wäre
eine Lösung mittels Wechselrichter, welcher eine zugeführte
Zwischenkreisgleichspannung in eine Dreiphasenspannung umwandelt,
um die Motoren zu betreiben. Eine zweite mögliche Ausgestaltungsform
stellt die hier in 1 gezeigt die Lösung mit
Umrichter dar. Bei dieser Lösung wird dem Leistungsmodul 1 mittels
des Netzanschlusses 121 eine Wechselspannung zugeführt
und mittels Gleichrichtung 122 und Zwischenkreis 124 letztlich
wieder in eine Wechselspannung mit anderer Frequenz umgewandelt.
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In 1 ist
ebenfalls das Achsregelmodul 2 gezeigt. Das Achsregelmodul 2 dient
der Regelung von anzusteuernden Maschinenachsantrieben. Die Regelsoftware
zur Achsregelung ist mittels eines Prozessors 26 bzw. einer
Recheneinheit 26 ablauffähig im Achsregelmodul 2 implementiert.
Zur Achsregelung umfasst das Leistungsmodul 2 diverse Eingänge 21 für
Feedbackeinheiten, welche die Drehzahl und/oder die Lage der Achsantriebe
erfassen und an das Achsregelmodul 2 zu Regelzwecken weiterleiten
können. Ferner umfasst das Board 2 diverse Anschlüsse 22,
beispielsweise einen Ethernetanschluss, einen RS232-Anschluss, einen
USB-Anschluss und einen LVDS-Anschluss. Alle diese Anschlüsse 22 dienen
letztendlich zur Kommunikation mit an das Board 2 beziehungsweise
die Vorrichtung anschließbarer Peripherie. Dies könnte
beispielsweise eine Bedieneinheit, ein externer Rechner oder eine
zusätzliche externe Steuer- und Regelkomponente sein (nicht
gezeigt). Weitere Komponenten, die vom Leistungsmodul 2 umfasst
sind, sind zum Beispiel, Einschübe 23 für
externe Speichermedien, wie beispielsweise Flashkarten 24,
und diverse Spannungsversorgungen 25 zum Betrieb der auf
dem Board 2 installierten integrierten Schaltkreise. Mittels des
Prozessors 26 ist auch die Kommunikation mittels Bus 120 zwischen
Leistungsmodul 1 und Achsregelmodul 2 realisiert.
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An
den Datenbus 120 ist ein weiteres Modul 3 optional
anschließbar. Es handelt sich bei diesem Modul 3 um
eine digitale Eingabe-/Ausgabeeinheit. Von Haus aus umfasst jedoch
das Leistungsmodul 1 schon digitale Eingabe-/Ausgabeeinheiten
und das Zusatzmodul 3 ist nicht zwingend erforderlich,
bringt jedoch den Vorteil der Erweiterbarkeit der Vorrichtung mit
sich.
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Ebenso
aus 1 ersichtlich ist das Achssteuermodul 4,
welches eine separate Einheit darstellt, jedoch unmittelbar auf
einen entsprechende Anschlusssockel am Achsregelmodul 2 aufgesteckt ist.
Das Achssteuermodul 4 repräsentiert ein voll funktionsfähiges
Prozessormodul 4 inklusive Speicher und Schnittstellen,
welches eine Firmware umfasst, die mittels eines Echtzeitbetriebssystems
abläuft. Mittels dieser Firmware ist die komplette Steuerfunktionalität
der Vorrichtung abgebildet. Die Vorrichtung kann sowohl die Funktion
einer programmierbaren Steuerung (SPS), als auch oder alternativ dazu
die Funktion einer Mehrachsbahninterpolation und/oder einer Prozessvisualisierung
umfassen. Achssteuerung und Achsregelung sind demgemäß mittels
unterschiedlicher Hardware und unterschiedlicher Software auf getrennten
Modulen 2, 4 unabhängig voneinander realisiert,
können jedoch miteinander kommunizieren.
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Auf
dem Achsregelmodul 2 ist ein Vorrichtungssteuermittel 5 vorgesehen.
Dieses Vorrichtungssteuermittel 5 dient dazu die zeitliche
Koordination der Abläufe der mittels der Module 1, 2 und 4 realisierten
Vorrichtungsfunktionen zu übernehmen. Das Vorrichtungssteuermittel 5 ist
vorzugsweise mittels einer programmierbaren Logik, beispielsweise
eines FPGA realisiert und könnte alternativ auch auf dem Leistungsmodul 1 oder
dem Achssteuermodul 4 angeordnet sein. Das Vorrichtungssteuermittel 5 koordiniert
vorzugsweise auch die Kommunikation zwischen allen Vorrichtungsmodulen 1, 2, 4 und
ggf. Modul 3.
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Wie
schon erwähnt, wird das Leistungsmodul 1 auf einem
Kühlkörper (nicht gezeigt) montiert. Zusätzlich
wird an den Längsseiten des Kühlkörpers eine
Haltevorrichtung (nicht gezeigt) angebracht, welche zum einen zur
Montage der Vorrichtung in einem Schaltschrank dient und zum anderen
das Achsregelmodul 2 fixiert, so dass es parallel zum Leistungsmodul 1 und
zum Kühlkörper anordenbar ist. Zwischen der Ebene
der Leistungsmodulplatine 1 und der parallel dazu mittels
der Haltevorrichtung angeordneten Achsregelmodulplatine 2 kann
Kühlluft strömen, die vom Lüfter des
Kühlmoduls (nicht gezeigt) erzeugt wird. Die Haltevorrichtung
dient zusätzlich zur Aufnahme einer Gehäuseabdeckung, welche
die Gesamtanordnung schützt. Das komplett montierte Gerät
kann dann mittels der Haltevorrichtungen im Schaltschrank derart
montiert werden, dass die Anschlüsse des Gerätes
von der Vorderseite des Schaltschrankes bei geöffneter
Schaltschranktür zugänglich sind. Die Haltevorrichtung
umfasst zusätzlich eine Erdanbindung zur Erdung der Vorrichtung.
Auch eine Schirmauflage zur Anordnung einer Abschirmung ist von
der Haltevorrichtung umfasst.
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2 zeigt
schematisch etwas detaillierter den Aufbau des bereits zuvor erwähnten
Vorrichtungssteuermittels 5 (siehe Platine 2 aus 1).
In 2 ist der bereits aus der Figurenbeschreibung der 1 bekannte
Prozessor 4 nochmals gezeigt, welcher letztlich das Achssteuermodul
repräsentiert. Dieser Prozessor 4 ist mittels
einer bidirektionalen Datenverbindung 6 mit dem Vorrichtungssteuermittel 5 derart
verbunden, dass beide Komponenten untereinander Daten austauschen
können. Ebenfalls gezeigt, ist der bereits aus der Figurenbeschreibung
zu 1 bekannte Prozessor 26 des Achsregelmoduls 2,
welcher ebenfalls mittels einer bidirektionalen Datenverbindung 7 mit
dem Vorrichtungssteuermittel 5 kommunizieren kann.
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Der
gezeigte interne Aufbau des Vorrichtungssteuermittels 5 ist
lediglich grob schematisch mittels Funktionsblöcken dargestellt.
Das Vorrichtungssteuermittel 5 besteht aus zumindest zwei Funktionsblöcken 51 und 52,
wobei der erste Funktionsblock 51 für die Recheneinheit 4 des
Achssteuermoduls 2 und der zweite Funktionsblock 52 für
den Prozessor 26 das Achsregelmoduls 2 vorgesehen
ist. Mittels beider Funktionsblöcke 51, 52 wird
die Anbindung der Prozessoren 26 und 4 an das
Vorrichtungssteuermittel 5 schaltungstechnisch realisiert.
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Die
Funktionsblöcke 51 und 52 umfassen wiederum
mehrere Komponenten, welche mittels der in 2 gezeigten
Blöcke 511, 512, 513 und 521, 522, 523 und 524 angedeutet
sind. Der Funktionsblock 51 umfasst beispielsweise ein
Mittel 511 zur Weiterleitung von Unterbrechungsanforderungen
an einen angeschlossenen Achssteuermodulprozessor 4. Weiterhin
umfasst der Funktionsblock 51 eine Kommunikationsschnittstelle 512,
so dass der Achssteuermodulprozessor 4 mit dem Vorrichtungssteuermittel 5 Daten
jeglicher Art austauschen kann.
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Mittels
der Schnittstelle 512 können Daten vom Antriebssteuermodulprozessor 4 mittels
des Datenbusses 6, des Funktionsblockes 51, des
internen Datenbusses 54 und 55 und des Signalerzeugungsmittel 53 sowie
des Funktionsblockes 52 und des Datenbusses 7 an
den Antriebsregelmodulprozessor 26 übertragen
werden und umgekehrt.
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Zusätzlich
können für den Funktionsblock 51 weitere
Schnittstellen 513 vorgesehen sein, beispielsweise ein
Feldbus- oder ein SERCOS-Interface. Auch bietet der Funktionsblock
Schnittstellen 513 für Debugging- und Diagnosezwecke.
Mittels dieser Debugging und Diagnoseschnittstellen ist es möglich
das System bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Betrieb zu überwachen und mögliche Fehlerquellen
vorzeitig ausfindig zu machen. Mittels der Schnittstellen 513 können
somit vorhanden Schnittstellen der Antriebssteuerung 4 erweitert
werden.
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Auch
der Funktionsblock 52 zum Anschluss des Prozessors 26 des
Achsregelmoduls 2 besteht aus mehreren Einzelkomponenten.
Auch hier ist eine Einheit 521 zur Weiterleitung von Unterbrechungsanforderungen
an den Prozessor 26 vorgesehen. Weiter ist eine Encoderschnittstelle 522 zur
Anwendung in Verbindungen mit Positionsgebersignalen vorgesehen.
Eine PWM-Schnittstelle 524 erlaubt die Ansteuerung des
Pulsweitenmodulators (PWM-Modulator) zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 12 mittels
der PWM-Treiber 11 auf dem Leistungsmodul 1 durch
das Vorrichtungssteuermittel 5.
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Der
vom Funktionsblock 52 für das Antriebsregelmodul 2 umfasste
Encoder 522 kann an die erfindungsgemäße
Vorrichtung angeschlossene Feedbackeinheiten synchron zum Signal
des Signalerzeugungsmittels 53 auswerten. Es können mehrere
Encoder-Schnittstellen 522 unterschiedlichster Hersteller
vorgesehen werden. Beispielsweise wäre eine Schnittstelle
nach EnDat- oder Hyperface-Standard denkbar. Auch einfache Rechteck-
oder Sinusgeberanschlüsse oder sonstige herstellerspezifische
Geberschnittstellen können vorgesehen werden (z. B. Panasonic
Interface, etc.). Alle Schnittstellen sind mittels des Signalerzeugungsmittels 53 zur
gleichen Zeit auswertbar, wodurch eine exakte Bahninterpolation
ermöglicht wird.
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Das
Probe-Interface 523 ist in der Lage angeschlossene digitale
Messwerte entgegenzunehmen. Beispielsweise könnten mehrere
Eingänge vorgesehen werden, welche positive und negative
Flanken getrennt auswerten. Die Messung wird dann gesteuert mittels
des Vorrichtungssteuermittels 5 synchron zur Encodersignalauswertung
durchgeführt, um beispielsweise Achspositionen abhängig
vom Auftreten eines externen und durch Messung erfassten Ereignisses
mittels einer der von der Vorrichtung umfassten Recheneinheiten
exakt zu berechnen.
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Das
Signalerzeugungsmittel 53 dient der Erzeugung von Steuersignalen.
Dieses Signalerzeugungsmittel 53 wurde im Beispiel hier
mittels eines Timers 53 realisiert und kann mit beiden
Funktionsblöcken 51, 52 kommunizieren
mittels Bus 54, 55. Das Signalerzeugungsmittel 53 ist
derart realisiert, dass es sowohl Steuersignale erzeugen, als auch
Daten verarbeiten kann. Es ist ebenfalls möglich mittels
des Signalerzeugungsmittels 53 eine direkte Kommunikationsverbindung
zwischen dem Prozessor 4 des Achssteuermoduls 1 und
dem Prozessor 26 des Achsregelmoduls 2 herzustellen.
Das Signalerzeugungsmittel 53 dient daher neben der Signalerzeugung
auch noch als Kommunikationsschnittstelle zwischen den Modulprozessoren 4 und 26.
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Es
ist denkbar noch weitere Modulschnittstellen auf dem Vorrichtungssteuermittel 5 vorzusehen.
So könnte es beispielsweise auch für das das Leistungsmodul 1 nochmals
einen separaten Funktionsblock erhalten, so dass dieses mit den
anderen Modulen 2, 3 in Kontakt zu treten oder
Signale direkt von den Signalerzeugungsmitteln 53 entgegennehmen
kann. Mittels des Signalerzeugungsmittels 53 werden unter
anderem Signale an die Funktionsblöcke 51 bzw. 52 weitergeleitet,
die von den jeweiligen Prozessoren 4 und 26 als
Interrupt erkannt werden. Die Interrupts werden mittels der bidirektionalen
Datenverbindung 6, 7 zwischen den Prozessoren 4 und 26 und
mittels der Funktionsblöcke 51 und 52 des Vorrichtungssteuermittels 5 an
die Prozessoren 4 und 26 übermittelt.
Der jeweilige Prozessor 4, 26 erkennt den Interrupt
und startet eine für diesen Interrupt vorgesehene Interrupt-Service-Routine.
Damit wird die Datenverarbeitung im Achssteuermodulprozessor 3 bzw.
im Achsregelmodulprozessor 2 direkt durch das Signalerzeugungsmittel 53 kontrollierbar. Es
ist somit möglich mittels des Vorrichtungssteuermittels 5 angesteuerte
Module bzw. deren Funktionalität in Verbindung mittels
der Interruptleitungen gezielt zu beeinflussen und damit eine Synchronizität herzustellen.
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In 3 ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung im montierten
Zustand mit (rechts) und ohne (links) Gehäuse 81 gezeigt.
In den Zeichnungen links und rechts sieht man die Haltevorrichtung 82 zur
Befestigung der Vorrichtung innerhalb eines Schaltschrankes und
zur Arretierung der Vorrichtungsmodule 1, 2, 3 und 4 sowie
eines ggf. optional vorhandenen Energiespeichermoduls 9.
Ebenso gezeigt ist das Lüftermodul 83 und der
Kühlkörper 84, an dem das Leistungsmodul 1 zusätzlich
angeordnet ist. Die Abdeckung 81 schützt die gesamte
Anordnung von Schmutz und Umgebungseinflüssen. Die Abdeckung 81 umfasst
außerdem Aussparungen für die Anschlüsse 21 und 22 des
Achsregelmoduls 2 sowie für Eingabe/Ausgabeeinheiten
ggf. in Verbindung mit dem optionalen Erweiterungsmodul 3.
Eine im Schaltschrank vorhandene Erdung und Schirmung kann an den
Anschlüssen 84a und 84b der Haltevorrichtung 82 angeordnet
werden. Der Netzanschluss 121 ist ebenfalls von außerhalb
des Gehäuses 81 zugänglich, jedoch nicht
im Bild zu sehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil,
dass sie sowohl die Regelvorgänge als auch die Bahninterpolationsvorgänge
absolut synchron mit geringst möglichem Jitter ausführen
kann. Zusätzlich werden aufgrund der kurzen Kommunikationswege Totzeiten
und Laufzeiten zwischen den Vorrichtungsmodulen 1, 2, 3, 4 auf
ein Mindestmaß reduziert, so dass beispielsweise zwischen
der Sollwerterzeugung in den Recheneinheiten und der tatsächlichen
Verarbeitung im Antrieb vernachlässigbare Laufzeiten auftreten.
Was die Protokollübertragungszeiten betrifft, so verbessert
dies die Präzision und Zuverlässigkeit der ausgeführten,
zusammenhängenden Bewegungsabläufe an der von
der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesteuerten
Maschine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19723956
A1 [0002, 0004]