DE4335371C2

DE4335371C2 - Kontrollvorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors

Info

Publication number: DE4335371C2
Application number: DE4335371A
Authority: DE
Inventors: David J Chesney; Robert C Petrof; Nathaniel L Field; Bernhard Huang; John W Grant
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-16
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2013-10-17
Also published as: GB2271866B; GB9321487D0; CA2108430A1; GB2271866A; US5250880A; DE4335371A1; CA2108430C

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung und ein Ver fahren zur Steuerung eines Linearmotors, insbesondere eine verbesserte Kontrollvorrichtung und ein Verfahren zur Steue rung eines Linearmotors, bei der bzw. bei dem die scheinbare Starrheit bezüglich Störungen, die durch externe Kräfte bei Werkzeugmaschinen-Anwendungen verursacht werden, erhöht wird.

Eine Verbesserung der Effektivität und der Produktivität stellt ein permanent angestrebtes Ziel moderner Bearbeitungsverfahren dar. In zunehmenden Maße wird eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung benutzt, um dieses Ziel zu erreichen. Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist jedoch mit konventionellen Geräten nur schwer zu verwirklichen. Außerdem können sich spezifische Begleitprobleme ergeben.

Auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinenbearbeitung ergibt sich aus einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eine Vielzahl von Problemen. Bei der konventionellen Werkzeugmaschinenbearbei tung werden wälzgelagerte Spindeln oder andere mechanische Einrichtungen benutzt, um das Werkstück relativ zu einem Schneidewerkzeug, wie etwa einem Fräskopf, zu bewegen. Mecha nische Antriebe sind jedoch fortwährenden Verschleißerschei nungen ausgesetzt, die sich über große Zeiträume durch den extensiven Gebrauch ergeben. Der bei einer Hochgeschwindig keitsbearbeitung auftretende Verschleiß bei konventionellen mechanischen Antrieben ist gegenüber einer Bearbeitung mit normaler Geschwindigkeit deutlich erhöht und stellt somit ein großes Problem dar. Unter diesen Umständen erfordern mechani sche Antriebe eine häufigere Wartung, wodurch die Effektivi tät und Produktivität verringert werden.

Um dieses Verschleißproblem zu umgehen, können konventionelle mechanische Antriebe durch Linearmotoren ersetzt werden. Li nearmotoren sind ebenfalls gut für die Hoch geschwindigkeitsbearbeitung geeignet. Ein Nachteil der Line armotoren in der Werkzeugmaschinenanwendung ist jedoch die relativ geringe Starrheit, Störungen zu widerstehen, die durch externe Kräfte verursacht werden, die mit der Werkzeug maschinenbearbeitung verbunden sind.

Während einer gewöhnlichen Werkzeugmaschinenbearbeitung ist das Werkstück auf einer Plattform befestigt, die mechanisch relativ zu einem Schneidwerkzeug bewegt wird. Verschiedene äußere Kräfte können dabei auf die Werkzeugmaschinenplattform ausgeübt werden. Die wichtigste hierbei auftretende Kraft ist die, die durch den mechanischen Kontakt zwischen dem Schneid werkzeug und dem Werkstück verursacht wird. Konventionelle mechanische Antriebe besitzen eine in der Bauart liegende Starrheit, d. h. einen Widerstand solchen äußeren Kräften ge genüber, die durch die Reibung zwischen den Einzelteilen des Antriebs bedingt ist. Demgegenüber werden Linearmotoren durch die Variation des elektromagnetischen Feldes angetrieben. Hierdurch fehlt bei Linearmotoren eine inhärente Starrheit, um derartigen externen Kräften zu widerstehen.

Linearmotoren können jedoch mit einer scheinbaren Starrheit ausgestattet werden. Diese wird durch eine Servosteuerung des Motors erreicht, die Abweichungen von einer vorherbestimmten Position korrigiert. Trotzdem war es in konventionellen Line armotoranwendungen bisher nur möglich, eine meßbare Starrheit in der Größenordnung von 2-9 N/µm zu erreichen.

Jedoch liegt eine solche Starrheit weit unterhalb derer, die notwendig ist, den Anforderungen der Qualitätssicherung in den Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen-Anwendungen zu ge nügen.

Aus der US 48 08 901 ist ein Kontrollapparat für einen Line armotor bekannt, der im Zusammenhang mit einem optischen Plattengerät benutzt wird. Die bekannte Kontrolleinheit be nutzt Einrichtungen zur Positionsbestimmung, um ein Signal der momentanen Position der sich bewegenden Spule eines Line armotors zu erzeugen. Durch Differentiation des momentanen Positionssignals wird die momentane Geschwindigkeit und Be schleunigung erzeugt. Die Abweichungen in der momentanen Po sition, Geschwindigkeit und Beschleunigung von der erwarteten Sollposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung der beweg ten Spule werden dann berechnet und dazu benutzt, Abwei chungssignale der Position, Geschwindigkeit und Beschleuni gung zu erzeugen. Ein Steuersignal aus diesen Momentan- und Abweichungssignalen wird erzeugt, um die bewegte Spule des Linearmotors richtig zu positionieren. Der Apparat mißt hier bei auch den Neigungswinkel, um ein Neigungswinkelsignal, das der Schräglage des optischen Plattengerätes entspricht, zu erzeugen, wodurch die Position unabhängig vom Gravitations feld der Erde kontrolliert werden kann.

Bemerkenswert ist jedoch, daß das bekannte Kontrollgerät die Beschleunigung des Linearmotors durch Differenzieren der Po sitionssignale des Motors bestimmt. Außerdem ist der Kon trollapparat nicht auf die Überwindung des Starrheitsproblems ausgerichtet, das mit dem zuvor diskutierten Linearmotor ver bunden ist. Deshalb ist ein solcher Kontrollapparat nicht ge eignet, die scheinbare Starrheit eines Linearmotors zu erzie len, die erforderlich ist, um Störungen zu widerstehen, die durch äußere Kräfte verursacht werden, die in den normalen Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen-Anwendungen auftreten.

Aus der US 49 21 365 ist ein Hochgeschwindigkeitspendelkopf drucker bekannt, bei dem ein Positionsdetektor benutzt wird, um die Position eines Linearmotors zu bestimmen, der den Pen delkopf in einem Punktmatrixdrucker antreibt. Der Positions detektor kann auch ein Beschleunigungsmesser sein, der die Beschleunigung des Kopfes bestimmt. In diesem Fall wird die Position durch Integration des Beschleunigungssignals be stimmt. Wie bei der Differentiation wird bei der Integration der dem Beschleunigungssignal inhärente Fehler kaum weggemit telt, so daß ein solcher Fehler eine ungenaue Positionsbe stimmung zur Folge hat, die oft als Drift bezeichnet wird. Auch hier sei erwähnt, daß das Starrheitsproblem nicht Gegen stand dieser Patentschrift ist.

Aus der US 49 67 292 ist eine Magnetplattenspeichereinheit mit Mehrfachpositionierung bekannt, die über die Möglichkeit verfügt, Vibrationsinterferenzen zwischen den einzelnen Posi tionierern zu reduzieren. Das Gerät benutzt einen Vibrations messer, wie etwa einen Beschleunigungsmesser, um die Erschüt terungen zu messen, die durch den Magnetplattenbetrieb verur sacht werden. Das Gerät erzeugt zusätzliche Vibrationen, die die durch den Magnetplattenbetrieb erzeugten Erschütterungen dämpfen sollen. Jedoch ist das Gerät nicht im Hinblick auf eine Kraftunterdrückung konstruiert und ist auch nicht spezi ell auf das Starrheitsproblem ausgerichtet, das mit dem zuvor diskutierten Linearmotor verbunden ist.

Aus der US 49 22 159 ist ein Präzisions-Linearstellglied zur Unterdrückung hochfrequenter Schwingungen eines mit dem Li nearstellglied verbundenen Bauteils bekannt. Eine Regleran ordnung erhält Signale von einem dem beweglichen und einem dem ortsfesten Teil des Stellglieds zugeordneten Beschleuni gungssensor und steuert das Linearstellglied abhängig von diesen Sensorsignalen. Das bekannte Stellglied ist sowohl im Hinblick auf die Mechanik als auch im Hinblick auf die Steue rungselektronik lediglich zur Unterdrückung hochfrequenter Schwingungen, allerdings nicht als Antriebseinheit ausge legt. Es ist jedoch bei Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen aus den vorstehend erwähnten Gründen wünschenswert, eine Schwingungsunterdrückung mit einem Linearmotorantrieb zu ver binden.

Aus der DD 2 39 057 A1 ist eine Regleranordnung zur Positio nierung schwach gedämpfter mechanischer Regelstrecken von Mehrmassensystemen bekannt. Ziel bei dieser Regleranordnung ist eine Erhöhung der Positioniergenauigkeit und der Positio nierzeit. Jedoch werden keine Maßnahmen zur Verbesserung der Starrheit eines Linearmotors vorgeschlagen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine ver besserte Kontrollvorrichtung und ein Steuerverfahren für einen Linearmotor zu schaffen, durch die bzw. durch das die scheinbare Motorstarrheit erhöht wird, indem der Linearmotor durch die Verwendung eines mehrfachen Rückkopplungssystems widerstandsfähiger gegen Störungen wird, die durch äußere Kräfte verursacht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Linearmotor-Kontrollvor richtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Steue rung eines Linearmotors gemäß Patentanspruch 8 geschaffen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und 9.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei spielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des verbesserten Kon trollsystems für einen Linearmotor,

Fig. 2 ein Logikdiagramm des verbesserten Kontrollsystems für einen Linearmotor und

Fig. 3 ein Blockdiagramm des verbesserten Steuerverfahrens für einen Linearmotor.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Kontrollsystem 10 für einen Linearmotor zu sehen. Das System 10 besteht aus einer Schlittenmasse 12 und einer, Basismasse 14, auf der die Schienen 16 befestigt sind. In einer gewöhnlichen Werkzeugmaschinen-Anwendung dient die Schlittenmasse 12 als Plattform, auf der ein Werkstück 18 für die Bearbeitung durch ein Schneid werkzeug 20 befestigt ist. Hierfür ist die Schlitten masse 12 unidirektional in einer Ebene, die praktisch horizontal zum Boden verläuft, beweglich und wird durch einen bürstenlosen synchronen Linearmotor (Permanent magnet), linearen Induktionsmotor oder ähnlichen Motor 22 angetrieben. Die Schlittenmasse 12, die Basismasse 14, die Schienen 16 und der Linearmotor 22 sind von gewöhnlicher bekannter Bauart.

Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist das Schneidwerkzeug typischerweise ein Fräskopf. Das Schneidwerkzeug 20 kann jedoch auch jedes beliebige andere Werkzeug sein, wie zum Beispiel ein Bohrer. Typischerweise ist, das Schneidwerkzeug 20 auf der Basis 14 befestigt. Wie später im Detail diskutiert werden wird, resultieren die externen Kräfte, die kauf die Schlittenmasse wirken, hauptsächlich aus dem Kontakt zwischen dem Werkstück 18 und dem Schneidwerkzeug 20. Als eine Folge daraus kor rigiert diese Erfindung die Kräfte die auf die Schlit tenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 wirken, um dem Linearmotor die nötige Starrheit zu geben, solchen Kräf ten zu widerstehen.

Weiterhin, unter Bezugnahme auf Fig. 1, ist ein breit bandiger Beschleunigungsmesser 24 auf die Schlittenmasse 12 montiert. Der Beschleunigungsmesser 24 liefert eine erste Meßmöglichkeit, um die Beschleunigung der Schlit tenmasse 12 relativ zum Boden zu messen, um daraus das hierzu proportionale erste Beschleunigungssignal zu er zeugen. Die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zum Boden wird auch als die absolute Beschleunigung der Schlittenmasse 12 bezeichnet. Zusätzliche mechanische Vibrationen der Schlittenmasse 12 in der Bewegungsrich tung können zu Anomalien in der Bestimmung der absoluten Beschleunigung der Schlittenmasse 12 durch den Beschleu nigungsmesser 24 führen. Dementsprechend ist der Ort, an dem der Beschleunigungsmesser 24 auf der Schlittenmasse 12 befestigt wird, durch experimentelle Beobachtungen der Art gewählt worden, daß der Einfluß dieser zusätz lichen Vibrationen minimiert wird.

Ein zweiter breitbandiger Beschleunigungsmesser 26 ist auf die Basismasse 14 montiert. Der Beschleunigungs messer 26 liefert eine zweite Meßmöglichkeit, um die Beschleunigung der Basismasse 14 bezüglich des Bodens zu bestimmen und ein zweites, hierzu proportionales Be schleunigungssignal zu erzeugen. Genau wie bei dem Be schleunigungsmesser 24 ist der Befestigungsort des Beschleunigungsmessers 26 auf der Basismasse 14 experi mentell so festgelegt, daß der Einfluß von Vibrationen der Basismasse 14 in Richtung der Bewegung der Schlit tenmasse 12 auf die Messung minimiert sind. Durch einen solchen Befestigungsort werden die Anomalien in der Be stimmung der absoluten Beschleunigung der Basismasse 14 durch den Beschleunigungsmesser 26 reduziert.

Weiterhin ist in Fig. 1 ein Positionsmesser 28 gezeigt. Der Positionsmesser 28 besitzt ein festes Teil, das auf der Basismasse 14 montiert ist, und ein bewegtes Teil, das auf der Schlittenmasse 12 angebracht ist. Der Posi tionsmesser 28 liefert eine Positionsmeßmöglichkeit, um die Position der Schlittenmasse 12 relativ zu Basismasse 14, also die relative Position der Schlittenmasse 12, zu bestimmen. Der Positionsmesser 28 erzeugt außerdem ein Positionssignal, daß der relativen Position der Schlit tenmasse 12 entspricht.

Während der Werkzeugmaschinenbearbeitung können ver schiedene Kräfte an der Schlittenmasse 12 oder der Basismasse 14 angreifen. Die im allgemeinen wichtigste Kraft ist hierbei die, die mit dem Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug 20 und dem Werkstück 18 verbunden ist. Wie zuvor beschrieben messen die Beschleunigungsmesser 24, 26 die absolute Beschleunigung der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 und erzeugen das da zugehörige er ste und zweite Beschleunigungssignal. Das erste und zweite Signal entspricht also der absoluten Beschleuni gung der Schlittenmasse 12 beziehungsweise der Basis masse 14, die durch solche externen Kräfte erzeugt wird. Gleichzeitig mißt der Positionsmesser 28 die relative Position der Schlittenmasse 12 und erzeugt ein entspre chendes Positionssignal.

Immer noch Bezug nehmend auf Fig. 1 sind die Beschleu nigungsmesser 24, 26 und der Positionsmesser 28 mit ei nem Prozessor 30 elektrisch verbunden. Der Prozessor 30 liefert eine Möglichkeit, das erste und zweite Beschleu nigungssignal und das Positionssignal, die er von den Beschleunigungsmessern 24 und 26 und dem Positionsmesser 28 erhält, zu verarbeiten. Mit der Information aus dem ersten und zweiten Beschleunigungssignal und dem Positi onssignal erzeugt der Prozessor 30 ein Motorkontrollsi gnal, um den Linearmotor 22 zu steuern. Das Motorkontrollsignal dient dazu die Position, die Ge schwindigkeit und die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 der Gestalt zu ändern, daß der Linearmotor die nötige Starrheit erhält, um den äußeren, auf den Linearmotor einwirkenden Kräften zu widerstehen, die während der Werkzeugmaschinenbearbeitung auftreten.

Der Prozessor 30 enthält ferner einen Rückkopplungs signal-Generator 32 und eine Kontrolleinheit 34. Der Rückkopplungssignal-Generator liefert Möglichkeiten zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen, steht in elektri scher Verbindung mit den Beschleunigungsmessern 24, 26 und dem Positionsmesser 28, um das erste und zweite Be schleunigungssignal sowie das Positionssignal zu em pfangen und um hieraus eine Vielzahl von Rückkopplungs signalen zu erzeugen, die der Position, Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, oder der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 entsprechen.

Der Rückkopplungssignal-Generator 32 ist auch mit einer Steuereinheit 34 elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 34 liefert eine Steuermöglichkeit, um die Rückkopplungs signale des Rückkopplungssignal-Generators 32 zu empfan gen und die Abweichungen von den relativen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparametern der Schlittenmasse 12 von bestimmten Werten zu bestimmen. Solche Abweichungen können von externen Kräften, wie dem zuvor beschriebenen, stammen, die auf die Schlittenmasse 12 oder die Basismasse 14 wirken.

Die Steuereinheit 34 ist auch mit dem Linearmotor 22 elektrisch verbunden. Mit den Rückkopplungssignalen stellt die Steuereinheit 34 ein Mittel zur Verfügung, um das entsprechende Motorkontrollsignal zu erzeugen. Das Motorkontrollsignal bewirkt eine Regelung des Stroms, den der Motor 22 erhält, und dadurch eine Änderung der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12, um die Abweichungen, der relati ven Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 zu korrigieren, die durch irgendwelche externen Kräfte erzeugt wurden. Das Kontrollsignal, das die Steuereinheit 34 erzeugt, stattet damit den Linearmotor mit der nötigen Starrheit aus, um externen Kräften zu widerstehen, denen der Linearmotor ausgesetzt ist.

Nehmen wir nun Bezug auf Fig. 2. Dort ist ein Logikdia gramm des Kontrollsystems 10 gezeigt. Das Kontrollsystem 10 des Linearmotors, wie es in Fig. 2 zu sehen ist, ist charakterisiert durch eine Beschleu nigungs-Rückkopplungsschleife 36 für die Kraftunter drückung sowie einer Positions-Rückkopplungsschleife 38 und Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife 40 für die Positionsgenauigkeit und die Geschwindigkeitskontrolle. Der Schlüsselpunkt dieser Erfindung zur Erzeugung einer verbesserten Linearmotor-Starrheit, ausreichend, um Stö rungen zum kontrollieren, die durch externe Kräfte in Werkzeugmaschinen-Anwendungen erzeugt werden, ist die hohe Verstärkung in den Kontrollschleifen.

Hierzu wird in der Beschleunigungs-Rückkopplungsschleife 36 eine zweifach-integrierende Kompensation benutzt. Zu sätzlich sollen die Beschleunigungsmesser 24 und 26 und der Verstärker 42 in der Beschleunigungs-Rückkopplungs schleife 36 breitbandig sein, um die Verstärkung zu maximieren. Außerdem sollte der Verstärker 42 vor zugsweise nach dem Prinzip eines Pulsweitenmodulators arbeiten. Eine hohe Verstärkung in der Beschleunigungs-Rück kopplungsschleife 36 wird auch durch ein richtiges, experimentell bestimmtes Anbringen der Beschleuni gungsmesser 24, 26 auf der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 erleichtert. Wie schon erwähnt, sollen die Beschleunigungsmesser 24, 26 so angebracht werden, daß die Messung von zusätzlichen Vibrationen in der Schlittenmasse 12 und in der Basismasse 14 in Richtung der Bewegung der Schlittenmasse 12, die zu Anomalien in der Bestimmung der absoluten Beschleunigung der Schlittenmasse 12 und der Basismasse 14 führen, unterdrückt wird. Solche Anomalien bewirken auch eine ungenaue Berechnung der relativen Beschleunigung der Schlittenmasse 12.

Im Betrieb wird ein Positionierungsbefehl 44 in das Linearmotor-Kontrollsystem 10 dieser Erfindung ein gegeben. Mit dem Positionierungsbefehl 44 ist ein Positionskompensator 46, ein Geschwindigkeitskompensator 48 und ein Beschleunigungskompensator 50 verbunden. Während der Bewegung der Schlittenmasse 12 durch den Linearmotor 22, als Folge des Positionierungsbefehls 44, messen die Beschleunigungsmesser 24, 26 die absoluten Kräfte, die auf die Schlittenmasse 12 und die Basismasse 14 durch irgendeine Ursache hervorgerufen werden. Um die Verstärkung zu maximieren, und damit die Linearmotor starrheit zu verbessern, sollten die Beschleunigungs messer 24, 26 eine große Bandbreite besitzen.

Als Antwort auf die absoluten Kräfte, die auf die Schlittenmasse 12 und die Basismasse 14 ausgeübt werden, erzeugen die Beschleunigungsmesser 24, 26 das erste und das zweite Beschleunigungssignal. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Verstärker 42 eine große Bandbreite haben soll, um die Verstärkung zu maximieren und die Linearmotorstarrheit zu verbessern. Vorzugsweise soll der Verstärker 42 mit dem Pulsweiten-Modulationsprinzip arbeiten.

Das erste und das zweite Beschleunigungssignal, die von einem Addierer 56 empfangen werden, sind proportional zur absoluten Schlittenmassen-Beschleunigung 52 bezie hungsweise der absoluten Basismassen-Beschleunigung 54. Der Addierer 56 ist Bestandteil eines Rückkopplungs signal-Generators 32 und liefert eine Subtraktions möglichkeit, um die absolute Beschleunigung 54 der Basismasse 14 von der absoluten Beschleunigung 52 der Schlittenmasse 12 zu subtrahieren, um ein differen tielles Beschleunigungsmesser-Rückkopplungssignal 58 zu liefern. Das differentielle Beschleunigungsmesser-Rück kopplungssignal 58 entspricht der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, also der relativen Beschleunigung der Schlittenmasse 12. Auf diese Weise nimmt das Linearmotor-Kontrollsystem 10 eine Korrektur auf jegliche Beschleunigung der Basismasse 14 vor. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß eine zweifach-integrierende Beschleunigungs-Rückkopplungs schleife 36 verwendet werden soll, um die Verstärkung zu maximieren und die Linearmotorstarrheit zu verbessern.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2 erhält der Rück kopplungssignal-Generator 32 eine relative Schlitten massen-Position 60, die der Position der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 entspricht, vom Positionsmesser 28. Auf diese Weise wird auf jegliche Positionsänderung der Basismasse 14 korrigiert. Hierfür enthält der Rückkopplungsgenerator 32 einen Differentiator 62. Der Differentiator 62 gibt eine Differentiationsmöglichkeit, um die relative Schlittenmassen-Position 60 zu differenzieren, um so die relative Schlittenmassen-Geschwindigkeit 66 zu bestim men. Auf diese Weise wird auf jegliche Geschwindigkeitsänderung der Basismasse 14 korrigiert.

Der Rückkopplungssignal-Generator 32 enthält auch einen Konverter 64. Der Konverter 64 liefert eine Konvertie rungsmöglichkeit, um die relative Schlittenmassen-Posi tion 60 und -Geschwindigkeit 66 von einem analogen in ein digitales Signal zu verwandeln. Der Konverter 64, dient auch dazu, ein relatives Positions-Rückkopplungs signal 68 und ein relatives Geschwindigkeits-Rückkopp lungssignal 70 zu erzeugen.

Das differentielle Beschleunigungsmesser-Rückkopplungs signal 58, das relative Positions-Rückkopplungssignal 68 und das relative Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal 70 werden von der Steuereinheit 34 des Prozessors 30 emp fangen. Die Steuereinheit 34 leitet dann die Rückkopp lungssignale 58, 68 und 70 zu einem entsprechenden Beschleunigungs-Kompensator 50, Positionskompensator 46 und Geschwindigkeitskompensator 48 des Positionierungs befehls 44, um die Abweichungen der relativen Posi tion, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlitten masse 12 von der vorgewählten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu bestimmen, die durch den Positionierungsbefehl 44 vorgegeben sind.

Basierend auf der Bestimmung der Abweichungen von der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 von vorgewählten Werten erzeugt die Steuereinheit 34 ein Motorkontrollsignal. Die Steuereinheit enthält einen breitbandigen Verstärker zur Verstärkung des Motorkontrollsignals (nicht darge stellt). Das Motorkontrollsignal wirkt in der Art, daß der Strom, den der Linearmotor erhält, geregelt wird, wodurch die relative Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 verändert wird, so daß auf Abweichungen in der relativen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12, die durch irgendwelche äußeren Kräfte verursacht werden, korrigiert werden kann. Das Steuersignal, das von der Steuereinheit erzeugt wird, stattet dadurch den Linearmotor mit der nötigen Starrheit aus, um äußeren Kräften, die auf den Linearmotor wirken, zu widerstehen.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des Line armotor-Steuerverfahrens der Erfindung gezeigt. Das Ver fahren beginnt mit dem Schritt der Messung 72 der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zum Boden (absolute Beschleunigung) und der Erzeugung 74 des hier zu gehörigen ersten Beschleunigungssignals. Das Verfah ren enthält auch den Schritt der Messung 76 der Beschleunigung der Basismasse 14 relativ zum Boden (ab solute Beschleunigung) und der Erzeugung 78 des hierzu gehörigen zweiten Beschleunigungssignals. Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Messung 80 der Position der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 (relative Position) und der Erzeugung 82 des ent sprechenden Positionssignals.

Das Verfahren enthält weiterhin den Schritt der Ver arbeitung 84 des ersten und des zweiten Beschleunigungs signals und des Positionssignals, um Abweichungen von vorbestimmten Werten in der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, die, durch irgendwelche äußeren Kräfte verursacht werden, zu bestimmen. Das Verfahren enthält außerdem den Schritt der Erzeugung 86 eines Motorkon trollsignals zum Empfang durch den Linearmotor 22, um den Linearmotor 22 mit einem Widerstand gegen solche Abweichungen, die durch äußere Kräfte, die an der Schlittenmasse 12 und an der Basismasse 14 angreifen, auszustatten.

,Unter weiterem Bezug auf Fig. 3 enthält der Schritt der Verarbeitung 84 noch den weiteren Schritt der Erzeugung 88 der nominalen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14, basierend auf vorgegebenen Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten. Der Ver arbeitungsschritt 84 enthält außerdem weitere Schritte der Bestimmung 90 der Position, Geschwindigkeit und Be schleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basis masse 14 und der Erzeugung 92 einer Vielzahl von dazugehörigen Rückkopplungssignalen.

Der Schritt der Bestimmung 90 der Position, der Ge schwindigkeit und der Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 selbst enthält weitere Schritte der Verstärkung 94 des ersten und zweiten Beschleunigungssignals, um die Steuerverstärkung zu maximieren, und der Berechnung 96 der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungssignal, um die Beschleunigung der Schlittenmasse 12 relativ zur Ba sismasse 14 zu bestimmen. Der Schritt der Bestimmung 90 enthält ebenfalls als weiteren Schritt die Differen tiation 98 des Positionssignals, um die Geschwindigkeit der Schlittenmasse 12 relativ zur Basismasse 14 zu bestimmen.

Unter weiterem Bezug auf Fig. 3 enthält der Schritt der Erzeugung 92 einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen selbst den weiteren Schritt der Benutzung 100 einer zweifach-integrierenden Kompensation mit dem relativen Beschleunigungssignal, um die Steuerverstärkung in der Beschleunigungs-Rückkopplungsschleife in Fig. 2 zu maximieren und damit die Starrheit der Linearmotors zu erhöhen. Der Schritt der Erzeugung 92 einer Vielzahl von Rückkopplungssignalen enthält auch den Schritt der Kon vertierung 102 des relativen Positions- und Geschwindig keitssignals von analoger in digitaler Form.

Wie zuvor erwähnt, besitzen konventionelle mechanische Werkzeugmaschinen-Antriebe eine inhärente Starrheit oder Widerstand gegenüber äußeren Kräften aufgrund der Reibung zwischen den einzelnen Bestandteilen des mechani schen Antriebs. Demgegenüber werden Linearmotoren durch die Variation des elektromagnetischen Feldes angetrie ben, wodurch ihnen jede inhärente Starrheit, um solchen externen Kräften zu widerstehen, fehlt.

Wie oben erwähnt, können Linearmotoren jedoch durch den Gebrauch einer Servosteuerung des Motors mit einer scheinbaren Starrheit ausgestattet werden. Trotzdem war es in konventionellen Linearmotoranwendungen bisher nur möglich, eine meßbare Starrheit in der Größenordnung von 2-9 N/µm zu erreichen. Die konventionell erreichbare Linearmotorstarrheit ist deshalb weit unterhalb der Starrheit, die für Hochgeschwindigkeits-Werkzeug maschinen-Anwendungen erforderlich ist.

Demgegenüber ist das verbesserte Linearmotor-Kontroll System und Steuerverfahren der Erfindung in der Lage, eine Starrheit von 30 N/µm und mehr zu erzeugen. Durch die vergrößerte Linearmotorstarrheit, die diese Erfindung ermöglicht, können also Linearmotoren den Anforderungen der Qualitätskontrolle in Hochgeschwin digkeits-Werkzeugmaschinen-Anwendungen genügen.

Das Linearmotor-Kontrollsystem und -Steuerverfahren der gegenwärtigen Erfindung wurde im Zusammenhang mit Werkzeugmaschinen-Anwendungen beschrieben. Es, ist jedoch ersichtlich, daß das Linearmotor-Kontrollsystem und -Steuerverfahren der Erfindung für jede Art der Anwendung geeignet ist, bei der eine Linearmotorstarrheit in der Größenordnung von 30 N/µm und mehr erforderlich sind.

Claims

1. Linearmotor-Kontrollvorrichtung für die Verwendung mit einer Schlittenmasse (12), die bezüglich einer Basismasse (14) beweglich angeordnet ist, wobei die Kontrollvorrich tung den Motorwiderstand gegen äußere Kräfte in Überein stimmung mit vorgegebenen Betriebsparametern erzeugt, be stehend aus:
ersten Meßelementen (24), die auf der Schlittenmasse (12) montierbar sind, für die Messung der Beschleunigung der Schlittenmasse (12) relativ zum Boden und die Erzeugung des hierzu gehörigen ersten Beschleunigungssignals,
zweiten Meßelementen (26), die auf der Basismasse (14) montierbar sind, für die Messung der Beschleunigung der Basismasse (14) relativ zum Boden und die Erzeugung des hierzu gehörigen zweiten Beschleunigungssignals und
einer Signalverarbeitungseinheit (30) in elektrischer Verbindung mit den ersten und zweiten Meßelementen (24, 26) für den Empfang und die Verarbeitung des ersten und zweiten Beschleunigungssignals und die Erzeugung ei nes Motorkontrollsignals, das den Linearmotor mit einem Widerstand gegen äußere Kräfte ausstattet,
wobei die Signalverarbeitungseinheit (30) eine Rückkopplungssignaleinheit (32) umfaßt, welche in elek trischer Verbindung mit den ersten und zweiten Meßelemen ten (24, 26) für den Empfang des ersten und zweiten Be schleunigungssignals steht und zur Erzeugung eines Rück kopplungssignals entsprechend der Beschleunigung der Schlittenmasse (12) relativ zur Basismasse (14) vorgese hen ist, und
eine Steuereinheit (34) umfaßt, welche in elektrischer Verbindung mit der Rückkopplungssignaleinheit (33) und dem Linearmotor für den Empfang des Rückkopplungssignals steht und zur Bestimmung der Abweichung der gemessenen Beschleunigung von vorgewählten Werten, die durch äußere Kräfte verursacht wird, und zur Erzeugung eines entspre chenden Motorkontrollsignals, um einen Widerstand des Li nearmotors gegen die Beschleunigungsabweichung wirksam zu erzeugen, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssignaleinheit (32) folgendes umfaßt:
eine breitbandige Verstärkungseinheit in elektrischer Verbindung mit den ersten und zweiten Meßelementen (24, 26) zur Verstärkung von den ersten und zweiten Be schleunigungssignalen und zur Maximierung der Steuerver stärkung und
eine Subtraktionseinheit (56) in elektrischer Verbindung mit der Verstärkungseinheit zum Empfang des verstärkten ersten und zweiten Beschleunigungssignals zur Berechnung der Differenz zwischen beiden, um die Beschleunigung der Schlittenmasse (12) relativ zur Basismasse (14) zu be stimmen und zur Erzeugung des der relativen Beschleu nigung (58) entsprechenden Rückkopplungssignals.

2. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Positionsdetektor (28) in elektrischer Verbindung mit der Rückkopplungssi gnaleinheit (32) zur Bestimmung der Position der Schlit tenmasse (12) relativ zur Basismasse (14) und zur Erzeu gung des zugehörigen Positionssignals (60) vorhanden ist, und das Positionssignal für den Empfang durch die Rück kopplungssignaleinheit (32) vorgesehen ist.

3. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Meßelement (24, 26) so angeordnet sind, daß die Messung von zusätzli chen Vibrationen der Schlittenmasse (12) und Basismasse (14) in Bewegungsrichtung der Schlittenmasse (12) mini miert ist.

4. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rückkopplungssignaleinheit (32) zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen, entsprechend der Position, Ge schwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse (12) relativ zur Basismasse (14) vorgesehen ist und
die Steuereinheit (34) zum Empfang von Rückkopplungssi gnalen, zur Bestimmung der Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsabweichung gegenüber vorgewählten Wer ten, verursacht durch äußere Kräfte, und zur Erzeugung eines entsprechenden Motorkontrollsignals, um den Wider stand des Linearmotors gegen Positions-, Geschwindig keits- und Beschleunigungsabweichungen wirksam zu verbes sern, vorgesehen ist.

5. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Meßelement (24) ein breit bandiger Beschleunigungsmesser zur Maximierung der Steu erverstärkung ist.

6. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Meßelement (26) ein breit bandiger Beschleunigungsmesser zur Maximierung der Steu erverstärkung ist.

7. Linearmotor-Kontrollvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssignaleinheit (32) ferner umfaßt:
eine Differentiationseinheit (62) in elektrischer Verbin dung mit dem Positionsdetektor (28) zum Empfang und zur Differenzierung des Positionssignals, um die Geschwin digkeit der Schlittenmasse (12) relativ zur Basismasse (14) zu bestimmen und zur Erzeugung des entsprechenden Geschwindigkeitssignals (66) und
eine Konvertierungseinheit (64) in elektrischer Verbin dung mit der Differentiationseinheit (62) zum Empfang von Positions- und Geschwindigkeitssignal und zur Umwandlung der Signale von analoger in digitale Form.

8. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors für die Ver wendung mit einer Schlittenmasse und einer Basismasse, wobei ein Motorwiderstand gegen äußere Kräfte in Überein stimmung mit vorgegebenen Betriebsparametern erzeugt wird, mit folgenden Schritten:
Messung der Beschleunigung von der Schlittenmasse relativ zum Boden,
Erzeugung des ersten Beschleunigungssignals, das der Mes sung der Beschleunigung der Schlittenmasse entspricht,
Messung der Beschleunigung von der Basismasse relativ zum Boden,
Erzeugung des zweiten Beschleunigungssignals, das der Messung der Beschleunigung der Basismasse entspricht,
Messung der Position von der Schlittenmasse relativ zur Basismasse,
Erzeugung des Positionssignals, das der Messung der Posi tion der Schlittenmasse entspricht,
Verstärkung des ersten und zweiten Beschleunigungssignals zur Maximierung der Steuerverstärkung,
Berechnung der Differenz zwischen dem verstärkten ersten und zweiten Beschleunigungssignal, um die Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse zu bestimmen,
Differentiation des Positionssignals zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Schlittenmasse relativ zur Basis masse,
Erzeugung von Rückkopplungssignalen, die der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse re lativ zur Basismasse entsprechen,
Bestimmung der Abweichung der Rückkopplungssignale von vorgewählten Werten in der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schlittenmasse relativ zur Basismasse, die durch externe Kräfte verursacht wird, und
Erzeugung eines Motorkontrollsignals, das geeignet ist, den Motorwiderstand gegen die Abweichung zu erzielen.

9. Verfahren zur Steuerung eines Linearmotors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung von Rückkopplungssignalen die folgenden Schritte umfaßt:
Verwendung einer zweifach-integrierenden Kompensation mit dem relativen Beschleunigungssignal zur Maximierung der Steuerverstärkung und
Umwandlung des relativen Positions- und Geschwindigkeits signals von analoger in digitale Form.