EP4356207A1 - Identifikation von modell-parametern für eine fertigungsmaschine sowie deren anwendung zum ermitteln optimierter trajektorien - Google Patents
Identifikation von modell-parametern für eine fertigungsmaschine sowie deren anwendung zum ermitteln optimierter trajektorienInfo
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- EP4356207A1 EP4356207A1 EP22748260.1A EP22748260A EP4356207A1 EP 4356207 A1 EP4356207 A1 EP 4356207A1 EP 22748260 A EP22748260 A EP 22748260A EP 4356207 A1 EP4356207 A1 EP 4356207A1
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a production machine of a production machine system, the production machine having at least one axis with a position-controlled drive, through which at least one first machine element can be adjusted relative to a second machine element, with a control device included in the production machine system having at least one maximum travel range and a maximum travel speed for the axis and a maximum speed for the drive of the axis as boundary conditions for at least one identification run electrical power that can be supplied are stored.
- the conventional design of machine axes is usually done in the planning or design phase using appropriate software tools, i.e. even before the machine is built. Many parameters of the machine axes or their position-controlled drives, such as friction, are not known in advance and can only be estimated with a large safety factor.
- the drive train includes a motor with a motor measuring system and a length measuring system for determining the position of the machine component is assigned to the linear guide, with the machine also including a numerical controller for regulating the movement of the machine component.
- the rigidity of the drive train is determined by the fact that the machine component is given a constant acceleration by means of the numerical control, a difference between a position of the machine component derived from the motor measuring system and a position of the machine component measured at the same time by the length measuring system during the acceleration phase is determined by means of the numerical control and the difference is assigned to the acceleration or to a force required for the acceleration and the pair of values determined in this way and/or a rigidity value resulting from the pair of values is stored in the numerical control .
- a computationally efficient and intuitive optimization criterion is proposed to design the excitation trajectory for the robot.
- the object of the invention is to simplify the commissioning of a production machine that has at least one axis with a position-controlled drive. This object is achieved by a method with the method steps specified in patent claim 1, i.e.
- a method for operating a production machine of a production machine system the production machine having at least one axis with a position-controlled drive, through which at least a first Machine element is adjustable relative to a second machine element, with a control device included in the production machine system being stored as boundary conditions for at least one identification run, at least a maximum travel range and a maximum travel speed for the axis and a maximum electrical power that can be supplied to the drive of the axis , the following steps being carried out by means of the control device: - determining or receiving a maximum acceleration and/or a maximum jerk for the identification journey, - determining a driving profile for the identification journey, taking into account determination of the boundary conditions as well as the maximum acceleration and the maximum jerk for the identification run, - carrying out the identification run according to the determined travel profile, - determining the current supplied to the drive during the identification run, - determining a current and/or a torque limit of the drive in Dependency of a speed of the drive, - determining at least one actual
- the object is also achieved by a production machine system with a production machine and a control device connected to it for carrying out such a method.
- the control device includes, in particular, suitable software, so that when this software is called up, the steps mentioned are carried out by means of the control device.
- the invention also relates to a manufacturing machine for such a manufacturing machine system.
- the invention also relates to a control device for such a production machine system.
- the invention relates to a digital twin of a manufacturing machine of such a manufacturing machine system.
- the person skilled in the art understands a production machine as a machine used for the purpose of automated production. This includes in particular production machines, machine tools or robots.
- a production machine used in connection with the invention comprises at least one position-controlled axis, so that by means of a position-controlled drive assigned to the axis, at least a first machine element directly connected to the drive can be used relative to a second (additional) machine element of the production machine is adjustable.
- a production machine of a production machine system according to the invention eg a machine tool or a robot, preferably comprises more than one, in particular at least five, position-controlled axes, by means of which an end effector, eg a tool, can be positioned and oriented in space.
- the production machine system includes a control device connected thereto, which ensures that the position of the axis is controlled according to a program (control program).
- Control device uses a part program to “control” the movements of machine elements and thus the movements of a tool that is inserted into the machine, for example via a tool holding device, relative to a workpiece that is also inserted into the machine.
- control is in common usage and not “control” in the sense of control engineering.
- Control here means above all the position control of axes, which includes control processes in the sense of control technology.
- the parts program is composed at least predominantly of control commands that are read in and interpreted by the control device.
- the control device controls the movements of the machine elements of the machine tool and thus the movement of the tool relative to the workpiece.
- a CAM system Computer Aided Manufacturing
- the post-processor uses the movement information generated by the CAM system, the kinematic and machine data of the machine tool as well as the command set of the CNC control and the command set of the PLC control to create a for the respective specific machine tool on which the machining process an adapted part program is to take place in the form of one that is adapted to the specific control device of the machine tool control commands.
- the movement information generated by the CAM system is converted by the post-processor into control commands that can be read in by the control device and are adapted to the respective control device.
- the post-processor takes into account the specific machine-specific conditions of the machine tool, such as kinematics, geometric proportions, maximum traversing ranges of the drive axes and maximum speeds of the machine elements. This data is in the form of machine data.
- machine-specific PLC functionalities programmable logic control
- lubrication such as lubrication, tool change, door locking, etc.
- specifically available PLC functionalities being made available to the postprocessor in the form of PLC command sets To be available.
- the control device connected to the production machine In order for the control device connected to the production machine to be able to plan and control the movements to be executed by the production machine very precisely, the control device must contain an exact model of the production machine which very precisely describes the mechanical and dynamic properties of the machine maps, be stored in the control device.
- a methodology is described as to how the necessary mechanical and electrical parameters of the drive axle are determined metrologically on an existing machine with an identification process, the dynamic parameters for a safe identification run of the respective axis are determined.
- the trajectories for the identification runs of the individual axes are determined directly on the machine's control unit. This is preferably done by means of software installed on the control device, which guides the operator through the commissioning step by step via a graphical user interface of the control device. To start up the production machine, an identification run is therefore first carried out.
- a production machine usually includes a plurality of position-controlled axes, also referred to below as drive axes, by means of which an end effector of the machine can be positioned in a working space of the machine.
- the aim of the invention is to determine the required model parameters for all drive axles of the machine. At least one identification run can be determined and carried out for each individual axle in an identification process. The axes are therefore moved individually one after the other.
- Parameters for a secure identification process are first determined from known boundary conditions of the respective axle, in particular all drive axles. These boundary conditions include at least the positions of the limit switches of the axes that define the maximum traversing range of the respective axis. Furthermore, from the drive data of the relevant axis, such as a maximum engine speed in connection with a specific gear ratio, the maximum (travel) speed of the relevant axis is given.
- a reliable identification run also requires at least a rough knowledge of the inertia of the axis and of the converter parameters.
- the inverter parameters can include the maximum current of the inverter, the maximum current of the motor or the maximum permissible torque of the motor.
- the latter can be defined, for example, by the machine manufacturer, eg from a maximum permissible torque of a gear in the drive train.
- This data is usually available in the converter and can be read from it via existing interfaces and transferred to the control device.
- a relatively rough estimate is sufficient for the inertia of the axle, in particular the moment of inertia applied to the drive of the axle. This can be obtained, for example, from the known masses moved by means of the axis. If such data are available in the control device, it can itself determine values for a maximum acceleration and/or a maximum jolt for the identification journey.
- the control device determines the inertia for each axle by means of a short “test run”, in which the axle is accelerated for a short period of time and for a short distance as a test.
- the machine operator can use his or her specialist knowledge to make an initial estimate of the inertia of the axis or an initial estimate of suitable values for the maximum acceleration or the maximum jerk for the identification run and enter the corresponding values directly manually in the Enters control device, whereby this receives the corresponding values.
- control device If the control device is given an initial estimate of the inertia, it can automatically use this in conjunction with the drive data to generate suitable values for a maximum load acceleration and/or determine a maximum jerk for the identification run. Irrespective of which of the indicated methods were used to determine suitable values for maximum acceleration and/or maximum jerk for the identification journey or to supply them to the control device, these values should have a high "safety factor", e.g. 50% of the probable ones Do not exceed the values of these parameters for real operation of the machine. The safety distance is required because the friction is not known and the field weakening that takes effect at high motor speeds also reduces the available torque.
- the parameters maximum travel distance, maximum speed, maximum acceleration and maximum jerk for the identification run are determined for each drive axis in such a way that a safe identification run is guaranteed. Since the maximum acceleration (maximum possible acceleration of the axis) is not yet known, a reliable but sufficiently high initial value, ie the maximum acceleration for the identification run, is determined from the known motor data, particularly estimated, and used . Likewise, a maximum jerk is specified for the identification run, in particular determined or estimated from the motor data, which can be achieved by the drive of the axle with a high probability (almost certain).
- the initial values mentioned are advantageously determined automatically by the software mentioned from the available motor and converter data.
- a travel profile for the identification travel is then created while adhering to the boundary conditions and the maximum acceleration and the maximum jerk for the identification travel certainly. This step is also preferably carried out automatically using the software mentioned.
- the identification then runs automatically using the determined parameters and typically takes place in two identification runs (measuring runs) with different driving profiles for each drive axle, once at medium speed and/or medium acceleration and once at high speed and/or or high acceleration to cover all possible working ranges of the machine axes and get good models. Identification only takes a few minutes and provides a very good image of the real machine axes.
- the travel profile for each axis is preferably determined in such a way that the axis is moved once in a first axis direction, eg the positive axis direction, at medium speed and medium acceleration and then in the opposite axis direction, eg the negative axis direction the high speed and high acceleration.
- the axis is preferably moved at least over a significant area of its maximum travel path.
- At least one current value is measured and recorded at least at a specific point in time during the identification journey. As a rule, however, several, in particular a large number of, current values are measured and recorded, in particular as a function of time, during the identification journey.
- at least one actual kinematic variable is required to determine at least some of the model parameters.
- these variables can be derived from the specified driving profile of the identification journey directly from the specifications of the control, for example the position setpoints of the axis, can be taken and regarded as given.
- the variables speed, acceleration or jerk can be calculated mathematically from this using the first or second derivation. Alternatively, however, it is also possible to measure at least one of the variables speed, acceleration or jerk using appropriate sensors.
- the power consumption of the drive of the axle is advantageously determined at specific time intervals, for example every 2 ms.
- the engine speed is also determined for the time of the respective measurement.
- the motor speed at the relevant point in time can either be read out from the converter or calculated from the determined position values.
- the current values in particular the current that forms the torque, or the torque as a function of the motor speed.
- a torque or current characteristic is determined as a function of the engine speed.
- the relationship between current and torque is usually precisely known.
- the values can therefore be converted into one another in a simple manner.
- Motor an at least substantially linear relationship between the current and the torque.
- Different model parameters can be derived from the different phases of the identification journey. For example, driving at a constant speed provides information about the friction present on the axle in question.
- travel with constant acceleration provides information about the total inertia of the relevant axis.
- the total inertia of the axis is the sum of (all) masses and moments of inertia that counteract the drive of the axis when the axis accelerates.
- a modeling option that is frequently used in practice in connection with drives is to describe the torque M Phys applied to the drive of an axis using the following equation: Where: J is the total inertia, M c is the Coulomb friction, M v is the viscous friction, M h is the holding torque, eg of a hanging axle, a Mot is the motor acceleration and n Mot is the motor speed.
- J is the total inertia
- M c is the Coulomb friction
- M v the viscous friction
- M h the holding torque, eg of a hanging axle
- a Mot is the motor acceleration
- n Mot is the motor speed.
- Similar terms can be given for the losses of the drive or the current or torque limit of the drive as a function of the speed, from which a loss model or a limit model can be derived for the specific drive.
- the model parameters of the mechanics model which are determined from the identification runs using the measurements mentioned for the individual axes, include: the friction present in the drive (viscous / dry friction), the saturation behavior of the motor (results from the combination - slope between the torque-forming current and the physical torque), forces due to weight or weight compensation (e.g. with a hanging axis), the actual inertia of the axis (if necessary, correction of the previously assumed inertia) or the field weakening behavior of the motor.
- the model or the model parameters can then be used to determine the maximum acceleration a max or the maximum jerk j max —possibly depending on a load or load on the axis—for the relevant drive of the axis and for a specifically specified travel path of the axis can be determined in such a way that the physical possibilities of the motor or the drive are fully exploited.
- a max or j max is dependent on the maximum speed of the motor that can be achieved over the travel distance while the axis is being moved.
- the travel profile is determined at least in a section of the identification travel in such a way that the axis does not exceed 60%, preferably 50%, of the maximum travel speed and/or 60%, preferably 50% of the maximum acceleration for the identification travel .
- the journey described above is implemented at medium speed and/or medium acceleration.
- the driving profile is determined at least in one section of the identification journey in such a way that the axis does not exceed 70%, preferably 80%, of the maximum travel speed and/or 70%, preferably 80% of the maximum acceleration for the identification journey - exceeds.
- the journey described above is realized at high speed and/or high acceleration.
- One embodiment of the invention provides that, in addition to the boundary conditions of maximum travel, maximum speed, maximum acceleration and maximum jerk for the identification run, a maximum moment of inertia of the axis for the identification run is stored in the controller as a further boundary condition. This expands the possibilities when determining the driving profile for the identification journey.
- the maximum moment of inertia for the identification run is stored in the control device as a function of the axle position.
- the maximum moment of inertia for the identification run is used in particular to determine the dynamic parameters maximum acceleration and/or maximum jerk for the identification run in conjunction with the known drive data (maximum current, maximum torque, ratio, etc.) such that the identification run can be carried out safely and, in particular, the drive does not reach its limits.
- the aim of the identification run is to determine model parameters or a model of the production machine and in particular models of the machine axes, which can be used to determine trajectories for normal operation of the machine.
- model parameters include the friction or a moment of inertia of the axis in question, possibly also depending on the respective axis position. These parameters determine the mechanical model of the axis or the machine.
- a current limit is determined as a function of the motor speed for driving the respective axis. This relationship is described by the so-called limit model of the relevant drive.
- the respective limit model is preferably also determined from the corresponding identification journey. In addition to a measured current value from the frequency converter of the drive, the associated motor speed and the distance from the maximum current at the relevant speed are also read out and fed to the control device.
- This speed-dependent distance from the maximum current is a variable that is usually already present in the frequency converter and therefore only has to be read out from the converter and fed to the control device.
- data sheets can also be used to determine the torque or current limit of the respective motor.
- the limit characteristic of the motor (the limit model) can also be determined from the motor data using a motor model, or it can also be supplied directly by the motor manufacturer. The limit characteristic is not only limited by the motor itself, but possibly also by the maximum current of the converter and by the maximum permitted torque of the mechanics, such as the gearbox.
- a reduction factor (a "reserve") can be specified to be on the safe side, if, for example, only 90% of the motor's characteristic curve is to be utilized.
- the characteristic shifted by the reserve in the negative torque direction compared to the limit characteristic can be referred to as the reserve limit characteristic.
- One embodiment of the invention provides that at least one parameter relating to the losses of an axle or the drive of the axle or a corresponding characteristic curve is stored in a loss model in the control device.
- the criterion for the loss model is the minimization of the power loss, which means that the motor generates minimal heat.
- the copper and iron losses of the motor in question are calculated from the measurement data obtained during the identification runs.
- the copper losses depend on the square of the current or torque, while the iron losses depend on the speed.
- the characteristic curves obtained in this way are subsequently used for an energy-optimized process with optimum utilization of the motor power.
- the determination of the parameters of the loss model is based in particular on the measurement of the motor current during the identification run in the areas of the driving profile with high speeds or high accelerations, which generate a high load on the motor. In the process, saturation effects are recorded because the torque is no longer linearly dependent on the current at high currents. The following is typical of the saturation characteristic: the higher the current, the lower the increase in torque generated with increasing current.
- the invention can be used in almost any production machine with at least one position-controlled axis.
- the invention is particularly advantageous in the case of production machines with several axes, each provided with a position-controlled drive, by means of which at least two machine elements can be adjusted relative to one another, with the axes being able to position an end effector of the production machine in a working space of the production machine, and with the parameters or characteristic curves of all of the positioning in the respective model of the end effector involved axes of the production machines are stored.
- the effort involved in commissioning the machine increases.
- the invention helps to significantly reduce this effort, especially in machines with many axes.
- trajectories for the (regular, ongoing) operation for the individual axes of the machine can be determined in an optimized manner on the basis of the identified model or models, but also trajectories for the end effector, for its movement When the machine is running, several axes are usually moved together (interpolating).
- the trajectories are determined and optimized as a function of at least one of the models generated according to the invention.
- position setpoint filters can also be used in connection with the invention for smoothing a travel profile, both for identification travel and for (regular, ongoing) operation.
- the invention contributes to determining model parameters for the drives of a production machine in a simple manner.
- the model parameters match the conditions on the real machine with a high level of accuracy.
- the model parameters are then used to determine optimized driving profiles for the regular (ongoing) operation of the production machine, so that these performs the task to be performed by the machine in an optimized manner.
- time or energy-optimized driving profiles can be implemented.
- the generation of the driving profiles in question based on a model of the machine or on the basis of the model parameters is well known to those skilled in the art from the prior art.
- the result of the identification process is a mechanical model that describes the inertia and friction conditions of the axis.
- the limit model identified describes the electrical limits of the drive axle, i.e. motor limits with saturation including the limits of the power unit.
- the determined loss model essentially describes the speed-dependent power loss of the motor and forms the basis for the further consideration of energy-optimized movement processes in order to proceed as resource-saving as possible.
- the dynamic parameters position, speed, acceleration, jerk
- Optimum acceleration, optimum jerk and, if applicable, other parameters can be determined for any operating state during operation of the machine, although only one identification process has taken place.
- FIG. 1 shows a machine tool system with a numerically controlled machine tool
- FIG. 2 process steps when carrying out a method according to the invention
- FIG. 3-7 torque-speed diagrams
- FIG. 8 a current-torque diagram
- FIG. 9 a torque-speed diagram Diagram for an axle without a load and without a filter
- FIG. 10 shows a torque/speed diagram for an axle without a load, with a filter
- FIG. 11 shows a torque/speed diagram for an axle with a load and without a filter
- FIG. 1 shows a machine tool system with a numerically controlled machine tool
- FIG. 2 process steps when carrying out a method according to the invention
- FIG. 3-7 torque-speed diagrams
- FIG. 8 a current-torque diagram
- FIG. 9 a torque-speed diagram Diagram for an axle without a load and without a filter
- FIG. 10 shows a torque/speed diagram for an axle without a load, with a filter
- FIG. 11 shows a torque/speed diagram for an axle with
- FIG. 12 shows a torque/speed Diagram for an axle with a load and with a filter
- FIG. 13 An identification run.
- Figure 1 shows a schematic representation of a production machine system according to the invention in the form of a machine tool system 10 with a production machine in the form of a machine tool 20 and a control device connected thereto in the form of a numerical control or CNC control 30.
- the machine tool 20 has an Within the scope of the exemplary embodiment, six machine axes are used to carry out a relative movement between a tool 1, which is in the form of a turning tool 1 within the scope of the exemplary embodiment, and a workpiece 5, for example a valve seat of a shut-off valve can be.
- the tool is 1 clamped in a tool holder 2, which is connected to a tool spindle 21, which is driven by a position-controlled motor 22.
- the workpiece 5 is fastened to a workpiece table 7 by clamping means 6 .
- the turning tool 1 can be moved in a position-controlled translatory manner in the X, Y and Z direction with the machine tool 20 shown in the exemplary embodiment with drives (not shown in FIG. 1 for the sake of clarity).
- the machine tool 20 shown also includes the two position-controlled rotary axes A and B, which can also be seen in FIG Workpiece 5 can be aligned.
- the machine tool 20 has a third position-controlled rotary axis C, which runs parallel to the Z-axis and with respect to which the workpiece table 7 is rotatably mounted relative to a stationary machine frame 23 .
- the workpiece 5 can also be positioned in an angular position ⁇ relative to the tool 1 .
- the drive is not shown for the sake of clarity.
- speed-controlled operation with respect to the rotary axes A and/or C is also possible with the machine tool 20 shown.
- the machine tool 20 according to the exemplary embodiment thus has six machine axes (the 3 linear axes X, Y and Z and the 3 rotary axes A, B and C), i.e.
- 6-axis machine tool 6-axis machine 20
- the machine tool 20 is connected to the CNC control 30, which uses a part program 33 and/or a manual operator input to set position setpoints x, y, z, ⁇ , ⁇ and ⁇ for controlling a contact between the tool 1 and the workpiece 5 - determined relative movement.
- the CNC control 30 determines the desired position values using the parts program 33, in which the movement to be carried out by the tool 1 in relation to the workpiece 5 is defined in the form of commands.
- the movement of the tool 1 and/or the workpiece 5 can also be specified by an operator on site at the machine tool 20 by means of a manual operator input via an operating device 31 in connection with a display device 32 of the numerical control 30 .
- the operating device 31 has, in particular, input fields, buttons and rotary controls.
- the parts program 33 is usually generated by an external CAM/CAD system (not shown) and a so-called post-processor (not shown) that may be connected downstream of the CAM/CAD system outside of the numerical control 30 and from there to the numerical control 30
- the numerical control 30 When processing the parts program 33, the numerical control 30 generates position setpoints x, y and z for the linear axes as well as ⁇ , ⁇ and ⁇ (angular positions) for the rotary axes in a specific cycle, the interpolation cycle .
- the tool 1 is moved with a predetermined orientation relative to the workpiece 5 along a movement path by means of these reference position values.
- One aim of the invention is to identify model parameters for models of the production machine 20 stored in the CNC controller 30 of the machine tool system 10 in a simple manner.
- the CNC control Based on these models, the CNC control generates 30 optimized trajectories for the movement of the Tool 1 relative to the workpiece 5 for machining the workpiece 5.
- the CNC control 30 has an identification program 34, on the basis of which the method described below is executed after the program call.
- Figure 2 shows the essential procedural steps in the inventive determination of an optimized trajectory for a tool 1 guided by the machine tool 20 for machining a workpiece 5.
- model parameters for at least one in the CNC control 30 stored model of the machine tool 20 is determined.
- step S1 of the method according to the invention known boundary conditions, ie known values of certain parameters, are determined or made available in the CNC control 30, which are required for the method.
- the determination can take place automatically, semi-automatically or manually.
- Automatic means that the CNC control 30 itself determines the relevant parameters. This is achieved, for example, by the CNC control 30 automatically reading out axis positions of limit switches of the axes of the machine tool 20 after the start of an identification program 34 provided on the CNC control 30 .
- Partially automatic can mean that the CNC control 30 stops at specific times when executing the identification program and waits for user input. For example, the maximum travel speed of a specific axle can be entered manually by a user.
- the boundary conditions that are present at the beginning of the identification process in the CNC control 30 include: - the positions of limit switches of the axes of the machine tool 20 involved in the movement of the tool, - the maximum travel speed of the axes concerned, it being in the case of rotary axes, this can also involve angular speeds, - an assessment of the inertia, in particular the mass to be moved by the respective drive or the moment of inertia applied to the respective drive, - certain converter parameters for the respective drive associated converter, in particular the maximum current that can be fed to the respective drive.
- the CNC control 30 From the boundary conditions mentioned, the CNC control 30 generates a maximum travel range, a maximum acceleration and possibly a maximum jerk for an identification run for each machine axis during execution of the identification program in a method step S2. This means that these maximum values for the identification run are not the corresponding maximum values of the respective parameters for ongoing operation, which are usually significantly higher, but "safe" maximum values specifically for the identification run, in which the axis and in particular the drive of the axle does not reach its limits and the parameters to be determined by the method according to the invention can nevertheless be determined with high accuracy. If the boundary conditions and the other parameters mentioned above for the identification process are present, the CNC control 30 automatically determines identification runs for the individual axes in a method step S3.
- the driving profiles are automatically determined by the CNC control in such a way that at least in one section of the driving profile, a journey and constant speed and at least in one section an accelerated journey with a relatively high acceleration, in which in particular the maximum acceleration for the identification trip is at least approximately reached, are included in the driving profile.
- the axles are moved according to the driving profiles determined in step 3 and - while the axles are being moved - measurements are taken and measured values are generated, with the desired model parameters of the axles then being calculated from the measured values in a step S5 on the basis of known physical connections can be determined.
- the axes are moved individually one after the other according to the travel profiles determined in step 3, preferably once at medium speed and/or medium acceleration and once at high speed and/or high acceleration in order to cover all possible working areas of the Cover machine axes and get good models. Identification only takes a few minutes and provides a very good image of the real machine axes.
- the travel profile for each axis is preferably determined such that the axis is moved once in a first axis direction, eg the positive axis direction, at medium speed and medium acceleration and then in the opposite, ie negative axis direction is moved with the high speed and high acceleration.
- the axis is preferably moved at least over a significant area of its maximum travel path, in particular the maximum travel path.
- the travel profiles it is also possible for the travel profiles to be determined in step 3 in such a way that several, in particular all, machine axes are moved simultaneously during the identification process.
- not travel profiles for the individual axes for the identification process are generated but, for example, a travel profile for tool 1 of machine tool 20 such that all axes of machine tool 20 are involved in the corresponding movement of tool 1 .
- the time required for the identification run can be significantly reduced. In return, the effort involved in determining a driving profile that meets the requirements of all axles increases.
- the aim of the measurement in step 4 is to determine a relationship between the motor speed of the drive and the torque generated. For a very simple axis with constant friction and mass ratios over the travel range, measuring the motor current at a few points in time during the identification run may be sufficient. As a rule, however, a large number of current values are measured over the entire identification run, in particular at specific time intervals, for example every 2 ms, so that ultimately a characteristic curve of the current or the torque over the speed is determined. Furthermore, a current limit is also determined in step 4 at least for some of the measured current values. The current limit specifies the maximum current of the drive at the relevant motor speed. The current limit can be determined, for example, by reading out the "current reserve" from the drive converter for the measured current.
- the current limit results from the measured current in connection with the current reserve – usually by simple addition. Since the current limit depends on the speed, its value is stored in the controller depending on the motor speed. In addition or as an alternative to the current limit, a torque limit can also be determined. Since there is an at least approximately linear relationship between (motor) current and torque over a large speed range of the motor, it usually makes no difference which value is measured. If necessary, the values can be converted into one another. In principle, data sheets, if available, can also be used to determine the torque or current limits of the motor and converter. The limit characteristic of the motor can thus also be calculated from motor data using a motor model, or it can also be supplied directly by the motor manufacturer.
- step 4 in addition to the motor current, actual kinematic variables for the identification run are also determined.
- the actual kinematic variables include: the position, the speed, the acceleration or the jerk.
- at least the position of the axle is preferably measured at specific time intervals, for example every 2 ms, using a position sensor.
- Other actual kinematic variables can be calculated from this if required, eg the speed by simply deriving the position over time.
- the required kinematics actual variables can be determined by taking them from the specifications or the travel profile for the identification run and accepting them as “true” in this respect. However, it is safer to determine by measurement, which also allows the specifications (target values) to be checked using a target/actual comparison.
- the model parameters sought for the machine or the models sought are “identified” or determined. Methods known per se are used here.
- the model parameters are determined in step 5, in particular on the basis of the currents, current or torque limits and actual kinematic variables determined during the identification run for different points in time. The models identified are discussed in more detail below.
- the models are used to generate, in a manner known per se, optimized travel procedures, that is to say optimized trajectories for the individual axes or the end effector of the machine. This will also be discussed in more detail later.
- the identified models can be used directly on the machine, that is, in the exemplary embodiment by the CNC controller, to control the position of the axes. Furthermore, the models or the model parameters included in them can also be used for path generation in an external CAM system. Furthermore, the models can also be used for realistic simulations of movement processes carried out by the machine (workpiece processing, etc.). The generated model parameters are also ideal for creating a digital twin of the machine.
- the mechanical model includes values relating to the masses and moments of inertia for the individual axes, relating to friction and constant forces, eg weight. Additional effects can be modeled, such as process forces, acceleration forces due to an oscillating system, position-dependent forces with eccentrically hanging axes, etc.
- model fit means the application of at least one algorithm known per se, which above all smoothes the measurement data in a specific way. This is partly due to the assumptions made in the model (such as the friction contained) and the mathematics used (eg the least square method). Model fit works great as long as the measurement is noisy in the sense that the mean is preserved in the data, which is normally expected. A few measurement points are sufficient for model matching, as long as there is enough information in the measurements so that every aspect of the model is well covered.
- high acceleration is required to determine inertia for the mechanics model and saturation for the loss model.
- a high speed is required, for example, to determine the friction for the mechanics model. This is taken into account when selecting the driving profile for the identification drive.
- two measurement runs are preferably carried out, one at medium speed and one at high speed.
- the limit model determined describes the electrical limit of the motor, preferably including the saturation and the electrical power of the converter. To do this, the current limit and/or the torque limit is evaluated as a function of the speed.
- An exemplary identification run is illustrated with reference to FIG.
- the following boundary conditions are specified for a machine axis to be traversed during the identification run: - the maximum travel range of the axis for the identification travel, in particular the positions of the limit switches of the axis, which generally determine the maximum possible travel range of the axis , - the maximum travel speed v max, id of the relevant axes for the identification run, - an estimate of the inertia, in particular the mass to be moved by the respective drive or the moment of inertia applied to the respective drive, - certain converter parameters for the respective Converter assigned to the drive, in particular the maximum current that can be supplied to the respective drive.
- the CNC control advantageously automatically generates a travel range, a maximum acceleration a max, id and a maximum jerk j max, id for the identification run when the identification program is executed, with the variables a max, id and j max, id are determined in such a way that they can be reached by the drive of the axis with a high degree of probability without bringing the drive to its limits.
- the CNC control automatically determines a travel profile for the axis that meets the above conditions or boundary conditions.
- FIG. 13 illustrates such a driving profile and shows the time course of the speed v, the acceleration a and the jolt j.
- the differences from the first period are due to the fact that the journey takes place in the opposite direction (return) and the maximum values v max , id , a max , id and j max determined for the identification journey with regard to speed, acceleration and jerk , i'd be reached.
- the axle position is advantageously measured at short time intervals, for example at intervals of 2 ms. From the axis positions measured, the parameters speed, acceleration and jerk can be determined at the respective point in time by calculation (differential calculation). Alternatively, these variables could also be determined by measurement using appropriate sensors.
- FIGS. 3 to 6 illustrate the automatic determination of the optimum acceleration for a specific machine axis.
- FIG. 3 shows the torque over the engine speed and the limit torque.
- the torque can either be measured directly on the drive using suitable measuring equipment. However, it is easier to measure the motor or drive current during the identification run.
- the current values are usually already available in the drive converter. These must therefore be read out during the identification run, preferably at discrete times, eg at intervals of 2 ms.
- the torque illustrated in FIG. 3 in the measurement curves A and B for different accelerations can be determined directly from the measured motor current.
- the motor speed is similar to the determination of the torque.
- the values sought are usually already available in the converter. If the motor has a corresponding speed sensor, the motor speed can be read out at the relevant points in time at which the current value is determined. If the speed values are not directly available, the position values of the axis can be recorded at the times at which the motor current is determined.
- the driving speed of the axis can be determined from neighboring position values by means of differentiation and, in connection with the transmission ratio of the drive, the motor speed for the relevant points in time.
- the upper curves B show an acceleration of the engine from 0 to 3000 rpm and the lower curves A a deceleration from 3000 rpm to 0 (standstill).
- a closer look at Figure 3 and curves A and B shows that 2 curves for A and B are shown.
- the characteristic curve of the maximum torque (limit torque) of the motor over the speed can be specified from a motor data sheet or from converter data.
- the corresponding limit characteristic curve C can also be seen in FIG.
- the diagram illustrated in FIG. 3 results from an identification run in which the motor because it varies in a speed range between 0 and 3000 rpm, once in a speed range from approx. 250 rpm to approx. 2750 rpm with constant, positive acceleration (measurement curve B) and once in a speed range from approx 2750 rpm to about 250 rpm with constant, negative acceleration (measurement curve A). From the measurements illustrated in FIG. 3, model parameters such as the inertia of the axle can then be derived in the manner already described.
- the smooth characteristic curves in FIG. 4 illustrate the relationship between engine speed and torque when the same identification run as in FIG. 3 is simulated using the model.
- irregular ("wavy") measurement curves A to C the result is the “smooth" characteristic curves D to F, which show the behavior of a "model engine” corresponding to the real engine with ideal behavior - therefore smooth Characteristics - reflect.
- FIG. 5 illustrates the motor limit characteristic curve F, taking into account a “reserve” R defined by the user.
- the determination of the "maximum acceleration" for the regular operation of the drive or the axis can also be carried out taking this reserve R into account.
- FIG. 6 now illustrates the optimum acceleration for the axis, for example if the identification run (accelerating the motor from 0 rpm to 3000 rpm and then braking the motor from 3000 rpm to 0 rpm) while maintaining the reserve is as short as possible wanted to carry out time.
- the speed-torque characteristic I just touches the reserve characteristic G.
- the characteristic curve I determined in this way using the models or model parameters obtained creates the possibility abilities of the drive (in the exemplary embodiment taking into account the reserve R) fully.
- optimized trajectories for the regular operation of the drive can be determined, as illustrated in FIG.
- FIG. 7 again shows, as an example, torque-speed diagrams of the motor of an axle.
- FIG. 7 shows negative torque values. This is due to the fact that the relevant axis is moved in the negative axis direction with an analog travel profile (acceleration from 0 rpm to 3000 rpm and subsequent deceleration to 0 rpm), which reverses the direction of rotation of the motor.
- the measurement curves A' and B' and the corresponding smooth curves D' and E' of the model result from the current and torque measurements. As can be seen from FIG.
- the mechanical model (smooth curves) with the identified parameters also shows very good agreement with reality (measured, "wavy" curves), which is the basis for all further considerations forms.
- the upper and lower wavy curves C and C' in the illustration show the measured values of the maximum torque of the motor with saturation and including the power section.
- the smooth (continuous) curves F and F' are the corresponding limit characteristics of the limit model of the drive axle.
- the dashed curves J and J' show the so-called "S1 characteristics" of the axle, i.e. the characteristic of the Drive for the case of stationary operation with the apparent torque, which is unrealistic in practice when operating a machine tool.
- the S1 characteristic is preferably derived from a data sheet for the axis motor.
- FIG. 8 shows the relationship between current I (in A) and torque M (in Nm) for a drive, from which the difference between the actually measured characteristic (continuous characteristic K) and the ideal characteristic L (dashed) can be seen.
- the criterion for the loss model is the minimization of the power loss, which means that the motor generates minimal heat.
- the copper and iron losses of the motor are calculated from the measurement data. The copper losses depend on the square of the current or torque, while the iron losses depend on the speed.
- optimized travel profiles can then be generated for the regular (ongoing) operation of the machine.
- an optimized, in particular an optimal, driving profile is determined, in particular calculated, taking into account the mechanical model and the torque/speed limit characteristic.
- the current limit of the axis could also be used for optimization.
- Optimal driving profile can mean: - Maximum acceleration for specified travel distance, maximum speed and jerk limitation; - Minimum travel time for specified travel and maximum speed; - Minimum power losses for the specified travel distance and maximum speed.
- the optimization is determined for an additional loading of the axis that can largely be freely selected by the user.
- the user can calculate and use the optimal travel profile for different loads that can occur during operation of the axis but have not been measured, for example to set up an adaptation on the controller or to be prepared for the worst case.
- An expected torque curve is calculated on the basis of the mechanical model and the desired driving profile. This must not exceed the limit characteristic curve at any point.
- the curve of the torque profile touches the limit characteristic at at least one point.
- the characteristic for the continuous load (S1) can also be used as a limit. In this case, it is checked whether a thermal equivalent of the driving profile (eg effective value of the expected torque) is below this S1 characteristic.
- the optimization of the driving profile also takes into account the use of additional filters on the controller, which smooth the driving profile.
- Typical are, for example, averaging, VibX or general FIR filters.
- the smoothing usually makes it possible to increase the acceleration, since the driving profile "dips" better below the limit characteristic.
- FIGS. 9 to 12, described below, show examples of optimized driving profiles motor is accelerated from 0 to 3000 rpm and then braked back to 0, both in the positive direction (upper half of the diagrams) and in the negative direction of rotation (lower half of the diagrams) of the motor.
- the solid curves F and F' show the engine limits, ie the maximum torque as a function of the speed.
- the curves H and I or H' and I' show the result of the optimization, in which the speed-torque characteristics I and I' just touch the limit characteristics F and F', ie the physical possibilities of the motor be fully utilized and the maximum torque of the engine is called up in each operating state, which corresponds to maximum acceleration at this engine speed.
- FIG. 9 illustrates the case without a load and without a filter.
- the speed-torque characteristic curves I and I' are each directly adjacent to the limit characteristic curves F and F' at one point, the maximum possible engine torque as a function of the speed. As a result, the engine power is utilized to the maximum.
- An optimized acceleration a max,opt 5.14 m/s2 could be achieved for the exemplary embodiment.
- FIG. 11 shows an exemplary embodiment, again largely analogous to FIG. 9, with the difference that a load of 500 kg was selected.
- the optimized maximum acceleration is significantly higher than in the initial state, even with a load.
- an averaging device as a filter Figures 10 and 12
- the maximum acceleration for this driving profile increases again noticeably.
- the invention is characterized by: - A GUI (Graphical User Interface) guided procedure for drive axles of production machines of any kind (e.g. machine tools, production or handling machines); - "Smart" identification of the axis properties for optimum utilization of the limit characteristic; - Determination of the parameters for a safe identification drive from known boundary conditions of the drive axles; - Identification run of the drive axles to determine the mechanical model, limit model and, if necessary, loss model of the drive axles, plus: - Metrological determination of friction and inertia of the axle, torque limit of the motor including saturation and current limit of the converter; - an identification run with noisy signals and few sampling points is sufficient, since the algorithm and the optimization still guarantee a parametric mechanical model of high quality; - Consideration of mechanical limits (torque limit of the gear); - Considering the weight balance on vertical axes; - Based on the identified models: Determination of the dynamic parameters (maximum acceleration a max , (maximum) jerk j max , filter
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Parametrieren eines Modells einer Fertigungsmaschine eines Fertigungsmaschinensystems, wobei die Fertigungsmaschine wenigstens eine Achse (X, Y, Z, A, B, C) mit einem lagegeregelten Antrieb aufweist, durch den wenigstens ein erstes Maschinenelement relativ zu einem zweiten Maschinenelement verstellbar ist, wobei einer von dem Fertigungsmaschinensystem umfassten Steuereinrichtung als Randbedingungen für eine Identifikationsfahrt ein maximaler Verfahrbereich sowie eine maximale Verfahrgeschwindigkeit für die Achse (X, Y, Z, A, B, C) und eine maximale, dem Antrieb der Achse (X, Y, Z, A, B, C) zuführbare elektrische Leistung hinterlegt sind. Dabei werden mittels der Steuereinrichtung folgende Schritte ausgeführt: - Bestimmen oder Empfangen einer maximalen Beschleunigung und/oder eines maximalen Rucks für die Identifikationsfahrt, - Bestimmen eines Fahrprofils für die Identifikationsfahrt unter Einhaltung der Randbedingungen sowie der maximalen Beschleunigung und des maximalen Rucks für die Identifikationsfahrt, - Durchführen der Identifikationsfahrt gemäß dem ermittelten Fahrprofil, - Ermitteln des dem Antrieb während der Identifikationsfahrt zugeführten Stroms (I), - Ermitteln einer Strom- und/oder einer Drehmomentgrenze des Antriebs in Abhängigkeit einer Drehzahl des Antriebs, - Ermitteln wenigstens einer Kinematik-Istgröße während der Identifikationsfahrt, - Ermitteln wenigstens eines Modell-Parameters wenigstens eines Modells der Achse in Abhängigkeit des ermittelten Stroms (I) sowie der Kinematik-Istgröße, - Ermitteln wenigstens einer in Bezug auf eine minimale Fahrzeit oder eine maximale Beschleunigung oder eine minimale Verlustenergie optimierten Trajektorie der Achse (X, Y, Z, A, B, C) auf Basis des Modells und der ermittelten Strom- und/oder Drehmomentgrenze.
Description
Beschreibung Identifikation von Modell-Parametern für eine Fertigungsma- schine sowie deren Anwendung zum Ermitteln optimierter Trajektorien Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Ferti- gungsmaschine eines Fertigungsmaschinensystems, wobei die Fertigungsmaschine wenigstens eine Achse mit einem lagegere- gelten Antrieb aufweist, durch den wenigstens ein erstes Ma- schinenelement relativ zu einem zweiten Maschinenelement ver- stellbar ist, wobei einer von dem Fertigungsmaschinensystem umfassten Steuereinrichtung als Randbedingungen für mindes- tens eine Identifikationsfahrt wenigstens ein maximaler Ver- fahrbereich sowie eine maximale Verfahrgeschwindigkeit für die Achse und eine maximale, dem Antrieb der Achse zuführbare elektrische Leistung hinterlegt sind. Die konventionelle Auslegung von Maschinenachsen erfolgt ge- wöhnlich in der Planungs- bzw. Auslegungsphase mittels ent- sprechenden Software-Tools, also noch bevor die Maschine ge- baut wird. Viele Parameter der Maschinenachsen bzw. deren la- gegeregelter Antriebe, wie z.B. Reibung, sind im Vorfeld nicht bekannt und können höchstens mit einem großen Sicher- heitsfaktor abgeschätzt werden. Das hat zur Folge, dass nach der Inbetriebnahme beim Verfahren der Maschinenachsen nicht die optimal mögliche Verfahrbewegung, z.B. in minimaler Zeit oder an der möglichen Drehmomentgrenze, erreicht wird. Ist die Maschine aufgestellt und in Betrieb genommen, so wer- den heute die Parameter der Antriebsachsen in einem iterati- ven Prozess manuell eingestellt. Diese Vorgehensweise ist zeit- und kostenintensiv. Ein erfahrener Inbetriebnehmer ge- langt dabei meistens in den Bereich des Optimums, jedoch ist dieses Verfahren sehr subjektiv und die Einstellungen können sich auch von Inbetriebnehmer zu Inbetriebnehmer unterschei- den.
Aus der Druckschrift EP 3176 657 A1 ist eine Werkzeug- oder Produktionsmaschine, bei der die Steifigkeit eines Antriebs- stranges zur linearen Bewegung einer Maschinenkomponente ent- lang einer Linearführung der Maschine ermittelt wird. Dabei umfasst der Antriebsstrang einen Motor mit einem Motormess- system und der Linearführung ist ein Längenmesssystem zur Be- stimmung der Position der Maschinenkomponente zugeordnet, wo- bei die Maschine ferner eine numerische Steuerung zur Rege- lung der Bewegung der Maschinenkomponente umfasst. Die Stei- figkeit des Antriebsstranges wird dadurch bestimmt, dass der Maschinenkomponente eine konstante Beschleunigung mittels der numerischen Steuerung vorgegeben wird, eine Differenz zwi- schen einer aus dem Motormesssystem abgeleiteten Position der Maschinenkomponente und einer zeitgleich durch das Längen- messsystem gemessenen Position der Maschinenkomponente wäh- rend der Beschleunigungsphase mittels der numerischen Steue- rung bestimmt wird und die Differenz zu der Beschleunigung oder einer für die Beschleunigung erforderlichen Kraft zuge- ordnet wird und das so ermittelten Wertepaar und/oder ein aus dem Wertepaar hervorgehender Steifigkeitswert in der numeri- schen Steuerung gespeichert wird. Die Druckschrift JIN JINGFU ET AL: "Parameter identification for industrial robots with a fast and robust trajectory de- sign approach", 1. Februar 2015, offenbart eine dynamische Parameteridentifikation zur Modellierung eines Industrierobo- ters mit den Schritten Modellierung der Systemdynamik, ge- meinsame Positions-/Drehmomentdatenerfassung und -filterung, Versuchsplanung, Schätzung der dynamischen Parameter und Va- lidierung. Insbesondere wird ein rechnerisch effizientes und intuitives Optimierungskriterium vorgeschlagen, um die Er- regungstrajektorie für den Roboter zu entwerfen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Inbetriebnahme einer Ferti- gungsmaschine, die wenigstens eine Achse mit einem lagegere- gelten Antrieb aufweist, zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Pa- tentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten, also ein Ver- fahren zum Betrieb einer Fertigungsmaschine eines Fertigungs- maschinensystems, wobei die Fertigungsmaschine wenigstens ei- ne Achse mit einem lagegeregelten Antrieb aufweist, durch den wenigstens ein erstes Maschinenelement relativ zu einem zwei- ten Maschinenelement verstellbar ist, wobei einer von dem Fertigungsmaschinensystem umfassten Steuereinrichtung als Randbedingungen für mindestens eine Identifikationsfahrt we- nigstens ein maximaler Verfahrbereich sowie eine maximale Verfahrgeschwindigkeit für die Achse und eine maximale, dem Antrieb der Achse zuführbare elektrische Leistung hinterlegt sind, wobei mittels der Steuereinrichtung folgende Schritte ausge- führt werden: - Bestimmen oder Empfangen einer maximalen Beschleunigung und/oder eines maximalen Rucks für die Identifikations- fahrt, - Bestimmen eines Fahrprofils für die Identifikationsfahrt unter Einhaltung der Randbedingungen sowie der maximalen Beschleunigung und des maximalen Rucks für die Identifika- tionsfahrt, - Durchführen der Identifikationsfahrt gemäß dem ermittelten Fahrprofil, - Ermitteln des dem Antrieb während der Identifikationsfahrt zugeführten Stroms, - Ermitteln einer Strom- und/oder einer Drehmomentgrenze des Antriebs in Abhängigkeit einer Drehzahl des Antriebs, - Ermitteln wenigstens einer Kinematik-Istgröße während der Identifikationsfahrt, - Ermitteln wenigstens eines Modell-Parameters wenigstens eines Modells der Achse in Abhängigkeit des ermittelten Stroms sowie der Kinematik-Istgröße, - Ermitteln wenigstens einer in Bezug auf eine minimale Fahrzeit oder eine maximale Beschleunigung oder eine mini- male Verlustenergie optimierten Trajektorie der Achse auf Basis des Modells und der Strom- und/oder Drehmomentgren- ze.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Fertigungsmaschinen- system mit einer Fertigungsmaschine und einer damit verbunde- nen Steuereinrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver- fahrens. Dabei umfasst die Steuereinrichtung insbesondere ei- ne geeignete Software, sodass in Folge eines Aufrufs dieser Software die genannten Schritte mittels der Steuereinrichtung ausgeführt werden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Fertigungsmaschine für ein derartiges Fertigungsmaschinensystem. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuereinrichtung für ein derartiges Fertigungsmaschinensystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen digitalen Zwil- ling einer Fertigungsmaschine eines derartigen Fertigungsma- schinensystems. Unter einer Fertigungsmaschine versteht der Fachmann eine zum Zweck einer automatisierten Fertigung eingesetzte Maschine. Darunter fallen insbesondere Produktionsmaschinen, Werkzeug- maschinen oder Roboter. Eine im Zusammenhang mit der Erfin- dung verwendete Fertigungsmaschine umfasst zumindest eine la- gegeregelte Achse, so dass mittels eines der Achse zugeordne- ten, legegeregelten Antriebs wenigstens ein erstes, direkt mit dem Antrieb verbundenes Maschinenelement relativ zu einem zweiten (weiteren) Maschinenelement der Fertigungsmaschine verstellbar ist. Vorzugsweise umfasst eine Fertigungsmaschine eines erfin- dungsgemäßen Fertigungsmaschinensystems, z.B. eine Werkzeug- maschine oder ein Roboter, mehr als eine, insbesondere we- nigstens fünf legegeregelte Achsen, mittels der ein Endeffek- tor, z.B. ein Werkzeug, im Raum positioniert und orientiert werden kann.
Das Fertigungsmaschinensystem umfasst neben der Fertigungsma- schine eine damit verbundene Steuereinrichtung, die für die Lageregelung der Achse gemäß einem Programm (Steuerprogramm) sorgt. Werkzeugmaschinen oder Roboter werden heutzutage beispiels- weise mit Hilfe einer Steuereinrichtung in Form einer CNC- Steuerung gesteuert. Dabei „steuert“ die Steuereinrichtung anhand eines Teileprogramms die Bewegungen von Maschinenele- menten und damit die Bewegungen eines Werkzeuges, welches beispielsweise über eine Werkzeughaltevorrichtung in die Ma- schine eingebracht wird, relativ zu einem Werkstück, welches ebenfalls in die Maschine eingebracht wird. Dabei ist dem Fachmann klar, dass es sich bei dem Begriff „steuern“ um den üblichen Sprachgebrauch und nicht um „steuern“ im Sinne der Regelungstechnik handelt. „Steuern“ meint hier vor allem die Lageregelung von Achsen, wohinter sich Regelungsvorgänge im Sinne der Regelungstechnik verbergen. Das Teileprogramm setzt sich dabei zumindest überwiegend aus Steuerbefehlen zusammen, die von der Steuereinrichtung einge- lesen und interpretiert werden. Entsprechend den Steuerbefeh- len steuert die Steuereinrichtung die Bewegungen der Maschi- nenelemente der Werkzeugmaschine und damit die Bewegung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück. Zur Erstellung eines Teileprogramms werden dabei von einem CAM-System (Computer Aided Manufacturing) vorzugsweise in ei- nem standardisierten Datenformat Bewegungsinformationen über durchzuführende Bewegungen des Werkzeugs erzeugt und von ei- nem nachgeschalteten Postprozessor eingelesen. Der Postpro- zessor erzeugt anhand der vom CAM-System erzeugten Bewegungs- informationen, den Kinematik- und Maschinendaten der Werk- zeugmaschine sowie dem Befehlssatz der CNC-Steuerung und dem Befehlssatz der PLC-Steuerung, ein für die jeweilige konkrete Werkzeugmaschine auf denen der Bearbeitungsvorgang stattfin- den soll angepasstes Teileprogramm in Form von auf die kon- krete Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine angepassten
Steuerbefehlen. Solchermaßen werden vom Postprozessor die vom CAM-System vorzugsweise in einem standardisierten Datenformat erzeugten Bewegungsinformationen in Steuerbefehle, die von der Steuereinrichtung eingelesen werden können und auf die jeweilige Steuereinrichtung angepasst sind, umgesetzt. Der Postprozessor berücksichtigt dabei neben dem konkret ver- fügbaren CNC-Befehlssatz die konkreten maschinenspezifischen Gegebenheiten der Werkzeugmaschine, wie z.B. Kinematik, geo- metrische Größenverhältnisse, maximale Verfahrbereiche der Antriebsachsen und Maximalgeschwindigkeiten der Maschinenele- mente. Diese Daten liegen in Form von Maschinendaten vor. Weiterhin werden vom Postprozessor bei der Erzeugung der Steuerbefehle maschinenspezifische PLC-Funktionalitäten (Pro- grammable Logic Control), wie z.B. Schmierung, Werkzeugwech- sel, Türverriegelung etc. berücksichtigt, wobei die konkret verfügbaren PLC-Funktionalitäten in Form von PLC- Befehlssätzen dem Postprozessor zur Verfügung stehen. Damit die mit der Fertigungsmaschine verbundene Steuerein- richtung die von der Fertigungsmaschine auszuführenden Bewe- gungen sehr genau planen und steuern kann, muss in der Steu- ereinrichtung ein exaktes Modell der Fertigungsmaschine, wel- ches die mechanischen und dynamischen Eigenschaften der Ma- schine sehr genau abbildet, in der Steuereinrichtung hinter- legt sein. In dieser Anmeldung wird eine Methodik beschrieben, wie an einer existierenden Maschine mit einem Identifikationsvorgang die notwendigen mechanischen und elektrischen Parameter der Antriebsachse messtechnisch ermittelt werden, wobei zunächst unter Einhaltung vorbestimmter Randbedingungen der An- triebsachsen die Dynamik-Parameter für eine sichere Identifi- kationsfahrt der jeweiligen Achse ermittelt werden. Im Unterschied zu der oben beschriebenen Vorgehensweise, bei der die von der Maschine im Betrieb auszuführenden Bewegungen in der Regel durch ein externes CAM-System bestimmt werden,
werden hier die Trajektorien für die Identifikationsfahrten der einzelnen Achsen direkt an der Steuereinrichtung der Ma- schine bestimmt. Dies geschieht vorzugsweise mittels einer auf der Steuereinrichtung installierten Software, die den Be- diener über eine grafische Bedieneroberfläche der Steuerein- richtung Schritt für Schritt durch die Inbetriebnahme führt. Zur Inbetriebnahme der Fertigungsmaschine wird demnach zu- nächst eine Identifikationsfahrt durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Achse (bzw. die Achsen) der Maschine unter Einhal- tung von vorgegebenen oder vorgebbaren Randbedingungen ver- fahren wird und dabei Messwerte erzeugt und ausgewertet wer- den, woraus sich die Modell-Parameter ergeben, die die Steue- rung benötigt, um optimierte Trajektorien für den laufenden Betrieb der Maschine, also nach der Inbetriebnahme, bestimmen zu können. Gewöhnlich umfasst eine Fertigungsmaschine mehrere lagegere- gelte Achsen, nachfolgend auch als Antriebsachsen bezeichnet, mittels derer ein Endeffektor der Maschine in einem Arbeits- raum der Maschine positionierbar ist. Ziel der Erfindung ist es, die benötigten Modell-Parameter für alle Antriebsachsen der Maschine zu ermitteln. Dabei können in einem Identifika- tionsvorgang wenigstens eine Identifikationsfahrt für jede einzelne Achse ermittelt und durchgeführt werden. Die Achsen werden demnach einzeln nacheinander verfahren. Es ist jedoch auch möglich, in einem Identifikationsvorgang mehrere, insbe- sondere alle Antriebsachsen der Maschine gleichzeitig zu ver- fahren, so dass Identifikationsfahrten einzelner Achsen zeit- gleich ausgeführt werden. Aus bekannten Randbedingungen der jeweiligen Achse, insbeson- dere aller Antriebsachsen, werden zunächst Parameter für ei- nen sicheren Identifikationsvorgang, das heißt sichere Iden- tifikationsfahrten ermittelt. Diese Randbedingungen umfassen wenigstens die Positionen der Endschalter der Achsen, die den maximalen Verfahrbereich der jeweiligen Achse definieren. Weiterhin ist aus den Antriebsdaten der betreffenden Achse,
wie beispielsweise einer maximalen Motordrehzahl in Verbin- dung mit einer bestimmten Übersetzung, die maximale (Verfahr- ) Geschwindigkeit der betreffenden Achse gegeben. Für eine sichere Identifikationsfahrt bedarf es weiterhin zu- mindest einer groben Kenntnis der Trägheit der Achse sowie von Umrichter-Parametern. Die Umrichter-Parameter können den Maximalstrom des Umrichters, den Maximalstrom des Motors oder das maximal zulässige Drehmoment des Motors umfassen. Letzte- res kann beispielsweise vom Maschinenhersteller definiert werden, z.B. aus einem maximal zulässigen Drehmoment eines Getriebes im Antriebsstrang. Diese Daten liegen in der Regel im Umrichter vor und können aus diesem über vorhandene Schnittstellen ausgelesen und auf die Steuereinrichtung über- tragen werden. Für die Trägheit der Achse, insbesondere das dem Antrieb der Achse entgegengebrachte Trägheitsmoment, reicht eine verhältnismäßig grobe Abschätzung. Diese kann beispielsweise aus den bekannten, mittels der Achse bewegten Massen gewonnen werden. Liegen derartige Daten in der Steuer- einrichtung vor, so kann diese selbst Werte für eine maxima- len Beschleunigung und/oder einen maximalen Ruck für die Identifikationsfahrt bestimmen. Ferner ist es möglich, dass die Steuereinrichtung die Trägheit für jede Achse mittels ei- ner kurzen „Testfahrt“ bestimmt, in der die Achse für einen kurzen Zeitraum und für eine kurze Fahrstrecke testweise be- schleunigt wird. Für diese Testfahrt kann beispielsweise eine verhältnismäßig niedrige, von der Achse sicher ausführbare Beschleunigung in der Steuereinrichtung hinterlegt sein, z.B. atest = 1,0 m/s2. Weiterhin ist es möglich, dass der Bediener an der Maschine aufgrund seiner Fachkenntnis eine Erstschät- zung der Trägheit der Achse oder gleich eine Erstschätzung für geeignete Werte für die maximale Beschleunigung bzw. den maximalen Ruck für die Identifikationsfahrt vornimmt und die entsprechenden Werte direkt manuell in die Steuereinrichtung eingibt, wodurch diese die entsprechenden Werte empfängt. Wird der Steuereinrichtung eine Erstschätzung der Trägheit vorgegeben, so kann diese daraus selbsttätig in Verbindung mit den Antriebsdaten geeignete Werte für eine maximalen Be-
schleunigung und/oder einen maximalen Ruck für die Identifi- kationsfahrt bestimmen. Unabhängig davon, auf welchem der aufgezeigten Wege geeignete Werte für eine maximalen Beschleunigung und/oder einen maxi- malen Ruck für die Identifikationsfahrt bestimmt bzw. der Steuereinrichtung zugeführt wurden, sollten diese Werte mit einem hohen „Sicherheitsfaktor“ versehen sein, z.B. 50% der voraussichtlichen Werte dieser Parameter für den realen Be- trieb der Maschine nicht übersteigen. Der Sicherheitsabstand ist erforderlich, weil die Reibung nicht bekannt ist und wei- terhin die die bei hoher Drehzahl des Motors wirksam werdende Feldschwächung das verfügbare Drehmoment reduziert. Die redu- zierende Wirkung der Feldschwächung über der Drehzahl des Mo- tors kann ebenso wie die Reibung nicht ohne Messung hinrei- chend genau vorgegeben werden, beeinflusst aber offensicht- lich das Beschleunigungsvermögen. Die Parameter maximaler Verfahrweg, maximale Geschwindigkeit, maximale Beschleunigung und maximaler Ruck für die Identifi- kationsfahrt werden für jede Antriebsachse so bestimmt, dass damit eine sichere Identifikationsfahrt gewährleistet wird. Da die maximale Beschleunigung (maximal mögliche Beschleuni- gung der Achse) noch nicht bekannt ist, wird ein sicherer aber ausreichend hoher Initialwert, das heißt die maximale Beschleunigung für die Identifikationsfahrt, aus den bekann- ten Motordaten ermittelt, insbesondere geschätzt, und be- nutzt. Ebenso wird für die Identifikationsfahrt ein maximaler Ruck vorgegeben, insbesondere aus den Motordaten ermittelt oder geschätzt, der von dem Antrieb der Achse mit hoher (an Sicherheit grenzender) Wahrscheinlichkeit erreicht werden kann. Vorteilhaft werden die genannten Initialwerte aus den vorliegenden Motor- und Umrichterdaten automatisch durch die genannte Software bestimmt. Unter Einhaltung der Randbedingungen sowie der maximalen Be- schleunigung und des maximalen Rucks für die Identifikations- fahrt wird sodann ein Fahrprofil für die Identifikationsfahrt
bestimmt. Vorzugsweise erfolgt auch dieser Schritt automa- tisch mittels der genannten Software. Die Identifikation läuft dann anhand der ermittelten Parame- ter automatisch ab und erfolgt typischerweise in zwei Identi- fikationsfahrten (Messfahrten) mit unterschiedlichen Fahrpro- filen für jede Antriebsachse, einmal mit mittlerer Geschwin- digkeit und/oder mittlerer Beschleunigung sowie einmal mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Beschleunigung, um alle möglichen Arbeitsbereiche der Maschinenachsen abzudecken und gute Modelle zu erhalten. Die Identifikation dauert nur weni- ge Minuten und liefert ein sehr gutes Abbild der realen Ma- schinenachsen. Vorzugsweise ist das Fahrprofil für jede Achse so bestimmt, dass die Achse einmal in einer ersten Achsrich- tung, z.B. der positiven Achsrichtung, mit der mittlerer Ge- schwindigkeit und mittlerer Beschleunigung verfahren wird und anschließend in der entgegengesetzten Achsrichtung, z.B. der negativen Achsrichtung, mit der hohen Geschwindigkeit und ho- hen Beschleunigung verfahren wird. Vorzugsweise wird die Ach- se dabei zumindest über einen wesentlichen Bereich ihres ma- ximalen Verfahrweges verfahren. Während der Identifikationsfahrt wird wenigstens zu einem be- stimmten Zeitpunkt wenigstens ein Stromwert gemessen und auf- gezeichnet. In der Regel werden während der Identifikations- fahrt jedoch mehrere, insbesondere eine Vielzahl an Stromwer- ten, insbesondere in Abhängigkeit der Zeit, gemessen und auf- gezeichnet. Neben dem Strom werden für die Ermittlung zumindest einiger der Modell-Parameter noch wenigstens eine Kinematik-Istgröße benötigt. Darunter sind die Position oder die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung oder der Ruck der Achse während der Identifikationsfahrt zu verstehen. Diese Größen können auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Einerseits können diese Größen aus dem vorgegebenen Fahrpro- fil der Identifikationsfahrt direkt aus den Vorgaben der
Steuerung, z.B. den Lagesollwerten der Achse, entnommen und als gegeben betrachtet werden. Sicherer ist es jedoch, zumindest die Position der Achse in Abhängigkeit der Zeit während der Identifikationsfahrt eben- falls messtechnisch zu ermitteln. Vorteilhaft erfolgen auch hierbei eine Vielzahl an Messungen, vorzugsweise zumindest näherungsweise zu denselben Zeitpunkten, zu denen auch der Strom gemessen wird. Bei der Bestimmung der Größen Position, Geschwindigkeit, Be- schleunigung oder Ruck ist es ausreichend, lediglich den Ver- lauf der Position in Abhängigkeit der Zeit zu kennen. Die Größen Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Ruck können dar- aus mittels der ersten bzw. zweiten Ableitung auf mathemati- schem Weg errechnet werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zumindest eine der Größen Geschwindigkeit, Beschleu- nigung oder Ruck durch entsprechende Sensoren messtechnisch zu erfassen. Während der Identifikationsfahrt wird vorteilhaft die Strom- aufnahme des Antriebs der Achse in bestimmten zeitlichen Ab- ständen, beispielsweise alle 2 ms, bestimmt. Ferner wird für den Zeitpunkt der jeweiligen Messung die Motordrehzahl be- stimmt. Die Motordrehzahl zum jeweiligen Zeitpunkt kann ent- weder aus dem Umrichter ausgelesen oder aus den ermittelten Positionswerten berechnet werden. Besonders interessant im Zusammenhang mit der Erfindung sind die Stromwerte, insbesondere der Drehmoment bildende Strom, bzw. das Drehmoment in Abhängigkeit der Motordrehzahl. Insbe- sondere wird eine Drehmoment- bzw. Stromkennlinie in Abhän- gigkeit der Motordrehzahl bestimmt. Bei den verwendeten Moto- ren ist der Zusammenhang zwischen Strom und Drehmoment in der Regel genau bekannt. Die Werte können daher in einfacher Wei- se ineinander überführt werden. Insbesondere besteht in dem für die Identifikationsfahrt relevanten Betriebsbereich des
Motors ein wenigstens im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Strom und dem Drehmoment. Aus den unterschiedlichen Phasen der Identifikationsfahrt können unterschiedliche Modell-Parameter hergeleitet werden. Beispielsweise gibt eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit Aufschluss über die bei der betreffenden Achse vorhandene Reibung. Weiterhin gibt eine Fahrt mit konstanter Beschleuni- gung Aufschluss über die bei der betreffenden Achse vorhande- ne Gesamtträgheit. Dabei wird unter der Gesamtträgheit der Achse die Summe der (aller) Massen und Trägheitsmomente, die dem Antrieb der Achse bei einer Beschleunigung der Achse ent- gegenwirkt, verstanden. Es ist bekannt, dass es eine Vielzahl an Möglichkeiten gibt, eine Maschine bzw. das Verhalten einer Maschine, insbesondere wenigstens einer Achse der Maschine, durch ein Modell zu be- schreiben. Bezüglich der Methoden der Modellbildung wird auf die umfang- reiche Fachliteratur zu diesem Thema verwiesen. Eine gängige Methode sieht dabei vor, bekannte Zusammenhänge zwischen phy- sikalischen Größen bei einer Vorrichtung, die durch Messungen bestimmt werden können, durch mathematische Terme zu be- schreiben. Ziel der Modellbildung bei dieser Vorgehensweise ist es, die Parameter des Terms derart zu bestimmen, dass der Term die Messungen an der konkreten Vorrichtung möglichst gut widerspiegelt, das heißt z.B., dass die Abweichungen zwischen Messung und Term bei einer Vielzahl an der konkreten Vorrich- tung durchgeführten Messungen im Mittel minimiert werden. Eine in der Praxis häufig verwendete Möglichkeit der Modell- bildung im Zusammenhang mit Antrieben sieht vor, das dem An- trieb einer Achse entgegengebrachte Drehmoment MPhys durch folgende Gleichung zu beschreiben:
Dabei sind: J die Gesamtträgheit, Mc die Coulombsche Reibung, Mv die Viskose Reibung, Mℎ das Haltemoment, z.B. einer hän- genden Achse, aMot die Motor-Beschleunigung und nMot die Motor- Drehzahl. Der durch obige Beziehung der physikalischen Größen gegebene Zusammenhang kann – sofern Werte für die darin enthaltenen Parameter vorliegen - als Mechanik-Modell der Achse bezeich- net werden. Ähnliche Terme können für die Verluste des Antriebs oder die Strom- bzw. Drehmoment-Grenze des Antriebs in Abhängigkeit der Drehzahl angegeben werden, woraus sich – für den konkre- ten Antrieb - ein Verlustmodell oder ein Grenzmodell ableiten lassen. Zu den Modell-Parametern des Mechanik-Modells, die aus den Identifikationsfahrten mittels der genannten Messungen für die einzelnen Achsen ermittelt werden, gehören: die bei dem Antrieb vorhandene Reibung (viskose / trockene Reibung), das Sättigungsverhalten des Motors (ergibt sich aus dem Zusammen- hang zwischen Drehmoment bildendem Strom und dem physikali- schen Drehmoment), Kräfte durch Gewichtskraft oder durch Ge- wichtsausgleich (beispielsweise bei hängender Achse), die tatsächliche Trägheit der Achse (ggf. Korrektur der vorher angenommenen Trägheit) oder das Feldschwächungsverhalten des Motors. Anhand des Modells bzw. der Modell-Parameter können anschlie- ßend die maximale Beschleunigung amax oder der maximale Ruck jmax – ggf. in Abhängigkeit einer Last oder Beladung der Achse – für den betreffenden Antrieb der Achse und für einen konk- ret vorgegebenen Verfahrweg der Achse derart bestimmt werden, dass damit die physikalischen Möglichkeiten des Motors bzw. des Antriebs voll ausgeschöpft werden. Insbesondere ist dabei amax bzw. jmax abhängig von der während des Verfahrens der Ach- se über den Verfahrweg erreichbaren Höchstdrehzahl des Mo- tors.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Fahrprofil zumindest in einem Abschnitt der Identifikationsfahrt so be- stimmt, dass die Achse 60%, vorzugsweise 50% der maximalen Verfahrgeschwindigkeit und/oder 60%, vorzugsweise 50% der ma- ximalen Beschleunigung für die Identifikationsfahrt nicht überschreitet. Dadurch wird die oben beschriebene Fahrt mit mittlerer Geschwindigkeit und/oder mittlerer Beschleunigung realisiert. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Fahrprofil zumindest in einem Abschnitt der Identifikationsfahrt so be- stimmt, dass die Achse 70%, vorzugsweise 80% der maximalen Verfahrgeschwindigkeit und/oder 70%, vorzugsweise 80% der ma- ximalen Beschleunigung für die Identifikationsfahrt nicht un- terschreitet. Durch wird die oben beschriebene Fahrt mit ho- her Geschwindigkeit und/oder hoher Beschleunigung realisiert. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass neben den Randbedingungen maximaler Verfahrweg, maximale Geschwindig- keit, maximale Beschleunigung und maximaler Ruck für die Identifikationsfahrt als weitere Randbedingung ein maximales Trägheitsmoment der Achse für die Identifikationsfahrt in der Steuerung hinterlegt ist. Dies erweitert die Möglichkeiten bei der Bestimmung des Fahrprofils für die Identifikations- fahrt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das maximale Trägheitsmoment für die Identifikationsfahrt in Abhängigkeit von der Achsposition in der Steuereinrichtung hinterlegt. Das maximale Trägheitsmoment für die Identifikationsfahrt dient insbesondere dazu, in Verbindung mit den bekannten Antriebs- daten (maximaler Strom, maximales Drehmoment, Übersetzung etc.) die Dynamik-Parameter maximale Beschleunigung und/oder maximaler Ruck für die Identifikationsfahrt derart zu bestim- men, dass die Identifikationsfahrt sicher durchgeführt werden kann und insbesondere der Antrieb dabei nicht an seine Gren- zen stößt.
Ziel der Identifikationsfahrt ist es, Modell-Parameter bzw. ein Modell der Fertigungsmaschine und insbesondere Modelle der Maschinenachsen zu bestimmen, auf die bei der Bestimmung von Trajektorien für den normalen Betrieb der Maschine zu- rückgegriffen werden kann. Zu diesen Modell-Parametern gehö- ren die Reibung oder ein Trägheitsmoment der betreffenden Achse, ggf. auch in Abhängigkeit der jeweiligen Achsposition. Diese Parameter bestimmen das Mechanik-Modell der Achse bzw. der Maschine. Weiterhin wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Strom- grenze in Abhängigkeit der Motordrehzahl für den Antrieb der jeweiligen Achse bestimmt. Diesen Zusammenhang beschreibt das sogenannte Grenzmodell des betreffenden Antriebs. Vorzugswei- se wird das jeweilige Grenzmodell ebenfalls aus der entspre- chenden Identifikationsfahrt ermittelt. Dabei werden zu einem gemessenen Stromwert aus dem Frequenzumrichter des Antriebs auch die zugehörige Motor-Drehzahl sowie der Abstand zum Ma- ximalstrom bei der betreffenden Drehzahl ausgelesen und der Steuereinrichtung zugeführt. Dieser drehzahlabhängige Abstand zum Maximalstrom, die sogenannte „Reserve“, ist eine gewöhn- lich im Frequenzumrichter ohnehin vorhandene Größe, die daher nur aus dem Umrichter ausgelesen und der Steuereinrichtung zugeführt werden muss. Alternativ können aber auch – sofern vorhanden - Datenblätter für die Bestimmung der Drehmoment- bzw. Strom-Grenze des je- weiligen Motors herangezogen werden. Die Grenzkennlinie des Motors (das Grenzmodell) kann so auch aus den Motordaten mit- tels eines Motormodells bestimmt werden oder auch direkt vom Motor-Hersteller geliefert werden. Die Grenzkennlinie wird nicht nur durch den Motor selbst, sondern möglicherweise zusätzlich auch durch den maximalen Strom des Umrichters begrenzt, sowie durch das maximal er- laubte Drehmoment der Mechanik, wie z.B. des Getriebes. Diese Parameter müssen dann ggf. ebenso noch in die Grenzkennlinie einfließen, so dass sich insgesamt geringere maximal zulässi-
ge Motorströme in Abhängigkeit der Drehzahl ergeben können, als dies bei einer alleinigen Betrachtung des Motors der Fall wäre. Außerdem kann ein Abschlagsfaktor (eine „Reserve“) zur Si- cherheit angegeben werden, wenn z.B. die Grenzkennlinie des Motors nur zu 90% ausgenutzt werden soll. Die gegenüber der Grenzkennlinie um die Reserve in negativer Drehmoment- Richtung verschobene Kennlinie kann als Reserve- Grenzkennlinie bezeichnet werden. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein die Verluste einer Achse bzw. des Antriebs der Achse be- treffender Parameter bzw. eine entsprechende Kennlinie in ei- nem Verlustmodell zusammengefasst in der Steuereinrichtung hinterlegt werden. Das Kriterium für das Verlustmodell ist die Minimierung der Verlustleistung, das bedeutet eine mini- male Wärmeentwicklung des Motors. Dazu werden aus den während der Identifikationsfahrten gewonnenen Messdaten die Kupfer- und Eisenverluste des betreffenden Motors berechnet. Die Kup- ferverluste sind Strom- bzw. Drehmoment zum Quadrat abhängig, während die Eisenverluste drehzahlabhängig sind. Die so er- haltenen Kennlinien werden im weiteren Verlauf für energieop- timales Verfahren unter optimaler Ausnutzung der Motorleis- tung herangezogen. Die Ermittlung der Parameter des Verlust- modells beruht insbesondere auf der Messung des Motorstroms während der Identifikationsfahrt in den Bereichen des Fahr- profils mit hohen Geschwindigkeiten bzw. hohen Beschleunigun- gen, die eine hohe Belastung des Motors erzeugen. Dabei wer- den Sättigungseffekte erfasst, denn das Drehmoment ist bei hohen Strömen nicht mehr linear vom Strom abhängig. Typisch bei der Sättigungskennlinie ist: je höher der Strom, desto geringer wird die Zunahme des erzeugten Drehmoments mit zu- nehmendem Strom. Die Erfindung ist nahezu bei jeder Fertigungsmaschine mit we- nigstens einer lagegeregelten Achse anwendbar. Besonders vor- teilhaft ist die Erfindung jedoch bei Fertigungsmaschinen mit
mehreren mit jeweils einem lagegeregelten Antrieb versehenen Achsen, durch die jeweils wenigstens zwei Maschinenelemente relativ zueinander verstellbar sind, wobei mittels der Achsen ein Endeffektor der Fertigungsmaschine in einem Arbeitsraum der Fertigungsmaschine positionierbar ist und wobei in dem jeweiligen Modell die Parameter bzw. Kennlinien aller an der Positionierung des Endeffektors beteiligter Achsen der Ferti- gungsmaschinen hinterlegt sind. Mit jeder zusätzlichen Achse erhöht sich der Aufwand bei der Inbetriebnahme der Maschine. Die Erfindung trägt dazu bei, diesen Aufwand, gerade bei Maschinen mit vielen Achsen, er- heblich zu reduzieren. Mittels der Erfindung können nach der Inbetriebnahme nicht nur Trajektorien für den (regulären, laufenden) Betrieb für die einzelnen Achsen der Maschine auf Basis des bzw. der identifizierten Modelle in optimierter Weise bestimmt werden, sondern auch Trajektorien für den Endeffektor, für dessen Be- wegung im laufenden Betrieb der Maschine in der Regel mehrere Achsen im Verbund (interpolierend) verfahren werden. Auch hierbei werden die Trajektorien in Abhängigkeit wenigstens eines der erfindungsgemäß erzeugten Modelle bestimmt und op- timiert. Vorteilhaft können auch im Zusammenhang mit der Erfindung zur Glättung eines Fahrprofils, sowohl für die Identifikations- fahrt als auch für den (regulären, laufenden) Betrieb Lage- sollwertfilter verwendet werden. Die Erfindung trägt dazu bei, in einfacher Weise Modell- Parameter für die Antriebe einer Fertigungsmaschine zu be- stimmen. Dabei stimmen die Modell-Parameter mit hoher Genau- igkeit mit den Gegebenheiten an der realen Maschine überein. Die Modell-Parameter werden anschließend dazu verwendet, op- timierte Fahrprofile für den regulären (laufenden) Betrieb der Fertigungsmaschine zu bestimmen, so dass diese die von
der Maschine auszuführende Aufgabe optimiert durchführt. Je nach Anforderung können so beispielsweise Zeit- oder Energie- optimierte Fahrprofile realisiert werden. Die Erzeugung der betreffenden Fahrprofile auf Basis eines Modells der Maschine bzw. auf Basis der Modell-Parameter ist dem Fachmann dabei aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Zusammenfassend erhält man als Ergebnis des Identifikations- vorgangs ein Mechanik-Modell, was die Trägheits- und Reibver- hältnisse der Achse beschreibt. Das identifizierte Grenzmo- dell beschreibt die elektrischen Grenzen der Antriebsachse, also Motorgrenzen mit Sättigung inklusive Grenzen des Leis- tungsteils. Das ermittelte Verlustmodell beschreibt im We- sentlichen die drehzahlabhängige Verlustleistung des Motors und bildet die Grundlage bei der weiteren Betrachtung von energieoptimalen Bewegungsvorgängen, um möglichst Ressourcen schonend zu verfahren. Auf Basis der identifizierten Modelle sowie weiterer Ein- gangsgrößen, wie z.B. Verfahrweg und Beladung, werden an- schließend für den normalen Betrieb der Maschine die Dynamik- parameter (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck) beim Positionieren von Maschinenachsen zu verschiedenen Kri- terien, wie z.B. Erreichen einer mit dem Antrieb maximal mög- lichen Beschleunigung, Verfahren der Achse in minimaler Zeit, für eine optimale Motorauslastung automatisch berechnet. Die Bestimmung von optimaler Beschleunigung, optimalem Ruck und ggf. weiterer Parameter kann für jeden belieben Betriebszu- stand im laufenden Betrieb der Maschine erfolgen, obwohl nur ein Identifikationsvorgang erfolgt ist. Die bei der Identifikation ermittelten Modelle können auch für andere Berechnungen, Simulationen und Optimierungen so- wohl an der realen Maschine als auch für den digitalen Zwil- ling herangezogen und benutzt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 ein Werkzeugmaschinensystem mit einer numerisch ge- steuerten Werkzeugmaschine, FIG 2 Verfahrensschritte bei der Durchführung eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens, FIG 3 - 7 Drehmoment-Drehzahl-Diagramme, FIG 8 ein Strom-Drehmoment-Diagramm, FIG 9 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für eine Achse ohne Beladung und ohne Filter, FIG 10 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für eine Achse ohne Beladung, mit Filter, FIG 11 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für eine Achse mit Beladung und ohne Filter, FIG 12 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für eine Achse mit Beladung und mit Filter und FIG 13 Eine Identifikationsfahrt. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsge- mäßes Fertigungsmaschinensystem in Form eines Werkzeugmaschi- nensystems 10 mit einer Fertigungsmaschine in Form einer Werkzeugmaschine 20 und einer damit verbundenen Steuerein- richtung in Form einer numerischen Steuerung bzw. CNC- Steuerung 30. Die Werkzeugmaschine 20 verfügt im Rahmen des Ausführungsbei- spiels über sechs Maschinenachsen, durch die eine Relativbe- wegung zwischen einem Werkzeug 1, das im Rahmen des Ausfüh- rungsbeispiels in Form eines Drehmeißels 1 vorliegt, und ei- nem Werkstück 5, beispielsweise einem Ventilsitz eines Ab- sperrventils, durchgeführt werden kann. Das Werkzeug 1 ist
dabei in einen Werkzeughalter 2 eingespannt, der mit einer Werkzeugspindel 21 verbunden ist, die von einem lagegeregel- ten Motor 22 angetrieben wird. Das Werkstück 5 ist durch Spannmittel 6 an einem Werkstücktisch 7 befestigt. Der Drehmeißel 1 lässt sich mit der im Ausführungsbeispiel gezeigten Werkzeugmaschine 20 mit der Übersichtlichkeit hal- ber in Figur 1 nicht dargestellten Antrieben in X-, Y- und Z- Richtung lagegeregelt translatorisch bewegen. Neben den drei Linearachsen umfasst die gezeigte Werkzeugmaschine 20 ferner die beiden, ebenfalls aus Figur 1 ersichtlichen lagegeregel- ten Rundachsen A und B, mit denen das Werkzeug 1 um die je- weilige Achse gedreht und ebenfalls lagegeregelt durch die Winkellagen α und β relativ zu dem Werkstück 5 ausgerichtet werden kann. Darüber hinaus verfügt die Werkzeugmaschine 20 über eine dritte lagegeregelte Rundachse C, die parallel zur Z-Achse verläuft, und bezüglich der der Werkstücktisch 7 relativ zu einem ruhenden Maschinengestell 23 drehbar gelagert ist. Dadurch kann das Werkstück 5 auch in einer Winkellage γ rela- tiv zu dem Werkzeug 1 positioniert werden. Auch hier wurde der Übersichtlichkeit halber auf eine Darstellung des An- triebs verzichtet. Abhängig von der durchzuführenden Bearbeitung ist bei der ge- zeigten Werkzeugmaschine 20 auch ein drehzahlgeregelter Be- trieb bezüglich der Rundachsen A und/oder C möglich. Die Werkzeugmaschine 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist somit sechs Maschinenachsen (die 3 Linearachsen X, Y und Z sowie die 3 Rundachsen A, B und C) auf, d.h. es handelt sich um eine sogenannte 6-achsige Werkzeugmaschine (6-Achs- Maschine) 20. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Werkzeugmaschine 20 selbstverständlich auch noch mehr, aber auch weniger als sechs Maschinenachsen aufweisen kann.
Die Werkzeugmaschine 20 ist mit der CNC-Steuerung 30 verbun- den, die anhand eines Teileprogramms 33 und/oder einer Hand- bedieneingabe Lagesollwerte x, y, z, α, β und γ zur Steuerung einer zwischen dem Werkzeug 1 und dem Werkstück 5 stattfin- denden Relativbewegung ermittelt. Die CNC-Steuerung 30 ermit- telt die Lagesollwerte anhand des Teileprogramms 33, in dem die vom Werkzeug 1 in Bezug zum Werkstück 5 durchzuführende Bewegung in Form von Befehlen definiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung des Werkzeugs 1 und/oder das Werkstücks 5 auch mittels einer Handbedieneingabe über eine Bedieneinrichtung 31 in Verbindung mit einer Anzeigevorrich- tung 32 der numerischen Steuerung 30 von einem Bediener vor Ort an der Werkzeugmaschine 20 vorgegeben werden. Die Bedien- einrichtung 31 weist hierzu insbesondere Eingabefelder, Tas- ten und Drehregler auf. Das Teileprogramm 33 wird dabei üblicherweise von einem ex- ternen CAM/CAD-System (nicht dargestellt) und einem eventuell dem CAM/CAD-System nachgeschalteten sogenannten Postprozessor (nicht dargestellt) außerhalb der numerischen Steuerung 30 erzeugt und von dort auf die numerische Steuerung 30 übertra- gen. Bei der Abarbeitung des Teileprogramms 33 erzeugt die numeri- sche Steuerung 30 in einem bestimmten Takt, dem Interpolati- onstakt, sowohl Lagesollwerte x, y und z für die Linearachsen als auch α, β und γ (Winkellagen) für die Rundachsen. Durch diese Lagesollwerte wird das Werkzeug 1 mit vorgegebener Ori- entierung relativ zu dem Werkstück 5 entlang einer Bewegungs- bahn bewegt. Ein Ziel der Erfindung ist es, in einfacher Weise Modell- Parameter für in der CNC-Steuerung 30 des Werkzeugmaschinen- systems 10 hinterlegte Modelle der Fertigungsmaschine 20 zu identifizieren. Auf Basis dieser Modelle generiert die CNC- Steuerung 30 optimierte Trajektorien für die Bewegung des
Werkzeuges 1 relativ zu dem Werkstück 5 zur Bearbeitung des Werkstücks 5. Zum Identifizieren der Modell-Parameter verfügt die CNC- Steuerung 30 über ein Identifikations-Programm 34, auf Basis dessen nach dem Programm-Aufruf das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt wird. Figur 2 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte bei der er- findungsgemäßen Bestimmung einer optimierten Trajektorie für ein von der Werkzeugmaschine 20 geführtes Werkzeug 1 zur Be- arbeitung eines Werkstücks 5. Dabei werden zunächst in einem Identifikationsvorgang Modell-Parameter für wenigstens ein in der CNC-Steuerung 30 hinterlegtes Modell der Werkzeugmaschine 20 bestimmt. In einem ersten Verfahrensschritt (nachfolgend auch kurz „Schritt“ genannt) S1 des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bekannte Randbedingungen, das heißt bekannte Werte bestimmter Parameter, ermittelt bzw. in der CNC-Steuerung 30 bereitge- stellt, die für das Verfahren benötigt werden. Dabei kann die Ermittlung automatisch, teil-automatisch oder manuell erfol- gen. Automatisch bedeutet dabei, dass die CNC-Steuerung 30 selbst die betreffenden Parameter ermittelt. Dies gelingt beispielsweise dadurch, dass die CNC-Steuerung 30 nach dem Start eines auf der CNC-Steuerung 30 bereitgestellten Identi- fikations-Programmes 34 selbsttätig Achspositionen von End- schaltern der Achsen der Werkzeugmaschine 20 ausliest. Teil- automatisch kann bedeuten, dass die CNC-Steuerung 30 bei der Ausführung des Identifikations-Programmes zu bestimmten Zeit- punkten anhält und auf Benutzer-Eingaben wartet. Beispiels- weise kann so die maximale Fahrgeschwindigkeit einer bestimm- ten Achse durch einen Benutzer manuell eingegeben werden. Weiterhin ist es auch möglich, dass einige bzw. alle die Randbedingungen betreffenden Parameter vor dem Start des Identifikations-Programmes manuell durch den Benutzer mittels der Bedienoberfläche in die CNC-Steuerung 30 eingegeben wer- den.
Zu den Randbedingungen, die zu Beginn des Identifikationsvor- gangs in der CNC-Steuerung 30 vorliegen, gehören: - die Positionen von Endschaltern der an der Bewegung des Werkzeugs beteiligten Achsen der Werkzeugmaschine 20, - die maximale Fahrgeschwindigkeit der betreffenden Ach- sen, wobei es sich dabei im Fall von Rundachsen auch um Winkelgeschwindigkeiten handeln kann, - eine Einschätzung der Trägheit, insbesondere die von dem jeweiligen Antrieb zu bewegende Masse bzw. das dem je- weiligen Antrieb entgegengebrachte Trägheitsmoment, - bestimmte Umrichter-Parameter für die dem jeweiligen An- trieb zugeordneten Umrichter, insbesondere der dem je- weiligen Antrieb maximal zuführbare Strom. Aus den genannten Randbedingungen generiert die CNC-Steuerung 30 bei der Ausführung des Identifikations-Programmes in einem Verfahrensschritt S2 für jede Maschinenachse einen maximalen Verfahrbereich, eine maximale Beschleunigung sowie ggf. einen maximalen Ruck für eine Identifikationsfahrt. Das heißt, bei diesen Maximalwerten für die Identifikationsfahrt handelt es sich nicht um die entsprechenden Maximalwerte der jeweiligen Parameter für den laufenden Betrieb, die in der Regel deut- lich höher liegen, sondern um „sichere“ Maximalwerte eigens für die Identifikationsfahrt, bei denen die Achse und insbe- sondere der Antrieb der Achse nicht an seine Grenzen stößt und dennoch die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu er- mittelnden Parameter mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können. Liegen die Randbedingungen sowie die weiteren, oben genannten Parameter für den Identifikationsvorgang vor, so ermittelt die CNC-Steuerung 30 in einem Verfahrensschritt S3 automa- tisch Identifikationsfahrten für die einzelnen Achsen. Dies bedeutet, es werden Fahrprofile für die einzelnen Achsen festgelegt, anhand derer die Achsen verfahren werden und bei denen die genannten Randbedingungen eingehalten werden. Wei-
terhin werden die Fahrprofile automatisch durch die CNC- Steuerung so bestimmt, dass zumindest in einem Abschnitt des Fahrprofils eine Fahrt und konstanter Geschwindigkeit und zu- mindest in einem Abschnitt eine beschleunigte Fahrt mit einer relativ hohen Beschleunigung, bei der insbesondere die maxi- male Beschleunigung für die Identifikationsfahrt zumindest näherungsweise erreicht wird, von dem Fahrprofil umfasst sind. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S4 werden die Achsen gemäß den im Schritt 3 ermittelten Fahrprofilen verfahren und - während die Achsen verfahren werden - Messungen vorgenommen und Messwerte erzeugt, wobei aus den Messwerten nachfolgend in einem Verfahrensschritt S5 die gewünschten Modell- Parameter der Achsen auf Basis bekannter physikalischer Zu- sammenhänge bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Achsen gemäß den in Schritt 3 ermittelten Fahrprofilen einzeln nacheinander verfahren, vorzugsweise einmal mit mitt- lerer Geschwindigkeit und/oder mittlerer Beschleunigung sowie einmal mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Beschleuni- gung, um alle möglichen Arbeitsbereiche der Maschinenachsen abzudecken und gute Modelle zu erhalten. Die Identifikation dauert nur wenige Minuten und liefert ein sehr gutes Abbild der realen Maschinenachsen. Vorzugsweise ist das Fahrprofil für jede Achse so bestimmt, dass die Achse einmal in einer ersten Achsrichtung, z.B. der positiven Achs- richtung, mit der mittlerer Geschwindigkeit und mittlerer Be- schleunigung verfahren wird und anschließend in der entgegen- gesetzten, das heißt der negativen Achsrichtung mit der hohen Geschwindigkeit und hohen Beschleunigung verfahren wird. Vor- zugsweise wird die Achse dabei zumindest über einen wesentli- chen Bereich ihres maximalen Verfahrweges, insbesondere den maximalen Verfahrweg verfahren.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Fahrprofile in Schritt 3 derart bestimmt werden, dass während des Identifikationsvor- gangs mehrere, insbesondere alle Maschinenachsen gleichzeitig verfahren werden. Es werden somit nicht Fahrprofile für die einzelnen Achsen für den Identifikationsvorgang generiert, sondern beispielswiese ein Fahrprofil für das Werkzeug 1 der Werkzeugmaschine 20, derart, dass an der entsprechenden Bewe- gung des Werkzeugs 1 alle Achsen der Werkzeugmaschine 20 be- teiligt sind. Dadurch kann der Zeitaufwand für die Identifi- kationsfahrt wesentlich verkürzt werden. Im Gegenzug erhöht sich der Aufwand bei der Ermittlung eines Fahrprofils, das allen Achsen gemäß den geforderten Vorgaben gerecht wird. Ziel der Messung in Schritt 4 ist es, einen Zusammenhang zwi- schen der Motordrehzahl des Antriebs und dem erzeugten Dreh- moment zu bestimmen. Für eine sehr einfache Achse mit über den Verfahrbereich konstanten Reib- und Massenverhältnissen kann hier die Messung des Motorstromes in einigen wenigen Zeitpunkten während der Identifikationsfahrt ausreichend sein. In der Regel wird jedoch eine Vielzahl an Stromwerten über die gesamte Identifikationsfahrt verteilt gemessen, ins- besondere in bestimmten Zeitintervallen, z.B. alle 2 ms, so dass letztendlich eine Kennlinie des Stromes bzw. des Drehmo- ments über der Drehzahl bestimmt wird. Weiterhin wird zumindest bei einigen der gemessenen Stromwer- te in Schritt 4 auch eine Stromgrenze ermittelt. Die Strom- grenze gibt den Maximalstrom des Antriebs bei der betreffen- den Motordrehzahl an. Die Stromgrenze kann z.B. dadurch er- mittelt werden, dass zu dem gemessenen Strom die „Strom- Reserve“ aus dem Umrichter des Antriebs ausgelesen wird. Aus dem gemessenen Strom in Verbindung mit der Strom-Reserve ergibt sich so – in der Regel durch einfache Addition – die Stromgrenze. Da die Stromgrenze drehzahlabhängig ist, wird ihr Wert in Abhängigkeit der Motordrehzahl in der Steuerung gespeichert.
Zusätzlich oder alternativ zu der Stromgrenze kann auch eine Drehmoment-Grenze ermittelt werden. Da zumindest über einen großen Drehzahlbereich des Motors ein zumindest näherungswei- se linearer Zusammenhang zwischen (Motor-) Strom und Drehmo- ment besteht, macht es in der Regel keinen Unterschied, wel- cher Wert gemessen wird. Ggf. lassen sich die Werte ineinan- der umrechnen. Prinzipiell können auch Datenblätter, sofern vorhanden, für die Bestimmung der Drehmoment- bzw. Strom-Grenzen von Motor und Umrichter herangezogen werden. Die Grenzkennlinie des Mo- tors kann so auch aus Motordaten mittels eines Motormodells berechnet werden oder auch direkt vom Hersteller des Motors geliefert werden. Neben dem Motorstrom werden in Schritt 4 weiterhin auch Kine- matik-Istgrößen für die Identifikationsfahrt ermittelt. Zu den Kinematik-Istgrößen gehören: die Position, die Geschwin- digkeit, die Beschleunigung oder der Ruck. Vorzugsweise wird während der Identifikationsfahrt zumindest die Position der Achse in bestimmten Zeitintervallen, z.B. alle 2 ms, mittels eines Lagesensors gemessen. Andere Kinematik-Istgrößen können daraus bei Bedarf rechnerisch ermittelt werden, z.B. die Ge- schwindigkeit mittels einfacher Ableitung der Position nach der Zeit. Alternativ ist es auch möglich, dass die benötigten Kinema- tik-Istgrößen ermittelt werden, indem sie aus den Vorgaben bzw. dem Fahrprofil für die Identifikationsfahrt entnommen und insofern als „wahr“ angenommen werden. Sicherer ist je- doch eine messtechnische Ermittlung, womit auch eine Überprü- fung der Vorgaben (Sollwerte) anhand eines Soll-Ist- Vergleichs möglich ist. In dem Verfahrensschritt S5 werden aus den – insbesondere durch die genannten Messungen – gewonnenen Daten im Rahmen der Identifikation die gesuchten Modell-Parameter der Maschi- ne bzw. die gesuchten Modelle, insbesondere das Mechanik-
Modell und das Grenzmodell, gegebenenfalls auch das Verlust- modell, „identifiziert“ bzw. ermittelt. Dabei wird auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen. Die Modell-Parameter werden in Schritt 5 insbesondere auf Basis der während der Identifikationsfahrt für unterschiedliche Zeitpunkte ermit- telten Ströme, Strom- bzw. Drehmomentgrenzen und Kinematik- Istgrößen bestimmt. Auf die ermittelten Modelle wird weiter unten noch genauer eingegangen. Die Modelle werden schließlich in einem Verfah- rensschritt S6 dazu verwendet, in an sich bekannter Weise op- timierte Verfahrvorgänge, das heißt optimierte Trajektorien für die einzelnen Achsen bzw. den Endeffektor der Maschine zu erzeugen. Auch darauf wird später noch genauer eingegangen. Die identifizierten Modelle können direkt an der Maschine, das heißt im Ausführungsbeispiel durch die CNC-Steuerung, zur Lageregelung der Achsen verwendet werden. Weiterhin kann auf die Modelle bzw. die davon umfassten Modell-Parameter auch bei der Bahnerzeugung in einem externen CAM-System zurückge- griffen werden. Weiterhin können die Modelle auch für reali- tätsnahe Simulationen von mittels der Maschine durchgeführten Bewegungsvorgängen (Werkstückbearbeitungen etc.) verwendet werden. Auch zur Erstellung eines digitalen Zwillings der Ma- schine sind die generierten Modell-Parameter bestens geeig- net. Das Mechanik-Modell umfasst Werte bezüglich der Massen und Trägheitsmomente für die einzelnen Achsen, bezüglich der Rei- bung und konstanter Kräfte, z.B. der Gewichtskraft. Es können zusätzliche Effekte modelliert werden, wie z.B. Prozesskräf- te, Beschleunigungskräfte infolge eines schwingungsfähigen Systems, positionsabhängige Kräfte bei exzentrisch hängenden Achsen usw. Insbesondere wird das Mechanik-Modell aus den Messwerten mit- tels eines „Modell-Fits“ (Modellabgleichs) bestimmt. Hierfür kann auf zahlreiche, an sich bekannte mathematische Verfahren zurückgegriffen werden, wie z.B. auf einen Optimierungs-
Algorithmus zur Minimierung der Abweichung des Modells von den Messdaten. Unter dem Modell-Fit versteht man die Anwendung wenigstens eines an sich bekannten Algorithmus, der vor allem die Mess- daten in bestimmter Weise glättet. Das liegt zu einem in der Modellannahme (wie z.B. enthaltener Reibung) und an der ver- wendeten Mathematik (z.B. Least Square Verfahren). Der Mo- dell-Fit funktioniert hervorragend, solange die Messung in dem Sinn verrauscht ist, dass der Mittelwert in den Daten er- halten bleibt, wovon normalerweise auszugehen ist. Wenige Messpunkte sind für den Modellabgleich ausreichend, solange genügend Informationen in den Messwerten enthalten sind, so dass jeder Aspekt des Modells gut abgedeckt wird. Eine hohe Beschleunigung ist z.B. erforderlich zur Ermittlung der Trägheit für das Mechanik-Modell und der Sättigung für das Verlustmodell. Eine hohe Geschwindigkeit ist z.B. erfor- derlich zur Bestimmung der Reibung für das Mechanik-Modell. Darauf wird bei der Auswahl des Fahrprofils bei der Identifi- kationsfahrt geachtet. Vorzugsweise werden zudem zwei Mess- Fahrten, einmal mit mittlerer und einmal mit hoher Geschwin- digkeit durchgeführt. Das ermittelte Grenzmodell beschreibt die elektrische Grenze des Motors, vorzugsweise inclusive der Sättigung und der elektrischen Leistung des Umrichters. Dazu wird die Strom- grenze und/oder die Drehmoment-Grenze in Abhängigkeit der Drehzahl ausgewertet. Eine beispielhafte Identifikationsfahrt wird anhand von Figur 13 veranschaulicht. Dabei sind für eine im Rahmen der Identi- fikationsfahrt zu verfahrende Maschinenachse folgende Randbe- dingungen vorgegeben: - der maximale Fahrbereich der Achse für die Identifikati- onsfahrt, insbesondere die Positionen von Endschaltern der Achse, die generell den maximal möglichen Fahrbe- reich der Achse bestimmen,
- die maximale Fahrgeschwindigkeit vmax, id der betreffenden Achsen für die Identifikationsfahrt, - eine Einschätzung der Trägheit, insbesondere die von dem jeweiligen Antrieb zu bewegende Masse bzw. das dem je- weiligen Antrieb entgegengebrachte Trägheitsmoment, - bestimmte Umrichter-Parameter für die dem jeweiligen An- trieb zugeordneten Umrichter, insbesondere der dem je- weiligen Antrieb maximal zuführbare Strom. Auf Basis der genannten Randbedingungen generiert die CNC- Steuerung vorteilhaft automatisch bei der Ausführung des Identifikations-Programmes einen Verfahrbereich, eine maxima- le Beschleunigung amax, id sowie einen maximalen Ruck jmax, id für die Identifikationsfahrt, wobei die Größen amax, id und jmax, id so bestimmt werden, dass sie von dem Antrieb der Achse mit hoher Wahrscheinlichkeit erreicht werden können, ohne da- bei den Antrieb an seine Grenzen zu bringen. Liegen die Randbedingungen sowie die weiteren, oben genannten Parameter für den Identifikationsvorgang vor, so ermittelt die CNC-Steuerung automatisch ein Fahrprofil für die Achse, welches obige Bedingungen bzw. Randbedingungen einhält. Figur 13 veranschaulicht ein derartiges Fahrprofil und zeigt den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit v, der Beschleunigung a und des Rucks j. Bei dem beispielhaft gezeigten Fahrprofil wird die Achse in einem Zeitraum zwischen t=0 und t7 mittlerer Beschleunigung und mittlerer Geschwindigkeit in positiver Achsrichtung von einer Position x=0 (nicht dargestellt) bis xmax und in einem Zeitraum zwischen t8 und t15 mit maximaler Geschwindigkeit, maximaler Beschleunigung und maximalem Ruck, die Angaben (Ma- xima) beziehen sich jeweils auf die Identifikationsfahrt, wieder von xmax bis x=0 zurück verfahren. Im Einzelnen erfolgt zwischen t=0 und t3 eine Beschleuni- gungs-Phase, und zwar zwischen t=0 und t1 eine zunehmende Be- schleunigung mit konstantem Ruck, von t1 bis t2 eine konstan-
te Beschleunigung, zwischen t2 und t3 eine fallende Beschleu- nigung mit konstantem Ruck. Von t3 bis t4 folgt ein Abschnitt mit konstanter Geschwindig- keit. Zwischen t4 und t7 folgt eine Brems-Phase bis zum Stillstand der Achse, und zwar eine Beschleunigungs-Phase mit betragsmä- ßig zunehmender, negativer Beschleunigung zwischen t4 und t5, einer konstanten negativen Beschleunigung zwischen t5 und t6 und einer betragsmäßig abnehmenden, negativen Beschleunigung zwischen t6 und t7. Zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 befindet sich die Achse in Ruhe, bis bei t8 die Fahrt in negativer Achsrichtung beginnt und solange andauert, bis die Achse in t15 wieder ihre Aus- gangslage (x=0) erreicht. Die einzelnen Phasen zwischen t8 und t15 ergeben sich analog zu denen zwischen t=0 und t7 aus der Figur, so dass im Ein- zelnen nicht mehr näher darauf eingegangen werden muss. Die Unterschiede zu dem ersten Zeitraum sind dadurch begründet, dass die Fahrt in umgekehrter Achsrichtung (Rückfahrt) er- folgt und hinsichtlich Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck jeweils die für die Identifikationsfahrt bestimmten Ma- ximalwerte vmax, id, amax, id und jmax, id erreicht werden. Während der gesamten Identifikationsfahrt wird vorteilhaft in kurzen zeitlichen Abständen, z.B. im Abstand von jeweils 2 ms, wenigstens die Achsposition gemessen. Aus den gemessenen Achspositionen lassen sich die Größen Geschwindigkeit, Be- schleunigung und Ruck in dem jeweiligen Zeitpunkt durch Rech- nung (Differentialrechnung) bestimmen. Alternativ könnten auch diese Größen mittels entsprechender Sensoren messtech- nisch ermittelt werden. Durch die Bestimmung der Größen Geschwindigkeit, Beschleuni- gung und Ruck kann überprüft werden, ob alle Vorgaben (z.B.
die o.g. Maximalwerte) beim Verfahren der Achse auch tatsäch- lich eingehalten werden können. Sollte die Überprüfung, dass dies nicht der Fall ist, wird vorzugsweise eine Fehlermeldung an den Benutzer ausgegeben. Weiterhin wird während der gesamten Identifikationsfahrt der Motorstrom gemessen, vorteilhaft ebenfalls in kurzen zeitli- chen Abständen, z.B. im Abstand von jeweils 2 ms. Aus den gemessenen Stromwerten in den unterschiedlichen Pha- sen der Identifikationsfahrt kann so auf Basis bekannter Zu- sammenhänge auf die gesuchten Modell-Parameter wie die Träg- heit der Achse oder die Reibung geschlossen werden. Diese Größen sind damit „identifiziert“. Die Figuren 3 bis 6 veranschaulichen die automatische Bestim- mung der optimalen Beschleunigung für eine konkrete Maschi- nenachse. Dabei werden zunächst Messfahrten mit unterschied- lichen Beschleunigungen durchgeführt, bei denen ein großer, im Idealfall der gesamte relevante Drehzahlbereich des Motors durchlaufen wird. In Figur 3 dargestellt ist das Drehmoment über der Motordrehzahl sowie das Grenzmoment. Das Drehmoment kann entweder direkt am Antrieb mittels geeigneter Messmittel gemessen werden. Einfacher ist jedoch die Messung des Motor- bzw. Antriebsstroms während der Identifikationsfahrt. Die Stromwerte liegen im Umrichter des Antriebs in der Regel oh- nehin vor. Diese müssen daher während der Identifikations- fahrt – vorzugsweise zu zeitdiskreten Zeitpunkten, z.B. im Abstand von 2 ms, ausgelesen werden. Es besteht ein - für den betreffenden Motor bekannter - linearer Zusammenhang zwischen dem momentenbildenden Motorstrom und dem erzeugten Drehmo- ment. So kann das in Figur 3 in den Messkurven A und B für unterschiedliche Beschleunigungen veranschaulichte Drehmoment direkt aus dem gemessenen Motorstrom bestimmt werden. Ähnlich wie bei der Bestimmung des Drehmoments verhält es sich auch mit der Motor-Drehzahl. Auch hier liegen die ge- suchten Werte in der Regel ohnehin bereits im Umrichter vor.
Sofern an dem Motor ein entsprechender Drehzahl-Geber vorhan- den ist, kann die Motordrehzahl in den betreffenden Zeitpunk- ten, in denen der Stromwert bestimmt wird, ausgelesen werden. Liegen die Drehzahlwerte nicht direkt vor, so können zu den Zeitpunkten, zu denen der Motorstrom ermittelt wird, die Po- sitionswerte der Achse aufgezeichnet werden. Aus benachbarten Positionswerten lässt sich so mittels Differentiation die Fahrgeschwindigkeit der Achse und in Verbindung mit der Über- setzung des Antriebs die Motordrehzahl für die relevanten Zeitpunkte bestimmen. Aus der Kenntnis des Motorstroms bzw. des Drehmoments und der Drehzahl resultieren schließlich die aus Figur 3 ersichtlichen Messkurven A und B, die das Motor- Drehmoment M (in Nm) in Abhängigkeit der Motor-Drehzahl n (in U/min bzw. in Englisch „rpm“) zeigen. Die oberen Kurven B zeigen dabei eine Beschleunigung des Motors von 0 bis 3000 rpm und die unteren Kurven A ein Abbremsen von 3000 rpm auf 0 (Stillstand). Ein genauer Blick auf Figur 3 und die Kurven A und B zeigt, dass jeweils 2 Kurven für A und B dargestellt sind. Diese re- sultieren aus 2 nacheinander unter gleichen Randbedingungen durchgeführten Messungen und zeigen eine hohe Wiederholgenau- igkeit der Messungen, was wichtig für die Qualität der daraus ermittelten Modelle ist. Die Kurve B (positive Beschleunigung der Achse) liegt ober- halb der Kurve A (negative Beschleunigung bzw. Abbremsen), da der Motor bei B gegen die Reibung der Achse arbeiten muss und bei A die Reibung das Abbremsen unterstützt. Weiterhin kann – wie bereits erläutert – aus einem Datenblatt des Motors oder aus Umrichter-Daten die Kennlinie des maxima- len Drehmoments (Grenzmoment) des Motors über der Drehzahl angegeben werden. Die entsprechende Grenzkennlinie C ist ebenfalls aus Figur 3 ersichtlich. Insgesamt resultiert so das in Figur 3 veranschaulichte Dia- gramm aus einer Identifikationsfahrt, bei der der Motor je-
weils in einem Drehzahlbereich zwischen 0 und 3000 U/min (rpm) unterschiedlich, einmal in einem Drehzahlbereich von ca. 250 rpm bis ca. 2750 rpm mit konstanter, positiver Be- schleunigung (Messkurve B) und einmal in einem Drehzahlbe- reich von ca. 2750 rpm bis ca. 250 rpm mit konstanter, nega- tiver Beschleunigung (Messkurve A) beschleunigt wird. Aus den wie in Figur 3 veranschaulichten Messungen lassen sich dann in bereits beschriebener Weise Modellparameter wie die Trägheit der Achse ableiten. Die glatten Kennlinien in Figur 4 veranschaulichen den Zusam- menhang zwischen Motordrehzahl und Drehmoment, wenn man die gleiche Identifikationsfahrt wie in Figur 3 anhand des Mo- dells simuliert. Im Unterschied zu den gemessenen, unregelmä- ßigen („welligen“) Messkurven A bis C ergeben sich so die „glatten“ Kennlinien D bis F, die das Verhalten eines zu dem realen Motor korrespondierenden „Modell-Motors“ mit idealem Verhalten – daher glatte Kennlinien - widerspiegeln. Figur 5 veranschaulicht die Motor-Grenzkennlinie F unter Be- rücksichtigung einer vom Anwender definierten „Reserve“ R. Die Reserve-Kennlinie G ist im Ausführungsbeispiel gegenüber der Grenzkennlinie F um einen bestimmten Betrag, z.B. 5 Nm, nach unten verschoben. Die Bestimmung der „maximalen Be- schleunigung“ für den regulären Betrieb des Antriebs bzw. der Achse kann so auch unter Berücksichtigung eben dieser Reserve R erfolgen. Figur 6 veranschaulicht nun die optimale Beschleunigung für die Achse, z.B. wenn man z.B. die Identifikationsfahrt (Be- schleunigung des Motors von 0 rpm auf 3000 rpm und anschlie- ßendes Abbremsen des Motors von 3000 rpm auf 0 rpm) unter Einhaltung der Reserve in möglichst kurzer Zeit durchführen wollte. Dabei ist ersichtlich, dass für diesen Fall die Dreh- zahl-Drehmoment-Kennlinie I die Reserve-Kennlinie G gerade berührt. Die so anhand der erhaltenen Modelle bzw. Modell- Parameter ermittelte Kennlinie I schöpft demnach die Möglich-
keiten des Antriebs (im Ausführungsbeispiel unter Berücksich- tigung der Reserve R) voll aus. Anhand der gemäß der Erfindung generierten Modelle lassen sich demnach, wie in Figur 6 veranschaulicht, optimierte Trajektorien für den regulären Betrieb des Antriebs ermit- teln. Figur 7 zeigt nochmals beispielhaft Drehmoment-Drehzahl- Diagramme des Motors einer Achse. Die welligen Kurven A und B im mittleren Bereich der Darstellung zeigen die aus Strom- Messungen resultierenden Kurven für das Drehmoment über der Drehzahl. Die glatten Kurven D und E zeigen auch hier im Ver- gleich zu den Messwerten die entsprechenden Kennlinien des identifizierten Modells der realen Achse. Im Unterschied zu den Figuren 3 bis 6 zeigt Figur 7 auch ne- gative Drehmoment-Werte. Diese rühren daher, dass die betref- fende Achse mit analogem Fahrprofil (Beschleunigung von 0 rpm auf 3000 rpm und anschließendes Abbremsen auf 0 rpm) in nega- tiver Achsrichtung verfahren wird, womit sich die Drehrich- tung des Motors umkehrt. Aus den Strom- bzw. Drehmoment- Messungen resultieren so die Messkurven A‘ und B‘ sowie die entsprechenden, glatten Kurven D’ und E‘ des Modells. Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, zeigt auch hier das Mecha- nik-Modell (glatte Kurven) mit den identifizierten Parametern eine sehr gute Übereinstimmung zur Realität (gemessene, „wel- lige“ Kurven), was die Grundlage für alle weiteren Betrach- tungen bildet. Die in der Darstellung oberen und unteren welligen Kurven C und C‘ zeigen die gemessenen Werte des maximalen Drehmoments des Motors mit Sättigung und inclusive des Leistungsteils. Die glatten (durchgezogenen) Kurven F und F‘ sind die dazu korrespondierenden Grenzkennlinien des Grenzmodells der An- triebsachse. Die gestrichelten Kurven J und J‘ zeigen die sog. „S1-Kennlinien“ der Achse, das heißt die Kennlinie des
Antriebs für den für die Praxis beim Betrieb einer Werkzeug- maschine unrealistischen Fall eines stationären Betriebs mit dem ersichtlichen Drehmoment. Vorzugsweise geht die S1- Kennlinie aus einem Datenblatt des Motors der Achse hervor. Zur Bestimmung eines Verlustmodells bedarf es der Messung von Stromwerten, die Sättigungseffekte berücksichtigen. Denn bei höheren Strömen steigen die Verluste und das erzeugte Drehmo- ment des Antriebs ist nicht mehr linear zum Strom. Figur 8 zeigt den Zusammenhang zwischen Strom I (in A) und Drehmoment M (in Nm) für einen Antrieb, woraus der Unterschied zwischen der realen gemessenen Kennlinie (durchgezogene Kennlinie K) und der idealen Kennlinie L (strichliert) ersichtlich ist. Das Kriterium für das Verlustmodell ist die Minimierung der Verlustleistung, das bedeutet eine minimale Wärmeentwicklung des Motors. Dazu werden aus den Messdaten die Kupfer- und Ei- senverluste des Motors berechnet. Die Kupferverluste sind Strom- bzw. Drehmoment zum Quadrat abhängig, während die Ei- senverluste drehzahlabhängig sind. Die so erhaltenen Kennli- nien werden im weiteren Verlauf für energieoptimales Verfah- ren unter optimaler Ausnutzung der Motorleistung herangezo- gen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch einige wenige Identifikationsfahrten Modell-Parameter bzw. Modelle der betreffenden Maschine generiert werden, auf deren Basis anschließend optimierte Fahrprofile für den regulären (lau- fenden) Betrieb der Maschine generiert werden können. Über einen Optimierungsansatz wird ein optimiertes, insbeson- dere ein optimales Fahrprofil unter Berücksichtigung des Me- chanik-Modells sowie der Drehmomenten-Drehzahl-Grenzkennlinie bestimmt, insbesondere berechnet. Ebenso könnte die Strom- grenze der Achse bei der Optimierung herangezogen werden. Optimales Fahrprofil kann bedeuten:
- Maximale Beschleunigung für vorgegebenen Verfahrweg, max. Geschwindigkeit und Ruckbegrenzung; - Minimale Verfahrzeit für vorgegebenen Verfahrweg und max. Geschwindigkeit; - Minimale Stromverluste für vorgegebenen Verfahrweg und max. Geschwindigkeit. Die Optimierung wird für eine vom Anwender weitgehend frei wählbare zusätzliche Beladung der Achse ermittelt. D.h. der Anwender kann das optimale Fahrprofil für unterschiedliche Beladungen, welche im Betrieb der Achse auftreten können, aber nicht vermessen wurden, berechnen und nutzen, um z.B. an der Steuerung eine Adaption einzurichten oder um auf den Worst-Case vorbereitet zu sein. Auf Basis des Mechanik-Modells und dem gewünschten Fahrprofil wird ein erwarteter Drehmomentverlauf berechnet. Dieser darf in jedem Punkt die Grenz-Kennlinie nicht übersteigen. Im Fall eines erfindungsgemäß optimierten Fahrprofils berührt die Kurve des Drehmomentverlaufs in wenigstens einem Punkt die Grenz-Kennlinie. Anstelle der Kennlinie für den maximalen Strom kann auch die Kennlinie für die Dauerbelastung (S1) als Grenze genutzt wer- den. In diesem Fall wird geprüft, ob ein thermisches Äquiva- lent des Fahrprofils (z.B. Effektivwert des erwarteten Dreh- moments) unterhalb dieser S1 Kennlinie liegt. Die Optimierung des Fahrprofils berücksichtigt auch den Ein- satz von zusätzlichen Filtern auf der Steuerung, die das Fahrprofil glätten. Typisch sind z.B. Mittelwertbildner, VibX oder allgemeine FIR-Filter. Durch die Glättung ist üblicher- weise eine Erhöhung der Beschleunigung möglich, da das Fahr- profil besser unter der Grenzkennlinie "hinwegtaucht". Beispiele für optimierte Fahrprofile zeigen die nachfolgend beschriebenen Figuren 9 bis 12. Dargestellt sind wieder die Drehmoment-Drehzahl-Diagramme für ein Fahrprofil, bei dem der
Motor von 0 auf 3000 rpm beschleunigt und anschließend wieder auf 0 abgebremst wird, und zwar sowohl in positiver (obere Hälfte der Diagramme) als auch in negativer Drehrichtung (un- tere Hälfte der Diagramme) des Motors. Die durchgezogenen Kurven F und F‘ zeigen die Motorgrenzen, das heißt das Maxi- malmoment in Abhängigkeit der Drehzahl. Die gestrichelt ge- zeichneten Kennlinien J und J‘ zeigen die S1-Kennlinien (für die unterschiedlichen Drehrichtungen des Motors). Weitere Vorgaben für das dargestellte Ausführungsbeispiel sind: Fahr- bereich s = 700mm, maximale Geschwindigkeit vmax = 36m/min, maximaler Ruck jmax = 100 m/s2. Die Kurven D und E bzw. D‘ und E‘ zeigen jeweils das Fahrpro- fil als Standard-Fall vor der Optimierung mit amax = 3,0 m/s². Für das gezeigte Fahrprofil wurde anschließend eine Optimie- rung mit dem Kriterium „maximale Beschleunigung“ durchge- führt. Die Kurven H und I bzw. H‘ und I‘ zeigen das Ergebnis der Op- timierung, bei der die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie I und I‘ die Grenzkennlinien F bzw. F‘ gerade berühren, die physikali- schen Möglichkeiten des Motors also voll ausgeschöpft werden und jeweils in einem Betriebszustand das maximale Drehmoment des Motors abgerufen wird, was einer maximalen Beschleunigung bei dieser Motor-Drehzahl entspricht. Figur 9 verdeutlicht den Fall ohne Beladung und ohne Filter. Hier kann für das Ausführungsbeispiel eine optimierte Be- schleunigung amax,opt = 4,17 m/s² erreicht werden. Wie deutlich zu erkennen ist, liegen die Drehzahl-Drehmoment- Kennlinien I bzw. I‘ in jeweils einem Punkt direkt an den Grenzkennlinien F bzw. F‘ an, dem maximal möglichen Motormo- ment in Abhängigkeit der Drehzahl. Demzufolge wird die Motor- leistung maximal ausgenutzt.
Zum Erreichen des Optimums gibt es verschiedene mathematische Ansätze. Ein einfach zu realisierender und für die Praxis re- levanter Ansatz besteht darin, den Motorstrom bzw. das Dreh- moment bzw. die Beschleunigung stufenweise in kleinen Schrit- ten solange zu erhöhen und anhand des Mechanik-Modells die entsprechenden Kurven zu erzeugen, bis sich – wie in Figur 9 gezeigt, die Kurven I und F bzw. I‘ und F‘ berühren bzw. schneiden. Damit ist das Optimum bzgl. des Drehmoments und damit der Beschleunigung gefunden. Figur 10 ist weitgehend analog zu Figur 9 mit dem Unter- schied, dass dabei ein Filter in Form eines Mittelwertbild- ners mit t = 50 ms verwendet wurde. Dabei konnte für das Aus- führungsbeispiel eine optimierte Beschleunigung amax,opt = 5,14 m/s² erreicht werden. Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wieder weitgehend analog zu Figur 9 mit dem Unterschied, dass eine Beladung von 500 kg gewählt wurde. Für dieses Ausführungsbeispiel konnte ohne Filter eine optimierte Beschleunigung amax,opt = 3,66 m/s² erreicht werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12 ist gegenüber dem ge- mäß Figur 11 dahingehend verändert, dass – zusätzlich zu der Beladung - ein Filter in Form eines Mittelwertbildners mit t = 50 ms verwendet wurde. Die optimierte Beschleunigung be- trägt so amax,opt = 4,42 m/s². Die optimierte maximale Beschleunigung liegt – wie aus den Figuren 11 und 12 ersichtlich - auch mit Beladung jeweils deutlich höher als im Ausgangszustand. Mit einem Mittelwert- bildner als Filter (Figuren 10 und 12) erhöht sich die maxi- male Beschleunigung für dieses Fahrprofil noch einmal merk- lich. Zusammenfassend zeichnet sich die Erfindung aus durch:
- Ein GUI (Graphical User Interface) geführtes Verfahren für Antriebsachsen von Fertigungsmaschinen jeglicher Art (z.B. Werkzeug-, Produktions- oder Handlingsmaschinen); - „Smarte“ Identifikation der Achseigenschaften zur optima- len Ausnutzung der Grenzkennlinie; - Bestimmung der Parameter für eine sichere Identifikations- fahrt aus bekannten Randbedingungen der Antriebsachsen; - Identifikationsfahrt der Antriebsachsen zur Bestimmung von Mechanik-Modell, Grenzmodell und ggf. Verlustmodel der An- triebsachsen, dazu: - Messtechnische Ermittlung von Reibung und Trägheit der Achse, Drehmomentgrenze des Motors inklusive Sättigung und Stromgrenze des Umrichters; - eine Identifikationsfahrt mit verrauschten Signalen und wenigen Abtastpunkten ist ausreichend, da durch den Al- gorithmus und die Optimierung trotzdem ein parametri- sches Mechanik-Modell von hoher Qualität garantiert ist; - Berücksichtigung von mechanischen Grenzen (Drehmoment- grenze des Getriebes); - Berücksichtigung des Gewichtsausgleichs bei vertikalen Achsen; - Anhand der identifizierten Modelle: Bestimmung der Dyna- mikparameter (maximale Beschleunigung amax, (maximaler) Ruck jmax, Filter-Parameter) für Verfahrvorgänge zur opti- malen Ausnutzung der Motorgrenzen für verschiedene Krite- rien: - Maximale Beschleunigung (amax, Filter-Parameter); - Minimale Zeit (amax, jmax, Filter-Parameter); - Energieeffizientes Verfahren (a, j); - Dynamikoptimierung (Teileprogramm); - -ur weiteren Glättung des Fahrprofils können Lagesollwert- filter berücksichtigt werden. Diese ermöglichen eine noch bessere Ausnutzung des vorhandenen Drehmomentes über einen großen Drehzahlbereich und damit letztendlich ein besseres Beschleunigungsvermögen für hohe Geschwindigkeiten; - Die Berechnung ist für jede beliebige Konfiguration wie- derholbar auf Basis der bereits durchgeführten Identifika- tion; die Konfigurationsänderungen betreffen:
- jeden beliebigen Verfahrweg; - jede beliebige Dynamikgrenze (Beschleunigung, Ruck); - jede beliebige Beladung (wechselndes Werkstück); Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile: - Ausnutzung der maximal möglichen mechanischen und elektri- schen Grenzen der Antriebsachse unter Berücksichtigung der beschriebenen Parameter; - Optimale Performance zu verschiedenen Kriterien; - Optimale Motorauslastung, besseres Motormanagement; - Kürzere Bearbeitungszeiten; - Erhöhung der Produktivität.
Claims
Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb einer Fertigungsmaschine eines Fer- tigungsmaschinensystems, wobei die Fertigungsmaschine wenigs- tens eine Achse (X, Y, Z, A, B, C) mit einem lagegeregelten Antrieb aufweist, durch den wenigstens ein erstes Maschinene- lement relativ zu einem zweiten Maschinenelement verstellbar ist, wobei einer von dem Fertigungsmaschinensystem umfassten Steuereinrichtung als Randbedingungen für mindestens eine Identifikationsfahrt wenigstens ein maximaler Verfahrbereich sowie eine maximale Verfahrgeschwindigkeit für die Achse (X, Y, Z, A, B, C) und eine maximale, dem Antrieb der Achse (X, Y, Z, A, B, C) zuführbare elektrische Leistung hinterlegt sind, wobei mittels der Steuereinrichtung folgende Schritte ausge- führt werden: - Bestimmen oder Empfangen einer maximalen Beschleunigung (amax, id) und/oder eines maximalen Rucks (jmax, id) für die Identifikationsfahrt, - Bestimmen eines Fahrprofils für die Identifikationsfahrt unter Einhaltung der Randbedingungen sowie der maximalen Beschleunigung (amax, id) und des maximalen Rucks (jmax, id) für die Identifikationsfahrt, - Durchführen der Identifikationsfahrt gemäß dem ermittelten Fahrprofil, - Ermitteln eines dem Antrieb während der Identifikations- fahrt zugeführten Stroms (I), - Ermitteln wenigstens einer Kinematik-Istgröße während der Identifikationsfahrt, - Ermitteln wenigstens eines Modell-Parameters wenigstens eines Modells der Achse in Abhängigkeit des ermittelten Stroms (I) sowie der Kinematik-Istgröße, gekennzeichnet durch - Ermitteln einer Strom- und/oder einer Drehmomentgrenze des Antriebs in Abhängigkeit einer Drehzahl (n) des Antriebs sowie - Ermitteln wenigstens einer in Bezug auf eine minimale Fahrzeit oder eine maximale Beschleunigung oder eine mini-
male Verlustenergie optimierten Trajektorie der Achse (X, Y, Z, A, B, C) auf Basis des Modells und der ermittelten Strom- und/oder Drehmomentgrenze.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Modell-Parameter eine Trägheit der Achse, insbesondere eine Gesamtträgheit der Ach- se betrifft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Modell- Parameter eine Reibung der Achse, insbesondere eine Coulomb- sche Reibung und/oder eine Viskose Reibung der Achse be- trifft.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fahrprofil für die Identifikationsfahrt wenigstens einen Ab- schnitt mit einer konstanten Geschwindigkeit und wenigstens einen Abschnitt mit einer Beschleunigung, insbesondere einer konstanten Beschleunigung umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wäh- rend der Identifikationsfahrt eine Position und/oder eine Ge- schwindigkeit und/oder eine Beschleunigung der Achse in Ab- hängigkeit der Zeit ermittelt wird bzw. werden und der Mo- dell-Parameter in Abhängigkeit der ermittelten Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei während der Identifikati- onsfahrt eine Position und/oder eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung der Achse in Abhängigkeit der Zeit gemes- sen wird bzw. werden und der Modell-Parameter in Abhängigkeit der ermittelten Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei we- nigstens eine die drehzahlabhängige, maximale Stromaufnahme des Antriebs der Achse betreffende Grenzkennlinie in einem Grenzmodell in der Steuereinrichtung hinterlegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei we- nigstens eine die Verluste des Antriebs der Achse (X, Y, Z, A, B, C) in Abhängigkeit des Motorstroms betreffende Kennli- nie in einem Verlustmodell in der Steuereinrichtung hinter- legt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine hinsichtlich der Beschleunigung optimierte Trajektorie der Achse (X, Y, Z, A, B, C) derart bestimmt wird, dass eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Antriebs der Achse (X, Y, Z, A, B, C) beim Verfahren der Achse (X, Y, Z, A, B, C) gemäß der Trajektorie die Drehmomentgrenze nicht überschreitet und in wenigstens einem Punkt berührt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fertigungsmaschine mehrere Achsen (X, Y, Z, A, B, C) mit je- weils einem lagegeregelten Antrieb aufweist, durch die je- weils wenigstens zwei Maschinenelemente relativ zueinander verstellbar sind, wobei mittels der Achsen (X, Y, Z, A, B, C) ein Endeffektor der Fertigungsmaschine in einem Arbeitsraum der Fertigungsmaschine positionierbar ist und wobei in dem jeweiligen Modell die Parameter bzw. Kennlinien aller an der Positionierung des Endeffektors beteiligter Achsen (X, Y, Z, A, B, C) der Fertigungsmaschinen hinterlegt sind.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zur Glättung wenigstens eines optimierten Fahrprofils für den Be- trieb der Fertigungsmaschine Lagesollwertfilter verwendet werden.
12. Fertigungsmaschinensystem zur Durchführung eines Verfah- rens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Parametrieren ei- nes Modells einer Fertigungsmaschine des Fertigungsmaschinen- systems, wobei die Fertigungsmaschine wenigstens eine Achse (X, Y, Z, A, B, C) mit einem lagegeregelten Antrieb aufweist, durch den wenigstens ein erstes Maschinenelement relativ zu einem zweiten Maschinenelement verstellbar ist, wobei einer
von dem Fertigungsmaschinensystem umfassten Steuereinrichtung als Randbedingungen für mindestens eine Identifikationsfahrt wenigstens ein maximaler Verfahrbereich sowie eine maximale Verfahrgeschwindigkeit für die Achse (X, Y, Z, A, B, C) und eine maximale, dem Antrieb der Achse (X, Y, Z, A, B, C) zu- führbare elektrische Leistung hinterlegt sind, wobei mittels der Steuereinrichtung folgende Schritte aus- führbar sind: - Bestimmen oder empfangen einer maximalen Beschleunigung und/oder eines maximalen Rucks für die Identifikations- fahrt, - Bestimmen eines Fahrprofils für die Identifikationsfahrt unter Einhaltung der Randbedingungen sowie der maximalen Beschleunigung und des maximalen Rucks für die Identifika- tionsfahrt, - Durchführen der Identifikationsfahrt gemäß dem ermittelten Fahrprofil, - Ermitteln des dem Antrieb während der Identifikationsfahrt zugeführten Stroms (I), - Ermitteln wenigstens einer Kinematik-Istgröße während der Identifikationsfahrt, - Ermitteln wenigstens eines Modell-Parameters wenigstens eines Modells der Achse (X, Y, Z, A, B, C) in Abhängigkeit des ermittelten Stroms (I) sowie der Kinematik-Istgröße, gekennzeichnet durch - Ermitteln einer Strom- und/oder einer Drehmomentgrenze des Antriebs in Abhängigkeit einer Drehzahl (n) des Antriebs, - Ermitteln wenigstens einer in Bezug auf eine minimale Fahrzeit oder eine maximale Beschleunigung oder eine mini- male Verlustenergie optimierten Trajektorie der Achse (X, Y, Z, A, B, C) auf Basis des Modells und der ermittelten Strom- und/oder Drehmomentgrenze.
13. Fertigungsmaschine für ein Fertigungsmaschinensystem nach Anspruch 12.
14. Steuereinrichtung für ein Fertigungsmaschinensystem nach Anspruch 12.
15. Digitaler Zwilling für eine Fertigungsmaschine nach An- spruch 13.
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