WO2016188975A1 - VERFAHREN ZUM ERMITTELN VON BETRIEBSGRÖßEN EINES AKTORS, ANSTEUERVORRICHTUNG UND AKTOR MIT POSITIONIERBAREM ELEMENT - Google Patents

VERFAHREN ZUM ERMITTELN VON BETRIEBSGRÖßEN EINES AKTORS, ANSTEUERVORRICHTUNG UND AKTOR MIT POSITIONIERBAREM ELEMENT Download PDF

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WO2016188975A1
WO2016188975A1 PCT/EP2016/061627 EP2016061627W WO2016188975A1 WO 2016188975 A1 WO2016188975 A1 WO 2016188975A1 EP 2016061627 W EP2016061627 W EP 2016061627W WO 2016188975 A1 WO2016188975 A1 WO 2016188975A1
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actuator
electric motor
operating
variable
comparison
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PCT/EP2016/061627
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Richard Schneider
Matthias Wahler
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Robert Bosch Gmbh
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    • G05B2219/37304—Combined position measurement, encoder and separate laser, two different sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining operating variables of an actuator with a positionable element, such as, for example, an electromechanical or electrohydraulic axis, a drive device for an actuator with a positionable element and such an actuator.
  • a positionable element such as, for example, an electromechanical or electrohydraulic axis
  • An electro-hydraulic axle is a hydraulic drive with a motor, a hydraulic pump and a hydraulic cylinder, in which an electrical or electronic control, for example, the position of the cylinder or its piston is possible.
  • Such electro-hydraulic axes are used, for example, for so-called. Deep drawing presses, injection molding machines or even in other forming machines.
  • electromechanical axles where the axle is driven by the engine and a gearbox.
  • An inventive method is used to determine operating variables of an actuator with positionable element that is movable by means of an electric motor.
  • an operating variable of the electric motor and an operating variable of the element are detected, and from the operating variable of the electric motor, a comparison variable corresponding to the operating variable of the element is determined.
  • the invention makes use of the fact that, in the case of actuators with a positionable element, in addition to a measuring device for an operating variable of the element, a measuring device for an operating variable of the electric motor is also provided which, for example, is used for proper actuation. tion of the electric motor is used. If, from the operating variable of the electric motor, a comparison variable is determined which comprises the same information content as the operating variable of the element, two values for the operating variable of the positionable element which are obtained in different ways and, above all, based on different sources, are available. For example.
  • a signal with a higher safety level regarding the operating variable of the element can then be obtained by combination with the comparison variable.
  • An additional measuring device on the element or a more expensive measuring device with a higher safety level is therefore not necessary.
  • the comparison variable is preferably determined from the operating variable of the electric motor by means of a control-technical observer, a system model and / or a weighting.
  • a dynamic model for a route model or an observer can be used for which model a transmission function can be determined which determines one or more output values from one or more input variables.
  • Such a transfer function can be implemented, for example, as a calculation algorithm in a computing unit.
  • parameters of the actuator are taken into account in the control-technical observer, the system model or the weighting. This allows the most accurate prediction of the comparison variable.
  • Relevant parameters or parameters are, for example, in the case of an actuator designed as an electrohydraulic axis, a pump demand volume, dimensions of pipes and hoses, dimensions of hydraulic cylinders, and the like.
  • electromechanical axes, gear ratios and the like may be relevant here, for example.
  • a dual-channel monitoring of the actuator is performed based on the operating size of the element and the comparison variable.
  • Such dual-channel monitoring here means that the relevant quantities are provided on two separate channels or paths and / or come from two different sources, as has already been mentioned at the outset.
  • a safe operation of the actuator can be ensured by, for example, the operation of the actuator and thus the positionable element is stopped in the context of such monitoring, if a difference of the two operating variables determined and / or a specified limit of one of the two operating variables or their Difference is exceeded.
  • a safe value for the operating variable of the element is determined on the basis of the operating variable of the element and the comparison variable.
  • a safe value should be understood as meaning a value which has a higher safety level (SIL) than the output values used for this value, ie. in the present case, the values of the operating variable of the element and the comparison variable.
  • SIL safety level
  • a higher SIL value can be determined by combination. For example. can be determined from two SIL 2 values a SIL 3 value. With a sufficiently accurate comparison value, it is thus possible to obtain a safe measurement with required SIL without replacing a measuring device for the operating size of the element and without additional measuring device.
  • the operating variable of the element comprises a movement variable, in particular a position, a speed or an acceleration.
  • a movement variable in particular a position, a speed or an acceleration.
  • These are usually recorded operating variables of such an element.
  • a displacement transducer is used for detection, with which not only one position but, for example, also a speed and an acceleration can be detected.
  • a secure speed determination and / or position determination of the element can be performed.
  • the operating variable of the electric motor comprises a movement variable, in particular a rotational speed or a rotation angle.
  • a motor encoder is used, which can detect both a rotation angle and a rotational speed with sufficient accuracy.
  • an electro-hydraulic axis is used as the actuator, in which by means of the electric motor and a hydraulic pump, a comprehensive hydraulic element consumer is operated.
  • electro-hydraulic axes are frequently used actuators. In particular, by the hydraulic electrohydraulic axes often have a very compact design.
  • the comparison variable is determined from the operating variable of the electric motor taking into account at least one state variable of the electrohydraulic axis, in particular a temperature, a pressure, a compressibility and / or a leakage of a hydraulic fluid.
  • at least one state variable of the electrohydraulic axis in particular a temperature, a pressure, a compressibility and / or a leakage of a hydraulic fluid.
  • hydraulic components plays the hydraulic fluid or its properties an important role for the implementation of the motor movement in the movement of the element. The more precisely these properties are taken into account in the determination of the comparison quantity, the more precisely does the comparison value agree with the actual value of the associated operating quantity of the element.
  • a pressure change of a hydraulic fluid is detected and used in particular for monitoring the actuator. For example.
  • a pressure pulsation in the hydraulic fluid caused by the hydraulic pump can be detected.
  • a possible malfunction of the hydraulic pump can be inferred, and the pump or the entire electrohydraulic axle can possibly be brought into a safe state.
  • an electromechanical axis is used as the actuator in which the element is moved by means of the electric motor and a transmission.
  • electromechanical axes are often used for various applications.
  • a purely mechanical transmission of the motor movement in the linear movement of the element is, for example, low maintenance.
  • a drive device according to the invention is suitable for an actuator with a positionable element, which can be moved by means of an electric motor, and is set up to carry out a method according to the invention.
  • An actuator according to the invention with a positionable element, which can be moved by means of an electric motor, has a drive device according to the invention.
  • a sensor for detecting the operating variable of the element and on the electric motor a sensor for detecting the operating variable of the electric motor is provided on the actuator.
  • actuators for example, in deep-drawing presses, bending presses, baling presses, scrap presses, forging presses, fine blanking presses, fiber composite presses, rolling mills, metallurgical plants, injection molding machines, blow molding machines, die casting machines, machining centers, testing machines, simulators, shaft compensators, servo presses, pipe and wire bending machines, Press brakes, punching and
  • FIG. 1 a shows schematically an electromechanical axis designed actuator with positionable element.
  • FIG. 1 b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 2 a shows schematically an actuator designed as an electrohydraulic axis with a positionable element.
  • FIG. 2b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.
  • FIG. 3 a shows schematically an actuator designed as an electrohydraulic axis with a positionable element.
  • FIG. 3b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.
  • FIG. 1 a shows schematically an actuator designed as an electromechanical axis 100.
  • An electric motor 120 is connected via a gear 130 with a positionable element 1 10.
  • the transmission 130 may have a gear ratio via gears, pulleys and belts and / or a worm gear.
  • a An horrinvornchtung 105 is provided, for example.
  • a drive controller or a safety controller via which the electric motor 120 can be controlled.
  • a sensor 1 15 for detecting a position and / or speed as an operating variable of the element 1 10 and a sensor 125 for detecting a rotational speed and / or a rotational angle as an operating variable of the electric motor 120 are provided.
  • the two sensors 1 15 and 125 are connected to the An horrvornchtung 105, so that the An horrvornchtung 105 can detect the operating variables measured by the sensors.
  • the connection of the sensors 1 15 and 125 to the Anberichtnchtung 105 can be wired or wireless, for example. By radio. FIG.
  • step 150 measured values which are measured by the sensor 15 at the positionable element 110 are detected or received. For example. This can be a current position or velocity of the element.
  • step 155 these measured values are then supplied to monitoring or monitoring is carried out with regard to the operating variable measured by the sensor 15.
  • step 160 measured values measured by the sensor 125 on the electric motor 120 are detected. For example. This can be a current speed or a current angle of rotation. Subsequently, in a step 161, a weighting of these measured values is carried out. In such a weighting, in particular the translation of the transmission 130 between the electric motor 120 and the element 110 is considered. Possibly. In addition, a game in the gear 130 may be considered, which may affect depending on the direction of movement of the element 1 10. These weighted measured values then correspond to comparison values to the measured values acquired in step 150 or by the sensor 15. That For example, from a rotational speed of the electric motor 120, a speed of the positionable element 110 is determined. Likewise, from a rotational angle of the electric motor 130, a position of the element 1 10 can be determined.
  • the measured values of the sensor 15 or the comparison values which were obtained by the control-technical observer or the route model can optionally be made plausible against each other. This can be used, for example, as a diagnostic function for fault detection during measured value acquisition.
  • a step 165 these weighted measured values or comparison values are then fed to a monitoring.
  • two monitoring channels, 155 and 165 are available for an operating size of the positionable element.
  • These two monitoring channels use different sources.
  • a safe signal in the sense of a Safety Integrity Level (SIL) can be made available.
  • SIL Safety Integrity Level
  • a signal with a higher SIL eg corresponding to SIL 1, SIL 2 or SIL 3
  • SIL SIL 1 or SIL 2
  • the advantage here is that no additional sensor on the element or no expensive sensor with higher security level is required on the element.
  • FIG. 2 a shows schematically an actuator designed as an electrohydraulic axis 200.
  • An electric motor 220 is connected to a hydraulic pump 230.
  • the hydraulic pump 230 in turn is connected via a hydraulic circuit to a hydraulic consumer having a positionable element 210.
  • the hydraulic consumer may, for example, be a hydraulic cylinder and the element 210 accordingly a movable piston.
  • a drive device 205 is provided, for example in the form of a drive controller or a safety controller, via which the electric motor 220 can be controlled.
  • a sensor 215 for detecting a position and / or speed as an operation amount of the element 210 and a sensor 225 for detecting a rotation speed and / or a rotation angle as an operation amount of the electric motor 220 are provided.
  • the two sensors 215 and 225 are connected to the drive device 205, so that the drive device 205 can detect the operating variables measured by the sensors.
  • the connection of the sensors 215 and 225 to the control device 205 can be wired or wireless, for example. By radio.
  • FIG. 2b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment, as can be carried out, for example, in the drive device 205 shown in FIG. 2a.
  • step 250 measured values measured by the sensor 215 on the positionable element 210 are detected. For example. This can be a current position or velocity of the element.
  • step 260 measured values measured by the sensor 225 on the electric motor 220 are detected. For example. This can be a current speed or a current angle of rotation.
  • these measured values are fed in a step 261 to a control-technical observer and / or a route model.
  • parameters or parameters of the hydraulic axis 200 are taken into account in such a control-related observer or a track model. These include, for example, a pump delivery volume of the hydraulic pump 230, dimensions of pipes and hoses in the hydraulic circuit and dimensions of the hydraulic cylinder and the piston or the element 1 10.
  • Compressibility of the hydraulic fluid and especially leaks in the hydraulic circuit be taken into account.
  • state variables such as, for example, the temperature and pressure of the hydraulic axis or the hydraulic fluid can be taken into account in order to obtain more accurate comparison values.
  • parameters or parameters can be stored, for example, in tables by means of which input and output values of the system model are mapped. Values for such a table can, for example, also be determined and / or adapted in one or more learning cycles. Likewise, an arithmetic calculation is conceivable.
  • weighted measured values correspond to comparison values to the measured values acquired in step 250 or by the sensor 215. That For example, a speed of the positionable element 210 is determined from a rotational speed of the electric motor 220. Likewise, from a rotation angle of the electric motor 230, a position of the element 210 can be determined.
  • the measured values of the sensor 215 or the comparison values which were obtained by the control-technical observer or the route model can optionally be plausibilized against each other. This can be used, for example, as a diagnostic function for fault detection during measured value acquisition.
  • a step 255 the measured values are then fed to a monitoring or a monitoring is carried out with regard to the operating variable measured by the sensor 215.
  • the comparison values are likewise fed to a monitoring.
  • FIG. 3 a shows schematically an actuator designed as an electrohydraulic axis 200, which essentially corresponds to that from FIG. 2 a.
  • a pressure sensor 245 is additionally provided in the hydraulic circuit, which is capable of detecting pressure changes, in particular pressure pulsations, and supplying them to the drive device 205. It is understood that the pressure sensor can also be arranged at another suitable location.
  • FIG. 3b schematically shows the sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment, as can be carried out, for example, in the drive device 205 shown in FIG. 3a.
  • the method corresponds to the method explained with reference to FIG. 2b, but with the difference that in a step 270 in the drive device the pressure or pressure changes which are measured by the pressure sensor 245 are detected.
  • a step 275 these pressure changes, in particular pressure pulsations, are supplied to a diagnosis.
  • the measured values of the sensor 225 recorded in step 260 can also be supplied to the diagnosis.
  • the frequency of the pressure pulsation can be compared with the rotational speed of the electric motor or plausible against one another. During proper operation, this frequency of the pressure pulsation and the speed of the electric motor should fit together or be plausible. In this way, further monitoring of the electro-hydraulic axis can be made.
  • errors can be detected, in particular in connection with the pump, the hydraulic fluid and the comparison values dependent thereon, which are determined in the observer or track model. If necessary, so for example.
  • the electro-hydraulic axle can be switched off or stopped.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors (200) mit positionierbarem Element (210), das mittels eines Elektromotors (220) bewegbar ist, wobei eine Betriebsgröße des Elektromotors (220) und eine Betriebsgröße des Elements (210) erfasst werden, und wobei aus der Betriebsgröße des Elektromotors (220) eine der Betriebsgröße des Elements (210) entsprechende Vergleichsgröße ermittelt wird, sowie eine Ansteuervorrichtung (205) für einen solchen Aktor (200) und einen solchen Aktor (200).

Description

Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors, Ansteuervorrichtunq und
Aktor mit positionierbarem Element
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors mit positionierbarem Element wie bspw. einer elektromechanischen oder elektrohyd- raulischen Achse, eine Ansteuervorrichtung für einen Aktor mit positionierbarem Element und einen solchen Aktor.
Stand der Technik
Bei einer elektrohydraulischen Achse handelt es sich um einen hydraulischen Antrieb mit einem Motor, einer hydraulischen Pumpe und einem hydraulischen Zylinder, bei dem eine elektrische bzw. elektronische Regelung bspw. der Position des Zylinders bzw. dessen Kolbens möglich ist. Solche elektrohydraulische Achsen werden bspw. für sog. Tiefziehpressen, Spritzgießmaschinen oder aber auch bei anderen Umformtechnikmaschinen verwendet. Ebenso gibt es elektromechanische Achsen, bei denen die Achse über den Motor und ein Getriebe angetrieben wird.
An Maschinen, bei denen eine Achse in Bewegung versetzt werden kann, werden in der Regel hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Bspw. kann vorgesehen sein, die Achse im Bedarfsfall stillsetzen zu können und die Achse in ihrer Ist-Position zu halten. Solche Bedarfs- fälle können bspw. sein, dass eine Bedienperson der sich bewegenden Achse zu nahe kommt, dass der Gefahrenbereich durch Bedienpersonal an Handarbeitsplätzen betreten werden muss, usw. Bei bestimmten Betriebsarten wie bspw. einem Einrichtbetrieb muss bspw. eine Geschwindigkeit der Achse sicher begrenzt werden können. Die Sicherheitsanforderungen, insbesondere hinsichtlich der Messung von Ist-Position und/oder Ist-Geschwindigkeit solcher Achsen werden zunehmend höher. Dies ergibt sich insbesondere aus neuen Maschinenkonzepten, die höhere Anforderungen an die Maßnahmen zur Risikoreduzierung haben. Daraus ergeben sich hohe Safety Integrity Level (SIL), die einschlägigen Vorschriften wie bspw. der DIN EN 61508, zu entnehmen. Insbesondere werden daher hohe Sicherheitsanforderungen bspw. hinsichtlich Ausfallsicherheit an die verwendeten Messgeräte wie bspw. Sensoren und dergleichen gestellt. Je höher die geforderte Sicherheitsstufe (SIL) ist, desto teurer werden allerdings die entsprechenden Messgeräte. Eine alternative Lösung wäre zwar, anstatt einem Messgerät mit hohem SIL zwei Messgerä- te für die relevante Größe mit einem geringeren SIL zu kombinieren, um dennoch die geforderte Sicherheitsstufe zu erreichen. Aber auch ein zweites Messgerät verursacht weitere Kosten.
Es ist daher wünschenswert, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur sicheren Er- mittlung von Betriebsgrößen bei einem Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, anzugeben.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung von Betriebsgrößen, eine Ansteuer- vorrichtung sowie ein Aktor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist. Dabei werden eine Betriebsgröße des Elektromotors und eine Betriebsgröße des Elements erfasst, und aus der Betriebsgröße des Elektromotors wird eine der Betriebsgröße des Elements entsprechende Vergleichsgröße ermittelt.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass bei Aktoren mit positionierbarem Element neben einem Messgerät für eine Betriebsgröße des Elements auch ein Messgerät für eine Be- triebsgröße des Elektromotors vorgesehen ist, das bspw. zur ordnungsgemäßen Ansteue- rung des Elektromotors genutzt wird. Wenn nun aus der Betriebsgröße des Elektromotors eine Vergleichsgröße ermittelt wird, die den gleichen Informationsgehalt wie die Betriebsgröße des Elements umfasst, stehen zwei, auf verschiedenem Wege gewonnene und vor allem auf verschiedenen Quellen beruhende Werte für die Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung. Bspw. kann dann also trotz eines Messgeräts für das Element mit geringerer Sicherheitsstufe durch Kombination mit der Vergleichsgröße ein Signal mit höherer Sicherheitsstufe betreffend die Betriebsgröße des Elements gewonnen werden. Ein zusätzliches Messgerät am Element oder ein teureres Messgerät mit höherer Sicherheitsstufe ist daher nicht nötig.
Vorzugsweise wird aus der Betriebsgröße des Elektromotors die Vergleichsgröße mittels eines regelungstechnischen Beobachters, eines Streckenmodells und/oder einer Wichtung ermittelt. Auf diese Weise kann die Vergleichsgröße im Sinne eines erwarteten Verhaltens des Elements besonders einfach und vor allem genau ermittelt werden. Hierzu kann bspw. ein dynamisches Modell für ein Streckenmodell oder einen Beobachter verwendet werden, für welches Modell eine Ü bertrag ungsfunktion ermittelt werden kann, welche aus einer oder mehreren Eingangsgrößen einen oder mehrere Ausgangswerte ermittelt. Eine solche Übertragungsfunktion kann bspw. als Berechnungsalgorithmus in einer Recheneinheit implementiert werden. Je nach verwendeter Art des Aktors kann möglicherweise auch eine einfache Wichtung zur Ermittlung der Vergleichsgröße ausreichend sein, so bspw. bei einer elektro- mechanischen Achse.
Vorteilhafterweise werden bei dem regelungstechnischen Beobachter, dem Streckenmodell bzw. der Wichtung Kenngrößen des Aktors berücksichtigt. Damit lässt sich eine möglichst genaue Vorausberechnung der Vergleichsgröße erreichen. Relevante Kenngrößen oder Parameter sind bspw. im Falle eines als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktors ein Pumpenfordervolumen, Abmessungen von Rohren und Schläuchen, Abmessungen von hydraulischen Zylindern und dergleichen. Bei elektromechanischen Achsen können hier bspw. Getriebeübersetzungen und dergleichen relevant sein.
Es ist von Vorteil, wenn die Betriebsgröße des Elements gegen die Vergleichsgröße plausibi- lisiert wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache Überprüfung der gemessenen Werte des Elements ohne zusätzliche Hardware. Vorzugsweise wird anhand der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße eine zweikanalige Überwachung des Aktors durchgeführt. Eine solche zweikanaligen Überwachung bedeutet hierbei, dass die relevanten Größen auf zwei voneinander getrennten Kanälen bzw. Wegen bereit gestellt werden und/oder von zwei verschiedenen Quellen stammen, wie dies auch eingangs bereits erwähnt wurde. Bspw. kann somit ein sicherer Betrieb des Aktors gewährleistet werden, indem im Rahmen einer solchen Überwachung bspw. der Betrieb des Aktors und somit auch des positionierbaren Elements gestoppt wird, falls eine Differenz der beiden Betriebsgrößen ermittelt und/oder eine festgelegte Grenze einer der beiden Betriebsgrößen oder deren Differenz überschritten wird.
Vorteilhafterweise wird anhand der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße ein sicherer Wert für die Betriebsgröße des Elements ermittelt. Unter einem sicheren Wert soll in diesem Zusammenhang ein Wert verstanden werden, der eine höhere Sicherheitsstufe (SIL) aufweist, als die für diesen Wert herangezogenen Ausgangswerte, d.h. vorliegend die Werte der Betriebsgröße des Elements und der Vergleichsgröße. Mit anderen Worten kann aus den zwei Werten mit geringerem SIL, die von Element und Motor stammen und prinzipiell in zwei getrennten Kanälen vorhanden sind, durch Kombination ein Wert mit höherem SIL ermittelt werden. Bspw. kann aus zwei SIL-2-Werten ein SIL-3-Wert ermittelt werden. Bei hinreichend genauem Vergleichswert ist es somit also möglich, ohne Austausch eines Messgeräts für die Betriebsgröße des Elements und ohne zusätzliches Messgerät eine sichere Messung mit gefordertem SIL zu erhalten.
Zweckmäßigerweise umfasst die Betriebsgröße des Elements eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung. Hierbei handelt es sich um üblicherweise erfasste Betriebsgrößen eines solchen Elements. Zur Erfassung wird bspw. ein Wegaufnehmer verwendet, mit dem nicht nur eine Position, sondern bspw. auch eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung erfasst werden können. Bspw. kann somit auch eine sichere Geschwindigkeitsermittlung und/oder Positionsermittlung des Elements durchgeführt werden.
Es weiterhin auch zweckmäßig, wenn die Betriebsgröße des Elektromotors eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Drehzahl oder einen Drehwinkel umfasst. Hierbei handelt es sich um die bei einem Elektromotor für den Betrieb relevante Betriebsgrößen. Zur Erfassung wird hier bspw. ein Motorgeber verwendet, der bei hinreichender Messgenauigkeit sowohl einen Drehwinkel als auch eine Drehzahl erfassen kann. Vorzugsweise wird als Aktor eine elektrohydraulische Achse verwendet, bei der mittels des Elektromotors und einer hydraulischen Pumpe ein das Element umfassender hydraulischer Verbraucher betrieben wird. Wie eingangs bereits beschrieben, handelt es sich bei elektro- hydraulischen Achsen um häufig verwendete Aktoren. Insbesondere durch die Hydraulik weisen elektrohydraulische Achsen eine oft sehr kompakte Bauform auf.
Vorteilhafterweise wird aus der Betriebsgröße des Elektromotors die Vergleichsgröße unter Berücksichtigung wenigstens einer Zustandsgröße der elektrohydraulischen Achse, insbe- sondere einer Temperatur, eines Drucks, einer Kompressibilität und/oder einer Leckage eines Hydraulikfluids, ermittelt. Gerade bei der Verwendung hydraulischer Komponenten spielt für die Umsetzung der Motorbewegung in die Bewegung des Elements das Hydraulikfluid bzw. dessen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Je genauer diese Eigenschaften bei der Ermittlung der Vergleichsgröße berücksichtigt werden, desto genauer stimmt die Vergleichs- große mit dem tatsächlichen Wert der zugehörigen Betriebsgröße des Elements überein.
Es ist von Vorteil, wenn weiterhin eine Druckänderung eines Hydraulikfluids erfasst wird und insbesondere für eine Überwachung des Aktors verwendet wird. Bspw. kann auf diese Weise eine Druckpulsation im Hydraulikfluid erkannt werden, die von der Hydraulikpumpe verur- sacht wird. Somit kann bspw. im Rahmen einer Diagnose auf eine mögliche Fehlfunktion der Hydraulikpumpe geschlossen werden und die Pumpe oder die gesamte elektrohydraulische Achse ggf. in einen sicheren Zustand gebracht werden.
Alternativ wird als Aktor eine elektromechanische Achse verwendet, bei der mittels des Elektromotors und eines Getriebes das Element bewegt wird. Wie eingangs bereits erwähnt, werden oftmals auch solche elektromechanische Achsen für verschiedene Anwendungen verwendet. Eine rein mechanische Übertragung der Motorbewegung in die lineare Bewegung des Elements ist bspw. wartungsarm. Eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung eignet sich für einen Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, und ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Ein erfindungsgemäßer Aktor mit positionierbarem Element, das mittels eines Elektromotors bewegbar ist, weist eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung auf. Bezüglich der Vorteile und weiterer bevorzugter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung und des erfindungsgemäßen positionierbaren Aktors sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Zweckmäßigerweise ist an dem Aktor ein Sensor zur Erfassung der Betriebsgröße des Elements und an dem Elektromotor ein Sensor zur Erfassung der Betriebsgröße des Elektromotors vorgesehen. Damit können die relevanten Betriebsgrößen, wie oben bereits mehrfach erläutert auf einfache Weise erfasst und anschließend verwendet werden.
Bevorzugte Anwendungen solcher Aktoren sind bspw. in Tiefziehpressen, Biegemaschinen, Ballenpressen, Schrottpressen, Schmiedepressen, Feinschneidpressen, Faserverbund pressen, Walzwerke, Hüttenwerke, Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen, Druckgießma- schinen, Bearbeitungszentren, Prüfmaschinen, Simulatoren, Wellenkompensatoren, Servopressen, Rohr- und Drahtbiegemaschinen, Abkantpressen, Stanz- und
Nibbelmaschinen, Stanz- und Umformautomaten, Saugertransfer- und Compactsaugerpres- sen, Reifenpressen, Reifenaufbaumaschinen, Vulkanisierpressen, Transfer- und Stufenpressen, Strangpressen, Biegezentren sowie Pulvermetallpressen
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch darge- stellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 a zeigt schematisch einen als elektromechanische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element. Figur 1 b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 2a zeigt schematisch einen als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element.
Figur 2b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Figur 3a zeigt schematisch einen als elektrohydraulische Achse ausgebildeten Aktor mit positionierbarem Element.
Figur 3b zeigt schematisch den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weite- ren bevorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 a ist schematisch ein als elektromechanische Achse 100 ausgebildeter Aktor dar- gestellt. Ein Elektromotor 120 ist über ein Getriebe 130 mit einem positionierbaren Element 1 10 verbunden. Das Getriebe 130 kann dazu bspw. eine Übersetzung über Zahnräder, Scheiben und Riemen und/oder ein Schneckengetriebe aufweisen.
Weiterhin ist eine Ansteuervornchtung 105 vorgesehen, bspw. in Form eines Antriebsreglers oder einer Sicherheitssteuerung, über welche der Elektromotor 120 angesteuert werden kann. Außerdem sind ein Sensor 1 15 zur Erfassung einer Position und/oder Geschwindigkeit als Betriebsgröße des Elements 1 10 und ein Sensor 125 zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels als Betriebsgröße des Elektromotors 120 vorgesehen. Die beiden Sensoren 1 15 und 125 sind mit der Ansteuervornchtung 105 verbunden, so dass die Ansteuervornchtung 105 die von den Sensoren gemessenen Betriebsgrößen erfassen kann. Die Verbindung der Sensoren 1 15 und 125 zur Ansteuervornchtung 105 kann kabelgebunden oder auch kabellos, bspw. über Funk erfolgen. In Figur 1 b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in Figur 1 a gezeigten Ansteuervorrichtung 105 durchgeführt werden kann, gezeigt. In Schritt 150 werden Messwerte, die vom Sensor 1 15 am positionierbaren Element 1 10 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Position oder Geschwindigkeit des Elements handeln. In einem Schritt 155 werden diese Messwerte dann einer Überwachung zugeführt bzw. es wird eine Überwachung hinsichtlich der vom Sensor 1 15 gemessenen Betriebsgröße durchgeführt.
In Schritt 160 werden Messwerte, die vom Sensor 125 am Elektromotor 120 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Drehzahl oder einen aktuellen Drehwinkel handeln. Anschließend wird in einem Schritt 161 eine Wichtung dieser Messwerte vorgenommen. In einer solchen Wichtung wird insbesondere die Überset- zung des Getriebes 130 zwischen Elektromotor 120 und Element 1 10 berücksichtigt. Ggf. kann zusätzlich auch noch ein Spiel im Getriebe 130 berücksichtigt werden, das sich je nach Bewegungsrichtung des Elements 1 10 auswirken kann. Diese gewichteten Messwerte entsprechen dann Vergleichswerten zu den in Schritt 150 bzw. vom Sensor 1 15 erfassten Messwerten. D.h. es wird bspw. aus einer Drehzahl des Elektromotors 120 eine Geschwin- digkeit des positionierbaren Elements 1 10 ermittelt. Ebenso kann aus einem Drehwinkel des Elektromotors 130 eine Position des Elements 1 10 ermittelt werden.
In den Schritten 152 und 162 können die Messwerte des Sensors 1 15 bzw. die Vergleichswerte, die durch den regelungstechnischen Beobachter bzw. das Streckenmodell gewonnen wurden, optional noch gegeneinander plausibilisiert werden. Dies kann bspw. als Diagnosefunktion zur Fehleraufdeckung bei der Messwerterfassung verwendet werden.
In einem Schritt 165 werden diese gewichteten Messwerte bzw. Vergleichswerte dann einer Überwachung zugeführt. Auf diese Weise stehen zwei Überwachungskanäle, 155 und 165, für eine Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung. Diese beiden Überwachungskanäle verwenden unterschiedliche Quellen. Somit kann bspw. durch geeignete Kombination dieser beiden Überwachungskanäle ein sicheres Signal im Sinne eines Safety Integrity Levels (SIL) zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann somit aus zwei einfachen Sensoren mit bestimmtem SIL (bspw. kein SIL, SIL 1 oder SIL 2), ein Signal mit ei- nem höheren SIL (bspw. entsprechend SIL 1 , SIL 2 oder SIL 3) zur Verfügung gestellt wer- den. Der Vorteil hierbei ist, dass kein zusätzlicher Sensor am Element bzw. kein teuerer Sensor mit höherer Sicherheitsstufe am Element benötigt wird.
In Figur 2a ist schematisch ein als elektrohydraulische Achse 200 ausgebildeter Aktor darge- stellt. Ein Elektromotor 220 ist mit einer hydraulischen Pumpe 230 verbunden. Die hydraulische Pumpe 230 wiederum ist über einen Hydraulikkreislauf mit einem hydraulischen Verbraucher, der ein positionierbares Element 210 aufweist, verbunden. Bei dem hydraulischen Verbraucher kann es sich bspw. um einen Hydraulikzylinder handeln und bei dem Element 210 dementsprechend um einen beweglichen Kolben.
Weiterhin ist eine Ansteuervorrichtung 205 vorgesehen, bspw. in Form eines Antriebsreglers oder einer Sicherheitssteuerung, über welche der Elektromotor 220 angesteuert werden kann. Außerdem sind ein Sensor 215 zur Erfassung einer Position und/oder Geschwindigkeit als Betriebsgröße des Elements 210 und ein Sensor 225 zur Erfassung einer Drehzahl und/oder eines Drehwinkels als Betriebsgröße des Elektromotors 220 vorgesehen.
Die beiden Sensoren 215 und 225 sind mit der Ansteuervorrichtung 205 verbunden, so dass die Ansteuervorrichtung 205 die von den Sensoren gemessenen Betriebsgrößen erfassen kann. Die Verbindung der Sensoren 215 und 225 zur Ansteuervorrichtung 205 kann kabel- gebunden oder auch kabellos, bspw. über Funk erfolgen.
In Figur 2b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in Figur 2a gezeigten Ansteuervorrichtung 205 durchgeführt werden kann, gezeigt.
In Schritt 250 werden Messwerte, die vom Sensor 215 am positionierbaren Element 210 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Position oder Geschwindigkeit des Elements handeln. In Schritt 260 werden Messwerte, die vom Sensor 225 am Elektromotor 220 gemessen werden, erfasst bzw. empfangen. Bspw. kann es sich hierbei um eine aktuelle Drehzahl oder einen aktuellen Drehwinkel handeln. Anschließend werden diese Messwerte in einem Schritt 261 einem regelungstechnischen Beobachter und/oder einem Streckenmodell zugeführt. In einem solchen regelungstechnischen Beobachter oder Streckenmodell werden bspw. Kenngrößen bzw. Parameter der hydraulischen Achse 200 berücksichtigt. Hierzu gehören bspw. ein Pumpenfördervolumen der hydraulischen Pumpe 230, Abmessungen von Rohren und Schläuchen im hydraulischen Kreislauf und Abmessungen des hydraulischen Zylinders und des Kolbens bzw. des Elements 1 10. Weiterhin können bspw. auch eine Kompressibilität des Hydraulikfluids und vor allem auch Leckagen im Hydraulikkreislauf berücksichtigt werden. Weiterhin können Zustandsgrößen wie bspw. Temperatur und Druck der hydraulischen Achse bzw. des Hydraulikfluids berücksichtigt werden, um genauere Vergleichswerte zu erhalten.
Diese Kenngrößen bzw. Parameter können bspw. in Tabellen hinterlegt werden, mittels derer Ein- und Ausgangswerte des Streckenmodells abgebildet werden. Werte für eine solche Tabelle können bspw. auch in einem oder mehreren Lernzyklen ermittelt und/oder angepasst werden. Ebenso ist eine arithmetische Berechnung denkbar.
Diese gewichteten Messwerte entsprechen dann Vergleichswerten zu den in Schritt 250 bzw. vom Sensor 215 erfassten Messwerten. D.h. es wird bspw. aus einer Drehzahl des Elektromotors 220 eine Geschwindigkeit des positionierbaren Elements 210 ermittelt. Ebenso kann aus einem Drehwinkel des Elektromotors 230 eine Position des Elements 210 ermit- telt werden.
In den Schritten 252 und 262 können die Messwerte des Sensors 215 bzw. die Vergleichswerte, die durch den regelungstechnischen Beobachter bzw. das Streckenmodell gewonnen wurden, optional noch gegeneinander plausibilisiert werden. Dies kann bspw. als Diagnose- funktion zur Fehleraufdeckung bei der Messwerterfassung verwendet werden.
In einem Schritt 255 werden die Messwerte dann einer Überwachung zugeführt bzw. es wird eine Überwachung hinsichtlich der vom Sensor 215 gemessenen Betriebsgröße durchgeführt. In einem Schritt 265 werden die Vergleichswerte ebenfalls einer Überwachung zuge- führt.
Auf diese Weise stehen zwei Überwachungskanäle, 255 und 265, für eine Betriebsgröße des positionierbaren Elements zur Verfügung, wie dies auch schon in Bezug auf die Figuren 1 a und 1 b erläutert wurde. Insbesondere stehen hier auch die gleichen Möglichkeiten mit den genannten Vorteilen hinsichtlich einer sicheren Überwachung zur Verfügung. In Figur 3a ist schematisch ein als elektrohydraulische Achse 200 ausgebildeter Aktor dargestellt, der im Wesentlichen dem aus Figur 2a entspricht. Dabei ist zusätzlich ein Drucksensor 245 im Hydraulikkreislauf vorgesehen, der dazu in der Lage ist, Druckänderungen, insbe- sondere Druckpulsationen zu erfassen und der Ansteuervorrichtung 205 zuzuführen. Es versteht sich, dass der Drucksensor auch an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet sein kann.
In Figur 3b ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weite- ren bevorzugten Ausführungsform, wie es bspw. in der in Figur 3a gezeigten Ansteuervorrichtung 205 durchgeführt werden kann, gezeigt. Im Wesentlichen entspricht das Verfahren dem in Bezug auf Figur 2b erläuterten Verfahren, jedoch mit dem Unterschied, dass in einem Schritt 270 in der Ansteuervorrichtung der Druck bzw. Druckänderungen, die vom Drucksensor 245 gemessen werden, erfasst werden.
In einem Schritt 275 werden diese Druckänderungen, insbesondere Druckpulsationen, einer Diagnose zugeführt. Zudem können der Diagnose auch die in Schritt 260 erfassten Messwerte des Sensors 225 zugeführt werden. Insbesondere kann hierbei die Frequenz der Druckpulsation mit der Drehzahl des Elektromotors verglichen bzw. gegeneinander plausibi- lisiert werden. Bei einem ordnungsgemäßen Betrieb sollten diese Frequenz der Druckpulsation und die Drehzahl des Elektromotors zueinander passen bzw. plausibel sein. Auf diese Weise können auch weitere Überwachungen der elektrohydraulischen Achse vorgenommen werden. Insbesondere können Fehler entdeckt werden, insbesondere in Zusammenhang mit der Pumpe, dem Hydraulikfluid und der davon abhängigen Vergleichswerte, die im Beobach- ter bzw. Streckenmodell ermittelt werden. Bei Bedarf kann so bspw. die elektrohydraulische Achse abgeschaltet bzw. stillgesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von Betriebsgrößen eines Aktors (100, 200) mit
positionierbarem Element (1 10, 210), das mittels eines Elektromotors (120, 220) bewegbar ist,
wobei eine Betriebsgröße des Elektromotors (120, 220) und eine Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) erfasst werden, und
wobei aus der Betriebsgröße des Elektromotors (120, 220) eine der Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) entsprechende Vergleichsgröße ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei aus der Betriebsgröße des Elektromotors (120, 220) die Vergleichsgröße mittels eines regelungstechnischen Beobachters (261 ), eines Streckenmodells und/oder einer Wichtung (161 ) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei dem regelungstechnischen Beobachter (261 ), dem Streckenmodell bzw. der Wichtung (161 ) Kenngrößen des Aktors (100, 200) berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) gegen die Vergleichsgröße plausibilisiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei anhand der Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) und der Vergleichsgröße eine zweikanalige Überwachung des Aktors (100, 200) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei anhand der Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) und der Vergleichsgröße ein sicherer Wert für die Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Betriebsgröße des Elektromotors (120, 220) eine Bewegungsgröße, insbesondere eine Drehzahl oder einen Drehwinkel umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Aktor (200) eine elekt- rohydraulische Achse verwendet wird, bei der mittels des Elektromotors (220) und einer hydraulischen Pumpe (230) ein das Element (210) umfassender hydraulischer Verbraucher betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei aus der Betriebsgröße des Elektromotors (220) die Vergleichsgröße unter Berücksichtigung wenigstens einer Zustandsgröße der elektrohyd- raulischen Achse (200), insbesondere einer Temperatur, eines Drucks, einer Kompressibilität und/oder einer Leckage eines Hydraulikfluids, ermittelt wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei weiterhin eine Druckänderung eines Hydraulikfluids erfasst wird und insbesondere für eine Überwachung des Aktors (200) verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Aktor (100) eine elektrome- chanische Achse verwendet wird, bei der mittels des Elektromotors (120) und eines Getriebes (130) das Element (1 10) bewegt wird.
13. Ansteuervorrichtung (105, 205) für einen Aktor (100, 200) mit positionierbarem Element (1 10, 210), das mittels eines Elektromotors (120, 220) bewegbar ist, wobei die An- Steuervorrichtung (105, 205) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
14. Aktor (100, 200) mit positionierbarem Element (1 10, 210), das mittels eines Elektromotors (120, 220) bewegbar ist, mit einer Ansteuervorrichtung (105, 205) nach Anspruch 13.
15. Aktor (100, 200) nach Anspruch 14, wobei an dem Element (1 10, 210) ein Sensor
(1 15, 215) zur Erfassung der Betriebsgröße des Elements (1 10, 210) und an dem Elektromotor (120, 220) ein Sensor (125, 225) zur Erfassung der Betriebsgröße des Elektromotors (120, 220) vorgesehen ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6584367B1 (en) * 1999-07-02 2003-06-24 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Stage position control method and stage position control apparatus capable of improving positioning precision
WO2015063912A1 (ja) * 2013-10-31 2015-05-07 エンシュウ株式会社 位置決め精度の設定方法、位置決め精度設定装置および位置決め精度の設定プログラム

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