Maschine und Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit einer nicht linearen Bewegung eines Maschinenelements

Abstract

 Bei einer Maschine mit einem Exzenterantrieb, bei dem ein erster Motor (1; 1') ein Exzenterelement (2; 2') in eine Drehbewegung einer bestimmten Drehrichtung versetzt, wobei das Exzenterelement (2; 2') ein mechanisch mit dem Exzenterelement (2; 2') gekoppeltes Maschinenelement (3; 3') antreibt und in eine Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung versetzt, soll die Genauigkeit der Bewegung des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') verbessert werden. Hierzu wird das angetriebene Maschinenelement (3; 3') zusätzlich mit wenigstens einem Linearmotor (5A, 5B; 5A', 5B') gekoppelt, der neben dem ersten Motor (1; 1') ebenfalls das angetriebene Maschinenelement (3, 3') antreibt. Durch die Aufteilung der Bewegungsaufgabe auf zwei Antriebe lässt sich die Genauigkeit der Bewegung des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') erhöhen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem Exzenterantrieb, wobei ein erster Motor ein Exzenterelement in eine Drehbewegung einer bestimmten Drehrichtung versetzt und wobei das Exzenterelement ein mechanisch mit dem Exzenterelement gekoppeltes Maschinenelement antreibt und in eine Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung versetzt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit einer nicht-linearen Bewegung eines angetriebenen Maschinenelements einer derartigen Maschine.

[0002] Häufig führen bestimmte Maschinenelemente einer Maschine, z.B. Werkzeuge, Bewegungen mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung aus. Dies können z.B. lineare Bewegungen (auf und ab, vor und zurück) sein, z.B. bei einem Presszylinder einer Presse, oder Bewegungen entlang eines Kreisbogens, z.B. bei einem Schneidwerkzeug. Der Antrieb erfolgt dabei oft mittels eines Exzenterantriebs, bei dem ein von einem Motor angetriebenes und in einer bestimmten Drehrichtung rotierendes Exzenterelement (Exzenterscheibe, Exzenterwelle, Exzenterstange, Kurbel usw.) mittels einer geeigneten Mechanik (Schubstange, Schleppkurbel usw.) die rotierende Bewegung in die gewünschte Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung überträgt.

[0003] Der Vorteil eines derartigen Aufbaus einer Maschine liegt darin, dass sich bei hohen Drehzahlen des rotierenden Systems mit hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten verbundene Bewegungen des Maschinenelements realisieren lassen, ohne dass der Antrieb die zur jeweiligen Bewegungsumkehr des Maschinenelements benötigte Wechselleistung aufbringen muss. Stattdessen wird diese Wechselleistung zum Großteil im mechanischen System gepuffert. Hierfür hat das Exzenterelement vorteilhaft die für die jeweilige Maschine bzw. den Antrieb der Maschine erforderliche Schwungmasse.

[0004] Bei hohen Drehzahlen des antreibenden Motors und entsprechend häufigen Richtungswechseln des angetriebenen Maschinenelements leidet jedoch die Genauigkeit der Bewegung des angetriebenen Maschinenelements. Die innerhalb des mechanischen Systems auftretenden dynamischen Kräfte führen zu Verformungen und es können Eigenfrequenzen angeregt werden. Eine Steigerung der Motordrehzahl über eine bestimmte Drehzahl hinaus scheitert bei praktischen Anwendungen oft daran, dass die geforderte Genauigkeit der Bewegung des angetriebenen Maschinenelements nicht mehr gewährleistet werden kann. Dies liegt insbesondere daran, dass die auf das angetriebene Maschinenelement einwirkenden Beschleunigungskräfte in etwa im Quadrat mit der Drehzahl wachsen.

[0005] Aus der Offenlegungsschrift EP 2 174 748 A1 sind eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines Maschinenelements einer Werkzeugmaschine bekannt, bei denen ein Maschinenelement mittels eines ersten Motors in einer Verfahrrichtung über ein Getriebe verfahrbar ist, wobei ein zweiter Motor vorgesehen ist, mittels dessen eine Kraft in Verfahrrichtung des Maschinenelements auf das Maschinenelement ausübbar ist. Dabei ist der zweite Motor als Linearmotor ausgebildet, der direkt, d.h. ohne ein zwischen diesem Motor und dem Maschinenelement zwischengeschaltetes Getriebe, die Kraft auf das Maschinenelement ausübt.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Genauigkeit der Bewegung eines periodisch mit wechselnder Bewegungsrichtung bewegten Maschinenelements zu verbessern.

[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Maschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ferner wird die Aufgabe mit den im Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrensschritten gelöst.

[0008] Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Bewegungsaufgabe auf zwei Antriebe verteilt wird. Ein erster Motor versetzt ein Exzenterelement in Rotation, d.h. in eine rotierende Drehbewegung einer bestimmten Drehrichtung. Vorteilhaft ist das Exzenterelement als Exzenterscheibe ausgebildet und weist eine bestimmte Schwungmasse auf. Über eine geeignete Kinematik, beispielsweise die Ausbildung des Exzenterelements als Exzenterscheibe, wird die Grundbewegung des angetriebenen Maschinenelements mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung hergestellt. Dabei lässt sich insbesondere bei hohen Drehzahlen nicht die gewünschte Genauigkeit der Bewegung erreichen. Gemäß der Erfindung wird die gewünschte Genauigkeit dadurch erreicht, dass an dem angetriebenen Maschinenelement ein Linearmotor wirkt. Vorteilhaft erfasst ein Messsystem die Bewegung des angetriebenen Maschinenelements, vergleicht die Messwerte mit vorgegebenen Sollwerten und steuert über einen Antriebsregelkreis den Linearmotor derart an, dass dieser die zur Korrektur der Bewegung erforderliche Kraft erzeugt. Da die Grundbewegung bereits vorhanden ist, sind Beschleunigungs- bzw. Bremskräfte durch den Linearmotor für die Grundbewegung nicht aufzubringen. Es müssen nur die Kräfte zur Korrektur der Bewegung erzeugt werden.

[0009] Die Erfindung bietet den Vorteil, dass damit kürzere Zykluszeiten bei der Bewegung des angetriebenen Maschinenelements erreicht werden und damit die Produktivität der Maschine gegenüber einer Maschine mit konventionellem Antrieb erhöht wird. Ein weiterer Vorteil ist die schnelle und einfache Änderbarkeit der Sollkurven in der Steuerung gegenüber der bislang notwendigen aufwändigen Änderung mechanischer Elemente.

[0010] Liegt die Bewegungsfrequenz des angetriebenen Maschinenelements oberhalb der Eigenfrequenz, mit der das angetriebene Maschinenelement gegenüber der Kinematik bzw. Gegenüber dem Exzenterelement schwingt, sind die Kräfte zur Korrektur der Bewegung nur die Trägheitskräfte des angetriebenen Maschinenelements.

[0011] Vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung bei dem verwendeten Linearmotor das bekannte Prinzip der Impulsentkopplung eingesetzt.

[0012] Ferner kann es vorteilhaft sein, das Exzenterelement weich zu lagern, so dass der Linearmotor zur Korrektur das ganze System (einschließlich dem Exzenterelement) bewegen kann und bei sonst steifer Mechanik nicht gegen die Lagerkräfte ankämpft, insbesondere wenn die Eigenfrequenz des Gesamtaufbaus unterhalb der Drehzahl des ersten Motors liegt.

[0013] Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, nur das angetriebene Maschinenelement "weich" anzubinden, so dass deren Eigenfrequenz unterhalb der Drehzahl liegt. Auch wäre es denkbar, die Eigenfrequenz des angetriebenen Maschinenelements genau der Drehzahl anzugleichen, so dass die Kräfte zur Korrektur klein wären, da das System bei dieser Frequenz mit großen Amplituden bei kleiner Krafteinleitung reagiert.

[0014] Auch für den erfindungsgemäßen Antrieb des angetriebenen Maschinenelementes durch einen (zusätzlichen) Linearmotor gibt es mehrere Möglichkeiten. Bei einer Ausführungsform ist das angetriebene Maschinenelement mechanisch mit einem Linearmotor gekoppelt, wobei der gesamte Linearmotor als separate Baueinheit ausgebildet ist und ein eigenes Motorgehäuse umfasst. Bei einer anderen Ausführungsform ist bei dem Linearmotor, der einen Ständer und einen Läufer umfasst, der Läufer direkt an dem angetriebenen Maschinenelement befestigt. Das angetriebene Maschinenelement bildet damit sozusagen gleichsam den Läufer des Linearmotors. Dadurch können mechanische Verbindungselemente entfallen, wodurch sich die Bewegung des angetriebenen Maschinenelements noch genauer steuern lässt. Außerdem führt die Doppelfunktion des angetriebenen Maschinenelements zu einer Reduzierung des Platzbedarfes und zu einer Kostenreduktion.

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine,

FIG 2

eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine, und

FIG 3

ein Strukturbild zur Regelung einer erfindungsgemä-βen Maschine.

[0016] Bei der erfindungsgemäßen Maschine gemäß Figur 1 versetzt ein Motor 1 eine Exzenterscheibe 2 in eine Drehbewegung einer bestimmten Drehzahl (Drehfrequenz). Eine Schubstange 4 überträgt die Drehbewegung der Exzenterscheibe 2 auf ein Werkzeug 3, das durch seitliche Führungen 7 geführt wird und daher lediglich eine periodische Auf- und Abbewegung ausführt. Bei dem Werkzeug 3 handelt es sich z.B. um einen Presszylinder einer Presse. Um eine geforderte Genauigkeit bei der Auf- und Abbewegung des Werkzeugs 3 einhalten zu können, ist an dem Werkzeug 3 erfindungsgemäß direkt ein Läufer 5B eines Linearmotors befestigt, der zusammen mit einem Ständer 5A den Linearmotor 5A, 5B bildet.

[0017] Zur Regelung des Antriebsstroms und damit der Antriebskraft des Linearmotors 5A, 5B, ist eine Steuer- und Regeleinrichtung 10 vorhanden, in die der mittels eines Sensors 8 in Verbindung mit einem Maßstab 9 erfasste Istwert der Position des Werkzeugs 3 eingeht. Die Steuer- und Regeleinrichtung 10 ermittelt aus einem Vergleich des Istwerts mit einem vorgegebenen Sollwert geeignete Betriebsparameter zur Ansteuerung des Linearmotors 5A, 5B. Ferner steuert die Steuer- und Regeleinrichtung 10 auch die Drehzahl des Motors 1.

[0018] Ein gegenüber Figur 1 leicht abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Figur 2. Auch dabei treibt ein Motor 1' eine Exzenterscheibe 2' an, die in Verbindung mit weiteren mechanischen Elementen eine Rotationsbewegung mit einer bestimmten Drehzahl (Drehfrequenz) in eine Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung überführt. Im Unterschied zu Figur 1 führt hier jedoch ein über eine Schubstange 4' angetriebenes Werkzeug 3', z.B. ein Schneidwerkzeug, eine Hin- und Her- Bewegung (Schwenkbewegung) entlang einer Kreisbahn aus. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist auch hier das Werkzeug 3' mit einem Läufer 5B' verbunden, der zusammen mit einem Ständer 5A' einen Linearmotor 5A', 5B' bildet. Auch dabei wird die exakte Position des Werkzeugs 3' mittels eines Sensors 8' in Verbindung mit einem Maßstab 9' ermittelt und an eine Steuer- und Regeleinrichtung 10' übermittelt, die aus einem Vergleich mit einem Sollwert bezüglich der aktuellen Position Regelparameter zur Ansteuerung des Linearmotors 5A', 5B' erzeugt.

[0019] Die im Prinzip anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen von Maschinen lassen sich bei einer Vielzahl von Produktionsmaschinen, beispielsweise bei Textil-, Verpackungs- oder Werkzeugmaschinen, anwenden. Insbesondere verlaufen bei Webmaschinen die Bewegung des Webblattes entlang eines Kreisbogens und die der Webschäfte linear auf und ab. Bei Wirkmaschinen verläuft die Bewegung der Nadelbarren mit den Wirknadeln entlang eines Kreisbogens oder linear bzw. die Bewegung der Lochnadel entlang eines Kreisbogens mit überlagerter seitlicher Auslenkung. Die Vorteile der Erfindung sind bei diesen Anwendungen eine Erhöhung der Produktivität und der Flexibilität. Es können damit nämlich einerseits mehr Stoff (Fläche pro Zeiteinheit) und andererseits, da die entsprechenden Maschinen nicht mechanisch auf ein bestimmtes Artikelspektrum begrenzt sind, auch Stoffe mit anderen Eigenschaften (Maschengröße, Anzahl Maschen pro Zentimeter Fadeneinlauf, Schuss pro Zentimeter, Flächengewicht usw.) auf der gleichen Maschine produziert werden.

[0020] Figur 3 zeigt ein Beispiel zur regelungstechnischen Anpassung der dynamischen Steifigkeit an eine Störfrequenz. Um Regelungstechnisch eine Anpassung der dynamischen Steifigkeit an Störfrequenzen zu erreichen, kann vorteilhaft eine Vorgehensweise angelehnt an das bekannte Regelungsverfahren "Internal Model Control" (IMC) angewendet werden.

[0021] Lässt sich eine Störgröße als homogene Lösung einer Differentialgleichung beschreiben, kann man vorteilhaft einen Regler, der nach dem IMC-Prinzip arbeitet, anwenden. Die Differentialgleichung muss dann in den Regelalgorithmus integriert werden. Dabei sind Stabilität und hinreichende Dämpfung des Regelkreises sicherzustellen. Erreicht wird letztendlich, dass für die Störfrequenz die Regelabweichung im stationären Zustand verschwindet. Beispielsweise sei f₀ eine kritische Störfrequenz. Dann lassen sich alle möglichen Signalverläufe einer harmonischen Schwingung durch den Lösungsraum der homogenen Differentialgleichung


beschreiben. Wird diese Differentialgleichung im Regelalgorithmus berücksichtigt, so ist die regelungstechnische Steifigkeit bei dieser Frequenz f₀ unendlich. Figur 3 zeigt eine mögliche Struktur. Das Element mit der Übertragungsfunktion


erzeugt bei stabilem Regelkreis eine verschwindende Regeldifferenz bei der Frequenz f₀. Der Regler R(s) stabilisiert den Regelkreis und setzt weitere Regelziele (z.B. stationäre Genauigkeit durch einen Integrator) durch. G(s) bezeichnet in Figur 3 die Regelstrecke.

Ansprüche

1. Maschine mit einem Exzenterantrieb, wobei ein erster Motor (1; 1') ein Exzenterelement (2; 2') in eine Drehbewegung einer bestimmten Drehrichtung versetzt und wobei das Exzenterelement (2; 2') ein mechanisch mit dem Exzenterelement (2; 2') gekoppeltes Maschinenelement (3; 3') antreibt und in eine Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung versetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Maschinenelement (3; 3') zusätzlich mit wenigstens einem Linearmotor (5A, 5B; 5A', 5B') gekoppelt ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, wobei das Exzenterelement (2; 2') als Exzenterscheibe ausgebildet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, wobei das Exzenterelement (2; 2') als Exzenterstange ausgebildet ist.

4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Exzenterelement (2; 2') weich gelagert ist.

5. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Exzenterantrieb wenigstens ein elastisches Element enthält.

6. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Linearmotor (5A, 5B; 5A', 5B') einen Ständer (5A; 5A') und einen Läufer (5B; 5B') umfasst und der Läufer (5B; 5B') direkt an dem angetriebenen Maschinenelement (3; 3') befestigt ist.

7. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschine wenigstens ein Sensorelement (8; 8') umfasst, durch das die Position des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') erfassbar ist.

8. Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Maschine wenigstens eine Steuer- und Regeleinrichtung (10; 10') umfasst, mittels der der Linearmotor (5; 5') derart ansteuerbar ist, dass eine Abweichung des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') von einer vorgebbaren Sollposition kleiner als ein vorgebbarer Differenzwert ist.

9. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit einer nicht-linearen Bewegung eines angetriebenen Maschinenelements (3; 3'), wobei ein Exzenterelement (2; 2') durch einen ersten Motor (1; 1') in eine Drehbewegung einer bestimmten Drehrichtung versetzt wird und wobei ein mechanisch mit dem Exzenterelement (2; 2') gekoppeltes Maschinenelement (3; 3') durch das Exzenterelement (2; 2') angetrieben und in eine Bewegung mit periodisch wechselnder Bewegungsrichtung versetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Maschinenelement (3; 3') zusätzlich durch einen Linearmotor (5A, 5B; 5A', 5B') angetrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Linearmotor (5A, 5B; 5A', 5B') mittels einer Regeleinrichtung (10; 10') derart angesteuert wird, dass eine Abweichung der Position des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') von einer vorgegebenen Sollposition kleiner als ein vorgebbarer Differenzwert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Regeleinrichtung (10; 10') einen Regelalgorithmus ausführt, durch den die Abweichung der Position des angetriebenen Maschinenelements (3; 3') von einer Sollposition für eine bestimmte Solldrehzahl des ersten Motors (1; 1') minimiert wird.

Zeichnung