Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Verfahren dieser Art werden typischerweise in für hohe Genauigkeit ausgelegte Werkzeugmaschinen eingesetzt. Für diese wird regelmässig gefordert, dass eine für ein Werkstück vorgegebene Sollkontur mit der tatsächlich erzeugten Kontur präzise übereinstimmt. Besonders schwierig ist die Einhaltung dieser !bereinstimmung, wenn eine Bearbeitung die Umkehr der Bewegungsrichtung eines Antriebes erfordert. Eine solche Situation liegt beispielsweise vor, wenn ein entlang zweier Achsen mit jeweils eigenem Antrieb bewegliches Werkzeug eine Kreisbahn ausführen soll. Aufgrund der bei mechanischen Systemen stets vorhandenen Anfahrreibungskraft, welche der Bewegung entgegenwirkt, verharrt dabei der jeweils betroffene Antrieb bei jedem Richtungswechsel kurzfristig in einer Haftphase.
Er reisst sich erst los, wenn das auf die Achse wirkende Moment gr²sser ist als das reibungsbedingte Losbrechmoment. Infolge dieses Verhaltens kommt es bei Richtungswechselpunkten zu unerwünschten dynamischen Bahnabweichungen. Um solche zu vermeiden, ist es bekannt, auf den Antriebsregelkreis ein Kompensationssignal aufzuschalten, welches die Anfahrreibung kompensiert. Hauptschwierigkeit bei dieser Anordnung ist die Ermittlung eines geeigneten Kompensationssignals. Bekannte L²sungen, wie etwa die aus der EP-A 460 224, beruhen auf dem Prinzip eines geschlossenen Regelkreises, d.h. der Wert der Reibungskompensation ergibt sich aus einer zurückgeführten Ausgangsgr²sse des Antriebsregelkreises. Nicht zufriedenstellend an dieser L²sung ist, dass die Wirkung der Anfahrreibungskompensation von der Einstellung des Antriebsregelkreises abhängt.
Anfahrreibungskompensation und Regelkreiseinstellung müssen deshalb sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Weil es sich bei der Anfahrreibungskompensation um einen nicht linearen Eingriff in den Regelkreis handelt, k²nnen bereits kleine nderungen der Regelkreiseinstellung die Wirkung der Anfahrreibungskompensation nachhaltig verändern.
Eine M²glichkeit, die sich bei Einbindung der Anfahrreibungskompensation in den Antriebsregelkreis ergebenden Schwierigkeiten zu vermeiden, besteht darin, eine kennliniengestützte Anfahrreibungskompensation durchzuführen, welche bei der Ermittlung des Anfahrreibungskompensationssignals ohne aus dem Regelkreis zurückgeführte Gr²ssen auskommt. Das Kompensationsergebnis hängt dabei allerdings massgeblich von der Güte der verwendeten Kennlinie ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches die einfache Ermittlung einer Geschwindigkeits-Kompensationskraft-Kennlinie gestattet.
Diese Aufgabe wird gel²st durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Das erfindungsgemässe Verfahren kann vorteilhaft im Rahmen einer automatischen Inbetriebnahme durchgeführt werden. Es gestattet eine sehr gute Kompensation der Anfahrreibung. Das Verfahren eignet sich dadurch insbesondere für Ultrapräzisionsmaschinen, vorteilhaft in Verbindung mit einer Vorsteuerung. Ein grosser Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht ferner darin, dass es ohne ein Prozessmodell des Antriebsregelkreises auskommt. Es kann dadurch für regelungstechnisch beliebig strukturierte Antriebe eingesetzt werden. Dies erlaubt insbesondere auch Nachrüstung auf vorhandene Antriebssysteme.
Vorteilhaft ist es, das vorgeschlagene Verfahren iterativ so oft zu wiederholen, bis das ermittelte Kompensationssignal bei erneuter Wiederholung keine nderung mehr erfährt. Als ben²tigte Kenngr²ssen zur Beschreibung der sich ohne vollständige Kompensation einstellenden Anfahrreibung werden zweckmässig die Stillstandszeit eines Antriebs in der Umkehrlage sowie der maximale Bahnfehler in den Umkehrlagen angezogen. Vorteilhaft werden sie in einem sog. "Reverse"-Test ermittelt. Dabei fährt die Werkzeugmaschine eine "cosinus"-f²rmige Bahn mit vorgegebener Amplitude und vorgegebener Geschwindigkeit ab. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt die Defuzzyfizierung der gemäss unscharfen Regeln verknüpften Zugeh²rigkeitsfunktionswerte durch eine einfache Mittelwertbildung.
Vorteilhaft ist es schliesslich, die ermittelten Kompensationssignale direkt auf den Stromregelkreis aufzuschalten.
Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens,
Fig. 2 in einem "Reverse"-Test aufgenommene Messkurven für den Geschwindigkeitsverlauf und die Bahnabweichung,
Fig. 3 Zugeh²rigkeitsfunktionen für die Stillstandszeit und den maximalen Nachlauffehler,
Fig. 4 ein mehrwertiges Regelwerk zur unscharfen Verknüpfung der Stillstandszeit und dem maximalen Bahnfehler zu einem Kompensationssignal,
Fig. 5 eine Blockdarstellung eines zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeigneten Antriebssystems.
Beschreibung
Fig. 5 zeigt als Blockschaubild in vereinfachter Form den Aufbau einer Antriebsanordnung, für welche das vorgeschlagene Verfahren mit konzipiert ist. Sie weist einerseits einen bekannten Regelkreis mit den Elementen Lage-/Drehzahlregelung 52, Stromregelung 55 sowie Antrieb 53 auf. Der Lage-/Drehzahlregelung 52 sind an der Eingangsseite Sollwerte für die Drehzahl vSoll und die Lage xSoll zugeführt. Ferner sind ihr die sich am Ausgang des Antriebs 53 einstellenden Istwerte für Drehzahl vIst und Lage xIst zurückgeführt. Aufgrund der jeweils sich einstellenden Regeldifferenzen für Drehzahl vSoll - vIst und Lage xSoll - xIst bestimmt die Lage-/Drehzahlregelung 52 einen Momentensollwert, welchen sie über seine Momentenstelle 54 der Stromregelung 55 zuführt. Dieser ist ferner das im Antrieb 53 abgegriffene Signal für den Iststromwert IIst zurückgeführt.
Neben dem Antriebsregelkreis weist die in Fig. 5 dargestellte Anordnung weiterhin einen Kompensator 51 zur Kompensation der Anfahrreibung sowie eine Inbetriebnahmeeinrichtung 50 auf. Letzterer sind eingangsseitig die sich am Ausgang des Antriebs 53 einstellenden Istwerte für Drehzahl vIst und Lage xIst zurückgeführt. Ausgangsseitig ist sie zum einen mit den Solldrehzahl vSoll bzw. Solllage xSoll-Eingängen der Lage-/Drehzahlregelung 52 verbunden. !ber einen weiteren Ausgang ist sie ferner mit einem Kompensator 51 zur !bertragung eines ermittelten Kompensationssignales k verbunden. Dem Kompensator 51 sind neben dem Signal k von der Inbetriebnahmeeinrichtung 50 ferner ebenfalls die Sollwertsignale für Drehzahl vSoll und Lage xSoll zugeführt. Ausgangsseitig ist der Kompensator 51 mit der Momentenschnittstelle 54 verbunden.
Der Antriebsregelkreis 52 bis 55 wird in bekannter Weise betrieben. Zur Vermeidung von Bahnfehlern, welche durch die dem Einsetzen einer Bewegung entgegenwirkende Haftreibung bedingt sind, wird an Bahnpunkten, wo ein Antrieb aus einer Stillstandslage in eine Bewegung übergeht, ein Kompensationssignal FK an der Momentenschnittstelle 54 auf den Antriebsregelkreis aufgeschaltet. Die Gr²sse des jeweils aufzuschaltenden Kompensationssignales FK bestimmt der Kompensator 51 anhand einer Kompensationssignal-Kennlinie, welche jedem Sollwert VSoll beziehungsweise XSoll ein Kompensationsmoment zuordnet. Sie wird mithilfe der Inbetriebnahmeeinrichtung 50 ermittelt.
Fig. 1 zeigt als Flussdiagramm die wesentlichen Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens zur Ermittlung einer Sollwert-Kompensationsmoment-Kennlinie. Im ersten Verfahrensschritt 10 werden zunächst geeignete Parameter für die Durchführung des Kompensationssignal-Ermittlungsverfahrens bestimmt. Insbesondere werden dabei Amplitude, Frequenz und Dauer der für die Ermittlung der Kenngr²ssen ben²tigten Testsignale festgelegt. Falls m²glich und erforderlich wird weiterhin die Eckfrequenz zur Filterung der erhaltenen Messkurven vorgegeben, zweckmässig so, dass eine robuste automatische Inbetriebnahme erfolgen kann. Des Weiteren wird ein Initialisierungskompensationssignal K0 festgelegt. Zweckmässig dient zur Initialisierung das für den Antrieb vorgegebene Nominalmoment. Es beträgt typischerweise zwischen 5% und 20% vom Nennmoment des Antriebes.
Als Voreinstellung für K0 ist deshalb in der Regel ein Wert von z.B. 10% des Wertes des Antriebsnennmomentes angebracht.
Im folgenden Schritt 11 werden wenigstens zwei Kenngr²ssen ermittelt, welche den sich mit dem Initialisierungskompensationssignals K0 einstellenden Anfahrreibunseffekt beschreiben. Zweckmässig geschieht dies in einem "Reverse"-Test. Hierunter wird eine bekannte Messmethode zur Untersuchung der Vorschubeigenschaften eines Antriebes während einer Reversierbewegung verstanden, eine Darstellung findet sich zum Beispiel in dem Projektbericht "Untersuchung von hochgenauen, langsam laufenden Vorschubantrieben für den Submikrometerbereich" der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik, DE, Aachen, 1990. Beim "Reverse"-Test wird ein durch zwei Antriebe bewegter Schlitten entlang einer "cosinus"-f²rmigen Bahn bewegt. Die entsprechenden Bahnsollwerte vSoll und xSoll werden von der Inbetriebnahmeeinrichtung 50 erzeugt und der Lage-/Drehzahlregelung 51 zugeführt.
Sie werden ferner von der Inbetriebnahmeeinrichtung 50 aufgezeichnet. Während der Bewegung des Schlittens erfasst die Inbetriebnahmeeinrichtung 50 weiterhin die sich einstellenden Istwerte vIst und xIst und zeichnet diese ebenfalls auf. Durch Analyse der aufgezeichneten Bahndaten werden sodann wenigstens zwei Kenngr²ssen zur Beschreibung des aufgetretenen Anfahrreibungseffektes ermittelt. Die Ermittlung zweier hierfür besonders gut geeigneter Kenngr²ssen ist in Fig. 2 veranschaulicht. Im oberen Teil der Figur ist die erfasste Istgeschwindigkeit vIst über der Messzeit t aufgetragen. Jeweils im Anschluss an einen Nulldurchgang des Geschwindigkeitsverlaufes kann aus der Messkurve in einfacher Weise eine von der vorhandenen Anfahrreibungskraft abhängige Haltezeit TRv bzw. TRr abgelesen werden.
TRv und TRr entsprechen jeweils einer Zeit, innerhalb derer sich der Schlitten in den Umkehrlagen nahezu nicht bewegt. Zur numerischen Bestimmung dieser Zeiten wird das Geschwindigkeitsmesssignal softwaremässig ausgewertet. Hierbei werden betragsmässig kleine Geschwindigkeitsschwellen um den Wert Vist = 0 definiert. Das Verlassen der negativen Schwelle bzw. das Wiedereintreten in die positive Schwelle des gemessenen Geschwindigkeitssignales legen die Werte von TRv und TRr fest. Zweckmässigerweise glättet ein Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von mindestens dem fünffachen der bekannten Signalfrequenz des Testsignales das Messsignal.
Im unteren Teil der Fig. 2 ist die sich einstellende Bahnabweichung xIst - xSoll über der Messzeit t aufgetragen. Aus der Messkurve k²nnen in diesem Fall ohne weiteres die maximalen Bahnfehler SRv, SRr abgelesen werden. Sie treten jeweils im Anschluss an einen Nulldurchgang der Messkurve, d.h. im Anschluss an einen Bewegungsumkehrpunkt auf. Um eine von dem unvermeidlichen Restnachlauf, der auch aus der Fig. 2 erkennbar ist, unabhängige Gr²sse zu erhalten, wird als Kenngr²sse verfahrensgemäss der Differenzwert SR: = SRv - SRr eingeführt. Dieser dem gr²sstm²glichen Gesamtbahnfehler entsprechende Wert hat zudem den Vorteil, dass er im Falle einer !berkompensation sein Vorzeichen wechselt.
Durch Verknüpfen der im Schritt 11 bestimmten Kenngr²ssen gemäss den Regeln der Fuzzy-Logik wird im nächsten Schritt 12 ein Korrektursignal DELTA K bestimmt, mit dem das Initialisierungskompensationssignal K0 korrigiert wird, um eine bessere Kompensationswirkung zu erzielen. Hierfür werden die im Schritt 11 erhaltenen Kenngr²ssen zunächst, wie in Fig. 3 dargestellt, mithilfe einer auf 1 normierten, nicht linear definierten, unscharfen Zugeh²rigkeitsfunktion linguistischen Werten zugeordnet. Fig. 3 zeigt zwei m²gliche Zugeh²rigkeitsfunktionen für die Zuordnung der Haltezeit TR zu den linguistischen Werten Null, klein, mittel, gross, sowie des maximalen Bahnfehlers SR zu den linguistischen Werten Null, klein, mittel, gross. Aufgetragen ist die jeweils auf den Wert 1, entsprechend 100%, genormte Zugeh²rigkeit Z über den, zweckmässigerweise ebenfalls normierten, Abszissen TR / T bzw.
SR / A, wobei A die Sollamplitude der vorgegebenen Bewegungsbahn ist. Danach entsprechen alle normierten Haltezeiten TR / T kleiner als 10% dem linguistischen Wert Null, alle normierten Haltezeiten zwischen 10% und 20% mit veränderlichem Anteil den linguistischen Werten Null und klein, alle normierten Haltezeiten zwischen 20% und 50% mit veränderlichem Anteil den linguistischen Werten klein und mittel, alle normierten Haltezeiten zwischen 50% und 80% mit veränderlichem Anteil den linguistischen Werten mittel und gross sowie alle normierten Haltezeiten gr²sser als 80% dem linguistischen Wert gross.
Bezüglich dem normierten maximalen Bahnfehler SR / A entsprechen alle Werte kleiner als 2% dem linguistischen Wert Null, alle Werte zwischen 2% und 10% mit veränderlichem Anteil den linguistischen Werten Null und klein, alle Werte zwischen 10% und 15% mit veränderlichem Anteil den linguistischen Werten klein und gross sowie alle Werte gr²sser als 15% dem linguistischen Wert gross. Beispielsweise entspricht eine normierte Haltezeit TR / T von 30% zu 35% dem linguistischen Wert mittel und zu 65% dem linguistischen Wert klein. Ein maximaler normierter Bahnfehler SR / A von 12% entspricht beispielsweise zu 40% dem linguistischen Wert gross und zu 60% dem linguistischen Wert klein.
Die für die Kenngr²ssen erhaltenen Zugeh²rigkeitswerte werden anschliessend mithilfe linguistisch formulierter Verknüpfungsregeln zu Vorschlagswerten DELTA F/F0 verknüpft. Jeder m²glichen Kombination von linguistischen Zugeh²rigkeitswerten wird dabei ein Korrektursignalvorschlagswert DELTA F/F0 zugeordnet. Wegen der dadurch bedingten Vielzahl von Regeln sind sie in Fig. 4 in Form einer Tabelle wiedergegeben.
Diese ist beispielhaft wie folgt zu lesen:
- Wenn normierte Haltezeit TR / T Null und normierter maximaler Bahnfehler SR / A ebenfalls 0, dann normierter Vorschlagswert DELTA F / F0 = 0
- Wenn normierte Haltezeit TR / T klein und normierter maximaler Bahnfehler SR / A gross, dann normierter Vorschlagswert DELTA F / F0 = 6%
- Wenn normierte Haltezeit TR / T gross und normierter gr²sster Bahnfehler SR / A klein, dann normierter Vorschlagswert DELTA F / F0 = 4%
- Wenn normierte Haltezeit TR / T gross und normierter gr²sster Bahnfehler SR / A ebenfalls gross, dann normierter Vorschlagswert DELTA F / F0 = 8%.
Aus den mithilfe den Verknüpfungsregeln gemäss Fig. 4 erhaltenen Vorschlagswerten DELTA F / F0 kann nun in einfacher Weise - ohne Defuzzyfizierung - ein diskreter Wert für die Korrekturgr²sse DELTA K abgeleitet werden, indem die einzelnen Vorschlagswerte jeweils mit dem Produkt der Zugeh²rigkeitswerte zu den zugrunde liegenden linguistischen Variablen gewichtet werden. Dies sei an einem Beispiel erläutert. Eine normierte Haltezeit TR / T geh²re zu 60% dem Zugeh²rigkeitswert klein, zu 40% dem linguistischen Wert mittel an, ein normierter maximaler Bahnfehler SR / A zu 20% dem linguistischen Wert Null, zu 80% dem linguistischen Wert klein.
Aus den Verknüpfungsregeln gemäss Fig. 4 ergibt sich in diesem Fall aus der Verknüpfung Haltezeit klein, maximaler Bahnfehler Null der Vorschlagswert DELTA F / F0 = 1%, aus Haltezeit klein, maximaler Bahnfehler klein der Vorschlagswert DELTA F / F0 = 2%, aus Haltezeit mittel, maximaler Bahnfehler null der Vorschlagswert DELTA F / F0 = 2% und aus Haltezeit mittel, maximaler Bahnfehler klein der Vorschlagswert DELTA F / F0 = 3%.
Unter Berücksichtigung der vorstehend angenommenen Zugeh²rigkeitsfunktionswerte ist nun das Ergebnis der Verknüpfung Haltezeit klein, maximaler Bahnfehler null mit einem Faktor 60% x 20% = 0,6 x 0,2 = 0,12, das Ergebis der Haltezeit klein, maximaler Bahnfehler klein mit einem Faktor 60% x 80% = 0,6 x 0,8 = 0,48, das Ergebnis aus Haltezeit mittel, maximaler Bahnfehler null mit einem Faktor 20% x 40% = 0,2 x 0,4 = 0,08 und das Ergebnis der Verknüpfung Haltezeit mittel, maximaler Bahnfehler klein mit einem Faktor 40% x 80% = 0,4 x 0,8 = 0,32 zu gewichten. Der erhaltene Wert bildet den Korrekturwert DELTA K.
In Schritt 13 wird nun geprüft, ob der erhaltene Korrekturwert DELTA K innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. Vorzugsweise wird, wie in Fig. 1 dargestellt, geprüft, ob er den Wert 0 hat. quivalent hierzu kann auch geprüft werden, ob die nderung zwischen einem zuletzt ermittelten Korrekturwert DELTA K - und dem aktuell ermittelten Wert DELTA K innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt.
Ist das Ergebnis der Prüfung im Schritt 13 negativ, werden die Schritte 11 bis 13 wiederholt. Hierzu wird zunächst im Schritt 14 ein neues Initialisierungskompensationssignal Kneu durch Addition des ursprünglichen Initialisierungskompensationssignales K0 und des zuvor ermittelten Korrektursignales DELTA K gebildet. Im Schritt 15 tritt das neu gebildete Initialisierungskompensationssignal Kneu anstelle des bisherigen K0.
Ist das Ergebnis der Prüfung im Schritt 13 positiv, wird das aktuelle Initialisierungskompensationssignal K0 als Kompensationssignal FK in den Kompensator 51 übernommen, Schritt 16. Der so gewonnene Wert ist dann der für die vorgegebene Betriebssituation besterreichbare.
Unter Beibehaltung des durch die Verfahrensschritte
- Ermitteln wenigstens zweier Kenngr²ssen, welche eine sich mit einem Initialisierungskompensationssignal einstellenden Anfahrreibung beschreiben,
- Ableiten eines Korrektursignales zur Korrektur des Initialisierungskompensationssignales aus den Kenngr²ssen durch Verknüpfen der Kenngr²ssen nach den Regeln der Fuzzy-Logik,
- Wiederholen der vorhergehenden Schritte so lange, bis der für das Korrektursignal ermittelte Wert einen vorgegebenen Toleranzbereich nicht mehr überschreitet,
definierten Konzeptes lassen sich ohne weiteres eine Vielzahl von Abwandlungen und Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens finden. Beispielsweise ist es selbstverständlich m²glich, weitere und/oder andere als die vorgeschlagenen Kenngr²ssen zur Beschreibung der sich einstellenden Anfahrreibung heranzuziehen.
Auch k²nnen diese selbstverständlich in anderer Weise als durch einen Reverse-Test bestimmt werden. Weiterhin k²nnen anstelle der vorgeschlagenen, eine direkte Auswertung erm²glichenden Verknüpfungsregeln auch "echte" Fuzzy-Regeln treten, welche den linguistischen Zugeh²rigkeitswerten zunächst eine ebenfalls linguistisch definierte Ausgangsgr²sse zuordnen, die über eine Zugeh²rigkeitsfunktion wiederum einem oder mehreren Wertebereichen für den exakten Wert der Ausgangsgr²sse zugordnet ist. In diesem Fall ist eine von der Fuzzy-Logik her bekannte Defuzzyfizierung erforderlich. Weitreichende Abwandlungen sind des Weiteren auch bei der zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zugrunde gelegten Antriebsanordnung m²glich. Beispielsweise k²nnen Inbetriebnahmeeinrichtung 50 und Kompensator 51 zusammengefasst sein.
Das Verfahren liefert bestm²gliche Kompensationssignalwerte FK für jeweils eine vorgegebene Betriebssituation. Indem es für verschiedene Betriebssituationen mehrfach durchgeführt wird, kann es in einfacher Weise zur Ermittlung einer Kompensationssignalkennlinie herangezogen werden, welche dann im Standardbetrieb verwendet wird.
The invention is based on a method according to the preamble of independent claim 1. Methods of this type are typically used in machine tools designed for high accuracy. For these, it is regularly required that a target contour specified for a workpiece precisely matches the contour actually generated. It is particularly difficult to maintain this conformity when machining requires reversing the direction of motion of a drive. Such a situation exists, for example, when a tool that is movable along two axes, each with its own drive, is to execute a circular path. Due to the start-up frictional force that is always present in mechanical systems, which counteracts the movement, the drive concerned in each case remains briefly in a holding phase with every change of direction.
It only breaks away when the torque acting on the axis is greater than the frictional breakaway torque. As a result of this behavior, undesirable dynamic path deviations occur at change of direction points. In order to avoid such, it is known to apply a compensation signal to the drive control loop, which compensates the starting friction. The main difficulty with this arrangement is the determination of a suitable compensation signal. Known solutions, such as those from EP-A 460 224, are based on the principle of a closed control loop, i.e. the value of the friction compensation results from a feedback output of the drive control loop. It is not satisfactory with this solution that the effect of the starting friction compensation depends on the setting of the drive control loop.
Starting friction compensation and control loop setting must therefore be carefully coordinated. Because the starting friction compensation is a non-linear intervention in the control loop, even small changes in the control loop setting can change the effect of the starting friction compensation in the long term.
One possible way of avoiding the difficulties that arise when integrating the starting friction compensation in the drive control loop is to carry out a characteristic-based starting friction compensation, which does not require any variables fed back from the control loop when determining the starting friction compensation signal. The compensation result depends, however, on the quality of the characteristic curve used.
The object of the invention is to provide a method which allows the simple determination of a speed compensation force characteristic.
This object is achieved by a method with the characterizing features of the independent claim. The method according to the invention can advantageously be carried out as part of an automatic commissioning. It allows very good compensation of the starting friction. As a result, the method is particularly suitable for ultra-precision machines, advantageously in conjunction with a pilot control. Another major advantage of the method according to the invention is that it does not require a process model of the drive control loop. As a result, it can be used for drives of any structure. In particular, this also allows retrofitting to existing drive systems.
It is advantageous to iteratively repeat the proposed method until the determined compensation signal is no longer changed when it is repeated. As the required parameters for describing the starting friction that occurs without complete compensation, the downtime of a drive in the reverse position and the maximum path error in the reverse positions are expediently used. They are advantageously determined in a so-called "reverse" test. The machine tool travels along a "cosine" path with a given amplitude and a given speed. In a particularly advantageous embodiment of the proposed method, the defuzzification of the membership function values linked according to fuzzy rules is carried out by simple averaging.
Finally, it is advantageous to connect the determined compensation signals directly to the current control loop.
An embodiment of the proposed method is explained in more detail below with reference to the drawing.
drawing
Show it:
1 is a flowchart of the proposed method,
2 measurement curves recorded in a "reverse" test for the speed curve and the path deviation,
3 membership functions for the downtime and the maximum tracking error,
4 shows a multi-value set of rules for unsharp linking of the downtime and the maximum path error to a compensation signal,
5 shows a block diagram of a drive system suitable for carrying out the proposed method.
description
Fig. 5 shows a simplified block diagram of the structure of a drive arrangement for which the proposed method is designed. On the one hand, it has a known control circuit with the elements position / speed control 52, current control 55 and drive 53. The position / speed control 52 is supplied with setpoints for the speed vset and the position xset on the input side. Furthermore, the actual values for speed v actual and position x actual occurring at the output of drive 53 are fed back to it. On the basis of the control differences for speed vsetpoint - position and position xsetpoint - xacture that occur in each case, position / speed control 52 determines a torque setpoint, which it supplies to current control 55 via its torque point 54. This is also fed back the signal tapped in the drive 53 for the actual current value IIst.
In addition to the drive control circuit, the arrangement shown in FIG. 5 also has a compensator 51 for compensating the starting friction and a start-up device 50. On the input side, the latter the actual values for speed v actual and position x actual occurring at the output of drive 53 are fed back. On the output side, it is connected on the one hand to the setpoint speed vsetpoint or setpoint position xsetpoint inputs of the position / speed control 52. It is also connected via a further output to a compensator 51 for the transmission of a determined compensation signal k. In addition to the signal k from the commissioning device 50, the compensator 51 is also supplied with the setpoint signals for the speed vset and position xset. On the output side, the compensator 51 is connected to the torque interface 54.
The drive control circuit 52 to 55 is operated in a known manner. In order to avoid path errors which are caused by the static friction counteracting the onset of a movement, a compensation signal FK is applied to the drive control loop at the moment interface 54 at path points where a drive changes from a standstill position to a movement. The compensator 51 determines the size of the compensation signal FK to be applied on the basis of a compensation signal characteristic curve which assigns a compensation torque to each setpoint VSoll or XSoll. It is determined using the commissioning device 50.
1 shows, as a flow chart, the essential steps of the method according to the invention for determining a setpoint compensation torque characteristic. In the first method step 10, suitable parameters for the execution of the compensation signal determination method are first determined. In particular, the amplitude, frequency and duration of the test signals required to determine the parameters are specified. If possible and necessary, the cut-off frequency for filtering the measurement curves obtained is also specified, expediently such that robust, automatic commissioning can take place. An initialization compensation signal K0 is also defined. The nominal torque specified for the drive is expediently used for initialization. It is typically between 5% and 20% of the nominal torque of the drive.
The default setting for K0 is therefore usually a value of e.g. 10% of the value of the nominal drive torque is attached.
In the following step 11, at least two parameters are determined which describe the starting friction effect which occurs with the initialization compensation signal K0. This is expediently carried out in a "reverse" test. This is a known measurement method for examining the feed properties of a drive during a reversing movement, a representation can be found, for example, in the project report "Investigation of high-precision, slow-running feed drives for the submicron range" of the research association Ultrapräzisionstechnik, DE, Aachen, 1990. With "Reverse "Test, a carriage moved by two drives is moved along a" cosine "path. The corresponding path setpoints vSoll and xSoll are generated by the commissioning device 50 and fed to the position / speed control 51.
They are also recorded by the commissioning device 50. During the movement of the slide, the commissioning device 50 continues to record the actual values vIst and xIst that are set and also records them. By analyzing the recorded path data, at least two parameters are then determined to describe the start-up friction effect that has occurred. The determination of two parameters which are particularly suitable for this purpose is illustrated in FIG. 2. In the upper part of the figure, the recorded actual speed v actual is plotted against the measuring time t. In each case after a zero crossing of the speed curve, a holding time TRv or TRr which is dependent on the existing starting frictional force can be read from the measurement curve in a simple manner.
TRv and TRr each correspond to a time within which the sled barely moves in the reverse positions. The speed measurement signal is evaluated by software for the numerical determination of these times. Here, small speed thresholds are defined by the value Vact = 0. Leaving the negative threshold or re-entering the positive threshold of the measured speed signal determine the values of TRv and TRr. A low-pass filter with a corner frequency of at least five times the known signal frequency of the test signal expediently smoothes the measurement signal.
In the lower part of FIG. 2, the path deviation x actual - x target which is established is plotted against the measuring time t. In this case, the maximum path errors SRv, SRr can easily be read from the measurement curve. They occur after a zero crossing of the measurement curve, i.e. following a movement reversal point. In order to obtain a variable that is independent of the inevitable residual wake, which can also be seen in FIG. 2, the difference value SR: = SRv - SRr is introduced as a characteristic according to the method. This value, which corresponds to the maximum total web error, also has the advantage that it changes its sign in the event of overcompensation.
By combining the parameters determined in step 11 according to the rules of the fuzzy logic, a correction signal DELTA K is determined in the next step 12, with which the initialization compensation signal K0 is corrected in order to achieve a better compensation effect. For this purpose, the parameters obtained in step 11 are first assigned linguistic values, as shown in FIG. 3, with the aid of a fuzzy membership function that is normalized to 1, not defined linearly. 3 shows two possible membership functions for the assignment of the holding time TR to the linguistic values zero, small, medium, large, and the maximum path error SR to the linguistic values zero, small, medium, large. The respective affiliation Z standardized to the value 1, corresponding to 100%, is plotted over the abscissa TR / T, which is also expediently also standardized.
SR / A, where A is the target amplitude of the specified movement path. According to this, all standardized hold times TR / T less than 10% correspond to the linguistic value zero, all standardized hold times between 10% and 20% with variable proportions correspond to the linguistic values zero and small, all standardized hold times between 20% and 50% with variable proportions correspond to the linguistic values Values small and medium, all standardized holding times between 50% and 80% with variable proportions of the linguistic values medium and large as well as all standardized holding times greater than 80% the linguistic value large.
With regard to the standardized maximum path error SR / A, all values less than 2% correspond to the linguistic value zero, all values between 2% and 10% with a variable proportion to the linguistic values zero and small, all values between 10% and 15% with a variable proportion to linguistic values small and large and all values larger than 15% of the linguistic value large. For example, a standardized hold time TR / T of 30% corresponds to 35% of the linguistic value medium and 65% to the linguistic value small. A maximum normalized path error SR / A of 12% corresponds, for example, to 40% of the large linguistic value and to 60% of the small linguistic value.
The membership values obtained for the parameters are then linked to the DELTA F / F0 default values using linguistically formulated linking rules. Each possible combination of linguistic membership values is assigned a correction signal default value DELTA F / F0. Because of the resulting large number of rules, they are shown in FIG. 4 in the form of a table.
This can be read as an example as follows:
- If the normalized hold time TR / T is zero and the normalized maximum path error SR / A is also 0, then the normalized default value DELTA F / F0 = 0
- If the standardized hold time TR / T is small and the maximum path error SR / A is large, then the standard default value DELTA F / F0 = 6%
- If the normalized hold time TR / T is large and the normalized greatest path error SR / A is small, then the normalized default value DELTA F / F0 = 4%
- If the normalized hold time TR / T is large and the normalized greatest path error SR / A is also large, then normalized default value DELTA F / F0 = 8%.
4, a discrete value for the correction quantity DELTA K can now be derived in a simple manner - without defuzzification - by the individual proposal values each with the product of the membership values to the underlying linguistic values Variables are weighted. This is explained using an example. A standardized hold time TR / T belongs to 60% of the membership value small, to 40% the linguistic value medium, a standardized maximum path error SR / A to 20% the linguistic value zero, to 80% the linguistic value small.
In this case, the link rules according to FIG. 4 result from the link holding time small, maximum path error zero, the proposed value DELTA F / F0 = 1%, from holding time small, maximum path error small, the default value DELTA F / F0 = 2%, from holding time medium, maximum path error zero the default value DELTA F / F0 = 2% and from stop time medium, maximum path error small the default value DELTA F / F0 = 3%.
Taking into account the previously assumed membership function values, the result of the link holding time small, maximum path error is zero with a factor of 60% x 20% = 0.6 x 0.2 = 0.12, the result of the holding time is small, maximum path error small with a Factor 60% x 80% = 0.6 x 0.8 = 0.48, the result from holding time medium, maximum path error zero with a factor 20% x 40% = 0.2 x 0.4 = 0.08 and that Result of the link holding time medium, maximum path error small with a factor of 40% x 80% = 0.4 x 0.8 = 0.32. The value obtained forms the correction value DELTA K.
In step 13 it is now checked whether the correction value DELTA K obtained lies within a predetermined tolerance range. As shown in FIG. 1, it is preferably checked whether it has the value 0. equivalent to this, it can also be checked whether the change between a last determined correction value DELTA K - and the currently determined value DELTA K lies within a predetermined range.
If the result of the test in step 13 is negative, steps 11 to 13 are repeated. For this purpose, a new initialization compensation signal Kneu is first formed in step 14 by adding the original initialization compensation signal K0 and the previously determined correction signal DELTA K. In step 15, the newly formed initialization compensation signal Kneu takes the place of the previous K0.
If the result of the test in step 13 is positive, the current initialization compensation signal K0 is adopted as compensation signal FK in the compensator 51, step 16. The value obtained in this way is then the best achievable for the given operating situation.
While maintaining through the process steps
Ascertaining at least two parameters which describe a starting friction which occurs with an initialization compensation signal,
Deriving a correction signal for correcting the initialization compensation signal from the parameters by linking the parameters according to the rules of fuzzy logic,
Repeating the previous steps until the value determined for the correction signal no longer exceeds a predetermined tolerance range,
defined concept, a variety of modifications and further developments of the proposed method can be easily found. For example, it is of course possible to use further and / or other parameters than the ones proposed to describe the starting friction that is occurring.
Of course, these can also be determined in a different way than by a reverse test. Furthermore, "real" fuzzy rules can be used instead of the proposed linking rules that enable direct evaluation, which first assign the linguistic membership values to a likewise linguistically defined output size, which in turn is assigned to one or more value ranges for the exact value of the output size via a membership function. In this case, defuzzification known from fuzzy logic is required. Far-reaching modifications are also possible in the drive arrangement on which the proposed method is based. For example, the commissioning device 50 and compensator 51 can be combined.
The method provides the best possible compensation signal values FK for a given operating situation. Because it is carried out several times for different operating situations, it can be used in a simple manner to determine a compensation signal characteristic curve, which is then used in standard operation.