专利名称：用于调整一个设备的至少一对运动轴的位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分或者一又利要求5前序部分所
述的用于调整位置的方法和装置。
背景技术：
一个设备或者设备的各个轴由于其结构动力学倾向于振动，并因此 在最大可能的调节动力和与此相关的设备产量方面受到限制。总是期望 通过机械结构达到这种极限，即，位置动力和机械特性是有限的，可以 提供一个可以简单配备的解决方案，通过它可以提高设备的总性能。
设备或轴在定位过程中以运行方式"轴承调节"运行。在此目的是， 尽可能准确地、即以最小的牵引误差实现位置的理论过程。
为了调节一个设备(电机和安装的机构)的各个轴的定位(位置调 节)已知所谓的串联调节。这种串联调节由具有下支承的转速调节回路 的位置调节回路组成， 一个电流调节器再支持转速调节回路。
串联调节的电流调节器通常由PI调节器、功率电子调节回路和电机 的电子部件组成。作为转速调节器一般使用一个PI调节器，作为位置调 节器使用一个p调节器。
为了移动到给定的目标位置对驱动装置给定一个位置理论值结 果。调节器试图这样控制电机，使驱动装置或电机尽可能无延迟(无牵 引间隔地)实现位置理论值。这种串联调节导致在理论位置与实际位置 之间的明显偏差。这种偏差(牵引间隔)在许多应用中是不能接受的。
而对于许多应用期望使位置实际值基本无延迟地跟随位置理论值 (即，使牵引间隔最小)。为了实现这个目的使用高动力的驱动装置， 它们对于上述的串联调节一般以速度和加速度预控制扩展。
通过这种预控制一方面使牵引间隔最小化，但是另一方面也调节设 备或轴的结构动力，如果涉及非常动态的位置理论值，即，例如涉及理 论加速度和理论速度的突变式变化。由此可能导致不期望的振动，它们 在受限制的结构动力中由于设备的机械特性而产生。
如果现在不改变设备的机械特性，但是还要基本无延迟地定位，必
需寻找新的解决方案。
在已知的方案范围内在有效衰减振动的范围内检测设备或轴的振 动并且通过附加的调节算法衰减。这种工作方式需要在驱动装置中具有 附加的测量传感器(例如加速度传感器)和理论函数、即附加的算法。 因此这种解决方案对于将来存在的振动是不理想的，并且只能延迟地调
斗下。
发明内容
本发明致力于，提供改进的设备动力学供使用，其中可以使所产生 的牵引误差最小化。
这个目的通过具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求5特征 的装置得以实现。
通过按照本发明的解决方案，使一个位置调节或者定位分解成第一 运动轴的粗定位和第二运动轴的细定位，其中第一运动轴(动态轴)具 有一个比第二运动轴(非动态轴)具有更大的振动倾向，并且使用一个 预见的牵引误差模型能够以相对简单的且不费事的方式使所产生的牵 引误差最小化。
尤其是通过使用预见的牵引误差模型可以避免，为了执行调节必需 首先通过测量进行位置实际值与位置理论值之间的比较，其中测得的偏 差输送到一个控制装置，该控制装置本身计算第一或第二轴的位置修 正。这种工作方式被视为相对计算复杂并因此緩慢的。
本发明的有利扩展结构是从属权利要求的内容。
优选使预见的牵引误差模型进一步通过第 一运动轴的实际位置修 正。这种修正没有明显计算费用地以有效的方式使得按照本发明的用于 位置调节的方法更加精确。
特别优选使第一运动轴的实际位置通过循环的通讯节点供第二运 动轴的驱动装置使用。这种在第一与第二运动轴的各自驱动装置之间的 直接通讯能够实现特别有效的调节。
以适宜的方式使用一个顶置的控制器用于给出在运动轴各自驱动 装置上的位置理论值。
这种控制装置可以适宜地通过一个SERCOS节点构成，因此能够在 驱动装置与顶置的控制装置之间实现特别有效的通讯。
按照本发明的方法以特别有利的方式在 一 个冲压激光设备中使 用，但是也可以用于其它设备，在这些设备中必需使运动轴在一个、两 个或三个自由度上快速且动态地定位。
下面借助于附图详细描述本发明。附图中
图1以立体图示出一个冲压激光设备，其中可以有利地使用按照本 发明的方法，
图2示出一个视图，为了进一步解释按照图1的冲压激光设备的运 动轴的所观察的位置或轨迹和牵引间隔，
图3示出一个方框图，为了解释按照本发明的方法的优选实施例， 通过该方法尤其可以控制或调节按照图1的设备，
图4示出 一 个按照本发明使用的位置调节回路的优选实施例的方框
图，
图5示出 一个用于进一步解释按照本发明的方法的方框图。
具体实施例方式
在图1中总体以100表示一个沖压激光设备。该设备具有一个平台 102，它在x向沿着平台轴xl移动并且在y向沿着轴yl移动。通过这个 平台轴xl, x2可以定位一个定位在平台102上的薄板150。
该设备还具有一个激光装置110,它通过一个激光头112构成。该 激光头112可以在x向沿着轴x2定位并且在y向沿着轴y2定位。
如果要由激光头加工薄板150,即要激光加工出例如轮廓，则必需 要使薄板150无延迟地(无牵引间隔地)相对于激光头112定位。
在多维定位的情况下讨论理论轨迹，平台102(并因此使设置在平 台102上的薄板150)要执行该轨迹。理论轨迹的时间顺序形成一个理 论带，并且要在各个坐标系中分解成各个轴的位置理论值。
所述设备100具有一个(简示的)数字控制器120,它提供位置理 论值供(未详细示出的)各个轴xl， yl， x2， y2的驱动装置使用。
所述平台轴xl，yl或薄板轴一般基于与激光头零点(工具零点或"工 具中心点"TCP )—致的设备零点MNP保持其位置理论值。由薄板与TCP 的间距得到位置实际值。在所示情况下如果使用附加轴(激光轴x2， y2)，则薄板的位置理 论值适宜地以MNP为基准，位置实际值以TCP为基准，如同下面还要 解释的那样，其中TCP现在可以在激光轴上定位在一个有限的移动范围 里面。
现在示例地借助于图2表示这个事实。
可以看出，点MNP位于坐标系XY的零点。由激光头112的移动 性给出点TCP的移动范围，它由虚线表示的正方形210表示。平台102 和相关的薄板150在理论轨迹上的理论间隔以220表示。由于例如平台 的振动和非理想的刚性导致在理论间隔220与实际间隔230之间的差 值。这个间隔称为牵引间隔(在这里以240表示)。由于已经提及的激 光头、即点TCP的定位性这个牵引间隔240可以通过相应的TCP偏移 补偿。这个偏移、即TCP与设备零点MNP的实际间隔以250表示。最 后为了清晰示出TCP与平台之间的实际间隔并且以2W表示。
因为总体上平台轴xl， yl按照图l也根据牵引间隔定位，因此产 生一个用于平台102的牵引间隔240，它必需通过激光轴x2， y2在相反 的方向上补偿，为了使薄板与TCP之间的间隔(平台与TCP之间的实 际间隔260)在数值和方向上对应于理论间隔。
所述平台102的轴xl, yl由于其机械特性具有一个相对较大的振 动倾向，并因此以适宜的方式相对较"软"地参数化。因此这些轴xl, yl 是非动态轴或者说非无延迟的运动轴或定位轴。
而所述激光头的轴x2, y2基本上没有振动倾向。因此这种"动态轴" 以适宜的方式非常"硬"地参数化。这种参数化可以通过预控制实现。
按照本发明使平台102或薄板150相对于激光头的定位分解成(非 动态)轴xl, yl的粗定位和(动态)轴x2， y2的细定位。此外使用一 个用于使轴x2, y2无延迟定位的预见地求得牵引误差或产生位置理论 值的牵引误差模型和轴xl, yl的牵引误差补偿。
现在借助于图3进一步解释这种关系。
通过Sercos节点构成的控制器120将位置理论值传递给平台轴xl, yl和激光轴x2, y2的驱动装置。用于平台轴的驱动装置通过方框102a 简示，用于激光轴的驱动装置通过方框112a表示。优选通过主轴数据 电码MDT、在这里以180表示提供位置理论值。
所述激光轴x2， y2的驱动装置U2a的控制器根据在下面还要详细解释的牵引误差模型以已知的设备100参数为基础预见性地确定平台轴 xl， yl的牵引误差。这个牵引误差通过平台轴xl， yl的实际位置修正， 它直接由驱动装置102a通过循环的通讯节点185提供给驱动装置 112a。该通讯节点185不^f又可以；漠拟地而且可以由CCD ( Cross Communication Drive )实现。
因此这样计算平台轴xl, yl的牵引误差，使得无论如何在它产生 之前就已经(基本上)知道牵引误差(预见)。因此可以使平台和激光 轴的总牵引误差与简单地使实际产生的牵引误差从平台轴传递到激光 轴相比最小化。
如同在图3中还看到的那样，平台轴xl， yl的粗定位通过位置-实际位置传感器190实现，并且激光轴的细定位通过另一位置实际-位 置传感器192实现。总之，因此得到一个补偿的或者说调节的用于位于 平台102上的薄板150的实际位置(在图3中以194表示)。要注意，通过一个驱动电码AT (在图3中以182表示)可以实现 在驱动装置102a和112a与控制器120之间的通讯。分别以"丁+下标" 表示不同分量的时间常数。
下面借助于图4示出设备轴的优选调节，其中视图尤其示出用于理 想的机构。
所述的电流调节回路由PI调节器、功率电子调节环节和电机的电子 部件组成，它简化或概括成具有电流调节回路-等效时间常数T^的P-Tl环节410。作为转速调节器使用一个TI调节器420,作为位置调节器 使用一个P调节器430。
所述转速调节回路还具有另一 P调节器和一个I调节器424。所述 位置调节回路具有另一 I调节器426。 Kv称为位置调节器-比例放大 器，TNU称为转速调节器-再调节时间，Kpn称为转速调节器-比例放大 器并且I称为惯性矩。
为了移动到给定的目的位置，对驱动装置给定位置理论值xSQll结 果。调节器视图这样控制电机，使电机尽可能无延迟(无牵引间隔)地 跟随位置理论值。可以看到，在所示的调节期间产生速度理论值Vs。u、 加速度实际值alst和速度实际值Vlst的观察或评价。位置调节回路的输出 是位置实际值xlst。按照图4的位置调节回路是一个没有预控制的具有 理想刚性^L构的闭环位置调节回5^。这个位置调节回5^的时间连续的传
递函数给出一个三级系统(传递函数)FgX:
其中Kv是位置调节器-比例放大器、T。i是电流调节回路-等效时 间常数而a是辅助变量。
该辅助变量a由下式皇合出
现在由
<formula>formula see original document page 8</formula>可以计算牵引误差s。
所述传递函数Fgx可以简化成一个具有时间常数1/Kv的Tl环节， 例如以下式表示
FgX(s) = xist/xsoU《1/(1 + 1/Kv * s)
因为在驱动装置中在微控制器中实现调节，因此简化的传递函数转
化成间断时间并且借助于模型牵引误差的差分等式计算。因此得出
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中H是时间间断的传递函数。因为按照本发明由理论值计算模型牵引误差，因此与由理论值和实际值计算理想的牵引间隔不同，它没有 噪声分量。
此外，因为在调节循环中计算牵引误差模型，在其中也给定位置理 论值，因此如上所述也预见地呈现这个值，与理想的牵引间隔不同，它 只有在下一调节循环中作为驱动装置反应才确定位置理论值。
关于直接的理论值耦联、如同按照本发明所实现的那样可以理解 为，由一个主轴传输在一个或多个从动轴上的数值如位置实际值、理i仑 值等，然后由它们从动轴推导出例如理论值。现在借助于图5再一次解
释这种关系。已经在其它附图中使用的标记符号不再解释。以500表示 不同使用的调节器，它们在这里也包括D调节器。
在这里所述的装置例如非动态的平台轴xl是主动轴而动态的激光 轴x2是从动轴。该主动轴对从动轴通过通讯节点185传输牵引间隔(SA
或eMaster )。在从动轴中计算牵引误差模型误差SFehler( ￡Fehler = SMaster - Z ), 并且作为修正接入从动轴位置理论值Xsdl。从动轴的位置理论值由两个 分量组成， 一个是模型牵引误差C它由主轴位置理论值(MC位置理 论值)计算，另一个是牵引误差模型误差印eWer。还要再一次指出，模型 牵引误差只用于计算预控制值(速度预控制Kw和加速度预控制KVA)， 因为这个预控制值是预见的并且无噪声的，而牵引误差模型误差仅仅作 为修正值接入到P调节器的位置理论值(Kv)。
附图标记清单
100 冲压激光设备
102 平台
102a 平台轴的驱动装置
110 激光装置
112 激光头
112a 激光轴的驱动装置
150 薄板
190 位置-实际位置传感器
192 位置-实际位置传感器
194 实际位置
210 移动范围TCP
220 平台的理-沦间隔
230 平台的实际间隔
240 牵引间隔
250 MNP-TCP间隔
260 TCP平台的实际间隔
410, 420, 422, 424， 426, 430， 500 调节器
权利要求
1.用于对一个设备的至少一对(x1，x2；y1，y2)相互平行延伸的运动轴进行调节位置的方法，其特征在于，使位置调节分解成第一运动轴(x1；y1)的粗定位和第二运动轴(x2，y2)的细定位，其中第一运动轴具有一个比第二运动轴更大的振动倾向，以及通过补偿牵引误差的第二运动轴(x2；y2)的定位来补偿第一运动轴(x1；y1)的牵引误差，其中牵引误差的补偿以一个预见的牵引误差模型为基础在使用第一运动轴(x1；y1)的理论位置的条件下实现。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述预见的牵引误差模 型进一步通过第一运动轴(xl; yl)的实际位置修正。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一运动轴(xl; yl) 的实际位置通过循环的通讯节点(185)供第二运动轴(x2; y2)的驱 动装置使用。
4. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于， 一个顶置的 控制器(12)给出在运动轴(xl, x2; yl, y2)上的位置理论值。
5. 具有用于对至少一对(xl， x2; yl， y2 )相互平^亍延伸的运动轴 进行位置调节的机构的装置，其特征在于，设有用于使位置调节分解成 第一运动轴(xl; yl)的粗定位和第二运动轴(x2， y2)的细定位的机 构(102a， 112a)，其中第一运动轴具有一个比第二运动轴更大的振动 倾向，和设有用于通过补偿牵引误差的第二运动轴(x2; y2)的定位来 补偿第一运动轴(xl; yl )的牵引误差的机构(102a, 185, 112a， 190， 192, 194),其中牵引误差的补偿以一个预见的牵引误差模型为基础在 使用第一运动轴(xl; yl)的理论位置的条件下实现。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置由具有一个平台 (102)和一个激光头(112)的冲压激光设备构成。
7. 如权利要求5或6所述的装置，其特征在于一个SERCOS节点， 用于保证在用于提供理论位置值的控制装置(120)与用于使位置调节 分解成第一运动轴的粗定位和第二运动轴的细定位的驱动装置(102a,112a)之间的通讯。
8. 在一个冲压激光设备中使用如权利要求1至4中任一项所述的方法。
全文摘要
一种用于调节一个设备的至少一对相互平行延伸的运动轴位置的方法，通过使位置调节分解成第一运动轴的粗定位和第二运动轴的细定位，其中第一运动轴具有一个比第二运动轴更大的振动倾向，还通过补偿牵引误差的第二运动轴的定位补偿第一运动轴的牵引误差，其中牵引误差的补偿以一个预见的牵引误差模型为基础在使用第一运动轴的理论位置的条件下实现。
文档编号G05B19/404GK101192059SQ200710196150
公开日2008年6月4日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者A·施米特, M·利帕特, M·沃勒 申请人:罗伯特·博世有限公司