VDI VDE 3547-2003 Assessment of quality of motion systems and controlled sequences of motion.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKGtebewertung fr Bewegungssysteme und gesteuerte BewegungsablufeAssessment of quality of motion systemsand controlled sequences of motionVDI/VDE 3547Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Regelungstech

2、nikVDI-Handbuch KonstruktionVDI/VDE-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal

3、use not permittedICS 25.040Juni 2003June 2003Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Frhere Ausgabe: 11.01 Entwurf,deutschFormer edition: 11/01 d

4、raft, in German onlyInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Zweck und Gltigkeit . . . . . . . . . . . . . . 22 Genauigkeit des Bewegungsablaufs . . . . . 33 Energieeffizienz der Bewegung . . . . . . . . 64 Grenzbeanspruchungen im elektromechanischen System . . . . . . . .

5、 . 9Zeichenerklrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Anhang Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Objective and scope . . . . . . . . . . . . . . . 22 Precisi

6、on of the sequence of motion. . . . . . 33 Energy efficiency of motion. . . . . . . . . . . 64 Stress limits in the electromechanicalsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Symbols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

7、Annex Case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachausschuss Bewegungssteuerungen fr Be- und VerarbeitungsmaschinenB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure,

8、Dsseldorf 2003 2 VDI/VDE 3547VorbemerkungDie derzeitige Entwicklung der Elektronik und derInformationstechnik ermglicht die Auflsungmechanisch verkoppelter Bewegungen in Maschinenund Fahrzeugen in freizgig steuerbare Einzelbewe-gungen. Unterschiedliche Antriebsprinzipien sindmglich. Mechanische, hyd

9、raulische, pneumatischeund elektrische Lsungen knnen alternativ zur Er-fllung derselben Aufgabe eingesetzt werden. DurchAnpassung der elektromechanischen Aktoren an dasmechanische bertragungssystem und durch Steue-rung der Bewegungen erschlieen sich neue Mg-lichkeiten der Systemoptimierung.Die verfg

10、baren Komponenten aus Mechanik, Elek-trotechnik und Elektronik knnen in unterschied-lichen Kombinationen anwendungs- oder hersteller-spezifisch die geforderten Bewegungsablufe erfl-len. Das gibt Anlass, herkmmliche Abgrenzungenzu berdenken und zu berwinden. Eine verglei-chende Gtebewertung von Beweg

11、ungssystemen undBewegungen ist aus dieser Sicht notwendig.Die vorliegende Richtlinie wurde erstellt vom Fach-ausschuss Bewegungssteuerungen fr Be- und Ver-arbeitungsmaschinen“ der VDI/VDE-GesellschaftMess- und Automatisierungstechnik (GMA).1 Zweck und GltigkeitGenerell wird Gte“ eines technischen Sy

12、stems alsGrad der Annherung an das Idealverhalten verstan-den.Die zu betrachtenden Bewegungssysteme und ge-steuerten Bewegungsablufe in Produktions- undTransportanlagen sind auerordentlich vielfltig. DieWertung der einzelnen Kriterien ist dementsprechendunterschiedlich und ergibt sich aus der gewnsc

13、htenFunktion.Die Richtlinie verfolgt das Ziel, objektive Kriterienzur vergleichenden Bewertung von Bewegungssyste-men und Bewegungsablufen bereitzustellen, die un-abhngig von der Art ihrer technischen Realisierunggltig sind. Neben den klassischen Kriterien wieLagefehlerGeschwindigkeitsfehlerBeschleu

14、nigungsfehlerfr lagegefhrte Systeme sollen im Sinne wirtschaft-licher, ergonomischer und kologischer berlegun-gen auch Kriterien bercksichtigt werden wiegertetechnischer AufwandEnergieverbrauchVerschleiPreliminary noteThe current development of electronics and informa-tion technology allows to separ

15、ate mechanically cou-pled motions of machines and vehicles into individ-ual motions which can be controlled independently.Different drive principles can be taken into consider-ation. Mechanical, hydraulic, pneumatic, and electri-cal solutions can be used to accomplish the same task.Matching the elec

16、tromechanical actuators to the me-chanical transmission system and controlling the mo-tions opens up a new potential for system optimisa-tion.Varying combinations of the mechanical, electrotech-nical, and electronic components available allow torealise the sequences of motion as required for spe-cif

17、ic applications or specific manufacturers. This en-courages reviewing, and even overcoming of conven-tional limitations. From this point of view, a compar-ative assessment of quality of motion systems andmotions is required.This guideline was drafted by the technical commit-tee ”Motion control syste

18、ms“ of the VDI/VDESociety for Measurement and Automatic Control(VDI/VDE-GMA).1 Objective and scopeBy the ”quality“ of a technical system, one generallyunderstands the degree to which it approaches itsideal behaviour.The motion systems to be considered and the control-led sequences of motion in produ

19、ction plants andconveying equipment are extremely varied. Theweighting of the individual criteria is therefore var-ied, too, and is a consequence of the desired function.This guideline aims at presenting objective criteriafor the comparative assessment of motion systemsand sequences of motion, which

20、 are valid irrespectiveof the technical implementation. In addition to classi-cal characteristics of position-controlled systems,likeposition errorvelocity erroracceleration errorit is for economical, ergonomical, and ecologicalconsiderations that criteria such asinvestments in equipmentenergy consu

21、mptionwearB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 VDI/VDE 3547 3 LrmentwicklungWrmeentwicklungNeben quantifizierbaren Kriterien gibt es solche, diedaraus zumindest qualitativ ableitbar sind, wie ber-tempe

22、ratur, Lrmentwicklung, Verschlei.Natrlich hat jede konkrete Maschine zunchst an derWirkstelle, d.h. der Be- bzw. Verarbeitungsstelle, diegewnschte technologische Funktion zu erbringen(Bewegung und Kraftwirkung). Das Nichterfllendieser Forderung ist ein Ausschlusskriterium. Dieoben genannten Vergleic

23、hskriterien dienen der ver-gleichenden Gtebewertung. Sie sind typisch jeweilsfr bestimmte technische Lsungen, aber in ihremAussagewert begrenzt.Die Bewegungsaufgabe muss vor jeglicher Gtebe-wertung verschiedener Lsungsvarianten exakt defi-niert werden. Neben der Beschreibung des kontinuier-lichen Ve

24、rlaufs sind dazu z.B. diskrete Ereignisse imBewegungsablauf, Zykluszeiten oder Synchronisati-onsbedingungen festzulegen (vgl. VDI/VDE 3684).Die vorliegende Richtlinie beschrnkt sich auf perio-dische Bewegungsablufe und auf die quantifizier-baren KriterienGenauigkeit des BewegungsablaufsEnergieeffizi

25、enzGrenzbeanspruchungen im elektromechanischenSystemDie Gtekriterien helfen sowohl Entwicklern alsauch Anwendern von Bewegungssystemen, objektiveGteparameter festzulegen, zur Grundlage von ver-traglichen Vereinbarungen zu machen und damit denEntwicklungsablauf verbindlicher zu gestalten. DieGtekrite

26、rien ermglichen ferner den objektiven Ver-gleich konkurrierender Erzeugnisse.2 Genauigkeit des BewegungsablaufsDer zeitliche Ablauf einer Bewegung x(t) wird dar-gestellt in einem Zeitablaufdiagramm nachDIN 40 719-11. Der Bewegungsablauf besteht ausmehreren aufeinanderfolgenden Bewegungsab-schnitten,

27、 in denen unterschiedliche Bewegungsge-setze gelten, die mit unterschiedlicher Genauigkeiteingehalten werden mssen. Der gesamte Bewe-gungszyklus hat die Zykluszeit Tz.Tz= T1+ T2+ .+ Tn(1)Im Falle einer periodischen Bewegung entspricht Tzder Periodendauer T der Grundschwingung. Wird derBewegungsablau

28、f mechanisch von einer Kurven-scheibe abgeleitet, deren Leitwelle mit konstanterGeschwindigkeit umluft, entspricht die Perioden-noise generationheat generationare also to be taken into account. In addition to quan-tifiable criteria others can at least be derived fromthem in a qualitative manner; exa

29、mples are overtem-perature, noise generation, wear.As a matter of course, any actual machine must firstand foremost fulfil its technical function (motion andaction of force) at the point of action, i.e. the point ofprocessing. Not fulfilling this function is a disqualifi-cation criterion. The compar

30、ative criteria mentionedabove serve for comparative quality assessment.They are typical of specific technical solutions, buttheir validity is limited.Prior to assessing the quality of different solutions,the task, i.e. the motions to be executed, must be de-fined exactly. In addition to a descriptio

31、n of the con-tinuous movement, specify, e.g., discrete events dur-ing the sequence of motion, cycle times, or synchro-nisation conditions (see also VDI/VDE 3684).This guideline exclusively deals with periodic se-quences of motion, and with the quantifiable criteriaprecision of the sequence of motion

32、energy efficiencystress limits in the electromechanical systemThe quality criteria are an aid to developers as well asusers of motion systems in specifying objectiveparameters of quality and in using these parametersas the basis of contractual agreements, thus renderingthe course of development more

33、 reliable. Further-more, the quality criteria allow the objective compar-ison of competing products.2 Precision of the sequence of motionThe characteristics of a motion as a function of time,x(t), are represented in a time sequence chart as perDIN 40 719-11. The sequence of motion consists ofseveral

34、 motion segments, during each of which dif-ferent motion rules apply which must be observed todifferent degrees of accuracy. The cycle time, Tz, ofthe entire motion cycle isTz= T1+ T2+ .+ Tn(1)In the case of a periodical motion, Tzis the period T,of the fundamental oscillation. When the sequence ofm

35、otion is mechanically produced by a cam diskwhose shaft rotates at constant speed, the period T,corresponds to a full revolution of the shaft, 2. It isB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 4 VDI/VDE 3547dau

36、er T hufig einer vollen Umdrehung (2) der Leit-welle. Um verallgemeinerte Kenngren abzuleitenist es gebruchlich, die echte Zeit t auf die Perioden-dauer T zu normieren.Die Genauigkeit der Bewegung wird beschrieben alsDifferenz der Fhrungsgre (Soll) und der Aus-gangsgre (Ist) des Bewegungssystems. Ka

37、nn dasBewegungssystem als geschlossener Wirkungskreisnach Bild 2 interpretiert werden, entspricht dieseDifferenz der Regelabweichung e (DIN 19 226)e = w xw Fhrungsgrex Regelgrez Strgrey Stellgrecommon to normalise the actual time t, by dividing itthrough the period T, in order to derive generalisedc

38、haracteristics.The precision of the motion is described in terms ofthe difference between the reference variable (set-point) and the output variable (actual value) of themotion system. If the motion system can be inter-preted as a closed control loop as per Figure 2, thisdifference corresponds to th

39、e control error e(DIN 19 226):e = w xw reference variablex controlled variablez disturbancey manipulated variableBild 1. Zeitablaufdiagramm einer Rast-in-Rast-BewegungFig. 1. Time sequence chart of a dwell-to-dwell motionBild 2. Grundregelkreis mit Strecke S und Regler R Fig. 2. Basic control loop w

40、ith controlled system S and control-ler RB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 VDI/VDE 3547 5 = GR(j) GS(j) = G0(j)(2)e(j) = w(j); z(j) = 0 (3)e(j) = z(j); w(j) = 0 (4)Die stationren Fehler fr typische

41、Verlufe der Fh-rungsgre sind fr lagegefhrte Systeme in Tabel-le 1 zusammengestellt.x jw()e jw()-11 G0jw()+-GSjw()1 G0jw()+-Die Regelabweichung e wird in Gleichung (3) undGleichung (4) nach linearen Gesetzmigkeiten be-rechnet. Nichtlineare Effekte wie Signalbegrenzun-gen, trockene Reibung oder Kupplu

42、ngs- und Getrie-bespiel verndern die tatschliche Regeldifferenz.Fr periodisch arbeitende Maschinen, deren Fh-rungsgre gegeben ist zuw(t) = W0+ (5)T Periodendauer der Grundschwingung1= Kreisfrequenz der GrundschwingungW2pT- n t jn+sinn 1=n2pT1-= GR(j) GS(j) = G0(j)(2)e(j) = w(j); z(j) = 0 (3)e(j) = z

43、(j); w(j) = 0 (4)Stationary errors of typical reference variable curvesfor position-controlled systems are compiled in Ta-ble 1.x jw()e jw()-11 G0jw()+-GSjw()1 G0jw()+-The control error e, is determined on the basis of lin-ear laws in Equation (3) and Equation (4). Nonlineareffects such as signal li

44、mitations, dry friction, or cou-pling play and gear backlash affect the actual controlerror.For periodic-duty machines the reference variable ofwhich is given asw(t) = W0+ (5)T period of the fundamental oscillation1= angular frequency of the fundamentaloscillationW2pT- n t jn+sinn 1=n2pT1-Tabelle 1.

45、 Abweichung der Regelgre x von der Fhrungsgre w fr typische Fhrungsverlufe w (t)Der offene Kreis wird als P-Regler an einer I-Strecke vorausgesetztTable 1. Deviation of controlled variable x, from reference variable w, for typical reference variable curves w (t)The open loop is assumed to be a P con

46、troller on an I-system.x jw()e jw()- GRjw()GSjw()1jwT0-=Fehler/Error 1. Ordnung/First order 2. Ordnung/Second order 3. Ordnung/Third orderFhrungsgreReference variablew(t ) = W0w(t ) = W0 w(t ) = W0 RegelabweichungControl errore (t ) = w(t ) x (t )fr/if G0(j) = *)ist fr/for t e () = 0 e () = e () = B

47、ezeichnung DesignationLagefehlerPosition errorGeschwindigkeitsfehler Velocity errorBeschleunigungsfehlerAcceleration errortT-t22T2-1jwT0-W0T0T-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 6 VDI/VDE 3547 1; 2; 3 Or

48、dnungszahl der Oberschwin-gungenPhasenwinkel der -ten OberschwingungW0Gleichanteil der FhrungsgreWAmplitude der -ten Oberschwingungist der Fehlerfrequenzgang ein Gtema(6)Gf(j) komplexer FehlerfrequenzgangBetrag des Fehlerfrequenzgangsf(j) Phasenwinkel des FehlerfrequenzgangsDer Frequenzgang Gf(j) kennzeichnet die Abwei-chung des Soll-Wertes vom Ist-Wert eines Bewe-gungssystems bei Annahme eines sinusfrmigen Ver-laufs der Eingangs- und