CN101821056A - 用于操作夹紧设备的方法和用于实施该方法的夹紧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作夹紧设备(3)以夹紧工具或工件的方法。该夹紧设备包括电驱动器(2)，在该电驱动器(2)中集成用于测量电机电流和电机位置的装置，该装置用于控制通过夹紧设备(3)实施的夹紧过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作夹紧设备的方法以及用于实施该方法的夹紧系统。
背景技术
具有夹紧设备的夹紧系统以不同的形式使用，用于夹紧诸如钻头或铣刀等工具。用于将工具卡头中的工具夹紧的夹紧设备一般包括由夹紧元件组成的夹紧钳或夹紧组件，其中夹紧元件分布地设置在工具卡头的圆周上。此外，上述类型的夹紧设备还用于夹紧工件。
夹紧设备通常通过机械调整元件来打开或闭合。例如在夹紧钳形式的夹紧设备中，该机械调整元件通常轴向可移动地支承在钳支架中，并且通过轴向可移动的圆锥形的夹紧杆来操作，也即移动。此外，用来夹紧工具所需的夹紧力由弹簧组件施加，该弹簧组件将圆锥形的夹紧杆压向夹紧钳。将工具从夹紧设备松脱是通过液压实现的，其中夹紧钳借助于反作用于弹簧组件的弹力的液压单元而被推回。
在DE10101096A1中，说明了一种用于操作工具的夹紧设备的方法，该夹紧设备设于可旋转驱动的主轴(Spindel)上并且具有用于操作杆的操作装置。在此方法中，调节由操作杆施加的并作用于夹紧在主轴上的工具上的轴向夹紧力，优选也在主轴运行和运转期间，参考工具类型来调整和调节夹紧力的大小。
操作杆借助于电动机来驱动。在主轴和工具之间设置的传感器产生调节的实际值，其中该传感器测量在此(主轴和工具之间)出现的力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于操作夹紧设备的方法以及一种夹紧系统，使得在实现夹紧设备时，以较小结构费用提供较高的功能。
为实现此目的，提供根据权利要求1和15的特征。本发明的有利实施方式及适当改进在从属权利要求中给出。
根据本发明的方法用于操作夹紧设备，以夹紧工具或工件。该工具包括电驱动器，在该电驱动器中集成用于测量电机电流和电机位置的装置，以控制利用夹紧设备实施的夹紧过程。此外，设有用于实施该方法的夹紧系统。
在复杂的工件中，可尤其使用根据本发明的多重夹紧系统，也即使用多个根据本发明的夹紧系统。此外，根据本发明的夹紧系统可通常用于夹紧静态工件或移动的，尤其是旋转的工件。用于夹紧工件的夹紧设备通常可具有旋转对称的夹紧工具，其直径可通过圆锥形的变换而变化。此外，也可将夹紧钳等用作夹紧工具。
根据本发明的方法或根据本发明的夹紧系统的优点在于，用于夹紧工具或工件所需的夹紧力可仅通过电驱动器施加，使得可省去(entfallen)机械系统，诸如用于闭合夹紧设备的弹簧组件及用于打开夹紧设备的液压装置等。
为了确保夹紧设备所需的功能可靠性，有益的是，在此类电夹紧系统中确定实施夹紧过程中的夹紧力。在根据本发明的夹紧系统中，上述问题通过结构上的简单方式来解决，即借助于集成在电驱动器内部的测量装置不仅可以确定电机电流，而且可以确定电机位置。
所测量的电机电流给出所出现的夹紧力的大小。通过额外测量的电机位置实现分散地点地测量夹紧力，并且不需要使用昂贵的外部传感器，因为测量装置本身集成在驱动器中。
根据此测量变量，可精确且全面地监控利用夹紧设备实施的夹紧过程。
通常测量可在夹紧过程期间自行实施，这使得测量不需要额外的时间。备选地，可在与夹紧过程分开的测量过程中实施测量。其中，夹紧设备在测量过程期间比在夹紧过程期间移动的更慢，以提高测量精确度。尤其有利的是，夹紧系统的操作者可以选择其是否希望将测量过程集成在夹紧过程中。
根据本发明的第一方面，所测量的电机电流和电机位置用于调节电驱动器，以有效控制待实施的夹紧过程。对于此控制重要的是，所测量的电机电流给出实际夹紧力的大小，这对于可控制地闭合和打开夹紧设备是至关重要的。夹紧力的计算根据借助于物理模型所测量的电机电流来实现，其中该物理模型与重要的物理作用变量如摩擦、弹性及运动关系有关。此外，额外测量的电机位置给出夹紧设备的实际地点的尺度，以为调节电驱动器提供实际夹紧力的分散地点的信息。
在本发明的尤其有利的实施方式中，这样调节电驱动器，使得在夹紧设备驶向工具时以及相应地在夹紧设备驶离工具时，实施驱动器的位置调节。有利但非必须地，在夹紧过程的某一点处转换到力调节或力矩调节，也即依赖于所测量的电机电流来调节电驱动器。其中，实现位置调节和力调节之间的快速(fliegend)转换。此调节匹配于夹紧过程的随时间变化过程并因而促使优化待实施的夹紧过程。这相应适用于夹紧工件的情况。
根据本发明的第二方面，根据所测量的电机电流和电机位置推导特征变量，借助于这些特征变量可表明所实施的夹紧过程的质量。这能够实现这样的过程控制，可以发现在夹紧过程中所出现的缺陷，尤其是现有的材料缺陷。
第一个此类特征变量是工具的有效夹紧柄直径(Spannschaftdurchmesser)，通过求得随位置变化过程，尤其是求得夹紧力的增加与电机位置的关系，可求得并控制有效夹紧柄直径。通过将所测量的夹紧柄直径与额定值比较，例如可探测到夹紧失败，也即可求得是否夹紧了工具和是否将正确的工具夹紧。此外，可以监控工具是否位于预定公差之外。尤其有利的是，通过测量夹紧力增加随位置变化的过程可求得夹紧柄(Spannschaft)是否有缺陷或有脏污。这相应地适用于夹紧工件的情况。
此外，通过测量滑动摩擦力和静摩擦力，藉由在夹紧设备的方法中求得的电机电流推导出额外的特征变量。在此，所测量的滑动摩擦力给出夹紧系统内现有润滑剂量或现有涂层的多少，然后可求得润滑剂量或涂层的状态。与此相反，测量静摩擦力给出机械夹紧系统、也即夹紧设备的机构的自锁的程度。
附图说明
下文中，借助于附图说明本发明。其中：
图1示出了具有线性驱动器形式的电驱动器的第一夹紧系统的框图。
图2示出了具有传动器()的旋转驱动器形式的电驱动器的第二夹紧系统的框图。
图3示出了在借助于图1或图2的夹紧系统实施夹紧过程时所出现的力随时间变化的过程。
图4示出了由夹紧力随位置变化的过程来为两个不同的工具确定夹紧柄直径。
图5示出了由所述夹紧力随位置的变化过程确定夹紧柄的损坏或脏污。
图6示出了由夹紧力随位置变化的过程确定滑动摩擦力和静摩擦力。
图7a至图7c示出了夹紧过程的不同阶段中夹紧系统的模型图。
具体实施方式
图1和图2分别示意性示出用于夹紧工具，诸如钻头或铣刀的夹紧系统1。尽管图中涉及用于工具的夹紧系统，但是该夹紧系统通常也适用于夹紧工件。在两个实施示例中，设有用于操作夹紧设备3的电驱动器2。该夹紧设备3以公知的方式由具有多个夹紧元件的夹紧钳或夹紧组件的形式构成，其中该多个夹紧元件设置在工具架的夹具中。
根据图1的电驱动器2构造成线性驱动器。公知该线性驱动器具有固定设置的线圈4以及杆形、直线设置的磁体5，其中该磁体5相对于线圈4移动。利用磁体5的直线移动来操作夹紧设备3，也即借助于电驱动器2引起夹紧设备3的闭合和打开运动。备选地，也可应用线圈4移动而磁体5固定的线性驱动器。
根据图1的电驱动器2构造成具有丝杠(Gewindespindel)6形式的传动器的旋转驱动器2。在这种情况下，电驱动器2通过丝杠6作用于夹紧设备3。
在两个实施方式中，在电驱动器2内设有探测器或传感器形式的测量装置，借助于该测量装置可测量实际的电机位置和电机电流。
实际的电机位置和电机电流将在未示出的评估单元中进行评估。其中，所求得的电机电流评估为，利用夹紧设备3实施夹紧过程时所出现的夹紧力的大小。所测量的电机位置给出夹紧设备3的实际位置。
电驱动器2通常包括电动机和变流器，其中有利的是，用于测量电机位置的传感器设置在电机上并且用于测量电机电流的传感器集成在变流器中。评估单元设在变流器中或设在变流器的控制单元中。
为了防止例如在电流中断之后工具从夹紧设备3松脱，自锁式地构造根据图2的机械夹紧系统。由足够大的、电驱动器2开动时必须克服的静摩擦来产生自锁。该静摩擦很大，使得在没有通过电驱动器2主动操作的情况下不能打开夹紧设备3。
下文中借助于图3至图6说明夹紧系统1的功能，其中该说明对于根据图1和图2的夹紧系统1的两个实施变型均适用。
为了借助于夹紧系统1实施夹紧过程，利用调节器运行电驱动器2，其中为此设有的调节单元集成在变流器中或控制单元中。
调节过程如在图3中所见，其中图3示出了在夹紧过程中所出现的力随时间变化的过程。
在时间间隔0＜t＜t0中，夹紧设备3驶向待夹紧的工具，也即夹紧设备3还未与工具接触，其中接触的概念是指夹紧设备3落在工具的平面上。在此时间间隔中，必须由电驱动器2施加的力也为非零有限值。此力相应于夹紧系统1中作用的滑动摩擦力。如果驱动器2在此阶段加速，还要加上加速力。
在此时间间隔中，依赖于测量装置的测量值来调节电驱动器2的位置，以确定实际电机位置。通过位置调节而获得电驱动器2的确定速度曲线并因而获得夹紧设备3的移动。
至时间点t0，夹紧设备3与工具接触，此后在时间间隔t0＜t＜ti中，利用夹紧设备3来夹紧工具。然后，通过测量电机电流而确定的力，也即用于夹紧工具的夹紧力极其快速地增大到最大值，并且在夹紧过程结束时降低。在随后的时间间隔t＞ti中，利用夹紧设备3的恒定夹持力来夹持工具。在夹紧工具时，通常将电机断耦并且该电机自身不再施加力。夹持力通过摩擦力来施加。例如在夹紧静态工件时，电机可在力的作用下保持耦接并与摩擦力一同施加夹持力。
对于时间t＞t0，调节驱动器2的力，使得利用该调节器2可获得图3中所示的力的变化过程廓形。此外，依赖于利用测量装置而确定的电机电流来调节电驱动器2。在时间点t＝t0时，实现位置调节和力调节之间的快速转换。
利用测量装置确定的电机电流和电机位置的测量值不仅允许用于调节电驱动器2，如图4至图6所示，而且也允许用于推导特征变量，其中这些特征变量表明了夹紧过程，尤其表明了夹紧设备3的质量。此外，图4至图6示出了在夹紧设备3中出现的力随路程变化的过程，也即夹紧力依赖于夹紧设备3的实际位置。
在图4中，利用I和II表示了夹紧具有不同夹紧柄直径的两个工具时夹紧力随路程的两个变化过程。
点x1或x2定义了夹紧设备3与每个工具的接触点。通过求得此切点，可求得单个工具的有效夹紧柄直径。在上述情况下，在夹紧设备3驶向工具时，也进行电驱动器2的位置调节并且在夹紧工具时进行力调节。然后如图4所示，可由此确定夹紧柄直径，形成位置调节和力调节的子曲线的切线，其中切线的交点确定有效夹紧柄直径。由夹紧力的增加推导出夹紧柄直径，有时附加地还由夹紧距离推导出夹紧柄直径。
所求得的夹紧柄直径在评估单元中与在此存储的单个工具的夹紧柄直径额定值进行比较。通过比较可以确定，夹紧柄直径是否处于预定公差内。此外，可确定是否夹紧了正确的工具或者该工具是否倾斜地置于工具卡头里面。
图5再次示出了在夹紧工具时夹紧力的随路程变化的过程。其中以I表示的曲线示出了工具的夹紧柄没有缺陷的情况。与此相反，以II表示的曲线示出了夹紧柄有脏污的情况。
由于脏污，夹紧力比没有脏污的夹紧柄时提前增加，为此，夹紧力的增加较小，因为由于脏污如切屑通常消减系统的有效E模量，该系统包括工具和夹紧设备3。
因此，通过分析夹紧力的增加可求得工具的夹紧柄是否带有脏污。
图6示出了在借助于夹紧设备3(曲线I)夹紧工具时和打开夹紧设备3(曲线II)时夹紧力随路程变化的过程。
在夹紧设备3驶向工具和打开夹紧设备3期间，也即在实施电驱动器2的位置调节的时间间隔期间，通过测量电机电流，获得在夹紧系统1中滑动摩擦力FR或-FR的大小。这又形成系统中现有润滑剂量的多少。同样，此力给出夹紧系统中现有的涂层如干燥层的信息。
接着，在将夹紧设备3从工具松脱时，还测量将工具从夹紧设备3松脱所需的静摩擦力FH。此静摩擦力FH给出机械夹紧系统的自锁的大小。
在工具从夹紧设备3松脱时，有利的是，在作为电驱动器2致动器的转子(其由线性驱动器的可活动的部分或由旋转驱动器的丝杠6构成)与夹紧设备3的传动机构之间留有间隙。在松脱工具时，可首先平缓地移动越过该间隙，以应用用于松脱工具的更大的力。如果这未使得工具松脱，也即如果工具贴紧(festgebacken)，那么间隙用于使得致动器获得起动距离(Anlauf)，以利用锤击作用打击式地松脱夹紧设备3。
有利地，在电机转子和夹紧设备3之间留有的间隙也用于优化夹紧过程，如同下面借助于图7a至图7c说明的那样。
在此，在电机转子和夹紧设备3之间的间隙通常用于使电机转子朝向夹紧设备3加速，以将除电机力外的电机转子质量的动能转换成夹紧力，因而可靠提供夹紧过程所需的力。因此此力尤其也必需这样大小，因为在夹紧过程中必须克服驱动器2的自锁。
图7a至图c以弹簧-质量模型的形式示出并描述了图1和图2中夹紧系统1的构件。其中以mMot和vMot表示电机转子、也即夹紧组件的驱动器的运动质量的质量以及速度，并且以msp和vsp表示构造了夹紧设备3的夹紧系统1的夹紧组件的质量以及速度。
此外，在图7a至图7c中，以模型的方式通过弹性常数D和摩擦力FR来描述工具。最后，利用FRI表示另一与质量msp运动相反作用的摩擦力。
图7a示出了夹紧过程的第一阶段，其中由于在电机转子和夹紧组件之间留有间隙，电机转子可将夹紧组件加速。与此相应，由驱动器2施加的电机力FMot作用到质量mMot上，由此将其加速。与此相反，夹紧组件的质量msp仍处于静止状态(vsp＝0)。
间隙范围越大，电机转子在此阶段经过的路程越大，在撞击到质量msp上之前电机转子的速度vMot越大。
图7b示出了在转子撞击到夹紧组件之后夹紧过程的第二阶段。在所述质量msp和mMot相互碰撞之后，它们共同以速度v继续移动，也即非常近似非弹性碰撞。
在电机转子和夹紧体(Spannzug)刚相互碰撞之后其整个系统的速度v为
v＝mMot*vMot/(mMot+msp)
此后两个质量，也即m＝mMot+msp，通过电机力在一定的路程上在第一摩擦力FRI的作用下进一步加速并且获得更大的动能。
图7c示出了开始利用夹紧组件真正夹紧工具的夹紧过程的第三阶段。
夹紧过程的开始时，电机和夹紧组件具有速度vs并且撞击该工具，该工具可根据胡克定理通过有效弹性常数D和摩擦力FR来描述。第一近似中，摩擦力FR不依赖于速度，但是与夹紧力(也与夹紧距离)自身成比例。在夹紧时移动的工具自身的额外质量由于较高的传动比是可忽略的。在夹紧时，电机力进一步作用，然而反向力，也即弹力和摩擦FR快速增大并且将加速降低至0。在此时，驱动器开始返回。然而，通过在夹紧设备3和工具之间的摩擦防止其返回。然后，摩擦力FR改变其符号并且同时显示在正方向中。在此，其补偿所有其它起作用的力，只要这些力不大于最大静摩擦力。夹紧距离(制动距离)越大，那么撞击质量在夹紧工具之前的速度就越快，并且在夹紧期间作用的电机力就越大。相应地，合成的夹紧力也就越大。
如根据图7a至图7c的模型图示所示，通过充分利用转子和夹紧组件之间的间隙，由于附加地对于电机力使用动能，显著提高夹紧力。
根据图7a至图7c所示的模型，夹紧距离，也即质量mMot和msp的制动距离可直接评估为夹紧力的大小。
在转子撞击到夹紧组件上时，存在较高的峰值力，其可导致轴承部件的磨损或甚至损坏。为避免此类力峰值，可在电机转子上或在夹紧组件上设有阻尼元件或弹性元件如盘形弹簧。
参考符号列表
(1)夹紧系统
(2)驱动器
(3)夹紧设备
(4)线圈
(5)磁体
(6)丝杠
Claims (21)
1.一种用于借助于电驱动器(2)来操作夹紧设备(3)以夹紧工具或工件的方法，在所述电驱动器(2)中集成有用于测量电机电流和电机位置的装置，以控制利用所述夹紧设备(3)来实施的夹紧过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别在夹紧过程期间或在测量过程期间实施所述测量，其中在该测量过程中所述夹紧设备相对于所述夹紧过程以较小的速度移动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在应用模型的情况下，由所测量的电机电流确定用于使所述夹紧设备(3)将工具夹紧所需的夹紧力和/或确定用于使夹紧的工具松脱所需的松脱力，其中所述模型与相关的物理影响参数有关。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述夹紧力随时间或随路程变化的过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述夹紧设备的夹紧距离作为用于各夹紧力的尺度而被评估。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，利用调节器运行所述电驱动器(2)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述夹紧设备(3)驶向所述工具时，实施位置调节，并且在所述夹紧过程的确定点处转换到力调节或力矩调节。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，实施位置调节和力调节或力矩调节之间的快速转换。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量夹紧力的增加确定所述工具的有效夹紧柄直径。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所测量的夹紧柄直径与额定值比较。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，通过测量夹紧力随位置变化过程的增加而确定，所述夹紧柄有缺陷或有脏污。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量电机电流求得滑动摩擦力，所述滑动摩擦力作为在所述电驱动器(2)和所述夹紧设备(3)中存在润滑剂或涂层的特征变量。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量电机电流求得静摩擦力，所述静摩擦力作为所述夹紧设备(3)的传动机构自锁的特征变量。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，利用在由所述驱动器(2)的移动质量块构成的电机转子和所述夹紧设备(3)之间的间隙用于通过加速所述夹紧设备(3)上的电机转子来提高所述夹紧力。
15.一种用于借助于电驱动器(2)来操作夹紧设备(3)以夹紧工具或工件的夹紧系统(1)，在所述电驱动器(2)中集成用于测量电机电流和电机位置的装置，借助于所测量的电机电流和电机位置可控制利用所述夹紧设备(3)实施的夹紧过程。
16.根据权利要求15所述的夹紧系统，其特征在于，所述电驱动器(2)是线性驱动器。
17.根据权利要求16所述的夹紧系统，其特征在于，所述电驱动器(2)是具有传动器的旋转驱动器(2)。
18.根据权利要求17所述的夹紧系统，其特征在于，对所述电驱动器(2)附设丝杠作为传动器。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的夹紧系统，其特征在于，利用所述电驱动器(2)仅产生用于以所述夹紧设备(3)来夹紧所述工具的夹紧力。
20.根据权利要求15至18中任一项所述的夹紧系统，其特征在于，设有辅助弹簧组件，借助于所述辅助弹簧组件附加地对于利用所述电驱动器(2)所产生的夹紧力产生预夹紧。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的夹紧系统，其特征在于，在所述驱动器(2)或所述夹紧设备(3)的电机转子上设置阻尼元件或弹性元件。
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