CN103034165A

CN103034165A - 具有能运动的机械结构的振动补偿装置的加工机床

Info

Publication number: CN103034165A
Application number: CN2012103714729A
Authority: CN
Inventors: 乌韦·拉德拉; 埃尔玛·谢菲尔斯; 托尔斯滕·舒尔曼; 迪特马·施托伊贝尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: US20130085607A1; US9740179B2; CN103034165B; JP2013078838A; JP5518156B2; EP2574820B1; EP2574820A1

Abstract

本发明涉及一种加工机床的控制装置（5），该控制装置相应于额定移动运动来控制该加工机床的轴驱动装置（4）。从而使该加工机床的机械结构（3）相应地移动。控制装置（5）确定机械结构（3）在活动范围内的绝对运动并考虑机械结构（3）的额定移动运动从中确定用于平衡块（7）的、减弱机械结构（3）的振动的补偿运动（K*）。在机械结构（3）上布置对平衡块（7）起作用的平衡驱动装置（8）。控制装置（5）相应于补偿运动（K*）控制平衡驱动装置（8）。平衡块（7）相应地由此相对于机械结构（3）移动，因而减弱机械结构（3）的振动。

Description

具有能运动的机械结构的振动补偿装置的加工机床

技术领域

本发明涉及一种用于加工机床的运行方法，其中，加工机床的轴驱动装置由加工机床的控制装置相应于额定移动运动或者说额定位移运动（Sollverfahrbewegung）来控制，从而使加工机床的机械结构借助于轴驱动装置相应于额定移动运动而移动或者说位移（verfahren）。

此外，本发明还涉及一种包括机器代码的控制程序，该机器代码能够由控制装置为加工机床直接执行，其中，通过控制装置执行机器代码导致这样的效果，即控制装置使得加工机床根据这种运行方法来运行。

此外，本发明还涉及一种用于加工机床的控制装置，其中，控制装置这样设计或者编程，即控制装置使得加工机床根据这种运行方法来运行。

此外，本发明还涉及一种加工机床，

-其中，加工机床具有轴驱动装置，该轴驱动装置能够由加工机床的控制装置相应于额定移动运动来控制，

-其中，加工机床具有机械结构，该机械结构能够借助于轴驱动装置相应于额定移动运动而移动。

背景技术

在机床、工业机器人等等的加工过程中通常会出现振动。振动导致加工的不精确性。在某些情况下，加工的不精确性是被允许的。在其它情况下，加工的不精确性则是不被允许的。在某些情况下，振动甚至特别地可能导致这样的后果，即加工机床开始发出隆隆响声。在这种情况下，必须例如以较低的传送率进行工作，由此降低了生产效率。

根据加工机床的不同，出现的振动方式可能具有不同的特征。例如在悬臂中通常会出现典型的弯曲振动（象鼻运动“Rüsselbewegung”）。也有可能出现线性振动或者扭曲振动。

减弱振动的可能性在现有技术中是受限的。在传统的机械制造中使用例如被动减振器。被动减振器是一种辅助减振块，其弹簧弹性地安装在能移动的机械结构上并且被调适至与待减弱的频率一致。

此外，在现有技术中已知了：为了减弱机械结构的振动而使用主动减振器。在主动减振器中，借助于相应的传感装置确定机械结构在活动范围内的绝对运动。通过对绝对运动进行分析，确定用于减弱机械结构的振动的平衡块的补偿运动。相应于确定的补偿运动来控制对平衡块起作用的、布置在机械结构上的平衡驱动装置，从而使平衡块借助于平衡驱动装置相对于机械结构相应于补偿运动而移动。

在主动减振器中所采用的典型的处理方式不能容易地在-或多或少持久地-移动的机械机构中应用。特别是主动减振器可能对预期的额定移动运动起反作用并因此阻碍该额定移动运动。

发明内容

本发明的目的在于，提供多种可能性，借助于这些可能性能够以简单的方式借助于主动减振器减弱能移动的机械结构的振动。

该目的通过具有权利要求1所述特征的运行方法实现。根据本发明的运行方法的有利的设计方案在从属权利要求2至8中进行说明。

根据本发明设计为，开头所述类型的运行方法这样设计，

-由控制装置确定机械结构在活动范围内的绝对运动，

-为了减弱机械结构的振动，由控制装置根据确定的绝对运动，考虑机械结构的额定移动运动确定用于平衡块的补偿运动，和

-对平衡块起作用的、布置在机械结构上的平衡驱动装置由控制装置相应于确定的平衡运动来控制，从而使平衡块借助于平衡驱动装置相对于机械结构相应于补偿运动而移动。

在确定补偿运动时，特别地通过考虑额定移动运动达到这一效果，即补偿运动并不阻碍机械结构的正常的、符合运行所要求的移动，而是仅仅起到减弱不符合预期的振动的作用。

补偿运动优选地由控制装置根据机械结构在活动范围内的实际加速度和与机械结构的额定移动运动一致的额定加速度之间的差来确定。通过该设计方案能够以特别简单的方式考虑到额定移动运动。

为了达到机械结构在活动范围内的实际加速度，一方面可以由控制装置接收表征机械结构在活动范围内的实际加速度的信号。通过这一处理方式，可直接地和迅速地提供实际加速度。

可能的替换方案是，机械结构在活动范围内的实际加速度由控制装置根据不等于机械结构在活动范围内的实际加速度的测量值来确定。在该设计方案中不需要设有加速度传感器。在此情况下，所使用的测量值特别地可以包括平衡驱动装置的实际值、和/或平衡块相对于机械结构的位置、和/或平衡块相对于机械结构的位置的至少一个时间导数。测量值例如可以一方面包括平衡驱动装置的实际电流或实际力矩，另一方面可以包括平衡块相对于机械结构的位置的第一时间导数。

优选地设计为，控制装置通过对平衡驱动装置的相应控制使平衡块除了补偿运动外还以叠加运动相对于机械结构移动。通过该处理方式能够实现这样的效果，即最小化对测量值的检测造成干扰的非线性摩擦效应。叠加运动优选地这样确定，即叠加运动在每个时间点上的第一、第二和/或第三时间导数不等于零。

叠加运动通常是一种振荡运动。其行程可根据不同的需求来确定。其频率通常相对较低。

此外，该目的通过根据权利要求9所述的控制程序实现。根据本发明，通过控制装置执行机器代码导致这样的效果，即控制装置使得加工机床按照根据本发明的运行方法来运行。

此外，该目的还通过具有权利要求10所述特征的控制装置实现。根据本发明，控制装置这样设计或者编程，即控制装置使得加工机床按照根据本发明的运行方法来运行。

此外，该目的还通过具有权利要求11所述特征的加工机床实现。根据本发明设计为，开头所述类型的加工机床这样设计，即在机械结构上布置对平衡块起作用的平衡驱动装置，平衡块能够借助于该平衡驱动装置相对于机械结构移动，并且控制装置根据本发明来设计或者编程。

附图说明

结合对于参照附图进行了详细说明的实施例的以下说明，本发明的前述特性、特征和优点以及实现这些特征、特性和优点的方式和方法更加明确易懂。图中示出：

图1示意性地示出了加工机床，

图2示意性地示出了对于平衡驱动装置的控制图，

图3示意性地示出了图2中的控制图的内部结构，和

图4示出了加速度确定的可能的设计方式。

具体实施方式

根据图1，加工机床-例如机床或者工业机器人-具有基体1。该基体1通常位置固定地布置在基座2上。

此外，加工机床还具有（至少）一个机械结构3。该机械结构3能够借助于加工机床的轴驱动装置4相应于额定移动运动而移动。例如，轴驱动装置4能够由加工机床的控制装置5在一个机器行程内分别根据位置额定值x*（或者其他的额定值v*，a*，例如速度额定值v*或者加速度额定值a*）来控制。该机器行程通常在较低的毫秒范围内或者比之更低的范围内。典型的是2ms，1ms，500μs，250μs，125μs或者62.5μs的机器行程。

轴驱动装置4使机械结构3相应于预设的额定移动运动而移动。此外，能够引起-不论是通过外部的影响因素还是通过这种移动，或者是基于其它情况-机械结构3的振动。为了能够识别这种振动，设有传感器6。借助于传感器6利用测量技术检测表征机械结构3在活动范围内的绝对运动的信号。由传感器6检测到的信号被传输至控制装置5，该控制装置从中确定机械结构3在活动范围内的绝对运动。

此外，为了减弱机械结构3的振动，加工机床还具有平衡块7和平衡驱动装置8。平衡驱动装置8布置在机械结构3上。它对平衡块7起作用。可替换地，平衡驱动装置8能够设计为旋转式的电动机或者电动的直线驱动装置，其中，在某些情况下优选地选择后一设计方案。

借助于平衡驱动装置8，平衡块7能够相对于机械结构移动。因此，控制装置5根据之前确定的、机械结构3在活动范围内的绝对运动并考虑机械结构3的额定移动运动来确定补偿运动K*，应使平衡块7根据该补偿运动来运动。控制装置5这样确定补偿运动K*，即减弱机械结构3的出现的振动。此外，控制装置5相应于确定的补偿运动K*来控制平衡驱动装置8。由此使平衡块7借助于平衡驱动装置8相对于机械结构3相应于补偿运动K*而移动，由此减弱振动。

然而如果涉及到通过补偿运动K*定义的移动方向，则平衡块7并未支撑在机械结构3上。这可以由此实现，即平衡块7在某种程度上可以说是被背负在平衡驱动装置8上一起移动。

可替换地，虽然能够相对于机械结构3与移动方向正交地引导平衡块7，例如通过导轨实现。然而在这一情况下，也就是说在绕开（Umgehung）平衡驱动装置8的情况下，未进行从平衡块7到机械结构3的直接的力传递。

确定对于静止的机械结构3的补偿运动K*，这对于所有的专业技术人员而言是普遍已知的。通常从产生的加速度δa出发，对机械结构3的产生的实际位置δx进行估计-见图2-。随后便从这一估计结果出发来确定补偿运动K*。

例如可以-见图3-通过在积分仪9中进行两次积分并根据产生的加速度δa首先确定产生的速度δv，并且然后再确定机械结构3的产生的实际位置δx。

产生的速度δv和产生的位置δx能够在缩放元件10中以合适的缩放因数缩放。d在缩放元件10中表示预期的减振，m表示平衡块7的质量（单位kg）。

被相应缩放的值可以根据图3被传输至调节器结构11，该调节器结构对平衡块7的相对于机械结构3的位置x’和速度v’进行调节。调节器结构11在内部具有位置调节器12、速度调节器13，和可能还具有电流调节器14。调节器结构11对平衡驱动装置8起作用。平衡块7相对于机械结构3的位置x’和相应的速度v’作为实际值x’，v’被输送至调节器结构11中。速度v’例如能够在微分元件15中通过对位置x’进行微分而确定。额定位置x’*作为额定值x’*被输送至调节器结构11。额定位置x’*可以是恒定不变的或者随时间变化。

可以将产生的加速度δa或者从产生的加速度δa中推导出的值用于进行频率滤波。这种频率滤波对于专业技术人员而言是普遍已知的。在图3中并未一并示出。

根据产生的加速度δa确定补偿运动K*，这种确定也可以在根据本发明的加工机床中在方法方面予以保留。但是，根据图2和图3的说明，为了确定产生的加速度δa，必须从机械结构3的实际加速度a中减去额定加速度a*，即形成机械机构3的实际加速度a与机械结构3的额定加速度a*的差。额定加速度a*与额定移动运动一致。额定加速度可以通过额定移动运动直接地和迅速地得出或者由控制装置5根据额定移动运动确定。

对于机械结构3的实际加速度a可以有不同的处理方式。一方面可以根据图1将传感器6中的一个传感器布置在机械结构3自身上并且设计为加速度传感器。在这一情况下，传感器6能够直接地并且迅速地检测实际加速度a并且将其输送至控制装置5。

另一方面，由传感器6检测到的测量值v’,I,M可能是不等于机械结构3的实际加速度a的测量值v’,I,M。在这一情况下，实际加速度a由控制装置5根据检测到的测量值v’,I,M确定。

为实现此目的，例如可以借助于传感器6将平衡驱动装置8的合适的实际值I,M、和/或平衡块7的相对于机械结构3的位置x’和/或该位置x’的时间导数v’-特别是第一时间导数v’，即速度v’-输送至控制装置5。平衡驱动装置8的实际值I,M能够特别地包括平衡驱动装置8的实际电流I或者实际力矩M。例如，根据图4，控制装置5能够根据平衡驱动装置8的实际力矩M或者实际电流I和平衡块7相对于机械结构3的速度v’确定机械机构3的实际加速度a。对于确定实际加速度a而言不需要其它值。

存在这一可能性，即控制装置5仅根据补偿运动K*控制平衡驱动装置8。可能的替换方案-见图1-是：由控制装置5通过对平衡驱动装置8的相应控制使平衡块7附加地以叠加运动Z*相对于机械结构3移动。为实现此目的，例如位置额定值x’*-见图3-能够被相应地调制。叠加运动Z*优选地这样确定，即-考虑到叠加运动Z*-在每一个时间点上，以下的值中的至少一个值不等于0：

-第一时间导数，即平衡块7相对于机械结构3的运动的通过叠加运动Z*所引起的速度分量，

-第二时间导数，即平衡块7相对于机械结构3的运动的通过叠加运动Z*所引起的加速度分量，和

-第三时间导数，即平衡块7相对于机械结构3的运动的通过叠加运动Z*所引起的震动分量（Ruckanteil）。

通常，叠加运动Z*是一种振荡运动。其频率必须处于机械结构3的共振波谱范围之外，例如必须足够低频。

根据图1的说明，控制装置5在内部通常具有微处理器16。因而通常将控制装置5设计为可软件编程的控制装置，该可软件编程的控制装置执行计算机程序17。计算机程序17包括能够由控制装置5（更确切地说：由控制装置5的微处理器16）直接执行的机器代码18。机器代码18的执行导致这样的效果，即控制装置5使加工机床根据以上说明的根据本发明的运行方法来运行。

计算机程序17能够以任意的方式被输送至控制装置5。例如可以将计算机程序17以机器可读的方式-特别是以电子的方式-储存在数据存储器19上并且通过该数据存储器19输送至控制装置5。仅作为范例，数据存储器19根据图1设计为USB-记忆棒。但是该设计方案可以没有问题地进行更改。

借助于根据本发明的设计方案可以以简单的方式减弱能移动的机械结构3的振动。

虽然通过优选的实施例进一步详细地解释和说明了本发明，但是本发明并不局限于已公开的例子，并且在不脱离本发明的保护范围的前提下，专业技术人员可以从中推导出其它变体。

Claims

1.一种用于加工机床的运行方法，

-其中，所述加工机床的轴驱动装置（4）由所述加工机床的控制装置（5）相应于额定移动运动来控制，从而使所述加工机床的机械结构（3）借助于所述轴驱动装置（4）相应于所述额定移动运动而移动，

-其中，由所述控制装置（5）确定所述机械结构（3）在活动范围内的绝对运动，

-其中，为了减弱所述机械结构（3）的振动，由所述控制装置（5）根据确定的所述绝对运动，考虑所述机械结构（3）的所述额定移动运动确定用于平衡块（7）的补偿运动（K*），

-其中，对所述平衡块（7）起作用的、布置在所述机械结构（3）上的平衡驱动装置（8）由所述控制装置（5）相应于确定的所述补偿运动（K*）来控制，从而使所述平衡块（7）借助于所述平衡驱动装置（8）相对于所述机械结构（3）相应于所述补偿运动（K*）而移动。

2.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述补偿运动（K*）由所述控制装置（5）根据所述机械结构（3）在活动范围内的实际加速度（a）和与所述机械结构（3）的所述额定移动运动一致的额定加速度（a*）之间的差来确定。

3.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，由所述控制装置（5）接收表征所述机械结构（3）在活动范围内的所述实际加速度（a）的信号。

4.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，所述机械结构（3）在活动范围内的所述实际加速度（a）由所述控制装置（5）根据不等于所述机械结构（3）在活动范围内的所述实际加速度（a）的测量值（v’,I,M）来确定。

5.根据权利要求4所述的运行方法，其特征在于，所述测量值（v’,I,M）包括所述平衡驱动装置（8）的实际值（I,M）、和/或所述平衡块（7）相对于所述机械结构（3）的位置（x’）、和/或所述平衡块（7）相对于所述机械结构（3）的所述位置（x’）的至少一个时间导数（v’）。

6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，所述测量值（v’,I,M）一方面包括所述平衡驱动装置（8）的实际电流（I）或实际力矩（M），和另一方面包括所述平衡块（7）相对于所述机械结构（3）的所述位置（x’）的所述第一时间导数（v’）。

7.根据权利要求5或6所述的运行方法，其特征在于，所述测量值（v’,I,M）仅包括在权利要求5或6中所述的值。

8.根据权利要求5,6或7所述的运行方法，其特征在于，所述控制装置（5）通过对所述平衡驱动装置（8）的相应控制使所述平衡块（7）除了所述补偿运动（K*）外还以叠加运动（Z*）相对于所述机械结构（3）移动，并且所述叠加运动（Z*）在每个时间点上的第一、第二和/或第三时间导数不等于零。

9.一种包括机器代码（18）的控制程序，所述机器代码能够由控制装置（5）为加工机床直接执行，其中，通过所述控制装置（5）执行所述机器代码（18）导致这样的效果，即所述控制装置（5）使得所述加工机床根据具有前述权利要求中任一项所述的运行方法的所有步骤的运行方法来运行。

10.一种用于加工机床的控制装置，其中，所述控制装置这样设计或者编程，即所述控制装置使得所述加工机床根据具有权利要求1至8中任一项所述的运行方法的所有步骤的运行方法来运行。

11.一种加工机床，

-其中，所述加工机床具有轴驱动装置（4），所述轴驱动装置能够由所述加工机床的控制装置（5）相应于额定移动运动来控制，

-其中，所述加工机床具有机械结构（3），所述机械结构能够借助于所述轴驱动装置（4）相应于所述额定移动运动而移动，

-其中，在所述机械机构（3）上布置对平衡块（7）起作用的平衡驱动装置（8），所述平衡块（7）能够借助于所述平衡驱动装置相对于所述机械结构（3）移动，

-其中，所述控制装置（5）根据权利要求10来设计或者编程。