CN110402188B

CN110402188B - 驱动系统和其评估

Info

Publication number: CN110402188B
Application number: CN201880014396.1A
Authority: CN
Inventors: 约亨·布雷特施奈德; 马克西米利安·克劳斯; 大卫·比特罗尔夫; 卡斯滕·哈姆; 特奥·赖歇尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: EP3367185A1; CN110402188A; US20200061832A1; EP3571021A1; WO2018158181A1

Abstract

本发明涉及一种用于评估机床(21)或生产机器(21)的驱动系统(22)的方法，其中，驱动系统(22)具有轴(23、24、25)，模拟驱动系统(22)的负荷，其中，将驱动器配置文件(20)用于模拟，其中，模拟驱动系统(22)的实际值，其中，将模拟的实际值(40)与参照值(41)关联。该驱动系统(22)具有至少一个轴(23、24、25)，其中，基于驱动器配置文件(20)将驱动系统(22)的所模拟的负荷与至少一个参照值(41)关联。

Description

驱动系统和其评估

技术领域

本发明涉及一种驱动系统，其特别是机床、机器人或生产机器的驱动系统，以及一种用于评估驱动系统的方法。

背景技术

在机器运行中，如机床、生产机器或机器人的运行中，受到不同的边界条件的限制。根据边界条件得到机器(例如：车床、铣床、磨床、钻床、机器人等)的负荷。为了借助机床加工工件，例如在机床的控制装置中执行一子程序，其特别是以点精确的方式控制刀具的运动过程。在此，子程序包括多个程序指令，它们能够触发控制装置或机床的不同动作。因此，例如有以下程序指令，其直接以点精确的方式引起刀具相对于工件沿着预定轨迹的相对运动。也有以下程序指令，其例如调用下级程序、辅助运动或周期。在最后提到的情况下，通常一同提供有参数，通过参数更精确地详细说明可由机床实施的加工或运动过程。例如，在调用槽口铣削周期时，通过子程序将参数输送给控制装置，这些参数确定要铣削的槽口的精确位置和大小。由于程序指令“铣削槽口”结合有相应的参数，控制装置自主地生成必需的轨迹数据以便使刀具相对于工件运动。程序指令的另一实例是调用辅助运动，其中仅为控制装置预设初始点和结束点并且控制装置针对它们生成相应的轨迹数据，从而不与工件接合的刀具无碰撞地从初始点运动至结束点。

在批量生产时可能重要的是：优化由机床实施的运动过程，因为未优化的运动过程可能代表在制造工件时大量的时间因素以及因此导致的成本因素。因此，为了提高机器生产率-特别是在批量生产时-可能需要使用优化的运动过程，或优化硬件的负荷。硬件例如涉及驱动系统。机器的轴能够例如是硬件的一部分。轴例如具有电动马达和/或变流器。优化的运动过程的计算例如以离线方式、即在控制装置之外进行，因为这需要大量的计算能力并且极其耗费时间。在该处理方式中，直接在机器处改变子程序很难被涵盖到运动过程的优化中。这在生成时间优化的运动过程时是一种阻碍，并且通常限制了子程序的这种改变在大批量生产中的应用。

在简化的观察方案中，马达或驱动器能够通过预设负载变换来设计。在此，从所需的转矩、所需的转速、所需的速度和/或所需的功率出发来实施马达的、电网供电的、功率模块的、调节部件的和/或位置检测的设计。

马达的设计(Auslegung)例如考虑到以下因素：

·Mmax最大力矩

·Imax最大电流(基础：运动的质量和期望的加速度amax)

·Mnenn额定转矩

·Nmax最大转速

·I2t马达/调节器的热过载，和/或

·S1、S2、S3标准化的运行类型

所引入的变量，特别是质量和容许负荷极大地取决于机器的结构，并且在马达配置的时间点可能尚未知晓。因此，设计此时例如依赖于客户的假设并且涉及安全因素。

从US 2010/0082314A1已知一种用于机电系统的模拟装置和分析装置。基于用户所进行的配置能够预测驱动系统的表现。

为了设计例如具有由马达和变流器构成的组合的驱动器，能够使用设计程序。

如果涉及多轴机器，一个或多个驱动器的设计会特别复杂，这种情况例如发生于机床和机器人中一个轴的运动改变另一轴的位置时。因此得到多个轴之间的机械的有效关联。

在一些情况下，用于马达/驱动器设计的数据是不精确的。这例如涉及利用线性马达和力矩马达的应用的设计。但是，必要时又要恰好借助这些直接驱动器达到应用的可实现性的极限。在过去，马达或驱动器通常被不必要地过度设计(安全边际)。这种情况能够通过更好的设计方法来改进。

因此例如能够克服以下问题：

·对于典型的客户应用没有实现机器的设计加速度，因为受机器的机械作用限制的冲击不允许实现；

·驱动器在特定的客户程序中过热；

·无法实现应用，因为粗略式设计提供了错误预测，和/或

·对于涉及机器机械作用、运动控制和驱动器设计的整体的问题，客户只能得到不充分的支持。

发明内容

本发明的目的是，改进机器的驱动系统。在此，能够更精确地实施马达和/或连接在下游部件中的设计。因此，特别能够避免错误设计。这涉及例如驱动器的过度设计或驱动器的不足设计。

该目的根据本发明的用于评估机床或生产机器的驱动系统的方法得以解决，并且根据本发明的驱动系统得以解决。

在用于评估机床或生产机器的驱动系统的方法中，模拟驱动系统的负荷，其中，驱动系统具有轴。特别地，驱动系统具有三个或更多个轴。将驱动器配置文件用于模拟，其中，模拟驱动系统的实际值，其中，将所模拟的实际值与参照值关联。负荷能够例如基于最大力矩Mmax、最大电流Imax、额定力矩Mnenn、最大转速Nmax、热负荷I2t和/或标准运行类型(如S1、S2、S3等)来确定或计算。因此，例如在机器运行和/或开发时，能够确定和/或优化例如一个机器轴(多个机器轴)的负荷。特别地，这涉及可被优化的给定应用。特别地，该优化自动地进行。

在该方法的一个设计方案中，驱动器配置文件以子程序为基础。子程序例如由机床的编程已知。

在该方法的一个设计方案中，在具有子程序的机器中为了确定负荷而运行子程序，并且根据测量数据检查：机器是否产生所设定的动力。如果未达到期望的加工时间，则逐步地提高动力要求。要么由此而达到目的，要么达到驱动器的极限(例如电流、转矩、功率、转速)。因此，能够例如确定受限制的部件并且将其由具有更高功率的部件替代。

在该方法的一个设计方案中使用虚拟机。该虚拟机例如具有多个组成部分，如数控装置(NC)、驱动器和机器模型。这些组成部分能够例如在三个依次相随的级(阶段)中进行模拟：

·NC(具有理想的驱动器和理想的机械作用)

·NC+驱动器(和理想的机械作用)

·NC+驱动器+FE模型(有限元模型)。

在虚拟生产的框架下，该模拟能够根据机器的机电模型来针对客户应用实施。此外，还有用于马达/驱动器设计的应用。对于马达设计来说，特别是结合客户的专门的NC程序或运动过程能够得到详细的说明。在此，考虑NC和被调节的驱动器中的运动控制算法的特性。在此，可以在动力学和热力学方面进行观察。在设计中，通过虚拟机已经观察了客户的具体应用。马达的负载例如针对典型应用来计算，而不单单通过理论载荷循环来计算。通过在不同的构建阶段中利用虚拟机进行模拟，马达/被调节的驱动器的设计在静力学、动力学和热力学方面被精细化。对于马达/驱动器设计来说，可以引用虚拟生产。

在该方法的一个设计方案中，驱动系统具有至少五个轴。在能实现五轴加工的机床中，在考虑不同子程序的情况下，不同轴的协作也是复杂的，从而驱动系统的预处理能够实现对其的改进。因此，例如在建造机床或机器人或生产机器之前，根据驱动系统的加工能够利用多个轴来调整生产机器或机器人或机床的机械作用。机械作用涉及例如其刚性、其弹性、轴承的承载能力等。因此，在该方法的一个设计方案中，轴中的至少一个的负荷被用于机床或机器人或生产机器的设计。

在该方法的一个设计方案中，对机器(特别是机床、机器人或生产机器)的周期进行模拟，其中，所模拟的实际值是平均值，其中，根据平均值来改变机器的设计。周期特别地涉及机器的轴的反复的运动过程。平均值例如涉及一个轴的驱动器的力矩。该平均值特别地能够实现周期的热学评价。

在该方法的一个设计方案中，对于对象的生产设有典型的NC程序，随后用于将NC程序中描述的加工更快速地在新的机器上实现的驱动器能够由NC程序起进行计算。附加地，还能够根据快速性考虑生产或加工的质量。

在该方法的一个设计方案中，针对一个生产周期能够检查或计算加速度变化，以便由此推导得出在一个轴中、例如在x轴中的马达发热。

在该方法的一个设计方案中，能够例如观察利用线性直接驱动器对眼镜片的加工，以便通过模拟来计算所需要的加速度或冲击，以便由此得出关于马达的结果。

例如，在龙门铣床中或在仿型铣床中，在常规设计时也能够由于轴中的冲击强限制(这涉及驱动器配置文件，因为在驱动器配置文件中能够复现虚拟机)而在运行中无法实现马达配置中作为基础的设计最大加速度说明(这涉及负荷)。通过虚拟机的模拟，能够计算最大可达到的冲击值并且将其在马达设计中进行考虑。通过节约马达功率和冷却功率存在节约成本的显著潜力。

例如，在具有直接驱动器的铣床上加工时会发生线性马达的过热，并且进而造成x轴中的驱动器的失效。借助生产或生产机器(在此是铣床)的虚拟化并利用直接驱动器的虚拟化能够检查：是否由于子程序的预设的运动配置文件而产生过热，该运动配置文件能够通过驱动器配置文件来代表。为此能够实施一个或多个后续的步骤：

·模拟具有NC控制装置的所设定的机器数据的子程序；

·计算位置、速度、加速度和/或力的额定变化，和/或

·基于这些变化和/或基于一个或多个马达模型计算在执行具体的子程序期间在马达中的温度变化。

在该方法的一个设计方案中，所模拟的实际值用于改变驱动器配置文件。因此，驱动器配置文件或生产能够例如与现有的硬件(例如马达和/或变流器)匹配。因此，例如通过减小加速度能够与现有的硬件的功率极限或可行性相匹配，以便特别地不超过驱动器的电流极限。

在该方法的一个设计方案中，驱动系统具有多个轴。驱动系统涉及例如具有多个轴(例如具有三个、四个、五个或更多个轴)的数控机床(WZM)。通过模拟和可能需要的校正，能够例如避免过弱设计的轴而降低整个驱动系统的性能。

在该方法的一个设计方案中，对至少一个轴的负荷进行模拟。轴具有至少一个马达或至少一个马达变流器组合。

通过数字化、模拟或提供数字双胞胎，能够对典型的应用执行驱动器负荷的确定和优化。因此，在开发新机器的准备阶段中，也能够针对典型的应用来模拟轴的负荷。根据这些能够优化机器的动力学(运动学)特性和驱动器设计。

在该方法的一个设计方案中，将机器参数用于模拟。这例如是变速器的传动比和/或螺杆螺距等。因此改进了模拟。

在该方法的一个设计方案中，将机械特性用于模拟。这例如是摩擦、摩擦系数和/或温度系数等。因此改进了模拟。

在该方法的一个设计方案中，将机器参数和机械特性用于模拟。这也改进了模拟。

在该方法的一个设计方案中，参照值是最大转矩、最大转速、最大功率、最大电流和/或马达特征曲线。

在该方法的一个设计方案中，对周期进行模拟，其中，周期被特别地在热学方面进行评价。周期例如是加工周期、生产周期、负荷周期等。通过观察一个周期或通过观察多个周期，能够实现负荷的优化。在新机器的驱动器设计中，例如估算以下负荷周期，其应代表对于一个或多个驱动器来说最大的负荷。现在可行的是，根据子程序和机器专有的动力学部件执行设计。特别是在5轴或6轴加工时，此时出现的高动态的补偿运动使得难以估算适当的负荷周期。

在该方法的一个设计方案中，借助模拟确定：哪个轴和哪个动力学变量在子程序的运行期间对动力学起限制作用。为了克服该限制，改变相应的轴。

在该方法的一个设计方案中，能够研究：所确定的一个限制或多个限制以何种程度对于机器的生产率有决定性作用。通过模拟能够确定：当前存在的限制的作用程度如何正面地作用于制造质量或制造时间。当例如一个轴中的加速度极限仅能够被提高很少的百分比时，则这能够显著地作用于加工的总时间。这能够在机器构造方面和控制技术方面来体现。对此的步骤例如是显示相关的限制并且建立关联性。这可以通过所示的研究来实现。例如能够如下地执行：

·根据模拟确定驱动器负荷

·在以下事项中实施至少一个或多个优化可行性：

·驱动器设计中和马达设计中

·动力学参数中

·夹装状态中

·自动地确定限制轴或限制变量。

在该方法的一个设计方案中，对于具有五个或更多个内插的轴的机床创建转矩转速图。由此能够确定：哪个轴起了限制作用。

在该方法的一个设计方案中，创建动力限制的直方图。由此能够确定：什么限制了动力，并且能够采取对应措施。因此能够例如使用具有更高功率的马达。

在该方法的一个设计方案中，优化驱动器设计、马达设计、动力学参数和/或夹装状态。由此能够提高效率。

在该方法的一个设计方案中，在多个轴的情况下确定限制轴和/或限制变量。此后，能够对限制轴或限制变量进行分析并且调整机器的部件，因此，已知的限制不再存在。

在该方法的一个设计方案中，根据机器的参数通过模拟能够为特定的子程序自动地确定驱动器负荷。在此，特别地仅基于控制变量观察负荷(忽略干扰变量，例如加工力和摩擦)。该结果能够是真实总负荷的良好近似。

在该方法的一个设计方案中，将负荷周期以驱动方式与功率部件特征曲线和马达特征曲线以及马达极限比较。这例如涉及：

·最大转矩

·最大转速

·最大功率

·最大电流

·最大力

·最大速度

·S 1特征曲线。

在该方法的一个设计方案中，确定生产率的值和/或制造质量的值。在机器人中以及在机床中，生产率的提高能够涉及具有多个轴的运动系统的最大可行速度的提高。在机床中，制造质量例如能够涉及借助于刀具加工的工件的表面品质。因此，会因提高速度使制造质量变差。

在该方法的一个形式中能够研究：所确定的限制、特别是轴或其驱动器的限制以何种程度对于机器的生产率有决定性作用。通过模拟能够试验出：当前存在的限制的作用程度如何正面或负面地作用于制造质量或制造时间。当例如一个轴中的加速度极限仅能够提高很少的百分比时，这能够显著地作用于加工的总时间。这能够在机器构造方面和/或控制技术方面来体现。在优化(改进)机器(机床、机器人、生产机器等)之前的步骤中显示相关的限制并建立关联性。这可以通过所示的研究或模拟来实现。

试验的过程能够自动化。因此，用于优化的迭代步骤是自动化的或能够被自动化。为此，特别也模拟工件的制造。在此，在模拟时考虑：设置哪个刀具以用于模拟加工工件(例如铣头的类型、钻的类型、刀具的磨损等)。

驱动系统，特别是机床或生产机器，具有至少一个轴，其中，驱动系统的所模拟的负荷基于驱动器配置文件与参照值相关联。因此能够例如识别过载和/或薄弱部位。

在驱动系统的一个设计方案中，能够根据所描述的方法运行驱动系统。

在驱动系统的一个设计方案中，驱动系统具有模拟计算机，模拟计算机经由因特网与机床或生产机器以数据技术连接。因此，具有高花费的计算工作能够被转移，从而不会以不能允许的方式影响机器的性能。

在驱动系统的一个设计方案中，驱动系统具有多个模拟计算机，其中，一个计算机设置用于将多个模拟计算机的模拟数据相结合。通过该网络结构使得改进模拟的效率。

附图说明

下面示例性地根据实施例解释本发明。在此示出：

图1示出机器的Z轴的负荷周期；

图2示出机器的Z轴的负荷周期；

图3示出机器的X轴、Y轴和Z轴的冲击；

图4示出所经过的轮廓的3D图；

图5示出驱动器配置文件；

图6示出机器，且

图7示出模拟步骤。

具体实施方式

图1示例性示出在加工叶轮时的z轴的负荷周期3，其中，负荷周期涉及z轴的加速力矩。在横坐标上以1/min为单位绘制马达的转速n_Mot。在纵坐标2上以Nm为单位绘制加速力矩M。在该周期的任何点中，都不背离马达和功率部件的极限和特征曲线。转矩、功率和转速的极限特征曲线位于所示区域之外。有效力矩的点8为周期的平均点并且与周期的热学评价相关。示出了上方的S1-100K线6和下方的S1-100K线7。因为点8直接位于上方的S1-100K特征曲线6上，设计是热关键的，并且应考虑使用其他马达。还示出了上方的S3-25％线4和下方的S3-25％线5，它们也不被背离。

图2接续图1，示出了另一曲线3，其示出在加工叶轮时的与根据图1的X轴相关的Y轴的负荷周期。在周期的任何点都不背离马达和功率部件的极限和特征曲线。转矩、功率和转速的极限特征曲线位于所示的区域之外。周期在热学方面也是非关键的，因为点8位于由特征曲线4、5、6和7预设的区域之内。

图3示出在三个轴X11、Y12和Z13中出现冲击的百分比频率。冲击的大小在横坐标9上以m/s³为单位绘制。与冲击的强度相关的出现冲击的百分比频率P相应地在纵坐标10上绘制。基于模拟能够确定轴和其动力学变量(冲击、加速度或速度)。因此能够根据模拟确定：哪个轴和哪个动力学变量(冲击、加速度或速度)在子程序的运行期间对于动力学起限制作用。适合的图示能够例如以直方图实现，如图3中所示那样。根据该图示，通过柱14示出：在许多情况下Z轴的冲击起限制作用。借助该方法，例如也能够极其简单地比较不同的夹装状态。在5轴加工的情况下，笛卡尔轴必须被额外地施加补偿运动。不显眼的轨迹动态能够由于动力学而引起高动态的补偿运动。限制与加工时间之间的关联性并非无足轻重并且难以评价。对此，上述图示是有帮助的：

·用于例如五个轴的转矩转速图(未示出)

·关于例如五个轴的动力学限制的直方图(未示出)。

图4示出在工件坐标系中所经过的轮廓的3D图15。因此，例如也能够在在工件坐标系中所经过的轮廓的三维图中彩色叠加地示出：哪个轴在标识部位处起限制作用。第一绿色曲线16例如为工件坐标系中的所经过的轮廓，其中，在红色部位或面17中标记：c轴在哪里起限制作用。c轴在此为机床的旋转轴。

图5示出驱动器配置文件20。在横坐标18上绘制时间t并且在纵坐标上绘制路径x19。

图6示出具有驱动系统22的至少一部分的机器21。机器21例如是机床。驱动系统22具有第一轴23、第二轴24和第三轴25。为轴23、24和25各自分配用于驱动的马达26、27和28。为马达26、27和28各自分配变流器29、30和31，以便对相应的马达26、27和28馈送电能。驱动系统22具有多个模拟计算机32、33和34，其中，一个计算机35设置用于将多个模拟计算机32、33、34的模拟数据相结合。在模拟和自动的评估、特别是识别过载之后，驱动系统(例如通过功率更强的驱动器)和/或子程序能够自动地改变，使得驱动系统的总效能提高。

图7示出模拟步骤，其中，在模拟44之后将所模拟的实际值40与参照值41关联。为了模拟，例如使用来自子程序42a、机器参数43和/或驱动器配置文件20a的数据。在评估之后，子程序42b能够自动地改变，因此，在重新模拟之后至少会更少地超过极限值。通过改变子程序42b也得到另一驱动器配置文件20b。

Claims

1.一种用于评估驱动系统(22)以便对机床(21)或者机器人进行设计的方法，其中，所述驱动系统(22)具有至少三个轴(23、24、25)，其中，模拟所述驱动系统(22)的负荷，其中，将驱动器配置文件(20)用于模拟，其中，模拟所述驱动系统(22)的实际值，其中，基于所述驱动系统的位置、速度、加速度和/或力的额定变化并且基于所述驱动系统的马达模型，计算在执行子程序期间在所述驱动系统的马达中的温度变化，其中，将所模拟的所述实际值(40)与参照值(41)关联，其中，模拟所述至少三个轴(23、24、25)的负荷，根据所计算的所述温度变化来确定，所述至少三个轴的哪个马达在所述子程序(42)的运行期间对动力起限制作用。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动器配置文件(20)以子程序(42)为基础。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所模拟的所述实际值(40)用于改变所述驱动器配置文件(20)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将至少一个所述轴(23、24、25)的负荷用于所述机床(21)或机器人的设计。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，模拟所述机床(21)或机器人的周期，其中，所模拟的所述实际值(40)是平均值，其中，根据所述平均值改变所述机床(21)或所述机器人的设计。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将机器参数(43)用于模拟。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述参照值(41)是最大转矩、最大转速、最大功率、最大电流、最大速度、最大力和/或马达特征曲线。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对周期进行模拟，其中，所述周期在热学方面被评价。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于具有五个或更多个内插的轴(23、24、25)的机床创建转矩转速图。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，创建动力限制的直方图。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定针对生产率的值和/或针对制造质量的值。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在多个轴(23、24、25)的情况下确定被限制的轴和/或被限制的变量，其中，优化驱动器设计、马达设计、动力学参数和/或夹装状态。

13.一种驱动系统，其中，所述驱动系统具有至少一个轴，其中，基于驱动器配置文件(20)将所述驱动系统的模拟的负荷与至少一个参照值(41)关联，其中，所述驱动系统根据权利要求1至12中任一项所述的方法被设计。

14.根据权利要求13所述的驱动系统，具有模拟计算机，所述模拟计算机经由因特网与机床(21)以数据技术连接。

15.根据权利要求14所述的驱动系统，具有多个模拟计算机，其中，一个计算机设置用于将所述多个模拟计算机的模拟数据相结合。

16.根据权利要求15所述的驱动系统，其中，所述驱动系统是机床(21)的驱动系统。