CN116033972A - 振动系统的谐振方法、转换器、激励单元及振动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于振动系统(2)的谐振方法(1)，用于使具有振动块(3)的激励单元(4)谐振，该方法具有以下步骤：振动块(3)的偏移(x)的偏移检测(5)；借助对偏移(x)进行微分对振动块(3)的速度(v)进行速度构建(6)；借助偏移(x)和速度(v)进行机械相位(θm)的相位生成(7)；借助校正值(kθ)对机械相位(θm)进行相位校正(8)，以形成校正过的相位(θk)；借助至少一个P调节基于校正过的相位(θk)来频率构建(9)电角频率(ωel)；借助积分基于电角频率(ωel)来相位生成(10)电相位(θel)；借助三角函数基于电相位(θel)来因子构建(11)校正因子(kF)；以及利用校正因子(kF)对激励设定值(13)进行设定值施加(12)，以生成校正过的激励设定值(14)。本发明还涉及一种转换器(20)、具有转换器(20)的激励单元(4)以及具有激励单元(4)和振动块(3)的振动系统(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于振动系统的谐振方法，以用于使具有振动块的激励单元谐振。此外，本发明涉及一种转换器、激励单元和振动系统。
背景技术
具有用于产生振动块的振荡的机电激励单元的工业应用(其中，可振动系统(以下称为振动系统)将在谐振频率范围内被振动块激励)通常需要确定或估计此谐振频率或激励单元的谐振状态的产生和要进行振荡的振动块，以便能够以节能、可靠和低成本的方式控制或调节振动系统的运行行为。
在这种情况下，激励单元通常包括电磁体，电磁体能够通过电转换器运行，并基于感应能量传输使振动块振荡。
即使激励单元和振动块的谐振的微小偏差也会导致能源效率/效率或所需运行行为的质量/相应应用程序的可靠性的显著损失。
因此，至今为止与实际的运行分开地执行的对相应的机器和设备中的激励单元和振动块的谐振频率或自振的谐振状态的测量通常会导致在生产应用中的大量停机，这基本上需要为相应的生产过程付出额外的努力，从而导致不可忽视的成本。
这种振动系统例如用作摩擦焊接机或振动输送机。
能够使用摩擦焊接机的例子简要概述这种振动系统的基本过程。为了将第一工件焊接到第二工件，具有第一工件载体和连接到其上的第一工件的振动块借助于激励单元被设置成强制振动。振动块通常安装成能够通过弹簧装置摆动。
为了为该生产过程产生摩擦热，第一工件与第二工件摩擦直到它焊接为止，第二工件连接到通常固定的第二工件载体上。
如果该激励以一个谐振频率实现，即在激励单元和振动块之间的振动谐振中，则能够以特别低的能量消耗产生期望的振动。
振动系统的该谐振频率由在此包括第一工件的振动块以及振动块的可振动支撑，即所使用的弹簧装置的弹簧刚度，来决定性地确定。
由于第一工件对振动块有贡献，在第一工具的工件更换之后，如果特别是第一工件的质量改变，则必须强制性地并且以相当大的成本重新确定谐振频率，即激励单元和振动块的谐振状态。
否则，振动系统无法以最佳方式工作，尤其是在能量方面，这意味着其效率可能会大大降低或损失或者也许无法达到所需的振动幅度，所需的焊接质量往往不足。
以往的应用，例如摩擦焊，主要是采用操作前的方法来确定/估计谐振频率，以便后续利用激励单元激励振动块，达到激励单元和振动块所需的谐振振荡状态。
所寻求的谐振频率是在实际生产过程之前通过独立的启动测试确定的，然后使用它进行运行，直到由于使用新的第一工件而需要进行新的启动尝试或生产过程中出现不必要的偏差为止才需要进行校正。
这意味着此处仅根据启动测试确定的频率激发振动，这对应于实际生产过程中激励单元和振动块的谐振状态所需的谐振频率，其变化由于磨损、温差、材料去除等原因。在生产过程中运行期间也会发生变化，往往是不足的。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种谐振方法、一种转换器、一种激励单元和一种振动系统，它们在生产运行期间连续地确定激励单元利用振动系统的振动块进行谐振所需的谐振状态并用它来运行振动系统。
该目的通过具有权利要求1中预设的特征的谐振方法、通过根据权利要求9中预设的特征的转换器、通过具有根据权利要求12中预设的特征的转换器的激励单元以及通过具有根据权利要求14中预设的特征激励单元的振动系统来实现。
为实现上述目的，提出了一种用于振动系统的谐振方法，用于使具有振动块的激励单元谐振，包括以下步骤：对振动块的偏移进行偏移检测，通过对偏移进行微分来对振动块的速度进行速度构建，通过偏移和速度来相位生成机械相位，通过校正值对机械相位进行相位校正，以形成校正过的相位，通过至少一个P调节基于校正过的相位来频率构建电角频率，通过积分基于电角频率来相位生成电相位，通过三角函数基于电相位来因子构建的校正因子，以及利用校正因子来设定值施加激励设定值，以生成校正过的激励设定值。
该方法有利地基于对振动块的运动自由性(自由度)及其与激励单元相比的谐振频率(此处为电角频率)的想象中的限制。
借助于偏移检测所检测到的振动块的偏移的实际位置转化为矢量，横坐标为检测到的偏移，纵坐标为借助于速度构建来形成的振动块的速度，根据以下公式作为偏移的微分：
其中，v是速度，x是检测到的偏移，t是时间。
根据以下公式，由相位生成来生成的机械相位有利地例如借助于基于偏移和速度的arctan2函数来获得
θm＝arctan2(x,v)
其中，θm是机械相位，v是速度，x是偏移。
优选地选择用于产生机械相位的标准化速度作为速度。
通过机械相位的相位校正，校正过的相位以有利的方式通过校正值连续地产生。
为了电角频率的频率构建，替代P(比例)调节(有Kp增益分量)也能够在校正的相位的基础上采用PI(比例积分)调节(具有Kp增益分量和积分分量I)或PID(比例积分微分)调节(具有Kp增益分量、积分分量I和微分分量D)，这能够在更多调节质量的意义上提高P调节的质量。
所形成的电角频率也可作为当前振动频率(要求的谐振频率)或最后的当前振动频率(last requested resonance frequency)。因此不需要对调节进行有针对性的学习。
为了相位生成电角频率，有利地对电角频率进行积分。
通过三角函数基于电相位实现校正因子的因子构建，例如根据公式使用正弦函数
kF＝sin(θel)
其中，kF是校正因子，θel是电相位。
通过设定值施加，激励设定值作为用于激励振动块的激励单元的产生振动力的电气值以校正因子被校正，使得为了激励餐换和振动块的待实现的谐振，用于产生振动的力的校正的电气值作为校正的激励设定值来产生。
利用该校正的激励设定值，例如，电磁体被激励单元电激励，这产生激励单元和振动块的相应的谐振。
在从属权利要求中预设谐振方法的有利的设计方案。
在谐振方法的第一有利设计方案中，谐振方法具有以下步骤，借助电角频率进行速度到标准化的速度的速度标准化，其中，速度能够除以电角频率。
为了有利地将速度映射到电角频率，根据公式将速度转换为基于电角频率的标准化速度
其中，vn是标准化速度，ωel是电角频率，x是偏移，t是时间。
在谐振方法的另一有利设计方案中，为了进行相位校正，校正值是反馈的电相位并且优选地可从机械相位减去反馈的电相位。
从调节的角度来看，由此建立校正的相位，其中，校正的机械相位直到校正的相位呈现近似0的值。
考虑到机械相位角和电相位角的符号，还能够将在用于机械相位的调节回路中作为校正值反馈的电相位添加到机械相位上。
在谐振方法的另一有利设计方案中，为进行方法初始化，预设初始角频率或使用最后已知的电角频率。
为了例如在谐振方法的启动时对其进行初始化，在方法初始化时，初始角频率能够被预设为例如一个参数，该参数已经能够对应于所需的谐振频率。
这也是有利的，因为例如在出现干扰时或在谐振方法失败后重新启动调节时，回到最后已知的电角频率。
在谐振方法的另一有利设计方案中，机械相位在偏移的偏移幅度与速度之间被确定或被确定为偏移的偏移幅度与偏移之间的相位。
偏移幅度能够根据公式求出
其中，xa是偏移幅度，x是偏移，v是速度。
优选地选择用于确定偏移幅度的标准化速度作为速度。
在谐振方法的另一有利设计方案中，为了进行偏移检测，由偏移测量装置检测偏移信号并且根据偏移测量装置的位置相对于振动块以直流分量校正该偏移信号，其中，直流分量由直流分量参数预设或由直流分量高通滤波器测定。
偏移测量装置在此测量振动块相对于振动块的静止位置的偏移并且将该偏移在偏移信号中提供，以用于通过谐振方法进一步处理。
通过直流分量参数或直流分量高通滤波器，能够对偏移的与偏移信号相关联的偏移测量值以及偏移测量装置的安装位置进行校正。
在谐振方法的另一有利设计方案中，激励设定值是设定电流并且校正过的激励设定值是校正过的设定电流。
激励设定值作为产生振动的力的电气值并且校正过的激励设定值作为用于例如借助于电转换器驱控电磁体产生振动的力的校正电气值，其分别有利地设计为用于产生力形成的振荡激励的设定电流。原则上，相应的设定电压对此也是合适的。
在谐振方法的另一有利设计方案中，为了进行干扰监测，在激励单元和振动块谐振时针对干扰监测电角频率。
为此，能够有利地通过低于电角频率的频率下限和/或低于电角频率的频率上限来监控电角频率。
为了实现上述目的，还提出了一种转换器，具有：检测设备，设计用于对振动块的偏移进行偏移检测，第一构建设备，设计用于通过对偏移的微分来生成振动块的速度，生成设备，被设计成通过偏移和速度来相位生成机械相位，校正设备，被设计用于通过校正值对机械相位进行相位校正，以形成校正过的相位，第二构建设备，设计用于通过至少一个P调节基于校正过的相位来频率构建电角频率，第三构建设备，设计用于通过积分基于电角频率来相位生成电相位，第四构建设备，设计用于通过三角函数基于电相位来因子构建校正因子，以及施加设备，设计用于利用校正因子来设定值施加激励设定值，以生成校正过的激励设定值。
在转换器的第一有利设计方案中，转换器具有标准化装置，该标准化装置被设计用于通过电角频率进行速度到标准化的速度的速度标准化，其中，速度能够除以电角频率。
在转换器的另一有利设计方案中，为了进行相位校正，反馈的电相位被提供作为校正值，并且优选地可从机械相位减去反馈的电相位。
原则上，转换器被设计为执行根据上述本发明的谐振方法。
为了实现上述目的，还提出了一种激励单元，其具有用于激励振动块的至少一个电磁体、用于运行至少一个电磁体的根据本发明的转换器、以及用于测量振动块相对于振动块的静止位置的偏移的偏移测量装置。
通过偏移测量装置测量的偏移通过偏移信号传送到用于偏移检测的转换器的检测设备。
在激励单元的一种有利的设计方案中，激励单元具有至少一个弹性元件，其中，至少一个弹性元件连接到振动块。
在此也能够想到具有两个或更多个弹性元件的解决方案，通过这些弹性元件振动地安装振动块。
为了实现上述目的，还提出了一种振动系统，其具有根据本发明的激励单元和振动块。
在振动系统的有利设计方案中，振动系统被设计为摩擦焊接装置或传输装置。
传输装置例如是用于物料运输的输送装置(所谓的振动器或振动输送机)，其在振动的传送带上运输货物。
上述本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式将结合下面结合附图更详细地解释的实施例的描述变得更清楚和更容易理解。图中示出：
附图说明
图1示出了根据本发明的谐振方法的结构图，
图2示出了根据本发明的谐振方法的示意性调节图，以及
图3示出了具有根据本发明的转换器、根据本发明的激励单元和根据本发明的振动系统的摩擦焊接装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的谐振方法1的结构图，其具有用于使具有振动块的激励单元谐振的方法步骤。
在偏移检测5期间，检测振动块的偏移。由偏移测量装置为此目的检测的偏移信号能够根据偏移测量装置的安装位置相对于振动块由直流分量校正，其中，直流分量由直流分量参数34预设或通过直流分量高通滤波器19确定。
通过对偏移进行微分，在速度构建6期间形成振动块的速度，通过将速度除以电角频率，将速度转换成基于电角频率的标准化的速度。
在相位生成7期间，基于偏移和速度生成机械相位。
通过相位校正8，通过校正值将机械相位转换为校正过的相位。校正值在此是在调节回路中反馈的电相位，优选地从机械相位中减去反馈的电相位。
电角频率的频率构建9通过至少一个P调节基于校正过的相位实现。对于频率构建9，P调节也能够是PI调节或PID调节的形式。
对于过程初始化16，能够预设初始电角频率或者能够使用最后已知的电角频率。
此外，对于干扰监测33，电角频率能够对激励单元和振动块的谐振时的干扰进行监测。典型干扰的原因可能例如在于振动块振动时存在机械缺陷，使得所需的电角频率可能过低或过高，必要时必须中断该谐振方法。
在电相位的相位生成10中，基于电角频率实现积分。
在校正因子的因子构建11期间，使用三角函数基于电相位并且使用校正因子在设定值施加12期间将激励设定值校正为校正过的激励设定值。
图2示出了根据本发明的谐振方法1的示意性调节图。在这种情况下，谐振方法1能够由转换器执行，特别是由转换器的调节单元执行。
检测设备21被设计成对振动块的偏移x进行偏移检测5。根据偏移测量装置相对于振动的安装位置，由偏移测量装置检测为偏移x的偏移信号由直流分量高通滤波器19的高通滤波装置37以直流分量校正。
第一构建设备22通过速度构建6将偏移x微分为振动块的速度v。通过将速度v除以电角频率ωel，基于返回的电角频率ωel，在速度标准化15中通过标准化装置35将速度v进一步转换成标准化速度vn。
生成设备23被设计成形成机械相位θm的相位7，其基于偏移x和速度v实现。
校正设备24被设计用于机械相位θm的相位校正8，其中，机械相位θm通过校正值kθ被转换成校正过的相位θk。反馈的电相位θel被用作校正值kθ，其中，从机械相位θm中减去反馈的电相位θel。
第二构建设备25被设计用于基于校正过的相位角θk借助P调节对电角频率ωel进行频率构建9，P调节也能够是PI调节或PID调节。电角频率ωel此时被反馈到用于速度标准化15的标准化装置35。
为了方法初始化16，循初始电角频率ωin能够由初始化装置36预设。
通过第三构建设备26，借助于积分，基于电角频率ωel实现电相位θel的相位生成10。此时，电相位θel被反馈到用于相位校正8的校正设备24。
校正因子kF的因子构建11由第四构建设备27基于电相位角θel借助于三角函数来执行。
施加设备28被设计为用于对具有校正因子kF的设定电流IS的形式的激励设定值13进行设定值施加12，生成校正过的设定电流Isk形式的校正过的激励设定值14。尤其利用该校正过的设定电流Isk来运行包括在激励单元中的电磁体，并激励振动块进行谐振。
图3示出具有根据本发明的转换器20、根据本发明的激励单元4和根据本发明的振动系统2的摩擦焊接装置32的示意图。
振动系统2在这里例如设计为具有激励单元4和振动块3的摩擦焊接装置32。
用于第一工件43的第一紧固装置41布置在振动块3上。具有第一固定装置41和第一工件43的振动块3被安装成能够振动。
第二工件44连接到与第一工件43直接相对的第二紧固装置42。第二固定装置42上的第二工件44相对于第一工件43牢固地固定并且没有安装成能够振动。
用于在振动块3中激发振动的激励单元4包括转换器20、电磁体29、另一个电磁体30、用于振动块3的振动安装的第一和第二弹性元件38、39、偏移测量装置18。与转换器20连接的偏移测量装置18传输偏移信号，该信号具有偏移的测量实际值。
通过偏移测量装置18测量相对于振动块3的静止位置31的偏移。
根据本发明的调节方法能够通过转换器20来执行，特别是通过转换器20的调节单元40来执行。
在摩擦焊接装置32的运行期间，固定到振动块3的第一紧固装置41的第一工件43被设定为与激励单元4谐振。开始振动的第一工件43与牢固固定且不振动的第二工件44摩擦，其中，产生摩擦热并且两个工件43、44以节能方式和高的生产质量彼此焊接。
Claims (15)
1.一种用于振动系统(2)的谐振方法(1)，所述振动系统用于使具有振动块(3)的激励单元(4)谐振，所述谐振方法具有以下步骤：
-对所述振动块(3)的偏移(x)进行偏移检测(5)，
-通过对所述偏移(x)进行微分来对所述振动块(3)的速度(v)进行速度构建(6)，
-利用所述偏移(x)和所述速度(v)进行机械相位(θm)的相位生成(7)，
-利用校正值(kθ)对所述机械相位(θm)进行相位校正(8)，以得出校正过的相位(θk)，
-基于所述校正过的相位(θk)通过至少一个P调节进行电角频率(ωel)的频率构建(9)，
-基于所述电角频率(ωel)通过积分进行电相位(θel)的相位构建(10)，
-基于所述电相位(θel)通过三角函数进行校正因子(kF)的因子构建(11)，以及
-利用所述校正因子(kF)进行激励设定值(13)的设定值施加(12)，以生成校正过的激励设定值(14)。
2.根据权利要求1所述的谐振方法(1)，具有以下步骤：利用所述电角频率(ωel)进行所述速度(v)到标准化的速度(vn)的速度标准化(15)，其中，将所述速度(v)除以所述电角频率(ωel)。
3.根据权利要求1或2所述的谐振方法(1)，其中，为了进行所述相位校正(8)，所述校正值(kθ)是反馈的电相位(θel)，并且优选地从所述机械相位(θm)减去所述反馈的电相位(θel)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的谐振方法(1)，其中，为了进行方法初始化(16)，预设初始角频率(ωin)或使用最后已知的电角频率(ωel)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的谐振方法(1)，其中，所述机械相位(θm)在所述偏移(x)的偏移幅度(xa)与所述速度(v)之间被确定，或所述机械相位作为相位在所述偏移(x)的偏移幅度(xa)与所述偏移(x)之间被确定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振方法(1)，其中，为了进行所述偏移检测(5)，由偏移测量装置(18)检测偏移信号(17)，并且根据所述偏移测量装置(18)的安装位置以直流分量相对于所述振动块(3)校正所述偏移信号(17)，其中，由直流分量参数(34)预设或由直流分量高通滤波器(19)得出所述直流分量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的谐振方法(1)，其中，激励设定值(13)是设定电流(Is)，并且所述校正过的激励设定值(14)是校正过的设定电流(Isk)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的谐振方法(1)，其中，为了进行干扰监测(33)，在所述激励单元(4)和所述振动块(3)谐振时针对干扰监测所述电角频率(ωel)。
9.一种转换器(20)，具有：
-检测设备(21)，设计用于对振动块(3)的偏移(x)进行偏移检测(5)，
-第一构建设备(22)，设计用于通过对所述偏移(x)的微分进行所述振动块(3)的速度(v)的速度构建(6)，
-生成设备(23)，设计用于利用所述偏移(x)和所述速度(v)进行机械相位(θm)的相位生成(7)，
-校正设备(24)，设计用于利用校正值(kθ)对所述机械相位(θm)进行相位校正(8)，以得出校正过的相位(θk)，
-第二构建设备(25)，设计用于基于所述校正过的相位(θk)通过至少一个P调节进行电角频率(ωel)的频率构建(9)，
-第三构建设备(26)，设计用于基于所述电角频率(ωel)通过积分进行电相位(θel)的相位构建(10)，
-第四构建设备(27)，设计用于基于所述电相位(θel)通过三角函数进行校正因子(kF)的因子构建(11)，以及
-施加设备(28)，设计用于利用所述校正因子(kF)进行激励设定值(13)的设定值施加(12)，以生成校正过的激励设定值(14)。
10.根据权利要求9所述的转换器(20)，具有标准化装置(35)，所述标准化装置设计用于利用所述电角频率(ωel)进行所述速度(v)到标准化的速度(vn)的速度标准化(15)，其中，所述速度(v)能够除以所述电角频率(ωel)。
11.根据权利要求9或10所述的转换器(20)，其中，为了进行所述相位校正(8)，反馈的电相位(θel)被设为校正值(kθ)，并且优选地能够从所述机械相位(θm)减去所述反馈的电相位(θel)。
12.一种激励单元(4)，具有：
-至少一个电磁体(29)，用于激励振动块(3)，
-根据权利要求9至11中任一项所述的转换器(20)，用于运行所述至少一个电磁体(29)，以及
-偏移测量装置(18)，用于测量振动块(3)相对于所述振动块(3)的静止位置(31)的偏移(x)。
13.根据权利要求12所述的激励单元(4)，具有至少一个弹性元件(38)，其中，所述至少一个弹性元件(38)与所述振动块(3)连接。
14.一种振动系统(2)，具有根据权利要求12或13所述的激励单元(4)和振动块(3)。
15.根据权利要求14所述的振动系统(2)，实施为摩擦焊接装置(32)或传输装置。
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