CN117280139A - 确定可移位的轴的小齿轮-齿条驱动装置的状态的方法和加工机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定加工机器(15)中的可移位的轴(14)的小齿轮‑齿条驱动装置(21)的状态的方法，其中在线性轴(15)的整个工作区域上执行对可移位的轴(14)的至少一个测量行程；其中通过使可移位的轴(14)以恒定的进给速度在线性轴(15)的至少一个运动方向上进行移位运动来操控测量行程；其中在测量行程期间，根据线性轴(15)的轴位置来检测信号；其中根据可移动的轴(14)的轴位置在数据处理装置(9)中对检测到的信号进行评估并且借助于数学方法对其进行分析。

Description

确定可移位的轴的小齿轮-齿条驱动装置的状态的方法和加 工机器

技术领域

本发明涉及一种用于确定加工机器中的可移位的轴的小齿轮-齿条驱动装置的状态的方法以及加工机器。

背景技术

为了加工工件，使用如下加工机器，在该加工机器中设有至少一个可移位的轴，加工头可以沿该轴移位，以使加工工具(例如冲裁工具或激光束)对准工件以用于对工件进行加工。加工机器中的这样的轴可以在单侧或双侧被支承和驱动。为了驱动这样的轴，使用小齿轮-齿条驱动装置。为了实现加工工件时的精度，需要设定小齿轮-齿条驱动装置的小齿轮与齿条之间的游隙以及进行状态监测，以便通过使该至少一个轴精确地接近工作位置来制造工件。借助于单独的测量器件，在各个测量点手动地检测对小齿轮-齿条驱动装置的调整以及其他影响因素。

发明内容

本发明的任务在于，提出一种方法和一种加工机器，使得可以实现自动化地确定小齿轮-齿条驱动装置的状态以对工件进行精确加工。

该任务通过一种用于确定加工机器中的可移位的轴的小齿轮-齿条驱动装置的状态的方法来实现，其中在线性轴的整个工作区域上执行对可移位的轴的至少一个测量行程；其中通过使轴以恒定的进给速度在线性轴的至少一个运动方向上进行移位运动来操控测量行程；其中在测量行程期间，根据轴位置来检测信号；并且其中根据轴位置在数据处理装置中对检测到的信号进行评估并且借助于数学方法(例如图像处理算法)对其进行分析。这还可以通过图像处理来实现。通过该方法不仅提供在可移位的轴沿线性轴的工作区域内随机选择的各个位置处进行的测量，而且还检测在可移位的轴相对于线性轴的整个工作区域上小齿轮-齿条驱动装置的状态。此外，通过以恒定进给速度进行该至少一个测量行程所提供的优点在于：在该测量行程期间就移位速度而言沿整个工作区域具有相同的情况，因此通过对应的信号变化可以识别到与实际状态或理想状态的各个偏差并且可以针对相应的轴位置在显示器中输出。由此，可以实现标准化且快速的测量方法，并且得出关于针对整个工作区域的小齿轮-齿条驱动装置的状态的结论。此外，检测到的信号和从中得出的结论可以针对整个工作区域被再现。尤其可以使用和处理加工机器中已经存在的部件和数据来确定状态。

优选地，在一个测量行程期间，操控可移位的轴在线性轴的两个运动方向上分别在整个工作区域上的移位运动。因此，可移位的轴在线性轴的整个长度上不仅在一个运动方向上而且在相反的运动方向上完全移位。在此，与轴位置在时间上同步地对信号进行检测。优选地，对从两个运动方向检测到的测量信号进行比较。该测量行程可以实现进一步分析例如仅在一个方向上出现而在相反方向上没有出现的状态或误差。例如，这可能在波纹管的装配有误差时是这样的情况，该情况在一个运动方向上导致卡住，然而在另一个运动方向不会导致卡住。此外，在这样的测量行程中，还可以更好地评估小齿轮-齿条驱动装置的小齿轮与齿条之间的反转游隙，尤其是其品质变化，因为可以对来自两个移位方向的所记录的测量数据进行比较。

此外，优选地依次操控多个测量行程并且以自身的且与前一测量行程不同的进给速度来操控这些测量行程中的各个测量行程。这可以实现进一步得出有关小齿轮-齿条驱动装置的状态的结论，例如在轴速度不同的情况下发生的振动或固有频率，它们可能在加工工件期间或在两个加工步骤之间产生。

在该至少一个测量行程期间，优选地根据轴位置来检测马达的形成力矩的工作电流，该马达驱动小齿轮-齿条驱动装置的小齿轮。还可以考虑在马达与小齿轮之间使用的传动装置。藉由该驱动电流可以对小齿轮-齿条副的状态进行直接反馈。

尤其，除了驱动电流之外，还根据轴位置在时间上同步地检测马达的转速。该转速可以表示用于进行状态检测的其他评估参数。此外，例如还可以使用加速度传感器或直接的位移测量系统等来检测至少一个另外的测量信号。

根据该方法的另一个有利设计方案，在评估具有恒定的进给速度的测量行程的信号时，不检测在轴区域的开始和结束处的加速阶段和制动阶段的信号。由于瞬时的加速阶段或制动阶段，可能产生无法被再现的信号，这些信号对状态检测产生不利影响或至少使状态监测明显变得更加困难。

在测量行程期间，优选地检测小齿轮-齿条驱动装置的马达的驱动电流的瞬时测量值并且根据轴位置进行记录。各个被检测的区段可以被组合成整体测量。可以仅对单独的区段或由这些区段组成的整体测量进行分析。可以沿线性轴进行信号的详细分辨。优选地，通过与轴位置对应的局部周期性来检测和记录小齿轮的齿与齿条的啮合。这可以实现检测每个单独的齿的状态，还可以通过在驱动小齿轮的圆周上的周期性分配来检测驱动小齿轮的同心度。

尤其，在驱动小齿轮的圆周上的周期性分配(优选地呈根据小齿轮的旋转得到的振幅的形式)以与前一次旋转不同的颜色被输出。由此，可以沿测量行程在显示器中呈现多个颜色图案，由此在视觉上以简单的方式可以看出：被分配给相应的轴位置的小齿轮旋转是否与相邻的或其他小齿轮旋转偏离以及偏离程度如何。例如，在小齿轮的旋转所记录的振幅序列内的振幅增大处，例如在第三振幅处，可以确定第三齿受到磨损、以其他方式被损坏或可能包括齿断裂。这对应于测量值在驱动小齿轮的圆周上的空间布置。

此外，例如在观察线性轴的整个工作区域时可以识别到：如果多个并排排列的振幅具有与相邻的值不同的值，那么在各个区段或工作区域中，并排排列的齿条段是否存在磨损增大或损坏或误调节的情况。当对工件的加工在较长的时间段期间总是以相同的移位距离以及因此相同的反转点被操控时(这例如在批量生产或批量制造时情况如此)，可能产生这种点状磨损或局部增加大的磨损。

该方法的另一个优选设计方案提出，通过数学方法确定由驱动电流的检测到的振幅的上测量值和下测量值的包络线并且例如在显示器上输出该包络线。优选地，由振幅的上测量值和下测量值的极值的统计学特征参量形成上直线和下直线，这些直线同样以与包络线相比较的方式展示。由此，可以沿整个工作区域直接识别和/或在数学上检测各个事件。这例如可以表明：小齿轮与齿条之间存在局部缺陷点，这些局部缺陷点处于预定公差范围之外并且可能不再确保机器的进行加工时所需的精确性。因此可以直接记录小齿轮-齿条副的待检查的位置的状况，并且可以采取其他适合的措施来进行修复。

为了确定磨损或为了做出关于何时会达到不再可接受的磨损的预测，可以以一定的时间间隔(尤其每天、每周、每月和/或每年)执行第一测量行程和至少一个另外的测量行程。通过比较整个工作区域上的振幅，可以检测和预测状态变化。因此，例如可以预见性地指出并且执行维护，以避免在制造阶段期间的误差情况。

优选地，在上述方法中，作为状态或状态变化，对齿断裂、同心度误差、反转游隙、并排排列的两个齿条过渡处的装配误差和/或其他部件处的装配误差进行检测和评估。对状态或状态变化的这种检测可以优选地在加工机器的数据处理装置中实现。优选地，可以将测量数据内插到预定的位移网格中，以用于分析数据。由此，还可以在加工机器的停机时间期间执行用于确定状态的测量行程。此外，这样的状态监测可以用作运营商的数字化/智能服务。由此还可以实现远程诊断。

附图说明

下面借助附图中所示的示例更详细地描述和解释本发明以及其他有利的实施方式和改进方案。根据本发明，从说明书和附图得到的特征可以自身单独使用或以任意组合多个一起使用。在附图中：

图1示出用于加工板状工件的加工机器的立体视图，

图2示出借助驱动设备可移位的轴的示意性放大视图，

图3示出用于展示在线性轴的整个工作区域上的马达电流的图表，可移位的轴可以沿该线性轴被操控，

图4以更高的分辨率示出根据图3的图示的局部，

图5示出用于展示在加工机器投入使用时工作区域的某个区段上的马达电流的图表，

图6示出用于展示在加工机器运行较长时间之后工作区域的某个区段上的马达电流的图表，

图7示出具有局部有误差时整个工作区域上的马达电流的示意图，

图8示出呈现另一误差的整个工作区域上的马达电流的另一图表，以及

图9示出在反转游隙中有误差时整个工作区域上的马达电流的另一图表。

具体实施方式

在图1中，立体地展示了用于对例如由金属制成的板状工件8进行分割加工的系统1。系统1包括加工机器2。加工机器2被外壳4包围。在外壳4的内部设有加工站5，在该加工站中，线性轴组件6接纳至少一个加工头7，该加工头以在水平的运动平面内可移位的方式被操控。在外壳4的外部例如设有装载和卸载站10。该装载和卸载站包括至少一个可移位的托盘11，为了进行加工，将板状工件8放置在该托盘上，以便将该板状工件供应给加工站5。在加工之后，使经加工的板状工件8借助于托盘11再次移位到装载和卸载站10中，以便对托盘11进行卸载。

加工机器2例如可以被设计为激光切割系统。替代性地，加工机器2还可以被设计为等离子切割机、激光冲裁机、激光焊接机或冲裁机。

在图2中展示了图1中的细节X的示意性放大视图。线性轴组件6包括作为机器部件的可移位的轴14，该可移位的轴以在机器基体16上沿线性轴15沿着X方向和逆着X方向可移位的方式被操控。加工头7以沿轴14在Y方向上可移位的方式被操控。为了操控沿机器基体16的移位运动，设有驱动设备21、尤其是小齿轮-齿条驱动装置。藉由小齿轮-齿条驱动装置21，可以使轴14沿线性轴15的布置在机器基体16上的引导件17沿着X方向以及逆着X方向移位。引导件17被紧固在机器基体16上。齿条23与引导件17相邻地定向。齿条23同样被紧固在机器基体16上。马达22和小齿轮-齿条驱动装置21的布置在马达轴上的小齿轮24一起随着轴14沿引导件17移位。在小齿轮-齿条驱动装置21的左右两侧示意性地邻接有波纹管18，这些波纹管被设置成用于保护齿条23和引导件17免受污染。

替代于操控可移位的轴14，小齿轮-齿条驱动装置21还可以操控另外的机器部件以使其可以相对于机器基体16移位。

替代性地，在未详细展示的加工机器中，线性轴组件6可以由单侧支承的可移位的轴14形成，在该可移位的轴上设有加工头7。可移位的轴14可以沿着X方向或逆着X方向沿引导件17移位，如上文已经阐述的那样。

为了操控该系统1，设有数据处理装置9，该数据处理装置包括数学方法或数学运算，以对用于检测加工机器2的状态的信号进行分析并且优选地在显示器12中将其输出。显示器12可以设置在外壳4上。显示器12还可以与外壳4独立地设置在控制柱上。同样可以设有其他的移动显示设备，例如移动电话、平板电脑等，这些移动显示设备与数据处理装置9(尤其无线地)通信并且包括显示器12。数据处理装置9还可以位于实际的机器控制装置之外，例如呈云运行的形式。

为了确定小齿轮-齿条驱动装置21的状态，检测加工机器2的数据或信号并且在数据处理装置9中对其进行处理和评估。这些信号例如可以是小齿轮-齿条驱动装置21的马达22的驱动电流或马达电流、尤其是形成力矩的驱动电流。补充性地，作为另外的信号，还可以检测马达22的转速，或适合于进行分析的其他任何信号(例如，诸如加速度传感器等外部传感器的同步记录值)。还可以用单独的数据检测单元来进行该记录，其方式为随后将信号分配给相应的轴位置，或选择性地进行内插。在线性轴15的整个工作区域或移位区域上检测这些信号。整个工作区域包括线性轴15的长度，小齿轮-齿条驱动装置21可以沿该线性轴在外壳4中、尤其加工机器2中移位。沿线性轴15的长度并排设有一个或多个齿条。以时间上同步且与位置相关的方式对由数据处理装置9接收的信号进行检测和处理，使得每个信号均被分配给沿线性轴15的经限定的位置。

在图3中展示了一个图表的示意图，在该图表中沿X轴绘制了线性轴15的整个工作区域的移位位移。沿Y轴绘制了马达22的驱动电流(以安培为单位)。在那里展示且并排排列的振幅示出沿整个工作区域的均匀图像。该图表并排地具有多个振幅，这些振幅例如被分成单独的序列27、28、29。这些序列例如可以包括颜色不同的呈现。每个序列27、28、29示出沿齿条23移位的小齿轮24的一次完整旋转。

在图4中例如放大地展示了序列27。序列27内的每个振幅均代表小齿轮24的一个齿，其中每个振幅被分配给沿工作区域的经限定的轴位置。由此，可以评估小齿轮24的每个单独的齿相对于齿条23在相应的位置处的状态。

根据图3的在整个工作区域上的振幅记录表明：在工作区域的开始和结束处的加速阶段31和制动阶段32不被检测。在该开始和结束之间，可移位的轴的移位运动以恒定的进给速度被操控。如果在整个工作区域上得到就振幅而言保持不变的情况，则得出结论：小齿轮-齿条驱动装置21没有发生磨损或者磨损均匀。

为了检测信号、尤其振幅，操控可移位的轴14在整个工作区域上沿线性轴15在正X方向上和相反地在负X方向上的测量行程，反之亦然。在图3的图示中，测量行程沿着线性轴15和逆着线性轴在整个工作区域上的信号彼此交叠展示。

图5示出图4的序列27的示意性放大图示。振幅的上测量值和下测量值非常均匀并且位于非常窄的频带范围内。对检测到的信号的这种评估例如表明：在小齿轮的一周旋转期间，不存在小齿轮24相对于齿条23的可被识别到的同心度误差。尤其可以直接在首次投入使用时检测到加工机器2的这种状态。

相比之下，根据图6展示了针对图5的工作区域中的同一轴位置的图表。同样展示了由检测到的信号构成的类似的序列27。根据振幅的检测到的上测量值和下测量值可以看出：这些测量值相比于图5中的那些测量值具有更大的散布。在图6中展示的测量是在加工机器2投入使用较长时间之后进行的。基于相比于图5中的振幅的偏差(例如振幅的散布)，检测小齿轮24相对于齿条23的同心度方面的误差。例如可以通过图5的序列27与图6的序列27之间的比较来检测这种状态，其方式为例如振幅的上测量值和下测量值相应地形成平均值，并且针对该上平均值和下平均值相应地确定散布宽度，振幅的上测量值和下测量值必须处于该散布宽度内以获得符合预期的同心度。在根据图6的序列27中，相应的振幅的各个上测量值和下测量值处于这样的散布范围之外。由此可以确定的状态是，同心度处于公差之外。

图7示出对用于确定小齿轮-齿条驱动装置21的状态的、检测到的信号的另一评估。在该图示中，沿零轴在Y方向上在共同的特征曲线中绘制了沿着和逆着线性轴15的运动方向的测量行程。各个振幅也是在整个工作区域上以相对于X轴位置精确的方式被绘制。在该图表中，例如展示了两个局部误差35、36，在这两个局部误差中，振幅是相邻区域的数倍。例如，这可能是从一个齿条过渡至相邻齿条时的局部几何偏差。基于对误差35、36的位置精确的指示，可以得出第一误差与第二误差35、36之间的间隔与被安装在加工机器2中以形成小齿轮-齿条驱动装置21的齿条23的长度相对应。因此，可以基于这两个误差35、36来确定：在两个齿条23之间的过渡区域中存在误差，并且存在处于公差范围之外的反转游隙。

从该图表中，还可以根据相比于误差35、36较小的振幅37、38、39检测到：振幅较大的振荡以规律的间隔(即在小齿轮24的每次旋转中)重复。由此可以确定小齿轮24上必定存在误差，因为这个误差随着驱动小齿轮的圆周周期性地重复。如果将针对小齿轮24的完整旋转的相应序列放大，则随即可以确定振幅37、38、39总是在(例如第三振幅的)序列内的同一点处产生，因此随即可以确定总是由小齿轮24的同一齿引起该状态变化。

在图8中展示了用于确定加工机器2中的可移位的轴14的小齿轮-齿条驱动装置21的状态的另一示意图。在该图示中，沿轴的第一移位方向的驱动电流是与沿相反方向的移位方向分开展示的。下方的特征曲线34示出例如沿着X方向的移位方向。上方的特征曲线33示出例如逆着X方向的移位方向。下方的特征曲线34在整个工作区域上包括除了事件41之外均匀的走向。上方的特征曲线33则示出除了事件42之外均匀的走向。事件41、42处于工作区域内的同一位置，然而这些事件在振幅的大小方面彼此不同。该图示可以实现如下评估：不涉及因在可能的损坏方面彼此不同的事件而导致的对小齿轮-齿条驱动装置21的磨损或影响。在本示例中可以确定：例如存在装配误差，尤其是在波纹管18中，该装配误差由于波纹管被联结在驱动滑架25周围或在相邻的波纹管18处而沿线性轴15在相反的方向上表现不同。

在图9中展示了沿整个工作区域的测量行程的另一示意图。在该图示中，沿轴的去程和回程再次分开地在下方的特征曲线和上方的特征曲线33、34中展示。上方的特征曲线和下方的特征曲线33、34示出在工作区域内的同一位置处的两个同类误差45、46。这表明，由于这两个误差之间的间隔，相邻的齿条23也彼此偏移并且在反转游隙中存在误差。反转游隙中的误差具有噪声(例如加工机器2中的冲击或振动)增大的影响。这导致加工不精确，从而使工件上的轮廓受损或变圆。因此，反转游隙中的误差降低了精度。小齿轮-齿条驱动装置21针对反转游隙的预定公差范围进行设定。图9中展示的在误差45、46处的偏差处于公差范围之外。这通过数据处理装置9来确定。误差45、46可以在显示器12中对应地在视觉上突出显示。

小齿轮-齿条驱动装置21可以在公差范围内实现游隙补偿。在误差45、46的区域中，工人可以进行设定以补偿所确定的这些偏差。然后重新执行一个或多个测量行程并且重新评估上方的特征曲线和下方的特征曲线38、39。如果误差45、46仍处于公差范围之外，则这意味着需要更换部件。

此外可以优选地设置，在沿整个工作区域、优选地沿去程和回程进行的测量行程之后，通过该方法输出如下测量位置作为结果：在这些测量位置处执行局部测量方法，以确定小齿轮-齿条驱动装置21的反转游隙的精确值。例如，这可能是工作空间中的潜在最佳和最差位置。

Claims (15)

1.一种用于确定加工机器(15)中的可移位的轴(14)的小齿轮-齿条驱动装置(21)的状态的方法，

-其中在线性轴(15)的整个工作区域上执行对所述可移位的轴(14)的至少一个测量行程，

-其中通过使所述可移位的轴(14)以恒定的进给速度在所述线性轴(15)的至少一个运动方向上进行移位运动来操控所述测量行程，

-其中在所述测量行程期间，根据所述可移位的轴(14)相对于所述线性轴(15)的轴位置来检测信号，

-其中根据所述轴位置在数据处理装置(9)中对检测到的信号进行评估并且借助于数学方法进行分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述一个测量行程期间，操控所述可移位的轴(14)在两个运动方向上分别在所述线性轴(15)的整个工作区域上的移位运动，并且优选地执行对所述两个运动方向的比较。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依次操控多个测量行程，并且以自身的且与前一测量行程不同的进给速度来操控所述测量行程中的每个测量行程。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述至少一个测量行程期间，根据所述线性轴(15)的轴位置来检测所述小齿轮-齿条驱动装置(21)的马达(22)的形成力矩的驱动电流作为信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，尤其通过加速度传感器或直接的位移测量系统，根据沿所述线性轴(15)的轴位置来检测所述马达(22)的转速和/或至少一个另外的测量信号。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在具有恒定的进给速度的测量行程期间，不检测在所述工作区域开始和结束处的加速阶段和制动阶段的信号。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述测量行程期间，检测所述马达(22)的驱动电流的瞬时测量值并且根据所述线性轴(15)的轴位置来呈现所述瞬时测量值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过在所述小齿轮的圆周上的周期性分配、优选地以呈现与轴位置相对应的振幅的方式来检测和记录所述小齿轮(24)的齿与所述齿条(23)的啮合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以与前一次不同的颜色来输出所述小齿轮(24)的每个完整旋转的周期性分配。

10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过数学方法相应地形成由所述驱动电流的检测到的振幅的上测量值和下测量值形成的包络线，并且在显示器上输出所述包络线。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，相应地由所述振幅的上测量值和所述振幅的下测量值形成上平均值和下平均值，并且显示所述包络线和由所述平均值形成的直线并且将所述包络线和所述直线相关联以进行分析。

12.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第一测量行程和至少一个另外的测量行程以一定的时间间隔进行，尤其是每天、每周和/或每月进行，并且通过比较在所述整个工作区域上整体检测到的振幅来检测并且优选预见性地确定至少一个状态变化。

13.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为状态，对齿磨损、齿断裂、同心度误差、反转游隙、并排排列的两个齿条的过渡处的装配误差、齿条的局部缺陷、所述可移位的轴(14)、尤其是线性引导系统和/或线性轴(15)的其他部件的装配误差或缺陷进行检测和评估。

14.一种加工机器(2)，所述加工机器用于确定沿线性轴(15)可移位的轴(14)的小齿轮-齿条驱动装置(21)的状态，所述加工机器具有至少一个数据检测装置，所述至少一个数据检测装置根据在整个工作区域上的轴位置对在至少一个测量行程期间检测到的信号进行检测和评估并且借助于数学方法进行分析。

15.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为由所述数据处理装置(9)对所述测量信号进行分析的结果，输出如下测量位置，在所述测量位置上应通过局部测量方法来确定精确值，尤其是所述小齿轮-齿条驱动装置(21)的反转游隙的精确值。