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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftkalibrierung, Kraftberechnung und Kraftlimitierung eisenbehafteter Linearmotoren nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Nachstehend ist mit Kraftberechnung jeweils auch Kraftlimitierung gemeint und umgekehrt.
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Es gibt Anwendungsfälle, bei denen am beweglichen Teil des Linearmotors Werkzeuge eingespannt sind, die für Montage- oder Prüfarbeiten genutzt werden. Beim Einsatz derartiger Werkzeuge ist der Wert Kraft entscheidend, mit der die Teile zusammengefügt, geprüft oder empfindliche Teile nur mit limitierter Kraft in Position gebracht werden dürfen.
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Prinzipiell kann der im Linearmotor gemessene Strom als ein Wert für die Kraft genutzt werden. Da aber eisenbehaftete Linearmotoren beim verschieben des Schlittes bereits im Leerlauf nicht eliminierbare magnetische Rastkräfte (Cogging) aufweisen, wird die Kraftmessung verfälscht. Diese Rastkräfte sind eine Folge der Wechselwirkung zwischen den Permanentmagnete und den Eisenpolen der eisenbehafteten Linearmotoren. Sie sind nicht linear, wechselförmig positiv / negativ und zudem noch Abhängig von den mechanischen Toleranzen des jeweiligen Linearmotors. Aus diesen Gründen werden für Kraftmessungen meistens eisenlose Linearmotoren verwendet, welche ohne Rastkraft arbeiten (beispielsweise Linearmotoren nach dem Tauchspulenprinzip der Fa. SMAC, www.smac-mca.de).
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Eine gattungsbildende Druckschrift ist die
DE 199 52 398 B4 , die ein Verfahren zur Kraftkalibrierung, Kraftberechnung und Kraftlimitierung von Linearmotoren mittels Erfassung von Störkrafteinflüssen beim Antrieb eines Schlittens zeigt.
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Dabei wird ein im Linearmotor gemessener Wicklungsstrom als Wert für diese Störkräfte verwendet. Zur Kalibration wird mindestens ein Läuferelement des Linearmotors über einen gewünschten Fahrbereich verfahren, wobei über mindestens einen Strom- und Positionssensor pro Wegintervall mindestens ein Störstromwert und mindestens ein Positionswert erfasst und gespeichert werden (Kalibrierungsverfahren). Dabei präsentiert der Störstromwert die Summe der Störkräfte und in einem späteren Applikationsbetrieb wird der gespeicherte Datensatz von Störstrom- und Positionswerten interpoliert und als Kompensationswert zur Berechnung des kraftproportionalen Applikationsstromes des Linearmotors genutzt.
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Der Nachteil dieser eisenlosen Linearmotoren liegt im größeren Bauvolumen gegenüber eisenbehafteten Linearmotoren bei gleicher Vortriebskraft. Man kann auch einen zusätzlichen Kraftsensor einbauen oder extern anordnen, über den dann die Kraft gemessen und limitiert werden kann. Aber dies bedeutet Mehrkosten.
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Heutzutage sollen Linearmotoren kompakter und preiswerter gebaut werden. In diesem Zusammenhang wurden Überlegungen angestellt, auch Kraftberechnungen direkt mit kompakten, eisenbehafteten Linearmotoren durchführen zu können. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Kraftberechnung speziell an kompakten, eisenbehafteten Linearmotoren vorzuschlagen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die technische Lehre der unabhängigen Patentansprüche.
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Eine direkte Kraftmessung ohne die unerwünschten Kräfte ist nicht möglich, aber mit Hilfe einer vorangehenden einmaligen Kalibration können die unerwünschten Kräfte genau erfasst und gespeichert werden. Mit Hilfe dieser Daten kann dann die Kraft indirekt berechnet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun erstmals eine präzise Kraftmessung (durch Eliminierung von unerwünschten Kräften) eines eisenbehafteten Linearmotors während seines Betriebes. Das Verfahren besteht aus einer einmaligen Kalibration des eisenbehafteten Linearmotors mit Erfassen der unerwünschten Kräfte in Form einer Stromaufzeichnung. Diese aufgezeichneten Stromdaten stehen dann bei den Bewegungen in der Applikation zur Verfügung. Damit können die Vortriebskräfte genau berechnet und limitiert werden. Typischerweise wird die Kraftmessung (Kraftlimitierung) in vertikaler Anordnung des Linearmotors gewünscht. Dies bedeutet, dass zusätzlich die Gewichtskraft des Schlittens und seine kundenseitigen Werkzeugaufbauten nach unten wirken. Also ist es vorteilhaft diese Gewichtskraft in der Kraftberechnung zu berücksichtigen. Wird diese Gewichtskraft durch eine Feder, durch Druckluft oder durch magnetische Vorspannelemente (MagSpring) kompensiert, sollte diese Kompensationskraft ebenfalls erfasst werden und in die Kraftberechnung eingehen. Typischerweise ist auch diese Kompensationskraft über den Fahrweg nicht konstant. Weiter kommen noch Reibkräfte der Führung hinzu, die ebenfalls berücksichtigt werden sollen.
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Es gibt also verschiedene unerwünschte (parasitäre) Kräfte, die die Genauigkeit der Kraftberechnung mit einem eisenbehafteten Linearmotor beeinträchtigen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kraftkalibrierung eisenbehafteter Linearmotoren werden alle diese parasitären Kräfte im Kalibrierungsverfahren genau erfasst und gespeichert.
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Bei vertikaler Anordnung des eisenbehafteten Linearmotors sind dies:
- - Rastkraftmagnete (Cogging, Wechselwirkung Eisen/Magnete)
- - Gewichtskraft Schlitten (inklusive Aufbauten kundenseitig)
- - Kraft der Gewichtskompensation (falls vorhanden), typischerweise nicht konstant über den Fahrweg
- - Reibkraft dynamisch
- - Reibkraft statisch
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Nachstehend verwendete Begriffe für die verschiedenen Ströme zur Verständnis des Verfahrens:
- Itotal, gemessener Strom beim Betrieb in der Applikation
- Iparas, erfasster Strom durch das Verfahren der Kalibrierung
- Iforce, berechneter kraftproportionaler Strom beim Betrieb in der Applikation
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Bei diesem Verfahren gilt, immer bezogen auf die Daten im gleichen Positionspunkt:
Ausgangslage für die Kalibrierung ist, dass absolut keine Applikationskräfte auftreten, nur die parasitären Kräfte dürfen auf den Linearmotorschlitten wirken.
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Verfahrenstechnisch wird beim Kalibrieren der Schlitten des Linearmotors, inklusive der kundenseitigen Aufbauten, über den gewünschten Fahrbereich langsam verfahren und dabei werden über präzise Strom- und Positionssensoren der auftretende Strom (Iparas) und die zugehörige Position in einem engen Wegraster (möglichst punktgenau) erfasst und gespeichert. Der Wert dieser Ströme repräsentiert nun die Summe aller parasitären Kräfte, genau an den jeweiligen Positionspunkten.
Nach dem Kalibriervorgang können mit einem einfachen Test die Kalibrierdaten verifiziert werden.
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Bei diesem Test wird der gespeicherte Datensatz von Strom- (Iparas) und entsprechenden Positionswerten interpoliert und in der Linearmotorachse positionsabhängig eingeprägt. Derart bestromt verhält sich der Linearmotorschlitten in der Praxis völlig ausbalanciert (bleibt bei jeder Position „in Schwebe“) wenn dieser von Hand bewegt wird. Dies zeigt, dass das Verfahren funktioniert hat und die gespeicherten Strom- Positionswerte genau die unerwünschten, parasitären Kräfte repräsentieren.
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Beim Betrieb in der Applikation kann nun durch Messung des totalen Stromes (ILtotal) abzüglich des parasitären Stromes (Iparas) der kraftproportionale Strom (Iforce) an jeder beliebigen Postition berechnet werden. Wird dieser Iforce skaliert mit der Kraftkonstante des eisenbehafteten Linearmotors (Newton pro Ampere) so erhält man die aktuell in der Applikation auftretende Kraft. Falls gewünscht kann diese dann als grafischen Verlauf über den ganzen Weg ausgegeben werden.
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Andererseits ist es möglich den berechneten kraftproportionalen Strom (Iforce), skaliert mit der Kraftkonstante des eisenbehafteten Linearmotors (Newton pro Ampere), auf eine genaue Kraft zu limitieren.
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Die erreichbare Berechnungsgenauigkeit von 2 - 5% ist für die meisten Applikationen ausreichend. Dass heißt, der Servocontroller kann nebst dem präzisen Positionieren der eisenbehafteten Linearmotorachse auch noch die Kraft berechnen oder komplette Kraft-/Wegdiagramme aufzeichnen. Dies bedeutet, dass in vielen Fällen auf zusätzliche interne oder externe Kraftsensoren, auf Überwachungskameras oder auf Teile-Anwesenheits-Sensoren verzichtet werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zunächst vorgesehen, dass beim vorangehenden Kalibrieren der Wicklungsstrom im eisenbehafteten Linearmotor inklusive das Gewicht des kundenseitigen Aufbaus auf dem Schlitten, aber ohne jegliche Montage- , Füge- oder Einpresskräfte erfasst wird (ohne Applikationskräfte). (siehe 1)
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Für die einmalige Kalibrierung sind folgende Schritte vorgesehen:
- Erfassen von Iparas (1)
- 1. Vorbereiten des Schlittens inkl. aktivierter Gewichtskompensation (falls vorhanden) und Gewicht des kundenseitigen Anbaus, damit der Schlitten sich frei, und ohne Berührung von Teilen oder Werkstücken über die gewünschte Fahrstrecke bewegen kann
- 2. Verfahren des Schlittens mit langsamer Geschwindigkeit über die gewünschte Fahrstrecke (vor und zurück resp. auf und ab) mit Aufzeichnung von Position und zugehörigem Strom Iparas. in kleinen Intervallen (z.B. alle 25µm)
- 3. Speichern der Aufzeichnungspaare Strom Iparas und Position in eine Kalibrierungsdatenbank
- 4. Optional, einfacher Test zur Verifizierung der Kalibrierdaten. Die Stromwerte Iparas aus der Kalibrierungsdatenbank interpolieren und als Wicklungsstrom dem Linearmotor einprägen, korrespondierend zur aktuellen Schlittenposition. Nun kann der Schlitten sehr leicht von Hand bewegt werden und er bleibt an jeder beliebigen Position innerhalb der kalibrierten Fahrstrecke „schwebend“ stehen.
- 5. Der eisenbehaftete Linearmotor ist nun individuell kalibriert, darin sind auch die Montagetoleranzen, die ungleichen Feldstärken der Permanentmagnete und die Kupferdraht-Toleranzen der Wicklung mit berücksichtigt.
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Diese Kalibrierung ist in Form von Parameterpaaren Strom Iparas / Position in der Kalibrierdatenbank hinterlegt und steht nun für die Kraftberechnung im Applikationsbetrieb zur Verfügung.
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Wird z.B. am kundenseitigen Aufbau auf dem Schlitten oder an der Gwichtskompensation etwas verändert, dann kann einfach eine neuerliche Kalibrierung durchgeführt werden um die Daten sind entsprechend neu abzustimmen.
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Für den Betrieb in der Applikation gelten folgende Schritte:
- Berechnen/Aufzeichnen des berechneten Stromes Iforce (10)
- 1. Die Kalibrierung, gemäss obigem Verfahren ist durchgeführt und die Kalibrierungsdatenbank ist verfügbar und gültig.
- 2. Die Kraftmessung aktivieren im Servocontroller
- 3. Den eisenbehafteten Linearmotor gemäss der Applikation in Betrieb setzten und gleichzeitig das Parameterpaar Strom Itotal mit zugehöriger Position erfassen.
- 4. Den kraftproportionalen Strom Iforce berechnen an allen gewünschten Positionen, indem vom Strom Itotal der auf diese Position interpolierte parasitäre Strom Iparas abgezogen wird. Berechnung immer bezogen auf die gleiche Position von ILast und Iparas. Der Strom Iforce ist proportional zur Kraft.
- 5. Der aus Schritt 4 berechnete Strom Iforce, skaliert mit der Kraftkonstante entspricht genau der Kraft, die aufgewendet werden muss, um den Einpressstift 6 in das Werkstück 7 einzupressen. Der Skalierungsfaktor entspricht der Kraftkonstante N/A (Newton pro Ampere) des Linearmotors.
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Damit ist es erstmals möglich, durch eine einmalige, vorgängige Kraftkalibrierung eines eisenbehafteten Linearmotors eine Kraftberechnung vorzunehmen, was bisher nicht bekannt und nicht möglich war.
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Um die Kraftmessung durchzuführen, wurden bisher ausschließlich eisenlose Linearmotoren verwendet, die keine magnetische Rastkraft aufweisen, weil diese magnetische Rastkraft (cogging) die Kraftmessung verfälscht, so, dass ein so gewonnenes Messergebnis unbrauchbar wird. Dennoch mussten bei eisenlosen Linearmotoren die Gewichtskraft des beweglichen Teils (Schlitten) kundenseitiger Aufbau, Kraftwirkung der Gewichtskompensation und Reibkräfte eingerechnet werden um die effektive Kraft in der Applikation zu bestimmen.
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Dies zeigt, dass dieses Verfahren mit vorgängiger Kraftkalibrierung grundsätzlich auch bei eisenlosen Linearmotoren angewendet werden kann. Vorteil ist, dass die parasitären Kräfte direkt am Objekt gemessen werden (speziell die nichtlinearen Kräfte bei einer Gewichtskompensation) und nicht auf Toleranz behafteten technischen Daten basieren.
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Der Erfindung liegt daher ein Kalibrier-Verfahren zugrunde, mit dem erstmals, nebst den magnetischen Rastkräften auch alle andern unerwünschten parasitären Kräfte berücksichtigt werden.
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Diese Kräfte werden während der Kalibierung erfasst und durch den Strom Iparas abgebildet. Was dieser Iparas alles repräsentiert ist in der Kraftggleichung 1 in 2 wiedergegeben.
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Der Strom Iparas ist zusammen mit der korrespondierenden Position in der Kalibierdatenbank des Speichers im Linearmotor hinterlegt. Die Kalibrierdatenbank enthält alle Werte über den im Kalibriervorgang abgefahrenden Weg.
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In der erfindungsgemäß vorhandenen Rechenschaltung des Linearmotors ist bevorzugt ein Controller, ein Interpolationsfilter und eine Messeinrichtung zur Stromaufzeichnung Iparas angeordnet.
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Mit dieser Rechenschaltung könne optional, als zusätzliche Sicherheit, die Kalibrierungsdaten verifiziert werden. Dazu wird der Strom Iparas aus der Kalibrierdatenbank entnommen und dem Linearmotor positionsentsprechend eingeprägt. Beim anschliessenden verschieben des Schlittens von Hand bleibt dieser an jeder beliebigen Position schwebend stehen.
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Im Applikationsbetrieb wird dann der aus der Kalibrierung erfasste parasitäre Strom I
paras genutzt um den kraftproportionalen Strom Iforce zu berechnen.
Damit gibt es nun auch erstmals die Möglichkeit, bei dem erfindungsgemäßen kraftkalibrierten eisenbehafteten Linearmotor die Kraft zu limitieren durch Berechnung und Begrenzung des Stromes Iforce. Falls z.B. empfindliche Teile zusammengefügt, aufgeklebt oder geprüft werden sollen, kann die Kraft des Schlittenvorschubes beschränkt oder limitiert werden, damit genau die gewünschte Kraft an dem zu verarbeitenden Teil auftritt.
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In diesem Zusammenhang kann sehr einfach die Anwesenheit von Teilen oder ein Verklemmen von Teilen erkannt und gemeldet werden. Wenn sich während der Bearbeitung/Montage Teile im Werkzeuge oder am Schlitten verklemmen, wir dies, infolge höherer Kräfte erkannt. Es kann somit auf eine zusätzliche Überwachung der Teile im Verarbeitungsprozess verzichtet werden, weil dies allein über die Kraftberechnung des kraftkalibrierten eisenbehafteten Linearmotors erfolgt.
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Dies ist in der Praxis immer mehr gefragt da Qualitat und Rückverfolgbarkeit immer wichtiger werden. Diese im Linearmotor integrierte „Inspection Function“ kann nun teure optische Kameras oder externe Sensortechnik ersetzen.
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Auch kann bei dem erfindungsgemäßen, kraftkalibrierten eisenbehafteten Linearmotor auf einen externen Kraftsensor verzichtet werden, weil zu jeder beliebigen Schlittenposition die genaue Kraftwirkung auf die Bearbeitungsteile in echtzeit berechnet werden kann.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einem Ausführungsweg in der darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibungen weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: schematisiert ein Blockschaltbild eines eisenbehafteten Linearmotors für die Kalibrierungsfahrt
- 2: die Kraftgleichung 1, welche die Summe aller parasitären Kräfte angibt
- 3: grafische Aufzeichung von Iparas in einem Strom- / Wegdiagramm, gemessen an der Wicklung des Linearmotors über die Wegstrecke während des Kalibriervorganges. Fahrtrichtung von oben nach unten.
- 4: das gleiche Diagramm wie 3 mit der Fahrrichtung von unten nach oben
- 5: das Strom- / Wegdiagramm mit berechnetem Iforce bei dem sämtliche parasitären Kräfte nun kompensiert sind und der eisenbehaftete Linearmotor auf der Wegstrecke verfahren wird.
- 6: ein gemäß 3 oder 4 schematisiert gezeichnetes Stromdiagramm mit Anzeige des parasitären Stromes Iparas
- 7: entspricht den Werten vom totalen Strom Itotal gemessen in der Wicklung beim Applikationsbetrieb
- 8: der aus den beiden Diagrammen nach 6 und 7 ermittelte und sich ergebende, von parasitären Kräften befreite, kraftproportionale Motorstrom Iforce
- 9: schematisiert ein Blockschaltbild für eine elektronische Schaltung zur Kraftkalibrierung eines eisenbehafteten Linearmotors
- 10: das Blockschaltbild gemäß 1 mit Darstellung im Applikationsbetrieb
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In 1 ist schematisiert eine Anordnung für die Kraftkalibrierung eines in vertikaler Lage orientierten, eisenbehafteten Linearmotors dargestellt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Statorgehäuse 1 mit den nicht näher eingezeichneten Motorwicklungen und dem verschiebbaren Schlitten 2 mit den ebenfalls nicht eingezeichneten Permanentmagneten.
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Es handelt sich hierbei um einen in den meisten Anwendungsfällen gegebenen vertikalen Einbauzustand eines Linearmotors mit gewünschter Kraftmessung.
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Zur Gewichtskompensation des Schlittengewichts 2 und eines kundenseitig an den Schlitten 2 angebauten Adapters, der nachfolgend auch als Anbau 4 bezeichnet wird, ist eine Gewichtskompensation 5 vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Schraubenzugfeder besteht.
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Es ist jegliche beliebige Gewichtskompensation 5 möglich. Statt einer Schraubenzugfeder können auch andere Kraftspeicher verwendet werden, wie z.B. Elastomerfedern, Spiralfedern, Tellerfedern, magnetische Federn oder pneumatische Vorrichtungen und dergleichen. Es kommt nur darauf an, dass das Gewicht des Schlittens inkl. kundenseitigen Aufbau, welches schwerkraftbedingt nach unten in Pfeilrichtung 12 gerichtet ist, durch die Gewichtskompensation 5 mehr oder weniger kompensiert wird.
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Wenn die Motorwicklung im Statorgehäuse 1 stromlos ist, ist die Gewichtskompensation 5 so einzustellen, dass der Schlitten 2 in die gewünschte Stellung im Statorgehäuse 1 fährt, z. B. in die Mittelstellung. Da diese Gewichtskompensationen oft sehr rudimentär gebaut und entsprechend ungenau sind, wird oft auch das Lastgewicht überkompensiert, so, dass der Schlitten im stromlosen Zustand nach oben an den Anschlag fährt. Vorteilhaft ist nun, dass all diese „Ungenauigkeiten“ welche mit technischen Daten nur schwer zu Umschreiben sind, mit der Kraftkalibrierung präzis erfasst werden.
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Zur Durchführung der Kraftkalibrierung nach 1 ist an dem Linearmotor 1, 2 ein Servocontroller 3 angeschlossen.
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In der Zeichnung sind im Schlittenbereich des Schlittens 2 die verschiedenen parasitären Kräfte eingezeichnet, nämlich
- die Kraft Fcogg,
- die Kraft Fgew,
- die Kraft Fgeko,
- die Kraft FRstat,
- die Kraft FRdyn.
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Diese Kräfte sind in der Gleichung 1 gemäß 2 erläutert und ergeben summiert die Kraft Fparas, die als parasitäre Kraft bezeichnet wird. In der Gleichung 1 ergibt sich also aus der Summe der fünf genannten Kräften (Fcogg + Fgew + Fgeko, + FRstat, + FRdyn.) die parasitäre Kraft Fparas.
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Diese parasitären Kräfte werden mit der Durchführung des Verfahrens der Kraftkalibrierung durch den entsprechenden Servocontroller 3 erfasst und in der Kalibrierdatenbank gespeichert.
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Hierzu ist im Statorgehäuse ein Kommunikationsmodul 8 angeordnet, welches einen Signalpfad 13 zu dem außen liegenden Servocontroller 3 aufweist. Ferner ist im Kommunikationsmodul 8 ein Speicher 23 für die Abspeicherung der im Kalibrierverlauf gemessenen Stromwerte Iparas, bezogen auf den jeweiligen Positionswert.
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Ebenfalls im Kommunikationsmodul ist ein sogenanntes elektronisches Datenblatt 22 gespeichert, in dem sämtliche Parameter wie z.B. Induktivität, Widerstand, und Kraftkonstante des eisenbehafteten Linearmotors gespeichert sind.
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Ferner ist im Kommunikationsmodul 8 ein Temperatursensor 24 angeordnet.
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Neben dem Kommunikationsmodul 8 ist noch ein Positionssensor 9 angeordnet, der nach einem beliebigen Positionserfassungsverfahren arbeiten kann. Er kann nach einem optischen, einem magnetischen, einem induktiven oder einem kapazitiven Abtastverfahren arbeiten.
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Entscheidend ist, dass pro Wegintervall des Schlittenvorschubes 2 ein bestimmter Positionswert erzeugt wird, oder berechnet werden kann (inkrementelle Messung).
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird je 25µm Wegintervall, oder kleiner, ein digitaler Positionswert erfasst, dem der Stromwert Iparas zugeordnet wird. Dieser Iparas, wird von einem gleichfalls im Statorgehäuse 1 angeordneten Stromsensor 10 gemessen. Der Stromsensor kann z.B. unter Ausnutzung des Halleffektes arbeiten.
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Ferner sind selbstverständlich im Statorgehäuse 1 ein oder auch mehrere Wicklungen 11 angeordnet, welche zusammen mit den Permanentmagneten im Schlitten 2 die Antriebseinheit bilden.
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Durch die Bestromung der Wicklung 11 kann somit der Schlitten 2 in den Pfeilrichtungen 12 im Statorgehäuse auf- und abgefahren werden.
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Ferner werden die vom Positionssensor 9 erfassten digitalen Wegmessdaten über eine Leitung 14 einer Rechenschaltung 19 zugeführt, in der wiederum ein Controller, ein Filter und eine Stromaufzeichnung enthalten sind.
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Wichtig ist nun, dass der Stromsensor den Strom in der einen oder mehreren Wicklung/en 11 während des im Kalibrierverlauf verfahrenden Schlittens 2 auf der gewünschten Wegstrecke misst und diesen Strom Iparas in der Rechenschaltung 19 aufbereitet und im Speicher des Kommunikationsmoduls 18 ablegt.
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Es handelt sich demnach um einen weiteren Speicher im Kommunikationsmodul 18, der über die Schnittstelle 13 mit dem Speicher 23 im Statorgehäuse 1 verbunden ist.
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Die Verarbeitung erfolgt in der Form der vorher genannten Verfahrensschritte 1 bis 5 beim Kalibrieren, bei dem der parasitäre Strom Iparas gemessen und gespeichert wird.
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Dieser Iparas wird später im Applikationsbetrieb vom totalen Wicklungsstrom Itotal abgezogen woraus der kraftproportionale, kalibrierte Strom Iforce berechnet wird. Iforce kann nur berechnet und nicht direkt gemessen werden. Iparas wird beim Kalibrieren erfasst und zusammen mit der Position vorerst in den Speicher des Kommunikationsmodules 18 zwischengespeichert und dann als Kalibrierdatenbank in den Speicher 23 des Statorgehäuses 1 abgelegt. Iforce kann im Applikationsbetrieb in Echtzeit direkt berechnet werden.
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Zur Verifikation ob der parasitäre Strom Iparas korrekt erfasst ist und die interne Berechnung richtig läuft, kann zum Test dieser Strom Iparas der Wicklung 11 vorgesteuert werden. In diesem Zustand schwebt der Schlitten 2 kraftlos an jeder beliebigen Position im Statorgehäuse, wenn dieser von Hand bewegt wird.
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Das vorher dargestellte Kalibrierverfahren wird anhand des Blockschaltbildes nach 9 nochmals veranschaulicht.
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Der notwendige Strom Iparas wird von dem Stromsensor 10 erfasst um die parasitären Kräfte zu überwinden. Gleichzeitig erfasst der Positionssensor 9 die Position und ordnet dieser den Stromwert Iparas zu. Physikalisch erfolgt diese Zuordnung von Iparas zur Position in der Recheneinheit 19.
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In der Recheneinheit 19 können für die Positionen zwischen den Parameterpaaren Iparas/Position via Interpolationsfilter beliebige Iparas Werte für jede Zwischenposition errechnet werden.
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Die 3 und 4 zeigen hierbei die im Kalibrierverfahren gemessenen parasitären Kräfte Iparas entsprechend der Position, wobei die 3 den parasitären Strom bei einer Fahrrichtung des Schlittens von oben nach unten zeigt, während die 4 die gleiche Darstellung bei einer Fahrtrichtung des Schlittens von unten nach oben zeigt.
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Bei genauem Betrachten ist erkennbar, dass in den Messintervallen von links nach rechts der Einfluss der magnetischen Rastkraft nach 3 genau der Rastkraft in umgekehrter Fahrrichtung von rechts nach links nach 4 entspricht. Diese Tatsache ist die Voraussetzung, dass die Kraftkalibrierung unabhängig von der Fahrrichtung durchgeführt werden kann.
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Interessant ist auch der Wert des Stromes Iforce, dargestellt in 5. Es handelt sich um ein Original-Diagramm, welches unter Verwendung der Rechenschaltung 19 nach der Erfindung aufgezeichnet wurde. Die Aufzeichnung erfolgte ohne Belastung durch Applikationskräfte und der Strom Iforce zeigt den richtig erwarteten Wert 0. Vom Einfluss der parasitären Kräfte ist praktisch nichts mehr zu sehen.
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Wichtig ist die Erkenntnis, dass dieser Verlauf des parasitären Stromes einem proportionalen Wert der Summe der parasitären Kräfte nach Kraftgleichung 1, 2 entspricht. Man sieht auch, dass sich dieser parasitäre Strom über den Verschiebungsweg des Schlittens 2 in den Pfeilrichtungen 12 wechselseitig stark ändert. Daher ist eine vorgängige Kraftkalibrierung des Linearmotors, wie sie diese Erfindung beschreibt, Voraussetzung damit eine Kraftberechnung überhaupt möglich wird.
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In 6 sehen wir eine Aufzeichnung des parasitären Stromes Iparas wie er während der Kalibrierung gemessen wird.
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In 7 sehen wir eine Aufzeichnung des gemessen, totalen Wicklungstromes Itotal während dem Applikatiosbetrieb. Wenn nun der parasitäre Strom Iparas nach 6 vom totalen Wicklungsstrom nach 7 abgezogen wird, ergibt sich der kraftproportionale Strom Itorce nach 8. Dieser von parasitären Kräften befreite Strom Iforce ist nun nur noch zu skalieren mit der Kraftkonstante des Linearmotors (N/Ampere) und schon hat man die gewünschte Kraft.
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Dies ist der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kraftkalibrierung, Kraftmessung und Kraftlimitierung.
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Die 10 zeigt die Applikation mit Anbau 4 und dem Werkstück 7. Im gezeigten Ausführungsbeispiel soll ein Fügeteil 6 in das Werkstück 7 von oben eingedrückt werden. Während des Betriebs wird der totale Wicklungsstrom Itotal gemessen der vorgängig im Kalibrierverfahren erfasste, parasitäre Strömt Iparas abgezogen und es resultiert der kraftproportionale Strom Iforce . Dieser Iforce kann in Echzeit über viele Punkte des Verfahrweges als Kraft-Weg Diagramm aufgezeichnet werden. Anhand dieses Kraft-Weg Diagramms kann z.B. einfach erkannt werden, ob das Fügeteil 6 überhaupt anwesend war oder ob sich das Fügeteil 6 verklemmt hat.
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Der Strom Iforce lässt sich berechnen aus dem Totalstrom in der Wicklung Itotal 11 minus Iparas aus der Kalibrierung. Dies bedeutet, dass der berechnete Iforce Wert genau dem Strom entspricht der für die Fügung des Teiles aufgewendet werden musste.
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Die Erzeugung des Itotal oder auch des Iparas für die Kalibrierung wird in der Ausgangsstufe 20 bewerkstelligt.
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Somit ist es möglich, einen eisenbehafteten Linearmotor für die Kraftberechnung vorgängig derart zu kalibrieren, dass die Applikationskraft F auf das Fügeteil 6 in ein Werkstück 7 genau berechenbar und limitierbar ist. Es sind sämtliche Störkräfte des eisenbehafteten Linearmotors „wegkalibriert“.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorgehäuse
- 2
- Schlitten
- 3
- Servocontroller
- 4
- Anbau (für 2)
- 5
- Gewichtskompensation
- 6
- Einpressstift
- 7
- Werkstück
- 8
- Kommunikationsmodul (in 2)
- 9
- Positionssensor
- 10
- Stromsensor
- 11
- Wicklung
- 12
- Pfeilrichtung
- 13
- Signalpfad
- 14
- Leitung
- 15
- Leitung
- 16
- Leitung
- 17
- Reserve, nicht eingezeichnet
- 18
- Kommunikationsmodul (in 3)
- 19
- Rechenschaltung
- 20
- Ausgangsstufe
- 21
- Signalpfad
- 22
- Datenbank
- 23
- Kalibrierspeicher
- 24
- Temperatursensor
- 25
- Leitung
- Fcogg
- Coggingkraft
- Fgew =
- Gewichtskraft
- Fgeko
- Gewichtskompensationskraft
- FRStat
- Reibungskraft statisch
- FRdyn
- Reibungskraft dynamisch
- Iparas
- während der Kalibrierung gemessener Wicklungsstrom welcher die parasitären Kräfte repräsentiert
- Itotal
- Während dem Betrieb gemessener, totaler Wicklungsstrom der für die Bewegungen benötigt wird
- Iforce
- Berechneter kraftproportionaler Strom
