CN104796061A - 用于铁芯直线电机的力校准、力计算和力限制的方法 - Google Patents

Abstract

用于铁芯直线电机借助于检测在驱动滑块(2)时的干扰影响的力校准、力计算和力限制的方法，其中，在直线电机(1,2)中所测得的绕组电流被用作该干扰力的值，且利用单次校准将直线电机的滑块(2)带有所有结构然而不带有操作力地移动经过期望的行进区域，且在此经由至少一个电流和位置传感器(9,10)每个距离间隔检测且保存至少一个干扰电流值和至少一个位置值(校准方法)，其中，干扰电流值代表干扰力的总和且在之后的操作运行中所保存的干扰电流和位置值的数据集***值且被充当用于计算直线电机(1,2)的力成正比的操作电流的补偿值。

Description

用于铁芯直线电机的力校准、力计算和力限制的方法

技术领域

本发明涉及一种根据独立专利权利要求的前序部分的用于铁芯直线电机的力校准、力计算和力限制的方法。下面，以力计算相应地同样表示力限制且反之亦然。

背景技术

其存在如下应用情况，在其中被用于装配工作或检验工作的工具被固定在直线电机的可移动的部分处。在使用此类工具的情形中，以其可拼接、检验零件或仅可以受限制的力将敏感的零件带到位置中的力值是重要的。

原则上，在直线电机中所测得的电流可被用作该力的值。然而因为铁芯直线电机在移动滑块时已具有在空载运行中不可排除的磁性定位力(齿槽)，所以力测量被影响。该定位力是在永久磁铁与铁芯直线电机的铁极之间的相互作用的结果。其是非线性的、交替正/负且此外还依赖于相应的直线电机的机械公差。出于这些原因，对于力测量而言大多数使用无铁芯直线电机，其在无定位力的情形中工作(例如根据SMAC公司的动圈原理的直线电机，www.smac-mca.de)。

该无铁芯直线电机的缺点在于在相同推进力的情形中相对铁芯直线电机更大的结构体积。额外的力传感器同样可被装入或布置在外部，经由其于是可测量和限制力。然而这意味着额外费用。

目前，直线电机被更紧凑且更便宜地构造。就此而言考虑如下，即，同样可直接以紧凑的铁芯直线电机执行力计算。

发明内容

因此，本发明的目的是，建议一种用于专门在紧凑的铁芯直线电机处的力计算的方法。

该目的的解决方案通过独立专利权利要求的技术理论来实现。

不带有非期望的力的直接力测量是不可能的，然而借助于提前的单次校准可精确检测和保存非期望的力。借助于这些数据于是可间接计算得出该力。

根据本发明的方法现在首次使得铁芯直线电机在其运行期间(通过排除不期望的力)的精确力测量成为可能。该方法由铁芯直线电机利用电流记录形式的不期望的力的检测的单次校准构成。这些被记录的电流数据然后在操作中的运动时可供使用。因此，推进力可被精确地计算得出且被限制。

通常，力测量(力限制)在直线电机的垂直布置中被要求。这意味着，滑块和其用户方面的工具附件的重力额外地向下作用。于是如下是有利的，即，在力计算中考虑该重力。如果该重力通过弹簧、通过压缩空气或通过磁性的预紧元件(MagSpring)被补偿，该补偿力同样应被检测且包含到力计算中。通常，该补偿力在移动路程上同样不是恒定的。另外还附加有导向的摩擦力，其同样应被考虑。

于是存在各种不同的非期望的(寄生)力，其影响以铁芯直线电机的力计算的精度。

利用根据本发明的用于铁芯直线电机的力校准的方法，所有这些寄生力在该校准方法中被精确地检测且被保存。

在铁芯直线电机的垂直布置的情形中，其是：

-磁铁(齿槽、铁/磁相互作用)的定位力

-滑块(包括用户方面的附件)的重力

-重量补偿(一旦存在)的力，通常在移动路程上不恒定

-动摩擦力

-静摩擦力

下面，不同电流的概念被用于该方法的理解：

I_total，在操作中的运行时所测得的电流，

I_paras，通过校准的该方法的经检测的电流，

I_force，在操作中的运行时计算得出的力成正比的电流。

在该方法的情形中，关于在相同位置点的数据总是适用如下：

I_force＝I_total-I_paras

校准的起点是，绝对不出现操作力，仅寄生力可作用到直线电机滑块上。

在方法技术上，在校准的情形中直线电机的滑块(包括用户方面的附件)缓慢地移动经过期望的行进区域(Fahrbereich)且在此经由精确的电流和位置传感器(尽可能点精确地)检测且保存出现的电流(I_paras)和在狭窄的距离间格中的相应的位置。这些电流的值此时代表恰在相应的位置点处的所有寄生力的总和。

在该校准过程之后可利用简单的试验检验这些校准数据。

在该试验的情形中，所保存的电流(I_paras)和相应的位置值的数据集***值且在直线电机轴中取决于位置地输入。如此被通电，直线电机滑块在实际中完全保持平衡(在任意位置处保持“在悬浮中”)，当该直线电机滑块被手动移动时。由此可见，该方法起作用且所保存的电流-位置值精确地代表了非期望的寄生力。

在操作中的运行时，此时通过测量总的电流(I_Ltotal)扣除寄生电流(I_paras)可计算得出在每个任意的位置处的力成正比的电流(I_force)。如果该I_force被以铁芯直线电机的力常数(牛顿每安培)来换算，则获得当前在操作中出现的力。如果需要，该力那么可作为关于整个路程的图像曲线被发出。

另一方面如下是可能的，即，将以铁芯直线电机的力常数(牛顿每安培)来换算的计算得出的力成正比的电流(I_force)限制到精确的力上。

2-5％的可达到的计算精度对于大多数的应用而言是足够的。这也就是说，伺服控制器除了铁芯直线电机轴的精确定位之外同样还可计算得出力或记录完整的力/路程图。这意味着，在许多情况中可取消额外的内部或外部力传感器、监控摄像机或零件存在传感器。

按照根据本发明的方法的一种优选的设计方案首先作如下设置，即，在提前校准的情形中检测在铁芯直线电机中(包括在滑块上的用户方面的附件的重量，然而不带有任何装配力、拼接力或压入力)的绕组电流(不带有操作力)。(参见图1)

对于单次校准而言设置有如下步骤：

I_paras的检测(图1)

1.准备包括被激活的重量补偿(一旦存在)和用户方面的附件的重量的滑块，因此滑块可自由地且在不接触零件或工件的情形中移动经过期望的行进距离

2.滑块以缓慢的速度移动经过期望的行进距离(前和后或者上和下)，伴随有位置和相应的电流I_paras在较小的间隔(例如每隔25μm)中的记录

3.将电流I_paras和位置的记录对保存到校准数据库中，

4.可选，用于检验校准数据的简单试验。插值来自校准数据库的电流值I_paras且作为绕组电流输入直线电机，对应于当前的滑块位置。此时，滑块可非常容易被由手移动且其保持“悬浮地”处在经校准的行进距离内的每个任意的位置处。

5.铁芯直线电机此时被个别地校准，在其中装配公差、永久磁铁的不一致的场强和绕组的铜线公差同样被一起考虑。

该校准以电流I_paras/位置的参数对形式被存储在校准数据库中且此时对于在操作运行中的力计算而言可供使用。

如果例如在滑块上的用户方面的附件处或在重量补偿处略被改变，那么可简单地执行重新校准，以便于相应地重新匹配数据。

对于在操作中的运行而言适用如下步骤：

计算得出的电流I_force的计算/记录(图10)

1.校准，根据上述方法来执行且校准数据库可供使用且有效。

2.在伺服控制器中激活力测量。

3.将铁芯直线电机根据应用置于运行中且同时检测带有相应的位置的电流I_total的参数对。

4.在所有期望的位置处以如下方式计算力成正比的电流I_force，即，由电流I_total扣除***值到该位置上的寄生电流I_paras。ILast和I_paras总是关于相同的位置的计算。

I_force＝I_Ltotal-I_paras。

电流I_force成正比于力。

5.由步骤4计算得出的电流I_force(以力常数来换算)与须被耗费以用于将压入式接端6压入到工件7中的力相符。换算系数与直线电机的力常数N/A(牛顿每安培)相符。

因此首次可实现如下，即，通过铁芯直线电机的单次预先力校准进行力计算，这目前未知且是不可能的。

为了执行该力测量，目前仅使用不具有磁性定位力的无铁芯直线电机，因为该磁性定位力(齿槽)影响力测量，从而使得如此获得的测量结果不能用。然而，在无铁芯直线电机的情形中用户方面的附件的可移动的部分(滑块)的重力、重量补偿的力作用和摩擦力须被算入，以便于确定在操作中的有效的力。

由此可见，带有预先的力校准的该方法原则上同样可被使用在无铁芯直线电机的情形中。如下是有利的，即，寄生力直接在对象处被测量(特别是在重量补偿的情形中的非线性力)而非基于具有公差的技术数据。

因此，本发明基于如下校准方法，以其首次除了磁性定位力之外同样考虑所有其它非期望的寄生力。

这些力在校准期间被检测且通过电流I_paras来描绘。该I_paras所代表的一切在图2中的力方程1中进行说明。

电流I_paras与对应位置一起被存储在直线电机中的存储器的校准数据库中。该校准数据库包含所有关于在校准过程中被经过的路程的值。

在直线电机的根据本发明存在的运算电路中优选布置有控制器、插值过滤器和用于电流记录I_paras的测量设备。

利用该运算电路可选择地(作为额外的安全性)检验校准数据。为此，电流I_paras被从校准数据库中获取且按照位置输入直线电机。在滑块手动的紧接着的移动的情形中，该滑块保持悬浮地处在每个任意的位置处。

在操作运行中于是由校准被检测的寄生电流I_paras被利用，以便于计算得出力成正比的电流I_force。

I_force＝I_total-I_paras。

因此此时同样首次存在如下可能性，即，在根据本发明的力校准的铁芯直线电机的情形中通过计算和限制电流I_force限制力。如果例如敏感的零件应被拼接、粘贴或被检查，滑块推进的力可被约束或被限制，从而在待处理的零件处精确地出现期望的力。

就此而言可非常容易辨认出且告知零件的出现或零件的夹紧。如果在加工/装配期间零件在工具中或在滑块处夹紧，这由于较高的力被识别。因此可取消零件在处理过程中的额外的监控，因为这单独经由经力校准的铁芯直线电机的力计算实现。

这在实践中越来越多地被需求，因为质量和可追溯性变得越来越重要。该被集成在直线电机中的“检查功能”此时可代替昂贵的光学摄像机或外部的传感器技术。

在该根据本发明的经力校准的铁芯直线电机的情形中同样可取消外部的力传感器，因为在每个任意的滑块位置可实时计算得出到加工零件上的精确的力作用。

本发明的发明对象不仅由各个专利权利要求的对象，而且由各个专利权利要求彼此的组合得出。

所有在附件(包括摘要)中所公开的内容和特征、尤其在附图中示出的空间构造被作为本发明重要的被要求保护，只要其单独地或组合地相对现有技术是新的。

附图说明

下面，借助仅一个实施途径在示出的附图中对本发明作进一步说明。在此，由附图和其说明得出本发明的另外的本发明重要的特征和优点。

其中：

图1：示意性显示了用于校准行进的铁芯直线电机的框图，

图2：显示了说明所有寄生力的总和的力方程1，

图3显示了在电流/路程图中在直线电机的绕组处被测量的I_paras关于在校准过程期间的路程段的图形记录。由上向下的行进方向。

图4：显示了带有由下向上的行进方向的与图3相同的图表，

图5：显示了在其中所有寄生力此时被补偿且铁芯直线电机在该路程段上被移动的带有计算得出的I_force的电流/路程图，

图6：显示了带有寄生电流I_paras的指示的根据图3或4示意性画出的电流图，

图7：与在操作运行时在绕组中测得的总电流I_total的值相符，

图8：显示了由根据图6和图7的两个图确定的且得出的免除了寄生力的力成正比的电机电流I_force，

图9：示意性地显示了用于铁芯直线电机的力校准的电子电路的框图，

图10：显示了带有在操作运行中的图示的根据图1的框图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了用于在垂直位置中指向的铁芯直线电机的力校准的装置。该电机大致上由带有未进一步绘制的电机绕组的定子外壳1和带有同样未绘制的永久磁铁的可移动的滑块2构成。

在此，其涉及带有期望的力测量的直线电机在大多数应用情况中存在的垂直的安装状态。

为了滑块重量2和用户方面被安装到滑块2处的适配器(其在下面也被称作附件4)的重量补偿设置有重量补偿5，其在所显示的实施例中由螺旋拉力弹簧构成。

其可实现任意的重量补偿5。作为螺旋拉力弹簧的替代同样可使用其它的储力器，例如橡胶弹簧、螺旋弹簧、碟形弹簧、磁性弹簧或气动装置或类似物。这仅取决于如下，即，包括用户方面的附件的滑块的重量(其重力引起地向下在箭头方向12上指向)通过重量补偿5被或多或少地补偿。

当定子外壳1中的电机绕组无电流时，重量补偿5被如此地设定，即，滑块2行进到在定子外壳1中的期望的位置中(例如到中间位置中)。因为该重量补偿经常非常简陋地构造且相应不精确，所以负荷重量经常也被过补偿，从而使得滑块在无电流的状态中向上行进到止挡处。此时如下是有利的，即，所有这些利用技术数据很难转换描述的“不精确性”利用力校准来精确地检测。

为了执行根据图1的力校准，在直线电机1,2处联接有伺服控制器3。

在该附图中，在滑块2的滑块区域中画入各种不同的寄生力，即

力F_cogg

力F_gew，

力F_geko，

力F_Rstat，

力F_Rdyn。

这些力在根据图2的方程1中进行说明且合计得出被称作寄生力的力F_paras。在方程1中于是由五个所提及的力的总和(F_cogg+F_gew+F_geko,+F_Rstat,+F_Rdyn)得出寄生力F_paras。

这些寄生力利用力校准的方法通过相应的伺服控制器3的执行来检测且被保存在校准数据库中。

为此，在定子外壳中布置有通讯模块8，其具有至处在外部的伺服控制器3的信号路径13。此外，在通讯模块8中是用于保存在校准过程中所测得的电流值I_paras(基于相应的位置值)的存储器23。

同样地在该通讯模块中保存有所谓的电子数据表22，所有参数例如铁芯直线电机的电感、电阻和力常数被保存在其中。

此外，在通讯模块8中布置有温度传感器24。

除了通讯模块8之外还布置有位置传感器9，其可根据任意的位置检测方法来工作。其可根据光学式、磁式、电感或电容式的探测方法来工作。

如下是重要的，即，滑块前进2的每个距离间隔产生确定的位置值，或可被计算得出(增量的测量)。

在本发明的一种优选的设计方案中，每25μm的距离间隔或更小的距离间隔检测一个关联于电流值I_paras的数字位置值。该I_paras由同样布置在定子外壳1中的电流传感器10来测量。该电流传感器可例如在使用霍尔效应的情形下工作。

此外显然在定子外壳1中布置有一个或多个绕组11，其与在滑块2中的永久磁铁一起构成驱动单元。

通过绕组11的通电，滑块2因此可在箭头方向12上在定子外壳中被上下移动。

此外，由位置传感器9所检测的数字式的距离测量数据经由线路14被输送给运算电路19，在其中又包含有控制器、过滤器和电流记录装置。

此时如下是重要的，即，电流传感器在期望的路程段上在校准进程中行进的滑块2期间在其中一个或多个绕组11中的电流，并且在运算电路19中处理该电流I_paras且保存在通讯模块18的存储器中。

其相应地涉及在通讯模块18中的另一存储器，其经由接口13与在定子外壳1中的存储器23相连接。

该处理以在校准的情形中的先前所提及的方法步骤1至5的形式实现，在其中寄生电流I_paras被测量且被保存。

该I_paras之后在操作运行中被由总的绕组电流I_total扣除，由此计算得出力成正比的经校准的电流I_force。I_force仅可被计算得出而不可被直接测量。I_paras在校准的情形中被检测且与位置一起首先被暂存到通讯模块18的存储器中且然后作为校准数据库被存储到定子外壳1的存储器23中。I_force可在操作运行中被实时地直接计算得出。

为了检验是否寄生电流I_paras被正确地检测且内部的计算正确运转，绕组11的该电流I_paras可被预控制以便于试验。在该状态中，滑块2无力地悬浮在定子外壳中的任意位置处，当该滑块被由手移动时。

先前示出的校准方法借助根据图9的框图再次进行图解说明。

必要的电流I_paras被由电流传感器10检测以便于克服寄生力。同时，位置传感器9检测位置且该位置关联于电流值I_paras。在物理上，I_paras相对位置的该关联在运算单元19中实现。

在运算单元19中，对于在I_paras/位置参数对之间的位置而言可通过插值过滤器计算每个中间位置的任意的I_paras值。

在此，图3和4根据位置显示了在该校准方法中所测得的寄生力I_paras，其中，图3显示了在滑块由上向下的行进方向的情形中的寄生电流，而图4显示了在滑块由下向上的行进方向的情形中的相同图示。

在仔细观察时可辨认出如下，即，在由左向右的测量间隔中根据图3的磁性定位力的影响精确地与根据图4的由右向左的相反方向上的定位力相符。该事实是力校准可不依赖于行进方向来执行的前提条件。

电流I_force的值同样是重要的(在图5中示出)。其涉及在使用根据本发明的运算电路19的情形下被记录的原始图表。该记录在不带有通过操作力的加载的情形中实现，且电流I_force指示为正确期望的值0。寄生力的影响实际不再可见。

如下认识是重要的，即，寄生电流的该曲线与根据力方程1(图2)的寄生力的总和的成正比的值相符。如下同样被见到，即，该寄生电流在滑块2在箭头方向12上的移动路程上交替地强烈变化。因此，直线电机的预先的力校准(如本发明所描述的那样)是使得力计算变得绝对可能的前提条件。

在图6中可见到寄生电流I_paras的记录(如其在校准期间被测量的那样)。

在图7中可见到在操作运行期间所测得的总的绕组电流I_total的记录。当此时寄生电流I_paras根据图6被由根据图7的总的绕组电流扣除时，根据图8得出力成正比的电流I_force。该去除了寄生电流的电流I_force此时必须仅被以直线电机的力常数(牛顿/安培)来换算且正好得到期望的力。

这是用于力校准、力测量和力限制的根据本发明的方法的核心。

图10显示了带有附件4和工件7的应用。在该所显示的实施例中，装配件6应由上方被压入到工件7中。在该运行期间，总的绕组电流I_total被测量、预先在校准方法中被检测的寄生电流I_paras被扣除且产生力成正比的电流I_force。该I_force可实时地在移动路程的许多点上被记录为力-距离图。借助该力-距离图可例如容易地辨认出，究竟是否装配件6存在或是否夹紧装配件6。

电流I_force可由在绕组中的总电流I_total减去来自校准的I_paras被计算得出。这意味着，计算得出的I_force值精确地与对于零件的拼接而言须被消耗的电流相符。

I_total或用于校准的I_paras的产生在输出级20中完成。

因此如下是可能的，即，为了力计算预先如此地校准铁芯直线电机，即，朝向到工件7中的装配件6的操作力F可被精确地计算得出且可被限制。铁芯直线电机的所有干扰力被“校准掉”。

附图标记列表

1 定子外壳

2 滑块

3 伺服控制器

4 (用于2的)附件

5 重量补偿

6 压入式接端

7 工件

8 (在2中的)通讯模块

9 位置传感器

10 电流传感器

11 绕组

12 箭头方向

13 信号路径

14 线路

15 线路

16 线路

17 保留、未标明

18 (在3中的)通讯模块

19 运算电路

20 输出级

21 信号路径

22 数据库

23 校准存储器

24 温度传感器

25 线路

F_cogg＝齿槽力

F_gew＝重力

F_geko＝重量补偿力

F_Rstat＝静摩擦力

F_Rdyn＝动摩擦力

I_paras＝在校准期间测得的代表寄生力的绕组电流

I_total＝在运行期间测得的对于运动而言需要的总绕组电流

I_force＝计算得出的力成正比的电流

Claims (10)

1.用于铁芯直线电机借助于检测在驱动滑块(2)时的干扰影响的力校准、力计算和力限制的方法，其中，在所述直线电机(1,2)中所测得的绕组电流被用作该干扰力的值，且利用单次校准将所述直线电机的滑块(2)带有所有结构然而不带有操作力地移动经过期望的行进区域，且在此经由至少一个电流和位置传感器(9,10)每个距离间隔检测且保存至少一个干扰电流值和至少一个位置值(校准方法)，其中，所述干扰电流值代表所述干扰力的总和且在之后的操作运行中所保存的干扰电流和位置值的数据集***值且被充当用于计算所述直线电机(1,2)的力成正比的操作电流的补偿值。

2.根据权利要求1所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，所述干扰影响作为寄生力出现，其在所述滑块(2)的行进区域上变化且在所述电流传感器(10)中被检测为与所述寄生力成正比的寄生电流(I_paras)。

3.根据权利要求1或2所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，所述电流传感器(10)的每个电流值(I_paras)在校准存储器(17,图9)中关联有所述位置传感器(9)的确定的位置值，以便于获得所述电流值(I_paras)关于所述直线电机的滑块(2)的整个移动距离的电流曲线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，在所述电流值(I_paras)中包含所述齿槽力(F_cogg)、所述滑块的重量(F_gew)、布置在所述滑块处的重量补偿(F_geko)以及静摩擦力(F_Rstat)和动摩擦力(F_Rdyn)，至少一个、多个或所有的寄生力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，在运算电路(19)中可由所述总的绕组电流(I_total)和所述寄生电流(I_paras)计算力成正比的电流。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，电流值(I_paras)和位置值的所保存的数据集***值且在所述滑块(2)的运行时在每个任意的位置处存在相应的电流值I_paras。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，在所述直线电机的运算电路(19)中布置有控制器、过滤器和用于所述寄生电流(I_paras)的电流记录的电子电路。

8.用于铁芯直线电机的校准的方法，其特征在于，在校准时使用如下步骤：

1)准备包括被激活的重量补偿(一旦存在)和用户方面的附件的重量的滑块，以此所述滑块可自由地且不接触零件或工件地移动经过期望的行进距离，

2)所述滑块以缓慢的速度移动经过期望的行进距离，伴随有位置和相应的电流I_paras以较小的间隔(例如每隔25μm)的记录，

3)将电流I_paras和位置的记录对保存到校准数据库23中，

4)可选，用于检验所述校准数据的简单试验，插值来自所述校准数据库的电流值I_paras且记录作为所述直线电机上的绕组电流输入，对应于当前的滑块位置，此时，所述滑块应非常容易被由手移动且其应在经校准的行进距离内“悬浮地”保持在每个任意的位置处行进距离，那么所述校准值是可信的，

5)所述铁芯直线电机此时被个别地校准，在其中装配公差、永久磁铁的不一致的场强和所述绕组的铜线公差以及存在的重量补偿的力不均匀性同样被考虑。

9.用于运行铁芯直线电机的方法，其特征在于，在校准之后用于克服所有寄生力的必要的电机电流(I_paras)被检测且与对应的位置一起被保存在校准数据库中，且这些数据在运行时根据如下步骤被使用在用于计算力成正比的电流I_force的操作中：

1)在所述伺服控制器中激活力测量，

2)根据应用将所述铁芯直线电机置于运行中且同时检测带有相应的位置的电流I_total的参数对，

3)在任意期望的位置处或连续地以如下方式计算所述力成正比的电流I_force，即，由所述电流I_total扣除***值到该位置上的寄生电流I_paras，I_force＝I_total-I_paras，

4)以由步骤3计算得出的电流I_force的操作调试，以力常数来换算。

10.带有在驱动所述滑块(2)时的干扰影响的补偿的铁芯直线电机，其中，经由至少一个电流和位置传感器(9,10)每个距离间隔检测且保存至少一个电流值和至少一个位置值(校准方法)，且所述电流传感器(10)的每个电流值(I_paras)在校准存储器(17,图9)中关联有所述位置传感器(9)的确定的位置值，以便于获得所述电流值(I_paras)关于所述直线电机的滑块(2)的整个移动距离的电流曲线，其中，在运算电路(19)中由所述总操作电流I_total和所述寄生电流(I_paras)计算力成正比的电流。