CN105881099A - 用于确定机器参数的方法及测试组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定机械装置的机器参数的方法及测试组件。其中，第一元件(2)和第二元件(3)能以可设定移动模式相互移动，所述方法包括：将测量臂(7)放置在所述第一元件和第二元件之间；在预先确定的期望移动路径中使所述第一元件和第二元件相互移位；基本沿着所述测量臂(7)的纵向方向在所述第一元件(2)和所述第二元件(3)之间施加预先确定的力；借助所述测量臂(7)记录所得到的实际移动路径，由此确定所述期望移动路径与所述实际移动路径之间的差；以及基于确定的差，得到表示所述机械装置的状态的机器参数，其特征在于，所述预先确定的力包括动态变化部分。

Description

用于确定机器参数的方法及测试组件

技术领域

本发明涉及一种用于确定机器参数的方法以及一种用于执行所述方法的测试组件。根据本发明的方法和测试组件可以供基本任何种类的机械结构使用，诸如机床、机器人或坐标测量机。

背景技术

在许多背景中，工业使用各种类型的机床来处理并制造各种部件。这涉及到能够监测此类机器状态的需要，以便例如能够及时修理并调整，以避免停工或各制造部件的不良精度。目标是能够快速检测变化并能够在发生较大的且昂贵的缺陷之前纠正这种变化。

用于测试机器的常规方法是制出代表性部件然后检查其尺寸，以便评估机器的性能。在这方面观察到的缺点包括：需要使用工具和测试件，以及难以比较不同测试的结果。使用标准化测试件当然便于比较，但仍需要测试件和工具。

另一方法包括：借助液压缸施加合适的力以及例如借助千分尺测量产生的偏转，监测不同方向上的机器刚性。该方法的缺点在于耗时以及在机器运行时无法进行测量。

另一已知实践包括使用装配在工件保持器和工具保持器之间的专用仪器，所谓的“球杆”，用以测试机器执行圆形移动的能力。仪器中的测量装备用于记录与圆的任何偏差。各种此类测试可以在不同的时间进行并比较，以提供关于机器各种特征(诸如圆度、伺服响应、直线性、间隙等)的信息。测试还可以在各种进给速度下、各种进给方向上以及使用各种长度的杆，并且将工件保持器放置在各种不同的点处来进行。然而，仍然存在着在负载下不易于获得机器特征的适当评估的缺点。

US 2002/0189379 A1通过以下手段解决了该问题：在第一元件和第二元件之间在它们相互移位期间施加预先确定的静力，同时测量所得到的变形。与先前相比，这使得可以在更类似生产的状态下进行机器测试。另外通过改变位移发生的方式(对于移动构造和移动方向两者)，还通过改变施加的力的大小，分析可以进一步细化。

发明内容

本发明的目的是提供用于确定机械装置的机器参数的改进的方法和组件。

具体目的是提供这样的方法和组件：允许更灵活地确定机器参数。

这些目的中的至少一个由根据一个方面的用于确定机器参数的方法、根据另一方面的用于确定机器参数的组件、和/或其它方面实现。

本发明的第一方面涉及一种用于确定机械装置的机器参数的方法，其中第一元件和第二元件能以可设定的移动模式相互移动。所述方法包括：

-将测量臂放置在所述第一元件和第二元件之间，

-在预先确定的期望移动路径中使所述第一元件和第二元件相互移位，

-基本沿着所述测量臂的纵向方向在所述第一元件和所述第二元件之间施加预先确定的力，

-借助所述测量臂记录所得到的实际移动路径，由此确定所述期望移动路径与所述实际移动路径之间的差，以及

-基于确定的差，得到表示机械的状态的机器参数。

根据本发明，所述预先确定的力包括动态变化部分。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，所述动态变化部分是与时间相关或与位置相关的，特别是其中，所述动态变化部分为正弦的，受限于解析函数或受限于阶跃函数。

在另一实施方式中，所述方法包括至少一个测量操作，特别是随后执行的多个测量操作，每个测量操作均包括在可设定的移动模式中使所述第一元件和第二元件相互移动以及记录所得到的实际移动路径，在每个测量操作期间施加的所述预先确定的力包括动态变化部分，使得施加的力在每个测量操作期间动态地变化，特别是其中，施加的动态变化力对于每个测量操作是不同的。

在本方法的一个实施方式中，至少部分地借助压电致动器生成所述动态变化部分。在替代实施方式中，至少部分地借助液压致动器、气动致动器、电磁致动器或电动马达而生成所述动态变化部分。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述预先确定的力包括静态部分，特别是其中，由不同的装置生成所述动态变化部分和所述静态部分。特别是，所述预先确定的力被定义为：

F＝F₀+F(t)，

其中F是所述预先确定的力，F₀是所述力的所述静态部分，并且F(t)是所述力的所述动态变化部分。所述静态部分可以为正、为负或为零。

在又一实施方式中，在所述第一元件和第二元件之间的各种相互位置施加所述预先确定的力。

在本方法的另一实施方式中，记录所述所得到的实际移动路径的步骤包括：在施加所述预先确定的力的同时动态地确定所述测量臂的当前长度或长度差。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，所述机器参数至少包括刚度，特别是基于施加的力向量和偏转向量在至少两个方向上测量的刚度，特别是包括动态刚度值。在另一实施方式中，所述机器参数至少包括独立于移动方向的位移；滞后；直线性；和/或阻尼。

在本方法的一个实施方式中，所述机械装置是机床，其中所述第一元件适于支撑加工工具，并且所述第二元件适于支撑工件。在另一实施方式中，所述机械装置是坐标测量机，其中所述第一元件适于支撑测量头，并且所述第二元件适于支撑待测量的对象。

在本方法的一个实施方式中，所述第二元件适于特别是借助夹紧来提供分别将待测量的所述工件或所述对象保持到位的夹具，并且所述机器参数包括所述夹具的刚度。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，所述机械装置是机床，并且所述方法包括所述机床的特定加工操作的加工模拟，在此过程中：

-以典型的加工操作执行所述第一元件和所述第二元件之间的相互移动，并且

-根据在加工操作期间典型地发生的力来施加所述动态变化部分。

本发明的第二方面涉及一种用于确定机械装置的机器参数的组件，其中第一元件和第二元件能相互移动。所述组件包括：

-测量臂，所述测量臂的端部具有分别铰接固定至所述第一元件和所述第二元件的紧固装置，以测量所述第一元件和所述第二元件之间的位置改变，以及

-动力单元，所述动力单元被布置成将与所述测量臂基本平行的预先确定的力施加到所述第一元件和所述第二元件。

根据本发明，所述动力单元被布置成施加至少包括动态变化部分的预先确定的力。

在根据本发明的组件的一个实施方式中，所述动态变化部分是与时间相关或与位置相关的，特别是其中，所述动态变化部分是正弦的，受限于解析函数或受限于阶跃函数。

在所述组件的另一实施方式中，所述动力单元包括适于生成所述动态变化部分的至少一个压电致动器。在替代实施方式中，所述动力单元包括适于生成所述动态变化部分的至少一个液压致动器、气动致动器、电磁致动器或电动马达。

在所述组件的又一实施方式中，所述动力单元

-包括至少一个工作缸体，所述至少一个工作缸体适于生成所述预先确定的力的静态部分；和/或

-设置有用于固定至所述第一元件的第一支架并且设置有用于固定至所述第二元件的第二支架，其中所述第一支架和第二支架均设置有允许使所述动力单元旋转的轴承，特别是其中，所述第二支架设置有用于将一端固定至所述测量臂的装置。

在根据本发明的组件的另一实施方式中，所述第一元件是旋转主轴，特别是其中，所述组件包括用于将所述组件固定至所述主轴的适配器，并且适于测量所述主轴的刚度，所述刚度随着所述主轴的转速而变化。

在另一实施方式中，所述组件适于无绳操作以及借助电池操作，所述组件特别地包括固定安装的蓄电池或用于接收可更换电池的装置。

附图说明

以下将参照伴随着附图的示例性实施方式详细地描述本发明，其中：

图1示出了具有根据本发明的测试组件的示例性实施方式的机床示意图；

图2a至图2b示出了根据本发明的测试组件的示例性实施方式的顶视图和部分侧面剖视图；

图3a至图3b示出了各种负载下机械元件之间的各种方向的偏转；

图4示出了负载图；

图5示出了图示现有技术测试组件的工作原理的测量臂的示意图；以及

图6示出了图示根据本发明的测试组件的示例性实施方式的工作原理的测量臂的示意图。

具体实施方式

图1示出了期望借助装配在机器中的工具来加工工件的机床1的示意图。该机器包括采取主轴形式的第一元件2，以及采取工作台形式的第二元件3，第一元件2和第二元件3能相对于彼此以常规方式在用于加工工件(未描绘)的各种方向上移动，工件期望被固定至工作台并由***主轴中的工具加工。第一元件2由主轴头4支撑，主轴头4本身由框架5支撑，框架5还支撑着第二元件3。为了测试机器1在第一元件2和第二元件3相互位移期间的行为方式，根据本发明在下面描述并设计的测试组件6被夹紧在第一元件2和第二元件3之间。

根据图2a和图2b，测试组件6包括“球杆”类型的常规测量臂7，测量臂7的一端由铰接件8链接至支架9(期望固定于机器1的第二元件2中)，而另一端经由铰接件10链接至支架11(期望相对于第二元件3进行固定)。伸缩元件12链接两个铰接件8和10并在内部设置有用于记录铰接件8和10之间的距离改变的测量装备(未描绘)。测量臂7及其测量装备可以由电气线路13连接到用于记录并分析测量结果的合适的外部装备。

如同测量臂7，测试组件6还包括动力单元14，动力单元14期望被固定在第一元件2和第二元件3之间。为此目的，不仅有用于固定至第一元件2的支架15，而且有用于固定至第二元件3的支架16。经由轴承17，支架16支撑着枢转安装的臂18，臂18的自由端连接到轭状物19，其中活塞杆20、21紧固至布置在缸体壳体22中的两个工作缸体。缸体壳体22具有经过线路23的工作介质并被固定至保持器15，保持器15期望能经由轴承24绕第一元件2枢转。

动力单元14可以用于当根据图1使测试组件6装配待用时在使两个支架15和16(因此还使第一元件2和第二元件3)分开或拉向一起的任一方向上施加力。测量臂7可以同时用于确定元件2和3之间所得到的位移的大小。

根据本发明的测试组件可以供基本上任何种类的机械结构使用。机械结构可以是(在此描述的)机床以及各种种类的机器人或坐标测量机的一部分。

图3a和图3b示出了两个测试系列的结果。图3a示意性地描绘了第一测试系列的结果，其中机器1被编程，以在元件2和3之间同时施加力期间致使第二元件3绕第一元件2进行圆形移动。在该图中，具有X轴和Y轴的坐标***已经将其中心24放置在第一元件2中，并且曲线a-f显示了由不同量的力产生的在各种位置中的偏转大小。在曲线b、d和f(设置有箭头)的情况下，移动为顺时针方向，而其它曲线a、c和e描绘的为逆时针方向。施加的力在曲线a和b上为330N，在曲线c和d上为660N，在曲线e和f上为825N。在所有情况下，进给速度为1000mm/min。如可以看到的，位移量随着施加的力的量而增加，但在不同的移动方向上不同。

图3b示意性地示出了在与图3a的测试系列稍微不同的状态下的测试系列的结果。在这种情况下，进给速度增加至5000mm/min。曲线a-d施加的力与图3a的相同，但曲线e和f增加至990N。再次，偏转量随着施加的力的量而增加，并且在不同的方向上是不同的，但与图3a的方式不同。

图3a和图3b的图可以说成是在各种情况下构成机器的“指纹”，并且特别是提供关于其在不同负载量下沿不同方向的刚性(或刚度)变化的信息。还提供了机器可以在给定状态下执行特定类型的移动的精度的照片。

图4描绘了另一类型的测试结果，其中在μm(微米)下测量的直线性S的改变显示为施加的力F的大小的函数，力F表示为N(牛顿)。显示的改变为线性。

明显的是，其它类型的测试可提供其它类型的关于机器的信息。例如，在第一元件2和第二元件3之间指定的相互位置可以利用进行力增加以及力降低这两种情况进行测量，以便获得测量***的滞后的评估。这可以发现如何补偿内部摩擦和测量***弹性，以便立即产生可靠测量结果来。

出于精度原因，所使用的轴承17和24必须拥有良好的准确度，即间隙最小，同时摩擦低。滑动或滚动轴承(例如滚针轴承)可能适用于此目的，但磁性或静压轴承也有吸引力，虽然昂贵。

上述的移动是在基本水平的平面中，但当然不能防止在不同取向(例如竖直)的平面中分析移动。为了使之能吸收足够大的力，改良样式的常规制造的铰接件8和10可以将动力单元14与伸缩元件12整合。同时还可以使铰接件8和10能在三个维度上移动，以便能在任何期望的方向上进行测试。整合的样式能更容易地装配并拆卸。

来自测量臂7的信号传输在此描绘为经由电气线路13，但当然能想到其它样式，例如使用一些种类的无线传输(诸如蓝牙或WiFi传输)，以避免在旋转移动期间与电气线路相关的问题。

在图1描绘的机床的情况下，第一元件2被固定，而第二元件3能在垂直于图中平面的平面中移动。当然不能防止第二元件3反而被固定而第一元件2可移动。这样的移动的组合也是可行的，这取决于在具体的情况下什么是必要和期望的。

上述的动力单元14可在本发明的范围内还采取诸多不同的形式，例如臂18反而可以采取缸体壳体的形式。还可以使用单个缸体来代替两个缸体，等。

如之前表示的，两个支架15和16可以使用动力单元14来对第一元件2和第二元件3进行加载，所以所述支架在本发明的范围内应在适当的情况下适应具体类型的机器。

图3a、图3b和图4描绘的类型的图可用于计算大量不同的参数，其特征在于负载下的机器行为。可以读出圆形移动的精度，但还可以计算出线性移动及各种类型的复合移动的精度。力的依赖性的量为机器质量提供的良好措施在于，对力的依赖性小表示质量良好且精度良好，而对力的依赖性大表示质量不好且精度差。

此外，根据本发明源自测试某种机床的测量值可用于实行校正来纠正在所关注机器的控制程序中在各种负载情况下的偏转。机器的准确度可能因而得到基本的改进。如果相对便宜的机器可以因此代替更昂贵的高精度机器，则经济收益可能变得显著。获得的所述测量值还可用在实际加工过程的数字模拟中，以提供此过程的更逼真照片。

图5和图6均示出了测试组件的测量臂7的示意图，图示了现有技术的测试组件和根据本发明的测试组件的工作原理。

图5的组件的测量臂7借助第一支架9和第一铰接件8固定至机器主轴2，并且借助第二支架11和第二铰接件10固定至机器工作台3。该组件(在此未示出)的动力单元适于在两个铰接件8和10之间施加静力F，并且测量臂7包括伸缩元件12，然后能确定伸缩元件12的长度改变dL(F)。如果机器主轴2执行在机器工作台3处围绕第二铰接件10的移动(当F＝0时将是完美的圆)，则测量将显示，当F＞0时，由于刚度，移动将不是圆形。根据现有技术和US 2002/0189379 A1的描述内容已知这样的组件。

图6图示了根据本发明的组件的示例性实施方式的工作原理。利用图6的组件，引入了动态测量。测量臂7的描绘元件与图5的相同。

图6的组件的动力单元(未示出)适于(例如借助压电致动器)在两个铰接件8和10之间生成动态的时间变化(time varying)的力F(t)。从机器的角度，这可以认为是取决于两个铰接件8和10之间的相对位置的力向量。相应地，测量臂7适于测量变化的长度向量dL(F(t))，这将以相同的方式导致不同方向上的变化刚度。

施加的力F包括静态分量F₀和动态分量F(t)。动态分量F(t)是时间变量，例如正弦的或包括阶跃函数。预先确定的力可以因而被定义为F＝F₀+F(t)。这意味着，与静力F₀组合地施加动态力F(t)(其中静力可以为F₀≥0)。选择性地，动态分量F(t)被设计成使得，当从外侧观察***时，***的行为仿佛将产生负阻尼。

利用根据本发明的组件和方法，可以基于动态力F(t)的所施加的力向量和偏转向量dL(F)来测量不同方向的刚度。这意味着，输出包括静刚度(具有恒定施加的力)以及动态刚度(具有时间变化的力F(t))和阻尼。

静力F₀和动态力可以由相同的装置生成或分别生成，例如借助(如关于图2a和图2b描述的)动力单元的至少一个工作缸体的静力以及借助压电致动器的动态力。

选择性地，该方法包括一个或多个测量操作，每个测量操作均包括：使机器主轴9相对于机器工作台3在可设定的移动模式中移动；以及记录所得到的实际移动路径。如关于图3a和图3b描述的，这可以是由测试组件施加的不同力的旋转移动。在一个或多个测量操作中的每个测量操作期间施加的预先确定的力F包括动态变化部分F(t)，使得施加的力在每个测量操作期间动态地变化。选择性地，如针对静止施加的力的图3a和图3b示出的，还有动态变化的力可以因每个测量操作而不同。

优选地，用于测量偏转向量dL(F)的测量部和力生成部可以被设计为独立部件。这意味着，如果力生成部受摩擦影响或在装置中形成偏转，则测量部将不受这些缺陷的影响并能够测量机器的真实偏转。

选择性地，测试组件可以供例如借助特殊适配器固定至主轴的旋转主轴使用，因为主轴的刚度随转速而变化。在这种情况下，施加力，并且在旋转主轴的旋转期间执行测量。

选择性地，测试组件还可以用于测量使工件保持到位的固定件的刚度。

可优选地，所述组件可以是运行的电池。

虽然上面部分地参考一些优选实施方式图示了本发明，但是必须理解的是，可以做出实施方式的不同特征的许多修改和组合。所有这些修改位于随附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于确定机械装置(1)的机器参数的方法，其中第一元件(2)和第二元件(3)能够以可设定的移动模式相互移动，所述方法包括：

·将测量臂(7)放置在所述第一元件(2)和第二元件(3)之间，

·在预先确定的期望移动路径中使所述第一元件(2)和第二元件(3)相互移位，

·基本沿着所述测量臂(7)的纵向方向在所述第一元件(2)和所述第二元件(3)之间施加预先确定的力(F)，

·借助所述测量臂(7)记录所得到的实际移动路径，由此确定所述期望移动路径与所述实际移动路径之间的差，以及

·基于确定的差，得到表示所述机械装置(1)的状态的机器参数，

其特征在于，

所述预先确定的力(F)包括动态变化部分(F(t))。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述动态变化部分(F(t))是与时间相关或与位置相关的，特别是其中，所述动态变化部分(F(t))为正弦的，受限于解析函数或受限于阶跃函数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

至少一个测量操作，特别是多个随后执行的测量操作，所述测量操作中的每个测量操作均包括以可设定的移动模式使所述第一元件(2)和第二元件(3)相互移动并且记录所得到的实际移动路径，在每个测量操作期间施加的所述预先确定的力(F)包括动态变化部分(F(t))，使得施加的力在每个测量操作期间动态地变化，特别是其中，施加的动态变化力对于每个测量操作是不同的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

至少部分地借助于压电致动器、液压致动器、气动致动器、电磁致动器或电动马达来生成所述动态变化部分(F(t))。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述预先确定的力(F)包括静态部分(F₀)，特别是其中，

·由不同的装置生成所述动态变化部分(F(t))和所述静态部分(F₀)；和/或

·所述预先确定的力(F)被定义为：

F＝F₀+F(t)，

其中F是所述预先确定的力，F₀是所述力的所述静态部分，并且F(t)是所述力的所述动态变化部分。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

·在所述第一元件和第二元件之间的各种相互位置中施加所述预先确定的力(F)；和/或

·记录所得到的实际移动路径的步骤包括：在施加所述预先确定的力(F)的同时动态地确定所述测量臂(7)的当前长度或长度差(dL(F))。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述机器参数包括以下各项中的至少一项：

·刚度，特别是基于施加的力向量和偏转向量在至少两个方向上测量的刚度，特别是包括动态刚度值；

·独立于移动方向的位移；

·滞后；

·直线性；和/或

·阻尼。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

·所述机械装置(1)是机床，其中所述第一元件(2)适于支撑加工工具，并且所述第二元件(3)适于支撑工件，或者

·所述机械装置(1)是坐标测量机，其中所述第一元件(2)适于支撑测量头，并且所述第二元件(3)适于支撑待测量的对象，

特别是其中，

·所述第二元件(3)适于特别是借助夹紧来提供分别将所述工件或待测量的所述对象保持到位的夹具，以及

·所述机器参数包括所述夹具的刚度。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，

其特征在于，

所述机械装置(1)是机床，并且所述方法包括所述机床的预定的加工操作的加工模拟，在此过程中：

·使所述第一元件(2)和所述第二元件(3)之间执行对于所述加工操作来说典型的相互移动，并且

·根据在所述加工操作期间典型地发生的力来施加所述动态变化部分(F(t))。

10.一种用于确定机械装置(1)的机器参数的组件(6)，其中第一元件(2)和第二元件(3)能够相互移动，特别是根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述组件(6)包括：

·测量臂(7)，所述测量臂(7)的端部具有分别铰接固定至所述第一元件(2)和所述第二元件(3)的紧固装置(9，11)，以测量所述第一元件和所述第二元件之间的位置改变，以及

·动力单元(14)，所述动力单元(14)被布置成将与所述测量臂(7)基本平行的预先确定的力施加到所述第一元件(2)和所述第二元件(3)，

其特征在于，

所述动力单元(14)被布置成施加至少包括动态变化部分(F(t))的预先确定的力(F)。

11.根据权利要求10所述的组件(6)，

其特征在于，

所述动态变化部分(F(t))是与时间相关或与位置相关的，特别是其中，所述动态变化部分(F(t))是正弦的，受限于解析函数或受限于阶跃函数。

12.根据权利要求10或11所述的组件(6)，

其特征在于，

所述动力单元(14)包括适于生成所述动态变化部分(F(t))的至少一个压电致动器、液压致动器、气动致动器、电磁致动器或电动马达。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的组件(6)，

其特征在于，

所述动力单元(14)

·包括至少一个工作缸体，所述至少一个工作缸体适于生成所述预先确定的力(F)的静态部分(F₀)；和/或

·设置有用于固定至所述第一元件(2)的第一支架(15)并且设置有用于固定至所述第二元件(3)的第二支架(16)，其中所述第一支架(15)和第二支架(16)均设置有允许使所述动力单元(14)旋转的轴承(24，17)，特别是其中，所述第二支架(16)设置有用于将一端固定至所述测量臂(7)的装置。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的组件(6)，

其特征在于，

所述第一元件(2)是旋转主轴，特别是其中，所述组件(6)

·包括用于将所述组件(6)固定至所述主轴的适配器，并且

·适于测量所述主轴的刚度，所述刚度随着所述主轴的转速而变化。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的组件(6)，

其特征在于，

所述组件(6)适于无绳操作以及借助电池操作，所述组件(6)特别地包括固定安装的蓄电池或用于接收可更换电池的装置。