确定移动系统、特别是机床中的负载的质量和重心位置的方法

摘要

本发明涉及用于确定移动系统(12)、特别是机床(14)的额外负载(10)的质量和重心位置的方法，移动系统(12)包括支撑件(20)以及电子控制驱动单元(22、24)，支撑件(20)能够围绕至少第一轴线(16)和第二轴线(18)旋转并且用于容纳额外负载(10)，电子控制驱动单元(22、24)用于使支撑件(20)围绕第一轴线(16)和第二轴线(18)转动，其中在装载状态下确定关于第一轴线(16)的总惯性矩和保持转矩；在装载状态下确定关于第二轴线(18)的总惯性矩和保持转矩；并且额外负载(10)相对于支撑件(20)的质量和重心位置是基于关于第一轴线(16)和第二轴线(18)的总惯性矩和保持转矩来确定的。本发明还涉及设计为根据该方法确定额外负载(10)的质量和重心位置的移动系统(12)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定移动系统、特别是机床中的负载的质量和重心位置的方法，这适用于特别是在机床中根据该方法确定负载的质量和重心位置。

背景技术

保持件或移动系统的工作台(诸如机床的回转-旋转工作台)上的工件的质量和相对位置对位置控制的精度具有决定性影响，特别是在负载重力的轴的情况下。基本上，能够手动地确定工件的质量和重心位置，然后能够相应地采用控制方法，以在位置控制中考虑质量和重心位置。

例如，根据DE 10 2015 113 890 A1和根据US 2016/0 001 373 A1，根据工件位置和工件质量对产生的力进行补偿(在这些力被作为预设值预先输入的情况下)。

DE 10 2016 104 146 A1还公开了一种方法，该方法允许确定工件接收单元的工件支撑件上的工件的质量和重心位置，该工件接收单元能够以直线方式移动并且能够围绕两个彼此以直角定向的旋转轴线旋转。在这种情况下，位于工件支撑件上的工件的质量是通过以直线方式加速工件作为测试来确定的。根据确定的合力确定了质量。另外，通过使工件围绕相应旋转轴线中的一个轴线均匀旋转来确定工件的重心位置。在工件的偏心位置和/或其重心的情况下，在相应驱动单元上产生了周期性变化的驱动转矩，其大小和相位位置能够用于确定重心的坐标。

发明内容

本发明的基础目的是允许简单且可靠地确定移动系统的负载的质量和重心位置。

根据本发明，该目的通过具有方案1的特征的方法以及根据该方法操作的移动系统得以实现。从从属方案能够推断出本发明的变型。

提出了一种用于确定移动系统的负载的质量和重心位置的方法，所述移动系统包括支撑件以及电子控制(electronically controlled)驱动单元，该支撑件用于容纳负载并且能够围绕至少第一轴线和第二轴线旋转，该电子控制驱动单元用于使支撑件围绕第一轴线以及围绕第二轴线旋转。在装载状态下确定关于第一轴线的总惯性矩和保持转矩。在装载状态下还确定关于第二轴线的总惯性矩和保持转矩。此外，负载相对于支撑件的质量和重心位置是基于关于第一轴线和第二轴线的总惯性矩和保持转矩来确定的。

本发明还包括一种移动系统，其包括容纳负载的支撑件，该支撑件能够围绕至少第一轴线和第二轴线旋转。移动系统还包括用于使支撑件围绕第一轴线并且围绕第二轴线旋转的电子控制驱动单元。移动系统另外包括控制单元，该控制单元配备成根据上述方法来确定负载的质量和重心位置。

根据本发明的方法和根据本发明的移动系统使得能够简单且可靠地确定负载的质量和重心位置。能够在装载状态下确定质量和重心位置。这样能够避免在夹紧负载之前进行额外的测量步骤。另外，能够实现高度的制造精度。在加工工件时，能够简单且可靠地在位置控制中考虑其质量和重心位置，而无需事先进行昂贵的调整过程。另外，能够确定任何所需负载的质量和重心位置，例如具有不对称的几何形状和/或质量分布的负载。也可以容易地对具有各向异性密度的工件进行适配。因为根据本发明的方法能够容易地自动化，所以还能够避免操作者的错误并补偿不精确的(特别是偏心的)夹紧。如果工件的几何形状和/或性质或者所需的加工类型使得必须偏心地定位工件，也能够以可靠的方式实现补偿。此外，在加工期间，例如如果工件的几何形状和/或密度和/或位置由于加工而改变，也能够以简单且可靠的方式进行重新调整。能够在不必从移动系统中移除工件以进行新的测量的情况下进行这种重新调整。

该移动系统可以是机床的一部分，例如，用于加工工件的机床，例如用于材料去除加工、用于表面处理、用于激光加工、用于进一步加工等。在这种情况下，将支撑件定位在机床中，使得位于支撑件的负载定位在机床的加工舱中。负载可以是待加工的工件。借助于移动系统，优选能够改变负载相对于加工工具的位置。在这种情况下，根据本发明，移动系统能够使工件进行足够通过铣削/车削而进行加工的旋转。根据本发明，移动系统也能够仅用于定位，特别是与旋转工具结合使用。

除了由第一轴线和第二轴线限定的自由度之外，移动系统还能够具有其它自由度。例如，根据本发明，附加的直线迁移是可能的。根据本发明，另外还能够围绕至少一个其它轴线旋转和/或枢转。为此，移动系统能够具有其它驱动单元。附加地或可选地，加工工具能够围绕至少一个其它轴线旋转或枢转。

电子控制驱动单元优选包括至少一个用于产生围绕第一轴线的旋转运动的第一电动马达和/或用于产生围绕第二轴线的旋转运动的第二电动马达。然而，根据本发明，基本上能够将单个电动马达与适当的力传递结合使用，以便产生支撑件围绕第一轴线和围绕第二轴线的旋转。根据本发明，也能够为第一轴线设置多个电动马达和/或为第二轴线设置多个电动马达。在本发明的一实施方式中，调节至少一个电子控制驱动单元的转速和/或产生的转矩。为此，控制单元和/或电子控制驱动单元能够具有适当的控制回路。

支撑件优选包括能够紧固负载的台面，例如加工台。台面能够包括适当的紧固装置和/或连接点和/或安装导轨等，用于安装和/或夹紧负载。优选地，支撑件被设计成可互换的，从而对于不同的负载，能够简单地使用适当的相应支撑件。

优选地，能够以自动方式确定在装载状态下第一轴线的总惯性矩和/或保持转矩。因此，能够由控制单元自动执行相应的方法步骤。特别地，不需要用户输入涉及例如负载的几何形状和/或质量和/或密度和/或紧固位置来确定相对于第一轴线的总惯性矩和/或保持转矩。与此类似，优选以自动的方式确定在装载状态下第二轴线的总惯性矩和/或保持转矩。

另外，优选地，基于相对于第一轴线和第二轴线的总惯性矩和保持转矩，例如通过控制单元以自动的方式确定负载相对于支撑件的质量和重心位置。

移动系统和/或机床能够具有用户界面，通过该用户界面能够为控制单元进行用户输入。能够提供用户界面来请求自动确定质量和重心位置。另外，能够提供用于输入基本参数的用户界面，该基本参数包括例如所使用的支撑件和/或电子控制驱动单元的属性。

在支撑件是可交换的并且能够使用不同设计的支撑件的情况下，根据本发明，移动系统能够包括可以自动检测正在使用的支撑件的检测单元。为此，检测单元能够具有适合于此的传感器，该传感器适合于检测允许识别支撑件或支撑件类型的支撑件特征。根据本发明，还可能有用于经由用户界面输入的支撑件类型。

特别是如果在确定了负载的质量和重心位置之后，配备控制单元以在移动和/或定位负载时将它们纳入考虑，则能够实现移动系统的高精度运动和/或高度的制造精度。这样的考虑可以包括要求减小或增大电子控制驱动单元的驱动转矩，例如以便补偿由于作用在负载上的重力牵拉对定位精度的影响。优选地，在加工负载时连续地考虑所确定的质量和重心位置。如果在部分加工后再次确定质量和重心位置，则能够考虑新的质量和重心位置用于进一步加工。

在移动系统的优选实施方式中，该系统包括回转-旋转台，支撑件是回转-旋转台的工件台。回转-旋转台可以是在机床中频繁使用的那种所谓的回转桥(swivel bridge)。可选地或附加地，支撑件可以是能够围绕第一轴线和围绕第二轴线旋转的卡盘。支撑件也可以是任何类型的保持件。

优选地，第一轴线是用于支撑件的旋转轴线，第二轴线是用于支撑件的枢转轴线。在回转-旋转台或回转桥的情况下，第一轴线例如是旋转轴线，第二轴线是枢转轴线。

第一轴线和第二轴线能够彼此垂直地定位。另外，第一轴线和第二轴线能够彼此略微间隔开地延伸或者也能够精确地相交。这在控制和精确定位方面具有优点。然而，基本上，根据本发明，第一轴线相对于第二轴线的任何其它位置都是可能的。

根据本发明，移动系统能够配备有适当的附加传感器，以便确定总惯性矩和/或保持转矩。例如，力传感器、转速传感器、转矩传感器等都能够用于此。能够实现基于低误差敏感性的简单设计和高度可靠性，特别是如果总惯性矩和保持转矩是在无需使用附加传感器的情况下基于在电子控制驱动单元的控制回路中可得到的变量来确定的。结果，没有必要提供附加的传感器，这降低了成本并降低了对故障的敏感性。

特别是如果在电子控制驱动单元的控制回路中可得到的变量包括至少操作电流和/或旋转位置和/或转速和/或加速时间的情况下，也能够以精确且可靠的方式确定质量和重心位置。该变量也能够包括多个参数。该控制单元能够配备用于检测和/或处理该变量。为此，根据本发明，也能够至少暂时地存储变量的经时进展(chronologicalprogression)。

能够有利地避免由于过低的信号强度而引起的误差并且能够实现高精度的确定，特别是如果在第一轴线的使其保持转矩为其最大值的位置中确定第一轴线的保持转矩的情况下。可选地或附加地，在第二轴线的使其保持转矩为其最大值的位置中确定第二轴线的保持转矩。该方法能够包括确定第一轴线的最大保持转矩的位置的方法步骤。该方法还能够包括确定第二轴线的最大保持转矩的位置的方法步骤。第一轴线的最大保持转矩的位置可以是使支撑件相对于支撑件关于第二轴线的基本位置围绕第二轴线旋转的位置。同样，第二轴线的最大保持转矩的位置可以是使支撑件相对于支撑件关于第一轴线的基本位置围绕第一轴线旋转的位置。优选地，通过围绕第一轴线和第二轴线这两个轴线旋转来确定第一轴线和第二轴线的最大保持转矩的位置。在这种情况下，能够将相应的电子控制驱动单元的最大操作电流的位置识别为最大保持转矩的位置。然而如上所述，另一操作参数和/或不同的操作参数和/或至少一个适当的传感器值能够用于识别最大保持转矩的位置。可选地，根据本发明，至少第一轴线和/或第二轴线的保持转矩能够在相应的另一轴线的预定位置中确定，该转矩独立于负载建立和/或基于用户输入。

根据本发明的一实施方式，在第一轴线的使第一轴线垂直于重力方向定位的位置中确定第一轴线和/或第二轴线的保持转矩。在这种情况下，第一轴线的最大保持转矩的位置优选通过在第一轴线垂直于重力方向定位的情况下使负载围绕第一轴线旋转来确定。由此，对于负载的任何期望的几何形状和位置，能够高精度地确定第一轴线的最大保持转矩。

可选地或附加地，能够在第一轴线的最大保持转矩的位置中确定第二轴线的保持转矩。在第一轴线的该位置中，第一轴线能够垂直于重力方向定位。

优选地，为了确定在装载状态下的相应的总惯性矩，能够通过使负载围绕相应的轴线旋转来确定围绕相应的轴线的加速转矩。在这种情况下，对于相应的电子控制驱动单元，能够至少以预定的操作电流来确定加速转矩。因此，能够以简单的方式和高精度确定总惯性矩。

特别地，如果无装载的支撑件关于第一轴线的惯性矩和/或无装载的支撑件关于第二轴线的惯性矩和/或无装载的支撑件的质量和/或支撑件的至少一个几何尺寸中的至少一个存储值被用于确定负载的质量和/或重心位置，则能够实现对质量和重心位置的快速确定(该确定能够容易地针对各种负载进行)。所存储的值可以是能够经由用户界面输入的基本参数。该存储的值也能够存储为出厂设置。另外，根据本发明，能够根据所检测的支撑件类型例如通过控制单元、例如从存储的查找表中自动选择存储值。

可选地或附加地，根据本发明，能够在支撑件的无装载状态下执行至少一个校准步骤，其中，确定在确定装载状态下的质量和重心位置时考虑的参考值。由此，能够考虑不同的支撑件类型。另外，能够考虑基于环境参数的偏差。还能够考虑例如由于老化和/或在维护之后、例如由于运行平稳性的变化而引起的驱动单元的功率波动或转矩波动。

能够以精确的方式确定重心的位置，特别是如果对于至少一个轴线(对于这些轴线分别确定相应的保持转矩)，则能够接近至少三个不同的角位置，其中基于不同角位置的保持转矩确定了负载的偏心率。还能够针对第一轴线和第二轴线的角位置的多个组合来确定保持转矩。就此而言，具有预定角位置的对应矩阵能够用作起点。根据本发明，还能够例如在搜索第一轴线和/或第二轴线的最大保持转矩的位置时预先确定要接近的角位置。例如，在这种情况下，角位置能够存储在存储器中、例如在控制单元的存储器中，其包括最大保持转矩时的预定百分比。

如上所述，特别是如果在不改变负载的装载状态的情况下在负载的加工的加工步骤之间确定负载的质量，则能够考虑对负载进行渐进的加工。因此能够有利地避免由于质量改变而引起的错误定位。还能够反复确定重心位置和/或总惯性矩。

附图说明

下面，将基于附图通过示例说明本发明。附图、具体实施方式和权利要求包含许多特征的组合。本领域的技术人员还将适当地单独考虑特征并将它们联合成其它有意义的组合。在图中：

图1示出了移动系统的示意性侧视图；

图2示出了在负载处于旋转位置的情况下的移动系统的支撑件的示意性侧视图；

图3示出了具有负载的支撑件的示意性俯视图；和

图4示出了用于确定移动系统的负载的质量和重心位置的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1以示意性侧视图示出了移动系统12。移动系统12包括用于容纳负载10的支撑件20。支撑件20能够围绕第一轴线16和第二轴线18旋转。此外，移动系统12具有第一电子控制驱动单元22，用于使支撑件20围绕第一轴线16旋转。移动系统12还具有第二电子控制驱动单元24，用于使支撑件20围绕第二轴线18旋转。

移动系统12还包括控制单元28，配备该控制单元28用于确定负载10的质量和重心位置。使用以下将更详细地说明的方法进行该确定。

在所示的情况下，移动系统12是机床14的一部分。在这种情况下，移动系统12定位在机床14的未示出的加工舱中。负载10也是工件，其能够通过机床14在加工舱中被加工。

移动系统12包括回转-旋转台30，该回转-旋转台30也可以被称为回转桥。在这种情况下，支撑件20是回转-旋转台30的工件台。通过回转-旋转台30，能够改变负载10相对于机床14的未示出的加工工具(例如铣削工具、钻头、激光头、磨削工具等)的位置。在所示的情况下，配备控制单元28以相应地触发电子控制驱动单元22、24。控制单元28能够连接至机床14的控制加工工具的另一控制单元。然而，根据本发明，也能够设置共用的控制单元。

第一轴线16是用于支撑件20的旋转轴线。因此，能够通过使支撑件20围绕第一轴线16旋转来适应负载10的旋转位置。在所示的情况下，第一轴线16延伸穿过支撑件20的重心32(参见图2)。在这种情况下，支撑件20是旋转对称的。

第二轴线18是用于支撑件20的枢转轴线。在这种情况下，第二轴线18垂直于第一轴线16定位。能够通过使支撑件20围绕第二轴线18旋转来调节负载10的枢转位置。第一轴线16和第二轴线18相交。在这种情况下，第二轴线18在支撑件上方延伸并且不与支撑件相交。

与可移动的加工工具相结合能够以各种方式实现负载10的可加工性，该可移动的加工工具还能够围绕至少一个轴线旋转和/或枢转。

支撑件20以旋转的方式定位在移动系统30的桥单元36上。桥单元36能够围绕第二轴线18枢转，其中支撑件20和第一轴线16与桥单元36一起枢转。支撑件20进而能够相对于桥单元36围绕第一轴线16旋转。第一电子控制驱动单元22位于桥单元36中。第二电子驱动单元24位于桥单元36外并且相对于机床14是静止的。

然而，通常，根据本发明，支撑件20、轴线16、18和电子控制驱动单元22、24的其它位置是可能的。支撑件20例如能够相对于第一轴线16偏心地定位。可选地或附加地，第二轴线18能够延伸穿过支撑件20、特别是穿过其重心32。此外，第二电子控制驱动单元24也能够定位在支撑件20下方。因此，移动系统12的包括回转-旋转台30的这种实施方式仅是示例。

在图2中，示意性地示出了具有负载10的支撑件20处于相对于图1所示的原始位置枢转了90°的位置。在原始位置，第一轴线16平行于重力方向26定位。然而，在图2所示的位置，第一轴线16垂直于重力方向26定位。通过使支撑件20和桥单元36围绕第二轴线18枢转来到达图2所示的位置。如在图2中明显的，第二轴线18未延伸穿过支撑件20的重心32。在所示的情况下，第二轴线18也未延伸穿过负载的重心34；这取决于负载的类型和几何形状。在大多数情况下，第二轴线18也不会延伸穿过支撑件20和负载10的共同重心。因此，随着支撑件20和桥单元36的枢转，产生取决于枢转角度的转矩。

在图3中，以平行于第一轴线16观察的俯视图示意性地示出了具有负载10的支撑件20。在所示出的情况下，以示例的方式示出为圆筒形、但是能够具有任何期望的几何形状的负载10相对于轴线16偏心地定位在支撑件20上。这种定位能够由于不精确的定位、由于有意的定位和/或由于负载10的不对称几何形状而发生，这在实际使用中是最常见的情况。特别地，如在所示出的情况下，负载10能够以使得第一轴线16不延伸穿过负载的重心34的方式定位在支撑件20上。这种偏心导致在支撑件20围绕第一轴线16旋转期间产生相应的转矩。

然后能够如下地确定负载10的质量和重心位置。在所示出的情况下，以下说明的方法由控制单元28通过对所确定的值的适当控制和处理来进行。

根据本发明，在支撑件20装载有负载10的状态下确定关于第一轴线16的总惯性矩和保持转矩。关于第二轴线18的总惯性矩和保持转矩也在装载状态下确定。然后基于关于第一轴线16和第二轴线18的总惯性矩和保持转矩来确定负载10的质量和重心位置。

配备控制单元28以在移动和/或定位负载10时考虑负载10的如此确定的质量和重心位置。在这种情况下，以如下方式选择电子控制驱动单元22、24的相应操作电流：使得能够补偿得到的取决于负载的力和保持转矩，从而能够实现高精度的移动控制。

根据该方法，总惯性矩和保持转矩由在不使用附加传感器的情况下在电子控制驱动单元22、24的控制回路中可用的变量确定。在所示出的情况下，该变量包括操作电流、旋转位置、转速和/或加速时间。

在第一轴线16的使其保持转矩为最大值的位置中确定第一轴线16的保持转矩。这发生在第一轴线16的使其垂直于重力方向26定位的位置中。如在图3中显而易见的，在该位置中，保持转矩取决于负载10的角位置。当支撑件20围绕第一轴线16旋转时，当负载10的重心34和垂直于重力方向26的第一轴线16之间的距离最大时，保持转矩为最大值，而当负载10的重心34和第一轴线16相对于重力方向26对齐时，保持转矩为最小值。

在第二轴线18的使其保持转矩为最大值的位置中确定第二轴线18的保持转矩。该位置还取决于负载10的重心34的位置以及取决于支撑件20的重心32或桥单元36相对于第二轴线18的位置。通常，当第一轴线16垂直于重力方向26定位时，第二轴线18的保持转矩为其最大值。

为了确定相应的总惯性矩，通过使负载10围绕相应的轴线16、18旋转，在支撑件20的装载状态下确定围绕相应的轴线16、18的加速转矩。在恒定的操作电流下确定这种情况下的加速转矩。

对于第一轴线16，这能够在第一轴线16平行于重力方向26定位的位置中进行。但根据本发明，也能够在垂直位置进行确定。

为了确定质量和重心位置，使用表征无装载的支撑件20的至少一个存储值。为此，可能的情况包括支撑件20相对于轴线16、18的惯性矩及其质量、几何形状、密度分布等。

另外，在支撑件20的无装载状态下进行的校准步骤中，确定至少一个在确定装载状态下的质量和重心位置时要考虑的参考值。在这种情况下，确定用于随着支撑件20的旋转而产生的摩擦损耗的参考值。由此得出的值可以从装载状态下确定的值中得出，以便相应地考虑摩擦损耗。该校准步骤可以在首次将移动系统12投入运行时进行。另外，例如，为了考虑至少一个参考值中的经时变化，可以在移动系统12的使用之间进行其它校准步骤。

通过接近用于轴线16、18中的至少一者的至少三个不同的角位置并确定每个轴线的相应保持转矩来确定负载10的偏心率。然后使用这些保持转矩确定偏心率。在所示的情况下，能够选择多个不同的角位置，这些角位置能够调节偏心率的确定精度。

通过使用移动系统12来定位负载10，能够在加工步骤之间确定负载10的质量和/或其重心位置，而无需改变负载10的装载状态，这取决于所需的加工程度。例如，如果在第一加工步骤(在该第一加工步骤中去除了大量的材料)中进行粗加工，则能够再次确定粗加工后的负载10的质量和重心位置。由于基于对粗加工后的负载10的质量和重心位置的精确确定来进行定位，因此能够以高精度进行后续的精细加工。

在这种情况下，基于以下四个基本方程来确定质量和重心位置：

M

其中，M

J

其中，J

J

其中，J

M

其中，M

在当前的情况下，在控制单元28对电子控制驱动单元22、24的控制中已经考虑了桥单元26的质量和惯性矩。

在图4中示意性地示出了根据本发明的用于确定负载10的质量和重心位置的方法的顺序。

在第一方法步骤38中，用无装载的支撑件20执行校准步骤。在此，确定了第一轴线16和第二轴线18的摩擦转矩。

第一方法步骤38能够独立于其它方法步骤来执行，例如在初始投入使用时或在更换支撑件20之后执行。其余方法步骤在支撑件20的装载状态下执行。

在第二方法步骤40中，通过在支撑件20和其上搭载的负载10围绕第一轴线16旋转的同时确定电子控制驱动单元22的功耗来确定第一轴线16的最大保持转矩的位置。这能够在第一轴线16垂直于重力方向26定位的位置进行。可选地，能够通过围绕两个轴线16、18旋转来确定第一轴线16的最大保持转矩的位置。然后在第一轴线16的最大保持转矩的位置确定第一轴线16的保持转矩。

在第三方法步骤42中，通过在支撑件20和其上搭载的负载10围绕第二轴线18旋转的同时确定第二电子控制驱动单元24的功耗来确定第二轴线18的最大保持转矩的位置。这能够在相对于第一轴线16的任何位置进行。可选地，通过围绕两个轴线16、18的旋转能够确定第二轴线18的最大保持转矩的位置。在第二轴线18的最大保持转矩的位置确定第二轴线18的保持转矩。

在第四方法步骤44中，在电子控制驱动单元22的预定操作电流的情况下，通过围绕第一轴线16的旋转来确定关于第一轴线16的总惯性矩。

在第五方法步骤46中，在第二电子控制驱动单元24的预定操作电流的情况下，通过围绕第二轴线18的旋转来确定关于第二轴线18的总惯性矩。

在第六方法步骤48中，如上所述，通过接近相对于相应的轴线16、18的至少三个不同的角位置来确定负载10的偏心率。

在第七方法步骤50中，基于以上方程式并且通过使用在校准步骤中确定的参考值以及表征无装载的支撑件20的至少一个存储值，来计算负载10的质量和重心位置。

执行方法步骤38至50的上述顺序在此应理解为仅是示例。如果需要，能够跳过/省略个别步骤，或者可以以其它顺序执行这些步骤。

在控制单元28的后续位置控制中考虑了所确定的质量和所确定的重心位置，从而能够实现高精度。如上所述的方法步骤中的至少一些还能够根据需要在加工步骤之间执行，以便在负载10变化的情况下能够相应地补偿这些变化。