专利名称：用于检测一个机械电子系统的固有振动的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测一个机械电子系统(例如一个机器人形式的一台机床、一台包装机械和其他生产设备)的固有振动的方法。该机械电子系统通常由多个机械元件组成，包括在该系统工作时产生本身所不希望的振动的驱动装置。这每一种振动均是由外力或失衡引起的强迫振动的组合以及由一些固有振动而造成的，当机械被激励发生一次或多次共振时，就产生了固有振动。这些振动将降低通过该机械电子系统生产出来的产品的质量，所以要寻找各种可能性最大限度地减少振动。
因此对于振动的计算和观察显然很重要。这主要涉及振动检测的问题范围。所述振动检测报告基本上可理解为是描述所述整个机械电子系统中的机械元件对于整台设备动态性能的影响的一份鉴定报告。
为了实现对于因振动可能带来的故障的诊断，首先需要让机械电子系统的设计人员尽可能显而易见地认识到该系统的振动特性。这样他就可以采取措施，通过结构设计和/或选择材料来减振。
为了检测出一个机械电子系统的固有振动首先必须将其激发出来。为此，已知的方法是采用一些系统外的振动激励器、即所谓的移动振动器，这些移动振动器安装在一个机械电子系统的一个刚性体的不同部位上。通过这些振动器，不同频率的振动就被传入该刚性体中。在刚性体上的不同部位处，特别是在其角落处，借助于一些传感器，例如一些位移测量系统、加速度记录仪、压力测试器等来检测固有振动。
由检测到的数值可构成整个系统的振动特性的一个数学模型。但由于所有系统元件都相互连接，因此就产生一个由一些被耦合的微分方程式组成的系统，这些微分方程式借助所述模态分析，也就是借助于一个数学的退耦算法转化成一些无向量方程式，这样就可得出每种固有振动模式的固有频率、衰减和振动波形。
根据这些方程式就可以模拟出一个所述机械电子系统的模型，并例如借助一个简单的线路模型(Drahtmodell)来实现可视化。这样的线路模型是现有技术。它们通过一些角点构成，在这些角点上通常这样安置一些传感器，使得它们能获取最大的信息量。因此设计人员可了解到系统动态特性，并且可以通过修改现在已知的振动参数来采取减振的结构措施。
上述借助于系统外的振动器来激发固有振动的方法所存在的缺点是，所述驱动装置和一些它们的分部件并没有被包括在所述振动检测及所述模拟中。
一些市场上可购买到的用于模态分析的软件包识别并这样表示一些振动形式，即要么仅仅涉及平移自由度要么仅仅涉及旋转自由度。同时实现两种类型自由度的可视化在实践中是这样达到的即，将旋转自由度这样地包括在整体的可视化中，使得借助刚性体相对于一个固定点的运动可制作一些旋转振动形式的动画图。然而这一解决方案当然并没有考虑到一直存在于机械结构和驱动装置之间的挠性。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于检测一个机械电子系统的固有振动的方法，其中可以将包括所述驱动装置在内的全部系统部件都考虑进去。
上述技术问题通过一种用于检测一个机械电子系统的固有振动的方法得以解决，其中，该系统由至少一个刚性体组成，该刚性体通过至少一个数控驱动装置相对于另一个刚性体移动，其中，所述固有振动通过所述驱动装置激发并通过一些传感器检测。这样也就不使用系统外的振动器并且也不再需要使用，因为所述驱动装置起到了振动器的作用。通过将驱动装置用作附加的旋转振动器，驱动装置的电子机械特性就可以体现在整体的机械电子模型结构中，并因此能更好地考虑到所述机械结构同驱动装置之间的挠性。
在所述方法的一个有利的设计中，给所述例如以一个恒定的转数运行的驱动装置叠加一白色噪声。用该白色噪声来激发系统的固有振动。
按照所述方法的另一个有利的设计，系统的固有振动也可以通过以下方法来激发给所述驱动装置的运行转数叠加一些不同频率的正弦曲线振动。这种方法传统上也被称为“摆动”。
特别有利的是，在上述方法中，固有振动可以借助于系统自身的传感器(例如位移测量系统、加速度传感器、转数传感器、压力测量系统等等)来确定。因此，只要所述机械电子系统的数控装置具有一个相应的硬件和/或软件模块，所述振动检测就可以完全自发完成，也就是说，借助系统自身的器件来完成。
按照本发明的另一个有利的设计，所述方法可通过将一些附加传感器(例如一些加速度记录仪)安装在所述机械电子系统上来改进。这些附加传感器既可以按需安装，也可以一直保留在系统上。例如如果规定在机械电子系统的使用寿命期间须进行重复的振动检测(例如因为人们认为，固有振动由于材料老化和/或其他原因会发生变化)，那么为了便于能够继续检测，这些附加传感器也可以保留在系统上。
所述方法也可以有利地通过一个用于检测一个数控机械电子系统的固有振动的装置来实施。其中，该装置至少由一个刚性体组成，而该刚性体通过至少一个数控驱动装置相对于另一个刚性体移动，其中，该系统的数控装置包括一个硬件和/或软件模块，该硬件和/或软件模块具有通过一个数控驱动装置来激发系统的固有振动的器件，以及具有用于处理由系统的传感器检测到的固有振动的器件。
所述检测装置的一个有利的设计结构是所述模块作为外部模块可与数控装置连接。该数控装置在这种情况下可仅具有用于模块的接口，因此在需要时，即在进行振动检测时，可以将所述模块连接到数控装置上。由此可使数控装置的生产成本保持很低。因此，所述振动检测可以按一个为顾客服务的专业人员、例如数控装置供应商的客户服务人员的要求进行。客户在这种情况下不必同时支付模块的费用。这种独立的模块还可以设计成有一定的通用性，以适用于大多数的机器和数控装置，从而可以利用唯一一个模块来检测不同机械电子系统的固有振动。
所述模块也可以是集成在数控装置中的组件。这便于对于一个机械电子系统进行重复的振动检测。
下面借助于附图详细阐述本发明的一种实施方式，附图中
图1表示一个机床的线路模型，图2，3和4表示不同的振动模式。
图1表示一个机床的线路模型，其具有底座S，一个安置在该底座上的刀具台，它由所述沿Y方向可移动的台式元件WT1和沿X方向可移动的台式元件WT2组成。所述台式元件WT1和WT2通过驱动装置A1和A2以及附属的主轴移动。主轴的黑色和灰色之间的颜色界限表示各个台式元件WT1，WT2和其对应主轴的连接部位。
通过形成所述线路模型获得不对称的示意图，该线路模型通过一些受到观察的构件或部件的角点来定义。在上述示例中，这些角点被分布成不对称的。该线路模型的形状应该通过最简单的基本元件尽可能好地反映出现有的几何形状。此外，选择那些能尽可能提供有表现说服力的测量信息的点作为角点，例如E1和E2点。
在通过所述线路模型表示的机床的一些部件上安装一些作为传感器的位移测量系统WM1和WM2。在通常情况下，这些位移测量系统属于实际机床的系统固有的部件。只要为了检测固有振动需要附加的位移测量系统，就可以装设这些位移测量系统。作为用于检测固有振动的其他传感器在附图1中象征性地示出了加速度记录器BA1和BA2。当然还可以使用其他附加的传感器，例如压力测量传感器等。同样，还可以使用一些同样受系统限定所存在的用于所述驱动装置A1，A2的转速传感器N1，N2来作为其他用于检测固有振动的传感器。
所述机床通过一个数控装置NC来操纵。该数控装置对于每个驱动装置都具有一轴模块AM1，AM2。数控装置NC连同所述轴模块AM1，AM2一起以传统的方式控制所述驱动装置A1，A2。
为了进行振动检测，所述数控装置NC必须与一个检测模块DM相连接。该检测模块DM可以是一个在一个数据处理设备(例如一个笔记本电脑)上实施的独立模块。但它也可以如图中虚线所标出的那样是所述数控装置NC的集成组件。
为了检测固有振动，需以恒定的转速nc来运行所述驱动装置A1，A2，如在检测模块DM的方框图中所示的那样。在该恒定转速nc上叠加一个在附图中以正弦曲线表示的白色噪音。这种噪音包含所有频率分量并因此也包含有能激发系统产生固有振动的频率分量。但是所述恒定的转速nc也可以与不同频率的噪音重叠，这些不同频率(摇摆不定地)前后连续。
因此所述机械电子系统的固有振动被可靠地激发，并且可以通过所述位移测量系统WM1、WM2以及加速度记录器BA1，BA2和转速传感器N1、N2来检测。
由于固有振动是被所述驱动装置A1，A2激发的，因此同样对整个系统的振动性能有影响的该驱动装置的部件也一并得到了考虑。所述振动检测由此也考虑到了一直存在于机床结构和驱动装置之间的挠性。
为了检测出弛张振荡，比较有益的是将所述传感器尽可能地安装在一些刚性体的角点上。例如，通过角点E1和E2上的传感器就可检测到刀具台WT2围绕Y-轴的弛张振荡。(在此未示出的)在其他角点上的、例如在刀具台WT1的角点上的传感器也同样能做到这点。
利用这些从振动检测中获得的检测结果，就可以例如借助于一个线路模型实现该机械电子系统的振动特性的可视化。借助模态分析就可以获得旋转振动模式在一个由一个三维的线性平移和一个围绕一单根轴线进行的一维旋转组成的空间内的动画图。所述振动检测通过下述方式明显得到简化即，可研究所有参与到各种振动模式中的设备元件在其中所起作用，并将其展示给客户看。这对于客户能够接受所检测到的测试结果及可能与之相适配的模拟结果提供了一个不可低估的优点，因为现在可以直观明确地表述出，所述机械结构和驱动装置对所述机械电子系统的动态特性有多大的影响。
在图2，3和4中例如还示出了不同频率下的一些振动模式。变形以虚线表示，因此可在视觉上更好地识别变形，并将其与未变形状态清楚地区别开来。图2至4中的各个元件在图1中已示出。图2表示在56赫兹时的振动模式，图3表示在81赫兹时的振动模式，而图4表示在106赫兹时的振动模式。
传统机械电子设备的各种振动形式既包括平移自由度又包括旋转自由度。由于平移自由度和旋转自由度之间始终存在一定的耦合，所以对它们分别进行单独观察没有多大意义。通过在这方面已描述过的方式，通过同时将所有的几何图形基本元件动画制作成如长方六面体形和圆柱形，然后用它们来组成所述线路模型，就全面地从机械电子的角度考虑到了上述耦合。这最终将导致可靠地描述出，所述驱动装置挠性耦合在机械结构上时的相应平移自由度和旋转自由度对总体形成的振动形式有那些影响。
设置在系统外的起平移作用的振动器可以顺利地集成在改进的模态分析工具内，以获取其他附加信息。
权利要求
1.一种用于检测一个机械电子系统的固有振动特性的方法，该系统由至少一个刚性体(WT1，WT2)组成，该刚性体通过至少一个数控驱动装置(A1，A2)相对于另一个刚性体(S)移动，其中，所述固有振动是由所述驱动装置(A1，A2)激发并通过一些传感器(WM1，WM2，N1，N2，BA1，BA2)被检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为激发所述固有振动，所述驱动装置(A1，A2)的传动转速被叠加一白色噪音。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，为激发所述固有振动，所述驱动装置(A1，A2)的传动转速被叠加不同频率的正弦振动。
4.根据上述任一项权利所述的方法，其中，为了检测所述固有振动，采用了一些系统本身具有的传感器(WM1，WM2)。
5.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，为了检测所述固有振动，另外附加安设一些传感器(BA1，BA2)。
6.一种装置，其用于实施用于检测一个数控机械电子系统的固有振动特性的方法，该系统由至少一个刚性体(WT1，WT2)组成，该刚性体通过至少一个数控驱动装置(A1，A2)相对于另一个刚性体(S)移动，其中，所述系统的数控装置(NC)包括一个硬件和/或软件模块，该硬件和/或软件模块具有通过数控驱动装置(A1，A2)来激发所述系统的固有振动的器件以及用于处理由所述系统的传感器(WM1，WM2，N1，N2，BA1，BA2)检测到的固有振动的器件。
7.根据权利6所述的方法，其中，所述模块可与所述数控装置连接。
8.根据权利6所述的装置，其中，所述模块是所述数控装置的集成组件。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测一个机械电子系统的一些固有振动特性的方法，该系统由至少一个刚性体(WT1，WT2)组成，该刚性体通过至少一个数控驱动装置(A1，A2)相对于另一个刚性体(S)移动，所述固有振动是由所述驱动装置(A1，A2)激发并通过一些系统本身的或系统外的传感器(WM1，WM2，N1，N2，BA1，BA2)来检测。通过将所述驱动装置的一个恒定转数与一白色噪声叠加或者通过频率的摆动，所述驱动装置(A1，A2)可以用作系统本身的振动发生器、即所谓的旋转振动器。
文档编号G01M7/00GK1551980SQ01823520
公开日2004年12月1日 申请日期2001年9月12日 优先权日2001年9月12日
发明者托马斯·弗洛克, 詹斯·哈曼, 哈曼, 托马斯 弗洛克 申请人:西门子公司