专利名称：用于控制和调节伺服电压力机的力的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于控制和调节伺服电压力机上的力的方法和如权利要求7或8所述的用于实施该方法 的装置。
背景技术：
在JP 11058100 A中描述了一种用于保护伺服压力机模具的装置 和方法，它借助于电机电流传感器和位置发送器确定，滑块的压力是 否在一定位置区域内超过最大允许值和是否在这种情况下触发滑块紧 急停止。这种方法未考虑根据滑块的运动过程不同，电机电流的一 定分量需要用于直线的和旋转的惯量的加速和制动，由此不起到压力 作用。由此这种装置和方法的使用只局限于具有恒定速度的运动阶段。在EP 0 922 562 Al中描述了一种用于伺服电压力机上的转矩调节 的方法，它根据加速度修正用于限制电机转矩的值。由此可以不需直 接测量力地使压力在滑块的每个运动阶段中限制在期望的最大值内。 在这种方法中，根据当前的给定速度或实际速度计算与加速度相关的 转矩分量并由此修正用于限制电机转矩的值。因为压力机滑块的速度 在成型过程期间经受变化并且为了求得加速度必须附加地将速度微 分，这种方法易受到速度信号的干扰。为了改善这一点，建议，使用 低通滤波器或者所谓的观察器，由此一方面有损精度并且另一方面提 高了控制装置的所需计算功率。两种解决方案的缺陷还在于，未考虑 可能导致通过电机转矩求得的压力的误差的其它影响参数。其中主要 包括电机转矩系数与温度的相关性、系统中的摩擦并且可能包括可变的传动比。后一个影响参数尤其在具有杠杆驱动装置或曲轴驱动装置 的压力机中出现。在DE 199 52 941 Al中建议一种用于具有多个滑块的伺服压力机 的控制方法，该方法组合使用位置调节和转矩限制，以达到压力机滑 块之间的确定的负荷分配和减小相互影响。因为这种方法针对具有多 个滑块的压力机，因此没有给出用于调节具有多个压点的压力机滑块 的倾翻的解决方案。此外与时间相关地控制运动过程，使得运动过程 中的干扰参数提高了与周围装置和与多级压力设备的相邻滑块不同步 的危险。此外上述解决方案局限于用在滑块的驱动上。没有提出在压力机 的伺服电拉深垫上使用。发明内容本发明的目的是，提供一种用于控制和调节具有伺服电滑块驱动 和/或拉深垫驱动的压力机上的力的方法和装置，其中，借助控制和调 节装置的简单结构，在考虑影响参数如加速度、传动比、摩擦和温度 的情况下，使用或不使用单独的感测实际值的力或力矩传感器，能够 实现成型过程的精确且可重复的过程。按照本发明，上述目的通过一种具有权利要求1特征的用于控制 和调节伺服电压力机上的力的方法实现。该方法的其它详细扩展方案 在从属权利要求2至6中描述。通过具有权利要求7或8的特征的装 置实施如权利要求1至6所述的方法。该方法和该装置不仅适用于滑块的驱动，而且适用于具有伺服电 驱动的拉深垫，并且对于相应驱动所需的过程控制是有利的补充。在 此尤其有利的是，这些过程控制基于主控轴(Leitwelle)控制的电子凸 轮调节工作并且该主控轴同样被用于所提出的方法。除了使用于滑块运动和拉深垫运动的伺服电驱动装置共同地组合 使用在一个伺服电压力机中外，同样可以想到，或者在利用传统的、 例如液压式拉深垫情况下仅将滑块伺服电驱动，或者仅将伺服电拉深 垫使用在具有机械式或液压式驱动的传统压力机中。所建议方法的核心思想是，利用主控轴功能一方面来产生零件特 有的和工艺特有的给定转矩，另一方面来产生由于不同影响参数以及 转矩系数温度补偿引起的转矩修正值以形成伺服电机的电流给定值。例如为修正驱动转矩所需的加速度变化曲线可以由位置凸轮以归 一化形式预先计算并在过程期间与主控轴相关地读出。由此得到一个 稳定的加速度信号，无需相应的实时计算。通过所建议的方法可以在第一种情况下这样多地减小主要作用于 过程力的干扰参数的影响，以致可以省去单独的用于力调节的测量系 统。在第二种情况下可以计算修正值，它们被用于预控制传感器支持 的闭合的力调节回路，由此达到进一步改善调节品质。
下面借助于实施例详细描述本发明。附图中示出图1 具有伺服电拉深垫的伺服电压力机的原理结构，图2 用于控制和调节伺服电压力机的方法的第一方案的步骤 顺序，图3 用于控制和调节伺服电压力机的方法的第二方案的步骤 顺序，图4 用于控制和调节主控轴控制的伺服电压力机上的力的装置的原理结构，图5 具有主控轴控制的与加速度相关且与传动比相关的给定 值修正的滑块力调节方框图，图6 具有主控轴控制的与加速度和摩擦相关的给定值修正和 转矩系数温度补偿的拉深垫力调节方框图。
具体实施方式
图1示出一个具有用于滑块运动和拉深垫运动的伺服驱动装置的 伺服电压力机的示意结构。在机架8中一方面设置下模具5，另一方面 设置用于接收上模具4的垂直运动的滑块3。通过第一伺服电机1和用 于将旋转运动转换成直线运动的第一传动装置2进行滑块3的驱动。 下模具5包括一个垂直运动的板式固定架6，它通过拉深销7支承在拉 深垫12的同样垂直运动的压力壁9上。通过第二伺服电机11和用于 将旋转运动转换成直线运动的第二传动装置IO进行拉深垫12的驱动。 根据压力机的设计结构不同，用于驱动滑块的、带有第一传动装置2 的第一伺服电机1以及用于驱动拉深垫的、带有第二传动装置10的第 二伺服电机11都可以多重地存在。为了成型过程，通过第一和第二伺服电机1和11不仅产生滑块3 和拉深垫12的运动过程，而且产生力变化曲线。所建议的用于控制和 调节力的方法在此可以有利地组合用于对应功能所需的滑块运动和拉 深垫运动的过程控制。下面描述的步骤顺序形式实施例综合地考虑了对力的控制和调节 的影响参数，如加速度、传动比、摩擦和温度。同样可以想到，以可 替换的步骤顺序只考虑个别影响参数。在图2中以第一实施例的步骤顺序的形式描述了所建议的方法。 在第一准备阶段20中一次性求出机器特有的传动比i、力传递链中的 摩擦Mr和伺服电机l， 11转矩系数^的变化曲线，以表格、数学函 数或两者组合的形式描述并存储在控制装置中。杠杆驱动装置、曲轴驱动装置或偏心驱动装置的可变的传动比i可以根据主控轴位置Cp通过函数 i=f (cp)描述。摩擦]^例如在轴承、导向装置和主轴中出现并且基本按照函数 Mr = f (Fsoll， V) 取决于所传递的力和当前速度。 伺服电机1， 11的转矩系数Km按照函数Km=f (e) 取决于电机温度e。在第二准备阶段21中，将所需的、零件和工艺特有的、滑块3和/或拉深垫12的与主控轴位置cp相关的、位置和力的给定变化曲线一次性地例如手动地通过相应的操作界面输入到控制装置中。 控制装置根据输入值按照函数Ssoll=f ((p) ， Fsoll=f (cp)以表格、数学函数或两者各一的组合的形式计算这些真正的变化 曲线。与主控轴相关的位置给定变化曲线也被称为位置凸轮。在第三准备阶段22中，通过控制装置根据在准备阶段21中输入 的位置给定变化曲线根据主控轴位置按照函数an=f (cp)计算分配给确定的主控轴转数(压力机行程数)的归一化加速度 变化曲线。在准备阶段21, 22中求得的变化曲线存储在控制装置中并 且在按照另一种零件换装备时从存储器中调出。同样可以想到，在还对于原先的零件执行运动循环期间就已经对 于新的零件执行准备阶段21, 22。在起动信号23之后以第一方法步骤24开始循环过程。根据压力 机控制的功能原理不同，滑块3的位置cp或者作为实际的主控轴41通过第一位置发送器51感测，或者作为虚拟的主控轴60通过控制装置 产生。在第二方法步骤25中，根据当前的给定力F^和与当前主控轴位 置cp对应的传动比i (cp)按照函数 Msoll (cp) =f[Fsoll (cp) ， i (cp)] 计算伺服电机l， 11的给定转矩Ms。u。在第三方法步骤26中，根据与当前主控轴位置cp对应的归一化加速度值0 (Cp)、瞬时主控轴速度CD和要加速的旋转质量J按照函数Mkorrl=f[an (cp) ， J， co]计算第一转矩修正值Mkcrrl。在此J包含电机、传动装置和电机与传动装置之间的离合器的旋 转质量。根据压力机控制的功能原理不同，或者通过第一位置发送器 51或测速计感测主控轴速度co，或者使用通过控制装置产生的虚拟主 控轴的速度信号。在第四方法步骤27中，根据当前的给定力F^和与实际速度v对 应的摩擦]V^按照函数Mkorr2=Mr=f (Fsoll， v)求得第二转矩修正值Mk。w。在第五方法步骤28中，通过对在方法步骤25， 26和27中计算的 转矩值按照函数Mres=Msoll+Mkorr i + Mkorr2 求和求出合成的给定转矩Mres。在第六方法步骤29中，根据合成的给定转矩M旭和与当前电机温度e对应的转矩系数KM (e)按照函数IS0 =f[Mres， KM (e)]计算电流给定值Is。u并且输出给电流调节器48。 只要循环过程已起动，该过程就以第一方法步骤24循环地继续，由此将不断更新的电流给定值15。 输出给伺服电机1， 11的电流调节器48。在图3中以第二实施例的步骤顺序示出所建议的方法。该实施例 与图2中所示实施例的不同之处在于，在循环运行方法步骤之前在准 备阶段中己经将所有与主控轴位置相关的影响参数总结成一个给定转 矩，由此在循环中需要较少的计算费用。准备阶段20， 21和22与图2类似。在第四准备阶段30中相应于 给定力Fs。u、传动比i变化曲线和需要时相应于摩擦]V^按照函数Msoll ((p) =f[Fsoll (cp) ， i ((p) ， Mr ((p)〗进行给定转矩Ms。n的计算。在此，只有当与速度相关的摩擦分量被忽略或者被独立于与力相 关的分量来描述时，才可考虑摩擦。在起动信号31之后，以第一方法步骤24开始循环的过程。根据 压力机控制的功能原理不同，滑块3的位置cp或者作为实际的主控轴 41通过第一位置发送器51感测，或者作为虚拟的主控轴60通过控制 装置产生。在第二方法步骤32中，与图2中的方法步骤26类似地计算与加 速度相关的第一转矩修正值MkMrl。在第三方法步骤33中，需要时与图2中的方法步骤27类似地计 算与摩擦相关的第二转矩修正值MkOTr2，如果该修正值没有在第四准备 阶段30中已被足够地考虑。在第四方法步骤34中，与位置相关地读出在第四准备阶段中计算 的给定转矩变化曲线并且与来自第二和第三方法步骤32， 33的修正值按照函数Mres=Msoll (cp) +Mkorrl+ (Mkorr2) 求和。在第五方法步骤35中，根据和值M^和与瞬时转矩温度e对应的 转矩系数KM (e)计算电流给定值Is。n并且与按照图2的方法步骤29 类似地按照函数isou=f[Mres， km (e)]输出给电流调节器48。只要循环的过程已起动，该过程就以第一方法步骤24循环地继续， 由此将不断更新的电流给定值I^输出给伺服电机1， 11的电流调节器 48。图4示出该装置的原理结构，通过它可实现所建议的方法。伺服 电机1， 11装备有第一位置发送器51和电机温度传感器52。通过与电 流调节器48连接的伺服放大器49进行控制。也可以选择，附加地使用一个力或转矩传感器54，用于在闭合的 力调节回路内感测实际值。本装置的核心是对应于滑块或拉深垫的每个驱动装置的力给定值 控制装置43，它控制给定力的变化曲线。该力给定值控制装置43可以 根据主控轴41和减伺服电机1， 11位置读出存储在第二准备阶段21 中的给定力变化曲线。在力给定值控制装置43的输出信号在作为输入 信号控制电流调节器48之前可以被最多四个功能单元44， 45， 46和 47影响。用于与传动比相关的转矩计算的功能单元44由给定力产生一个给 定转矩。在此相应于主控轴41的当前位置由在第一准备阶段20中存 储在控制装置中的传动比变化曲线读出传动比，并且与给定力相关。功能单元45产生与摩擦相关的第二转矩修正值，该第二转矩修正 值根据当前的给定力和从第一位置发送器51信号求得的当前速度计算 出。然后将该第二转矩修正值与功能单元44的输出信号求和。在一个 有利方案中可以将力给定值控制装置43与功能单元44和45组成一个 转矩控制装置42。功能单元46产生与加速度相关的第一转矩修正值，该第一转矩修 正值根据主控轴41的当前位置和速度以及在第三准备阶段22中存储 在控制装置中的归一化加速度变化曲线计算出。然后将该第一转矩修 正值与转矩控制装置42的输出信号求和。功能单元47由合成给定转矩的信号、当前电机温度和在第一准备 阶段20中存储在控制装置中的与温度相关的转矩系数变化曲线计算一 个电流给定值，作为电流调节器48的输入信号。图5示出滑块力调节的方框图，具有主控轴控制的与加速度和传 动比相关的给定值修正。在该实施例中忽略了摩擦和电机温度的影响 并且滑块力被限制在一个恒定的最大值内。这种力限制考虑了可变的 传动装置传动比和滑块驱动装置的被加速和被制动的旋转质量的影 响。伺服电机1、传动装置2和滑块3是在图1中所述的伺服电压力机 的组成部分。滑块3的运动过程通过位置控制装置67结合虚拟的主控 轴60和伺服电机1上的第一位置发送器51来控制。位置控制装置67 产生一个用于给定转矩的信号，该信号通过用于限制转矩的功能单元 68和用于计算电流给定值的功能单元69传送给电流调节器48,该电 流调节器通过伺服放大器49控制伺服电机1。用于限制转矩的功能单元68将由位置控'制装置67规定的给定转 矩限制到一个最大值内，该最大值由功能单元44和46的输出信号的和构成。功能单元44从零件特有规定的力极限值64和相应于主控轴 60当前位置读出的传动比变化曲线65计算一个静态的转矩极限值66。功能单元46根据主控轴60当前位置、由此计算出的主控轴速度 62和在控制装置中存储的归一化加速度变化曲线61产生动态的第一 转矩修正值63。归一化的加速度变化曲线61相应于通过功能单元67 控制的在确定的主控轴速度62 (压力机行程数)时的运动过程并且通 过控制装置在第三准备阶段22中在输入数据时计算出。通过转矩限制68达到，在滑块3的任何运动阶段都不超过上模具 与下模具之间的允许的力极限值64。同样可以想到，代替恒定的力极 限值64，考虑给定力的与位置相关的变化曲线，使得在滑块3的不同 位置中可变的力极限值64起作用。图6示出用于拉深垫力调节的方框图，具有主控轴控制的与加速 度和摩擦相关的给定值修正和伺服电机11转矩系数温度补偿。在该实 施例中传动比是恒定的，拉深垫12仅力受调地运行。该力调节考虑摩 擦、电机温度和拉深垫驱动装置的被加速和被制动的旋转质量的影响。伺服电机11、传动装置10和压力壁9是图1中所述的伺服电压力 机的组成部分。伺服电机11装备有电机温度传感器52和第一位置发 送器51。通过第二位置发送器53感测滑块3的位置并且用作实际的主 控轴41。通过力给定值控制装置43控制拉深垫11的功能，该控制装置计 算、存储并且根据主控轴41和/或拉深垫12的位置读出给定力变化曲 线。读出的给定力一方面给传送给用于相应于传动比计算给定转矩的 功能单元74，另一方面被传送给与摩擦相关的第二转矩修正值的功能 单元45。为了求得第二转矩修正值Mk。^，考虑从第一位置发送器41 的信号计算的速度值72和在第一准备阶段20存储在控制装置中的摩擦变化曲线73。功能单元46根据主控轴41的当前位置、由此计算的主控轴速度 62和在控制装置中存储的归一化加速度变化曲线61产生动态的第一 转矩修正值Mk。^63。归一化的加速度变化曲线61在拉深范围内相应于滑块3在确定主 控轴速度(压力机行程数)下的运动过程并且通过控制装置在第三准 备阶段22中在输入数据时计算出。最后将给定转矩与第一和第二转矩修正值求和并且传送给用于转 矩系数温度补偿的功能单元47。该功能单元从合成给定转矩的信号、 当前电机温度和在控制装置中存储的与温度相关的转矩系数变化曲线 71计算用于电流调节器48的电流给定值69，该电流调节器通过伺服 放大器49控制伺服电机ll。通过所描述的力调节达到，由力给定值控制装置43规定的给定力 在拉深垫12的每个运动阶段中在压力壁9上出现。附图标记1 第一伺服电机2 第一传动装置3 滑块4 上模具5 下模具6 板式固定架7 拉深销8 机架9 压力壁10第二传动装置11第二伺服电机12 拉深垫20第一和第二实施例的第一准备阶段 21第一和第二实施例的第二准备阶段 22第一和第二实施例的第三准备阶段 23起动信号24第一和第二实施例的第一方法步骤25第一实施例的第二方法步骤26第一实施例的第三方法步骤27第一实施例的第四方法步骤28第一实施例的第五方法步骤29第一实施例的第六方法步骤30第二实施例的第四准备阶段31 起动信号32第二实施例的第二方法步骤33第二实施例的第三方法步骤34第二实施例的第四方法步骤35第二实施例的第五方法步骤41 (实际的)主控轴42转矩控制装置43力给定值控制装置44用于与传动比相关的转矩计算的功能单元 45用于与摩擦相关的第二转矩修正值的功能单元 46用于与加速度相关的第一转矩修正值的功能单元47用于转矩系数温度补偿的功能单元48 电流调节器49伺服放大器51第一位置发送器52用于电机温度的传感器53第二位置发送器54力或转矩传感器55拉深垫位置60虚拟的主控轴61归一化的加速度变化曲线62主控轴速度63第一转矩修正值64力极限值65 传动比66静态的转矩极限值67位置控制装置68用于限制转矩的功能单元69用于计算电流给定值的功能单元71转矩系数变化曲线72速度值73摩擦变化曲线74用于计算给定转矩的功能单元
权利要求
1.用于控制和调节伺服电压力机上的力的方法，在所述压力机中伺服电机(1，11)的转矩是可控的，其特征在于，用于驱动滑块(3)和/或拉深垫(12)的所述伺服电机(1，11)的给定转矩可根据影响参数如加速度和/或传动比和/或摩擦借助通过主控轴(41，60)和/或通过拉深垫位置(55)控制的转矩修正值和/或根据伺服电机(1，11)的转矩系数借助一与温度相关的修正值来修正或限制。
2. 如权利要求1所述的用于控制和调节伺服电压力机上的力的方 法，其特征在于，在开始方法过程之前在第一准备阶段(20)中将机 器特有的、传动比的和/或摩擦的和/或伺服电机(1， 11)转矩系数的 变化曲线存储在控制装置中，在第二准备阶段(21)中输入、计算并且在控制装置中存储用于 位置和力的、零件特有的给定变化曲线，并且，在第三准备阶段(22)中由位置变化曲线和传动比计算用于伺服 电机(1 ， 11)的与主控轴位置相关的、归一化的加速度变化曲线(61)。
3. 如权利要求1或2所述的用于控制和调节伺服电压力机上的力 的方法，其特征在于，在运动循环期间在第一方法步骤(24)中感测 或产生主控轴(41， 60)的位置，在进一步的方法步骤中由力变化曲线和与瞬时主控轴位置对应的 传动比计算给定转矩，在进一步的方法步骤中与压力机类型相关地由与瞬时主控轴位置 对应的归一化加速度值、由瞬时主控轴速度(62)并且由要加速的质量计算第一转矩修正值(63)，在进一步的方法步骤中与压力机类型相关地由瞬时力给定值和与 实际速度对应的摩擦值计算第二转矩修正值，在进一步的方法步骤中由给定转矩值与第一和第二转矩修正值构 成一个和值并且在进一步的方法步骤中由该和值和与瞬时电机温度对应的转矩系 数计算电流给定值，输出给电流调节器(48)并且循环地继续该过程。
4. 如权利要求1所述的用于控制和调节伺服电压力机上的力的方 法，其特征在于，在开始方法过程之前在第一准备阶段(20)中将机 器特有的、传动比的和/或摩擦的和/或伺服电机(1， 11)转矩系数的 变化曲线存储在控制装置中，在第二准备阶段(21)中输入、计算并且在控制装置中存储零件 特有的、位置和力的给定变化曲线，在第三准备阶段(22)中由位置变化曲线和传动比计算与主控轴 位置相关的、用于伺服电机(1, 11)的归一化的加速度变化曲线(61) 并且在第四准备阶段(30)由力变化曲线、传动比变化曲线和在需要 时由摩擦变化曲线计算与主控轴位置相关的转矩变化曲线。
5. 如权利要求1或4所述的用于控制和调节伺服电压力机上的力 的方法，其特征在于，在运动循环期间在第一方法步骤(24)中感测 或产生主控轴(41， 60)的位置，在进一步的方法步骤中与压力机类型相关地由与瞬时主控轴位置 对应的归一化加速度值、瞬时主控轴速度和要加速的质量计算第一转矩修正值，在进一步的方法步骤中与压力机类型相关地由与瞬时力给定值和与实际速度对应的摩擦值计算第一转矩修正值(63)在进一步的方法 步骤中第二转矩修正值，在进一步的方法步骤中相应于当前位置从给定转矩变化曲线计读 出给定转矩并且与所述转矩修正值构成和值，并且，在进一步的方法步骤中由该和值和与瞬时电机温度对应的转矩系 数计算电流给定值，输出给电流调节器(48)并且循环地继续该过程。
6. 如上述权利要求之一项或几项所述的用于控制和调节伺服电压 力机上的力的方法，其特征在于，在第三准备阶段(22)中计算旋转 运动和/或直线运动的质量的归一化加速度变化曲线(61)并且在该运动循环期间在进一步的方法步骤中由与瞬时主控轴位置对 应的归一化的旋转和/或直线加速度值、瞬时主控轴速度(62)和要加 速的旋转和/或直线质量计算一修正值。
7. 用于控制和调节伺服电压力机上的力的装置，在所述压力机中 伺服电机(1， 11)的转矩是可控的，其特征在于，至少一个与伺服放 大器(49)连接的电流调节器(48)从一个控制装置得到其给定值， 该控制装置包括一个主控轴控制的力给定值控制装置(43)、 一个主 控轴控制的用于与传动比相关的转矩计算的功能单元(44)和/或一个 主控轴控制的用于与加速度相关的第一转矩修正值的功能单元(46) 和减一个主控轴控制的用于与摩擦相关的第二转矩修正值的功能单元 (45)和/或一个用于转矩系数温度补偿的功能单元(47)并且与调节品 质相关地包括一个具有力或转矩传感器(54)的力调节回路。8.用于控制和调节伺服电压力机上的力的装置，在所述压力机中 驱动电机的转矩是可控的，其特征在于，至少一个与伺服放大器(49) 连接的电流调节器(48)从一个控制装置得到其给定值，该控制装置 包括一个主控轴控制的转矩控制装置(42)、 一个主控轴控制的用于 与加速度相关的第一转矩修正值的功能单元(46)和/或一个主控轴控 制的用于与摩擦相关的第二转矩修正值的功能单元(45)和/或用于转 矩系数温度补偿的功能单元(47)并且与调节品质相关地包括一个具 有力或转矩传感器(54)的力调节回路。
全文摘要
本发明涉及用于控制和调节具有伺服电滑块驱动和/或拉深垫驱动的伺服电压力机上的力的方法和用于实施该方法的装置。该方法主要在于，利用主控轴功能一方面来产生零件特有的和工艺特有的给定转矩，另一方面来产生由于不同影响参数以及转矩系数温度补偿引起的转矩修正值以形成用于伺服电机的电流给定值，用于与传动比相关的转矩计算和/或主控轴控制的用于与加速度相关的第一修正值的功能单元和/或主控轴控制的用于与摩擦相关的第二转矩修正值的功能单元。在装置中，至少一个与伺服放大器连接的电流调节器从一个控制装置得到其给定值，该控制装置包括一个主控轴控制的力给定值控制装置、一些主控轴控制的功能单元和/或一个用于转矩系数温度补偿的功能单元并且与调节品质相关地包括一个具有力或转矩传感器的力调节回路。
文档编号G05B19/18GK101248399SQ200680030866
公开日2008年8月20日 申请日期2006年8月17日 优先权日2005年8月24日
发明者R·黑德勒, S·施密特, U·达尔 申请人:米勒魏因加滕股份公司