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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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 j www.smac-mca.de)。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]在铁芯直线电机的垂直布置的情形中，其是:
[0014]-磁铁(齿槽、铁/磁相互作用)的定位力
[0015]-滑块(包括用户方面的附件)的重力
[0016]-重量补偿(一旦存在)的力，通常在移动路程上不恒定
[0017]-动摩擦力
[0018]-静摩擦力
[0019]下面，不同电流的概念被用于该方法的理解:
[0020]Itotal，在操作中的运行时所测得的电流，
[0021 ]Iparas，通过校准的该方法的经检测的电流，
[0022]Iforce,在操作中的运行时计算得出的力成正比的电流。
[0023]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:
[0024]Iforce= I total_IparaS
[0025]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。
[0026]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(Ipmas)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。
[0027]在该校准过程之后可利用简单的试验检验这些校准数据。
[0028]在该试验的情形中，所保存的电流(Iparas)和相应的位置值的数据集被插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。
[0029]在操作中的运行时，此时通过测量总的电流(Iutrtal)扣除寄生电流(Iparas)可计算得出在每个任意的位置处的力成正比的电流(IfOTCJ。如果该1&_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。
[0030]另一方面如下是可能的，S卩，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(IfOTJ限制到精确的力上。
[0031]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。
[0032]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)
[0033]对于单次校准而言设置有如下步骤:
[0034]Iparas的检测(图1)
[0035]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
[0036]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Iparas在较小的间隔(例如每隔25 μ m)中的记录
[0037]3.将电流Iparas和位置的记录对保存到校准数据库中，
[0038]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Ipmas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。
[0039]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。
[0040]该校准以电流Iparas/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。
[0041]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。
[0042]对于在操作中的运行而言适用如下步骤:
[0043]计算得出的电流Itoce的计算/记录(图10)
[0044]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。
[0045]2.在伺服控制器中激活力测量。
[0046]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Itrtal的参数对。
[0047]4.在所有期望的位置处以如下方式计算力成正比的电流IfOTce，B卩，由电流Ittrtal扣除被插值到该位置上的寄生电流Iparas。ILast和IparasS是关于相同的位置的计算。
[0048]Iforce I Ltotal -^paras °
[0049]电流Iftjrce成正比于力。
[0050]5.由步骤4计算得出的电流IfOTM (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。
[0051]因此首次可实现如下，S卩，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。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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。
[0055]这些力在校准期间被检测且通过电流Ipara^描绘。该I paMS所代表的一切在图2中的力方程I中进行说明。
[0056]电流1#_与对应位置一起被