电机进给驱动控制的方法和装置

本发明涉及一种用于机床可移动工作台，特别是圆锯床滚动滑 鞍的电机进给驱动控制方法和实现这种方法的装置，它带有一个可 通过电机进给驱动装置纵向移动的工作台。

在许多机床，例如也包括圆锯床中工件进给由手动实现。在所 举例子的情况下由操作者将要锯的工件放在圆锯床的滚动滑鞍 上，接着沿进给方向向锯片送进。其中用于工件的滚动滑鞍的底 板跟着一起运动(DE-PS2409420)。因此在工件进给运动时操 作者既要克服切削力，还要克服滚动滑鞍和机架之间的摩擦力。此 外滚动滑鞍在每次切削过程以前首先必须和工件一起加速，并在切 削以后减速以及接着复位。特别是在高质量的，也就是在高扭转刚 性的滚动滑鞍时仅仅相当大的滚动滑鞍质量的加速和制动的加速 功就不是微不足道的。另外还加上工件的惯性。因此连续快速地一 个接一个的切削加工时为了反复地克服所述的力操作者必须耗费 很大的能量。最终这将导致操作者迅速疲劳和生产力损失。

为了克服与工件进给方向相反的力可以考虑采用电机驱动滚 动滑鞍，并且在个别情况下已经使用过。例如对于切割所谓的二次 成型板材采用一个不变的进给速度，它可以最简单地用一种电机驱 动来达到。这种驱动装置的一种已知结构是可以用压缩空气加载的 软管，一个与滚动滑鞍相连的驱动滚子可以在它上面滚动，当压缩 空气软管以一端通上压缩空气时，径向胀起的压缩空气软管挤压驱 动滚子，从而驱动滚动滑鞍向进给方向运动。DE-OS4222906 中描述了一种锯床的液压进给装置，它以一个相应于理论值的恒力 调节进给运动。其次已知一种用于恒定进给速率的电气驱动装置 (杂志“塑料加工者”10/1983，S.1123，1124)。

迄今为止已知的电机或者液压或者气动进给驱动装置的共同 缺点是它缺少灵活性。实际证明能用手工简单操作的机床有高度灵 活性，然而其操作人员的费用是很高的。

因此本发明的目的在于，创造一种电机进给驱动控制的方法， 特别是用于滚动滑鞍的电机进给驱动控制的方法，它满足对于驱动 装置灵活性的要求，特别是关于不同进给速率的高度灵活性的要 求，并提供实现这种方法的装置。

根据本发明，用一种这样的方法来达到这一目的，即：将由操 作者在进给方向所施加的进给力检测出来，并转换成相应的测量 值，由此建立一个滚动滑鞍进给速度的理论值，并由此得出驱动装 置的控制信号。

进给驱动所要求的高度灵活性按照本发明的方法这样来达 到，由操作者施加的手动力用来对电机产生的滚动滑鞍的进给速率 发生影响。按照本发明的解决办法一个特别的优点在于：操作者不 需要有很大的重新适应过程(重新培训)，因为进给速率完全和手 动操作机床(例如圆锯床)时一样直接取决于由操作者在进给方向 施加的手动力。同时这种方法还可以使操作者施加的手动力减小到 完全靠手工操作完成进给运动所必须施加的力的一小部分。按照本 发明操作者的力只是用来作为进给速率控制的输入参数，因此最终 与实际上需要施加的进给力没有关系。

按本发明的方法的另一种有利方案，其特征在于：另外还要求 出切削力并在建立进给速率的理论值时加以考虑。例如考虑切削力 可以允许切削力增加时减小进给速率。然后进给速率的减小可以通 过增加操作者的手动力来补偿，使电机驱动的、按照本发明的方法 控制的滚动滑鞍的特性差不多与手动驱动相当。其次还可以在切削 力特别大时停止进给，以防止锯片停转。

为了防止在很小的，例如无意地加上的手动力使进给驱动启 动，在本方法的一种优先采用的方案中进给速度的理论值一直保持 为零，直到施加的手动力超过一个阈值为止。

最好理论值随着超过阈值的手动力这样来确定，使它随手动力 的增加而加大，随手动力的降低而减小。这相当于手动驱动滚动滑 鞍的特性。

其次优先采用这样的方法，用这种方法时理论值不超过一个上 限，以使进给速率不致无限制地变大，避免调节振荡，这是这样来 做的，操作者短时间脱离滚动滑鞍，使操作者的手动力中止，因此 滚动滑鞍停止运动，接着由操作者重新启动。

为了使滚动滑鞍随着切削力的变化也具有期望的特性，优先采 用这样一种方法，用这种方法时理论值的建立取决于切削力的变 化，当切削力增加时理论值减小，而当切削力减小时理论值增加， 其中由于切削力的影响最好理论值不应该低于零。

最好应该能够由操作者促成也形成负的进给速率理论值，使滚 动滑鞍也能够由电机驱动返回。

按本发明之方法的一种优先方案其特征在于：进给速率的理论 值或者与此成正比的进给驱动的速度或转速控制值作为参考(基 准)输入值而加上。

为实现本发明的方法，本发明提供这样一种装置，该装置安装 有可借助于一电动进给驱动装置在纵向移动的工作台，尤其是圆锯 的滑鞍，其特征在于：驱动机构与一个控制装置相联以建立驱动装 置转速的控制信号，同时控制装置包含一个手动力传感器和一个与 之相连的控制信号发生器。

为了在进给驱动控制时也可以考虑切削力，这种装置的一种优 先采用的实施方式的控制装置还包含一个用来量出当时实际切削 力的装置，这个装置同样也与控制信号发生器相连。

为了能够使滚动滑鞍电机驱动退回，按照本发明的这种装置的 控制装置最好具有一个用来预先给定负进给速率的元件。

此外按照本发明的装置最好配备一个进给速率调节器，它和控 制信号发生器相连，这种装置允许运用一个与控制信号发生器相应 的进给速率值作为进给速率调节的参考输入值。

调节器最好是作为控制装置的一部分，或者作为一种可选择的 实施方式做成进给驱动装置的一部分。现在根据一个实施例借助于 图形对本发明作进一步阐述。它们是：

图1用来说明与本方法有关参量的标准圆锯的透视图；

图2传感器单元装在滚动滑鞍上的圆锯床侧视图；

图3不考虑切削力时的驱动控制方框图；

图4考虑切削力时的驱动控制方框图；和

图5控制信号发生器的方框图。

以a)至c)表示的图形表示图2中传感装置在许多工作位置的局 部视图。

在图1中标准圆锯10的透视图上表示滚动滑鞍12处于中间位 置，从这个位置出发滚动滑鞍12可以在纵向前和/或向后运动，直 到它的两个末端位置之一。其次箭头表示进给速度和进给力的正方 向。进给力的大小主要由滚动滑鞍的摩擦力、切削力以及在滚动滑 鞍加速时由滚动滑鞍和工件的质量与加速度确定。对于电机进给驱 动装置通过由电机施加的扭矩产生的进给力大致上正比于进给驱 动电机消耗的电流。

已经谈到过的切削力起着抵抗进给力的作用。这个切削力(在 进给方向)和由驱动主圆锯片的主电机克服的圆周切削力不同。圆 周切削力的大小反映在主电机的功率消耗。这两种所说的力相互关 连，且主要受工件材料和它的几何形状、进给速度以及主圆锯片的 性能，也就是它的齿数、它的齿形和它的锋利程度，以及锯片超出 由滚动滑鞍表面确定的平面的距离的影响。

图2是带有被驱动和控制的滚动滑鞍12的圆锯床的侧视图。控 制系统的外部特征是传感装置16，它可拆卸地固定在滚动滑鞍12 的表面上。它是通过一个T形块进行固定，T形块放在槽18(图 1)中并可以通过夹紧杠杆20夹紧。传感装置16同时用来作为安 装在滚动滑鞍表面上的工件22在锯削工件时的导向装置。

传感装置16具有一个杠杆26，借助于它可以控制进给驱动， 在图a)至c)中清楚地表示了杠杆可能的位置。其中图a)表示正的 进给速率，正如例如在锯削的所希望的那样，如图b)中所示的杠杆 在中间位置时进给驱动关断，在图c中表示的位置时滚动滑鞍返 回，也就是说调整到一个负的进给速率。另外在图a)中还表示杠杆 26在它的那个位置与一个力传感器共同起作用，通过这个力传感 器可以测量操作者的手动力，以便控制进给驱动。

具有滚动滑鞍进给驱动控制的圆锯床的其他主要元件是控制 信号发生器，进给速率调节器和进给驱动装置。可以考虑用各种已 知的驱动装置作为进给驱动装置。例如可以是气动或液压驱动装置 或者特别是电机驱动装置。在后一种情况下滚动滑鞍由一个电机通 过一个变速箱驱动。在下面对控制系统的描述中以这样情况为基 础。

以借助于力传感器测得的操作者施加于杠杆26上的手动力为 基础由控制信号发生器建立一个滚动滑鞍进给速度理论值。此外最 好将相应于切削力的测量值输入控制信号发生器，以便在建立进给 速率理论值时同样可以考虑切削力。相应于切削力的测量值例如可 以基于上述关系由主锯片14驱动电机的电流或者由锯床主轴的转 速变化或者由滚动滑鞍12进给电机的电流推导出来。由控制信号 发生器建立的进给速率理论值作为给进给速度调节器的参考输入 值。根据进给速率和驱动电机转速之间存在一个与变速箱速比有关 的正比关系，进给速率调节器例如可以是一个驱动电机转速调节 器。按照已知的方法转速调节器可以是电驱动装置的一个组成部 分，或者作为一种选择方案结合在控制装置，特别是控制信号发生 器中。

可以采用众所周知的微处理器控制器作为控制信号发生器。

进给速度(或者相应的驱动电机的转速)的理论值如何根据两 个输入量(操作者施加的手动力和切削力)加以确定，下面加以叙 述。手动力低于阈值时进给速率的理论值是零。用这种方法是为了 防止滚动滑鞍在很小的手动力时就产生非预期的运动，超过阈值时 进给速率理论值随手动力的增加而加大或随手动力的减小而减 小。此外有一个进给速率理论值以上限，使后者自身在手动力特别 大时不会超过一定的量。在最简单的情况下，手动力和进给速率理 论值在手动力阈值以上和进给速率上限以下时相互之间的关系是 正比关系。但是这两个量之间也可以是任何其他的，尤其是不变的 关系。

对于理论值和切削力的依赖关系类似地适合于：进给速率理论 值随切削力的增加而减小，无论如何仅仅由于切削力，至多减小到 最小值零。反过来理论值随着切削力的减小而增大，但是这里不超 过上限值。在最小值零和上限之间理论值和切削力之间的依赖关系 是反比例关系。但是这里也可以是任何其他的，尤其是不变的关 系。

当杠杆26位于图b)中所示的中间位置时，进给速率的理论值 取为零。

反之当杠杆26为了滚动滑鞍返回往回拨时(图C)，建立一 个负进给速率理论值，使滚动滑鞍返回。为了简化控制系统，对于 负的理论值可以预先规定一个固定数值。但是同样也可以对于向后 的杠杆位置(图C)设置一个力传感器，用它可以控制负的进给速 率理论值，因而也可以控制滚动滑鞍的返回速度。

最后还设置了限位开关，用它可以在滚动滑鞍12到达它的机 械终点位置以前停止滚动滑鞍驱动。限位开关可以直接对驱动装置 起作用或者作为一种选择也可以为控制信号发生器产生一个输入 信号。

图3所示的方框图中画出了不考虑切削力时的驱动控制系统的 组成。驱动控制系统包括一个手动力传感器30，借助于它测量正 的或负的操作者手动力(F)，并转变为一个电信号。例如可以考 虑用压电晶体传感器作为手动力传感器，它利用压电效应；或者用 DMS测量桥，它借助于电阻应变片测量刚性很高的传感器杠杆的 (微小)变形。压电晶体传感器或者DMS(电阻应变片)测量桥 实际上是无路程工作。作为一种选择方案手动力传感器30也可以 包含一个弹簧，它随着操作者的手动力压扁或拉长。然后例如通过 电容的、电磁的、电感的或势能的路程传感器将与操作者手动力相 应的弹簧偏移转化为电信号。

手动力传感器30的电输出信号输入一个测量放大器32。放大 器将测量信号转化并放大成一个适合于后续数字处理的量，并且在 必要时提供手动力传感器30所需的辅助能量。

测量放大器32的输出信号输入控制信号发生器34。在控制信 号发生器内对由测量放大器32出来的测量信号进行滤波和匹配， 以这种方法产生滚动滑鞍驱动的控制信号作为输出信号。由测量放 大器出来的测量信号通过滤波抑制了测量信号的扰动，并使测量信 号平滑。在信号匹配中从测量放大器32来的测量信号转化为输出 信号，使手动力传感器30的传感器特性曲线与任何优化成适合于 实际使用的特性函数曲线相匹配。为此要考虑合理的阈值和上限 值。通过采用一个微型计算机，信号匹配功能和考虑阈值和上限值 的功能在很宽的范围内得到匹配和优化，以达到所期望的信号匹配 特性，例如一种渐进的匹配功能使得在手动力加大时驱动装置对滚 动滑鞍12的进给驱动支持超比例地增大。这使得在手动力很小时 支持很小，不影响操作者的感觉。也可以这样来产生类似的效果， 只有从某一个确定的阈值开始支持才正比于手动力。

手动力传感器30和测量放大器32是传感装置16的一个组成部 分，并和控制信号发生器34一起组控制装置36。控制信号发生器 34的输出信号同时也是控制装置36的输出信号，也就是滚动滑鞍 12驱动装置的控制信号。

在图3所示的实施例中控制信号输入滚动滑鞍12驱动装置40 的调节单元38，它由一个调节器42和一个功率输出级44组成， 以驱动驱动装置40的电机。来自于控制单元36的控制信号用作驱 动装置40调节单元38的参考输入值或者说理论值。

如前所述，在滚动滑鞍12驱动装置控制系统的另一种方案中 考虑了切削力。图4表示与此相应的驱动控制系统的方框图。手动 力传感器30和测量放大器32和上面叙述的一样。带调节器42的 调节单元38和功率级44也和上面叙述的没有什么区别。它控制驱 动电机50，驱动电机通过变速箱52与滚动滑鞍连接。这里驱动电 机50和变速箱52是驱动装置40的组成部分。变速箱52宜于配备 一个可脱开的联轴器，以使滚动滑鞍12可以手动操作而不受驱动 电机50的影响。

如前所述，切削力可以通过测量驱动主锯片14电机54的电流 间接测得。作为一种选择方案也可以通过电阻应变片测量主锯片14 驱动轴56的扭矩，并由此求得切削力。为了求出切削力图4中所 示的驱动控制系统具有一个切削力传感器60，它的输出信号由一 个第二测量放大器62转化并放大成适合于后续数字处理的量。必 要时第二测量放大器62将提供切削力传感器60所需要的辅助能 量。来自测量放大器62的切削力测量信号输给控制信号发生器 34’。

控制信号发生器34’主要包括三个功能方框：用于来自测量放 大器32的手动力测量信号的滤波和匹配的第一功能方框70，以及 用于来自第二测量放大器62的切削力测量信号的滤波和匹配的第 二功能方框72。来自两个功能方框70和72的输出信号输入一个 混合器74。

用于手动力测量信号滤波和匹配的第一功能方框70在前面联 系图3中所示的控制信号发生器34已经作过介绍。用于切削力测 量信号滤波和匹配的第二功能方框72的工作原理类似于第一功能 方框70，也就是说信号滤波器首先抑制扰动，并使测量信号平滑。 在信号匹配中切削力传感器60的特性曲线与所期望的特性函数曲 线相匹配。此外还考虑合理的阈值或上限值。切削力传感器特性曲 线这样进行匹配，使切削力加大时通过驱动装置减小对滚动滑鞍进 给运动的支持。

在混合器74中由两个作用变量(手动力和切削力)推导出来 的函数值汇合并用来建立调节单元38的理论值(参考输入量)。 为此所要求的算法在混合器74中实现。

图5中对信号发生器34’作进一步阐述，可以看到用于手动力 测量信号匹配的第一方框80和用于切削力测量信号匹配的方框 82。合适的信号匹配函数的例子在两个方框80和82中作了图示。 在信号匹配过程中手动力测量信号FH转化成手动力函数值 @FH，切削力测量信号FS转化成切削力函数值@FS。其中匹配 与可预先给定的功能参数有关。

接着两个函数值@FH和@FS在方框84和86中按照可预先给 定的判定参数进行加权，并在运算方框88中相互平衡。其中在运 算方框中采用的算法可预先给定。方框84、86和88是混合器74 的组成部分，并和方框80和82一样以构成控制信号发生器34’的 微型计算机的形式实现，以便使80至88的每一个方框相当于由微 型计算机处理的一个程序的程序模块。

如前所述，借助于所述方法和所述装置可以使滚动滑鞍的性能 达到由操作者根据他的经验所希望的那样。这样可以对滚动滑鞍驱 动进行直观的控制，并避免由于滚动滑鞍非预期的性能所引起的操 作事故。此外操作这种滚动滑鞍时操作者要省力得多。