DE102004016731A1

DE102004016731A1 - Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen und entsprechendes Dämpfungsverfahren

Info

Publication number: DE102004016731A1
Application number: DE200410016731
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Hamann; Theo Reichel; Elmar Dr. Schäfers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-10-27
Also published as: WO2005098263A1

Abstract

An dem so genannten Tool Center Point, an dem sich bei Werkzeugmaschinen das Werkzeug und das Werkstück berühren, soll die Dämpfung von Eigenschwingungen verbessert werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Schwingungen von Mikroaktoren (5), die in der Nähe dieses Tool Center Points platziert sind, erfasst und mit einem entsprechenden Regelkreis gedämpft werden. Für den Mehrachskopf einer Werkzeugmaschine bedeutet dies, dass die Mikroaktoren (5), die zur Positionierung des Kopfs verwendet werden, gleichzeitig auch zur Erfassung und Dämpfung von Eigenschwingungen eingesetzt werden. Somit kann auf eine eigene Steuereinrichtung zur Ansteuerung von Dämpfungsaktoren verzichtet werden, da die zu dämpfenden Schwingungen unmittelbar vor Ort aufgenommen werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen mit mindestens einem Aktor zur Ausführung von Dämpfungsbewegungen und einem Regelkreis, der an den mindestens einen Aktor zu dessen Betätigung angeschlossen ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Dämpfen mechanischer Schwingungen.

Zur Bewegung von Maschinenachsen kommen Aktoren (z.B. elektrisch oder hydraulisch) zum Einsatz, die zum Stellen großer Bewegungen in der Lage sind. Diese Aktoren werden im folgenden Makroaktoren genannte. Die Genauigkeit von Maschinen wird jedoch durch Mikrobewegungen an dem sogenannten TCP (Tool Center Point), dem Punkt, an dem das Werkzeug das Werkstück berührt, bestimmt. Bei Werkzeugmaschinen liegen die Mikrobewegungen in der Größenordnung von bis zu 50 μm. Die Mikrobewegungen entstehen dadurch, dass schwachgedämpfte Eigenfrequenzen angeregt werden. Die Anregung erfolgt entweder durch Prozess- oder Störkräfte oder durch die Kräfte, welche durch Makroaktoren zur Bewegung der Maschinenachsen eingebracht werden.

Eine aktive Bedämpfung schwach gedämpfter Eigenfrequenzen durch Makroaktoren kann beispielsweise durch ein Verfahren erfolgen, das in der deutschen Patentschrift 102 46 093 C1 beschrieben und auch unter dem Namen APC (Advanced Position Control) bekannt ist. In manchen Fällen ist jedoch die aktive Bedämpfung nicht oder nur sehr schwer möglich. Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Gründe:
Zum einen kann ein Aktor grundsätzlich nur Eigenfrequenzen bedämpfen, die durch seine Bewegung auch angeregt werden kön nen. Ist die zu einer kritischen Eigenfrequenz gehörige Eigenbewegung orthogonal zur Wirkrichtung aller vorhandenen Makroaktoren, können diese nicht zur aktiven Dämpfung verwendet werden. Eine Anregung derartiger, kritischer Eigenfrequenzen kann allerdings durch Prozess- oder Störkräfte erfolgen, so dass eine aktive Bedämpfung hilfreich wäre.

Zum anderen muss ein Makroaktor, wenn er auch zur aktiven Schwingungsdämpfung verwendet werden soll, eine Bewegung durchführen, welche der störenden Mikrobewegung so entgegenwirkt, dass die kritischen Eigenfrequenzen hinreichend bedämpft werden. Regelungstechnisch bedeutet dies eine gezielte Verschiebung eines Streckeneigenwerts in Bereiche höherer Dämpfung. Manche Makroaktoren sind allerdings – erzwungen durch ihre eigentliche Aufgabe, dem Stellen großer Bewegungen – konstruktiv so in ein Maschinenkonzept eingebunden, dass die Einleitung der Bewegung weit entfernt von dem TCP erfolgt. Die Regelstrecken, die daraus für eine aktive Bedämpfung mittels Makroaktoren folgt, ist daher in diesen Fällen schwer zu beherrschen. Eine Bedämpfung ist dann nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Für die Ansteuerung der Makroaktoren ist eine eigene Steuereinrichtung bzw. -einheit vorzusehen. Die Ansteuerung erfolgt auf der Basis bekannter Schwingungsamplituden bzw. Schwingungsbäuche an der jeweiligen Maschine.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Schwingungsdämpfung gerade im Bereich eines TCP zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Regelkreis, der an den mindestens einen Aktor zu dessen Betätigung angeschlossen ist, und einem Sensor zur Erfassung der spezifischen Schwingungen und zum Liefern eines entsprechenden Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis.

Darüber hinaus ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein Verfahren zum Dämpfen mechanischer Schwingungen durch Bereitstellen mindestens eines Aktors, Betätigen des mindestens einen Aktors über einen Regelkreis, Erfassen einer Schwingung mit einem Sensor unter Bereitstellen eines Erfassungssignals und Liefern des Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis.

Erfindungsgemäß ist es damit möglich, dass auf eine eigene Ansteuerelektronik zur Steuerung von Dämpfungsaktoren mit Erzeugung eines speziellen Austauschsignals verzichtet werden kann. Die störenden Schwingungen werden unmittelbar am Ort des Geschehens erfasst und zur Erzeugung eines entsprechenden Dämpfungssignals für den Aktor verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Aktor gleichzeitig der Sensor. Somit kann die Anzahl der Bauelemente reduziert werden.

Vorzugsweise umfasst der Aktor ein Piezoelement oder ein magnetorestriktives Element. Mit diesen Elementen ist es möglich, sowohl mechanische Schwingungen in elektrische Signale als auch umgekehrt, elektrische Signale in mechanische Bewegung umzusetzen.

In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, für die Dämpfungsvorrichtung einen Makroaktor, der insbesondere elektrisch oder hydraulisch betrieben wird, einschließlich einer entsprechenden Steuervorrichtung einzusetzen. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn die Schwingungen durch Bewegungen des Makroaktors selbst hervorgerufen werden.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mehrere geregelte Aktoren zur Dämpfung in mehreren Richtungen vorgesehen. Damit können sämtliche Schwingungen, die beispielsweise bei einer Werkzeugmaschine störend wirken, durch geeignete Dämpfung hinreichend unterdrückt werden.

Der Regelkreis der Dämpfungsvorrichtung kann mehrere zuschaltbare Rückführglieder umfassen. Diese werden günstigerweise jeweils mit einer Bandsperre ausgestattet, wobei die einzelnen Bandsperren unterschiedliche Sperrfrequenzen besitzen. Damit ist es möglich, spezifische Schwingungen in definierbare Situationen zu einem ebenfalls definierbaren Maß zu unterdrücken.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung in einem Mehrachskopf einer Werkzeugmaschine eingesetzt. Dabei dient der mindestens eine Aktor auch zur Positionierung des Mehrachskopfes. Damit ist es möglich, den Mikroaktoren, die in dem Mehrachskopf angeordnet sind, eine doppelte Funktionalität zuzuweisen: Sie dienen zum Positionieren und Dämpfen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen 5-Achs-Kopf einer Werkzeugmaschine und
2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises für die Aktoren des 5-Achs-Kopfs von 1.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Mikroaktoren, die für die Positionierung des Kopfs einer Werkzeugmaschine eingesetzt werden und damit sehr nahe am TCP wirken, zur aktiven Bedämpfung schwach gedämpfter Eigenfrequenzen einzusetzen. Unabhängig davon können die auch zur Positionierung verwendeten Makroaktoren ebenfalls zur Dämpfung herangezogen werden.
In 1 ist beispielhaft ein zu bedämpfender 5-Achs-Kopf einer Werkzeugmaschine dargestellt. 5-Achs-Köpfe können bei entsprechender Spindelleistung eine Masse von mehr als einer Tonne aufweisen. Mit der Bewegung eines derartigen Kopfes ist – beispielsweise bei Portal-Gantry-Maschinen – in den einzelnen Achsen ein Verfahren grosser Massen erforderlich. Dabei sind die elektrischen bzw. hydraulischen Makroaktoren weit von dem TCP entfernt, so dass eine Dämpfung in dem TCP im allgemeinen nicht ausreichend möglich ist.
Der in 1 dargestellte 5-Achs-Kopf wird üblicherweise an eine Pinole zur Bewegung in z-Richtung mit einer entsprechenden Verbindungseinrichtung 1 angeschraubt. Die Verbindungseinrichtung 1 ist mit einem ersten Kopfbereich 2 starr verbunden. Über eine Führung 3 ist der erste Kopfbereich mit einem zweiten Kopfbereich 4 in y-Richtung verschiebbar verbunden. Mikroaktoren 5, die an dem ersten Kopfbereich 2 und dem zweiten Kopfbereich 4 angreifen, sorgen für eine entsprechende Verschiebung der beiden Bereiche zueinander beispielsweise in y-Richtung. Der Übersicht halber ist in 1 lediglich eine Anordnung skizziert, die eine Bewegung des Kopfs in y-Richtung ermöglicht. Die Mikroaktoren 5 gewährleisten aber nicht nur eine Bewegung im Feinbereich in y-Richtung, sondern ermöglichen erfindungsgemäß auch eine Dämpfung in y-Richtung.
Unterhalb des zweiten Kopfbereichs 4 ist ein Drehlager 6 angeordnet, das einen dritten Kopfbereich 7 um eine C-Achse, entsprechend dem eingezeichneten Pfeil drehbar lagert. An das untere Ende des dritten Kopfbereichs 7 ist ein Drehlager 8 montiert, mit dem ein vierter Kopfbereich 9 um eine B-Achse 10 gemäß dem ebenfalls eingezeichneten Pfeil schwenkbar gelagert ist. In der Mitte des unteren Bereichs des vierten Kopfabschnitts 9 ist eine Spindel 11 angedeutet. Ein Beschleunigungssensor 12 an dem vierten Kopfbereich 9 erfasst dessen Beschleunigung in y-Richtung.
Mit den zur Dämpfung verwendeten Mikroaktoren 5, die in den 5-Achs-Kopf integriert sind, ergibt sich ein mechatronisches Gesamtsystem, das als „aktiv gedämpfter 5-Achs-Kopf" bezeich net werden kann. Mit entsprechend angeordneten Mikroaktoren zur Mikrobewegung auch in x- und z-Richtung können dann sämtliche Schwingungen in x-, y- und z-Richtung bedämpft werden.
Die Auslenkung der Mikroaktoren 5 wird mit einer geeigneten Regelstruktur derart kommandiert, dass die Amplitude der kritischen Schwingung am Messpunkt (in 1 die Position des Beschleunigungssensors 12) reduziert wird. Eine hierfür geeignet Regelstruktur ist in 2 als Blockdiagramm dargestellt. Sie greift im wesentlichen den Regelmechachnismus auf, der sich im Zusammenhang mit der eingangs erwähnten APC bewährt hat.
Die Regelstrecke RS setzt sich aus dem Aktor A (den Mikroaktoren 5) und der Mechanik M (5-Achs-Kopf einschließlich Antrieb) zusammen. Die Übertragungsfunktion der Regelstrecke RS ist mit G_S gekennzeichnet. Der Aktor A wird mit einem Sollwert x_asoll, der normalerweise gleich null ist, angesteuert und liefert einen Wert x_aist an die Mechanik M. Diese reagiert mit einem entsprechenden Beschleunigungswert a_v. Der Beschleunigungswert a_v kann über unterschiedliche Rückführglieder R_i(j2πf) rückgekoppelt werden. Dafür ist eine beliebige Anzahl an Rückkoppelungszweigen mit den Rückführgliedern R₁(j2πf), R₂(j2πf) bis R_n(j2πf) mit den entsprechenden Schaltern S₁, S₂ bis S_n vorgesehen. Optional sind somit unterschiedliche Rückführglieder in die Rückkoppelung schaltbar. Der oder die rückgekoppelten Werte werden in einem Subtrahierer SUB von der Ruhelänge x_a0 subtrahiert, so dass sich der Sollwert x_asoll ergibt.
Grundsätzliche Anforderungen an die Eigenschaften der Rückführglieder Ri(j2πf) lassen sich anhand der Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises anschaulich herleiten. Schließt man die erste Rückführung R₁(j2πf) mit Schalter S₁, ergibt sich für den geschlossenen Kreis, der als stabil vorausgesetzt wird, die Beziehung
Die Aktoren sollen ihre Ruhelänge x_a0 nur in den Frequenzbereichen ändern, in denen kritische Resonanzen für Überhöhungen sorgen. Dies wird durch die Rückführungen R_ij(j2πf) erreicht, die – wie bei einer RPC-Regelstruktur – verallgemeinerte Bandpässe bzw. Bandsperren darstellen. Nur in den Frequenzbereichen, in denen eine Dämpfung erreicht werden soll, wird der offene Regelkreis über 0dB angehoben. Stabilität und Dämpfung des geregelten Systems können mit Frequenzkennlinien beurteilt werden, die daher auch zur Parametrierung der Regelung herangezogen werden.

Claims

Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen mit – mindestens einem Aktor (5) zur Ausführung von Dämpfungsbewegungen für die Dämpfung spezifischer Schwingungen, gekennzeichnet durch – einen Regelkreis, der an den mindestens einen Aktor (5) zu dessen Betätigung angeschlossen ist, und – einen Sensor zur Erfassung der spezifischen Schwingungen und zum Liefern eines entsprechenden Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis.
Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Aktor (5) gleichzeitig als der Sensor dient.
Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aktor (5) ein Piezoelement oder magnetorestriktives Element umfasst.
Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens einen weiteren Makroaktor einschließlich Steuervorrichtung aufweist, der ausschließlich gesteuert wird.
Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehrere geregelte Aktoren zur Dämpfung in mehreren Richtungen aufweist.
Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Regelkreis mehrere zuschaltbare Rückführglieder (R1, R2, Rn) umfasst.
Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Rückführglieder (R1, R2, Rn) jeweils einen Bandpass umfassen, und die Bandpässe voneinander unterschiedlich sind.
Mehrachskopf einer Werkzeugmaschine mit einer Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Aktor (5) zur Feinpositionierung des Mehrachskopfs dient.
Verfahren zum Dämpfen mechanischer Schwingungen durch Bereitstellen mindestens eines Aktors (5) gekennzeichnet durch – Betätigen des mindestens einen Aktors (5) über einen Regelkreis, – Erfassen einer Schwingung mit einem Sensor unter Bereitstellen eines Erfassungssignals und – Liefern des Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Aktor (5) gleichzeitig auch als Sensor dient.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei mit mehreren geregelten Aktoren (5) Schwingungen in mehreren Richtungen gedämpft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Rückkoppelung des Regelkreises über mehrere zuschaltbare Rückführlieder (R1, R2, Rn) erfolgt, die vorzugsweise jeweils als Bandpass ausgestaltet sind.