DE102005004127A1

DE102005004127A1 - Aktiver Massendämpfer

Info

Publication number: DE102005004127A1
Application number: DE200510004127
Authority: DE
Inventors: Kichio Tsuchiura Nakajima; Akira Ebina Busujima; Yasushi Ebina Ito; Nobuhiko Ebina Suzuki; Toru Ebina Yuki
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2005-08-18
Also published as: US20050162110A1; TWI331949B; TW200533459A; JP2005212008A; US6992450B2; CH697375B8; CH697375B1

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen aktiven Massendämpfer (3), dessen Verwendung die Verkleinerung einer Bearbeitungsvorrichtung (2) gestattet. Der aktive Massendämpfer (3) beinhaltet einen Träger (10b) zur horizontalen und beweglichen Halterung eines Gewichts (18), einen Motor (11b) zum Antrieb des Gewichts (18) und einen Controller (40) zur Steuerung des Motors. Ein Drehmoment-Befehlssignal für einen Motor (11a) eines X-Tischs (7) und ein Drehmoment-Befehlssignal für einen Motor (211a) eines Z-Tischs (207) werden dem Controller (40) des aktiven Massendämpfers (3) zugeführt, derart, dass der Motor (11b) zum Antrieb des Gewichts (18) vorwärtsgekoppelt durch die Drehmoment-Befehlssignale und rückgekoppelt durch die Verschiebung des Gewichts (18) steuerbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen aktiven Massendämpfer zur Verwendung in einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem horizontal beweglichen Teil, der auf gewünschte Art horizontal beweglich ist, und beispielsweise einem vertikal beweglichen Teil, der auf gewünschte Art vertikal beweglich ist.
Technischer Hintergrund
Eine Laser-Bohrmaschine zum Bohren einer gedruckten Leiterplatte oder dergleichen mittels eines Laserstrahls weist beispielsweise einen X-Tisch auf, der horizontal beweglich auf einem Bett montiert ist, einen Y-Tisch, der horizontal und senkrecht zur Bewegungsrichtung des X-Tischs beweglich auf dem X-Tisch montiert ist, eine ortsfeste Laserstrahlquelle, steuerbare reflektierende Spiegel zur Führung des Laserstrahls, und so weiter.
Vor der Bearbeitung wird die Leiterplatte in zu bearbeitende Bereiche mit jeweils vorgegebenen Abmessungen eingeteilt. Der Mittelpunkt eines beliebigen abgegrenzten Bereichs wird in die Mitte des Abtastbereichs des Laserstrahls gebracht. Sodann wird der zu bearbeitende Bereich mit dem Laserstrahl abgetastet und bearbeitet. Wenn der Bohrvorgang in dem zu bearbeitenden Bereich beendet ist, werden der X-Tisch und der Y-Tisch betätigt, um die Leiterplatte zu bewegen und den nächsten zu bearbeitenden Bereich der Leiterplatte auf die Mitte des Laserstrahls auszurichten. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Bearbeitung abgeschlossen ist.
Dabei wird bei der Bewegung des X-Tischs durch dessen Beschleunigung in der Laserbohrmaschine horizontal eine Kraft erzeugt, welche dem Produkt aus der Masse des X-Tischs einschliesslich der auf dem X-Tisch montierten Teile und der Beschleunigung entspricht. Der Angriffspunkt der Kraft liegt über dem Boden. Entsprechend wird durch das Kraftmoment, welches von der Kraft und der Höhe des Angriffspunkts abhängt, in der Laser-Bohrmaschine eine Drehschwingung (Pendelschwingung) erzeugt, deren Eigenfrequenz von der Steifigkeit des Bodens und vom Trägheitsmoment der Laserbohrmaschine abhängt. Die von den auf der einen Seite der Laserbohrmaschine angeordneten Nivellierbolzen übertragene Kraft drückt den Boden nach unten, während die von den anderen Nivellierbolzen übertragene Kraft den Boden nach oben zieht, so dass der Schwerpunkt der Laserbohrmaschine dazwischen liegt. Damit wird im Boden eine vertikale Schwingung erzeugt.
Wenn der Y-Tisch bewegt wird, wird im Boden auf die gleiche Weise wie bei der Bewegung des X-Tischs ebenfalls eine vertikale Schwingung erzeugt.
Wenn nun der X-Tisch oder der Y-Tisch für eine höhere Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, werden die Schwingungen des Bodens verstärkt.
Wenn die Laserbohrmaschine im ersten Stockwerk eines gut unterstützten Gebäudes steht, werden die Bodenschwingungen nicht viel stärker. Im zweiten oder in höheren Stockwerken weist der Boden jedoch oft eine geringere Steifigkeit oder Masse auf. Wenn die Laserbohrmaschine im zweiten oder in höheren Stockwerken steht, können während dem Betrieb der Laserbohrmaschine daher starke Schwingungen im Boden und dadurch verursachter Lärm auftreten. Diese Schwingungen oder der Lärm sind nicht nur störend für die Arbeiter, sondern beeinträchtigen auch die Genauigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung. Ausserdem können dauernde Schwingungen das Gebäude schwächen.

So ist eine Technik bekannt, bei welcher ein Mittel zur Erzeugung von Trägheitskräften (ein aktiver Massendämpfer) mit einem Träger zur horizontal beweglichen Halterung eines Gewichts und einer Antriebseinheit zum Antrieb des Gewichts auf dem Bett einer Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist, welche einen horizontal beweglichen Teil, der auf gewünschte Art horizontal beweglich ist, sowie Mittel zum Antrieb des horizontal beweglichen Teils aufweist, und worin das Gewicht gemäss einem dem Mittel zum Antrieb des horizontal beweglichen Teils zugeführten Eingangssignal bewegt wird, so dass die durch die Bewegung des horizontal beweglichen Teils auf den Boden übertragene Kraft verringert wird, um das Auftreten von Pendelschwingungen zu verhindern (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-181739).

Eine Bohrmaschine zum Bohren einer gedruckten Leiterplatte oder dergleichen mittels eines Bohrers weist einen X-Tisch auf, der horizontal beweglich auf einem Bett montiert ist, einen Y-Tisch, der horizontal und senkrecht zur Bewegungsrichtung des X-Tischs beweglich an einem Portalrahmen montiert ist, der auf der Oberfläche des Betts befestigt ist, einen Z-Tisch, der vertikal beweglich auf dem Y-Tisch montiert ist, und eine auf dem Z-Tisch montierte Spindel zum Antrieb des Bohrers. Zur Bearbeitung einer Leiterplatte werden der X-Tisch und der Y-Tisch bewegt, um den Mittelpunkt eines zu bearbeitenden Bereichs mit dem Zentrum des Bohrerschafts auszurichten, worauf die Spindel abgesenkt wird, um die Leiterplatte zu bohren.

Wenn der X-Tisch und der Y-Tisch mit dem oben erwähnten aktiven Massendämpfer ausgerüstet sind, können die durch die Bewegung des X-Tischs und des Y-Tischs verursachten Schwingungen der Bohrmaschine verhindert werden. In der Bohrmaschine wird jedoch während der Bewegung des Y-Tischs durch dessen Beschleunigung auch vertikal eine Kraft erzeugt, welche dem Produkt aus der Masse des Z-Tischs einschliesslich der auf dem Z-Tisch montierten Teile, beispielsweise der Spindel, und der Beschleunigung entspricht, so dass durch die Kraft im Boden eine vertikale Schwingung erzeugt wird. Der Angriffspunkt der Kraft stimmt nicht mit dem Schwerpunkt der Bohrmaschine überein. Deshalb wird in der Bohrmaschine in derselben Weise wie beim Betrieb des X-Tischs eine Drehschwingung (Pendelschwingung) erzeugt, deren Eigenfrequenz von der Steifigkeit des Bodens und dem Trägheitsmoment der Bohrmaschine abhängt.

Wenn also der Z-Tisch für eine verbesserte Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung bewegt wird, werden die Schwingungen des Bodens verstärkt, so dass der Tisch mit dem eingespannten Werkstück vibriert, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit (Positionsgenauigkeit des Bohrungsmittelpunkts) beeinträchtigt wird. Ausserdem verschlechtert sich auch die Leistung des Z-Tischs bezüglich der Positionssteuerung, wodurch die Genauigkeit der Bearbeitungstiefe beeinträchtigt wird.

Wenn jedoch für den Z-Tisch ein herkömmlicher aktiver Massendämpfer verwendet wird, um die vom Z-Tisch verursachte Kraft zu verringern, wird die Bohrmaschine als ganzes sehr gross.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen aktiven Massendämpfer anzugeben, dessen Verwendung die Verkleinerung einer Bearbeitungsvorrichtung gestattet.

Erfindungsgemäss wird dieses Ziel erreicht mit einem aktiven Massendämpfer mit: einem Träger zur horizontal beweglichen Halterung eines Gewichts; einer Antriebseinheit zum Antrieb des Gewichts; sowie einer Steuerung zur Steuerung der Antriebseinheit des Gewichts. Der aktive Massendämpfer ist dabei derart in einer Bearbeitungsvorrichtung (Bohrmaschine) angeordnet, dass die Bewegungsrichtung des Gewichts parallel zur Bewegungsrichtung eines ersten beweglichen Teils (X-Tisch) der Bearbeitungsvorrichtung verläuft; und die Steuerung steuert die Antriebseinheit des Gewichts derart, dass in der Bearbeitungsvorrichtung erzeugte Schwingungen unterdrückt werden durch Vorwärtssteuerung ausgehend von einem Drehmoment-Befehlssignal für einen Antriebsteil des ersten beweglichen Teils sowie einem Drehmoment-Befehlssignal für einen Antriebsteil eines zweiten beweglichen Teils (Z-Tisch), dessen Bewegungsrichtung sich von derjenigen des ersten beweglichen Teils unterscheidet, sowie durch rückgekoppelte Steuerung auf der Basis einer Verschiebung des Gewichts.

Durch die Steuerung des Gewichts des aktiven Massendämpfers für den X-Tisch kann die durch die Bewegung des Z-Tischs verursachte Pendelschwingung der Bohrmaschine sicher und ohne Verzögerung unterdrückt werden. Daher ist ein weiterer aktiver Massendämpfer für den Z-Tisch nicht erforderlich. Dies gestattet eine kleinere Ausführung der Bohrmaschine. Ausserdem ergibt sich eine Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit, da der X-Tisch auch dann nicht vibriert, wenn der Z-Tisch bewegt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Bohrmaschine;
2 zeigt eine geschnittene Draufsicht eines erfindungsgemässen aktiven Massendämpfers;
3 zeigt ein Steuerungsschema des erfindungsgemässen aktiven Massendämpfers;
4A–4D zeigen Ablaufdiagramme von Beispielen des zeitlichen Verlaufs von Geschwindigkeits- und Drehmoment-Befehlssignalen; und
5A–5G zeigen Diagramme eines Ergebnisses des simulierten Verhaltens eines Gewichts.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Bohrmaschine gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt eine geschnittene Draufsicht eines aktiven Massendämpfers.
3 zeigt ein Steuerungsschema des aktiven Massendämpfers.
Das Maschinenbett 6 einer Bohrmaschine 2 ist mittels Nivellierbolzen 5 und Schuhen 4 auf einem Boden 1 abgestützt. Auf der Oberfläche des Betts 6 sind Schienen 9a einer Linearführung 15a befestigt. An einem Schlitten 8a der Linearführung 15a ist ein X-Tisch 7 in Links-/Rechtsrichtung (X-Richtung) in 1 beweglich befestigt. Auf einer Kugelgewindespindel 10a läuft eine nicht dargestellte Spindelmutter, die mit dem X-Tisch 7 verbunden ist. Die Kugelgewindespindel 10a wird von einem Motor 11a angetrieben. Der Motor 11a wird von einem X-Motortreiber 43 gemäss dem von einem Antriebscontroller 42 des X-Tischs ausgegebenen Steuersignal angetrieben. Der Antriebscontroller 42 des X-Tischs bildet eine sogenannte Positionierungssteuerung zur Positionierung des X-Tischs 7 gemäss einem Positionierungssignal von einem Bearbeitungscontroller 260 und einem Signal von einem nicht dargestellten Positionsdetektor des X-Tischs. Auf dem X-Tisch 7 ist eine gedruckte Leiterplatte 252 fixiert.
Auf einem auf der Oberfläche des Betts 6 angebrachten Portalrahmen 12 sind Schienen 109a einer Linearführung 115a befestigt. An einem Schlitten 108a der Linearführung 115a ist ein Y-Tisch 107 in Y-Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene beweglich befestigt. Auf einer Kugelgewindespindel 110a läuft eine nicht dargestellte Spindelmutter, die mit dem Y-Tisch 107 verbunden ist. Die Kugelgewindespindel 110a wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben.
Am Y-Tisch 107 sind Schienen 209a einer Linearführung 215a befestigt. An einem Schlitten 208a der Linearführung 215a ist ein Z-Tisch 207 in Aufwärts-/Abwärtsrichtung (Z-Richtung) in 1 beweglich befestigt. Auf einer Kugelgewindespindel 210a läuft eine nicht dargestellte Spindelmutter, die mit dem Z-Tisch 207 verbunden ist. Die Kugelgewindespindel 210a wird von einem Motor 211a angetrieben.
Der Motor 211a wird von einem Z-Motortreiber 243 gemäss dem von einem Antriebscontroller 242 des Z-Tischs ausgegebenen Steuersignal angetrieben. Der Antriebscontroller 242 des Z-Tischs positioniert den Z-Tisch 207 gemäss einem Positionierungssignal vom Bearbeitungscontroller 260 und einem Signal von einem nicht dargestellten Positionsdetektor des Z-Tischs.
Auf dem Z-Tisch 207 ist eine Spindel 250 zum Antrieb eines Bohrers 251 montiert.
Der Bearbeitungscontroller 260 bewegt den X-Tisch 7 und den Y-Tisch 107 individuell, um die Achse des Bohrers 251 auf eine zu bearbeitende Stelle der Leiterplatte 252 auszurichten. Daraufhin steuert der Bearbeitungscontroller 260 den Z-Tisch 207, um die Leiterplatte 252 zu durchbohren.
Dabei können auf dem Y-Tisch 107 ein Z-Tisch 207 oder mehrere Z-Tische 207 montiert sein. Falls auf dem Y-Tisch 107 mehrere Z-Tische 207 montiert sind, wird die Bohrmaschine 2 in Y-Richtung so lang, dass die Amplitude der durch die Bewegung des Y-Tischs 107 erzeugten Pendelschwingung geringer sein kann.
Nachfolgend wird der aktive Massendämpfer 3 anhand der 1 und 2 näher beschrieben. An einem Sockel 20 sind als Bestandteile des aktiven Massendämpfers 3 ein Motorbock 13, Lagerböcke 19a und 19b und Schienen 9b einer Linearführung 15b befestigt. Auf einem Schlitten 8b der Linearführung 15b ist ein Gewicht 18 in X-Richtung beweglich angebracht. Auf einer Kugelgewindespindel 10b läuft eine Spindelmutter 16, die innen am Gewicht 18 befestigt ist. Die Kugelgewindespindel 10b ist drehbar im Lagerbock 19a gelagert, während ein Ende der Kugelgewindespindel 10b über eine Kupplung 14 mit der Antriebswelle eines am Motorbock 13 montierten Motors 11b verbunden ist. Ein Geber 17 im Motor 11b ist über einen Motortreiber 41 des Motors 11b mit einem Controller 40 verbunden. Der Controller 40 ist mit einem Signalausgang 60 des X-Motortreibers 43 und einem Signalausgang 160 des Z-Motortreibers 243 verbunden.
Wie 3 zeigt, ist der Eingang eines Koeffizientenmultiplizierers 300 des Controllers 40 mit dem Signalausgang 60 verbunden. Der Eingang eines Koeffizientenmultiplizierers 301 ist mit dem Signalausgang 160 verbunden. Der Eingang eines Addierers 302 ist mit dem Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 300 und dem Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 301 verbunden, während der Ausgang des Addierers 302 mit dem Eingang eines Koeffizientenmultiplizierers 44 verbunden ist.
Der Eingang eines Addierers 52 ist mit dem Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 44, dem Ausgang eines Koeffizientenmultiplizierers 47 und dem Ausgang eines Koeffizientenmultiplizierers 49 verbunden, während der Ausgang des Addierers 52 mit dem Eingang des Treibers 41 verbunden ist. Der Geber 17 ist mit dem Eingang des Koeffizientenmultiplizierers 47 und über einen Impulszähler 45 und einen Wandler 46 mit dem Eingang eines Differenzierers 48 verbunden. Der Ausgang des Differenzierers 48 ist mit dem Eingang des Koeffizientenmultiplizierers 49 verbunden.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieser Ausführung beschrieben.
Die 4A–4D zeigen Diagramme von Beispielen des zeitlichen Verlaufs von Geschwindigkeits- und Drehmoment-Befehlssignalen. 4A zeigt ein Geschwindigkeits-Befehlssignal für den X-Tisch 7. 4B zeigt ein Geschwindigkeits-Befehlssignal für den Z-Tisch 207. 4C zeigt ein Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motortreiber 43. 4D zeigt ein Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motortreiber 243.
Die Geschwindigkeits-Befehlssignale gemäss den 4A und 4B werden jeweils durch eine Ableitung nach der Zeit eines vom Bearbeitungscontroller 260 ausgegebenen Positionierungssignals gebildet. Die Drehmoment-Befehlssignale gemäss den 4C und 4D werden jeweils durch eine Ableitung nach der Zeit der Geschwindigkeits-Befehlssignale gemäss den 4A, 4B gebildet. Da es sich beim X-Tisch 7 und beim Z-Tisch 207 um träge Körper handelt, ist die Steuerung des Drehmoments hier proportional zur Steuerung der Beschleunigung.
In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die Positionierungssteuerung des X-Tischs, die Positionierungssteuerung des Z-Tischs und die Steuerung des aktiven Massendämpfers den Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Befehlssignalen ohne Verzögerung folgen und dass der Y-Tisch 107 im Takt mit dem X-Tisch 7 angetrieben wird.
Zunächst wird die Arbeitsweise der Bohrmaschine beschrieben.
Wie 4C zeigt, wird die Geschwindigkeit des X-Tischs 7 zwischen einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 mit konstanter Beschleunigung (Drehmoment) erhöht und zwischen einem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 mit konstanter Beschleunigung verringert. Auf diese Weise erfolgt die Positionierung des X-Tischs 7.
Daraufhin wird die Geschwindigkeit des Z-Tischs 207 erhöht und dieser zwischen dem Zeitpunkt t2, in welchem die Positionierung des X-Tischs 7 abgeschlossen ist, und einem Zeitpunkt t3 mit konstanter Beschleunigung abgesenkt. Zwischen dem Zeitpunkt t3 und einem Zeitpunkt t5 wird die Beschleunigung auf null gesetzt, um den Bohrer 251 mit konstanter Geschwindigkeit abzusenken. In einem Zeitpunkt (beispielsweise einem Zeitpunkt t4 in 4B) zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t5 erreicht die Spitze des Bohrers 251 die Oberfläche der Leiterplatte 252 und beginnt, diese zu durchbohren. Im Zeitpunkt t5 ist die Bohrung abgeschlossen.
Nach dem Zeitpunkt t5 wird die Geschwindigkeit des Z-Tischs 207 erhöht, um diesen bis zum Zeitpunkt t6 mit konstanter Beschleunigung aufwärts zu bewegen, und zwischen dem Zeitpunkt t6 und einem Zeitpunkt t7 wird sie mit konstanter Beschleunigung verringert. Im Zeitpunkt t7 steht der Z-Tisch 207 in einer Bereitschaftsstellung (in welcher sich der Z-Tisch 207 während der Bearbeitung befindet und die Spitze des Bohrers 251 sich beispielsweise in einem Abstand von 1 mm von der Oberfläche der Leiterplatte 252 befindet).
Im Arbeitsgang vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t7 wird ein Loch gebohrt. Der oben erwähnte Arbeitsgang wird wiederholt (beispielsweise zwischen dem Zeitpunkt t7 und einem Zeitpunkt t8), bis die Leiterplatte 252 vollständig bearbeitet ist.
Wie oben beschrieben, werden der X-Tisch 7 und der Z-Tisch 207 während des Bohrvorgangs mit einem Muster plötzlicher Beschleunigungen und Verzögerungen wiederholt bewegt und angehalten.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des aktiven Massendämpfers 3 beschrieben. Dabei liegt der Ursprung der Bewegung des Gewichts 18 beim Beginn der Bearbeitung (beispielsweise im Zeitpunkt t0) in der Mitte des Bewegungshubs des Gewichts 18.
Zeitraum (1) vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 Dies ist eine Beschleunigungsphase des X-Tischs 7. Das Drehmoment-Befehlssignal 60 für den X-Motor beträgt Txm. Das vom X-Motortreiber 43 ausgegebene Drehmoment-Befehlssignal 60 für den X-Motor wird im Koeffizientenmultiplizierer 300 mit einem Koeffizienten multipliziert und dem Addierer 302 zugeführt. Andererseits wird das vom Z-Motortreiber 243 ausgegebene Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor im Koeffizientenmultiplizierer 301 mit einem Koeffizienten multipliziert und ebenfalls dem Addierer 302 zugeführt. Der Z-Tisch 207 ist jedoch in diesem Zeitraum angehalten. Somit ist das Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor gleich null. Demzufolge ist der Ausgangswert des Addierers 302 gleich dem Ausgangswert des Koeffizientenmultiplizierers 300.
Der Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 47 und der Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 49 werden von dem im Koeffizientenmultiplizierer 44 mit einem Koeffizienten multiplizierten Ausgang des Addierers 302 subtrahiert. Das Resultat der Subtraktion wird dem Treiber 41 zugeführt. Dabei ist das Vorzeichen des dem Treiber 41 zugeführten Signals abhängig vom Vorzeichen eines dem Motor 11a zugeführten Stroms. Das Vorzeichen des dem Treiber 41 zugeführten Signals wird derart eingestellt, dass die Beschleunigungsrichtung des Gewichts 18 der Beschleunigungsrichtung des X-Tischs 7 entgegengesetzt ist.
Demzufolge wird die beim Beginn der Bewegung des X-Tischs 7 erzeugte horizontale Kraft durch die von der Bewegung des Gewichts 18 erzeugte horizontale Kraft aufgehoben (oder abgeschwächt). Dementsprechend treten in der Bohrmaschine 2 keine Pendelschwingungen auf und auch keine Vibrationen des Bodens.
Auf diese Weise kann das Auftreten von Bodenvibrationen bei dieser Ausführungsform dank der Vorwärtssteuerung des Gewichts 18 über das Drehmoment-Befehlssignal ohne zeitliche Verzögerung verhindert werden.
Zudem werden vom Geber 17 ausgegebene Impulssignale vom Impulszähler 45 gezählt und in eine Verschiebung des Gewichts 18 umgesetzt. Die sich ergebende Verschiebung wird im Koeffizientenmultiplizierer 47 mit einem Koeffizienten multipliziert und dem Addierer 52 zugeführt (d.h. die Verschiebung des Gewichts 18. wird auf das Antriebssignal des Motors 11b rückgekoppelt). Gleichzeitig wird die Verschiebung des Gewichts 18 durch den Differenzierer 48 in ein Geschwindigkeitssignal umgewandelt, im Koeffizientenmultiplizierer 49 mit einem Koeffizienten multipliziert und dem Addierer 52 zugeführt (d.h. die Geschwindigkeit des Gewichts wird auf das Antriebssignal des Motors 11b rückgekoppelt). Damit wird verhindert, dass das Gewicht 18 durch übermässige Verschiebung auf die Lagerböcke 19a, 19b oder dergleichen prallt.
Wenn die Rückkopplung dabei zu stark wirkt, wird die Beschleunigung des Gewichts 18 so niedrig, dass die Wirkung gegenüber den Bodenvibrationen abgeschwächt wird. Deshalb wird der Koeffizient des Koeffizientenmultiplizierers 47 durch Versuche oder dergleichen auf einen geeigneten Wert eingestellt.
Zeitraum (2) vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 Hier handelt es sich um eine Verzögerungsphase des X-Tischs 7, und das Drehmoment-Befehlssignal 60 für den X-Motor beträgt -Txm.
In diesem Fall wird die Verzögerungsrichtung des Gewichts 18 gegenüber der Verzögerungsrichtung des X-Tischs 7 umgekehrt, so dass die beim Anhalten des X-Tischs 7 erzeugte horizontale Kraft durch die von der Bewegung des Gewichts 18 erzeugte horizontale Kraft in der gleichen Weise wie im zuvor erwähnten Zeitraum (1) aufgehoben (oder abgeschwächt) wird. Dementsprechend treten in der Bohrmaschine 2 keine Pendelschwingungen auf, und auch keine Vibrationen des Bodens.
Zeitraum (3) vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 Hier handelt es sich um eine Beschleunigungsphase des Z-Tischs 207, und das Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor beträgt -Tzm. Das vom Z-Motortreiber 243 ausgegebene Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor wird im Koeffizientenmultiplizierer 301 mit einem Koeffizienten multipliziert und dem Addierer 302 zugeführt. Andererseits ist der X-Tisch 7 in diesem Zeitraum angehalten. Somit ist das Drehmoment-Befehlssignal 60 für den X-Motor gleich null. Folglich ist der Ausgangswert des Addierers 302 gleich dem Ausgangswert des Koeffizientenmultiplizierers 301.
Daraufhin wird dem Treiber 41 auf die gleiche Weise wie im zuvor erwähnten Zeitraum (1) ein Signal zugeführt, welches die Beschleunigungsrichtung des Gewichts 18 gegenüber der Beschleunigungsrichtung des Z-Tischs 207 umkehrt.
Demzufolge wird die Pendelschwingung infolge der beim Anlaufen des Z-Tischs 207 erzeugten vertikalen Kraft durch die von der Bewegung des Gewichts 18 erzeugte horizontale Kraft aufgehoben (oder abgeschwächt). Dementsprechend treten in der Bohrmaschine 2 keine Pendelschwingungen auf, und auch keine dadurch verursachten Bodenvibrationen.
Auf diese Weise kann das Auftreten von Bodenvibrationen bei dieser Ausführungsform dank der vorwärtsgekoppelten Steuerung des Gewichts 18 über das Drehmoment-Befehlssignal 160 des Z-Motors ohne zeitliche Verzögerung verhindert werden.
Zeitraum (4) vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t5 In diesem Zeitraum ist der X-Tisch 7 angehalten, und der Z-Tisch 207 bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit. Somit sind die Motordrehmoment-Befehlssignale 60 und 160 gleich null. Demzufolge wird das Gewicht 18 durch die Rückkopplungssteuerung der Position und der Geschwindigkeit des Gewichts 18 zu dessen Ursprung zurückgeführt.
Zeitraum (5) vom Zeitpunkt t5 bis zum Zeitpunkt t6 In diesem Zeitraum wird der Z-Tisch 207 in Abwärtsrichtung verzögert und in Aufwärtsrichtung beschleunigt. Das Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor beträgt Tzm.
Dabei ist die Beschleunigungsrichtung des Gewichts 18 der Richtung der Verzögerung in Abwärtsrichtung und der Richtung der Beschleunigung in Aufwärtsrichtung des Z-Tischs 207 entgegengesetzt. Folglich wird die durch die Bewegung des Z-Tischs 207 verursachte Pendelschwingung durch die von der Bewegung des Gewichts 18 erzeugte horizontale Kraft in der gleichen Weise wie im zuvor erwähnten Zeitraum (2) aufgehoben (oder abgeschwächt). Dementsprechend treten in der Bohrmaschine 2 keine Pendelschwingungen auf und auch keine dadurch verursachten Bodenvibrationen.
Zeitraum (6) vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 Hier handelt es sich um eine Verzögerungsphase des Z-Tischs 207, und das Drehmoment-Befehlssignal 160 für den Z-Motor beträgt -Tzm. Dabei ist die Verzögerungsrichtung des Gewichts 18 der Verzögerungsrichtung des Z-Tischs 207 entgegengesetzt. Somit treten wie im zuvor erwähnten Zeitraum (5) in der Bohrmaschine 2 keine Pendelschwingungen auf und auch keine dadurch verursachten Bodenvibrationen.
In der vorangehenden Beschreibung wurde angenommen, dass die Positionierungssteuerung des X-Tischs, die Positionierungssteuerung des Z-Tischs und die Steuerung des aktiven Massendämpfers den Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Befehlsignalen ohne Verzögerung folgen. Tatsächlich reagieren jedoch sowohl die Positionierungssteuerung des X-Tischs als auch die Positionierungssteuerung des Z-Tischs und die Steuerung des aktiven Massendämpfers jeweils verzögert.
Das Verhalten des Gewichts 18 im Fall einer verzögerten Reaktion wird nachfolgend anhand des Resultats einer Simulation beschrieben.
Die Simulation wurde nach dem folgenden Verfahren durchgeführt:

(1) Es werden Simulationsmodelle der Positionierungssteuerung des X-Tischs, der Positionierungssteuerung des Z-Tischs und der Steuerung des aktiven Massendämpfers erstellt.
(2) Ein Positionierungssignal für den X-Tisch und ein Positionierungssignal für den Z-Tisch werden in das Modell der Positionierungssteuerung des X-Tischs und in das Modell der Positionierungssteuerung des Z-Tischs eingegeben, um das Verhalten des X-Tischs bzw. des Z-Tischs zu simulieren.

Die Bewegungsrichtung des X-Tischs 7 wird auf rechts in 1 gestellt.
(3) Anhand eines realen Drehmoment-Befehlssignals für den X-Motor und eines realen Drehmoment-Befehlssignals für den Z-Motor in der Simulation nach Abschnitt (2) wird die Steuerung des aktiven Massendämpfers simuliert und das Verhalten des Gewichts 18 aufgezeichnet.
Die 5A–5G zeigen Diagramme eines beispielhaften Ergebnisses der Simulation.
5A zeigt ein Signal entsprechend der zweiten Ableitung nach der Zeit eines Positionierungssignals für den X-Tisch gemäss 4C, welches Signal ein ideales Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motor darstellt.
5B zeigt ein reales Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motor beim Antrieb des X-Tischs 7 gemäss dem Positionierungssignal für den X-Tisch. D.h. auch wenn ein Signal mit der Wellenform gemäss 5A als Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motor eingegeben wird, weist das tatsächliche Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motor aufgrund der Reaktionsverzögerung der Positionssteuerung für den X-Tisch die Wellenform gemäss 5B auf.
5C zeigt ein Signal entsprechend der zweiten Ableitung nach der Zeit eines Positionierungssignals für den Z-Tisch ähnlich 4D, welches Signal ein ideales Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motor darstellt.
5D zeigt das reale Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motor beim Antrieb des Z-Tischs 207 gemäss dem Positionierungssignal für den Z-Tisch. Dies bedeutet, dass auch wenn ein Signal mit der Wellenform gemäss 5C als Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motor eingegeben wird, das tatsächliche Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motor gleich wie beim X-Motor aufgrund der Reaktionsverzögerung der Positionssteuerung für den Z-Tisch die Wellenform gemäss 5D aufweist.
5E zeigt ein Ausgangssignal, welches gebildet wird, indem ein durch die Multiplikation des Drehmoment-Befehlssignals 60 für den X-Motor gemäss 3 mit einem im Koeffizientenmultiplizierer 300 definierten Koeffizientenwert und ein durch die Multiplikation des Drehmoment-Befehlssignals 160 für den Z-Motor mit einem im Koeffizientenmultiplizierer 301 definierten Koeffizientenwert im Addierer 302 aufeinander addiert werden.
Wenn der X-Tisch 7 in 1 nach rechts bewegt wird (wobei das X-Motor-Drehmomentsignal positiv ist), wirkt eine Kraft (Pendelkraft) im Gegenuhrzeigersinn auf die Bohrmaschine. Andererseits wirkt eine Kraft (Pendelkraft) im Uhrzeigersinn auf die Bohrmaschine, wenn der Z-Tisch abgesenkt wird (wobei das Z-Motor-Drehmomentsignal positiv ist). Deshalb ist der Koeffizientenwert des Koeffizientenmultiplizierers 300 hierbei positiv eingestellt und der Koeffizientenwert des Koeffizientenmultiplizierers 301 negativ, so dass die Polarität der Drehmomentwerte jeweils der Richtung der entsprechenden Pendelkraft entspricht.
5F zeigt eine Verschiebung des gemäss dem in 5E dargestellten Signal angetriebenen Gewichts 18, wobei in den Koeffizientenmultiplizierern 47 und 49 geeignete Werte (für die Rückkopplung der Geschwindigkeit und der Verschiebung) eingestellt sind. Wie 5F zeigt, nähert sich die Verschiebung des Gewichts 18 während des Zeitraums (zwischen t10 und t11 oder zwischen t20 und t21 in 5E), in welchem der Summwert des Drehmoment-Befehlssignals für den X-Motor und des Drehmoment-Befehlssignals für den X-Motor im wesentlichen gleich null ist, allmählich dem Nullpunkt (Ursprung).
5G dient zur Erklärung der Wirkung der Erfindung. 5G zeigt das Verhalten bei Werten der Koeffizientenmultiplizierer 47 und 49 gleich null, d.h. wenn die Geschwindigkeit und die Verschiebung nicht rückgekoppelt werden. Wie 5G zeigt, wird die Verschiebung des Gewichts 18 ohne Rückkopplung der Geschwindigkeit und der Verschiebung immer dann grösser, wenn sich der X-Tisch 7 bewegt. Demgemäss ist zur Vermeidung von Kollisionen des Gewichts 18 mit dessen Anschlag der Bewegungsbereich des Gewichts 18 zu vergrössern oder es sind häufige Wartungs- und Inspektionsarbeiten durchzuführen.
Wenn sich das Gewicht des X-Tischs 7 oder die Höhenlage des X-Tischs 7 ändert, verändert sich die auf die Bohrmaschine 2 wirkende Pendelkraft trotz eines unveränderten Drehmomentsignals des X-Motors. Das gleiche gilt für den Z-Tisch. Daher werden die Absolutwerte der in den Koeffizientenmultiplizierern 300 und 301 eingestellten Koeffizienten auf der Grundlage des Gewichts des X-Tischs 7 und des Gewichts des Z-Tischs 207, deren Befestigungsposition usw. festgelegt.
Wie oben beschrieben, können durch den Einsatz des erfindungsgemässen aktiven Massendämpfers bei einer Bohrmaschine die durch die plötzliche Beschleunigung/Verzögerung des Z-Tischs verursachten Pendelschwingungen vermieden werden, so dass der X-Tisch 7 nicht vibriert. Dies gestattet eine erhöhte Bearbeitungsgenauigkeit.
Ausserdem kann das Gewicht 18 auch bei wiederholten Bewegungen entsprechend den Bewegungen des X-Tischs 7 und des Z-Tischs 207 ausgehend von einem Bereich nahe um seinen Nullpunkt herum bewegt werden. Damit kann der aktive Massendämpfer verkleinert werden. So kann der aktive Massendämpfer auch bei einer bereits im Betrieb stehenden Bohrmaschine ohne aktiven Massendämpfer einfach nachgerüstet werden.
Bei dieser Ausführung wird das Drehmoment des Motors 11b vom Treiber 41 über das vom X-Motortreiber 43 ausgegebene Drehmoment-Befehlssignal für den X-Motor und das vom Z-Motortreiber 243 ausgegebene Drehmoment-Befehlssignal für den Z-Motor gesteuert. Zur Steuerung des Gewichts 18 kann jedoch auch ein vom Controller 42 ausgegebenes Geschwindigkeits-Steuersignal des X-Tischs 7 und ein vom Controller 242 ausgegebenes Geschwindigkeits-Steuersignal des Z-Tischs 207 verwendet werden, um die Drehzahl des Motors 11b über den Treiber 41 zu steuern.
Diese Ausführungsform wurde für den Fall beschrieben, dass nur ein aktiver Massendämpfer 3 vorhanden ist. Es können jedoch auch auf gegenüberliegenden Seiten des Betts 6 aktive Massendämpfer 3 angeordnet sein. Falls die aktiven Massendämpfer 3 auf gegenüberliegenden Seiten des Betts 6 angeordnet sind, wirkt lediglich eine horizontale Kraft auf das Bett 6. Somit kann eine grössere Wirkung als bei nur einem aktiven Massendämpfer 3 erzielt werden.

Claims

Aktiver Massendämpfer (3), enthaltend: einen Träger (10b) zur horizontal beweglichen Halterung eines Gewichts (18); eine Antriebseinheit (11b) zum Antrieb des Gewichts; und eine Steuerung für die Antriebseinheit des Gewichts; wobei der aktive Massendämpfer derart in einer Bearbeitungsvorrichtung (2) angeordnet ist, dass die Bewegungsrichtung des Gewichts parallel zur Bewegungsrichtung eines ersten beweglichen Teils (7) der Bearbeitungsvorrichtung verläuft; und die genannte Steuerung die Antriebseinheit des Gewichts derart steuert, dass in der Bearbeitungsvorrichtung erzeugte Schwingungen unterdrückt werden durch vorwärtsgekoppelte Steuerung ausgehend von einem Drehmoment-Befehlssignal für einen Antriebsteil des ersten beweglichen Teils sowie einem Drehmoment-Befehlssignal für einen Antriebsteil eines zweiten beweglichen Teils (207), dessen Bewegungsrichtung sich von derjenigen des ersten beweglichen Teils unterscheidet, sowie durch Rückkopplungssteuerung ausgehend von einer Verschiebung des Gewichts (18).
Massendämpfer (3) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rückkopplungssteuerung das Gewicht (18) zu einem festen Nullpunkt zurückbewegbar ist.
Massendämpfer (3) gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorwärtkopplung eine Bewegung der Masse (18) bewirkbar ist, die Kräfte erzeugt, die den Kräften durch die Bewegung der beweglichen Teile (7, 207) entgegengerichtet sind.