DE102005056603B4

DE102005056603B4 - Verfahren zur Reduktion von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingungen eines Maschinenelementes und/oder eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102005056603B4
Application number: DE102005056603.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hamann Jens; Dr. Schäfers Elmar; Dr. Tröndle Hans-Peter; Bernd Wedel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: WO2007060063A1; DE102005056603A1; US8360697B2; JP5008674B2; JP2009517228A; CN101316679A; US20100247261A1

Abstract

Verfahren zur Reduktion von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingungen eines Maschinenelements (7,8) und/oder eines Werkstücks (5) bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine (1), wobei eine Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) automatisiert an das Maschineelement (7,8) und/oder an das Werkstück (5) angebracht wird, wobei die Masse der Zusatzmasse (9a,9b,9c) an den Bearbeitungsvorgang angepasst ist, wobei ein Regelparameter der Maschine (1) für den Bearbeitungsvorgang an die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) angepasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingungen eines Maschinenelements und/oder eines Werkstücks bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine diesbezügliche Maschine.
Bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder bei Robotern treten häufig während eines Bearbeitungsvorgangs, insbesondere wenn große Kräfte bei dem Bearbeitungsvorgang auftreten Schwingungen an Maschinenelementen der Maschine und/oder am Werkstück, auf.
Insbesondere bei Werkzeugmaschinen, treten infolge der oft geforderten starken Spanabnahme um kurze Bearbeitungszeiten eines zu bearbeitenden Werkstücks zu gewährleisten, so genannte Ratterschwingungen an den Maschinenelementen der Maschine und/oder am Werkstück auf. Die Schwingungen wirken sich negativ auf die Bearbeitungsgüte des Werkstücks aus.
Aus der Druckschrift GB 1179217 ist eine Werkzeugmaschine mit einer Dämpfungseinheit zur Unterdrückung von Schwingungen bekannt. Zur Anpassung der Dämpfungseinheit an eine Schwingfrequenz kann die Steifigkeit eines Absorberelements variiert werden.
Aus der Patentschrift US 5,494,269 ist ebenfalls die Verwendung eines Dämpfungselements zur Unterdrückung von Schwingungen bei einer Werkzeugmaschine bekannt.
Aus der Druckschrift JP 051 77495 A ist die Anbringung eines Gewichts an einen Werkzeughalter bekannt.
Aus der Patentschrift US 5,240,358 ist die Anbringung von Ausgleichgewichten zum Auswuchten von Werkzeugen bekannt.
Aus der Druckschrift EP 1 621 285 A2 ist die Anbringung einer Ausgleichsmasse zur Unterdrückung von Schwingungen an einem rotierenden Werkstücktisch bekannt. Ein Controller ermittelt die Masse und Position der Ausgleichsmasse. Die Anbringung der Ausgleichsmasse kann auch automatisiert erfolgen.
Aus der Druckschrift JP 05272592 A ist die Auswuchtung einer Schleifscheibe mittels einer automatischen Flüssigkeitstyp-Ausgleichseinrichtung bekannt.
Aus der Druckschrift DE 699 34 251 T2 sind eine NC-Werkzeugmaschine und ein Verfahren zur Steuerung der NC-Werkzeugmaschine bekannt, bei denen eine automatische Anpassung von Regelparametern an das sich während der Bearbeitung eines Werkstücks verändernde Gewicht des Werkstücks erfolgt.
Aus der Druckschrift DE 191 16869 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswuchten von rotierenden Körpern bekannt, bei denen mindestens ein Massenelement in einer an dem rotierenden Körper befindlichen Halterungseinrichtung durch Magnethaftung gehalten wird. Eine ortsfeste Versetzungsvorrichtung wird derart gesteuert, dass ein Massenelement in die Halterungseinrichtung eingefügt, von der Halterungseinrichtung entfernt oder in der Halterungseinrichtung auf eine definierte Umfangsposition des rotierenden Körpers versetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, während eines Bearbeitungsvorgangs auftretende Schwingungen eines Maschinenelements einer Maschine und/oder eines Werkstücks zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen der Maschine und umgekehrt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Zusatzmasse in der Nähe des Bearbeitungsvorgangs an dem Maschineelement und/oder an dem Werkstück angebracht wird, da dann die Schwingungen des Maschinenelements besonders effektiv reduziert werden können.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Zusatzmasse symmetrisch am Maschineelement und/oder am Werkstück angebracht wird. Durch diese Maßnahme können eventuell an das Maschinenelement durch die Zusatzmasse bedingte Kippmomente vermieden werden.
Ferner erweist sich als vorteilhaft, wenn zum Anbringen der Zusatzmasse das Maschinenelement und/oder das Werkstück einen Greifer, eine Klemmvorrichtung und/oder eine magnetische Halterung aufweisen. Ein Greifer, eine Klemmvorrichtung und/oder eine magnetische Halterung ermöglichen eine einfache Anbringung der Zusatzmasse.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Anbringen der Zusatzmasse mit Hilfe einer automatischen Wechseleinrichtung erfolgt, die die Auswahl mehrer Zusatzmassen mit unterschiedlichen Massen ermöglicht. Mit Hilfe einer Wechseleinrichtung können auf einfache Art und Weise mehrere Zusatzmassen mit unterschiedlichen Massen ausgewählt werden und somit eine für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang optimierte Zusatzmasse an das Maschinenelement angebracht werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Regelparameter der Maschine für den Bearbeitungsvorgang an die Masse der Zusatzmasse angepasst wird. Durch diese Maßnahme lässt sich eine besonders gute Bearbeitungsgüte erzielen.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Masse der Zusatzmasse an den Bearbeitungsvorgang derart angepasst ist, dass mit ansteigenden für den Bearbeitungsvorgang notwendigen Bearbeitungskräften und/oder einer ansteigenden Zustellung des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs, die Masse der Zusatzmasse zunimmt. Durch diese Maßnahme wird eine optimale Reduktion der Schwingungen erzielt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei Auftreten von Schwingungen, der Bearbeitungsvorgang automatisch unterbrochen wird, die Zusatzmasse angebracht wird und anschließend der Bearbeitungsvorgang automatisch fortgesetzt wird. Diese Maßnahme ermöglicht eine automatische Reaktion der Maschine bei Auftreten von Schwingungen.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei Auftreten von Schwingungen, die Zusatzmasse während des Bearbeitungsvorgangs angebracht wird. Durch diese Maßnahme wird die Gesamtbearbeitungszeit verkürzt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Masse der Zusatzmasse derart an den Bearbeitungsvorgang angepasst ist, dass die Masse der Zusatzmasse in Anhängigkeit von einer dominierenden Frequenz (z.B. Schneideeingriffsfrequenz) der Schwingungen gewählt wird. Durch diese Maßnahme lässt sich eine optimale Reduktion der Schwingungen erzielen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und
2 eine Möglichkeit der Anbringung der Zusatzmasse an das Maschinenelement.

In 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Die Werkzeugmaschine 1 weist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 2 auf mittels derer die Werkzeugmaschine 1 gesteuert wird, wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung hierzu mit den Antrieben der Werkzeugmaschine kommuniziert, was durch eine Verbindung 11 angedeutet ist. Die Maschine 1 weist einen Antrieb 8 auf, der einen Fräser 6 antreibt. Der Antrieb 8 kann in vertikaler Richtung, mittels eines in der 1, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Antriebs, verfahren werden, was durch einen Pfeil 4 angedeutet ist, verfahren werden. Weiterhin weist die Maschine 1 eine Werkstückhaltevorrichtung 7 auf, in die ein Werkstück 5 eingespannt ist. Die Werkstückhaltevorrichtung 7 kann in waagerechte Richtung, mittels eines in der 1, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Antriebs, verfahren werden, was durch einen Pfeil 3 angedeutet ist. Weiterhin weist die Maschine 1 eine Wechseleinrichtung 10 auf, an der verschiedene Zusatzmassen, die jeweils eine unterschiedliche Masse besitzen, befestigt sind. In dem Ausführungsbeispiel sind dies die Zusatzmassen 9b und 9c.
Soll nun ein Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden, d.h. in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Fräsvorgang, bei dem eine starke Spanabnahme gewünscht ist und Schwingungen, insbesondere Ratterschwingungen aufgrund der auftretenden hohen Bearbeitungskräfte bei dem Bearbeitungsvorgang zu erwarten sind, so wird erfindungsgemäß zur Reduktion der Schwingungen eines Maschinenelements, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form des Antriebs 8 vorliegt, eine Zusatzmasse 9a vor dem Bearbeitungsvorgang an den Antrieb 8 automatisiert angebracht. Zum Anbringen der Zusatzmasse wird der Antrieb 8 in vertikaler Richtung automatisiert nach unten verfahren und nimmt über die Wechseleinrichtung 10 automatisiert eine Zusatzmasse auf. In der Darstellung gemäß 1 ist bereits die Zusatzmasse 9a an den Motor 8 angebracht. Zum Anbringen der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) kann das Maschinenelement und/oder das Werkstück einen Greifer, eine Klemmvorrichtung und/oder eine magnetische Halterung aufweisen, die der Übersichtlichkeit halber in 1 und 2 nicht dargestellt sind.
Infolge der vergrößerten Massenträgheit des Maschinenelements 8, durch Anbringen der Zusatzmasse 9a, werden die am Antrieb 8 auftretenden Schwingungen frequenzunabhängig stark reduziert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Zusatzmasse oder eine weitere Zusatzmasse auch an ein anderes Maschinenelement, wie z.B. an die Werkstückhaltevorrichtung 7, automatisiert angebracht werden und/oder direkt an das Werkstück 5 automatisiert angebracht werden. Dies kann z.B. über eine, der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht mehr dargestellte, weitere Wechseleinrichtung geschehen. Vorzugsweise sollte die Zusatzmasse in der Nähe des Bearbeitungsvorgangs an die Maschinenelemente und/oder an dem Werkstück angebracht werden, da hinsichtlich der Reduktion von Schwingungen des Maschinenelements oder des Werkstücks eine nahe Anbringung am Bearbeitungsvorgang am effektivsten wirkt.
Die Masse der Zusatzmasse muss dabei jeweils so an den Bearbeitungsvorgang angepasst sein, dass diese eine ausreichende Größe besitzt, um die Reduktion von Schwingungen zu ermöglichen. Vorzugshalber sollte deshalb die Masse der Zusatzmasse an den Bearbeitungsvorgang derart angepasst sein, dass mit ansteigendem für den Bearbeitungsvorgang notwendigen Bearbeitungskräften, die Masse der Zusatzmasse zunimmt.
Nachdem der mit einer starken Spanabnahme verbundene Bearbeitungsvorgang beendet ist, kann sich z.B. ein Schlichtbearbeitungsvorgang anschließen. Bei diesem treten aber im Allgemeinen nur kleine Bearbeitungskräfte auf, und damit verbunden auch nur sehr kleine Schwingungen des Maschinenelementes und/oder des Werkstücks auf. Die Schichtbearbeitung soll aber in der Regel möglichst schnell durchgeführt werden, so dass die Maschinenachsen der Maschinen, d.h. in dem Ausführungsbeispiel die Werkstückhaltevorrichtung 7 und der Antrieb 8, möglichst mit hoher Dynamik während des Bearbeitungsvorgangs verfahren werden sollen. Hierbei würde sich die Zusatzmasse 9a, welche eine relativ große Masse aufweist, störend bemerkbar machen, da sie die Dynamik der Maschine einschränkt. Deshalb wird vor dem Schichtvorgang die Zusatzmasse 9a mit Hilfe der Wechseleinrichtung 10 entweder durch eine Zusatzmasse, welche eine kleinere Masse besitzt, ausgetauscht, oder die Zusatzmasse 9a wird von der Wechseleinrichtung 10 aufgenommen, ohne dass eine neue Zusatzmasse automatisiert an den Antrieb 8 angebracht wird.
Wie schon oben erwähnt, wirkt sich die Zusatzmasse je nach ihrer Masse auf die Dynamik der Bewegungsführung der Maschinenachsen der Maschine 1 aus. Je größer die Masse der Zusatzmasse 9a ist, umso langsamer kann der Antrieb 8 in vertikaler Richtung verfahren werden. Deshalb ist es sinnvoll, um einen optimalen Bearbeitungsvorgang sicher zu stellen, dass die Regelparameter der Maschine für den Bearbeitungsvorgang an die Masse der Zusatzmasse angepasst werden. So ist es von Vorteil, wenn mit zunehmender Masse der Zusatzmasse, die Verstärkung, der für die Bewegungsführung der Zusatzmasse 9a zuständigen Regler (z.B. Lageregler, Geschwindigkeitsregler) innerhalb der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 2 mit zunehmender Masse der Zusatzmasse verringert wird.
In 2 ist eine Draufsicht des Antriebs 8, an dem die Zusatzmasse 9a angebracht ist, dargestellt. Die Zusatzmasse 9a ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 symmetrisch an dem Antrieb 8 angebracht, wobei die Symmetrielinie strichpunktiert gezeichnet angedeutet ist. Durch die symmetrische Anbringung der Zusatzmasse an das Maschinenelement können z.B. Kippmomente vermieden werden. Dabei ist es auch möglich, was in der Darstellung gemäß 2 gestrichelt gezeichnet angedeutet ist, die Zusatzmasse 9a in zwei Teilmassen 12a und 12b aufzuteilen und diese symmetrisch links und rechts an dem Antrieb 8 anzubringen.
Selbstverständlich muss die Zusatzmasse nicht unbedingt vor dem Bearbeitungsvorgang angebracht werden, sondern es können z.B. mittels eines Schwingungssensors 13 und/oder einer Auswertung der Antriebsströme des Antriebs 8 die Schwingungen von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 2 detektiert werden, die dann den Bearbeitungsvorgang unterbricht und das Anbringen der Zusatzmasse steuert. Anschließend wird der Bearbeitungsvorgang fortgesetzt. Das Anbringen der Zusatzmasse kann jedoch auch während des Bearbeitungsvorgangs durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Reduktion von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingungen eines Maschinenelements (7,8) und/oder eines Werkstücks (5) bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine (1), wobei eine Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) automatisiert an das Maschineelement (7,8) und/oder an das Werkstück (5) angebracht wird, wobei die Masse der Zusatzmasse (9a,9b,9c) an den Bearbeitungsvorgang angepasst ist, wobei ein Regelparameter der Maschine (1) für den Bearbeitungsvorgang an die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) in der Nähe des Bearbeitungsvorgangs an dem Maschineelement (7,8) und/oder an dem Werkstück (5) angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) symmetrisch am Maschinenelement (7,8) und/oder am Werkstück (5) angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zum Anbringen der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) das Maschinenelement und/oder das Werkstück einen Greifer, eine Klemmvorrichtung und/oder eine magnetische Halterung aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Anbringen der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) mit Hilfe einer automatischen Wechseleinrichtung (10) erfolgt, die die Auswahl mehrer Zusatzmassen (9a, 9b, 9c) mit unterschiedlichen Massen ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Masse der Zusatzmasse (9a,9b,9c) an den Bearbeitungsvorgang derart angepasst ist, dass mit ansteigenden für den Bearbeitungsvorgang notwendigen Bearbeitungskräften und/oder einer ansteigenden Zustellung des Werkstücks (5) und/oder eines Werkzeugs (6), die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass bei Auftreten von Schwingungen, der Bearbeitungsvorgang automatisch unterbrochen wird, die Zusatzmasse angebracht wird und anschließend der Bearbeitungsvorgang automatisch fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass bei Auftreten von Schwingungen, die Zusatzmasse während des Bearbeitungsvorgangs angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) derart an den Bearbeitungsvorgang angepasst ist, dass die Masse der Zusatzmasse (9a,9b,9c) in Anhängigkeit von einer dominierenden Frequenz der Schwingungen gewählt wird.
Maschine, wobei die Maschine als Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter ausgebildet ist, wobei die Maschine (1) ein Maschinenelement (7,8) aufweist, wobei die Maschine (1) derart ausgebildet ist, dass eine Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) automatisiert an das Maschineelement (7,8) und/oder an ein Werkstück (5) angebracht wird, wobei die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) an den Bearbeitungsvorgang angepasst ist, wobei die Maschine derart ausgebildet ist, dass ein Regelparameter der Maschine (1) für den Bearbeitungsvorgang an die Masse der Zusatzmasse (9a, 9b, 9c) angepasst wird.