DE102006049867B4

DE102006049867B4 - Werkzeugmaschine und Verfahren zur Unterdrückung von Ratterschwingungen

Info

Publication number: DE102006049867B4
Application number: DE102006049867.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Ladra; Gabriele Schmitt-Braess; Dr. Schäfers Elmar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: US20100032879A1; US8157252B2; JP5197614B2; WO2008049764A1; JP2010507489A; DE102006049867A1

Abstract

Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung (10) zur Einspannung eines Werkstücks (9) aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) mittels eines Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) bewegbar sind, wobei der Piezoaktor (11a,11b,11c,11d) dermaßen angesteuert wird, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs (6) folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) mittels einer Regeleinrichtung (14) erfolgt, wobei die Regeleinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeitsdifferenz (vD) von Geschwindigkeit (vWST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) geregelt wird und wobei die Regeleinrichtung (14) zur Regelung der Geschwindigkeitsdifferenz (vD) einen Regler (16) und ein dem Regler vor- oder nachgeschaltetes Übertragungsglied (21) aufweist, wobei die komplexe Übertragungsfunktion (H(s))des Übertragungsglieds (21) derart ausgebildet ist, dass bei einer zu unterdrückenden Frequenz (f0) der Schwingung, die Übertragungsfunktion (H(s))eine Polstelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung zur Einspannung eines Werkstücks aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein hierzu korrespondierendes Verfahren.
Bei Werkzeugmaschinen treten, insbesondere bei einer Fräs- oder Drehbearbeitung, zwischen Werkzeug und Werkstück Bearbeitungskräfte auf. In Abhängigkeit von der dynamischen Nachgiebigkeit der Werkzeugmaschinen einerseits, aber auch geprägt durch Technologieparameter des Schneidprozesses und des Werkstückmaterials andererseits, entsteht am Werkzeug ein Wirkungskreis, der die Bearbeitungskräfte und die daraus resultierenden Auslenkungen des Werkzeugs in Relation setzt. Ein solcher Wirkungskreis kann zur Instabilität gebracht werden, wenn z.B. bei der benötigten Schneidfrequenz die Schnittbreite zu hoch gewählt wird, d.h. wenn zu schnell zugestellt wird. Infolge entstehen an Maschinenelementen, am Werkzeug und/oder am Werkstück Schwingungen, insbesondere sogenannte Ratterschwingungen. Diese akustisch deutlich wahrnehmbaren Ratterschwingungen hinterlassen auf der Werkstückoberfläche sogenannte Rattermarken, die in der Regel für die Oberflächenqualität nicht akzeptierbar sind. Aus diesem Grund müssen Maßnahmen getroffen werden, um die Schwingungen zu vermeiden.
Eine gängige Vorgehensweise besteht darin, den Schneidprozess konservativer zu gestalten, in dem die eigentlich gewünschte Schnittbreite reduziert wird. Diese Maßnahme bedeutet jedoch eine Erhöhung der Bearbeitungszeit und damit eine Effizienzminderung der Maschine.
Ein anderer Weg besteht darin, die dynamische Nachgiebigkeit der Werkzeugmaschine zu ermitteln und darin auftretende kritische Resonanzen durch eine Modalanalyse den einzelnen Maschinenbereichen zuzuordnen. Durch eine solche Analyse lässt sich feststellen, welche Bereiche der Maschine im Vergleich zum Schneidprozess eine zu große Nachgiebigkeit besitzen und damit ursächlich verantwortlich sind für die Ratterschwingungen, d.h. das Rattern. Entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse Abhilfe zu schaffen, ist jedoch schwierig. Zumeist lässt sich die Maschinennachgiebigkeit in den entsprechenden Frequenzbereichen nicht durch eine gezielte Maßnahme (z.B. Steifigkeitserhöhung diskreter Bauteile der Maschine) verringern, vielmehr ist oft eine umfangreiche Umkonstruktion oder sogar eine Konzeptänderung der Maschine notwendig. Bei einer bereits existierenden Maschine ist dieser Weg ohnehin nicht gangbar.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 25 20 946 A1 ist ein Verfahren zur Verhinderung oder Beseitigung von Ratterschwingungen einer Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt.
Aus der DE 698 04 982 T2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Empfehlen von dynamischen bevorzugten Bearbeitungsgeschwindigkeiten bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 44 05 660 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer spanabhebenden Werkzeugmaschine, insbesondere einer Kreissäge-, Fräs-, Schleifmaschine oder dergleichen bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 29 134 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Werkstückbearbeitung mit rotierenden Werkzeugen bekannt, bei der zur Reduzierung von Schwingungen ein rotierendes Werkzeug durch eine in einem drehendem System zwischen Antriebswelle und Werkzeug angebrachte Verstelleinheit bezüglich der Antriebswelle dynamisch bewegt wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 198 25 373 A1 ist eine Einspannung eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme bekannt, wobei auftretende Schwingungen mit Hilfe eines nachgiebigen eine hohe Dämpfung aufweisenden Elements, das in den Kraftfluss zwischen dem Werkzeug und der Werkzeugaufnahme eingefügt ist, reduziert werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 20 937 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung einer auftretenden Ratterschwingung bei einer Bearbeitungsmaschine bekannt.
Aus der Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2005 057 175.1 beim Deutschen- Patent und Markenamt ist ein Verfahren zur Reduktion von Schwingungen eines Maschinenelements und/oder eines Werkstücks bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine, wobei bei Auftreten der Schwingungen eine zur Arretierung des Werkstücks verwendete Spannkraft mit der eine Werkstückhaltevorrichtung auf das Werkstück einwirkt, verändert wird, bekannt.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 299 24 562 U1 ist eine Werkzeugmaschine mit einer piezoelektrischen Positionskorrektureinrichtung bekannt, bei der Lagefehler bei der Positionierung mittels piezoelektrischer Elemente ausgeglichen werden. Weiterhin können auch Schwingungen der Werkzeugmaschine, die im Allgemeinen in einem Frequenzbereich von ca. 10 bis 20 Hz liegen, ausgeglichen werden.
Aus den Patentschriften US 5,957,016 sowie US 6,241,435 B1 ist die Unterdrückung von Ratterschwingungen bei Werkzeugmaschinen bekannt.
Aus der Druckschrift EP 0 599 020 A1 sind ein Lagesteuerungsverfahren sowie eine Lagesteuerungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine bekannt, die eine mechanische Schwingung unterdrücken, die aus der Bewegung oder dem Anhalten eines Werk stücks oder eines Werkzeugs resultiert, und die eine gleichmäßige relative Lagesteuerung der Werkzeugmaschine ausführen.
Hierbei werden Beschleunigungskomponenten des Werkstücks bzw. des Werkzeugs erfasst und auf deren Basis relative Vibrationen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug unterdrückt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der während eines Bearbeitungsvorgangs auftretende Ratterschwingungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Unterdrückung von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Ratterschwingungen bei einer Werkzeugmaschine mit den in Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrensschritten.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausbildungen der Werkzeugmaschine ergeben sich analog zur vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens und umgekehrt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Werkstückeinspannvorrichtung und solchermaßen das Werkstück gegenüber einem Werkstücktisch mittels des Piezokators bewegbar sind, wobei der Werkstücktisch mittels eines elektrischen Motors bewegbar ist. Dies stellt eine übliche Ausprägung der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß wird der Piezoaktor dermaßen angesteuert, dass die Werkstückeinspannvorrichtung während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs folgt. Durch diese Maßnahme können während des Verarbeitungsvorgangs auftretende Schwingungen der Maschine, insbesondere Ratterschwingungen stark reduziert werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors mittels einer Regeleinrichtung, wobei die Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeitsdifferenz von Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung und Geschwindigkeit des Werkzeugs vorzugsweise zu Null geregelt wird. Durch diese Maßnahme lässt sich eine besonders hohe Reduzierung der Schwingungen erzielen.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung mittels eines in ummittelbarer Nähe zur Werkstückeinspannvorrichtung lokalisierten Beschleunigungssensors ermittelt wird, da dann die Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung sehr genau ermittelt werden kann.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit des Werkzeugs mittels eines in ummittelbarer Nähe des Werkzeugs lokalisierten Beschleunigungssensors ermittelt wird. Diese Maßnahme erlaubt die Geschwindigkeit des Werkzeugs sehr genau zu ermitteln.
Erfindungsgemäß weist die Regeleinrichtung zur Regelung der Geschwindigkeitsdifferenz einen Regler und ein dem Regler vor- oder nachgeschaltetes Übertragungsglied auf, wobei die komplexe Übertragungsfunktion des Übertragungsglieds derart ausgebildet ist, dass bei einer zu unterdrückenden Frequenz der Schwingung, die Übertragungsfunktion eine Polstelle aufweist. Hierdurch wird eine besonders hohe Reduzierung der Schwingungen ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Piezoaktor ein Lagesignal ausgibt, wobei die Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung mittels des Lagesignals ermittelt wird. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise eine Ermittlung der Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Werkstückeinspannvorrichtung neben einer aktiven Lagerung mittels des Piezoaktors zusätzlich mittels einer passiven Lagerung gelagert ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass bei Ausfall der aktiven Lagerung mittels des Piezoaktors weiterhin eine Einspannung des Werkstücks in die Werkstückeinspannvorrichtung gewährleistet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine,
2 eine erste Ausbildung einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Piezoaktors und
3 eine zweite Ausbildung einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Piezoaktors.

In 1 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Die Werkzeugmaschine 1 weist unter anderem ein Maschinenbett 22, eine in Richtung des Doppelpfeils 3, mittels eines der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten elektrischen Motors waagrecht bewegbaren d.h. verfahrbaren Werkstücktisch 2 und einen in Richtung des Doppelpfeils 4 senkrecht verfahrbaren Antrieb 27 auf. Der Antrieb 27 treibt rotierend eine Werkzeugaufnahmevorrichtung 15 an, in die ein Werkzeug 6, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels als ein Fräser ausgebildet ist, eingespannt ist. Der Antrieb 27 treibt solchermaßen den Fräser rotierend an.
Bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen ist auf dem verfahrbaren Werkstücktisch 2 direkt eine Werkstückeinspannvorrichtung zur Einspannung eines Werkstücks fest montiert.
Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist eine Werkstückeinspannvorrichtung 10, im Gegensatz zu den handelsüblichen Maschinen, gegenüber dem Werkstücktisch 2 mittels Piezoaktoren bewegbar gelagert. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 weist zur Einspannung eines Werkstücks 9 zwei Spannbacken 8a und 8b auf. Weiterhin weist die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ein Grundelement 20 auf, an der die Spannbacken 8a und 8b befestigt sind. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ist mittels Piezoaktoren 11a, 11b, 11c, 11d und einem weiteren nicht sichtbaren, auf der Rückseite befindlichen, zum Piezoaktor 11d korrespondierenden Piezoaktor, in allen drei Bewegungsrichtungen aktiv gelagert. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ist mittels der Piezoaktoren bewegbar, wobei solchermaßen, da das Werkstück 9 in die Werkstückeinspannvorrichtung 10 eingespannt ist, auch das Werkstück 9 mittels der Piezoaktoren bewegbar ist. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 und das Werkstück sind mittels eines Piezoaktors bewegbar. Der Übersichtlichkeit halber ist in 1 die Werkstückeinspannvorrichtung 10 vergrößert dargestellt.
Auf dem Werkstücktisch 2 ist ein sogenannter Piezotisch 7 fest montiert, wobei die Piezoaktoren zwischen der Werkstückeinspannvorrichtung 10 und dem Piezotisch 7 angeordnet sind. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Werkstückeinspannvorrichtung 10, neben einer aktiven Lagerung mittels der Piezoaktoren, zusätzlich eine passiven Lagerung auf, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von Federbeinen 12a, 12b, 12c, 12d und einem weiteren auf der Rückseite der Werkstückeinspannvorrichtung 10 zum Federbein 12d korrespondierenden Federbeins vorliegt. Die passive Lagerung stellt die statische Steifigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung 10 sicher, so dass die Piezoaktoren nur für die Erzeugung der notwendigen dynamischen Kräfte verwendet werden.
Die Regelung der Stellbewegungen der Piezoaktoren erfolgt mittels einer Regeleinrichtung 14, die die Piezoaktoren ansteuert. Die Regeleinrichtung 14 erhält eingangsseitig Lageistsignale, die die Lage der Werkstückeinspannvorrichtung 10 gegenüber dem fest montierten Piezotisch 7, d.h. infolge gegenüber dem Werkstücktisch 2 angeben. Die Piezoaktoren, die als aktives Stellelement ein einzelnes oder mehrere Piezoelement aufweisen, weisen hierzu zusätzlich ein in den jeweiligen Piezoaktor integrierten Lagegeber auf. Der Lagegeber kann z.B. in Form eines Dehnungsmessstreifens oder auch in Form eines Piezoelements, das zu Messzwecken verwendet wird, vorliegen. Die Lagesignale werden der Regeleinrichtung 14 als Eingangsgröße zugeführt werden, was durch eine Verbindung 13 angedeutet ist. Weiterhin steuert die Regeleinrichtung 14 über die Verbindung 13 die Piezoaktoren an. Alternativ ist es auch denkbar, das auf der Werkstückeinspannvorrichtung 10 ein Beschleunigungssensor 26 (gestrichelt gezeichnet) befestigt ist, der anstatt der Lage der Werkstückeinspannvorrichtung 10, die Beschleunigung der Werkstückeinspannvorrichtung 10 als Eingangsgröße der Regeleinrichtung 14 zuführt. Weiterhin wird die Geschwindigkeit des Werkzeugs 6, mittels eines in unmittelbarer Nähe des Werkzeugs 6 lokalisierten Beschleunigungssensors 5, ermittelt und als Eingangsgröße der Regeleinrichtung 14 zugeführt, was durch einen Pfeil 5 in 1 dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor 5 am Antrieb 27 montiert.
Die Piezoaktoren werden nun dermaßen von der Regeleinrichtung 14 angesteuert, dass die Werkstückeinspannvorrichtung 10 während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen, die z.B. vom Rattern herrühren, des Werkzeugs 6 folgt. Bewegt sich z.B. der Fräser in der Darstellung gemäß 1 durch ein beim Bearbeitungsvorgang auftretende Kraft nach oben, so wird dies vom Beschleunigungssensor 5 registriert, da die Bewegung des Fräsers über die Werkzeugaufnahmevorrichtung 15 auf den Antrieb 27 übertragen wird und der Beschleunigungssensor 5 gibt ein entsprechendes Beschleunigungssignal an die Regeleinrichtung 14 aus. Die Regeleinrichtung 14 steuert nun den Piezoaktor 11c vorzugsweise derart an, dass die Werkstückeinspannvorrichtung 10 und damit solchermaßen auch das Werkstück 9 während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen des Werkzeugs folgt, insbesondere synchron folgt. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 und damit solchermaßen auch das Werkstück 9 werden synchron zu den Schwingbewegungen des Fräsers 6 bewegt. Führt der Fräser im Rahmen seiner Schwingbewegung z.B. eine Bewegung nach oben aus, dann wir der Piezoaktor 11c derart angesteuert, dass sich die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ebenfalls nach oben bewegt. Analog wird mit den anderen Bewegungsrichtungen verfahren.
Die Regeleinrichtung 14 ist hierzu im Rahmen des Ausführungsbeispiels derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeitsdifferenz von Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung 10 und Geschwindigkeit des Werkzeugs 6 zu Null geregelt wird.
In 2 ist eine erste Ausbildung der Regeleinrichtung 14 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Regeleinrichtung 14 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels einen Regler 16 (z.B. Proportional-Integral-Regler), ein Leistungsmodul 23, einen Differenzierer 17, einen Integrierer 18, und zwei Subtrahierer 19 und 24 auf. Der Piezoaktor 11c gibt die Lage x_WST, die die Position des Werkstücks 9 in Bezug auf den Werkstücktisch 2, insbesondere auf den Piezotisch 7 angibt, aus. Der Piezoaktor 11c wirkt auf die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ein, was durch einen entsprechenden Pfeil 25 in 2 angedeutet ist und bewegt diese entlang einer Richtung. Die Lage x_WST des Werkstücks wird als Eingangsgröße an den Differenzierer 17 weitergeleitet, der aus der Lage x_WST die Geschwindigkeit v_WST der Werkstückeinspannvorrichtung ermittelt und ausgibt. Die Schwingbewegung des Werkzeugs 6 wird, wie schon gesagt, über die Werkzeugaufnahmevorrichtung 15 auf den Antrieb 27 übertragen, wobei die dabei auftretende Beschleunigung awz des Werkzeugs 6 mittels des Beschleunigungssensors 5 ermittelt wird und ausgeben wird. Die Beschleunigung awz des Werkzeugs 6 wird einem Integrierer 18 als Eingangsgröße zugeführt, der daraus die Geschwindigkeit vwz des Werkzeugs ermittelt und ausgangsseitig ausgibt.
Mit Hilfe eines Subtrahierers 19 wird die Geschwindigkeitsdifferenz v_D (v_D = v_WZ - v_WST) von Geschwindigkeit v_WST der Werkstückeinspannvorrichtung und Geschwindigkeit vwz des Werkzeugs ermittelt und ausgangsseitig ausgegeben. Die Geschwindigkeitsdifferenz v_D wird mittels eines Subtrahierers 24 von einer Sollgeschwindigkeit v_SOLL, die zu Null gesetzt wird, subtrahiert. Das solchermaßen gewonnene Ausgangssignal des Subtrahierers 24 wird dem Regler 16 als Eingangsgröße zugeführt. Der Regler 16 steuert über ein Leistungsmodul 23 den Piezoaktor 11c an. Das Leistungsmodul 23 stellt die zum Betrieb des Piezoaktors 11c notwendige Ansteuerspannung zur Verfügung. Durch den Regelkreis wird die Geschwindigkeitsdifferenz v_D von Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung und Geschwindigkeit des Werkzeugs zu Null geregelt, so dass die Werkzeugeinspannvorrichtung während des Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen des Werkzeugs folgt, insbesondere synchron folgt. Für jede Bewegungsrichtung existiert jeweils eine Regeleinrichtung.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Regeleinrichtung 14 dargestellt. Die in 3 dargestellte Ausführungsform entspricht im Grundaufbau im Wesentlichen der vorstehend in 2 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Der einzige wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß 3, zwischen Regler 16 und Leistungsmodul 23 ein Übertragungsglied 21 geschaltet ist. Das Übertragungsglied 21 kann dabei wie in 3 dem Regler 16 nachgeschaltet oder alternativ dazu vor den Regler 16 geschaltet werden, also zwischen Subtrahierer 24 und Regler 16. Ist eine störende Schwingungsfrequenz f₀ der Schwingungen z.B. aus einer Messung bekannt und damit welche der Resonanzen für die Schwingungen ursächlich ist, kann mit geeigneten regelungstechnischen Maßnahmen darauf gezielt Einfluss genommen werden. Um eine gezielte Verbesserung der dynamischen Steifigkeit in einen bestimmten Frequenzbereich zu erzielen wird dabei vorgeschlagen, ein Verfahren anzuwenden, das in der Druckschrift „Control System Design“, Goodwin, Graebe, Salgado, Prentice Hall, 2001, beschrieben wird. Dem Durchschnittsfachmann ist dieses Verfahren unter dem Namen „Internal Model Principle“ geläufig. Die Regelungsaufgabe kann dabei so aufgefasst werden, dass das mittels Piezoaktoren aktiv gelagerte Werkstück, der gemessenen Bewegung des Werkzeugs möglichst exakt nachfährt, so dass zwischen beiden eine möglichst kleine Differenz entsteht. Die gemessene Bewegung kann daher als Führungsgröße für den Regelkreis des aktiv gelagerten Werkstücks interpretiert werden. Die Grundidee des „Internal Model Principle“ Verfahrens wird im Folgenden umrissen. Auch wenn dieses Verfahren in der Praxis oft zeitdiskret mittels digitaler Systeme realisiert wird, sollte die Grundidee der Selbstverständlichkeit wegen zeitkontinuierlich beschrieben werden.
Eine Anwendung des Verfahrens „Internal Model Principle“ zielt darauf, dass das Führungsverhalten auf bestimmte Signalformen der Führungsgröße optimiert werden soll. Ist beispielsweise bekannt, dass ein Bestandteil der Führungsgröße des Regelkreises ein harmonisches Signal mit der Frequenz fo ist, dann kann für diese Führungsgröße ein ideales Führungsverhalten erreicht werden - ideal in dem Sinne, dass die Führungsgröße $w (t) = A \cdot sin (2 \cdot π \cdot f_{0} \cdot + φ_{0})$
im eingeschwungenen Zustand exakt mit der Regelgröße übereinstimmen, und dies unabhängig von Amplitude A und Phase φ₀ der Führungsgröße w(t). Vorausgesetzt werden muss, dass die Laplace-Transformierte L des Signals nur Pole auf der imaginären Achse aufweist, was bei harmonischen Signalen wie bei einer Schwingung mit der Frequenz fo der Fall ist: $L {sin (2 \cdot π \cdot f_{0} \cdot t)} = \frac{2 \cdot π \cdot f_{0}}{s^{2} + {(2 \cdot π \cdot f_{0})}^{2}}$
Die Pole auf der imaginären Achse sind bei ±j 2·π·f₀.

j:: imaginäre Einheit
s:: komplexe Kreisfrequenz (s = j 2-n-f)
f:: Frequenz

Für derartige Signale wird das ideale Führungsverhalten dadurch erreicht, dass das Übertragungsglied 21 mit den Polen der Laplace-Transformierten des Signals in den Regelkreis integriert wird. Die Übertragungsfunktion H(s) des Übertragungsglieds 21 ergibt sich folglich zu: $H (s) = \frac{1}{s^{2} + {(2 \cdot π \cdot f_{0})}^{2}}$
Der Regelkreis wird mit dem Übertragungsglied, das Polestellen bei der Laplace-Transformierten des Signals aufweist, stabilisiert. In der Anwendung erweist es sich oft als vorteilhaft, kein ungedämpftes schwingfähiges Übertragungsglied in den Regelkreis zu integrieren, sondern ein leicht gedämpftes. Zwar ist die Regeldifferenz (Ausgangssignal des Subtrahierers 24) bei der Frequenz f₀ dann nicht mehr exakt Null, der Regelkreis weist aber dafür eine hohe Stabilität auf.
Mit dieser Vorgehensweise wird im Bereich der zu unterdrückenden Frequenz fo der Schwingung, insbesondere im Bereich der Ratterfrequenz, eine deutliche Absenkung der Amplitude im Nachgiebigkeitsfrequenzgang erreicht. Das Übertragungsglied 21 stellt dabei ein lineares Filter zur Gewichtung der zu unterdrückenden Frequenz fo der Schwingung dar.
Die zur Einspannung des Werkstücks verwendete Spannkraft mit der die Werkstückeinspannvorrichtung auf das Werkstück einwirkt, bleibt beim Auftreten der Schwingungen konstant, d.h. die Spannkraft wird beim Auftreten der Schwingungen nicht verändert.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die für die Erfindung benötigten Lagesignale, Beschleunigungssignale und/oder Geschwindigkeitssignale auch mittels der an der Maschine ohnehin vorhandenen Messeinrichtungen ermittelt werden.

Claims

Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung (10) zur Einspannung eines Werkstücks (9) aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) mittels eines Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) bewegbar sind, wobei der Piezoaktor (11a,11b,11c,11d) dermaßen angesteuert wird, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs (6) folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) mittels einer Regeleinrichtung (14) erfolgt, wobei die Regeleinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) von Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) geregelt wird und wobei die Regeleinrichtung (14) zur Regelung der Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) einen Regler (16) und ein dem Regler vor- oder nachgeschaltetes Übertragungsglied (21) aufweist, wobei die komplexe Übertragungsfunktion (H(s))des Übertragungsglieds (21) derart ausgebildet ist, dass bei einer zu unterdrückenden Frequenz (f₀) der Schwingung, die Übertragungsfunktion (H(s))eine Polstelle aufweist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) von Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) zu Null geregelt wird.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) gegenüber einem Werkstücktisch (2) mittels des Piezokators (11a,11b,11c,11d) bewegbar sind, wobei der Werkstücktisch (2) mittels eines elektrischen Motors bewegbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) mittels eines in unmittelbarer Nähe zur Werkstückeinspannvorrichtung (10) lokalisierten Beschleunigungssensors (26) ermittelt wird.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) mittels eines in unmittelbarer Nähe des Werkzeugs lokalisierten Beschleunigungssensors (5) ermittelt wird.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (11a,11b,11c,11d) ein Lagesignal (x_WST) ausgibt, wobei die Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) mittels des Lagesignals (x_WST) ermittelt wird.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückeinspannvorrichtung neben einer aktiven Lagerung mittels des Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) zusätzlich mittels einer passiven Lagerung (12a,12b,12c,12d) gelagert ist.
Verfahren zur Unterdrückung von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Ratterschwingungen bei einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung (10) zur Einspannung eines Werkstücks (9) aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) mittels eines Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) bewegt werden, wobei der Piezoaktor (11a,11b,11c,11d) dermaßen angesteuert wird, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs (6) folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Piezoaktors (11a,11b,11c,11d) mittels einer Regeleinrichtung (14) erfolgt, wobei die Regeleinrichtung (14) die Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) von Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) regelt und wobei die Regeleinrichtung (14) zur Regelung der Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) einen Regler (16) und ein dem Regler vor- oder nachgeschaltetes Übertragungsglied (21) aufweist, wobei die komplexe Übertragungsfunktion (H(s))des Übertragungsglieds (21) derart ausgebildet ist, dass bei einer zu unterdrückenden Frequenz (f₀) der Schwingung, die Übertragungsfunktion (H(s))eine Polstelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (14) die Geschwindigkeitsdifferenz (v_D) von Geschwindigkeit (v_WST) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) zu Null regelt.