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Die
Erfindung betrifft ein schwingungsgedämpftes Rotationswerkzeug, ein
Verfahren zur Schwingungsdämpfung
und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Spanabhebende
Rotationswerkzeuge, wie beispielsweise Kreissägeblätter oder Scheibenfräser haben
einen rotationssymmetrischen, im Wesentlichen kreisförmigen Grundkörper mit
einer Rotationsachse, wobei an der Peripherie des Grundkörpers eine
Vielzahl von Schneiden zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks angeordnet
ist. Die Rotationsachse ist dabei eine den Mittelpunkt des kreisförmigen Grundkörpers durchstoßende, gedachte
Linie, um die das Rotationswerkzeug im Betrieb rotiert. Dies wird
meist dadurch realisiert, dass in der Mitte des Grundkörpers eine
Bohrung zur Befestigung des Rotationswerkzeugs auf einer Welle vorgesehen
ist; seltener dadurch, dass am Grundkörper selbst ein- oder beidseitig
Wellenstummel zur Einspannung in entsprechenden Spannwerkzeugen
vorgesehen sind. Bei der Benutzung solcher Rotationswerkzeuge geraten
die an der Peripherie des Grundkörpers
angeordneten Schneiden nacheinander mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Eingriff.
Hierdurch wird das Rotationswerkzeug zu mechanischen Schwingungen
im Bereich des hörbaren
Schalls angeregt. Die Schallemissionen derartiger Rotationswerkzeuge
stellen für
den Verwender eine Gesundheitsgefährdung dar, da sie zu bleibenden
Gehörschäden führen kön nen. Aufgrund
ihres Schwingungsverhaltens trifft dies insbesondere für scheibenförmige Rotationswerkzeuge,
das heißt
Rotationswerkzeuge, deren Breite wesentlich geringer ist als ihr
Durchmesser, zu.
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Beispielsweise
kann der Schalldruckpegel konventioneller Sägeblätter beim Sägen von Holz 85 dB(A) und mehr,
beim Sägen
von Stein über
100 dB(A) erreichen. Zur Verringerung dieser gesundheitsgefährdenden
Schallemissionen von Sägeblättern sind
neben schalldämmenden
Maßnahmen
an den Gehäusen
der entsprechenden Maschinen, beispielsweise der Auskleidung mit
Schaumstoffmatten, verschiedene Lösungen bekannt:
Ein bekanntes
schwingungsgedämpftes
Kreissägeblatt
weist mittels eines Laserstrahls in den Grundkörper geschnittene Einschnitte
auf, die die Ausbreitung von Schwingungen im Sägeblätter verhindern und durch die
bei gegenseitiger Berührung
der Schnittflanken auftretende Reibung schwingungsdämpfend wirken
sollen. Weiterhin ist es bekannt, in den Grundkörper des Sägeblattes Nieten einzubringen,
an deren Grenzflächen
ebenfalls Reibung entstehen soll, um Schwingungen des Sägeblatts
zu dämpfen.
Kombinationen von Lasereinschnitten mit Nieten sind ebenfalls bekannt.
Ein dritter Ansatz sieht vor, Sägeblätter mehrschichtig
auszuführen,
wobei eine innere Kunststoffschicht, die für die Schwingungsdämpfung zuständig ist,
zwischen zwei äußeren Stahlschichten,
die die nötige
Festigkeit aufweisen, eingeschlossen ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, bekannte Rotationswerkzeuge so zu verbessern, dass
die von ihnen ausgehenden Schallemissionen deutlich geringer sind
als die von herkömmlichen
Rotationswerkzeugen. Weiterhin stellt sich die Erfindung die Aufgabe,
ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung
derartiger Rotationswerkzeuge sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
einen Rotationswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 22. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Rotationswerkzeug umfasst
einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Grundkörper mit
einer Rotationsachse und ist dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper mindestens
ein Aktor zur Schwingungsanregung des Grundkörpers vorgesehen ist. Unter
einem Aktor soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein
Stellglied zur Erzeugung einer Bewegung, insbesondere einer mechanischen
Schwingung verstanden werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von
Aktoren rotationssymmetrisch um die Rotationsachse des Grundkörpers angeordnet
ist. Hierdurch ist es möglich,
Schwingungen des Grundkörpers
an mehreren Stellen gleichzeitig zu beeinflussen und auf diese Weise
die schwingungsdämpfende
Wirkung zu erhöhen.
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Vorteilhaft
ist mindestens ein Aktor so angeordnet, dass seine Wirkrichtung
parallel zur Rotationsachse des Grundkörpers verläuft. Eine derartige Anordnung
eines Aktors ist insbesondere zur Kompensation von Schwingungen
geeignet, die quer zur Scheibenebene des Grundkörpers auftreten. Weiter vorteilhaft
ist mindestens ein Aktor so angeordnet, dass seine Wirkrichtung
tangential zur Rotationsachse des Grundkörpers verlauft. Diese Anordnung
eines Aktors ermöglicht
die Kompensation des Einflusses der am Rand des Grundkörpers angeordneten Schneiden,
da die bei der Berührung
mit dem Werkstück
auf die Schneiden auftretenden Kräfte ebenfalls in tangentialer
Richtung wirken. Ebenfalls vorteilhaft ist mindestens ein Aktor
so angeordnet, dass seine Wirkrichtung radial zur Rotationsachse
des Grundkörpers
verläuft,
so dass durch Betätigung
dieses Aktors Schwingungen in radialer Richtung des Grundkörpers kompensiert
werden können.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass am Grundkörper eine
Mehrzahl von Aktoren angeordnet ist, wobei jeweils zwei oder drei
Aktoren mit unterschiedlicher Wirkrichtung in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet
sind. Hierdurch wird es möglich,
an mehreren Stellen des Grundkörpers
Verformungen aufgrund von Schwingungen in mehr als einer Wirkrichtung
zu beeinflussen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein
Aktor mindestens zwei Wirkrichtungen aufweist. Derartige Aktoren
mit mehr als einer Wirkrichtung verringern die Komplexität des erfindungsgemäßen Rotationswerkzeugs
und damit seine Herstellungskosten. Darüber hinaus kann das Schwingungsverhalten
des Grundkörpers exakter
beeinflusst werden.
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Die
Anordnung der Aktoren kann beispielsweise so vorgenommen werden,
dass mindestens ein Aktor in einer im Grundkörper dafür vorgesehenen Vertiefung angeordnet
ist. Dabei können
mehrere Aktoren in derselben Vertiefung angeordnet sein. Vorteilhaft
ist die Vertiefung verschlossen, so dass der oder die Aktoren in
einem Hohlraum angeordnet sind. Unter der Ausführungsform mit einer verschlossenen
Vertiefung, die einen Hohlraum bildet, sollen im Sinne der vorliegenden
Erfindung auch mehrschichtige Grundkörper, beispielsweise Grundkörper aus
zwei einen Hohlraum einschließenden
Stahlschichten, aber auch so genannte Sandwich-Sägeblätter verstanden
werden, bei denen zwischen zwei äußeren Stahlschichten
eine mittlere Kunststoffschicht vorgesehen ist.
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Demgemäß ist in
einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass im Inneren des
Rotationswerkzeugs ein schwingungsdämpfender Kern vorgesehen ist.
Dieser Kern kann vorteilhaft aus einem Polymer oder einem anderen
Werkstoff mit guten schwingungsdämpfenden
Eigenschaften bestehen. Bei dieser Ausgestaltung kann vorteilhaft
vorgesehen sein, dass mindestens ein Aktor direkt auf oder in dem
Kern angeordnet ist. Unter einer Anordnung des Aktors im Kern sollen
beispielsweise Ausführungsformen
verstanden werden, bei denen der Aktor ohne Kontakt zu den äußeren Schichten
des Grundkörpers
in den Kern eingebettet ist, aber auch Ausführungsformen, bei denen der
Aktor vom Material des Kerns umgeben ist, aber dennoch mit mindestens
einer äußeren Schicht
des Grundkörpers Kontakt
hat.
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Aktoren,
die in der Lage sind, eine mechanische Schwingung zu erzeugen, sind
an sich bekannt. Beispielsweise gibt es piezoelektrische und elektrostriktive
Aktoren, bei denen jeweils die Verformung eines Festkörpers durch
Anlegen einer elektrischen Spannung erzielt wird, und magnetostriktive
Aktoren, bei denen die Verformung des Festkörpers durch Anlegen eines magnetischen
Feldes hervorgerufen wird. Für
die Verwendung im erfindungsgemäßen Rotationswerkzeug
hat es sich als besonders günstig herausgestellt,
dass mindestens ein Aktor magnetostriktiv wirkt. Der Aktor kann
auf diese Weise berührungslos
und kontaktlos erregt werden, indem von außen ein magnetisches Wechselfeld
angelegt wird.
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Zur
Lösung
der Aufgabe der Erfindung wird weiterhin das nachfolgend beschriebene
Verfahren vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß werden
bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Dämpfung von Schwingungen eines
Rotationswerkzeugs schwingungsbedingte Verformungen des Rotationswerkzeugs
messtechnisch erfasst, aus den erfassten Messdaten ein Kompensationssignal
errechnet und das Kompensationssignal an einen am Rotationswerkzeug
angeordneten Aktor übertragen.
Die gemessene Verformung des Rotationswerkzeugs lässt Rückschlüsse auf
die Schwingungen des Grundkörpers
zu, die kompensiert werden müssen,
um eine Verringerung der vom Rotationswerkzeug ausgehenden Lärmemission
zu erreichen. Wenn die Schwingungen bekannt sind, lässt sich
das Kompensationssignal errechnen. Dieses Kompensationssignal wird
an den Aktor übertragen,
der daraufhin selbst zu schwingen beginnt. Die Schwingungen des
Aktors überlagern sich
mit den Schwingungen des Grundkörpers
und werden auf diese Weise abgeschwächt oder, abhängig von
der Qualität
der Regelung, ausgelöscht.
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Um
eine möglichst
starke Abschwächung der
Schwingungen des Grundkörpers
des Rotationswerkzeugs zu erzielen ist es vorteilhaft, dass lokale Verformungen
an mehreren Messstellen des Rotationswerkzeugs in wiederkehrender
Reihenfolge erfasst werden, für
jede Messstelle ein Kompensationssignal errechnet und jedes Kompensationssignal einem
an der jeweiligen Messstelle angeordneten Aktor zugeleitet wird.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der
Berechnung des Kompensationssignals für einen Aktor die Verformung
des Rotationswerkzeugs an der Position dieses Aktors vom Zeitpunkt
der Erfassung auf den Zeitpunkt des Wirksamwerdens dieses Aktors
extrapoliert wird. Da die Berechnung des Kompensationssignals eine
gewisse Zeit benötigt,
wird der Aktor als Reaktion auf einen bestimmten Verformungszustand
mit einem zeitlichen Versatz erregt, so dass sich der Verformungszustand
des Grundkörpers
in der Zwischenzeit bereits verändert
haben kann. Um eine möglichst
gute Kompensation zu erzielen, ist es daher vorteilhaft, das Kompensationssignal
für den
zum Zeitpunkt des Aktivwerdens des Aktors vorliegenden Verformungszustand
zu berechnen. Dieser Verformungszustand kann mit der Kenntnis des
bisherigen Verformungsverhaltens durch Extrapolation ermittelt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
in die Berechnung des Kompensationssignals für einen Aktor der Einfluss der
anderen am Rotationswerkzeug vorhandenen Aktoren auf die Verformung
des Rotationswerkzeugs an der Position dieses Aktors zum Zeitpunkt
des Wirksamwerdens dieses Aktors einbezogen wird. Da die Schwingungen
eines Aktors nicht auf den unmittelbaren Bereich der Anbringung
dieses Aktors begrenzt sind, sondern sich auch auf weiter entfernte Bereiche
des Grundkörpers
auswirken, kann die Qualität
der Kompensation dadurch erhöht
werden, dass die Beeinflussung der Position eines Aktors durch die
anderen Aktoren ermittelt und in die Berechnung des Kompensationssignals
einbezogen wird.
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Die
für die
oben beschriebene Extrapolation des Schwingungsverhaltens wie auch
die gegenseitige Beeinflussung der Aktoren benötigten Daten können mit
den an sich bekannten Methoden der Identifikation von Schwingungssystemen,
beispielsweise einer experimentellen Modalanalyse, ermittelt werden.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass die Verformung des Rotationswerkzeugs
durch eine optische Entfernungsmessung mittels einer Lasermesseinrichtung
erfasst wird. Die Lasermesseinrichtung wird in einem definierten
Abstand zum Grundkörper
des Rotationswerkzeugs angeordnet und der aktuelle Verformungszustand
durch Laufzeitmessung des Laserstrahls ermittelt.
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Der
aktuelle Verformungszustand kann mit größerer Genauigkeit ermittelt
werden, wenn die optische Entfernungsmessung gleichzeitig an mehreren Messstellen
durchgeführt
wird. Hierzu ist gegebenenfalls die Anordnung mehrerer Lasermesseinrichtungen
oder die Verwendung von Prismen, Spiegeln oder ähnlichen Umlenkeinrichtungen
sinnvoll.
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Da
es sich bei den Rotationswerkzeugen, deren Schwingungen reduziert
werden sollen, im allgemeinen um spanabhebende Werkzeuge handelt, ist
es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll, dass
im Bereich des Rotationswerkzeugs Verunreinigungen der Luft abgesaugt werden.
Auf diese Weise wird verhindert, dass die durch das Rotationswerkzeug
vom Werkstück
abgetragenen Späne
die Messungen verfälschen.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kompensationssignal
durch Anlegen eines magnetischen Wechselfelds an den Aktor übertragen
wird. Hierdurch können
am Rotationswerkzeug vorgesehene magnetostriktive Aktoren berührungslos
und kontaktlos erregt werden.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die nachfolgend beschriebene Vorrichtung vorgeschlagen.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens umfasst mindestens eine Verformungsmesseinrichtung
zur Erfassung einer Verformung des Rotationswerkzeugs, mindestens
eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Berechnung eines Kompensationssignals
sowie mindestens eine Signalübertragungseinrichtung
zur Übertragung
eines Kompensationssignals an einen Aktor.
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Um
eine berührungslose
Ermittlung des Verformungszustands des Rotationswerkzeugs zu ermöglichen
kann vorgesehen sein, dass die Verformungsmesseinrichtung eine Lasermesseinrichtung zur
optischen Entfernungsmessung ist.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung
mit mindestens zwei Verformungsmesseinrichtungen verbunden ist.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine gemeinsame Datenverarbeitungseinrichtung,
beispielsweise eine Regelungseinrichtungen, für mehrere Verformungsmesseinrichtungen
vorgesehen ist, so dass die Verformung des Grundkörpers an
mehreren Stellen gleichzeitig ermittelt werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass
mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung mit mindestens zwei
Signalübertragungseinrichtungen
verbunden ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine gemeinsame Datenverarbeitungseinrichtung,
beispielsweise eine Regelungseinrichtungen für mehrere am Rotationswerkzeug
vorhandene Aktoren vorgesehen ist und mehrere Aktoren gleichzeitig
aktiv sein sollen.
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Außerdem kann
bei der Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Signalübertragungseinrichtung eine
Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds
ist. Mit Hilfe einer derartigen Felderzeugungseinrichtung können magnetostriktive
Aktoren berührungslos
und kontaktlos erregt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 ein
erfindungsgemäßes Rotationswerkzeug
sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Dämpfung
von Schwingungen und
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2 verschiedene
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Rotationswerkzeuge
in geschnittener Darstellung.
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Das
in 1 dargestellte Rotationswerkzeug ist ein Kreissägeblatt,
das einen runden scheibenförmigen
Grundkörper 1 mit
einer durch die Welle 4 verlaufenden Rotationsachse 2 und
mehreren am Grundkörper 1 angeordneten
Aktoren 3 zur Schwingungsanregung des Grundkörpers 1 umfasst.
Der Grundkörper 1 ist
auf einer Welle 4 angeordnet, die das Rotationswerkzeug
antreibt.
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Die
Aktoren 3 sind bezüglich
der Rotationsachse 2 des Grundkörpers 1 rotationssymmetrisch angeordnet,
wobei ihre Wirkrichtung parallel zur Rotationsachse 2 des
Grundkörpers 1,
d. h. senkrecht zur Scheibenebene des Grundkörpers 1, verläuft.
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Die
Aktoren 3 sind in einem Hohlraum 10 des Grundkörpers 1 angeordnet,
der von einem schwingungsdämpfenden
Kern 5 ausgefüllt
ist, der aus einem Polymer besteht. Der schwingungsdämpfende Kern 5 ist
von äußeren Schichten
des Grundkörpers 1 umschlossen,
die aus Stahl gefertigt sind. Die Aktoren 3 sind auf dem
Kern 5 angeordnet. Die Aktoren 3 wirken magnetostriktiv,
d. h. sie beginnen zu schwingen, wenn ein magnetisches Wechselfeld
angelegt wird.
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Die
Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung des
Rotationswerkzeugs umfasst eine Verformungsmesseinrichtung 6 zur
Erfassung von Verformungen des Grundkörpers 1 des Rotationswerkzeugs,
eine Datenverarbeitungseinrichtung 7 zur Berechnung eines
Kompensationssignals sowie eine Signalübertragungseinrichtung 8 zur Übertragung
eines Kompensationssignals an die Aktoren 3.
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Die
Verformungsmesseinrichtung 6 umfasst mehrere Lasermessein richtungen
zur optischen Entfernungsmessung. Die Datenverarbeitungseinrichtung 7 ist
mit den Lasermesseinrichtungen verbunden, so dass die von der Verformungsmesseinrichtung 6 gewonnenen
Messwerte der Verformung als Eingangsgrößen der Berechnung des Kompensationssignals
in die Datenverarbeitungseinrichtung 7 eingespeist werden.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung 7 ist darüber hinaus mit den Signalübertragungseinrichtungen 8 verbunden,
die der Übertragung
der Kompensationssignale von der Datenverarbeitungseinrichtung 7 zu
den Aktoren 3 dienen. Die Verformungsmesseinrichtung 6 und
die Datenverarbeitungseinrichtung 7 werden von einer Stromversorgungseinrichtung 12 gespeist.
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In 2 sind
verschiedene Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Rotationswerkzeugs im
Halbschnitt dargestellt. Dabei führt
die Rotationsachse 2 durch eine im Grundkörper 1 vorgesehene Befestigungsöffnung 9,
die zur Befestigung des Rotationswerkzeugs auf einer Welle 4 vorgesehen
ist.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß der linken Darstellung
sind die Aktoren 3 in einer Vertiefung 10 des
Grundkörpers 1 angeordnet.
Die Aktoren 3 sind bei dieser Ausführungsform fast ungeschützt, so dass
Beschädigungen
der Aktoren 3 bei der Benutzung des Rotationswerkzeugs
nicht ausgeschlossen werden können.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß der mittleren
Darstellung sind die Aktoren 3 ebenfalls in einer Vertiefung 10 des
Grundkörpers 1 angeordnet,
jedoch ist die Vertiefung 10 durch eine Abdeckung 11 verschlossenen,
so dass die Aktoren 3 vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt sind.
Die Tiefe der Vertiefung 10 ist gering gehalten, um den
Querschnitt des Grundkörpers 1 so
wenig wie möglich
zu schwächen.
Dies führt
jedoch auch dazu, dass die Aktoren 3 im Grundkörper 1 nicht
mittig angeordnet sind.
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Demgegenüber sind
bei der Ausführungsform
der rechten Darstellung die Aktoren 3 mittig im Grundkörper 1 angeordnet.
Diese Ausgestaltung erfordert jedoch eine relativ tiefe, den Querschnitt
des Grundkörpers 1 nicht
unerheblich schwächende
Vertiefung 10. Die Vertiefung 10 ist wiederum
durch eine Abdeckung 11 verschlossen.
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Rotationsachse
- 3
- Aktor
- 4
- Welle
- 5
- Kern
- 6
- Verformungsmesseinrichtung
- 7
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 8
- Signalübertragungseinrichtung
- 9
- Befestigungsöffnung
- 10
- Vertiefung
- 11
- Abdeckung
- 12
- Stromversorgungseinrichtung