DE102020107497A1

DE102020107497A1 - Method for compensating vibrations in a machine tool

Info

Publication number: DE102020107497A1
Application number: DE102020107497.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Timo Klement
Original assignee: KLAUS DIETER KLEMENT VERWALTUNGS GmbH; KLAUS-DIETER KLEMENT VERWALTUNGS GmbH
Current assignee: KLAUS DIETER KLEMENT VERWALTUNGS GmbH; KLAUS-DIETER KLEMENT VERWALTUNGS GmbH
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Schwingungen in einer Werkzeugmaschine (1), wobei die Werkzeugmaschine (1) ein rotierendes Werkzeug (4) aufweist, welches im Zuge der Rotation ein an das Werkzeug (4) anliegendes Werkstück (2) spanabhebend bearbeitet, wobei eine Ausgleichseinheit zumindest einen Detektor (11), zumindest einen Aktuator (15) und eine Steuerungsvorrichtung (13) aufweist, wobei der zumindest eine Aktuator (15) eine durch den Bearbeitungsprozess hervorgerufene Bearbeitungsschwingung erfasst und auf Basis dieser Bearbeitungsschwingung ein elektrisches Eingangssignal (12) an die Steuerungsvorrichtung (13) übermittelt, wobei die Steuerungsvorrichtung (13) auf Basis des Eingangssignals (12) ein Ausgangssignal (14) erzeugt und an den zumindest einen Aktuator (15) übermittelt und wobei der Aktuator (15) auf Basis des Ausgangssignals (14) eine Kompensationsschwingung erzeugt, welche auf das Werkzeug (4) einwirkt und die zumindest eine Bearbeitungsschwingung zumindest teilweise kompensiert.

The invention relates to a method for compensating for vibrations in a machine tool (1), the machine tool (1) having a rotating tool (4) which, in the course of rotation, processes a workpiece (2) resting against the tool (4) by cutting, wherein a compensation unit has at least one detector (11), at least one actuator (15) and a control device (13), the at least one actuator (15) detecting a machining vibration caused by the machining process and an electrical input signal (12) based on this machining vibration transmitted to the control device (13), the control device (13) generating an output signal (14) based on the input signal (12) and transmitting it to the at least one actuator (15), and wherein the actuator (15) based on the output signal (14 ) generates a compensation oscillation which acts on the tool (4) and the at least one machining oscillation at least partially compensated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Schwingungen in einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine ein rotierende Werkzeug aufweist, welches im Zuge der Rotation ein an das Werkzeug anliegendes Werkstück spanabhebend bearbeitet. Eine derartige Werkzeugmaschine kann beispielsweise als Dreh-, Bohr- oder Fräsmaschine ausgebildet sein und wobei das jeweilige Werkzeug entsprechend als Drehkopf, als Fräskopf oder dergleichen ausgebildet ist.The present invention relates to a method for compensating for vibrations in a machine tool, the machine tool having a rotating tool which, in the course of the rotation, machines a workpiece that is in contact with the tool. Such a machine tool can be designed, for example, as a turning, drilling or milling machine, and the respective tool is designed accordingly as a rotary head, a milling head or the like.

Unabhängig von der Art der Werkzeugmaschine oder des Werkzeuges werden im Zuge der spanabhebenden Bearbeitung Schwingungen erzeugt, die sich von dem Werkstück, über das Werkzeug auf die Motorspindel der Werkzeugmaschine übertragen, wobei die Motorspindel das Werkzeug und/oder das Werkstück rotierend antreibt. Dadurch dass das Werkzeug mit einem gewissen Anpressdruck an dem Werkstück anliegt, wirken sich diese Bearbeitungsschwingungen unmittelbar auf den Bearbeitungsprozess aus und bewirken insbesondere, dass je nach Amplitude dieser Bearbeitungsschwingungen der Anpressdruck zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück reduziert wird. Eine Reduzierung des Anpressdruckes führt dazu, dass sich die Qualität der zu bearbeitenden Fläche des Werkstückes verschlechtert. Folglich sind derartige Bearbeitungsschwingungen aus Qualitätsgründen möglichst soweit wie möglich zu reduzieren. Auswirkungen auf eine solche Reduzierung des Anpressdruck haben hierbei sowohl Schwingungen in einer axialen parallel zur Drehrichtung verlaufenden Richtung als auch Schwingungen in einer Querrichtung bzw. in einer radialen Richtung.Regardless of the type of machine tool or tool, vibrations are generated in the course of machining, which are transmitted from the workpiece via the tool to the motor spindle of the machine tool, the motor spindle driving the tool and / or the workpiece in a rotating manner. Because the tool is in contact with the workpiece with a certain contact pressure, these machining vibrations have a direct effect on the machining process and, in particular, have the effect that the contact pressure between the tool and the workpiece is reduced depending on the amplitude of these machining vibrations. A reduction in the contact pressure leads to a deterioration in the quality of the surface of the workpiece to be machined. Consequently, such machining vibrations should be reduced as far as possible for quality reasons. Both vibrations in an axial direction running parallel to the direction of rotation and vibrations in a transverse direction or in a radial direction have effects on such a reduction in the contact pressure.

Schwingungen in radialer Richtung bewirken darüber hinaus auch, dass auch die Spindelwelle selbst bzw. die darauf laufenden Spindellager angeregt werden, was gerade im Bereich der Eigenschwingungen zu einer Reduzierung der Lebensdauer von Spindel und Spindellagern führen kann. Darüber hinaus können die Bearbeitungsschwingungen auch zu erheblichen Lärmbelästigungen führen, sodass neben der Qualität des Bearbeitungsergebnisses und der Lebensdauer der Werkzeugmaschine auch der Benutzerkomfort der Werkzeugmaschine wirksam verbessert werden soll.Vibrations in the radial direction also have the effect that the spindle shaft itself or the spindle bearings running on it are also excited, which can lead to a reduction in the service life of the spindle and spindle bearings, especially in the area of natural vibrations. In addition, the machining vibrations can also lead to considerable noise pollution, so that in addition to the quality of the machining result and the service life of the machine tool, the user comfort of the machine tool should also be effectively improved.

Bislang wurde zur Kompensation dieser Bearbeitungsschwingungen hauptsächlich auf ein optimiertes Maschinendesign zurückgegriffen oder dämpfende Elemente z.B. zusätzliche Massen innerhalb der Werkzeugmaschine oder auch unmittelbar an der Werkstückaufnahme verbaut. Derartige Verfahren sind jedoch verbesserungswürdig, da sie Schwingungsänderungen oder aber auch bestimmte Frequenzen nicht wirksam kompensieren können.So far, an optimized machine design has mainly been used to compensate for these machining vibrations, or damping elements, e.g. additional masses, have been installed within the machine tool or directly on the workpiece holder. Such methods are in need of improvement, however, since they cannot effectively compensate for changes in vibrations or for certain frequencies.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation von Schwingungen in einer Werkzeugmaschine anzugeben, welches sich gegenüber den bislang bekannten Verfahren durch ein verbessertes Kompensationsverhalten auszeichnet. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1.Against this background, the invention is based on the object of specifying a method for compensating for vibrations in a machine tool, which is characterized by an improved compensation behavior compared to the previously known methods. This object is achieved by a method according to claim 1.

Demnach ist eine Ausgleichseinheit vorgesehen, die zumindest einen Detektor zur Erfassung von Bearbeitungsschwingungen, einen Aktuator zur Induzierung von Kompensationsschwingungen und eine Steuerungsvorrichtung aufweist, wobei der zumindest eine Aktuator eine durch den Bearbeitungsprozess hervorgerufene Bearbeitungsschwingung erfasst und auf Basis dieser Bearbeitungsschwingung ein elektrisches Eingangssignal an die Steuerungsvorrichtung übermittelt. Die Steuerungsvorrichtung erzeugt auf Basis des Eingangssignals ein Ausgangssignal, welches an den zumindest einen Aktuator übermittelt wird und wobei das Ausgabesignal derart ausgebildet ist, dass der Aktuator auf Basis des Ausgangssignal eine Kompensationsschwingung erzeugt, welche auf das Werkzeug einwirkt und die zumindest eine Bearbeitungsschwingung zumindest teilweise kompensiert.Accordingly, a compensation unit is provided which has at least one detector for detecting machining vibrations, an actuator for inducing compensation vibrations and a control device, the at least one actuator detecting a machining vibration caused by the machining process and transmitting an electrical input signal to the control device on the basis of this machining vibration . The control device generates an output signal based on the input signal, which is transmitted to the at least one actuator and wherein the output signal is designed such that the actuator generates a compensation oscillation based on the output signal, which acts on the tool and at least partially compensates for the at least one machining oscillation .

Hierbei kann insbesondere auf das aus dem akustischen Bereich bekannte Verfahren des „Active Noise Cancelling“ zurückgegriffen werden, wobei mittels einem invertierten oder phasenverschobenen Signal aktiv Umgebungsgeräusche herausgefiltert werden können. Ein solches Prinzip lässt sich auch zur Kompensation von Schwingungen einsetzen. Hierbei kann zunächst das Eingangssignal in der Steuerungsvorrichtung bearbeitet werden, wobei beispielsweise eine Frequenz-und/oder Amplitudenfilterung erfolgt. Insbesondere können beispielsweise zunächst Frequenzen herausgefiltert werden, die besonders problematisch für den Verarbeitungsprozess bzw. für die Werkzeugmaschine sind. Sodann wird das Eingangssignal invertiert und/oder phasenverschoben, wobei eine Phasenverschiebung nur dann sinnvoll ist, wenn das Eingangssignal zumindest eine gewisse Gleichmäßigkeit aufweist. Bei einem sinusförmigen Signal ist beispielsweise eine Phasenverschiebung um 180° gleichzusetzen mit einer Invertierung des Signals, wobei dies jedoch voraussetzt, dass der Bearbeitungsprozess eine gleichbleibende sinusförmige Bearbeitungsschwingung erzeugt. Da dies jedoch üblicherweise nicht der Fall ist, wird das Eingangssignal anstelle einer reinen Phasenverschiebung invertiert, wodurch ein Ausgangssignal mit einer zu dem Eingangssignal entgegengesetzten Polarität erzeugt wird.In particular, the “Active Noise Canceling” method known from the acoustic field can be used, whereby ambient noises can be actively filtered out by means of an inverted or phase-shifted signal. Such a principle can also be used to compensate for vibrations. In this case, the input signal can first be processed in the control device, with frequency and / or amplitude filtering, for example, taking place. In particular, for example, frequencies can first be filtered out which are particularly problematic for the processing process or for the machine tool. The input signal is then inverted and / or phase shifted, a phase shift only being useful if the input signal has at least a certain uniformity. In the case of a sinusoidal signal, for example, a phase shift of 180 ° is to be equated with an inversion of the signal, although this presupposes that the machining process generates a constant sinusoidal machining oscillation. However, since this is usually not the case, the input signal is inverted instead of a pure phase shift, as a result of which an output signal with a polarity opposite to the input signal is generated.

Demnach kann basierend auf dem Ausgangssignal eine Bearbeitungsschwingung in dem zumindest einen Aktuator erzeugt werden, welche ebenfalls eine gegenüber der Bearbeitungsschwingung entgegengesetzte Polarität aufweist, sodass sich beide Schwingungen zumindest teilweise kompensieren bzw. im Optimalfall ausgleichen. Hierbei ist allerdings zu bedenken, dass zwischen der Detektion der Bearbeitungsschwingung und der Induzierung der Kompensationsschwingung ein gewisser Zeitraum verstreicht, sodass das invertierte Ausgangssignal nicht dazu geeignet ist, dass Eingangssignal vollständig zu kompensieren. Dieser Laufzeitfehler kann beispielsweise über Korrekturparameter berücksichtigt werden, welche z.B. in einem Speicher der Steuerungsvorrichtung hinterlegt sind. Alternativ kann zusätzlich eine Phasenverschiebung berücksichtigt werden.Accordingly, based on the output signal, a machining vibration can be generated in the at least one actuator, which is also one compared to the Machining oscillation has opposite polarity, so that both oscillations at least partially compensate or, in the best case, balance each other out. It should be noted, however, that a certain period of time elapses between the detection of the machining vibration and the induction of the compensation vibration, so that the inverted output signal is not suitable for completely compensating for the input signal. This runtime error can be taken into account, for example, by means of correction parameters which are stored, for example, in a memory of the control device. Alternatively, a phase shift can also be taken into account.

Sofern ausschließlich eine Phasenverschiebung erfolgt, handelt es sich hierbei um eine Phasenverschiebung zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal zwischen 170 und 190°. Bevorzugt beträgt die Phasenverschiebung exakt 180°.If only a phase shift occurs, this is a phase shift between the output signal and the input signal between 170 and 190 °. The phase shift is preferably exactly 180 °.

Wie bereits zuvor erläutert können im Zuge der Zerspannung Bearbeitungsschwingungen in unterschiedliche Raumrichtungen erzeugt werden, wobei aber vorzugsweise die zumindest eine Bearbeitungsschwingung eine Schwingung senkrecht zu einer Drehachse des Werkzeuges oder des Werkstückes ist. Folglich erfasst die Bearbeitungsschwingung Auslenkungen des Werkzeuges und/oder des Werkstückes, wobei dann entsprechend auch der Aktuator so ausgebildet ist, dass eine Kompensationsschwingung in Querrichtung induziert wird. Alternativ können auch Schwingungen in einer axialen parallel zur Drehachse verlaufenden Richtung von einem Detektor erfasst werden. Entsprechend wird dann auch der entsprechende Aktuator in dieser axialen Richtung erregt.As already explained above, machining vibrations can be generated in different spatial directions in the course of the machining, but preferably the at least one machining vibration is an oscillation perpendicular to an axis of rotation of the tool or the workpiece. Consequently, the machining vibration detects deflections of the tool and / or of the workpiece, the actuator then also being designed in such a way that a compensation vibration is induced in the transverse direction. Alternatively, vibrations can also be detected by a detector in an axial direction running parallel to the axis of rotation. Correspondingly, the corresponding actuator is then also excited in this axial direction.

Die Erfindung ist aber nicht nur auf Ausgestaltungen mit lediglich einem Detektor und einem Aktivator beschränkt. Vielmehr können beispielsweise auch zwei Detektoren vorgesehen sein, wobei ein erster Detektor eine erste Bearbeitungsschwingung und ein zweiter Detektor eine dazu senkrecht zustehende zweite Bearbeitungsschwingung erfasst. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn Schwingungen in unterschiedlichen Raumrichtungen erfasst und ausgeglichen werden sollen, wobei dann vorzugsweise auch ein erster Aktuator auf Basis der ersten Bearbeitungsschwingung eine erste Kompensationsschwingung oder ein zweiter Aktuator auf Basis der zweiten. Bearbeitungsschwingung eine zweite Kompensationsschwingung erzeugt. In einem solchen Fall sind die Detektoren bevorzugt an demselben Bauteil z.B. dem Werkzeug angeordnet.However, the invention is not limited to configurations with only one detector and one activator. Rather, for example, two detectors can also be provided, with a first detector detecting a first machining oscillation and a second detector detecting a second machining oscillation perpendicular thereto. Such a configuration is useful, for example, when vibrations in different spatial directions are to be recorded and compensated for, in which case a first actuator based on the first processing vibration is also a first compensation vibration or a second actuator based on the second. Machining vibration generates a second compensation vibration. In such a case, the detectors are preferably arranged on the same component, e.g. the tool.

Alternativ können aber auch mehrere Detektoren vorgesehen sein, die Schwingungen an unterschiedlichen Bauteilen erfassen. Beispielsweise kann ein erster Detektor an dem Werkzeug und ein zweiter Detektor an dem Werkstück angeordnet sein. Auch Detektoren an der Motorspindel sind möglich. Jeder dieser Detektoren übermittelt sodann ein Eingangssignal an die Steuerungsvorrichtung, die dann auf Basis dieser Eingangssignale ein oder mehrere Ausgangssignale erzeugt, die jeweils einen Aktuator ansteuern. Durch Verwendung mehrerer Detektoren an unterschiedlichen Bauteilen können beispielsweise Ausgangssignale erzeugt werden, die nicht allein einer Invertierung sondern auch einer Korrektur unterzogen werden, wobei diese Korrektur die Eingangssignale der Detektoren berücksichtigt. So kann beispielsweise ein an dem Werkzeug angeordneter Detektor eine erste Bearbeitungsschwingungen erfassen und als Eingangssignal an die Speichereinheit übermitteln. Vor oder nach der Invertierung bzw. Phasenverschiebung des Eingangssignals kann ein zweites Eingangssignal, welches von einem am Werkstück angeordneten zweiten Detektor erfasst und übermittelt wird, dazu genutzt werden unter Einbeziehung einer in der Speichervorrichtung hinterlegten Korrekturfunktion das Eingangssignal zu korrigieren bzw. zu bearbeiten, wobei dann auf Basis dieses bearbeiteten Eingangssignal ein oder mehrere Ausgangssignale an jeweils einen Aktuator übermittelt werden.Alternatively, however, several detectors can also be provided which detect vibrations on different components. For example, a first detector can be arranged on the tool and a second detector on the workpiece. Detectors on the motor spindle are also possible. Each of these detectors then transmits an input signal to the control device, which then generates one or more output signals on the basis of these input signals, each of which controls an actuator. By using several detectors on different components, for example output signals can be generated which are not only subjected to an inversion but also to a correction, this correction taking into account the input signals of the detectors. For example, a detector arranged on the tool can detect a first machining vibration and transmit it as an input signal to the storage unit. Before or after the inversion or phase shift of the input signal, a second input signal, which is detected and transmitted by a second detector arranged on the workpiece, can be used to correct or process the input signal with the inclusion of a correction function stored in the memory device on the basis of this processed input signal, one or more output signals are transmitted to one actuator each.

Als Detektor eignen sich im Rahmen der Erfindung verschiedene Erfassungseinheiten, z.B. Beschleunigungssensoren oder Mikrofone. Besonders relevant sind in diesem Zusammenhang sogenannte Piezoelemente, die sowohl als Detektor als auch als Aktivator genutzt werden können. Bei Piezoelementen handelt es sich um Bauteile, welche durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung ausführen oder bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische Spannung produzieren. Piezoelemente können beispielsweise aus Piezokristallen oder piezoelektrischen Keramiken bestehen, wobei für die Anwendung als Aktivator üblicherweise piezoelektrischen Keramiken verwendet werden. Die Erfindung umfasst jedoch sowohl Aktuatoren als auch Detektoren aus Piezokristallen sowie aus piezoelektrischen Keramiken.Various detection units, e.g. acceleration sensors or microphones, are suitable as detectors within the scope of the invention. So-called piezo elements, which can be used both as a detector and as an activator, are particularly relevant in this context. Piezo elements are components that execute a mechanical movement when an electrical voltage is applied or produce an electrical voltage when a mechanical force is applied. Piezo elements can consist, for example, of piezo crystals or piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramics usually being used as activators. However, the invention includes both actuators and detectors made from piezo crystals and from piezoelectric ceramics.

Unabhängig von der Ausgestaltung als Aktuator oder als Detektor sind die Piezoelemente bevorzugt als Piezostapel ausgebildet, wobei mehrere Piezoschichten übereinander angeordnet und in mechanischer Hinsicht in Reihenschaltung und in elektrischer Hinsicht in Parallelschaltung angeordnet sind. Eine geringfügige Schwingung jeder einzelnen Piezoschicht summiert sich somit zusammen über die gesamten Piezoschichten auf und führt dazu, dass bei nur einer vergleichsweise geringen Spannung eine große mechanische Schwingung erzeugt wird. Bei einer Ausbildung des Piezoelements als Detektor erfolgt dies in umgekehrter Art und Weise.Regardless of the design as an actuator or as a detector, the piezo elements are preferably designed as a piezo stack, with several piezo layers being arranged one above the other and being arranged in series in mechanical terms and in parallel in electrical terms. A slight oscillation of each individual piezo layer thus adds up over the entire piezo layers and results in a large mechanical oscillation being generated with only a comparatively low voltage. If the piezo element is designed as a detector, this takes place in the opposite manner.

Alternativ zu einem Piezoelemente als Aktivator kann dieser auch über eine Magnetanordnung gebildet werden, die der eines Lautsprechers ähnelt. In einer solchen Ausgestaltung ist ein Permanentmagnet mittig von einer Schwingspule angeordnet und schwingt in dem von der Schwingspule erzeugten Magnetfeld.As an alternative to a piezo element as an activator, it can also be formed using a magnet arrangement that is similar to that of a loudspeaker. In such an embodiment, a permanent magnet is arranged in the middle of a voice coil and oscillates in the magnetic field generated by the voice coil.

Unabhängig von der Ausgestaltung mit einem oder mit mehreren Aktuatoren wirkt zumindest ein Aktuator unmittelbar auf das Werkzeug ein. Hierzu kann das Werkzeug z.B. ein Fräskopf oder ein Bohrkopf so ausgebildet sein, dass der Aktuator im Innern des Werkzeuges angeordnet ist. Beispielsweise weist das Werkzeug ein Piezoelement als Kern auf. Dies hat den Vorteil, dass die Kompensationsschwingungen unmittelbar an der Drehachse des Werkzeuges induziert werden können. Darüber hinaus ermöglicht dies auch eine Einbindung von elektrischen Leitungen, über die erforderlichen Signale übermittelt werden können. Die elektrischen Leitungen können entlang der Drehachse geführt werden und werden daher nicht in einem übermäßigen Maße mechanisch beansprucht. Alternativ kann der zumindest eine Aktuator aber auch auf dem Werkzeug bzw. auf einer Außenfläche des Werkzeugs angeordnet sein.Regardless of the configuration with one or more actuators, at least one actuator acts directly on the tool. For this purpose, the tool can, for example, be a milling head or a drilling head in such a way that the actuator is arranged inside the tool. For example, the tool has a piezo element as a core. This has the advantage that the compensation vibrations can be induced directly on the axis of rotation of the tool. In addition, this also enables the integration of electrical lines via which the required signals can be transmitted. The electrical lines can be guided along the axis of rotation and are therefore not mechanically stressed to an excessive degree. Alternatively, however, the at least one actuator can also be arranged on the tool or on an outer surface of the tool.

Die unmittelbare Induzierung der Kompensationsschwingungen an dem Werkzeug ermöglicht, dass die Kompensationsschwingungen möglichst dort induziert werden, wo die Bearbeitungsschwingungen im Zuge der spanabhebenden Bearbeitung erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend kann aber auch an der Werkzeugmaschine und/oder auch am Werkstück ein Aktuator angeordnet sein, wobei dann die einzelnen Aktuator so von der Steuervorrichtung angesteuert werden, dass diese im Zusammenwirken möglichst optimal die Bearbeitungsschwingungen kompensieren.The direct induction of the compensation vibrations on the tool enables the compensation vibrations to be induced as far as possible where the machining vibrations are generated in the course of the machining. Alternatively or additionally, however, an actuator can also be arranged on the machine tool and / or on the workpiece, the individual actuators then being controlled by the control device in such a way that they interact as optimally as possible for the machining vibrations.

Darüber hinaus kann die Steuerungsvorrichtung in bevorzugter Weise auch so ausgebildet sein, dass auf Basis des Eingangssignals bzw. der Eingangssignale die Drehgeschwindigkeit und/oder die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges beeinflusst z.B. gesteuert oder geregelt wird. Sofern beispielsweise die induzierte Kompensationsschwingung nicht ausreichend ist zur wirksamen Kompensation der Bearbeitungsschwingungen kann die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Drehgeschwindigkeit so geändert werden, dass beispielsweise wesentliche Bearbeitungsschwingungen im Bereich von relevanten Eigenschwingungen verhindert oder möglichst schnell durchfahren werden.In addition, the control device can preferably also be designed in such a way that the rotational speed and / or the feed speed of the tool is influenced, e.g. controlled or regulated, on the basis of the input signal or the input signals. If, for example, the induced compensation vibration is not sufficient to effectively compensate for the machining vibrations, the feed rate and / or the rotational speed can be changed so that, for example, significant machining vibrations in the range of relevant natural vibrations are prevented or passed through as quickly as possible.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfasst zumindest ein Detektor eine Bearbeitungsschwingungen unmittelbar an dem Werkstück. Alternativ oder ergänzend erfasst ein Detektor auch eine Bearbeitungsschwingungen unmittelbar an dem Werkzeug.According to a preferred development of the invention, at least one detector detects machining vibrations directly on the workpiece. As an alternative or in addition, a detector also detects machining vibrations directly on the tool.

Gegenstand der Erfindung ist aber nicht nur ein Verfahren sondern auch eine Werkzeugmaschinenanordnung gemäß dem Anspruch 10 mit einer Werkzeugmaschine und einer Ausgleichseinheit, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet sind. Demnach weist die Ausgleichseinheit zumindest einen Detektor, zumindest ein Aktuator und eine Steuerungsvorrichtung auf, wobei die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese über den zumindest einen Detektor eine durch den Bearbeitungsprozess hervorgerufene Bearbeitungsschwingung erfasst auf Basis dieser Bearbeitungsschwingung ein elektrisches Eingangssignal an die Steuerungsvorrichtung übermittelt, wobei die Steuerungsvorrichtung auf Basis des Eingangssignals ein Ausgangssignal erzeugt und an den zumindest einen Aktuator übermittelt. Der Aktuator kann dann auf Basis des Ausgangssignals eine Kompensationsschwingung erzeugen, welche auf das Werkzeug einwirkt und die Bearbeitungsschwingung zumindest teilweise kompensiert.The subject matter of the invention is not only a method but also a machine tool arrangement according to claim 10 with a machine tool and a compensation unit which are designed to carry out the method according to the invention. Accordingly, the compensation unit has at least one detector, at least one actuator and a control device, the control device being designed in such a way that it detects a machining vibration caused by the machining process via the at least one detector and transmits an electrical input signal to the control device on the basis of this machining vibration, wherein the control device generates an output signal based on the input signal and transmits it to the at least one actuator. The actuator can then generate a compensation oscillation on the basis of the output signal, which acts on the tool and at least partially compensates for the machining oscillation.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Aktuator unmittelbar auf oder in einem Werkzeug der Werkzeugmaschine angeordnet. Darüber hinaus ist bevorzugt ein Detektor zur Erfassung einer Bearbeitungsschwingung an einem Werkstück oder einem Werkzeug vorgesehen.According to a preferred development of the invention, at least one actuator is arranged directly on or in a tool of the machine tool. In addition, a detector is preferably provided for detecting a machining vibration on a workpiece or a tool.

Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus ein Werkzeug gemäß dem Anspruch 13 zu spannabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes mit zumindest einem im Innern oder auf eine Außenfläche angeordneten Aktuator zur Einbindung in eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenanordnung.The subject matter of the invention is also a tool according to claim 13 for machining of a workpiece with at least one actuator arranged inside or on an outside surface for integration into a machine tool arrangement according to the invention.

Sämtliche im Zusammenhang mit den einzelnen erfindungsgemäßen Gegenständen vorgetragene Merkmale lassen sich im Rahmen der Erfindung auch ohne weiteres auf die anderen Erfindungsgegenstände übertragen.All of the features presented in connection with the individual objects according to the invention can also be easily transferred to the other objects of the invention within the scope of the invention.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Werkzeugmaschinenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 ein Werkzeug und ein Werkstück mit unterschiedlichen Anordnungen von Detektoren und Aktuatoren.

The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. Show it:

1 a machine tool arrangement for carrying out the method according to the invention
2 a tool and a workpiece with different arrangements of detectors and actuators.

1 zeigt eine Werkzeugmaschinenanordnung mit einer Werkzeugmaschine 1 und einem von der Werkzeugmaschine 1 zu bearbeitenden Werkstück 2. Die Werkzeugmaschine 1 ist in diesem Zusammenhang als Fräsmaschine ausgebildet und weist eine Motorspindel 3 sowie einen an die Motorspindel 3 angeschlossenen Fräskopf als Werkzeug 4 auf. Das Werkzeug 4 schließt über eine Spannvorrichtung 5 an eine Welle 6 der Motorspindel 3 an, wobei die Welle 6 über Lager 7 radial und axial gelagert ist. Zum Antrieb der Welle 6 ist ferner ein Elektromotor bestehend aus einem Stator 8 und einem Rotor 9 vorgesehen. 1 shows a machine tool arrangement with a machine tool 1 and one from the machine tool 1 workpiece to be machined 2 . The machine tool 1 is designed in this context as a milling machine and has a motor spindle 3 and one on the motor spindle 3 connected milling head as a tool 4th on. The tool 4th closes via a clamping device 5 to a wave 6th the motor spindle 3 at, with the wave 6th about stock 7th is mounted radially and axially. To drive the shaft 6th is also an electric motor consisting of a stator 8th and a rotor 9 intended.

Das Werkzeug 4 weist Vorsprünge 10 auf, über die das Werkzeug 4 an dem Werkstück 2 anliegt und unter Einbeziehung eines Anpressdrucks und durch Rotation der Welle 6 das Werkstück 2 spanabhebend bearbeitet.The tool 4th has protrusions 10 on over which the tool 4th on the workpiece 2 applied and with the inclusion of a contact pressure and rotation of the shaft 6th the workpiece 2 machined.

Die im Zuge der spanabhebenden Bearbeitung erzeugten Bearbeitungsschwingungen werden in dem gezeigten Beispiel über ein an dem Werkstück 2 angeordneten Detektor 11 erfasst und in ein elektrisches Signal überführt, welches als Eingangssignal 12 an eine Steuerungsvorrichtung 13 übermittelt wird. In der Steuerungsvorrichtung 13 wird das Eingangssignal 12 invertiert und bevorzugt mithilfe von Korrekturparametern bearbeitet. Dieses bearbeitete und invertierte Eingangssignal 12 wird sodann als Ausgangssignal 14 an einen Aktuator15 übermittelt, welcher als Piezoelement ausgebildet ist und auf Basis des Ausgangssignals 14 eine Kompensationsschwingung erzeugt, welche die Bearbeitungsschwingung zumindest teilweise kompensiert.The machining vibrations generated in the course of the machining process are transmitted to the workpiece in the example shown 2 arranged detector 11 detected and converted into an electrical signal, which is used as an input signal 12th to a control device 13th is transmitted. In the control device 13th becomes the input signal 12th inverted and preferably processed with the help of correction parameters. This processed and inverted input signal 12th is then used as the output signal 14th transmitted to an actuator15, which is designed as a piezo element and based on the output signal 14th generates a compensation oscillation which at least partially compensates for the machining oscillation.

In dem gezeigten Beispiel ist der Aktivator 15 an dem Werkzeug 4 angeordnet und induziert demnach unmittelbar die Kompensationsschwingung in dem Werkzeug 4. Darüber hinaus sind aber auch andere Ausgestaltungsformen möglich.In the example shown is the activator 15th on the tool 4th arranged and accordingly induces the compensation oscillation in the tool directly 4th . In addition, however, other configurations are also possible.

Dies gilt gleichermaßen auch für die Anordnung des Detektors 11. Mögliche Ausgestaltungsformen können insbesondere der 2 entnommen werden, welche das Werkzeug 4 und das Werkstück 2 gemäß der 1 in einer vergrößerten Darstellung zeigt.This also applies to the arrangement of the detector 11 . Possible embodiments can in particular be the 2 be taken from which the tool 4th and the workpiece 2 according to the 1 shows in an enlarged view.

Bezüglich der Detektoren 11 kann eine Bearbeitungsschwingung unmittelbar an dem Werkstück 2 über einen Detektor 11a ermittelt werden. Auch an dem Werkzeug 4 ist ein Detektor 11b angeordnet, der eine Schwingung in dem Werkzeug 4 erfasst. Auch hinsichtlich der Aktuatoren 15 kann eine Schwingungsbeziehung unmittelbar an dem Werkzeug 4 aber auch an dem Werkstück 2 erfolgen. Hierfür liegt ein Aktuator 15a unmittelbar an dem Werkstück 2 an. Die weiteren Aktuatoren 15b, 15c und 15d wirken entsprechend unmittelbar auf das Werkzeug 4, wobei die Aktuatoren 15c und 15d auf einer Außenfläche des Werkzeuges 4 angeordnet sind, während der Aktuator 15b im Innern des Werkzeuges 4 als Kern angeordnet ist und somit bevorzugt keinen oder nur einen sehr geringen Abstand zur Drehachse aufweist. Während die Aktuatoren 15b, 15c insbesondere Schwingungen quer zur Drehrichtung des Werkzeuges 4 erfassen, ist der Aktuator 15d dazu eingerichtet, axiale Schwingungen bzw. Schwingungen entlang der Drehachse zu induzieren. Möglich ist darüber hinaus auch eine Ausgestaltung, bei der mehrere Detektoren 11 Schwingungen in unterschiedlichen Raumrichtungen z.B. quer und entlang der Drehachse erfassen.Regarding the detectors 11 machining vibration can occur directly on the workpiece 2 via a detector 11a be determined. Also on the tool 4th is a detector 11b arranged that a vibration in the tool 4th recorded. Also with regard to the actuators 15th can be a vibrational relationship directly on the tool 4th but also on the workpiece 2 take place. There is an actuator for this 15a directly on the workpiece 2 at. The other actuators 15b , 15c and 15d act accordingly directly on the tool 4th , the actuators 15c and 15d on an outer surface of the tool 4th are arranged while the actuator 15b inside the tool 4th is arranged as a core and thus preferably has no or only a very small distance from the axis of rotation. While the actuators 15b , 15c in particular vibrations transverse to the direction of rotation of the tool 4th capture is the actuator 15d set up to induce axial vibrations or vibrations along the axis of rotation. In addition, an embodiment in which several detectors are possible is also possible 11 Record vibrations in different spatial directions, e.g. across and along the axis of rotation.

Claims

A method for compensating for vibrations in a machine tool (1), the machine tool (1) having a rotating tool (4) which, in the course of the rotation, processes a workpiece (2) resting against the tool (4) by cutting, with at least one compensation unit a detector (11), at least one actuator (15) and a control device (13), wherein the at least one actuator (15) detects a machining vibration caused by the machining process and, based on this machining vibration, sends an electrical input signal (12) to the control device ( 13), the control device (13) generating an output signal (14) based on the input signal (12) and transmitting it to the at least one actuator (15), and the actuator (15) generating a compensation oscillation based on the output signal (14) which acts on the tool (4) and which at least partially compensate for at least one machining vibration sated.

Procedure according to Claim 1 , wherein the at least one machining oscillation is an oscillation perpendicular to an axis of rotation of the tool (4).

Method according to one of the Claims 1 or 2 , at least one first detector (11) detecting a first machining oscillation and a second detector (11) detecting a second machining oscillation perpendicular thereto.

Procedure according to Claim 3 wherein at least one first actuator (15) generates a first compensation vibration on the basis of the first machining vibration and a second actuator (15) generates a second compensation vibration on the basis of the second machining vibration.

Procedure according to one of the Claims 1 until 4th , wherein at least one actuator (15) is designed as a piezo element.

Method according to one of the Claims 1 until 5 , at least one actuator (15) acting directly on the tool.

Method according to one of the Claims 1 until 6th , wherein at least one detector (11) detects a machining vibration directly on the workpiece.

Method according to one of the Claims 1 until 7th , wherein at least one detector (11) detects a machining vibration directly on the tool.

Method according to one of the Claims 1 until 8th wherein the control device (13) acts on the basis of the input signal (12) or the input signals (12) on the rotational speed and / or the feed speed of the tool (4).

Machine tool arrangement with a machine tool (1) and a compensation unit which is used to carry out a method according to one of the Claims 1 until 9 are formed, wherein the compensation unit has at least one detector (11), at least one actuator (15) and a control device (13).

Machine tool arrangement according to Claim 10 wherein at least one actuator (15) is arranged directly on or in a tool (4) of the machine tool (1).

Machine tool arrangement according to Claim 10 or 11 , wherein at least one detector (11) is provided for detecting a machining vibration on a workpiece (2) and / or tool (4).

Tool (4) for machining a workpiece (2) with at least one actuator (15) arranged inside or on an outside surface for integration into a machine tool arrangement according to one of the Claims 10 until 12th .