DE10335043B3 - Einrichtung zum Bedämpfen von mechanischen Schwingungen an Werkzeug- oder Produktionsmaschinen - Google Patents

Abstract

Zum Bedämpfen von mechanischen Schwingungen werden Piezoaktoren (P2-P5) in den Aufstellelementen (AE3-AE6) von Werkzeugmaschinen (W2, W3) verwendet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bedämpfung von mechanischen Schwingungen mit Hilfe von Piezoaktoren und/oder elektromagnetischen Aktoren an Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, die über Aufstellelemente mit einem Maschinenbett verbunden sind, wobei die Aktoren integrale Bestandteile der Aufstellelemente sind.
• Werkzeugmaschine werden in der Regel über Fixatoren als Aufstellelementen an einem Maschinenbett befestigt. Die Befestigung kann dabei entweder starr sein oder eine gewisse Elastizität aufweisen. Die resultierende Eigenfrequenz des Gesamtsystems kann bei elastischer Anordnung in der Größenordnung um 2Hz, bei steifer Anordnung in der Größenordnung um 30Hz liegen. In jedem Fall begrenzen diese Eigenfrequenzen jedoch die Dynamik des Bearbeitungsprozesses auf Werkzeugmaschinen, z.B. Portalfräsmaschinen. Damit es nicht zu einem Überschwingen beim Positionieren von Achsen der Maschine kommt und damit die geforderte Bearbeitungsgenauigkeit erreicht wird, muss gegebenenfalls mit Ruckbegrenzung gefahren werden. Ob sich je nach Maschinentyp die Bettschwingungen als absolute oder relative Bewegung in Bezug zum Werkzeugbezugsystem befindet, ist dabei ohne Belang. Insbesondere wenn die Frequenzen, die durch die Steifigkeit der Aufstellelemente mitbestimmt werden, im Bereich der niedrigsten Eigenfrequenz der Maschine liegen, erweist sich dies als besonders negativ. Mit den heutzutage üblichen Fixatoren kann leider keine aktive Einflussnahme auf die Bettschwingungen erfolgen. Mit den Parametern "Bettmasse" sowie "Anzahl und Steifigkeit der Fixatoren" kann die Frequenz der Bettschwingung lediglich so abgestimmt werden, dass sie nicht im kritischen Bereich liegt. Dazu wählt man entweder die eingangs genannte weiche oder steife Aufstellmethode, damit die Bettfrequenz weit unter bzw. über der erste Resonanzfrequenz der Maschine liegt.
• Aus der Zeitschrift "Info-Bit", Seite 27 bis 28 ist es gemäß dem Artikel "Piezoaktoren in Werkzeugmaschinen", Frederic Schiess, bekannt, Piezoaktoren zu einer aktiven Schwingungsbedämpfung so einzusetzen, dass mit Gegenmassen versehene Piezoaktoren an kritischen Punkten einer Werkzeugmaschine angebracht werden, um dort aktiv dämpfend einzuwirken. Die Gegenmassen benötigt man dabei, um jeweils eine Beschleunigungskraft zu erzeugen, die dann am Anbauort des Piezoaktors in die Maschinenstruktur eingeleitet wird. Diese Lösung zur Krafterzeugung mittels Gegenmassen stellt ein Absolutprinzip eines aktiven Tilgers (Absorbers) dar.
• Aus der deutschen Patentschrift DE 198 12 748 C1 ist ein aktives Lagerelement für eine Schwingungsisolierung, insbesondere für eine Körperschallisolierung bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ohne große Eingriffe in die Maschinenstruktur eine Schwingungsbedämpfung bei auf einem Bett montierten Werkzeug- oder Produktionsmaschinen zu erreichen.
• Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an die Aktoren eine ohmsche Last angeschlossen ist.
• Es erweist sich als vorteilhaft, dass die Schwingungen über Sensoren erfassbar sind und dass durch Ausgangssignale der Sensoren über eine Steuereinrichtung die Aktoren dämpfend ansteuerbar sind. Durch die Sensorik ist eine stete Istwerterfassung für einen exakten Regelvorgang möglich. Die einzelnen Aktoren sind direkt an eine ohmsche Last angeschlossen und sind als passiv dämpfende Elemente verwendbar.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 eine Einrichtung gemäß dem Stand der Technik,
• 2 eine Werkzeugmaschine
• 3 eine Ausbildung der Erfindung.
• In der Darstellung gemäß 1 ist eine Werkzeugmaschine W1 dargestellt, die über Aufstellelemente AE1 und AE2 auf einem Bett B1 befestigt ist. Selbstverständlich handelt es sich bei dieser, wie auch den weiteren Darstellungen um Prinzipbilder, in denen weitere Einzelheiten, die für das Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderlich sind, nicht gezeigt sind.
• Es möge nun der Fall angenommen sein, dass im rechten oberen Bereich der Werkzeugmaschine W1 Schwingungen während des Bearbeitungsprozesses von Werkstücken auftreten. Um diese Schwingungen zu eliminieren, ist eine Masse M über einen Piezoaktor P1, der aus einer Säule von hintereinander geschalteten Piezoelementen bestehen möge, an der Werkzeugmaschine W1 befestigt. Über eine elektrische Beschaltung des Piezoaktors P1, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, können nun die im Betrieb störend auftretenden Schwingungen aktiv bedämpft werden, wobei die Masse M als das die Gegenkraft mitauslösendes Element vorgesehen ist. Die Randbereiche des Piezoaktors P1, die als Befestigungselemente ausgebildet sein mögen, sind in der Darstellung durch ausgefüllte Felder angedeutet.
• In der Darstellung gemäß 2 ist eine Werkzeugmaschine W2 gezeigt, die ebenfalls an einem Bett, in diesem Fall an einem Bett B2, befestigt ist. Zum Aufstellen sind dabei jedoch Aufstellelemente AE3 und AE4 vorgesehen, die als Piezoaktoren P2 und P3 ausgebildet sind. Die beidseitigen Befestigungsadapter sind wie beim Beispiel gemäß 1 ebenfalls durch ausgefüllte Felder angedeutet. Durch Sensoren S1 und S2 und gegebenenfalls S3 (die Leistungsführung ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet) wird nun das Vorliegen von Schwingungen der Werkzeugmaschine W2 festgestellt und über eine Steuereinrichtung ST wird eine Ausregelung durch Ansteuern der Piezoaktoren P2 und P3 vorgenommen. Die Sensoren S1 bis S3, beispielsweise Beschleunigungsgeber, sind in der Darstellung durch of fene Dreiecke symbolisiert. Auf den Sensor S3 kann insbesondere bei hoher Masse des Bettes B2 verzichtet werden.
• In der Darstellung gemäß 3 ist gezeigt, wie bei einer Werkzeugmaschine W3, die über Aufstellelemente AE5 und AE6 an einem Bett B3 befestigt ist, Piezoaktoren P4 und P5, die integrale Bestandteile der Aufstellelemente AE5 und AE6 sind, als passive Dämpfer eingesetzt sind. Dazu wird die von den Piezoaktoren P4 und P5 erzeugte elektrische Energie in Widerständen R1 und R2 vernichtet.
• Durch die Verwendung der Piezoaktoren in den Aufstellelementen, sind die Piezoaktoren mechanisch stark vorgespannt und somit ist es prinzipiell möglich, die Piezoaktoren zur bidirektionalen Krafterzeugung zu verwenden.
• Prinzipiell ist auch die Verwendung von elektromagnetischen Aktoren denkbar, jedoch haben sich gerade Piezoaktoren als äußerst preiswerte und zuverlässige handelsübliche Elemente erwiesen.
• Auch eine beliebige Mischanordnung aktiver und passiver Aktoren, seien diese piezoelektrisch oder magnetisch wirkend, ist durchaus möglich.

Claims (1)

1. Einrichtung zur Bedämpfung von mechanischen Schwingungen mit Hilfe von Piezoaktoren und/oder elektromagnetischen Aktoren an Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, die über Aufstellelemente mit einem Maschinenbett verbunden sind, wobei die Aktoren (P2, P3, P4, P5) integrale Bestandteile der Aufstellelemente (AE3, AE4, AE5, AE6) sind, dadurch gekennzeichnet, dass an die Aktoren (P4, P5) eine ohmsche Last (R1, R2) angeschlossen ist.