JP2010089256A

JP2010089256A - 工作機械およびその機械要素の振動減衰方法

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Publication number: JP2010089256A
Application number: JP2009233531A
Authority: JP
Inventors: Jens Hamann; ハーマンイェンス; Juergen Krejtschi; クライチユルゲン; Elmar Schaefers; シェーファースエルマー; Dietmar Stoiber; シュトイバーディートマー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2010-04-22
Also published as: EP2174748A1; US20100092262A1; EP2174748B1

Abstract

【課題】本発明は、第１モータ（７）によって伝動装置（１７、１７′）を介して送り方向（Ｘ）に送り移動される機械要素（６、６′）を有する工作機械（１、１′）およびその機械要素（６、６′）の振動減衰方法に関する。
【解決手段】その工作機械（１、１′）が、機械要素の送り方向（Ｘ）に力（Ｆ）を機械要素（６、６′）に与える第２モータ（１５、１５′）を有し、この第２モータ（１５、１５′）が、第２モータ（１５、１５′）と機械要素（６、６′）との間に伝動装置を中間接続することなく機械要素（６、６′）に力（Ｆ）を直接与え、第２モータ（１５、１５′）が、この第２モータ（１５、１５′）で発生される力（Ｆ）が機械要素（６、６′）の送り方向（Ｘ）に向いた機械要素（６、６′）の振動に対抗して作用するように制御される。これにより、工作機械（１、１′）の機械要素（６、６′）の振動が減衰できる。
【選択図】図１

Description

本発明は工作機械およびその機械要素の振動減衰方法に関する。

工作機械の非直動式機械要素の場合、採用された伝動装置のために動力伝達系の弾性によって機械要素に特に動力伝達系の固有振動周波数の範囲で振動が引き起こされる。直動装置の採用によって動力伝達系の弾性は著しく減少することができる。もっとも、その直動装置はすべてのプロセス要件（加工力と加速力）が満たされるように設計されねばならない。これは工作機械において通常、実際には不可能である。その理由は、一方では、かなりの経費がかかることにあり、他方では、加工過程中に機械要素を送り移動するために必要な通常非常に大きな力を発生するために複数の直動装置が必要であり、それらの直動装置が大きな場所を要するために工作機械に一体に組み込めないことにある。

このことから、市販の工作機械の場合、生産性が低下する。即ち、例えば精密加工時に例えばテーブルのような機械要素が、加工時における必要な高い精度を保持するために、また、振動発生を防止するために、ゆっくり送り移動されねばならない。また、精密切削加工時にも、固有振動が励起されないようにするために、機械要素は通常ゆっくり送り移動されねばならない。

従来、例えば位置目標値の最適設定、回転数調節器の適切なパラメータ設定あるいは対向振動子のような種々の振動減衰方式が知られている。従来技術の場合、多くの用途において、特に大きな加工力および加速力が生ずるとき、上述の方式はたいてい不十分であり、このために、上述の生産性低下が生ずるという欠点がある。

本発明の課題は、工作機械の機械要素の振動を減衰することにある。

この課題は、第１モータによって伝動装置を介して送り方向に送り移動される機械要素を有する工作機械において、この工作機械が機械要素の送り方向に力を機械要素に与える第２モータを有し、この第２モータが、第２モータと機械要素との間に伝動装置を中間接続することなく機械要素に力を直接与え、第２モータが、この第２モータで発生された力が機械要素の送り方向に向いた機械要素の振動に抗して作用するように制御されることによって解決される。

また本発明の課題は、第１モータによって伝動装置を介して送り方向に送り移動される機械要素を有する工作機械の機械要素の振動減衰方法であって、第２モータによって力が機械要素の送り方向に機械要素に与えられ、第２モータによって、第２モータと機械要素との間に伝動装置を中間接続することなく力が機械要素に直接与えられ、第２モータが、この第２モータで発生された力が機械要素の送り方向に向いた機械要素の振動に抗して作用するように制御されることによって解決される。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

本発明に基づく方法の有利な実施態様は、工作機械の有利な実施態様に類似して生じ、またその逆も言える。

第２モータが、リニアモータあるいは回転モータとして形成されていることが有利である。直動装置の形態で存在するリニアモータあるいは回転モータは、第２モータの通常の形態である。

また、回転モータが、トルクモータとして形成されていることが有利である。トルクモータは、機械要素に作用する大きなトルク従って大きな力の発生を可能とし、これは大きな振動減衰を可能とする。

さらに、第２モータが、この第２モータで発生された力が機械要素の目標速度と実際速度の差に比例するように制御されることが有利である。これによって、特に良好な減衰作用が実現できる。

また、機械要素が、テーブルあるいはスライダとして形成されていることが有利である。テーブルあるいはスライダとしての機械要素は機械要素の通常の形態である。しかし勿論、機械要素は、異なった構成要素の形態でも存在できる。即ち、例えば機械要素は、工具を回転駆動するために用いられるモータ（例えば工具主軸モータ）の形態でも存在できる。

さらに本発明は、ブローチ盤において有利である。これは特にこの種の工作機械では大きな加工力と加速力が生ずるからである。

以下図に示された本発明の３つの実施例について詳細に説明する。

本発明に基づく工作機械の第１実施例の概略構成図。第１モータと第２モータを制御するための制御系のブロック図。本発明に基づく工作機械の第２実施例の概略構成図。ブローチ盤として形成された本発明に基づく工作機械の第３実施例の概略構成図。

図１に、本発明に基づく工作機械１の第１実施例が概略的に示されている。図１には、工作機械１の本発明の理解にとって主要な構成要素しか示されていない。工作機械１は、この実施例ではテーブルの形態に形成された機械要素６を有している。この機械要素６は、第１モータ７によって駆動される。その第１モータ７は、雄ねじ付きスピンドル８を回転する。このスピンドル８の雄ねじにかみ合う雌ねじを有するナット３４が機械要素６に固く結合されている。第１モータ７が回転し、これに伴ってスピンドル８が回転すると、ナット３４従ってテーブル６が送り方向Ｘに移動し、即ち、この実施例では、水平方向に第１モータ７の回転方向に応じて左あるいは右に移動する。ナット３４とスピンドル８は、一緒に伝動装置１７を形成している。このようにして機械要素６は、第１モータ７によって伝動装置１７を介して送り方向Ｘに送り移動される。

機械要素６に取り付けられたワーク保持装置５によって、機械要素６上にワーク４が締付け固定される。この実施例では、工具主軸モータの形態で存在する第３モータ２は、ワーク４を加工するための工具（例えばフライス）３を回転駆動する。

図１に、概略的に示された場所固定の目盛付きスケール１４に関する機械要素６の実際位置Ｘ_istを位置検出器１１が検出する。ここでは理解し易くするために、スケール１４の１つの増分目盛だけに符号１５が付されている。いま機械要素６が送り方向Ｘに移動されると、例えば切削加工時に送り方向Ｘに作用する大きな加工力が生ずる。機械要素６従ってワーク４の送りにとって必要な相応の大きな力が、第１モータ７により伝動装置１７を介して発生される。加工過程中に機械要素６の送りにとって必要な大きな力を経済的に与えるために、伝動装置１７が必要である。

このような動力伝達系の場合、例えばスピンドルの雄ねじとナット３４の雌ねじとの間の遊びのために、機械要素６が小さな距離の枠内で送り方向Ｘに容易に往復運動できるという欠点がある。このために、機械要素６に特に動力伝達系の固有振動周波数の範囲で振動が生ずる。

そこで、本発明は以下のことを提案する。即ち、機械要素６が本発明に基づいて第２モータ１５の形態の直動装置を有している。この第２モータ１５は、この実施例ではリニアモータの形態に形成され、機械要素６に固く結合された一次側部品９と、場所固定の二次側部品１０とから成っている。その一次側部品９のコイルは磁界を発生するために電気制御され、二次側部品１０は永久磁石を有している。図１には、理解し易くするために１つの永久磁石にしか符号１２が付されていない。この実施例では、一次側部品９は図１においてスピンドル８の手前に配置されている。

機械要素６に直接作用する力Ｆは、第２モータ１５によって機械要素６の送り方向Ｘに与えられる。既に述べたように、第２モータ１５は本発明に基づいて直動装置として形成され、即ち、第２モータ１５と機械要素６との間に伝動装置を中間接続することなく、第２モータ１５が機械要素６に直結され、従って、既に述べたように、機械要素６の送り方向Ｘに力Ｆが機械要素６に直接与えられる。第２モータ１５は、この第２モータ１５で発生された力Ｆが機械要素６の送り方向Ｘに向いた機械要素６の振動運動に対抗して作用するように制御装置を介して制御される。即ち、例えば振動運動が正にＸ方向に左から右に生ずるとき、力Ｆの図示された矢印方向に応じた正の力Ｆが発生され、その正の力Ｆはこの運動に対抗して右から左に作用し、例えば振動運動が正にＸ方向に右から左に生ずるとき、力Ｆの図示された矢印方向に応じた負の力Ｆが発生され、その負の力Ｆはこの運動に対抗して左から右に作用するように、第２モータ１５は制御装置を介して制御される。

第２モータ１５は本発明に基づいて、加工過程中に機械要素６の送りにとって必要な大きな送り力を与える必要がなく、力Ｆは機械要素６の振動を減衰するために利用されるに過ぎない。

図２に、第１モータ７と第２モータ１５を制御するための制御系が示されている。制御装置（例えば工作機械の数値制御装置）２３は、第１モータ７を制御するための位置目標値の形態の目標位置Ｘ_sollを発生する。その目標位置Ｘ_sollは、第１駆動装置２２に入力量として与えられる。その第１駆動装置２２は、内部に主に静止形電力変換装置並びに調整機能を有している。第１駆動装置２２は、第１モータ７を制御するために電線２１を介して第１モータ７に接続されている。機械要素６の位置を変位調整するために、第１駆動装置２２は位置検出器１１で検出された位置実際値の形態の機械要素６の実際位置Ｘ_istを制御実際入力量として受ける。その場合、機械要素６は制御装置２３によって設定された目標位置Ｘ_sollに応じて送り方向Ｘに移動される。

また、その制御系は、時間ｔに応じて微分演算するための２つの微分演算ブロック２４、２５と減算器２６と調節器２７とを有する制御装置３０を有している。目標位置Ｘ_sollが制御装置２３から微分演算ブロック２４に与えられ、この微分演算ブロック２４が時間ｔに応じて導関数によって目標位置Ｘ_sollから目標速度Ｖ_sollを計算し、出力端から出力する。微分演算ブロック２５によって、位置検出器１１で検出された実際位置Ｘ_istから時間ｔ微分により実際速度Ｖ_istが計算される。続いて減算器２６によって、目標速度Ｖ_sollと実際速度Ｖ_istの差Ｄが計算され、この実施例では比例調節器として形成された調節器２７に入力量として供給される。その調節器２７は、機械要素６の振動を減衰するために第２モータ１５により与えねばならない力Ｆを、差Ｄと係数Ｋとの乗算によって求め、その力Ｆを第２駆動装置２８に入力量として与える。その第２駆動装置２８は、調節器２７により設定された力Ｆと実際位置Ｘ_istとに応じて電線２９に出力電圧を出力し、第２モータ１５が力Ｆを発生して機械要素６に与える。

図３に異なった実施例の工作機械１′が概略的に示されている。図３に示された実施例の基本構造は図１において前述した実施例とほぼ同じである。従って、図３において図１と同一構成要素に同一符号が付されている。図１の実施例との主な相違点は、図３の実施例において機械要素６′が回転軸線１６を中心としてＸ方向に回転移動できるいわゆる回転テーブルの形態のテーブルであることにある。従って、図１の実施例と異なって、送り方向Ｘは図１のように並進方向ではなく回転方向である。位置検出器１１′は実際位置、即ち、機械要素６′の回転角を検出する。第１モータ７は駆動軸１８を駆動する伝動装置１７′を介して機械要素６′を回転駆動する。その駆動軸１８は機械要素６′に固く結合されている。また駆動軸１８は、この実施例では回転モータ特にトルクモータとして形成された第２モータ１５′にねじ継手１９を介して結合されている。機械要素６′は第１モータ７によって送り方向Ｘに伝動装置１７′を介して送り移動される。第２モータ１５′は機械要素６′にこの実施例では回転方向である送り方向Ｘに力Ｆを与える。従って、第２モータ１５′は図１の実施例の場合と同様に、第２モータ１５′と機械要素６′との間に伝動装置を中間接続することなく力Ｆを機械要素６′に直接与える。

図３における第２モータ１５′の制御は図２に示され詳述された制御系を介して同じようにして行われる。図３の実施例の機能は他の点では図１の実施例の機能と同じである。

本発明による的確な振動減衰によって工作機械の摩耗低減も得られる。

さらに、機械要素は必ずしも実施例のようにテーブルとして形成する必要はなく、工作機械の任意の機械要素の形態で存在することも勿論できる。即ち、機械要素は例えば第３モータ２の形態でも存在することができ、この第３モータ２は上述の動力伝達系を介して同じように送り移動され、その振動は減衰される。またこの機械要素は例えば移動可能なスライダの形態でも存在でき、このスライダは上述の動力伝達系を介して同じように移動され、その振動は減衰することができる。

図４にブローチ盤１″として形成された工作機械が概略的に示されているが、ここでは本発明の理解にとって主要な構成要素しか示されていない。図４に示された実施例の基本構造は図１において前述した実施例とほぼ同じである。従って、図４において図１と同一構成要素に同一符号が付されている。図１の実施例との主な相違点は、図４の実施例においては機械要素６″が移動可能なスライダとして形成され、このスライダに工具保持装置３２が取り付けられていることにある。その工具保持装置３２に例えば押しブローチとして存在するブローチ３３が締付け固定される。図４では理解を容易にするために図示されていないワークがブローチ３３によって切削加工される。図４の実施例の機能は他の点では図１の実施例の機能と同じである。

なおここでは、うず電流ブレーキによって振動が受動的に減衰されることによって、振動減衰を達成することもできる。そのために、例えば一次側部品９を銅で鋳造し、従って、短絡可能とすることができる。従って、二次側部品１０と組み合わせて受動的に作用するうず電流ブレーキが生ずる。しかしこの方式は、上述の本発明に基づく方式に比べて、実現可能な減衰が大幅に小さく、うず電流ブレーキの組込み後に減衰作用が調整できないという欠点がある。

１、１′ 工作機械
１″ ブローチ盤
６、６′ 工作要素（テーブル）
６″ スライダ
７第１モータ
１５、１５′ 第２モータ
１７、１７′ 伝動装置
Ｆ力
Ｘ送り方向

Claims

第１モータ（７）によって伝動装置（１７、１７′）を介して送り方向（Ｘ）に送り移動される機械要素（６、６′）を有する工作機械（１、１′）であって、
該工作機械（１、１′）が、機械要素の送り方向（Ｘ）に力（Ｆ）を機械要素（６、６′）に与える第２モータ（１５、１５′）を有し、該第２モータ（１５、１５′）が、第２モータ（１５、１５′）と機械要素（６、６′）との間に伝動装置を中間接続することなく機械要素（６、６′）に力（Ｆ）を直接与え、この第２モータ（１５、１５′）が、該第２モータ（１５、１５′）で発生された力（Ｆ）が機械要素（６、６′）の送り方向（Ｘ）に生じる機械要素（６、６′）の振動に抗して作用するように制御されることを特徴とする工作機械。
第２モータ（１５、１５′）が、リニアモータあるいは回転モータとして形成されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
回転モータ（１５′）が、トルクモータとして形成されていることを特徴とする請求項２に記載の工作機械。
第２モータ（１５、１５′）が、該第２モータ（１５、１５′）で発生される力（Ｆ）が機械要素（６、６′）の目標速度（Ｖ_soll）と実際速度（Ｖ_ist）の差（Ｄ）に比例するように制御されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の工作機械。
機械要素が、テーブル（６、６′）あるいはスライダ（６″）として形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の工作機械。
工作機械が、ブローチ盤（１″）として形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の工作機械。
第１モータ（７）によって伝動装置（１７、１７′）を介して送り方向（Ｘ）に送り移動される機械要素（６、６′）を有する工作機械（１、１′）の機械要素（６、６′）の振動減衰方法であって、
第２モータ（１５、１５′）によって力（Ｆ）が機械要素（６、６′）の送り方向（Ｘ）に機械要素（６、６′）に与えられ、この第２モータ（１５、１５′）によって、第２モータ（１５、１５′）と機械要素（６、６′）との間に伝動装置を中間接続することなくこの力（Ｆ）が機械要素（６、６′）に直接与えられ、第２モータ（１５、１５′）が、該第２モータ（１５、１５′）で発生される力（Ｆ）が機械要素（６、６′）の送り方向（Ｘ）に向いた機械要素（６、６′）の振動に抗して作用するように制御されることを特徴とする工作機械の機械要素の振動減衰方法。