WO2008049764A1 - Werkzeugmaschine - Google Patents

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WO2008049764A1
WO2008049764A1 PCT/EP2007/061060 EP2007061060W WO2008049764A1 WO 2008049764 A1 WO2008049764 A1 WO 2008049764A1 EP 2007061060 W EP2007061060 W EP 2007061060W WO 2008049764 A1 WO2008049764 A1 WO 2008049764A1
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WO
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workpiece
machine tool
werkstückeinspannvorrichtung
lld
iib
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Application number
PCT/EP2007/061060
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Inventor
Uwe Ladra
Gabriele Schmitt-Braess
Elmar SCHÄFERS
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/0971—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring mechanical vibrations of parts of the machine
    • B23Q17/0976—Detection or control of chatter
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y10T409/30—Milling
    • Y10T409/304312—Milling with means to dampen vibration

Definitions

  • the invention relates to a machine tool, wherein the machine tool has a Maschinentscheinspannvorraum for clamping a workpiece. Furthermore, the invention relates to a method corresponding thereto.
  • Another way is to determine the dynamic compliance of the machine tool and critical resonances occurring therein by a modal analysis the individual Ma allocate to machine areas.
  • Such an analysis makes it possible to determine which areas of the machine have too much yield compared to the cutting process and are thus causally responsible for the chatter vibrations, ie chattering.
  • the machine compliance in the corresponding frequency ranges can not be reduced by a specific measure (eg increasing the rigidity of discrete components of the machine), but rather an extensive redesign or even a concept change of the machine is often necessary. In an already existing machine this way is not feasible anyway.
  • the published patent application DE 44 05 660 A1 discloses a method and an arrangement for operating a cutting machine tool, in particular a circular saw, milling, grinding machine or the like.
  • the published patent application DE 102 20 937 A1 discloses a method and a device for damping an occurring chatter vibration in a processing machine.
  • the object of the invention is to provide a machine tool in which chatter vibrations occurring during a machining operation are reduced.
  • this object is achieved by a method for suppressing vibrations occurring during a machining operation in a machine tool, wherein the machine tool has a Maschinen simplifying technique for clamping a workpiece, wherein the Maschinen simplifying technique and thus the workpiece are moved by means of a piezoelectric actuator.
  • the piezoactuator is actuated to such an extent that the workpiece clamping device follows oscillating movements of a tool occurring during a machining operation.
  • the speed of the workpiece clamping device is determined by means of an acceleration sensor located in the immediate vicinity of the workpiece clamping device, since then the speed of the workpiece clamping device can be determined very accurately.
  • the speed of the tool is determined by means of an acceleration sensor located in the immediate vicinity of the tool becomes. This measure allows the speed of the tool to be determined very accurately.
  • the regulating device for regulating the speed difference has a
  • Controller and a forward or downstream of the controller transmission member, wherein the complex transfer function of the transmission member is designed such that at a frequency of the oscillation to be suppressed, the transfer function has a pole. This allows a particularly high reduction of the vibrations.
  • the piezoelectric actuator outputs a position signal, wherein the speed of the workpiece clamping device is determined by means of the position signal. As a result, a determination of the speed of the workpiece clamping device is made possible in a simple manner.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a control device for controlling the piezoelectric actuator
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a control device for controlling the piezoelectric actuator.
  • a machine tool 1 according to the invention is shown in the form of a schematic representation.
  • the machine tool 1 has, inter alia, a machine bed 22, a workpiece table 2 which is horizontally movable, ie movable, in the direction of the double arrow 3 by means of an electric motor not shown for clarity, and a drive 27 which can be moved vertically in the direction of the double arrow 4.
  • the drive 27 rotatably drives a tool receiving device 15, in which a tool 6, which is formed in the embodiment as a cutter, is clamped.
  • the drive 27 drives in such a way the cutter rotating.
  • a workpiece clamping device for clamping a workpiece is fixedly mounted directly on the movable workpiece table 2.
  • a workpiece clamping device 10 in contrast to the conventional machines, is movably mounted relative to the workpiece table 2 by means of piezoactuators.
  • the workpiece clamping device 10 has two clamping jaws 8a and 8b for clamping a workpiece 9. Furthermore, the workpiece clamping device 10 has a base element 23 to which the clamping jaws 8a and 8b are fastened.
  • the workpiece clamping device 10 is actively supported in all three directions of movement by means of piezoactuators IIa, IIb, 11c, Hd and another non-visible piezoactuator located on the rear side and corresponding to the piezoactuator Hd.
  • the Maschinen streinspannvor- device 10 is movable by means of the piezoelectric actuators, in which way, since the workpiece 9 is clamped in the Maschinen serialeinspannvorraum 10, and the workpiece 9 is movable by means of the piezoelectric actuators.
  • the Werk serialeinspannvortechnisch 10 and the workpiece are movable by means of a piezoelectric actuator.
  • the workpiece clamping device 10 is shown enlarged in FIG.
  • a so-called piezoelectric table 7 is fixedly mounted, wherein the piezoelectric actuators between the workpiece clamping device 10 and the piezoelectric table 7 are arranged.
  • the Werk Swissein- clamping device 10 in addition to an active storage by means of piezoelectric actuators, in addition to a passive storage, which in the embodiment in the form of spring struts 12a, 12b, 12c, 12d and another on the back of the Werk Swisseinspannvorraum 10th present to strut Hd corresponding strut is present.
  • the passive bearing ensures the static rigidity of the workpiece clamping device 10, so that the piezoelectric actuators are used only for the generation of the necessary dynamic forces.
  • the control of the actuating movements of the piezoelectric actuators by means of a control device 14 which controls the piezoelectric actuators.
  • the control device 14 receives the input side Lüistsignale indicating the position of the Werk Swisseinspannvorraum 10 relative to the fixedly mounted piezoelectric table 7, ie as a result of the workpiece table 2.
  • the piezoelectric actuators which have a single or a plurality of piezo elements as the active control element, additionally have a position sensor integrated in the respective piezoelectric actuator.
  • the position sensor may, for example, in the form of a strain gauge or in the form of a piezoelectric element, which is used for measurement purposes, present.
  • the position signals will be supplied to the control device 14 as an input variable, which is indicated by a connection 13. Furthermore, the control device 14 controls the piezo actuators via the connection 13. Alternatively, it is also conceivable that on the Maschinen Gieinspannvortechnik 10, an acceleration sensor 26 (shown in phantom) is attached, which feeds the acceleration of the Werk serialeinspannvortechnik 10 as input of the control device 14 instead of the position of the Werk Gieinspannvorraum. Furthermore, the speed of the tool 6 is determined by means of an acceleration sensor 5 localized in the immediate vicinity of the tool 6 and fed as an input variable to the control device 14, which is indicated by an arrow 5 in FIG. is placed. In the exemplary embodiment, the acceleration sensor 5 is mounted on the drive 27.
  • the piezoactuators are now driven in such a way by the control device 14 that the workpiece clamping device 10 oscillating movements occurring during a machining operation, which are e.g. from rattling, the tool 6 follows. If, for example, it is moving the cutter in the illustration of FIG 1 by a force occurring during the machining process upward, so this is registered by the acceleration sensor 5, since the movement of the cutter on the tool receiving device 15 is transmitted to the drive 27 and the acceleration sensor 5 outputs a corresponding acceleration signal to the Control device 14 off.
  • the regulating device 14 now preferably controls the piezoactuator 11c in such a way that the workpiece clamping device 10 and thus also the workpiece 9 follows oscillating movements of the tool occurring during a machining operation, in particular synchronously.
  • the Werk Swisseinspannvorraum 10 and thus also the workpiece 9 are synchronized with the
  • Swinging movements of the cutter 6 moves. If the milling cutter moves in the course of its oscillatory movement, e.g. Moving upwards, then we the piezoelectric actuator 11 c driven such that the Werk Glaeinspannvortechnisch 10 also moves upwards. The procedure is analogous to the other directions of movement.
  • control device 14 is designed in the exemplary embodiment in such a way that the speed difference between the speed of the workpiece clamping device 10 and the speed of the tool 6 is regulated to zero.
  • a first embodiment of the control device 14 is shown in the form of a block diagram.
  • the control device 14 has a controller 16 (eg, proportional-integral controller), a power module 23, a differentiator 17, an integrator 18, and two subtracters 19 and 24.
  • the piezoelectric actuator 11c indicates the position x WS ⁇ , which indicates the position of the workpiece 9 with respect to the workpiece table 2, in particular to the piezo table 7, from.
  • the piezoactuator 11c acts on the workpiece clamping device 10, which is indicated by a corresponding arrow 25 in FIG. 2, and moves it along one direction.
  • the position X WST of the workpiece is forwarded as input to a differentiator 14, which determines and outputs the speed v ws ⁇ of the workpiece clamping device from the position x WS ⁇ .
  • the oscillatory movement of the tool 6 is, as already said, transmitted via the tool receiving device 15 to the drive 27, wherein the occurring acceleration a wz of the tool 6 is determined by means of the acceleration sensor 5 and will output.
  • the acceleration a wz of the tool 6 is fed to an integrator 18 as an input variable, which determines therefrom the speed v wz of the tool and outputs it on the output side.
  • the speed difference v D is subtracted by means of a subtractor 24 from a target speed V SOLL , which is set to zero.
  • the thus obtained output of the subtractor 24 is supplied to the controller 16 as an input.
  • the controller 16 controls the piezoelectric actuator 11c via a power module 23.
  • the power module 23 provides the necessary for the operation of the piezoelectric actuator 11c drive voltage.
  • the control circuit regulates the speed difference v D of the speed of the workpiece clamping device and the speed of the tool to zero, so that the tool clamping device follows oscillating movements of the tool occurring during the machining process, in particular synchronously. There is one control device for each direction of movement.
  • FIG 3 shows a further embodiment of the control device 14 is shown.
  • the embodiment shown in FIG. In the basic construction, the shape corresponds essentially to the embodiment described above in FIG. The same elements are therefore provided in FIG 3 with the same reference numerals as in FIG 1.
  • the transmission element 21 can be connected downstream of the regulator 16 or alternatively in front of the regulator 16, ie between subtractor 24 and regulator 16. Is an interfering oscillation frequency fo of the oscillations known, for example, from a measurement and thus which of the resonances for which vibrations are the cause, it is possible to influence them with appropriate control measures.
  • An application of the method "internal model principle” aims at optimizing the guiding behavior to specific signal forms of the reference variable, for example, if it is known that a component of the reference variable of the control loop is a harmonic signal with the frequency f 0 , then this reference variable is an ideal management Behavior can be achieved - ideal in the sense that the reference variable
  • the poles on the imaginary axis are at ⁇ j 2- ⁇ -fo.
  • the control loop is stabilized with the transfer member having poles in the Laplace transform of the signal.
  • the control difference (output signal of the subtractor 24) at the frequency fo then no longer exactly zero, but the control circuit has a high stability for it.
  • the transmission element 21 represents a linear filter for weighting the frequency fo to be suppressed.
  • the clamping force used to clamp the workpiece, with which the workpiece clamping device acts on the workpiece remains constant when the oscillations occur, ie. the clamping force is not changed when the vibrations occur.
  • the position signals, acceleration signals and / or speed signals required for the invention also to be determined by means of the measuring devices already present on the machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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. Weiterhin betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren. Der Erfindung schafft eine Werkzeugmaschine, bei der während eines Bearbeitungsvorgangs auftretende Schwingungen reduziert werden.

Description

Beschreibung
Werkzeugmaschine
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 Fräsoder 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 Werkstück- Oberfläche 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 Ma- schinenbereichen 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 Ratterschwingun- gen, 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) verrin- gern, 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 DT 25 20 946 Al 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 Al 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 Al ist eine Vor- richtung 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 Al ist eine Einspannung eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme bekannt, wobei auftretende Schwingungen mit Hilfe eines nachgiebigen eine hohe Dämpfung aufweisenden Elements, das in den Kraft- fluss zwischen dem Werkzeug und der Werkzeugaufnahme eingefügt ist, reduziert werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 20 937 Al 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugma- schine zu schaffen, bei der während eines Bearbeitungsvorgangs auftretende Ratterschwingungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung zur Einspannung eines Werkstücks aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung und solchermaßen das Werkstück mittels eines Piezoaktors bewegbar sind.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Unterdrückung von während eines Bearbeitungsvorgangs auftretenden Schwingungen bei einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung zur Einspannung eines Werkstücks aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung und solchermaßen das Werkstück mittels eines Piezoaktors bewegt werden.
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.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Piezoak- tor dermaßen angesteuert wird, 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.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ansteue- rung des Piezoaktors mittels einer Regeleinrichtung erfolgt, 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 ummit- telbarer 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.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Regelein- richtung zur Regelung der Geschwindigkeitsdifferenz einen
Regler und ein dem Regler vor- oder nachgeschaltetes Übertragungsglied aufweist, wobei die komplexe Übertragungsfunktion des Übertragungsglieds derart ausgebildet ist, dass bei einer zu unterdrückenden Frequenz der Schwingung, die Übertragungs- funktion eine Polstelle aufweist. Hierdurch wird eine besonders hohe Reduzierung der Schwingungen ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Piezoak- tor 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 zei- gen:
FIG 1 eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine, FIG 2 eine erste Ausbildung einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Piezoaktors und FIG 3 eine zweite Ausbildung einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Piezoaktors. In FIG 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 Übersicht- lichkeit 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 verfahrba- ren Werkstücktisch 2 direkt eine Werkstückeinspannvorrichtung zur Einspannung eines Werkstücks fest montiert.
Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist eine Werkstückeinspannvorrichtung 10, im Gegensatz zu den handelsübli- chen Maschinen, gegenüber dem Werkstücktisch 2 mittels Piezo- aktoren bewegbar gelagert. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 weist zur Einspannung eines Werkstücks 9 zwei Spannbacken 8a und 8b auf. Weiterhin weist die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ein Grundelement 23 auf, an der die Spannbacken 8a und 8b befestigt sind. Die Werkstückeinspannvorrichtung 10 ist mittels Piezoaktoren IIa, IIb, 11c, Hd und einem weiteren nicht sichtbaren, auf der Rückseite befindlichen, zum Piezoaktor Hd korrespondierenden Piezoaktor, in allen drei Bewegungsrichtungen aktiv gelagert. Die Werkstückeinspannvor- richtung 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 FIG 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 Werkstückein- spannvorrichtung 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 Hd korrespondie- renden 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 Piezoele- ment 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 FIG 1 dar- gestellt 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 FIG 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 steu- ert 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 Geschwindigkeitsdiffe- renz von Geschwindigkeit der Werkstückeinspannvorrichtung 10 und Geschwindigkeit des Werkzeugs 6 zu Null geregelt wird.
In FIG 2 ist eine erste Ausbildung der Regeleinrichtung 14 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Regeleinrich- tung 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 xWSτ, 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 FIG 2 an- gedeutet ist und bewegt diese entlang einer Richtung. Die Lage XWST des Werkstücks wird als Eingangsgröße an einen Differenzierer 14 weitergeleitet, der aus der Lage xWSτ die Geschwindigkeit vwsτ 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 vD (vD = vwz - vwsτ) von Geschwindigkeit vwsτ der Werkstückeinspannvorrichtung und Geschwindigkeit vwz des
Werkzeugs ermittelt und ausgangsseitig ausgegeben. Die Geschwindigkeitsdifferenz vD wird mittels eines Subtrahierers 24 von einer Sollgeschwindigkeit VSOLL, 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 Geschwindigkeitsdif- ferenz vD 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 Bewegungsrich- tung existiert jeweils eine Regeleinrichtung.
In FIG 3 ist eine weitere Ausführungsform der Regeleinrichtung 14 dargestellt. Die in FIG 3 dargestellte Ausführungs- form entspricht im Grundaufbau im Wesentlichen der vorstehend in FIG 2 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der einzige wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 3, zwischen Regler 16 und Leistungsmodul 23 ein Übertragungsglied 21 geschaltet ist. Das Übertragungsglied 21 kann dabei wie in FIG 3 dem Regler 16 nachgeschaltet oder alternativ dazu vor den Regler 16 geschaltet werden, also zwischen Subtrahierer 24 und Reg- ler 16. Ist eine störende Schwingungsfrequenz fo 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 Ein- fluss genommen werden. Um eine gezielte Verbesserung der dy- namischen 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 Piezoakto- ren aktiv gelagerte Werkstück, der gemessenen Bewegung des Werkzeugs möglichst exakt nachfährt, so dass zwischen beiden eine möglichst kleine Differenz entsteht. Die gemessene Bewe- gung 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 Sig- nalformen der Führungsgröße optimiert werden soll. Ist beispielsweise bekannt, dass ein Bestandteil der Führungsgröße des Regelkreises ein harmonisches Signal mit der Frequenz f0 ist, dann kann für diese Führungsgröße ein ideales Führungs- verhalten erreicht werden - ideal in dem Sinne, dass die Führungsgröße
Figure imgf000013_0001
im eingeschwungenen Zustand exakt mit der Regelgröße übereinstimmen, und dies unabhängig von Amplitude A und Phase φo der Führungsgröße w(t). Vorausgesetzt werden muss, dass die Laplace-Transformierte L des Signals nur Pole auf der imagi- nären Achse aufweist, was bei harmonischen Signalen wie bei einer Schwingung mit der Frequenz f0 der Fall ist:
Figure imgf000013_0002
Die Pole auf der imaginären Achse sind bei ±j 2-π-fo.
j : imaginäre Einheit s: komplexe Kreisfrequenz (s = j 2-π*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:
#(*)= 2 J fγ (3)
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 fo 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 ein- wirkt, 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 be- nötigten Lagesignale, Beschleunigungssignale und/oder Geschwindigkeitssignale auch mittels der an der Maschine ohnehin vorhandenen Messeinrichtungen ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung (10) zur Einspannung eines Werk- Stücks (9) aufweist, wobei die Werkstückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) mittels eines Piezo- aktors (IIa, IIb, 11c, lld) bewegbar sind, wobei der Piezoaktor (IIa, IIb, llc, lld) dermaßen angesteuert wird, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) während eines Bearbeitungsvor- gangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs (6) folgt.
2. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Werk- Stückeinspannvorrichtung (10) und solchermaßen das Werkstück (9) gegenüber einem Werkstücktisch (2) mittels des Piezoka- tors (IIa, IIb, llc, lld) bewegbar sind, wobei der Werkstücktisch (2) mittels eines elektrischen Motors bewegbar ist.
3. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuerung des Piezoaktors (IIa, IIb, llc, lld) mittels einer Regeleinrichtung (14) erfolgt, wobei die Regeleinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass die Geschwindigkeitsdifferenz (vD) von Geschwindigkeit (vwsτ) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) und Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) vorzugsweise zu Null geregelt wird.
4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit (vwsτ) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) mittels eines in ummittelbarer Nähe zur Werkstückeinspannvorrichtung (10) lokalisierten Beschleunigungssensors (26) ermittelt wird.
5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Geschwindigkeit (vwz) des Werkzeugs (6) mittels eines in ummittelbarer Nähe des Werkzeugs lokalisierten Beschleunigungssensors (5) ermittelt wird.
6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, 4 oder 5, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 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
(fo) der Schwingung, die Übertragungsfunktion (H (s) ) eine Polstelle aufweist.
7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1,2,3,5 oder 6, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Piezoak- tor (IIa, IIb, llc, lld) ein Lagesignal (xWsτ) ausgibt, wobei die Geschwindigkeit (vwsτ) der Werkstückeinspannvorrichtung (10) mittels des Lagesignals (xWsτ) ermittelt wird.
8. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Werkstückeinspannvorrichtung neben einer aktiven Lagerung mittels des Piezoaktors (IIa, IIb, llc, lld) zusätzlich mittels einer passiven Lagerung (12a, 12b, 12c, 12d) gelagert ist.
9. 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 (IIa, IIb, llc, lld) bewegt werden, wobei der Piezoaktor (IIa, IIb, llc, lld) dermaßen angesteuert wird, dass die Werkstückeinspannvorrichtung (10) während eines Bearbeitungsvor- gangs auftretenden Schwingbewegungen eines Werkzeugs (6) folgt.
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