Reichel, Theo (Böhmerwaldstr. 5, Forchheim, 91301, DE)
Schäfers, Elmar (Frauenholzstr.3, Nürnberg, 90419, DE)
Hamann, Jens (Marie-Juchacz-Str. 11, Fürth, 90765, DE)
Reichel, Theo (Böhmerwaldstr. 5, Forchheim, 91301, DE)
Schäfers, Elmar (Frauenholzstr.3, Nürnberg, 90419, DE)
| 1. | Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen mit mindestens einem Aktor (5) zur Ausführung von Dampfungsbe¬ wegungen für die Dämpfung spezifischer Schwingungen, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Regelkreis, der an den mindestens einen Aktor (5) zu dessen Betätigung angeschlossen ist, und einen Sensor zur Erfassung der spezifischen Schwingungen und zum Liefern eines entsprechenden Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis. |
| 2. | Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Aktor (5) gleichzeitig als der Sensor dient. |
| 3. | Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ak¬ tor (5) ein Piezoelement oder magnetorestriktives Element um fasst. |
| 4. | Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, die mindestens einen weiteren Makroaktor einschließlich Steuervorrichtung aufweist, der ausschließlich gesteuert wird. |
| 5. | Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, die mehrere geregelte Aktoren zur Dämpfung in mehreren Richtungen aufweist. |
| 6. | Dämpfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei der Regelkreis mehrere zuschaltbare Rückführglie¬ der (Rl,R2,Rn) umfasst. |
| 7. | Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Rückführ glieder (Rl,R2,Rn) jeweils einen Bandpass umfassen, und die Bandpässe voneinander unterschiedlich sind. |
| 8. | Mehrachskopf einer Werkzeugmaschine mit einer Dämpfungs¬ vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Aktor (5) zur Feinpositionierung des Mehrachskopfs dient. |
| 9. | Verfahren zum Dämpfen mechanischer Schwingungen durch Bereitstellen mindestens eines Aktors (5) g e k e n n z e i c h n e t durch Betätigen des mindestens einen Aktors (5) über einen Re gelkreis, Erfassen einer Schwingung mit einem Sensor unter Bereit¬ stellen eines Erfassungssignals und Liefern des Erfassungssignals als Istgröße an den Regel¬ kreis. |
| 10. | Verfahren nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Ak¬ tor (5) gleichzeitig auch als Sensor dient. |
| 11. | Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei mit mehreren ge regelten Aktoren (5) Schwingungen in mehreren Richtungen ge¬ dämpft werden. |
| 12. | Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Rückkoppelung des Regelkreises über mehrere zuschaltbare Rückführlieder (Rl,R2,Rn) erfolgt, die vorzugsweise jeweils als Bandpass ausgestaltet sind. |
Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen und entsprechendes Dämpfungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung zum Dämpfen mechanischer Schwingungen mit mindestens einem Aktor zur Ausführung von Dämpfungsbewegungen und einem Regel¬ kreis, der an den mindestens einen Aktor zu dessen Betätigung angeschlossen ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Dämpfen mechani¬ scher Schwingungen.
Zur Bewegung von Maschinenachsen kommen Aktoren (z.B. elek- trisch oder hydraulisch) zum Einsatz, die zum Stellen großer Bewegungen in der Lage sind. Diese Aktoren werden im folgen¬ den Makroaktoren genannte. Die Genauigkeit von Maschinen wird jedoch durch Mikrobewegungen an dem sogenannten TCP (Tool Center Point) , dem Punkt, an dem das Werkzeug das Werkstück berührt, bestimmt. Bei Werkzeugmaschinen liegen die Mikrobe¬ wegungen in der Größenordnung von bis zu 50 μm. Die Mikrobe¬ wegungen entstehen dadurch, dass schwachgedämpfte Eigenfre¬ quenzen angeregt werden. Die Anregung erfolgt entweder durch Prozess- oder Störkräfte oder durch die Kräfte, welche durch Makroaktoren zur Bewegung der Maschinenachsen eingebracht werden.
Eine aktive Bedämpfung schwach gedämpfter Eigenfrequenzen durch Makroaktoren kann beispielsweise durch ein Verfahren erfolgen, das in der deutschen Patentschrift 102 46 093 Cl beschrieben und auch unter dem Namen APC (Advanced Position Control) bekannt ist. In manchen Fällen ist jedoch die aktive Bedämpfung nicht oder nur sehr schwer möglich. Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Gründe:
Zum einen kann ein Aktor grundsätzlich nur Eigenfrequenzen bedampfen, die durch seine Bewegung auch angeregt werden kön- nen. Ist die zu einer kritischen Eigenfrequenz gehörige Ei¬ genbewegung orthogonal zur Wirkrichtung aller vorhandenen Makroaktoren, können diese nicht zur aktiven Dämpfung verwen¬ det werden. Eine Anregung derartiger, kritischer Eigenfre- quenzen kann allerdings durch Prozess- oder Störkräfte erfol¬ gen, so dass eine aktive Bedämpfung hilfreich wäre.
Zum anderen muss ein Makroaktor, wenn er auch zur aktiven Schwingungsdämpfung verwendet werden soll, eine Bewegung durchführen, welche der störenden Mikrobewegung so entgegen¬ wirkt, dass die kritischen Eigenfrequenzen hinreichend be¬ dämpft werden. Regelungstechnisch bedeutet dies eine gezielte Verschiebung eines Streckeneigenwerts in Bereiche höherer Dämpfung. Manche Makroaktoren sind allerdings - erzwungen durch ihre eigentliche Aufgabe, dem Stellen großer Bewegungen - konstruktiv so in ein Maschinenkonzept eingebunden, dass die Einleitung der Bewegung weit entfernt von dem TCP er¬ folgt. Die Regelstrecken, die daraus für eine aktive Bedämp- fung mittels Makroaktoren folgt, ist daher in diesen Fällen schwer zu beherrschen. Eine Bedämpfung ist dann nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Für die Ansteuerung der Makroaktoren ist eine eigene Steuer¬ einrichtung bzw. -einheit vorzusehen. Die Ansteuerung erfolgt auf der Basis bekannter Schwingungsamplituden bzw. Schwin¬ gungsbäuche an der jeweiligen Maschine.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Schwingungsdämpfung gerade im Bereich eines TCP zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Dämp¬ fungsvorrichtung mit einem Regelkreis, der an den mindestens einen Aktor zu dessen Betätigung angeschlossen ist, und einem Sensor zur Erfassung der spezifischen Schwingungen und zum Liefern eines entsprechenden Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis. Darüber hinaus ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgese¬ hen ein Verfahren zum Dämpfen mechanischer Schwingungen durch Bereitstellen mindestens eines Aktors, Betätigen des mindes¬ tens einen Aktors über einen Regelkreis, Erfassen einer Schwingung mit einem Sensor unter Bereitstellen eines Erfas¬ sungssignals und Liefern des Erfassungssignals als Istgröße an den Regelkreis.
Erfindungsgemäß ist es damit möglich, dass auf eine eigene Ansteuerelektronik zur Steuerung von Dämpfungsaktoren mit Er¬ zeugung eines speziellen Austauschsignals verzichtet werden kann. Die störenden Schwingungen werden unmittelbar am Ort des Geschehens erfasst und zur Erzeugung eines entsprechenden DämpfungsSignals für den Aktor verwendet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Aktor gleichzeitig der Sensor. Somit kann die Anzahl der Bau¬ elemente reduziert werden.
Vorzugsweise umfasst der Aktor ein Piezoelement oder ein mag¬ netorestriktives Element. Mit diesen Elementen ist es mög¬ lich, sowohl mechanische Schwingungen in elektrische Signale als auch umgekehrt, elektrische Signale in mechanische Bewe¬ gung umzusetzen.
In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, für die Dämp¬ fungsvorrichtung einen Makroaktor, der insbesondere elekt¬ risch oder hydraulisch betrieben wird, einschließlich einer entsprechenden Steuervorrichtung einzusetzen. Dies ist insbe- sondere dann günstig, wenn die Schwingungen durch Bewegungen des Makroaktors selbst hervorgerufen werden.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mehrere geregelte Aktoren zur Dämpfung in mehreren Richtungen vorgesehen. Damit können sämtliche Schwingungen, die bei¬ spielsweise bei einer Werkzeugmaschine störend wirken, durch geeignete Dämpfung hinreichend unterdrückt werden. Der Regelkreis der Dämpfungsvorrichtung kann mehrere zu¬ schaltbare Rückführglieder umfassen. Diese werden günstiger¬ weise jeweils mit einer Bandsperre ausgestattet, wobei die einzelnen Bandsperren unterschiedliche Sperrfrequenzen besit- zen. Damit ist es möglich, spezifische Schwingungen in defi¬ nierbare Situationen zu einem ebenfalls definierbaren Maß zu unterdrücken.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die erfin- dungsgemäße Dämpfungsvorrichtung in einem Mehrachskopf einer Werkzeugmaschine eingesetzt. Dabei dient der mindestens eine Aktor auch zur Positionierung des Mehrachskopfes. Damit ist es möglich, den Mikroaktoren, die in dem Mehrachskopf ange¬ ordnet sind, eine doppelte Funktionalität zuzuweisen: Sie dienen zum Positionieren und Dämpfen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen 5-Achs- Kopf einer Werkzeugmaschine und FIG 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises für die Aktoren des 5-Achs-Kopfs von FIG 1.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin¬ dung dar.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Mikroaktoren, die für die Positionierung des Kopfs einer Werkzeugmaschine ein¬ gesetzt werden und damit sehr nahe am TCP wirken, zur aktiven Bedämpfung schwach gedämpfter Eigenfrequenzen einzusetzen. Unabhängig davon können die auch zur Positionierung verwende¬ ten Makroaktoren ebenfalls zur Dämpfung herangezogen werden.
In FIG 1 ist beispielhaft ein zu bedämpfender 5-Achs-Kopf ei¬ ner Werkzeugmaschine dargestellt. 5-Achs-Köpfe können bei entsprechender Spindelleistung eine Masse von mehr als einer Tonne aufweisen. Mit der Bewegung eines derartigen Kopfes ist - beispielsweise bei Portal-Gantry-Maschinen — in den einzel¬ nen Achsen ein Verfahren grosser Massen erforderlich. Dabei sind die elektrischen bzw. hydraulischen Makroaktoren weit von dem TCP entfernt, so dass eine Dämpfung in dem TCP im allgemeinen nicht ausreichend möglich ist.
Der in FIG 1 dargestellte 5-Achs-Kopf wird üblicherweise an eine Pinole zur Bewegung in z-Richtung mit einer entsprechen¬ den Verbindungseinrichtung 1 angeschraubt. Die Verbindungs¬ einrichtung 1 ist mit einem ersten Kopfbereich 2 starr ver¬ bunden. Über eine Führung 3 ist der erste Kopfbereich mit ei¬ nem zweiten Kopfbereiσh 4 in y-Richtung verschiebbar verbun- den. Mikroaktoren 5, die an dem ersten Kopfbereich 2 und dem zweiten Kopfbereich 4 angreifen, sorgen für eine entsprechen¬ de Verschiebung der beiden Bereiche zueinander beispielsweise in y-Richtung. Der Übersicht halber ist in FIG 1 lediglich eine Anordnung skizziert, die eine Bewegung des Kopfs in y- Richtung ermöglicht. Die Mikroaktoren 5 gewährleisten aber nicht nur eine Bewegung im Feinbereiσh in y-Richtung, sondern ermöglichen erfindungsgemäß auch eine Dämpfung in y-Richtung.
Unterhalb des zweiten Kopfbereichs 4 ist ein Drehlager 6 an- geordnet, das einen dritten Kopfbereich 7 um eine C-Achse, entsprechend dem eingezeichneten Pfeil drehbar lagert. An das untere Ende des dritten Kopfbereichs 7 ist ein Drehlager 8 montiert, mit dem ein vierter Kopfbereich 9 um eine B-Achse 10 gemäß dem ebenfalls eingezeichneten Pfeil schwenkbar gela- gert ist. In der Mitte des unteren Bereichs des vierten Kopf- abschnitts 9 ist eine Spindel 11 angedeutet. Ein Beschleuni¬ gungssensor 12 an dem vierten Kopfbereich 9 erfasst dessen Beschleunigung in y-Richtung.
Mit den zur Dämpfung verwendeten Mikroaktoren 5, die in den 5-Achs-Kopf integriert sind, ergibt sich ein mechatronisches Gesamtsystem, das als '"aktiv gedämpfter 5-Achs-Kopf" bezeich- net werden kann. Mit entsprechend angeordneten Mikroaktoren zur Mikrobewegung auch in x- und z-Richtung können dann sämt¬ liche Schwingungen in x-, y- und z-Richtung bedampft werden.
Die Auslenkung der Mikroaktoren 5 wird mit einer geeigneten Regelstruktur derart kommandiert, dass die Amplitude der kri¬ tischen Schwingung am Messpunkt (in FIG 1 die Position des Beschleunigungssensors 12) reduziert wird. Eine hierfür ge¬ eignet Regelstruktur ist in FIG 2 als Blockdiagramm darge- stellt. Sie greift im wesentlichen den Regelmechachnismus auf, der sich im Zusammenhang mit der eingangs erwähnten APC bewährt hat.
Die Regelstrecke RS setzt sich aus dem Aktor A (den Mikroak- toren 5) und der Mechanik M (5-Achs-Kopf einschließlich An¬ trieb) zusammen. Die Übertragungsfunktion der Regelstrecke RS ist mit Gs gekennzeichnet. Der Aktor A wird mit einem Soll¬ wert Xasoii, der normalerweise gleich null ist, angesteuert und liefert einen Wert xaist an die Mechanik M. Diese reagiert mit einem entsprechenden Beschleunigungswert av. Der Be¬ schleunigungswert av kann über unterschiedliche Rückführglie¬ der Ri(j2jτf) rückgekoppelt werden. Dafür ist eine beliebige Anzahl an Rückkoppelungszweigen mit den Rückführgliedern Ri(j2jif), R2<j2πf) bis Rn(j2jif) mit den entsprechenden Schal- tern Si, S2 bis Sn vorgesehen. Optional sind somit unter¬ schiedliche Rückführglieder in die Rückkoppelung schaltbar. Der oder die rückgekoppelten Werte werden in einem Subtrahie¬ rer SUB von der Ruhelänge xao subtrahiert, so dass sich der Sollwert xaSoii ergibt.
Grundsätzliche Anforderungen an die Eigenschaften der Rück¬ führglieder R, (j2jif) lassen sich anhand der Übertragungsfunk- tion des geschlossenen Regelkreises anschaulich herleiten. Schließt man die erste Rückführung Ri(j2μf) mit Schalter Si, ergibt sich für den geschlossenen Kreis, der als stabil vor¬ ausgesetzt wird, die Beziehung
1 + Gs (j 2jif) • Ri (j 2jif )
Die Aktoren sollen ihre Ruhelänge xao nur in den Frequenzbe¬ reichen ändern, in denen kritische Resonanzen für Überhöhun¬ gen sorgen. Dies wird durch die Rückführungen Rij (j2jif) er- reicht, die - wie bei einer APC-Regelstruktur - verallgemei¬ nerte Bandpässe bzw. Bandsperren darstellen. Nur in den Fre¬ quenzbereichen, in denen eine Dämpfung erreicht werden soll, wird der offene Regelkreis über OdB angehoben. Stabilität und Dämpfung des geregelten Systems können mit Frequenzkennlinien beurteilt werden, die daher auch zur Parametrierung der Rege¬ lung herangezogen werden.
Next Patent: POWER CONDUCTION CHAIN