具有多重振动检测的机床中的振动衰减实用新型专利

专利名称：具有多重振动检测的机床中的振动衰减

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202080024680.4

专利申请（专利权）人：西门子股份公司
权利人地址：德国慕尼黑

专利发明（设计）人：约亨·布雷特施奈德,乌韦·拉德拉,埃尔玛·舍费尔斯,托尔斯滕·舒尔

专利摘要：机床的机器元件(1)能够经由驱动器(2)相对彼此移动。机床的机器控制器(3)得出用于驱动器(2)的控制信号(C)并且将控制信号输出给驱动器(2)。由此，执行工件(5)的切削加工的工具(4)相对于工具(5)以位置调节的方式移动。为了衰减工件(5)在切削加工期间通过工具(4)在机器元件(1d)的第二区域中出现的振动，在机器元件(1d)的第一区域(9)中布置至少一个主动减振器(10)。为了检测振动，至少在机器元件(1d)的第一区域(9)中布置第一传感器(12)，在另一机器元件(1e)处或机器元件(1d)的另一区域中布置第二传感器(13)。借助于第一和第二传感器(12，3)将检测到的实际值(I1)以及相应的目标值(I1*，I2*)输送给双重调节器(14)。双重调节器(14)根据值(I1，I2，I1*，I2*)得出用于主动减振器(10)的产生的调节变量2(F*)并且相应地驱控主动减振器(10)。

主权利要求：
1.一种机床，
‑其中，所述机床具有多个机器元件，
‑其中，所述机器元件能够经由所述机床的驱动器（2）相对彼此移动，
‑其中，所述机床具有机器控制器（3），所述机器控制器得出用于所述驱动器（2）的控制信号（C）并且输出给所述驱动器（2），以便以位置调节的方式相对于彼此移动所述机床的所述机器元件，使得执行工件（5）的切削加工的工具（4）相对于所述工件（5）以位置调节的方式移动，‑其中，在所述机器元件中的一个机器元件（1d）的第一区域（9）中布置至少一个主动减振器（10），所述主动减振器用于衰减所述工件（5）在切削加工期间通过所述工具（4）在所述一个机器元件（1d）的第二区域（11）中出现的振动，‑其中，为了检测待衰减的振动，至少在所述一个机器元件（1d）的所述第一区域（9）中布置第一传感器（12）并且在所述机器元件中的另一机器元件（1e）处或在所述一个机器元件（1d）的另一区域中布置第二传感器（13），‑其中，将借助于所述第一传感器（12）检测到的第一实际值（I1）和借助于所述第二传感器（13）检测到的第二实际值（I2）以及第一目标值和第二目标值（I1*，I2*）输送给双重调节器（14），‑其中，所述双重调节器（14）根据检测到的第一实际值和检测到的第二实际值（I1，I2）和所述第一目标值和所述第二目标值（I1*，I2*）得出用于所述主动减振器（10）的产生的调节变量（F*）并且相应地驱控所述主动减振器（10），‑其中，所述双重调节器（14）包括第一调节器（16），将所述第一目标值（I1*）和所述检测到的第一实际值（I1）输送给所述第一调节器，并且所述第一调节器由此得出第一接入变量（A1），并且‑其中，所述双重调节器（14）包括第二调节器（17），将所述第二目标值（I2*）和所述检测到的第二实际值（I2）以及所述第一接入变量（A1）输送给所述第二调节器，并且所述第二调节器由此得出临时调节变量（F'*），‑所述双重调节器（14）具有预控制块（22），将所述第一目标值（I1*）和所述检测到的第一实际值（I1）输送给所述预控制块并且所述预控制块由此得出第二接入变量（A2），‑所述第二调节器（17）从第二目标值（I2*），检测到的第二实际值（I2）以及所述第一接入变量（A1）首先得出临时调节变量（F'*），并且‑所述双重调节器（14）将所述第二接入变量（A2）接入到所述临时调节变量（F'*），进而得出所述产生的调节变量（F*），‑其中，由所述机器控制器（3）动态识别所述第一目标值（I1*），也由所述机器控制器（3）动态识别所述第二目标值（I2*），或者，目标值（I1*，I2*）中的仅一个由所述机器控制器（3）动态识别，而两个目标值（I1*，I2*）中的另一个静态地具有为零的值。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，
‑所述第一目标值（I1*）具有为零的值或具有通过所述驱动器（2）的目标值或实际值（S*，S）确定的值，所述驱动器以位置调节的方式使所述机器元件相对彼此移动，和/或‑所述第二目标值（I2*）具有为零的值或具有通过所述驱动器（2）的目标值或实际值（S*，S）确定的值，所述驱动器以位置调节的方式使所述机器元件相对彼此移动。
3.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于，所述双重调节器（14）的所述产生的调节变量（F*）是目标力。
4.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，所述一个机器元件（1d）的所述另一区域是所述一个机器元件（1d）的所述第二区域（11）。 说明书 : 具有多重振动检测的机床中的振动衰减技术领域[0001] 本发明涉及一种机床，[0002] ‑其中，机床具有多个机器元件，[0003] ‑其中，机器元件能够通过机床的驱动器相对彼此移动，[0004] ‑其中，机床具有机器控制器，机器控制器得出用于驱动器的控制信号并且输出给驱动器，以便以位置调节的方式使机床的机器元件相对彼此移动机床的机器元件，使得执行工件的切削加工的工具相对工件以位置调节的方式移动。背景技术[0005] 在机床中，在切削加工工件时会产生不期望的振动。这种在专业领域中称为振颤的振动的原因是机床的未充分衰减的固有频率与在切削加工期间出现的过程力的结合。为了避免振颤，能够降低切削功率，例如通过减小切削深度或进给速度。在个别情况下，降低工具旋转的主轴转速也是有效的。这种在机床运行中的干扰通常导致生产率降低，并且因此是不期望的。因此，在现有技术中通常寻求主动或被动地衰减机器的固有频率，以便因此不必降低机床的切削功率。[0006] 为了衰减固有频率，将相应的主动或被动减振器布置在应衰减其振动的机器元件的合适的位置处。在主动减振器的情况下，传感器还布置在主动减振器附近，借助于传感器检测出现的振动。[0007] 理想的是，将主动减振器直接布置在出现干扰的振动的机器元件的部位处。然而，该位置通常无法进入或仅能够在很狭小的情况下进入，使得无法将主动减振器布置在该部位处。因此，主动减振器通常布置在不同的、较容易进入的部位处。由此，主动减振器的有效性和效率通常受到限制。然而，所属的、利用所提及的传感器的输出信号的调节回路在结构上是稳定的。[0008] 在有利的情况下，该处理方式导致相关位置处的振动的足够良好的衰减。然后不再出现振颤。工件表面的质量达到期望的精度。然而，在其他情况下，在相关部位处仍存在显著的振动。[0009] 为了抑制或衰减这种仍出现的振动，可行的是，增加所属的调节回路的增益。然而，这会导致调节回路不稳定。另一种可行性在于，将传感器不布置在主动减振器附近，而是布置在出现干扰的振动的区域中。然而，该处理方式随之包含调节回路的不稳定的风险。然而，利用由传感器检测到的信号进行适当的预处理，也能够实现稳定的调节。预处理尤其包括在相应参数化的频率滤波器中的频率滤波。如有必要，在调节回路中还能够存在动态的传递元件，传递元件补偿相移。[0010] 从参考文献US6296093B1中已知一种具有至少一个主动阻尼器的机床，其中，通过相应的传感器检测在机器的多个部位处的振动。基于由传感器产生的传感器信号来驱控减振器。[0011] 从参考文献EP3312690A1中已知一种用于机床的机头的减振系统，其中，通过多个传感器在机头的不同部位处产生多个传感器信号并且用于计算用于减振器的激励函数。[0012] 从参考文献EP3017911B1中已知一种动态稳定的机床，其具有包含机头的夯具、用于测量振动强度的多个传感器以及至少两个惯性的执行器，其中，每个执行器根据由传感器产生的传感器信号在夯具的主弯曲方向之一上产生力。[0013] 从EP2574820A1已知一种具有轴驱动器的加工机器，由控制装置根据目标移动运动能够驱控轴驱动器，其中，加工机器具有能够借助于轴驱动器移动的机器结构，在机器结构上布置有作用于平衡块上的补偿驱动器。平衡块借助于控制装置根据不同的测量变量能够相对于机器结构移动。发明内容[0014] 本发明基于以下目的，提供不期望的振动的有效的主动衰减与所属的调节回路的稳定设计的结合的可行性。[0015] 该目的通过具有本发明的特征的机床来实现。机床的有利的设计方案是各个实施例的主题。[0016] 根据本发明，创建一种机床，[0017] ‑其中，机床具有多个机器元件，[0018] ‑其中，机器元件能够通过机床的驱动器相对彼此移动，[0019] ‑其中，机床具有机器控制器，机器控制器得出用于驱动器的控制信号并且输出给驱动器，以便以位置调节的方式使机床的机器元件相对彼此移动，使得执行工件的切削加工的工具相对于工件以位置调节的方式移动，[0020] ‑其中，为了衰减工件在切削加工期间通过工具在机器元件的第二区域中出现的振动，在机器元件的第一区域中布置至少一个主动减振器，[0021] ‑其中，为了检测待衰减的振动，至少在机器元件的第一区域中布置第一传感器并且在另一机器元件处或在机器元件的另一区域中、尤其在机器元件的第二区域中布置第二传感器，[0022] ‑其中，将借助于第一传感器检测到的第一实际值和借助于第二传感器检测到的第二实际值以及第一和第二目标值输送给双重调节器，[0023] ‑其中，双重调节器根据检测到的第一实际值和检测到的第二实际值和第一和第二目标值得出用于主动减振器的产生的调节变量，并且相应地驱控主动减振器，[0024] ‑其中，双重调节器包括第一调节器，将第一目标值和检测到的第一实际值输送给第一调节器，并且第一调节器由此得出第一接入变量，并且[0025] ‑其中，双重调节器包括第二调节器，将第二目标值和检测到的第二实际值以及第一接入变量输送给第二调节器，并且由此得出临时调节变量。[0026] 因此，在本发明的范畴中，彼此独立地借助于彼此不同的传感器并且从而彼此独立地检测两个实际值。因此，两个实际值在一个实际值不能够容易地从另一个实际值中推导出来的意义上来说相互独立，例如在位置调节器中具有从属的转速调节器时就是这种情况。在这种情况下，例如，位置的变化、即实际值的变化自动对应于转速、即另一个实际值，使得两个实际值直接相关。[0027] 可行的是并且在通常也寻求的是，第一目标值具有为零的值。替代地可行的是，第一目标值通过驱动器的目标值或实际值来确定，驱动器以位置调节的方式将机器元件相对于彼此移动。例如，第一目标值能够对应于瞬时加速度，应当根据驱动器的当前的驱控对相应的机器元件施加该瞬时加速度。类似的实施方式能够适用于第二目标值。[0028] 优选地，双重调节器的产生的调节变量为目标力。由此，产生主动减振器的尤其简单的驱控。[0029] 一个设计方案为：[0030] ‑双重调节器包括第一调节器，将第一目标值和检测到的第一实际值输送给第一调节器并且第一调节器由此得出第一接入变量，[0031] ‑双重调节器包括第二调节器，将第二目标值和检测到的第二实际值以及第一接入变量输送给第二调节器，并且由此得出临时调节变量，[0032] ‑双重调节器具有预控制块，将第一目标值和检测到的第一实际值输送给预控制块并且预控制块由此得出第二接入变量，并且[0033] ‑双重调节器将第二接入变量接入到临时调节变量，并且因此得出产生的调节变量。[0034] 在这种情况下，构建级联的调节结构，其中，在调试的范畴中首先能够对第二调节器进行参数化，使得第二调节器是稳定的，并且然后能够对第二调节器和预控制块进行参数化，使得双重调节器整体是稳定的。在此，能够重新对两个检测到的实际值进行预处理。[0035] 该处理方式也能够由此反过来实现，[0036] ‑双重调节器包括第一调节器，将第一目标值、检测到的第一实际值和第一接入变量输送给第一调节器，并且第一调节器由此得出临时调节变量，[0037] ‑双重调节器包括第二调节器，将第二目标值和检测到的第二实际值输送给第二调节器，并且第二调节器由此得出第一接入变量，[0038] ‑双重调节器具有预控制块，将第二目标值和检测到的第二实际值输送给预控制块，并且预控制块由此得出第二接入变量，并且[0039] ‑双重调节器将第二接入变量接入到临时调节变量，并且因此得出产生的调节变量。[0040] 在此，能够重新对两个检测到的实际值进行预处理。附图说明[0041] 下面根据结合附图对实施例的描述，详细说明本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现他们的方式和方法。在此，以示意图示出：[0042] 图1从侧面示出机床，[0043] 图2从正面示出图1的机床，[0044] 图3示出机床的控制技术方面的图，[0045] 图4示出目标值的可行的得出，和[0046] 图5至6示出双重调节器的可行的设计方案。具体实施方式[0047] 根据图1和图2，机床具有多个机器元件1。机器元件1的附图标记在图1和图2中分别通过小写字母a至e补充，因此，在下文中需要时能够具体地参考机器元件1中的完全确定的机器元件。[0048] 机器元件1能够经由机床的驱动器2相对于彼此移动。为此目的，由机器控制器3根据图3中的图示控制驱动器2，机器控制器为驱动器2得出相应的控制信号C或所属的目标值S*，并且将其输出给驱动器2。机器元件1由机器控制器3根据控制信号C或所属的理论值S*的相应的预设值以位置调节的方式相对彼此移动。所属的实际值S从驱动器2反馈到机器控制器3。该移动运动引起工具4以位置调节的方式相对于工件5移动。在移动运动期间，工具4至少暂时执行工件5的切削加工，例如铣削。[0049] 机器控制器3通常构造为数字控制器(CNC)。机器控制器3的作用方式通过系统程序6和使用程序7确定。系统程序6通常对应数字控制器的NC内核。使用程序7通常是所谓的子程序。[0050] 能够根据需要对机床并且因此尤其还有机器元件1进行设计。图1和图2纯示例性地示出简单的设计方案。在设计方案中，存在工件台1a，工件5固定在工件台1a上。工件台la能够在用x表示的水平方向上相对于机床的基体lb移动。在该设计方案中还能够存在引导框架lc，引导框架能够在用z表示的竖直方向上相对于基体1b移动。此外，在该设计方案中，能够在用y表示的另一水平方向上在引导框架1c中移动悬臂1d。另一水平方向y通常与前述水平方向x正交。能够将承载主轴8和工具4的加工头1e布置在悬臂1d处。加工头1e能够在必要时围绕一个或两个轴线枢转。[0051] 刚才解释的机床的机械结构的设计方案是可行的，并且也存在这种实现方案。但是，本发明不限制于该设计方案。[0052] 在通过工具4切削加工工件5期间，能够在不同的机器元件1处(例如在悬臂1d处或在工件台1a处)出现不期望的振动。下面假设，在悬臂1d处出现振动。但是，振动也能够在机器元件1中的其他的机器元件处出现。只要下面参考出现振动的机器元件1，因此就使用附图标记1d。然而，这仅用于解释的目的并且不应限制性地理解为意义是必须在悬臂1d处出现振动。此外，相应的机器元件1d在下面称为相关的机器元件。[0053] 至少一个主动减振器10布置在相关的机器元件1d的第一区域9中。主动减振器10例如能够构造为线性马达。主动减振器10用于衰减振动。相反，振动本身不在第一区域9中出现，而是在相关的机器元件1d的第二区域11中出现。[0054] 为了检测待衰减的振动，将第一传感器12布置在主动减振器10的附近，并且因此布置在相关的机器元件1d的第一区域9中。此外，还存在用于检测待衰减的振动的第二传感器13。第二传感器13能够布置在另一机器元件1(例如加工头1e)处。第二传感器还能够布置在相关的机器元件1d处。然而，在这种情况下，第二传感器13布置在相关的机器元件1d的不同于第一区域9的另一区域中。在这种情况下，第二传感器13尤其能够布置在相关的机器元件1d的第二区域11中。但是，与第二传感器13的具体布置无关，第二传感器13布置得比第一传感器12更靠近工具4作用于工件5上的部位处。根据具体的实例，第二传感器13例如能够布置在悬臂ld处、加工头le的附近或布置在加工头le本身处，但是不布置在引导框架lc处或基体1b处。传感器12、13例如能够构造为加速度传感器。[0055] 主动减振器10由双重调节器14控制。双重调节器14是如下调节器，两个实际值I1、I2和两个目标值I1*、I2*被输送给调节器并且调节器根据所有四个输送给其的变量I1、I2、I1*、I2*得出产生的调节变量F*。优选地，双重调节器14以软件的形式实现。替代地，双重调节器14能够以硬件的形式实现。[0056] 根据图3中的图示可行的是，双重调节器14是机器控制器3的组成部分。替代地，双重调节器能够独立实现。尤其通常将所谓的控制单元(未示出)与驱动器2相关联，控制单元将由机器控制器3发出的控制信号C转换为变流器(未示出)的驱控，变流器就其而言对电机(未示出)加载电机的相应的工作电流，使得电机移动机器元件1。双重调节器14尤其能够在这种控制单元中实施。此外，因为控制单元通常能够引起多个电机的变流器的驱控，必要时控制单元能够是也对驱动器2的电机加载其相应的工作电流的控制单元。[0057] 因此，第一实际值I1和第二实际值I2输送给双重调节器14。借助于第一传感器12检测第一实际值I1，借助于第二传感器13检测第二实际值I2。此外，将第一目标值I1*和第二目标值I2*输送给双重调节器14。双重调节器14根据检测到的第一和检测到的第二实际值I1、I2和第一和第二目标值I1*、I2*得出针对主动减振器10产生的调节变量F*。双重调节器14还根据得出的产生的调节变量F*驱控主动减振器10。产生的调节变量F*例如能够是目标力。这既适用于根据图3的原则上的设计方案，也适用于该原则的下面解释的可行的设计方案。[0058] 在根据图3的设计方案的范畴中，第一目标值I1*和第二目标值I2*具有为零的值。然而，这不是强制性的。更确切地说，替代地可行的是，第一目标值I1*根据图4中的图示具有通过驱动器2的目标值或实际值S*、S确定的值，驱动器以位置调节的方式将机器元件1相对彼此移动。机器控制器3例如能够具有确定块15，确定块根据目标值或实际值S*、S得出第一区域9中相关的机器元件ld的预期的瞬时加速度，并且将该值作为第一目标值I1*预设给双重调节器14。确定块15也能够以类似的方式根据图4中的图示得出第二目标值I2*。第二目标值I2*尤其也能够具有通过驱动器2的目标值或实际值S*、S确定的值，驱动器以位置调节的方式将机器元件1相对彼此移动。确定块15例如能够根据目标值或实际值S*、S得出布置第二传感器13的位置处的预期的瞬时加速度，并且将值作为第二目标值I2*预设给双重调节器14。[0059] 如果由机器控制器3动态得出第一目标值I1*，则通常也由机器控制器3动态得出第二目标值I2*。但是也可行的是，两个目标值I1*、I2*中的仅一个由机器控制器3动态得出，而两个目标值I1*、I2*中的另一个静态地具有为零的值。[0060] 下面，结合其他附图解释双重调节器14的可行的设计方案。在所有设计方案中，双重调节器14包括第一调节器16和第二调节器17。[0061] 在根据图5的设计方案的范畴中，将第一目标值I1*和检测到的第一实际值I1输送给第一调节器16。第一调节器16由此得出第一接入变量A1。为此目的，第一调节器16能够具有相应的内部的传递函数。将第二目标值I2*和检测到的第二实际值I2以及额外的第一接入变量A1输送给第二调节器17。第二调节器17由此得出临时调节变量F'*。双重调节器14还具有预控制块22。将第一目标值I1*和检测到的第一实际值I1、尤其是它们的差值输送给预控制块22。预控制块22由此得出第二接入变量A2。双重调节器14将第二接入变量A2接入到临时调节变量F'*。这样得出的两个变量A2、F'*的总和对应于产生的调节变量F*。[0062] 在根据图6的设计方案的范畴中，采用完全类似的处理方式。区别仅是，第一和第二调节器16、17互换其角色。因此，在根据图6的设计方案的范畴中，将第一目标值I1*、检测到的第一实际值I1和第一接入变量A1输送给第一调节器16。第一调节器16由此得出临时调节变量F'*。将第二目标值I2*和检测到的第二实际值I2输送给第二调节器17。第二调节器17由此得出第一接入变量A1。在根据图6的设计方案中，双重调节器14还具有预控制块22。将第二目标值I2*和检测到的第二实际值I2、尤其是它们的差值输送给预控制块22。预控制块22由此得出第二接入变量A2。双重调节器14将第二接入变量A2接入到临时调节变量F'*。这样得出的两个变量A2、F'*的总和对应于产生的调节变量F*。[0063] 因此，综上所述，本发明涉及以下主题：[0064] 机床的机器元件1能够经由驱动器2相对彼此移动。机床的机器控制器3得出用于驱动器2的控制信号C，并且将其输出给驱动器2。由此，执行对工件5进行切削加工的工具4以位置调节的方式相对于工件5移动。在机器元件1d的第一区域9中布置至少一个主动减振器10，主动减振器用于衰减工件5在切削加工期间通过工具4在机器元件ld的第二区域11中出现的振动。为了检测振动，至少在机器元件1d的第一区域9中布置第一传感器12，在另一机器元件1e处或在机器元件1d的另一区域中布置第二传感器13。将借助于第一和第二传感器12、13检测到的实际值I1、I2以及相应的目标值I1*、I2*输送给双重调节器14。双重调节器14根据值I1、I2、I1*、I2*得出用于主动减振器10的产生的调节变量F*并且相应地驱控主动减振器10。[0065] 本发明具有许多优点。由于将第一传感器12布置在主动减振器10附近并且因此在主动减振器10附近检测第一实际值I1，能够容易地实现稳定的调节，调节能够通过由第二实际值I2的补充以简单的方式改进。能够将第二传感器13布置在任何合适的位置处，尤其设置在TCP(＝工具中心点)附近。此外，能够通过检测到的实际值I1、I2进行合适的信号处理(例如检测到的实际值I1、I2的线性混合)来模拟在不能直接进入的位置处的虚拟传感器。还能够优化主动减振器10的作用。还能够以简单的方式稳定地保持双重调节器14，因此使得双重调节器不在其方面引起主动减振器10的不稳定的驱控。[0066] 上面结合单个的主动减振器10解释了本发明，减振器布置在单个的机器元件1(在此是机器元件1d)处。但也可行的是，在单个机器元件1处布置多个主动减振器10。还可行的是，在多个机器元件1处分别布置一个或多个主动减振器10。[0067] 尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，但本发明不被所公开的实例限制，并且本领域技术人员能够在没有偏离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变体方案。

专利地区：德国

专利申请日期：2020-03-17

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113646131B