(57)【要約】本発明は工作機械に関し、工作機械は加工材（９）を装着するための加工材装着装置（１０）を有し、加工材装着装置（１０）及びその装着された加工材（９）ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を用いて動かすことができる。さらに本発明は対応する方法に関する。本発明は、加工過程中に発生する振動が低減される工作機械を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工材（９）を装着するための加工材装着装置（１０）を有する工作機械において、前記加工材装着装置（１０）及びその装着された前記加工材（９）は、ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を用いて動かすことができ、前記ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、前記加工材装着装置（１０）が加工過程中に発生する工具（６）の振動性の動きに追従するように制御される工作機械。
【請求項２】
前記加工材装着装置（１０）及びその装着された前記加工材（９）は、加工材台（２）に対し前記ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を用いて動かすことができ、前記加工材台（２）は電動機を用いて動かすことができる請求項１記載の工作機械。
【請求項３】
前記ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）の制御は調節装置（１４）を用いて行われ、前記調節装置（１４）は、前記加工材装着装置（１０）の速度（ｖWST）と前記工具（６）の速度（ｖWZ）との速度差（ｖD）が零に調節されるように構成されている請求項１又は２記載の工作機械。
【請求項４】
前記加工材装着装置（１０）の速度（ｖWST）は、前記加工材装着装置（１０）の近傍に配置された加速度センサ（２６）を用いて検出した加速度に基づき算出される請求項３記載の工作機械。
【請求項５】
前記工具（６）の速度（ｖWZ）は、前記工具の近傍に配置された加速度センサ（５）を用いて検出した加速度に基づき算出される請求項３又は４記載の工作機械。
【請求項６】
速度差（ｖD）を調節するための調節装置（１４）が、調節器（１６）及び前記調節器に前置又は後置された伝達要素（２１）を有し、前記伝達要素（２１）の伝達関数（Ｈ(ｓ)）は、低減すべき振動の周波数（ｆ0）において前記伝達関数（Ｈ(ｓ)）が極位置を有するように形成されている請求項３〜５のいずれか１つに記載の工作機械。
【請求項７】
前記ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、位置信号（ｘWST）を出力し、前記加工材装着装置（１０）の速度（ｖWST）は、前記位置信号（ｘWST）を用いて算出される請求項１、２、３、５及び６のいずれか１つに記載の工作機械。
【請求項８】
前記加工材装着装置がピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を用いた能動的な支持のほかに、さらに受動的な支持部（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を用いて支持されている請求項１〜７のいずれか１つに記載の工作機械。
【請求項９】
工作機械における加工過程中に発生するびびり振動を低減するための方法において、前記工作機械が加工材（９）を装着するための加工材装着装置（１０）を有し、前記加工材装着装置（１０）及び装着された前記加工材（９）は、ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を用いて動かすことができ、前記ピエゾアクチュエータ（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）は、前記加工材装着装置（１０）が加工過程中に発生する工具（６）の振動性の動きに追従するように制御される工作機械のびびり振動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工材を装着するための加工材装着装置を有する工作機械に関する。さらに本発明は、それに対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械においては、特にフライス加工又は旋盤加工において、工具と加工材との間に加工力が発生する。一方では工作機械の動的コンプライアンスに依存して、しかしまた他方では切削処理及び加工材料の工業技術的パラメータにより特徴付けられて、工具には、加工力及びそれから結果として生じる工具のずれに関係付けられる影響範囲が生じる。そのような影響範囲は、例えば必要とする切削周波数において切削幅が高く選ばれ過ぎる場合、すなわち速く送られ過ぎる場合には、不安定になり得る。結果として、機械要素に、工具に、また加工材に、振動、特にいわゆるびびり振動が生じる。この聴覚的に明確に知覚し得るびびり振動は加工材表面にいわゆるびびりマークを残し、このマークは通例表面品質にとって許容しがたいものである。この理由から、振動を回避するための措置が講じられなければならない。
【０００３】
その一つの現行のやり方は、切削過程を従来通りに構成し、その切削過程において、切削幅が所望の幅よりも狭くして行うことにある。しかしながらこの措置は加工時間を高め、したがって機械の効率低下を意味する。
【０００４】
他の手段は、工作機械の動的コンプライアンスを検出し、その中に生ずる臨界共振をモーダル解析によって個々の機械領域に割り当てることにある。このような解析によって、機械のどの領域が切削過程に比較して大き過ぎるコンプライアンスを持つか、したがって因果関係的にびびり振動すなわちびびりの責任を負うかを確認することができる。しかしながら、その得られた結果に相応して対策を講じることは困難である。たいていの場合、対応する周波数範囲における機械コンプライアンスを適切な措置（例えば機械の分離した部材の剛性増大）によって減ずることはできず、むしろしばしば機械の広範囲にわたる改造又はそれどころか機械の設計変更を必要とする。既存の機械の場合にはこの手段はいずれにしろ通用しない。
【０００５】
工作機械の主軸のびびり振動を低減するか取り除くための方法およびその方法を実施するための装置は知られている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
有利な動的加工速度を推奨するための装置及び方法は知られている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
切削式の工作機械、特に丸鋸盤、フライス盤、研削盤等を運転するための方法及び装置は知られている（例えば、特許文献３）。
【０００８】
回転する工具により加工材を加工するための装置及び方法は知られており、そこでは振動を低減するため、回転する工具が、回転系において駆動軸と工具との間に配置された調整ユニットにより駆動軸に関して動的に動かされる（例えば、特許文献４）。
【０００９】
工具を工具受け部に装着することは知られており、そこでは工具と工具受け部との間に挿入されている高い減衰を示すたわみやすい要素を用いて、発生する振動が低減される（例えば、特許文献５）。
【００１０】
加工機械において発生するびびり振動を減衰させるための方法及び装置は知られている（例えば、特許文献６）。
【００１１】
工作機械、生産機械、ロボットとして形成された機械等において、機械要素や加工材の振動を低減させるための方法が知られており、そこでは振動の発生時に、加工材を固定するために加工材保持装置が加工材に及ぼすのに用いられる圧力が変えられる（例えば、特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許出願公開第２５２０９４６Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願第６９８０４９８２Ｔ２号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第４４０５６６０Ａ１号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２２９１３４Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１９８２５３７３Ａ１号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０２２０９３７Ａ１号明細書
【特許文献７】独国特許出願第１０２００５０５７１７５．１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、加工過程中に発生するびびり振動が減ぜられる工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、加工材を装着するための加工材装着装置を有する工作機械において、加工材装着装置及びその装着された加工材がピエゾアクチュエータを用いて動かし得ることによって解決される。
【００１５】
さらに上述の課題は、工作機械において加工過程中に発生する振動を抑制するため、工作機械が加工材を装着するための加工材装着装置を有し、加工材装着装置及びその装着された加工材がピエゾアクチュエータを用いて動かされる方法によって解決される。
【００１６】
本発明の好ましい構成は、従属する請求項から明らかである。
【００１７】
工作機械の好ましい構成は、方法の好ましい構成に相応して明らかであり、その逆もしかりである。
【００１８】
加工材装着装置及びその装着された加工材は、ピエゾアクチュエータを用いて加工材台に対し動かすことができ、加工材台は、電動機を用いて動かし得るようにしてもよい。これにより、本発明は、一般に具現化される。
【００１９】
さらに、加工材装着装置は、加工過程中に発生する工具の振動性の動きに追従するように、ピエゾアクチュエータが制御されると有利である。この措置によって、加工過程中発生する機械の振動、特にびびり振動を著しく減じることができる。
【００２０】
さらに、ピエゾアクチュエータの制御は、調節装置を用いて行われ、加工材装着装置の速度と工具の速度との速度差が好ましくは零に調節されるように調節装置が構成されてもよい。この措置によって、振動の特に高い低減が達成される。
【００２１】
さらに、加工材装着装置の速度は、加工材装着装置のすぐ近くに配置された加速度センサを用いて検出した加速度に基づき算出されると、加工材装着装置の速度が極めて正確に算出されるから有利である。
【００２２】
さらに、工具の速度は、工具のすぐ近くに配置された加速度センサを用いて検出した加速度に基づき算出されるようにしてもよい。この措置によって、工具の速度を極めて正確に算出することを可能にする。
【００２３】
さらに、速度差を調節するための調節装置は、調節器と調節器に前置又は後置された伝達要素とを有し、振動の抑制すべき周波数において伝達関数は、極位置を有するように伝達要素の複素伝達関数が形成されるようにしてもよい。これによって振動の特に高い低減が可能となる。
【００２４】
さらに、ピエゾアクチュエータが位置信号を出力し、加工材装着装置の速度は、位置信号を用いて算出されるようにしてもよい。これによって、簡単なやり方で加工材装着装置の速度の算出が可能となる。
【００２５】
さらに、加工材装着装置は、ピエゾアクチュエータを用いた能動的な支持部のほかに、付加的に受動的な支持部を用いて支持されていると有利である。これによって、ピエゾアクチュエータを用いた能動的な支持が故障したときに、引き続き加工材装着装置への加工材の装着が保証されることが確保される。
【００２６】
次に本発明の実施例を図面について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による工作機械の構成配置図である。
【図２】ピエゾアクチュエータを制御するための調節装置の第１の構成図である。
【図３】ピエゾアクチュエータを制御するための調節装置の第２の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２８】
図１において、図式的な表現の形で本発明による工作機械１が示されている。工作機械１は、とりわけ機械基台２２、見易くするため図示されていない電動機を用いて両方向矢印３の方向に水平に動かし得る、即ち作動し得る加工材台２及び両方向矢印４の方向に垂直に作動し得る駆動部２７を有する。駆動部２７は工具受け装置１５を回転するように駆動し、この工具受け装置１５には実施例ではフライスとして形成されている工具６が装着されている。駆動部２７はそのようにしてフライスを駆動する。
【００２９】
市販の工作機械においては、作動可能な加工材台２上に直接加工材装着装置が加工材の装着のために固定して取り付けられている。
【００３０】
本発明による工作機械においては、市販の機械と異なり、加工材装着装置１０は加工材台２に対しピエゾアクチュエータを用いて動かし得るように支持されている。加工材装着装置１０は加工材９を装着するため２つのつかみあご８ａ及び８ｂを有する。さらに加工材装着装置１０は基本要素２３を有し、この基本要素につかみあご８ａ及び８ｂが固定されている。加工材装着装置１０はピエゾアクチュエータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ及び図示されていないが背面にありピエゾアクチュエータ１１ｄに対向するピエゾアクチュエータを用いてすべての３つの運動方向に能動的に支持されている。加工材装着装置１０はピエゾアクチュエータを用いて動かすことができ、その際そのようにして、加工材９が加工材装着装置１０に装着されているから、加工材９もピエゾアクチュエータを用いて動かすことができる。加工材装着装置１０及び加工材がピエゾアクチュエータを用いて動かすことができるようになっている。図を見やすくするため、図１では加工材装着装置１０は拡大して示されている。
【００３１】
加工材台２上にはいわゆるピエゾ台７が固定して取り付けられており、その際ピエゾアクチュエータは加工材装着装置１０とピエゾ台７との間に配置されている。この実施例においては、加工材装着装置１０は、ピエゾアクチュエータを用いた能動的な支持のほかに、加えて受動性の支持を有し、それはこの実施例においては、ばね体１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及び加工材装着装置１０の背面上で、ばね体１２ｄに対向する別のばね体の形で存在する。この受動性の支持は、加工材装着装置１０の静的剛性を保障し、その結果ピエゾアクチュエータは必要な動的力を発生させるためのみに用いられる。
【００３２】
ピエゾアクチュエータの調整運動の調節は、ピエゾアクチュエータを制御する調節装置１４を用いて行われる。調節装置１４は入力側で位置信号を受け取り、この信号は、固定して取り付けられたピエゾ台７に対する、即ち結果として加工材台２に対する加工材装着装置１０の位置を示す。能動性の調整要素として単独の又は複数のピエゾ素子を有するピエゾアクチュエータは、そのためさらに各ピエゾアクチュエータ中に組み込まれた位置送出器を有する。位置送出器は例えばひずみ計の形で、又は測定目的のために用いられるピエゾ素子の形でも存在し得る。位置信号は、調節装置１４に入力量として与えられ、そのことは接続線１３によって示されている。さらに調節装置１４は接続線１３を介してピエゾアクチュエータを制御する。それに代えて、加工材装着装置１０上に加速度センサ２６が取り付けられ、このセンサが加工材装着装置１０の位置の代わりに加工材装着装置１０の加速度を検出し、入力信号として調節装置１４に出力することも可能である。さらに、工具６の速度が、工具６のすぐ近くに配置された加速度センサ５を用いて加速度を検出し、入力信号として調節装置１４に出力する。そのことは、図１には矢印によって示されている。本実施例では、加速度センサ５が駆動部２７に取り付けられている。
【００３３】
ピエゾアクチュエータは、加工材装着装置１０が加工過程中に発生する例えばびびりに起因する工具６の振動性の動きに追従するように調節装置１４によって制御される。例えば図１に示される工具６が加工過程において発生する力によって上方へ移動すると、このことは加速度センサ５によって検出されるが、それは工具６の運動が工具受け装置１５を介して駆動部２７に伝達され、加速度センサ５が相応の加速度信号を調節装置１４に出力するからである。調節装置１４は、今や、加工材装着装置１０及び従ってその加工材９も加工過程中に発生する工具の振動に追従するように、特に同期して追従するように有利にピエゾアクチュエータ１１ｃを制御する。加工材装着装置１０及び従ってそれから加工材９も工具６の振動性の動きに同期して動く。工具６がその振動性の動きの範囲内で例えば上方への動きを行うと、ピエゾアクチュエータ１１ｃは、加工材装着装置１０が同様に上方へ動くように制御される。同じようなことが、他の運動方向によっても行われる。
【００３４】
そのため本実施例において、調節装置１４は、加工材装着装置１０の速度と工具６の速度との速度差が零に調節されるように構成されている。
【００３５】
図２には、調節装置１４の第一の構成がブロック図の形で示されている。本実施例において、調節装置１４は、調節器１６（例えばＰＩ調節器）、パワーモジュール２３、微分器１７、積分器１８、及び２つの減算器１９及び２４を有する。ピエゾアクチュエータ１１ｃは、加工材台２、特にピエゾ台７に対する加工材９の位置を示す位置ｘWSTを出力する。ピエゾアクチュエータ１１ｃは加工材装着装置１０に作用し、そのことは図２において対応する矢印２５によって示され、この加工材装着装置１０を一方向に沿って動かす。加工材の位置ｘWSTは入力量としてさらに微分器１７に送られ、微分器１７は位置ｘWSTから加工材装着装置の速度ｖWSTを算出し出力する。工具６の振動性の動きは、既に述べたように、工具受け装置１５を介して駆動部２７に伝達され、その際発生する工具６の加速度ａWZが加速度センサ５を用いて確定され出力される。工具６の加速度ａWZは、積分器１８に入力量として入力され、積分器１８はそれから工具の速度ｖWZを算出し、出力側に出力する。
【００３６】
減算器１９を用い、加工材装着装置の速度ｖWSTと工具の速度ｖWZとの速度差ｖD（ｖD＝ｖWZ−ｖWST）が算出され、出力側に出力される。速度差ｖDは、零に設定される目標速度ｖSOLLから減算器２４を用いて減算される。そのようにして得られた減算器２４の出力信号は、調節器１６に入力信号として入力される。調節器１６はパワーモジュール２３を介してピエゾアクチュエータ１１ｃを制御する。パワーモジュール２３は、ピエゾアクチュエータ１１ｃを駆動するために必要な制御電圧を印加する。この制御ループによって、加工材装着装置の速度と工具の速度との速度差ｖDは零に調節され、その結果加工材装着装置は加工過程中に発生する工具の振動性の動きに追従する、特に同期して追従する。各運動方向に対しそれぞれ調節方向が存在する。
【００３７】
図３には調節装置１４の別の実施形態が示されている。図３に示される実施形態は、その基礎部分においては上述の図２に示される実施形態にほぼ対応する。それ故図３において同じ要素には図２の場合と同じ符号が付されている。唯一の本質的な相違は、図３による実施形態においては調節器１６とパワーモジュール２３との間に伝達要素２１が接続されていることである。この伝達要素２１は図３に示されるように調節器１６に後置されるか、又はそれに代えて調節器１６に前置される、したがって減算器２４と調節器１６との間に接続されることが可能である。振動の寄生振動周波数ｆ0が例えば測定から既知であり、したがって共振のいずれかが振動の原因である場合には、適切な調節技術上の措置によって目標を定めて影響を及ぼすことができる。この場合、特定の周波数範囲において動的剛性の目標を定めた改善を達成するため、刊行物のGoodwin、Graebe、Salgado著「制御システムデザイン（Control System Design）」Prentice Hall出版（2001年）に記載された方法を使用することが提案される。当業者にはこの方法は「内部モデル原理（Internal Model Principle）」の名のもとによく知られている。その際調節課題は、ピエゾアクチュエータを用いて能動的に支持される加工材が工具の測定された動きをできるだけ正確に追従するように把握され得ることであり、その結果両者の間にできるだけ僅かな差が発生する。それ故測定された動きは、能動的に支持される加工材の制御ループに対する指令量と解釈することができる。「内部モデル原理」法の根本理念の概略は以下に述べられる。この方法が実際上しばしば時間離散的にディジタルシステムを用いて実行される場合でも、その根本理念は当然前提すべきことのゆえに時間連続的に記述されるべきである。
【００３８】
「内部モデル原理」の方法の適用は、コマンドアクションが指令量の特定の信号形へ最適化されるべきことがねらいである。例えば制御ループの指令量の構成要素が周波数ｆ0の調波信号であることが既知の場合には、この指令量に対し理想的なコマンドアクションが達成され、ここで理想的とは、指令量
ｗ(ｔ)＝Ａ・sin（２・π・ｆ0・ｔ＋φ0）                （１）
が立上り状態において正確に制御量と一致し、このことは指令量ｗ(ｔ)の振幅Ａ及び位相φ0に無関係であるという意味においてである。信号のラプラス変換Ｔが虚軸上の極のみを有し、そのことは周波数ｆ0の振動の場合のような調波信号の際には次のような場合であることが仮定されなければならない。
Ｌ｛sin（２・π・ｆ0・ｔ）｝＝２・π・ｆ0／[ｓ2＋（２・π・ｆ0）2] （２）
虚軸上の極は±ｊ２π・ｆ0の場合である。
ｊ：虚数単位
ｓ：複素角周波数（ｓ＝ｊ２・π・ｆ）
ｆ：周波数
【００３９】
このような信号に対して、伝達要素２１が信号のラプラス変換の極で制御ループにおいて積分されることによって理想的なコマンドアクションが達成される。伝達要素２１の伝達関数Ｈ（ｓ）はしたがって次のようになる。
Ｈ(ｓ)＝１／[ｓ2＋(２・π・ｆ0)2]                        （３）
【００４０】
制御ループは、信号のラプラス変換されたときの極位置を持つ伝達要素によって安定化される。この使用においては、減衰しない振動性の伝達要素が制御ループに組み込まれるのではなく、わずかに減衰するものがしばしば有利であることが確認されている。たしかに制御差（減算器２４の出力信号）は周波数ｆ0においてもはや正確に零ではないが、制御ループはそのため高い安定性を有する。
【００４１】
このやり方によって、振動の抑制すべき周波数ｆ0の範囲において、特にびびり周波数の範囲において、コンプライアンス周波数応答における振幅の明白な低下が達成される。伝達要素２１はその際振動の抑制すべき周波数ｆ0の重み付けのための直線性フィルタの役を演ずる。
【００４２】
加工材を装着するために使用され、加工材装着装置が加工材上に及ぼす圧力は、振動の発生時一定にとどまる、即ちその圧力は振動の発生時に変化しない。
【００４３】
さらに、本発明に必要な位置信号、加速度信号や速度信号は、機械にいずれにしても存在する測定装置を用いて検出することも可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  工作機械
２  加工材台
３  両方向矢印
４  両方向矢印
５  加速度センサ
６  工具
７  ピエゾ台
８ａ、８ｂ  つかみあご
９  加工材
１０  加工材装着装置
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  ピエゾアクチュエータ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  ばね体
１３  接続線
１４  調節装置
１５  工具受け装置
１６  調節器
１７  微分器
１８  積分器
１９  減算器
２１  伝達要素
２２  機械基台
２３  基本要素
２４  減算器
２５  矢印
２６  加速度センサ
２７  駆動部
ｘWST  加工材の位置
ｖWST  加工材装着装置の速度
ｖWZ  工具の速度
ｖD  速度差
ａWZ  工具の加速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2010507489.tif 000007
2010507489.tif 000008
2010507489.tif 000009
2010507489.tif 000010
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