具有振动阻尼装置的机加工装置和方法与流程

本发明涉及一种用于机加工优选板状工件的机加工装置特别是cnc机加工装置和方法。

背景技术：

如今，在机加工装置的领域中，必须提供并进行多种不同的机加工可能性。也就是说，对机加工装置的要求经常在一方面以相对高转速操作相对小的工具的机加工过程与另一方面以低转速操作具有大质量和大工具直径的相对大的工具的机加工过程之间平分。对于小工具，需要能够以非常高的转速(例如，24,000/分钟)操作的工具保持夹具。相比而言，对于大工具，需要能够吸收加工力(诸如例如，弯矩、径向力、切割力等，它们在低转速时通常非常大)的高刚度工具保持夹具。由于用于高转速的工具保持夹具和用于高处理力的工具保持夹具通常尺寸不同，因此存在目标冲突，这意味着在折衷解决框架内只能不太令人满意地考虑各自的要求。另外，所使用的工具总是变得越来越强大，一方面，这使得对于具有高处理力的甚至大工具也可以增加转速，而另一方面，这导致对机加工装置的要求增加，特别是在所产生的振动方面。

因而，对于已知的机加工装置，存在的问题在于，不能针对每个工具最佳地设计工具保持夹具或机加工组合体(aggregate)，因而在对工件进行机加工时在工具保持夹具中产生不需要的振动，特别是与机器本体的自然模式对应的振动。对于cnc机加工装置来说这尤其是个问题，在cnc机加工装置中，包括工具保持夹具的机加工组合体经常悬挂在多轴线性引导件上，这降低了悬挂的刚性，并且使得所产生的振动能够与机器框架特别是机加工装置的机床产生共振。这导致cnc机加工装置以及工具上的应力增加，从而降低机加工质量。对于传统的直通(pass-through)机器存在同样问题，这是因为性能要求也随之不断增加。

由于该原因，人们努力提供用于机加工装置特别是用于cnc机加工装置的机加工组合体的振动阻尼装置。

在印刷技术、纺织技术或报纸印刷技术领域中存在类似问题，在这些领域中，由于例如压力辊或偏转轴的高转速而引发振动，在与自然频率重叠的情况下，这种振动会导致轴承损坏。de102008050989a1因此教导了例如使用阻尼吸收器来减少诸如轴、辊或心轴之类的中空机器零件的振动。阻尼吸收器由附加质量体和阻尼及弹性元件构成。该附加质量体被弹性圆筒状阻尼层包围。为了通过预定附加质量体和特定主系统实现所需的参数如刚性和阻尼系数，必须在弹性阻尼层上施加限定压力。这使得允许吸收器集成到圆筒状主系统(诸如例如心轴)内的特定结构成为必然。

此外，从机床领域中已知安装在工具保持夹具中的主动振动阻尼系统。在已知的主动振动阻尼系统中，工件机加工过程中产生的振动的振动幅度由直接附装至工具保持夹具的加速度传感器检测，并且由电动致动器产生与所检测到的振动幅度对应的计数脉冲。然而，这需要为每个空间方向(在该空间方向上，认为将发生一个振动补偿)安装加速度传感器以及电动致动器，并且提供用于振动补偿的复杂控制器。这导致这种类型的振动阻尼系统的获取成本较高，在许多情况下，这使其在经济上令人厌倦。此外，由于必要的致动器而使得只限于用于较大的机加工装置，这是因为在其它情况下致动器的自重会过多地影响机加工组合体的惯性质量。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供提供一种机加工装置，特别是cnc机加工装置，该机加工装置用于机加工优选板状工件，对于该机加工装置，能够通过简单的设计以节约成本的方式阻尼机加工组合体上的振动。

该目的通过根据权利要求1的机加工装置和根据权利要求12的方法解决。本发明的进一步优选改进在从属权利要求中给出。

本发明的核心构思之一是通过振动阻尼装置被动地阻尼，特别是吸收和被动地阻尼机加工组合体的动态元件的振动，特别是旋转的工具主轴的振动，这种振动在工件的机加工过程中产生。

使用所提出的振动阻尼装置，可以通过简单的装置设计以节约成本的方式被动地阻尼机加工组合体的动态元件的振动，特别是旋转的工具主轴的振动，该振动在工件的机加工过程中产生。这消除了对于主动阻尼元件以及该阻尼元件所需的传感器和致动器的复杂控制的需要，与已知系统相比极大地降低了所提出的振动阻尼装置的制造成本以及复杂性。

根据本发明，用于处理优选由木材、木质材料、合成材料和/或玻璃至少分段地制成的优选板状工件的机加工装置特别是cnc机加工装置具有：机加工组合体，该机加工组合体具有优选包括旋转工具主轴的动态元件；第一引导组件，所述机加工组合体能够通过该第一引导组件在至少一个空间方向上移动；以及至少一个振动阻尼装置，其中，通过所述至少一个振动阻尼装置，所述动态元件的振动能够被动地阻尼。待机加工的工件也可以是杆状或立方体工件以及自由形状主体等等。

这样，提供了一种振动阻尼装置，例如，以cnc机加工装置为机加工装置的具体示例，通过该振动阻尼装置能够以简单且节约成本的方式对动态元件的振动特别是该cnc机加工装置的机加工组合体的工具主轴的振动进行被动阻尼，该振动特别是在工件的机加工过程中产生。

根据本发明的一个实施方式，所述至少一个振动阻尼装置设置在所述第一引导组件的面对所述动态元件的一侧上或者设置在所述第一引导组件本身上。

由此提供的振动阻尼装置特别能够尽可能接近振动起始点阻尼所述振动。由于所述振动阻尼组件设置在所述第一引导组件的面对所述动态元件的一侧上，所产生的振动甚至在到达所述第一引导组件之前就被阻尼。这防止了振动及相关的振动由于共振而传播。

根据本发明的一个实施方式，所述机加工装置的所述至少一个振动阻尼装置优选为振动吸收装置(阻尼吸收器)，该振动吸收装置包括至少一个阻尼元件、一个辅助质量体和一个弹性支撑构件。这使得不仅可以被动地阻尼所述动态元件，而且还可以吸收并被动地阻尼所产生的振动。

这里，所述弹性支撑构件能够承载所述至少一个阻尼元件和所述辅助质量体，其中优选地，所述弹性支撑构件直接紧固至所述动态元件或所述第一引导组件。还可以将所述至少一个阻尼元件附装至所述辅助质量体。

一般来说，被动振动阻尼器/吸收器在摩天大楼和桥梁建造(诸如例如伦敦千禧桥、凯尔·斯特拉斯堡的莱茵桥以及中国台湾的摩天大楼台北101)领域中是已知的。原则上，阻尼元件容纳在弹性支撑构件(例如，壳体)中并且定位于动态元件(例如，高层建筑物)。该阻尼元件由此保持在适当位置而不会与动态元件的临界频率(例如，在地震情况下高层建筑物的振动)发生共振，弹性支撑构件配备有相应大的辅助质量体。这种辅助质量体致使弹性支撑构件与阻尼元件一起由于该辅助质量体的惯性而保持在其预期位置，因而使得所述阻尼元件能够在所述动态元件上施加阻尼力(阻尼作用)。具体地说，这意味着所述动态元件(还被称为振动激励器)在所述弹性支撑构件内以相对较高的临界频率振动，而包括所述辅助质量体的所述弹性支撑构件以相对较低频率振动而不会变成被该临界频率激励。

如果所述弹性支撑构件直接固定至所述动态元件，则所述弹性支撑构件必须具有足够高的弹性以防止所述辅助质量体在所述动态元件的临界频率处产生激励。然而，有一种可能是由此将所述振动阻尼装置非常紧凑地并且非常接近振动起始点布置。这使得可以在所产生的振动在所述机加工装置的广阔区域上传播并且可能由于共振而累积振动的增加之前对这些振动进行阻尼。由于机加工组合体和引导组件之间的连接通常都形成得极其刚性，因此在所述弹性支撑构件固定至所述引导组件的情况下所述弹性支撑构件也需要足够高的弹性。

优选地，所述至少一个阻尼元件的阻尼力直接作用在所述动态元件上，或者所述至少一个阻尼元件的阻尼力间接地作用在所述动态元件上。在上下文中，“间接”是指所述至少一个阻尼元件例如作用在悬挂部件上，所述动态阻尼元件或包括所述动态阻尼元件的所述机加工组合体通过该悬挂部件紧固至所述引导组件。也就是说，所述至少一个阻尼元件的阻尼力例如接合所述悬挂部件，并因而间接地阻尼所述动态元件的振动。

根据本发明的一个优选实施方式，所述至少一个阻尼元件可以以液压减振器、机械减振器、涡流阻尼器、机电转换材料、液压阻尼间隙等形式构成。下面将对各个类型进行更详细的讨论。

此外，所述第一引导组件可以包括引导装置，该引导装置优选以线性引导件的形式构成。所述引导装置由此可以具有引导滑动架(carriage)，包括所述动态元件的所述机加工组合体固定至该引导滑动架，以便在空间方向上能移动地引导所述机加工组合体，其中所述空间方向位于空间内任意位置。这种引导装置特别地与cnc机加工装置以及直通机器一起使用，以便优选地能够使工具在所有三个空间方向上移动。然而，引导装置具有的缺点在于，降低了所述机加工组合体的悬挂的刚性，这使得该悬挂更容易受到振动，特别是增加振动的累积。然而，由于根据本实施方式的振动阻尼装置位于所述引导组件的面对所述动态元件的一侧上，因此能够在振动到达所述引导组件之前吸收并阻尼该振动。

根据本发明，还有一种可能是，将所述振动阻尼装置设置在所述引导装置的所述引导滑动架上，通过这样，所述振动阻尼装置仍然位于所述引导装置的面对所述动态元件的一侧上。相反，所述引导装置的导轨以及例如附装所述导轨的机器框架布置在所述引导装置的背离所述动态元件的一侧上。由于这种组装，可以使所述振动阻尼装置的质心更接近所述引导装置，并且因此对所述机加工组合体的惯性影响更小。然而，另一方面，所述动态元件的临界振动只能被间接地阻尼，这是因为所述至少一个阻尼元件的阻尼力没有直接接合所述动态元件。

根据本发明的一个进一步优选的实施方式，可以将所述振动阻尼装置集成到所述机加工组合体的工具主轴中。因此，使用该构造，将所述振动阻尼装置直接嵌入在所述动态元件内。在这种情况下，所述工具主轴具有圆筒状内部部件和中空圆筒状外部部件，其中所述外部部件安装在所述内部部件上。通过该设计，所述圆筒状内部部件对应于所述动态元件(振动激励器)，并且所述中空圆筒状外部部件对应于所述辅助质量体并且容纳所述阻尼元件。由于通常有限的安装空间，因此采取液压阻尼间隙形式的阻尼元件的设计是理想的。

此外，优选的是，所述辅助质量体的质量和/或所述阻尼元件的阻尼特征和/或所述弹性支撑构件的刚性是可调节的。特别优选的是，可对应于机加工参数(诸如例如进给速率、切割速度、切割深度、切割力、工具转速和/或所用工具类型和/或所测量的振动数据等)进行相应的调节。这提供的优点在于，可以针对所发生的振动对吸收和被动阻尼进行最佳的调节，特别是，可以这样进行调节，即：特别地阻尼在机器本体的自然模式附近的更接近频率范围，由此能够避免与机器本体的自然模式发生共振。“机器本体”应该理解为是指机器的位于所述引导组件的背离所述动态元件的一侧上的部分。该调节由此可以手动地、机械或机动化地进行。特别是对于所述阻尼元件的阻尼特征的调节，理想的是使用涡流阻尼器或机电转换材料，这是因为它们的阻尼力可纯粹机电地调节。“阻尼特征”应该理解为可施加的阻尼力、阻尼常数(阻尼器能够多快地跟随振动)、线性或渐进式阻尼器等等。

进一步优选的是，设有至少两个振动阻尼装置，这两个振动阻尼装置具有位于共享平面上的两个不同作用方向。所述振动阻尼装置特别优选地围绕所述动态元件布置，这能够使设计紧凑。如果所述机加工装置设有在不同方向上作用在共享平面上的两个振动阻尼装置，则可以对在两个空间方向上发生的振动进行阻尼，这总体增加阻尼作用，尤其是所发生的振动幅度的方向由于机加工参数而改变。

根据进一步优选的实施方式，所述机加工装置设有三个振动阻尼装置，这三个振动阻尼装置具有三个不同作用方向，并且位于两个相交平面上。此外，特别优选地，所述三个振动阻尼装置围绕所述动态元件布置。

这样，可以对在三个空间方向上发生的振动进行阻尼。

此外，本发明涉及一种用于操作机加工装置特别是如上所述的机加工装置的方法，其中，通过该方法，机加工组合体(该机加工组合体特别地包括旋转的工具主轴)的动态元件在工件的机加工过程中出现或产生的振动通过振动阻尼装置被动地阻尼，特别是被吸收和被动地阻尼。

根据本发明的一个优选实施方式，该方法进一步包括：确定机加工参数，诸如例如进给速度、切割速度、切割深度、切割力、工具转速、工具类型等等；和/或优选通过振动传感器来确定由所述动态元件产生的振动；确定所述振动阻尼装置的最佳设定参数，诸如例如辅助质量体的质量、阻尼元件的阻尼特征、弹性支撑构件的刚性等等；以及调节所述振动阻尼装置的最佳设定参数。

由此可以基于所确定的机加工参数和/或所确定的振动发生进行所述振动阻尼装置的最佳设定参数的确定，其中所确定的机加工参数和/或所确定的振动发生优选与经验确定的值和/或通过模拟确定的值比较，并且与所述最佳设定参数对应地确定。

这样，例如，能够确定基本恒定的机器主体的临界频率、自然频率(自然模式)，而不管所用相应工具和相应机加工参数如何。随后，可以在调节模式下以不同的机加工参数操作不同工具，并且可以在测试设置中测量所得到的振动。根据所测量的振动，于是可以检测并测试最佳设定参数。然后，能够考虑到所用工具和相应的机加工参数将所确定的最佳设定参数存储在标准机器能够访问的数据库中，并且能够与所述设定参数(诸如例如，辅助质量体的质量、阻尼元件的阻尼特征、弹性支撑构件的刚性)对应地自动调节所述振动阻尼装置。

由此，可以优选手动地、机动化地或机电地执行所述最佳设定参数的调节。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的振动吸收器阻尼系统的基本原理；

图2示出了根据本发明的机加工装置的机加工组合体的一个实施方式的立体表示；

图3示意性示出了根据本发明的用于机加工装置的振动阻尼装置的第一实施方式；

图4示意性地示出了根据本发明的用于机加工装置的振动阻尼装置的第二实施方式；

图5示意性地示出了根据本发明的用于机加工装置的振动阻尼装置的第三实施方式；以及

图6示意性地示出了根据本发明的用于机加工装置的振动阻尼装置的第四实施方式。

具体实施方式

在下文中，参照附图描述本发明的优选实施方式。在该上文中引述的各个特征的进一步变形和修改都彼此进行组合，以形成新的实施方式。

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的振动吸收器阻尼系统的基本原理。在图1中，附图标记(100)代表第一引导组件(5)，该第一引导组件(5)被示出为静止元件，以简化图示。摆动质量体(102)弹性地悬挂在刚性元件(100)上。弹性元件(101)由此对应于质量体(102)的现有悬挂弹性。质量体(102)相当于动态元件(3)或振动激励器。在振动质量体(102)处，设置了根据本发明的辅助质量体阻尼器(hmd)或振动吸收器/阻尼系统。振动吸收器/阻尼系统具有通过弹性元件(103)固定至振动质量体(102)的辅助质量体(105)，对应于支撑构件(9)。此外，振动吸收器/阻尼系统具有对应于阻尼元件(7)的阻尼器(104)。弹性体(101)的弹簧常数显著高于弹性元件(103)的弹簧常数。因此，质量体(102)相对刚性地固定至静止元件(100)，另一方面，辅助质量体(105)相对柔性地固定至振动质量体(102)，通过该振动质量体(102)能够将辅助质量体(105)从振动质量体(102)的临界振动(频率)解耦。因而，当相对于振动质量体(102)观看时阻尼器(104)保留在其原位置，并且能够由此在振动质量体(102)上施加阻尼力。

图2示出了根据本发明的机加工装置的机加工组合体的一个实施方式的立体表示。在下文中，通过举例方式使用cnc机加工装置作为机加工装置的具体示例来描述本发明的实施方式。然而，如之前已经提到的，这还可以是其它机加工装置诸如例如直通机器的机加工组合体。如图所示，机加工装置(1)总体上具有机加工组合体(2)，该机加工组合体(2)包括工具主轴(4)，该工具主轴(4)能够容纳期望的工具，例如铣刀、钻头、磨砂头等等。下面将可旋转地容纳并包括工具主轴(4)的机加工组合体(2)的组件称为动态元件(3)，这是因为该组件对机加工装置(1)内的振动的产生和引入负有重大责任。动态元件(3)经常还被指定为振动激励器。

振动可以由工具主轴(4)与工具一起的旋转引起，例如，由于在工件等的机加工过程中工具上的变化载荷在工具主轴(4)或工具上导致的不平衡而引起。

另如图1所揭示的，cnc机加工装置具有第一引导组件(5)，机加工组合体(2)固定至该第一引导组件(5)，并且通过该第一引导组件(5)，所述机加工组合体能够在空间方向上移动。将所示的引导组件(5)被称为“第一引导组件”，这是因为机加工组合体直接固定至该引导组件而没有介入其他引导组件。通常，第一引导组件(5)执行竖直运动，这允许工具前进至待机加工的工件。在图示的实施方式示例中，动态元件(3)包括工具主轴(4)、工具主轴的轴承、齿轮和驱动单元。振动阻尼装置(6)被实现为使得以保持托架的形式构造弹性支撑构件(9)，该保持托架在水平平面上包围动态组件(3)，并且固定至引导组件(5)的引导滑动架(11)。由于保持托架仅使用薄片材形成而没有任何加强件，因此保持托架(弹性支撑构件(9))具有足够高的弹性，以便将相对于动态元件(3)居中布置在保持托架的前侧的辅助质量体(8)从动态元件(3)大幅解耦。也就是说，尽可能最好地防止动态元件(3)的临界振动传播至辅助质量体(8)。然而，当确定弹性支撑构件(9)的弹性时，必须在用于动态元件(3)和辅助质量体(8)的振动解耦的足够高的弹性与弹性支撑构件(9)的足够高的刚性(为了抑制在机加工组合体的运动(加速-制动)过程中振动阻尼装置(9)的元件的混响)之间作出折衷。因此，还有一种可能是更刚性地形成保持托架，并且转而提供用于保持器控制台和引导滑动架之间的振动解耦的弹性元件。临界振动(临界频率)应理解为机器本体(例如，具有引导组件的基础框架)的自然频率，在该自然频率下，会在机器本体中发生共振，因而会在机器本体中累积振动的增加。

辅助质量体(8)模块化地构成，即辅助质量体(8)由各个配重板构成，这些配重板能够模块化地固定至保持托架以便根据操作参数和/或所测量的振动数据来调节辅助质量体的质量。

在图1所示的实施方式中，仅设置了一个具有水平作用方向的振动阻尼装置(6)。也就是说，振动阻尼装置(6)的阻尼元件(7)在水平方向上作用。如图1所示，示例性振动阻尼装置(6)具有设置在保持托架的两个相反侧上的两个阻尼元件(7)，因而从两个相反方向在动态元件(3)上施加阻尼力。

在下文中，将通过图3至图6中所示的示意性图示以本发明的基本结构说明本发明的振动阻尼装置(6)的不同实施方式。

图3示意性地示出了已经在图1中详细描述的基本相同设计。在该实施方式中，弹性支撑构件(9)附装至引导组件(5)的引导滑动架(11)，并且将辅助质量体(8)从动态元件(3)解耦。如图2所示，还可以将阻尼元件(7)直接固定至辅助质量体(8)或将这些阻尼元件(7)安装在辅助质量体(8)中。阻尼元件(7)能够接合动态元件(3)(振动激励器)的每个部件，其中优选的是阻尼元件(7)直接接合在工具主轴的轴承上，以便甚至更直接地形成被动阻尼。

图4示出了根据本发明的振动阻尼装置(6)的另一个实施方式。在该实施方式中，与图3所示的实施方式相反，弹性支撑构件(9)直接固定至动态元件(3)，这能够获得更紧凑的结构，但是使得辅助质量体(8)从动态元件(3)的临界振动解耦更为困难。

图5示出了振动阻尼装置(6)的另一个实施方式。在当前情况下，振动阻尼装置(6)没有像上述实施方式(该实施方式使得阻尼元件(7)的阻尼力能够直接接合动态元件(3))中那样围绕动态元件(3)形成，而是完全集成或嵌入在引导滑动架(11)上。如图5所示，这提供了能够将振动阻尼装置极端紧凑地形成的优点。此外，将辅助质量体(8)从动态元件(3)的临界振动解耦相对简单。如图所示，在这种情况下，辅助质量体(8)可以被布置成在两个阻尼元件(7)之间振动，并且仅通过弹性支撑构件(9)固定至引导滑动架(11)。进而，阻尼元件(7)通过接收托架与引导滑动架连接，并且由此在动态元件(3)的临界振动传播至机加工装置(机器本体)的其它部件之前对这些临界振动进行间接地阻尼。

图6又示出了本发明的振动阻尼装置(6)的另一个实施方式。如从图6看到的，根据该实施方式，该振动阻尼装置(6)能够完全集成到动态元件(3)中，特别是直接集成到工具主轴(4)中。工具主轴(4)由此由两个元件即圆筒状内部部件(12)和中空圆筒状外部部件(13)形成，其中外部部件(13)安装在内部部件(12)上并且对应于辅助质量体(8)。如图所示，阻尼元件(7)或多个阻尼元件(7)被集成到外部部件(13)内，优选地在圆周方向上相等地分布在外部部件(13)处。由于有限的安装空间，如图所示，因此理想的是以液压阻尼间隙的形式构成所述阻尼元件(7)。该阻尼间隙由于流体摩擦而具有阻尼作用。由于外部部件(13)以及外部部件(13)在内部部件(12)上的轴承相对较软，并且外部部件(13)被液压阻尼间隙进一步弱化，因此外部部件(13)能够通过内部部件(12)在振动激励作用下弹性地变形，阻尼间隙中存在的流体由此而移动，并且由此进行对所发生的振动进行阻尼的摩擦工作。另外，对于该实施方式，外部部件(13)可以设有贮存器(未示出)，其中所提供的流体能够被置换，以便增加流体的移动量并且由此增加阻尼性能。该液压阻尼间隙优选相对较窄并较长地形成，以便促进流体摩擦。