DE2155574A1 - Method for determining a thrust vector and the vibration vector of a spindle and arrangement for its implementation - Google Patents
Method for determining a thrust vector and the vibration vector of a spindle and arrangement for its implementationInfo
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Description
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ALlEIT-SIiADLEY COMPANY, 12o1 South Second Street, Milwaukee, Wisconsin 532o4 (USA)ALlEIT-SIiADLEY COMPANY, 12o1 South Second Street, Milwaukee, Wisconsin 532o4 (USA)
"Verfahren zum Bestimmen eines Schubvektors und des Vibrationsvektors einer Spindel und Anordnung zu seiner Durchführung""Method for determining a thrust vector and the vibration vector a spindle and arrangement for its implementation "
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen dss Schubvektors und des Vibrationsvektors der Spindel einer in Betrieb befindlichen Werkzeugmaschine, sowie eine Anondnuaig zu seiner Durchführung.The invention relates to a method for determining the thrust vector and the vibration vector of the spindle of a machine tool in operation, as well as an anondnuaig to it Execution.
Die Bestimmung der Erschütterungs- oder Vibrationsamplitude einer solchen Spindel ist wichtig, da sie ein Maß für die Schwingungen der Spitze des schneidenden Werkzeuges der Maschine gibt und damit ein Maß für den Einfluß der Spindelschwingungen auf die Oberflächengüte des Werkstückes. Die Spindelerschütterungen selbst haben einen sehr nachteiligen Einfluß auf die Lager der Spindel, insbesondere dann, wenn Kugel- und Rollenlager verwendet werden. Es ist daher wünschenswert, die Amplitude der Seibatschwingungen der Spindel soweit wie möglich herabzusetzen.The determination of the shock or vibration amplitude Such a spindle is important as it is a measure of the vibrations of the tip of the cutting tool of the machine and thus a measure of the influence of the spindle vibrations on the surface quality of the workpiece. the Spindle vibrations themselves have a very detrimental effect on the bearings of the spindle, especially when Ball and roller bearings are used. It is therefore desirable to check the amplitude of the Seibat vibrations of the spindle as low as possible.
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Bei Systemen, "bei denen ein Interesse daran besteht, die maximale Abtragungsgeschwindigkeit am Werkzeug, "bei gegebener Oberflächengüte, so hoch wie möglich zu halten, wie z. B. bei der Bearbeitung von Aluminium in der luft- und Raumfahrtindustrie, sind die Schubkraft und die Amplitude der Spindelerschütterungen ausreichende Parameter für eine Steuerung des Zerspan~*».ungs Vorganges. Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren und eine Anordnung zu seiner Durchführung zu haben, das diese Parameter einer Spindel schnell, einfach und wirtschaftlich mißt.In systems "in which there is an interest in the maximum Removal speed on the tool, "with a given surface quality, as high as possible, such as B. in the processing of aluminum in the aerospace industry, are the The thrust force and the amplitude of the spindle vibrations are sufficient parameters for controlling the machining process. It is therefore desirable to have a method and arrangement for carrying it out that utilizes these parameters of a spindle measures quickly, easily and economically.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß von rechtwinltilig zueinander liegenden Punkten um die Spindel erste und zweite Signale abgeleitet werden, die den Schubvektor- und den Vibrationsvektor-Komponenten der Spindel entsprechen, daß aus diesen ersten und zweiten Signalen Signale erzeugt werden, die dem Schubvektor entsprechen und daß aus den ersten und zweiten Signalen Signale erzeugt werden, die dem Vibrationsvektor entsprechen. The object of the invention is to provide such a method create. According to the invention, this object is achieved by a A method, which is characterized in that of right-angled points around the spindle first and second signals are derived which correspond to the thrust vector and the vibration vector components of the spindle that from these first and second signals are generated signals which correspond to the thrust vector and that from the first and second Signals signals are generated which correspond to the vibration vector.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch Umsetzer zum Ableiten erster und zweiter Signale von der Spindel, die den kombinierten Schub- und Resonanzvibrations-Vektor-Komponenten entsprechen, eine erste und eine zwei te Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Vektors, Schaltmittel zum Zuführen der genannten ersten und zweiten Signale zu der genannten Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Signals, das dem c 2Q982A/062A The inventive arrangement for performing this method is characterized by converters for deriving first and second signals from the spindle, which correspond to the combined thrust and resonance vibration vector components, a first and a second circuit arrangement for generating a vector, switching means for supplying the said first and second signals to said circuit arrangement for generating a signal which the c 2Q982A / 062A
Schubvektor der Spindel entspricht und Spaltmittel zum Zuführen der ersten und zweiten Signale zu der zweiten Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Signals, das dem Vibrationsvektor der Spindel entspricht.The thrust vector corresponds to the spindle and splitting means for feeding the first and second signals to the second circuit arrangement for generating a signal representative of the vibration vector of the spindle is equivalent to.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is based on the following the accompanying drawing explained in more detail. Show it:
Pig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung undPig. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of the invention and
Pig. 2 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Vektors, die in dem System nach Pig. 1 verwendet werden kann.Pig. 2 shows the block diagram of a circuit arrangement for generating a vector which is used in the system according to Pig. 1 can be used.
Pig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles eines Systems gemäß der Erfindung. Der Werkzeugkopf 1o einer Werkzeugmaschine trägt einen Motor 12t die eine Spindel H antreibt. Ein Putter in der Spindel hält ein Werkzeug 16, das ein auf einer Platte 2o angeordnetes Werkstück 18 bearbeitet.Pig. 1 shows the block diagram of an embodiment of a system according to the invention. The tool head 1o of a machine tool carries a motor 12 t which drives a spindle H. A putter in the spindle holds a tool 16 which processes a workpiece 18 arranged on a plate 20.
Wenn das Werkzeug gegen das Werkstück gedrückt wird, wird die Spindel etwas abgelenkt. Darüber hinaus hat das rotierende Werkzeug Nuten ader Zähne, die, wenn sie in Kontakt mit dem Werkstück kommen, Vibration zur Polge haben, deren Prequenz gleich der Umdrehungszahl der Spindel multipliziert mit der Zahl der Zälme des Werkzeuges ist, wenn ununterbrochen zerspant wird. Wenn mit Unterbrechungen zerspant wird (d.h. wennWhen the tool against the W e is pressed rkstück, the spindle is deflected slightly. In addition, the rotating tool has grooves of teeth which, when they come into contact with the workpiece, vibrate to the pole, the frequency of which is equal to the number of revolutions of the spindle multiplied by the number of teeth of the tool when cutting continuously. If machining takes place intermittently (i.e. if
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das Werkstück durch. Schlitze, Vertiefungen etc. unterbrochen ist), ist die genannte Frequenz noch mit der Zahl von Unterbrechungen pro Umdrehung des Werkzeuges zu multiplizieren. Typische maximale Zerspanj-ungsfrequenzen bei üblichen Spindeln mit 1o Umdrehungen pro Sekunde (600 Umdrehungen pro Minute)■und möglicherv/eise 8 bis 10.Unterbrechungen auf dem Werkzeug betragen folglich annähernd 12o Hz oder weniger, normalerweise betragen diesethe workpiece through. Slots, depressions, etc. is interrupted), the specified frequency has to be multiplied by the number of interruptions per revolution of the tool. Typical maximum cutting frequencies with conventional spindles with 1o revolutions per second (600 revolutions per minute) and possibly 8 to 10 interruptions on the tool are therefore approximately 12o Hz or less, normally these are
^ weniger als 5o Hz beim üblichen Profilfräsen und treten, als Vibration der Spindel auf. Sie rufen jedoch Resonanzschwingungen der Spindel hervor, von denen die niedrigsten in einem Bereich zwischen 600. und 9oo Hz, abhängig von dem verwendeten Werkzeug und dem Werkzeughalter, auftreten. Selbstschwingungen bei an- . nähernd I400 Hz sind als Resonanzschwingungen der Spindel mit der ersten Oberwelle möglich. Es gibt keine Garantie dafür, daß die Dämpfung der zweiten und höherer Oberwellen der Spindel kleiner oder gleich der der Grundwelle ist. Die durch den Zerspanungsprozess .hervorgerufenen Selbstschwingungen oder Er-^ less than 5o Hz with usual profile milling and step as Vibration of the spindle. However, they create resonance vibrations in the spindle, the lowest of which in a range between 600 and 900 Hz, depending on the tool and tool holder used. Self-oscillations at on-. approximately I400 Hz are also used as resonance vibrations of the spindle the first harmonic possible. There is no guarantee that the damping of the second and higher harmonics of the spindle is less than or equal to that of the fundamental wave. The self-oscillations or vibrations caused by the machining process
W schütterungen sind die Vibrationen, die ebenso wie die augenblickliche Ablenkung der Spindel durch das System gemäß der Erfindung gemessen werden sollen. Um dies zu erreichen, werden ein X-Umsetzer 22 und ein Y-Umsetzer 24 verwendet, um die Bewegung der Spindel in derselben Ebene, aber reehtwinlel-ig zueinander abzutasten. Diese Umsetzer können beliebig aufgebaut sein und wandeln die mechanische Verschiebung der Spindel in W shocks are the vibrations which, like the instantaneous deflection of the spindle, are to be measured by the system according to the invention. To achieve this, an X converter 22 and a Y converter 24 are used to scan the movement of the spindle in the same plane but at right angles to one another. These converters can be constructed in any way and convert the mechanical displacement of the spindle into
■ \ ■ ein elektrisches Signal um. Sie können z. B. piezoelektrische — ■ Umsetzer oder, konta.ktlose magnetische .Umsetzer sein, deren Ausgangssignale zwei Bandfiltern 26 und 28 und einer Schaltungsanordnung 3o zum Erzeugen eines Vektors zugeführt v/erden. ■ \ ■ an electrical signal. You can e.g. B. piezoelectric - ■ converter or contactless magnetic .Umsetzer, the output signals of which are supplied to two band filters 26 and 28 and a circuit arrangement 3o for generating a vector.
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-Die Aus gangs signa le der Umsetzer enthalten eine niederfrequente ' periodische Komponente, die den aufeinander folgenden Kontakten des Werkzeuges mit dem Werkstück entspricht sowie eine hochfrequente Komponente, soweit Resonanzschwingungen der Spindel auftreten. Diese hochfrequente Komponente tritt bei den Resonanzpunkten der Spindel auf, die s.B.' "bei 600■ Hz oder höher liegen. Die Schaltungsanordnung 3υ spricht auf die niederfrequenten Komponenten der ihrem Eingang zugeführten Signalen an, die praktisch die■ Schubkraftsignale bilden. Sie erzeugt ein Ausgangssignal, das der resultierenden Schubkraft entspricht, die auf einem entsprechend nachgeschalleten Anzeigeihstrument 32 abgelesen v/erden kann. -The output signals of the converters contain a low-frequency ' periodic component representing the successive contacts of the tool corresponds to the workpiece as well as a high frequency Component insofar as resonance vibrations of the spindle occur. This high frequency component occurs at the resonance points the spindle on, the s.B. ' "are 600 Hz or higher. The circuit arrangement 3υ speaks to the low-frequency Components of the signals fed to their input that are practical which ■ form thrust signals. It generates an output signal which corresponds to the resulting thrust which can be read on a correspondingly rear-sonicated display instrument 32.
Die Bandfilter 26 und 23 sind so abgestimmt, daß sie die höhere Resonanzfrequenz der Spindel durchlassen, wobei die Bandbreite groß genug ist, um kleine Änderungen in der Resonanzfrequenz der Spindel, die durch Änderungen des Werkzeuges und des Werkzeughalters hervorgerufen werden, und Resonanzschwingungen höherer Ordnung, zuzulassen. Sie halten jedoch die nieder-^ frequente, periodische Komponente zurück. Die Bandfilter extrahieren die Komponente der Spindelresonanzfrequenz, die den Erschütterungsschwingungen in der X- und der Y-Richtung entspricht.'Diese beiden Signale werden dann zwei Demodulatoren und 36 zugeführt, die G-leichstromsignale erzeugen, die ihrerseits einer zweiten Schaltungsanordnung 38 zum Erzeugen eines Vektors zugeführt werden.Diese Schaltungsanordnung 38 erzeugt ein Ausgangssignal, das der Amplitude der r-esultierenden Yi- :The band filters 26 and 23 are tuned so that they pass the higher resonance frequency of the spindle, the bandwidth is large enough to accommodate small changes in the resonance frequency of the spindle caused by changes in the tool and the tool holder, and resonance vibrations higher order to admit. However, they hold the down- ^ frequent, periodic component. The band filters extract the component of the spindle resonance frequency that the shock vibrations in the X and Y directions These two signals then become two demodulators and 36, which generate DC signals, which in turn a second circuit arrangement 38 for generating a vector. This circuit arrangement 38 generates an output signal corresponding to the amplitude of the r-resulting Yi-:
■2 09 824/062A ^ "■ 2 09 824 / 062A ^ "
— ο —- ο -
bj-ationen der Spindel entspricht. Dieses Signal wird durch ein geeignetes Anzeigeinstrument 40 angezeigt, das hier als Anzeige, instrument für den resultierenden Vibrations pe gel bezeichnet wird. Sowohl der Schubkraftanzeiger als auca der Anzeiger für den resultierenden Vibrationspegel lcözmen Votfcmeter oder Kathodenstrahlröhren sein. . ; bj-ations of the spindle corresponds. This signal is indicated by a suitable indicating instrument 40, which is referred to here as an indicating instrument for the resulting vibration level. Both the thrust indicator and the indicator for the resulting vibration level can be used as a Votfcmeter or cathode ray tube. . ;
i'ig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Vektors, aia sur Anwendung in der Schaltungsanordnung nach Pig. 1 geeignet ist. Eine solche Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Vektors ist Gegenstand einer älteren deutschen Patentanmeldung der Annelderin mit den Sitel "Verfahren zum Erzeugen eines Vektors und Schaltungsanordnung zu sein-er Durchführung" (P.. .........)i'ig. 2 shows a schematic block diagram of a circuit arrangement for generating a vector, aia sur application in the Circuit arrangement according to Pig. 1 is suitable. Such a circuit arrangement for generating a vector is the subject of an older German patent application by the Annelderin with the Sitel "Method for generating a vector and circuit arrangement to be carried out" (P .. .........)
Die beiden Eingangs signale Z imd X werden zwei "or schaltungen * 42 und 44 zugeführt. Diese Torschaliungen sind als analoge ϊΗχτ-schaltungen aufgebaut. Den anderen Eingängen dieser Tor-schaltungem werden zwei Rechteckwellen mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz zugeführt. Diese beiden 2echteckwellen sind gegeneinander um 9o° in der Phase versetzt. Die beiden Torschaltungenmodulieren die Eechteckwellen mit den Eingangssignalen X und Y in ihrer Amplitude. Sie—;ee-s-uiti©^ enden Aus gangs signale von diesen Torschaltungen v/erden einer Addierschaltung 43 zugeführt, welche diese beiden Signale addiert«, Bas Aus gangs signal derThe two input signals Z and X are fed to two circuits * 42 and 44. These gate circuits are constructed as analog τ circuits. Two square waves with a frequency of the order of magnitude of 1 kHz are fed to the other inputs of these gate circuits Both square waves are offset from one another by 90 ° in phase. The two gate circuits modulate the amplitude of the square waves with the input signals X and Y. They end output signals from these gate circuits before an adder circuit 43 which adds these two signals «, Bas output signal of the
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Addierschaltung wird einem Bandfilter 5o zugeführt, welches ihre erste Harmonische, die eine durch die Eingangssignale X und Y anplitudenmodulierte Sinuswelle ist, durchläßt. Diese Siiiuswelle wird dann einem Demodulator 52 zugeführt, dessen Ausgangssignal den aus den EingangsSignalen resultierenden Vektor darstellt. Bezeichnet nan die Eingangssignale mit X und Y,Adding circuit is fed to a band filter 5o, which its first harmonic, the one generated by the input signals X and Y is amplitude modulated sine wave. These Siiiuswelle is then fed to a demodulator 52, whose Output signal the vector resulting from the input signals represents. Designates the input signals with X and Y,
2 2 stellt das Ausgangssignal die Quadratwurzel aus X +Y dar.2 2 the output signal is the square root of X + Y.
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