Lösungen zur Reduzierung von erzwungenen Vibrationen und Resonanzen
14.07.2024, 21:35 Uhr
Ich habe einen CNC-Fräser, der duale 50 mm Außendurchmesser gehärtete Chromschienen als Teil des linearen Bewegungsdesigns für die X- und Y-Achsen verwendet. Es ist eine relativ steife Maschine für diese Klasse von Hobby-Maschinen, und mit ein paar Modifikationen, wie z.B. einer neuen Z-Achsen-Baugruppe, die Röhren usw. durch hochwertige Linearschienen/-führungen ersetzt, zeigen meine Steifigkeitstests ~ 1N/um an der Frässpindel (nicht ganz eine Haas (-: ).
Ich benutze auch eine ATC-Spindel und teste derzeit ihre Fähigkeiten beim Fräsen von Aluminium. Bisher bin ich mit den Ergebnissen hinsichtlich Toleranzen und Oberflächengüte zufrieden, aber ich möchte ihre Leistung maximieren und dabei etwas dazulernen.
Ich habe versucht, selbstangeregte Vibrationen durch sorgfältige Auswahl von Werkzeugen, CAM-Strategien, Werkstückspannungen und anderen Variablen, die ich kontrollieren (und vielleicht verstehen?) kann, zu minimieren. Ich möchte auch andere Vibrationsquellen angehen und denke, dass die Röhren einen großen Beitrag dazu leisten.
Vor kurzem las ich Forenbeiträge, die Lösungen wie das Füllen der Röhren mit kleinen Bleikugeln/Stahlkugeln und Öl zur Dämpfung besprachen. Es ist für mich nicht praktisch, dies zu tun, oder Sand zu verwenden, wie manchmal vorgeschlagen wird. Andere Vorschläge, einen festen harten Füllstoff zu verwenden, schienen nicht mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen, die ich entdeckt habe, übereinzustimmen.
Eine Idee in einem Beitrag hat meine Aufmerksamkeit erregt...
"Mein Verständnis darüber, wie das Gummi zwischen zwei Metallstücken die Vibrationsenergie absorbiert, ist, dass es wie eine Impedanzanpassung wirkt. Alle Materialien haben eine intrinsische natürliche Frequenz, die sowohl von der Dichte als auch vom Young'schen Modul abhängt, aber sie sind alle unterschiedlich. Das Metall, das die Quelle der Vibration ist, überträgt die Energie nicht effizient auf das Gummi, weil das Gummi sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen will, wie das Metall es drückt. Ähnlich überträgt das Gummi die Energie nicht effizient auf das zweite Metall. Das Endergebnis ist, dass die Energie weitgehend aufgrund der Hysterese im Gummi verloren geht, das warm wird."
Das brachte mich auf die Idee, eine Serie von gleichmäßig verteilten 38 mm Außendurchmesser zylindrischen Gummidämpfungspads fest in jedes Rohr zu pressen und eine Stahlstange fest durch deren Innenloch (normalerweise 1/2 Zoll) zu führen. Ich könnte die Abmessungen und die Anzahl der verwendeten Pads sowie die Größe und Masse der inneren Stange variieren. Wenn es auch nur im Geringsten funktioniert, bin ich bereit, diese Methode auszuprobieren, da sie relativ kostengünstig, schnell zu installieren und leicht zu entfernen ist.
Ich schätze alle Einsichten, die andere mit mehr Erfahrung bereit sind zu teilen.
In der Zwischenzeit werde ich weiterhin versuchen, die verschiedenen Frequenzen, Resonanzen und Vibrationen zu untersuchen und zu messen, die ich derzeit habe, um eine Basislinie für zukünftige Modifikationen zu schaffen, die ich möglicherweise ausprobieren werde.
Danke,
Tom
Ich benutze auch eine ATC-Spindel und teste derzeit ihre Fähigkeiten beim Fräsen von Aluminium. Bisher bin ich mit den Ergebnissen hinsichtlich Toleranzen und Oberflächengüte zufrieden, aber ich möchte ihre Leistung maximieren und dabei etwas dazulernen.
Ich habe versucht, selbstangeregte Vibrationen durch sorgfältige Auswahl von Werkzeugen, CAM-Strategien, Werkstückspannungen und anderen Variablen, die ich kontrollieren (und vielleicht verstehen?) kann, zu minimieren. Ich möchte auch andere Vibrationsquellen angehen und denke, dass die Röhren einen großen Beitrag dazu leisten.
Vor kurzem las ich Forenbeiträge, die Lösungen wie das Füllen der Röhren mit kleinen Bleikugeln/Stahlkugeln und Öl zur Dämpfung besprachen. Es ist für mich nicht praktisch, dies zu tun, oder Sand zu verwenden, wie manchmal vorgeschlagen wird. Andere Vorschläge, einen festen harten Füllstoff zu verwenden, schienen nicht mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen, die ich entdeckt habe, übereinzustimmen.
Eine Idee in einem Beitrag hat meine Aufmerksamkeit erregt...
"Mein Verständnis darüber, wie das Gummi zwischen zwei Metallstücken die Vibrationsenergie absorbiert, ist, dass es wie eine Impedanzanpassung wirkt. Alle Materialien haben eine intrinsische natürliche Frequenz, die sowohl von der Dichte als auch vom Young'schen Modul abhängt, aber sie sind alle unterschiedlich. Das Metall, das die Quelle der Vibration ist, überträgt die Energie nicht effizient auf das Gummi, weil das Gummi sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen will, wie das Metall es drückt. Ähnlich überträgt das Gummi die Energie nicht effizient auf das zweite Metall. Das Endergebnis ist, dass die Energie weitgehend aufgrund der Hysterese im Gummi verloren geht, das warm wird."
Das brachte mich auf die Idee, eine Serie von gleichmäßig verteilten 38 mm Außendurchmesser zylindrischen Gummidämpfungspads fest in jedes Rohr zu pressen und eine Stahlstange fest durch deren Innenloch (normalerweise 1/2 Zoll) zu führen. Ich könnte die Abmessungen und die Anzahl der verwendeten Pads sowie die Größe und Masse der inneren Stange variieren. Wenn es auch nur im Geringsten funktioniert, bin ich bereit, diese Methode auszuprobieren, da sie relativ kostengünstig, schnell zu installieren und leicht zu entfernen ist.
Ich schätze alle Einsichten, die andere mit mehr Erfahrung bereit sind zu teilen.
In der Zwischenzeit werde ich weiterhin versuchen, die verschiedenen Frequenzen, Resonanzen und Vibrationen zu untersuchen und zu messen, die ich derzeit habe, um eine Basislinie für zukünftige Modifikationen zu schaffen, die ich möglicherweise ausprobieren werde.
Danke,
Tom
15.07.2024, 01:13 Uhr
Hallo,
das Problem mit all diesen Strategien ist, dass sie ALLE darauf beruhen, dass Energie an ein "dämpfendes" Material übertragen wird und dieses Material die Energie dissipiert.
Die einzige Möglichkeit, Energie an ein solches Material zu übertragen, besteht darin, dass die vergleichsweise starre Struktur sich biegt und diese Biegung an das dämpfende Material weitergegeben wird. Je steifer die Struktur, desto geringer ist ihre Biegung. Somit kann sich jeder Teil der Struktur höchstens um ein paar Mikrometer bewegen oder biegen, und diese sehr kleine lineare Bewegung wird auf das dämpfende Material angewendet, aber nur dann, wenn das dämpfende Material perfekt an der Struktur haftet. So führt jede Dehnung/Kompression der Struktur zur gleichen Dehnung/Kompression im Dämpfungsmaterial.
Je steifer die Maschine ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass irgendein Dämpfungsmaterial Energie übertragen bekommt und insgesamt eine unbedeutende Wirkung auf die Maschine hat.
Fazit: Verschwende nicht deine Zeit und dein Geld mit Dämpfung. Das Richtige ist, die Struktur steifer zu machen, entweder mit dickerem Material des gleichen Moduls ODER mit einem Material mit höherem Modul ODER mit einem größeren geometrischen Querschnitt, der einen größeren Moment ermöglicht. Einige Materialien wie Gusseisen sind bevorzugt, weil sie ein hohes Modul, aber auch gute Dämpfungseigenschaften haben.
Es gibt einige, die "Hüllkurvenformung" empfehlen, bei der die Servos so gesteuert werden, dass die "Ruckbildung" minimiert wird.
Das klingt großartig, funktioniert aber nicht wirklich. Es stellt sich heraus, dass wenn du die maximale Beschleunigung des Servos um 10% reduzierst, verbesserst du die Vibrationseigenschaften der Maschine um das Gleiche wie die Anwendung von 10% "Ruckkontrolle". Du gewinnst tatsächlich nichts.
Eine weitere Möglichkeit ist die "aktive Vibrationskontrolle". Dies beruht darauf, dass das Steuerungssystem eine Korrekturkraft auf die Maschine oder Maschinenteile anwendet, um die Vibrationsbewegung zu kontern oder zu neutralisieren. Dies erfordert wiederum ein hochfrequentes, breitbandiges Messsystem für die Maschinenflexibilität, und dass der ähnlich breitbandige Controller eine Korrekturkraft in der richtigen Phase anwenden kann. Solche Steuerungssysteme sind bekannt und werden in extrem hochentwickelten Anwendungen wie Raketen und Kampfflugzeugen verwendet, sind aber nicht für Hobby-CNC geeignet.
Craig
das Problem mit all diesen Strategien ist, dass sie ALLE darauf beruhen, dass Energie an ein "dämpfendes" Material übertragen wird und dieses Material die Energie dissipiert.
Die einzige Möglichkeit, Energie an ein solches Material zu übertragen, besteht darin, dass die vergleichsweise starre Struktur sich biegt und diese Biegung an das dämpfende Material weitergegeben wird. Je steifer die Struktur, desto geringer ist ihre Biegung. Somit kann sich jeder Teil der Struktur höchstens um ein paar Mikrometer bewegen oder biegen, und diese sehr kleine lineare Bewegung wird auf das dämpfende Material angewendet, aber nur dann, wenn das dämpfende Material perfekt an der Struktur haftet. So führt jede Dehnung/Kompression der Struktur zur gleichen Dehnung/Kompression im Dämpfungsmaterial.
Je steifer die Maschine ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass irgendein Dämpfungsmaterial Energie übertragen bekommt und insgesamt eine unbedeutende Wirkung auf die Maschine hat.
Fazit: Verschwende nicht deine Zeit und dein Geld mit Dämpfung. Das Richtige ist, die Struktur steifer zu machen, entweder mit dickerem Material des gleichen Moduls ODER mit einem Material mit höherem Modul ODER mit einem größeren geometrischen Querschnitt, der einen größeren Moment ermöglicht. Einige Materialien wie Gusseisen sind bevorzugt, weil sie ein hohes Modul, aber auch gute Dämpfungseigenschaften haben.
Es gibt einige, die "Hüllkurvenformung" empfehlen, bei der die Servos so gesteuert werden, dass die "Ruckbildung" minimiert wird.
Das klingt großartig, funktioniert aber nicht wirklich. Es stellt sich heraus, dass wenn du die maximale Beschleunigung des Servos um 10% reduzierst, verbesserst du die Vibrationseigenschaften der Maschine um das Gleiche wie die Anwendung von 10% "Ruckkontrolle". Du gewinnst tatsächlich nichts.
Eine weitere Möglichkeit ist die "aktive Vibrationskontrolle". Dies beruht darauf, dass das Steuerungssystem eine Korrekturkraft auf die Maschine oder Maschinenteile anwendet, um die Vibrationsbewegung zu kontern oder zu neutralisieren. Dies erfordert wiederum ein hochfrequentes, breitbandiges Messsystem für die Maschinenflexibilität, und dass der ähnlich breitbandige Controller eine Korrekturkraft in der richtigen Phase anwenden kann. Solche Steuerungssysteme sind bekannt und werden in extrem hochentwickelten Anwendungen wie Raketen und Kampfflugzeugen verwendet, sind aber nicht für Hobby-CNC geeignet.
Craig
15.07.2024, 01:55 Uhr
Danke, dass du dir die Zeit genommen hast zu antworten und für die Vorschläge und Informationen – ich schätze das sehr.
wenn mehr Zeit und Mittel zur Verfügung stehen, werde ich vielleicht versuchen, einige dieser Erkenntnisse anzuwenden, um meine eigene steife Maschine zu bauen. An meiner aktuellen Maschine kann ich in Bezug auf Steifigkeit und Stabilität nicht viel mehr verbessern, aber wie ich am Anfang erwähnt habe, bin ich mit dem, was ich erreichen kann, nicht enttäuscht.
Vielleicht werde ich jetzt versuchen, die selbstangeregten Vibrationen, die beim Bearbeiten der Materialien und Projekte entstehen, die mich derzeit interessieren, gründlicher zu untersuchen und zu quantifizieren, welche Verbesserungen ich erzielen kann. Ich plane, weiterhin über natürliche Frequenzen zu lesen und wie man Schnittparameter optimiert, damit ich nicht mehr (selbstangeregte, wie manche es nennen) Schwingungen und Resonanzen erzeuge. Es wird immer wieder erwähnt, dass Rattern hauptsächlich durch die Untersuchung von Werkstückspannung, Werkzeugen/Haltern und Programmierung angegangen werden kann. Ich habe in den zwei Jahren, in denen ich jetzt fräse, aus erster Hand durch Versuch und Irrtum darüber gelernt. Eine neue Sache, die ich ausprobieren wollte, war der Einsatz von ungleichmäßigen Spannuten und variablen Helixfräsern.
Das ist definitiv ein Hobby, das das Gehirn beschäftigt hält.
Nochmals vielen Dank für die Unterstützung.
Tom
wenn mehr Zeit und Mittel zur Verfügung stehen, werde ich vielleicht versuchen, einige dieser Erkenntnisse anzuwenden, um meine eigene steife Maschine zu bauen. An meiner aktuellen Maschine kann ich in Bezug auf Steifigkeit und Stabilität nicht viel mehr verbessern, aber wie ich am Anfang erwähnt habe, bin ich mit dem, was ich erreichen kann, nicht enttäuscht.
Vielleicht werde ich jetzt versuchen, die selbstangeregten Vibrationen, die beim Bearbeiten der Materialien und Projekte entstehen, die mich derzeit interessieren, gründlicher zu untersuchen und zu quantifizieren, welche Verbesserungen ich erzielen kann. Ich plane, weiterhin über natürliche Frequenzen zu lesen und wie man Schnittparameter optimiert, damit ich nicht mehr (selbstangeregte, wie manche es nennen) Schwingungen und Resonanzen erzeuge. Es wird immer wieder erwähnt, dass Rattern hauptsächlich durch die Untersuchung von Werkstückspannung, Werkzeugen/Haltern und Programmierung angegangen werden kann. Ich habe in den zwei Jahren, in denen ich jetzt fräse, aus erster Hand durch Versuch und Irrtum darüber gelernt. Eine neue Sache, die ich ausprobieren wollte, war der Einsatz von ungleichmäßigen Spannuten und variablen Helixfräsern.
Das ist definitiv ein Hobby, das das Gehirn beschäftigt hält.
Nochmals vielen Dank für die Unterstützung.
Tom
15.07.2024, 02:13 Uhr
Hallo,
Das ist bei den meisten Maschinen die Realität. Es gibt vielleicht ein oder mehrere spezifische Teile, die zu einem späteren Zeitpunkt durch steifere Teile ersetzt werden können, aber der Großteil der Struktur ist nicht so.
Es ist, was es ist“, und zwar von dem Zeitpunkt an, an dem man es baut. Du kannst dich glücklich schätzen, dass Du gute Arbeit leisten und damit zufrieden bist, mehr kann man nicht erwarten.
Craig
ZITAT
Es gibt nicht viel mehr, was ich an meiner derzeitigen Maschine in Bezug auf Steifigkeit und Steifheit tun kann,
Das ist bei den meisten Maschinen die Realität. Es gibt vielleicht ein oder mehrere spezifische Teile, die zu einem späteren Zeitpunkt durch steifere Teile ersetzt werden können, aber der Großteil der Struktur ist nicht so.
Es ist, was es ist“, und zwar von dem Zeitpunkt an, an dem man es baut. Du kannst dich glücklich schätzen, dass Du gute Arbeit leisten und damit zufrieden bist, mehr kann man nicht erwarten.
Craig
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