MONNIN, Jérémie (Weyernweg 4, Nidau, CH-2560, CH)
REINHARD, Edwin (Grossacherweg 14, Niederönz, CH-3362, CH)
SCHNEIDER, Kurt (Jägerweg 3, Jens, CH-2565, CH)
MONNIN, Jérémie (Weyernweg 4, Nidau, CH-2560, CH)
REINHARD, Edwin (Grossacherweg 14, Niederönz, CH-3362, CH)
| Ansprüche 1. Vorrichtung zur Verminderung von Schwingungen (19) einer rotierenden in mindestens einem Front - (8) und einem Hinterlager (9) gelagerten Spindel (1) in einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messeinrichtungen (2, 3, 4, 5) zur Erfassung der Schwingungen (19) und Korrekturmittel (6) zur Verminderung der Schwingungen (19) aufweist, die unmittelbar berührend oder berührungsios um den Umfang (10, 11) der Spindel (1) angeordnet sind und dass dieser Vorrichtung eine Steuereinheit (7) zur Verarbeitung der Messeinrichtungen (2, 3, 4, 5) und Berechnung der Korrekturwerte für die Korrektureinrichtungen (6) zur Auslösung einer Gegenbewegung (18) zugeordnet ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtungen (2, 3, 4, 5) mindestens ein berührungsfreier Ortsgeber (2), mindestens ein Beschleunigungsmesser (3), mindestens ein Dehnmessstreifen (4)und/oder mindestens einen Winkeigeber (5) vorgesehen sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturein richtungen (6) mindestens ein Piezoelement (6) und/oder elektrorheologische Einrichtungen vorgesehen sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein berührungsloser Ortsgeber (2) an dem zur Werkzeugseite (12) gerichteten Spindelumfang (10) angeordnet ist. 5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Beschleunigungsmesser (3) an dem Aussenumfang des Frontlagers (8) der Spindel (1) angeordnet ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsmesser (3) als dreiachsig messender Beschleunigungssensor ausgebildet ist. 7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dehnmessstreifen (4) an dem Aussenumfang des Frontlagers (10) der Spindel (1) rechtwinklig zueinander angeordnet sind. 8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein berührungsloser Winkelgeber (5) an dem zur Werkzeugseite (12) entgegen gerichteten Spindelumfang angeordnet ist. 9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Piezoelemente (6) zur Verminderung der Schwingungen (19) an dem Aussenumfang des Frontlagers (8) der Spindel (1) rechtwinklig zueinander angeordnet sind. 10.Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der Schwingungen (19) der rotierenden Spindel zunächst die Messwerte (XSN, asR. xsR, Xwi ) der Messeinrichtungen (2, 3, 4, 5) von der Steuereinheit (7) erfasst werden und in Echtzeit die aus den Messwerten (XSN, SSR, XSR, XWI ) berechneten Korrekturwerte an die Korrektureinrichtungen (6) weitergegeben werden, welche die Spindel (1) in die gewünschte nahezu schwingungsfreie Position bringen. 11.Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der Schwingungen (19) der rotierenden Spindel zunächst die Messwerte (XSN, aSR, XSR, XWI) eines Ortsgebers (2), eines Beschleunigungsmessers (3), der beiden Dehnmessstreifen (4) und eines Winkelgebers (5) in die Steuereinheit (7) eingegeben werden und in Echtzeit die aus den Messwerten (XSN, asR, XSR, XWI) berechnete Korrekturwerte an die Piezoelemente weitergegeben werden, welche die Spindel (1) mittels einer Korrekturkraft (FPZτ) in die gewünschte Position bringen. |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verminderung von Schwingungen einer rotierenden in mindestens einem Front — und einem Hinterlager gelagerten Spindel in einer Werkzeugmaschine.
Bei Werkzeugmaschinen, insbesondere Hochfrequenzfräsmaschinen, sind hohe Genauigkeiten erforderlich. Diese Genauigkeiten werden häufig durch die Lagerung der Spindel, die Konstruktion, Verschleiss, Überlast etc. der einzelnen damit verbundenen Bauteile beeinflusst.
In der DE 10344 293 A1 weist eine Schleifmaschine eine Maschineneinrichtung auf, die mittels einer geeigneten Messeinrichtung die Tau mel beweg ung eines zu bearbeitenden Werkstücks bestimmt. Die Schleifwerkzeuge werden dem taumelnden Werkstück so nachgeführt, dass das Werkstück masshaltig und konzentrisch bearbeitet wird.
Die EP 1 882 548 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine, bei der an der Spindellagerung eine dynamische Spindelversteliung vorgesehen ist, die eine Verstellbewegung zur Kompensation eines Taumelschlags des von der Spindel gehaltenen Körpers gestattet.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, welches die unerwünschten Schwingungen der rotierenden Spindel verbessert, indem insbesondere die Genauigkeit der Zustelltiefe, der Zustellbreite, der Spindeldrehzahl etc. dahingehend gesteuert wird, dass eine optimale Genauigkeit des zu bearbeitenden Werkzeugs erzielt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Vorrichtung Messeinrichtungen zur Erfassung der Schwingungen und Korrekturmittel zur Verminderung der Schwingungen aufweist, die unmittelbar berührend oder berührungslos um den Umfang der Spindel angeordnet sind und dass dieser Vorrichtung eine Steuereinheit zur Verarbeitung der Messeinrichtungen und Berechnung der Korrekturwerte für die Korrekturein richtungen (6) zugeordnet ist.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches zur Verminderung der Schwingungen der rotierenden Spindel zunächst die Messwerte der Messeinrichtungen von der Steuereinheit erfasst werden und in Echtzeit die aus den Messwerten berechneten Korrekturwerte an die Korrektureinrichtungen weitergegeben werden, welche die Spindel in die gewünschte nahezu schwingungsfreie Position bringen.
Ais Messeinrichtungen dienen beispielsweise mindestens ein berührungsfreier Ortsgeber, mindestens ein Beschleunigungsmesser, mindestens ein Dehnmessstreifen und/oder mindestens einen Winkelgeber
Vorzugsweise kann als Beschleunigungsmesser ein dreiachsig messender Beschleunigungssensor in die Spindel eingesetzt werden. Ein solcher dreidimensionaler Beschleunigungssensor ist ein dreiachsiger messender
Beschleunigungssensor zum Messen von Vibrationen und Schwingungen mit
Spannungsausgang. Der Beschleunigungssensor misst gleichzeitig die drei
Raumkomponenten x, y, z der wirkenden Beschleunigung.
Als Korrekturein richtungen können mindestens ein Piezoelement und/oder elektrorheologische Einrichtungen vorgesehen sein.
Die Anordnung der Mess - und/oder Korrektureinrichtungen ergeben sich beispielhaft aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt
Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung
Fig.3 die Anordnung eines dreiachsig messenden Beschleunigungssensors Die Fig. 1 (Längsschnitt) und Fig. 2 (Querschnitt) zeigen eine Spindel 1 , welche in einem Frontlager 8 und einem Hinterlager 9 drehbar gelagert ist. An einem Ende der Spindel 1 ist ein Werkzeughalter 15 mit dem Werkzeug 14 eingespannt. Am Ende des Werkzeugs befindet sich der Werkzeugspitze 13. Die Spindel (1) wird von dem Motor 17 angetrieben.
Die unerwünschten Schwingungen 19 an Werkzeugspitze 13 zwischen dem Werkzeug 14 und dem nicht dargestellten Werkstück werden im wesentlichen durch die Rotation der Spindelachse durch beispielsweise konstruktiv verursachte Unwucht, durch Zerspankräfte, Instabilität und/oder Resonanzeffekte erzeugt. Üblicherweise treten diese Effekte spindel- und vorgangsabhängig bei 200 bis 5000 Hz auf. Hierzu wird zur Messung ein Beschleunigungsmesser 3 eingesetzt. Der Beschleunigungsmesser 3 liefert das Messsignal a SR .
Weitere Abweichungen können aufgrund von kinematischen Fehlern, wie Exzentritäten, thermische Einflüsse und statische Belastungen entstehen. Effekte im Frequenzbereich spindelabhängig von kleiner als 500 Hz. Diese Effekte werden von den Dehnmessstreifen 4 mit dem Messsignal XSR und/oder von der Kombination des berührungslosen Ortsgebers 2 mit dem Messsignal X S N und des Winkelgebers 5 mit dem Messsignal Xwi.erfasst.
Ebenso kann ein Werkzeugbruch, eine Überlastung, Taumelbewegungen und/oder die Dynamik von Zerspankräften mittels des Beschleunigungsmesser 3 und/oder der Dehnmessstreifen 4 und/oder der Ortsgeber 2 über der Signale as Rι x SRι x SN und x W ι beobachtet werden.
Die Messeinrichtungen, wie Ortsgeber 2, Beschleunigungsmesser s und die Dehnmessstreifen 4 sind entweder an dem zur Werkzeugseite gerichteten Spindelumfang 10 oder auf dem Gleitring 16 des Frontlagers 8 angebracht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich sind am Gleitring 16 des Frontlagers 8 die beiden Dehnmessstreifen 4 rechtwinklig zueinander angeordnet.
In Fig. 1 befindet sich der Winkelgeber 5 am der Werkzeugseite 12 gegenüberliegenden Spindeiumfang 11. Die Messwerte X S N, a SRi X S R, XWI werden über Leitungen in die Steuereinheit 7 eingegeben. In der Steuereinheit werden die gemessenen Daten verarbeitet und ein Korrektursignal F PZ τ erzeugt. Das Korrektursignal F PZ τ gelangt über eine Leitung zu den Piezoelementen 6, die dann mittels Gleitring 16 eine korrigierende Gegenbewegung 18 des Frontlagers 8 auslösen.
Die Fig. 3 zeigt eine Spindel 1 im Längsschnitt. An dem Frontiager 8 ist ein dreiachsig messender Beschieunigungssensor angeordnet, der die Schwingungen gleichzeitig in allen drei Raumkomponenten x, y, z erfasst.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile liegen insbesondere darin, dass die Vorrichtung und das Verfahren eine optimale Lösung schaffen, die die unerwünschten Schwingungen der rotierenden Spindel, Abweichungen infolge von thermischen Effekten oder Überlastungen vermindert und darüber hinaus eine Beobachtung der Prozessparameter während der Bearbeitung eines Werkstückes gestattet.
Bezugszeichen
1 Spindel
2 Ortsgeber XSN Messwert zu 2
3 Beschleunigungsmesser asR Messwert zu 3
4 Dehnmessstreifen XSR Messwert zu 4
5 Winkelgeber XWI Messwert zu 5
6 Piezoelement F PZT Stellwert zu 6
7 Steuereinheit
8 Frontlager
9 Hinterlager
10 Spindelumfang
11 Spindelumfang
12 Werkzeugseite
13 Werkzeugspitze
14 Werkzeug 15 Werkzeughalter
16 Gieitring
17 Motor
18 Gegenbewegung
19 Schwingungen 20 dreiachsig messender Beschleunigungssensor
Next Patent: IMPROVEMENT OF ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF SILICON SOLAR CELLS