Die Erfindung betrifft eine Zerspanungsmaschine mit wenigstens einer rotierbaren Welle und einer Anregungseinrichtung zum Aufbringen eine Stoßanregung auf die Welle, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen sowie ein Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine.

Die Überwachung eines Maschinenzustandes von Fertigungsmaschinen, insbesondere von Fertigungsmaschinen, welche wenigstens eine rotierende Welle zum Bereitstellen eines Zerspanungsvorgangs aufweisen, wie insbesondere Fräs- und/oder Drehmaschinen oder sogenannte Bearbeitungszentren, wird konventionell in Form von regelmäßigen Inspektionen und Wartungen durchgeführt. Modernere Maschinen bieten oft zusätzliche Softwaremodule zur Zustandskontrolle an. Dabei werden basierend auf der statischen Steifigkeit der Maschine oder deren Komponenten vorbestimmte Testzyklen durchlaufen, um hierdurch erreichbare Positioniergenauigkeiten zu prüfen.

Um eine möglichst präzise Fertigung sicherzustellen, ist eine Bewertung einer dynamischen Steifigkeit von Maschinen wünschenswert, da die dynamische Steifigkeit einer Bearbeitungsmaschine eine Grundlage für einen stabilen und störungsfreien Herstellprozess darstellt. Solche dynamischen Steifigkeiten lassen sich im Rahmen einer Modalanalyse manuell messen. Hierzu muss die Maschine angehalten werden und eine Schwingungsanregung mittels eines Modalhammers aufgebracht werden. Ein zusätzlich angebrachter Schwingungssensor erfasst die Reaktion der Maschine. Aus diesen Daten lässt sich eine sogenannte Spindelübertragungsfrequenz berechnen. Im Sinne einer kontinuierlichen Maschinenüberwachung wäre es wünschenswert solche Messungen in zeitlich kurzer Staffelung zu wiederholen, um einen Veränderungstrend der Maschinen infolge von Alterung und Verschleiß festzustellen.

Bekannte halbautomatische Messsysteme müssen manuell an der Maschine aufgebaut und eingestellt werden. Außerdem wird ein zusätzlicher Sensor (Schwingungssensor) benötigt, um die Antwort der Anregung zu erfassen. Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Zerspanungsmaschine vorzuschlagen, bei welcher eine Überwachung einer dynamischen Steifigkeit verbessert ist. Ferner soll ein verbessertes Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Zerspanungsmaschine mit wenigstens einer rotierbaren Welle vorgeschlagen, wobei die Zerspanungsmaschine eine mit der rotierbaren Welle verbindbare Anregungseinrichtung mit einem Aktuator aufweist, der eingerichtet ist, eine Stoßanregung auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen. Ferner weist die Zerspanungsmaschine eine Erfassungseinrichtung auf, die zum Erfassen der Antwortschwingung eingerichtet ist und eine Auswertungseinrichtung, die eingerichtet ist, eine Übertragungsfunktion zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung zu bestimmen.

Die Welle kann dabei beispielsweise die Hauptspindel oder eine Werkzeugspindel der Zerspanungsmaschine darstellen. Auf Basis der Übertragungsfunktion, welche eine Schwingungsübertragung der Welle charakterisiert, kann eine Analyse bzw. Bewertung einer dynamischen Steifigkeit der Welle insbesondere in Zusammenhang mit deren Antriebs- und Lagereinrichtungen oder der Zerspanungsmaschine als solcher vorgenommen werden. Da die dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine die Grundlage für einen stabilen und präzisen Zerspanungsprozess darstellt, kann die Herstellung und eine Qualität der hergestellten Werkstücke überwacht und somit auch eine stabile und störungsfreie Herstellung unterstützt werden. Ein direkter Abgleich mit einer dynamischen Auslegung von Fertigungsprozessen, insbesondere von Fräs- und Drehprozessen, kann mithilfe der vorgeschlagenen Zerspanungsmaschine ermöglicht werden.

Eine Zerspanungsmaschine ist insbesondere eine Fertigungs- bzw. Bearbeitungsmaschine, die eingerichtet ist, mechanisch mittels einer oder mehrerer Schneiden mit bestimmter oder unbestimmter Schneidengeometrie Material von einem Werkstück abzutrennen. Beispielsweise kann eine Zerspanungsmaschine eine Fräsmaschine, eine Fräs -Drehmaschine oder eine Maschine, insbesondere auch ein Bearbeitungszentrum, das zum Fräsen, Drehen, Bohren und/oder Schleifen eingerichtet ist, sein. Eine solche Zerspanungsmaschine weist wenigstens eine rotierbare Welle (Hauptwelle) bzw. Spindel auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Werkzeug, insbesondere ein Schneidwerkzeug, oder ein Werkstück zu rotieren, um eine Relativbewegung zwischen Schneide(n) und Werkstück herzustellen. Insbesondere kann eine solche Zerspanungsmaschine als CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) ausgebildet sein.

Eine Anregungseinrichtung ist insbesondere eine mechanisch, elektromechanisch oder elektromagnetisch betätigbare Einrichtung, die eingerichtet ist, mittels eines Aktuators einen Impuls bzw. einen Stoß auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Stoßanregung der Welle zu bewirken. Hierzu kann die Anregungseinrichtung bzw. der Aktuator eingerichtet sein, einen einmaligen insbesondere elastischen Stoß auf die Welle aufzubringen, um die Welle in einer vorbestimmten Schwingung zu erregen. Die Anregungseinrichtung ist dauerhaft oder auch nur temporär insbesondere fest mit der rotierbaren Welle der Zerspanungsmaschine verbindbar. Insbesondere ist sie form- und/ oder kraftschlüssig mit der Welle verbindbar oder in bzw. an einer an der Welle ausgebildeten Struktur anordenbar und dabei mit der Welle verbindbar. Eine solche Struktur kann beispielsweise wenigstens einen Vorsprung und oder wenigstens eine Ausnehmung aufweisen.

Der Aktuator der Anregungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens eine beweglich gelagerte Komponente aufweisen bzw. darstellen, die eingerichtet ist, mit der rotierenden Welle in stoßartigen Kontakt zu kommen und/oder gebracht zu werden, um eine Stoßanregung der Welle zu bewirken. Die, insbesondere vorbestimmte Stoßanregung, welche mittels der Anregungseinrichtung auf die rotierende Welle aufbringbar ist, wird insbesondere vorab messtechnisch kalibriert. Dieses kalibrierte Anregungs signal bzw. die Stoßanregung kann einer Auswertungseinrichtung der Zerspanungsmaschine zur Weiterverarbeitung bereit gestellt werden.

Eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens ein Sensor, insbesondere ein Schwingungs- und/oder ein Piezosensor bzw. ein Weg-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsaufnehmer oder eine andere geeignete Erfassungseinrichtung sein, welche eingerichtet ist, die Antwortschwingung zu erfassen. Dabei kann ein Schwingungs signal der Antwortschwingung von einer geeigneten Einrichtung aufgenommen werden. Die Erfassungseinrichtung kann eingerichtet sein, die Antwortschwingung in ein Signal umzusetzen, um dieses zur insbesondere datentechnischen Weiterverarbeitung bereitzustellen. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung CNC-Regelkreise der Zerspanungsmaschine umfassen und/ oder nutzen, um die Antwortschwingung bzw. Antwortschwingungssignale zu erfassen bzw. aufzuzeichnen. Die Antwortschwingung bzw. das Messsignal kann von der Erfassungseinrichtung beispielsweise mithilfe einer Trace -Funktion erfasstund ausgewertet werden, wie beispielsweise der Siemens Scout Engineering Software. Diese Trace-Funktion kann beispielsweise Zeitbereichssignale für die Antwortschwingung der Welle bzw. des Spindelsystems während der Stoßanregung erfassen, messen, aufzeichnen, umwandeln und/ oder zur Weiterverarbeitung durch eine Auswertungseinrichtung bereitstellen.

Die Auswertungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, einen mathematischen Zusammenhang zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung zu bestimmen und/ oder zu analysieren. Insbesondere ist die Auswertungseinrichtung eingerichtet, Zeitbereichssignale für die Stoßanregung und für die Antwortschwingung mathematisch in einen Frequenzbereich zu transformieren, um eine Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung und der Antwortschwingung zu bestimmen. Hierbei ist die Übertragungsfunktion insbesondere eine Frequenzgangfunktion. Eine Frequenzgangfunktion setzt sich aus der Amplitudengang- und Phasengangfunktion zusammen und bildet den Zusammenhang von Stoßanregung und Antwortschwingung hinsichtlich Amplitude und Phase ab. Auf Basis einer solchen Übertragungsfunktion bzw. auf Basis eines Vergleichs mehrerer solcher Übertragungsfunktionen, welche insbesondere in unterschiedlichen Anregungsvorgängen und/ oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst bzw. bestimmt werden, kann beispielsweise eine Abweichung der Frequenzgänge in ihren Eigenfrequenzen und/ oder Amplituden bestimmt bzw. dargestellt werden. Basierend auf den gewonnenen Werten ist ein Rückschluss auf eine dynamische Steifigkeit der Spindel bzw. Welle und/ oder der Zerspanungsmaschine möglich.

Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, Spindelfrequenzgänge für eine automatisierte Zustandsüberwachung für eine Zerspanungsmaschine zu nutzen, um eine bedarfsorientierte Maschineninspektion zu ermöglichen. Um solche Spindelfrequenzgänge analysieren zu können, wird vorgeschlagen, mittels eines, insbesondere mechanischen, Anregungs systems bzw. einer Anregungsvorrichtung eine geeignete Schwingung auf die rotierende Spindel bzw. Welle aufzubringen, die Strukturantworten zu erfassen und Frequenzgänge zwischen Anregung und Antwort der Spindel zu bestimmen bzw. zu berechnen.

Insbesondere weist die Zerspanungsmaschine eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist, die Anregungseinrichtung zu betätigen und eine Bestimmung und insbesondere Auswertung ermittelter Übertragungsfunktionen auszulösen. Dabei ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, insbesondere zusammenwirkend mit der Erfassungseinrichtung und der Auswertungseinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren insbesondere in vorgegebenen Zeitabständen bezüglich absoluter Zeiträume oder Maschinenlaufzeiten oder nach einer vorbestimmten Zahl von insbesondere gleichen oder ähnlichen Fertigungsvorgängen zu aktivieren und/ oder durchzuführen. Auf diese Weise kann auch ein vollautomatisches System für eine dynamische Steifigkeitsüberwachung bereitgestellt werden.

Der Aktuator der Anregungseinrichtung ist eingerichtet die Stoßanregung bzw. den Impuls auf die rotierende Welle aufzubringen. Der Aktuator ist bzw. bildet eine Komponente der Anregungseinrichtung. Der Aktuator ist insbesondere relativ zur Welle bewegbar gelagert ausgebildet, um eine insbesondere zeitlich begrenzte Impulsübertragung zu ermöglichen. Insbesondere kann der Aktuator verjüngt ausgebildet sein, und/ oder eine kleine, insbesondere punktförmige oder auch ballige bzw. sphärische Fläche für den Kontakt zwischen Aktuator und Welle bereitstellen, um den Impuls bzw. die Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Der Aktuator kann eingerichtet sein, mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/ oder vorbestimmten Beschleunigung in Kontakt mit der Welle zu kommen, um die Stoßanregung bzw. den Impuls auf die rotierende Welle auszuüben. Hierbei kann die Anregungseinrichtung eingerichtet sein, den Aktuator in einem vorbestimmten Winkel, insbesondere radial zur Drehachse der Welle bzw. Spindel, auf eine Umfangsoberfläche der Welle zu bewegen. Hierdurch kann die Wiederholungsgenauigkeit der Erregung der Anregungsschwingung bzw. Stoßanregung erhöht sein.

Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator energetisch beaufschlagt. Mithilfe der beaufschlagten Energie kann der Aktuator eine Stoßanregung insbesondere in Form eines Impuls auf die Welle aufbringen, beispielsweise durch eine reziproke Bewegung relativ zur Welle. Als reziproke Bewegung wird dabei insbesondere eine Bewegung des Aktuators in Richtung auf die Welle zu und eine anschließende, insbesondere gleichförmige, Rückbewegung von der Welle weg, insbesondere zurück in die Ausgangsposition verstanden, um eine weitere, insbesondere versehentliche, Anregung der Welle zu vermeiden.

Energetisch beaufschlagt bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgespannt, kraft- und insbesondere federkraftbeaufschlagt, und beispielsweise mechanisch, elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch betätigbar. Hierdurch kann eine, insbesondere vorbestimmte, Bewegung des Aktuators hin zu der Welle ausgelöst werden, um einen vordefinierten Stoß auf die Welle auszuüben, wodurch eine vorbestimmte Erregung der Welle erfolgen kann. Als energetisch beaufschlagt kann auch eine elektrische, elektronische oder elektromagnetische Beaufschlagung des Aktuators verstanden werden, mittels welcher dieser einen Impuls auf die Welle aufbringen kann, welcher eine Stoßanregung bewirkt.

Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator außerhalb der Welle anordenbar. Außerhalb der Welle ist dabei als außerhalb der Umfangsfläche der Welle zu verstehen. Hierbei ist der Aktuator insbesondere dazu eingerichtet, einen Stoß auf eine Oberfläche der Welle, insbesondere an einer vorbestimmten Position der Welle, aufzubringen. Hierdurch ist insbesondere ermöglicht, dass das, insbesondere dynamische, Massesystem der Welle nicht durch den Aktuator beeinflusst wird. Zudem ist so eine raum- bzw. bedarfsgerechte Anordnung des Aktuators bzw. der Anregungseinrichtung in bzw. an der Zerspanungsmaschine ermöglicht, wodurch eine dynamische Schwingungsüberwachung flexibel an jeweilige insbesondere strukturelle Betriebsvoraussetzungen anpassbar gestaltet werden kann.

Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator mittels einer Nebenwelle, insbesondere gegenläufig zu der Welle rotierbar. Hierbei kann der Aktuator an einem freien Ende der Nebenwelle angeordnet und eingerichtet sein, insbesondere auf einem linearen Weg und/ oder geführt, eine Bewegung hin zur Welle auszuführen, um einen Impuls bzw. eine Stoßanregung auf die Welle abzugeben. Hierbei ist die Nebenwelle insbesondere parallel zur Welle bzw. Spindel orientiert bzw. angeordnet und kann insbesondere mittels eines Getriebes, insbesondere in einer Richtung entgegen der Drehrichtung der Welle, rotiert werden. Hierdurch kann eine Relativbewegung zwischen der Spindel und der Nebenwelle bzw. dem Aktuator erzeugt werden, um eine Impulsanregung der Welle mittels des Aktuators zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform ist die Anregungseinrichtung an einem Werkzeughalter der Zerspanungsmaschine angeordnet. Bei dieser Ausführungsform kann die Anregungseinrichtung von einer Einrichtung wie einem Werkzeugwechsler insbesondere der Zerspanungsmaschine selbst, insbesondere aufgrund eines Steuersignals einer Steuereinrichtung insbesondere auch automatisiert durch den Werkzeughalter mit der Welle verbindbar ausgebildet sein, um eine Stoßanregung auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Übertragungsfunktion zu bestimmen. Eine beispielhafte an einem Werkzeughalter angeordnete Anregungseinrichtung kann neben einer Nebenwelle mit einem daran angeordneten Aktuator auch ein Getriebe oder ein Teil eines Getriebes aufweisen.

Der Aktuator an der Nebenwelle ist insbesondere energetisch beaufschlagt. Hierbei kann der Aktuator an einem freien Ende der Nebenwelle angeordnet sein und insbesondere vorgespannt, kraft- bzw. federkraftbeaufschlagt gelagert, und/ oder mechanisch, elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch betätigbar ausgebildet sein, um, insbesondere auf einem linearen Weg und/ oder geführt, eine Bewegung zur Welle hin auszuführen, um einen Impuls bzw. eine Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Bei einer anderen Ausführung kann der Aktuator auch elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch beaufschlagt ausgebildet sein.

Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator eingerichtet, mit einer, insbesondere drehfest, an der Welle angeordneten Kurvenscheibe zusammenzuwirken, um eine Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Die Kurvenscheibe weist, insbesondere in Umfangsrichtung, ein Profil auf, welches um die Drehachse der Welle verläuft. Der Aktuator wird bei einer Drehbewegung der Welle bzw. der Kurvenscheibe und/ oder einer Drehbewegung der Nebenwelle um die Welle bzw. die Kurvenscheibe entlang des Profils der Kurvenscheibe geführt. Insbesondere weist eine solche Kurvenscheibe eine radiale Stufe auf, über welche der energetisch beaufschlagte, insbesondere mechanisch vorgespannte Aktuator bewegt wird. Dabei legt der Aktuator einen vorbestimmten Weg insbesondere entsprechend der radialen Höhe der Stufe in Richtung zur Welle zurück, um schließlich auf die Oberfläche der Welle zu treffen, um eine Stoßanregung auf die Welle abgeben diese somit anzuregen. Auf diese Weise kann über die Drehbewegung der Spindel eine Stoßanregung der Welle erzielt werden. Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator an der Welle angeordnet. Dabei ist die Bezeichnung an der Welle insbesondere auch als „in“ der Welle oder auch in axialer Verlängerung der Welle zu verstehen. Hierbei ist der Aktuator derart, insbesondere unmittelbar, an oder in der Welle angeordnet, dass dieser insbesondere durch entsprechende Beschleunigung oder Betätigung eine definierte Stoßanregung auf die Welle abgeben kann. Insbesondere kann die den Aktuator aufweisende Anregungseinrichtung temporär mit der Welle verbunden sein, beispielsweise mittels einer Einrichtung wie einem Werkzeugwechsler insbesondere der Zerspanungsmaschine selbst. Hierbei kann der Werkzeugwechselmechanismus die Anregungseinrichtung beispielsweise aus einem Werkzeugmagazin aufnehmen und, insbesondere zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, mit der Welle verbinden, sodass der Aktuator einen Impuls auf die Welle abgeben kann. Hierdurch kann ein Beschleunigungsprofil der Spindel bzw. der Zerspanungsmaschine genutzt werden, um mittels auftretender Zentrifugalkräfte den Aktuator an die Welle zu bewegen, um einen impulsartigen Schlag bzw. Stoß auszuüben.

Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator, insbesondere energetisch beaufschlagt, in einer an der Welle angeordneten bzw. ausgebildeten Ausnehmung angeordnet. Die Ausnehmung so ist an bzw. in der Welle angeordnet bzw. ausgebildet, dass der Aktuator in dieser platziert werden kann. Hierbei ist der Aktuator ausgebildet und angeordnet, um einen Stoß auf eine Wandung der Ausnehmung aufzubringen und so die Stoßanregung zu erzeugen. Beispielsweise ist der Aktuator an einer Innenwand der Ausnehmung abgestützt. Bei einer solchen Ausführungsform bewegen in einer Beschleunigungsphase der Spindel Zentrifugalkräfte den Aktuator so, dass dieser auf eine Wandung der in oder an der Welle ausgebildeten Ausnehmung trifft. Hierdurch kann eine Stoßanregung der Welle innerhalb der Ausnehmung erfolgen, welche auf einer Rotation bzw. einem Beschleunigungsprofil der Welle basiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine mit einer rotierbaren Welle vorgeschlagen. Die Zerspanungsmaschine ist dabei gemäß einem oder mehrerer Merkmale der vorausgehend beschriebenen Zerspanungsmaschine ausgebildet. Das Verfahren weist die Schritte des Rotierens der Welle, des Aufbringens einer, insbesondere vorbestimmten, Stoßanregung auf die rotierende Welle, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen, des Erfassens der Antwortschwingung der Welle und des Bestimmens einer Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung und der Antwortschwingung, um eine dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine zu überwachen, auf.

Bei der Anwendung des Verfahrens erfolgt eine Schwingungsanregung während einer Rotation der Welle. Hierauf basierend kann ein Schwingungsverhalten der rotierenden Welle erfasst und/ oder analysiert werden, um eine geforderte dynamische Steifigkeit der Zerspanungs- maschine zu überwachen.

Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren einen weiteren Schritt des Vergleichens wenigstens zweier insbesondere in zeitlichem Abstand bestimmter Übertragungsfunktionen auf, um eine mögliche Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine zu bewerten. Anhand der Übertragungsfunktionen bzw. der Wellenfrequenzgänge kann eine fortlaufende Zustandsüberwachung bzw. ein Monitoring der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine durchgeführt werden. Weist die Welle im Zusammenhang mit der Nutzungsdauer eine Veränderung bezüglich der Eigenfrequenzen und Amplituden der Antwortschwingung auf, kann daraus ein Rückschluss auf eine, insbesondere veränderte, dynamische Steifigkeit hergestellt werden. Anhand physikalischer Modelle eines Fertigungs- bzw. Zerspanungsprozesses können Grenzwerte definiert werden, ab welchen eine Werkstückbearbeitung bzw. Fertigung nicht mehr ausreichend präzise ausgeführt werden kann. Somit kann eine Grundlage für ein Monitoringsystem beispielsweise zur Vorhersage von bedarfsorientierten Maschineninspektionen geschaffen werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/ oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt

Fig. la bis 1c jeweils eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften erfindungsgemäßen Anregungseinrichtung einer Zerspanungsmaschine;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Anregungseinrichtung einer Zerspanungsmaschine; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine mit einer rotierbaren Welle.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Zerspanungsmaschine 10 mit wenigstens einer rotierbaren Welle 11 im Bereich eines Werkzeughalters 12 der Zerspanungsmaschine 10. Die Zerspanungsmaschine weist hier eine mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 einer ersten Ausführungsform auf, bei welcher ein Aktuator 14 außerhalb der Welle 11 angeordnet ist.

Die Zerspanungsmaschine 10 weist die Anregungseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 11 aufzubringen, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen. Die Anregungseinrichtung 13 weist den Aktuator 14 auf, der energetisch beaufschlagt an einem freien Ende einer Nebenwelle 15 angeordnet ist. Die Nebenwelle 15 ist gegenläufig zu der Welle 12 rotierbar (illustriert mittels der Pfeile in Fig. la) an dem Werkzeughalter 12 der Zerspanungsmaschine 10 angeordnet. Hierbei weist der Aktuator 14 an seinem freien Ende eine Kugel 16 auf, welche die Stoßanregung a auf die Welle 12 aufbringt.

Der Aktuator 14 ist mittels einer Feder 17 energetisch beaufschlagt an der Nebenwelle 15 gelagert und eingerichtet, mit einer an der Welle 11 angeordneten Kurvenscheibe 18 zusammenzuwirken, um eine reziproke Linearbewegung relativ zur Welle 11 durchzuführen. Dabei wird eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 12 aufgebracht. Hierzu weist die Kurvenscheibe 18 eine Stufe 19 auf, deren Wirkungsweise nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 1b und 1c näher beschrieben wird.

Fig. la zeigt schematisch eine Steuerungseinrichtung 20 der Zerspanungsmaschine 10. Diese Steuerungseinrichtung 20 ist eingerichtet, die mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 zu betätigen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Steuerungseinrichtung 20 eine Erfassungseinrichtung 21 auf, die zum Erfassen der Antwortschwingung y eingerichtet ist und eine Auswertungseinrichtung 22, die eingerichtet ist, eine Übertragungsfunktion bzw. einen Frequenzgang zwischen Stoßanregung a und Antwortschwingung y zu bestimmen.

Auf Basis dieser Übertragungsfunktion, bzw. auf Basis eines Vergleichs mehrerer solcher Übertragungsfunktionen, kann beispielsweise eine Abweichung der Frequenzgänge in ihren Eigenfrequenzen und/ oder Amplituden bestimmt bzw. dargestellt werden, um darauf basierend einen Rückschluss auf eine dynamische Steifigkeit der Spindel bzw. Welle 11 und/ oder der Zerspanungsmaschine zu ermöglichen.

Fig. 1b zeigt eine schematische Darstellung der Zerspanungsmaschine 10 aus Fig. la mit der ersten beispielhaften Anregungseinrichtung 13 in einer Draufsicht. Dargestellt ist die Welle 11 an welcher die Kurvenscheibe 18 angeordnet ist, an deren Umfangs profil der Aktuator 14 mit der Kugel 16 bewegbar ist. Hierzu ist der Aktuator 14 der Anregungseinrichtung 13 an der Nebenwelle 15 angeordnet und drückt aufgrund der energetischen Beaufschlagung den Aktuator 14 senkrecht zur Drehachse D der Welle 11 gegen die Kurvenscheibe 18.

Fig. 1c zeigt eine schematische Darstellung der ersten beispielhaften Anregungseinrichtung 13 aus Fig. la und Fig. 1b in einer Achsansicht senkrecht zur Drehachse D der Welle 11. Die Kurvenscheibe 18 weist die Stufe 19 auf, die derart ausgebildet ist, dass der Aktuator 14 bei einer Relativbewegung von Aktuator 14 und Kurvenscheibe 18 über die Stufe 19 hinaus bewegt wird und aufgrund der energetischen Beaufschlagung durch die Feder 17 in Richtung der Welle 11 springt, wodurch die Stoßanregung a bzw. ein Impuls auf die Welle 11 aufgebracht wird. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anregungseinrichtung 13 für eine Zerspanungsmaschine 10. Die mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 weist einen Aktuator 14 auf, in der Welle 11 angeordnet ist und mit dieser rotiert.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Welle 11 an ihrer freien Stirnseite oder einer daran angeordneten Adaptereinrichtung der Anregungseinrichtung 13 eine Ausnehmung 23 auf, in welcher der Aktuator 14 verlagerbar angeordnet ist. Der Aktuator 14 der Anregungseinrichtung 13 ist mittels einer Feder 17 energetisch beaufschlagt an einer ersten Wandung 24 der Ausnehmung abgestützt. In einer Beschleunigungsphase der Welle 11 können Zentrifugalkräfte den Aktuator 14 bewegen, sodass dieser mit seiner Kugel 16 auf eine, insbesondere der Feder 17 gegenüberliegende, zweite Wandung 25 der Ausnehmung 23 in bzw. an der Welle 11 treffen kann, um eine Stoßanregung a auf die Welle 11 zu geben, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine 10 mit einer rotierbaren Welle 11.

In einem ersten Schritt a wird die Welle 11 bzw. Spindel der Zerspanungsmaschine 10 rotiert bzw. angetrieben. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines normalen Fertigungsbetriebs oder im Rahmen eines, insbesondere zyklisch oder bedarfsmäßig aktivierten Testmodus, welcher zur Durchführung einer Schwingungsanregung der Welle aktiviert wird, erfolgen.

In einem weiteren Schritt b wird, insbesondere mittels einer Anregungseinrichtung 13 eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 11 aufgebracht, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Anregungseinrichtung 13 automatisiert über einen Werkzeughalter 12 der Zerspanungsmaschine 10 oder an einer in der Welle 11 vorgesehenen Nut 23 angeordnet wird.

In einem weiteren Schritt c wird die Antwortschwingung y der Welle 11, insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung 21 erfasst. Das Erfassen kann beispielsweise mittels hierfür vorgesehenen Schwingungsaufnehmern und/oder mittels eines CNC-Regelkreises der Zerspanungsmaschine 10 erfolgen. Im letzteren Fall ist insbesondere eine Überwachung einer dynamischen Steifigkeit der Welle 11 ermöglicht, ohne dass zusätzliche Sensoren an der Zerspanungsmaschine erforderlich sind.

In einem weiteren Schritt d wird, insbesondere mittels einer Auswertungseinrichtung 22, eine Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung a und der Antwortschwingung y bestimmt, um eine dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine 10 zu überwachen. Hierdurch kann ein mathematischer Zusammenhang zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung bestimmt werden, weicher eine Aussage über eine Steifigkeit der Welle 11 ermöglicht.

In einem optionalen Schritt e können wenigstens zwei auf diese Weise insbesondere in zeitlichem Abstand bestimmte Übertragungsfunktionen, insbesondere mittels der Auswertungs- einrichtung 22, verglichen werden, um eine mögliche Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine 10 zu bewerten bzw. zu analysieren. So können beispielsweise Übertragungsfunktionen, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst bzw. bestimmt wurden, genutzt werden, um darauf basierend einen Rückschluss auf eine Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Spindel bzw. Welle und/ oder der Zerspanungsmaschine zu ermöglichen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Zerspanungsmaschine

11 Welle bzw. Hauptspindel

12 Werkzeughalter

13 Anregungseinrichtung

14 Aktuator

15 Nebenwelle

16 Kugel

17 Feder

18 Kurvenscheibe

19 Stufe

20 Steuerungseinrichtung

21 Erfassungseinrichtung

22 Auswertungseinrichtung

23 Ausnehmung

24, 25 Wandung der Ausnehmung

D Drehachse der Welle a Stoßanregung

Y Antwortschwingung