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DE10013277A1 - Spindelvorrichtung und Werkzeugmaschine zur Verwendung einer solchen - Google Patents

Spindelvorrichtung und Werkzeugmaschine zur Verwendung einer solchen

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Publication number
DE10013277A1
DE10013277A1 DE10013277A DE10013277A DE10013277A1 DE 10013277 A1 DE10013277 A1 DE 10013277A1 DE 10013277 A DE10013277 A DE 10013277A DE 10013277 A DE10013277 A DE 10013277A DE 10013277 A1 DE10013277 A1 DE 10013277A1
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DE
Germany
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drive shaft
main drive
spindle
combined
magnetic bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10013277A
Other languages
English (en)
Inventor
Takayoshi Ozaki
Nobuyuki Suzuki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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Filing date
Publication date
Priority claimed from JP07150199A external-priority patent/JP3913396B2/ja
Priority claimed from JP07150399A external-priority patent/JP3746630B2/ja
Priority claimed from JP11071500A external-priority patent/JP2000263376A/ja
Priority claimed from JP11071504A external-priority patent/JP2000263377A/ja
Priority claimed from JP11071502A external-priority patent/JP2000263359A/ja
Application filed by NTN Corp, NTN Toyo Bearing Co Ltd filed Critical NTN Corp
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spindelvorrichtung, die mit einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau und mit einem die Spindelvorrichtung verwendenden Bearbeitungsgerät ausgestattet ist. Die Spindelvorrichtung ist in der Lage, eine Hochgeschwindigkeitsrotation mit einer hohen Rotationspräzision durchzuführen und beinhaltet eine Hauptantriebswelle, die durch den kombinierten Lageraufbau drehbar gestützt wird, eine in einer Spindelsteuerung angeordnete Stromerkennungseinrichtung zur Erkennung eines an Elektromagnete des kombinierten Lageraufbaus gelieferten elektrischen Stromes. Ferner vorgesehen ist eine Zustandsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung des Bearbeitungszustands in Bezug auf den durch das Stromerkennungsmittel erkannten Stromes. Der Bearbeitungszustand kann ein Hinweis darauf sein, in welchem Ausmaß ein Bearbeitungswerkzeug beschädigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spindelvor­ richtung und insbesondere auf eine Spindelvorrichtung, die mit extern mit Druck beaufschlagten Gaslagern ("externally pressurized gas bearings", im weiteren auch als "Hydrostatik-Gaslager" bezeichnet), bzw. kombinierten, ex­ tern mit Druck beaufschlagten Gas- und Magnetlagern ("combined externally pressurized gas-magnetic bearings", im weiteren auch "Hydrostatik-Gasmagnetlager") versehen ist, sowie auf ein damit ausgerüstetes Bearbeitungsgerät bzw. Werkzeugmaschine.
In den letzten Jahren hat im Bereich der Formbearbeitung eine sich durch hohe Leistungsfähigkeit und Präzision aus­ zeichnende Bearbeitungsweise starkes Interesse auf sich ge­ zogen. Zur Umsetzung einer solchen Bearbeitungsweise bedarf es der Verwendung einer Spindelvorrichtung, welche in der Lage ist, eine Rotation bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Präzision auszuführen und eine statische und dynamische Steifigkeit aufweist, und es ist ferner erforderlich, die Bearbeitung unter optimalen Bearbeitungsbedingungen durch Erfassen des Bearbeitungszustandes durchzuführen.
Zur Erfüllung dieser Anforderungen hat die Anmelderin einen kontaktlosen Lageraufbau vom Hybrid-Typ vorgeschlagen, bei welchem Hydrostatik-Gaslager und Magnetlager kombiniert wurden, wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11- 013759 offenbart wird. Durch die Verwendung einer ausge­ zeichneten dynamischen Steifigkeit und einer Rotationsprä­ zision, die beide durch das Hydrostatik-Gaslager gewährlei­ stet werden, und einer hervorragenden statischen Steifig­ keit, die durch das Magnetlager erbracht wird, kann, ent­ sprechend diesem Vorschlag, ein kompakter Lageraufbau er­ halten werden, der die Vorteile dieser verschiedenen Lager­ typen in sich vereint. Die Messung der Bearbeitungsbela­ stung (Last) einer Werkzeugmaschine zur Erkennung (Erfassung) des Bearbeitungszustandes wird im Allgemeinen von einem System durchgeführt, bei welchem die Last während der Bearbeitung von einem Wert abgeleitet wird, der als Mo­ torleistung bei der Drehung der Hauptantriebswelle gemessen wurde.
Das Bestimmen der Last während der Bearbeitung in Bezug auf den oben beschriebenen Meßwert der Motorleistung ist jedoch dahingehend problematisch, als ein speziell für diesen Zweck ausgelegtes Meßinstrument erforderlich ist, woraus eine Erhöhung der Systemkosten resultiert.
Das System der Erkennung des Bearbeitungszustandes bezogen auf die gemessene Motorleistung ist ferner nicht in der La­ ge, den mit der Rotationsfrequenz der Hauptantriebswelle verbundenen Bearbeitungszustand zu erkennen bzw. zu erfas­ sen; im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff "erkennen" synonym mit "erfassen" bzw. "detektieren" ver­ wendet.
Bei der Spindelvorrichtung, in welcher die Hauptantriebs­ welle durch die Magnetlager drehbar abgestützt wird, wurde darüber hinaus ein System vorgeschlagen, welches den Bear­ beitungszustand bezogen auf den an die Magnetlager gelie­ ferten Erregerstrom erkennt. Ein alleiniges Abstützen der Hauptantriebswelle durch die Magnetlager macht es jedoch schwierig, eine hohe Präzision der Hochgeschwindigkeitsdre­ hung und eine hohe dynamische Steifigkeit zu gewährleisten. Bei dem System der Erkennung des Bearbeitungszustandes be­ zogen auf den an die Magnetlager gelieferten Erregerstrom wurde ferner ein Versuch unternommen, den mit der Frequenz verbundenen Bearbeitungszustand durch Verwendung eines Fre­ quenzfilters zu erkennen. Um jedoch den Bearbeitungszustand hinsichtlich einer Vielzahl von Frequenzbereichen zu erken­ nen, bedarf es der Verwendung einer größeren Anzahl von Frequenzfiltern, wodurch ein komplizierter Aufbau entsteht und die Kosten erhöht werden.
Zur Erreichung einer äußerst leistungsfähigen, präzisen Be­ arbeitung ist eine Spindelvorrichtung erforderlich, die in der Lage ist, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Rotationspräzision zu erreichen. Zur Er­ füllung dieser Anforderung eignet sich ein berührungsloses Lager. Eine von einem berührungslosen Lager abgestützte Spindelvorrichtung steht in Form von verschiedenen Vorrich­ tungstypen zur Verfügung, beispielsweise in Form einer Spindelvorrichtung, die ein Hydrostatik-Gaslager ("externally pressurized gas bearing") verwendet, und einer Spindelvorrichtung, die ein Magnetlager verwendet. Die Spindelvorrichtung mit dem Hydrostatik-Gaslager weist eine Rotationspräzision von generell etwa 1/100 µm auf und eig­ net sich deshalb für eine hochgenaue Bearbeitung. Sie weist allerdings den Nachteil einer geringen statischen Steifig­ keit und Belastbarkeit auf. Andererseits eignet sich die Spindelvorrichtung mit dem Magnetlager ausgezeichnet bezo­ gen auf die dynamische Steifigkeit und Belastbarkeit, weist jedoch eine geringe Rotationsgenauigkeit der Hauptantriebs­ welle auf. Dies liegt daran, dass die durch das Magnetlager hervorgebrachte Rotationsgenauigkeit der Hauptantriebswelle von der Auflösung eines zur Erkennung der Stellung (Position) der Hauptantriebswelle vorgesehenen Sensors ab­ hängt.
Im Allgemeinen wird die hohe Leistungsfähigkeit und Bear­ beitungsgenauigkeit in zwei Stufen erreicht, die einen Vor- und einen Endbearbeitungsprozeß beinhalten. Während des Vorbearbeitungsprozesses ist die pro Zeiteinheit zu bear­ beitende Materialmenge erhöht, um eine effiziente Bearbei­ tung zu erreichen. Während des Endbearbeitungsprozesses ist jedoch die zu bearbeitende Materialmenge verringert, um ei­ ne hohe Präzision des Bearbeitungsverfahrens zu erreichen. Während des Vorbearbeitungsprozesses erhöht sich die auf die Hauptantriebswelle wirkende Last gewöhnlich, und des­ halb muß die Spindelvorrichtung eine Funktion erfüllen, die eine hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit erfordert, wo­ hingegen eine hohe Rotationspräzision während des Endbear­ beitungsprozesses erforderlich ist.
Der in der oben beschriebenen japanischen Offenlegungs­ schrift Nr. 11-013759 genannte kombinierte Hydrostatik-Gas­ magnetlageraufbau erfüllt diese Anforderungen.
Der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau weist je­ doch Eigenschaften auf, die dem Hydrostatik-Gaslager eigen sind, und solche, die dem Magnetlager eigen sind. Sofern der Sensor für das Magnetlager eine geringe Auflösung auf­ weist, kann eine durch das Hydrostatik-Gaslager erreichte hohe Rotationspräzision nicht wirkungsvoll eingesetzt wer­ den, da die Rotationsgenauigkeit der Hauptantriebswelle von dieser Auflösung abhängt.
Obwohl der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau der oben beschriebenen Art ein berührungsloses (kontaktloses) Lager ist, besteht ferner die Möglichkeit, dass die Hauptantriebswelle bei Einwirkung einer übergroßen Last mit einer Lagerfläche in Berührung kommen kann. Um eine solche Berührung der Hauptantriebswelle zu vermeiden, wurde bisher bei einer mit einem Magnetlager ausgerüsteten Spindelvor­ richtung ein Schutzlager, wie beispielsweise ein Rollenla­ ger verwendet. Da jedoch der kombinierte Hydrostatik-Gasma­ gnetlageraufbau so konzipiert ist, dass das Hydrostatik- Gaslager in der Magnetlagereinheit gebildet ist, ist der Spalt zwischen der Hauptantriebswelle in der Lagereinheit und einem Ständer des Magnetlagers so klein, beispielsweise nicht größer als einige Zehntel Mikron, dass deshalb das im Allgemeinen bei einer Spindelvorrichtung mit Magnetlager verwendete Schutzlager in Form des Rollenlagers nicht ein­ gesetzt werden kann. Da die Hydrostatik-Gaslagerfläche ei­ nen Teil eines Elektromagneten für das Magnetlager bildet, ist das Material für die Hydrostatik-Gaslagerfläche darüber hinaus auf ein ferromagnetisches Material begrenzt, das über keine Schmierfähigkeit verfügt. Bei Einwirkung einer übergroßen Last auf die Spindelvorrichtung wirkt sich dem­ nach ein Kontakt zwischen der Hauptantriebswelle und der Lagerfläche nachteilig auf die Lagereinheit aus.
Bei der Spindelvorrichtung, die ein berührungsloses Lager verwendet, wie beispielsweise der oben beschriebene kombi­ nierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau oder das Hydrosta­ tik-Gaslager, wie in Fig. 29 dargestellt, weist ferner die Hauptantriebswelle 4 einen darin gebildeten Kranz (Absatz) 4a auf, wobei gegenüberliegende Stirnflächen des Kranzes 4a im Allgemeinen zur Bildung von Axiallagerflächen verwendet werden.
Bei der Spindelvorrichtung, bei der ein solches berührungs­ loses, wie mit Bezug auf Fig. 29 beschriebenes Lager ver­ wendet wird, verändert sich die axiale Position (Abmessung C) einer Spitze eines an der Hauptantriebswelle befestigten Bearbeitungswerkzeuges 11 in Abhängigkeit zur Abmessung (Abmessung B) eines Gehäuses 5, gemessen zwischen der Posi­ tion P, an welcher die Spindel befestigt ist, und dem Kranz 4a der Hauptantriebswelle 4, sowie der Abmessung (Abmessung A) der Hauptantriebswelle 4, gemessen zwischen dem Kranz 4a der Hauptantriebswelle und der Spitze des Bearbeitungswerk­ zeugs 11. Die Spindelbefestigungsposition P stellt die Po­ sition dar, an welcher das Gehäuse 5 auf einer Spindel­ stützbank ("spindle support bench") 76 befestigt ist, die durch einen Spindelpositioniermechanismus 54 wechselseitig angetrieben wird.
Wenn die Spindelvorrichtung des beschriebenen Aufbaus mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, steigt die Tempera­ tur der Hauptantriebswelle 4 und des Gehäuses 5 infolge ei­ nes Verlustes (Luftwiderstands- bzw. Ventilationsverlust) an der Hydrostatik-Gaslagereinheit, und die axiale Position (Abmessung C) der Spitze des Bearbeitungswerkzeugs verän­ dert sich entsprechend der Wärmeausdehnung in axialer Rich­ tung der Hauptantriebswelle, die sich durch den Tempera­ turanstieg der Hauptantriebswelle und des Gehäuses ergibt.
Aus diesem Grunde ist es schwierig gewesen, eine Bearbei­ tung mit hoher Präzision zu erreichen.
Darüber hinaus weist der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnet­ lageraufbau Merkmale auf, die im Allgemeinen von dem ein­ gangs beschriebenen Hydrostatik-Gaslager bzw. dem Magnetla­ ger hervorgebracht werden. Sofern der Sensor für das Ma­ gnetlager über eine geringe Auflösung verfügt, hängt dem­ nach die Rotationspräzision der Hauptantriebswelle von die­ ser Auflösung ab, und deshalb kann die im Allgemeinen vom Hydrostatik-Gaslager erreichte hohe Rotationsgenauigkeit nicht wirkungsvoll eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, die oben genannten Probleme zu lösen und eine verbesserte Spin­ delvorrichtung mit dem kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbau ("combined externally pressurized gas­ magnetic bearing assembly") sowie ein verbessertes Bearbei­ tungsgerät zur Verwendung eines solchen vorzusehen, welche beide eine hohe Rotationsgeschwindigkeit mit hoher Rotati­ onsgenauigkeit (auch: "Rotationspräzision") aufweisen kön­ nen.
Die Aufgabe wird durch die Spindelvorrichtung nach den An­ sprüchen 1, 4, 8, 9, 13, 14, 18, 21 sowie das Gerät nach den Ansprüchen 27, 29, 31, 34 gelöst; vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be­ schrieben, wobei als von der Erfindung mitumfaßt sämtliche technisch möglichen Kombinationen der angegebenen Merkmale, auch über die konkreten Rückbezüge hinaus gelten sollen. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden die Ausführungsformen (auch: "Bauformen") 1 bis 6 der vor­ liegenden Erfindung unter Verwendung der in Fig. 1 genann­ ten Bezugszeichen dargestellt. Die Spindelvorrichtung nach der ersten Bauform der vorliegenden Erfindung ist mit zu­ mindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) zur drehbaren Abstützung einer Hauptantriebswelle (4) ausgerüstet, verfügt über ein an der Spitze der Spin­ delvorrichtung befestigtes Bearbeitungswerkzeug (11) und ferner über eine Spindelantriebsquelle (10) zur Drehung der Hauptantriebswelle (4). Der kombinierte Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbau weist zumindest ein Hydrostatik- Gaslager ("externally pressurized gas magnetic") (6A bis 9A) und zumindest ein Magnetlager (6B bis 9B) auf, welche miteinander kombiniert sind. Die Spindelvorrichtung bein­ haltet ein Stromerfassungsmittel (auch: "Stromerkennungsmittel") (11 bis 18) zur Erfassung (Erkennung) eines Erregerstroms für das Magnetlager (6B bis 9B) sowie ein Status- bzw. Zustandsbestimmungsmittel (19) zur Bestimmung des durch das Bearbeitungswerkzeug (11), be­ zogen auf einen durch das Stromerkennungsmittel (11 bis 18) festgestellten Stromwert, ausgeführten Bearbeitungszustands (Bearbeitungsstatus).
Entsprechend dieses Aufbaus kann der Bearbeitungszustand durch das Zustandsbestimmungsmittel (19), bezogen auf den erfaßten Wert des an das Magnetlager (6B bis 9B) des kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9) gelei­ teten Erregerstroms, erfaßt werden. Anders ausgedrückt, wenn sich die Hauptantriebswelle (4) während des Bearbei­ tungsbetriebs durch den Einfluß einer auf das Bearbeitungs­ werkzeug (11) wirkenden Last in radialer Richtung zu ver­ schieben droht, wird der Erregerstrom der Magnetlager (6B bis 9B) durch eine Steuerfunktion der Magnetlager (6B bis 9B) so verändert, dass die Verschiebung rückgängig gemacht wird. Somit können Bearbeitungszustände, wie beispielsweise Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs, Beschädigung des Be­ arbeitungswerkzeugs und/oder eine ungenaue Bearbeitung mit Bezug auf den Erregerstrom bestimmt werden. Das Vorsehen des Zustandsbestimmungsmittels (19) bewirkt demnach eine Funktionssteigerung des kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9), das heißt, zum Erreichen einer Hochgeschwindigkeitsrotation und, in Verbindung mit einer hohen Rotationspräzision, einer hohen statischen und dynamischen Steifigkeit, ist das Bearbeiten unter optimalen Bearbeitungsbedingungen möglich, während gleichzeitig der Bearbeitungsstatus festgestellt wird. Hierfür kann eine äu­ ßerst präzise Bearbeitung bei hoher Effizienz durchgeführt werden, während Vorzüge des kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9) zum Einsatz kommen. Als De­ tektor ist die Verwendung des Stromerkennungsmittels (15 bis 18) für den Erregerstrom des Magnetlagers (6B bis 9B) ausreichend, und eine außerhalb vorzusehende Lastmeßvor­ richtung ist nicht erforderlich. Verglichen mit der Erken­ nung des Stromdurchflusses durch den Motor kann eine Ver­ einfachung und Kostenreduktion erreicht werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der ersten Bauform der vorliegenden Erfindung ist das Stromerkennungs­ mittel (15 bis 18) in einer Spindelsteuerung (Controller) (3) vorgesehen, die zur Steuerung des kombinierten Hydro­ statik-Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9) dient. Bei dieser Bauart wird durch das Vorsehen des Stromerkennungsmittels (15 bis 19) in der Spindelsteuerung (3) ein kompakter und leicht zu handhabender Aufbau realisiert.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung beinhaltet das Zustandsbestimmungsmit­ tel (19) eine Stromglättungseinheit zur Glättung ("Smoothing unit") des durch das Stromerkennungsmittel er­ faßten Stromwertes, sowie eine Zustandsbestimmungseinheit zur Umwandlung eines durch die Stromglättungseinheit ausge­ gebenen geglätteten Ausgangssignals in eine auf die Hauptantriebswelle wirkende statische Last und zur Bestim­ mung des Bearbeitungszustandes bezogen auf ein Berechnungs­ ergebnis der statischen Last. Durch Ermittlung des Bearbei­ tungszustandes bezogen auf das Ergebnis der Umwandlung in die statische Last kann somit eine für die Steuerung not­ wendige Überwachung des Bearbeitungszustandes einfach und genau, ohne Beeinträchtigung durch eine kurzzeitige Lastän­ derung oder eine etwaige externe Störung, durchgeführt wer­ den.
Die Spindelvorrichtung gemäß der zweiten Bauform der vor­ liegenden Erfindung ist mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) zum drehbaren Abstützen der Hauptantriebswelle (4) versehen, wobei ein Bearbeitungswerkzeug (11) an einer Spitze der Spindelvor­ richtung befestigt ist, sowie mit einer Spindelantriebs­ quelle (10) zur Drehung der Hauptantriebswelle (4). Der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) be­ inhaltet zumindest ein Hydrostatik-Gaslager (6A bis 9A) und zumindest ein Magnetlager (6B bis 9B), welche miteinander kombiniert sind. Die Spindelvorrichtung beinhaltet ein Ver­ schiebungserkennungsmittel ("displacement detecting means") (28, 38) zur Erkennung einer Verschiebung der Hauptan­ triebswelle (4) sowie ein Zustandsbestimmungsmittel (19) zur Bestimmung des durch das Bearbeitungswerkzeug (11) aus­ geführten Bearbeitungszustandes bezogen auf einen Verschie­ bewert, der durch das Verschiebungserkennungsmittel (28, 38) erfaßt wurde.
Wird die Hauptantriebswelle (4) durch den Einfluß einer während des Bearbeitungsverfahrens auf das Bearbeitungs­ werkzeug (11) wirkenden Last verschoben, wird entsprechend dieser Anordnung eine solche Verschiebung durch das Ver­ schiebungserkennungsmittel (28, 38) erkannt. Der Bearbei­ tungszustand kann aus diesem Grunde bezogen auf den durch das Verschiebungserkennungsmittel (28, 38) erkannten Ver­ schiebewert bestimmt werden. Das Vorsehen des Zustandsbe­ stimmungsmittels (19) bewirkt demnach eine Funktionalitäts­ steigerung des kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9), das heißt, zum Erreichen einer Hochgeschwindigkeitsrotation und, in Verbindung mit einer hohen Rotationspräzision, einer hohen statischen und dynamischen Steifigkeit, ist das Bearbeiten unter optimalen Bearbeitungsbedingungen möglich, während gleichzeitig der Bearbeitungszustand erkannt wird. Hierfür kann eine äußerst präzise Bearbeitung bei hoher Leistungsfähigkeit durchge­ führt werden, während Vorzüge des kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9) zum Einsatz kommen. Da das Verschiebungserkennungsmittel (28, 38) ein im Allgemeinen bei Magnetlagern (6B bis 9B) zu deren Steuerung verwendetes Erkennungsmittel darstellt, kann der Bearbeitungszustand ermittelt werden, ohne ein zugeordnetes Erkennungsmittel zu verwenden, und daher kann die Bearbeitungsgenauigkeit bei gleichzeitiger Kostenreduzierung gesteigert werden.
Bei der Ausführungsform nach einer der ersten oder zweiten Bauformen der vorliegenden Erfindung kann das Zustandsbe­ stimmungsmittel (19) einen Frequenzanalysator zur Fre­ quenzauswertung eines vom Stromerkennungsmittel (15 bis 18) oder dem Verschiebungserkennungsmittel (28, 38) ausgegebe­ nen Signals beinhalten, sowie eine Zustandsbestimmungsein­ heit zur Bestimmung des Bearbeitungszustands bezogen auf eine Amplitude der jeweiligen Frequenzkomponenten während eines Bearbeitungsverfahrens, wobei diese Komponenten vom Frequenzanalysator ausgegeben werden.
Die auf das Bearbeitungswerkzeug einwirkende Last wird dar­ gestellt durch eine Vibration des Bearbeitungswerkzeugs ge­ genüber dessen natürlicher Vibration, eines Werkstücks und des Bearbeitungswerkzeugs oder der Anzahl der Umdrehungen der Hauptantriebswelle, und der Bearbeitungszustand, wie beispielsweise eine Beschädigung des Bearbeitungswerkzeugs, ruft, je nach Art des Bearbeitungsfehlers, eine bestimmte Tendenz in der Vibrations- bzw. Schwingungsfrequenz hervor. Durch den Einsatz der oben beschriebenen Ausführungsform, bei welcher der Frequenzanalysator in Kombination mit der Zustandsbestimmungseinheit verwendet wurde, welche der Be­ stimmung des Bearbeitungszustandes bezogen auf die Amplitu­ de der jeweiligen Frequenzkomponenten während des Bearbei­ tungszustands dient, kann eine hohe Präzision des Bearbei­ tungszustands erreicht werden, die durch Erkennung der Last, bei welcher der Durchschnitt der Frequenzkomponenten gebildet wird, nicht erreicht werden kann. Da die Fre­ quenzauswertung (Frenquenzanalyse) durchgeführt wird, ist, im Gegensatz zur Verwendung von Frequenzfiltern, auch eine Analyse mehrerer Frequenzbereiche bei einer vereinfachten Konstruktion möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach einer der ersten und zweiten Bauform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Spindelantriebsquelle (10) einen in einem Gehäuse (5) eingebauten Motor, in welchem Gehäuse der kombinierte Hy­ drostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) untergebracht ist. Bei der Spindelvorrichtung mit eingebauter Spindelantriebs­ quelle können somit verschiedene Wirkungsweisen, die durch die oben beschriebenen Bauformen der vorliegenden Erfindung hervorgerufen werden, wirksam eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach einer der ersten und zweiten Bauform der vorliegenden Erfindung wird eine Spindelsteuerung (3) zur Steuerung des kombinierten Hydro­ statik-Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9) eingesetzt, sowie ein externes Ausgabemittel (44) zur Ausgabe an eine Aussen­ seite der Spindelsteuerung (3) eines durch das Stromerken­ nungsmittel (15 bis 18) erfaßten Stromwertes bzw. eines durch eine Stromglättungseinheit ausgegebenen Wertes bzw. einer jeweils von einem Frequenzanalysator ausgegebenen Amplitude von Frequenzkomponenten. Das Vorsehen eines ex­ ternen Ausgabemittels (44) erlaubt somit eine wirksame Überwachung der auf das Bearbeitungswerkzeug (11) wirkenden Last außerhalb der Spindelsteuerung (3). Durch beispielhaf­ tes Überwachen der auf das Bearbeitungswerkzeug (11) wir­ kenden Last mit Hilfe einer numerischen Steuerungseinrich­ tung (14) des mit der Spindelvorrichtung (1) ausgerüsteten Bearbeitungsgerätes (13), einem unabhängigen Informations­ verarbeitungsmittel oder dergleichen, kann beispielsweise der Bearbeitungszustand bestimmt werden.
Eine Spindelvorrichtung zur Fernbestimmung ("remote deter­ mining") des Bearbeitungszustandes nach einer dritten Bauform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Spindel­ vorrichtung (1) einer der vorhergehend beschriebenen Anord­ nungen der vorliegenden Erfindung, ein an einem zur Spin­ delvorrichtung (1) entfernt gelegenen Ort installiertes In­ formationsverarbeitungsmittel (72), ein Kommunikationsmit­ tel (58) zur Übermittlung eines durch ein Zustandsbestim­ mungsmittel (19) der Spindelvorrichtung (1) ausgegebenen Wertes bzw. eines durch das Stromerkennungsmittel (15 bis 18) erkannten Stromwertes bzw. eines durch die Stromglät­ tungseinheit ausgegebenen geglätteten Wertes bzw. einer durch einen Frequenzanalysator ausgegebenen Amplitude von Frequenzkomponenten, über eine Verbindungsleitung (59) an ein Informationsverarbeitungsmittel (72), welches an einem entfernten Ort installiert ist. Das Informationsverarbei­ tungsmittel (72) verarbeitet die übermittelten Informatio­ nen nach einem festgelegten Verarbeitungsverfahren.
Durch die Tatsache, dass die Spindelvorrichtung über eine Kommunikations- bzw. Verbindungsleitung (59) kommunikati­ onsfähig ist, kann die auf ein Bearbeitungswerkzeug einwir­ kende Last und der zugehörige Bearbeitungszustand an einem entfernt gelegenen Ort ermittelt werden, und es ist mög­ lich, eine Anzahl von Spindelvorrichtungen und Werkzeugma­ schinen aus der Entfernung intensiv zu führen und zu steu­ ern.
Die Spindelvorrichtung (1) entsprechend der vierten Bauform der vorliegenden Erfindung ist mit zumindest einem kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) zum drehbaren Abstützen einer Hauptantriebswelle ausgerüstet, wobei die Spindelvorrichtung ein Bearbeitungswerkzeug (11) aufweist, welches an einer Spitze der Spindelvorrichtung befestigt ist, eine Spindelantriebsquelle (10) zum Drehen der Hauptantriebswelle (4) sowie eine Spindelsteuerung (3) zur Steuerung des kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus (6 bis 9), der so konzipiert ist, dass zumindest ein Hydrostatik-Gaslager (6A bis 9A) und zu­ mindest ein Magnetlager (6B bis 9B) miteinander kombiniert sind. Die Spindelvorrichtung (1) beinhaltet ein auf externe Befehle reagierendes EIN-AUS-Schaltmittel (20) zum Ein- und Ausschalten der Stromführung des Magnetlagers (6B bis 9B) als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelsteuerung (3) gegebenen Befehl.
Wenn das Magnetlager (6B bis 9B) ausgeschaltet ist, kann bei dieser Bauform die Hauptantriebswelle (4) lediglich durch das Hydrostatik-Gaslager (6A bis 9A) des kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlagers (6 bis 9) drehbar gestützt wer­ den, wenn jedoch das Magnetlager (6B bis 9B) eingeschaltet wird, kann die Hauptantriebswelle (4) sowohl durch das Hy­ drostatik-Gaslager (6A bis 9A) als auch das Magnetlager (6B bis 9B) drehbar gestützt werden. Das Abstützen durch beide Lager (6A bis 9A, 6B bis 9B) und das Abstützen lediglich durch das Hydrostatik-Gaslager (6A bis 9A) kann als Reakti­ on auf den von außerhalb der Spindelsteuerung (3) erteilten Befehl aufeinander geschaltet werden. Aus diesem Grunde kann jederzeit, je nach gewünschter Bearbeitungsbedingung, eine optimale Einstellung von Lagern vorgenommen werden, wodurch sichergestellt wird, dass der kombinierte Hydrosta­ tik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) seine volle Funktions­ leistung hervorbringt, und somit eine erhöhte Rotationsge­ nauigkeit gewährleistet wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vierten Bauform der vorliegenden Erfindung wird der externe Befehl für das Ein- und Ausschalten der Stromführung durch eine numerische Steuerungseinrichtung (14) eines mit der Spin­ delvorrichtung (1) ausgerüsteten Bearbeitungsgerätes (13) ausgegeben. Durch Anwendung des EIN-AUS-Befehles der nume­ rischen Steuerungsvorrichtung (14) kann das optimale Lager, je nach Bearbeitungsbedingung, die sich mit Fortschreiten des Bearbeitungsbetriebs ändert, rasch eingestellt werden.
Ein Bearbeitungsgerät gemäß der fünften Bauform der vorlie­ genden Erfindung ist ein Bearbeitungsgerät, das mit einer Spindelvorrichtung (1) ausgerüstet ist, die den kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6 bis 9) gemäß der vierten Bauform der vorliegenden Erfindung aufweist. Dieses Bearbeitungsgerät beinhaltet eine numerische Steuerungsein­ richtung (14) zur Steuerung eines Maschinenabschnitts (13a) des Bearbeitungsgerätes (13) sowie ein EIN-AUS- Befehlserzeugungsmittel (45), welches dem auf externe Be­ fehle reagierenden EIN-AUS-Schaltmittel (20) einen EIN-AUS- Befehl zur Ein- und Ausschaltung der Stromführung zuleitet.
Der externe Befehl zur Ein- und Ausschaltung der Stromfüh­ rung ist vorzugsweise ein Befehl, der das Magnetlager wäh­ rend einer Vorbearbeitung einschaltet und dieses während einer Endbearbeitung ausschaltet. Auf diese Weise kann wäh­ rend eines Vorbearbeitungsbetriebs eine hohe Effizienz er­ halten werden, während bei der Endbearbeitung eine hohe Präzision und demzufolge insgesamt eine äußerst effiziente und präzise Bearbeitung erreicht werden kann.
Eine ferngesteuerte Spindelvorrichtung gemäß der sechsten Bauform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine der Spindelvorrichtungen (1), die mit zumindest einem kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau gemäß der vierten Bauform der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, in Kom­ bination mit einem Informationsverarbeitungsmittel (72), welches an einem von der Spindelsteuerung (3) entfernt ge­ legenen Ort installiert und über eine Verbindungsleitung (59) mit der Spindelsteuerung (3) kommunikationsfähig ist. Das Informationsverarbeitungsmittel (72) arbeitet, indem es für das auf externe Befehle reagierenden EIN-AUS- Schaltmittel (20) einen Befehl erzeugt. Bei dieser Bauform kann eine Veränderung der Konfiguration bzw. Einstellung des Lagers an einem entfernten Ort durchgeführt werden, und eine intensive Veränderung der Lagereinstellung kann an ei­ nem entfernten Ort hinsichtlich mehrerer Spindelvorrichtun­ gen (1) vorgenommen werden.
Die siebte Bauform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr zu deren besserem Verständnis unter Verwendung der in den Fig. 19 und 20 verwendeten Bezugszeichen beschrieben. Eine Spindelvorrichtung (1A) gemäß der siebten Bauform ist mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbau (6, 7) ausgestattet, bei welchem zu­ mindest ein Hydrostatik-Gaslager (6a, 7A) und zumindest ein Magnetlager (6B, 7B) miteinander kombiniert sind. Die Spin­ delvorrichtung (1A) beinhaltet eine Hauptantriebswelle (4), die durch den kombinierten Lageraufbau (6, 7) drehbar ge­ stützt wird, sowie ein Gehäuse (5), in welchem der kombi­ nierte Lageraufbau (6, 7) und die Hauptantriebswelle (4) untergebracht sind, Gleitelemente (47), die im Gehäuse (5) angeordnet und angrenzend an die Hauptantriebswelle (4) po­ sitioniert sind, wobei ein radialer Spalt (d3) zwischen diesen und der Hauptantriebswelle (4) besteht. Der radiale Spalt (d3) ist schmaler als ein Radiallagerspalt (d1), der zwischen dem Hydrostatik-Gaslager (6A, 7A) und dem Magnet­ lager (6B, 7B) besteht, die beide einen jeweiligen Teil des kombinierten Lageraufbaus (6, 7) bilden. Jedes der Gleite­ lemente (47) besteht aus Kohlenstoff oder Graphit.
Selbst wenn eine übermäßige Last auf die Hauptantriebswelle (4) einwirkt und es zwischen der Hauptantriebswelle (4) und einem Element auf der stationären Seite zu einer Berührung kommt, würde ein solcher mechanischer Kontakt bei diesem Aufbau aus einem Kontakt zwischen den Gleitelementen (47) und der Hauptantriebswelle (4) bestehen. Da die Gleitele­ mente aus Kohlenstoff oder Graphit bestehen, ist deren Rei­ bungskoeffizient niedrig. Aus diesem Grunde werden weder die Hauptantriebswelle (4) noch die Lagerflächen (6Aa, 7Aa) und die Gleitelemente (47), die alle in der Spindelvorrich­ tung (1A) eingesetzt werden, durch den vorhergehend be­ schriebenen Kontakt beeinträchtigt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der oben be­ schriebenen siebten Bauform weist das Magnetlager (6B, 7B) des kombinierten Lageraufbaus (6, 7) einen Lagerkern (23) auf, der eine Lagerfläche (6Aa, 7Aa) des Hydrostatik- Gaslagers definiert. Wo die Hydrostatikgaslagerfläche (6Aa, 7Aa) durch den Kern (23) des Magnetlagers (6B, 7B) defi­ niert wird, kann das Lager in seiner Struktur vereinfacht werden, das Material für die Lagerfläche (6Aa, 7Aa) ist je­ doch auf ein ferromagnetisches Metall begrenzt, das norma­ lerweise keine Schmiereigenschaft besitzt, und daher ist es wichtig, jede mögliche Berührung dieses Metalls mit der Hauptantriebswelle (4) zu vermeiden. Aus diesem Grunde kann eine mögliche Beschädigung der Hauptantriebswelle (4) da­ durch wirksam vermieden werden, dass diese auf Gleitelemen­ ten (47) abgestützt wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der siebten Bauform der vorliegenden Erfindung sind die Gleitelemente (47) auf der entsprechenden Seite eines oder einer Gruppe von kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageranordnungen (6, 7) (im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird "Aufbau" syn­ onym mit "Anordnung" verwendet) angrenzend an die entspre­ chenden gegenüberliegenden Enden der Hauptantriebswelle (4) angeordnet. Durch die Positionierung der Gleitelemente (47) an jeweiligen Seiten der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageranordnung(en) (6, 7) angrenzend an die gegen­ überliegenden Enden der Hauptantriebswelle (4), kann die Hauptantriebswelle (4) durch die Gleitelemente (47) sicher abgestützt werden, selbst wenn diese unter dem Einfluß ei­ ner übermäßigen radialen Last zu kippen droht, wodurch eine mögliche direkte Berührung zwischen der Hauptantriebswelle (4) und der Lagerfläche (6Aa, 7Aa) vermieden wird.
Vorzugsweise verfügt das Gleitelement über eine Shore-Härte von mindestens 50, eine Biegefestigkeit von mindestens 400 Kgf/cm2, eine Druckfestigkeit von mindestens 700 Kgf/cm2 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 5 × 10-6. Durch die Verwendung des speziellen Werkstoffs für die Gleitelemente (47), der eine solche Härte, Biegefestigkeit und Druckfestigkeit aufweist, kann eine mögliche Beschädi­ gung der Gleitelemente (47), die durch eine Berührung mit der Hauptantriebswelle (4) entstehen könnte, vorteilhafter­ weise vermieden werden. Die Wahl des Wärmeausdehnungskoef­ fizienten der Gleitelemente (47) innerhalb des oben be­ schriebenen spezifischen Bereichs ist insofern vorteilhaft, als er gleich oder kleiner ist als der Wärmeausdehnungs­ koeffizient eines weichen magnetischen Metalls, wie es im Allgemeinen als Werkstoff für Kerne (23) von Magnetlagern (6B, 7B) des kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus (6, 7) verwendet wird. Deshalb ist die Ausdehnung des In­ nendurchmessers der Gleitelemente (47) infolge der Wärme­ ausdehnung gleich oder kleiner als die der Kerne (23). Selbst bei übermäßiger Lasteinwirkung auf die Hauptan­ triebswelle (4) während eines Temperaturanstiegs, wird die­ se durch die Gleitelemente (47) wirksam gestützt. Es ist zu beachten, dass der als Werkstoff für die Gleitelemente (47) verwendete Kohlenstoff oder Graphit die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt.
Die achte Bauform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr zu deren besserem Verständnis unter Verwendung der in Fig. 22 verwendeten Bezugszeichen beschrieben. Die Spindelvor­ richtung (1C) gemäß der achten Bauform der vorliegenden Er­ findung macht Gebrauch von einer Spindelvorrichtung, beste­ hend aus einer Hauptantriebswelle (4), zumindest einem kom­ binierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau (6, 7), welcher zumindest ein Hydrostatik-Gaslager (6A, 7A) und zumindest ein Magnetlager (6B, 7B) umfaßt, die miteinander kombiniert sind und dem drehbaren Abstützen der Hauptantriebswelle (4) dienen, sowie aus einem Gehäuse (5), in welchem die Hauptantriebswelle (4) und der kombinierte Lageraufbau (6, 7) untergebracht sind.
Die Spindelvorrichtung gemäß der achten Bauform umfaßt ein Temperaturmeßmittel (77) zum Messen der Temperatur des Ge­ häuses (5) und ein mit der Temperaturmessung verbundenes Ausgabemittel (78) zum Empfangen eines festgelegten Ausga­ besignals bezogen auf einen durch das Temperaturmessmittel (77) festgestellten Temperaturwert. Das festgelegte Ausga­ besignal aus dem mit der Temperaturmessung verbundenen Aus­ gabemittel (78) besteht aus zumindest (i) einer Ausgabe aus dem Temperaturmessmittel (77) (das heißt, dem Temperatur­ meßwert), (ii) einem umgewandelten Wert, der durch Umwand­ lung des durch das Temperaturmessmittel (77) gemessenen Temperaturwertes in eine axiale Position eines Endes der Hauptantriebswelle (4) oder eine axiale Position eines am Ende der Hauptantriebswelle (4) fixierten Elements gemäß einer vorbestimmten Wärmeverschiebungsberechnung erhalten wird, und (iii) einem Fehlersignal, welches durch Verglei­ chen des durch das Temperaturmessmittel (77) gemessenen Temperaturwertes oder des umgewandelten Temperaturwertes mit einem vorbestimmten Wert bestimmt wird.
Der oben genannte umgewandelte Wert kann ein beliebiger Wert sein, der als Positionsangabe verwendet werden kann, und beispielsweise kann ein zur tatsächlichen Positionsan­ gabe proportionaler Wert oder ein Wert, der den Betrag der Verschiebung zu einer Bezugsposition darstellt, gleichsam hierfür verwendet werden.
Selbst bei steigender Temperatur der Spindelvorrichtung (1C) infolge einer Wärmeentwicklung, die durch einen Ver­ lust (Ventilationsverlust) des Hydrostatik-Gaslagers her­ vorgerufen wurde, kann entsprechend der oben dargestellten Bauform der Zuführbetrag durch Verwendung des von dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel (78) ausge­ gebenen Temperaturmesswertes sowie durch Verwendung des um­ gewandelten Wertes der axialen Position, welcher gemäß der Wärmeverschiebungsberechnung umgerechnet wurde, kompensiert werden, wodurch eine hochgenaue Bearbeitung des Werkstücks erfolgen kann. Falls es sich bei der Meldung aus dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel (78) um ein Fehlersignal handelt, kann durch Erkennen dieses Signals außerhalb der Spindelsteuerung zum Zeitpunkt des Auftretens dieses Fehlers in der Spindelvorrichtung, wie beispielswei­ se ein übermäßiger Temperaturanstieg des Gehäuses, eine ge­ eignete Maßnahme, wie zum Beispiel das sofortige Anhalten der Spindelvorrichtung (1C), rasch ergriffen werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der achten Bauform der vorliegenden Erfindung ist die Hauptantriebs­ welle (4) aus einem Werkstoff hergestellt, der einen nied­ rigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die axiale Position des Endes der Hauptantriebswelle (4) oder das Glied (Element) (11), wie beispielsweise das an der Spitze der Hauptantriebswelle angebrachte Bearbeitungswerkzeug, steht in Zusammenhang mit der Wärmeausdehnung des Gehäuses (5) als auch der der Hauptantriebswelle (4). Da die Hauptantriebswelle (4) jedoch mit hoher Geschwindigkeit an­ getrieben wird, ist es schwierig, eine Temperaturmessung vorzunehmen. Aus diesem Grunde wird für die Hauptantriebs­ welle (4) ein Werkstoff mit einem niedrigen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten verwendet, während eine Verschiebung der Position des Endes der Hauptantriebswelle (4) oder des an der Spitze der Hauptantriebswelle (4) angebrachten Gliedes (11) infolge der Wärmeausdehnung durch eine Messung der Temperatur des Gehäuses (5) kompensiert wird. Hierdurch kann eine exakte Kompensation der Wärmeausdehnung auf ein­ fache Weise durchgeführt werden, wodurch eine hochgenaue Bearbeitung realisiert werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der achten Bauform wird ein externes Ausgabemittel (87) eingesetzt, welches das vorbestimmte Ausgabesignal aus dem mit der Tem­ peraturmessung verbundenen Ausgabemittel (78) an einen Punkt außerhalb der Spindelvorrichtung (1C) ausgibt. Das Vorsehen des externen Ausgabemittels (87) ermöglicht in dieser Weise, dass die numerische Steuerungseinrichtung (14) oder ein anderes beliebiges Informationsverarbeitungs­ mittel, welches in dem mit der Spindelvorrichtung (1C) aus­ gerüsteten Bearbeitungsgerät (13) eingesetzt wird, den Aus­ gabewert liefert, mit welchem die durch Wärme erfolgte Ver­ schiebung der Spindelposition kompensiert wird, und dass dies zum Zeitpunkt des Auftretens der abnormalen Temperatur auf einfache Weise durchgeführt werden kann.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der ach­ ten Bauform der vorliegenden Erfindung ist das externe Aus­ gabemittel (87) über eine Verbindungsleitung (59) mit der Außenseite der Spindelvorrichtung (1C) kommunikationsfähig.
Dadurch, dass das externe Ausgabemittel mit der Außenseite der Spindelvorrichtung über eine Verbindungsleitung (59) in Verbindung steht, kann das Fern- Informationsverarbeitungsmittel, welches an einem entfern­ ten Ort installiert wird, um den Zustand der durch Wärme­ ausdehnung erfolgten Verschiebung der Spindelvorrichtung (1C) zu überwachen, einen geeigneten Befehl erteilen und eine statistische Verarbeitung durchführen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der ach­ ten Bauform der vorliegenden Erfindung gibt das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel (78) ein digita­ les Signal aus. Dadurch, dass das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel (78) das digitale Signal ausgeben kann, kann dieses Signal einfach gehandhabt werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der ach­ ten Bauform der vorliegenden Erfindung wird ein Schreibmit­ tel (80) verwendet, wodurch der Temperaturwert, welcher von dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel (78) ausgegeben wird, oder eine Ausgabe des umgewandelten Wertes aus dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausga­ bemittel (78), eingegeben und in einem Speichermittel (79) gespeichert wird.
Sofern das Schreibmittel (80) und das Speichermittel (79) verwendet werden, kann ein Anzeigemittel (81) zur Ausgabe von Daten eingesetzt werden, die im Speichermittel (79) ge­ speichert sind und als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelvorrichtung (1C) gegebenen Befehl von dem Speicher­ mittel (79) ausgegeben werden. Dadurch, dass die gespei­ cherten Daten als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelvorrichtung erteilten Befehl ausgegeben werden, kön­ nen die gespeicherten Daten des Speichermittels (79) auf einfache Weise gehandhabt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der achten Bauform der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlungsmittel (73) zur Kühlung des Gehäuses (5) verwendet, in welchem die Hauptan­ triebswelle (4) installiert ist, sowie ein Kühlungssteue­ rungsmittel (82) zur Steuerung einer Kühlung des Kühlungs­ mittels (73) als Reaktion auf die Ausgabe des mit der Tem­ peraturmessung verbundenen Ausgabemittels (78). Dadurch, dass das Kühlungsmittel (73) mit der Ausgabe gesteuert wird, die mit dem Ergebnis der Temperaturmessung verbunden ist, kann das Gehäuse (5) auf einfache Weise ausreichend gekühlt werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der ach­ ten Bauform der vorliegenden Erfindung, wird ein Spindelpo­ sitioniermechanismus (54) zur Bewegung des Gehäuses (5) mit der darin untergebrachten Hauptantriebswelle (4) in axialer Richtung zur Hauptantriebswelle (4) verwendet. Ein Tempera­ turkompensationsmittel (83) wird ferner eingesetzt, um den Spindelpositioniermechanismus (54) entsprechend des Tempe­ raturwertes oder des von dem mit der Temperaturmessung ver­ bundenen Ausgabemittel (78) ausgegebenen, umgewandelten Wertes zu steuern. Sofern der Spindelpositioniermechanismus (54) auf diese Weise eingesetzt wird, und ermöglicht durch die Temperaturkompensationssteuerung der Spindelposition bezogen auf den Temperaturmesswert oder dessen umgerechne­ ten Wert, kann das Werkstück hochgenau bearbeitet werden.
Die neunte Bauform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine Formbearbeitungseinrichtung("mold machining appa­ ratus"), bei der die Spindelvorrichtung entsprechend der vorhergehend beschriebenen ersten Bauform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die zehnte Bauform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine Formbearbeitungseinrichtung, bei der die Spindel­ vorrichtung entsprechend der vorhergehend beschriebenen zweiten Bauform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die elfte Bauform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine Formbearbeitungseinrichtung, bei der die Spindel­ vorrichtung entsprechend der vorhergehend beschriebenen vierten Bauform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die zwölfte Bauform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine Formbearbeitungseinrichtung, bei der die Spindel­ vorrichtung entsprechend der vorhergehend beschriebenen siebten Bauform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Bei der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele einer der neunten bis zwölften Bauformen der vorliegenden Erfin­ dung werden zu deren besserem Verständnis die in Fig. 26 dargestellten Bezugszeichen verwendet. Die Spindelantriebs­ quelle (19) zum Antreiben der Hauptantriebswelle (4) wird vorzugsweise in Form eines Motors eingesetzt, der im Gehäu­ se (5) eingebaut ist, in welchem die Hauptantriebswelle (4) drehbar installiert ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer der neunten und zehnten Bauform der vorliegenden Erfindung wird ein Kommunikationsmittel (58) zur Übermittlung des durch das Zustandsbestimmungsmittel (19) bestimmten Bearbeitungszu­ stands über eine Verbindungsleitung (59) an einen entfernt gelegenen Ort verwendet. Da die Spindelvorrichtung über ei­ ne Verbindungsleitung (59) kommunikationsfähig ist, kann nicht nur der Bearbeitungszustand, wie beispielsweise die auf das Bearbeitungswerkzeug einwirkende Last, an einem entfernt gelegenen Ort bestimmt werden, sondern es können, entsprechend diesem Merkmal, auch mehrere Spindelvorrich­ tungen in den Formbearbeitungseinrichtungen an entfernt ge­ legenen Orten intensiv kontrolliert und überwacht werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel einer der elften und zwölften Bauform der vorliegenden Erfindung, die mit Hilfe der in den Fig. 27 und 28 verwendeten Bezugs­ zeichen beschrieben wird, wird ein Kommunikationsmittel (58) zur Übermittlung der Ausgabe des mit der Temperatur­ messung verbundenen Ausgabemittels (78) über eine Verbin­ dungsleitung (59) an einen entfernt gelegenen Ort verwen­ det. Auf diese Weise kann der aus der Temperatur des Gehäu­ ses (5) resultierende Wärmeverschiebungszustand und dessen Temperaturänderung an einem entfernt gelegenen Ort erfasst werden, wodurch eine intensive Steuerung aus der Entfernung möglich ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegen­ den Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den bei­ gefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungsbei­ spiele und Zeichnungen dienen jedoch lediglich dem Zweck der Darstellung und Erklärung und sind in keiner Weise als einschränkend in Bezug auf den Umfang der vorliegenden Er­ findung zu betrachten, der durch die angefügten Patentan­ sprüche bestimmt wird. In den beigefügten Zeichnungen wer­ den in sämtlichen Ansichten gleiche Teile mit gleichen Be­ zugsziffern bezeichnet, in welchen
Fig. 1 ein Blockdiagramm darstellt, in welchem eine prin­ zipielle Konfiguration einer Spindelvorrichtung mit Hydro­ statik-Gasmagnetlager nach einem ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt der in Fig. 1 dargestellten Spindelvorrichtung;
Fig. 3 ist ein Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten Spindelvorrichtung;
Fig. 4 ist ein Längsschnitt in vergrößertem Maßstab eines kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus einer radia­ len Bauart;
Fig. 5 ist ein Längsschnitt in vergrößertem Maßstab eines kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus einer axia­ len Bauart;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform einer numerischen Steuerungseinrichtung;
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel des Steue­ rungsablaufs eines Magnetlagers im kombinierten Hydrosta­ tik-Gasmagnetlageraufbau darstellt;
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer prinzipiellen Bauweise eines Zustandsbestimmungsmittels;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer abgeänderten Form des Zustandsbestimmungsmittels;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer weiter abgeänderten Form des Zustandsbestimmungsmittels;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer noch weiter abgeänder­ ten Form des Zustandsbestimmungsmittels;
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung eines Beispiels der Bestimmung des Bearbeitungszustands mit Hilfe einer Stromglättungstechnik;
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Beispiels der Bestimmung des Bearbeitungszustands mit Hilfe einer Frequenzanalyse;
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm einer Spindelsteuerung und zeigt eine unterschiedliche Anordnung eines auf externe Be­ fehle reagierenden EIN-AUS-Schaltmittels;
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm einer Spindelsteuerung und zeigt eine weiter unterschiedliche Anordnung eines auf ex­ terne Befehle reagierenden EIN-AUS-Schaltmittels;
Fig. 16 ist eine Vorderansicht eines mit einem kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau ausgerüsteten Bearbei­ tungswerkzeuges;
Fig. 17 ist eine Draufsicht eines bei dem in Fig. 16 dar­ gestellten Bearbeitungswerkzeugs verwendeten Tisches;
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform der Spindelvorrichtung unter Verwendung des kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus mit der Möglich­ keit einer Fernsteuerung bzw.
Fig. 19 ist ein Längsschnitt der Spindelvorrichtung nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 20 ist ein Längsschnitt in vergrößertem Maßstab des in der in Fig. 19 dargestellten Spindelvorrichtung einge­ setzten kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus der radialen Bauart;
Fig. 21 ist ein Längsschnitt der Spindelvorrichtung nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung;
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform der Spindelvorrichtung nach einem vierten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 23 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform der Spindelvorrichtung nach einem fünften bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 24 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform eines mit der in Fig. 23 dargestellten Spindelvor­ richtung verbundenen Kommunikationssystems;
Fig. 25 ist ein Längsschnitt eines Hauptkörpers der Spin­ delvorrichtung nach einem sechsten bevorzugten Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 26 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform der in einem Formbearbeitungswerkzeug nach einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Spindelvorrichtung;
Fig. 27 ist ein Blockdiagramm eines in der Spindelvorrich­ tung des Formbearbeitungswerkzeugs verwendeten Temperatur­ messungs-Ausgabemittels;
Fig. 28 ist ein Blockdiagramm einer konzeptionellen Bauform der eine abgeänderte Form des Temperaturmessungs- Ausgabemittels verwendenden Spindelvorrichtung; und
Fig. 29 ist ein schematischer Längsschnitt einer Spindel­ vorrichtung nach dem Stande der Technik.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden zunächst mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm mit ei­ ner konzeptionellen Bauform einer Spindelvorrichtung unter Verwendung eines kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus ("combined externally pressurized gas-magnetic bearing assembly") entsprechend eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin­ dung. Zunächst folgt die allgemeine Beschreibung der Spin­ delvorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Spindelvorrichtung 1 umfaßt ei­ nen Hauptkörper 2 und eine Spindelsteuerung (Controller) 3. Der Hauptkörper 2 der Spindelvorrichtung beinhaltet ein Ge­ häuse 5, mehrere kombinierte Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 und 7 radialer Bauart, mehrere kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 8 und 9 axialer Bauart, eine sich in das Gehäuse 5 erstreckende und durch die radialen und axialen kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 drehbar gehaltene Hauptan­ triebswelle 4 sowie eine in dem Gehäuse 5 untergebrachte Spindelantriebsquelle 10. Jeder der kombinierten Hydrosta­ tik-Gasmagnetradial-lageraufbauten 6 oder 7 ist so konzi­ piert, dass ein Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A und ein Ma­ gnetlager 6B oder 7B miteinander kombiniert sind, während jeder der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 oder 9 so konzipiert sind, dass ein Hydrostatik-Gaslager 8A oder 9A und ein Magnetla­ ger 8B oder 9B miteinander kombiniert sind. Jedes dieser radialen und axialen, kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 wird durch eine Spindel­ steuerung 3 gesteuert. Die Hauptantriebswelle 4 verfügt über ein aus dem Gehäuse 5 herausragendes freies Ende und beinhaltet ein zur gemeinsamen Drehung mit der Hauptan­ triebswelle 4 auf deren freies Ende montiertes Spannfutter 12, welches zum Einspannen eines Werkzeuges 11 dient. Ein mit der Spindelvorrichtung der oben beschriebenen Bauform ausgerüstetes Bearbeitungswerkzeug 13 wird durch eine nume­ rische Steuerungseinrichtung 14 gesteuert.
Die Spindelsteuerung 3 beinhaltet Stromerkennungsmittel 15 bis 18, die jeweils einen an das entsprechende Magnetlager 6B bis 9B gelieferten Erregerstrom detektieren bzw. erfas­ sen, welche Magnetlager einen Teil der entsprechenden kom­ binierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 bil­ den, sowie ein Status- bzw. Zustandsbestimmungsmittel 19 zur Bestimmung des Bearbeitungszustandes des Werkzeugs 11 bezogen auf die durch die Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkannten Erregerströme. Die Spindelsteuerung 3 beinhaltet außerdem ein auf externe Befehle reagierendes EIN-AUS- Schaltmittel 20, welches auf externe Befehle der numeri­ schen Steuerungseinrichtung 14 und anderer reagiert, zum Ein- und Ausschalten der Erregung der Magnetlager 6B bis 9B.
Der Hauptkörper 2 der Spindelvorrichtung 1 wird nunmehr insbesondere unter Bezug auf die Fig. 2 bis 5 beschrie­ ben. Die Spindelvorrichtung 1 ist eine Spindelvorrichtung der Bauart mit eingebautem Motor für das Bearbeitungswerk­ zeug 13, und die Spindelantriebsquelle 10 ist zusammen mit den kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 innerhalb des Gehäuses 5 angeordnet. Die in diesem einge­ bauten Motor enthaltene Spindelantriebsquelle 10 enthält, wie in Fig. 2 dargestellt, einen an die Hauptantriebswelle 4 zur gemeinsamen Drehung mit dieser angebauten Rotor 21, und einen an dem Gehäuse 5 so fixierten Ständer (Stator) 22, dass dieser den Rotor 21 umgibt. Das Gehäuse 5 weist im Allgemeinen eine zylindrische Form auf. Es ist zu beachten, dass die Spindelantriebsquelle 10, ohne als Einbauteil kon­ zipiert zu sein, außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet und antriebsmäßig mit der Hauptantriebswelle 4 durch einen be­ liebigen geeigneten Antriebsübertragungsmechanismus gekop­ pelt werden kann.
Während vordere und hintere Endabschnitte der Hauptan­ triebswelle 4 angrenzend an bzw. entfernt von dem Werkzeug 11 durch die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlager­ aufbauten 6 und 7 drehbar gestützt werden, wobei ein Zwi­ schenabschnitt der Hauptantriebswelle 4 durch die kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9 drehbar gehalten wird, ist in dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die Spindelantriebsquelle 10 angrenzend an ein hinteres Ende der Hauptantriebswelle 4 angeordnet. An­ stelle der Anordnung der Spindelantriebsquelle 10 angren­ zend an das hintere Ende der Hauptantriebswelle 4, kann die Spindelantriebsquelle 10 jedoch auch zwischen den kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 angeordnet werden, und in einem solchen Falle können die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9 an einer beliebigen Stelle der Hauptantriebswelle 4 ange­ ordnet werden. Es ist zu beachten, dass die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9 in einer beliebigen bekannten Bauart vorgesehen werden können, so­ lange es sich um berührungslose Lager handelt, und anstelle der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten kann ein einzelnes Magnetlager oder ein Hydrostatik-Gaslager verwendet werden.
Die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 sind in ihrem Aufbau identisch und deshalb wird nur einer von ihnen, beispielsweise das kombinierte Hydrosta­ tik-Gasmagnetradiallager 6 nunmehr mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben, welche in einem vergrößerten Maß­ stab einen Querschnitt bzw. einen Längsschnitt dieses Auf­ baus darstellen. Jedes der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 ist, wie vorhergehend beschrieben, so konzipiert, dass das Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A und das Magnetlager 6B oder 7B miteinander kom­ biniert sind. Der in Verbindung mit den jeweiligen kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 verwen­ dete Begriff soll bedeuten, dass einige der Bauteile des Hydrostatik-Gaslagers mit dem zugehörigen Ma­ gnetlager geteilt und gleichzeitig als dessen Bestandteile dienen und umgekehrt. Das Hydrostatik-Gaslager und das zu­ gehörige Magnetlager können beispielsweise gemeinsame La­ gerflächen aufweisen (oder axial überlappende Abschnitte im Falle des Radiallagers) oder das Hydrostatik-Gaslager und das dazugehörige Magnetlager weisen zumindest einen Ab­ schnitt der Lagerflächen auf, der von beiden geteilt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Magnet­ lager 6B oder 7B, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Vielzahl von Elektromagnetkernen 23 auf, die jeweils darin definierte Aufnahmen 24a für das zugehörige Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A aufweisen, so dass das Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A und das zugehörige Magnetlager 6B oder 7B gemeinsame Be­ standteile aufweisen und Abschnitte deren Lagerflächen sich axial zur Hauptantriebswelle 4 überlappen. Der Kern 23 bil­ det einen Abschnitt der jeweiligen Hydrostatik- Gaslagerflächen 6Aa und 7Aa. Jeder der Elektromagnetkerne 23 beinhaltet ein Paar Hauptkernabschnitte 23a und 23a, die mit einem Zwischenraum axial zur Hauptantriebswelle 4 ange­ ordnet sind, und axiale Fortsätze 23c und 23c erstrecken sich von den jeweiligen Hauptkernabschnitten 23a und 23a axial nach innen, so dass der jeweilige Elektromagnetkern 23 einen im Allgemeinen C-förmigen Längsschnitt aufweist. Eine innere Umfangsfläche jedes Hauptkernabschnitts 23a und eine innere Umfangsfläche des jeweiligen axialen Fortsatzes 23c bilden eine zylindrische Fläche, die mit der Hauptan­ triebswelle 4 kooperiert und zwischen diesen einen vorbe­ stimmten magnetischen Spalt definiert. Das Magnetlager 6B oder 7B ist so konzipiert, dass eine Spule 25 um einen ver­ bindenden Kernabschnitt 23b des entsprechenden Elektroma­ gnetkerns 23 gebildet wird, wobei die Spule 25 in einem, beispielsweise aus einem Kunstharz bestehenden, nicht­ magnetischen Körper 26 eingebettet ist.
Das Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A beinhaltet die Hydro­ statik-Gaslagerfläche 6Aa oder 7Aa, die durch entsprechende Innenumfangsflächen des jeweiligen Elektromagnetkerns 23 und des nicht-magnetischen Körpers 26 gebildet wird und mit der Hauptantriebswelle 4 zusammenwirkt, um einen Lagerspalt d1 zwischen der Lagerfläche 6Aa oder 7Aa und der Umfangs­ fläche der Hauptantriebswelle 4 zu definieren, sowie eine Aufnahme (Mündung) 24a, die in jedem der Hauptkörper 23a und 23a des jeweiligen Elektromagnetkerns 23 definiert ist und sich an der Hydrostatik-Gaslagerfläche 6Aa oder 7Aa öffnet. Die Mündung 24a ist an einem Ende eines Gaszuführ­ durchgangs 24 definiert, der sich an einer äußeren Umfangs­ fläche der jeweiligen Hauptkernabschnitte 23a und 23a öff­ net.
Wie in dem Querschnitt in Fig. 3 dargestellt, sind die Elektromagnetkerne 23 an mehreren, beispielsweise vier, Stellen entlang des Umfangs der Hauptantriebswelle 4 ange­ ordnet und an dem Gehäuse 5 befestigt. Ein Raum zwischen den benachbarten Elektromagnetkernen 23 ist mit einem nicht-magnetischen Körper 27, beispielsweise aus Kunstharz, gefüllt. Dieser nicht-magnetische Körper 27 kann ein we­ sentlicher Bestandteil des nicht-magnetischen Körpers 26 (Fig. 4) sein, welcher um die Spule 25 gefüllt ist. Diese nicht-magnetischen Körper 26 und 27 und die Elektromagnet­ kerne 23 kooperieren miteinander und definieren die Hydro­ statik-Gasmagnetlagerfläche 6Aa oder 7Aa.
Jedes der Magnetlager 6B und 7B beinhaltet ein Verschie­ bungserkennungsmittel 28 zur Erkennung einer Verschiebung des magnetischen Spalts zwischen der Hauptantriebswelle 4 und dem zugehörigen Elektromagnetkern 23. Dieses Verschie­ bungserkennungsmittel 28 kann so konzipiert sein, dass es den Betrag der Verschiebung des magnetischen Spalts direkt erkennt, in der dargestellten Ausführungsform wird das Ver­ schiebungserkennungsmittel 28 jedoch verwendet, um den sta­ tischen Druck in dem entsprechenden Spalt d1 des Hydrosta­ tik-Gaslagers zu erkennen, der in den Betrag der Verschie­ bung umgewandelt wird und somit eine Erkennung der Ver­ schiebung des zugehörigen magnetischen Spalts erreicht wird. Das Verschiebungserkennungsmittel 28 besteht insbe­ sondere aus einem Druckerkennungsdurchgang 28a, der sich an einem Ende an dem entsprechenden Hydrostatik-Gaslagerspalt d1 öffnet und mit diesem in Verbindung steht, sowie aus ei­ nem Sensor 28b, der mit dem Druckerkennungsdurchgang 28a in Verbindung steht. Der Sensor 28b für das jeweilige Ver­ schiebungserkennungsmittel 28 ist, wie am besten in Fig. 2 dargestellt, axial in einem Abstand zum zugehörigen Elek­ tromagnetkern 23 angeordnet. Der Druckerkennungsdurchgang 28a für das jeweilige Verschiebungserkennungsmittel 28 ist in Form eines dünnen Rohres oder einer dünnen Röhre vorge­ sehen und steht mit dem Hydrostatik-Gaslagerspalt d1 über eine Öffnung in Verbindung, die in dem nicht-magnetischen Körper 26 zwischen den axialen Fortsätzen 23c und 23c defi­ niert ist. Obwohl in Fig. 3 die Positionen der jeweiligen Öffnung jeder Mündung 24a und die jeweiligen Druckerken­ nungsdurchgänge 28a zur Verdeutlichung so dargestellt sind, als wären sie zueinander verschoben, sind beide in der Pra­ xis in Umfangsrichtung an derselben Stelle angeordnet.
Fig. 5 zeigt in einem vergrößerten Maßstab die kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9. Diese kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9 sind in Arbeitsposition innerhalb des Gehäuses 5 an je­ weiligen Seiten eines radial nach außen ragenden Kranzes 4a angeordnet, der in einem Stück mit der Hauptantriebswelle 4 gebildet ist und insgesamt eine einzelne und doppelseitige axiale Bauart eines Hydrostatik-Gaslagerkomplexes 30 bil­ det. Diese kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetaxial­ lageraufbauten 8 und 9 sind in ihrer Bauform identisch, wo­ bei jeder so konzipiert ist, dass das Hydrostatik-Gaslager 8A oder 9A und das zugehörige Magnetlager 8B oder 9B mit­ einander kombiniert sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes der Magnetlager 8B und 9B mehrere Elektromagnetkerne 33 auf, die jeweils für die zugehörigen Hydrostatik-Gaslager 8A oder 9A über darin definierte Mündungen 34a verfügen, so dass das Hydrostatik-Gaslager 8A oder 9A und das zugehörige Magnetlager 8B oder 9B über gemeinsame Bauteile verfügen und außerdem Lagerflächen aufweisen, die sich axial zur Hauptantriebswelle 4 überlappen. Jeder der Elektromagnet­ kerne 33 weist einen im Allgemeinen C-förmigen Längsschnitt auf und verfügt über eine darin definierte Öffnung 33d ge­ genüber dem mit der Hauptantriebswelle 4 in einem Stück ge­ formten Kranz 4a und verfügt außerdem über eine darin un­ tergebrachte Spule 35. Die Öffnung 33d ist mit einem nicht­ magnetischen Körper gefüllt. Obwohl im dargestellten Aus­ führungsbeispiel jeder der Elektromagnetkerne 33 aus einem im Allgemeinen L-förmigen inneren Kernabschnitt 33a und ei­ nem äußeren Kernabschnitt 23b zusammengesetzt ist, können beide in einem Stück mit dem jeweiligen Elektromagnetkern 33 gebildet sein. Ein Abstandhalter ("Spacer") 29 ist an einer zum Kranz 4a entfernten Seite der jeweiligen Elektro­ magnetkerne 33 angeordnet und wird mit diesen in Berührung stehend gehalten.
Jedes der Hydrostatik-Gasaxiallager 8B und 9B beinhaltet eine Hydrostatik-Gaslagerfläche 8Aa oder 9Aa, die durch Stirnseiten der Elektromagnetkerne 33 so definiert werden, dass ein Lagerspalt d2 in Kooperation mit dem in einem Stück mit der Hauptantriebswelle 4 geformten Kranz 4a defi­ niert wird, sowie eine Mündung 34a, die in dem entsprechen­ den Elektromagnetkern 33 so definiert ist, dass sie sich an der Hydrostatik-Gaslagerfläche 8Aa oder 9Aa öffnet. Die Mündung 34a ist an einer Spitze eines Gaszuführdurchgangs 34 gebildet, der sich an einer äußeren Umfangsfläche des entsprechenden Elektromagnetkerns 33 öffnet.
Jedes der magnetischen Axiallager 8B und 9B beinhaltet ein Verschiebungserkennungsmittel 38 zur Erkennung einer Ver­ schiebung des magnetischen Spalts zwischen dem Kranz 4a der Hauptantriebswelle und dem zugehörigen Elektromagnetkern 33. Auch dieses Verschiebungserkennungsmittel 38 kann so konzipiert sein, dass es den Betrag der Verschiebung des magnetischen Spalts direkt erkennt, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Verschiebungserkennungsmittel 38 jedoch verwendet, um den statischen Druck im entspre­ chenden Hydrostatik-Gaslagerspalt d2 zu erkennen, der in den Betrag der Verschiebung umgewandelt wird, und um hier­ durch eine Erkennung der Verschiebung des zugehörigen ma­ gnetischen Spaltes zu erreichen. Das Verschiebungserken­ nungsmittel 38 ist aus einem Druckerkennungsdurchgang 38a, der sich an einem Ende an dem entsprechenden Hydrostatik- Gaslagerspalt d2 öffnet und mit diesem in Verbindung steht, sowie einem mit dem Druckerkennungsdurchgang 38a in Verbin­ dung stehenden Sensor 38b (Fig. 2) zusammengesetzt.
Druckluft oder ein beliebiges geeignetes Druckgas wird den Gaszuführdurchgängen 24 und 34 der Hydrostatik-Gaslager 6A bis 9A der jeweiligen kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 durch einen Gaseinlass 40a über einen in dem Gehäuse 5 definierten Gaszuführdurchgang 40 (Fig. 2) zugeführt.
Nachfolgend wird ein Steuerungssystem beschrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Spindelsteuerung 3 eine Hauptsteuerungseinheit 3a, die eine elektrische Energie­ quelle 41, einen elektromagnetischen Leistungskreis 42 und ein Steuerungsmittel 43 beinhaltet. Der elektromagnetische Leistungskreis 42 dient zur Einspeisung eines von der elek­ trischen Leistungsquelle 41 gelieferten elektrischen Stroms als Erregerstrom, der den Magnetlagern 6B bis 9B der kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 einge­ speist wird, während er durch das Steuerungsmittel 43 ge­ steuert wird, und kann aus einer Stromverstärkerschaltung oder dergleichen bestehen. Das Steuerungsmittel 43 dient der Steuerung des an die Magnetlager 6B bis 9B zu liefern­ den Erregerstroms, so dass die Verschiebung der Hauptan­ triebswelle 4 auf einen vorbestimmten Wert (Sollwert) ent­ sprechend der Werte wieder hergestellt werden kann, die durch das Verschiebungserkennungsmittel 28 und 38 in den kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 erfaßt worden sind. Insbesondere erzeugt dieses Steuerungs­ mittel 43 einen Steuerbefehl für den Erregerstrom; dies er­ folgt gemäß eines Berechnungsergebnisses der von dem Ver­ schiebungserkennungsmittel 28 und 38 festgestellten Werte, was durch eine Integralschaltung bzw. eine Proportional- Integral-Schaltung ausgeführt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spindel­ steuerung 3 der vorhergehend beschriebenen grundsätzlichen Bauart nicht nur mit dem Stromerkennungsmittel 15 bis 18, einem Zustandsbestimmungsmittel 19 und dem auf externe Be­ fehle reagierenden EIN-AUS-Schaltmittel 20 ausgestattet, sondern auch mit einem externen Ausgabemittel 44. Die nume­ rische Steuerungseinrichtung 14 ist mit einem Befehlserzeu­ gungsmittel 45 zur Ein- und Ausschaltung der Stromführung ausgestattet sowie mit einem Bearbeitungszustandausgleichs­ mittel 46. Jedes der Stromerkennungsmittel 15 bis 18 kann, beispielsweise, in Form eines Stromdetektors eingesetzt werden.
Wie in Fig. 6 dargestellt, beinhaltet die numerische Steuerungseinrichtung 14 eine numerische Steuerungsfunkti­ onseinheit 14a und eine programmierbare Steuerungsfunkti­ onseinheit 14b. Die numerische Steuerungsfunktionseinheit 14a dient nicht nur der Codierung eines Bearbeitungspro­ gramms 50 zur Durchführung einer numerischen Steuerung ver­ schiedener Wellen eines Bearbeitungsmechanismus 13a, son­ dern auch dazu, der programmierbaren Steuerungsfunktions­ einheit 14b einen in dem Bearbeitungsprogramm 50 beschrie­ benen Ablaufbefehl zu übermitteln. Die programmierbare Steuerungsfunktionseinheit 14b dient als ein Mittel zur Durchführung einer Ablaufsteuerung des Bearbeitungsmecha­ nismus 13a nach einem vorbestimmten Ablaufprogramm und ist mit dem Befehlserzeugungsmittel 45 zur Ein- und Ausschal­ tung der Stromführung sowie mit dem Bearbeitungszustandaus­ gleichsmittel 46, auf die vorher Bezug genommen wurde, ver­ sehen.
Fig. 8 stellt eine konzeptionelle Grundkonfiguration des Zustandsbestimmungsmittels 19 dar. Das Zustandsbestimmungs­ mittel 19 dient als ein Mittel zur Bestimmung des Bearbei­ tungszustands des Werkzeugs 11 in Bezug auf Stromwerte, die jeweils durch die Stromerkennungsmittel 15 bis 18, wie vor­ hergehend beschrieben, erfaßt worden sind, und gibt ein Er­ gebnis an das Bearbeitungszustandausgleichsmittel ("machining status counter processing means") 46 der nume­ rischen Steuerungseinrichtung 14. Das durch das Zustandsbe­ stimmungsmittel 19 abgegebene Ergebnis kann durch die er­ kannten Stromwerte selbst dargestellt werden, oder kann auch ein Ergebnis aus einem Vergleich des erkannten Strom­ wertes mit einem festgelegten Wert, die erkannten Stromwer­ te, welche einer festgelegten Berechnung unterzogen wurden, sowie durch ein Ergebnis aus einem Vergleich des Berech­ nungsergebnisses mit einem festgelegten Wert dargestellt werden. Sofern das Steuerungsmittel 43 in der Lage ist, den Erregerstrom entsprechend der Werte zu steuern, die durch das Verschiebungserkennungsmittel 28 und 38, wie vorherge­ hend beschrieben, erkannt worden sind und die nachfolgend durch das Integralsystem oder das Proportional-Integral- System berechnet worden sind, sollte das Zustandsbestim­ mungsmittel 19 in der Lage sein, die erkannten Stromwerte selbst in eine statische Last der Hauptantriebswelle 4 um­ zuwandeln.
Obwohl dieses Zustandsbestimmungsmittel 19 so konzipiert ist, dass es in der Lage ist, das Ergebnis der Bestimmung des Bearbeitungszustands für die jeweiligen Stromwerte, die durch das Stromerkennungsmittel 15 und 18 erkannt worden sind, auszugeben, kann das Zustandsbestimmungsmittel 19, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, so konzipiert sein, dass es in der Lage ist, das Er­ gebnis der Bestimmung des Bearbeitungszustands durch eine umfassende Bestimmung der Stromwerte auszugeben, die ent­ sprechend durch die mehrfachen Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkannt worden sind, oder es kann von einer Bauart sein, die in der Lage ist, den Bearbeitungszustand in 58845 00070 552 001000280000000200012000285915873400040 0002010013277 00004 58726Bezug auf einen oder mehrere Stromwerte zu bestimmen, die jeweils durch das Stromdetektor- bzw. Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkannt worden sind.
In Fig. 9 wird ein spezifisches Beispiel des Zustandsbe­ stimmungsmittels 19 dargestellt. In diesem Beispiel bein­ haltet das Zustandsbestimmungsmittel 19 eine Stromglät­ tungseinheit 19a zur Glättung der durch das jeweilige Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkannten Stromwerte und eine Zustandsbestimmungseinheit 19b zur Umwandlung eines durch die Stromglättungseinheit 19a ausgegebenen geglätte­ ten Wertes in die statische Last der Hauptantriebswelle 4 und zur nachfolgenden Bestimmung des Bearbeitungszustands in Bezug auf ein Ergebnis der Umwandlung in die statische Last. Die Zustandsbestimmungseinheit 19b kann insbesondere von einer Bauart sein, die in der Lage ist, die auf diese Weise umgewandelte statische Last der Hauptantriebswelle 4 mit einem vorbestimmten Wert zu vergleichen und, falls die umgewandelte statische Last den vorbestimmten Wert über­ schreitet, ein Fehlersignal auszugeben.
Fig. 12 stellt ein Beispiel des Betriebsablaufs der Zu­ standsbestimmungseinheit 19b dar. Die statische Last der Hauptantriebswelle 4 nimmt, wie durch die Kurve a darge­ stellt, einen konstanten Wert an, vorausgesetzt, dass ein vorbestimmter Bearbeitungsbetrieb kontinuierlich fortge­ setzt wird. Falls der Verschleiß des Werkzeuges 11 fort­ schreitet oder das Werkzeug 11 beschädigt wird, wird die statische Last der Hauptantriebswelle 4 instabil, wie durch eine Kurve b bzw. eine Kurve c dargestellt wird. Angesichts dieser Tatsache wird der vorbestimmte Wert, mit welchem die statische Last der Hauptantriebswelle 4 verglichen wird, durch einen Toleranzbereich innerhalb der oberen und unte­ ren Grenze dargestellt, wie durch einen schraffierten Be­ reich in Fig. 2 angedeutet, so dass, solange die statische Last der Hauptantriebswelle 4 innerhalb dieses Toleranzbe­ reiches liegt, das Werkzeug 11 als normal eingestuft wird, sobald der Toleranzbereich jedoch überschritten wird, wie dies durch die Kurven b oder c dargestellt wird, wird das Werkzeug als abnorm eingestuft, und deshalb wird das Feh­ lersignal als das Ergebnis der Bestimmung des Bearbeitungs­ zustands ausgegeben. Es ist zu beachten, dass die Bezeich­ nung ausgegebene geglättete Wert wird in die statische Last der Hauptantriebswelle die Umwandlung in Lasteinheiten und die Umwandlung des ausgegebenen geglätte­ ten Wertes in Form des Stromwertes oder anderer Werte in einen Wert umfassen soll, der mit dem vorbestimmten Wert, wie die Last, leicht verglichen werden kann.
Fig. 10 stellt ein weiteres spezifisches Beispiel des Zu­ standsbestimmungsmittels 19 dar. Bei diesem Beispiel bein­ haltet das Zustandsbestimmungsmittel 19 einen Frequenzana­ lysator 19c zur Auswertung der Frequenz des durch das je­ weilige Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkannten Stromwer­ tes, sowie eine Zustandsbestimmungseinheit 19d zur Bestim­ mung des Bearbeitungszustandes in Bezug auf die Amplitude der jeweiligen Frequenzkomponenten während der Bearbeitung, die von dem Frequenzanalysator 19c ausgegeben werden.
Fig. 13 stellt ein Beispiel eines Betriebsablaufs der Zu­ standsbestimmungseinheit 19c dar. Solange die vorbestimmte Bearbeitung konstant weitergeführt wird, stellt ein Ergeb­ nis der Frequenzauswertung des erkannten Stromwertes eine im Allgemeinen konstante Wellenform dar, die für die jewei­ ligen Frequenzkomponenten, wie durch die Kurve d darge­ stellt, eine unterschiedliche Amplitude aufweist. Durch die Festlegung eines vorbestimmten Wertes m1, m2, . . . der Amplitude, der für die jeweiligen vorbestimmten Frequenzbe­ reiche toleriert werden kann, kann das Werkzeug 11 nur dann als abnorm eingestuft werden, wenn die Amplitude der jewei­ ligen Frequenzkomponente, beispielsweise den vorbestimmten Wert m2 für den entsprechenden Frequenzbereich, wie durch die Kurve e dargestellt, überschreitet.
Es ist zu beachten, dass, obwohl bei jedem der spezifischen Beispiele das Zustandsbestimmungsmittel 19 so konzipiert wurde, dass es den Bearbeitungszustand bezogen auf die je­ weiligen durch die Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkann­ ten Stromwerte bestimmt, das Zustandsbestimmungsmittel 19 auch von einer solchen Bauart sein kann, die in der Lage ist, den Bearbeitungszustand bezogen auf Werte zu bestim­ men, die entsprechend durch das Verschiebungserkennungsmit­ tel 28 und 38 erkannt worden sind. Beispielsweise kann das Zustandsbestimmungsmittel 19, wie in Fig. 11 dargestellt, einen Frequenzanalysator 19e zur Frequenzauswertung jewei­ liger Ausgaben von Verschiebungssensorverstärkern 28c und 38c der zugehörigen Verschiebungserkennungsmittel 28 und 38 beinhalten, sowie eine Zustandbestimmungseinheit 19f zur Bestimmung des Bearbeitungszustands bezogen auf eine Ampli­ tude der jeweiligen Frequenzkomponente während der Bearbei­ tung, die durch den Frequenzanalysator 19e ausgegeben wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt, beinhaltet das Zustandsbestim­ mungsmittel 19 einer beliebigen der vorhergehend beschrie­ benen Bauarten eine Einstelleinheit 19g, die eingesetzt wird, sofern das Ergebnis der Bestimmung des Bearbeitungs­ zustands als ein Ergebnis eines Vergleichs mit dem vorbe­ stimmten Wert ausgegeben wird. Diese Einstelleinheit 19g ist mit verschiedenen voreingestellten Werten variabel ein­ gestellt oder ist in der Lage, als Reaktion auf einen von der numerischen Steuerungseinheit 14 oder einem beliebigen anderen Mittel erteilten Befehl, einen aus einer Vielzahl voreingestellter Werte auszuwählen. Wenn beispielsweise während des Betriebs der Spindelvorrichtung 1 eine Bearbei­ tung mit einer unterschiedlichen Last durchgeführt wird, wie beispielsweise Vorbearbeitung oder Endbearbeitung, ist es notwendig, dass die Verwendbarkeit des Werkzeuges 11 mit einem vorbestimmten, der Last angemessenen Wert, bestimmt wird. Die Einstelleinheit 19g verfügt über einen variablen, vorbestimmten Wert und kann durch Erkennen eines Signals der numerischen Steuerungseinrichtung 14 zur Änderung des Bearbeitungsbetriebs diesen vorbestimmten Wert ändern.
Das externe Ausgabemittel 44 dient als ein Mittel zur Aus­ gabe der durch die Stromerkennungsmittel 15 bis 18 erkann­ ten Stromwerte, sowie eines durch das Zustandsbestimmungs­ mittel 19 bestimmten Fortschrittes oder Ergebnisses, wie beispielsweise der von der Stromglättungeinheit 19a (Fig. 9) ausgegebene geglättete Wert oder die von den Frequenza­ nalysatoren 19c und 19e (Fig. 10 und 11) und anderen ausgegebenen Amplituden der verschiedenen Frequenzkomponen­ ten, an eine Aussenseite der Spindelsteuerung 3. Die nume­ rische Steuerungseinrichtung 14 kann so konzipiert sein, dass sie in der Lage ist, den Bearbeitungszustand über die­ ses externe Ausgabemittel 44 zu empfangen, und eine Ausgabe von diesem externen Ausgabemittel 44 kann an ein von der numerischen Steuerungseinrichtung 14 separates Informati­ onsverarbeitungsmittel 72 übertragen werden, beispielsweise an ein Informationsverarbeitungsmittel zur statistischen Verarbeitung des Bearbeitungszustands.
Das in der numerischen Steuerungseinrichtung 14 vorgesehene Bearbeitungszustandausgleichsmittel 46 reagiert auf eine Ausgabe, die das von dem Zustandsbestimmungsmittel 19 aus­ gegebene Ergebnis der Bestimmung anzeigt, veranlaßt das Be­ arbeitungswerkzeug 13, einen vorbestimmten Ablauf durchzu­ führen, wie beispielsweise ein erzwungenes Anhalten des Be­ arbeitungswerkzeugs 13, was notwendig ist, wenn das Werk­ zeug 11 nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet.
Das auf externe Befehle reagierende EIN-AUS-Schaltmittel 20 dient als ein Mittel zur wahlweisen Ein- oder Ausschaltung der Stromführung der Magnetlager 6B bis 9B in den kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 als Re­ aktion auf einen von außerhalb der Spindelsteuerung 3 gege­ benen Befehl. Die wahlweise Ein- und Ausschaltung der Stromführung durch das auf externe Befehle reagierende EIN- AUS-Schaltmittel 20 kann auf alle Magnetlager 6B bis 9B oder auf einige dieser Magnetlager 6B bis 9B angewendet werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfaßt das auf externe Befehle reagierende EIN-AUS- Schaltmittel 20 einen auf ein Steuerungssignal ansprechen­ den Schalter, der in verschiedene elektrische Schaltungsab­ schnitte eingeschleift ist und den elektromagnetischen Lei­ stungskreis 42 mit den Magnetlagern 6B bis 9B verbindet.
Das auf externe Befehle reagierende EIN-AUS-Schaltmittel 20 kann zwischen der Leistungsquelle 41 und dem elektromagne­ tischen Leistungskreis 42, wie in Fig. 14 dargestellt, an­ geordnet sein, oder zwischen dem Steuerungsmittel 43 und dem elektromagnetischen Leistungskreis 42, wie in Fig. 15 dargestellt wird, so dass ein Befehl, der erforderlich ist, um den Strom auf Null zu schalten, an den elektromagneti­ schen Leistungskreis 42 gegeben werden kann.
Das Mittel 45 zur Erzeugung eines Stromführungs-EIN-AUS- Befehls der numerischen Steuerungseinrichtung 14 ist in der Lage, einen EIN-AUS-Befehl an das auf externe Befehle rea­ gierende EIN-AUS-Schaltmittel 20 zu geben, und zwar als Re­ aktion auf einen Befehl des Bearbeitungsprogramms 50 (Fig. 6) entsprechend des Fortschritts des numerisch gesteuerten Bearbeitungsbetriebs. In einem solchen Falle erzeugt das Mittel 45 zur Erzeugung eines Stromführungs-EIN-AUS-Befehls einen solchen Befehl als Reaktion auf beispielsweise einen innerhalb der numerischen Steuerungseinrichtung 14 vorbe­ stimmten Befehl, wenn ein vorbestimmter Befehl des Bearbei­ tungsprogramms 50 durch die numerische Steuerungseinrich­ tung 14 dekodiert oder ausgeführt wird. Es ist zu beachten, dass der EIN-AUS-Befehl an das auf externe Befehle reagie­ rende EIN-AUS-Schaltmittel 20 von einem Informationsverar­ beitungsmittel oder dergleichen, wie beispielsweise einem von der numerischen Steuerungseinrichtung 14 separaten und unabhängigen Computer, gegeben werden kann.
Fig. 7 stellt ein Beispiel einer Steuerung dar, die ausge­ führt wird, wenn die Bearbeitung durch wahlweises Ein- und Ausschalten des auf externe Befehle reagierenden EIN-AUS- Schaltmittels 20 ausgeführt wird. Dieses Beispiel wird an­ gewendet, sofern nach einem Vorbearbeitungsbefehl ein End­ bearbeitungsbefehl ansteht, wie dies bei dem in Fig. 6 dargestellten Bearbeitungsprogramm 50 der Fall ist. Zu Be­ ginn, nachdem die Stromführung in Schritt S2 in einer Reak­ tion auf die Anwendung des Vorbearbeitungsbefehls in Schritt S1 eingeschaltet wurde, wird die Hauptantriebswelle 4 in Schritt S3 gestartet. In diesem Zustand stützen die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 die Hauptantriebswelle 4 drehend mit Hilfe des statischen Drucks und der magnetischen Kraft, die beide darin entwic­ kelt werden. Bis der Endbearbeitungsbefehl gegeben wird, bleibt der eingeschaltete Zustand in Schritt S4 erhalten. Sobald der Endbearbeitungsbefehl gegeben wird, wird die Stromführung in Schritt S5 ausgeschaltet, wodurch die Hauptantriebswelle 4 nur durch die Hydrostatik-Gaslager 6A bis 9A der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 drehbar gehalten wird. Nach Beendigung der Bearbei­ tung oder als Reaktion auf einen vorbestimmten Befehl, der notwendig ist, um die Vorbearbeitung beispielsweise eines anderen Teiles in einem Schritt S6 durchzuführen, wird die Stromführung in Schritt S7 eingeschaltet, wodurch die Hauptantriebswelle 4 sowohl durch den statischen Druck als auch durch die magnetische Kraft drehbar gehalten wird.
Durch Einschalten der Magnetlager 6B bis 9B während des Vorbearbeitungsbetriebs und Verwendung der Hydrostatik- Gaslager 6A bis 9A während des Endbearbeitungsbetriebs kann somit während der Vorbearbeitung eine hohe Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit und während der Endbearbeitung eine hohe Präzision erreicht werden. Demzufolge kann eine Bearbeitung realisiert werden, die sich generell durch eine hohe Effi­ zienz sowie eine hohe Präzision auszeichnet.
Fig. 16 stellt ein Beispiel eines Bearbeitungsgerätes (Werkzeugmaschine) 13 dar, welches mit der Spindelvorrich­ tung 1 ausgerüstet ist, die die kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten der vorhergehend beschriebenen Bau­ art aufweist. Bei diesem Beispiel wird die Spindelvorrich­ tung 1 bei einer Werkzeugmaschine zur Formenbearbeitung ("machining mold") eingesetzt. Der Hauptkörper 2 der Spin­ delvorrichtung 1 ist über einer Tischanordnung 51 mit nach unten gerichtetem Werkzeug 11 angebracht und wird durch ei­ ne Bank 52 über einen Führungsmechanismus 53 zur Auf- und Abwärtsbewegung senkrecht zur Tischanordnung 51 getragen. Ein Spindelpositioniermechanismus 54 dient der Auf- und Ab­ wärtsbewegung des Hauptkörpers 2 in Bezug auf die Tischanordnung 51. Die Tischanordnung 51 beinhaltet, wie in Fig. 17 dargestellt, eine Tischeinheit 55, auf welcher ein in eine Form zu bearbeitendes Werkstück W gehalten wird, wobei die Tischeinheit 55 für eine Bewegung in einer hori­ zontalen Ebene in zwei Richtungen (in die Richtung der X- Achse und in die Richtung der Y-Achse) senkrecht zueinander gehalten wird. Die Tischantriebsvorrichtungen 56 und 57 werden verwendet, um die Tischeinheit 55 in diese jeweili­ gen Richtungen anzutreiben. Die Tischeinheit 55 beinhaltet einen in X-Achsen-Richtung beweglichen Untertisch 55a und einen Obertisch 55b, der zur Bewegung in Y-Achsen-Richtung, bezogen auf den Untertisch 55a, auf diesem beweglich befe­ stigt ist. Die Tischantriebsvorrichtungen 56 und 57 zum An­ trieb in X- und Y-Achsenrichtung und der Spindelpositio­ niermechanismus 54 enthalten eine Kugelumlaufspindel und einen Servomotor. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Richtung, in welcher sich die Spindelachse er­ streckt, d. h. die Richtung der Z-Achse, in einer vertikalen Richtung, während die Richtungen, d. h. die Richtung der Y- Achse und der X-Achse, in welche sich die Tischeinheit 51 bewegt, in einer horizontalen Ebene liegen, aber die Rich­ tungen der Z-Achse, in welcher sich die Spindelachse er­ streckt, kann in einer horizontalen oder in einer schrägen Richtung liegen, während die Richtungen der X- und Y-Achse in den jeweiligen Richtungen in einer vertikalen Ebene lie­ gen können.
Nachfolgend wird ein Kommunikationssystem detailliert be­ schrieben. Wie in Fig. 1 dargestellt, beinhaltet die Spin­ delvorrichtung 1 ferner ein Kommunikationsmittel 58 inner­ halb der oder separat zur Spindelsteuerung 3 zur Verbindung eines Ferninformationsverarbeitungsmittels 72 über ein Kom­ munikationsnetz 59, wie beispielsweise ein Telefonnetz. Dieses Kommunikationsmittel 58 kann einen Teil des externen Ausgabemittels 44 darstellen oder kann entweder in der nu­ merischen Steuerungeinrichtung 14 oder in einem Informati­ onsverarbeitungsmittel (nicht dargestellt) oder dergleichen angeordnet sein, welches als Host-Steuerungscomputer für die numerische Steuerungseinrichtung 14 dient.
Das Kommunikationsmittel 58 ist in der Lage, beliebige der durch die Frequenzanalysatoren 19c und 19e (Fig. 10 und 11) ausgegebenen Amplitudenwerte der entsprechenden Fre­ quenzkomponenten, eine Ausgabe des Zustandsbestimmungsmit­ tels 19 der Spindelvorrichtung 1, die erkannten Stromwerte aus den Stromerkennungsmitteln 15 bis 18 und den von der Stromglättungseinheit 19a (Fig. 9) ausgegebenen geglätte­ ten Wert zu übermitteln. Das Ferninformationsverarbeitungs­ mittel 72 führt eine vorbestimmte Verarbeitung von Informa­ tionen durch, die vom Kommunikationsmittel 58 übermittelt wurden. Diese vorbestimmte Verarbeitung kann beispielsweise eine statistische Verarbeitung des Bearbeitungszustands und die Erzeugung eines Befehls beinhalten, der für die Steue­ rung der Spindelsteuerung 3 oder der numerischen Steue­ rungseinrichtung 14 erforderlich ist.
Das Ferninformationsverarbeitungsmittel 72 hat außerdem die Funktion, einen EIN-AUS-Befehl auf ein auf externe Befehle reagierendes EIN-AUS-Schaltmittel 20 der Spindelsteuerung 3 anzuwenden. Die Übertragung des EIN-AUS-Befehls des Infor­ mationsverarbeitungsmittels 72 an das auf externe Befehle reagierende EIN-AUS-Schaltmittel 20 kann über die numeri­ sche Steuerungseinrichtung 14 oder das Informationsverar­ beitungsmittel (nicht dargestellt) ausgeführt werden, wel­ ches für die numerische Steuerungseinrichtung 14 als Host- Steuerungscomputer dient.
Fig. 18 stellt ein Beispiel dar, wie durch das mit der Spindelvorrichtung 1 ausgerüstete Bearbeitungsgerät 13 eine Kommunikation entwickelt wird. Eine Fabrik 60, in der das Bearbeitungsgerät 13 installiert ist, ist mit einer Viel­ zahl von Bearbeitungsapparaten (Werkzeugmschinen) 61 ausge­ stattet. Die Bearbeitungsgeräte 13 und 61 werden individu­ ell oder gemeinsam mit den gemeinsamen Informationsverar­ beitungsmitteln 62 und 63 verbunden. Die Informationsverar­ beitungsmittel 62 und 63 bilden ein lokales Datennetz 70 zusammen mit Netwerkbestandteilen, bestehend aus einem Web Server 64, einer Firewall 65 und einem Router 66. Dieses lokale Datennetz 70 ist über ein Internet mit Hilfe einer Verbindungslinie 59 mit Kommunikationsinstrumenten 69 ver­ bunden, die in jeweiligen entfernt gelegenen Fabriken 67 und 68 installiert sind, welche letzteren von diesem loka­ len Datennetz eingeschlossen werden. Die Kommunikationsin­ strumente 69 sind wiederum mit den Ferninformationsverar­ beitungsmitteln 72 in den jeweiligen Fabriken 67 und 68 verbunden.
Im Allgemeinen beinhaltet das Bearbeitungsgerät 13 die nu­ merische Steuerungseinrichtung 14, die mit dem Informati­ onsverarbeitungsmittel 62 verbunden ist, welches wiederum mit der Verbindungsleitung innerhalb des lokalen Datennet­ zes 70 verbunden ist. In Verbindung hiermit oder separat hierzu kann das Bearbeitungsgerät 13 jedoch ein Kommunika­ tionssystem beinhalten, das mit der Verbindungsleitung in­ nerhalb des lokalen Datennetzes 70 verbunden ist, welches direkt mit dem Kommunikationsmittel 58 in der numerischen Steuerungseinrichtung 14 oder der Spindelsteuerung 3 in Verbindung steht.
Im Hinblick auf die Fig. 19 und 20 wird nun Bezug auf die Spindelvorrichtung 1A genommen, die mit den kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Es ist zu beachten, dass Bestandteile der Spindelvorrichtung 1A gleichermaßen jene sind, die in der Spindelvorrichtung 1 des vorhergehend beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiels eingesetzt und insbesondere in den Fig. 2 und 4 unter Bezug auf dieselben Bezugsziffern dargestellt wurden.
Bei dem in den Fig. 19 und 20 dargestellten zweiten Aus­ führungsbeispiel ist ein Gleitelement 47 mit einer inneren Umfangsfläche über einen radialen Spalt angrenzend an die Hauptantriebswelle 4 innerhalb des Gehäuses 5 angeordnet. Dieses Gleitelement 47 ist jeweils angrenzend an vordere und hintere Enden der Hauptantriebswelle 4 mit den kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetradiallageraufbauten dazwi­ schenliegend angeordnet. Jedes der Gleitelemente 47 weist die Form eines Ringgliedes auf und ist in einer innerhalb des Gehäuses 5 gebildeten Gleitelementfassung montiert. Je­ des der Gleitelemente 47 hat eine innere Umfangsfläche 47a, die eine zylindrische Form aufweist und mit der äußeren Um­ fangsfläche der Hauptantriebswelle 4 so zusammenwirkt, dass ein radialer Spalt d3, wie in Fig. 20 dargestellt, defi­ niert wird. Dieser radiale Spalt d3 ist kleiner als der La­ gerspalt d1 zwischen der äußeren Umfangsfläche der Hauptan­ triebswelle 4 und einem beliebigen der Hydrostatik-Gaslager 6A oder 7A und der Magnetlager 6B oder 7B, die beide die jeweiligen Teile der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 bilden. Die jeweili­ gen Gleitelemente 47 bestehen vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Graphit und weisen eine Shore-Härte von mindestens 50, eine Biegefestigkeit von mindestens 400 Kgf/cm2, eine Druckfestigkeit von mindestens 700 Kgf/cm2 und einen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten von höchstens 5 × 10-6 auf.
In der Spindelvorrichtung 1A der oben beschriebenen Bauform werden die Gleitelemente 47 angrenzend an die Hauptan­ triebswelle 4 vorgesehen und der radiale Spalt d3 (Fig. 20) wird in einer Größe gewählt, die kleiner ist als die des Spaltes d1 des Radiallagers in den Hydrostatik- Gaslagerflächen 6Aa und 7Aa der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7. Selbst wenn infolge einer übermäßigen Lasteinwirkung auf die Hauptantriebswelle 4 eine mechanische Berührung zwischen dieser und einem Ele­ ment einer stationären Seite stattfinden würde, so würde diese Berührung zwischen den Gleitelementen 47 und der Hauptantriebswelle 4 erfolgen. Da die Gleitelemente 47 aus Kohlenstoff oder Graphit bestehen, ist darüber hinaus der Reibungskoeffizient niedrig. Aus diesen Gründen ist die Spindelvorrichtung 1A gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insofern vorteilhaft, als selbst der mechanische Kontakt weder die Hauptantriebswelle 4, die La­ gerflächen 6Aa und 7Aa noch die Gleitelemente 47 beschädi­ gen würde.
Da die Hydrostatik-Gaslagerflächen 6Aa und 7Aa durch die jeweiligen Kerne 23 der Magnetlager 6B und 7b definiert werden, kann ferner der Aufbau des Lagers vorteilhafterwei­ se vereinfacht werden, der für die Hydrostatik- Gaslagerflächen 6Aa und 7Aa verwendete Werkstoff ist jedoch auf ein ferromagnetisches Metall begrenzt, welches über keine Schmierfähigkeit verfügt, und deshalb ist es wichtig, einen möglichen Kontakt mit der Hauptantriebswelle 4 zu vermeiden. Aus diesem Grunde können die Gleitelemente 47 zur Vermeidung einer eventuellen Beschädigung der Hauptan­ triebswelle 4 wirksam eingesetzt werden.
Da die Gleitelemente 47 angrenzend an die gegenüberliegen­ den Enden der Hauptantriebswelle 4 und nicht in der Anord­ nung der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 und 7 angeordnet sind, kann darüber hinaus einem möglichen Kippen der Hauptantriebswelle 4 unter der Einwirkung einer übermäßigen radialen Last wirksam entgegengewirkt werden und, infolge der Abstützung durch die Gleitelemente 47, wird hierdurch eine unerwünschte Berührung der Hauptan­ triebswelle 4 mit den Lagerflächen 6Aa und 7Aa vermieden. Die Gleitelemente 47 verfügen über eine Shore-Härte von mindestens 50, eine Biegefestigkeit von mindestens 400 Kgf/cm2, eine Druckfestigkeit von mindestens 700 Kgf/cm2 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 5 × 10-6, und durch die Verwendung eines speziellen Materials für die Gleitelemente 47, welches eine solche Härte, Biege­ festigkeit und Druckfestigkeit aufweist, kann eine eventu­ elle Beschädigung der Gleitelemente 47 infolge eines Kon­ taktes mit der Hauptantriebswelle 4 vorteilhaft vermieden werden. Die Wahl des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gleitelementes 47 innerhalb des oben beschriebenen, spezi­ fischen Bereichs ist ferner insofern vorteilhaft, als die­ ser gleich oder kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffi­ zient eines weichen, magnetisierbaren Metalls, welches im Allgemeinen als Werkstoff für die Kerne 23 der Magnetlager 6B und 7B der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 und 7 verwendet wird. Deshalb ist die Ausdehnung des Innendurchmessers der Gleitelemente 47 infolge der Wärmeausdehnung gleich oder kleiner als die der Kerne 23. Selbst bei einer übermäßigen Lasteinwirkung auf die Hauptantriebswelle 4 während eines Temperaturanstiegs wird diese wirksam von den Gleitelementen 47 aufgenommen. Der Kohlenstoff oder Graphit, welcher als Werkstoff für die Gleitelemente 47 verwendet wird, kann solcher Art sein, wie dieser wirksam die oben beschriebenen Anforderungen er­ füllt.
Fig. 21 stellt eine Spindelvorrichtung 1B dar, die mit den kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Es ist zu beachten, dass Be­ standteile der Spindelvorrichtung 1C, die gleichermaßen in der Spindelvorrichtung der vorhergehend beschriebenen Aus­ führungsform, insbesondere in Fig. 9, dargestellt wurden, mit gleichen Bezugszeichen beschrieben werden.
Bei der dritten Ausführungsform ist die Spindelantriebs­ quelle 10 zwischen den vorderen und hinteren kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 angeord­ net, welche die Hauptantriebswelle 4 drehbar halten, und die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetaxiallageraufbauten 8 und 9 sind um die Hauptantriebswelle 4 an einer Seite des hinteren kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus 7 angrenzend an das Ende der Hauptantriebswelle 4 angeordnet. Die Gleitelemente 47 sind innerhalb des Gehäuses 5 auf der jeweiligen Seite der Gruppierung der kombinierten Hydrosta­ tik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 bzw. angrenzend an die gegenüberliegenden Enden der Hauptantriebswelle 4 angeord­ net. In dem in Fig. 21 dargestellten dritten Ausführungs­ beispiel werden die Verschiebungserkennungsmittel 48 und 49 der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 in Form eines Magnetdetektors zur magnetischen Erkennung der Verschiebung der Hauptantriebswelle 4 eingesetzt, bei­ spielsweise als ein Wirbelstromsensor.
Während der spezifische Aufbau der jeweiligen in der Praxis des dritten Ausführungsbeispiels verwendeten kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 sich von denen, der in Fig. 19 dargestellten, vorhergehenden Ausführungs­ form unterscheidet, ist jedes der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 in den Fig. 19 und 20 so konzipiert, dass die Hydrostatik-Gaslager 6A bis 9A und die Magnetlager 6B bis 9B miteinander kombiniert sind und gleichzeitig die Elektromagnetkerne 23 und 33 der Magnetla­ ger 6B bis 9B als entsprechende Teile der Hydrostatik- Gaslagerflächen verwendet werden.
Auf jeden Fall bleibt selbst in der in Fig. 21 dargestell­ ten Ausführungsform das Verhältnis zwischen den Radialspal­ ten, welche durch die Gleitelemente 47 definiert werden, und den durch die kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetradial­ lageraufbauten 6 und 7 definierten Radialspalten, sowie die Werkstoffart für die Gleitelemente 47 das bzw. die gleichen wie jene, die in Verbindung mit dem in Fig. 19 dargestell­ ten vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurden.
Es ist zu beachten, dass, obwohl in den vorhergehend be­ schriebenen Ausführungsformen die durch die Hydrostatik- Gaslager 6A und 7A der kombinierten Hydrostatik- Gasmagnetradiallageraufbauten 6 und 7 definierten Ra­ dialspalten als die gleichen beschrieben wurden, wie sie durch die Magnetlager 6B und 7B definiert werden, können beide sich auch voneinander unterscheiden. In einem solchen Falle können die durch die Gleitelemente 47 definierten Ra­ dialspalten noch schmaler sein als die schmaleren Ra­ dialspalten.
Die Spindelvorrichtung 1C ist mit den kombinierten Hydro­ statik-Gasmagnetlageraufbauten nach einem vierten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 22 dargestellt, ausgerüstet. Selbst in der in Fig. 22 dargestellten Ausführungsform werden Bestandteile der Spindelvorrichtung 1C, die denen entsprechen, die in der Spindelvorrichtung 1 des insbesondere in Fig. 1 darge­ stellten ersten Ausführungsbeispiels verwendet werden, mit den gleichen Bezugszeichen beschrieben.
In der darin dargestellten Spindelvorrichtung 1C wird ein Kühlungsmittel 73 verwendet, welches einen Kühlmitteldurch­ gang 74, wie beispielsweise einen in dem Gehäuse 5 vorgese­ henden Wassermantel, beinhaltet, sowie eine Kühlungseinheit 75 zur Umwälzung eines Kühlmediums, wie beispielsweise Kühlwasser, durch den Kühlmitteldurchgang 74.
Die Spindelvorrichtung 1C ist in dem Bearbeitungsgerät 13 eingebaut, beispielsweise einer Hochgeschwindigkeitsfräsma­ schine oder einer Hochgeschwindigkeitsschleifmaschine, und der Bearbeitungsmechanismus 13a des Bearbeitungsgerätes 13 wird über die numerische Steuerungseinheit 14 gesteuert. Das Gehäuse 5 der Spindelvorrichtung 1C ist an einer Spin­ delspannvorrichtung 76 befestigt und kann zusammen mit die­ ser durch den Spindelpositioniermechanismus 54 in axialer Richtung zur Hauptantriebswelle 4 bewegt werden. Die Spin­ delspannvorrichtung 76 ist, wie dies in der Fig. 16 darge­ stellt ist, über den Führungsmechanismus 53 beweglich auf der Bank 52 montiert. Der Spindelpositioniermechanismus 54 kann einen Servomotor und eine Kugelumlaufspindel umfassen.
Die Spindelvorrichtung 1C ist so konzipiert, dass bei der oben beschriebenen grundsätzlichen Bauform der Spindelvor­ richtung ein Temperaturmeßmittel 77 für die Hauptantriebs­ welle 4 auf dem Gehäuse 5 vorgesehen ist; die Spindelsteue­ rung 3 ist mit einem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel 78, dem externen Ausgabemittel 44, einem Speichermittel 79, einem Schreibmittel 80 und einem Anzei­ gemittel 81 ausgestattet; und die numerische Steuerungsein­ richtung 14 ist mit einem Kühlungssteuerungsmittel 82, ei­ nem Temperaturkompensationsmittel 83, einem Stoppmittel 88 zum zwangsläufigen Anhalten und einem Warnmittel 89 ausge­ stattet. Die Hauptantriebswelle 4 besteht ferner aus einem Werkstoff mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise einem weichen, magnetisierbaren Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel Invar.
Nachfolgend wird nunmehr ein Steuerungssystem beschrieben, wie es in der Praxis des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Mit Bezug auf Fig. 22 weist die Spindelsteuerung 3 eine grundsätzliche Funkti­ on auf, mit welcher sie den Magnetlagern 6B bis 9B (siehe Fig. 1) der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlager­ aufbauten 6 bis 9, entsprechend der durch die Verschie­ bungserkennungsmittel 28 und 38 festgestellten Stromwerte, einen Erregerstrom zuführt.
Das in dem Gehäuse 5 vorgesehene Temperaturmeßmittel 77 stellt die Gehäusetemperatur eines Gehäuseabschnittes fest, der sich auf einer an das Werkstück 11 angrenzenden Seite des Kranzes 4a der Hauptantriebswelle 4 befindet, und wird in Form eines Temperaturfühlers, wie beispielsweise ein Platin-Widerstandselement oder ein Thermoelement, einge­ setzt. Dieses Temperaturmeßmittel 77 kann so konzipiert sein, dass ein Meßwert des Widerstands der Elektromagnet­ spule 25 (siehe Fig. 4) des Magnetlagers 6 verwendet wird.
Das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel 78 umfaßt in der dargestellten Ausführungsform ein Vergleichs­ mittel 84 und ein Digitalumwandlungsmittel 85. Das Ver­ gleichsmittel 84 vergleicht einen Temperaturmeßwert, der von dem Temperaturmeßmittel 77 ausgegeben wird, mit einem festgelegten, als Schwellwert dienenden Wert, und gibt ein Fehlersignal, falls der Temperaturmeßwert den vorbestimmten Wert überschreitet. Das Vergleichsmittel 84 kann in Form eines aus elektronischen Bauteilen bestehenden Vergleichers eingesetzt werden. Dieses Vergleichsmittel 84 kann so kon­ zipiert sein, dass es in der Lage ist, den Temperaturmeß­ wert mit einem aus einer Vielzahl vorbestimmter Werte zu vergleichen, um eines von vielen Fehlersignalen zu geben, je nach dem, welcher der vorbestimmten Werte durch den Tem­ peraturmeßwert überschritten worden ist. Das Digitalumwand­ lungsmittel 85 dient dazu, ein analoges Ausgabesignal des Temperaturmeßmittels 77 in einen digitalen Wert umzuwan­ deln. Ist das Vergleichsmittel 84 so gebaut, dass es ein rein binäres Signal ausgibt, dient das Digitalumwandlungs­ mittel 85 dazu, diese Ausgabe in einen mit mehreren Ziffern dargestellten digitalen Wert umzuwandeln. Das mit der Tem­ peraturmessung verbundene Ausgabemittel 78 erteilt ein Feh­ lersignal infolge des Temperaturmeßwertes oder des vom Di­ gitalumwandlungsmittel 85 ausgegebenen digitalen Wertes. Es ist zu beachten, dass das vom Vergleichsmittel 84 ausgege­ bene Fehlersignal ohne weitere Verarbeitung als eine Ausga­ be des mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittels 78 verwendet werden kann.
Das Schreibmittel 80 arbeitet in solcher Weise, dass das Speichermittel 79 veranlaßt wird, den vom Ausgabemittel 78 ausgegebenen Temperaturmeßwert in Form eines digitalen Werts, und das Fehlersignal zu speichern. Das Speichermit­ tel 79 ist in der Lage, den Temperaturmeßwert und das Feh­ lersignal, welche nacheinander ausgegeben werden, zu akku­ mulieren und zu speichern. Dieses Speichermittel 79 wird beispielsweise in Form eines Speicherelements, einer Ma­ gnetplatte oder einer anderen geeigneten Vorrichtung mit einer großen Speicherkapazität eingesetzt.
Das externe Ausgabemittel 44 dient dazu, die verschiedenen, von dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 ausgegebenen Ausgaben an eine Aussenseite der Spindel­ steuerung 3 auszugeben. Dieses externe Ausgabemittel 44 kann ein Interface in Form eines einfachen Ausgabeports um­ fassen, im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält es je­ doch ein Kommunikationsmittel 58 sowie ein Anzeigemittel 81. Das Kommunikationsmittel 58 dient der Übermittlung an einen entfernt gelegenen Ort über eine Verbindungsleitung 59, wie beispielsweise ein Telefonnetz oder ein Datenüber­ mittlungsnetz. Das Anzeigemittel 81 dient zur Ausgabe von Daten, die als Reaktion auf einen von außerhalb der Spin­ delsteuerung 3 erteilten Befehl im Speichermittel 79 ge­ speichert wurden, und ist in der Lage, als Reaktion auf den externen Befehl, den Temperaturmeßwert und das Fehlersignal auszugeben, die während eines beliebigen Betriebsablaufs der Spindel im Speichermittel 79 gespeichert wurden.
Die numerische Steuerungseinrichtung 14 dient zum Steuern des Bearbeitungsmechanismus 13a gemäß des Bearbeitungspro­ gramms und beinhaltet eine numerische Steuerungseinheit zur hauptsächlichen Steuerung einer Vorschubfunktion der Welle sowie eine programmierbare Steuerungsfunktionseinheit zur hauptsächlichen Durchführung einer Ablaufsteuerung. Die programmierbare Steuerungsfunktionseinheit ist mit einem Temperaturausgleichsmittel 83, einem Kühlungssteuerungsmit­ tel 82, einem Stoppmittel 88 und einem Warnmittel 89 ausge­ stattet. Es kann vorkommen, dass das Temperaturausgleichs­ mittel 83 in der numerischen Steuerungsfunktionseinheit vorgesehen ist.
Das Stoppmittel 88, welches zum zwangsläufigen Anhalten des Bearbeitungsgerätes 13 als Reaktion auf ein Fehlersignal eingesetzt wird, welches von dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 über das externe Ausgabemittel 44 ausgegeben wurde. Das Warnmittel 89 dient zur Erzeugung eines Warnsignals als Reaktion auf ein von dem mit der Tem­ peraturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 über das exter­ ne Ausgabemittel 44 ausgegebenes Fehlersignal. Das vom Warnmittel 89 erzeugte Warnsignal kann verwendet werden, um einen Alarmlautsprecher, ein Warnlicht und/oder eine Anzei­ gevorrichtung zum Anzeigen eines Warnbildes auszulösen bzw. zu starten.
Das Kühlungssteuerungsmittel 82 dient zur Steuerung des Kühlungsmittels 73 in Reaktion auf das von dem mit der Tem­ peraturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 über das exter­ ne Ausgabemittel 44 ausgegebene Fehlersignal und ist in der Lage, einen Befehl zur Erhöhung der Kühlintensität zu er­ zeugen und an die Kühleinheit 75 zu leiten.
Das Temperaturausgleichsmittel 83 dient zur Steuerung des Spindelpositioniermechanismus 54 gemäß des Temperaturmeß­ wertes, der von dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 über das externe Ausgabemittel 44 ausgege­ ben wird. Während die Bewegung des Spindelpositioniermecha­ nismus 54 in der Regel nach einem Befehl des Bearbeitungs­ programms gesteuert wird, ändert das Temperaturausgleichs­ mittel 83, entsprechend einer festgelegten Temperaturaus­ gleichsgleichung, den Vorschubbetrag durch den Mechanismus 54 in Abhängigkeit des Temperaturmeßwertes.
Bei dieser Temperaturausgleichsberechnung erfolgt bei­ spielsweise die Addition des Betrags der Abmessungssände­ rung (Abmessung C) zwischen der Position P, an welcher die Spindelvorrichtung fixiert ist, und der Spitze des Werkzeu­ ges 11 bei Temperaturänderung, als Korrekturwert des Vor­ schubbetrags der Spindel. Die Abmessung C, welche die axia­ le Position der Spitze des Werkzeuges 11 darstellt, wird durch die Differenz der Abmessung (Abmessung A) der Hauptantriebswelle 4, gemessen von der Spitze des Werkzeu­ ges 11 bis zum Kranz 4a der Hauptantriebswelle, und der Ab­ messung (Abmessung B) des Gehäuses 5, gemessen von der Spindelbefestigungsposition P bis zum Kranz 4a der Hauptan­ triebswelle, gebildet. Demgemäß kann der Wärmeausdehnungs­ betrag der Abmessung C durch die Differenz des Wärmeausdeh­ nungsbetrags des Gehäuses der Abmessung B und des Wärmeaus­ dehnungsbetrags der Hauptantriebswelle 4 der Abmessung A berechnet werden. Da das Gehäuse 5 und die Hauptantriebs­ welle 4 nicht miteinander in Berührung stehen und es unter­ schiedliche Temperaturen und Temperaturänderungen gibt, kann das Temperaturmeßmittel 77 zur Messung der Gehäusetem­ peratur nicht zur Messung der Temperatur der Hauptantriebs­ welle 4 verwendet werden. Da sich die Hauptantriebswelle 4 mit hoher Geschwindigkeit dreht, ist es außerdem nicht ein­ fach, mit Hilfe eines separaten Sensors die Temperatur der Hauptantriebswelle zu messen. Aus diesem Grunde kann die Wärmeausdehnung der Hauptantriebswelle 4 durch Verwendung einer Temperatur berechnet werden, die aus der durch das Temperaturmeßmittel 77 festgestellten Temperatur gefolgert wurde, oder es besteht die Möglichkeit, dass die Wärmeaus­ dehnung der Hauptantriebswelle 4 nicht in Betracht gezogen wird. Sofern für die Hauptantriebswelle 4 ein Material mit einer geringen Wärmeausdehnung verwendet wird, wird ein Fehler für den Wärmeausdehnungsausgleich nur eine geringfü­ gige Auswirkung haben.
In Fig. 23 wird ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Entsprechend der in Fig. 23 dargestellten Ausführungsform wird das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel 78A mit ei­ nem Umwandlungsmittel 91 und einem dem Umwandlungsmittel 91 nachfolgend angeordneten Vergleichsmittel 84A dargestellt. Das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel 78A verfügt ferner über ein an einer Eingangsstufe desselben angeordnetes Digitalumwandlungsmittel 85A, welches an das Umwandlungsmittel 91 ein Signal ausgibt, das den in einen digitalen Wert umgewandelten Temperturmeßwert anzeigt. Das Umwandlungsmittel 91 wandelt, gemäß einer festgelegten Wär­ meverschiebungsberechnung, den vom Temperaturmeßmittel 77 ausgegebenen Meßwert in die axiale Position der Spitze der Hauptantriebswelle 4 oder in die axiale Position (Abmessung C) der Spitze des Werkzeugs 11 um, bei welchem es sich um ein an der Spitze der Hauptantriebswelle 4 befestigtes Glied handelt. Das Vergleichsmittel 84A vergleicht den um­ gewandelten Wert, welcher von diesem Umwandlungsmittel 91 ausgegeben wurde, mit einem festgelegten Wert und gibt ein Fehlersignal aus, falls der umgewandelte Wert den festge­ legten Wert übersteigt. Das mit der Temperaturmessung ver­ bundene Ausgabemittel 78A gibt eine solche Meßwertausgabe des Digitalumwandlungsmittels 85A, des Umwandlungsmittels 91 und das Fehlersignal des Vergleichsmittels 84A aus.
Das externe Ausgabemittel 44 gibt die jeweiligen Ausgaben des Ausgabemittels 78A an eine Außenseite der Spindelsteue­ rung 3. Das Schreibmittel 80 veranlaßt das Speichermittel 79, die Ausgaben des Ausgabemittels 78A zu speichern. Das Temperaturausgleichsmittel 83A führt anhand des vom Umwand­ lungsmittel 91 ausgegebenen umgewandelten Wertes eine Tem­ peraturausgleichsberechnung durch.
Weitere Bauformen und Funktionen dieses Ausführungsbei­ spiels sind denen der vorhergehend beschriebenen, in Fig. 22 dargestellten Ausführungsform ähnlich. Es ist jedoch zu beachten, dass in der Praxis des in Fig. 23 dargestellten Ausführungsbeispiels das Vergleichsmittel 84A so konzipiert sein kann, dass es eher den vom Temperaturmeßmittel 77 aus­ gegebenen Meßwert als den umgewandelten Meßwert mit dem festgelegten Wert vergleicht und dann das Fehlersignal aus­ gibt, wie dies bei der vorhergehend beschriebenen Ausfüh­ rungsform der Fig. 22 der Fall ist, oder dass es so gebaut ist, dass es den durch das Digitalumwandlungsmittel 85A um­ gewandelten Wert als Temperaturmeßwert mit dem festgelegten Wert vergleicht und dann das Fehlersignal ausgibt.
Das Fehlersignal kann beispielsweise durch Vergleich des Temperaturmeßwertes (oder dessen digitalem Wert) des Tempe­ raturmeßmittels 77 mit dem vorbestimmten Wert unter Verwen­ dung des Vergleichsmittels 84A erzeugt werden, und der vom Umwandlungsmittel 91 ausgegebene umgewandelte Wert kann bei der Temperaturausgleichsberechnung verwendet werden, die durch das Temperaturausgleichsmittel 83A durchgeführt wird.
Bei der Spindelvorrichtung 1C nach einem der in den Fig. 22 bzw. 23 dargestellten vierten und fünften Ausführungs­ beispielen kann selbst bei einer Temperaturänderung der Spindelvorrichtung 1C der Betrag der Spindelpositionierung über einen Temperaturvergleich ausgeglichen werden. Daher kann ein Werkstück mit einer hohen Präzision bearbeitet werden. Falls infolge eines übermäßigen Anstiegs der Gehäu­ setemperatur ein Fehler in der Spindelvorrichtung auftritt, kann das Signal ferner nach außen ausgegeben werden, so dass die Spindelvorrichtung 1C angehalten und/oder die War­ nung ausgeführt werden kann.
Bei der Beschreibung der jeweiligen vorhergehenden Ausfüh­ rungsbeispiele wurde die Spindelvorrichtung 1C mit den kom­ binierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 be­ schrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass eine solche Aus­ führungsform gleichermaßen auf eine Spindelvorrichtung an­ zuwenden ist, bei welcher die Hauptantriebswelle 4 ledig­ lich durch die Hydrostatik-Gaslager drehbar abgestützt wird. Bei den jeweiligen vorhergehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen können beispielsweise anstelle der kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten 6 bis 9 auch nur die Hydrostatik-Gaslager 6A bis 9A, wie in Fig. 25 darge­ stellt, verwendet werden.
Mit Bezug auf das Kommunikationssystem, kann ein Kommunika­ tionssystem verwendet werden, bei welchem das in der nume­ rischen Steuerungseinrichtung 14 vorgesehene Kommunikati­ onsmittel und das in der Spindelsteuerung 3 vorgesehene Kommunikationsmittel 58 (Fig. 22 und 23) des externen Ausgabemittels direkt mit der Verbindungsleitung des in Fig. 24 dargestellten lokalen Datennetzes 70 verbunden sind.
Fig. 26 stellt ein sechstes bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung dar. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel werden Bestandteile der Spindelvorrich­ tung 1, die mit denen übereinstimmen, die bei der Spindel­ vorrichtung 1 des insbesondere in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels verwendet werden, mit den gleichen Be­ zugszeichen beschrieben. Das darin dargestellte Formbear­ beitungsgerät 13 ist dem ähnlich, welches in der Ausfüh­ rungsform der Fig. 16 dargestellt wird, und beinhaltet ei­ ne Spindelvorrichtung 1 zum Drehen des Bearbeitungswerk­ zeugs 11 und die Tischanordnung 51 (Fig. 17) zur Bewegung des in eine Form zu bearbeitenden Werkstücks W. Die Spin­ delvorrichtung 1 beinhaltet einen Hauptkörper 2, bestehend aus Mechanismen und einer Spindelsteuerung 3 zur Steuerung des Hauptkörpers 2. Der Hauptkörper 2 und die Tischanord­ nung 51 bilden zusammen den Bearbeitungsmechanismus 13a, der auf eine Steuerung durch die numerische Steuerungsein­ richtung 14 angepaßt ist.
Wie es bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist der Hauptkörper 2 an einer mit der in Fig. 16 dargestellten Tischanordnung 51 ausgerichteten Posi­ tion durch den Führungsmechanismus 53 und die Spindelspann­ vorrichtung 76 auf der Bank 52 beweglich montiert und kann mit Hilfe des Spindelpositioniermechanismus 54 wechselweise in axialer Richtung (Richtung der Z-Achse) zur Spindelwelle bewegt werden.
Bei dem in Fig. 26 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spindelsteuerung 3 mit dem externen Ausgabemittel 44 zusammen mit den Stromerkennungsmitteln 15 bis 18, dem Zu­ standsbestimmungsmittel 19, dem auf externe Befehle reagie­ renden EIN-AUS-Schaltmittel 20 und dem mit der Temperatur­ messung verbundenen Ausgabemittel 78 ausgestattet, und die numerische Steuerungseinrichtung 14 ist mit dem EIN-AUS- Befehlserzeugungsmittel 45 zur Ein- und Ausschaltung der Stromführung, dem Bearbeitungszustandsausgleichsmittel 46 und dem mit der Temperatur verbundenen Verarbeitungsmittel 100 ausgerüstet. Das Stromerkennungsmittel 15 bis 18 wird beispielsweise in Form eines Stromdetektors/Leitungsprüfers eingesetzt. Das externe Ausgabemittel 44 dient gleichzeitig zur Ausgabe der vom Ausgabemittel 78 gelieferten Daten an eine Außenseite.
Fig. 27 stellt ein Blockdiagramm dar, in welchem haupt­ sächlich das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabe­ mittel 78 der bei dem Formbearbeitungsgerät 13 verwendeten Spindelvorrichtung 1 gezeigt wird. Gegenmaßnahmen, unter anderem gegen die Wärmeausdehnung des Gehäuses 5, werden ebenfalls mit Bezug auf Fig. 27 beschrieben. Wie es bei dem in Fig. 22 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, beinhaltet die Spindelvorrichtung 1 das Kühlungsmittel 73, welches einen Kühlmitteldurchgang 74, wie beispielswei­ se einen im Gehäuse 5 vorgesehenen Wassermantel, umfaßt, und eine Kühlungseinheit 75 zur Umwälzung eines Kühlmedi­ ums, wie beispielsweise Kühlwasser, durch den Kühlmittel­ durchgang 74. Die Hauptantriebswelle 4 besteht aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise einem weichen, magnetisierbaren Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Bei­ spiel Invar.
Das Gehäuse 5 ist mit einem Temperaturmeßmittel 77 versehen und die Spindelsteuerung 3 ist mit dem mit der Temperatur­ messung verbundenen Ausgabemittel 78, dem externen Ausgabe­ mittel 44, dem Speichermittel 79, dem Schreibmittel 80 und dem Anzeigemittel 81 ausgestattet. Als ein mit einer Tempe­ ratur verbundenes (der Temperaturmessung zugeordnetes bzw. zugehöriges) Verarbeitungsmittel 100, ist die numerische Steuerungseinrichtung 14 ferner mit dem Kühlungssteuerungs­ mittel 82, dem Temperaturausgleichsmittel 83, dem Stoppmit­ tel 88 und dem Warnmittel 89 ausgestattet.
Wie dies bei dem in Fig. 22 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Fall ist, dient das Temperaturmeßmittel 77 der Erfassung der Gehäusetemperatur an einem Abschnitt des Ge­ häuses 5 an einer an das Werkzeug 11 angrenzenden Seite des Kranzes 4a der Hauptantriebswelle 4 und wird in Form eines Temperaturfühlers, wie beispielsweise einem Platin- Widerstandselement oder einem Thermoelement, eingesetzt. Dieses Temperaturmeßmittel 77 kann so gebaut sein, dass es einen Meßwert des Widerstands der Elektromagnetspule 25 (siehe Fig. 4) des Magnetlagers 6 verwendet.
Wie es bei dem in Fig. 22 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Fall ist, dient das externe Ausgabemittel 44 zur Ausgabe der verschiedenen Ausgaben des mit der Temperatur­ messung verbundenen Ausgabemittels 78 an eine Außenseite der Spindelsteuerung 3. Dieses externe Ausgabemittel 44 kann eine Schnittstelle in Form eines einfachen Ausgabe­ ports umfassen, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet es jedoch ein Kommunikationsmittel 58 und ein Anzeigemittel 81. Das Kommunikationsmittel 58 dient der Übermittlung an einen entfernt gelegenen Ort über eine Ver­ bindungslinie 59, wie beispielsweise ein Telefonnetz oder ein Datenübermittlungsnetz. Das Anzeigemittel 81 dient zur Ausgabe von Daten, die als Reaktion auf einen Befehl von außerhalb der Spindelsteuerung 3 im Speichermittel 79 ge­ speichert wurden, und ist in der Lage, als Reaktion auf den externen Befehl, den Temperaturmeßwert und das Fehlersignal auszugeben, die während eines willkürlichen Betriebsablaufs der Spindel in dem Speichermittel 79 gespeichert wurden.
Es ist zu beachten, dass, obwohl das bei der dargestellten Ausführungsform verwendete externe Ausgabemittel 44 gleich­ zeitig zur Ausgabe der Daten des Zustandserkennungsmittels 19 an die Außenseite dient, ein separates exteren Ausgabe­ mittel jeweils für das Zustandsbestimmungsmittel 19 und das mit der Temperaturmessung verbundene Ausgabemittel 78 ver­ wendet werden kann. Es ist außerdem zu beachten, dass das Schreibmittel 80 gleichzeitig zur Speicherung der Ausgabe des Zustandsbestimmungsmittels 19 in dem Speichermittel 79 dienen kann, in welchem Falle das Anzeigemittel 81 so ge­ baut sein kann, dass es in der Lage ist, den gespeicherten Inhalt des Speichermittels 79, in Verbindung mit dem Ergeb­ nis der Bestimmung des Bearbeitungszustands, als Reaktion auf einen externen Befehl auszugeben.
Fig. 28 zeigt ein Blockdiagramm mit einer konzeptionellen Bauform der Spindelvorrichtung 1, die hauptsächlich eine veränderte Form des mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittels 78 dargestellt wird. Dieser Aufbau ist im wesentlichen der in Fig. 23 dargestellten Ausführungsform ähnlich, weshalb nicht näher auf dessen Einzelheiten einge­ gangen wird.
Das Kommunikationsmittel 58 ist in der Lage, die Ausgabe aus dem mit der Temperaturmessung verbundenen Ausgabemittel 78 und den gespeicherten Inhalt des Speichermittels 79 (Fig. 27 und 28) über die Verbindungsleitung 59 zu über­ tragen. Das Ferninformationsverarbeitungsmittel 72 kann so konzipiert sein, dass es in der Lage ist, eine vorbestimmte Verarbeitung der aus dem Ausgabemittel 78 übermittelten Da­ ten durchzuführen und den Befehl auf das Formbearbeitungs­ gerät anzuwenden. Das Ferninformationsverarbeitungsmittel 72 kann beispielsweise eine Funktion des mit der Temperatur verbundenen Verarbeitungsmittels 100 aufweisen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit deren bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beige­ fügten Zeichnungen, die nur zum Zwecke der Darstellung die­ nen, vollständig beschrieben wurde, werden einem Fachmann nach dem Lesen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung durchaus zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorstell­ bar sein. Beispielsweise kann bei jedem der in und mit Be­ zug auf die Fig. 26 bis 28 dargestellten und beschriebe­ nen Ausführungsbeispielen das Kommunikationsmittel 58 im Kommunikationssystem so ausgebildet sein, dass es gleich­ zeitig als externes Ausgabemittel 44 dient oder Teil des externen Ausgabemittels 44 bildet.
Demzufolge sind solche Änderungen und Modifikationen, so­ fern sie nicht von dem in den beigefügten Patentansprüchen definierten Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, als darin enthalten zu betrachten.

Claims (39)

1. Spindelvorrichtung mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gas-Magnetlageraufbau ("combined exter­ nally pressurized gas-magnetic bearing assembly") zum drehbaren Abstützen einer Hauptantriebswelle mit einem an deren Spitze befestigten Bearbeitungswerkzeug durch den kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, wo­ bei die Spindelvorrichtung mit einer Spindelantriebs­ quelle zum Drehen der Hauptantriebswelle versehen ist, der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau ein Hydrostatik-Gaslager und ein Magnetlager umfaßt, wel­ che beide miteinander kombiniert sind, und wobei die Spindelvorrichtung folgende Elemente aufweist:
ein Stromerkennungsmittel zur Erkennung eines Erreger­ stroms für das Magnetlager; und
ein Zustandsbestimmungsmittel zur Bestimmung eines durch das Bearbeitungswerkzeug, bezogen auf einen durch das Stromerkennungsmittel erfaßten Stromwert, ausgeführten Bearbeitungszustands.
2. Spindelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Stromerkennungsmittel in einer Spindelsteuerung zur Steuerung des kombinierten Hydro­ statik-Gasmagnetlageraufbaus vorgesehen ist.
3. Spindelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Zustandsbestimmungsmittel eine Stromglättungseinheit zur Glättung des durch das Stromerkennungsmittel erfaßten Stromwertes aufweist sowie eine Zustandserkennungseinheit zur Umwandlung eines von der Stromglättungseinheit ausgegebenen ge­ glätteten Wertes in eine statische Last, die auf die Hauptantriebswelle einwirkt, und zur Bestimmung des Bearbeitungszustands bezogen auf ein Ergebnis der Be­ rechnung der statischen Last.
4. Spindelvorrichtung mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Abstüt­ zen einer Hauptantriebswelle mit einem an deren Spitze befestigten Bearbeitungswerkzeug durch den kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, wobei die Spin­ delvorrichtung mit einer Spindelantriebsquelle zum Drehen der Hauptantriebswelle versehen ist, der kombi­ nierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau ein Hydrosta­ tik-Gaslager und ein Magnetlager aufweist, welche bei­ de miteinander kombiniert sind, und wobei die Spindel­ vorrichtung folgende Elemente umfaßt:
ein Verschiebungserkennungsmittel zur Erkennung einer Verschiebung der Hauptantriebswelle, und
ein Zustandsbestimmungsmittel zur Bestimmung eines Be­ arbeitungszustands, der durch das Bearbeitungswerk­ zeug, bezogen auf einen durch das Verschiebungserken­ nungsmittel erfaßten Verschiebungswert, ausgeführt wird.
5. Spindelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zustandsbestimmungs­ mittel einen Frequenzanalysator zur Frequenzanalyse eines durch das Stromerkennungsmittel oder das Ver­ schiebungserkennungsmittel ausgegebenen Wertes auf­ weist sowie eine Zustandsbestimmungseinheit zur Be­ stimmung des Bearbeitungszustands bezogen auf eine Amplitude der jeweiligen Frequenzkomponenten während eines Bearbeitungsverfahrens, wobei die Frequenzkompo­ nenten vom Frequenzanalysator ausgegeben werden.
6. Spindelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Spindelantriebsquelle einen in einem Gehäuse eingebauten Motor aufweist, in welchem Gehäuse der kombinierte Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbau aufgenommen ist.
7. Spindelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, gekenn­ zeichnet durch eine Spindelsteuerung zur Steuerung des kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus sowie ein externes Ausgabemittel zur Ausgabe eines durch das Stromerkennungsmittel erfaßten Stromwertes bzw. eines durch die Stromglättungseinheit ausgegebenen geglät­ teten Wertes bzw. einer von einem Frequenzanalysator ausgegebenen Amplitude der jeweiligen Frequenzkompo­ nenten an eine Außenseite der Spindelsteuerung.
8. Spindelvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Fernbe­ stimmung des Bearbeitungszustands, bestehend aus:
einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7;
einem an einem zur Spindelvorrichtung entfernt gele­ genen Ort installierten Informationsverarbeitungsmit­ tel;
einem Kommunikationsmittel zur Übermittlung eines vom Zustandsbestimmungsmittel der Spindelvorrichtung aus­ gegebenen Wertes bzw. eines durch das Stromerkennungs­ mittel erfaßten Stromwertes bzw. eines durch die Stromglättungseinheit ausgegebenen geglätteten Wertes bzw. einer von einem Frequenzanalysator ausgegebenen Amplitude der jeweiligen Frequenzkomponenten über eine Verbindungsleitung an ein Informationsverarbeitungs­ mittel, welches an dem entfernt gelegenen Ort instal­ liert ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Informationsverarbeitungsmittel die übermit­ telten Informationen nach einem festgelegten Verarbei­ tungsverfahren verarbeitet.
9. Spindelvorrichtung mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Abstüt­ zen einer Hauptantriebswelle mit einem an deren Spitze befestigten Bearbeitungswerkzeug durch den kombinier­ ten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, mit einer Spin­ delantriebsquelle zum Drehen der Hauptantriebswelle und einer Spindelsteuerung zur Steuerung des kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbaus, wobei der kombinierte Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau ein Hy­ drostatik-Gaslager und ein Magnetlager besitzt, welche miteinander kombiniert sind, und die Spindelvorrich­ tung folgendes Element aufweist:
ein auf externe Befehle reagierendes EIN-AUS-Schalt­ mittel zum Ein- und Ausschalten der Stromführung des Magnetlagers als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelsteuerung erteilten Befehl.
10. Spindelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der externe Befehl zum Ein- und Aus­ schalten der Stromführung von einer numerischen Steue­ rungseinrichtung eines mit der Spindelvorrichtung ver­ sehenen Bearbeitungsgerätes erteilt wird.
11. Bearbeitungsgerät mit einer Spindelvorrichtung nach Anspruch 9, bestehend aus einer numerischen Steue­ rungseinrichtung zur Steuerung eines Maschinenab­ schnitts des Bearbeitungsgerätes und einem Mittel zur Erzeugung eines EIN-AUS-Befehls zur Erteilung eines Stromführungs-EIN-AUS-Befehls an das auf externe Be­ fehle reagierende EIN-AUS-Schaltmittel.
12. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der externe Befehl zum Ein- und Aus­ schalten der Stromführung ein Befehl ist, der das Ma­ gnetlager während einer Vorbearbeitung einschaltet, dieses aber während einer Endbearbeitung ausschaltet.
13. Ferngesteuerte Spindelvorrichtung mit zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, wobei die Spindelvorrichtung die folgenden Elemente auf­ weist:
eine Spindelvorrichtung nach Anspruch 9 mit dem kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau; und
ein an einem zur Spindelsteuerung entfernt gelegenen Ort installiertes Informationsverarbeitungsmittel, welches mit der Spindelsteuerung über eine Verbin­ dungsleitung kommunikationsfähig ist, wobei das Infor­ mationsverarbeitungsmittel über eine Funktion verfügt, mit welcher es einen Befehl an ein auf externe Befehle reagierendes EIN-AUS-Schaltmittel gibt.
14. Spindelvorrichtung, bestehend aus
einer Hauptantriebswelle;
zumindest einem kombinierten Hydrostatik-Gasmagnet-ra­ diallageraufbau, in welchem ein Hydrostatik-Gaslager und ein Magnetlager miteinander kombiniert sind, wobei der kombinierte Lageraufbau die Hauptantriebswelle drehbar abstützt;
einem Gehäuse, in welchem der kombinierte Lageraufbau und die Hauptantriebswelle untergebracht sind;
Gleitelementen, die im Gehäuse angeordnet und angren­ zend an die Hauptantriebswelle mit einem radialen Spalt zwischen diesen und der Hauptantriebswelle posi­ tioniert sind, wobei der radiale Spalt eine Größe auf­ weist, die kleiner ist als die des Radiallagerspalts, der durch das Hydrostatik-Gaslager und das Magnetlager definiert ist, die beide jeweilige Teile des kombi­ nierten Lageraufbaus bilden, wobei jedes dieser Glei­ telemente Kohlenstoff oder Graphit aufweist.
15. Spindelvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Magnetlager des kombinierten Lage­ raufbaus einen Lagerkern aufweist, welcher eine Hydro­ statik-Gaslagerfläche definiert.
16. Spindelvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Gleitelemente auf der jeweiligen Seite eines oder einer Gruppierung von kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbauten angrenzend an die jeweiligen gegenüberliegenden Enden der Hauptantriebs­ welle angeordnet sind.
17. Spindelvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Gleitelement eine Shore-Härte von mindestens 50, eine Biegefestigkeit von mindestens 400 Kgf/cm2, eine Druckfestigkeit von mindestens 700 Kgf/cm2 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 5 × 10-6 aufweist.
18. Spindelvorrichtung, bestehend aus:
einer Hauptantriebswelle;
zumindest einem Hydrostatik-Gaslager, und einem kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, welcher ein Hydrostatik-Gaslager und ein Magnetlager umfaßt, die miteinander kombiniert sind, zur drehbaren Abstützung der Hauptantriebswelle;
einem Gehäuse, in welchem die Hauptantriebswelle und der kombinierte Lageraufbau untergebracht sind;
einem Temperaturmeßmittel zur Messung einer Gehäuse­ temperatur; und
einem der Temperaturmessung zugehörigen Ausgabemittel zur Bestimmung eines festgelegten Ausgabesignals bezo­ gen auf einen durch das Temperaturmeßmittel erfaßten Temperaturwert, dadurch gekennzeichnet,
dass die festgelegte Ausgabe durch zumindest eine der folgenden Ausgaben dargestellt wird, des Ausgabesi­ gnals (i) des Temperaturmeßmittels, (ii) eines umge­ wandelten Wertes, welcher durch Umwandlung des vom Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes in ei­ ne axiale Position einer Spitze der Hauptantriebswelle oder eine axiale Position eines an der Spitze der Hauptantriebswelle befestigten Gliedes gemäß einer festgelegten Wärmeverschiebungsberechnung erhalten wird, und (iii) eines Fehlersignals, welches durch Vergleich des durch das Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes oder des umgewandelten Wertes mit ei­ nem festgelegten Wert bestimmt wird.
19. Spindelvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Hauptantriebswelle aus einem Mate­ rial mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten be­ steht.
20. Spindelvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein externes Ausgabemittel zur Ausgabe des durch das der Temperaturmessung zugehörige Ausgabemittel ausgegebenen Werts nach außerhalb der Spindelvorrich­ tung.
21. Spindelvorrichtung, bestehend aus:
einer Hauptantriebswelle;
zumindest einem Hydrostatik-Gaslager und einem kombi­ nierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau, welcher ein Hydrostatik-Gaslager und ein Magnetlager aufweist, die miteinander kombiniert sind, zur drehbaren Abstützung der Hauptantriebswelle;
einem Gehäuse, in welchem die Hauptantriebswelle und der kombinierte Lageraufbau untergebracht sind;
einem Temperaturmeßmittel zur Messung einer Gehäuse­ temperatur; und
einem der Temperaturmessung zugehörigen Ausgabemittel zur Bestimmung eines festgelegten Ausgabesignals bezo­ gen auf einen durch das Temperaturmeßmittel erfaßten Temperaturwert, dadurch gekennzeichnet,
dass das festgelegte Ausgabesignal durch zumindest ei­ ne der folgenden Ausgaben dargestellt wird, das Aus­ gabesignal (i) des Temperaturmeßmittels, (ii) eines umgewandelten Wertes, welcher durch Umwandlung des vom Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes in ei­ ne axiale Position einer Spitze der Hauptantriebswelle oder eine axiale Position eines an der Spitze der Hauptantriebswelle befestigten Gliedes gemäß einer festgelegten Wärmeverschiebungsberechnung erhalten wird, und (iii) eines Fehlersignals, welches durch Vergleich des durch das Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes oder des umgewandelten Wertes mit ei­ nem festgelegten Wert bestimmt wird; und
einem externen Ausgabemittel zur Übermittlung der festgelegten Ausgabe des der Temperaturmessung zugehö­ rigen Ausgabemittels nach außerhalb der Spindelvor­ richtung über eine Verbindungsleitung.
22. Spindelvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das der Temperaturmessung zugehörige Ausgabemittel ein digitales Signal ausgibt.
23. Spindelvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch ein Schreibmittel, durch welches der durch das der Temperaturmessung zugehörige Ausga­ bemittel ausgegebene Temperaturwert, oder ein durch das der Temperaturmessung zugehörige Ausgabemittel ausgegebener umgewandelte Wert, in ein Speichermittel eingegeben und gespeichert wird.
24. Spindelvorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch ein Anzeigemittel zur Ausgabe von im Speicher­ mittel gespeicherten Daten aus dem Speichermittel als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelvorrich­ tung erteilten Befehl.
25. Spindelvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, gekennzeichnet durch ein Kühlungsmittel zur Kühlung des Gehäuses, in welchem die Hauptantriebswelle unter­ gebracht ist, und einem Kühlungssteuerungsmittel zur Steuerung einer Kühltätigkeit des Kühlungsmittels als Reaktion auf den durch das der Temperaturmessung zuge­ hörige Ausgabemittel ausgegebenen Wert.
26. Spindelvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25, gekennzeichnet durch einen Spindelpositioniermechanis­ mus zur Bewegung des Gehäuses mit der darin unterge­ brachten Hauptantriebswelle in deren axialer Richtung, und einem Temperaturausgleichsmittel zur Steuerung des Spindelpositioniermechanismus entsprechend des Tempe­ raturwertes oder des umgewandelten Wertes, der durch das der Temperaturmessung zugehörige Ausgabemittel ausgegeben wird.
27. Formbearbeitungsgerät, insbesondere Werkzeugmaschine, bestehend aus:
einer Spindelvorrichtung zum Antrieb eines Bearbei­ tungswerkzeuges, wobei die Spindelvorrichtung eine Hauptantriebswelle und zumindest einen kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Abstüt­ zen der Hauptantriebswelle aufweist und der kombi­ nierte Lageraufbau aus einem Hydrostatik-Gaslager und einem Magnetlager besteht, die miteinander kombiniert sind;
einem Stromerkennungsmittel zur Erkennung eines Erre­ gerstroms für das Magnetlager; und
einem Zustandsbestimmungsmittel zur Bestimmung eines durch das Bearbeitungswerkzeug ausgeführten Bearbei­ tungszustands, in Bezug auf einen durch das Stromer­ kennungsmittel erkannten Stromwert.
28. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 27, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Zustandsbestimmungsmittel eine Stromglättungseinheit zur Glättung eines Stromwertes beinhaltet, welcher durch das Stromerkennungsmittel erkannt wurde, sowie eine Zustandsbestimmungseinheit zur Umwandlung eines durch die Stromglättungseinheit geglätteten Wertes in eine auf die Hauptantriebswelle einwirkende statische Last und zur Bestimmung des Be­ arbeitungszustands in Bezug auf ein Ergebnis der Be­ rechnung der statischen Last.
29. Formbearbeitungsgerät, insbesondere Werkzeugmaschine, bestehend aus:
einer Spindelvorrichtung zum Antrieb eines Bearbei­ tungswerkzeugs, wobei die Spindelvorrichtung eine Hauptantriebswelle und zumindest einen kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Stützen der Hauptantriebswelle beinhaltet und der kombinierte Lageraufbau aus einem Hydrostatik-Gaslager und einem Magnetlager besteht, die miteinander kombiniert sind;
einem Verschiebungserkennungsmittel zur Erkennung ei­ ner Verschiebung der Hauptantriebswelle; und
einem Zustandsbestimmungsmittel zur Bestimmung eines durch das Bearbeitungswerkzeug ausgeführten Bearbei­ tungszustands, bezogen auf einen durch das Verschie­ bungserkennungsmittel erfaßten Wert.
30. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Zustandsbestimmungsmittel einen Frequenzanalysator zur Frequenzauswertung einer Aus­ gabe des Stromerkennungsmittels oder des Verschie­ bungserkennungsmittels aufweist sowie ein Zustandsbe­ stimmungsmittel zur Bestimmung des Bearbeitungszu­ stands mit Bezug auf eine Amplitude der jeweiligen durch den Frequenzanalysator ausgegebenen Frequenz­ komponenten während einer Bearbeitung.
31. Formbearbeitungsgerät, bestehend aus:
einer Spindelvorrichtung zum Antrieb eines Bearbei­ tungswerkzeuges, wobei die Spindelvorrichtung eine Hauptantriebswelle und zumindest einen kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Stützen der Hauptantriebswelle beinhaltet und der kombinierte Lageraufbau aus einem Hydrostatik-Gaslager und einem Magnetlager besteht, die miteinander kombiniert sind; einer Spindelsteuerung zur Steuerung des Hydrostatik- Gasmagnetlageraufbaus; und
einem auf externe Befehle reagierenden EIN-AUS-Schalt­ mittel zum Ein- und Ausschalten der Stromführung des Magnetlagers als Reaktion auf einen von außerhalb der Spindelsteuerung erteilten Befehl.
32. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 31, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der von außerhalb der Spindelsteue­ rung erteilte Befehl von einer numerischen Steuerungs­ einrichtung zur Steuerung eines Maschinenabschnitts des Formbearbeitungsgerätes gegeben wird.
33. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 32, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der von außerhalb der Spindelsteue­ rung gegebene Befehl dazu verwendet wird, das Magnet­ lager während einer Vorbearbeitung einzuschalten, die­ ses aber während einer Endbearbeitung auszuschalten.
34. Formbearbeitungsgerät, bestehend aus:
einer Spindelvorrichtung zum Antrieb eines Bearbei­ tungswerkzeuges, wobei die Spindelvorrichtung eine Hauptantriebswelle und zumindest einen kombinierten Hydrostatik-Gasmagnetlageraufbau zum drehbaren Stützen der Hauptantriebswelle aufweist und der kombinierte Lageraufbau aus einem Hydrostatik-Gaslager und einem Magnetlager besteht, die miteinander kombiniert sind;
einem Gehäuse, in welchem die Hauptantriebswelle und der kombinierte Lageraufbau untergebracht sind;
einem Temperaturmeßmittel zur Messung einer Gehäuse­ temperatur;
einem der Temperaturmessung zugehörigen Ausgabemittel zur Bestimmung eines festgelegten Ausgabesignals in Bezug auf einen durch das Temperaturmeßmittel erfaßten Temperaturwert; und
einem der Temperatur zugehörigen Verarbeitungsmittel zur Durchführung einer vorbestimmten Verarbeitung in Bezug auf den durch das der Temperaturmessung zugehö­ rigen Ausgabemittel ausgegebenen Wert; dadurch gekennzeichnet,
dass das festgelegte Ausgabesignal dargestellt wird durch zumindest eine der folgenden Ausgaben, das Aus­ gabesignal (i) des Temperaturmeßmittels, (ii) eines umgewandelten Wertes, welcher durch Umwandlung des vom Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes in ei­ ne axiale Position einer Spitze der Hauptantriebswelle oder eine axiale Position eines an der Spitze der Hauptantriebswelle befestigten Gliedes gemäß einer festgelegten Wärmeverschiebungsberechnung erhalten wird, und (iii) eines Fehlersignals, welches durch Vergleich des durch das Temperaturmeßmittel gemessenen Temperaturwertes oder des umgewandelten Wertes mit ei­ nem festgelegten Wert bestimmt wird.
35. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch ein Kühlungsmittel zur Kühlung des Gehäuses, in welchem die Hauptantriebswelle installiert ist, wobei als der Temperatur zugehöriges Verarbeitungsmittel, ein Kühlungssteuerungsmittel zur Steuerung einer Kühl­ tätigkeit des Kühlungsmittels, als Reaktion auf den durch das der Temperaturmessung zugehörige Mittel aus­ gegebenen Wert, vorgesehen ist.
36. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch einen Spindelpositioniermechanismus zur Bewegung des Gehäuses mit der darin installierten Hauptan­ triebswelle in deren axialer Richtung sowie aus einem Temperaturausgleichsmittel zur Steuerung des Spindel­ positioniermechanismus entsprechend des Temperatur­ wertes oder des umgewandelten Wertes, der von dem der Temperaturmessung zugehörigen Ausgabemittel ausgegeben wird.
37. Formbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 27, 29, 31 und 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelan­ triebsquelle zur Drehung der Hauptantriebswelle einen Motor aufweist, der in dem Gehäuse eingebaut ist, in welchem die Hauptantriebswelle installiert ist.
38. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 27 oder 29, ge­ kennzeichnet durch ein Kommunikationsmittel zur Über­ mittlung des Bearbeitungszustands, der durch das Zu­ standsbestimmungsmittel bestimmt wurde, über eine Ver­ bindungsleitung an einen entfernt gelegenen Ort.
39. Formbearbeitungsgerät nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch ein Kommunikationsmittel zur Übermittlung des Wertes, der durch das der Temperaturmessung zugehörige Ausgabemittel ausgegeben wurde, über eine Verbin­ dungsleitung an einen entfernt gelegenen Ort.
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