DE102012001903A1

DE102012001903A1 - Lageranordnung für eine Werkzeugmaschinenspindel

Info

Publication number: DE102012001903A1
Application number: DE201210001903
Authority: DE
Inventors: Frank Witt; Marcus Fischer; Jörg Lindner; Dieter Huss; Klaus Schröter
Original assignee: ICM - INSTITUT CHEMNITZER MASCHINEN- und ANLAGENBAU EV; Icm Inst Chemnitzer Maschinen und Anlagenbau E V
Current assignee: ICM - INSTITUT CHEMNITZER MASCHINEN- und ANLAGENBAU EV; Icm Inst Chemnitzer Maschinen und Anlagenbau E V
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Werkzeugmaschinenspindel, bestehend aus einem Gehäuse und einer Spindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, das ein zu bearbeitendes Werkstück bei angetriebener Spindel an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert, wobei die Spindel über zwei Lagerungen im Spindelgehäuse abgestützt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche Lageranordnung zu schaffen, die unter Berücksichtigung der an sich konträren Forderungen bezüglich der Drehzahl, Steifigkeit und Lebensdauer eine für den aktuellen Betriebszustand weitgehend optimale Anpassung der Lagervorspannungen während der Bearbeitung eines Werkstücks ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die axiale Lagervorspannung einstellbar ist, indem zwischen beiden Lagerungen (4) eine Verstelleinheit (3) und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende Aktor-Sensor-Einheit (7) angeordnet sind, wobei die Verstelleinheit (3) mit einer Vorspannkraft beaufschlagbar ist, wobei die Aktor-Sensor-Einheit (7) einen Modulgrundkörper mit zugeordnetem Piezoaktor (8) aufweist und wobei die von einer Kraftmesseinheit (6) ermittelte Größe der Vorspannkraft (FDMS(t)) einem Steuermodul übermittelt wird, von dem unter Berücksichtigung weiterer aktueller maschinenspezifischer Parameter eine auf den aktuellen Betriebszustand der Spindel (1) bezüglich Weg (s(t)) und Kraft (Fp(t)) angepasste Aktivierung des Piezoaktors (8) zur Einstellung der Vorspannung zwischen den beiden Lagerungen (4) und/oder eine spezifisch angepasste Änderung der Spindeldrehzahl (nsoll(t)) ausgelöst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Werkzeugmaschinenspindel, bestehend aus einem Gehäuse und einer Spindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, das ein zu bearbeitendes Werkstück bei angetriebener Spindel an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert, wobei die Spindel über zwei Lagerungen im Spindelgehäuse abgestützt ist, wobei mindestens ein Stellelement für eine vom aktuellen Betriebszustand abhängige Einstellung der Steifigkeit während der Bearbeitung vorgesehen ist und wobei die axiale Lagervorspannung einstellbar ist, indem zwischen den Lagerungen eine mit einer Vorspannkraft beaufschlagbare Verstelleinheit und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende Aktor-Sensor-Einheit angeordnet sind.
Verschiedenartige technische Systeme unterliegen im Einsatz Schwingungsbelastungen, die funktionelle Beeinträchtigungen des gesamten Systems ergeben können. Die Schwingungen können sowohl durch das System selbst als auch durch umgebende Strukturen ausgelöst werden. Zur Verminderung bzw. Vermeidung derartiger Belastungen sind grundsätzlich zwei alternative Lösungsansätze geeignet, nämlich eine passive oder eine aktive Entkopplung.
Für die erstgenannte Variante sind zahlreiche Konstruktionen bekannt, die mittels elastischer oder dämpfender Materialien eine passive Schwingungswirkung erzeugen. Der wesentliche Nachteil solcher Lösungsansätze besteht darin, dass keine Adaption der sich im Betrieb verändernden Systemeigenschaften möglich ist. Außerdem bewirken die hierfür eingesetzten weichen Lagerungen zwar eine gute Dämpfung bzw. Entkopplung der Schwingungen, es ergibt sich jedoch gleichzeitig eine ungenaue Lagerung des entkoppelten Systems. Dieser Nachteil kann mit steiferen Lagerungssystemen überwunden werden, allerdings wird dann zumindest beim Auftreten von Schwingungen mit kleinen Amplituden und hohen Frequenzen die Dämpfung bzw. Entkopplung beeinträchtigt.
Die benannten Probleme haben dazu geführt, dass neben ausschließlich passiv wirkenden Systemen zunehmend mechatronische und adaptronische Lösungen eingesetzt werden, bei denen die Schwingungsentkopplung durch Auslösung von Kompensationssignalen realisiert wird, mit denen elektrodynamische Aktoren, Magnetlager oder Piezoaktoren aktivierbar sind. Diese Baugruppen sind in schwingungsentkoppelnde Schnittstellen integriert und ergeben durch eine gezielte Einkopplung von Gegenschwingungen eine Schwingungsentkopplung bzw. Schwingungsreduzierung.
Ein typisches Beispiel für schwingungsbelastete Baugruppen sind die Lageranordnungen für Werkzeugmaschinenspindeln, bei denen durch Antrieb einer Spindel ein von der Spindel aufgenommenes Werkzeug mit einem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt gebracht wird. Derartige Spindeln werden überwiegend in Wälzlagern gelagert, die den Vorteil einer geringen Reibung und damit einer geringen Erwärmung bei hohen Drehzahlen aufweisen. Allerdings bewirken die Belastungen zwischen Wälzkörpern und Wälzlagerring ein relativ hartes Ablaufen, wodurch auftretende Schwingungen leichter übertragen oder auch durch die Wälzlager selbst erzeugt werden.
Aus DE 199 31 936 C2 ist eine Lageranordnung für Werkzeugmaschinenspindeln bekannt, bei der durch die Kombination eines Wälzlagers mit einem hydrostatischen Lager auch bei großer Zerspanungsleistung und hohen Drehzahlen eine wirksame Schwingungsdämpfung erzielt werden soll. Hierfür ist am werkzeugseitigen Ende der Spindel ein hydrostatisches Radiallager vorgesehen und parallel dazu ist ein Radial-Axial-Wälzlager angeordnet.
In EP 2 156 921 A1 wird vorgeschlagen, die Schwingungen einer Werkzeugspindel zu reduzieren, indem von Messeinrichtungen detektierte Schwingungen durch berührend oder berührungslos wirkende Korrekturmittel vermindert werden.
In DE 101 63 089 C1 wird eine Motorspindel mit einer Spindel zur Aufnahme eines Werkzeugs beschrieben, wobei die Lagerung an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Hierfür ist die Spindel im Gehäuse der Motorspindel in einer Festlagerung und einer Loslagerung mit einer axial verschiebbaren Lagerbuchse abgestützt. Die Motorspindel umfasst weiterhin ein Stellelement zur Einstellung der Verschiebbarkeit der Lagerbuchse und damit der Steifigkeit der Motorspindel. Diese Steifigkeit ist ein Maß für die Belastbarkeit gegenüber Reaktionskräften der Motorspindel bei der Werkstückbearbeitung. Während des Heranfahrens der Motorspindel, beispielsweise nach Werkstückwechsel, kann eine verminderte Steifigkeit Vorteile ergeben, um den Kontaktstoß zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu dämpfen. Hingegen ist bei der eigentlichen Werkstückbearbeitung eine erhöhte Steifigkeit zur Erzielung geringer Bearbeitungstoleranzen vorteilhaft. Deshalb werden technische Lösungen bevorzugt, mit denen die Steifigkeit während der Bearbeitung unter Beachtung des aktuellen Betriebszustandes der Motorspindel eingestellt werden kann. Dies erfolgt hier mit dem Stellelement der axial verschiebbaren Lagerbuchse.
Weiterhin ist aus DE 40 13 896 C1 eine Vorrichtung zum Verändern der Vorspannung an Schrägkugellagern bekannt. Hierbei ist eine Spannbuchse vorgesehen, welche mit einer mit Öldruck beaufschlagten Spreiznut versehen ist. Die Spannbuchse wirkt auf zwei Lagerungen als Stellelement für die vom aktuellen Betriebszustand abhängige Einstellung der Steifigkeit.
Die bisher bekannten technischen Lösungen zur Schwingungskompensation an Spindeln einer Werkzeugmaschine berücksichtigen überwiegend nur einen maschinenspezifischen Parameter, während weitere Parameter nicht oder lediglich partiell berücksichtigt werden. Dabei fehlen bisher insbesondere Vorschläge, welche die prinzipbedingten Widersprüche zwischen den Kriterien Drehzahl, Steifigkeit und Lebensdauer ausreichend berücksichtigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lageranordnung für Werkzeugmaschinenspindeln zu schaffen, die unter Berücksichtigung der an sich konträren Forderungen bezüglich Drehzahl, Steifigkeit und Lebensdauer eine für den aktuellen Betriebszustand optimale Anpassung der Lagervorspannungen während der Bearbeitung eines Werkstücks ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die axiale Lagervorspannung einstellbar ist, indem zwischen beiden Lagerungen eine Verstelleinheit und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende Aktor-Sensor-Einheit angeordnet sind, wobei die Verstelleinheit mit einer Vorspannkraft beaufschlagbar ist, wobei die Aktor-Sensor-Einheit einen Modulgrundkörper mit zugeordnetem Piezoaktor aufweist und wobei die von einer Kraftmesseinheit ermittelte Größe der Vorspannkraft einem Steuermodul übermittelt wird, von dem unter Berücksichtigung weiterer aktueller maschinenspezifischer Parameter eine auf den aktuellen Betriebszustand der Spindel bezüglich Weg und Kraft angepasste Aktivierung des Piezoaktors zur Einstellung der Vorspannung zwischen den beiden Lagerungen und/oder eine spezifisch angepasste Änderung der Spindeldrehzahl ausgelöst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird zunächst eine vorab definierbare Vorspannkraft durch Vorspannschrauben, die von der Gehäusefront zugänglich sind, auf die Lageranordnung aufgebracht. Die Vorspannkraft wird durch Dehnmessstreifen gemessen und im Betrieb permanent durch Piezoaktoren unter Beachtung der jeweils konkreten Betriebsverhältnisse geregelt. Für die gesamte Verfahrensführung ist ein Steuermodul vorgesehen, das primär folgende Informationen erhält: Vorspannkraft der Lager, Ist-Spindeldrehzahl, Lagertemperaturen, Schwingungszustand bezüglich Amplitude und Frequenz sowie den Ist-Druck und den Ist-Volumenstrom der Dämpfungsbuchse Auf Grundlage dieser Parameter erzeugt das Steuermodul über Kennfelder und hinterlegte Algorithmen die folgenden digitalen Kennwerte: Soll-Weg bzw. Soll-Kraft der Piezoaktoren, Soll-Druck und Soll-Volumenstrom der Dämpfungsbuchse sowie die Spindeldrehzahl. Für die Optimierung des gesamten Spindelsystems sind als Optionen insbesondere die Einflussnahme der Drehzahl durch das Steuermodul, der Einbau der Dämpfungsbuchse in das System sowie die Einflussnahme des Soll-Druckes und des Soll-Volumenstromes durch das Steuermodul wesentlich.
Der vorgeschlagene Aufbau der Kraftmesseinheit ergibt wesentliche Vorteile gegenüber den als Stand der Technik bekannten Kraftmesseinheiten. So ist der Anschlag für das Aktorelement zur Vorspannungserzeugung verstellbar. Damit ist es möglich, die Spindel für unterschiedliche Bearbeitungstechnologien voreinzustellen. In die Aktoreinheit ist der Sensor für Kraftmessung integriert, so dass sich äußere Einflüsse (zum Beispiel eine veränderte Reibung des Aktors im Gehäuse) regelungstechnisch eliminieren lassen. Die Vorspannkraft ist deutlich schneller als in hydraulischen Systemen änderbar. Außerdem entstehen keine Dichtungsprobleme.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Lageranordnung
2 die Lageranordnung gemäß 1 mit detailliert ausgeführten Baugruppen
3 eine bevorzugte Ausgestaltung der in 2 gezeigten Kraftmesseinheit
Die in der Zeichnung dargestellte Lageranordnung für eine Werkzeugmaschinenspindel besteht aus einem Gehäuse 2 und einer Spindel 1. In der Spindel 1 wird ein hier nicht näher gezeigtes Werkzeug aufgenommen, mit dem ein – hier ebenfalls nicht näher dargestelltes – Werkstück bearbeitet werden kann. Dabei wird das Werkstück bei einem Antrieb der Spindel 1 an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert. Die Spindel 1 ist über zwei Lagerungen 4 im Spindelgehäuse 2 abgestützt. Ein derartiger Grundaufbau ist allgemein bekannt, so dass diesbezüglich auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann. Wesentlich im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch, wie eine vom aktuellen Betriebszustand abhängige Einstellung der Steifigkeit der Lageranordnung während der Bearbeitung eines Werkstücks realisierbar ist.
Diesbezüglich wird vorgeschlagen, dass die axiale Lagervorspannung einstellbar ist, indem zwischen beiden Lagerungen 4 eine Verstelleinheit 3 und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende Aktor-Sensor-Einheit 7 angeordnet sind.
Die Verstelleinheit 3 ist mit einer Vorspannkraft beaufschlagbar. Dies kann gemäß 2 beispielsweise erfolgen, indem die Verstelleinheit 3 mit einer im Spindelgehäuse 2 verlagerbar und arretierbar abgestützten Stellschraube 5 beaufschlagt wird.
Die Aktor-Sensor-Einheit 7 weist einen Modulgrundkörper mit einem zugeordneten Piezoaktor 8 auf.
Weiterhin ist eine Kraftmesseinheit 6 vorgesehen, welche die Größe der Vorspannkraft F_DMS(t) ermittelt und an ein Steuermodul übermittelt. Diese Kraftmesseinheit 6 ist als eine die Spindel 1 umgreifende Baugruppe ausgestaltet, die ausgehend von der Aktor-Sensor-Einheit 7 einen zylinderförmigen Grundkörper 60 aufweist, der über mehrere bogenförmige Abschnitte 61 in eine ringförmige Kontur 62 übergeht. Die Stirnfläche der ringförmigen Kontur 62 liegt unmittelbar und vollflächig an der Stirnfläche der zugeordneten Lagerung 4 an. 3 zeigt eine diesbezüglich vorteilhafte Variante, bei der die Kraftmesseinheit 6 drei bogenförmige Abschnitte 61 aufweist, denen jeweils Dehnmessstreifen zugeordnet sind, die hier allerdings nicht näher dargestellt sind.
Vom Steuermodul wird unter Berücksichtigung weiterer aktueller maschinenspezifischer Parameter eine auf den aktuellen Betriebszustand der Spindel 1 bezüglich des Weges s_(t) und der Kraft F_p(t) angepasste Aktivierung des Piezoaktors 8 ausgelöst, um die Vorspannung zwischen den beiden Lagerungen 4 einzustellen. Alternativ oder gleichzeitig zur Einstellung der Lagervorspannung kann vom Steuermodul auch eine spezifisch angepasste Änderung der Spindeldrehzahl n_soll(t) ausgelöst werden. Dabei können neben der Vorspannkraft F_DMS(t) als weitere Parameter die Spindeldrehzahl n_ist(t), die Lagertemperatur(en) T_1(t), T_2(t), ... T_n(t) und der Schwingungszustand f_(t) für die Aktivierung des Piezoaktors 8 und/oder für die Änderung der Spindeldrehzahl n_soll(t) ausgewertet werden. Die Informationsflüsse der Parameter zwischen den jeweiligen Baugruppen und dem Steuermodul sind in 1 und 2 mit Pfeilen und Formelzeichen stilisiert dargestellt.
Aus 2 ist weiterhin eine Ausgestaltung ersichtlich, bei der zwischen den beiden Lagerungen 4 eine zusätzliche hydrostatische Dämpfungsbuchse 9 vorgesehen ist. Diese Dämpfungsbuchse 9 ist vorzugsweise auf der zur Spindel 1 ausgerichteten Innenfläche der Verstelleinheit 3 angeordnet. Bei einer solchen Variante werden vom Steuermodul als maschinenspezifische Parameter auch die an der Dämpfungsbuchse 9 auftretenden Istwerte von Volumen V_ist(t) und Druck p_ist(t) ausgewertet und auf für den jeweiligen Betriebszustand optimale Sollwerte V_soll(t) und p_soll(t) angepasst.
Die beschriebene Lageranordnung für Werkzeugmaschinenspindeln ermöglicht auch unter Berücksichtigung der an sich konträren Forderungen bezüglich der Drehzahl, Steifigkeit und Lebensdauer eine für den aktuellen Betriebszustand weitgehend optimale Anpassung der Lagervorspannungen während der Bearbeitung eines Werkstücks.
Bezugszeichenliste

1: Spindel
2: Spindelgehäuse
3: Verstelleinheit
4: Lagerung
5: Stellschraube
6: Kraftmesseinheit
60: zylinderförmiger Grundkörper
61: bogenförmiger Abschnitt
62: ringförmige Kontur
7: Aktor-Sensor-Einheit
8: Piezoaktor
9: hydrostatische Dämpfungsbuchse
F_DMS(t): Vorspannkraft
F_p(t): Kraft Piezoaktor
f_(t): Schwingungszustand
n_ist(t): Istwert Spindeldrehzahl
n_soll(t): Sollwert Spindeldrehzahl
p_ist(t): Istwert Druck
p_soll(t): Sollwert Druck
s_(t): Weg Piezoaktor
T_1(t): Lagertemperatur
T_2(t): Lagertemperatur
T_n(t): Lagertemperatur
V_ist(t): Istwert Volumen
V_soll(t): Sollwert Volumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19931936 C2 [0006]
EP 2156921 A1 [0007]
DE 10163089 C1 [0008]
DE 4013896 C1 [0009]

Claims

Lageranordnung für eine Werkzeugmaschinenspindel, bestehend aus einem Gehäuse und einer Spindel zur Aufnahme eines Werkzeugs, das ein zu bearbeitendes Werkstück bei angetriebener Spindel an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert, wobei die Spindel über zwei Lagerungen im Spindelgehäuse abgestützt ist, wobei mindestens ein Stellelement für eine vom aktuellen Betriebszustand abgängige Einstellung der Steifigkeit während der Bearbeitung vorgesehen ist und wobei die axiale Lagervorspannung einstellbar ist, indem zwischen den Lagerungen eine mit einer Vorspannkraft beaufschlagbare Verstelleinheit und eine mit dieser in Wirkverbindung stehende Aktor-Sensor-Einheit angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktor-Sensor-Einheit (7) einen Modulgrundkörper mit zugeordnetem Piezoaktor (8) aufweist und wobei die von einer Kraftmesseinheit (6) ermittelte Größe der Vorspannkraft (F_DMS(t)) einem Steuermodul übermittelt wird, von dem unter Berücksichtigung weiterer aktueller maschinenspezifischer Parameter eine auf den aktuellen Betriebszustand der Spindel (1) bezüglich Weg (s_(t)) und Kraft (F_p(t)) angepasste Aktivierung des Piezoaktors (8) zur Einstellung der Vorspannung zwischen den beiden Lagerungen (4) und/oder eine spezifisch angepasste Änderung der Spindeldrehzahl (n_soll(t)) ausgelöst wird.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (3) mit einer im Spindelgehäuse (2) verlagerbar und arretierbar abgestützten Stellschraube (5) beaufschlagbar ist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinheit (6) als eine die Spindel (1) umgreifende Baugruppe ausgestaltet ist, die ausgehend Von der Aktor-Sensor-Einheit (7) einen zylinderförmigen Grundkörper (60) aufweist, der über mehrere bogenförmige Abschnitte (61) in eine ringförmige Kontur (62) übergeht, wobei die Stirnfläche dieser ringförmigen Kontur (62) unmittelbar und vollflächig an der Stirnfläche der zugeordneten Lagerung (4) anliegt.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinheit (6) drei bogenförmige Abschnitte (61) aufweist, denen jeweils Dehnmessstreifen zugeordnet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Steuermodul neben der Vorspannkraft (F_DMS(t)) als weitere maschinenspezifische Parameter die Spindeldrehzahl (n_ist(t)), die Lagertemperatur(en) (T_1(t), T_2(t), ... T_n(t)) und der Schwingungszustand (f_(t)) für die Aktivierung des Piezoaktors (8) und/oder für die Änderung der Spindeldrehzahl (n_soll(t)) ausgewertet werden.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Lagerungen (4) eine zusätzliche hydrostatische Dämpfungsbuchse (9) vorgesehen ist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatische Dämpfungsbuchse (9) auf der Zur Spindel (1) ausgerichteten Innenfläche der Verstelleinheit (3) angeordnet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vom Steuermodul als maschinenspezifische Parameter die an der Dämpfungsbuchse (9) auftretenden Istwerte von Volumen (V_ist(t)) und Druck (p_ist(t)) ausgewertet und auf für den jeweiligen Betriebszustand optimale Sollwerte von Volumen (V_soll(t)) und Druck (p_soll(t)) angepasst werden.