CN111215947B - 具有主轴轴杆的刀具驱动机及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于去除切屑的加工的具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)，该刀具驱动机包括至少一个轴向电磁致动器和控制和/或调节装置(16)，该控制和/或调节装置用于操作该轴向致动器以纵向地且轴向地改变该主轴轴杆(3)的位置。该控制和/或调节装置(16)设计成控制该轴向致动器独立于进给运动并且与进给运动叠加使得该主轴(3)进行微振运动，以改变材料去除的切屑大小和切屑形式。至少一个轴向磁轴承(14)和/或线性电机设置为该轴向致动器的至少一部分。在第二方面，本申请提出了一种用于具有主轴轴杆(3)和轴向磁轴承(14)的上述刀具驱动机的操作方法。

Description

具有主轴轴杆的刀具驱动机及操作方法
背景技术
本发明涉及一种具有主轴轴杆(spindel welle)的刀具驱动机和一种用于工件的切屑成形加工的操作方法。
微振切屑成形加工领域内的第一件作品始于20世纪50年代莫斯科鲍曼大学的Ptr.V.N.Poduraev。其主要原理之一是除了生成钻削的进给运动之外还生成轴向振动或振荡，以获得钻削切屑，该切屑具有可以容易地从切削区域去除的尽可能最小的尺寸。
最初采用的是主轴被称为自激振荡主轴系统和受外部激励的振荡主轴系统的两个主轴系统。
在自激振荡主轴系统的情况下，刀具的自然频率用来生成谐振并且因此用来打碎钻削切屑使其成为许多小块。振荡频率由主轴轴杆的质量弹簧系统确定，刀架包括钻削刀具。
还使用例如用来生成并控制重叠振动的有源驱动的压电系统，例如参见德国专利文献DE 10 2009 027 688 A1。这些系统在钻削切屑的尽可能最小的尺寸(从几毫米低至几微米)下呈现出高达2kHz或者显著地更高的高振荡频率。这些系统特别适合钻削出小孔。
德国专利文献DE 103 43 682 A1提出了一种具有机械轴承的刀具系统，机械轴承具有附加线性驱动机，附加线性驱动机包括可以按照频率ω在纵轴上生成微振运动的压电操作或磁操作的致动器。微振振荡的生成在轴向方向上对准，并且由除了已经存在的机械轴承和夹具之外提供的磁致动器实现，该磁致动器插入机械夹持系统中。德国专利文献DE103 43 682 A1因此教导了一种具有机械轴承的中空柄锥形刀具夹持系统，其中致动器可追溯地安装在刀具插口中的主轴末端，并且既不会根据所使用的材料来提供振动频率或幅值的自适应调整的指示，也不会提供有源轴向磁轴承的自适应调整的指示。另外，该解决方案的缺点在于必须通过集电环或类似物引入生成振荡所需的能量，然而这并不容易。
同时，可以通过例如在常见的冲击钻削机器中采用的已知的机械系统生成振动。冲击频率结合转速与每转的振荡次数确定，仅相当于每转振荡几次，由此可以实现较小的切屑形式和切屑大小。
涉及振动振荡的被机械地驱动的有源生成应当提及法国MITIS公司所提供的
Figure BDA0002392961840000011
技术，正如例如美国专利文献US 2013 0051946A1所解释的。高频轴向振动可以通过相对复杂的机械传动机构叠加(überlagert)到主轴轴杆上。
用于快速转动轴杆(诸如用于真空泵)的轴向和径向磁轴承的构造和使用已经存在很长一段时间。例如在于1993年4月27日出版的作者为Gerhard Schweitzer和SpringerVerlag Taschenbuch的书籍“Magnetlager:Grundlagen,Eigenschaften und AnwendungenBerührungsfreier,Elektromagnetischer Lager”(ISBN-13:978-3662084496)中示出了轴向和径向磁轴承的各种设计。
特别是在深孔钻削领域，显示出了振动机械加工、特别是振动钻削和振动铣削的显著优点，其中，切屑可以几乎毫无残留地从钻孔去除，并且刀具工件的温度可以降低。特别是，这些方面在不使用润滑剂进行钻削(即，在干式钻削方法中)时并且对于其中具有材料基体的工件(诸如在航空工业中发现的复合材料工件)必须进行钻削的应用具有显著优点。当穿过复合材料和粘合材料钻削时，根据钻头处的材料，而产生不同大小的钻削切屑。当穿过工件钻削时，材料沿着入口孔和出口孔的外围被推动，形成了毛刺，其中，毛刺的高度和长度取决于进给率并且可以通过向钻削刀具施加振动而受到影响。
以上方法的缺点在于控制振动的引入以及监测加工过程的能力较差，这些解决方案具有复杂的构造，浪费了空间，并且降低了钻削效率。
另外，现有技术例如德国专利文献DE 10 2005 030 724 A1中已知存在具有磁轴承的轴杆和主轴，并且优选地在用于涡轮泵、压缩机等的高频转动驱动机的领域中使用。
从德国专利文献DE 20 2007 010 866 U1和DE 10 2006 036 004 A1中已知具有磁轴承的钻削主轴轴杆，能够通过驱动机将主轴轴线、轴向进给与生成磁场的磁轴承的线圈完成轴向对准。磁轴承的驱动机用于刀具过程中的主轴的准静态对准，这不会影响在它本身中的切屑成形过程，仅仅会影响主轴轴线的对准。详细地，德国专利文献DE 10 2006036 004 A涉及一种具有轴向和径向布置的磁轴承的刀具驱动机，其目的是能够通过驱动机实现磁轴承的轴向和径向的枢转移动，以控制材料加工。没有迹象表明在钻削期间通过叠加运动，特别是微振振荡，具有对这样的前向钻削驱动机的支撑。
美国专利文献US 8 694 133 B2和US 7 587 965 B2中呈现了一种用于驱动刀具驱动机的驱动方法，该方法对进给的幅值进行调制，以实现改进的切削加工。在此教导的是提供了一种具有控制环路的控制方法，其中，使用了各种影响因子(诸如距离测量值、力测量值、加速度测量值、温度测量值、电流或功率测量值、图像处理或数字光位移传感器)来实现轴向方向上进给功率和振动频率的最优化。
总体类型相同的专利文献DE 34 21 973 A1、DE 1 020 050 51 909 C5、DE 202007 010 866 U1和AT 513 094 B1涉及受到振动的刀具驱动机的结构设计，其中，使用超声波振动轴向致动器或径向可控的磁轴承来影响切屑成形加工的过程。
基于上述现有技术，本发明的目的是提出一种用于优化的切屑成形加工的改进的方法。
该目的是通过根据独立权利要求的主轴和操作方法实现的。本发明其他的有利实施例是从属权利要求的目的。
发明内容
在本发明的第一方面，提出了一种用于切屑成形加工的具有主轴的刀具驱动机，所述刀具驱动机包括至少一个电磁轴向致动器和控制和/或调节装置，所述控制和/或调节装置用于操作所述轴向致动器以沿着纵轴改变所述主轴轴杆的位置，其中，所述控制和/或调节装置设计成驱动所述轴向致动器生成所述主轴轴杆的微振运动，以影响被去除的材料的切屑大小和切屑形状，所述微振运动独立于进给运动并且与进给运动叠加。所述电磁轴向致动器可以通过所述控制和/或调节装置的可变驱动来生成所述主轴轴杆的轴向微振运动，以影响切屑形成，特别是生成容易去除的小尺寸切屑。可以按照这种方式实现所述主轴轴杆的轴向振动性振荡的适配(Adaption)，以保持适当的用于变化的切屑成形加工过程(Prozess)参数，诸如例如刀具的磨损、刀具和工件温度、各种类型的材料、复杂的工件结构(诸如复合材料)等等。可以通过用于驱动所述电磁轴向致动器所需电流的受控且可变的作用来实现这一点，电磁轴向致动器影响所述主轴轴杆的轴向位置。
所述刀具驱动机包括控制和/或调节装置，所述控制和/或调节装置设计成生成所述微振运动并且能够控制及调节另外的任务(诸如例如所述刀具的进给、驱动电机控制)以及切屑成形加工的其他的过程参数。为此目的，所述驱动机还可以包括传感器和致动器，特别是所述主轴轴杆的驱动电机和用于指定所述工件相对于所述刀具的位置的工件致动器。主轴轴杆是具有集成的刀具接口的直接或间接被驱动的精确安装的轴杆。主轴轴杆是许多现代机床中的重要组件。
根据本发明的所述轴向致动器设置为轴向磁轴承、线性电机或轴向磁轴承和线性电机的组合。线性电机可以因此生成与所述微振同步的肉眼可见的进给运动，或者所述微振运动可以由轴向磁轴承实现。因此，所述主轴轴杆本身生成了微振运动，而不仅仅是位于所述主轴轴杆的末端区域处的用来承载刀具的刀具插口。连接有刀具的所述主轴轴杆的高质量可以实现微振运动，该微振运动具有较高的冲量，并对机械加工产生相应的影响。通过连接有刀具系统的所述主轴轴杆的合适质量实现的弱化的微振运动可以相应地提供较高的脉冲暴露。根据本发明，所述主轴轴杆通过轴向磁轴承至少轴向地磁性安装，或者可以通过线性电机轴向地移动。所述主轴轴杆的径向轴承实现为使得可以进行轴向运动，并且可以设计为适于振动运动的机械轴承。所述轴向磁轴承和/或线性电机的电驱动机以此方式在所述主轴轴杆内生成刀具方向上的振动冲击，由此所产生的切屑的大小直接受到影响。电驱动机允许对微振运动的自适应调整，该调整可以根据切屑成形加工的参数(诸如材料类型、转速、进给率等)进行。轴向运动方向对应于所述主轴和刀具转动的轴线方向。
所述主轴轴杆的径向轴承基本上可以由机械轴承提供，该机械轴承具有用于所述主轴轴杆的微振振荡的足够的游隙。然而，机械轴承会导致摩擦损耗并缩短驱动机的寿命。在另一有利的实施例中，所述主轴轴杆的至少一个径向轴承、优选为所有的轴承可以设计为液体轴承和/或空气轴承。液体轴承可以例如是流体动力学或流体静力学的滑动轴承，其中，油膜受到外部油泵所施加的压力，由此相对于彼此移动的这两部分不直接接触。低损耗液体摩擦占主导。空气轴承可以实施为空气静力轴承或空气动力轴承，其中，这两个相互移动的轴承部件由空气薄膜分离开。这两个轴承部件因此允许无摩擦和无粘滑的移动。这些类型的轴承至少在一定范围内允许实际上无摩擦的轴向可动性，而无需增加机械阻力或磨损，因此有利地，这些轴承适合于所述主轴轴杆的与微振运动轴向地重叠的径向轴承。这些类型的轴承呈现细长且坚固的形式，并且可以毫不费力地集成到刀具驱动机中。
在本发明另外的有利的实施例中，至少一个径向轴承、优选为所有的径向轴承实现为径向磁轴承，径向磁轴承可以由所述控制和/或调节装置驱动以产生所述主轴轴杆的径向移动。不仅轴向移动，还有径向移动，特别是用于切屑断裂和切屑成形加工方法的效率的微振运动，都可以按照这种方式产生。通过轴向振动运动与径向移位的对准结合，例如转动轴线的倾斜或横向位移，可以特别通过组合刀具实现改进的扩孔(Senkbohrung)或精确加工。用于与轴向振动运动结合的磁性安装的径向轴承的优点是机床主轴中的传统滚珠轴承不允许存在任何轴向振荡，并且因此使得磨损严重，特别是在高转速下。
在有利的实施例中，所述控制和/或调节装置可以配置成通过至少一个径向磁轴承进行受控的径向主轴移动，使得能够对钻孔开口进行去毛刺
Figure BDA0002392961840000051
和/或对钻削通道进行径向延伸。磁性安装的主轴轴杆提供了在径向方向上至少轻微地移动所述轴杆的设施。这可以例如用于将钻孔去毛刺，因为在用轴杆(转动已对中)钻削之后，工件和主轴首先相对于彼此移动，使得钻孔机的切削区域基本上完全位于待去毛刺的孔的区域内。在这一位置，径向轴承沿着圆形轨道的移动(通过在两个径向轴承平面中或者仅仅在刀具侧径向轴承平面中对合适的设定点曲线(Sollverlauf)的指定)能够使得刀具的切削擦过孔的整个边缘并且去除此处的毛刺。还可以按照这种方式优质地在工件的底侧实现另外的扩孔或去毛刺过程。
通过合适的刀具，从而还可以对孔的出口侧的边缘去毛刺。
磁性安装的钻削主轴的轴杆的径向可动性还允许对既有的孔进行轻微地铣削(例如，使用小于孔的直径的铣刀)，因为为两个径向轴承平面都指定了设定点曲线，使得轴杆转动的轴线刻画出了环形路径。
在去毛刺时以及铣削出孔时，对中的轴杆转动与轴杆的转动轴线沿着环形路径移动的轴杆转动之间的连续过渡都是合适的。原则上，可以通过改变轴杆轴线的位置来生成锥形或其他非圆形几何结构的孔。
在本发明的有利实施例中，设置了两个或两个以上的轴向轴承和/或径向轴承以增加调节力。因此，至少一个轴向轴承安装有至少一个致动器，甚至可能是多个致动器，以增加调节力。致动器可以按顺序并行驱动或单独驱动，以整体地增加加工能量。
本发明一方面将主轴轴杆的微振生成适用于变化的切屑成形过程参数。为此，特别有利的是，控制和/或调节装置包括存储单元和/或函数生成单元，并且设计成根据工件的几何数据和/或物理数据和/或间接测量或确定的过程变量和/或控制输入来指定振荡曲线的设定点值、特别是微振运动的频率和幅值。可以在加工过程中考虑工件的几何结构或材料的分布或材料变化，其中在特定的工件位置和进给深度采用改变的微振运动。可以例如使用驱动电机的转速、进给率、进给力、能量损耗、主轴轴杆的转矩、电机电流、轴向主轴位置和/或径向主轴位置或其它过程参数来对微振振荡进行指定。
可以借助于表格或通过函数叠加
Figure BDA0002392961840000052
来生成轴向位置的设定点曲线(Sollverlauf)。通常情况下，设定点曲线是周期性函数，除了在进入材料时或在复合材料中改变层时的过渡。可以独立于主轴的转速选择这个函数的周期长度。主轴转动的周期时长T_rot与轴向位置设定点曲线的周期时长T_excursion之比1.5＝T_rot/T_excursion是有用的并且在技术上是有利的。然而，本方法不限于该比值。微振运动的设定点曲线可以具有以下可单独调整的操作参数：
根据经验指定配置(Profilvorgabe)；·
调整到最大电流；·
通过高级进给控制进行前馈或叠加控制；·
列入主轴的被测量轴向位置；·
将静态值(刀具接触的典型位置、已知工件结构和尺寸)考虑在内；
与现有技术相比，本发明提出的振动钻削解决方案的重要优点是，主轴已经进行了振荡，并且主轴轴杆和刀具之间不需要存在其它振荡生成的元件。以此方式，可以实现优于现有技术的以下优点：
系统构造紧凑，无需使用用于串行构造的适配器；
精度(例如，同心度)高，因为既不需要适配器也不需要延伸件；
可以继续使用经济的标准刀架；
通过使用常规主轴的标准刀架进行简单的刀具互换。
在后来的(nachgeschaltete)的现有技术，使用电气致动的有源振荡元件(滑环、电感等)向系统中引入额外的能量。在根据本发明的刀具驱动机中，能量从磁性安装的钻削主轴的电源获取，从而获得了更高的能量效率，并且减少了布线和能量供给的费用和复杂度。
根据本发明的刀具驱动机的重要优点是在钻削时轴向轴承内的电流与轴向力相关。随着轴向力增加，电流也增加。这允许在不需要额外且昂贵的测量设备的情况下对钻削过程进行分析和优化，以例如进行使用寿命的调查(力随着磨损的增加而增加)，或实现刀具或过程的开发。
在一个有利的实施例中，进给控制装置可以配置成识别加工过程变量，诸如在工件表面上的位置和/或不同材料层的穿透量，并且配置成指定轴向位置控制装置的微振运动的设定点值。
在本发明的有利实施例中，控制和/或调节装置配置成调整微振运动的至少一部分运动的振荡曲线的设定点值和/或在加工过程中阻断或启动微振运动。因此，通过对曲线形状的适配，可以改变刀具接合时间，或者可以适当地改变用于供应清洁钻孔的润滑剂的操作参数。可以连续地过渡到其他运动曲线并且可能地具有连续微分的样条形(spline
Figure BDA0002392961840000061
)或抛物线形运动的定义是合适的。
本发明的振动钻削解决方案与现有技术相比的重要优点是可以很大程度上自由地对轴向振荡曲线参数化，正如不同的过程参数所需要的(特别是钻孔直径、材料、转速和进给率)。以此方式，可以改变振荡的幅值或使振荡停止。通过合适的预定义的轴向位置曲线，可以优化切屑成形过程，并减小刀具应力。通过合适地选择轴向位置曲线，例如通过减小刀具进入工件的进入点的轴向速度，可以显著地减小所需要的控制电流和所产生的刀具应力。
特别是，本发明的刀具驱动机和由其执行的加工方法与现有技术的不同在于可以很大程度上不受约束地对振荡形式、振荡频率、幅值、刀具的转速以及连续钻削进给率的大小参数化。可以通过这些参数的适当组合影响进入材料的速度以及因此在刀具上的应力。通过减小应力，例如可以使用可能易碎的切削材料或涂层(例如金刚石)。
例如，在扩孔的最终加工期间停止振荡是有用的，由此扩孔的几何结构不会展现轴向高度型线
Figure BDA0002392961840000071
钻削主轴的磁轴承调节通常包含用于轴向位置的控制环路(例如PID控制器或状态控制器)。控制组可以有利地设置有前馈，以改善动态性能。特别有用的是为轴向位置控制器补充前馈。这个轴向位置控制器生成用于次级电流控制环路的设定点电流。主轴在轴向方向沿着轴向设定点位置的曲线的移动由轴向位置控制器和轴向电流控制器进行稳定。为了尽可能有效地获取适用于钻削的轴向位置曲线，为轴向位置控制器补充电流前馈控制是有用的。轴向轴承电流控制器的设定点电流因此是轴向位置控制器所计算的电流与轴向前馈电流之和。
在有利的实施例中，控制和/或调节装置包括轴向位置控制单元，该轴向位置控制单元有利地与用于生成线性进给的上行进给控制装置交换数据。
对于用于轴向轴承元件的电流设定点值的动态生成，调节和控制装置可以设置有各种变化的感应值和参数。除了典型的过程参数(诸如轴向设定点位置曲线、材料、孔直径和工件的结构/几何结构)之外，间接确定的状态大小或测量值(诸如主轴转速、主轴的实际轴向位置、轴向轴承元件的控制电流、实际转矩)可以考虑在内，以确定电流设定点值。另外，可以通过控制线发起切换过程(诸如关闭微振或启动变量的动态限制)。
各种轴向位置曲线可以存储在调节和控制装置中的表中，可以在这些轴向位置曲线之间根据操作模式进行切换。
因为所需要的前馈电流曲线对于不同的过程参数(轴向设定点位置曲线、材料、孔直径、进给率、转速等等)是不同的，另外有利的是适应性地适配前馈电流曲线。对该适应性调整评估设定点轴向位置与实际位置之间的偏离。还利用了以下事实：前馈电流信号的重要分量(wesentliche Anteile)也是周期性的(轴向设定点位置的周期时长为T_excursion)。适配的目标在于最小化设定点轴向位置与实际轴向位置之间的差值大小。
由于钻削过程，力在轴向方向上作用在轴杆上，并且由轴向位置控制器通过设定点轴向电流的调整来抵消(entgegenwirkt)该力。因此，可以通过参考设定点轴向电流或实际轴向电流来检测钻削刀具何时进入材料。还可以检测复合材料中的层过渡
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该信息可以用来调整设定点轴向位置振荡的参数。该信息也可以传递给进给轴线的控制器，以根据材料来调整进给率。该信息还可以用来调整主轴的转速。
还可以通过进给轴线的控制器或者通过结合控制指令和轴向电流确定的值来实现设定点轴向位置振荡的参数的调整。
在有利的实施例中，进给控制装置和/或轴向位置控制装置可以配置成通过连续的运动型线(Bewegungsprofil)来改变轴承指定的移动的参数。在设定点轴向位置振荡的不同参数集之间设置连续过渡是有用的。
用于能够结合轴向空气轴承来生成微振运动的轴向磁轴承的原理其函数原理与直接驱动的线性电机相当。
振荡频率主要取决于刀具直径和材料。可以在给定的加工任务下适应性地采用轴向和径向微振运动，并且在加工过程中动态地改变。
在有利的实施例中，控制和/或调节装置可以配置成通过致动器生成介于1Hz与1kHz之间、优选地介于5Hz与500Hz之间的微振运动，其中，刀具转动频率与微振频率之比是可调节的，并且优选地介于从1到3(特别是1.5)，和/或微振运动幅值可设定在0.01mm与1mm之间、优选为0.01mm与0.5mm之间。振动频率由刀具的转动频率与每转振荡次数之比给出。这个因数是可变的，并且可以采取典型值1.5。振荡幅值可以取决于刀具直径和材料类型。
有利地，驱动机和磁轴承的操作值和测量值是相关联的。当切屑成形过程遇见了更硬的材料后，对主轴的转矩要求增加(例如，驱动机调节器的电流增加)，因此会导致进给率减小并且微振运动的设定点值曲线进行调整。
在有利的实施例中，可以在指定的方向、特别是在刀具的轴线方向上设置至少一个磁预应力装置、特别是永磁体预应力装置，以在主轴轴杆上指定力。因此，作为一种构造措施，可以提供永久性的磁预应力来减小功率损耗，或主动地“压靠”工件，也可以生成“反向压力(Gegendrucks)”来补偿主轴的惯性力。
为了减少在磁轴承或转子中出现的(例如，由涡流损耗引起的)功率损耗，磁轴承可以实现为单极轴承或者同样可以用永磁体预应力来实现。
传感器、致动器和电缆也可以被封装，以为产生的振动力提供改进的保护和操作时间。
切屑成形加工在位于主轴轴杆的轴向端的刀具区域内生成较高的热应力。在有利的实施例中，压缩空气传递穿过主轴轴杆和刀具，使得能够将钻削过程期间产生的小切屑吹出孔外，并产生冷却的效果。添加剂(诸如油或小油滴)可以添加到压缩空气中供润滑，以例如提供微量润滑切削技术(MQL)。可替代地，可以使用另一种气体，而不是压缩空气，以将切屑吹出孔外。可替代地，可以使用液体，而不是压缩空气，以将切屑冲出孔外。
在有利的实施例中，主轴可以包括用于冷却和润滑流体、特别是气体或液体的冷却和润滑介质的至少一个冷却剂通道。冷却和润滑流体可以经由主轴从刀具驱动机的静止部分传递到切屑成形刀具，并且可以带走切屑并冷却刀具，特别是可以增加刀具的机械加工性能和寿命。
有利地，可以灵活地实施能够注入主轴轴杆的气体或液体介质的传递点，使得主轴可以具有介于0.01mm与高达0.5mm之间的轴向或径向移动。这可以例如通过与波纹管类似的弹性材料或弹性元件来实现。
在有利的实施例中，通常布置在主轴的一个轴向端的刀架通过至少一个角偏转元件(优选地，角传动机构、角变速箱或卡登接头)布置为与主轴轴杆成角度，优选地与主轴轴杆的轴线成90度。角传动机构或角变速箱、万向接头或卡登接头可以用于将两个未对准的轴杆联接在一起。在万向接头中，偏转角可以在转矩传递期间改变。主轴轴杆和刀架可以按照任何期望的角度对准，优选地彼此成90度的角。偏转元件(诸如卡登接头或角变速箱)因此可以并入主轴与刀具驱动机之间，使得主轴轴杆和刀架的转动轴线可以成角度。使用90度的偏转元件意味着对于钻削刀具的轴向振荡，该振荡可以在径向磁轴承或者在与刀架接合的另外的轴向磁轴承中生成。主轴轴杆的径向振荡通过偏置转换为刀具的轴向振荡。刀具上的轴向冲击作为径向变化传输到主轴轴杆，使得可以在主轴轴杆与刀具之间实现振荡转换。以此方式，可以获得紧凑的结构，并且可以用根据本发明的刀具驱动机改装现有的刀具。
在有利的实施例中，补偿振荡生成装置可以包括在刀具驱动机的固定部分或移动部分中，配置成补偿刀具驱动机中的主轴轴杆的振荡。使得特别是在高频下或者在高加速度下，主轴轴杆将尽可能小的振荡传递到进给滑道或机器框架，在有利的实施例中，可以补偿这种振荡(至少部分地)，因为主轴这种振荡与在相反方向运行或对准的振荡系统结合。用于相反运行的振荡系统的致动器可以例如基于压电或磁功能原理。补偿振荡生成致动器可以受到与主轴轴杆的振荡信号往复的振荡信号，或者可以响应性地基于振荡传感器使用控制环路来补偿主轴轴杆的动态行为。
在根据本发明的辅助方面，提出了通过以上描述的具有磁性安装的主轴的刀具驱动机的操作方法，其中，通过作为磁轴承的至少一个电磁轴向致动器，独立于进给运动的主轴的可调整的轴向微振运动叠加到该进给运动，以改变从孔去除的、特别是从深钻孔去除的材料的切屑大小和切屑形状。
有利地，至少一个轴向磁轴承和/或至少一个线性电机能够用作用于生成轴向微振运动的轴向致动器。这两个致动器的组合使用可以有利于增加力；线性电机还可以生成肉眼可见的进给，并且轴向磁轴承可以生成振动振荡。这些致动器还可以单独地使用。
有利地，在本发明的刀具驱动机的操作方法的范围内，至少一个径向磁轴承可以受到径向移动，特别是受到微振运动。通过这一点，可以在另外的尺寸内影响切屑成形，并且可以实现切屑成形刀具的径向引导。
在有利的实施例中，主轴能够由径向磁轴承径向地引导，以生成受控的主轴移动，用于对孔开口进行去毛刺和/或使钻削通道径向延伸。刀具因此可以处理其他加工通道。
在有利的实施例中，用于轴向致动器工作、特别是磁轴承工作的控制电流可以由控制和调节装置内的控制和调节环路限制到可指定的最大值。这一点防止了对刀具驱动机的损坏。
在有利的实施例中，可以直接或间接地根据可确定的钻削参数选择并且在钻削过程期间调整微振运动的设定点振荡曲线、特别是微振运动的幅值和频率。通过这一点可以适应性地生成微振运动。
在有利的实施例中，能够直接或间接确定的钻削参数和/或微振运动的实际值曲线的参数的变化，能够根据刀具的磨损来估算。因此，可以相对于刀具的磨损或缺陷来使用具有以其他方式相同的钻削参数的增加能耗、振动移动的增加、转矩或收集以控制微振运动的其他过程参数的增加，以特别是在串行制造的框架中实现切屑成形加工的改进的监测、增加的故障安全和成本减少。
在有利的实施例中，控制和调节装置可以将所出现的过程力、特别是刀具的接触压力、进给力、转速和/或转矩限制为可指定的最大值。因此可以检测磨损，并且可以避免刀具的损坏和过热。
在有利的实施例中，刀具遇到工件时或之前的微振运动的设定点曲线可以指定更低的进给率。在此，刀具可以在接触工件的表面之前止住，并且冲量减小，使得刀具的切削刃受到保护，使用寿命增加。
在有利的实施例中，主轴轴线可以离心(azentrisch)地偏转(ausgelenkt)，以补偿失衡。这在更高的转速下、特别是在高于约800rpm的范围内是优选地有用的，从而可以抑制失衡和振动，并且还可以执行离心应力加工过程(诸如倒角过程等等)。
如果刀具系统过应力或者受到不想要的冲击或者如果存在谐振机械振荡，会发生碰撞，即，主轴轴杆与磁轴承的周围环境之间的机械接触。这会导致快速转动的驱动机的轴承或主轴轴杆的损坏或毁坏。在本操作方法的有利的实施例中，可以通过包括在控制和/或调节装置内的磁轴承位置传感器检测刀具的不想要的碰撞，并且可以引入修正碰撞状态的措施。可以有利地容易地实现碰撞保护：在可能发生碰撞之前，由于轴向或径向磁轴承内的空隙存在，不会发生直接接触。可以通过高级位置感测系统使用传感器测量主轴轴杆的偏向，并且可以及时地检测并防止碰撞。为此，可以例如减小、增加或关闭主轴轴杆的转动频率、转矩或进给率，以防止可能发生的碰撞。
附图说明
另外的优点从以下附图描述变得明显。附图示出了本发明的示例性实施例。附图、说明书和权利要求书包含许多组合特征。本领域技术人员还将容易地单独考虑这些特征并且将其组合为有用的另外的组合。
在附图中：
图1示出根据本发明的具有位于磁轴承上的主轴轴杆的刀具驱动机的第一示例性实施例；
图2示出根据本发明的具有位于磁轴承上的主轴轴杆的刀具驱动机的第二示例性实施例；
图3示出主轴轴杆的肉眼可见的进给的图表；
图4示出根据本发明的主轴轴杆的轴向微振运动的图表；
图5示出图3和图4的宏观和微观移动叠加的图表；
图6示出根据本发明的实施例形式的当钻出复合工件时单独的钻削过程步骤的示意图；
图7示出通孔的毛刺形成的示意图；
图8示出本发明的控制和/或调节装置的实施例形式的电路框图；
图9示出根据本发明的具有位于磁轴承上的主轴轴杆的刀具驱动机的另外的示例性实施例；
相同的参考标记用于标识附图中相同或相似的部件。
图1和图2各自示出根据本发明的实施例形式的用于工件中、特别是用于金属、塑料或复合工件中的通孔加工的装置。
如图1所示，该装置的基本结构包括具有主轴轴杆3的刀具驱动机1，该主轴轴杆由主轴驱动机2驱动转动并且固定到作用于工件4的刀具5。刀具5由刀架6固定到主轴轴杆3并且围绕主轴轴线S或刀具轴线转动。刀具4固定到工件插口7或工件夹具，并且如果合适的话还能够围绕工件轴线W转动。另外在根据图1的示例性实施例中提供了用于刀具驱动机1的机械进给装置8。进给装置8(或前进单元)包括能够通过位于机器框架11处的进给驱动机10或前进驱动机移动的进给滑道9或前进滑道。刀具驱动机1通过主轴夹具12牢固地布置在进给滑道9上。
主轴轴杆3通过至少两个径向轴承13a、13b和至少一个轴向轴承14在五个轴向方向上安装在刀具驱动机1中。轴向轴承14包括与滑道锚固件相对布置的两个环形线圈磁体，该滑道锚固件围绕主轴轴杆不可转动地布置，可以通过该滑道锚固件在轴向方向上移动主轴轴杆。另外设置了上面和下面或后面和前面的径向轴承13a、13b，主轴驱动机2布置在这两个径向轴承13a、13b之间。在示例性实施例中，主轴驱动机2是多极异步电机。
径向轴承13a、13b和轴向轴承14都设计为磁轴承。这些磁轴承的轴承部分之间通过磁力而无接触地保持空隙，磁力由电磁体生成并调整。这允许主轴轴线S在一定范围内移动并沿上径向轴承13a、13b的径向方向和轴向轴承14的轴向方向被调整。
图1另外示出了示例性实施例，包括与两个径向轴承13a、13b以及轴向轴承14和主轴驱动机2连接的控制或调节装置16。借助于包括多个调节模块17的控制和/或调节单元16，径向位移V和调整角度初始可以动态地及可变化地调整。至少一个测量传感器18、19分配给径向轴承13a、13b和轴向轴承14中的每一者，其中，测量传感器18优选地集成到磁轴承13a、13b、14中。控制和/或调节装置16影响轴向轴承14以及两个径向轴承13a、13b，使得纵轴方向以及径向方向上的振动移动可以按照受控的方式以可调整的频率和幅值来应用，以获得期望的切屑大小和切屑形状，使热量的产生最小化，延长使用寿命，以及缩短钻削时间。
由于径向轴承13a、13b和轴向轴承14都设计为磁轴承，在本发明的上下文中，在刀具驱动机1中可以通过轴向轴承14调整主轴轴杆3在轴向方向上的位置。这是通过对轴向轴承14内的磁间隙的精确调整以及对可调振动移动的调节来实现的，因此通过向轴向轴承14的驱动可以在一定范围内进行前进运动或进给运动。以此方式，首先以非常少的步长实现刀具5的轴向前进，该轴向前进独立于进给装置8，进给装置由电动马达驱动并且可以附加地存在，可以提供轴向位置的粗略调整并且移动整个刀具驱动机1。可以通过磁轴向轴承14来影响刀具5的进给距离、进给速度以及特别是施加在工件4上的进给力或压力。
考虑到集成的测量传感器19，实现了力受控或力和位移受控的切屑成形加工，其中实现了微振运动的调制。经由轴承确定的测量值可以得出有关刀具5的情况以及有关任何可能的刀具断裂的结论，因此可以在不需要采用单独的测量传感器的情况下再次进行简单且可靠的监测。
控制/调节装置16可以设计为连接到测量传感器18、19的工业PC或者工业PC的一部分。该PC将传感器18和/或19在轴承内测量的电流值转换为传递到位移控制器的力值，使得可以在加工中进行组合式力-位移-控制/调节，并且振动移动可以根据当前存在的钻削条件进行调整。
参照图2解释本发明的改进的实施例形式。图2示出了用刀具5在自由曲面处进行钻削，刀具具有用于高精密表面加工的涂覆切削材料，例如金刚石触针自由曲面。因为刀具5由主轴轴杆3借助于磁径向轴承13a、13b和轴向磁轴承14在一定范围内是不受约束地且完全自动地在轴向和径向上可定位的，考虑到待产生或待加工的自由曲面，可以通过控制或调节装置对轴承13a、13b、14的电子驱动来确保刀具的精确定位自由曲面。可以在此通过力控制系统使用切屑成形加工对已经成形的自由曲面适应性地加工。然而，考虑到先前已经准确计算的并且输入控制或调节装置的值，还可以通过对去除的材料加工或生成自由曲面。
图3示出了钻削刀具的期望的连续刀具进给，其中，该刀具的转动角度在横坐标上显示为以度[°]为单位，而纵坐标示出穿透深度，以[mm]为单位。目标是实现钻削刀具每转0.06mm的期望进给。
对应于此，图4示出钻削刀具在本发明的一个实施例中在钻削方向上的轴向振动移动的设定点值曲线，其中，应当获得钻削刀具在1.5Hz冲程频率下的0.13mm冲程幅值。在冲程的设定点值曲线P部分的下部区域内，钻削刀具的刀盘接触钻削范围(Bohrgrund)从而接触工件的表面。在设定点值曲线的P部分的区域内，轴向速度可以受到影响，使得刀具头轻缓地接触工件表面，由此减小了冲击脉冲并增加了刀具的使用寿命。可以通过考虑预定的材料参数和过程参数来调整P部分区域内的设定点曲线。振动振荡的设定点值曲线可以动态地适应钻削过程。
按顺序，图5示出根据图3的连续进给和根据图4的优化振动振荡移动的重叠设定点值曲线，由此实现了切削刃沿着纵轴的位置的连续进给和轴向振荡，使得特别是当深钻削时，可以获得容易去除的钻削切屑，可以减少热量形成，可以增加使用寿命，并且可以缩短机械加工时间。所绘制的P部分示出钻削刀具与钻削范围的接触，在钻削范围处，刀具开始与工件接合，并且开始用减少的可调进给形成切屑。图6示出具有上金属涂覆层38a和下碳纤维复合层38b的例如在飞行器的机翼上使用的复合工件38内的通孔30。在步骤S1中，围绕轴线34转动的钻削刀具32与金属层38a的表面在切削尖端36接触，以形成入口开口40。在另外的步骤S2和S3中，钻削刀具32与纵轴上的振动移动重叠钻削，直到金属层38a和38b之间的边界表面44。由于切削过程和切屑成形在下复合层38b中变化，振动振荡的频率和幅值会变化，例如幅值增加，频率减小，由此可以在切屑大小和切屑形状保持不变的同时实现增加的进给率。对到达或穿过层边界44的检测，可以通过能耗变化或钻削刀具32的动态行为(例如，转矩或进给率)变化间接地进行，或者如果几何形状是提前已知的，可以通过到达孔30内的预定穿透深度来进行，从而可以调整覆盖振动移动。在步骤S4至S5中穿透第二材料层38b钻削，直至产生下出口开口42，钻削尖端36通过该下出口开口从钻削通道46露出。
图7示出穿透工件52的通孔50的钻削通道46。通常，入口开口40和出口开口42都具有由于材料位移所导致的钻削毛刺54。毛刺54是多余的，因为在粘结过程中，它们会产生多余的间隔，带来受伤危险，并且例如影响空气动力学函数。所形成的毛刺通常后续由去毛刺刀具去除。通过根据本发明的钻削过程，通过在产生通孔46的入口开口40和出口开口42时适当地调整微振运动，可以显著地减少毛刺形成，从而无需进行重复工作，或者仅需要进行很少的重复工作。
图8示出根据本发明的调节和控制装置60的实施例形式的电路框图，该调节和控制装置可以在刀具驱动机1中用来驱动主轴轴杆3的电磁轴向致动器，该主轴轴杆用于驱动诸如钻削刀或铣刀的转动刀具5、32。装置60可以集成到轴向致动器调节器中。控制和/或调节装置60包括可以设计为可编程致动器处理器系统的微振调节单元62。存储单元62附接到调节单元66，该存储单元存储大量的微振振荡的设定点值曲线以及用于不同钻削过程(例如用于不同的材料、复合材料、深度钻削过程、铣削过程等等)的管理宏观配置文件。用于操作参数和实际值曲线的存储单元64也连接到调节单元66，该存储单元记录操作参数的变化并且存储振动振荡的实际值曲线，因而可以从参数和/或实际值曲线的变化确定刀具5、32的磨损情况。以此方式，可以直接通过传感器或者间接地通过导出值存储直接的和间接的诸如例如电机电流Imot、刀具转速Nrot、设定点进给率SVset、刀具转矩Mmot、实际轴向主轴位置ASPact和实际径向主轴位置RSPact的钻削参数。调节单元66供应一个或多个控制电流ISmag，以驱动轴向致动器或者(如果相关的话)径向致动器，并且另外可以将状态信息传递给更高级的机器刀具控制器。另外，控制和/或调节单元处可以存在一个或多个功能输入和输出，以输入微振调节器的行为的外部编程和调整，并能够读出参数。
图9示出根据本发明的刀具驱动机1的另一示例性实施例，该刀具驱动机具有主轴轴杆3、刀架6和切屑成形刀具5。主轴轴杆3基本根据图2的实施例进行构造。与之不同的是，在主轴轴杆3的轴向端，与其说是具有刀具5的刀架6不可转动地沿纵轴方向连接到主轴轴杆3，不如说是刀架6的转动轴线通过角偏转器23(例如角传动机构)相对于主轴轴杆3的转动轴线枢转90度。主轴轴杆3的轴向和径向移动相对于刀具5的径向和轴向移动的运动互换来自于此。刀具5的轴向移动可以由主轴轴杆的径向磁轴承13生成，并且刀具5的径向偏转(Auslenken)可以通过轴向磁轴承14还有径向磁轴承13实现。角偏转元件23的使用减小了刀具驱动机1的结构大小，使得例如可以在刀具的机械底座中改装刀具驱动机。在本示例性实施例中，如果在至少一个方向上不需要刀具5具有径向移动性，可以省略轴向磁轴承14。
附图标记列表
1 刀具驱动机
2 主轴驱动机
3 主轴轴杆
4 工件
5 切屑成形刀具
6 刀架/刀具夹头
7 工件夹具
8 机械进给装置
9 进给滑道
10 进给驱动机
11 机器框架
12 主轴夹具
13 径向磁轴承
14 轴向磁轴承
15
16 控制和/或调节装置
17 控制模块
18 测量传感器
19 测量传感器
30 通孔
32 钻削刀具
34 刀具轴线
36 切削尖端
38 材料层
40 入口开口
42 出口开口
44 材料层边界表面
46 钻削通道
50 通孔
52 工件
54 毛刺
60 控制和/或调节装置
62 设定点值曲线存储单元
64 操作参数和实际值曲线存储单元
66 微振控制单元

Claims (25)

1.用于切屑成形加工的具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)，所述刀具驱动机包括至少一个电磁轴向致动器和控制和/或调节装置(16)，所述控制和/或调节装置用于操作所述轴向致动器以沿着纵轴改变所述主轴轴杆(3)的位置，其中，所述控制和/或调节装置(16)设计成驱动所述轴向致动器生成所述主轴轴杆(3)的微振运动，所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在进给运动上，从而影响钻削时去除的材料的切屑大小和切屑形状，其中，至少一个轴向磁轴承(14)和/或至少一个线性电机设置为所述轴向致动器的至少一部分，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16)包括存储单元(62)和/或函数生成单元(64)，并且设计成根据工件(4，52)的几何数据和/或物理数据、和/或间接测量或确定的过程变量、和/或控制输入来指定振荡曲线的设定点值，由此所述控制和/或调节装置(16)被配置为通过以下方式来调整所述主轴轴杆(3)的轴向微振运动，所述微振运动独立于进给运动并且能够叠加在所述进给运动上：在刀具与所述工件的表面接触时或接触之前调整微振运动的局部运动部分(P)的振荡曲线的设定点值以在接触所述工件的表面时提供较低的进给率。
2.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述主轴轴杆(3)的至少一个径向轴承为液体轴承和/或空气轴承。
3.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述主轴轴杆(3)的至少一个径向轴承是径向磁轴承(13a，13b)，所述径向磁轴承能够由所述控制和/或调节装置(16)驱动以生成径向移动。
4.根据权利要求3所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16)配置成通过至少一个径向磁轴承(13a，13b)执行受控的径向主轴移动，使得能够对钻孔(40，42)的开口进行去毛刺和/或对钻削通道(46)进行径向延伸。
5.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，设置了两个或两个以上的轴向致动器以增加位移力。
6.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成检测在工件表面的穿透量和/或不同材料边界层(44)的加工处理值，并调整微振运动的设定点值。
7.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成在加工过程中阻断或启动微振运动。
8.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成通过轴向致动器借助于连续的设定点值过渡来改变移动指定的振荡曲线的设定点值。
9.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成与进给控制装置和/或与转速控制装置交换数据。
10.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述控制和/或调节装置(16，60)配置成通过轴向致动器生成介于1Hz与1kHz之间的微振运动，其中，刀具转动频率与微振频率之比能够在0.5到5的范围内进行调节；和/或微振运动的幅值设定在0.01mm与1mm之间。
11.根据前述任一项权利要求所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，设置有至少一个磁预应力装置，以便沿着刀具轴线(34)的轴向方向在所述主轴轴杆(3)上指定力。
12.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述主轴轴杆(3)包括用于冷却和润滑流体的至少一个冷却剂通道，其中，在所述主轴轴杆(3)的至少一个冷却剂通道中弹性地实施有用于气体或液体的冷却和润滑介质的换热区域。
13.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，刀架(6)布置为通过至少一个角偏转元件(23)与所述主轴轴杆(3)成角度。
14.根据权利要求1所述的刀具驱动机(1)，其特征在于，所述刀具驱动机(1)包括补偿振荡生成装置，所述补偿振荡生成装置配置成补偿所述刀具驱动机(1)中的所述主轴轴杆(3)的振荡。
15.一种具有主轴轴杆(3)的刀具驱动机(1)的操作方法，所述刀具驱动机为根据权利要求1所述的刀具驱动机，其特征在于，独立于进给运动的所述主轴轴杆(3)的可调节的轴向微振运动通过所述至少一个电磁轴向致动器被叠加到所述进给运动，以影响从孔去除的材料的切屑大小和切屑形状，由此所述轴向微振运动的振荡曲线的设定点值依赖于工件(4，52)的几何数据和/或物理数据、和/或间接测量或确定的过程变量、和/或控制输入，并且由此在刀具与所述工件的表面接触时或接触之前调整微振运动的局部运动部分(P)的振荡曲线的设定点值，以在接触所述工件的表面时提供较低的进给率。
16.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，至少一个轴向磁轴承(14)和/或至少一个线性电机能够用作用于生成轴向微振运动的轴向致动器。
17.根据权利要求15或16所述的操作方法，其特征在于，至少一个径向磁轴承(13a，13b)用于生成径向移动。
18.根据权利要求17所述的操作方法，其特征在于，所述主轴轴杆(3)能够由所述径向磁轴承(13a，13b)径向地引导，以生成受控的主轴移动，用于对孔开口(40，42)去毛刺和/或使钻削通道(46)径向延伸。
19.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，用于所述轴向致动器工作的控制电流由所述控制和调节装置(16)内的控制和调节回路限制到能够指定的最大值。
20.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，直接或间接地根据可确定的钻削参数来选择并在钻削过程期间来调整微振运动的设定点振荡曲线。
21.根据权利要求20所述的操作方法，其特征在于，能够直接或间接确定的钻削参数的改变和/或微振运动生成的实际值曲线的参数的改变，能够根据刀具(5)的磨损来估算，其中所述刀具(5)的磨损状况由所述参数的改变和/或实际值曲线来确定。
22.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，所述主轴轴杆(3)相对于主轴轴杆的轴线离心地偏转，以补偿失衡。
23.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，所述控制和调节装置将接触压力的处理力、进给力、转速和/或所述刀具(5)的扭矩限制为能够指定的最大值。
24.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，微振运动的设定点值曲线在所述刀具与工件(4，52)接触时或接触之前指定较低的进给率。
25.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于，通过包括在所述控制和/或调节装置(16，60)内的磁轴承的位置感测系统，检测所述刀具的多余碰撞，并且启动校正碰撞状态的措施。
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