DE10017014B4

DE10017014B4 - Balancing device and method

Info

Publication number: DE10017014B4
Application number: DE2000117014
Authority: DE
Inventors: Friedrich Scheurer
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHEURER, FRIEDRICH, 73035 GOEPPINGEN, DE
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: AU2001246530A1; DE10017014A1; WO2001075412A1

Abstract

Bearbeitungsmaschine mit zumindest einem rotierenden Gegenstand und wenigstens einer Auswuchtvorrichtung zum Auswuchten des rotierenden Gegenstandes mit wenigstens einem als Ganzes am rotierenden Gegenstand mit radialem Abstand von dessen Drehachse (14) und mit axialem Abstand von dessen freiem Ende angebrachten Aktuator (16), der zum Einstellen einer Krümmung des Gegenstandes in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht zu axialen Stellbewegungen ansteuerbar ist.Processing machine with at least one rotating object and at least one balancing device for balancing the rotating object with at least one as a whole on the rotating object at a radial distance from its axis of rotation (14) and at an axial distance from the free end attached actuator (16) for adjusting a Curvature of the object as a function of the measured imbalance to axial positioning movements can be controlled.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine zum Auswuchten von rotierenden Gegenständen, insbesondere zur Bohr- und Fräsbearbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Auswuchtverfahren.The invention relates to a processing machine for balancing rotating objects, in particular for drilling and milling with the features of claim 1. The invention also relates to a balancing method.

Insbesondere in Hochleistungsbearbeitungszentren, die zur spanenden Bearbeitung von Bauteilen beispielsweise in der Automobilindustrie zunehmend eingesetzt werden, können unterschiedliche Werkzeuge auswechselbar mit direkt angetriebenen Wellen gekoppelt werden, die auch als Motorspindeln bezeichnet werden. Für jeden Bearbeitungsvorgang kann hierbei ein spezielles Werkzeug eingewechselt werden. Zur Erzielung maximaler Zerspanungsleistungen soll mit möglichst hohen Drehzahlen der Welle gearbeitet werden. Bei derartigen schnellaufenden Systemen sind Unwuchten unvermeidbar, die insbesondere durch Toleranzen an der Schnittstelle zwischen dem Werkzeug und der Welle bedingt sind und die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen. Die durch die Unwucht hervorgerufene Exzentrizität an der Spitze des Werkzeugs nimmt mit dessen Länge zu, was bei weit auskragenden Werkzeugen, die vor allem bei der Bohr- und Fräsbearbeitung zum Einsatz kommen, zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit führt. Außerdem erhöhen die durch die Unwucht hervorgerufenen Kräfte, deren Größe proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, die Belastung der Wellenlager.Especially in high-performance machining centers, which are increasingly used for machining components, for example in the automotive industry, different tools can be interchangeable coupled with directly driven shafts, which are also referred to as motor spindles. For each machining process, a special tool can be used. To achieve maximum machining performance, work should be carried out with the shaft as high as possible. In such high-speed systems imbalances are unavoidable, which are in particular due to tolerances at the interface between the tool and the shaft and affect the machining accuracy. The eccentricity caused by the imbalance at the tip of the tool increases with its length, which leads to a considerable impairment of the machining accuracy in far projecting tools, which are mainly used in drilling and milling used. In addition, the forces caused by the unbalance, whose magnitude is proportional to the square of the speed increase the load on the shaft bearings.

Bekannte Auswuchtsysteme, wie beispielsweise in der WO 96/17294 A1 beschrieben, haben den Nachteil, daß zusätzliche Massen in das rotierende System eingebracht werden, die störende Zusatz-Trägheitsmomente zur Folge haben. Außerdem erfolgt die Auswuchtung nur punktuell in einer einzigen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene. Bei hydraulischen Auswuchtsystemen ist von Nachteil, daß diese häufig nicht reversibel betrieben werden können und zur Entleerung bzw. Rücksetzung vorübergehend außer Betrieb gesetzt werden müssen. Nachteilig an mit relativ geringen Antriebskräften und stark untersetzenden Getrieben arbeitenden elektromechanischen Systemen ist, daß bei hohen Drehzahlen die Getriebe zum Verklemmen neigen, da die hohen Reibungskräfte von den Antrieben nicht mehr überwunden werden können.Known balancing systems, such as in the WO 96/17294 A1 described, have the disadvantage that additional masses are introduced into the rotating system, the disturbing additional moments of inertia result. In addition, the balancing takes place only selectively in a single plane extending perpendicular to the axis of rotation. In hydraulic balancing systems has the disadvantage that these often can not be operated reversibly and must be temporarily put out of service for emptying or reset. A disadvantage of working with relatively low driving forces and high-reduction gears electromechanical systems is that at high speeds, the gear tend to jamming, since the high frictional forces of the drives can not be overcome.

Aus DE 37 42 149 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich der Unwucht von Rotationskörpern bekannt. Die Unwucht des Rotationskörpers wird durch Stellelemente beseitigt bzw. unter einen wählbaren Grenzwert gebracht, die den Rotationskörper oder Ausgleichsgewichte gegenüber der Drehachse verlagern.Out DE 37 42 149 A1 For example, a method and a device for compensating for the unbalance of bodies of revolution are known. The imbalance of the rotational body is eliminated by adjusting elements or brought under a selectable limit, which shift the rotational body or balancing weights relative to the axis of rotation.

DE 40 24 328 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbalancierung dynamischer Wechselkräfte bei Rotorsystemen. Primär befasst sich dieses Dokument mit der Umsetzung einer axialen in eine radiale Bewegung durch Verwendung eines Getriebes. Letztlich geht es in diesem Dokument wiederum um das Beaufschlagen von Trimmgewichten bzw. Trimmfinnen. DE 40 24 328 A1 describes a method and apparatus for balancing dynamic alternating forces in rotor systems. Primarily, this document deals with the implementation of axial to radial motion through the use of a gearbox. Ultimately, this document is again about applying trim weights or trim fins.

Aus WO 97/03832 A1 ist ein Verfahren zur Verminderung von Biegeschwingungen von rotierenden Systemen bekannt. Die beispielsweise durch Unwuchten erzeugten Schwingungen und deren charakterisierenden Parameter werden gemessen. Die Messwerte werden zur Regelung und Ansteuerung von Aktuatoren verwendet, welche die Schwingungen aktiv unterdrücken. Auf die konkrete Art und Weise der Wirkung dieser Aktuatoren wird in diesem Dokument nicht näher eingegangen.Out WO 97/03832 A1 is a method for reducing bending vibrations of rotating systems known. The vibrations generated by unbalance and their characterizing parameters are measured. The measured values are used to control and actuate actuators that actively suppress the vibrations. The concrete nature of the effect of these actuators is not discussed in detail in this document.

Aus der SU 879340 A ist eine automatische Vorrichtung zum Ausgleich biegsamer Läufer bekannt, wobei diese Vorrichtung einen Piezokeramikstab als Aktuator umfasst. Eine Elektrode dieses Aktuators umfasst symmetrische Zonen, die radial von der Achse des Läufers und zumindest teilweise axial von einem Endbereich beabstandet sind, während eine zweite Elektrode des Aktuators als Draht entlang der Achse verläuft.From the SU 879340 A an automatic device for compensating flexible rotor is known, this device comprising a piezoceramic rod as an actuator. An electrode of this actuator includes symmetrical zones spaced radially from the axis of the rotor and at least partially axially spaced from an end region while a second electrode of the actuator extends as a wire along the axis.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Möglichkeit zu schaffen, die Unwucht an rotierenden Gegenständen möglichst weitgehend zu beseitigen, wobei dies insbesondere an rotierenden Systemen mit einer angetriebenen schnellaufenden Welle und einem mit der Welle gekoppelten Werkzeug von vergleichsweise großer Länge möglich sein soll, und zwar mit einem minimalen zusätzlichen Trägheitsmoment und bei minimalen Auswuchtzeiten, und wobei dies insbesondere außerdem automatisch, reversibel und in jedem Betriebszustand möglich sein soll.The object of the invention is to provide an alternative way to eliminate the imbalance of rotating objects as much as possible, and this should be possible in particular on rotating systems with a driven high-speed shaft and coupled to the shaft tool of comparatively long length, namely with a minimum additional moment of inertia and with minimum balancing times, and this in particular also should be automatic, reversible and possible in any operating condition.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1.The solution of this object is achieved by the features of the device claim. 1

Erfindungsgemäß kann der rotierende Gegenstand an einem von seinem freien Ende entfernten Bereich mit Hilfe des Aktuators gezielt in Abhängigkeit von der jeweiligen Unwucht gekrümmt werden. Das freie Ende des rotierenden Gegenstandes, beispielsweise eine Werkzeugspitze, wird durch dieses Verbiegen des Gegenstandes in Richtung der Drehachse bewegt.According to the invention, the rotating object can be selectively curved at a region remote from its free end with the aid of the actuator as a function of the respective imbalance. The free end of the rotating object, for example a tool tip, is moved by this bending of the object in the direction of the axis of rotation.

Der Aktuator wirkt somit als ein Biegeaktuator, der dem rotierenden Gegenstand an der Stelle, wo die durch die Stellbewegungen hervorgerufenen Stellkräfte auf den Gegenstand einwirken, eine Gelenkeigenschaft verleiht. Durch die Erfindung wird der rotierende Gegenstand daher mit einem Festkörpergelenk versehen. Der Abschnitt des Gegenstandes zwischen dem Gelenkbereich und dem freien Ende kann gezielt zu Auswuchtbewegungen veranlaßt werden, die zu einer Minimierung der Unwucht führen.The actuator thus acts as a bending actuator imparting a hinge characteristic to the rotating object at the location where the actuating forces produced by the adjusting movements act on the object. The invention therefore provides the rotating object with a Festkörpergelenk provided. The portion of the object between the hinge area and the free end can be specifically caused to balance movements, which lead to a minimization of imbalance.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die einstellbare Krümmung oder Biegung, die im Folgenden auch als Auswuchtkrümmung oder Auswuchtbiegung des rotierenden Gegenstandes bezeichnet wird, über die gesamte Länge des Bereiches zwischen der Stelle, an welcher die Krümmung bzw. Biegung erfolgt, und dem freien Ende des Gegenstandes wirksam ist. Es findet somit keine punktuelle Auswuchtung lediglich in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene statt, sondern es erfolgt eine Minimierung des gesamten Exzentrizitätsverlaufs des rotierenden Gegenstandes zwischen der Biegestelle und dem freien Ende.An essential advantage of the invention is that the adjustable curvature or bending, which is also referred to below as Balancing curvature or deflection bending of the rotating object, over the entire length of the area between the point at which the curvature takes place, and the free end of the object is effective. Thus, there is no punctual balancing only in a direction perpendicular to the axis of rotation plane instead, but there is a minimization of the entire eccentricity of the rotating object between the bending point and the free end.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung daher an langgestreckten rotierenden Gegenständen einsetzbar.The invention can therefore be used particularly advantageously on elongate rotating objects.

In einem bevorzugten praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem rotierenden Gegenstand um eine direkt antreibbare Spindel eines Hochleistungsbearbeitungszentrums, die an ihrem freien Ende mit einem auswechselbaren Werkzeug gekoppelt ist, das an einem direkt mit der Welle gekoppelten Träger angebracht ist. Die Werkzeugspitze bildet somit das freie Ende des rotierenden Gesamtgegenstandes.In a preferred practical embodiment of the invention, the rotating object is a direct-drive spindle of a heavy-duty machining center coupled at its free end to a replaceable tool mounted on a support coupled directly to the shaft. The tool tip thus forms the free end of the rotating total object.

Hauptursache für die Unwucht derartiger rotierender Systeme ist der insbesondere durch Planlauffehler verursachte Winkelversatz zwischen der Spindel und dem Werkzeug bzw. dem Träger. Dieser Winkelversatz entsteht an der Schnittstelle zwischen der Spindel und dem jeweils direkt mit der Spindel gekoppelten Bauteil.The main reason for the imbalance of such rotating systems is the angular misalignment between the spindle and the tool or the carrier, which is caused in particular by runout errors. This angular offset arises at the interface between the spindle and the component directly coupled to the spindle.

Die negativen Auswirkungen der Unwucht dieses Gesamtsystems sind um so größer, je länger das Werkzeug und je schlanker und elastischer die Welle ist. Die insbesondere bei der Bohr- und Fräsbearbeitung benötigten, relativ weit auskragenden Werkzeuge und die relativ elastischen Wellen führen zu einer ausgeprägten Reaktion auf die Anregung durch die Unwucht. Verstärkt wird dieses Problem durch eine angestrebte Massearmut der jeweiligen Maschine, deren damit verbundene geringere dynamische Steifigkeit zu größeren Relativverlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück führt.The longer the tool and the slimmer and more elastic the shaft, the greater the negative effects of the imbalance of this overall system. The relatively far projecting tools and the relatively elastic waves, which are required in particular during drilling and milling, lead to a pronounced reaction to the excitation due to the imbalance. This problem is amplified by a targeted mass poverty of the respective machine, whose associated lower dynamic stiffness leads to larger relative displacements between tool and workpiece.

Diese negativen Auswirkungen der Unwucht können durch die erfindungsgemäße Auswuchtung minimiert werden, die vom Bereich der durch den Aktuator hervorgerufenen Krümmung bis zur Werkzeugspitze wirksam ist.These negative effects of the unbalance can be minimized by the balancing according to the invention, which is effective from the range of the curvature caused by the actuator to the tool tip.

Von besonderem Vorteil ist daher der Einsatz der erfindungsgemäßen Auswuchtvorrichtung an weit auskragenden Werkzeugen mit einem großen Länge/Durchmesser-Verhältnis.Of particular advantage is therefore the use of the balancing device according to the invention on far projecting tools with a large length / diameter ratio.

Vorzugsweise wird der Aktuator im Bereich dieser Schnittstelle zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger angeordnet, wodurch der rotierende Gesamtgegenstand an der Stelle gekrümmt werden kann, an der mit dem Winkelversatz zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger die auszugleichende Unwucht ihre Hauptursache hat.Preferably, the actuator is arranged in the region of this interface between the shaft and the tool or carrier, whereby the rotating total object can be curved at the point at which with the angular offset between the shaft and tool or carrier to be compensated imbalance has its main cause.

Durch die Krümmung oder Biegung des Gegenstandes im Bereich der Schnittstelle wird somit in vorteilhafter Weise eine Auswuchtwirkung über die gesamte Werkzeuglänge erzielt. Dies ist insbesondere bei vergleichsweise langen und schlanken Werkzeugen von Vorteil, da der für die Unwucht verantwortliche Winkelversatz an der Schnittstelle bei weit auskragenden Werkzeugen besonders ausgeprägte exzentrische Bewegungen der Werkzeugspitze um die Drehachse zur Folge hat.The curvature or bending of the object in the region of the interface thus advantageously achieves a balancing effect over the entire tool length. This is particularly advantageous for comparatively long and slim tools, as the angular misalignment at the interface responsible for the imbalance results in particularly pronounced eccentric movements of the tool tip about the axis of rotation when the tools project far overhanging.

Unter der Voraussetzung des für die Unwucht hauptsächlich verantwortlichen Fehlers aus dem Planlauf an der Schnittstelle werden somit durch die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung die geometrischen Verhältnisse im rotierenden System insgesamt verbessert, während bei der mit herkömmlichen Masseausgleichssystemen bewirkten Einebenenauswuchtung lediglich punktuelle Verbesserungen erzielt werden, die lediglich zu einer Verringerung der Unwuchtreaktion führen können, jedoch keine Verbesserung der Geometrie zur Folge haben.On the assumption that the error from the axial runout at the interface is mainly responsible for the unbalance, the geometric conditions in the rotating system are thus improved overall by the balancing device according to the invention, whereas in the single plane balancing effected with conventional mass balance systems only punctual improvements are achieved, which only lead to a reduction cause the imbalance reaction, but do not result in an improvement of the geometry.

Erfindungsgemäß können die nachteiligen Folgen der Unwucht also auch an Stellen – nämlich an der Werkzeugspitze – beseitigt werden, an denen ein direkter Eingriff beispielsweise durch eine punktuelle Einebenenauswuchtung nicht möglich ist.According to the invention, the adverse consequences of imbalance can thus be eliminated even in places - namely on the tool tip - where a direct intervention, for example by a punctual Einbenenauswuchtung is not possible.

Vorzugsweise ist der Aktuator an der Welle anbringbar und somit auf der vom Werkzeug abgewandten Seite der Schnittstelle zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger. Hierdurch ist der Aktuator dem von Werkzeugwechseln nicht betroffenen Teil des rotierenden Gesamtgegenstandes zugeordnet. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Aktuator im bezüglich der Wellenlagerung auskragenden Bereich der Welle angeordnet ist, wodurch ungünstige Verspannungen in der Lagerung vermieden werden.Preferably, the actuator is attachable to the shaft and thus on the side remote from the tool side of the interface between the shaft and tool or carrier. As a result, the actuator is assigned to the not affected by tool changes part of the rotating total object. In this case, it is preferred if the actuator is arranged in the area of the shaft projecting with respect to the shaft bearing, whereby unfavorable tension in the bearing is avoided.

Bevorzugt wird der Aktuator dabei im Bereich der Außenwand des rotierenden Gegenstandes und somit in einem relativ großen Abstand zur Drehachse angeordnet, wodurch eine für die Erzielung hoher Biegekräfte günstige Geometrie vorhanden ist.Preferably, the actuator is arranged in the region of the outer wall of the rotating object and thus at a relatively large distance from the axis of rotation, whereby a favorable geometry for achieving high bending forces is present.

Gemäß einer weiteren praktischen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Aktuatoren vorgesehen, die in Umfangsrichtung insbesondere gleichmäßig verteilt am rotierenden Gegenstand anbringbar sind. Hierdurch entsteht eine ringartige Aktuatorstruktur um die Drehachse, bei der beispielsweise drei jeweils um 120° voneinander beabstandete Aktuatoren vorgesehen sein können. Grundsätzlich kann jede beliebige Anzahl von Aktuatoren vorgesehen sein, und es ist auch möglich, die Aktuatoren ungleichmäßig verteilt anzuordnen. Die jeweilige Geometrie wird bei der Ansteuerung der Aktuatoren durch eine entsprechende Transformation zwischen den Aktuatorpositionen und den beiden unabhängigen Freiheitsgraden der Krümmung bzw. Biegung des Gegenstandes berücksichtigt. Die Freiheitsgrade sind Drehungen um die beiden senkrecht zur Drehachse und senkrecht zueinander verlaufenden Achsen, um welche der Gegenstand mittels der Aktuatoren gekrümmt werden kann. According to a further practical embodiment of the invention, a plurality of actuators are provided, which are in the circumferential direction in particular evenly distributed on the rotating object attachable. This results in a ring-like actuator structure about the axis of rotation, in which, for example, three actuators each spaced apart by 120 ° can be provided. In principle, any number of actuators can be provided, and it is also possible to arrange the actuators unevenly distributed. The respective geometry is taken into account in the activation of the actuators by a corresponding transformation between the actuator positions and the two independent degrees of freedom of the curvature or bending of the object. The degrees of freedom are rotations about the two axes perpendicular to the axis of rotation and perpendicular to each other, around which the object can be curved by means of the actuators.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Stellbewegungen um Längenänderungen des Aktuators. Dabei ist in einer bevorzugten praktischen Ausführung vorgesehen, daß der Aktuator zumindest ein piezoelektrisches Element umfaßt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Piezostapelaktuator aus einer Vielzahl von stapelartig angeordneten piezoelektrischen Einzelelementen handeln.According to a further preferred embodiment of the invention, the adjusting movements are changes in the length of the actuator. It is provided in a preferred practical embodiment that the actuator comprises at least one piezoelectric element. This may be, for example, a piezo stack actuator of a multiplicity of stacked piezoelectric individual elements.

Bei derartigen Festkörperaktuatoren ist von Vorteil, daß bei minimalem Eigengewicht und daher minimalem zusätzlichen Trägheitsmoment, bei minimalen Ansprechzeiten, minimalem Verschleiß und maximaler Belastbarkeit ein Stellsystem mit einer extrem hohen Kraft- und Leistungsdichte vorhanden ist.In such solid-state actuators is of advantage that with minimal weight and therefore minimal additional moment of inertia, with minimal response times, minimal wear and maximum load capacity, a control system with an extremely high power and power density is available.

Des weiteren ist von Vorteil, daß keine beweglichen Teile vorhanden sind. Es besteht somit keine Klemm- oder Blockiergefahr.Furthermore, it is advantageous that there are no moving parts. There is thus no risk of jamming or locking.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Piezoaktuatoren besteht dann, daß diese gegebenenfalls isoliert werden können und deren zuvor eingestellte Längenänderung auf diese Weise vorübergehend gehalten werden kann. Im Fall von Betriebsstörungen kann somit der Auswuchtzustand eine ausreichend lange Zeit beibehalten werden, um z. B. ein sicheres Herunterfahren der jeweiligen Bearbeitungsmaschine zu gewährleisten.Another advantage of the use of piezo actuators is that they can be optionally isolated and their previously set length change can be temporarily held in this way. In the case of malfunctions thus the balance state can be maintained for a sufficiently long time to z. B. to ensure a safe shutdown of the respective processing machine.

Da die Piezoaktuatoren aufgrund ihrer bezogen auf die hohe Kraft- und Leistungsdichte minimalen Masse problemlos in das rotierende System integriert werden können, ergibt sich insbesondere auch im Hinblick auf die minimalen Ansprechzeiten der Piezoaktuatoren die Möglichkeit, diese zur aktiven Dämpfung innerhalb des rotierenden Systems einzusetzen. Hierdurch werden insbesondere bei hohen Drehzahlen störende Phasendrehungen vermieden, die bei anderen, in den Lagern oder sonstigen stationären Teilen des Systems angeordneten Dämpfungseinrichtungen auftreten.Since the piezoelectric actuators can be easily integrated into the rotating system due to their minimal mass relative to the high power and power density, it is possible, in particular with regard to the minimum response times of the piezoactuators, to use them for active damping within the rotating system. As a result, annoying phase rotations are avoided in particular at high speeds, which occur in other, arranged in the bearings or other stationary parts of the system damping devices.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung eine insbesondere induktiv arbeitende Übertragungseinheit zur berührungslosen Ansteuerung des Aktuators.In a further preferred embodiment, the balancing device according to the invention comprises a particular inductive working transmission unit for non-contact control of the actuator.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Übertragungseinheit einen Rotorabschnitt zur gemeinsamen Drehung mit dem rotierenden Gegenstand und einen bezüglich des rotierenden Gegenstandes stationären Statorabschnitt aufweist. Eine zuverlässige Übertragung von Stellsignalen an den Aktuator ist hierdurch auch bei extrem hohen Drehzahlen gewährleistet.In this case, it is preferably provided that the transmission unit has a rotor section for common rotation with the rotating object and a stator section stationary relative to the rotating object. A reliable transmission of control signals to the actuator is thereby ensured even at extremely high speeds.

Um die Unwucht zu bestimmen und den Aktuator zur Ausführung von kompensierenden Stellbewegungen entsprechend ansteuern zu können, ist vorzugsweise eine Meßanordnung vorgesehen, mit der den rotierenden Gegenstand betreffende Weg- bzw. Verschiebungs- und/oder Beschleunigungsdaten ermittelt werden können.In order to determine the imbalance and to be able to control the actuator correspondingly for the purpose of performing compensating adjusting movements, a measuring arrangement is preferably provided, with which the displacement, displacement and / or acceleration data relating to the rotating object can be determined.

Hierzu werden Wege bzw. Verschiebungen vom feststehenden Teil des Gesamtsystems zum rotierenden Teil und/oder Beschleunigungen am feststehenden Teil als Reaktion auf über die Lager übertragene Anregungs- bzw. Stützkräfte gemessen.For this purpose, paths or displacements are measured from the stationary part of the overall system to the rotating part and / or accelerations on the stationary part in response to excitation or support forces transmitted via the bearings.

Der rotierende Gegenstand der Bearbeitungsmaschine umfaßt bevorzugt eine Welle in Form einer direkt antreibbaren Spindel sowie ein auswechselbar mit der Spindel koppelbares Werkzeug, das an einem direkt mit der Spindel gekoppelten Träger angebracht ist.The rotating object of the processing machine preferably comprises a shaft in the form of a directly drivable spindle and an interchangeable with the spindle tool which is attached to a directly coupled to the spindle carrier.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Aktuator in axialer Richtung zwischen einer Stirnfläche, z. B. einer Ringschulter, des Trägers und einem bezüglich des werkzeugseitigen Wellenendes axial beabstandeten Abschnitt der Welle angeordnet ist. Bei axialer Ausdehnung des von der Drehachse beabstandeten Aktuators beaufschlagt dessen eines Ende den Träger – und damit eine Planfläche der Trenn- bzw. Schnittstelle zwischen Träger und Welle – und dessen anderes Ende die Welle. Da die Welle und der Träger in axialer Richtung durch ein Spannsystem fest miteinander gekoppelt sind, resultieren die vom Aktuator aufgebrachten Stellkräfte in einem Biegemoment, durch das die Welle in dem axialen Bereich, längs welchem sich der Aktuator erstreckt, gekrümmt wird. Der Aktuator wirkt somit auf zwei gleichwertige, senkrecht zur Drehachse verlaufende und axial beabstandete Stützflächen des rotierenden Gesamtgegenstandes.It is preferably provided that the actuator in the axial direction between an end face, for. B. an annular shoulder, the carrier and with respect to the tool-side shaft end axially spaced portion of the shaft is arranged. With axial extension of the spaced apart from the axis of rotation actuator applied to one end of the carrier - and thus a plane surface of the separation or interface between the carrier and the shaft - and the other end of the shaft. Since the shaft and the carrier in the axial direction are fixedly coupled together by a clamping system, the actuating forces applied by the actuator result in a bending moment by which the shaft is curved in the axial region along which the actuator extends. The actuator thus acts on two equivalent, perpendicular to the axis of rotation extending and axially spaced support surfaces of the rotating total object.

Die Werkzeugspitze kann auf diese Weise durch eine Stellbewegung des Aktuators in Richtung der Drehachse gebogen werden. The tool tip can be bent in this way by an adjusting movement of the actuator in the direction of the axis of rotation.

Alternativ wäre es erfindungsgemäß grundsätzlich auch möglich, den Aktuator zwischen zwei axial beabstandeten Abschnitten der Welle anzuordnen und somit bei einer Längenvergrößerung ausschließlich auf die Welle einwirken zu lassen.Alternatively, according to the invention, it would also be possible in principle to arrange the actuator between two axially spaced sections of the shaft and thus to act exclusively on the shaft when the length is increased.

Wenn die Auswuchtvorrichtung mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Aktuatoren umfaßt, dann werden diese bevorzugt gleichsinnig angesteuert. Im Fall von Piezostapelaktuatoren erfährt somit jeder Aktuator eine Längenvergrößerung. Richtung und Ausmaß der Auswuchtkrümmung können durch unterschiedlich große Längenänderungen der einzelnen Aktuatoren gezielt eingestellt werden. Vorzugsweise werden wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Aktuatoren eingesetzt, so daß eine zur gezielten Einstellung der benötigten Auswuchtkrümmung vorteilhafte symmetrische Anordnung vorhanden ist.If the balancing device comprises a plurality of circumferentially distributed actuators, then these are preferably driven in the same direction. In the case of piezo stack actuators, each actuator thus experiences an increase in length. The direction and extent of the balancing curvature can be adjusted in a targeted manner by varying the length of the individual actuators. Preferably, at least three circumferentially uniformly distributed actuators are used, so that an advantageous for the targeted adjustment of the required balancing curvature symmetrical arrangement is present.

Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß der Aktuator über den mit der Welle gekoppelten Träger oder das mit der Welle gekoppelte Werkzeug vorgespannt ist. Die Vorspannung kann z. B. von einem zentral angeordneten Spannsystem aufgebracht werden. Für Piezoaktuatoren schädliche Zugbeanspruchungen können hierdurch sicher verhindert werden.Furthermore, it is preferably provided that the actuator is biased via the carrier coupled to the shaft or the tool coupled to the shaft. The bias can z. B. be applied by a centrally arranged clamping system. For piezoactuators damaging tensile stresses can be safely prevented thereby.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt außerdem gemäß Anspruch 25 durch ein Verfahren zum Auswuchten von rotierenden Gegenständen, bei dem die Unwucht des rotierenden Gegenstandes gemessen und der rotierende Gegenstand mit wenigstens einem in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht ansteuerbaren Aktuator gekrümmt wird, wobei der rotierende Gegenstand in einem von dessen Drehachse radial und von dessen freiem Ende axial beabstandeten Bereich gekrümmt wird.The solution of the problem underlying the invention also takes place according to claim 25 by a method for balancing rotating objects, in which the imbalance of the rotating object is measured and the rotating object is curved with at least one controllable in dependence on the measured unbalance actuator, wherein the rotating Object is curved in one of its axis of rotation radially and axially spaced from the free end portion.

Vorzugsweise wird das Auswuchtverfahren automatisch und insbesondere während einer Beschleunigungsphase und/oder unmittelbar im Anschluß an die Beschleunigungsphase des rotierenden Gegenstandes durchgeführt.The balancing method is preferably carried out automatically and in particular during an acceleration phase and / or immediately after the acceleration phase of the rotating object.

Die automatische Auswuchtung minimiert die Auswuchtzeit und garantiert eine hohe Flexibilität. Die Auswuchtung während der Beschleunigungsphase oder unmittelbar im Anschluß daran ermöglicht eine optimale Identifizierung der Unwucht und vermeidet unproduktive Totzeiten einer den rotierenden Gegenstand umfassenden Bearbeitungsmaschine.The automatic balancing minimizes the balancing time and guarantees a high degree of flexibility. The balancing during the acceleration phase or immediately afterwards enables an optimal identification of the imbalance and avoids unproductive dead times of a processing machine comprising the rotating object.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.Further preferred embodiments of the invention are also specified in the subclaims, the description and the drawing.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur in einer geschnittenen Seitenansicht eine an einer Welle und einem Träger eines Hochleistungsbearbeitungszentrums vorgesehene Auswuchtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.The invention will now be described by way of example with reference to the drawing, the sole figure of which in a sectional side view shows a balancing device provided on a shaft and a carrier of a heavy-duty machining center according to an embodiment of the invention.

Die auch als Motorspindel und im Folgenden auch einfach als Spindel bezeichnete hohle Welle 12 ist über einen in der Figur nicht dargestellten Antriebsbereich direkt antreibbar und kann für maximale Drehzahlen von mehr als 30.000 U/min ausgelegt sein.The hollow shaft, also referred to as a motor spindle and, in the following, also simply as a spindle 12 is directly drivable via a drive region not shown in the figure and can be designed for maximum speeds of more than 30,000 U / min.

Über ihr in der Figur linkes Ende ist die Welle bzw. Spindel 12 mit einem als Spannfutter ausgebildeten Träger 13 gekoppelt, an dem ein als Kopplungsabschnitt dienender, genormter Hohlschaftkegel 18 ausgebildet ist. Der Träger 13 trägt an seinem nicht dargestellten linken Endbereich ein Werkzeug, z. B. ein Bohr- oder Fräswerkzeug.Above her in the figure left end is the shaft or spindle 12 with a carrier designed as a chuck 13 coupled to which serving as a coupling portion, standardized hollow shaft cone 18 is trained. The carrier 13 carries at its left end region, not shown, a tool, for. B. a drilling or milling tool.

Zur Kopplung mit der Welle 12 wird der Träger 13 mit seinem Hohlschaftkegel 18 in das Wellenende eingesteckt und mit einem nicht dargestellten zentralen Spannsystem, das die Hohlräume in der Welle 12 und im Träger 13 ausnutzt, in die Welle 12 hineingezogen. Im dargestellten eingespannten Zustand liegt der Träger 13 mit einer Ringschulter 15 an der Stirnseite der Welle 12 an. Außerdem liegt der Träger 13 mit der Außenseite des Hohlschaftkegels 18 an der abgeschrägten Innenwand des Endbereiches der Welle 12 an.For coupling with the shaft 12 becomes the carrier 13 with its hollow shaft cone 18 inserted into the shaft end and with a central clamping system, not shown, the cavities in the shaft 12 and in the vehicle 13 exploits, into the wave 12 drawn. In the illustrated clamped state of the carrier 13 with an annular shoulder 15 at the front of the shaft 12 at. In addition, the carrier lies 13 with the outside of the hollow shaft cone 18 on the tapered inner wall of the end portion of the shaft 12 at.

Im Bereich ihres innen abgeschrägten Endes ist die Welle 12 an der Außenwand mit mehreren taschenartigen Aufnahmebereichen versehen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Welle 12 drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Aufnahmebereiche auf. Die Aufnahmebereiche sind in Form von Aussparungen in der Wandung der Welle 12 vorgesehen.In the area of its inside beveled end is the shaft 12 provided on the outer wall with a plurality of pocket-like receiving areas. In a preferred embodiment, the shaft 12 three receiving areas uniformly distributed in the circumferential direction. The receiving areas are in the form of recesses in the wall of the shaft 12 intended.

Jeder Aufnahmebereich begrenzt einen sich in axialer Richtung erstreckenden Aufnahmeraum von vergleichsweise geringer radialer Höhe, der von einem darin angeordneten Piezostapelaktuator 16 im Wesentlichen vollständig ausgefüllt ist.Each receiving region delimits a receiving space, which extends in the axial direction, of comparatively small radial height, that of a piezo stack actuator arranged therein 16 is essentially completely filled.

Die Piezoaktuatoren 16 sind jeweils über eine werkzeugseitig offene Seite des Aufnahmebereiches einführbar und liegen jeweils mit ihrem antriebsseitigen Ende am senkrecht zur Drehachse 14 verlaufenden Boden des Aufnahmeraumes an. Die Länge der Aktuatoren 16 ist derart bemessen, daß sie zwischen dem Träger 13 und dem die Aufnahmeräume axial begrenzenden Abschnitt 26 der Welle 12 eingeklemmt sind, so daß die Aktuatoren 16 bereits im nicht angesteuerten Zustand unter Vorspannung stehen.The piezoactuators 16 are each introduced via a tool side open side of the receiving area and are each with its drive-side end perpendicular to the axis of rotation 14 extending bottom of the recording room. The length of the actuators 16 is such that it between the carrier 13 and the receiving spaces axially limiting section 26 the wave 12 are clamped so that the actuators 16 already under bias in the non-activated state.

In der radial äußeren Begrenzungswand jedes Aufnahmeraumes ist eine im Folgenden auch als Fenster bezeichnete Öffnung 32 ausgebildet. Durch diese Fenster 32 wird gezielt eine Schwächung der Welle 12 im Bereich der Aktuatoren 16 bewirkt. Die Öffnungen 32 sind in radialer Richtung durch ein Sicherungsorgan in Form einer die Spindel 12 umgebenden zylindrischen Abdeckhülse 34 verschlossen. Die Abdeckhülse 34 ist am Wellenende aufgepresst und erfährt über die Aktuatorlänge keine Biegung. Im Bereich der Öffnungen 32 ist die Abdeckhülse 34 mit einem geringfügig, z. B. um einige 1/10 mm, größeren Innendurchmesser versehen, so daß die Aktuatoren 16 nicht überbrückt werden.In the radially outer boundary wall of each receiving space is an opening referred to below as a window 32 educated. Through these windows 32 is targeted a weakening of the wave 12 in the field of actuators 16 causes. The openings 32 are in the radial direction by a securing member in the form of a spindle 12 surrounding cylindrical cover sleeve 34 locked. The cover sleeve 34 is pressed on the shaft end and experiences no bending over the actuator length. In the area of the openings 32 is the cover sleeve 34 with a slight, z. B. provided by a few 1/10 mm, larger inner diameter, so that the actuators 16 not be bridged.

Durch die Abdeckhülse 34 wird verhindert, daß Gußmaterial, mit dem die Piezoaktuatoren 16 zwecks Fixierung in den Aufnahmebereichen eingegossen sind, durch die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte aus den Aufnahmeräumen herausgetrieben wird.Through the cover sleeve 34 prevents casting material with which the piezo actuators 16 for the purpose of fixing in the receiving areas are poured, is driven out by the centrifugal forces occurring during operation of the receiving spaces.

Ein Vorteil der ringförmigen Anordnung der Aktuatoren 16 ist, daß zentral angeordnete Einrichtungen der Spindel 12 wie z. B. das erwähnte Spannsystem zur Fixierung des Trägers 13 sowie Mittel zur Zufuhr von Kühl-, Schmier- und Reinigungsmedien nicht beeinträchtigt werden.An advantage of the annular arrangement of the actuators 16 is that centrally located facilities of the spindle 12 such as B. the mentioned clamping system for fixing the carrier 13 and means for supplying cooling, lubricating and cleaning media are not affected.

Die bereits erwähnte Abdeckhülse 34 sowie weitere bezüglich der Welle 12 und des Trägers 13 konzentrisch angeordnete Komponenten, die im folgenden beschrieben werden, sind auf der in der Figur unteren Seite der Welle 12 und des Trägers 13 lediglich durch gestrichelte Linien teilweise angedeutet.The already mentioned cover sleeve 34 as well as more regarding the wave 12 and the vehicle 13 Concentrically arranged components, which will be described below, are on the lower side of the shaft in the figure 12 and the vehicle 13 only partially indicated by dashed lines.

Die Piezoaktuatoren 16 sind Teil eines erfindungsgemäßen Auswuchtsystems, das außerdem eine berührungslos arbeitende Übertragungseinheit 23, 25 zur Ansteuerung der Piezoaktuatoren 16 mit verstärkten Stellsignalen umfaßt. Zum einen weist die Übertragungseinheit einen Rotorabschnitt 23 auf, der an der antriebsseitigen Stirnfläche eines im Betrieb gemeinsam mit der Spindel 12 rotierenden, in dieser Ausführungsform zur Erleichterung der Montage geteilten Rotors 22a, 22b angebracht ist. Der Rotor umfaßt zwei Rotorringe 22a, 22b, die über eine Verschraubung drehfest miteinander verbunden sind. Die axiale Lage des Rotors wird von einem auf die Spindel 12 geschraubten Halteorgan in Form einer Mutter 36 gesichert, die am antriebsseitigen Rotorring 22b anliegt. In dieser Stellung liegt der Rotor mit dem antriebsseitigen Rotorring 22b an einer Ringschulter 17 der Spindel 12 an.The piezoactuators 16 are part of a balancing system according to the invention, which also has a non-contact transmission unit 23 . 25 for controlling the piezoactuators 16 includes amplified actuating signals. On the one hand, the transmission unit has a rotor section 23 on, on the drive-side end face of a common in operation with the spindle 12 rotating, shared in this embodiment for ease of assembly rotor 22a . 22b is appropriate. The rotor comprises two rotor rings 22a . 22b , which are rotatably connected to each other via a screw. The axial position of the rotor is from one to the spindle 12 screwed holding member in the form of a nut 36 secured on the drive-side rotor ring 22b is applied. In this position, the rotor is located with the drive-side rotor ring 22b on an annular shoulder 17 the spindle 12 at.

Zum anderen umfaßt die Übertragungseinheit einen Statorabschnitt 25, der an der werkzeugseitigen und somit dem Rotorabschnitt 23 zugewandten Stirnfläche eines bezüglich der rotierenden Spindel 12 stationären Stators 24 angebracht ist.On the other hand, the transmission unit comprises a stator section 25 , on the tool side and thus the rotor section 23 facing end face of a relative to the rotating spindle 12 stationary stator 24 is appropriate.

Ein Ringraum des Stators 24 zur Aufnahme von im Folgenden näher erläuterten Umsetzern 48 ist antriebsseitig von einer ringförmigen Abdeckung 42 abgedeckt. Des Weiteren grenzt antriebsseitig an den Stator 24 ein Lagerschild 38 an, das gleichzeitig als Adapter zur Anpassung an das nicht dargestellte Spindelgehäuse dient.An annulus of the stator 24 for inclusion of converters explained in more detail below 48 is the drive side of an annular cover 42 covered. Furthermore, the drive side is adjacent to the stator 24 a bearing shield 38 on, which also serves as an adapter for adaptation to the spindle housing, not shown.

Bohrungen, die zur Aufnahme von Verbindungsleitungen bzw. einer Steckverbindung 45 zwischen den Leitungen in den Rotorringen 22a, 22b ausgebildet sind, sind durch Abdichtstopfen 46 verschlossen.Holes for receiving connecting lines or a plug connection 45 between the lines in the rotor rings 22a . 22b are formed by sealing plug 46 locked.

Im werkzeugseitigen Rotorring 22a sind außerdem mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete radiale Auswuchtbohrungen 44 ausgebildet.In the tool-side rotor ring 22a are also a plurality of circumferentially distributed radial balancing bores 44 educated.

Der Rotorabschnitt 23 und der Statorabschnitt 25, zwischen denen lediglich ein kleiner axialer Spalt vorhanden ist, bilden ein mehrkanaliges Mittelfrequenzübertragungssystem. Jedem Kanal dieses Systems ist ein mit dem jeweiligen Umsetzer 48 verbundener, extern angeordneter Mittelfrequenzverstärker (nicht dargestellt) zugeordnet, mit dem zunächst dem Stator 24 zugeführte Stellsignale zur Ansteuerung der Aktuatoren 16 verstärkt und über den Umsetzer 48 an den Statorabschnitt 25 übermittelt werden, mit dem sie berührungslos zum Rotorabschnitt 23 übertragen werden. Die Mittelfrequenzverstärker werden von einer mikroprozessorunterstützten zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt) über eine Signalschnittstelle angesteuert.The rotor section 23 and the stator section 25 , between which there is only a small axial gap, form a multi-channel medium frequency transmission system. Each channel of this system is one with the respective converter 48 associated, externally arranged center frequency amplifier (not shown) associated with the first of the stator 24 supplied control signals for controlling the actuators 16 strengthened and over the converter 48 to the stator section 25 with which they contact without contact to the rotor section 23 be transmitted. The mid-frequency amplifiers are driven by a microprocessor-based central control unit (not shown) via a signal interface.

Mit diesem Übertragungssystem, in dem jedem Aktuator 16 ein Kanal zugeordnet ist, wird für jeden Kanal eine Wechselspannung induziert. Die induzierten Wechselspannungen werden gleichgerichtet und dienen zur Ansteuerung der Piezostapelaktuatoren 16. Die Gleichrichter sind jeweils Bestandteil einer im Rotorring 22b angeordneten elektronischen Baugruppe 49, die außerdem eine Entladeelektronik umfaßt.With this transmission system, in which every actuator 16 a channel is assigned, an alternating voltage is induced for each channel. The induced AC voltages are rectified and serve to control the piezo stack actuators 16 , The rectifiers are each part of a rotor ring 22b arranged electronic assembly 49 , which also includes a discharge electronics.

Die auf diese Weise für jeden Kanal individuell einstellbaren Längenänderungen der Piezoaktuatoren 16 werden in Abhängigkeit von einer an die zentrale Steuereinheit angeschlossenen Meßanordnung erzeugt. Diese Meßanordnung umfaßt mehrere nicht dargestellte Sensoren, die an über den feststehenden Teil der Gesamtanordnung in geeigneter Weise verteilten Meßstellen angeordnet sind. Bevorzugt werden die Sensoren im Bereich des den Aktuatoren 16 nächstgelegenen Lagers (nicht dargestellt) angeordnet.The individually adjustable in this way for each channel length changes of the piezo actuators 16 are generated in response to a connected to the central control unit measuring device. This measuring arrangement comprises a plurality of sensors, not shown, which are arranged on distributed over the fixed part of the overall arrangement in a suitable manner distributed measuring points. The sensors are preferably in the region of the actuators 16 nearest warehouse (not shown).

Mit den Sensoren werden vorzugsweise wenigstens vier unabhängige Signale ermittelt, welche für beide Komponenten (radialer Versatz und Winkelversatz) der Unwucht die Anteile bezüglich der beiden Freiheitsgrade (Drehungen um orthogonale Achsen senkrecht zur Drehachse) repräsentieren. Aus diesen vier Signalen können die Auswirkungen der Unwucht durch Messen der Wege bzw. Verschiebungen und/oder Beschleunigungen an den Stellen der Sensoren erfaßt werden.With the sensors, preferably at least four independent signals are determined, which for both components (radial offset and angular offset) of the imbalance represent the proportions with respect to the two degrees of freedom (rotations about orthogonal axes perpendicular to the axis of rotation). From these four signals, the effects of imbalance can be detected by measuring the paths or displacements and / or accelerations at the locations of the sensors.

Dabei sind die Weg- bzw. Verschiebungssignale für eine Auswertung im niedrigen Frequenzbereich und die Beschleunigungssignale im hohen Frequenzbereich der vorgesehenen Bandbreite vorgesehen.In this case, the displacement or displacement signals are provided for evaluation in the low frequency range and the acceleration signals in the high frequency range of the intended bandwidth.

Gemäß einem möglichen Sensorkonzept werden Wege bzw. Verschiebungen vom feststehenden Teil der Gesamtanordnung zur Welle 12 an wellennahen Meßstellen gemessen. Um vier unabhängige Beschleunigungssignale zu erhalten, erfolgen in zwei axial beabstandeten, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebenen, insbesondere in zwei Lagerebenen an den Lagerschilden, jeweils 2-Komponenten-Beschleunigungsmessungen in Richtung der beiden orthogonalen, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Querachsen. Die Beschleunigungsmessungen werden bevorzugt außerhalb des Gehäuses und z. B. mittels piezoelektrischer Inertialaufnehmer durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich zu den Beschleunigungsmessungen können z. B. mit scheibenförmigen Piezoelementen, die in das Gehäuse integriert sind, Kräfte bzw. Dehnungen in Trennfugen beispielsweise zwischen dem Lagerschild 38 und dem Gehäuse gemessen werden. Die gemessenen Kräfte sind insbesondere die beiden Querkraftkomponenten in Richtung der beiden orthogonalen, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Querachsen sowie die Momente um diese Querachsen. Auf diese Weise werden ebenfalls vier unabhängige Signale erhalten.According to one possible sensor concept, paths or shifts from the fixed part of the overall arrangement to the shaft 12 measured at wave-near measuring points. In order to obtain four independent acceleration signals, carried out in two axially spaced, perpendicular to the axis of rotation planes, in particular in two storage levels on the end shields, each 2-component acceleration measurements in the direction of the two orthogonal, perpendicular to the axis of rotation transverse axes. The acceleration measurements are preferably outside the housing and z. B. performed by piezoelectric Inertialaufnehmer. Alternatively or in addition to the acceleration measurements z. B. with disc-shaped piezo elements, which are integrated into the housing, forces or strains in joints, for example between the bearing plate 38 and the housing are measured. The measured forces are, in particular, the two transverse force components in the direction of the two orthogonal transverse axes running perpendicular to the axis of rotation and the moments about these transverse axes. In this way, four independent signals are also obtained.

Erfindungsgemäß wird nach jedem Werkzeugwechsel automatisch ein Auswuchtvorgang durchgeführt. Das Auswuchten kann während der Beschleunigungsphase der Spindel 12 erfolgen oder in die anschließende Betriebsphase hineinreichen oder ausschließlich im Anschluß an die Beschleunigungsphase erfolgen.According to the invention, a balancing process is automatically carried out after each tool change. Balancing may occur during the acceleration phase of the spindle 12 take place or extend into the subsequent phase of operation or take place exclusively following the acceleration phase.

Hierzu werden mit den erwähnten Sensoren der Meßanordnung laufend Weg- bzw. Verschiebungsdaten und/oder Beschleunigungsdaten des Gesamtsystems aufgenommen, welche die momentanen Unwuchtverhältnisse repräsentieren. Diese Daten werden der zentralen Steuereinheit zur Verfügung gestellt, die in einer die Geometrie der Aktuator-Ringstruktur berücksichtigenden Transformation automatisch für jeden Piezoaktuator 16 ein Stellsignal berechnet und diese Stellsignale über die erwähnte Schnittstelle an die Mittelfrequenzverstärker und Umsetzer 48 der Übertragungseinheit übermittelt.For this purpose, path and displacement data and / or acceleration data of the overall system, which represent the instantaneous imbalance conditions, are continuously recorded with the mentioned sensors of the measuring arrangement. These data are made available to the central control unit, which in a transformation taking into account the geometry of the actuator ring structure automatically for each piezoactuator 16 calculates a control signal and these control signals via the mentioned interface to the mid-frequency amplifier and converter 48 transmitted to the transmission unit.

Die von den Verstärkern über die Umsetzer 48 bereitgestellten Leistungen werden von der mehrkanaligen Übertragungseinheit 23, 25 berührungslos auf das rotierende System übertragen und im Anschluß an eine Gleichrichtung in Form von Gleichspannungs-Stellsignalen den Piezoaktuatoren 16 zugeführt.Those from the amplifiers via the repeaters 48 provided services are provided by the multi-channel transmission unit 23 . 25 transferred without contact to the rotating system and following a rectification in the form of DC voltage control signals the piezo actuators 16 fed.

Auf diese Weise kann die zentrale Steuereinheit gezielt Stellbewegungen in Form von Längenänderungen der einzelnen Aktuatoren 16 hervorrufen. Dabei erfolgt die Ansteuerung derart, daß durch die Stellsignale stets eine Längenvergrößerung der Piezoaktuatoren 16 bewirkt wird.In this way, the central control unit targeted positioning movements in the form of changes in length of the individual actuators 16 cause. In this case, the control takes place in such a way that always an increase in length of the piezo actuators by the control signals 16 is effected.

Die zwischen dem Wellenabschnitt 26 und dem Träger 13 eingeklemmten und auf diese Weise vorgespannten Aktuatoren 16 bringen jeweils in ihrem Bereich ein elastisches Biegemoment auf die Welle 12 auf, die hierdurch gekrümmt wird. Da die Welle 12 und der Träger 13 axial fest durch das zentrale Spannsystem miteinander verbunden sind, stellen Welle 12, Träger 13 und Werkzeug hinsichtlich der Aktuatoren 16 einen einzigen rotierenden Gegenstand dar, der in dem axialen Teilbereich gekrümmt wird, in dem die Aktuatoren 16 angeordnet sind. Die aufgrund der vom zentralen Spannsystem aufgebrachten Spannkraft feste axiale Verbindung zwischen Träger 13 und Welle 12 kann von den Aktuatoren 16 nicht gelöst werden.The between the shaft section 26 and the carrier 13 clamped and biased in this way actuators 16 bring in their area an elastic bending moment on the shaft 12 which is thereby curved. Because the wave 12 and the carrier 13 axially fixed by the central clamping system are interconnected, make wave 12 , Carrier 13 and tool regarding the actuators 16 a single rotating object, which is curved in the axial portion in which the actuators 16 are arranged. The due to the applied by the central clamping system clamping force solid axial connection between the carrier 13 and wave 12 can from the actuators 16 not be solved.

Für die Entstehung der Krümmung der Welle 12 kommt es nur auf eine ausreichend feste axiale Verbindung der Teile an, zwischen denen die Aktuatoren 16 angeordnet sind, und es ist unerheblich, ob die Aktuatoren zwischen zwei separaten Teilen oder zwei Abschnitten eines einzigen Teils angeordnet sind. Die Krümmung des rotierenden Gesamtgegenstandes wird in jedem Fall durch ein rückgeschlossenes Biegemoment auf dem vom Aktuator eingenommenen axialen Teilbereich des Gesamtgegenstandes bewirkt.For the emergence of the curvature of the wave 12 it depends only on a sufficiently strong axial connection of the parts, between which the actuators 16 are arranged, and it is irrelevant whether the actuators between two separate parts or two sections of a single part are arranged. The curvature of the rotating total object is in each case effected by a back-connected bending moment on the axial portion of the total object occupied by the actuator.

Die in der beschriebenen Ausführungsform vorgenommene Anordnung der Aktuatoren im Bereich der Schnittstelle erfolgt nicht deshalb, um durch direktes Beaufschlagen des Trägers 13 dieses gegenüber der Welle 12 zu verkippen, sondern um eine Krümmung des rotierenden Gesamtgegenstandes im Bereich derjenigen axialen Stelle hervorzurufen, an der ein die Hauptursache für die zu beseitigende Unwucht darstellender Winkelversatz im rotierenden Gesamtgegenstand, hier zwischen Welle 12 und Träger 13, auftreten kann.The arrangement of the actuators in the region of the interface made in the described embodiment is therefore not effected by direct application of the carrier 13 this opposite the shaft 12 but to cause a curvature of the rotating total object in the region of that axial point, at which a major cause of the imbalance to be eliminated representing angular misalignment in the rotating total object, here between shaft 12 and carriers 13 , can occur.

Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Aktuatoren 16 bezüglich der Schnittstelle werkzeugseitig, nämlich am Träger 13, anzubringen und somit eine ebenfalls zu einer Geometrieverbesserung des rotierenden Gesamtgegenstandes führende Krümmung des Trägers 13 zu bewirken.In principle, it is also possible according to the invention, the actuators 16 with regard to the interface on the tool side, namely on the carrier 13 , and thus a likewise leading to an improvement in the geometry of the rotating total object curvature of the carrier 13 to effect.

Indem unterschiedlich große Längenänderungen an den einzelnen Aktuatoren 16 hervorgerufen werden, kann der störende Winkelversatz gezielt im Bereich seiner Entstehung kompensiert werden. Die Spindel 12 erfährt im axialen Bereich der Aktuatoren 16 jeweils eine resultierende Krümmung bzw. Durchbiegung, die über die axiale Länge des Aktuators 16 zu einem Kompensationswinkel aufintegriert wird. Dies hat eine sich über die gesamte Werkzeuglänge auswirkende Geometrieänderung am rotierenden System zur Folge, wodurch die zu mit der erwähnten Meßanordnung nachweisbaren Auswirkungen führende Unwucht minimiert wird.By different length changes to the individual actuators 16 can be caused, the disturbing angular displacement can be compensated specifically in the field of its formation. The spindle 12 experiences in the axial region of the actuators 16 in each case a resulting curvature or deflection over the axial length of the actuator 16 is integrated to a compensation angle. This results in a geometry change over the entire tool length on the rotating system, which minimizes the imbalance leading to the detectable measurement mentioned.

Die Krümmung der Welle 12 durch die Piezoaktuatoren 16 wird durch die Schwächung der Welle 12 aufgrund der Öffnungen 32 an den Aufnahmebereichen begünstigt.The curvature of the wave 12 through the piezoactuators 16 is due to the weakening of the wave 12 due to the openings 32 favored at the receiving areas.

Die Piezoaktuatoren 16 sind derart bemessen bzw. angeordnet, daß der Träger 13 auf die Aktuatoren 16 Druck ausübt, so daß die Aktuatoren 16 bereits im nicht angesteuerten Zustand unter einer leichten Vorspannung stehen. Hierdurch werden zum einen Zugbeanspruchungen der Aktuatoren 16 vermieden, und zum anderen ist eine optimale Kraftübertragung bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte gewährleistet, die zu minimalen Ansprechzeiten des erfindungsgemäßen Auswuchtsystems führt.The piezoactuators 16 are sized or arranged so that the carrier 13 on the actuators 16 Pressure exerts, so that the actuators 16 already under a slight bias in the non-activated state. As a result, on the one hand tensile stresses of the actuators 16 avoided, and on the other hand an optimal power transmission is ensured at the same time high power density, which leads to minimal response times of the balancing system according to the invention.

Es steht somit ein geschlossener Regelkreis zur Verfügung, der es ermöglicht, von der Meßanordnung nachgewiesenen, durch eine vorhandene Unwucht hervorgerufenen Störungen sofort mittels der Aktuatoren 16 entgegenzuwirken und die Unwucht mit einem geeigneten Regel-Algorithmus zu minimieren.Thus, there is a closed control circuit available, which allows detected by the measuring arrangement, caused by an existing unbalance disturbances immediately by means of the actuators 16 to counteract and to minimize the imbalance with a suitable rule algorithm.

Auf diese Weise kann durch die Erfindung der die Hauptursache für die Unwucht bildende Winkelversatz zwischen Spindel 12 und Träger 13 korrigiert werden. Mit den an der Schnittstelle angeordneten Aktuatoren 16 wird der Unwucht am Ort ihrer Entstehung entgegengewirkt, indem die Spindel 12 entsprechend gekrümmt wird. Diese Krümmung wirkt sich auf die gesamte Werkzeuglänge aus und hat somit eine wesentliche Geometrieverbesserung zur Folge.In this way, by the invention of the main cause of the imbalance forming angular offset between spindle 12 and carriers 13 Getting corrected. With the actuators arranged at the interface 16 The imbalance is counteracted at the place of its creation by the spindle 12 is curved accordingly. This curvature affects the entire tool length and thus results in a significant geometry improvement.

Bei einem Ausfall der Leistungsversorgung beispielsweise aufgrund einer Betriebsstörung können die Aktuatoren 16 isoliert werden, wodurch der sich durch eine minimale Unwucht auszeichnende Zustand ”eingefroren” wird. Dieser Zustand kann problemlos für eine zum sicheren Herunterfahren der Bearbeitungsmaschine ausreichende Zeitdauer gehalten werden.In case of failure of the power supply, for example, due to a malfunction, the actuators 16 be isolated, whereby the characterized by a minimal imbalance state is "frozen". This condition can easily be maintained for a sufficient amount of time to shut down the machine safely.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1212: Wellewave
1313: Trägercarrier
1414: Drehachseaxis of rotation
1515: Schulter des TrägersShoulder of the wearer
1616: Aktuator, PiezostapelaktuatorActuator, piezo stack actuator
1717: Schulter der WelleShoulder of the wave
1818: Schnittstelle, Kopplungsabschnitt, HohlschaftkegelInterface, coupling section, hollow shaft taper
22a22a: Rotorringrotor ring
22b22b: Rotorringrotor ring
2323: Rotorabschnitt der ÜbertragungseinheitRotor section of the transmission unit
2424: Statorstator
2525: Statorabschnitt der ÜbertragungseinheitStator section of the transmission unit
2626: Abschnitt der WelleSection of the shaft
3232: Fensterwindow
3434: Sicherungsorgan, AbdeckhülseSafety device, cover sleeve
3636: Halteorgan, MutterHolding organ, mother
3838: Lagerschildend shield
3939: Lagerungstorage
4242: Abdeckplattecover
4444: Auswuchtbohrungbalance hole
4545: Steckverbindungconnector
4646: Abdichtstopfensealing plug
4848: Umsetzerconverter
4949: Baugruppe mit Gleichrichter und EntladeelektronikAssembly with rectifier and discharge electronics

Claims

Processing machine with at least one rotating object and at least one balancing device for balancing the rotating object with at least one rotating element as a whole at a radial distance from its axis of rotation (US Pat. 14 ) and with axial distance from its free end attached actuator ( 16 ), which can be controlled to set a curvature of the object as a function of the measured imbalance to axial actuating movements.

Processing machine according to claim 1, characterized in that the adjusting movements length changes of the actuator ( 16 ) are.

Processing machine according to claim 1 or 2, characterized in that the actuator ( 16 ) comprises at least one piezoelectric element.

Processing machine according to claim 3, characterized in that the actuator ( 16 ) is formed in the form of a piezo stack actuator.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of actuators ( 16 ) are mounted distributed in the circumferential direction on the rotating object.

Processing machine according to claim 5, characterized in that the actuators ( 16 ) are evenly distributed.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotating object is a shaft ( 12 ) and interchangeable with the shaft ( 12 ) coupled tool.

Processing machine according to claim 7, characterized in that the shaft ( 12 ) is a directly drivable spindle.

Processing machine according to claim 7 or 8, characterized in that the actuator ( 16 ) in the axial direction between an end face ( 15 ) of the shaft ( 12 ) coupled carrier ( 13 ) or tool and the shaft ( 12 ) is arranged.

Processing machine according to one of claims 7 to 9, characterized in that the actuator ( 16 ) over the shaft ( 12 ) coupled carrier ( 13 ) or with the shaft ( 12 ) coupled tool is biased.

Processing machine according to one of claims 7 to 10, characterized in that the actuator ( 16 ) in the area of an interface ( 18 ) between the shaft ( 12 ) and interchangeable with the shaft ( 12 ) coupled tool is attached.

Processing machine according to claim 11, characterized in that the shaft ( 12 ) is designed as a spindle and the actuator ( 16 ) is mounted between the directly driven spindle and the tool.

Processing machine according to claim 11 or 12, characterized in that the actuator ( 16 ) on the shaft ( 12 ) is attached.

Processing machine according to claim 13, characterized in that the actuator ( 16 ) in the region of the outer wall of the shaft ( 12 ) is attached.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized by a transfer unit ( 23 . 25 ) for non-contact transmission of actuating signals for the actuator ( 16 ).

Processing machine according to claim 15, characterized in that the transfer unit ( 23 . 25 ) works inductively.

Processing machine according to claim 15 or 16, characterized in that the transmission unit comprises a rotor section ( 23 ) for common rotation with the rotating object and a stationary stator section ( 25 ).

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized by a measuring arrangement for determining the imbalance, wherein with the measuring arrangement of the rotating object relevant Weg-, displacement and / or acceleration data can be determined.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 16 ) in a pocket-like receiving area ( 28 ) of the rotating object is arranged.

Processing machine according to claim 19, characterized in that the actuator ( 16 ) in the reception area ( 28 ) is poured.

Processing machine according to claim 19 or 20, characterized in that in a radially outer boundary wall of the receiving area ( 28 ) at least one opening ( 32 ) is trained.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotating object ( 12 ) in the region of the actuator ( 16 ) from a security institution ( 34 ) is surrounded.

Processing machine according to claim 22, characterized in that the safety device ( 34 ) one or the receiving area ( 28 ) for the actuator ( 16 ) is closed and sleeve-shaped.

Processing machine according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed for a high-performance operation with such high speeds that the maximum speeds are more than 15,000 U / min.

Method for balancing rotating objects, in which the imbalance of the rotating object is measured, and the rotating object is measured with at least one actuator which can be activated as a function of the measured unbalance (US Pat. 16 ) is curved, wherein the actuator ( 16 ) as a whole on the rotating object at a radial distance from the axis of rotation ( 14 ) and is mounted at an axial distance from the free end and the rotating object in one of its axis of rotation ( 14 ) is curved radially and axially spaced from the free end portion thereof.

A method according to claim 25, characterized in that it is carried out automatically.

A method according to claim 25 or 26, characterized in that it is carried out during an acceleration phase and / or immediately after the acceleration phase of the object.