DE10023973A1

DE10023973A1 - Active spindle bearing

Info

Publication number: DE10023973A1
Application number: DE2000123973
Authority: DE
Inventors: Jens Boehm; Erich Scholta; Uwe Virkus; Joachim Walter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-11-29
Also published as: WO2001087539A3; WO2001087539A2

Abstract

The invention relates to a method for adjusting a position during the active positioning of a spindle, said adjustment being driven by control variables that are created on the basis of actual values of the position of a rotatable spindle. In addition, the creation of said control variables is based on corrective values that are calculated in advance, using the spindle stresses that are expected during operation. In the case of a machine tool for machining processes for example, the invention increases machining accuracy, surface quality and productivity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageregelung bei einer aktiven Spindellagerung, die durch Stellgrößen angesteuert wird, die auf Basis von Ist-Werten der Lage einer drehbaren Spindel erzeugt werden.The invention relates to a method for position control in an active spindle bearing, which is controlled by manipulated variables which are based on actual values of the position of a rotatable spindle are generated.

Aktive Lagerung bezeichnet die beeinflußbare Lagerung einer Welle bzw. Spindel oder Achse durch steuerbare Aktuatoren. Zum Beispiel kann man eine Spindel einer Werkzeugmaschine in Magnetlagern berührungsfrei lagern, die durch Elektromagnete gebildet werden. Im Falle einer Fräsmaschine trägt die Spindel ein Werkzeug, und im Falle einer Drehmaschine trägt die Spindel ein Werkstück. Der Strom durch die Elektromagnete wird so geregelt, dass die Spindel in einer Soll-Lage gehalten wird. Dazu wird die Lage der Spindel durch mindestens einen Sensor abgefühlt, und die Sensorsignale, die die Ist-Werte der Lage der Spindel darstellen, werden einer Lageregelschaltung zugeführt, die den Strom durch die Elektromagnete so einstellt, dass die Spindel immer bzw. immer wieder ihre Soll-Lage einnimmt. Active bearing refers to the influenceable bearing of a shaft or spindle or Axis through controllable actuators. For example, you can use a spindle one Store the machine tool in magnetic bearings in a contact-free manner, thanks to electromagnets be formed. In the case of a milling machine, the spindle carries a tool, and in In the case of a lathe, the spindle carries a workpiece. The stream through the Electromagnets are controlled so that the spindle is held in a target position. For this purpose, the position of the spindle is sensed by at least one sensor, and the Sensor signals that represent the actual values of the position of the spindle become one Position control circuit supplied, which adjusts the current through the electromagnets so that the spindle assumes its target position again and again.

Auch die beste Regelung kann nicht verhindern, dass die berührungsfrei gelagerte Spindel ein wenig von der Soll-Lage abweicht, wenn sich die Kraft auf die Spindel im Betrieb ändert. Insbesondere beim Fräsen ändert sich die Zerspankraft ständig, da der Spanungsquerschnitt nicht konstant ist. Auch beim Eintreten einer Fräserschneide in das zu bearbeitende Material bzw. bei deren Austreten ändert sich die Zerspankraft. Beim Drehen kann sich die Zerspankraft auf Grund variabler Bearbeitungsaufmaße im Betrieb ändern. Dies ergibt Maß-, Lage und Formabweichungen am bearbeiteten Werkstück. Je kleiner diese sein sollen, desto kleiner muß man den maximalen Spanungsquerschnitt wählen. Weiterhin sind dynamische Effekte zu beachten, die sich in Form von Schwingungen auf das Maß, die Form, die Lage und die Oberfläche des Werkstückes auswirken können. Aus diesen Gründen wird die maximale Produktivität der Werkzeugmaschine, das maximale Zeitspanvolumen, selten erreicht.Even the best regulation cannot prevent the contactless one Spindle deviates a little from the target position if the force on the spindle in the Operation changes. Especially when milling, the cutting force changes constantly because of the Chip cross section is not constant. Even when a cutter edge enters the material to be processed or when it emerges, the cutting force changes. When turning, the cutting force can change due to variable machining allowances Change operation. This results in dimensional, position and shape deviations on the processed Workpiece. The smaller these are supposed to be, the smaller you have to get the maximum Select chip cross section. Furthermore, dynamic effects have to be considered in the form of vibrations on the dimension, shape, location and surface of the Can impact workpiece. For these reasons, the maximum productivity the machine tool, the maximum chip removal rate, rarely reached.

Diese Probleme werden bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Erzeugung der Stellgrößen außerdem auf Korrekturwerten basiert, die anhand von im Betrieb zu erwartenden Belastungen im Voraus berechnet werden. Das heißt, auf Basis der vorberechneten Belastungen findet eine Vorsteuerung statt, die stets die gewünschte Lage beispielsweise einer Spindel gewährleistet, selbst wenn sich die Kräfte ändern, die die Spindel aufnehmen muss.These problems are solved in the generic method in that the Generation of the manipulated variables is also based on correction values, which are based on im Operation expected loads are calculated in advance. That is, based The precalculated loads are precontrolled, which is always the desired position of a spindle, for example, even if the Change the forces that the spindle must absorb.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im Prinzip für alle Arten von Wellen bzw. Spindeln sowie Achsen mit aktiver Lagerung, die wechselnden Kräften ausgesetzt sind. Die Anwendung des Verfahrens setzt allerdings voraus, dass die auftretenden Kräfte im Voraus berechnet werden können. Dies ist leicht durch elektronische Datenverarbeitung möglich, wenn alle benötigten Daten vorher bekannt sind bzw. während des Betriebs mit zeitlichem Vorhalt durch Sensoren gewonnen werden können. Dies ist zum Beispiel bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine möglich. Aus den gespeicherten numerischen Daten der durchzuführenden Verfahrbewegungen des Werkzeuges oder des Werkstückes und den ebenfalls bekannten Daten der Geometrie der Ausgangs- bzw. Vorbearbeitungskontur kann man die während der Bearbeitung auftretende Zerspankraft vorberechnen und die Lage der Spindel vorausschauend korrigieren. Bei einer Magnetlagerung geschieht dies dadurch, dass man zeitgleich zu der Belastung eine gegengerichtete Kraft über eine Änderung des Magnetfeldes aufbaut, die die Abdrängung zwischen Werkzeug und Werkstück bei der gegebenen Belastung durch entsprechende Änderung der Lage der Spindel ausgleicht.The method according to the invention is suitable in principle for all types of waves or Spindles and axes with active bearings that are exposed to changing forces. However, the application of the method requires that the forces occurring in the Can be calculated in advance. This is easily done through electronic Data processing possible if all required data is known beforehand or can be obtained during operation with sensors can. This is, for example, in the case of a numerically controlled machine tool possible. From the stored numerical data to be performed Traversing movements of the tool or the workpiece and likewise Known data of the geometry of the initial or preprocessing contour can be obtained precalculate the cutting force occurring during machining and the position of the Correct the spindle with foresight. With magnetic bearings, this happens because that at the same time as the load, there is a counterforce via a change of the magnetic field that builds up the displacement between tool and workpiece the given load by changing the position of the spindle accordingly compensates.

Bei einer Fräsmaschine, bei der die Spindel einen Fräser trägt, kann man Informationen in Bezug auf die Position der Schneiden in die Berechnung einfließen lassen, um den Belastungsänderungen beim Ein- und Austritt der Schneiden und bei Änderung des Spanungsquerschnittes im Verlauf der Spanabnahme vorausschauend entgegenzuwirken. Da sich der Fräser mit bekannter Umfangsgeschwindigkeit dreht, kann die Position der Schneiden vorberechnet werden, indem man die Winkelstellung der Spindel mit einem geeigneten Sensor abfühlt.With a milling machine where the spindle carries a milling cutter, you can get information with regard to the position of the cutting edges are included in the calculation by the Changes in load when the cutting edges enter and exit and when changing the Machining cross-section with foresight in the course of chip removal counteract. Since the milling cutter rotates at a known peripheral speed, the position of the cutting edges can be pre-calculated by looking at the angular position the spindle senses with a suitable sensor.

Um die Vorsteuerung noch weiter zu verbessern, kann man weitere Daten in die Berechnung einfließen lassen, in erster Linie die statische bzw. dynamische Steifigkeit sowie bekannte Eigenfrequenzen des Maschinensystems aus Werkzeug, Spindel, Werkzeugmaschinen und Spannmitteln.To further improve the feedforward control, additional data can be added to the Let the calculation flow, primarily the static or dynamic stiffness as well as known natural frequencies of the machine system consisting of tool, spindle, Machine tools and clamping devices.

Die Berechnung kann in einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden, wie sie bei z. B. bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine ohnehin vorhanden ist, und sie kann entweder offline erfolgen, d. h. bevor der Betrieb aufgenommen wird, oder online, d. h. während des Betriebs, jedoch mit dem nötigen zeitlichen Vorhalt.The calculation can be carried out in a data processing device, such as they at z. B. is present in any case in a numerically controlled machine tool, and it can be done offline, i.e. H. before operation begins, or online, d. H. during operation, but with the necessary time reserve.

Durch die Erfindung werden Spindelschädigungen infolge Überlastungen, wie sie bei einer Werkzeugmaschine z. B. durch phasenweise erhöhte Zerspankraft auftreten können, vermieden.By the invention spindle damage due to overloads, as in a machine tool z. B. occur by phases of increased cutting force can, avoided.

Die geometrische Genauigkeit der Konturbearbeitung bei einer Werkzeugmaschine wird erhöht, da die prozessbedingten Maß-, Form- und Lageabweichungen am Bearbeitungsobjekt verringert werden. Dadurch wird die Prozesseffizienz gesteigert.The geometric accuracy of the contour machining in a machine tool is increased because the process-related dimensional, shape and position deviations on Editing object can be reduced. This increases process efficiency.

Dynamischen Effekten, die z. B. bei der spanenden Bearbeitung auf die Werkstückoberfläche wirken, insbesondere Schwingungen, wird entgegengewirkt. Die Unterdrückung von Schwingungen erhöht die Oberflächenqualität. Dynamic effects, e.g. B. in machining on Work surface, especially vibrations, is counteracted. The Suppression of vibrations increases the surface quality.

Die Produktivität, das heißt z. B. das Zeitspanvolumen bei der spanenden Bearbeitung, wird erhöht, da man das maximale Leistungsvermögen der Werkzeugmaschine bzw. der Spindel prozeßsicher ausnutzen kann, d. h. ohne unzulässige Abweichungen am Werkstück zu verursachen.Productivity, i.e. B. the chip removal volume during machining, is increased because the maximum performance of the machine tool or Can use spindle reliably, d. H. without inadmissible deviations on Causing workpiece.

Diese Vorteile kommen besonders zum Tragen, wenn hochgenaue Bauteile wirtschaftlich gefertigt werden sollen, zum Beispiel beim Schaftfräsen von Integralbauteilen im Flugzeugbau oder von Gesenken im Werkzeugbau.These advantages come into play particularly when high-precision components should be manufactured economically, for example when milling from Integral components in aircraft construction or dies in tool construction.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Darin zeigen:Further features and advantages of the invention will appear from the following Description of an embodiment and from the drawing to which reference is taken. In it show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aktiven Spindellagerung als Magnetlagerung mit Belastungskorrektur bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, Fig. 1 is a schematic representation of an active spindle bearing as a magnetic bearing with load correction in a numerically controlled machine tool,

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur näheren Erläuterung der Berechnungs- und Regelvorgänge bei der Werkzeugmaschine von Fig. 1 und Fig. 2 is a block diagram for a more detailed explanation of the calculation and control processes in the machine tool of Fig. 1 and

Fig. 3a bis 3c Skizzen zur Erläuterung eines Beispiels, wie man variable Eingriffsverhältnisse eines Fräsers ermittelt, um sie bei der Berechnung von Korrekturwerten für die Stellgrößen der aktiven Spindellagerung zu berücksichtigen. Fig through 3c show diagrams illustrating an example of how to variable engagement conditions determined. 3a a milling cutter to take them into account in the calculation of correction values for the manipulated variables of the active spindle bearing.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Rotor 1, der auf einer nicht gezeigten Spindel befestigt ist. Die Achse des Rotors 1 bzw. der Spindel verläuft senkrecht zur Ebene der Figur, d. h. parallel zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, von dem in Fig. 1 die x- und y-Achsen eingezeichnet sind. Oben am Umfang des Rotors 1 befindet sich ein stationärer Elektromagnet 2, der den Rotor 1 nach oben zieht, wenn den Wicklungen des Elektromagneten 2 Strom zugeführt wird. Die Lage des Rotors 1 oder der Spindel in x-Richtung wird mittels eines Sensors 3 erfasst, und die Signale des Sensors 3 werden einer Lageregelschaltung 4 als Ist-Werte zugeführt. Die Lageregelschaltung 4 regelt den Erregerstrom für den Elektromagneten 2 auf Basis der Ist-Werte, um den Rotor 1 bzw. die Spindel berührungsfrei in der eingezeichneten Soll-Lage zu halten. Diese Anordnung, in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie 5 umrissen, ist als aktive Spindellagerung bekannt. Der Übersichtlichkeit halber zeigt die schematische Darstellung von Fig. 1 nur die Lageregelung in x-Richtung. In y-Richtung und in z-Richtung sowie in den Ebenen XZ und YZ kann ebenfalls eine Lageregelung stattfinden. Fig. 1 shows in cross section a rotor 1 which is attached to a spindle, not shown. The axis of the rotor 1 or the spindle runs perpendicular to the plane of the figure, ie parallel to the z axis of a Cartesian coordinate system, of which the x and y axes are drawn in FIG. 1. At the top of the circumference of the rotor 1 there is a stationary electromagnet 2 which pulls the rotor 1 upwards when current is supplied to the windings of the electromagnet 2 . The position of the rotor 1 or the spindle in the x direction is detected by means of a sensor 3 , and the signals from the sensor 3 are fed to a position control circuit 4 as actual values. The position control circuit 4 regulates the excitation current for the electromagnet 2 on the basis of the actual values in order to keep the rotor 1 or the spindle in the drawn-in desired position without contact. This arrangement, outlined in FIG. 1 with a dashed line 5 , is known as an active spindle bearing. For the sake of clarity, the schematic representation of FIG. 1 shows only the position control in the x direction. A position control can also take place in the y direction and in the z direction as well as in the planes XZ and YZ.

In dem Beispiel von Fig. 1 ist die Spindel, auf der der Rotor 1 sitzt, die Werkzeugaufnahmespindel einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine. Die aktive Spindellagerung muss die im Betrieb auftretende Zerspankraft aufnehmen. Wenn sich die Zerspankraft relativ langsam ändert, zum Beispiel aufgrund einer kontinuierlichen Profiländerung des Werkstückes in Vorschubrichtung, kann die Lageregelschaltung 4 darauf reagieren und eine entsprechende Gegenkraft aufbauen. Wenn sich die Zerspankraft jedoch relativ schnell ändert, zum Beispiel aufgrund von Änderungen des Spanungsquerschnittes im Verlauf der Bahnkurve eines Fräserzahns, beim Ein- oder Austreten eines Fräserzahns oder aufgrund einer abrupten Profiländerung des Werkstückes in Vorschubrichtung, kommt auf Grund der Massenträgheit des Systems zu gröberen Abweichungen der Spindel Soll-Lage, wodurch die Maßgenauigkeit des bearbeiteten Werkstückes leidet. Außerdem kann die Lageregelschaltung Schwingungen der Spindel um ihre Soll-Lage nur unzureichend unterdrücken, wodurch die Oberflächenqualität des Werkstückes leidet.In the example of FIG. 1, the spindle on which the rotor 1 is seated is the tool holding spindle of a numerically controlled milling machine. The active spindle bearing must absorb the cutting force that occurs during operation. If the cutting force changes relatively slowly, for example due to a continuous profile change of the workpiece in the feed direction, the position control circuit 4 can react to this and build up a corresponding counterforce. However, if the cutting force changes relatively quickly, for example due to changes in the chip cross-section in the course of the path curve of a milling cutter tooth, when a milling cutter tooth emerges or emerges or due to an abrupt change in the profile of the workpiece in the feed direction, there will be grosser deviations due to the inertia of the system the spindle target position, whereby the dimensional accuracy of the machined workpiece suffers. In addition, the position control circuit can only insufficiently suppress vibrations of the spindle about their desired position, as a result of which the surface quality of the workpiece suffers.

Um eine Verlagerung der Spindel aufgrund von relativ schnellen Änderungen der Zerspankraft zu verhindern, ist eine Berechnungseinrichtung 6 vorgesehen, die im Voraus entsprechende Korrekturwerte berechnet, die der Lageregelschaltung 4 zugeführt werden. Die Lageregelschaltung 4 regelt den Elektromagneten 2 nicht nur aufgrund der Signale des Sensors 3, sondern auch aufgrund der Korrekturwerte von der Berechnungseinrichtung 6, so dass z. B. bei einer Zunahme der Zerspankraft rechtzeitig eine gegengerichtete Kraft über eine Änderung des Magnetfeldes aufgebaut wird, die die Spindel in ihrer Soll-Lage hält.In order to prevent a displacement of the spindle due to relatively rapid changes in the cutting force, a calculation device 6 is provided which calculates corresponding correction values in advance which are supplied to the position control circuit 4 . The position control circuit 4 controls the electromagnet 2 not only on the basis of the signals from the sensor 3 , but also on the basis of the correction values from the calculation device 6 , so that, for. B. in the event of an increase in the cutting force, a counter-directional force is built up in good time via a change in the magnetic field, which holds the spindle in its desired position.

Die Berechnungseinrichtung 6 ist mit einem Sensor 7 verbunden, der in einer bestimmten Winkelstellung des Rotors 1 bzw. der Spindel ein Signal liefert. Das Sensorsignal liefert in Verbindung mit der bekannten Spindeldrehzahl und der bekannten Fräsergeometrie den Winkel ϕ, den jede Schneide des Fräsers in jedem Zeitpunkt z. B. zur y-Achse einnimmt. Alternativ kann die Winkelstellung der Spindel, die ein Maß für die Position der Schneide(n) darstellt, inkremental erfasst werden, zum Beispiel mittels einer Taktscheibe, die der Sensor 7 abtastet.The calculation device 6 is connected to a sensor 7 , which delivers a signal in a specific angular position of the rotor 1 or the spindle. The sensor signal, in conjunction with the known spindle speed and the known cutter geometry, provides the angle ϕ that each cutting edge of the cutter z. B. occupies the y-axis. Alternatively, the angular position of the spindle, which is a measure of the position of the cutting edge (s), can be recorded incrementally, for example by means of a clock disk which the sensor 7 scans.

Die Ortsinformation über die Winkelstellung der Spindel bzw. der Schneide(n) wird von der Berechnungseinrichtung 6 zusammen mit weiteren Daten zur Berechnung der Korrekturwerte für die Lageregelschaltung 4 verwendet. Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Regelvorgänge bei der Anordnung von Fig. 1. Die Berechnungseinrichtung 6 kann als ein Datenverarbeitungsprogramm realisiert sein, das in der Datenverarbeitungseinrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine durchgeführt wird.The location information about the angular position of the spindle or the cutting edge (s) is used by the calculation device 6 together with further data to calculate the correction values for the position control circuit 4 . FIG. 2 shows a block diagram of the calculation and control processes in the arrangement of FIG. 1. The calculation device 6 can be implemented as a data processing program that is carried out in the data processing device of the numerically controlled machine tool.

Die Berechnungseinrichtung 6 umfasst ein Berechnungsprogramm 8, das NC-Daten und Geometriedaten empfängt, die in der Datenverarbeitungseinrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gespeichert sind. Die NC-Daten umfassen die Ortskoordinaten und Verfahrbewegungen des Werkzeuges, nach DIN 66025 in einem kartesischen Koordinatensystem der Maschine beschrieben, die Drehzahl und den Vorschub pro Zahn oder Fräserumdrehung. Die Geometriedaten sind die CAD-Daten des Werkstückes (Maß, Lage, Form, Werkstoffkennwerte) und des Werkzeuges (Durchmesser, Länge, Schneidenhöhe, Anzahl der Schneiden, Drallwinkel, Spanwinkel, Schneideckenradius, z. B. nach DIN 6580). Die CAD-Daten des Werkstückes sind beispielsweise aus einem Vorbearbeitungsprozess wie z. B. Schruppfräsen bekannt.The calculation device 6 comprises a calculation program 8 which receives NC data and geometry data which are stored in the data processing device of the numerically controlled machine tool. The NC data include the location coordinates and traversing movements of the tool, described in a Cartesian coordinate system of the machine in accordance with DIN 66025, the speed and the feed per tooth or milling cutter revolution. The geometry data are the CAD data of the workpiece (dimension, position, shape, material parameters) and the tool (diameter, length, cutting edge height, number of cutting edges, helix angle, rake angle, cutting edge radius, e.g. according to DIN 6580). The CAD data of the workpiece are, for example, from a pre-processing process such as B. known roughing.

Aus der Werkstückgeometrie und den NC-Daten berechnet die Berechnungseinrichtung 6 die Eingriffsbedingungen bei der Weiterbearbeitung des vorbearbeiteten Werkstückes, insbesondere die Eingriffsbreite und die Schnitttiefe, die sich entlang des Vorschubweges ändern können. Die Eingriffsbreite und die Schnittiefe liefern den Spanungsquerschnitt.From the workpiece geometry and the NC data, the calculation device 6 calculates the engagement conditions during the further processing of the pre-machined workpiece, in particular the engagement width and the depth of cut, which can change along the feed path. The engagement width and the depth of cut provide the chip cross-section.

Aus den Spannungsquerschnitten bzw. den daraus resultierenden Zerspankräften werden nach einem Algorithmus 9, der in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist, die Korrekturwerte berechnet, die der Lageregelschaltung 4 zuzuführen sind, um Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück entgegenzuwirken. Bei der Berechnung der Korrekturwerte wird auch die örtliche und zeitliche Winkelstellung der Drehachse der Spindel berücksichtigt, die mit Hilfe des Sensors 7 ermittelt wird.From the voltage cross-sections or the resulting cutting forces, the correction values to be fed to the position control circuit 4 are calculated according to an algorithm 9 , which is stored in the data processing device, in order to counteract displacements between the tool and the workpiece. When calculating the correction values, the spatial and temporal angular position of the axis of rotation of the spindle, which is determined with the aid of sensor 7 , is also taken into account.

Mechanische Eigenschaften der Fräsmaschine, der Spindel bzw. der Lagerung können ebenfalls berücksichtigt werden, zum Beispiel die statische bzw. dynamische Steifigkeit, Eigenfrequenzen des Systems Werkzeug, Spindel, Werkzeugmaschine und Spannmittel.Mechanical properties of the milling machine, the spindle or the bearing can are also taken into account, for example the static or dynamic rigidity, Natural frequencies of the tool, spindle, machine tool and clamping device system.

Der Algorithmus 9 kann durch den Fachmann ermittelt bzw. ausgewählt werden.The algorithm 9 can be determined or selected by a person skilled in the art.

Beispiele für mögliche Vorgehensweisen werden im Folgenden angegeben.Examples of possible approaches are given below.

In einem Geometriemodell werden ausgehend von den technologischen Parametern und der Werkzeuggeometrie die Eingriffsverhältnisse orts- und zeitdiskret abgebildet. Dazu werden die Bahnkurven der Werkzeugschneide unter Berücksichtigung der Überlagerung der Rotation des Fräsers mit der Translation als Zykloide modelliert, die in Winkelinkrementen diskretisiert sind. Unter Berücksichtigung des Spanwinkels werden die Schnittpunkte der Werkzeugschneidenebene mit der Tangentenebene der Bahnkurve ermittelt. Die Eingriffsbedingungen werden durch schichtweises Unterteilen des Zeit- und ortsabhängigen Spanungsquerschnittes in z-Richtung diskretisiert. Der Drallwinkel wird durch Schrägstellen der Segmente berücksichtigt.In a geometry model, based on the technological parameters and the tool geometry shows the engagement conditions in a discrete location and time. To do this, the path curves of the tool cutting edge are taken into account Superimposition of the rotation of the milling cutter with the translation modeled as a cycloid, which Angular increments are discretized. Taking into account the rake angle the intersections of the tool cutting plane with the tangent plane of the Path curve determined. The conditions of intervention are divided by layers of the time and location-dependent cross-section of voltage in the z-direction. The Twist angle is taken into account by sloping the segments.

Teilspanungsflächen, Flächen gleicher Normalenvektoren, werden in Dreiecksflächen zerlegt. Die Dreiecksflächen werden berechnet und in die Ebenen projiziert, die senkrecht zu den Richtungen der Zerspankraftkomponenten stehen.Partial chip surfaces, surfaces of the same normal vectors, are in triangular surfaces disassembled. The triangular areas are calculated and projected into the planes that are perpendicular to the directions of the cutting force components.

Das Geometriemodell liefert drehwinkelabhängige, richtungsorientierte Flächensegmente, die in einem Kraftmodell verwendet werden, um die richtungsabhängigen Einzelkraftkomponenten drehwinkelabhängig unter Nutzung spezifischer Werkstoffkennwerte z. B. nach KIENZLE zu berechnen. Durch Integration der Einzelkraftkomponenten erhält man die Zerspankraftkomponenten in den Maschinenkoordinaten (x-, y- und z-Richtung). Werkzeugbezogen ergeben sich die Tangential- bzw. Schnittkraftkomponente sowie die Schnittnormalkraft-Komponente, denen durch entsprechende Vorsteuerung an der Spindellagerung entgegenzuwirken ist. The geometry model provides directional orientation that is dependent on the angle of rotation Area segments used in a force model to measure the direction-dependent single force components depending on the angle of rotation using specific material properties e.g. B. to calculate according to KIENZLE. Through integration of the individual force components, the cutting force components are obtained in the Machine coordinates (x, y and z direction). The tool-related results Tangential or cutting force component and the cutting normal force component, to counteract them by appropriate pilot control on the spindle bearing is.

Fig. 3a bis 3c zeigen ein Beispiel, wie man geometrisch die Eingriffstiefe eines Stirnfräsers 10 in Abhängigkeit vom Drehwinkel ermittelt, wenn in ein Werkstück 11 mit asymmetrischem Querschnitt eine Längsnut zu fräsen ist, die mit gepfeilten Linien 12 angedeutet ist. Die Eingriffsverhältnisse in Abhängigkeit vom Eingriffswinkel sind in Fig. 3b grafisch dargestellt. Daraus erhält man die in Fig. 3c gezeigte Tabelle der Konturlinie A für die obere Werkstückkontur und der Konturlinie B für die untere Werkstückkontur in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Das Höhenliniendiagramm von Fig. 3b bzw. die Konturlinientabelle von Fig. 3c ermöglicht es im Kraftmodell, den Algorithmus 9 festzulegen, zum Beispiel als Tabellen oder als Datenbank, aus denen bzw. der sich die Korrekturwerte ergeben, die der Lageregelschaltung 4 im Betrieb der Fräsmaschine mit entsprechenden zeitlichen Vorhalt zugeführt werden. FIGS. 3a to 3c show an example of how to geometrically determine the depth of engagement of an end mill 10 as a function of the rotation angle, when milling in a workpiece 11 having an asymmetrical cross-section, a longitudinal groove which is indicated by arrowed lines 12.. The pressure relationships as a function of the pressure angle are shown graphically in FIG. 3b. This gives the table of contour line A for the upper workpiece contour and contour line B for the lower workpiece contour shown in FIG. 3c as a function of the angle of rotation. The contour line diagram of FIG. 3b or the contour line table of FIG. 3c makes it possible to define the algorithm 9 in the force model, for example as tables or as a database, from which the correction values are obtained that are obtained by the position control circuit 4 during operation of the milling machine with appropriate time reserve.

Wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, kann man prozessbedingte, sowohl statisch als auch dynamisch wirkende Abweichungen bei aktiv gelagerten Wellen bzw. Spindeln sowie Achsen, insbesondere magnetgelagerten Spindeln z. B. in spanenden Werkzeugmaschinen, reduzieren, indem man für eine vorausschauende Lageregelung zur Ansteuerung der aktiven Lager unter Nutzung vorberechneter statischer und dynamischer Spindelbelastungen sorgt. Basierend auf NC-Daten und den Geometriedaten der Ausgangs- bzw. Vorbearbeitungskontur werden über die Zerspankraft, bzw. deren Komponenten und/oder den Spanungsquerschnitt Korrekturwerte als Vorhaltemaß gewonnen, um der aus der Zerspankraft resultierenden Spindelverlagerung entgegenzuwirken. Die Korrekturwerte werden online und/oder offline für die spanende Bearbeitung berechnet und mit entsprechendem zeitlichen Vorhalt als Eingangsgröße für die Lagerregelschaltung der aktiven Spindellagerung verwendet.As described in the exemplary embodiment, process-related, both static as well as dynamically acting deviations with actively supported shafts or spindles as well as axes, especially magnet-bearing spindles z. B. in cutting Reduce machine tools by looking for predictive attitude control to control the active warehouse using pre-calculated static and dynamic spindle loads. Based on NC data and the Geometry data of the initial or preprocessing contour are transferred via the Cutting force, or their components and / or the chip cross section Correction values obtained as a reserve measure, in order to obtain the result of the cutting force To counteract spindle displacement. The correction values are online and / or calculated offline for machining and with the appropriate time Provision as an input variable for the position control circuit of the active spindle bearing used.

Claims

1. Method for position control with an active spindle bearing, which is controlled by manipulated variables that are generated on the basis of actual values of the position of a rotatable spindle, characterized in that the generation of the manipulated variables is also based on correction values that are based on in operation expected spindle loads can be calculated in advance.

2. The method according to claim 1, characterized in that the spindle bearing a is electrically controlled magnetic bearing.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the spindle Is part of a numerically controlled machine tool for machining and carries either a tool or a workpiece, and that in operation too expected spindle loads are cutting forces that are expected at Editing occur.

4. The method according to claim 3, characterized in that the cutting forces Basis of data of the traversing movements of the Tool or workpiece and data of the geometry of the machining workpiece can be calculated.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool is a milling machine, that the spindle is a milling cutter carries and that the angular position of the spindle is sensed and when calculating the expected cutting forces is taken into account.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that in the Calculation of the expected cutting forces also the static and / or dynamic rigidity and / or natural frequencies of the machine system be taken into account.