DE10123717A1 - Motorspindel mit einer Kompensation der axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle sowie Verfahren zur Kompensation einer derartigen axialen Verlagerung - Google Patents
Motorspindel mit einer Kompensation der axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle sowie Verfahren zur Kompensation einer derartigen axialen VerlagerungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel (1) mit einer Spindelwelle (4) zur Aufnahme eines Werkzeugs (14), wobei die Spindelwelle (4) im Gehäuse (2) der Motorspindel (1) in einer Festlagerung (5) und einer Loslagerung (6) aufgenommen ist und wobei das aufgenommene Werkzeug (14) das bearbeitete Werkstück (15) bei angetriebener Spindelwelle (4) an einer Werkzeugschnittstelle (16) kontaktiert und die Werkzeugschnittstelle (16) bei der Werkstückbehandlung eine Verlagerung in axialer Richtung der Spindelwelle (4) erfährt, wobei ein Wegsensor (19) an der Spindellagerung zur Ermittlung der axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle (16) vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel mit einer Spindelwelle zur
Aufnahme eines Werkzeugs sowie den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Verschieben einer Motorspindel mit den Merkmalen des Ober
begriffs des Patentanspruchs 11.
Als Stand der Technik sind Motorspindeln mit einer Fest- und einer
Loslagerung bekannt, die für die Bearbeitung von Werkstücken bei
hohen Drehzahlen eingesetzt werden. Die Genauigkeit der Werk
stückbearbeitung wird durch eine unerwünschte axiale Bewegung
der Werkzeugschnittstelle bei rotierender Spindelwelle beeinträch
tigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorspindel sowie
ein Verfahren zum Verschieben einer Motorspindel anzubieten, bei
denen die Genauigkeit der Werkstückbearbeitung verbessert wird.
Die Aufgabe wird für die Motorspindel durch die Merkmale des kenn
zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Motorspindel werden in den Unteransprüchen 2-10 beschrie
ben. Für das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 11 in Verbindung mit
den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvari
anten werden in den Unteransprüchen 12-15 beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Motorspindel ist ein Wegsensor an der
Spindellagerung zur Ermittlung der axialen Verlagerung der Werk
zeugschnittstelle vorgesehen. Durch die über den Wegsensor ermit
telte unerwünschte axiale Verlagerung kann über eine kompensie
rende Vorschubbewegung, welche die gesamte Motorspindel erfaßt,
die axiale Verlagerung kompensiert werden. Hierdurch kann eine
Werkstückbearbeitung mit deutlich verbesserter Genauigkeit erfol
gen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Wegsensor zur Er
fassung der axialen Position der Loslagerung vorgesehen sein.
Durch eine derartige Anbringung des Wegsensors wird ein deutlicher
Abstand zum bearbeiteten Werkstück und zum bearbeitenden Werk
zeug geschaffen. Ferner kann die axiale Verlagerung der Spindelwel
le an einem ruhenden Teil besonders zuverlässig gemessen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Weg
sensor die axiale Verschiebung der Spindelwelle an einem Außen
ring der Loslagerung erfassen. In einer weiteren vorteilhaften Ausfüh
rungsform kann der Wegsensor die axiale Position der Lagerbüchse
eines Außenrings der Loslagerung erfassen, wobei der Wegsensor
an einem besonders zugänglichen Bereich der Motorspindel ange
bracht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Wegsensor als Berüh
rungssensor mit direktem Kontakt z. B. mit der Loslagerung, deren
Außenring oder deren Lagerbüchse ausgebildet sein. Damit können
die bei berührungslosen Wegsensoren gegebenenfalls auftretenden
Übertragungsstörungen vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wegsensor auch
als berührungsloser Sensor, z. B. als induktiver, kapazitiver, optischer
oder Wirbelstromsensor ausgebildet sein. Hierdurch wird ein direkter
Kontakt mit der zu messenden Bezugsoberfläche der Loslagerung,
des Außenrings oder der Lagerbüchse vermieden, wodurch eine Ab
nutzung des Wegsensors und daraus resultierende Meßfehler ver
mieden werden.
Die vom Wegsensor ausgelesenen Daten zur axialen Verlagerung
der Spindelwelle werden vorteilhafterweise an ein Steuerelement z. B.
zur Aktivierung eines Vorschubs der gesamten Motorspindel zur
Kompensierung der axialen Verlagerung weitergeleitet.
Durch ein derartiges Vorschubelement kann die Motorspindel axial in
Richtung des Werkstücks verschoben werden, um die ermittelte axia
le Verlagerung während des Betriebs zu korrigieren und zu kompen
sieren. Hierzu ist das Steuerelement vorzugsweise mit dem Vor
schubelement der Motorspindel zum Datenaustausch verbunden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Verschieben einer Motor
spindel mit einer Spindelwelle erfolgt eine Kompensierung der ermit
telten axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle. Hierdurch wird
die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht. Die über einen Wegsensor er
mittelte unerwünschte axiale Verlagerung der Spindelwelle wird
durch eine entsprechende Vorschubbewegung der gesamten Motor
spindel in entgegengesetzter Richtung kompensiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante kann als Füh
rungsgröße zur Kompensierung der ermittelten axialen Verlagerung
ein oder mehrere funktionale Zusammenhänge zwischen drehzahl
bedingter und/oder temperaturbedingter Veränderung und der ermit
telten axialen Verlagerung der Spindelwelle verwendet werden.
Wenn beim Wegsensor zur Ermittlung der unerwünschten axialen
Verlagerung der Spindelwelle eine sprunghafte und erhebliche axiale
Verlagerung auftritt, kann dies als Störungsmeldung verarbeitet wer
den.
Zur Aufnahme der Werkzeuge besitzen Motorspindeln üblicherweise
Spannsysteme, welche z. B. eine axiale Zugstange aufweisen, die
sich in der als Hohlwelle ausgebildeten Spindelwelle in axialer Rich
tung verschieben läßt. Zur Kraftbeaufschlagung einer derartigen
Zugstange ist üblicherweise ein Kolbenelement vorgesehen, über
welches die Zugstange in Richtung zum frontseitigen Spannsystem
verschoben werden kann, wodurch ein im Spannsystem aufgenom
menes Werkzeug entnommen und ein neues Werkzeug eingesetzt
kann. Beim Zurückziehen des Kolbenelements wird die Zugstange
üblicherweise durch integrierte Federelemente zurückgestellt.
Bei einer auftretenden unerwünschten axialen Verlagerung der
Werkzeugschnittstelle verändert sich auch die Position der Zugstan
ge des Spannsystems. Die vom Wegsensor erfaßte axiale Verlage
rung der Werkzeugschnittstelle kann zur Korrektur der Daten eines
weiteren Wegsensors zur Bestimmung der Position der Zugstange
verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante kann beim Anfah
ren der Motorspindel ein "Reset-Lauf" bei kleinstmöglicher Drehzahl
durchgeführt werden, wodurch eventuell aufgrund einer vorherigen
Abkühlung verklemmte Lagerkörper in der Fest- oder Loslagerung
gelockert werden, wodurch ein Referenzpunkt für den Wegsensor
zur Ermittlung der unerwünschten axialen Verlagerung der Werk
zeugschnittstelle ermittelt werden kann, bevor die tatsächliche axiale
Verlagerung festgestellt wird.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeich
nungsfigur näher erläutert.
Die Zeichnungsfigur zeigt eine Motorspindel 1 im Längsschnitt mit
einem Spindelgehäuse 2 und einem Antrieb 3 für eine Spindelwelle
4, welche über eine Festlagerung 5 und eine Loslagerung 6 im Spin
delgehäuse 2 aufgenommen ist. Die Festlagerung 5 und die Loslage
rung 6 weisen jeweils Lagerelemente 7, 8 bzw. 9, 10 auf, die z. B. als
Spindellager ausgebildet sein können. Bei einer Verwendung von
Spindellagern tritt ein Kontaktwinkel zwischen den Kugeln und den
Laufbahnen der Spindellager etwa zwischen 12° und 25° auf.
Die Festlagerung 5 und die Loslagerung 6 werden über eine kraftbe
aufschlagte Lagerbüchse 11 gegeneinander vorgespannt. Die Kraft
beaufschlagung der Lagerbüchse 11 kann durch ein Federelement
12, hydraulisch und/oder pneumatisch erfolgen.
Die Spindelwelle 4 ist eine Hohlwelle und nimmt in ihrem Inneren ei
ne Zugstange 13 eines Spannsystems der Motorspindel 1 zur Auf
nahme des Werkzeugs 14 (z. B. einer Topfschleifscheibe) auf. Das
Werkzeug 14 kontaktiert das Werkstück 15 (z. B. eine Siliziumoberfläche),
wobei sich die Werkzeugschnittstelle 16 im Kontaktbereich
zwischen Werkzeug 14 und Werkstück 15 befindet.
Beim Betrieb der Motorspindel 1 tritt bei rotierender Spindelwelle 4
eine kinematische Verschiebung der Spindelwelle 4 aufgrund der auf
die Lagerkörper 17, 18 der Lagerelemente 7, 8 der Festlagerung 5
wirkenden Fliehkräfte auf. Ferner tritt durch die Erwärmung der Spin
delwelle 4 ausgehend von den Lagerelementen 7, 8 und dem Antrieb
3 eine thermische Verschiebung der Spindelwelle 4 in axialer Rich
tung auf.
Durch den erfindungsgemäßen Wegsensor 19 wird eine uner
wünschte Verschiebung der Spindelwelle 4 in Verschieberichtung 20
durch Messung des Abstandes zwischen dem Wegsensor 19 und ei
ner Bezugsfläche 21 der Lagerbüchse 11 oder einem Außenring 25
z. B. des Lagerelements 10 der Loslagerung 6 ermittelt. Über die vom
Wegsensor 19 ermittelte Annäherung der Bezugsfläche 21 an den
Wegsensor 19 kann über ein an sich bekanntes Vorschubelement
die gesamte Motorspindel 1 zur Kompensierung der ermittelten axia
len Verlagerung der Spindelwelle 4 in Gegenrichtung 22 verschoben
werden, so daß nach erfolgreicher Kompensierung keine Verlage
rung der Werkzeugschnittstelle 16 auftritt.
Bei einer vom Wegsensor 19 festgestellten axialen Verlagerung der
Spindelwelle 4 in Verschieberichtung 20 tritt auch eine Verschiebung
der in der Spindelwelle 4 aufgenommenen und vom Kolbenelement
26 betätigten Zugstange 13 in Verschieberichtung 20 auf, wodurch
die von einem weiteren Wegsensor 23 durch Abstandsmessung zu
einer weiteren Bezugsfläche 24 festgestellte Position der Zugstange
13 fehlerhaft ermittelt wird. Durch die vom Wegsensor 19 ermittelte
axiale Verschiebung kann die Positionsangabe des zweiten Wegsensors
23 in einem nicht abgebildeten und mit den Wegsensoren 19
und 23 verbundenen Steuerelement (z. B. einem Prozessor) z. B.
durch Differenzbildung korrigiert und berichtigt werden. Hierdurch
können die Position der Zugstange 13 und damit auch die Zustände
des Spannsystems (Werkzeug gespannt, Werkzeug freigegeben,
Werkzeug fehlerhaft gespannt, Werkzeug fehlt) genauer erfaßt wer
den.
1
Motorspindel
2
Spindelgehäuse
3
Antrieb
4
Spindelwelle
5
Festlagerung
6
Loslagerung
7
,
8
,
9
,
10
Lagerelement
11
Lagerbüchse
12
Federelement
13
Zugstange
14
Werkzeug
15
Werkstück
16
Werkzeugschnittstelle
17
,
18
Lagerkörper
19
Wegsensor
20
Verschieberichtung
21
Bezugsfläche
22
Gegenrichtung
23
Wegsensor
24
Bezugsfläche
25
Außenring
26
Kolbenelement
Claims (15)
1. Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werk
zeugs, wobei die Spindelwelle im Gehäuse der Motorspindel in
einer Festlagerung und einer Loslagerung aufgenommen ist
und wobei das aufgenommene Werkzeug das bearbeitete
Werkstück bei angetriebener Spindelwelle an einer Werkzeug
schnittstelle kontaktiert und die Werkzeugschnittstelle bei der
Werkstückbearbeitung eine Verlagerung in axialer Richtung der
Spindelwelle erfährt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegsensor(19)
an der Spindellagerung zur Ermittlung der axialen Verlagerung
der Werkzeugschnittstelle (16) vorgesehen ist.
2. Motorspindel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
zur Erfassung der axialen Position der Loslagerung (6) vorge
sehen ist.
3. Motorspindel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
zur Erfassung der axialen Position eines Außenrings (25) der
Loslagerung (6) vorgesehen ist.
4. Motorspindel nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
zur Erfassung der axialen Position einer Lagerbüchse (11) ei
nes Außenrings (25) der Loslagerung (6) vorgesehen ist.
5. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
als Berührungssensor ausgebildet ist.
6. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
als berührungsloser Sensor ausgebildet ist.
7. Motorspindel nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor(19)
als induktiver, kapazitiver, optischer oder Wirbelstrom-Sensor
ausgebildet ist.
8. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerelement
zur Aufnahme der vom Wegsensor (19) erfaßten axialen Verla
gerung vorgesehen ist.
9. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorschubele
ment zur axialen Verschiebung der Motorspindel (1) zur Kom
pensierung der ermittelten axialen Verlagerung der Werkzeug
schnittstelle (16) vorgesehen ist.
10. Motorspindel nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschubele
ment zum Datenaustausch mit dem Steuerelement verbunden
ist.
11. Verfahren zum Verschieben einer Motorspindel mit einer Spin
delwelle zur Aufnahme eines Werkzeugs, insbesondere einer
Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-10,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschiebung
der Motorspindel zur Kompensierung einer ermittelten axialen
Verlagerung einer Werkzeugschnittstelle der Motorspindel er
folgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer
sprunghaften und erheblichen axialen Verlagerung der Werk
zeugschnittstelle eine Störungsmeldung angezeigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß mit der ermittelten
axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle die gemessene
Position der Zugstange eines Werkzeugspanners der Motor
spindel korrigiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13,
dadurch gekennzeichnet, daß neben der axialen
Verlagerung der Werkzeugschnittstelle die Position der
Zugstange eines Werkzeugspanners der Motorspindel korrigiert
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-14,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahrender
Motorspindel ein RESET-Lauf bei kleinstmöglicher Drehzahl
durchgeführt wird um das Klemmen der Lagerkörper in der
Festlagerung und Loslagerung während der Abkühlung aufzu
heben und den Referenzpunkt für den Wegsensor zur Erfas
sung der axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle zu
bestimmen.
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