DE102004063259B3

DE102004063259B3 - Spindle device and method for influencing spindle oscillations and deflections

Info

Publication number: DE102004063259B3
Application number: DE200410063259
Authority: DE
Inventors: Lukas Betschon; Thomas Klaffert
Original assignee: STARRAGHECKERT AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: WO2006072404A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen, Motoren oder dergleichen, mit einer Spindelwelle, einer Spindellagervorrichtung und einer von der Spindellagervorrichtung unabhängigen, aktiven Einrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Spindelschwingungen und -auslenkungen, sowie ein Verfahren zur Beeinflussung von Schwingungen und Auslenkungen mit einer solchen Spindeleinrichtung.The present invention relates to a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft, a spindle bearing device and an independent of the spindle bearing device, active device for preventing or reducing spindle oscillations and deflections, and a method for influencing oscillations and deflections with such spindle device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 17. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen mit einer Spindelwelle zur Übertragung einer rotativen Antriebsbewegung eines koaxial zur Spindelwelle angeordneten Antriebsmotors, bei der die Spindelwelle mit zumindest einem Radiallager gelagert ist.The The present invention relates to a spindle device according to the preamble of claim 1 and a method for influencing spindle vibrations and deflections according to the preamble of claim 17. In particular, the present invention relates a spindle device for Machine tools with a spindle shaft for transmitting a rotary Drive movement of a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor, in which the spindle shaft is mounted with at least one radial bearing is.

Bei Spindeleinrichtungen für Werkzeugmaschinen zur spanabhebenden Bearbeitung ist das Werkzeug bzw. das Werkstück an derselben (Spindel-)Welle angebracht, an der auch der zur Erzeugung der Antriebsbewegung vorgesehene (Elektro-)Motor angreift. In den meisten Fällen ist dieser Motor als Elektromotor ausgelegt, wobei der Rotor des Elektromotors unmittelbar auf der (Spindel-)Welle, zumindest jedoch koaxial zu dieser, angeordnet ist. Derartige Spindeleinrichtungen werden vorallem für sehr schnell drehende Spindeln eingesetzt, wie sie insbesondere für Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten erforderlich sind.at Spindle devices for Machine tools for machining is the tool or the workpiece attached to the same (spindle) shaft, on which also to the generation the drive movement envisaged (electric) motor attacks. In the most cases This motor is designed as an electric motor, the rotor of the Electric motor directly on the (spindle) shaft, but at least coaxial with this, is arranged. Such spindle devices especially for very fast rotating spindles used, as they in particular for edits with high cutting speeds are required.

Insbesondere Schwingungen, die auf Resonanzen zurückgehen, bewirken bei derartigen Werkzeugmaschinen, beispielsweise bei Fräsbearbeitungen, eine unbefriedigende Qualität der bearbeiteten Oberfläche. Vorallem bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen (sogenannten HSC-Verfahren) und beim Einsatz von langen Werkzeugen wirkt sich die Nachgiebigkeit der Spindelwelle in Form einer ausgeprägten Tendenz zu Schwingungen besonders negativ aus. Somit liegt ein wesentlicher Faktor für die mit Werkzeugmaschinen erzielbare Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungsqualität in der möglichst schwingungsarmen Rotation der Spindel.Especially Vibrations that are due to resonances cause in such Machine tools, for example in milling, an unsatisfactory quality the machined surface. Especially in high-speed machining (so-called HSC method) and the use of long tools affects compliance the spindle shaft in the form of a pronounced tendency to oscillations especially negative. Thus, an essential factor for those with machine tools achievable machining accuracy and machining quality in the preferably low-vibration Rotation of the spindle.

Eine Möglichkeit, Schwingungen der Spindelwelle zu vermeiden, kann darin gesehen werden, die nicht gelagerte und damit schwingungsfähige freie Länge der Spindelwelle möglichst klein zu wählen, beispielsweise durch Erhöhung der Anzahl der verwendeten Radialwälzlager. Ein derart möglichst kurz gewähltes, frei kragendes Spindelende trägt zur Reduzierung der Amplituden von möglichen Schwingungen bei. Die ser mögliche Lösungsweg hat jedoch den Nachteil, daß eine konstruktive Freiheit merkbar eingeschränkt ist und/oder diese Lösung konstruktiv sehr aufwendig ist.A Possibility, To avoid vibrations of the spindle shaft, can be seen therein, the not stored and thus oscillatory free length of Spindle shaft as possible small to choose for example by increasing the number of radial rolling bearings used. As short as possible elected, wearing cantilevered spindle end to reduce the amplitudes of possible vibrations. The ser possible Walkthrough However, has the disadvantage that a constructive freedom is noticeably limited and / or this solution constructively very is expensive.

Um Schwingung zu kompensieren, könnten stattdessen sämtliche Radialwälzlager durch aktive Magnetlager ersetzt werden. Eine derartig ausgebildete Spindellagerung weist allerdings eine nur geringe Steifigkeit auf. Für eine Vielzahl an Anwendungsfällen reicht die sich dann noch ergebende, statische und dynamische Tragfähigkeit der Lagerung nicht aus.Around Could compensate for vibration instead all radial bearings be replaced by active magnetic bearings. Such a trained However, spindle bearing has only low rigidity. For one Variety of applications ranges then resulting static and dynamic load capacity storage does not matter.

Im Zusammenhang mit Spindeleinrichtungen wäre auch die Verwendung von Dämpfungsbüchsen möglich. Hierbei handelt es sich um mit Öl oder mit anderen hydraulischen Mitteln gefüllte Büchsen, die im Bereich eines Radiallagers angeordnet sind. Die Viskosität des Mediums wird hierbei zur Dämpfung genutzt. An dieser Lösung nachteilig ist jedoch, daß eine statische Steife gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich abnimmt.in the Connection with spindle devices would also be the use of Damping bushes possible. in this connection it is with oil or with other hydraulic means filled cans in the range of Radial bearings are arranged. The viscosity of the medium is here used for damping. At this solution However, it is disadvantageous that a static stiffness opposite usual solutions decreases significantly.

Aus der DE 198 37 624 A1 ist eine Spindeleinrichtung bekannt, bei der Schwingungen mittels aktiver Magnetlager kompensiert werden. Aus der DE 32 48 085 C2 ist eine Spindeleinrichtung bekannt mit einer Spindelwelle, einer Spindellagereinrichtung und einer von der Spindellagereinrichtung unabhängigen, aktiven Einrichtung zur Reduzierung von Spindelschwingungen und -auslenkungen.From the DE 198 37 624 A1 a spindle device is known in which vibrations are compensated by means of active magnetic bearings. From the DE 32 48 085 C2 is a spindle device known with a spindle shaft, a spindle bearing device and an independent of the spindle bearing device, active means for reducing spindle oscillations and deflections.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spindeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die statisch und dynamisch stark belastbar ist und eine begrenzbare Schwingungsamplitude aufweist.It is therefore an object of the present invention, a spindle device of the type mentioned above, the static and dynamic strong is resilient and has a finite oscillation amplitude.

Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spindeleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.The This object is achieved by a spindle device solved with the features of claim 1.

Somit weist die vorliegende Spindeleinrichtung eine Spindellagerung, insbesondere über konventionelle Lager mit guten statischen und dynamischen Lagereigenschaften, auf. Mit derartigen (konventionellen) Lagern ist es jedoch nicht möglich, aktiv auf Schwingungen einer Spindelwelle einzugehen. Um dies dennoch erreichen zu können, ist erfindungsgemäß – zusätzlich zur Spindellagerung – eine aktive Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und Spindelauslenkungen vorgesehen. Mit dieser unabhängigen aktiven Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen können Zusatzkräfte erzeugt und auf die Spindelwelle aufgebracht werden, die als radiale Vorspannkraft auf die Spindelwelle wirken. Gleichzeitig mit der Erzeugung der Zusatzkräfte bzw. anstatt der Erzeugung der Zusatzkräfte kann die Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und – auslenkungen auch derart angeordnet sein, um dynamische Eigenschaften der Spindelwelle, insbesondere die Steifigkeitseigenschaften der Spindelwelle, zu beeinflussen.Consequently the present spindle device has a spindle bearing, in particular via conventional Bearings with good static and dynamic bearing properties, on. However, with such (conventional) bearings, it is not possible to be active To enter vibrations of a spindle shaft. To achieve this nevertheless to be able to is according to the invention - in addition to Spindle bearing - an active Device for influencing spindle vibrations and spindle deflections intended. With this independent active device for influencing spindle vibrations and deflections can additional forces generated and applied to the spindle shaft, which as radial Pretension act on the spindle shaft. Simultaneously with the Generation of additional forces or instead of generating the additional forces, the device can be used to influence of spindle vibrations and deflections be arranged in such a way to dynamic properties of the spindle shaft, in particular the stiffness properties of the spindle shaft to influence.

Folglich ist die erfindungsgemäße Spindeleinrichtung über die (konventionelle) Lagerung statisch stark belastbar. Die hohe dynamische Belastbarkeit ergibt sich über die aktive Kompensation der Schwingungen bzw. über die aktive Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Spindel.consequently is the spindle device according to the invention on the (conventional) storage statically strong. The high dynamic Resilience results over the active compensation of the vibrations or the active change the dynamic properties of the spindle.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Spindeleinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.preferred embodiments the present spindle device are set forth in the dependent claims.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine effektive und einfache Beeinflussung der Spindeleigenschaften hinsichtlich Unterbindung der Schwingung ermöglicht ist.It Another object of the present invention is a method for influencing spindle oscillations and deflections of the to create the type mentioned above, with which an effective and simple influencing of the spindle properties with regard to ligation the vibration allows is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen einer Spindeleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 gelöst.These The object is achieved by a Method for influencing spindle oscillations and deflections a spindle device with the features of claim 17 solved.

Bei dem vorliegenden Verfahren können die zu optimierenden Zielgrößen technologisch vorgegeben werden.at in the present method the target values to be optimized technologically be specified.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to preferred embodiments in conjunction with the associated Drawings closer explained. In these show:

1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spindeleinrichtung, und 1 a sectional view of a first embodiment of a spindle device, and

2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Spindeleinrichtung einer Werkzeugmaschine mit optimierbaren Steifigkeitseigenschaften. 2 a sectional view of a second embodiment of a spindle device of a machine tool with optimized stiffness properties.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Spindeleinrichtung 1, wie sie beispielsweise für eine Werkzeugmaschine vorgesehen sein kann, mit der Fräsbearbeitungen ausführbar sind. 1 shows an embodiment of the present spindle device 1 as may be provided for example for a machine tool, with the milling operations are executable.

Die Spindeleinrichtung 1 weist ein Gehäuse 11 auf, wobei die Spindeleinrichtung 1 grundsätzlich in herkömmlicher Weise über einen (nicht gezeigten) Flansch des Gehäuses 11 an einer Aufnahme der Werkzeugmaschine lösbar befestigt sein kann.The spindle device 1 has a housing 11 on, wherein the spindle device 1 basically in a conventional manner via a flange (not shown) of the housing 11 can be releasably secured to a receptacle of the machine tool.

Im Bereich dieser Aufnahme der Spindelwelle in der Werkzeugmaschine können Zuführungen von Signalleitungen sowie elektrische und hydraulische Versorgungsleitungen für die Spindeleinrichtung 1 vorgesehen sein.In the area of this receptacle of the spindle shaft in the machine tool can supply of signal lines and electrical and hydraulic supply lines for the spindle device 1 be provided.

Am anderen Ende (dem werkzeugseitigen bzw. werkstückseitigen Ende) der Spindeleinrichtung 1, nachfolgend vereinfachend als Werkzeugseite bezeichnet, ist in 1 eine Werkzeugaufnahmeeinrichtung angeordnet.At the other end (the tool side or workpiece side end) of the spindle device 1 , hereinafter simply referred to as tool page, is in 1 arranged a tool receiving device.

In dem im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 11 der Spindeleinrichtung 1 ist eine Spindelwelle 12 angeordnet, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel über insgesamt 3 Lageranordnungen 13, 14, 15 im Gehäuse 11 gelagert ist. Die Lageranordnungen 13, 14, 15 sind vorliegend als Radialwälzkörperlager, hier als handelsübliche Kugellager, ausgebildet. Zwar ist in 1 jeweils ausschließlich ein Lager pro Lageranordnung angegeben, allerdings ist die vorliegende Spindeleinrichtung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr können jeweils auch zwei oder mehrere Lager pro Lageranordnung vorgesehen sein. Auch ist die vorliegende Spindeleinrichtung nicht auf die Verwendung von Kugellagern beschränkt.In the substantially cylindrical housing 11 the spindle device 1 is a spindle shaft 12 arranged according to this embodiment over a total of 3 bearing assemblies 13 . 14 . 15 in the case 11 is stored. The bearing arrangements 13 . 14 . 15 are in the present case as Radialwälzkörperlager, here as a commercially available ball bearings, formed. True, is in 1 only one bearing per bearing arrangement specified, but the present spindle device is not limited thereto. Rather, two or more bearings per bearing arrangement may be provided in each case. Also, the present spindle device is not limited to the use of ball bearings.

Zwischen dem in 1 auf der rechten Seite angeordneten, d.h. flanschseitigen, Kugellager 15 und dem in 1 mittleren Kugellager 14 ist auf der Spindelwelle ein Rotor 17 eines Elektromotors drehfest angeordnet. Der zugehörige Stator 18 des Elektromotors ist am Gehäuse 11 befestigt und umgibt den Rotor 17.Between the in 1 arranged on the right side, ie flange side, ball bearings 15 and in 1 middle ball bearings 14 is a rotor on the spindle shaft 17 an electric motor rotatably arranged. The associated stator 18 the electric motor is on the housing 11 attached and surrounds the rotor 17 ,

Zwischen dem mittleren Kugellager 14 und dem werkzeugseitigen Kugellager 13 (welches in 1 links angeordnet ist) ist eine vorliegend magnetische Einrichtung zur aktiven Vermeidung oder Reduzierung von Spindelschwingungen angeordnet. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 1 als Dämpfungsvorrichtung 16 ausgebildet.Between the middle ball bearing 14 and the tool-side ball bearing 13 (which in 1 is disposed on the left) is arranged a present magnetic device for actively avoiding or reducing spindle vibrations. This is in the present embodiment after 1 as a damping device 16 educated.

Die magnetische Dämpfungsvorrichtung 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel mehrere, gleichmäßig am Umfang verteilte Elektromagnete 16a, 16b usw. auf, mit denen jeweils nach Größe und Richtung variables magnetisches Felder erzeugbar sind. Mit der magnetischen Dämpfungsvorrichtung 16 sind Spindelschwingungen beeinflußbar.The magnetic damping device 16 has in this embodiment, a plurality of evenly distributed around the circumference electromagnets 16a . 16b etc., with which variable magnetic fields can be generated in each case according to size and direction. With the magnetic damping device 16 Spindle vibrations can be influenced.

Dabei ist jeder der Elektromagneten 16a, 16b usw. getrennt und unabhängig von den anderen Elektromagneten von einer (nicht im einzelnen dargestellten) Steuerung ansteuerbar. Hierdurch ist es ermöglicht, daß jeder der Elektromagnete 16a, 16b usw. ein eigenes Magnetfeld erzeugt, das auf einen (unrunden) Lauf der Spindelwelle abgestimmt ist.Each of them is electromagnet 16a . 16b etc. separated and independently of the other electromagnets of a (not shown in detail) controllable. This makes it possible that each of the electromagnets 16a . 16b etc. creates its own magnetic field, which is tuned to a (non-circular) run of the spindle shaft.

Über (in 1 nicht näher gezeigte) Sensoren werden an der Spindelwelle auftretende Schwingungen nach Schwingungsamplitude und Schwingungsrichtung gemessen. In der Steuerung werden zu den Messwerten entsprechende Kompensationskräfte und der hierfür notwendigen magnetischen Felder bestimmt, welche über die magnetische Dämpfungsvorrichtung an der Spindelwelle „angelegt" werden. Als Sensoren eignen sich beispielsweise berührungslos messende Abstandssensoren, wie Wirbelstromsensoren.About (in 1 Sensors not shown in detail are measured on the spindle shaft oscillations occurring vibration amplitude and direction of vibration. In the control, compensation forces corresponding to the measured values and the necessary magnetic energy are generated Fields determines which are "applied" via the magnetic damping device to the spindle shaft. Suitable sensors are, for example, contactless distance sensors, such as eddy-current sensors.

Die vorliegende Steuerung und die Sensoren sind vorteilhafterweise in das Spindelgehäuse integriert oder unmittelbar am Spindelgehäuse angeordnet. Zumindest die Steuerung kann jedoch auch getrennt von der Spindeleinrichtung angeordnet und mit dieser über Signalleitungen verbunden werden.The present control and the sensors are advantageously in the spindle housing integrated or arranged directly on the spindle housing. At least the However, control can also be arranged separately from the spindle device and with this over Signal lines are connected.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist einen grundsätzlich vergleichbaren Aufbau zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf, wodurch allerdings beim Ausführungsbeispiel nach 2 hauptsächlich die dynamischen Eigenschaften der Spindelwelle beeinflussbar sind. Die Dämpfungsfunktion der magnetischen Einrichtung ist beim Ausführungsbeispiel nach 2 von nicht so hoher Bedeutung.The embodiment according to 2 has a fundamentally comparable structure to the embodiment according to 1 on, which, however, in the embodiment according to 2 mainly the dynamic properties of the spindle shaft can be influenced. The damping function of the magnetic device is in the embodiment according to 2 not so important.

Durch gezielte variierbare Beeinflussung der Systemsteifigkeit nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird ein technologisch erweiterter Einsatzbereich der vorliegenden Spindeleinrichtung geschaffen.By targeted variably influencing the system stiffness according to the embodiment according to 2 a technologically extended field of application of the present spindle device is provided.

Die Spindeleinrichtung gemäß 2 weist (vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach 1) ein im wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 21 auf, in dem eine Spindelwelle 22 über ein werkzeugseitiges Lager 23 und ein hinteres Lager 24 im Gehäuse drehbar gelagert ist. Zwischen dem werkzeugseitigen Lager 23 und dem hinteren Lager 24 ist auf der Spindelwelle der Rotor 27 des Elektromotors drehfest angeordnet. Der Stator 28 des Rotors ist am Gehäuse 21 befestigt und umgibt den Rotor 27.The spindle device according to 2 has (comparable to the embodiment according to 1 ) a substantially cylindrical housing 21 on, in which a spindle shaft 22 via a tool-side bearing 23 and a rear camp 24 is rotatably mounted in the housing. Between the tool-side bearing 23 and the rear bearing 24 is the rotor on the spindle shaft 27 arranged in a rotationally fixed manner of the electric motor. The stator 28 the rotor is on the housing 21 attached and surrounds the rotor 27 ,

Die vorliegende Einrichtung zur aktiven Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 im Elektromotor integriert. Aufgrund der anderen Anordnung der (vorliegend magnetischen) Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen ist eine Optimierung der dynamischen Eigenschaften der Spindelwelle ermöglicht.The present device for actively influencing spindle oscillations and deflections is according to the embodiment according to 2 integrated in the electric motor. Due to the different arrangement of the (magnetic) means for influencing spindle oscillations, an optimization of the dynamic properties of the spindle shaft is made possible.

Dabei umfasst die aktive Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 wiederum (Elektro-) Magnete 26, welche am Gehäuse 21 der Spindeleinrichtung 2 angeordnet sind. Über diese (Elektro-) Magnete 26 wird ein variierbares magnetisches Feld dem magnetischen Feld des Elektromotors überlagert. Die Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen 26 ist dabei zwischen dem vorderen Lager 23 und dem hinteren Lager 24, entlang der Längsachse der Spindelwelle betrachtet, angeordnet und dreiphasig ausgeführt (wodurch eine vorteilhafte Integration in den Antriebsmotor ermöglicht ist).In this case, the active device for influencing spindle oscillations and deflections according to the embodiment according to 2 turn (electric) magnets 26 , which on the housing 21 the spindle device 2 are arranged. About these (electric) magnets 26 a variable magnetic field is superimposed on the magnetic field of the electric motor. The device for influencing spindle oscillations and deflections 26 is between the front bearing 23 and the rear bearing 24 , viewed along the longitudinal axis of the spindle shaft, arranged and carried out three-phase (whereby an advantageous integration in the drive motor is made possible).

Zudem ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 das hintere Spindellager 24 passiv gedämpft, beispielsweise über die vorstehend beschriebene hydraulische Dämpfungsbüchse 25, welche benachbart zum hinteren Lager angeordnet ist.In addition, according to the embodiment according to 2 the rear spindle bearing 24 passive attenuated, for example via the hydraulic damping bushing described above 25 , which is arranged adjacent to the rear bearing.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einer Spindeleinrichtung nach 1 und 2 können die Lager jeweils als einzelne Lager oder als zusammengehörige Lagergruppen ausgebildet sein.In the embodiments of a spindle device described above 1 and 2 The bearings may each be designed as individual bearings or as associated storage groups.

Aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen ergibt sich eine Spindeleinrichtung mit einer magnetischen Einrichtung, mit der unter Benutzung von zumindest einem magnetischen Feld Spindelschwingungen dämpfbar sind (Ausführungsbeispiel nach 1) bzw. mit der die Entstehung der Schwingung durch magnetisch gezielte Beeinflussung der Spindelwelleneigenschaften verhindert wird (Ausführungsbeispiel nach 2). Die Spindeleinrichtung ist insbesondere bei Werkzeugmaschinen verwendbar.From the above embodiments results in a spindle device with a magnetic device, with the use of at least one magnetic field spindle vibrations can be damped (embodiment according to 1 ) or with the formation of the vibration is prevented by magnetically controlled influencing the spindle shaft characteristics (embodiment according to 2 ). The spindle device can be used in particular in machine tools.

Die vorliegende Spindeleinrichtung ist über Wälzlager (oder hydrostatische bzw. hydrodynamische Lager) im Gehäuse gelagert, wodurch gute statische Lagereigenschaften erreicht werden. Zudem ist eine auf magnetischen Kräften beruhende Einrichtung vorgesehen, um die gewünschten dynamischen Lagereigenschaften der Spindelwelle zu erreichen.The this spindle device is via roller bearings (or hydrostatic or hydrodynamic bearing) stored in the housing, creating good static storage properties can be achieved. In addition, one is on magnetic forces based device provided to the desired dynamic storage properties to reach the spindle shaft.

Die magnetische Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen kann zudem über variierbare Steifigkeitseigenschaften verfügen, wodurch auch separate mechanische oder hydraulische passive Dämpfungsvorrichtung (Dämpfungsbuchsen) eingesetzt werden können.The magnetic device for influencing spindle vibrations can also have variable Have stiffness properties, whereby also separate mechanical or hydraulic passive damping device (Damping bushings) can be used.

Anders als bei bekannten Magnetlagern besitzt diese magnetische Einrichtung nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 nur untergeordnete Stützfunktionen, bzw. nach dem Ausführungsbeispiel der 2 stufenlos variierbare Stützfunktionen bis hin zu negativen Steifigkeitswerten. Die Bedeutung der magnetischen Einrichtung liegt demgegenüber in der Erzeugung von (magnetischen) Kräften, die Schwingungen der Spindelwelle dämpfen bzw. durch Veränderungen der dynamischen Spindeleigenschaften deren Entstehung verhindern. Letzteres ist insbesondere dann ermöglicht, wenn die magnetische Einrichtung nach 2 in Kombination mit einem zusätzlichen Dämpfer negative Steifigkeit aufweist.Unlike known magnetic bearings has this magnetic device according to the embodiment according to 1 only subordinate support functions, or according to the embodiment of 2 infinitely variable support functions up to negative stiffness values. The importance of the magnetic device is in contrast to the generation of (magnetic) forces that damp vibrations of the spindle shaft or prevent their formation by changes in the dynamic spindle properties. The latter is particularly possible when the magnetic device after 2 in combination with an additional damper has negative rigidity.

Die magnetische Einrichtung kann vorzugsweise mehrere am Umfang der Spindelwelle angeordnete Elektromagnete aufweisen. Diese Elektromagnete sind vorteilhafterweise entlang einer Umfangslinie der Spindelwelle gleichmäßig verteilt. Analog dazu kann die magnetische Einrichtung dreiphasig ausgeführt werden, wodurch eine Integration im elektrischen Antriebsmotor auf einfache Weise ermöglicht ist.The magnetic device may preferably be more on the circumference of the spindle shaft ordered to have electromagnets. These electromagnets are advantageously evenly distributed along a circumferential line of the spindle shaft. Similarly, the magnetic device can be made three-phase, whereby an integration in the electric drive motor is made possible in a simple manner.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist eine Regelung der Größe und Richtung der durch die magnetische Einrichtung aufgebrachten magnetischen Kräfte auf. Eine solche Regelung weist vorliegend auch Meßeinrichtungen zur Detektion von Größe und Ortslage der Amplituden der Schwingungen auf. Ferner umfaßt eine solche Regelung die Aufbringung von an die Messungen adaptierten Kompensationskräfte, mit denen eine Verringerung der Auslenkung der Spindelwelle erzielt werden kann. Schließlich kann auch in Art einer Endlosschleife jeweils solange das Ergebnis der Kompensation gemessen und darauf basierend können entsprechend abgestimmte Kompensationskräfte zur Dämpfung aufgebracht werden, bis eine maximale Amplitude der Schwingung einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet (bzw. nicht mehr überschreitet).One particularly preferred embodiment indicates a regulation of the size and direction of magnetic forces applied by the magnetic means. In the present case, such a control also has measuring devices for detection of size and location the amplitudes of the vibrations. Furthermore, such a regulation includes the Application of compensation forces adapted to the measurements, with which achieves a reduction of the deflection of the spindle shaft can be. After all can also be in the nature of an infinite loop as long as the result the compensation measured and based on appropriately matched compensation forces applied for damping until a maximum amplitude of the oscillation reaches a predefinable limit falls below (or does not exceed).

Die vorliegende Erfindung eröffnet zudem die Möglichkeit einer Prozessüberwachung, ohne daß für die Beschaffung von Informationen über den Prozeß weitere gegenständliche Einrichtungen erforderlich wären. Grund hierfür ist, daß auf Basis der gemessenen Schwingungen Rückschlüsse auf den Prozeß gezogen werden können, beispielsweise auf den Verschleißzustand des Werkzeuges.The present invention opens also the possibility a process monitoring, without that for the procurement of information about the process more representational Facilities would be required. reason for this is that on Based on the measured vibrations conclusions drawn on the process can be for example, on the state of wear of the tool.

Eine besonders gute Dämpfung von auftretenden Auslenkungen der Spindelwelle läßt sich durch eine Anordnung erzielen, bei der die magnetische Dämpfereinrichtung zwischen zwei Radialwälzlagern angeordnet ist (1).A particularly good damping of occurring deflections of the spindle shaft can be achieved by an arrangement in which the magnetic damper device is arranged between two radial roller bearings ( 1 ).

Bei Kombination einer überlagerten Steifigkeitsregelung (2) und einer weiteren passiven Dämpfungsvorrichtung 25 lassen sich für einen großen Drehzahlbereich optimal angepasste Spindeleigenschaften für unterschiedliche technologische Anforderungen erzeugen.When combining a superimposed stiffness control ( 2 ) and another passive damping device 25 For a wide speed range, optimally adapted spindle characteristics can be produced for different technological requirements.

Es hat sich gezeigt, daß mit der vorliegenden Ausgestaltung einer Spindeleinrchtung im Vergleich zu herkömmlichen Spindeleinrichtungn über große Drehzahlbereiche, insbesondere größere Schnitttiefen mit ratterfreiem Fräserlauf erzielt werden können. Dies trifft sowohl für geringe als auch für hohe Drehzahlen zu. Die vorliegende Spindeleinrichtung ist dementsprechend sowohl bei HSC- als auch bei Standardbearbeitungsverfahren, insbesondere Fräsverfahren, einsetzbar und weist markante Produktivitätssteigerungen auf.It has shown that with the present embodiment of a Spindeleinrchtung compared to usual Spindeleinrichtungn about large speed ranges, especially larger cutting depths with rattle-free cutter barrel can be achieved. This meets for both low as well for high speeds too. The present spindle device is accordingly in both HSC and standard machining processes, in particular milling, can be used and shows significant productivity gains.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich insbesondere auch eine Spindeleinrichtung mit einer Spindelwelle zur Übertragung einer rotativen Antriebsbewegung eines koaxial zur Spindelwelle angeordneten Antriebsmotors, bei dem die Spindelwelle zumindest mit einem Spindellager (vorteilhafterweise Radialwälzlager oder hydrostatisches Lager) versehen ist, und eine Einrichtung zur Reduzierung von Spindelschwingungen mit Auslenkungen der Spindelwelle senkrecht zur Spindelachse vorgesehen ist, wobei eine Dämpfereinrichtung vorgesehen ist, mit der unter Benutzung von zumindest einem magnetischen Feld Spindelschwingungen dämpfbar sind.Out The above description also gives a particular Spindle device with a spindle shaft for transmitting a rotary drive movement a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor, at the spindle shaft at least with a spindle bearing (advantageously radial bearings or hydrostatic bearing), and a device for Reduction of spindle vibrations with deflections of the spindle shaft is provided perpendicular to the spindle axis, wherein a damper device is provided with the use of at least one magnetic Field spindle vibrations dampened are.

Dabei kann eine variable magnetische Kräfte erzeugende Einrichtung zur Schwingungsdämpfung vorgesehen sein. Die Dämpfung dieser Einrichtung kann geregelt sein. Die vorliegende magnetische Einrichtung zur Reduzierung von Spindelschwingungen kann zudem vorteilhafterweise durch Erzeugung magnetischer Kräfte Lagereigenschaften mit variierbarer Steifigkeit realisieren. Vorteilhafterweise wird dabei die magnetische Einrichtung im Antriebsmotor integriert.there may be a variable magnetic force generating device intended for vibration damping be. The damping This facility can be regulated. The present magnetic device to reduce spindle oscillations can also advantageously by generating magnetic forces Realize bearing properties with variable rigidity. advantageously, In this case, the magnetic device is integrated in the drive motor.

Weiterhin kann eine Steifigkeitsregelung der magnetischen Einrichtung vorgesehen sein, die im Bereich von Rückkopplung bis Mitkopplung arbeiten kann, womit auch die Erzeugung negativer Lagersteifigkeit ermöglicht ist.Farther For example, a stiffness control of the magnetic device may be provided be in the range of feedback until co-coupling can work, whereby the generation of negative Bearing stiffness allows is.

Weiterhin kann die Möglichkeit einer Nullpunktsverschiebung der Lagerkennlinie (Offset) vorgesehen sein, womit die magnetische Einrichtung zusätzliche Radialkräfte auf die Spindelwelle aufbringen kann. Dabei kann die magnetische Einrichtung die Spindelwelle radial umgeben.Farther may the opportunity a zero offset of the bearing characteristic (offset) provided be, whereby the magnetic device on additional radial forces can apply the spindle shaft. In this case, the magnetic device the Spindle shaft radially surrounded.

Insbesondere kann die magnetische Einrichtung die Spindelwelle mit Abstand und berührungslos zur Spindelwelle angeordnet sein.Especially For example, the magnetic device can move the spindle shaft with distance and contactless to Spindle shaft be arranged.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Spindeleinrichtung eine steifigkeitsgeregelte magnetische Einrichtung auf, wobei an mindestens einem Spindellager außerhalb der magnetischen Einrichtung ein passives Dämpferelement angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird eine hydraulische Dämpferbüchse am hinteren Spindellager angebracht.According to one preferred embodiment the spindle device has a stiffness-controlled magnetic Set up on at least one spindle bearing outside the magnetic device is arranged a passive damper element. Advantageously, a hydraulic damper bushing on the rear spindle bearing appropriate.

Die vorliegende Spindeleinrichtung kann zudem eine Regelung aufweisen, mit der radiale Spindelauslenkungen oder Schwingungsamplituden reduziert werden, wobei die magnetische Einrichtung dabei vorteilhafterweise zwischen zwei Spindellagern angeordnet ist.The this spindle device can also have a control, reduced with the radial spindle deflections or vibration amplitudes be, with the magnetic device thereby advantageously is arranged between two spindle bearings.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich zudem ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Reduzierung von Schwingungsamplituden einer Spindelwelle einer Spindeleinrichtung, bei dem die mit Wälzlagern gelagerte Spindelwelle von einer Motoreinrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt wird, die Schwingungen der Spindelwelle zur Folge hat, wobei mit der magnetischen Einrichtung auf magnetische Felder zurückgehende Kräfte erzeugt werden, mit denen die Größe der Schwingungsamplituden der Spindelwelle reduzierbar sind.From the above description Moreover, an exemplary embodiment of a method for reducing vibration amplitudes of a spindle shaft of a spindle device, in which the spindle shaft mounted with roller bearings is set by a motor device in a rotational movement, the vibrations of the spindle shaft has the consequence, with the magnetic device to magnetic fields resulting forces are with which the size of the vibration amplitudes of the spindle shaft can be reduced.

Zudem ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Regelung der Lagersteifigkeit der Spindeleinrichtung, wobei die Systemsteifigkeit der Spindeleinrichtung an der Werkzeugaufnahme der Spindelwelle variiert werden kann. Außerdem ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung ein Verfahren zur Überwachung eines Bearbeitungsprozesses einer Werkzeugmaschine, wobei auftretende Schwingungen über die Einrichtung zur Beeinflussung der Spindelschwingungen gemessen und einer Auswertung zur Ermittlung von zumindest einem Prozessparameter zugeführt werden.moreover From the above description results an embodiment a method for controlling the bearing rigidity of the spindle device, wherein the system stiffness of the spindle device on the tool holder the spindle shaft can be varied. It also follows from the above description a method for monitoring a machining process a machine tool, wherein vibrations occurring over the Device for influencing the spindle vibrations measured and an evaluation for determining at least one process parameter supplied become.

Claims

Spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft ( 12 . 22 ), a spindle bearing device ( 13 . 14 . 15 . 23 . 24 ), a drive device for the spindle shaft ( 12 . 22 ), one of the spindle bearing device ( 13 . 14 . 15 . 23 . 24 ) independent, active facility ( 26 ) for avoiding or reducing spindle oscillations and deflections, characterized in that the active device ( 26 ) in the drive device ( 27 . 28 ) is integrated.

Spindle device according to claim 1, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) has at least one measuring unit for the determination of vibration frequencies and / or vibration amplitudes and / or spatial positions of the vibrations.

Spindle device according to claim 1 or 2, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) has a unit for generating a magnetic field adjustable in size and direction, wherein the magnetic field passes through the spindle shaft.

Spindle device according to claim 3, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) has a control unit for controlling the magnetic field.

Spindle device according to claim 3 or 4, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) at least one electromagnet, in particular a plurality on the circumference of the spindle shaft ( 12 . 22 ) arranged electromagnets, wherein the electromagnets are independently controllable.

Spindle device according to claim 5, characterized characterized in that the at least one electromagnet variable in size and direction magnetic forces can be generated.

Spindle device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) the spindle shaft ( 12 . 22 ) radially surrounds.

Spindle device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the active device ( 16 . 26 ) with distance and non-contact to the spindle shaft ( 12 . 22 ) is arranged.

Spindle device according to one of the claims 1 to 8, characterized in that the spindle shaft ( 12 . 22 ) is provided for transmitting a rotary drive movement of the coaxial with the spindle shaft arranged drive means.

Spindle device according to one of the claims 1 to 9, characterized in that the spindle bearing device ( 13 . 14 . 15 . 23 . 24 . 25 ) Radial rolling bearing and / or hydrostatic bearing has.

Spindle device according to one of the claims 1 to 10, characterized in that the spindle shaft ( 12 ) at one end, in particular at the tool or workpiece end, via at least two spindle bearings ( 13 . 14 ), in particular radial rolling bearings, wherein the active device ( 16 ) along a longitudinal axis (A) of the spindle shaft ( 12 ) between these spindle bearings ( 13 . 14 ) is arranged.

Spindle device according to one of the claims 1 to 11, characterized in that the active device ( 26 ) has a stiffness control superimposed on the damping control, with which bearing properties with variable rigidity can be generated.

Spindle device according to claim 12, characterized characterized in that Stiffness control for feedback control is provided to positive feedback, in particular negative bearing stiffnesses can be generated.

Spindle device according to at least one of the claims 1 to 13, characterized by at least one of the active device ( 26 ) independent, mechanical or hydraulic, passive damper element ( 25 ), which in particular at the spindle storage ( 24 ) is arranged.

Spindle device according to claim 14, characterized by at least one hydraulic damping bushing ( 25 ), which is arranged on a rear spindle bearing.

Spindle device according to one of the claims 1 to 15, characterized by a zero offset of the bearing characteristic, bringing the active device extra radial forces can apply to the spindle shaft.

Method for influencing spindle oscillations and deflections of a spindle device for machine tools, motors or the like, having a spindle shaft ( 12 . 22 ) and a spindle bearing device ( 13 . 14 . 15 . 23 . 24 ), whereby occurring oscillations and deflections are measured and with a magnetic device ( 16 . 26 ) forces originating from magnetic fields are generated with which a magnitude of the oscillation amplitudes of the spindle shaft ( 12 . 22 ) and / or dynamic properties of the spindle shaft ( 12 . 22 ), characterized in that a system rigidity of the spindle device is controlled at the tool holder by means of a controllable bearing stiffness.