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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Arbeitsspindel in einer Bearbeitungsmaschine.
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Aufgabe der beispielsweise mit Kugel- oder Hybridlagern realisierten Lagerung einer Arbeitsspindel in einer Bearbeitungsmaschine ist es, der Arbeitsspindel die zum Betrieb erforderliche Drehbewegung zu ermöglichen und dabei ihre axiale Position zu fixieren. Verschmutzung, Verschleiß oder Kollisionen der Spindel mit Gegenständen im Bearbeitungsraum der Bearbeitungsmaschine beeinflussen die Qualität der Lager. Eine verminderte Lagerqualität macht sich im Betrieb durch Vibrationen der rotierenden Spindel bemerkbar, welche die Bearbeitungsqualität der Maschine beeinträchtigen. Für den Maschinenbetreiber ist es daher wünschenswert, durch eine laufende Überwachung der Lagerqualität den Zeitpunkt der Instandhaltung der Lagerung planbar zu bestimmen und darüber hinaus eine Information über die aktuelle Bearbeitungsqualität zu erhalten.
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Darüber hinaus bewirken hohe Drehzahlen auch bei qualitativ einwandfreien Lager eine Verschiebung der axialen Position der rotierenden Spindel gegenüber ihrer von der Maschinensteuerung errechneten Sollposition. Folglich ist ein optimales Bearbeitungsergebnis nicht mehr gewährleistet, wenn diese Verschiebung nicht erfasst und durch eine entsprechende Korrektur der Sollposition berücksichtigt wird.
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Weitere mögliche Ursachen für eine irreguläre Bewegung einer Arbeitsspindel im Betrieb welche die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt, sind eine Verformung der Arbeitsspindel, wie sie durch eine Kollision mit einem Werkstück bei einem fehlerhaften Bewegungsablauf verursacht werden kann, oder eine übermäßige Unwucht der Arbeitsspindel.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfach und kostengünstig realisierbare Vorrichtung zur Überwachung einer Arbeitsspindel in einer Bearbeitungsmaschine zu schaffen, welche eine frühzeitige Erkennung von sich anbahnenden Beeinträchtigungen der Bearbeitungsqualität ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht vor, an einem feststehenden Teil der Bearbeitungsmaschine ein Radarsystem anzuordnen, welches ein Radarsignal auf ein im Betrieb der Bearbeitungsmaschine rotierendes Teil der Arbeitsspindel einstrahlt und das von dort reflektierte Radarsignal empfängt. Der Abstand des rotierenden Teils von der Antenne des Radarsystems ist nach dem Radarprinzip messbar, wobei sich unerwünschte Bewegungen der Arbeitsspindel im reflektierten Signal niederschlagen und durch eine der Empfangseinheit des Radarsystems nachgeschaltete Signalverarbeitung detektierbar sind. So sorgen Vibrationen der Arbeitsspindel im Betrieb, wie sie beispielsweise durch eine verminderte Lagerqualität, eine Formabweichung der Arbeitsspindel oder eine übermäßige Unwucht der Arbeitsspindel verursacht werden, für eine Modulation des reflektierten Signals und können somit durch Demodulation und Analyse des demodulierten Signals erfasst werden.
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Außer Vibrationen ist anhand des demodulierten Reflexionssignals auch die Rotationsgeschwindigkeit der Spindel bestimmbar, da sie in die Frequenz dieses Signals eingeht. Als dritte interessierende Größe lässt sich aus dem Reflexionssignal auch eine mittlere Verschiebung der Arbeitsspindel gegenüber einer Referenzposition in axialer Richtung ermitteln, falls die als Reflektor fungierende Oberfläche senkrecht oder zumindest schräg zur Axialrichtung der Spindel liegt, so dass der von dem Radarsignal zurückgelegte Weg zumindest eine Komponente in Axialrichtung aufweist und sich seine Länge durch eine axiale Verschiebung der Spindel ändert. Die mittlere Verschiebung ist in diesem Fall durch eine normale Radar-Abstandsmessung bestimmbar, wobei eine eventuelle Modulation des Reflexionssignals durch Vibration der Spindel hier eine Störung darstellt, die durch geeignete Maßnahmen zu unterdrücken ist.
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Die Erfindung ermöglicht also die Erfassung verschiedener Betriebsparameter einer Arbeitsspindel mit einem Messsystem, in dem wesentliche Komponenten für die verschiedenen Messaufgaben gemeinsam genutzt werden. Um die verschiedenen interessierenden Parameter zu extrahieren, sind lediglich verschiedene Arten der Signalverarbeitung erforderlich. Die Erfindung benötigt keine elektronischen Schaltungskomponenten in der rotierenden Arbeitsspindel, wo zur Unterbringung solcher Komponenten kaum Platz zur Verfügung steht und die Zugangsmöglichkeiten stark eingeschränkt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Komponenten für Radarsysteme zur Abstandsmessung (24 GHz, 60–61 GHz, 76–77 GHz) aus dem Automobilbereich kostengünstig kommerziell verfügbar sind. Dies ermöglicht es, auf bewährte fertige Komponenten als Bausteine des Gesamtsystems zurückzugreifen, und verringert den Entwicklungsaufwand.
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Falls es aufgrund der räumlichen Gegebenheiten nicht möglich ist, ein Radarsystem an einem für die Messaufgabe hinreichend gut geeigneten Ort zu platzieren, kann dort auch durch Anbringung von Bohrungen ein als Hohlleiter fungierender Kanal geschaffen werden, durch den das Radarsignal an die Messstelle herangeführt werden kann. Zweckmäßig ist in diesem Fall eine zumindest teilweise Füllung des Kanals mit einem Dielektrikum, um eine Beeinträchtigung der Hohlleiterfunktion durch das Eindringen von Schmutz und Spänen zu verhindern.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
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1 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1,
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3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitung und
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4 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Arbeitsspindel 1, die Bestandteil einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine ist. Die Arbeitsspindel 1 umfasst eine Reihe von Komponenten, zu denen insbesondere ein Rotor 2 und eine im Inneren des Rotors 2 aufgenommene, hier nicht näher interessierende Spannvorrichtung 3 zum Spannen eines Werkzeugs 4 gehören. Die Arbeitsspindel 1 ist mittels zweier Kugellager 5, 6 in einem feststehenden Teil 7 einer Bearbeitungsmaschine, das nachfolgend als Stator 7 bezeichnet wird, drehbar gelagert. Am vorderen Ende des Stators 7 befindet sich ein Abschlussring 8, der mit einem Bestandteil der Arbeitsspindel 1, nämlich der fest mit dem Rotor 2 verbundenen Labyrinthdichtung 9 zusammenwirkt, um den Einbauraum der Kugellager 5, 6 gegenüber dem Bearbeitungsraum, in dem die Werkstückbearbeitung stattfindet, abzudichten und das Eindringen von Schmutz und Spänen in die Kugellager 5, 6 zu verhindern.
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An der Stirnseite des Abschlussrings 8 ist in dessen innerem Bereich, welcher von einem stirnseitigen Abschlussflansch 10 der Labyrinthdichtung 9 radial überdeckt wird, ein Radarsystem 11 eingebaut. Die genaue Lage dieses Radarsystems 11 zeigt die in 2 gezeigte Vergrößerung des von einem Kreis umrandeten und mit X gekennzeichneten Ausschnitts von 1. Wie daraus zu ersehen ist, trennt das Radarsystem 11 von der Labyrinthdichtung 9 ein erster Luftspalt 12 in radialer Richtung und ein zweiter Luftspalt 13 trennt es in axialer Richtung von dem Abschlussflansch 10.
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Das Radarsystem 11 enthält in bekannter Weise einen Sender und einen Empfänger sowie eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne 14. Letztere ist auf die rückwärtige Oberfläche 15 des Abschlussflansches 10 ausgerichtet, so dass das Sendesignal des Radarsystems 11 über den axialen Luftspalt 13 hinweg auf die rückwärtige Oberfläche 15 des Abschlussflansches 10 eingestrahlt und von dort zu der Antenne 14 zurück reflektiert wird. Es leuchtet ein, dass auf diese Weise mittels des Radarsystems 11 in üblicher Weise die Weite des Luftspalts 13 und damit die axiale Position der Labyrinthdichtung 9 und somit auch der gesamten Arbeitsspindel 1 relativ zu dem Abschlussring 8 und somit auch zu dem Stator 7 gemessen werden kann.
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Im Betrieb der Bearbeitungsmaschine, bei dem die Arbeitsspindel 1 gegenüber dem Stator 7 und dessen Abschlussring 8 mit hoher Drehzahl rotiert, kommt es zu einer axialen Verschiebung der Arbeitsspindel 1 gegenüber dem Stator 7, deren Ausmaß von der Drehzahl abhängt. Dieses Phänomen ist eine bekannte Eigenschaft der Lagerung schnelldrehender Arbeitsspindeln und tritt auch bei vollkommen intaktem Zustand der Kugellager 5, 6 und einwandfreiem Zustand der Arbeitsspindel 1 auf. Darüber hinaus kommt es auch zu einer Vibration der Arbeitsspindel 1, d. h. zu periodischen Variationen der Weite der radialen und axialen Luftspalte 12 und 13, deren Periodendauer von der Drehzahl und deren Amplitude vom Qualitätszustand der Kugellager 5, 6, sowie von einer Formabweichung oder Unwucht der Arbeitsspindel 1 abhängt. Diese Vibration bewirkt eine Modulation des reflektierten Radarsignals, wobei die Amplitude der Modulation von der Amplitude der mechanischen Schwingung und die Frequenz der Modulation von der Drehzahl abhängt.
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Das an der rückwärtigen Oberfläche 15 des Abschlussflansches 10 reflektierte Radarsignal enthält somit Informationen über drei verschiedene Parameter, deren Kenntnis die für den Betreiber der Bearbeitungsmaschine von Interesse ist. Um diese verschiedenen Informationen aus dem reflektierten Radarsignal zu extrahieren, ist der Empfangseinheit 16 des Radarsystems 11 eine Signalverarbeitungseinheit 17 mit verschiedenen Verarbeitungspfaden nachgeschaltet, wie 3 in Form eines Blockschaltbildes zeigt.
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In einem ersten Signalverarbeitungspfad wird in der Verarbeitungseinheit 18 in üblicher Weise die Weite des axialen Luftspaltes 13 bestimmt. Hierzu kann beispielsweise das Sendesignal des Radarsystems 11 frequenzmoduliert sein (FMCW-Radar). Dies ist eine Verwendung eines Kompaktradargerätes, wie sie beispielsweise aus dem Automobilbereich bekannt ist. Das Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 18 zeigt die Weite des axialen Luftspaltes 13 an und kann einer Regeleinheit der Bearbeitungsmaschine zugeführt werden, um dort zur Korrektur eines Vorgabewertes für die axiale Relativposition zwischen der Arbeitsspindel 1 und einem zu bearbeitenden Werkstück verwendet zu werden.
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In einem zweiten Signalverarbeitungspfad erfolgt zunächst in einer Verarbeitungseinheit 19 eine Demodulation des Empfangssignals, durch welche das zusätzliche Modulationssignal, welches dem Radarsignal durch eine mechanische Schwingung der Arbeitsspindel 1, d. h. durch eine periodische Bewegung der Reflexionsoberfläche 15 aufgeprägt wird, extrahiert wird. Der Frequenzbereich dieses Modulationssignals hängt von der Drehgeschwindigkeit der Arbeitsspindel 1 ab und ist daher bekannt. In zwei weiteren Verarbeitungseinheiten 20 und 21 werden die Amplitude bzw. das Frequenzspektrum des gewonnenen Modulationssignals bestimmt. Die Amplitude des Modulationssignals, die ein Maß für die Amplitude einer Schwingung der Arbeitsspindel 1 darstellt, kann in der Verarbeitungseinheit 20 auch bewertet und nach einer vorgegebenen Funktion in ein Maß für die Zustandsqualität der Arbeitsspindel 1 und deren Lagerung 5, 6 umgerechnet werden. Hierbei kann auch kann ein Vergleich mit einem Schwellwert vorgenommen und eine Überschreitung desselben angezeigt werden. In jedem Fall zeigt das Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 20 ein Maß für die Zustandsqualität, d. h. für die Abweichung vom Sollzustand an.
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Das Frequenzspektrum des Modulationssignals, welches in der weiteren Verarbeitungseinheit 21 ermittelt wird, beinhaltet die Information über die Drehzahl der Arbeitsspindel 1 in Form von Maxima bei einer Grundfrequenz und ggf. bei Vielfachen derselben. Die Drehzahl kann daher in der Verarbeitungseinheit 21 aus der festgestellten Grundfrequenz errechnet und als Ausgangssignal ausgegeben werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, ein Signal, welches die von der Verarbeitungseinheit 21 festgestellte Drehzahlinformation beinhaltet, auch der Verarbeitungseinheit 20 zuzuführen, um dort die Drehzahl in die Bewertung der Schwingungsamplitude einzubeziehen, indem Schwingungen bei der für die Werkstückbearbeitung vorgesehenen Drehzahl weitaus kritischer sind als Schwingungen in einem abseits davon liegenden Drehzahlbereich.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt 4. Sie unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen nur in der Anordnung des Radarsystems 11, welches hier nicht direkt gegenüber dem Abschlussflansch 10 der Labyrinthdichtung 9, sondern vom Außenumfang des Abschlussrings 8 her in diesen eingebaut ist. Um das Radarsignal zu der auch hier als Reflektor dienenden rückwärtigen Oberfläche 15 (2) des Abschlussflansches 10 der Labyrinthdichtung 9 zu führen, sind in dem Abschlussring 8 zwei zueinander senkrechte und einander treffende Bohrungen 22 und 23 angebracht, die zusammen einen durchgängigen Kanal 22, 23 bilden. Die erste Bohrung 22 führt radial nach innen, während die zweite Bohrung 23 axial nach vorne führt und gegenüber dem Abschlussflansch 10 an derjenigen Stelle aus dem Abschlussring 8 austritt, an welcher sich bei der ersten Ausführungsform nach 1 und 2 die Antenne 14 des Radarsystems 11 befindet.
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Die Antenne 14 des Radarsystems 11 ist bei der zweiten Ausführungsform auf die radiale Bohrung 22 in dem Abschlussring 8 ausgerichtet, um die Einstrahlung eines Radarsignals in die Bohrung 22 und den Empfang eines Radarsignals aus der Bohrung 22 zu ermöglichen. Die Bohrungen 22 und 23 fungieren für eine in sie eingestrahlte elektromagnetische Welle als Hohlleiter. Dies ist aus der Radartechnik hinreichend bekannt.
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Ein Hohlleiter ermöglicht die Führung einer elektromagnetischen Welle unter bestimmten geometrischen Randbedingungen. Eine einfache Bohrung innerhalb eines Metallkörpers wirkt dann als Hohlleiter, wenn die Wellenlänge der zu führenden elektromagnetischen Welle etwas kleiner als der zweifache Durchmesser der Bohrung ist. Exakt errechnet sich die Grenzwellenlänge λ
C eines runden Hohlleiters mit dem Durchmesser D zu λ
C = (π·D)/1,841. Befindet sich im Hohlleiter ein Dielektrikum mit der Permittivität ε
r, so erhöht sich die Grenzwellenlänge λ
C um den Faktor
. Folglich beträgt die Grenzfrequenz eines runden Hohlleiters mit einem Durchmesser von 5 mm mit Luft als Dielektrikum ca. 35,2 GHz und gefüllt mit einem Dielektrikum mit ε
R = 4 ca. 17,5 GHz. In einer Arbeitsspindel
1 lassen sich im Bereich des Abschlussrings
8 aufgrund der mechanischen Randbedingungen Bohrungen mit einem Durchmesser in der Größenordnung bis zu 5 mm realisieren. Daraus ergibt sich eine Hohlleiter-Grenzfrequenz in einem Bereich, der durch die als solche bekannte Technologie des Frequenzmodulierten Dauerstrichradars (FMCW-Radar) abgedeckt wird.
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Ein von dem Radarsystem 11 in die Bohrung 22 eingestrahltes Radarsignal breitet sich über die Bohrung 22 und die Bohrung 23 bis zu der rückwärtigen Oberfläche 15 des Abschlussflansches 10 aus, wobei es an dem Übergang von der Bohrung 22 zu der Bohrung 23 um 90° umgelenkt wird. Dabei führt der Kanal 22, 23 die sich in ihm ausbreitende elektromagnetische Welle im Sinne eines Hohlleiters. An der rückwärtigen Oberfläche des Abschlussflansches 15 wird das Radarsignal reflektiert und läuft in dem Kanal 22, 23 in entgegengesetzter Richtung bis zu dem Radarsystem 11 zurück, wo es empfangen und wie anhand der ersten Ausführungsform beschrieben verarbeitet wird.
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Falls der Kanal 22, 23 mit einem Dielektrikum gefüllt ist, ändert sich lediglich wie oben erwähnt die Grenzfrequenz, ab welcher der Kanal 22, 23 als Hohlleiter wirksam ist. Es ist äußerst zweckmäßig, den Kanal 22, 23 zumindest im Bereich der axialen Bohrung 23 mit einem Dielektrikum zu füllen, um ein Eindringen von Schmutz und Spänen, welches die Wellenausbreitung offensichtlich stören würde, zu verhindern. Zur Schaffung homogener Ausbreitungseigenschaften ist es jedoch bevorzugt, den gesamten Kanal 22, 23 mit einem Dielektrikum zu füllen. Geeignet ist hierfür beispielsweise eine Vergussmasse auf Polyurethanbasis.
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Aus der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für einen Fachmann verschiedene Möglichkeiten für Abwandlungen der Erfindung. So ist es nicht unbedingt nötig, das Radarsignal in axialer Richtung auf eine in einer radialen Ebene liegende Oberfläche eines Bestandteils der Arbeitsspindel 1 einzustrahlen, sondern die Einstrahlungsrichtung könnte auch schräg zur Längsachse der Arbeitsspindel 1 und senkrecht zu einer kegelmantelförmigen Oberfläche eines Bestandteils der Arbeitsspindel 1 verlaufen. In diesem Fall könnte die Axialkomponente einer Verschiebung der Arbeitsspindel 1 trigonometrisch aus einer gemessenen Distanzänderung errechnet werden.
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Falls nur die Vibration und nicht die axiale Position der Arbeitsspindel 1 überwacht werden soll, könnte auch radial auf eine zylindermantelförmige Oberfläche eines Bestandteils der Arbeitsspindel 1, beispielsweise auf eine äußere Umfangsfläche des Rotors 2, eingestrahlt werden, da eine durch verminderte Lagerqualität, Formabweichung oder Unwucht verursachte Schwingung der Arbeitsspindel 1 auch eine radiale Komponente hat. Bei einer Einbaulage des Radarsystems 11 entsprechend der zweiten Ausführungsform wäre in diesem Fall nur eine einzige durchgehende Bohrung in radialer Richtung nötig. Solche und vergleichbare Modifikationen der Erfindung sollen vom Schutz der Ansprüche umfasst sein.
