DE102015100371A1

DE102015100371A1 - Anpassungsmechanismus für Rundlauf und dynamisches Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs

Info

Publication number: DE102015100371A1
Application number: DE102015100371.6A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC Corporation Ebihara Kenzo
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: JP2015137875A; US9511464B2; JP5800924B2; CN104786093A; CN104786093B; US20150202728A1; DE102015100371B4

Abstract

Ein Werkzeughalter, der ein drehendes Werkzeug hält, kann unter Verwendung eines Futters in einer Richtung einer Drehachse einer Spindel und in einer Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Drehachse verläuft, angesaugt werden. An einer äußeren Umfangsfläche des Werkzeughalters ist ein Vorsprung bereitgestellt, und dieser wird zum Zusammenstoß mit einem anderen Vorsprung gebracht, während die Spindel in Drehung behalten wird, um den Werkzeughalter zu verschieben. Dadurch werden der Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Eine Spindel umfasst eine Spindelwelle, woran ein drehendes Werkzeug angebracht wird. Bei einer Werkzeugmaschine wird das drehende Werkzeug im Allgemeinen unter Verwendung eines Spannfutters oder eines Schrumpffutters an der Spindelwelle angebracht. Diese Futteraufbauten sind nur einer geringen Positionsverschiebung ausgesetzt, und die Futter weisen eine ausreichende Stärke auf.
Im Besonderen verwenden Spindeln, die für eine Ultrapräzisionsbearbeitung verwendet werden, ein Luftlager, um die Wärme von und Schwingungen in dem Lager der Spindelwelle zu verringern. Das Luftlager bietet einer schweren Last nur einen geringen Widerstand, weshalb das Lager beschädigt werden kann, wenn die Spindelwelle mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, während ein bedeutendes Ungleichgewicht vorhanden ist. Daher muss jedes Mal, wenn das Gleichgewicht korrigiert wird, die Umdrehungsgeschwindigkeit der Spindelwelle erhöht werden. Die Einstellung muss wiederholt werden, bis die Korrektur des dynamischen Gleichgewichts letztendlich bei der maximalen Betriebsumdrehungsgeschwindigkeit abgeschlossen ist. Dies ist eine zeitaufwändige Tätigkeit.
Unter Bezugnahme auf 16A und 16B wird ein herkömmliches Verfahren zum Einstellen des dynamischen Gleichgewichts beschrieben werden.
Eine in 16A dargestellte Spindel 5 umfasst ein Spannfutter (einen Werkzeughalter 3 für das Spannfutter), das direkt an einer Spindelwelle 4 angebracht ist.
Daher umfasst die Spindel 5 keinen Mechanismus zur Anpassung des Rundlaufs des Werkzeugs. Wie in 16A dargestellt werden bei der Anpassung des dynamischen Gleichgewichts ein Schwingungssensor 63 und ein Umdrehungssensor 65 an der Spindel 5 angebracht. Dann wird die Spindelwelle 4 der Spindel 5 gedreht und eine Vorrichtung 61 zur Messung des dynamischen Gleichgewichts verwendet, um eine Messung durchzuführen.
Die Vorrichtung 61 zur Messung des dynamischen Gleichgewichts gibt an, welcher Umdrehungsphase wie viel Gewicht hinzugefügt werden sollte. Wie durch den Pfeil 67 dargestellt weist das Spannfutter (der Werkzeughalter für das Spannfutter) 16 Gewindebohrungen 35 auf, die in Abständen von 22,5° in einer Endfläche des Spannfutters gebildet sind, und in die Ausgleichsschrauben (in den Zeichnungen nicht dargestellt) schraubend eingesetzt werden, wie in 16B dargestellt ist. Eine Ausgleichsschraube (Stellschraube) mit einem bestimmten Gewicht wird in eine Gewindeöffnung, die einer Phase, welche durch die Vorrichtung 61 zur Messung des dynamischen Gleichgewichts angegeben wurde, am nächsten liegt, eingesetzt, um das Gleichgewicht zu korrigieren. Daher muss die Drehung der Spindel während der Korrektur zwangsläufig angehalten werden.
Bei drehenden Werkzeugen, die für eine Ultrapräzisionsmaschine verwendet werden, ist erwünscht, dass die Positionsverschiebung in einer Richtung, die zu der Drehachse orthogonal verläuft, auf 1 μm oder weniger beschränkt ist und eine Abweichung des dynamischen Gleichgewichts während der Drehung auf 10 mg oder weniger beschränkt ist. Das Spannfutter und das Schrumpffutter weisen Aufbauten auf, bei denen eine Verschiebung zur Zeit der Anbringung unwahrscheinlich ist, sind aber nicht so gestaltet, dass sie zur Korrektur einer Verschiebung fähig sind. Darüber hinaus ist es bei den Aufbauten dieser Futter schwierig, die Positionsverschiebung in der Richtung, die zu der Drehachse orthogonal verläuft, auf 1 μm oder weniger zu beschränken, und die Abweichung des dynamischen Gleichgewichts während der Drehung auf 10 mg oder weniger zu beschränken. Die Anbringung eines Gewichts zum Ausgleich gestattet, dass das dynamische Gleichgewicht von Hand angepasst wird, führt aber zu der Notwendigkeit, dass die Drehung der Spindelwelle jedes Mal, wenn das Gewicht angebracht wird, angehalten wird. Das Automatisieren der Anbringung und Abnahme des Gewichts ist ebenfalls schwierig.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der oben beschriebenen Probleme der herkömmlichen Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs bereitzustellen, welcher Mechanismus ermöglicht, dass die Positionen eines drehenden Werkzeugs und eines Werkzeughalters verschoben werden, während die Drehung einer Spindel beibehalten wird, um zu gestatten, dass der Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeug an einem zweckbestimmten Werkzeughalter angebracht, der dann unter Verwendung eines Vakuumfutters oder eines Magnetfutters an einer Spindel angebracht wird. Der Werkzeughalter umfasst mehrere Vorsprünge, die entlang eines Außenumfangs des Werkzeughalters bereitgestellt sind und in einer Drehrichtung unterschiedliche Phasen und in der Richtung einer Drehachse unterschiedliche Positionen aufweisen. Wenn die Spindel gedreht wird, werden die Vorsprünge in einen anliegenden Kontakt mit einem stationären Abschnitt gebracht, um die Anbringung des Werkzeughalters in jeder beliebigen Richtung zu verschieben. Die Verschiebung des Werkzeughalters kann erleichtert werden, indem nur während der Anpassung der Vakuumgrad verringert wird oder die Kraft des Magnetfutters unter Verwendung eines Luftdrucks verringert wird. Diesbezüglich bedeutet das Drehen der Spindel das Drehen der Spindelwelle der Spindel.
Der Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Spindel, woran das drehende Werkzeug angebracht ist, einen Werkzeughalter, der das drehende Werkzeug hält, ein Futter, das den Werkzeughalter in einer Richtung einer Drehachse der Spindel ansaugt und den Werkzeughalter in einer Richtung, die senkrecht zu der Drehachse der Spindel verläuft, ansaugt, einen ersten Vorsprung, der an einer äußeren Umfangsfläche des Werkzeughalters bereitgestellt ist, einen zweiten Vorsprung, der in einer Ebene bereitgestellt ist, die durch eine Bahn des ersten Vorsprungs gebildet wird, wenn die Spindel gedreht wird, und ein Abstandsveränderungsmittel, das jede beliebige Veränderung eines Abstands von der Drehachse der Spindel zu dem zweiten Vorsprung ermöglicht, bis der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung aneinander stoßen.
Bei dem Anpassungsmechanismus nach der vorliegenden Erfindung befestigt ein Vakuumfutter oder ein Magnetfutter den Werkzeughalter einfach durch eine Saugkraft an der Spindel. Daher ermöglicht die Anwendung einer externen Kraft, dass eine Position in Bezug auf die Drehachse verschoben wird, was ermöglicht, dass eine Dezentrierung des Werkzeugs oder eine Abweichung des dynamischen Gleichgewichts korrigiert wird. Das Verwenden eines Dauermagnets verhindert selbst bei Auftreten eines Stromausfalls, dass das Werkzeug abfällt. Da sich der zweite Vorsprung in der gleichen Drehebene wie jener befindet, in der sich der erste Vorsprung befindet, stoßen der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung aneinander, wenn der relative Abstand zwischen der Drehachse der Spindel und dem zweiten Vorsprung verringert wird. Ein Zusammenstoß während der Drehung verursacht, dass der erste Vorsprung so geschoben wird, dass er eine externe Kraft auf den Werkzeughalter, dessen Position verschoben ist, ausübt. Im Allgemeinen kann ein Objekt leichter über eine sehr kurze Entfernung bewegt werden, wenn auf das Objekt geschlagen wird (wenn mit Unterbrechungen Stöße auf das Objekt ausgeübt werden), als wenn eine statische Kraft auf das Objekt ausgeübt wird. Der Vorsprung an dem sich drehenden Abschnitt verursacht intermittierende Schübe, die mit der Drehung synchron sind, was zu einer automatischen raschen Schlagtätigkeit führt.
An der äußeren Umfangsfläche des Werkzeughalters können mehrere erste Vorsprünge so angeordnet sein, dass sie unterschiedliche Phasen in der Drehrichtung aufweisen. Mehrere Drehebenen, die durch die Bahnen der ersten Vorsprünge gebildet werden, sind so angeordnet, dass sie einander nicht überlappen, während die Spindel in Drehung behalten wird. Das Verändern einer relativen Position zwischen der Spindel und dem zweiten Vorsprung ermöglicht, dass eine Position festgelegt wird, wo ein beliebiger der ersten Vorsprünge und der zweite Vorsprung aneinander stoßen.
Bei der Ausführungsform unterscheiden sich die ersten Vorsprünge in der Richtung der Drehachse in der Position. Dadurch kann während der Drehung der Spindel ein Vorsprung exklusiv synchron mit der Drehung geschoben werden, (um mit dem zweiten Vorsprung zusammenzustoßen). Da sich die ersten Vorsprünge in der Drehrichtung in der Phase unterscheiden, wird der Werkzeughalter darüber hinaus nur in jene Richtung verschoben, in die der erste Vorsprung geschoben wird. Dadurch kann die Richtung, in die der sich drehende Werkzeughalter verschoben wird, abhängig davon, welcher der ersten Vorsprünge geschoben wird, gewählt werden.
Eine Anzahl der ersten Vorsprünge kann vier betragen, und die ersten Vorsprünge können Phasen aufweisen, die sich voneinander in der Drehrichtung um 90° unterscheiden.
Bei der Ausführungsform kann bei Bereitstellung von vier ersten Vorsprüngen, die um 90° verschobene Phasen aufweisen, dann, wenn ein beliebiger der ersten Vorsprünge geschoben und übermäßig verschoben wird, dieser erste Vorsprung durch Schieben eines Vorsprungs mit einer Phase, die sich von der Phase des ersten Vorsprungs um 180° unterscheidet, in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden. Alternativ kann ein anderer Vorsprung geschoben werden, um den ersten Vorsprung in eine orthogonale Richtung zu schieben. Dadurch kann der Werkzeughalter in jede beliebige Richtung verschoben werden. Die Anzahl der zweiten Vorsprünge muss nicht notwendigerweise die gleiche wie die Anzahl der ersten Vorsprünge sein, sondern kann eins betragen.
Die Spindel und der Anpassungsmechanismus für das dynamische Gleichgewicht können so in einer Werkzeugmaschine angebracht sein, dass unter Verwendung einer Translationsachse oder einer Drehachse der Werkzeugmaschine jede beliebige Veränderung eines relativen Abstands zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung ermöglicht wird.
Die Ausführungsform benutzt die Welle der Werkzeugmaschine, um die Notwenigkeit eines gesonderten Aufbaus (der zum Beispiel den zweiten Vorsprung unter Verwendung eines Luftzylinders antreibt, um den zweiten Vorsprung zum Zusammenstoß mit dem ersten Vorsprung zu bringen) zu beseitigen, und ermöglicht, dass jeder beliebige erste Vorsprung mit dem zweiten Vorsprung zusammenstößt.
Die Werkzeugmaschine kann durch eine numerische Steuerung gesteuert werden, und die numerische Steuerung kann einen Anpassungsabschnitt aufweisen, der aus einer Größe der Positionsabweichung der Translationsachse oder der Drehachse eine Größe des dynamischen Gleichgewichts des drehenden Werkzeugs berechnet, aus dem Drehwinkel der Spindel und einem Phasenunterschied bei der Positionsabweichung eine Richtung berechnet, in die das dynamische Gleichgewicht abweicht, und die jeweiligen Achsen automatisch steuert, um eine Position des Werkzeughalters so anzupassen, dass die Größe des dynamischen Gleichgewichts auf ein Mindestmaß verringert wird.
Bei der Ausführungsform überwacht die numerische Steuerung, die in der Werkzeugmaschine angebracht ist, ständig die Positionsabweichung, um die Positionen der jeweiligen Achsen zu steuern, und verfügt sie intern über einen Parameter für die Positionsabweichung. Wenn der Werkzeughalter mit dem Werkzeug ein unpassendes dynamisches Gleichgewicht aufweist, werden Schwingungen zu der Werkzeugmaschine übertragen, wodurch die Positionsabweichung vergrößert wird. Ein Vergleich zwischen der Phase der Positionsabweichung und dem Drehwinkel der Spindel ermöglicht eine Berechnung des Ausmaßes und der Richtung der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts. Das dynamische Gleichgewicht kann durch Vornehmen eines wiederholten Versuchs, den zweiten Vorsprung mit einem ersten Vorsprung mit einer Phase, die beruhend auf den Ergebnissen der Berechnung der Richtung der Abweichung am nächsten liegt, in einen Kontakt zu bringen, auf ein Mindestmaß verringert werden.
Die Werkzeugmaschine kann durch die numerische Steuerung gesteuert werden und umfasst einen Sensor, der ein Ausmaß und eine Phase einer Laufabweichung des drehenden Werkzeugs misst. Die numerische Steuerung kann einen Anpassungsabschnitt umfassen, der aus dem Drehwinkel der Spindel und der Phase der Laufabweichung eine Richtung berechnet, in die das dynamische Gleichgewicht abweicht, und die jeweiligen Achsen automatisch so steuert, dass ein Ausmaß der Laufabweichung auf ein Mindestmaß verringert wird.
Die Ausführungsform benötigt einen Sensor, da die Laufabweichung des Werkzeugs unbekannt ist, sofern nicht das Werkzeug selbst gemessen wird. Ein Vergleich zwischen dem Ausmaß der Laufabweichung des Werkzeugs und dem Drehwinkel der Spindel ermöglicht eine Berechnung des Ausmaßes und der Richtung der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts. Die Laufabweichung des Werkzeugs kann durch Vornehmen eines wiederholten Versuchs, den zweiten Vorsprung mit einem ersten Vorsprung mit einer Phase, die beruhend auf den Ergebnissen der Berechnung der Richtung der Abweichung am nächsten liegt, in einen Kontakt zu bringen, auf ein Mindestmaß verringert werden. Die Position des Werkzeughalters, in der die Laufabweichung des Werkzeugs auf ein Mindestmaß verringert wird, stimmt nicht notwendigerweise mit der Position des Werkzeughalters, an der das dynamische Gleichgewicht auf ein Mindestmaß verringert wird, überein.
Das Futter kann ein Vakuumfutter sein. Der Anpassungsmechanismus kann ferner eine Vorrichtung zur Veränderung des Vakuumgrads aufweisen, die ermöglicht, dass ein Grad des Vakuums des Vakuumfutters optional verändert wird, und den Grad des Vakuums verringert, wenn der Rundlauf oder das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst wird. Dadurch wird die Verschiebung der Position des Werkzeughalters erleichtert, indem der Grad des Vakuums während der Anpassung verringert wird.
Das Futter kann ein Magnetfutter sein, das unter Verwendung eines Dauermagnets ein Magnetfeld erzeugt. Der Anpassungsmechanismus kann ferner einen Mechanismus, der einen Luftdruck zu einer Anbringungsfläche des Werkzeughalters führt, und einen Mechanismus, der ermöglicht, dass der Luftdruck optional verändert wird, und den Luftdruck erhöht, wenn der Rundlauf oder das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst wird, umfassen.
Bei der Ausführungsform kann das Magnetfutter vom elektromagnetischen Typ sein, doch ist es vorzugsweise ein Dauermagnet, was die Notwendigkeit einer Stromversorgung beseitigt und selbst im Fall eines Stromausfalls eine Anziehung ermöglicht. Doch der Dauermagnet ermöglicht nicht, dass die Anziehungskraft reguliert wird. Eine Verschiebung der Position des Werkzeughalters wird erleichtert, indem unter Verwendung eines Luftdrucks eine Kraft ausgeübt wird, die gegen die Anziehungskraft des Dauermagnets wirkt. Darüber hinaus wird beim Austausch des Werkzeughalters das Abnehmen des Werkzeughalters durch Verwenden des Luftdrucks erleichtert.
Die numerische Steuerung kann an eine Zusammenstoßfeststelleinheit angeschlossen sein, die auf Basis der Positionsabweichung einen Zusammenstoß zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung feststellt.
Die vorliegende Erfindung kann einen Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs bereitstellen, der die Positionen des drehenden Werkzeugs und des Werkzeughalters verschiebt, während die Spindelwelle in Drehung behalten wird, um eine Anpassung des Rundlaufs und des dynamischen Gleichgewichts des drehenden Werkzeugs zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, wobei
1A ein Diagramm ist, das ein drehendes Werkzeug, einen Werkzeughalter, eine Spindel, und eine Welle darstellt;
1B ein Diagramm ist, das veranschaulicht, dass das in 1A dargestellte Futter unter Verwendung eines Futterabschnitts des Futters geschoben werden kann und die Anbringungsposition des Werkzeughalters dadurch in zwei Richtungen, die zu der Drehachse der Spindelwelle orthogonal verlaufen, verschoben werden kann;
2A ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Vakuumfutters ist;
2B ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Magnetfutters ist;
3 ein Diagramm ist, das eine erste Ausführungsform eines Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4A ein Diagramm ist, das bestimmte Formen eines ersten Vorsprungs und eines zweiten Vorsprungs, die in 3 dargestellt sind, zeigt;
4B ein in der Richtung des Pfeils 23 gesehenes Diagramm ist, das 4A entspricht;
5 ein Diagramm ist, das eine Abwandlung der ersten Ausführungsform veranschaulicht, wobei ein zweiter Vorsprung, der in 4A und 4B dargestellt ist, so gestaltet ist, dass er sich drehen kann;
6A ein Diagramm ist, das eine zweite Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6B ein in der Richtung des Pfeils 29 gesehenes Diagramm ist, das 6A entspricht;
7 ein Diagramm ist, das eine dritte Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8 ein Diagramm ist, das eine vierte Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 ein Diagramm ist, das sich aus dem gleichzeitigen Plotten einer Positionsabweichung einer Y-Achse und des Drehwinkels der Spindelwelle ergibt, die erhalten werden, wenn die Spindel in einem in 8 dargestellten Dezentrierungszustand mit 6.000 U/min gedreht wird;
10 ein Diagramm ist, das eine fünfte Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
11 ein Diagramm ist, das sich aus dem gleichzeitigen Plotten eines Ausgangs (Werkzeuglaufabweichungsausmaß) von einem Nichtkontakt-Verschiebungsmesser und des Drehwinkels der Spindel (des Drehwinkels der Spindelwelle) in 10 ergibt;
12 ein Diagramm ist, das eine sechste Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
13 ein Diagramm ist, das eine siebente Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
14 ein Diagramm ist, das eine achte Ausführungsform des Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
15 ein Ablaufdiagramm ist, das einen Vorgang für einen Prozess der Anpassung des dynamischen Gleichgewichts eines Werkzeugs unter Verwendung des Anpassungsmechanismus nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16A ein Diagramm ist, das die Anpassung des Rundlaufs und des dynamischen Gleichgewichts eines drehenden Werkzeugs nach einer herkömmlichen Technik veranschaulicht; und
16B ein Diagramm ist, das veranschaulicht, dass 16 Gewindelöcher, in die Ausgleichsschrauben schraubend eingesetzt werden, in einer Endfläche eines Werkzeughalters eines Spannfutters in 16A gebildet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusammen mit den Zeichnungen beschrieben werden. Bestandteile der Ausführungsformen, die mit entsprechenden Bestandteilen der oben beschriebenen herkömmlichen Technik identisch sind oder diesen ähnlich sind, werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1A zeigt ein drehendes Werkzeug 2, einen Werkzeughalter 3, eine Spindelwelle 4, und eine Spindel 5. Der Werkzeughalter 3 wird unter Verwendung eines Vakuumfutters (2A) oder eines Magnetfutters (2B) angesaugt und an der Spindelwelle 4 fixiert.
Wie in 1B dargestellt kann das Vakuumfutter (oder das Magnetfutter) unter Verwendung eines Futterabschnitts des Futters geschoben werden. Dadurch kann eine Anbringungsposition des Werkzeughalters 3 in zwei Richtungen 7 orthogonal zu der Drehachse 6 der Spindelwelle 4 verschoben werden.
Bei der einzelnen Spindel 5 kann das Einspannen des Werkzeughalters 3 selbst dann eine Abweichung des dynamischen Gleichgewichts verursachen, wenn die Spindelwelle 4 über ein passendes dynamisches Gleichgewicht verfügt. Die Abweichung des dynamischen Gleichgewichts kann durch Anpassen der Position des Werkzeughalters 3 in Bezug auf die Drehachse 6 der Spindelwelle 4 in den beiden Richtungen 7 orthogonal zu der Drehachse korrigiert werden. Darüber hinaus kann abhängig von der Art der Bearbeitung eine mit der Drehachse 6 konzentrische Anbringung des drehenden Werkzeugs 2 als wichtiger als das dynamische Gleichgewicht angesehen werden. Auch in diesem Fall kann eine Verschiebung der Spindelwelle 4 von dem Drehzentrum durch Vornehmen einer Anpassung in den beiden Richtungen 7 orthogonal zu der Drehachse ausgeglichen werden.
2A ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des Vakuumfutters.
Der Werkzeughalter 3 umfasst einen Werkzeughalterhauptkörper 8 und einen konischen Flansch 11. Der Werkzeughalterhauptkörper 8 ist an der Außenseite wie eine Pyramide geformt und umfasst eine Klemmhülse 9, die mit dem Werkzeughalterhauptkörper 8 vereinigt ist, um das drehende Werkzeug 2 zu fassen. Der konische Flansch 11 wird unter Verwendung von Schrauben (nicht in den Zeichnungen dargestellt) oder dergleichen in einer Richtung der Drehachse 6 in die Klemmhülse 9 des Werkzeughalterhauptkörpers 8 geschoben, um die Klemmhülse 9 in einer radialen Richtung einwärts zu verformen, wodurch das drehende Werkzeug 2 an dem Werkzeughalterhauptabschnitt fixiert wird.
Ein als der Werkzeughalter 3 gestaltetes Spannfutter ist ein Aufbau, der eine Fixierung des drehenden Werkzeugs 2 ermöglicht und keine Funktion zur Vornahme einer Anpassung für die Verschiebung des drehenden Werkzeugs 2 in der Richtung, die senkrecht zu der Drehachse 6 verläuft, aufweist. Daher umfasst die vorliegende Erfindung ferner das Vakuumfutter, um zu ermöglichen, dass die Verschiebung des drehenden Werkzeugs 2 ausgeglichen wird.
Die Spindelwelle 4 verfügt in einer oberen Fläche der Spindelwelle 4 über einen Aussparungsraum 12 und in einem Mittelabschnitt der Spindelwelle 4 über eine Vakuumleitung 13, die in dem Aussparungsraum 12 eine Öffnung aufweist und sich in der Richtung einer Mittelachse erstreckt. Ein Ende der Vakuumleitung 13, das zu der Öffnung entgegengesetzt ist, ist an eine Vakuumpumpe (in den Zeichnungen nicht dargestellt) angeschlossen.
Wenn der Aussparungsraum 12, der in der oberen Fläche der Spindelwelle 4 gebildet ist, in einen Vakuumzustand gebracht wird, wird eine Saugkraft auf eine Vakuumfutterfläche 10 an der Seite eines Werkzeughalters 3 ausgeübt, um den Werkzeughalter 3 an der Spindelwelle 4 zu fixieren. Um ein Vakuumleck zu verhindern, muss die Vakuumfutterfläche 10 eine Flachheit und eine Oberflächenrauheit aufweisen, die bis zu einem gewissen Grad genau sind. Die Aussparung in der Vakuumfutterfläche 10 kann auf Seiten des Vakuumhalters 3 gebildet sein.
2B ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des Magnetfutters.
Der Werkzeughalter 3 umfasst den Werkzeughalterhauptkörper 8 und den konischen Flansch 11. Der Werkzeughalterhauptkörper 8 ist an der Außenseite wie eine Pyramide geformt und umfasst die Klemmhülse 9, die mit dem Werkzeughalterhauptkörper 8 vereinigt ist, um das drehende Werkzeug 2 zu fassen. Der konische Flansch 11 wird unter Verwendung von Schrauben (nicht in den Zeichnungen dargestellt) oder dergleichen in einer Richtung der Drehachse 6 in die Klemmhülse 9 des Werkzeughalterhauptkörpers 8 geschoben, um die Klemmhülse 9 in einer radialen Richtung einwärts zu verformen, wodurch das drehende Werkzeug 2 an dem Werkzeughalterhauptabschnitt fixiert wird.
Ein als der Werkzeughalter 3 gestaltetes Spannfutter ist ein Aufbau, der eine Fixierung des drehenden Werkzeugs 2 ermöglicht und keine Funktion zur Vornahme einer Anpassung für die Verschiebung des drehenden Werkzeugs 2 in der Richtung, die senkrecht zu der Drehachse 6 verläuft, aufweist. Daher umfasst die vorliegende Erfindung ferner das Magnetfutter, um zu ermöglichen, dass die Verschiebung des drehenden Werkzeugs 2 ausgeglichen wird.
Ein Ringmagnet 15 ist in einem oberen Abschnitt der Spindelwelle 4 angeordnet, um zu gestatten, dass eine magnetische Anziehungskraft auf eine Magnetfutterfläche 14 auf Seiten des Werkzeughalters 3 ausgeübt wird, um den Werkzeughalter 3, der ein magnetisches Material (zum Beispiel magnetischer Edelstahl) ist, an der Spindelwelle 4 zu fixieren.
Eine Anpassung der Größe einer Magnetkraft ist unmöglich, wodurch verhindert wird, dass der Werkzeughalter 3 leicht abgenommen werden kann. Daher ist eine Luftleitung 16, die in der Spindelwelle 4 gebildet ist, an eine Druckquelle (nicht in den Zeichnungen dargestellt) angeschlossen, um über die Luftleitung 16 einen Luftdruck auf die Magnetfutterfläche 14 auszuüben, um die Anziehungskraft der Magnetkraft zu versetzen, wodurch die Abnahme des Werkzeughalters 3 erleichtert wird. Bei gleicher Flächenabmessung kann die Anziehungskraft einer Magnetkraft im Allgemeinen stärker als die Saugkraft eines Vakuums gestaltet werden, wodurch selbst bei Auftreten eines Stromausfalls verhindert wird, dass die Anziehungskraft verloren geht. Daher ist das Magnetfutter sicher. Der Ringmagnet 15, der das Magnetfutter bereitstellt, kann auf Seiten des Werkzeughalters 3 angebracht sein.
Zuerst wird unter Verwendung von 3 eine erste Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Der Werkzeughalter 3 umfasst einen ersten Vorsprung 19 an einer bestimmten Position an seiner äußeren Umfangsfläche. Ein Fixierelement 20 umfasst einen zweiten Vorsprung 21. Der zweite Vorsprung 21 ist in einer Ebene angeordnet, die durch die Bahn des ersten Vorsprungs 19 gebildet wird, wenn die Spindelwelle 4 gedreht wird. Die Spindel 5 ist an einem Gleitelement 17 angebracht, das sich auf und ab bewegt, um eine Änderung eines relativen Abstands La zwischen dem ersten Vorsprung 19 und dem zweiten Vorsprung 21 zu ermöglichen. Das Bewegen des Gleitelements 17 in eine in 3 dargestellte Gleitbewegungsrichtung ermöglicht, dass der erste Vorsprung 19 mit dem zweiten Vorsprung 21 zusammenstößt. Die Höhe, um die der erste Vorsprung 19 von einer Umfangsfläche des Werkzeughalters 3 vorspringt, ist größer als das Ausmaß der Dezentrierung des Werkzeughalters 3 von der Drehachse 6 (der normalerweise mögliche Höchstwert des Ausmaßes der Dezentrierung) festgelegt.
Wenn der erste Vorsprung 19 und der zweite Vorsprung 21 aneinander stoßen, während die Spindelwelle 4 der Spindel in Drehung behalten wird, wird eine externe Kraft auf den ersten Vorsprung 19 ausgeübt, wodurch ermöglicht wird, dass die Position des Werkzeughalters 3 verschoben wird. Wenn wie in 3 dargestellt eine Zusammenstoßrichtung mit einer Schwerkraftrichtung 22 übereinstimmt, wirkt auch das Gewicht des Werkzeughalters 3 so, dass eine Verschiebung der Position des Werkzeughalters 3 durch eine schwächere Kraft ermöglicht wird. Darüber hinaus verursacht die Drehung des ersten Vorsprungs 19 intermittierende Zusammenstöße, die mit der Drehung synchron sind. Zum Beispiel kommt es bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 6.000 U/min zu 100 Zusammenstößen pro Sekunde. Im Allgemeinen kann ein Objekt leichter über eine sehr kurze Entfernung bewegt werden, wenn auf das Objekt geschlagen wird, als wenn eine statische Kraft auf das Objekt ausgeübt wird. Daher ist das Verfahren, die Spindelwelle 4 zu einem Zusammenstoß zu bringen, während die Spindelwelle 4 gedreht wird, geeignet, um das Objekt über eine sehr kurze Entfernung zu bewegen.
Die Ausübung einer starken Kraft bewegt den Werkzeughalter 3 grob, wodurch eine bedeutende Abweichung des dynamischen Gleichgewichts verursacht wird, die zu einer gefährlichen Arbeitsweise führt. Im Fall der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ermöglicht, dass die Schlagtätigkeit unter Verwendung einer schwachen Kraft für eine große Anzahl von Malen innerhalb einer kurzen Zeit durchgeführt wird. Dies verhindert eine bedeutende Abweichung des dynamischen Gleichgewichts und ist sicher. Darüber hinaus befinden sich der erste Vorsprung 19 und der zweite Vorsprung 21 zum Beispiel dann, wenn der erste Vorsprung 19 oder der zweite Vorsprung 21 an der Position, an der der erste Vorsprung 19 und der zweite Vorsprung 19 miteinander in Kontakt gelangen, in Bezug auf den relativen Abstand La um 1 μm näher zu dem zweiten Vorsprung 21 oder dem ersten Vorsprung 19 bewegt wird, nicht in einem Kontakt miteinander, wenn es zu einer Verschiebung von gleich oder mehr als 1 μm kommt. Daher kann das Ausmaß der Verschiebung auf Basis der Bewegung des Gleitelements 17 angepasst werden.
4A und 4B sind Diagramme, die die bestimmten Formen des ersten Vorsprungs 19 und des zweiten Vorsprungs 21, die in 3 dargestellt sind, zeigen.
4B ist ein in der Richtung des Pfeils 23 gesehenes Diagramm, das 4A entspricht. Der erste Vorsprung 19 und der zweite Vorsprung 21 sind beide kreisbogenförmige dünne Platten. Der erste Vorsprung 19 stößt mit einem Scheitelabschnitt 24 des zweiten Vorsprungs 21 zusammen. Eine Kraft, die sich aus dem Zusammenstoß ergibt, bewegt den Werkzeughalter 3 erwünscht in eine Richtung 25 zu der Mitte der Drehung. Doch da sich der erste Vorsprung 19 in Drehung befindet, tritt in dem Werkzeughalter 3 nicht notwendigerweise eine Kraft auf, die zu der Mitte der Drehung wirkt. Wenn es nicht zum Auftreten einer solchen Kraft in dem Werkzeughalter 3 kommt, kann die Position des Zusammenstoßes von dem Scheitelabschnitt 24 des zweiten Vorsprungs 21 verschoben werden, um die Richtung der Kraft, die sich aus dem Zusammenstoß ergibt, fein einzustellen. Es ist erwünscht, dass der zweite Vorsprung 21 aus einem Material wie etwa Hartmetall, dessen Abnutzung unwahrscheinlich ist, gebildet ist.
5 ist ein Diagramm, das eine Abänderung der ersten Ausführungsform zeigt, wobei der zweite Vorsprung 21, der in 4A und 4B dargestellt ist, fähig ist, sich zu drehen.
Der zweite Vorsprung 21 ist mit einer Drehvorrichtung (in den Zeichnungen nicht dargestellt) verbunden, um sich in eine Richtung (die Drehrichtung 27 des zweiten Vorsprungs) zu drehen, die zu der Drehrichtung 26 (der Drehrichtung der Spindel 5) des ersten Vorsprungs 19 entgegengesetzt ist. Die Umfangsgeschwindigkeit des Außenumfangs des zweiten Vorsprungs 21 ist so festgelegt, dass sie der Umfangsgeschwindigkeit des ersten Vorsprungs 19 gleich ist. In diesem Zustand bringt ein Zusammenstoß zwischen dem ersten Vorsprung 19 und dem zweiten Vorsprung 21 die relative Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen den Vorsprüngen 19 und 21 auf null. Dies ermöglicht im Prinzip, dass die Richtung, in der die Zusammenstoßkraft auf den ersten Vorsprung 19 ausgeübt wird, mit der Richtung 25 zu dem Drehzentrum ausgerichtet wird.
Nun wird unter Verwendung von 6A und 6B eine zweite Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Wie in 6A dargestellt sind vier erste Vorsprünge (19a, 19b, 19c und 19d) so an der äußeren Umfangsfläche des Werkzeughalters 3 angeordnet, dass sie Phasen aufweisen, welche sich in Bezug auf das Drehzentrum 28 voneinander um 90° unterscheiden. Die vier ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d sind wie in 6B, die in der Richtung des Pfeils 29 gesehen 6A entspricht, dargestellt an unterschiedlichen Positionen in der Richtung 30 der Drehachse angeordnet. Daher wird vermieden, dass Ebenen, die während der Drehung durch die Bahn des ersten Vorsprungs 19a, 19b, 19c und 19d gebildet werden, einander überlappen. Wenn die Spindel 5 in eine in 6B dargestellte ”Annäherungsrichtung” bewegt wird, während die Spindelwelle 4 der Spindel 4 in Drehung behalten wird, stößt nur einer der ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d, das heißt, der Vorsprung 19a, mit dem zweiten Vorsprung 21 zusammen, während die restlichen Vorsprünge 19b, 19c und 19d von einem Zusammenstoß mit dem zweiten Vorsprung 21 ausgeschlossen werden, da die Vorsprünge 19b, 19c und 19d an den Positionen angeordnet sind, die nicht mit dem zweiten Vorsprung 21 übereinstimmen.
Wenn die Position der Spindel 5 in der Richtung 30 der Drehachse verschoben wird, stößt einer der ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d mit dem zweiten Vorsprung 21 zusammen. Da die ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d Phasen aufweisen, die sich wie oben beschrieben voneinander um 90° unterscheiden, kann die Position des Werkzeughalters 3 abhängig davon, welcher der ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d zum Zusammenstoß mit dem zweiten Vorsprung 21 gebracht wird, in eine von vier Richtungen senkrecht zu der Drehachse 6 bewegt werden. Dies ermöglicht eine optionale Korrektur der Position des Werkzeughalters 3 in einer Richtung senkrecht zu der Drehachse 6.
Nun wird unter Verwendung von 7 eine dritte Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Eine Werkzeugmaschine M als Ganzes wird durch eine numerische Steuerung 40 gesteuert. Die Werkzeugmaschine M umfasst auf einer Maschinenbasis 41 eine X-Achsen-Basis 42, die ein X-Achsen-Gleitelement 43 so trägt, dass das X-Achsen-Gleitelement 43 beweglich ist, und eine Y-Achsen-Basis 44, die ein Y-Achsen-Gleitelement 45 so trägt, dass das Y-Achsen-Gleitelement 45 beweglich ist. Ein Werkstück 33 wird auf dem X-Achsen-Gleitelement 43 angeordnet. Eine Z-Achsen-Basis 46 ist an dem Y-Achsen-Gleitelement 45 fixiert; die Z-Achsen-Basis 46 trägt ein Z-Achsen-Gleitelement 47 so, dass das Z-Achsen-Gleitelement 47 beweglich ist. Die Spindel 5, die den Werkzeughalter 3 festspannt, ist an dem Z-Achsen-Gleitelement 47 angebracht. Der zweite Vorsprung 21 ist an einem Fixierelement 20 (siehe 6A), das an der Maschinenbasis 41 angebracht ist, bereitgestellt. Das Bezugszeichen 50 bezeichnet eine Strom- und Signalleitung.
Die Anordnungen des ersten Vorsprungs 19 und des zweiten Vorsprungs 21 sind den in 6A und 6B dargestellten Anordnungen ähnlich. Die numerische Steuerung 40 steuert die Tätigkeiten des auf der X-Achse beruhenden Anpassens der Position, an der der erste Vorsprung 19 mit dem zweiten Vorsprung 21 in Kontakt gelangt, des auf der Z-Achse beruhenden derartigen Einstellens des ersten Vorsprungs 19, dass dieser gegen die gleiche Höhe wie jene des zweiten Vorsprungs 21 stößt, und des auf der Y-Achse beruhenden Verringerns des Abstands zwischen dem ersten Vorsprung 19 und dem zweiten Vorsprung 21, um den ersten Vorsprung 19 und den zweiten Vorsprung 21 dazu zu bringen, gegeneinander zu stoßen. Wenn das dynamische Gleichgewicht abweicht, wenn sich die Spindelwelle 4 der Spindel 58 dreht, wird eine Schwingung 48 der Spindelwelle in einer Y-Achsen.-Richtung zu der Y-Achse (dem Y-Achsen-Gleitelement 45) übertragen. Die Schwingung 48 wird durch die numerische Steuerung 40 als Positionsabweichung der Y-Achse (der Unterschied zwischen einer bestimmten Position und einer tatsächlichen Position) festgestellt.
Nun wird unter Verwendung von 8 und 9 eine vierte Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
8 ist ein Diagramm des Werkzeughalters 3 von der Seite seiner Drehachse 6 her. Der Werkzeughalter 3 ist so festgespannt, dass er zu dem ersten Vorsprung 19 hin dezentriert ist, und so, dass der erste Vorsprung 19 in einer Y-Richtung 49 angeordnet ist, wenn die Spindelwelle 4 einen Drehwinkel von 0° aufweist. In diesem Fall bringt die Dezentrierung das dynamische Gleichgewicht zum Abweichen, weshalb die Drehung der Spindelwelle 4 eine Schwingung erzeugt.
9 ist ein Diagramm, das sich aus dem gleichzeitigen Plotten der Positionsabweichung der Y-Achse und des Drehwinkels der Spindelwelle ergibt, die durch die numerische Steuerung festgestellt werden, wenn die Spindel in dem in 8 dargestellten Dezentrierungszustand mit 6.000 U/min gedreht wird. Die Drehung der Spindel mit 6.000 U/min ist gleichbedeutend mit einer Drehung der Spindelwelle 4 mit 6.000 U/min. Die Spindelwelle 4 führt 100 Umdrehungen pro Sekunde durch und wiederholt daher Drehungen um 360° in Intervallen von 10 Millisekunden. Die durch die Dezentrierung verursachte Schwingung wird zu der Y-Achse übertragen und als Positionsabweichung festgestellt. Die Richtung der Dezentrierung verläuft wie in 8 dargestellt zu dem ersten Vorsprung 19b hin; und deshalb ist der erste Vorsprung 19b in der Y-Richtung positioniert, wenn der Drehwinkel 90° beträgt. Zu dieser Zeit weist die Positionsabweichung in dem Diagramm den positiven Höchstwert auf.
Solange die Phase (die Entsprechung zwischen den ersten Vorsprüngen 19a, 19b, 19c und 19d und dem Drehwinkel) des Werkzeughalters 3, der durch die Spindel 5 (die Spindelwelle 4) festgespannt wird, bekannt ist, ist es auf Basis des Diagramms in 9 möglich, einen Drehwinkel zu bestimmen, bei dem die Positionsabweichung der Y-Achse maximiert wird. Daher kann die numerische Steuerung 40 die Richtung der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts feststellen. Darüber hinaus ermöglicht eine Voruntersuchung der Beziehung zwischen dem Ausmaß der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts und der Positionsabweichung, dass das Ausmaß der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts auf Basis des Höchstwerts der Positionsabweichung berechnet wird. Da, um genau zu sein, in der numerischen Steuerung 40 eine bestimmte Zeit nötig ist, um Schwingungen der Spindel 5 festzustellen und Signale zu verarbeiten, können die Berechnungen unter Berücksichtigung dieser Zeitunterschiede ausgeführt werden.
Wie oben beschrieben ermöglicht die vierte Ausführungsform nur unter Verwendung der numerischen Steuerung 40 ohne Hinzufügen eines gesonderten Sensors, dass die Richtung und das Ausmaß der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts bestimmt werden, um eine Bestimmung zu gestatten, welcher der vier ersten Vorsprünge 19a, 19b, 19c und 19d zum Zusammenstoß mit dem zweiten Vorsprung 21 gebracht werden soll. Daher nimmt die numerische Steuerung 40 eine automatische Steuerung vor, um zu ermöglichen, dass die Achsen wie unter Bezugnahme auf 7 (dritte Ausführungsform) bewegt werden, wodurch das dynamische Gleichgewicht korrigiert wird.
Nun wird unter Verwendung von 10 und 11 eine fünfte Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die fünfte Ausführungsform weist im Grunde den gleichen Aufbau wie jenen der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform auf. Doch an dem Fixierelement 20 ist zudem ein Nichtkontakt-Verschiebungsmesser 51 angebracht. Um eine Feststellung des Ausmaßes der Laufabweichung des drehenden Werkzeugs 2 zu gestatten, werden die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse bewegt, um die äußere Umfangsfläche eines Werkzeugschafts (Werkzeughalters 3) zu einem Messbereich des Nichtkontakt-Verschiebungsmessers 51 zu bewegen. Ein Feststellsignal von dem Nichtkontakt-Verschiebungsmesser 51 wird in die numerische Steuerung 40 geladen.
Im Allgemeinen stört eine bedeutende Laufabweichung des drehenden Werkzeugs 2 das dynamische Gleichgewicht. Eine Abweichung des dynamischen Gleichgewichts entspricht einer Schwingung und wird daher unvermeidlich als die Positionsabweichung der Y-Achse festgestellt. Doch selbst bei einer Laufabweichung des drehenden Werkzeugs 2 wird die Laufabweichung nicht als Schwingung festgestellt, solange das richtige dynamische Gleichgewicht vorhanden ist. Daher wird die Laufabweichung des Werkzeugs auf Basis der Positionsabweichung nicht verlässlich festgestellt, und ist somit ein Verschiebungssensor erforderlich. Für einen Kontakt-Verschiebungssensor ist es schwierig, den Werkzeugschaft (den Werkzeughalter 3), der sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, zu messen.
Entsprechend ist die Verwendung des Nichtkontakt-Verschiebungssensors 51 erwünscht.
11 ist ein Diagramm, das sich aus dem gleichzeitigen Plotten eines Ausgangs (Werkzeuglaufabweichungsausmaß) von dem Nichtkontakt-Verschiebungsmesser 51 in 10 und des Drehwinkels der Spindel 5 (des Drehwinkels der Spindelwelle 4) in 10 ergibt, die erhalten werden, wenn das Werkzeug in einer Positionsbeziehung dezentriert ist, die der Positionsbeziehung in 8 ähnlich ist (das Ausmaß der Dezentrierung beträgt ungefähr 10 μm).
Das in 11 angegebene Werkzeuglaufabweichungsausmaß entspricht im Grunde einem Signal, das einem in dem Diagramm von 9 angegebenen Signal der Positionsabweichung ähnlich ist. Die Richtung und das Ausmaß der Dezentrierung des Werkzeugs können unter Verwendung eines Berechnungsverfahrens, das dem Berechnungsverfahren im Fall von 9 ähnlich ist, berechnet werden. Die numerische Steuerung 40 führt dann automatische Steuerungen durch, um zu ermöglichen, dass die Achsen wie unter Bezugnahme auf 7 bewegt werden, wodurch die Laufabweichung des Werkzeugs ausgeglichen wird. Auch in diesem Fall kann zwischen der Ausgabe von dem Verschiebungssensor und der Feststellung des Drehwinkels der Spindel ein Zeitunterschied vorhanden sein und daher während der Berechnung berücksichtigt werden.
Nun wird unter Verwendung von 12 eine sechste Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die Vakuumfutterfläche 10 ist mit der Vakuumleitung in dem Spindelschaft 4 verbunden, um an einem hinteren Ende 57 der Spindelwelle einen Vakuumdruck über einen Spalt 58 von einigen μm hinweg auf eine berührungslose Weise von einem Nichtkontakt-Anschlussstück 56 zu erhalten. Eine Vakuumquelle ist eine Vakuumpumpe 53, die durch einen Vakuumschlauch 55 über einen elektronischen Vakuumregler 54a, der unter Verwendung der numerischen Steuerung 40 optional den Vakuumgrad regulieren kann, mit dem Nichtkontakt-Anschlussstück verbunden ist. Befehle von der numerischen Steuerung 40 werden über eine Signalleitung 52 zu dem elektronischen Vakuumregler 54a übertragen.
Wenn das dynamische Gleichgewicht oder der Rundlauf des Werkzeugs angepasst wird, muss der Werkzeughalter nach dem wie oben beschriebenen Verfahren zur Anpassung über eine sehr kurze Entfernung bewegt werden. Ein hoher Vakuumgrad verursacht, dass das Vakuumfutter eine hohe Saugkraft ausübt, was eine leichte Bewegung des Werkzeughalters 3 über eine sehr kurze Entfernung behindert. Daher kann die Anpassung durch Verwenden des elektronischen Vakuumreglers 54a, um den Vakuumgrad nur während der Anpassung zu verringern, erleichtert werden.
Wenn der Werkzeughalter 3 angebracht oder abgenommen wird, kann die Anbringung oder Abnahme des Werkzeughalters 3 durch Verwenden des elektronischen Vakuumreglers 54a, um den Vakuumgrad zu verringern, erleichtert werden. Der Werkzeughalter als Ganzes kann durch Anbringen eines gesonderten Mechanismus für einen automatischen Werkzeugaustausch (nicht in den Zeichnungen dargestellt) in der wie in 7 oder 10 gezeigten Werkzeugmaschine gegen ein anderes Werkzeug ausgetauscht werden.
Nun wird unter Verwendung von 13 eine siebente Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Das Magnetfutter, das den Ringmagnet 15 (Dauermagnet) verwendet, ist mit der Luftleitung 16 in der Spindelwelle 4 verbunden, um an dem hinteren Ende 57 der Spindelwelle einen Luftdruck über einen Spalt von einigen um hinweg auf eine berührungslose Weise von dem Nichtkontakt-Anschlussstück 56 zu erhalten. Eine Luftquelle ist ein Kompressor 59, der durch einen Luftschlauch 60 über einen elektronischen Vakuumregler 54b, der unter Verwendung der numerischen Steuerung 40 optional den Luftdruck regulieren kann, mit dem Nichtkontakt-Anschlussstück 57 verbunden ist. Der Dauermagnet ist der Ringmagnet 15 mit einem Loch in der Mitte, um Luft hindurch zu führen. Wie im Fall des Vakuums von 12 muss der Werkzeughalter bei der Anpassung des dynamischen Gleichgewichts oder des Rundlaufs des Werkzeugs zur Anpassung über eine sehr kurze Entfernung bewegt werden. Der Dauermagnet übt eine sehr starke Anziehungskraft aus, was eine leichte Bewegung des Werkzeughalters 3 über eine sehr kurze Entfernung behindert. Daher kann die Anpassung durch Verwenden des elektronischen Reglers 54b, um zur Verringerung der Anziehungskraft einen Luftdruck auf die Magnetfutterfläche auszuüben, erleichtert werden.
Wie im Fall der in 12 dargestellten sechsten Ausführungsform (der Vakuumdruck wird durch den elektronischen Vakuumregler 54a verringert), kann bei der Anbringung oder Abnahme des Werkzeughalters die Anbringung oder Abnahme des Werkzeughalters 3 erleichtert werden, indem der elektronische Vakuumregler 54a verwendet wird, um einen Luftdruck auszuüben. Ebenso kann der Werkzeughalter als Ganzes durch Anbringen eines gesonderten Mechanismus für einen automatischen Werkzeugaustausch (nicht in den Zeichnungen dargestellt) in der wie in 7 oder 10 gezeigten Werkzeugmaschine gegen ein anderes Werkzeug ausgetauscht werden.
Nun wird unter Verwendung von 14 eine achte Ausführungsform für den Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die Gestaltungen eines Anpassungsmechanismus und einer Werkzeugmaschine, an der der Anpassungsmechanismus angebracht sind, sind die gleichen wie die in 7 (dritte Ausführungsform) gezeigten Gestaltungen. 14 zeigt die in Bezug auf die Zeit dargestellte Positionsabweichung der Y-Achse, die durch die numerische Steuerung festgestellt wird, wenn die Spindel in dem in 8 dargestellten Dezentrierungszustand gedreht wird.
Wenn der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung dazu gebracht werden, in der Y-Achsen-Richtung aneinander zu stoßen, tritt der sich ergebende Anprall als Positionsabweichung der Y-Achse auf. Daher ist vorab ein Schwellenwert (in 14 50 nm) festgelegt, um zu gestatten, dass ein Anprall festgestellt wird. Die Spindel wird mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht, die gleich oder geringer als ein Wert ist, der dem Schwellenwert entspricht. Die Y-Achse wird mit einer geringen Geschwindigkeit bewegt und dann angehalten, wenn die Positionsabweichung den Schwellenwert überschreitet, was bedeutet, dass es zu einem Zusammenstoß gekommen ist. Dies ermöglicht, dass ein Zusammenstoß unter Verwendung nur der Funktionen der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine festgestellt wird, ohne dass ein gesonderter Kontaktsensor oder dergleichen an dem zweiten Vorsprung angebracht werden muss. Darüber hinaus schwankt der Grad eines Zusammenstoßes mit der Geschwindigkeit, mit der die Y-Achse vorgeschoben wird. Dadurch ermöglicht eine einzige Feststellung eines Zusammenstoßes eine Anpassung des Ausmaßes, um das der Werkzeughalter verschoben wird.
Bei der Achsengestaltung der wie in 7 (dritte Ausführungsform) gezeigten Werkzeugmaschine ist zwischen der Spindel 5 und der Y-Achse die Z-Achse vorhanden, was eine direkte Feststellung der Positionsabweichung der Y-Achse verhindert. Doch der Aufbau der achten Ausführungsform ist erwünschter, da die Richtung der Spindel 5 und die Achsengestaltung so verändert sind, dass eine Feststellung der Positionsabweichung an der Achse, an der die Spindel 5 direkt angebracht ist, ermöglicht wird, was ermöglicht, dass das dynamische Gleichgewicht und ein Zusammenstoß genau festgestellt werden. Darüber hinaus kann durch Benutzen der Drehachse anstelle der Translationsachse eine ähnliche Feststellung erreicht werden.
Die Feststellung eines Zusammenstoßes unter Benutzung der Positionsabweichung ist aus der herkömmlichen Technik bekannt ( Japanische Patentschrift Nr. 4276252 ). Nach der vorliegenden Erfindung prallt der sich drehende erste Vorsprung auf und kommt es daher zu intermittierenden Zusammenstößen anstatt eines statischen Kontakts. Daher ergibt sich ein entsprechend starker Anprall, der leichter festgestellt wird.
Unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm in 15 wird eine Beschreibung gegeben werden, die einen Vorgang für einen Prozess zur Anpassung des dynamischen Gleichgewichts des Werkzeugs unter Verwendung des Anpassungsmechanismus nach der vorliegenden Erfindung betrifft. Der Prozess zur Anpassung des dynamischen Gleichgewichts kann ausgeführt werden, indem unter Verwendung einer Leiterfunktion und dergleichen der numerischen Steuerung eine Reihe von Tätigkeiten durchgeführt wird. Der Vorgang wird durch Schritte beschrieben werden.
Schritt SA01: Die Futtersaugkraft des Werkzeughalters wird abgeschwächt.
Schritt SA02: Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Spindel wird erhöht.
Schritt SA03: Es wird bestimmt, ob die Positionsabweichung der Y-Achse gleich oder geringer als 30% einer Zusammenstoßfeststellschwelle ist, oder nicht. Wenn die Positionsabweichung gleich oder geringer als 30% der Zusammenstoßfeststellschwelle ist (JA), geht der Prozess zu Schritt SA08 über. Wenn die Positionsabweichung nicht gleich oder geringer als 30% der Zusammenstoßfeststellschwelle ist (NEIN), geht der Prozess zu Schritt SA04 über.
Schritt SA04: Aus der Positionsabweichung der Y-Achse und der Drehgenauigkeit der Spindel werden die Richtung und das Ausmaß der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts berechnet.
Schritt SA05: Es wird ein erster Vorsprung, der zur Korrektur der Abweichung verwendet wird, gewählt, und der Werkzeughalter wird an eine Position unmittelbar vor der Position, an der der gewählte erste Vorsprung mit dem zweiten Vorsprung zusammenstößt, bewegt, indem entsprechende Achsen angetrieben werden.
Schritt SA06: Die Y-Achse wird so bewegt, dass der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung zum Zusammenstoß miteinander gebracht werden, und der Zusammenstoß wird festgestellt.
Schritt SA07: Es wird bestimmt, ob die Positionsabweichung abgenommen hat, oder nicht. Wenn die Positionsabweichung abgenommen hat (JA), kehrt der Prozess zu Schritt SA02 zurück. Wenn die Positionsabweichung nicht abgenommen hat (NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt S04 zurück.
Schritt SA08: Es wird bestimmt, ob das dynamische Gleichgewicht, das aus der Positionsabweichung berechnet wurde, gleich oder kleiner als 10 mg ist, und ob die f-Umdrehungsgeschwindigkeit gleich oder größer als eine Betriebsumdrehungsfrequenz ist. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit gleich oder größer als die Betriebsumdrehungsgeschwindigkeit ist (JA), geht der Prozess zu Schritt SA09 über. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit nicht gleich oder größer als die Betriebsumdrehungsgeschwindigkeit ist (NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt SA02 zurück.
Schritt SA09: Die Futtersaugkraft des Werkzeughalters wird maximiert und der Anpassungsprozess für das dynamische Gleichgewicht beendet.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung wird die Richtung der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts festgestellt. Anstelle der Richtung der Abweichung kann jedoch ausschließlich das Ausmaß der Abweichung des dynamischen Gleichgewichts festgestellt und angepasst werden. Dies beseitigt die Notwendigkeit, die in 8 (vierte Ausführungsform) dargestellte Beziehung zwischen dem ersten Vorsprung und dem Drehwinkel der Spindel vorzudefinieren. Dieses Verfahren ist in dem Fall, in dem der Werkzeughalter jedes Mal, wenn ein Zusammenstoß festgestellt wird, in der Drehrichtung verschoben wird, besonders wirksam, da verhindert wird, dass der Drehwinkel der Spindel und die Phase des ersten Vorsprungs beibehalten werden.
Wie oben beschrieben ist ein Hauptmerkmal der Anpassung des dynamischen Gleichgewichts nach der vorliegenden Erfindung, dass die Gleichgewichtsanpassung vorgenommen werden kann, während die Spindel in Drehung behalten wird. Die Korrektur kann bei allen beliebigen Umdrehungen, die von Niedergeschwindigkeitsumdrehungen bis zu Hochgeschwindigkeitsumdrehungen reichen, vorgenommen werden, ohne dass es nötig ist, die Drehung der Spindel anzuhalten. Dies ermöglicht, dass die Anpassungstätigkeit in einer kurzen Zeit ausgeführt wird. Darüber hinaus ist eine Automatisierung der Tätigkeit des Hinzufügens von Stellschrauben mit bestimmten Gewichten wie im Fall der herkömmlichen Technik schwierig. Doch die Verwendung des Anpassungsmechanismus nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine leichte Automatisierung der Anpassung des dynamischen Gleichgewichts. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft auf die Anpassung des Werkzeugrundlaufs angewendet werden. Der Anpassungsmechanismus der vorliegenden Erfindung ist auf dem Gebiet der Ultrapräzisionsbearbeitung, die eine präzise Anpassung des dynamischen Gleichgewichts oder des Werkzeugrundlaufs benötigt, besonders nützlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4276252 [0100]

Claims

Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs, wobei der Anpassungsmechanismus Folgendes umfasst: eine Spindel, woran das drehende Werkzeug angebracht ist; einen Werkzeughalter, der das drehende Werkzeug hält; ein Futter, das den Werkzeughalter in einer Richtung einer Drehachse der Spindel ansaugt und den Werkzeughalter in einer Richtung, die senkrecht zu der Drehachse der Spindel verläuft, ansaugt; einen ersten Vorsprung, der an einer äußeren Umfangsfläche des Werkzeughalters bereitgestellt ist; einen zweiten Vorsprung, der in einer Ebene bereitgestellt ist, die durch eine Bahn des ersten Vorsprungs gebildet wird, wenn die Spindel gedreht wird; und ein Abstandsveränderungsmittel, das jede beliebige Veränderung eines Abstands von der Drehachse der Spindel zu dem zweiten Vorsprung ermöglicht, bis der erste Vorsprung und der zweite Vorsprung aneinander stoßen.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 1, wobei mehrere erste Vorsprünge so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Phasen in der Drehrichtung aufweisen, mehrere Drehebenen, die durch die Bahnen der ersten Vorsprünge gebildet werden, so angeordnet sind, dass sie einander nicht überlappen, während die Spindel in Drehung behalten wird, und das Verändern einer relativen Position zwischen der Spindel und dem zweiten Vorsprung ermöglicht, dass eine Position festgelegt wird, wo ein beliebiger der ersten Vorsprünge und der zweite Vorsprung aneinander stoßen.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 2, wobei eine Anzahl der ersten Vorsprünge vier beträgt, und die ersten Vorsprünge Phasen aufweisen, die sich voneinander in der Drehrichtung um 90° unterscheiden.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Spindel und der Anpassungsmechanismus für das dynamische Gleichgewicht so in einer Werkzeugmaschine angebracht sind, dass unter Verwendung einer Translationsachse oder einer Drehachse der Werkzeugmaschine jede beliebige Veränderung eines relativen Abstands zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung ermöglicht wird.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 4, wobei die Werkzeugmaschine durch eine numerische Steuerung gesteuert wird, und die numerische Steuerung einen Anpassungsabschnitt aufweist, der aus einer Größe der Positionsabweichung der Translationsachse oder der Drehachse eine Größe des dynamischen Gleichgewichts des drehenden Werkzeugs berechnet, aus dem Drehwinkel der Spindel und einem Phasenunterschied bei der Positionsabweichung eine Richtung berechnet, in die das dynamische Gleichgewicht abweicht, und die jeweiligen Achsen automatisch steuert, um eine Position des Werkzeughalters so anzupassen, dass die Größe des dynamischen Gleichgewichts auf ein Mindestmaß verringert wird.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 4, wobei die Werkzeugmaschine durch eine numerische Steuerung gesteuert wird und einen Sensor umfasst, der ein Ausmaß und eine Phase einer Laufabweichung des drehenden Werkzeugs misst, und die numerische Steuerung einen Anpassungsabschnitt umfasst, der aus dem Drehwinkel der Spindel und der Phase der Laufabweichung eine Richtung berechnet, in die das dynamische Gleichgewicht abweicht, und die jeweiligen Achsen automatisch so steuert, dass ein Ausmaß der Laufabweichung auf ein Mindestmaß verringert wird.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs nach Anspruch 1, wobei das Futter ein Vakuumfutter ist, und der Anpassungsmechanismus ferner eine Vorrichtung zur Veränderung des Vakuumgrads umfasst, die ermöglicht, dass ein Grad des Vakuums des Vakuumfutters optional verändert wird, und den Grad des Vakuums verringert, wenn der Rundlauf oder das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst wird.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach Anspruch 1, wobei das Futter ein Magnetfutter ist, das unter Verwendung eines Dauermagnets ein Magnetfeld erzeugt, und der Anpassungsmechanismus ferner einen Mechanismus, der einen Luftdruck zu einer Anbringungsfläche des Werkzeughalters führt, und einen Mechanismus, der ermöglicht, dass der Luftdruck optional verändert wird, und den Luftdruck erhöht, wenn der Rundlauf oder das dynamische Gleichgewicht des drehenden Werkzeugs angepasst wird, umfasst.
Anpassungsmechanismus für den Rundlauf und das dynamische Gleichgewicht eines drehenden Werkzeugs nach Anspruch 5, wobei die numerische Steuerung an eine Zusammenstoßfeststelleinheit angeschlossen ist, die auf Basis der Positionsabweichung einen Zusammenstoß zwischen dem ersten Vorsprung und dem zweiten Vorsprung feststellt.