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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere ein Fräsbearbeitungszentrum, mit einer Spindelbaugruppe nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs und ein Verfahren zur Steuerung der Werkzeugmaschine mit einem Verfahren nach dem Oberbegriff des 11. Patentanspruchs.
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Die Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine weist bekannter Weise eine Spindellagerung auf, wobei die Arbeitsspindel an ihrem antriebsseitigen Ende über eine erste Lagerung und an ihrem werkzeugseitigen Ende über eine zweite Lagerung der Spindellagerung drehbar gelagert ist.
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Derzeitig besteht ein großes Problem bei derartigen rotierenden Achsen von Werkzeugmaschinen darin, dass durch die Temperaturbeanspruchung der Arbeitsspindeln und deren Lagerung eine Überbelastung des Systems auftreten kann, wodurch ein unerwünscht hoher Verschleiß zu verzeichnen ist oder es sogar zum Ausfall der Lagerung der Arbeitsspindel kommen kann.
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Bereits aus der Druckschrift
DD 70 474 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation der durch Wärmeeinfluss bedingten Lageabweichungen an Werkzeugmaschinen, insbesondere Koordinatenbohrmaschinen, durch elektrisch-mechanische Mittel, bekannt. Dabei werden proportional der relativen Wegänderung zwischen einem Maschinenkörper und einem Bezugspunkt Kontakte über eine Feineinstellung nachgefühlt werden, wobei von dieser Feineinstellung gleichzeitig eine Korrektureinrichtung angetrieben wird, die wahlweise einen Werkzeugträger, einen Werkstücktisch oder eine Nullmarke gegenüber einem feststehenden Maßstabe bzw. einen Maßstab gegenüber einer feststehenden Nullmarke um den zu kompensierenden Betrag verschiebt und außerdem durch die Kontakte eine Signaleinrichtung gesteuert wird, die den Zeitpunkt und die Richtung der eingeleiteten Kompensation anzeigt. Dazu ist zwischen zwei Bauteilen, einem Maschinenkörper und einem Gestell, ein Stab angeordnet, der mit seinem einen Ende fest mit dem Maschinenkörper verbunden und mit seinem freien Ende auf eine Hebel-Übersetzung drückt, die am Gestell befestigt ist, wobei das freie Ende der Hebelübersetzung Kontakte trägt, die zwischen den Kontakten einer Aufnahme an einer am Gestell befestigten Feinverstellung angeordnet sind, wobei entgegengesetzt zur Aufnahme an der Feinverstellung ein Getriebemotor und zwischen Feinverstellung und dem Getriebemotor eine elektrische Welle mit einer Korrektureinrichtung angeordnet ist. Die Größe des kompensierten Messwertes wird mittels einer Anzeige dargestellt.
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Aus
DE 101 23 717 A1 ist eine Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werkzeugs bekannt, wobei die Spindelwelle im Gehäuse der Motorspindel in einer Festlagerung und einer Loslagerung aufgenommen ist und wobei das aufgenommene Werkzeug das bearbeitete Werkstück bei angetriebener Spindelwelle an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert und die Werkzeugschnittstelle bei der Werkstückbehandlung eine Verlagerung in axialer Richtung der Spindelwelle erfährt, wobei ein Wegsensor an der Spindellagerung zur Ermittlung der axialen Verlagerung der Werkzeugschnittstelle vorgesehen ist.
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In der Druckschrift
DE 10 2008 051 878 A1 werden ein Verfahren sowie ein Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen vorgestellt. Dabei wird eine zur Erfassung der Verlagerung zu vermessende Hilfsmessstrecke mittels eines Hilfselements auf eine Hilfsmessstrecke verkürzt, wobei die Art der Fixierung des Hilfselements sowie das Material des Hilfselements derart gewählt werden, dass die Länge des Hilfselements durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird. Die Längenänderungen der Hilfsmessstrecke werden mittels eines Sensors erfasst. Dabei kann ein Messsystem vorgesehen werden, mit dem mehrere Messstrecken gleichzeitig oder nacheinander vermessen werden können, wobei die Messstrecken in unterschiedliche Raumrichtungen ausgerichtet sein können. Das Messsystem kann autark ausgebildet sein und an bestehenden Werkzeugmaschinen nachgerüstet werden.
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Mittels des Hilfselements wird eine z. B. thermisch bedingte Verlagerung der Endpunkte der Messstrecke relativ zueinander im Wesentlichen 1:1 auf die vorteilhafterweise deutlich kürzere Hilfsmessstrecke übertragen. Diese kürzere Hilfsmessstrecke erlaubt den Einsatz von entsprechend kurzreichweitigen Sensoren, die über die Länge der ursprünglichen Messstrecke nicht einsetzbar wären. Durch den kürzeren Messbereich kann zudem eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Das Hilfselement ist ein Stab oder Rohr aus einem Material mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten, z.B. ein Rohr aus Epoxidharz mit Kohlenstofffaserverstärkung.
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Mit den Lösungen nach dem Stand der Technik kommt es jedoch nachteiliger Weise durch die Erwärmung und Reibung bzw. die Antriebsleistung der zweiseitig gelagerten Achsen zu einer Veränderung der Vorspannung des Lagersystems. Dabei wird jedoch die Vorspannung des Lagers nicht erfasst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Änderung der Vorspannung der Spindellagerung zu erfassen und so einstellbar zu realisieren, dass sich die Vorspannung der Spindellagerung während eines Bearbeitungsvorganges in einem vorgegebenen Toleranzbereich befindet.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten und elften Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Werkzeugmaschine ist insbesondere in der Art eines Fräsbearbeitungszentrums ausgeführt und weist eine Spindelbaugruppe auf, wobei die Spindelbaugruppe eine in einem Stator mittels einer Spindellagerung drehbar gelagerte Arbeitsspindel aufweist, die um eine Längsachse drehbar ist und die an einem antriebsseitigen ersten Ende über eine erste Lagerung und an ihrem werkzeugseitigen zweiten Ende über eine zweite Lagerung der Spindellagerung drehbar in dem Stator gelagert ist, wobei die Spindellagerung in Richtung zur Längsachse mit einer axialen Vorspannung beaufschlagt ist, wobei erfindungsgemäß die axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmbar ist.
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In einigen Ausführungen der Werkzeugmaschine kann die Spindelbaugruppe entlang der Längsachse verstellbar bzw. verfahrbar sein.
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Dadurch dass die axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmbar ist, kann während der Bearbeitung bei einer zu hohen thermischen Beanspruchung, die meist die Folge einer zu hohen Beanspruchung durch die gewählten Bearbeitungsparameter in Form von Vorschub und/oder Drehzahl ist, und die eine Erhöhung der axialen Vorspannung der Spindellagerung zur Folge haben, die Bearbeitungsparameter reduziert oder der Spindelantrieb abgeschaltet werden, so dass eine Schädigung der Spindellagerung vermeidbar ist.
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Dabei ist die axiale Vorspannung der Spindellagerung vorteilhafter Weise über eine axiale Verlagerung des Stators bestimmbar.
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Dafür weist der Stator in Richtung zum zweiten Ende der Spindelbaugruppe ein erstes Element auf, dessen axiale Verlagerung bestimmbar ist. Über die axiale Verlagerung des ersten Elements des Stators wird dann die axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmt.
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Vorteilhafter Weise wird vorher beispielsweise durch Referenzmessungen die maximal zulässige axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmt, bei deren Überschreitung dann die Bearbeitungsparameter reduziert oder der Spindelantrieb abgeschaltet wird.
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Zur Erfassung der axialen Verlagerung des ersten Elements des Stators weist die Spindelbaugruppe wenigstes einen Sensor auf, mit dem das Maß der axialen Verlagerung des ersten Elements bestimmbar ist.
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Vorzugsweise ist das erste Element eine statorseitige Flanschbuchse, die an einer ersten Stirnseite der statorseitigen Spindellagerung anliegt, wobei die erste Stirnseite in Richtung zum werkzeugseitigen Ende der Arbeitsspindel weist.
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Vorzugsweise ist der Sensor an dem antriebsseitigen ersten Ende der statorseitigen Spindellagerung angeordnet, wobei zwischen der Flanschbuchse und dem Sensor ein Übertragungselement angeordnet ist, mit dem eine axiale Verlagerung der Flanschbuchse an den Sensor übertragbar ist. Das Sensorsignal wird dann an die Maschinensteuerung weitergeleitet und mit dem vorgegebenen Referenzwert verglichen. Bei Überschreitung des Referenzwertes werden die Bearbeitungsparameter reduziert oder der Antrieb der Spindelbaugruppe gestoppt.
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Das Übertragungselement ist bevorzugt in Form eines Stabes ausgebildet. Der Stab steht mit der Flanschbuchse in Verbindung und überbrückt den Weg bis zu dem Sensor, der über die Messung der Verlagerung der Flanschbuchse die axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmbar macht.
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Vorzugsweise besteht der Stab aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. aus Carbonfasermaterial oder Glasfasermaterial, und führt von einer axialen Stirnfläche der Flanschbuchse durch eine Längsbohrung in der Flanschbuchse und im Stator bis zu dem mit der Maschinensteuerung gekoppelten Sensor.
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Verfahrensgemäß weist die Spindelbaugruppe Mittel auf, mit welchen während der Bearbeitung, die mit Bearbeitungsparametern in Form von Drehzahl und Vorschub realisiert wird, die aktuelle axiale Vorspannung der Spindellagerung bestimmt und mit mindestens einem vorgegebenen Referenzwert der axialen Vorspannung der Spindellagerung verglichen wird, wobei bei einer unzulässigen Überschreitung oder Unterschreitung des wenigstens einen Referenzwertes die Drehzahl und/oder der Vorschub reduziert oder die Bearbeitung unterbrochen wird.
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Dabei kann ein oberer Referenzwert festgelegt werden, den die axiale Vorspannung während der Bearbeitung nicht überschreiten sollte und ein unterer Referenzwert, den die axiale Vorspannung während der Bearbeitung nicht unterschreiten sollte.
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Die beiden Referenzwerte definieren somit einen Toleranzbereich für die axiale Vorspannung während der Bearbeitung.
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Dadurch wird einer Überlastung der Spindellagerung vorgebeugt und der Verschleiß der Spindellagerung reduziert bzw. ein durch Überbeanspruchung der Spindellagerung hervorgerufener Ausfall verhindert
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Spindelbaugruppe 1 eines Fräsbearbeitungszentrums.
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Die Spindelgruppe 1 weist eine in einem Stator 2 mittels einer Spindellagerung 3 drehbar gelagerte Arbeitsspindel 4 auf, die um eine Längsachse Z drehbar und in einigen Anwendungen entlang der Längsachse Z verstellbar / verfahrbar sein kann und die an einem antriebsseitigen ersten Ende E1 über eine erste Lagerung 3.1 in Form von zwei nicht bezeichneten Spindellagern und an ihrem werkzeugseitigen zweiten Ende E2 über eine zweite Lagerung 3.2 in Form von zwei nicht bezeichneten Spindellagern der Spindellagerung 3 drehbar in dem Stator 2 gelagert ist. Die Spindellagerung 3 ist in Richtung zur Längsachse Z mit einer axialen Vorspannung beaufschlagt.
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Zwischen den statorseitigen Außenringen 3.1a der ersten Lagerung 3.1 und den statorseitigen Außenringen 3.2a der zweiten Lagerung 3.2 ist eine erste Distanzbuchse D angeordnet. An dem zweiten in Richtung zum nicht dargestellten Werkzeug weisenden Ende E2 ist statorseitig eine Flanschbuchse 5 angeordnet, die mit dem Stator 2 fest verbunden ist.
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Durch Temperatureinflüsse ist eine axiale Verlagerung der Flanschbuchse 5 zu verzeichnen. Die Größe der axialen Verlagerung korreliert dabei mit der axialen Vorspannung der Spindellagerung 3.
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In einem Ausgangszustand, bevorzugt bei Stillstand der Werkzeugmaschine ist eine vorgegebene axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 eingestellt. Es wird festgelegt, wie hoch die axiale Vorspannung maximal sein darf. Durch Referenzmessungen bzw. Berechnungen wird dazu korrespondierend ein Referenzwert einer zulässigen maximalen axialen Verlagerung der Flanschbuchse 5 festgelegt. Da die axiale Verlagerung unmittelbar an der Flanschbuchse 5 während des Betriebes nicht direkt messbar ist, wird ein entsprechender Sensor 6 zur Erfassung der axialen Verlagerung an dem antriebsseitigen Ende E1 des Stators 2 angeordnet. Der Weg zwischen Flanschbuchse 5 und Sensor 6 wird mittels eines Hilfselementes überbrückt, welches in Form eines Stabes 7 ausgebildet ist. Der Stab besteht aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Carbonfasermaterial, Glasfasermaterial, Keramik, Invar (Eisen-Nickel-Legierung mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten) oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Werkstoffe.
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Der Stab 7 steht mit der Flanschbuchse 5 in Verbindung und überbrückt den Weg bis zu dem Sensor 6, der über die Messung der Verlagerung der Flanschbuchse 5 die axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 bestimmbar macht. Bevorzugt wird der Stab 7 mit der Flanschbuchse 5 fest verbunden, z.B. durch Klemmen, Kleben oder dergleichen.
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Der Stab 7 führt von einer axialen Stirnfläche 5.1 der Flanschbuchse 5 durch eine Längsbohrung 5.2 in der Flanschbuchse 5 und eine Längsbohrung 2.2 im Stator 2 bis zu dem mit der nicht dargestellten Maschinensteuerung gekoppelten Sensor 6, der an einer Stirnseite 2.1 des Stators 2 angeordnet ist. Wichtig dabei ist, dass zumindest die Längsbohrung 2.2 größer ist als der Umfang des Stabes, so dass gewährleistet ist, dass der Stab 7 frei durch die Längsbohrung 2.2 führt.
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Die Innenringe 3.1b und 3.2b der ersten und zweiten Lagerung 3.1, 3.2 sind mit dem nicht bezeichneten Außendurchmesser der Arbeitsspindel 4 drehfest und axial fest verbunden und zwischen den Lagerungen 3.1, 3.2 ist ebenfalls eine zweite Distanzbuchse 8 angeordnet.
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Die Arbeitsspindel 4 weist eine Durchgangsbohrung 4.1 auf, durch welche während der Bearbeitung Kühlmittel strömt.
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Im Betrieb der Spindelbaugruppe kommt es zur Erwärmung durch die auftretende Reibung bzw. die Antriebsleistung. Dadurch kommt es resultierend zu einer Veränderung der Vorspannung der Spindellagerung 3 durch die unterschiedliche Erwärmung und Längenausdehnung von Stator 2 und Rotor = Arbeitsspindel 4.
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Liegt die axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 außerhalb zulässiger Werte ist ein Verschleiß, Steifigkeitsverlust und Genauigkeitsverlust bei der Bearbeitung zu verzeichnen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird einer unzulässigen Veränderung der axialen Vorspannung (axiale Vorspannung zu groß oder zu gering) Überlastung der Spindellagerung 3 vorgebeugt und der Verschleiß der Spindellagerung 3 reduziert bzw. ein durch Überbeanspruchung der Spindellagerung 3 hervorgerufener Ausfall verhindert, indem erstmalig die Vorspannung der Spindellagerung 3 über eine axiale Verlagerung eines Teils des Stators 2 (hier der Flanschbuchse 5) über den Stab 7 und den Sensor 6 erfasst wird und die Bearbeitungsparameter reduziert bzw. verändert werden, wenn die axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 zu groß ist. Dadurch können Verschleiß, Steifigkeitsverlust und Genauigkeitsverlust reduziert bzw. vermieden werden.
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Die axiale Verlagerung des Stators 2 im Verhältnis zur Spindel 4 (Rotor) kann dabei positiv oder negativ sein. Erwärmt sich der Stator 2 mehr als die Spindel 4, wird die axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 geringer, wodurch ein Steifigkeitsverlust zu verzeichnen ist und die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt wird.
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Weist der Stator 2 eine geringere Temperatur als die Arbeitsspindel 4 auf, wird die axiale Vorspannung der Spindellagerung 3 größer und es besteht die Gefahr eines zu hohen Verschleißes der Spindellagerung 3, schlimmstenfalls deren Zerstörung.
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Durch die Einführung des oberen und unteren Referenzwertes der axialen Vorspannung, können bei deren Unter- bzw. Überschreitung die Bearbeitungsparameter so geändert werden, dass die axiale Vorspannung wieder in den zulässigen Bereich gelangt, wird eine qualitativ hochwertige Bearbeitung gewährleistet und die Lebensdauer der Spindellagerung verlängert.
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Die Messung der Verlagerung definiert auch die Verlagerung zum Nullpunkt der Spindel 4, der durch die werkzeugseitige Stirnseite 4.2 der Spindel 4 definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelbaugruppe
- 2
- Stator
- 2.1
- Stirnseite des Stators 2
- 2.2
- Längsbohrung im Stator 2
- 3
- Spindellagerung
- 3.1
- erste Lagerung
- 3.1a
- Außenringe der ersten Lagerung 3.1
- 3.2
- zweite Lagerung
- 3.2a
- Außenringe der zweiten Lagerung 3.2
- 4
- Arbeitsspindel
- 4.1
- Durchgangsbohrung der Arbeitsspindel 4
- 4.2
- Stirnseite der Arbeitsspindel 4
- 5
- Flanschbuchse
- 5.1
- Stirnfläche der Flanschbuchse 5
- 6
- Sensor
- 7
- Stab
- 8
- zweite Distanzbuchse
- D
- erste Distanzbuchse
- E1
- erstes Ende
- E2
- zweites Ende
- Z
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 70474 A1 [0004]
- DE 10123717 A1 [0005]
- DE 102008051878 A1 [0006]
