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Die Erfindung betrifft eine Spannmittelanordnung für eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine mit dieser Spannmittelanordnung.
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Bei trennenden, insbesondere spanenden Bearbeitungsverfahren kann die Bearbeitung der Werkstücke zu Schwingungen von dem Werkstück oder dem Werkzeug führen. Derartige Schwingungen werden verstärkt, wenn eine Vorschubgeschwindigkeit für ein Werkzeug bei der Bearbeitung zu hoch eingestellt wird. Dies kann beispielsweise bei einer Drehbearbeitung zu einem „Rattern“ führen, wobei auf das Werkstück ein charakteristisches, regelmäßiges Rattermuster oder Rattermarken aufgebracht wird bzw. werden, so dass die Bearbeitungsqualität an dem Werkstück herabgesetzt ist. Von dieser Seite betrachtet ist es folglich vorteilhaft, die Vorschubgeschwindigkeit bei der Bearbeitung herabzusetzen, um Bearbeitungsqualität zu erhöhen. Auf der anderen Seite ist es wünschenswert, die Vorschubgeschwindigkeit möglichst hoch einzustellen, um möglichst niedrige Bearbeitungszeiten zu erreichen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Spannmittelanordnung für eine Werkzeugmaschine vorzuschlagen, welche zu einer Reduzierung der Schwingungen führt. Diese Aufgabe wird durch eine Spannmittelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Spannmittelanordnung, welche für eine Werkzeugmaschine geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Werkzeugmaschine weist ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. Bei dem Werkzeug handelt es sich insbesondere um ein Werkzeug zur trennenden, im Speziellen zur spanenden Bearbeitung. Insbesondere kann das Werkzeug als ein Bohr-, Fräs-, Dreh- oder Räumwerkzeug ausgebildet sein. Das Werkstück ist besonders bevorzugt als ein metallisches Werkstück realisiert.
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Die Spannmittelanordnung weist ein Spannmittel auf, welches auch als Spannmitteleinrichtung bezeichnet werden kann. Das Spannmittel weist eine Maschinenschnittstelle zur Ankopplung an die Werkzeugmaschine und eine Werkstückschnittstelle zur Aufnahme des Werkstücks auf. Insbesondere ist das Spannmittel als eine Aufnahmeeinrichtung ausgebildet, welche zwischen dem Werkstück und der Werkzeugmaschine angeordnet ist. Das Spannmittel kann auch als Adapter für das Werkstück an die Werkzeugmaschine bezeichnet werden.
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Es ist bevorzugt, dass das Spannmittel gemeinsam mit dem Werkstück während der Bearbeitung rotiert. Alternativ oder ergänzend ist es bevorzugt, dass das Werkzeug stationär angeordnet ist oder zumindest nur zugestellt wird.
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Die Spannmittelanordnung weist eine Sensoranordnung auf, wobei die Sensoranordnung ausgebildet ist, Schwingungen des Werkzeugs als Sensordaten aufzunehmen. Die Schwingungen des Werkzeugs bilden somit eine Messgröße bei der Sensoranordnung. Die Messgröße und/oder die Schwingungen können unmittelbar an dem Werkzeug abgenommen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Schwingungen des Werkzeugs mittelbar zum Beispiel über den Werkzeughalter des Werkzeugs zu ermitteln. Die Schwingungen des Werkzeugs werden unmittelbar auf den Werkzeughalter übertragen, sodass die Schwingungen des Werkzeugs an dem Werkzeughalter unverfälscht oder quasi unverfälscht vorliegen.
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Die Spannmittelanordnung weist ferner eine Steuereinrichtung zur Aufnahme der Sensordaten der Sensoranordnung auf. Die Steuereinrichtung ist beispielsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet. Insbesondere kann diese als ein Mikrocontroller, ein Computer etc. realisiert sein. Alternativ kann diese als eine analoge Datenverarbeitungseinrichtung oder als eine Kombination von digitaler und analoger Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Spannmittel wenigstens einen Aktor aufweist, welcher besonders bevorzugt mit Fremdenergie betrieben wird.
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Insbesondere ist der wenigstens eine Aktor als ein aktiver Aktor ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, die Sensordaten auszuwerten und auf Basis der Sensordaten und/oder deren Auswertung den Aktor anzusteuern. Die Ansteuerung des Aktors erfolgt so, dass die Schwingungen des Werkzeugs kompensiert werden. Insbesondere wird der Aktor so angesteuert, dass die negativen Folgen für die Bearbeitung des Werkstücks verringert oder eliminiert werden. Die Ansteuerung des Aktors erfolgt insbesondere in Echtzeit, insbesondere mit einer Kontrollfrequenz, die gleich oder höher als die Hauptfrequenzen der Schwingungen ist.
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Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass das Spannmittel als ein aktives Spannmittel ausgebildet ist, welches durch Manipulation des Werkstücks mittels des Aktors Schwingungen ausgleicht oder kompensiert, welche durch die Bearbeitung an dem Werkzeug entstehen. Damit ermöglicht es die Spannmittelanordnung, das Bearbeitungsergebnis der Werkzeugmaschine zu verbessern oder alternativ hierzu höhere Vorschubgeschwindigkeiten zu erlauben und dadurch den Fertigungsprozess kostengünstiger zu gestalten.
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Vorzugsweise ist das Spannmittel als ein gekapseltes System ausgebildet, welches auf jeder beliebigen Werkzeugmaschine oder zumindest auf vielen Werkzeugmaschinen adaptiert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, den Aktor so anzusteuern, dass das Werkstück in Gegenschwingungen versetzt wird, um eine Auslöschung der Schwingungen des Werkzeugs zu erzeugen.
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Besonders bevorzugt wird durch die Steuereinrichtung und/oder die Spannmittelanordnung ein Feedforward-Control umgesetzt. Das Grundprinzip des Feedforward-Control ist es, eine Störung auf einer primären Strecke - hier an dem Werkzeug - zu kompensieren, indem, dem System über eine sekundäre Strecke - hier an dem Werkstück - eine Gegenschwingung aufgeprägt wird, um so am Ausgang der primären Strecke - hier an der Bearbeitungszone zwischen Werkzeug und Werkstück - eine Schwingungsauslöschung zu erzielen. Die Gegenschwingung wird dabei direkt aus dem auf den Eingang der Primärstrecke wirkenden Referenzsignal - hier den Sensordaten - berechnet. Daher ist auch der Begriff Störgrößenaufschaltung für das Feedforward-Control, insbesondere Feedforward-Regelung, -Steuerung oder -Kontrolle, gebräuchlich.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung ist die Werkstückschnittstelle als ein Spannfutter ausgebildet, welches beispielsweise geöffnet und geschlossen werden kann, um das Werkstück einzuspannen. Insbesondere ist das Spannfutter als ein Drehfutter realisiert. Damit kann das Werkstück unmittelbar in das Spannmittel eingespannt werden. Die Übertragung der Gegenschwingungen von dem Aktor auf das Werkstück sind besonders einfach umzusetzen.
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Alternativ oder ergänzend ist die Maschinenschnittstelle zur Ankopplung an einen Maschinenflansch ausgebildet. Besonders bevorzugt sind zwischen dem Spannmittel und dem Maschinenflansch Entkopplungsmodule vorgesehen, welche verhindern, dass sich Schwingungen aus dem Spannmittel auf die Werkzeugmaschine übertragen. Die Entkopplungsmodule können insbesondere in das Spannmittel und/oder in den Maschinenflansch integriert sein. Als Entkopplungsmodule können beispielsweise Einsätze aus Granit, Reaktionsharzbeton oder ähnliches eingesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung weist die Sensoranordnung mindestens einen piezoelektrischen Sensor auf. Derartige piezoelektrische Sensoren können Schwingungen mit sehr hohen Frequenzen fehlerarm aufnehmen. Besonders bevorzugt weist die Sensoranordnung zwei derartige piezoelektrische Sensoren auf, um eine Redundanzmessung durchzuführen.
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Es ist bevorzugt, dass der Aktor eine Bewegung der Werkstückschnittstelle und/oder des Werkstücks in Richtung einer Rotationsachse (also in Z-Richtung) und senkrecht zu der Rotationsachse in Richtung zu dem Werkstück (also in X-Richtung) ermöglicht. Auf diese Weise kann bei dem rotierenden Werkstück jegliche Schwingung auf die Werkstückschnittstelle bzw. das Werkstück aufgebracht werden.
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In einer konstruktiven Realisierung kann der Aktor beispielsweise als ein Ringaktor oder als ein Scheibenaktor ausgebildet sein. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass dieser ebenfalls als ein Piezoaktor ausgebildet ist, um eine schnelle Reaktion und/oder Frequenz bei der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung zu ermöglichen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet eine Werkzeugmaschine wie diese zuvor beschrieben wurde mit einem Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkzeugs. Die Werkzeugmaschine weist die Spannmittelanordnung auf, wie diese zuvor beschrieben wurde.
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Ein weiterer optionaler Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Kompensieren von Schwingungen an einem Werkzeug mit der Spannmittelanordnung und/oder der Werkzeugmaschine, wie dieses zuvor beschrieben wurde. Bei der Kompensation der Schwingungen werden Schwingungen des Werkzeugs als Sensordaten aufgenommen und durch Ansteuerung des Aktors mit Gegenschwingungen kompensiert, sodass die Schwingungen an der Bearbeitungszone zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug reduziert und vorzugsweise ausgelöscht sind.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einer Spannmittelanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Grundstruktur einer Feedforward-Regelung, wie diese in der Spannmittelanordnung eingesetzt werden kann.
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Die 1 zeigt in einem stark schematisierten Diagramm eine Werkzeugmaschine 1 mit einem Werkzeug 2 zur Bearbeitung eines Werkstücks 3 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Konzeptionell betrachtet wird das Werkstück 3 bei der Bearbeitung um eine Rotationsachse R rotiert, welche parallel zu einer Z-Richtung in einem Koordinatensystem KO der Werkzeugmaschine 1 verläuft. In der gezeigten seitlichen Ansicht verläuft in dem Koordinatensystem KO eine X-Richtung senkrecht zu der Z-Richtung. Insbesondere ist die X-Z-Ebene dargestellt.
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Das Werkzeug 2 kann beispielsweise als ein Bohr-, Fräs-, Dreh- oder Räumwerkzeug ausgebildet sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 2 als ein Drehmeißel realisiert. Das Werkzeug 2 weist einen Werkzeughalter 14 auf, welcher einen Schaft und einen Kopf hat, wobei an dem Kopf eine Wendeschneidplatte als Schneidenkörper 17 angeordnet ist.
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Die Werkzeugmaschine 1 weist eine Spannmittelanordnung 4 auf, welche aus einem Spannmittel 5 einer Sensoranordnung 6 und einer Steuereinrichtung 7 aufgebaut ist. Das Spannmittel 5 weist als eine Werkstückschnittstelle 8 ein Spannfutter, insbesondere Drehfutter auf, wobei das Werkstück 3 in der Werkstückschnittstelle aufgenommen ist und insbesondere im Spann- bzw. Drehfutter eingespannt ist. An dem anderen freien Ende des Spannmittels 5 ist eine Maschinenschnittstelle 9 angeordnet, mit der das Spannmittel 5 mit der Werkzeugmaschine 1, insbesondere einer Drehachse oder Spindelachse der Werkzeugmaschine 1 verbunden werden kann. Die Maschinenschnittstelle 9 ist als eine Standardschnittstelle ausgebildet.
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In dem Spannmittel 5 ist ein Aktor 10 integriert, welcher es ermöglicht, die Werkstückschnittstelle 8 und damit das Werkstück 3 in Z-Richtung und zusätzlich in X-Richtung zu versetzen oder zu kippen. Berücksichtigt man, dass das Werkstück 3 bei der Bearbeitung in Rotation um die Rotationsachse R gemeinsam mit dem Spannmittel 5 versetzt ist, so kann durch den Aktor 10 das Werkstück 3 in jede beliebige Richtung senkrecht zu der Rotationsachse R ausgelenkt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass ein anderer Aktor 10 eingesetzt ist. Der Aktor 10 ist über ein Kabel 11 mit der Steuereinrichtung 7 signaltechnisch gekoppelt. Mit Blick auf die Rotation des Spannmittels 5 ist eine Drehdurchführung 12 für die Signalübertragung und für die Stromversorgung zwischen der Steuereinrichtung 7 und dem Aktor 10 vorgesehen.
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Die Sensoranordnung 6 weist zwei Sensoren 13a, b auf, welche auf dem Werkzeughalter 14 des Werkzeugs 2 angeordnet sind. Einer der Sensoren 13a ist an dem Schaft des Werkzeughalters 14 befestigt, der andere Sensor 13b ist an dem Kopf des Werkzeughalters 14, unmittelbar benachbart zu dem Schneidenkörper 17 angeordnet. Beide Sensoren 13a, b sind als Schwingungssensoren und insbesondere nach einem piezoelektrischen Wirkprinzip ausgebildet. Über weitere Kabel 15 sind die Sensoren 13a, b oder allgemeiner gesagt die Sensoranordnung 6 mit der Steuereinrichtung 7 signaltechnisch verbunden.
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Das Spannmittel 5 weist Entkopplungsmodule 16 auf, welche zur Entkopplung der Werkzeugmaschine 1 von dem Spannmittel 5 und insbesondere von Gegenschwingungen des Aktors 10 vorgesehen sind. Das Spannmittel 5 ist als ein vollgekapseltes System ausgebildet, das auf jede Werkzeugmaschine 1 universell adaptiert werden kann.
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Kurz gefasst ist die Funktionsweise wie folgt: Durch die spanende Bearbeitung mit diversen Werkzeugen (Bohr-, Fräs-, Dreh-, Räumwerkzeuge etc.), beispielhaft als Schneidenkörper 17 dargestellt, können während der Zerspanung Schwingungen auftreten. Diese werden durch die Sensoren 13a, b als Schwingungssensoren nach piezoelektrischem Wirkprinzip am Werkzeug 2 bzw. an dem Werkzeughalter 14 aufgenommen, wobei die zwei Sensoren 13a, b ein redundantes System darstellen. Die erfassten Schwingungen werden als Sensordaten in der Steuereinrichtung 7 über die Achsposition der Werkzeugmaschine 1 in Echtzeit aufgearbeitet und Steuersignale über eine Schnittstelle, in diesem Fall dem Kabel 11, dem Aktor 10, der im Spannmittel 5 integriert ist, zugeführt, die in Gegenschwingungen umgewandelt werden, um auf diese Weise in der Bearbeitungszone zwischen dem Werkzeug 2 und dem Werkstück 3 die Schwingungen auszulöschen.
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Diese Art der Schwingungskompensation kann beispielsweise durch eine Feedforward-Regelung umgesetzt werden, deren Struktur in der 2 dargestellt ist. In dem Signalpfad wird auf das Werkzeug 2 als primäre Strecke eine primäre Störung PM durch die Bearbeitung aufgeprägt, welche zu Schwingungen in der Bearbeitungszone B führen kann. Die Kompensation erfolgt über eine sekundäre Strecke, welche durch das aktive Spannmittel 5 und das Werkstück 3 gebildet ist, welche eine Gegenschwingung erzeugen. Über die Sensoranordnung 6 wird ein Referenzsignal RS aufgenommen und der Steuereinrichtung 7, welche als ein Regler, insbesondere als ein adaptives Filter, ausgebildet ist, zugeführt. Die Steuereinrichtung 7 berechnet ein Steuersignal, welches dem aktiven Spannmittel 5 zugeführt wird, so dass an dem Werkstück 3 die Gegenschwingungen erzeugt werden. Die Schwingungen in der primären Strecke und die Gegenschwingungen in der sekundären Strecke sollen zu einer wechselseitigen Auslöschung an der Bearbeitungszone B führen. Es kann vorgesehen sein, dass zudem ein Fehlersignal FS über der Sensoranordnung 6 aufgenommen wird, um die Steuereinrichtung 7, insbesondere den Regler zu adaptieren.
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Durch die Spannmittelanordnung 4 wird somit ein Spannmittel 5 vorgeschlagen, welches bei allen Werkzeugmaschinen universell einsetzbar ist und eine aktive, integrierte Schwingungsdämpfung aufweist, sodass das Spannmittel 5 labile, leicht schwingende Werkstücke wie gewohnt aufnehmen und während der Bearbeitung den auftretenden Schwingungen entgegenwirken kann. Der Vorteil ist die Erhöhung der Bauteilqualität und/oder die Reduzierung der Taktzeiten und die Reduzierung der Werkzeugkosten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugmaschine
- 2
- Werkzeug
- 3
- Werkstück
- 4
- Spannmittelanordnung
- 5
- Spannmittel
- 6
- Sensoranordnung
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Werkstückschnittstelle
- 9
- Maschinenschnittstelle
- 10
- Aktor
- 11
- Kabel
- 12
- Drehdurchführung
- 13a, b
- Sensoren
- 14
- Werkzeughalter
- 15
- weitere Kabel
- 16
- Entkopplungsmodule
- 17
- Schneidenkörper
- R
- Rotationsachse
- KO
- Koordinatensystem
- PM
- primäre Störung
- B
- Bearbeitungszone
- RS
- Referenzsignal
- FS
- Fehlersignal
