DE102017212276A1 - Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine - Google Patents
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Abstract
Zusammengefasst wird eine Hauptspindelvorrichtung M einer Werkzeugmaschine offenbart, enthaltend: eine Hauptspindel (9), ein Dämpfungselement (20a, 20b), und eine Recheneinheit (3). Das Dämpfungselement (20a, 20b) ist auf einer Position, wo sich ein Schwingungsweg eines Rotators befindet, vorgesehen. Die Recheneinheit (3) benutzt die Daten eines Werkzeuges (8), um den Vibrationsmodus in einer freien Vibration des Rotators, basierend auf einer Stützsteifigkeit des Lagers (10a, 10b), der Massen der jeweiligen Teile des Rotators inklusive des Werkzeugs (8), dem Dämpfungskoeffizient, und der Bewegungsgleichung, abgeleitet von der Steifigkeit und der Drehungsträgheit, zu analysieren. Ein Außerdurchmesser einer Hülse (12), die sich außerhalb des Lagers (10a, 10b) befindet, wird so geändert, dass eine Position eines Schwingungsbauchs der Vibration oder eine Position, auf der sich ein Schwingweg unter dem Vibrationsmodus befindet, einer Position des Dämpfungselements (20a, 20b) innerhalb der Hauptspindel (9) entspricht, um die Vorspannung auf die Lager (10a, 10b) zu ändern.
Description
- Die Offenbarung betrifft eine Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine.
- Bei einer spanabhebenden Verarbeitung unter Verwendung einer Werkzeugmaschine, insbesondere eines Bearbeitungszentrums, treten Vibrationen aus unterschiedlichen Gründen auf. Konventionell schlägt die
japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012-171074 japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 5-138408 - Wenn die Vibration im Stand der Technik während der spanabhebenden Verarbeitung auftritt, erkennt ein Sensor die Vibration, und dann wird die Steifigkeit des Lagers erhöht oder die Drehzahl anhand einer Analyse der Vibrationsfrequenz angemessen geändert, sodass die Vibration reduziert wird. Jedoch ist bei beiden Verfahren das Auftreten der Vibration eine Voraussetzung, und die angemessene Steifigkeit und die Verarbeitungsbedingung können nicht vor der Verarbeitung definiert werden. Bei dem Verfahren, mit dem die Drehzahl zum Reduzieren der Vibration durch abgesenkte Drehzahl gesteuert wird, verschlechtert sich die Produktivität.
- Daher ist es eine Aufgabe dieser Offenbarung, dass eine Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist, um die Probleme in der obergenannten konventionellen Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine zu lösen. Die Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine dieser Offenbarung reduziert die Vibration effizient mit einer Biegeeigenwinkelfrequenz einer Hauptspindel, die mittels eines anzuwendenden Werkzeugs variiert, und sie ist mit einem niedrigen Preis zu konfigurieren.
- Diese Aufgabe wird durch eine Hauptspindelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Hauptspindelvorrichtung enthält eine Hauptspindel, ein Dämpfungselement, und eine Recheneinheit. Die Hauptspindel kann innerhalb einer Hülse mittels eines Lagers (z. B. eines Wälzlagers) rotierbar gelagert werden. Das Dämpfungselement kann in eine Position, wo sich ein Schwingweg eines Rotators befindet, gebracht werden. Die Recheneinheit kann so konfiguriert sein, dass sie die Daten eines Werkzeuges verwendet, um den Vibrationsmodus in einer freien Vibration des Rotators, basierend auf einer Stützsteifigkeit des Lagers, der Massen der jeweiligen Teile des Rotators einschließlich des Werkzeugs, einem Dämpfungskoeffizient, und einer Bewegungsgleichung, abgeleitet von einer Steifigkeit und einer Drehungsträgheit zu analysieren. Ein Außendurchmesser der Hülse, positioniert außerhalb des Lagers, kann so geändert werden, dass eine Position eines Schwingungsbauches der Vibration oder eine Position, worauf sich der Schwingweg des Vibrationsmodus befindet, einer Position des Dämpfungselementes innerhalb der Hauptspindel entspricht, um eine Vorspannung auf das Lager zu ändern. Hierbei ist die Position eines Schwingungsbauches ein Punkt, wo die Amplitude am größten ist und worum der Schwingungsweg am meisten fluktuiert.
- Mit der Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung, welche in dem ersten Aspekt der Offenbarung enthalten ist, kann ein Raum so konfiguriert sein, dass er mit einem Medium zur Druckanwendung befüllt ist, und der Raum kann zwischen dem Gehäuse und der Hülse nahe der Installationspositionen der jeweiligen Lager vorgesehen sein, damit er eine Dimension gleich oder größer als die Breite des Lagers hat, und der Druck des Mediums innerhalb des Raums kann so eingestellt sein, dass sich der Außendurchmesser der Hülse außerhalb des Lagers zur Steuerung der Vorspannung auf das Lager ändert.
- Die Hauptspindelvorrichtung der Werkzeugmaschine gemäß dem ersten Aspekt hat eine erhebliche kostengünstige Struktur, wo die Dämpfungselemente zwischen der Hauptspindel und dem Hauptspindel-Einbauelement vorgesehen sind, und die Nuten zur Druckaufbringung einfach in dem Gehäuse ohne einer speziellen Verarbeitung des Gehäuses und der Randteile, eingebracht sind. Anschließend, sogar mit einer solchen einfachen Struktur, ist die Hauptspindelvorrichtung so konfiguriert, dass die angemessene Lagersteifigkeit für die Vibrationsreduktion vor der Verarbeitung anhand der Information des anzuwendenden Werkzeuges berechnet wird, der Vibrationsmodus der Hauptspindel geändert wird, und die Schwingungsdämpfungseffizienz der Schwingungsdämpfungselemente maximal vorgesehen wird. Daher wird die Vibration während der Verarbeitung reduziert.
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1 ist eine Querschnittansicht und zeigt einen Hauptteil einer Hauptspindelvorrichtung. -
2 ist ein Flussdiagram und zeigt die Steuerinhalte der Hauptspindelvorrichtung. - Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine gemäß der Offenbarung anhand der Figuren detailliert beschrieben.
1 veranschaulicht eine Hauptspindelvorrichtung mit einem horizontalen Bearbeitungszentrum, und eine Hauptspindelvorrichtung M enthält eine Hauptspindel9 , ein Gehäuse11 , eine Hülse12 , Lager10a ,10b , und ähnliche Komponenten. - Ein Vorderteil der Hauptspindel
9 ist mittels der Lager (Wälzlager)10a ,10b axial gelagert, und ein Hinterteil ist mittels eines Lagers (Wälzlager)10c axial gelagert. Die Hauptspindel9 erstreckt sich in einer vor-zurück Richtung (rechts-links Richtung in1 ) des Bearbeitungszentrums, und sie hat eine hohlzylindrische Form. Dann sind eine Spannzange18 , eine Spannstange19 , eine Vielzahl von Tellerfedern21 ,21 , ..., und ringförmige Bünde13 ,14 innerhalb der Hauptspindel9 eingesetzt. - Die Dämpfungselemente
20a ,20b sind auf äußeren Umfangsflächen des Bundes13 und des Bundes14 installiert. Anschließend ist der Bund13 in einer Position des Schwingungsbauchs einer primär biegenden Eigenwinkelfrequenz des Rotators inklusive der Hauptspindel9 , einem Hauptspindel-Einbauelement und einem Rotor15 , eingebettet. Zusätzlich ist ein Außengewinde auf einem äußeren Umfang eines Installationsteils des Bundes13 auf der Spannstange19 vorgesehen, und ein Innengewinde (verschraubt mit dem Außengewinde) ist auf einer inneren Umfangsfläche des Bundes13 vorgesehen. In solcher Konfiguration kann die Position des Bundes13 entsprechend einer Form der Tellerfeder21 und einer gesamten Länge der Hauptspindel9 geändert werden. - Dahingegen ist der Bund
14 in einer Position des Vibrationsbauchs einer primär biegenden Eigenwinkelfrequenz der Spannstange19 eingebettet. Vor und hinter dem Bund14 sind die Tellerfedern21a ,21b eingebettet, und eine Änderung der Kombinationen der Tellerfedern21a ,21b ermöglicht es, dass die Position des Bundes14 frei änderbar ist. Hebekräfte der Tellerfedern21a ,21b werden verwendet, um unterschiedliche Werkzeuge8 an einem vorderen Ende der Spannzange18 demontierbar anzubringen. - Ferner ist die Hülse
12 innerhalb des Gehäuses11 eingebettet, und die Nuten17a ,17b für die Aufbringung eines Hydraulikdruckes (hydraulische Drucknuten) sind zwischen einem Distalende des Gehäuses11 und der Hülse12 vorgesehen. Die Nuten17a und17b sind jeweils mit O-Ringen16a ,16b und O-Ringen16c ,16d abgedichtet. Der Hydraulikdruck, der auf die Nuten17a ,17b aufgebracht wird, wird so geändert, dass sich die Schrumpfung der Hülse12 in einer radialen Richtung ändert, wodurch eine Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager10a ,10b geändert werden kann. - Dahingegen ist eine Steuereinheit
1 , die die Arbeiten steuert, mit der Hauptspindelvorrichtung M gekoppelt. Die Steuereinheit1 enthält eine Eingabevorrichtung2 , eine Recheneinheit3 , eine Speichervorrichtung4 , ein NC-System5 , und ähnliche Komponenten. In der Speichervorrichtung4 der Steuereinheit1 , wird ein Verhältnis zwischen dem aufgebrachten Hydraulikdruck innerhalb der Nuten17a ,17b und der Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager10a ,10b in Daten zum Speichern umgewandelt. Das NC-System5 der Steuereinheit1 ist mit einem Steuerventil7a zum Steuern des aufgebrachten Hydraulikdruckes innerhalb der Nute17a , einem Steuerventil7b zum Steuern des aufgebrachten Hydraulikdruckes innerhalb der Nute17b , und einer Hydraulikeinheit6 gekoppelt. - Die Steuereinheit
1 ist so konfiguriert, dass die Eingabevorrichtung2 für die Eingabe der Dimensionen des anzuwendenden Werkzeugs8 verwendet wird, und die Recheneinheit3 einen Vibrationsmodus des Rotators analysiert (der Rotator enthält die Hauptspindel9 , das Hauptspindel-Einbauelement, und den Rotor15 ). Danach berechnet die Recheneinheit3 die Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager10a ,10b , wo eine Position des Schwingungsbauchs oder eine Position, worauf sich ein Schwingungsweg befindet, der Position des Dämpfungselements20a entspricht. Ferner ist die Steuereinheit1 so konfiguriert, dass anhand der Anwendung der Recheneinheit3 , der Hydraulikdruck, aufgebracht auf der äußeren Umfangsoberfläche der Hülse12 , entsprechend der erforderlichen Vorspannung berechnet wird. Fernerhin ist die Steuereinheit1 für die Steuerung des Steuerventiles7 konfiguriert, um die Hydraulikeinheit6 zu steuern, damit ein beliebiger Hydraulikdruck aufgebracht werden kann. Die Hülse12 ist außerhalb der Lager10a ,10b gelagert. - Im Folgenden werden die Inhalte einer Arbeitssteuerung der Hauptspindelvorrichtung M anhand des Flussdiagrams der
2 beschrieben. Bei der Arbeitssteuerung der Hauptspindelvorrichtung M legt erst, vor der Verarbeitung, die Eingabevorrichtung2 die Dimensionen und eine Drehgeschwindigkeit des anzuwendenden Werkzeugs8 für die Recheneinheit3 fest, beim Schritt (nachfolgend einfach als S genannt) 1. - Fernerhin, bei S2 berechnet die Recheneinheit
3 einen Minimumwert und einen Maximumwert einer erlaubten Lagersteifigkeit der Lager10a ,10b , anhand der Drehgeschwindigkeit, festgelegt bei S1, und sie legt einen Bereich des erlaubten Hydraulikdrucks, anhand des Verhältnis zwischen der Lagersteifigkeit und dem angewendeten Hydraulikdruck, das in Daten zum Speichern in dem Speichervorrichtung4 umgewandelt ist, fest. Darauffolgend, bei S3 ist eine Hauptspindelvorrichtung aus Balkenelementen mit einer Vielzahl von zylindrischen Teilen und Lagerelementen konfiguriert (gestaltet), um den Vibrationsmodus zu analysieren. - Fernerhin, bei S4, wird die Position des Schwingungsbauchs des analysierten Vibrationsmodus mit der Position des Dämpfungselementes
20a verglichen, um eine Positionsverschiebung vom Betrag |X| zu berechnen. Anschließend, bei S5 wird der aufgebrachte Druck Y und die Positionsverschiebung |X| zwischen der Position des Schwingungsbauchs dieses Vibrationsmodus und der Position des Dämpfungselementes20a in der Speichervorrichtung4 gespeichert. - Danach, bei S6, wird der aufgebrachte Druck Y, der für die Analyse des Vibrationsmodus der Hauptspindelvorrichtung benutzt wird, mit dem erlaubten Aufbringungsdruck, berechnet bei S2, verglichen. Wenn der aufgebrachte Druck Y kleiner als die Obergrenze des erlaubten Wertes ist, wird der aufgebrachte Druck Y langsam erhöht und werden neue Berechnungen ausgeführt, bis der aufgebrachte Druck Y den erlaubten Wert bei S7 überschreitet.
- Dahingegen, wenn der aufgebrachte Druck Y den erlaubten Wert bei S6 überschreitet, geht der Prozess zu S8 weiter, und der aufgebrachte Druck Y ist so festgelegt dass die gespeicherte Verschiebung von |X| zwischen der Position des Schwingungsbauchs des Vibrationsmodus und der Position des Dämpfungselementes
20a am Minimum ist. - Die obengenannte Hauptspindelvorrichtung M hat eine erhebliche kostengünstige Struktur, wobei die Dämpfungselemente
20a ,20b zwischen der Hauptspindel9 und dem Hauptspindel-Einbauelement vorgesehen sind, und die Nuten17a ,17b für die Druckaufbringung einfach in dem Gehäuse11 ohne einer speziellen Verarbeitung des Gehäuses11 und den Randteilen vorgesehen sind. Allerdings ist die Hauptspindelvorrichtung M so konfiguriert, dass die Lagersteifigkeit (die Steifigkeit der Lager10a ,10b ), die für die Vibrationsreduktion vor der Verarbeitung angemessen ist, anhand der Information des anzuwendenden Werkzeugs8 berechnet ist, der Vibrationsmodus der Hauptspindel9 geändert ist, und das Maximum der Vibrationabsorbtionseffizienz der Vibrationsreduzierungsteile (die Dämpfungselemente20a ,20b ) erreicht ist, wodurch die Vibration während der Verarbeitung reduziert ist. - Die Konfiguration der Hauptspindelvorrichtung gemäß dieser Offenbarung ist nicht durch den Aspekt der obengenannten Ausführung eingeschränkt, und die Konfigurationen der Form und der ähnlichen Elemente der Hauptspindel, des Lagers, des Gehäuses, der Hülse, des Bundes, der Spannzange (Spannzange für die Aufbringung von Druck), des Dämpfungselementes, und der ähnlichen Elemente können je nach Bedarf modifiziert werden, ohne die Grundgedanken dieser Offenbarung zu verlassen. Zum Beispiel ist die Hauptspindelvorrichtung gemäß der Offenbarung nicht von einer Hauptspindelvorrichtung begrenzt, die den Hydraulikdruck als Mittel für die Änderung der Lagervorspannung wie die obergenannte Ausführung verwendet. Die Hauptspindelvorrichtung kann mit einem Luftdruck oder ähnlichem Druck, und einer ähnlichen Hauptspindelvorrichtung vorgesehen sein, sofern der aufgebrachte Druck auf dem Lager steuerbar konfiguriert ist.
- Es ist explizit anzumerken, dass alle Merkmale, offenbart in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen, zum Zweck der Ursprungsoffenbarung sowie zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung, unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungen und/oder den Ansprüchen, für die Offenbarung separat gedacht sind. Es ist explizit anzumerken, dass alle Wertebereiche oder Angaben der Gruppen der Einrichtungen jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Zwischeneinrichtung, zum Zweck der Ursprungsoffenbarung sowie auch zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzwerte der Wertebereiche offenbaren.
- Zusammengefasst wird eine Hauptspindelvorrichtung M einer Werkzeugmaschine offenbart, enthaltend: eine Hauptspindel
9 , ein Dämpfungselement20a ,20b , und eine Recheneinheit3 . Das Dämpfungselement20a ,20b ist auf einer Position, wo sich ein Schwingungsweg eines Rotators befindet, vorgesehen. Die Recheneinheit3 benutzt die Daten eines Werkzeuges8 , um den Vibrationsmodus in einer freien Vibration des Rotators, basierend auf einer Stützsteifigkeit des Lagers10a ,10b , der Massen der jeweiligen Teile des Rotators inklusive des Werkzeugs8 , dem Dämpfungskoeffizient, und der Bewegungsgleichung, abgeleitet von der Steifigkeit und der Drehungsträgheit, zu analysieren. Ein Außerdurchmesser einer Hülse12 , die sich außerhalb des Lagers10a ,10b befindet, wird so geändert, dass eine Position eines Schwingungsbauchs der Vibration oder eine Position, auf der sich ein Schwingweg unter dem Vibrationsmodus befindet, einer Position des Dämpfungselements20a ,20b innerhalb der Hauptspindel9 entspricht, um die Vorspannung auf die Lager10a ,10b zu ändern. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012-171074 [0002]
- JP 5-138408 [0002]
Claims (2)
- Hauptspindelvorrichtung (M) einer Werkzeugmaschine, aufweisend: eine Hauptspindel (
9 ), die innerhalb einer Hülse (12 ) mittels eines Lagers (10a ,10b ) rotierbar gelagert ist; ein Dämpfungselement (20a ,20b ), das auf einer Position, wo sich der Schwingungsweg eines Rotators befindet, vorgesehen ist; und eine Recheneinheit (3 ), die so konfiguriert ist, dass es die Daten eines zu verwendenden Werkzeugs (8 ) verwendet, um einen Vibrationsmodus in einer freien Vibration des Rotators, basierend auf einer Stützsteifigkeit des Lagers (10a ,10b ), der Massen der jeweiligen Teile des Rotators einschließlich des Werkzeugs (8 ), einem Dämpfungskoeffizient, und einer Bewegungsgleichung, abgeleitet von einer Steifigkeit und einer Rotationsträgheit, zu analysieren, wobei ein Außendurchmesser der Hülse (12 ) außerhalb des Lagers (10a ,10b ) geändert wird, sodass eine Position des Schwingungsbauchs der Vibration oder eine Position, worauf sich ein Schwingweg unter dem Vibrationsmodus befindet, einer Position des Dämpfungselementes (10a ,10b ) innerhalb der Hauptspindel (9 ) entspricht, um die Vorspannung auf die Lager (10a ,10b ) zu ändern. - Hauptspindelvorrichtung (M) der Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, wobei: ein Raum konfiguriert ist, um mit einem Medium für die Druckaufbringung befüllt zu werden, und der Raum zwischen dem Gehäuse und der Hülse (
12 ) nahe der Installationspositionen des jeweiligen Lagers (10a ,10b ) vorgesehen ist, sodass er eine Dimension gleich oder größer als eine Breite des Lagers (10a ,10b ) hat, und der Druck des Mediums innerhalb des Raums angepasst ist, um den Außerdurchmesser der Hülse (12 ) außerhalb des Lagers (10a ,10b ) zu ändern und um die Vorspannung auf die Lager (10a ,10b ) zu steuern.
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