DE102017212276A1

DE102017212276A1 - Hauptspindelvorrichtung einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102017212276A1
Application number: DE102017212276.5A
Authority: DE
Inventors: Issei KOIKE; Naoki Kawada
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-01-25
Also published as: US10137547B2; JP2018012145A; US20180021904A1; JP6684673B2

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 ein Verfahren vor, womit eine Drehzahl einer Hauptspindel gesteuert wird, um die Vibration zu reduzieren oder zu vermeiden, wenn die Vibration während der Verarbeitung auftritt. Ein solches Verfahren kann manchmal die Vibration nicht durch Änderung der Drehzahl reduzieren, wenn die Vibration von der Eigenfrequenz des mechanischen Systems hervorgerufen wird. Daher offenbart die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 5-138408 einen Versuch, um die Vibration, erzeugt von der Eigenfrequenz des mechanischen Systems, zu vermeiden, wobei eine Steifigkeit eines Lagers erhöht wird, um die Eigenfrequenz des mechanischen Systems zu ändern, sodass die Vibration reduziert wird.
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.
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 Hauptspindel 9, ein Gehäuse 11, eine Hülse 12, Lager 10a, 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 Hauptspindel 9 erstreckt sich in einer vor-zurück Richtung (rechts-links Richtung in 1) des Bearbeitungszentrums, und sie hat eine hohlzylindrische Form. Dann sind eine Spannzange 18, eine Spannstange 19, eine Vielzahl von Tellerfedern 21, 21, ..., und ringförmige Bünde 13, 14 innerhalb der Hauptspindel 9 eingesetzt.
Die Dämpfungselemente 20a, 20b sind auf äußeren Umfangsflächen des Bundes 13 und des Bundes 14 installiert. Anschließend ist der Bund 13 in einer Position des Schwingungsbauchs einer primär biegenden Eigenwinkelfrequenz des Rotators inklusive der Hauptspindel 9, einem Hauptspindel-Einbauelement und einem Rotor 15, eingebettet. Zusätzlich ist ein Außengewinde auf einem äußeren Umfang eines Installationsteils des Bundes 13 auf der Spannstange 19 vorgesehen, und ein Innengewinde (verschraubt mit dem Außengewinde) ist auf einer inneren Umfangsfläche des Bundes 13 vorgesehen. In solcher Konfiguration kann die Position des Bundes 13 entsprechend einer Form der Tellerfeder 21 und einer gesamten Länge der Hauptspindel 9 geändert werden.
Dahingegen ist der Bund 14 in einer Position des Vibrationsbauchs einer primär biegenden Eigenwinkelfrequenz der Spannstange 19 eingebettet. Vor und hinter dem Bund 14 sind die Tellerfedern 21a, 21b eingebettet, und eine Änderung der Kombinationen der Tellerfedern 21a, 21b ermöglicht es, dass die Position des Bundes 14 frei änderbar ist. Hebekräfte der Tellerfedern 21a, 21b werden verwendet, um unterschiedliche Werkzeuge 8 an einem vorderen Ende der Spannzange 18 demontierbar anzubringen.
Ferner ist die Hülse 12 innerhalb des Gehäuses 11 eingebettet, und die Nuten 17a, 17b für die Aufbringung eines Hydraulikdruckes (hydraulische Drucknuten) sind zwischen einem Distalende des Gehäuses 11 und der Hülse 12 vorgesehen. Die Nuten 17a und 17b sind jeweils mit O-Ringen 16a, 16b und O-Ringen 16c, 16d abgedichtet. Der Hydraulikdruck, der auf die Nuten 17a, 17b aufgebracht wird, wird so geändert, dass sich die Schrumpfung der Hülse 12 in einer radialen Richtung ändert, wodurch eine Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager 10a, 10b geändert werden kann.
Dahingegen ist eine Steuereinheit 1, die die Arbeiten steuert, mit der Hauptspindelvorrichtung M gekoppelt. Die Steuereinheit 1 enthält eine Eingabevorrichtung 2, eine Recheneinheit 3, eine Speichervorrichtung 4, ein NC-System 5, und ähnliche Komponenten. In der Speichervorrichtung 4 der Steuereinheit 1, wird ein Verhältnis zwischen dem aufgebrachten Hydraulikdruck innerhalb der Nuten 17a, 17b und der Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager 10a, 10b in Daten zum Speichern umgewandelt. Das NC-System 5 der Steuereinheit 1 ist mit einem Steuerventil 7a zum Steuern des aufgebrachten Hydraulikdruckes innerhalb der Nute 17a, einem Steuerventil 7b zum Steuern des aufgebrachten Hydraulikdruckes innerhalb der Nute 17b, und einer Hydraulikeinheit 6 gekoppelt.
Die Steuereinheit 1 ist so konfiguriert, dass die Eingabevorrichtung 2 für die Eingabe der Dimensionen des anzuwendenden Werkzeugs 8 verwendet wird, und die Recheneinheit 3 einen Vibrationsmodus des Rotators analysiert (der Rotator enthält die Hauptspindel 9, das Hauptspindel-Einbauelement, und den Rotor 15). Danach berechnet die Recheneinheit 3 die Vorspannung (Steifigkeit) auf die Lager 10a, 10b, wo eine Position des Schwingungsbauchs oder eine Position, worauf sich ein Schwingungsweg befindet, der Position des Dämpfungselements 20a entspricht. Ferner ist die Steuereinheit 1 so konfiguriert, dass anhand der Anwendung der Recheneinheit 3, der Hydraulikdruck, aufgebracht auf der äußeren Umfangsoberfläche der Hülse 12, entsprechend der erforderlichen Vorspannung berechnet wird. Fernerhin ist die Steuereinheit 1 für die Steuerung des Steuerventiles 7 konfiguriert, um die Hydraulikeinheit 6 zu steuern, damit ein beliebiger Hydraulikdruck aufgebracht werden kann. Die Hülse 12 ist außerhalb der Lager 10a, 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 Eingabevorrichtung 2 die Dimensionen und eine Drehgeschwindigkeit des anzuwendenden Werkzeugs 8 für die Recheneinheit 3 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 Lager 10a, 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 Speichervorrichtung 4 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 Dämpfungselementes 20a in der Speichervorrichtung 4 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 Hauptspindel 9 und dem Hauptspindel-Einbauelement vorgesehen sind, und die Nuten 17a, 17b für die Druckaufbringung einfach in dem Gehäuse 11 ohne einer speziellen Verarbeitung des Gehäuses 11 und den Randteilen vorgesehen sind. Allerdings ist die Hauptspindelvorrichtung M so konfiguriert, dass die Lagersteifigkeit (die Steifigkeit der Lager 10a, 10b), die für die Vibrationsreduktion vor der Verarbeitung angemessen ist, anhand der Information des anzuwendenden Werkzeugs 8 berechnet ist, der Vibrationsmodus der Hauptspindel 9 geändert ist, und das Maximum der Vibrationabsorbtionseffizienz der Vibrationsreduzierungsteile (die Dämpfungselemente 20a, 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 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-171074 [0002]
JP 5-138408 [0002]

Claims

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.