DE10210066C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduzierung der Unwucht in schnell laufenden Werkzeugmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zur Reduzierung der Unwucht von um eine Rotationsachse drehenden Werkstücken oder Werkzeugen bei schnell laufenden Werkzeugmaschinen, insbesondere Dreh- oder Fräsmaschinen, wobei eine eine koaxial mit der Rotationsachse anlenkbare Antriebswelle (12) zumindest teilweise umgebende Unwuchtmasse (11) durch mindestens zwei Piezostellelemente (20) radial relativ zur Antriebswelle (12) verstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Reduzierung der Unwucht von um eine Rotationsachse drehenden Werkstücken oder Werkzeugen bei schnell laufen­ den Werkzeugmaschinen, insbesondere Dreh- oder Fräsmaschinen.

In der zerspanenden bzw. abspanenden Werkstückbearbeitung mit metallischen und nicht metallischen Werkstoffen und hier insbesondere beim Fräsen und Drehen kommt es bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch schnell laufende Werkstücke oder bei hohem Vorschub der Werkzeuge zu Unwuchten auf der Rotationsachse. Diese können dabei auf der Werkzeugseite liegen, wenn dieses rotiert (überwiegend beim Fräsen) oder aber auch auf der Werkstückseite, falls dieses rotiert (hauptsächlich beim Drehen).

Durch die Unwuchten entstehen Schwingungen, die sich beim Drehen und Fräsen durch ein Rattern bemerkbar machen, was bei beiden Bearbeitungsmethoden zumindest zu einer ungenauen Werkstückbearbeitung führt und im Extremfall zu einem Bruch des Werkzeugs bzw. des Werkstücks führt.

DE 38 31 928 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Achsen bzw. Wellen, indem eine Kraft senkrecht zur Achse bzw. Welle aufgebracht wird. Dies geschieht durch Piezo-Stellelemente am Außenumfang der Achse bzw. Welle. Hierdurch ist es aber nur möglich, die Lagerung der Achse/Welle zu beeinflussen, ein Einfluss auf die Unwucht auf die Welle ist nicht möglich.

Aus DE 81 22 462 U1 geht ein Reitstock für eine Drehbank als bekannt hervor, bei der das Reitstockoberteil wenigstens zwei gegeneinander bewegliche Teile besitzt und bei dem ein Piezoantrieb dazu dient, einen der Teile auszulenken. Hierdurch ist es zu Beginn der Bear­ beitung möglich, eine exakte Positionierung und Zentrierung des Werkstückes herbeizu­ führen. Eine Reduzierung der Schwingungen und Unwuchten beim Hochgeschwindig­ keitsbearbeiten entfällt jedoch, da sich der Reitstock an der Stelle eines Schwingungskno­ tens befindet und er zur Reduzierung von Unwuchten und Schwingungen nur äußerst inef­ fektiv eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen es möglich ist, bei schnell laufenden Werkzeugmaschinen bzw. bei einer Hochgeschwin­ digkeitsbearbeitung (schneller Vorschub), insbesondere an Dreh- und Fräsmaschinen Unwuchten und dadurch hervorgerufene Schwingungen am Werkstück oder am Werkzeug zu reduzieren.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine eine koaxial mit der die Rotationsachse anlenkbare Antriebswelle zumindest teilweise umgebende Unwuchtmasse durch mindestens zwei Piezostellelemente radial relativ zur Antriebswelle verstellbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine präzisere zerspanende Werkstückbearbei­ tung, insbesondere Fräsen oder Drehen bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten oder hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten durchführbar. Durch die Variabilität der Vorrichtung, womit diese an das Werkstück oder das Werkzeug koaxial zur Rotationsachse aufzubrin­ gen ist, liegt ein weiterer Vorteil darin, dass an verschiedenen Werkzeugmaschinen unab­ hängig davon, ob das Werkstück oder das Werkzeug rotiert, eine Montage und somit eine Verbesserung der Bearbeitungsqualität erzielt wird.

Die mögliche gezielte und regelbare Verschiebung der Unwuchtmasse in eine beliebige radiale Richtung relativ zur Antriebswelle und zur Rotationsachse des Werkstücks oder des Werkzeugs regelt die Unwucht und somit auch Schwingungen frühzeitig heraus. Aufgrund der auf die Antriebswelle wirkenden Zentripedalkraft = m.ω²., mit m als Masse im Abstand || von der Rotationsachse, welche sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω dreht, reichen bei den vorliegenden höheren Drehzahlen schon kleine Bewegungen der Un­ wuchtmasse aus, um bestehende Unwuchten des Systems effektiv zu unterbinden.

Für diese kleinen Bewegungen eignen sich die erfindungsgemäßen Piezostellelemente, welche außerdem eine hohe Stellgeschwindigkeit zum schnellen Ansteuern aufweisen und somit eine ständige Anpassung der Unwuchtmasse an die gegebenen und auch bei Bedarf variierenden Umstände im rotierenden System gewährleisten.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezostellelemente im vorgespannten Zu­ stand zwischen Antriebswelle und Unwuchtmasse eingebaut. Bei den aktiven Komponen­ ten von Piezostellelementen handelt es sich um Keramiken, die besonders gut auf Druck, jedoch nur bedingt auf Zug belastet werden können. Aufgrund der Vorspannung der Piezo­ stellelemente wirkt somit ein ständiger Druck in den Keramikbauteilen, womit verhindert wird, dass eine Zugbelastung im Material entsteht, womit eine längere Lebensdauer der Komponenten erzielt wird.

Die Unwuchtmasse kann ein- oder mehrstückig sein und die Antriebswelle auch nur teil­ weise umgeben, vorteilhafterweise umgibt die Unwuchtmasse aber die Antriebswelle voll­ ständig. Hierzu ist sie bevorzugt einstückig ausgebildet und bildet in Umfangrichtung um die Antriebswelle einen geschlossenen Körper. Dabei ist sie bezüglich der Massenvertei­ lung bevorzugt derart ausgebildet, dass originär keine Vorzugsrichtungen bezüglich der Zentripedalkraft entstehen. Hierzu weist die Unwuchtmasse eine Punktsymmetrie bezüg­ lich der Rotationsachse auf. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die An­ triebswelle eine einfache Scheibe, die mit ihrem Mittelpunkt auf der Rotationsachse aufge­ bracht wird und die Unwuchtmasse ein Ring. Dieser liegt in einer Ebene mit der Scheibe und sein Innendurchmesser ist dabei größer als der Außendurchmesser der Scheibe, so dass Raum zum Verschieben des Ringes relativ zur Scheibe bleibt.

Mit mindestens zwei Piezostellelementen zwischen Antriebswelle und Unwuchtmasse ist es bei unterschiedlicher radialer Ausrichtung der Piezostellelemente (linear unabhängige Stellvektoren in der Rotationsebene) möglich, jegliche Verschiebung der Unwuchtmasse bezüglich der Antriebswelle bis zum Maximalhub der Stellelemente zu realisieren. Dabei können die Stellwege (Hub) der Piezostellelemente radial von der Rotationsachse wegge­ richtet sein, bevorzugt sind die Piezostellelemente aber gegen diese Radialrichtung um einen Winkel α gekippt, insbesonders bevorzugt sind dabei umlaufend aufeinanderfolgen­ de Piezostellelemente jeweils um den Winkel +α und den Winkel -α gekippt. Somit ist ein Paar an Piezostellelementen an der Unwuchtmasse bzw. an der Antriebswelle in der Rota­ tionsebene einander zugeneigt, während das darauffolgende Paar in der Rotationsebene voneinander weggeneigt ist.

Bei einer alternierenden Ausrichtung um den Winkel +α bzw. -α können die Antriebswelle und die Unwuchtmasse derart ausgebildet sein, dass die Kraftangriffspunkte der Piezostell­ elemente an diesen beiden Bauteilen jeweils nur für ein Piezostellelement ausgebildet sind, bevorzugt nutzen aber jeweils zwei einander zugewandete Piezostellelemente einen an der Antriebswolle oder der Unwuchtmasse ausgebildeten Kraftangriffspunkt, der hierfür vor­ teilhafterweise als Nase ausgebildet ist. Hierdurch wird der gegenüber der Radialrichtung gekippte Hub beider einander zugewandter Piezostellelemente mit Übersetzung des akti­ ven Weges in eine radiale Verschiebung umgesetzt.

Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf den verfahrenstechnischen Teil.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine eine koaxial mit der Rotationsachse angelenkte Antriebswelle zumindest teilweise umgebende Unwucht­ masse durch mindestens zwei Piezostellelemente radial relativ zur Antriebswelle verstellt wird.

Der Hub der Piezostellelemente wird dabei durch Anlegen einer Spannung an gestapelte, einzelne Piezokeramiken hervorgerufen, dem sogenannten inversen Piezoeffekt. Beim Pie­ zoeffekt selbst entsteht bei einer mechanischen Deformation eines piezoelektrischen Mate­ rials eine Ladungsverschiebung, so dass an den Enden der Keramik eine der Deformation proportionale Spannung anliegt. Dies wird vorzugsweise dadurch genutzt, dass die Piezo­ stellelemente bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig auch dazu benutzt wer­ den, eine auftretende Unwucht mittels des piezoelektrischen Effekts aufzunehmen und so lange gegenzusteuern, bis diese Unwucht minimiert oder eliminiert ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Figur näher beschriebenen Ausführungsbeispiels beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, und Vorzüge ergeben.

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Reduzierung von Un­ wuchten und Schwingungen an einer schnell laufenden Drehbank oder Fräsmaschine. Hierzu kann sie auf eine Rotationsachse des Werkzeuges oder des Werkstückes aufge­ steckt (Mittelloch hier nicht eingezeichnet) oder auf konventionelle Weise an der Rotati­ onsachse angebracht werden. Die Vorrichtung 10 rotiert somit mit der Winkelgeschwin­ digkeit ω um ihren Mittelpunkt M (Rotationsrichtung mit Pfeil angedeutet, ebenso ist aber auch Rotation in die andere Richtung möglich).

Die Vorrichtung 10 umfasst eine scheibenförmige Antriebswelle 12 und einen diese voll­ ständig umgebenden Ring als Unwuchtmasse 11. Der Innendurchmesser der Unwuchtmas­ se 11 ist dabei größer als der Außendurchmesser der Antriebswelle 12.

Zwischen diesen beiden Bauteilen sind die Piezostellelemente 20 angeordnet, um eine rela­ tive Verschiebung der Unwuchtmasse 11 in Relation zur Antriebswelle 12 zu erzielen, und um mit der dadurch entstehenden Unwucht der Unwucht der Drehbank bzw. der Fräsma­ schine entgegenzusteuern und um somit einen Ausgleich zu erzielen.

Dabei sind die Piezostellelemente 20 umlaufend alternierend jeweils um den Winkel α bzw. um den Winkel -α gekippt, so dass sie mit den an der Antriebswelle 12 gelagerten Enden 20a und mit den an der Unwuchtmasse 11 gelagerten Enden 20b auf jeweils einem Kraftangriffspunkt 12a bzw. 11a zusammenwirken. Hierzu sind die Kraftangriffspunkte an der Antriebswelle 12a und die Kraftangriffspunkte an der Unwuchtmasse 11a kraft­ schlüssig mit den Piezostellelementen 20 ausgestaltet, womit der Krafteintrag optimal vollzogen werden kann.

Hier dargestellt ist ein Beispiel mit sechs gegeneinander gekippten Piezostellelementen 20, wodurch eine dreifache Rotationssymmetrie entsteht. Möglich sind aber auch Vorrichtun­ gen mit einer einfachen bzw. zweifachen Symmetrie oder mit noch höheren Symmetrie­ ordnungen.

Bei der Detektion einer Unwucht, welche sich in einer Schwingung im System der Dreh­ bank oder Fräsmaschine äußern kann, werden die Piezostellelemente 20 so lange angesteu­ ert, bis durch eine Verschiebung der Unwuchtmasse 11 relativ zur Antriebswelle 12 diese ausgegeglichen ist. Bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung kann die Unwucht zeitlich rasch variieren, womit sich diese Änderung auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung widerspiegeln muss. Hierfür sind die schnellschaltenden Piezostellelemente 20 prädesti­ niert, da eine erforderliche Änderung der auszugleichenden Unwucht in der Vorrichtung sofort realisiert werden kann.

Für eine Detektion der Unwucht im System können auch die vorhandenen Piezostellele­ mente 20 verwendet werden. Hierfür wird über die bei einer Unwucht im System auf die Unwuchtmasse 11 herrschende Kraft mittels des Piezoeffekts in den Piezostellelementen 20 registriert. Anschließend werden die Piezostellelemente 20 verstellt, bis die detektierte Unwucht minimal wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung (10) zur Reduzierung der Unwucht von um eine Rotationsachse dre­ henden Werkstücken oder Werkzeugen bei schnell laufenden Werkzeugmaschinen, insbe­ sondere Dreh- oder Fräsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine koaxial mit der Rotationsachse anlenkbare Antriebswelle 12 zumindest teilweise umgebende Un­ wuchtmasse 11 durch mindestens zwei Piezostellelemente (20) radial relativ zur Antriebs­ welle 12 verstellbar ist.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostell­ elemente (20) zwischen Antriebswelle 12 und Unwuchtmasse 11 in vorgespanntem Zustand eingebaut sind.

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtmasse (11) die Antriebswelle (12) senkrecht zur Rotationsachse der Werkzeugmaschine vollständig umgibt.

4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs­ welle (12) eine Scheibe und die Unwuchtmasse (11) ein diese umgebender Ring (11) ist.

5. Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (20) gegen die Radialrichtung um einen Winkel α gekippt sind.

6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostell­ elemente 20 umlaufend alternierend um den Winkel +α und den Winkel -α gekippt sind.

7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass umlaufend aufeinanderfolgende Piezostellelemente (20) einen gemeinsamen Kraftangriffspunkt (11a, 12a) an der Unwuchtmasse (11) bzw. Antriebswelle (12) aufweisen.

8. Verfahren zur Reduzierung der Unwucht von um eine Rotationsachse drehenden Werkstücken oder Werkzeugen bei schnell laufenden Werkzeugmaschinen, insbesondere Dreh- oder Fräsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine koaxial mit der Rota­ tionsachse angelenkte Antriebswelle (12) zumindest teilweise umgebende Unwuchtmasse (11) durch mindestens zwei Piezostellelemente (20) radial relativ zur Antriebswelle (12) verstellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellele­ mente (20) zur gleichzeitigen Aufnahme der Unwucht mittels Piezoeffekt verwendet wer­ den.