DE112010000067B4

DE112010000067B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE112010000067B4
Application number: DE112010000067.0T
Authority: DE
Inventors: Masato Sakakibara; Yoshiyuki Yamaguchi
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: US8347713B2; JP5056796B2; DE112010000067B8; JP2010274375A; CN102292189B; WO2010137433A1; CN102292189A; US20100305898A1; DE112010000067T5

Abstract

Eine Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 zum Messen dynamischer Steifigkeit einer Hauptwelle 6 einer Werkzeugmaschine 5, aufweisend: ein unausgewuchtetes Masterbauteil 2, das an der Hauptwelle über einen Halter 7 befestigt ist und von dem eine Position des Schwerpunkts bezüglich eines Drehzentrums der Hauptwelle 6 versetzt ist; einen Drehzahlmesser 3 zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle 6; und eine Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4, die so positioniert ist, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung L und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung C ist, zugewandt ist und die ein Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils 2 misst. Die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 berechnet die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle 6 basierend auf einer Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit, gemessen vom Drehzahlmesser 3, und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine.
STAND DER TECHNIK
Dynamische Steifigkeit von Hauptwellen (Spindelbereiche) von Werkzeugmaschinen ist ein wichtiger Index der Bearbeitungsgenauigkeit eines Werkstücks, das von der Werkzeugmaschine und dergleichen bearbeitet wird.
Folglich wird z. B. in einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Werkzeugmaschinenspindel, welche in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP H11 19850 A , die einen Elektromagneten und einen berührungslosen Wegsensor verwendet, während eine Hauptwelle der Werkzeugmaschinenspindel rotiert wird, beschrieben sind, ein zu messendes Teil, wie die Hauptwelle und ein Werkzeug, das an der Hauptwelle befestigt ist, in einem berührungslosen Zustand durch magnetische Anziehungskraft des Elektromagneten angeregt und eine Auslenkung des angeregten Teils in einem berührungslosen Zustand durch den berührungslosen Wegsensor gemessen. Folglich können bevorzugte Bearbeitungsbedingungen für ein Werkstück, basierend auf der gemessenen dynamischen Steifigkeit, schnell erhalten werden, bevor das Werkstück bearbeitet wird.
Ferner sind aus der DE 196 41 494 A1 und der DE 102 44 426 B4 Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken bekannt.
Jedoch ist in dem oben genannten konventionellen Verfahren und der Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit eine Anregungskraft extern und zwangsweise auf die Hauptwelle, das Werkzeug, das an der Hauptwelle befestigt ist, und dergleichen durch die magnetische Anziehungskraft des Elektromagneten aufgebracht. Die dynamische Steifigkeit wird basierend auf der Beziehung zwischen der aufgebrachten Anregungskraft und der Auslenkung der Hauptwelle und dergleichen berechnet. Folglich, da während einer Rotation der Hauptwelle eine Zentrifugalkraft auf die Hauptwelle und dergleichen durch die Anregungskraft aufgebracht ist, enthält der erhaltene dynamische Steifigkeitswert den Wert der Zentrifugalkraft als Fehler.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das oben genannte konventionelle Problem entwickelt und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen dynamischer Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzugmaschine vorzusehen, die zum Erhalten einer dynamischer Steifigkeit mit hoher Genauigkeit im Stande sind.
Gemäß einer ersten Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine dadurch gekennzeichnet, dass diese enthält: ein unausgewuchtetes Masterbauteil, das über einen Halter an der Hauptwelle befestigt ist und bei dem die Position des Schwerpunkts bezüglich eines Drehzentrums der Hauptwelle versetzt ist, einen Drehzahlmesser zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle, und eine Schlag- bzw. Abweichungsmaß-Messvorrichtung, die so positioniert ist, dass diese dem ununausgewuchteten Masterbauteil an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung ist, zugewandt ist und die ein Schlag- bzw. Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils misst, wobei die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle basierend auf einer Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit, gemessen vom Drehzahlmesser, und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung, berechnet wird.
Gemäß einer zweiten Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: Verwenden eines unausgewuchteten Masterbauteils, bei dem die Position des Schwerpunkts bezüglich eines Drehzentrums der Hauptwelle versetzt ist, Befestigen des unausgewuchteten Masterbauteils an der Hauptwelle über einen Halter und Positionieren einer Abweichungsmaß-Messvorrichtung, so dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung ist, zugewandt ist, Messen eines Abweichungsmaßes des unausgewuchteten Masterbauteils mit der Abweichungsmaß-Messvorrichtung, wenn das unausgewuchtete Masterbauteil durch Rotation der Hauptwelle rotiert wird, und Berechnen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle basierend auf einer Beziehung zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung.
Die Vorrichtung und das Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden das unausgewuchtete Masterbauteil, den Drehzahlmesser und die Abweichungsmaß-Messvorrichtung.
Dementsprechend ist die Vorrichtung leicht zu handhaben und ermöglicht, dass die dynamische Steifigkeit mit hoher Genauigkeit gemessen wird.
Genauer gesagt wird in der vorliegenden Erfindung das unausgewuchtete Masterbauteil, das über den Halter an der Hauptwelle befestigt ist, durch Rotation der Hauptwelle der Werkzeugmaschine rotiert. Zu diesem Zeitpunkt ist das unausgewuchtete Masterbauteil der Zentrifugalkraft ausgesetzt, da die Position des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils bezüglich des Drehzentrums der Hauptwelle versetzt ist. Diese Zentrifugalkraft veranlasst das unausgewuchtete Masterbauteil an jeder Position in der Umfangsrichtung radial gleichmäßig abzuweichen.
Folglich kann die Abweichungsmaß-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung so positioniert werden, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil an jeder beliebigen Position in der Umfangsrichtung zugewandt ist, um das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils zu messen. Dies kann einen Fehler verhindern, der in dem gemessenen Abweichungsmaß, das von der Position der Abweichungsmaß-Messvorrichtung in der Umfangsrichtung der Hauptwelle der Werkzeugmaschine abhängt, verursacht wird.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Anregungskraft durch Verwendung der Zentrifugalkraft generiert, die durch Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils generiert wird. Folglich muss keine externe Kraft zum Generieren der Anregungskraft aufgebracht werden und die Kraft, die durch einen Rotationskörper, wie die Hauptwelle, der Halter, und das unausgewuchtete Masterbauteil selbst, generiert wird, kann zum Generieren der Anregungskraft verwendet werden. Folglich kann die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle mit hoher Genauigkeit durch Berechnung basierend auf der Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit, gemessen vom Drehzahlmesser, und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung, erhalten werden.
Folglich kann die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine, die in der Lage ist, dynamische Steifigkeit genau zu erhalten, gemäß der ersten Erfindung vorgesehen werden.
Das Verfahren zum Messen dynamischer Steifigkeit einer Hauptwelle einer Werkzeugmaschine, das in der Lage ist, dynamische Steifigkeit genau zu erhalten, kann gemäß der zweiten Erfindung vorgesehen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Abbildung, die die Struktur einer Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes unausgewuchtetes Masterbauteil gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein zweites unausgewuchtetes Masterbauteil gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Abbildung, die die Struktur einer Hauptwelle gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen dynamischer Steifigkeit gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle und der Zentrifugalkraft gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle und dem Abweichungsmaß gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zentrifugalkraft und dem Abweichungsmaß gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in dem ein unausgewuchtetes Masterbauteil in dem Fall, wo eine Anregungskraft auf die Hauptwelle durch Verwendung des unausgewuchteten Masterbauteils gemäß der ersten Ausführungsform aufgebracht ist, abweicht.
10 ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in dem ein Werkzeug abweicht, wenn eine Anregungskraft auf eine Hauptwelle durch Verwendung eines Elektromagneten gemäß einem konventionellen Beispiel aufgebracht ist.
11 ist eine Darstellung, die eine Auslenkung eines Schaftfräsers zeigt, die durch Abweichung einer Hauptwelle während einer Bearbeitung gemäß einer zweiten Ausführungsform verursacht wird.
12 ist eine Darstellung, die eine Auslenkung des Schaftfräsers zeigt, die durch Schnittfestigkeit während einer Bearbeitung gemäß der zweiten Ausführungsform verursacht wird.
BESTE ARTEN FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der oben beschriebenen Vorrichtung und des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen dynamischer Steifigkeit der Hauptwelle einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
In der ersten und zweiten oben beschriebenen Erfindung ist es bevorzugt, vorausgesetzt m repräsentiert eine Masse des unausgewuchteten Masterbauteils, r repräsentiert einen Versetzungsbetrag der Position des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils bezüglich des Drehzentrums der Hauptwelle, ω repräsentiert eine Drehwinkelgeschwindigkeit des unausgewuchteten Masterbauteils und r' repräsentiert ein Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils, das mit der Rotationswinkelgeschwindigkeit rotiert, dass die Vorrichtung so strukturiert ist, eine Zentrifugalkraft F basierend auf F = m × (r + r') × ω² zu berechnen und die dynamische Steifigkeit G basierend auf G = r'/F zu berechnen.
In diesem Fall kann die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle der Werkzeugmaschine einfach und genau erhalten werden.
Es ist bevorzugt, dass das unausgewuchtete Masterbauteil so gestaltet ist, dass ein Teil eines zylindrischen Materials in einer Umfangsrichtung entlang einer Axialrichtung ausgeschnitten ist.
In diesem Fall ist die Gestalt des unausgewuchteten Masterbauteils angemessen und das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils kann von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung genau gemessen werden. Die Position des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils bezüglich des Drehzentrums der Hauptwelle kann leicht ermittelt werden.
Ausführungsformen einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Messen dynamischer Steifigkeit einer Hauptwelle in einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 und 2 gezeigt, besitzt eine Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 zum Messen einer dynamischer Steifigkeit einer Hauptwelle 6 einer Werkzeugmaschine 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein unausgewuchtetes Masterbauteil 2, einen Drehzahlmesser 3 und eine Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4. Das unausgewuchtete Masterbauteil 2 ist an der Hauptwelle 6 über einen Halter 7 befestigt und eine Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 ist bezüglich des Drehzentrums O der Hauptwelle 6 versetzt. Der Drehzahlmesser 3 misst die Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle 6. Die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 ist so positioniert, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung L des unausgewuchteten Masterbauteils 2 und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung C des unausgewuchteten Masterbauteils 2 ist, zugewandt ist und das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils 2 misst. Die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 ist so strukturiert, dass eine dynamische Steifigkeit der Hauptwelle basierend auf der Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit, gemessen vom Drehzahlmesser 3, und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4, berechnet wird.
Die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 und ein Verfahren zum Messen der dynamischer Steifigkeit der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird im Detail mit Bezug auf die 1–10 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist die Werkzeugmaschine 5 der vorliegenden Ausführungsform ein Bearbeitungszentrum, das so strukturiert ist, dass eine Vielzahl von Werkzeugarten, die an der Hauptwelle 6 durch den Halter 7 befestigt sind, miteinander ausgetauscht werden können. Der Drehzahlmesser 3 der vorliegenden Ausführungsform ist an der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 befestigt. Die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 der vorliegenden Ausführungsform misst das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils durch Aufnehmen eines projizierten Bildes des unausgewuchteten Masterbauteils 2 in einer berührungslosen Weise. Genauer gesagt erfasst die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 der vorliegenden Ausführungsform Bilder des unausgewuchteten Masterbauteils 2 in vorbestimmten Stichprobenintervallen während einer Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2 zum Erhalten des Durchmessers des unausgewuchteten Masterbauteils 2 während Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2. Die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 erhält das Abweichungsmaß basierend auf der Differenz zwischen dem Durchmesser des unausgewuchteten Masterbauteils 2, während Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2, und dem Durchmesser des unausgewuchteten Masterbauteils 2, während das unausgewuchtete Masterbauteil 2 stationär ist. Vorausgesetzt D1 repräsentiert den Durchmesser, während Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2 und D0 repräsentiert den Durchmesser, während das unausgewuchtete Masterbauteil 2 stationär ist, kann dieses Abweichungsmaß r' durch r' = (D1 – D0)/2 erhalten werden.
Die Stichprobenintervalle sind so bestimmt, nicht mit der Rotationsperiode der Hauptwelle gleichzuschalten, so dass die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 das Bild des gesamten Umfangs des unausgewuchteten Masterbauteils 2 erfassen kann.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist das unausgewuchtete Masterbauteil 2 der vorliegenden Ausführungsform so gestaltet, dass ein Teil eines zylindrischen Materials in der Umfangsrichtung C entlang der Axialrichtung L ausgeschnitten ist. Die Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 kann durch Bestimmung des Winkelbereichs, bei dem das zylindrische Material ausgeschnitten ist, soweit erforderlich verändert werden. 2 zeigt ein erstes unausgewuchtetes Masterbauteil 2, das durch Vorsehen eines Ausschnitts 21 von 45° in ein zylindrisches Material geformt ist und 3 zeigt ein zweites unausgewuchtetes Masterbauteil 2, das durch Vorsehen eines Ausschnitts 21 von 90° in ein zylindrisches Material geformt ist. Eine Zentrifugalkraft, die durch das unausgewuchtete Masterbauteil 2 generiert wird, kann durch Verändern der Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 soweit erforderlich verändert werden.
4 zeigt die Struktur der Hauptwelle 6, die durch einen Motor 51 als eine Antriebsquelle rotiert wird. Die Hauptwelle 6 ist durch eine Kuppelstange 61, die an eine Abtriebswelle des Motors 51 über einen Kupplungsbereich (eine Kupplung) 52 gekoppelt ist, gebildet. Die Kupplung 52 absorbiert eine Versetzung zwischen der Wellenmitte der Abtriebswelle des Motors 51 und der Wellenmitte der Kuppelstange 61. Die Kuppelstange 61 ist jeweils drehbar durch Lager 53 an einem oberen Ende, das sich in der Nähe der Kupplung 52 befindet, und einem unteren Ende gelagert. Das obere Lager 53A, das sich näher an der Kupplung (dem Kupplungsbereich) 52 befindet, hat eine höhere Festigkeit um ein Wirbeln bzw. Schlagen der Kuppelstange 61 zu unterdrücken und um die Last auf die Kuppelstange 61 zu reduzieren.
Das unausgewuchtete Masterbauteil 2 oder ein Werkzeug zum Durchführen verschiedener Arten der Bearbeitung sind an das untere Ende der Kuppelstange 61 über den Halter 7 befestigt. Der Drehpunkt der Abweichung des unausgewuchteten Masterbauteils 2 oder des Werkzeugs wird als in der Nähe der Kupplung 52 oder des oberen Lagers 53A lokalisiert betrachtet.
Vorausgesetzt X repräsentiert den Abstand vom spitzen Ende (dem unteren Ende) des unausgewuchteten Masterbauteils 2 oder des Werkzeugs zu dem Kupplungsbereich (der Kupplung) 52, dann liegt der Abstand Y vom spitzen Ende zum Basisende des unausgewuchteten Masterbauteils 2 oder des Werkzeugs im Bereich von 0,1 bis 0,2 X. Zu diesem Zeitpunkt, falls das Abweichungsmaß des spitzen Endes des unausgewuchteten Masterbauteils 2 oder des Werkzeugs 100 μm beträgt, ist das Abweichungsmaß des Basisendes davon 80 bis 90 μm. Falls die Gesamtlänge des unausgewuchteten Masterbauteils 2 oder des Werkzeugs 130 mm beträgt, ist ein Fehler, der in dem gemessenen Abweichungsmaß verursacht wird, 0,08 bis 0,15 μm/mm groß, wenn die Messposition von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 durch Schritte von 1 mm in die axiale Richtung L verschoben wird. Folglich ist dieser Fehler sehr klein. Dementsprechend, sogar falls die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 ein wenig in der axialen Richtung L, wenn diese so positioniert ist, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 oder dem Werkzeug an einer vorbestimmten Position in der Axialrichtung L zugewandt ist, verschoben ist, wird nur ein vernachlässigbarer Fehlerbetrag durch eine solche Auslenkung in der Axialrichtung L verursacht.
Beim Messen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle 6 wird das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils 2 bei einer Vielzahl von Positionen in der Axialrichtung L durch die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 gemessen und die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle 6 kann als ein Durchschnittswert der jeweiligen Werte an den Positionen des unausgewuchteten Masterbauteils 2 in der Axialrichtung L erhalten werden. Beim Erhalten der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle 6 kann die dynamische Steifigkeit gemäß den Messpositionen des unausgewuchteten Masterbauteils 2 in der Axialrichtung L soweit erforderlich korrigiert werden.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 der vorliegenden Ausführungsform weiterhin eine Rechenvorrichtung 10 zum Empfangen von Daten der Rotationsgeschwindigkeit v vom Drehzahlmesser 3 und empfängt Daten des Abweichungsmaßes r' des unausgewuchteten Masterbauteils 2 von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 zum Berechnen der dynamischen Steifigkeit.
Vorausgesetzt m repräsentiert die Masse des unausgewuchteten Masterbauteils 2, r repräsentiert den Betrag der Versetzung der Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 vom Drehzentrum O der Hauptwelle 6, ω repräsentiert die Drehwinkelgeschwindigkeit des unausgewuchteten Masterbauteils 2 und r' repräsentiert das Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils 2, das bei dieser Drehwinkelgeschwindigkeit rotiert, dann ist die Rechenvorrichtung 10 zum Berechnen einer Zentrifugalkraft F basierend auf F = m × (r + r') × ω² und zum Berechnen dynamischer Steifigkeit G der Hauptwelle 6 basierend auf G = r'/F strukturiert. Die Rechenvorrichtung 10 misst das Abweichungsmaß r' und berechnet die Zentrifugalkraft F, während diese die Rotationsgeschwindigkeit v der Hauptwelle 6, an der das unausgewuchtete Masterbauteil 2 befestigt ist, verändert. Folglich, wie in 8 gezeigt, kann die Rechenvorrichtung 10 die dynamische Steifigkeit G der Hauptwelle 6 als ein Gradient α einer Linie M, die die Beziehung zwischen F und r' repräsentiert, erhalten. Der Gradient α der Linie M kann durch Annäherung mit einer Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen erhalten werden.
Ein Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle 6 durch Verwendung des unausgewuchteten Masterbauteils 2 wird im Folgenden mit Bezug auf das Flussdiagramm der 5 beschrieben.
Zuerst wird die Masse m des unausgewuchteten Masterbauteils 2 gemessen (Schritt S1 in 5).
Als nächstes wird das unausgewuchtete Masterbauteil 2 an der Hauptwelle 6 über den Halter 7 befestigt (S2) und die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 wird so in einem vorbestimmten Abstand vom Drehzentrum O der Hauptwelle 6 positioniert, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an einer vorbestimmten Position in der Axialrichtung L zugewandt ist (S3). Zu diesem Zeitpunkt kann die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 so positioniert werden, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an jeder beliebigen Position in der Umfangsrichtung C zugewandt ist.
Danach wird die Hauptwelle 6 rotiert (S4) und die Rotationsgeschwindigkeit v der Hauptwelle 6 mit dem Drehzahlmesser 3 gemessen und das Abweichungsmaß r' des unausgewuchteten Masterbauteils 2 mit der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 in einer Radialrichtung gemessen (S5). Zu diesem Zeitpunkt wird das Abweichungsmaß r' gemessen, während die Rotationsgeschwindigkeit v der Hauptwelle 6 schrittweise verändert (erhöht) wird (S6), um die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit v und Abweichungsmaß r' zu erhalten (siehe 7). In der vorliegenden Ausführungsform wird die Rotationsgeschwindigkeit v der Hauptwelle 6 in Schritten von 500 (U/min) erhöht.
Nachdem die Abweichungsmaße gemessen sind (S7), liest die Rechenvorrichtung 10 den Trägheitsradius r (mm) des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 (der Abstand r vom Drehzentrum O der Hauptwelle zu der Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2) aus CAD-Designdaten (S8). Die Rechenvorrichtung 10 berechnet dann die Zentrifugalkraft F (N) basierend auf F = m × (r + r') × ω² durch Verwendung der gemessenen Masse m (kg) des unausgewuchteten Masterbauteils 2 und durch Verwendung der Daten von jedem der gemessenen Abweichungsmaße r' (mm), die bei den jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten v (jeweiligen Drehwinkelgeschwindigkeiten ω) erhalten werden (siehe S9, 6). Zu diesem Zeitpunkt wird, vorausgesetzt v repräsentiert die Rotationsgeschwindigkeit (U/min), die Drehwinkelgeschwindigkeit ω (rad/sec) basierend auf ω = v/(2π × 60) erhalten.
Wie in 8 gezeigt, werden die Zentrifugalkraft F (N) und das Abweichungsmaß r' (μm) bei jeder Rotationsgeschwindigkeit v zum Erhalten des Gradienten α der Linie M, die die Beziehung zwischen F und r' zeigt, durch eine Methode der kleinsten Quadrate, aufgezeichnet (S10). Folglich kann die dynamische Steifigkeit G (μm/N) der Hauptwelle 6 als der Gradient α aus G = r'/F erhalten werden (S11).
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit v (U/min) der Hauptwelle 6 und der Zentrifugalkraft F (N) für das erste unausgewuchtete Masterbauteil 2 (2) und für das zweite unausgewuchtete Masterbauteil 2 (3), wie oben beschrieben, graphisch darstellt. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit v (U/min) der Hauptwelle 6 und dem Abweichungsmaß r' (μm) des unausgewuchteten Masterbauteils 2 für das erste unausgewuchtete Masterbauteil 2 (2) und für das zweite unausgewuchtete Masterbauteil 2 (3), wie oben beschrieben, graphisch darstellt. Aus 6 und 7 ist ersichtlich, dass die Zentrifugalkraft F und das Abweichungsmaß r' wie eine quadratische Funktion mit einem Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit v zunehmen.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zentrifugalkraft F (N) und dem Abweichungsmaß r' (μm) des unausgewuchteten Masterbauteils 2 graphisch darstellt. Aus 8 wird ersichtlich, dass das Abweichungsmaß r' des unausgewuchteten Masterbauteils 2 im Wesentlichen proportional zu der Zentrifugalkraft F ist. Folglich, kann der Gradient α der Linie M als die dynamische Steifigkeit G der Hauptwelle 6 erhalten werden.
Die Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 und das Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 der vorliegenden Ausführungsform verwendet das unausgewuchtete Masterbauteil 2, den Drehzahlmesser 3, und die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4. Dies ermöglicht, dass die dynamische Steifigkeit mit hoher Genauigkeit mit einer leicht zu handhabenden Vorrichtung gemessen wird.
Genauer gesagt wird in der vorliegenden Ausführungsform das unausgewuchtete Masterbauteil 2, das an der Hauptwelle 6 über den Halter 7 befestigt ist, durch Rotation der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 rotiert. Zu diesem Zeitpunkt ist das unausgewuchtete Masterbauteil 2 der Zentrifugalkraft F ausgesetzt, da die Position A des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils 2 bezüglich des Drehzentrums O der Hauptwelle 6 versetzt ist.
Diese Zentrifugalkraft veranlasst das unausgewuchtete Masterbauteil 2 bei jeder Position in der Umfangsrichtung C radial gleichmäßig abzuweichen.
Folglich kann die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 der vorliegenden Ausführungsform so positioniert werden, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an jeder beliebigen Position in der Umfangsrichtung C zugewandt ist, um das Abweichungsmaß r' des unausgewuchteten Masterbauteils 2 zu messen. Dies kann einen Fehler verhindern, der in dem gemessenen Abweichungsmaß r', das von der Position der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 in der Umfangsrichtung C der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 abhängt, verursacht wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Anregungskraft durch Verwendung der Zentrifugalkraft F, die durch Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2 erzeugt wird, generiert. Folglich muss keine externe Kraft zum Generieren der Anregungskraft aufgebracht werden, und die Kraft, die durch einen Rotationskörper, wie die Hauptwelle 6, der Halter 7, und das unausgewuchtete Masterbauteil 2 selbst, erzeugt wird, kann zum Generieren der Anregungskraft verwendet werden. Folglich kann die dynamische Steifigkeit G der Hauptwelle 6 mit hoher Genauigkeit durch Berechnung basierend auf der Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit v (der Drehwinkelgeschwindigkeit ω), gemessen vom Drehzahlmesser 3, und dem Abweichungsmaß r', gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4, erhalten werden.
9 zeigt den Fall, wo die Anregungskraft auf die Hauptwelle 6 durch Verwendung des unausgewuchteten Masterbauteils 2 der vorliegenden Ausführungsform aufgebracht ist. 10 zeigt den Fall, wo die Anregungskraft auf ein Werkzeug 92 in der Hauptwelle 6 durch Verwendung eines konventionellen Elektromagneten 91 aufgebracht ist.
In 10, wenn die Anregungskraft auf das Werkzeug 92 durch Verwendung des Elektromagneten 91 aufgebracht ist, weicht das Werkzeug 92 in eine Richtung entgegen des Elektromagneten 91 während eines Rotierens ab. In diesem Fall, wenn das Abweichungsmaß s des Werkzeugs 92 von der Richtung entgegen des Elektromagneten 91 gemessen wird, verursacht eine leichte Auslenkung der Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 in einer lateralen Richtung W von der Position gegenüber des Elektromagneten 91 einen Fehler im gemessenen Abweichungsmaß s.
Auf der anderen Seite, wenn das unausgewuchtete Masterbauteil 2 in 9 rotiert wird, ist das unausgewuchtete Masterbauteil in allen Richtungen der Umfangsrichtung C durch die Zentrifugalkraft gleichermaßen angeregt. Folglich, sogar wenn die Abweichungsmaß-Messvorrichtung 4 in einem festen Abstand von dem Drehzentrum O so positioniert ist, dass es dem unausgewuchteten Masterbauteil 2 an jeder beliebigen Position in der Umfangsrichtung C zugewandt ist, wird im Wesentlichen kein Fehler in dem gemessenen Abweichungsmaß r' verursacht. Zu beachten ist, dass D0 den Durchmesser des unausgewuchteten Masterbauteils 2, während das unausgewuchtete Masterbauteil 2 stationär ist, repräsentiert, D1 den Durchmesser des unausgewuchteten Masterbauteils 2, während Rotation des unausgewuchteten Masterbauteils 2, repräsentiert und E den Bereich, in dem das unausgewuchtete Masterbauteil 2 abweicht, repräsentiert.
Der gemessene Wert der dynamischen Steifigkeit kann als verschiedene Evaluationskriterien für Werkzeugmaschinen (Bearbeitungsmaschinen) verwendet werden.
Zum Beispiel kann der dynamische Steifigkeitswert zum Bewerten der Leistung von Werkzeugmaschinen als ein Evaluationskriterium für die Werkzeugmaschinen verwendet werden. Wenn ein zu verwendetes Werkzeug bereits bei der Bestimmung von Bearbeitungsbedingungen bestimmt wurde, dient der Wert der dynamischen Steifigkeit als ein Index zum Bestimmen von Bearbeitungsbedingungen, die die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit erfüllen. Wenn ein zu verwendendes Werkzeug und Bearbeitungsbedingungen bereits bestimmt wurden, wenn eine Bearbeitungsgenauigkeit abgeschätzt wurde, kann der Wert der dynamischen Steifigkeit zum Berechnen einer abgeschätzten Bearbeitungsgenauigkeit zum Ausführen der Bearbeitung verwendet werden. Bei der Abschätzung der Bearbeitungsgenauigkeit kann bestimmt werden, ob die abgeschätzte Bearbeitungsgenauigkeit die Bearbeitungsgenauigkeit, die für ein Werkzeug, das an die Werkzeugmaschine befestigt ist, erforderlich ist, erfüllt.
Der Wert der dynamischen Steifigkeit kann zum Berechnen einer abgeschätzten Auslenkung der Hauptwelle aufgrund von Abweichung eines Werkzeugs während einer Bearbeitung und der Schnittfestigkeit, basierend auf einem zu verwendenden Werkzeug und Bearbeitungsbedingungen, verwendet werden, um eine Kompensation für eine Bearbeitungsgenauigkeit zu erhalten. Falls Bearbeitungsbedingungen bereits bestimmt worden sind, dient der Wert der dynamischen Steifigkeit als ein Index eines Werkzeuggleichgewichts, der erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit als ein Werkzeugdesignkriterium erfüllt. Außerdem, falls Bearbeitungsbedingungen und eine geforderte Bearbeitungsgenauigkeit bereits bestimmt worden sind, dient der Wert der dynamischen Steifigkeit als ein Index zur Auswahl eines Werkzeugs, das ein angemessenes Gleichgewicht besitzt.
Die vorliegende Ausführungsform zeigt ein Beispiel zum Kompensieren für eine Bearbeitungsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine 5 durch Verwendung gemessener dynamischer Steifigkeit G. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Schaftfräser 2A als ein Bearbeitungswerkzeug in der Werkzeugmaschine 5 verwendet.
Eine Rechenvorrichtung 10 einer Vorrichtung zum Messen der dynamischen Steifigkeit 1 misst die Masse m des Schaftfräsers 2A oder liest dieselbe aus Designdaten, liest ein Gleichgewicht r des Schaftfräser 2A (der Abstand vom Drehzentrum O einer Hauptwelle zu einer Position A des Schwerpunkts des Schaftfräsers 2A) aus den Designdaten und liest Daten der Rotationsgeschwindigkeit v der Hauptwelle 6 während einer Bearbeitung.
Danach wird durch Verwendung des Werts der dynamischen Steifigkeit G der Hauptwelle 6, der im Voraus erhalten worden ist, einen Wert der Abweichung r' des Schaftfräsers 2A, der während einer Bearbeitung mit dem Schaftfräser 2A Abschätzungen zufolge generiert wird, mit r' = (G × m × r × ω)²)/(1 – G × m × ω)²), der durch Umformen des Ausdrucks G = r'/F = r'/{(G × m × (r + r') × ω)²)} erhalten wird, berechnet. Danach wird der Betrag der Auslenkung des Schaftfräsers 2A während einer Bearbeitung im Hinblick auf die Schnittfestigkeit berechnet. Danach wird ein abgeschätzter Bearbeitungsfehler, der während einer Bearbeitung mit dem Schaftfräser 2A Abschätzungen zufolge generiert wird, berechnet und die Bearbeitungsposition des Schaftfräsers 2A wird zum Zulassen des abgeschätzten Bearbeitungsfehlers korrigiert.
11 zeigt, dass eine aktuelle Bearbeitungslinie K' eines Werkstücks 8 von einer Zielbearbeitungslinie K aufgrund einer Auslenkung des Schaftfräsers 2A, die durch Abweichung der Hauptwelle während einer Bearbeitung verursacht wird, verschoben ist. 12 zeigt, dass eine aktuelle Bearbeitungslinie K' des Werkstücks 8 von einer Zielbearbeitungslinie K aufgrund einer Auslenkung des Schaftfräsers 2A, die durch die Schnittfestigkeit, die auf den Schaftfräser 2A während einer Bearbeitung aufgebracht wird, verursacht wird, verschoben ist. In diesen Fällen kann die aktuelle Bearbeitungslinie K' mit der Zielbearbeitungslinie K im Wesentlichen durch Korrektur der Bearbeitungsposition des Schaftfräsers 2A abgestimmt werden.
Folglich kann die Bearbeitungsgenauigkeit für das Werkstück 8 erhöht werden, wenn die dynamische Steifigkeit G der Hauptwelle 6 der Werkzeugmaschine 5 mit hoher Genauigkeit erhalten werden kann.

Claims

Vorrichtung (1) zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle (6) einer Werkzeugmaschine (5), gekennzeichnet durch: ein unausgewuchtetes Masterbauteil (2), das an der Hauptwelle (6) über einen Halter (7) befestigt ist und dessen Position (A) des Schwerpunkts bezüglich eines Drehzentrums (O) der Hauptwelle (6) versetzt ist, einen Drehzahlmesser (3) zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle (6), und eine Abweichungsmaß-Messvorrichtung (4), die so positioniert ist, dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil (2) an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung (L) und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung (U) ist, zugewandt ist und die ein Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils (2) misst, wobei die dynamische Steifigkeit der Hauptwelle (6) basierend auf einer Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit, gemessen vom Drehzahlmesser (3), und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung (4), berechnet wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentrifugalkraft F basierend auf F = m × (r + r') × ω)² berechnet wird und die dynamische Steifigkeit G basierend auf G = r'/F berechnet wird, wobei m die Masse des unausgewuchteten Masterbauteils (2) repräsentiert, r einen Versetzungsbetrag der Position (A) des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils (2) bezüglich des Drehzentrums (O) der Hauptwelle (6) repräsentiert, ω eine Drehwinkelgeschwindigkeit des unausgewuchteten Masterbauteils (2) repräsentiert und r' ein Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils (2), das mit der Drehwinkelgeschwindigkeit rotiert, repräsentiert.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unausgewuchtete Masterbauteil (2) so geformt ist, dass ein Teil eines zylindrischen Materials in einer Umfangsrichtung entlang einer Axialrichtung ausgeschnitten ist.
Verfahren zum Messen der dynamischen Steifigkeit einer Hauptwelle (6) einer Werkzeugmaschine (5), gekennzeichnet durch Verwenden eines unausgewuchteten Masterbauteils (2), von dem eine Position (A) des Schwerpunkts bezüglich eines Drehzentrums (O) der Hauptwelle (6) versetzt ist, Befestigen des unausgewuchteten Masterbauteils (2) an der Hauptwelle (6 = über einen Halter (7) und Positionieren einer Abweichungsmaß-Messvorrichtung (4), so dass diese dem unausgewuchteten Masterbauteil (2) an einer Position, die eine vorbestimmte Position in einer Axialrichtung (L) und jede beliebige Position in einer Umfangsrichtung (U) ist, zugewandt ist, Messen eines Abweichungsmaßes des unausgewuchteten Masterbauteils (2) mit der Abweichungsmaß-Messvorrichtung (4), wenn das unausgewuchtete Masterbauteil (2) durch Rotation der Hauptwelle (6) rotiert wird, und Berechnen der dynamischen Steifigkeit der Hauptwelle (6) basierend auf einer Beziehung zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit der Hauptwelle (6) und dem Abweichungsmaß, gemessen von der Abweichungsmaß-Messvorrichtung (4).
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentrifugalkraft F basierend auf F = m × (r + r') × ω² berechnet wird und die dynamische Steifigkeit G basierend auf G = r'/F berechnet wird, wobei m die Masse des unausgewuchteten Masterbauteils (2) repräsentiert, r einen Versetzungsbetrag der Position (A) des Schwerpunkts des unausgewuchteten Masterbauteils (2) bezüglich des Drehzentrums (O) der Hauptwelle (6) repräsentiert, ω eine Drehwinkelgeschwindigkeit des unausgewuchteten Masterbauteils (2) repräsentiert und r' ein Abweichungsmaß des unausgewuchteten Masterbauteils (2), das mit der Drehwinkelgeschwindigkeit rotiert, repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das unausgewuchtete Masterbauteil (2) so geformt ist, dass ein Teil eines zylindrischen Materials in einer Umfangsrichtung entlang einer Axialrichtung ausgeschnitten ist.