DE19837624A1

DE19837624A1 - Spindellagerung mit aktiver Schwingungsdämpfung

Info

Publication number: DE19837624A1
Application number: DE1998137624
Authority: DE
Inventors: Juergen Roeders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-19
Filing date: 1998-08-19
Publication date: 2000-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spindellagerung, insbesondere für die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mit einem Lagergehäuse, in welchem mittels einer Kugellageranordnung drehbar die Spindel gelagert ist, sowie mit einem Antriebsmotor, dessen Stator in dem Lagergehäuse angeordnet ist und dessen Rotor durch die Spindel gebildet wird, wobei der Antriebsmotor mit einer aktiven Motorregelung zur Dämpfung und zur Unterdrückung von Schwingungen der Spindel versehen ist.

Description

Für das Hochgeschwindigkeitsfräsen oder andere Bearbeitungen mit hohen Drehzahlen werden Schnellfrequenzspindeln mit unterschiedlichen Lagertypen eingesetzt. Derzeit sind folgende prinzipiellen Lagertypen bekannt:
Luftlager
Hydrostatische Lager
Kugellager
Aktive Magnetlager.

Luftlager werden bei hohen Anforderungen an den Rundlauf eingesetzt. Sie erlauben sehr hohe Drehzahlen und arbeiten absolut verschleißfrei. Ihr Nachteil besteht in der begrenzten Steifigkeit und Empfindlichkeit der Lager z. B. bei Werkzeugbruch. Wenn die Lagerschlagen einmal durch kurzzeitige Überlastung aneinander stoßen, ist die Spindel kaputt und muß teuer repariert werden.

Die hydrostatischen mit Öl geschmierten Lager sind etwas robuster als die Luftlager, haben aber den Nachteil, daß sie nur begrenzte Drehzahlen erlauben. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine hohe Steifigkeit und damit ein möglichst großer Wellendurchmesser gefordert ist, erreichen diese Lager häufig nicht ausreichende Drehzahlen.

Am häufigsten werden daher die Kugellager, meist als Hybridlager mit Keramikkugeln ausgeführt, eingesetzt. Diese Lagerart erlaubt je nach Schmierung relativ hohe Drehzahlen bei hoher Steifigkeit. Außerdem sind die Lager relativ unempfindlich und werden z. B. bei Werkzeugbruch oder gröberen Bearbeitungen, z. B. Schruppfräsen, nicht beschädigt. Sie können auch bei sehr kleinen Drehzahlen betrieben werden.

Die aktiven Magnetlager erlauben auch einen absolut verschleißfreien Betrieb der Spindel. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht bei kleinen Drehzahlen schwingungsfrei betrieben werden können. D.h. die Spindeln werden für einen begrenzten Drehzahlbereich ausgelegt. In vielen Anwendungen, z. B. beim Fräsen, ist es jedoch wichtig sowohl sehr hohe als auch sehr kleine Drehzahlen zur Verfügung zu haben. Daher kommt die Magnetlagerung bei diese Anwendungen nicht zum Einsatz.

Obwohl sich die Spindeln mit Kugellagern in der Praxis durch ihren großen Drehzahlbereich und ihre Robustheit sehr bewährt haben, zeigt sich durch die zunehmende Genauigkeit der Bearbeitungsmaschinen, daß sie bei hohen Drehzahlen den Anforderungen nur begrenzt genügen. Durch Schwingungen der Spindelwelle entstehen Schwingungen am Bearbeitungswerkzeug und übertragen sich auf die Oberfläche des Werkstückes. Dies führt zu erhöhtem Nacharbeitsaufwand. Außerdem verursachen die Schwingungen unangenehme hochfrequente Geräusche, die den Maschinenbediener belasten.

In Bild 1 ist schematisch dargestellt, wie nach dem heutigen Stand der Technik eine Schnellfrequenzspindel mit Kugellagern aufgebaut ist. Beispielhaft hat sie ein vorderes Lager (1) und ein hinteres Lager (1). Nach dem Stand der Technik ist bekannt, auch mehrere vordere und/oder hintere Lager einzubauen. Außerdem enthält sie zwischen den Lagern den Motor (2), der auf der Welle (3) sitzt. Vorne befindet sich in der Welle die Werkzeugaufnahme (4), hier beispielhaft HSK40. In der Welle befindet sich ein Spanner (5) zum Spannen der Werkzeugaufnahmen in der Spindel. Hinten an der Welle kann ein Geber (6) zur Lageregelung angebracht sein. Dieser ist aber für den Betrieb der Spindel nicht unbedingt erforderlich.

Bei den genannten Nachteilen setzt die neue Erfindung an. Eine Schnellfrequenzspindei mit Kugellagern wird durch eine aktive Motorregelung so betrieben, daß bei hohen Drehzahlen die Schwingungen zusätzlich durch den Motor gedämpft und unterdrückt werden. Bei der Erfindung wird der Motor als Antrieb und als aktives Dämpfungsglied betrieben. Die Lagerung erfolgt weiterhin über die Kugellager. Diese Technik wird bei einer Schnellfrequenzspindel eingesetzt, die den prinzipiellen Aufbau wie oben beschrieben hat.

Die Kugellager erlauben den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen und sichern einen robusten Einsatz der Spindel. Bei hohen Drehzahlen wird der Motor in der Spindel nicht nur als Antrieb sondern zusätzlich als Dämpfungsglied regelungstechnisch betrieben und vermindert damit die durch kleine Unwuchten entstehenden Schwingungen. Rundlauf, Bearbeitungsergebnis, Genauigkeit und Schallpegel werden dadurch erheblich verbessert.

Bei besonders hohen Anforderungen kann der Motor (2) mechanisch so modifiziert werden, daß er für sich für eine Schwingungsdämpfung besser eignet. Er kann z. B. in 2 getrennte Antriebseinheiten geteilt werden, die separat angesteuert werden um die Dämpfung optimaler anpassen zu können, siehe Bild 2. Dabei ist es nicht erforderlich, daß die Antriebseinheiten wie in Bild 2 dargestellt direkt nebeneinander sitzen. Je nach Anwendung kann die Anordnung auch anders erfolgen.

Weitere Verbesserungen können dadurch erreicht werden, daß der Schwingungszustand der Welle in der Spindel oder des Motors mit hochgenauen Sensoren, beispielhaft dargestellt als (7) in Bild 3, während des Betriebes gemessen wird. Die Regelung kann dann auf den gemessenen Istzustand der Welle abgestimmt werden und erreicht noch höhere Dämpfungswerte.

Claims

1. Spindellagerung, insbesondere für die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mit einem Lagergehäuse, in welchem mittels einer Kugellageranordnung drehbar die Spindel gelagert ist, sowie mit einem Antriebsmotor, dessen Stator in dem Lagergehäuse angeordnet ist und dessen Rotor durch die Spindel gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor mit einer aktiven Motorregelung zur Dämpfung und zur Unterdrückung von Schwingungen der Spindel versehen ist.

2. Spindellagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor zur Unwuchtkompensation der Spindel ausgebildet ist.

3. Spindellagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor als Hilfslager in Form eines Magnetlagers ausgebildet ist.

4. Spindellagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor mehrteilig in Form separater, getrennter Motoren ausgebildet ist.

5. Spindellagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Sensoren im Bereich des Lagergehäuses und/oder der Spindel, welche mit der Motorregelung verbunden sind.

6. Spindellagerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Form von Schwingungssensoren ausgebildet sind.

7. Spindellagerung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Form von Sensoren zur Ermittlung der Lage der Spindelwelle ausgebildet sind.