DE2803551A1 - Lagerungssystem fuer schnellaufende spindeln - Google Patents

Description

• Lagerungssystem für schnellaufende Spindeln
• Bei vielen Maschinen und Geräten müssen Bauteile wie beispielsweise Werkzeuge, Werkstücke, Maschinen- oder Geräteteile mittels einer Spindel lagegenau in zentrischer Rotation gehalten werden.
• Dabei besteht oft die Forderung, daß das Bauteil einerseits mit sehr hohen Drehzahlen rotieren und andererseits hierbei sehr starr, das heißt mit möglichst geringen Lageabweichungen bei Einwirkung von Kräften auf das Bauteil geführt werden soll.
• Die Forderung nach hoher Starrheit kann erfüllt werden durch Anwendung eines großen Spindelwellen-Durchmessers. Ein großer Spindelwellen-Durchmesser bedingt zwangsläufig Spindellager, herkömmlicherweise Wälzlager, mit entsprechend großen Durchmessern. Dies jedoch ist der anderen Forderung nach hohen Drehzahlen entgegengerichtet, da hohe Drehzahlen nur bei kleinen Spindellager-Durchmessern möglich sind. Bei bisher bekannten Lagerungssystemen für schnellaufende Spindeln war somit immer nur ein Kompromiß zwischen den beiden erwähnten Forderungen möglich.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagerungssystem für schnellaufende Spindeln zu schaffen, welches einerseits eine hohe Steifigkeit beziehungsweise nur kleine Auslenkungen des von der Spindel geführten Bauteiles unter Belastung gewährleistet und andererseits den Einsatz von Lagern mit kleinen Durchmessern erlaubt und damit hohe Drehzahlen zuläßt.
• Diese Aufgabe wird bei einem Lagerungssystem für eine in einem feststehenden Gehäuse drehbar gelagerte Spindelwelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens drei axiale oder mindestens vier radiale Wegaufnehmer zur Messung der räumlichen Neigung der Spindelwelle nahe dem Aufnahme-Ende der Spindelwelle vorliegen, die Meßsignale erzeugen, welche nach Modifizierung über eine an sich bekannte Steuerungseinrichtung das dem Aufnahme-Ende der Spindelwelle entgegengesetzt liegende Spindellager stetig so beeinflussen, daß aufgrund einer radialen Verlagerung der Spindelwelle in diesem Lager die Neigung der Spindelwelle am Aufnahme-Ende kompensiert wird.
• Da die aus der Neigung der Spindelwelle am Aufnahme-Ende, das heißt dem Ende der Spindelwelle, welches das Bauteil, beispielsweise das Werkzeugs aufnimmt, resultierende radiale Auslenkung im allgemeinen der größte Anteil der radialen Lageänderung des zu führenden Bauteiles ist, wird durch die Eliminierung dieses Anteils eine sehr genaue Führung des Bauteiles beziehungsweise eine hohe Steifigkeit der Spindelwelle erzielt.
• Es ist an sich bereits bekannt, durch berührungslose Wegaufnehmer, beispielsweise induktive oder kapazitive Sensoren, die radiale oder axiale Auslenkung von Wellen sehr genau zu messen und mit den Signalen dieser Sensoren Steuerfunktionen durchzuführen. Diese Sensoren sind bei den bekannten Ausführungen, beispielsweise bei Magnetlagern,in unmittelbarer Nähe derjenigen Lager angeordnet, welche über das Steuergerät so beeinflußt werden, daß im Lager Kräfte erzeugt werden, welche den am Lager gemessenen radialen beziehungsweise axialen Auslenkungen entgegenwirken.
• Anhand eines Ausführungsbeispieles wird das erfindungsgemäße Lagerungssystem näher beschrieben.
• Figur 1 zeigt schematisch einen Teilschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hochtourigen Schnellfrequenz-Schleifspindel.
• Die Spindelwelle 1 ist in einer nicht näher dargestellten Spindelbüchse 2 durch die Kugellager 3 und 4 gelagert.
• Zwischen der Lagerung befindet sich der Schnellfrequenzmotor, bestehend aus dem Rotor 5 und dem Stator 6. In der Spindelnase 7 ist mittels Kegelaufnahme 8 das Werkzeug 9, im gezeigten Beispiel ein Schleifdorn, bewfestigt. Nahe dem Spindelwellenende, an der Spindelnase 7, ist der Wegaufnehmer(Sensor) 10 und im Abstand hiervon der Wegaufnehmer (Sensor) 11 im Gehäuse 2 befestigt. Ein zweites Paar Wegaufnehmer ist in einer um 90 Grad versetzten Achsebene angeordnet. Mindestens ein Wegaufnehmer eines Paares ist dabei so justierbar, daß der Abstand zur Welle im Ruhezustand bei beiden Wegaufnehmern eines Paares gleich groß einstellbar ist. Die Kugellager 4 sind in der Bohrung eines gegen Verdrehung gesicherten Ringes 12 mit einem im wesentlichen zylindrischen Einsatz 13 aus ferromagnetischem Werkstoff eingebaut. Im Ringspalt 14 zwischen dem Ring 12 und der zylindrischen Bohrung der Elektromagneten 15 sind gummielastische Elemente 16 angeordnet.
• Bei radialer Belastung des Schleifdornes 9 verbiegt sich die Spindelwelle 1. An den Sensoren 10 und 11 verändern sich entsprechend der Neigung der Spindelwelle 1 in diesem Bereich die Abstände zwischen den Sensoren und der Welle. Die hierdurch geänderten Signale der Wegaufnehmer (Sensoren) gelangen an das Steuergerät. Je nach der Differenz der Signale eines Sensorpaares wird der Strom in dem Elektromagnetpaar, welches der jeweiligen Sensorebene korrespondiert, so geändert, daß durch die Magnetkraft die Lager 4 radial so weit ausgelenkt werden, bis die Neigung am Spindelwellenende wieder Null wird, beziehungsweise die Abstände der Sensoren 10 und 11 zur Welle wieder gleich groß sind. Die unsymmetrische Beaufschlagung der Elektromagneten 15 bleibt so lange bestehen, bis infolge Kraftänderung eine neue Veränderung der Wellenbiegung beziehungsweise der Neigung der Spindelwelle eintritt.
• Durch Messen und Regeln in zwei senkrecht zueinander liegenden Achsebenen wird erreicht, daß die räumliche Neigung der Spindelwelle am Aufnahmeende durch radiale Verlagerung des der Aufnahmeseite gegenüberliegenden Lagers kompensiert wird. Eine Wellendurchbiegung zwischen den Lagern 3 und 4 hat keinen Einfluß auf eine Lageänderung des in der Spindelnase befestigten Werkzeuges.
• Im Bereich der Lager kann ein kleiner Spindelwellen-Durchmesser gewählt werden, welcher die Auswahl von Lagern mit kleinem Durchmesser erlaubt und somit hohe Drehzahlen zuläßt.
• Die erfindungsgemäße hochtourige Schleifspindel nach Figur 1 gewährleistet einerseits eine hohe Steifigkeit, beziehungsweise nur kleine Auslenkungen des Schleifdornes durch die Schleifkräfte und erlaubt andererseits den Einsatz von Lagern mit kleinen Durchmessern und läßt damit hohe Drehzahlen zu.
• In der Null-Lage sind die Elektromagneten 15 so beaufschlagt, daß den Polen des ferromagnetischen Ringes 13 gleichgerichtete Pole der Elektromagneten gegenüberliegen, die Pole stoßen sich gegenseitig ab, der Wellenmittelpunkt stimmt mit dem Mittelpunkt des statischen Magnetlagers überein. Die elastischen Zwischenringe 16 unterstützen hierbei die Funktion des Magnetlagers, beziehungsweise übernehmen die Zentrierung der Welle bei einem eventuellen Ausfall des Magnetlagers.
• Soll die Welle in einer Ebene radial verlagert werden, wird die in Verlagerungsrichtung liegende Magnetspule je nach Signalstärke weniger stark beziehungsweise bis Null beaufschlagt, gegebenenfalls darüber hinaus mit umgekehrter Stromrichtung. Es liegen sich dann ungleiche Pole gegenüber, die sich nicht mehr abstoßen, sondern anziehen. Die gegenüberliegende Spule kann zur Unterstützung beziehungsweise Vergrößerung der Abstoßwirkung stärker beaufschlagt werden. Den Magnetkräften steht die zur Verlagerung der Welle und zur Verformung der elastischen Ringe 16 erforderliche Kraft gegenüber. Die Umkehrung der Lage der Pole von abstbßender Wirkung zu anziehender Wirkung ermöglicht die Erzielung hoher Auslenkkräfte, da die Magnetkraft im Quadrat zum reziproken Wert des Magnetspaltes zunimmt. Die zwischengeschalteten gummielastischen Elemente 16 mit progressiver Federkennlinie verhindern eine Auslenkung über das gewünschte Maß hinaus und ermöglichen einen einfachen Aufbau des Steuergerätes.
• Sie bewirken zudem eine Dämpfung unerwünschter Schwingungen der Spindelwelle.
• In dem näher erläuterten Beispiel wird die Neigung der Spindelwelle mittels zweier radial zur Wellenachse angeordneter Sensorenpaare gemessen. Diesen zwei Sensorenpaaren entsprechen zwei Elektromagnetpaare mit je zwei Polen je Elektromagnet. Wird die Neigung der Spindelwelle an einer Planfläche in Achsrichtung gemessen, so werden mindestens drei Sensoren benötigt, welchen drei Elektromagnete mit je zwei Polen zugeordnet sind. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Pole zu einem Elektromagneten zusammengefaßt werden oder eine größere Anzahl von Sensoren beziehungsweise Sensorenpaaren zur Anwendung kommen.
• Erfindungsgemäß kann die radiale Verlagerung der Spindelwelle im Lager 4 auch dadurch erreicht werden, daß ein gegen Verdrehung gesichertes hydrostatisches Lager in Anwendung kommt, bei welchem die Druckkammern mit vom Steuergerät geregeltem Druckmittel beaufschlagt werden. Da sich dieses Lager, wie das Magnetlager, nicht dreht, kann eine einfache Konstruktion ohne großen technischen Aufwand vorgesehen werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche : r 1 . Lagerungssystem für eine in einem feststehenden Gehäuse drehbar gelagerte Spindelwelle zum genauen Führen von Bauteilen in Maschinen oder Geräten, ausgerüstet mit Wegaufnehmern, welche die Neigung der Spindelwelle nahe dem Aufnahmeende messen, deren Signale, über ein Steuergerät modifiziert, zur Regelung eines Lagers verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Aufnahmeende der Spindelwelle entfernt liegende Lager durch ein nicht drehendes Hilfslager stetig so radial verlagert wird, daß die am Aufnahmeende der Spindelwelle bei Belastung auftretende Neigung kompensiert wird.
2. 2. Lagerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager als Magnetlager ausgebildet ist.
3. 3. Lagerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslager als Lager nach dem hydrostatischen Prinzip ausgebildet ist.
4. 4. Lagerungssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringspalt des Hilfslagers gummielastische Elemente mit progressiver Federkennlinie angeordnet sind.