DE4436827A1 - Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Innen­ schleifmaschine, bei der ein Werkzeug am vorderen Ende einer drehantreib­ baren Spindel angeordnet ist, die in einer geregelten Magnetlageranordnung gelagert ist.

Bei Innenschleifmaschinen und dergleichen Werkzeugmaschinen ist die als Rotor ausgebildete Spindel der darin enthaltenen Spindeleinrichtung übli­ cherweise in herkömmlichen, nicht berührungsfreien Lagern gelagert, bei­ spielsweise in reibungsarmen Lagern aus Stahl oder reibungsarmer Keramik. In den letzten Jahren hat sich jedoch aufgrund der Nachfrage nach erhöhter Produktivität ein Bedarf ergeben, die Rotationsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit für die Bearbeitung zu erhöhen. Es ist deshalb vor­ geschlagen worden, die Spindel berührungslos in einer geregelten Magnetla­ geranordnung zu lagern.

Weiterhin ist für Werkzeugmaschinen, bei denen die Spindel berührungslos in einer solchen Magnetlageranordnung gelagert ist, ein Berührungsdetektor vorgeschlagen worden, der so ausgebildet ist, daß er die Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück erkennt, wenn der Erregerstrom des Magnetlagers einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet (JP 1-252 343 A).

Werkzeugmaschinen wie etwa Innenschleifmaschinen sind allgemein so kon­ struiert, daß die Spindeleinrichtung mit einer hohen Vorschubgeschwindig­ keit bewegt wird, bis das Werkzeug sich dem Werkstück zu einem gewissen Grad angenähert hat, und danach mit einer niedrigeren Bearbeitungs-Vor­ schubgeschwindigkeit bewegt wird, um das Werkstück zu bearbeiten. Wenn die Montageposition des Werkzeugs oder Werkstücks einen Fehler aufweist, besteht deshalb die Gefahr, daß das Werkzeug während des schnellen Vor­ schubs mit dem Werkstück kollidiert. Wenn in einem solchen Fall die Kolli­ sion des Werkzeugs mit dem Werkstück festgestellt werden kann, so läßt sich eine Beschädigung des Werkzeugs vermeiden. Der herkömmliche Berüh­ rungsdetektor erkennt jedoch die Berührung des Werkzeugs mit dem Werk­ stück lediglich daran, daß der Erregerstrom des Magnetlagers den Schwellen­ wert überschritten hat, und ist deshalb nicht in der Lage, die Intensität der Berührung zu erkennen. Der Erregerstrom in dem Magnetlager überschreitet den Schwellenwert sowohl bei einer Kollision des Werkzeugs mit dem Werk­ stück während des schnellen Vorschubs als auch bei der normalen Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück während der Bearbeitung des Werkstücks bei langsamen Vorschub, so daß der Detektor nicht in der Lage ist, zwischen der anomalen Kollision und der normalen Berührung während des Bearbei­ tungsvorgangs zu unterscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der ei­ ne anomale Kollision des Werkzeugs mit dem Werkstück zuverlässig erkannt und so eine Beschädigung zuverlässiger vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Bearbeitungskraft-Berechnungseinrichtung berechnet anhand des Erre­ gerstromes des Magnetlagers die auf das Werkzeug wirkende Bearbeitungs­ kraft, wenn dieses mit dem Werkstück in Berührung tritt, und eine Diskrimi­ niereinrichtung unterscheidet anhand der Änderungen dieser Bearbeitungs­ kraft, ob eine normale oder anomale Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück vorliegt, so daß eine anomale Kollision zuverlässig festgestellt werden kann.

Im Normalfall, wenn das Werkzeug mit der Arbeits-Vorschubgeschwindigkeit mit dem Werkstück in Berührung tritt, ist die Anstiegsrate der Bearbeitungs­ kraft klein, während in dem anomalen Fall, daß das Werkzeug mit der hohen Vorschubgeschwindigkeit mit dem Werkstück kollidiert, die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft groß ist. In der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist es deshalb möglich, beispielsweise durch Vergleich der Anstiegsrate der ge­ messenen Bearbeitungskraft mit einem vorgegebenen Schwellenwert gezielt und mit hoher Zuverlässigkeit die anomale Kollision des Werkzeugs mit dem Werkstück zu erkennen.

Auf diese Weise kann vermieden werden, daß das Werkzeug oder Werkstück durch die Kollision beschädigt oder zerstört wird.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze des Aufbaus der Hauptbestandteile ei­ ner Spindeleinrichtung in einer erfindungsgemäßen Innen­ schleifmaschine;

Fig. 2 eine Skizze des Aufbaus der Hauptbestandteile der Spindelein­ richtung nach Fig. 1 aus einer anderen Richtung gesehen;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Detektors für anomale Kollisionen;

Fig. 4 ein Diagramm zur Illustration des Kräftegleichgewichts im Nichtbearbeitungszustand; und

Fig. 5 ein Diagramm zur Illustration des Kräftegleichgewichts während der Bearbeitung.

In Fig. 1 und 2 ist der wesentliche Teil einer Spindeleinrichtung 1 einer Innenschleifmaschine gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe "oben" und "unten" auf die Ansicht gemäß Fig. 1, die linke Seite der Zeichnung in Fig. 1 wird mit "vorn" und die rechte Seite in Fig. 1 mit "hinten" bezeichnet, und die Begriffe "rechts" und "links" beziehen sich auf die Ansicht nach Fig. 2, d. h., auf die Blickrichtung vom hinteren zum vor­ deren Ende der Vorrichtung. Die Achse vom hinteren Ende zum vorderen En­ de der Vorrichtung soll als Z-Achse bezeichnet werden, wobei die positive Z- Richtung die Richtung nach vorn ist. Die in dem obigen Sinne von oben nach unten verlaufende Achse wird als X-Achse bezeichnet und die von rechts nach links verlaufende Achse als Y-Achse.

Die Spindeleinrichtung 1 umfaßt eine als Rotor ausgebildete Spindel 3 und ei­ ne magnetische Lageranordnung zur berührungslosen Lagerung der Spindel. Die Spindel 3 ist waagerecht in einem Gehäuse 2 angeordnet, erstreckt sich in Z-Richtung und besitzt eine an ihrem vorderen Ende montierte Schleif­ scheibe 6 (Bearbeitungswerkzeug). In dem Gehäuse 2 ist ein nicht gezeigter Hochgeschwindigkeitsmotor mit hoher Drehzahl untergebracht, der die Spin­ del 3 antreibt. Das Gehäuse 2 ist an einem beweglichen Tisch befestigt, der durch eine numerische Steuerung steuerbar ist. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel wird die Spindeleinrichtung 1 mit einer hohen Geschwindigkeit nach vorn bewegt, bis die Schleifscheibe 6 in ein ringförmiges Werkstück 7 eintritt, wird dann mit hoher Geschwindigkeit nach oben bewegt, bis die Schleifscheibe 6 eine Innenfläche im oberen Bereich des Werkstücks 7 er­ reicht, und wird danach mit einer Arbeits-Vorschubgeschwindigkeit weiter aufwärts bewegt, um die Innenfläche des Werkstücks 7 zu bearbeiten und auf ein vorgegebenes Maß zu bringen.

Die magnetische Lageranordnung umfaßt ein nicht gezeigtes magnetisches Axiallager zur berührungslosen Abstützung der Spindel 3 in Richtung der Z- Achse (Axialrichtung), einen Axialbewegungs-Detektor (nicht gezeigt) zur Er­ fassung der axialen Bewegung der Spindel 3, eine Axial-Steuerung (nicht ge­ zeigt) zur Steuerung des Axiallagers anhand des Ausgangssignals des Axialbe­ wegungs-Detektors, vordere und hintere magnetische Radiallager 4, 5 zur be­ rührungslosen Abstützung der Spindel 3 in Radialrichtung, vordere und hinte­ re Radialauslenkungsdetektoren zur Erfassung der Radialbewegung der Spin­ del 3 in einer vorderen und einer hinteren Position und eine Radialsteuerung zur Steuerung der Radiallager 4, 5 anhand der Ausgangssignale der Radialbe­ wegungs-Detektoren. Das vordere magnetische Radiallager 4 umfaßt ein magnetisches Lager 8, im folgenden als X-Lager bezeichnet, zur Abstützung der Spindel 3 in bezug auf die Richtung der X-Achse und ein magnetisches La­ ger 50, im folgenden als Y-Lager bezeichnet, zur Abstützung der Spindel 3 in bezug auf die Richtung der Y-Achse. Das X-Lager 8 umfaßt obere und untere X- Magnete 8a, 8b (erste Elektromagnete), die in dem Gehäuse 2 in X-Richtung auf entgegengesetzten Seiten der Spindel 3 angeordnet sind. Das Y-Lager 50 umfaßt linke und rechte Y-Magnete 50a, 50b (zweite Elektromagnete), die in dem Gehäuse 2 in Richtung der Y-Achse auf entgegengesetzten Seiten der Spindel 3 angeordnet sind. In ähnlicher Weise umfaßt das hintere Radiallager 5 ein magnetisches X-Lager 9 und ein magnetisches Y-Lager 51. Das X-Lager 9 umfaßt obere und untere X-Magnete 9a, 9b (erste Elektromagnete). Das Y-La­ ger 51 umfaßt linke und rechte Y-Magnete 51a, 51b (zweite Elektromagnete). In dem Gehäuse 2 sind in der Nähe der vorderen X-Magnete 8a, 8b obere und untere X-Positionssensoren 11a, 11b (erste Positionssensoren) auf entgegen­ gesetzten Seiten der Spindel 3 in Richtung der X-Achse angeordnet, die dazu dienen, die Position der Spindel 3 in X-Richtung zu erfassen. In entsprechen­ der Weise sind X-Positionssensoren 12a, 12b (erste Positionssensoren) in der Nähe der hinteren X-Magnete 9a, 9b angeordnet. In ähnlicher Weise sind in dem Gehäuse 2 in der Nähe der vorderen und hinteren Y-Magnete 50a, 50b bzw. 51a, 51b jeweils linke und rechte Y-Positionssensoren 52a, 52b bzw. 53a, 53b (zweite Positionssensoren) in Richtung der Y-Achse auf entgegengesetzten Seiten der Spindel 3 angeordnet, um die Position der Spindel 3 in Y-Richtung zu erfassen.

Die Ausgangssignale der beiden vorderen X-Positionssensoren 11a, 11b wer­ den einem ersten Subtraktionsglied 13 zur Berechnung der X-Auslenkung x1 der Spindel 3 an der vorderen Position zugeführt. Das Ausgangssignal des obe­ ren vorderen X-Positionssensors 11a ist die Summe (X1 + x1) aus einem kon­ stanten Signal X1 (für die Auslenkung 0) und der Auslenkung x1. Das Aus­ gangssignal des unteren vorderen X-Positionssensors 11b ist die Differenz (X1′ - x1) aus einem konstanten Signal X1′ und der Auslenkung x1. Die vorderen X- Positionssensoren 11a, 11b und das erste Subtraktionsglied 13 bilden einen vorderen X-Auslenkungsdetektor 54. Die Ausgangssignale der beiden hinteren X-Positionssensoren 12a, 12b werden einem zweiten Subtraktionsglied 14 zu­ geführt, das die X-Auslenkung x2 der Spindel 3 im hinteren Teil berechnet. Das Ausgangssignal des hinteren oberen X-Positionssensors 12a ist die Sum­ me (X2 + x2) aus einem konstanten Signal X2 und der Auslenkung x2. Das Ausgangssignal des hinteren unteren X-Positionssensors 12b ist die Differenz (X2′ - x2) aus einem konstanten Signal X2′ und der Auslenkung x2. Die beiden hinteren X-Positionssensoren 12a, 12b und das zweite Subtraktionsglied 14 bilden zusammen einen hinteren X-Auslenkungsdetektor 55. Die Ausgangs­ signale x1, x2 der vorderen und hinteren X-Auslenkungsdetektoren 54, 55 werden einer X-Steuerung 10 zugeführt, die die vorderen und hinteren X-La­ ger 8, 9 steuert.

Die Ausgangssignale der beiden vorderen Y-Positionssensoren 52a, 52b wer­ den einem dritten Subtraktionsglied 56 zugeführt, das die Auslenkung y1 des vorderen Bereichs der Spindel 3 in Richtung der Y-Achse berechnet. Das Aus­ gangssignal des vorderen linken Y-Positionssensor 52a ist die Summe (Y1 + y1) aus einem konstanten Signal Y1 (für die Auslenkung 0) und der Auslen­ kung y1. Das Ausgangssignal des vorderen rechten Y-Positionssensors 52b ist die Differenz (Y1′ - y1) aus einem konstanten Signal Y1′ und der Auslenkung y1. Die vorderen Y-Positionssensoren 52a, 52b und das dritte Subtraktions­ glied 56 bilden zusammen einen vorderen Y-Auslenkungsdetektor 57. Die Aus­ gangssignale der beiden hinteren Y-Positionssensoren 53a, 53b werden einem vierten Subtraktionsglied 58 zugeführt, das die Auslenkung y2 des hinteren Teils der Spindel 3 in Richtung der Y-Achse berechnet. Das Ausgangssignal des hinteren linken Y-Positionssensors 53a ist die Summe (Y2 + y2) aus einem konstanten Signal Y2 und der Auslenkung y2. Das Ausgangssignal des hinteren rechten Y-Positionssensors 53b ist die Differenz (Y2′ - y2) aus einem konstanten Signal Y2′ und der Auslenkung y2. Die beiden hinteren Y-Posi­ tionssensoren 53a, 53b und das vierte Subtraktionsglied 58 bilden zusammen einen hinteren Y-Auslenkungsdetektor 59. Die Ausgangssignale y1, y2 der vor­ deren und hinteren Y-Auslenkungsdetektoren 57, 59 werden einer Y-Steue­ rung 60 zugeführt, die die vorderen und hinteren Y-Lager 50, 51 steuert.

Der vordere X-Auslenkungsdetektor 54 und der vordere Y-Auslenkungsdetek­ tor 57 bilden zusammen den zuvor erwähnten vorderen Radialauslenkungsde­ tektor. Der hintere X-Auslenkungsdetektor 55 und der hintere Y-Auslen­ kungsdetektor 59 bilden zusammen den zuvor erwähnten hinteren Radialaus­ lenkungsdetektor. Die X-Steuerung 10 und die Y-Steuerung 60 bilden zusam­ men die zuvor erwähnte Radialsteuerung.

Da die X-Steuerung 10 und die Y-Steuerung 60 einander gleichen, wird im fol­ genden nur die X-Steuerung 10 beschrieben, und in den Bezeichnungen der einzelnen Teile wird jeweils das Präfix "X" fortgelassen.

In der Steuerung 10 werden die Ausgangssignale der ersten und zweiten Sub­ traktionsglieder 13, 14 je einer Eingangsklemme eines ersten Addierers 15 zugeführt, der den Betrag der Translation der Spindel 3 berechnet. Die Aus­ gangssignale der ersten und zweiten Subtraktionsglieder 13, 14 werden au­ ßerdem je einer Eingangsklemme eines fünften Subtraktionsgliedes 16 zuge­ führt, das den Betrag der Kippbewegung der Spindel 3 berechnet. Der erste Addierer 15 liefert ein Ausgangssignal an einen Translations-PID-Regler 17, der seinerseits ein Translations-Regelsignal liefert. Das Ausgangssignal des fünften Subtraktionsgliedes 16 wird einem Kippbewegungs-PID-Regler 18 zu­ geführt, der seinerseits ein Kippbewegungs-Regelsignal liefert. Die Ausgangs­ signale der beiden Regler 17, 18 werden je einer Eingangsklemme eines zweiten Addierers 19 zugeführt, der ein Steuersignal für das vordere Lager 8 liefert. Das Ausgangssignal des zweiten Addierers 19 wird über einen Inverter 20 und einen Leistungsverstärker 21 der Wicklung des vorderen oberen Magneten 8a und außerdem über einen Leistungsverstärker 22 der Wicklung des vorderen unteren Magneten 8b zugeführt, wodurch die Stromstärke des durch die Wicklungen dieser Magnete 8a, 8b fließenden Stromes gesteuert wird. Die Ausgangssignale der beiden Regler 17, 18 werden außerdem je ei­ ner Eingangsklemme eines sechsten Subtraktionsgliedes 23 zugeführt, das ein Steuersignal für das hintere Lager 9 liefert. Das Ausgangssignal des sech­ sten Subtraktionsgliedes 23 wird über einen Inverter 24 und einen Leistungs­ verstärker 25 der Wicklung das hinteren oberen Magneten 9a und außerdem über einen Leistungsverstärker 26 der Wicklung des hinteren unteren Magne­ ten 9b zugeführt, wodurch die Stromstärke durch die Wicklungen dieser Magnete 9a, 9b fließenden Stromes gesteuert wird. Der zweite Addierer 19, das sechste Subtraktionsglied 23, die Inverter 20, 24 und die Leistungsver­ stärker 21, 22, 25, 26 bilden zusammen eine Treiberschaltung 61 für die An­ steuerung der Magnete 8a, 8b, 9a, 9b auf der Grundlage des Translations-Re­ gelsignals und des Kippbewegungs-Regelsignals. Die Translations- und Kipp­ bewegungen der Spindel 3 werden auf diese Weise getrennt geregelt, indem die Stromstärken der durch die Wicklungen der vorderen und hinteren Magnete 8a, 8b, 9a, 9b fließenden Ströme gesteuert werden. Das Eingangs­ signal für den vorderen oberen Magneten 8a, d. h., das Ausgangssignal des Lei­ stungsverstärkers 21, ist die Summe (I1 + i1) aus einer konstanten Strom­ stärke I1 für die Auslenkung x1 = 0 und einer Regelstromstärke i1. Das Ein­ gangssignal für den vorderen unteren Magneten 8b, d. h., das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 22, ist die Differenz I1′ - i1 aus einer konstanten Stromstärke I1′ und der Regelstromstärke i1. Das Eingangssignal für den hin­ teren oberen Magneten 9a, d. h., das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 25, ist die Summe (I2 + i2) aus einer konstanten Stromstärke I2 für die Aus­ lenkung x2 = 0 und einer Regelstromstärke i2. Das Eingangssignal für den hinteren unteren Magneten 9b, d. h., das Ausgangssignal des Leistungsverstär­ kers 26, ist die Differenz (I2′ - I2) aus einer konstanten Stromstärke I2′ und der Regelstromstärke i2.

Mit der X-Steuerung 10 ist ein Detektor 27 für anomale Kollisionen verbun­ den. Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Subtraktionsglieder 13, 14 und die Ausgangssignale der vier Leistungsverstärker 21, 22, 25, 26 werden dem Detektor 27 zugeführt. Der Detektor 27 ist dazu eingerichtet, eine (ano­ male) Kollision der mit hoher Geschwindigkeit bewegten Schleifscheibe 6 mit dem Werkstück 7 zu erfassen und enthält eine Bearbeitungskraft-Berech­ nungseinheit 28 und eine Diskriminiereinheit 29, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Berechnungseinheit 28 berechnet anhand der Erregerströme der Lager 8, 9 und der Ausgangssignale der Auslenkungsdetektoren 54, 55 die Bearbei­ tungskraft f, die auf die Schleifscheibe 6 wirkt, wenn diese mit dem Werk­ stück 7 in Berührung tritt. Die Diskriminiereinheit 29 entscheidet anhand von Änderungen der von der Berechnungseinheit 28 berechneten Bearbeitungs­ kraft, ob die Berührung der Schleifscheibe 6 mit dem Werkstück 7 normal oder anomal ist. Im vorliegenden Beispiel berechnet die Diskriminiereinheit 29 die Anstiegsrate (Ableitung) der Bearbeitungskraft, vergleicht diese An­ stiegsrate mit einem vorgegebenen Bezugswert und entscheidet, daß die Be­ rührung der Schleifscheibe 6 mit dem Werkstück 7 anomal ist, wenn die An­ stiegsrate der Bearbeitungskraft den Bezugswert überschritten hat.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 das Kräftegleichge­ wicht erläutert, einerseits für den Fall des Nichtbearbeitungsbetriebs, in dem keine Bearbeitungskraft auf die Schleifscheibe 6 wirkt, und andererseits für den Bearbeitungsbetrieb, wenn eine Bearbeitungskraft auf die Schleifscheibe wirkt. Der Schwerpunkt der Spindel 3 einschließlich der Schleifscheibe 6 ist mit G bezeichnet, der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und den vorde­ ren Magneten 8a, 8b in Richtung der Z-Achse ist mit L1 bezeichnet, der Ab­ stand zwischen dem Schwerpunkt G und den hinteren Magneten 9a, 9b in Richtung der Z-Achse ist mit L2 bezeichnet, und der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und der Schleifscheibe 6 in Richtung der Z-Achse ist mit L bezeichnet.

Fig. 4 zeigt die Kräfte im Gleichgewicht im Nichtbearbeitungsbetrieb. In die­ sem Fall sind die Auslenkungen x1, x2 in X-Richtung im vorderen und hinte­ ren Bereich der Spindel gleich 0, und die Abstände der Spindel zu den Magneten 8a, 8b, 9a, 9b in Richtung der X-Achse haben die konstanten Werte X1, X1′, X2 bzw. X2′, die dem stationären Zustand entsprechen. Die Erreger­ ströme der Magnete 8a, 8b, 9a, 9b haben die konstanten Werte I1, I1′, I2 bzw. I2′, entsprechend dem stationären Zustand. Wenn die anziehenden Kräfte der Magnete 8a, 8b, 9a, 9b in Richtung der X-Achse mit F1, F1′, F2 bzw. F2′ be­ zeichnet werden, lassen sich diese Kräfte wie folgt ausdrücken.

F1 = K1 · (I1/X1)² (1)
F1′ = K1 · (I1′/X1′)² (2)
F2 = K2 · (I2/X2)² (3)
F2′ = K2 · (I2′/X2′)² (4)

wobei K1 der Anziehungskoeffizient der vorderen Magnete 8a, 8b und K2 der Anziehungskoeffizient der hinteren Magnete 9a, 9b ist.

Die resultierende Kraft der vorderen oberen und unteren Magnete 8a, 8b sei F(1), und die resultierende Kraft der beiden hinteren Magnete 9a, 9b sei F(2). Diese Kräfte sind dann gegeben durch:

F(1) = F1 - F1′ (5)
F(2) = F2 - F2′ (6).

Wenn das Gewicht der Spindel 3 Mg ist, so besteht zwischen den Kräften die folgende Beziehung:

Mg = F(1) + F(2) (7)
F(1) · L1 = F(2)·L2 (8).

Fig. 5 zeigt das Kräftegleichgewicht während des Bearbeitungsbetriebs. In diesem Fall soll angenommen werden, daß die Auslenkungen im vorderen und hinteren Bereich der Spindel in Richtung der X-Achse durch x1 und x2 gege­ ben sind. Die Abstände der Spindel 3 zu den Magneten 8a, 8b, 9a und 9b in Richtung der X-Achse können dann ausgedrückt werden durch (X1 + xi), (X1′ - x1), (X2 + x2) bzw. (X2′ - x2). Die Erregerströme der Magnete 8a, 8b, 9a und 9b sind (I1 + i1), (I1′ - i1), (I2 + i2) bzw. (I2′ - i2). Die anziehenden Kräfte F1, F1′, F2 und F2′ der Magnete 8a, 8b, 9a und 9b in Richtung der X-Achse sind dann entsprechend den obigen Gleichungen (1) bis (4) durch die folgenden Gleichungen gegeben:

F1 = K1 · {(I1 + i1)/(X1 + x1)}² (9)
F1′ = K1 · {(I1′ - i1)/(X1′ - x1)}² (10)
F2 = K2 · {(I2 + i2)/(X2 + x2)}² (11)
F2′ = K2 · {(I2′ - i2)/(X2′ - x2)}² (12).

Die von den vorderen oberen und unteren Magneten 8a, 8b erzeugte resultie­ rende Kraft F(1) und die von den hinteren oberen und unteren Magneten 9a, 9b erzeugte resultierende Kraft F(2) werden entsprechend den obigen Glei­ chungen (5), (6) durch die folgenden Gleichungen gegeben:

F(1) = F1 - F1′ (13)
F(2) = F2 - F2′ (14).

Wenn während der Bearbeitung die Bearbeitungskraft f auf die Schleifscheibe 6 wirkt, so besteht zwischen den betrachteten Kräften die folgende Bezie­ hung:

Mg = F(1) + F(2) - f (15)
F(1) · L1 = F(2) · L2 + f · L (16).

Aus Gleichung (16) folgt für die Bearbeitungskraft f:

f = {F(1) · L1 - F(2) · L2}/L (17).

Die Berechnungseinheit 28 berechnet die Bearbeitungskraft f aus diesen Be­ ziehungen. Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 der Aufbau und die Wir­ kungsweise der Berechnungseinheit 28 beschrieben.

Die Berechnungseinheit 28 umfaßt eine erste Kraftberechnungsschaltung 62 zur Berechnung der resultierenden Kraft des magnetischen X-Lagers 8 des vorderen Radiallagers 4, eine zweite Kraftberechnungsschaltung 63 zur Be­ rechnung der resultierenden Kraft des magnetischen X-Lagers 9 des hinteren Radiallagers 5 und eine Bearbeitungskraft-Berechnungsschaltung 64 zur Be­ rechnung der auf die Schleifscheibe 6 wirkenden Bearbeitungskraft anhand der resultierende Kräfte der Lager 8, 9. Die erste Kraftberechnungsschaltung 62 umfaßt einen dritten Addierer 30, eines siebtes Subtraktionsglied 31, einen ersten Rechner 34, einen zweiten Rechner 35 einen ersten Multiplizie­ rer 38, einen zweiten Multiplizierer 39 und ein achtes Subtraktionsglied 42. Die zweite Kraftberechnungsschaltung 36 umfaßt einen vierten Addierer 32, ein neuntes Subtraktionsglied 33, einen dritten Rechner 36, einen vierten Rechner 37, einen dritten Multiplizierer 40, einen vierten Multiplizierer 41 und ein zehntes Subtraktionsglied 44. Die Bearbeitungskraft-Berechnungs­ schaltung 64 umfaßt einen fünften Multiplizierer 43, einen sechsten Multipli­ zierer 45, ein elftes Subtraktionsglied 46 und einen siebten Multiplizierer 47.

Das Ausgangssignal des ersten Subtraktionsgliedes 13 des vorderen Auslen­ kungsdetektors 54, d. h., die Auslenkung x1 des vorderen Teils der Spindel 3 in Richtung der X-Achse, wird dem dritten Addierer 30 zugeführt, der die Summe (X1 + x1) aus x1 und dem konstanten Wert X1 berechnet. Die Auslenkung x1 wird auch in das siebte Subtraktionsglied 31 eingegeben, das die Dif­ ferenz (X1′ - x1) zwischen dem konstanten Wert X1′ und der Auslenkung x1 berechnet. Das Ausgangssignal des zweiten Subtraktionsgliedes 14 des hinte­ ren Auslenkungsdetektors 55, d. h., die Auslenkung x2 des hinteren Teils der Spindel 3 in Richtung der X-Achse, wird dem vierten Addierer 32 zugeführt, der die Summe (X2 + x2) aus dem konstanten Wert X2 und der Auslenkung x2 berechnet. Die Auslenkung x2 wird außerdem dem neunten Subtraktionsglied 33 zugeführt, das die Differenz (X2′ - x2) aus dem konstanten Wert X2′ für den stationären Zustand und der Auslenkung x2 berechnet. Die Erregerstromstär­ ke (I1 + i1) des vorderen oberen Magneten 8a und das Ausgangssignal (X1 + x1) des dritten Addierers 30 werden dem ersten Rechner 34 zugeführt, zur Berechnung des Wertes {(I1 + i1)/(X1 + x1)}². Die Erregerstromstärke (I1′ - i1) des vorderen unteren Magneten 8b und das Ausgangssignal (X1′ - x1) des siebten Subtraktionsgliedes 31 werden dem zweiten Rechner 35 zugeführt, der den Wert {(I1′ - i1)/(X1′ - x1)}² berechnet. Die Erregerstromstärke (I2 + i2) des hinteren oberen Magneten 9a und das Ausgangssignal (X2 + x2) des vierten Addierers 32 werden dem dritten Rechner 36 zugeführt, der den Wert {(I2 + i2)/(X2 + x2)}² berechnet. Die Erregerstromstärke (I2′ - i2) des hinteren unteren Magneten 9b und das Ausgangssignal (X2′ - x2) des neunten Subtraktionsgliedes 33 werden dem vierten Rechner 37 zugeführt, der den Wert {(12′ - i2)/(X2′ - x2)}² berechnet. Das Ausgangssignal {(I1 + i1)/(X1 + x1)}² des ersten Rechners 34 wird durch den ersten Multiplizierer 38 mit dem Anziehungskoeffizienten K1 multipliziert, um die Kraft F1 nach Glei­ chung (9) zu berechnen. In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal {(I1′ - i1)/(X1′ - x1)}² des zweiten Rechners 35 durch den zweiten Multiplizierer 39 mit K1 multipliziert, um die Kraft F1′ nach Gleichung (10) zu berechnen. Das Ausgangssignal {(I1 + i2)/(X2 + x2)}² des dritten Rechners 36 wird durch den dritten Multiplizierer 40 mit dem Anziehungskoeffizienten K2 multipliziert, um die Kraft F2 gemäß Gleichung (11) zu berechnen, und das Ausgangssignal {(I2′ - i2)/(X2′ - x2)}² des vierten Rechners 37 wird durch den vierten Multi­ plizierer 41 mit K2 multipliziert, um die Kraft F2′ gemäß Gleichung (12) zu berechnen. Das Ausgangssignal F1 des ersten Multiplizierers 38 und das Aus­ gangssignals F1′ des zweiten Multiplizierers 39 werden dem achten Subtrak­ tionsglied 42 zugeführt, das F(1) gemäß Gleichung (13) berechnet. Der erhal­ tene Wert wird durch den fünften Multiplizierer 43 mit L1 multipliziert. Das Ausgangssignal F2 des dritten Multiplizierers 40 und das Ausgangssignal F2′ des vierten Multiplizierers 41 werden dem zehnten Subtraktionsglied 44 zu­ geführt, das F(2) gemäß Gleichung (14) berechnet. Der erhaltene Wert wird durch den sechsten Multiplizierer 45 mit L2 multipliziert. Das Ausgangssignal F(1)·L1 des fünften Multiplizierers 43 und das Ausgangssignal F(2)·L2 des sechsten Multiplizierers 45 werden dem elften Subtraktionsglied 46 zuge­ führt, und das Ausgangssignal {F(1)·L1 - F(2)·L2} dieses Subtraktionsgliedes 46 wird durch den siebten Multiplizierer 47 mit 1/L multipliziert, um die Be­ arbeitungskraft f gemäß Gleichung (17) zu berechnen.

Gemäß Fig. 3 umfaßt die Diskriminiereinheit 29 eine Differenzierschaltung 48 und eine Vergleichsschaltung 49. Das Ausgangssignal der Berechnungsein­ heit 28, d. h., die Bearbeitungskraft f, wird der Differenzierschaltung 48 zuge­ führt, um die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f zu bestimmen. Ein vorgege­ bener Bezugswert für die Anstiegsrate wird vorab in die Vergleichsschaltung 49 eingegeben, die die von der Differenzierschaltung 48 erhaltene Anstiegsra­ te der Bearbeitungskraft f mit diesem Bezugswert vergleicht. Wenn die An­ stiegsrate der Bearbeitungskraft f nicht größer ist als der Bezugswert, so schließt daraus die Vergleichsschaltung 49, daß die Berührung der Schleif­ scheibe 6 mit dem Werkstück 7 einem normalen Bearbeitungsvorgang ent­ spricht. Wenn die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f den Bezugswert über­ schritten hat, so wird daraus geschlossen, daß eine anomale Berührung vor­ liegt. Im Normalfall, wenn die Schleifscheibe 6 mit der Arbeits-Vorschubge­ schwindigkeit mit dem Werkstück 7 in Berührung tritt, ist die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f klein, wohingegen in dem anomalen Fall, daß die Schleifscheibe 6 mit der hohen Vorschubgeschwindigkeit mit dem Werkstück 7 kollidiert, die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f groß ist. Folglich kann ei­ ne anomale Kollision der Schleifscheibe 6 auf die oben beschriebene Weise si­ cher erkannt werden. Bei Erfassung der anomalen Kollision der Schleifschei­ be 6 liefert die Diskriminiereinheit 29 ein Fehlersignal an die numerische Steuerung, die daraufhin den beweglichen Tisch anhält oder eine andere ge­ eignete Gegenmaßnahme trifft.

Obgleich bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die Bearbeitungs­ kraft f in vertikaler Richtung wirkt, also in derselben Richtung wie die Schwerkraft, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf Fälle anwendbar, in denen die Bearbeitungskraft in einer anderen Richtung wirkt, beispielsweise in Horizontalrichtung. In diesem Fall ist der Detektor für anomale Kollisionen in der Y-Steuerung 60 vorgesehen.

Obgleich die Erfindung in dem obigen Beispiel anhand eines Falles erläutert wurde, bei dem das Werkzeug der Innenschleifmaschine oder ein vergleichba­ res Werkzeug einer radialen Bearbeitungskraft unterliegt, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf Fälle anwendbar, in denen eine axiale Bearbei­ tungskraft beispielsweise auf ein Bohrwerkzeug oder dergleichen wirkt. In diesem Fall ist der Detektor für anomale Kollisionen nach dem obigen Ausfüh­ rungsbeispiel in einer Steuerung für ein magnetisches Axiallager vorgesehen, um anomale Kollisionen dadurch zu erfassen, daß die axiale Bearbeitungskraft anhand des Erregerstromes des Lagers berechnet wird und beispielsweise die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft mit einem Bezugswert verglichen wird.

Claims (8)

1. Werkzeugmaschine mit einer drehantreibbaren Spindel (3), die am vor­ deren Ende ein Bearbeitungswerkzeug (6) trägt und in einer geregelten Magnetlageranordnung gelagert ist, gekennzeichnet durch eine Berechnungs­ einrichtung (28) zur Berechnung einer Bearbeitungskraft (f), die auf das Bear­ beitungswerkzeug (6) wirkt, wenn dieses mit einem Werkstück (7) in Berüh­ rung tritt, auf der Grundlage des Erregerstromes eines magnetischen Lagers (8a, 8b, 9a, 9b) der Lageranordnung, und eine Diskriminiereinrichtung (29), die anhand von Änderungen der Bearbeitungskraft (f) entscheidet, ob die Be­ rührung zwischen dem Bearbeitungswerkzeug (6) und dem Werkstück (7) normal oder anomal ist.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminiereinrichtung (29) die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft (f) be­ stimmt, diese Anstiegsrate mit einem vorgegebenen Bezugswert vergleicht und entscheidet, daß die Berührung des Bearbeitungswerkzeugs (6) mit dem Werkstück (7) anomal ist, wenn die Anstiegsrate den Bezugswert übersteigt.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminiereinrichtung (29) eine Differenzierschaltung (48) zur Berechnung der Anstiegsrate der Bearbeitungskraft (f) und eine Vergleichsschaltung (49) zum Vergleich der berechneten Anstiegsrate mit dem Bezugswert aufweist und ein Fehlersignal ausgibt, das eine anomale Berührung des Bearbeitungs­ werkzeugs (6) mit dem Werkstück (7) anzeigt, wenn die Anstiegsrate den Be­ zugswert überschreitet.

4. Werkzeugmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die geregelte Magnetlageranordnung zwei in Axialrichtung der Spindel (3) in Abstand zueinander angeordnete magnetische Radiallager (4, 5) aufweist, daß zwei Radial-Auslenkungsdetektoren (54, 57; 55, 59) in Axialrichtung der Spindel (3) in Abstand zueinander angeordnet sind, um die Radialauslenkung der Spindel in den betreffenden Positionen zu erfassen, und daß eine Radial-Regeleinrichtung (10, 60) die Radiallager (4, 5) anhand der Ausgangssignale der beiden Radial-Auslenkungsdetektoren ansteuert.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Radiallager (4, 5) zwei Paare von Elektromagneten (8a, 8b; 50a, 50b bzw. 9a, 9b; 51, 51b) aufweist, die auf zwei zueinander orthogonalen Achsen in ei­ ner zur Achse der Spindel (3) rechtwinkligen Ebene angeordnet sind, daß je­ der der beiden Radial-Auslenkungsdetektoren ein in Axialrichtung benachbart zu dem ersten Paar der Elektromagnete (8a, 8b; 50a, 50b) angeordneter er­ ster Positionssensoren (11a, 11b; 52a, 52b) zur Erfassung der Position der Spindel (3) in einer ersten Radialrichtung (X), ein erstes Subtraktionsglied (13) zur Bestimmung der Auslenkung der Spindel in der ersten Radialrich­ tung durch Berechnung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der bei­ den ersten Positionssensoren, ein Paar in Axialrichtung benachbart zu dem zweiten Paar der Elektromagnete (9a, 9b; 51, 51b) angeordneter zweiter Posi­ tionssensoren (12a, 12b; 53a, 53b) zur Erfassung der Position der Spindel (3) in einer zweiten Radialrichtung (Y) und ein zweites Subtraktionsglied (14) zur Bestimmung der Auslenkung der Spindel in der zweiten Radialrichtung durch berechnete Differenz zwischen den Ausgangssignalen der zweiten Positions­ sensoren aufweist und daß die Radial-Steuereinrichtung eine erste Steuerein­ richtung (10) für die erste Radialrichtung (X), zur Steuerung der Anziehungs­ kraft der ersten Elektromagnete anhand des Ausgangssignals des ersten Sub­ traktionsgliedes (13) und eine zweite Steuereinrichtung (60) für die zweite Ra­ dialrichtung (Y), zur Steuerung der Anziehungskraft der zweiten Elektro­ magnete anhand des Ausgangssignals des zweiten Subtraktionsgliedes (14) aufweist.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (10) und zweite Steuereinrichtung (60) jeweils eine Translations-Berechnungseinheit (15) zur Berechnung des Betrages der Translation der Spindel (3) anhand der Ausgangssignale der beiden Radial- Auslenkungsdetektoren (54, 55), eine Kippbewegungs-Berechnungseinheit (16) zur Berechnung des Betrages der Kippbewegung der Spindel (3) anhand der Ausgangssignale der beiden Radial-Auslenkungsdetektoren, eine Transla­ tions-Regeleinheit (17) zur Ausgabe eines Translations-Regelsignals zur Rege­ lung der Translationsbewegung der Spindel anhand des Ausgangssignals der Translations-Berechnungseinheit, eine Kippbewegungs-Regeleinheit (18) zur Ausgabe eines Kippbewegungs-Regelsignals zur Regelung der Kippbewegung der Spindel anhand des Ausgangssignals der Kippbewegungs-Berechnungsein­ heit (16) und eine Treiberschaltung (61) aufweist, die anhand der Transla­ tions- und Kippbewegungs-Regelsignale einen Erregerstrom an die beiden Ra­ diallager (4, 5) liefert.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungskraft-Berechnungseinrichtung (28) zwei Kraftberechnungsschal­ tungen (62, 63) zur Berechnung der von den beiden Radiallagern (4, 5) er­ zeugten Kräfte (F(1) und F(2)) anhand der diesen Radiallagern zugeführten Erregerströme und anhand der Radialauslenkung der Spindel und eine Bear­ beitungskraft-Berechnungsschaltung (64) zur Berechnung einer auf das Bear­ beitungswerkzeug (6) wirkenden radialen Bearbeitungskraft (f) anhand der Kräfte (F(1) und F(2)) der Radiallager und anhand der Position des Schwer­ punkts (G) der Spindel (3) einschließlich des Bearbeitungswerkzeugs (6) auf­ weist.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Kraftberechnungsschaltungen (62, 63) anhand der von den Radial- Auslenkungsdetektoren gemessenen Radialauslenkung der Spindel in einer Richtung (X) die Abstände zwischen der Spindel (3) und den Elektromagne­ ten (8a, 8b; 9a, 9b) in dieser Richtung berechnet, anhand dieser Abstände, der Erregerströme der Elektromagnete und eines Anziehungskoeffizienten (K1; K2) derselben die Anziehungskräfte der Elektromagnete in dieser Radi­ alrichtung bestimmt und die Differenz der Anziehungskräfte der beiden Elek­ tromagneten des Paares berechnet, um die resultierende Kraft (F(1) bzw. F(2)) in dieser Radialrichtung an dem betreffenden Radiallager zu bestimmen, und daß die Bearbeitungskraft-Berechnungsschaltung (64) die Bearbeitungs­ kraft (f) anhand der Ausgangssignale der beiden Kraftberechnungsschaltungen (62, 63), der axialen Abstände (L1, L2) zwischen dem Schwerpunkt (G) und den beiden Radiallagern (4, 5) und anhand des axialen Abstands (L) zwischen dem Schwerpunkt (G) und dem Bearbeitungswerkzeug (6) berechnet.