WO2001075412A1 - Auswuchtvorrichtung und -verfahren - Google Patents

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WO2001075412A1
WO2001075412A1 PCT/EP2001/003907 EP0103907W WO0175412A1 WO 2001075412 A1 WO2001075412 A1 WO 2001075412A1 EP 0103907 W EP0103907 W EP 0103907W WO 0175412 A1 WO0175412 A1 WO 0175412A1
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WO
WIPO (PCT)
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shaft
actuator
rotating
balancing
tool
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/003907
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Scheurer
Original Assignee
Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart Stiftung Des Öffentlichen Rechts
Walter Dittel Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart Stiftung Des Öffentlichen Rechts, Walter Dittel Gmbh filed Critical Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart Stiftung Des Öffentlichen Rechts
Priority to AU2001246530A priority Critical patent/AU2001246530A1/en
Publication of WO2001075412A1 publication Critical patent/WO2001075412A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00—Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/30—Compensating imbalance

Definitions

  • the invention relates to a device for balancing rotating, in particular elongated objects, in particular in machining centers for drilling and milling.
  • the invention also relates to a processing machine with at least one rotating, in particular elongated object and at least one balancing device, and a balancing method.
  • Known balancing systems as described, for example, in WO 96/17294, have the disadvantage that additional masses are introduced into the rotating system, which result in disruptive additional moments of inertia. In addition, the balancing takes place only selectively in a single plane running perpendicular to the axis of rotation.
  • a disadvantage of hydraulic balancing systems is that they often cannot be operated reversibly and must be temporarily taken out of operation for emptying or resetting.
  • a disadvantage of electromechanical systems which operate with relatively low drive forces and strongly reducing gears is that the gears tend to jam at high speeds because the high friction forces can no longer be overcome by the drives.
  • the object of the invention is to provide a way to eliminate the imbalance on rotating objects as much as possible, this should be possible in particular on rotating systems with a driven high-speed shaft and a tool coupled to the shaft of a comparatively large length, with a minimal additional moment of inertia and minimal balancing times, and in particular this should also be possible automatically, reversibly and in any operating state.
  • the balancing device has at least one on the rotating object with a radial distance of has its axis of rotation and an actuator which can be attached at an axial distance from its free end and which can be controlled to set a balancing curvature of the object as a function of the measured imbalance in relation to axial positioning movements.
  • At least one actuator is provided which can be attached to the rotating object, namely with a radial distance from the axis of rotation of the rotating object and with an axial distance from the free end of the rotating object.
  • the actuator is capable of axial positioning movements if it is controlled accordingly.
  • the actuator is attached to the rotating object during operation in such a way that the axial positioning movements take place approximately parallel to the axis of rotation of the rotating object and the object is more or less curved by the axial positioning movements of the actuator.
  • the curvature or bending of the rotating object that can be adjusted in this way by means of the actuator serves to eliminate or reduce an imbalance of the rotating object and is therefore also referred to as balancing curvature.
  • the respective section of the rotating object that extends from the actuator region to the free end of the object can be curved or bent in the object Space to be moved.
  • the object can be curved at the axial installation location in such a way that any inclination of the axis Installation location up to the free end of the section of the object relative to the xy plane can be set, ie the individual balancing curvatures of the actuators - for example a curvature around the x-axis and a curvature around the y-axis - allow the inclination or resulting to be adjusted Total curvature of the object in the two degrees of freedom available for this
  • the rotating object can thus be curved in a targeted manner depending on the respective imbalance at an area distant from its free end with the aid of the actuator.
  • the free end of the rotating object for example a tool tip, is moved in the direction of the axis of rotation by this bending of the object.
  • the actuator thus acts as a bending actuator which gives the rotating object a joint property at the point where the positioning forces caused by the actuating movements act on the object.
  • the rotating object is therefore provided with a solid-state joint by the invention.
  • the section of the object between the joint area and the free end can be deliberately caused to perform balancing movements which lead to a minimization of the unbalance.
  • An important advantage of the invention is that the adjustable balancing curvature or balancing bend of the rotating object is effective over the entire length of the area between the point at which the curvature or bending takes place and the free end of the object. There is therefore no punctual balancing only in a plane running perpendicular to the axis of rotation, but there is a minimization of the entire course of the eccentricity of the rotating object between the bending point and the free end.
  • the invention can therefore be used particularly advantageously on elongated rotating objects.
  • the rotating object is a directly drivable spindle of a high-performance machining center, which is coupled at its free end to an exchangeable tool which is attached to a carrier which is directly coupled to the shaft.
  • the tool tip thus forms the free end of the rotating object as a whole.
  • the main cause of the imbalance of such rotating systems is the angular misalignment between the spindle and the tool or the carrier, which is caused in particular by axial runout. This angular offset occurs at the interface between the spindle and the component that is directly coupled to the spindle.
  • the actuator is preferably arranged in the region of this interface between the shaft and the tool or carrier, as a result of which the rotating overall object can be curved at the point at which the unbalance to be compensated for is due to the angular offset between the shaft and the tool or carrier.
  • the curvature or bending of the object in the region of the interface thus advantageously achieves a balancing effect over the entire length of the tool. This is particularly advantageous for comparatively long and slim tools because the angular misalignment at the interface responsible for the unbalance tools, particularly pronounced eccentric movements of the tool tip around the axis of rotation result.
  • the overall geometrical conditions in the rotating system are thus improved by the balancing device according to the invention, while only one-off improvements are achieved in the single-plane balancing effected with conventional mass balancing systems can only lead to a reduction in the unbalance reaction, but do not result in an improvement in the geometry.
  • the disadvantageous consequences of the imbalance can therefore also be eliminated at points - namely at the tool tip - where a direct intervention, for example by selective single-plane balancing, is not possible.
  • the actuator can preferably be attached to the shaft and thus on the side of the interface between the shaft and the tool or carrier facing away from the tool. As a result, the actuator is assigned to that part of the rotating overall object which is not affected by tool changes. It is preferred if the actuator is arranged in the area of the shaft that projects with respect to the shaft bearing, thereby avoiding unfavorable tension in the bearing.
  • the actuator is preferred in the region of the outer wall of the rotating object and thus at a relatively large distance from it Axis of rotation arranged, whereby there is a favorable geometry for achieving high bending forces.
  • a plurality of actuators are provided, which can be attached to the rotating object, in particular distributed uniformly in the circumferential direction.
  • any number of actuators can be provided, and it is also possible to arrange the actuators in an unevenly distributed manner.
  • the respective geometry is taken into account when controlling the actuators by means of a corresponding transformation between the actuator positions and the two independent degrees of freedom of the curvature or bending of the object.
  • the degrees of freedom are rotations about the two axes running perpendicular to the axis of rotation and perpendicular to each other, about which the object can be curved by means of the actuators.
  • the adjusting movements are changes in length of the actuator.
  • the actuator comprises at least one piezoelectric element. This can be, for example, a piezo stack actuator consisting of a multiplicity of stacked piezoelectric individual elements.
  • Another advantage is that there are no moving parts. There is therefore no risk of pinching or blocking.
  • piezo actuators can be isolated if necessary and their previously set length change can be temporarily held in this way. In the event of malfunctions, the state of balance can thus be maintained for a sufficiently long period of time, e.g. to ensure a safe shutdown of the respective processing machine.
  • the piezo actuators can be easily integrated into the rotating system due to their minimal mass in relation to the high force and power density, there is the possibility, particularly with regard to the minimum response times of the piezo actuators, to use them for active damping within the rotating system. This avoids disturbing phase rotations, which occur in other damping devices arranged in the bearings or other stationary parts of the system, in particular at high speeds.
  • the balancing device comprises an in particular inductively operating transmission unit for contactless actuation of the actuator. It is preferably provided that the transmission unit has a rotor section for common rotation with the rotating object and a stator section which is stationary with respect to the rotating object. This ensures reliable transmission of control signals to the actuator even at extremely high speeds.
  • a measuring arrangement is preferably provided with which displacement or displacement and / or acceleration data relating to the rotating object can be determined.
  • a processing machine in particular a processing center for drilling and milling, which has at least one rotating, in particular elongated object and at least one balancing device according to the invention.
  • the rotating object of the processing machine preferably comprises a shaft in the form of a directly drivable spindle and a tool which can be interchangeably coupled to the spindle and which is attached to a carrier which is directly coupled to the spindle. It is preferably provided that the actuator is arranged in the axial direction between an end face, for example an annular shoulder, of the carrier and a section of the shaft that is axially spaced with respect to the tool-side shaft end. With the axial extension of the
  • Actuator spaced apart from the axis of rotation acts on one end of the carrier - and thus a flat surface of the separation or interface between the carrier and the shaft - and the other end of the shaft. Since the shaft and the carrier are firmly coupled to one another in the axial direction by a clamping system, the actuating forces applied by the actuator result in a bending moment by which the shaft is curved in the axial region along which the actuator extends.
  • the actuator thus acts on two equivalent, axially spaced, support surfaces of the rotating overall object, which run perpendicular to the axis of rotation.
  • the tool tip can be bent by an actuating movement of the actuator in the direction of the axis of rotation.
  • the actuator it would in principle also be possible to arrange the actuator between two axially spaced sections of the shaft and thus to allow it to act exclusively on the shaft when the length is increased.
  • At least one measuring device in particular a force sensor, is arranged at the location of the actuator, with which measuring values serving to determine the unbalance and thus to balance and control the actuator are detected.
  • a measuring direction for example, the relative displacement between the two force introduction surfaces of the actuator and thus a path can be measured.
  • Robust controllability of the balancing system according to the invention is advantageously achieved by means of a collocated force sensor element attached to the actuator location.
  • the balancing device comprises a plurality of actuators arranged distributed in the circumferential direction, then these are preferably actuated in the same direction. In the case of piezo stack actuators, each actuator thus experiences an increase in length.
  • the direction and extent of the balancing curvature can be specifically adjusted by changing the length of the individual actuators.
  • at least three actuators arranged uniformly distributed in the circumferential direction are used, so that there is an advantageous symmetrical arrangement for the targeted adjustment of the required balancing curvature.
  • the actuator is arranged in the axial direction at a distance from the carrier coupled to the shaft and in particular between a support surface of the shaft and a holding member which can be coupled to the shaft.
  • the actuator interacts exclusively with the shaft or with the shaft and a holding element coupled to the shaft, but not with the tool carrier or the tool.
  • the support surface can be formed, for example, on a radially projecting shoulder section formed on the shaft.
  • a nut element screwed onto the shaft serves as the holding element.
  • the actuator can be integrated into the outer region of the shaft without the output cross section of the shaft having to be weakened for this purpose.
  • the actuator provides additional active stiffness. It is particularly advantageous in this configuration that the holding member or the shaft nut can be used to pretension the actuator. It is therefore not necessary to apply the pretensioning force for the actuator by means of the tool clamping system.
  • the actuator is pretensioned, in particular via the carrier coupled to the shaft, via the tool coupled to the shaft or via a holding member coupled to the shaft.
  • the bias can e.g. from a centrally arranged clamping system or - in the case of an arrangement of the actuator on the shaft - from a holding member of the shaft, e.g. be applied to a shaft nut.
  • the preload reliably prevents tensile stresses that are harmful to piezo actuators.
  • the object on which the invention is based is also achieved according to claim 20 by a method for balancing rotating, in particular elongated objects, in which the unbalance of the rotating object is measured and the rotating object is curved with at least one actuator which can be controlled as a function of the measured unbalance becomes. It is preferred if the rotating object is curved in a region radially spaced from its axis of rotation and axially from its free end.
  • the balancing process is preferably carried out automatically and in particular during an acceleration phase and / or immediately after the acceleration phase of the rotating object.
  • the automatic balancing minimizes the balancing time and guarantees a high degree of flexibility.
  • the balancing during the acceleration phase or immediately afterwards enables an optimal identification of the unbalance and avoids unproductive dead times of a processing machine comprising the rotating object.
  • FIG. 1 is a sectional side view of a balancing device provided on a shaft and a carrier of a high-performance machining center according to an embodiment of the invention
  • Fig. 3 is a perspective view of the invention
  • Balancing system comprising section of the milling spindle of Fig. 2, and
  • Fig. 4 shows an alternative way of arranging actuators of the balancing system according to the invention.
  • Hollow shaft 12 which is also referred to as a motor spindle, can be driven directly via a drive area not shown in FIG. 1 and can be designed for maximum speeds of more than 30,000 rpm.
  • the shaft or spindle 12 is coupled to a carrier 13 designed as a chuck, on which a standardized hollow shaft taper 18 serving as a coupling section is formed.
  • the carrier 13 carries a tool, e.g. a drilling or milling tool.
  • the carrier 13 For coupling to the shaft 12, the carrier 13 is inserted with its hollow shaft cone 18 into the shaft end and drawn into the shaft 12 with a central clamping system, not shown in FIG. 1, which uses the cavities in the shaft 12 and in the carrier 13 , In the clamped state shown, the carrier 13 rests with an annular shoulder 15 on the end face of the shaft 12. In addition, the carrier 13 rests with the outside of the hollow shaft taper 18 on the bevelled inner wall of the end region of the shaft 12.
  • the shaft 12 is provided on the outer wall with a plurality of pocket-like receiving areas.
  • the shaft 12 has three receiving areas which are evenly distributed in the circumferential direction. The receiving areas are provided in the form of cutouts in the wall of the shaft 12.
  • Each receiving area delimits a receiving space of comparatively low radial height, which extends in the axial direction and is essentially completely filled by a piezo stack actuator 16 arranged therein.
  • the piezo actuators 16 can each be inserted via a side of the receiving area that is open on the tool side and each rest with their drive-side end on the floor of the receiving space that is perpendicular to the axis of rotation 14.
  • the length of the actuators 16 is dimensioned such that they are clamped between the carrier 13 and the section 26 of the shaft 12 axially delimiting the receiving spaces, so that the actuators 16 are already pretensioned in the non-activated state.
  • An opening 32 is formed in the radially outer boundary wall of each receiving space. These windows 32 specifically weaken the shaft 12 in the area of the actuators 16.
  • the openings 32 are closed in the radial direction by a securing element in the form of a cylindrical cover sleeve 34 surrounding the spindle 12.
  • the cover sleeve 34 is pressed on at the shaft end and does not undergo any bending over the actuator length.
  • the cover sleeve 34 is provided with a slightly larger interior, for example a few 1/10 mm provided diameter so that the actuators 16 are not bridged.
  • the covering sleeve 34 prevents casting material, with which the piezo actuators 16 are cast in for the purpose of fixing in the receiving areas, from being driven out of the receiving spaces by the centrifugal forces occurring during operation.
  • annular arrangement of the actuators 16 is that centrally arranged devices of the spindle 12, e.g. the mentioned clamping system for fixing the carrier 13 and means for supplying cooling, lubricating and cleaning media are not impaired.
  • cover sleeve 34 as well as further components arranged concentrically with respect to the shaft 12 and the carrier 13, which are described below, are only partially indicated on the lower side of the shaft 12 and the carrier 13 in FIG. 1 by dashed lines.
  • the piezo actuators 16 are part of a balancing system according to the invention, which also comprises a contactlessly operating transmission unit 23, 25 for controlling the piezo actuators 16 with amplified control signals.
  • the transmission unit has a rotor section 23 which is attached to the drive-side end face of a rotor 22a, 22b which, in operation, rotates together with the spindle 12 and in this embodiment is divided to facilitate assembly.
  • the rotor comprises two rotor rings 22a, 22b which are connected to one another in a rotationally fixed manner by means of a screw connection.
  • the axial position of the rotor is from a holding member screwed onto the spindle 12 is secured in the form of a nut 36 which bears against the drive-side rotor ring 22b. In this position, the rotor with the drive-side rotor ring 22b bears against an annular shoulder 17 of the spindle 12.
  • the transmission unit comprises a stator section 25 which is attached to the end face of a stator 24 which is stationary with respect to the rotating spindle 12 and which faces the rotor section 23.
  • annular space of the stator 24 for receiving converters 48 is covered on the drive side by an annular cover 42. Furthermore, a bearing plate 38 adjoins the stator 24 on the drive side, which also serves as an adapter for adapting to the spindle housing (not shown in FIG. 1).
  • a plurality of radial balancing bores 44 arranged in the circumferential direction are formed in the tool-side rotor ring 22a.
  • Each channel of this system is assigned an externally arranged medium-frequency amplifier (not shown), which is connected to the respective converter 48 and with which the Stator 24 supplied control signals for controlling the actuators 16 are amplified and transmitted via the converter 48 to the stator section 25, with which they are transmitted to the rotor section 23 without contact.
  • the medium frequency amplifiers are controlled by a microprocessor-supported central control unit (not shown) via a signal interface.
  • the length changes of the piezo actuators 16 that can be individually adjusted for each channel in this way are generated as a function of a measuring arrangement connected to the central control unit.
  • This measuring arrangement comprises a plurality of sensors, not shown in FIG. 1, which are arranged at measuring points suitably distributed over the fixed part of the overall arrangement.
  • the sensors are preferably arranged in the region of the bearing (not shown) closest to the actuators 16.
  • the sensors are preferably used to determine at least four independent signals which represent the proportions with respect to the two degrees of freedom (rotations about orthogonal axes perpendicular to the axis of rotation) for both components (radial offset and angular offset) of the unbalance. From these four signals the effects of the unbalance can be seen by measuring the paths or displacements and / or accelerations at the locations of the sensors.
  • the displacement or displacement signals are provided for evaluation in the low frequency range and the acceleration signals in the high frequency range of the intended bandwidth.
  • distances or displacements from the fixed part of the overall arrangement to the shaft 12 are measured at measuring points close to the shaft.
  • two-component acceleration measurements are carried out in two axially spaced planes running perpendicular to the axis of rotation, in particular in two bearing planes on the end shields, in the direction of the two orthogonal transverse axes running perpendicular to the axis of rotation.
  • the acceleration measurements are preferably made outside the housing and e.g. performed using piezoelectric inertial transducers.
  • the acceleration measurements e.g.
  • the measured forces are in particular the two transverse force components in the direction of the two orthogonal transverse axes running perpendicular to the axis of rotation and the moments about these transverse axes. In this way, four independent signals are also obtained.
  • a balancing process is carried out automatically after each tool change. Balancing can take place during the acceleration phase of the spindle 12 or in the subsequent one Submit operating phase or take place only after the acceleration phase.
  • path or displacement data and / or acceleration data of the overall system are continuously recorded with the sensors of the measuring arrangement, which represent the current unbalance conditions.
  • These data are made available to the central control unit, which automatically calculates an actuating signal for each piezo actuator 16 in a transformation taking into account the geometry of the actuator ring structure, and these actuating signals via the aforementioned
  • the powers provided by the amplifiers via the converters 48 are transmitted to the rotating system without contact by the multichannel transmission unit 23, 25 and, following rectification, are supplied to the piezo actuators 16 in the form of DC voltage control signals.
  • the central control unit can specifically produce adjusting movements in the form of changes in length of the individual actuators 16.
  • the control takes place in such a way that the actuating signals always increase the length of the piezo actuators 16.
  • Actuators 16 are arranged, and it is immaterial whether the actuators are arranged between two separate parts or two sections of a single part.
  • the curvature of the rotating overall object is in any case brought about by a closed bending moment on the axial portion of the overall object occupied by the actuator.
  • the arrangement of the actuators in the area of the interface carried out in the described embodiment does not take place in order to tilt the beam 13 directly against the shaft 12, but rather to cause a curvature of the rotating object in the area of the axial position at which the The main cause of the angular misalignment to be eliminated in the rotating overall object, here between shaft 12 and carrier 13, can occur.
  • the disruptive angular offset can be compensated in a targeted manner in the region in which it is created.
  • the spindle 12 experiences a resulting curvature or deflection in the axial area of the actuators 16, which is integrated over the axial length of the actuator 16 to form a compensation angle. This results in a change in the geometry of the rotating system that affects the entire length of the tool, thereby minimizing the imbalance that can be demonstrated with the measurement arrangement mentioned.
  • the curvature of the shaft 12 by the piezo actuators 16 is favored by the weakening of the shaft 12 due to the openings 32 in the receiving areas.
  • the piezo actuators 16 are dimensioned or arranged in such a way that the carrier 13 exerts pressure on the actuators 16, so that the actuators 16 are already slightly pretensioned in the uncontrolled state. In this way, tensile stresses of the actuators 16 are avoided, on the one hand, and, on the other hand, an optimal power transmission with a high power density is ensured, which leads to minimal response times of the balancing system according to the invention.
  • a closed control loop is thus available, which makes it possible to immediately counteract disturbances caused by an existing unbalance by the measuring arrangement by means of the actuators 16 and to minimize the unbalance with a suitable control algorithm.
  • the actuators 16 can be isolated, as a result of which the state which is characterized by a minimal unbalance is "frozen". This state can easily be maintained for a period of time sufficient to safely shut down the processing machine.
  • FIG. 2 shows, using the example of a milling spindle, the arrangement of a modified balancing system which is modified compared to the embodiment of FIG. 1, the principle of operation of which is however the same.
  • the milling spindle shown in a section AA (cf. the small cross-sectional view in FIG. 2) comprises a spindle shaft 12 which, according to FIG. 1, is coupled to a hollow shaft taper 18 of the tool carrier 13.
  • the force introduction surfaces for the actuators 16 are formed on the right side in FIG. 2 by a section of the carrier 13 and on the left side by the end face of the ring section of the shaft 12 surrounding the hollow shaft cone 18 of the carrier 13.
  • the axial region of the actuators 16 is surrounded in the radial direction by a cover sleeve 34.
  • the transmission unit 53 for contactless energy and data transmission comprises a rotating section attached to a rotor 59 and a fixed section provided on a stator 24.
  • FIG. 2 also shows two load cells 51, the measurement signals of which are used to determine the weight and control of the actuators 16.
  • a total of eight load cells are provided, four cells in an axially front and four cells in an axially rear bearing plane, each distributed in the circumferential direction and arranged at intervals of 90 °.
  • FIG. 3 shows, with omission of the shaft 12 and the parts of the milling spindle surrounding the shaft 12, a perspective view of the shaft-side end of the carrier 13 designed as a hollow shaft taper 18.
  • the left enlarged section shows two of the three piezo actuators 16 which are distributed around the carrier 13 and are surrounded by the cover sleeve 34.
  • a passage 57 is shown which serves to receive connecting lines which lead from the respective piezo actuator 16 to the section of the transmission unit 53 which rotates together with the carrier 13.
  • the lower enlarged section in FIG. 3 shows in particular the rotor 59 rotating together with the shaft and the carrier 13 and the stationary stator 24, on which the rotating part or the stationary part of the transmission unit 53 are arranged.
  • Fig. 4 shows an alternative way of integrating the actuators 16 into the rotating object.
  • the actuators 16 are not arranged in the region of the carrier, but rather on the outer region of the shaft 12, with an axial distance from the carrier, not shown in FIG. 4, the hollow shaft cone of which has the correspondingly shaped end section 12a, which is shown on the right in FIG. 2 the shaft 12 can be coupled.
  • the actuators 16 are arranged between a radially projecting annular shoulder 65 of the shaft 12 and a nut 55 screwed onto the shaft 12, which serves as a holding member and with which the prestressing of the actuators 16 can be adjusted.
  • the space between a bearing 39 and the shaft nut 55 is available as installation space 63 for the transmission unit (not shown) provided for contactless energy and data transmission.
  • the arrangement of the piezo actuators 16 according to FIG. 4 does not require any weakening of the spindle shaft 12. Rather, the actuators 16 serve as an active additional stiffness.
  • a further advantageous aspect of this configuration consists in the arrangement of a measuring device in the form of a force sensor 61 at the location of the respective actuator 16, which is only indicated in FIG. 4. Such a collocated arrangement of force sensors 61 and actuators 16 at the same location enables particularly good controllability achieve the balancing system according to the invention.
  • FIG. 1 and 2 are each characterized by an arrangement of the actuators 16 at the separation point between the spindle shaft 12 and the tool carrier 13 and allow the actuators 16 to be preloaded by means of the clamping system, as explained above ,
  • the variant of FIG. 2 is characterized by an arrangement of the actuators 16 on the tool holder or chuck side, i.e. the actuators 16 are integrated in the tool carrier or the chuck, and can thus be separated from the spindle shaft 12 in an advantageous manner.
  • FIG. 4 shows the integration of the actuators 16 into the spindle shaft 12, but is characterized by an axial spacing between the actuator installation location and the separation point between the shaft 12 and the tool carrier, the actuators 16 being preloaded by a separate device.
  • the balancing system according to the invention can be operated up to the maximum actuator voltage of 800 V to be observed in the piezo actuators used.
  • the Ak The actuator voltage deflection diagram shows only a small hysteresis for different maximum actuator voltages.
  • the actuators have a short response time of approximately 30 ms, ie the maximum deflection of the actuator corresponding to a respective actuator voltage is reached within approximately 30 ms. Approximately the same time period arises until the original actuator length is reached after the actuator voltage has been removed. This behavior is practically independent of the actuator voltage used in each case.
  • test measurements were carried out with an air gap with a width of approximately 0.5 to 0.6 mm between a transmitting device and a receiving device of the contactless transmission unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auswuchten von rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenständen, insbesondere in Bearbeitungszentren zur Bohr- und Fräsbearbeitung, mit wenigstens einem am rotierenden Gegenstand mit radialem Abstand von dessen Drehachse und mit axialem Abstand von dessen freiem Ende anbringbaren Aktuator, der zum Einstellen einer Auswuchtkrümmung des Gegenstandes in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht zu axialen Stellbewegungen ansteuerbar ist. Die Erfindung betrifft ausserdem eine Bearbeitungsmaschine mit einer derartigen Auswuchtvorrichtung sowie ein Auswuchtverfahren.

Description

Auswuchtvorrichtung und -verfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auswuchten von rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenständen, insbesondere in Bearbeitungszentren zur Bohr- und Fräsbearbeitung.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Bearbeitungsmaschine mit zumindest einem rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenstand und wenigstens einer Auswuchtvorrichtung, sowie ein Auswuchtverfahren.
Insbesondere in Hochleistungsbearbeitungszentren, die zur spanenden Bearbeitung von Bauteilen beispielsweise in der Automobilindustrie zunehmend eingesetzt werden, können unterschiedliche Werkzeuge auswechselbar mit direkt angetriebenen Wellen gekoppelt werden, die auch als Motorspindeln bezeichnet werden. Für jeden Bearbeitungsvorgang kann hierbei ein spezielles Werkzeug eingewechselt werden. Zur Erzielung maximaler Zerspanungsleistungen soll mit möglichst hohen Drehzahlen der Welle gearbeitet werden. Bei derartigen schnellaufenden Systemen sind Unwuchten unvermeidbar, die insbesondere durch Toleranzen an der Schnittstelle zwischen dem Werkzeug und der Welle bedingt sind und die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen. Die durch die Unwucht hervorgerufene Exzentrizität an der Spitze des Werkzeugs nimmt mit dessen Länge zu, was bei weit auskragenden Werkzeugen, die vor allem bei der Bohr- und Fräsbearbeitung zum Einsatz kommen, zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit führt. Außerdem erhöhen die durch die Unwucht hervorgerufenen Kräfte, deren Größe proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, die Belastung der Wellenlager.
Bekannte Auswuchtsysteme, wie beispielsweise in der WO 96/ 17294 be- schrieben, haben den Nachteil, daß zusätzliche Massen in das rotierende System eingebracht werden, die störende Zusatz-Trägheitsmomente zur Folge haben. Außerdem erfolgt die Auswuchtung nur punktuell in einer einzigen senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene. Bei hydraulischen Auswuchtsystemen ist von Nachteil, daß diese häufig nicht reversibel be- trieben werden können und zur Entleerung bzw. Rücksetzung vorübergehend außer Betrieb gesetzt werden müssen. Nachteilig an mit relativ geringen Antriebskräften und stark untersetzenden Getrieben arbeitenden elektromechanischen Systemen ist, daß bei hohen Drehzahlen die Getriebe zum Verklemmen neigen, da die hohen Reibungskräfte von den Antrie- ben nicht mehr überwunden werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die Unwucht an rotierenden Gegenständen möglichst weitgehend zu beseitigen, wobei dies insbesondere an rotierenden Systemen mit einer angetriebenen schnellaufenden Welle und einem mit der Welle gekoppelten Werkzeug von vergleichsweise großer Länge möglich sein soll, und zwar mit einem minimalen zusätzlichen Trägheitsmoment und bei minimalen Auswuchtzeiten, und wobei dies insbesondere außerdem automatisch, reversibel und in jedem Betriebszustand möglich sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 und insbesondere dadurch, daß die Auswuchtvorrichtung wenigstens einen am rotierenden Gegenstand mit radialem Abstand von dessen Drehachse und mit axialem Abstand von dessen freiem Ende anbringbaren Aktuator aufweist, der zum Einstellen einer Auswuchtkrümmung des Gegenstandes in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht zu axialen Stellbewegungen ansteuerbar ist.
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Aktuator vorgesehen, der am rotierenden Gegenstand angebracht werden kann, und zwar mit radialem Abstand von der Drehachse des rotierenden Gegenstandes und mit axialem Abstand von dem freien Ende des rotierenden Gegenstandes. Der Aktuator ist zu axialen Stellbewegungen in der Lage, wenn er entsprechend angesteuert wird. Dabei ist der Aktuator während des Betriebs derart am rotierenden Gegenstand angebracht, daß die axialen Stellbewegungen etwa parallel zur Drehachse des rotierenden Gegenstandes erfolgen und der Gegenstand durch die axialen Stellbewegungen des Aktuators mehr oder weniger stark gekrümmt wird. Die auf diese Weise mittels des Aktuators einstellbare Krümmung oder Biegung des rotierenden Gegenstandes dient zur Beseitigung oder Reduzierung einer Unwucht des rotierenden Gegenstandes und wird daher auch als Auswuchtkrümmung bezeichnet. Durch die Auswuchtkrümmung oder - wenn mehrere Aktuatoren vorhanden sind - Auswuchtkrümmungen jeweils an einer vom freien Ende des rotierenden Gegenstands entfernten Stelle kann der jeweilige Abschnitt des rotierenden Gegenstands, der von dem Aktuatorbereich bis zum freien Ende des Gegenstands reicht, unter Krümmung oder Biegung des Gegenstands im Raum bewegt werden. Durch Einstellen der Aus- wuchtkrümmung in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht kann diese minimiert werden. Wenn beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem die Drehachse des rotierenden Gegenstandes die z-Achse bildet, dann kann mit mehreren an einem axialen Einbauort in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Aktuatoren der Gegenstand am axialen Einbauort derart ge- krümmt werden, daß eine beliebige Neigung des sich von dem axialen Einbauort bis zum freien Ende erstreckenden Abschnitts des Gegenstandes relativ zu der x-y-Ebene eingestellt werden kann, d.h. die einzelnen Auswuchtkrümmungen der Aktuatoren - z.B. eine Krümmung um die x-Achse und eine Krümmung um die y-Achse - ermöglichen eine Einstellung der Neigung oder resultierenden Gesamtkrümmung des Gegenstandes in den beiden hierfür zur Verfügung stehenden Freiheitsgraden
Erfindungsgemäß kann der rotierende Gegenstand somit an einem von seinem freien Ende entfernten Bereich mit Hilfe des Aktuators gezielt in Abhängigkeit von der jeweiligen Unwucht gekrümmt werden. Das freie Ende des rotierenden Gegenstandes, beispielsweise eine Werkzeugspitze, wird durch dieses Verbiegen des Gegenstandes in Richtung der Drehachse bewegt.
Der Aktuator wirkt somit als ein Biegeaktuator, der dem rotierenden Gegenstand an der Stelle, wo die durch die Stellbewegungen hervorgerufenen Stellkräfte auf den Gegenstand einwirken, eine Gelenkeigenschaft verleiht. Durch die Erfindung wird der rotierende Gegenstand daher mit einem Festkörpergelenk versehen. Der Abschnitt des Gegenstandes zwischen dem Gelenkbereich und dem freien Ende kann gezielt zu Auswuchtbewegungen veranlaßt werden, die zu einer Minimierung der Unwucht führen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die einstellbare Auswuchtkrümmung oder Auswuchtbiegung des rotierenden Gegenstandes über die gesamte Länge des Bereiches zwischen der Stelle, an welcher die Krümmung bzw. Biegung erfolgt, und dem freien Ende des Gegenstan- des wirksam ist. Es findet somit keine punktuelle Auswuchtung lediglich in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebene statt, sondern es erfolgt eine Minimierung des gesamten Exzentrizitätsverlaufs des rotierenden Gegenstandes zwischen der Biegestelle und dem freien Ende.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung daher an langgestreckten rotierenden Gegenständen einsetzbar.
In einem bevorzugten praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem rotierenden Gegenstand um eine direkt antreibba- re Spindel eines Hochleistungsbearbeitungszentrums, die an ihrem freien Ende mit einem auswechselbaren Werkzeug gekoppelt ist, das an einem direkt mit der Welle gekoppelten Träger angebracht ist. Die Werkzeugspitze bildet somit das freie Ende des rotierenden Gesamtgegenstandes.
Hauptursache für die Unwucht derartiger rotierender Systeme ist der insbesondere durch Planlauffehler verursachte Winkelversatz zwischen der Spindel und dem Werkzeug bzw. dem Träger. Dieser Winkelversatz entsteht an der Schnittstelle zwischen der Spindel und dem jeweils direkt mit der Spindel gekoppelten Bauteil.
Die negativen Auswirkungen der Unwucht dieses Gesamtsystems sind um so größer, je länger das Werkzeug und je schlanker und elastischer die Welle ist. Die insbesondere bei der Bohr- und Fräsbearbeitung benötigten, relativ weit auskragenden Werkzeuge und die relativ elastischen Wellen führen zu einer ausgeprägten Reaktion auf die Anregung durch die Unwucht. Verstärkt wird dieses Problem durch eine angestrebte Massearmut der jeweiligen Maschine, deren damit verbundene geringere dynamische Steifigkeit zu größeren Relatiwerlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück führt.
Diese negativen Auswirkungen der Unwucht können durch die erfindungsgemäße Auswuchtung minimiert werden, die vom Bereich der durch den Aktuator hervorgerufenen Krümmung bis zur Werkzeugspitze wirksam ist.
Von besonderem Vorteil ist daher der Einsatz der erfindungsgemäßen Auswuchtvorrichtung an weit auskragenden Werkzeugen mit einem gro- ßen Länge /Durchmesser- Verhältnis.
Vorzugsweise wird der Aktuator im Bereich dieser Schnittstelle zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger angeordnet, wodurch der rotierende Gesamtgegenstand an der Stelle gekrümmt werden kann, an der mit dem Winkelversatz zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger die auszugleichende Unwucht ihre Hauptursache hat.
Durch die Krümmung oder Biegung des Gegenstandes im Bereich der Schnittstelle wird somit in vorteilhafter Weise eine Auswuchtwirkung über die gesamte Werkzeuglänge erzielt. Dies ist insbesondere bei vergleichsweise langen und schlanken Werkzeugen von Vorteil, da der für die Unwucht verantwortliche Winkelversatz an der Schnittstelle bei weit auskra- genden Werkzeugen besonders ausgeprägte exzentrische Bewegungen der Werkzeugspitze um die Drehachse zur Folge hat.
Unter der Voraussetzung des für die Unwucht hauptsächlich verantwortli- chen Fehlers aus dem Planlauf an der Schnittstelle werden somit durch die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung die geometrischen Verhältnisse im rotierenden System insgesamt verbessert, während bei der mit herkömmlichen Masseausgleichssystemen bewirkten Einebenenaus- wuchtung lediglich punktuelle Verbesserungen erzielt werden, die ledig- lieh zu einer Verringerung der Unwuchtreaktion führen können, jedoch keine Verbesserung der Geometrie zur Folge haben.
Erfindungsgemäß können die nachteiligen Folgen der Unwucht also auch an Stellen - nämlich an der Werkzeugspitze - beseitigt werden, an denen ein direkter Eingriff beispielsweise durch eine punktuelle Einebenenaus- wuchtung nicht möglich ist.
Vorzugsweise ist der Aktuator an der Welle anbringbar und somit auf der vom Werkzeug abgewandten Seite der Schnittstelle zwischen Welle und Werkzeug bzw. Träger. Hierdurch ist der Aktuator dem von Werkzeugwechseln nicht betroffenen Teil des rotierenden Gesamtgegenstandes zugeordnet. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Aktuator im bezüglich der Wellenlagerung auskragenden Bereich der Welle angeordnet ist, wodurch ungünstige Verspannungen in der Lagerung vermieden werden.
Bevorzugt wird der Aktuator dabei im Bereich der Außenwand des rotierenden Gegenstandes und somit in einem relativ großen Abstand zur Drehachse angeordnet, wodurch eine für die Erzielung hoher Biegekräfte günstige Geometrie vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren praktischen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Aktuatoren vorgesehen, die in Umfangsrichtung insbesondere gleichmäßig verteilt am rotierenden Gegenstand anbringbar sind. Hierdurch entsteht eine ringartige Aktuatorstruktur um die Drehachse, bei der beispielsweise drei jeweils um 120° voneinander beabstandete Aktuatoren vorgesehen sein können. Grundsätzlich kann jede beliebige Anzahl von Aktuatoren vorgesehen sein, und es ist auch möglich, die Aktuatoren ungleichmäßig verteilt anzuordnen. Die jeweilige Geometrie wird bei der An- steuerung der Aktuatoren durch eine entsprechende Transformation zwischen den Aktuatorpositionen und den beiden unabhängigen Freiheitsgraden der Krümmung bzw. Biegung des Gegenstandes berücksichtigt. Die Freiheitsgrade sind Drehungen um die beiden senkrecht zur Drehachse und senkrecht zueinander verlaufenden Achsen, um welche der Gegenstand mittels der Aktuatoren gekrümmt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung han- delt es sich bei den Stellbewegungen um Längenänderungen des Aktuators. Dabei ist in einer bevorzugten praktischen Ausführung vorgesehen, daß der Aktuator zumindest ein piezoelektrisches Element umfaßt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Piezostapelaktuator aus einer Vielzahl von stapelartig angeordneten piezoelektrischen Einzelelementen han- dein.
Bei derartigen Festkörperaktuatoren ist von Vorteil, daß bei minimalem Eigengewicht und daher minimalem zusätzlichen Trägheitsmoment, bei minimalen Ansprechzeiten, minimalem Verschleiß und maximaler Belastbarkeit ein Stellsystem mit einer extrem hohen Kraft- und Leistungsdichte vorhanden ist.
Des weiteren ist von Vorteil, daß keine beweglichen Teile vorhanden sind. Es besteht somit keine Klemm- oder Blockiergefahr.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Piezoaktuatoren besteht darin, daß diese gegebenenfalls isoliert werden können und deren zuvor einge- stellte Längenänderung auf diese Weise vorübergehend gehalten werden kann. Im Fall von Betriebsstörungen kann somit der Auswuchtzustand eine ausreichend lange Zeit beibehalten werden, um z.B. ein sicheres Herunterfahren der jeweiligen Bearbeitungsmaschine zu gewährleisten.
Da die Piezoaktuatoren aufgrund ihrer bezogen auf die hohe Kraft- und Leistungsdichte minimalen Masse problemlos in das rotierende System integriert werden können, ergibt sich insbesondere auch im Hinblick auf die minimalen Ansprechzeiten der Piezoaktuatoren die Möglichkeit, diese zur aktiven Dämpfung innerhalb des rotierenden Systems einzusetzen. Hierdurch werden insbesondere bei hohen Drehzahlen störende Phasendrehungen vermieden, die bei anderen, in den Lagern oder sonstigen stationären Teilen des Systems angeordneten Dämpfungseinrichtungen auftreten.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung eine insbesondere induktiv arbeitende Übertragungseinheit zur berührungslosen Ansteuerung des Aktuators. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Übertragungseinheit einen Rotorabschnitt zur gemeinsamen Drehung mit dem rotierenden Gegenstand und einen bezüglich des rotierenden Gegenstandes stationären Statorabschnitt aufweist. Eine zuverlässige Übertragung von Stellsignalen an den Aktuator ist hierdurch auch bei extrem hohen Drehzahlen gewährleistet.
Um die Unwucht zu bestimmen und den Aktuator zur Ausführung von kompensierenden Stellbewegungen entsprechend ansteuern zu können, ist vorzugsweise eine Meßanordnung vorgesehen, mit der den rotierenden Gegenstand betreffende Weg- bzw. Verschiebungs- und/ oder Beschleunigungsdaten ermittelt werden können.
Hierzu werden Wege bzw. Verschiebungen vom feststehenden Teil des Ge- samtsystems zum rotierenden Teil und/ oder Beschleunigungen am feststehenden Teil als Reaktion auf über die Lager übertragene Anregungsbzw. Stützkräfte gemessen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt außer- dem gemäß Anspruch 10 durch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere eines Bearbeitungszentrums zur Bohr- und Fräsbearbeitung, die zumindest einen rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenstand und wenigstens eine erfindungsgemäße Auswuchtvorrichtung aufweist.
Der rotierende Gegenstand der Bearbeitungsmaschine umfaßt bevorzugt eine Welle in Form einer direkt antreibbaren Spindel sowie ein auswechselbar mit der Spindel koppelbares Werkzeug, das an einem direkt mit der Spindel gekoppelten Träger angebracht ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Aktuator in axialer Richtung zwischen einer Stirnfläche, z.B. einer Ringschulter, des Trägers und einem bezüglich des werkzeugseitigen Wellenendes axial beabstandeten Ab- schnitt der Welle angeordnet ist. Bei axialer Ausdehnung des von der
Drehachse beabstandeten Aktuators beaufschlagt dessen eines Ende den Träger - und damit eine Planfläche der Trenn- bzw. Schnittstelle zwischen Träger und Welle - und dessen anderes Ende die Welle. Da die Welle und der Träger in axialer Richtung durch ein Spannsystem fest miteinander gekoppelt sind, resultieren die vom Aktuator aufgebrachten Stellkräfte in einem Biegemoment, durch das die Welle in dem axialen Bereich, längs welchem sich der Aktuator erstreckt, gekrümmt wird. Der Aktuator wirkt somit auf zwei gleichwertige, senkrecht zur Drehachse verlaufende und axial beabstandete Stützflächen des rotierenden Gesamtgegenstandes.
Die Werkzeugspitze kann auf diese Weise durch eine Stellbewegung des Aktuators in Richtung der Drehachse gebogen werden.
Alternativ wäre es erfindungsgemäß grundsätzlich auch möglich, den Ak- tuator zwischen zwei axial beabstandeten Abschnitten der Welle anzuordnen und somit bei einer Längenvergrößerung ausschließlich auf die Welle einwirken zu lassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorge- sehen, daß am Ort des Aktuators wenigstens eine insbesondere als Kraftsensor ausgebildete Meßeinrichtung angeordnet ist, mit der zur Bestimmung der Unwucht und damit zur Auswuchtung und Ansteuerung des Aktuators dienende Meßwerte erfaßt werden. Mit einer derartigen Meßein- richtung kann beispielsweise die relative Verschiebung zwischen den beiden Krafteinleitungsflächen des Aktuators und damit ein Weg gemessen werden. Durch ein am Aktuatorort angebrachtes, kolloziiertes Kraftsensorelement wird in vorteilhafter Weise eine robuste Regelbarkeit des erfin- dungsgemäßen Auswuchtsystems erreicht.
Wenn die Auswuchtvorrichtung mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Aktuatoren umfaßt, dann werden diese bevorzugt gleichsinnig angesteuert. Im Fall von Piezostapelaktuatoren erfährt somit jeder Aktua- tor eine Längenvergrößerung. Richtung und Ausmaß der Auswuchtkrümmung können durch unterschiedlich große Längenänderungen der einzelnen Aktuatoren gezielt eingestellt werden. Vorzugsweise werden wenigstens drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Aktuatoren eingesetzt, so daß eine zur gezielten Einstellung der benötigten Aus- wuchtkrümmung vorteilhafte symmetrische Anordnung vorhanden ist.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Aktuator in axialer Richtung mit Abstand von dem mit der welle gekoppelten Träger und insbesondere zwischen einer Abstützfläche der Welle und einem mit der Welle koppelbaren Halteorgan angeordnet ist.
Der Aktuator wirkt hierbei ausschließlich mit der Welle bzw. mit der Welle und einem an die Welle gekoppelten Halteorgan, nicht jedoch mit dem Werkzeugträger oder dem Werkzeug zusammen. Die Abstützfläche kann beispielsweise an einem an der Welle ausgebildeten, radial abstehenden Schulterabschnitt ausgebildet sein. Als Halteorgan dient z.B. ein auf die Welle geschraubtes Mutterelement. Bei einer derartigen Konfiguration kann der Aktuator in den äußeren Bereich der Welle integriert werden, ohne daß hierfür der Ausgangsquerschnitt der Welle geschwächt werden muß. Ferner ist hierbei durch den Aktuator eine zusätzliche aktive Steifigkeit gegeben. Besonders vorteilhaft in dieser Konfiguration ist, daß das Halteorgan bzw. die Wellenmutter zur Vorspannung des Aktuators verwendet werden kann. Es ist somit nicht erforderlich, die Vorspannkraft für den Aktuator mittels des Werkzeugspannsystems aufzubringen.
Des weiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß der Aktuator vorgespannt ist, insbesondere über den mit der Welle gekoppelten Träger, über das mit der Welle gekoppelte Werkzeug oder über ein mit der Welle gekoppeltes Halteorgan. Die Vorspannung kann z.B. von einem zentral angeordneten Spannsystem oder - im Fall einer Anordnung des Aktuators an der Wel- le - von einem Halteorgan der Welle, z.B. einer Wellenmutter aufgebracht werden. Für Piezoaktuatoren schädliche Zugbeanspruchungen werden durch die Vorspannung sicher verhindert.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe erfolgt außer- dem gemäß Anspruch 20 durch ein Verfahren zum Auswuchten von rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenständen, bei dem die Unwucht des rotierenden Gegenstandes gemessen und der rotierende Gegenstand mit wenigstens einem in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht ansteuerbaren Aktuator gekrümmt wird. Bevorzugt ist es dabei, wenn der rotierende Gegenstand in einem von dessen Drehachse radial und von dessen freiem Ende axial beabstandeten Bereich gekrümmt wird. Vorzugsweise wird das Auswuchtverfahren automatisch und insbesondere während einer Beschleunigungsphase und/ oder unmittelbar im Anschluß an die Beschleunigungsphase des rotierenden Gegenstandes durchgeführt.
Die automatische Auswuchtung minimiert die Auswuchtzeit und garantiert eine hohe Flexibilität. Die Auswuchtung während der Beschleunigungsphase oder unmittelbar im Anschluß daran ermöglicht eine optimale Identifizierung der Unwucht und vermeidet unproduktive Totzeiten einer den rotierenden Gegenstand umfassenden Bearbeitungsmaschine.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in einer geschnittenen Seitenansicht eine an einer Welle und einem Träger eines Hochleistungsbearbeitungszentrums vor- gesehene Auswuchtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Frässpindel, die mit einem erfindungsgemäßen Auswuchtsystem gemäß einer weiteren Aus- führungsform versehen ist, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines das erfindungsgemäße
Auswuchtsystem umfassenden Abschnitts der Frässpindel von Fig. 2, und
Fig. 4 eine alternative Möglichkeit zur Anordnung von Aktuatoren des erfindungsgemäßen Auswuchtsystems.
Die auch als Motorspindel bezeichnete hohle Welle 12 ist über einen in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebsbereich direkt antreibbar und kann für maximale Drehzahlen von mehr als 30.000 U/min ausgelegt sein.
Über ihr in Fig. 1 linkes Ende ist die Welle bzw. Spindel 12 mit einem als Spannfutter ausgebildeten Träger 13 gekoppelt, an dem ein als Kopplungsabschnitt dienender, genormter Hohlschaftkegel 18 ausgebildet ist. Der Träger 13 trägt an seinem in Fig. 1 nicht dargestellten linken Endbereich ein Werkzeug, z.B. ein Bohr- oder Fräswerkzeug.
Zur Kopplung mit der Welle 12 wird der Träger 13 mit seinem Hohlschaftkegel 18 in das Wellenende eingesteckt und mit einem in Fig. 1 nicht dar- gestellten zentralen Spannsystem, das die Hohlräume in der Welle 12 und im Träger 13 ausnutzt, in die Welle 12 hineingezogen. Im dargestellten eingespannten Zustand liegt der Träger 13 mit einer Ringschulter 15 an der Stirnseite der Welle 12 an. Außerdem liegt der Träger 13 mit der Außenseite des Hohlschaftkegels 18 an der abgeschrägten Innenwand des Endbereiches der Welle 12 an.
Im Bereich ihres innen abgeschrägten Endes ist die Welle 12 an der Außenwand mit mehreren taschenartigen Aufnahmebereichen versehen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Welle 12 drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Aufnahmebereiche auf. Die Aufnahmebereiche sind in Form von Aussparungen in der Wandung der Welle 12 vorgesehen.
Jeder Aufnahmebereich begrenzt einen sich in axialer Richtung erstrek- kenden Aufnahmeraum von vergleichsweise geringer radialer Höhe, der von einem darin angeordneten Piezostapelaktuator 16 im wesentlichen vollständig ausgefüllt ist.
Die Piezoaktuatoren 16 sind jeweils über eine werkzeugseitig offene Seite des Aufnahmebereiches einführbar und liegen jeweils mit ihrem an- triebsseitigen Ende am senkrecht zur Drehachse 14 verlaufenden Boden des Aufnahmeraumes an. Die Länge der Aktuatoren 16 ist derart bemes- sen, daß sie zwischen dem Träger 13 und dem die Aufnahmeräume axial begrenzenden Abschnitt 26 der Welle 12 eingeklemmt sind, so daß die Aktuatoren 16 bereits im nicht angesteuerten Zustand unter Vorspannung stehen.
In der radial äußeren Begrenzungswand jedes Aufnahmeraumes ist eine Öffnung 32 ausgebildet. Durch diese Fenster 32 wird gezielt eine Schwächung der Welle 12 im Bereich der Aktuatoren 16 bewirkt. Die Öffnungen 32 sind in radialer Richtung durch ein Sicherungsorgan in Form einer die Spindel 12 umgebenden zylindrischen Abdeckhülse 34 verschlossen. Die Abdeckhülse 34 ist am Wellenende aufgepreßt und erfährt über die Ak- tuatorlänge keine Biegung. Im Bereich der Öffnungen 32 ist die Abdeckhülse 34 mit einem geringfügig, z.B. um einige 1 / 10 mm, größeren Innen- durchmesser versehen, so daß die Aktuatoren 16 nicht überbrückt werden.
Durch die Abdeckhülse 34 wird verhindert, daß Gußmaterial, mit dem die Piezoaktuatoren 16 zwecks Fixierung in den Aufnahmebereichen eingegossen sind, durch die im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte aus den Aufnahmeräumen herausgetrieben wird.
Ein Vorteil der ringförmigen Anordnung der Aktuatoren 16 ist, daß zentral angeordnete Einrichtungen der Spindel 12 wie z.B. das erwähnte Spannsystem zur Fixierung des Trägers 13 sowie Mittel zur Zufuhr von Kühl-, Schmier- und Reinigungsmedien nicht beeinträchtigt werden.
Die bereits erwähnte Abdeckhülse 34 sowie weitere bezüglich der Welle 12 und des Trägers 13 konzentrisch angeordnete Komponenten, die im folgenden beschrieben werden, sind auf der in Fig. 1 unteren Seite der Welle 12 und des Trägers 13 lediglich durch gestrichelte Linien teilweise angedeutet.
Die Piezoaktuatoren 16 sind Teil eines erfindungsgemäßen Auswuchtsystems, das außerdem eine berührungslos arbeitende Übertragungseinheit 23, 25 zur Ansteuerung der Piezoaktuatoren 16 mit verstärkten Stellsignalen umfaßt. Zum einen weist die Übertragungseinheit einen Rotorabschnitt 23 auf, der an der antriebsseitigen Stirnfläche eines im Betrieb gemeinsam mit der Spindel 12 rotierenden, in dieser Ausführungsform zur Erleichterung der Montage geteilten Rotors 22a, 22b angebracht ist. Der Rotor umfaßt zwei Rotorringe 22a, 22b, die über eine Verschraubung drehfest miteinander verbunden sind. Die axiale Lage des Rotors wird von einem auf die Spindel 12 geschraubten Halteorgan in Form einer Mutter 36 gesichert, die am antriebsseitigen Rotorring 22b anliegt. In dieser Stellung liegt der Rotor mit dem antriebsseitigen Rotorring 22b an einer Ringschulter 17 der Spindel 12 an.
Zum anderen umfaßt die Übertragungseinheit einen Statorabschnitt 25, der an der werkzeugseitigen und somit dem Rotorabschnitt 23 zugewandten Stirnfläche eines bezüglich der rotierenden Spindel 12 stationären Stators 24 angebracht ist.
Ein Ringraum des Stators 24 zur Aufnahme von im folgenden näher erläuterten Umsetzern 48 ist antriebsseitig von einer ringförmigen Abdek- kung 42 abgedeckt. Des weiteren grenzt antriebsseitig an den Stator 24 ein Lagerschild 38 an, das gleichzeitig als Adapter zur Anpassung an das in Fig. 1 nicht dargestellte Spindelgehäuse dient.
Bohrungen, die zur Aufnahme von Verbindungsleitungen bzw. einer Steckverbindung 45 zwischen den Leitungen in den Rotorringen 22a, 22b ausgebildet sind, sind durch Abdichtstopfen 46 verschlossen.
Im werkzeugseitigen Rotorring 22a sind außerdem mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete radiale Auswuchtbohrungen 44 ausgebildet.
Der Rotorabschnitt 23 und der Statorabschnitt 25, zwischen denen ledig- lieh ein kleiner axialer Spalt vorhanden ist, bilden ein mehrkanaliges Mit- telfrequenzübertragungssystem. Jedem Kanal dieses Systems ist ein mit dem jeweiligen Umsetzer 48 verbundener, extern angeordneter Mittelfrequenzverstärker (nicht dargestellt) zugeordnet, mit dem zunächst dem Stator 24 zugeführte Stellsignale zur Ansteuerung der Aktuatoren 16 verstärkt und über den Umsetzer 48 an den Statorabschnitt 25 übermittelt werden, mit dem sie berührungslos zum Rotorabschnitt 23 übertragen werden. Die Mittelfrequenzverstärker werden von einer mikroprozessor- unterstützten zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt) über eine Signalschnittstelle angesteuert.
Mit diesem Übertragungssystem, in dem jedem Aktuator 16 ein Kanal zugeordnet ist, wird für jeden Kanal eine Wechselspannung induziert. Die induzierten Wechselspannungen werden gleichgerichtet und dienen zur Ansteuerung der Piezostapelaktuatoren 16. Die Gleichrichter sind jeweils Bestandteil einer im Rotorring 22b angeordneten elektronischen Baugruppe 49, die außerdem eine Entladeelektronik umfaßt.
Die auf diese Weise für jeden Kanal individuell einstellbaren Längenänderungen der Piezoaktuatoren 16 werden in Abhängigkeit von einer an die zentrale Steuereinheit angeschlossenen Meßanordnung erzeugt. Diese Meßanordnung umfaßt mehrere in Fig. 1 nicht dargestellte Sensoren, die an über den feststehenden Teil der Gesamtanordnung in geeigneter Weise verteilten Meßstellen angeordnet sind. Bevorzugt werden die Sensoren im Bereich des den Aktuatoren 16 nächstgelegenen Lagers (nicht dargestellt) angeordnet.
Mit den Sensoren werden vorzugsweise wenigstens vier unabhängige Si- gnale ermittelt, welche für beide Komponenten (radialer Versatz und Winkelversatz) der Unwucht die Anteile bezüglich der beiden Freiheitsgrade (Drehungen um orthogonale Achsen senkrecht zur Drehachse) repräsentieren. Aus diesen vier Signalen können die Auswirkungen der Unwucht durch Messen der Wege bzw. Verschiebungen und/ oder Beschleunigungen an den Stellen der Sensoren erfaßt werden.
Dabei sind die Weg- bzw. Verschiebungssignale für eine Auswertung im niedrigen Frequenzbereich und die Beschleunigungssignale im hohen Frequenzbereich der vorgesehenen Bandbreite vorgesehen.
Gemäß einem möglichen Sensorkonzept werden Wege bzw. Verschiebungen vom feststehenden Teil der Gesamtanordnung zur Welle 12 an wellen- nahen Meßstellen gemessen. Um vier unabhängige Beschleunigungssignale zu erhalten, erfolgen in zwei axial beabstandeten, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Ebenen, insbesondere in zwei Lagerebenen an den Lagerschilden, jeweils 2-Komponenten-Beschleunigungsmessungen in Richtung der beiden orthogonalen, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Querachsen. Die Beschleunigungsmessungen werden bevorzugt außerhalb des Gehäuses und z.B. mittels piezoelektrischer Inertialaufnehmer durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich zu den Beschleunigungsmessungen können z.B. mit scheibenförmigen Piezoelementen, die in das Gehäuse integriert sind, Kräfte bzw. Dehnungen in Trennfugen beispielsweise zwi- sehen dem Lagerschild 38 und dem Gehäuse gemessen werden. Die gemessenen Kräfte sind insbesondere die beiden Querkraftkomponenten in Richtung der beiden orthogonalen, senkrecht zur Drehachse verlaufenden Querachsen sowie die Momente um diese Querachsen. Auf diese Weise werden ebenfalls vier unabhängige Signale erhalten.
Erfindungsgemäß wird nach jedem Werkzeugwechsel automatisch ein Auswuchtvorgang durchgeführt. Das Auswuchten kann während der Beschleunigungsphase der Spindel 12 erfolgen oder in die anschließende Betriebsphase hineinreichen oder ausschließlich im Anschluß an die Beschleunigungsphase erfolgen.
Hierzu werden mit den erwähnten Sensoren der Meßanordnung laufend Weg- bzw. Verschiebungsdaten und/ oder Beschleunigungsdaten des Gesamtsystems aufgenommen, welche die momentanen Unwuchtverhältnisse repräsentieren. Diese Daten werden der zentralen Steuereinheit zur Verfügung gestellt, die in einer die Geometrie der Aktuator-Ringstruktur berücksichtigenden Transformation automatisch für jeden Piezoaktuator 16 ein Stellsignal berechnet und diese Stellsignale über die erwähnte
Schnittstelle an die Mittelfrequenzverstärker und Umsetzer 48 der Übertragungseinheit übermittelt.
Die von den Verstärkern über die Umsetzer 48 bereitgestellten Leistungen werden von der mehrkanaligen Übertragungseinheit 23, 25 berührungslos auf das rotierende System übertragen und im Anschluß an eine Gleichrichtung in Form von Gleichspannungs-Stellsignalen den Piezoaktuatoren 16 zugeführt.
Auf diese Weise kann die zentrale Steuereinheit gezielt Stellbewegungen in Form von Längenänderungen der einzelnen Aktuatoren 16 hervorrufen. Dabei erfolgt die Ansteuerung derart, daß durch die Stellsignale stets eine Längenvergrößerung der Piezoaktuatoren 16 bewirkt wird.
Die zwischen dem Wellenabschnitt 26 und dem Träger 13 eingeklemmten und auf diese Weise vorgespannten Aktuatoren 16 bringen jeweils in ihrem Bereich ein elastisches Biegemoment auf die Welle 12 auf, die hierdurch gekrümmt wird. Da die Welle 12 und der Träger 13 axial fest durch das zentrale Spannsystem miteinander verbunden sind, stellen Welle 12, Träger 13 und Werkzeug hinsichtlich der Aktuatoren 16 einen einzigen rotierenden Gegenstand dar, der in dem axialen Teilbereich gekrümmt wird, in dem die Aktuatoren 16 angeordnet sind. Die aufgrund der vom zentralen Spannsystem aufgebrachten Spannkraft feste axiale Verbindung zwischen Träger 13 und Welle 12 kann von den Aktuatoren 16 nicht gelöst werden.
Für die Entstehung der Krümmung der Welle 12 kommt es nur auf eine ausreichend feste axiale Verbindung der Teile an, zwischen denen die
Aktuatoren 16 angeordnet sind, und es ist unerheblich, ob die Aktuatoren zwischen zwei separaten Teilen oder zwei Abschnitten eines einzigen Teils angeordnet sind. Die Krümmung des rotierenden Gesamtgegenstandes wird in jedem Fall durch ein rückgeschlossenes Biegemoment auf dem vom Aktuator eingenommenen axialen Teilbereich des Gesamtgegenstandes bewirkt.
Die in der beschriebenen Ausführungsform vorgenommene Anordnung der Aktuatoren im Bereich der Schnittstelle erfolgt nicht deshalb, um durch direktes Beaufschlagen des Trägers 13 dieses gegenüber der Welle 12 zu verkippen, sondern um eine Krümmung des rotierenden Gesamtgegenstandes im Bereich derjenigen axialen Stelle hervorzurufen, an der ein die Hauptursache für die zu beseitigende Unwucht darstellender Winkelversatz im rotierenden Gesamtgegenstand, hier zwischen Welle 12 und Träger 13, auftreten kann.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Aktuatoren 16 bezüglich der Schnittstelle werkzeugseitig, nämlich am Träger 13, anzu- bringen und somit eine ebenfalls zu einer Geometrieverbesserung des rotierenden Gesamtgegenstandes führende Krümmung des Trägers 13 zu bewirken.
Indem unterschiedlich große Längenänderungen an den einzelnen Aktuatoren 16 hervorgerufen werden, kann der störende Winkelversatz gezielt im Bereich seiner Entstehung kompensiert werden. Die Spindel 12 erfährt im axialen Bereich der Aktuatoren 16 jeweils eine resultierende Krümmung bzw. Durchbiegung, die über die axiale Länge des Aktuators 16 zu einem Kompensationswinkel aufintegriert wird. Dies hat eine sich über die gesamte Werkzeuglänge auswirkende Geometrieänderung am rotierenden System zur Folge, wodurch die zu mit der erwähnten Meßanordnung nachweisbaren Auswirkungen führende Unwucht minimiert wird.
Die Krümmung der Welle 12 durch die Piezoaktuatoren 16 wird durch die Schwächung der Welle 12 aufgrund der Öffnungen 32 an den Aufnahmebereichen begünstigt.
Die Piezoaktuatoren 16 sind derart bemessen bzw. angeordnet, daß der Träger 13 auf die Aktuatoren 16 Druck ausübt, so daß die Aktuatoren 16 bereits im nicht angesteuerten Zustand unter einer leichten Vorspannung stehen. Hierdurch werden zum einen Zugbeanspruchungen der Aktuatoren 16 vermieden, und zum anderen ist eine optimale Kraftübertragung bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte gewährleistet, die zu minimalen Ansprechzeiten des erfindungsgemäßen Auswuchtsystems führt. Es steht somit ein geschlossener Regelkreis zur Verfügung, der es ermöglicht, von der Meßanordnung nachgewiesenen, durch eine vorhandene Unwucht hervorgerufenen Störungen sofort mittels der Aktuatoren 16 entgegenzuwirken und die Unwucht mit einem geeigneten Regel- Algorithmus zu minimieren.
Auf diese Weise kann durch die Erfindung ein der die Hauptursache für die Unwucht bildende Winkelversatz zwischen Spindel 12 und Träger 13 korrigiert werden. Mit den an der Schnittstelle angeordneten Aktuatoren 16 wird der Unwucht am Ort ihrer Entstehung entgegengewirkt, indem die Spindel 12 entsprechend gekrümmt wird. Diese Krümmung wirkt sich auf die gesamte Werkzeuglänge aus und hat somit eine wesentliche Geometrieverbesserung zur Folge.
Bei einem Ausfall der Leistungsversorgung beispielsweise aufgrund einer Betriebsstörung können die Aktuatoren 16 isoliert werden, wodurch der sich durch eine minimale Unwucht auszeichnende Zustand "eingefroren" wird. Dieser Zustand kann problemlos für eine zum sicheren Herunterfahren der Bearbeitungsmaschine ausreichende Zeitdauer gehalten werden.
Fig. 2 zeigt am Beispiel einer Frässpindel die gegenüber der Ausführung von Fig. 1 modifizierte Anordnung eines modifizierten Auswuchtsystems, wobei dessen prinzipielle Wirkungsweise jedoch die gleiche ist.
Die in einem Schnitt A-A (vgl. die kleine Querschnittsansicht in Fig. 2) gezeigte Frässpindel umfaßt eine Spindelwelle 12, die entsprechend Fig. 1 mit einem Hohlschaftkegel 18 des Werkzeugträgers 13 gekoppelt ist. Drei gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Piezoaktuatoren 16, von denen in Fig. 2 lediglich zwei dargestellt sind, sind am Außenbereich des von der Welle 12 und dem Träger 13 gebildeten, im Betriebt rotierenden Gesamtgegenstands angeordnet, und zwar im Bereich des Trä- gers 13. Die Krafteinleitungsflächen für die Aktuatoren 16 werden dabei auf der in Fig. 2 rechten Seite von einem Abschnitt des Trägers 13 und auf der linken Seite von der Stirnseite des den Hohlschaftkegel 18 des Trägers 13 umgebenden Ringabschnitts der Welle 12 gebildet.
Entsprechend der Ausführungsform von Fig. 1 ist der axiale Bereich der Aktuatoren 16 in radialer Richtung von einer Abdeckhülse 34 umgeben.
Die Übertragungseinheit 53 zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung umfaßt einen an einem Rotor 59 angebrachten rotierenden Abschnitt sowie einen an einem Stator 24 vorgesehenen feststehenden Abschnitt.
In Fig. 2 sind ferner zwei Kraftmeßzellen 51 dargestellt, deren Meßsignale zur Bestimmung der Unw icht und Ansteuerung der Aktuatoren 16 her- angezogen werden. Insgesamt sind acht Kraftmeßzellen vorgesehen, wobei vier Zellen in einer axial vorderen und vier Zellen in einer axial hinteren Lagerebene jeweils in Umfangsrichtung verteilt und in Abständen von jeweils 90° angeordnet sind.
Fig. 3 zeigt unter Weglassung der Welle 12 und der die Welle 12 umgebenden Teile der Frässpindel eine perspektivische Ansicht auf das wellen- seitige, als Hohlschaftkegel 18 ausgebildete Ende des Trägers 13. Dargestellt sind insbesondere in dem linken vergrößerten Ausschnitt zwei der drei um den Träger 13 herum verteilt angeordneten Piezoaktuatoren 16, die von der Abdeckhülse 34 umgeben sind. Außerdem ist ein Durchgang 57 dargestellt, der zur Aufnahme von Verbindungsleitungen dient, die von dem jeweiligen Piezoaktuator 16 zu dem zusammen mit dem Träger 13 rotierenden Abschnitt der Übertragungseinheit 53 führen.
Der untere vergrößerte Ausschnitt in Fig. 3 zeigt insbesondere den zusammen mit der Welle und dem Träger 13 rotierenden Rotor 59 sowie den feststehenden Stator 24, an denen der rotierende Teil bzw. der feststehende Teil der Übertragungseinheit 53 angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Integration der Aktuatoren 16 in den rotierenden Gegenstand. In dieser Variante sind die Aktuatoren 16 nicht im Bereich des Trägers, sondern am Außenbereich der Welle 12 angeordnet, und zwar mit axialem Abstand von dem in Fig. 4 nicht dargestellten Träger, dessen Hohlschaftkegel mit dem entsprechend geformten, in Fig. 2 rechten Endabschnitt 12a der Welle 12 koppelbar ist.
Die Aktuatoren 16 sind zwischen einer radial abstehenden Ringschulter 65 der Welle 12 und einer auf die Welle 12 geschraubten Mutter 55 angeordnet, die als Halteorgan dient und mit der die Vorspannung der Aktuatoren 16 eingestellt werden kann.
Der Raum zwischen einer Lagerung 39 und der Wellenmutter 55 steht als Bauraum 63 für die zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung vorgesehene Übertragungseinheit (nicht dargestellt) zur Verfügung. Die Anordnung der Piezoaktuatoren 16 gemäß Fig. 4 erfordert keine Schwächung der Spindelwelle 12. Vielmehr dienen die Aktuatoren 16 als eine aktive Zusatzsteifigkeit. Ein weiterer vorteilhafter Aspekt dieser Konfiguration besteht in der in Fig. 4 lediglich angedeuteten Anordnung einer Meßeinrichtung in Form eines Kraftsensors 61 am Ort des jeweiligen Aktuators 16. Durch eine derartige kolloziierte Anordnung von Kraftsensoren 61 und Aktuatoren 16 am gleichen Ort läßt sich eine besonders gute Regelbarkeit des erfindungsgemäßen Auswuchtsystems erzielen.
Von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich die Varianten gemäß Fig. 1 und 2 jeweils durch eine Anordnung der Aktuatoren 16 an der Trennstelle zwischen Spindelwelle 12 und Werkzeugträger 13 aus und erlauben ein Vorspannen der Aktuatoren 16 mittels des Spannsystems, wie es vorstehend erläutert ist. Während je- doch in der Ausführung gemäß Fig. 1 die Aktuatoren 16 spindelwellensei- tig angeordnet sind, zeichnet sich die Variante von Fig. 2 durch eine Werkzeugträger- bzw. spannfutterseitige Anordnung der Aktuatoren 16 aus, d.h. die Aktuatoren 16 sind in den Werkzeugträger bzw. das Spannfutter integriert, können also mit diesem in vorteilhafter Weise von der Spindel- welle 12 getrennt werden. Die Variante von Fig. 4 zeigt die Integration der Aktuatoren 16 in die Spindelwelle 12, zeichnet sich aber durch eine axiale Beabstandung zwischen Aktuatoreinbauort und Trennstelle zwischen Welle 12 und Werkzeugträger aus, wobei die Vorspannung der Aktuatoren 16 durch eine gesonderte Einrichtung erfolgt.
Testmessungen haben ergeben, daß das erfindungsgemäße Auswuchtsystem bis zu der bei den verwendeten Piezoaktuatoren einzuhaltenden maximalen Aktuatorspannung von 800 V betrieben werden kann. Das Ak- tuatorspannung-Auslenkung-Diagramm zeigt für verschiedene maximale Aktuatorspannungen jeweils nur eine geringe Hysterese. Ferner besitzen die Aktuatoren eine geringe Ansprechzeit von etwa 30 ms, d.h. die einer jeweiligen Aktuatorspannung entsprechende maximale Auslenkung des Aktuators wird innerhalb von etwa 30 ms erreicht. Etwa die gleiche Zeitspanne ergibt sich bis zum Erreichen der ursprünglichen Aktuatorlänge nach Wegnahme der Aktuatorspannung. Dieses Verhalten ist praktisch unabhängig von der jeweils verwendeten Aktuatorspannung.
Die Testmessungen wurden bei einem Luftspalt mit einer Breite von etwa 0,5 bis 0,6 mm zwischen einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung der berührungslosen Übertragungseinheit durchgeführt.
Bezugszeichenliste
Welle, Spindel a Endabschnitt Träger Drehachse Schulter des Trägers Aktuator, Piezostapelaktuator Schulter der Welle Schnittstelle, Kopplungsabschnitt, Hohlschaftkegel a Rotorring b Rotorring Rotorabschnitt der Übertragungseinheit Stator Statorabschnitt der Übertragungseinheit Abschnitt der Welle Öffnung, Fenster Sicherungsorgan, Abdeckhülse Halteorgan, Mutter Lagerschild Lagerung Abdeckplatte Auswuchtbohrung Steckverbindung Abdichtstopfen Umsetzer Baugruppe mit Gleichrichter und Entladeelektronik Kraftmeß stelle Übertragungseinheit
Halteorgan, Wellenmutter
Durchgang
Rotor
Kraftsensor
Bauraum
Schulter

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Auswuchten von rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenständen (12, 13), insbesondere in Bearbeitungs- Zentren zur Bohr- und Fräsbearbeitung, mit wenigstens einem am rotierenden Gegenstand ( 12, 13) mit radialem Abstand von dessen Drehachse ( 14) und mit axialem Abstand von dessen freiem Ende anbringbaren Aktuator (16), der zum Einstellen einer Auswuchtkrümmung des Gegenstandes (12, 13) in Abhängigkeit von der ge- messenen Unwucht zu axialen Stellbewegungen ansteuerbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbewegungen Längenänderungen des Aktuators (16) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) zumindest ein piezoelektrisches Element um- faßt und insbesondere in Form eines Piezostapelaktuators vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aktuatoren (16) vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung insbesondere gleichmäßig verteilt am rotierenden Gegenstand (12, 13) anbringbar sind.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) im Bereich einer Schnittstelle ( 18) zwischen einer Welle (12), insbesondere einer direkt antreibbaren Spindel, und einem auswechselbar mit der Welle (12) koppelbaren Werkzeug anbringbar ist, das bevorzugt an einem direkt mit der Welle (12) koppelbaren Träger (13) angebracht ist.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) an der Welle (12), insbesondere im Bereich der Außenwand der Welle (12), anbringbar ist, vorzugsweise in einem bezüglich einer Wellenlagerung (39) auskragenden Bereich der Welle (12).
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine insbesondere induktiv arbeitende Übertragungseinheit (23, 25) zur berührungslosen Übertragung von bevorzugt durch einen Mittelfrequenzverstärker verstärkten Stellsignalen für den Aktuator
(16) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinheit einen Rotorabschnitt (23) zur gemeinsamen Drehung mit dem rotierenden Gegenstand (12, 13) und einen bezüglich des rotierenden Gegenstandes (12, 13) stationären Statorabschnitt (25) umfaßt.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Unwucht eine Meßanordnung vorgesehen ist, mit der den rotierenden Gegenstand (12, 13) betreffende Wegbzw. Verschiebungs- und/ oder Beschleunigungsdaten ermittelbar sind.
10. Bearbeitungsmaschine, insbesondere eines Bearbeitungszentrums zur Bohr- und Fräsbearbeitung, mit zumindest einem rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenstand (12, 13) und wenigstens einer zumindest einen Aktuator (16) umfassenden Auswuchtvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Gegenstand eine Welle (12), insbesondere eine direkt antreibbare Spindel, und ein auswechselbar mit der Welle (12) koppelbares Werkzeug, insbesondere ein Werkzeug mit einem gro- ßen Länge/ Durchmesser-Verhältnis, umfaßt, das bevorzugt an einem direkt mit der Welle (12) gekoppelten Träger (13) angebracht ist.
12. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) in axialer Richtung zwischen einer Stirnfläche (15) des mit der Welle (12) gekoppelten Trägers (13) oder Werkzeugs und der Welle (12), bevorzugt einem vom werkzeugseitigen Wellen- ende axial beabstandeten Abschnitt (26) der Welle ( 12) , angeordnet ist.
13. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) in axialer Richtung mit Abstand von dem mit der Welle (12) gekoppelten Träger (13) und insbesondere zwischen einer Abstützfläche der Welle (12) und einem mit der Welle (12) koppelbaren Halteorgan (55) angeordnet ist.
14. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) über den mit der Welle (12) gekoppelten Träger (13), über das mit der Welle (12) gekoppelte Werkzeug oder über ein mit der Welle (12) gekoppeltes Halteorgan (55) vorgespannt ist.
15. Bearbeitungsmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) in einem taschenartigen, bevorzugt zur Werkzeugseite hin offenen Aufnahmebereich des rotierenden Gegenstandes (12, 13), insbesondere der Welle (12), angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Aufnahmebereich in Form einer Aussparung an der Außenwand des Gegenstandes (12, 13) vorgesehen ist.
16. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (16) im Aufnahmebereich eingegossen ist.
17. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß in einer radial äußeren Begrenzungswand des Aufnahmeberei- ches zumindest eine Öffnung (32) ausgebildet ist.
18. Bearbeitungsmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Gegenstand (12) im Bereich des Aktuators (16) von einem insbesondere einen Aufnahmebereich (28) für den Aktuator (16) verschließenden, hülsenförmigen Sicherungsorgan (34) umgeben ist.
19. Bearbeitungsmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie für einen Hochleistungsbetrieb mit hohen Drehzahlen ausgelegt und insbesondere mit maximalen Drehzahlen von mehr als 15.000 U/min, insbesondere mehr als 30.000 U/min betreibbar ist.
20. Verfahren zum Auswuchten von rotierenden, insbesondere langgestreckten Gegenständen (12, 13), insbesondere in Bearbeitungszentren zur Bohr- und Fräsbearbeitung, bei dem die Unwucht des rotie- renden Gegenstandes (12, 13) gemessen und der rotierende Gegenstand (12, 13) mit wenigstens einem in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht ansteuerbaren Aktuator (16) gekrümmt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Gegenstand (12, 13) in einem von dessen Drehachse (14) radial und von dessen freiem Ende axial beabstandeten Bereich gekrümmt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, daß es automatisch durchgeführt wird.
23. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es während einer Beschleunigungsphase und/ oder unmittelbar im Anschluß an die Beschleunigungsphase des Gegenstandes (12, 13) durchgeführt wird.
24. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
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