WO2006072404A1 - Spindle device and method for influencing spindle oscillations and deflections - Google Patents

Spindle device and method for influencing spindle oscillations and deflections Download PDF

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WO2006072404A1
WO2006072404A1 PCT/EP2005/013904 EP2005013904W WO2006072404A1 WO 2006072404 A1 WO2006072404 A1 WO 2006072404A1 EP 2005013904 W EP2005013904 W EP 2005013904W WO 2006072404 A1 WO2006072404 A1 WO 2006072404A1
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WO
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spindle
bearing
shaft
active
spindle shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/013904
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Klaffert
Lukas Betschon
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Starrag Heckert Ag
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Starrag Heckert Ag filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2006072404A1 publication Critical patent/WO2006072404A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/18—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using electric, magnetic or electromagnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a spindle device and a method for influencing spindle oscillations and deflections.
  • the present invention relates to a spindle device for machine tools with a spindle shaft for transmitting a rotary drive movement of a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor, wherein the spindle shaft is mounted with at least one radial bearing.
  • spindle devices for machine tools for machining
  • the tool or the workpiece on the same (spindle) shaft is attached to the also intended to generate the drive movement (electric) motor attacks.
  • this motor is designed as an electric motor, wherein the rotor of the electric motor directly on the (spindle) shaft, but at least coaxial with this, is arranged.
  • Such spindle devices are used especially for very fast rotating spindles, as they are particularly required for machining at high speeds.
  • the present object is achieved by a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft, a spindle bearing device and an independent of the spindle bearing device, active device for preventing or reducing spindle vibrations and - deflections.
  • the present spindle device has a spindle bearing, in particular via conventional bearings with good static and dynamic bearing properties on.
  • a spindle bearing in particular via conventional bearings with good static and dynamic bearing properties on.
  • an active means for influencing spindle oscillations and spindle deflections provided.
  • this independent active device for influencing spindle oscillations and deflections additional forces can be generated and transmitted to the spindle shaft are applied, which act as a radial biasing force on the spindle shaft.
  • the device for influencing spindle oscillations and deflections can also be arranged in such a way as to influence the dynamic properties of the spindle shaft, in particular the rigidity properties of the spindle shaft.
  • the spindle device according to the invention on the (conventional) storage is statically strong.
  • the high dynamic load capacity results from the active compensation of the oscillations or via the active change of the dynamic properties of the spindle.
  • This object is achieved by methods for influencing oscillations and deflections of a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft and a spindle bearing device, occurring vibrations and deflections are measured and generated with a magnetic device on magnetic fields returning forces, with which reduces a magnitude of the vibration amplitudes of the spindle shaft and / or dynamic properties of the spindle shaft can be influenced.
  • the target values to be optimized can be specified in terms of technology.
  • Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment of a spindle device
  • FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of a spindle device of a machine tool with optimized stiffness properties.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the present spindle device 1, as may be provided for example for a machine tool, with the milling operations are executable.
  • the spindle device 1 has a housing 11, wherein the spindle device 1 can in principle be releasably secured in a conventional manner via a (not shown) flange of the housing 11 to a receptacle of the machine tool.
  • Supplies of signal lines as well as electrical and hydraulic supply lines for the spindle device 1 can be provided in the region of this receptacle of the spindle shaft in the machine tool.
  • a tool receiving device is arranged in FIG.
  • a spindle shaft 12 is arranged, which is mounted according to this embodiment, a total of 3 bearing assemblies 13, 14, 15 in the housing 11.
  • the bearing assemblies 13, 14, 15 are in the present case as RadialicalzSystemlager, here as a commercially available ball bearings, formed.
  • the present spindle device is not limited thereto. Rather, two or more bearings per geran ever be provided. Also, the present spindle device is not limited to the use of ball bearings.
  • a rotor 17 of an electric motor is rotatably disposed on the spindle shaft, a rotor 17 of an electric motor.
  • the associated stator 18 of the electric motor is fixed to the housing 11 and surrounds the rotor 17th
  • a magnetic device for active avoidance or reduction of spindle vibrations is arranged between the middle ball bearing 14 and the tool-side ball bearing 13 (which is arranged on the left in FIG. 1) .
  • This is formed in the present embodiment of FIG. 1 as a damping device 16.
  • the magnetic damping device 16 has in this embodiment, a plurality of evenly distributed around the circumference electromagnets 16a, 16b, etc., with each of which variable magnetic fields can be generated by size and direction. With the magnetic damping device 16 spindle oscillations can be influenced.
  • each of the electromagnets 16a, 16b, etc. separated and independently of the other electromagnets of a (not shown in detail) control can be controlled. This makes it possible that each of the electromagnets 16a, 16b, etc. generates its own magnetic field, which is tuned to a (non-circular) run of the spindle shaft.
  • vibrations occurring on the spindle shaft are measured according to vibration amplitude and direction of vibration.
  • Corresponding compensation forces and the magnetic fields necessary for this are determined in the control, which are "applied" to the spindle shaft via the magnetic damping device.
  • the present control and the sensors are advantageously integrated in the spindle housing or arranged directly on the spindle housing. However, at least the controller can also be arranged separately from the spindle device and connected to this via signal lines.
  • the embodiment of FIG. 2 has a fundamentally comparable structure to the embodiment of FIG. 1, whereby, however, in the embodiment of FIG. 2 mainly the dynamic properties of the spindle shaft can be influenced.
  • the damping function of the magnetic device is in the embodiment of FIG. 2 of not so high importance.
  • a substantially cylindrical housing 21 in which a spindle shaft 22 is rotatably supported in the housing via a tool-side bearing 23 and a rear bearing 24. Between the tool-side bearing 23 and the rear bearing 24, the rotor 27 of the electric motor is rotatably arranged on the spindle shaft.
  • the stator 28 of the 'rotor is fixed to the housing 21 and surrounds the rotor 27th
  • the present device for actively influencing spindle oscillations and deflections is integrated according to the embodiment of FIG. 2 in the electric motor. Due to the different arrangement of the (magnetic) means for influencing spindle oscillations, an optimization of the dynamic properties of the spindle shaft is made possible.
  • the active device for influencing spindle oscillations and deflections again comprises (electric) magnets 26, which are arranged on the housing 21 of the spindle device 2.
  • This (electric) magnet 26 a variable magnetic field is superimposed on the magnetic field of the electric motor.
  • the device for influencing spindle oscillations and deflections 26 is between the front bearing 23 and the rear bearing 24, viewed along the longitudinal axis of the spindle shaft, arranged and carried out three-phase (whereby an advantageous integration in the drive motor is made possible).
  • the rear spindle bearing 24 is passively damped, for example via the above-described hydraulic damping bushing 25, which is arranged adjacent to the rear bearing.
  • the bearings can each be designed as individual bearings or as associated bearing groups.
  • a spindle device with a magnetic device with the use of at least one magnetic field spindle vibrations are damped (embodiment of FIG. 1) or with the formation of the vibration is prevented by magnetically controlled influencing the spindle shaft characteristics (embodiment according to Fig. 2).
  • the spindle device can be used in particular in machine tools.
  • the present spindle device is mounted in the housing via roller bearings (or hydrostatic or hydrodynamic bearings), whereby good static bearing properties are achieved.
  • a magnetic force based device is provided to achieve the desired dynamic bearing characteristics of the spindle shaft.
  • the magnetic device for influencing spindle vibrations can also have variable stiffness properties, whereby separate mechanical or hydraulic passive damping device (damping bushings) can be used.
  • this magnetic device Unlike in known magnetic bearings has this magnetic device according to the embodiment of FIG. 1 only subordinate support functions, or according to the embodiment of FIG. 2 continuously variable support functions to negative stiffness values.
  • the importance of the magnetic device is In contrast, in the generation of (magnetic) forces that dampen oscillations of the spindle shaft or prevent their formation by changes in the dynamic spindle properties. The latter is particularly possible if the magnetic device according to FIG. 2 has negative rigidity in combination with an additional damper.
  • the magnetic device may preferably have a plurality of electromagnets arranged on the circumference of the spindle shaft. These electromagnets are advantageously evenly distributed along a circumferential line of the spindle shaft. Similarly, the magnetic device can be made three-phase, whereby an integration in the electric drive motor is made possible in a simple manner.
  • a particularly preferred embodiment has a control of the size and direction of the magnetic forces applied by the magnetic means.
  • a regulation also has measuring devices for detecting the size and local position of the amplitudes of the oscillations.
  • a control comprises the application of compensating forces adapted to the measurements with which a reduction of the deflection of the spindle shaft can be achieved.
  • the result of the compensation can also be measured in the manner of an endless loop and correspondingly adjusted compensating forces can be applied for damping, until a maximum amplitude of the oscillation falls below a predetermined limit value (or does not exceed it).
  • the present invention also provides the possibility of process monitoring without the need for further physical facilities to obtain information about the process.
  • the reason for this is that on the basis of the measured vibrations conclusions can be drawn on the process, for example on the state of wear of the tool.
  • a particularly good damping of occurring deflections of the spindle shaft can be achieved by an arrangement in which the magnetic damper device is arranged between two radial rolling bearings (FIG. 1).
  • FIG. 2 When combining a superimposed stiffness control (FIG. 2) and a further passive damping device 25, optimally adapted spindle properties for different technological requirements can be generated for a large speed range.
  • the present spindle device can be used both in HSC and in standard machining methods, in particular milling methods, and has marked productivity gains.
  • a spindle device with a spindle shaft for transmitting a rotary drive movement of a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor in which the spindle shaft is provided at least with a spindle bearing (advantageously radial roller bearing or hydrostatic bearing), and. a device for reducing spindle vibrations with deflections of the spindle shaft is provided perpendicular to the spindle axis, wherein a damper device is provided, with the use of at least one magnetic field spindle vibrations are damped.
  • a variable magnetic force generating device may be provided for vibration damping.
  • the damping of this device can be regulated.
  • the present magnetic device for reducing spindle vibrations can also advantageously realize storage properties with variable rigidity by generating magnetic forces.
  • the magnetic device is integrated in the drive motor.
  • a stiffness control of the magnetic device can be provided, which can operate in the range of feedback to positive feedback, whereby the generation of negative bearing stiffness is possible.
  • the possibility of a zero offset of the bearing characteristic (offset) may be provided, so that the magnetic device can apply additional radial forces on the spindle shaft.
  • the magnetic device can surround the spindle shaft radially.
  • the magnetic device, the spindle shaft can be arranged at a distance and without contact to the spindle shaft.
  • the spindle device has a stiffness-controlled magnetic device, wherein a passive damping element is arranged on at least one spindle bearing outside the magnetic device.
  • a hydraulic damper bushing is attached to the rear spindle bearing.
  • the present spindle device can also have a control, with the radial Spindelausschitch, or vibration amplitudes are reduced, the magnetic device is advantageously arranged between two spindle bearings.
  • a method for controlling the bearing stiffness of the spindle device wherein the system stiffness of the spindle device can be varied at the tool holder of the spindle shaft.
  • the above description provides a method for monitoring a machining process of a machine tool, wherein occurring vibrations are transmitted via the device for influencing the spindle oscillations. be measured and fed to an evaluation to determine at least one process parameter.

Abstract

The invention relates to a spindle device for machine tools, motors, or similar, comprising a spindle shaft (12, 22), a spindle bearing mechanism (13, 14, 15, 23, 24), and an active apparatus (16, 26) for preventing or reducing oscillations and deflections of the spindle, said active apparatus (16, 26) being independent of the spindle bearing mechanism. Also disclosed is a method for influencing oscillations and deflections by means of such a spindle device.

Description

Spindeleinrichtung sowie Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen, Spindle device and method for influencing spindle oscillations and deflections,
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindeleinrichtung und ein Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen mit einer Spindelwelle zur Übertragung einer rotativen Antriebsbewegung eines koaxial zur Spindelwelle angeordneten Antriebsmotors, bei der die Spindelwelle mit zumindest einem Radiallager gelagert ist.The present invention relates to a spindle device and a method for influencing spindle oscillations and deflections. In particular, the present invention relates to a spindle device for machine tools with a spindle shaft for transmitting a rotary drive movement of a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor, wherein the spindle shaft is mounted with at least one radial bearing.
Bei Spindeleinrichtungen für Werkzeugmaschinen zur spanabhebenden Bearbeitung ist das Werkzeug bzw. das Werkstück an derselben (Spindel-)Welle angebracht, an der auch der zur Erzeugung der Antriebsbewegung vorgesehene (Elektro-)Motor angreift. In den meisten Fällen ist dieser Motor als Elektromotor ausgelegt, wobei der Rotor des Elektromotors unmittelbar auf der (Spindel-)Welle, zumindest jedoch koaxial zu dieser, angeordnet ist. Derartige Spindeleinrichtungen werden vorallem für sehr schnell drehende Spindeln eingesetzt, wie sie insbesondere für Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten erforderlich sind.In spindle devices for machine tools for machining, the tool or the workpiece on the same (spindle) shaft is attached to the also intended to generate the drive movement (electric) motor attacks. In most cases, this motor is designed as an electric motor, wherein the rotor of the electric motor directly on the (spindle) shaft, but at least coaxial with this, is arranged. Such spindle devices are used especially for very fast rotating spindles, as they are particularly required for machining at high speeds.
Insbesondere Schwingungen, die auf Resonanzen zurückgehen, bewirken bei derartigen Werkzeugmaschinen, beispielsweise bei Fräsbearbeitungen, eine unbefriedigende Qualität der bearbeiteten Oberfläche. Vorallem bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen (sogenannten HSC-Verfahren) und beim Einsatz von langen Werkzeugen wirkt sich die Nachgiebigkeit der Spindelwelle in Form einer ausgeprägten Tendenz zu Schwingungen besonders negativ aus. Somit liegt ein wesentlicher Faktor für die mit Werkzeugmaschinen erzielbare Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungsqualität in der möglichst schwingungsarmen Rotation der Spindel.In particular, oscillations which are due to resonances cause an unsatisfactory quality of the machined surface in such machine tools, for example in milling operations. Especially in high-speed machining (so-called HSC method) and the use of long tools, the compliance of the spindle shaft in the form of a pronounced tendency to oscillations has a particularly negative effect. Thus, an essential factor for the achievable with machine tools machining accuracy and machining quality in the lowest possible vibration rotation of the spindle.
Eine Möglichkeit, Schwingungen der Spindelwelle zu vermeiden, kann darin gesehen werden, die nicht gelagerte und damit schwingungsfähige freie Länge der Spindelwelle möglichst klein zu wählen, beispielsweise durch Erhöhung der Anzahl der verwendeten Radialwälzlager. Ein derart möglichst kurz gewähltes, frei kragendes Spindelende trägt zur Reduzierung der Amplituden von möglichen Schwingungen bei. Die- ser mögliche Lösungsweg hat jedoch den Nachteil, daß eine konstruktive Freiheit merkbar eingeschränkt ist und/oder diese Lösung konstruktiv sehr aufwendig ist.One way to avoid vibrations of the spindle shaft, can be seen to choose the not stored and thus oscillatory free length of the spindle shaft as small as possible, for example by increasing the number of radial bearings used. Such as short as possible, freely cantilevered spindle end contributes to the reduction of the amplitudes of possible vibrations. The- However, this possible solution has the disadvantage that a constructive freedom is noticeably limited and / or this solution is structurally very expensive.
Um Schwingung zu kompensieren, könnten stattdessen sämtliche Radialwälzlager durch aktive Magnetlager ersetzt werden. Eine derartig ausgebildete Spindellagerung weist allerdings eine nur geringe Steifigkeit auf. Für eine Vielzahl an Anwendungsfällen reicht die sich dann noch ergebende, statische und dynamische Tragfähigkeit der Lagerung nicht aus.To compensate for vibration, all radial rolling bearings could instead be replaced by active magnetic bearings. However, such a trained spindle bearing has only a low rigidity. For a variety of applications, the then resulting, static and dynamic load bearing capacity is insufficient.
Im Zusammenhang mit Spindeleinrichtungen wäre auch die Verwendung von Dämpfungsbüchsen möglich. Hierbei handelt es sich um mit Öl oder mit anderen hydraulischen Mitteln gefüllte Büchsen, die im Bereich eines Radiallagers angeordnet sind. Die Viskosität des Mediums wird hierbei zur Dämpfung genützt. An dieser Lösung nachteilig ist jedoch, daß eine statische Steife gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich abnimmt.In connection with spindle devices and the use of damping bushes would be possible. These are filled with oil or other hydraulic means cans, which are arranged in the region of a radial bearing. The viscosity of the medium is used here for damping. A disadvantage of this solution, however, is that a static stiffness over conventional solutions significantly decreases.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spindeleinrichtung zu schaffen, die statisch und dynamisch stark belastbar ist und eine begrenzbare Schwingungsamplitude aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a spindle device which is highly resilient statically and dynamically and has a finite oscillation amplitude.
Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen, Motoren oder dergleichen, mit einer Spindelwelle, einer Spindellagervorrichtung und einer von der Spindellagervorrichtung unabhängigen, aktiven Einrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung von Spindelschwingungen und - auslenkungen gelöst.The present object is achieved by a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft, a spindle bearing device and an independent of the spindle bearing device, active device for preventing or reducing spindle vibrations and - deflections.
Somit weist die vorliegende Spindeleinrichtung eine Spindellagerung, insbesondere über konventionelle Lager mit guten statischen und dynamischen Lagereigenschaften, auf. Mit derartigen (konventionellen) Lagern ist es jedoch nicht möglich, aktiv auf Schwingungen einer Spindelwelle einzugehen. Um dies dennoch erreichen zu können, ist erfindungsgemäß - zusätzlich zur Spindellagerung - eine aktive Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und Spindelauslenkungen vorgesehen. Mit dieser unabhängigen aktiven Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen können Zusatzkräfte erzeugt und auf die Spindelwelle aufgebracht werden, die als radiale Vorspannkraft auf die Spindelwelle wirken. Gleichzeitig mit der Erzeugung der Zusatzkräfte bzw. anstatt der Erzeugung der Zusatzkräfte kann die Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und - auslenkungen auch derart angeordnet sein, um dynamische Eigenschaften der Spindelwelle, insbesondere die Steifigkeitseigenschaften der Spindelwelle, zu beeinflussen.Thus, the present spindle device has a spindle bearing, in particular via conventional bearings with good static and dynamic bearing properties on. With such (conventional) bearings, however, it is not possible to actively respond to vibrations of a spindle shaft. To be able to achieve this, according to the invention - in addition to the spindle bearing - an active means for influencing spindle oscillations and spindle deflections provided. With this independent active device for influencing spindle oscillations and deflections, additional forces can be generated and transmitted to the spindle shaft are applied, which act as a radial biasing force on the spindle shaft. Simultaneously with the generation of the additional forces or instead of the generation of the additional forces, the device for influencing spindle oscillations and deflections can also be arranged in such a way as to influence the dynamic properties of the spindle shaft, in particular the rigidity properties of the spindle shaft.
Folglich ist die erfindungsgemäße Spindeleinrichtung über die (konventionelle) Lagerung statisch stark belastbar. Die hohe dynamische Belastbarkeit ergibt sich über die aktive Kompensation der Schwingungen bzw. über die aktive Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Spindel.Consequently, the spindle device according to the invention on the (conventional) storage is statically strong. The high dynamic load capacity results from the active compensation of the oscillations or via the active change of the dynamic properties of the spindle.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Spindeleinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.Preferred embodiments of the present spindle device are set forth in the dependent claims.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen einer Spindeleinrichtung einer Werkzeugmaschine zu schaffen, mit welchem eine effektive und einfache Beeinflussung der Spindeleigenschaften hinsichtlich Unterbindung der Schwingung ermöglicht ist.It is a further object of the present invention to provide a method for influencing spindle oscillations and deflections of a spindle device of a machine tool, with which an effective and simple influencing of the spindle properties with regard to vibration prevention is enabled.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren zur Beeinflussung von Schwingungen und Auslenkungen einer Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen, Motoren oder dergleichen, mit einer Spindelwelle und einer Spindellagervorrichtung gelöst, wobei auftretende Schwingungen und Auslenkungen gemessen und mit einer magnetischen Einrichtung auf magnetische Felder zurückgehende Kräfte erzeugt werden, mit denen eine Größe der Schwingungsamplituden der Spindelwelle verringert und/oder dynamische Eigenschaften der Spindelwelle beeinflußt werden.This object is achieved by methods for influencing oscillations and deflections of a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft and a spindle bearing device, occurring vibrations and deflections are measured and generated with a magnetic device on magnetic fields returning forces, with which reduces a magnitude of the vibration amplitudes of the spindle shaft and / or dynamic properties of the spindle shaft can be influenced.
Bei dem vorliegenden Verfahren können die zu optimierenden Zielgrößen technologisch vorgegeben werden.In the present method, the target values to be optimized can be specified in terms of technology.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens ist in einem abhängigen Anspruch dargelegt. Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:A preferred embodiment of the present method is set forth in a dependent claim. The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. In these show:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spindeleinrichtung, undFig. 1 is a sectional view of a first embodiment of a spindle device, and
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Spindeleinrichtung einer Werkzeugmaschine mit optimierbaren Steifigkeits- eigenschaften.2 is a sectional view of a second embodiment of a spindle device of a machine tool with optimized stiffness properties.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Spindeleinrichtung 1 , wie sie beispielsweise für eine Werkzeugmaschine vorgesehen sein kann, mit der Fräsbearbeitungen ausführbar sind.Fig. 1 shows an embodiment of the present spindle device 1, as may be provided for example for a machine tool, with the milling operations are executable.
Die Spindeleinrichtung 1 weist ein Gehäuse 11 auf, wobei die Spindeleinrichtung 1 grundsätzlich in herkömmlicher Weise über einen (nicht gezeigten) Flansch des Gehäuses 11 an einer Aufnahme der Werkzeugmaschine lösbar befestigt sein kann.The spindle device 1 has a housing 11, wherein the spindle device 1 can in principle be releasably secured in a conventional manner via a (not shown) flange of the housing 11 to a receptacle of the machine tool.
Im Bereich dieser Aufnahme der Spindelwelle in der Werkzeugmaschine können Zuführungen von Signalleitungen sowie elektrische und hydraulische Versorgungsleitungen für die Spindeleinrichtung 1 vorgesehen sein.Supplies of signal lines as well as electrical and hydraulic supply lines for the spindle device 1 can be provided in the region of this receptacle of the spindle shaft in the machine tool.
Am anderen Ende (dem werkzeugseitigen bzw. werkstückseitigen Ende) der Spindeleinrichtung 1 , nachfolgend vereinfachend als Werkzeugseite bezeichnet, ist in Fig. 1 eine Werkzeugaufnahmeeinrichtung angeordnet.At the other end (the tool-side or workpiece-side end) of the spindle device 1, hereinafter referred to simply as the tool side, a tool receiving device is arranged in FIG.
In dem im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 11 der Spindeleinrichtung 1 ist eine Spindelwelle 12 angeordnet, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel über insgesamt 3 Lageranordnungen 13, 14, 15 im Gehäuse 11 gelagert ist. Die Lageranordnungen 13, 14, 15 sind vorliegend als Radialwälzkörperlager, hier als handelsübliche Kugellager, ausgebildet. Zwar ist in Fig. 1 jeweils ausschließlich ein Lager pro Lageranordnung angegeben, allerdings ist die vorliegende Spindeleinrichtung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr können jeweils auch zwei oder mehrere Lager pro La- geranordnung vorgesehen sein. Auch ist die vorliegende Spindeleinrichtung nicht auf die Verwendung von Kugellagern beschränkt.In the substantially cylindrical housing 11 of the spindle device 1, a spindle shaft 12 is arranged, which is mounted according to this embodiment, a total of 3 bearing assemblies 13, 14, 15 in the housing 11. The bearing assemblies 13, 14, 15 are in the present case as Radialwälzkörperlager, here as a commercially available ball bearings, formed. Although only one bearing per bearing arrangement is indicated in FIG. 1, the present spindle device is not limited thereto. Rather, two or more bearings per geranordnung be provided. Also, the present spindle device is not limited to the use of ball bearings.
Zwischen dem in Fig. 1 auf der rechten Seite angeordneten, d.h. flanschseitigen, Kugellager 15 und dem in Fig. 1 mittleren Kugellager 14 ist auf der Spindelwelle ein Rotor 17 eines Elektromotors drehfest angeordnet. Der zugehörige Stator 18 des Elektromotors ist am Gehäuse 11 befestigt und umgibt den Rotor 17.Between that arranged on the right side in Fig. 1, i. flange-side, ball bearing 15 and the middle in Fig. 1 ball bearing 14 is rotatably disposed on the spindle shaft, a rotor 17 of an electric motor. The associated stator 18 of the electric motor is fixed to the housing 11 and surrounds the rotor 17th
Zwischen dem mittleren Kugellager 14 und dem werkzeugseitigen Kugellager 13 (welches in Fig. 1 links angeordnet ist) ist eine vorliegend magnetische Einrichtung zur aktiven Vermeidung oder Reduzierung von Spindelschwingungen angeordnet. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als Dämpfungsvorrichtung 16 ausgebildet.Between the middle ball bearing 14 and the tool-side ball bearing 13 (which is arranged on the left in FIG. 1) a magnetic device for active avoidance or reduction of spindle vibrations is arranged. This is formed in the present embodiment of FIG. 1 as a damping device 16.
Die magnetische Dämpfungsvorrichtung 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel mehrere, gleichmäßig am Umfang verteilte Elektromagnete 16a, 16b usw. auf, mit denen jeweils nach Größe und Richtung variables magnetisches Felder erzeugbar sind. Mit der magnetischen Dämpfungsvorrichtung 16 sind Spindelschwingungen beeinflußbar.The magnetic damping device 16 has in this embodiment, a plurality of evenly distributed around the circumference electromagnets 16a, 16b, etc., with each of which variable magnetic fields can be generated by size and direction. With the magnetic damping device 16 spindle oscillations can be influenced.
Dabei ist jeder der Elektromagneten 16a, 16b usw. getrennt und unabhängig von den anderen Elektromagneten von einer (nicht im einzelnen dargestellten) Steuerung ansteuerbar. Hierdurch ist es ermöglicht, daß jeder der Elektromagnete 16a, 16b usw. ein eigenes Magnetfeld erzeugt, das auf einen (unrunden) Lauf der Spindelwelle abgestimmt ist.In this case, each of the electromagnets 16a, 16b, etc. separated and independently of the other electromagnets of a (not shown in detail) control can be controlled. This makes it possible that each of the electromagnets 16a, 16b, etc. generates its own magnetic field, which is tuned to a (non-circular) run of the spindle shaft.
Über (in Fig. 1 nicht näher gezeigte) Sensoren werden an der Spindelwelle auftretende Schwingungen nach Schwingungsamplitude und Schwingungsrichtung gemessen. In der Steuerung werden zu den Messwerten entsprechende Kompensationskräfte und der hierfür notwendigen magnetischen Felder bestimmt, welche über die magnetische Dämpfungsvorrichtung an der Spindelwelle „angelegt" werden. Als Sensoren eignen sich beispielsweise berührungslos messende Abstandssensoren, wie Wirbelstromsensoren. Die vorliegende Steuerung und die Sensoren sind vorteilhafterweise in das Spindelgehäuse integriert oder unmittelbar am Spindelgehäuse angeordnet. Zumindest die Steuerung kann jedoch auch getrennt von der Spindeleinrichtung angeordnet und mit dieser über Signalleitungen verbunden werden.By means of sensors (not shown in detail in FIG. 1), vibrations occurring on the spindle shaft are measured according to vibration amplitude and direction of vibration. Corresponding compensation forces and the magnetic fields necessary for this are determined in the control, which are "applied" to the spindle shaft via the magnetic damping device. The present control and the sensors are advantageously integrated in the spindle housing or arranged directly on the spindle housing. However, at least the controller can also be arranged separately from the spindle device and connected to this via signal lines.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist einen grundsätzlich vergleichbaren Aufbau zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 auf, wodurch allerdings beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hauptsächlich die dynamischen Eigenschaften der Spindelwelle beeinflussbar sind. Die Dämpfungsfunktion der magnetischen Einrichtung ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 von nicht so hoher Bedeutung.The embodiment of FIG. 2 has a fundamentally comparable structure to the embodiment of FIG. 1, whereby, however, in the embodiment of FIG. 2 mainly the dynamic properties of the spindle shaft can be influenced. The damping function of the magnetic device is in the embodiment of FIG. 2 of not so high importance.
Durch gezielte variierbare Beeinflussung der Systemsteifigkeit nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird ein technologisch erweiterter Einsatzbereich der vorliegenden Spindeleinrichtung geschaffen.By targeted variably influencing the system rigidity according to the embodiment of FIG. 2, a technologically extended range of application of the present spindle device is provided.
Die Spindeleinrichtung gemäß Fig. 2 weist (vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1) ein im wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 21 auf, in dem eine Spindelwelle 22 über ein werkzeugseitiges Lager 23 und ein hinteres Lager 24 im Gehäuse drehbar gelagert ist. Zwischen dem werkzeugseitigen Lager 23 und dem hinteren Lager 24 ist auf der Spindelwelle der Rotor 27 des Elektromotors drehfest angeordnet. Der Stator 28 des' Rotors ist am Gehäuse 21 befestigt und umgibt den Rotor 27.1 has a substantially cylindrical housing 21 in which a spindle shaft 22 is rotatably supported in the housing via a tool-side bearing 23 and a rear bearing 24. Between the tool-side bearing 23 and the rear bearing 24, the rotor 27 of the electric motor is rotatably arranged on the spindle shaft. The stator 28 of the 'rotor is fixed to the housing 21 and surrounds the rotor 27th
Die vorliegende Einrichtung zur aktiven Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 im Elektromotor integriert. Aufgrund der anderen Anordnung der (vorliegend magnetischen) Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen ist eine Optimierung der dynamischen Eigenschaften der Spindelwelle ermöglicht.The present device for actively influencing spindle oscillations and deflections is integrated according to the embodiment of FIG. 2 in the electric motor. Due to the different arrangement of the (magnetic) means for influencing spindle oscillations, an optimization of the dynamic properties of the spindle shaft is made possible.
Dabei umfasst die aktive Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wiederum (Elektro-) Magnete 26, welche am Gehäuse 21 der Spindeleinrichtung 2 angeordnet sind. Über diese (Elektro-) Magneten 26 wird ein variierbares magnetisches Feld dem magnetischen Feld des Elektromotors überlagert. Die Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen 26 ist dabei zwischen dem vorderen Lager 23 und dem hinteren Lager 24, entlang der Längsachse der Spindelwelle betrachtet, angeordnet und dreiphasig ausgeführt (wodurch eine vorteilhafte Integration in den Antriebsmotor ermöglicht ist).In this case, the active device for influencing spindle oscillations and deflections according to the embodiment of FIG. 2 again comprises (electric) magnets 26, which are arranged on the housing 21 of the spindle device 2. About this (electric) magnet 26, a variable magnetic field is superimposed on the magnetic field of the electric motor. The device for influencing spindle oscillations and deflections 26 is between the front bearing 23 and the rear bearing 24, viewed along the longitudinal axis of the spindle shaft, arranged and carried out three-phase (whereby an advantageous integration in the drive motor is made possible).
Zudem ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das hintere Spindellager 24 passiv gedämpft, beispielsweise über die vorstehend beschriebene hydraulische Dämpfungsbüchse 25, welche benachbart zum hinteren Lager angeordnet ist.In addition, according to the embodiment of FIG. 2, the rear spindle bearing 24 is passively damped, for example via the above-described hydraulic damping bushing 25, which is arranged adjacent to the rear bearing.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einer Spindeleinrichtung nach Fig. 1 und 2 können die Lager jeweils als einzelne Lager oder als zusammengehörige Lagergruppen ausgebildet sein.In the above-described embodiments of a spindle device according to FIGS. 1 and 2, the bearings can each be designed as individual bearings or as associated bearing groups.
Aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen ergibt sich eine Spindeleinrichtung mit einer magnetischen Einrichtung, mit der unter Benutzung von zumindest einem magnetischen Feld Spindelschwingungen dämpfbar sind (Ausführungsbeispiel nach Fig. 1) bzw. mit der die Entstehung der Schwingung durch magnetisch gezielte Beeinflussung der Spindelwelleneigenschaften verhindert wird (Ausführungsbeispiel nach Fig. 2). Die Spindeleinrichtung ist insbesondere bei Werkzeugmaschinen verwendbar.From the above embodiments, a spindle device with a magnetic device, with the use of at least one magnetic field spindle vibrations are damped (embodiment of FIG. 1) or with the formation of the vibration is prevented by magnetically controlled influencing the spindle shaft characteristics (embodiment according to Fig. 2). The spindle device can be used in particular in machine tools.
Die vorliegende Spindeleinrichtung ist über Wälzlager (oder hydrostatische bzw. hydrodynamische Lager) im Gehäuse gelagert, wodurch gute statische Lagereigenschaften erreicht werden. Zudem ist eine auf magnetischen Kräften beruhende Einrichtung vorgesehen, um die gewünschten dynamischen Lagereigenschaften der Spindelwelle zu erreichen.The present spindle device is mounted in the housing via roller bearings (or hydrostatic or hydrodynamic bearings), whereby good static bearing properties are achieved. In addition, a magnetic force based device is provided to achieve the desired dynamic bearing characteristics of the spindle shaft.
Die magnetische Einrichtung zur Beeinflussung von Spindelschwingungen kann zudem über variierbare Steifigkeitseigenschaften verfügen, wodurch auch separate mechanische oder hydraulische passive Dämpfungsvorrichtung (Dämpfungsbuchsen) eingesetzt werden können.The magnetic device for influencing spindle vibrations can also have variable stiffness properties, whereby separate mechanical or hydraulic passive damping device (damping bushings) can be used.
Anders als bei bekannten Magnetlagern besitzt diese magnetische Einrichtung nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nur untergeordnete Stützfunktionen, bzw. nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 stufenlos variierbare Stützfunktionen bis hin zu negativen Steifigkeitswerten. Die Bedeutung der magnetischen Einrichtung liegt demgegenüber in der Erzeugung von (magnetischen) Kräften, die Schwingungen der Spindelwelle dämpfen bzw. durch Veränderungen der dynamischen Spindeleigenschaften deren Entstehung verhindern. Letzteres ist insbesondere dann ermöglicht, wenn die magnetische Einrichtung nach Fig. 2 in Kombination mit einem zusätzlichen Dämpfer negative Steifigkeit aufweist.Unlike in known magnetic bearings has this magnetic device according to the embodiment of FIG. 1 only subordinate support functions, or according to the embodiment of FIG. 2 continuously variable support functions to negative stiffness values. The importance of the magnetic device is In contrast, in the generation of (magnetic) forces that dampen oscillations of the spindle shaft or prevent their formation by changes in the dynamic spindle properties. The latter is particularly possible if the magnetic device according to FIG. 2 has negative rigidity in combination with an additional damper.
Die magnetische Einrichtung kann vorzugsweise mehrere am Umfang der Spindelwelle angeordnete Elektromagnete aufweisen. Diese Elektromagnete sind vorteilhafterweise entlang einer Umfangslinie der Spindelwelle gleichmäßig verteilt. Analog dazu kann die magnetische Einrichtung dreiphasig ausgeführt werden, wodurch eine Integration im elektrischen Antriebsmotor auf einfache Weise ermöglicht ist.The magnetic device may preferably have a plurality of electromagnets arranged on the circumference of the spindle shaft. These electromagnets are advantageously evenly distributed along a circumferential line of the spindle shaft. Similarly, the magnetic device can be made three-phase, whereby an integration in the electric drive motor is made possible in a simple manner.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist eine Regelung der Größe und Richtung der durch die magnetische Einrichtung aufgebrachten magnetischen Kräfte auf. Eine solche Regelung weist vorliegend auch Meßeinrichtungen zur Detektion von Größe und Ortslage der Amplituden der Schwingungen auf. Ferner umfaßt eine solche Regelung die Aufbringung von an die Messungen adaptierten Kompensationskräfte, mit denen eine Verringerung der Auslenkung der Spindelwelle erzielt werden kann. Schließlich kann auch in Art einer Endlosschleife jeweils solange das Ergebnis der Kompensation gemessen und darauf basierend entsprechend abgestimmte Kompensationskräfte zur Dämpfung aufgebracht werden, bis eine maximale Amplitude der Schwingung einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet (bzw. nicht mehr überschreitet).A particularly preferred embodiment has a control of the size and direction of the magnetic forces applied by the magnetic means. In the present case, such a regulation also has measuring devices for detecting the size and local position of the amplitudes of the oscillations. Furthermore, such a control comprises the application of compensating forces adapted to the measurements with which a reduction of the deflection of the spindle shaft can be achieved. Finally, the result of the compensation can also be measured in the manner of an endless loop and correspondingly adjusted compensating forces can be applied for damping, until a maximum amplitude of the oscillation falls below a predetermined limit value (or does not exceed it).
Die vorliegende Erfindung eröffnet zudem die Möglichkeit einer Prozessüberwachung, ohne daß für die Beschaffung von Informationen über den Prozeß weitere gegenständliche Einrichtungen erforderlich wären. Grund hierfür ist, daß auf Basis der gemessenen Schwingungen Rückschlüsse auf den Prozeß gezogen werden können, beispielsweise auf den Verschleißzustand des Werkzeuges.The present invention also provides the possibility of process monitoring without the need for further physical facilities to obtain information about the process. The reason for this is that on the basis of the measured vibrations conclusions can be drawn on the process, for example on the state of wear of the tool.
Eine besonders gute Dämpfung von auftretenden Auslenkungen der Spindelwelle läßt sich durch eine Anordnung erzielen, bei der die magnetische Dämpfereinrichtung zwischen zwei Radialwälzlagern angeordnet ist (Fig. 1). Bei Kombination einer überlagerten Steifigkeitsregelung (Fig. 2) und einer weiteren passiven Dämpfungsvorrichtung 25 lassen sich für einen großen Drehzahlbereich optimal angepasste Spindeleigenschaften für unterschiedliche technologische Anforderungen erzeugen.A particularly good damping of occurring deflections of the spindle shaft can be achieved by an arrangement in which the magnetic damper device is arranged between two radial rolling bearings (FIG. 1). When combining a superimposed stiffness control (FIG. 2) and a further passive damping device 25, optimally adapted spindle properties for different technological requirements can be generated for a large speed range.
Es hat sich gezeigt, daß mit der vorliegenden Ausgestaltung einer Spindeleinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Spindeleinrichtungn über große Drehzahlbereiche, insbesondere größere Schnitttiefen mit ratterfreiem Fräserlauf erzielt werden können. Dies trifft sowohl für geringe als auch für hohe Drehzahlen zu. Die vorliegende Spindeleinrichtung ist dementsprechend sowohl bei HSC- als auch bei Standardbearbeitungsverfahren, insbesondere Fräsverfahren, einsetzbar und weist markante Produktivitätssteigerungen auf.It has been shown that with the present embodiment of a spindle device compared to conventional Spindeleinrichtungn over large speed ranges, in particular larger cutting depths can be achieved with ratterfreie milling run. This is true for both low and high speeds. Accordingly, the present spindle device can be used both in HSC and in standard machining methods, in particular milling methods, and has marked productivity gains.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich insbesondere auch eine Spindeleinrichtung mit einer Spindelwelle zur Übertragung einer rotativen Antriebsbewegung eines koaxial zur Spindelwelle angeordneten Antriebsmotors, bei dem die Spindelwelle zumindest mit einem Spindellager (vorteilhafterweise Radialwälzlager oder hydrostatisches Lager) versehen ist, und . eine Einrichtung zur Reduzierung von Spindelschwingungen mit Auslenkungen der Spindelwelle senkrecht zur Spindelachse vorgesehen ist, wobei eine Dämpfereinrichtung vorgesehen ist, mit der unter Benutzung von zumindest einem magnetischen Feld Spindelschwingungen dämpfbar sind.From the above description results in particular a spindle device with a spindle shaft for transmitting a rotary drive movement of a coaxial with the spindle shaft arranged drive motor, in which the spindle shaft is provided at least with a spindle bearing (advantageously radial roller bearing or hydrostatic bearing), and. a device for reducing spindle vibrations with deflections of the spindle shaft is provided perpendicular to the spindle axis, wherein a damper device is provided, with the use of at least one magnetic field spindle vibrations are damped.
Dabei kann eine variable magnetische Kräfte erzeugende Einrichtung zur Schwingungsdämpfung vorgesehen sein. Die Dämpfung dieser Einrichtung kann geregelt sein. Die vorliegende magnetische Einrichtung zur Reduzierung von Spindelschwingungen kann zudem vorteilhafterweise durch Erzeugung magnetischer Kräfte Lagereigenschaften mit variierbarer Steifigkeit realisieren. Vorteilhafterweise wird dabei die magnetische Einrichtung im Antriebsmotor integriert.In this case, a variable magnetic force generating device may be provided for vibration damping. The damping of this device can be regulated. The present magnetic device for reducing spindle vibrations can also advantageously realize storage properties with variable rigidity by generating magnetic forces. Advantageously, the magnetic device is integrated in the drive motor.
Weiterhin kann eine Steifigkeitsregelung der magnetischen Einrichtung vorgesehen sein, die im Bereich von Rückkopplung bis Mitkopplung arbeiten kann, womit auch die Erzeugung negativer Lagersteifigkeit ermöglicht ist. Weiterhin kann die Möglichkeit einer Nullpunktsverschiebung der Lagerkennlinie (Offset) vorgesehen sein, womit die magnetische Einrichtung zusätzliche Radialkräfte auf die Spindelwelle aufbringen kann. Dabei kann die magnetische Einrichtung die Spindelwelle radial umgeben.Furthermore, a stiffness control of the magnetic device can be provided, which can operate in the range of feedback to positive feedback, whereby the generation of negative bearing stiffness is possible. Furthermore, the possibility of a zero offset of the bearing characteristic (offset) may be provided, so that the magnetic device can apply additional radial forces on the spindle shaft. In this case, the magnetic device can surround the spindle shaft radially.
Insbesondere kann die magnetische Einrichtung die Spindelwelle mit Abstand und berührungslos zur Spindelwelle angeordnet sein.In particular, the magnetic device, the spindle shaft can be arranged at a distance and without contact to the spindle shaft.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Spindeleinrichtung eine steifigkeitsgeregelte magnetische Einrichtung auf, wobei an mindestens einem Spindellager außerhalb der magnetischen Einrichtung ein passives Dämpferelement angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird eine hydraulische Dämpferbüchse am hinteren Spindellager angebracht.According to a preferred embodiment, the spindle device has a stiffness-controlled magnetic device, wherein a passive damping element is arranged on at least one spindle bearing outside the magnetic device. Advantageously, a hydraulic damper bushing is attached to the rear spindle bearing.
Die vorliegende Spindeleinrichtung kann zudem eine Regelung aufweisen, mit der radiale Spindelauslenkungen, oder Schwingungsamplituden reduziert werden, wobei die magnetische Einrichtung dabei vorteilhafterweise zwischen zwei Spindellagern angeordnet ist.The present spindle device can also have a control, with the radial Spindelauslenkungen, or vibration amplitudes are reduced, the magnetic device is advantageously arranged between two spindle bearings.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich zudem ein Verfahren zur Reduzierung von Schwingungsamplituden einer Spindelwelle einer Spindeleinrichtung, bei dem die mit Wälzlagern gelagerte Spindelwelle von einer Motoreinrichtung in eine Rotationsbewegung versetzt wird, die Schwingungen der Spindelwelle zur Folge hat, wobei mit der magnetischen Einrichtung auf magnetische Felder zurückgehende Kräfte erzeugt werden, mit denen die Größe der Schwingungsamplituden der Spindelwelle reduzierbar sind.From the above description, there is also a method for reducing vibration amplitudes of a spindle shaft of a spindle device, in which the spindle bearing mounted with roller bearings is set by a motor device in a rotational movement, the vibrations of the spindle shaft has the consequence, with the magnetic device to magnetic fields Returning forces are generated, with which the size of the oscillation amplitudes of the spindle shaft can be reduced.
Zudem ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung ein Verfahren zur Regelung der Lagersteifigkeit der Spindeleinrichtung, wobei die Systemsteifigkeit der Spindeleinrichtung an der Werkzeugaufnahme der Spindelwelle variiert werden kann. Außerdem ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung ein Verfahren zur Überwachung eines Bearbeitungsprozesses einer Werkzeugmaschine, wobei auftretende Schwingungen über die Einrichtung zur Beeinflussung der Spindelschwingungen ge- messen und einer Auswertung zur Ermittlung von zumindest einem Prozessparameter zugeführt werden. In addition, from the above description, a method for controlling the bearing stiffness of the spindle device, wherein the system stiffness of the spindle device can be varied at the tool holder of the spindle shaft. In addition, the above description provides a method for monitoring a machining process of a machine tool, wherein occurring vibrations are transmitted via the device for influencing the spindle oscillations. be measured and fed to an evaluation to determine at least one process parameter.

Claims

Patentansprüche claims
1. Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen, Motoren oder dergleichen, mit einer Spindelwelle (12,22), einer Spindellagervorrichtung (13,14,15,23,24) und einer von der Spindellagervorrichtung (13,14,15,23,24) unabhängigen, aktiven Einrichtung (16,26) zur Vermeidung oder Reduzierung von Spindelschwingungen und - auslenkungen.A spindle device for machine tools, motors or the like, comprising a spindle shaft (12, 22), a spindle bearing device (13, 14, 15, 23, 24) and one independent of the spindle bearing device (13, 14, 15, 23, 24), active means (16,26) for avoiding or reducing spindle vibrations and deflections.
2. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16,26) zumindest eine Messeinheit zur Bestimmung von Schwingungsfrequenzen und/ oder Schwingungsamplituden und/oder Ortslagen der Schwingungen aufweist.2. Spindle device according to claim 1, characterized in that the active device (16,26) has at least one measuring unit for determining vibration frequencies and / or vibration amplitudes and / or spatial positions of the vibrations.
3. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16,26) eine Einheit zur Erzeugung eines nach Größe und Richtung einstellbaren Magnetfeldes aufweist, wobei das Magnetfeld die Spindelwelle durchsetzt.3. spindle device according to claim 1 or 2, characterized in that the active means (16,26) comprises a unit for generating a magnetic field adjustable in size and direction, wherein the magnetic field passes through the spindle shaft.
4. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16,26) eine Regeleinheit zur Regelung des Magnetfeldes aufweist.4. spindle device according to claim 3, characterized in that the active device (16,26) has a control unit for controlling the magnetic field.
5. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16,26) zumindest einen Elektromagneten, insbesondere mehrere am Umfang der Spindelwelle (12, 22) angeordnete Elektromagneten, aufweist, wobei die Elektromagneten unabhängig voneinander regelbar sind.5. Spindle device according to claim 3 or 4, characterized in that the active device (16,26) at least one electromagnet, in particular a plurality on the circumference of the spindle shaft (12, 22) arranged electromagnets, wherein the electromagnets are independently controllable.
6. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem zumindest einen Elektromagneten nach Größe und Richtung variierbare magnetische Kräfte erzeugbar sind.6. spindle device according to at least one of the claims 3 to 5, characterized in that with the at least one electromagnet according to size and direction variable magnetic forces can be generated.
7. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16, 26) die Spindelwelle (12, 22) radial umgibt. 7. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 6, characterized in that the active means (16, 26) radially surrounds the spindle shaft (12, 22).
8. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (16, 26) mit Abstand und berührungslos zur Spindelwelle (12,22) angeordnet ist.8. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 7, characterized in that the active device (16, 26) is arranged at a distance and without contact to the spindle shaft (12,22).
9. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelwelle (12,22) zur Übertragung einer rotativen Antriebsbewegung der koaxial zur Spindelwelle angeordneten Antriebseinrichtung vorgesehen ist.9. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 8, characterized in that the spindle shaft (12,22) is provided for transmitting a rotary drive movement of the coaxial with the spindle shaft arranged drive means.
10. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindellagervorrichtung (13,14,15,23,24,25) Radialwälzlager und/oder hydrostatische Lager aulweist.10. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 9, characterized in that the spindle bearing device (13,14,15,23,24,25) aulweist radial bearings and / or hydrostatic bearings.
11. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelwelle (12) an einem Ende, insbesondere am Werkzeug- bzw. werkstückseitigen Ende, über zumindest zwei Spindellager (13, 14), insbesondere Radialwälzlagern, gelagert ist, wobei die aktive Einrichtung (16) entlang einer Längsachse (A) der Spindelwelle (12) zwischen diesen Spindellagern (13, 14) angeordnet ist.11. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 10, characterized in that the spindle shaft (12) is mounted at one end, in particular at the tool or workpiece end, via at least two spindle bearings (13, 14), in particular radial roller bearings, wherein the active device (16) is arranged along a longitudinal axis (A) of the spindle shaft (12) between these spindle bearings (13, 14).
12. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (26) in die Antriebseinrichtung (27, 28) integriert ist.12. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 11, characterized in that the active device (26) in the drive means (27, 28) is integrated.
13. Spindeleinrichtung nach dem Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Einrichtung (26) eine der Dämpfungsregelung überlagerte Steifigkeits- regelung aufweist, mit der Lagereigenschaften mit variierbarer Steifigkeit erzeugbar sind.13. Spindle device according to claim 12, characterized in that the active device (26) has a damping control superposed stiffness control, with the bearing properties with variable stiffness can be generated.
14. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die14. Spindle device according to claim 13, characterized in that the
Steifigkeitsregelung zur Regelung im Bereich von Rückkopplung bis Mitkopplung vorgesehen ist, wobei insbesondere negative Lagersteifigkeiten erzeugbar sind. Stiffness control is provided for control in the range of feedback to positive feedback, in particular negative bearing stiffness can be generated.
15. Spindeleinrichtung zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch zumindest ein von der aktiven Einrichtung (26) unabhängiges, mechanisches oder hydraulisches, passives Dämpferelement (25), welches insbesondere an der Spindellagerung (24) angeordnet ist.15. spindle device at least one of the claims 1 to 14, characterized by at least one of the active device (26) independent, mechanical or hydraulic, passive damper element (25) which is arranged in particular on the spindle bearing (24).
16. Spindeleinrichtung nach Patentanspruch 15, gekennzeichnet durch zumindest eine hydraulische Dämpfungsbüchse (25), die an einem hinteren Spindellager angeordnet ist.16. Spindle device according to claim 15, characterized by at least one hydraulic damping bushing (25) which is arranged on a rear spindle bearing.
17. Spindeleinrichtung nach zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Nullpunktverschiebung der Lagerkennlinie, womit die aktive Einrichtung zusätzliche Radialkräfte auf die Spindelwelle aufbringen kann.17. Spindle device according to at least one of the claims 1 to 16, characterized by a zero shift of the bearing characteristic, whereby the active device can apply additional radial forces on the spindle shaft.
18. Verfahren zur Beeinflussung von Spindelschwingungen und -auslenkungen einer Spindeleinrichtung für Werkzeugmaschinen, Motoren oder dergleichen, mit einer Spindelwelle (12,22) und einer Spindellagervorrichtung (13,14,15,23,24), wobei auftretende Schwingungen und Auslenkungen gemessen und mit einer magnetischen Einrichtung (16, 26) auf magnetische Felder zurückgehende Kräfte erzeugt werden, mit denen eine Größe der Schwingungsamplituden der Spindelwelle (12, 22) verringert und/oder dynamische Eigenschaften der Spindelwelle (12, 22) beeinflußt werden.18. A method for influencing spindle oscillations and deflections of a spindle device for machine tools, motors or the like, with a spindle shaft (12,22) and a spindle bearing device (13,14,15,23,24), wherein occurring vibrations and deflections measured and with a magnetic means (16, 26) generating forces due to magnetic fields, with which a magnitude of the oscillation amplitudes of the spindle shaft (12, 22) reduced and / or dynamic properties of the spindle shaft (12, 22) are affected.
19. Verfahren nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sys- temsteifigkeit der Spindelvorrichtung an der Werkzeugaufnahme mittels einer steuerbaren Lagersteifigkeit geregelt wird. 19. The method according to claim 18, characterized in that a system rigidity of the spindle device is controlled at the tool holder by means of a controllable bearing stiffness.
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