WO2008031406A1

WO2008031406A1 - Arbeitsspindel und verfahren zum betreiben einer arbeitspindel

Info

Publication number: WO2008031406A1
Application number: PCT/DE2007/001598
Authority: WO
Inventors: Berend Denkena; Bernd Ponick
Original assignee: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2008-03-20
Also published as: JP5595730B2; EP2061627A1; DE102006042539A1; EP2061627B1; ATE485129T1; JP2010502469A; DE502007005434D1; DE102006042539B4; DE102006042539C5; EP2061627B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel, insbesondere für eine spanende Werkzeugmaschine, mit einer Antriebswelle, die ein freies Ende aufweist zum Antreiben eines spanenden Werkzeugs, zwei Lagern, in denen die Antriebswelle um eine Drehachse drehbar. gelagert ist, und einem Antrieb für die Antriebswelle, wobei die Antriebswelle dann, wenn eine radiale Störkraft auf das freie Ende wirkt, zwischen den Lagern eine Auslenkung von der Drehachse aufweist, und einem zwischen den Lagern angeordneten Aktor. zum Aufbringen einer der Auslenkung entgegen wirkenden Ausgleichskraft auf die Antriebswelle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Antrieb einen Stator umfasst, der die Antriebswelle zwischen den Lagern zumindest teilweise umgreift, zum Zusammenwirken mit einem auf der Antriebswelle zwischen den Lagern angeordneten Rotor, und dadurch, dass der Aktor einen Aktor-Elektromagneten umfasst, der im Stator angeordnet ist.

Description

Arbeitsspindel und Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspindel

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspindel.

Bei spanenden Werkzeugmaschinen stellen auftretende Schwin- gungen ein Problem für die erreichbare Produktivität und die Qualität des mit der Werkzeugmaschine bearbeiteten Werkstücks dar. Die auftretenden Schwingungen können unterteilt werden in freie Schwingungen, bei denen die Arbeitsspindel nach einer impulsförmigen Anregung mit ihrer Eigen- frequenz ausschwingt, fremderregte Schwingungen, bei denen die Arbeitsspindel mit der Frequenz einer Anregung schwingt (beispielsweise durch Unwuchten oder periodische Kräfte) , und selbsterregte Schwingungen, die durch eine Energieeinbringung von der Arbeitsspindel selbst erzeugt werden.

Alle drei Arten von Schwingungen begrenzen die für die spanende Werkzeugmaschine maximal erreichbare Bearbeitungsgeschwindigkeit und stellen eine Belastung für die Komponenten der Arbeitsspindel dar. Die Belastungen können zu La- gerschäden und zu Werkzeugbrüchen beitragen.

Es ist bekannt, zur Verringerung der Schwingungen von Arbeitsspindeln aktive und passive Methoden einzusetzen. Zu den passiven Methoden zählt eine Erhöhung der Dämpfung durch eine geeignete Materialauswahl und durch eine steife Konstruktion der Arbeitsspindel.

Aktive Methoden, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, erreichen eine Verringerung der Schwingungen durch das Aufbringen von Kräften auf Komponenten der ArbeitsSpindel.

Aus der DE 694 09 998 T2 ist eine Schwingungskontrollanlage für rotierende Maschinen der Textilindustrie bekannt. Die bekannte Schwingungskontrollanlage umfasst eine Hohlwelle, die in zwei Lagern gelagert ist und einen Elektromotor umschließt, mit dem die Hohlwelle angetrieben wird. Dicht bei den Lagern sind Magnetaktoren angeordnet, die so angesteuert werden, dass selbsterregte Schwingungen der Hohlwelle unterdrückt werden. Dieses Prinzip ist auf Arbeitsspindeln nicht übertragbar, da bei Arbeitsspindeln ein freies Ende zum Antrieb beispielsweise eines Werkzeugs vorhanden sein muss, was mit einer Hohlwelle nicht realisiert werden kann.

Aus der DE 100 23 973 Al ist bekannt, eine Arbeitsspindel in ihren Lagern auszulenken, um so Schwingungen und Lagerabweichungen zu kompensieren.

Aus der DE 197 82 264 Tl und der DE 197 81 660 Tl sind e- lektromagnetische DämpfungsSysteme für Festplattenlaufwerke bekannt, die zwei Lager aufweisen. Zur Dämpfung werden auf die Lager magnetische Kräfte aufgebracht, die den Schwin- gungen entgegenwirken. Dieses System ist nur dann anwendbar, wenn die Lager hinreichend elastisch sind, um sie durch magnetische Kräfte hinreichend weit auslenken zu können. Das ist bei Arbeitsspindeln, bei denen die Lager zur passiven Schwingungsdämpfung sehr steif ausgelegt sind, nicht der Fall.

Aus der DE 1 166 589 ist eine gattungsgemäße Arbeitsspindel bekannt, bei der die Ausgleichskraft durch einen mechanisch beaufschlagten Stützkörper erfolgt. Nachteilig an dieser Arbeitspindel ist, dass sie zum Kompensieren von Werkzeugschwingungen hoher Frequenz, wie sie beim Fräsen auftreten, zu träge ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsspindel und ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspindel vorzuschlagen, die ein Kompensieren von Schwingungen auch bei hohen Frequenzen erlaubt.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Arbeitsspindel mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspindel mit den Merkmalen von Anspruch 18.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass dadurch, dass der Aktor zwischen den Lagern angeordnet ist, sich der Aktor nahe an einer Stelle befindet, an der eine durch das Werkzeug verursachte Schwingung eine große Auslenkung der Welle hervorrufen kann. An dieser Stelle kann dieser Schwingung deshalb besonders effektiv entgegengewirkt werden.

Vorteilhaft ist zudem, dass als Aktor ein Reluktanzkraftaktor verwendbar ist, mit dem berührungslos und schnell große Kraftamplituden erzeugt werden können. Zur Erzeugung dieser Kraftamplituden ist es vorteilhafterweise zudem nicht notwendig, elektrische Energie auf drehende Teile der Arbeitsspindel zu übertragen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Schwingungsdämpfung auch bei hohen Drehzahlen möglich ist. Vorteilhaft ist außerdem, dass der Aktor im Wesentlichen verschleißfrei ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Aktor in bestehende Kompo- nenten der Arbeitsspindel integrierbar ist. Hierdurch ergibt sich eine kompakte Bauweise. Gleichzeitig kann die Erfindung mit nur geringen konstruktiven Veränderungen in bestehenden Arbeitsspindeln implementiert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Arbeitsspindel insbesondere eine Werkzeugmaschinen- Motorspindel verstanden, die elektrisch angetrieben ist. Da die Erfindung auch bei sehr hohen Umdrehungszahlen einsetzbar ist, bezieht sich die Erfindung auch auf eine Hoch- geschwindigkeits-Arbeits- bzw. -Motorspindel, die für Drehzahlen oberhalb von 20 000 Umdrehungen/Minute eingerichtet ist.

Es ist für die Erfindung nicht notwendig, dass die Arbeits- spindel genau zwei Lager aufweist. Es ist ausreichend, dass die Arbeitsspindel zumindest zwei Lager aufweist. Es kann sich bei den Lagern um magnetische, aerostatische, hydrostatische, hydrodynamische Lager oder Wälzlager handeln.

Es ist zudem nicht notwendig, dass das freie Ende über die Lager hinausreicht. Maßgeblich ist lediglich, dass an einer Stelle jenseits der Lager eine radiale Störkraft aufgebracht werden kann. So ist es möglich, dass die Antriebswelle mit einem der Lager abschließt. In diesem Fall kann das freie Ende eine in der Antriebswelle vorgesehene Kopplungsvorrichtung aufweisen, mittels derer eine Werkzeugaufnahme für ein Werkzeug angebracht werden kann. In diesem Fall führt eine radiale Störkraft ebenfalls zu einer Auslenkung der Antriebswelle von der Drehachse.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor so aus- gebildet, dass die Ausgleichskraft radial, insbesondere radial nach außen, auf die Antriebswelle wirkt. Das hat den Vorteil, dass eine besonders große Ausgleichskraft auf die Antriebwelle aufbringbar ist. In einer alternativen Ausführungsform ist der Aktor so ausgebildet, dass die Aus- gleichskraft eine radial, insbesondere radial nach außen wirkende Ausgleichskraftkomponente auf die Antriebswelle aufbringen kann. In diesem Fall ist der Aktor so ausgebildet, dass zusätzlich eine axial auf die Antriebswelle wirkende Ausgleichskraftkomponente aufbringbar ist. Das hat den Vorteil, dass auch axiale Schwingungen der Antriebswelle gedämpft werden können.

Bevorzugt ist der Aktor in einer Umgebung einer Bauchstelle angeordnet, wobei die Bauchstelle eine Stelle maximaler Auslenkung von der Drehachse ist, wenn eine radiale Störkraft auf das freie Ende der Antriebswelle wirkt. Besonders bevorzugt ist der Aktor in einer Umgebung derjenigen Bauchstelle angeordnet, die zu der ersten Biege- Eigenschwingungsform der Antriebswelle gehört. In diesem Fall ist eine besonders effektive Dämpfung möglich. Unter dem Ausdruck „in einer Umgebung" ist zu verstehen, dass der Aktor nicht notwendigerweise in unmittelbarer Nähe der Bauchstelle angeordnet sein muss. Insbesondere ist der Aktor in einem Bereich angeordnet, in dem die Auslenkung der Antriebswelle mehr als der Hälfte der maximalen Auslenkung zwischen den Lagern entspricht. Der Antrieb der Arbeitsspindel umfasst einen Stator, der die Antriebswelle zwischen den Lagern zumindest teilweise umgreift und zum Zusammenwirken mit einem auf der Antriebswelle zwischen den Lagern angeordneten Rotor ausgebildet 5 ist, wobei der Aktor einen Aktor-Elektromagneten umfasst, der im Stator angeordnet ist.

Besonders bevorzugt weist der Stator Antriebs- _j Elektromagnete und eine Antriebs-Strorαversorgung zum Ver- .0 sorgen der Antriebs-Elektromagnete mit elektrischer Energie auf, und die Arbeitsspindel umfasst eine von der Antriebs- Stromversorgung unabhängige Aktor-Stromversorgung zum Versorgen des Aktor-Elektromagneten mit elektrischer Energie. Hierdurch wird erreicht, dass der Aktor unabhängig vom An- .5 trieb ansteuerbar ist. Während also die Antriebs-Stromversorgung mit den Antriebs-Elektromagneten zusammenwirkt, um ein Drehmoment auf die Arbeitsspindel aufzubringen, wirkt die Aktor-Stromversorgung mit dem Aktor-

; Elektromagneten zusammen, um Schwingungen der Antriebswelle 20 zu verringern.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Antriebs- Elektromagneten in mindestens zwei separat bestrombaren _; Wicklungszweigen angeordnet. Vorzugsweise umfassen die An- 25 triebs-Elektromagneten mindestens zwei, insbesondere drei Phasen, und jede der zwei bzw. drei Phasen umfasst zumindest zwei separat bestrombare Wicklungszweige. Möglich sind auch mehr als zwei Wicklungszweige je Phase, beispielsweise vier oder 30 sechs Wicklungszweige.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Aktor ein Magnetelement aus ferromagnetischem Material, das an der Antriebswelle angeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich dabei um weichmagnetisches Material. Das hat den Vorteil, dass ein magnetisches Feld stets eine möglichst hohe radial nach außen wirkende Kraft auf das Magnetelement ausübt. Das

5 Magnetelement ist bevorzugt so gestaltet und/oder angeordnet, dass ein von einem Antriebs-Elektromagneten erzeugtes Magnetfeld keine bzw. im Wesentlichen keine Radialkraft auf das Magnetelement ausübt. Dadurch wird eine Wechselwirkung 1 zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Aktor weitgehend

0 vermieden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bilden das Magnetelement einerseits und der Aktor-Elektromagnet bzw. _] die Aktor-Elektromagneten einen Reluktanzkraftaktor. Dieser .5 Reluktanzkraftaktor ist bevorzugt so ausgebildet, dass er eine auf die Antriebswelle wirkende Ausgleichskraft aufbringen kann, die eine radial nach außen weisende Komponente hat. Wenn keine axiale Komponente erzeugt werden soll,_t ^r liegen sich das Magnetelement und der Aktor-Elektromagnet JO bzw. die Aktor-Elektromagneten bevorzugt auf axial gleicher Höhe bezüglich der Antriebswelle gegenüber.

Es ist günstig, wenn das Magnetelement aus Blechen aufge- ; baut ist, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die .5 elektrische Isolation ist beispielsweise durch eine Oxid- und/oder eine Lackschicht gebildet und so ausgeführt, dass beim Betrieb der Arbeitsspindel Wirbelströme im Magnetelement minimiert bzw. weitgehend unterdrückt werden.

30 In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetelement in der Umgebung der Bauchstellen, insbesondere in der Umgebung einer Mitte zwischen den zwei Lagern angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass eine auf ein so angeordnetes Mag- netelement wirkende magnetische Ausgleichskraft besonders effektiv der Auslenkung der Antriebswelle entgegenwirken kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rotor Permanentmagnete und das Magnetelement ist zwischen den Permanentmagneten angeordnet. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine besonders kompakte Anordnung der Arbeitsspindel ermöglicht. Besonders günstig ist in diesem Fall, wenn der Ak- tor-Elektromagnet bzw. die Aktor-Elektromagneten so relativ zu den Permanentmagneten angeordnet sind, dass sie mit diesen nur so schwach zusammenwirken, dass der Betrieb der Arbeitsspindel dadurch nicht beeinträchtigt wird. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die beidseits des Magnetelements angeordneten Permanentmagnete bezüglich einer jeden radialen Richtung jeweils entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Eine durch den Aktor-Elektromagneten hervorgerufene Anziehungskraft auf einen der Permanentmagneten wird dann durch eine entgegengesetzte Kraft auf den jeweils anderen Elektromagneten weitgehend kompensiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Arbeitsspindel zudem einen Sensor zum Erfassen der Auslenkung der Antriebswelle von der Drehachse auf. Dieser Sensor ist insbe- sondere ein berührungslos arbeitender Sensor, wie beispielsweise ein Laser-Sensor oder ein induktiver Sensor.

Bevorzugt umfasst die Arbeitsspindel eine Steuerung, die mit der Antriebs-Stromversorgung so zusammenwirkt, dass die Antriebs-Elektromagnete mit dem Magnetelement zum Aufbringen einer der Auslenkung entgegenwirkenden Ausgleichskraft auf die Antriebswelle zusammenwirken. Vorteilhaft hieran ist, dass eine besonders kompakte Bauform der Arbeitsspin- del erreichbar ist. Zudem muss lediglich ein Magnetelement auf der Antriebswelle angeordnet werden, um Schwingungen der Arbeitsspindel effektiv dämpfen zu können. Es ist daher möglich, bestehende Arbeitsspindeln mit geringem konstruk- 5 tivem Aufwand umzurüsten, um so eine verbesserte Dämpfung zu erreichen.

Die Erfindung umfasst zudem eine spanende Werkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel, insbesondere LO eine Fräsmaschine, eine Schleifmaschine oder eine Drehmaschine.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird so durchgeführt, dass Schwingungen der Antriebswelle gedämpft bzw. das die Aus-

L5 lenkung des freien Endes der Antriebswelle verringert wird und umfasst bevorzugt den Schritt des Ermitteins der Auslenkung der Antriebswelle von der Drehachse. Diese Auslenkung kann durch eine extern angreifende Kraft, aber auch durch Un-

10 wuchten in der Arbeitsspindel oder in Komponenten verursacht werden, die mit der Antriebswelle der Arbeitsspindel verbunden sind.

Aus der so ermittelten Auslenkung wird dann in Echtzeit 15 diejenige Ausgleichskraft berechnet, die notwendig ist, um Schwingungen der Arbeitsspindel zu dämpfen. Unter dem Ermitteln der Auslenkung werden alle Verfahren verstanden, die dazu geeignet sind, als Grundlage für die Berechnung ; der benötigten Auslenkkraft zu dienen. Beispielsweise wird SO die Auslenkung der Antriebswelle in der Nähe des freien Endes gemessen. Es ist jedoch auch möglich, die Auslenkung zwischen den beiden Lagern zu messen. Es ist dabei nicht notwendig, dass die Auslenkung direkt in Form einer Länge gemessen wird. Es ist beispielsweise möglich, mittels eines Beschleunigungssensors die Beschleunigung zu messen und aus der Beschleunigung direkt die benötigte Ausgleichskraft zu berechnen.

Es ist allerdings nicht notwendig, die Ausgleichskraft zu berechnen. Es ist ausreichend, einen elektrischen Strom zu ermitteln, der, wenn er auf den Aktor aufgebracht wird, Schwingungen der Antriebwelle dämpft oder die Auslenkung des freien Endes vermindert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Antriebswelle einer Arbeitsspindel, die zwischen zwei Lagern um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und auf die eine radiale Störkraft wirkt,

Figur 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel,

Figur 3 eine Prinzipzeichnung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel und

Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel.

Figur 1 zeigt schematisch eine Antriebswelle 10, die ein freies Ende 12 aufweist, an dem ein nicht eingezeichnetes spanendes Werkzeug, wie beispielsweise ein Fräser oder eine Schleifscheibe, befestigt werden können. Die Antriebswelle 10 ist zwischen zwei Lagern, einem ersten Lager 14a und ei- nem zweiten Lager 14b -um eine Drehachse 16 drehbar gelagert. Wenn auf die Antriebswelle 10 eine radiale Störkraft Fp wirkt, so kommt es zwischen den Lagern 14a, 14b zu einer Auslenkung der Antriebswelle 10 von der Drehachse 16.

Ohne Auslenkung fällt eine Längsachse L der Antriebswelle 10 mit der Drehachse 16 zusammen. Die Auslenkung führt dazu, dass die Längsachse L einen von der axialen Position x abhängigen Abstand A(x) von der Drehachse 16 aufweist.

Durch Aufbringen einer Ausgleichskraft F_m, die zwischen den beiden Lagern 14a und 14b radial angereift, kann die Auslenkung A der Antriebswelle 10 zwischen den Lagern 14a, 14b und am freien Ende 12 kompensiert werden.

Gemäß einer ersten Alternative wird die Ausgleichskraft F_m so gewählt, dass die Auslenkung der Antriebswelle 10 zwischen den Lagern 14a, 14b weitgehend kompensiert wird. Alternativ kann die Ausgleichskraft F_m so gewählt werden, dass die Auslenkung des freien Endes 12 der Antriebswelle 10 kompensiert wird. Dazu kann es notwendig sein, die Antriebswelle 10 zwischen den Lagern 14a, 14b so weit auszu- lenken, dass sie eine Auslenkung von der Drehachse 16 aufweist, wobei diese Auslenkung jedoch derjenigen Auslenkung entgegengesetzt verläuft, die durch die Störkraft F_p hervorgerufen wird. In Figur 1 müsste die Antriebswelle 10 in diesem Fall so ausgelenkt werden, dass sie zwischen den Lagern 14a, 14b nach oben gewölbt ist.

Die in Figur 1 gezeigte Auslenkung kann Folge von freien, fremderregten und selbsterregten Schwingungen sein. In Figur 1 ist die erste Grundschwingung einer selbsterregten Schwingung der Antriebswelle 10 gezeigt, bei der zwischen den beiden Lagern 14a, 14b eine Bauchstelle 18 auftritt, und bei der die beiden Lager 14a, 14b Knotenstellen der Schwingung darstellen. Unter der Bauchstelle 18 ist die a- xiale Position x der Antriebswelle 10 zu verstehen, an der 5 zwischen den beiden Lagern 14a, 14b die maximale Auslenkung A auftritt. Die Bauchstelle 18 ändert ihre Lage daher nicht, wenn beispielsweise die Störkraft F_p in eine Richtung angreift, die der in Figur 1 gezeigten Störkraft F_p genau entgegengesetzt ist. 0

Figur 2 zeigt eine Arbeitsspindel 20, bei der die Antriebswelle 10 zwischen zwei Lagern 14a, 14b in Form von Wälzlagern gelagert ist. Axial zwischen den Lagern 14a, 14b ist ein Antrieb 22 zum Antreiben der Antriebswelle 10 angeord-

.5 net. Der Antrieb 22 umfasst einen Stator 24, der zwei Antriebs-Elektromagneten 26a, 26b umfasst, die die Antriebswelle 10 zwischen den Lagern 14a, 14b umgreifen. Der Stator 24 weist zudem eine in Figur 2 schematisch eingezeichnete Antriebs-Stromversorgung 28 auf, mit der die Antriebs-

-0 Elektromagnete 26a, 26b durch elektrische Leitungen 30a bzw. 30b verbunden sind. Die Antriebs-Stromversorgung ist mit einer digitalen Steuerung 30 verbunden, mittels derer die Antriebs-Elektromagnete 26a, 26b durch die Antriebs- Stromversorgung 28 bestromt werden.

25

Den Antriebs-Elektromagneten 26a, 26b liegen auf axial gleicher Höhe Permanentmagneten 32a, 32b gegenüber, die Teile eines Rotors 34 darstellen. Die Permanentmagneten 32a, 32b umfassen in Figur 2 nicht eingezeichnete Perma- 0 nentmagnet-Elemente, die in ümfangsrichtung der Antriebswelle 10 mit jeweils alternierenden Polaritäten angeordnet sind. Diese Permanentmagnet-Elemente wirken auf bekannte Art mit den Antriebs-Elektromagneten 26a, 26b zusammen, um ein Drehmoment auf die Antriebswelle 10 aufzubringen. Dazu weisen die Antriebselektromagnete 26a, 2^βb Wicklungszweige auf, die jeweils voneinander separat von der Antriebs- Stromversorgung 28 bestrombar sind.

5

Als Alternative zu den Permanentmagnet-Elementen kann der Antriebs-Elektromagnet im rotierenden Teil auch mit einem weichmagnetischen Blechpaket ausgeführt werden, in das eine in sich kurzgeschlossene Wicklung (sog. Käfigwicklung) ein-

LO gebracht ist. Die Käfigwicklung ist axial außerhalb eines Magnetelements 36 angeordnet, die im Folgenden beschrieben ist.

Das Magnetelement 36 ist zwischen den Permanentmagneten L5 32a, 32b angeordnet und umgreift die Antriebswelle 10 vollständig. Das Magnetelement 36 umfasst eine Vielzahl gegeneinander elektrisch isolierter Bleche aus weichmagnetischein Material und ist durch nicht eingezeichnete Befestigungsmittel an der Antriebswelle 10 befestigt. In einer alterna- 10 tiven Ausführungsform wird das Magnetelement 36 kraftschlüssig an der Antriebswelle 10 befestigt, beispielsweise mittels eines Schrumpfsitzes.

Auf gleicher axialer Höhe bezüglich der Drehachse 16 liegt 15 dem Magnetelement 36 ein Aktor-Elektromagnet 38 gegenüber, der aus mehreren Aktor-Elektromagnetelementen 40a, 40b, ... aufgebaut ist, wobei in Figur 2 lediglich die beiden Aktor-

Elektromagnetelemente 40a und 40b eingezeichnet sind. Der_: ^■ Aktor-Elektromagnet 38 und das Magnetelement 36 sind ge- 50 meinsam Bestandteile eines Reluktanzkraftaktors 42.

Der Aktor-Elektromagnet 38 ist über ein mehradriges elektrisches Kabel 44, mit dem jedes der Aktor- Elektromagnetelemente 40a, 40b, ... einzeln kontaktiert ist, mit einer Aktor-Stromversorgung 46 verbunden. Die Aktor- Stromversorgung 46 ist dazu ausgebildet, um die einzelnen Aktor-Elektromagnetelemente einzeln zu bestromen. 5

Die Steuerung 30 ist über eine elektrische und/oder optische Verbindung mit einem in Figur 2 schematisch eingezeichneten Sensor 48 verbunden, der die Auslenkung der Antriebswelle 10 gegenüber der Drehachse 16 ermittelt. Dieser

LO Sensor 48 kann jenseits der beiden Lager 14a, 14b oder zwischen diesen angeordnet sein. Besonders günstig ist, den Sensor 48 im Stator 24 anzuordnen. Alternativ kann auch der Stator 24 so ausgebildet sein, dass mit ihm eine Auslenkung der Antriebswelle 10 von der Drehachse 16 messbar ist.

L5

Der Stator 24 und die Lager 14a, 14b sind an einem Gehäuse 50 befestigt, das die Antriebswelle 10 zwischen den Lagern 14a, 14b vollständig umschließt. Mit dem Gehäuse 50 wird

_; die Arbeitsspindel 20 in eine nicht eingezeichnete Werk-

20 zeugmaschine, beispielsweise eine Fräsmaschine, eingebaut. Zum Betrieb wird am freien Ende 12 ein spanendes Werkzeug 52 angebracht, das in Figur 2 in Form eines schematisch dargestellten Fräsers gezeigt ist. Das spanende Werkzeug 52 wird dazu in einer Werkzeugaufnahme 51 eingespannt. Beim

25 Einsatz des spanenden Werkzeugs 52 kommt es zu Störkräften, die auf das freie Ende 12 der Antriebswelle 10 wirken und zu einer Auslenkung der Antriebswelle 10 führen.

Beim Betrieb der Arbeitsspindel wirken der Stator 24 und 30 der Rotor 34 so zusammen, dass sie die Antriebswelle 10 in Drehung versetzen. Wenn das spanende Werkzeug 52 mit einem nicht eingezeichneten Werkstück in Eingriff kommt, so entsteht eine radiale Störkraft F_p, die am spanenden Werkzeug 52 eingreift und die Antriebswelle 10 in fremderregte Schwingungen versetzt. Zwischen den Lagern 14a, 14b kommt es dadurch zu einer Auslenkung der Antriebswelle 10 von der Drehachse 16, die von dem Sensor 48 erfasst wird (vgl. Fi- 5 gur 1) .

Die Steuerung 30, die mit der Aktor-Stromversorgung 46 verbunden ist, sendet aufgrund des Signals vom Sensor 48 ein Ansteuersignal an die Aktor-Stromversorgung 46, woraufhin

LO diese die Aktor-Elektromagnetelemente 40a, 40b des Aktor- Elektromagneten 38 bestromt. Durch diesen Strom bildet sich ein Magnetfeld zwischen dem Aktor-Elektromagneten 38 und dem Magnetelement 36 aus. Dieses Magnetfeld führt dazu,

; dass das Magnetelement 36 eine Ausgleichskraft in Form ei-

L5 ner magnetischen Anziehungskraft F_m erfährt, wie in Figur 3 gezeigt ist. Aufgrund dieser Ausgleichskraft F_m entsteht am spanenden Werkzeug 52 eine der Störkraft F_p entgegengerichtete Kraft, wodurch die Auslenkung des spanenden Werkzeugs 52 vermindert wird.

.0

Wie in Figur 3 gezeigt ist, liegen sich die Permanentmagnete 32a bzw. 32b einerseits und die Antriebs-Elektromagnete 26a bzw. 26b andererseits und das Magnetelement 36 und der Aktor-Elektromagnet 38 auf gleicher axialer Höhe unmittel-

15 bar gegenüber. Hierdurch wird verhindert, dass ein Magnetfeld, was vom Aktor-Elektromagneten 38 aufgebaut wird, die Permanentmagnete 32a, 32b wesentlich beeinflusst. Umgekehrt wird verhindert, dass die Wirkung des Aktor-Elektromagneten

; wesentlich durch die Permanentmagnete oder den Antriebs-

30 Elektromagneten beeinflusst wird.

In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel 20 gezeigt. Der Rotor 34 ist in dieser Ausführungsform genauso aufgebaut wie oben beschrieben. Der Stator 24 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Stator 24 darin, dass zwar ein Antriebs- Elektromagnet 26, jedoch kein Aktor-Elektromagnet 38 vorge- sehen ist. Wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform umfasst der Antriebselektromagnet 26 gemäß Figur 4 in mehreren, insbesondere mehr als zwei Zweigen angeordnete Wicklungen, die einzeln bestromt werden können.

In Figur 4 wird eine Ausgleichskraft F_m dadurch erzeugt, dass der in Figur 4 oben gezeigten Teil des Antriebs- Elektromagneten 26 mit einem höheren Strom bestromt wird, als der in Figur 4 unten liegende Teil. Vorteilhaft an dieser alternativen Ausführungsform ist die kompakte und ins- besondere kurze Bauweise der Arbeitsspindel und dass auf eine separate Aktor-Stromversorgung verzichtet werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Antriebswelle

12 freies Ende

14a, b Lager

16 Drehachse

18 Bauchstelle

20 Arbeitsspindel

22 Antrieb

24 Stator

26a, b Antriebs-Elektromagneten

28 Antriebs-Stromversorgung

30 Steuerung

32a, b Permanentmagnete

34 Rotor

36 Magnetelement

38 Aktor-Elektromagnet

40a, b Aktor-Elektroelement

42 Reluktanzkraftaktor

44 Kabel

46 Aktor-Stromversorgung

48 Sensor

50 Gehäuse

51 Werkzeugaufnahme

52 spanendes Werkzeug

Fp Störkraft

F_m Ausgleichskraft

L Längsachse der Antriebswelle

Claims

Ansprüche

1. Arbeitsspindel (20), insbesondere für eine spanende Werkzeugmaschine, mit a) einer Antriebswelle (10), die ein freies Ende (12) aufweist zum Antreiben eines spanenden Werkzeugs (52), b) zwei Lagern (14a, 14b), in denen die Antriebswelle (10) um eine Drehachse (16) drehbar gelagert ist, und c) einem Antrieb (22) für die Antriebswelle (10), wobei die Antriebswelle (10) dann, wenn eine radiale

Störkraft (F_p) auf das freie Ende (12) wirkt, zwischen den Lagern (14a, 14b) eine Auslenkung von der Drehachse (16) aufweist, und d) einem zwischen den Lagern (14a, 14b) angeordneten Ak- tor (42) zum Aufbringen einer der Auslenkung entgegen wirkenden Ausgleichskraft (F_m) auf die Antriebswelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass e) der Antrieb (22) einen Stator (24) umfasst, der die Antriebswelle (10) zwischen den Lagern (14a, 14b) zumindest teilweise umgreift, zum Zusammenwirken mit einem auf der Antriebswelle (10) zwischen den Lagern (14a, 14b) angeordneten Rotor (34), und dadurch, dass f) der Aktor (42) einen Aktor-Elektromagneten (38) umfasst, der im Stator (24) angeordnet ist.

2. Arbeitsspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (42) so ausgebildet ist, dass die Aus- gleichskraft (F_m) radial, insbesondere radial nach außen, auf die Antriebswelle (10) wirkt.

3. Arbeitsspindel nach einem der vorstehenden Ansprüche, da^¬ durch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (10) dann, wenn die radiale Störkraft (F_p) auf das freie Ende (12) wirkt, zwischen den Lagern (14a, 14b) eine Bauchstelle (18) maximaler Auslenkung von der Drehachse (16) auf^¬ weist, und dass der Aktor (42) in einer Umgebung der Bauchstelle (18) angeordnet ist.

4. Arbeitsspindel nach einem der vorstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Stator (24) Antriebs-Elektromagnete (26a, 26b) und eine Antriebs-Stromversorgung (28) zum Versorgen der Antriebs-Elektromagnete (26a, 26b) mit Strom aufweist und dadurch, dass - die Arbeitsspindel (20) eine von der Antriebs-Stromversorgung (28) unabhängige Aktor-Stromversorgung (46) zum Versorgen des Aktor-Elektromagneten (38) mit Strom umfasst .

5. Arbeitsspindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) in mindestens zwei separat bestrombaren Wicklungszweigen je Phase angeordnet sind.

6. Arbeitsspindel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Magnetelement (36) aus ferromagnetischem Material umfasst, das an der Antriebswelle (10) angeordnet ist.

7. Arbeitsspindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (36) mit dem Aktor-Elektromagneten (38) einen Reluktanzkraftaktor (42) bildet.

8. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (36) aus Blechen aufgebaut ist, die gegeneinander elektrisch isoliert sind.

9. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (36) in der Umgebung der Bauchstelle (18), insbesondere in der Umgebung einer Mitte zwischen den zwei Lagern (14a, 14b), angeord- net ist.

10. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) Permanentmagnete (32a, 32b) umfasst und das Magnetelement (36) zwischen den Permanentmagneten (32a, 32b) angeordnet ist.

11. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) Blechpakete mit einer in sich kurzgeschlossenen Käfigwicklung umfasst und das Magnetelement (36) zwischen diesen Blechpaketen angeordnet ist, insbesondere ohne dass die Käfigwicklung das Magnetelement durchsetzt.

12. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des Antriebs-Elektro- magneten (26a, 26b) so ausgebildet ist, dass sie axial durch den Aktor-Elektromagneten (38) derart hindurchtritt, dass keine wesentliche Wechselwirkung zwischen Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) und Aktor-Elektro- magneten (38) entsteht.

13. Arbeitsspindel nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor (48) zum Erfassen der Auslenkung der Antriebswelle (10) von der Drehachse (16) .

14. Arbeitsspindel nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Steuerung (30), die mit dem Sensor (48) verbunden und eingerichtet ist, um den Aktor (42) so zu steuern bzw. zu regeln, dass der Aktor (42) die der Auslenkung der An^¬ triebswelle (10) entgegen wirkende Augleichskraft (FJ auf die Antriebswelle (10) aufbringt.

15. Arbeitsspindel nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (24) Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) und eine Antriebs-Stromversorgung (28) zum Versorgen der Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) mit Strom aufweist, und dass - die Antriebs-Stromversorgung (28) eine Steuerung (30) umfasst, die zum Steuern der Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) ausgebildet ist, so dass die Antriebs-Elektromagnete (26a, 26b) mit dem Magnetelement (36) zum Aufbringen der der Auslen- kung entgegen wirkenden Ausgleichskraft (FJ auf die Antriebswelle (10) zusammenwirken.

16. Spanende Werkzeugmaschine mit einer Arbeitsspindel (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.

17. Spanende Werkzeugmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fräsmaschine, eine Schleifmaschine oder eine Drehmaschine ist.

18. Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsspindel (20) mit a) einer Antriebswelle (10), die ein freies Ende (12) aufweist zum Antreiben eines spanenden Werkzeugs (52), b) zwei Lagern (14a, 14b), in denen die Antriebswelle

(10) um eine Drehachse (16) drehbar gelagert ist, und c) einem Antrieb (22) für die Antriebswelle (10), wobei die Antriebswelle (10) dann, wenn eine radiale Störkraft (F_p) auf das freie Ende (12) wirkt, zwischen den Lagern (14a, 14b) eine Auslenkung von der Drehachse (16) aufweist, wobei der Antrieb (22) einen Stator (24) umfasst, der die Antriebswelle (10) zwischen den Lagern (14a, 14b) zumindest teilweise umgreift, zum Zusammenwirken mit einem auf der Antriebswelle (10) zwischen den Lagern (14a, 14b) angeordneten Rotor (34) , wobei der Stator (24) Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) aufweist, und wobei der Aktor (42) ein Magnetelement (36) aus ferromag- netischem Material umfasst, das an der Antriebswelle (10) angeordnet ist mit dem Schritt eines Bestromens der Antriebs- Elektromagnete (26a, 26b) so, dass einerseits ein Drehmoment auf die Antriebswelle (10) ausgeübt wird und ande- rerseits die der Auslenkung entgegen wirkende Ausgleichskraft (F_m) auf das Magnetelement (36) wirkt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, mit dem zusätzlichen Schritt: vor dem Aufbringen der der Auslenkung entgegen wirkenden Ausgleichskraft (F_m) Ermitteln der Auslenkung der Antriebswelle (10) von der Drehachse (16) .

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, bei dem die Ausgleichskraft (F_m) radial, insbesondere radial nach außen, auf die Antriebswelle (10) aufgebracht wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Auslenkung der Antriebswelle (10) ein Messen der elektrischen Ströme in den Antriebs-Elektromagneten (26a, 26b) umfasst.