DE10023973A1 - Aktive Spindellagerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageregelung bei einer aktiven Spindellagerung, die durch Stellgrößen angesteuert wird, die auf Basis von Ist-Werten der Lage einer drehbaren Spindel erzeugt werden. Die Erzeugung der Stellgrößen basiert außerdem auf Korrekturwerten, die anhand von im Betrieb zu erwartenden Spindelbelastungen im Voraus berechnet werden. Zum Beispiel bei einer Werkzeugmaschine für spanende Bearbeitung erhöht die Erfindung die Bearbeitungsgenauigkeit, die Oberflächenqualität und die Produktivität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageregelung bei einer aktiven Spindellagerung, die durch Stellgrößen angesteuert wird, die auf Basis von Ist-Werten der Lage einer drehbaren Spindel erzeugt werden.

Aktive Lagerung bezeichnet die beeinflußbare Lagerung einer Welle bzw. Spindel oder Achse durch steuerbare Aktuatoren. Zum Beispiel kann man eine Spindel einer Werkzeugmaschine in Magnetlagern berührungsfrei lagern, die durch Elektromagnete gebildet werden. Im Falle einer Fräsmaschine trägt die Spindel ein Werkzeug, und im Falle einer Drehmaschine trägt die Spindel ein Werkstück. Der Strom durch die Elektromagnete wird so geregelt, dass die Spindel in einer Soll-Lage gehalten wird. Dazu wird die Lage der Spindel durch mindestens einen Sensor abgefühlt, und die Sensorsignale, die die Ist-Werte der Lage der Spindel darstellen, werden einer Lageregelschaltung zugeführt, die den Strom durch die Elektromagnete so einstellt, dass die Spindel immer bzw. immer wieder ihre Soll-Lage einnimmt.

Auch die beste Regelung kann nicht verhindern, dass die berührungsfrei gelagerte Spindel ein wenig von der Soll-Lage abweicht, wenn sich die Kraft auf die Spindel im Betrieb ändert. Insbesondere beim Fräsen ändert sich die Zerspankraft ständig, da der Spanungsquerschnitt nicht konstant ist. Auch beim Eintreten einer Fräserschneide in das zu bearbeitende Material bzw. bei deren Austreten ändert sich die Zerspankraft. Beim Drehen kann sich die Zerspankraft auf Grund variabler Bearbeitungsaufmaße im Betrieb ändern. Dies ergibt Maß-, Lage und Formabweichungen am bearbeiteten Werkstück. Je kleiner diese sein sollen, desto kleiner muß man den maximalen Spanungsquerschnitt wählen. Weiterhin sind dynamische Effekte zu beachten, die sich in Form von Schwingungen auf das Maß, die Form, die Lage und die Oberfläche des Werkstückes auswirken können. Aus diesen Gründen wird die maximale Produktivität der Werkzeugmaschine, das maximale Zeitspanvolumen, selten erreicht.

Diese Probleme werden bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Erzeugung der Stellgrößen außerdem auf Korrekturwerten basiert, die anhand von im Betrieb zu erwartenden Belastungen im Voraus berechnet werden. Das heißt, auf Basis der vorberechneten Belastungen findet eine Vorsteuerung statt, die stets die gewünschte Lage beispielsweise einer Spindel gewährleistet, selbst wenn sich die Kräfte ändern, die die Spindel aufnehmen muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im Prinzip für alle Arten von Wellen bzw. Spindeln sowie Achsen mit aktiver Lagerung, die wechselnden Kräften ausgesetzt sind. Die Anwendung des Verfahrens setzt allerdings voraus, dass die auftretenden Kräfte im Voraus berechnet werden können. Dies ist leicht durch elektronische Datenverarbeitung möglich, wenn alle benötigten Daten vorher bekannt sind bzw. während des Betriebs mit zeitlichem Vorhalt durch Sensoren gewonnen werden können. Dies ist zum Beispiel bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine möglich. Aus den gespeicherten numerischen Daten der durchzuführenden Verfahrbewegungen des Werkzeuges oder des Werkstückes und den ebenfalls bekannten Daten der Geometrie der Ausgangs- bzw. Vorbearbeitungskontur kann man die während der Bearbeitung auftretende Zerspankraft vorberechnen und die Lage der Spindel vorausschauend korrigieren. Bei einer Magnetlagerung geschieht dies dadurch, dass man zeitgleich zu der Belastung eine gegengerichtete Kraft über eine Änderung des Magnetfeldes aufbaut, die die Abdrängung zwischen Werkzeug und Werkstück bei der gegebenen Belastung durch entsprechende Änderung der Lage der Spindel ausgleicht.

Bei einer Fräsmaschine, bei der die Spindel einen Fräser trägt, kann man Informationen in Bezug auf die Position der Schneiden in die Berechnung einfließen lassen, um den Belastungsänderungen beim Ein- und Austritt der Schneiden und bei Änderung des Spanungsquerschnittes im Verlauf der Spanabnahme vorausschauend entgegenzuwirken. Da sich der Fräser mit bekannter Umfangsgeschwindigkeit dreht, kann die Position der Schneiden vorberechnet werden, indem man die Winkelstellung der Spindel mit einem geeigneten Sensor abfühlt.

Um die Vorsteuerung noch weiter zu verbessern, kann man weitere Daten in die Berechnung einfließen lassen, in erster Linie die statische bzw. dynamische Steifigkeit sowie bekannte Eigenfrequenzen des Maschinensystems aus Werkzeug, Spindel, Werkzeugmaschinen und Spannmitteln.

Die Berechnung kann in einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden, wie sie bei z. B. bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine ohnehin vorhanden ist, und sie kann entweder offline erfolgen, d. h. bevor der Betrieb aufgenommen wird, oder online, d. h. während des Betriebs, jedoch mit dem nötigen zeitlichen Vorhalt.

Durch die Erfindung werden Spindelschädigungen infolge Überlastungen, wie sie bei einer Werkzeugmaschine z. B. durch phasenweise erhöhte Zerspankraft auftreten können, vermieden.

Die geometrische Genauigkeit der Konturbearbeitung bei einer Werkzeugmaschine wird erhöht, da die prozessbedingten Maß-, Form- und Lageabweichungen am Bearbeitungsobjekt verringert werden. Dadurch wird die Prozesseffizienz gesteigert.

Dynamischen Effekten, die z. B. bei der spanenden Bearbeitung auf die Werkstückoberfläche wirken, insbesondere Schwingungen, wird entgegengewirkt. Die Unterdrückung von Schwingungen erhöht die Oberflächenqualität.

Die Produktivität, das heißt z. B. das Zeitspanvolumen bei der spanenden Bearbeitung, wird erhöht, da man das maximale Leistungsvermögen der Werkzeugmaschine bzw. der Spindel prozeßsicher ausnutzen kann, d. h. ohne unzulässige Abweichungen am Werkstück zu verursachen.

Diese Vorteile kommen besonders zum Tragen, wenn hochgenaue Bauteile wirtschaftlich gefertigt werden sollen, zum Beispiel beim Schaftfräsen von Integralbauteilen im Flugzeugbau oder von Gesenken im Werkzeugbau.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aktiven Spindellagerung als Magnetlagerung mit Belastungskorrektur bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine,

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur näheren Erläuterung der Berechnungs- und Regelvorgänge bei der Werkzeugmaschine von Fig. 1 und

Fig. 3a bis 3c Skizzen zur Erläuterung eines Beispiels, wie man variable Eingriffsverhältnisse eines Fräsers ermittelt, um sie bei der Berechnung von Korrekturwerten für die Stellgrößen der aktiven Spindellagerung zu berücksichtigen.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Rotor 1, der auf einer nicht gezeigten Spindel befestigt ist. Die Achse des Rotors 1 bzw. der Spindel verläuft senkrecht zur Ebene der Figur, d. h. parallel zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, von dem in Fig. 1 die x- und y-Achsen eingezeichnet sind. Oben am Umfang des Rotors 1 befindet sich ein stationärer Elektromagnet 2, der den Rotor 1 nach oben zieht, wenn den Wicklungen des Elektromagneten 2 Strom zugeführt wird. Die Lage des Rotors 1 oder der Spindel in x-Richtung wird mittels eines Sensors 3 erfasst, und die Signale des Sensors 3 werden einer Lageregelschaltung 4 als Ist-Werte zugeführt. Die Lageregelschaltung 4 regelt den Erregerstrom für den Elektromagneten 2 auf Basis der Ist-Werte, um den Rotor 1 bzw. die Spindel berührungsfrei in der eingezeichneten Soll-Lage zu halten. Diese Anordnung, in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie 5 umrissen, ist als aktive Spindellagerung bekannt. Der Übersichtlichkeit halber zeigt die schematische Darstellung von Fig. 1 nur die Lageregelung in x-Richtung. In y-Richtung und in z-Richtung sowie in den Ebenen XZ und YZ kann ebenfalls eine Lageregelung stattfinden.

In dem Beispiel von Fig. 1 ist die Spindel, auf der der Rotor 1 sitzt, die Werkzeugaufnahmespindel einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine. Die aktive Spindellagerung muss die im Betrieb auftretende Zerspankraft aufnehmen. Wenn sich die Zerspankraft relativ langsam ändert, zum Beispiel aufgrund einer kontinuierlichen Profiländerung des Werkstückes in Vorschubrichtung, kann die Lageregelschaltung 4 darauf reagieren und eine entsprechende Gegenkraft aufbauen. Wenn sich die Zerspankraft jedoch relativ schnell ändert, zum Beispiel aufgrund von Änderungen des Spanungsquerschnittes im Verlauf der Bahnkurve eines Fräserzahns, beim Ein- oder Austreten eines Fräserzahns oder aufgrund einer abrupten Profiländerung des Werkstückes in Vorschubrichtung, kommt auf Grund der Massenträgheit des Systems zu gröberen Abweichungen der Spindel Soll-Lage, wodurch die Maßgenauigkeit des bearbeiteten Werkstückes leidet. Außerdem kann die Lageregelschaltung Schwingungen der Spindel um ihre Soll-Lage nur unzureichend unterdrücken, wodurch die Oberflächenqualität des Werkstückes leidet.

Um eine Verlagerung der Spindel aufgrund von relativ schnellen Änderungen der Zerspankraft zu verhindern, ist eine Berechnungseinrichtung 6 vorgesehen, die im Voraus entsprechende Korrekturwerte berechnet, die der Lageregelschaltung 4 zugeführt werden. Die Lageregelschaltung 4 regelt den Elektromagneten 2 nicht nur aufgrund der Signale des Sensors 3, sondern auch aufgrund der Korrekturwerte von der Berechnungseinrichtung 6, so dass z. B. bei einer Zunahme der Zerspankraft rechtzeitig eine gegengerichtete Kraft über eine Änderung des Magnetfeldes aufgebaut wird, die die Spindel in ihrer Soll-Lage hält.

Die Berechnungseinrichtung 6 ist mit einem Sensor 7 verbunden, der in einer bestimmten Winkelstellung des Rotors 1 bzw. der Spindel ein Signal liefert. Das Sensorsignal liefert in Verbindung mit der bekannten Spindeldrehzahl und der bekannten Fräsergeometrie den Winkel ϕ, den jede Schneide des Fräsers in jedem Zeitpunkt z. B. zur y-Achse einnimmt. Alternativ kann die Winkelstellung der Spindel, die ein Maß für die Position der Schneide(n) darstellt, inkremental erfasst werden, zum Beispiel mittels einer Taktscheibe, die der Sensor 7 abtastet.

Die Ortsinformation über die Winkelstellung der Spindel bzw. der Schneide(n) wird von der Berechnungseinrichtung 6 zusammen mit weiteren Daten zur Berechnung der Korrekturwerte für die Lageregelschaltung 4 verwendet. Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Regelvorgänge bei der Anordnung von Fig. 1. Die Berechnungseinrichtung 6 kann als ein Datenverarbeitungsprogramm realisiert sein, das in der Datenverarbeitungseinrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine durchgeführt wird.

Die Berechnungseinrichtung 6 umfasst ein Berechnungsprogramm 8, das NC-Daten und Geometriedaten empfängt, die in der Datenverarbeitungseinrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gespeichert sind. Die NC-Daten umfassen die Ortskoordinaten und Verfahrbewegungen des Werkzeuges, nach DIN 66025 in einem kartesischen Koordinatensystem der Maschine beschrieben, die Drehzahl und den Vorschub pro Zahn oder Fräserumdrehung. Die Geometriedaten sind die CAD-Daten des Werkstückes (Maß, Lage, Form, Werkstoffkennwerte) und des Werkzeuges (Durchmesser, Länge, Schneidenhöhe, Anzahl der Schneiden, Drallwinkel, Spanwinkel, Schneideckenradius, z. B. nach DIN 6580). Die CAD-Daten des Werkstückes sind beispielsweise aus einem Vorbearbeitungsprozess wie z. B. Schruppfräsen bekannt.

Aus der Werkstückgeometrie und den NC-Daten berechnet die Berechnungseinrichtung 6 die Eingriffsbedingungen bei der Weiterbearbeitung des vorbearbeiteten Werkstückes, insbesondere die Eingriffsbreite und die Schnitttiefe, die sich entlang des Vorschubweges ändern können. Die Eingriffsbreite und die Schnittiefe liefern den Spanungsquerschnitt.

Aus den Spannungsquerschnitten bzw. den daraus resultierenden Zerspankräften werden nach einem Algorithmus 9, der in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist, die Korrekturwerte berechnet, die der Lageregelschaltung 4 zuzuführen sind, um Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück entgegenzuwirken. Bei der Berechnung der Korrekturwerte wird auch die örtliche und zeitliche Winkelstellung der Drehachse der Spindel berücksichtigt, die mit Hilfe des Sensors 7 ermittelt wird.

Mechanische Eigenschaften der Fräsmaschine, der Spindel bzw. der Lagerung können ebenfalls berücksichtigt werden, zum Beispiel die statische bzw. dynamische Steifigkeit, Eigenfrequenzen des Systems Werkzeug, Spindel, Werkzeugmaschine und Spannmittel.

Der Algorithmus 9 kann durch den Fachmann ermittelt bzw. ausgewählt werden.

Beispiele für mögliche Vorgehensweisen werden im Folgenden angegeben.

In einem Geometriemodell werden ausgehend von den technologischen Parametern und der Werkzeuggeometrie die Eingriffsverhältnisse orts- und zeitdiskret abgebildet. Dazu werden die Bahnkurven der Werkzeugschneide unter Berücksichtigung der Überlagerung der Rotation des Fräsers mit der Translation als Zykloide modelliert, die in Winkelinkrementen diskretisiert sind. Unter Berücksichtigung des Spanwinkels werden die Schnittpunkte der Werkzeugschneidenebene mit der Tangentenebene der Bahnkurve ermittelt. Die Eingriffsbedingungen werden durch schichtweises Unterteilen des Zeit- und ortsabhängigen Spanungsquerschnittes in z-Richtung diskretisiert. Der Drallwinkel wird durch Schrägstellen der Segmente berücksichtigt.

Teilspanungsflächen, Flächen gleicher Normalenvektoren, werden in Dreiecksflächen zerlegt. Die Dreiecksflächen werden berechnet und in die Ebenen projiziert, die senkrecht zu den Richtungen der Zerspankraftkomponenten stehen.

Das Geometriemodell liefert drehwinkelabhängige, richtungsorientierte Flächensegmente, die in einem Kraftmodell verwendet werden, um die richtungsabhängigen Einzelkraftkomponenten drehwinkelabhängig unter Nutzung spezifischer Werkstoffkennwerte z. B. nach KIENZLE zu berechnen. Durch Integration der Einzelkraftkomponenten erhält man die Zerspankraftkomponenten in den Maschinenkoordinaten (x-, y- und z-Richtung). Werkzeugbezogen ergeben sich die Tangential- bzw. Schnittkraftkomponente sowie die Schnittnormalkraft-Komponente, denen durch entsprechende Vorsteuerung an der Spindellagerung entgegenzuwirken ist.

Fig. 3a bis 3c zeigen ein Beispiel, wie man geometrisch die Eingriffstiefe eines Stirnfräsers 10 in Abhängigkeit vom Drehwinkel ermittelt, wenn in ein Werkstück 11 mit asymmetrischem Querschnitt eine Längsnut zu fräsen ist, die mit gepfeilten Linien 12 angedeutet ist. Die Eingriffsverhältnisse in Abhängigkeit vom Eingriffswinkel sind in Fig. 3b grafisch dargestellt. Daraus erhält man die in Fig. 3c gezeigte Tabelle der Konturlinie A für die obere Werkstückkontur und der Konturlinie B für die untere Werkstückkontur in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Das Höhenliniendiagramm von Fig. 3b bzw. die Konturlinientabelle von Fig. 3c ermöglicht es im Kraftmodell, den Algorithmus 9 festzulegen, zum Beispiel als Tabellen oder als Datenbank, aus denen bzw. der sich die Korrekturwerte ergeben, die der Lageregelschaltung 4 im Betrieb der Fräsmaschine mit entsprechenden zeitlichen Vorhalt zugeführt werden.

Wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, kann man prozessbedingte, sowohl statisch als auch dynamisch wirkende Abweichungen bei aktiv gelagerten Wellen bzw. Spindeln sowie Achsen, insbesondere magnetgelagerten Spindeln z. B. in spanenden Werkzeugmaschinen, reduzieren, indem man für eine vorausschauende Lageregelung zur Ansteuerung der aktiven Lager unter Nutzung vorberechneter statischer und dynamischer Spindelbelastungen sorgt. Basierend auf NC-Daten und den Geometriedaten der Ausgangs- bzw. Vorbearbeitungskontur werden über die Zerspankraft, bzw. deren Komponenten und/oder den Spanungsquerschnitt Korrekturwerte als Vorhaltemaß gewonnen, um der aus der Zerspankraft resultierenden Spindelverlagerung entgegenzuwirken. Die Korrekturwerte werden online und/oder offline für die spanende Bearbeitung berechnet und mit entsprechendem zeitlichen Vorhalt als Eingangsgröße für die Lagerregelschaltung der aktiven Spindellagerung verwendet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Lageregelung bei einer aktiven Spindellagerung, die durch Stellgrößen angesteuert wird, die auf Basis von Ist-Werten der Lage einer drehbaren Spindel erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Stellgrößen außerdem auf Korrekturwerten basiert, die anhand von im Betrieb zu erwartenden Spindelbelastungen im Vorraus berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindellagerung eine elektrisch angesteuerte Magnetlagerung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel ein Teil einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine für spanende Bearbeitung ist und entweder ein Werkzeug oder ein Werkstück trägt, und dass die im Betrieb zu erwartenden Spindelbelastungen Zerspankräfte sind, die erwartungsgemäß bei der Bearbeitung auftreten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspankräfte auf Basis von Daten der im Betrieb durchzuführenden Verfahrbewegungen des Werkzeuges oder des Werkstückes und von Daten der Geometrie des zu bearbeitenden Werkstückes berechnet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Fräsmaschine ist, dass die Spindel einen Fräser trägt und dass die Winkelstellung der Spindel abgefühlt und bei der Berechnung der zu erwartenden Zerspankräfte berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der zu erwartenden Zerspankräfte außerdem die statische und/oder dynamische Steifigkeit und/oder Eigenfrequenzen des Maschinensystems berücksichtigt werden.