DE102009031428A1

DE102009031428A1 - Werkzeugaufnahme

Info

Publication number: DE102009031428A1
Application number: DE102009031428A
Authority: DE
Inventors: Marc Simnofske
Original assignee: TECH UNI CAROLO WILHELMINA ZU BRAUNSCHWEIG; Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: TECH UNI CAROLO WILHELMINA ZU BRAUNSCHWEIG; Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugaufnahme mit einer a) Wellenaufnahme (12), die ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Antriebswelle (14) einer Antriebsspindel (16), b) einer Werkzeughalterung (20), die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs (22), und c) einem Aktor (26), mittels dem die Werkzeughalterung (20) relativ zur Wellenaufnahme (12) verlagerbar ist, die gekennzeichnet ist durch d) einen Aktorhalter (34), der ausgebildet ist zum Verbinden mit einem Spindelstock (36) der Antriebsspindel (16), so dass der Aktor (26) relativ zum Spindelstock (36) ruht, wenn die Wellenaufnahme (12) relativ zum Spindelstock (36) rotiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugaufnahme, insbesondere für ein rotierendes Werkzeug, mit (a) einer Wellenaufnahme, die ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Antriebswelle einer Arbeitsspindel, (b) einer Werkzeughalterung, die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs, und einem Aktor, mittels dem die Werkzeughalterung relativ zur Wellenaufnahme verlagerbar ist
Derartige Werkzeugaufnahmen werden beispielsweise beim Außenlängsdrehen eingesetzt und dienen dazu, Schwingungen des Werkstücks relativ zum Werkzeug zu unterdrücken. Bei der spanenden Bearbeitung kann es zu so genannten selbst erregten Schwingungen kommen, die auch als Rattern bekannt sind. Beim Rattern schwingen das Werkzeug und das Werkstück relativ zueinander, wobei eine Abdrängung des Werkzeugs zu einer Formabweichung des Werkstücks führt. Die Formabweichung wiederum führt zu einer Auslenkung des Werkzeugs, so dass ein positiv rückgekoppeltes System entsteht.
Um Ratterschwingungen zu vermeiden, ist bekannt, Ausgleichsaktoren in der Spindel der Werkzeugmaschine, an der die Werkzeugaufnahme befestigt ist, vorzusehen. Kommt es zum Rattern, wird die Spindel mittels der Ausgleichsaktoren so bewegt, dass die Ratterschwingungen vermindert werden. Nachteilig hieran ist, dass die Ausgleichsaktoren die Steifigkeit der Antriebsspindeln vermindern.
Aus der DE 201 13 059 U1 ist eine Einrichtung zur Feinzustellung eines Drehmeißels bekannt, bei der Schwingungen des Werkzeugs im Werkzeughalter mittels eines Piezoaktors gedämpft werden. Nachteilig daran ist, dass ein derartiger Werkzeughalter nur für Drehmeißel verwendet werden kann und daher beispielsweise für Prozesse mit rotierendem Werkzeug ungeeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Werkzeugaufnahme, die einen den Aktor haltenden Aktorhalter aufweist, der ausgebildet ist zum Verbinden mit einem Spindelstock der Arbeitsspindel, so dass der Aktor relativ zum Spindelstock ruht, wenn die Wellenaufnahme relativ zum Spindelstock rotiert.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Aktor leicht mit einer Spannung beaufschlagt werden kann. Weil der Aktor relativ zum Spindelstock ruht, kann er einfach mittels Kabel kontaktiert werden. Anders als bei Aktoren, die mitrotieren, entfallen Schleifkontakte, die verschleiß- und fehleranfällig sind.
Vorteilhaft ist zudem, dass der Aktor so angeordnet ist, dass ein Beaufschlagen mit Spannung zu einer leicht vorhersagbaren Änderung der Position des Werkzeugs relativ zum Spindelstock führt. Bei einem mitrotierenden Aktor muss eine etwaige Schwingung entweder im Eigensystem des Werkzeugs gemessen und verarbeitet werden, was zu einer fehleranfälligen Konstruktion führt, oder aber es muss die Winkellage des Werkzeugs relativ zum Spindelstock bekannt sein, so dass das Aktivieren des Aktors im Werkzeug zu der gewünschten Verlagerung des Werkzeugs relativ zum Spindelstock führt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Werkzeugaufnahme trotz des Vorhandenseins des Aktors steif ausgelegt werden kann. So ist es möglich, die Aktoren unter Vorspannung zu betreiben, um eine besonders steife Werkzeugaufnahme zu erhalten.
Durch den kompakten Aufbau ist ein Nachrüsten bestehender Werkzeugmaschinen zudem leicht möglich.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Werkzeugaufnahme besonders leicht ausgewuchtet werden kann. Da der Aktor beim Betrieb relativ zum Spindelstock ruht, drehen die rotierenden Teile der Werkzeugnahme stets um ihren Massenschwerpunkt. Bei mitrotierenden Aktoren führt ein Betätigen der Aktoren dazu, dass die rotierenden Teile nicht mehr um den Massenschwerpunkt rotieren, so dass eine zusätzliche Schwingung entsteht.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Wellenaufnahme insbesondere ein Element der Werkzeugaufnahme verstanden, das im Einsatz der Werkzeugaufnahme mit der Antriebswelle und der Antriebsspindel verbunden ist. Beispielsweise ist die Wellenaufnahme konisch ausgebildet, so dass sie leicht auf eine konische Antriebswelle aufgeschoben werden kann.
Unter der Werkzeughalterung wird insbesondere das Element der Werkzeugaufnahme verstanden, mittels dem beim Betrieb der Werkzeugaufnahme, das heißt bei der spanenden Fertigung, das Werkzeug befestigt ist. In der Regel weist die Werkzeughalterung Befestigungselemente auf, mit denen das Werkzeug befestigt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels der Werkzeughalterung ein Werkzeug an der Werkzeugaufnahme befestigt. Bei dem Werkzeug handelt es sich bevorzugt um ein rotierendes Werkzeug. Hierunter wird ein Werkzeug verstanden, dass so ausgebildet ist, dass es im Einsatz rotiert, beispielsweise um ein Werkstück zu zerspanen.
Unter dem Aktorhalter wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die dazu ausgebildet ist, um den Aktor in einer vorgegebenen Position relativ zum Spindelstock zu fixieren. Insbesondere ist der Aktorhalter ausgebildet zum formschlüssigen Verbinden mit dem Spindelstock. Der Aktorhalter kann einstükiger Bestandteil des Aktors sein, in der Regel handelt es sich aber um zwei Bauteile.
Unter dem Aktor wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die durch Beaufschlagen mit einer Energieform, in der Regel mit elektrischer Energie, eine Kraft beispielsweise zwischen einem Fußpunkt und einem Kopfpunkt aufbringt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Werkzeughalterung eine Werkzeughalterung-Längsachse, wobei die Wellenaufnahme eine Wellenaufnahme-Längsachse besitzt. Der Aktor ist angeordnet zum Verlagern der Werkzeughalterung-Längsachse relativ zur Wellenaufnahme-Längsachse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktorhalter radial zwischen der Werkzeughalterung und der Wellenaufnahme angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders vorteilhafter Kraftfluss, der zu einer hohen Steifigkeit der Werkzeugaufnahme führt. Der Kraftfluss verläuft von einer Kontaktstelle zwischen dem Werkzeug und der Wellenaufnahme durch den Fuß- und den Kopfpunkt des Aktors in die Antriebswelle. Dadurch, dass der Aktorhalter radial zwischen der Werkzeughalterung und der Wellenaufnahme angeordnet ist, kann der Kraftfluss im Wesentlichen gradlinig verlaufen.
Vorzugsweise ist die Wellenaufnahme drehstarr mit der Werkzeughalterung verbunden. Das kann beispielsweise mittels einer Oldham-Kupplung oder einer Schmidt-Kupplung erfolgen.
Vorzugsweise ist der Aktorhalter an der Wellenaufnahme drehbar gelagert. Besonders geeignet sind hierzu Wälzlager, aber auch andere Lager sind einsetzbar.
Vorzugsweise weist der Aktorhalter einen inneren Aktorring und einen äußeren Aktorring auf, die miteinander drehstarr verbunden sind, wobei der Aktor zwischen dem äußeren Aktorring und dem inneren Aktorring angeordnet ist. Das heißt, dass der Aktor den äußeren Aktorring radial relativ zum inneren Aktorring verlagern kann. Vorteilhaft hieran ist, dass auf den Aktor so keine Kräfte in Umfangsrichtung wirken. Eine Scherbelastung des Aktors ist damit reduziert oder ausgeschlossen, was insbesondere bei der Verwendung von Piezoaktoren günstig ist.
Vorteilhaft ist, wenn der innere Aktorring drehbar an der Wellenaufnahme gelagert ist und der äußere Aktorring drehbar an der Werkzeughalterung gelagert ist. In diesem Fall stehen der innere und der äußere Aktorring beim Betrieb der Werkzeugaufnahme still, das heißt, sie ruhen relativ zum Spindelstock. Demgegenüber rotieren die Wellenaufnahme und die Werkzeughalterung. Es ergibt sich so ein gleichzeitig steifer und einfacher Aufbau. Besonders geeignet sind Wälzlager.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalterung ausgebildet zum Aufnehmen einer Schleifscheibe. In dem Fall kann die Werkzeughalterung auch als Schleifscheibenhalterung bezeichnet werden. Die Werkzeugaufnahme ist dann eine Schleifscheibenaufnahme. Schleifscheiben rotieren mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit und werden im Rahmen einer Feinbearbeitung eingesetzt. Selbst erregte und/oder fremderregte Schwingungen sind daher beim Schleifen besonders störend. Da beim Schleifen häufig große Kräfte zwischen Schleifscheibe und Werkzeug aufgebracht werden, ist die Tatsache, dass die erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme besonders steif ist, vorteilhaft.
Ein besonders günstiger Kraftfluss ergibt sich, wenn mindestens ein Krafteinleitungspunkt, insbesondere aber alle Krafteinleitungspunkte des Aktors zwischen einer ersten Stirnflächenebene und einer zweiten Stirnflächenebene liegen, wobei die Stirnflächenebenen diejenigen Ebenen sind, in denen die erste bzw. die zweite Stirnfläche der Schleifscheibe liegen. Ein Krafteinleitungspunkt könne beispielsweise ein Kopfpunkt oder ein Fußpunkt eines Aktorelements sein. Es ergeben sich so ein besonders günstiger Kraftfluss und eine hohe Steifigkeit der Werkzeugaufnahme.
Vorzugsweise weist der Aktor zwei in Gegenspieleranordnung angeordnete aktuelle Elemente auf. Unter der Gegenspieleranordnung wird dabei verstanden, dass die Aktorelemente in radialer Richtung antiparallel angeordnet sind. Das ist dann besonders vorteilhaft, wenn beide Aktoren so betrieben werden, dass eine stärkere Längung eines der Aktoren durch eine verminderte Längung des anderen Aktors kompensiert wird. So wird eine besonders steife Werkzeugaufnahme erreicht.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Aktorelement einen Piezoaktor. Dabei können die Piezoaktoren direkt wirken, das heißt, dass eine vom Piezoaktor aufgebrachte Kraft die einzige gezielt aufgebrachte Kraft ist, die zur Verlagerung der Werkzeughalterung relativ zur Wellenaufnahme führt. Es ist aber auch möglich, dass die Kraft statt durch einen Piezoaktor beispielsweise durch einen hydraulischen Aktor aufgebracht wird. Durch beide Varianten können besonders große Kräfte aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Werkzeugsmaschine mit (a) einer Antriebsspindel, die (i) eine Antriebswelle und (ii) einen Spindelstock aufweist, und (b) einer Werkzeugaufnahme, die eine Wellenaufnahme, die ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Antriebswelle einer Antriebsspindel, und einer Werkzeughalterung, die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs, aufweist, (c) einer Werkstückaufnahme und (d) einem Aktor, mittels dem die Werkzeughalterung relativ zur Werkstückaufnahme verlagerbar ist, wobei die Werkzeugmaschine (e) einen Aktorhalter, der den Aktor so mit dem Spindelstock verbindet, dass der Aktor relativ zum Spindelstock ruht, wenn die Wellenaufnahme relativ zum Spindelstock rotiert.
Um Schwingungen unterdrücken zu können, umfasst die Werkzeugmaschine bevorzugt eine Positionserfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Position der Werkzeughalterung relativ zu einem mit dem Werkzeug zu bearbeitenden Werkstück. Es ist dabei möglich, nicht aber notwendig, dass die Positionserfassungsvorrichtung die Position der Werkzeughalterung relativ zum Werkstück direkt misst. Möglich ist auch, dass die Positionserfassungsvorrichtung die Lage der Werkzeughalterung relativ zu dem Spindelstock, einem Maschinenbett der Werkzeugmaschine oder einem sonstigen Bauteil bestimmt, wobei in diesem Fall die Lage des Werkstücks relativ dazu bekannt ist oder eine weitere Positionserfassungsvorrichtung zum Erfassen der Position des Werkstücks vorhanden ist.
Bevorzugt umfasst die Werkzeugmaschine eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist zum zeitabhängigen Erfassen einer Beschleunigung der Werkzeughalterung. In anderen Worten ist die Beschleunigungserfassungsvorrichtung eingerichtet zum Erfassen eines Messwerts, aus dem auf die Beschleunigung der Werkzeughalterung geschlossen werden kann. Das kann beispielsweise auch dadurch geschehen, dass eine Beschleunigung des Aktorrings erfasst wird.
Vorzugsweise umfasst die Werkzeugmaschine eine elektrische Steuerung, in der ein Programmkode abgelegt ist, der ein Verfahren mit den folgenden Schritten kodiert: (a) Ermitteln einer Abweichung zwischen einer Soll-Lage des Werkzeugs und einer Ist-Lage des Werkzeugs und (b) Ansteuern des Aktors so, dass sich die Ist-Lage der Soll-Lage annähert. Es ist auch hier möglich, nicht aber notwendig, dass die Soll-Lage des Werkzeugs selbst berechnet wird. Maßgeblich ist lediglich, dass eine Soll-Lage eines Objekts bestimmt wird, das relativ zum Werkzeug eine bekannte Position hat. Beispielsweise ist es auch möglich, dass eine Soll-Lage der Werkzeughalterung mit einer Ist-Lage der Werkzeughalterung verglichen und der Aktor zum Ausgleichen einer etwaigen Differenz angesteuert wird. In anderen Worten ist in der elektrischen Steuerung ein Programmkode abgelegt, mittels dem der Aktor so angesteuert wird, dass eine selbst erregte und/oder fremd erregte Schwingung des Werkzeugs relativ zum Werkstück ausgeglichen wird.
Vorteilhaft ist, wenn die Steuerung eingerichtet ist, um Schwingungen der Werkzeughalterung relativ zur Antriebsspindel mit einer Frequenz von mindestens 100 Hertz zu kompensieren. Das wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Werkzeugnahme hinreichend steif ausgelegt wird und die elektrische Steuerung hinreichend schnell.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1a einen maßstabsgerechten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme, die an einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine befestigt ist,
1b eine Detailansicht zu 1a,
1c eine Schnittansicht in der Ebene A-A gemäß 1a,
2 eine schematische Darstellung der Werkzeugaufnahme gemäß 1 und
3 eine perspektivische Ansicht einer Kupplung der Werkzeugaufnahme gemäß den 1 und 2.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme 10 mit einer Wellenaufnahme 12 in Form eines konischen Innenrings. Die Wellenaufnahme 12 ist ausgebildet, um mit einer Antriebswelle 14 einer Antriebsspindel 16 verbunden zu werden. Dazu wird die Wellenaufnahme 12 auf die an ihrer Spitze konisch zulaufende Antriebswelle 14 aufgesetzt und mit einer Schraube 18 befestigt.
Die Werkzeugaufnahme 10 besitzt zudem eine Werkzeughalterung 20, die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs 22, im vorliegenden Fall in Form einer Schleifscheibe. Im Betrieb der Werkzeugaufnahme 10 wird mittels der Schleifscheibe 22 ein Werkstück 24 spanend bearbeitet. Das Werkstück 24 ist mittels einer Werkstückaufnahme 25 gespannt, die Teil einer Schleifmaschine ist. Es kann auch eine magnetische Werkzeugstückaufnahme verwendet werden.
Die Werkzeugaufnahme 10 umfasst zudem einen Aktor 26, der zwei Aktorelemente 28.1, 28.2 umfasst. Die Aktorelemente 28.1 und 28.2 sind in Gegenspieleranordnung angeordnet. Das heißt, dass jeweilige Kopfpunkte 30.1, 30.2 und jeweilige Fußpunkte 32.1, 32.2 im Wesentlichen auf einer Geraden liegen. Diese Gerade geht durch eine Antriebswellen-Längsachse A₁₄ der Antriebswelle 14.
Der Aktor 26 wird von einem Aktorhalter 34 gehalten, der zum Verbinden mit einem Spindelstock 36 ausgebildet ist. Dazu besitzt der Aktorhalter 34 im vorliegenden Fall einen Flansch, mit dem er am Spindelstock 36 angeschraubt ist. Beim Betrieb der Werkzeugaufnahme, das heißt, wenn die Antriebswelle sich dreht, ruht der Aktor 26 relativ zum Spindelstock.
Die Werkzeughalterung 20 besitzt eine Werkzeughalterung-Längsachse A₂₀, die im in 1 gezeigten Zustand mit der Antriebswellen-Längsachse A₁₄ zusammenfällt. Auch eine Wellenaufnahme-Längsachse A₁₂ findet im in 1 gezeigten Zustand mit der Antriebswellen-Längsachse A₁₄ zusammen.
Wenn der Aktor 26 über eine nicht eingezeichnete elektrische Leitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, so längt sich das Aktorelement 28.1. Durch geeignetes Beaufschlagen des Aktorelements 28.2 mit einer verringerten Spannung verkürzt sich das Aktorelement 28.2 um den gleichen Betrag, so dass eine Kompensationskraft F_k zwischen dem Werkzeug 22 und dem Werkstück 24 entsteht.
Die Kompensationskraft F_k addiert sich zu einer Passivkraft F_p, mit der das Werkzeug 22 auf das Werkstück 24 zugestellt wird. Insbesondere dann, wenn das Werkzeug 22 keinen Kontakt mit einem Werkstück 24 hat, führt eine Betätigung des Aktors 26 dazu, dass sich die Werkzeughalterung-Längsachse A₂₀ relativ zur Wellenaufnahme-Längsachse A₁₂ und damit zur Antriebswellen-Längsachse A₁₄ verschiebt. So entsteht ein Achsversatz a (vergl. 3).
In anderen Worten ist der Aktorhalter so ausgebildet, dass mittels des Aktors eine Kompensationskraft auf das Werkzeug 22 aufgebracht werden kann, wobei die Kompensationskraft F_k zumindest eine Vektorkomponente hat, die parallel zur Passivkraft F_p verläuft. Insbesondere ist die Kompensationskraft F_k im Wesentlichen parallel zur Passivkraft F_p, wobei unter dem Merkmal, dass die beiden Kräfte im Wesentlichen parallel verlaufen, verstanden wird, dass kleinere Abweichungen, beispielsweise von unter 30°, tolerabel sind.
Der Aktorhalter 34 umfasst einen inneren Aktorring 38 und einen äußeren Aktorring 40, die drehstarr, aber in radialer Richtung beweglich aneinander befestigt sind. Durch Betätigen des Aktors 26 verschiebt sich der äußere Aktorring 40 relativ zum inneren Aktorring 38.
1b zeigt einen Ausschnitt aus 1a. Es ist zu erkennen, dass der äußere Aktorring 40 über ein äußeres Lager 42, das zwei Wälzlager umfasst, an der Werkzeughalterung 20 drehbar gelagert ist. Der innere Aktorring 38 ist über ein inneres Lager 44 an der Wellenaufnahme 12 drehbar gelagert. Das innere Lager 44 umfasst ebenfalls zwei Wälzlager.
Um einen besonders günstigen Kraftfluss zu erreichen, ist der Aktor 26 radial zwischen der Werkzeughalterung 20 und der Wellenaufnahme 12 angeordnet. Um genauer zu sein, ist der Aktor 26 zwischen einer ersten Stirnflächenebene E1 und einer zweiten Stirnflächenebene E2 angeordnet, wobei die Stirnflächenebenen durch die Lage der Stirnflächen des Werkstücks, im vorliegenden Fall nämlich der Schleifscheibe 22, bestimmt sind. Auf diese Weise wirkt auf den Aktor 26 nur eine sehr kleine, ideale Weise sogar gar keine Kraft in axialer Richtung.
1b zeigt zudem, dass die Wellenaufnahme 12 mittels einer Kupplung 46 mit der Werkzeughalterung 20 verbunden ist. Die Kupplung 46 ist so ausgebildet, dass sie ein in Umfangsrichtung wirkendes Antriebsdrehmoment M_A der Antriebswelle 14 auf die Werkzeughalterung 20 übertragen kann, wobei aber eine radial Bewegung zwischen Werkzeughalterung 20 und Wellenaufnahme 12 gewährleistet ist. Bei der Kupplung 46 handelt es sich beispielsweise um eine Schmidt-Kupplung (vergl. 2) oder eine Oldham-Kupplung (vergl. 3).
1c zeigt eine Schnittansicht gemäß der Ebene A-A aus 1a.
3 zeigt eine torsionssteife Kupplung 46, die eine antriebsseitige Schreibe 48, die an der Wellenaufnahme 12 (1a) befestigt ist, eine mittige Scheibe 50 und eine abtriebsseitige Scheibe 52 aufweist. Die abtriebsseitige Scheibe 52 ist mit der Werkzeughalterung 20 verbunden und kann relativ zur antriebsseitigen Scheibe 48 um einen Achsversatz verschoben werden. Der Achsversatz a entspricht dem Versatz, den die Wellenaufnahme-Längsachse A₁₂ (1a) relativ zur Antriebswellen-Längsachse A₁₄ bei Betätigung des Aktors 26 einnehmen kann.
2 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme 10. Mittels einer schematisch eingezeichneten Positionserfassungsvorrichtung 54 wird ein Abstand d zwischen der Werkzeughalterung 20 und dem Aktorhalter 34 ermittelt. Dieser Abstand d sollte zeitlich konstant sein. Schwankt der Abstand d aufgrund beispielsweise von Ratterschwingungen, so wird dies von einer mit der Positionserfassungsvorrichtung 34 verbundenen, ebenfalls schematisch eingezeichneten elektrischen Steuerung 56 erfasst. Die elektrische Steuerung 56 erfasst eine Abweichung zwischen einem Soll-Abstand d_Soll und dem tatsächlichen Abstand d_ist und beaufschlagt den Aktor 26 so, dass die resultierende Kompensationskraft F_k den Abstand zwischen Soll-Wert und Ist-Wert verringert.
Ebenso ist es möglich, über einen Beschleunigungssensor die Schwingungen zu erfassen. Dieser kann prozessnah am äußeren Aktorring 40 oder am inneren Aktorring 38 befestigt sein. Die Steuerung erfasst die Schwingen und beaufschlagt die Aktoren so, dass die Schwingungsamplituden reduziert werden.
Die Erfindung stellt folglich eine aktive Werkzeugaufnahme insbesondere für Schleifscheiben zur Schwingungsreduzierung und zum Ausgleich statischer Maschinenverlagerung bereit. Das beschriebene Prinzip ermöglicht es, den Aktor und die Sensoren so vorzusehen, dass diese beim Betrieb der Werkzeugaufnahme 10 nicht rotieren. Dadurch entfallen eine im rotierenden System aufwändige Spannungsversorgung und die ebenfalls schwierige Signalübertragung. Es liegt damit eine Funktionstrennung von Drehmomentübertragung und Prozesskraftaufnahme in der Werkzeugaufnahme vor. Das Drehmoment wird durch die Kupplung 46 übertragen und die Prozesskraft, insbesondere also die Passivkraft F_p durch den Aktor 26 aufgenommen.
Dieser Ansatz ermöglicht es, dass die Aktorelemente 28.1, 28.2 prozessnah in die Werkzeugaufnahme 10 zur Schwingungsreduzierung integriert werden können. Die Erfindung ermöglicht eine kompakte Anordnung des Aktors 26 in der Werkzeugaufnahme 10. Günstig ist auch, dass die Prozesserfassungsvorrichtung 54, die gegebenenfalls mehr als einen Sensor umfassen kann, prozessnah an den nicht rotierenden Komponenten der Werkaufnahme 10 zur Prozessbeobachtung integriert werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Schwingungen nah am Werkzeugeingriff zu detektieren. Würden solche Sensoren rotieren, so wären aufwändige Maßnahmen zur Signalübertragung erforderlich, die oft zu einem Verrauschen der Messsignale und damit zu einem weniger guten Unterdrücken von Schwingungen führt.
Besonders geeignet ist die Erfindung zur Reduzierung von Schwingungen und damit zur Stabilisierung eines Schleifprozesses. Neben der Reduzierung von Schwingungen lässt sich die beschriebene Werkzeugaufnahme auch zum Ausgleich statischer und quasi-statischer Verlagerungen zwischen dem Werkzeug 22 und dem Werkstück 24 einsetzen. Dazu zählen Verformungen, wie aufgrund der Prozesskraft, beispielsweise der Passivkraft F_p, oder durch Wärmedehnung hervorgerufen werden. Durch eine Schwingungsreduzierung ist ja nach Anwendungsgebiet auch eine Reduzierung der Schallabstrahlung möglich.
Weil etwaig auftretende Schwingungen effektiv kompensiert werden können, entfällt die zeitintensive Suche nach optimalen Prozessparametern. Zudem kann die Werkzeugmaschine, von der in den Figuren lediglich die Antriebsspindel gezeigt ist, mit ihrer maximalen Leistung betrieben werden. Beides führt zu einer Steigerung der Produktivität. Die erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme 10 muss zudem nicht an die jeweilige Werkzeugmaschine angepasst werden, weil keine Rücksicht auf etwaig zwischen zwei verschiedenen Maschinen unterschiedliche Eigenfrequenzen genommen werden muss.
Möglich ist auch, dass der Aktor samt Aktorhalter in die Antriebsspindel 16 integriert ist. In diesem Fall existiert eine primäre Antriebswelle, die mittels eines Elektromotors angetrieben ist, und eine sekundäre Antriebswelle, die an der primären Antriebswelle drehstarr, aber radial verschieblich gefestigt ist. Der Aktor 26 ist in diesem Fall ausgebildet, um die sekundäre Antriebswelle relativ zur primären Antriebswelle um einen Achsversatz zu verschieben.
2 zeigt zudem einen Beschleunigungssensor 58.1, der am äußeren Aktorring 40 befestigt ist und eine Beschleunigung a₄₀ des Aktorrings 40 misst. Die elektrische Steuerung 56 erfasst diese Beschleunigung a₄₀ und steuert den Aktor 26 gegenphasig so an, dass eine Schwingung der Werkzeughalterung 20 relativ zum Werkstück 24 gedämpft wird.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeugaufnahme
12: Wellenaufnahme
14: Antriebswelle
16: Antriebsspindel
18: Schraube
20: Werkzeughalterung
22: Schleifscheibe, Werkzeug
24: Werkstück
25: Werkstückaufnahme
26: Aktor
28: Aktorelement
30: Kopfpunkt
32: Fußpunkt
34: Aktorhalter
36: Spindelstock
38: innerer Aktorring
40: äußerer Aktorring
42: äußeres Lager
44: inneres Lager
46: Kupplung
48: antriebsseitige Scheibe
50: mittige Scheibe
52: abtriebsseitige Scheibe
54: Positionserfassungs-vorrichtung
56: elektrische Steuerung
58: Beschleunigungserfassungs
vorrichtung
A12: Wellenaufnahme-Längsachse
A14: Antriebswellen-Längsachse
A20: Werkzeughalterung-Längsachse
Fk: Kompensationskraft
Fp: Passivkraft
E: Stirnflächenebene
a: Achsversatz
d: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20113059 U1 [0004]

Claims

Werkzeugaufnahme mit (a) einer Wellenaufnahme (12), die ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Antriebswelle (14) einer Antriebsspindel (16), (b) einer Werkzeughalterung (20), die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs (22), und (c) einem Aktor (26), mittels dem die Werkzeughalterung (20) relativ zur Wellenaufnahme (12) verlagerbar ist, gekennzeichnet durch (d) einen Aktorhalter (34), der ausgebildet ist zum Verbinden mit einem Spindelstock (36) der Antriebsspindel (16), sodass der Aktor (26) relativ zum Spindelstock (36) ruht, wenn die Wellenaufnahme (12) relativ zum Spindelstock (36) rotiert.
Werkzeugaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Werkzeughalterung (20) eine Werkzeughalterung-Längsachse (A₂₀) besitzt, – die Wellenaufnahme (12) eine Wellenaufnahme-Längsachse (A₁₂) besitzt und – der Aktor (26) angeordnet ist zum Verlagern der Werkzeughalterung-Längsachse (A₂₀) relativ zur Wellenaufnahme-Längsachse (A₁₂).
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorhalter (34) radial zwischen der Werkzeughalterung (20) und der Wellenaufnahme (12) angeordnet ist.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenaufnahme (12) drehstarr mit der Werkzeughalterung (20) verbunden ist.
Werkzeugaufnahme nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung (20) mittels einer Kupplung (46) mit der Wellenaufnahme (12) verbunden ist.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorhalter (34) an der Wellenaufnahme (12) drehbar gelagert ist.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorhalter (34) – einen innerer Aktorring (38) und – einen äußeren Aktorring (40) umfasst, – wobei der äußere Aktorring (40) drehstarr mit dem inneren Aktorring (38) verbunden ist und – wobei der Aktor (26) zwischen dem äußeren Aktorring (40) und dem inneren Aktorring (38) angeordnet ist.
Werkzeugaufnahme nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der innere Aktorring (38) drehbar an der Wellenaufnahme (12) gelagert ist und – der äußere Aktorring (40) drehbar an der Werkzeughalterung (20) gelagert ist.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Werkzeughalterung (20) ausgebildet ist zum Aufnehmen einer Schleifscheibe (22).
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Stirnfläche der Schleifscheibe in einer ersten Stirnflächenebene liegt, eine zweite Stirnfläche der Schleifscheibe in einer zweiten Stirnflächenebene (E1) liegt, – mindestens ein Krafteinleitungspunkt (30, 32) des Aktors (26) zwischen der ersten Stirnflächenebene (E2) und der zweiten Stirnflächenebene (E) liegt.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (26) zwei in Gegenspieleranordnung angeordnete Aktorelemente (28.1, 28.2) umfasst.
Werkzeugaufnahme nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktorelement (28.1, 28.2) einen Piezoaktor umfasst.
Werkzeugmaschine mit (a) einer Antriebsspindel (16), die (i) eine Antriebswelle (14) und (ii) einen Spindelstock (36) aufweist, und (b) einer Werkzeugaufnahme (10), die (i) eine Wellenaufnahme (12), die ausgebildet ist zum Verbinden mit einer Antriebswelle (14) einer Antriebsspindel (16), und (ii) eine Werkzeughalterung (20), die ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Werkzeugs, umfasst, (c) einer Werkstückaufnahme (25) und (d) einem Aktor (26), mittels dem die Werkzeughalterung (20) relativ zur Werkstückaufnahme (10) verlagerbar ist, gekennzeichnet durch (e) einen Aktorhalter (34), der den Aktor (26) so mit dem Spindelstock (36) verbindet, dass der Aktor (26) relativ zum Spindelstock (36) ruht, wenn die Wellenaufnahme (12) relativ zum Spindelstock (36) rotiert.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Werkzeugaufnahme (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Aktoraufnahme am Spindelstock (36) und die Wellenaufnahme (12) an der Antriebswelle (14) befestigt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, gekennzeichnet durch – eine Positionserfassungsvorrichtung (54) zum Erfassen einer Position der Werkzeughalterung (20) relativ zu einem mit dem Werkzeug zu bearbeitenden Werkstück.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch – eine Beschleunigungserfassungsvorrichtung (58), die ausgebildet ist zum zeitabhängigen Erfassen einer Beschleunigung der Werkzeughalterung (20).
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung (56), in der ein Programmkode abgelegt ist, der ein Verfahren mit den folgenden Schritten kodiert: (a) Ermitteln einer Abweichung zwischen einer Soll-Lage des Werkzeugs und einer Ist-Lage des Werkzeugs und (b) Ansteuern des Aktors (26) so, dass sich die Ist-Lage der Soll-Lage annähert.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung (56), in der ein Programmkode abgelegt ist, der ein Verfahren mit den folgenden Schritten kodiert: (a) Ermitteln einer Beschleunigung der Werkzeughalterung (20) und (b) Ansteuern des Aktors (26), so dass eine Schwingung der Werkzeughalterung (20) vermindert wird.