DE4436827C2 - Werkzeugmaschine mit magnetgelagerter Werkzeugspindel - Google Patents
Werkzeugmaschine mit magnetgelagerter WerkzeugspindelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Innenschleif
maschine, bei der ein Werkzeug am vorderen Ende einer drehantreibbaren Spin
del angeordnet ist, die in einer geregelten Magnetlageranordnung gelagert ist.
Bei Innenschleifmaschinen und dergleichen Werkzeugmaschinen ist die als Ro
tor ausgebildete Spindel der darin enthaltenen Spindeleinrichtung üblicherweise
in herkömmlichen, nicht berührungsfreien Lagern gelagert, beispielsweise in rei
bungsarmen Lagern aus Stahl oder reibungsarmer Keramik. In den letzten Jah
ren hat sich jedoch aufgrund der Nachfrage nach erhöhter Produktivitität ein
Bedarf ergeben, die Rotationsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit
für die Bearbeitung zu erhöhen. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die Spin
del berührungslos in einer geregelten Magnetlageranordnung zu lagern.
Weiterhin ist für Werkzeugmaschinen, bei denen die Spindel berührungslos in
einer solchen Magnetlageranordnung gelagert ist, ein Berührungsdetektor vorge
schlagen worden, der so ausgebildet ist, daß er die Berührung des Werkzeugs
mit dem Werkstück erkennt, wenn der Erregerstrom des Magnetlagers einen
vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Werkzeugmaschinen wie etwa Innenschleifmaschinen sind allgemein so kon
struiert, daß die Spindeleinrichtung mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit
bewegt wird, bis das Werkzeug sich dem Werkstück zu einem gewissen Grad an
genähert hat, und danach mit einer niedrigeren Bearbeitungs-Vorschubge
schwindigkeit bewegt wird, um das Werkstück zu bearbeiten. Wenn die Aus
gangsposition des Werkzeugs oder Werkstücks einen Fehler aufweist, besteht
deshalb die Gefahr, daß das Werkzeug während des schnellen Vorschubs mit
dem Werkstück kollidiert. Wenn in einem solchen Fall die Kollision des Werk
zeugs mit dem Werkstück festgestellt werden kann, so läßt sich eine Beschädi
gung des Werkzeugs vermeiden. Der herkömmliche Berührungsdetektor erkennt
jedoch die Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück lediglich daran, daß
der Erregersrom des Magnetlagers den Schwellenwert überschritten hat, und ist
deshalb nicht in der Lage, die Intensität der Berührung zu erkennen. Der Erre
gerstrom in dem Magnetlager überschreitet den Schwellenwert sowohl bei einer
Kollision des Werkzeugs mit dem Werkstück während des schnellen Vorschubs
als auch bei der normalen Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück wäh
rend der Bearbeitung des Werkstücks bei langsamen Vorschub, so daß der De
tektor nicht in der Lage ist, zwischen der anomalen Kollision und der normalen
Berührung während des Bearbeitungsvorgangs zu unterscheiden.
Aus Patents Abstracts of Japan M-1392, 1993, Vol. 17, No. 172, JP 4-331 069 A
ist eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei
der die anhand des Erregerstromes der Magnetlageranordnung gemessene Bear
beitungskraft beim Schleifen mit einem Schwellenwert verglichen wird, um das
Werkstück möglichst effektiv in kurzer Zeit schleifen zu können. Beim Über
schreiten des Schwellenwerts wird das Bearbeitungswerkzeug zurückgezogen.
Aus DE-PS 11 14 239 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die eine Schnellvor
schubeinrichtung aufweist, zum Annähern des Bearbeitungswerkzeugs an das
Werkstück mit einer Vorschubgeschwindigkeit, die höher ist als die normale Ar
beits-Vorschubgeschwindigkeit. Die Berührung zwischen Werkstück und Werk
zeug wird bei dieser Werkzeugmaschine anhand der Stromaufnahme des Werk
zeugmotors erkannt, die ein Maß für den Absolutwert der Bearbeitungskraft
darstellt und die mit einem Schwellenwert verglichen wird. Störfaktoren wie bei
spielsweise Spannungsschwankungen des Netzes, Änderungen der Lauffähigkeit
des Motors und dergleichen, also Faktoren, die innerhalb kürzerer Zeiträume
annähernd konstant bleiben, werden dadurch eliminiert, daß zunächst die
Stromaufnahme des Werkzeugmotors im unbelasteten Zustand und dann un
mittelbar danach die Stromaufnahme im belasteten Zustand gemessen wird und
daß man die auf diese Weise erhaltenen Werte für die Stromaufnahme miteinan
der vergleicht. Eine Messung der Anstiegsrate der Stromaufnahme des Werk
zeugmotors findet hier jedoch nicht statt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der eine
Kollision des Werkzeugs mit dem Werkstück zuverlässig erkannt und so eine
Beschädigung vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merk
malen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Eine Bearbeitungskraft-Berechnungseinrichtung berechnet anhand des Erreger
stromes des Magnetlagers die auf das Werkzeug wirkende Bearbeitungskraft,
wenn dieses mit dem Werkstück in Berührung tritt, und eine Diskriminierein
richtung unterscheidet anhand der Änderungen dieser Bearbeitungskraft, ob ei
ne normale oder anomale Berührung des Werkzeugs mit dem Werkstück vor
liegt, so daß eine anomale Kollision zuverlässig festgestellt werden kann.
In Normalfall, wenn das Werkzeug mit der Arbeits-Vorschubgeschwindigkeit mit
dem Werkstück in Berührung tritt, ist die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft
klein, während in dem anomalen Fall, daß das Werkzeug mit der hohen Vor
schubgeschwindigkeit mit dem Werkstück kollidiert, die Anstiegsrate der Bear
beitungskraft groß ist. In der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist es des
halb möglich, beispielsweise durch Vergleich der Anstiegsrate der gemessenen
Bearbeitungskraft mit einem vorgegebenen Schwellenwert gezielt und mit hoher
Zuverlässigkeit die anomale Kollision des Werkzeugs mit dem Werkstück zu er
kennen.
Auf diese Weise kann vermieden werden, daß das Werkzeug oder Werkstück
durch die Kollision beschädigt oder zerstört wird.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Skizze des Aufbaus der Hauptbestandteile ei
ner Spindeleinrichtung in einer erfindungsgemäßen Innen
schleifmaschine;
Fig. 2 eine Skizze des Aufbaus der Hauptbestandteile der Spindelein
richtung nach Fig. 1 aus einer anderen Richtung gesehen;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Detektors für anomale Kollisionen;
Fig. 4 ein Diagramm zur Illustration des Kräftegleichgewichts im
Nichtbearbeitungszustand; und
Fig. 5 ein Diagramm zur Illustration des Kräftegleichgewichts während
der Bearbeitung.
In Fig. 1 und 2 ist der wesentliche Teil einer Spindeleinrichtung 1 einer
Innenschleifmaschine gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung beziehen
sich die Begriffe "oben" und "unten" auf die Ansicht gemäß Fig. 1, die linke
Seite der Zeichnung in Fig. 1 wird mit "vorn" und die rechte Seite in Fig. 1
mit "hinten" bezeichnet, und die Begriffe "rechts" und "links" beziehen sich
auf die Ansicht nach Fig. 2, d. h., auf die Blickrichtung vom hinteren zum vor
deren Ende der Vorrichtung. Die Achse vom hinteren Ende zum vorderen En
de der Vorrichtung soll als Z-Achse bezeichnet werden, wobei die positive Z-
Richtung die Richtung nach vorn ist. Die in dem obigen Sinne von oben nach
unten verlaufende Achse wird als X-Achse bezeichnet und die von rechts nach
links verlaufende Achse als Y-Achse.
Die Spindeleinrichtung 1 umfaßt eine als Rotor ausgebildete Spindel 3 und ei
ne magnetische Lageranordnung zur berührungslosen Lagerung der Spindel.
Die Spindel 3 ist waagerecht in einem Gehäuse 2 angeordnet, erstreckt sich
in Z-Richtung und besitzt eine an ihrem vorderen Ende montierte Schleif
scheibe 6 (Bearbeitungswerkzeug). In dem Gehäuse 2 ist ein nicht gezeigter
Hochgeschwindigkeitsmotor mit hoher Drehzahl untergebracht, der die Spin
del 3 antreibt. Das Gehäuse 2 ist an einem beweglichen Tisch befestigt, der
durch einen numerische Steuerung steuerbar ist. Im vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiel wird die Spindeleinrichtung 1 mit einer hohen Geschwindigkeit
nach vorn bewegt, bis die Schleifscheibe 6 in ein ringförmiges Werkstück 7
eintritt, wird dann mit hoher Geschwindigkeit nach oben bewegt, bis die
Schleifscheibe 6 eine Innenfläche im oberen Bereich des Werkstücks 7 er
reicht, und wird danach mit einer Arbeits-Vorschubgeschwindigkeit weiter
aufwärts bewegt, um die Innenfläche des Werkstücks 7 zu bearbeiten und auf
ein vorgegebenes Maß zu bringen.
Die magnetische Lageranordnung umfaßt ein nicht gezeigtes magnetisches
Axiallager zur berührungslosen Abstützung der Spindel 3 in Richtung der Z-
Achse (Axialrichtung), einen Axialbewegungs-Detektor (nicht gezeigt) zur Er
fassung der axialen Bewegung der Spindel 3, eine Axial-Steuerung (nicht ge
zeigt) zur Steuerung des Axiallagers anhand des Ausgangssignals des Axialbe
wegungs-Detektors, vordere und hintere magnetische Radiallager 4, 5 zur be
rührungslosen Abstützung der Spindel 3 in Radialrichtung, vordere und hinte
re Radialauslenkungsdetektoren zur Erfassung der Radialbewegung der Spin
del 3 in einer vorderen und einer hinteren Position und eine Radialsteuerung
zur Steuerung der Radiallager 4, 5 anhand der Ausgangssignale der Radialbe
wegungs-Detektoren. Das vordere magnetische Radiallager 4 umfaßt ein
magnetisches Lager 8, im folgenden als X-Lager bezeichnet, zur Abstützung
der Spindel 3 in bezug auf die Richtung der X-Achse und ein magnetisches La
ger 50, im folgenden als Y-Lager bezeichnet, zur Abstützung der Spindel 3 in
bezug auf die Richtung der Y-Achse. Das X-Lager 8 umfaßt obere und untere X-
Magnete 8a, 8b (erste Elektromagnete), die in dem Gehäuse 2 in X-Richtung
auf entgegengesetzten Seiten der Spindel 3 angeordnet sind. Das Y-Lager 50
umfaßt linke und rechte Y-Magnete 50a, 50b (zweite Elektromagnete), die in
dem Gehäuse 2 in Richtung der Y-Achse auf entgegengesetzten Seiten der
Spindel 3 angeordnet sind. In ähnlicher Weise umfaßt das hintere Radiallager
5 ein magnetisches X-Lager 9 und ein magnetisches Y-Lager 51. Das X-Lager 9
umfaßt obere und untere X-Magnete 9a, 9b (erste Elektromagnete). Das Y-La
ger 51 umfaßt linke und rechte Y-Magnete 51a, 51b (zweite Elektromagnete).
In dem Gehäuse 2 sind in der Nähe der vorderen X-Magnete 8a, 8b obere und
untere X-Positionssensoren 11a, 11b (erste Positionssensoren) auf entgegen
gesetzten Seiten der Spindel 3 in Richtung der X-Achse angeordnet, die dazu
dienen, die Position der Spindel 3 in X-Richtung zu erfassen. In entsprechen
der Weise sind X-Positionssensoren 12a, 12b (erste Positionssensoren) in der
Nähe der hinteren X-Magnete 9a, 9b angeordnet. In ähnlicher Weise sind in
dem Gehäuse 2 in der Nähe der vorderen und hinteren Y-Magnete 50a, 50b
bzw. 51a, 51b jeweils linke und rechte Y-Positionssensoren 52a, 52b bzw. 53a,
53b (zweite Positionssensoren) in Richtung der Y-Achse auf entgegengesetzen
Seiten der Spindel 3 angeordnet, um die Position der Spindel 3 in Y-Richtung
zu erfassen.
Die Ausgangssignale der beiden vorderen X-Positionssensoren 11a, 11b wer
den einem ersten Subtraktionsglied 13 zur Berechnung der X-Auslenkung x1
der Spindel 3 an der vorderen Position zugeführt. Das Ausgangssignal des obe
ren vorderen X-Positionssensors 11a ist die Summe (X1 + x1) aus einem kon
stanten Signal X1 (für die Auslenkung 0) und der Auslenkung x1. Das Aus
gangssignal des unteren vorderen X-Positionssensors 11b ist die Differenz (X1'
- x1) aus einem konstanten Signal X1' und der Auslenkung x1. Die vorderen X-
Positionssensoren 11a, 11b und das erste Subtraktionsglied 13 bilden einen
vorderen X-Auslenkungsdetektor 54. Die Ausgangssignale der beiden hinteren
X-Positionssensoren 12a, 12b werden einem zweiten Subtraktionsglied 14 zu
geführt, das die X-Auslenkung x2 der Spindel 3 im hinteren Teil berechnet.
Das Ausgangssignale des hinteren oberen X-Positionssensors 12a ist die Sum
me (X2 + x2) aus einem konstanten Signal X2 und der Auslenkung x2. Das
Ausgangssignal des hinteren unteren X-Positionssensors 12b ist die Differenz
(X2' - x2) aus einem konstanten Signal X2' und der Auslenkung x2. Die beiden
hinteren X-Positionssensoren 12a, 12b und das zweite Subtraktionsglied 14
bilden zusammen einen hinteren X-Auslenkungsdetektor 55. Die Ausgangs
signale x1, x2 der vorderen und hinteren X-Auslenkungsdetektoren 54, 55
werden einer X-Steuerung 10 zugeführt, die die vorderen und hinteren X-La
ger 8, 9 steuert.
Die Ausgangssignale der beiden vorderen Y-Positionssensoren 52a, 52b wer
den einem dritten Subtraktionsglied 56 zugeführt, das die Auslenkung y1 des
vorderen Bereichs der Spindel 3 in Richtung der Y-Achse berechnet. Das Aus
gangssignal des vorderen linken Y-Positionssensor 52a ist die Summe (Y1 +
y1) aus einem konstanten Signal Y1 (für die Auslenkung 0) und der Auslen
kung y1. Das Ausgangssignal des vorderen rechten Y-Positionssensors 52b ist
die Differenz (Y1' - y1) aus einem konstanten Signal Y1' und der Auslenkung
y1. Die vorderen Y-Positionssensoren 52a, 52b und das dritte Subtraktions
glied 56 bilden zusammen einen vorderen Y-Auslenkungsdetektor 57. Die Aus
gangssignale der beiden hinteren Y-Positionssensoren 53a, 53b werden einem
vierten Subtraktionsglied 58 zugeführt, das die Auslenkung y2 des hinteren
Teils der Spindel 3 in Richtung der Y-Achse berechnet. Das Ausgangssignal
des hinteren linken Y-Positionssensors 53a ist die Summe (Y2 + y2) aus
einem konstanten Signal Y2 und der Auslenkung y2. Das Ausgangssignal des
hinteren rechten Y-Positionssensors 53b ist die Differenz (Y2' - y2) aus einem
konstanten Signal Y2' und der Auslenkung y2. Die beiden hinteren Y-Posi
tionssensoren 53a, 53b und das vierte Subtraktionsglied 58 bilden zusammen
einen hinteren Y-Auslenkungsdetektor 59. Die Ausgangssignale y1, y2 der vor
deren und hinteren Y-Auslenkungsdetektoren 57, 59 werden einer Y-Steue
rung 60 zugeführt, die die vorderen und hinteren Y-Lager 50, 51 steuert.
Der vordere X-Auslenkungsdetektor 54 und der vordere Y-Auslenkungsdetek
tor 57 bilden zusammen den zuvor erwähnten vorderen Radialauslenkungsde
tektor. Der hintere X-Auslenkungsdetektor 55 und der hintere Y-Auslen
kungsdetektor 59 bilden zusammen den zuvor erwähnten hinteren Radialaus
lenkungsdetektor. Die X-Steuerung 10 und die Y-Steuerung 60 bilden zusam
men die zuvor erwähnte Radialsteuerung.
Da die X-Steuerung 10 und die Y-Steuerung 60 einander gleichen, wird im fol
genden nur die X-Steuerung 10 beschrieben, und in den Bezeichnungen der
einzelnen Teile wird jeweils das Präfix "X" fortgelassen.
In der Steuerung 10 werden die Ausgangssignale der ersten und zweiten Sub
traktionsglieder 13, 14 je einer Eingangsklemme eines ersten Addierers 15
zugeführt, der den Betrag der Translation der Spindel 3 berechnet. Die Aus
gangssignale der ersten und zweiten Subtraktionsglieder 13, 14 werden au
ßerdem je einer Eingangsklemme eines fünften Subtraktionsgliedes 16 zuge
führt, das den Betrag der Kippbewegung der Spindel 3 berechnet. Der erste
Addierer 15 liefert ein Ausgangssignal an einen Translations-PID-Regler 17,
der seinerseits ein Translations-Regelsignal liefert. Das Ausgangssignal des
fünften Subtraktionsgliedes 16 wird einem Kippbewegungs-PID-Regler 18 zu
geführt, der seinerseits ein Kippbewegungs-Regelsignal liefert. Die Ausgangs
signale der beiden Regler 17, 18 werden je einer Eingangsklemme eines
zweiten Addierers 19 zugeführt, der ein Steuersignal für das vordere Lager 8
liefert. Das Ausgangssignal des zweiten Addierers 19 wird über einen Inverter
20 und einen Leistungsverstärker 21 der Wicklung des vorderen oberen
Magneten 8a und außerdem über einen Leistungsverstärker 22 der Wicklung
des vorderen unteren Magneten 8b zugeführt, wodurch die Stromstärke des
durch die Wicklungen dieser Magnete 8a, 8b fließenden Stromes gesteuert
wird. Die Ausgangssignale der beiden Regler 17, 18 werden außerdem je ei
ner Eingangsklemme eines sechsten Subtraktionsgliedes 23 zugeführt, das
ein Steuersignal für das hintere Lager 9 liefert. Das Ausgangssignal des sech
sten Subtraktionsgliedes 23 wird über einen Inverter 24 und einen Leistungs
verstärker 25 der Wicklung des hinteren oberen Magneten 9a und außerdem
über einen Leistungsverstärker 26 der Wicklung des hinteren unteren Magne
ten 9b zugeführt, wodurch die Stromstärke durch die Wicklungen dieser
Magnete 9a, 9b fließenden Stromes gesteuert wird. Der zweite Addierer 19,
das sechste Subtraktionsglied 23, die Inverter 20, 24 und die Leistungsver
stärker 21, 22, 25, 26 bilden zusammen eine Treiberschaltung 61 für die An
steuerung der Magnete 8a, 8b, 9a, 9b auf der Grundlage des Translations-Re
gelsignals und des Kippbewegungs-Regelsignals. Die Translations- und Kipp
bewegungen der Spindel 3 werden auf diese Weise getrennt geregelt, indem
die Stromstärken der durch die Wicklungen der vorderen und hinteren
Magnete 8a, 8b, 9a, 9b fließenden Ströme gesteuert werden. Das Eingangs
signal für den vorderen oberen Magneten 8a, d. h., das Ausgangssignal des Lei
stungsverstärkers 21, ist die Summe (I1 + i1) aus einer konstanten Strom
stärke I1 für die Auslenkung x1 = 0 und einer Regelstromstärke i1. Das Ein
gangssignal für den vorderen unteren Magneten 8b, d. h., das Ausgangssignal
des Leistungsverstärkers 22, ist die Differenz I1' - i1 aus einer konstanten
Stromstärke I1' und der Regelstromstärke i1. Das Eingangssignal für den hin
teren oberen Magneten 9a, d. h., das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers
25, ist die Summe (I2 + i2) aus einer konstanten Stromstärke I2 für die Aus
lenkung x2 = 0 und einer Regelstromstärke i2. Das Eingangssignal für den
hinteren unteren Magneten 9b, d. h., das Ausgangssignal des Leistungsverstär
kers 26, ist die Differenz (I2' - I2) aus einer konstanten Stromstärke I2' und
der Regelstromstärke i2.
Mit der X-Steuerung 10 ist ein Detektor 27 für anomale Kollisionen verbun
den. Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Subtraktionsglieder 13, 14
und die Ausgangssignale der vier Leistungsverstärker 21, 22, 25, 26 werden
dem Detektor 27 zugeführt. Der Detektor 27 ist dazu eingerichtet, eine (ano
male) Kollision der mit hoher Geschwindigkeit bewegten Schleifscheibe 6 mit
dem Werkstück 7 zu erfassen und enthält eine Bearbeitungskraft-Berech
nungseinheit 28 und eine Diskriminiereinheit 29, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Berechnungseinheit 28 berechnet anhand der Erregerströme der Lager 8,
9 und der Ausgangssignale der Auslenkungsdetektoren 54, 55 die Bearbei
tungskraft f, die auf die Schleifscheibe 6 wirkt, wenn diese mit dem Werk
stück 7 in Berührung tritt. Die Diskriminiereinheit 29 entscheidet anhand von
Änderungen der von der Berechnungseinheit 28 berechneten Bearbeitungs
kraft, ob die Berührung der Schleifscheibe 6 mit dem Werkstück 7 normal
oder anomal ist. Im vorliegenden Beispiel berechnet die Diskriminiereinheit
29 die Anstiegsrate (Ableitung) der Bearbeitungskraft, vergleicht diese An
stiegsrate mit einem vorgegebenen Bezugswert und entscheidet, daß die Be
rührung der Schleifscheibe 6 mit dem Werkstück 7 anomal ist, wenn die An
stiegsrate der Bearbeitungskraft den Bezugswert überschritten hat.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 das Kräftegleichge
wicht erläutert, einerseits für den Fall des Nichtbearbeitungsbetriebs, in dem
keine Bearbeitungskraft auf die Schleifscheibe 6 wirkt, und andererseits für
den Bearbeitungsbetrieb, wenn eine Bearbeitungskraft auf die Schleifscheibe
wirkt. Der Schwerpunkt der Spindel 3 einschließlich der Schleifscheibe 6 ist
mit G bezeichnet, der Abstand zwischen dem Schwerpunkt G und den vorde
ren Magneten 8a, 8b in Richtung der Z-Achse ist mit L1 bezeichnet, der Ab
stand zwischen dem Schwerpunkt G und den hinteren Magneten 9a, 9b in
Richtung der Z-Achse ist mit L2 bezeichnet, und der Abstand zwischen dem
Schwerpunkt G und der Schleifscheibe 6 in Richtung der Z-Achse ist mit L
bezeichnet.
Fig. 4 zeigt die Kräfte im Gleichgewicht im Nichtbearbeitungsbetrieb. In die
sem Fall sind die Auslenkungen x1, x2 in X-Richtung im vorderen und hinte
ren Bereich der Spindel gleich 0, und die Abstände der Spindel zu den
Magneten 8a, 8b, 9a, 9b in Richtung der X-Achse haben die konstanten Werte
X1, X1', X2 bzw. X2', die dem stationären Zustand entsprechen. Die Erreger
ströme der Magnete 8a, 8b, 9a, 9b haben die konstanten Werte I1, I1', I2 bzw.
I2', entsprechend dem stationären Zustand. Wenn die anziehenden Kräfte der
Magnete 8a, 8b, 9a, 9b in Richtung der X-Achse mit F1, F1', F2 bzw. F2' be
zeichnet werden, lassen sich diese Kräfte wie folgt ausdrücken.
F1 = K1 . (I1/X1)2 (1)
F1' = K1 . (I1'/X1')2 (2)
F2 = K2 . (I2/X2)2 (3)
F2' = K2 . (I2'/X2')2 (4)
wobei K1 der Anziehungskoeffizient der vorderen Magnete 8a, 8b und K2 der
Anziehungskoeffizient der hinteren Magnete 9a, 9b ist.
Die resultierende Kraft der vorderen oberen und unteren Magnete 8a, 8b sei
F(1), und die resultierende Kraft der beiden hinteren Magnete 9a, 9b sei F(2).
Diese Kräfte sind dann gegeben durch:
F(1) = F1 - F1' (5)
F(2) = F2 - F2' (6)
Wenn das Gewicht der Spindel 3 Mg ist, so besteht zwischen den Kräften die
folgende Beziehung:
Mg = F(1) + F(2) (7)
F(1) . L1 = F(2) . L2 (8)
Fig. 5 zeigt das Kräftegleichgewicht während des Bearbeitungsbetriebs. In
diesem Fall soll angenommen werden, daß die Auslenkungen im vorderen und
hinteren Bereich der Spindel in Richtung der X-Achse durch x1 und x2 gege
ben sind. Die Abstände der Spindel 3 zu den Magneten 8a, 8b, 9a und 9b in
Richtung der X-Achse können dann ausgedrückt werden durch (X1 + x1), (X1'
- x1), (X2 + x2) bzw. (X2' - x2). Die Erregerströme der Magnete 8a, 8b, 9a und
9b sind (I1 + i1), (I1' - i1), (I2 + i2) bzw. (I2' - i2). Die anziehenden Kräfte F1,
F1', F2 und F2' der Magnete 8a, 8b, 9a und 9b in Richtung der X-Achse sind
dann entsprechend den obigen Gleichungen (1) bis (4) durch die folgenden
Gleichungen gegeben:
F1 = K1 . {(I1 + i1)/(X1 + x1)}2 (9)
F1' = K1 . {(I1' - i1)/(X1' - x1)}2 (10)
F2 = K2 . {(I2 + i2)/(X2 + x2)}2 (11)
F2' = K2 . {(I2' - i2)/(X2' - x2)}2 (12)
Die von den vorderen oberen und unteren Magneten 8a, 8b erzeugte resultie
rende Kraft F(1) und die von den hinteren oberen und unteren Magneten 9a,
9b erzeugte resultierende Kraft F(2) werden entsprechend den obigen Glei
chungen (5), (6) durch die folgenden Gleichungen gegeben:
F(1) = F1 - F1' (13)
F(2) = F2 - F2' (14)
Wenn während der Bearbeitung die Bearbeitungskraft f auf die Schleifscheibe
6 wirkt, so besteht zwischen den betrachteten Kräften die folgende Bezie
hung:
Mg = F(1) + F(2) - f (15)
F(1) . L1 = F(2) . L2 + f . L (16)
Aus Gleichung (16) folgt für die Bearbeitungskraft f:
f = {F(1) . L1 - F(2) . L2}/L (17)
Die Berechnungseinheit 28 berechnet die Bearbeitungskraft f aus diesen Be
ziehungen. Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 der Aufbau und die Wir
kungsweise der Berechnungseinheit 28 beschrieben.
Die Berechnungseinheit 28 umfaßt eine erste Kraftberechnungsschaltung 62
zur Berechnung der resultierenden Kraft des magnetischen X-Lagers 8 des
vorderen Radiallagers 4, eine zweite Kraftberechnungsschaltung 63 zur Be
rechnung der resultierenden Kraft des magnetischen X-Lagers 9 des hinteren
Radiallagers 5 und eine Bearbeitungskraft-Berechnungsschaltung 64 zur Be
rechnung der auf die Schleifscheibe 6 wirkenden Bearbeitungskraft anhand
der resultierende Kräfte der Lager 8, 9. Die erste Kraftberechnungsschaltung
62 umfaßt einen dritten Addierer 30, eines siebtes Subtraktionsglied 31,
einen ersten Rechner 34, einen zweiten Rechner 35 einen ersten Multiplizie
rer 38, einen zweiten Multiplizierer 39 und ein achtes Subtraktionsglied 42.
Die zweite Kraftberechnungsschaltung 36 umfaßt einen vierten Addierer 32,
ein neuntes Subtraktionsglied 33, einen dritten Rechner 36, einen vierten
Rechner 37, einen dritten Multiplizierer 40, einen vierten Multiplizierer 41
und ein zehntes Subtraktionsglied 44. Die Bearbeitungskraft-Berechnungs
schaltung 64 umfaßt einen fünften Multiplizierer 43, einen sechsten Multipli
zierer 45, ein elftes Subtraktionsglied 46 und einen siebten Multiplizierer
47.
Das Ausgangssignal des ersten Subtraktionsgliedes 13 des vorderen Auslen
kungsdetektors 54, d. h., die Auslenkung x1 des vorderen Teils der Spindel 3
in Richtung der X-Achse, wird dem dritten Addierer 30 zugeführt, der die
Summe (X1 + x1) aus x1 und dem konstanten Wert X1 berechnet. Die auslen
kung x1 wird auch in das siebte Subtraktionsglied 31 eingegeben, das die Dif
ferenz (X1' - x1) zwischen dem konstanten Wert X1' und der Auslenkung x1
berechnet. Das Ausgangssignal des zweiten Subtraktionsgliedes 14 des hinte
ren Auslenkungsdetektors 55, d. h., die Auslenkung x2 des hinteren Teils der
Spindel 3 in Richtung der X-Achse, wird dem vierten Addierer 32 zugeführt,
der die Summe (X2 + x2) aus dem konstanten Wert X2 und der Auslenkung x2
berechnet. Die Auslenkung x2 wird außerdem dem neunten Subtraktionsglied
33 zugeführt, das die Differenz (X2' - x2) aus dem konstanten Wert X2' für den
stationären Zustand und der Auslenkung x2 berechnet. Die Erregerstromstär
ke (I1 + i1) des vorderen oberen Magneten 8a und das Ausgangssignal (X1 +
x1) des dritten Addierers 30 werden dem ersten Rechner 34 zugeführt, zur
Berechnung des Wertes {(I1 + i1)/(X1 + x1)}2. Die Erregerstromstärke (I1' -
i1) des vorderen unteren Magneten 8b und das Ausgangssignal (X1' - x1) des
siebten Subtraktionsgliedes 31 werden dem zweiten Rechner 35 zugeführt,
der den Wert {(I1' - i1)/(X1' - x1)}2 berechnet. Die Erregerstromstärke (I2 +
i2) des hinteren oberen Magneten 9a und das Ausgangssignal (X2 + x2) des
vierten Addierers 32 werden dem dritten Rechner 36 zugeführt, der den
Wert {(I2 + i2)/(X2 + x2)}2 berechnet. Die Erregerstromstärke (I2' - i2) des
hinteren unteren Magneten 9b und das Ausgangssignal X2' - x2) des neunten
Subtraktionsgliedes 33 werden dem vierten Rechner 37 zugeführt, der den
Wert {(I2' - i2)/(X2' - x2)}2 berechnet. Das Ausgangssignal {(I1 + i1)/(X1 +
x1)}2 des ersten Rechners 34 wird durch den ersten Multiplizierer 38 mit
dem Anziehungskoeffizienten K1 multipliziert, um die Kraft F1 nach Glei
chung (9) zu berechnen. In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal {(I1' -
i1)/(X1' - x1)}2 des zweiten Rechners 35 durch den zweiten Multiplizierer 39
mit K1 multipliziert, um die Kraft F1' nach Gleichung (10) zu berechnen. Das
Ausgangssignal {(I1 + i2)/(X2 + x2)}2 des dritten Rechners 36 wird durch den
dritten Multiplizierer 40 mit dem Anziehungskoeffizienten K2 multipliziert,
um die Kraft F2 gemäß Gleichung (11) zu berechnen, und das Ausgangssignal
{(I2' - i2)/(X2' - x2)}2 des vierten Rechners 37 wird durch den vierten Multi
plizierer 41 mit K2 multipliziert, um die Kraft F2' gemäß Gleichung (12) zu
berechnen. Das Ausgangssignal F1 des ersten Multiplizierers 38 und das Aus
gangssignals F1' des zweiten Multiplizierers 39 werden dem achten Subtrak
tionsglied 42 zugeführt, das F(1) gemäß Gleichung (13) berechnet. Der erhal
tene Wert wird durch den fünften Multiplizierer 43 mit L1 multipliziert. Das
Ausgangssignal F2 des dritten Multiplizierers 40 und das Ausgangssignal F2'
des vierten Multiplizierers 41 werden dem zehnten Subtraktionsglied 44 zu
geführt, das F(2) gemäß Gleichung (14) berechnet. Der erhaltene Wert wird
durch den sechsten Multiplizierer 45 mit L2 multipliziert. Das Ausgangssignal
F(1) . L1 des fünften Multiplizierers 43 und das Ausgangssignal F(2) . L2 des
sechsten Multiplizierers 45 werden dem elften Subtraktionsglied 46 zuge
führt, und das Ausgangssignal {F(1) . L1 - F(2) . L2} dieses Subtraktionsgliedes
46 wird durch den siebten Multiplizierer 47 mit 1/L multipliziert, um die Be
arbeitungskraft f gemäß Gleichung (17) zu berechnen.
Gemäß Fig. 3 umfaßt die Diskriminiereinheit 29 eine Differenzierschaltung
48 und eine Vergleichsschaltung 49. Das Ausgangssignal der Berechnungsein
heit 28, d. h., die Bearbeitungskraft f, wird der Differenzierschaltung 48 zuge
führt, um die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f zu bestimmen. Ein vorgege
bener Bezugswert für die Anstiegsrate wird vorab in die Vergleichsschaltung
49 eingegeben, die die von der Differenzierschaltung 48 erhaltene Anstiegsra
te der Bearbeitungskraft f mit diesem Bezugswert vergleicht. Wenn die An
stiegsrate der Bearbeitungskraft f nicht größer ist als der Bezugswert, so
schließt daraus die Vergleichsschaltung 49, daß die Berührung der Schleif
scheibe 6 mit dem Werkstück 7 einem normalen Bearbeitungsvorgang ent
spricht. Wenn die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f den Bezugswert über
schritten hat, so wird daraus geschlossen, daß eine anomale Berührung vor
liegt. Im Normalfall, wenn die Schleifscheibe 6 mit der Arbeits-Vorschubge
schwindigkeit mit dem Werkstück 7 in Berührung tritt, ist die Anstiegsrate
der Bearbeitungskraft f klein, wohingegen in dem anomalen Fall, daß die
Schleifscheibe 6 mit der hohen Vorschubgeschwindigkeit mit dem Werkstück
7 kollidiert, die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft f groß ist. Folglich kann ei
ne anomale Kollision der Schleifscheibe 6 auf die oben beschriebene Weise si
cher erkannt werden. Bei Erfassung der anomalen Kollision der Schleifschei
be 6 liefert die Diskriminiereinheit 29 ein Fehlersignal an die numerische
Steuerung, die daraufhin den beweglichen Tisch anhält oder eine andere ge
eignete Gegenmaßnahme trifft.
Obgleich bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die Bearbeitungs
kraft f in vertikaler Richtung wirkt, also in derselben Richtung wie die
Schwerkraft, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf Fälle anwendbar, in
denen die Bearbeitungskraft in einer anderen Richtung wirkt, beispielsweise
in Horizontalrichtung. In diesem Fall ist der Detektor für anomale Kollisionen
in der Y-Steuerung 60 vorgesehen.
Obgleich die Erfindung in dem obigen Beispiel anhand eines Falles erläutert
wurde, bei dem das Werkzeug der Innenschleifmaschine oder ein vergleichba
res Werkzeug einer radialen Bearbeitungskraft unterliegt, ist die Erfindung
selbstverständlich auch auf Fälle anwendbar, in denen eine axiale Bearbei
tungskraft beispielsweise auf ein Bohrwerkzeug oder dergleichen wirkt. In
diesem Fall ist der Detektor für anomale Kollisionen nach dem obigen Ausfüh
rungsbeispiel in einer Steuerung für ein magnetisches Axiallager vorgesehen,
um anomale Kollisionen dadurch zu erfassen, daß die axiale Bearbeitungskraft
anhand des Erregerstromes des Lagers berechnet wird und die
Anstiegsrate der Bearbeitungskraft mit einem Bezugswert verglichen wird.
Claims (8)
1. Werkzeugmaschine mit einer drehantreibbaren Spindel (3), die am vorderen
Ende ein Bearbeitungswerkzeug (6) trägt und in einer geregelten Magnetlageran
ordnung gelagert ist, und mit einer Berechnungseinrichtung (28) zur Berechnung
einer Bearbeitungskraft (f), die auf das Bearbeitungswerkzeug (6) wirkt, wenn die
ses mit einem Werkstück (7) in Berührung tritt, auf der Grundlage des Erreger
stromes des magnetischen Lagers (8a, 8b, 9a, 9b) der Lageranordnung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werkzeugmaschine eine Schnellvorschubeinrichtung
aufweist, zum Annähern des Bearbeitungswerkzeugs (6) an das Werkstück (7) mit
einer Vorschubgeschwindigkeit, die höher ist als die normale Arbeits-Vorschubge
schwindigkeit, und daß eine Diskriminiereinrichtung (29) vorgesehen ist, die an
hand der Anstiegsrate der Bearbeitungskraft (f) entscheidet, ob die Berührung
zwischen dem Bearbeitungswerkzeug (6) und dem Werkstück (7) während des Ar
beitsvorschubs oder des Schnellvorschubs normal oder anomal ist.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Diskriminiereinrichtung (29) die Anstiegsrate der Bearbeitungskraft (f) mit einem
vorgegebenen Bezugswert vergleicht und entscheidet, daß die Berührung des Be
arbeitungswerkzeugs (6) mit dem Werkstück (7) anomal ist, wenn die Anstiegsra
te den Bezugswert übersteigt.
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Diskriminiereinrichtung (29) eine Differenzierschaltung (48) zur Berechnung der
Anstiegsrate der Bearbeitungskraft (f) und eine Vergleichsschaltung (49) zum Ver
gleich der berechneten Anstiegsrate mit dem Bezugswert aufweist und ein Fehler
signal ausgibt, das eine anomale Berührung des Bearbeitungswerkzeugs (6) mit
dem Werkstück (7) anzeigt, wenn die Anstiegsrate den Bezugswert überschreitet.
4. Werkzeugmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die geregelte Magnetlageranordnung zwei in Axialrichtung
der Spindel (3) in Abstand zueinander angeordnete magnetische Radiallager (4, 5)
aufweist, daß zwei Radial-Auslenkungsdetektoren (54, 57; 55, 59) in Axialrich
tung der Spindel (3) in Abstand zueinander angeordnet sind, um die Radialaus
lenkung der Spindel in den betreffenden Positionen zu erfassen, und daß eine
Radial-Regeleinrichtung (10, 60) die Radiallager (4, 5) anhand der Ausgangs
signale der beiden Radial-Auslenkungsdetektoren ansteuert.
5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
der Radiallager (4, 5) zwei Paare von Elektromagneten (8a, 8b; 50a, 50b bzw. 9a,
9b; 51, 51b) aufweist, die auf zwei zueinander orthogonalen Achsen in einer zur
Achse der Spindel (3) rechtwinkligen Ebene angeordnet sind, daß jeder der beiden
Radial-Auslenkungsdetektoren ein in Axialrichtung benachbart zu dem ersten
Paar der Elektromagnete (8a, 8b; 50a, 50b) angeordneter erster Positionssensoren
(11a, 11b; 52a, 52b) zur Erfassung der Position der Spindel (3) in einer ersten Ra
dialrichtung (X), ein erstes Subtraktionsglied (13) zur Bestimmung der Auslen
kung der Spindel in der ersten Radialrichtung durch Berechnung der Differenz
zwischen den Ausgangssignalen der beiden ersten Positionssensoren, ein Paar in
Axialrichtung benachbart zu dem zweiten Paar der Elektromagnete (9a, 9b; 51,
51b) angeordneter zweiter Positionssensoren (12a, 12b; 53a, 53b) zur Erfassung
der Position der Spindel (3) in einer zweiten Radialrichtung (Y) und ein zweites
Subtraktionsglied (14) zur Bestimmung der Auslenkung der Spindel in der zwei
ten Radialrichtung durch berechnete Differenz zwischen den Ausgangssignalen
der zweiten Positionssensoren aufweist und daß die Radial-Steuereinrichtung ei
ne erste Steuereinrichtung (10) für die erste Radialrichtung (X), zur Steuerung
der Anziehungskraft der ersten Elektromagnete anhand des Ausgangssignals des
ersten Subtraktionsgliedes (13) und eine zweite Steuereinrichtung (60) für die
zweite Radialrichtung (Y), zur Steuerung der Anziehungskraft der zweiten Elek
tromagnete anhand des Ausgangssignals des zweiten Subtraktionsgliedes (14)
aufweist.
6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die er
ste Steuereinrichtung (10) und zweite Steuereinrichtung (60) jeweils eine Trans
lations-Berechnungseinheit (15) zur Berechnung des Betrages der Translation der
Spindel (3) anhand der Ausgangssignale der beiden Radial-Auslenkungsdetekto
ren (54, 55), eine Kippbewegungs-Berechnungseinheit (16) zur Berechnung des
Betrages der Kippbewegung der Spindel (3) anhand der Ausgangssignale der bei
den Radial-Auslenkungsdetektoren, eine Translations-Regeleinheit (17) zur Aus
gabe eines Translations-Regelsignals zur Regelung der Translationsbewegung der
Spindel anhand des Ausgangssignals der Translations-Berechnungseinheit, eine
Kippbewegungs-Regeleinheit (18) zur Ausgabe eines Kippbewegungs-Regelsignals
zur Regelung der Kippbewegung der Spindel anhand des Ausgangssignals der
Kippbewegungs-Berechnungseinheit (16) und eine Treiberschaltung (61) aufweist,
die anhand der Translations- und Kippbewegungs-Regelsignale einen Erreger
strom an die beiden Radiallager (4, 5) liefert.
7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
arbeitungskraft-Berechnungseinrichtung (28) zwei Kraftberechnungsschaltungen
(62, 63) zur Berechnung der von den beiden Radiallagern (4, 5) erzeugten Kräfte
(F(1) und F(2)) anhand der diesen Radiallagern zugeführten Erregerströme und
anhand der Radialauslenkung der Spindel und eine Bearbeitungskraft-Berech
nungsschaltung (64) zur Berechnung einer auf das Bearbeitungswerkzeug (6) wir
kenden radialen Bearbeitungskraft (f) anhand der Kräfte (F(1) und F(2)) der Radi
allager und anhand der Position des Schwerpunkts (G) der Spindel (3) einschließ
lich des Bearbeitungswerkzeugs (6) aufweist.
8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der
beiden Kraftberechnungsschaltungen (62, 63) anhand der von den Radial-Auslen
kungsdetektoren gemessenen Radialauslenkung der Spindel in einer Richtung (X)
die Abstände zwischen der Spindel (3) und den Elektromagneten (8a, 8b; 9a, 9b)
in dieser Richtung berechnet, anhand dieser Abstände, der Erregerströme der
Elektromagnete und eines Anziehungskoeffizienten (K1; K2) derselben die Anzie
hungskräfte der Elektromagnete in dieser Radialrichtung bestimmt und die Diffe
renz der Anziehungskräfte der beiden Elektromagneten des Paares berechnet, um
die resultierende Kraft (F(1) bzw. F(2)) in dieser Radialrichtung an dem betreffen
den Radiallager zu bestimmen, und daß die Bearbeitungskraft-Berechnungs
schaltung (64) die Bearbeitungskraft (f) anhand der Ausgangssignale der beiden
Kraftberechnungsschaltungen (62, 63), der axialen Abstände (L1, L2) zwischen
dem Schwerpunkt (G) und den beiden Radiallagern (4, 5) und anhand des axialen
Abstands (L) zwischen dem Schwerpunkt (G) und dem Bearbeitungswerkzeug (6)
berechnet.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130501 |