WO2023186208A1 - Zerspanungsmaschine und verfahren zum überwachen einer dynamischen steifigkeit einer zerspanungsmaschine - Google Patents

Zerspanungsmaschine und verfahren zum überwachen einer dynamischen steifigkeit einer zerspanungsmaschine Download PDF

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WO2023186208A1
WO2023186208A1 PCT/DE2023/100173 DE2023100173W WO2023186208A1 WO 2023186208 A1 WO2023186208 A1 WO 2023186208A1 DE 2023100173 W DE2023100173 W DE 2023100173W WO 2023186208 A1 WO2023186208 A1 WO 2023186208A1
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WO
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shaft
cutting machine
actuator
excitation
order
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Application number
PCT/DE2023/100173
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Retze
Alptunc COMAK
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/007—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for managing machine functions not concerning the tool
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/08—Shock-testing

Definitions

  • the invention relates to a cutting machine with at least one rotatable shaft and an excitation device for applying shock excitation to the shaft in order to generate a response vibration of the shaft and to a method for monitoring a dynamic rigidity of a cutting machine.
  • the monitoring of a machine condition of manufacturing machines is conventionally carried out in the form of regular inspections and maintenance. More modern machines often offer additional software modules for condition control. Based on the static rigidity of the machine or its components, predetermined test cycles are run through in order to check the positioning accuracies that can be achieved.
  • a cutting machine with at least one rotatable shaft having an excitation device which can be connected to the rotatable shaft and has an actuator which is set up to apply a shock excitation to the rotating shaft in order to generate a response vibration of the shaft. Furthermore, the cutting machine has a detection device that is set up to detect the response vibration and an evaluation device that is set up to determine a transfer function between shock excitation and response vibration.
  • the shaft can, for example, represent the main spindle or a tool spindle of the cutting machine. Based on the transfer function, which characterizes vibration transmission of the shaft, an analysis or evaluation of a dynamic stiffness of the shaft can be carried out, in particular in connection with its drive and bearing devices or the cutting machine as such. Since the dynamic rigidity of the cutting machine represents the basis for a stable and precise cutting process, the production and quality of the manufactured workpieces can be monitored and thus stable and trouble-free production can be supported. A direct comparison with a dynamic design of manufacturing processes, especially milling and turning processes, can be made possible using the proposed cutting machine.
  • a cutting machine is in particular a manufacturing or processing machine that is set up to mechanically separate material from a workpiece using one or more cutting edges with a specific or indeterminate cutting geometry.
  • a cutting machine can be a milling machine, a milling-lathe machine or a machine, in particular a machining center, that is used for milling, turning, drilling and/or loops is set up.
  • Such a cutting machine has at least one rotatable shaft (main shaft) or spindle, which is designed to rotate a tool, in particular a cutting tool, or a workpiece in order to produce a relative movement between the cutting edge(s) and the workpiece.
  • such a cutting machine can be designed as a CNC machine (Computerized Numerical Control).
  • An excitation device is in particular a mechanically, electromechanically or electromagnetically actuated device which is set up to apply an impulse or a shock to the rotating shaft by means of an actuator in order to cause a shock excitation of the shaft.
  • the excitation device or the actuator can be set up to apply a one-time, in particular elastic, shock to the shaft in order to excite the shaft in a predetermined oscillation.
  • the excitation device can be permanently or only temporarily connected, in particular firmly, to the rotatable shaft of the cutting machine. In particular, it can be connected to the shaft in a positive and/or non-positive manner or can be arranged in or on a structure formed on the shaft and can thereby be connected to the shaft.
  • Such a structure can, for example, have at least one projection and/or at least one recess.
  • the actuator of the excitation device can, for example, have or represent at least one movably mounted component, which is set up to come into shock-like contact with the rotating shaft and/or to be brought into shock excitation of the shaft.
  • The, in particular predetermined, shock excitation which can be applied to the rotating shaft by means of the excitation device, is in particular calibrated in advance by measurement technology. This calibrated excitation signal or the shock excitation can be made available to an evaluation device on the cutting machine for further processing.
  • a detection device can, for example, be at least one sensor, in particular a vibration and/or a piezo sensor or a distance, speed and/or acceleration sensor or another suitable detection device, which is set up to detect the response vibration.
  • a vibration signal of the response vibration can be recorded by a suitable device.
  • the Detection device can be set up to convert the response vibration into a signal in order to make this available for further data processing, in particular.
  • the detection device can include and/or use CNC control circuits of the cutting machine in order to detect or record the response vibration or response vibration signals.
  • the response vibration or the measurement signal can be recorded and evaluated by the detection device, for example using a trace function, such as the Siemens Scout Engineering Software. This trace function can, for example, detect, measure, record, convert and/or provide time domain signals for the response vibration of the shaft or the spindle system during shock excitation for further processing by an evaluation device.
  • the evaluation device is in particular set up to determine and/or analyze a mathematical relationship between shock excitation and response vibration.
  • the evaluation device is set up to mathematically transform time domain signals for the shock excitation and for the response vibration into a frequency range in order to determine a transfer function between the shock excitation and the response vibration.
  • the transfer function is in particular a frequency response function.
  • a frequency response function is composed of the amplitude response and phase response function and depicts the connection between shock excitation and response vibration in terms of amplitude and phase.
  • the present invention is based, among other things, on the idea of using spindle frequency responses for automated condition monitoring for a cutting machine in order to enable needs-oriented machine inspection.
  • a suitable vibration to the spindle by means of an, in particular mechanical, excitation system or an excitation device rotating spindle or shaft, recording the structural responses and determining or calculating frequency responses between the excitation and response of the spindle.
  • the cutting machine has a control device which is set up to actuate the excitation device and to trigger a determination and in particular an evaluation of determined transfer functions.
  • the control device is set up, in particular in cooperation with the detection device and the evaluation device, to activate and/or carry out a method described herein, in particular at predetermined time intervals with regard to absolute time periods or machine running times or after a predetermined number of, in particular, the same or similar manufacturing processes. In this way, a fully automatic system for dynamic stiffness monitoring can also be provided.
  • the actuator of the excitation device is set up to apply the shock excitation or the impulse to the rotating shaft.
  • the actuator is or forms a component of the excitation device.
  • the actuator is in particular designed to be movable relative to the shaft in order to enable pulse transmission, in particular for a limited period of time.
  • the actuator can be designed to be tapered and/or provide a small, in particular point-shaped or also crowned or spherical surface for the contact between the actuator and the shaft in order to apply the impulse or the shock excitation to the shaft.
  • the actuator can be set up to come into contact with the shaft at a predetermined speed and/or predetermined acceleration in order to exert the shock excitation or the impulse on the rotating shaft.
  • the excitation device can be set up to move the actuator onto a peripheral surface of the shaft at a predetermined angle, in particular radially to the axis of rotation of the shaft or spindle. As a result, the repetition accuracy of the excitation of the excitation oscillation or shock excitation can be increased.
  • the actuator is energized.
  • the actuator can apply a shock excitation to the shaft, in particular in the form of an impulse, for example through a reciprocal movement relative to the shaft.
  • a reciprocal movement is in particular a movement of the actuator in the direction of Wave to and a subsequent, in particular uniform, return movement away from the shaft, in particular back to the starting position, in order to avoid further, in particular accidental, excitation of the shaft.
  • energetically applied means in particular prestressed, subjected to force and in particular spring force, and can be actuated, for example, mechanically, electrically, electronically or electromagnetically. This allows a, in particular predetermined, movement of the actuator towards the shaft to be triggered in order to exert a predefined shock on the shaft, whereby a predetermined excitation of the shaft can take place.
  • Energetic loading can also be understood as an electrical, electronic or electromagnetic loading of the actuator, by means of which it can apply an impulse to the shaft, which causes a shock excitation.
  • the actuator can be arranged outside the shaft. Outside the shaft is to be understood as outside the circumferential surface of the shaft.
  • the actuator is in particular designed to apply a shock to a surface of the shaft, in particular at a predetermined position of the shaft.
  • This makes it possible in particular that the, in particular dynamic, mass system of the shaft is not influenced by the actuator.
  • this makes it possible to arrange the actuator or the excitation device in or on the cutting machine according to space or needs, whereby dynamic vibration monitoring can be designed to be flexibly adaptable to the respective, particularly structural, operating requirements.
  • the actuator can be rotated by means of a secondary shaft, in particular in the opposite direction to the shaft.
  • the actuator can be arranged at a free end of the secondary shaft and set up, in particular on a linear path and/or guided, to carry out a movement towards the shaft in order to deliver an impulse or a shock excitation to the shaft.
  • the secondary shaft is oriented or arranged in particular parallel to the shaft or spindle and can be rotated in particular by means of a gear, in particular in a direction opposite to the direction of rotation of the shaft. This allows a relative movement to be generated between the spindle and the secondary shaft or the actuator in order to enable pulse excitation of the shaft by means of the actuator.
  • the excitation device is arranged on a tool holder of the cutting machine.
  • the excitation device can be designed to be connectable to the shaft by a device such as a tool changer, in particular the cutting machine itself, in particular based on a control signal from a control device, in particular also automatically through the tool holder, in order to apply a shock excitation to the rotating shaft in order to determine a transfer function .
  • An exemplary excitation device arranged on a tool holder can also have a gear or part of a gear in addition to a secondary shaft with an actuator arranged thereon.
  • the actuator on the secondary shaft is particularly energetically charged.
  • the actuator can be arranged at a free end of the secondary shaft and in particular prestressed, mounted with force or spring force, and / or designed to be actuated mechanically, electrically, electronically or electromagnetically in order to, in particular on a linear path and / or guided, a To carry out movement towards the shaft in order to apply an impulse or shock excitation to the shaft.
  • the actuator can also be designed to be electrically, electronically or electromagnetically acted upon.
  • the actuator is set up to interact with a cam disk arranged on the shaft, in particular in a rotationally fixed manner, in order to apply a shock excitation to the shaft.
  • the cam has a profile, particularly in the circumferential direction, which runs around the axis of rotation of the shaft.
  • the actuator is guided along the profile of the cam during a rotational movement of the shaft or the cam and/or a rotational movement of the secondary shaft around the shaft or the cam.
  • a cam disk has a radial step over which the energetically charged, in particular mechanically prestressed, actuator is moved.
  • the actuator travels a predetermined path, in particular according to the radial height of the step, in the direction of the shaft, in order to finally hit the surface of the shaft in order to deliver a shock excitation to the shaft and thus stimulate it.
  • shock excitation of the shaft can be achieved via the rotational movement of the spindle.
  • the actuator is arranged on the shaft.
  • the designation on the shaft is to be understood in particular as “in” the shaft or in the axial extension of the shaft.
  • the actuator is arranged, in particular directly, on or in the shaft in such a way that it can deliver a defined shock excitation to the shaft, in particular through appropriate acceleration or actuation.
  • the excitation device having the actuator can be temporarily connected to the shaft, for example by means of a device such as a tool changer, in particular the cutting machine itself.
  • the tool changing mechanism can receive the excitation device, for example from a tool magazine, and connect it to the shaft, in particular at a predetermined time, so that the actuator can deliver an impulse to the shaft.
  • an acceleration profile of the spindle or the cutting machine can be used to move the actuator to the shaft by means of centrifugal forces in order to exert a pulse-like impact or shock.
  • the actuator in particular energetically charged, is arranged in a recess arranged or formed on the shaft.
  • the recess is arranged or designed on or in the shaft so that the actuator can be placed in it.
  • the actuator is designed and arranged to apply a shock to a wall of the recess and thus generate the shock excitation.
  • the actuator is supported on an inner wall of the recess.
  • centrifugal forces move the actuator so that it hits a wall of the recess formed in or on the shaft.
  • a shock excitation of the shaft can occur within the recess, which is based on a rotation or an acceleration profile of the shaft.
  • a method for monitoring a dynamic stiffness of a cutting machine with a rotatable shaft is proposed.
  • the cutting machine is designed according to one or more features of the cutting machine described above.
  • the method has the steps of rotating the shaft, applying a, in particular predetermined, shock excitation to the rotating shaft in order to generate a response vibration of the shaft, detecting the response vibration of the shaft and determining a transfer function between the Shock excitation and the response vibration in order to monitor the dynamic rigidity of the cutting machine.
  • vibration excitation occurs during rotation of the shaft. Based on this, the vibration behavior of the rotating shaft can be recorded and/or analyzed in order to monitor the required dynamic rigidity of the cutting machine.
  • the method has a further step of comparing at least two transfer functions, particularly determined at a time interval, in order to evaluate a possible change in the dynamic rigidity of the cutting machine. Based on the transfer functions or the wave frequency responses, continuous condition monitoring or monitoring of the dynamic rigidity of the cutting machine can be carried out. If the shaft shows a change in the natural frequencies and amplitudes of the response vibration in connection with the service life, a conclusion can be drawn about a, in particular changed, dynamic stiffness. Using physical models of a manufacturing or machining process, limit values can be defined beyond which workpiece machining or manufacturing can no longer be carried out with sufficient precision. This can create a basis for a monitoring system, for example to predict demand-oriented machine inspections.
  • FIG. 1a to 1c each show a schematic representation of a first exemplary excitation device according to the invention of a cutting machine
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second exemplary excitation device according to the invention of a cutting machine
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flowchart of an exemplary method according to the invention for monitoring a dynamic rigidity of a cutting machine with a rotatable shaft.
  • Fig. 1 shows a section of an exemplary embodiment of a cutting machine 10 with at least one rotatable shaft 11 in the area of a tool holder 12 of the cutting machine 10.
  • the cutting machine here has an excitation device 13 of a first embodiment connected to the shaft 11, in which an actuator 14 outside the Shaft 11 is arranged.
  • the cutting machine 10 has the excitation device 13, which is set up to apply a shock excitation a to the rotating shaft 11 in order to generate a response vibration y of the shaft 11.
  • the excitation device 13 has the actuator 14, which is arranged with energy at a free end of a secondary shaft 15.
  • the secondary shaft 15 is arranged on the tool holder 12 of the cutting machine 10 so that it can rotate in the opposite direction to the shaft 12 (illustrated by the arrows in Fig. la).
  • the actuator 14 has a ball 16 at its free end, which applies the shock excitation a to the shaft 12.
  • the actuator 14 is energetically loaded on the secondary shaft 15 by means of a spring 17 and is set up to interact with a cam disk 18 arranged on the shaft 11 in order to carry out a reciprocal linear movement relative to the shaft 11.
  • a shock excitation a is applied to the rotating shaft 12.
  • the Cam disk 18 has a step 19, the operation of which is described in more detail below in connection with FIGS. 1b and 1c.
  • FIG. 1a shows schematically a control device 20 of the cutting machine 10.
  • This control device 20 is set up to actuate the excitation device 13 connected to the shaft 11.
  • the control device 20 has a detection device 21, which is set up to detect the response vibration y, and an evaluation device 22, which is set up to determine a transfer function or a frequency response between shock excitation a and response vibration y.
  • a deviation of the frequency responses in their natural frequencies and / or amplitudes can, for example, be determined or represented in order to draw conclusions about the dynamic rigidity of the spindle or shaft 11 and / or the cutting machine.
  • Fig. 1b shows a schematic representation of the cutting machine 10 from Fig. la with the first exemplary excitation device 13 in a top view.
  • the shaft 11 is shown on which the cam 18 is arranged, on the circumferential profile of which the actuator 14 with the ball 16 can be moved.
  • the actuator 14 of the excitation device 13 is arranged on the secondary shaft 15 and, due to the energetic loading, presses the actuator 14 against the cam disk 18 perpendicular to the axis of rotation D of the shaft 11.
  • FIG. 1c shows a schematic representation of the first exemplary excitation device 13 from FIG a relative movement of the actuator 14 and cam disk 18 is moved beyond the step 19 and jumps in the direction of the shaft 11 due to the energetic loading by the spring 17, whereby the shock excitation a or an impulse is applied to the shaft 11.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of an excitation device 13 for a cutting machine 10.
  • the excitation device 13 connected to the shaft 11 has an actuator 14, which is arranged in the shaft 11 and rotates with it.
  • the shaft 11 has a recess 23 on its free end face or on an adapter device of the excitation device 13 arranged thereon, in which the actuator 14 is displaceably arranged.
  • the actuator 14 of the excitation device 13 is supported with energy on a first wall 24 of the recess by means of a spring 17.
  • centrifugal forces can move the actuator 14 so that it can hit with its ball 16 on a second wall 25 of the recess 23 in or on the shaft 11, in particular opposite the spring 17, in order to produce a shock excitation a on the Wave 11 to give a response vibration y of wave 11.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flow chart of the method 100 according to the invention for monitoring a dynamic rigidity of a cutting machine 10 with a rotatable shaft 11.
  • a first step a the shaft 11 or spindle of the cutting machine 10 is rotated or driven. This can be done, for example, as part of a normal manufacturing operation or as part of a test mode, in particular activated cyclically or as needed, which is activated to stimulate the shaft to vibrate.
  • a shock excitation a is applied to the rotating shaft 11, in particular by means of an excitation device 13, in order to generate a response vibration y of the shaft 11.
  • the excitation device 13 is arranged automatically via a tool holder 12 of the cutting machine 10 or on a groove 23 provided in the shaft 11.
  • the response vibration y of the shaft 11 is detected, in particular by means of a detection device 21. Capturing can be done, for example, using this provided vibration sensors and / or by means of a CNC control circuit of the cutting machine 10. In the latter case, monitoring of a dynamic rigidity of the shaft 11 is made possible in particular without the need for additional sensors on the cutting machine.
  • a transfer function between the shock excitation a and the response vibration y is determined, in particular by means of an evaluation device 22, in order to monitor a dynamic rigidity of the cutting machine 10. In this way, a mathematical relationship between shock excitation and response vibration can be determined, which enables a statement to be made about the rigidity of the shaft 11.
  • step e at least two transfer functions determined in this way, particularly at a time interval, can be compared, in particular by means of the evaluation device 22, in order to evaluate or analyze a possible change in the dynamic rigidity of the cutting machine 10.
  • transfer functions that were recorded or determined at different times can be used to make it possible to draw conclusions about a change in the dynamic stiffness of the spindle or shaft and/or the cutting machine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerspanungsmaschine (10) mit wenigstens einer rotierbaren Welle (11), aufweisend eine Anregungseinrichtung (13) mit einem Aktuator (14), der eingerichtet ist, eine Stoßanregung (a) auf die rotierende Welle (11) aufzubringen sowie eine Erfassungseinrichtung (21), eine Auswertungseinrichtung (22) und eine Steuereinrichtung (20). Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Welle (11) rotiert und einer Stoßanregung (α) auf die rotierenden Welle (11) aufgebracht, um eine Antwortschwingung (γ) der Welle (11) zu erzeugen.

Description

Zers panungs mas chine und Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit e ine r Ze rs panungs mas chine
Die Erfindung betrifft eine Zerspanungsmaschine mit wenigstens einer rotierbaren Welle und einer Anregungseinrichtung zum Aufbringen eine Stoßanregung auf die Welle, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen sowie ein Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine.
Die Überwachung eines Maschinenzustandes von Fertigungsmaschinen, insbesondere von Fertigungsmaschinen, welche wenigstens eine rotierende Welle zum Bereitstellen eines Zerspanungsvorgangs aufweisen, wie insbesondere Fräs- und/oder Drehmaschinen oder sogenannte Bearbeitungszentren, wird konventionell in Form von regelmäßigen Inspektionen und Wartungen durchgeführt. Modernere Maschinen bieten oft zusätzliche Softwaremodule zur Zustandskontrolle an. Dabei werden basierend auf der statischen Steifigkeit der Maschine oder deren Komponenten vorbestimmte Testzyklen durchlaufen, um hierdurch erreichbare Positioniergenauigkeiten zu prüfen.
Um eine möglichst präzise Fertigung sicherzustellen, ist eine Bewertung einer dynamischen Steifigkeit von Maschinen wünschenswert, da die dynamische Steifigkeit einer Bearbeitungsmaschine eine Grundlage für einen stabilen und störungsfreien Herstellprozess darstellt. Solche dynamischen Steifigkeiten lassen sich im Rahmen einer Modalanalyse manuell messen. Hierzu muss die Maschine angehalten werden und eine Schwingungsanregung mittels eines Modalhammers aufgebracht werden. Ein zusätzlich angebrachter Schwingungssensor erfasst die Reaktion der Maschine. Aus diesen Daten lässt sich eine sogenannte Spindelübertragungsfrequenz berechnen. Im Sinne einer kontinuierlichen Maschinenüberwachung wäre es wünschenswert solche Messungen in zeitlich kurzer Staffelung zu wiederholen, um einen Veränderungstrend der Maschinen infolge von Alterung und Verschleiß festzustellen.
Bekannte halbautomatische Messsysteme müssen manuell an der Maschine aufgebaut und eingestellt werden. Außerdem wird ein zusätzlicher Sensor (Schwingungssensor) benötigt, um die Antwort der Anregung zu erfassen. Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Zerspanungsmaschine vorzuschlagen, bei welcher eine Überwachung einer dynamischen Steifigkeit verbessert ist. Ferner soll ein verbessertes Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Zerspanungsmaschine mit wenigstens einer rotierbaren Welle vorgeschlagen, wobei die Zerspanungsmaschine eine mit der rotierbaren Welle verbindbare Anregungseinrichtung mit einem Aktuator aufweist, der eingerichtet ist, eine Stoßanregung auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen. Ferner weist die Zerspanungsmaschine eine Erfassungseinrichtung auf, die zum Erfassen der Antwortschwingung eingerichtet ist und eine Auswertungseinrichtung, die eingerichtet ist, eine Übertragungsfunktion zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung zu bestimmen.
Die Welle kann dabei beispielsweise die Hauptspindel oder eine Werkzeugspindel der Zerspanungsmaschine darstellen. Auf Basis der Übertragungsfunktion, welche eine Schwingungsübertragung der Welle charakterisiert, kann eine Analyse bzw. Bewertung einer dynamischen Steifigkeit der Welle insbesondere in Zusammenhang mit deren Antriebs- und Lagereinrichtungen oder der Zerspanungsmaschine als solcher vorgenommen werden. Da die dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine die Grundlage für einen stabilen und präzisen Zerspanungsprozess darstellt, kann die Herstellung und eine Qualität der hergestellten Werkstücke überwacht und somit auch eine stabile und störungsfreie Herstellung unterstützt werden. Ein direkter Abgleich mit einer dynamischen Auslegung von Fertigungsprozessen, insbesondere von Fräs- und Drehprozessen, kann mithilfe der vorgeschlagenen Zerspanungsmaschine ermöglicht werden.
Eine Zerspanungsmaschine ist insbesondere eine Fertigungs- bzw. Bearbeitungsmaschine, die eingerichtet ist, mechanisch mittels einer oder mehrerer Schneiden mit bestimmter oder unbestimmter Schneidengeometrie Material von einem Werkstück abzutrennen. Beispielsweise kann eine Zerspanungsmaschine eine Fräsmaschine, eine Fräs -Drehmaschine oder eine Maschine, insbesondere auch ein Bearbeitungszentrum, das zum Fräsen, Drehen, Bohren und/oder Schleifen eingerichtet ist, sein. Eine solche Zerspanungsmaschine weist wenigstens eine rotierbare Welle (Hauptwelle) bzw. Spindel auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Werkzeug, insbesondere ein Schneidwerkzeug, oder ein Werkstück zu rotieren, um eine Relativbewegung zwischen Schneide(n) und Werkstück herzustellen. Insbesondere kann eine solche Zerspanungsmaschine als CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) ausgebildet sein.
Eine Anregungseinrichtung ist insbesondere eine mechanisch, elektromechanisch oder elektromagnetisch betätigbare Einrichtung, die eingerichtet ist, mittels eines Aktuators einen Impuls bzw. einen Stoß auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Stoßanregung der Welle zu bewirken. Hierzu kann die Anregungseinrichtung bzw. der Aktuator eingerichtet sein, einen einmaligen insbesondere elastischen Stoß auf die Welle aufzubringen, um die Welle in einer vorbestimmten Schwingung zu erregen. Die Anregungseinrichtung ist dauerhaft oder auch nur temporär insbesondere fest mit der rotierbaren Welle der Zerspanungsmaschine verbindbar. Insbesondere ist sie form- und/ oder kraftschlüssig mit der Welle verbindbar oder in bzw. an einer an der Welle ausgebildeten Struktur anordenbar und dabei mit der Welle verbindbar. Eine solche Struktur kann beispielsweise wenigstens einen Vorsprung und oder wenigstens eine Ausnehmung aufweisen.
Der Aktuator der Anregungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens eine beweglich gelagerte Komponente aufweisen bzw. darstellen, die eingerichtet ist, mit der rotierenden Welle in stoßartigen Kontakt zu kommen und/oder gebracht zu werden, um eine Stoßanregung der Welle zu bewirken. Die, insbesondere vorbestimmte Stoßanregung, welche mittels der Anregungseinrichtung auf die rotierende Welle aufbringbar ist, wird insbesondere vorab messtechnisch kalibriert. Dieses kalibrierte Anregungs signal bzw. die Stoßanregung kann einer Auswertungseinrichtung der Zerspanungsmaschine zur Weiterverarbeitung bereit gestellt werden.
Eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens ein Sensor, insbesondere ein Schwingungs- und/oder ein Piezosensor bzw. ein Weg-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsaufnehmer oder eine andere geeignete Erfassungseinrichtung sein, welche eingerichtet ist, die Antwortschwingung zu erfassen. Dabei kann ein Schwingungs signal der Antwortschwingung von einer geeigneten Einrichtung aufgenommen werden. Die Erfassungseinrichtung kann eingerichtet sein, die Antwortschwingung in ein Signal umzusetzen, um dieses zur insbesondere datentechnischen Weiterverarbeitung bereitzustellen. Insbesondere kann die Erfassungseinrichtung CNC-Regelkreise der Zerspanungsmaschine umfassen und/ oder nutzen, um die Antwortschwingung bzw. Antwortschwingungssignale zu erfassen bzw. aufzuzeichnen. Die Antwortschwingung bzw. das Messsignal kann von der Erfassungseinrichtung beispielsweise mithilfe einer Trace -Funktion erfasstund ausgewertet werden, wie beispielsweise der Siemens Scout Engineering Software. Diese Trace-Funktion kann beispielsweise Zeitbereichssignale für die Antwortschwingung der Welle bzw. des Spindelsystems während der Stoßanregung erfassen, messen, aufzeichnen, umwandeln und/ oder zur Weiterverarbeitung durch eine Auswertungseinrichtung bereitstellen.
Die Auswertungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, einen mathematischen Zusammenhang zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung zu bestimmen und/ oder zu analysieren. Insbesondere ist die Auswertungseinrichtung eingerichtet, Zeitbereichssignale für die Stoßanregung und für die Antwortschwingung mathematisch in einen Frequenzbereich zu transformieren, um eine Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung und der Antwortschwingung zu bestimmen. Hierbei ist die Übertragungsfunktion insbesondere eine Frequenzgangfunktion. Eine Frequenzgangfunktion setzt sich aus der Amplitudengang- und Phasengangfunktion zusammen und bildet den Zusammenhang von Stoßanregung und Antwortschwingung hinsichtlich Amplitude und Phase ab. Auf Basis einer solchen Übertragungsfunktion bzw. auf Basis eines Vergleichs mehrerer solcher Übertragungsfunktionen, welche insbesondere in unterschiedlichen Anregungsvorgängen und/ oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst bzw. bestimmt werden, kann beispielsweise eine Abweichung der Frequenzgänge in ihren Eigenfrequenzen und/ oder Amplituden bestimmt bzw. dargestellt werden. Basierend auf den gewonnenen Werten ist ein Rückschluss auf eine dynamische Steifigkeit der Spindel bzw. Welle und/ oder der Zerspanungsmaschine möglich.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, Spindelfrequenzgänge für eine automatisierte Zustandsüberwachung für eine Zerspanungsmaschine zu nutzen, um eine bedarfsorientierte Maschineninspektion zu ermöglichen. Um solche Spindelfrequenzgänge analysieren zu können, wird vorgeschlagen, mittels eines, insbesondere mechanischen, Anregungs systems bzw. einer Anregungsvorrichtung eine geeignete Schwingung auf die rotierende Spindel bzw. Welle aufzubringen, die Strukturantworten zu erfassen und Frequenzgänge zwischen Anregung und Antwort der Spindel zu bestimmen bzw. zu berechnen.
Insbesondere weist die Zerspanungsmaschine eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist, die Anregungseinrichtung zu betätigen und eine Bestimmung und insbesondere Auswertung ermittelter Übertragungsfunktionen auszulösen. Dabei ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, insbesondere zusammenwirkend mit der Erfassungseinrichtung und der Auswertungseinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren insbesondere in vorgegebenen Zeitabständen bezüglich absoluter Zeiträume oder Maschinenlaufzeiten oder nach einer vorbestimmten Zahl von insbesondere gleichen oder ähnlichen Fertigungsvorgängen zu aktivieren und/ oder durchzuführen. Auf diese Weise kann auch ein vollautomatisches System für eine dynamische Steifigkeitsüberwachung bereitgestellt werden.
Der Aktuator der Anregungseinrichtung ist eingerichtet die Stoßanregung bzw. den Impuls auf die rotierende Welle aufzubringen. Der Aktuator ist bzw. bildet eine Komponente der Anregungseinrichtung. Der Aktuator ist insbesondere relativ zur Welle bewegbar gelagert ausgebildet, um eine insbesondere zeitlich begrenzte Impulsübertragung zu ermöglichen. Insbesondere kann der Aktuator verjüngt ausgebildet sein, und/ oder eine kleine, insbesondere punktförmige oder auch ballige bzw. sphärische Fläche für den Kontakt zwischen Aktuator und Welle bereitstellen, um den Impuls bzw. die Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Der Aktuator kann eingerichtet sein, mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/ oder vorbestimmten Beschleunigung in Kontakt mit der Welle zu kommen, um die Stoßanregung bzw. den Impuls auf die rotierende Welle auszuüben. Hierbei kann die Anregungseinrichtung eingerichtet sein, den Aktuator in einem vorbestimmten Winkel, insbesondere radial zur Drehachse der Welle bzw. Spindel, auf eine Umfangsoberfläche der Welle zu bewegen. Hierdurch kann die Wiederholungsgenauigkeit der Erregung der Anregungsschwingung bzw. Stoßanregung erhöht sein.
Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator energetisch beaufschlagt. Mithilfe der beaufschlagten Energie kann der Aktuator eine Stoßanregung insbesondere in Form eines Impuls auf die Welle aufbringen, beispielsweise durch eine reziproke Bewegung relativ zur Welle. Als reziproke Bewegung wird dabei insbesondere eine Bewegung des Aktuators in Richtung auf die Welle zu und eine anschließende, insbesondere gleichförmige, Rückbewegung von der Welle weg, insbesondere zurück in die Ausgangsposition verstanden, um eine weitere, insbesondere versehentliche, Anregung der Welle zu vermeiden.
Energetisch beaufschlagt bedeutet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgespannt, kraft- und insbesondere federkraftbeaufschlagt, und beispielsweise mechanisch, elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch betätigbar. Hierdurch kann eine, insbesondere vorbestimmte, Bewegung des Aktuators hin zu der Welle ausgelöst werden, um einen vordefinierten Stoß auf die Welle auszuüben, wodurch eine vorbestimmte Erregung der Welle erfolgen kann. Als energetisch beaufschlagt kann auch eine elektrische, elektronische oder elektromagnetische Beaufschlagung des Aktuators verstanden werden, mittels welcher dieser einen Impuls auf die Welle aufbringen kann, welcher eine Stoßanregung bewirkt.
Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator außerhalb der Welle anordenbar. Außerhalb der Welle ist dabei als außerhalb der Umfangsfläche der Welle zu verstehen. Hierbei ist der Aktuator insbesondere dazu eingerichtet, einen Stoß auf eine Oberfläche der Welle, insbesondere an einer vorbestimmten Position der Welle, aufzubringen. Hierdurch ist insbesondere ermöglicht, dass das, insbesondere dynamische, Massesystem der Welle nicht durch den Aktuator beeinflusst wird. Zudem ist so eine raum- bzw. bedarfsgerechte Anordnung des Aktuators bzw. der Anregungseinrichtung in bzw. an der Zerspanungsmaschine ermöglicht, wodurch eine dynamische Schwingungsüberwachung flexibel an jeweilige insbesondere strukturelle Betriebsvoraussetzungen anpassbar gestaltet werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator mittels einer Nebenwelle, insbesondere gegenläufig zu der Welle rotierbar. Hierbei kann der Aktuator an einem freien Ende der Nebenwelle angeordnet und eingerichtet sein, insbesondere auf einem linearen Weg und/ oder geführt, eine Bewegung hin zur Welle auszuführen, um einen Impuls bzw. eine Stoßanregung auf die Welle abzugeben. Hierbei ist die Nebenwelle insbesondere parallel zur Welle bzw. Spindel orientiert bzw. angeordnet und kann insbesondere mittels eines Getriebes, insbesondere in einer Richtung entgegen der Drehrichtung der Welle, rotiert werden. Hierdurch kann eine Relativbewegung zwischen der Spindel und der Nebenwelle bzw. dem Aktuator erzeugt werden, um eine Impulsanregung der Welle mittels des Aktuators zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform ist die Anregungseinrichtung an einem Werkzeughalter der Zerspanungsmaschine angeordnet. Bei dieser Ausführungsform kann die Anregungseinrichtung von einer Einrichtung wie einem Werkzeugwechsler insbesondere der Zerspanungsmaschine selbst, insbesondere aufgrund eines Steuersignals einer Steuereinrichtung insbesondere auch automatisiert durch den Werkzeughalter mit der Welle verbindbar ausgebildet sein, um eine Stoßanregung auf die rotierende Welle aufzubringen, um eine Übertragungsfunktion zu bestimmen. Eine beispielhafte an einem Werkzeughalter angeordnete Anregungseinrichtung kann neben einer Nebenwelle mit einem daran angeordneten Aktuator auch ein Getriebe oder ein Teil eines Getriebes aufweisen.
Der Aktuator an der Nebenwelle ist insbesondere energetisch beaufschlagt. Hierbei kann der Aktuator an einem freien Ende der Nebenwelle angeordnet sein und insbesondere vorgespannt, kraft- bzw. federkraftbeaufschlagt gelagert, und/ oder mechanisch, elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch betätigbar ausgebildet sein, um, insbesondere auf einem linearen Weg und/ oder geführt, eine Bewegung zur Welle hin auszuführen, um einen Impuls bzw. eine Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Bei einer anderen Ausführung kann der Aktuator auch elektrisch, elektronisch oder elektromagnetisch beaufschlagt ausgebildet sein.
Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator eingerichtet, mit einer, insbesondere drehfest, an der Welle angeordneten Kurvenscheibe zusammenzuwirken, um eine Stoßanregung auf die Welle aufzubringen. Die Kurvenscheibe weist, insbesondere in Umfangsrichtung, ein Profil auf, welches um die Drehachse der Welle verläuft. Der Aktuator wird bei einer Drehbewegung der Welle bzw. der Kurvenscheibe und/ oder einer Drehbewegung der Nebenwelle um die Welle bzw. die Kurvenscheibe entlang des Profils der Kurvenscheibe geführt. Insbesondere weist eine solche Kurvenscheibe eine radiale Stufe auf, über welche der energetisch beaufschlagte, insbesondere mechanisch vorgespannte Aktuator bewegt wird. Dabei legt der Aktuator einen vorbestimmten Weg insbesondere entsprechend der radialen Höhe der Stufe in Richtung zur Welle zurück, um schließlich auf die Oberfläche der Welle zu treffen, um eine Stoßanregung auf die Welle abgeben diese somit anzuregen. Auf diese Weise kann über die Drehbewegung der Spindel eine Stoßanregung der Welle erzielt werden. Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator an der Welle angeordnet. Dabei ist die Bezeichnung an der Welle insbesondere auch als „in“ der Welle oder auch in axialer Verlängerung der Welle zu verstehen. Hierbei ist der Aktuator derart, insbesondere unmittelbar, an oder in der Welle angeordnet, dass dieser insbesondere durch entsprechende Beschleunigung oder Betätigung eine definierte Stoßanregung auf die Welle abgeben kann. Insbesondere kann die den Aktuator aufweisende Anregungseinrichtung temporär mit der Welle verbunden sein, beispielsweise mittels einer Einrichtung wie einem Werkzeugwechsler insbesondere der Zerspanungsmaschine selbst. Hierbei kann der Werkzeugwechselmechanismus die Anregungseinrichtung beispielsweise aus einem Werkzeugmagazin aufnehmen und, insbesondere zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, mit der Welle verbinden, sodass der Aktuator einen Impuls auf die Welle abgeben kann. Hierdurch kann ein Beschleunigungsprofil der Spindel bzw. der Zerspanungsmaschine genutzt werden, um mittels auftretender Zentrifugalkräfte den Aktuator an die Welle zu bewegen, um einen impulsartigen Schlag bzw. Stoß auszuüben.
Bei einer Ausführungsform ist der Aktuator, insbesondere energetisch beaufschlagt, in einer an der Welle angeordneten bzw. ausgebildeten Ausnehmung angeordnet. Die Ausnehmung so ist an bzw. in der Welle angeordnet bzw. ausgebildet, dass der Aktuator in dieser platziert werden kann. Hierbei ist der Aktuator ausgebildet und angeordnet, um einen Stoß auf eine Wandung der Ausnehmung aufzubringen und so die Stoßanregung zu erzeugen. Beispielsweise ist der Aktuator an einer Innenwand der Ausnehmung abgestützt. Bei einer solchen Ausführungsform bewegen in einer Beschleunigungsphase der Spindel Zentrifugalkräfte den Aktuator so, dass dieser auf eine Wandung der in oder an der Welle ausgebildeten Ausnehmung trifft. Hierdurch kann eine Stoßanregung der Welle innerhalb der Ausnehmung erfolgen, welche auf einer Rotation bzw. einem Beschleunigungsprofil der Welle basiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine mit einer rotierbaren Welle vorgeschlagen. Die Zerspanungsmaschine ist dabei gemäß einem oder mehrerer Merkmale der vorausgehend beschriebenen Zerspanungsmaschine ausgebildet. Das Verfahren weist die Schritte des Rotierens der Welle, des Aufbringens einer, insbesondere vorbestimmten, Stoßanregung auf die rotierende Welle, um eine Antwortschwingung der Welle zu erzeugen, des Erfassens der Antwortschwingung der Welle und des Bestimmens einer Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung und der Antwortschwingung, um eine dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine zu überwachen, auf.
Bei der Anwendung des Verfahrens erfolgt eine Schwingungsanregung während einer Rotation der Welle. Hierauf basierend kann ein Schwingungsverhalten der rotierenden Welle erfasst und/ oder analysiert werden, um eine geforderte dynamische Steifigkeit der Zerspanungs- maschine zu überwachen.
Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren einen weiteren Schritt des Vergleichens wenigstens zweier insbesondere in zeitlichem Abstand bestimmter Übertragungsfunktionen auf, um eine mögliche Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine zu bewerten. Anhand der Übertragungsfunktionen bzw. der Wellenfrequenzgänge kann eine fortlaufende Zustandsüberwachung bzw. ein Monitoring der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine durchgeführt werden. Weist die Welle im Zusammenhang mit der Nutzungsdauer eine Veränderung bezüglich der Eigenfrequenzen und Amplituden der Antwortschwingung auf, kann daraus ein Rückschluss auf eine, insbesondere veränderte, dynamische Steifigkeit hergestellt werden. Anhand physikalischer Modelle eines Fertigungs- bzw. Zerspanungsprozesses können Grenzwerte definiert werden, ab welchen eine Werkstückbearbeitung bzw. Fertigung nicht mehr ausreichend präzise ausgeführt werden kann. Somit kann eine Grundlage für ein Monitoringsystem beispielsweise zur Vorhersage von bedarfsorientierten Maschineninspektionen geschaffen werden.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/ oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt
Fig. la bis 1c jeweils eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften erfindungsgemäßen Anregungseinrichtung einer Zerspanungsmaschine;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften erfindungsgemäßen Anregungseinrichtung einer Zerspanungsmaschine; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine mit einer rotierbaren Welle.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Zerspanungsmaschine 10 mit wenigstens einer rotierbaren Welle 11 im Bereich eines Werkzeughalters 12 der Zerspanungsmaschine 10. Die Zerspanungsmaschine weist hier eine mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 einer ersten Ausführungsform auf, bei welcher ein Aktuator 14 außerhalb der Welle 11 angeordnet ist.
Die Zerspanungsmaschine 10 weist die Anregungseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist, eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 11 aufzubringen, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen. Die Anregungseinrichtung 13 weist den Aktuator 14 auf, der energetisch beaufschlagt an einem freien Ende einer Nebenwelle 15 angeordnet ist. Die Nebenwelle 15 ist gegenläufig zu der Welle 12 rotierbar (illustriert mittels der Pfeile in Fig. la) an dem Werkzeughalter 12 der Zerspanungsmaschine 10 angeordnet. Hierbei weist der Aktuator 14 an seinem freien Ende eine Kugel 16 auf, welche die Stoßanregung a auf die Welle 12 aufbringt.
Der Aktuator 14 ist mittels einer Feder 17 energetisch beaufschlagt an der Nebenwelle 15 gelagert und eingerichtet, mit einer an der Welle 11 angeordneten Kurvenscheibe 18 zusammenzuwirken, um eine reziproke Linearbewegung relativ zur Welle 11 durchzuführen. Dabei wird eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 12 aufgebracht. Hierzu weist die Kurvenscheibe 18 eine Stufe 19 auf, deren Wirkungsweise nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 1b und 1c näher beschrieben wird.
Fig. la zeigt schematisch eine Steuerungseinrichtung 20 der Zerspanungsmaschine 10. Diese Steuerungseinrichtung 20 ist eingerichtet, die mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 zu betätigen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Steuerungseinrichtung 20 eine Erfassungseinrichtung 21 auf, die zum Erfassen der Antwortschwingung y eingerichtet ist und eine Auswertungseinrichtung 22, die eingerichtet ist, eine Übertragungsfunktion bzw. einen Frequenzgang zwischen Stoßanregung a und Antwortschwingung y zu bestimmen.
Auf Basis dieser Übertragungsfunktion, bzw. auf Basis eines Vergleichs mehrerer solcher Übertragungsfunktionen, kann beispielsweise eine Abweichung der Frequenzgänge in ihren Eigenfrequenzen und/ oder Amplituden bestimmt bzw. dargestellt werden, um darauf basierend einen Rückschluss auf eine dynamische Steifigkeit der Spindel bzw. Welle 11 und/ oder der Zerspanungsmaschine zu ermöglichen.
Fig. 1b zeigt eine schematische Darstellung der Zerspanungsmaschine 10 aus Fig. la mit der ersten beispielhaften Anregungseinrichtung 13 in einer Draufsicht. Dargestellt ist die Welle 11 an welcher die Kurvenscheibe 18 angeordnet ist, an deren Umfangs profil der Aktuator 14 mit der Kugel 16 bewegbar ist. Hierzu ist der Aktuator 14 der Anregungseinrichtung 13 an der Nebenwelle 15 angeordnet und drückt aufgrund der energetischen Beaufschlagung den Aktuator 14 senkrecht zur Drehachse D der Welle 11 gegen die Kurvenscheibe 18.
Fig. 1c zeigt eine schematische Darstellung der ersten beispielhaften Anregungseinrichtung 13 aus Fig. la und Fig. 1b in einer Achsansicht senkrecht zur Drehachse D der Welle 11. Die Kurvenscheibe 18 weist die Stufe 19 auf, die derart ausgebildet ist, dass der Aktuator 14 bei einer Relativbewegung von Aktuator 14 und Kurvenscheibe 18 über die Stufe 19 hinaus bewegt wird und aufgrund der energetischen Beaufschlagung durch die Feder 17 in Richtung der Welle 11 springt, wodurch die Stoßanregung a bzw. ein Impuls auf die Welle 11 aufgebracht wird. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anregungseinrichtung 13 für eine Zerspanungsmaschine 10. Die mit der Welle 11 verbundene Anregungseinrichtung 13 weist einen Aktuator 14 auf, in der Welle 11 angeordnet ist und mit dieser rotiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Welle 11 an ihrer freien Stirnseite oder einer daran angeordneten Adaptereinrichtung der Anregungseinrichtung 13 eine Ausnehmung 23 auf, in welcher der Aktuator 14 verlagerbar angeordnet ist. Der Aktuator 14 der Anregungseinrichtung 13 ist mittels einer Feder 17 energetisch beaufschlagt an einer ersten Wandung 24 der Ausnehmung abgestützt. In einer Beschleunigungsphase der Welle 11 können Zentrifugalkräfte den Aktuator 14 bewegen, sodass dieser mit seiner Kugel 16 auf eine, insbesondere der Feder 17 gegenüberliegende, zweite Wandung 25 der Ausnehmung 23 in bzw. an der Welle 11 treffen kann, um eine Stoßanregung a auf die Welle 11 zu geben, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine 10 mit einer rotierbaren Welle 11.
In einem ersten Schritt a wird die Welle 11 bzw. Spindel der Zerspanungsmaschine 10 rotiert bzw. angetrieben. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines normalen Fertigungsbetriebs oder im Rahmen eines, insbesondere zyklisch oder bedarfsmäßig aktivierten Testmodus, welcher zur Durchführung einer Schwingungsanregung der Welle aktiviert wird, erfolgen.
In einem weiteren Schritt b wird, insbesondere mittels einer Anregungseinrichtung 13 eine Stoßanregung a auf die rotierende Welle 11 aufgebracht, um eine Antwortschwingung y der Welle 11 zu erzeugen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Anregungseinrichtung 13 automatisiert über einen Werkzeughalter 12 der Zerspanungsmaschine 10 oder an einer in der Welle 11 vorgesehenen Nut 23 angeordnet wird.
In einem weiteren Schritt c wird die Antwortschwingung y der Welle 11, insbesondere mittels einer Erfassungseinrichtung 21 erfasst. Das Erfassen kann beispielsweise mittels hierfür vorgesehenen Schwingungsaufnehmern und/oder mittels eines CNC-Regelkreises der Zerspanungsmaschine 10 erfolgen. Im letzteren Fall ist insbesondere eine Überwachung einer dynamischen Steifigkeit der Welle 11 ermöglicht, ohne dass zusätzliche Sensoren an der Zerspanungsmaschine erforderlich sind.
In einem weiteren Schritt d wird, insbesondere mittels einer Auswertungseinrichtung 22, eine Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung a und der Antwortschwingung y bestimmt, um eine dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine 10 zu überwachen. Hierdurch kann ein mathematischer Zusammenhang zwischen Stoßanregung und Antwortschwingung bestimmt werden, weicher eine Aussage über eine Steifigkeit der Welle 11 ermöglicht.
In einem optionalen Schritt e können wenigstens zwei auf diese Weise insbesondere in zeitlichem Abstand bestimmte Übertragungsfunktionen, insbesondere mittels der Auswertungs- einrichtung 22, verglichen werden, um eine mögliche Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine 10 zu bewerten bzw. zu analysieren. So können beispielsweise Übertragungsfunktionen, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst bzw. bestimmt wurden, genutzt werden, um darauf basierend einen Rückschluss auf eine Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Spindel bzw. Welle und/ oder der Zerspanungsmaschine zu ermöglichen.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Zerspanungsmaschine
11 Welle bzw. Hauptspindel
12 Werkzeughalter
13 Anregungseinrichtung
14 Aktuator
15 Nebenwelle
16 Kugel
17 Feder
18 Kurvenscheibe
19 Stufe
20 Steuerungseinrichtung
21 Erfassungseinrichtung
22 Auswertungseinrichtung
23 Ausnehmung
24, 25 Wandung der Ausnehmung
D Drehachse der Welle a Stoßanregung
Y Antwortschwingung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Zerspanungsmaschine (10) mit wenigstens einer rotierbaren Welle (11), aufweisend: eine mit der rotierbaren Welle (11) verbindbare Anregungseinrichtung (13) mit einem Aktuator (14), der eingerichtet ist, eine Stoßanregung (a) auf die rotierende Welle (11) aufzubringen, um eine Antwortschwingung (y) der Welle (11) zu erzeugen; eine Erfassungseinrichtung (21), eingerichtet zum Erfassen der Antwortschwingung (y); und eine Auswertungseinrichtung (22), eingerichtet um eine Übertragungsfunktion zwischen Stoßanregung (a) und Antwortschwingung (y) zu bestimmen.
2. Zerspanungsmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (14) energetisch beaufschlagt ist.
3. Zerspanungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (14) außerhalb der Welle (11) anordenbar ist.
4. Zerspanungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (14) mittels einer Nebenwelle (15), insbesondere gegenläufig zu der Welle (11) rotierbar ist.
5. Zerspanungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregungseinrichtung (13) an einem Werkzeughalter (12) der Zerspanungsmaschine (10) angeordnet ist.
6. Zerspanungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (14) eingerichtet ist, mit einer an der Welle (10) angeordneten Kurvenscheibe (18) zusammenzuwirken, um die Stoßanregung (a) auf die Welle (11) aufzubringen. Zerspanungsmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (14) an der Welle (11) angeordnet ist. Zerspanungsmaschine (10) nach Anspruch 7, wobei der Aktuator (14) in einer an der Welle (11) angeordneten bzw. ausgebildeten Ausnehmung (23) angeordnet ist. Verfahren (100) zum Überwachen einer dynamischen Steifigkeit einer Zerspanungsmaschine (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer rotierbaren Welle (11), aufweisend die folgenden Schritte: a) Rotieren der Welle (11); b) Aufbringen einer Stoßanregung (a) auf die rotierende Welle (11), um eine Antwortschwingung (y) der Welle (11) zu erzeugen; c) Erfassen der Antwortschwingung (y) der Welle (11); d) Bestimmen einer Übertragungsfunktion zwischen der Stoßanregung (a) und der Antwortschwingung (y), um eine dynamische Steifigkeit der Zerspanungsmaschine (10) zu überwachen. Verfahren (100) nach Anspruch 9, aufweisend den weiteren Schritt: e) Vergleichen wenigstens zweier insbesondere in zeitlichem Abstand bestimmter Übertragungsfunktionen, um eine mögliche Veränderung der dynamischen Steifigkeit der Zerspanungsmaschine (10) zu bewerten.
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