Aktive Lagerung bezeichnet die beeinflußbare Lagerung einer Welle bzw. Spindel oder Achse durch steuerbare Aktuatoren. Zum Beispiel kann man eine Spindel einer Werkzeugmaschine in Magnetlagern berührungsfrei lagern, die durch Elektromagnete gebildet werden. Im Falle einer Fräsmaschine trägt die Spindel ein Werl<zeug, und im Falle einer Drehmaschine trägt die Spindel ein Werkstück. Der Strom durch die Elel<tromagnete wird so geregelt, dass die Spindel in einer Soll-Lage gehalten wird.

Dazu wird die Lage der Spindel durch mindestens einen Sensor abgefühlt, und die Sensorsignale, die die Ist-Werte der Lage der Spindel darstellen, werden einer Lageregelschaltung zugeführt, die den Strom durch die Elel<tromagnete so einstellt, dass die Spindel immer bzw. immer wieder ihre Soll-Lage einnimmt.

Auch die beste Regelung kann nicht verhindern, dass die berührungsfrei gelagerte Spindel ein wenig von der Soll-Lage abweicht, wenn sich die Kraft auf die Spindel im Betrieb ändert. Insbesondere beim Fräsen ändert sich die Zerspanl<raft ständig, da der Spanungsquerschnitt nicht konstant ist. Auch beim Eintreten einer Fräserschneide in das zu bearbeitende Material bzw. bei deren Austreten ändert sich die Zerspanl<raft.

Beim Drehen kann sich die Zerspanl<raft auf Grund variabler Bearbeitungsaufmaße im Betrieb ändern. Dies ergibt MaB-, Lage und Formabweichungen am bearbeiteten Werkstück, Je kleiner diese sein sollen, desto kleiner muB man den maximalen Spanungsquerschnitt wählen. Weiterhin sind dynamische Effekte zu beachten, die sich in Form von Schwingungen auf das Maß, die Form, die Lage und die Oberfläche des Werkstückes auswirken können. Aus diesen Gründen wird die maximale Produktivität der Werl<zeugmaschine, das maximale Zeitspanvolumen, selten erreicht.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im Prinzip für alle Arten von Wellen bzw.

Spindeln sowie Achsen mit aktiver Lagerung, die wechselnden Kräften ausgesetzt sind.

Die Anwendung des Verfahrens setzt allerdings voraus, dass die auftretenden Kräfte im Voraus berechnet werden können. Dies ist leicht durch elel<tronische Datenverarbeitung möglich, wenn alle benötigten Daten vorher bekannt sind bzw. während des Betriebs mit zeitlichem Vorhalt durch Sensoren gewonnen werden können. Dies ist zum Beispiel bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine möglich. Aus den gespeicherten numerischen Daten der durchzuführenden Verfahrbewegungen des Werkzeuges oder des Werkstückes und den ebenfalls bekannten Daten der Geometrie der Ausgangs-bzw. Vorbearbeitungskontur kann man die während der Bearbeitung auftretende Zerspanl<raft vorberechnen und die Lage der Spindel vorausschauend korrigieren. Bei einer Magnetlagerung geschieht dies dadurch, dass man zeitgleich zu der Belastung eine gegengerichtete Kraft über eine Änderung

des Magnetfeldes aufbaut, die die Abdrängung zwischen Werl<zeug und Werkstück bei der gegebenen Belastung durch entsprechende Änderung der Lage der Spindel ausgleicht.

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

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

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

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

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

Dynamischen Effel<ten, die z. B. bei der spanenden Bearbeitung auf die Werl<stücl<oberfläche wirkten, insbesondere Schwingungen, wird entgegengewirl<t. Die Unterdrückung von Schwingungen erhöht die Oberflächenqualität.

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

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

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. Darin zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer al<tiven Spindellagerung als Magnetlagerung mit Belastungskorrel<tur bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, Fig. 2 ein Blocl<diagramm zur näheren Erläuterung der Berechnungs-und Regelvorgänge bei der Werkzeugmaschine von Fig. 1 und Figuren 3a bis 3c Sl<izzen zur Erläuterung eines Beispiels, wie man variable Eingriffsverhältnisse eines Fräsers ermittelt, um sie bei der Berechnung von Korrekturwerten für die Steligrößen der al<tiven Spindellagerung zu berücksichtigen.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Rotor 1, der auf einer nicht gezeigten Spindel befestigt ist. Die Achse des Rotors 1 bzw. der Spindel verläuft senkrecht zur Ebene der Figur, d. h. parallel zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, von dem in Fig. 1 die x- und y-Achsen eingezeichnet sind. Oben am Umfang des Rotors 1 befindet sich ein stationärer Elektromagnet 2, der den Rotor 1 nach oben zieht, wenn den Wicl<lungen des Elel<tromagneten 2 Strom zugeführt wird. Die Lage des Rotors 1 oder der Spindel in x-Richtung wird mittels eines Sensors 3 erfasst, und die Signale des Sensors 3 werden einer Lageregelschaltung 4 als Ist-Werte zugeführt. Die Lageregelschaltung 4 regelt den Erregerstrom für den Elel<tromagneten 2 auf Basis der Ist-Werte, um den Rotor 1 bzw.

die Spindel berührungsfrei in der eingezeichneten Soll-Lage zu halten. Diese Anordnung, in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie 5 umrissen, ist als al<tive Spindellagerung bekannt.

Der Übersichtlichkeit halber zeigt die schematische Darstellung von Fig. 1 nur die Lageregelung in x-Richtung. In y-Richtung und in z-Richtung sowie in den Ebenen XZ und YZ kann ebenfalls eine Lageregelung stattfinden.

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

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

Die Berechnungseinrichtung 6 ist mit einem Sensor 7 verbunden, der in einer bestimmten Winl (eistellung des Rotors 1 bzw. der Spindel ein Signal liefert. Das Sensorsignal liefert in Verbindung mit der bel<annten Spindeldrehzahl und der

bel<annten Fräsergeometrie den Winl<el (p, den jede Schneide des Fräsers in jedem Zeitpunkt z. B. zur y-Achse einnimmt. Alternativ I<ann die Winl<elstellung der Spindel, die ein Maß für die Position der Schneide (n) darstellt, inl<remental erfasst werden, zum Beispiel mittels einer Taktscheibe, die der Sensor 7 abtastet.

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

Die Berechnungseinrichtung 6 umfasst ein Berechnungsprogramm 8, das NC-Daten und Geometriedaten empfängt, die in der Datenverarbeitungseinrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gespeichert sind. Die NC-Daten umfassen die Ortsl<oordinaten und Verfahrbewegungen des Werl<zeuges, nach DIN 66025 in einem kartesischen Koordinatensystem der Maschine beschrieben, die Drehzahl und den Vorschub pro Zahn oder Fräserumdrehung. Die Geometriedaten sind die CAD-Daten des Werkstückes (Maß, Lage, Form, Werl<stoffl<ennwerte) und des Werkzeuges (Durchmesser, Länge, Schneidenhöhe, Anzahl der Schneiden, Drallwinl<el, Spanwinl<el, Schneidecl<enradius, z. B. nach DIN 6580). Die CAD-Daten des Werkstückes sind beispielsweise aus einem Vorbearbeitungsprozess wie z. B. Schruppfräsen bel<annt.

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

Aus den Spannungsquerschnitten bzw. den daraus resultierenden Zerspankräften werden nach einem Algorithmus 9, der in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist, die Korrekturwerte berechnet, die der Lageregelschaltung 4 zuzuführen

sind, um Verlagerungen zwischen Werl<zeug und Werkstück entgegenzuwirken. Bei der Berechnung der Korrekturwerte wird auch die örtliche und zeitliche Winl<elstellung der Drehachse der Spindel berücl<sichtigt, die mit Hilfe des Sensors 7 ermittelt wird.

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

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

Beispiele für mögliche Vorgehensweisen werden im Folgenden angegeben.

In einem Geometriemodell werden ausgehend von den technologischen Parametern und der Werkzeuggeometrie die Eingriffsverhältnisse orts-und zeitdiskret abgebildet.

Dazu werden die Bahnl<urven der Werl<zeugschneide unter Berücksichtigung der Überlagerung der Rotation des Fräsers mit der Translation als Zyl<loide modelliert, die in Winl<elinl<rementen disl<retisiert sind. Unter Berücksichtigung des Spanwinl<els werden die Schnittpunl<te der Werl<zeugschneidenebene mit der Tangentenebene der Bahnl<urve ermittelt. Die Eingriffsbedingungen werden durch schichtweises Unterteilen des zeit-und ortsabhängigen Spanungsquerschnittes in z-Richtung disl<retisiert. Der Drallwinl<el wird durch Schrägstellen der Segmente berücksichtigt.

Teilspanungsflächen, Flächen gleicher Normalenvel<toren, werden in Dreiecksfiächen zerlegt. Die Dreiecl<sflächen werden berechnet und in die Ebenen projiziert, die senkrecht zu den Richtungen der Zerspanl<raftl<omponenten stehen.

Das Geometriemodell liefert drehwinl<elabhängige, richtungsorientierte Flächensegmente, die in einem I<raftmodell verwendet werden, um die richtungsabhängigen Einzell<raftl<omponenten drehwinl<elabhängig unter Nutzung spezifischer Werl<stoffl<ennwerte z. B. nach I<IENZLE zu berechnen. Durch Integration der Einzell<raftl<omponenten erhält man die Zerspanl<raftl<omponenten in den Maschinenl<oordinaten (x-, y-und z-Richtung). Werl<zeugbezogen ergeben sich die Tangential-bzw. Schnittl<raftl<omponente sowie die Schnittnormaikraft-Komponente, denen durch entsprechende Vorsteuerung an der Spindellagerung entgegenzuwirken ist.

Figuren 3a bis 3c zeigen ein Beispiel, wie man geometrisch die Eingriffstiefe eines Stirnfräsers 10 in Abhängigkeit vom Drehwinl<el ermittelt, wenn in ein Werkstück 11 mit asymmetrischem Querschnitt eine Längsnut zu fräsen ist, die mit gepfeilten Linien 12 angedeutet ist. Die Eingriffsverhältnisse in Abhängigkeit vom Eingriffswinkel sind in Fig.

3b grafisch dargestellt. Daraus erhält man die in Fig. 3c gezeigte Tabelle der I<onturlinie A für die obere Werkstückkontur und der I<onturlinie B für die untere Werkstückkontur in Abhängigkeit vom Drehwinl<el. Das Höhenliniendiagramm von Fig. 3b bzw. die I<onturlinientabelle von Fig. 3c ermöglicht es im I<raftmodell, den Algorithmus 9 festzulegen, zum Beispiel als Tabellen oder als Datenbank, aus denen bzw. der sich die Korrekturwerte ergeben, die der Lageregelschaltung 4 im Betrieb der Fräsmaschine mit entsprechenden zeitlichen Vorhalt zugeführt werden.

Wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, I<ann man prozessbedingte, sowohl statisch als auch dynamisch wirkende Abweichungen bei al<tiv gelagerten Wellen bzw. Spindeln sowie Achsen, insbesondere magnetgelagerten Spindeln z. B. in spanenden Werkzeugmaschinen, reduzieren, indem man für eine vorausschauende Lageregelung zur Ansteuerung der aktiven Lager unter Nutzung vorberechneter statischer und dynamischer Spindelbelastungen sorgt. Basierend auf NC-Daten und den Geometriedaten der Ausgangs-bzw. Vorbearbeitungsl<ontur werden über die Zerspanl<raft, bzw. deren Komponenten und/oder den Spanungsquerschnitt Korrekturwerte a) s Vorhattemaß gewonnen, um der aus der Zerspanl<raft resultierenden Spindelverlagerung entgegenzuwirl<en. Die Korrekturwerte werden online und/oder offline für die spanende Bearbeitung berechnet und mit entsprechendem zeitlichen Vorhalt als Eingangsgröße für die Lagerregelschaltung der al<tiven Spindellagerung verwendet.