DE10047917A1 - Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine - Google Patents

Abstract

Getriebeloser integrierter Spindelantrieb zum Antrieb und zur Positionierung einer Hauptspindel mit zwei angetriebenen Schwenkachsen, die direkt über jeweils zugeordnete hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren, insbesondere durch Torque-Motoren, antreibbar sind und wobei der jeweilige permanentmagneterregte Läufer in die jeweilige Schwenkachse integriert ist. Dies geschieht durch Aufziehen eines mit Permanentmagneten besetzten Schrumpfringes auf die Welle oder durch Aufmagnetisieren von Polen/Teilpolen auf die Welle.

Description

Die Erfindung betrifft einen getriebelosen integrierten Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit einer Hauptspindel und einem dieser zugeordneten Haupt­ spindelmotor, mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse zur Positionie­ rung der Hauptspindel.

Herkömmlicherweise werden integrierte Spindelantriebe als Spindelköpfe mit integrierter A-Achse und C-Achse sowie Spin­ delmotoren mit Getrieben ausgeführt. Dazu werden in der Regel Servomotoren eingesetzt.

So hat beispielsweise ein herkömmlicher Aufbau eine C-Achse, die durch einen Servomotor mit Zahnradgetriebe realisiert ist, während die A-Achse über einen weiteren Servomotor mit Riemengetriebe und nachgeordnetem Zahnradgetriebe verfügt.

Dabei besteht vor allem der Nachteil, dass zwischen dem je­ weiligen Motor als Stellglied und der eigentlich angetriebe­ nen Achse, vor allem dem starr mit der Achse gekoppelten Be­ arbeitungswerkzeug, eine sogenannte "weiche" Stelle besteht. Dadurch erhält man eine schlechte mechanische Steifigkeit, was unerwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen integ­ rierten Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsma­ schine zu schaffen, der ohne ein Getriebe auskommt und der eine verbesserte mechanische Steifigkeit besitzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ei­ nen integrierten Spindelantrieb zum Antrieb und zur Positionierung einer Hauptspindel mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse zur Positionierung der Hauptspindel gelöst, wobei die erste und die zweite Schwenkachse direkt über jeweils zugeordnete hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren antreibbar sind und der jeweilige permanentmagneterregte Läufer in die jeweilige Schwenkachse integriert ist.

Dadurch wird unter anderem erreicht, dass eine Lageregelung direkt an der anzutreibenden Masse möglich wird, was zu einer verbesserten mechanischen Steifigkeit führt.

Dabei erweist es sich im Hinblick auf die Realisierung einer einfachen Lageregelung als vorteilhaft, wenn die erste Schwenkachse senkrecht zur zweiten Schwenkachse und die zwei­ te Schwenkachse senkrecht zur Hauptspindel angeordnet ist.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die zweite Schwenkachse in die erste Schwenkachse integriert ist und durch die Hauptspindel unterbrochen in zwei auf einer Linie liegende Teilachsen unterteilt ist. Die beiden Teilachsen sind steif verbunden und über die erste Schwenkachse gekop­ pelt. Mindestens einer Teilachse ist dabei ein hochpoliger permanentmagneterregter Synchronmotor zugeordnet.

Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau eines getriebelo­ sen integrierten Spindelantriebs möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des getriebelosen in­ tegrierten Spindelantriebs nach der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfache und damit kostengünstige Reali­ sierung aus, indem nur der den hochpoligen permanentmagnet­ erregten Synchronmotor aufweisenden Teilachse ein Gebersystem zugeordnet ist.

Im Hinblick auf die Erzielung eines besonders erwünschten ho­ hen Drehmoments hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, beide Teilachsen über synchronlaufende jeweilige hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren anzutreiben.

Dadurch wird das maximal erzielbare Drehmoment verdoppelt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des getriebelosen in­ tegrierten Spindelantriebs nach der Erfindung sieht eine Syn­ chronisierung der den beiden Teilachsen zugeordneten hochpo­ ligen permanentmagneterregten Synchronmotoren über eine Kon­ figuration als Master und Slave oder Parallelschaltung vor. Dabei fungiert der das Gebersystem aufweisende Motor als Mas­ ter-Motor, auf den der Slave-Motor synchronisiert wird.

Bei einer steifen Anordnung der beiden Teilachsen muss nur ein Gebersystem vorhanden sein und die Motorwicklungen können parallel geschaltet werden.

Liegt hingegen nur eine "weiche" Verbindung der Teilachsen vor, so kann eine Gantry-Anordnung gewählt werden. Dabei ist jedoch für jede Teilachse ein getrenntes Messsystem erforder­ lich.

Als besonders geeignet haben sich Torque-Motoren als hochpo­ lige permanentmagneterregte Synchronmotoren erwiesen, insbe­ sondere Ausführungen mit geringen Drehzahlen und hohem Dreh­ moment.

Solche geeigneten Torque-Motoren werden z. B. von der Schwei­ zer Firma ETEL angeboten (nähere Informationen siehe Inter­ net-Seite http:/ /www.etel.ch/dds/tma).

Dabei hat sich ein Aufbau jedes Torque-Motors in Polspultech­ nik als günstig erwiesen.

Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich erreichen, wenn je­ der Läufer eines Torque-Motors direkt auf der Welle der ent­ sprechenden Schwenkachse aufgebaut ist. Indem die Pole oder Teilpole zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf der entspre­ chenden Welle aufmagnetisiert sind, dient die Welle selbst als Läufer.

Alternativ kann auch ein Schrumpfring mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf die entsprechende Welle aufgezogen werden.

Die erfindungsgemäße Ausführung kommt somit ohne Getriebe aus und ermöglicht durch direkt angetriebene Schwenkachsen eine höhere mechanische Steifigkeit. Hinzu kommt, dass ein kompak­ terer Aufbau bei gleicher Leistungsfähigkeit ermöglicht wird.

Ein solcher getriebeloser integrierter Spindelantrieb lässt sich vor allem in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen vorteilhaft einsetzten.

Weitere Vorteile und Details zu der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand des folgenden bevorzugten Ausführungs­ beispiels und im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen getriebelosen Spindelan­ trieb mit zwei Schwenkachsen und Antrieb über Torque- Motoren.

Der in der Darstellung nach Fig. 1 gezeigte Längsschnitt durch einen beispielhaften getriebelosen Spindelantrieb nach der Erfindung weist zwei Schwenkachsen auf, eine C-Achse C und eine A-Achse A. Bei dem gezeigten besonders vorteilhaften Aufbau ist die A-Achse zudem in zwei Teilachsen A1 und A2 un­ terteilt. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau.

Dazu ist eine Antriebsbefestigung B gezeigt, welches etwa fest installiert ist oder aber einen Schlitten darstellen kann. Darin ist eine erste Schwenkachse eingebracht, die C- Achse C (grobe Schraffur).

Die C-Achse C ist über ein Lager LG1, in der Regel ein Fest­ lager, mit der Antriebsbefestigung B drehbar verbunden und wird über einen ersten Torque-Motor M1 angetrieben.

Bei einem Torque-Motor handelt es sich um einen bürstenlosen hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (zu näheren Informationen dient die obige Angabe der Internet-Seite).

Die C-Achse ist als kreisrunde Welle W1 durch eine entspre­ chende Bohrung in der Antriebsbefestigung B geführt. Der Ständer dieses ersten Torque-Motors M1 ist im Bereich dieser Bohrung um die Welle W1 in der Antriebsbefestigung B unterge­ bracht. Der Ständer ist dabei so aufgebaut, dass dieser über eine hohe Polpaarzahl verfügt.

Der zu diesem Ständer korrespondierende Läufer L1 wird durch die Welle W1 der C-Achse selbst gebildet. Dazu sind die zur Erzeugung eines Erregerfeldes erforderlichen Permanentmagnete direkt auf die Welle W1 aufgebracht.

Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, einen Schrumpfring (nicht gezeigt) mit aufgebrachten Permanentmagneten auf die Welle W1 aufzuziehen, so dass dieser Ring exakt unterhalb der Ständerwicklung zu liegen kommt. Alternativ können die Pole oder Teilpole auch auf die Welle aufmagnetisiert sein.

Dabei sind die Toleranzen so zu bemessen, dass sich ein ef­ fektiver Luftspalt zwischen der Oberfläche der Permanentmag­ neten und der Ständerinnenfläche einstellt. Selbstverständ­ lich sind die Permanentmagnete auf die Ständerwicklung abzu­ stimmen hinsichtlich der erwünscht hohen Polpaarzahl.

Die C-Achse besitzt nach der Fig. 1 im weiteren an die Welle W1 angrenzenden Bereich eine U-förmige Gabel (U). Der Raum innerhalb dieser gleichschenkligen Gabel dient zur Aufnahme der Hauptspindel H mit dem entsprechenden Hauptspindelantrieb HM. Dies ist in der Regel ein permanentmagneterregter Syn­ chronmotor (1FE1) oder ein Asynchronmotor (1PH2).

Die Hauptspindel H mit Antrieb HM ist über eine zweite Schwenkachse A, die A-Achse, in der Gabel U der C-Achse gela­ gert.

Dazu weist die Gabel U in beiden Schenkeln jeweilige Bohrun­ gen zur Aufnahme der A-Achse auf. Aufgrund des Platzbedarfs durch die Hauptspindel H mit Hauptspindelantrieb HM ist die A-Achse in zwei Teilachsen A1 und A2 (eng schraffiert) ge­ teilt, welche jedoch über eine steife Verbindung V (eng schraffiert) miteinander fixiert sind.

Diese steife Verbindung V trägt auch den Hauptspindelantrieb HM mit der Hauptspindel H. Dabei sind die Hauptspindel und die A-Achse mit den Teilachsen A1 und A2 senkrecht zueinander angeordnet. Ebenso ist die A-Achse senkrecht zur C-Achse an­ geordnet. Zwar bestehen grundsätzlich auch Möglichkeiten für Anordnungen mit anderen Winkeln, jedoch ist der damit verbun­ dene Aufwand im Hinblick auf eine Steuerung sehr viel höher als bei einer Wahl von rechtwinkligen Anordnungen wie in der Darstellung nach Fig. 1.

Jede Teilachse A1 oder A2 ist vom Prinzip genauso in dem je­ weiligen Schenkel der Gabel U angeordnet wie die C-Achse in der Maschinenbefestigung B.

Dazu soll der Aufbau im Bezug auf die Teilachse A2 erläutert werden. Die Teilachse A2 besteht aus einer Welle, die wieder­ um die Funktion des Läufers L2 eines Torque-Motors M2 über­ nimmt.

In die Bohrung des Schenkels der Gabel U zur Aufnahme der Teilachse A2 ist - wie bereits im Zusammenhang mit der C- Achse geschildert - die Ständerwicklung eingebracht. Die Wel­ le der Teilachse im Bereich der Ständerwicklung weist Pole oder Teilpole zur Erzeugung des Erregerfeldes auf und dient dementsprechend wiederum als Läufer L2.

Den gleichen Aufbau besitzt die andere Teilachse A1 im gege­ nüberliegenden Schenkel der Gabel U. Die Teilachse A1 bildet mit der dortigen Ständerwicklung und der Eigenschaft als Läu­ fer L3 einen weiteren Torque-Motor M3.

Beide Teilachsen A1 und A2 sind über jeweilige Lager LG2 und LG3 in der Gabel UT gleitend gelagert. Dabei sollte zumindest ein Lager als Festlager ausgebildet sind. Das zweite Lager kann dann als Loslager ausgestaltet sein. Da jedoch betriebs­ bedingt auch Positionen auftreten können, die starke Kräfte auf dieses Loslager zur Folge haben können, empfiehlt es sich, für beide Lager LG2, LG3 Festlager vorzusehen.

Zwar reicht für einfache Anwendungen auch ein einzelner Tor­ que-Motor zum Antrieb der A-Achse aus, wobei dann die andere Teilachse nur gleitend in der Gabel U gelagert ist. Jedoch empfiehlt sich die in Fig. 1 gezeigte Ausführung mit zwei Tor­ que-Motoren M2 und M3, um ein möglichst großes Drehmoment zu erzielen und entsprechend größere Kräfte aufbringen zu kön­ nen.

Zur Lageregelung muss mindestens eine Teilachse über ein Ge­ bersystem G verfügen, hier die Teilachse A2. Dann muss jedoch gewährleistet sein, dass die Verbindung der beiden Teilachsen eine ausreichende Steifigkeit aufweist. In diesem Fall reicht ein Gebersystem G, das in der Lage ist, Strom-, Drehzahl- und Lagesignale an eine übergeordnete Steuerung (nicht gezeigt) zu liefern. Dies kann vor allem eine numerische Steuerung sein. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, dann sollten für beide Teilachsen A2, A3 bzw. beide Torque-Motoren M2, M3 getrennte Gebersysteme vorhanden sein.

Als Richtwert für die Dimensionierung der einzelnen Torque- Motoren M1 bis M3 hat sich ein Spitzen-Moment von 1000 Nm als sinnvoll erwiesen. Der dafür erforderliche Spindelmotor hat eine Leistung von ca. 30 bis 40 kW.

Claims (11)

1. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine indus­ trielle Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit einer Hauptspindel (H) und einem dieser zugeordneten Hauptspindelmotor (HM), mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse (C) und mit mindestens ei­ ner weiteren Schwenkachse (A) zur Positionierung der Haupt­ spindel (H), wobei jede Schwenkachse (C, A) direkt über einen jeweils zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Syn­ chronmotor (M1, M2) antreibbar ist und der jeweilige perma­ nentmagneterregte Läufer (L1, L2) in die jeweilige Schwenkach­ se (A, C) integriert ist.

2. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 1, wobei die erste Schwenkachse (C) senkrecht zu einer zweiten Schwenkachse und die zweite Schwenkachse (A) senkrecht zur Hauptspindel (H) angeordnet ist.

3. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schwenkachse (A) in die erste Schwenkachse (C) integriert ist und durch die Hauptspindel (H) unterbrochen in zwei auf einer Linie liegende Teilachsen (A1, A2) unterteilt ist, wobei die beiden Teilachsen (A1, A2) steif verbunden sind und über die erste Schwenkachse (C) ge­ koppelt sind, wobei mindestens einer Teilachse (A2) ein hoch­ poliger permanentmagneterregter Synchronmotor (M2) zugeordnet ist.

4. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3, wobei der den hochpoligen permanentmagneterregten Synchron­ motor (M2) aufweisenden Teilachse (A2) ein Gebersystem (G) zugeordnet ist.

5. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3 oder 4, wobei beide Teilachsen über synchronlaufende jeweilige hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren (M2, M3) verfügen.

6. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 5, wobei die Synchronisierung der den beiden Teilachsen (A1, A2) zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchron­ motoren (M2, M3) über eine Konfiguration als Master und Slave oder Parallelschaltung erfolgt, wobei der das Gebersystem aufweisende Motor (M2) als Master-Motor fungiert.

7. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als hochpolige permanent­ magneterregte Synchronmotoren (M1, M2, M3) Torque-Motoren vor­ gesehen sind, insbesondere Ausführungen mit geringen Drehzah­ len und hohem Drehmoment.

8. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7, wobei jeder Torque-Motor (M1, M2, M3) in Polspultechnik aufge­ baut ist.

9. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1, M2, M3) di­ rekt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse (C, A, A1, A2) aufgebaut ist, indem die Pole oder Teilpole zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf der entsprechenden Welle aufmagneti­ siert sind.

10. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1, M2, M3) di­ rekt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse (C, A, A1, A2) aufgebaut ist, indem ein Schrumpfring mit Permanentmagne­ ten zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf die entsprechende Welle aufgezogen ist.

11. Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem getriebe­ losen integrierten Spindelantrieb nach einem der vorangehen­ den Ansprüche.