DE10047917B4

DE10047917B4 - Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE10047917B4
Application number: DE10047917A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Hamann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: WO2002026438A2; WO2002026438A3; DE10047917A1

Abstract

Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle 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 einer weiteren Schwenkachse (A) zur Positionierung der Hauptspindel (H), wobei jede Schwenkachse (C, A) direkt über einen jeweils zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (M1,M2) antreibbar ist und der jeweilige permanentmagneterregte Läufer (L1,L2) in die jeweilige Schwenkachse (A,C) integriert ist.

Description

Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine Die Erfindung betrifft einen getriebelosen integrierten Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit einer Hauptspindel und einem dieser zugeordneten Hauptspindelmotor, mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse zur Positionierung der Hauptspindel.
Herkömmlicherweise werden integrierte Spindelantriebe als Spindelköpfe mit integrierter A-Achse und C-Achse sowie Spindelmotoren 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 jeweiligen Motor als Stellglied und der eigentlich angetriebenen Achse, vor allem dem starr mit der Achse gekoppelten Bearbeitungswerkzeug, eine sogenannte „weiche" Stelle besteht. Dadurch erhält man eine schlechte mechanische Steifigkeit, was unerwünscht ist.

Aus der DE 295 14 155 U1 ist eine Motorspindel insbesondere für eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei die Spindel und der Antrieb zu einer integralen Einheit kombiniert sind derart, dass die Außenkontur des Antriebs als zylindrisches in eine Bohrung eines Spindelkastens der Werkzeugmaschine einsetzbares patronenartiges starres Formteil ausgebildet ist.

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

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen integrierten Spindelantrieb zum Antrieb und zur Positio nierung 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 zweite 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 gekoppelt. Mindestens einer Teilachse ist dabei ein hochpoliger permanentmagneterregter Synchronmotor zugeordnet.

Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau eines getriebelosen integrierten Spindelantriebs möglich.

Eine. weitere vorteilhafte Ausgestaltung des getriebelosen integrierten Spindelantriebs nach der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfache und damit kostengünstige Realisierung aus, indem nur der den hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor aufweisenden Teilachse ein Gebersystem zugeordnet ist.

Im Hinblick auf die Erzielung eines besonders erwünschten hohen 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 integrierten Spindelantriebs nach der Erfindung sieht eine Synchronisierung der den beiden Teilachsen zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotoren über eine Konfiguration als Master und Slave oder Parallelschaltung vor. Dabei fungiert der das Gebersystem aufweisende Motor als Master-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 erforderlich.

Als besonders geeignet haben sich Torque-Motoren als hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren erwiesen, insbesondere Ausführungen mit geringen Drehzahlen und hohem Drehmoment.

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

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

Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich erreichen, wenn jeder Läufer eines Torque-Motors direkt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse aufgebaut ist. Indem die Pole oder Teilpole zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf der entsprechenden 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 kompakterer 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 Ausführungsbeispiels und im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt die

1 einen Längsschnitt durch einen getriebelosen Spindelantrieb mit zwei Schwenkachsen und Antrieb über Torque-Motoren.

Der in der Darstellung nach 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 unterteilt. 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 Festlager, 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 entsprechende 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 untergebracht. 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 effektiver Luftspalt zwischen der Oberfläche der Permanentmagneten und der Ständerinnenfläche einstellt. Selbstverständlich sind die Permanentmagnete auf die Ständerwicklung abzustimmen hinsichtlich der erwünscht hohen Polpaarzahl.

Die C-Achse besitzt nach der 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 Synchronmotor (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 gelagert.

Dazu weist die Gabel U in beiden Schenkeln jeweilige Bohrungen 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) geteilt, 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 angeordnet. Zwar bestehen grundsätzlich auch Möglichkeiten für Anordnungen mit anderen Winkeln, jedoch ist der damit verbundene Aufwand im Hinblick auf eine Steuerung sehr viel höher als bei einer Wahl von rechtwinkligen Anordnungen wie in der Darstellung nach 1.

Jede Teilachse A1 oder A2 ist vom Prinzip genauso in dem jeweiligen 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 wiederum die Funktion des Läufers L2 eines Torque-Motors M2 übernimmt.

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 Welle 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 gegenüberliegenden Schenkel der Gabel U. Die Teilachse A1 bildet mit der dortigen Ständerwicklung und der Eigenschaft als Läufer L3 einen weiteren Torque-Motor M3.

Beide Teilachsen A1 und A2 sind über jeweilige Lager LG2 und LG3 in der Gabel U gelagert. Dabei sollte zumindest ein Lager als Festlager ausgebildet sind. Das zweite Lager kann dann als Loslager ausgestaltet sein. Da jedoch betriebsbedingt 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 Torque-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 1 gezeigte Ausführung mit zwei Torque-Motoren M2 und M3, um ein möglichst großes Drehmoment zu erzielen und entsprechend größere Kräfte aufbringen zu können.

Zur Lageregelung muss mindestens eine Teilachse über ein Gebersystem 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

Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle 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 einer weiteren Schwenkachse (A) zur Positionierung der Hauptspindel (H), wobei jede Schwenkachse (C, A) direkt über einen jeweils zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (M1,M2) antreibbar ist und der jeweilige permanentmagneterregte Läufer (L1,L2) in die jeweilige Schwenkachse (A,C) integriert ist.
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.
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) gekoppelt sind, wobei mindestens einer Teilachse (A2) ein hochpoliger permanentmagneterregter Synchronmotor (M2) zugeordnet ist.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3, wobei der den hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (M2) aufweisenden Teilachse (A2) ein Gebersystem (G) zugeordnet ist.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3 oder 4, wobei beide Teilachsen über synchronlaufende jeweili ge hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren (M2,M3) verfügen.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 5, wobei die Synchronisierung der den beiden Teilachsen (A1,A2) zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotoren (M2,M3) über eine Konfiguration als Master und Slave oder Parallelschaltung erfolgt, wobei der das Gebersystem aufweisende Motor (M2) als Master-Motor fungiert.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren (M1,M2,M3) Torque-Motoren vorgesehen sind, insbesondere Ausführungen mit geringen Drehzahlen und hohem Drehmoment.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7, wobei jeder Torque-Motor (M1,M2,M3) in Polspultechnik aufgebaut ist.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1,M2,M3) direkt 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 aufmagnetisiert sind.
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1,M2,M3) direkt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse (C,R,A1, A2) aufgebaut ist, indem ein Schrumpfring mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf die entsprechende Welle aufgezogen ist.
Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem getriebelosen integrierten Spindelantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche.