DE10200488B4 - Intelligent tool head for use in machine tools - Google Patents

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Abstract

Intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einem, mit einem steuerbaren Motor und einer Datenübertragungseinrichtung ausgerüsteten, rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen denen eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten stattfindet, mittels Kopplung von voneinander durch einen schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkernen, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses durch eine bidirektionale Steuerungselektronik erfolgt, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befindenden Steuerungselektronikeinheit SEES und einer sich auf der rotierenden Seite R befindenen Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, die über mindestens vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle verfügt und die von diesen Kanälen entstehenden Daten zusammengefaßt über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, überträgt und über ständige mehrkanalige bidirektionale digitale Datenkommunikation die, im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte, Antriebseinheit einer übergeordneten Antriebssteuerung (z.B. CNC) so präsentiert, als wäre sie direkt angeschlossen und würde sich nicht bewegen.Intelligent tool head for use in machine tools with a stationary base body (side S) and a rotating tool shaft (side R) equipped with a controllable motor and a data transmission device, between which a contactless inductive transmission of electrical energy and data takes place by coupling separated from each other by a narrow air gap, which are designed on the standing side S as partial rings, the transmission of electrical energy and data taking place in a separate partial ring, characterized in that the control of the rotating side R during the work process by a bidirectional Control electronics takes place, which consists of a control electronics unit SEES located on the upright side S and a control electronics unit SEER located on the rotating side R, which has at least four separate, logical, each un has one-way channels and the data arising from these channels is combined via a physical unit, e.g. An FSK modulator / demodulator with crossover and inductive rotation transmitter, transmits and presents the drive unit, which is housed in the rotating tool head, to a higher-level drive control (e.g. CNC) as if it were directly connected and would not move via permanent multi-channel bidirectional digital data communication.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen intelligenten, d.h. während des Arbeitsprozesses steuerbaren. Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, der eine kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden zu einer rotierenden Seite und die zuverlässige bidirektionale Übertragung von Daten zwischen einer stehenden und einer rotierenden Seite gewährleistet. Dabei muß die übertragbare elektrische Energie ausreichen, um auf der rotierenden Seite z.B. einen mittelgroßen Elektromotor zu betreiben bzw. eine komplexe elektronische Schaltung mit Spannung zu versorgen. Die übertragbare Datenrate muß ausreichen, um die Steuerung von komplexen elektronischen Systemen auf der rotierenden Seite zu gewährleisten. Des weiteren soll die Einrichtung kompakt sein. und das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum seitlichen Werkzeugwechsel unterstützen.The invention relates to a device according to the generic term of claim 1. In particular, the invention relates to a intelligent, i.e. while controllable of the work process. Tool head for use in machine tools, which is a contactless transmission from electrical energy from a standing to a rotating one Side and the reliable bidirectional transmission of data between a standing and a rotating side guaranteed. The transferable electrical Sufficient energy to e.g. on the rotating side a medium-sized electric motor to operate or a complex electronic circuit with voltage to supply. The transferable data rate must be enough to control complex electronic systems on the rotating Ensure side. Furthermore, the device should be compact. and the usual process for machine tools support for lateral tool change.

Es ist bekannt, daß für die kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden Seite zu einer rotierenden Seite und zur Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite und einer rotierenden Seite zwei getrennte Übertragungssysteme benutzt werden können ( DE 195 38 528 C2 ). Diese Einrichtung widerspricht jedoch der Forderung, das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum Werkzeugwechsel zu unterstützen. Sie erlaubt keine seitliche Zuführung des Werkzeuge an die Spannvorrichtung der Werkzeugaufnahme, da der Ferritkörper der stehenden Seite als Vollring im Verfahrweg der Werkzeugzuführung liegt. Die Werkzeugzuführung kann bei dieser Einrichtung nur von unten erfolgen, was den Werkzeugwechsel erheblich komplizierter macht.It is known that two separate transmission systems can be used for the contactless inductive transmission of electrical energy from a standing side to a rotating side and for the transmission of data between the standing side and a rotating side ( DE 195 38 528 C2 ). However, this device contradicts the requirement to support the method for tool change that is customary in machine tools. It does not allow the tools to be fed from the side onto the clamping device of the tool holder, since the ferrite body on the standing side lies as a full ring in the path of travel of the tool feeder. With this device, the tool can only be fed from below, which makes the tool change considerably more complicated.

Eine weitere bekannte Einrichtung ( DE 43 30 820 A1 ) kann die kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einem stationären und einem rotierenden System gewährleisten. Dieses System erlaubt eine Ausführung des Ferritkörpers auf stationärer Seite sowohl als Vollring als auch als Teilring.Another well-known facility ( DE 43 30 820 A1 ) can guarantee the contactless transmission of electrical energy and data between a stationary and a rotating system. This system allows the ferrite body to be designed on the stationary side both as a full ring and as a partial ring.

Die Realisierung eines solchen Systems benötigt aber eine Ansteuerung der Energie- und Datenübertragungseinrichtung. In DE 199 60 350 A1 ist ein allgemeiner Vorschlag beschrieben, die Ansteuerung der Stromversorgung und der Datenübertragung an der Sekundärseite mittels einer Steuerungselektronik durchzuführen, ohne dass hierzu detaillierte Angaben gemacht worden sind. Darüber hinaus reicht nur die Ansteuerung der Energie- und Datenübertragung nicht aus, um den Werkzeugkopf währen des Arbeitsprozesses zu kontrollieren und flexibel dem aktuell entstehenden Bedarf anzupassen.However, the implementation of such a system requires control of the energy and data transmission device. In DE 199 60 350 A1 A general proposal is described to control the power supply and data transmission on the secondary side by means of control electronics without detailed information having been given. In addition, only the control of the energy and data transmission is not sufficient to control the tool head during the work process and to flexibly adapt it to the currently emerging need.

Ferner sind Lösungen für Messwertübertragung zwischen einem rotierenden Messwertumformer und einer stationären Auswerteschaltung bekannt ( DE 100 17 266 C1 ). Der sich nur auf der rotierenden Seite befindende Mikroprozessor ist hier nur für die Speicherung und für späteres Abrufen verschiedener Ein- und Ausgangsdaten, Abfrageprogramme und Fehlermeldungen zuständig, nicht aber für eine ständige ununterbrochene mehrkanalige digitale Datenkommunikation und geschlossene Regelung zwischen der rotierenden und stehender Seite.Solutions for measured value transmission between a rotating measured value converter and a stationary evaluation circuit are also known ( DE 100 17 266 C1 ). The microprocessor, which is only on the rotating side, is only responsible for the storage and later retrieval of various input and output data, query programs and error messages, but not for continuous, uninterrupted multi-channel digital data communication and closed control between the rotating and standing side.

Bei einer weiteren bekannten Einrichtung ( DE 195 32 043 A1 ) sind zwar sowohl auf der rotierenden als auch auf der stehenden Seite Mikroprozessoren untergebracht und diese können über die Kontaktfreie Verbindung Signale senden und empfangen, allerdings ohne Angaben über den Zweck, die Art und Häufigkeit der Signalübertragung.In another known device ( DE 195 32 043 A1 ) microprocessors are accommodated on both the rotating and the standing side and these can send and receive signals via the contactless connection, but without information about the purpose, type and frequency of the signal transmission.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde für den vorgeschlagenen Werkzeugkopf eine Steuerungselektronik so zu verfassen, dass sie bidirektional und mehrkanalig arbeitet, aber nicht mehrere voneinander getrennte induktive Stromkreise enthält. Dabei darf die Steuerungselektronik nicht störungsanfällig sein. Damit läßt sich der Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen während des Arbeitsprozesses flexibel steuern und weist sich als eine intelligente Einrichtung aus.The invention is based on this the task for control electronics so the proposed tool head write that it works bidirectionally and multichannel, but not contains several separate inductive circuits. there The control electronics must not be susceptible to faults. So that can the tool head for use in machine tools during the work process control flexibly and proves to be an intelligent facility out.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 4.The solution to the problem arises by the features of claims 1 to 4.

Gemäß Anspruch 1 wird der intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einer mit einem steuerbaren Motor ausgerüsteten rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen deren eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten mittels der Kopplung von den voneinander mit einem schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkerne stattfindet, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, folgendermaßen aufgebaut.According to claim 1, the intelligent tool head for the Use in machine tools with a stationary body (page S) and one with equipped with a controllable motor rotating tool shank (side R), between which a contactless inductive transmission of electrical energy and data by coupling them separated from each other with a narrow air gap takes place, which are designed as partial rings on the standing side S, being the transfer of electrical energy and data each in a separate sub-ring is done as follows built up.

Die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses erfolgt durch eine Steuerungselektronik, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befinden Steuerungselektronikeinheit SEES und eine sich auf der rotierenden Seite R befinden Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, und die die bidirektionale Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite S und der rotierenden Seite R sowie die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie gewährleistet.The control of the rotating side R during of the work process is carried out by control electronics that control electronics unit located on the upright side S. SEES and a control electronics unit located on the rotating side R SEER exists, and which is the bidirectional transfer of data between the standing side S and the rotating side R as well as the preparation and regulation of for the rotating drive unit required electrical energy guaranteed.

Diese Einheiten präsentieren der übergeordneten Antriebssteuerung eine im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte Antriebseinheit so, ob sie ein gewöhnliches, direkt angeschlossenes, sich nicht bewegendes Antriebssystem wäre. Es ist so realisiert, dass die Elektronik einerseits die von einer CNC-Steuerung kommende Stellgröße (als analoges Signal) aufbereitet und zur rotierenden Antriebseinheit überträgt, andererseits, dass die Elektronik die Rückmeldung über die Istposition der Antriebseinheit (z.B. als defferentielles Inkrementalgebersignal) aufbereitet und in die entgegengesetzte Richtung, d.h. zur CNC-Steuerung, überträgt. Zusätzlich ermöglicht diese Elektronik die Übertragung digitaler Eingangssignale (die z.B. von einer SPS-Steuerung stammen) zur rotierenden Antriebseinheit und digitale Ausgangssignale (die Aufschluss über die internen Zustände der rotierenden Antriebseinheit geben) zur CNC- oder SPS-Steuerung.These units present the higher-level drive control with a drive unit housed in the rotating tool head as if it were an ordinary, directly connected, non-moving drive system. It is implemented in such a way that the electronics on the one hand are those of a CNC control coming manipulated variable prepared (as an analog signal) and transmitted to the rotating drive unit, on the other hand that the electronics prepares the feedback about the actual position of the drive unit (e.g. as a defferential incremental encoder signal) and transmits it in the opposite direction, i.e. to the CNC control. In addition, this electronics enables the transmission of digital input signals (e.g. from a PLC control) to the rotating drive unit and digital output signals (which provide information about the internal status of the rotating drive unit) to the CNC or PLC control.

Dies geschieht über vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle, die wegen ihrer unterschiedlichen Mittelfrequenzen zusammengefasst und ohne gegenseitige Beeinflussung über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, in digitaler Form ständig übertragen werden können. Es ist denkbar weitere logische, jeweils unidirektionale Kanäle für die zusätzliche Informationübertragung zu nutzen.This is done via four separate, logical, each unidirectional channels, which are summarized because of their different medium frequencies and without mutual interference a physical unit, e.g. an FSK modulator / demodulator with Crossover and inductive rotation transmitter, in digital form constantly transmitted can be. It is conceivable for further logical, in each case unidirectional channels for the additional information transfer to use.

Dafür werden gemäß Anspruch 2 drei von mindestens vier Kanälen einer bidirektionalen Steuerungselektronik für die Datenübertragung in Richtung der stehenden Seite S benutzt, davon eine für die Kontrollmeldungen und zwei weitere für die Inkrementalgebersignale A und B, und der vierte Kanal als Analogausgang in Richtung der rotierenden Seite R für die Motorsteuerung.For this, according to claim 2 three of at least four channels a bidirectional control electronics for data transmission in the direction of used side S, one for the control messages and two more for the incremental encoder signals A and B, and the fourth channel as an analog output towards the rotating side R for motor control.

Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Elektronik ist die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie.Another important property This electronics is the preparation and control for the rotating Drive unit needed electrical energy.

Gemäß Anspruch 3 wird die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite als auch auf der rotierenden Seite mit größer Zuverlässigkeit gewährleistet. Um das zu erreichen, wird diese Umwandlung jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht, wobei der Mikrokontroller der stehenden Seite alle Abläufe innerhalb des Systems steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite und mit der Maschinensteurung ist, und der Mikrokontroller der rotierenden Seite alle Abläufe im Werkzeugkopf steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite ist.According to claim 3, the conversion of electrical energy and the electronic signals on both the standing side as well as on the rotating side with greater reliability guaranteed. To achieve this, this conversion is done by a microcontroller controlled or monitored, the microcontroller of the standing side all processes within of the system controls and is responsible for the information exchange with the rotating side and with the machine control, and the microcontroller of the rotating side all processes in the tool head controls and is responsible for the Exchange of information with the standing page.

Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen intelligenten Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen folgende Verbesserungen:

  • – Der Werkzeugkopf wird nicht nur angesteuert, sondern während des Arbeitsprozesses über Rückführung von Regelkreis-Größen überwacht und dem aktuell entstehenden Bedarf angepaßt.
  • – Der Energiebedarf wird in der rotierenden Seite gemessen, und auf der stehenden Seite geregelt.
  • – Die Zuverlässigkeit der Ansteuerung (und damit auch der Überwachung) der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller sowohl auf der stehenden als auch auf der rotierenden Seite gewährleistet.
Compared to the prior art, the intelligent tool head according to the invention for use in machine tools has the following improvements:
  • - The tool head is not only controlled, but monitored during the work process via feedback of control loop sizes and adapted to the currently arising demand.
  • - The energy requirement is measured on the rotating side and regulated on the standing side.
  • - The reliability of the control (and thus also the monitoring) of the electrical energy and the electronic signals is guaranteed by the use of communicating microcontrollers on both the standing and the rotating side.

Die Einzelheiten der Erfindung werden im nachfolgenden Ausführungsbeispiel anhand der 1, 2 und 3 erläutert.The details of the invention are described in the following embodiment with reference to the 1 . 2 and 3 explained.

Die 1 zeigt die Seitenansicht und die 2 die Draufsicht einer schematischen Darstellung des intelligenten Werkzeugkopfs.The 1 shows the side view and the 2 the top view of a schematic representation of the intelligent tool head.

Der intelligente Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit kontaktloser Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einer stehenden Seite S und einer rotierenden Seite R umfaßt die Spulen 1 zur induktiven Übertragung von Energie und Daten. Diese Spulen sind eingebettet in Ferritring 2 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von elektrischer Energie, Ferritring 3 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von Daten, Ferritring-Segment 4 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von elektrischer Energie und in Ferritring-Segment 5 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von Daten.The intelligent tool head for use in machine tools with contactless transmission of electrical energy and data between a stationary side S and a rotating side R includes the coils 1 for the inductive transmission of energy and data. These coils are embedded in a ferrite ring 2 on the rotating side R for the transmission of electrical energy, ferrite ring 3 on the rotating side R for the transmission of data, ferrite ring segment 4 on the upright side S for the transmission of electrical energy and in ferrite ring segment 5 on the standing side S for the transmission of data.

Die übertragene elektrische Energie wird benötigt, um den Elektromotor 7 und die Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu versorgen.The electrical energy transferred is required to the electric motor 7 and to supply the control electronics unit SEER in the rotating side R.

Das Blockschaltbild des Gesamtsystems ist in der 3. dargestellt.The block diagram of the overall system is in the 3 , shown.

Die bidirektionale Datenübertragung zwischen stationärer Seite S und rotierender Seite R erfolgt über vier getrennte logische Kanäle, die physikalisch zu einer Übertragungseinheit zusammengefasst werden. Die vier logischen Kanäle sind jeweils unidirektional.The bidirectional data transmission between stationary Side S and rotating side R are made using four separate logic Channels, the physical to a transmission unit be summarized. The four logical channels are each unidirectional.

Über den ersten Kanal gelangen Stellgröße und sonstige Kommandos (z.B. abhängig von den digitalen Eingangssignalen, die von einer SPS kommen können) von der stehenden Seite S zur rotierenden Seite R.about the first channel receives the manipulated variable and other commands (e.g. dependent of the digital input signals that can come from a PLC) the standing side S to the rotating side R.

Der zweite Kanal überträgt Kontrollmeldungen (z.B. Motorspannung, Referenzsensor, Temperatur) von der rotierenden Seite R zur stehenden Seite S.The second channel transmits control messages (e.g. Motor voltage, reference sensor, temperature) from the rotating side R to the standing side S.

Kanal 3 und Kanal 4 sind für die Übertragung der Inkrementalgebersignale A und B von der rotierenden R zur stehenden Seite S vorgesehen.channel 3 and channel 4 are provided for the transmission of incremental encoder signals A and B from the rotating R to the stationary side S.

Die Übertragung der Signale erfolgt über alle vier Kanäle in digitaler Form, mit Hilfe FSK (Frequency Shift Keying) Modulator- und Demodulator-Technik. Die Mittelfrequenzen der einzelnen Kanale sind verschieden und so können diese über entsprechende Frequenzweichen zu einem physikalischen Übertragungskanal zusammengeführt werden.The signals are transmitted via all four channels in digital form, with the help of FSK (Frequency Shift Keying) modulator and demodulator technology. The center frequencies of the individual channels are different and so can this about appropriate crossovers to a physical transmission channel together become.

Die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht. Die Umwandlung bzw. Aufbereitung der elektrischen Energie auf der stehenden Seite S erfolgt mit einem geregelten Generator. Der geregelte Generator wird mit parallel geschalteten H-Leistungsbrücken realisiert, die vom Mikrokontroller gesteuert werden. Die Steuerung wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) eines Rechtecksignals vorgenommen. Das Rechtecksignal aus ständiger diagonaler Umpolung der Versorgungsspannung in den H-Leistungsbrücken wird mit nachgeschalteten Filtern in das für den Rotationsübertrager optimale Sinussignal umgewandelt.The conversion of electrical energy and electronic signals is carried out on both the standing side S and on the rotating side R each controlled or monitored by a microcontroller. The conversion or preparation of the electrical energy on the standing side S is carried out with a regulated generator. The regulated generator is implemented with H-power bridges connected in parallel, which are controlled by the microcontroller. The control is carried out by pulse width modulation (PWM) of a square wave signal. The square-wave signal from constant diagonal polarity reversal of the supply voltage in the H-power bridges is converted with downstream filters into the optimal sinusoidal signal for the rotary transformer.

Über die Höhe der benötigten Leistung informiert die rotierende Seite R die stationäre Seite S mit digital kodierter Datenübertragung über den dafür vorgesehenen Rückinformationskanal. Dadurch kann eine Regelung realisiert werden, die die gesamte Übertragungsstrecke (geregelter Generator, Rotationsübertrager, Motor) berücksichtigt.about the height the needed Power the rotating side R informs the stationary side S with digitally coded data transmission via the meant for Return information channel. In this way, regulation can be implemented that covers the entire transmission path (regulated generator, rotary transformer, Motor) is taken into account.

Die Blindleistungskompensation wird auf der stehenden Seite S durch den Kondensator 6 (2) realisiert, um die entstehende Verlustwärme zu verringern und eine Kompaktheit der Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu ermöglichen.The reactive power compensation is on the standing side S by the capacitor 6 ( 2 ) realized in order to reduce the resulting heat loss and to make the control electronics unit SEER compact in the rotating side R.

Auf der rotierenden Seite R wird der sinusförmige Strom gleichgerichtet und der Stromversorgung für Motor und Elektronik zugeführt.On the rotating side R becomes the sinusoidal Power rectified and supplied to the power supply for the motor and electronics.

Der Mikrokontroller der stehenden Seite S steuert alle Abläufe innerhalb des Systems und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite R und mit der restlichen Umgebung. Er hat unter anderem folgende Aufgaben:

  • – Bedienen der digitalen Ein/Ausgänge zum Austausch von Meldungen mit der Maschinensteuerung (SPS, CNC).
  • – Ansteuerung eines AD-Wandlers zum Einlesen der Motorstellgröße, die von der Maschinensteuerung vorgegeben wurde.
  • – Auslesen und Verarbeiten des Zählerwertes des Quadratur-Decoders zur Fehlererkennung.
  • – Steuerung der Frequenz und der Leistung des geregelten Generators für die Übertragung der elektrischen Energie zur rotierenden Seite R des Systems (über ein PWM Signal).
  • – Kommunikation mit der rotierenden Seite R über Kanal 1 (stehend → rotierend) und Kanal 2 (rotierend → stehend) zum Austausch von Stellgröße, Meldungen, Kommandos und Werten.
  • – Bedienen des seriellen Debugginb-Interface (RS232) für Inbetriebnahme und Diagnosezwecke.
The microcontroller of the standing side S controls all processes within the system and is responsible for the exchange of information with the rotating side R and with the rest of the environment. Among other things, he has the following tasks:
  • - Operation of the digital inputs / outputs to exchange messages with the machine control (PLC, CNC).
  • - Control of an AD converter for reading in the motor control variable that was specified by the machine control.
  • - Reading out and processing the counter value of the quadrature decoder for error detection.
  • - Control of the frequency and power of the regulated generator for the transmission of electrical energy to the rotating side R of the system (via a PWM signal).
  • - Communication with the rotating side R via channel 1 (standing → rotating) and channel 2 (rotating → standing) for the exchange of manipulated variable, messages, commands and values.
  • - Operation of the serial debugging interface (RS232) for commissioning and diagnostic purposes.

Der Mikrokontroller der rotierenden Seite R steuert alle Abläufe im Werkzeugkopf und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite S. Er hat unter anderem folgende Aufgaben:

  • – Erfassen der Motorspannung (über einen integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
  • – Erfassen der Temperatur der Leiterplatte (über einen Temperatursensor und integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
  • – Empfang der Motorstellgröße über den Kanal 1 und deren Weitergabe an die Motorsteuerung (an ein CPLD).
  • – Auslesen des Absoluten Winkels zwischen Motorstator und -rotor aus dem Resolverinterface und Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
  • – Vorbelegen (PRESST) des Motor-Ansteuer-CPLDs mit dem Winkel zwischen Motorstator und Rotor.
  • – Austausch von sonstigen Meldungen und Befehlen zwischen rotierender und stehender Seite S.
The microcontroller on the rotating side R controls all processes in the tool head and is responsible for exchanging information with the stationary side S. Among other things, it has the following tasks:
  • - Detection of the motor voltage (via an integrated ADC) and its transmission to the stationary side S via the channel 2 ,
  • - Detection of the temperature of the circuit board (via a temperature sensor and integrated ADC) and its transmission to the standing side S via the channel 2 ,
  • - Receiving the motor control variable via the channel 1 and their transfer to the engine control system (to a CPLD).
  • - Reading out the absolute angle between the motor stator and rotor from the resolver interface and transmission to the upright side S via the channel 2 ,
  • - Preassignment (PRESST) of the motor control CPLD with the angle between the motor stator and rotor.
  • - Exchange of other messages and commands between rotating and standing side S.

Damit wird die Zuverlässigkeit der Ansteuerung und auch der Überwachung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller gewährleistet.So that is reliability control and monitoring of electrical energy and electronic signals both on the standing side S as well as on the rotating side R. guarantees the use of communicating microcontrollers.

Fig.lFig.l
Seitenansichtsideview
Fig.2Fig.2
DraufsichtTop view
Fig. 3FIG. 3
Blockschaltbild des GesamtsystemsBlock diagram of the overall system
SS
stationäre Einheit der Einrichtungstationary unit the facility
RR
rotierende Einheit der Einrichtungrotating Unit of the facility
SEESSEES
Steurungselektronikeinheit in der stehenden Seite SSteurungselektronikeinheit in the standing page S
SEERSEER
Steurungselektronikeinheit in der rotierenden Seite RSteurungselektronikeinheit in the rotating side R
11
Spulen zur induktiven Übertragung von Energie und DatenDo the washing up for inductive transmission of energy and data
22
Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektrischer Energieferrite on the rotating unit for the transfer of electrical energy
33
Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von Datenferrite on the rotating unit for the transfer of data
44
Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektrischerFerrite ring segment on the stationary Unit for the transfer of electrical
Energieenergy
55
Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von DatenFerrite ring segment on the stationary Unit for the transfer of data
66
Kondensator zur Blindleistungskompensationcapacitor for reactive power compensation
77
Elektromotorelectric motor

Claims (4)

Intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einem, mit einem steuerbaren Motor und einer Datenübertragungseinrichtung ausgerüsteten, rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen denen eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten stattfindet, mittels Kopplung von voneinander durch einen schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkernen, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses durch eine bidirektionale Steuerungselektronik erfolgt, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befindenden Steuerungselektronikeinheit SEES und einer sich auf der rotierenden Seite R befindenen Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, die über mindestens vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle verfügt und die von diesen Kanälen entstehenden Daten zusammengefaßt über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, überträgt und über ständige mehrkanalige bidirektionale digitale Datenkommunikation die, im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte, Antriebseinheit einer übergeordneten Antriebssteuerung (z.B. CNC) so präsentiert, als wäre sie direkt angeschlossen und würde sich nicht bewegen.Intelligent tool head for use in machine tools with a stationary body (page S) and one with a controllable motor and a data transmission device equipped, rotating tool shank (side R), between which a contactless inductive transmission of electrical energy and data takes place, by means of coupling of coil cores separated from one another by a narrow air gap, which are designed as partial rings on the standing side S, the transmission of electrical energy and data each takes place in a separate partial ring, characterized in that the control of the rotating side R during the work process is carried out by a bidirectional control electronics, which consists of a control electronics unit SEES located on the standing side S and a control electronics unit located on the rotating side R. SEER exists, which has at least four separate, logical, each unidirectional channels and the data generated by these channels combined via a physical unit, eg an FSK modulator / demodulator with crossover and inductive em rotary transmitter, transmits and presents the drive unit, which is housed in the rotating tool head, to a higher-level drive control (e.g. CNC) as if it were directly connected and would not move via constant multi-channel bidirectional digital data communication. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei von mindestens vier Kanälen einer bidirektionalen Steurungselektronik für die Datenübertragung in Richtung der stehenden Seite S benutzt werden, davon ein für die Kontrollmeldungen und zwei weitere für die Inkrementalgebersignale A und B, und der vierte Kanal als Analogausgang in Richtung der rotierenden Seite R für die Motorregelung.Intelligent tool head according to claim 1, characterized in that that three of at least four channels of bidirectional control electronics for the data transfer in the direction of the standing side S, one of which is used for the control messages and two more for the incremental encoder signals A and B, and the fourth channel as an analog output towards the rotating side R for motor control. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht wird, wobei der Mikrokontroller der stehenden Seite S alle Abläufe innerhalb des Systems steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite R und mit der Maschinensteurung ist, und der Mikrokontroller der rotierenden Seite R alle Abläufe im Werkzeugkopf steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite S ist.Intelligent tool head according to claim 1, characterized in that that the conversion of electrical energy and electronic Signals both on the standing side S and on the rotating side Side R each controlled or monitored by a microcontroller is, the microcontroller of the standing side S all processes within the Systems controls and is responsible for information exchange with the rotating side R and with the machine control, and the microcontroller on the rotating side R all processes in the tool head controls and is responsible for is the exchange of information with the upright side S. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen geschlossenen Regelungskreis bildet, der die von der Temperatur und mechanischen Gegebenheiten (z.B. Luftspalt) abhängige Übertragungseigenschaften des induktiven Rotationsübertragers ständig überwacht, eventuelle Änderungen ausgleicht und im Fehlerfall die im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte Antriebseinheit abschaltet.Intelligent tool head according to claims 1 to 3, characterized in that that the system forms a closed control loop that the transmission properties depending on the temperature and mechanical conditions (e.g. air gap) of the inductive rotation transmitter constantly monitored, any changes compensates and, in the event of a fault, the one housed in the rotating tool head The drive unit switches off.
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