DE102007011639A1

DE102007011639A1 - Maschinen und Verfahren

Info

Publication number: DE102007011639A1
Application number: DE102007011639A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pfaff
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2027-03-10
Also published as: DE102007011639B4

Abstract

Maschine mit Werkzeug, wobei das Werkzeug auf einer Kurve bewegbar ist, wobei zumindest ein erster und ein zweiter Antrieb in gegenseitiger Abhängigkeit betreibbar sind, wobei ein erster Antrieb als Linearantrieb und ein zweiter als rotatorischer Antrieb ausgeführt ist, wobei die Kurve derart ausgeführt ist, dass der rotatorische Antrieb zwischen einer ersten und einer zweiten Drehzahl gleichen Drehsinnes betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine und ein Verfahren.
Werkzeug-Maschinen mit zwei Antrieben sind allgemein bekannt. Beispielsweise bewegt ein erster rotatorischer Antrieb ein Werkstück, wie Zahnrad. Ein zweiter bewegt ein Werkzeug zur Bearbeitung am Werkstück in linearer Richtung vorbei.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zwei- oder mehrachsige Maschine weiterzubilden, wobei Kosten und Energie eingespart werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der zwei- oder mehrachsigen Maschine nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Maschine sind, dass die Maschine mit zumindest einem Werkzeug ausgeführt ist, wobei das Werkzeug auf einer Kurve bewegbar ist, wobei zumindest ein erster und ein zweiter Antrieb in gegenseitiger Abhängigkeit betreibbar sind, wobei ein erster Antrieb als Linearantrieb und ein zweiter als rotatorischer Antrieb ausgeführt ist, wobei die Kurve derart ausgeführt ist, dass der rotatorische Antrieb zwischen einer ersten und einer zweite Drehzahl gleichen Drehsinnes betreibbar ist.
Erste und zweite Drehzahl sind dabei vorzugsweise nicht Null.
Von Vorteil ist dabei, dass stets Rotationsenergie gespeichert bleiben kann. Somit muss nicht die ganze Rotationsenergie beim Beschleunigen und Bremsen aufgebaut beziehungsweise abgeführt werden. Dadurch sind die Antriebe mit kleinerer elektrischer Leistung dimensionierbar. Somit sind auch die Massen der Antriebe reduzierbar. Kosten und Energieverbrauch werden also erheblich erniedrigt. Dieses dauerhafte Speichern gilt insbesondere für die wesentlichen Teile der Kurve, also die den Arbeitsbereich umfassenden Bereiche.
Für sehr spitze, praktisch fast schon Umkehrpunkte und/oder praktisch nicht differenzierbare Kurvenabschnitte ist es manchmal vorteilhaft eine zweifache Drehsinnumkehr auszuführen. Jedoch sollte dies vorteiligerweise nicht den Arbeitsbereich umfassen. Auf diese Weise ist zum Beispiel am Ende des linear verlaufenden Arbeitsbereiches ein Rückziehen des Werkzeuges in ungefähr dieser linearen Richtung schnell und mit extrem hoher Beschleunigung ausführbar. Die Richtung ist aber nicht Richtung der Linearachse.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden sehr spitze Bereiche der Kurve, insbesondere dornartig hervorstehende Bereiche, mittels zweifachem, schnell aufeinanderfolgendem Drehsinnwechsel des rotatorischen Antriebs erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass auch solche Bahnkurven-Bereiche, in welchem das Werkzeug einem starken Ruck ausgesetzt ist, erzeugbar sind. Dies gilt auch für den Fall, dass ein jeweiliger einzelner Antrieb einen solch starken Ruck überhaupt nicht erzeugen könnte.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kurve eben. Von Vorteil ist dabei, dass zwei Antriebe ausreichend sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kurve geschlossen. Von Vorteil ist dabei, dass der Arbeitsablauf periodisch durchlaufbar ist. Somit bleibt die Rotationsenergie über lange oder zumindest wesentliche Zeit über dem Mindestwert. Außerdem können mehrere Werkzeuge verwendet werden, so dass pro Periode mehrere Bearbeitungen statt finden können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der rotatorische Antrieb vom Linearantrieb beförderbar, insbesondere als hin- und her bewegbar ist in linearer Richtung. Von Vorteil ist dabei, dass fast alle Kurven im erreichbaren Arbeitsbereich durchfahrbar sind. Je runder und kreisähnlicher die Kurve ist, desto kleiner ist der Linearantrieb dimensionierbar und desto geringer wird auch darüber hinaus der Leistungsbedarf des rotatorischen Antriebs. Denn die minimale und maximale Drehzahl sind dann auch immer ähnlicher. Der Linearantrieb ermöglicht jedoch, dass trotz der Mindestdrehzahl des rotatorische Antriebs ein linearer Kurvenbereich durchfahrbar ist. Hierzu ist es notwendig, dass die Linearachse des Linearmotors allerdings in einem nicht verschwindenden Winkel zur Kurvenrichtung dieses linearen Kurvenabschnittes angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Antriebe als Servoantriebe oder Synchronantriebe ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Kurve mit hoher Genauigkeit durchfahrbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Linearantrieb mit einem Mittel zur Positionserfassung und der rotatorische Antrieb mit einem Mittel zur Erfassung des Winkels verbunden, wobei die erfassten Werte einer elektronischen Kurvensteuerung oder Kurvenregelung zuführbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine Bahnsteuerung derart ausführbar ist, dass bei beliebiger Bahngeschwindigkeit stets eine hohe Genauigkeit erreichbar ist. Außerdem weist die elektronische Ausführung im Vergleich zu einer Kurvenscheibe zur mechanischen Steuerung der Bahnbewegung weniger Verschleiß auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Arbeitsbereich des Werkzeuges ein linearer Kurvenabschnitt, insbesondere wobei eine Arbeitskraft auf das Werkstück in Richtung des Kurvenverlaufs erfolgt. Von Vorteil ist dabei, dass trotz der gespeicherten und nicht unterschrittenen minimalen Rotationsenergie ein linearer Abschnitt durchfahrbar ist. Dies verringert die notwendigen Beschleunigungen beim Linearmotor erheblich.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kurve im Wesentlichen gerade Kurvenabschnitte und im Wesentlichen abschnittsweise kreisförmige Kurvenabschnitte. Von Vorteil ist dabei, dass die Ausführung und Programmierung in einfacher Weise ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest einer der Antriebe berührungslos versorgt mit elektrischer Leistung. Von Vorteil ist dabei, dass weniger Verschleiß auftritt als bei einer Schleifleitungsversorgung oder einer Versorgung über einen entsprechend zu bewegenden Kabelstrang.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die berührungslose Versorgung über eine induktive Kopplung an ein Primärleitersystem ausgeführt. Insbesondere ist die induktive Kopplung schwach und über einen großen Luftspalt ausführbar, wobei der Sekundärwicklung eine Kapazität seriell oder parallel derart zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Wechselstromfrequenz im Primärleitersystem im Wesentlichen entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass ein großer Luftspalt ausführbar ist und trotzdem große Leistungen im kW Bereich übertragbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Maschine eine Verpackungsmaschine. Von Vorteil ist dabei, dass auch die dort erforderlichen komplizierte Bahnbewegungen mit hoher Bahngeschwindigkeit und großer Genauigkeit durchfahrbar sind. Im linearen Bereich ist beispielsweise ein Verdichten einer Werkstückmasse, wie elastisches Material oder Faserstoffen ermöglicht.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Maschine mit zumindest einem Werkzeug sind, dass das Werkzeug auf einer Kurve im Raum, insbesondere geschlossen, bewegt werden, wobei zumindest ein erster und ein zweiter Antrieb in gegenseitiger Abhängigkeit betrieben werden, wobei ein erster Antrieb als Linearantrieb und ein zweiter als rotatorischer Antrieb ausgeführt ist, wobei die Kurve derart ausgeführt ist, dass einer oder alle rotatorischen Antriebe zwischen einer jeweiligen ersten und einer zweite Drehzahl gleichen Drehsinnes betrieben wird.
Von Vorteil ist dabei, dass die eigentlich komplexe Raumkurve aus Kreisen zusammensetzbar ist, deren Mittelpunkt translatorisch verschoben wird. Somit ist bei einer geschlossenen Kurve ein periodisches Durchlaufen und somit auch eine Mindest-Rotationsenergie vorsehbar. Dadurch reduzieren sich die notwendigen Leistungsbedarfe der Antriebe erheblich. Trotz dieser rotatorischen Bewegung sind im Zusammenspiel mit der translatorischen Bewegung ein oder mehrere lineare Kurvenabschnitte realisierbar. Dabei sind extrem hohe Beschleunigungen mit geringster Antriebsleistung beim Beginn des Durchfahrens des linearen Kurvenabschnitts realisierbar. Denn die Drehachse weist auch schon zu Beginn beim Durchfahren dieses Abschnittes eine hohe Bahngeschwindigkeit auf.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Linearmotor
2: Drehwelle
3: Hebel
4: Umlenkmechanik
5: Werkzeug
6: Rücklaufkurvenbereich
7: Arbeitskurvenbereich

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Maschine mit zwei Achsen gezeigt. Dabei wird das Werkzeug 5 auf einer komplexen ebenen Kurve im Raum bewegt, die geschlossen ausgeführt ist, also periodisch in stets gleicher Art zu durchlaufen ist.
Die Maschine umfasst dabei einen Linearmotor 1, der Hin- und Herbewegung ausführt, wobei als Last ein rotatorischer Antrieb verwendet ist, der eine Drehwelle 2 antreibt, an welcher über einen Hebel 3 und eine Umlenkmechanik 4 das Werkzeug 5 vorgesehen ist.
Die Kurve, die auch als Kurvenscheibe vorsehbar ist, umfasst dabei einen im Wesentlichen linearen Arbeitskurvenbereich 7 und einen nach einem kurzen Rückzugsbereich und danach darauf folgenden, etwa senkrecht angeordneten Wegziehbereich einen in etwa kreisförmig gekrümmt verlaufenden Rücklaufkurvenbereich 6.
2 zeigt einen Teil der Maschine, umfassend Hebel 3, Umlenkmechanik 4 und Werkzeug 5, in Schrägansicht. Hebel und Werkstück sind beidseitig ausgeführt, so dass ein noch schnellerer Bearbeitungszyklus realisierbar ist.
Wenn nun diese Kurve anstatt von der Erfindung durch zwei über ein Element verbundene eben angeordnete Linearmotoren erzeugt würde, ist eine extrem hohe Antriebsleistung erforderlich, weil beide Motoren eine Hin- und Herbewegung ausführen müssen.
Bei der Erfindung sind aber nur sehr kleine Antriebsleistungen erforderlich. Denn der rotatorische Antrieb, beispielhaft ein Servomotor oder Synchronmotor, wird in seiner Drehrichtung nie umgekehrt sondern wird nur zwischen einer minimalen und maximalen Drehzahl entsprechend betrieben. Nur der Linearmotor muss eine Hin- und Herbewegung ausführen.
Somit wird eine gewisse Mindest-Rotationsenergie stets gespeichert.
In der 1 ist allerdings bei dem kurzen Rückzugsbereich eine kurze Zeit dauernde Ausnahme von dieser Speicherung ausgeführt. Die dort extrem spitz verlaufende Kurve ist mittels erster und dann nochmaliger Drehsinnumkehr des rotatorischen Antriebs hergestellt.
Für den Rückzugsbereich ist aber nur das Werkzeug ohne Last zu befördern – im Gegensatz zum Arbeitsbereich, wo auf das Werkstück eine Kraft übertragen wird.
Somit gilt, dass über wesentliche Teile der Kurve, insbesondere auch den Arbeitsbereich, in welchem eine große Kraft auf das Werkstück ausgeübt werden muss, die Mindest-Rotationsenergie nicht unterschritten wird.
In einem Teil der Kurve, wo keine große Belastung vorgesehen ist, also nur die Antriebe selbst und das Werkzeug zu befördern sind, sind auch Drehsinnumkehrungen und somit Unterschreitungen der Mindest-Rotationsenergie realisierbar. Vorteil ist dabei, dass besonders spitze Bereiche, also auch fast schon nicht-differenzierbare Kurvenbereiche ausführbar sind.
Die Umlenkmechanik 4 stellt sicher, dass das Werkzeug in seiner richtigen Orientierung, hier beispielhaft in Schwerkraftrichtung, zumindest beim Bearbeiten orientiert ist. Alternativ sind auch andere Stellvorrichtung, umfassend gegebenenfalls Stellmotoren, vorteilhaft verwendbar.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die Antriebe berührungslos über eine induktive Kopplung versorgt. Dabei ist eine sekundärseitig angeordnete Wicklung mit der langgestreckten Primärleitung oder Primärwicklung induktiv gekoppelt. Letztere eignet sich insbesondere für die Versorgung des rotatorischen Antriebs, insbesondere über einen Drehtransformator.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist in die Primärleitung ein Wechselstrom zwischen 10 und 100 kHz eingeprägt und der Sekundärwicklung eine Kapazität parallel oder in Serie beschaltet derart, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des Wechselstroms gleicht.

Claims

Maschine mit zumindest einem Werkzeug, wobei das Werkzeug auf einer Kurve bewegbar ist, wobei zumindest ein von der Maschine umfasster, erster und zweiter Antrieb in gegenseitiger Abhängigkeit betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Antrieb als Linearantrieb und ein zweiter als rotatorischer Antrieb ausgeführt ist, wobei die Kurve derart ausgeführt ist, dass der rotatorische Antrieb zwischen einer ersten und einer zweiten Drehzahl, insbesondere gleichen Drehsinnes, insbesondere für den Arbeitsbereich umfassenden Kurvenbereiche, betreibbar ist.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sehr spitze Bereiche der Kurve, insbesondere dornartig hervorstehende Bereiche, mittels zweifachem, schnell aufeinanderfolgendem Drehsinnwechsel des rotatorischen Antriebs erzeugbar sind.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve eben ist.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve geschlossen ist, insbesondere also periodisch durchlaufbar ist.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Werkzeug zum Arbeitseinsatz kommen beim Durchlaufen der Kurve.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Werkzeug zum Arbeitseinsatz kommen beim einmaligen Durchlaufen der Kurve.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsverlauf der Antriebe, insbesondere Kreisgeschwindigkeiten und Lineargeschwindigkeiten, eine zweite Periodendauer aufweist, wobei das Durchlaufen der Kurve mit einer ersten Periodendauer ausgeführt wird, wobei die erste ein Ganzzahliges Vielfaches der zweiten Periodendauer ist.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rotatorische Antrieb vom Linearantrieb beförderbar ist, insbesondere als hin- und her bewegbar ist in linearer Richtung.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe als Servoantriebe oder Synchronantriebe ausgeführt sind.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb mit einem Mittel zur Positionserfassung und der rotatorische Antrieb mit einem Mittel zur Erfassung des Winkels verbunden ist, wobei die erfassten Werte einer elektronischen Kurvensteuerung oder Kurvenregelung zuführbar sind.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich des Werkzeuges ein im Wesentlichen linearer Kurvenabschnitt ist, insbesondere wobei eine Arbeitskraft auf das Werkstück in Richtung des Kurvenverlaufs erfolgt.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve im Wesentlichen gerade Kurvenabschnitte und im Wesentlichen abschnittsweise kreisförmige Kurvenabschnitte umfasst.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Antriebe berührungslos versorgt ist mit elektrischer Leistung.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Versorgung über eine induktive Kopplung an ein Primärleitersystem ausgeführt ist.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter mindestens teilweise entlang der Linearachse des Linearmotors verlegt ist und das bewegbar angeordnete Teil des Linearmotors eine induktiv gekoppelte Sekundärspule zur berührungslosen Versorgung zumindest des auf dem bewegbar angeordneten Teil vorgesehenen rotatorischen Antriebs umfasst.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Kopplung schwach ist und über einen großen Luftspalt ausführbar ist, wobei der Sekundärspulenwicklung eine Kapazität seriell oder parallel derart zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Wechselstromfrequenz im Primärleitersystem im Wesentlichen entspricht.
Maschine nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Verpackungsmaschine, Werkzeugmaschine oder eine Bearbeitungsmaschine ist.
Verfahren zum Betreiben einer Maschine mit zumindest einem Werkzeug, wobei das Werkzeug auf einer Kurve im Raum, insbesondere geschlossen, bewegt werden, wobei zumindest ein erster und ein zweiter Antrieb in gegenseitiger Abhängigkeit betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Antrieb als Linearantrieb und ein zweiter als rotatorischer Antrieb ausgeführt ist, wobei die Kurve derart ausgeführt ist, dass einer oder alle rotatorischen Antriebe zwischen einer jeweiligen ersten und einer zweiten Drehzahl, insbesondere gleichen Drehsinnes, insbesondere für den Arbeitsbereich umfassenden Kurvenbereiche, betrieben wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass spitze Bereiche der Kurve durch schnell aufeinanderfolgenden zweifachen Drehsinnwechsel erzeugbar sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearachsenrichtung einen Winkel aus dem Bereich von etwa 20 Grad bis 60 Grad zur Bahnrichtung während des Arbeitsbereiches umfasst.