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Die Erfindung betrifft einen Werkstücktisch und ein Verfahren zum Antreiben des Werkstücktisches, welche bei der Bearbeitung eines von dem Werkstücktisch gestützten Werkstücks verwendbar sind.
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Herkömmlicherweise werden Werkstücktische zur Aufnahme bzw. Lagerung von Werkstücken verwendet, um die Werkstücke mit einem Werkzeug zu bearbeiten. Hierbei werden die Werkstücktische um eine vertikale Drehachse gedreht und dadurch an bestimmten um den Umfang des Werkstücktisches angeordneten Bearbeitungspositionen vorbeigeführt, an welchen Werkzeuge zur Bearbeitung eines an dem Werkstücktisch gelagerten bzw. gestützten Werkstücks angeordnet sind. Für einen solchen Werkstücktisch ist ein lagegeregelter Antrieb mit hohen Drehmomenten und niedrigen Drehzahlen vorteilhaft.
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US 4,807,338 beschreibt einen Indextisch, der auf einer Stütze gelagert ist und um eine vertikale Achse mittels eines Radialkolben-Hydraulikmotors drehbar ist. Auf dem Indextisch sind mehrere Werkzeugblocks derart montiert, dass sie um den Umfang des Indextisches herum beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Werkzeugblocks dienen zur Stütze und Bearbeitung von Werkstücken, wozu der Indextisch mit inkrementell bzw. schrittweise mittels des Radialkolben-Hydraulikmotors gedreht wird. So können einzelne Werkstücke nacheinander mittels der verschiedenen auf dem Indextisch montierten Werkzeugblocks bearbeitet werden.
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Für einen solchen Indextisch ist auch ein Direktantrieb über einen Torquemotor üblich.
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Als weitere Lösung für den Antrieb eines Werkstücktisches ist auch ein Seitenantrieb über Servomotoren mit Schneckengetriebe möglich. In diesem Fall ist der Werkstücktisch jedoch mit einer Getriebebaugruppe auszustatten, was die Herstellung des Werkstücktisches verkompliziert und verteuert. Zusätzlich wird sein Betrieb kostspieliger, da die Wartung des Antriebs des Werkstücktisches durch die Getriebebaugruppe aufwändiger wird.
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Der Erfinder der im folgenden beschriebenen Erfindung hat außerdem herausgefunden, dass die genannten Lösungen des Standes der Technik nicht für Werkstücktische zur Stützung von Werkstücken mit großen Abmessungen, insbesondere großem Werkstückdurchmesser, und/oder mit großem Gewicht geeignet sind, das heißt Werkstücke mit einem Drehmoment von größer oder gleich 100 kNm. Insbesondere hat sich bei Experimenten herausgestellt, dass die genannten Tische kein genügend hohes Beschleunigungsvermögen für solche Werkstücke bei akzeptabler Energieeffizienz und gleichzeitigem exaktem Lageregelverhalten zeigen.
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Zudem hat der Erfinder der im folgenden beschriebenen Erfindung festgestellt, dass bei einem Hydraulikantrieb des Tisches ein schlechtes Positionierverhalten durch mangelnde Laststeifigkeit des Hydraulikantriebs besteht, wenn große Werkstücke damit gedreht werden sollen. Beim Seitenantrieb entstehen Geometriefehler durch asymmetrische Einleitung der Antriebskraft. Und beim Direktantrieb steigen aufgrund von Sondergrößen des Torquemotors, die zur Drehung von großen Werkstücken erforderlich sind, die Kosten des Werkstücktisches überproportional und somit inakzeptabel an. Als Ursache dieser Probleme wurde insbesondere ermittelt, dass die Masse und außerdem das Massenträgheitsmoment des Werkstücks jeweils im Quadrat zum Werkstückdurchmesser steigen.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Werkstücktisch und ein Verfahren zum Antreiben eines Werkstücktisches zur Verfügung zu stellen, welche für Werkstücke mit großen Abmessungen und/oder Gewicht, das heißt Werkstücke mit einem Drehmoment von größer oder gleich 100 kNm, ein hohes Beschleunigungsvermögen bei großer Energieeffizienz und gleichzeitigem exaktem Lageregelverhalten kostengünstig und in kompakter Bauweise ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch einen Werkstücktisch nach Patentanspruch 1 gelöst. Der Werkstücktisch dient zur Stützung eines Werkstücks und umfasst eine Antriebseinrichtung zum Antrieb des Werkstücktisches in eine Drehbewegung um eine Antriebswelle, so dass das Werkstück an mindestens einer Position bearbeitbar ist, wobei die Antriebseinrichtung einen Hydraulikmotor und einen Torquemotor in Hybridbauweise aufweist.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Werkstücktisches sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Sowohl der Hydraulikmotor als auch der Torquemotor können zum Antrieb der Antriebswelle angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise ist der Hydraulikmotor zur Closed-Center-Regelung vorgesehen.
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Außerdem kann der Hydraulikmotor einen Hydraulik-Fluidkreislauf aufweisen, der derart ausgestaltet ist, dass er zur Kühlung des Torquemotors Verwendung findet.
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Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Hydraulikmotor einen Hydraulik-Fluidkreislauf aufweist, der derart ausgestaltet ist, dass er zur hydrostatischen Lagerung des Werkstücktisches Verwendung findet.
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Zudem ist es denkbar, dass der Werkstücktisch hydrostatisch gelagert ist und der Hydraulikmotor als Förderpumpe zur Notversorgung der hydrostatischen Lagerung des Werkstücktisches, z. B. bei Ausfall der elektrischen Energieversorgung und/oder eines dem Hydraulikmotor zugeordneten Hydraulikaggregats ausgestaltet ist.
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Der Torquemotor kann derart ausgestaltet sein, dass er mit einer Umrichteinrichtung angesteuert wird, die zur Ansteuerung des Hydraulikmotors als Bremssystem ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise ist der Hydraulikmotor ein Radialkolben-Hydraulikmotor und/oder der Torquemotor ein Synchron-Torquemotor.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Antreiben eines Werkstücktisches nach Patentanspruch 10 gelöst. Bei dem Verfahren ist mittels des Werkstücktisches ein Werkstück stützbar, wobei der Werkstücktisch mit einer Antriebseinrichtung in eine Drehbewegung um eine Antriebswelle angetrieben wird, so dass das Werkstück an mindestens einer Position bearbeitbar ist, und wobei die Antriebseinrichtung einen Hydraulikmotor und einen Torquemotor in Hybridbauweise aufweist.
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Mit dem zuvor beschriebenen Werkstücktisch und dem Verfahren zum Antreiben des Werkstücktisches können auch große Werkstücke, das heißt Werkstücke mit einem Drehmoment von größer oder gleich 100 kNm mit hohen Drehmomenten und niedrigen Drehzahlen exakt bewegt und in vorgegebene Positionen positioniert werden. Dadurch können die Produktivität und Energieeffizienz bei dem Antrieb des Werkstücktisches, und letztendlich der Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Antriebs des Werkstücktisches, erhöht werden.
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Darüber hinaus sind für den Werkstücktisch und das Verfahren marktübliche Antriebsbaugruppen einsetzbar, was zu einer Vereinfachung der Herstellung des Werkstücktisches und damit auch zu einem kostengünstigen Werkstücktisch ohne aufwändige und teure Sonderkonstruktionen führt. Zudem sind bei dem Werkstücktisch keine Getriebebaugruppen erforderlich, was ebenfalls eine einfache und kostengünstige) Herstellung des Werkstücktisches und auch seines Betriebs zur Folge hat.
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Als weiterer Vorteil der erwähnten Kombination des Hydraulikmotors und des Torquemotors können vorhandene Fluidsysteme und Sicherheitssysteme des jeweiligen Motors auch für den Ausfall des jeweils anderen Motors genutzt werden. Somit verfügt der beschriebene Werkstücktisch und das Verfahren zu seinem Antrieb über ein redundantes Sicherheitssystem.
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Auf diese Weise kann mit dem beschriebenen Antriebseinrichtung für den erfindungsgemäßen Werkstücktisch eine Realisierung und Synthese von Antriebseigenschaften erfolgen, die bei Verwendung eines Einzelantriebs nur durch extreme Aufwendungen möglich wären.
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Zudem kann der Hydraulikmotor bei dem erfindungsgemäßen Werkstücktisch im Gegensatz zu dem beschriebenen Stand der Technik mit einer Closed-Center-Regelung geregelt werden, wobei eine Übernahme der Lastmomente im Stillstand des Hydraulikmotors durch den Torquemotor erfolgt. Dies bringt eine hohe Energieeffizienz mit sich.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücktisches gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein Blockschaltbild eines Antriebs eines Werkstücktisches gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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(Ausführungsbeispiel)
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In 1 ist ein Werkstücktisch 10 gezeigt, der auf einem Maschinenbett 20 mittels einer axialen Lagereinrichtung 30 und einer radialen Lagereinrichtung 40 drehbar gelagert ist. Für die Drehung des Werkstücktisches 10 ist zwischen Werkstücktisch 10 und Maschinenbett 20 eine Antriebseinrichtung 50 vorgesehen, die einen Hydraulikmotor 51 und einen Torquemotor 52 aufweist. Genauer gesagt, der Hydraulikmotor 51 und der Torquemotor 52 sind an einer in 1 schematisch dargestellten Drehachse bzw. Antriebswelle 53 der Antriebseinrichtung 50 hintereinander geschaltet und können beide die gleiche Antriebswelle 53 in eine Drehbewegung um ihre Achse antreiben. Die Antriebseinrichtung 50 hat also eine Hybridbauweise. Die Antriebswelle 53 der Antriebseinrichtung 50 ist in 1 schematisch als eine vertikal angeordnete Welle bzw. Achse dargestellt, die in der Mitte des Werkstücktisches 10 angeordnet ist. Zudem sind zwischen Hydraulikmotor 51 und Maschinenbett 20 Drehmomentarme 54 angeordnet. Auf dem Werkstücktisch 10 ist ferner ein Werkstück 60 dargestellt, welches von dem Werkstücktisch 10 zur Bearbeitung mit einem nicht dargestellten Werkzeug gestützt wird. Eine Winkelposition-Erfassungseinrichtung 70 dient zur Erfassung einer Ist-Winkelposition bzw. Lage des Werkstücktisches 10 und/oder des Werkstücks 60 an dem Werkstücktisch 10. Eine Drehmomenterfassungseinrichtung 72 dient zur Erfassung eines Ist Drehmoments des Hydraulikaggregats. Eine Störungserfassungseinrichtung 75 dient zur Erfassung von Störungen der Antriebseinrichtung 50 usw.
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Die von der Antriebseinrichtung 50 bewirkte Drehbewegung ist vorzugsweise inkrementell bzw. schrittweise, so dass der Werkstücktisch 10 beispielsweise von einem ersten Werkzeug zu einem zweiten Werkzeug usw. gedreht werden kann, die entlang des Umfangs des Werkstücktisches 10 voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Bearbeitung des Werkstücks 60 kann jedoch auch während der Drehbewegung der Antriebseinrichtung 50 oder zumindest während eines Teils der Drehbewegung der Antriebseinrichtung 50 durchgeführt werden.
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Die Art der Verschaltung der Antriebseinrichtung 50 ist in 2 dargestellt. Das heißt, der Hydraulikmotor 51 und der Torquemotor 52 sind beide zum Antrieb der Antriebswelle 53 angeordnet und können so den mit der Antriebswelle 53 gekoppelten Werkstücktisch 10 in eine Drehbewegung antreiben. Die Antriebswelle 53 ist in 2 als Antriebsstrang bezeichnet. Hierbei wird der Hydraulikmotor 51 mit einem Hydraulikaggregat 511 hydraulisch angesteuert, welches einen den Hydraulikmotor 51 und das Hydraulikaggregat 511 verbindenden Hydraulik-Fluidkreislauf regelt. Der Torquemotor 52 wird mittels einer Umrichteinrichtung 521 elektrisch angesteuert. Das Hydraulikaggregat 511 und die Umrichteinrichtung 521 werden wiederum von einer Regeleinrichtung 80 angesteuert, welche dem Hydraulikaggregat 511 und der Umrichteinrichtung 521 Sollwerte vorgibt, welche eine Antriebsbewegung des Hydraulikmotors 51 und des Torquemotors 52 bestimmen. Die Regeleinrichtung 80 bestimmt diese Sollwerte zum einen aus Vorgaben einer mit ihr verbundenen übergeordneten Steuereinrichtung 90, wie beispielsweise einer NC-Steuerung (NC = Numerical Control = Numerische Steuerung), und/oder zum anderen aus Erfassungsergebnissen der Winkelposition-Erfassungseinrichtung 70 und/oder der Drehmomenterfassungseinrichtung 72 und/oder der Störungserfassungseinrichtung 75. Hierzu kann die Störungserfassungseinrichtung 75 beispielsweise auch Störungen bzw. Störgrößen erfassen, welche verhindern, dass die Antriebseinrichtung 50 den Werkstücktisch 10 in eine vorbestimmte Drehstellung bzw. Lage bringt, anhält und/oder hält und somit eine Lagesteifigkeit des Werkstücktisches 10 in dieser vorbestimmten Drehstellung bzw. Lage verhindern.
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Die Übertragung von Erfassungsergebnissen der Winkelposition-Erfassungseinrichtung 70, der Drehmomenterfassungseinrichtung 72 und der Störungserfassungseinrichtung 75 von dem Werkstücktisch 10, dem Hydraulikmotor 51 und dem Hydraulikaggregat 511, sowie dem Torquemotor 52 und der Umrichteinrichtung 521 an die Regeleinrichtung 80 ist in 2 mit Hilfe von Pfeilen dargestellt. Zudem ist die Übertragung von aus der Regeleinrichtung 80 ausgegebenen Sollwerten bzw. Regelgrößen an das Hydraulikaggregat 511 und die Umrichteinrichtung 521 und ihre Signalausgabe an den Hydraulikmotor 51 und den Torquemotor 52 in 2 mit Hilfe von Pfeilen dargestellt.
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Genauer gesagt, die Regeleinrichtung 80 bestimmt auf der Grundlage der Vorgaben der Steuereinrichtung 90 und/oder der Erfassungsergebnisse der Winkelpositions-Erfassungseinrichtung 70 und/oder der Drehmomenterfassungseinrichtung 72 und/oder der Störungserfassungseinrichtung 75, ob und in welcher Weise der Hydraulikmotor 51 und/oder der Torquemotor 52 anzutreiben sind und errechnet die hierfür erforderlichen Regelgrößen oder Sollwerte, die an den Hydraulikmotor 51 und/oder den Torquemotor 52 weiterzugeben sind.
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Hierbei ist die Regeleinrichtung 80 derart ausgestaltet, dass sie vor allem durch den Hydraulikmotor 51 das zum Bewegen eines großen Werkstücks 60 erforderliche Drehmoment von etwa 100 kNm oder mehr erzeugt. Der Torquemotor 52 findet dagegen vor allem zur Lage- und Störgrößenausregelung Verwendung, so dass eine exakte Positionierung des Werkstücktisches 10 zur Bearbeitung eines davon gestützten Werkstücks 60 mit einem Werkzeug gewährleistet ist. Somit kann mit der Antriebseinrichtung 50 ein hohes Drehmoment bei gleichzeitig hoher Laststeifigkeit und niedrigen Drehzahlen erzielt werden.
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Durch eine solche Ausführung des Antriebs des Werkstücktisches 10 ist es möglich, dass die Regeleinrichtung 80 den Hydraulikmotor 51 in Closed-Center-Regelung regelt. Bei einer solchen Regelung sind Wegeventile in dem Hydraulik-Fluidkreislauf in der Mittelstellung geschlossen und der Volumenstrom des Hydraulikfluids wird entweder über ein Umlaufventil geleitet (bei Konstantpumpen) oder bei Verstellpumpen auf Minimalförderung gestellt, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einem durch die Closed-Center-Regelung hervorgerufenen Stillstand des Hydraulikmotors 51 wird die Lagesteifigkeit des Werkstücktisches 10 und damit des daran gestützten Werkstückes 60 durch den Torquemotor 52 bewerkstelligt. Das heißt, der Torquemotor 52 übernimmt die Lastmomente im Stillstand des Hydraulikmotors 51.
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Wird dagegen ein Werkstücktisch nur mittels eines Hydraulikmotors betrieben, der nicht mit einem Torquemotor in Hybridbauweise verschaltet ist, wie zuvor beschrieben, ist eine Open-Center-Regelung des Hydraulikmotors erforderlich, bei welcher die hintereinander geschalteten Wegeventile in der Mittelstellung für den Hydraulidfluidstrom offen sind, so dass der volle Pumpenförderstrom der Konstantpumpe durch alle Ventile hindurchgeführt wird. Bei einer solchen Open-Center-Regelung ergeben sich sehr hohe Durchströmungsverluste, die bei der vorliegenden Erfindung durch die Closed-Center-Regelung der Regeleinrichtung 80 vermieden werden können.
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Der Hydraulik-Fluidkreislauf des Hydraulikmotors 51 kann auch zur Kühlung des Torquemotors 52 eingesetzt werden. Hierbei ist jedoch bei Verwendung von Öl als Hydraulikfluid bei einigen Torquemotoren darauf zu achten, dass ihre Spulenwicklungen und Magnete nicht mit dem Öl in Verbindung gebracht werden, um den Torquemotor 52 nicht zu beschädigen.
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Zudem kann der Hydraulik-Fluidkreislauf zur hydrostatischen Lagerung des Werkstücktisches 10 Verwendung finden. Das heißt, die axiale Lagereinrichtung 30 und/oder die radiale Lagereinrichtung 40 sind in diesem Fall als hydraulische Lagereinrichtung ausgebildet. In diesem Fall steuert die Regeleinrichtung 80 den Hydraulikmotor 51 als Förderpumpe zur Notversorgung der hydrostatischen Lagerung des Werkstücktisches 10 an, wenn die Störungserfassungseinrichtung 75 einen Ausfall der elektrischen Energieversorgung und/oder eines dem Hydraulikmotor 51 zugeordneten hydraulischen Pumpenaggregats erfasst.
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Die axiale Lagereinrichtung 30 und die radiale Lagereinrichtung 40 können jedoch auch beispielsweise ein Wälzlager und/oder ein Gleitlager sein.
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Zudem ist die Regeleinrichtung 80 derart ausgestaltet, dass sie die Umrichteinrichtung 521 des Torquemotors 52 auch als Bremse für den Hydraulikmotor 51 ansteuert. Das heißt, die Regeleinrichtung 80 und die Umrichteinrichtung 521 sind zur Ansteuerung des Hydraulikmotors 51 als Bremssystem ausgestaltet. Auf diese Weise kann eine antriebsintegrierte Sicherheitstechnik der Umrichteinrichtung 521 auch als Bremssystem für den Hydraulikmotor 51 genutzt werden.
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Auf diese Weise ist der Werkstücktisch 10 mit einer kompakten, durch Redundanz gesicherten, einfach aufgebauten und kostengünstigen Antriebseinrichtung 50 ausgestattet, welche die Vorteile verschiedener Antriebsarten (hydraulisch und elektrisch) sinnvoll und ausgeklügelt nutzt und einen Antrieb mit hohem Drehmoment und niedrigen Drehzahlen realisieren kann.
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(Allgemeines)
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Werkstücktisches 10 und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Hierbei sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Auch wenn anhand von 1 eine Drehung eines horizontal ausgerichteten, Werkstücktisches 10 um eine vertikale Achse beschrieben ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass der Werkstücktisch 10 auch beliebig anders angeordnet sein kann, und dann um eine zu dieser Anordnung senkrechten Drehachse gedreht werden kann.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass die Antriebswelle 53 der Antriebseinrichtung 50 in der Mitte des Werkstücktisches 10 oder auch an einer beliebigen Position außermittig des Werkstücktisches 10 angeordnet ist.
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Der Hydraulikmotor 51 kann vorzugsweise ein Radialkolben-Hydraulikmotor sein. Der Torquemotor 52 kann vorzugsweise ein Synchron-Torquemotor sein.
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Die Winkelposition-Erfassungseinrichtung 70, die Drehmomenterfassungseinrichtung 72 und die Störungserfassungseinrichtung 75 können einen oder mehrere Sensoren umfassen, welche nach bekannten physikalischen Prinzipien, wie optisch, magnetisch, mechanisch, pneumatisch usw. arbeiten können.
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Wie erwähnt, kann der Werkstücktisch mit hydrostatischen und/oder hydrodynamischen ggfs. auch mit pneumatischen Lagerungssystemen aufgeführt sein, wobei diese Lagerungssysteme bevorzugt in das Hydraulikkonzept des Antriebs integriert sein können. Eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung ist bei großen Werkstückdurchmessern gegeben
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstücktisch
- 20
- Maschinenbett
- 30
- axiale Lagereinrichtung
- 40
- radiale Lagereinrichtung
- 50
- Antriebseinrichtung
- 51
- Hydraulikmotor
- 52
- Torquemotor
- 53
- Antriebswelle
- 54
- Drehmomentarm
- 60
- Werkstück
- 70
- Winkelposition-Erfassungseinrichtung
- 72
- Drehmomenterfassungseinrichtung
- 75
- Störungserfassungseinrichtung
- 80
- Regeleinrichtung
- 90
- Steuereinrichtung
- 511
- Hydraulikaggregat
- 521
- Umrichteinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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