DE102016112113A1

DE102016112113A1 - Stationäre Maschine und Verfahren zum Betreiben einer stationären Maschine

Info

Publication number: DE102016112113A1
Application number: DE102016112113.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kempter
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine stationäre Maschine für ein Handlings- und/oder Bearbeitungszentrum oder für ein Dreh- und/oder Fräszentrum, mit einem Aktor (8), der durch einen Antrieb (6) verstellbar ist, wobei durch mindestens einen ersten Energiespeicher (9) elektrische Antriebsenergie für den Antrieb (6) bereitgestellt ist. Der mindestens erste Energiespeicher (9) ist als Energiequelle für die Bereitstellung der Antriebsenergie zu dem nicht selber mit dem Stromnetz verbundenen Antrieb (6) vorhanden und ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer stationären Maschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Maschine für ein Handlings- und/oder Bearbeitungszentrum oder für ein Dreh- und/ oder Fräszentrum, mit einem Aktor, der durch einen Antrieb verstellbar ist, wobei durch mindestens einen ersten Energiespeicher elektrische Antriebsenergie für den Antrieb bereit gestellt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer stationären Maschine.
Die Aktoren derartiger stationärer Maschinen – wie Spannfutter, Greifer oder Schwenkeinheiten – werden in der Regel pneumatisch oder hydraulisch mit Hilfe von Ventilen verstellt, zu deren Steuerung typischerweise Niederspannungssystem mit einigen Volt verwendet werden. Diese Maschinen haben sich zwar bewährt, gleichwohl sind diese Maschinen relativ langsam und wartungsintensiv. Zudem muss auch die Infrastruktur bereitgestellt und gewartet werden. Der Begriff der stationären Maschine ist insbesondere als Gegenbegriff zu mobilen Maschinen, die von einer Person bedient werden, zu verstehen und schließt daher explizit nicht aus, dass die stationäre Maschine innerhalb des Handlings- und/oder Bearbeitungszentrums oder des Dreh- und/ oder Fräszentrums ganz oder teilweise bewegt wird.
Elektrisch betriebene Maschinen konnten in der Vergangenheit nur schwer realisiert werden, da für deren Betrieb sehr hohe elektrische Leistungen erforderlich sind. Diese lassen sich zwar grundsätzlich entweder durch hohe Spannungen bei moderaten Strömen oder durch hohe Ströme bei gleichzeitig begrenzten Spannungen bereitstellen, deren Verwendung ist aber mit großen Nachteilen verbunden. Bei der Verwendung hoher Spannungen von mehreren hundert Volt hat es sich als nachteilig erwiesen, dass diese hohen Spannungen nur durch Elektriker oder entsprechend geschultes Personal gehandhabt werden können. Zudem sind die Antriebe und Steuerungen, die bei diesen Hochspannungen verwendet werden, bauartbedingt sehr groß und schwer und im Vergleich zu hydraulischen Lösungen vergleichsweise teuer und machen eine aufwändige und baulich große Antriebsregelung notwendig, die daher in der Regel nicht unmittelbar an der Maschine, sondern in einen Schaltschrank untergebracht werden muss. Auf der anderen Seite hat sich die Verwendung hoher Ströme – üblicherweise mehr als 5 A – ebenfalls als nachteilig erwiesen, da die hierfür erforderlichen Leitungsquerschnitte so groß sind, so dass sich die Zuführung dieser Leitungen zu der jeweiligen Maschine als sehr aufwändig erwiesen hat. Insbesondere lassen sich bei der Verwendung dieser Kabel dann die notwendigen Biegeradien innerhalb der Maschine nicht oder nur sehr schwer realisieren, so dass die Maschine letztlich größer gebaut werden müsste, um die Kabel innerhalb der Maschine verlegen zu können. Zudem müssen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen insbesondere auch mehrere Anschlüsse verwendet werden, um die Maschine zu betreiben, nämlich zunächst für die Energieversorgung des Antriebs, für ein entsprechendes Feedback-System sowie beispielsweise eine Positionserfassung, wodurch sich der Installations- und Wartungsaufwand erhöht.
Aus dem Stand der Technik sind bereits mobile Maschinen bekannt, beispielsweise elektrische Handbohrmaschinen, elektrische Stichsägen oder auch elektrische Rasentrimmer, bei denen die elektrische Antriebsenergie durch einen Energiespeicher in Form eines Akkumulators bereit gestellt wird. Bei diesen mobilen Maschinen wird die Einsatzdauer jedoch durch die Kapazität des Energiespeichers begrenzt. Unterschreitet dieser einen gewissen Grenzwert, so muss die damit ausgerüstete Maschine entweder in eine Ladestation gestellt werden oder der Energiespeicher wird durch den Nutzer aus der mobilen Maschine entnommen und in einer Ladeeinrichtung extern aufgeladen, während ein zweiter Energiespeicher bereitgehalten werden muss, der den Energiespeicher ersetzt. Hierbei hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass der Wechselvorgang der Energiespeicher die Rüstzeiten erhöht.
Eine stationäre Maschine der eingangs genannten Art ist aus der EP 3 028 804 A1 bekannt. Bei dieser bekannten stationären Maschine, die als ein Spannfutter ausgebildet ist, ist der Antrieb mit dem Stromnetz induktiv verbunden, so dass das Stromnetz die primäre Energiequelle des Antriebs darstellt. Aufgrund der begrenzten Übertragungsfähigkeit der induktiven Schnittstelle ist es bei der EP 3 028 804 A1 jedoch vorgesehen, ergänzend zu dem Stromnetz, Energiespeicher in Form von Akkumulatoren zu verwenden, die zusätzliche elektrische Leistung zur Verfügung stellen, wenn diese benötigt wird. Insbesondere sollen durch die Kombination von Stromnetz und Energiespeicher also erhöhte Leistung bereitgestellt werden, die beispielsweise beim Spannen benötigt wird, und die durch die induktive Übertragung über das Stromnetz alleine nicht aufgebracht werden könnte. Bei der EP 3 028 804 A1 hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass die Steuerung hinsichtlich des Zuschaltens der Akkumulatoren vergleichsweise komplex ist und sich die induktive Schnittstelle der primären Energiequelle von dem Stromnetz zu dem Antrieb als sehr aufwändig gestaltet.
Den die stationäre Maschine betreffenden Teil der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu reduzieren. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer stationären Maschine bereit zu stellen.
Der die stationäre Maschine betreffende Teil der vorliegenden Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer stationäre Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der mindestens eine Energiespeicher als Energiequelle für die Bereitstellung der Antriebsenergie zu dem nicht selber mit dem Stromnetz verbundenen Antrieb vorhanden und ausgebildet ist.
Hierdurch ist es gewährleistet, dass der mindestens eine Energiespeicher als alleinige Energiequelle für den Antrieb dient, der Antrieb selbst also nicht mit dem Stromnetz verbunden sein muss und somit auch nicht gegebenenfalls auftretenden Netzschwankungen unterliegt. Hierdurch kann auf eine aufwändige Zuführung von Antriebsenergie über ein Leitungssystem zu dem Antrieb verzichtet werden und lediglich eine sehr kurze Zuleitung zwischen dem Energiespeicher und dem Antrieb verwendet werden, was insbesondere bei der Verwendung höherer Ströme von Vorteil ist. Zudem wird durch den mindestens einen Energiespeicher sichergestellt, dass die Maschine selbst bei einem Stromausfall im externen Stromnetz noch in eine sichere Position gefahren werden kann, so dass die Betriebssicherheit verbessert wird. Weiterhin lassen sich hierdurch sehr hohe Geschwindigkeiten bei der Verstellung des Aktors realisieren.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Energiespeicher vorgesehen ist, der alternierend zum ersten Energiespeicher als Energiequelle für die Bereitstellung der Antriebsenergie vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, dass beim Unterschreiten eines vorgebbaren Ladungszustandes die Energieversorgung des Antriebs nicht länger von dem ersten Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird, sondern von dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass stets ausreichende Antriebsenergie für den Antrieb zur Verfügung steht, um den Aktor zu verstellen. Insbesondere ist hiermit auch der Vorteil verbunden, dass eine Unterbrechung der Energieversorgung des Antriebs zur Betätigung der Maschine verhindert wird, da der zweite Energiespeicher die Antriebsenergie bereitstellen kann, wenn der Ladezustand des ersten Energiespeichers einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Bewährt hat es sich zudem auch, wenn eine einen Ladestrom bereitstellende Ladeeinrichtung vorgesehen ist zum Aufladen des ersten Energiespeichers und/oder weiterer Energiespeicher in deren Einbaulage. Hierdurch ist es möglich, den ersten Energiespeicher aufzuladen. Wenn bei der alternierenden Verwendung mehrerer Energiespeicher dann beispielsweise der erste Energiespeicher, der die elektrische Antriebsenergie bereitstellt, einen vorgebbaren Ladungszustand unterschreitet, kann durch einen Ladecontroller der Ladeeinrichtung die Energieversorgung des Antriebs umgestellt werden, so dass der zuvor die Antriebsenergie bereitstellende erste Energiespeicher aufgeladen wird, während zugleich einer der zuvor geladenen Energiespeicher die elektrische Antriebsenergie bereitstellt. Hierbei ist es zudem auch vorgesehen, dass mehrere Energiespeicher zeitgleich aufgeladen werden, oder dass die Bereitstellung der Antriebsenergie durch einen Energiespeichers simultan mit dessen Aufladen erfolgt. In diesem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn der Ladecontroller den Ladzustand der Energiespeicher kontinuierlich überwacht und auswertet, da durch das Aufladeverhalten die Lebensdauer der Energiespeicher positiv beeinflusst werden kann.
Als besonders günstig hat es sich weiterhin erwiesen, wenn die Ladeeinrichtung zur Bereitstellung des Ladestroms als ein Niederspannungssystem ausgebildet ist. Da insbesondere auch bei pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Maschinen die Steuerungssignale über ein Niederspannungssystem vorgegeben werden, kann eine Umrüstung bereits bestehender Maschinen einfach vorgenommen werden. Als besonders bevorzugt hat es sich in diesem Zusammenhang auch erwiesen, wenn die bereitgestellte Spannung als Schutzkleinspannung ausgeführt ist. Die Verwendung der Schutzkleinspannung hat den Vorteil, dass die zum Laden verwendeten Spannungen und Ströme relativ ungefährlich sind, so dass die erfindungsgemäße Maschine einfach gewartet werden kann und Schutzmaßnahmen reduziert werden können. Da derartige Niederspannungssysteme bereits bei einer Vielzahl unterschiedlicher Maschinen verwendet wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne großen Adaptionsaufwand bei verschiedenen stationären Maschinen verwendet werden. Es ist hierdurch also letztlich eine „plug and play“-Lösung gegeben, die im Wesentlichen mit einem einzigen Zuleitungskabel alle erforderlichen Signale für den Betrieb der Maschine sowie den Ladestrom bereitstellt und somit besonders einfach zu bedienen ist und den Installations- und Wartungsaufwand reduziert. Zudem kann das Zuleitungskabel einen sehr geringen Querschnitt aufweisen. Weiterhin ist in diesem Zusammenhang im Rahmen der Erfindung auch eine Steuerung vorgesehen, die Mikrocontroller umfasst und somit aufgrund des reduzierten Platzbedarfs einfach in die Maschine integriert werden kann. Insbesondere können auch die Ladeeinrichtung und der Ladecontroller als Teil der Steuerung gebildet sein. Die Steuerung kann dabei entweder durch das Stromnetz mit Energie versorgt werden oder durch die Energiespeicher. Insbesondere können zusätzliche Energiespeicher vorgesehen werden, durch die die Energieversorgung der Steuerung und deren Komponenten erfolgt.
Insbesondere bei rotierenden Maschinen hat es sich bewährt, wenn der Ladestrom berührungslos, nämlich induktiv oder kapazitiv übertragbar ist. Hierdurch ist es möglich, den Antrieb, die Energiespeicher sowie den Aktor in eine rotierbare stationäre Maschine zu integrieren. Der Ladestrom kann dann durch die berührungslose Übertragungstechnik einfach auf die Energiespeicher übertragen werden. Hierbei kann die berührungslose Übertragung entweder zwischen dem mit dem Zuleitungskabel verbundenen Stromanschluss und der Ladeeinrichtung oder zwischen der Ladeeinrichtung und den Energiespeichern erfolgen.
Als besonders günstig hat es sich zudem gezeigt, wenn die Anordnung in der Kraftübertragungskette zum Aktor derart geschaltet ist, dass die erreichte Position des Aktors ohne Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie haltbar ist. Dies hat einen positiven Einfluss auf den Ladezustand der verwendeten Energiespeicher, da die Position des Aktors letztlich gehalten wird, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Im Rahmen der Erfindung kann dies entweder durch eine Selbsthemmung des Aktors oder durch ein Haltemittel erreicht werden.
Bewährt hat es sich zudem auch, wenn der erste Energiespeicher und/oder weitere Energiespeicher ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Akkumulatoren, Kondensatoren oder deren Zusammenschlüsse umfasst. Hierdurch lassen sich Energiespeicher mit einer hohen Leistungsdichte bereitstellen, wobei sich insbesondere die Verwendung von Lithium-Ionen sowie von Lithium-Eisen-Phosphat Akkumulatoren bewährt hat. Insbesondere durch die Verwendung mehrerer Akkumulatoren, die in Reihe geschaltet zu einem Powerpack zusammengeschlossen sind, lassen sich auf kostengünstige Art und Weise besonders hohe Energiedichten bereitstellen. Zudem lässt sich durch die Anzahl der zusammengeschlossenen Akkumulatoren die Betriebsspannung gezielt vorgeben. Weiterhin ist es durch die Bereitstellung zweier parallel geschalteter Powerpacks möglich, die Zeit zu verlängern, innerhalb der die Antriebsenergie bereitgestellt werden kann. Hierdurch würden sich die Anzahl der erforderlichen Ladezyklen reduzieren und damit die Lebensdauer der Akkumulatoren verlängern. Mit der Verwendung von Kondensatoren ist zudem der Vorteil verbunden, dass diese mit sehr geringem Aufwand geladen werden, gleichwohl eine sehr hohe Leistung abgeben können.
Als günstig hat es sich zudem erwiesen, wenn die Maschine ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Löseeinheiten, Spannlöseeinheiten, Spannköpfe, Lünetten, Greifer, Spanndorne, Pinole, Schwenkeinheiten, Schnellwechselsysteme, Spannfutter und Schraubstöcke umfasst. Die erfindungsgemäße Maschine kann damit unterschiedlichste Zwecke erfüllen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich zudem gezeigt, wenn der erste Energiespeicher und/oder weitere Energiespeicher in einem Maschinengehäuse aufgenommen sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Gefahr einer unbeabsichtigten Beschädigung der Energiespeicher reduziert wird. Im Rahmen der Erfindung ist es hierbei auch vorgesehen, dass die Energiespeicher in dem Maschinengehäuse zu Wartungszwecken zwar zugänglich und grundsätzlich austauschbar sind, die Energiespeicher sind dabei jedoch nicht – wie aus dem Stand der Technik beispielsweise bei Akkuschraubern bekannt – leicht wechselbar ausgestaltet.
Insbesondere die von dem Antrieb benötigte Leistung sowie die Position des Aktors können besonders einfach detektiert werden, wenn Sensoren und/oder Feedbacksysteme vorgesehen sind zur Erfassung und/oder Auswertung maschinenrelevanter Daten. Für den Fall, dass ein Auswerten dieser Daten gewünscht oder notwendig ist, hat es sich zudem als günstig erwiesen, wenn diese Daten durch eine Speichervorrichtung gespeichert oder durch eine Datenübertragungsvorrichtung übertragen werden können. In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Diagnoseschnittstelle vorgesehen ist zum Auslesen der maschinenrelevanten Daten. Hierdurch kann beispielsweise bei einem Defekt des Motors überprüft werden, ob dieser in unzulässiger Weise betrieben wurde, ob also die Maschine überlastet wurde. Zudem lässt sich hierdurch die Position des Aktors einfach überwachen. Die Sensoren können dabei insbesondere auch mit der Steuerung verbunden werden. Zudem hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn die Speichervorrichtung mit einem Wechseldatenträger gebildet ist zum Speichern von Prozessdaten und/oder maschinenrelevanten Daten. Vorteilhaft ist auch ein zweiter Wechseldatenträger, auf dem die Steuerlogik der Anwendung hinterlegt ist. Über den zweiten Wechseldatenträgerlässt sich die Steuerlogik sehr einfach anpassen, indem dieser ausgetauscht werden kann. Die Wechseldatenträger können dabei insbesondere als Speicherkarte ausgeführt sein. So ist beispielsweise bei einem Greifer eine andere Steuerlogik erforderlich als bei einer Löseeinheit. Bei einem Greifer muss nämlich sowohl der Hub als auch die Kraft variiert werden können, was bei einer Löseeinheit hingegen nicht zwingend notwendig ist, so dass hier eine einfachere Steuerlogik über den Wechseldatenträger bereitgestellt werden kann.
Als besonders günstig hat es sich zudem auch gezeigt, wenn eine Telemetrievorrichtung vorgesehen ist. Diese kann dabei sowohl zum Übertragen von Steuerungssignalen von einer Motorsteuerung zu dem Antrieb bzw. zu der Ladeeinrichtung vorgesehen sein als auch die elektrische Energieübertragung zu der Ladeeinrichtung bzw. zu den Energiespeichern umfassen. Weiterhin lassen sich hierdurch auch die Steuersignal einer übergeordneten Maschinensteuerung übertragen.
Um eine hohe Leistung an der Maschine bereitstellen zu können hat es sich zudem als günstig erwiesen, wenn der erste Energiespeicher und/oder weitere Energiespeicher derart ausgebildet sind, dass sehr hohe Ströme, vorzugsweise größer als 10 A, besonders bevorzugt größer als 20 A und äußerst bevorzugt größer als 30 A bereitgestellt werden können. Da bei derart hohen Strömen die verwendeten Kabelquerschnitte sehr groß sein müssen, ist durch die Verwendung der Energiespeicher gewährleistet, dass die entsprechenden Zuleitungskabel lediglich von den Energiespeichern zu dem Antrieb bereitgestellt werden müssen, also nur eine besonders kurze Strecke überbrücken müssen, während die Maschine selbst lediglich durch ein relativ dünnes Zuleitungskabel mit dem Stromnetz verbunden werden muss, um die vorzugsweise als Schutzkleinspannungssystemausgebildete Stromversorgung für die Ladeeinrichtung bereit zu stellen.
Der das Verfahren betreffende Teil der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer stationären Maschine eines Handlings- und/oder Bearbeitungszentrums oder eines Dreh- und/oder Fräszentrums mit einem Aktor, der durch einen nicht selbst mit dem Stromnetz verbundenen Antrieb verstellbar ist, das die Schritte umfasst:

– Bereitstellen einer elektrischen Antriebsenergie von mindestens einem ersten Energiespeicher an den Antrieb,
– Bereitstellen der elektrischen Antriebsenergie von mindestens einem zweiten Energiespeicher an den Antrieb bei Unterschreiten eines vorgebbaren Ladungszustands des ersten Energiespeichers, wobei die Antriebsenergie ausschließlich von dem ersten Energiespeicher und/oder von dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt wird, und wobei der andere Energiespeicher in der Einbaulage aufgeladen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist also sichergestellt, dass die Energieversorgung des Antriebs ausschließlich durch die aufladbaren Energiespeicher folgt, die in der erfindungsgemäßen Maschine aufgenommen sind, also nicht ausgetauscht werden müssen. Die Antriebsenergie wird also alternierend von dem ersten und dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt, während der jeweils andere Energiespeicher geladen wird. Der vorgehbare Ladungszustand kann dabei sowohl durch einen Ladungsgrenzwert definiert sein, bei dessen Unterschreiten zwingend zwischen den Energiespeichern umgeschaltet werden muss, oder durch einen Ladungsschwellenwert, bei dem das Umschalten zwischen den Energiespeichern erfolgen kann, jedoch noch nicht zwingend erfolgen muss.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich weiterhin besonders bewährt, wenn die Aufladung berührungslos erfolgt, nämlich kapazitiv oder induktiv. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Maschine zumindest teilweise rotiert oder, wie von Handlingssystemen bekannt, über Portale oder Roboter Bewegungen absolviert werden.
Um die Handhabbarkeit zu verbessern hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ladestrom durch ein Niederspannungssystem bereitgestellt wird. Zudem kann hierdurch auf bereits bestehende Niederspannungssysteme zurückgegriffen werden, so dass das Umrüsten vereinfacht wird. Besonders bewährt hat es sich dabei, wenn der Ladestrom durch ein Schutzkleinspannungssystem bereitgestellt wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn das Niederspannungssystem oder der erste Energiespeicher und/oder weitere Energiespeicher zum Betrieb einer Steuerung verwendet wird. Somit muss lediglich ein Spannungssystem bereitgehalten werden, insbesondere kann dabei auch auf das bereits bestehende Spannungssystem zurückgegriffen werden, das üblicher Weise bereits beim Betrieb von hydraulischen Maschinen verwendet wird. Wenn die Energieversorgung der Steuerung durch den ersten Energiespeicher und/oder weitere Energiespeicher bereitgestellt wird, kann die Steuerung auch im Falle eines Stromausfalles aktiv bleiben, was sich daher positiv auf die Betriebssicherheit auswirkt.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich zudem auch als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Steckkartensystem mit einem Mainboard vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, das System in einer Art Baukastensystem durch verschiedene Komponenten bei Bedarf zu erweitern, wie dies beispielsweise bei Mainboards von Computern möglich ist. Insbesondere können also die Steuerung, die Motorsteuerung, die Ladeeinrichtung, die Diagnoseschnittstelle, die Speichervorrichtung und/oder die Signalverwaltung jeweils als Teil einer Steckkarte ausgebildet sein, die dann in das Mainboard eingesteckt werden kann.
Als günstig hat es sich zudem auch gezeigt, wenn die Signalwandlung und Übergabe an ein Bussystem über eine Steckkarte erfolgt. Als Bussystem haben sich dabei neben I/O-Link insbesondere PROFIBUS, CANBUS ASIBUS oder Industrial Ethernet bewährt. Zudem hat es sich auch bewährt, wenn die Signalwandlung und Übergabe an eine übergeordnete Steuerung oder Überwachungseinheit durch Funk erfolgt. Dies kann dabei beispielsweise über Bluetooth oder WLAN erfolgen. Die Notwendige Funkeinheit kann hier ebenfalls als Steckkarte ausgebildet sein, wodurch ein Nachrüsten begünstigt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung an einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Maschine
2 eine perspektivische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Maschine gemäß der 1 mit geöffnetem Maschinengehäuse,
3 eine teilgeschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Maschinen mit einem Aktor in einer ersten Position,
4 die teilgeschnittene Ansicht der 3 mit dem Aktor in einer zweiten Position,
5 ein erstes Blockschaltbild gemäß einer ersten Ausführungsform, und
6 ein zweites Blockschaltbild gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine stationäre Maschine 1, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Löseeinheit 2 gebildet ist. Der stationären Maschine 1 ist ein Maschinengehäuse 3 zugeordnet, das eine zylindrische Grundform aufweist und durch eine Abschlussscheibe 4 verschlossen ist. In der Abschlussscheibe 4 ist dabei ein elektrischer Anschluss 5 ausgebildet, an den ein Zuleitungskabel 26 einer Spannungsversorgung 16 bzw. eines Stromnetzes angeschlossen werden kann. Durch den Anschluss 5 werden elektrische Leitungen zur Signalübertragung und Spannungsversorgung der Maschine 1 in das Innere der stationären Maschine 1 geführt.
Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen die korrespondierenden Anschlüsse entweder für hohe Spannungen oder für hohe Ströme ausgelegt und entsprechend geschirmt sein müssen, um die erforderliche Leistung für den Betrieb der Maschine bereitzustellen, muss der Anschluss 5, der in der 1 gezeigt ist, lediglich dazu ausgelegt sein, niedrige Spannungen zu verarbeiten, da die Spannungsversorgung 16 der vorliegenden Maschine 1 als Schutzkleinspannung mit typischen Spannungswerten von bis zu 50 V Wechselspannung bzw. 120 V Gleichspannung ausgeführt ist. Wie nachstehend noch mit Bezug auf 2 näher erläutert wird, wird die Spannungsversorgung 16 nämlich nicht unmittelbar zur Energieversorgung eines Antriebes 6 verwendet, sondern dient lediglich dazu, einen ersten Energiespeicher 9 und einen zweiten Energiespeicher 10 über eine Ladeeinrichtung 13 aufzuladen, die dann alternierend die elektrische Energie für den Antrieb 6 der Maschine 1 bereitstellen. Somit kann das Zuleitungskabel 26 nur einen kleinen Leitungsquerschnitt aufweisen und der Anschluss 5 muss nicht stark abgeschirmt werden. Da bei der stationären Maschine 1 auch eine Steuerung 12 auf einem Schutzkleinspannungssystem basiert, lassen sich durch das Niederspannungssystem neben dem Ladestrom für den ersten Energiespeicher 9 und den zweiten Energiespeicher 10 auch sämtliche ein- und ausgehende Signale – also insbesondere Steuersignale, Feedbacksignale sowie andere maschinenrelevante Daten, wie die Position des Antriebs 6 oder dessen Leistungsaufnahme – letztlich in einem einzigen Anschluss 5 bündeln, zu dem lediglich ein einziges Zuleitungskabel 26 bereitgestellt werden muss. Der Anschluss 5 dient gleichzeitig auch als eine Bus-Anbindung 27, bevorzugt über einen IO-Link. Alternativ kann die Bus-Anbindung 27 auch über einen zusätzlichen Anschluss gestaltet werden. Die entsprechende Bus-Anbindung 27 kann über eine Steckkarte 20 bzw. eine Platine in der Steuerung 12 berücksichtigt und je nach Kundenwunsch angepasst werden. Besonders bevorzugt ist hierzu ein Stecksystem auf Basis eines Mainboards 28 auf dem die benötigten Steckkarten 20 bzw. Platinen eingesteckt und damit auf einfache Art und Weise miteinander gekoppelt und mit der Steuerung 12 kommunizieren können.
2 zeigt die als Löseeinheit 2 konzipierte stationäre Maschine 1 mit abgenommener Abschlussscheibe 4. In dem Maschinengehäuse 3 ist dabei der Antrieb 6 aufgenommen, der über ein Getriebe 7 mit einem Aktor 8 verbunden ist. Das Getriebe 7 überführt dabei die hohe Drehzahl des Antriebes 6 von 20.000 U/min in ein hohes Drehmoment, das auf den Aktor 8 einwirkt und diesen zwischen einer ersten Position, die nachstehend mit Bezug zu 3 diskutiert wird, und einer zweiten Position verstellt, die in der 4 dargestellt ist.
In dem Maschinengehäuse 3 ist zudem der erste Energiespeicher 9 und der zweite Energiespeicher 10 aufgenommen, die jeweils durch eine Mehrzahl von Akkumulatoren 11 gebildet sind. Ebenfalls in dem Maschinengehäuse 3 ist die einen Mikrocontroller 22 aufweisende Steuerung 12 aufgenommen, die über den elektrischen Anschluss 5, der in der Abschlussscheibe 4 angeordnet ist, durch das Niederspannungssystem oder über speziell für die Steuerung 12 bereitgestellte Energiespeicher mit elektrischer Spannung versorgt wird. In dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Ladezustände des ersten Energiespeichers 9 und des zweiten Energiespeichers 10 durch die mit der Steuerung 12 verbundene Ladeeinrichtung 13 überwacht, so dass deren Ladezustand kontinuierlich erfasst und verarbeitet werden kann. Wird der Antrieb 6 beispielsweise zunächst durch den ersten Energiespeicher 9 mit elektrischer Antriebsenergie versorgt, so kann hierbei gleichzeitig der zweite Energiespeicher 10 geladen werden. Sinkt dann der Ladungszustand des ersten Energiespeichers 9 unterhalb eines vorgegebenen Ladungswertes, so wird über den Mikrocontroller 22 bzw. über die Steuerung 12 automatisch die Energieversorgung des Antriebs 6 von dem ersten Energiespeicher 9 auf den zweiten Energiespeicher 10 umgestellt. Der zweite Energiespeicher 10 übernimmt also die Energieversorgung des Antriebs 6, während der erste Energiespeicher 9 über die Ladeeinrichtung 13 wieder aufgeladen wird.
Der 2 ist weiterhin auch zu entnehmen, dass der Antrieb 6 sowie der erste Energiespeicher 9 und der zweite Energiespeicher 10 nicht koaxial zu der Längsachse der Löseeinheit 2 angeordnet sind, sondern jeweils axial versetzt sind. Sowohl der erste Energiespeicher 9 als auch der zweite Energiespeicher 10 sind jeweils durch fünf in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Akkumulatoren gebildet, die jeweils 3,6 V Gleichspannung liefern, wodurch sich eine Gesamtspannung von 18 V ergibt. Die Akkumulatoren können einen maximalen Strom von 30 A bereitstellen, durch den der Antrieb 6 mit Antriebsenergie versorgt wird, um den als Wendelbolzen ausgebildeten Aktor 8 zu verstellen. Hier ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, die Anzahl der Akkumulatoren 11 zu erhöhen, um die Gesamtspannung der Energiespeicher 9, 10 zu erhöhen. Weiterhin ist auch eine Diagnoseschnittstelle 14 vorgesehen, durch die maschinenrelevante Daten ausgelesen werden können, wie beispielsweise Spitzenströme oder die Zahl der absolvierten Ladezyklen. Diese Daten werden dabei auf einer Speichervorrichtung 15 hinterlegt, die hier im Bereich der Diagnoseschnittstelle 14 ausgebildet ist. Neben der Speicherung der Daten unmittelbar in einem Speicherbaustein, der in der Speichervorrichtung 15 integriert ist, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, beispielsweise externe Speichermedien wie Speicherkarten in der Speichervorrichtung 15 zu verwenden. Zudem wird die Speichervorrichtung 15 auch dazu verwendet, auf die jeweilige stationäre Maschine 1 individuell angepasste Steuerlogik über einen Wechseldatenträger 30 der Steuerung 12 bereitzustellen. Hierdurch wird der Umstand berücksichtigt, dass beispielsweise ein Greifer eine andere Steuerlogik als die Löseeinheit 2 benötigt. So muss es bei einem Greifer gewährleistet sein, den Hub sowie die Kraft variieren zu können. Dies ist bei der Löseeinheit 2 nicht zwingend notwendig, so dass hier eine einfachere Steuerlogik über den Wechseldatenträger 30 bereitgestellt werden kann.
Über die Diagnoseschnittstelle 14 ist zudem auch eine Signalausgabe bzw. ein Empfang der maschinenrelevanten Daten über WLAN, Bluetooth oder eine andere Funkverbindung möglich. Diese Funkeinheit 29 kann dabei auf einfache Art und Weise über die Steckkarte 20 bzw. die Platine je nach Kundenwunsch am Mainboard 28 mit der Steuerung 12 gekoppelt und integriert werden. Der Mikrocontroller 22, die Steuerung 12, die Ladeeinrichtung 13, die Bus-Anbindung 27, die Diagnoseschnittstelle 14 sowie die Speichervorrichtung 15 sind dabei auf Steckkarten 20 angeordnet, die in einer im Maschinengehäuse 3 ausgebildeten Aufnahme 21 aufgenommen und über das Mainboard 28 gekoppelt sind und gewechselt werden können. Es ist hierbei auch vorgesehen, dass mit den Steckkarten 20 ein Lesegerät verbunden ist, durch das individuell auf den Antrieb 6 und oder die Energiespeicher 9, 10 angepasste Steuersignale eingelesen werden können. Auch der Antrieb 6 sowie die Energiespeicher 9, 10 sind jeweils in Aufnahmen 21 aufgenommen, die achsparallel um die Maschinenlängsachse verteilt angeordnet sind.
3 zeigt in einer teilgeschnittenen Ansicht die erfindungsgemäße stationäre Maschine 1, die als Löseeinheit 2 ausgebildet ist. In der in der 3 dargestellten Ansicht befindet sich der als Wendelbolzen ausgeführte Aktor 8 in einer ersten Position. Durch den ersten Energiespeicher 9 wird der Antrieb 6 mit elektrischer Energie versorgt. Über das Getriebe 7 wirkt der Antrieb 6 auf den Aktor 8 ein überführt diesen aus der in der 3 dargestellten ersten Position in die in der 4 dargestellte zweite Position. In der zweiten Position wird der Aktor 8 dann durch Selbsthemmung gehalten, so dass keine elektrische Energie benötig wird, um den Aktor 8 in der zweiten Position zu halten. Die Positionserfassung des Aktors 8 erfolgt dabei durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Sensor 17 unmittelbar an dem Aktor 8, wobei der Sensor 17 mit der Steuerung 12 verbunden ist. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch vorgesehen, die Position des Aktors 8 unmittelbar aus den Antriebsdaten des Antriebs 6 bzw. aus einem Feedbacksystems zu bestimmen.
5 zeigt ein erstes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen stationären Maschine 1. Hierbei ist eine Spannungsversorgung 16 vorgesehen, die durch das Zuleitungskabel 26 über den elektrischen Anschluss 5 mit der Steuerung 12 bzw. dem Mikrocontroller 22 verbunden ist. In die Steuerung 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch die Ladeeinrichtung 13, eine Motorsteuerung 23, die Bus-Anbindung 27 sowie eine Signalverwaltung 24 integriert. Mit der Steuerung 12 ist dabei auch die Diagnoseschnittstelle 14 verbunden, über die die maschinenrelevanten Daten ausgelesen bzw. auf der Speichervorrichtung 15 abgelegt werden können. Die Ladeeinrichtung 13 ist mit dem ersten Energiespeicher 9 und dem zweiten Energiespeicher 10 verbunden. Die Energiespeicher 9, 10 sind wiederum mit dem elektrischen Antrieb 6 verbunden, der über das Getriebe 7 mit dem Aktor 8 gekoppelt ist. Mit der Steuerung 12 sind zudem auch die Sensoren 17 verbunden, mit denen beispielsweise die Lage des Aktors 8 erfasst wird. An der Spannungsversorgung 16 sind zugleich auch mehrere Eingänge 18 und Ausgänge 19 angeordnet, mit denen Signale in die Maschine 1 bzw. aus dieser heraus geführt werden können. Diese Signale können dabei beispielsweise durch die Bus-Anbindung 27 bereitgestellt, ausgegeben, umgewandelt und empfangen werden.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Blockschaltbildes einer erfindungsgemäßen stationären Maschine 1. Hierbei erfolgt die Bereitstellung des Ladestromes von der Spannungsversorgung 16 auf die getrennt von dem Mikrocontroller 22 und der Steuerung 12 ausgeführte Ladeeinrichtung 13 berührungslos durch eine Telemetrievorrichtung 25, nämlich induktiv. Auch hier ist die Ladeeinrichtung 13 wiederum mit dem ersten Energiespeicher 9 und dem zweiten Energiespeicher 10 verbunden, die die Antriebsenergie zunächst auf die Steuerung 12 bzw. den Mikrocontroller 22 übertragen, von dem die Antriebsenergie dann auf den Antrieb 6 übertragen wird.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäße stationäre Maschine 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der stationären Maschine 1 noch einmal näher erläutert. Der Antrieb 6, der den Aktor 8 verstellt wird alternierend von dem ersten Energiespeicher 9 und dem zweiten Energiespeicher 10 mit elektrischer Antriebsenergie versorgt. Durch die Ladeeinrichtung 13 wird dabei der Ladezustand des ersten Energiespeichers 9 und des zweiten Energiespeichers 10 überwacht. Während der erste Energiespeicher 9 die elektrische Antriebsenergie an den Antrieb 6 abgibt, kann der zweite Energiespeicher 10 durch die Ladeinrichtung 13 aufgeladen werden, falls dessen Ladezustand es erforderlich machen sollte. Unterschreitet nun der Ladezustand des ersten Energiespeichers 9 einen vorgegebenen Ladezustand, so wird die Energieversorgung von dem zweiten Energiespeicher 10 übernommen, und der erste Energiespeicher 9 wieder aufgeladen. Die Ladeeinrichtung 13 wird dabei durch ein Niederspannungssystem gespeist, das zugleich auch für die Steuerung 12 der Maschine 1 verwendet wird. Durch geeignete Sensoren 17 werden maschinenrelevante Daten erfasst, die von der den Mikrocontroller 22 umfassende Steuerung 12 verwendet werden. Die Speichervorrichtung 15 speichert die maschinenrelevanten Daten zumindest teilweise und über die Diagnoseschnittstelle 14 können die Daten dann wieder ausgelesen werden.
Bezugszeichenliste

1: stationäre Maschine
2: Löseeinheit
3: Maschinengehäuse
4: Abschlussscheibe
5: elektrischer Anschluss
6: Antrieb
7: Getriebe
8: Aktor
9: erster Energiespeicher
10: zweiter Energiespeicher
11: Akkumulator
12: Steuerung
13: Ladeeinrichtung
14: Diagnoseschnittstelle
15: Speichervorrichtung
16: Spannungsversorgung
17: Sensor
18: Eingang
19: Ausgang
20: Steckkarte
21: Aufnahme
22: Mikrocontroller
23: Motorsteuerung
24: Signalverwaltung
25: Telemetrievorrichtung
26: Zuleitungskabel
27: Bus-Anbindung
28: Mainboard
29: Funkeinheit
30: Wechseldatenträger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3028804 A1 [0005, 0005, 0005]

Claims

Stationäre Maschine für ein Handlings- und/oder Bearbeitungszentrum oder für ein Dreh- und/oder Fräszentrum, mit einem Aktor (8), der durch einen Antrieb (6) verstellbar ist, wobei durch mindestens einen ersten Energiespeicher (9) elektrische Antriebsenergie für den Antrieb (6) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens erste Energiespeicher (9) als Energiequelle für die Bereitstellung der Antriebsenergie zu dem nicht selber mit dem Stromnetz verbundenen Antrieb (6) vorhanden und ausgebildet ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Energiespeicher (10) vorgesehen ist, der alternierend zum ersten Energiespeichers (9) als Energiequelle für die Bereitstellung der Antriebsenergie vorgesehen ist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine einen Ladestrom bereitstellende Ladeeinrichtung (13) vorgesehen ist zum Aufladen des ersten Energiespeichers (9) und/oder weiterer Energiespeicher (10), in deren Einbaulage.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeeinrichtung (13) zur Bereitstellung des Ladestroms als ein Niederspannungssystem ausgebildet ist.
Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom berührungslos, nämlich induktiv oder kapazitiv übertragbar ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in der Kraftübertragungskette zum Aktor (8) derart gestaltet ist, dass die erreichte Position des Aktors (8) ohne Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie haltbar ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (9) und/oder weitere Energiespeicher (10) ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Akkumulatoren (11), Kondensatoren oder deren Zusammenschlüsse umfasst.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Löseeinheiten (2), Spannlöseeinheiten, Spannköpfe, Lünetten, Greifer, Spanndorne, Pinole, Schwenkeinheiten, Schnellwechselsysteme, Spannfutter und Schraubstöcke umfasst.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (9) und/oder weitere Energiespeicher (10) in einem Maschinengehäuse (3) aufgenommen sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (17) und/oder Feedbacksysteme vorgesehen sind zur Erfassung und/oder Auswertung maschinenrelevanter Daten.
Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diagnoseschnittstelle (14) vorgesehen ist zum Auslesen der maschinenrelevanten Daten.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Telemetrievorrichtung (25) vorgesehen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (9) und/oder weitere Energiespeicher (10) derart ausgebildet sind, dass sehr hohe Ströme vorzugsweise größer als 10 A, besonders bevorzugt größer als 20 A und äußerst bevorzugt größer als 30 A bereitgestellt werden können.
Verfahren zum Betreiben einer stationären Maschine (1) eines Handlings- und/oder Bearbeitungszentrums oder eines Dreh- und/oder Fräszentrums mit einem Aktor (8), der durch einen nicht selber mit dem Stromnetz verbundenen Antrieb (6) verstellbar ist, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer elektrischen Antriebsenergie von mindestens einem ersten Energiespeicher (9) an den Antrieb (6), – Bereitstellen der elektrischen Antriebsenergie von mindestens einem zweiten Energiespeicher (10) an den Antrieb (6) bei Unterschreiten eines vorgebbaren Ladungszustands des ersten Energiespeichers (9), wobei die Antriebsenergie ausschließlich von dem ersten Energiespeicher (9) und/oder von dem zweiten Energiespeicher (10) bereitgestellt wird, und wobei der andere Energiespeicher in der Einbaulage aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung berührungslos erfolgt, nämlich kapazitiv oder induktiv.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom durch ein Niederspannungssystem bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungssystem oder der erste Energiespeicher (9) und/oder weitere Energiespeicher zum Betrieb einer Steuerung (12) verwendet wird.