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Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager für Werkzeugmaschinen mit einem maschinenfesten Stator, einem um eine Maschinendrehachse rotierenden Rotor, jeweils einer an dem Stator und dem Rotor angeordneten Übertragungseinrichtung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und/oder Daten, einer mit dem Rotor drehfest verbundenen Schnittstelle zum Einsetzen eines Werkzeugkopfs oder Wechselmoduls, und einer Steuerplatine für auf dem Werkzeugkopf befindlichen aktorische Werkzeuge, Messmittel und/oder Sensoren.
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Von modernen Werkzeugmaschinen wird eine steigende Zahl von Optionen zur Verbesserung der Bearbeitungsqualität und zur Erweiterung der Bearbeitungsmöglichkeiten verlangt, denen durch aktorische Werkzeuge und durch Prozessüberwachung im Werkzeugkopf Rechnung getragen werden kann. Solche zusätzlichen Optionen erfordern Energie- und Kommunikationsschnittstellen zur stationären Werkzeugmaschinensteuerung. So sind am Markt mechatronische Aussteuerwerkzeuge bekannt, bei denen die Aussteuerbewegung des Werkzeughalters mit einem integrierten Servomotor ausgeführt wird, wobei Energie und Daten berührungslos übertragen werden. Durch die Datenübertragung können die aufgenommenen Informationen mit Hilfe der Steuerung verarbeitet und in Reaktionen bezüglich des Fertigungsprozesses umgesetzt werden. Bekannt ist es hier, einen maschinengestellfesten, segmentförmigen Stator nahe der Spindelnase neben einem mit dem Werkzeug verbundenen Rotor anzubringen. Diese Störkontur muss jedoch in der Maschinensteuerung berücksichtigt werden und verringert den effektiv nutzbaren Arbeitsraum. Eine besondere Anforderung besteht darin, Werkzeuge mit Aktuatoren für die Schneidenverstellung und deren Steuerung und Regelung auch bei den heute gängigen hohen Spindeldrehzahlen in der Größenordnung von bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute in der realen Produktionsumgebung zu betreiben.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Drehübertrager mit Energieschnittstelle bzw. bidirektionaler Datenschnittstelle weiter zu verbessern und eine auch bei hohen Drehzahlen robuste Konstruktion für erweiterte Einsatzmöglichkeiten anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, innerhalb des Rotors einen geschützten Raum und zugleich eine Trennstelle für kurze elektrische Verbindungen zu schaffen. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass der Rotor ein aus zwei voneinander trennbaren, gemeinsam einen Innenraum begrenzenden Gehäuseteilen zusammengesetztes Rotorgehäuse aufweist, und dass die Steuerplatine in dem Innenraum angeordnet ist. Auf diese Weise können Fluide, Späne, Stäube, Temperaturunterschiede und andere äußere Einflüsse zuverlässig ferngehalten werden, um eine robuste und leistungsfähige Energie- und Datenübertragung auch bei hohen Drehzahlen beispielsweise von mehr als 20.000 min-1 mit hoher Störsicherheit zu gewährleisten. Auch der Zusammenbau und eine eventuelle Inspektion oder Reparatur des Systems kann dadurch weiter vereinfacht werden.
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In diesem Zusammenhang kann eine weitere Verbesserung dadurch erzielt werden, dass die Steuerplatine innenseitig an einem der Gehäuseteile und die rotorseitige Übertragungseinrichtung an dem anderen Gehäuseteil fixiert ist.
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Für die Energie- und Datenführung ist es vorteilhat, wenn das die Steuerplatine tragende Gehäuseteil dem Werkzeugkopf zugewandt ist.
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Eine besonders stabile und kompakte Anordnung lässt sich dadurch erzielen, dass die Steuerplatine eine Ringform aufweist und an einer Ringwand eines der Gehäuseteile fixiert ist.
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Für eine verbesserte Bauraumnutzung und Temperierung der elektronischen ist es auch von Vorteil, wenn das die Steuerplatine tragende Gehäuseteil mit Vertiefungen und/oder Erhebungen zur Aufnahme und/oder Kühlung von auf der Steuerplatine angeordneten Bauteilen aufweist.
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Wenn Daten und größere elektrische Leistungen gleichzeitig übertragen werden, muss darauf geachtet werden, dass sich diese nicht gegenseitig beeinflussen. Hier ist es von Vorteil, wenn die Übertragungseinrichtung mehrere konzentrisch zur Maschinendrehachse angeordnete ringförmige Kopplungsspulen und/oder Antennen aufweist.
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Für eine stabile und dennoch einfach lösbare Kontaktierung ist es günstig, wenn die rotorseitige Übertragungseinrichtung über mindestens ein beim Trennen der Gehäuseteile lösbares Kontaktelement mit der Steuerplatine elektrisch verbunden ist.
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Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass das Kontaktelement durch einen an einer Kontaktstelle der Steuerplatine andrückenden gefederten Kontaktstift gebildet ist.
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Für eine zuverlässige Abschirmung bei gleichzeitig hoher Steifigkeit ist es auch von Vorteil, wenn mindestens eines der Gehäuseteile des Rotors einen innenliegenden zylindrischen Bund oder äußeren Ringrand zur radialen Begrenzung des Innenraums aufweist.
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Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass die beiden Gehäuseteile des Rotors über axial ausgerichtete Formschlussmittel, insbesondere Passstifte oder Nutsteine in definierter Drehorientierung miteinander verbindbar sind.
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Zur Vermeidung von Störkonturen ist eine Energieübertragung über die Spindelwelle hinweg zur Wirkstelle am Werkzeug günstig. Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Rotor und der Schnittstelle für den Werkzeugkopf ein Drehantrieb, insbesondere eine Motorspindel angeordnet ist. Der Drehantrieb kann auch mittelbar bspw. über einen Zahnriementrieb zwischen Rotor und Schnittstelle eingekoppelt werden.
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Um eine hohe Drehzahlfestigkeit zu gewährleisten, ist es auch vorteilhaft, wenn die rotorseitige Übertragungseinrichtung und/oder die Steuerplatine über eine aushärtbare Vergussmasse in dem Rotorgehäuse fixiert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 den Antriebsteil einer Werkzeugmaschine mit einem Drehübertrager für Energie und Daten in perspektivischer Ansicht;
- 2 und 3 den Drehübertrager in perspektivischer Ansicht und im Axialschnitt.
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Der in 1 gezeigte Antriebsteil 10 einer Werkzeugmaschine umfasst eine vorderseitige Schnittstelle 12, beispielsweise eine HSK-Trennstelle für einen auswechselbaren, nicht gezeigten aktorischen Werkzeugkopf, einen Spindelmotor 14 zum rotierenden Antrieb des Werkzeugkopfs um eine Maschinendrehachse, einen den Spindelmotor 14 axial durchsetzenden nicht-drehenden Spannmechanismus 16 zur Betätigung der Schnittstelle 12 und einen Drehübertrager 18, der einen über einen Modulator 20 mit Energie und Daten gespeisten Stator 22 und einen mit dem Spindelmotor 14 mitdrehbaren Rotor 24 zur berührungslosen Energieübertragung und bidirektionalen Datenübermittlung aufweist.
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Durch die Energie/Datenübertragung mittels des Drehübertragers 18 können Aussteuerwerkzeuge in einem entsprechend ausgestatteten Werkzeugkopf, wie er ähnlich in der
DE-A 102011005339 beschrieben ist, betrieben werden, ohne dass ein Eingriff im Bereich der Schnittstelle 12 erforderlich wäre. Denkbar ist auch der Einsatz von Wechselmodulen, beispielsweise für Messdorne und -taster. Zu diesem Zweck ist der Drehübertrager
18 auf der von der Schnittstelle
12 abgewandten Seite des Spindelmotors 14 angeordnet, wobei der Rotor
24 über nicht gezeigte Verbindungsleitungen, die in zugeordneten Bohrungen entlang der Maschinendrehachse geführt sind, mit mitdrehenden elektrischen Kontaktstellen an der Schnittstelle
12 verbunden ist. Auf diese Weise können Störkonturen im Trennstellenbereich an der Spindelnase, der so genannten A-Seite, vermieden werden.
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Wie auch in 2 erkennbar, besitzt der Drehübertrager 18 eine abgestuft-ringzylindrische Grundform. Der Stator 22 ist an seiner hinteren Stirnseite mit einer Steckerbuchse 26 versehen, über deren Kontakte Anschlüsse zur Energie- und Datenübertragung herstellbar sind. In 2 ist weiter angedeutet, dass der Stator 22 und der Rotor 24 über einen Luftspalt 28 axial voneinander getrennt sind.
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3 zeigt in einem Axialschnitt durch die Maschinendrehachse 32 die innere Konfiguration des Drehübertragers 18. Zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie bzw. Daten wirkt eine statorseitige Übertragungseinrichtung 30 mit einer rotorseitigen Übertragungseinrichtung 31 zusammen. Die Übertragung erfolgt induktiv über ein konzentrisch zur Maschinendrehachse 32 angeordnetes Ringantennenpaar 34 für Daten und ein Ringspulenpaar 36 mit Ferritkern für Energie.
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Eine Besonderheit besteht darin, dass der Rotor 24 ein aus zwei voneinander trennbaren Gehäuseteilen 38, 40 zusammengesetztes Rotorgehäuse 42 aufweist. Die Gehäuseteile 38, 40 begrenzen gemeinsam einen Innenraum 44, in welchem eine Steuerplatine 46 für die auf dem Werkzeugkopf befindlichen Aktoren und Sensoren geschützt angeordnet ist. Zweckmäßig ist die Steuerplatine 46 innenseitig an dem nach vorne zu der Schnittstelle 12 weisenden Gehäuseteil 40 fixiert, während die rotorseitige Übertragungseinrichtung 31 an dem anderen Gehäuseteil 38 angebracht ist. Um eine möglichst platzsparende Anordnung zu schaffen, ist die Steuerplatine 46 ringförmig ausgebildet und parallel zu einer radial sich erstreckenden Ringwand 48 des vorderseitigen Gehäuseteils 40 angeordnet. Die Fixierung erfolgt mittels Schrauben 50 und ggf. einer aushärtbaren Vergussmasse.
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Zur radialen Begrenzung des Innenraums 44 weist das rückseitige Gehäuseteil 38 einen Bund 52 auf, welcher auf der Ringwand 48 sitzt und dort über eine umlaufende Dichtung 54 abgedichtet ist. Zweckmäßig sind die beiden Gehäuseteile 38, 40 des Rotors 24 über axial ausgerichtete Passstifte 54 in definierter Drehorientierung miteinander verbunden, wie es in 3 nur schematisch angedeutet ist.
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Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass die rotorseitige Übertragungseinrichtung 31 über eine beim Trennen der Gehäuseteile 38, 40 selbsttätig lösbare Kontaktanordnung 58 mit der Steuerplatine 46 elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung ohne Verlöten von Kabeln möglich. Um den besonderen Einsatzbedingungen gerecht zu werden, umfasst die Kontaktanordnung mehrere an einer Kontaktstelle 60 der Steuerplatine 48 andrückende gefederte Kontaktstifte 62, vorzugsweise in Form von so genannten PCB-Kontakten. Die elektrische Verbindung zwischen der Übertragungseinrichtung 31 und der Basis 64 der Kontaktanordnung kann durch kurze Kabel 66 erfolgen, die zusätzlich durch eine Vergussmasse gegen Fliehkraftbeanspruchung gesichert werden können.
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Die Innenkontur der Ringwand 48 kann so gestaltet sein, dass durch lokale Erhebungen 68 Kühlkörper für auf der Steuerplatine 46 angeordneten elektronische Bauteile geschaffen werden. Durch entsprechende Vertiefungen ist es auch möglich, höhere Bauteile platzsparend aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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