DE102018111039A1 - Device for rotary drive of a tool and spindle for it - Google Patents
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Abstract
Spindel (27) für eine Vorrichtung (1) zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs (6), umfassend zumindest:
- einen statischen Spindelteil (2), der drehfest mit einer Antriebseinheit (26) der Vorrichtung (1) verbindbar ist, und
- einen rotierbaren Spindelteil (3), der relativ zu dem statischen Spindelteil (2) drehbar an dem statischen Spindelteil (2) gelagert ist und der eine Schnittstelle (5) für einen Werkzeughalter (4) für das Werkzeug (6) aufweist, über die der Werkzeughalter (4) drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil (3) verbindbar ist, wobei der statischen Spindelteil (2) eine Außenspule (7) aufweist, und der rotierbare Spindelteil (3) eine Innenspule (8) aufweist, und wobei die Außenspule (7) und die Innenspule (8) für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie von dem statischen Spindelteil (2) über die Außenspule (7) und die Innenspule (8) auf den rotierbaren Spindelteil (3) ineinander angeordnet sind.
Spindle (27) for a device (1) for rotary drive of a tool (6), comprising at least:
- A static spindle part (2) rotatably connected to a drive unit (26) of the device (1) is connectable, and
- A rotatable spindle part (3) which is rotatably mounted relative to the static spindle part (2) on the static spindle part (2) and which has an interface (5) for a tool holder (4) for the tool (6), via the the tool holder (4) can be connected in a rotationally fixed manner to the rotatable spindle part (3), wherein the static spindle part (2) has an outer coil (7), and the rotatable spindle part (3) has an inner coil (8), and wherein the outer coil (7 ) and the inner coil (8) for non-contact transmission of electrical energy from the static spindle part (2) via the outer coil (7) and the inner coil (8) on the rotatable spindle part (3) are arranged one inside the other.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs sowie eine Spindel dafür.The invention relates to a device for rotational drive of a tool and a spindle for it.
Bei der spanenden Bearbeitung beispielsweise mit einer Fräse ist es wünschenswert, ein Werkzeug wie einen Fräskopf mit Ultraschall zu beaufschlagen. Dadurch kann der Materialabtrag durch den Fräskopf insbesondere bei besonders harten Materialien erheblich gesteigert und so eine Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden.When machining, for example, with a milling cutter, it is desirable to apply a tool such as a milling head with ultrasound. As a result, the removal of material by the milling head can be considerably increased, in particular in the case of particularly hard materials, and thus a machining speed can be increased.
Zur Ultraschallerzeugung ist es dabei regelmäßig erforderlich, elektrische Energie von einem feststehenden Teil auf einen sich drehenden Teil einer Maschine zu übertragen. Zur Vermeidung von Reibungsverlusten und von Verschleiß erfolgt dies bei bekannten Ansätzen berührungslos über induktive Kopplung von Spulen. Eine derartige Übertragung ist aber gemäß Stand der Technik nur bei verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen möglich. Auch ist die Übertragung elektrischer Energie oft ineffizient.For ultrasonic generation, it is regularly required to transfer electrical energy from a fixed part to a rotating part of a machine. To avoid friction losses and wear this is done in known approaches contactlessly via inductive coupling of coils. However, such transmission is possible according to the prior art only at relatively low speeds. Also, the transmission of electrical energy is often inefficient.
Eine induktive Energie-Übertragung kann zwischen einer Spule und einem (vibrierenden) Werkzeughalter realisiert werden. Ein solches Konzept hat den Nachteil, dass jeder Werkzeughalter (z. B. eines Werkzeugmagazins einer hochautomatisierten Fertigungsanlage) mit einer entsprechenden Spule auszustatten ist, was zu einer sehr umfangreichen Anpassung einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeughalter führt. Außerdem erschweren die zusätzlichen Spulenteile die Fertigung von Werkzeughaltern mit einer sehr guten Rundlaufeigenschaft. Zudem erfordert eine Anwendung solcher Systeme im Hochdrehzahlbereich besondere Materialien, da dort dem Einsatz von Ferrit-Kernen mechanische Grenzen gesetzt sind.An inductive energy transfer can be realized between a coil and a (vibrating) tool holder. Such a concept has the disadvantage that each tool holder (eg a tool magazine of a highly automated production plant) has to be equipped with a corresponding coil, which leads to a very extensive adaptation of a multiplicity of different tool holders. In addition, the additional coil parts complicate the production of tool holders with a very good concentricity. In addition, an application of such systems in the high speed range requires special materials, since there are mechanical limits to the use of ferrite cores.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs, und eine Spindel dafür vorgestellt werden, bei der elektrische Energie von einem feststehenden auf einen rotierenden Teil der Vorrichtung besonders effizient übertragen werden kann und die auch für besonders hohe Drehzahlen geeignet ist.On this basis, it is an object of the present invention to solve the technical problems described in connection with the prior art or at least reduce. In particular, a device for the rotational drive of a tool, and a spindle for which electrical energy can be transmitted particularly efficiently from a stationary to a rotating part of the device and which are also suitable for particularly high rotational speeds are to be presented.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Spindel und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Spindel sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.This object is achieved with a spindle and a device according to the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the spindle are specified in the respective dependent claims. The features listed individually in the claims can be combined with each other in any technologically meaningful manner and can be supplemented by explanatory facts from the description, with further embodiments of the invention being shown.
Hierzu trägt eine Spindel für eine Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs bei, die zumindest folgendes umfasst:
- - einen statischen Spindelteil, der drehfest mit einer Antriebseinheit der Vorrichtung verbindbar ist, und
- - einen rotierbaren Spindelteil, der relativ zu dem statischen Spindelteil drehbar an dem statischen Spindelteil gelagert ist und der eine Schnittstelle für einen Werkzeughalter für das Werkzeug aufweist, über die der Werkzeughalter drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbindbar ist,
- - A static spindle part which is rotatably connected to a drive unit of the device, and
- a rotatable spindle part, which is mounted rotatably relative to the static spindle part on the static spindle part and which has an interface for a tool holder for the tool, via which the tool holder can be connected in a rotationally fixed manner to the rotatable spindle part,
Die beschriebene Spindel bzw. die Vorrichtung kann insbesondere zur spanenden Bearbeitung, beispielsweise nach Art des Fräsens, bestimmt und eingerichtet sein. Dazu kann ein entsprechendes Werkzeug an die Vorrichtung angebracht werden. Bei dem Werkzeug kann es sich beispielsweise um einen Fräskopf handeln. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die beschriebene Vorrichtung zum Bohren bestimmt und eingerichtet ist. In dem Fall ist das Werkzeug ein Bohrer. Vorzugsweise kann das Werkzeug derart lösbar mit der Spindel verbunden werden, dass das Werkzeug von einem Benutzer ausgewechselt werden kann. So kann die beschriebene Vorrichtung insbesondere auch sowohl zum Fräsen als auch zum Bohren bestimmt und eingerichtet sein.The described spindle or the device can in particular be designed and set up for machining, for example in the manner of milling. For this purpose, a corresponding tool can be attached to the device. The tool may be, for example, a milling head. Alternatively or additionally, it is also possible that the described device is intended for drilling and set up. In that case the tool is a drill. Preferably, the tool can be detachably connected to the spindle so that the tool can be replaced by a user. Thus, the device described can be determined and set up in particular both for milling and for drilling.
Das Werkzeug kann mit der Vorrichtung rotatorisch angetrieben werden. Das bedeutet insbesondere, dass das Werkzeug durch die Vorrichtung um eine Achse des Werkzeugs, die mit der Drehachse der Vorrichtung zusammenfällt, rotiert wird. The tool can be driven in rotation with the device. This means in particular that the tool is rotated by the device about an axis of the tool, which coincides with the axis of rotation of the device.
Das Werkzeug kann über den Werkzeughalter mit der beschriebenen Vorrichtung und insbesondere mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden. Der Werkzeughalter ist wie das Werkzeug und die Antriebseinheit nicht Teil der Spindel. Vielmehr weist der rotierende Spindelteil die Schnittstelle auf, über die der Werkzeughalter mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden kann. Bei der Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine standardisierte Schnittstelle der HSK-, SK- oder BT-Norm handeln. Weitere von der Norm abweichende Lösungen sind ebenfalls denkbar. Der Werkzeughalter kann über die Schnittstelle vorzugsweise derart mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden, dass ein Benutzer den Werkzeughalter austauschen kann. So kann der Benutzer beispielsweise für verschiedene Typen von Werkzeug verschiedene Werkzeughalter mit dem rotierbaren Spindelteil verbinden.The tool can be connected via the tool holder with the device described and in particular with the rotatable spindle part. The tool holder, like the tool and the drive unit, is not part of the spindle. Rather, the rotating spindle part has the interface via which the tool holder can be connected to the rotatable spindle part. The interface may, for example, be a standardized interface of the HSK, SK or BT standard. Other deviating from the norm solutions are also conceivable. The tool holder can preferably be connected to the rotatable spindle part via the interface in such a way that a user can exchange the tool holder. For example, for different types of tool, the user can connect different tool holders to the rotatable spindle part.
Die Spindel ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Spindel mit einer ersten Stirnseite der Spindel mit der Antriebseinheit verbindbar ist. Die Schnittstelle ist vorzugsweise an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite der Spindel vorgesehen.The spindle is preferably designed such that the spindle can be connected to the drive unit with a first end face of the spindle. The interface is preferably provided on a second end face of the spindle opposite the first end face.
Über den Werkzeughalter kann das Werkzeug mit dem rotierbaren Spindelteilverbunden werden. Insbesondere kann das Werkzeug derart lösbar mit dem Werkzeughalter verbunden werden, dass das Werkzeug von einem Benutzer ausgewechselt werden kann. Im Betrieb ist das Werkzeug drehfest mit dem Werkzeughalter verbunden.The tool can be connected to the rotatable spindle part via the tool holder. In particular, the tool can be releasably connected to the tool holder so that the tool can be replaced by a user. In operation, the tool is rotatably connected to the tool holder.
Es ist auch möglich, dass das Werkzeug einstückig mit dem Werkzeughalter ausgebildet ist. In dem Fall kann der Benutzer das Werkezeug nur durch Austausch des Werkzeughalters austauschen.It is also possible that the tool is formed integrally with the tool holder. In that case, the user can replace the tool only by replacing the tool holder.
Der Werkzeughalter ist im Betrieb drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden. Das bedeutet, dass sich das Werkzeug im Betrieb gemeinsam mit dem Werkzeughalter und dem rotierbaren Spindelteil dreht. Diese Drehung erfolgt relativ zu der feststehenden Antriebseinheit um die Drehachse der Vorrichtung. Dazu ist der rotierbare Spindelteil relativ zu dem statischen Spindelteil rotierbar gelagert. Vorzugsweise sind zwischen dem statischen Spindelteil und dem rotierbaren Spindelteil entsprechende Lagerungen vorgesehen.The tool holder is rotatably connected in operation with the rotatable spindle part. This means that the tool rotates in operation together with the tool holder and the rotatable spindle part. This rotation is relative to the fixed drive unit about the axis of rotation of the device. For this purpose, the rotatable spindle part is rotatably mounted relative to the static spindle part. Preferably, corresponding bearings are provided between the static spindle part and the rotatable spindle part.
Vorzugsweise erfolgt die Übertragung elektrischer Energie in einem mittleren Abschnitt der Spindel oder in einem Abschnitt der Spindel in der Nähe der zweiten Stirnseite (also unten bzw. dem Werkzeughalter zugewandt). Insbesondere kann die Innenspule (die ggf. auch als Sekundärspule bezeichnet werden kann) unmittelbar neben einer Lagerung der Spindel vorgesehen sein. Damit können dynamische Störeffekte vermindert werden.Preferably, the transmission of electrical energy in a central portion of the spindle or in a portion of the spindle in the vicinity of the second end face (ie, the bottom or the tool holder facing). In particular, the inner coil (which may possibly also be referred to as secondary coil) may be provided immediately adjacent to a bearing of the spindle. This can be used to reduce dynamic interference effects.
Die Antriebseinheit, mit der die beschriebene Spindel verbindbar ist, umfasst vorzugsweise einen Motor, bei dem es sich insbesondere um einen Elektromotor handeln kann. Mit dem Motor kann der rotierbare Spindelteil relativ zu der Antriebseinheit um eine Spindelachse der Spindel, die vorzugsweise mit der Drehachse der Vorrichtung zusammenfällt, rotiert werden. Die Spindelachse ist also die Achse, um die der rotierende Spindelteil (und damit auch der Werkzeughalter und das Werkzeug) im Betrieb gedreht werden.The drive unit, with which the described spindle can be connected, preferably comprises a motor, which may in particular be an electric motor. With the motor, the rotatable spindle part can be rotated relative to the drive unit about a spindle axis of the spindle, which preferably coincides with the axis of rotation of the device. The spindle axis is thus the axis about which the rotating spindle part (and thus also the tool holder and the tool) are rotated during operation.
Mit der beschriebenen Spindel bzw. mit der Vorrichtung ist es insbesondere möglich, elektrische Energie berührungslos von der Antriebseinheit mit dem statischen Spindelteil als einen feststehenden Teil der Vorrichtung auf den relativ dazu rotierbaren Spindelteil als einen sich drehenden Teil der Vorrichtung zu übertragen. Das erfolgt über eine induktive Kopplung zwischen der Außenspule (die ggf. auch als Primärspule bezeichnet werden kann) an dem statischen Spindelteilund der Innenspule an dem rotierbaren Spindelteil. Vorzugsweise weist die Antriebseinheit eine Wechselspannungsquelle auf, über die eine Wechselspannung in die Außenspule eingekoppelt werden kann. Durch die Wechselspannung wird von der Außenspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Innenspule ist derart innerhalb des so erzeugten magnetischen Wechselfelds angeordnet, dass eine Wechselspannung in der Innenspule induziert wird. Auf diese Weise kann elektrische Energie von der Antriebseinheit über den statischen Spindelteil, die Außenspule und die Innenspule auf den rotierbaren Spindelteil übertragen werden. Dabei fließt kein Strom von der Außenspule zur Innenspule. Stattdessen erfolgt die Übertragung der elektrischen Energie induktiv und damit berührungslos.With the described spindle or with the device, it is possible, in particular, to transmit electrical energy without contact from the drive unit to the static spindle part as a fixed part of the device to the spindle part rotatable relative thereto as a rotating part of the device. This is done via an inductive coupling between the outer coil (which may possibly also be referred to as a primary coil) on the static spindle part and the inner coil on the rotatable spindle part. Preferably, the drive unit has an AC voltage source, via which an AC voltage can be coupled into the outer coil. The alternating voltage generates a magnetic alternating field from the outer coil. The inner coil is arranged within the magnetic alternating field generated in such a way that an AC voltage is induced in the inner coil. In this way, electrical energy can be transmitted from the drive unit via the static spindle part, the outer coil and the inner coil to the rotatable spindle part. There is no current flowing from the outer coil to the inner coil. Instead, the transmission of electrical energy takes place inductively and thus without contact.
Die Außenspule ist vorzugsweise drehfest mit dem statischen Spindelteil verbunden. Sofern die Spindel mit der Vorrichtung verbunden ist, ist die Außenspule auch relativ zu der Antriebseinheit drehfest. Die Innenspule ist vorzugsweise drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden. Das bedeutet, dass sich die Innenspule im Betrieb gemeinsam mit dem rotierbaren Spindelteil relativ zu der Außenspule bzw. zu dem statischen Spindelteil und der Antriebseinheit dreht.The outer coil is preferably non-rotatably connected to the static spindle part. If the spindle is connected to the device, the outer coil is also rotationally fixed relative to the drive unit. The inner coil is preferably non-rotatably connected to the rotatable spindle part. That means that the Internal coil rotates in operation together with the rotatable spindle part relative to the outer coil or to the static spindle part and the drive unit.
Eine besonders effiziente Übertragung der elektrischen Energie kann bei der vorliegenden Vorrichtung dadurch erreicht werden, dass die Außenspule und die Innenspule ineinander angeordnet sind. Unter einer derartigen Anordnung ist zu verstehen, dass die Außenspule die Innenspule zumindest teilweise umschließt. Die Innenspule und die Außenspule liegen bevorzugt beide in einer gemeinsamen Ebene, die normal bzw. senkrecht zu einer Achse der Spindel und der Antriebseinheit ausgerichtet ist. Eine solche Ausrichtung der Innenspule und der Außenspule zueinander kann auch als „Eingreifen“ der Innenspule in die Außenspule oder eine „zueinander verschachtelte“ Anordnung bezeichnet werden.A particularly efficient transmission of electrical energy can be achieved in the present device in that the outer coil and the inner coil are arranged inside each other. Under such an arrangement is to be understood that the outer coil surrounds the inner coil at least partially. The inner coil and the outer coil are preferably both in a common plane, which is aligned normal or perpendicular to an axis of the spindle and the drive unit. Such an orientation of the inner coil and the outer coil to each other can also be referred to as "engagement" of the inner coil in the outer coil or a "nested arrangement".
Insbesondere Fräsmaschinen können mit mehreren verschiedenen Werkzeughaltern ausgestattet sein. Im Zuge der Automatisierung werden Fräsmaschinen mit verschiedenen Werkzeugen bestückt, die in einem Magazin innerhalb der Fräsmaschine aufgestellt werden können. Dies ermöglicht die voll automatisierte Bearbeitung von Werkstücken, bei denen aus fertigungstechnischen Gründen verschiedene Fräswerkzeuge zum Einsatz kommen müssen. Da somit mehr als ein Werkzeughalter zum Einsatz kommen soll, wäre es nachteilig, jeden Werkzeughalter mit Spulen versehen zu müssen. Mit der beschriebenen Spindel kann auf Spulen an den Werkzeughaltern verzichtet werden. Das kann nicht nur die Kosten für einen Werkzeughalter reduzieren, sondern auch die Entwicklung des Werkzeughalters erleichtern. Das liegt insbesondere daran, dass Spulen am Werkzeughalter dessen Rundlaufeigenschaften beeinträchtigen können. Bei Verwendung der beschriebenen Spindel reicht es aus, wenn der Werkzeughalter beispielsweise Steckkontakte aufweist.In particular milling machines can be equipped with several different tool holders. As part of the automation milling machines are equipped with various tools that can be placed in a magazine within the milling machine. This allows the fully automated machining of workpieces, where for manufacturing reasons, different milling tools must be used. Since more than one tool holder is therefore to be used, it would be disadvantageous to have to provide each tool holder with coils. With the spindle described can be dispensed with coils on the tool holders. Not only can this reduce the cost of a tool holder, but it can also facilitate the development of the tool holder. This is due in particular to the fact that coils on the tool holder can impair its concentricity properties. When using the spindle described it is sufficient if the tool holder has, for example, plug contacts.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außenspule einen Außenspulendurchmesser und die Innenspule einen Innenspulendurchmesser auf, der kleiner ist als der Außenspulendurchmesser.In a preferred embodiment of the device, the outer coil has an outer coil diameter and the inner coil has an inner coil diameter which is smaller than the outer coil diameter.
Ein besonders kleiner Innenspulendurchmesser ist insbesondere für besonders hohe Drehzahlen des rotierbaren Spindelteils vorteilhaft. Im Betrieb dreht sich die Innenspule mit der Drehzahl des rotierbaren Spindelteils. Dabei können besonders große Fliehkräfte an der Innenspule angreifen. Je größer der Innenspulendurchmesser ist, umso größer sind diese Fliehkräfte. Eine maximal verwendbare Drehzahl der Vorrichtung kann daher insbesondere durch Materialeigenschaften der Innenspule bestimmt sein. Je kleiner der Innenspulendurchmesser ist, umso größer kann die maximal verwendbare Drehzahl der Vorrichtung sein.A particularly small inner coil diameter is particularly advantageous for particularly high rotational speeds of the rotatable spindle part. In operation, the inner spool rotates at the speed of the rotatable spindle part. It can attack particularly large centrifugal forces on the inner coil. The larger the inner coil diameter, the larger these centrifugal forces. A maximum usable speed of the device can therefore be determined in particular by material properties of the inner coil. The smaller the inner coil diameter, the larger the maximum usable speed of the device can be.
Als Materialien für die Innenspule (bzw. Sekundärspule) und/oder die Außenspule (bzw. Primärspule) kommen vorzugsweise ferromagnetische Eisen-Legierungen zum Einsatz. Es werden bevorzugt elektrotechnisch besonders wirkungsvolle Legierungen für den Stator (hier die Außenspule) und elektrotechnisch weniger wirkungsvolle, jedoch mechanisch bessere Legierungen für den Rotor (hier die Innenspule) verwendet. Es gibt jedoch auch spezielle Legierungen, welche beide Eigenschaften ineinander vereinen. Typische derartige Materialien sind ferromagnetische Legierungen aus Eisen, Nickel und Cobalt. Auch bevorzugt ist die Verwendung von AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (häufig als „Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen (häufig als „Mu-Metall“). Beispielsweise sind derartige Materialien unter folgenden Marken bekannt: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERM® 10 (80%NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC® 6025 X (80% Co).As materials for the inner coil (or secondary coil) and / or the outer coil (or primary coil) are preferably ferromagnetic iron alloys used. It is preferred electrotechnically particularly effective alloys for the stator (here the outer coil) and electrotechnically less effective, but mechanically better alloys for the rotor (here the inner coil) is used. However, there are also special alloys that combine both properties. Typical such materials are ferromagnetic alloys of iron, nickel and cobalt. Also preferred is the use of AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (commonly called "permalloy"), or NiFeCo alloys (often called "mu-metal"). For example, such materials are known under the following brands: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERM® 10 (80% NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC ® 6025 X (80% Co).
Die Außenspule und/oder die Innenspule sind vorzugsweise als Zylinderspulen ausgeführt. In dem Fall ist der Innenspulendurchmesser beziehungsweise der Außenspulendurchmesser der Zylinderdurchmesser der jeweiligen Spule. Sind die Spulen anders ausgeführt, ist der jeweilige Spulendurchmesser analog definiert.The outer coil and / or the inner coil are preferably designed as cylindrical coils. In this case, the inner coil diameter or the outer coil diameter is the cylinder diameter of the respective coil. If the coils are designed differently, the respective coil diameter is defined analogously.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außenspule eine Außenspulenachse und die Innenspule eine Innenspulenachse auf, wobei die Außenspulenachse und/oder die Innenspulenachse mit einer Spindelachse der Spindel zusammenfallen.In a further preferred embodiment of the device, the outer coil has an outer coil axis and the inner coil has an inner coil axis, wherein the outer coil axis and / or the inner coil axis coincide with a spindle axis of the spindle.
Vorzugsweise fallen sowohl die Außenspulenachse als auch die Innenspulenachse mit der Spindelachse zusammen. In dem Fall fallen die Außenspulenachse und die Innenspulenachse auch miteinander zusammen.Preferably, both the outer coil axis and the inner coil axis coincide with the spindle axis. In that case, the outer coil axis and the inner coil axis also coincide with each other.
Die Außenspule und/oder die Innenspule sind vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. In dem Fall ist die Außenspulenachse beziehungsweise die Innenspulenachse die Zylinderachse der jeweiligen Spule. Sind die Spulen anders ausgeführt, ist die jeweilige Spulenachse analog definiert.The outer coil and / or the inner coil are preferably cylindrical. In this case, the outer coil axis or the inner coil axis is the cylinder axis of the respective coil. If the coils are designed differently, the respective coil axis is defined analogously.
Die Außenspule weist vorzugsweise eine Außenspulenwicklung auf und die Innenspule weist vorzugsweise eine Innenspulenwicklung auf. Die jeweilige Spulenwicklung ist dabei vorzugsweise insbesondere um die entsprechende Spulenachse umlaufend ausgebildet. Bei einer Zylinderspule bedeutet das, dass die Spulenwicklung entlang des Umfangs des Zylindermantels der Zylinderspule vorgesehen ist. The outer coil preferably has an outer coil winding and the inner coil preferably has an inner coil winding. The respective coil winding is preferably formed in particular around the corresponding coil axis circumferentially. For a solenoid, this means that the coil winding is provided along the circumference of the cylinder barrel of the solenoid.
Entlang einer Achse der Spindel erstrecken sich die Innenspule und die Außenspule beide bevorzugt über eine bestimmte Höhe. Beispielsweise haben die Außenspule und die Innenspule jeweils eine Höhe von 1 bis 5 cm [Zentimeter]. Bevorzugt liegen Mittelebenen (mittlere Ebenen) der Innenspule und der Außenspule aufeinander in der oben beschriebenen gemeinsamen Ebene. In Ausführungsvarianten ist es auch möglich, dass die Mittelebenen der Innenspule und der Außenspule nicht exakt aufeinander liegen, sondern gemäß einem Abstand von beispielsweise 0 cm bis 5 cm entlang der Achse relativ zueinander verschoben sind. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsvariante allerdings, dass sich die Höhen der Spulen zueinander überlappen. So kann eine gute Leistungsübertragung der Außenspule auf die Innenspule erreicht werden. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante überlappt die Außenspule in beide Richtungen entlang der Achse (nach oben und nach unten) die Innenspule. Dies verbessert die Leistungsübertragung von der Außenspule auf die Innenspule weiter.Along an axis of the spindle, the inner coil and the outer coil both preferably extend over a certain height. For example, the outer coil and the inner coil each have a height of 1 to 5 cm [centimeters]. Preferably, center planes (middle planes) of the inner coil and the outer coil are superposed on each other in the above-described common plane. In embodiments, it is also possible that the center planes of the inner coil and the outer coil are not exactly on top of each other, but are displaced relative to each other according to a distance of, for example, 0 cm to 5 cm along the axis. In this embodiment, however, it is preferred that the heights of the coils overlap one another. Thus, a good power transmission of the outer coil can be achieved on the inner coil. In a further particularly preferred embodiment, the outer coil overlaps the inner coil in both directions along the axis (upwards and downwards). This further improves the power transfer from the outer coil to the inner coil.
Fällt die Innenspulenachse mit der Spindelachse zusammen, wird die Innenspule im Betrieb um die eigene Achse gedreht. Das ist besonders vorteilhaft, weil es ansonsten zu erheblichen Vibrationen kommen könnte. Fällt die Außenspulenachse zudem noch mit der Spindelachse und der Innenspule zusammen, kann ein Spalt zwischen der Innenspule und der Außenspule besonders schmal ausgeführt sein. Dadurch kann elektrische Energie von der Außenspule besonders verlustarm und damit besonders effizient auf die Innenspule übertragen werden. Das wird noch dadurch weiter begünstigt, dass das von der Außenspule erzeugte magnetische Feld in dem Fall eine besonders hohe Flussdichte im Bereich der Innenspule hat.If the inner coil axis coincides with the spindle axis, the inner coil is rotated around its own axis during operation. This is particularly advantageous because otherwise it could come to significant vibration. If the outer coil axis also coincides with the spindle axis and the inner coil, a gap between the inner coil and the outer coil can be designed to be particularly narrow. As a result, electrical energy from the outer coil can be transmitted to the inner coil in a particularly low-loss manner and therefore particularly efficiently. This is further promoted by the fact that the magnetic field generated by the outer coil in the case has a particularly high flux density in the region of the inner coil.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Außenspule eine Außenspulenwicklung und die Innenspule eine Innenspulenwicklung auf, wobei die Außenspulenwicklung und/oder die Innenspulenwicklung in einer Längsrichtung der Vorrichtung ausgedehnt sind.In a further preferred embodiment of the device, the outer coil has an outer coil winding and the inner coil has an inner coil winding, wherein the outer coil winding and / or the inner coil winding are extended in a longitudinal direction of the device.
Vorzugsweise sind sowohl die Außenspulenwicklung als auch die Innenspulenwicklung in der Längsrichtung der Vorrichtung ausgedehnt.Preferably, both the outer coil winding and the inner coil winding are extended in the longitudinal direction of the device.
Die Längsrichtung der Vorrichtung ist entlang der Drehachse definiert. Die Innenspulenachse und die Außenspulenachse sind vorzugsweise zur Längsrichtung parallel angeordnet.The longitudinal direction of the device is defined along the axis of rotation. The inner coil axis and the outer coil axis are preferably arranged parallel to the longitudinal direction.
Die jeweilige Spulenwicklung ist vorzugsweise als ein Draht ausgeführt, der um die jeweilige Spulenachse umlaufend aufgewickelt ist. Dass die Innenspulenwicklung, beziehungsweise die Außenspulenwicklung in Längsrichtung ausgedehnt ausgeführt sind, bedeutet insbesondere, dass der jeweilige Draht nicht bloß in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung aufgewickelt ist. Insbesondere wenn die Außenspule und/oder die Innenspule als Zylinderspulen mit einer Spulenachse entlang der Längsrichtung ausgebildet sind, ist die jeweilige Spulenwicklung in Längsrichtung ausgedehnt. Spulenhöhen der Innenspule und der Außenspule erstrecken sich jeweils entlang der Längsrichtung.The respective coil winding is preferably designed as a wire which is wound around the respective coil axis circumferentially. That the inner coil winding, or the outer coil winding are designed extended in the longitudinal direction, in particular means that the respective wire is not wound up in a plane perpendicular to the longitudinal direction. In particular, when the outer coil and / or the inner coil are formed as cylindrical coils having a coil axis along the longitudinal direction, the respective coil winding is extended in the longitudinal direction. Coil heights of the inner coil and the outer coil each extend along the longitudinal direction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Außenspule konzentrisch um die Innenspule angeordnet.In a further preferred embodiment of the device, the outer coil is arranged concentrically around the inner coil.
In dieser Ausführungsform ist der Außenspulendurchmesser größer als der Innenspulendurchmesser. Daraus ergeben sich die weiter oben beschriebenen entsprechenden Vorteile.In this embodiment, the outer coil diameter is larger than the inner coil diameter. This results in the corresponding advantages described above.
Sind die Innenspule und die Außenspule zylinderförmig ausgebildet, können die Innenspule und die Außenspule insbesondere derart ineinander geschachtelt angeordnet sein, dass sich ein Spalt mit Form eines dünnen Hohlzylinders zwischen den beiden Spulen ergibt. Durch eine derartige Anordnung kann das von der Außenspule erzeugte magnetische Feld im Bereich der Innenspule eine besonders hohe Flussdichte aufweisen, so dass die elektrische Energie besonders gut von der Außenspule auf die Innenspule übertragen werden kann.If the inner coil and the outer coil are cylindrical, the inner coil and the outer coil can in particular be arranged nested in one another such that a gap with the shape of a thin hollow cylinder results between the two coils. By such an arrangement, the magnetic field generated by the outer coil in the region of the inner coil can have a particularly high flux density, so that the electrical energy can be transferred particularly well from the outer coil to the inner coil.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Schnittstelle für den Werkzeughalter derart ausgeführt und mit der Innenspule bzw. Sekundärspule verbunden, dass über die Schnittstelle zumindest elektrische Energie von der Innenspule bzw. Sekundärspule auf den Werkzeughalter übertragen werden kann.In a further preferred embodiment of the device, the interface for the tool holder is embodied and connected to the inner coil or secondary coil such that at least electrical energy can be transmitted from the inner coil or secondary coil to the tool holder via the interface.
In dieser Ausführungsform kann der Werkzeughalter insbesondere elektrisch antreibbare Komponenten aufweisen. In this embodiment, the tool holder may in particular comprise electrically driven components.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Werkzeughalter mit einem Schwingungsgenerator derart an die Schnittstelle angebunden, dass der Schwingungsgenerator über die Schnittstelle mit elektrischer Energie versorgbar ist.In a further preferred embodiment of the device, a tool holder with a vibration generator is connected to the interface such that the vibration generator can be supplied with electrical energy via the interface.
Der Schwingungsgenerator kann insbesondere eine elektrisch antreibbare Komponente im Sinne der zuvor beschriebenen Ausführungsform sein. Bei dem Schwingungsgenerator handelt es sich vorzugsweise um ein Piezoelement. Das Piezoelement ist vorzugsweise derart in dem Werkzeughalter angeordnet und derart orientiert, dass durch das Piezoelement zumindest das Werkzeug in Schwingungen entlang der Längsrichtung der Vorrichtung versetzt werden kann. Alternativ kann die Schwingungsanregung auch in andere Richtungen erfolgen. Damit können beispielsweise beim Fräsen mit einem Fräskopf als Werkzeug ein besonders hoher Materialabtrag von einem zu bearbeitenden Werkstück und eine entsprechend hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden.The vibration generator may in particular be an electrically drivable component in the sense of the previously described embodiment. The vibration generator is preferably a piezoelectric element. The piezo element is preferably arranged in the tool holder and oriented in such a way that at least the tool can be set into oscillations along the longitudinal direction of the device by the piezo element. Alternatively, the vibration excitation can also be done in other directions. Thus, for example, when milling with a milling head as a tool, a particularly high material removal of a workpiece to be machined and a correspondingly high processing speed can be achieved.
Der Schwingungsgenerator kann insbesondere von der Antriebseinheit bzw. dem durch die vom statischen Spindelteil auf den rotierbaren Spindelteil übertragene elektrische Energie angetrieben werden. Dazu ist der Schwingungsgenerator vorzugsweise über die Schnittstelle mit der Innenspule verbunden. Eine in der Innenspule wie weiter oben beschrieben induzierte Wechselspannung kann unmittelbar an den Schwingungsgenerator angelegt werden. Es ist aber auch möglich, dass die in der Innenspule induzierte Spannung umtransformiert wird, bevor diese an den Schwingungsgenerator angelegt wird.The vibration generator can in particular be driven by the drive unit or the electrical energy transmitted by the static spindle part to the rotatable spindle part. For this purpose, the vibration generator is preferably connected via the interface with the inner coil. An alternating voltage induced in the inner coil as described above can be applied directly to the vibration generator. But it is also possible that the induced voltage in the inner coil is transformed before it is applied to the vibration generator.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken vorgestellt, wobei das Werkzeug mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 20 m/s [Meter pro Sekunde], insbesondere von mindestens 55 m/s rotiert.As a further aspect, a use of the described apparatus for the ultrasonic machining of workpieces is presented, wherein the tool rotates at a peripheral speed of at least 20 m / s [meters per second], in particular of at least 55 m / s.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken vorgestellt, wobei bei der Bearbeitung mit einem Werkzeug eine Schnittgeschwindigkeit von mindestens 20 m/min [Meter pro Minute] eingestellt ist, insbesondere eine Schnittgeschwindigkeit im Bereich bis maximal 350 m/min.As a further aspect, a use of the described device for the ultrasonic machining of workpieces is presented, wherein during machining with a tool a cutting speed of at least 20 m / min [meters per minute] is set, in particular a cutting speed in the range up to 350 m / min ,
Die Verwendung dient insbesondere der (finalen bzw. ultrapräzisen) Bearbeitung einer (insbesondere gewölbten bzw. gekrümmten) Oberfläche eines Werkstücks. Hierbei kommt insbesondere ein spanabhebendes Werkzeug zum Einsatz.The use in particular serves the (final or ultra-precise) machining of a (in particular curved or curved) surface of a workpiece. Here, in particular, a cutting tool is used.
Beispielhaft werden folgende Schnittgeschwindigkeiten bei der Ultraschallbearbeitung von Werkstücken unterschiedlicher Werkstoffe mit Hartmetall-Werkzeugen ermöglicht bzw. eingestellt:
Ultraschall-Bohren:
Die Vorrichtung wird insbesondere mit einem Werkzeughalter gemäß HSK-, SK-, oder BT-Norm, insbesondere gemäß HSK 63 (
Die weiter vorne für die Vorrichtung beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf die beschriebene Verwendung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Durch die beschriebene Ausgestaltung der Vorrichtung sind die beschriebenen hohen Umfangsgeschwindigkeiten möglich.The particular advantages and design features described above for the device are applicable to the described use and transferable, and vice versa. The described embodiment of the device, the described high peripheral speeds are possible.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Steuerung für die beschriebene Vorrichtung vorgestellt, die zur bedarfsgerechten Ansteuerung des Schwingungsgenerators eingerichtet ist.As a further aspect, a controller for the described device is presented, which is set up for demand-driven control of the vibration generator.
Die weiter vorne für die Vorrichtung und für die Verwendung beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf die beschriebene Steuerung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.The particular advantages and design features described above for the device and for use are applicable to the described control and transferable, and vice versa.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigt:
-
1 : eine Darstellung einer Vorrichtung zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs mit einer Spindel.
-
1 : An illustration of a device for rotatably driving a tool with a spindle.
Die Vorrichtung
Weiterhin weist der rotierbare Spindelteil
Der statische Spindelteil
Die Schnittstelle
Die Außenspule
Die Außenspule
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- statischer Spindelteilstatic spindle part
- 33
- rotierbarer Spindelteilrotatable spindle part
- 44
- Werkzeughaltertoolholder
- 55
- Schnittstelleinterface
- 66
- WerkzeugTool
- 77
- Außenspuleouter coil
- 88th
- Innenspuleinner coil
- 99
- AußenspulenachseOuter coil axis
- 1010
- InnenspulenachseInner coil axis
- 1111
- Spindelachsespindle axis
- 1212
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 1313
- AußenspulenwicklungOuter coil winding
- 1414
- InnenspulenwicklungIndoor coil winding
- 1515
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 1616
- Außenspul endurchmesserOutside coil diameter
- 1717
- InnenspulendurchmesserInside coil diameter
- 1818
- erste Stirnseitefirst end face
- 1919
- zweite Stirnseitesecond end face
- 2020
- Schwingungsgeneratorvibration generator
- 2121
- Steuerungcontrol
- 2222
- Drehachseaxis of rotation
- 2323
- Spulenhöhecoil height
- 2424
- SpulenmittelebeneCoil center plane
- 25 25
- Lagerungstorage
- 2626
- Antriebseinheitdrive unit
- 2727
- Spindelspindle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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