DE102020120038A1

DE102020120038A1 - Temperieren eines Maschinenmoduls

Info

Publication number: DE102020120038A1
Application number: DE102020120038.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Luderich; Lucas Jonath
Original assignee: Technische Hochschule Koeln
Current assignee: Technische Hochschule Koeln
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft das Temperieren eines Maschinenmoduls mit einem System aus einem Maschinenmodul (1) und einer Temperiervorrichtung (2) zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls (1). Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung (2) ein Heizelement (3), ein Kühlelement (4) und eine Wärmeübertragungseinrichtung (8) aufweist, wobei das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) über die Wärmeübertragungseinrichtung (8) mit dem Maschinenmodul (1) wärmemäßig gekoppelt sind und wobei das Heizelement (3) so ausgestaltet ist, das es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöhen kann, und das Kühlelement (4) so ausgestaltet sind, dass es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigen kann, so dass dem Maschinenmodul (1) über die Wärmeübertragungseinrichtung (8) mittels des Heizelements (3) Wärme zuführbar und mittels des Kühlelements (4) Wärme entziehbar ist. Auf diese Weise können temperaturbedingte Verformungen und Verlagerungen von Maschinenmodulen (1) in einem für die Funktion der das Maschinenmodul (1) verwendenden Maschine (13) akzeptablen Rahmen gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls sowie ein Verfahren zum Betreiben einer mit einem Maschinenmodul wärmemäßig gekoppelten Temperiervorrichtung zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls.
Unter einem Maschinenmodul wird hierbei das Subsystem einer Maschine verstanden, das eine bestimmte, begrenzte Funktion erfüllt und typischerweise als eine Baugruppe ausgeführt ist. Unter dem Begriff „Maschinenmodul“ wird damit z. B. ein Spindelsystem, eine Lineareinheit oder eine Kombination aus Lineareinheiten, ein Messsystem oder eine Laserquelle verstanden. Ein Maschinenmodul kann für sich alleine betrachtet die bezweckte Funktion, z. B. das Ausführen von bestimmten Bewegungen oder die Erzeugung eines Laserstrahls, erfüllen. Eine Maschine setzt sich in der Regel aus verschiedenen Maschinenmodulen zusammen. Zum Beispiel beinhaltet eine Fräsmaschine u.a. Maschinenmodule, die Linearbewegungen erzeugen, ein Spindelmodul für die Erzeugung der Fräsbewegung und ggf. weitere Maschinenmodule, wie z.B. ein Messsystem zur Werkstückvermessung.
Ein Problem bei dem Betrieb von Maschinenmodulen sind temperaturbedingte Verformungen und Verlagerungen der Maschinenmodule. Durch solche Verformungen und Verlagerungen kann es zu unerwünschten Verschiebungen, wie Verschiebungen des Werkzeugreferenzpunktes, kommen, die Einfluss auf die Genauigkeit der Maschine haben, in der das Maschinenmodul betrieben wird. Eine Folge hieraus kann sein, dass Fertigungsgenauigkeiten nicht sichergestellt werden können, was wiederum zu Ausschuss und Mehrkosten führt.
Dieses Problem wird im Stand der Technik, wie aus der DE 33 08 640 A1 bereits bekannt, mittels zweier unterschiedlicher Ansätze adressiert. Das erste Konzept besteht in stabilisierenden Maßnahmen. Unter stabilisierenden Maßnahmen ist hierbei die aktive Kühlung, die Reduzierung der Wärmeeinbringung, die Isolierung, die Nutzung von alternativen Werkstoffen etc. zu verstehen, was das Temperaturniveau im Maschinenmodul beeinflussen oder Verformungen und Verlagerungen durch Materialien mit geringen Ausdehnungskoeffizienten verringern soll. Hierdurch können z.B. Verformungen reduziert werden. Das zweite Konzept besteht in Kompensationsverfahren. Solche Kompensationsverfahren beruhen auf einer steuerungsseitigen Korrektur der temperaturbedingten Verformungen und Verlagerungen, basierend auf messtechnischen Informationen. Als messtechnische Informationen können z.B. Verlagerungs- oder Temperaturdaten verwendet werden. Hierdurch werden die Auswirkungen z.B. auf den Werkzeugreferenzpunkt (TCP) so korrigiert, dass keine oder deutliche verringerte Auswirkungen auf die Fertigungsgenauigkeit entstehen.
Diese herkömmlichen Konzepte sind jedoch nicht ohne Nachteile. Bei den stabilisierenden Verfahren hat sich die aktive Kühlung mittel Flüssigkeiten in industriellen Anwendungen durchgesetzt. Dies liegt maßgeblich in den thermodynamischen Eigenschafen von beispielsweise Wasser begründet. Durch eine aktive Kühlung mit Wasser können die Temperaturen im gewünschten Bereich gehalten werden, wodurch die Verformungen reduziert werden und/oder ein aus anderen Gründen gewünschtes Temperaturniveau eingestellt wird. Die Nachteile solcher Systeme sind jedoch folgende: Es ist eine zwingend notwendige Peripherie vorzuhalten, wie Zusatzaggregate, in denen die Flüssigkeit gekühlt oder erwärmt wird. Diese sind jedoch kosten- und wartungsintensiv, benötigen viel Bauraum und haben einen signifikanten Energieverbrauch. Darüber hinaus ist regelmäßig eine Verschlauchung durch die Maschine erforderlich, da das Kühlmedium zu den einzelnen Maschinenmodulen geleitet werden muss, was aufwendig und bei elektrischen Bauteilen mit erheblichen Risiken, z.B. durch Undichtheit, verbunden ist. Im Übrigen weisen Kühlaggregate typischerweise einen hohen Energieverbrauch auf. Weiterhin ist die Implementierung in bewegte und insbesondere rotierende Teile nur sehr aufwändig möglich. Drehdurchführungen ermöglichen zwar grundsätzlich die Kühlung von Wellen, schränken jedoch wichtige Funktionalitäten ein, wie einen automatischen Werkzeugwechsel, sind mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbunden und in einer Reihe von Fällen auch nicht funktionell und/oder wirtschaftlich anwendbar.
Bekannte Umsetzungen sind beispielhaft aus dem Bereich der Spindeltechnologie bekannt. Hier finden sich bestehende Lösungen sowohl im Bereich der Kompensations- als auch der Stabilisationsverfahren.
Aus der EP 2 058 085 B1 ist eine Wellenkühlung für eine Werkzeug-Motorspindel mit einer rotierenden Welle, einer statischen Lanze und einem einen Kühlmitteleingang und einen Kühlmittelausgang aufweisenden Kühlkreislauf bekannt, wobei die Wellenkühlung derart ausgebildet ist, dass die Einbringung des Kühlmediums in der statischen Lanze von innen nach außen in die rotierende Welle über Kühlbohrungen erfolgt. Außerdem ist vorgesehen, dass mehrere Lippendichtungen außen dichtend an der stehenden, das Kühlmedium liefernden Lanze angeordnet sind und den Vor- und Rücklauf des Kühlmediums zwischen der Welle und der Lanze voneinander abgrenzen.
Außerdem ist aus der EP 1 736 277 B1 eine Spindelvorrichtung mit einem Gehäuse bekannt, in dem eine rotierend antreibbare Spindel gelagert ist, die eine in einer Spindelwelle axial verschiebbare Zugstange zur Betätigung einer Werkzeugspanneinrichtung aufweist, und wobei die Spindel von mindestens einem geschlossenen Kühlkanal durchsetzt ist, der von Kühlmittel durchströmbar ist, wobei eine Drehdurchführung vorgesehen ist, die einen drehbar gelagerten Spindelabschnitt aufweist, über den der eine Kühlkanal mit einer Zuflussöffnung und einer Abflussöffnung für das Kühlmedium gekoppelt ist. Ferner ist vorgesehen, dass der eine Kühlkanal gegen das Gehäuse der Drehdurchführung über eine erste Spaltdichtung und eine Berührungsdichtung abgedichtet ist, die derart über einen Druckkanal mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, dass die Berührungsdichtung bei angetriebener Spindel berührungsfrei und durch das Druckmedium abgedichtet ist, während bei Stillstand der Spindel und abgeschaltetem Druckmedium eine Abdichtung über die Berührungsdichtung erfolgt.
Die DE 33 08 640 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Kompensation thermisch bedingter Verlagerungen von Arbeitsspindeln an Be- und Verarbeitungsmaschinen, wobei an den Lagerstellen der Arbeitsspindel oder in deren unmittelbarem Bereich Sensoren angeordnet sind, die mit dem Eingang einer rechnerintegrierten Steuerung als Bewertungseinrichtung in Verbindung stehen und wobei der Ausgang der rechnerintegrierten Steuerung im Sinne eines ein- oder mehrschleifigen Regelkreises über ein oder mehrere Stellglieder mit den Lagerstellen der Arbeitsspindel gekoppelt ist.
Bei den kompensierenden Verfahren haben sich die Kompensation durch Temperaturmessung und die Kompensation durch Verlagerungsmessung in industriellen Anwendungen durchgesetzt. Die Nachteile solcher Systeme liegen z.B. darin, dass die gesamte Werkzeugmaschine thermisch analysiert, modelliert und berechnet werden muss, was einen sehr zeit- und kostenintensiven Prozess darstellt und daher nur für sehr spezielle Maschinen durchgeführt wird. Durch Kompensationsformeln können die Verformungen nur mit Hilfe der Achsansteuerung ausgeglichen werden, was sehr präzise Achskonstruktionen erfordert, was wiederum mit hohen Kosten verbunden ist.
Ein weiteres Problem bei dem Betrieb von Maschinenmodulen ist, dass die Maschinenmodule insbesondere nach dem Einschalten und bei unterschiedlichen Lasten typischerweise nicht sofort im angestrebten Temperaturbereich betrieben werden. Hierdurch kann es zu erhöhtem Verschleiß und einer Verkürzung der Lebensdauer des Maschinenmoduls kommen.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, temperaturbedingte Verformungen und Verlagerungen von Maschinenmodulen sowie die Temperatur der Maschinenmodule auf einfache und effiziente Weise in einem für die Funktion der das Maschinenmodul verwendenden Maschine akzeptablen Rahmen zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird damit ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung ein Heizelement, ein Kühlelement und eine Wärmeübertragungseinrichtung aufweist, wobei das Heizelement und das Kühlelement über die Wärmeübertragungseinrichtung mit dem Maschinenmodul wärmemäßig gekoppelt sind und wobei das Heizelement so ausgestaltet ist, das es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöhen kann, und das Kühlelement so ausgestaltet sind, dass es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigen kann, so dass dem Maschinenmodul über die Wärmeübertragungseinrichtung mittels des Heizelements Wärme zuführbar und mittels des Kühlelements Wärme entziehbar ist.
Unter dem Begriff „Heizelement“ wird vorliegend eine Vorrichtung verstanden, die aus einer beliebigen Energieform (z.B. elektrische Energie, mechanische Energie, chemische Energie und/oder hydraulische Energie) thermische Energie, also Wärme, erzeugen und einem anderen Körper zuführen kann, wodurch dessen Temperatur steigt. Ein Heizelement kann also z.B. eine Heizpatrone, eine Heizfolie, eine Heizwendeln, ein Heizstrahler, ein Fluid, ein Peltier-Element usw. sein. Unter dem Begriff „Kühlelement“ wird vorliegend eine Vorrichtung verstanden, die mit Hilfe einer beliebigen Energieform (z.B. elektrische Energie, mechanische Energie, chemische Energie und/oder hydraulische Energie) thermische Energie, also Wärme, einem Körper entzieht, wodurch dessen Temperatur sinkt. Ein Kühlelement kann also z.B. eine Fluidkühlung (mit Luft, Wasser, Öl usw.), eine Strahlungskühlung, ein Peltier-Element usw. sein.
Wesentlich für die Erfindung ist also, dass über die Wärmeübertragungseinrichtung dem Maschinenmodul Wärme einerseits zugeführt aber andererseits auch entzogen werden kann. Die Wärmetransportrichtung in der Wärmeübertragungseinrichtung kann also umgekehrt werden. Die Erfindung ermöglicht es damit, dass die Maschinenmodule sich auf unterschiedliche Einsatzbedingungen, z.B. verschiedene Bearbeitungszyklen in der Serienfertigung, einstellen können und sich so auch bei stark variierenden Wärmelasten sehr gut adaptieren können. Durch die Erfindung können temperaturbedingte Verformungen und Verlagerungen durch Temperierung der Maschinenmodule reduziert bzw. eliminiert werden. Weiterhin erlaubt die intelligente Temperierung den Betrieb der Module in gewünschten Temperaturbereichen, um z.B. das Verschleißverhalten oder das Reibungsverhalten zu verbessern. Zum Beispiel kann das Warmlauf- oder Abkühlverhalten beeinflusst werden und/oder Bearbeitungszyklen bei der Serienfertigung werden bei der Temperierung berücksichtigt. Ziel dieser Art der Temperierung ist es in beiden Fällen, durch den Ausgleich von internen und/oder externen Einflussgrößen die Temperatur in einem für die Funktion des Maschinenmoduls wünschenswerten Bereich zu halten. Des Weiteren können mit der Erfindung Temperaturanpassungen von Maschinenmodulen mit hoher Dynamik in kurzer Zeit umgesetzt werden, was mit herkömmlichen Kühleinrichtungen und heute üblichen Steuer- und Regelkonzepten nicht möglich ist. Hierdurch wird eine schnelle Reaktion auf sich schnell ändernde Wärmeeinträge, wie z.B. bei Bearbeitungsprozessen, möglich.
Die Wärmeübertragungseinrichtung kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Wärmeübertragungseinrichtung jedoch wenigstens ein Wärmerohr auf. Ein Wärmerohr ist bekanntermaßen eine solche Wärmeübertragungseinrichtung, die unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche transportiert werden und kurze Reaktionszeiten werden möglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeübertragungseinrichtung als ein einziges Wärmerohr ausgestaltet, das sowohl mit dem Heizelement als auch mit dem Kühlelement wärmemäßig gekoppelt ist. In diesem Fall wird über ein gemeinsames einziges Wärmerohr dem Maschinenmodul entweder Wärme zugeführt oder Wärme entzogen. Alternativ ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinrichtung zwei voneinander getrennte Wärmerohre umfasst, wobei das Heizelement nur mit dem einen Wärmerohr und das Kühlelement nur mit dem anderen Wärmerohr wärmemäßig gekoppelt ist. Damit ist also das eine Wärmerohr nur für das Zuführen von Wärme und das andere Wärmerohr nur für das Entziehen von Wärme verantwortlich.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung sind das Heizelement und das Kühlelement direkt an die Wärmeübertragungseinrichtung angekoppelt. Alternativ ist es möglich, dass das Heizelement über einen Heizadapter und das Kühlelement über einen Kühladapter an die Wärmeübertragungseinrichtung angekoppelt sind. Mit solchen Adaptern kann mitunter ein besserer Wärmeübertrag von dem Heizelement bzw. dem Kühlelement an die Wärmeübertragungseinrichtung erfolgen. Wenn als Wärmeübertragungseinrichtung nur ein einziges Wärmerohr vorgesehen ist, kann auch ein gemeinsamer Heiz- und Kühladapter zur Ankopplung des Heizelements und des Kühlelements vorgesehen sein.
Um das Maschinenmodul in gewünschter Weise zu temperieren, sind das Heizelement und das Kühlelement vorzugweise wenigstens schaltbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gilt in diesem Zusammenhang, dass die Temperiervorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, mit der das Heizelement und das Kühlelement auf der Grundlage von Sensordaten steuerbar sind oder die Temperiervorrichtung eine Regelvorrichtung aufweist, mit der das Heizelement und das Kühlelement auf der Grundlage von Sensordaten regelbar sind. Dabei gilt gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weiterhin, dass die Temperiervorrichtung mit einer Sensordaten-Schnittstelle ausgerüstet ist, über die externe Sensordaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements und des Kühlelements empfangbar sind. Derartige Sensordaten können z.B. von Sensoren an dem Maschinenmodul stammen, z.B. von Temperatursensoren. Allerdings sind auch andere Sensoren und Sensordaten möglich, wie Orts- und Lagesensoren, Sensoren, die die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit,...) erfassen, Sensoren, die die Energieströme in die Maschine oder das Maschinenmodul erfassen, sowie Sensoren, die Betriebszustände der Maschinen oder des Maschinenmodules messen (Drehzahlen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Schwingungen, Verlagerungen und Verdrehungen, etc.). Zusätzlich oder alternativ dazu weist die Temperiervorrichtung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wenigstens einen internen Sensor zum Generieren von internen Sensordaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements und des Kühlelements auf. Auch hier kann es sich z.B. um Temperaturdaten von Temperatursensoren handeln, aber auch um Daten zu Umgebungs- oder Betriebszuständen, die zur Steuerung oder Regelung des Heizelementes oder des Kühlelementes verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung mit einer Prozessdaten-Schnittstelle ausgerüstet ist, über die Prozessdaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements und des Kühlelements empfangbar sind. Als Prozessdaten sind vorliegend insbesondere prozessbezogene aber auch fertigungsbezogene Daten, wie G-Code-Daten, NC-Daten, Kräfteverlaufsdaten, Drehmomentverlaufsdaten, Leistungsverlaufsdaten usw. gemeint, die im Übrigen auch in Kombination mit Sensordaten zur Steuerung bzw. Regelung verwendet werden können.
Die Steuerung bzw. Regelung kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerung bzw. Regelung jedoch so eingerichtet, dass sie empfangene Daten mit Hilfe eines intelligenten, selbstlernenden Algorithmus verarbeitet und damit eine vorausschauende Steuerung bzw. Regelung der Heizelemente und der Kühlelemente vornimmt. Insbesondere kann die Steuerung bzw. Regelung so eingerichtet sein, dass sie auf der Grundlage der empfangenen Daten das Heizelement und das Kühlelement derart steuert bzw. regelt, dass das Maschinenmodul innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten und/oder die Verschiebungen von Maschinenreferenzpunkten jeweils unter einem vorbestimmten Maximalwert gehalten wird. Solche Steuer- bzw. Regelziele können herkömmliche Temperierverfahren regelmäßig nicht in verlässlicher Weise erreichen, da bei ihnen nicht vorgesehen ist, dass dem Maschinenmodul sowohl Wärme zugeführt als auch Wärme entzogen werden kann.
Weiterhin ist die Temperiervorrichtung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung mit einem Datenspeicher zum Abspeichern von Daten versehen und/oder mit einem solchen Datenspeicher verbunden. Auf diese Weise können Daten von internen und externen Sensoren in Kombination mit prozessbezogenen bzw. fertigungsbezogenen Daten abgespeichert und für die Realisierung eines selbstlernenden Prozesses genutzt werden. Solch ein Datenspeicher muss nicht zwingend in der Temperiervorrichtung selbst angeordnet sein. Vielmehr kann sich ein solcher Datenspeicher auch in einer Cloud befinden. Die Temperiervorrichtung kann eine Verbindung zu Cloud vorzugsweise direkt oder indirekt aufbauen. Dabei werden die Daten vorzugsweise in komprimierter Form abgespeichert.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer mit einem Maschinenmodul wärmemäßig gekoppelten Temperiervorrichtung zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung ein Heizelement, ein Kühlelement und eine Wärmeübertragungseinrichtung aufweist und wobei das Maschinenmodul in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten wird, indem das Heizelement die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung bedarfsweise bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöht und das Kühlelement die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung bedarfsweise bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigt, so dass dem Maschinenmodul über die Wärmeübertragungseinrichtung mittels des Heizelements Wärme zugeführt und mittels des Kühlelements Wärme entzogen wird.
Der vorbestimmte Temperaturbereich kann zeitlich konstant sein. Wie weiter oben schon angesprochen, kann der vorbestimmte Temperaturbereich sich aber auch zeitlich ändern, da für verschiedene Prozessabschnitte verschiedene Temperaturen gewünscht sind.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich im Übrigen in Analogie zu den zuvor beschriebenen bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems, und zwar insbesondere wie folgt: Vorzugsweise werden das Heizelement und das Kühlelement auf der Grundlage von Sensordaten und oder von Prozessdaten gesteuert bzw. geregelt. Bei dieser Steuerung bzw. Regelung werden die empfangenen Daten vorzugsweise mit Hilfe eines intelligenten, selbstlernenden Algorithmus verarbeitet, so dass damit eine vorausschauende Steuerung bzw. Regelung des Heizelements und des Kühlelements erfolgt und sich das System eigenständig an geänderte Umgebungsbedingungen anpassen kann. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Heizelement und das Kühlelement auf der Grundlage der empfangenen Daten derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass das Maschinenmodul innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten und die Verschiebungen von Maschinenreferenzpunkten jeweils unter einem vorbestimmten Maximalwert gehalten wird.
Insbesondere ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass an beiden Enden der Wärmeübertragungseinrichtung die j eweilige Temperatur erfasst und daraus der Wärmestrom in oder aus dem Maschinenmodul ermittelt und für die Steuerung bzw. Regelung verwendet wird. Auf diese Weise können die individuellen Charakteristika der Maschinemodule abgespeichert und für die Temperierung berücksichtigt werden.
Weiterhin sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Steuerung bzw. Regelung ein künstliches neuronales Netzwerk mit einem selbstlernenden Prozess benutzt, dem künstlichen neuronalen Netzwerk Prozessdaten zugeführt werden und die Steuerung bzw. Regelung unter Einbeziehung dieser prozessbezogenen Daten erfolgt. Unter dem Begriff „Prozessdaten“ werden dabei insbesondere Daten verstanden, die die Maschine zur Durchführung des ihr obliegenden Verfahrens (z.B. der Bearbeitung oder Erzeugung von Teilen, der Handhabung von Teilen bei Montagevorgänge, u.v.m.) verwendet bzw. die zur Ansteuerung der Maschinenbewegungen oder thermisch relevanter Einrichtungen der Maschine dienen. Beispiele aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen sind z.B. NC-Code, G-Code aber auch CAM- und CAD-Daten sowie andere das zu fertigende Bauteil beschreibende Daten.
Außerdem ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass dem selbstlernenden Prozess zusätzlich Daten von anderen Temperiervorrichtungen für andere Maschinenmodule zugeführt werden, z.B. direkt und/oder über eine Datenbank in einer Cloud. Auch diese Daten können für die Steuerung bzw. Regelung verwendet werden.
Weiterhin gilt, dass es besonders bevorzugt ist, dass ein für die Steuerung bzw. Regelung verwendeter intelligenter Algorithmus durch Zugriff auf die in der Datenbank gesammelten Datensätze kontinuierlich verbessert wird. Der verbesserte, intelligente Algorithmus erfährt vorzugsweise in regelmäßigen Zeitintervallen ein jeweiliges Update auf die Maschinenmodule.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.
In den Zeichnungen zeigen

1a schematisch ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1b schematisch ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2a schematisch ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2b schematisch ein System mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
3 schematisch ein Gesamtsystem mit einem Maschinenmodul und einer Temperiervorrichtung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Aus 1a ist schematisch ein System mit einem Maschinenmodul 1 und einer Temperiervorrichtung 2 zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls 1 ersichtlich. Dabei weist die Temperiervorrichtung 2 ein Heizelement 3, ein Kühlelement 4 und eine Wärmeübertragungseinrichtung 8 auf. Die Wärmeübertragungseinrichtung 8 ist als ein einziges Wärmerohr 9 ausgestaltet, das sowohl mit dem Heizelement 3 als auch mit dem Kühlelement 4 wärmemäßig gekoppelt ist. Darüber hinaus gilt, dass das Heizelement 3 und das Kühlelement 4 über die Wärmeübertragungseinrichtung 8 auch mit dem Maschinenmodul 1 wärmemäßig gekoppelt sind. Das Heizelement 3 ist dabei so ausgestaltet ist, dass es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung 8 bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöhen kann. Entsprechendes gilt für das Kühlelement 4: Dieses ist so ausgestaltet sind, dass es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung 8 bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigen kann. Im Ergebnis ist es damit möglich, dem Maschinenmodul 1 über die Wärmeübertragungseinrichtung 8 mittels des Heizelements 3 Wärme zuzuführen und mittels des Kühlelements 4 Wärme zu entziehen.
In 1a ist dargestellt, dass das Heizelement 3 und das Kühlelement 4 über einen gemeinsamen Heiz- und Kühladapter 7 an das Wärmerohr 9 angekoppelt sind. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung, die schematisch aus 1b ersichtlich ist, sind das Heizelement 3 und das Kühlelement 4 direkt an das Wärmerohr 9 angekoppelt, also ohne einen Adapter.
Aus den 2a und 2b sind schematisch derartige Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich, bei denen das Heizelement 3 mit einen Wärmerohr 10 und das Kühlelement 4 mit einem anderen separaten Wärmerohr 11 wärmemäßig gekoppelt ist. Auch hier ist eine direkte Ankopplung des Heizelements 3 und des Kühlelements 4 an das jeweilige Wärmerohr 10, 11 möglich, wie in 2b dargestellt, oder eine Ankopplung über einen Heizadapter 5 bzw. einen Kühladapter 6. Mit solchen Adaptern 5, 6, 7 kann mitunter ein besserer Wärmeübertrag von dem Heizelement 3 bzw. dem Kühlelement 4 an die Wärmeübertragungseinrichtung 8 erfolgen.
3 zeigt schematisch ein Gesamtsystem mit einem Maschinenmodul 1 und einer Temperiervorrichtung 2 gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist eine Anordnung mit einem Maschinenmodul 1 und einer Temperiervorrichtung 2 vorgesehen, wie in 1b dargestellt, also mit einem einzigen Wärmerohr 9 als Wärmeübertragungseinrichtung 8, an die ein Heizelement 3 und ein Kühlelement 4 direkt angekoppelt sind. Das Heizelement 3 und das Kühlelement 4 werden mittels einer Steuereinrichtung 12 der Temperiervorrichtung 2 gesteuert. Diese Steuereinrichtung 12 empfängt dazu zum einen Daten von externen Sensoren 14 in der Maschine 13 über eine Sensordatenschnittstelle 15. Darüber hinaus werden der Steuereinrichtung 12 Daten von einem internen Sensor 16 in der Temperiervorrichtung zugeführt.
Das Maschinenmodul 1 ist Teil einer Maschine 13, die mittels einer Maschinensteuerung 18 gesteuert wird. Im Rahmen der Steuerung der Maschine 13 verwendeter G-Code, NC-Code oder anderweitige bauteil- oder prozessbezogene Daten werden der Steuereinrichtung der Temperiervorrichtung 2 über eine Prozessdatenschnittstelle 17 zugeführt. Bei den Sensoren 14, 16 kann es sich z.B. um Temperatursensoren aber auch um andere Sensoren handeln. Insbesondere gilt, dass in der Maschine 13 gewisse Betriebsparameter, neben der Temperatur nämlich z.B. Drehzahl, Moment, Strom, Umgebungs- und Kühlmitteleinflüsse gemessen und der Steuereinrichtung 12 zugeführt werden. Darüber hinaus ist aus 3 ersichtlich, dass an beiden Enden der Wärmeübertragungseinrichtung 8, also dem Wärmerohr 9, die jeweilige Temperatur mittels Temperatursensoren 21, 22 erfasst wird.
Die der Steuereinrichtung 12 zugeführten Daten werden dort für die Steuerung des Heizelements 3 und des Kühlelements 4 verwendet. Unter anderem wird aus den an den beiden Enden des Wärmerohrs 9 erfassten Temperaturwerten der Wärmestrom des Maschinenmoduls 1 ermittelt und für die Steuerung bzw. Regelung verwendet. Zum Beispiel werden darüber hinaus aus den der Steuereinrichtung 12 zugeführten Daten Belastungskennlinien berechnet, aus denen ein künstliches neuronales Netzwerk, vorliegend z.B. in Form eines Reinforcement Learning Modell, vorab Steuerungsverläufe für das Kühlelement 3 und das Heizelement 4 ermittelt und steuert diese während des eigentlichen Betriebs des Maschinenmoduls 1 in der Maschine 13.
In 3 ist dargestellt, dass die Temperiervorrichtung 2 mit einem internen Speicher 20 versehen ist, in dem Daten lokal abgespeichert werden können, und an eine Cloud 19 angebunden ist. Da im Rahmen des Betriebs der Temperiervorrichtung 2 viele Berechnungen durchgeführt werden müssen und die maschinenseitige Hardware gering gehalten werden soll, ist vorliegend eine Verarbeitung der Daten in der Cloud 19 vorgesehen. Durch die Cloudanbindung sind weitere Möglichkeiten, wie Softwareupdate und Erweiterung einer Datenbank mit Trainingsdatensätzen, gegeben.
Der mit der Temperiervorrichtung 2 zu erzielende Betrieb des Maschinenmoduls 1 im Hinblick auf das Beeinflussen dessen Temperatur sieht wie folgt aus: Entsprechend des vorab berechneten Steuerverlaufs soll das Maschinenmodul 1 über die Zeit hinweg zu bestimmten Zeiten in einem jeweiligen vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden. Dazu werden das Heizelement 3 und das Kühlelement 4 von der Steuereinrichtung 12 derart angesteuert, dass die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung 8 bedarfsweise, also entsprechend des Steuerverlaufs, erhöht bzw. erniedrigt wird, so dass dem Maschinenmodul 1 über die Wärmeübertragungseinrichtung 8 mittels des Heizelements Wärme 3 zugeführt und mittels des Kühlelements 4 Wärme entzogen wird. Auf diese Weise werden temperaturbedingte Verformungen und Verlagerungen des Maschinenmoduls 1 auf einfache und effiziente Weise in einem für die Funktion der das Maschinenmodul 1 verwendenden Maschine 13 akzeptablen Rahmen gehalten.
Bezugszeichenliste

1: Maschinenmodul
2: Temperiervorrichtung
3: Heizelement
4: Kühlelement
5: Heizadapter
6: Kühladapater
7: Heiz- und Kühladapter
8: Wärmeübertragungseinrichtung
9: Wärmerohr für das Zuführen und Entziehen von Wärme
10: Wärmerohr für das Zuführen von Wärme
11: Wärmerohr für das Entziehen von Wärme
12: Steuereinrichtung
13: Maschine
14: externe Sensoren
15: Sensordatenschnittstelle
16: interner Sensor
17: Prozessdatenschnittstelle
18: Maschinensteuerung
19: Cloud-Speicher
20: interner Speicher
21: Temperatursensor
22: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3308640 A1 [0004, 0009]
EP 2058085 B1 [0007]
EP 1736277 B1 [0008]

Claims

System mit einem Maschinenmodul (1) und einer Temperiervorrichtung (2) zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) ein Heizelement (3), ein Kühlelement (4) und eine Wärmeübertragungseinrichtung (8) aufweist, wobei das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) über die Wärmeübertragungseinrichtung (8) mit dem Maschinenmodul (1) wärmemäßig gekoppelt sind und wobei das Heizelement (3) so ausgestaltet ist, das es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöhen kann, und das Kühlelement (4) so ausgestaltet sind, dass es die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigen kann, so dass dem Maschinenmodul (1) über die Wärmeübertragungseinrichtung (8) mittels des Heizelements (3) Wärme zuführbar und mittels des Kühlelements (4) Wärme entziehbar ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (8) als ein einziges Wärmerohr (9) ausgestaltet ist, das sowohl mit dem Heizelement (3) als auch mit dem Kühlelement (4) wärmemäßig gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (8) zwei voneinander getrennte Wärmerohre (10, 11) umfasst, wobei das Heizelement (3) nur mit dem einen Wärmerohr (10) und das Kühlelement (4) nur mit dem anderen Wärmerohr (11) wärmemäßig gekoppelt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) eine Steuereinrichtung (12) aufweist, mit der das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) auf der Grundlage von Sensordaten steuerbar sind oder die Temperiervorrichtung (2) eine Regelvorrichtung aufweist, mit der das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) auf der Grundlage von Sensordaten regelbar sind.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) mit einer Sensordaten-Schnittstelle (15) ausgerüstet ist, über die externe Sensordaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements (3) und des Kühlelements (4) empfangbar sind.
System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) wenigstens einem internen Sensor (16) zum Generieren von internen Sensordaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements (3) und des Kühlelements (4) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) mit einer Prozessdaten-Schnittstelle (17) ausgerüstet ist, über die Prozessdaten zum Steuern bzw. Regeln des Heizelements (3) und des Kühlelements (4) empfangbar sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) einen Datenspeicher (20) zum Abspeichern von Daten aufweist und/oder mit einem Datenspeicher (19) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer mit einem Maschinenmodul (1) wärmemäßig gekoppelten Temperiervorrichtung (2) zum Beeinflussen der Temperatur des Maschinenmoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (2) ein Heizelement (3), ein Kühlelement (4) und eine Wärmeübertragungseinrichtung (8) aufweist und wobei das Maschinenmodul (1) in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten wird, indem das Heizelement (3) die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bedarfsweise bis wenigstens zu einer Maximaltemperatur erhöht und das Kühlelement (4) die Temperatur der Wärmeübertragungseinrichtung (8) bedarfsweise bis wenigstens zu einer Minimaltemperatur erniedrigt, so dass dem Maschinenmodul (1) über die Wärmeübertragungseinrichtung (8) mittels des Heizelements Wärme (3) zugeführt und mittels des Kühlelements (4) Wärme entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) auf der Grundlage von Sensordaten und/oder von Prozessdaten gesteuert bzw. geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei dieser Steuerung bzw. Regelung die empfangenen Daten mit Hilfe eines intelligenten, selbstlernenden Algorithmus verarbeitet werden und damit eine vorausschauende Steuerung bzw. Regelung des Heizelements (3) und des Kühlelements (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) und das Kühlelement (4) auf der Grundlage der empfangenen Daten derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass das Maschinenmodul (1) innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten und die Verschiebungen von Maschinenreferenzpunkten jeweils unter einem vorbestimmten Maximalwert gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung bzw. Regelung ein künstliches neuronales Netzwerk mit einem selbstlernenden Prozess benutzt, dem künstlichen neuronalen Netzwerk bauteilbezogene Daten zugeführt werden und die Steuerung bzw. Regelung unter Einbeziehung dieser bauteilbezogenen Daten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem selbstlernenden Prozess zusätzlich Daten von anderen Temperiervorrichtungen für andere Maschinenmodule zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden der Wärmeübertragungseinrichtung (8) die jeweilige Temperatur erfasst und daraus der Wärmestrom des Maschinenmoduls (1) ermittelt und für die Steuerung bzw. Regelung verwendet wird.