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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, insbesondere
für eine
Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine oder dergleichen gemäß, dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und ein Steuerverfahren für einen derartigen elektrischen
Antrieb.
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Aus
der US-Patentschrift
US 5.425.237 ist ein
vertikal beweglicher Spindelträger
bekannt, dessen Gewichtskraft über
einen Servomotor ausgleichbar ist, der über einen Sensor für die Last
am Spindelträger
angesteuert wird. Eine zweite Gewichtsausgleicheinrichtung ist durch
eine hydraulische Einrichtung mit Zylinder und Kolben, die mit dem
Spindelträger
mechanisch verbunden ist, ausgebildet. Aufgrund der Vielzahl von
elektrischen und hydraulischen Einrichtungen für den Gewichtsausgleich sind der
gerätetechnische
Aufwand und damit die Kosten hoch.
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Aufgrund
der zunehmenden Anforderungen in Bezug auf Dynamik und Genauigkeit
werden insbesondere bei Werkzeugmaschinen in stärkerem Maße elektrische Linearmotoren
eingesetzt, bei denen zur Ausübung
großer
Kräfte
hohe Ströme
benötigt
werden.
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Die
Druckschrift
DE 43
15 818 A1 bezieht sich auf Werkzeugmaschinen mit einem
vorwiegend in einer Richtung belasteten Schlittensystem mit integriertem
Linearmotor, wie z.B. auf Bandschleifmaschinen oder Drehmaschinen.
Hierbei wird ein Kraftglied vorgesehen, das auf den Schlitten eine
Gegenkraft zu der am Schlitten wirkenden Arbeitskraft aufbringt.
Dieses Kraftglied kann beispielsweise als druckbeaufschlagtes Kolben/Zylindersystem
oder als mechanisches Federkraftsystem ausgeführt sein.
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Der
Nachteil bei der Verwendung einer mechanischen Feder aber auch bei
der Verwendung von geschlossenen pneumatischen oder hydropneumatischen
Systemen ohne Drucklegung besteht darin, dass sich über den
weg der verfahrbaren Einheit die Ausgleichskraft ändert, so
dass durch Kraftglieder, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift
DE 43 15 818 A1 bekannt
sind, Kräfte
aufgenommen werden, die in Abhängigkeit
vom Weg der verfahrbaren Einheit verschieden sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen
Antrieb insbesondere für
eine Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine, eines Bearbeitungszentrums
oder dergleichen zu schaffen, bei der ein verbesserter Gewichtsausgleich über die
gesamte Verfahrstrecke der vom elektrischen Antrieb verfahrenen
Einheit ermöglicht
ist. Zur Absicherung einer guten Dynamik und einer hohen Genauigkeit
sind auch Steuerverfahren für
eine derartige Entlastungseinrichtung vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des elektrischen Antriebs durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Steuerverfahrens durch
die Merkmale der Patentansprüche
8 bzw. 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine oder dergleichen mittels
eines elektrischen Antriebs entlang einer Achse verfahrbar. Zur
Abstützung
des Gewichts der Bearbeitungseinheit und zur Aufnahme der Zerspanungskräfte wird
diese über
eine Entlastungseinrichtung abgestützt, wobei eine Federanordnung
mittelbar oder unmittelbar an der Bearbeitungseinheit oder an den
mit dieser verbundenen Teilen des elektrischen Antriebs angreift.
Die Federanordnung selbst ist an einem Widerlager abgestützt, dessen
Stützposition über eine
Stelleinrichtung veränderbar
ist.
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Diese
Konstruktion hat den Vorteil, dass die Stützkräfte über den gesamten Verfahrweg
der Bearbeitungseinheit durch entsprechende Ansteuerung der Stelleinrichtung
konstant gehalten werden können.
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Die
erfindungsgemäße Konstruktion
ermöglicht
es darüber
hinaus, beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel oder einer sonstigen Änderung des
Gewichts der Bearbeitungseinheit, durch Verfahren der Stelleinrichtung
und damit Änderung
der Federspannung die Abstützkräfte anzupassen
und die Bearbeitungseinheit ggf. in eine vorbestimmte Referenzposition
zu verfahren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die Stelleinrichtung einen Elektromotor, der über ein
Getriebe, vorzugsweise einen Spindeltrieb mit dem die Federanordnung
abstützenden
Widerlager in Wirkverbindung steht. Die Genauigkeitsanforderungen
an den Elektromotor der Stelleinrichtung sind nicht sehr hoch, da
eine kleine Abweichung in der Lagepositionierung des Widerlagers und
einer entsprechende Änderung
der Spannung der Feder nur in einer geringfügigen Änderung der auf die Bearbeitungseinheit
wirkenden Stützkraft
resultiert.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der elektrische Antrieb zum Verfahren der Bearbeitungseinheit
als Linearmotor ausgebildet. Prinzipiell ist es jedoch möglich anstelle
eines Linearmotors einen Elektromotor mit einem zugeordneten Getriebe,
beispielsweise einem Spindeltrieb zu verwenden.
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Erfindungsgemäß kann dann,
wenn der Elektromotor der Stelleinrichtung etwas langsamer ist als
der Motor des elektrischen Antriebs, der Elektromotor im Millisekundenbereich
vor dem Motor zum Verfahren der Bearbeitungseinheit angesteuert
wird und dadurch ein verbessertes Gesamtansprechverhalten des Motors
des elektrischen Antriebs und des Motors der Entlastungseinrichtung
gewährleistet
ist.
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Der
elektrische Antrieb ist besonders kompakt aufgebaut, wenn die Achse
der die Bearbeitungseinheit abstützenden
Federanordnung parallel zur Verfahrachse der Bearbeitungseinheit
verläuft.
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Entsprechend
einem weiteren erfindungsgemäßen Steuerverfahren
wird die zweite Motoreinrichtung in einer solchen Weise angesteuert,
dass diese die bewegliche Einheit (Bearbeitungseinheit) zu bestimmten
Zeitpunkten zu einer Referenzposition zurückführt. Beispielsweise kann diese
Rückführung nach
jeder Arbeitsbewegung des beweglichen Elements, nach einer vorbestimmten
Anzahl an Arbeitsbewegungen des beweglichen Elements oder in Abhängigkeit
von Abweichungen bei der Bewegung des beweglichen Elements erfolgen.
Somit ist eine genaue Steuerung der ersten Motoreinrichtung möglich.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand die Figur beschrieben, die einen elektrischen
Antrieb einer Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine zeigt.
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Die
Figur zeigt einen elektrischen Antrieb für eine Bearbeitungseinheit
einer Werkzeugmaschine. Der Antrieb hat einen Linearmotor 10 mit
einem festen Primärteil 11,
entlang dem ein bewegliches Sekundärteil 12 linear bewegbar
gelagert ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Primärteil 11 ein feststehender
Induktor und ist das Sekundärteil 12 ein
beweglicher Anker. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf den
Fall anwendbar, indem der Induktor beweglich und der Anker feststehend
ist.
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Am
Sekundärteil 12 ist
als Bearbeitungseinheit beispielsweise ein Spindelträger der
Werkzeugmaschine befestigt. Der Linearmotor 10 wird in
der gezeigten Ausführungsform
zum vertikalen Verfahren des Spindelträgers entlang einer Achse A
verwendet.
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Am
in Vertikalrichtung unteren Endabschnitt des Sekundärteils 12 nimmt
eine Entlastungseinrichtung 20 am Sekundärteil 12 auftretende
Kräfte,
in der gezeigten Ausführung
vorzugsweise Gravitationskräfte,
die auf das Sekundärteil 12 wirken,
auf.
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Die
Entlastungseinrichtung 20 weist einen herkömmlichen
Elektromotor 21 auf, dessen Antriebsachse parallel zur
Bewegungsachse des Linearmotors 10 verläuft. Der Elektromotor 21 ist über ein Riemengetriebe
und einen Gewindetrieb (beispielsweise ein Kugelrollgewinde mit
einer Schraubenfeder 27 verbunden, deren erster Endabschnitt 27a am
Sekundärteil 12 des
Linearmotors 10 angreift.
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Das
Riemengetriebe weist eine erste Riemenscheibe 22 und eine
zweite Riemenscheibe 23 auf, deren Drehachsen parallel
zueinander verlaufen und die über
einen Riemen 24, beispielsweise einen Zahnriemen mit dem
zweiten Endabschnitt 27b, miteinander verbunden sind.
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Der
Gewindetrieb hat eine Spindel 25, die mit der zweiten Riemenscheibe 23 drehfest
verbunden ist. Die Spindel 25 steht in Gewindeeingriff
mit einer Spindelmutter 26, die einen Radialflansch hat,
auf dem die Schraubenfeder 27 abgestützt ist. Die Spindelmutter
bewegt sich bei einer Rotation der Spindel 25 in eine Richtung
B, die parallel zur Bewegungsrichtung A des Linearmotors 10 verläuft. Bei
Ansteuerung des zweiten Elektromotors 21 wird somit die Spindelmutter 26 mit
dem Widerlager in Richtung B bewegt. Mit einer Bewegung des Widerlagers 26 ändert sich
die Position des zweiten Endabschnitts 27b der Feder 27 in
Richtung B. Dadurch wird die auf das Sekundärteil 12 und damit
auf die Bearbeitungseinheit wirkende Kraft verändert, so dass beispielsweise vom
Linearmotor eine geringere Kraft aufgebracht werden muss, um die
Bearbeitungseinheit in Vertikalrichtung nach oben (Figur) zu bewegen.
Die Verstellung des Widerlagers der Feder 27 kann auch
dazu verwendet werden, um das Sekundärteil 12 ohne Ansteuerung
des Linearmotors in eine vorbestimmte Referenzposition zu verfahren.
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Dies
erfindungsgemäße Funktion
lässt sich beispielsweise
bei einem Werkzeugwechsel einsetzen. Wird beispielsweise ein Werkzeug
gegen ein schwereres Werkzeug ausgewechselt, so würde bei unveränderter
Position der Spindelmutter 26 die Feder 27 stärker zusammengedrückt werden
und entsprechend der Sekundärteil 12 nach
unten bewegt werden. Erfindungsgemäß kann dieser Unterschied dadurch
ausgeglichen werden, dass der zweite Elektromotor 21 derart
angesteuert wird, dass die Spindelmutter 26 nach oben ausfährt, so
dass das Sekundärteil 12 in
seine Referenzposition zurückgefahren wird
oder in dieser Referenzposition verbleibt.
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Die
Genauigkeitsanforderungen an den Elektromotor 21 sind nicht
sehr hoch, da geringe Abweichungen bei der Rotationsposition in
Bezug auf die an den Elektromotor 21 angelegten Steuersignale aufgrund
des Gewindetriebs und der Feder 21 nur eine geringe Änderung
der Kraft bewirken, die über den
ersten Endabschnitt 27a der Feder auf das Sekundärteil 12 des
Linearmotors 10 aufgebracht wird.
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Da
der Elektromotor 21 langsamer als der Linearmotor 10 anspricht,
ist es günstig,
zu Beginn und zum Ende einer Bewegung des Linearmotors einen Vorhalt,
vorzugsweise im Millisekundenbereich, für den Elektromotor 21 vorzusehen.
Anders ausgedrückt,
beginnt der Elektromotor 21 vor dem Linearmotor 10 mit
seiner Bewegung und beendet diese vor dem Linearmotor 10.
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann das Sekundärteil 12 vom Linearmotor 10 durch
eine Ansteuerung des Elektromotors 12 in eine Referenzposition gebracht
werden. Diese Ansteuerung kann entweder nach jeder Arbeitsbewegung
des Sekundärteils, nach
einer vorbestimmten Anzahl an Arbeitsbewegungen des Sekundärteils oder
bei Auftreten einer vorbestimmten Abweichung in Bezug auf die Referenzposition
erfolgen.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird ein Gewindetrieb zur Umwandlung der Rotationsbewegung vom Elektromotor 21 in
eine Linearbewegung des zweiten Endabschnitts 27b verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern
statt des Gewindetriebs kann ein beliebiges Getriebe verwendet werden.
Selbsthemmende Getriebe werden bevorzugt, da auf diese Weise auch
bei ausgeschaltetem Elektromotor 21 der zweite Endabschnitt 27b in
der Position gehalten wird.
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Die
Feder 27 ist im vorstehenden Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder
ausgeführt.
Sie kann jedoch ebenso wie das Riemengetriebe und der Gewindetrieb
in einer beliebigen Weise ausgeführt sein,
sofern eine Rotationsbewegung eines Elektromotors, der bezüglich des
Linearmotors 10 beliebig angeordnet sein kann, eine Verschiebung
des Sekundärteils
in Richtung A bewirkt. Die Funktionen des Elektromotors, des Riemengetriebes
und des Gewindetriebes können
durch eine beliebige Anzahl und Gestaltung von Einrichtungen übernommen
werden, sofern die vorstehende Funktion erfüllt ist.
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Statt
des Linearmotors kann auch ein rotierender Elektromotor mit nachgeordnetem
Spindeltrieb verwendet werden.
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Auch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vertikale Anordnung
eines Motors, der eine lineare Bewegung ausführt begrenzt, sondern kann
auf einen beliebigen Motor angewendet werden, bei dem auftretende
Kräfte
entlang einer Bewegungsbahn eines beweglichen Teils von diesem aufzunehmen sind.
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Offenbart
ist ein elektrischer Antrieb für
eine Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine, eines Bearbeitungszentrums
oder dergleichen sowie Steuerverfahren für derartige elektrische Antriebe.
Erfindungsgemäß ist die
Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine mittelbar oder unmittelbar über eine Federanordnung
einer Entlastungseinrichtung abgestützt. Die Federanordnung ist
ihrerseits an einem Widerlager abgestützt, dessen Position erfindungsgemäß veränderbar
ist, so dass durch entsprechende Lagepositionierung des Widerlagers
die auf die Bearbeitungseinheit wirkenden Stützkräfte an unterschiedliche Betriebsbedingungen
anpassbar sind oder konstant gehalten werden können.
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- 10
- Linearmotor
- 11
- Primärteil
- 12
- Sekundärteil
- 20
- Entlastungseinrichtung
- 21
- Elektromotor
- 22
- Riemenscheibe
- 23
- Riemenscheibe
- 24
- Riemen
- 25
- Spindel
- 26
- Spindelmutter
- 27
- Schraubenfeder
- 27a
- Endabschnitt
- 27b
- Endabschnitt