DE3546252A1

DE3546252A1 - Machine tool and its method of operation

Info

Publication number: DE3546252A1
Application number: DE19853546252
Authority: DE
Inventors: Hubert Bald
Original assignee: Paul Forkardt GmbH and Co KG
Current assignee: Forkardt Deutschland GmbH
Priority date: 1985-12-28
Filing date: 1985-12-28
Publication date: 1987-07-02

Abstract

A machine tool having a drive spindle which carries an electrically force-operated clamping unit. An asynchronous three-phase squirrel-cage motor with a stationary stator is used as the drive. The motor is supplied from a controller which operates with frequency conversion and is also used in an alternating manner for driving a spindle-drive motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1. genannten Merkmalen sowie ein Betriebsverfahren für diese.The invention relates to a machine tool with the in the preamble of Claim 1 mentioned features and an operating method for these.

Bei Maschinen mit sogenannten Elektrospannern als Spannaggregat wird die Drehbewegung eines Elektromotors mittels eines Gleitschraubtriebs in eine translatorische Spannbewegung umgewandelt.In machines with so-called electrical tensioners as the clamping unit, the Rotary movement of an electric motor by means of a sliding screw drive in a translational tensioning movement is converted.

Die Elektrospanner stellen eine Alternative zu den z. Z. noch vorherrschenden ölhydraulischen Spannantrieben dar. Nachteilig ist bei den hydraulischen Spannantrieben, daß für die ein eigener Druckölkreislauf aufgebaut werden muß, der einen erheblichen apparativen, energiemäßigen und wartungsmäßigen Aufwand erfordert.The electric clamps represent an alternative to the z. Currently prevailing oil-hydraulic tension drives. The disadvantage of the hydraulic Clamping drives that have their own pressure oil circuit must be built up, the considerable apparatus, energy and requires maintenance.

Hydraulische Spannzeuge können von der Werkzeugmaschinensteuerung nur mittelbar über elektrohydraulische Wandler, etwa Magnetventile, angesteuert werden. Aus diesem Grunde ist es im Gegensatz zu elektromotorisch angetriebenen Spannaggregaten nicht möglich, auf einfache Weise die Eigenschaften moderner Werkzeugmaschinensteuerungen zur Realisierung schneller und genauer Spannfunktionen einzusetzen, etwa, um am Spannmittel (z. B. am Spannfutter einer Drehmaschine) dem Werkstückdurchmesser angepaßte Entspannungs-Hübe durchzuführen. Hydraulic grips can only be operated by the machine tool control system indirectly controlled via electro-hydraulic converters, such as solenoid valves will. For this reason it is in contrast to an electric motor driven clamping units not possible in a simple way the properties of modern machine tool controls for implementation quicker and more precise use of clamping functions, for example to use the clamping device (e.g. on a lathe chuck) the workpiece diameter to carry out adapted relaxation strokes.

Bei den heute bekannten Elektrospannern hat man zwischen zwei Ausführungsvarianten zu unterscheiden.In today's known electric tensioners, there are two versions to distinguish.

Eine erste Bauart wird durch die Firmendruckschrift der Paul Forkardt KG, Nr. 500.01.7D/1979 "Elektrospanner" belegt.A first type is the company brochure of Paul Forkardt KG, No. 500.01.7D / 1979 "Electric tensioner" occupied.

Diese Elektrospanner umfassen einen Elektromotor, der für das Spannen von Werkzeugen, etwa bei Fräsmaschinen, stationär sein kann und nur für den Spannvorgang angekuppelt wird, aber auch bei Drehmaschinen mit der Spindel umlaufend ausgebildet sein kann. Das Abtriebsmoment des Motors wird über ein Untersetzungsgetriebe und einen Drehmomentenbegrenzer auf die Mutter eines Gleit-Schraubtriebs übertragen, welcher mit einem Zug-/- Druckrohr zusammenwirkt. Der Drehmomentenbegrenzer ist als eine sogenanntes Rastgesperre ausgeführt, bei welchem die an zwei unterschiedlichen Teilen angebrachte Stirnverzahnung nach Überwindung einer einstellbaren Federkraft ausrasten kann. Durch Veränderung der Federkraft kann damit die auf das Zug-/Druckrohr eingeleitete Spannkraft verändert werden. Indem man nach Erreichen des Grenz-Drehmoments das Restgesperre über mehrere Zähne ein- und ausrasten läßt, wird das vom Elektromotor kontinuierlich abgegebene Drehmoment in eine Folge von Drehmoment-Impulsen umgewandelt, womit man eine Erhöhung der durch den Gleit-Schraubtrieb erzeugten Spannkraft erreicht.These electric tensioners include an electric motor that is used for tensioning Tools, for example in milling machines, can be stationary and only for Clamping process is coupled, but also on lathes with the spindle can be formed all around. The output torque of the motor is via a reduction gear and a torque limiter on the Transfer the nut of a sliding screw drive, which with a pull - / - Pressure pipe cooperates. The torque limiter is a so-called Locking mechanism executed, in which the on two different Partly attached spur gear after overcoming an adjustable Spring force can disengage. By changing the spring force so that the tension force applied to the tension / pressure pipe can be changed. By overriding the residual ratchet after reaching the limit torque If several teeth snap in and out, the electric motor does this continuously delivered torque in a sequence of torque pulses converted, which means an increase in the sliding screw drive generated clamping force reached.

Um einen bei den heute üblich hohen Drehzahlen von Werkzeugmaschinen- Arbeitsspindeln stets empfehlenswerten Spannkraftspeicher zu realisieren, ist zwischen Zug-/Druckrohr und Spannmittel (z. B. Drehmaschinen-Spannfutter) in der Bohrung der Arbeitsspindel ein mit Tellerfedern aufgebautes Feder-Element zwischengeschaltet.In order to avoid the high speeds of machine tool Always realize working spindles with recommended clamping force storage is between the pull / pressure pipe and the clamping device (e.g. lathe chuck) In the bore of the work spindle, one with disc springs Spring element interposed.

Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.The invention is based on this prior art.

Ein zweite Bauart von Elektrospannern ist in der DE-PS 33 14 629 C2 offenbart. Die dem vorgenannten Elektrospanner am nächsten kommende Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt. Im Gegensatz zum Elektrospanner gemäß der genannten Firmendruckschrift wird beim Elektrospanner nach der DE-PS 33 14 629 der Stator des elektrischen Antriebsmotors stets stationär angeordnet, und der Gleit-Schraubtrieb ist durch einen Wälz-Schraubtrieb ersetzt. Da diese Bauart eine durchgehende Durchlaßöffnung für die Bearbeitung von Stangenmaterial zuläßt, ist der durch eine Feder realisierte Spannkraftspeicher ebenfalls andersartig gebaut. A second type of electrical tensioner is disclosed in DE-PS 33 14 629 C2. The embodiment closest to the aforementioned electrical tensioner is shown in FIG. 3. In contrast to the electric tensioner according to the company publication mentioned, the stator of the electric drive motor is always arranged stationary in the electric tensioner according to DE-PS 33 14 629, and the sliding screw drive is replaced by a roller screw drive. Since this type of construction permits a continuous passage opening for the processing of bar material, the tensioning force accumulator realized by a spring is also constructed differently.

Die durch den Wälz-Schraubtrieb zu erzeugende axiale Spannkraft kann nach einem vorgegebenen Wert elektrisch eingestellt bzw. geregelt werden, dadurch, daß entweder vom Motor ein entsprechend dosiertes Drehmoment vorgegeben wird oder daß bei bekanntem Zusammenhang zwischen dem Federweg des Spannkraftspeichers und der damit erreichbaren axialen Spannkraft eine stetige Regelung des Motordrehwinkels bis zur Einstellung des vorgegebenen Federwegs vorgenommen wird.The axial clamping force to be generated by the roller screw drive can be adjusted a predetermined value can be set or regulated electrically, that either a correspondingly metered torque is specified by the motor is or that with a known connection between the travel of the clamping force accumulator and the axial clamping force that can be achieved with it a constant control of the motor rotation angle until the preset one Travel is made.

Die Nachteile der erstgenannten Bauart mit Gleit-Schraubtrieb sind folgende:
Die Einstellung der Spannkraft an dem meachnischen Drehmomentbegrenzer ist relativ ungenau und schwierig, manuell vorzunehmen und daher verhältnismäßig zeitraubend sowie kaum automatisierbar. Zu der durch die Einstellmöglichkeit bedingten Ungenauigkeit der Spannkraft gesellt sich noch eine weitere, und zwar größere, Ungenauigkeitskomponente. Diese rührt von der großen Streubreite des jeweils im Gleit-Schraubtrieb wirksamen Reibungskoeffizienten her. Der Reibungskoeffizient kann von µ = 0,1 bei einem gut geschmierten und sauberen Gleit-Schraubtrieb bis über µ = 0,2 bei Schmierstoffmangel und ungenügender Wartung reichen. Dies bedeutet selbst bei konstant bleibendem Grenzdrehmoment eine mögliche Spannkraftschwankung von 100%.The disadvantages of the first type with sliding screw drive are as follows:
The setting of the clamping force on the mechanical torque limiter is relatively imprecise and difficult to carry out manually and is therefore relatively time-consuming and can hardly be automated. In addition to the inaccuracy of the clamping force caused by the setting option, there is a further, namely larger, inaccuracy component. This is due to the large spread of the coefficient of friction that is effective in the sliding screw drive. The coefficient of friction can range from µ = 0.1 with a well-lubricated and clean sliding screw drive to over µ = 0.2 with a lack of lubricant and insufficient maintenance. This means a possible fluctuation of the clamping force of 100% even if the limit torque remains constant.

Die erzielbaren Hubgeschwindigkeiten sind zu klein und müßten wenigstens 20 mm/Sek betragen. Die davon abhängigen Öffnungs- und Schließzeiten gehen nämlich unmittelbar in die unproduktiven Nebenzeiten ein. Die kleinen Hubgeschwindigkeiten haben ihre Ursache darin, daß die durch Wendeschütze angesteuerten-Drehstrommotoren ein relativ niedriges Drehmoment abgeben, so daß zur Erzielung der notwendigen Spannkräfte eine relativ hohe Getriebeuntersetzung notwendig wird. Die Erhöhung der Motordrehzahl über 3000 U/min ist bei Netzfrequenz von 50 Hz prinzipiell nicht möglich, und eine Erhöhung der Motorleistung verbietet sich wegen des notwendigerweise zu vergrößernden Bauvolumens, insbesondere des mit der Spindel umlaufenden Motorstators, dessen Schwungmoment damit beträchtlich vergrößert würde. Mit dem zuletzt angesprochenen Umstand hängt schließlich auch noch ein weiterer Nachteil zusammen.The achievable lifting speeds are too small and should at least be Amount to 20 mm / sec. The dependent opening and closing times go namely directly in the unproductive idle times. The small Lift speeds are due to the fact that they are reversible controlled three-phase motors a relatively low torque submit so that to achieve the necessary clamping forces a relative high gear reduction becomes necessary. The increase in engine speed In principle, over 3000 rpm is not possible with a mains frequency of 50 Hz. and an increase in engine performance is forbidden because of that construction volume to be enlarged, especially that with the spindle revolving motor stator, the momentum of which increases considerably would. With the last mentioned circumstance finally hangs also another disadvantage together.

Bei heutigen modernen Drehmaschinen werden Drehzahlen von 6500 U/min und mehr gefahren. Beim Einsatz von Elektrospannern mit umlaufendem Motorstator wären wegen der bei diesen Drehzahlen extrem hohen Fliehkräfte schnell die Grenzen für die Festigkeit der Motorenbauteile erreicht.In today's modern lathes, speeds of 6500 rpm and driven more. When using electrical tensioners with rotating motor stator would be because of the extremely high centrifugal forces at these speeds quickly reached the limits of the strength of the engine components.

Schließlich ist noch festzuhalten, daß der Elektrospanner mit Gleitschraubtrieb nicht mit einer Durchgangsbohrung für Stangenbearbeitung an Drehmaschinen ausgeführt werden kann, da dies wegen des notwendigerweise zu vergrößernden Schraubdurchmessers und in Anbetracht des extrem niedrigen Wirkungsgrads des Gleit-Schraubtriebs ein extrem hohes Abtriebsdrehmoment des Elektromotors erfordern würde.Finally, it should be noted that the electric tensioner with sliding screw drive not with a through hole for bar machining Lathes can be run because of the necessity screw diameter to be enlarged and in view of the extremely low Efficiency of the sliding screw drive an extremely high output torque of the electric motor would require.

Die zuvor beschriebenen Nachteile des Elektrospanners mit Gleit-Schraubtrieb sind bei einem Elektrospanner nach der De-PS 33 14 629 wegen des stationär angeordneten Motorstators, wegen der dort möglichen Betriebsweise des Motors und vor allem wegen des dort vorgesehenen Wälz-Schraubtriebs nicht vorhanden. Zudem kann dieses Aggregat mit einer durchgehenden Mitten-Bohrung ausgestattet werden.The previously described disadvantages of the electric tensioner with sliding screw drive are in an electric tensioner according to De-PS 33 14 629 because of stationary motor stator because of the possible mode of operation of the motor and above all because of the roller screw drive provided there unavailable. In addition, this unit with a continuous Center bore.

Diese funktionelle Überlegenheit muß allerdings durch beträchtlich höhere Herstellkosten erkauft werden, welche sich vor allem durch das notwendige aufwendigere Ansteueraggregat für den Elektromotor sowie durch den Wälz-Schraubtrieb ergeben.This functional superiority, however, has to be considerably higher Manufacturing costs are bought, which is mainly due to the necessary more complex control unit for the electric motor and by the Rolling screw drive result.

Die höheren Herstellkosten des Elektrospanners mit Wälz-Schraubtrieb sind sicherlich dann vertretbar, wenn bei der praktischen Aufwendung alle Funktionsvorteile genutzt werden.The higher manufacturing costs of the electrical tensioner with roller screw drive are certainly justifiable if all are practical Functional advantages are used.

In vielen Anwendungsfällen werden jedoch selbst bei modernen Drehmaschinen die aus einem Wälz-Schraubtrieb resultierenden Vorteile nicht voll genutzt.In many applications, however, even with modern lathes the advantages resulting from a rolling screw drive are not fully used.

Dies trifft insbesondere zu, wenn am Elektrospanner keine Durchgangsbohrung zur Durchführung von Stangenarbeiten benötigt wird und wenn die im Vergleich zu einem Wälz-Schraubtrieb beim Gleit-Schraubtrieb bis zum Erreichen der Verschleißgrenze mögliche, beträchtlich geringere Anzahl von Spannvorgängen in Kauf genommen werden kann. This is particularly true if there is no through hole on the electrical tensioner is required to carry out rod work and if the in Comparison to a roller screw drive with sliding screw drive until it is reached the wear limit possible, considerably smaller number of Clamping processes can be accepted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für solche Anwendungsfälle, bei denen die oben angeführten Einschränkungen zulässig sind, einen Elektrospanner auf der Basis eines Gleit-Schraubtriebs zu schaffen, bei dem jedoch die Spannkraft nach vorgebbaren Werten automatisch und genau einstellbar ist, die Hubgeschwindigkeit erhöht werden und der Einsatz für Spindeldrehzahlen bis über 6500 U/min erfolgen kann. Dabei sollen aber im Vergleich zu einem Elektrospanner mit Wälz-Schraubtrieb gemäß der DE-PS 33 14 629 die Gesamt-Herstellkosten für die Komponenten "Spannaggregat" und "elektrisches Ansteuergerät", der Maschine erheblich verringert werden können.The invention is based, for such applications, the task which the above restrictions are permissible, an electric tensioner to create on the basis of a sliding screw drive, however the clamping force can be automatically and precisely adjusted according to predefinable values is, the lifting speed can be increased and the use for Spindle speeds up to over 6500 rpm can take place. But in Comparison to an electric tensioner with roller screw drive according to DE-PS 33 14 629 the total manufacturing costs for the components "clamping unit" and "electrical control device", the machine can be significantly reduced can.

Die gemäß der Erfindung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehenen Merkmale sind im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. genannt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12. - Gegenstand der Erfindung sind auch Betriebsverfahren für solche Maschinen, definiert in den Ansprüchen 13 bis 16.The according to the invention in conjunction with the features of the preamble Features provided to solve this problem are in the characterizing Part of claim 1. called. Further refinements of the invention result from subclaims 2 to 12. - Subject of the invention are also operating procedures for such machines, defined in claims 13 to 16.

Um die Anforderungen an das für den Antrieb und die Betriebsweise des Elektrospanners gemäß der Erfindung vorgesehenen Motor-Ansteuergerät verdeutlichen zu können, werden zunächst einige Zusammenhänge und Fakten näher erläutert. Dafür werden nachfolgend einige konkrete Dimensionierungsdaten genannt, wie sie beispielsweise für den in Fig. 2 dargestellten, später im Detail erläuterten Elektrospanner gültig sein könnten.In order to be able to clarify the requirements for the motor control device provided for driving and operating the electric tensioner according to the invention, some relationships and facts are first explained in more detail. For this purpose, some specific dimensioning data are mentioned below, such as could be valid, for example, for the electrical tensioner shown in FIG. 2 and explained in detail later.

Die zu erzeugende Spannkraft F _A betrage 70 000 N. Im Interesse eines möglichst niedrigen Verschleißes wird der Gewindededurchmesser D des Gleit-Schraubtriebs größer, als von der Materialfestigkeit her eigentlich notwendig wäre, und zwar auf D = 40 mm ausgelegt. Die Gewindesteigung wird mit p = 2 mm angenommen. Das bei einem Betrieb ohne jegliche Reibung theoretisch notwendige Drehmoment M _ds am Gleit-Schraubtrieb beträgt nach einer vereinfachten Formel mit Bei einem angenommenen oberen Wert von µ = 0,2 für den Reibungskoeffizienten erhält man das Reib-Drehmoment zu Hieraus erkennt man, daß das Reibmoment etwa 12 mal größer als das Nutzdrehmoment sein kann. The clamping force F _A to be generated is 70,000 N. In the interest of the lowest possible wear, the thread diameter D of the sliding screw drive becomes larger than would actually be necessary in terms of the material strength, specifically for D = 40 mm. The thread pitch is assumed to be p = 2 mm. The torque M _ds on the sliding screw drive, which is theoretically necessary for operation without any friction, is according to a simplified formula Assuming an upper value of µ = 0.2 for the coefficient of friction, the friction torque is obtained From this it can be seen that the friction torque can be approximately 12 times greater than the useful torque.

Um eine Hubgeschwindigkeit von v = 20 mm/s erreichen zu können, muß die maximale Drehgeschwindigkeit am Gleit-Schraubtrieb n = 10 U/s bzw. n = 600 U/min betragen. Geht man davon aus, daß bei einem Spannaggregat für F _A = 70 000 N sinnvollerweise der Rotordurchmesser den Wert 160 mm und die Rotorbreite den Wert 50 mm nicht übersteigen sollten, so ergibt sich hierfür beim Einsatz des später noch zu erläuternden Ansteuergeräts ein maximales Drehmoment von 110 Nm bis zu einer Motordrehzahl von 180 U/min.In order to be able to achieve a stroke speed of v = 20 mm / s, the maximum rotational speed on the sliding screw drive must be n = 10 rev / s or n = 600 rev / min. If one assumes that with a tensioning unit for F _A = 70,000 N, the rotor diameter should usefully not exceed 160 mm and the rotor width should not exceed 50 mm, this results in a maximum torque of using the control unit to be explained later 110 Nm up to an engine speed of 180 rpm.

Schätzt man das bei einem Reibungskoeffizienten von µ = 0,2 auch unter Berücksichtigung des beteiligten Axial-Wälzlagers aufzubringende Gesamt- Drehmoment auf M _d,ges ≈ 320 Nm, so wird ersichtlich, daß das Untersetzungsverhältnis i des Planetengetriebes bei i ≈ 1 : 3 liegen muß. Aus dem sich so ergebenden Untersetzungsverhältnis ergibt sich, daß zur Einstellung einer Hubgeschwindigkeit von v = 20 mm/s im Eilgang - bei allerdings geringem Drehmomentenbedarf - der Motor eine maximale Drehzahl von n _max = 1800 U/min erreichen muß. Aus Gründen niedriger Herstellkosten, kleiner Baugröße des Motorrotors und anzustrebender Verschleißfreiheit kommt als Motorbauart nur eine Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer infrage.If one estimates the total torque to be applied to M _{d, tot} ≈ 320 Nm at a friction coefficient of µ = 0.2, taking into account the axial roller bearing involved, it can be seen that the reduction ratio i of the planetary gear is i ≈ 1: 3 got to. From the resulting reduction ratio, it follows that to set a lifting speed of v = 20 mm / s in rapid traverse - but with a low torque requirement - the motor must reach a maximum speed of n _max = 1800 rpm. For reasons of low manufacturing costs, small size of the motor rotor and the desired freedom from wear, only a three-phase asynchronous motor with a squirrel-cage motor can be used as the motor design.

Der Motor-Fachmann erkennt, daß die beiden Forderungen, nämlich einmal nach einem extrem hohen Drehmoment bei kleiner Baugröße und niedriger Drehzahl und zum anderen nach einer in Anbetracht der notwendigerweise vorzusehenden Mehrpoligkeit des Stators sehr hohen Drehzahl bei gleichzeitiger Erfüllung der erforderlichen guten Regeldynamik sehr hohe Anforderungen an das Ansteuergerät stellen.The engine specialist recognizes that the two requirements, namely once for an extremely high torque with a small size and lower Speed and the other after one considering the necessarily provided multipole of the stator very high speed with simultaneous Fulfillment of the required good control dynamics very high requirements on the control unit.

Veränderungen des Untersetzungsverhältnisse i des Planetengetriebes in der einen oder anderen Richtung bei gleichzeitiger Beibehaltung der maximalen Hubgeschwindigkeit bringen kaum eine Erleichterung der Anforderungen an Motor und Ansteuergerät, da bei der hier einzig infrage kommenden Betriebsweise mit der Vergrößerung der Maximaldrehzahl eine Verkleinerung des Maximaldrehmoments - und umgekehrt - einhergeht.Changes in the reduction ratio i of the planetary gear in one direction or the other while maintaining the maximum lifting speed hardly bring any relief to the requirements for the motor and control unit, since the only possible mode of operation here is a reduction in the maximum torque with an increase in the maximum speed - and vice versa - goes along.

Besonders erwähnt werden muß noch die beim Aufbau der Spannkraft notwendigerweise durchzuführende Betriebsweise:
Die genaue Einstellung einer vorgegebenen Spannkraft-Größe kann bei Verwendung eines Gleit-Schraubtriebes wegen der großen Streuung des Reibungskoeffizienten nicht über das Motordrehmoment erfolgen. The mode of operation that must be carried out when the clamping force is built up must also be mentioned:
When using a sliding screw drive, the exact setting of a predefined size of the clamping force cannot be made via the motor torque due to the large scatter of the coefficient of friction.

Vielmehr muß die Beeinflussung des Motors unter Einbeziehung eines Sensors zur laufenden Erfassung des Spannkraft-Ist-Wertes erfolgen.Rather, influencing the motor must include a sensor for the current recording of the actual clamping force value.

Weiterhin kann die Stillsetzung des Spannmotors nicht derart erfolgen, daß die Motordrehzahl bis zum Erreichen der vorgegebenen Spannkraft bis auf den Wert Null heruntergeregelt wird. Zur Vermeidung des bei Gleit- Schraubtrieben auftretenden "Stick-Slip-Effekts" muß vielmehr bis zuletzt mit einer bestimmten Mindest-Drehgeschwindigkeit gefahren werden, um dann, bei Erreichen der vorgegebenen Spannkraft, den Motor schlagartig stillzusetzen. Dies erfordert eine hohe Regeldynamik des elektrischen Antriebs.Furthermore, the tensioning motor cannot be stopped in such a way that the engine speed until the specified clamping force is reached is reduced to the value zero. To avoid the Screw drives occurring "stick-slip effect" must rather until the very end are driven at a certain minimum rotation speed in order to then, when the specified clamping force is reached, the motor suddenly to shut down. This requires high control dynamics of the electrical Drive.

Die zurvor beschriebenen extremen Anforderungen an den elektrischen Antrieb des Spannaggregats können nicht mit normalen Ansteuergeräten, beispielsweise mit Ansteuergeräten mit Phasenanschnitt oder gar mit dem Einsatz einfacher Schaltschütze, erfüllt werden.The extreme requirements for the electric drive described above of the tensioning unit cannot be used with normal control devices, for example with control devices with leading edge or even with the Use simple contactors.

Es sind jedoch Ansteuergeräte mit integriertem Mikrorechner bekannt, die nach dem Prinzip der Frequenzumsetzung arbeiten (Prospektblatt der Firma AMK) und, angepaßt an einen entsprechenden Spannantriebsmotor, die oben umrissenen Forderungen zu erfüllen gestatten.However, control devices with an integrated microcomputer are known work according to the principle of frequency conversion (company brochure AMK) and, adapted to a corresponding tension drive motor, the above allow to meet outlined requirements.

Die Erfindung sieht demzufolge den Einsatz derartiger Steuergeräte vor, um die damit für den Spannmotor gebotene Möglichkeit der Kombination von sowohl extrem hohen Drehmomenten im Bereich niedriger Drehzahlen als auch sehr hoher Maximaldrehzahlen nutzen zu können.The invention accordingly provides for the use of such control devices, the possibility of combining both extremely high torques in the low speed range as well to be able to use very high maximum speeds.

Das Erreichen der - auf die Baugröße bezogenen - sehr hohen Drehmomente bei niedriger Drehzahl ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei dem dem Motor aufgeschalteten Strom die Werte für die magnetisierende Stromkomponente und die Werte für die drehmomentbildende Stromkomponente vom Mikrorechner in stetiger Anpassung an den Motor-Betriebszustand optimal variiert werden können.The achievement of the very high torques - related to the size at low speed is due to the fact that the current applied to the motor the values for the magnetizing current component and the values for the torque-forming current component from Micro computer optimally adapted to the engine operating status can be varied.

Dadurch bedingt, kann bei gleicher Baugröße und bei gleicher, dem Motorstator zugeführten elektrischen Leistung beim Einsatz des vorgesehenen Ansteuergeräts am Spannmotor z. B. ein Anfahrdrehmoment erreicht werden, welches um den Faktor 8 bis 10 größer ist als bei einer Ansteuerungsweise, welche diese Stromkomponenten-Anpassung nicht vorsieht, beispielsweise bei einer Ansteuerung durch ein Schaltschütz.As a result, the motor stator can be the same size and the same supplied electrical power when using the intended Control devices on the tension motor z. B. a starting torque can be reached, which is 8 to 10 times larger than in a control mode, which does not provide for this current component adjustment, for example when controlled by a contactor.

Die benötigte hohe Regeldynamik - vor allem beim Aufbau der Spannkraft - läßt sich ebenfalls durch die rechnergeführte Stromkomponenten-Anpassung erreichen.The high control dynamics required - especially when building the clamping force - can also be done by computer-controlled current component adjustment to reach.

Unter ökonomischen Aspekten allerdings erweist sich das System, bestehend aus Drehstrommotor und rechnergeführtem Ansteuergerät, als wesentlich zu teuer, z. B. im Vergleich mit dem herkömmlichen hydraulischen Spannsystem. Deshalb berücksichtigt das erfindungsgemäße Konzept die Tatsache, daß in aller Regel die Spannvorgänge der infrage kommenden Werkzeugmaschinen während des Stillstandes zumindest des Spindelantriebsmotors, gegebenenfalls auch von zusätzlich vorgesehenen Vorschubmotoren, ablaufen, und daß diese Motoren mit Vorteil in ähnlicher Weise angesteuert werden können.From an economic point of view, however, the system proves to be existing from three-phase motor and computer-controlled control unit, as essential expensive, e.g. B. in comparison with the conventional hydraulic clamping system. Therefore, the inventive concept takes into account the fact that in usually the clamping processes of the machine tools in question during the standstill of at least the spindle drive motor, if necessary also run from additionally provided feed motors, and that these motors can advantageously be controlled in a similar manner.

Verwendet man nämlich als diesen mindestens einen weiteren Motor ebenfalls einen Asynchrondrehstrom-Kurzschlußläufermotor, so kann dieser alternierend dasselbe Ansteuergerät "mitbenutzen" wie der Spannmotor.If one uses at least one other motor as well an asynchronous three-phase squirrel-cage motor, it can alternate "share" the same control unit as the tension motor.

Das Ansteuergerät ist für diesen Zweck allerdings zu modifizieren. Seine Ausgänge müssen alternierend dem einen oder dem anderen Motor zugeschaltet werden und ebenso die Eingänge, denen das Ist-Signal von den Motoren zugeführt wird, im einfachsten Fall handelt es sich dabei um das Ausgangssignal eines am Motor vorgesehenen Winkelstellungsgebers. Außerdem werden nur in Ausnahmefällen die beiden anzusteuernden Motoren ganz gleiche Parameter aufweisen; solche Parameter sind aber für den Betrieb des Ansteuergeräts zu berücksichtigen, und eben dasselbe gilt auch für die Regelcharakteristik, die z. B. für einen Drehmaschinen-Spindelantrieb anders gewünscht wird als für den Spannbetrieb. Bei Umschaltung der Aus- und Eingänge des Ansteuergeräts wird mithin auch auf die jeweils für den zugehörigen Motor geltenden Parameter und Regelalgorithmen umgeschaltet.However, the control device must be modified for this purpose. His Outputs must alternately be switched on to one or the other motor and also the inputs to which the actual signal is supplied by the motors in the simplest case, it is the output signal an angular position sensor provided on the motor. Also be only in exceptional cases the two motors to be controlled have the same parameters exhibit; however, such parameters are for the operation of the control device to take into account, and the same applies to the Control characteristic, the z. B. different for a lathe spindle drive is desired as for the clamping operation. When switching the off and inputs of the control device is therefore also to the respective for the associated motor and applicable parameters and control algorithms.

Diese Konzeption ist wesentlich weniger aufwendig, als wenn jedem einzelnen Motor ein eigenes Ansteuergerät zugeordnet würde, da die teuren Komponenten, insbesondere die Leistungsstufe, nicht modifiziert zu werden und nur einmal vorhanden zu sein brauchen. This conception is much less complex than if it were for each individual Motor would be assigned its own control unit because of the expensive Components, especially the power level, not to be modified and only need to be present once.

Der Gegenstand der Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1 bis 5 im einzelnen erläutert werden.The object of the invention will be explained below with reference to the accompanying FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Spindelstock einer Drehmaschine gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows a vertical section through a spindle stock of a lathe according to the invention,

Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch den Spannmotor aus Fig. 1, Fig. 2 is an axial section through the tensioning motor of FIG. 1,

Fig. 3 ist ein Axialschnitt durch das Zug-Druckrohr aus Fig. 1, Fig. 3 is an axial section through the train-pressure tube of Fig. 1,

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Betriebsablaufs der Drehmaschine nach Fig. 1, und Fig. 4 is a block diagram for explaining the operation of the lathe of Fig. 1, and

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem für einen Spannvorgang die Spannkraft und die Motordrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel aufgezeichnet sind.f Fig. 5 shows a diagram in which the clamping force and the motor rotational speed as a function of the rotor rotation angle are recorded for a clamping operation

Man erkennt in Fig. 1 den Spindelkasten 10 mit der in Wälzlagern 12 gelagerten Spindel 14. Am einen freien Ende der Spindel sitzt ein Spannfutterkörper 16, in dem axial verlagerbar ein Spannkolben 18 aufgenommen ist; dieser betätigt über Keilführungen 20 in an sich bekannter Weise die Spannbacken 22. Der Spindelantrieb erfolgt über ein Zahnrad 24, das zum Beispiel über einen Zahnriemen (nicht gezeigt) mit einem Spindelantriebsmotor (nicht gezeigt) verbunden ist.It can be seen in Fig. 1 the spindle box 10 with the rolling bearings 12 mounted in spindle 14. At a free end of the spindle, a chuck body 16 is seated, in which a clamping piston 18 is accommodated in an axially displaceable manner; this actuates the clamping jaws 22 in a manner known per se via wedge guides 20 . The spindle drive takes place via a gear wheel 24 , which is connected to a spindle drive motor (not shown), for example via a toothed belt (not shown).

Am anderen freien Ende der Spindel 14 trägt diese den Rotor 26 eines Spannmotors, dessen Stator in einem an den Spindelkasten 10 angeflanschten Gehäuse 28 untergebracht ist.At the other free end of the spindle 14 , the latter carries the rotor 26 of a clamping motor, the stator of which is accommodated in a housing 28 flanged to the headstock 10 .

Durch die hohl ausgebildete Spindel 14 erstreckt sich ein Zug-/Druckrohr 30, das am futterseitigen Ende mit dem Spannkolben 18 verbunden ist, am spannmotorseitigen Ende mit der Schraube eines Wälzschraubtriebs, dessen Mutter vom Spannmotor relativ zur Spindel 14 verdrehbar ist.A tension / pressure tube 30 extends through the hollow spindle 14 and is connected to the tensioning piston 18 at the end on the chuck side, and at the end of the tensioning motor side with the screw of a hob screw drive, the nut of which can be rotated relative to the spindle 14 by the tensioning motor.

Der Klemmenkasten für die Statorstromversorgung ist mit 32 bezeichnet.The terminal box for the stator power supply is labeled 32 .

In Fig. 2 erkennt man das Gehäuse 28 mit dem Stator des Spannmotors, umfassend das Joch 40 mit der Wicklung 42. Der als Kurzschlußläufer ausgebildete Rotor umfaßt den Kern 44 mit den Kurzschlußringen 46. Er ist auf einer Hülse 48 festgeklemmt, deren Endflansch 50 eine Stirnverzahnung 52 trägt; diese rotiert vor einem stationären induktiv arbeitenden Geber 128, der pro Drehwinkeleinheit einen Impuls liefert; die Verwendung dieser Impulse wird später erläutert. - Der Endflansch 50 ist mit einem zur Hülse 48 koaxialen Innenrohr 54 verschraubt, das in Wälzlagern 56, 58 abgestützt ist und an seinem freien Ende eine Außenverzahnung 60 aufweist.In Fig. 2 to 28 comprising the yoke 40 with the winding 42 detects the housing with the stator of the clamping motor. The rotor designed as a short-circuit rotor includes the core 44 with the short-circuit rings 46 . It is clamped on a sleeve 48 , the end flange 50 of which has end teeth 52 ; this rotates in front of a stationary inductive transmitter 128 , which delivers one pulse per rotation angle unit; the use of these pulses will be explained later. - The end flange 50 is screwed to an inner tube 54 coaxial with the sleeve 48 , which is supported in roller bearings 56 , 58 and has an external toothing 60 at its free end.

Auf das freie Ende der Spindel 14 ist eine Muffe 62 aufgeschraubt, mit der ein Rohrstück 64 verbunden ist; dieses weist eine Innenverzahnung 66 in Höhe der Verzahnung 60 auf. An seinem der Spindel abgekehrten Ende ist eine Buchse 68 angeschraubt, in der die Außenringe der Wälzlager 56, 58 festgelegt sind.On the free end of the spindle 14 , a sleeve 62 is screwed, with which a pipe section 64 is connected; this has an internal toothing 66 at the level of the toothing 60 . At its end facing away from the spindle, a bushing 68 is screwed, in which the outer rings of the roller bearings 56, 58 are fixed.

In dem Ringraum zwischen den Verzahnungen 60 und 66 befindet sich ein Planetenträger 70 mit Planetenritzeln 72, welche mit den Verzahnungen 60 und 66 kämmen; der Planetenträger 70 ist mit der Gewindetrieb-Mutter 74 verschraubt und mittels eines Stirnlagers 76 axial an dem Rohrstück 64 abgestützt.In the annular space between the toothings 60 and 66 there is a planet carrier 70 with planetary pinions 72 which mesh with the toothings 60 and 66 ; the planet carrier 70 is screwed to the screw nut 74 and axially supported on the pipe section 64 by means of a front bearing 76 .

Demgemäß sind mit der Spindel 14 die Muffe 62, das Rohrstück 64 und die Buchse 68 drehfest verbunden. Relativ zu dieser Baugruppe und zu dem stationären Gehäuse 28 drehbar sind die mit dem Läufer 44/46 des Spannmotors verbundenen Komponenten, also die Hülse 48, der Endflansch 50 und das Innenrohr 54. Bei einer Drehung der letztgenannten Baugruppe relativ zur Spindel 14 wird also der Planetenträger 70 einen Drehwinkel durchlaufen, der vom Untersetzungsverhältnis des Planetengetriebes abhängt, gebildet von den Verzahnungen 60, 66 und den Ritzeln 72. Diese Drehung des Planetenträgers wird auf die Mutter 74 übertragen und durch das Gewinde 77 in eine axiale Verlagerung der Triebschraube 78 und der mit ihr verbundenen Komponenten umgesetzt.Accordingly, the sleeve 62 , the pipe section 64 and the bush 68 are rotatably connected to the spindle 14 . Relative to this assembly and the stationary housing 28 are rotatably associated with the runner 44/46 of the clamping motor components, that is the sleeve 48, the end flange 50 and the inner tube 54th When the latter assembly rotates relative to the spindle 14 , the planet carrier 70 is rotated through an angle of rotation that depends on the reduction ratio of the planetary gear, formed by the toothings 60 , 66 and the pinions 72 . This rotation of the planet carrier is transmitted to the nut 74 and converted by the thread 77 into an axial displacement of the drive screw 78 and the components connected to it.

Diese Komponenten umfassen auf der der Spindel 14 abgewandten Seite ein Führungsrohr 80, dessen freies Ende über ein Wälzlager 82 mit einem Schlitten 84 derart gekuppelt ist, daß der Schlitten - der mittels eines eingeschraubten Nockens 86, welcher in einem Langloch 88 des Gehäuseansatzes 90 läuft, gegen Drehung gesichert ist - von der Triebschraube 78 mitgeschleppt wird. Der Schlitten 84 trägt einen Meßkopf 92, auf den später eingegangen wird. On the side facing away from the spindle 14, these components comprise a guide tube 80 , the free end of which is coupled to a slide 84 via a roller bearing 82 in such a way that the slide - which by means of a screwed-in cam 86 , which runs in an elongated hole 88 of the housing attachment 90 , is secured against rotation - is dragged by the drive screw 78 . The carriage 84 carries a measuring head 92 , which will be discussed later.

Auf der der Spindel 14 zugekehrten Seite der Triebschraube 78 ist diese dreh- und axialfest mit dem rohrförmigen Anschlußstück 94 zum Zug-/- Druckrohr 30 verbunden. Dessen Aufbau ist in Fig. 3 dargestellt, auf die nachstehend eingegangen wird.On the side of the drive screw 78 facing the spindle 14 , the drive screw 78 is connected in a rotationally and axially fixed manner to the tubular connecting piece 94 to the pull / push pipe 30 . Its structure is shown in Fig. 3, which will be discussed below.

Das Zug-/Druckrohr 30 umfaßt ein Außenrohr 100, dreh- und axialfest verbunden mit einer Anschlagmuffe 102, in die koaxial der Spannkolben 18 eingeschraubt ist. In dem Außenrohr 100 befindet sich die Stange 104, an deren futterseitigem Ende sich die Mitnehmerbuchse 106 befindet; zwischen Außenrohr und Stange sind Tellerfederpakete 108 angeordnet. Sie stützen sich futterseitig über einen Druckring 110 an der Muffe 102 ab, der jedoch von der Mitnehmerbuchse 106 in Richtung Spannmotor unter Kompression der Tellerfedern verlagert werden kann, wenn die Stange 104 aus dem Außenrohr (nach links in Fig. 3) gezogen wird.The pull / push tube 30 comprises an outer tube 100 , connected in a rotationally and axially fixed manner to a stop sleeve 102 , into which the tensioning piston 18 is screwed coaxially. In the outer tube 100 there is the rod 104 , on the feed end of which the driver bush 106 is located; disc spring assemblies 108 are arranged between the outer tube and the rod. They are supported on the feed side on the sleeve 102 via a pressure ring 110 , which, however, can be displaced from the driving bush 106 in the direction of the tensioning motor with compression of the disc springs if the rod 104 is pulled out of the outer tube (to the left in FIG. 3).

Auf der dem Futter abgewandten Seite stützen sich die Tellerfederpakete 108 über einen zweiten Druckring 112 an einer Schulter des Außenrohrs 100 ab. Auch dieser Druckring ist jedoch in das Außenrohr 100 hinein verlagerbar, wobei die Tellerfedern komprimiert werden, wenn die Stange 104 in das Außenrohr 100 hineingeschoben wird (nach rechts in Fig. 3).On the side facing away from the lining, the plate spring assemblies 108 are supported on a shoulder of the outer tube 100 via a second pressure ring 112 . However, this pressure ring can also be displaced into the outer tube 100 , the plate springs being compressed when the rod 104 is pushed into the outer tube 100 (to the right in FIG. 3).

Das Anschlußstück 94 trägt einen Keil 114, der in Axialnuten 116des Außenrohrs 100 greift und so Anschlußstück 94 und Außenrohr 100 miteinander drehfest verbindet, jedoch eine relative Verlagerung beider in beiden Axialrichtungen, jeweils unter Kompression der Tellerfedern, wie oben erläutert, zuläßt.The connecting piece 94 carries a wedge 114 which engages in axial grooves 116 of the outer tube 100 and thus connects the connecting piece 94 and the outer tube 100 to one another in a rotationally fixed manner, but permits relative displacement of the two in both axial directions, in each case with compression of the plate springs, as explained above.

Durch Langlöcher 118 des Anschlußstücks 94 erstreckt sich radial ein Stift 120, der drehfest mit einem Gleitstück 122 verbunden ist, das in einer Bohrung des Anschlußstücks 94 axialverlagerbar geführt ist. In das Gleitstück ist ein Ende einer Sensorstange 124 eingeschraubt, die sich durch die Triebschraube 78 und das Führungsrohr 80 hindurch bis jenseits des Wälzlagers 82 erstreckt und dort einen Sensorkopf 126 trägt. Bei einer relativen axialen Verlagerung von Außenrohr 100 und Stange 104 erfolgt demgemäß auch eine relative Verlagerung des Sensorkopfes 126 zu dem Meßkopf 92. Sensorkopf 126 und Meßkopf 92 wirken derart zusammen, daß in Abhängigkeit von ihrem gegenseitigen Abstand im Meßkopf ein elektrisches Signal (analog oder digital) erzeugt wird, das für diesen Abstand repräsentativ ist und damit repräsentativ für das Maß der Kompression der Tellerfederpakete 108, die als Spannkraftspeicher dienen.Through elongated holes 118 of the fitting 94 extends radially a pin 120 which is rotatably connected with a slider 122 which is guided axialverlagerbar in a bore of the fitting 94th One end of a sensor rod 124 is screwed into the slider, which extends through the drive screw 78 and the guide tube 80 to beyond the roller bearing 82 and carries a sensor head 126 there . With a relative axial displacement of outer tube 100 and rod 104, there is accordingly also a relative displacement of sensor head 126 to measuring head 92 . Sensor head 126 and measuring head 92 cooperate in such a way that, depending on their mutual distance, an electrical signal (analog or digital) is generated in the measuring head, which is representative of this distance and thus representative of the degree of compression of the plate spring assemblies 108 , which act as a tension force store serve.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird nun das Zusammenwirken der insoweit beschriebenen Ausführungsform mit dem Ansteuergerät erläutert.The interaction of the embodiment described so far with the control device will now be explained with reference to FIGS. 4 and 5.

In Fig. 4 sind der Motor MI für den Spannbetrieb und ein Motor MII für den Antrieb der Spindel 14 symbolisch dargestellt. Jeder Motor ist mit einem Drehwinkelgeber bestückt, der z. B. pro Grad Drehwinkel einen Ausgangsimpuls liefert (in Fig. 2 die Komponenten 52/128). Durch Differenzieren nach der Zeit erhält man die Drehgeschwindigkeit, durch normaliges Differenzieren die Drehbeschleunigung. Die benötigten Motorparameter (z. B. Trägheitsmoment des Rotors und sonstige Festdaten) sind in zugehörigen Speichern 210 für Motor MI, 212 für Motor MII abgespeichert.In FIG. 4 the motor MI for the clamping operation and a motor for driving the MII spindle 14 are shown symbolically. Each motor is equipped with a rotary encoder, which, for. B. provides an output pulse per degree of rotation angle (in Fig. 2, the components 52/128). The speed of rotation is obtained by differentiating by time, and the rotational acceleration by normal differentiation. The required motor parameters (e.g. moment of inertia of the rotor and other fixed data) are stored in associated memories 210 for motor MI , 212 for motor MII .

Ähnlich sind auch die entsprechenden Regelalgorithmen in Speichern 211 (für Motor MI) bzw. 213 (für Motor MII) festgehalten. Die IST-Werte und die Ausgänge der Speicher - der Einfachheit halber sind die Verbindungen als Busse dargestellt - gelangen zu einem Umschalter 214, so daß dem Regler 215 nur die jeweils zusammengehörigen Daten zugeführt werden können. Die IST-Werte sind außerdem einer Schnittstelle 216 aufgeschaltet, die über einen Bus 217 im Dialog mit einer üblichen CNC-Maschinensteuerung steht. Die Stellsignale des Reglers 215 gelangen zu einem Stellgrößen- Umsetzer oder einer Endstufe 218, die die zugeführte Netzleistung, hier 380 V Netzspannung, dreiphasig, in die jeweils benötigten eingeprägten Statorströme der beiden Motoren umsetzt, die je nach Position des Schalters 219 einem der Motoren MI bzw. MII aufgeschaltet werden. Die CNC-Steuerung liefert auch die Sollwerte über die Schnittstelle, und auch die Sollwerte werden jeweils umgeschaltet mittels Schalter 220. Alle drei Schalter werden von der CNC-Steuerung aus, über die Schnittstelle, gesteuert. Die dargestellten Schalter, vornehmlich jedoch die Schalter 214 und 220, können in der Praxis natürlich als Halbleiter-Schalter ausgeführt sein.Similarly, the corresponding control algorithms are stored in memories 211 (for motor MI ) and 213 (for motor MII ). The actual values and the outputs of the memories - for the sake of simplicity, the connections are shown as buses - arrive at a changeover switch 214 , so that only the data belonging together can be fed to the controller 215 . The actual values are also connected to an interface 216 , which is in dialogue with a conventional CNC machine controller via a bus 217 . The control signals from the controller 215 arrive at a manipulated variable converter or an output stage 218 , which converts the supplied line power, here 380 V line voltage, three-phase into the required stator currents of the two motors, which depending on the position of the switch 219 one of the motors MI or MII are activated . The CNC control also supplies the setpoints via the interface, and the setpoints are also switched over using switch 220 . All three switches are controlled by the CNC control via the interface. The switches shown, but primarily the switches 214 and 220 , can of course be implemented in practice as semiconductor switches.

Es sei angenommen, daß gerade ein Werkstück fertig bearbeitet und ausgespannt worden ist. Die Schalter befinden sich in der dargestellten Schaltposition, da als letztes bei stillstehender Arbeitsspindel das Spannfutter von Motor MI in Ausspannrichtung betätigt worden ist. Nach Einsetzen eines neuen Rohlings in das Futter wird Motor MI mit Strom gespeist derart, daß er mit maximaler Drehbeschleunigung bis zu einer Solldrehzahl hochläuft, was durch Vergleich der IST- und SOLL-Werte überwacht wird. Aufgrund der Rohlingstoleranzen ist nicht vorhersehbar, wieviele Umdrehungen der Spannmotor ausführen kann. Bei Auftreffen der vom Motor MI angetriebenen Spannmittel (hier: Spannbacken 22 des Futters) auf das Werkstück wird mittels des Spannkraft-Sensors 92/126 ein Signal generiert, welches eine stetige Herabsetzung der Drehfrequenz bei gleichzeitigem Anstieg der Spannkraft bewirkt, derart, daß mit Erreichen eines bestimmten Spannkraft-Wertes die Drehgeschwindigkeit des Spannmotors einen bestimmten vorgeschriebenen Rest-Wert angenommen hat.It is assumed that a workpiece has just been finished and unclamped. The switches are in the switch position shown, since the chuck of motor MI was actuated last in the unclamping direction when the work spindle was at a standstill. After inserting a new blank into the chuck, the motor MI is supplied with current in such a way that it runs up to a target speed with maximum rotational acceleration, which is monitored by comparing the ACTUAL and TARGET values. Due to the blank tolerances, it is not possible to predict how many revolutions the clamping motor can make. (22 clamping jaws of the chuck here) to the workpiece is generated by the clamping force sensor 92/126 a signal which causes a continuous reduction in the rotational frequency with an increase of the clamping force, such that with reaching upon impact of the driven by the motor MI clamping means a certain clamping force value the rotational speed of the clamping motor has assumed a certain prescribed residual value.

Aufgrund des eingangs geschilderten Sachverhalts, daß nämlich der Gleitschraubtrieb im sogenannten "Stick-Slip"-Modus arbeitet, wird der Regelalgorithmus gemäß Fig. 5 ausgelegt. Die untere Kurve zeigt den Verlauf des Ausgangssignals vom Sensor 92/96 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Spannmotorrotors, der mit β bezeichnet ist. Während des Leerhubes β _L wird nur eine sehr geringe Kraft entsprechend der Reibung im Futter gemessen. Sobald die Futterbacken auf das Werkstück auftreffen, steigt die Kraft an, und sobald ein vorbestimmter Wert F _S erreicht ist, - der nur um eine gewisse Sicherheitsmarge oberhalb des Kraftwertes bei β _L liegt - wird die Drehgeschwindigkeit d β/dt (oberer Teil des Diagramms Fig. 5) z. B. linear, wie dargestellt, herabgesetzt, während zugleich die Spannkraft F _A ansteigt. Die Drehgeschwindigkeit darf jedoch einen Mindestwert d β/dt min nicht unterschreiten, damit stets der "Slip"-Betrieb aufrechterhalten bleibt. Erst wenn ein vorgeschriebener Spannkraftwert F _E erreicht ist, wird die Drehgeschwindigkeit des Motors abrupt auf den Wert Null heruntergeführt.The control algorithm according to FIG. 5 is designed on the basis of the situation described at the outset, namely that the sliding screw drive operates in the so-called "stick-slip" mode. The lower curve shows the variation of the output signal from the sensor 92/96 depending on the rotational angle of the tensioning motor rotor which is denoted by β. During the idle stroke β _L , only a very small force is measured according to the friction in the chuck. As soon as the chuck jaws hit the workpiece, the force increases, and as soon as a predetermined value F _{S is} reached - which is only a certain safety margin above the force value at β _L - the rotational speed becomes d β / dt (upper part of the diagram Fig. 5) z. B. linearly, as shown, reduced, while at the same time the clamping force F _A increases. However, the speed of rotation must not fall below a minimum value d β / dt min so that the “slip” operation is always maintained. Only when a prescribed clamping force value F _{E has been} reached is the speed of rotation of the motor abruptly reduced to zero.

Nachdem damit der Spannvorgang beendet ist, kann auf Motor MII zwecks Durchführung der Bearbeitungsgänge umgeschaltet werden. Die hierfür nötigen Befehle werden in üblicher Weise von der CNC-Steuerung geliefert. Nach Ablauf des Bearbeitungsprogramms werden die Schalter wieder umgelegt, und zum Ausspannen des Werkstücks laufen die Vorgänge sinngemäß rückwärts ab.After the clamping process is finished, you can switch to motor MII to carry out the machining operations. The commands required for this are supplied in the usual way by the CNC control. After the machining program has been completed, the switches are flipped again, and the processes are reversed to unclamp the workpiece.

Für den Fall, daß z. B. an einer Bohr-Fräsmaschine das Spannmittel zur Aufnahme von auswechselbaren Werkzeugen mit stets gleichen Schaftdurchmessern dient, kann auf einen Sensor zur Ermittlung des IST-Wertes der Spannkraft verzichtet werden. Da sich hier beim Spannvorgang - ausgehend von einer bestimmten Winkelposition des Spannmotor-Rotors im geöffneten Zustand des Spannmittels - eine vorbestimmte Spannkraft mit einer davon abgeleiteten Verformung einer Spannkraftspeicher-Feder nach dem Zurücklegen eines zugehörigen konstanten Drehwinkels einstellt, kann die Steuerung des Spannmotors allein nach dem gemessenen Drehwinkel-IST-Wert erfolgen.In the event that z. B. on a drilling and milling machine the clamping device Inclusion of interchangeable tools with the same shank diameters serves, can on a sensor to determine the actual value of the Clamping force can be dispensed with. Because here during the clamping process - starting from a certain angular position of the tension motor rotor in the open Condition of the clamping device - a predetermined clamping force with one of them derived deformation of a tension spring after replacement sets an associated constant angle of rotation, the Control of the tensioning motor solely based on the measured rotation angle actual value respectively.

Es ist anzumerken, daß der Leistungsbedarf für einen Arbeitsspindelantrieb einer Drehmaschine und für ihren Spannfutterantrieb mindestens in etwa vergleichbare Größe haben, so daß die Dimensionierung der Endstufe für beide paßt. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß anstelle des Spannfutterantriebs, oder alternierend mit diesem, auch der Antrieb für die Reitstockpinole mit dem Hauptspindelantrieb-Ansteuergerät betätigbar ist. Die Übertragung der Erfindung auf andere Typen von Maschinen, z. B. auch zum Spannen von Werkzeugen, ergibt sich für den Fachmann aus den vorstehenden Ausführungen ohne weiteres.It should be noted that the power requirement for a work spindle drive a lathe and for its chuck drive at least in have approximately comparable size, so that the dimensioning of the final stage fits both. It should also be noted that instead of the chuck drive, or alternating with this, also the drive for the Tailstock quill can be actuated with the main spindle drive control device. The transfer of the invention to other types of machines, e.g. Belly for clamping tools results for the person skilled in the art from the above Executions without further ado.

Die Einschaltdauer des Spannantriebmotors liegt im allgemeinen höchstens bei 2%, wobei die Maximalleistung nur während eines Bruchteils dieser Zeit aufzubringen ist. Der Motor kann also sehr klein ausgeführt werden, ohne daß die Gefahr thermischer Überlastung besteht. Dagegen ist der Spindelantrieb für eine Einschaltdauer von 100% auszulegen, so daß der Motor MII wesentlich größer als der Motor MI sein wird. Dies läßt sich jedoch durch die dem Regler aufgeschalteten unterschiedlichen Parameter berücksichtigen, ebenso wie die daraus resultierenden unterschiedlichen Regelalgorithmen.The duty cycle of the tension drive motor is generally at most 2%, with the maximum power being able to be applied only during a fraction of this time. The motor can therefore be made very small without the risk of thermal overload. In contrast, the spindle drive is to be designed for a duty cycle of 100%, so that the motor MII will be significantly larger than the motor MI . However, this can be taken into account by the different parameters applied to the controller, as well as the resulting different control algorithms.

Würde die Spindel 14 bei Abschaltung ihres Antriebsmotors und Einschalten des Spannmotors nicht gebremst, so könnte der Spannmotor die Spindel drehen, anstatt die Triebschraube zu verlagern, oder beides tun. Man kann jedoch davon ausgehen, daß die Spindelantriebsmotor eine Bremse aufweist, die ihn bei ausgeschaltetem Spindelantrieb blockiert. Es besteht jedoch noch immer die Gefahr, daß bei einem plötzlich auf die umlaufende Spindel wirkenden Bremsmoment der Rotor des Spannmotors zumindest kurzzeitig mit der vorherigen Drehzahl weiterläuft und dabei - je nachdem - die Spannkraft unzulässig hoch macht oder sogar, im anderen Falle, das Werkstück ausspannt. Aus diesem Grund ist Vorsorge getroffen, den Rotor bei ausgeschaltetem Spannmotor mechanisch mit der Spindel zu kuppeln. If the spindle 14 were not braked when the drive motor was switched off and the tensioning motor switched on, the tensioning motor could rotate the spindle instead of shifting the drive screw, or both. However, it can be assumed that the spindle drive motor has a brake that blocks it when the spindle drive is switched off. However, there is still the risk that if the braking torque suddenly acts on the rotating spindle, the rotor of the clamping motor will continue to run at the previous speed at least for a short time and, depending on this, make the clamping force impermissibly high or, in other cases, unclamp the workpiece . For this reason, precautions have been taken to mechanically couple the rotor to the spindle when the tensioning motor is switched off.

Zu diesem Zweck ist der Statorkern 40 des Spannmotors axial gegenüber dem Rotorkern in Richtung auf die Spindel verlängert, und im Stirnbereich des Statorkerns sitzt auf dem Rotor ein Kupplungsring 130 mit einer Stirnverzahnung in Ausfluchtung mit einer Gegenverzahnung 132 auf der Buchse 68. Der Kupplungsring ist auf Bolzen 134 montiert, die von Federn 136 in Richtung Verzahnungseingriff vorgespannt sind.For this purpose, the stator core 40 of the tensioning motor is extended axially relative to the rotor core in the direction of the spindle, and in the end region of the stator core, a coupling ring 130 with an end toothing in alignment with a counter toothing 132 on the bush 68 sits on the rotor. The coupling ring is mounted on bolts 134 which are biased by springs 136 in the direction of the gear engagement.

Das Ansteuergerät in seiner bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die getrennte Aufschaltung der felderzeugenden Stromkomponente und der drehmomenterzeugenden Stromkomponente auf die Statorwicklung 42. Der Regelalgorithmus wird demgemäß so ausgelegt, daß immer zuerst die felderzeugende Komponente eingeschaltet wird, wodurch der Kupplungsring - als Anker des dann als Magnet wirkenden Statorkerns - aus der Verzahnung gelöst wird, und dann erst das Drehmoment erzeugt wird. Beim Ausschalten geht man natürlich umgekehrt vor.The control device in its preferred embodiment enables the field-generating current component and the torque-generating current component to be connected separately to the stator winding 42 . The control algorithm is accordingly designed so that the field-generating component is always switched on first, whereby the coupling ring - as the armature of the stator core, which then acts as a magnet - is released from the toothing, and only then is the torque generated. When switching off, of course, you do the opposite.

Die parallele Erfassung von Drehwinkel, Spannkraft und Bremsmoment (über die Betriebsparameter des Ansteuergeräts) ermöglicht, verschiedene Überwachungsfunktionen vorzusehen. So macht sich das Spiel zwischen Triebmutter und Triebschraube bei Drehrichtungsumkehr durch einen starken Abfall des Bremsmoments bemerkbar, und der zugeordnete Drehwinkel ist dann ein Maß für die "Lose" in dem Gleitgewindetrieb und damit ein Maß für den Verschleiß, so daß z. B. bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts ein Warnsignal ausgelöst werden kann.The parallel recording of the angle of rotation, clamping force and braking torque (via the operating parameters of the control device) enables various Provide monitoring functions. This is how the game between drive mother works and drive screw when the direction of rotation is reversed due to a sharp drop of the braking torque is noticeable, and the assigned angle of rotation is then a measure of the "loose" in the slide screw drive and thus a measure of the Wear, so that, for. B. when a predetermined limit is exceeded a warning signal can be triggered.

Ferner ist z. B. die Höhe des Bremsmoments während des Leerhubs β _L ein Maß für den Schmierzustand des Gewindetriebs, und auch hier kann bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein Warnsignal erzeugt werden.Furthermore, e.g. B. the amount of braking torque during the idle stroke β _{L is} a measure of the lubrication state of the screw drive, and here too, a warning signal can be generated if a predetermined limit value is exceeded.

Claims

1. Machine tool with a work spindle that can be driven to rotate and an electrically operated clamping unit connected to it, comprising an asynchronous three-phase squirrel-cage motor and a sliding screw drive for converting the motor rotating movement into a translational axial clamping movement and a control device for the motor, characterized by the combination of the features:

a) the stator of the tensioning motor is arranged stationary,
b) the machine tool has at least one further asynchronous three-phase squirrel-cage motor as a drive for a machine unit which is only operated alternately with the clamping unit,
c) a continuously regulating control device is provided for the motors, which operates on the principle of frequency conversion,
d) for alternating control of the motors, the outputs of the control device and its actual value inputs can be switched over, with the control device being linked with the relevant motor parameters and / or control algorithms for the motor to be controlled.

2. Machine tool according to claim 1, characterized in that the output of the control device is a three-phase current as the sum of a magnetizing Current component and a torque-generating current component leads, with both components of a device-internal computer in constant Adaptation to the engine operating state are changeable.

3. Machine tool according to claim 2, characterized in that the other motor is the drive motor of the machine's work spindle.

4. Machine tool according to claim 2 or 3, characterized in that in the power flow of the clamping force generated by the clamping unit tension spring designed as a spring is switched on.

5. Machine tool according to claim 2 to 4, characterized in that a sensor for detecting the clamping force generated by the clamping unit provided and that a predetermined clamping force by regulating the motor Rotation angle depending on the sensor actual signal is adjustable.

6. Machine tool according to claim 4 and 5, characterized in that the clamping force sensor for detecting the spring travel of the clamping force accumulator is provided.

7. Machine tool according to claim 2 to 4, formed as one Drilling / milling machine, characterized in that when clamping the tools the tensioning motor is regulated according to a given motor rotation angle becomes.

8. Machine tool according to one of claims 2 to 7, characterized in that between the motor rotor and sliding screw drive a planetary gear is provided as a torque converter.

9. Machine tool according to one of claims 2 to 8, characterized characterized in that the work spindle can be blocked relative to the spindle housing is.

10. Machine tool according to one of claims 2 to 9, characterized in that that a movement lock rotating with the work spindle for locking the clamping motor rotor relative to the work spindle is provided.

11. Machine tool according to claim 10, characterized in that the movement lock by the tension motor specified by the control device Magnetizing current can be unlocked.

12. Machine tool according to claim 11, characterized in that a switching element of the movement lock by the flux of magnetization Clamping motor is relocatable.

13. Operating method for a device according to claim 2, characterized in that

- that, from the idle stroke (β _L) d β / dt is predetermined for the rotation speed of the clamping motor in such a way to carry out a with subsequent power stroke (β _K) composite clamping movement to build a externally predeterminable clamping force F _{E is} the target value,
- that d β / dt has a defined constant value during the idle stroke ( b _L ),
- That d β / dt is constantly reduced during the power stroke ( β _K ) from the constant value to a defined residual value ( d β / dt min ) and
- That d β / dt is brought to the value zero when the target clamping force ( F _E ) is reached, the start of the force stroke ( β _K ) being defined in that the clamping force ( F ) exceeds a defined threshold value ( F _s ) and the remaining speed ( d β / dt min ) is above the "stick-slip" speed of the sliding screw drive.

14. Operating method according to claim 13 using a device according to claim 6, characterized in that a predeterminable clamping force can be set by guiding the rotational speed of the clamping motor during the power stroke ( β _K ) in dependence on the continuously detected actual clamping force value.

15. Operating method according to claim 13, characterized in that when the screw drive reverses the direction of rotation, the drop in braking torque and the angle of rotation in which it is present is recorded and becomes a measure for the thread wear are linked.

16. Operating method according to claim 13, characterized in that the torque to be applied by the tensioning motor as a measure of the lubrication condition of the screw drive is evaluated.