DE3630441A1 - Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Eine solche Maschine ist in der DE-PS 33 14 629 offenbart.

Bei der Maschine kann es sich um eine Drehmaschine handeln oder auch um eine Fräsmaschine mit einem elektrischen Werkzeugspanner oder auch um eine Bohr- oder Schleifmaschine und dergleichen.

Aus einem Prospekt der Firma Siemens "Elektromechanischer Antrieb für Reitstockpinolen", undatiert, ist eine Anordnung bekannt, die an den Reitstock von Drehmaschinen angeflanscht werden kann und einen Dreh­ strom-Asynchronmotor umfaßt, der zwecks Wechsel zwischen praktisch lastfreiem Eilgang und belastetem Schleichgang polumschaltbar ausgebil­ det ist. Eine Dehnmeßstreifenanordnung erfaßt die nach dem Auftreffen auf das Werkstück aufgebaute Spannkraft zwecks Einstellung derselben nach einem vorgegebenen Wert.

Die Andrückkraft wird in einem Tellerfederpaket gespeichert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die gattungsgleiche Werk­ zeugmaschine zu verbessern und derart weiterzubilden, daß der Spannvor­ gang verkürzt, die Baugröße verringert, die Verfügbarkeit der Maschine als Ganzes verbessert und die Gesamtherstellkosten der Maschine ver­ ringert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung beruht auf den folgenden Überlegungen:

Der für den Spannantrieb vorgesehene Motor muß ziemlich extremen Bedin­ gungen genügen. Zumindest sein Rotor soll geringe Axial- und vor allem Radialabmessungen aufweisen, damit das Trägheitsmoment ge­ ring bleibt. Trotzdem soll er - wenn auch nur kurzzeitig - ein extrem hohes Drehmoment speziell bei niedrigen Drehzahlen abgeben, aber auch mit hohen Maximaldrehzahlen betrieben werden können, damit sowohl hohe Spannkräfte als auch geringe Stellzeiten erzielt werden können. Zudem muß der Motor mit hoher Dynamik regelbar sein, um während des nur über ca. 2 Motorumdrehungen zu vollziehenden Aufbauens der Spannkraft von zuvor maximaler Drehzahl ausgehend, eine geregelte Motorstillsetzung zu erreichen.

Alle diese Bedingungen lassen sich durch Verwendung eines polumschalt­ baren Motors nicht oder nur sehr unvollkommen gemeinsam verwirklichen.

Es sind jedoch Ansteuergeräte mit integriertem Mikrorechner bekannt, die nach dem Prinzip der Frequenzumsetzung arbeiten (Prospektblatt der Firma AMK "PUMASYN Drehstromregelantriebe") und, angepaßt an einen entspre­ chenden Spannantriebsmotor, die oben aufgestellten Forderungen zu er­ füllen gestatten. Die Erfindung sieht demzufolge vorzugsweise den Ein­ satz derartiger Steuergeräte vor, um die damit für den Spannmotor gebo­ tene Möglichkeit der Kombination von sowohl extrem hohen Drehmomenten im Bereich niedriger Drehzahlen als auch sehr hoher Maximaldrehzahlen nut­ zen zu können. Das Erreichen der - auf die Baugröße bezogenen - sehr hohen Drehmomente bei niedriger Drehzahl ist auf die Tatsache zurückzu­ führen, 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-Be­ triebszustand optimal dosiert werden können.

Dadurch bedingt, kann bei gleicher Baugröße und bei gleicher, dem Mo­ torstator zugeführten elektrischen Leistung beim Einsatz des vorgesehe­ nen Ansteuergeräts am Spannmotor z.B. ein Anfahrdrehmoment erreicht werden, welches um den Faktor 8 bis 10 mal größer ist als bei einer An­ steuerungsweise, welche diese Stromkomponenten-Dosierung nicht vor­ sieht, beispielsweise bei einer Ansteuerung durch ein Schaltschütz oder durch ein Ansteuergerät mit Phasenanschnitt.

Die benötigte hohe Regeldynamik - vor allem beim geregelten Aufbau der Spannkraft unter Beteiligung eines Feder-Spannkraftspeichers - wird ebenfalls durch die rechnergeführte Stromkomponenten-Dosierung erreicht. Für den praktischen Einsatz allerdings erweist sich das System, beste­ hend aus Drehstrommotor und rechnergeführtem Ansteuergerät, als wesent­ lich zu teuer im Vergleich mit dem herkömmlichen hydraulischen Spannsy­ stem.

Deshalb berücksichtigt das erfindungsgemäße Konzept die Tatsache, daß in aller Regel die Spannvorgänge der infrage kommenden Werkzeugmaschinen während des Stillstands zumindest des Spindelantriebsmotors, gegebenen­ falls auch von zusätzlich vorgesehenen Vorschubmotoren ablaufen, sowie, daß diese Motoren ohnehin mit einem komfortablen Ansteuergerät betrieben werden. Verwendet man nun als diesen mindestens einen weiteren Motor, ebenfalls einen Drehstrommotor, so kann dieser alternierend dasselbe Ansteuergerät "mitbenutzen" wie der Spannmotor.

Das Ansteuergerät ist für diesen Zweck allerdings zu modifizieren. Seine Ausgänge werden alternierend dem einen oder dem anderen Motor zuge­ schaltet und ebenso die Eingänge, denen das IST-Signal von den Motoren zugeführt wird; im einfachsten Fall handelt es sich dabei um das Aus­ gangssignal 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 ganz dasselbe gilt auch für die Regelcharakteristik, die z.B. für einen Drehmaschinen-Spindelantrieb anders gewünscht wird als für den Spannantrieb. Bei Umschaltung der Aus­ und Eingänge des Ansteuergeräts wird mithin auch auf die jeweils für den zugehörigen Motor geltenden Parameter und Regelalgorithmen umgeschaltet; entsprechendes gilt für die SOLL- und IST-Werte der Motoren.

Diese Konzeption ist wesentlich weniger aufwendig, als wenn jedem ein­ zelnen Motor ein eigenes Ansteuergerät zugeordnet würde, da die teuren Komponenten, insbesondere die Leistungsstufe, nicht modifiziert zu wer­ den und nur einmal vorhanden zu sein brauchen.

Dies ergibt aber auch eine höhere Verfügbarkeit für die gesamte Werk­ zeugmaschine, da sich die Wahrscheinlichkeit von auftretenden Störungen aufgrund der geringeren Anzahl der involvierten Bauelemente entsprechend verringert.

Der Gegenstand der Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf das beigefügte Blockschaltbild gemäß Fig. 1 im einzelnen erläutert werden.

Als Beispiel sei eine Drehmaschine mit einem Motor MI für den Spannan­ trieb und einem Motor MII für den Arbeitsspindelantrieb angenommen. Jeder Motor ist mit einem Drehwinkelgeber bestückt, der z.B. pro Grad Dreh­ winkel einen Ausgangsimpuls liefert. Durch Differenzieren nach der Zeit erhält man die Drehgeschwindigkeit, durch nochmaliges Differenzieren die Drehbeschleunigung. Die benötigten Motorparameter (z.B. Trägheitsmoment des Rotors und sonstige Festdaten) sind in zugehörigen Speichern 10 für Motor MI, 12 für Motor MII abgespeichert.

Ähnlich sind auch die entsprechenden Regelalgorithmen in Speichern 11 (für Motor MI) bzw. 13 (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 14, so daß dem Regler 15 nur die jeweils zusammengehörigen Daten zugeführt werden kön­ nen. Die IST-Werte sind außerdem einer Schnittstelle 16 aufgeschaltet, die über einen Bus 17 im Dialog mit einer üblichen CNC-Maschinensteue­ rung steht. Die Stellsignale des Reglers 15 gelangen zu einem Stellgrö­ ßen-Umsetzer oder einer Endstufe 18, die die zugeführte Netzleistung, hier 380 V Netzspannung, dreiphasig, in die jeweils benötigten einge­ prägten Statorströme der beiden Motoren umsetzt, die je nach Position des Schalters 19 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 20. Alle drei Schalter werden von der CNC-Steuerung aus, über die Schnittstelle, gesteuert. Die dargestellten Schalter, vornehmlich jedoch die Schalter 14 und 20, können in der Praxis natürlich als Halbleiter-Schalter aus­ geführt sein.

Es sei angenommen, daß gerade ein Werkstück fertig bearbeitet und aus­ gespannt 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 (Spannbacken eines Futters bei­ spielsweise) auf das Werkstück wird mittels eines Spannkraft-Sensors ein Signal generiert, welches eine stetige Herabsetzung der Drehfrequenz bei gleichzeitigem Anstieg der Spannkraft bewirkt, derart, daß genau mit Erreichen des vorgesehenen Spannkraft-Wertes die Drehgeschwindigkeit des Spannmotors den Wert Null annimmt.

Je nach Auslegung des Ansteuergeräts bestehen zwei weitere Möglichkei­ ten, ein Auslösesignal zu gewinnen, wenn die Spannmittel auf beispiels­ weise ein Werkstück auftreffen: Wenn das Ansteuergerät so ausgelegt ist, daß es die Drehzahl des Motors auf einen konstanten Wert regelt, führt die plötzliche hohe Belastung zu einem starken Anstieg des benötigten Stroms, der erfaßt und ausgewertet werden kann.

Ist hingegen das Ansteuergerät so ausgelegt, daß auf konstantes abgege­ benes Drehmoment geregelt wird, so führt der plötzliche Belastungsan­ stieg zum Absinken der Drehzahl, was über den entsprechenden Geber (IST-Wert) erfaßt und ausgewertet werden kann. In der zeichnerischen Darstellung ist der Einfachheit halber der letztgenannte Fall angenom­ men; für den Fachmann versteht es sich, daß dem Regler zusätzlich das Ausgangssignal des Spannkraft-Sensors aufzuschalten ist, wenn mit einem solchen gearbeitet wird.

Nachdem damit der Spannvorgang beendet ist, kann auf Motor MII zwecks Durchführung der Bearbeitungsgänge umgeschaltet werden. Die hierfür nö­ tigen Befehle werden in üblicher Weise von der CNC-Steuerung geliefert. Nach Ablauf des Bearbeitungsprogramms werden die Schalter wieder umge­ legt, und zum Ausspannen des Werkstücks laufen die Vorgänge sinngemäß rückwärts ab.

Es ist anzumerken, daß der Leistungsbedarf für einen Arbeitsspindelan­ trieb 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 ergibt sich für den Fachmann aus den vorstehenden Ausführungen ohne weiteres.

Die Einschaltdauer des Spannantriebsmotors liegt im allgemeinen höch­ stens 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 Pa­ rameter berücksichtigen, ebenso wie die daraus resultierenden unter­ schiedlichen Regelalgorithmen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Umschaltvorgänge und der entsprechende alternierende Zugriff auf die Motorparameter, Regelalgo­ rithmen, IST-Werte und SOLL-Werte dem internen Rechner des Ansteuerge­ räts zugeordnet; man kann alternativ auch den Rechner einer übergeord­ neten CNC-Steuerung der Gesamtmaschine benutzen.

Die Bauart des Drehstrommotors als Kurzschlußläufermotor, vorzugsweise als Asynchronmotor, hat preisliche und bauliche Vorteile, insbesondere dann, wenn - wie in der eingangs genannten Druckschrift vorgeschlagen - der Stator des Spannantriebsmotors stationär ist, sein Rotor aber mit der Spindel umläuft.

Die Fig. 2 zeigt schematisch im Axialteilschnitt den Reitstockbereich einer Drehmaschine. Das Maschinenbett 30 trägt in üblicher Weise die Geradführung 32 für den Reitstockschlitten 34 mit Pinole 36, deren dem Spindelstock abgewandtes Ende sich an einer Kompressionsfederanordnung 38 abstützt. Die Verlagerung des Reitstockschlittens erfolgt mittels eines Wälzgewindetriebs, dessen Mutter 42 bei 40 gehalten ist und mit der zum Umlauf antreibbaren Spindel 44 zusammenwirkt. Ein Axiallager 46 nimmt die Reaktionskräfte auf. Über eine Kupplung 48 treibt ein Servo­ motor 50, mittels Haltewinkel 52 am Bett 30 befestigt (Schrauben 60), die Spindel 44 zum Umlauf an und verlagert dabei den Reitstockschlitten 34. Der Motor ist über ein Mehrleiterkabel 54 an ein Ansteuergerät an­ geschlossen, vorzugsweise dasselbe, das auch dem Spannantrieb und dem Spindelantrieb zugeordnet ist. Neben dem Ausgangssignal eines Feder­ kraftsensors 56, das die von der Pinolenspitze 58 ausgeübte Andruckkraft repräsentiert, ist noch ein Wegsensor 62 vorgesehen. Dies ermöglicht, wahlweise eine vorgegebene Spannkraft oder einen vorgegebenen Verstell­ weg zu erreichen. Es versteht sich, daß nach diesem Schema noch weitere Servoantriebe von demselben Ansteuergerät bedient werden können, vor­ ausgesetzt, daß sie nicht gleichzeitig zu steuern sind.

Claims (12)

1. Werkzeugmaschine mit einer zum Umlauf antreibbaren Arbeits­ spindel und dieser zugeordnetem elektrischen Spann-Antrieb, umfassend einen Drehstrommotor sowie ein Ansteuergerät für den Motor, gekenn­ zeichnet durch die Kombination der Merkmale:

• a) Die Werkzeugmaschine weist noch mindestens einen weiteren Drehstrom­ motor als Antrieb für ein Maschinenaggregat auf, das nur alternierend mit dem Spannantrieb betrieben wird,
• b) für die Motoren ist ein stetig regelndes Ansteuergerät vorgesehen, das nach dem Prinzip der Frequenzumrichtung arbeitet,
• c) zum alternierenden Ansteuern der Motoren sind die leistungsseitigen Ausgänge des Ansteuergeräts umschaltbar, wobei zugleich auch ein al­ ternierender Zugriff auf die für den jeweils anzusteuernden Motor maßgeblichen Motorparameter und/oder Regelalgorithmen sowie die zu­ geordneten Motor-ISTwerte und Motor-SOLLwerte erfolgt.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Ansteuergeräts einen Drehstrom als Summe einer magneti­ sierenden Stromkomponente und einer drehmomentbildenden Stromkomponente führt, wobei beide Komponenten von einem geräteinternen Rechner in ste­ tiger Anpassung an den Motor-Betriebszustand veränderbar sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die alternierende Umschaltung der leistungsseitigen Ausgänge und/ oder der alternierende Zugriff auf die Motorparameter, Regelalgorithmen, Motor-ISTwerte und Motor-SOLLwerte von einem Rechner einer übergeordne­ ten CNC-Steuerung durchgeführt wird.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die alternierende Umschaltung der leistungsseitigen Ausgänge und/ oder der alternierende Zugriff auf die Motorparameter, Regelalgorithmen, Motor-ISTwerte und Motor-SOLLwerte von dem internen Rechner des An­ steuergeräts durchgeführt wird.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3 oder 4, bei der der weitere Motor der Antriebsmotor der Arbeitsspindel der Maschine ist.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein weiterer Motor der Antriebsmotor eines zusätzlich an der Maschine vorhandenen Spannaggregats ist.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 in Form einer Drehmaschine, jedoch derart abgewandelt, daß die Umschaltung des Ansteuergeräts nacheinander auf einen Spannantrieb für die Betätigung eines Spannfutters und einen Spannantrieb für die Erzeugung der Spann­ bewegung einer Reitstock-Pinole erfolgt.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannantrieb für die Erzeugung der Spannbewegung einer Reitstock- Pinole primär die Verstellung eines Reitstock-Schlittens in einer zur Arbeitsspindel parallelen Richtung und damit sekundär auch die Verstel­ lung der Reitstock-Pinole bewirkt, wobei die Spannkraft der Pinole über eine Feder auf den Reitstock übertragen wird.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einer oder mehrere der beteiligten Drehstrommotoren als Kurzschlußläufermotor ausgebildet ist.

10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens einer der Motoren ein Asynchronmotor ist.

11. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannantrieb-Drehstrommotor einen bezüglich des Spindelumlaufs stationären Stator aufweist.

12. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Spannantrieb-Drehstrommotors koaxial zur Arbeitsspindel mit dieser umlaufend angeordnet ist.