DE3938970A1 - Screwed spindle drive for slide of machine tool - has driving motor shaft formed integrally with screwed spindle - Google Patents

Screwed spindle drive for slide of machine tool - has driving motor shaft formed integrally with screwed spindle

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    • B23Q5/40—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding continuously by feed shaft, e.g. lead screw
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    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/083—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Abstract

The slide or worktable (5) of a mmachine tool is driven by a screwed spindle (3) which engages a nut (4) attached to the slide or worktable (5). The screwed spindle (3) is driven by an electric motor (2) which is so designed that the motor shaft (10) forms an extension of the screwed spindle (3). The motor shaft (10) is supported in bearings (10,14) at each end of the motor housing and the screwed spindle (3) is supported in a bearing (12) at its outer end. The motor magnets (11) are attached directly to the extension (10) of the screwed spindle (3). USE - Machine tool.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebsystem mit einem eine Welle aufweisenden Motor und einer An­ triebsspindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das insbesondere für den Vorschubantrieb eines Tisches oder Schlittens einer Werkzeugmaschine einsetz­ bar ist.The present invention relates to a drive system with a motor with a shaft and an on drive spindle according to the preamble of the claim 1, which in particular for the feed drive Use the table or slide of a machine tool is cash.

Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Antriebssystem für den Vorschubantrieb unter der Steuerung eines CNC-Rechnersystemes, das zu einer hoch­ genauen Hochgeschwindigkeitseinstellung des Tisches bzw. Schlittens der Werkzeugmaschine bei hohen Be­ schleunigungen geeignet ist.In particular, the present invention is concerned with a drive system for the feed drive under the Control of a CNC computer system that leads to a high precise high speed setting of the table or slide the machine tool at high loading accelerations is suitable.

Im Bereich der Antriebssysteme für CNC-Werkzeugmaschi­ nen müssen heutzutage bei hoher Genauigkeit der Ist- Einstellung der Vorschubposition des Tisches oder des Schlittens nicht nur relativ hohe Bahngeschwindigkeiten eingehalten werden, sondern im wesentlichen auch extrem hohe Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte aufgefan­ gen werden. Zum Erreichen eines derartigen dynamischen Verhaltens bedarf es einer hohen Regelkreisverstärkung der Regelschleife, mittels der Abweichungen der Ist- Lage des Antriebssystemes gegenüber der Sollage dessel­ ben minimiert werden sollen. Jedoch ist der Erhöhung der Regelkreisverstärkung dadurch bei hochdynamischen Antriebssystemen eine Grenze gesetzt, daß Torsions­ schwingungen im Bereich des Motores und der Antriebs­ spindel auftreten, wodurch sich ein nicht hinnehmbares Betriebsverhalten des Antriebssystemes ergibt. Um der­ artige Torsionsschwingungen oder Massenschwingungen zu vermeiden, wird bislang die Regelkreisverstärkung ab­ gesenkt, bis Torsionsschwingungsvorgänge nicht mehr beobachtet werden können. Bei einer dementsprechend niedrigen Regelkreisverstärkung ergibt sich jedoch ein schlechtes Positionierverhalten des Antriebssystemes und eine relativ geringe Anzahl von Positionierhüben, die mit dem Antriebssystem pro Zeiteinheit ausführbar sind.In the field of drive systems for CNC machine tools Nowadays, with high accuracy, the actual Setting the feed position of the table or the Sled not only relatively high rail speeds are adhered to, but essentially also extremely high acceleration and deceleration forces be. To achieve such a dynamic Behavior requires a high control loop gain the control loop, by means of the deviations of the actual Position of the drive system in relation to the nominal position of the same ben should be minimized. However, the increase the control loop gain with highly dynamic Drive systems set a limit that torsion vibrations in the area of the motor and the drive spindle occur, resulting in an unacceptable  Operating behavior of the drive system results. To the like torsional vibrations or mass vibrations so far, the control loop gain is avoided lowered until torsional vibrations cease can be observed. With one accordingly however, the control loop gain is low poor positioning behavior of the drive system and a relatively small number of positioning strokes, which can be carried out with the drive system per unit of time are.

Antriebssysteme der oben beschriebenen Art sind bei­ spielsweise bekannt aus der DE-PS 30 18 520, aus der DE-OS 27 01 430 und aus der DE-PS 27 01 413. Alle diese bekannten Antiebssysteme haben einen CNC-gesteuerten Motor mit einer Welle, die über eine Wellenkupplung mit der Antriebspindel in Verbindung steht, die ihrerseits mit dem Tisch oder Schlitten der Werkzeugmaschine in Eingriff steht und dessen Vorschubantrieb in Abhängig­ keit von der Drehstellung der Antriebsspindel bewirkt.Drive systems of the type described above are in known for example from DE-PS 30 18 520, from the DE-OS 27 01 430 and from DE-PS 27 01 413. All of these known drive systems have a CNC-controlled Motor with a shaft using a shaft coupling the drive spindle is connected, which in turn with the table or slide of the machine tool in Intervention is dependent and its feed drive is dependent speed caused by the rotational position of the drive spindle.

Eine abweichende mechanische Struktur eines Antriebs­ systemes, bei der sich jedoch ebenfalls die obenerwähn­ ten dynamischen Probleme ergeben, ist aus der DE-OS 33 09 249 bekannt. Bei diesem bekannten Antriebssystem ist die Spindel ortsfest angeordnet. Auf der ortsfest angeordneten Spindel läuft eine Mutter, auf der der Rotor eines Induktionsmotores angebracht ist. Für hoch­ dynamische Anwendungen ist ein derartiges System schon deswegen nicht geeignet, weil der Motor ein Teil der zu bewegenden Masse des Antriebssystemes darstellt.A different mechanical structure of a drive system, in which, however, the above are also mentioned ten dynamic problems result from the DE-OS 33 09 249 known. In this known drive system the spindle is arranged stationary. At the stationary arranged spindle runs a nut on which the Rotor of an induction motor is attached. For high Such a system is already dynamic applications not suitable because the engine is part of the represents moving mass of the drive system.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Antriebs­ system mit einem eine Welle aufweisenden Motor und einer Antriebsspindel der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch bei hohen Regelkreisverstär­ kungen keine Torsionsschwingungen auftreten.With regard to this state of the art, this is the case underlying invention the task of a drive system with a motor having a shaft and a drive spindle of the type mentioned above  to further develop that even with high control loop amplifications no torsional vibrations occur.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Antriebs­ system gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.This object is achieved with a drive system according to the preamble of claim 1 by the in the characterizing part of claim 1 specified feature solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß die Torsionsschwingungen bei hochdynamisch betriebenen Antriebssystemen nach dem Stand der Technik erheblich durch die im Stand der Technik als unkriti­ sches Bauteil angesehene Kupplung zwischen dem Motor und der Antriebsspindel begünstigt werden. Trotz der bisherigen Annahme, daß derartige Kupplungsbauteile über eine derartige Drehsteifigkeit verfügen, daß sie keinen Einfluß auf die Drehantriebsverbindung zwischen dem Motor und der Antriebsspindel haben, hat es sich gezeigt, daß die Regelkreisverstärkung bei den erfin­ dungsgemäßen, kupplungsfreien Antriebssystemen, bei denen die Welle einstückig in die Antriebsspindel über­ geht, erheblich angehoben werden kann, ohne daß es zu Torsionsschwingungen kommt.The present invention is based on the finding reasons that the torsional vibrations at highly dynamic operated drive systems according to the prior art significantly by the uncriti in the prior art prestigious coupling between the engine and the drive spindle are favored. Despite the previous assumption that such coupling components have such a torsional stiffness that they no influence on the rotary drive connection between the motor and the drive spindle, it has shown that the loop gain in the inventions according to the invention, clutch-free drive systems which the shaft integrally into the drive spindle can be raised significantly without it Torsional vibrations come.

Bei der in Anspruch 2 festgelegten Weiterbildung, gemäß der die Rotormagnete an der Antriebsspindel angebracht sind, läßt sich die Montage des erfindungsgemäßen An­ triebssystemes dadurch besonders einfach bewerkstelli­ gen, daß Permanent-Magnete auf der verlängerten Spindel aufgebracht werden. Anschließend kann die gesamte Spindel montiert und das Motorgehäuse mit einem ent­ sprechenden Flansch am Maschinenbett befestigt werden.In the training defined in claim 2, according to which attached the rotor magnets to the drive spindle are, the assembly of the invention drive system is particularly easy to do gene that permanent magnets on the elongated spindle be applied. Then the whole Spindle mounted and the motor housing with an ent speaking flange to be attached to the machine bed.

Eine besondere Steifigkeit der Gesamtkonstruktion wird gemäß Anspruch 3 dadurch erreicht, daß die Antriebs­ spindel an ihrer vom Motor abgewandten Seite sowie bei­ derseits der Rotormagnete je ein Lager aufweist. The overall construction is particularly rigid achieved according to claim 3 in that the drive spindle on its side facing away from the motor and at which has a bearing on each side of the rotor magnets.  

Besonders geeignet zur Übertragung hoher Kräfte und Momente ist die Ausgestaltung des Antriebssystems gemäß Anspruch 4, bei der die Antriebsspindel als Planeten­ gewindeumlaufspindel ausgeführt ist.Particularly suitable for the transmission of high forces and Moments is the design of the drive system according to Claim 4, in which the drive spindle as a planet threaded spindle is executed.

Eine bevorzugte Abmessung der Antriebsspindel besteht gemäß Anspruch 5 darin, daß die Länge derselben im wesentlichen der Länge des Spindelgewindebereiches und der Länge der Rotormagnete entspricht.There is a preferred dimension of the drive spindle according to claim 5 in that the length of the same in essentially the length of the spindle thread area and corresponds to the length of the rotor magnets.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Antriebssystemes beschrieben. Es zeigt: die einzige Figur eine Querschnittsdarstellung durch eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Antriebssystemes.The following will refer to the accompanying Drawings a preferred embodiment of the inventions described drive system. It shows: the only figure through a cross-sectional view an embodiment of the inventions drive system according to the invention.

Das in der Fig. dargestellte Antriebssystem, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, besteht im wesentlichen aus einem Elektromotor 2 zum Drehantreiben einer Antriebsspindel 3, mit der eine Vorschubmutter 4 für den Vorschubantrieb eines Schlit­ tens 5 in Eingriff steht. Der Motor 2 weist Statorwick­ lungen 6 auf, die von einem Gehäuse 7 umfaßt werden, das an einem Motorflansch 8 festgelegt ist, welcher seinerseits an einem Maschinenbett 9 befestigt ist. Die Antriebsspindel 3 geht einstückig in die Motorwelle 10 über. Mit anderen Worten wird die Motorwelle 10 durch einen gewindefreien Fortsatz der Antriebsspindel 3 ge­ bildet. Auf der Motorwelle 10 sind Permanentmagnete 11 angebracht, die den Rotor bilden. Die Antriebsspindel 3 - ist an ihrem vom Motor 2 abgewandten Ende über ein Lager 12 mittels eines Bockes 13 am Maschinenbett 9 ge­ lagert. Ferner ist die Antriebsspindel 3 im Bereich des Überganges zur Motorwelle 10 über Lager 14 am Motor­ flansch 8 sowie über Lager 15 an ihrem anderen Ende mittels einer Gehäusewand 16 über das Gehäuse 7 am Motorflansch 8 gelagert, der von dem Maschinenbett 9 aufgenommen wird.The drive system shown in the figure , which is designated in its entirety by the reference numeral 1 , consists essentially of an electric motor 2 for driving a drive spindle 3 , with which a feed nut 4 for the feed drive of a carriage 5 is engaged. The motor 2 has Statorwick lungs 6 , which are comprised by a housing 7 which is fixed to a motor flange 8 , which in turn is attached to a machine bed 9 . The drive spindle 3 merges in one piece into the motor shaft 10 . In other words, the motor shaft 10 is formed by a thread-free extension of the drive spindle 3 ge. Permanent magnets 11 , which form the rotor, are attached to the motor shaft 10 . The drive spindle 3 - is supported at its end facing away from the motor 2 via a bearing 12 by means of a bracket 13 on the machine bed 9 ge. Furthermore, the drive spindle 3 is in the area of the transition to the motor shaft 10 via bearing 14 on the motor flange 8 and bearing 15 at its other end by means of a housing wall 16 via the housing 7 on the motor flange 8 , which is received by the machine bed 9 .

Mit der kupplungsfreien Verbindung zwischen der gemein­ sam einstückig ausgebildeten Motorwelle 10 und der An­ triebsspindel 3 wird eine sehr hohe Drehsteifigkeit dieser Einheit verglichen mit einer Konstruktion er­ reicht, die aus einer Antriebsspindel, einer getrennten Motorwelle und einer Kupplung zwischen diesen Teilen besteht.With the clutch-free connection between the jointly integrally formed motor shaft 10 and the drive spindle 3 , a very high torsional stiffness of this unit is compared with a construction which is sufficient, which consists of a drive spindle, a separate motor shaft and a clutch between these parts.

Bei der Montage des erfindungsgemäßen Antriebssystemes werden zunächst die Permanentmagneten 11 auf der Motor­ welle 10, die auch als Spindelfortsatz aufgefaßt wer­ den kann, aufgebracht. Anschließend wird die Spindel an den Lagern 12, 14 mittels des Bockes 13 und des Motor­ flansches 8 befestigt. Schließlich wird das Gehäuse mit den Statorwicklungen 6 am Motorflansch 8 befestigt.When assembling the drive system according to the invention, the permanent magnets 11 are first applied to the motor shaft 10 , which is also understood as a spindle extension, who can. Then the spindle is attached to the bearings 12 , 14 by means of the bracket 13 and the motor flange 8 . Finally, the housing with the stator windings 6 is attached to the motor flange 8 .

Zum weiteren Erhöhen der Torsionsfestigkeit ist man be­ müht, die Gesamtlänge der Antriebsspindel 3 einschließ­ lich des Motorwellenfortsatzes 10 so kurz wie möglich zu gestalten. Im wesentlichen entspricht die Länge der­ jenigen der Antriebsspindel 3 sowie der Länge der Rotormagnete 11 zuzüglich der entsprechenden, ver­ gleichsweise kleinen Längen für die einzelnen Lager 10, 12, 14.To further increase the torsional strength, one tries to make the total length of the drive spindle 3 including the motor shaft extension 10 as short as possible. Essentially corresponds to the length of that of the drive spindle 3 and the length of the rotor magnets 11 plus the corresponding, comparatively small lengths for the individual bearings 10 , 12 , 14th

Aufgrund seiner hohen Torsionssteifigkeit eignet sich das erfindungsgemäße Antriebssystem vor allem für Werk­ zeugmaschinen, bei denen der Antrieb des Schlittens oder Tisches mit hoher Genauigkeit bei hohen dynami­ schen Anforderungen bezüglich der Anzahl von Positio­ nierungen pro Zeiteinheit.Due to its high torsional rigidity, it is suitable the drive system according to the invention especially for the factory machine tools in which the drive of the carriage or tables with high accuracy with high dynami requirements regarding the number of positions nations per unit of time.

BezugszeichenlisteReference symbol list

 1 Antreibssystem
 2 Motor
 3 Antriebsspindel
 4 Vorschubmutter
 5 Schlitten
 6 Statorwicklung
 7 Gehäuse
 8 Motorflansch
 9 Maschinenbett
10 Motorwelle
11 Permanentmagnet
12 Lager
13 Bock
14 Lager
15 Lager
16 Gehäusewand 1 drive system
2 engine
3 drive spindle
4 feed nut
5 sledges
6 stator winding
7 housing
8 motor flange
9 machine bed
10 motor shaft
11 permanent magnet
12 bearings
13 buck
14 bearings
15 bearings
16 housing wall

Claims (5)

1. Antriebssystem mit einem eine Welle aufweisenden Motor und einer Antriebsspindel, insbesondere für den Vor­ schubantrieb eines Tisches oder Schlittens einer Werk­ zeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (3) durch die Antriebsspindel (10) ge­ bildet wird.1. Drive system with a shaft having a motor and a drive spindle, in particular for the front thrust drive of a table or carriage of a machine tool, characterized in that the shaft ( 3 ) by the drive spindle ( 10 ) is formed GE. 2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Rotormagnete (11) an der Antriebsspindel (3) angebracht sind.2. Drive system according to claim 1, characterized in that rotor magnets ( 11 ) on the drive spindle ( 3 ) are attached. 3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antriebsspindel an ihrem vom Motor (2) abge­ wandten Ende sowie beiderseits der Rotormagnete (11) je ein Lager (12, 14, 15) aufweist.3. Drive system according to claim 1 or 2, characterized in that the drive spindle at its end facing away from the motor ( 2 ) and on both sides of the rotor magnets ( 11 ) each have a bearing ( 12 , 14 , 15 ). 4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspindel (3) als Planetengewindeumlauf­ spindel ausgeführt ist.4. Drive system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the drive spindle ( 3 ) is designed as a planetary thread revolution spindle. 5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Antriebsspindel (3, 10) im wesent­ lichen der Länge des Spindelbereiches (3) und der Länge der Rotormagnete (11) entspricht.5. Drive system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the length of the drive spindle (3, 10) in the materiality of the length of the spindle union region (3) and the length of the rotor magnets (11).
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