DE4322146A1 - Verwendung eines elektrischen Antriebes für Bearbeitungsspindeln und Vorschubachsen an Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Gattung

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines elektrischen Antriebes für Bearbeitungsspindeln und Vorschubachsen an Werkzeugmaschinen mit einer Vorrichtung zum Reduzie­ ren/Überwachen der Drehzahl bzw. des Vorschubes gegen Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, mit einem elektrischen Zwischenkreis zwischen der eingespeisten und der vom Umrichter abgegebenen Spannung.

Stand der Technik

Zur Überwachung einer vorgegebenen Drehzahl eines Spin­ delantriebs werden bekannterweise Drehzahlüberwachungsge­ räte eingesetzt. Die Drehzahl wird mit einer Einrichtung ermittelt, die mit der Antriebswelle des Antriebs starr gekoppelt ist (Tachomaschine, Inkrementalgeber, Sensor in Verbindung mit Zahnrad). Mittels einer Auswerteeinheit wird die Drehzahl mit einer vorgegebenen Maximaldrehzahl verglichen. Bei Überschreiten wird ein potentialfreier Kontakt zur Weiterverarbeitung bereit gestellt. Um den Antrieb schnellstmöglich stillzusetzen, wird über eine kontaktbehaftete Schaltung der Bremsvorgang eingeleitet.

Sowohl zur Erkennung der Drehzahlüberschreitung als auch zum Schalten der Kontakte durch Relais/Schütze wird eine Zeit benötigt, während der der Antrieb weiter beschleuni­ gen kann. Diese Zeit liegt typischerweise im Bereich von 30 ms bis 200 ms. Bei Bearbeitungszentren werden Bearbei­ tungsspindeln eingesetzt, die durch ihr hochdynamisches Verhalten charakterisiert sind. Gerade im unteren Dreh­ zahlbereich, in der die Überwachung hauptsächlich einge­ setzt wird, ist das Drehmoment des Antriebs am größten. Tests haben gezeigt, daß z. B. bei einer Überwachung auf 50 U/min die Bearbeitungsspindel auf Drehzahlen bis über 2000 U/min beschleunigen kann, bis durch die Auswerteein­ heit in Kombination mit der kontaktbehafteten Schaltung eine Stillsetzung erfolgen kann.

Typischerweise werden Drehzahlüberwachungsgeräte einge­ setzt, wenn sich Bedienungspersonal im unmittelbarem Ge­ fahrenbereich einer laufenden Bearbeitungsspindel befin­ det, um ein unkontrolliertes Hochlaufen der Spindel im Fehlerfalle zu verhindern. Mögliche Gefahrenquellen durch zu hohe Drehzahlen sind z. B. sich lösende Schneideplat­ ten grober Fräser, die nur für geringe Drehzahlen zuge­ lassen sind oder in der Spindel befindliche elektronische Meßtaster, die bei hoher Drehzahl der Fliehkraft nicht standhalten und so das Bedienungspersonal gefährden. Eine mögliche Gefahrenquelle bei mechanisch starr gekoppelten Einrichtungen besteht im Durchrutschen der Elemente auf der Welle, wodurch eine sichere Überwachung weder durch die Antriebseinheit noch durch die nachgeschaltete Über­ wachung gewährleistet ist. Für eine sichere Überwachung wird so eine unabhängige Meßgröße benötigt. Die bekannten Lösungen beruhen jeweils auf einer zusätzlichen mechani­ schen Komponente, um eine unabhängige Drehzahlerfassung zu ermöglichen.

Aus der US-PS 46 82 263 ist eine Kurzschlußüberwachung an einem Motor vorbekannt.

Die US-PS 29 89 678 beschreibt eine Frequenzerkennung.

Aus der DE-OS 38 19 994 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung wenigstens eines Parameters wie Drehzahl, Temperatur und dergleichen einer zu überwachenden Ein­ richtung, beispielsweise eines Motors oder ähnlichem, mit einem den Parameter erfassenden Meßkanal, der zur Er­ fassung des Parameters einen Sensor sowie eine an den Sensor angeschlossene Grenzwert-Erkennungseinrichtung mit einem Signaleingang zum Anschluß des Sensors sowie einen Referenzeingang zur Eingabe eines Referenzsignals, auf­ weist, vorbekannt, die an ihrem Ausgang ein Grenzwertsig­ nal abgibt, das für das Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes kennzeichnend ist, mit wenigstens einer das Grenzwertsignal verarbeitenden Schaltstufe, die Schalt­ strecken aufweist, wobei sie Mittel zur Erhöhung der Funktionssicherheit sowie zum Erkennen von Funktionsstö­ rungen enthält. Die Mittel zur Erhöhung der Funktionssi­ cherheit sowie zum Erkennen von Funktionsstörungen weisen einen zweiten Meßkanal sowie eine Vergleichsschaltung auf, wobei der zweite Meßkanal in der zweiten der glei­ chen Weise aufgebaut ist wie der erste Meßkanal und die Vergleichsschaltung zwei Eingänge, in die die Grenzwert­ signale der beiden Kanäle eingespeist werden sowie wenig­ stens einen Signalausgang, enthält, an dem ein Fehlersig­ nal ansteht, das für die Ungleichheit der beiden Grenz­ wertsignale kennzeichnend ist.

Aus der DE-OS 41 13 068 ist ein Verfahren zum Ermitteln oder Regeln der Drehzahl einer Asynchronmaschine vorbe­ kannt, die über eine Strom- oder Spannungsquelle mit ver­ änderlicher Frequenz gespeichert wird und die beim Über­ gang vom Motor- zum Generatorbetrieb und umgekehrt ein charakteristisches Signal liefert, wobei die Frequenz der Strom- oder Spannungsquelle so lange verändert wird, bis das charakteristische Signal auftritt. Dieses charakteri­ stische Signal ist der von der Drehstrommaschine aufge­ nommene Strom, der beim Übergang vom Motor- zum Genera­ torbetrieb und umgekehrt den Wert Null annimmt. Dadurch kann die Drehzahl eines Asynchroninotors sowie sein Schlupf auch ohne Drehzahlgeber überwacht werden.

Die DE-OS 35 43 941 betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine, wobei wenigstens eine der durch die Remanenz des Läufers in den Statorwicklungen induzierten, in ihrer Frequenz der Läu­ ferdrehzahl entsprechenden Sinusspannungen mittels eines Rechteckumformers in eine symmetrisch verlaufende Rechteckspannung umgewandelt wird, wobei die Frequenz und die Phasenlage diese Rechteckspannung mit der Frequenz und der Phasenlage der induzierten Sinusspannung überein­ stimmt, wobei aus dieser Rechteckspannung ein deren Fre­ quenz proportionales Ausgangssignal gebildet wird. Da die Frequenz bzw. die Periodendauer dieser induzierten Sinus­ spannung nicht vom Maschinentyp oder der Maschinen­ temperatur abhängig ist, erhält man ein Verfahren, das allgemein bei Drehfeldmaschinen gilt. Durch die Bestim­ mung der Drehzahl der noch drehenden Drehfeldmaschine kann man einerseits den Umrichter mit der der Läuferdreh­ zahl entsprechenden Frequenz auf die noch drehende Dreh­ feldmaschine zuschalten, andererseits ist die Suchge­ schwindigkeit des Suchlaufs erheblich vergrößert, weil bei diesem Verfahren die Suchgeschwindigkeit nicht mehr von dem Frequenzfenster der Drehfeldmaschine abhängig ist.

Die DE-OS 33 39 299 betrifft ein Verfahren zum Messen der Drehzahl eines genuteten Ankers einer Drehfeldmaschine mit wenigstens zwei Strängen im Ständer, von denen wenig­ stens einer von einem Strom durchflossen ist, wobei die Anzahl der Ankernuten kein ganzzahliges Vielfaches der Polzahl des Ständers ist und die Grundfrequenz des Erre­ gerstromes für die Stränge unterdrückt wird, wobei als Kenngröße für die Drehzahl die Grundfrequenz des von den Ankernuten hervorgerufenen Frequenzsignals verwendet wird. Im normalen Lastfall der Drehmaschine wird ein Fre­ quenzsignal mit einer verhältnismäßig großen Amplitude mit einer relativ hohen Frequenz ausgewertet, das demzu­ folge einfach zu handhaben ist. Erst bei sehr kleinen An­ kerdrehzahlen kommt die Frequenz des ausgewerteten Fre­ quenzsignals in die Größenordnung der Grundfrequenz des Erregerstromes für die Drehfeldmaschine, womit sich ins­ gesamt ein sehr weiter zu erfassender Drehzahlbereich er­ gibt, der von der Synchrondrehzahl bis fast zum Still­ stand reicht. Außerdem können auf diese Weise auch mit Gleichstrom gebremste Drehfeldmaschinen ohne weiteres in der Drehzahl überwacht werden. Das Frequenzsignal kann als Spannungssignal an einer Wicklung abgegriffen werden. Wenn die Drehfeldmaschine im Bremsbetrieb gefahren wird, wird hierzu zweckmäßigerweise ein von dem Erregerstrom freie Wicklung verwendet, weil dann dem Nutzsignal kein so hohes Störsignal als Folge des Bremsgleichstromes überlagert ist. Dadurch läßt sich dieses Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl sowohl verwenden, wenn der Erre­ gerstrom zum Abbremsen des Ankers dient und eine Gleich­ komponente aufweist.

Aus der DE-OS 24 16 999 ist ein Verfahren zur Drehzahl­ messung bei einem Antriebssystem mit einer Anzahl von Drehfeldmaschinen vorbekannt, die jeweils zum Antrieb ei­ ner reibungsarmen Zentrifuge vorgesehen und ein gemeinsam aus einer Wechselspannungsquelle gespeist sind, wobei die Verbindungsleitung zwischen der Wechselspannungsquelle und der zu überwachenden Drehfeldmaschine kurzgeschlossen wird und anschließend der von der Drehfeldmaschine in die kurzgeschlossene Verbindungsleitung eingespeiste Kurz­ schlußstrom erfaßt und seine Frequenz gemessen wird. Die­ sem Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, daß man bei der Messung der Drehzahl einer einzelnen oder mehrerer Zentrifugen nicht von einer direkten Drehzahlmessung aus­ gehen kann, da jede Drehfeldmaschinen-Zentrifuge ein in sich geschlossenes, unter Unterdruck stehendes Gebilde darstellt. Extern oder intern angeordnete mechanische Drehzahlgeber, die einen Eingriff in dieses System erfor­ dern würden, scheiden von vornherein aus. Das gilt ebenso für intern angeordnete optische und induktive Drehzahl­ messer, da sie wiederum die Durchführung von Meßleitungen erforderlich machen und darüber hinaus kostspielig sind und nicht immer zuverlässig arbeiten. Prinzipiell erfolgt die Frequenzmessung des Motors durch Abklemmen des Stel­ lers und anschließender Messung. Dabei bleibt fraglich, ob überhaupt eine Drehbewegung bei gekoppeltem Antrieb stattfinden kann.

Aus der DD-PS 99 231, insbesondere für Antriebe von Tex­ tilmaschinen mit hoher und sehr hoher Drehzahl, vorbe­ kannt, bei dem die von einem Synchronmotor als Maß für die momentane Drehzahl abgegriffene Frequenz zur Errei­ chung einer hohen Genauigkeit der Meßergebnisse verviel­ facht wird, wobei die Ursprungsfrequenz über einen Vor­ schaltbaustein für sinusförmige Dreiphasenwechselgrößen bzw. über einen Vorschaltbaustein für rechteckförmige Dreiphasenwechselgrößen direkt am Antrieb abgegriffen und das Meßergebnis über einen den Vorschaltbausteinen nach­ geschalteten Frequenzvervielfacher an einem Digitalzähler optisch sichtbar gemacht wird.

Die DE-OS 38 34 643 betrifft einen Vertikaltor-Antrieb, wobei ein Motor für Gleichstrombetrieb als Kraftquelle vorgesehen ist, mit einem dem Motor nachgeschalteten Ge­ triebe, bestehend aus Schneckenrad und Schnecke, wobei zwischen dem Getriebe und dem Ausgang der Antriebseinheit ein Planetengetriebe zur Anpassung der Antriebseinheit an den spezifischen Einsatzzweck vorgesehen ist, mit einer mit dem Motor gekoppelten Regelelektronik, welche die je­ weilige Stellung des Tores registriert und vor Erreichen der Einstellungen durch Veränderung der Stromstärke in der Zufuhr zum Motor die Geschwindigkeit und das Drehmo­ ment der Antriebseinheit reduziert, mit einem Gehäuse mit Deckel, in dem alle oben genannten Aggregate unterge­ bracht sind. Die Regelelektronik weist eine Segment­ scheibe auf, welche insbesondere mit dem Motor gekoppelt ist und von einer Lichtschranke abgetastet wird unter Re­ gistrierung der Anzahl der durchlaufenden Segmente sowie der Durchlaufrichtung der Segmentscheibe. Die momentane Stellung des Tores wird somit nicht durch Endschalter di­ rekt am Tor überwacht, weil diese leicht beschädigt wer­ den können. Vielmehr wird die Anzahl der Drehungen der Antriebswelle innerhalb der gekapselten Antriebseinheit über entsprechende Sensoren registriert und gespeichert.

Aus der DE-OS 20 20 555 ist eine Schaltungsanordnung zum Messen der von einem stromdurchflossenen Motor erzeugten EMK, vorbekannt, insbesondere zum Feststellen der Dreh­ zahl eines als Antriebsmotors für die Antriebswelle eines Magnetbandgerätes dienenden Motors, wobei durch die Rei­ henschaltung des Motors mit einer Spule mit einer der In­ duktivität des Motors proportionalen Induktivität und ei­ nem dem Innenwiderstand des Motors proportionalen ohm­ schen Widerstand und durch einen an sich bekannten Opera­ tionsverstärker mit zwei Eingängen, dessen einem Eingang die an der Reihenschaltung anliegende Gesamtspannung und dessen anderem Eingang die am Motor auftretende Spannung zugeführt wird und an dessen Ausgang eine der EMK des Mo­ tors entsprechende Spannung abgenommen werden kann.

Die US-PS 44 41 076 ist eine Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Drehzahl eines elektrischen Motors ohne reduzierten Zwischenkreis vorbekannt.

Die DE-OS 33 27 224 beschreibt einen Elektromotor, insbe­ sondere zum Antrieb eines Schwungrades, mit statorseitig angeordneten zwei Motorspulen, die auf einen ferromagne­ tischen Rotor einwirken, mit einer Ansteuerungsschaltung, wobei Rechenmittel vorgesehen sind, die aus dem benötig­ ten Motormoment bzw. Momentenverlauf den Motorstrom und/oder die Ansteuertaktfrequenz ermitteln und der An­ steuerschaltung zuführen. Dadurch soll die Aufgabe gelöst werden, einen Motor mit einer Ansteuerschaltung zu schaf­ fen, die an beliebige Reaktionsmomente angepaßt werden kann.

Aus der US-PS 47 91 340 ist es bekannt, die Drehzahlfre­ quenz für einen Antriebssteller zu ermitteln.

Die US-PS 48 70 338 zeigt eine Drehfeldfrequenzerkennung für die Antriebstechnik, allerdings nicht für Sicher­ heitstechnik.

Aus der EP-OS 0 479 045 ist eine Vorrichtung zum Betrei­ ben von elektromotorisch angetriebenen Teilen vorbekannt, bei denen die Gefahr des Einklemmens von Gegenständen oder Körperteilen von Personen besteht. Eine signalverar­ beitende Anordnung werte die Drehzahl des Elektromotors oder eines Antriebs aus, wobei die Drehzahl in eine Kenn­ größe, die einen Bezug zur Betätigungskraft des Teils aufweist, der durch den funktionalen Zusammenhang zwi­ schen Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors oder des Antriebs gegeben ist, vorgenommen wird. Zur Korrektur des Temperatureinflusses auf die Kennlinie ist ein Tempera­ tursensor vorgesehen, der eine am Elektromotor auftre­ tende Temperatur, vorzugsweise die Wicklungstemperatur, erfaßt, und zur signalverarbeitenden Anordnung weiterlei­ tet. Demgemäß kann die Temperatur als Maß für die Dreh­ zahl bzw. das Drehmoment weiter verarbeitet werden. Es ist kein reduzierter Zwischenkreis vorhanden.

Die DE-OS 37 36 218 beschreibt ein Verfahren zur Steue­ rung eines Drehmoments eines Türöffnungs- und Schließmo­ tors für eine automatische Tür, wobei in dem Motor ein Drehmoment auf der Grundlage von einer Steuereinheit an den Motor angelegter Steuerimpulse erzeugbar ist und das Drehmoment durch eine Änderung der totalen Impulsbreite der in einem Wiederholungszyklus ansteigenden Steuerim­ pulse geregelt wird, wodurch die Beschleunigung des Mo­ tors steuerbar ist. Ein reduzierter Zwischenkreis ist nicht vorhanden.

Die DE-OS 39 21 679 beschreibt eine Vorrichtung zur Ver­ sorgung eines verfahrbaren, versorgungsnetzabhängigen Verbrauchers über eine von einer ortsfesten Anschluß­ stelle zum Verbraucher führende Versorgungsleitung, die in Abhängigkeit des Verfahrweges des Verbrauchers auf eine bzw. von einer Leitungstrommel wickelbar ist, mit einem drehrichtungsumkehrbaren über einen Frequenzumrich­ ter gesteuerten Asynchron- oder Drehstromservomotor für den Wickelantrieb der Leitungstrommel, wobei dem Motor eine elektronische Momentenregelung zugeordnet ist, mit einer Meßvorrichtung zur Erfassung des Rotorwinkels, wo­ bei anhand des Ausgangssignals der Meßvorrichtung die je­ weilige Leitungstrommelstellung und der momentan erfor­ derliche Momentenbedarf ermittelt und der Regelung als Sollwert vorgegeben wird.

Die DE-PS 41 08 321 beschreibt eine Presse mit einer min­ destens eine elektrisch antreibbare Walze aufweisenden Walzenvorschubeinrichtung, mit einer zumindest die Dreh­ zahl des Antriebsmotors für die Walzen regelnden Maschi­ nensteuerung, mit mindestens einem Schütz zum Anlegen und Unterbrechen der Antriebsspannung an den Antriebsmotor und mit einer im geöffneten Zustand den Zugriff zum Werk­ zeug der Presse freigebenden und im geschlossenen Zustand mindestens einen auf den Schütz wirkenden Sicherheits­ schalter betätigende Tür, wobei der Sicherheitsschalter durch eine Leitung überbrückbar ist, in die eine Sicher­ heitsschaltung mit einem Relais und einem Vergleicher vorgesehen ist, der die tatsächliche Drehzahl der Walzen mit einer vorgegebenen, bei geöffneter Tür maximal zuläs­ sigen Drehzahl vergleicht und bei Überschreiten dieser Drehzahl durch Öffnen des Relais die Leitung unterbricht, so daß bei geöffnetem Sicherheitsschalter und geöffnetem Relais der Schütz den Antriebsstrom unterbricht. Ein re­ duzierter Zwischenkreis ist nicht vorhanden.

Aus der DE-OS 40 16 836 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit beim Betrieb von Maschinen und Anlagen mit Asynchronmotoren, insbesondere des Schutzes von Personen beim Einrichtebetrieb und Schutz des Transport- und Ar­ beitsgutes, das durch elektronisch drehzahlgeregelte Elektromotoren beeinflußt wird, vorbekannt, wobei die Verwendung von polumschalbaren Motoren mit mindestens zwei getrennten Arbeitswicklungen unabhängig steuerbaren Leistungsstromkreisen, bei denen drei oder mehr der nach­ folgenden Maßnahmen zu einer vom Zustand der Anlage oder der Art des Betriebes abhängige Umschaltung genutzt wer­ den:

• a) Überwachung des Sollwertes bzw. der Befehlsvorgabe;
• b) Überwachung der Rückmeldung bzw. des Istwertes;
• c) Überwachung der Leistungselektronik;
• d) Überwachung des Fahrweges;
• e) Überwachung der Symmetrie der Mehrphasenströme;
• f) Überwachung des Drehzahlanstieges;
• g) Überwachung der Gleichstrombremsung;
• h) Überwachung von Erdschluß, Kurzschluß und Unterbre­ chung im Motor, in der Elektronik oder in der In­ stallation.

Im Störungsfalle wird die Arbeitswicklung der Betriebs­ polzahl abgeschaltet und eine höhere Polzahl (mit niedri­ gerer Drehzahl) des Asynchronmotors eingeschaltet, bei Ausnutzung der übersynchronen Bremsung. Ein Vortrafo zur Sicherheit soll dabei nur bedingt für die gestellte Auf­ gabe tauglich sein.

Die DE-OS 35 36 227 zeigt ein Verfahren zur Messung der Drehzahl mit einer Drehfeldmaschine, wobei an mindestens einer Phasenanschlußklemme der Drehfeldmaschine die dort anstehende Spannung erfaßt wird und in Abhängigkeit von der Frequenz dieser Spannung eine der Drehzahl entspre­ chende Anzeigegröße erzeugt wird. An der Phasenanschluß­ klemme der Drehfeldmaschine ist ein Spannungswandler an­ geschlossen, wobei dem Spannungswandler ein Rechteckim­ pulsformer nachgeordnet ist und an dem Ausgang des Rechteckimpulsumformers eine Frequenzmeßeinrichtung ange­ schlossen ist. Dabei soll die Remanenz der Drehfeldma­ schine, die auch nach Abschaltung des Erregerstromes noch eine geringe Spannung in den Phasenwicklungen der Dreh­ feldmaschine induziert, ausgenutzt werden, wobei die in­ duzierte Spannung auch nach Abbau des magnetischen Flus­ ses in der Drehfeldmaschine noch bis zu drei Prozent der Spannung im Nennbetrieb des Motors betragen kann. Die Frequenz der induzierten Spannung ist bis zum Stillstand der auslaufenden Drehfeldmaschine zu seiner Drehzahl pro­ portional. Diese Spannung wird nach dem vorgeschlagenen Verfahren an mindestens einer Phasenanschlußklemme der Drehfeldmaschine zur Erzeugung der Drehzahl proportiona­ len Anzeigegröße erfaßt, ohne daß zusätzliche konstruk­ tive Eingriffe an den rotierenden Teilen des Motors, wie z. B. bei Anbringung eines Drehzahlgebers, erforderlich sind. Dadurch soll unabhängig von der Speisung der Dreh­ feldmaschine die genaue Messung der Drehzahl bis zum Stillstand des Motors möglich sein.

Die DE-PS 38 37 218 beschreibt ein Sicherheitsüberwa­ chungsverfahren bei Schutzeinrichtungen mit normaler oder erhöhter Sicherheit von Bewegungen, insbesondere Drehbe­ wegungen durchführenden Maschinen (Zielanlage), wobei un­ abhängig von der Systemsteuerung der jeweiligen Zielan­ lage die folgenden drei verschiedenen Funktionsarten durchgeführt werden, die jeweils über den entsprechenden Betriebszustand der Zielanlage extern bestimmt werden:

• a) eine Stillstandsüberwachung als Sonderbetrieb ohne Bewegung, wobei der Betriebszustand der Zielanlage einer geöffneten Gefahrenzone entspricht;
• b) eine Stillstandsüberwachung als Sonderbetrieb mit Bewegung bei ebenfalls geöffneter Gefahrenzone und manueller Anforderung zur Zulassung einer limitier­ ten Kriechbewegung der Zielanlage sowie schließlich
• c) eine Drehbewegungsüberwachung als Normalbetrieb bei geschlossener Gefahrenzone, wobei eine limitierte Drehbewegung an einer Zielanlage zugelassen ist.

Aus der DE-Z: Weininger, R.: "Verfahren zur dynamisch richtigen Steuerung des Flusses bei der Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen mit Speisung durch Zwischenkreis­ umrichter mit eingeprägtem Strom werden sind Grundlagen im Zusammenhang mit Umrichter gespeisten Asynchronmaschi­ nen und geregelten Antrieben vorbekannt".

Aus der DE-Z: Industrie-Elektrik + Elektronik, 33. Jg., 1988, Nr. 4, S. 103/104, S. 104, Sp. 1,2 sind Umrichter mit ihren Funktionen allgemein vorbekannt.

Die DE-Z: Werkstatt und Betrieb 112 (1979) 8 S. 525/529 "Sicherheitseinrichtung an NC-Drehmaschinen" beschreibt Drehzahlüberwachungsgeräte im Zusammenhang mit redundan­ ter Sensorik.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bediensi­ cherheit für elektrische Antriebe der gattungsgemäß vor­ ausgesetzten Art zu erhöhen.

Lösung

Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 wiedergege­ benen Merkmale gelöst.

Einige Vorteile

Durch die Erfindung wird eine sichere Drehzahlüberwachung und Drehzahlreduzierung eines drehzahlveränderlichen Elektroantriebs, insbesondere eines Ansynchronmotoran­ triebes, durch eine Kombination der aus dem Drehfeld ab­ geleiteten Drehzahl des Antriebstellers und der mittels Zwischenkreisspannungsabsenkung vorgenommenen Momenten- und Drehzahlreduzierung des Antriebs, vorgeschlagen.

Mittels der Reduzierung des Zwischenkreises des Antriebs durch Zwischenschalten eines Transformators oder durch eine andere Maßnahme zur Absenkung der Zwischenkreisspan­ nung, wird das Drehmoment und die maximale Drehzahl der Antriebe entsprechend stark eingeschränkt.

Für die Arbeitsspindel ergibt sich durch das Absenken der Zwischenkreisspannung eine trägere Beschleunigung und durch bestehende Reibung und Gegenmomente antriebseigener sowie fremder Massen eine drastische Reduzierung der ma­ ximal erreichbaren Drehzahl. Da diese maximale Drehzahl jedoch durch Temperatur und Alterungsprozesse schwanken kann, ist eine zusätzliche Überwachung erforderlich. Weil das Beschleunigungsvermögen der Bearbeitungsspindel stark eingeschränkt ist und eine Drehzahlerhöhung nur langsam erfolgt, sind an eine mögliche Drehzahlüberwachungsein­ heit hinsichtlich ihres Zeitverhaltens nur geringe An­ sprüche zu stellen. Es ist ausreichend, das vom Antriebs­ steller erzeugte Drehfeld zu analysieren, zu prüfen und einen potentialfreien Kontakt zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.

Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß zu einer möglichen mechanischen hier eine neue unabhängige, elek­ trische Drehzahlerfassung gefunden wurde. Dies ist insbe­ sondere für die Erfüllung der neuen EG-Normen (CE-Zei­ chen) sehr nützlich, da mit einfachen Mitteln eine mögli­ che Redundanz in der Fehlererkennung/Auswertung ermög­ licht wird. Somit kann durch Ausnutzung des Drehfeldes des Antriebs auf eine zusätzliche mechanische Komponente verzichtet werden. Durch Ermittlung der Drehfeldfrequenz ist schon an der Quelle (Ursache Drehfeld) und nicht erst am Ziel (Wirkung Drehzahl) die Kontrolle möglich. Durch die Reduzierung der Zwischenkreisspannung wird die Höchstdrehzahl stark erniedrigt und das Drehmoment des Antriebs auf ein Bruchteil begrenzt.

Bei permanent erregten Gleichstromantrieben (EC-Motoren) besteht ein direkter Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Drehzahl des Antriebs. Durch die Begrenzung der Drehzahl ergibt sich eine stark begrenzte Geschwin­ digkeit für alle rotatorischen und translatorischen Bewe­ gungen. Im Gefahrenfall besteht somit die Möglichkeit für das Bedienungspersonal, sich einer nähernden Gefahr rechtzeitig zu entziehen. Für Achsen, die durch Schwer­ kraft beschleunigt werden könnten, wird über ein strom­ proportionales Ausgangssignal des Antriebstellers ein Überwachungsmodul angesteuert, das bei Über/Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl, einen potentialfreien Kontakt zur Verfügung stellt, der ein Stillsitzen des Antriebs ermöglicht.

Weitere erfinderische Ausgestaltungen

In Patentanspruch 2 wird ein vorteilhafter, erfinderischer Weg aufgezeichnet, wie auch bei Vorschubantrieben mit ge­ ringem konstruktiven Aufwand eine sichere Überwachung des Vorschubes möglich ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einigen Ausfüh­ rungsbeispielen veranschaulicht:

Fig. 1 zeigt die Überwachung einer Drehzahl einer Hauptspindel an einer Werkzeugmaschine, z. B. eines NC-gesteuerten Bearbeitungszentrums oder dergleichen, wobei die reduzierte Zwischenkreis­ spannung z. B. von einem Drehstromtransformator bereitgestellt wird. Am Ausgang des Hauptspin­ delstellers ist eine Frequenzerkennung, z. B. eine Drehfrequenzauswertung, angeschlossen, die die Drehzahl an einen Frequenzspannungsumsetzer weitergibt, die diese auf einen vorgegebenen Wert hin überwacht. Der Schaltsignalausgang be­ tätigt einen potentialfreien Kontakt, um z. B. den Drehstrom-Asynchronmotor der Hauptspindel abzuschalten.

Fig. 2 zeigt einen Antrieb mit reduzierter Zwischen­ kreisspannung, an die ein Hauptspindelsteller und mehrere Achsantriebssteller angeschlossen sind. Ein stromproportionales Ausgangssignal wird auf einen vorgegebenen Wert hin überwacht, dessen Schaltsignalausgang ebenfalls an einen potentialfreien Kontakt angeschlossen ist, um z. B. den Servoantrieb des Achsantriebsstellers stillzusetzen.

Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Er­ findung wesentlich sein.

Literaturverzeichnis

US-PS 46 82 263
US-PS 29 89 678
DE-OS 38 19 994
DE-OS 41 13 068
DE-OS 35 43 941
DE-OS 35 36 227
DE-OS 33 39 299
DE-OS 24 16 999
DD-PS 99 231
DE-OS 38 34 643
DE-OS 20 20 555
US-PS 44 41 076
DE-OS 33 27 224
US-PS 47 91 340
US-PS 48 70 338
DE-OS 40 16 836
EP-OS 04 79 045
DE-OS 37 36 218
DE-PS 38 37 218
DE-OS 39 21 679
DE-PS 41 08 321
DE-Z: Weninger, R.: "Verfahren zur dynamisch rich­ tigen Steuerung des Flusses bei der Dreh­ zahlregelung von Asynchronmaschinen mit Speisung durch Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom". In: etz Archiv, H. 12, 1979, S. 341-345;
DE-Z: Industrie-Elektrik + Elektronik, 33. Jg., 1988, Nr. 4, S. 103, 104, Sp. 1, 2;
DE-Z: Werkstatt und Betrieb 112, 1979, 8, S. 525-529, Pkt. 2.1.

Claims (2)

1. Verwendung eines elektrischen Antriebes für Bearbei­ tungsspindeln und Vorschubachsen an Werkzeugmaschi­ nen mit einer Vorrichtung zum Reduzieren/Überwachen der Drehzahl bzw. des Vorschubes gegen Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, mit einem elektri­ schen Zwischenkreis zwischen der eingespeisten und der vom Umrichter abgegebenen Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die dem Umrichter zugeführte Spannung reduziert ist;
• b) die reduzierte Spannung am elektrischen Antrieb angelegt ist und daß
• c) die Anschlußleitung des elektrischen Antriebs an eine Einrichtung angeschlossen ist, welche die variable Drehfeldfrequenz des Antriebs mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und bei dessen Überschreitung ein Schaltsignal zur Abschaltung des elektrischen Antriebs, z. B. des Drehstrom­ motors einer Bearbeitungsspindel, zur Verfügung stellt.

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 mit einem Achs­ antriebsteller, insbesondere ein Vorschubmotor für eine Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die dem Umrichter zugeführte Spannung reduziert ist und
• b) die reduzierte Spannung am elektrischen Antrieb angelegt ist und
• c) die Drehzahl über ein stromproportionales Aus­ gangssignal des Antriebstellers zusätzlich auf einen vorgegebenen Wert hin überwacht werden kann und das Ausgangssignal zur Stillsetzung des Antriebs nutzbar ist.