JP2007538485A - 駆動システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、データ交換のためのデータバス(2)を介して駆動装置(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g)に接続されている制御装置(1)を含み、駆動モータ(7a,7b)の制御のための駆動装置(3a,3b)が駆動モータ(7a,7b)に接続されていて、磁気式スピンドル軸受(23)の磁気軸受(11c,11d,11e,11f,11g)の制御のための他の駆動装置(3c,3d,3e,3f,3g)が磁気軸受(11c,11d,11e,11f,11g)に接続されている駆動システムに関する。本発明は磁気式スピンドル軸受(23)が組み込まれている駆動システムを提供する。

Description

本発明は、駆動システムに関する。
更に、本発明は、上述の駆動システムを備えた工作機械、生産機械またはロボットに関する。
例えば工作機械、生産機械またはロボットのような機械は、通例、多数のいわゆる機械軸を有し、機械軸の運動および位置は、制御装置によって、特に数値制御装置によって制御される。機械のスピンドルと加工すべき工作物との間の相対的運動および相対的位置の正確な案内が重要である。工具による工作物の加工により工作物に所望の輪郭が生じる。個々の機械軸の駆動装置は非常に正確に走行運動および回転運動を実行しなければならない。例えば工作機械の生産性は、高速かつ正確な軸駆動のほかに、高いスピンドル回転数に依存する。スピンドルは、一般にスピンドル回転子と共に1つのユニットをなすスピンドル駆動モータを有する。スピンドル駆動モータはスピンドル回転子を回転させる。今日使用されている殆ど全てのスピンドルは機械的軸受を、例えばころがり軸受の形で有する。高い回転数における機械的軸受の欠点は一般的に知られている。例えば、高い回転数においては機械的軸受の激しい磨耗が生じる。軸受の潤滑剤供給装置は高価であるために、しばしば発生する潤滑剤供給装置における障害が一方ではしばしば軸受の故障を招く。他の問題はスピンドル回転子の残留不釣り合いである。これは、機械構造と相互作用して、特定の回転数において激しい振動および騒音をひき起こす。
磨耗特性および振動特性は、磁気軸受されるスピンドルの使用によって著しく改善される。従来技術によれば、多くのケースにおいて磁気式スピンドル軸受が使用される。磁気式スピンドル軸受は、磁気軸受を介して制御可能な磁気力が転動体の役割を引き受ける無接触システムである。スピンドル回転子の位置は連続的に測定され、磁気力は動的に常にスピンドル回転子が負荷時にも軸受中心における所望位置を保つように補正される。
図1には、概略図の形にて磁気式スピンドル軸受23が示されている。スピンドル軸受23は、図の見やすさのために概略的に示された磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gにより支持されたスピンドル回転子10と、パワーモジュール16とを含む。各磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gは、主として電流磁気ヨークからなり、電流磁気ヨークはコイルを装備されていて、かつ受動的なスピンドル回転子10に作用する。磁気軸受11eおよび11fはX方向における案内を引き受け、磁気軸受11dおよび11gはY方向における案内を引き受け、そして磁気軸受11cはZ方向における案内を引き受ける。磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gには、それぞれ付属の間隔センサ12c,12d,12e,12fおよび12gが設けられている。間隔センサ12c,12d,12e,12fおよび12gは、スピンドル回転子10に対する間隔を測定し、それぞれに関連したアナログ位置実際値信号15c,15d,15e,15fおよび15gを入力量としてパワーモジュール16に供給する。パワーモジュール16は、調節装置18c,18d,18e,18fおよび18gを含み、これらの調節装置は、それぞれ付設された電力変換器17c,17d,17e,17fおよび17gと、それぞれ付設された線路8c,8d,8e,8fおよび8gとを介して、それぞれ付設された磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gに作用する。調節装置18c,18d,18e,18fおよび18gと、電力変換器17c,17d,17e,17fおよび17gとは、無条件にパワーモジュール16の集積化された構成部分である必要はなく、個別構成要素として存在していてもよい。調節装置18c,18d,18e,18fおよび18gは、それぞれ付設された電力変換器17c,17d,17e,17fおよび17gに、データ交換のために互いに接続されていて、このことが図1には二重矢印によって示されている。パワーモジュール16および磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gとは、釣り合いを保たれるスピンドル回転子10の調節回路を構成する。
更に、図1には、例えば工作機械、生産機械のような機械またはロボットの通例の駆動システムが示されている。制御装置1は、代表的な例としては2軸機械の、データバス2を介して駆動モータ7aおよび7bの制御のための駆動装置3aおよび3bに接続され、特に調節装置4aおよび4bに接続されている。データバス2を介して、データとして、例えば個々の駆動装置の速度データ、加速度データおよび位置データが通信される。調節装置4aおよび4bは、それぞれに付設された接続線6aおよび6bを介して、それぞれに付設された電力変換器5aおよび5bを制御する。電力変換器5aおよび5bは、それぞれに付設された3相線路8aおよび8bを介して、それぞれに付設された駆動モータ7aおよび7bを制御する。各駆動モータ7aおよび7bは、機械のそれぞれ1つの機械軸を駆動する。各駆動モータ7aおよび7bには、それぞれの位置実際値発生器12aおよび12bが付設されている。位置実際値発生器12aからは位置実際値信号15aが調節装置4aに入力量として導かれ、位置実際値発生器12bからは位置実際値信号15bが調節装置4bに入力量として導かれる。各駆動装置は調節装置および電力変換器を含むが、しかし調節装置および電力変換器は必ずしも共通なハウジング内に収納しなくてもよい。調節装置および電力変換器は、個別の構成要素の形で独立して存在していてもよい。制御装置1は、例えばデータバス2を介して調節装置4aおよび4bに位置目標値を予め与える。位置実際値15aおよび15bは、制御装置1によって予め与えられた位置目標値に応じて調節され、このようなやり方で機械軸が動かされる。
図1に示されているように、機械の通例の駆動システムは磁気式スピンドル軸受23のための接続を持っていない。電力変換器5aおよび5bは、図1に示されているように、3相であるのに対して、磁気式スピンドル軸受23の電力変換器17c,17d,17e,17fおよび17gは2相のみである。この理由から、従来においては、駆動モータ7aおよび7bの制御のための駆動装置、特に電力変換器5aおよび5bと、スピンドル軸受の電力変換器とが相互に交換可能ではなかった。これは、磁気式スピンドル軸受を有する機械のメンテナンスおよび交換部品在庫に関して大きな欠点の原因となる。
更に、位置実際値発生器12aおよび12bは、通例、常に位置実際値のインクリメンタル信号15aおよび15bを発生し、これに対して、磁気式スピンドル軸受23の位置実際値発生器12c,12d,12e,12fおよび12gは、アナログの位置実際値信号15c,15d,15e,15fおよび15gを供給する。この理由から、従来においては、調節装置4aおよび4bが、磁気式スピンドル軸受の調節装置のためのパワーモジュール16の、例えば調節装置18cおよび18dと交換可能ではなかった。これは、既述の電力変換器の場合と同様に、メンテナンスおよび交換部品在庫に関して大きな欠点を有する。更に、駆動システムと磁気式スピンドル軸受23が分離していることによって、試運転調整時に2つの異なる方法が、ある時は駆動装置3aおよび3bのため、またある時は磁気式スピンドル軸受23のために考慮される必要がある。
それによって、試運転調整およびメンテナンスのための人的コストが著しく増大される。磁気式スピンドル軸受23の調節装置18c,18d,18e,18fおよび18gは制御装置1に対する情報交換手段を持たないために、磁気式スピンドル軸受23を、例えば振動減衰のための機械軸の運動案内に取り入れることもできない。
更に、機械の近代的な制御装置、特に数値制御装置は、インターネットを介する遠隔診断にまで広がっている多様な診断可能性を含んでいる。しかし磁気式スピンドル軸受23は通例データバス2を介して制御装置1と情報交換しないために、磁気式スピンドル軸受23を既存の診断可能性に取り入れることもできない。
したがって、本発明の課題は磁気式スピンドル軸受を駆動システムに組み込むことにある。
この課題は、データバスを介してデータ交換のために駆動装置に接続されている制御装置を含む駆動システムにおいて、駆動モータの制御のための駆動装置が駆動モータに接続されており、また、磁気式スピンドル軸受の磁気軸受の制御のための他の駆動装置が磁気軸受に接続されていることによって解決される。
本発明の様々な構成は従属の請求項に記載されている。
本発明の第一の有利な構成は、駆動装置がそれぞれ調節装置および電力変換器を有することによって特徴づけられる。駆動装置は、通例、調節装置および電力変換器を有する。
更に、一方の駆動装置および他方の駆動装置が同一のハードウェアを有することが有利であることが分かった。この措置によって、ハードウェアが統一され、本発明による駆動システムの信頼性および適用性が高められる。更に、磁気式スピンドル軸受のための調節装置および電力変換器のコストが減少する。
更に、駆動装置が電気エネルギー供給のために共通な系統電源装置に接続されていることが有利であることが分かった。これによってハードウェアの統一化およびハードウェアのコスト低減が可能にされる。
更に、他方の駆動装置の電力変換器が3相電力変換器として構成されていることが有利であることが分かった。これによってハードウェアの統一化が可能にされ、このことが駆動システムの信頼性および適用性に有利に作用し、同時に駆動システムのコストを減少させる。
この関連において、他方の駆動装置の調節装置は、電力変換器の2つの通電相が同じ大きさのしかし反対極性の電流を有するように設定されていることが有利であることが分かった。これによって、3相電力変換器を2相電力変換器のように作動させるという簡単なかつ洗練された可能性が提供される。
更に、磁気式スピンドル軸受のアナログの位置実際値信号を位置実際値のインクリメンタル信号に変換するための信号変換器が設けられていることが有利であることが分かった。これによって、インクリメンタル位置実際値を入力量として必要とする調節装置を磁気式スピンドル軸受の調節装置に使用することが可能にされる。
本発明による駆動システムは、工作機械、生産機械またはロボットにおける駆動システムとして使用するのに適している。なぜならば、これらの技術分野に磁気式スピンドル軸受が使用されるからである。しかしながら、もちろん本発明による駆動システムは他の技術分野にも使用可能である。
本発明の実施例を図面に示して、以下において詳しく説明する。図1は従来技術による駆動システムおよび磁気式スピンドル軸受を示し、図2は本発明による駆動システムを示し、図3は工作機械を示す。
図2によるブロック図には、一つの実施例の形で本発明による駆動システムが示されている。図1による従来技術から知られている実施形態に比べて、本発明による駆動システムの場合には、磁気式スピンドル軸受23が駆動システムに組み込まれている。図2による実施形態における制御装置1は、図1による実施形態と全く同じように、データ交換のためのデータバスを介して、駆動モータ7aおよび7bの制御のための両駆動装置3aおよび3bに、特にデータ交換のための調節装置4aおよび4bに接続されている。
調節装置4aおよび4bは、それぞれに付設された接続線6aおよび6bを介して、電力変換器5aおよび5bを制御する。電力変換器5aおよび5bは、それぞれに付設された3相線路8aおよび8bを介して、それぞれに付設された駆動モータ7aおよび7bを制御する。各駆動モータ7aおよび7bは、機械のそれぞれ1つの機械軸を駆動する。各駆動モータ7aおよび7bには、それぞれの位置実際値発生器12aおよび12bが付設されている。位置実際値発生器12aからは位置実際値信号15aが調節装置4aに入力量として導かれ、位置実際値発生器12bからは位置実際値信号15bが調節装置4bに入力量として導かれる。各駆動装置は調節装置および電力変換器を含むが、しかし調節装置および電力変換器は必ずしも共通なハウジング内に収納しなくてもよい。調節装置および電力変換器は、個別の構成要素の形で独立して存在していてもよい。制御装置1は、例えばデータバス2を介して調節装置4aおよび4bに位置目標値を予め与える。位置実際値15aおよび15bは、制御装置1によって予め与えられた位置目標値に応じて調節され、このようなやり方で機械軸が動かされる。
そこまでは図2による実施形態は図1の実施形態と一致している。しかしながら、図1による実施形態と違って、図2による実施形態は磁気式スピンドル軸受23が駆動システムに組み込まれている。各磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gに対して、それぞれに付設された更に別の駆動装置3c,3d,3e,3fおよび3gが、それぞれに付設された軸受11c,11d,11e,11fおよび11gの制御のために設けられている。これらの5つの駆動装置3c,3d,3e,3fおよび3gのそれぞれは、駆動装置3aおよび3bに類似して、それぞれに付設された調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gならびに電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gを有する。調節装置および電力変換器は必ずしも共通なハウジング内に収納しなくてもよく、個別の構成グループの形でも実現可能である。更に、駆動装置3c,3d,3e,3fおよび3g、特に調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gが、駆動装置3aおよび3bの場合におけると全く同じように、データ交換のためのデータバス2を介して制御装置1に接続されている。調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gは、それぞれに付設された電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gにデータ交換のために接続されていて、このことが二重矢印6c,6d,6e,6fおよび6gによって示されている。調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gが、それぞれに付設された電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gを制御する。更に、電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gが、それぞれに付設された磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gを制御する。
図2による実施形態では、磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gの制御のために用いられる他の駆動装置3c,3d,3e,3fおよび3gが、機械の機械軸の運動のための駆動モータ7aおよび7bの制御のために用いられる駆動装置3aおよび3bと同一のハードウェアを有する。この統一化されたハードウェアは従来の駆動システムに比べて本発明による駆動システムの高い信頼性および適用性をもたらす。同時に駆動装置の調達のためのコストが低減される。一貫した統一のある調節構成が試運転調整およびメンテナンスの際における人的費用を低減する。
駆動モータの制御のための市販の変換器は一般に3相に構成されている。しかし、図2による磁気式スピンドル軸受23の磁気軸受は、電気的に2相に構成されている。電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gは、2相線路8c,8d,8e,8fおよび8gを介して、それぞれに付設された磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gに接続されている。使用されない第3の相は、電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gにおいてそれぞれの線によって図2に示されている。調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gは、それぞれ、電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gの2つの通電相が同じ大きさのしかし反対極性の電流を有するように設定される。電力変換器5c,5d,5e,5fおよび5gは制御可能な電流源と見なすことができ、これらに磁気式スピンドル軸受23の磁気軸受11c,11d,11e,11fおよび11gが接続される。このやり方の場合、第3の無通電相における存在するハードウェアが利用されないが、しかし高い生産台数によって非常に安価である標準駆動装置、特に標準電力変換器が使用可能である。
調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gが、モータの調節のために一般に用いられる調節装置として構成されているならば、その都度1つの電力変換器の2つの通電相が同じ大きさのしかし反対極性の電流を有するべきであるという要求は、例えば、一般に接続されるモータの調節のための調節装置に必要な転流位相角が調節装置内において僅かのみ変化可能な固定的な値に設定されることによって簡単に達成される。この場合に固定的な転流位相角は、電力変換器の2つの相においてのみ電流が流れ、第3の相が無電流であるように選ばれる。
図2による実施例におけるように、市販の駆動装置が通例のように機械の機械軸駆動モータを制御するために使用しようとする場合、特にそれらの調節装置はしばしばインクリメンタル検出器信号しか処理できない。回転子スピンドル10の位置を測定する位置実際値検出器12c,12d,12e,12fおよび12gは、それぞれに付属するアナログの位置実際値信号15c,15d,15e,15fおよび15gを出力することから、これらは、それぞれに付設された調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gに導かれる前に、位置実際値のインクリメンタル信号24c,24d,24e,24fおよび24gに変換されなければならない。このために、アナログの位置実際値信号15c,15d,15e,15fおよび15gは、それぞれに付設された位置実際値検出器12c,12d,12e,12fおよび12gから、信号変換器14に導かれる。信号変換器14は、アナログの位置実際値信号15c,15d,15e,15fおよび15gを、位置実際値のインクリメンタル信号24c,24d,24e,24fおよび24gに変換して、それぞれに付設された調節装置4c,4d,4e,4fおよび4gに入力量として供給する。
本発明による駆動システムにおいて全ての駆動装置が制御装置1と通信することできることによって、磁気式スピンドル軸受23の幾何学的な操作範囲を能動的に運動案内に取り入れることができる。これは、例えば、工具の安定化のための能動的な振動減衰措置を実現しようとする場合に有意義である。更に、この措置によって、磁気式スピンドル軸受23の状態が全面的に制御装置1によって診断可能である。これによって、例えば工具破損監視のための方法において多額の費用なしに、磁気式スピンドル軸受23から非常に有効な情報を取り入れることが可能になる。
一貫した調節構成は、試運転調整およびメンテナンスの際における人的費用を減少させる。駆動装置の統一のあるハードウェアは、本発明による駆動システムの信頼性および適用性の向上を可能にし、同時に磁気式スピンドル軸受のための駆動装置および電力変換器の調達コストの低減を可能にする。
図2による実施例において、全ての駆動装置、とりわけ全ての電力変換器が、給電線20を介して電気エネルギー供給のために、共通の系統電源装置に接続されている。磁気式スピンドル軸受が駆動システムに組み込まれていない通常の駆動システムにおいてはしばしば、駆動モータ7aおよび7bの制御のための駆動装置3aおよび3bに対するエネルギー供給と、図1によるパワーモジュール16に対するエネルギー供給とのために、別々の系統電源装置が使用され、このことが望ましい統一のとれたハードウェアに関して不利に作用する。
図3には、本発明による駆動システム22が組み込まれている工作機械21がブロック図の形で示されている。しかしながら、工作機械21の代わりに、本発明による駆動システム22により生産機械またはロボットを構成することもできる。
従来技術による駆動システムおよび磁気式スピンドル軸受を示すブロック図 本発明による駆動システムを示すブロック図 本発明による駆動システムを組み込まれた工作機械を示す概略図
符号の説明
1 制御装置
2 データバス
3a,3b 駆動モータのための駆動装置
3c〜3g 磁気軸受のための駆動装置
4a,4b 駆動モータのための調節装置
4c〜4g 磁気軸受のための調節装置
5a,5b 駆動モータのための電力変換器
5c〜5g 磁気軸受のための電力変換器
6a〜6g 接続線
7a,7b 駆動モータ
8a,8b 駆動モータのための3相線路
8c〜8g 磁気軸受のための2相線路9
10 スピンドル回転子
11c〜11g 磁気軸受
12a,12b 駆動モータのための位置実際値検出器
12c〜12g 磁気軸受のための位置実際値検出器
14 信号変換器
15c〜15g アナログの位置実際値信号
19 系統電源装置
20 給電線
21 工作機械
22 本発明による駆動システム
23 磁気式スピンドル軸受
24c〜24g 位置実際値のインクリメンタル信号

Claims (8)

  1. データ交換のためのデータバス(2)を介して駆動装置(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g)に接続されている制御装置(1)を含む駆動システムにおいて、駆動モータ(7a,7b)の制御のための駆動装置(3a,3b)が駆動モータ(7a,7b)に接続されていて、磁気式スピンドル軸受(23)の磁気軸受(11c,11d,11e,11f,11g)の制御のための他の駆動装置(3c,3d,3e,3f,3g)が磁気軸受(11c,11d,11e,11f,11g)に接続されていることを特徴とする駆動システム。
  2. 駆動装置(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g)が、それぞれ調節装置(4c,4d,4e,4f,4g)および電力変換器(5c,5d,5e,5f,5g)を有することを特徴とする請求項1記載の駆動システム。
  3. 一方の駆動装置(3a,3b)および他方の駆動装置(3c,3d,3e,3f,3g)が、同一のハードウェアを有することを特徴とする請求項1乃至2の1つに記載の駆動システム。
  4. 駆動装置(3a,3b,3c,3d,3e,3f,3g)が、電気エネルギー供給のために、共通な系統電源装置(19)に接続されていることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の駆動システム。
  5. 他方の駆動装置(3c,3d,3e,3f,3g)の電力変換器(5c,5d,5e,5f,5g)が3相電力変換器として構成されていることを特徴とする請求項2記載の駆動システム。
  6. 他方の駆動装置(3c,3d,3e,3f,3g)の調節装置(4c,4d,4e,4f,4g)は、電力変換器(5c,5d,5e,5f,5g)の2つの通電相が同じ大きさのしかし反対極性の電流を有するように設定されていることを特徴とする請求項2又は5記載の駆動システム。
  7. 磁気式スピンドル軸受(23)のアナログの位置実際値信号(15c,15d,15e,15f,15g)を位置実際値のインクリメンタル信号(24c,24d,24e,24f,24g)に変換するための信号変換器(14)が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の駆動システム。
  8. 請求項1乃至7の1つに記載の駆動システムを備えた工作機械(21)、生産機械またはロボット。
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