WO2002026438A2 - Gearless integrated spindle drive for an industrial machine tool - Google Patents

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WO2002026438A2 PCT/DE2001/003674 DE0103674W WO0226438A2 WO 2002026438 A2 WO2002026438 A2 WO 2002026438A2 DE 0103674 W DE0103674 W DE 0103674W WO 0226438 A2 WO0226438 A2 WO 0226438A2
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    • B23Q2220/006—Spindle heads

Definitions

  • the invention relates to a gearless, integrated spindle drive for an industrial processing machine, in particular for a numerically controlled machine tool, with a main spindle and a main spindle motor assigned to it, with a first driven pivot axis and with at least one further pivot axis for positioning the main spindle.
  • integrated spindle drives are designed as spindle heads with integrated A-axis and C-axis, as well as spindle motors with gears.
  • Servomotors are usually used for this.
  • a conventional design has a C-axis, which is realized by a servo motor with gear transmission, while the A-axis has another servo motor with belt transmission and downstream gear transmission.
  • the main disadvantage here is that there is a so-called “soft” point between the respective motor as an actuator and the actually driven axis, especially the machining tool rigidly coupled to the axis. This results in poor mechanical rigidity, which is undesirable is.
  • this object is achieved by an integrated spindle drive for driving and for positioning. nation of a main spindle with a first driven swivel axis and with at least one further swivel axis for positioning the main spindle, the first and the second swivel axis being directly drivable via respectively assigned high-pole permanent magnet excited synchronous motors and the respective permanent magnet excited rotor being integrated into the respective swivel axis.
  • first pivot axis is arranged perpendicular to the second pivot axis and the second pivot axis is arranged perpendicular to the main spindle.
  • the second pivot axis is integrated in the first pivot axis and is interrupted by the main spindle and is divided into two partial axes lying on a line.
  • the two partial axes are rigidly connected and coupled via the first swivel axis.
  • a multi-pole permanent magnet synchronous motor is assigned to at least one partial axis.
  • a further advantageous embodiment of the gearless, integrated spindle drive according to the invention is distinguished by a particularly simple and therefore inexpensive implementation, in that an encoder system is assigned only to the partial axis having the high-pole permanent magnet-excited synchronous motor.
  • a further advantageous embodiment of the gearless integrated spindle drive according to the invention provides for synchronization of the high-pole, permanent magnet-excited synchronous motors assigned to the two partial axes via a configuration as master and slave or parallel connection.
  • the motor with the encoder system acts as the master motor, to which the slave motor is synchronized.
  • a gantry arrangement can be selected. However, a separate measuring system is required for each partial axis.
  • Torque motors have proven to be particularly suitable as multi-pole permanent magnet synchronous motors, in particular versions with low speeds and high torque.
  • Such suitable torque motors are e.g. offered by the Swiss company ETEL (for more information, see website http://www.etel.ch/dds/tma).
  • a particularly compact design can be achieved if each rotor of a torque motor is built directly on the shaft of the corresponding swivel axis.
  • the poles or Partial poles are magnetized on the corresponding shaft to generate an excitation field, the shaft itself serves as a rotor.
  • a shrink ring with permanent magnets for generating an excitation field can be mounted on the corresponding shaft.
  • the embodiment according to the invention thus does not require a gearbox and enables greater mechanical rigidity through directly driven swivel axes. In addition, a more compact structure is made possible with the same performance.
  • Such a gearless, integrated spindle drive can be used advantageously, in particular, in numerically controlled machine tools.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a gearless spindle drive with two swivel axes and drive via torque motors.
  • the longitudinal section shown in the illustration according to FIG. 1 through an exemplary gearless spindle drive according to the invention has two pivot axes, a C-axis C and an A-axis A.
  • a C-axis C has two pivot axes, a C-axis C and an A-axis A.
  • the A-axis is also divided into two sub-axes AI and A2. This enables a particularly compact structure.
  • a drive attachment B is shown, which is installed, for example, permanently or can represent a slide.
  • a first swivel axis is introduced therein, the C axis C (rough hatching).
  • the C axis C is rotatably connected to the drive mounting B via a bearing LG1, usually a fixed bearing, and is driven by a first torque motor Ml.
  • a torque motor is a brushless, multi-pole, permanent magnet-excited synchronous motor (for more information, see the information on the website above).
  • the C-axis is guided as a circular shaft Wl through a corresponding hole in the drive mounting B.
  • Stator of this first torque motor Ml is housed in the area of this bore around the shaft Wl in the drive mounting B.
  • the stand is constructed so that it has a high number of pole pairs.
  • the rotor L 1 corresponding to this stator is formed by the shaft W 1 of the C axis itself.
  • the permanent magnets required to generate an excitation field are applied directly to the shaft W1.
  • a shrink ring (not shown) with permanent magnets applied to the shaft W1, so that this ring comes to lie exactly below the stator winding.
  • the poles or partial poles can also be magnetized onto the shaft.
  • the tolerances are to be dimensioned such that an effective air gap is established between the surface of the permanent magnets and the inner surface of the stator. It goes without saying that the permanent magnets must be matched to the stator winding with regard to the desired high number of pole pairs.
  • the C axis has a U-shaped fork (ü) in the region adjacent to the shaft W1.
  • the space within this isosceles fork serves to accommodate the main spindle H with the corresponding main spindle drive HM.
  • This is usually a permanent magnet synchronous motor (1FE1) or an asynchronous motor (1PH2).
  • the main spindle H with drive HM is supported by a second swivel axis A, the A axis, in the fork above the C axis.
  • the fork U has respective bores in both legs for receiving the A axis. Due to the space required by the main spindle H with the main spindle drive HM, the A-axis is divided into two partial axes AI and A2 (closely hatched), which are however fixed to each other via a rigid connection V (closely hatched).
  • This rigid connection V also carries the main spindle drive HM with the main spindle H.
  • the main spindle and the A axis with the partial axes AI and A2 are arranged perpendicular to one another.
  • the A axis is also arranged perpendicular to the C axis.
  • each partial axis AI or A2 is arranged in the respective leg of the fork ü like the C-axis in the machine attachment B.
  • the partial axis A2 consists of a shaft, which in turn takes over the function of the rotor L2 of a torque motor M2.
  • the shaft of the partial axis in the area of the stator winding has poles or sub-poles to generate the excitation field and accordingly in turn serves as rotor L2.
  • the other partial axis AI has the same structure in the opposite leg of the fork ü.
  • the partial axis AI forms a further torque motor M3 with the stator winding there and the property as rotor L3.
  • Both partial axes AI and A2 are slidably mounted in the fork U via respective bearings LG2 and LG3.
  • At least one bearing should be designed as a fixed bearing.
  • the second bearing can then be designed as a floating bearing.
  • positions can also occur due to operational reasons that can result in strong forces on this floating bearing, it is advisable to provide fixed bearings for both bearings LG2, LG3.
  • a single torque motor is also sufficient to drive the A-axis, in which case the other partial axis is only slidably supported in the fork U.
  • the embodiment shown in FIG. 1 with two torque motors M2 and M3 is recommended in order to achieve the greatest possible torque and to be able to apply correspondingly greater forces.
  • At least one partial axis must have an encoder system G, here the partial axis A2. However, it must then be ensured that the connection of the two partial axes has sufficient rigidity. In this case, an encoder system G that is capable of supplying current, speed and position signals to a higher-level controller (not shown) is sufficient. Above all, this can be a numerical control. If these conditions are not met, separate encoder systems should be available for both partial axes A2, A3 or both torque motors M2, M3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Dynamo-Electric Clutches, Dynamo-Electric Brakes (AREA)

Abstract

The invention relates to a gearless integrated spindle drive for driving and positioning a main spindle having two driven pivotal axles, which can be directly driven via respectively assigned synchronous motors, especially torque motors, which have a large number of poles and which are excited by permanent magnets, and the respective rotor, which is excited by permanent magnets, is integrated inside the respective pivotal axle. This ensues by shrinking a shrink ring, which is provided with permanent magnets, onto the shaft or by magnetizing poles/partial poles on the shaft.

Description

Beschreibungdescription
Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle BearbeitungsmaschineGearless, integrated spindle drive for an industrial processing machine
Die Erfindung betrifft einen getriebelosen integrierten Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit einer Hauptspindel und einem dieser zugeordneten Haupt- spindelmotor, mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse zur Positionierung der Hauptspindel.The invention relates to a gearless, integrated spindle drive for an industrial processing machine, in particular for a numerically controlled machine tool, with a main spindle and a main spindle motor assigned to it, with a first driven pivot axis and with at least one further pivot axis for positioning the main spindle.
Herkömmlicherweise werden integrierte Spindelantriebe als Spindelköpfe mit integrierter A-Achse und C-Achse sowie Spindelmotoren mit Getrieben ausgeführt. Dazu werden in der Regel Servomotoren eingesetzt.Conventionally, integrated spindle drives are designed as spindle heads with integrated A-axis and C-axis, as well as spindle motors with gears. Servomotors are usually used for this.
So hat beispielsweise ein herkömmlicher Aufbau eine C-Achse, die durch einen Servomotor mit Zahnradgetriebe realisiert ist, während die A-Achse über einen weiteren Servomotor mit Riemengetriebe und nachgeordnetem Zahnradgetriebe verfügt.For example, a conventional design has a C-axis, which is realized by a servo motor with gear transmission, while the A-axis has another servo motor with belt transmission and downstream gear transmission.
Dabei besteht vor allem der Nachteil, dass zwischen dem je- weiligen Motor als Stellglied und der eigentlich angetriebenen Achse, vor allem dem starr mit der Achse gekoppelten Bearbeitungswerkzeug, eine sogenannte „weiche" Stelle besteht. Dadurch erhält man eine schlechte mechanische Steifigkeit, was unerwünscht ist.The main disadvantage here is that there is a so-called “soft” point between the respective motor as an actuator and the actually driven axis, especially the machining tool rigidly coupled to the axis. This results in poor mechanical rigidity, which is undesirable is.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen integrierten Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine zu schaffen, der ohne ein Getriebe auskommt und der eine verbesserte mechanische Steifigkeit besitzt.It is therefore an object of the present invention to provide an integrated spindle drive for an industrial processing machine which does not require a gear and which has an improved mechanical rigidity.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen integrierten Spindelantrieb zum Antrieb und zur Positio- nierung einer Hauptspindel mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse zur Positionierung der Hauptspindel gelöst, wobei die erste und die zweite Schwenkachse direkt über jeweils zugeordnete hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren antreibbar sind und der jeweilige permanentmagneterregte Läufer in die jeweilige Schwenkachse integriert ist.According to the present invention, this object is achieved by an integrated spindle drive for driving and for positioning. nation of a main spindle with a first driven swivel axis and with at least one further swivel axis for positioning the main spindle, the first and the second swivel axis being directly drivable via respectively assigned high-pole permanent magnet excited synchronous motors and the respective permanent magnet excited rotor being integrated into the respective swivel axis.
Dadurch wird unter anderem erreicht, dass eine Lageregelung direkt an der anzutreibenden Masse möglich wird, was zu einer verbesserten mechanischen Steifigkeit führt.This ensures, among other things, that position control is possible directly on the mass to be driven, which leads to improved mechanical rigidity.
Dabei erweist es sich im Hinblick auf die Realisierung einer einfachen Lageregelung als vorteilhaft, wenn die erste Schwenkachse senkrecht zur zweiten Schwenkachse und die zweite Schwenkachse senkrecht zur Hauptspindel angeordnet ist.With regard to the implementation of a simple position control, it proves to be advantageous if the first pivot axis is arranged perpendicular to the second pivot axis and the second pivot axis is arranged perpendicular to the main spindle.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die zweite Schwenkachse in die erste Schwenkachse integriert ist und durch die Hauptspindel unterbrochen in zwei auf einer Linie liegende Teilachsen unterteilt ist. Die beiden Teilachsen sind steif verbunden und über die erste Schwenkachse gekoppelt. Mindestens einer Teilachse ist dabei ein hochpoliger permanentmagneterregter Synchronmotor zugeordnet.It has also proven to be advantageous if the second pivot axis is integrated in the first pivot axis and is interrupted by the main spindle and is divided into two partial axes lying on a line. The two partial axes are rigidly connected and coupled via the first swivel axis. A multi-pole permanent magnet synchronous motor is assigned to at least one partial axis.
Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau eines getriebelosen integrierten Spindelantriebs möglich.This enables a particularly compact design of a gearless, integrated spindle drive.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des getriebelosen in- tegrierten Spindelantriebs nach der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfache und damit kostengünstige Realisierung aus, indem nur der den hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor aufweisenden Teilachse ein Gebersystem zugeordnet ist.A further advantageous embodiment of the gearless, integrated spindle drive according to the invention is distinguished by a particularly simple and therefore inexpensive implementation, in that an encoder system is assigned only to the partial axis having the high-pole permanent magnet-excited synchronous motor.
Im Hinblick auf die Erzielung eines besonders erwünschten hohen Drehmoments hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, beide Teilachsen über synchronlaufende jeweilige hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren anzutreiben.With regard to achieving a particularly desired high torque, it has proven to be advantageous to drive both partial axes via synchronous running respective high-pole permanent magnet excited synchronous motors.
Dadurch wird das maximal erzielbare Drehmoment verdoppelt.This doubles the maximum torque that can be achieved.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des getriebelosen integrierten Spindelantriebs nach der Erfindung sieht eine Synchronisierung der den beiden Teilachsen zugeordneten hochpo- ligen permanentmagneterregten Synchronmotoren über eine Kon- figuration als Master und Slave oder Parallelschaltung vor.A further advantageous embodiment of the gearless integrated spindle drive according to the invention provides for synchronization of the high-pole, permanent magnet-excited synchronous motors assigned to the two partial axes via a configuration as master and slave or parallel connection.
Dabei fungiert der das Gebersystem aufweisende Motor als Master-Motor, auf den der Slave-Motor synchronisiert wird.The motor with the encoder system acts as the master motor, to which the slave motor is synchronized.
Bei einer steifen Anordnung der beiden Teilachsen muss nur ein Gebersystem vorhanden sein und die Motorwicklungen können parallel geschaltet werden.With a rigid arrangement of the two partial axes, only one encoder system is required and the motor windings can be connected in parallel.
Liegt hingegen nur eine „weiche" Verbindung der Teilachsen vor, so kann eine Gantry-Anordnung gewählt werden. Dabei ist jedoch für jede Teilachse ein getrenntes Messsystem erforderlich.If, on the other hand, there is only a "soft" connection of the partial axes, a gantry arrangement can be selected. However, a separate measuring system is required for each partial axis.
Als besonders geeignet haben sich Torque-Motoren als hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren erwiesen, insbe- sondere Ausführungen mit geringen Drehzahlen und hohem Drehmoment .Torque motors have proven to be particularly suitable as multi-pole permanent magnet synchronous motors, in particular versions with low speeds and high torque.
Solche geeigneten Torque-Motoren werden z.B. von der Schweizer Firma ETEL angeboten (nähere Informationen siehe Inter- net-Seite http://www.etel.ch/dds/tma).Such suitable torque motors are e.g. offered by the Swiss company ETEL (for more information, see website http://www.etel.ch/dds/tma).
Dabei hat sich ein Aufbau jedes Torque-Motors in Polspultechnik als günstig erwiesen.Here, the construction of every torque motor using pole winding technology has proven to be inexpensive.
Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich erreichen, wenn jeder Läufer eines Torque-Motors direkt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse aufgebaut ist. Indem die Pole oder .Teilpole zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf der entsprechenden Welle aufmagnetisiert sind, dient die Welle selbst als Läufer.A particularly compact design can be achieved if each rotor of a torque motor is built directly on the shaft of the corresponding swivel axis. By the poles or Partial poles are magnetized on the corresponding shaft to generate an excitation field, the shaft itself serves as a rotor.
Alternativ kann auch ein Schrumpfring mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf die entsprechende Welle aufgezogen werden.Alternatively, a shrink ring with permanent magnets for generating an excitation field can be mounted on the corresponding shaft.
Die erfindungsgemäße Ausführung kommt somit ohne Getriebe aus und ermöglicht durch direkt angetriebene Schwenkachsen eine höhere mechanische Steifigkeit. Hinzu kommt, dass ein kompakterer Aufbau bei gleicher Leistungsfähigkeit ermöglicht wird.The embodiment according to the invention thus does not require a gearbox and enables greater mechanical rigidity through directly driven swivel axes. In addition, a more compact structure is made possible with the same performance.
Ein solcher getriebeloser integrierter Spindelantrieb lässt sich vor allem in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen vorteilhaft einsetzten.Such a gearless, integrated spindle drive can be used advantageously, in particular, in numerically controlled machine tools.
Weitere Vorteile und Details zu der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand des folgenden bevorzugten Ausführungs- beispiels und im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt dieFurther advantages and details of the present invention result from the following preferred exemplary embodiment and in connection with the figures. The shows
FIG 1 einen Längsschnitt durch einen getriebelosen Spindelantrieb mit zwei Schwenkachsen und Antrieb über Torque- Motoren.1 shows a longitudinal section through a gearless spindle drive with two swivel axes and drive via torque motors.
Der in der Darstellung nach FIG 1 gezeigte Längsschnitt durch einen beispielhaften getriebelosen Spindelantrieb nach der Erfindung weist zwei Schwenkachsen auf, eine C-Achse C und eine A-Achse A. Bei dem gezeigten besonders vorteilhaftenThe longitudinal section shown in the illustration according to FIG. 1 through an exemplary gearless spindle drive according to the invention has two pivot axes, a C-axis C and an A-axis A. In the particularly advantageous shown
Aufbau ist die A-Achse zudem in zwei Teilachsen AI und A2 unterteilt. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau.The A-axis is also divided into two sub-axes AI and A2. This enables a particularly compact structure.
Dazu ist eine Antriebsbefestigung B gezeigt, welches etwa fest installiert ist oder aber einen Schlitten darstellen kann. Darin ist eine erste Schwenkachse eingebracht, die C- Achse C (grobe Schraffur) . Die C-Achse C ist über ein Lager LG1, in der Regel ein Festlager, mit der Antriebsbefestigung B drehbar verbunden und wird über einen ersten Torque-Motor Ml angetrieben.For this purpose, a drive attachment B is shown, which is installed, for example, permanently or can represent a slide. A first swivel axis is introduced therein, the C axis C (rough hatching). The C axis C is rotatably connected to the drive mounting B via a bearing LG1, usually a fixed bearing, and is driven by a first torque motor Ml.
Bei einem Torque-Motor handelt es sich um einen bürstenlosen hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (zu näheren Informationen dient die obige Angabe der Internet-Seite) .A torque motor is a brushless, multi-pole, permanent magnet-excited synchronous motor (for more information, see the information on the website above).
Die C-Achse ist als kreisrunde Welle Wl durch eine entspre- chende Bohrung in der Antriebsbefestigung B geführt. DerThe C-axis is guided as a circular shaft Wl through a corresponding hole in the drive mounting B. The
Ständer dieses ersten Torque-Motors Ml ist im Bereich dieser Bohrung um die Welle Wl in der Antriebsbefestigung B untergebracht. Der Ständer ist dabei so aufgebaut, dass dieser über eine hohe Polpaarzahl verfügt.Stator of this first torque motor Ml is housed in the area of this bore around the shaft Wl in the drive mounting B. The stand is constructed so that it has a high number of pole pairs.
Der zu diesem Ständer korrespondierende Läufer Ll wird durch die Welle Wl der C-Achse selbst gebildet. Dazu sind die zur Erzeugung eines Erregerfeldes erforderlichen Permanentmagnete direkt auf die Welle Wl aufgebracht.The rotor L 1 corresponding to this stator is formed by the shaft W 1 of the C axis itself. For this purpose, the permanent magnets required to generate an excitation field are applied directly to the shaft W1.
Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, einen Schrumpfring (nicht gezeigt) mit aufgebrachten Permanentmagneten auf die Welle Wl aufzuziehen, so dass dieser Ring exakt unterhalb der Ständerwicklung zu liegen kommt. Alternativ können die Pole oder Teilpole auch auf die Welle aufmagnetisiert sein.One possibility for this is to mount a shrink ring (not shown) with permanent magnets applied to the shaft W1, so that this ring comes to lie exactly below the stator winding. Alternatively, the poles or partial poles can also be magnetized onto the shaft.
Dabei sind die Toleranzen so zu bemessen, dass sich ein effektiver Luftspalt zwischen der Oberfläche der Permanentmagneten und der Ständerinnenfläche einstellt. Selbstverständ- lieh sind die Permanentmagnete auf die Ständerwicklung abzustimmen hinsichtlich der erwünscht hohen Polpaarzahl.The tolerances are to be dimensioned such that an effective air gap is established between the surface of the permanent magnets and the inner surface of the stator. It goes without saying that the permanent magnets must be matched to the stator winding with regard to the desired high number of pole pairs.
Die C-Achse besitzt nach der FIG 1 im weiteren an die Welle Wl angrenzenden Bereich eine U-förmige Gabel (ü) . Der Raum innerhalb dieser gleichschenkligen Gabel dient zur Aufnahme der Hauptspindel H mit dem entsprechenden Hauptspindelantrieb HM. Dies ist in der Regel ein permanentmagneterregter Synchronmotor (1FE1) oder ein Asynchronmotor (1PH2) .According to FIG. 1, the C axis has a U-shaped fork (ü) in the region adjacent to the shaft W1. The space within this isosceles fork serves to accommodate the main spindle H with the corresponding main spindle drive HM. This is usually a permanent magnet synchronous motor (1FE1) or an asynchronous motor (1PH2).
Die Hauptspindel H mit Antrieb HM ist über eine zweite Schwenkachse A, die A-Achse, in der Gabel ü der C-Achse gelagert.The main spindle H with drive HM is supported by a second swivel axis A, the A axis, in the fork above the C axis.
Dazu weist die Gabel U in beiden Schenkeln jeweilige Bohrungen zur Aufnahme der A-Achse auf. Aufgrund des Platzbedarfs durch die Hauptspindel H mit Hauptspindelantrieb HM ist die A-Achse in zwei Teilachsen AI und A2 (eng schraffiert) geteilt, welche jedoch über eine steife Verbindung V (eng schraffiert) miteinander fixiert sind.For this purpose, the fork U has respective bores in both legs for receiving the A axis. Due to the space required by the main spindle H with the main spindle drive HM, the A-axis is divided into two partial axes AI and A2 (closely hatched), which are however fixed to each other via a rigid connection V (closely hatched).
Diese steife Verbindung V trägt auch den Hauptspindelantrieb HM mit der Hauptspindel H. Dabei sind die Hauptspindel und die A-Achse mit den Teilachsen AI und A2 senkrecht zueinander angeordnet. Ebenso ist die A-Achse senkrecht zur C-Achse angeordnet. Zwar bestehen grundsätzlich auch Möglichkeiten für Anordnungen mit anderen Winkeln, jedoch ist der damit verbundene Aufwand im Hinblick auf eine Steuerung sehr viel höher als bei einer Wahl von rechtwinkligen Anordnungen wie in der Darstellung nach FIG 1.This rigid connection V also carries the main spindle drive HM with the main spindle H. The main spindle and the A axis with the partial axes AI and A2 are arranged perpendicular to one another. The A axis is also arranged perpendicular to the C axis. In principle, there are also possibilities for arrangements with other angles, but the effort involved with regard to control is much higher than when selecting right-angled arrangements as in the illustration according to FIG. 1.
Jede Teilachse AI oder A2 ist vom Prinzip genauso in dem jeweiligen Schenkel der Gabel ü angeordnet wie die C-Achse in der Maschinenbefestigung B.In principle, each partial axis AI or A2 is arranged in the respective leg of the fork ü like the C-axis in the machine attachment B.
Dazu soll der Aufbau im Bezug auf die Teilachse A2 erläutert werden. Die Teilachse A2 besteht aus einer Welle, die wiederum die Funktion des Läufers L2 eines Torque-Motors M2 übernimmt.For this purpose, the structure in relation to the partial axis A2 will be explained. The partial axis A2 consists of a shaft, which in turn takes over the function of the rotor L2 of a torque motor M2.
In die Bohrung des Schenkels der Gabel U zur Aufnahme der Teilachse A2 ist - wie bereits im Zusammenhang mit der C-In the bore of the leg of the fork U for receiving the partial axis A2 is - as already in connection with the C-
Achse geschildert - die Ständerwicklung eingebracht. Die Welle der Teilachse im Bereich der Ständerwicklung weist Pole oder Teilpole zur Erzeugung des Erregerfeldes auf und dient dementsprechend wiederum als Läufer L2.Axis outlined - the stator winding introduced. The shaft of the partial axis in the area of the stator winding has poles or sub-poles to generate the excitation field and accordingly in turn serves as rotor L2.
Den gleichen Aufbau besitzt die andere Teilachse AI im gege- nüberliegenden Schenkel der Gabel ü. Die Teilachse AI bildet mit der dortigen Ständerwicklung und der Eigenschaft als Läufer L3 einen weiteren Torque-Motor M3.The other partial axis AI has the same structure in the opposite leg of the fork ü. The partial axis AI forms a further torque motor M3 with the stator winding there and the property as rotor L3.
Beide Teilachsen AI und A2 sind über jeweilige Lager LG2 und LG3 in der Gabel U gleitend gelagert. Dabei sollte zumindest ein Lager als Festlager ausgebildet sind. Das zweite Lager kann dann als Loslager ausgestaltet sein. Da jedoch betriebsbedingt auch Positionen auftreten können, die starke Kräfte auf dieses Loslager zur Folge haben können, empfiehlt es sich, für beide Lager LG2, LG3 Festlager vorzusehen.Both partial axes AI and A2 are slidably mounted in the fork U via respective bearings LG2 and LG3. At least one bearing should be designed as a fixed bearing. The second bearing can then be designed as a floating bearing. However, since positions can also occur due to operational reasons that can result in strong forces on this floating bearing, it is advisable to provide fixed bearings for both bearings LG2, LG3.
Zwar reicht für einfache Anwendungen auch ein einzelner Torque-Motor zum Antrieb der A-Achse aus, wobei dann die andere Teilachse nur gleitend in der Gabel U gelagert ist. Jedoch empfiehlt sich die in FIG 1 gezeigte Ausführung mit zwei Torque-Motoren M2 und M3, um ein möglichst großes Drehmoment zu erzielen und entsprechend größere Kräfte aufbringen zu können.For simple applications, a single torque motor is also sufficient to drive the A-axis, in which case the other partial axis is only slidably supported in the fork U. However, the embodiment shown in FIG. 1 with two torque motors M2 and M3 is recommended in order to achieve the greatest possible torque and to be able to apply correspondingly greater forces.
Zur Lageregelung muss mindestens eine Teilachse über ein Gebersystem G verfügen, hier die Teilachse A2. Dann muss jedoch gewährleistet sein, dass die Verbindung der beiden Teilachsen eine ausreichende Steifigkeit aufweist. In diesem Fall reicht ein Gebersystem G, das in der Lage ist, Strom-, Drehzahl- und Lagesignale an eine übergeordnete Steuerung (nicht gezeigt) zu liefern. Dies kann vor allem eine numerische Steuerung sein. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, dann sollten für beide Teilachsen A2, A3 bzw. beide Torque-Motoren M2, M3 getrennte Gebersysteme vorhanden sein.For position control, at least one partial axis must have an encoder system G, here the partial axis A2. However, it must then be ensured that the connection of the two partial axes has sufficient rigidity. In this case, an encoder system G that is capable of supplying current, speed and position signals to a higher-level controller (not shown) is sufficient. Above all, this can be a numerical control. If these conditions are not met, separate encoder systems should be available for both partial axes A2, A3 or both torque motors M2, M3.
Als Richtwert für die Dimensionierung der einzelnen Torque- Motoren Ml bis M3 hat sich ein Spitzen-Moment von 1000 Nm als -sinnvoll erwiesen. Der dafür erforderliche Spindelmotor hat eine Leistung von ca. 30 bis 40 kW. As a guideline for the dimensioning of the individual torque motors Ml to M3, a peak torque of 1000 Nm has been found proven sensibly. The spindle motor required for this has an output of approx. 30 to 40 kW.

Claims

Patentansprüche claims
1. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb für eine industrielle Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit einer Hauptspindel (H) und einem dieser zugeordneten Hauptspindelmotor (HM) , mit einer ersten angetriebenen Schwenkachse (C) und mit mindestens einer weiteren Schwenkachse (A) zur Positionierung der Hauptspindel (H) , wobei jede Schwenkachse (C, A) direkt über einen jeweils zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (M1,M2) antreibbar ist und der jeweilige permanentmagneterregte Läufer (Ll,L2) in die jeweilige Schwenkachse (A,C) integriert ist.1. Gearless integrated spindle drive for an industrial processing machine, in particular for a numerically controlled machine tool, with a main spindle (H) and a main spindle motor (HM) assigned to it, with a first driven pivot axis (C) and with at least one further pivot axis (A) Positioning of the main spindle (H), whereby each swivel axis (C, A) can be driven directly via an assigned, multi-pole permanent magnet excited synchronous motor (M1, M2) and the respective permanent magnet excited rotor (Ll, L2) is integrated into the respective swivel axis (A, C) is.
2. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 1, wobei die erste Schwenkachse (C) senkrecht zu einer zweiten Schwenkachse und die zweite Schwenkachse (A) senkrecht zur Hauptspindel (H) angeordnet ist.2. Gearless integrated spindle drive according to claim 1, wherein the first pivot axis (C) is arranged perpendicular to a second pivot axis and the second pivot axis (A) perpendicular to the main spindle (H).
3. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schwenkachse (A) in die erste Schwenkachse (C) integriert ist und durch die Hauptspindel (H) unterbrochen in zwei auf einer Linie liegende Teilachsen (A1,A2) unterteilt ist, wobei die beiden Teilachsen (AI, A2) steif verbunden sind und über die erste Schwenkachse (C) gekoppelt sind, wobei mindestens einer Teilachse (A2) ein hoch- poliger permanentmagneterregter Synchronmotor (M2) zugeordnet ist.3. Gearless integrated spindle drive according to claim 1 or 2, wherein the second pivot axis (A) is integrated in the first pivot axis (C) and is interrupted by the main spindle (H) divided into two partial axes (A1, A2) lying on a line, wherein the two partial axes (AI, A2) are rigidly connected and are coupled via the first pivot axis (C), at least one partial axis (A2) being assigned a high-pole synchronous motor (M2) excited by permanent magnets.
4. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3, wobei der den hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotor (M2) aufweisenden Teilachse (A2) ein Gebersystem (G) zugeordnet ist.4. Gearless integrated spindle drive according to claim 3, wherein the multi-axis permanent magnet excited synchronous motor (M2) having partial axis (A2) is associated with an encoder system (G).
5. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 3 oder 4, wobei beide Teilachsen über synchronlaufende jeweili- 5. Gearless integrated spindle drive according to claim 3 or 4, wherein both partial axes over synchronously running respective
.ge hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren (M2,M3) verfügen..ge multi-pole permanent magnet excited synchronous motors (M2, M3).
6. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 5, wobei die Synchronisierung der den beiden Teilachsen (A1,A2) zugeordneten hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmotoren (M2,M3) über eine Konfiguration als Master und Slave oder Parallelschaltung erfolgt, wobei der das Gebersystem aufweisende Motor (M2) als Master-Motor fungiert.6. Gearless integrated spindle drive according to claim 5, wherein the synchronization of the high-pole permanent magnet excited synchronous motors (M2, M3) assigned to the two partial axes (A1, A2) takes place via a configuration as master and slave or parallel connection, the motor (M2) having the encoder system acts as the master motor.
7. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als hochpolige permanentmagneterregte Synchronmotoren (M1,M2,M3) Torque-Motoren vorgesehen sind, insbesondere Ausführungen mit geringen Drehzah- len und hohem Drehmoment.7. Gearless, integrated spindle drive according to one of the preceding claims, torque motors being provided as multi-pole, permanent magnet-excited synchronous motors (M1, M2, M3), in particular designs with low speeds and high torque.
8. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7, wobei jeder Torque-Motor (M1,M2,M3) in Polspultechnik aufgebaut ist.8. Gearless integrated spindle drive according to claim 7, wherein each torque motor (M1, M2, M3) is constructed in pole coil technology.
9. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1,M2,M3) direkt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse (C,A,A1, A2) aufgebaut ist, indem die Pole oder Teilpole zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf der entsprechenden Welle aufmagneti- siert sind.9. Gearless integrated spindle drive according to claim 7 or 8, wherein each rotor of a torque motor (M1, M2, M3) is built directly on the shaft of the corresponding pivot axis (C, A, A1, A2) by using the poles or partial poles Generation of an excitation field are magnetized on the corresponding shaft.
10. Getriebeloser integrierter Spindelantrieb nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder Läufer eines Torque-Motors (M1,M2,M3) di- rekt auf der Welle der entsprechenden Schwenkachse (C,A,A1,10. Gearless integrated spindle drive according to claim 7 or 8, wherein each rotor of a torque motor (M1, M2, M3) directly on the shaft of the corresponding pivot axis (C, A, A1,
A2) aufgebaut ist, indem ein Schrumpfring mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregerfeldes auf die entsprechende Welle aufgezogen ist.A2) is constructed by mounting a shrink ring with permanent magnets on the corresponding shaft to generate an excitation field.
11. Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem getriebelosen integrierten Spindelantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche. 11. Numerically controlled machine tool with a gearless integrated spindle drive according to one of the preceding claims.
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