DE10200488B4 - Intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen - Google Patents

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Abstract

Intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einem, mit einem steuerbaren Motor und einer Datenübertragungseinrichtung ausgerüsteten, rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen denen eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten stattfindet, mittels Kopplung von voneinander durch einen schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkernen, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses durch eine bidirektionale Steuerungselektronik erfolgt, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befindenden Steuerungselektronikeinheit SEES und einer sich auf der rotierenden Seite R befindenen Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, die über mindestens vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle verfügt und die von diesen Kanälen entstehenden Daten zusammengefaßt über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, überträgt und über ständige mehrkanalige bidirektionale digitale Datenkommunikation die, im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte, Antriebseinheit einer übergeordneten Antriebssteuerung (z.B. CNC) so präsentiert, als wäre sie direkt angeschlossen und würde sich nicht bewegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen intelligenten, d.h. während des Arbeitsprozesses steuerbaren. Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, der eine kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden zu einer rotierenden Seite und die zuverlässige bidirektionale Übertragung von Daten zwischen einer stehenden und einer rotierenden Seite gewährleistet. Dabei muß die übertragbare elektrische Energie ausreichen, um auf der rotierenden Seite z.B. einen mittelgroßen Elektromotor zu betreiben bzw. eine komplexe elektronische Schaltung mit Spannung zu versorgen. Die übertragbare Datenrate muß ausreichen, um die Steuerung von komplexen elektronischen Systemen auf der rotierenden Seite zu gewährleisten. Des weiteren soll die Einrichtung kompakt sein. und das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum seitlichen Werkzeugwechsel unterstützen.
  • Es ist bekannt, daß für die kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden Seite zu einer rotierenden Seite und zur Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite und einer rotierenden Seite zwei getrennte Übertragungssysteme benutzt werden können ( DE 195 38 528 C2 ). Diese Einrichtung widerspricht jedoch der Forderung, das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum Werkzeugwechsel zu unterstützen. Sie erlaubt keine seitliche Zuführung des Werkzeuge an die Spannvorrichtung der Werkzeugaufnahme, da der Ferritkörper der stehenden Seite als Vollring im Verfahrweg der Werkzeugzuführung liegt. Die Werkzeugzuführung kann bei dieser Einrichtung nur von unten erfolgen, was den Werkzeugwechsel erheblich komplizierter macht.
  • Eine weitere bekannte Einrichtung ( DE 43 30 820 A1 ) kann die kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einem stationären und einem rotierenden System gewährleisten. Dieses System erlaubt eine Ausführung des Ferritkörpers auf stationärer Seite sowohl als Vollring als auch als Teilring.
  • Die Realisierung eines solchen Systems benötigt aber eine Ansteuerung der Energie- und Datenübertragungseinrichtung. In DE 199 60 350 A1 ist ein allgemeiner Vorschlag beschrieben, die Ansteuerung der Stromversorgung und der Datenübertragung an der Sekundärseite mittels einer Steuerungselektronik durchzuführen, ohne dass hierzu detaillierte Angaben gemacht worden sind. Darüber hinaus reicht nur die Ansteuerung der Energie- und Datenübertragung nicht aus, um den Werkzeugkopf währen des Arbeitsprozesses zu kontrollieren und flexibel dem aktuell entstehenden Bedarf anzupassen.
  • Ferner sind Lösungen für Messwertübertragung zwischen einem rotierenden Messwertumformer und einer stationären Auswerteschaltung bekannt ( DE 100 17 266 C1 ). Der sich nur auf der rotierenden Seite befindende Mikroprozessor ist hier nur für die Speicherung und für späteres Abrufen verschiedener Ein- und Ausgangsdaten, Abfrageprogramme und Fehlermeldungen zuständig, nicht aber für eine ständige ununterbrochene mehrkanalige digitale Datenkommunikation und geschlossene Regelung zwischen der rotierenden und stehender Seite.
  • Bei einer weiteren bekannten Einrichtung ( DE 195 32 043 A1 ) sind zwar sowohl auf der rotierenden als auch auf der stehenden Seite Mikroprozessoren untergebracht und diese können über die Kontaktfreie Verbindung Signale senden und empfangen, allerdings ohne Angaben über den Zweck, die Art und Häufigkeit der Signalübertragung.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde für den vorgeschlagenen Werkzeugkopf eine Steuerungselektronik so zu verfassen, dass sie bidirektional und mehrkanalig arbeitet, aber nicht mehrere voneinander getrennte induktive Stromkreise enthält. Dabei darf die Steuerungselektronik nicht störungsanfällig sein. Damit läßt sich der Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen während des Arbeitsprozesses flexibel steuern und weist sich als eine intelligente Einrichtung aus.
  • Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 4.
  • Gemäß Anspruch 1 wird der intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einer mit einem steuerbaren Motor ausgerüsteten rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen deren eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten mittels der Kopplung von den voneinander mit einem schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkerne stattfindet, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, folgendermaßen aufgebaut.
  • Die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses erfolgt durch eine Steuerungselektronik, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befinden Steuerungselektronikeinheit SEES und eine sich auf der rotierenden Seite R befinden Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, und die die bidirektionale Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite S und der rotierenden Seite R sowie die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie gewährleistet.
  • Diese Einheiten präsentieren der übergeordneten Antriebssteuerung eine im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte Antriebseinheit so, ob sie ein gewöhnliches, direkt angeschlossenes, sich nicht bewegendes Antriebssystem wäre. Es ist so realisiert, dass die Elektronik einerseits die von einer CNC-Steuerung kommende Stellgröße (als analoges Signal) aufbereitet und zur rotierenden Antriebseinheit überträgt, andererseits, dass die Elektronik die Rückmeldung über die Istposition der Antriebseinheit (z.B. als defferentielles Inkrementalgebersignal) aufbereitet und in die entgegengesetzte Richtung, d.h. zur CNC-Steuerung, überträgt. Zusätzlich ermöglicht diese Elektronik die Übertragung digitaler Eingangssignale (die z.B. von einer SPS-Steuerung stammen) zur rotierenden Antriebseinheit und digitale Ausgangssignale (die Aufschluss über die internen Zustände der rotierenden Antriebseinheit geben) zur CNC- oder SPS-Steuerung.
  • Dies geschieht über vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle, die wegen ihrer unterschiedlichen Mittelfrequenzen zusammengefasst und ohne gegenseitige Beeinflussung über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, in digitaler Form ständig übertragen werden können. Es ist denkbar weitere logische, jeweils unidirektionale Kanäle für die zusätzliche Informationübertragung zu nutzen.
  • Dafür werden gemäß Anspruch 2 drei von mindestens vier Kanälen einer bidirektionalen Steuerungselektronik für die Datenübertragung in Richtung der stehenden Seite S benutzt, davon eine für die Kontrollmeldungen und zwei weitere für die Inkrementalgebersignale A und B, und der vierte Kanal als Analogausgang in Richtung der rotierenden Seite R für die Motorsteuerung.
  • Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Elektronik ist die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie.
  • Gemäß Anspruch 3 wird die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite als auch auf der rotierenden Seite mit größer Zuverlässigkeit gewährleistet. Um das zu erreichen, wird diese Umwandlung jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht, wobei der Mikrokontroller der stehenden Seite alle Abläufe innerhalb des Systems steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite und mit der Maschinensteurung ist, und der Mikrokontroller der rotierenden Seite alle Abläufe im Werkzeugkopf steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite ist.
  • Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen intelligenten Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen folgende Verbesserungen:
    • – Der Werkzeugkopf wird nicht nur angesteuert, sondern während des Arbeitsprozesses über Rückführung von Regelkreis-Größen überwacht und dem aktuell entstehenden Bedarf angepaßt.
    • – Der Energiebedarf wird in der rotierenden Seite gemessen, und auf der stehenden Seite geregelt.
    • – Die Zuverlässigkeit der Ansteuerung (und damit auch der Überwachung) der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller sowohl auf der stehenden als auch auf der rotierenden Seite gewährleistet.
  • Die Einzelheiten der Erfindung werden im nachfolgenden Ausführungsbeispiel anhand der 1, 2 und 3 erläutert.
  • Die 1 zeigt die Seitenansicht und die 2 die Draufsicht einer schematischen Darstellung des intelligenten Werkzeugkopfs.
  • Der intelligente Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit kontaktloser Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einer stehenden Seite S und einer rotierenden Seite R umfaßt die Spulen 1 zur induktiven Übertragung von Energie und Daten. Diese Spulen sind eingebettet in Ferritring 2 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von elektrischer Energie, Ferritring 3 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von Daten, Ferritring-Segment 4 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von elektrischer Energie und in Ferritring-Segment 5 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von Daten.
  • Die übertragene elektrische Energie wird benötigt, um den Elektromotor 7 und die Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu versorgen.
  • Das Blockschaltbild des Gesamtsystems ist in der 3. dargestellt.
  • Die bidirektionale Datenübertragung zwischen stationärer Seite S und rotierender Seite R erfolgt über vier getrennte logische Kanäle, die physikalisch zu einer Übertragungseinheit zusammengefasst werden. Die vier logischen Kanäle sind jeweils unidirektional.
  • Über den ersten Kanal gelangen Stellgröße und sonstige Kommandos (z.B. abhängig von den digitalen Eingangssignalen, die von einer SPS kommen können) von der stehenden Seite S zur rotierenden Seite R.
  • Der zweite Kanal überträgt Kontrollmeldungen (z.B. Motorspannung, Referenzsensor, Temperatur) von der rotierenden Seite R zur stehenden Seite S.
  • Kanal 3 und Kanal 4 sind für die Übertragung der Inkrementalgebersignale A und B von der rotierenden R zur stehenden Seite S vorgesehen.
  • Die Übertragung der Signale erfolgt über alle vier Kanäle in digitaler Form, mit Hilfe FSK (Frequency Shift Keying) Modulator- und Demodulator-Technik. Die Mittelfrequenzen der einzelnen Kanale sind verschieden und so können diese über entsprechende Frequenzweichen zu einem physikalischen Übertragungskanal zusammengeführt werden.
  • Die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht. Die Umwandlung bzw. Aufbereitung der elektrischen Energie auf der stehenden Seite S erfolgt mit einem geregelten Generator. Der geregelte Generator wird mit parallel geschalteten H-Leistungsbrücken realisiert, die vom Mikrokontroller gesteuert werden. Die Steuerung wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) eines Rechtecksignals vorgenommen. Das Rechtecksignal aus ständiger diagonaler Umpolung der Versorgungsspannung in den H-Leistungsbrücken wird mit nachgeschalteten Filtern in das für den Rotationsübertrager optimale Sinussignal umgewandelt.
  • Über die Höhe der benötigten Leistung informiert die rotierende Seite R die stationäre Seite S mit digital kodierter Datenübertragung über den dafür vorgesehenen Rückinformationskanal. Dadurch kann eine Regelung realisiert werden, die die gesamte Übertragungsstrecke (geregelter Generator, Rotationsübertrager, Motor) berücksichtigt.
  • Die Blindleistungskompensation wird auf der stehenden Seite S durch den Kondensator 6 (2) realisiert, um die entstehende Verlustwärme zu verringern und eine Kompaktheit der Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu ermöglichen.
  • Auf der rotierenden Seite R wird der sinusförmige Strom gleichgerichtet und der Stromversorgung für Motor und Elektronik zugeführt.
  • Der Mikrokontroller der stehenden Seite S steuert alle Abläufe innerhalb des Systems und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite R und mit der restlichen Umgebung. Er hat unter anderem folgende Aufgaben:
    • – Bedienen der digitalen Ein/Ausgänge zum Austausch von Meldungen mit der Maschinensteuerung (SPS, CNC).
    • – Ansteuerung eines AD-Wandlers zum Einlesen der Motorstellgröße, die von der Maschinensteuerung vorgegeben wurde.
    • – Auslesen und Verarbeiten des Zählerwertes des Quadratur-Decoders zur Fehlererkennung.
    • – Steuerung der Frequenz und der Leistung des geregelten Generators für die Übertragung der elektrischen Energie zur rotierenden Seite R des Systems (über ein PWM Signal).
    • – Kommunikation mit der rotierenden Seite R über Kanal 1 (stehend → rotierend) und Kanal 2 (rotierend → stehend) zum Austausch von Stellgröße, Meldungen, Kommandos und Werten.
    • – Bedienen des seriellen Debugginb-Interface (RS232) für Inbetriebnahme und Diagnosezwecke.
  • Der Mikrokontroller der rotierenden Seite R steuert alle Abläufe im Werkzeugkopf und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite S. Er hat unter anderem folgende Aufgaben:
    • – Erfassen der Motorspannung (über einen integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
    • – Erfassen der Temperatur der Leiterplatte (über einen Temperatursensor und integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
    • – Empfang der Motorstellgröße über den Kanal 1 und deren Weitergabe an die Motorsteuerung (an ein CPLD).
    • – Auslesen des Absoluten Winkels zwischen Motorstator und -rotor aus dem Resolverinterface und Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
    • – Vorbelegen (PRESST) des Motor-Ansteuer-CPLDs mit dem Winkel zwischen Motorstator und Rotor.
    • – Austausch von sonstigen Meldungen und Befehlen zwischen rotierender und stehender Seite S.
  • Damit wird die Zuverlässigkeit der Ansteuerung und auch der Überwachung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller gewährleistet.
    • Fig.l
    Seitenansicht
    Fig.2
    Draufsicht
    Fig. 3
    Blockschaltbild des Gesamtsystems
    S
    stationäre Einheit der Einrichtung
    R
    rotierende Einheit der Einrichtung
    SEES
    Steurungselektronikeinheit in der stehenden Seite S
    SEER
    Steurungselektronikeinheit in der rotierenden Seite R
    1
    Spulen zur induktiven Übertragung von Energie und Daten
    2
    Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektrischer Energie
    3
    Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von Daten
    4
    Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektrischer
    Energie
    5
    Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von Daten
    6
    Kondensator zur Blindleistungskompensation
    7
    Elektromotor

Claims (4)

  1. Intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einem, mit einem steuerbaren Motor und einer Datenübertragungseinrichtung ausgerüsteten, rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen denen eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten stattfindet, mittels Kopplung von voneinander durch einen schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkernen, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses durch eine bidirektionale Steuerungselektronik erfolgt, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befindenden Steuerungselektronikeinheit SEES und einer sich auf der rotierenden Seite R befindenen Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, die über mindestens vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle verfügt und die von diesen Kanälen entstehenden Daten zusammengefaßt über eine physikalische Einheit, z.B. ein FSK Modulator/Demodulator mit Frequenzweiche und induktivem Rotationsübertrager, überträgt und über ständige mehrkanalige bidirektionale digitale Datenkommunikation die, im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte, Antriebseinheit einer übergeordneten Antriebssteuerung (z.B. CNC) so präsentiert, als wäre sie direkt angeschlossen und würde sich nicht bewegen.
  2. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei von mindestens vier Kanälen einer bidirektionalen Steurungselektronik für die Datenübertragung in Richtung der stehenden Seite S benutzt werden, davon ein für die Kontrollmeldungen und zwei weitere für die Inkrementalgebersignale A und B, und der vierte Kanal als Analogausgang in Richtung der rotierenden Seite R für die Motorregelung.
  3. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht wird, wobei der Mikrokontroller der stehenden Seite S alle Abläufe innerhalb des Systems steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite R und mit der Maschinensteurung ist, und der Mikrokontroller der rotierenden Seite R alle Abläufe im Werkzeugkopf steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite S ist.
  4. Intelligenter Werkzeugkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen geschlossenen Regelungskreis bildet, der die von der Temperatur und mechanischen Gegebenheiten (z.B. Luftspalt) abhängige Übertragungseigenschaften des induktiven Rotationsübertragers ständig überwacht, eventuelle Änderungen ausgleicht und im Fehlerfall die im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte Antriebseinheit abschaltet.
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