DE10200488B4 - Intelligent tool head for use in machine tools - 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.Intelligent tool head for use in machine tools with a stationary base body (side S) and a rotating tool shaft (side R) equipped with a controllable motor and a data transmission device, between which a contactless inductive transmission of electrical energy and data takes place by coupling separated from each other by a narrow air gap, which are designed on the standing side S as partial rings, the transmission of electrical energy and data taking place in a separate partial ring, characterized in that the control of the rotating side R during the work process by a bidirectional Control electronics takes place, which consists of a control electronics unit SEES located on the upright side S and a control electronics unit SEER located on the rotating side R, which has at least four separate, logical, each un has one-way channels and the data arising from these channels is combined via a physical unit, e.g. An FSK modulator / demodulator with crossover and inductive rotation transmitter, transmits and presents the drive unit, which is housed in the rotating tool head, to a higher-level drive control (e.g. CNC) as if it were directly connected and would not move via permanent multi-channel bidirectional digital data communication.
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.The invention relates to a device according to the generic term of claim 1. In particular, the invention relates to a intelligent, i.e. while controllable of the work process. Tool head for use in machine tools, which is a contactless transmission from electrical energy from a standing to a rotating one Side and the reliable bidirectional transmission of data between a standing and a rotating side guaranteed. The transferable electrical Sufficient energy to e.g. on the rotating side a medium-sized electric motor to operate or a complex electronic circuit with voltage to supply. The transferable data rate must be enough to control complex electronic systems on the rotating Ensure side. Furthermore, the device should be compact. and the usual process for machine tools support for lateral tool change.
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
(
Eine weitere bekannte Einrichtung
(
Die Realisierung eines solchen Systems
benötigt
aber eine Ansteuerung der Energie- und Datenübertragungseinrichtung. In
Ferner sind Lösungen für Messwertübertragung zwischen einem rotierenden
Messwertumformer und einer stationären Auswerteschaltung bekannt
(
Bei einer weiteren bekannten Einrichtung (
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.The invention is based on this the task for control electronics so the proposed tool head write that it works bidirectionally and multichannel, but not contains several separate inductive circuits. there The control electronics must not be susceptible to faults. So that can the tool head for use in machine tools during the work process control flexibly and proves to be an intelligent facility out.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 4.The solution to the problem arises by the features of claims 1 to 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.According to claim 1, the intelligent tool head for the Use in machine tools with a stationary body (page S) and one with equipped with a controllable motor rotating tool shank (side R), between which a contactless inductive transmission of electrical energy and data by coupling them separated from each other with a narrow air gap takes place, which are designed as partial rings on the standing side S, being the transfer of electrical energy and data each in a separate sub-ring is done as follows built up.
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.The control of the rotating side R during of the work process is carried out by control electronics that control electronics unit located on the upright side S. SEES and a control electronics unit located on the rotating side R SEER exists, and which is the bidirectional transfer of data between the standing side S and the rotating side R as well as the preparation and regulation of for the rotating drive unit required electrical energy guaranteed.
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.These units present the higher-level drive control with a drive unit housed in the rotating tool head as if it were an ordinary, directly connected, non-moving drive system. It is implemented in such a way that the electronics on the one hand are those of a CNC control coming manipulated variable prepared (as an analog signal) and transmitted to the rotating drive unit, on the other hand that the electronics prepares the feedback about the actual position of the drive unit (e.g. as a defferential incremental encoder signal) and transmits it in the opposite direction, i.e. to the CNC control. In addition, this electronics enables the transmission of digital input signals (e.g. from a PLC control) to the rotating drive unit and digital output signals (which provide information about the internal status of the rotating drive unit) to the CNC or PLC control.
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.This is done via four separate, logical, each unidirectional channels, which are summarized because of their different medium frequencies and without mutual interference a physical unit, e.g. an FSK modulator / demodulator with Crossover and inductive rotation transmitter, in digital form constantly transmitted can be. It is conceivable for further logical, in each case unidirectional channels for the additional information transfer to use.
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.For this, according to claim 2 three of at least four channels a bidirectional control electronics for data transmission in the direction of used side S, one for the control messages and two more for the incremental encoder signals A and B, and the fourth channel as an analog output towards the rotating side R for motor control.
Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Elektronik ist die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie.Another important property This electronics is the preparation and control for the rotating Drive unit needed electrical energy.
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.According to claim 3, the conversion of electrical energy and the electronic signals on both the standing side as well as on the rotating side with greater reliability guaranteed. To achieve this, this conversion is done by a microcontroller controlled or monitored, the microcontroller of the standing side all processes within of the system controls and is responsible for the information exchange with the rotating side and with the machine control, and the microcontroller of the rotating side all processes in the tool head controls and is responsible for the Exchange of information with the standing page.
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.
- - The tool head is not only controlled, but monitored during the work process via feedback of control loop sizes and adapted to the currently arising demand.
- - The energy requirement is measured on the rotating side and regulated on the standing side.
- - The reliability of the control (and thus also the monitoring) of the electrical energy and the electronic signals is guaranteed by the use of communicating microcontrollers on both the standing and the rotating side.
Die Einzelheiten der Erfindung werden
im nachfolgenden Ausführungsbeispiel
anhand der
Die
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
Die übertragene elektrische Energie
wird benötigt,
um den Elektromotor
Das Blockschaltbild des Gesamtsystems
ist in der
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.The bidirectional data transmission between stationary Side S and rotating side R are made using four separate logic Channels, the physical to a transmission unit be summarized. The four logical channels are each unidirectional.
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.about the first channel receives the manipulated variable and other commands (e.g. dependent of the digital input signals that can come from a PLC) the standing side S to the rotating side R.
Der zweite Kanal überträgt Kontrollmeldungen (z.B. Motorspannung, Referenzsensor, Temperatur) von der rotierenden Seite R zur stehenden Seite S.The second channel transmits control messages (e.g. Motor voltage, reference sensor, temperature) from the rotating side R to the standing side S.
Kanal
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.The signals are transmitted via all four channels in digital form, with the help of FSK (Frequency Shift Keying) modulator and demodulator technology. The center frequencies of the individual channels are different and so can this about appropriate crossovers to a physical transmission channel together become.
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.The conversion of electrical energy and electronic signals is carried out on both the standing side S and on the rotating side R each controlled or monitored by a microcontroller. The conversion or preparation of the electrical energy on the standing side S is carried out with a regulated generator. The regulated generator is implemented with H-power bridges connected in parallel, which are controlled by the microcontroller. The control is carried out by pulse width modulation (PWM) of a square wave signal. The square-wave signal from constant diagonal polarity reversal of the supply voltage in the H-power bridges is converted with downstream filters into the optimal sinusoidal signal for the rotary transformer.
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.about the height the needed Power the rotating side R informs the stationary side S with digitally coded data transmission via the meant for Return information channel. In this way, regulation can be implemented that covers the entire transmission path (regulated generator, rotary transformer, Motor) is taken into account.
Die Blindleistungskompensation wird
auf der stehenden Seite S durch den Kondensator
Auf der rotierenden Seite R wird der sinusförmige Strom gleichgerichtet und der Stromversorgung für Motor und Elektronik zugeführt.On the rotating side R becomes the sinusoidal Power rectified and supplied to the power supply for the motor and electronics.
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 Kanal2 (rotierend → stehend) zum Austausch von Stellgröße, Meldungen, Kommandos und Werten. - – Bedienen des seriellen Debugginb-Interface (RS232) für Inbetriebnahme und Diagnosezwecke.
- - Operation of the digital inputs / outputs to exchange messages with the machine control (PLC, CNC).
- - Control of an AD converter for reading in the motor control variable that was specified by the machine control.
- - Reading out and processing the counter value of the quadrature decoder for error detection.
- - Control of the frequency and power of the regulated generator for the transmission of electrical energy to the rotating side R of the system (via a PWM signal).
- - Communication with the rotating side R via channel
1 (standing → rotating) and channel2 (rotating → standing) for the exchange of manipulated variable, messages, commands and values. - - Operation of the serial debugging interface (RS232) for commissioning and diagnostic purposes.
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.
- - Detection of the motor voltage (via an integrated ADC) and its transmission to the stationary side S via the channel
2 , - - Detection of the temperature of the circuit board (via a temperature sensor and integrated ADC) and its transmission to the standing side S via the channel
2 , - - Receiving the motor control variable via the channel
1 and their transfer to the engine control system (to a CPLD). - - Reading out the absolute angle between the motor stator and rotor from the resolver interface and transmission to the upright side S via the channel
2 , - - Preassignment (PRESST) of the motor control CPLD with the angle between the motor stator and rotor.
- - Exchange of other messages and commands between rotating and standing side 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.So that is reliability control and monitoring of electrical energy and electronic signals both on the standing side S as well as on the rotating side R. guarantees the use of communicating microcontrollers.
- Fig.lFig.l
- Seitenansichtsideview
- Fig.2Fig.2
- DraufsichtTop view
- Fig. 3FIG. 3
- Blockschaltbild des GesamtsystemsBlock diagram of the overall system
- SS
- stationäre Einheit der Einrichtungstationary unit the facility
- RR
- rotierende Einheit der Einrichtungrotating Unit of the facility
- SEESSEES
- Steurungselektronikeinheit in der stehenden Seite SSteurungselektronikeinheit in the standing page S
- SEERSEER
- Steurungselektronikeinheit in der rotierenden Seite RSteurungselektronikeinheit in the rotating side R
- 11
- Spulen zur induktiven Übertragung von Energie und DatenDo the washing up for inductive transmission of energy and data
- 22
- Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektrischer Energieferrite on the rotating unit for the transfer of electrical energy
- 33
- Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von Datenferrite on the rotating unit for the transfer of data
- 44
- Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektrischerFerrite ring segment on the stationary Unit for the transfer of electrical
- Energieenergy
- 55
- Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von DatenFerrite ring segment on the stationary Unit for the transfer of data
- 66
- Kondensator zur Blindleistungskompensationcapacitor for reactive power compensation
- 77
- Elektromotorelectric motor
Claims (4)
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Publication number | Publication date |
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DE10200488A1 (en) | 2003-07-24 |
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