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Die
Erfindung betrifft eine mehrspindelige Werkzeugmaschine, insbesondere
einen Mehrspindeldrehautomat, mit einer an einem Maschinengestell
drehschaltbar gelagerten Spindeltrommel, die mit mehreren drehbar
gelagerten Arbeitsspindeln versehen ist, denen an der Spindeltrommel
angeordnete, regelbare Antriebsmotoren zugeordnet sind, wobei für den Antriebsmotor
Regel- und Stromzufuhreinrichtungen vorgesehen sind.
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Mehrspindelige
Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehautomaten werden zunehmend häufig anstelle
mit einem gemeinsamen Antrieb für
alle Arbeitsspindeln unter Zwischenschaltung von Getrieben mit eigenen
Antriebsmotoren für
die einzelnen Arbeitsspindeln versehen. Die separaten Antriebe für die Arbeitsspindeln
haben den Vorteil, daß sie
eine individuelle Regelung der Drehgeschwindigkeit und -richtung
der Spindeln in allen Arbeitsstellungen erlauben, was bei den rein
mechanischen Antrieben über
eine gemeinsame Antriebswelle in der Spindelachse und daran angeschlossenen
Getrieben nicht oder nur in sehr eingeschränktem Maße möglich ist.
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Es
sind bereits mehrspindelige Werkzeugmaschinen mit Einzelantrieben
für die
einzelnen Arbeitsspindeln vorgeschlagen worden, bei denen die Antriebsmotoren
direkt an der Spindeltrommel angeordnet sind, wobei dann für jeden
Antriebsmotor der zu seinem Betrieb erforderliche Strom vom stationären Teil
der Maschine, also dem Maschinenrahmen, über Schleifringkupplungen an
der Spindeltrommelwelle übertragen
werden muß.
Auch die für
die Re gelung der einzelnen Motoren erforderlichen, an den Arbeitsspindeln
in den verschiedenen Trommelstellungen abgegriffenen Istwertsignale
für die
dem stationären
Maschinenteil zugeordnete Regeleinrichtung und die von dieser erzeugten
Stellsignale werden über
Schleifringkontakte übermittelt.
Die für
den Betrieb einer solchen Maschine erforderliche Anzahl von Schleifringkontakten
ist sehr groß;
entsprechend groß ist
auch der Verschleiß bei
den Schleifringen und die Störanfälligkeit
solcher Maschinen.
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Um
die hohe Anzahl von Schleifringkontakten bei Mehrspindelmaschinen
zu reduzieren, wurde durch die
DE 34 28 861 A1 vorgeschlagen, die Istwerte
der Betriebszustände
der einzelnen Arbeitsspindeln nicht an der schaltbaren Spindeltrommel selbst,
sondern durch am stationären
Maschinenteil an den einzelnen Arbeitspositionen der Spindeln angeordnete
Sensoren zu erfassen. Zwar kann dadurch die Anzahl der Schleifringkontakte
zwischen Maschinenrahmen und Spindeltrommel verringert werden; diese
Lösung
hat jedoch den Nachteil, daß während des
Weiterschaltens der Spindeltrommel die Antriebe nicht geregelt betrieben
werden können,
da die Istwerterfassungssensoren ortsfest am Maschinenrahmen sind
und während
des Schaltvorgangs die Betriebszustände der Arbeitsspindeln nicht
ermitteln können.
Nach Weiterschalten der Spindeltrommel kann die Weiterbearbeitung
der Werkstücke
daher erst dann wieder aufgenommen werden, wenn die Arbeitsspindeln
in den Erfassungsbereich der Sensoren gelangt und die Istwerte auf
die jeweiligen Sollwerte eingeregelt sind. Durch diese längeren Nebenzeiten
der Maschine vergrößern sich
die Herstellungskosten der Werkstücke.
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Aus
der
DE 30 25 638 A1 ist
eine Werkzeugmaschine mit mehreren Arbeitsspindeln bekannt, die zur
Vermeidung von Schleifringkontakten flexible Kabelverbindungen zwischen
feststehendem und rotierendem Maschinenteil einsetzt, um eine stetige
Verbindung von der Stromversorgung und Regeleinrichtung zu den Arbeitspindeln
zu ermöglichen.
Diese Lösung
hat jedoch den Nachteil, daß der Drehwinkel der
Spindeltrommel bzw. des dort dargestellten Schalttisches beschränkt ist
und die Trommel immer wieder zurückgeschaltet
werden muß,
um die Kabelverbindung wieder abzuwickeln. Darüber hinaus wird die Kabelverbindung
bei dieser Lösung
mechanisch stark beansprucht und kann bereits nach vergleichsweise
kurzer Einsatzdauer der Maschine brechen oder anderweitig beschädigt sein.
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Aus
der
DE 195 28 341
C1 ist eine Werkzeugmaschine mit Regel- und Stromzufuhreinrichtungen bekannt,
die an einem feststehenden Maschinenteil angeordnet sind. Die in
dieser Druckschrift als "CNC-Steuerung" bezeichneten Regel-
und Stromzufuhreinrichtungen haben einen stationären Signalgeber, der die Signale
von der CNC-Steuerung berührungslos
an einen an der Spindeltrommel angeordneten Empfänger zu der Arbeitsspindel übermittelt,
die sich in der Bearbeitungsposition befindet, für die die CNC-Steuerung vorgesehen
ist. Während
eines Drehschaltvorgangs der Spindeltrommel ist eine Datenübertragung
zwischen dem Signalgeber und dem an der Trommel angeordneten Empfänger bei dieser
bekannten Maschine nicht möglich.
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Aus
der
DE 34 28 861 A1 ist
es bekannt, Sensoranordnungen für
die einzelnen Arbeitsspindeln fest an der Spindeltrommel eines Mehrspindel-Drehautomaten
anzuordnen. Die von den Sensoranordnungen ermittelten Werte werden
bei dieser bekannten Anordnung über
Anschlußleitungen
zu einer Sendeeinheit am hinteren Wellenende der Spindeltrommel
geleitet und dort über
Schleifringe aus der drehenden Anordnung ausgespeist, um von externen
Regeleinrichtungen (Auswerteeinrichtungen) weiterverarbeitet werden
zu können.
Die von den Auswerteeinrichtungen dann erzeugten Sollwerte werden
ebenfalls extern angeordneten Stromzufuhreinrichtungen zugeleitet
und die Stromzufuhr für
die einzelnen Antriebsmotoren muß wiederum über eine Vielzahl von Schleifringkontakten
erfolgen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine mehrspindelige Werkzeugmaschine der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß damit die vorgenannten Nachteile
vermieden werden und eine zuverlässige Regelung
und Stromversorgung der Antriebsmotoren auch während des Schaltvorgangs der
Spindeltrommel gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die die Regeleinrichtungen
aus den einzelnen Arbeitsspindeln zugeordneten Istwerterfassungseinrichtungen
und aus mit diesen verbundenen Regeleinheiten bestehen und daß die Istwerterfassungseinrichtungen
und die Regeleinheiten sowie die Stromzufuhreinrichtungen an einem
gemeinsamen Träger
angeordnet sind, der zusammen mit der Spindeltrommel in Positionen
drehschaltbar ist, die den verschiedenen Arbeitsstellungen der Arbeitsspindeln
entsprechen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann
darauf verzichtet werden, für
jede Arbeitsspindel bzw. deren Antriebsmotor die bislang erforderlichen
drei Schleifringkontakte für
die Stromversorgung und bis zu fünf
Schleifringkontakte für
die Übermittlung
der Istwerte und Stellsignale für
die Motorenregelung vorzusehen, da die Stromzufuhreinrichtungen,
die Istwerterfassungseinrichtungen und die mit diesen verbundenen
Regeleinrichtungen nicht länger am
stationären
Maschinenteil angeordnet sind, sondern gemeinsam mit der Spindeltrommel
bzw. den Antriebsspindeln weitergeschaltet werden und dadurch fest
mit diesen verbunden sein können.
Zwar ist es nach wie vor erforderlich, den Strom zum Betrieb der
Antriebsmotoren sowie der zugehörigen
Regel- und Stromzufuhreinrichtungen sowie ggf. die Sollwerte für die Motorenregelung
vom feststehenden in den drehenden Maschinenteil zu übertragen; die
Anzahl der hierfür
erforderlichen Drehkupplungselemente wie beispielsweise Schleifringkontakte
ist aber sehr gering, da nur eine gemeinsame Zuführung für Strom und ein Bus für die Sollwert-Datenübertragung
für alle
Arbeitsspindeln vorgesehen werden muß.
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Die
Regeleinheiten können über eine
Signalübertragungseinrichtung
an einem am feststehenden Maschinenteil angeordneten Sollwertgeber
anschließbar
sein. Die Signalübertragungseinrichtung weist
hierzu vorzugsweise eine mit den Regeleinheiten verbundene Signalleiteranordnung
auf, die über eine
Kupplungseinrichtung mit Signalleitern vom Sollwertgeber verbindbar
ist.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die Signalleiteranordnung in der als Hohlwelle ausgeführten Spindeltrommelwelle
angeordnet ist. Die Kupplungseinrichtung kann dann eine Schleifringeinrichtung sein,
die an der Spindeltrommelwelle angeordnet ist. Alternativ ist es
ebenso möglich,
daß die
Kupplungseinrichtung aus einer Funksignalstrecke besteht oder eine
optische Datenübertragungsstrecke
ist. Bei Verwendung einer Funksignalstrecke werden die zwischen
feststehendem Maschinenteil und den mit der Spindeltrommel umlaufenden
Regeleinrichtungen auszutauschenden Daten per Funk, als berührungslos übertragen,
wodurch dieser Teil der Maschine praktisch verschleißfrei arbeitet.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupplungseinrichtung
im wesentlichen auch aus Infrarotempfangs- und Sendeteilen bestehen,
die einerseits am feststehenden Maschinenteil und andererseits an
der drehschaltbaren Spindeltrommel bzw. deren Welle angeordnet sind.
Bei Übertragung der
Daten auf optischem weg besteht die Signalleiteranordnung vorzugsweise
im wesentlichen aus mindestens einem Lichtwellenleiter, wobei die
Kupplungseinrichtung ein zentrisch bzw. konzentrisch zur Spindeltrommelachse
angeordneter optischer Drehübertrager
ist. Auch diese Anordnung für
die Datenübertragung
zwischen dem feststehenden Maschinenteil und der schaltbaren Trommel
ist besonders einfach und zuverlässig.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Antriebsmotor
eine Stromzufuhreinrichtung zugeordnet ist, die von einer zugehörigen Stromregeleinrichtung
regelbar ist. Die Stromzufuhreinrichtungen können Einspeisegeräte zur Erzeugung
von Gleich strom für
einen Gleichstromzwischenkreis aufweisen, die bevorzugt ebenfalls
an dem gemeinsamen Träger
bzw. der Spindeltrommel angebracht sind. Alternativ können die
Einspeisegeräte
für die Erzeugung
des erforderlichen Gleichstroms aber auch am Maschinengestell oder
einem anderen stationären
Maschinenteil angeordnet sein.
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Vorzugsweise
weisen die Stromzufuhreinrichtungen auch Umrichtergeräte, bevorzugt
mit Vektorregelung zur Erzeugung von Wechselstrom auf, der für den Betrieb
der Antriebsmotoren üblicherweise
benötigt
wird. Die Stromzufuhreinrichtungen können über an der Spindeltrommel einerseits
und am feststehenden Maschinengestell andererseits angeordnete Schleifringeinrichtungen
an eine externe Energieversorgung angeschlossen sein. Dabei ist
es besonders zweckmäßig, wenn
die Schleifringeinrichtungen an der Spindeltrommelwelle angeordnet
sind oder an dieser angreifen.
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Alternativ
zur Schleifringeinrichtung ist es auch denkbar, die Stromzufuhreinrichtungen über Induktionskoppeleinrichtungen
an die externe Energieversorgung anzuschließen, also auch hier eine berührungslose
und somit verschleißfreie
Verbindung zwischen feststehendem und drehendem Maschinenteil zu
schaffen.
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Mit
der Erfindung ist es in besonders einfacher Weise möglich, auch
inkrementelle Lagemeßsysteme
bei den Istwerterfassungseinrichtungen zum Einsatz zu bringen, wobei
nicht nur die Regeleinrichtungen, sondern auch die Lagemeßsysteme gemeinsam
am drehenden Maschinenteil angeordnet und auf kürzestem Weg miteinander verbunden sein
können.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der Zeichnung, anhand derer eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert wird. Es zeigt:
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1 einen
Mehrspindeldrehautomat nach der Erfindung in einer stark vereinfachten
Seitenansicht, teilweise im Schnitt; und
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2 einen
detaillierten Längsschnitt
der Spindeltrommel eines erfindungsgemäßen Mehrspindeldrehautomaten
nach 1.
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Der
in 1 stark vereinfacht dargestellte Mehrspindeldrehautomat 10 weist
in bekannter Weise ein Maschinengestell 11 auf, in dem
eine Spindeltrommel 12 drehschaltbar gelagert ist. Die
Spindeltrommel 12 ist mit mehreren, beispielsweise sechs Arbeitsspindeln 13 versehen,
die gleichmäßig über den
Umfang der Spindeltrommel 12 verteilt angeordnet sind.
Jeder Arbeitsspindel 13 ist ein eigener Antriebsmotor 14 zugeordnet,
bei denen es sich bevorzugt um vektorgesteuerte Wechselstrommotoren handelt.
Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die einzelnen Arbeitsspindeln
selbst unmittelbar die Welle 15 des zugehörigen Antriebsmotors
bilden, wodurch eine besonders platzsparende Anordnung an der Trommel
erreicht wird.
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Um
den Betrieb und die Regelung der Antriebsmotoren zu ermöglichen,
sind für
jeden Motor Regeleinrichtungen 16 und Stromzufuhreinrichtungen 17 vorgesehen,
die nur in 2 schematisch dargestellt sind
und die mit einem dem feststehenden Maschinengestell 11 zugeordneten
Schaltschrank 18 verbunden sind.
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Wie
sich aus 2 ergibt, sind die Regeleinrichtungen 16 und
die Stromzufuhreinrichtungen 17 unmittelbar an der Spindeltrommel 12 angeordnet,
so daß sie
beim Weiterschalten der Spindel trommel gemeinsam mit dieser weiterbewegt
werden und ihre relative Lage zu den zugehörigen Arbeitsspindeln bzw.
Antriebsmotoren immer beibehalten. Zu den Regeleinrichtungen gehören hierbei
den einzelnen Arbeitsspindeln 13 zugeordnete Istwerterfassungseinrichtungen 19,
die als Inkremental-Drehgeber ausgestaltet sein können, sowie
mit den Istwerterfassungseinrichtungen verbundene Regeleinheiten 20. Die
Regeleinheiten 20 sind über
eine Signalübertragungseinrichtung,
nämlich
einen Datenbus 21 an einen am Schaltschrank 18 angeordneten
Sollwertgeber 22 angeschlossen. Hierzu ist die den Datenbus 21 bildende
Signalleiteranordnung 23 durch die als Hohlwelle ausgebildete
Spindeltrommelwelle 24 geführt, die an ihrem hinteren
Ende 25 mit einer Kupplungseinrichtung 26 versehen
ist, an die die Signalleiter 27 vom Sollwertgeber 22 angeschlossen
sind.
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Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kupplungseinrichtung
eine Schleifringeinrichtung, wobei für die Übertragung der Sollwerte vom
Sollwertgeber zu den verschiedenen Regeleinheiten für die verschiedenen
Arbeitspindeln bereits zwei Schleifringabnehmer ausreichend sind. Bei
alternativen Ausführungsformen
kann die Kupplungseinrichtung auch aus einer Funksignalstrecke bestehen, über die
die Sollwerte vom Sollwertgeber zu den Regeleinheiten gefunkt werden.
Als sehr zuverlässig
hat sich auch eine optische Datenübertragungsstrecke als Kupplungseinrichtung
erwiesen, die aus Infrarotempfangsteil an der Spindeltrommelwelle
und einem passenden Sendeteil am Maschinenrahmen bestehen kann.
Bei Einsatz einer solchen optischen Datenübertragungsstrecke besteht die
Signalleiteranordnung zwischen Kupplungseinrichtung und Regeleinheiten
vorzugsweise aus einem Lichtwellenleiter, mit dem bekanntlich auch
große
Datenmengen praktisch verlustfrei übertragen werden können.
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Die
neben den Regeleinrichtungen ebenfalls an der Spindeltrommel 12 für jede Arbeitsspindel 13 angeordnete
Stromzufuhreinrichtungen 17 versorgen die Antriebsmotoren
mit der erforderlichen Energie. Jede Stromzufuhreinrichtung 17 wird
dabei von der ihr zugeordneten Regeleinrichtung geregelt, so daß der von
der Stromzufuhreinrichtung beaufschlagte Antriebsmotor entsprechend
den ihm vorgegebenen Sollwerten betrieben wird.
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Da
für den
Betrieb der Regelkreise zur Regelung der Antriebsmotoren für die Arbeitsspindeln üblicherweise
ein Gleichstromzwischenkreis erforderlich ist, sind den Stromzufuhreinrichtungen 17 Einspeisegeräten zur
Erzeugung von Gleichstrom zugeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
befindet sich ein gemeinsames Einspeisegerät in dem Schaltschrank 18,
d.h. am feststehenden Maschinenteil. Der von den nicht dargestellten
Einspeisegerät zur
Verfügung
gestellte Gleichstrom wird über
von dem Schaltschrank zur Spindeltrommelwelle 24 laufende
Kabel 29 und über
an der Welle 24 angeordnete gemeinsame Schleifringabnehmer 30 für alle Stromzufuhreinrichtungen 17 zu
diesen geleitet. Diese versorgen einerseits die Regelkreise mit
der erforderlichen Energie und sind andererseits mit Umrichtergeräten mit
Vektorregelung ausgestattet, die aus dem Gleichstrom wiederum den
für den
Betrieb der Antriebsmotoren 14 erforderlichen Wechselstrom
erzeugen.
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Alternativ
zur Anordnung der Einspeisegeräte
am feststehenden Maschinenteil kann diese selbstverständlich auch
selbst an der Spindeltrommel bzw. einem mit dieser weiterschaltenden
Träger angeordnet
sein.
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Der
Strom für
das oder die Einspeisegeräte kann
bei dieser Anordnung alternativ zu der Schleifringübertragung
auch über
eine Induktionskoppeleinrichtung berührungslos in die Spindeltrommel 12 gebracht
werden. In jeden Fall ist es möglich,
den Strom für
alle Antriebsmotoren wie auch die erforderliche Energie für die Regelkreise über lediglich
zwei oder drei Schleifringabnehmer oder Induktionskoppler vom feststehenden
in den beweglichen Teil der Maschine zu leiten, Was den baulichen
Aufwand gegenüber
den bekannten Maschinen entscheidend verringert und eine entsprechend
größere Zuverlässigkeit ermöglicht.
Durch die An ordnung der Regeleinheiten und Stromzufuhreinrichtungen
in unmittelbarer Nähe zu
den zugehörigen,
zu regelnden Arbeitsspindeln ist es möglich, als Istwerterfassungseinrichtungen
inkrementelle Lagemeßsysteme
einzusetzen, die eine besonders hohe Bearbeitungsgenauigkeit der
Maschine erlauben.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern
es ergeben sich verschiedene Änderungen
und Ergänzungen,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So ist es beispielsweise
möglich,
die Regeleinrichtung 16 und Stromzufuhreinrichtung 17 nicht – wie dargestellt – in baulichen
Einheiten zusammenzufassen und in der dargestellten, die Arbeitsspindeln übergreifenden
Anordnung vorzusehen, sondern es wäre ebensogut denkbar, Regel-
und Stromzufuhreinrichtungen im räumlichen Abstand von den Arbeitsspindeln
am äußeren Rand
der Spindeltrommel oder aber an einem separaten Träger anzuordnen, der
mit der Spindeltrommel gekoppelt ist und gemeinsam mit dieser in
die verschiedenen Arbeitspositionen geschaltet wird.
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Die
Erfindung kann auch bei anders als in der Zeichnung dargestellt
aufgebauten Mehrspindelmaschinen zum Einsatz kommen, beispielsweise
bei Maschinen deren Spindeltromel nach Art eines Tellers um eine
vertikale Achse weitergeschaltet wird. Natürlich sind mit der Erfindung
auch Maschinen realisierbar, bei denen die Spindeltrommelwelle den gesamten
Arbeitsraum der Maschine durchsetzt und zusätzlich im gegenüberliegenden
Teil des Maschinengestells gelagert ist. Auch kann die Spindeltrommel
in diesem Fall sich ebenfalls im gegenüberliegenden Maschinenteil
befinden, in einer 1 entsprechenden Darstellung
also im linken, aufragenden Bereich des Maschinengestells.