BIERL, Wolfgang (Sophienhof 5-6-2, Güglingen, 74363, DE)
GRAF, Heiko (Vesouler Strasse 7, Gerlingen, 70839, DE)
HASSELKUSS, Ewald (Im Keiferle 64, Fellbach, 70734, DE)
HÖRL, Roland (Mozartweg 14, Bönnigheim, 74357, DE)
STOLZ, Gerhard (Weidenweg 12, Ingersheim, 74379, DE)
FRONIUS, Jürgen (Schulstrasse 7, Walheim/Neckar, 74399, DE)
BIERL, Wolfgang (Sophienhof 5-6-2, Güglingen, 74363, DE)
GRAF, Heiko (Vesouler Strasse 7, Gerlingen, 70839, DE)
HASSELKUSS, Ewald (Im Keiferle 64, Fellbach, 70734, DE)
HÖRL, Roland (Mozartweg 14, Bönnigheim, 74357, DE)
STOLZ, Gerhard (Weidenweg 12, Ingersheim, 74379, DE)
| Patentansprüche 1. Bearbeitungszentrum mit einem Maschinengestell (12), mit einer am Maschinengestell drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen Ma- schinenspindel (10), mit einer Gruppe von an der Maschinenspindel einwechselbaren Maschinenwerkzeugen (18), die ein mit einer Aufnahme der Maschinenspindel kompatibles Kupplungselement (16) aufweisen, und mit einem Drehübertrager (22) für elektrische Energie, der einen maschinengestellfesten Stator (24) und einen mit der Maschi- nenspindel (10) mitdrehenden Rotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (22) mindestens zwei nach Maßgabe der zu übertragenden elektrischen Leistung und der einzustellenden Spindeldrehzahl auswählbare, in eingekuppeltem Zustand des Maschinenwerkzeugs (18) aktivierbare Übertragungsstrecken für elektrische E- nergie aufweist, von denen mindestens eine erste Übertragungsstrecke zwischen Stator (24) und Rotor (26) berührungslos ausgebildet ist, während mindestens eine zweite Übertragungsstrecke zwischen Stator und Rotor mit mindestens einem berührenden Kontakt ausgestattet ist. 2. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der maschinengestellfeste Stator (24) jeweils mindestens eine Primärseite (24', 24") der Übertragungsstrecken für die berührungslose und für die berührende Kopplung mit einem mitdrehenden Rotor (26) aufweist, und dass die Rotoren einer ersten Untergruppe von Maschi- nenwerkzeugen (18) eine Sekundärseite (26') für die berührungslose Kopplung mit der komplementären Primärseite (24'), die Rotoren einer zweiten Untergruppe von Maschinenwerkzeugen (18) eine Sekundärseite (26") für die berührende Kopplung mit der komplementären Primärseite (24") und/oder die Rotoren einer dritten Untergruppe von Ma- schinenwerkzeugen (18) je eine Sekundärseite (26', 26") für die berührungslose und für die berührende Kopplung mit den komplementären Primärseiten (24', 24") der zugehörigen Übertragungsstrecken aufweisen. 3. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass der Drehübertrager eine berührungslose induktive Übertragungsstrecke aufweist. 4. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager eine berührungslose kapazitive Übertra- gungsstrecke aufweist. 5. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und Sekundärseiten der berührungslosen Übertragungsstrecken durch einen axialen Luftspalt (34) voneinander ge- trennt sind. 6. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (22) eine galvanische Übertragungsstrecke mit mindestens einem einen radialen Luftspalt überbrückenden Schleifkontakt aufweist. 7. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (22) eine galvanische Übertragungsstrecke mit mindestens einem einen axialen Luftspalt überbrü- ckenden Schleifkontakt (38) aufweist. 8. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schleifkontakt (38) im Kopplungszustand federunterstützt ist. 9. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schleifkontakt (38) entgegen seiner bei drehender Spindel ausgerichteten Fliehkraft federunterstützt sind, und dass der mindestens eine Schleifkontakt (38) bei Überschrei- ten einer vorgegebenen Drehzahl von seinem Gegenkontakt abhebt. 10. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schleifkontakt (38) programmgesteuert kuppelbar und/oder entkuppelbar ist. 11. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Maschinenspindel (10) nach Maßgabe der ausgewählten berührungslosen oder berührenden Energieübertragungsstrecke begrenzt ist. 12. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Untergruppe von Maschinenwerkzeugen einen Aktuator für die Schneidenverstellung aufweist, der über eine berührungslose Übertragungsstrecke mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist. 13. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Untergruppe von Maschinenwerkzeugen eine Vorrichtung zum Schweißen, Löten, Erhitzen, Härten, Be- schichten oder Beschriften eines Werkstücks aufweist, die über eine berührende Übertragungsstrecke mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist. 14. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenwerkzeuge der zweiten Untergruppe einen Laser, einen Induktor und/oder ein elektrisch ansteuerbares Sprühaggregat für ein Abschreckfluid aufweisen. 15. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Untergruppe von Maschinenwerk- zeugen mechanische oder elektrische Speichermittel aufweist, die über eine berührende Übertragungsstrecke mit elektrischem Strom beaufschlagbar und dabei aufladbar sind und die programmgesteuert unter Ausführung eines Bearbeitungsvorgangs entladbar sind. 16. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager (22) eine weitere Übertragungsstrecke für die Datenübertragung aufweist. 17. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke für die Datenübertragung als induktive oder kapazitive Kopplungsstrecke, als Funkstrecke oder als optische Übertragungsstrecke ausgebildet ist. 18. Bearbeitungszentrum nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die berührende und/oder berührungslose Übertragungsstrecke des Drehübertragers (22) am rückwärtigen Spindelende angeordnet ist, und dass das Maschinenwerkzeug (18) in gekuppeltem Zustand über eine mitdrehende Kontaktstelle (44) an die Übertragungsstrecke angeschlossen ist. 19. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenspindel an ihrem rückwärtigen Ende eine Drehdurchführung für ein Fluid, insbesondere für Kühlschmierstoff aufweist, und dass mindestens eine der rückwärtigen Übertragungsstrecken durch die Drehdurchführung für das Fluid hindurchgeführt ist. 20. Verfahren zum Betrieb eines Bearbeitungszentrums mit Drehübertrager für elektrische Energie, der mindestens eine erste und eine zweite nach Maßgabe der zu übertragenden elektrischen Leistung und der einzustellenden Spindeldrehzahl auswählbare, in eingekuppeltem Zu- stand des Maschinenwerkzeugs aktivierbare Übertragungsstrecke für elektrische Energie aufweist, bei dem eine Spindeldrehzahl oder ein Spindeldrehzahlbereich eingestellt wird und in Abhängigkeit der Einstellung von Spindeldrehzahl oder Spindeldrehzahlbereich die erste Übertragungsstrecke oder die zweite Übertragungsstrecke oder die erste und die zweite Übertragungsstrecke aktiviert wird. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die e- lektrische Energie über die erste Übertragungsstrecke berührungslos und über die zweite Übertragungsstrecke berührend übertragen wird. |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungszentrum mit einem Maschinengestell, mit einer am Maschinengestell drehbar angeordneten, motorisch angetriebenen, eine Aufnahme für ein Werkzeug aufnehmenden Maschinenspindel, mit einer Gruppe von an der Maschinenspindel einwechselbaren Maschinenwerkzeugen, die ein mit der Aufnahme der Maschinenspindel kompatibles Kupplungselement aufweisen, und mit einem Drehübertrager für elektrische Energie, der einen maschinengestellfesten Stator und einen mit der Maschinenspindel mitdrehenden Rotor aufweist.
Bearbeitungszentren dieser Art werden zu vielfältigen fertigungstechnischen Aufgaben eingesetzt. Üblicherweise werden dort mit den verschiedenen einwechselbaren Werkzeugen spanende Bearbeitungen von metallischen Werkstoffen, Kunststoffen oder Holz durchgeführt. Für quaderförmige Werkstücke besteht die Möglichkeit, eine der Drehmaschine ähnliche Bearbeitung mit drehender Spindel auszuführen, die durch die Maschinenkinematik getragen mindestens drei zusätzliche translatorische Freiheitsgrade zwischen Werkstück und Werkzeug zulässt. Zu diesem Zweck werden beispielsweise auch Plandrehköpfe eingesetzt. Plandrehköpfe sind rotationsfähige Werkzeuge, die es ermöglichen, eine Schneide radial zur Rotationsachse der Spindel zu verlagern. Verwirklicht wird dies beispielsweise in Bearbeitungszentren mit Sonderkomponenten, wie beispielsweise Spindeln mit zweistufigen Planetengetrieben und zusätzlichem externem Antrieb, der es ermöglicht, bei rotierender Spindel die Antriebswelle für den Planschieber zu verstellen. In gängigen Spindel- und Werkzeugschnittstellen wird zu diesem Zweck eine elektrische Übertragungsschnittstelle mit einem Drehübertrager ohne Beeinträchtigung der Funktionalität der Mechanik integriert, die einen Werkzeugwechsel ermöglicht. Grundsätzlich kann die Übertragungsschnitt- stelle in Form eines elektrischen Drehübertragers am werkzeugseitigen Ende oder am rückwärtigen Ende der Spindel angeordnet werden. Die Energieübertragung kann dabei durch geeignete Gestaltung von Stator und Rotor berührungslos stattfinden. Ein Nachteil der berührungslosen Energieüber- tragung besteht in der Begrenzung der elektrischen Leistung. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass ein segmentförmiger Stator eingesetzt wird (EP-O 719 199 B1 ). Bei gängigen Werkzeugdurchmessern ist in einem solchen Fall die übertragbare elektrische Leistung auf ca. 100 Watt begrenzt. Diese Leistung reicht zwar aus, um Werkzeuge mit mechanischen Aktuato- ren für die Schneidenverstellung und deren Steuerung und Regelung auch bei den heute gängigen hohen Spindeldrehzahlen in der Größenordnung von 10.000 Umdrehungen pro Minute zu betreiben. Andererseits bedarf die Fertigung von Werkstücken neben der spanenden Bearbeitung weiterer Arbeitsschritte, die bisher in anderen Spezialmaschinen außerhalb des Bear- beitungszentrums durchgeführt werden mussten. Dazu gehören u.a. die Bearbeitungsvorgänge Reinigen, Schweißen, Härten, Beschichten und Beschriften. Neben des großen Zeitaufwandes durch das Umspannen der Werkstücke aus dem Bearbeitungszentrum, das Zwischenlagern und das Positionieren in anderen Sondermaschinen, bedarf es dazu häufig einer E- nergiezufuhr, die ein Vielfaches derjenigen betragen kann, die für die Werkzeugverstellung im aktorischen Werkzeug des Bearbeitungszentrums notwendig ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Bearbei- tungszentrum der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass damit ein wesentlicher Schritt in Richtung Komplettbearbeitung eines Werkstücks durchgeführt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Komplettbearbeitung eines Werkstücks neben den Werkzeugen für die spanabhebende Bearbeitung Zusatzaggregate erforderlich sind, die in einen Wechselhalter integriert werden können, der mit dem Handhabungssystem eines Bearbeitungszentrums nach Art eines spanabhebenden Werkzeugs in die Aufnahme der Maschinenspindel eingewechselt werden kann. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, dass zumindest ein Teil dieser Zusatzaggregate eine elektrische Energiezufuhr erfordern, die um ein Mehrfaches höher ist als diejenige für das spanabhebende Bearbeiten mit aktorischen Werkzeugen. Eine dritte Erkenntnis besteht schließlich darin, dass die Zusatzaggregate mit erheblich niedrigeren Drehzahlen als die spanabhebenden Werkzeuge auskommen. Wenn somit für den Betrieb der aktorischen Schneidwerkzeuge wegen der hohen Arbeitsdrehzahlen eine berührungslo- se Drehübertragung der elektrischen Energie notwendig ist, kommt bei den niedrigeren Drehzahlen, die für den Einsatz der Zusatzaggregate mit hoher Leistungsanforderung ausreichend sind, eine Drehübertragung mit berührenden Kontakten, beispielsweise mit Schleifkontakten in Betracht. Demgemäß schlägt die Erfindung vor, dass der Drehübertrager mindestens zwei nach Maßgabe der zu übertragenden elektrischen Leistung und der einzustellenden Spindeldrehzahl auswechselbare, in eingekuppeltem Zustand des Maschinenwerkzeugs aktivierbare Übertragungsstrecken für elektrische E- nergie aufweist, von denen mindestens eine erste Übertragungsstrecke zwischen Stator und Rotor berührungslos ausgebildet ist, während mindestens eine zweite Übertragungsstrecke zwischen Stator und Rotor mit mindestens einem berührenden Kontakt ausgestattet ist. Der berührende Kontakt ist dabei vorzugsweise als Schleifkontakt ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der maschi- nengestellfeste Stator jeweils mindestens eine Primärseite der Übertragungsstrecke für die berührungslose und für die berührende Kopplung mit einem mit der Maschinenspindel mitdrehenden Rotor aufweist, und dass die Rotoren einer ersten Untergruppe von Werkzeugen eine Sekundärseite für die berührungslose Kopplung mit der komplementären Primärseite, die Rotoren einer zweiten Untergruppe von Werkzeugen eine Sekundärseite für die berührende Kopplung mit der komplementären Primärseite und/oder die Rotoren einer dritten Untergruppe von Werkzeugen je eine Sekundärseite für die berührungslose und die berührende Kopplung mit den komplementären Primärseiten der zugehörigen Übertragungsstrecken aufweisen.
Vorteilhafterweise weist der Drehübertrager eine berührungslose induktive oder kapazitive Übertragungsstrecke auf, die vorzugsweise durch einen axialen Luftspalt voneinander getrennt sind. Weiter ist es von Vorteil, wenn der Drehübertrager eine galvanische Übertragungsstrecke mit mindestens einem einen radialen oder einen axialen Luftspalt überbrückenden Schleif- kontakt aufweist. Der mindestens eine Schleifkontakt ist in seinem Kopplungszustand vorteilhafterweise federunterstützt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Schleifkontakt entgegen seiner bei drehender Maschinenspindel ausgerichteten Fliehkraft federunterstützt, wobei der rotorseitige Schleifkontakt bei Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl von seinem statorseitigen Gegenkontakt abhebt. Grundsätzlich ist es möglich, dass der mindestens eine Schleifkontakt über ein Steuergerät programmgesteuert kuppelbar oder entkuppelbar sind. Die Steuerung kann dabei beispielsweise mit mechanischen oder elektromagnetischen Mitteln oder mittels Druckluft erfolgen.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Drehzahl der Maschinenspindel nach Maßgabe der ausgewählten berührungslosen oder berührenden Energieübertragungsstrecke begrenzt ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Untergruppe von Werkzeugen einen Aktuator für die Schneidenverstel- lung sowie eine Sekundärseite für die berührungslose Übertragungsstrecke aufweist. Vorteilhafterweise ist eine zweite oder dritte Untergruppe von Werkzeugen vorgesehen, die eine Vorrichtung zum Schweißen, Löten, Erhitzen, Härten, Löten, Beschichten, Reinigen und/oder Beschriften eines Werkstücks sowie eine Sekundärseite für eine berührende Übertragungsstrecke aufweist. Die Werkzeuge der zweiten oder dritten Untergruppe weisen zweckmäßig einen Laser, einen Induktor und/oder eine Sprüheinrichtung für ein Abschreckmittel wie Kühlflüssigkeit oder Kühlluft auf. Als Abschreckmittel kann beispielsweise der in einem Bearbeitungszentrum ohne- hin verfügbare Kühl Schmierstoff verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Drehübertrager eine weitere Übertragungsstrecke für die Datenübertragung aufweist. Die Übertragungsstrecke für die Datenübertragung kann dabei als induktive oder kapazitive berührungslose Kopplungsstrecke, als Funkstrecke oder als optische Übertragungsstrecke ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise sind die berührungslose und/oder die berührende Übertragungsstrecke am werkzeugseitigen Ende der Spindel angeordnet. Grund- sätzlich ist es auch möglich, die berührende und/oder die berührungslose Übertragungsstrecke des Drehübertragers am rückwärtigen Spindelende anzuordnen, wobei die Sekundärseiten der betreffenden Übertragungsstrecken mit aufnahmeseitigen Endkontakten der Maschinenspindel verbunden sind und das Werkzeug in gekuppeltem Zustand über mitdrehende Kontakt- stellen elektrisch an die aufnahmeseitigen Endkontakte angeschlossen ist. Grundsätzlich ist es dabei möglich, dass die Maschinenspindel an ihrem rückwärtigen Ende eine Drehdurchführung für ein Fluid, insbesondere für Kühl Schmierstoff aufweist und dass die berührende Übergangsstrecke durch die Drehdurchführung für das Fluid hindurchgeführt ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb eines Bear- beitungszentrums mit Drehübertrager für elektrische Energie. Der Drehübertrager weist mindestens eine erste und eine zweite nach Maßgabe der zu übertragenden elektrischen Leistung und der einzustellenden Spindeldreh- zahl auswählbare, in eingekuppeltem Zustand des Maschinenwerkzeugs aktivierbare Übertragungsstrecke für elektrische Energie auf, wobei gemäß der Erfindung eine Spindeldrehzahl oder ein Spindeldrehzahlbereich eingestellt wird und in Abhängigkeit der Einstellung der Spindeldrehzahl oder des Spindeldrehzahlbereichs die erste Übertragungsstrecke oder die zweite Ü- bertragungsstrecke oder die erste und die zweite Übertragungsstrecke aktiviert wird. Vorteilhafterweise wird die elektrische Energie über die erste Ü- bertragsstrecke berührungslos und über die zweite Übertragungsstrecke berührend übertragen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 a und b ein Schema einer zum Stand der Technik gehörenden Maschinenspindel eines Bearbeitungszentrums mit eingespanntem Maschinenwerkzeug und berührungsloser Energieübertragung im werkzeugseitigen Bereich der Maschinenspindel in einer Seitenansicht und einer vergrößerten Darstellung;
Fig. 2a und b ein Schema einer weiteren zum Stand der Technik gehö- renden Maschinenspindel eines Bearbeitungszentrums mit rückwärtigem berührungslosem Drehübertrager in einer Seitenansicht und in einer vergrößerten Darstellung;
Fig. 3a bis c ein Schema einer Maschinenspindel eines Bearbeitungs- Zentrums mit eingespanntem Maschinenwerkzeug und werkzeug- seitigem kombinierten Drehübertrager für die berührungslose und die berührende Energieübertragung in einer Seitenansicht und zwei vergrößerten Ausschnittsdarstellungen;
Fig. 4a und b ein Schema einer Maschinenspindel eines Bearbeitungs- Zentrums mit eingespanntem Maschinenwerkzeug und gegenüber
Fig. 3a bis c abgewandeltem kombiniertem Drehübertrager für die berührungslose und berührende Energieübertragung in einer Seitenansicht und einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung;
Fig. 5a und b ein Schema einer Maschinenspindel eines Bearbeitungszentrums mit rückwärtigem kombiniertem Drehübertrager für die berührungslose und die berührende Energieübertragung in einer Seitenansicht und einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung;
Fig. 6a bis c ein Schema einer Maschinenspindel eines Bearbeitungszentrums mit rückwärtigem, gegenüber Fig. 5a und b abgewandeltem kombiniertem Drehübertrager für die berührungslose und die berührende Energieübertragung in einer längsgeschnittenen Darstellung und zwei vergrößerten Ausschnittsdarstellungen;
Fig. 7a und b einen Ausschnitt aus einer Maschinenspindel mit eingespanntem Maschinenwerkzeug und einer ansteuerbaren Kontaktstelle mit Schleifring;
Fig. 8a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Werkzeugkopfs mit induktiver Härtevorrichtung;
Fig. 9a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Messkopfs mit laseroptischem Messsensor. Die in der Zeichnung dargestellten Maschinenspindeln 10 sind Bestandteile eines Bearbeitungszentrums zur Komplettbearbeitung, das zusätzlich ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Werkzeugmagazin sowie eine Handhabungsvorrichtung für die Maschinenwerkzeuge aufweist. Die Maschinen- spindel 10 ist innerhalb des Bearbeitungszentrums in einem Gestell angeordnet, das in den Zeichnungen schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist. An ihrer Stirnseite weist die Maschinenspindel 10 eine Aufnahme 14 auf, die zum Einspannen eines Kupplungselements in Form eines Kupplungsschafts 16 eines aus dem Magazin ent- nommenen Maschinenwerkzeugs 18 bestimmt ist. Die Einspannung erfolgt über einen maschinenseitig über eine Zugstange betätigbaren Spannmechanismus, der von der Maschinenseite aus in den beispielsweise in Fig. 7a gezeigten Hohlraum 20 des Werkzeugschafts 16 eingreift und das Maschinenwerkzeug 18 unter Herstellung einer Planflächenverspannung und einer Radialverspannung mit der Maschinenspindel 16 kuppelt.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass das Maschinenwerkzeug 18 einen elektrischen Verbraucher beispielsweise in Form eines Aktua- tors für die Schneidenverstellung, einer Bearbeitungselektrik für die Oberflä- chenbearbeitung eines Werkstücks oder einer Messelektronik enthält, der von außen her über einen Drehübertrager 22 mit elektrischem Strom versorgt werden muss. Der Drehübertrager 22 für die elektrische Energie um- fasst einen maschinengestellfesten Stator 24 und einen mit der Maschinenspindel mitdrehenden Rotor 26.
In Fig. 1 a und b ist ein elektrischer Drehübertrager nach dem vorbekannten Stand der Technik dargestellt (EP-O 719 199 B1 ), bei welchem die elektrische Energie berührungslos von einem maschinengestellfesten, segment- förmigen Stator 24 auf einen mit dem Maschinenwerkzeug 18 verbundenen Rotor 26 übertragen wird. Die für die induktive Energieübertragung notwendigen Primär- und Sekundärspulen sind im Stator bzw. Rotor angeordnet. Der induktive Drehübertrager kann zusätzlich auch zur Übertragung von Daten verwendet werden. Dazu können die Datensignale entweder dem Wechselstrom für die Energieübertragung aufmoduliert oder über zusätzliche Datenwicklungen auf einer getrennten Datenstrecke übertragen werden.
Eine weitere aus dem vorbekannten Stand der Technik bekannte Anordnung ist in Fig. 2a und b gezeigt. Dort befindet sich der Drehübertrager für die berührungslose Energieübertragung am rückwärtigen Ende der Maschinenspindel 10 in Form eines umlaufenden Rotors 26 und eines gestellfest an- geordneten Stators 24. Die vom Rotor aus zum Maschinenwerkzeug zu übertragende elektrische Energie wird dort über elektrische Leiter durch die Maschinenspindel 10 hindurchgeleitet und an einer mitdrehenden elektrischen Kontaktstelle 44 in das Maschinenwerkzeug 18 eingekoppelt (vgl. Fig. 7a und b).
Die berührungslose Energieübertragung erfolgt vor allem für die Betätigung von aktorischen Werkzeugen bei der spanenden Bearbeitung. Dort ist beispielsweise ein Aktuator für die Schneidenverstellung vorgesehen, dessen Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 50 Watt liegt. Wenn zusätz- lieh noch eine ultraschallunterstützte spanabhebende Bearbeitung vorgesehen ist, ergibt sich eine Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 70 bis 100 Watt. Über diese Größenordnung hinaus ist eine berührungslose Energieübertragung bei den üblichen Werkzeuggrößen nur mit einem erheblichen Mehraufwand möglich. Bei der Bearbeitung von Werkstücken gibt es jedoch Anwendungen, deren Anforderung an die elektrische Leistung sehr viel höher ist. Dazu gehören u.a. Bearbeitungsvorgänge, die eine Aufheizung des Werkstücks oder von zusätzlichen Medien auf höhere Temperaturen erfordern, und die bisher nicht in Bearbeitungszentren durchgeführt werden konnten, wie zum Beispiel das Reinigen, Schweißen, Löten, Härten, Beschichten und Beschriften eines Werkstücks, wozu eine elektrische Leistung in der Größenordnung von einigen hundert Kilowatt notwendig ist. Ein weiterer Vorgang, der eine erhöhte elektrische Energie erfordert, besteht in der Speicherung elektrischer oder mechanischer Energie im Maschinenwerkzeug, die während des Betriebs des Werkzeugs zu einem späteren Zeitpunkt programmgesteuert entladen werden kann. Auch hier wird der La- devorgang zweckmäßig über eine berührende Übertragungsstrecke vorgenommen.
Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Drehübertrager zu entwickeln, der bei Bedarf auch höhere elektrische Leis- tungen zu übertragen vermag. Da die höhere elektrische Leistung zumeist mit einer niedrigeren erforderlichen Drehzahl der Maschinenspindel verknüpft ist, besteht ein wesentlicher Gedanke für die vorliegende Erfindung darin, dass neben der beschriebenen berührungslosen Übertragungsstrecke für die Energieübertragung eine berührende, also kontaktbildende Übertra- gungsstrecke vorgesehen ist, die zwar nur relativ kleine Drehzahlen der Maschinenspindel bis zu einer Größenordnung von 1000 Umdrehungen pro Minute erlaubt, die aber für die Übertragung von sehr viel höheren elektrischen Leistungen geeignet ist.
Bei dem in Fig. 3a bis c gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Werkzeugseite der Maschinenspindel 10 ein gestellfester Stator 24 vorgesehen, der in seinem radial inneren Bereich die Primärseite 24' einer berührungslosen Übertragungsstrecke und in seinem radial äußeren Bereich die Primärseite 24" einer berührenden Übertragungsstrecke mit Kontaktelementen 32 aufweist. Je nach Anforderung an die elektrische Leistung ist das Maschinenwerkzeug 18 mit einem Rotor 26 ausgestattet, dessen Sekundärseite 26' nur die innere Primärseite 24' für die berührungslose Energieübertragung überlappt (Fig. 3b), oder dessen Sekundärseite 26" auch die die Schleifkontakte 32 aufweisenden äußere Primärseite 24" des Stators 24 überlappt (Fig. 3c). Im ersteren Falle gemäß Fig. 3b kann die Maschinenspindel 10 mit größeren Drehzahlen angetrieben werden, jedoch mit geringerer Leistungs- Übertragung, während im letzteren Falle die Spindeldrehzahlen automatisch herabgesetzt werden, jedoch bei größerer übertragbarer elektrischer Leistung. Die Begrenzung der Drehzahlen und die Begrenzung der elektrischen Leistung erfolgen programmgesteuert nach Maßgabe des über den Werk- zeugwechsler des Bearbeitungszentrums ausgewählten Maschinenwerkzeugs.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a und b unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3a bis c dadurch, dass die berührende elekt- rische Übertragungsstrecke radial und nicht axial ausgerichtet ist. Der Stator 24 weist im Falle von Fig. 4a und b elektrische Schleifkontakte 32 auf, die erst nach dem Einwechseln des Maschinenwerkzeugs 18 radial in ihre in Fig. 4b gezeigte Arbeitsposition eingefahren werden können. Auch dort ist neben der berührenden Übertragungsstrecke 24" unter Verwendung der Schleifkontakte 32 eine berührungslose, vorzugsweise induktive Übertragungsstrecke vorgesehen, die ebenso wie im Falle der Fig. 3a bis c gleichzeitig mit der berührenden Übertragungsstrecke betrieben werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel sorgt die Maschinensteuerung dafür, dass bei hohen Spindeldrehzahlen die Schleifkontakte 32 ausgekoppelt werden. Da- durch wird ein unnötiger Verschleiß oder gar eine Zerstörung der Schleifkontakte 32 vermieden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5a und b unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a und b dadurch, dass sich der kombinierte Drehübertrager 22 mit seinen berührungslosen und berührenden Übertragungsstrecken am rückwärtigen Ende der Maschinenspindel 10 befindet. Der Rotor 26 ist dort drehfest mit der Maschinenspindel 10 verbunden, während der kombinierte Stator 24 mit dem Gestell 12 verbunden ist. Die Ausbildung der berührungslosen und berührenden Übertragungsstrecken ent- spricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a und b. Eine hiervon abgewandelte Ausgestaltung eines kombinierten Drehübertragers ist in den Fig. 6a bis c dargestellt. Auch dort ist der Stator 24 starr mit dem Gestell 12 verbunden, während der umlaufende Rotor 26 am rückwärtigen Ende der Maschinenspindel 10 angeordnet ist. Für die berührungslose Übertragungsstrecke sind die Primärseite 24' des Stators 24 und die Sekundärseite 26' des Rotors 26 über einen axialen Luftspalt 34 voneinander getrennt. Die berührende Übertragungsstrecke weist auf der Primärseite 24" einen umlaufenden Kontaktring 36 auf, während die Rotorseite 26" einen im Rotor 26 angeordneten Kontaktstift 38 aufweist, der unter der Einwirkung einer Druckfeder 40 radial gegen den primärseitigen Kontaktring 36 gedrückt wird. Der Kontaktstift 40 steht bei rotierender Maschinenspindel 10 unter der Einwirkung der Fliehkraft, die dafür sorgt, dass bei Erreichen einer definierten Drehzahl der Kontaktstift 38 entgegen der Einwirkung der Druckfeder 40 vom Kontaktring 36 abgehoben wird und die Stromübertragung unterbrochen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schleifkontakte bei überhöhten Maschinendrehzahlen nicht unzulässig verschlissen werden.
Eine Besonderheit der Ausführungsvarianten nach Fig. 5a und b sowie 6a und b besteht darin, dass zusätzlich zu dem Drehübertrager 22 am rückwär- tigen Ende der Maschinenspindel 10 an deren Stirnseite ein elektrischer eingewechselter Kontakt zum Maschinenwerkzeug hergestellt werden muss. Zu diesem Zweck dient die in Fig. 7a und b gezeigte, mit der Maschinenspindel 10 mitdrehende Kontaktstelle 44, die eine drehfest mit der Maschinenspindel 10 verbundene und an die rückwärtigen Sekundärseiten des Drehübertra- gers 22 angeschlossene Kontaktfläche 46 sowie einen am Werkzeugschaft 16 angeordneten, radial zu diesem verschiebbaren Kontaktstift 48 aufweist. Um den Werkzeugschaft 16 in die Werkzeugaufnahme 14 einführen zu können, befindet sich der Kontaktstift 48 zunächst in seiner in Fig. 7a und b gezeigten, zurückgezogenen Stellung. Zur Herstellung des elektrischen Kon- takts wird der Kontaktstift 48 entweder bei drehender Spindel 10 unter der Einwirkung der Fliehkraft oder unter der Einwirkung eines über die Leitung 52 zugeführten Druckmittels entgegen der Kraft der Rückstellfeder 50 in Richtung Kontaktfläche 46 verschoben. Im stirnseitigen Bereich greift der Kontaktstift 48 durch eine Gummidichtung 54 hindurch, die dafür sorgt, dass in das Innere der Stiftführung kein Schmutz von außen eindringen kann. Zu- sätzlich sind in einem rückwärtigen, kolbenartigen Bereich 56 des Kontaktstifts 48 Öffnungen 58 vorgesehen, über die Sperrluft zur Reinigung der Kontaktstelle eingepresst werden kann. Die Zustellung des Kontaktstifts kann grundsätzlich auch auf elektrischem, elektromagnetischem oder mechanischem Wege erfolgen, wobei die hierfür vorgesehenen Antriebsmittel programmgesteuert betätigt werden können.
Die Fig. 8a und b zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Maschinenwerkzeugs 18, das mit einer induktiven Härtevorrichtung ausgestattet ist. Die Härtung bestimmter Werkstückteile bildet einen Fertigungsschritt auf dem Weg einer Komplettbearbeitung. Zu diesem Zweck weist das in Fig. 8a und b gezeigte Werkzeug 18 eine Induktionsspule 62 sowie eine Fluidlei- tung 64 mit Sprühdüsen 66 für ein Abschreckmittel auf. Die Induktionsspule 62, die für die partielle Aufheizung des zu härtenden Teils eines Werkstücks bestimmt ist, hat je nach ihrer Größe eine Leistungsanforderung in der Grö- ßenordnung von einigen hundert Watt. Außerdem ist in der Fluidleitung ein nicht dargestelltes elektrisch oder elektromagnetisch ansteuerbares Ventil angeordnet, das ebenfalls mit elektrischem Strom versorgt werden muss. Die Leistungsanforderung ist dort so hoch, dass eine berührungslose Stromübertragung nicht ausreichen würde.
Das Maschinenwerkzeug 18 nach Fig. 9a und b ist mit einer Laseroptik 70 zur Ausmessung des bearbeiteten Werkstücks oder zu dessen lokaler Aufheizung oder Beschriftung ausgestattet. Auch hierfür ist je nach Leistungsanforderung eine galvanische Strom Übertragung über den Drehübertrager 22 erforderlich. Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungszentrum für die Werkstückbearbeitung. Das Bearbeitungs- zentrum weist ein Maschinengestell 12, eine am Maschinengestell 12 drehbar angeordnete, motorisch angetriebene Maschinenspindel 10 sowie eine Gruppe von an der Maschinenspindel einwechselbaren Maschinenwerkzeugen 18 auf. Die Maschinenwerkzeuge weisen ihrerseits einen mit einer Aufnahme 14 der Maschinenspindel 10 kompatiblen Kupplungsschaft 16 auf. Weiter ist ein Drehübertrager 22 für elektrische Energie vorgesehen, der einen maschinenfesten Stator 24 und einen mit der Maschinenspindel 10 mitdrehenden Rotor 26 aufweist. Als neu wird beansprucht, dass der Drehübertrager 22 mindestens zwei nach Maßgabe der zu übertragenden elektrischen Leistung und der einzustellenden Spindeldrehzahl auswählbare, in eingekuppeltem Zustand des Maschinenwerkzeugs 18 aktivierbare Übertragungsstrecken für elektrische Energie aufweist, von denen mindestens eine erste Übertragungsstrecke zwischen Stator 24 und Rotor 26 berührungslos ausgebildet ist, während mindestens eine zweite Übertragungsstrecke zwischen Stator und Rotor mit berührenden Kontakten ausgestattet ist. Mit diesen Maßnahmen soll erreicht werden, dass eine Komplettbearbeitung der Werkstücke bei einer Einspannung im Bearbeitungszentrum möglich ist.