Bezeichnung der Erfindung

Beschreibung

Rundtischlagerungs- und Antriebsvorrichtung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung und zum Antrieb eines Rundtisches, insbesondere einer Werkzeugmaschine.

Hintergrund der Erfindung

Rundtischlager mit Wälz- oder Gleitlagerung sind beispielsweise aus der DE 20 2004 006 697 111 bekannt. In der DE 43 31 042 A1 ist ein Rundtischantrieb einer Werkzeugmaschine beschrieben, welcher spielfrei arbeiten soll. Die Lagerung von Rundtischen ist prinzipiell mittels hydrostatischer Lager, wie beispielsweise aus der DD 24 34 56 A 1 bekannt, oder mittels Luftlager, wie aus der DE 199 53 118 A1 bekannt, möglich. Ein generelles Problem bei Rundtischlagerungen und -antrieben können Schwingungen darstellen, die insbesondere bei der Zerspanung von Werkstücken auftreten.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rundtischlagerungs- und An- thebsvorrichtung anzugeben, welche besonders unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese insbesondere für eine Werkzeugmaschine geeignete Vorrichtung zur Lagerung und zum Antrieb eines Rundtisches weist zwei Lagerungsvorrichtungen auf, nämlich eine Axial-Radial-Wälzlagerung sowie eine aktive Magnetlagerung, worunter eine mit Elektromagneten arbeitende Magnetlagerung verstanden wird. Zusätzlich zu diesen Lagerungsvorrichtungen, welche der drehbaren Lagerung des Rundtisches auf einem Gestell die- nen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen elektrischen Direktantrieb auf, dessen Rotor starr mit dem Rundtisch und dessen Stator starr mit dem Gestell verbunden ist. Die Kombination von Wälzlagerung, aktiver Magnetlagerung und elektrischem Direktantrieb ermöglicht eine besonders steife Lagerung und einen spielfreien Antrieb des Rundtisches bei gleichzeitig kompaktem Auf- bau der gesamten Vorrichtung. Die aktive Magnetlagerung wirkt vorzugsweise ausschließlich in axiale Richtung, bezogen auf die Drehachse des Rundtisches. Alternativ ist auch eine radiale oder eine kombinierte axiale und radiale aktive Magnetlagerung realisierbar.

Der elektrische Direktantrieb des Rundtisches ist vorzugsweise als permanentmagneterregter Synchronmotor, auch als Torquemotor bezeichnet, ausgebildet. In vorteilhafter Ausgestaltung bildet das bestrombare Primärteil des Torquemo- tors den Stator des elektrischen Direktantriebs, während der fest mit dem Rundtisch verbundene Rotor ausschließlich mit Permanentmagneten bestückt ist. Vorzugsweise werden Permanentmagnete aus Magnetmaterial mit hoher magnetischer Energie verwendet, wie beispielsweise NdFeB oder SmCo. Die Permanentmagnete sind bevorzugt auf einem Ring aus Sintermaterial befestigt, womit Ummagnetisierungsverluste gering gehalten werden.

Die Position und / oder der Bewegungszustand des Rundtisches ist mittels eines oder mehrerer Sensoren erfassbar. Zur Ermittlung von Ortsinformationen sind Sensoren geeignet, die optisch, induktiv, magnetisch, kapazitiv, taktil, mit Wirbelstrom oder mit Ultraschall arbeiten. Im Fall optischer Messverfahren

kommen Reflexlicht-Messungen oder Triangulations-Messungen in Betracht. Beschleunigungssensoren, welche insbesondere zur Messung axialer Beschleunigungen am Rundtisch geeignet sind, arbeiten beispielsweise mit seismischer Masse oder mit piezokeramischen Elementen. Die Auslenkung einer seismischen Masse ist insbesondere mittels Dehnungsmessstreifen oder induktiv erfassbar. Unabhängig von der Bauart des mindestens einen Sensors ist dieser in vorteilhafter Weise mit der aktiven Magnetlagerung derart verknüpft, dass durch die Ansteuerung der Magnetlagerung Gegenkräfte zu Schwingungen des Rundtisches erzeugt werden. Eine zu diesem Zweck vorgesehene Re- geleinrichtung umfasst vorzugsweise mehrere, kaskadiert geschaltete Regler, nämlich Lageregler, Geschwindigkeitsregler, Beschleunigungsregler und / oder Stromregler. Eine Leistungselektronik, über die einzelne Spulen der aktiven Magnetlagerung betrieben werden, wird vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation angesteuert. Die bestrombaren Spulen der Magnetlagerung sind vor- zugsweise, unabhängig von der Art deren Ansteuerung, mit dem Gestell der Rundtischlagerungs- und Antriebsvorrichtung verbunden und bilden das Primärteil der Magnetlagerung, während ein mit dem Drehtisch verbundenes Sekundärteil der Magnetlagerung mit Permanentmagneten bestückt ist. Einzelne Permanentmagnete des Sekundärteils der Magnetlagerung sind vorzugsweise jeweils in einem ringförmigen Bereich angeordnet.

In einer sowohl hinsichtlich des Platzbedarfs als auch der Kraftverteilung vorteilhaften Ausgestaltung ist die aktive Magnetlagerung radial außerhalb der Axi- al-Radial-Wälzlagerung angeordnet, während die letztgenannte Lagerung und der elektrische Direktantrieb in axial benachbarten, sich radial überlappenden Bereichen angeordnet sind.

Aufgrund der Anordnung der Primärteile des Direktantriebs sowie der Magnetlagerung am Gestell der Lagerungs- und Antriebsvorrichtung ist keine Zufüh- rung elektrischer Energie zum Rundtisch erforderlich. Soweit von einem Sensor detektierte Signale vom Rundtisch zum Gestell zu übertragen sind, kann eine übertragung elektrischer Signale beispielsweise über Schleifringkontakte erfolgen. Von einem Sensor gelieferte optische Signale sind ggf. per Lichtleiter über-

tragbar. In jedem Fall sind die aufgenommenen Signale oder hieraus generierte Daten an eine Datenverarbeitungsanlage übertragbar, welche auch eine Fernwartung der Rundtischlagerungs- und Antriebsvorrichtung, insbesondere deren schwingungstilgender Komponenten, d.h. der Sensorik sowie der diese mit der aktiven Magnetlagerung verknüpfenden Regeleinrichtung, ermöglicht.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 einen schematischen Querschnitt einer Rundtischlagerungs- und Antriebsvorrichtung,

Figur 2 die Anordnung mehrerer Spulen, welche Teile einer aktiven Magnetlagerung bilden, auf einem Gestell der Vorrichtung nach Figur 1 ,

Figur 3 den prinzipiellen Aufbau einer Regeleinrichtung der

Vorrichtung nach Figur 1 , und

Figur 4 in einer übersichtsdarstellung die Vorrichtung nach

Figur 1 mit angeschlossenen Energieversorgungs- und Datenverarbeitungseinrichtungen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Figur 1 zeigt vereinfacht eine Rundtischlagerungs- und antriebsvorrichtung 1 , welche ein Gestell 2 sowie einen hierauf drehbar gelagerten Rundtisch 3 umfasst. Zur Lagerung des Rundtisches 3 sind eine Axial-Radial-Wälzlagerung 4 sowie eine aktive Magnetlagerung 5 vorgesehen. Die Axial-Radial-

Wälzlagerung 4 stellt eine Kombination einer doppelt wirkenden Axiallagerung 6 mit einer Radiallagerung 7 dar. Hierbei beschreiben zwei Laufbahnen 8, 9 der Axiallagerung 6 zusammen mit einer zwischen diesen angeordneten Laufbahn 10 der Radiallagerung 7 eine U-förmige Kontur, in welche ein am Gestell 2 be- festigter Ring 1 1 eingreift. Zwischen dem Ring 11 und den Laufbahnen 8, 9, 10 rollen Zylinderrollen 12 als Wälzkörper ab.

Auf dem Rundtisch 3, welcher Teil einer Werkzeugmaschine ist, ist ein Werkstück 13 angeordnet, das mittels eines rotierenden Werkzeugs 14 bearbeitet wird. Die Gewichtskraft des Werkstücks 13 ist mit F _G , eine Schnittkraft mit F _s bezeichnet. Die Schnitt- oder Bearbeitungskraft F _s erzeugt ein auf den Rundtisch 3 wirkendes Drehmoment M. Die Drehachse des Rundtisches 3 ist mit D bezeichnet. Im Folgenden beziehen sich die Begriffe „radial" und „axial", soweit nicht anders angegeben, auf diese Drehachse D.

Radial außerhalb der Axial-Radial-Wälzlagerung 4 und im selben axialen Bereich befindet sich die aktive Magnetlagerung 5, welche sich aus einem bestrombaren, mit dem Gestell 2 verbundenen Primärteil 15 und einem mit dem Drehtisch 3 verbundenen, mit Permanentmagneten 16 bestückten Sekundärteil 17 zusammensetzt. Die Permanentmagnete 16 sind ringförmig oder ringseg- mentförmig ausgebildet. In jedem Fall befinden sich Permanentmagnete 16 in verschiedenen, im Ausführungsbeispiel zwei, ringförmigen Bereichen. Die einzelnen Permanentmagnete 16, beispielsweise Seltenerdmagnete, sind auf einem Ring 18 aus Sintermaterial befestigt und übertragen über diesen Magnet- kräfte F _M -ι, F _M2 auf den Rundtisch 3. Je nach Ansteuerung von Komponenten der Primärteile 15 können die Magnetkräfte F _M i, F _M 2 in Richtung der Gewichtskraft F _G oder in entgegengesetzter Richtung wirken.

Der Drehantrieb des Rundtisches 3 erfolgt mittels eines elektrischen Direktan- triebs 19, nämlich eines Torquemotors. Der als permanentmagneterregter Synchronmotor aufgebaute Torquemotor 19 weist einen mit dem Rundtisch 3 verbundenen Rotor 20 und einen mit dem Gestell 2 verbundenen Stator 21 auf. Hierbei ist der Stator 21 als bestrombares Primärteil und der Rotor 20 als per-

manentmagnetbestücktes Sekundärteil des Synchronmotors 19 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Torquemotor 19 um einen Innenläufermotor; ebenso ist jedoch auch ein Außenläufermotor als elektrischer Direktantrieb 19 realisierbar. In beiden Fällen zeichnet sich der Direktan- trieb 19 insbesondere durch Spiel- und Hysteresefreiheit aus.

Die Positionierung sowie der Bewegungszustand des Rundtisches 3 ist mittels jeweils mindestens eines Wegsensors 22 und Beschleunigungssensors 23 erfassbar. Die Sensoren 22, 23 ermöglichen insbesondere die Detektion mecha- nischer Schwingungen und sind mittels einer Regeleinrichtung 24 mit der aktiven Magnetlagerung 5 verknüpft. Wie in Figur 2 vereinfacht dargestellt, umfasst das Primärteil 15 der aktiven Magnetlagerung 5 beispielsweise drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Spulen 25, 26, 27, welche mit dem Sekundärteil 17 der Magnetlagerung 5 zusammenwirken. Ebenso wie mehrere Spulen 25, 26, 27 rotationssymmetrisch um die Drehachse D angeordnet sind, sind auch mehrere, beispielsweise drei, Beschleunigungssensoren 23 rotationssymmetrisch um die Drehachse D angeordnet. Dies ermöglicht die ortsabhängige Erfassung und Auswertung von Schwingungszuständen des Rundtisches 3. Die Regeleinrichtung 24 ist derart ausgebildet, dass mittels der Spulen 25, 26, 27 Kräfte in den Rundtisch 3 eingeleitet werden, die den detektierten Schwingungen entgegenwirken, wobei je nach Art der auftretenden Schwingungen die mittels verschiedener Spulen 25, 26, 27 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Magnetkräfte F _M - _I , F _M2 gleichgerichtet oder entgegengerichtet sein können. Mit anderen Worten: In einem ersten Betriebszustand der Regeleinrichtung 24 sind sämtliche Spulen 25, 26, 27 derart angesteuert, dass alle von den Spulen 25, 26, 27 erzeugten Kräfte F _M i, F _M 2 in dieselbe Richtung wirken. In einem zweiten Betriebszustand der Regeleinrichtung 24 ist dagegen die Kraft F _M -ι, welche durch die Spule 25 erzeugt wird, der Kraft F _M 2, welche durch eine der Spulen 26, 27 erzeugt wird, entgegengerichtet. Somit ist die mittels der aktiven Magnet- lagerung 5 realisierte Schwingungstilgungseinrichtung in der Lage, sich auf unterschiedliche Schwingungszustände des Rundtisches 3 einzustellen.

Die Regeleinrichtung 24 arbeitet, wie in Figur 3 dargestellt, mit einer kaskadier- ten Regelung. Verschiedene Messumformer 28, 29, welche an die Sensoren 22, 23 angeschlossen oder in diese integriert sind, liefern jeweils eine Ausgangsspannung U, die einer Orts- bzw. Beschleunigungsinformation s, a ent- spricht. Zusätzlich zu in Figur 3 dargestellten Lagereglern 30 und Beschleunigungsreglern 31 sind optional Geschwindigkeitsregler vorhanden. In jedem Fall wirken die Regler 30, 31 mit einem Stromregler 32 zusammen, welcher wiederum Eingangssignale an einen Signalumformer 33 leitet. Der Signalumformer 33 steuert über einen Pulsweitenmodulator 34 und eine Leistungselektronik 35, an welcher eine Spannung U _D anliegt, die Spulen 25, 26, 27, in Figur 3 auch als Induktivitäten L ₁ , L ₂ , L ₃ bezeichnet, an. Der Stromverlauf in den Induktivitäten L ₁ , L ₂ , L ₃ ist dabei nicht notwendigerweise gleichphasig.

Mittels der Sensoren 22, 23 erfasste Signale werden über Schleifringkontakte 36 (Fig. 1 ) an feststehende Teile übertragen. Insgesamt ist die Rundtischlage- rungs- und Antriebsvorrichtung 1 , wie in Figur 4 dargestellt, mittels Signalkabel

37 und Leistungskabel 38 mit einem Schaltschrank 39 verbunden. An diesen wiederum ist eine Datenverarbeitungsanlage 40, beispielsweise in Form eines einzigen Rechners oder eines Rechnernetzwerks, angeschlossen, die insbe- sondere eine Fernwartung der Rundtischlagerungs- und Antriebsvorrichtung 1 ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1 Rundtischlagerungs- und anthebsvorrichtung

2 Gestell

3 Rundtisch

4 Axial-Radial-Wälzlagerung

5 aktive Magnetlagerung

6 Axiallagerung

7 Radiallagerung

8 Laufbahn

9 Laufbahn

10 Laufbahn

1 1 Ring

12 Zylinderrolle

13 Werkstück

14 Werkzeug

15 Primärteil

16 Permanentmagnet

17 Sekundärteil

18 Ring

19 elektrischer Direktantrieb, Torquemotor

20 Rotor

21 Stator

22 Wegsensor

23 Beschleunigungssensor

24 Regeleinrichtung

25 Spule

26 Spule

27 Spule

28 Messumformer

29 Messumformer

30 Lageregler

31 Beschleunigungsregler

32 Stromregler

33 Signalumformer

34 Pulsweitenmodulator

35 Leistungselektronik

36 Schleifringkontakt

37 Signalkabel

38 Leistungskabel

39 Schaltschrank

40 Datenverarbeitungsanlage

a Beschleunigungsinformation

D Drehachse

F _G Gewichtskraft

Fs Schnittkraft

FM- I , FM2 Magnetkraft

U L ₂ , L ₃ Induktivität

M Drehmoment

S Ortsinformation

U Ausgangsspannung

U ₀ Spannung