Drehübertrager für Werkzeugmaschinen Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager für Werkzeugmaschinen mit einem maschinenfesten Statorteil, einem werkzeugfesten, um eine Rotationsachse drehbaren Rotorteil und mit stator- und rotorseitigen Sende- und Empfangselementen zur bidirektionalen berührungsfreien Datenübertragung. Drehübertrager dieser Art werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen mit Verstellwerkzeugen eingesetzt (EP 1 856 705 B1 ). Bei dem vorbekannten Drehübertrager weisen die stator- und rotorseitigen Sende- und Empfangselemente einander paarweise zugeordnete, stator- und rotorseitige Kopplungswindungen für die induktive Datenübertragung auf, die an eine Sende- und Empfangselektronik angeschlossen sind. Weiter ist je eine sta- torseitige und eine rotorseitige, zu den Kopplungswindungen konzentrische Energiewicklung für die induktive Energieübertragung nach dem Transformatorprinzip vorgesehen. Die Energiewicklungen und die Kopplungswindungen sind durch je eine statorseitige und rotorseitige Kernpartie voneinander ge- trennt, wobei die statorseitigen und die rotorseitigen Kernpartien an einander zugewandten Enden über einen Luftspalt getrennt sind. Ein gewisser Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, dass trotz der zwischen den Übertragungsstrecken für die Daten- und Energieübertragung angeordneten ferromagnetischen Kernpartien eine nicht unerhebliche Störung der Daten- Übertragung durch die Energieübertragung erfolgt. Dies bedeutet, dass der Übertragungsleistung über die Energiewicklungen Grenzen gesetzt sind, die den Anwendungsbereich beschränken.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Drehüber- tragungssystem zu entwickeln, das eine geringere Störanfälligkeit bei hohen Energieübertragungsleistungen aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht im Wesentlichen darin, dass die Sende- und Empfangselemente als optoelektronische Bauelemente ausgebildet sind, die auf dem Rotorteil und dem Statorteil zu rotorseitigen und zu stator- seitigen Sendergruppen und Empfängergruppen mit jeweils einer zugehörigen Sende- und Empfangselektronik zusammengefasst sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn die Sende- und Empfangselemente der einander zugeordneten rotorseitigen und statorseitigen Senderund Empfängergruppen über eine axiale Übertragungsstrecke einander paarweise zugewandt und so relativ zueinander angeordnet sind, dass in jeder Drehlage des Rotorteils gegenüber dem Statorteil die einander zuge- ordneten Sender- und Empfängergruppen über mindestens eines ihrer jeweiligen Sende- und Empfangselemente miteinander kommunizieren. Damit ist die Datenkommunikation bei drehendem und stehendem Rotorteil ununterbrochen sichergestellt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Sende- und Empfangselemente der einander zugeordneten Sender- und Empfängergruppen auf einem rotorseitigen und einem statorseitigen Kreis oder Kreisabschnitt mit etwa gleichem Radius in Bezug auf die Rotationsachse angeordnet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Sende- und Empfangselemente der einander zugeordneten Sender- und Empfängergruppen paarweise auf gleichen Radien angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Sende- und Empfangselemente auf dem gleichen Radius angeordnet sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sende- und Empfangselemente der Sender- und Empfängergruppen in defi- nierten Winkelabständen voneinander auf dem Rotorteil und dem Statorteil angeordnet sind.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass je eine stator- seitige und eine rotorseitige, zur benachbarten Sender- und Empfängergruppe bezüglich der Rotationsachse konzentrische Energiewicklung für die induktive Energieübertragung nach dem Transformatorprinzip vorgesehen ist. Die Energiewicklungen sind dabei auf je einer statorseitigen und einer rotor- seitigen, an einander zugewandten Enden über einen Luftspalt voneinander getrennten Kernpartie aus ferromagnetischem Material aufgewickelt.

Um den Zugriff zu dem Rotor mit einem automatischen Handhabungssystem zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn das Statorteil mit seinen Senderund Empfängergruppen und mit seiner Energiewicklung sich nur über ein Zylindersegment erstreckt, während das Rotorteil mit seinen Sender- und Empfängergruppen und seiner Energiewicklung sich über einen Vollzylinder erstrecken kann. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsvariante mit vollzylindrischem Statorteil denkbar. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sendeelemente als Lichtemissionsdioden (LED) ausgebildet sind, während die Empfangselemente als Fotodioden oder Fotoelemente ausgebildet sein können. Vorteilhafterweise bilden die Sendeelemente und die Empfangselemente eine bauliche Einheit und sind für einen Halbduplexbetrieb wahlweise umschaltbar.

Um Störungen der Sende- und Empfangselemente und deren Elektronik durch elektromagnetische Streufelder aus der induktiven Energieübertragungsstrecke zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die rotorseitigen und die statorseitigen Sende- und Empfangselemente mit ihre Sende- und Empfangselektronik gegenüber dem Luftspalt axial zurückversetzt angeordnet und über eine Licht- leitstrecke mit einem zum Luftspalt hin lichtdurchlässigen Eintritts- oder Austrittsfenster verbunden sind.

Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch erzielt, dass die Sende- und Empfangselemente mit ihrer Sende- und Empfangselektronik in einem gegenüber der Energieübertragungsstrecke abgeschirmten Gehäuse des Rotors oder Stators angeordnet sind. Die Lichtleitstrecke kann dabei durch eine lichtdurchlässige Zwischenschicht gebildet sein. Alternativ hierzu kann die Lichtleitstrecke einen Lichtleiter, ein Büschel von Lichtleitern oder einen lichtstreuenden Diffusor umfassen. Weiter kann es für die optimale Unterbringung von Verbindungskabeln und eine bessere Raumausnutzung von Vorteil sein, wenn in der Lichtleitstrecke insbesondere des Stators ein Spiegel oder ein Prisma zur Umlenkung eines mit den zu übertragenden Daten modulierten Lichtstrahls angeordnet ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen eine Seitenansicht eines in eine Maschinenspindel eingespannten Werkzeugkopfs mit Drehübertrager für die Energie- und Datenübertragung in teilweise geschnittener Darstellung;

Fig. 2a eine Draufsicht auf den Drehübertrager von der Statorseite aus gesehen für eine Datenübertragung im Halbduplexbetrieb;

Fig. 2b einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 2a;

Fig. 2c eine Darstellung entsprechend Fig. 2a für eine Datenübertragung im Vollduplexbetrieb; bis c einen Schnitt durch den Drehübertrager für drei verschiedene Ausführungsvarianten in einer ausschnittsweisen Darstellung entsprechend Fig. 2b. Der in Fig. 1 dargestellte, als Feindrehkopf ausgebildete Werkzeugkopf 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 1 1 , einem quer zur Drehachse 12 des Werkzeugkopfs 10 gegenüber dem Grundkörper 1 1 verstellbaren, ein Schneidwerkzeug aufweisenden Schieber 14, mindestens einem innerhalb des Werkzeugkopfs 10 angeordneten, nicht dargestellten Strom- Verbraucher, beispielsweise in Form einer Messeinrichtung zur direkten Verstellwegmessung sowie einem elektrischen Versteilmotor für den Schieber 14. Die Stromversorgung der Stromverbraucher und der Datenaustausch erfolgt über einen Drehübertrager 17, der aus einem Statorteil 18 und einem Rotorteil 26 besteht. Der Werkzeugkopf 10 ist mit einem axial über den Grundkörper 1 1 überstehenden Werkzeugschaft 20 mit der Maschinenspindel 22 einer Werkzeugmaschine 24 kuppelbar. Zur Einstellung eines Luftspalts 35 zwischen dem Stator- und dem Rotorteil ist das Statorgehäuse 34 an einem statorfesten Halter 40 mittels eines Verstellmechanismus 42 sowohl in seinem Abstand zum Rotor als auch in seiner Drehlage um eine zur Drehachse 12 parallele Achse verstellbar angeordnet.

Bei dem in Fig. 1 und 2a und b gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Statorteil 18 segmentartig nur über einen Teilumfang von etwa 60° bis 70° des Werkzeugschafts 20 und lässt den überwiegenden Teil des Schaft- umfangs unter Bildung eines Freiraums 43 für den Zugriff eines Werkzeuggreifers 44 für den automatischen Werkzeugwechsel frei. Beim Werkzeugwechsel wird der Werkzeugkopf 10 an der Greiferrille 46 vom Werkzeuggreifer 44 von der dem Statorteil gegenüberliegenden Seite her erfasst und bei gelöster Werkzeugkupplung axial gegenüber der Maschinenspindel 22 verschoben. Die Kupplung des Werkzeugkopfes 10 mit der Maschinenspindel 22 erfolgt über einen maschinenseitig über die Zugstange 47 betätigbaren Spannmechanismus, der von der Maschinenseite aus in den Hohlraum 48 des Werkzeugschafts 20 eingreift und den Werkzeugkopf unter Herstellung einer Planflächenverspannung und einer Radialverspannung mit der Maschinenspindel 22 kuppelt. Die berührungslose Energieübertragung zwischen Statorteil 18 und Rotorteil 26 erfolgt nach dem Transformatorprinzip. Zu diesem Zweck weisen das Statorteil 18 und das Rotorteil 26 jeweils eine in einem Gehäuse 50,50' angeordnete Kernpartie 52,52' aus ferromagnetischem Material sowie je eine auf die statorseitige und die rotorseitige Kernpartie 52,52' aufgewickelte Energiewicklung 54,54' auf. In den Fig. 2a, b und c sowie 3a, b und c sind die Energiewicklungen 54,54' und die Kernpartien 52,52' schematisch als Ringelemente dargestellt, die konzentrisch zur Drehachse 12 angeordnet sind.

Die Sende- und Empfangselemente 56,58';56',58 für die Datenübertragung sind als optoelektronische Bauelemente ausgebildet. Bei den Sendeelementen 56,56' handelt es sich um Lichtemissionsdioden (LED) und bei den Empfangselementen 58,58' um Fotodioden oder um optoelektronische Fotoelemente. Den Sendeelementen 56,56' ist eine Sendeelektronik 60,60' und den Empfangselementen 58,58' eine Empfangselektronik 62,62' zugeordnet. Die Sendeelemente 56,56' und die Empfangselemente 58,58' sind sowohl auf der Statorseite als auch auf der Rotorseite zu Sendergruppen 64,64' und zu Empfängergruppen 66,66' zusammengefasst. Dabei sind die einander zugeordneten rotorseitigen und statorseitigen Sender- und Empfängergruppen 64,66';64',66 über eine axiale Lichtleitstrecke 68,68' einander paarweise zu- gewandt und so relativ zueinander auf zur Rotationsachse 12 konzentrischen Kreisen angeordnet (Fig. 2a), dass in jeder Drehlage des Rotorteils 26 gegenüber dem Statorteil 18 die einander zugeordneten Sender- und Empfängergruppen 64,66';64',66 über mindestens eines ihrer jeweiligen Sende- und Empfangselemente 56,58';56',58 miteinander kommunizieren.

Bei den in Fig. 2a, 3a und 3 c gezeigten Ausführungsbeispielen können die Sende- und Empfangselemente 56,58;56',58' in einem Bauteil zusammenge- fasst werden. Um eine bidirektionale Datenübertragung zu ermöglichen, werden dabei die gruppenweise kombinierten Sende- und Empfangselemente 56,58';56',58 im Halbduplexverfahren abwechselnd über ihre Sende- und Empfangselektronik 60,62';60',62 als Sender und als Empfänger betrieben. Die Umschaltung erfolgt zentralgesteuert in der Weise, dass abwechselnd Daten vom Statorteil 18 zum Rotorteil 26 und vom Rotorteil 26 zum Statorteil 18 übertragen werden.

Bei einer Anordnung gemäß Fig. 2c ist es auch möglich, die jeweils auf dem gleichen Kreisdurchmesser angeordneten Sendergruppen 64,64' und Empfängergruppen 66,66' im Vollduplexverfahren zu betreiben, wenn die richtungsverschieden einander zugeordneten Sendeelemente 56,56' und Empfangselemente 58,58' verschieden farbiges Licht emittieren und empfangen (z.B. 56,58' rot und 56', 58 grün) und dadurch in der jeweils anderen Gruppe nicht stören.

Bei dem in Fig. 3b gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf dem Statorteil 18 und auf dem Rotorteil 26 jeweils eine Sendergruppe 64,64' und eine Empfängergruppe 66,66' vorgesehen, die auf unterschiedlichen Radien des Statorteils 18 und des Rotorteils 26 angeordnet sind. Mit dieser Anordnung ist eine bidirektionale Datenübertragung im Vollduplexverfahren auch bei gleichen Trägerlichtfarben möglich. Die im Rotorteil 26 und im Statorteil 18 einander zugewandten Sender- und Empfängergruppen 64,66';64',66 kommunizieren in entgegengesetzten Richtungen vom Statorteil 18 zum Rotorteil 26 und vom Rotorteil 26 zum Statorteil 18.

Wie aus Fig. 2a und 3a bis c zu ersehen ist, sind die Sende- und Empfangselemente 56, 56', 58, 58' sowohl im Statorteil 18 als auch im Rotorteil 26 gegenüber dem Luftspalt 35 axial zurückversetzt in einem eigenen Gehäu- seabschnitt 70,72 angeordnet. Die optische Kopplung zwischen den Sende- und Empfangselementen 56,58';56',58 erfolgt über Lichtleitstrecken 68,68' und über den Luftspalt 35 einander zugewandte Ein- und Austrittsfenster 74,74' der Lichtleitstrecken 68,68'. Der Axialversatz der optoelektronischen Sende- und Empfangselemente 56, 56', 58, 58' und der zugehörigen Sende- und Empfangselektronik 60, 60', 62, 62' sorgt dafür, dass eine ausreichende Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Streustrahlung aus der Ener- gieübertragungsstrecke und damit auch bei hohen Übertragungsleistungen im Energiebereich ein störungsfreier Datenaustausch möglich ist. Die Lichtleitstrecke 68,68' kann beispielsweise durch eine lichtdurchlässige Zwischenschicht gebildet sein. Grundsätzlich können hierfür auch Lichtleiter o- der Büschel von Lichtleitern eingesetzt werden. Um eine Verbreiterung der Lichtübertragung zu erhalten, kann die Lichtleitstrecke auch als Licht leitender Diffusor ausgebildet sein.

Eine Besonderheit des in Fig. 3c gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass in der Lichtleitstrecke 68 auf der Statorseite 18 ein Spiegel oder ein Prisma 76 zur Umlenkung eines für die Datenübertragung verwendeten Lichtstrahls angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, die axiale Ausdehnung des Statorgehäuses 34 und damit dessen Störkontur klein zu halten. Grundsätzlich ist es möglich, für das Statorteil 18 ein zweiteiliges Gehäuse 34 zu verwenden, das aus einem Grundgehäuse und einem Wechselgehäuse zusammengesetzt ist. Das Grundgehäuse kann dabei an dem statorfesten Halter 40 fixiert werden, während das Wechselgehäuse an einer nicht dargestellten Trennstelle lösbar am Grundgehäuse befestigt sein kann. Im Grund- gehäuse kann die Sende- und Empfangselektronik 60,62 sowie die Signalaufbereitungselektronik und die Elektrik für die Energieversorgung auf einer Platine angeordnet werden, die über ein durch eine Öffnung im Grundgehäuse hindurchgreifendes Kabel mit der Maschinensteuerung verbunden werden kann. Die Energiewicklung 54,54' ist in eine Gießmasse aus Kunst- harz mit abriebfestem Zusatz, wie z.B. Keramik, Gesteinsmehl, Glasfaserstoffe eingebettet und befindet sich im Wechselgehäuse hinter einem Gehäusefenster. Auch die Lichtleitstrecke 68,68' kann aus einem Kunstharz mit abriebfestem Zusatz bestehen. Um die Statorwicklungen 54 vor unnötigem Verscheiß zu schützen, kann das Wechselgehäuse vor allem beim Einsatz von Werkzeugen herkömmlicher Bauart, die kein das Statorteil 18 übergreifendes Rotorteil 26 aufweisen, mit einfachen Handgriffen entfernt werden, ohne dass das Grundgehäuse abgenommen werden muss. Eine zusätzliche Möglichkeit für den Verschleißschutz besteht darin, dass das Gehäusefenster des Statorteils 18 bei Nichtgebrauch durch einen nicht dargestellten Deckel verschlossen wird. Der Vorgang des Aufsetzens und Abnehmens des Deckels kann automatisiert werden.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehübertrager 17 für Werkzeugmaschinen mit einem maschinenfesten Statorteil 18, einem werkzeugfesten, um eine Rotationsachse 12 drehbaren Rotorteil 26 und mit stator- und rotorseitigen Sende- und Empfangsele- menten 56,58';56',58 zur bidirektionalen berührungsfreien Datenübertragung. Um auch bei induktiver Energieübertragung mit hoher Leistung eine störungsfreie Datenübertragung zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Sende- und Empfangselemente 56, 56', 58, 58' als optoelektronische Bauelemente ausgebildet sind, die auf dem Statorteil 18 und Rotorteil 26 zu statorseitigen und zu rotorseitigen Sendergruppen 64,64' und Empfängergruppen 66,66' mit jeweils einer zugehörigen Sende- und Empfangselektronik 60, 62, 60', 62' zusammengefasst sind. Die Sende- und Empfangselemente 56,58';56',58 der einander zugeordneten rotorseitigen und statorseitigen Sender- und Empfängergruppen 64,66';64',66 sind über eine axiale Lichtleitstrecke 68,68' einander paarweise zugewandt und so relativ zueinander angeordnet, dass in jeder Drehlage des Rotorteils 26 gegenüber dem Statorteil 18 die einander zugeordneten Sender- und Empfängergruppen 64,66';64',66 über mindestens eines ihrer Sende- und Empfangselemente 56,58';56',58 miteinander kommunizieren. Bezugszeichenliste:

10 Werkzeugkopf

1 1 Grundkörper

12 Drehachse

14 Schieber

17 Drehübertrager

18 Statorteil

20 Werkzeugschaft

22 Maschinenspindel

24 Werkzeugmaschine

26 Rotorteil

34 Statorgehäuse

35 Luftspalt

40 Halter

42 Verstellmechanismus

43 Freiraum

44 Werkzeuggreifer

46 Greiferrille

47 Zugstange

48 Hohlraum

50,50' Gehäuse

52,52' Kernpartie

54,54' Energiewicklung

56,56' Sendeelemente

58,58' Empfangselemente

60,60' Sendeelektronik

62,62' Empfangselektronik

64,64' Sendergruppen

66,66' Empfängergruppen

68,68' Lichtleitstrecke

70,72 Gehäuseabschnitt Ein- und Austrittsfenster Prisma oder Spiegel