DE102004039190A1

DE102004039190A1 - Maschine, insbesondere Produktionsmaschine, Werkzeugmaschine und/oder Roboter

Info

Publication number: DE102004039190A1
Application number: DE102004039190A
Authority: DE
Inventors: Andreas Haase; Wolfram Herrmann; Karl-Heinz Smolka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20070280809A1; WO2006018390A1; JP2008509495A; US7622833B2

Abstract

Eine Maschine, insbesondere eine Produktionsmaschine, eine Werkzeugmaschine und/oder ein Roboter, weist mindestens einen elektrischen Positionierantrieb (4, 10) auf, der einen Stator (11) und einen relativ zum Stator (11) in mindestens einer Verfahrrichtung (x, z, gamma) bewegbaren Läufer (12) aufweist. Der Läufer (12) ist relativ zum Stator (11) in mindestens einer von der mindestens einen Verfahrrichtung (x, z, gamma) verschiedenen Lagerrichtung (y, z, alpha, beta, gamma; x, y, z, alpha, beta) mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert. Dem Positionierantrieb (4, 10) ist eine Sensoreinrichtung (14) zugeordnet, mittels derer berührungslos eine Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, alpha, beta, gamma; x, y, z, alpha, beta) erfassbar ist. Dem Positionierantrieb (4, 10) ist auch eine Regeleinrichtung (17) zugeordnet, der die von der Sensoreinrichtung (14) erfasste Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, alpha, beta, gamma; x, y, z, alpha, beta) zuführbar ist. Von der Regeleinrichtung (17) ist anhand der Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, alpha, beta, gamma; x, y, z, alpha, beta) und einer Solllagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, alpha, beta, gamma; x, y, z, alpha, beta) ein Stellsignal für ein Positioniermagnetsystem (18) ermittelbar, mittels dem die Lagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine, insbesondere eine Produktionsmaschine, eine Werkzeugmaschine oder ein Roboter, mit mindestens einem elektrischen Positionierantrieb, wobei der Positionierantrieb einen Stator und einen relativ zum Stator in mindestens einer Verfahrrichtung bewegbaren Läufer aufweist und der Läufer relativ zum Stator in mindestens einer von der mindestens einen Verfahrrichtung verschiedenen Lagerrichtung mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert ist.

Derartige Maschinen sind allgemein bekannt.

Bei vielen Maschinen müssen zu positionierende Elemente hochgenau verfahren werden. Beispiele derartiger Maschinen sind Produktionsmaschinen wie z. B. Werkzeugmaschinen, Bearbeitungsstationen oder Spritzgießmaschinen. Das Verfahren dieser zu positionierenden Elemente erfolgt dabei in der Regel über elektrische Positionierantriebe. Diese Positionierantriebe weisen einen Stator und einen Läufer auf, wobei der Läufer relativ zum Stator in mindestens einer Verfahrrichtung bewegbar ist. Der Läufer ist bei diesen Positionsantrieben in der Regel relativ zum Stator in mindestens einer von der mindestens einen Verfahrrichtung verschiedenen Lagerrichtung in Wälzlagern gelagert.

Es sind auch schon Antriebe bekannt, bei denen der Läufer relativ zum Stator in mindestens einer von der mindestens einen Verfahrrichtung verschiedenen Lagerrichtung mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert ist. Am bekanntesten ist der Einsatz dieser Technik bei Magnetschwebebahnen (Transrapid).

Auch bei Produktionsmaschinen werden ähnliche Positionierantriebe bereits eingesetzt. Bei diesen Antrieben erfolgt eine Positionierung des Läufers in der Lagerrichtung durch Führungsschienen, also nicht berührungslos. Diese Führung wird im Stand der Technik für erforderlich gehalten, um die nötige Positioniergenauigkeit und Steifigkeit des Positionierantriebs zu gewährleisten. Der eigentliche Vorteil, nämlich die Berührungsfreiheit von Stator bzw. von mit dem Stator verbundenen Elementen auf der einen Seite und Läufer bzw. mit dem Läufer verbundenen Elementen auf der anderen Seite wird dadurch aber nicht erreicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Maschine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass die Positioniergenauigkeit und die Steifigkeit des Positionierantriebs auch in der mindestens einen Lagerrichtung erhalten bleibt, obwohl der Positionierantrieb völlig berührungslos ausgebildet ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst,

– dass dem Positionierantrieb eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, mittels derer berührungslos eine Verlagerung des Läufers relativ zum Stator in der mindestens einen Lagerrichtung erfassbar ist,
– dass dem Positionierantrieb eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, der die von der Sensoreinrichtung erfasste Verlagerung des Läufers relativ zum Stator in der mindestens einen Lagerrichtung zuführbar ist,
– dass von der Regeleinrichtung anhand der Verlagerung des Läufers relativ zum Stator in der mindestens einen Lagerrichtung und einer Solllagerung des Läufers relativ zum Stator in der mindestens einen Lagerrichtung ein Stellsignal für ein Positioniermagnetsystem ermittelbar und an das Positioniermagnetsystem ausgebbar ist,
– dass die Lagerung des Läufers relativ zum Stator in der mindestens einen Lagerrichtung mittels des Positioniermagnetsystems berührungslos nachführbar ist.

Der Läufer kann ein Linearläufer sein. In diesem Fall ist die mindestens eine Verfahrrichtung eine Linearrichtung.

Alternativ ist es möglich, dass der Läufer ein Rotor ist. Die mindestens eine Verfahrrichtung ist in diesem Fall eine Drehrichtung.

Es ist sogar möglich, dass der Positionierantrieb als kombinierter Dreh-Hub-Antrieb ausgebildet ist, dessen Läufer sowohl um eine Achse drehbar als auch entlang der Achse verschiebbar ist. In diesem Fall weist der Positionierantrieb zwei Verfahrrichtungen auf, von denen je eine eine Linearrichtung und eine Drehrichtung ist.

Unabhängig von der Art der Verfahrrichtung kann die mindestens eine Lagerrichtung eine Linearrichtung oder eine Drehrichtung sein. Bei Ausgestaltung des Läufers als Linearläufer kann die Drehrichtung dabei alternativ eine Drehrichtung im engeren Sinne als auch eine Drehrichtung im weiteren Sinne sein. Eine Drehrichtung im engeren Sinne ist in diesem Fall eine Drehung um die durch die Verfahrrichtung bestimmte Achse, eine Drehrichtung im weiteren Sinne eine Verkippung der Orientierung des Läufers relativ zur Verfahrrichtung.

In der Regel weist der Positionierantrieb sogar mindestens zwei Lagerrichtungen auf, von denen je mindestens eine eine Linearrichtung und eine Drehrichtung ist. Denn meist korrespondiert jeder der sechs prinzipiell möglichen Freiheitsgrade des Läufers (drei translatorische Freiheitsgrade + drei rotatorische Freiheitsgrade) entweder mit der Verfahrrichtung bzw. einer der Verfahrrichtungen oder mit einer Lagerrichtung.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
1 einen Prinzipaufbau einer Produktionsmaschine,
2 einen Prinzipaufbau eines Linearantriebs und
3 einen Prinzipaufbau eines Spindelantriebs.
1 zeigt ein einfaches Beispiel eine Produktionsmaschine, nämlich eine Werkzeugmaschine in Form einer – rein beispielhaften – Bohrmaschine.
Gemäß 1 weist die Werkzeugmaschine einen Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper 1 trägt eine Hauptsäule 2. An der Hauptsäule 2 ist ein Schwenkarm 3 gelagert. Der Schwenkarm 3 ist mittels eines ersten elektrischen Positionierantriebs 4 um eine Schwenkachse 5 schwenkbar. Der erste Positionierantrieb 4 ist somit ein Drehantrieb. Der Schwenkarm 3 trägt an seinem radial außen angeordneten Ende eine Bohrspindel 6, die mit einem Rotationsantrieb 7 versehen ist. Auf Grund der Schwenkbarkeit des Schwenkarms 3 ist somit die Bohrspindel 6 entlang eines Kreises K verfahrbar, dessen Radius r dem Abstand der Bohrspindel 6 von der Schwenkachse 5 entspricht.
Mittels der Bohrspindel 6 sind in ein Werkstück 8 Bohrlöcher einbringbar. Das Einbringen der Bohrlöcher geschieht dabei durch Absenken der Bohrspindel 6. Das Absenken der Bohrspindel 6 kann dabei alternativ durch den ersten Positionierantrieb 4 oder einen anderen, der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellten Antrieb bewirkt werden. Wenn das Absenken der Bohrspindel 6 durch den ersten Positionierantrieb 4 erfolgt, ist der Positionierantrieb 4 als kombinierter Dreh-Hub-Antrieb ausgebildet.
Das zu bearbeitende Werkstück 8 ist auf einem Werkzeugtisch 9 befestigt. Der Werkzeugtisch 9 ist mittels eines zweiten elektrischen Positionierantriebs 10 linear entlang des Grundkörpers 1 verfahrbar.
2 zeigt nun detaillierter den Aufbau des zweiten Positionierantriebs 10.
Gemäß 2 weist der zweite Positionierantrieb 10 einen Stator 11 und einen Läufer 12 auf. Der Läufer 12 ist ein Linearläufer, der relativ zum Stator 11 in einer linearen Verfahrrichtung x bewegbar ist. Der Stator 11 ist mit dem Grundkörper 1 starr verbunden, z. B. in den Grundkörper 1 integriert. Der Läufer 12 ist mit dem Werkzeugtisch 9 starr verbunden, z. B. in den Werkzeugtisch 9 integriert. Der zweite Positionierantrieb 10 ist somit ein Linearantrieb, mittels dessen der Werkzeugtisch 9 relativ zum Grundkörper 1 entlang der linearen Verfahrrichtung x verfahrbar ist.
Quer zur Verfahrrichtung x des zweiten Positionierantriebs 10, also in Lagerrichtungen y und z, ist der Läufer 12 relativ zum Stator 11 mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert. Das Magnetfeld wird dabei mittels starker Elektromagnete 13 generiert, die sowohl die berührungslose Lagerung des Läufers 12 als auch dessen Antrieb bewirken.
Auf Grund der berührungslosen Lagerung des Läufers 12 relativ. zum Stator 11 kann es geschehen, dass der Läufer 12 sich relativ zum Stator 11 nicht nur in der Verfahrrichtung x, sondern auch in den Lagerrichtungen y, z verlagert. Dabei sind nicht nur rein lineare Verlagerungen in den Lagerrichtungen y und z möglich, sondern auch eine Verdrehung des Werkzeugtisches 9 um eine oder mehrere der Richtungen x, y, z, also in Drehrichtungen α, β oder γ.
Zum Erfassen derartiger Verlagerungen ist eine Sensoreinrichtung 14 vorhanden. Die Sensoreinrichtung 14 weist z. B. eine Vielzahl einzelner Sensoren 15 und eine Auswerteeinrichtung 16 auf. Jeder Sensor 15 erfasst berührungslos einen Abstand des Werkzeugtisches 9 vom Grundkörper 1 bzw. des Läufers 12 vom Stator 11. Das Erfassen des Abstandes kann beispielsweise durch eine Ultraschall-Laufzeitmessung oder induktiv erfolgen. Auch andere Arten der Abstandserfassung sind denkbar.
Die Sensoren 15 sind gemäß 2 z. B. in der Lagerrichtung y beidseits und in der Lagerrichtung z unterhalb des Läufers 12 angeordnet. Sie sind in der Verfahrrichtung x vorzugsweise derart voneinander beabstandet, dass mit ihnen nicht nur die Position des Läufers 12 in Verfahrrichtung x und die mittlere Verschiebung des Läufers 12 in den Lagerrichtungen y und z ermittelbar ist. Vielmehr sind die Sensoren 15 in der Verfahrrichtung x vorzugsweise derart voneinander beabstandet, dass mit ihnen auch eine Verkippung β, γ des Läufers 12 um die y-Achse und die z-Achse sowie eine Verdrehung α des Läufers 12 um die x-Achse erfassbar ist.
Bei vollständiger Auswertung der von den Sensoren 15 gelieferten Signale ermittelt die Auswerteeinrichtung 16 also nicht nur lineare Verlagerungen des Läufers 12 in den Lagerrichtungen y und z, sondern auch eine Verdrehung des Läufers 12 um die Verfahrrichtung x und die Lagerrichtungen y, z. Bei relativ geringen Genauigkeitsanforderungen kann es im Einzelfall aber auch ausreichend sein, wenn alternativ nur die linearen Verschiebungen in den Lagerrichtungen y und z oder nur die Verdrehung α und die Verkippungen β, γ ermittelt werden.
Die erfassten bzw. ermittelten Verlagerungen des Läufers 12 werden gemäß 2 einer Regeleinrichtung 17 zugeführt, die ebenfalls dem zweiten Positionierantrieb 10 zugeordnet ist. Die Regeleinrichtung 17 vergleicht die ihm zugeführten Verlagerungen mit einer korrespondierenden Solllagerung des Läufers 12. Die Solllagerung kann dabei alternativ konstant sein, von der Position des Läufers 12 in der Verfahrrichtung x abhängen, von der Positionierung anderer Elemente der Werkzeugmaschine abhängen oder der Regeleinrichtung 17 von außen zugeführt werden. Auch eine kombinierte Abhängigkeit sowohl von der Position des Läufers 12 in der Verfahrrichtung x als auch von der Position anderer Elemente der Werkzeugmaschine ist denkbar.
Auf Grund des Vergleichs ermittelt die Regeleinrichtung 17 ein Stellsignal für ein Positioniermagnetsystem 18, das ebenfalls dem zweiten Positionierantrieb 10 zugeordnet ist. Das Positioniermagnetsystem 18 weist vorzugsweise eine Vielzahl von Elektromagneten 19 auf, wobei jeder Elektromagnet 19 individuell ansteuerbar ist. Vorzugsweise ist dabei jedem Sensor 15 genau ein Elektromagnet 19 zugeordnet.
Die Regeleinrichtung 17 gibt das von ihr ermittelte Stellsignal an das Positioniermagnetsystem 18 aus. Das Positioniermagnetsystem 18 führt daraufhin entsprechend dem vorgegebenen Stellsignal die Lagerung des Läufers 12 relativ zum Stator 11 in den Lagerrichtungen y, z, α, β, γ berührungslos nach.
3 zeigt nun detaillierter den Aufbau des ersten Positionierantriebs 4. Der Aufbau des ersten Positionierantriebs 4 entspricht vom Prinzip her dem Aufbau des zweiten Positionierantriebs 10. Der einzige wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Läufer 12 nicht ein Linearläufer, sondern ein Rotor ist. Dementsprechend ist auch die Verfahrrichtung γ des ersten Positionierantriebs 4 eine Drehrichtung γ, nämlich um die Schwenkachse 5, nicht aber eine Linearrichtung x, y, z.
Auf Grund dieses Aufbaus des ersten elektrischen Positionierantriebs 4 ist es für das Erkennen von Verlagerungen des Läufers 12 in den Lagerrichtungen y und z sowie zum Erkennen von Verkippungen α, β des Läufers 12 um die Schwenkachse 5 ausreichend, an den beiden axial voneinander beabstandeten Enden des Läufers 12 jeweils dessen Verlagerung in den Lagerrichtungen y und z zu erfassen. Der Mittelwert dieser Messwerte ergibt dann die Linearverlagerung in den Lagerrichtungen y und z, die Differenz in Verbindung mit dem axialen Abstand der korrespondierenden Sensoren 15 die Verkippungen α und β.
Auch bei der Ausführungsform gemäß 3 kann es im Einzelfall ausreichend sein, nur die rein linearen Verlagerungen des Läufers 12 oder aber nur die reinen Verkippungen des Läu fers 12 zu erfassen bzw. auszuwerten. Eine Erfassung und Auswertung sowohl von linearen Lagerrichtungen y, z als auch von Drehrichtungen α, β ist in aller Regel aber vorzuziehen.
Wie in 1 angedeutet, ist es auch möglich, dass der erste Positionierantrieb 4 als kombinierter Dreh-Hub-Antrieb 4 ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Läufer 12 sowohl um die Schwenkachse 5 drehbar als auch entlang der Schwenkachse 5, also in z-Richtung, verschiebbar. Dementsprechend weist der erste Positionierantrieb 4 in diesem Fall zwei Verfahrrichtungen z, γ auf, wobei je eine dieser beiden Verfahrrichtungen z, γ eine Linearrichtung z und eine Drehrichtung γ ist.
Auch bei solchen Antrieben ist es möglich, Verlagerungen des Läufers 12 zu erfassen und durch Nachführen der Lagerung des Läufers 12 zu kompensieren. In diesem Fall müssen in Richtung z der Schwenkachse 5 bzw. allgemeiner der Achse des Dreh-Hub-Antriebs 4 gesehen eine Vielzahl von Sensorgruppen und Elektromagnetgruppen angeordnet sein. Jede Sensorgruppe ist dabei so aufgebaut wie obenstehend in Verbindung mit 3 beschrieben. Auch die Elektromagnete 19 jeder Elektromagnetgruppe sind so angeordnet wie in 3 dargestellt. Der axiale Abstand der Sensorgruppen und Elektromagnetgruppen sollte dabei vorzugsweise derart bemessen sein, dass die Position bzw. Verlagerung des Läufers 12 unabhängig von dessen Axiallage, hier also in z-Richtung, stets von mindestens zwei Sensorgruppen erfasst werden kann und mittels mindestens zwei Elektromagnetgruppen beeinflusst werden kann. Denn dann sind auch in diesem Fall sowohl Linearverlagerungen als auch Verkippungen des Läufers 12 jederzeit erfassbar und kompensierbar.
Mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist somit eine hochgenaue Positionierung des Werkstücks 8 jederzeit möglich, obwohl die zugehörigen Positionierantriebe 4, 10 als berührungslos arbeitende, magnetfeldgelagerte Antriebe 4, 10 ausgebildet sind.

Claims

Maschine, insbesondere Produktionsmaschine, Werkzeugmaschine und/oder Roboter, mit mindestens einem elektrischen Positionierantrieb (4, 10), – wobei der Positionierantrieb (4, 10) einen Stator (11) und einen relativ zum Stator (11) in mindestens einer Verfahrrichtung (x, z, γ) bewegbaren Läufer (12) aufweist und der Läufer (12) relativ zum Stator (11) in mindestens einer von der mindestens einen Verfahrrichtung (x, z, γ) verschiedenen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert ist, – wobei dem Positionierantrieb (4, 10) eine Sensoreinrichtung (14) zugeordnet ist, mittels derer berührungslos eine Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) erfassbar ist, – wobei dem Positionierantrieb (4, 10) eine Regeleinrichtung (17) zugeordnet ist, der die von der Sensoreinrichtung (14) erfasste Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) zuführbar ist, – wobei von der Regeleinrichtung (17) anhand der Verlagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) und einer Solllagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) ein Stellsignal für ein Positioniermagnetsystem (18) ermittelbar und an das Positioniermagnetsystem (18) ausgebbar ist, – wobei die Lagerung des Läufers (12) relativ zum Stator (11) in der mindestens einen Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) mittels des Positioniermagnetsystems (18) berührungslos nachführbar ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (12) ein Linearläufer (12) ist und die mindestens eine Verfahrrichtung (x) eine Linearrichtung (x) ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (12) ein Rotor (12) ist und die mindestens eine Verfahrrichtung (γ) eine Drehrichtung (γ) ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb (4) als kombinierter Dreh-Hub-Antrieb (4) ausgebildet ist, dessen Läufer (12) sowohl um eine Achse (5) drehbar als auch entlang der Achse (5) verschiebbar ist, und dass der Positionierantrieb (4) zwei Verfahrrichtungen (z, γ) aufweist, von denen je eine eine Linearrichtung (z) und eine Drehrichtung (γ) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) eine Linearrichtung (x, y, z) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lagerrichtung (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) eine Drehrichtung (α, β, γ) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierantrieb (4, 10) mindestens zwei Lagerrichtungen (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) aufweist und dass je mindestens eine der Lagerrichtungen (y, z, α, β, γ; x, y, z, α, β) eine Linearrichtung (x, y, z) und eine Drehrichtung (α, β, γ) ist.