DE10200488A1 - Intelligent tool head for machine tools ensures non-contact transmission of electric power from a stationary side to a rotating side - Google Patents
Intelligent tool head for machine tools ensures non-contact transmission of electric power from a stationary side to a rotating sideInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen intelligenten, d. h. während des Arbeitsprozesses steuerbaren, Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, der eine kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden zu einer rotierenden Seite und die zuverlässige bidirektionale Übertragung von Daten zwischen einer stehenden und einer rotierenden Seite gewährleistet. Dabei muß die übertragbare elektrische Energie ausreichen, um auf der rotierenden Seite z. B. einen mittelgroßen Elektromotor zu betreiben bzw. eine komplexe elektronische Schaltung mit Spannung zu versorgen. Die übertragbare Datenrate muß ausreichen, um die Steuerung von komplexen elektronischen Systemen auf der rotierenden Seite zu gewährleisten. Des weiteren soll die Einrichtung kompakt sein und das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum seitlichen Werkzeugwechsel unterstützen. In particular, the invention relates to an intelligent, i.e. H. during the Controllable work process, tool head for use in machine tools, the one Contactless transmission of electrical energy from a standing to a rotating one Side and the reliable bidirectional transmission of data between a standing and a rotating side guaranteed. The transferable electrical energy are sufficient to on the rotating side z. B. to operate a medium-sized electric motor or to supply a complex electronic circuit with voltage. The transferable Data rate must be sufficient to control complex electronic systems on the to ensure rotating side. Furthermore, the facility should be compact and that Support customary tool change processes for machine tools.
Es ist bekannt, daß für die kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie von einer stehenden Seite zu einer rotierenden Seite und zur Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite und einer rotierenden Seite zwei getrennte Übertragungssysteme benutzt werden können (DE 195 38 528 C2). Diese Einrichtung widerspricht jedoch der Forderung, das bei Werkzeugmaschinen übliche Verfahren zum Werkzeugwechsel zu unterstützen. Sie erlaubt keine seitliche Zuführung des Werkzeuge an die Spannvorrichtung der Werkzeugaufnahme, da der Ferritkörper der stehenden Seite als Vollring im Verfahrweg der Werkzeugzuführung liegt. Die Werkzeugzuführung kann bei dieser Einrichtung nur von unten erfolgen, was den Werkzeugwechsel erheblich komplizierter macht. It is known that for the contactless inductive transmission of electrical energy from a standing side to a rotating side and for transferring data between the standing side and a rotating side uses two separate transmission systems can be (DE 195 38 528 C2). However, this facility contradicts the requirement to support the process for changing tools that is common in machine tools. she does not allow the tools to be fed from the side onto the clamping device Tool holder because the ferrite body on the standing side as a full ring in the travel path of the Tool feed is lying. The tool feed can only be used from below with this device take place, which makes the tool change considerably more complicated.
Eine weitere bekannte Einrichtung (DE 43 30 820 A1) kann die kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einem stationären und einem rotierenden System gewährleisten. Dieses System erlaubt eine Ausführung des Ferritkörpers auf stationärer Seite sowohl als Vollring als auch als Teilring. Another known device (DE 43 30 820 A1) can contactless Transmission of electrical energy and data between a stationary and a ensure rotating system. This system allows the ferrite body to be designed on the stationary side both as a full ring and as a partial ring.
Die Realisierung eines solchen Systems benötigt aber eine Ansteuerung der Energie- und Datenübertragungseinrichtung. In DE 199 60 350 A1 ist ein allgemeiner Vorschlag beschrieben, die Ansteuerung der Stromversorgung und der Datenübertragung an der Sekundärseite mittels einer Steuerungselektronik durchzuführen, ohne dass hierzu detaillierte Angaben gemacht worden sind. Darüber hinaus reicht nur die Ansteuerung der Energie- und Datenübertragung nicht aus, um den Werkzeugkopf währen des Arbeitsprozesses zu kontrollieren und flexibel dem aktuell entstehenden Bedarf anzupassen. However, the implementation of such a system requires activation of the energy and data transmission device. A general proposal is in DE 199 60 350 A1 described the control of the power supply and data transmission at the Secondary side to be carried out by means of control electronics, without this being detailed Information has been provided. In addition, only the activation of the energy and Data transfer is not sufficient to close the tool head during the work process control and adapt flexibly to the currently emerging need.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde für den vorgeschlagenen Werzeugkopf eine Steuerungselektronik so zu verfassen, dass sie bidirektional und mehrkanalig arbeitet, aber nicht mehrere voneinander getrennte induktive Stromkreise enthält. Dabei darf die Steuerungselektronik nicht störungsanfällig sein. Damit läßt sich der Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen während des Arbeitsprozesses flexibel steuern und weist sich als eine intelligente Einrichtung aus. Proceeding from this, the invention is based on the object of the proposed Tool head to write control electronics so that they are bidirectional and works multi-channel, but does not contain several separate inductive circuits. The control electronics must not be susceptible to faults. So that the Tool head flexible for use in machine tools during the work process control and proves to be an intelligent facility.
Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bis 3. The solution to the problem results from the features of claims 1 to 3.
Gemäß Anspruch 1 wird der intelligenter Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit einem stationären Grundkörper (Seite S) und einer mit einem steuerbaren Motor ausgerüsteten rotierenden Werkzeugschaft (Seite R), zwischen deren eine kontaktlose induktive Übertragung von elektrischer Energie und Daten mittels der Kopplung von den voneinander mit einem schmalen Luftspalt abgetrennten Spulenkerne stattfindet, die auf der stehenden Seite S als Teilringe ausgeführt sind, wobei die Übertragung von elektrischer Energie und Daten jeweils in einem getrennten Teilring erfolgt, folgendermaßen aufgebaut. According to claim 1, the intelligent tool head for use in Machine tools with a stationary body (side S) and one with a controllable motor-equipped rotating tool shaft (side R), between one of which contactless inductive transmission of electrical energy and data by means of coupling from the coil cores separated from one another with a narrow air gap, which are designed as partial rings on the standing side S, the transmission of electrical energy and data each takes place in a separate sub-ring, as follows built up.
Die Steuerung der rotierenden Seite R während des Arbeitsprozesses erfolgt durch eine Steuerungselektronik, die aus einer sich auf der stehenden Seite S befinden Steuerungselektronikeinheit SEES und eine sich auf der rotierenden Seite R befinden Steuerungselektronikeinheit SEER besteht, und die die bidirektionale Übertragung von Daten zwischen der stehenden Seite S und der rotierenden Seite R sowie die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie gewährleistet. The control of the rotating side R during the work process is done by control electronics, which are located on a standing side S. Control electronics unit SEES and one are on the rotating side R. Control electronics unit SEER exists, and the bidirectional transmission of data between the standing side S and the rotating side R as well as the preparation and Regulation of the electrical energy required for the rotating drive unit guaranteed.
Diese Einheiten präsentieren der übergeordneten Antriebssteuerung eine im rotierenden Werkzeugkopf untergebrachte Antriebseinheit so, ob sie ein gewöhnliches, direkt angeschlossenes, sich nicht bewegendes Antriebssystem wäre. Es ist so realisiert, dass die Elektronik einerseits die von einer CNC-Steuerung kommende Stellgröße (als analoges Signal) aufbereitet und zur rotierenden Antriebseinheit überträgt, andererseits, dass die Elektronik die Rückmeldung über die Istposition der Antriebseinheit (z. B. als defferentielles Inkrementalgebersignal) aufbereitet und in die entgegengesetzte Richtung, d. h. zur CNC- Steuerung, überträgt. Zusätzlich ermöglicht diese Elektronik die Übertragung digitaler Eingangssignale (die z. B. von einer SPS-Steuerung stammen) zur rotierenden Antriebseinheit und digitale Ausgangssignale (die Aufschluss über die internen Zustände der rotierenden Antriebseinheit geben) zur CNC- oder SPS-Steuerung. These units present a higher-level drive control in the rotating tool head housed drive unit so whether it is an ordinary, direct connected, non-moving drive system. It is realized that the Electronics, on the one hand, the manipulated variable coming from a CNC control (as an analog Signal) processed and transmitted to the rotating drive unit, on the other hand that the Electronics the feedback about the actual position of the drive unit (e.g. as defferential Incremental encoder signal) processed and in the opposite direction, d. H. to CNC Control, transmits. In addition, this electronics enables the transmission of digital Input signals (e.g. from a PLC control) to the rotating drive unit and digital output signals (the information about the internal states of the rotating Drive unit) for CNC or PLC control.
Dies geschieht über vier getrennte, logische, jeweils unidirektionale Kanäle, die wegen ihrer unterschiedlichen Mittelfrequenzen zusammengefasst und ohne gegenseitige Beeinflussung über eine physikalische Einheit übertragen werden können. Es ist denkbar weitere logische, jeweils unidirektionale Kanäle für die zusätzliche Informationübertragung zu nutzen. This is done via four separate, logical, each unidirectional channels that are their different medium frequencies summarized and without mutual Influence can be transmitted via a physical unit. It is conceivable additional logical, in each case unidirectional channels for the additional information transmission use.
Dafür werden gemäß Anspruch 2 drei von mindestens vier Kanälen einer bidirektionalen Steuerungselektronik für die Datenübertragung in Richtung der stehenden Seite S benutzt, davon eine für die Kontrollmeldungen und zwei weitere für die Inkrementalgebersignale A und B, und der vierte Kanal als Analogausgang in Richtung der rotierenden Seite R für die Motorsteuerung. For this, three of at least four channels are one according to claim 2 bidirectional control electronics for data transmission in the direction of the standing Side S used, one for the control messages and two more for the Incremental encoder signals A and B, and the fourth channel as an analog output in the direction of rotating side R for engine control.
Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Elektronik ist die Aufbereitung und Regelung der für die rotierende Antriebseinheit benötigten elektrischen Energie. Another important property of this electronics is the preparation and control the electrical energy required for the rotating drive unit.
Gemäß Anspruch 3 wird die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite als auch auf der rotierenden Seite mit größer Zuverlässigkeit gewährleistet. Um das zu erreichen, wird diese Umwandlung jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht, wobei der Mikrokontroller der stehenden Seite alle Abläufe innerhalb des Systems steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite und mit der Maschinensteurung ist, und der Mikrokontroller der rotierenden Seite alle Abläufe im Werkzeugkopf steuert und verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite ist. According to claim 3, the conversion of electrical energy and electronic signals both on the standing side and on the rotating side guaranteed greater reliability. To accomplish this, this transformation takes place controlled or monitored by a microcontroller, the microcontroller controls all processes within the system and is responsible for the Exchange of information with the rotating side and with the machine control is, and the Microcontroller of the rotating side controls and controls all processes in the tool head is responsible for the exchange of information with the standing page.
Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen
intelligenten Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen folgende Verbesserungen:
- - Der Werkzeugkopf wird nicht nur angesteuert, sondern während des Arbeitsprozesses über Rückführung von Regelkreis-Größen überwacht und dem aktuell entstehenden Bedarf angepaßt.
- - Der Energiebedarf wird in der rotierenden Seite gemessen, und auf der stehenden Seite geregelt.
- - Die Zuverlässigkeit der Ansteuerung (und damit auch der Überwachung) der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller sowohl auf der stehenden als auch auf der rotierenden Seite gewährleistet.
- - The tool head is not only controlled, but monitored during the work process via feedback of control loop sizes and adapted to the currently arising demand.
- - The energy requirement is measured on the rotating side and regulated on the standing side.
- - The reliability of the control (and thus also the monitoring) of the electrical energy and the electronic signals is guaranteed by the use of communicating microcontrollers on both the standing and the rotating side.
Die Einzelheiten der Erfindung werden im nachfolgenden Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 erläutert. The details of the invention will in the following embodiment of Fig. 1, Fig. 2 and Fig. 3 on the basis explained.
Die Fig. 1 zeigt die Seitenansicht und die Fig. 2 die Draufsicht einer schematischen Darstellung des intelligenten Werkzeugkopfs. Fig. 1 shows the side view and FIG. 2 is a top view of a schematic representation of the smart tool head.
Der intelligente Werkzeugkopf für den Einsatz in Werkzeugmaschinen mit kontaktloser Übertragung von elektrischer Energie und Daten zwischen einer stehenden Seite S und einer rotierenden Seite R umfaßt die Spulen 1 zur induktiven Übertragung von Energie und Daten. Diese Spulen sind eingebettet in Ferritring 2 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von elektrischer Energie, Ferritring 3 auf der rotierenden Seite R für die Übertragung von Daten, Ferritring-Segment 4 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von elektrischer Energie und in Ferritring-Segment 5 auf der stehenden Seite S für die Übertragung von Daten. The intelligent tool head for use in machine tools with contactless transmission of electrical energy and data between a stationary side S and a rotating side R comprises the coils 1 for the inductive transmission of energy and data. These coils are embedded in ferrite ring 2 on the rotating side R for the transmission of electrical energy, ferrite ring 3 on the rotating side R for the transmission of data, ferrite ring segment 4 on the upright side S for the transmission of electrical energy and in ferrite ring -Segment 5 on the standing side S for the transmission of data.
Die übertragene elektrische Energie wird benötigt, um den Elektromotor 7 und die Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu versorgen. The transmitted electrical energy is required to supply the electric motor 7 and the control electronics unit SEER in the rotating side R.
Das Blockschaltbild des Gesamtsystems ist in der Fig. 3. dargestellt. The block diagram of the overall system is shown in FIG. 3.
Die bidirektionale Datenübertragung zwischen stationärer Seite S und rotierender Seite R erfolgt über vier getrennte logische Kanäle, die physikalisch zu einer Übertragungseinheit zusammengefasst werden. Die vier logischen Kanäle sind jeweils unidirektional. The bidirectional data transmission between the stationary side S and the rotating side R takes place over four separate logical channels, which physically form a transmission unit be summarized. The four logical channels are each unidirectional.
Über den ersten Kanal gelangen Stellgröße und sonstige Kommandos (z. B. abhängig von den digitalen Eingangssignalen, die von einer SPS kommen können) von der stehenden Seite S zur rotierenden Seite R. The manipulated variable and other commands (e.g. dependent from the digital input signals that can come from a PLC) from the standing one Side S to the rotating side R.
Der zweite Kanal überträgt Kontrollmeldungen (z. B. Motorspannung, Referenzsensor, Temperatur) von der rotierenden Seite R zur stehenden Seite S. The second channel transmits control messages (e.g. motor voltage, reference sensor, Temperature) from the rotating side R to the stationary side S.
Kanal 3 und Kanal 4 sind für die Übertragung der Inkrementalgebersignale A und B von der rotierenden R zur stehenden Seite S vorgesehen. Channel 3 and channel 4 are provided for the transmission of the incremental encoder signals A and B from the rotating R to the stationary side S.
Die Übertragung der Signale erfolgt über alle vier Kanäle in digitaler Form, mit Hilfe FSK (Frequency Shift Keying) Modulator- und Demodulator-Technik. Die Mittelfrequenzen der einzelnen Kanäle sind verschieden und so können diese über entsprechende Frequenzweichen zu einem physikalischen Übertragungskanal zusammengeführt werden. The signals are transmitted via all four channels in digital form with the help FSK (Frequency Shift Keying) modulator and demodulator technology. The center frequencies of the individual channels are different and so they can be used via appropriate Crossovers are merged into a physical transmission channel.
Die Umwandlung der elektrischen Energie und der elektronischen Signale wird sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der rotierenden Seite R jeweils von einem Mikrokontroller gesteuert bzw. überwacht. Die Umwandlung bzw. Aufbereitung der elektrischen Energie auf der stehenden Seite S erfolgt mit einem geregelten Generator. Der geregelte Generator wird mit parallel geschalteten H-Leistungsbrücken realisiert, die vom Mikrokontroller gesteuert werden. Die Steuerung wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) eines Rechtecksignals vorgenommen. Das Rechtecksignal aus ständiger diagonaler Umpolung der Versorgungsspannung in den H-Leistungsbrücken wird mit nachgeschalteten Filtern in das für den Rotationsübertrager optimale Sinussignal umgewandelt. The conversion of electrical energy and electronic signals will both on the standing side S and on the rotating side R each by one Microcontroller controlled or monitored. The conversion or preparation of the electrical energy on the standing side S is generated by a regulated generator. The regulated generator is realized with parallel H-power bridges, which are from Microcontrollers can be controlled. The control is by pulse width modulation (PWM) a square wave signal. The square wave signal from constant diagonal polarity reversal the supply voltage in the H power bridges is connected to the downstream filters optimal sine signal converted for the rotary transformer.
Über die Höhe der benötigten Leistung informiert die rotierende Seite R die stationäre Seite S mit digital kodierter Datenübertragung über den dafür vorgesehenen Rückinformationskanal. Dadurch kann eine Regelung realisiert werden, die die gesamte Übertragungsstrecke (geregelter Generator, Rotationsübertrager, Motor) berücksichtigt. The rotating side R informs the stationary side of the amount of power required Side S with digitally coded data transmission over the intended Return information channel. This enables a regulation to be implemented that covers the entire Transmission path (regulated generator, rotary transformer, motor) taken into account.
Die Blindleistungskompensation wird auf der stehenden Seite S durch den Kondensator 6 (Fig. 2) realisiert, um die entstehende Verlustwärme zu verringern und eine Kompaktheit der Steurungselektronikeinheit SEER in der rotierenden Seite R zu ermöglichen. The reactive power compensation is implemented on the upright side S by the capacitor 6 ( FIG. 2) in order to reduce the heat loss generated and to allow the control electronics unit SEER in the rotating side R to be compact.
Auf der rotierenden Seite R wird der sinusförmige Strom gleichgerichtet und der Stromversorgung für Motor und Elektronik zugeführt. On the rotating side R, the sinusoidal current is rectified and the Power supply for motor and electronics supplied.
Der Mikrokontroller der stehenden Seite S steuert alle Abläufe innerhalb des Systems
und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der rotierenden Seite R und mit der
restlichen Umgebung. Er hat unter anderem folgende Aufgaben:
- - Bedienen der digitalen Ein/Ausgänge zum Austausch von Meldungen mit der Maschinensteuerung (SPS, CNC).
- - Ansteuerung eines AD-Wandlers zum Einlesen der Motorstellgröße, die von der Maschinensteuerung vorgegeben wurde.
- - Auslesen und Verarbeiten des Zählerwertes des Quadratur-Decoders zur Fehlererkennung.
- - Steuerung der Frequenz und der Leistung des geregelten Generators für die Übertragung der elektrischen Energie zur rotierenden Seite R des Systems (über ein PWM Signal).
- - Kommunikation mit der rotierenden Seite R über Kanal 1 (stehend → rotierend) und Kanal 2 (rotierend → stehend) zum Austausch von Stellgröße, Meldungen, Kommandos und Werten.
- - Bedienen des seriellen Debugging-Interface (RS232) für Inbetriebnahme und Diagnosezwecke.
- - Operation of the digital inputs / outputs to exchange messages with the machine control (PLC, CNC).
- - Control of an AD converter for reading in the motor control variable that was specified by the machine control.
- - Reading out and processing the counter value of the quadrature decoder for error detection.
- - Control of the frequency and power of the regulated generator for the transmission of electrical energy to the rotating side R of the system (via a PWM signal).
- - Communication with the rotating side R via channel 1 (standing → rotating) and channel 2 (rotating → standing) for the exchange of manipulated variable, messages, commands and values.
- - Operation of the serial debugging interface (RS232) for commissioning and diagnostic purposes.
Der Mikrokontroller der rotierenden Seite R steuert alle Abläufe im Werkzeugkopf
und ist verantwortlich für den Informationsaustausch mit der stehenden Seite S. Er hat unter
anderem folgende Aufgaben:
- - Erfassen der Motorspannung (über einen integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
- - Erfassen der Temperatur der Leiterplatte (über einen Temperatursensor und integrierten ADC) und deren Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
- - Empfang der Motorstellgröße über den Kanal 1 und deren Weitergabe an die Motorsteuerung (an ein CPLD).
- - Auslesen des Absoluten Winkels zwischen Motorstator und -rotor aus dem Resolverinterface und Übermittlung an die stehende Seite S über den Kanal 2.
- - Vorbelegen (PRESET) des Motor-Ansteuer-CPLDs mit dem Winkel zwischen Motorstator und Rotor.
- - Austausch von sonstigen Meldungen und Befehlen zwischen rotierender und stehender Seite S.
- - Detection of the motor voltage (via an integrated ADC) and its transmission to the stationary side S via channel 2 .
- - Detection of the temperature of the circuit board (via a temperature sensor and integrated ADC) and its transmission to the upright side S via channel 2 .
- - Receiving the motor control variable via channel 1 and forwarding it to the motor control (to a CPLD).
- - Reading the absolute angle between the motor stator and rotor from the resolver interface and transmission to the upright side S via channel 2 .
- - Preassignment (PRESET) of the motor control CPLD with the angle between the motor stator and rotor.
- - Exchange of other messages and commands between rotating and standing side S.
Damit wird die Zuverlässigkeit der Ansteuerung und auch der Überwachung der elektrischen
Energie und der elektronischen Signale sowohl auf der stehenden Seite S als auch auf der
rotierenden Seite R durch den Einsatz kommunizierender Mikrokontroller gewährleistet.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 Seitenansicht
Fig. 2 Draufsicht
Fig. 3 Blockschaltbild des Gesamtsystems
S stationäre Einheit der Einrichtung
R rotierende Einheit der Einrichtung
SEES Steurungselektronikeinheit in der stehenden Seite S
SEER Steurungselektronikeinheit in der rotierenden Seite R
1 Spulen zur induktiven Übertragung von Energie und Daten
2 Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von elektrischer Energie
3 Ferritring auf der rotierenden Einheit für die Übertragung von Daten
4 Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von elektrischer
Energie
5 Ferritring-Segment auf der stationären Einheit für die Übertragung von Daten
6 Kondensator zur Blindleistungskompensation
7 Elektromotor
This ensures the reliability of the control and also the monitoring of the electrical energy and the electronic signals both on the standing side S and on the rotating side R by the use of communicating microcontrollers. List of Reference Numerals Fig. 1 side view
Fig. 2 top view
Fig. 3 block diagram of the overall system
S stationary unit of the facility
R rotating unit of the facility
SEES control electronics unit in the standing side S
SEER control electronics unit in the rotating side R
1 coils for inductive transmission of energy and data
2 ferrite ring on the rotating unit for the transmission of electrical energy
3 ferrite ring on the rotating unit for data transmission
4 ferrite ring segment on the stationary unit for the transmission of electrical energy
5 ferrite ring segment on the stationary unit for data transmission
6 capacitors for reactive power compensation
7 electric motor
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