DE102007001620A1

DE102007001620A1 - Verfahren zum Betrieb einer Bearbeitungsmaschine sowie Werkzeughalterung

Info

Publication number: DE102007001620A1
Application number: DE102007001620A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Schäfer; Andreas Merz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: DE102007001620B4

Abstract

Bei einem aus einer mechatronischen Werkzeughalterung auskragenden Werkzeugschaft (5) eines insbesondere zur spanenden Präzisions- oder Ultrapräzisions-Bearbeitung vorgesehenen Werkzeugs (4) wird die während der Bearbeitung auftretende Auslenkung mit Sensoren berührungslos gemessen. Die auftretenden und auf das Werkzeug (4) wirkenden Bearbeitungskräfte können quantitativ bestimmt und für einen vollautomatisierten Mess- und/oder Auswertebetrieb genutzt werden. Dabei wird erstmals die Eigennachgiebigkeit des eingesetzten Werkzeugs zur Kraftbestimmung genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Bearbeitungsmaschine, wobei die Maschine ein Werkzeug mit einem aus einer Werkzeughalterung auskragenden Werkzeugschaft aufweist und die während des Betriebes auftretende Auslenkung des Werkzeugschaftes erfasst wird, sowie eine für den Einsatz in einer Bearbeitungsmaschine geeignete Werkzeughalterung mit einer Messvorrichtung, wobei die Messvorrichtung zur In-Situ-Erfassung der Auslenkung eines aus der Werkzeughalterung auskragenden Werkzeugschaftes vorgesehen ist.
Im Bereich der spangebenden Bearbeitung wird das eingesetzte Werkzeug im Einsatz mit Kräften beaufschlagt, die zum einen durch den gewünschten Bearbeitungsprozess selbst gegeben sind, zum anderen aber auch durch Störgrößen beeinflusst werden. Hierzu gehören neben dem Verschleiß des Werkzeugs Systemfehler, beispielsweise hervorgerufen durch alternierende Positioniergenauigkeiten der Maschinen, dynamisches Maschinenverhalten, schwankende Materialparameter von Werkstück und Werkzeug sowie externe Störgrößen, wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit oder Fehlbedienung. Dies ist insbesondere problematisch im Bereich der spanenden Präzisions- und Ultrapräzisions-Bearbeitung, deren Ziel die Fertigung von Bauteilen mit Formgenauigkeiten unterhalb von 1 μm und Oberflächenrauhigkeiten kleiner als 10 nm Ra ist. Die Ultrapräzisions-Bearbeitung zeichnet sich durch geringen Spanquerschnitt, geringe Prozesskräfte und Abtragraten sowie im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren erheblich längere Fertigungszeiten aus. Sie ist deshalb deutlich schwerer zu führen und zu überwachen und unterscheidet sich von der verwendbaren Technik grundlegend von den Verfahren konventioneller Zerspanung.
Die vorgenannten prozesskritischen Störeinflüsse sind bei den Präzisions- und Ultrapräzisions-Bearbeitungen ebenso wie die eigentlichen durch den Bearbeitungsvorgang entstehenden physikalischen Größen Prozesskraft, Körperschall und Werkstücktemperatur mit Kraftamplituden von typischerweise kleiner als 10 N sehr klein.
Störgrößen, wie zum Beispiel der Verschleiß des Werkzeuges, können zu einem unbefriedigenden Bearbeitungsergebnis führen. Insbesondere bei der Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung sind die Bearbeitungszeiten in der Regel mit Stunden und mitunter Tagen sehr lang. Werden die negativen, möglicherweise bereits zu Beginn der Bearbeitung auftretenden Auswirkungen einer Störgröße erst nach Ablauf eines kompletten Bearbeitungszyklus festgestellt, geht kostentreibende Zeit verloren. Es ist daher das Bestreben, die Bearbeitungsqualität störende Größen möglichst frühzeitig zu erkennen. Bislang wird die Erfahrung des die Bearbeitungsmaschine bedienenden Personals genutzt, das z. B. entscheidet, ob ein Werkzeug für einen Bearbeitungsprozess eingesetzt wird, oder nicht. Ist der Prozess jedoch im Gange, werden Störgrößen oder deren Auswirkungen in der Regel erst nach Abschluss des Prozesses sicher erkannt.
Es sind Verfahren und Werkzeughalterungen der eingangs genannten Art bekannt (König, Wilfried; Glocke, Fritz; Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren, Band 1; Springer Verlag, 1999), die die typischerweise kleinen Kraftamplituden während der Präzisions- oder Ultrapräzisionsbearbeitung messtechnisch erfassen können. Dabei werden die Zerspankräfte oder Zerspankraftänderungen direkt oder indirekt gemessen. Direkte Messverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende Sensoren im Kraftfluss der Maschine montiert werden. Häufig kommen hierzu piezoelektrische Messelemente, wie z. B. Dynamometer, zum Einsatz, die mit Hilfe mechanischer Flanschkomponenten zwischen Werkzeugschaft und Werkzeughalter appliziert werden. Für praxistaugliche Anwendungen in der Serien- und Auftragsfertigung sind solche direkten Verfahren auf Grund ihre aufwändigen Montage im Bereich der Werkzeugschneide oder am Werkstück sowie der hohen Systemkosten jedoch nicht geeignet. Durch die Anordnung im Kraftfluss ergibt sich zudem die Gefahr der Sensorbeschädigung bei Überlast. Zudem können mit den im direkten Kraftfluss applizierten Messzellen die insbesondere für die Präzisions- oder Ultrapräzisions-Zerspanung notwendigen Systemsteifigkeiten häufig nicht erreicht werden. Zusätzlich verhindert die ungenügende Auflösungsgenauigkeit den Einsatz in der Überwachung von Präzisions- und Ultrapräzisions-Bearbeitungsverfahren.
Im Bereich der konventionellen Zerspanungstechnologien werden indirekte Kraftmessverfahren für die Prozessüberwachung genutzt. Dabei erfolgt die Messung der Zerspankraftkomponenten mittels piezoelektrischer Kraftmesszellen oder an Maschinenstrukturen applizierter Dehnungsmessstreifen im Kraftnebenschluss. Die Messelemente sind in größere Platten oder in Ringe eingebettet und werden nur mit einem Teil der von diesen Montageplatten aufgenommenen Kraft belastet. Exakte Größen der im Spanbereich wirkenden Kraftkomponenten können durch dieses Messprinzip nicht bestimmt werden. Es sind auf diese Weise lediglich qualitative Aussagen über die Kraftverläufe möglich. Zudem zeigt sich je nach mechanischer Systemkonfiguration und Qualität der Messsensoren ein nicht behebbares Übersprechen zwischen Schnitt- und Vorschubkraft. Eine reproduzierbare messtechnische Krafterfassung im Bereich der Präzisions- und Ultrapräzisions-Zerspanung ist durch diese Methode nicht möglich, da bei den notwendigen Systemsteifigkeiten die untersetzten geringen Kraftamplituden des indirekten Flusses unterhalb der Auflösungsgrenze aktueller Messsysteme liegen.
Somit ist die Einrichtung und Qualifikation von Präzisions- oder Ultrapräzisions-Zerspanungsprozessen in der Serienproduktion bislang nur durch erfahrenes Fachpersonal unter Einfluss subjektiver Empfindungsgrößen möglich, woraus Ergebnisschwankungen resultieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Werkzeug-/halterung der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen eine verbesserte In-Situ-Überwachung des Werkzeuges möglich ist.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Auslenkung unmittelbar am Werkzeugschaft berührungslos erfasst wird.
Auf diese Weise ist es möglich, zur Erfassung der Auslenkung allein die Eigennachgiebigkeit des Werkzeugschaftes ohne zusätzliche im oder am Schaft fixierte Sensoren auszunutzen. Da die Integration von Sensoren innerhalb des Werkzeugschaftes entfällt, kann eine hinreichende Systemsteifigkeit erreicht werden. Damit bleibt der zu vermessende Werkzeugschaft bei der Applikation der Sensoren unverändert, und die Messungen sind nicht invasiv. Zudem ermöglicht das Verfahren eine für die spangebende Bearbeitung hinreichend hohe lineare Dynamik.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Auslenkung mittels mindestens eines Paares einander gegenüberliegender Sensoren erfasst wird, zwischen denen im Einsatz der Werkzeugschaft angeordnet ist, wobei für die Auswertung die Signale der beiden Sensoren des mindestens einen Paares voneinander subtrahiert werden.
Diese Differenzmessung erhöht die Genauigkeit der Messung und führt zudem zu einer Reduktion des Signalrauschens, worauf sich eine Erhöhung des Signal – zu – Rausch-Verhältnisses ergibt.
Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass während der Bearbeitung aus der Eigennachgiebigkeit des in der Werkzeughalterung eingespannten Werkzeugschaftes und den erfassten Auslenkungen des Werkzeugschaftes die auf den Werkzeugschaft wirkenden Bearbeitungskräfte oder Bearbeitungskraft-Änderungen ermittelt werden.
Insbesondere bei einer Präzisions- oder Ultrapräzisionsbearbeitung sind die auftretenden Zerspanungskräfte entscheidend für die Qualität des Bearbeitungsergebnisses. Werden unterschiedliche Werkzeuge eingesetzt, führen gleiche Bearbeitungskräfte zu unterschiedlichen Auslenkungen, weshalb eine quantitative Ermittlung der Bearbeitungskräfte bzw. der Bearbeitungskraft-Änderungen sinnvoll ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Eigennachgiebigkeit des in der Werkzeughalterung eingespannten Werkzeugschaftes mittels eines mit vorgegebener Testkraft auf den Werkzeugschaft wirkenden Aktuators festgestellt wird. Die Eigennachgiebigkeit lässt sich aus der Testkraft und der resultierenden Auslenkung des Werkzeugschaftes berechnen.
Auf diese Weise kann die Eigennachgiebigkeit direkt in der Werkzeughalterung festgestellt werden. Eine gesonderte Messapparatur muss daher nicht verwendet werden. Außerdem wird vermieden, dass es auf Grund von möglichen Unterschieden in der auskragenden Länge des Werkzeugschaftes zwischen einer gesonderten Messapparatur und Werkzeughalterung zu fehlerhaften Bestimmungen der Bearbeitungskräfte oder der Bearbeitungskraft-Änderungen kommt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die erfassten Auslenkungen oder die erfassten Bearbeitungskräfte oder Bearbeitungskraft-Änderungen zur Regelung oder Steuerung der Bearbeitungsmaschine genutzt werden.
Steht bei einem bestimmten Werkzeug die Beziehung zwischen der Auslenkung und den Bearbeitungskräften fest, genügt für die Regelung oder Steuerung der Bearbeitungsmaschine die Feststellung der Auslenkung.
Erfindungsgemäß kann die Steuerung der Bearbeitungsmaschine darin bestehen, dass die Bearbeitung bei Überschreiten eines Grenzwertes der Auslenkung oder eines Grenzwertes der Bearbeitungskraft oder der Bearbeitungskraft-Änderung unterbrochen wird.
Des Weiteren wird die vorgenannte Aufgabe durch eine Werkzeughalterung der eingangs genannten Art gelöst durch mindestens einen im Einsatz neben dem Werkzeugschaft angeordneten, berührungslos messenden Sensor. Ein solcher Werkzeughalter kann mit oder ohne Adapter für den Einsatz in unterschiedlichen Bearbeitungsmaschinen vorgesehen sein. Somit ist eine Auswechselbarkeit genauso gegeben wie die Möglichkeit der Nachrüstung bereits bestehender Systeme.
Dabei kann die erfindungsgemäße Werkzeughalterung so ausgebildet werden, dass der mindestens eine Sensor kapazitiv misst.
Kapazitive Sensoren zeigen in der Regel eine hinreichende Genauigkeit. Ein parasitäres Driftverhalten und eine Umweltabhängigkeit, z. B. auf Grund von Dielektrizitätsände rungen der Luft im Messspalt, können bei kapazitiven Sensoren nachteilig sein. Daher kann es vorteilhaft sein, die Werkzeughalterung so auszubilden, dass der mindestens eine Sensor induktiv misst.
Wirbelstromsensoren weisen im Vergleich zu den kapazitiven Sensoren ein geringeres parasitäres Driftverhalten und eine geringere Umweltabhängigkeit auf. Alternativ können auch weitere geeignete Messverfahren angewendet werden, z. B. optischer Art.
Die erfindungsgemäße Werkzeughalterung kann auch so ausgebildet werden, dass ein den mindestens einen Sensor tragender Sensorträger vorgesehen ist.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Werkzeughalterung so auszubilden, dass der Sensorträger den Werkzeugschaft zumindest teilweise umgibt.
Auf diese Weise können mehrere Sensoren in verschiedenen Raumrichtungen relativ zum Werkzeugschaft angeordnet werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Werkzeughalterung so auszubilden, dass die Messvorrichtung lösbar an einem Basiselement der Werkzeughalterung fixiert ist.
Hierdurch ist eine Austauschbarkeit der Messvorrichtung gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Werkzeughalterung kann auch so ausgebildet sein, dass ein Rotationslager für das Werkzeug vorgesehen ist. Die Erfindung kann also gleichermaßen für rotierende, z. B. polierende Werkzeuge verwendet werden. Dabei kann die Werkzeughalterung auch so ausgebildet sein, dass der Sensorträger relativ zum Rotationslager fixiert ist. Das Rotationslager bildet somit die Basis für die zu bestimmende Auslenkung.
Es kann vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Werkzeughalterung so auszubilden, dass Mittel zur Klemmung des Werkzeuges mit Punktkontakten vorgesehen sind. Die Punktkontakt-Klemmung hat den Vorteil, dass die Kragarmlänge des Werkzeugschaftes auch bei unbekanntem Flächenzustand der Schaftseiten definiert werden kann. Weiterhin kann durch manuelle Feinjustage im Falle mehrerer Punktkontakte die Winkellage zwischen der Werkzeugachse und der Werkzeughalterungsachse verändert werden. Potenzielle Verringerungen der Klemmsteifigkeit im Vergleich zur Klemmung mit Anschlagsflächen sind bei den zu erwartenden geringen Belastungszuständen der Präzisions- oder Ultrapräzisions-Bearbeitung vernachlässigbar. Bei definiertem Zustand der Kontaktflächen kann auch eine Klemmung mit mindestens einem Flächenkontakt vorteilhaft angewandt werden.
Die erfindungsgemäße Werkzeughalterung kann auch so ausgebildet sein, dass Mittel zum Einsatz von Sperrluft vorgesehen sind. Mit dem Einsatz der Sperrluft kann das Eintreten von Spänen oder Kühlflüssigkeit in den Messspalt verhindert werden.
Des Weiteren kann die Werkzeughalterung so ausgebildet sein, dass mindestens ein Sensorpaar mit einander gegenüber angeordneten Sensoren vorgesehen ist, zwischen denen im Einsatz der Werkzeugschaft angeordnet ist. Diese Anordnung erlaubt – wie oben bereits dargestellt – eine die Genauigkeit erhöhende Differenzmessung der Auslenkung des Werkzeugschaftes.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Werkzeughalterung so ausgebildet sein, dass mindestens ein zur Einwirkung auf den Werkzeugschaft senkrecht zu dessen Längsachse geeigneter Aktuator vorgesehen ist. Mit dem Aktuator kann der Werkzeugschaft mit einer Testkraft beaufschlagt werden, die die Messung der Eigennachgiebigkeit des Werkzeugschaftes erlaubt.
Im Folgenden werden eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Werkzeughalterung anhand von Figuren dargestellt. Es zeigen
1: die perspektivische Ansicht einer Werkzeughalterung,
2a und 2b: ein Werkzeug mit Schaft und Werkzeugspitze,
3: die Werkzeughalterung gemäß 1 mit abgesetztem Sensorpositionierschlitten,
4: ein Basiselement der Werkzeughalterung mit geklemmtem Werkzeug,
5: eine Prinzipskizze zur Auslenkung eines Kragarmes,
6: ein Diagramm mit Biegelinien bei verschiedenen Auskraglängen und
7: eine Werkzeughalterung mit integriertem Piezo-Aktuator.
1 zeigt eine Werkzeughalterung mit einem Basiskörper 1, der einen Montagezylinder 2 aufweist. Eine Zentrierungsphase 3 im Montagezylinder 2 dient zur korrekten Ausrichtung der Werkzeughalterung beim Einsetzen in eine hier nicht dargestellte Bearbeitungsmaschine. Ein im Basiskörper 1 eingeklemmtes Werkzeug 4 ist in den 2a und 2b vergrößert dargestellt. Ein Werkzeugschaft 5 weist an seiner Spitze 6 eine Schneidplatte 7, z. B. aus Diamant, auf, die in 2b vergrößert dargestellt ist.
Die Art der Klemmung des Werkzeuges 4 wird später genauer dargestellt.
Eine Deckplatte 8 ist relativ zum Basiskörper 1 fixiert und trägt eine Messvorrichtung 10, die im Wesentlichen aus einem Sensorschlitten 9 und vier daran festgelegte Sensoren 12a bis 12d besteht. Der Sensorschlitten 9 umgibt das Werkzeug 4 im Bereich des Werkzeugschaftes 5, wobei jeweils zwei Sensoren 12a und 12c bzw. 12b und 12d koaxial zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugschaftes angeordnet sind. Signalleitungen 13a bis 13d führen zu einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit.
3 zeigt den Sensorschlitten 9 in einer vom Basiskörper 1 entfernten Position. Diese Position gibt den Blick frei auf die Deckplatte 10, die eine geschliffene Präzisionsauflage 14 bildet und die einen Schwalbenschwanz 15 zur Führung des Sensorschlittens 9 aufweist. Die Feinjustierung des Sensorschlittens erfolgt mit einer Nonius-Skalierung 11. Fixiert wird der Sensorschlitten 9 durch eine Klemmschraube 16.
4 zeigt das Basiselement 1 aus 1 und 3, diesmal ohne Sensorschlitten 9 und ohne Deckplatte 8. Am vorderen Ende des Basiskörpers 1 ist das Werkzeug 4 geklemmt. Dabei ist eine definierte Auskragung des Werkzeugs 4 durch einen justierbaren Anschlagskontakt mittels einer Madenschraube 17 gegeben. Die Lage der Madenschraube 17 kann für einen bestimmten Werkzeugtyp zur Nachführung der Werkzeugschaftlänge vor der Klemmung durch eine Bohrung 18 von der Rückseite des Basiskörpers 1 her eingestellt werden.
Zur Klemmung des Werkzeuges 4 sind Madenschrauben 19 und 20 vorgesehen. Hierfür wird der Werkzeugschaft 5 in eine Aufnahmenut 21 des Basiskörpers 1 eingelegt. Danach wird der Werkzeugschaft 5 zunächst durch das Madenschraubenpaar 19 und anschließend durch das Madenschraubenpaar 20 angezogen, wobei die Madenschrauben 20 jeweils in ein in der Deckplatte 8 (in 4 nicht gezeigt) vorhandenes Gewinde eingreifen und durch die Deckplatte 8 hindurch auf den Werkzeugschaft 5 wirken. Im beschriebenen Fall liegt eine Klemmung mit Anschlagsflächen vor, da der Werkzeugschaft 5 an zwei geschliffenen Präzisionsflächen der Aufnahmenut 21 anliegt. Auf diese Weise ist eine hohe Kontakt- und Klemmsteifigkeit gegeben. Als nachteilig können sich jedoch unbestimmte Flächengeometrien des Werkzeugschafts 5 erweisen, die eine undefinierte Flächenpassung bewirken können. Hieraus resultiert wiederum eine unbestimmbare Kragarmlänge, die sich nachteilig auf die Kraftermittlung auswirken kann.
Alternativ zur Klemmung mit Anschlagsflächen kann der Anschlag mit Punktkontakten erfolgen. Hierfür werden zwei weitere, in 4 nicht dargestellte Madenschraubenpaare vorgesehen, die den in 4 gezeigten Madenschraubenpaaren 19 und 20 gegenüberliegend angeordnet sind. Hierzu sind die nicht dargestellten Madenschrauben paare in geeigneter Weise vorzujustieren, so dass sie mit identischen Längen in die Aufnahmenut hereinragen. Der Werkzeugschaft 5 wird daraufhin zunächst durch das Madenschraubenpaar 19 und dann durch das Madenschraubenpaar 20 ohne Vorspannung auf Kontakt angezogen. Durch die Punktkontakte ist die Kragarmlänge des Werkzeugschafts 5 auch bei unbekanntem Flächenzustand der Schaftseiten definiert. Weiterhin kann durch manuelle Feinjustage der hier nicht dargestellten Madenschrauben die Winkellage zwischen Werkzeugachse und Werkzeughalterung je nach Technologieanforderung eingestellt werden.
4 zeigt im Basiskörper 1 einen Montagespalt 22, in den die Deckplatte 8 eingesetzt wird.
Eine Bohrung 23 dient als Anschluss für getrocknete Sperrluft, die in den hinteren Bereich der Aufnahmenut 21 geführt wird. Die Bohrung 18 wird hierfür geeignet verschlossen. Die Luft tritt bei Klemmung mit Punktkontakten gleichmäßig aus den vier Flächenschlitzen zwischen Aufnahmenut 21 und Werkzeugschaft 5 nach vorne aus und bläst Messspalte und Messflächen axial von hinten frei. Damit werden eine Kontamination der Messflächen und der Messspalte durch Spanmaterial und Kühlschmiermittel und in der Folge Messungenauigkeiten vermieden.
Im Folgenden wird die Möglichkeit der Ermittlung der im Betrieb auf das Werkzeug wirkenden Bearbeitungskräfte dargestellt. Zur Verdeutlichung der für die Berechnung notwendigen grundsätzlichen Größen ist in 5 schematisch ein aus einer Fixierungswand 24 auskragender Tragbalken 25 mit der Länge l dargestellt, auf dessen vorderes Ende eine Kraft F_Qx in x-Richtung wirkt und damit eine Auslenkung w_X(l) bewegt. An einer beliebigen Stelle entlang der z-Achse ist die Auslenkung W_X(z) geringer als am vorderen Ende.
Für die weitere Berechnung kann aufgrund der bei der Präzisions- oder Ultrapräzisions-Bearbeitung zu erwartenden kleinen Kraftamplituden die Einspannung als ideal steif angenommen werden. Beispielhaft wird im Folgenden von einem Werkzeugschaft 5 mit rechteckigem Querschnitt und einem freien Kragarm der Länge l ausgegangen, wie er in Abbildung 2a dargestellt ist. Dieser Werkzeugschaft wird bei Beaufschlagung einer senkrecht zur Kragrichtung stehenden Kraft F_Qx um einen Betrag w_x(z) ausgelegt. Bei ausreichender Auskragung 1 ist der Querkrafteinfluss gegenüber dem Biegemoment vernachlässigbar und die Berechnung kann auf eine Dimension reduziert werden. Die Biegelinie berechnet sich dann wie folgt:
Die Auslenkung w_x(z) in Richtung der Querkraft F_Qx an der Stelle z des Kragarms 25 ist somit direkt proportional zu F_Qx. Das Elastizitätsmodul E ist als Materialparameter durch die Wahl des Werkstoffes festgelegt und beträgt bei Raumtemperatur für einen typischen Baustahl 210 kN/mm². Das Flächenmoment zweiten Grades l_y ist durch die Geometrie des Werkzeugschafts 5 festgelegt:
Bei den typischen Werkzeugen für die Präzisions- und Ultrapräzisions-Bearbeitung mit rechtwinkligem Schaft ergibt sich aus Gleichung 2:
Durch Umformung von Gleichung 1 lässt sich bei bekannten geometrischen Verhältnissen und Materialparametern eine Messposition z_mess aus der Auslenkung w_x(zmess) die Querkraft F_Qx bestimmen mit:
Ohne Einschränkung lässt sich der eindimensionale Lastfall durch Superposition um eine weitere Querkraft F_Qy erweitern. Gegenseitige Beeinflussungen der Zusammenhänge zwischen den Querkräften und den Auslenkungen sind aufgrund der geringen Belastungen vernachlässigbar.
Mit Hilfe der zum Beispiel in 1 dargestellten Sensoren 12a bis 12d lassen sich die Auslenkungen w_x(zmess) und w_y(zmess) feststellen. z_mess ist aus der Geometrie des Aufbaus bekannt und bezeichnet den Abstand von Beginn der Auskragung (vordere Klemmpunkte bei Klemmung mit Punktkontakten bzw. vordere Klemmlinie bei Klemmung mit Flächenkontakten) bis zur Stelle der Messung. Da wie oben dargestellt das Elastizitätsmodul E, das Flächenmoment zweiten Grades l_y, die Kragarmlänge l und der Messabstand z_mess aus dem Werkzeugmaterial, der Werkzeuggeometrie und dem Messaufbau bekannt sind, lassen sich über Gleichung 4 die zu diesem Zeitpunkt gegebenen Querkräfte berechnen.
Das Produkt W_(l)·(F_Q)^–1 wird im Folgenden Eigennachgiebigkeit N des Werkzeugschaftes 5 genannt und bildet für einen bestimmten Werkzeugschaft 5 eine Konstante, die empirisch ermittelt werden kann. Die Ermittlung dieser Konstante kann in der erfindungsgemäßen Werkzeughalterung selbst, z. B. mit der in 7 dargestellten Variante ermittelt werden: 7 zeigt die Werkzeughalterung gemäß 1, 3 und 4 mit dem Basiskörper 1, dem Werkzeug 4 und dem Sensorschlitten 9. Des Weiteren sind wie in 1 die Sensoren 12a, 12b und 12d zu sehen. Anstelle des Sensors 12c ist in 7 ein Piezo-Aktuator 26 am Sensorschlitten montiert, wobei im Piezo-Aktuator eine Kraftmesszelle 27 integriert ist. Der Piezo-Aktuator 26 wirkt über die Kraftmesszelle 27 unmittelbar auf den Werkzeugschaft 5 und drückt diesen an einer Stelle z_FTx mit der Kraft F_Tx in x-Richtung. Die resultierende Auslenkung wird über den Sensor 12a festgestellt, so dass die Eigennachgiebigkeit durch die Formel
bestimmt werden kann.
Somit kann bei Einsatz eines neuen Werkzeuges 4 dessen Eigennachgiebigkeit auf einfache Weise In-Situ festgestellt werden. Hiernach kann der Piezo-Aktuator 26 wieder durch den Sensor 12c ersetzt werden.
Die sich gegenüberliegenden Sensoren 12a und 12c bzw. 12b und 12d bieten die Möglichkeit der differenziellen Auslenkungsmessung, wodurch die Auflösungsgenauigkeit erhöht werden kann. Die differenzielle Auslenkung bestimmt sich nach
Wobei w_x1(zmess) und w_x2(zmess) die von den Sensoren 12a und 12c festgestellten Auslenkungen sind. Durch Einsetzen in die Gleichung 4 ergibt sich für die Berechnung der Querkraft F_Qxdiff die Formel
In äquivalenter Weise kann die Differenzmessung in y-Richtung mittels der Sensoren 12b und 12d erfolgen.
Dabei ist darauf zu achten, dass die einander gegenüberliegenden Sensoren 12a und 12c bzw. 12b und 12d vom gleichen Typ sind und damit gleiche Messeigenschaften aufweisen. Zudem muss die Koaxialität gewährleistet sein, und die Messspalten müssen einander identisch sein. Durch die differenzielle Messmethode ergibt sich zu der höheren Auflösungsgenauigkeit eine Reduktion des Signalrauschens und dadurch eine Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR).

1: Basiskörper
2: Montagezylinder
3: Zentrierungsbase
4: Werkzeug
5: Werkzeugschaft
6: Spitze des Werkzeugschafts
7: Schneidplatte
8: Deckplatte
9: Sensorschlitten
10: Messvorrichtung
11: Nonius-Skalierung
12a–d: Sensoren
13a–d: Signalleitungen
14: Präzisionsauflage
15: Schwalbenschwanz
16: Klemmschraube
17: Madenschrauben
18: Bohrung
19: Madenschrauben
20: Madenschrauben
21: Aufnahmenut
22: Montagespalt
23: Bohrung für Sperrluftanschluss
24: Fixierungswand
25: Kragbalken
26: Piezo-Aktuator
27: Kraftmesszelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- König, Wilfried; Glocke, Fritz; Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren, Band 1; Springer Verlag, 1999 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Bearbeitungsmaschine, wobei die Maschine ein Werkzeug (4) mit einem aus einer Werkzeughalterung auskragenden Werkzeugschaft (5) aufweist und die während des Betriebes auftretende Auslenkung des Werkzeugschaftes erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung unmittelbar am Werkzeugschaft (5) berührungslos erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung mittels mindestens eines Paares einander gegenüberliegender Sensoren (12a/12c oder 12b/12d) erfasst wird, zwischen denen im Einsatz der Werkzeugschaft (5) angeordnet ist, wobei für die Auswertung die Signale der beiden Sensoren (12a/12c oder 12b/12d) des mindestens einen Paares voneinander subtrahiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung aus der Eigennachgiebigkeit des in der Werkzeughalterung eingespannten Werkzeugschaftes (5) und den erfassten Auslenkungen des Werkzeugschaftes (5) die auf den Werkzeugschaft (5) wirkenden Bearbeitungskräfte oder Bearbeitungskraft-Änderungen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigennachgiebigkeit des in der Werkzeughalterung eingespannten Werkzeugschaftes (5) mittels eines mit vorgegebener Testkraft auf den Werkzeugschaft (5) wirkenden Aktuators (26) festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Auslenkungen oder die erfassten Bearbeitungskräfte oder Bearbeitungskraft-Änderungen zur Regelung oder Steuerung der Bearbeitungsmaschine genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung bei Überschreiten eines Grenzwertes der Auslenkung oder eines Grenzwertes der Bearbeitungskraft oder der Bearbeitungskraft-Änderung unterbrochen wird.
Für den Einsatz in einer Bearbeitungsmaschine geeignete Werkzeughalterung mit einer Messvorrichtung (10), wobei die Messvorrichtung (10) zur In-Situ-Erfassung der Auslenkung eines aus der Werkzeughalterung auskragenden Werkzeugschaftes (5) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch mindestens einen im Einsatz neben dem Werkzeugschaft (5) angeordneten, berührungslos messenden Sensor (12a–d).
Werkzeughalterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (12a–d) kapazitiv misst.
Werkzeughalterung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (12a–d) induktiv misst.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein den mindestens einen Sensor (12a–d) tragender Sensorträger (9) vorgesehen ist.
Werkzeughalterung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (9) den Werkzeugschaft (5) zumindest teilweise umgibt.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) lösbar an einem Basiselement (1) der Werkzeughalterung fixiert ist.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotationslager für das Werkzeug (4) vorgesehen ist.
Werkzeughalterung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (9) relativ zum Rotationslager fixiert ist.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (19, 20) zur Klemmung des Werkzeuges (4) mit Punktkontakten vorgesehen sind.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (19, 20) zur Klemmung des Werkzeuges (4) mit mindestens einem Flächenkontakt vorgesehen sind.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einsatz von Sperrluft vorgesehen sind.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorpaar (12a/12c oder 12b/12d) mit einander gegenüber angeordneten Sensoren vorgesehen ist, zwischen denen im Einsatz der Werkzeugschaft (5) angeordnet ist.
Werkzeughalterung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zur Einwirkung auf den Werkzeugschaft (5) senkrecht zu dessen Längsachse geeigneter Aktuator (26) vorgesehen ist.