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Hintergrund
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Nachstehend
wird ein Messsystem zur berührungslosen
Messung an Werkzeugen in einer Werkzeugmaschine beschrieben. Derartige
Messsysteme sind bei der Span abhebenden oder Material abtragenden
Bearbeitung (z. B. Fräsen,
Drehen, Schleifen, Hobeln, Bohren, Senken, Reiben, Erodieren und
dergleichen), auch in kombinierten Dreh-/Fräsmaschinen oder Fräs-/Drehmaschinen mit stehenden
oder sich drehenden Werkzeugen einzusetzen.
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Zur
Positionsbestimmung eines Werkzeuges oder zur Bestimmung der längsten Schneide
eines rotierenden Werkzeuges in Werkzeugmaschinen kann eine Lichtschranke
und insbesondere eine Laserlichtschranke verwendet werden. Eine
von der Anmelderin praktizierte Vorgehensweise ist dabei, das Werkzeug
so in einem (Laserlicht-)Messstrahl zu positionieren, dass dessen
Strahlengang vom Werkzeug unterbrochen wird. Anschließend wird
das Werkzeug relativ zu dem Messstrahl von diesem weg bewegt bis
zu einer Position, in welcher der Strahlengang des Messstrahls vom
Werkzeug (gerade) nicht mehr unterbrochen wird.
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Stand der Technik
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Lasersysteme
zur Messung an Werkzeugen haben bisher eine oder mehrere Pneumatikzu- und -ableitungen
haben, um Sperrluft bereitzustellen, einen Durchtritt für Laserlicht
zu steuern, und das Werkzeug zu reinigen, etc. Außerdem erfordern
sie elektrische Leitungen zur Bereitstellung der Versorgungsleistung
und der Betriebssignale (Spannungsversorgung der Steuerung, Laseraktivierung,
Messsignale, etc.)
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Derartige
Messsysteme sind üblicherweise auf
einem Maschinentisch der Werkzeugmaschine, innerhalb deren Arbeitsraumes
installiert. Um den Arbeitsraum möglichst frei zu lassen oder
auch keine Kollisionsbereiche mit den verfahrenden Werkzeugen zu
schaffen, werden die Messsysteme in manchen Bauarten auch über eine
Schwenk- oder Lineareinheit in eine im Arbeitsraum befindliche Messposition
gefahren und nach dem Messvorgang am Werkzeug wieder in eine außerhalb
des Arbeitsraums befindliche Park-/Ruheposition bewegt.
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Die
Bereitstellung, Verlegung und Montage der Versorgungs- und Steuerleitungen
(Druckluft- und
elektrische Leitungen) stellt insbesondere auch bei den verfahr-
oder schwenkbaren Messsystemen einen erheblichen Aufwand dar.
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Aufgabe
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht das Problem darin, eine einfach
zu montierende Anordnung eines Messsystems für Messungen an stehenden oder
rotierenden, Span abhebenden oder Material abtragenden Werkzeugen
in einer Werkzeugmaschine anzugeben.
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Lösung
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Als
Lösung
dieser Aufgabe dient das in Patentanspruch 1 angegebene Messsystem.
Ein solches Messsystem zur Messung an Werkzeugen in einer Werkzeugmaschine
kann ausgestattet sein mit einer Lichtschrankenanordnung zur Positionsbestimmung
eines Werkzeuges oder zur Bestimmung der längsten Schneide eines rotierenden
Werkzeuges in der Werkzeugmaschine. Außerdem kann das Messsystem
eine Pneumatiksteuerung aufweisen, um unter Druck stehendes Fluid
für verschiedene
Funktionen bereitzustellen, sowie mindestens eine elektronische
Steuerung zum Betreiben der Lichtschrankenanordnung, zum Empfangen
von Messsignalen von der Lichtschrankenanordnung und Abgeben von Messsignalen
in einem Signalübertragungsmedium an
die Maschinensteuerung, sowie zum Bereitstellen von Steuersignalen
für die
Pneumatiksteuerung. Weiterhin kann eine fluiddynamische Wandlereinheit vorgesehen
sein, die dem Messsystem zuzuordnen und dazu eingerichtet ist, aus
einem dem Messsystem zuzuführenden,
unter Druck stehenden Fluid elektrische Leistung zur Betriebsversorgung
der mindestens einen elektronischen Steuerung bereit zu stellen.
Hierbei kann eine der elektronischen Steuerungen zudem als Verteileinheit
für in
der fluiddynamischen Wandlereinheit erzeugte, elektrische Energie
an die mit Energie zu versorgende Komponenten der Messsystemanordnung
dienen.
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Ein
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass sie bezüglich elektrischer
Energie für
autarken und batterielosen Betrieb geeignet ist.
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Außerdem ist
mit dieser Anordnung die Installation des Messsystems auf einer
Palette (z. B. einer Werkstückwechsel-Palette)
bei vielen Anwendungen sehr einfach möglich.
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Diese
Anordnung hat weiterhin den Vorteil, dass das Signalübertragungsmedium
eine drahtlose Signalübertragungsstrecke
sein kann, um Messsignale von der Lichtschrankenanordnung an die
Maschinensteuerung weiterzuleiten und Steuersignale für den Betrieb
des Messsystems von der Maschinensteuerung zu empfangen. Die drahtlose
Signalübertragungsstrecke
von dem Messsystem zur Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine kann
sowohl eine Funksignalstrecke als auch eine Licht- oder (Ultra-)Schallstrecke
sein, mit der die Messsignale von der Lichtschrankenanordnung an
die Maschinensteuerung und die Steuersignale in umgekehrter Richtung
zu übertragen
sind.
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Weiterhin
kann eine Fluidzufuhr vorgesehen sein, die mit der Pneumatiksteuerung
in Strömungsverbindung
steht, um die fluiddynamische Wandlereinheit gesteuert mit Fluid
zu speisen. Diese Fluidzufuhr kann die einzige „körperliche” Verbindung zwischen dem Messsystem
und der Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine sein, um Betriebsfluid bereitzustellen.
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Die
fluiddynamische Wandlereinheit kann eine Düse haben, deren Eintritt mit
einem Auslass der Pneumatiksteuerung in Strömungsverbindung steht und deren
Austritt auf Schaufelräder
einer Turbine gerichtet ist. Des Weiteren kann die Wandlereinheit
einen elektrischen Generator haben, der einen mit der Turbine gekoppelten
Rotor, der von ihr in Rotation zu versetzen ist, und einen Stator
mit wenigstens einer Statorwicklung hat, an der elektrische Leistung
abzunehmen ist.
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Die
Düse kann
einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt haben, wobei der Austritt
der Düse
einen Erweiterungswinkel hat, der so gewählt ist, dass austretendes
Fluid eine ablösungsfreie
Strömung
haben kann. Der Erweiterungswinkel kann unter 20°, vorzugsweise unter etwa 10° liegen.
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Die
Turbine kann ein vorzugsweise tangential durchströmtes Peltonrad
sein.
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Der
elektrische Generator kann eine permanenterregte Gleichstrommaschine,
vorzugsweise mit elektronischer Kommutierung sein.
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Die
Lichtschrankenanordnung kann einen Lichtsenderteil und einen Lichtempfängerteil
haben, die jeweils einem Schenkel einer im Wesentlichen U-förmigen Tragestruktur
der Messsystemanordnung zugeordnet sind.
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Die
Pneumatiksteuerung kann Druckluft – zum Beispiel aus einer Druckluftquelle
stammende gereinigte Druckluft mit etwa 2 bis 10 bar – oder ein anderes
unter Druck stehendes Fluidmedium gesteuert einer Fluid-Blas-Einrichtung
zur Reinigung eines zu vermessenden Werkzeuges zuführen, und/oder im
Bereich des Messstrahls als Sperrluft zuführen, und/oder einer Schutz-/Schließeinrichtung
an dem Lichtsenderteil und/oder dem Lichtempfängerteil der Lichtschrankenanordnung
zuführen,
und/oder der fluiddynamischen Wandlereinheit zuführen.
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Die
Pneumatiksteuerung kann zur Versorgung der Fluid-Blas-Einrichtung
ein erstes, elektromagnetisch betätigbares Schaltventil aufweisen,
das mit elektrischen Betätigungssignalen
zu beaufschlagen ist, wobei das erste, elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil gesteuert Druckluft an einen oder mehrere Luftauslässe der
Fluid-Blas-Einrichtung zur Reinigung eines zu vermessenden Werkzeuges
liefern kann.
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Dieses
Schaltventil kann eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung, in
der die Blasluftauslässe
mit Druckluft beschickt werden, und eine federbelastete Sperrstellung
haben, in der keine Druckluft zu den Blasluftauslässen gelangt.
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Die
Pneumatiksteuerung kann zum Zuführen von
Sperrluft im Bereich des Messstrahls ein mit Betätigungssignalen zu beaufschlagendes,
zweites, elektromagnetisch betätigbares
Schaltventil aufweisen.
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Dieses
Schaltventil kann gesteuert Druckluft an den Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls austreten lassen, damit keine Fremdkörper in
dem Strahlengang des (Laser-)Lichtstrahls gelangen können.
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Das
zweite, elektromagnetisch betätigbare Schaltventil
kann eine federbelastete Sperrstellung, in der keine Druckluft an
Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls austreten kann, und eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung
haben, in der Druckluft an Durchtrittsöffnungen des Messstrahls austreten
kann.
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Die
Pneumatiksteuerung kann zur Beschickung der Schutz-/Schließeinrichtung
mit Fluid ein mit Betätigungssignalen
zu beaufschlagendes, drittes, elektromagnetisch betätigbares
Schaltventil aufweisen.
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Dieses
elektromagnetisch betätigbare Schaltventil
liefert gesteuert Druckluft an einen oder mehrere Schieber. Dieses
Schaltventil kann eine federbelastete Sperrstellung, in der keine
Druckluft zu den Schiebern an dem Lichtsenderteil oder dem Lichtempfängerteil
der Lichtschrankenanordnung gelangt, so dass kein Mess-Lichtstrahl
durchtreten kann, und eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung haben,
in der die Schieber mit Druckluft beschickt werden, so dass der
Mess-Lichtstrahl durchtreten kann.
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Die
Pneumatiksteuerung kann zur Betätigung
der fluiddynamischen Wandlereinheit ein mit Betätigungssignalen zu beaufschlagendes,
viertes, elektromagnetisch betätigbares
Schaltventil aufweisen.
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Dieses
elektromagnetisch betätigbare Schaltventil
liefert gesteuert Druckluft an die fluiddynamische Wandlereinheit.
Dieses Schaltventil kann eine federbelastete Sperrstellung, in der
keine Druckluft in die fluiddynamische Wandlereinheit gelangt, und
eine elektromagnetisch betätigte
Durchlassstellung haben, in der die fluiddynamische Wandlereinheit
mit Druckluft beschickt wird, um dort den Generator anzutreiben.
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Der
fluiddynamischen Wandlereinheit kann ein elektronischer Schaltkreis
zur Gleichrichtung und Regelung einer durch den elektrischen Generator
bereitgestellten, elektrischen Ausgangsspannung und/oder zur Pufferung
der durch den elektrischen Generator bereitgestellten, elektrischen
Energie zugeordnet sein. Die Pufferung der erzeugten, elektrischen
Energie kann in einem Energiespeicher, beispielsweise in einem wieder
aufladbaren Akkumulator oder einem Pufferkondensator erfolgen. Dazu können zum
Beispiel Doppelschicht-Kondensatoren, oder
auch elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren dienen.
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Es
ist zudem möglich,
die fluiddynamische Wandlereinheit und/oder die Pneumatiksteuerung
jeweils als ein von der Messsystemanordnung abgetrenntes Modul vorzufertigen
und dieses Modul in der entsprechenden Fertigungsphase der Messsystemanordnung
in diese einzubringen. Hierbei kann das abgetrennte Modul jeweils
entweder in eine Tragestruktur der Messsystemanordnung oder in eine
der Messsystemanordnung zugeordnete Werkstückpalette integriert werden.
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In
einer Variante der Messsystemanordnung kann anstelle der fluiddynamischen
Wandlereinheit eine Speichervorrichtung für elektrische Energie vorgesehen
sein. Diese kann in einer Ruheposition über eine drahtlose oder drahtgebundene
Schnittstelle mit elektrischer Energie gespeist werden, um in der Messposition
elektrische Energie an Verbraucher in dem Messsystem abzugeben.
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Des
weiteren kann der Messsystemanordnung ein Fluidspeicher zugeordnet
sein, der auch als von der Messsystemanordnung abgetrenntes Modul fertigbar
ist und in der entsprechenden Fertigungsphase der Messsystemanordnung
in dessen Tragestruktur oder in eine der Messsystemanordnung zugeordnete
Werkstückpalette
integrierbar ist.
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Das
Messsystem kann mit zwei elektrischen Versorgungsleitungen und einer
Fluidzuleitung ausgestattet sein. In der Werkstückpalette kann ein korrespondierendes,
elektrisches und fluidisches Kontaktsystem integriert sein, das
dazu eingerichtet ist, mit elektrischer Spannung und/oder unter
Druck stehendem Fluid beaufschlagt zu werden, sobald die Werkstückpalette
innerhalb oder außerhalb
der Werkzeugmaschine angedockt ist. Diese Ausstattung des Messsystems
ist vorzugsweise vorgesehen, wenn in der Werkstückpalette der Messsystemanordnung
eine Speichervorrichtung für
elektrische Energie und/oder ein Fluidspeicher umfasst ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante kann vorsehen, dass das Messsystem
einen ein/aus zu schaltenden Betätigungsschalter
umfasst, der durch Betätigungssignale
betätigt
wird, die durch das Fluidmedium übertragen
werden. Dieser Betätigungsschalter kann
für die
Betätigung
der Lichtschrankenanordnung, der Pneumatiksteuerung, der mindestens
einen elektronischen Steuerung und/oder der fluiddynamischen Wandlereinheit
vorgesehen sein. Der Betätigungsschalter
kann hierbei jeweils bei Erreichen einer Ruheposition und bei Erreichen
einer Messposition der Messsystemanordnung betätigt werden.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieses
Messsystems werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht,
in der auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Messsystem in einer schematischen, seitlichen Perspektivdarstellung.
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2 zeigt
einen Pneumatik-Schaltplan einer Pneumatiksteuerung, die einem Messsystem
aus 1 zuzuordnen ist.
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3 zeigt
ein Messsystem in einer schematischen seitlichen Perspektivdarstellung,
bei der die U-förmige
Tragestruktur der Messsystemanordnung auf einer Werkstückpalette
angebracht ist, welche auch die Pneumatiksteuerung und die fluiddynamische
Wandlereinheit mit dem elektronischen Schaltkreis zur Gleichrichtung
und Regelung und zur Pufferung der elektrischen Energie aufnimmt.
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4 zeigt
eine fluiddynamische Wandlereinheit, die einem Messsystem aus 1 oder 3 zuzuordnen
ist.
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5a, 5b zeigen
ein Messsystem, das zwischen einer Messposition und einer Ruheposition hin
und her schwenkbar ist.
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Detaillierte Beschreibung des Messsystems
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1 zeigt
ein Messsystem 10 für
berührende
und für
berührungslose
Messung an stehenden und rotierenden Werkzeugen in einer Werkzeugmaschine.
Bei der Werkzeugmaschine kann es sich zum Beispiel um eine Fräs-Drehmaschine
oder um eine Dreh-Fräsmaschine
handeln, in der sowohl Werkzeuge zur Span abhebenden als auch Werkzeuge
zur Material abtragenden Bearbeitung eingespannt sind. Stehende
Werkzeuge sind dabei zum Beispiel Wendeschneidplatten und rotierende
Werkzeuge sind dabei zum Beispiel Bohrer oder Fräser.
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Um
beide Arten von Werkzeugen mit hoher Präzision (zum Beispiel etwa 1 μm oder höher) zu vermessen,
ist das Messsystem 10 mit einer Lichtschrankenanordnung 12 zur
Positionsbestimmung eines (nicht gezeigten) Werkzeuges oder zur
Bestimmung der längsten
Schneide eines (nicht gezeigten) rotierenden Werkzeuges in der Werkzeugmaschine ausgestattet.
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Die
Lichtschrankenanordnung 12 ist dabei in dem Messsystem 10 in
einen Lichtsenderteil 14 und einen Lichtempfängerteil 16 aufgeteilt,
die jeweils einem Schenkel 18, 20 einer im Wesentlichen
U-förmigen
Tragestruktur 22 der Messsystemanordnung 10 zugeordnet
sind. Wie in 1 gezeigt ist, befinden sich
der Lichtsenderteil 14 und der Lichtempfängerteil 16 in
einem Gehäuse 14a, 16a an
den freien Enden der Schenkel 18, 20. Der Lichtsenderteil 14 und der
Lichtempfängerteil 16 sind
einander zugewandt und das zugehörige
Gehäuse 14a, 16a hat
jeweils eine Durchtrittsöffnung 14b, 16b (16b in 1 nicht sichtbar
dargestellt) für
einen Lichtstrahl 24, der im vorliegenden Beispiel ein
Laserstrahl ist. Die U-förmige
Tragestruktur 22 der Messsystemanordnung 10 ist
aus mehreren quaderförmigen
Abschnitten zusammengefügt.
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Zur
Positionsbestimmung eines Werkzeuges oder zur Bestimmung der längsten Schneide
eines rotierenden Werkzeuges in der Werkzeugmaschine wird das drehantreibbare
Werkzeug so in dem Laserlicht-Messstrahl 24 der Lichtschrankenanordnung 12 positioniert,
dass dessen Strahlengang durch das Werkzeug unterbrochen wird. Anschließend wird
das Werkzeug relativ zu dem Messstrahl 24 mit einer möglichst
konstanten Geschwindigkeit von diesem weg bewegt. Dabei wird das
Werkzeug zu einer Position bewegt, in welcher der Messstrahl 24 von
dem Werkzeug nicht mehr unterbrochen wird. Alternativ dazu kann
die Messung auch drückend
erfolgen; hierbei befindet sich das rotierende Werkzeug außerhalb
des Messstrahls 24 und erzeugt ein Messsignal, sobald der
Messstrahl 24 abgeschattet ist.
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Im
Innern des Gehäuses 16a des
Lichtempfängerteils 16 ist
eine Signalelektronikschaltung 26 zur Signalformung und
Signalweiterleitung an eine Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine
aufgenommen. Die Signalelektronikschaltung 26 dient dazu,
Messsignale von der Lichtschrankenanordnung 12 zu empfangen
und an die – nicht
weiter veranschaulichte – Maschinensteuerung
weiter zu leiten.
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Damit
werden aus einer berührungslosen Messung
der Lichtschrankenanordnung 12 kommende Messsignale an
die dem Messsystem 10 zugeordnete Signalelektronikschaltung 26 geliefert,
die die Messsignale für
die Maschinensteuerung aufbereitet. Im vorliegenden Messsystem 10 ist
als Signalübertragungsmedium
zwischen der Signalelektronikschaltung 26 und der Maschinensteuerung
für aus der
Lichtschrankenanordnung 12 kommende Messsignale eine drahtlose
Signalübertragung
in Form einer Infrarotstrecke 28 vorgesehen.
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In
einem Verbindungsblock 30 zwischen den beiden Schenkeln 18, 20 der
U-förmigen
Tragestruktur 22 sind eine Pneumatiksteuerung 200 und
eine fluiddynamische Wandlereinheit 400 umfasst. In der Tragestruktur 22 ist
zwischen der Pneumatiksteuerung 200 und der fluiddynamischen
Wandlereinheit 400 eine pneumatische Verbindungen ausgebildet. Zudem
sind in der Tragestruktur 22 weitere pneumatische Verbindungen
zu den mit Druckluft zu versorgenden Komponenten des Messsystems 10 ausgebildet.
Nach außen
sichtbar weist die Tragestruktur 22 einen Anschluss 32 für eine Pneumatikzuleitung und
einen Anschluss 34 für
eine Pneumatikableitung auf. Der Anschluss 32 ist mit einer
in der Tragestruktur 22 ausgebildeten, pneumatischen Leitung
a verbunden, die in die Pneumatiksteuerung 200 mündet. Von
dort wird über
vier Ventile 202, 204, 206, 208 gesteuert
Druckluft über
eine pneumatische Leitung b an einen oder mehrere Sperrluftauslässe, über eine pneumatische
Leitung c an eine Fluid-Blas-Einrichtung 36, über eine
pneumatische Leitung d zur Betätigung
von einem oder mehreren Sperrschiebern 38, 40 und über eine
pneumatische Leitung e in die fluiddynamische Wandlereinheit 400 geschickt.
Aus der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 tritt das über die
pneumatische Leitung e zugeführte
Fluid über eine
pneumatische Leitung f aus und gelangt über diese Leitung f zu dem
Anschluss 34 der Pneumatikableitung.
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Die
Fluid-Blas-Einrichtung 36 ist in 1 an dem
Verbindungsblock 30 angeordnet. Sie weist zwei Fluid-Blas-Düsen 42 auf,
die so ausgerichtet sind, dass das Fluid in Richtung Lichtstrahl 24 austritt.
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Zudem
weist die Messsystemanordnung 10 eine elektrische Steuerung 44 auf,
die in 1 in dem Schenkel 20 der Tragestruktur 22 angeordnet ist.
Diese elektrische Steuerung 44 ist über Leitungen zur Signal- und
Energieübertragung,
die innerhalb der Tragestruktur 22 ausgebildet sind, mit
dem Lichtsenderteil 14 und dem Lichtempfangsteil 16 der Lichtschrankenanordnung 12,
mit der Signalelektronikschaltung 26, sowie mit der Pneumatiksteuerung 200 und
der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 verbunden.
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Die
Pneumatiksteuerung 200 und die fluiddynamische Wandlereinheit 400 werden
anhand der 2 und 4 näher erläutert.
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2 zeigt
eine Pneumatiksteuerung 200, um aus einer (einzigen) Druckluftquelle
stammende, gereinigte Druckluft mit etwa 2 bis 10 bar aus der Fluid-Blas-Einrichtung
zur Reinigung eines zu vermessenden Werkzeuges und zur Reinigung
der Tastfläche
der multidirektionaien Messtasteranordnung zu einem Messort an dem
Tastelement und/oder im Bereich des Messstrahls zuzuführen und
um eine Schutz-/Schließeinrichtung
an dem Lichtsenderteil und/oder dem Lichtempfängerteil der Lichtschrankenanordnung
zu betätigen,
und/oder um eine Luftsperre zu beschicken. Schließlich dient
die Pneumatiksteuerung 200 dazu, die fluiddynamische Wandlereinheit
mit Druckluft zu versorgen.
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Dazu
hat die Pneumatiksteuerung 200 zur Versorgung der Luftsperre
das elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil 202, das von der elektronischen Steuerung,
basierend auf von der Maschinensteuerung empfangenen Signalen, mit
elektrischen Betätigungssignalen
zu beaufschlagen ist. Dieses elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil 202 liefert gesteuert Druckluft an einen oder
mehrere Sperrluftauslässe,
die durch Auslassen der Druckluft verhindern, dass Staub, Späne, Bohrflüssigkeit,
oder dergl. in die Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls eindringt. Es hat eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung,
in der die Sperrluftauslässe
mit Druckluft beschickt werden, und eine federbelastete Sperrstellung,
in der keine Druckluft zu den Sperrluftauslässen an dem Lichtsenderteil
oder dem Lichtempfängerteil der
Lichtschrankenanordnung gelangt.
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Weiterhin
hat die Pneumatiksteuerung 200 zur Betätigung der Schutz-/Schließeinrichtung
das von der elektronischen Steuerung, basierend auf von der Maschinensteuerung
empfangenen Signalen, mit Betätigungssignalen
zu beaufschlagendes, elektromagnetisch betätigbare Schaltventil 204.
Dieses elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil 204 liefert gesteuert Druckluft an eine oder
mehrere Schutz-/Schließeinrichtungen,
welche Sperrschieber in den Durchtrittsöffnungen des Messstrahls betätigen. Somit
wird während
längerer
Stillstandszeiten des Messsystems verhindert, dass Staub, Späne, Bohrflüssigkeit,
oder dergl. in die Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls eindringt. Das elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil 204 hat eine federbelastete Sperrstellung,
in der keine Druckluft zu den Schutz-/Schließeinrichtungen gelangt, so
dass die Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls abgeschottet sind, und eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung,
in der die Schutz-/Schließeinrichtungen mit
Druckluft beschickt werden, so dass die Schutz-/Schließeinrichtungen an dem Lichtsenderteil oder
dem Lichtempfängerteil
der Lichtschrankenanordnung offen sind und der Messstrahl an seinen Durchtrittsöffnungen
aus/eintreten kann.
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Die
Pneumatiksteuerung 200 hat zur Betätigung der Fluid-Blas-Einrichtung
das elektromagnetisch betätigbare
Schaltventil 206, das von der elektronischen Steuerung,
basierend auf von der Maschinensteuerung empfangenen Signalen, mit
Betätigungssignalen
zu beaufschlagen ist. Es hat eine federbelastete Sperrstellung,
in der keine Druckluft zu der Fluid-Blas-Einrichtung gelangt, um ein in deren Wirkbereich
gebrachtes Werkzeug zu reinigen, sowie eine elektromagnetisch betätigte Durchlassstellung, in
der die Fluid-Blas-Einrichtung mit Druckluft beschickt wird, so
dass die Fluid-Blas-Einrichtung ein in deren Wirkbereich gebrachtes
Werkzeug reinigen kann.
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Um
die fluiddynamische Wandlereinheit gesteuert mit Druckluft zu beschicken,
weist die Pneumatiksteuerung 200 das elektromagnetisch
betätigbare
Schaltventil 208 auf. Hierfür ist das Schaltventil 208 von
der elektronischen Steuerung, basierend auf von der Maschinensteuerung
empfangenen Signalen, mit Betätigungssignalen
zu beaufschlagen. Es hat eine federbelastete Sperrstellung, in der
keine Druckluft in die fluiddynamische Wandlereinheit gelangt, sowie
eine elektromagnetisch betätigte
Durchlassstellung, in der die fluiddynamische Wandlereinheit mit
Druckluft beschickt wird.
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Die
Pneumatiksteuerung 200 hat folglich einen Einlass und vier
Auslassventile 202, 204, 206, 208.
Dem Auslassventil 206 ist eine Druck-Reduzierstufe 210 vorgeschaltet
oder zugeschaltet, die unter geringerem Druck stehendes Fluid der
Fluid-Blas-Einrichtung zur Reinigung eines zu vermessenden Werkzeugs
zuführt.
Den anderen Auslassventilen 202, 204, 208 ist
unter höherem
Druck stehendes Fluid zugeführt.
Dieses gelangt über
die Leitungen b und d zu der Luftsperre und der Schutz-/Schließeinrichtung
an dem Lichtsenderteil und/oder dem Lichtempfängerteil, sowie über die
Leitung e in die fluiddynamische Wandlereinheit 400.
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Zudem
ist der Pneumatiksteuerung 200 ein Fluidspeicher 212 zugeordnet,
der mit der pneumatischen Zuleitung a in Verbindung steht. In diesem
Fluidspeicher 212 wird Druckluft gespeichert, die bei Bedarf
an die Pneumatiksteuerung 200 abgegeben wird.
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3 zeigt ähnlich wie 1 eine
Messsystemanordnung 300 in einer schematischen, seitlichen
Perspektivdarstellung. Der Unterschied zu 1 liegt
darin, dass in 3 die U-förmige Tragestruktur 322 der
Messsystemanordnung 300 auf einer Werkstückpalette 302 angebracht
ist, welche auch die Pneumatiksteuerung 200 und die fluiddynamische
Wandlereinheit 400 mit dem elektronischen Schaltkreis zur
Gleichrichtung und Regelung und zur Pufferung der elektrischen Energie
aufnimmt.
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Im
folgenden wird nur beschrieben, wie sich die Messsystemanordnung 300 aus 3 von
der Messsystemanordnung 10 aus 1 unterscheidet. Abgesehen
von den anschließend
beschriebenen Unterschieden sind die beiden Messsystemanordnungen 10, 300 identisch
aufgebaut.
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In 3 sind
die Pneumatiksteuerung 200 und die fluiddynamische Wandlereinheit 400 in
Kammern 304, 306 der Werkstückpalette 302 angeordnet und
nicht in dem Verbindungsblock 330. Die U-förmige Tragestruktur 322 ist
mit der Unterseite des Verbindungsblocks 330 auf der Werkstückpalette 302 über der
in der Kammer 304 angeordneten Pneumatiksteuerung 200 und
der in der Kammer 306 angeordneten fluiddynamischen Wandlereinheit 400 angeordnet.
Im Gegensatz zu 1 sind in 3 zwei Anschlüsse 332, 334 an
der Unterseite der Werkstückpalette 302 vorgesehen,
an die je eine Pneumatikzu- und -ableitung anzuschließen ist. Über den
Anschluss 332 und eine pneumatische Verbindungsleitungen
a, die in der Werkstückpalette 302 ausgebildet
ist, gelangt Druckluft aus der Pneumatikzuleitung in die Pneumatiksteuerung 200.
Wie bezüglich 2 beschrieben,
gelangt von hier gesteuerte Druckluft zu den mit Druckluft zu versorgenden
Komponenten der Messsystemanordnung 300, wofür Abschnitte der
pneumatischen Leitungen b, c, d in der Werkstückpalette 302 ausgebildet
sind, die sich in der U-förmigen
Tragstruktur 322 fortsetzen. Über eine pneumatische Leitung
e, die in der Werkstückpalette 302 ausgebildet
ist, wird zudem die fluiddynamische Wandlereinheit 400 mit
Druckluft gespeist. Aus der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 gelangt
die eingespeiste Druckluft über
eine pneumatische Leitung f, die ebenfalls in der Werkstückpalette 302 ausgebildet
ist und in dem Anschluss 334 mündet, in die Pneumatikableitung.
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Wie
bezüglich 1 beschrieben,
steht auch in 3 die elektronische Steuerung 344 mit den
mit Betätigungssignalen
und Energie zu versorgenden Komponenten der Messsystemanordnung 300 über Leitungen
zur Signal- und Energieübertragung
in Verbindung, wobei die Leitungen zwischen der elektronischen Steuerung 344 und
der Pneumatiksteuerung 200 sowie der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 teilweise
in der U-förmigen
Tragstruktur 326 ausgebildet sind und sich in der Werkstückpalette 302 fortsetzen.
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Zudem
weist die Messsystemanordnung 300 in einer weiteren Kammer 308 der
Werkstückpalette 302 einen
Fluidspeicher 212 auf, der beispielsweise Druckluft speichert,
um diese bei Bedarf an die Pneumatiksteuerung 200 abzugeben.
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4 zeigt
eine fluiddynamische Wandlereinheit 400, die einem Messsystem
aus 1 oder 3 zuzuordnen ist. Die fluiddynamische
Wandlereinheit 400 hat eine Düse 402, deren Eintritt 402a mit einem
Auslass der pneumatischen Leitung e, über die die Pneumatiksteuerung
mit der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 in Strömungsverbindung steht,
und deren Austritt 402b auf Schaufelräder 404 einer Turbine 406 gerichtet
ist. Des Weiteren kann die Wandlereinheit 400 einen elektrischen
Generator 408 haben, der einen mit der Turbine 406 gekoppelten
Rotor 410, der von ihr in Rotation zu versetzen ist, und
einen Stator 412 mit wenigstens einer Statorwicklung 414 hat,
an der elektrische Leistung abzunehmen ist.
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Die
Düse 402 kann
einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt haben, wobei der Austritt der
Düse 402 einen
Erweiterungswinkel hat, der so gewählt ist, dass austretendes
Fluid eine ablösungsfreie
Strömung
hat. Der Erweiterungswinkel beträgt etwa
10°–6°, zum Beispiel
etwa 8°.
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Die
Turbine 406 ist ein tangential durchströmtes Peltonrad. Es ist jedoch
abhängig
von den räumlichen
Gegebenheiten auch möglich,
axial oder diagonal durchströmte
Turbinen nach der Art von Kaplan- bzw. Francisturbinen zu verwenden;
dies sind Überdruckturbinen,
bei denen der Druck am Eintritt des Laufrades größer ist als am Austritt.
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Der
elektrische Generator 408 ist eine permanenterregte Gleichstrommaschine,
vorzugsweise mit elektronischer Kommutierung. Die von der Gleichstrommaschine
erzeugte Spannung wird einem Gleichrichter 416 und einer
anschließenden
Regelung 418 zugeführt,
die so ausgelegt sein kann, dass sie ein Nachladen eines der Regelung 418 nachgeschalteten
Energiespeichers 420 (Akkumulator oder Kondensator) über eine
Aktivierung der Turbine 406 durch Freigeben von Druckluft
auslöst, wenn
die Speicherspannung zu weit abfällt.
Falls der Energiespeicher 420 nur zum Glätten von
Lastspitzen ausgelegt ist, muss die Turbine 406 während des Betriebs
des Messsystems, also während
der Messung an Werkzeugen in einer Werkzeugmaschine, dauernd in
Betrieb gesetzt sein.
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In
Werkzugmaschinen, bei denen keine Pressluft verfügbar ist oder zum Betrieb der
Komponenten eingesetzt werden soll, oder in Anlagen, in denen Kühlflüssigkeit,
Spülflüssigkeit
oder Schmierflüssigkeit
verfügbar
ist, kann diese (anstelle der unter Druck stehenden Luft) zum Betreiben
der fluiddynamischen Wandlereinheit 400 eingesetzt werden.
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In 5a, 5b ist
eine Variante veranschaulicht, bei der ein Messsystem 500 um
ein Gelenk 502 durch eine Fluid-Zylinder-Kolbenanordnung 504 schwenkbar
anzuordnen ist um es zwischen einer Ruhestellung (z. B. 5a)
und einer Betriebsstellung (z. B. 5b) zu
schwenken. Dabei ist ein Vorteil, dass der Arbeitsraum der Werkzeugmaschine nicht
zu weit eingeschränkt
wird. Anstelle der gezeigten Schwenkanordnung können auch teleskopierbare oder
anderweitig linear verfahrbare Varianten realisiert werden, um ein
Messsystem zwischen einer Ruhestellung und einer Betriebsstellung
hin und her zu bewegen. Dabei sind normalerweise die Versorgungsleitungen
des Messsystems aufwändig
durch das Schwenksystem zu führen.
Eine externe Installation dieser Versorgungsleitungen ist meist
aus optischen Gründen
und zur Vermeidung von Ansammlungen von Spänen unerwünscht. Einer kompakten Bauform
eines Schwenkarms steht in herkömmlichen Anordnungen
mit mehreren elektrischen und fluidischen Leitungen die interne
Durchführung
der Versorgungsleitungen mit einem nennenswerten Bauraumerfordernis
entgegen. Das vorgestellte Messsystem 500 bietet den Vorteil,
dass lediglich eine Fluidleitung 506 (zum Beispiel für Druckluft)
durch den Gelenkbereich 502 zu führen ist.
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Zur
Betätigung
des Schwenk- bzw. Ausfahrsystems wird nur eine Pneumatikleitung 506 verwendet
anstatt der sonst üblichen
zwei. Die pneumatische Versorgung übernimmt dieselbe Zuleitung 506, die
auch das Lasersystem versorgt. Die Reduzierung auf eine Versorgungsleitung 506 für Schwenk-
und Messsystem bringt insbesondere Vorteile, wenn das Gesamtsystem
auf einer Werkstückpalette
installiert ist. Ist das Schwenksystem in Ruhelage und das Lasersystem
außer
Betrieb, dann steht ein niedriger Fluiddruck (zum Beispiel 1 bar)
an. Dieser niedrige, dauernd anliegende Druck gewährleistet,
dass keine Verschmutzung (z. B. Kühlmittel) in den Optikbereich des
Messsystems eindringen kann. Wird der Fluiddruck auf einen höheren Druck
(zum Beispiel 6 bar) erhöht,
dann bewegt sich das Schwenksystem in seine Mess- oder Betriebsposition
(zum Beispiel 5b).
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Diese
Funktionalität
ist zum Beispiel dadurch zu realisieren, dass eine Pneumatikfluid-Zylinder-Kolbenanordnung 504 mit
einer Rückhubfeder 508 eingesetzt
wird. Bei Anliegen des höheren Drucks
entsteht eine Kolbenkraft, die erheblich höher als die Federkraft der
Rückhubfeder 508 liegt.
Bei Anliegen des niedrigeren Drucks überwiegt dagegen die Rückhubfederkraft
und der Kolben bewegt sich zurück
in die Ruhelage (zum Beispiel 5a).
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Aus
bestimmten Gründen
kann keine oder eine schwächere
Rückstellfederkraft
gewünscht
sein. Dies kann zum Beispiel wegen einer höheren Wiederholgenauigkeit
der Endlage der Fall sein. Dann besteht auch die Möglichkeit
beide Verfahrrichtungen des Zylinders pneumatisch anzusteuern.
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Ebenso
kann es gewünscht
sein, dass das Lasermesssystem aktiviert wird, sobald das Schwenksystem
die Messposition erreicht hat. Hierfür müssen die Sperrschieber in den
Durchtrittsöffnungen
des Messstrahls mit unter Druck stehendem Fluid beaufschlagt werden,
so dass diese öffnen.
Die pneumatischen Leitungen in der Messsystemanordnung können reduziert
werden, wenn die Ansteuerung der Sperrschieber nicht elektropneumatisch über ein
Pneumatikventil erfolgt, sondern über ein rollenbetätigtes Ventil,
welches vom Schwenkarm bei Erreichen dessen Endposition betätigt wird.
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Soll,
im Gegensatz zur Beschreibung bezüglich der 5a und 5b,
der pneumatische Druck konstant sein, z. B. 6 bar, und werden beide
Kammern der Pneumatikfluid-Zylinder-Kolbenanordnung pneumatisch betrieben,
so muss die Ansteuerung von Pneumatikventilen, durch die beide Kammern der
Pneumatikfluid-Zylinder-Kolbenanordnung mit Fluid gespeist werden, über die
elektronische Steuerung erfolgen, welche wiederum von der Maschinensteuerung
gesteuert wird.