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HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeugeinstellgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Beim Einsatz moderner Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren mit automatisierten Produktionsabläufen ist es wichtig, dass die für den Einsatz vorgesehenen Bearbeitungswerkzeuge mit hoher Präzision eingestellt oder vermessen werden. Hierfür geeignete Vorrichtungen werden häufig als Werkzeugmess- und Einstellgeräte, Werkzeugeinstellgeräte oder kurz als Einstellgeräte bezeichnet. Ein Werkzeugeinstellgerät der hier betrachteten Art hat einen Grundkörper, an dem eine, in der Regel drehbare, Werkzeugaufnahme zur Aufnahme des zu vermessenden Werkzeuges angebracht ist. Weiterhin ist eine Schlittenanordnung vorgesehen, die bewegliche Komponenten des Meßsystems trägt, die mit Hilfe der Schlittenanordnung mehrachsig verfahrbar sind.
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Optische Meßsysteme hatten früher Projektionsoptiken, in jüngster Zeit werden in der Regel Kamerasysteme mit angeschlossenem Bildverarbeitungssystem genutzt. Ein derartiges Einstellgerät ist in der Patentanmeldung
EP 1 586 413 A1 gezeigt. Der Grundkörper dieses Werkzeugeinstellgerätes hat einen Horizontalschlitten, auf dem eine Säule entlang einer horizontalen X-Achse mit Hilfe von computergesteuerten Schrittmotoren verfahrbar ist. Die Säule trägt an ihrer der Werkzeugaufnahme zugewandten Seite einen Vertikalschlitten, der mit Hilfe eines weiteren computergesteuerten Schrittmotors entlang einer vertikalen Z-Achse verfahrbar ist. Dieser Vertikalschlitten trägt einen Messsystemträger, an dem eine Messkamera und ein Beleuchtungssystem angebracht sind. Die Verfahrwege der Schlitten in X- und Z-Richtung werden mit Hilfe von Längenmesssystemen erfasst, deren Maßstäbe im Grundkörper (für den Horizontalschlitten) bzw. in der Säule (für den Vertikalschlitten) angebracht sind.
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Auch mechanische Meßsysteme, beispielsweise mit einem oder mehreren Tastern, werden vielfach eingesetzt. Ein Beispiel einer Messvorrichtung, die mit Messtastern arbeiten kann, ist in dem Patent
DE 195 45 802 C2 gezeigt.
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Die
DE 20 2005 012 330 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Befestigen eines Werkezugs in einem Werkzeugfutter. Die Vorrichtung umfasst ein Haltemittel in Form eines Werkzeuggreifers mit zwei Greifarmen und einem Greifschieber, durch die ein Schaftwerkzeug gegriffen und gehalten werden kann. Außerdem umfasst die Vorrichtung zwei Mittel zur Bearbeitung des Werkzeugfutters, nämlich ein Induktionsheizgerät und eine Kühlvorrichtung. Zum Vermessen des Werkzeugs weist die Vorrichtung außerdem ein Messmittel auf, das eine Kamera und zwei Beleuchtungsmittel umfasst, so dass das Werkzeug im Auflicht- und im Durchlichtverfahren vor der Kamera gehalten und vermessen werden kann. Das Messmittel ist an einem Träger befestigt, der parallel zur Werkzeugachse und senkrecht hierzu verfahrbar ist. Das Haltemittel ist ebenfalls verfahrbar, so dass das durch das Haltemittel gehaltene Werkzeug in einer vorbestimmten Soll-Position im Werkzeug positioniert werden kann, wodurch eine Werkzeugpositionierung ohne die Verwendung eines Anschlags im Werkzeugfutter möglich wird. Das Werkzeug kann vom Haltemittel vollautomatisch aus beispielsweise einem Magazin entnommen und direkt im Werkzeugfutter in der vorbestimmten Soll-Position platziert werden, wodurch ein schnelles und effizientes Befestigen des Werkzeugs im Werkzeugfutter in der Soll-Position erreichbar ist. Hierzu kann das Haltemittel mit einem sehr fein bewegbaren Antrieb, beispielsweise einem Linearmotor, verbunden sein.
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Aus der
DE 101 61 227 A1 ist bekannt, zur sicheren Messung der Position und/oder der Geschwindigkeit eines Synchronmotors, insbesondere eines Linearmotors, zwei voneinander unabhängige Positionsmesssysteme einzusetzen. Eines der beiden Positionsmesssysteme gewinnt sein Ausgangssignal aus der Abtastung der regelmäßig angeordneten Magnete des Sekundärteils des Synchronmotors. Die Gewinnung des Positions- und/oder Geschwindigkeitsherds kann durch Auswertung der in einer Antriebsspule des Primärteils induzierten Spannung erfolgen. Das zweite Positionsmesssystem benötigt so weder einen eigenen Maßstab noch einen eigenen Abtastkopf.
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In der
DE 103 49 241 A1 wird eine Werkzeugeinstellgerät beschrieben, welches ein integriertes Längeneinstellsystem aufweist, das ein Positioniermittel in Form eines stangenartigen Stößels hat, der mit Hilfe eines Antriebs aus einer Ruheposition nach oben verfahren werden kann. Während des Hochfahrens des Positioniermittels wird ein charakteristisches Element des Werkzeugs durch eine Vermessungsoptik abgetastet und regelmäßig auf eine Bewegung hin untersucht. Die Bewegung des charakteristischen Elements, verursacht durch das Anstoßen des Anschlags an den Werkzeugschaft, wird mit Hilfe einer Auswerteeinheit erfasst und als Träger zum Stoppen der Bewegung des Positioniermittels verwendet.
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Aus der
DE 199 27 872 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen eines Objekts bekannt, bei dem es sich beispielsweise um ein rotationssymmetrisches Werkzeug, wie ein Fräswerkzeug handeln kann. Das Objekt ist um eine Drehachse drehbar. Die Vorrichtung hat eine Aufnahmeeinrichtung für das Objekt und eine das Objekt bzw. Abschnitte des Objekts vermessende optoelektronische Messvorrichtung zum Messen im Durchlichtverfahren mit einem optischen Sensor sowie einer Strahlungsquelle. Der optische Sensor und die Strahlungsquelle sind auf einem drehbaren Schwenktisch befestigt, der von einer drehbaren Halterung ausgeht, welche mittels eines Linearmotors entlang einer Achse verstellt werden kann, die parallel zur Drehachse des zu vermessenden Objekts verläuft.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Werkzeugeinstellgerät derart weiterzuentwickeln, dass eine schnelle und hochpräzise Werkzeugvermessung und Werkzeugeinstellung möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Werkzeugeinstellgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Ein erfindungsgemäßes Werkzeugeinstellgerät der gattungsgemäßen Art zeichnet sich dadurch aus, dass es mindestens einen elektrischen Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem aufweist.
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Der Begriff „Linearmotor” bezeichnet in dieser Anmeldung einen elektrischer Antrieb, der die mit ihm verbundenen Objekte nicht in eine Drehbewegung, sondern unmittelbar in eine geradlinige Bewegung (Translationsbewegung) versetzen kann. Im Gegensatz zu drehenden Elektromotoren, die zur Umsetzung in eine translatorische Bewegung ein Getriebe oder dergleichen benötigen, ermöglichen Linearmotoren, die gewünschte translatorische Bewegung direkt zu erzeugen, weshalb Linearmotoren auch als elektrische Direktantriebe bezeichnet werden. Bei geeigneter Auslegung können Linearbewegungen mit hoher Dynamik und bei Bedarf mit vorgebbaren Geschwindigkeitsprofilen gesteuert werden, wodurch eine schnelle Positionierung der mit dem Linearmotor angetriebenen Komponenten möglich wird. Zudem kann die übertragene Kraft variabel eingestellt werden, wodurch ein besonders guter Schutz gegen Verletzungen beim Bediener und/oder Beschädigungen von Gerät und/oder Werkzeug gegeben ist. Wird ein Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem verwendet, so ist darüber hinaus in jeder Phase der Bewegung und auch im Stillstand eine äußerst exakte Bestimmung der tatsächlichen Position (Ist-Position) des Linearmotors und damit auch der Position der damit angetriebenen Komponente möglich. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann dabei deutlich höher sein als bei Verwendung nicht-integrierter, externer Längenmesssysteme.
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Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Werkzeugeinstellung ist häufig die Einstellung der richtigen Werkzeuglänge, die beispielsweise durch den Abstand der Werkzeugspitze von einer am Werkzeugfutter ausgebildeten Referenzfläche definiert sein kann. Werkzeugeinstellgeräte mit manuell betätigbarem verstellbarem Anschlag sind seit Jahrzehnten bekannt. Das europäische Patent
EP 1 103 338 B1 zeigt ein kombiniertes Werkzeugeinstell- und Schrumpfgerät mit einer integrierten Vorrichtung zum präzisen Einstellen der Werkzeuglänge. Diese Vorrichtung hat einen verstellbaren Anschlag, dessen Axialposition manuell mit Hilfe eines Rändelrades oder auf andere Weise, beispielsweise elektrisch oder hydraulisch verstellt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Werkzeugeinstellgerät hat ein integriertes Längeneinstellsystem, um die bei der Bearbeitung maßgebliche Werkzeuglänge des Werkzeugs auf ein vorgegebenes Längenmaß einzustellen. Bei der beanspruchten Erfindung hat das Längeneinstellsystem ein parallel, insbesondere koaxial zur Werkzeugaufnahmeachse linear bewegliches Stellglied und einen mit dem Stellglied gekoppelten Stellantrieb, der einen Linearmotor aufweist oder durch einen solchen gebildet ist. Dadurch ist eine sehr präzise und schnelle Längeneinstellung des Werkzeugs möglich. Da bei der beanspruchten Erfindung ein Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem verwendet wird, kann die Präzision der Längeneinstellung nochmals gesteigert werden.
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Die Verwendung von Längenmesssystemen mit einem photoelektrisch auslesbaren Maßstab ist möglich. Vorzugsweise hat das Längenmesssystem jedoch mindestens einen induktiven Weggeber mit einem oder mehreren magnetfeldsensitiven Sensoren (Magnetsensoren). Die Maßverkörperung eines solchen Längenmesssystems kann durch ein langgestrecktes Element gebildet sein, das entlang seiner Länge ein sich vorzugsweise regelmäßig änderndes Magnetfeld erzeugt, welches dann mit einem magnetfeldsensitiven Abtastverfahren „ausgelesen wird”. Da elektrische Linearmotoren so aufgebaut sein können, dass sie derart langgestreckte Elemente als (ortsfest installierten) Stator oder als (relativ zum Stator beweglichen) Läufer bereits enthalten, ist mit einem Minimum an konstruktivem Aufwand eine exakte Längenmessung und damit auch eine exakte Positionierung möglich.
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Ein besonders günstiger Aufbau ergibt sich, wenn der Linearmotor ein langgestrecktes Primärteil mit einer Vielzahl von Magneten und ein Sekundärteil mit elektrischen Spulen aufweist, wobei das Primärteil und das Sekundärteil relativ zueinander parallel zur Längsrichtung des Primärteils beweglich sind. Das Primärteil kann einerseits als funktionaler Bestandteil des Linearmotors und andererseits als magnetisch ablesbarer Maßverkörperung des Längenmesssystems dienen. Vorzugsweise hat das Längenmesssystem mindestens einen an dem Sekundärteil angeordneten Magnetfeldsensor, beispielsweise einen Hall-Sensor. Wenn das Primärteil als fest installierter Stator dient, bildet das Sekundärteil den beweglichen Läufer des Linearmotors. Auch eine umgekehrte Nutzung mit den Primärteil als Läufer und dem Sekundärteil als Stator ist möglich.
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Bei manchen Ausführungsformen ist mindestens eine der Antriebseinrichtungen für eine bewegliche Komponente der Schlittenanordnung ein elektrischer Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem, so dass die Positionierung entlang der entsprechenden Bewegungsachse schnell und präzise erfolgen kann. Vorzugsweise haben alle Antriebseinrichtungen für eine bewegliche Komponente der Schlittenanordnung einen elektrischen Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem, so dass die Positionierung des Messsystems in allen bewegten Achsen schnell und hochpräzise erfolgen kann.
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Eine besonders exakte Positionierung beweglicher Komponenten des Messsystems in Bezug auf das in einer Werkzeugaufnahme aufgenommene Werkzeug ist dann möglich, wenn die Schlittenanordnung einen senkrecht zur Werkzeugaufnahmeachse verfahrbaren ersten Schlitten aufweist, der an einer erste Linearführung des Grundkörpers geführt ist, wobei vorzugsweise ein erster elektrischer Linearmotor zur Bewegung des ersten Schlittens ein an dem ersten Schlitten unmittelbar oder mittelbar befestigt ist Sekundärteil hat und ein langgestrecktes Primärteil des ersten Linearmotors am Grundkörper befestigt ist. Bei Vertikalgeräten, d. h. bei Werkzeugeinstellgeräten mit einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Werkzeugaufnahmeachse, ist der erste Schlitten dementsprechend ein Horizontalschlitten, bei Horizontalgeräten kann der erste Schlitten dementsprechend ein Vertikalschlitten sein. Das langgestreckte Primärteil kann dabei als weitere Führung für die Bewegung des ersten Schlittens dienen.
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Bei einer alternativen Anordnung eines ersten elektrischen Linearmotors ist das Sekundärteil an oder im Grundkörper fixiert, während sich das langgestreckte Primärteil gegenüber dem Sekundärteil bewegt und mittelbar oder unmittelbar am ersten Schlitten befestigt ist.
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Eine besonders präzise Positionierung beweglicher Komponenten des Messsystems entlang der Werkzeugaufnahmeachse ergibt sich bei manchen Ausführungsformen dadurch, dass die Schlittenanordnung einen parallel zur Werkzeugaufnahmeachse verfahrbaren zweiten Schlitten aufweist, der an einer parallel zur Werkzeugaufnahmeachse verlaufenden zweiten Linearführung geführt ist. Vorteilhafterweise hat dabei ein zweiter elektrischer Linearmotor zur Bewegung des zweiten Schlittens ein an dem zweiten Schlitten befestigtes Sekundärteil und ein langgestrecktes Primärteil des zweiten Linearmotors ist an einer Trägerstruktur befestigt, die am ersten Schlitten befestigt ist. Alternativ dazu kann das Primärteil des zweiten elektrischen Linearmotors mittelbar oder unmittelbar mit dem zweiten Schlitten gekoppelt sein, während das Sekundärteil an oder in der Trägerstruktur befestigt ist, welche sich mit den der Bewegung des ersten Schlittens bewegt.
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Vorzugsweise sind sowohl der erste elektrische Linearmotor, als auch der zweite elektrische Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem ausgestattet, um eine präzise Positionierung der jeweiligen Schlitten zu ermöglichen. Es kann ein dritter Schlitten vorhanden sein, der an einer senkrecht zur ersten Linearführung und senkrecht zur zweiten Linearführung ausgerichteten dritten Linearführung läuft, die z. B. bei Vertikalgeräten eine weitere Horizontalachse bildet. Auch dieser dritte Schlitten kann bei Bedarf mit einem elektrischen Linearmotor, insbesondere mit integrierten Längenmesssystemen, ausgestattet sein.
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Bei einfachen Werkzeugeinstellgeräten kann die Werkzeugaufnahme starr sein. Vorzugsweise ist die Werkzeugaufnahme um die Werkzeugaufnahmeachse drehbar gelagert, so dass eine Vermessung von Rotationswerkzeugen aus mehreren Radialrichtungen möglich ist. Obwohl die Drehung manuell erfolgen kann, ist vorzugsweise ein Drehantrieb zur Drehung der Werkzeugaufnahme vorgesehen. Dieser Drehantrieb kann über die Steuerung des Werkzeugeinstellgerätes angesteuert werden, um das zu vermessende Werkzeug in verschiedene Drehstellung zu bewegen und/oder während der Messung zu drehen, um beispielsweise eine Hüllkurve des Rotationswerkzeuges zu erfassen.
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Werkzeugeinstellgeräte der hier genannten Art können für alle Arten von Werkzeugfuttern verwendet werden, beispielsweise mechanisch betätigbare Spannfutter, hydraulisch betätigbare sogenannte Hydrodehnspannfutter oder auch thermisch aufweitbare Schrumpffutter. Bei manchen Ausführungsformen ist die Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines thermisch aufweitbaren Schrumpffutters ausgebildet und das Werkzeugeinstellgerät hat eine Heizeinrichtung zum Aufheizen eines in der Werkzeugaufnahme aufgenommenen Schrumpffutters. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Heißluftgebläse haben, ist jedoch vorzugsweise als induktive Heizeinrichtung mit mindestens einer Induktionsspule ausgestaltet. Ein solches Werkzeugeinstellgerät erlaubt eine Messung und Einstellung von Werkzeugdimensionen während des thermischen Schrumpfens. Hierbei ergibt sich durch die Verwendung eines elektrischen Linearmotors zur Längeneinstellung der besondere Vorteil einer schnellen und präzisen Positionierung des Werkzeugs im Werkzeugfutter, so dass das Werkzeugfutter nur relativ kurz im thermisch aufgeweiteten, heißen Zustand gehalten werden muss, um eine präzise Längeneinstellung zu ermöglichen. Hierdurch ist eine besonders werkzeugschonende und gleichzeitig präzise Werkzeugeinstellung bei Schrumpffuttern möglich.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Werkzeugeinstellgerätes zur Messung und Einstellung von Werkzeugen; und
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines kombinierten Schrumpf- und Einstellgeräts.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das in 1 schematisch in Seitenansicht gezeigte Werkzeugeinstellgerät 100 dient zur fertigungsnahen Vermessung und Einstellung von bei der Fertigung verwendeten Bearbeitungswerkzeugen, insbesondere von Rotationswerkzeugen wie Bohrern, Fräsern oder dergleichen. Das als Vertikalgerät ausgeführte Werkzeugeinstellgerät hat einen verwindungssteifen, schweren, vibrationsgedämpft gelagerten Grundkörper 102, an dessen Oberseite eine Werkzeugaufnahme 104 zur Aufnahme eines zu vermessenden Werkzeuges 110 angeordnet ist. Mit Hilfe eines elektromotorischen Drehantriebs 105 ist die Werkzeugaufnahme um eine vertikal ausgerichtete Werkzeugaufnahmeachse 106 gesteuert drehbar.
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In die Werkzeugaufnahme ist ein Rotationswerkzeug 110 eingesetzt, das im Wesentlichen aus einem Werkzeugfutter 112 und dem eigentlichen Werkzeugelement 114 besteht. Das Werkzeugfutter hat einen in die Werkzeugaufnahme eingesetzten Kegelabschnitt, z. B. in Form einer HSK-Werkzeugaufnahme, eines Morse-Kegels oder eines Steilkegels, sowie einen Einspannabschnitt mit einer zentrischen, im Wesentlichen zylindrischen Werkzeugaufnahmeöffnung 113. Das Werkzeugelement ist mit seinem Schaftende 115 in der aufweitbaren Werkzeugaufnahmeöffnung des Werkzeugfutters aufgenommen und in einer vorgebbaren Axialposition durch Einklemmen befestigt. Mit Hilfe des Einstellgerätes kann ein Bediener für die Bearbeitung wichtige Werkzeugdimensionen, z. B. die Werkzeuglänge, durch Messung bestimmen und gegebenenfalls durch Einstellung verändern.
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Ein integriertes Längeneinstellsystem dient dazu, die bei der Bearbeitung maßgebliche Werkzeuglänge, beispielsweise bestimmt als Abstand der Werkzeugspitze von einer am Werkzeugfutter ausgebildeten Referenzfläche, auf ein vorgegebenes Längenmaß einzustellen. Zu dem Längeneinstellsystem gehört ein parallel zur Werkzeugaufnahmeachse translatorisch bewegbar geführtes, stangenförmiges Stellglied 122, das mit Hilfe eines elektrischen Stellantriebs 125 parallel zur Werkzeugaufnahmeachse 106 um definiert vorgebbare Stellwege verfahrbar ist. Das Werkzeugfutter 112 hat eine zentrische, von der Einspannseite des Werkzeugfutters zur Werkzeugaufnahmeöffnung 113 durchgehende Durchgangsbohrung, die so dimensioniert ist, dass das Stellglied (oder ein auf das Stellglied aufgestecktes Distanzstück bzw. ein Adapter) von unten durch die Durchgangsbohrung hindurch bis in den Bereich Werkzeugaufnahmebohrung eingeführt werden kann, wo die Stirnseite des Stellgliedes oder des Distanzstücks dann als Anschlag für den Werkzeugschaft dienen kann. Auf diese Weise kann bei geöffnetem Werkzeugfutter (Werkzeugaufnahmeöffnung 113 im aufgeweiteten Zustand) durch translatorische Verschiebung des Stellgliedes 122 die axiale Position des Werkzeugelementes in der Aufnahmeöffnung und damit die für die Bearbeitung wirksame Länge des Werkzeuges eingestellt werden.
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Das Werkzeugeinstellgerät hat ein optisches Messsystem mit einer auf das Werkzeug bzw. das Werkzeugelement 114 ausrichtbaren CCD-Kamera 132, die an ein Bildverarbeitungssystem angeschlossen ist, dessen Recheneinheit 142 an die Anzeige- und Bedieneinheit 140 des Einstellgerätes angeschlossen ist. Die Kamera ist an einem Arm eines im Wesentlichen U-förmigen Messsystemträgers 134 befestigt. An dem horizontal gegenüberliegenden Arm befindet sich eine Beleuchtungseinrichtung 133 (vgl. 2), so dass ein zwischen Kamera und Beleuchtungseinrichtung liegendes Werkzeug im Durchlichtverfahren vermessen werden kann. Derartige Messsysteme sind an sich bekannt und werden daher hier nicht näher beschrieben.
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Der Messsystemträger 134 ist mittels einer Schlittenanordnung relativ zu der Werkzeugaufnahme 104 mehrachsig verfahrbar, um einen für die Messung relevanten Teil des Werkzeuges durch Verfahren der Kamera in das Bildfeld der Kamera zu bringen bzw. um die Kamera aus dem Bereich der Werkzeugaufnahme herauszufahren, beispielsweise wenn ein fertig vermessenes Werkzeug ausgewechselt oder ein neu zu vermessendes Werkzeug in die Werkzeugaufnahme eingesetzt werden soll. Die Schlittenanordnung hat einen senkrecht zur Werkzeugaufnahmeachse 106 horizontal verfahrbaren ersten Schlitten 150, der durch eine erste, horizontal ausgerichtete Linearführung 152 geführt ist, die fest in den Grundkörper 102 eingebaut ist. Der erste Schlitten (Horizontalschlitten) 150 trägt einen säulenartigen Aufbau 155, der mit Hilfe des ersten Schlittens in Horizontalrichtung (X-Richtung) in Richtung Werkzeugaufnahme oder von dieser weg bewegt werden kann. In dem säulenartigen Aufbau 155 befindet sich ein zweiter Schlitten 160, der durch eine parallel zur Werkzeugaufnahmeachse vertikal verlaufende zweite Linearführung 162 geführt ist, welche in dem als Trägerstruktur dienenden säulenartigen Aufbau befestigt ist. An dem zweiten Schlitten 160 ist der Messsystemträger 134 befestigt, der die Kamera und die gegenüberliegende Beleuchtungseinrichtung trägt. Mit Hilfe gesteuerter Bewegungen des horizontalen ersten Schlittens und des vertikalen zweiten Schlittens sind die beweglichen Komponenten des Messsystems innerhalb einer vertikalen X-Z-Ebene im Rahmen der Verfahrwege des ersten und des zweiten Schlittens frei an vorgebbare Positionen verfahrbar.
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Manche Ausführungsformen haben noch eine dritte Bewegungsachse für die beweglichen Komponenten des Messsystems, nämlich eine senkrecht zur X-Z-Ebene verlaufende dritte Achse (Y-Achse).
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Für eine schnelle und präzise Werkzeugvermessung ist es wünschenswert, dass die beweglichen Komponenten des Messsystems schnell in eine gewünschte Messposition verfahren werden können, in der eine Werkzeugmessung möglich ist. Dabei sollte dann die relative Anordnung zwischen dem beispielsweise durch die optische Achse der Messkamera bestimmten Mess-Koordinatensystem und dem Werkzeug-Koordinatensystem möglichst präzise eingestellt und bekannt sein. Dies wird bei der Ausführungsform dadurch erreicht, dass für sämtliche Bewegung der Schlitten 150, 160 entlang ihrer Linearführungen 152, 162 jeweils elektrische Linearmotoren vorgesehen sind, und zwar insbesondere solche mit einem integrierten Längenmesssystem.
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Beispielhaft werden Aufbau und Funktion einer bevorzugten Variante eines solchen Linearmotors anhand der zweiten Antriebseinrichtung 180 erläutert, die für die Vertikalbewegung des zweiten Schlittens 160 entlang der zweiten Linearführung 162 zuständig ist. Die zweite Antriebseinrichtung 180 hat ein vertikales, in den Säulenaufbau 155 fest eingebautes, langgestrecktes Primärteil 182 und ein relativ zu dem Primärteil linear bewegliches Sekundärteil 186, das fest mit dem zweiten Schlitten 160 verbunden ist. Das Primärteil 182 hat eine Vielzahl von in Reihe hintereinander angeordneten Permanentmagneten 183, die so orientiert sind, dass ein magnetischer Nordpol eines Magneten unmittelbar dem magnetischen Südpol eines direkt benachbarten Magneten gegenübersteht, so dass sich jeweils definierte Abstände zwischen gleichnamigen magnetischen Polen ergeben und die Polung der Pole entlang der Längsrichtung des Primärteils vielfach wechselt. Bei der Ausführungsform sind die Magnete in einem zylindrischem Rohr aus Edelstahl untergebracht, auch andere Ausgestaltungen, beispielsweise in Form von polygonalen Profilen sind möglich. Das auf dem Primärteil weitgehend spielfrei bewegliche Sekundärteil 186 ist hülsenförmig ausgebildet und trägt elektrische Spulen 187, die das Primärteil umschließen.
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Bei geeigneter Bestromung der Spulen durch eine nicht gezeigte Wechselstromquelle erzeugen die Spulen ein wanderndes Magnetfeld, das mit den durch die Magnete erzeugten Magnetfeldern so zusammenwirkt, dass sich das bewegliche Sekundärteil entlang des stationären Primärteils mit vorgebbarer Geschwindigkeit und vorgebbarem Geschwindigkeitsprofil bis zu einer genau vorgebbaren Position bewegt. Da das Prinzip solcher elektromagnetischer linearer Direktantriebe an sich bekannt ist, wird es hier nicht näher beschrieben.
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Für die Anwendung in einem Werkzeugeinstellgerät, welches Messungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich erlauben soll, ist es sehr wichtig, dass die Steuerung bzw. die Regelung des Linearmotors ständig präzise Informationen über die aktuelle Position des beweglichen Sekundärteils 186 entlang des stationären Primärteils erhält. Zu diesem Zweck hat der Linearmotor ein integriertes induktives Längenmesssystem, das einen magnetfeldsensitiven Positionsgeber bzw. Weggeber 188 aufweist, der an dem beweglichen Sekundärteil angebracht bzw. in dieses integriert ist, so dass er bei Bewegung des Sekundärteils mit diesem mitläuft. Der Positionsgeber kann z. B. zwei mit Abstand zueinander angeordnete Magnetfeldsonden, beispielsweise in Form von Hall-Sonden, aufweisen. Wird ein solcher Positionsgeber entlang des mit den Magneten ausgestatteten Primärteils bewegt, so nimmt der Positionsgeber bei der Bewegung die in Längsrichtung des Primärteils periodisch wechselnde magnetische Feldstärke und wechselnde Polarität auf und erzeugt dabei im Wesentlichen sinusförmige oder cosinusförmige elektrische Messsignale, aus denen mit Hilfe geeigneter Auswerteelektronik präzise Positionssignale ableitbar sind. Bei einem solchen integrierten Längenmesssystem dient also das Primärteil 182 mit den integrierten Magneten selbst als „Maßstab”, der von dem magnetfeldsensitiven Positionsgeber erfasst und „abgelesen” wird.
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Zwar ist es auch möglich, am Primärteil einen optisch erfassbaren Maßstab, beispielsweise einen Glasmaßstab, anzubringen und an dem Läufer einen entsprechenden optischer Positionsgeber, jedoch ist die Nutzung eines magnetfeldsensitiven Positionsgebers hier bevorzugt, da mit dem mit Magneten ausgestatteten Primärteil bereits ein (magnetischer) Maßstab vorhanden ist, so dass kein gesonderter Maßstab angebaut oder eingebaut werden muss.
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Das als Läufer des Linearmotors dienende Sekundärteil 186 läuft weitestgehend reibungsfrei am vertikalen Primärteil 182 und wird nur durch die Wechselwirkung magnetischer Felder in der vorgegebenen Vertikalposition gehalten. Bei einem plötzlichen Stromausfall könnte dies dazu führen, dass das Primärteil mit den davon getragenen Messsystemkomponenten nach unten fällt. Um dies zu vermeiden, ist eine automatische, elektromechanische Bremseinrichtung 190 vorgesehen, deren beim Bremsen aktive Elemente im Beispielsfall am unteren Ende des Sekundärteils 186 angebracht sind. Die Bremseinrichtung hat Bremsbacken, die mit Hilfe von Federn in Richtung auf einen Bremseingriff am Primärteil 182 vorgespannt sind, und die mit Hilfe von Elektromagneten in Rückzugspositionen zurückgezogen werden, in denen kein Bremseingriff vorliegt. Solange der Linearmotor mit Strom versorgt wird sind auch die Elektromagnete bestromt, so dass die Bremseinrichtung außer Eingriff ist. Bei einem Spannungsabfall definierter Größe oder bei vollständigem Stromausfall wird die Rückhaltekraft der Elektromagneten durch die Vorspannfedern überwunden, so dass die Bremselemente unter Vorspannung an das Primärteil angedrückt werden und die Abwärtsbewegung des Sekundärteils bremsen. Bei erneuter Bestromung der Bremseinrichtung wird die Bremse automatisch wieder freigegeben.
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Die elektrische Versorgung des Linearmotors und der elektrischen Bremseinrichtung sowie die elektrische Versorgung des Positionsgebers und die Übertragung der von diesem erzeugten Spannungssignale erfolgen über einen einzigen Kabelstrang, der teilweise flexibel vom Sekundärteil zu einer entsprechenden stationären Komponente in der Recheneinheit 142 führt.
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Auch die erste Antriebseinrichtung 170 für die Horizontalbewegung des ersten Schlittens wird durch einen elektrischen Linearmotor mit einem integrierten Längenmesssystem gebildet. Dessen Aufbau kann im Wesentlichen der gleiche sein wie bei dem Linearmotor 180 für den vertikalen Antrieb. Das mit Magneten ausgestattete Primärteil 172 ist hierbei horizontal fest in dem Grundkörper 102 eingebaut. Das als Läufer dienende Sekundärteil 176 ist an der Unterseite des ersten Schlittens 150 befestigt.
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Bei beiden Antriebseinrichtungen 160 bzw. 180 für die Schlitten 150 bzw. 160 wäre auch möglich, das mit elektrischen Spulen versehene Sekundärteil als gerätefest installierten Stator zu verwenden und das relativ zum Sekundärteil bewegliche Primärteil an den jeweils zu bewegenden Schlitten 150 bzw. 160 direkt oder über eine Umlenkung derart zu koppeln, dass eine Verschiebung des Primärteils den Schlitten entlang seiner Linearführung verschiebt.
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Der Stellantrieb 125 für die Verschiebung des als einstellbarer Anschlag für das Werkzeug dienenden Stellgliedes 122 wird ebenfalls durch einen elektrischen Linearmotor mit integriertem Längenmesssystem gebildet. Der Stellantrieb kann im Wesentlichen den gleichen Aufbau haben wie die Antriebseinrichtungen 170, 180 für die Schlitten, wobei jedoch die elektrische und mechanische Konstruktion entsprechend der geringeren zu bewegenden Massen angepasst sein kann. Das als Stator dienende langgestreckte Primärteil 127 ist mit vertikaler Ausrichtung im Grundkörper 102 befestigt. Das als beweglicher Läufer dienende Sekundärteil 128 trägt einen Schlitten, der an einer (nicht bildlich dargestellten) vertikalen Linearführung beweglich geführt ist. An dem Schlitten ist das untere Ende des Stellgliedes befestigt, dessen gegenüber liegende Ende der gezeigten Konfiguration am schaftseitigen Stirnende des Werkzeugelements 114 anschlägt. Mit Hilfe des elektrischen Linearantriebs 125 ist bei geöffnetem Futter (aufgeweitete Werkzeugaufnahmeöffnung 112) eine sehr schnelle und präzise Längeneinstellung des Werkzeuges währen des Einspannens möglich.
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Diese Nutzung eines Linearmotors ist besonders bei der Verwendung von thermisch aufweitbaren Schrumpffuttern vorteilhaft, damit diese beim Einschrumpfen eines Werkzeugelementes nur relativ kurz in dem für das Material des Schrumpffutters nachteiligen heißen Zustand gehalten werden müssen, der eine Einführung des Werkzeugschaftes und eine axiale Verschiebung des Werkzeugelementes innerhalb der Aufnahmeöffnung ermöglicht. Das Werkzeugfutter kann jedoch auch als mechanisch oder hydraulisch betätigbares Futter (Hydrodehnspannfutter) ausgebildet sein
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Das von dem Linearmotor 125 angetriebene Stellelement 122 kann unabhängig von seinen Aufgaben bei der Einstellen der exakten Werkzeuglänge auch als Auswerfer dienen, um bei geöffneter Werkzeugaufnahmeöffnung ein in dieser Öffnung sitzendes Werkzeugelement durch Verschiebung nach oben aus dem Futter auszuwerfen. Dies kann insbesondere nach einem Werkzeugbruch nützlich sein, wenn das Werkzeug so nahe am Werkzeugfutter abgebrochen ist, dass ein Herausziehen des Werkzeuges per Hand oder mit Hilfe einer Zange oder dergleichen nicht oder nur mit großen Mühen möglich ist.
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Die Verwendung eines elektrischen Linearmotors als Stellantrieb eines translatorisch bewegbaren Stellgliedes, das direkt oder indirekt über ein Distanzstück oder einen Adapter als verstellbarer Anschlag in einem Werkzeugfutter und/oder als Auswerfer für ein solches Werkzeugfutter vorgesehen ist, kann unabhängig von den sonstigen Merkmalen der Erfindung vorteilhaft sein. Ein für diesen Zweck verwendbarer Linearmotor kann, wie im Beispielsfall, ein integriertes Längenmesssystem haben, es sind jedoch auch Linearmotoren mit externen Längenmesssystemen verwendbar. Geschwindigkeit und Präzision der Werkzeugeinstellung, insbesondere der Längeneinstellung, können dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen erheblich verbessert werden.
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Die Bewegungen aller Bewegungsachsen der Schlittenanordnung zur Bewegung des Messystems und die Verstellung des linear verstellbaren Anschlages werden durch eine gemeinsame Steuereinrichtung in der Rechnereinheit 142 koordiniert, die beispielsweise in der Anzeige- und Bedieneinheit 140 integriert sein kann.
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In 2 ist schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform gezeigt, die als kombiniertes Schrumpf- und Einstellgerät 200 dafür konzipiert ist, dem Anwender bei Bedarf eine Kombination aus Werkzeugeinstellung und Werkzeugspannung mittels Schrumpftechnik zu ermöglichen. Elemente, die strukturell und/oder funktional identisch oder im Wesentlichen gleich sind wie entsprechende Elemente der in 1 gezeigten Ausführungsform sind durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Aufbau der Schlittenanordnung und der Längeneinstelleinrichtung mit verstellbarem Anschlag entspricht dem dortigen Aufbau.
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Das Einstellgerät 200 ist speziell für die Verwendung von thermisch aufweitbaren Schrumpffuttern angepasst und erlaubt eine Messung und Einstellung von Werkzeugdimensionen während des Schrumpfens. Hierzu ist die am Grundkörper 202 drehbar gelagerte Werkzeugaufnahme 204 mit Hilfe einer nicht dargestellten, integrierten Kühleinrichtung mittels Kühlflüssigkeit kühlbar, so dass auch bei aufgeheiztem Schrumpffutter der für die Messung maßgebliche Aufbau des Einstellgerätes thermisch nicht in störender Weise beeinflusst wird. Zusätzlich zu den für die Messung benötigten Komponenten hat das Einstellgerät auch noch eine Heizeinrichtung 210 zum Aufheizen eines mit einer Werkzeugaufnahmeöffnung für ein Werkzeugelement versehenen Einspannabschnitts eines Schrumpffutters. Die Heizeinrichtung hat eine Induktionsspule 211, die vertikal verschiebbar an einer eigenen vertikalen Säule 255 gehalten ist, welche um eine vertikale Schwenkachse 221 verschwenkt werden kann. Zum Aufheizen des Einspannabschnittes wird die Induktionsspule in eine zur Werkeugaufnahmeachse 106 zentrierte Heizposition verfahren, um das Schrumpffutter thermisch zu öffnen und eine Einführung eines einzuspannenden Werkzeuges und eine axiale Verschiebung innerhalb der Werkzeugaufnahmeöffnung zu ermöglichen.
