DE102010011318B3

DE102010011318B3 - Messeinrichtung zur Kraftmessung an mindestens einer Kraftspannspindel

Info

Publication number: DE102010011318B3
Application number: DE201010011318
Authority: DE
Inventors: Ludwig Jakob; Stefan Bonerz; Wolfgang Bechteler; Josef Greif
Original assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Current assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Priority date: 2010-03-13
Filing date: 2010-03-13
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-14

Abstract

Bei einer Messeinrichtung zur Kraftmessung an mindestens einer Kraftspannspindel, welche eine an zwei stirnseitigen Lagerzapfen drehbar und axial verschiebbar gelagerte Gewindespindel, eine durch einen der Lagerzapfen verlaufende Antriebsspindel und eine im Inneren der Gewindespindel angeordnete Kraftübertragungsvorrichtung zur Umsetzung eines in die Antriebsspindel eingeleiteten Drehmoments in eine zwischen der Gewindespindel und einem der Lagerzapfen wirkende axiale Kraft aufweist, ist in oder an der Kraftspannspindel eine Kraftsensoreinheit zur Erfassung einer auf die Gewindespindel wirkenden axialen Kraft angeordnet. In einem der Lagerzapfen ist ein zumindest teilweise in Axialrichtung der Kraftspannspindel verlaufender Kanal ausgebildet, welcher von der Kraftsensoreinheit zu einer äußeren Oberfläche des Lagerzapfens führt und einen Pfad zur Übertragung eines von der Kraftsensoreinheit aus der erfassten Kraft abgeleiteten Signals definiert. Es ist eine externe, von der Kraftspannspindel separate Auswertungseinheit vorgesehen, die eine Empfangseinheit mit Mitteln zum drahtlosen Empfang eines von der Kraftsensoreinheit gesendeten Signals aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftmessung an einem Werkstückspannsystem nach Anspruch 1.
Bei Dreh- und Schleifmaschinen im Sondermaschinenbau kommen Werkstückspannsysteme mit einer Vielzahl von Kraftspannspindeln zum Einsatz. Ihre Aufgabe liegt in der Positionierung eines großen und schweren Werkstücks auf einem Werkstückträger wie einer Plan- und Aufspannscheibe sowie in der Beaufschlagung des Werkstücks mit einer Spannkraft zur Fixierung während der Bearbeitung. Eine Drehbewegung der Antriebsspindel innerhalb einer Kraftspannspindel führt zu einer axialen Verschiebung einer Spannklaue, bis diese das einzuspannende Werkstück berührt. Eine weitere Drehbewegung bewirkt in der Folge die Aktivierung eines mechanischen Keilspannsystems. Dieses ermöglicht eine weitere Erhöhung der auf das Werkstück ausgeübten Spannkraft. Die Endspannkraft kann dann je nach Anwendungsfall in einer Größenordnung von über 200 kN liegen. Somit sind derartige Systeme bei Bearbeitungsaufgaben an Werkstücken mit mehreren Tonnen Gewicht sinnvoll einsetzbar.
Infolge von Verschleiß kann sich der Einstellparameter, d. h. das Drehmoment der Antriebsspindel zur Erzeugung der gewünschten Spannkraft verändern. Somit ist eine sichere Werkstückspannung bei längeren Betriebszeiten nicht mehr gewährleistet. Des Weiteren ist es wünschenswert, die Spannkraft während der Bearbeitung permanent zu kontrollieren, um gestiegene Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und um Bearbeitungsparameter an die Werkstückspannsituation anzupassen. Dies ist insofern problematisch, als sich der Werkstückträger bei der Bearbeitung bewegt und die Kraftspannspindeln aufgrund ihrer Einbaulage in dem Werkstückträger von metallischen Komponenten umgeben sind, die eine drahtlose Kommunikation massiv behindern.
Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsmaschinen im Betrieb sind im Stand der Technik bekannt. So lehrt die DE 39 37 466 A1 ein Verfahren zur Überwachung der Spannkraft bei Werkzeugmaschinen, bei dem die Spannbacken mit einer Vorspannkraft beaufschlagt werden, die hydraulische Spannarbeit ermittelt wird und bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der Spannarbeit ein Signal ausgelöst wird. Die DE 40 40 309 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung von Spannkräften in Drehfuttern, beider an einer Fläche der T-Nut der Grundbacke des Spannfutters ein Dehnungsmessstreifen aufgebracht ist.
In der DE 10 2007 036 001 A1 wird eine In-Prozess-Überwachungsvorrichtung für ein Bearbeitungswerkzeug vorgeschlagen, bei der das Werkzeug oder die Werkzeugaufnahme mit einem Schwingungserzeuger und mit einem Schwingungsdetektor verbindbar ist und der Schwingungsdetektor zur Detektion des von dem Schwingungserzeuger erzeugten Schwingungsmusters dient. Die EP 0 633 096 A1 offenbart ein Verfahren zur Einstellung und Überwachung der Spannkraft an Werkzeugmaschinen mit einem rotierend angetriebenen Spannfutter, bei dem Messeinrichtungen für die Spannkraft und den Spannweg an nicht rotierenden Elementen des Spannantriebes angeordnet werden, um aus dem Spannkraftverlauf und dem Spannweg den Verformungsbetrag von Spannfutter und Werkstück zu ermitteln. Keine der bekannten Lösungen ist jedoch für ein Werkstückspannsystem mit einer Vielzahl von Kraftspannspindeln, wie es eingangs beschrieben ist, konzipiert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und zweckmäßige Lösung zur Messung der Spannkraft an einem Werkzeugspannsystem mit einer Vielzahl von Kraftspannspindeln zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung sieht vor, in einem der Lagerzapfen, an denen die Gewindespindel einer zu überwachenden Kraftspannspindel gelagert ist, einen zumindest teilweise in Axialrichtung verlaufenden Kanal auszubilden, welcher von einer Kraftsensoreinheit zu einer äußeren Oberfläche des Lagerzapfens führt und einen Pfad zur Übertragung eines von der Kraftsensoreinheit aus der erfassten Kraft abgeleiteten Signals definiert. Durch den Kanal kann das Messsignal aus der metallischen Umgebung, in der es entsteht, drahtlos herausübertragen werden, ohne dass an der Werkstückaufnahme, in welche die zu überwachenden Kraftspannspindeln eingebaut sind, zusätzliche Komponenten wie eine separate Sendeeinrichtung und eine oder mehrere Antennen installiert werden müssen.
Die Kraftsensoreinheit jeder Kraftspannspindel ist erfindungsgemäß autonom und kann ihr Messsignal direkt an eine externe zentrale Auswertungseinheit senden, in der alle Messdaten zusammenlaufen. Für den Anwender entsteht somit durch die Ausrüstung der Kraftspannspindeln mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kein erhöhter Arbeitsaufwand beim Einbau der Kraftspannspindeln in die Werkzeugaufnahme.
Die in oder an einer zu überwachenden Kraftspannspindel angeordnete Kraftsensoreinheit kann entweder mit einer aktiven Elektronik ausgestattet sein, was eine eigene Energiequelle voraussetzt, oder es kann sich um ein rein passives Sensorelement handeln, welches durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Signals von außen durch den Kanal und Auswertung des in diesem Fall durch die zu messende Kraft beeinflussten Reflexionssignals betrieben wird. Als passives Sensorelement kommt beispielsweise ein Oberflächenwellensensor oder ein Hohlleiterresonator in Betracht. Bei Verwendung eines Hohlleiterresonators bietet sich insbesondere die Auswertung einer Verschiebung der Resonanzfrequenz zur Kraftmessung an.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine Teilschnittansicht einer mit mehreren Kraftspannspindeln ausgerüsteten Werkstückspannvorrichtung einer Bearbeitungsmaschine,
2 eine schematische Seitenansicht einer mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausgerüsteten Kraftspannspindel,
3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
4 eine schematische Seitenansicht einer mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausgerüsteten Kraftspannspindel,
5 eine schematische Schnittansicht einer für die zweite Ausführungsform geeigneten Kraftsensoreinheit,
6 ein elektrisches Blockschaltbild einer für die zweite Ausführungsform geeigneten Auswerteschaltung und
7 beispielhafte Frequenzgänge des Reflexionskoeffizienten bei einer Ausführungsform nach 4 bis 6.
1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Werkstückspannvorrichtung 1 einer Bearbeitungsmaschine. Sie umfasst eine als Werkstückträger fungierende, kreisförmige Aufspannscheibe 3, in die mehrere Kraftspannspindeln 4 eingebaut sind. Jeder Kraftspannspindel 4 ist eine Spannklaue 5 zugeordnet, die mittels der Kraftspannspindel längs einer in die Aufspannscheibe 3 eingebauten Führung 6 verschoben werden kann. Hierzu verfügt die Kraftspannspindel 4 über eine Gewindespindel 7 mit einem Außengewinde und die Spannklaue 5 auf ihrer Unterseite über ein Gegengewinde, das mit der Gewindespindel 7 in Eingriff steht, wodurch eine Drehbewegung der Gewindespindel 7 in eine Linearbewegung der zugeordneten Spannklaue 5 umgesetzt wird. Durch eine Verschiebung der Spannklauen 5 in den radial verlaufenden Führungen 6 der Aufspannscheibe 3 nach innen kann ein in 1 nicht gezeigtes Werkstück auf der Aufspannscheibe 3 mittig positioniert werden.
Die Gewindespindel 7 ist drehbar an zwei Lagerzapfen 8 und 9 gelagert, die ihrerseits an ruhenden Lagern in der Aufspannscheibe 3 gelagert sind. In dem Beispiel von 1 ist das ruhende Lager des äußeren Lagerzapfens 8 ein in der Aufspannscheibe 3 befestigtes Einsatzstück 10, während das ruhende Lager des inneren Lagerzapfens 9 durch einen geeignet geformten Teil der Aufspannscheibe 3 selbst gebildet wird. Die Drehbewegung der Gewindespindel 7 zur Verschiebung der Spannklaue 5 wird von außen mittels eines Werkzeugs über einen Sechskantkopf 11 an dem äußeren Lagerzapfen 8 eingeleitet.
Um ein Werkstück kraftschlüssig auf der Aufspannscheibe 3 zu fixieren, kann die Gewindespindel 7 jeder Kraftspannspindel 4 axial gegenüber den Lagerzapfen 8 und 9 verschoben und dabei mit einer definierten Kraft in Axialrichtung beaufschlagt werden, welche durch die Spannklaue 5 auf das Werkstück übertragen wird. Diese Kraft wird durch eine Drehung einer koaxial zu der Gewindespindel 7 angeordneten Antriebsspindel 12 mit einem definierten Drehmoment eingeleitet. Im Inneren der Gewindespindel 7 befindet sich ein Kraftübertragungsmechanismus, der ein vergleichsweise geringes Drehmoment der Antriebsspindel 12 in eine große Axialkraft auf die Gewindespindel 7 umsetzt. Dabei wird die Gewindespindel 7 durch den äußeren Lagerzapfen 8 an dem Einsatzstück 10 abgestützt, so dass eine Reaktionskraft, welche der auf die Gewindespindel 7 wirkenden Axialkraft entspricht, von dem Lagerzapfen 8 ebenfalls in axialer Richtung auf das Einsatzstück 10 übertragen wird.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, wie in 2 gezeigt, an einer Schulter 13 des äußeren Lagerzapfens 8 ein Kraftmessring 14 angeordnet, der nach dem Einbau der Kraftspannspindel 4 in die Aufspannscheibe 3 zwischen der Schulter 13 des äußeren Lagerzapfens 8 und dem Einsatzstück 10 liegt, so dass der zuvor beschriebene axiale Kraftfluss durch den Kraftmessring 14 hindurch verläuft. Durch geeignete Anordnung eines Kraftsensors bekannter Art, beispielsweise durch einen Kraftsensor auf der Basis von Dehnungsmessstreifen, an oder in dem Kraftmessring 14 kann die auf diesen wirkende Axialkraft, welche im wesentlichen der durch die Spannklaue 5 auf das Werkstück ausgeübten Spannkraft entspricht, in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dabei enthält der Kraftmessring 14 ein mechanisches Federelement, welches die wirkende Kraft entsprechend dem gewünschten Messbereich in eine gut messbare Auslenkung umsetzt.
Da sich der Werkstückträger im Betrieb der Bearbeitungsmaschine bewegt, d. h. in dem Beispiel nach 1 die Aufspannscheibe 3 sich dreht, erfolgt die Übertragung des gemessenen Kraftwertes an eine externe Auswertungseinheit 15 drahtlos. Hierzu ist in dem äußeren Lagerzapfen 8 durch Anbringung einer axialen Bohrung 16 und einer mit dieser zusammentreffenden radialen Bohrung 17 ein Kanal 16, 17 ausgebildet, durch den hindurch. eine solche drahtlose Übertragung ermöglicht wird. Es ist hierbei zu bedenken, dass der Krafmessring 14 im eingebauten Zustand nahezu vollständig von metallischen Komponenten, nämlich der Aufspannscheibe 3, der Kraftspannspindel 4 und dem Einsatzstück 10 umgeben ist, so dass eine drahtlose Signalübertragung von dem Kraftmessring 14 aus nach außen nicht ohne weiteres möglich ist.
Der Kanal 16, 17 fungiert als Hohlleiter, welcher die Führung einer elektromagnetischen Welle unter bestimmten geometrischen Randbedingungen ermöglicht. Eine einfache Bohrung innerhalb eines Metallkörpers wirkt dann als Hohlleiter, wenn die Wellenlänge der zu führenden elektromagnetischen Welle etwas kleiner als der zweifache Durchmesser der Bohrung ist. Exakt errechnet sich die Grenzwellenlänge λ_C eines runden Hohlleiters mit dem Durchmesser D zu λ_C = (π·D)/1,841. Befindet sich im Hohlleiter ein Dielektrikum mit der Permittivität ε_r, so erhöht sich die Grenzwellenlänge λ_C um den Faktor √ε _r . Folglich beträgt die Grenzfrequenz eines runden Hohlleiters mit einem Durchmesser von 5 mm mit Luft als Dielektrikum ca. 35,2 GHz und gefüllt mit einem Dielektrikum mit ε_R = 4 ca. 17,5 GHz. In einem Lagerzapfen 8 lassen sich aufgrund der mechanischen Randbedingungen Bohrungen mit einem Durchmesser in der Größenordnung bis zu 5 mm realisieren. Daraus ergibt sich eine Hohlleiter-Grenzfrequenz in einem Bereich, der durch die als solche bekannte Technologie des Frequenzmodulierten Dauerstrichradars (FMCW-Radar) abgedeckt wird.
Zur Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle, die ein Messsignal des Kraftsensors des Kraftmessrings 14 transportiert, ist an der Innenseite des Kraftmessrings 14 gegenüber dem Ende des radialen Kanalabschnitts 17 eine Sendeantenne angeordnet. An der Stelle, an der die beiden Bohrungen 16 und 17 aufeinandertreffen, erfolgt eine Umlenkung einer sich in dem Kanalabschnitt 17 ausbreitenden Welle um 90 Grad in den axialen Kanalabschnitt 16. Von dessen offenem Ende aus erfolgt freie Wellenausbreitung zu der externen Auswertungseinheit 15.
Ein elektrisches Blockschaltbild der ersten Ausführungsform der Erfindung nach 2 zeigt 3. Wie daraus zu ersehen ist, umfasst der Kraftmessring 14 als elektronische Komponenten einen Kraftsensor 19, welcher eine mechanische Kraft in eine elektrische Größe umwandelt, eine Vorverarbeitungseinheit 20, welche das unmittelbar von dem Kraftsensor 19 abgegebene Signal aufbereitet, beispielsweise Funktionen wie Offsetkorrektur, Verstärkung und Analog/Digital-Wandlung erfüllt und insbesondere auch einen Mikrocontroller enthalten kann, sowie eine Sendeeinheit 20, welche das von der Vorverarbeitungseinheit 20 abgegebene Signal in Form eines modulierten Hochfrequenzsignals über eine Antenne 22 in den radialen Kanalabschnitt 17 abstrahlt. Zur Energieversorgung der elektronischen Komponenten 19 bis 21 ist in dem Kraftmessring 14 eine elektrische Energiequelle 23, beispielsweise in Form einer Batterie, vorgesehen. Da die Aufspannscheibe 3 bei der Bearbeitung eines Werkstücks rotiert, ist auch die Integration eines durch diese Rotationsbewegung angetriebenen Miniaturgenerators, in den Kraftmessring 14 denkbar.
In der externen Verarbeitungseinheit 15, wird das über die Sendeantenne 22 abgestrahlte und durch den Kanal 16, 17 übertragene Hochfrequenzsignal über eine Empfangsantenne 24 von einer Empfangseinheit empfangen und demoduliert. Eine Verarbeitungseinheit 26 verarbeitet das von der Empfangseinheit 25 abgegebene Basisbandsignal, wozu beispielsweise der Vergleich des durch dieses Signal angezeigten Kraftwertes mit einem Grenzwert eines zulässigen Wertebereiches, die Speicherung des aktuellen Kraftwertes und eine Bewertung des zeitlichen Verlaufes anhand einer Vielzahl gespeicherter Kraftwerte gehören. Ferner wird der gemessene Kraftwert auf einer Anzeigeeinheit 27 ausgegeben, wozu auch die Auslösung eines optischen und/oder akustischen Alarms bei Unterschreitung eines Grenzwertes gehört.
Für den Betrieb der Elektronik des Kraftmessringes 14 sind verschiedene Modi denkbar. So könnte außer dem zuvor beschriebenen Diagnosemodus, in dem permanent Kraftmesswerte an die Auswertungseinheit 15 übertragen werden, auch ein reiner Überwachungsmodus vorgesehen sein, in dem die Vorverarbeitungseinheit 20 den aktuellen Messwert mit einem Schwellwert vergleicht und nur bei Unterschreitung des Schwellwertes ein Alarmsignal an die externe Auswertungseinheit sendet. Zusätzlich zum Kraftmesswert bzw. Alarmcode enthält das von der Sendeeinheit 21 abgegebene Signal auch einen Identifikationscode, anhand dessen es einem bestimmten Kraftmessring 14 und damit einer von mehreren zu überwachenden Kraftspannspindeln 4 zugeordnet werden kann.
Die Sendeantenne 22 muss nicht unbedingt in dem Kraftmessring 14, also außerhalb des Kanals 16, 17 angeordnet sein, so dass der Kanal 16, 17 als Hohlleiter fungiert. Vielmehr kann die Antenne 22 auch über eine elektrische Leitung, insbesondere in Form eines Koaxialkabels, an die Sendeeinheit 21 angeschlossen sein und sich selbst innerhalb des Kanals 16, 17 befinden. Insbesondere kann die Antenne 22 am äußeren Ende des Kanals 16, 17, d. h. in einem Endabschnitt des axialen Kanalabschnitts 16 angeordnet sein, wozu dieser Endabschnitt einen erweitertem Querschnitt aufweisen kann, um die Antenne 2 aufzunehmen. Alternativ könnte die Sendeantenne 22 auch ganz außerhalb des Kanals 16 an der äußeren Stirnseite des Lagerzapfens 8 angebracht sein.
Es ist zweckmäßig, den Kanal 16, 17 zumindest im Bereich der Öffnung an der Stirnseite des Lagerzapfens 8 mit einem Dielektrikum zu Pillen, um ein Eindringen von Schmutz und Spänen, welches die Wellenausbreitung offensichtlich stören würde, zu verhindern. Zur Schaffung homogener Ausbreitungseigenschaften ist es jedoch bevorzugt, den gesamten Kanal 16, 17 mit einem Dielektrikum zu füllen. Geeignet ist hierfür beispielsweise eine Vergussmasse auf Polyurethanbasis. Die Füllung mit einem Dielektrikum hat außerdem den wesentlichen Vorteil, dass sie bei gegebener Wellenlänge des zu übertragenden Signals im Vergleich zu einer Luftfüllung die Verwendung eines kleineren Bohrungsdurchmessers ermöglicht und damit die mechanische Schwächung des Lagerzapfens geringer bleibt.
Bei dem durch den Kanal 16, 17 übertragenen Signal muss es sich nicht unbedingt um ein Funksignal handeln, sondern es kann auch ein optisches Signal sein, wobei die Wellenlänge auch im Infrarotbereich liegen kann. In diesem Fall wäre die Sendeantenne 22 durch eine Laserdiode und die Empfangsantenne 24 durch eine Photodiode zu ersetzen. Zur Führung des Lichtsignals durch den Kanal 16, 17 könnte in diesem Fall auch ein Lichtwellenleiter in dem Kanal 16, 17 verlegt oder der Kanal 16, 17 mir einem Material mit entsprechenden Brechungseigenschaften gefüllt sein. Grundsätzlich kommt für die drahtlose Übertragung auch Ultraschall in Frage.
Es ist nicht unbedingt nötig, dass bei einer Aufspannscheibe 3, die mit mehreren Kraftspannspindeln ausgerüstet ist, jede einzelne Kraftsensoreinheit, d. h. jeder Kraftmessring 14, über eine eigene Sendeeinheit 21 und Sendeantenne 22 verfügt. Stattdessen könnten die Ausgangssignale der Vorverarbeitungseinheiten 20 aller Kraftmessringe 14 auch an einem einzigen Kraftmessring 14 zusammengeführt werden, der dann mit einer zum Anschluss mehrerer Vorverarbeitungseinheiten 20 geeigneten Sendeeinheit 21 ausgestattet sein müsste. Die von den verschiedenen Kraftsensoren 19 erfassten Kraftwerte könnten in diesem Fall im Multiplexbetrieb zu der externen Verarbeitungseinheit 15 übertragen werden.
Es versteht sich, dass der Kanal 16, 17 für die Übertragung eines Signals zu der Auswertungseinheit 15 eine ausgeprägte Richtcharakteristik besitzt, d. h. dass eine Übertragung nur möglich ist, wenn eine geeignete Ausrichtung zwischen der Empfangsantenne 18 der Auswertungseinheit 15 und dem axialen Kanalabschnitt 16, welcher an einer äußeren Oberfläche des Lagerzapfens 8 endet, gegeben ist, so wie es 2 zeigt. Dies gilt grundsätzlich auch für den Fall, dass die Sendeantenne 22 am äußeren Ende des axialen Kanalabschnitts 16 angeordnet ist., da der Abstrahlungswinkel der Sendeantenne 22 durch die metallische Umgebung in jedem Fall stark eingeschränkt wird.
Aufgrund der großen lateralen Abmessungen von Aufspannscheiben 3, bei denen Kraftspannspindeln 4 der hier behandelten Art Verwendung finden, kommt der Einsatz einer Empfangsantenne 24 mit radialsymmetrischer Charakteristik nicht in Betracht. Daher ist bei der Werkstückbearbeitung wegen der Rotationsbewegung der Aufspannscheibe 3 die meiste Zeit keine Ausrichtung der Sendeantenne 22 zur Empfangsantenne 24 gegeben. Bei einem ständigen Betrieb der von der Energiequelle 23 des Kraftmessrings 14 versorgten elektronischen Komponenten 19 bis 21 wäre somit die meiste Zeit kein Signalempfang durch die Empfangseinheit 25 der externen Verarbeitungseinheit 15 möglich, womit die Energie aus der Energiequelle 23 überwiegend verschwendet würde und eine Batterie als Energiequelle 23 häufig ausgetauscht werden müsste.
Um dies zu vermeiden enthält der Kraftmessring 14 als weitere elektronische Komponente eine Neigungssensoreinheit 28, die ebenfalls von der Energiequelle 23 mit elektrischer Energie versorgt wird. Diese Neigungssensoreinheit 28 aktiviert die anderen Komponenten 19 bis 21 des Kraftmessrings 14 über die in 3 gestrichelt dargestellten Signalpfade nur dann, wenn sich die Kraftspannspindel 4 während ihrer durch die Drehung der Aufspannscheibe 3 bedingten Bewegung innerhalb eines vorbestimmten Neigungsbereiches befindet, wobei die Axialrichtung der Kraftspannspindel 4 das maßgebliche Kriterium ist. Dieser Neigungsbereich ist so gewählt, dass in ihm eine für die Übertragung geeignete Ausrichtung zwischen Sendeantenne 22 und Empfangsantenne 24 gegeben ist. Neigungssensoren sind als solche bekannt und verfügbar. Sie finden beispielsweise in Automobilbereich zur Aktivierung von Überrollschutzbügeln Verwendung.
Es versteht sich, dass dieses Konzept zur Schonung der Energiequelle 23 eine Neigung der Aufspannscheibe 3 während der Bearbeitung des Werkstücks voraussetzt, so dass die Neigung der Längsachse einer Kraftspannspindel 4 während der Drehung der Aufspannscheibe 3 variiert. Die Bewegung der Aufspannscheibe 3 darf sich also nicht auf eine horizontale Ebene beschränken. Im Regelfall steht aber eine Aufspannscheibe 3 der in 1 gezeigten Art in einer Bearbeitungsmaschine sogar senkrecht, d. h. ihre Rotationsachse verläuft horizontal, so dass der Neigungswinkel der Längsachse jeder Kraftspannspindel 4 während einer Umdrehung der Aufspannscheibe 3 einen Bereich von 360 Grad durchläuft und eine gezielte Aktivierung der elektronischen Komponenten 19 bis 21 des Kraftmessrings 14 durch die Neigungssensoreinheit 28 während einer Phase passender Ausrichtung der Antennen 22 und 24 zueinander ohne weiteres möglich ist. Die Deaktivierung während der übrigen Zeit muss nicht alle Komponenten 19 bis 21 umfassen, sondern kann sich auch auf bestimmte Komponenten mit vergleichsweise hohem Stromverbrauch beschränken.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in 4 schematisch dargestellt. Sie unterscheidet sich von der ersten (2 und 3) lediglich dadurch, dass in oder an der Kraftspannspindel 4 keine aktive Elektronik mit den Komponenten 19 bis 21 und 28 sowie eigener Energiequelle 23 vorgesehen ist, sondern stattdessen nur ein rein passives Sensorelement 29, welches für eine in den Kanal 16, 17 eingestrahlte elektromagnetische Welle als Reflektor wirkt und in seinen Reflexionseigenschaften von der zu erfassenden Kraft zwischen der Gewindespindel 7 und dem Lagerzapfen 8 beeinflusst wird, so dass diese Kraft von der Verarbeitungseinheit 115 aus durch eine reine Reflexionsmessung ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck muss die Verarbeitungseinheit 115 sowohl eine Sendeeinheit, als auch eine Empfangseinheit enthalten, um ein elektromagnetisches Signal einstrahlen zu können und das reflektierte Signal empfangen zu können.
Das passive Sensorelement 29 kann beispielsweise ein Oberflächenwellensensor sein, dessen elektromagnetisches Reflexionsverhalten von einer mechanischen Verformung seines Substrates abhängt. Oberflächenwellen-Sensoren bestehen aus einem Kristall, dessen Oberfläche eine mechanische Schwingung aufnehmen kann. Eine entsprechend dimensionierte Antennenstruktur im Oberflächenbereich des Kristalls sorgt dafür, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Umgebung des Kristalls in eine mechanische Oberflächenwelle transformiert wird. Durch Reflektorstrukturen im Randbereich des Kristalls wird bei Anregung durch die elektromagnetische Welle die Ausbildung einer stehenden Welle im Oberflächenbereich des Kristalls erreicht. Wird das elektromagnetische Wechselfeld abgeschaltet, so kann die im Kristall gespeicherte Energie in Form der stehenden Welle in ein elektromagnetisches Wechselfeld rücktransformiert werden.
Durch Temperatur oder Krafteinfluss auf den Kristall wird die Frequenz der stehenden Oberflächenwelle verändert. Somit kann ein Oberflächenwellensensor zur Kraft- und Temperaturmessung verwendet werden. Durch besondere Verschaltung von Kristallen und/oder durch geeigneten Kristallschnitt wird erreicht, dass der Effekt der Temperaturänderung von dem Effekt der Kraftänderung getrennt werden kann. Ein von einem Oberflächenwellensensor nach Einstrahlung eines Anregungssignals zeitversetzt abgegebene Reflexionssignal kann in der externen Auswertungseinheit 115 durch eine entsprechende Empfangsantennenkonfiguration aufgenommen und ausgewertet werden.
Des weiteren kann das passive Sensorelement 29 ein Hohlleiter-Resonator sein. In diesem Fall wird der Reflexionskoeffizient, der von der Verarbeitungseinheit 115 anhand eines in den Kanal 16, 17 eingestrahlten und aus diesem reflektierten elektromagnetischen Signals messbar ist, als Maß für die zu erfassende Kraft herangezogen. Schematisch ist diese Ausführungsform der Erfindung in 5 dargestellt, wobei die Aufteilung des Kanals 16, 17 in zueinander rechtwinklig verlaufende Abschnitte gemäß 4 hier zur Vereinfachung nicht gezeigt ist. Am äußeren Ende des Kanals an der Stirnseite des Lagerzapfens 8 ist in diesem Fall eine Hornantenne 30 angeordnet. Am seinem inneren Ende mündet der Kanal 16, 17 in einen Hohlraum 31, der durch den Lagerzapfen 8 und ein Federelement 32 gebildet wird, welches infolge der zu messenden Kraft verformt wird. Die in 5 mit F bezeichnete Kraft muss nicht unmittelbar mit der zu messenden Kraft übereinstimmen, sondern kann auch ein definierter Teil dieser Kraft sein, der über eine rein mechanische Kraftübertragungsvorrichtung in das Federelement 32 eingeleitet wird.
An seinem inneren Ende ist in dem Kanal 16, 17 ein dielektrischer Resonator 33 angeordnet, bei dem es sich um ein Stück eines Dielektrikums mit bestimmten Materialparametern handelt. Wird in den als Hohlleiter wirkenden Kanal 16, 17 über die Hornantenne 30 ein elektromagnetisches Signal eingestrahlt, so gerät der dielektrische Resonator 33 bei einer bestimmten Frequenz des Signals, die durch die geometrischen Verhältnisse und die Materialparameter vorgegeben ist, in Resonanz, d. h. er dissipiert maximale Leistung, was sich in einem scharfen Minimum des Reflexionskoeffizienten äußert. Durch eine Auslenkung des Federelements 32 infolge seiner Beaufschlagung mit der Kraft F ändert sich die Resonanzfrequenz, was anhand des reflektierten Signal messbar ist.
Eine zur Bestimmung des Reflexionskoeffizienten geeignete Schaltungsanordnung zeigt 6. Hierbei muss das Verhältnis der Leistung des reflektierten Signals zu derjenigen des abgestrahlten Signals gebildet werden. Ein definierter Anteil des von einem Oszillator 34 abgegebenen Signals wird durch einen ersten Richtkoppler 35 ausgekoppelt und einem ersten Detektor 36 zugeführt. Der restliche Teil des von dem Oszillator 34 abgegebenen Signals wird über eine in 6 nicht dargestellte Sendeantenne als elektromagnetische Welle in den als Hohlleiter wirksamen Kanal 16, 17 eingestrahlt und an dessen Ende von dem als Sensorelement 29 wirkenden, in 6 als Parallelschwingkreis symbolisierten Hohlleiter-Resonator reflektiert. Es sind mehrere solche Sensorelemente 29, nämliches eines an jeder zu überwachenden Kraftspannspindel 4 vorhanden, an denen periodisch abwechselnd gemessen wird. Die Ausbreitung der Signale freien Raum ist in 6 durch einen Doppelpfeil symbolisiert.
Ein definierter Teil des reflektierten Signals wird durch einen zweiten Richtkoppler 37 ausgekoppelt und einem zweiten Detektor 38 zugeführt. Die Detektoren 36 und 38 geben Messsignale ab, welche jeweilige Maße für die Leistungen des in den Kanal 16, 17 eingestrahlten und des aus dem Kanal 16, 17 reflektierten Signals darstellen. In einer Verknüpfungseinheit 39 wird das Verhältnis der beiden Messsignale, also der Reflexionskoeffizient Γ ermittelt, welcher bei Resonanz einen Extremwert annimmt. Die Richtkoppler 35 und 37, die Detektoren 36 und 38 sowie die Vergleichseinheit 39 bilden zusammen eine Reflexionsmesseinrichtung 40. Es versteht sich, dass eine Kalibrierung dieser Reflexionsmesseinrichtung 40 vorgenommen werden muss. Hierzu wird die Frequenz des Oszillators 34 im entspannten Zustand der Kraftspannspindel 4 so eingestellt, dass Resonanz herrscht. Bei einer Auslenkung des Federelements 32 erfolgt eine starke Änderung des Reflexionskoeffizienten Γ.
Beispielhaft sind in 7 einige Verläufe des Reflexionskoeffizienten Γ für verschiedene Auslenkungen eines Federelements 32 wiedergegeben, wobei sich die Auslenkung im Bereich unter 50 μm bewegt und für den Reflexionskoeffizienten Γ ein logarithmischer Maßstab gilt. Das Minimum jeder Kurve stellt den jeweiligen Resonanzpunkt dar. An zwei Kurven sind die jeweiligen Resonanzfrequenzen f_R1 und f_R2 gekennzeichnet. Eine Auswertung des durch die Reflexionsmesseinrichtung 40 ermittelten Reflexionskoeffizienten Γ in der in 6 als Mikroprozessor gekennzeichneten Verarbeitungseinheit 126 kann entweder anhand des Wertes bei einer festen Arbeitsfrequenz oder vorzugsweise anhand einer Messung der Lage der Resonanzfrequenz detektiert werden. Letzteres erfordert eine Variation der Frequenz des zu dem Sensorelement 29 eingestrahlten Signals. Der Oszillator 34 der externen Auswertungseinheit 115 muss in diesem Fall ein frequenzmoduliertes Signal abgeben und die Verarbeitungseinheit 126 muss aus der zeitlichen Lage des Minimums des Reflexionskoeffizienten Γ die Resonanzfrequenz bestimmen und diese in einen Kraftwert umrechnen. Wie bei der ersten Ausführungsform ist auch hier eine Anzeigeeinheit 127 als Bestandteil der Auswertungseinheit 115 vorgesehen.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung mit passivem Sensorelement 29 muss die Position der einzelnen Kraftspannspindeln 4 in jedem Fall bekannt sein, damit jeder in der externen Auswertungseinheit 115 ermittelte Kraftmesswert eindeutig einer bestimmten Kraftspannspindel 4 zugeordnet und diese bei Feststellung einer Fehlfunktion gezielt ausgetauscht werden kann. Dies gilt auch dann, wenn die Sendeeinheit der externen Auswertungseinheit 115, also in der Ausführungsform nach 6 der Oszillator 34, im Dauerbetrieb läuft. Darüber ist es auch möglich, die Sendeeinheit nur dann kurzzeitig zu aktivieren, wenn sich gerade eine Kraftspannspindel 4 in einer zur Übertragung von Signalen geeigneten Ausrichtung zur Antenne der Auswertungseinrichtung 115 befindet.
Hierzu weist die in 6 als Mikroprozessor gekennzeichnete Verarbeitungseinheit 126 der Auswertungseinrichtung 115 einen Eingang 41 für ein externes Positionssignal auf. Dieses Positionssignal stammt von der Steuerung der Bearbeitungsmaschine, welche die aktuelle Position des Werkstückträgers, d. h. bei dem Beispiel nach 1 die Winkelstellung der Aufspannscheibe 3, mittels eines geeigneten Sensors erfasst, wie es bei Bearbeitungsmaschinen der hier interessierenden Art ohnehin im Rahmen der Maschinensteuerung üblich ist. Aus diesem Positionssignal ermittelt die Verarbeitungseinheit 126 für jede einzelne zu überwachende Kraftspannspindel 4 ein Zeitfenster, in dem die Messung an der jeweiligen Kraftspannspindel 4 stattfindet. Grundsätzlich könnte auch bei der ersten Ausführungsform nach den 2 und 3 die externe Auswertungseinheit 15 einen Eingang für ein Positionssignal haben, um den der Empfang eines Signals von einer Kraftsensoreinheit 14 nur phasenweise bei entsprechender Stellung einer Kraftspannspindel 4 in Bezug auf die Auswertungseinheit 15 zu aktivieren und die Zuordnung der übertragenen Signale zu einzelnen Kraftspannspindeln 4 zu ermöglichen.

Claims

Messeinrichtung zur Kraftmessung an mindestens einer Kraftspannspindel (4), welche eine an zwei stirnseitigen Lagerzapfen (8, 9) drehbar und axial verschiebbar gelagerte Gewindespindel (7), eine durch einen der Lagerzapfen (8) verlaufende Antriebsspindel (12) und eine im Inneren der Gewindespindel (7) angeordnete Kraftübertragungsvorrichtung zur Umsetzung eines in die Antriebsspindel (12) eingeleiteten Drehmoments in eine zwischen der Gewindespindel (7) und einem der Lagerzapfen (8) wirkende axiale Kraft aufweist, wobei in oder an der Kraftspannspindel (4) eine Kraftsensoreinheit (14) zur Erfassung einer auf die Gewindespindel (7) wirkenden axialen Kraft angeordnet ist, ferner in einem der Lagerzapfen (8) ein zumindest teilweise in Axialrichtung der Kraftspannspindel (4) verlaufender Kanal (16, 17) ausgebildet ist, welcher von der Kraftsensoreinheit (14) zu einer äußeren Oberfläche des Lagerzapfens (8) führt und einen Pfad zur Übertragung eines von der Kraftsensoreinheit (14) aus der erfassten Kraft abgeleiteten Signals definiert, und eine externe, von der Kraftspannspindel (4) separate Auswertungseinheit (15; 115) vorgesehen ist, die eine Empfangseinheit (25; 35, 36) mit Mitteln zum drahtlosen Empfang eines von der Kraftsensoreinheit (14) gesendeten Signals aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein axial verlaufender Abschnitt (16) des Kanals (17) an einer äußeren Stirnseite des Lagerzapfens (8) endet.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (16, 17) zumindest einen in Radialrichtung der Kraftspannspindel (4) verlaufenden Abschnitt (17) aufweist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Kanals (16, 17) mit einem Dielektrikum gefüllt ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoreinheit einen Kraftsensor (19), eine Vorverarbeitungseinheit (20) zur Vorverarbeitung eines von dem Kraftsensor abgegebenen Sensorsignals, eine Sendeeinheit (21) zur drahtlosen Übertragung eines von dem Ausgangssignal der Vorverarbeitungseinheit (20) abgeleiteten Signals zur Empfangseinheit (25) der externen Auswertungseinheit (15) und eine elektrische Energiequelle (23) aufweist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoreinheit (14) einen Kraftsensor, eine Vorverarbeitungseinheit (20) zur Vorverarbeitung eines von dem Kraftsensor (19) abgegebenen Sensorsignals und eine elektrische Energiequelle (23) aufweist, und dass an oder in nur einer von mehreren Kraftspannspindeln (4) eine mit allen Vorverarbeitungseinheiten (20) verbundene Sendeeinheit (21) zur drahtlosen Übertragung eines Signals, welches die von allen Kraftsensoreinheiten (19) erfassten Kräfte anzeigt, zur Empfangseinheit (25) der externen Auswertungseinheit (15) vorgesehen ist.
Messeinrichtung nach Anspruche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einer Kraftspannspindel (4) eine Neigungssensoreinheit (28) angeordnet ist, welche ein die Neigung der Achse der Kraftspannspindel (4) anzeigendes Signal abgibt, und dass zumindest ein Teil der elektronischen Komponenten (19, 20, 21) der Kraftsensoreinheit (14) in Abhängigkeit von der angezeigten Neigung aktivierbar und deaktivierbar sind bzw. ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Auswertungseinheit (115) eine Sendeeinheit (34) zur Einstrahlung eines elektromagnetischen Signals in den Kanal (16, 17) und eine Empfangseinheit (37, 38) zum Empfang eines aus dem Kanal (16, 17) reflektierten elektromagnetischen Signals aufweist, und dass die Kraftsensoreinheit (114) einen passiven Sensor (29) aufweist, welcher als Reflektor für das eingestrahlte Signal wirkt, wobei die Reflexionseigenschaften des Sensors (29) von der durch ihn erfassten Kraft abhängen.
Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Sensor (29) ein Oberflächenwellensensor ist, der in Abhängigkeit von der auf die Gewindespindel (7) wirkenden axialen Kraft verformbar ist und dessen Reflexionseigenschaften von seiner Verformung abhängen.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entlang eines Teils des Kanals (16, 17) eine elektrische Leitung verlegt ist, über welche ein die erfasste Kraft anzeigendes Signal übertragbar ist, und dass an demjenigen Ende der Leitung, welches dem an einer äußeren Oberfläche des Lagerzapfens (8) gelegenen Ende des Kanals (16, 17) zugewandt ist oder sich dort befindet, eine Antenne angeordnet ist, an der ein Übergang zwischen drahtgebundener und drahtloser Signalausbreitung erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Sensor (29) aus einem Hohlleiter-Resonator mit einem in dem Kanal (16, 17) angeordneten dielektrischen Resonator (33) und einem benachbart zu diesem angeordneten Federelement (32) besteht, welches in Abhängigkeit von der auf die Gewindespindel (7) wirkenden axialen Kraft auslenkbar ist, wobei die Resonanzfrequenz des Hohlleiter-Resonators durch die Auslenkung des Federelements (32) bestimmt wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (15) eine Reflexionsmesseinrichtung (40) zur Ermittlung des bei Einstrahlung eines elektromagnetischen Signals in den Kanal (16, 17) auftretenden Reflexionskoeffizienten enthält, die zwei Richtkoppler (35, 37) zur Auskopplung je eines definierten Anteils des eingestrahlten und des reflektierten Signals, zwei jeweils mit einem der Richtkoppler (35, 37) verbundene Detektoren (36, 38) zur Messung der Leistungen der beiden ausgekoppelten Signalanteile und eine mit den Ausgängen der beiden Detektoren (36, 38) verbundene Vergleichseinheit (39) mit Mitteln zur Bestimmung des Reflexionskoeffizienten aus den Ausgangssignalen der beiden Detektoren (36, 38) enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (115) Mittel (34) zur Einstrahlung eines frequenzmodulierten Signals in den Kanal (16, 17) und Mittel (126) zur Bestimmung der Resonanzfrequenz und der auf die Gewindespindel (7) wirkenden axialen Kraft aus der Lage der Resonanzfrequenz aufweist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoreinheit (14; 114) in einem Ring angeordnet ist, welcher einen der Lagerzapfen (8) koaxial zu der Gewindespindel (7) umgibt und zur Abstützung des Lagerzapfens (8) in axialer Richtung an einem ruhenden Lager (10) unter Durchleitung der zwischen dem Lagerzapfen (8) und der Gewindespindel (7) übertragenen axialen Kraft geeignet ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Auswertungseinheit (115) einen Eingang (41) für ein die Position mindestens einer Kraftspannspindel (4) bezüglich eines vorgegebenen Koordinatensystems anzeigendes Positionssignal aufweist, und dass die Sendeeinheit (34) und/oder die Empfangseinheit (37, 38) der externen Verarbeitungseinheit (115) in Abhängigkeit von der angezeigten Position aktivierbar und deaktivierbar ist bzw. sind.