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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Prüfung von Eigenschaften wenigstens eines Werkzeugelements gerichtet. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Bohrer beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf andere Werkzeugelemente wie Meß- u. Einstellplätze, Fräs/-Drehmaschinen sowie Schraubelemente Schleifelemente und dergleichen Anwendung finden kann. Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, mittels derer Bohrerbrüche oder Verschleißerscheinungen an Bohrern erkannt werden können.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird nach einer vorgegebenen Bohrzeit mittels einer Kamera die Spitze des Bohrers beobachtet, und geprüft, ob Verschleißerscheinungen aufgetreten sind. Ebenso wird über diese Kamera festgestellt ob ein Bohrerbruch aufgetreten ist. Bei diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich nach einem Bohrprozess eine bestimmte Zeit zu warten, bis die Sicht zwischen der Kamera und dem Bohrelement wieder klar ist. Erst dann kann mit Hilfe der Kamera der Zustand des Bohrers überprüft werden. Auf diese Weise geht für die Überprüfung des Zustands der Bohrer Zeit verloren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine Prüfung von Eigenschaften der Werkzeugelemente auch während des Betriebs derselben erlauben.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 8 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkzeugelement in Richtung eines Bezugskörpers oder der Bezugskörper in Richtung des feststehenden Werkzeuges bewegt. Dabei wird wenigstens einmal während der Bewegung die örtliche Position des Werkzeugselements gegenüber dem Bezugskörper oder umgekehrtbestimmt. Schließlich wird ein erstes Signal ausgegeben, das für diejenige örtliche Position des Werkzeugelements charakteristisch ist, bei der das Werkzeugelement den Bezugskörper unter Verwendung einer Kontakterfassungseinrichtung kontaktiert. Unter Kontaktieren wird sowohl die Herstellung eines elektrischen Kontakts als auch jegliches Berühren verstanden. Die Kontakterfassungseinrichtung weist ein Schaltelement auf, das bei Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem zu bearbeitenden Werkstück von einem ersten, z. B. geöffneten, Schaltzustand in einen zweiten, z. B. geschlossenen, Schaltzustand wechselt. Aus dem Schaltzustand kann auf die Lage zwischen Werkzeugelement und Bezugskörper geschlossen werden.
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Es ist eine Einrichtung vorgesehen, mittels welcher eine mechanische Spannung im Werkzeugelement erkennbar und vorzugsweise elektrisch messbar ist. Dies kann mittels eines ein Dehnungsmessstreifens, eines Piezoelementes oder eines flexiblen Elementes wie eines Federelementes realisiert werden.
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Wird an einem piezoelektrischen Kristall eine elektrische Spannung angelegt, reagiert dieser mit einer mechanischen Spannung, die zu einer Formveränderung führt. Wird andererseits eine mechanische Spannung ausgeübt, reagiert der Piezokristall umgekehrt mit Erzeugung einer elektrischen Spannung. Dieser zuletzt beschriebene Effekt wird im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung genutzt. Die Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen kann alternativ oder zusätzlich angewendet werden, um die mechanische Spannung im Werkzeugelement zu ermitteln. Hierzu muss das Piezoelement derart am Werzeugelement angeordnet sein, dass sich mechanische Spannungen im Werkzeugelement auf das Piezoelement übertragen.
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Bei der Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen wird eine Brückenschaltung eingesetzt. Hierzu muss der Dehnungsmessstreifen derart am Werkzeugelement angeordnet sein, dass sich mechanische Spannungen im Werkzeugelement auf den Dehnungsmessstreifen übertragen.
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Die messtechnische Auswertung der Signale des Piezoelementes und/oder des Dehnungsmessstreifens erlaubt Rückschlüsse auf die im Werkzeugelement auftretende mechanischen Spannung und wird dazu verwendet, das Schaltelement in den ersten, ursprünglichen, Schaltzustand zurückzuführen.
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Verwendet man ein Federelement, so kann auch die Federspannung mittelst in ein elektrisches umgewandelt werden oder unmittelbar und mechanisch auf das Schaltelement einwirken.
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Bevorzugt wird neben dem ersten Signal auch ein zweites für das Werkzeugelement charakteristisches Signal ausgegeben. Unter einem für das Werkzeugelement charakteristischen Signal wird ein solches Signal verstanden welches das Ereignis des Auftreffens des Werkzeugelements auf den Bezugskörper signalisiert und sich bevorzugt von anderen Signalen, welche beispielsweise das Auftreffen von anderen Werkzeugelementen auf den Bezugskörper signalisieren, unterscheidet. Es wird daher ein Signal verwendet, das es gewährleistet, dass anhand des Signals zu erkennen ist, welche Werkzeugelement/Bezugskörperkombination vorliegt.
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Bevorzugt ist das zweite charakteristische Signal ein Spannungswert. Dabei wird besonders bevorzugt ein Werkzeugelement mit einer vorbestimmten Spannung gegenüber dem Bezugskörper beaufschlagt. Sobald das Werkzeugelement den Bezugskörper kontaktiert ird ein Stromkreis geschlossen und der entsprechende Spannungswert angezeigt.
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Bevorzugt sind die zu prüfenden Eigenschaften aus einer Gruppe von Eigenschaften ausgewählt, die die Länge des Werkzeugelements, das Vorhandensein von Brüchen oder verschleißbedingten Verkürzungen und dergleichen enthält. Daneben kann auch festgestellt werden, ob bei einem Bohrkopf das richtige Werkzeugelement eingesetzt ist.
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Bevorzugt ist eine Vielzahl von Werkzeugelementen vorgesehen, die auf einem Bohrkopf angeordnet sindbei wird vorzugsweise jedes Werkzeugelement mit einer vorgegebenen Spannung gegenüber dem Bezugskörper beaufschlagt. Sobald eines der Werkzeugelemente den Bezugskörper kontaktiert, kann dies dem Benutzer durch das Auftreten einer entsprechenden charakteristischen Spannung angezeigt werden. Anstelle einer Spannung könnten jedoch auch andere elektrische Größen ausgegeben werden, wie beispielsweise Stromwerte, Widerstandswerte, Ladungswerte, Induktivitäten und dergl.
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Dieses für das Werkzeugelement zweite charakteristische Signal wird vorzugsweise gemeinsam mit dem ersten Signal, welches die örtliche Position des Werkzeugelements angibt, ausgeben. Unter der örtlichen Position des Werkzeugselements gegenüber dem Bezugskörper wird die örtliche Position insbesondere in der Bewegungsrichtung des Werkzeugselements verstanden, welche damit auch ein Maß für den Abstand zwischen dem Werkzeugelement bzw. dessen Spitze einerseits und dem Bezugskörper andrerseits ist.
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Das Werkzeugelement sollte bevorzugt geradlinig auf den Bezugsköper zu bewegt werden. Bei dem Bezugskörper handelt es sich vorzugsweise um ein zu bearbeitendes oder zu messendes Werkstück.
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Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von dem ersten Signal eine Anweisung ausgegeben. Dabei kann die Werkzeugmaschine durch die ausgegeben Werte bzw. den Zusammenhang zwischen der örtlichen Position und dem Auftreten des Kontakts feststellen, ob das entsprechende Bohrelement (Messspitze, Gewindebohrer, Senker, Drehmeisel, Fräser ...) ausgewechselt werden muss. Auch kann festgestellt werden, ob der richtige Bohrer (Messspitze, Gewindebohrer, Senker, Drehmeisel, Fräser ...) bzw. ein Bohrer (Messspitze, Gewindebohrer, Senker, Drehmeisel, Fräser ...) mit der richtigen Länge eingesetzt ist.
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So kann beispielsweise infolge eines Entscheidungsprozesses oder infolge der Anweisung die Maschine angehalten und der Benutzer aufgefordert werden, ein neues Werkzeugelement einzusetzen. Auch kann mittels einer Vielzahl von Messungen über die Zeit einem Benutzer ein Maß für den aktuellen Zustand des Werkzeugelements ausgegeben werden. Bei der Anweisung kann es sich um eine an den Benutzer ausgegebene Anweisung handeln oder um eine Anweisung, die innerhalb der Werkzeugmaschine weiterverarbeitet wird.
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Um die Entscheidungsbildung zu erleichtern, ist es ferner denkbar, die gemessen Werte mit einer gewissen Toleranz zu beaufschlagen. Auf diese Weise kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass nicht alle Bezugskörper wie z. B. Gussteile absolut gleich sind. Diese Toleranzangabe bringt jedoch eine gewisse Einschränkung der Verschleißkontrolle mit sich, da auch die Ermittlung der Kontaktpositionen mit der Toleranz beaufschlagt ist.
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Auch kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren relativ einfach ein Verschleißverlauf für unterschiedliche Werkzeugelemente aufgenommen werden. Dabei können Bohrerbruchhistorien für einen bestimmten Werkzeugtyp bzw. für ein bestimmtes Werkzeugelement aufgenommen werden. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Verfahren über die zeitliche Aufnahme von Verschleißverläufen der jeweils für ein bestimmtes Werkzeug am besten geeignete Bohrertyp ausfindig gemacht werden. Führt beispielsweise eine Verschleißuntersuchung für einen ersten Bohrertyp und ein bestimmtes Werkstück zu einer Stand- bzw. Betriebszeit von 5 Stunden und bei einem zweiten Bohrertyp zu einer Stand- bzw. Betriebszeit von 9 Stunden, so kann als Ergebnis festgehalten werden, dass für dieses bestimmte Werkstück der Bohrertyp 2 besser geeignet ist.
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Zeitliche Aufnahmen des Verschleißes der Werkzeugelemente könnten auch zur Anpassung anderer Parameter der Werkzeugeinrichtung eingesetzt werden, wie beispielsweise zur Drehzahlsteuerung, zur Steuerung des Zu – Bewegens des Werkzeugselements auf den Bezugskörper usw.
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Das Signal kann direkt an den Benutzer ausgegeben werden. Es kann jedoch auch zusätzlich oder alternativ an eine Prozesseinrichtung gegeben und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Dies bedeutet, dass ein Wertepaar oder ein Signalpaar ausgegeben wird, welches anzeigt, in welcher örtlichen Position gegenüber dem Bezugskörper das Werkzeugelement den Bezugskörper kontaktiert hat. Sofern der Bohrer noch intakt ist, stimmt dieses Signalpaar mit einem Sollwert überein. Falls jedoch der Bohrer infolge der Benutzung bereits mehr oder weniger abgenutzt ist, wird das Signal, welches die Kontaktierung anzeigt später auftreten. Selbiges gilt auch im Falle eines Bohrerbruchs. Auch in diesem Falle wird das Kontaktereignis erst später als für den Fall eines intakten Bohrers angezeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass es auch während des Bearbeitens eines Werkstückes durchgeführt werden kann und für die Überprüfung der Eigenschaften nicht die Beendigung des Bohrvorgangs abgewartet zu werden braucht.
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Auch können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Bohrerlängenmessungen als auch Bohrerlängenveränderungsmessungen an den Werkzeugelementen vorgenommen werden.
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Weiterhin ist es auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu überprüfen, ob der eingewechselte Bohrer (Messspitze, Gewindebohrer, Senker, Drehmeisel, Fräser ...) oder allgemein das eingewechselte Werkzeugelement (oder Werkstück bei feststehender Zerspanneinheit) das richtige ist, da dieses eine bestimmte Länge aufweisen muss.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch über längere Zeiten hin angewandt werden, und auf diese Weise ein Abnutzungsprofil des Bohrers über die Zeit mit vergleichsweise einfachen Mitteln erstellt werden.
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Da die Messung auch während der Bearbeitung eines Werkstückes durchgeführt werden kann, geht keine wertvolle Zerspannzeit verloren.
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Vorzugsweise ist der Bezugskörper ein zu bearbeitendes Werkstück. In diesem Fall kann die Prüfung der Werkzeugelemente im Wesentlichen zeitgleich mit der Bearbeitung des Werkstückes erfolgen.
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Die Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zur Prüfung von Eigenschaften eines Werkzeugelements gerichtet. Diese Vorrichtung weist eine Halterung auf, an der das Werkzeugelement angeordnet ist. Weiterhin ist eine Positionsmesseinrichtung vorgesehen, die die Position der Halterung gegenüber einem Bezugskörper in wenigstens einer Dimension, bevorzugt in der Bewegungsrichtung des Werkzeugelements gegenüber Bezugskörper bestimmt. Weiterhin ist eine Kontakterfassungseinrichtung vorgesehen, die das Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper erfasst. Zudem ist eine Ausgabeeinrichtung vorhanden, die wenigstens die Position ausgibt an der der Kontakt zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper auftritt. Die Kontakterfassungseinrichtung weist ein Schaltelement auf, das bei Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem zu bearbeitenden Werkstück von einem ersten, geöffneten Schaltzustand in einen zweiten, anderen bzw. geschlossenen Schaltzustand oder umgekehrt übergeht. Eine Einrichtung ist ebenfalls vorhanden, damit das Schaltelement in den ursprünglichen ersten Schaltzustand zurückführbar ist.
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Mittels der Einrichtung ist eine mechanische Spannung im Werkzeugelement erkennbar und wird vorzugsweise elektrisch messbar. Dies kann mittels eines ein Dehnungsmessstreifens, eines Piezoelementes oder eines flexiblen Elementes wie eines Federelementes realisiert werden. Wird an einem piezoelektrischen Kristall eine elektrische Spannung angelegt, reagiert dieser mit einer mechanischen Spannung, die zu einer Formveränderung führt. Wird andererseits eine mechanische Spannung ausgeübt, reagiert der Piezokristall umgekehrt mit Erzeugung einer elektrischen Spannung. Dieser zuletzt beschriebene Effekt wird im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung genutzt. Die Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen kann alternativ oder zusätzlich angewendet werden, um die mechanische Spannung im Werkzeugelement zu ermitteln. Verwendet man ein Federelement, so kann auch die Federspannung ermittelst und in ein elektrisches umgewandelt werden. Bei der Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen wird eine Brückenschaltung eingesetzt.
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Bevorzugt weist die Kontakterfassungseinrichtung eine Spannungsquelle auf, die derart mit dem Werkzeugelement verbunden ist, dass bei Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper ein Stromkreis geschlossen wird. Durch das Schließen des Stromkreises kann ein bevorzugt für das Werkzeugelement charakteristischer Spannungswert ausgegeben bzw. dem Benutzer angezeigt werden.
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Bevorzugt gibt die Ausgabeeinrichtung neben der Position an der der Kontakt zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper auftritt auch ein Signal aus, welches für das Werkzeugelement charakteristisch ist. Auf diese Weise können mehrere Werkzeugelemente voneinander unterschieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kontakterfassungseinrichtung ein Schaltelement auf, das bei Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper von einem Schaltzustand in einen anderen Schaltzustand übergeht. Durch diesen Wechsel der Schaltzustände kann das Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper festgestellt werden.
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Bevorzugt weist die Kontakterfassungseinrichtung eine Vorspanneinrichtung auf. Dabei kann es sich insbesondere aber nicht ausschließlich um eine Feder (Dehnmessstreifen oder Piezoelement) handeln, die bei Auftreten eines Kontakts zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper gepresst wird und wiederum das Schaltelement betätigt. Damit kann die Feder dazu dienen, daß das Werkzeugelement nach dem Kontaktieren des Werkzeugs wieder in eine Ausgangsposition zurückzubringen und damit den Schaltkontakt bevorzugt auch wieder in die Ausgangsstellung zu überführen.
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Vorzugsweise ist an der Halterung eine Vielzahl von Werkzeugelementen angeordnet und bevorzugt erfasst die Kontakterfassungseinrichtung den Kontakt jedes Werkzeugelements mit dem vorzugsweise elektrisch isolierten Bezugskörper. Damit kann festgestellt werden, welches Werkzeugelement zu welchem Zeitpunkt bzw. bei welcher Position den Bezugskörper berührt. Auf diese Weise können, wie oben angegeben, Eigenschaften des Werkzeugelements wie insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Bruch des Werkzeugelement oder ein Verschleiß infolge Abnutzung desselben festgestellt werden. Bevorzugt ist auf der Halterung eine Vielzahl von Werkzeugelementen angeordnet, die jeweils in das zu bearbeitende Werkstück eingeführt werden können.
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Die oben erwähnten Schaltelemente eigen sich insbesondere für solche Bezugskörper bzw. Werkstücke, die selbst keine stromleitenden Eigenschaften aufweisen. Bei diesen Bezugskörpern kann durch das Kontaktieren des Werkzeugelements mit dem Bezugskörper nicht direkt ein Stromkreis geschlossen werden, sodass in diesem Falle auf das Schaltelement zurückzugreifen ist. Es wäre jedoch auch möglich, einen nicht-leitenden Bezugskörper mit einer Kontaktschicht zu versehen, um auf diese Weise auch nach dem oben beschriebenen elektrischen Prinzip zu arbeiten.
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Auch könnten die beiden oben beschriebenen Möglichkeiten nämlich einerseits das Beaufschlagen des Werkzeugelements mit einer Spannung und andererseits das Vorsehen eines Schaltelementes kombiniert werden. Auf diese Weise kann eine bestimmte Vorrichtung für unterschiedlichste Werkstücke einsatzfähig gemacht werden. Auch können durch doppelte Messung mit den beiden dargestellten Verfahren Plausibilitatskontrollen durchgeführt oder die Genauigkeit der Messungen erhöht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Bezugskörper elektrisch isoliert. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die exakt vorgegebene Spannung bei einem Kontakt gemessen wird. Auch kann das Auftreten von Kurzschlüssen verhindert werden.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Prüfen von Eigenschaften;
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2 die Vorrichtung aus 1, wobei unterschiedliche Varianten der Kontakterfassung dargestellt werden;
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3 die Vorrichtung aus 1 mit einer Anzeigeeinrichtung;
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4 die Vorrichtung aus 1, wobei die Halterung in einer zweiten Position gegenüber dem Bezugskörper angeordnet ist;
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5 die Vorrichtung aus 1, wobei die Halterung in einer dritten Position gegenüber dem Bezugskörper angeordnet ist;
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6 die Vorrichtung aus 1, wobei die Halterung in einer vierten Position gegenüber dem Bezugskörper angeordnet ist;
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7 die Vorrichtung aus 1, wobei die Halterung in einer fünften Position gegenüber dem Bezugskörper angeordnet ist;
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8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer weiteren Kontakterfassungseinrichtung;
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9 ein Beispiel für von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgegebene Werte; und
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10 ein weiteres Beispiel für von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgegebene Werte.
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11 eine Werkzeugmaschine mit erfindungsgemäßer Ausstattung.
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1 zeigt eine Vielzahl von Werkzeugelementen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e und 3f, die mittels Halteelementen 4 an einer gemeinsamen Halterung 2 befestigt sind. Bei der hier gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei den Werkzeugelementen 3a bis 3d sowie 3f um Bohrer und bei dem Werkzeugelement 3e um eine Reibahle. Es wäre jedoch möglich, anstelle der hier gezeigten Werkzeugelemente andere Werkzeugelemente wie (Messspitze, Gewindebohrer, Senker, Drehmeisel, Fräser ...) Schraubelemente, Feilelemente und dergleichen einzusetzen.
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Die einzelnen Werkzeugelemente werden gegenüber der Halterung 2 gedreht.
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Die Halterung 2 wird entlang des Pfeils P1 auf einen Bezugskörper 5 zu bewegt. Bei diesem Bezugskörper handelt es sich, wie oben ausgeführt, bevorzugt gleichzeitig um das zu bearbeitende Werkstück, wie beispielsweise einen Block aus Gusseisen. Auf dem Bezugskörper können Vorsprünge 6 vorhanden sein, die entsprechend bei der Ermittlung der Position der Halterung gegenüber dem Bezugskörper mit zu berücksichtigen sind. Auch wäre eine Krümmung der den Werkzeugelementen zugewandten Oberfläche des Bezugskörpers zu berücksichtigen.
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Mittels einer (nicht gezeigten) Positionserfassungseinrichtung wird die Position der Halterung 2 gegenüber dem Bezugskörper 5 und damit auch die Position der einzelnen Werkzeugelemente 3a bis 3f gegenüber dem Bezugskörper 5 bestimmt.
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Die einzelnen Werkzeugelemente 3a bis 3f sind in Richtung des Pfeils P1 im Wesentlichen fest gegenüber der Halterung 2 angeordnet. Unter im Wesentlichen wird verstanden, dass gleichwohl Vorspannelemente vorgesehen sein können, die eine geringfügige Bewegung der jeweiligen Werkzeugelemente gegenüber der Halterung 2 ermöglichen oder der Berührungsdruck auf spannungserzeugende Elemente wie bzw. Dehmmessstreifen sowie Piezoelemente geführt sein können.
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Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung weisen die einzelnen Werkzeugelemente unterschiedliche Längen auf und die Spitzen einiger der Werkzeugelemente sind damit entlang des Pfeils P1 in jeweils unterschiedlicher Lage angeordnet. Dagegen ragen die Reibahle 3e und das Bohrelement 3b im Wesentlichen gleich weit von der Halterung 2 in Richtung des Bezugskörpers 5. Das bedeutet, dass im Falle eines ebenen Bezugskörpers die Kontakte der beiden Werkzeugelemente im Wesentlichen gleichzeitig bzw. an der gleichen Position gegenüber der Halterung gegenüber dem Bezugskörper 5 auftreten würden. In einem solchen Fall könnte der Kontakt nicht über einen Spannungsimpuls angezeigt werden. Dies wird unten genauer erläutert.
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2 zeigt die Vorrichtung aus 1 in einer ersten möglichen Ausführungsform. Dabei werden die einzelnen Werkzeugelemente 3a bis 3f mit verschiedenen Spannungen U1, U2 ... U6 gegenüber dem Bezugskörper 5 beaufschlagt. Bevorzugt werden der Bezugskörper bzw. das Werkstück und die Werkzeugelemente elektrisch gegeneinander isoliert, das Werkstück mit einer Erdung versehen und die Werkzeuge mit den angegebenen Spannungen U1, U2 ... U6 beaufschlagt. Sobald ein Werkzeugelement beispielsweise das Werkzeugelement 3c den Bezugskörper 5 kontaktiert fließt zwischen dem Werkzeugelement und dem Bezugskörper ein Strom. Dieser Strom zeigt dem Benutzer oder der Maschinensteuerung an, dass das Werkzeugelement 3c den Bezugskörper kontaktiert hat.
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Wie oben erwähnt, werden im Falle eines ebenen Bezugskörpers die Werkzeugelemente 3b und 3e diesen im Wesentlichen gleichzeitig berühren. Im Falle von zwei intakten Werkzeugelementen würden damit die Spannungen U2 und U5 im Wesentlichen gleichzeitig auftreten. Sofern eines der beiden Werkzeugelemente 3b oder 3e gebrochen oder abgenutzt ist, würde jeweils nur die andere Spannung auftreten. Sofern in dieser Ausführungsform unterschiedliche Spannungen U2 und U5 gewählt werden, kann anhand des angezeigten Spannungswertes festgestellt werden, welches der beiden Werkzeugelemente intakt ist und damit, welches der Werkzeugelemente abgenutzt ist.
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Die einzelnen Werkzeugelemente können an den Halteelementen 4 nicht nur in vertikaler Richtung auf unterschiedlicher Position angeordnet sein, sondern auch in einer hierzu senkrechten in die Figurebene hineinragenden Richtung. Auf diese Weise können mit den hier gezeigten 6 Werkzeugelementen im Wesentlichen beliebige Bohrungsmuster in den Bezugskörper 5 eingebracht werden.
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Pfeil P1 kennzeichnet die Vorschubrichtung der Halterung 2 gegenüber dem Bezugskörper 5. Wie eingangs erwähnt, wird auch die jeweilige Position, an der ein Kontakt des Werkzeugelements mit dem Bezugskörper auftritt, festgehalten.
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Es wäre jedoch auch möglich, dem Benutzer den Kontakt der Werkzeugelemente durch optische Mittel, wie beispielsweise Leuchtdioden oder dergleichen, anzuzeigen.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur weiteren Veranschaulichung. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 9 auf eine Spannungsmesseinrichtung, die wahlweise die an den einzelnen Werkzeugelementen 3a bis 3f anliegenden Spannungen U1 bis U6 abgreifen kann. Diese Spannungsmesseinrichtung weist ein Spannungsmesselement 24 sowie in dieser Ausführungsform einen Widerstand 22, an dem die Spannungen abfallen, auf. Die von einer Spannungsquelle 23 gelieferte Spannung wird gegenüber der Erdung, die wie oben ausgeführt, bevorzugt mit dem Bezugskörper verbunden ist, gemessen.
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Bei der in 3 gezeigten Situation kontaktiert noch kein Werkzeugelement 3a bis 3f den Bezugskörper 5, daher werden in diesem Falle über eine Anzeigeeinrichtung 25 noch keine Spannungswerte angezeigt und damit eine Spannung von 0 V ausgegeben. Das Bezugszeichen 26 bezieht sich auf eine elektrische Leitung, welche die Halterung und die Anzeigeeinrichtung miteinander verbindet. Das Bezugszeichen 27 kennzeichnet eine Positionserfassungseinrichtung. Die Angabe X = 100 bezieht sich auf die Position der Halterung 2 entlang des Pfeils P1 bezüglich einer Ruhestellung die im Fall von 3 100 Längeneinheiten wie beispielsweise 100 mm weiter rechts läge.
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Bei der in 4 gezeigten Situation wurde die Halterung um weitere 50 mm nach links verschoben, was auf der Anzeigeeinrichtung 25 durch die Angabe x = –150 verdeutlicht wird. In dieser Situation ist das Werkzeugelement 3c bereits in den Bezugskörper 5 eingedrungen und dementsprechend wird auf der Anzeigeneinrichtung die Spannung U3 ausgegeben. Die Spannung U3 fällt in dem Moment an, in dem das Werkzeugelement 3c den Bezugskörper 5 kontaktiert. Mit diesen beiden Angaben kann daher festgestellt werden, ob das Werkzeugelement den Bezugskörper in dem theoretisch zu erwartenden Moment bzw. in der theoretisch zu erwartenden Position berührt. Dies ist dann der Fall, wenn dass Werkzeugelement noch intakt ist. Wenn das Werkzeugelement abgenutzt oder gebrochen ist, würde ein Kontakt gar nicht oder in jedem Fall später erfolgen und dies wäre umgekehrt ein Indiz für eine Zerstörung oder Abnutzung des Werkzeugelements.
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Die Geschwindigkeit, mit der die Halterung 2 auf den Bezugskörper zu bewegt wird, liegt bevorzugt im Bereich von 2 m/sec. Diese Geschwindigkeit wird erst gedrosselt, sobald das erste Werkzeugelement den Bezugskörper berührt. (Fahren im Eilgang sowie im Vorschubbetrieb).
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Bei der in 5 gezeigten Situation wurde die Halterung um weitere 50 mm auf den Bezugskörper zubewegt. In dieser Situation haben die Werkzeugelemente 3a und 3c den Bezugskörper 5 kontaktiert bzw. sind in diesen eingedrungen. Damit wird an der Anzeigeeinrichtung eine Spannung angezeigt, die sich aus der Summe der Spannungen U1 und U3 ergibt. Es wäre jedoch auch möglich, separat die beiden Spannungen U1 und U3 anzuzeigen.
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Bedingt durch die Vorsprünge 6 und 6a des Bezugskörpers 5 berühren die Werkzeugelemente diesen früher als dies der Fall wäre, wären diese Vorsprünge nicht vorhanden. Damit muss bei der Ermittlung des Ortes, an dem das Werkzeugelement den Bezugskörper kontaktiert die Breite der Vorsprünge 6 und 6a berücksichtigt werden.
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Bei der in 6 gezeigten Situation sind die Werkzeugelemente 3a, 3b 3c und 3e in den Bezugskörper eingedrungen, sodass dementsprechend auf der Anzeigeeinrichtung neben der Positionsangabe X = –300 der Spannungswert U1 + U2 + U3 + U5 angezeigt wird. Aufgrund der Vorsprünge 6a und 6b kontaktiert des Werkzeugelement 3b den Bezugskörper früher als das Werkzeugelement bei 3e. Im Falle eines ebenen Bezugskörpers würden die beiden Werkzeugelemente 3b und 3e den Bezugskörper im Wesentlichen gleichzeitig berühren. Eine Unterscheidung, welches der beiden Bezugselemente den Bezugskörper früher kontaktiert, wäre damit nicht über eine Impulszählung möglich, da diese Impulse im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen. Daher werden die Spannungswerte U2 und U5 unterschiedlich gewählt, sodass, falls, nur eine der beiden Spannungen angezeigt wird, rückgechlossen werden kann, welches Werkzeugelement (nämlich das andere) abgenutzt ist.
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Bei der in 7 gezeigten Situation sind sämtliche Werkzeugelemente in den Bezugskörper 6 eingedrungen und haben diesen damit kontaktiert. Falls sämtliche Werkzeugelemente intakt sind und insbesondere keines gebrochen, wird hier als Spannungswert die Summe aus allen Spannungen U1 bis U6 angezeigt. Gleichzeitig wird über die Lage x = –400 die Position der Halterung gegenüber des Bezugskörpers angegeben. Falls die angezeigte Spannung nicht der Gesamtspannung aus den Spannungen U1 bis U6 entspricht, kann aufgrund der fehlenden Spannung, zumindest, wenn wie in der bevorzugten Ausführungsform die Spannungen U1 bis U6 unterschiedlich gewählt werden, festgestellt werde, welches Werkzeugelement gebrochen ist.
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Mittels einer entsprechenden Programmiersteuerung kann geprüft werden, ob die angezeigte Spannung der Summe aus den einzelnen Spannungen U1 bis U6 entspricht. Ist dies der Fall, kann über eine Maschinensteuerung an die Maschine die Anweisung gegeben werden, das Werkstück bzw. den Bezugskörper 5 weiter zu bearbeiten. Falls die angezeigte Spannung nicht den aufsummierten Spannungswerten der einzelnen Spannungen entspricht, kann ein Arbeitsvorgang abgebrochen und dem Benutzer angezeigt werden, dass eines der Werkzeugelemente nicht intakt ist. Bevorzugt wird dabei dem Benutzer auch angezeigt, welches Werkzeug ausgewechselt werden muss.
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In 8 wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun detaillierter dargestellt. Es müssen keine Stromkreise geschlossen und Spannungen abgegriffen werden, sondern die einzelnen Werkzeugelemente sind mit Schaltelementen 13 verbunden. Sobald ein Werkzeugelement den Bezugskörper 5 kontaktiert, wird die entsprechende Schalteinrichtung 13 umgeschaltet beispielsweise von einem geöffneten Zustand in einen geschlossen Zustand oder umgekehrt.
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Durch dieses Schalten wird ein Signal erzeugt, welches dem Benutzer wiederum anzeigt, dass das Werkzeugelement den Bezugskörper kontaktiert hat. Bevorzugt ist eine Einrichtung 11 vorgesehen mittels welcher eine mechanische Spannung im Werkzeugelement erkennbar und vorzugsweise elektrisch messbar wird.
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Dies kann mittels eines ein Dehnungsmessstreifens, eines Piezoelementes oder eines flexiblen Elementes wie eines Federelementes oder einer Kombination dieser Elemente realisiert werden. Wird an einem piezoelektrischen Kristall eine elektrische Spannung angelegt, reagiert dieser mit einer mechanischen Spannung, die zu einer Formveränderung führt. Wird andererseits eine mechanische Spannung ausgeübt, reagiert der Piezokristall umgekehrt mit Erzeugung einer elektrischen Spannung. Dieser zuletzt beschriebene Effekt wird im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung genutzt. Die Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen kann alternativ oder zusätzlich angewendet werden, um die mechanische Spannung im Werkzeugelement zu ermitteln. Verwendet man ein Federelement, so kann auch die Federspannung ermittelst und in ein elektrisches umgewandelt werden. Bei der Spannungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen wird eine Brückenschaltung eingesetzt. Mittels der Feder könnten die einzelnen Werkzeugelemente 3a bis 3e auch vorbelastet werden, so dass, wenn die Halterung 2 wieder von dem Bezugskörper entfernt wird, die einzelnen Werkzeugelemente wieder in eine Ruhestellung zurückgelangen.
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Das Schaltelement 13 könnte dann mechanisch wieder in den ursprünglichen Schaltzustand zurückgeführt werden, indem das Schaltelement mechanisch mit der Bohrer-/Federkombination verbunden ist. Da die oben genannte Einrichtung jedoch auch in der Lage ist ein elektrisches Signal zu generieren, kann der Schalter auch elektrisch betätigt werden.
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Die Erfindung ist insbesondere für solche Fälle geeignet, in denen der Bezugskörper 5 nicht elektrisch leitend ist und daher im Falle eines Kontakts keine Stromkreise geschlossen werden können. Auch eignet sich die vorgeschlagene Variante mit dem Schaltelement 13 in dem Fall, in dem zumindest die Vorsprünge 6 bzw. 6a elektrisch nicht leitend sind.
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Anstelle von der Ausgabe von Spannungswerten kann auch jeder Bohrer mit einer Identifikationsnummer versehen werden, die im Falle eines Berührungskontaktes mit dem Bezugskörper 5 ausgegeben wird. Anhand dieser Identifikationsnummer bzw. Bittnummer kann dem Benutzer angezeigt werden, welches Werkzeugelement an welcher Position X den Bezugskörper 5 kontaktiert hat.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann dem Benutzer angezeigt werden, dass einzelne Bohrer gegebenenfalls nicht intakt sind, falls die entsprechenden Identifikationscodes nicht oder nicht zum erwarteten Zeitpunkt gesendet wurden.
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Anstelle der Federelemente könnten Werkzeugelemente auch mit Dehnmessstreifen versehen werden, d. h. Elementen, deren Widerstand sich mit der Dehnung ändert. Über die Ermittlung einer Widerstandsänderung kann ebenfalls das Kontaktieren des Werkzeugelements mit dem Bezugskörper 5 angezeigt werden.
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9 zeigt eine Darstellung, mit der das Kontaktereignis zwischen den Werkzeugelement 3a bis 3f und dem Bezugskörper 5 durch Spannungspulse 14a bis 14f angezeigt wird. Dabei korrespondiert der Spannungspuls 14a beispielsweise zu dem Werkzeugelement 3c oder genauer gesagt dem Ort, an dem das Werkzeugelement 3c den Bezugskörper 5 kontaktiert. Entsprechend korrespondiert der Spannungspuls 14b mit dem Werkzeugelement 3a, der Spannungspuls 14c mit dem Werkzeugelement 3b, der Spannungspuls 14d mit dem Werkzeugelement 3e, der Spannungspuls 14e mit dem Werkzeugelement 3f und der Spannungspuls 14f mit dem Werkzeugelement 3d.
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Die Spannungspulse 14d und 14e liegen in sehr naher zeitlicher Abfolge, was dadurch bedingt ist, dass die entsprechenden Werkzeugelemente in kurzem zeitlichem bzw. örtlichem Abstand zueinander den Bezugskörper kontaktieren. Falls sämtliche Werkzeugelemente intakt sind, stimmt die Anzahl der Bohrer mit der Anzahl der in 9 gezeigten Spannungsimpulse überein.
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Diese bloße Zählung der Eingangspulse setzt jedoch voraus, dass alle Werkzeugelemente im Wesentlichen zeitversetzt den Bezugskörper kontaktieren. Auf der X-Achse sind, wie oben erwähnt, die jeweiligen zeitlichen Positionen, an denen die Werkzeugelemente den Bezugskörper kontaktieren, aufgezeichnet. Damit kann durch die Position und die jeweilige Kontaktmeldung eine Werkzeugvermessung durchgeführt werden. Die in 9 dargestellte Methode kann auch als Kontrolle zur Prüfung verwendet werden, ob das jeweils richtige Werkzeugelement eingewechselt wurde, indem eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt wird, um zu prüfen, ob das Bezugselement im zum richtigen örtlichen und zeitlichen Punkt den Bezugskörper kontaktiert.
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Weiterhin kann mit den einzelnen Kontaktmeldungen ein Profil der gesamten Werkzeugeinrichtung, welche die Werkzeugelemente trägt, aufgenommen werden, beispielsweise festgestellt werden, dass das Werkzeugelement 3c länger ist als das Werkzeugelement 3a. Auch können die jeweiligen Positionswerte X bei der Durchführung einer Messung abgespeichert und das gespeicherte Profil bei der nächsten Überprüfung der Bohrerzustände verwertet werden. Durch Abgleich neu gemessener Koordinaten für neue Bohrer kann ebenfalls ein Verschleiß einzelner Werkzeugelement festgestellt werden. Auch kann der zeitliche Verlauf der Verschleißprozesse bestimmt werden.
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In der Praxis ist jedoch oft noch ein Kühl- oder Schmiermittel vorhanden, welches bewirkt, dass sich als Kontaktimpulse nicht die in 9 gezeigten geraden Impulse ergeben sondern eher die in 10 gezeigten Verläufe. In diesem Fall gäbe es einerseits die Möglichkeit die Leitfähigkeit des Kühlschmiermittels zu verändern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, wie in 10 gezeigt, einen unteren Spannungswert 19 und ein oberen Spannungswert 18 zu definieren und, sobald die Spannung von höheren Spannungswerten herkommend den oberen Spannungswert 18 unterschreitet bzw. von kleinen Spannungswerten herkommend den unteren Spannungswert 19 überschreitet dieses Ereignis festzustellen. Damit liegt der tatsächliche Kontakt in dem Bereich Δ X, in dem die jeweiligen Kurvenverläufe 28 die beiden Spannungsschwellen 18 und 19 passieren. Damit wird bei einem sicheren Kontakt über die Hysterese geschaltet.
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Bei den in 10 dargestellten Verläufen handelt es sich um fiktive Verläufe, die sich in der Realität dadurch ergeben, dass die Spannung wie oben ausgeführt nicht sprunghaft ansteigt, sondern durch das Schmier- oder Kühlmittel beeinflusst wird.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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11 zeigt eine Werkzeugmaschine mit Werkzeugmaschinensteuerung und Vorschubantrieb sowie mit erfindungsgemäßer Vorrichtung, welche gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Halterung
- 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f
- Werkzeugelemente
- 4
- Halteelement
- 5
- Bezugskörper
- 6, 6a
- Vorsprung
- 9
- Spannungsmesseinrichtung
- 11
- Vorspanneinrichtung
- 13
- Schaltelement
- 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f,
- Spannungspulse
- 18
- oberer Spannungswert
- 19
- unterer Spannungswert
- 22
- Widerstand
- 23
- Spannungsquelle
- 24
- Spannungselement
- 25
- Anzeigeeinrichtung
- 26
- Leitung
- 27
- Positionserfassungseinrichtung
- 28
- Kurvenverlauf
- U1, U2, U3, U4, U5, U6
- Spannungen
- X1, X2, X3, X4, X5, X6
- örtliche Position
