Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Lage eines Werkzeugs oder Werkzeugträgers an einer in einem Stator drehbar gelagerten Arbeitsspindel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device for monitoring the position of a tool or tool carrier on a rotatably mounted in a stator work spindle according to the preamble of claim 1.
Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 10 2009 005 745 A1 bekannt. Die Funktion dieser Überwachungsvorrichtung basiert auf der Ausbreitung eines Radarsignals in einem innerhalb der Arbeitsspindel durch mehrere Bohrungen gebildeten Kanal, der im Betrieb unmittelbar durch eine Plananlagefläche des Werkzeugs oder Werkzeugträgers abgeschlossen wird, wobei der Endbereich des Kanals als Hohlraumresonator ausgebildet ist. Eine fehlerhafte Anlage des Werkzeugs oder Werkzeugträgers an der Werkzeugspannvorrichtung, die insbesondere durch das Vorhandensein von Spänen auf den Anlageflächen verursacht werden kann und unerkannt zu mangelhaften Bearbeitungsergebnissen an bearbeiteten Werkstücken führen würde, bewirkt eine Verstimmung des Hohlraumresonators und kann daher anhand eines Radarsignals detektiert werden, das in den Kanal von einem außerhalb der Arbeitsspindel angeordneten Sender eingestrahlt, an dem Werkzeug oder Werkzeugträger reflektiert und durch den Kanal zu dem Sender zurückgeleitet wird. Such a device is from the DE 10 2009 005 745 A1 known. The function of this monitoring device is based on the propagation of a radar signal in a channel formed within the work spindle by a plurality of bores, which is completed in operation directly by a plan contact surface of the tool or tool carrier, wherein the end portion of the channel is formed as a cavity resonator. A faulty installation of the tool or tool carrier on the tool clamping device, which may be caused in particular by the presence of chips on the contact surfaces and would result in unrecognized to poor machining results on machined workpieces, causes a detuning of the cavity and can therefore be detected by a radar signal, the radiated into the channel from a transmitter located outside the work spindle, is reflected on the tool or tool carrier and returned through the channel to the transmitter.
Dabei ist der Sender an einem Stator angeordnet, in dem die Arbeitsspindel drehbar gelagert ist, und das Radarsignal wird zunächst in einen Kanal in dem Stator, mit dem ein Abschnitt des Kanals in der Arbeitsspindel in einer bestimmten Winkelposition der Arbeitsspindel fluchtet, eingestrahlt und passiert in der fluchtenden Position der Kanäle auf dem Hin- und Rückweg einen Luftspalt zwischen dem Stator und der Arbeitsspindel. Dieser Luftspalt verursacht durch Reflexion und Dämpfung eine Beeinträchtigung der Qualität des Messsignals. The transmitter is arranged on a stator in which the work spindle is rotatably mounted, and the radar signal is first in a channel in the stator, with which a portion of the channel in the work spindle in a certain angular position of the work spindle is aligned, irradiated and passes in the aligned position of the channels on the way back and forth an air gap between the stator and the work spindle. This air gap caused by reflection and attenuation deterioration of the quality of the measurement signal.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Überwachungsvorrichtung der vorausgehend beschriebenen Art mit einer verbesserten Qualität des Messsignals zu schaffen. Based on this prior art, it is the object of the invention to provide a monitoring device of the type described above with an improved quality of the measuring signal.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a device having the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist bei einer gattungsgemäßen Überwachungsvorrichtung im Endbereich eines an der äußeren Oberfläche der Arbeitsspindel endenden Abschnitts des Kanals in der Arbeitsspindel eine Streifenleiterantenne mit mehreren radial aufeinanderfolgend angeordneten und jeweils durch dielektrische Schichten voneinander getrennten Streifenleitern angeordnet, die über eine in dem Kanal in der Arbeitsspindel verlegte Leitung mit einem Sensorelement am entgegengesetzten Ende des Kanals in der Arbeitsspindel verbunden ist. Durch diese Kombination eines Hohlleiters im Stator mit einer in der Arbeitsspindel verlegten Leitung und einer am Ende dieser Leitung in die Arbeitsspindel eingebetteten Streifenleiterantenne mit mehreren übereinander angeordneten Streifenleitern kann für ein zwischen einem Sensorelement in der Arbeitsspindel und einer Messeinrichtung im Stator zu übertragendes Messsignal eine Übertragungsstrecke bereitgestellt werden, die sowohl verlust- und reflexionsarm ist, als auch eine ausreichend große Bandbreite aufweist. According to the invention in a generic monitoring device in the end of a terminating on the outer surface of the work spindle portion of the channel in the work spindle stripline antenna with a plurality of radially successively arranged and each separated by dielectric layers strip conductors arranged via a laid in the channel in the work spindle line is connected to a sensor element at the opposite end of the channel in the work spindle. By this combination of a waveguide in the stator with a laid in the work spindle line and at the end of this line embedded in the work spindle stripline antenna with a plurality of strip conductors arranged one above the other, a transmission path can be provided for a between a sensor element in the work spindle and a measuring device in the stator to be transmitted measurement signal which is both low loss and low reflection, as well as having a sufficiently large bandwidth.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In these shows
1 eine Vorderansicht einer Arbeitsspindel, 1 a front view of a work spindle,
2 eine schematische Schnittansicht einer fehlerhaften Werkzeugspannung, 2 a schematic sectional view of a faulty tool clamping,
3 eine schematische Längsschnittansicht einer Vorrichtung zur Überwachung der Werkzeugplananlage nach dem Stand der Technik, 3 a schematic longitudinal sectional view of a device for monitoring the tooling system according to the prior art,
4 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts x in 3 mit einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Streifenleiterantenne und 4 an enlarged view of the section x in 3 with an inventive arrangement of a stripline antenna and
5 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung einer Streifenleiterantenne nach 4 in Richtung des dortigen Pfeils A. 5 a view of the inventive arrangement of a stripline antenna according to 4 in the direction of the arrow A.
1 zeigt die Vorderansicht einer Arbeitsspindel 1, die Bestandteil einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine ist. Die Arbeitsspindel 1 weist an ihrer Stirnseite eine oder mehrere ebene Anlageflächen 2 auf, an denen ein Werkzeug oder ein Werkzeugträger im gespannten Zustand plan anliegen soll. Im Falle mehrerer separater Anlageflächen 2 liegen diese genau planparallel zueinander in einer einzigen Ebene. Zur Verwendung an der Arbeitsspindel 1 bestimmte Werkzeuge oder Werkzeugträger, wobei letztere ihrerseits verschiedene Werkzeuge aufnehmen können, weisen an ihrer Rückseite ebenfalls entsprechende stirnseitige Anlageflächen auf. Bei einer planen Anlage der werkzeugseitigen bzw. werkzeugträgerseitigen Anlageflächen an der spindelseitigen Anlagefläche 2 verläuft die Längsachse des Werkzeugs bzw. Werkzeugträgers genau parallel zur Längsachse der Arbeitsspindel 1. Die Zentrierung des Werkzeugs bzw. Werkzeugträgers bezüglich der Arbeitsspindel 1 erfolgt durch kegelförmige Auflageflächen im Inneren der Arbeitsspindel 1. 1 shows the front view of a work spindle 1 , which is part of a processing machine, not shown, in particular a machine tool. The work spindle 1 has on its front side one or more flat contact surfaces 2 on which a tool or a tool carrier in the tensioned state should rest flat. In case of several separate contact surfaces 2 These are exactly plane-parallel to each other in a single plane. For use on the work spindle 1 certain tools or tool carriers, the latter in turn can accommodate different tools, also have on their back on corresponding end-side contact surfaces. In the case of a planned installation of the tool-side or tool carrier-side contact surfaces on the spindle-side contact surface 2 the longitudinal axis of the tool or tool carrier runs exactly parallel to the longitudinal axis of the work spindle 1 , The centering of the tool or tool carrier with respect to the work spindle 1 takes place by conical bearing surfaces in the interior of the work spindle 1 ,
Im Fall einer Verschmutzung einer Anlagefläche 2 ist keine plane Anlage des Werkzeugs oder Werkzeugträgers an der Arbeitsspindel 1 mehr möglich. Insbesondere kann eine solche Verschmutzung durch bei der Bearbeitung eines Werkstücks anfallende Späne erfolgen. Schematisch ist eine solche Situation in 2 dargestellt. Auf dem rechten Teil der Anlagefläche 2 liegt ein Span 3, der beim Spannen des Werkzeugs 4 an der Arbeitsspindel 1 zwischen dieser und dem Werkzeug 4 eingeklemmt wird und dafür sorgt, dass ein keilförmiger Spalt zwischen beiden besteht. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem solchermaßen schrägstehenden Werkzeug 4 ist kein maßhaltiges Ergebnis, sondern Ausschuss zu erwarten. In case of contamination of a contact surface 2 is not a plane contact of the tool or tool carrier on the work spindle 1 more is possible. In particular, such contamination can occur due to chips produced during the machining of a workpiece. Schematically, such a situation is in 2 shown. On the right part of the contact surface 2 there is a chip 3 when clamping the tool 4 on the work spindle 1 between this and the tool 4 is trapped and ensures that there is a wedge-shaped gap between the two. When machining a workpiece with such an inclined tool 4 is not a measured result, but to expect committee.
An der Anlagefläche 2 sind mehrere, im gezeigten Beispiel drei in Axialrichtung der Arbeitsspindel 1 verlaufende Kanalabschnitte 5 in Form von Bohrungen vorgesehen, von denen in 1 jeweils der stirnseitige Austritt aus der Arbeitsspindel 1 sichtbar ist. 3 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines Ausschnitts der Arbeitsspindel 1 und eines Stators 6, in dem die Arbeitsspindel 1 an einer in 3 nicht sichtbaren Stelle drehbar gelagert ist, und von dem sie in dem in 3 sichtbaren Bereich durch einen dünnen Luftspalt 7 getrennt ist. Dort ist nur der obere der drei axialen Kanalabschnitte 5 von 1 zu sehen. Dieser trifft im Inneren der Arbeitsspindel 1 auf einen in Radialrichtung der Arbeitsspindel 1 verlaufenden Kanalabschnitt 8, wodurch ein dritter Kanalabschnitt 9 definiert wird, in dem der durch die einzelnen Abschnitte 5, 8 und 9 gebildete, durchgehende Kanal seine Richtung um 90° ändert. In gleicher Weise trifft auch jeder der beiden anderen, in 3 nicht sichtbaren axialen Kanalabschnitte 5 jeweils auf einen zugeordnete radialen Kanalabschnitt 8 in der Arbeitsspindel 1. In der in 3 gezeigten Winkelstellung der Arbeitsspindel 1 fluchtet der radiale Kanalabschnitt 8 in der Arbeitsspindel 1 mit einem radialen Kanal 10 in dem Stator 6. At the contact surface 2 are several, in the example shown three in the axial direction of the work spindle 1 running channel sections 5 provided in the form of holes, of which in 1 in each case the frontal exit from the work spindle 1 is visible. 3 shows a schematic longitudinal sectional view of a section of the work spindle 1 and a stator 6 in which the work spindle 1 at an in 3 not visible point is rotatably mounted, and of which they are in the in 3 visible area through a thin air gap 7 is disconnected. There is only the upper of the three axial channel sections 5 from 1 to see. This hits inside the work spindle 1 on a radial direction of the work spindle 1 extending channel section 8th , creating a third channel section 9 is defined in which by the individual sections 5 . 8th and 9 formed, continuous channel changes its direction by 90 °. In the same way, each of the other two, in 3 invisible axial channel sections 5 each on an associated radial channel section 8th in the work spindle 1 , In the in 3 shown angular position of the work spindle 1 Aligns the radial channel section 8th in the work spindle 1 with a radial channel 10 in the stator 6 ,
In einem sich von außen in den Stator 6 erstreckenden Hohlraum ist eine elektronische Messeinrichtung 11 in Form eines Radarsystems, das einen Sender, einen Empfänger und eine Antenne umfasst, angeordnet. Die Antenne ist auf den Kanal 10 in dem Stator 6 ausgerichtet, um die Einstrahlung eines Radarsignals in den Kanal 10 und den Empfang eines reflektierten Radarsignals aus dem Kanal 10 zu ermöglichen. Der Kanal 10 fungiert ebenso wie die Kanalabschnitte 5, 8 und 9 für eine eingestrahlte elektromagnetische Welle als Hohlleiter, wie aus der Radartechnik hinreichend bekannt ist. In an outside from the stator 6 extending cavity is an electronic measuring device 11 in the form of a radar system comprising a transmitter, a receiver and an antenna. The antenna is on the channel 10 in the stator 6 aligned to the irradiation of a radar signal in the channel 10 and receiving a reflected radar signal from the channel 10 to enable. The channel 10 acts as well as the channel sections 5 . 8th and 9 for an irradiated electromagnetic wave as a waveguide, as is well known from radar technology.
In der in 3 gezeigten Winkelposition der Arbeitsspindel 1 besteht somit insgesamt ein als Hohlleiter wirksamer Kanal 5, 8, 9, 10 zwischen der Messeinrichtung 11 und der rückwärtigen Auflagefläche des Werkzeugs 4, mit dem dieses auf der Auflagefläche 2 der Arbeitsspindel 1 aufliegt. Ein von der Messeinrichtung 11 in den Kanal 10 eingestrahltes Radarsignal breitet sich über den Kanal 10, den damit fluchtenden Kanalabschnitt 8 und die Kanalabschnitte 9 und 5 bis zu der rückwärtigen Auflagefläche des Werkzeugs 4 aus, wobei es in dem Kanalabschnitt 9 um 90° umgelenkt wird. Dabei führt der Kanal 5, 8, 9, 10 die sich in ihm ausbreitende elektromagnetische Welle im Sinne eines Hohlleiters. An der rückwärtigen Auflagefläche des Werkzeugs 4 wird das Radarsignal reflektiert und läuft in dem Kanal 5, 8, 9, 10 in entgegengesetzter Richtung bis zu der Messeinrichtung 11 zurück, wo es empfangen und verarbeitet wird, um die exakte Lage des Werkzeugs 4 bezüglich der Auflagefläche 2 der Arbeitsspindel 1 zu ermitteln. In the in 3 shown angular position of the work spindle 1 Thus, there is a total effective as a waveguide channel 5 . 8th . 9 . 10 between the measuring device 11 and the rear bearing surface of the tool 4 with this on the support surface 2 the work spindle 1 rests. One of the measuring device 11 in the channel 10 radiated radar signal spreads over the channel 10 , the thus aligned channel section 8th and the channel sections 9 and 5 up to the rear bearing surface of the tool 4 it being in the duct section 9 is deflected by 90 °. This leads the channel 5 . 8th . 9 . 10 the propagating in him electromagnetic wave in the sense of a waveguide. At the rear bearing surface of the tool 4 the radar signal is reflected and runs in the channel 5 . 8th . 9 . 10 in the opposite direction to the measuring device 11 back where it is received and processed to the exact location of the tool 4 with respect to the bearing surface 2 the work spindle 1 to investigate.
Falls der Kanal 5, 8, 9, 10 mit einem Dielektrikum gefüllt ist, ändert sich die Grenzfrequenz, ab welcher der Kanal 5, 8, 9, 10 als Hohlleiter wirksam ist. Es ist äußerst zweckmäßig, den Kanal 5, 8, 9, 10 zumindest im Bereich des werkzeugseitigen Abschnitts 5 mit einem Dielektrikum zu füllen, 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 5, 8, 9, 10 mit einem Dielektrikum zu füllen. Geeignet ist hierfür beispielsweise eine Vergussmasse auf Polyurethanbasis. If the channel 5 . 8th . 9 . 10 is filled with a dielectric, the cutoff frequency changes, from which the channel 5 . 8th . 9 . 10 is effective as a waveguide. It is extremely convenient to the channel 5 . 8th . 9 . 10 at least in the area of the tool-side section 5 with a dielectric to prevent ingress of dirt and chips, which would obviously interfere with the wave propagation. However, in order to provide homogeneous propagation characteristics, it is preferable to use the entire channel 5 . 8th . 9 . 10 to fill with a dielectric. Suitable for this purpose, for example, a potting compound based on polyurethane.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es zweckmäßig, den Abschnitt 5 so zu gestalten, dass eine möglichst ausgeprägte Resonanz auftritt, was in 3 durch eine Erweiterung am werkzeugseitigen Ende zu einer Kammer 5A, die zusammen mit der rückwärtigen Oberfläche des Werkzeugs 4 einen Mikrowellenresonator bildet, schematisch dargestellt ist. Hierdurch kann ein Resonator hoher Güte realisiert werden, dessen Resonanzfrequenz von der Lage der rückwärtigen Auflagefläche des Werkzeugs 4 bezüglich der Arbeitsspindel 1 abhängt. Ein solcher Mikrowellenresonator wird bereits bei einer geringfügigen Abweichung der Lage des Werkzeugs 4 von einer perfekten Plananlage an der Auflagefläche 2 der Arbeitsspindel 1 verstimmt, was anhand einer Messung des Reflexionskoeffizienten bei einer Variation der Frequenz des eingestrahlten Signals durch eine in dem Radarsystem 11 enthaltene Signalverarbeitungseinrichtung detektiert werden kann. To increase the sensitivity, it is convenient to the section 5 in such a way that the most pronounced resonance occurs, which is in 3 by an extension at the tool end to a chamber 5A , which together with the back surface of the tool 4 forms a microwave resonator is shown schematically. In this way, a resonator of high quality can be realized, the resonant frequency of the position of the rear bearing surface of the tool 4 with respect to the work spindle 1 depends. Such a microwave resonator is already at a slight deviation of the position of the tool 4 from a perfect plan installation on the support surface 2 the work spindle 1 detuned, due to a measurement of the reflection coefficient with a variation of the frequency of the irradiated signal by one in the radar system 11 contained signal processing device can be detected.
Die vorausgehend beschriebene Vorrichtung entspricht dem aus der zuvor genannten DE 10 2009 005 745 A1 bekannten Stand der Technik. Auf die Funktion dieser Vorrichtung hat außer dem Kanal 5, 8, 9, 10 und der Kammer 5A auch der zwischen dem Stator 6 und der rotierenden Arbeitsspindel 1 vorhandene Luftspalt 7, an dem der Kanalabschnitt 8 und der Kanal 10 miteinander fluchtend enden, einen Einfluss. Wie die Vorrichtung erfindungsgemäß verbessert werden kann, um den Einfluss dieses Luftspalts 7 zu minimieren, wird nachfolgend anhand der weiteren 4 und 5 erläutert. The device described above corresponds to that of the aforementioned DE 10 2009 005 745 A1 known prior art. On the function of this device has except the channel 5 . 8th . 9 . 10 and the chamber 5A also between the stator 6 and the rotating work spindle 1 existing air gap 7 at which the channel section 8th and the channel 10 aligned with each other, an influence. How the device according to the invention can be improved to the Influence of this air gap 7 will be discussed below with reference to the others 4 and 5 explained.
4 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts x aus 3. Während der Übertragung eines Messsignals über den Luftspalt 7 hinweg steht das Ende des Kanalabschnitts 8 in der Arbeitsspindel 1 weiterhin fluchtend gegenüber dem als Hohlwellenleiter wirksamen Kanal 10 in dem Stator 6. Der Kanalabschnitt 8 fungiert jedoch im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Stand der Technik nicht als Hohlleiter, sondern es ist darin eine eine TEM-Leitung in Gestalt einer Koaxialleitung 12 mit einem Innenleiter 13 und einem Außenleiter 14 verlegt, die sich über die weiteren Kanalabschnitte 9 und 5 bis zu dem Hohlraumresonator 5A erstreckt. Am Übergang von dem Kanalabschnitt 5 zu dem Hohlraumresonator 5A ist die Koaxialleitung 12 an eine dort angeordnete Antenne zur Einkopplung eines Signals in den Hohlraumresonator 5A sowie zur Auskopplung eines Reflexionssignals aus dem Hohlraumresonator 5A angeschlossen. 4 shows a detailed view of the section x 3 , During the transmission of a measuring signal across the air gap 7 The end of the channel section stands 8th in the work spindle 1 further aligned with respect to the channel acting as a hollow waveguide 10 in the stator 6 , The channel section 8th however, unlike the prior art described above, it does not function as a waveguide but is a TEM line in the form of a coaxial line 12 with an inner conductor 13 and an outer conductor 14 relocated over the other channel sections 9 and 5 to the cavity resonator 5A extends. At the transition from the canal section 5 to the cavity resonator 5A is the coaxial line 12 to an antenna arranged there for coupling a signal into the cavity resonator 5A and for coupling a reflection signal from the cavity resonator 5A connected.
Zur verlust- und reflexionsarmen Überwindung des Luftspalts 7 mit großer Bandbreite ist im Endbereich des Kanalabschnitts 8 eine Streifenleiterantenne 15 angeordnet, an welche das dortige Ende der Koaxialleitung 12 angeschlossen ist. Die Streifenleiterantenne 15 empfängt ein von dem Radarsystem 11 in den als Hohlleiter wirksamen Kanal 10 in dem Stator 6 eingestrahltes Signal und gibt es an die Koaxialleitung 12 ab. In der entgegengesetzten Richtung strahlt die Streifenleiterantenne 15 ein aus dem Hohlraumresonator 5A reflektiertes und über die Koaxialleitung 12 zu ihr gelangtes Reflexionssignal in den Kanal 10 in dem Stator 6 ab. For loss and reflection poor overcoming of the air gap 7 with large bandwidth is in the end of the channel section 8th a stripline antenna 15 arranged, to which the local end of the coaxial line 12 connected. The stripline antenna 15 receives one from the radar system 11 in the channel acting as a waveguide 10 in the stator 6 irradiated signal and gives it to the coaxial line 12 from. In the opposite direction, the stripline antenna radiates 15 one from the cavity resonator 5A reflected and over the coaxial line 12 to her reflection signal arrived in the channel 10 in the stator 6 from.
Die Streifenleiterantenne 15 besteht aus mehreren in der Längsrichtung des Kanalabschnitts 8, d.h. der Radialrichtung der Arbeitsspindel 1 aufeinanderfolgend angeordneten Streifenleitern 16, 17, 18, einer den Querschnitt des Kanalabschnitts 8 abdeckenden elektrisch leitenden Schicht 19 mit einem Schlitz 20 und mehreren ebenfalls in Radialrichtung der Arbeitsspindel 1 aufeinanderfolgenden Schichten 21, 22, 23, 24 aus dielektrischen Materialien unterschiedlicher Permittivität, welche die Streifenleiter 16, 17, 18 untereinander und von der leitenden Schicht 19 mit dem Schlitz 20 trennen. The stripline antenna 15 consists of several in the longitudinal direction of the channel section 8th , ie the radial direction of the work spindle 1 successively arranged strip conductors 16 . 17 . 18 , one of the cross section of the channel section 8th covering electrically conductive layer 19 with a slot 20 and several also in the radial direction of the work spindle 1 successive layers 21 . 22 . 23 . 24 dielectric materials of different permittivity, which are the strip conductors 16 . 17 . 18 between each other and from the conductive layer 19 with the slot 20 separate.
Der radial innerste Streifenleiter 16 ist der schmalste der Streifenleiter 16, 17, 18. Er ist an einem Ende direkt mit dem signalführenden Innenleiter 13 der Koaxialleitung 12 verbunden und an der Unterseite einer ersten dielektrischen Schicht 21 angeordnet, an deren Oberseite sich die leitende Schicht 19 befindet. Mit dieser ist der Außenleiter 14 der Koaxialleitung 12 über Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht 21 hindurch verbunden, so dass die leitende Schicht 19 eine Massefläche darstellt. Der radial innerste Streifenleiter 16 bildet also im Zusammenwirken mit der ersten dielektrischen Schicht 21 und der leitenden Schicht 19 eine Mikrostreifenleitung. The radially innermost strip conductor 16 is the narrowest of the strip conductors 16 . 17 . 18 , He is at one end directly to the signal-carrying inner conductor 13 the coaxial line 12 connected and at the bottom of a first dielectric layer 21 arranged at the top, the conductive layer 19 located. With this is the outer conductor 14 the coaxial line 12 via vias through the dielectric layer 21 connected through, so that the conductive layer 19 represents a ground plane. The radially innermost strip conductor 16 thus forms in cooperation with the first dielectric layer 21 and the conductive layer 19 a microstrip line.
Der Schlitz 20 in der leitenden Schicht 19 verläuft orthogonal zu dem innersten Streifenleiter 16, überquert diesen etwa ein Viertel der Wellenlänge der höchsten vorgesehenen Betriebsfrequenz vor seinem offenen Ende und ragt beidseitig über ihn hinaus. Zusammen bilden der innerste Streifenleiter 16 und der Schlitz 19 die Form eines Kreuzes, wie in 5 zu erkennen ist. Dort sind die Streifenleiter 16, 17, 18 und der Schlitz 20 in der leitenden Schicht 19 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils A in 4 dargestellt, wobei von den Streifenleitern 17 und 18 sowie von dem Schlitz 20 nur die Umrisse zu sehen sind. Ferner sind dort der Innenleiter 13 und der Außenleiter 14 der Koaxialleitung 12 skizziert. Die Richtung des Längsschnitts von 4 ist in 5 durch die Linie B-B gekennzeichnet. The slot 20 in the conductive layer 19 is orthogonal to the innermost stripline 16 crosses this about one quarter of the wavelength of the highest intended operating frequency in front of its open end and projects beyond it on both sides. Together form the innermost strip conductor 16 and the slot 19 the shape of a cross, as in 5 can be seen. There are the strip conductors 16 . 17 . 18 and the slot 20 in the conductive layer 19 in a view in the direction of the arrow A in 4 shown, wherein of the strip conductors 17 and 18 as well as from the slot 20 only the outlines are visible. Furthermore, there are the inner conductor 13 and the outer conductor 14 the coaxial line 12 outlined. The direction of the longitudinal section of 4 is in 5 marked by the line BB.
Der Schlitz 20 sollte wesentlich kürzer sein als es eine entsprechende sogenannte Schlitzantenne wäre, um eine Abstrahlung in den rückwärtigen Raum, d.h. in Richtung des Kanalabschnitts 8 in der Arbeitsspindel 1 zu vermeiden. Weiterhin unterquert der Schlitz 20 eine Fläche hoher Resonanzstromdichte des radial auswärts nächstgelegenen Streifenleiters 17, so dass eine induktive Kopplung zu dem innersten Streifenleiter 16 entsteht. Diese Kopplung kann als Kombination eines Blind- und Wirkwiderstandes interpretiert werden, welche in Reihe zu der restlichen durch den innersten Streifenleiter 16 mit der ersten dielektrischen Schicht 21 und der leitenden Schicht 19 gebildeten Mikrostreifenleitung geschaltet ist. Diese ist an ihrem Ende offen ist und stellt wiederum einen Blindwiderstand dar, welcher zu dem erstgenannten Blindwiderstand kompensatorisch wirkt. Als wirksam verbleibt somit nur der durch die Abstrahlung der Antenne 15 verursachte Wirkwiderstand. Dieser entspricht dem Wellenwiderstand der durch den innersten Streifenleiter 16 mit der ersten dielektrischen Schicht 21 und der leitenden Schicht 19 gebildeten Mikrostreifenleitung. The slot 20 should be much shorter than it would be a corresponding so-called slot antenna to a radiation in the rear space, ie in the direction of the channel section 8th in the work spindle 1 to avoid. Furthermore, the slot passes under 20 an area of high resonant current density of the radially outermost stripline 17 , so that an inductive coupling to the innermost strip conductor 16 arises. This coupling can be interpreted as a combination of a blind and effective resistance, which in series with the rest by the innermost strip conductor 16 with the first dielectric layer 21 and the conductive layer 19 formed microstrip line is connected. This is open at its end and in turn represents a reactance, which acts compensatorily to the first reactance. As effective thus remains only by the radiation of the antenna 15 caused resistance. This corresponds to the characteristic impedance of the innermost strip conductor 16 with the first dielectric layer 21 and the conductive layer 19 formed microstrip line.
Der mittlere Streifenleiter 17 hat eine rechteckige Form, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel annähernd quadratisch ist: Er ist mittig zu dem innersten Streifenleiter 16 und dem Schlitz 20 angeordnet und überdeckt beide in ihren jeweiligen Längsrichtungen. Von der leitfähigen Schicht 19 ist er durch eine zweite dielektrische Schicht 22 getrennt, deren Dicke wesentlich größer ist als diejenige der ersten dielektrischen Schicht 21. The middle strip conductor 17 has a rectangular shape, which is approximately square in the embodiment shown: it is centered on the innermost strip conductor 16 and the slot 20 arranged and covers both in their respective longitudinal directions. From the conductive layer 19 it is through a second dielectric layer 22 separated, whose thickness is substantially greater than that of the first dielectric layer 21 ,
Der äußerste Streifenleiter 18 hat eine rechteckige Form und überdeckt den mittleren Streifenleiter 17 in Längsrichtung des Schlitzes 20, während er in Längsrichtung des innersten Streifenleiters 16 die gleiche Breite hat wie der mittlere Streifenleiter 17. Von diesem ist er durch eine dritte dielektrische Schicht 23 getrennt, deren Dicke wesentlich geringer ist als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht 21. Der äußerste Streifenleiter 18 befindet sich nicht auf Höhe der äußeren Oberfläche, d.h. des Umfangs der Arbeitsspindel 1, sondern ist von dort aus ein Stück radial nach innen in den Kanalabschnitt 8 hinein versetzt angeordnet. The outermost strip conductor 18 has a rectangular shape and covers the middle strip conductor 17 in the longitudinal direction of the slot 20 while in the longitudinal direction of the innermost stripline 16 the same width as the middle strip conductor 17 , From this he is through a third dielectric layer 23 separated, whose thickness is substantially smaller than that of the second dielectric layer 21 , The outermost strip conductor 18 is not at the level of the outer surface, ie the circumference of the work spindle 1 but is from there a piece radially inward into the channel section 8th arranged offset in it.
Der Raum zwischen dem äußersten Streifenleiter 18 und der äußeren Oberfläche der Arbeitsspindel ist durch eine vierte dielektrische Schicht 24 mittlerer relativer Permittivität, wie beispielsweise ca. 5, ausgefüllt. Vorzugsweise ist der Kanal 10 in dem Stator 6 mit einem Dielektrikum der gleichen Permittivität ausgefüllt. Die dritte dielektrische Schicht 23, welche den äußersten Streifenleiter 18 von dem mittleren Streifenleiter 17 trennt, hat eine relative Permittivität mit einem vergleichsweise niedrigen Wert wie beispielsweise ca. 2. Die zweite dielektrische Schicht 22, welche den mittleren Streifenleiter 17 von der leitenden Schicht 19 mit dem Schlitz 20 trennt, hat eine relative Permittivität mit einem vergleichsweise hohen Wert wie beispielsweise ca. 10. Die Permittivität der ersten dielektrischen Schicht 21, welche die leitende Schicht 19 von dem innersten Streifenleiter 16 trennt, kann einen beliebigen Wert haben. The space between the outermost strip conductor 18 and the outer surface of the work spindle is through a fourth dielectric layer 24 average relative permittivity, such as about 5, filled. Preferably, the channel 10 in the stator 6 filled with a dielectric of the same permittivity. The third dielectric layer 23 which the outermost strip conductor 18 from the middle strip conductor 17 has a relative permittivity with a comparatively low value such as about 2. The second dielectric layer 22 , which the middle strip conductor 17 from the conductive layer 19 with the slot 20 has a relative permittivity with a comparatively high value such as about 10. The permittivity of the first dielectric layer 21 which the conductive layer 19 from the innermost strip conductor 16 separates, can have any value.
Die hohe relative Permittivität der zweiten dielektrischen Schicht 22 ermöglicht eine kompakte Ausführung des als Antenne mitwirkenden mittleren Streifenleiters 117, welcher sich hierdurch um den aus dem Kehrwert der Wurzel der effektiven Permittivität bestehenden Faktor verkürzt, wobei seine lateralen Abmessungen im freien Raum in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der höchsten vorgesehenen Betriebsfrequenz liegen sollten. Die effektive Permittivität entspricht dem arithmetischen Mittel der den mittleren Streifenleiter 17 unmittelbar umgebenden dielektrischen zweiten und dritten dielektrischen Schichten 22 und 23. The high relative permittivity of the second dielectric layer 22 allows a compact design of acting as an antenna middle strip conductor 117 which is thereby shortened by the factor consisting of the reciprocal of the root of the effective permittivity, wherein its lateral dimensions in free space should be of the order of half a wavelength of the highest intended operating frequency. The effective permittivity corresponds to the arithmetic mean of the middle stripline 17 immediately surrounding dielectric second and third dielectric layers 22 and 23 ,
Die vergleichsweise niedrige relative Permittivität der dritten dielektrischen Schicht 23 sorgt dafür, dass trotz einer geringen Schichtdicke der Energieaustausch zwischen dem mittleren Streifenleiter 17 und dem äußersten Streifenleiter 18 eingeschränkt ist, so dass beide Streifenleiter 17 und 18 bei der niedrigsten vorgesehenen Betriebsfrequenz jeweils eigene Resonanzen aufweisen und nicht in ihrer Wirkung zu einem einzigen resonierenden Element verschmelzen. Die derart kontrollierte Kopplung bewirkt ein bandfilterartiges Zusammenwirken der beiden auf unterschiedlichen Frequenzen resonanten Streifenleiter 17 und 18 und somit eine wesentliche Erhöhung der relativen Bandbreite des Gesamtsystems. Zusätzlich bedingt eine geringe Dicke der dritten dielektrischen Schicht 23 zusammen mit ihrer niedrige relativen Permittivität eine geringe Signallaufzeit zwischen den beiden benachbarten Streifenleitern 17 und 18. The comparatively low relative permittivity of the third dielectric layer 23 ensures that despite a small layer thickness of the energy exchange between the middle strip conductor 17 and the outermost strip conductor 18 is restricted, so that both strip conductors 17 and 18 each have its own resonances at the lowest operating frequency provided and do not merge in their effect into a single resonating element. The thus controlled coupling causes a band-filter-like interaction of the two resonant strip conductors resonating at different frequencies 17 and 18 and thus a substantial increase in the relative bandwidth of the overall system. In addition, a small thickness of the third dielectric layer is required 23 along with their low relative permittivity, a small signal transit time between the two adjacent strip conductors 17 and 18 ,
Der Umfang des Randes des Schlitzes 20 in der ansonsten geschlossenen leitende Schicht 19 aus Metall muss zur Vermeidung unerwünschter Abstrahlung in falscher Richtung, d.h. in den Kanalabschnitt 8 hinein, deutlich kürzer als eine Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Streifenleiterantenne 15 sein. Hierbei ist wiederum ein dem Kehrwert der Wurzel des arithmetischen Mittels der Permittivitäten der unmittelbar anliegenden ersten und zweiten dielektrischen Schichten 21 und 22 entsprechender Verkürzungsfaktor zu berücksichtigen. The circumference of the edge of the slot 20 in the otherwise closed conductive layer 19 made of metal must to avoid unwanted radiation in the wrong direction, ie in the channel section 8th in, significantly shorter than a wavelength at the operating frequency of the stripline antenna 15 be. Here again, one is the reciprocal of the root of the arithmetic mean of the permittivities of the immediately adjacent first and second dielectric layers 21 and 22 appropriate shortening factor to be considered.
Die erfindungsgemäße Streifenleiterantenne 15 mit dem vorausgehend beschriebenen Aufbau hat im Vergleich zu herkömmlichen Streifenleiterantennen, insbesondere trotz des versenkten Einbaus in einen metallischen Träger in Form der Arbeitsspindel 1 eine große Bandbreite, wie sie für die vorliegende Anwendung wichtig ist, da die zu messende Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 5A sich mit der Position des Werkzeugs 4 stark verändert. Die Streifenleiterantenne 15 kann als als Kombination mehrerer übereinandergeschichteter und miteinander verbundener Leiterplatten, deren Dielektrika verschiedene Permittivitäten und Dicken aufweisen, realisiert werden. The stripline antenna according to the invention 15 with the structure described above has compared to conventional stripline antennas, in particular despite the recessed mounting in a metallic support in the form of the work spindle 1 a large bandwidth, as it is important for the present application, since the resonant frequency of the cavity resonator to be measured 5A with the position of the tool 4 changed a lot. The stripline antenna 15 can be realized as a combination of several stacked and interconnected printed circuit boards whose dielectrics have different permittivities and thicknesses.
Auf die Funktionsweise der Messeinrichtung 11 wurde in der vorausgehenden Beschreibung nicht im einzelnen eingegangen, da hierzu in der eingangs genannten DE 10 2009 005 745 A1 detaillierte Angaben vorhanden sind, auf die hiermit verwiesen wird. Diese Angaben gehen zwar von einer Funktion des Kanals 5, 8, 9 in der Arbeitsspindel 1 als Hohlwellenleiter für ein Radarsignal voraus. Durch die Verlegung einer Koaxialleitung 12 als Wellenleiter in diesem Kanal 5, 8, 9 mit Antennen an den Enden ändert sich aber nichts an der Funktionsweise der Messeinrichtung 11 einschließlich der Einstrahlung eines Sendesignals in den Kanal 10 in dem Stator 6 und den Empfang eines Reflexionssignals aus dem Kanal 10 durch die Messeinrichtung 11, da dieser Kanal 10 unverändert als Hohlwellenleiter fungiert. On the functioning of the measuring device 11 was not discussed in detail in the preceding description, since this in the aforementioned DE 10 2009 005 745 A1 detailed information is available, to which reference is hereby made. This information is indeed a function of the channel 5 . 8th . 9 in the work spindle 1 as a hollow waveguide for a radar signal ahead. By laying a coaxial line 12 as a waveguide in this channel 5 . 8th . 9 But with antennas at the ends nothing changes in the way the measuring device works 11 including the irradiation of a transmission signal in the channel 10 in the stator 6 and receiving a reflection signal from the channel 10 through the measuring device 11 because of this channel 10 unchanged acts as a hollow waveguide.
Wie anhand 1 erläutert wurde, können in der Arbeitsspindel 1 mehrere Kanäle 5, 8, 9 vorgesehen sein, deren jeweilige radiale Abschnitte 8 im Zuge einer Umdrehung der Arbeitsspindel 1 abwechselnd eine mit dem Kanalabschnitt 10 in dem Stator 6 fluchtende Position passieren. Auch könnten mehrere Messeinrichtungen 11 am Umfang des Stators 6 verteilt sein. As based on 1 has been explained, can work in the spindle 1 several channels 5 . 8th . 9 be provided, their respective radial sections 8th in the course of one revolution of the work spindle 1 alternately one with the channel section 10 in the stator 6 to pass in alignment. Also could be several measuring devices 11 on the circumference of the stator 6 be distributed.
