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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschineneinheit mit einer Werkzeug-Spannvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Stand der Technik
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Bei Werkzeugmaschinen gibt es unterschiedliche auswechselbare Vorrichtungen bzw. Werkzeuge, die über normierte Standard-Schnittstellen mit der Werkzeugmaschine verbunden sind. Vorwiegend handelt es sich hier um Werkzeuge, die über eine lösbare Kegelverbindung mit der Werkzeugmaschinenspindel bzw. Motorspindel verbunden werden und bei denen sogenannte Spannzangen durch eine axiale Bewegung geöffnet bzw. geschlossen werden, so dass die zur sicheren Befestigung des Werkzeugs notwendige Axialkraft auf das Werkzeug übertragen werden kann bzw. später auch wieder gelöst werden kann. Die sogenannte Spannzange bzw. deren Spannelemente drücken aufgrund deren axialer Verstellung gegen einen Anschlag/Ring bzw. die Spindelwelle und werden hierdurch verspannt bzw. bilden ein Gegenlager bzgl. der Spannkraft für das Verspannen des Werkzeuges.
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Die Funktion der Spannzange erfordert eine größtmögliche Genauigkeit, d. h. die einzelnen Spannsegmente müssen sehr genau gefertigt und ggf. auch veredelt werden. Eine Spannzange weist gewöhnlicherweise sechs Spannsegmente auf, die radial um die Drehachse angeordnet sind.
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Im Betrieb kann es aufgrund der „rauhen” und „schmutzigen” Bedingungen bei Werkzeugmaschinen durchaus dazu kommen, dass mit dem Kühlschmiermittel kleine Spänne bzw. Abrieb oder dergleichen sich im Spannsystem bzw. zwischen einzelnen Spannsegmenten und der Welle festsetzen und zu einer Lageänderung des entspr. Spannsegmentes führt. Dies führt zu Ungenauigkeiten der Ideal- bzw. Soll-Lage des Werkzeugs und somit zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung des Werkstücks. Diese Ungenauigkeiten von ggf. wenigen Mikrometern sind jedoch heutzutage vielfach nicht mehr tolerabel und führen zu Ausschuss und somit zu wirtschaftlichen Schäden.
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In einigen Fällen können auch während des Betriebes, d. h. während der spannenden Bearbeitung mit dem eingespannten Werkzeug, Störungen und/oder Beeinträchtigungen des Spannsystems bzw. der einzelnen Spannsegmente auftreten, die ebenfalls zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung des Werkstücks führen. Auch diese Ungenauigkeiten sind jedoch heutzutage vielfach nicht mehr tolerabel und führen zu Ausschuss und somit zu wirtschaftlichen Schäden. Bei einem Bruch eines Spannsegmentes kann es sogar zu einem Wegschleudern von Bruchstücken kommen, was zu einer starken Beschädigung der Werkzeugmaschine und sogar zu einer erheblichen Gefährdung bzw. Verletzung von Personen führen kann.
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Darüber hinaus ist bereits aus der
DE 196 30 205 A1 eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei die Bearbeitungsgenauigkeit durch ein maschinenunabhängiges Koordinatensystem verbessert werden soll. Hierbei wird ein konstruktiv und finanziell sehr aufwendiges, optisches Messsystem auf dem/den Bearbeitungsschlitten installiert, das u. a. mittels eines auf einen fest angeordneten Empfänger gerichteten Lichtstrahls und diversen Auswertekomponenten Richtungsfehler, dynamische Verformungen durch Prozesskräfte etc. erfassen und möglichst kompensieren soll. Dieses komplexe, optische Messsystem ist zudem nur für bestimmte Werkzeugmaschinen insb. mit Haupt- und Querschlitten geeignet.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Werkzeugmaschineneinheit mit einer Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. ein Verfahren vorzuschlagen, wobei ohne größeren Aufwand hohe Anforderungen erfüllt werden, insbesondere in Bezug auf die Genauigkeit der Bearbeitung und/oder der Sicherheit bei der Bearbeitung.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Werkzeugmaschineneinheit mit einer Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. ein Verfahren der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschineneinheit dadurch aus, dass wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren zur Erfassung des Verspannens der Werkzeug-Spannvorrichtung, insbesondere der beim Fixieren und Verspannen hervorgerufenen Spannkraft, vorgesehen sind, dass die wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren als Näherungssensor zur Erfassung eines Abstands zwischen der Rotoreinheit und der Statoreinheit, insbesondere um die Spannkraft über eine um die Drehachse symmetrisch verlaufende, durch Wirken der Spannkraft bedingte Deformation wenigstens eines Teils der Rotoreinheit zu vermessen, ausgebildet sind, wobei die wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren als Verformungssensoren zum Erfassen einer durch die Spannkraft erzeugten Verformung wenigstens eines Teils der Rotoreinheit und/oder der Werkzeugaufnahmeeinheit ausgebildet sind, wobei die wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren an zueinander verschiedenen Winkelpositionen um die Drehachse und/oder symmetrisch um die Drehachse angeordnet sind, um die Position und/oder Ausrichtung der Drehachse bei einem Bearbeitungsvorgang der Werkzeugmaschine zu bestimmen.
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Dementsprechend wird gemäß der Erfindung durch die Veränderung des Abstands zwischen Rotoreinheit und Statoreinheit eine indirekte Erfassung der wirkenden Spannkräfte und zudem der exakten Ist-Lage der Rotoreinheit erreicht. Hierbei wird nicht wie bei der
DE 196 30 205 A1 ein werkzeugmaschinenunabhängiges, äußeres, komplexes, optisches Messsystem verwendet, sondern die Werkzeugmaschineneinheit, z. B. die Motorspindel oder der Drehtisch, umfasst die beiden vorteilhaften Spannkraft-Sensoren, was u. a. konstruktiv und finanziell wesentlich weniger aufwendig ist und direkt an/in der Rotoreinheit die erfindungsgemäße Erfassung sowohl vor/nach als auch während der Werkstückbearbeitung und/oder Rotation der Rotoreinheit ermöglicht.
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Die Erfindung macht sich nämlich in innovativer Weise die Erkenntnis zu Nutze, dass nicht zwangsweise die Soll- bzw. Ruhe-Lage der Drehachse der Rotoreinheit und der/die hieraus resultierende Bearbeitungspunkt/-stelle des Bearbeitungswerkzeuges, z. B. des Fräsers, Bohrers, etc. am Werkstück, die Genauigkeit des Bearbeitungsvorgangs in allen Betriebsweisen bzw. Betriebsphasen bestimmt, sondern die tatsächliche Ist-Lage bzw. Veränderung der Drehachsenposition/-ausrichtung, d. h. Soll-Ist-Vergleich, im Zeitpunkt des aktuellen/realen, individuellen Betriebes bzw. den Ist-Betriebsbedingungen. Das bedeutet, dass mittels der Erfindung bzw. den wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren der tatsächliche Ist-Betrieb bzw. die Ist-Lage/-ausrichtung der Drehachse ermittelt und in vorteilhafter Weise zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit in nahezu allen individuellen Betriebssituationen verwendetet werden kann, z. B. vor und/oder beim Kontakt des Werkzeugs am Werkstück, während der Bearbeitung mit unterschiedlichsten Drehzahlen, Vorschüben, Werkstück-Materialeigenschaften/-widerständen, Werkzeugabnutzungsgraden, Kühl-/Schmierbedingungen, Temperaturausdehnungen, Beeinträchtigungen bzw. Brüche der Spannzange bzw. Spannzangenelemente oder generell ein Verschleiß bzw. Veränderungen des Werkzeug-Spannsystems wie der Tellerfedern, Zugstange oder dergleichen, Verschmutzungen beim Fixieren/Einspannen des Werkzeugs, etc..
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Hierbei kann z. B. sogar ein über einen längeren Zeitraum, insb. Monate/Jahre, auftretendes allmähliches Nachlassen der Spannkraft des sog. Tellerfederpaketes mit den erfindungsgemäßen beiden Sensoren erfasst und u. a. zur Signalisierung einer Wartung bzw. eines Austausches verwendet werden. In diesem Fall wird ein weitgehend gleichmäßiges Nachlassen aller Spannzangenelemente und die hiermit verbundene Verformung der Rotoreinheit bzw. Werkzeugaufnahmeeinheit erfassbar und bereits vor der Bearbeitung kann diese Ist-Situation mit der Soll-Situation verglichen werden, d. h. Mindestspannkraft bzw. Mindestverformung von jedem Spannelement der Spannzange etc. vorhanden oder unterschritten. Wird beispielsweise eine zu geringe Verformung bzw. zu großer erfindungsgemäßer Abstand hierbei festgestellt, kann dies z. B. in vorteilhafter Weise signalisiert werden und auf eine Überprüfung/Wartung/Reparatur des Spannsystems hingewiesen werden.
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Diese internen, allmählichen, über längere Zeit wirksam werdende Änderungen/Verschlechterungen des Spannsystems kann ein maschinenunabhängiges Koordinatensystem gemäß der
DE 196 30 205 A1 nicht erkennen und somit auch kein Ausgleich veranlassen.
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Dagegen kann gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur ein ordnungsgemäßes Einspannen des Werkzeugs vor dem Bearbeitungsvorgang, sondern auch ein Defekt bzw. eine Beschädigung oder ein Verschleiß innerhalb des gesamten Spannsystems, wie z. B. eines Spannelementes der Spannzange, während der Werkstückbearbeitung erfasst, ggf. durch ein Anpassen bzw. Nachjustieren insb. des Vorschubweges oder dergleichen ausgeglichen oder die Bearbeitung unterbrochen/beendet werden.
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Auch können die durch den Vorschub, Drehzahl des Werkzeugs bzw. durch die Bearbeitung generierten Kräfte, die auf das Spannsystem bzw. die Rotoreinheit/Werkzeugaufnahmeeinheit wirken, mit den beiden Spannkraft-Sensoren erfasst und zur vorteilhaften Kontrolle bzw. Steuerung, Signalisierung und/oder Nachjustage/Anpassung des Bearbeitungsvorganges verwendet werden. Wirken z. B. durch eine relativ große Vorschubgeschwindigkeit größere Kräfte auf die Rotoreinheit bzw. Werkzeugaufnahmeeinheit wird die Ist-Lage/Ist-Ausrichtung der Drehachse der Rotoreinheit in Bezug auf die Ruhe-/Soll-Lage bzw. -Ausrichtung verändert, wobei sich u. a. die Rotoreinheit bzw. Werkzeugaufnahmeeinheit verformt und zu einer erfindungsgemäßen detektierbaren Veränderung des Abstands zwischen Rotoreinheit und Statoreinheit führt.
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Durch die vorteilhafte Winkelpositionierung der beiden Spannkraft-Sensoren gemäß der Erfindung kann nicht nur die Lage der Drehachse, sondern auch das Maß und zudem in vorteilhafter Weise auch die Richtung/Ausrichtung der auf die Rotoreinheit bzw. Werkzeugaufnahmeeinheit wirkenden Ist-Kräfte/-Belastungen vor oder während des Betriebes/Bearbeitungsvorganges erfasst/ermittelt und/oder auf diese zurück geschlossen werden.
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So ist der Spannkraft-Sensor als berührungslos arbeitender Sensor bzw. als Näherungssensor zur Erfassung des Abstands zwischen der Rotoreinheit und der Statoreinheit ausgebildet. Hiermit kann in vorteilhafter Weise u. a. die durch das Verspannen hervorgerufene Materialverformung erfasst werden, da sich durch diese ein Luftspalt bzw. den Abstand zwischen der Rotoreinheit und der Statoreinheit verändert, d. h. verringert oder vergrößert. Diese Abstandsänderung kann gemäß der Erfindung zur mittelbaren Erfassung einer korrekten/ordnungsgemäßen Verspannung der Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. der Verspannung des Werkzeuges verwendet werden. So wird ein Abrieb oder Verschleiß von entsprechenden (berührenden bzw. schleifenden) Elementen wirkungsvoll verhindert und eine lange Lebensdauer ermöglicht.
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Vorzugsweise ist eine vorteilhafte elektronische und/oder elektrische Kontrolleinheit vorgesehen, insb. mit hinterlegten/abgespeicherten Werten/Beziehungen von/zwischen erfindungsgemäßen Verformungen/Abständen/Abstandsänderungen und ggf. hierfür ursächliche Bearbeitungs-/Wirkkräfte oder dergleichen.
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Grundsätzlich kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Erfassens des Verspannens, insbesondere eines oder sogar jedes Spannelementes bzw. Spannsegmentes z. B. einer als Werkzeug-Spannvorrichtung ausgebildeten Spannzange, eine korrekte bzw. ordnungsgemäße Verspannung bzw. Fixierung des Werkzeugs realisiert werden. Weicht zum Beispiel die erfasste Ist-Verspannung bzw. Ist-Fixierung des Werkzeuges vor und/oder während des Betriebes bzw. der Bearbeitung von einer (vorgegebenen/idealen/korrekten) Soll-Verspannung bzw. Soll-Fixierung des Werkzeuges ab, kann mittels einer vorteilhaften Kontrolleinheit beispielsweise ein Signal generiert und/oder ein Stopp der Bearbeitung erfolgen/generiert werden.
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Gemäß der Erfindung können generell entscheidend höhere Anforderungen erfüllt werden, insbesondere in Bezug auf die Genauigkeit der Bearbeitung und/oder der Sicherheit bei der Bearbeitung.
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Erfindungsgemäß ist der Spannkraft-Sensor als Verformungssensor zum Erfassen einer durch die Spannkraft erzeugten Verformung wenigstens eines Teils der Rotoreinheit und/oder der Werkzeugaufnahmeeinheit ausgebildet. Die Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. Spannzange führt eine axiale Bewegung unter Krafteinfluss durch. Diese Spannkraft generiert eine erhebliche Materialbelastung, die insbesondere je Spannsegment und somit auch je Anschlag des Spannsegments bzw. an der Rotoreinheit bzw. Spindelwelle relativ punktuell auftritt. Hierdurch werden Materialverformungen generiert, die mit dem erfindungsgemäßen Spannkraft-Sensor erfasst und z. B. mittels einer vorteilhafter elektronischer Kontrolleinheit weiterverwendet bzw. verarbeitet werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch das Verspannen des Werkzeugs bzw. Betätigen der Werkzeug-Spannvorrichtung/Spannzange (sehr kleine) Materialverformungen erzeugt, insb. wenige Mikrometer, mit denen erfindungsgemäß das Verspannen des Werkzeugs erfasst und in vorteilhafter Weise weiterverwendet bzw. bewertet und vorzugsweise eine Steuerung/Kontrolle der Bearbeitung, insbesondere während des Betriebes bzw. der Spannbearbeitung, ermöglichen werden. Hiermit können völlig neuartige Möglichkeiten der Überwachung des Bearbeitungsvorganges und somit eine entscheidend höhere Genauigkeit und Sicherheit der Bearbeitung verwirklicht werden.
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In vorteilhafter Weise ist eine Werkzeug-Spannvorrichtung in Umfangsrichtung der Drehachse betrachtet symmetrisch bzw. rotationssysmmetrisch ausgebildet. Es hat sich in aufwendigen und genauen Untersuchungen bzw. Berechnungen gezeigt, dass beispielsweise bei einer Verwendung einer sogenannten Spannzange mit z. B. sechs in Umfangsrichtung (symmetrisch) angeordneten einzelnen Spannsegmenten durch das Verspannen des Werkzeuges eine sehr kleine, jedoch symmetrische bzw. rotationssysmmetrische Materialverformung der Welle/Spindelwelle bzw. eines Anschlagelementes und/oder Anschlagringelementes generiert wird.
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Die Materialverformung bzw. Materialverformungen (bei korrekt/ordnungsgemäß eingespanntem Werkzeug, insb. Werkzeug mit Hohlschaftkegel (HSK), stellt/stellen in vorteilhafter Weise den Soll-Zustand im Sinn der Erfindung dar, der mittels der beiden Spannkraft-Sensoren gemäß der Erfindung erfasst bzw. überwacht werden kann. Jede (noch so kleine) Abweichung bzw. Abweichungen dieses Soll-Zustand bzw. der symmetrisch um die Drehachse ausgebildeten/vorhandenen Materialverformungen eines Teils der Rotoreinheit bzw. der Werkzeugaufnahmeeinheit kann erfasst werden. Diese Kenngrößen stellen den Ist-Zustand im Sinn der Erfindung dar, sowohl im Ruhezustand als auch während des Betriebes bzw. der Bearbeitung. Dieser aktuelle Ist-Zustand bzw. die Veränderungen der Soll-Verformung/Soll-Verformungen können in vorteilhafter Weise bewertet/ausgewertet, insb. mittels einer elektronischen und/oder elektrischen Kontrolleinheit. Gegebenenfalls können Ausgleichsmaßnahmen bzw. Nachjustage, Änderungen des Vorschubweges, Vorschubrichtung, Drehzahl, oder dergleichen eingeleitet/vorgenommen werden, sofern im Ist-Zustand z. B. eine Veränderung der Lage/Ausrichtung der Drehachse festgestellt wird. Dies erhöht die Genauigkeit des Bearbeitungsvorganges bzw. verbessert die Maßhaltigkeit des bearbeiteten Werkstücks in entscheidendem Maß.
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Vorzugsweise weisen wenigstens zwei benachbarte Spannkraft-Sensoren zueinander eine Winkelposition von 90° auf und/oder ist die Drehachse in den wenigstens zwei Erfassungsbereichen der wenigstens zwei Spannkraft-Sensoren angeordnet. Hiermit kann in vorteilhafter Weise die Lage bzw. Verkippung der Drehachse bestimmt/erfasst werden.
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Vorzugsweise ist der Spannkraft-Sensor in Richtung der Drehachse betrachtet neben bzw. in Höhe bzw. im Bereich der Werkzeug-Spannvorrichtung/Spannzange/Spannsegmente und/oder Werkzeugaufnahmeeinheit und insbesondere in radialer Richtung betrachtet außerhalb der bzw. an einem größeren Radius als die Werkzeug-Spannvorrichtung/Spannzange/Spannsegmente und/oder Werkzeugaufnahmeeinheit angeordnet. Hiermit können die Materialverformungen des Gegenlagers/Anschlages bzw. der Spindelwelle bzw. der Werkzeugaufnahmeeinheit in vorteilhafter Weise erfasst werden.
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Beispielsweise ist der Spannkraft-Sensor an und/oder in der Rotoreinheit angeordnet und umfasst eine Übertragungseinheit zur Übertragung von Messdaten. Hierbei kann der Spannkraft-Sensor direkt bzw. unmittelbar die Verformung der Werkzeug-Spannvorrichtung/Spannzange/Spannsegmente und/oder Werkzeugaufnahmeeinheit bzw. des Gegenlagers/Anschlages (des/der Spannelemente) bzw. der Spindelwelle erfassen. Die vorteilhafte Übertragungseinheit ermöglicht ein Übertragen des Sensorsignals bzw. der Messdaten auf die Statoreinheit und hierdurch in vorteilhafter Weise zu einer vorteilhaften Kontrolleinheit zur Kontrolle/Steuerung der Werkzeugmaschine und/oder Werkzeugmaschinenkomponente/Motorspindel.
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Die Übertragungseinheit kann beispielsweise als eine Drehdurchführung ausgeführt werden. Vorzugsweise ist die Übertragungseinheit als Sender-Empfänger-Einheit bzw. als Funkeinheit zur kontaktlosen oder drahtlosen Übertragung der Messdaten/Sensorsignale ausgebildet.
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Vorteilhafterweise ist die Übertragungseinheit als elektrische Daten- und/oder Energieübertragungseinheit zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Statoreinheit und der Rotoreinheit ausgebildet. Vorzugsweise weist die elektrische Energieübertragungseinheit wenigstens zwei in Wirkverbindung stehende Spulen auf. Hiermit können die Messdaten bzw. die Sensorsignale und/oder die entsprechenden elektrischen Energie-Impulse/Signale vom rotierenden Teil auf den statischen Teil der Werkzeugmaschinenkomponente übertragen werden.
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Beispielsweise kann ein ggf. dritter Spannkraft-Sensor als Dehnmessstreifen oder als kapazitiver Sensor ausgebildet. Hier ist zumindest ein Teil des Sensors, d. h. der Dehnmessstreifen oder eine Seite/Fläche des Kondensators auf/an der Rotoreinheit angeordnet und kann in vorteilhafter Weise das Sensorsignal (mit-)generieren und mittels der Übertragungseinheit auf die Statoreinheit übertragen werden.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Spannkraft-Sensor an und/oder in der Statoreinheit angeordnet. Hiermit kann eine Übertragungseinheit zur Übertragung des Sensorsignals bzw. der Messdaten von der rotierenden Rotoreinheit auf die statische Statoreinheit entfallen. Dies verringert den konstruktiven und wirtschaftlichen Aufwand.
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Zum Beispiel sind wenigstens einer der/die Spannkraft-Sensoren als Radarsensoren bzw. als Ortungssensoren auf Basis elektromagnetischer Wellen ausgebildet. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist wenigstens einer der Spannkraft-Sensoren als induktiver und/oder optischer und/oder magnetischer Sensor/Hallsensor und/oder als Ultraschall-Sensor ausgebildet. Entsprechende Sensoren können als bereits handelsübliche und bewährte Sensoren erworben und gemäß der Erfindung verwendet bzw. eingesetzt werden. Dies verbessert die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Erfassung.
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Beispielsweise ist wenigstens einer der Spannkraft-Sensor als Axial-Sensor mit wenigstens einem in Längsrichtung der Drehachse ausgerichteten Erfassungsbereich ausgebildet, welcher vorzugsweise als Näherungssensor zur Erfassung eines Abstands zwischen der Rotoreinheit und der Statoreinheit in axialer Richtung ausgebildet ist. Es hat sich bei den aufwendigen Untersuchungen gezeigt, dass das Verspannen bzw. axiale Betätigen der Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. der Spannzange eine (geringe) axiale Verformung des Gegenlagers/Anschlags bzw. der Spindelwelle generiert. Dieses durch die Spannkraft generierte axial ausgerichtete Zusammendrücken des Gegenlagers/Anschlags bzw. der Spindelwelle kann mit dem vorteilhaften Axial-Sensor erfasst werden. Je nach Anordnung/Ausbildung des Axial-Sensors kann sich hierbei ein zu erfassender Abstand/Luftspalt entweder vergrößern oder verkleinern.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Rotoreinheit eine in radialer Richtung ausgerichtete Auskragung und/oder einen in radialer Richtung ausgerichteten Arm aufweist und der Axial-Sensor so ausgerichtet, dass die Auskragung und/oder der Arm im Erfassungsbereich des Axial-Sensors liegt, um eine Verschiebung der Rotoreinheit in axialer Richtung zu erfassen und/oder um eine Verkippung der Drehachse zu vermessen.
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Vorzugsweise ist ein wenigstens teilweise bzw. im Wesentlichen radial ausgerichteter Steg bzw. Messarm vorgesehen. Beispielsweise ist der Steg bzw. Messarm als die/der zuvor genannte Auskragung und/oder Arm ausgebildet. Durch eine vorteilhafte Länge der Auskragung und/oder des Stegs bzw. Messarmes kann in vorteilhafter Weise eine Verstärkung bzw. eine Vergrößerung der Empfindlichkeit des Sensorsystems erreicht werden. So kann die Auskragung und/oder der Steg bzw. Messarm durch eine radiale Verformung der Rotoreinheit bzw. Werkzeugaufnahmeeinheit eine Winkelverstellung bzw. Veränderung der Ausrichtung in Bezug zur Drehachse, insb. ein Verändern einer radialen bzw. 90°-Ausrichtung hin zu einer hierzu abweichenden bzw. in Bezug zur Drehachse spitzwinkligen Ausrichtung erfahren, so dass z. B. durch ein vorteilhaftes Erfassen der Lage/Position der Auskragung und/oder des Stegs bzw. Messarms durch einen der Spannkraft-Sensoren bzw. Abstandssensoren am Endbereich bzw. am Ende der Auskragung und/oder des Stegs bzw. Messarms eine Verstärkung bzw. Vervielfachung der Auslenkung bzw. ursprünglich eher radialen Verformung erreicht wird. Hiermit kann die Messempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensorsystems erhöht bzw. verbessert werden.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Spannkraft-Sensor als Radial-Sensor mit wenigstens einem senkrecht zur Längsrichtung der Drehachse ausgerichteten Erfassungsbereich ausgebildet. Hiermit kann in vorteilhafter Weise die durch das Verspannen bzw. durch die Spannkraft generierte radiale Verformung des Gegenlagers/Anschlags der Werkzeug-Spannvorrichtung bzw. der Spannzange und/oder der Spindelwelle mit dem vorteilhaften Radial-Sensor erfasst werden. Gerade auch eine Anordnung und/oder eine Ausbildung des Spannkraft-Sensors als berührungsloser und/oder kontaktloser Radial-Sensor gewährleistet eine besonders vorteilhafte Erfassung der Verformung und Generierung sowie ggf. Weiterleitung vorteilhafter Sensorsingale bzw. Messdaten. Hierbei wird in vorteilhafter Weise ein zu erfassender Abstand/Luftspalt zwischen Rotoreinheit und Statoreinheit sich verkleinern. Hierfür sind induktive Sensoren mit wenigstens einer Messspule, magnetische Sensoren mit einem magnetischen bzw. magnetisierbaren Material/Element und/oder optische Sensoren mit einem Lichtwellensender und/oder -empfänger und/oder -reflektor, z. B. der/die sich verformende Abschnitt/Oberfläche der Rotoreinheit/Werkzeug-Spannvorrichtung/Spindelwelle, von besonderem Vorteil. Beispielweise kann sichtbares Licht, Laserlicht, UV- oder Infrarot-Licht und/oder ein optisches Interferometer oder dergleichen verwendet werden, um z. B. die Abstandsänderung zu erfassen.
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Generell kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spannkraft-Sensors im Fall einer Beeinträchtigung und/oder eines Bruches und/oder einer Verschmutzung bzw. nachteiligen Veränderung der Werkzeugspannvorrichtung bzw. eines Spannelementes ein einziger Sensor bereits von Vorteil sein. So kann beispielsweise im Fall eines Bruches eines der (sechs) Spannsegmente einer Spannzange während der Bearbeitung bzw. Spannbearbeitung des Werkzeuges, d. h. im rotierenden Betrieb bzw. bei rotierender Rotoreinheit/Spindelwelle/Motorspindel, dieser eine Sensor gemäß der Erfindung bereits diese Änderung/Beeinträchtigung erfassen. Denn die durch die Veränderung/Verringerung bzw. den Wegfall der erfindungsgemäßen Verformung an der Stelle des einen Spannsegmentes wird dies spätestens bei/nach einer ganzen Umdrehung der Welle/Rotoreinheit erfassbar.
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Auch kann zum Beispiel eine Verschmutzung bereits eines der vorzugsweise sechs Spannsegmente/-elemente einer Spannzange bzw. Werkzeugspannvorrichtung sogar vor der Bearbeitung bzw. Spannbearbeitung des Werkzeuges mit einem einzigen Spannkraft-Sensor gemäß der Erfindung erfasst werden. Denn beim Anlaufen bzw. spätestens nach einer ganzen Umdrehung der Rotoreinheit/Spindelwelle kann z. B. ein Spann bzw. ein Schmutzpartikel, der zwischen Spannelement/-segment und Spindelwelle/Gegenhalter/Anschlag ist bzw. eingeklemmt wurde, zu einer erfassbaren Änderung der Verformung, insbesondere zu einer größeren bzw. stärkeren Materialverformung an dieser besonderen Stelle führen. Dies kann gemäß der Erfindung erfasst und weiterverarbeitet/-verwendet werden, z. B. zur Kontrolle bzw. Steuerung und/oder zum Bremsen/Stoppen der Rotoreinheit/Spindelwelle/Motorspindel.
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Generell ist ein vorteilhaftes Signalisieren einer erfassten Änderung der Verformung, d. h. v. a. einer Abweichung der erfassten Ist-Verformung von der (zu erwartenden) Soll-Verformung, für die Bedienperson der Werkzeugmaschine hilfreich sein. Vorzugsweise wird eine Signalsäule und/oder eine Anzeige eines Displays/Bildschirms aktiviert, so dass die Bedienperson auf die Änderung bzw. Beeinträchtigung hingewiesen wird und nach dem Fehler bzw. der Veränderung schaut und diese beseitigt. Hiermit wird eine deutliche Steigerung der Qualitätssicherung bzw. der Vermeidung von Ausschuss erreicht.
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Beispielweise mit einem vorteilhaften Drehgeber oder dergleichen kann eine Ermittlung und ggf. Anzeige/Benennung des betroffenen Spannelementes/-segmentes realisiert werden.
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Vorzugsweise (sofort bzw. unmittelbar) nach/bei/während der Erfassung einer Veränderung der Verformung und/oder einer Abweichung der erfassten Ist-Verformung von einer (gespeicherten/definierten) Soll-Verformung kann mittels einer elektrischen Kontroll- bzw. Steuereinheit ein Anhalten/Bremsen bzw. Stoppen der Rotoreinheit generiert werden, so dass keine Ungenauigkeit bzw. Nachteile bei der Bearbeitung des Werkstückes entstehen können, insbesondere bzgl. der Genauigkeit.
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Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei oder mehrere Spannkraft-Sensoren in Umfangsrichtung, insbesondere an zueinander verschiedenen Winkelpositionen um die Drehachse herum und/oder symmetrisch um die Drehachse herum angeordnet. Hiermit kann die Änderung der oben genannten Verformungen und zudem ein Schwingen der rotierenden Rotoreinheit, insbesondere der Spindelwelle bzw. Motorspindel, in vorteilhafter Weise erfasst werden. Vorzugsweise (sofort bzw. unmittelbar) nach/bei/während der Erfassung einer Veränderung der Schwingungen der rotierenden Rotoreinheit, insbesondere der Spindelwelle bzw. Motorspindel, und/oder einer Abweichung der erfassten Ist-Schwingungen von (gespeicherten/definierten) Soll-Schwingungen kann mittels einer elektrischen Kontroll- bzw. Steuereinheit ein Anhalten/Bremsen bzw. Stoppen der Rotoreinheit generiert werden, so dass keine Ungenauigkeit bzw. Nachteile bei der Bearbeitung des Werkstückes entstehen können, insbesondere bzgl. der Genauigkeit.
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Beispielsweise kann sich die Spindelwelle um ca. 5 μm im Durchmesser weiten. Problematisch war dies zum Teil bisher da diese Aufweitung genau im Bereich eines Lagers stattfand. Diese Aufweitung bzw. Verformung der Rotoreinheit bzw. der Welle ist durch die Spann-/Einzugskraft des Werkzeugs entstanden. Sobald ein Werkzeug in die Welle eingespannt wird, wird die Welle im vorderen Bereich axial zusammengedrückt und dehnt sich in der Folge radial aus.
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Die Erfindung betrifft die Erfassung, der durch die Spannkraft zwischen Werkzeug-Spannsystem und Spindelwelle hervorgerufenen elastischen Verformungen der im Kraftfluss befindlichen Bauteile einer Bearbeitungsspindel. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Aufgrund der Einzugskraft hervorgerufenen Verformungen auch im Betrieb gemessen werden können und sich damit Rückschlüsse auf das sicher gespannte Werkzeug, auch im Betrieb der Spindel, ziehen lassen.
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Auch kann durch eine entsprechend ausgeprägte radiale Asymmetrie der Bauteilverformung, Rückschlüsse auf die Gleichmäßigkeit der eingeleiteten Spannkräfte in den Greifersegmenten gezogen werden.
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Des Weiteren ist durch die Anordnung wenigstens einer zweiten, im Winkel beabstandeten Messmöglichkeit eine dynamische Rundlaufmessung als Basis zur schwingunstechnischen Beurteilung des Bearbeitungsprozess möglich.
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Aufgrund der Einzugskraft mit der das Werkzeug in die Aufnahme der Spindelwelle eingezogen wird, stellt sich eine elastische Verformung der Geometrie im Bereich des Kraftflusses ein. Auf Basis dieser Verformung kann auf die Höhe der Einzugskraft geschlossen werden, mit der das Werkzeug in die Aufnahme gezogen wird. Fehlspannungen und zu geringe Einzugskraft, wie auch eine zu hohe Einzugskraft, lassen sich somit messtechnisch im Betrieb der Spindel erfassen und auswerten.
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Auch kann in vorteilhafter Weise eine Anlagenkontrolle des Werkzeugs in der Schnittstelle realisiert werden. Um mit Werkzeugen genaue Geometrien am Werkstück zu erstellen, ist es wichtig, dass die korrespondierenden Flächen des Werkzeug und der Werkzeugaufnahme in der Spindel sauber aufeinander liegen. Ist diese Anlage z. B. durch „Einklemmen” eines Spanes gestört, wird der Bereich im direkten Kraftfluss ungleichmäßig gegenüber den restlichen Bereichen verformt. Mit erfindungsgemäßen Sensorik kann diese ungleichmäßige Verformung erkannt und ausgewertet werden.
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Vorteilhafterweise ist eine Überwachung des Bearbeitungsprozess umsetzbar. Mit im Winkel beabstandeten Sensoriken kann die „Flugbahn” der Spindelwelle erfasst werden. Möglichst gleichmäßige, insbesondere schmale Lissajou Figuren deuten hierbei auf einen stabilen Prozess mit wiederholbaren Werkstückeigenschaften hin. „Chaotische” Ausprägungen weisen auf gestörte Prozesse hin. Werkstücke, die mit solchen Parametern gefertigt werden entsprechen in den meisten Fällen nicht den Vorgaben und sind somit Ausschuss.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigt:
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1 ein schematischer, geschnittener Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Motorspindel mit Radial-Sensor,
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2 ein schematischer, geschnittener Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Motorspindel mit Axial-Sensor und
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3 ein schematischer Querschnitt in Richtung der Drehachse der Motorspindel gemäß 2 mit zwei erfindungsgemäßen Axial-Sensoren.
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In den 1 und 2 ist je eine Spannzange 1 mit mehreren Spannsegmenten 2 schematisch im Schnitt in einer Motorspindel 3 einer Werkzeugmaschine dargestellt. Wie im Werkzeugmaschinenbau üblich ist eine Seite der Spannzange 1 im ungespannten Zustand (fast nicht dargestellten Teil) und im gespannten Zustand der Motorspindel 3 bzw. der Spannzange 1 dargestellt.
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Im dargestellten, gespannten Teil der Motorspindel 3 der Figuren ist ein Spannkraft-Sensor 4 gemäß der Erfindung zu erkennen. In 1 weist dieser Sensor 4 einen radial ausgerichteten Wirkbereich auf und in 2 einen in Drehachse D ausgerichteten Wirkbereich auf. Demzufolge ist in 1 ein Radial-Sensor 4 im Sinn der Erfindung und in 2 ein Axial-Sensor 4 im Sinn der Erfindung dargestellt. In den 1 und 2 ist jedoch ein jeweils zweiter, entsprechender Sensor 4 gemäß der Erfindung nicht zu erkennen, da dieser jeweils in Umfangsrichtung, insb. um 90°, versetzt angeordnet ist und somit in den geschnittenen Darstellungen nicht sichtbar ist. Die Anordnung der beiden erfindungsgemäßen Sensoren 4 sind in 3 zu erkennen.
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Durch das Verspannen des nicht näher dargestellten Werkzeuges bzw. durch eine axial in Richtung Drehachse D gerichtete Verstellung der Spannzange 1 bzw. Spannsegmente 2 wird ein in 1 schematisch dargestellter Bereich X einer Spindelwelle 5 bzw. eines Gegenhalters 6 bzw. Anschlags/Ringelementes 6 der Motorspindel 3 in radialer Richtung R verformt bzw. geweitet. Hierbei überträgt ein Element 7 der Spindelwelle 5 eine Spannkraft F bzw. Verformung/Veränderung einer Werkzeugaufnahmeeinheit 8 auf das Element 6. Hierdurch verändert bzw. verkleinert sich ein Abstand 9 bzw. Luftspalt 9 zwischen Rotoreinheit bzw. Spindelwelle 5 und einer Statoreinheit 10 mit dem Radialsensor 4. Die Veränderung der Verformung im Bereich X durch das Verspannen ist die Soll-Verformung im Sinn der Erfindung und eine Veränderung der erfassten Ist-Verformung wird entsprechend in vorteilhafter Weise zur Kontrolle/Steuerung der Motorspindel 3 verwendet.
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In 2 ist eine axial ausgerichtete Verformung eines Messarmes 11 mit dem Axial-Sensor 4 bzw. eine axiale Änderung A des Abstandes 9 erfassbar und weiter verarbeitbar. Diese axiale Änderung A wird wiederum durch eine Spannkraft F bzw. radiale Verformung/Veränderung der Werkzeugaufnahmeeinheit 8 auf das Element 6 generiert.
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In 3 ist sehr schematisch ein Querschnitt durch die Variante gemäß 2 dargestellt, wobei die vorteilhafte Anordnung der beiden erfindungsgemäßen Sensoren 4 verdeutlicht wird. Diese beiden Sensoren 4, ebenso wie auch nicht näher dargestellte zwei radial orientierte Sensoren 4 gemäß 1, sind in Umfangsrichtung vorzugsweise um 90° versetzt angeordnet. Hiermit kann in vorteilhafter Weise die exakte Position/Ausrichtung der Drehachse D erfasst bzw. bestimmt werden. Symmetrische oder unsymmetrische Verformungen/Veränderungen des Gegenhalters 6 bzw. Anschlags/Ringelementes 6 der Motorspindel 3 und/oder der Werkzeugaufnahmeeinheit 8 können durch die beiden Sensoren 4 erfasst und in vorteilhafter Weise bewertet/ausgewertet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19636701 A1 [0004]
- DE 3529181 A1 [0004]
- DE 19630205 A1 [0007, 0011, 0014]
