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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensornachrüstsatz für axial rotierbare Körper, insbesondere für Wellen von Werkzeugmaschinen und für Werkzeuge sowie für alle Arten von Maschinen, Getrieben und Motoren, bei denen ein stirnseitiger Zugang zu rotierbaren Wellen möglich ist.
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Vorrichtungen zum Erfassen von Zustandsindikatoren rotierbarer und im Benutzungsfall rotierender Werkzeuge wie Fräswerkzeuge, Bohrwerkzeuge, Schneidwerkzeuge oder Schleifwerkzeuge sind im Stand der Technik allgemein üblich. Derartige Vorrichtungen werden für das Erfassen von Verschleiß- oder Verbrauchsindikatoren verwendet, aus den ermittelten Daten läßt sich darauf schließen, ob das Werkzeug einer Wartung oder Instandhaltung bedarf. Derartige Vorrichtungen werden ebenfalls für das Erfassen eines Betriebszustands verwendet. So ist durch das Erfassen der Drehzahl ersichtlich, ob sich das Werkzeug im optimalen Betriebszustand befindet oder ob die Steuerung tätig werden muß, um das Werkzeug wieder in ideale Betriebsbedingungen zu bringen, um so dessen optimale Funktion zu gewährleisten.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, die die Drehzahl eines rotierenden Teils eines Werkzeugs erfassen. Eine derartige Sensoreinheit besteht in der Regel aus einem signalgebenden und einem signalaufnehmenden Sensorelement. In der Regel befindet sich entweder ein signalgebendes oder ein signalaufnehmendes Sensorelement auf dem rotierenden Werkzeugteil, während das jeweils andere Element statisch mit dem umgebenden Werkzeuggehäuse verbunden ist. Es ist üblich, dass das signalgebende Sensorelement ein elektrisches oder magnetisches Feld erzeugend oder ein optisches Signal abgebend ist und das signalaufnehmende Sensorelement ebendieses messend ist.
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Es ist bekannt, Werkzeuge und Werkzeugmaschinen bereits ab Werk mit Sensoren und auch Drehzahlmessern auszustatten. Im Stand der Technik ist es bekannt, optische Sensoren zu verwenden, die etwaige Löcher oder auch Erhebungen in rotierenden Zahnrädern oder von Löchern durchsetzten rotierenden Ringen erfassen und daran die Drehzahl ableiten. So kann durch eine unregelmäßige Verteilung der Erhebungen und/oder Löcher auch eine aktuelle Position der Vorrichtung erkannt werden. Dies zeigen beispielhaft die
WO 2008/12835 A2 , die
DE 198 47 328 A1 und die
DE 198 25 015 A1 . Nachteilig an diesen Ausführungsformen ist, dass die Sensorsätze viel Platz benötigen, nicht nachrüstbar und auch nicht an beliebigen Werkzeugen anbringbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Sensornachrüstsatz der eingangs genannten Art anzugeben, der in einfacher Weise an beliebige, ursprünglich nicht für eine Nachrüstung vorgesehene rotierende Körper wie Wellen, insbesondere von Werkzeugmaschinen, Maschinen, Getrieben, Motoren und Werkzeugen, bei denen ein stirnseitiger Zugang zu rotierbaren Wellen möglich ist, anbringbar ist und zuverlässig arbeitend ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Sensornachrüstsatz für derartige axial rotierbare Körper mit Umhausung, wie Wellen, insbesondere von Werkzeugmaschinen oder Werkzeugen, vor, aufweisend ein Gehäuse, mindestens einen Sensor, mindestens einen Signalgeber und mindestens eine Befestigungseinrichtung, wobei das Gehäuse einen sensorseitigen ersten Gehäuseabschnitt mit einer ersten Befestigungsteileinrichtung und einen signalgeberseitigen zweiten Gehäuseabschnitt mit einer zweiten Befestigungsteileinrichtung aufweist, der Sensor am ersten Gehäuseabschnitt und der Signalgeber am zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet ist, erster und zweiter Gehäuseabschnitt relativ zueinander beweglich ausgebildet sind, Sensor und Signalgeber relativ zueinander beweglich ausgebildet sind, wobei einer der beiden Gehäuseabschnitte im Benutzungsfall an dem axial rotierenden Körper und der andere an dessen Umhausung angeordnet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die an dem im Benutzungsfall rotierenden Gehäuseabschnitt angeordnete zweite Befestigungsteileinrichtung eine zu dem rotierenden Körper koaxiale Befestigungseinrichtung ist.
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Die axiale Positionierung und Ausbildung der Befestigungsteileinrichtung hat den großen Vorteil, dass der rotierbare Körper, insbesondere das Werkzeug, bzw. dessen Schaft, nicht durch das Nachrüsten in seiner Funktion eingeschränkt ist. Unwuchten durch eine ungleichförmige Massenverteilung werden vermieden. Die Zweiteilung des Nachrüstsatzes in zwei zueinander beweglichen Teile jeweils aus Gehäuseabschnitt und einem Sensorelement führt zu einer funktionalen Anordenbarkeit des Nachrüstsatzes unmittelbar am rotierenden Körper und dessen nichtrotierender Umgebung, die als Umhausung bezeichnet ist. Hierzu sind mit Vorteil zwei Befestigungsteileinrichtungen vorgesehen, die sowohl die rotierende Sensoreinheit (Sensor oder Signalgeber) als auch die statische Sensoreinheit (Sensor oder Signalgeber) in ihrer Bewegung zueinander festgelegt.
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Weiterhin vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Befestigungsteileinrichtungen gewählt sind aus der Gruppe gebildet durch: Schraubverbindungen, Klemmeinrichtungen, Klebeverbindungen, Schweißverbindungen. Die genannten Arten von Befestigungsteileinrichtung bringen alle den Vorteil mit sich, dass derartige Befestigungen keine komplizierten Gegenstücke aufseiten des Werkzeugs oder dessen Ummantelung benötigen. Schraubverbindungen benötigen lediglich Gewindebohrungen, Klebungen nur entsprechend geeignete Oberflächen. Hierdurch ist der erfindungsgemäße Sensornachrüstsatz auf nahezu jedem beliebigen rotierenden Körper, bzw. Werkzeug, anbringbar.
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Erfindungsgemäß ist ebenfalls vorgesehen, dass derjenige Gehäuseabschnitt, der an der Umhausung angeordnet ist, über einen Mitnehmer grundsätzlich verschiebbar, aber drehfest mit der Umhausung verbunden ist. Durch eine derartige Lagerung des nicht rotierenden Gehäuseabschnitts ist es mit Vorteil ermöglicht, dass eventuelle Unwuchten oder exzentrische Läufe ausgeglichen werden können, die eher gering beweglich Anordnung ist ausreichend, um derartige Unwuchten ausgleichen zu können aber gleichzeitig festgelegt genug, um definierte Betriebsbedingungen des Nachrüstsatzes einzuhalten. Der Mitnehmer ist dabei bevorzugt radial und axial gegenüber der Umhausung verschieblich, jedoch wie erwähnt drehfest und damit gegen Rotation gesichert.
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Weiterhin ist es vorteilhaft vorgesehen, dass zwischen Mitnehmer und Umhausung ein über eine Befestigungsteileinrichtung an der Umhausung befestigter Adapter befindlich ist. Dieser dient vor allem der Flexibilität im Einsatz des Sensornachrüstsatzes, da so der Adapter das Anbringen des Sensornachrüstsatzes an verschiedensten Maschinen, Getrieben oder Motoren ermöglicht.
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Von besonders großem Vorteil ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensornachrüstsatz ein Kugellager aufweist, das zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt wirkend, insbesondere auch dort angeordnet, ist. Durch ein solches Kugellager oder ein ähnlich wirkendes Lager ist es ermöglicht, den Sensornachrüstsatz als ein einheitliches, zusammenhängendes Set aus Sensor und Signalgeber auszugestalten, was eine gesonderte Ausrichtung von Sensor zu Signalgeber überflüssig macht und eine weitgehend spielarme Rotation von Gehäuseteilen des Sensornachrüstsatzes ermöglicht. Dies vereinfacht das Anbringen des Sensornachrüstsatzes stark. Ebenfalls von Vorteil ist, dass Sensor und Signalgeber durch die Kupplung durch das Kugellager auch im Betrieb zueinander ausgerichtet bleiben und eine Nachjustierung aufgrund von Fehlern bei der Anbringung nicht auftreten können.
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Erfindungsgemäß ist der Sensor als Hallsensor oder induktiver Sensor und der Signalgeber als Magnet ausgebildet. Diese Konstellation entspricht der einfachsten, aber auch der effizientesten Konstellation einer Sensoreinheit, die vor allem autark und ohne äußeres Energiespeisen betrieben werden kann. Alternativ kann, wie eingangs erwähnt, der Signalgeber elektrischer oder optischer Natur sein, sodass dieser ein elektrisches Feld oder ein optisches Signal abgibt, das von dem Sensor aufgenommen wird.
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Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass die Anzahl der Sensoren der Anzahl der Signalgeber entspricht. Dies vereinfacht eine Ausrichtung der Sensoren zu den Signalgebern und umgekehrt.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor auf einer Platine angeordnet ist, die ebenfalls an dem ersten Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Die Platine weist erfindungsgemäß alle elektrischen Bauteile auf, die zur Aufnahme und Auswertung der vom Sensor stammenden Daten und der Energieversorgung dienen. Dabei ist vor allem die Zentralisierung der für die Erfassung der Daten verwendeten Elektronik in einer Platine aufseiten des nicht-rotierenden ersten Gehäuseabschnitts von Vorteil, da so Kabel und Drähte vermieden und entsprechend Platz eingespart wird.
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Die vorliegende Erfindung schlägt besonders vorteilhaft vor, dass der Sensornachrüstsatz so ausgebildet ist, dass er eine Energieversorgungseinheit aufweist, die im Benutzungsfall Energie aus der Drehbewegung des rotierenden Körpers gewinnend ist. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die gesamte für das Betreiben des Sensornachrüstsatzes, also auch für die Auswertung oder Verarbeitung der erfassten Daten auf der oben genannten Platine, benötigte Energie durch die Rotation des Werkzeugs gewonnen wird. So ist insbesondere die Konstellation aus Hallsensor(en) und Magnet(en) von Vorteil, da durch das periodische Passieren der Magneten am Hallsensor ein Wechselstrom induziert wird, der die Vorrichtung im Betriebszustand des Werkzeuges versorgen kann. Da die Vorrichtung speziell für das Erfassen der Drehzahl des rotierenden Werkzeugs vorgesehen ist, ist lediglich eine Energieversorgung im Betriebszustand des Werkzeuges notwendig.
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Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn der Sensornachrüstsatz keinen Energiespeicher aufweist und so weiter Platz eingespart ist. Ein solcher Energiespeicher kann mit Vorteil wegfallen, da der Sensornachrüstsatz nur dann mit Energie zu versorgen ist, wenn der damit ausgestatte rotierbare Körper tatsächlich rotiert. Der Verzicht auf einen Energiespeicher führt mit Vorteil zu einem kompakteren Sensornachrüstsatz.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist schließlich noch vorgesehen, dass der Sensornachrüstsatz eine Kommunikationseinheit aufweist. Idealerweise ist diese ebenfalls auf der Platine angeordnet und ist drahtlos arbeitend, insbesondere mittels Infrarot- oder insbesondere Bluetooth-Verbindungen. Diese Kommunikationseinheit wird durch die genannte Energieversorgungseinheit mit Energie versorgt, ebenfalls nur im Einsatzfall. Auch hier ist kein Energiespeicher erforderlich, da erfindungsgemäß nur Daten übertragen werden sollen, sofern der rotierbare Körper tatsächlich in Betrieb ist. Die Kommunikationseinheit kann auf der Platine befindliche und mit dem Sensor im direkten Kontakt stehende Auswerteinheiten oder Aufbereitungseinheiten der durch die Sensoren erfassten Daten entweder ergänzen oder gar ersetzen. So kann erneut Platz gespart werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Daten nicht zwingend im Betriebszustand ausgewertet werden müssen, sondern vielmehr manuell bei Bedarf an externen Geräten ausgewertet werden können. Auch ist dadurch das Speichern der erfassten Daten in einer externen Datenbank ermöglicht. Es ist ebenso vorteilhaft, ein GPS-Modul in dem Sensornachrüstsatz zu integrieren, um eine Standortlokalisation und damit eine weitere Information bezüglich der Zuordnung der gemessenen Daten zu dem entsprechenden Gerät. Die gesamten aufgenommenen Daten können dabei erfindungsgemäß über ein Handlesegerät visualisiert oder über einen Transponder an eine webbasierte Datenbank oder Cloud gesendet werden. Ebenfalls ist erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, dass ein Benutzer den Sensornachrüstsatz über die Kommunikationseinheit programmieren oder mit anwendungsbezogenen Daten, wie beispielsweise der maximalen Drehzahl, füllen kann.
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Die Erfindung wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren zu entnehmen sind.
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Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Sensornachrüstsatzes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
- 2: eine schematische Darstellung eines Sensornachrüstsatzes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensornachrüstsatzes 1 für axial rotierbare Körper 2 mit Umhausung 7, insbesondere solche von Werkzeugmaschinen, wie deren Wellen oder den Werkzeugen selber, aber auch für alle Arten von Maschinen, Getrieben und Motoren, an denen ein stirnseitiger Zugang zu der rotierenden Welle möglich ist. Ein im Betriebszustand axial rotierender Körper 2 ist beispielsweise das gehäuseseitige Ende eines Bohr- oder Fräskopfes. Auch andere direkt oder indirekt mit dem rotierenden Werkzeug verbundene oder gekoppelte, axial rotierbare Körper sind für das Anbringen des Sensornachrüstsatzes 1 geeignet. An diesem axial rotierbaren Körper 2 ist ein zweiter Gehäuseabschnitt 3b, welcher gemeinsam mit dem ersten Gehäuseabschnitt 3a das Gehäuse 3 bildet, durch eine zweite Befestigungsteileinrichtung 6b, welche gemeinsam mit der ersten Befestigungsteileinrichtung 6a die Befestigungseinrichtung 6 bildet und hier als einfache Schraube ausgebildet ist, die in ein Gewinde im axial rotierbaren Körper 2 eingreift, befestigt. Das besagte Gewinde im Körper 2 kann für die Nachrüstung nachträglich in den Körper 2 geschnitten werden. Entsprechend sind kompliziertere Befestigungen nicht notwendig. Der zweite Gehäuseabschnitt 3b enthält den Signalgeber 5, hier als Magnet 12 ausgebildet. Alternativ dazu können auch mehrere Signalgeber 5 vorhanden sein. Ebenfalls können erfindungsgemäß andere Arten von Signalgebern 5 vorhanden sein, zum Beispiel auf elektrischer oder optischer Basis arbeitende Signalgeber 5. Erfindungsgemäß ist der zweite Gehäuseabschnitt 3b axial an dem Körper 2 angebracht, um Unwuchten oder ähnliches zu vermeiden. Bei dieser Ausführungsform ist der Signalgeber 5 an die Rotationsbewegung des Körpers 2 gekoppelt. Alternativ ist der Sensor 4 anstelle des Signalgebers 5 an den axial rotierbaren Körper 2 angebracht. Die erste Ausgestaltung hat jedoch den großen Vorteil, dass die Magnete 12 als Permanentmagnete keine Energieversorgung benötigen um ein Magnetfeld aufzubauen und somti auf entsprechende Verkabelung verzichtet werden kann. Um eine relative Rotationsbewegung zwischen Signalgeber 5 und Sensor 4 zu ermöglichen, ist der Sensor 4 auf einer Platine 13 in einem ersten Gehäuseabschnitt 3a untergebracht, der drehfest über eine erste Befestigungsteileinrichtung 6a mit dem Gehäuse 3 oder der Umhausung 7 des Werkzeugs bzw. der Welle der Werkzeugmaschine verbunden ist. Auf der Platine 13 sind erfindungsgemäß weitere elektrische Bauteile wie eine Energieversorgungseinheit 14 und eine Kommunikationseinheit 15 vorgesehen. Der Sensor 4 ist dabei vorteilhaft als Hallsensor 11 ausgebildet, der durch die relative Rotationsbewegung des Permanentmagneten 12, der den Hallsensor 11 oder den induktiven Sensor 11' periodisch passiert, ein periodisches Signal in Form eines Magnetfeldes erfasst. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn der Sensor 4 relativ zum Signalgeber 5 so positioniert ist, dass der Signalgeber 5 in seiner Rotationsbewegung den Sensor 4 möglichst nah passiert. Dabei sollte der Abstand des Sensors 4 von der Rotationsachse des axial rotierenden Körpers 2 dem Abstand des Signalgebers 5 von der Rotationsachse entsprechen. Ebenfalls sollte der Sensor 4 in axialer Richtung möglichst dicht an dem Signalgeber 5 angeordnet sein, sodass ein klares Signal gewährleistet ist, wobei ebenfalls ein gewisser Abstand gewahrt werden musst, um ein Beschädigen des Sensornachrüstsatzes 1 bei Unregelmäßigkeiten in der Drehbewegung des axial rotierbaren Körpers 2 oder des Signalgebers 5 vorzubeugen. Um derartigen Unregelmäßigkeiten weiter vorzubeugen ist es erfindungsgemäß von großem Vorteil, wenn der Sensornachrüstsatz 1 ein Kugellager 10 aufweist, das den ersten Gehäuseabschnitt 3a mit dem zweiten Gehäuseabschnitt 3b drehbar koppelt. Ebenfalls vorteilhaft ermöglicht eine Kupplung der beiden Gehäuseabschnitte 3a, 3b eine einteilige Herstellung des Sensornachrüstsatzes 1, so dass ein Anwender nur einen Sensorkörper an seinem nachzurüstenden Werkzeug etc. anbringen muß. Die Energieversorgungseinheit 14 ist so ausgebildet, dass die Energie aus der Rotationsbewegung der Permanentmagnete 12 erzeugt wird, die einen Wechselstrom mit der Periodizität der Drehbewegung erzeugen. Dadurch können Energiespeicherbauteile wie Batterien oder Akkus entfallen und dadurch Platz eingespart werden. Ein Verzicht auf Energiespeicher ist vorteilhaft möglich, da der Sensornachrüstsatz 1 insbesondere für das Messen der Drehzahl und damit verbundenen physikalischen Eigenschaften des Werkzeugs vorgesehen ist und daher ein Messen der Drehzahl nur im Betriebszustand, also bei tatsächlich vorhandener Rotationsbewegung des Werkzeugs notwendig ist. Das Gleiche gilt für die erfindungsgemäß vorgesehene Kommunikationseinheit 15, welche ebenfalls von der Energieversorgungseinheit 14 mit Energie versorgt wird, sodass die vom Sensor 4 erfassten Daten an eine externe Stelle, wie zum Beispiel einem Handlesegerät oder über einen Transponder an eine webbasierte Datenbank oder Cloud, gesendet werden können um dort aufbereitet und verarbeitet werden zu können. Dabei ist es vorgesehen, dass neben den vom Sensornachrüstsatz aufgenommenen Daten insbesondere anwendungsbezogene Daten an den Sensornachrüstsatz übermittelt werden, wie zum Beispiel Namen, Standort, Maschinentyp und Nutzungskenngrößen wie beispielsweise die maximale Drehzahl. Die aufgenommenen Daten umfassen dabei erfindungsgemäß vor allem die Betriebsdauer, die Drehzahlen, die Anzahl der Maschinenstillstände, die Anzahl der Lastzyklen, Temperaturen, Vibrationen und die Feuchtigkeit, insbesondere jedoch die Drehzahlen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensornachrüstsatzes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu der in 1 beschriebenen, ersten Ausführungsform der Erfindung, weist diese Ausführungsform einen Adapter 9 auf, welcher zwischen der Umhausung 7 und dem Mitnehmer 8 der ersten Befestigungsteileinrichtung 6a angeordnet ist. Der Adapter 9 ist erfindungsgemäß fest mit der Umhausung 7 über eine der Befestigungsteileinrichtungen 6a, 6b, welche gemeinsam die Befestigungseinrichtung 6 bilden, verschraubt. So ermöglicht der Adapter 9 eine ansonsten nicht mögliche Anordnung des Mitnehmers 8 am nicht rotierenden, in diesem Fall zweiten, Gehäuseabschnitt 3b, welcher gemeinsam mit dem ersten Gehäuseabschnitt 3a das Gehäuse 3 bildet, in einer drehfesten, aber dennoch verschiebbaren Lagerung, wodurch beispielsweise ein im Laufe der Zeit entstehender oder von Anfang an vorhandener, exzentrischer Lauf der Welle ausgleichbar ist. Weiterhin ist der Signalgeber 5 am nicht rotierenden, zweiten Gehäuseabschnitt 3b angeordnet, während Sensoren 4 und Platine 13 am rotierenden, ersten Gehäuseabschnitt 3a angeordnet sind. Diese Anordnung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Sensoren 4 Temperatur und Schwingungen oder Vibrationen des Werkzeugs oder des axial rotierbaren Körpers 2, insbesondere der Welle 16 messen sollen. Entsprechend ist die datenverarbeitende Platine 13 ebenfalls am rotierenden ersten Gehäuseabschnitt 3a angebracht.
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Die Erfindung stellt ein sehr kompaktes, nachträglich leicht anbringbares und hochfunktionales Sensornachrüstsystem zur Verfügung, welches insbesondere Drehzahlen rotierbarer Körper mit robusten Sensoren betriebssicher sicher erfasst und zur weiteren Verwendung weiterleitet und dabei aufgrund seiner einfachen Konstruktion mit bewußt auf das Wesentliche reduzierter Funktionalität leicht einsetzbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensornachrüstsatz
- 2
- axial rotierbarer Körper
- 3
- Gehäuse
- 3a
- Erster Gehäuseabschnitt
- 3b
- Zweiter Gehäuseabschnitt
- 4
- Sensor
- 5
- Signalgeber
- 6
- Befestigungseinrichtung
- 6a
- Erste Befestigungsteileinrichtung
- 6b
- Zweite Befestigungsteileinrichtung
- 7
- Umhausung
- 8
- Mitnehmer
- 9
- Adapter
- 10
- Kugellager
- 11
- Hallsensor
- 11'
- induktiver Sensor
- 12
- Permanentmagnet
- 13
- Platine
- 14
- Energieversorgungseinheit
- 15
- Kommunikationseinheit
- 16
- Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/12835 A2 [0004]
- DE 19847328 A1 [0004]
- DE 19825015 A1 [0004]
