DE102018102327B4

DE102018102327B4 - Kraftmesseinrichtung zur Erfassung von Bearbeitungskräften an einer Werkzeugmaschine sowie Werkzeugmaschine mit Kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102018102327B4
Application number: DE102018102327.8A
Authority: DE
Inventors: Adrián González de Mendoza
Original assignee: Nuton GmbH
Current assignee: Nuton GmbH
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: DE102018102327A1

Abstract

Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften oder - momenten zwischen Werkstück und Werkzeug (5) an Werkzeugmaschinen, die mindestens einen Spindelstock (13) und eine daran befestigte Werkzeugspindel (4) aufweisen, letztere ein Spindelgehäuse (7) und eine darin drehbar gelagerte, motorisch angetriebene Spindelwelle (6) aufweisend, welche die Raumrichtung Z eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems mit den lotrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen X, Y und Z definiert und Einrichtungen zur Aufnahme eines Werkzeugs (5) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtunga. einen Lagerstern (2) aufweist, welcheri. dazu eingerichtet ist, das Spindelgehäuse (7) einer Werkzeugmaschine aufzunehmenii. mindestens drei konzentrisch um eine Ausnehmung für die Spindelwelle (6) der Werkzeugmaschine herum angeordnete Lagerstellen (3) aufweist, denen jeweils mindestens ein Sensorfuß (1) zugeordnet ist, wobei jeder dieser Sensorfüße (1) Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung von Kraftwirkungen entlang mindestens einer Raumrichtung besitzt, undiii. dazu eingerichtet ist, mittels der Sensorfüße (1) über die Lagerstellen (3) am Spindelstock (13) der Werkzeugmaschine befestigt zu werden, undb. eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus den erfassten Kraftwirkungen mindestens zweier dieser Sensorfüße (1) durch Verschaltung oder Verrechnung Größe und Richtung einer auf das Spindelgehäuse (7) einwirkenden Kraft zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur Erfassung von Bearbeitungskräften an einer Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche die auf das rotierende Werkzeug einwirkenden Zerspanungskräfte und Momente zu erfassen in der Lage ist. Eine solche Kraftmesseinrichtung kann die Effizienz, die Sicherheit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit von Werkzeugmaschinen deutlich erhöhen. Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung vereinfacht bzw. ermöglicht Antastvorgänge, die Verschleißkontrolle, die Werkzeugbruchkontrolle, die Kollisionsüberwachung und die adaptive Vorschubanpassung. Weiter betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine mit einer solchen Kraftmesseinrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine mit einer vorzugsweise mehrachsigen Kraftmesseinrichtung auszurüsten, die sich insbesondere für die dynamische Erfassung von Zerspanungskräften an Fräs-, Dreh- oder Schleifmaschinen eignet. Soll eine solche Kraftmesseinrichtung in eine serientaugliche Bearbeitungsmaschine integriert werden, ergeben sich hohe Anforderungen, da einerseits die Bearbeitungsqualität durch die Kraftmesseinrichtung nicht störend beeinflusst werden darf und andererseits die Erfassung der einwirkenden Zerspanungskräfte auch unter den für präzise und verlässliche Messungen denkbar ungünstigen Betriebsbedingungen einer Werkzeugmaschine über den gesamten Einsatzbereich gewährleistet bleiben muss.
Die wichtigsten Anforderungen an eine solche Kraftmesseinrichtung sind:

- hohe Steifigkeit und hohe Eigenfrequenz
- hohe Überlasttoleranz
- hohe Auflösung
- hohe Messgeschwindigkeit
- hohe Nullpunktstabilität
- geringer Einbauraum
- wartungsarm
- kostengünstig

Alle bekannten Technologien zur Erfassung von Kräften basieren auf der direkten oder indirekten Vermessung der Effekte lastabhängiger, elastischer Verformung eines Messkörpers der an irgendeiner Stelle in der Bauelementkette zwischen Werkzeug und Werkstück zwischengeschaltet ist. Dies führt dazu, dass in die Bauelementkette einer mit einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ausgerüsteten Werkzeugmaschine ein zusätzliches elastisches Element integriert werden muss, welches der Maschine eine zusätzliche ungewollte Nachgiebigkeit beschert. Um den negativen Folgen dieser Nachgiebigkeit auf die Genauigkeit und die erzielbare Oberflächengüte entgegenzuwirken, wird versucht, die zur Generierung des Messsignals erforderlichen Verformungen möglichst gering zu halten oder, mit anderen Worten, den Messkörper möglichst steif auszuformen.
Weiterhin ist in der Regel eine hohe Überlasttoleranz erforderlich, um zu verhindern, dass Kollisionen z.B. aufgrund einer fehlerhaften Programmierung, die Kraftmesseinrichtung zerstören. In der Regel steht diese Forderung im Konflikt mit der Forderung nach einer hohen Auflösung, da ein hoher Anteil der messbaren Verformungen als Sicherheitsreserve verwendet werden muss, sofern nicht zusätzliche Maßnahmen zur Überlastsicherung getroffen werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass die Auslegung des Messbereichs sich naturgemäß an den höchsten Kräften orientiert, welche von der Kraftmesseinrichtung zuverlässig erfasst werden soll. Da an einem CNC-Bearbeitungszentrum üblicherweise aber ein großes Spektrum von Bearbeitungsprozessen mit sehr unterschiedlichen und auch sehr geringen Bearbeitungskräften beurteilt können werden soll, kann die erzielbare Auflösung der Kraftmesseinrichtung kaum je groß genug sein.
Die Forderung nach hohen Messgeschwindigkeiten ergibt sich aus dem Wunsch, eine CNC-Maschine innerhalb von Millisekunden oder sogar Mikrosekunden auf ein gemessenes Kraftereignis reagieren zu lassen, etwa beim Antasten, der Kollisionskontrolle oder der adaptiven Vorschubanpassung. Außerdem kann eine hohe Messgeschwindigkeit helfen, die Qualität des Spanbildungsprozesses beim Fräsen auch bei hohen Drehzahlen und mehrschneidigen Werkzeugen zu beurteilen oder zu dokumentieren.
Bearbeitungsprozesse an Werkzeugmaschinen können mit demselben Werkzeug mitunter viele Stunden dauern. In dieser Zeit sollen aber die Messergebnisse verlässlich bleiben. Deshalb ist für die Beurteilung der wirksamen Kräfte und Momente eine hohe Nullpunktstabilität des Messsystems erforderlich.
Sowohl die Kraftmesseinrichtung als auch die Messelektronik sind in Bezug auf ihre Nullpunktstabilität stark von thermischen Einflüssen bedroht. Eine in eine Werkzeugmaschine integrierte Kraftmesseinrichtung ist diesbezüglich sehr ungünstigen Bedingungen ausgesetzt, da durch die Motoren, Lager und vor allem den Zerspanungsprozess selbst viel Wärme in unmittelbarer Nähe der Kraftmesseinrichtung generiert wird. Entgegenwirkende Systeme zur Kühlung des Werkstücks, des Werkzeugs und der Spindel senken zwar das absolute Wärmeniveau, können jedoch durch einen räumlichen Abstand zwischen Wärmesenke und Wärmequelle zu mechanischen Spannungen innerhalb des Maschinenkörpers und der Kraftmesseinrichtung führen, welche sich ebenfalls negativ auf die Nullpunktstabilität auswirken können. Sind die Kühlsysteme nicht permanent gleichmäßig durchströmt, sondern werden - wie gemeinhin üblich - bedarfsweise zugeschaltet, ergeben sich relativ schnelle Temperaturänderungen, die eine unvorhersehbare Nullpunktdrift verursachen. Aus diesem Grund sollte eine Kraftmesseinrichtung in einer Werkzeugmaschine im Interesse der Nullpunktstabilität in der Lage sein, sich von diesen Einflüssen möglichst gut zu entkoppeln.
Idealerweise sollte sich eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit geringem Aufwand in bestehende Maschinenkonzepte integrieren lassen. Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung befindet sich zwischen der Werkzeugspindel und dem Spindelstock. Dies bedeutet vor allem, dass sich die bestehenden, teilweise mit großem Aufwand entwickelten modularen Spindelkonzepte der Maschinenhersteller unverändert weiterverwenden lassen sollten. Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung sollte sich daher kompatibel zu den Aufnahmeflanschen von handelsüblichen Motorspindeln ausführen lassen. Weiterhin sollte sich die Aufbauhöhe zwischen Spindelflansch und Spindelgehäuse nicht oder nicht wesentlich verändern, damit die sich in der Regel am Ende des Verfahrwegs des Spindelschlittens befindliche Werkzeugwechselposition sich nicht verändert. Ideal wäre also eine Aufbauhöhe Null.
Kraftmesseinrichtungen, welche als Standardausstattung in produktive Zerspanungsmaschinen integriert werden sollen, müssen zu den genannten Anforderungen noch wartungsarm, kostengünstig herstellbar und einfach montierbar sein. Außerdem müssen sie unanfällig gegen Späne, Stäube und Flüssigkeiten sein.
Stand der Technik
Für die Erfassung von Zerspanungskräften an Werkzeugspindeln sind verschiedene Lösungen entwickelt worden, welche teilweise auch Eingang in den Markt gefunden haben.
Die erfolgreichste Gruppe davon sind die spannfutterintegrierten Kraftmesseinrichtungen, die es in unterschiedlichen Ausführungen am Markt gibt. Besonders erfolgreich sind hier die Systeme der Kistler Holding AG, Schweiz, z. B. das piezobasierte, rotierende Mehrkomponenten-Dynamometer, Typ 9170A, welches Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung erfasst sowie das Drehmoment Mz.
Der auf Dehnungsmessstreifen basierende, sogenannte sensorische Werkzeughalter „SPIKE“ der Firma Pro-Mikron GmbH & Co Kg in Deutschland ist ebenfalls eine spannfutter-integrierte Kraftmesseinrichtung. Das akkugestützte, kabellose System erfasst Axial-Kräfte F_Z, Biegemomente M_XY und Drehmomente M_Z.
Eine Kraftmesseinrichtung, welche die Zerspanungskräfte am Werkzeug erfassen können soll, kann generell innerhalb des Maschinenkörpers an einer beliebigen Stelle auf der Strecke zwischen Werkstück und Werkzeug angeordnet werden. Im Interesse einer hohen Messgüte und auch einer hohen Überlasttoleranz ist es aber sinnvoll, die Kraftmesseinrichtung so nah wie möglich an den Zerspanungsprozess heranzuführen. Eine Integration in das Spannfutter, wie dies von den oben genannten Herstellern angeboten wird und wie sie zum Beispiel in der DE 10 2008 015 005 A1 beschrieben ist, ist deshalb eine naheliegende Lösung. Die Integration in das Spannfutter hat jedoch den Nachteil, dass die Kraftmesseinrichtungen mitdrehen und mindestens ein Teil der Signalaufbereitung in der drehenden Spindel erfolgen muss. Überdies müssen die Messdaten von mehreren Messkanälen auch bei Drehzahlen oberhalb von 10.000 U/min zuverlässig an die feststehende Auswerteeinheit übertragen werden können. Diese Bedingungen limitieren die erreichbare Genauigkeit und Zuverlässigkeit von spannfutter-integrierten Kraftmesseinrichtungen. Auch die Energieversorgung stellt eine technische Hürde dar, welche zusätzliche Kosten verursacht und die Praktikabilität des Systems einschränkt, z.B. durch erforderliche Ladezyklen oder notwendige Kabelverbindungen. Außerdem wird die Entkopplung von thermischen Einflüssen erschwert. Bei werkzeugwechselnden Maschinen ergibt sich aber vor allem die Schwierigkeit, dass jedes eingewechselte Spannfutter mit einer solchen Kraftmesseinrichtung ausgestattet sein muss, was einen Einsatz in Produktionsmaschinen praktisch ausschließt und diese Systeme nur für die experimentelle Zerspanungsanalyse geeignet erscheinen lässt.
Ein ebenfalls naheliegender, nicht mitdrehender Ort für die Integration einer Kraftmesseinrichtung in eine Werkzeugspindel liegt zwischen dem Spindelhauptlager und dem feststehenden Spindelgehäuse. Diese beispielsweise aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Anordnung bietet den Vorteil, dass die Energieversorgung und die Datenübertragung konventionell, das heißt kabelgestützt erfolgen kann und die Messelektronik dezentral angeordnet werden kann. Hierbei ergibt sich jedoch auch eine Einschränkung, da eine solche Kraftmesseinrichtung alle Kräfte und Momente am Werkzeug mit Ausnahme des Drehmomentes erfassen kann. Obwohl auf das Drehmoment in der Regel über die anliegenden Motorströme bzw. den Winkelversatz zwischen Drehfeld und Rotor geschlossen werden kann, sind diese Messmethoden jedoch von vielen Fehlerquellen beeinflusst und daher in Ihrer Messgüte nicht mit den spannfutter-integrierten Systemen vergleichbar.
Die aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Lösung weist zwischen Spindelgehäuse und dem Wellenlager der Werkzeugspindel eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung auf. Diese Kraftmesseinrichtung ist ringförmig aufgebaut und besteht aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten flanschartigen Ringen, welche über mindestens drei, idealerweise aber sechs stegartige Messelemente miteinander verbunden sind. Diese Messelemente fungieren als Verformungskörper und übertragen die Kräfte des unteren Ringes an den oberen Ring. Zur Erfassung der eintretenden Verformungen sind sie mit Dehnmessstreifen versehen. Einer der beiden Ringe ist dabei fest mit dem Außenring des Wellenlagers verbunden, der andere mit dem Spindelgehäuse. Die stegartigen Messelemente sind so angeordnet, dass sie in der Zusammenschau der Messwerte die einwirkenden Kräfte und Momente in allen drei Raumachsen erfassen können.
Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass die stegförmigen Messelemente eine relativ große Nachgiebigkeit aufweisen, woraus sich, insbesondere im Vergleich zu piezobasierten Kraftmesseinrichtungen, bei vergleichbarer Grenzlast eine reduzierte Steifigkeit und eine niedrigere Eigenfrequenz ergibt. Temperaturunterschiede zwischen unterem und oberem Ring werden im Wesentlichen durch die stegförmigen Messelemente ausgeglichen. Diese weisen nach der aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannten Lösung aber keine Möglichkeit zur Kühlung oder Temperierung auf, so dass insbesondere in Achsrichtung des Rings eine starke Nullpunktdrift durch das sich erwärmende Spindellager zu erwarten ist.
Aus DE 2 648 192 ist eine im Wesentlichen zylindrische Messbüchse zur Erfassung von Axialkräften bekannt die zwischen Spindelgehäuse und Motorspindel angeordnet ist und die bei entsprechender Auslegung die Verwendung handelsüblicher Motorspindeln zuließe. Diese baut jedoch sehr hoch und ist durch die große örtliche Nähe zu den Spindellagern großen thermischen Schwankungen ausgesetzt, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen eine hohe Nullpunktdrift erwarten lassen.
Alternativ werden in der Technik häufig mehrachsige Kraftmessplatten zur Erfassung von Zerspanungskräften eingesetzt. Diese werden am anderen Ende der Bauteilkette angeordnet und messen die auf das Werkstück wirkenden Bearbeitungskräfte. Kraftmessplatten sind in vielfältiger Ausführung bekannt, z.B. als piezobasierte Systeme wie in EP 0 806 643 B1 beschrieben oder als dehnmessstreifenbasierte Systeme wie beispielsweise aus US 4 493 220 A bekannt.
US 4 493 220 A zeigt eine mehrachsige Kraftmessplatte, bei der die Grund- und Deckplatte über vier gleichartige Kraftmesszellen, im Folgenden Sensorfüße genannt, miteinander verbunden sind. Jeder Sensorfuß besitzt einen zylindrischen Rohrabschnitt, der als Verformungskörper dient, auf denen jeweils mehrere Dehnmessstreifen (DMS) in unterschiedlicher Orientierung aufgebracht sind. Jeder Sensorfuß einer solchen typischen, mehrachsigen Kraftmesseinrichtung besitzt dabei Dehnmesstreifen die mindestens eine axiale und eine radiale Kraftkomponente zu erfassen in der Lage sind. Durch Verschaltung und/oder Vergleich lassen sich mit einer solchen Anordnung die Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz sowie die Dreh- bzw. Kippmomente Mx, My, und Mz ableiten.
Am Beispiel der mehrachsigen Kraftmesseinrichtung aus US 4 493 220 A lassen sich einige typische Vor- und Nachteile derartiger Systeme beschreiben. Ein wesentlicher Vorteil ist der relativ einfache Aufbau der Sensorfüße und die leichte Skalierbarkeit solcher Systeme. Dabei lassen sich mit einem Typ Sensorfuß in Bezug auf Größe, Material und Ausführung der Deck- und Grundplatten sehr unterschiedliche Konzepte verwirklichen. Somit kann ein solches System sehr flexibel an individuelle Kundenbedürfnisse angepasst werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Kraftmessplatten zur Zerspanungsanalyse ist, dass sie auf vorhandenen Maschinen nachgerüstet werden können, wodurch sich aber durch die Aufbauhöhe und die Spannfläche der Kraftmessplatte gleichzeitig Einschränkungen in Bezug auf den zur Verfügung stehenden Arbeitsbereich ergeben.
Ein wesentlicher Nachteil von Kraftmessplatten ergibt sich aus Ihrem vorgesehenen Einbauort. Die wärmebedingte Ausdehnung des bearbeiteten Bauteils hat je nach Aufspannung direkte Auswirkungen auf das Messergebnis, die Verwendung von Kühlschmiermitteln kann hier zwar eine Verbesserung bewirken, aber auch das Gegenteil. Der Spüldruck kann darüber hinaus zudem das Messergebnis verfälschen.
Kraftmessplatten sollen genaue und zuverlässige Messergebnisse liefern unabhängig davon wo und aus welcher Richtung die Kraft auf die Aufspannfläche einwirkt. Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich und führt entweder zu Messfehlern bei Messungen bei denen der Krafteinleitungspunkt deutlich von der Kalibriersituation abweicht oder zu der Notwendigkeit aufwendiger Nachkalibrierungen für bestimmte Bearbeitungen.
Weiterhin ergibt sich bei Kraftmessplatten die Schwierigkeit, dass die Steifigkeit und die Überlastfähigkeit ebenfalls stark von Position und Richtung der eingeleiteten Kraft abhängen, so dass Aussagen der Hersteller hierüber sich nur auf eine ideale Referenzsituation beziehen und in der Regel nicht generalisierbar sind. Weiche Last an welchem Punkt eingeleitet werden darf, muss der Anwender meist abschätzen. Eine Fehleinschätzung durch den Bediener kann zu Bearbeitungsfehlern und im ungünstigsten Fall zu einer Beschädigung der Kraftmessplatte führen.
Ein weiteres erhebliches Problem von Kraftmessplatten ergibt sich aus der Tatsache, dass die Werkstücke auf der Aufspannfläche der Kraftmessplatte direkt oder über zusätzliche Spannmittel aufgespannt werden müssen. Die Spannkräfte führen aber zu Verformungen der Aufspannfläche, die von den Sensorfüßen als Vorlasten interpretiert werden. Dies führt dann zu Problemen, wenn die Spannkräfte bei wiederkehrenden Spannvorgängen variieren. Außerdem schränken die Vorlasten den zur Verfügung stehenden die Vorlasten
Die von der Firma AMTI in US 4 493 220 A beschriebene Kraftmessplatte besitzt außerdem den Nachteil, dass die Steifigkeit der als Verformungskörper dienenden Rohrabschnitte in Z-Richtung um ein Mehrfaches höher als in Querrichtung (X, Y) ist und zudem die Längs-/Querkombinationen der Dehnmessstreifen in Achsrichtung des Rohrabschnittes nur etwa 65% der Signalausbeute liefern wie die Scherkombinationen in Querrichtung (X/Y), so dass sich ein Gesamtunterschied in der Empfindlichkeit zwischen X/Y und Z von etwa 400% ergibt. Dies ist für eine feinfühlige Analyse von Zerspanungsvorgängen jedoch eine schwerwiegende Einschränkung.
In Bezug auf die Verwendung in Zerspanungsmaschinen und die dort auftretenden Temperaturschwankungen ergeben sich jedoch Nachteile bei einer ungleichen Erwärmung der Grund- und der Deckplatte eines solchen Aufbaus. Um diesen Zusammenhang zu verdeutlichen, denke man sich eine Kraftmessplatte mit folgenden Eigenschaften:

- der Abstand zwischen den Sensorfüßen beträgt 200 mm zueinander
- Grund- und Deckplatte bestehen aus Aluminium
- Die Rohrabschnitte sind im Interesse einer hohen Steifigkeit kurzgehalten, eine Verformung in Querrichtung von 0,01mm der Deckplatte zur Grundplatte entspricht dabei dem nominellen Vollausschlag (100% Kraft) der Kraftmessplatte, eine grö-ßere Verschiebung würde zu einer dauerhaften Verformung der rohrartigen Verformungszone führen.
- Durch die eingebrachte Zerspanungsenergie weist die Deckplatte nach einiger Zeit einen Temperaturunterschied zur Grundplatte von 5°C auf.

Ausgehend von einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von 23 × 10^-6 für Aluminium wächst in diesem Beispiel die Deckplatte bei einer Temperaturdifferenz von 5° zwischen den Sensorfüßen um 0,023 mm. Dies entspricht einer Querverformung der rohrartigen Verformungszone um mehr als 0,01 mm pro Seite und könnte damit bereits eine plastische Verformung bewirken. Hinzu kommen jedoch noch die einwirkenden Zerspanungskräfte. Die verwendete Brückenschaltung aus der US 4 493 220 A mittelt die auf die Einzelsensoren wirkenden Kräfte jedoch, wodurch die Belastung der Sensoren nicht zu einer Verstimmung der Brücke führt und also unbemerkt bleibt. Im Ergebnis reduziert also ein Temperaturunterschied zwischen Deckplatte und Grundplatte in jedem Fall den zur Verfügung stehenden Messbereich. Im genannten Beispiel stehen bereits bei einer Temperaturdifferenz von 1°C nur noch 80% des nominellen Messbereichs zur Verfügung.
Dieser Zusammenhang gilt uneingeschränkt auch für die meisten piezobasierten Kraftmessplatten, wodurch deren Verwendung auf den kurzeitigen oder experimentellen Einsatz beschränkt ist und sie für den Einsatz in produktiven Zerspanungsmaschinen mit dauerhaft hohem Spanvolumen ungeeignet zu sein scheinen.
Auch in einem anderen Zusammenhang bietet der in der US 4 493 220 A beschriebene Aufbau die Möglichkeit einer unerkannten Überlastung. Die in Z-Richtung eingeleiteten Lasten werden unabhängig von ihrem Einleitungspunkt in der Wheatstonebrücke gemittelt. Wird aber eine hohe Kraft direkt über einem einzelnen Sensorfuß in die Kraftmessplatte eingeleitet, kann es zur Überlastung dieses Fußes kommen, ohne dass die nominelle Überlastgrenze des Tisches erreicht wird. In der Realität ist die Maximallast in der Mitte einer solchen Kraftmessplatte am größten und nimmt zu den Rändern immer weiter ab. Wird ein einzelner Sensorfuß überlastet, kann dies vom Messsystem nicht zuverlässig erkannt werden. Weiterer Stand der Technik lässt sich der DE 10 2016 116 179 A und der DE 10 2007 048 961 A entnehmen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften oder -momenten zwischen Werkstück und Werkzeug an Werkzeugmaschinen zu schaffen, welche in bestehende Maschinenkonzepte integriert werden kann, dabei kostengünstig ist, den zur Verfügung stehenden Raum optimal nutzt und dabei besonders nullpunktstabil ist. Weiter soll eine Werkzeugmaschine mit besonderen Vorteilen angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch eine Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 26 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Kraftmesseinrichtung sowie der Werkzeugmaschine ergeben sich aus den sich an diese Ansprüche anschließenden Unteransprüchen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erfahrung, dass die heute gängigste Lösung zur Erfassung von Bearbeitungskräften auf einer Werkzeugmaschine, nämlich eine auf den Maschinentisch aufgespannte Kraftmessplattform, mit einer großen Menge an Problemen in Bezug auf die Messgenauigkeit und Nullpunktstabilität zu kämpfen hat. Die Spannsituation, die während der Bearbeitung freiwerdenden Eigenspannungen des Werkstücks, thermische Gefälle durch die bei der Bearbeitung entstehende Wärme, die variable Masse von Werkstück und Spannmitteln, die sich durch die Bearbeitung verändernde Masse des Werkstücks und das lokale Einwirken von Kühlschmiermittel, die Abhängigkeit der Messgenauigkeit vom Kraftangriffspunkt, sowie der Druck des Kühlmittelstrahls erschweren genaue und verlässliche Messungen insbesondere kleiner Kraftwirkungen oder machen sie sogar unmöglich. Hinzu kommt, dass eine Kraftmessplattform den zur Verfügung stehenden Arbeitsraum der Werkzeugmaschine in der Regel in allen drei Raumrichtungen deutlich einschränkt.
Der Einbau der Kraftmesseinrichtung am anderen Ende der Bauelementkette, das heißt in der Nähe der Werkzeugspindel erscheint demgegenüber deutlich leichter beherrschbar.
Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung nutzt das bei Kraftmessplattformen vorherrschende Bauprinzip mehrerer in einer Ebene angeordneter Sensorfüße, die eine gemeinsame, starre Struktur tragen auf die die zu messenden Kräfte einwirken. Statt einer Spannplatte wird hier jedoch vermittels einer im Folgenden Lagerstern genannten Struktur die Werkzeugspindel selbst aufgenommen, so dass alle auf das rotierende Werkzeug einwirkenden Kräfte über die Sensorfüße an den Spindelstock abgeleitet und gemessen werden, sofern die Werkzeugspindel ausschließlich über den Lagerstern mit dem Spindelstock verbunden ist.
Gegenüber den in DE 10 2014 204 130 und DE 2 648 192 beschriebenen Lösungen spindelnaher Kraftmesseinrichtungen können selbst bei höchst unterschiedlichen Werkzeugspindeln - einen gleichen Messbereich vorausgesetzt - dieselben Sensorfüße eingesetzt werden. Um diese aufzunehmen muss lediglich der Lagerstern angepasst werden. Dies macht es möglich standardisierte Sensorfüße herzustellen und die Herstellungskosten dadurch deutlich zu senken. Auch ist die Herstellung mehrerer kleinerer Sensoren in der Regel deutlich günstiger als die Herstellung eines großen Sensors.
Vorteile ergeben sich außerdem durch die bessere Zugänglichkeit der Sensoren für Wartungsaufgaben.
Werden mindestens drei Sensorfüße zur Aufnahme der Werkzeugspindel genutzt und erfassen diese Sensorfüße jeweils mindestens Kraftwirkungen in zwei lotrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen von denen jeweils eine Achsparallel zur Spindelwelle ist, können bei einer geeigneten Anordnung und Ausführung der Sensorfüße die Kraftwirkungen und die einwirkenden Momente entlang aller drei Raumachsen zeitgleich erfasst werden.
Besonders attraktive Konfigurationen des Lagersterns besitzen drei oder vier Lagerstellen für Sensorfüße. Gegenüber der kostengünstigen Ausführung mit drei Sensorfüßen bietet eine Ausführung mit vier Lagerstellen Vorteile bei Steifheit, Überlastfähigkeit und Messgenauigkeit und lässt sich in vielen Maschinenkonzepten platzsparender integrieren.
Einen besonderen Vorzug einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung gegenüber den bekannten spindelnahen Lösungen bietet der größere räumliche Abstand zwischen rotierender Spindel und den Sensorfüßen. Durch diesen räumlichen Abstand kann die durch die Lagerreibung, die Zerspanungsarbeit und die Verlustwärme des Motors an der Werkzeugspindel entstehende Wärme leichter von den Sensorfüßen ferngehalten werden. Auch die wärmebedingte Ausdehnung der Spindel lässt sich durch eine geeignete Ausführung des Lagersterns von den Sensorfü-ßen fernhalten.
Wird dabei der Lagerstern, zum Beispiel durch einen integrierten Kühlkreislauf, thermisch stabilisiert und an die Temperatur des Spindelstocks angeglichen kann fremdwärmebedingte Nullpunktdrift nahezu vollständig vermieden werden. Werden darüber hinaus die Sensorfüße selbst aktiv temperiert und so deren bei ihrem Betrieb ggf. anfallende Verlustwärme abgeführt, ergibt sich ein Niveau an thermischer Stabilität, die von keiner anderen bekannten Lösung erreichbar ist.
Die Temperierung des Lagersterns und ggf. der Sensorfüße ist an diesem Einbauort relativ einfach, da in vielen Maschinenkonzepten die Werkzeugspindel und/oder der Spindelstock aufgrund der an dieser Stelle zu erwartenden hohen Wärmeentwicklung ohnehin bereits kühlmitteldurchströmt sind und der Anschluss eines weiteren gekühlten Systems daher einfach ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass die Sensorfüße in dafür vorgesehene Taschen im Spindelstock versenkbar sind, sodass eine besonders raumsparende Lösung erreicht werden kann, bei der die Integration der Kraftmesseinrichtung keine nennenswerte Verlängerung des Spindelstocks erforderlich macht.
Die Sensorfüße einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung besitzen vorzugsweise einen Messkörper, welcher zwischen zwei flanschartigen Teilen eine rohrartige Verformungszone aufweist, welche die flanschartigen Teile miteinander verbindet. Dieser Messkörper besitzt im Bereich der rohrartigen Verformungszone auf deren äußerer oder innerer Zylinderfläche Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scher- und/oder Längsverformungen. Dabei ist ein flanschartiger Teil des Messkörpers direkt oder indirekt über weitere zwischengelagerte Bauteile mit dem Spindelstock verbunden, während der andere flanschartige Teil mit dem Lagerstern verbunden ist.
Eine rohrartige Verformungszone des Messkörpers besitzt ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Steifigkeit und Signalausbeute, insbesondere wenn die rohrartige Verformungszone kurzgehalten wird.
Dehnmessstreifen sind Widerstände und geben selbst Wärme ab. Dies führt nach dem Einschalten zu einer Nullpunktdrift, bis sich ein thermisch stabiler Zustand eingestellt hat. Um den Zeitraum bis zur Erreichung des thermisch stabilen Zustands niedrig zu halten, wird in der Technik üblicherweise versucht, einerseits die Speisespannung der Dehnmesstreifen gering zu halten, andererseits die Wärmeabfuhr am Messkörper zu fördern. Eine dünnwandige rohrartige Verformungszone ist daher unter diesem Gesichtspunkt eher ungünstig, insbesondere, wenn im Interesse einer hohen Auflösung mit hohen Speisespannungen gearbeitet werden soll. Aus diesem Grund ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung die Rückwand der rohrartigen Verformungszone mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Wärmeausgleichsmedium beaufschlagt, welches die entstehende Wärme von der Rohrwand abführt. Als Rückwand wird dabei die innere oder äußere Rohrfläche bezeichnet, auf welcher die Dehnmessstreifen nicht appliziert sind. Bei einer kühlmittelbeaufschlagten Rückwand wirkt sich die Dünnwandigkeit der rohrartigen Verformungszone dagegen positiv aus und führt zu einer wesentlich schnelleren Erreichung eines thermisch stabilen Zustands. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Rohrwand, bzw. die Dehnmessstreifen von der Vorderseite her durch ein Wärmeausgleichsmedium zu kühlen, jedoch müssen in diesem Fall die Kontakte und die Verklebung der Dehnmessstreifen so ausgeführt bzw. abgedeckt sein, dass sie durch das Wärmeausgleichsmedium keinen Schaden nehmen. Auch muss das Wärmeausgleichsmedium nichtleitend sein bzw. durch eine Versiegelung der Kontakte elektrisch entkoppelt werden.
Das flüssige, pastöse oder gelartige Wärmeausgleichsmedium auf der Rückwand der rohrartigen Verformungszone ist in einem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossen und dient zunächst dazu, die an den DMS entstehende Wärme schnell an die angrenzenden flanschartigen Zonen weiterzuleiten. Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird das Wärmeausgleichsmedium selbst umgewälzt und von einer aktiven Kühleinrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich Druckunterschiede und Pulsationen des Wärmeausgleichsmediums negativ auf das Messergebnis auswirken. Aus diesem Grund bleibt das Wärmeausgleichsmedium entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung in einem abgeschlossenen Hohlraum, der jedoch von außen, z.B. über die den Hohlraum begrenzenden Wände, gekühlt wird in dem diese mit an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung leitet den Kühlmittelstrom zentrisch axial durch den Messkörper, und verbindet dabei den Kühlkreislauf des Lagersterns mit dem des Spindelstocks, wodurch alle drei Elemente (Lagerstern, Messkörper, und Spindelstock) durch denselben Kühlkreislauf temperiert werden.
Durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungsprozess entsteht in der Werkzeugspindel Wärme, welcher zu einer Vergrößerung des Durchmessers des Befestigungsflansches der Werkzeugspindel führt. Diese Vergrößerung wirkt über den Aufnahmeflansch auf den Lagerstern ein und könnte zu einer von der konkreten geometrischen Ausgestaltung des Lagersterns abhängigen Verformung führen, insbesondere zu einer Aufwölbung desselben. Diese Verformung des Lagersterns würde an die Sensorfüße weitergegeben werden und führt dann dort zu einem Messfehler. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, weist eine vorteilhafte Ausführungsform des Lagersterns zwischen der Anlagefläche des Aufnahmeflansches und dem Hauptkörper eine radial elastisch verformbare Zone auf, welche eine Vergrö-ßerung des Flanschrings der Werkzeugspindel erlaubt, ohne dass sich der Hauptkörper des Lagersterns dadurch nennenswert verformt. Eine solche elastische Zone könnte zum Beispiel die Form eines dünnwandigen Rings besitzen. Ein solcher böte überdies den Vorteil, dass er eine Wärmebarriere bildet, die einen Wärmeeintrag von der Werkzeugspindel in den Lagerstern erschwert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wirkt ebenfalls temperaturbedingten Spannungen bzw. Durchmesserunterschieden entgegen. Bei dieser werden die Temperaturunterschiede und Temperaturveränderungen des Lagersterns durch eine aktive Temperierung z.B. mittels eines umgewälzten Wärmeausgleichsmediums möglichst geringgehalten. Idealerweise besteht der Spindelstock und der Lagerstern aus Materialien mit einem ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Wird dann die Temperatur des Lagersterns durch die Temperiereinrichtung aktiv auf dem Niveau des Spindelstocks gehalten oder ist der Spindelstock an denselben Kühlkreislauf angebunden können die Messfehler, welche durch die unterschiedliche Ausdehnung von Lagerstern und Spindelstock entstehen minimiert werden.
Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit einem temperierten Lagerstern bietet darüber hinaus noch einen weiteren wesentlichen Vorteil gegenüber dem konventionellen Aufbau einer Werkzeugmaschine, bei der die Werkzeugspindel üblicherweise direkt an den Spindelstock angeflanscht ist. Der Lagerstern bildet dabei ein Wärmeschild, das den Spindelstock vor den negativen thermischen Einflüssen der Werkzeugspindel einerseits und glühender Späne oder lokal auftreffenden Kühlschmiermittels andererseits schützt. Er trägt damit wesentlich dazu bei, dass eine lokale, wärmebedingte Verformung des Spindelstocks unterbleibt und hat damit auch positive Auswirkungen auf die erzielbare Werkstückgenauigkeit.
Temperaturänderungen werden entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Hilfe eines oder mehrerer Temperatursensoren in örtlicher Nähe der Kraftmesseinrichtung erfasst. Die gewonnenen Messwerte dienen dazu, den thermischen Zustand der Maschine in der Umgebung der Kraftmesseinrichtung zu ermitteln, und die zeitlichen und örtlichen Temperaturunterschiede für die rechnerische Kompensation von Messfehlern und/oder die Bewertung der momentanen Messgüte zu nutzen.
Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung kann durch geeignete Verformungsaufnehmer und hochwertige Messverstärker eine sehr hohe Auflösung erzielen. Eine hohe Auflösung ist aber nur dann sinnvoll, wenn Störeinflüsse soweit minimiert werden können, dass auch ein sehr kleines Kraftereignis eindeutig einer Krafteinwirkung auf das Werkzeug zugeordnet werden kann. Eine Werkzeugspindel ist aber üblicherweise vielfältigen Krafteinwirkungen ausgesetzt, die nicht in direktem Zusammenhang mit den am Werkzeug wirksamen Kräften stehen. Störende Krafteinwirkungen können zum Beispiel hervorgerufen werden von:

- der Trägheit der beschleunigten Spindelmasse (linear und rotatorisch)
- der Präzession der rotierenden Spindelmasse (bei Kippbewegungen der Spindelachse)
- den Bewegungen des Spindelstocks (Vibrationen, Erschütterungen, Kippbewegungen)
- einer veränderlichen Wirkrichtung der Schwerkraft (insbesondere bei Schwenkspindeln)

Ist die Kraftmesseinrichtung an die Werkzeugspindel gekoppelt, stören die von diesen Quellen ausgehenden Kraftwirkungen die Erfassung der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte.
Um die Störeinflüsse auf das Messergebnis zu reduzieren, müssen die beschleunigten Bewegungen der Spindelwelle im Raum, deren Rotationsgeschwindigkeit und die Schwerkraftrichtung kontinuierlich erfasst werden. Aus diesem Grund ist eine Kraftmesseinrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Spindelstockseitig mechanisch mit Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren gekoppelt. Weiterhin ist die Spindelwelle mit einem Drehgeber ausgestattet. Die Messwerte dieser Sensoren werden kontinuierlich erfasst und der Auswerteeinheit zugeführt. Unter Berücksichtigung der Spindelmasse, des Spindelschwerpunktes und des Trägheitsmoments kann die Auswerteeinheit die von den Störeinflüssen hervorgerufenen Kraftwirkungen rechentechnisch ermitteln und die Ausgabewerte für jede Messgröße (Kräfte und Momente) entsprechend korrigieren.
Die Spindelmasse, der Spindelschwerpunkt und ggf. das Trägheitsmoment der Spindelwelle können (sofern sie nicht bekannt sind) durch die Kraftmesseinrichtung selbst erfasst werden, indem die (rotierende) Spindel einen vorgegebenen Bewegungszyklus abfährt. Die dabei entstehenden Kraftwirkungen können unter Berücksichtigung der momentanen Rotationsgeschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Beschleunigung zur Ermittlung der fraglichen Werte herangezogen werden. Ein solcher Bewegungszyklus kann zeitlich sehr kurz gestaltet werden und beispielweise nach jedem Werkzeugwechsel ausgeführt werden, um die Kompensation der Störeinflüsse jederzeit auf der Basis aktueller Bezugsgrößen ausführen zu können.
Es wird darauf hingewiesen, dass es im Rahmen des Fachmännischen Könnens liegt, Merkmale, die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung der Erfindung vorrichtungsbezogen Formuliert sind, im Rahmen eines Verfahrens anzuwenden, und umgekehrt. Insbesondere können alle Merkmale, die in Bezug auf die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung offenbart sind, im Rahmen eines ebenfalls von der vorliegenden Erfindung mit umfassten Verfahrens zur Bereitstellung einer vorteilhaft weitergebildeten Werkzeugmaschine angewendet werden. Dies kann insbesondere in Form einer bestimmungsgemäßen Anwendung einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung an einer Werkzeugmaschine zu deren vorteilhafter Weiterbildung erfolgen.
Nachfolgend sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben:

Gegenstand der Erfindung ist eine Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften oder -momenten zwischen Werkstück und Werkzeug an Werkzeugmaschinen mit mindestens einem Spindelstock und einer daran befestigten Werkzeugspindel, letztere bestehend aus einem Spindelgehäuse und einer darin drehbar gelagerten und motorisch angetriebenen Spindelwelle, welche Einrichtungen zur Aufnahme eines Werkzeugs besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelgehäuse in einem Lagerstern aufgenommen ist, welcher mindestens drei konzentrisch um die Spindelwelle herum angeordnete Lagerstellen aufweist und über diese Lagerstellen mit mindestens drei gleichartigen Sensorfüßen am Spindelstock befestigt ist und jeder dieser Sensorfüße Verformungsaufnehmer zur Erfassung von Kraftwirkungen entlang mindestens einer Raumrichtung besitzt und dass die erfassten Kraftwirkungen mindestens zweier dieser Sensorfüße durch Verschaltung oder Verrechnung in einer Auswerteeinheit gemeinsam für die Messung von Größe und Richtung einer auf das Spindelgehäuse einwirkenden Kraft genutzt werden und das Messergebnis über eine Ausgabeeinheit zur Verfügung gestellt wird.

Bevorzugt sind das Spindelgehäuse und der Lagerstern zweiteilig ausgeführt, wobei das Spindelgehäuse an den Lagerstern lösbar angeflanscht ist.
Alternativ sind das Spindelgehäuse und der Lagerstern einteilig ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Spindelgehäuse von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ausgestaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verfügt der Lagerstern über einen eigenen Temperierkreislauf, der von Kühlflüssigkeit durchströmt wird, welche von einem externen Kühlaggregat bereitgestellt wird.
Bevorzugt wird in dieser Ausgestaltung die Temperatur der Kühlflüssigkeit aktiv geregelt.
Bevorzugt wird weiterhin die Temperatur des Spindelstocks mit einem oder mehreren Temperaturfühlern erfasst und die Temperatur der Kühlflüssigkeit der gemessenen Temperatur des Spindelstocks angeglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Sensorfüße der Kraftmesseinrichtung jeweils einen ersten flanschartigen Teil, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und an den Spindelstock abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone auf, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil weitergeleitet werden, wobei die Verformungszone mit Verformungsaufnehmern versehen ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung steht die rohrartige Verformungszone mindestens teilweise mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Wärmeausgleichsmedium in flächigem Kontakt.
Weiterhin bevorzugt steht dieses Wärmeausgleichsmedium mit mindestens einem flanschartigen Teil der Kraftmesseinrichtung in thermischen Kontakt, so dass auf der Basis von Konvektion und/oder Wärmeleitung des Wärmeausgleichsmediums der Wärmewiderstand zwischen der Verformungszone und dem flanschartigen Teil herabgesetzt wird.
Weiterhin bevorzugt dient die innere oder äußere Fläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Verformungsaufnehmer.
Weiterhin bevorzugt ist die der äußeren Applikationsfläche gegenüberliegende innere Wand der rohrartigen Verformungszone oder alternativ die der inneren Applikationsfläche gegenüberliegende äußere Wand der rohrartigen Verformungszone mit einem Wärmeausgleichsmedium beaufschlagt ist.
Weiterhin bevorzugt stellt das Wärmeausgleichsmediums zusätzlich eine thermische Verbindung zwischen dem ersten flanschartigen Teil und dem zweiten flanschartigen Teil her. Auf diese Weise kann der Gesamtwärmewiderstand zwischen diesen beiden Elementen herabsetzt werden.
Bevorzugt ist das Wärmeausgleichsmedium in einem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossen.
In dieser Ausgestaltung ergeben sich besondere Vorteile, wenn der Hohlraum über mindestens eine seiner Wände mit einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Temperierkreislauf in thermischen Kontakt steht.
Bevorzugt ist der Temperierkreislauf des Wärmetransportmediums derselbe, mit dem auch der Lagerstern temperiert wird.
Weiter bevorzugt ist der Temperierkreislauf des Wärmetransportmediums derselbe, mit dem auch der Spindelstock temperiert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung durchzieht der Temperierkreislauf den Sensorfuß in axialer Richtung.
Weiter bevorzugt ist dieser Sensorfuß über seine Stirnflächen mit dem Zulauf oder Ablauf des Wärmeausgleichsmediums verbunden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung weist der Lagerstern am Übergang zum Aufnahmeflansch über eine radial elastische Zone mit verringerter Wandstärke auf.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Werkzeugmaschine, an der die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung angeordnet werden soll, eine Spindelwelle auf, deren Rotationsachse im Folgenden die Raumrichtung Z eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems mit den lotrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen X, Y und Z definiert. In dieser Ausgestaltung weisen die mindestens drei Sensorfüße jeweils mindestens einen Verformungsaufnehmer zur Erfassung von Kraftwirkungen entlang Z und zusätzlich mindestens einen Verformungsaufnehmer zur Erfassung von Kraftwirkungen in der XY-Ebene auf.
Vorteilhaft werden die erfassten Kraftwirkungen mindestens zweier dieser Sensorfüße durch Verschaltung oder Verrechnung in einer Auswerteeinheit gemeinsam für die Messung von Größe und Richtung einer auf das Spindelgehäuse einwirkenden Kraft oder eines Momentes genutzt.
Weiterhin vorteilhaft wird das Messergebnis über eine Ausgabeeinheit zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemä0en Kraftmesseinrichtung wird die von einem Sensorfuß erfasste Kraftwirkung entlang der Z-Achse und die erfasste Kraftwirkung in der XY-Ebene unabhängig von den erfassten Kraftwirkungen der anderen Sensorfüße in einem jeweils eigenen Messkanal ausgewertet. Auf diese Weise steht das Signal jedes der so gebildeten mindestens sechs Messkanäle getrennt einer Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung weist jeder Sensorfuß mindestens zwei Verformungsaufnehmer auf. Von diesen ist mindestens ein Verformungsaufnehmer zur Erfassung der Kräfte in Z-Richtung ausgebildet. Mindestens ein weiterer Verformungsaufnehmer ist zur Erfassung der Kraftwirkungen in der XY-Ebene vorgesehen.
Mindestens je ein in der XY-Ebene gleich ausgerichteter Verformungsaufnehmer befindet sich auf den diagonal gegenüberliegenden Sensorfüssen eines gedachten Rechtecks.
Mindestens je eine in der XY-Ebene lotrecht zueinander ausgerichtete Anordnung von Verformungsaufnehmern, die z.B. als Dehnmessstreifen ausgebildet sein können, befindet sich auf benachbarten Sensorfüssen.
Bevorzugt wird jeder dieser Verformungsaufnehmer in einem eigenen Kanal ausgewertet. Auf diese Weise erfolgt eine mindestens achtkanalige Auswertung.
Bevorzugt sind die mindestens vier in der XY-Ebene wirksamen Verformungsaufnehmer zur Erfassung der auf die Kraftmesseinrichtung einwirkenden Kräfte in X-Richtung und in Y- Richtung eingerichtet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können diese Verformungsaufnehmer bedarfsweise auch zur Ermittlung des auf die Kraftmessplatte einwirkenden Drehmomentes MZ herangezogen werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind mindestens der in der XY-Ebene wirksamen Verformungsaufnehmer entlang der X-Achse orientiert sind und mindestens zwei Verformungsaufnehmer entlang der Y-Achse orientiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Lagerstern drei Lagerstellen auf. Über diese ist der Lagerstern vermittels dreier zwischenliegender Sensorfüße mit dem dahinterliegenden Spindelstock verbindbar bzw. verbunden. Dabei befinden sich diese Lagerstellen auf den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkligen Dreiecks.
Im bestimmungsgemäß montierten Zustand der Kraftmesseinrichtung an einer Werkzeugmaschine befindet sich der Schwerpunkt dieses Dreiecks sich auf der Spindelachse.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung weisen die Sensorfüße schließlich Verformungsaufnehmer für die Erfassung von Kraftwirkungen entlang zweier Raumrichtungen auf. Dabei liegt im bestimmungsgemäß montierten Zustand der Kraftmesseinrichtung an einer Werkzeugmaschine eine der erfassten Raumrichtungen parallel zur Spindelachse und die andere Raumrichtung in der XY-Ebene. Die XY-Ebene ist wiederum lotrecht zu einer gedachten Linie auf der XY-Ebene zwischen der Spindelachse und der Lagerstelle des Sensorfußes angeordnet.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nunmehr folgenden Ausführungsbeispielen, die nicht einschränkend zu verstehend sind. Vielmehr sollen sie den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen.
Die in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale können einzeln und in Gruppen zur Weiterbildung der in der vorstehenden allgemeinen Beschreibung der Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sowie der in den Ansprüchen offenbarten vorteilhaften Ausgestaltungen herangezogen werden.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung von der Seite. Dargestellt ist die Werkzeugspindel 4, welche in dem dargestellten Beispiel als Motorspindel ausgeführt ist. Der Sensorfuß 1, Spindelstock 13 und der Lagerstern 2 sind der besseren Verständlichkeit halber geschnitten dargestellt. Der Lagerstern 2 ist über die Sensorfüße 1 mit dem Spindelstock 13 fest verbunden. Die Werkzeugspindel 4 ist über den Spindelflansch 17 mit dem Lagerstern 2 verschraubt. Diese Verschraubung bildet im gezeigten Beispiel die einzige feste Verbindung der Werkzeugspindel 4 mit dem Spindelstock 13. Die Sensorfüße 1 weisen einen Messkörper 12 auf dessen erster flanschartiger Teil 22 über eine rohrartige Verformungszone 9 mit einem zweiten flanschartigen Teil 23 verbunden ist. Im Bereich der rohrartigen Verformungszone 9 sind außen Verformungsaufnehmer 25 aufgesetzt, welche die Verformung des Messkörpers 12 an dieser Stelle aufnehmen und als Kraftwirkung interpretieren. Auf der Rückseite der rohrartigen Verformungszone 9 befindet sich ein abgeschlossener Hohlraum der mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Wärmeausgleichsmedium 10 gefüllt ist und die ggf. entstehende Betriebswärme des Verformungsaufnehmers 25 abführt. Der Sensorfuß 1 ist innen von einem Kühlmittelkanal durchflossen mit dem er einen im Spindelstock 13 beginnenden Temperierkreislauf fortsetzt und die Kühlflüssigkeit 11 zum Lagerstern 2 durchleitet, in dem er weitergeleitet wird und durch einem anderen Sensorfuß 1 wieder austritt. Der Lagerstern 2 verfügt zwischen Hauptkörper und Aufnahmeflansch 15 über eine radial elastische Zone 16, welche Ausdehnungen des Spindelflansches 17 vom Hauptkörper des Lagersterns 2 entkoppelt. Unterhalb des Lagersterns 2 befindet sich eine Tilgermasse 18, welche mit dem Lagerstern 2 über ein elastisches Koppelelement 19 z.B. aus einem Elastomer verbunden ist. Diese Konfiguration bildet einen Schwingungstilger mit dessen Hilfe das Überschwingen im Bereich der Eigenfrequenz der Kraftmesseinrichtung reduziert wird und die Schwingung gleichzeitig bedämpft wird.
2 zeigt von unten eine beispielhafte Konfiguration einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung für die mehrachsige Erfassung der auf ein Werkzeug 5 einwirkenden Bearbeitungskräfte mit einer Werkzeugspindel 4 einem Lagerstern 2 und drei Lagerstellen 3 über die der Lagerstern 2 vermittels dreier zwischenliegender Sensorfüße 1 mit dem dahinterliegenden Spindelstock 13 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Sensorfüße 1 Verformungsaufnehmer 25 für die Erfassung von Kraftwirkungen entlang zweier Raumrichtungen. Eine Raumrichtung liegt dabei parallel zur Spindelachse 8 und erfasst die auf den Sensorfuß 1 in Z-Richtung einwirkenden Kräfte. Die andere Raumrichtung liegt in der XY-Ebene. Dabei ist die erfasste Raumrichtung eines Sensorfußes 1 hier durch einen Doppelfeil dargestellt und liegt lotrecht zu einer gedachten Linie auf der XY-Ebene zwischen der Spindelachse 8 und der Lagerstelle 3 des Sensorfußes 1. Die Lagerstellen 3 sind dabei konzentrisch auf einem gemeinsamen Teilkreis um die Spindelachse 8 angeordnet. Der Winkel auf dem Teilkreis zwischen den Lagerstellen 3 beträgt 120°. Somit ist die erfasste Raumrichtung in Z bei allen drei Sensorfüßen 1 gleich orientiert, während die erfassten Raumrichtungen der drei Sensorfüße 1 in der XY-Ebene zueinander in einem Winkel von 120° stehen. Durch die Summation der Messwerte der drei Z-Kanäle können die auf das Werkzeug 5 einwirkenden Kräfte Fz in Z-Richtung erfasst werden. Durch Gewichtung und Differenzbildung können aus diesen Messkanälen gleichzeitig Kippmomente Mx und My abgeleitet werden. Mit Hilfe der drei Messkanäle in der XY-Ebene kann durch Summation das Drehmoment Mz ermittelt werden. Durch Gewichtung und Differenzbildung lassen sich die Kraftkomponenten Fx und Fy bestimmen.
3 zeigt dieselbe Ansicht auf die Kraftmesseinrichtung jedoch mit einem vierstrahligen Lagerstern 2. Die vierachsige Ausführung ist stabiler, in vielen Fällen platzsparender und liefert aufgrund zweier zusätzlicher Messkanäle die 1.33fache Empfindlichkeit in allen drei Achsen.
Bezugszeichenliste

1: Sensorfuß
2: Lagerstern
3: Lagerstelle
4: Werkzeugspindel
5: Werkzeug
6: Spindelwelle
7: Spindelgehäuse
8: Spindelachse
9: Rohrartige Verformungszone
10: Wärmeausgleichsmedium (Messkörper), Wärmetransportmedium
11: Kühlflüssigkeit (Temperierkreislauf)
12: Messkörper
13: Spindelstock
15: Aufnahmeflansch
16: Radial elastische Zone
17: Spindelflansch
18: Tilgermasse
19: Elastisches Koppelelement
22: Erster flanschartiger Teil
23: Zweiter flanschartiger Teil
25: Verformungsaufnehmer

Claims

Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften oder - momenten zwischen Werkstück und Werkzeug (5) an Werkzeugmaschinen, die mindestens einen Spindelstock (13) und eine daran befestigte Werkzeugspindel (4) aufweisen, letztere ein Spindelgehäuse (7) und eine darin drehbar gelagerte, motorisch angetriebene Spindelwelle (6) aufweisend, welche die Raumrichtung Z eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems mit den lotrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen X, Y und Z definiert und Einrichtungen zur Aufnahme eines Werkzeugs (5) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung a. einen Lagerstern (2) aufweist, welcher i. dazu eingerichtet ist, das Spindelgehäuse (7) einer Werkzeugmaschine aufzunehmen ii. mindestens drei konzentrisch um eine Ausnehmung für die Spindelwelle (6) der Werkzeugmaschine herum angeordnete Lagerstellen (3) aufweist, denen jeweils mindestens ein Sensorfuß (1) zugeordnet ist, wobei jeder dieser Sensorfüße (1) Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung von Kraftwirkungen entlang mindestens einer Raumrichtung besitzt, und iii. dazu eingerichtet ist, mittels der Sensorfüße (1) über die Lagerstellen (3) am Spindelstock (13) der Werkzeugmaschine befestigt zu werden, und b. eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus den erfassten Kraftwirkungen mindestens zweier dieser Sensorfüße (1) durch Verschaltung oder Verrechnung Größe und Richtung einer auf das Spindelgehäuse (7) einwirkenden Kraft zu bestimmen.
Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Ausgabeeinheit vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, eine von der Auswerteeinheit bestimmte Größe und Richtung einer auf das Spindelgehäuse (7) einwirkenden Kraft für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstern (2) separat vom Spindelgehäuse (7) ausgeführt und zu einer lösbaren Befestigung am Spindelgehäuse (7) ausgebildet ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstern (2) einteilig mit dem Spindelgehäuse (7) ausgeführt ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstern (2) über einen ersten Temperierkreislauf verfügt, der von einer Kühlflüssigkeit (11) durchströmbar ist.
Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin ein Kühlaggregat aufweist, welches dazu eingerichtet ist, eine Kühlflüssigkeit (11) für den ersten Temperierkreislauf zu temperieren.
Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin einen Temperaturfühler aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Spindelstocks (13) zu erfassen.
Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlaggregat eine Steuerung aufweist, die mit dem Temperaturfühler verbunden und dazu eingerichtet ist, das Kühlaggregat derart anzusteuern, dass die Temperatur der Kühlflüssigkeit (11) der gemessenen Temperatur des Spindelstocks (13) angeglichen wird
Kraftmesseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfüße (1) jeweils folgende Merkmale aufweisen: a. einen ersten flanschartigen Teil (22), über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, b. einen zweiten flanschartigen Teil (23), über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und an den Spindelstock (13) abgeleitet werden, und c. eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone (9), über die alle auf den ersten flanschartigen Teil (22) einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil (23) weitergeleitet werden, wobei d. die Verformungszone (9) mit Verformungsaufnehmern (25) versehen ist.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartige Verformungszone (9) mindestens teilweise mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Wärmetransportmedium (10) in flächigem Kontakt steht und dieses Wärmetransportmedium (10) mit mindestens einem flanschartigen Teil (22, 23) der Kraftmesseinrichtung in thermischen Kontakt steht, so dass auf der Basis von Konvektion und/oder Wärmeleitung des Wärmetransportmediums (10) der Wärmewiderstand zwischen der Verformungszone (9) und dem flanschartigen Teil (22, 23) herabgesetzt wird.
Kraftmesseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere oder äußere Fläche der rohrartigen Verformungszone (9) als Applikationsfläche für Verformungsaufnehmer (25) dient und dass die der äußeren Applikationsfläche gegenüberliegende innere Wand der rohrartigen Verformungszone (9) oder alternativ die der inneren Applikationsfläche gegenüberliegende äußere Wand der rohrartigen Verformungszone (9) mit einem Wärmetransportmedium (10) beaufschlagt ist.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium (10) zusätzlich eine thermische Verbindung zwischen dem ersten flanschartigen Teil (22) und dem zweiten flanschartigen Teil (23) herstellt und somit dem Gesamtwärmewiderstand zwischen diesen beiden Elementen herabsetzt.
Kraftmesseinrichtung nach einem der beiden vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium (10) in thermischem Kontakt steht mit einem von einer Kühlflüssigkeit (11) durchströmten zweiten Temperierkreislauf.
Kraftmesseinrichtung nach einem der drei vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium (10) in einem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossen ist.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum über mindestens eine seiner Wände mit einem von einer Kühlflüssigkeit (11) durchströmten zweiten Temperierkreislauf in thermischem Kontakt steht oder über eine sich in den Hohlraum hinein erstreckende Komponente des zweiten Temperierkreislaufs, die in thermischem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit (11) steht.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Temperierkreislauf identisch sind.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 5, 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder der zweite Temperierkreislauf zumindest einen Sensorfuß (1) in axialer Richtung durchzieht.
Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 5, 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensorfuß (1) über seine Stirnflächen mit dem Zulauf oder Ablauf des Wärmetransportmediums (10) verbunden ist.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstern (2) am Übergang zum Aufnahmeflansch (15) über eine radial elastische Zone (16) mit verringerter Wandstärke verfügt.
Kraftmesseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Sensorfüße (1) jeweils mindestens einen Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung von Kraftwirkungen entlang der Z-Richtung und zusätzlich mindestens einen Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung von Kraftwirkungen in der XY-Ebene aufweisen.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die von einem Sensorfuß (1) erfasste Kraftwirkung entlang der Z-Achse und die erfasste Kraftwirkung in der XY-Ebene unabhängig von den erfassten Kraftwirkungen der anderen Sensorfüße (1) in einem jeweils eigenen Messkanal auszuwerten.
Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensorfuß (1) mindestens zwei Verformungsaufnehmer (25) besitzt, von denen mindestens einer zur Erfassung der Kräfte in Z-Richtung und mindestens ein weiterer Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung der Kraftwirkungen in der XY-Ebene dient, wobei sich mindestens je ein in der XY-Ebene gleich ausgerichteter Verformungsaufnehmer (25) auf den diagonal gegenüberliegenden Sensorfüssen (1) eines gedachten Rechtecks befindet, und sich mindestens je eine in der XY-Ebene lotrecht zueinander ausgerichtete Anordnung von Dehnmessstreifen auf benachbarten Sensorfüssen (1) befindet und dass jeder dieser Verformungsaufnehmer (25) in einem eigenen Kanal ausgewertet wird und somit eine mindestens achtkanalige Auswertung erfolgt und dass die mindestens vier in der XY-Ebene wirksamen Verformungsaufnehmer (25) zur Erfassung der auf die Kraftmesseinrichtung einwirkenden Kräfte in X-Richtung und in Y- Richtung dienen und bedarfsweise auch zur Ermittlung des auf die Kraftmesseinrichtung einwirkenden Drehmomentes Mz herangezogen werden können.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei der vier in der XY-Ebene wirksamen Verformungsaufnehmer (25) entlang der X-Achse orientiert sind und die beiden anderen Verformungsaufnehmer (25) entlang der Y-Achse orientiert sind.
Kraftmesseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerstern (2) drei Lagerstellen (3) aufweist, über die der Lagerstern (2) vermittels dreier zwischenliegender Sensorfüße (1) mit dem dahinterliegenden Spindelstock (13) verbindbar ist, und sich diese Lagerstellen (3) auf den Eckpunkten eines gedachten gleichschenkligen Dreiecks befinden, und der Schwerpunkt dieses Dreiecks sich auf der Spindelachse (8) befindet, wenn die Kraftmesseinrichtung an der Werkzeugmaschine angeordnet ist.
Kraftmesseinrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfüße (1) Verformungsaufnehmer (25) für die Erfassung von Kraftwirkungen entlang zweier Raumrichtungen besitzen, wobei eine der erfassten Raumrichtungen parallel zur Z-Achse liegt und die andere Raumrichtung in der XY-Ebene liegt und diese wiederum lotrecht zu einer gedachten Linie auf der XY-Ebene zwischen der Spindelachse (8) und der Lagerstelle (3) des Sensorfußes (1) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine, die mindestens einen Spindelstock (13) und eine daran befestigte Werkzeugspindel (4) aufweist, letztere ein Spindelgehäuse (7) und eine darin drehbar gelagerte, motorisch angetriebene Spindelwelle (6) aufweisend, welche die Raumrichtung Z eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems mit den lotrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen X, Y und Z definiert und Einrichtungen zur Aufnahme eines Werkzeugs (5) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Kraftmesseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine einen dritten Temperierkreislauf mit einer Kühlflüssigkeit (11) aufweist, wobei der Spindelstock (13) und/oder das Spindelgehäuse (7) von der Kühlflüssigkeit (11) durchströmbar ausgebildet sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Temperierkreislauf identisch ist mit dem ersten oder dem zweiten Temperierkreislauf.