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Die Erfindung betrifft ein Sensormodul für eine Werkzeugmaschine, ein mit einem derartigen Sensormodul ausgeführtes Maschinen- oder Werkzeugelement und eine Werkzeugmaschine, die mit derartigen Maschinen- oder Werkzeugelementen ausgeführt ist.
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Unter dem Begriff „Maschinen- oder Werkzeugelement“ wird im Folgenden in allgemeiner Form ein Werkzeugkörper oder ein Werkzeug zur Zerspanung mit geometrisch bestimmten und unbestimmten Schneiden und auch Walzen, Tiefziehwerkzeuge oder Stanzwerkzeuge der Umformtechnik. Werkzeugaufnahmen für derartige Werkzeugelemente sowie Führungs- und Tragelemente von Werkzeugmaschinen, wie Schlitten, verstanden, die derartige Werkzeugelemente tragen bzw. führen und die mit dem Werkzeugelement verstellt werden.
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Eine gattungsgemäße Werkzeugaufnahme ist beispielsweise in den Druckschriften
WO 2017/068158 A1 und
DE 10 2006 030 834 A1 beschrieben. Die dort offenbarten Werkzeugaufnahmen haben eine mechanische Schnittstelle, beispielsweise einen Hohlschaftkegel (HSK), der in an sich bekannter Weise in eine Werkzeugmaschine eingesetzt wird. Werkzeugseitig ist die Werkzeugaufnahme mit einer Spannvorrichtung ausgeführt, in die ein Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Fräser, ein Bohrer oder dergleichen eingesetzt werden kann. Zur Erfassung von während der Bearbeitung auftretenden Zuständen, wie beispielsweise eine die Werkzeugaufnahme beaufschlagende Kraft, Beschleunigungen (Schwingungen) der Werkzeugaufnahme und die Temperatur, beispielsweise des Kühlschmiermittels, oder des Werkzeuges, können eingeschwungene Instabilitätszustände erfasst und dann entsprechend durch eine Adaptierung der Bearbeitungsparameter, wie beispielsweise Vorschub, Drehzahl korrigiert werden. Auf diese Weise lässt sich ein übermäßiger Krafteintrag am Werkzeug oder aber während der Bearbeitung auftretende Vibrationen minimieren. Der Nachteil der bestehenden Lösungen ist, dass die Sensoren in einer aufgelösten Bauweise spezifisch je nach Sensorart und Werkzeughalter in unterschiedliche Kanäle/Taschen der Werkzeugaufnahme - auch Werkzeughalter genannt - eingesetzt werden. So ist bei der in der
WO 2017/068158 A1 ein Hohlschaftkegel mit einer Sonderbauform erforderlich, in dem entsprechende Hohlräume/Kanäle zur Aufnahme der Sensorik vorgesehen sein müssen. Eine derartige Bauweise erfordert einen erheblichen vorrichtungstechnischen und fertigungstechnischen Aufwand zur Herstellung der Werkzeugaufnahme. Außerdem muss die Werkzeugaufnahme gegebenenfalls adaptiert werden. Ein weiterer Nachteil liegt in der anwendungsspezifisch gestalteten Ausführung der Messtechnik und Sensorik - und damit für die Erfassung physikalischer Größen, welche stets eine ganz spezifisch ausgeführte Lösung für die jeweilige Anwendung in der Werkzeugaufnahme darstellt. Als weiteres Charakteristikum bzw. nachteiliger Gestaltung ist gemein, dass alle Lösungen von einem erfassten eingeschwungenen Zustand physikalischer Größen ausgehen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Sensorik und/oder die Werkzeug- und Maschinenelemente einer Werkzeugmaschine derart weiter zu bilden, dass Systemzustände mit geringem vorrichtungstechischen und regelungstechnischen Aufwand erfassbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sensormodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch Werkzeug- oder Maschinenelemente gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 5, die mit einem derartigen Sensormodul ausgeführt sind und durch eine Werkzeugmaschine gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 12 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Demgemäß wird durch die Erfindung eine nicht ortsfeste und insbesondere modulare messtechnische Lösung geschaffen, welche insbesondere in Werkzeugelementen (z.B. Schleifscheibenkörpern, Kegelaufnahmen von Zerspanungswerkzeugen, Stanzwerkzeugen) oder Vorrichtungen oder in eine mit einer Werkzeug-aufnahme versehene Werkzeugmaschineintegriert sind, so dass eine zuverlässige Erfassung von Betriebs- oder Systemzuständen in Echtzeit und damit bereits auf Basis transienter Übergänge von Systemzuständen mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht ist. Der modulare Aufbau ermöglicht durch die Gestaltung eines Einbaumoduls auch das Lösen von mehrkriteriellen Fragestellungen. So kann durch die dieser Erfindung innewohnenden Flexibilität in der Gestaltung von Modulen ein Schwingungssensor in einem rotierenden Maschinenteil für die Anwendung günstig in der Drehachse positioniert werden und der Kühlmittelstrom um diese Position konstruktiv umgeleitet werden. Die daraus resultierenden komplexen geometrischen Formen der Sensormodule werden unter Nutzung der Technologien der additiven Fertigung hergestellt und in das jeweilige Gesamtsystem, Vorrichtung, Werkzeugkörper bzw. - aufnahme, das standardisierte Sensormodul eingesetzt.
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Wie vorstehend ausgeführt, können die Sensormodule prinzipiell bei beweglichen Maschinenteilen-/-elementen wie Schlitten oder Vorrichtungen, oder aber auch in Werkzeugkörpern von Werkzeugen für die Zerspanung mit geometrisch bestimmten und unbestimmten Schneiden eingesetzt werden. Des Weiteren umfasst der Einsatz der Sensormodule auch Werkzeuge der Umformtechnik, wie Gesenke, Stanzwerkzeuge oder Walzen, in die derartige Sensormodule eingesetzt werden können, um Systemzustände zu erfassen.
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Das erfindungsgemäße Sensormodul hat eine Sensorik, beispielsweise bestehend aus modularen Sensoren zur Erfassung von bei einer Bearbeitung auftretenden Systemzuständen, deren Messsignale über eine Datenübertragungseinrichtung an eine Auswerteeinheit übertragen werden. Erfindungsgemäß ist somit die Sensorik als bauliche Einheit in ein, vorzugsweise patronenförmiges, Sensormodul, auch als „Patrone“ bezeichnet, integriert, die in eine entsprechend ausgebildete Ausnehmung einer Werkzeugaufnahme oder eines sonstigen Werkzeug- oder Maschinenelementes eingesetzt ist. Erfindungsgemäß kann dieses Sensormodul auf einem Vorschubschlitten, einer Vorrichtung, einem Umformwerkzeug oder einer Schleifscheibe eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Sensorik, das heißt zumindest die zur Erfassung der Betriebszustände erforderlichen Sensoren in einem Modul oder zumindest als bauliche Einheit auszubilden und diese zentral in eine entsprechende Ausnehmung eines erfindungsgemäßen Werkzeug- oder Maschinenelementes - vorzugsweise auswechselbar - einzusetzen.
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Diese Bauweise ermöglicht es, die Sensorik mit dem Sensormodul vorzumontieren, zu testen und anschließend in die Werkzeugaufnahme oder in die oben genannten Subsysteme einer Bearbeitungsmaschine einzusetzen, so dass der vorrichtungstechnische und fertigungstechnische Aufwand gegenüber den eingangs geschilderten Lösungen deutlich verringert ist. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht es des Weiteren, je nach Fertigungsaufgabe die Werkzeug- oder Maschinenelemente mit unterschiedlichen Sensormodulen auszustatten, so dass jeweils eine im Hinblick auf das verwendete Werkzeug und die verwendeten Fertigungsparameter optimierte Signalerfassung und damit einhergehende Prozessteuerung gewährleistet ist. Dies betrifft insbesondere die Wahl der Sensorik hinsichtlich der Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen bzw. der Auflösung und Empfindlichkeit dieser Sensoren.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist, wie oben erwähnt, eine mechanische Schnittstelle einer Werkzeugaufnahme mit einem Spannkegel, beispielsweise einem HSK ausgeführt, an dem zur werkzeugseitigen Spannvorrichtung hinweisend ein Sensorschaft angesetzt ist, in dem die Ausnehmung für das Sensormudul ausgebildet ist. Weder maschinenseitige noch werkstückseitige Schnittstellen müssen durch diese Ausnehmung konstruktiv verändert werden, sollte ein Sensormodul eingesetzt oder im Sinne der angedachten Flexibilität ausgetauscht werden. Derartige Ausnehmungen (auch Taschen, Aufnahmen, Kammern oder dergleichen genannt) können selbstverständlich auch an den oben genannten sonstigen Werkzeug- und Maschinenelementen vorgesehen werden, um Sensormodule aufzunehmen. Prinzipiell ist es auch möglich, mehrere derartiger Ausnehmungen vorzusehen, die je nach Bedarf mit einem oder mehreren Sensormodulen versehen werden.
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Das einzusetzende Sensormodul kann zusätzlich zur Sensorik, die beispielsweise zur Erfassung der Krafteinleitung, der Temperatur und der Beschleunigung (Schwingungen) vorgesehen ist auch die zur Signalverarbeitung erforderliche Sensorelektronik und/oder eine Übertragungseinrichtung, beispielsweise ein Funkmodul und/oder eine Energieversorgung, wie beispielsweise einen Akkumulator aufnehmen.
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Bei einer alternativen Lösung sind die Energieversorgung und/oder die Signalübertragungseinrichtung und/oder die Sensorelektronik in umfangseitige Taschen/Aufnahmen eingesetzt, während die übrigen Komponenten, wie beispielsweise die Sensorik in das erfindungsgemäße Sensormodul integriert sind.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Sensormodul koaxial zur Achse des Werkzeug- oder Maschinenelementes, beispielsweise der Werkzeugaufnahme bzw. einer Werkzeugspindel angeordnet, so dass die Unwucht minimiert ist und des Weiteren das Einsetzen des Sensormoduls vereinfacht ist. Diese Anordnung ist insbesondere günstig, zumal beispielsweise Beschleunigungssignale nicht durch Fliehkräfte in hohem Maße überlagert werden.
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In den meisten Fällen ist eine Werkzeugaufnahme mit einer Kühlschmiermittelversorgung (KSM) ausgeführt. Erfindungsgemäß kann sich bei dieser modularen Lösung zumindest ein Teil des KSM-Strömungspfades durch das Sensormodul hindurch erstrecken. Hier ist im Sinne der oben erwähnten Unwuchterscheinung eine symmetrische Gestaltung möglich.
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Dabei kann beispielsweise die Sensorik zumindest teilweise axial mit Bezug zur Achse der Werkzeugaufnahme ausgerichtet sein, so dass ein Kanal zur Führung des KSM die Sensorik außermittig umlaufend ausgeführt ist. Dabei kann der Kanal, für die symmetrische Anordnung wären es zwei gegenüberliegende, beispielsweise bogenförmig oder mit einer Doppel-S-Form ausgeführt sein.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept kann die Ausnehmung für das Sensormodul in Axialrichtung oder in Radialrichtung orientiert im Maschinen- oder Werkzeugelement ausgeführt sein. Dementsprechend wird dann das Sensormodul in Axialrichtung bzw. in Radialrichtung in die Ausnehmung eingesetzt.
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Die Lagenpositionierung des Sensormoduls mit Bezug zur Ausnehmung ist vereinfacht, wenn dieses mit einer entsprechenden Indexierung ausgeführt ist.
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Das Sensormodul kann kraft- oder formschlüssig in der Ausnehmung aufgenommen sein. So lässt sich beispielsweise das Sensormodul per Presspassung einsetzen.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine ist mit dem vorbeschriebenen Sensormodul bzw. einem erfindungsgemäßen Werkzeug- oder Maschinenelementen ausgerüstet. Die Werkzeugmaschine hat des Weiteren eine Datenerfassungs- und Auswerteeinheit, über die die Messsignale der Sensorik in Echtzeit verarbeitbar sind und über die Steuersignale - vorzugsweise über eine echtzeitfähige Verbindung - an eine Werkzeugmaschinensteuerung zur Regelung von Prozessparametern übertragen werden.
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Die Anmelderin behält es sich vor, auf die Anordnung der Sensorik in einer sich in Radialrichtung erstreckenden Ausnehmung einen eigenen unabhängigen Anspruch zu richten.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme in einer Seitenansicht;
- 2 eine geschnittene Explosionsdarstellung der Werkzeugaufnahme gemäß 1;
- 3a, 3b Varianten eines in 2 dargestellten Sensormoduls zur Aufnahme einer Sensorik;
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine und
- 5 eine schematische Darstellung eines Steuerungs-/Regelungskonzepts einer mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme ausgeführten Werkzeugmaschine.
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Im Folgenden wird beispielhaft eine Werkzeugaufnahme 1 beschrieben, die für den Einsatz in einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist. Prinzipiell können derartige Werkzeugaufnahmen jedoch auch an beliebigen Bearbeitungsmaschinen der Zerspanung und der Umformtechnik vorgesehen sein, um dort Prozessparameter wie Kräfte, Beschleunigungen, Temperaturen etc. aufzunehmen. Es sei neben der Zerspanung als ein weiteres Beispiel die Erfassung des Scherschlags bei der Stanzbearbeitung genannt, indem das Sensormodul in dieser Anwendung am Schneidwerkzeug appliziert werden kann.
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Wie vorstehend ausgeführt, können auch sonstige Werkzeug- oder Maschinenelemente mit einem oder mehreren der im Folgenden beschriebenen Sensormodule ausgeführt sein.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer derartigen Werkzeugaufnahme 1, diese hat als mechanische Schnittstelle zur Werkzeugmaschine einen Hohlschaftkegel (HSK) 2, der in an sich bekannter Weise zwei Mitnehmernuten 4, 6 am eigentlichen Kegel 8, eine an einem Bund 10 ausgeführte Greiferrille 12 sowie eine nicht dargestellte Indexiernut zur Vereinfachung eines automatischen Werkzeugwechsels aufweist. Der Aufbau derartiger HSK -Adapter ist bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. An den HSK 2 ist ein Sensorschaft 16 angesetzt, der die anhand der 2 und 3 näher erläuterte Sensorik aufnimmt. Die Messsignale dieser Sensorik werden bei der in 1 dargestellten Ausführung über eine Antenne 18 und ein nicht dargestelltes Funkmodul oder eine sonstige Datenübertragungseinrichtung an eine werkzeugmaschinenseitige Auswerteeinheit übertragen. Diese Antenne 18 kann- wie in 1 dargestellt - an der Peripherie im Bereich des Sensorschafts 16, und/oder des Bunds 10, und/oder der Greiferrille 12 angeordnet sein.
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In der Darstellung gemäß 1 links von dem Sensorschaft 16 ist eine Spannvorrichtung 20 ausgebildet, über die in an sich bekannter Weise ein gestrichelt angedeutetes Werkzeug 22 gespannt wird.
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2 zeigt eine geschnittene Explosionsdarstellung der Werkzeugaufnahme 1 gemäß 1, wobei die Spannmittel der Spannvorrichtung 20, und die eigentliche Kühl-/Schmiermittelversorgung nicht im Detail dargestellt sind.
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Der vorstehend beschriebene HSK 2, der Sensorschaft 16 und die Spannvorrichtung 20 sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet. Selbstverständlich ist auch eine modulare Bauweise möglich, bei der die einzelnen Komponenten über geeignete Verbindungsmittel miteinander verbunden sind.
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An einen Hohlraum des kegelförmig ausgebildeten Hohlschaft 24 des HSK 2 schließt sich im Bereich des Sensorschaftes 16 eine etwa zylindrische Ausnehmung 26 an, die ihrerseits in einen spannvorrichtungsseitigen Spannkegel 28 übergeht. In die etwa zylindrische Ausnehmung 26 wird ein in 2 rechts dargestellte Patrone, das Sensormodul 30, eingesetzt und kraft- oder formschlüssig festgelegt. Dabei kann das Sensormodul 30 beispielsweise über eine Presspassung in der Ausnehmung 26 gehalten werden. Zur Lagepositionierung kann das Sensormodul 30 mit einem Indexvorsprung 32 versehen sein, der passgenau in eine entsprechende Indexfreistellung der Ausnehmung 26 eingreift. Selbstverständlich kann der Vorsprung auch ausnehmungsseitig vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist in dem Sensormodul 30 eine Sensorik 34 aufgenommen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Sensorik 34 oder zumindest einer der Sensoren in etwa koaxial zur Achse 36 der Werkzeugaufnahme 1 angeordnet. Auch das in etwa zylinderförmige Sensormodul 30 ist koaxial zur Achse 36 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, erfolgt das Einsetzen des Sensormoduls 30 durch den Hohlraum des HSK 2. Im Übergangsbereich zu diesem ist in dem Sensormodul 30 ein Anschluss 38 ausgebildet, der in Fluidverbindung mit einem Kühlschmiermittel (KSM) führenden Rohr 40 bringbar ist. Dieses Kühlschmiermittel wird bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über einen sich bogenförmig verzweigenden Kanal 42 innerhalb des Sensormoduls 30 um die Sensorik 34 herumgeführt und mündet dann in einem Ausgangsanschluss 44 im Bereich der Spannvorrichtung, so dass das gespannte Werkzeug 22 mit Kühlschmiermittel versorgt wird. Wie oben beschrieben, ist eine günstige Gestaltung symmetrisch ausgeführt, bei der die Sensorik von zwei Kanälen umgeben ist.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Sensormodul 30 neben der eigentlichen Sensorik 34, d. h., beispielsweise einem Beschleunigungssensor, einem Temperatursensor und/oder einem Dehnungsmessstreifen oder einem sonstigen Sensor zur Erfassung eines Krafteintrags die zugehörige Sensorelektronik, die in Signalverbindung mit der in 1 sichtbaren Antenne 18 steht. In das Sensormodul 30 kann auch eine Energieversorgung, beispielsweise ein Akkumulatorpaket integriert sein. D. h., abgesehen von der Antenne 18 sind bei diesem Ausführungsbeispiel alle zur Signalerfassung und Signalübertragung zur Antenne 18 erforderlichen Baugruppen in dem Sensormodul 30 integriert, so dass beispielsweise durch Auswechseln des Sensormoduls 30 eine für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang optimierte Sensorik bei unveränderter Werkzeugaufnahme 1 verwendet werden kann.
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3a zeigt eine Variante des Sensormoduls 30 gemäß 2. Ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die eigentliche Sensorik 34 mit einem beispielsweise im Bereich der Achse 36 (2) angeordneten Beschleunigungssensor ausgeführt. Der Kanal 42 zur Durchführung des KSM ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht verzweigt, sondern U- oder doppel-S-förmig ausgeführt, so dass die Sensorik 34 vom Kanal 42 umgangen wird. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt dieser eine Fluidverbindung zwischen dem Anschluss 38 und einem Ausgangsanschluss 44 her. In das Sensormodul 30 integriert ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel des Weiteren eine Energieversorgung, die beispielsweise durch ein Akkumulatorpaket 48 ausgebildet ist. Nicht dargestellt in 3a ist die eigentliche Sensorelektronik, die ebenfalls in das Sensormodul 30 integriert ist.
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Diese Sensorelektronik 50 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3b sichtbar. Demgemäß ist diese Sensorelektronik 50 durch eine Platine mit der zugehörigen Schaltung ausgebildet. Diese Sensorelektronik 50 umfasst alle Komponenten zur Datenvorverarbeitung, Datenübertragung und Steuerung der Energieversorgung. In 3b sind beispielhaft Anschlusspins 52 für die Antenne 18 ausgebildet, über die die von der Sensorik erfassten Messsignale an eine im Folgenden beschriebene Auswerteeinheit abgegeben werden.
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Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel demjenigen aus 3a, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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4 zeigt eine Variante einer Werkzeugaufnahme 1, bei der die Ausnehmung 26 im Sensorschaft 16 nicht in Axialrichtung sondern in Radialrichtung orientiert ist. D. h., bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Sensormodul 30 oder die Sensorik in Radialrichtung in den Sensorschaft 16 eingesetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Integration der Bauelemente in das Sensormodul 30 dahingehend minimalisiert, dass in die radiale Ausnehmung 26 im Wesentlichen nur die Sensorik eingesetzt wird. Die sonstigen Baugruppen, wie beispielsweise die vorbeschriebene Sensorelektronik, die Antenne/Übertragungseinrichtung und/oder die Energieversorgung (Akkupack 48) sind am Umfang des Sensorschafts 16 angeordnet. Hierzu können beispielsweise umfangseitig Taschen 54, 56 vorgesehen sein, in die die jeweiligen Komponenten eingesetzt werden. Zur Vermeidung von Unwuchten kann es auch vorteilhaft sein, die Energieversorgung, beispielsweise das Akkumulatorpaket axial anzuordnen. Die Energieversorgung kann einerseits über das Akkumulatorpaket und/oder aber auch über ein Magnetfeld (Induktion) oder dergleichen erfolgen.
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Der Aufbau des HSK 2 und der Spannvorrichtung 20 entspricht dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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5 zeigt ein Blockschaubild der Steuerungs-Regelungsanordnung einer Werkzeugmaschine oder einer sonstigen Bearbeitungsmaschine, die mit der erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme 1 ausgeführt ist. Wie vorstehend ausgeführt, erfolgt die Signalübertragung der von der sensorischen Werkzeugaufnahme 1 aufgenommenen, vorverarbeiteten Messsignale vorzugsweise per Funk über einen Sender und die Antenne 18. Werkzeugmaschinenseitig ist ein Empfänger (Transceiver) 58 zum Empfang der per Funk übertragenen Daten vorgesehen. Die Regelungsanordnung ermöglicht eine ad-hoc-Reaktion auf noch nicht eingeschwungene Instabilitätszustände. Dies wird durch eine Echtzeit-Adaptierung von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise Vorschub, Drehzahl usw. umgesetzt, wobei diese Adaptierung in Abhängigkeit von den Prozesszuständen, wie beispielsweise der Vibration oder dem Krafteintrag am Werkzeug umgesetzt wird. Diese Prozesszustände werden über die erfindungsgemäße sensorische Werkzeugaufnahme 1 erfasst und an die Regelungsanordnung übertragen. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 60, über die - wie vorstehend ausgeführt - die Prozessstabilität beurteilt und ggf. Bearbeitungsparameter verändert werden, sofern diese Prozessstabilität nicht der Vorgabe entspricht. Der Empfänger 58 (Transceiver) ist dabei über einen Echtzeitkanal 70 mit dieser Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 60 verbunden. Eine Konfiguration der Auswerteeinheit 60 erfolgt über eine Konfigurationsverbindung 62. Die Adaption der Bearbeitungsparameter erfolgt dabei auf der Basis der erfassten Prozesszustände, die durch die Auswerteeinheit beurteilt werden. Es können jedoch andere maschineninterne Messdaten sowie Daten einer zusätzlichen externen Sensorik oder Daten aus einer Prozess-Datenbank 68 in die Auswerteeinheit 60 eingehen.
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Die Auswerteeinheit 60 erhält Messdaten des bewegten Sensormoduls, hier der rotierenden sensorischen Werkzeugaufnahme 1, legt diese in einem Pufferspeicher ab und arbeitet zeitnah verschiedene Algorithmen für die Erfassung von Prozesszuständen ab. Sie bildet auch die Schnittstelle zu der genannten Prozessdatenbank. Die verwendeten Algorithmen sind so ausgelegt, dass festgelegt wird, unter welchen Bedingungen ein Eingriff in die NC-Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgt. Ein Teil der Algorithmen ermittelt aus den Messdaten der Werkzeugaufnahme 1 Prozesszustände. Ein anderer Teil der Algorithmen verknüpft diese Prozesszustände mit Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise Materialparametern, Benutzereingaben und/oder Prozessdatenbankwerten, um zu entscheiden, ob ein Eingriff zu erfolgen hat. Ein weiterer Teil der Algorithmen adaptiert die Bearbeitungsparameter auf der Basis dieser Daten. Die Prozesszustände beziehen sich dabei vorzugsweise auf die aktuell in Echtzeit gemessenen Daten und nicht auf gesammelte Daten aus anderen Fertigungsläufen. Zusätzlich kann auch unter Verwendung des Ansatzes von Softsensoren aus den Messdaten der Werkzeugaufnahme 1 ein Rückschluss auf sekundäre Prozess- Resultate wie die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks erfolgen.
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Die Konfiguration des Systems erfolgt über eine nicht zwingend-echtzeitfähige Verbindung, beispielsweise über eine OPC UA-Anwendung und/oder über die Werkzeugmaschinensteuerung beispielsweise mittels M-Befehlen. Die Algorithmen können dabei je nach Bearbeitungsschritt (beispielsweise Schruppen, Schlichten, Feinschlichten) und unterschiedlichen Bauteil-Materialien ausgewählt werden. Es können auf diese Weise auch Eingriffsparameter verändert werden. Zusätzlich kann bei Anwendung von mehreren Auswerteeinheiten die Verknüpfung der einzelnen Sensoren zu den entsprechenden Algorithmen und den resultierenden Prozessparametern bestimmt werden.
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Über einen Echtzeitkanal 70 ist die Auswerteeinheit 60 mit der Werkzeugmaschinensteuerung 66 gekoppelt. Dadurch wird eine ad-hoc-Verstellung von Maschinenvorschub und/oder Maschinendrehzahl während der Bearbeitung ermöglicht. Typische Anwendungen sind die Vermeidung und/oder Erkennung von Prozessfehlern, Prozessinstabilitäten, Werkzeugbrüchen und so weiter. Auch ein vorzeitiger Verschleiß des Werkzeugs ist erkennbar - im letztgenannten Fall wird ein Signal zum Werkzeugwechsel generiert. Beim Auftreten einer Prozessinstabilität oder dergleichen werden als Reaktion die Bearbeitungsparameter über die Werkzeugmaschinensteuerung 66 verändert. Zusätzlich können auch Maschinendaten an die Auswerteeinheit 60 übergeben werden, um diese für Analysen heranzuziehen.
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Über die Prozessdatenbank 68 erfolgt eine gemeinsame Dokumentation von Prozesssignalen der Werkzeugaufnahme 1 mit NC-Sätzen, maschineninternen Messdaten sowie Messdaten zusätzlicher externer Sensorik und eröffnet somit die Möglichkeit, eine Vielzahl von für die Maschinensteuerung wesentlichen Daten zu sammeln und zu verwerten. Diese Datensätze ermöglichen es, komplexe Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Fertigungsresultaten zu berechnen und zu analysieren, so dass es auf der Basis einer solchen Prozessdatenbank 68 möglich ist, NC-Programme hinsichtlich der Prozessstabilität zu optimieren.
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Offenbart sind Sensormodule für z.B. eine Werkzeugaufnahme, bei der die Sensorik als bauliche Einheit integriert ist und mit derartigen Sensormodulen ausgeführte Werkzeug- oder Maschinenelemente sowie eine Bearbeitungs-/Werkzeugmaschine mit einem derartigen Sensormodul.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugaufnahme
- 2
- Hohlschaftkegel (HSK)
- 4
- Mitnehmernut
- 6
- Mitnehmernut
- 8
- Kegel
- 10
- Bund
- 12
- Greiferrille
- 16
- Sensorschaft
- 18
- Antenne
- 20
- Spannvorrichtung
- 22
- Werkzeug
- 24
- Hohlschaft
- 26
- Ausnehmung
- 28
- Spannkegel
- 30
- Sensormodul
- 32
- Indexvorsprung
- 34
- Sensorik
- 36
- Drehachse
- 38
- Anschluss KSM
- 40
- Kühlschmiermittelrohr
- 42
- Kanal
- 44
- Ausgangsanschluss
- 48
- Akkumulatorpaket
- 50
- Sensorelektronik
- 52
- Anschlusspins
- 54
- Tasche
- 56
- Tasche
- 58
- Empfänger/Transceiver
- 60
- Auswerteeinheit
- 62
- Konfigurationsverbindung
- 66
- Werkzeugmaschinensteuerung
- 68
- Prozessdatenbank
- 70
- Echtzeitkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/068158 A1 [0003]
- DE 102006030834 A1 [0003]
