DE102018114899A1

DE102018114899A1 - Verfahren zur Ermittlung der Geometrie oder relativen Position eines in das für die Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen vorgesehene Wechselspannsystem einer Werkzeugmaschine eingespannten Tastkörpers sowie entsprechend eingerichtete Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102018114899A1
Application number: DE102018114899.2A
Authority: DE
Inventors: Adrián González de Mendoza
Original assignee: Nuton GmbH
Current assignee: Nuton GmbH
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018114899B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Geometrie oder relativen Position, insbesondere mindestens einer Kante oder Fläche, eines in das für die Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen vorgesehene Wechselspannsystem einer Werkzeugmaschine eingespannten Tastkörpers, unter Zuhilfenahme eines Referenzkörpers, bei der der Tastkörper und der Referenzkörper an zueinander beweglichen Teilen einer Verfahreinheit befestigt sind und sich mit Hilfe der Verfahreinheit in berührenden Kontakt zueinander bringen lassen, wobei die beim Kontakt zwischen Tastkörper und Referenzkörper wirkenden Kräfte mit einer fest in die Maschinenstruktur der Verfahreinheit integrierten Kraftmesseinrichtung erfasst werden und das Auftreten einer bestimmten Kraftwirkung zwischen Tastkörper und Referenzkörper von einer Auswerteeinheit erkannt und mit einer zeitgleichen Positionsinformation aus der Maschinensteuerung der Verfahreinheit verknüpft wird.

Description

Technisches Gebiet
In Werkzeugmaschinen (im Folgenden oftmals vereinfachend auch „Maschine(n)“ genannt) werden unterschiedliche Verfahren und Einrichtungen verwendet, um die relative Lage und Ausrichtung des Werkstücks in Bezug auf ein festes Maschinenkoordinatensystem zu vermessen um anschließend das Werkzeug positionsgenau an die zu bearbeitende Stelle des Werkstückes heranzuführen oder die Geometrie des Werkstücks vor und nach der Bearbeitung maßlich zu erfassen. Andere Verfahren und Einrichtungen dienen dazu die geometrischen Eigenschaften der Werkzeuge selbst zu vermessen, insbesondere deren Ausspannlänge, deren Durchmesser und deren Exzentrizität.
Hintergrund der Erfindung
Für die Vermessung des Werkstücks und dessen Position in der Maschine haben sich neben rein mechanischen Tasteinrichtungen, wie Kantentastern und 3D-Messtasteruhren inzwischen elektronische Tasteinrichtungen, sogenannte Messtaster, etabliert, bei denen die Berührung eines vorzugsweise kugelförmigen Tastkörpers mit dem Werkstück ein Schaltsignal auslöst, welches von einer Auswerteeinheit erfasst und mit den Achspositionen der Werkzeugmaschinenachsen verknüpft wird. Da Werkzeugmaschinen üblicherweise in der Werkzeugspindel über ein Wechselsystem für Werkzeugaufnahmen verfügen und die elektronischen Tasteinrichtungen vorzugsweise aus dem maschineneigenen Werkzeugmagazin automatisch entnommen und dorthin wieder abgelegt werden sollen, muss die gesamte Sensorik, Elektronik und Energieversorgung in die Tasteinrichtung integriert werden. Weiterhin muss die zeitgenaue Übertragung des Schaltsignals an die Maschinensteuerung sichergestellt werden, weshalb die meisten einwechselbaren elektronischen Tastköpfe über eine Einrichtung zur drahtlosen Übertragung des Schaltsignals verfügen. Diese Summe der technischen Anforderungen an eine solche Tasteinrichtung ergeben ein System, welches kompliziert, teuer, wartungsintensiv, empfindlich und vergleichsweise groß ist.
Für die Vermessung der Werkzeuggeometrie werden innerhalb der Maschine andere Messsysteme verwendet. Hier wird das eingewechselte Werkzeug zu einer fest in den Arbeitsraum der Maschine integrierten Messeinrichtung hinbewegt. Diese Messeinrichtungen dienen vorwiegend der Ermittlung der Länge und des Durchmessers des Werkzeugs und sind auf diese Aufgabe hin optimiert. Im Gegensatz zu den einwechselbaren Messtastern liefern diese ihre Schaltsignale drahtgebunden an die Auswerteeinheit.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es diese beiden Messsysteme durch ein einheitliches System zu ersetzen und deren Nachteile zu überwinden. Diese sind insbesondere:

• Die technische Komplexität und der daraus resultierende Preis der einwechselbaren Messtaster
• Die große resultierende Aufbaulänge des Messtasters
• Das Erfordernis einer mitgeführten und damit endlichen Energiequelle für die Messtaster und der daraus resultierende Wartungsaufwand
• Das Erfordernis des Aufbaus einer drahtlosen Signalübertragungsstrecke innerhalb des Arbeitsraums für die Messtaster
• Die durch die drahtlose Signalübertragungsstrecke limitierte Schaltgeschwindigkeit der Messtaster
• Das Erfordernis ein zweites komplexes System zur Vermessung der Werkzeuge im Arbeitsraum unterzubringen und mit der Auswerteeinheit zu verbinden.

Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Werkzeugmaschine gelöst, die gemäß Anspruch 9 eingerichtet ist. Die nachgeordneten Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Kraftmesseinrichtung zur vorzugsweise mehrachsigen Erfassung der zwischen Werkstück und Werkzeugspindel auftretenden Kräfte in die Werkzeugmaschine integriert wird, welche die Aufgabe der vorgenannten Systeme übernimmt. Solche Einrichtungen zur mehrachsigen Erfassung der zwischen Werkstück und Werkzeugspindel auftretenden Kräfte sind grundsätzlich bekannt und zum Beispiel in EP 0806643 B1 beschrieben. Neu ist allerdings der Gedanke, mit Hilfe einer fest mit der Werkzeugmaschine verbundenen Kraftmesseinrichtung nicht nur die Prozesskräfte zu erfassen, sondern über die mit einer solchen Kraftmesseinrichtung gewonnenen Kraftwerte dimensionale Messungen zu ermöglichen.
Aus WO 2006/120403 ist ein schaltender Tasteinsatz zum Einsatz auf einer Werkzeugmaschine oder einem Koordinatenmessgerät bekannt, welcher Dehnmesstreifen verwendet um die Empfindlichkeit des Tasteinsatzes zu erhöhen und darüber hinaus unabhängig von der Lage der angetasteten Fläche zum Tastkörper und der Antastrichtung ein genaueres Tastergebnis zu erzielen. Eine unabhängige Erfassung der auf den Tasteinsatz in mehreren Achsen einwirkenden Kräfte ist damit aber nicht möglich. Auch können die Antastkräfte nicht programmiert oder variiert werden. Damit ist eine universelle Verwendbarkeit mit unterschiedlichsten Tastkörpern mit dieser Art von Tasteinsatz nicht möglich. Es ist überdies nicht vorgesehen, den Tastkörper durch ein Werkzeug austauschen zu können, so dass auch die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte erfasst werden können.
Das Ziel eines schaltenden Messtasters ist es bei einer Berührung des Tastkörpers ein Schaltsignal (Triggersignal) zu generieren, welches mit den aktuellen Achspositionen der Werkzeugmaschinenachsen verknüpft werden kann und so eine Positionsinformation erlaubt. Ein solches Schaltsignal wird erfindungsgemäß beim Auftreten einer vorher definierten Kraftwirkung in Folge einer Berührung zwischen Werkzeugspindel und Werkstück ausgelöst. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Höhe der Antastkraft frei bestimmt werden kann, während bei handelsüblichen Tastsystemen die signalauslösenden Antastkräfte nicht verändert werden können.
Unter dem Einfluss einer auftretenden Kraft wird ein zu vermessendes Werkzeug oder ein in die Werkzeugspindel eingesetzter Tastkörper jedoch elastisch nachgeben. Um den Messfehler, welcher durch diese Nachgiebigkeit entsteht, möglichst gering zu halten, ist es erforderlich die signalerzeugenden Berührungskräfte möglichst niedrig zu halten. Weiterhin ist die Nachgiebigkeit eines Tastkörpers in der Regel richtungsabhängig unterschiedlich und bei langen Tasteinsätzen erzeugen selbst geringe Antastkräfte eine nennenswerte elastische Auslenkung des Tastkörpers, welche ohne Kompensation zu unakzeptablen Messfehlern führen. Aus diesem Grund müssen Tastkörper vor der Vermessung eines Werkstückes an einem geometrisch exakt bekannten Referenzkörper kalibriert werden, indem der Tastkörper diesen vorzugsweise kugelförmigen Referenzkörper aus verschiedenen Richtungen anfährt. Aufgrund dieser Kalibrierung entsteht ein virtueller Tastkörper, dessen Größe und geometrische Form von der realen Form des Tastkörpers erheblich abweichen kann. Das Volumen des virtuellen Tastkörpers ist aufgrund seiner Nachgiebigkeit dabei immer kleiner als das des realen Tastkörpers und kann sogar negativ werden, wenn die elastische Auslenkung des Tastkörpers größer als sein Radius ist. Da die Nachgiebigkeit des Tastkörpers richtungsabhängig unterschiedlich ausfallen kann und insbesondere in Achsrichtung der Spindel meist sehr viel geringer ausfällt als lotrecht dazu, weicht auch die geometrische Form des virtuellen Tastkörpers von der realen Geometrie ab.
Aufgrund der beschriebenen Richtungsabhängigkeit des Auslenkungsbetrags ist es nicht nur erforderlich das Auftreten der Antastkraft zu erfassen, sondern eben auch dessen Kraftrichtung. Um exakte Messungen zu ermöglichen muss daher eine vorzugsweise mindestens dreiachsige Kraftmesseinrichtung verwendet werden, die jeder auf den Tastkörper bzw. auf die Werkzeugspindel einwirkenden Kraft nicht nur eine Größe, sondern auch einen Raumvektor zuordnen kann.
Derselbe Referenzkörper, welcher für die Tastkörper-Kalibrierung verwendet wird, kann in gleicher Weise auch für die Werkzeugvermessung verwendet werden. Dazu muss sich der Referenzkörper im Arbeitsraum der Maschine befinden. Mit Hilfe des Referenzkörpers können neben der Länge und dem Durchmesser von Tastkörpern und Werkzeugen auch die Exzentrizität, die geometrische Form und die elastische Verformung des Tastkörpers oder des Werkzeugs unter Einwirkung einer bestimmten Kraft ermittelt werden.
Eine Tastkörper-Kalibrierung oder eine Werkzeugvermessung mithilfe eines Referenzkörpers kann aber auch auf externen, an diese Aufgabe speziell angepassten Kalibrierständen erfolgen. Jedoch ist dies mit einer zusätzlichen Messunsicherheit verbunden, da die sich die durch die Spannfehler im Werkzeugwechselsystem ergebenden Unterschiede, sowie Abweichungen durch Wärmeausdehnung sich im Voraus nicht erfassen lassen.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn als Kraftmesseinrichtung eine Kraftmesseinrichtung verwendet wird, die zumindest die erfindungswesentlichen Merkmale der Kraftmesseinrichtung gemäß der DE 10 2016 114 193 A1 , der DE 10 2016 116 179 A1 , der DE 10 2016 116 180 A1 , der DE 10 2016 116 181 A1 , der DE 10 2016 116 182 A1 oder / und DE 10 2018 102 327.8 aufweist. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldungen wird durch diese Bezugnahme vollständig zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung hinzugefügt.
Die Grundvoraussetzung für dimensionale Messungen ist in der Regel eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung, die in der Lage ist kleinste (Antast-)Kräfte zu erfassen. Da sie erfindungsgemäß in die Maschinenstruktur integriert ist, muss sie aber gleichzeitig im Interesse einer hohen Bearbeitungsqualität ausreichend steif sein, sowie eine hohe Überlastfähigkeit besitzen um hohe Zerspankräfte und mögliche Kollisionen unbeschadet zu überstehen. Dies wird entsprechend den zitierten Anmeldungen idealerweise durch eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung gelöst, welche eine kurze rohrartige Verformungszone, eine flüssigkeitsgekühlte Verformungszone sowie eine redundante Anordnung von Verformungsaufnehmern aufweist. Ein optimales Ergebnis wird dann erzielt, wenn alle aufgelisteten Eigenschaften in der verwendeten Kraftmesseinrichtung realisiert sind, jedoch kann auch bereits eine Kraftmesseinrichtung, die nur eine Auswahl dieser Eigenschaften besitzt, für eine erfindungsgemäß ausgestattete Werkzeugmaschine ausreichend sein.
Ein besonderer Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber den zum Stand der Technik gehörenden Tasteinrichtungen besteht darin, dass neben der reinen Schaltinformation auch eine Information über die räumliche Ausrichtung der angetasteten Fläche gewonnen werden kann. Liegt der Normalvektor der angetasteten Fläche nicht in Richtung der Antastbewegung, entstehen Abdrängungskräfte, die von einer mehrachsigen Kraftmesseinrichtung miterfasst werden können. So kann neben der reinen Schaltinformation auch eine Information über die Ausrichtung des Normalvektors der angetasteten Fläche gewonnen werden. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden durch einen Plausibilitätsvergleich Fehlmessungen zu vermeiden oder Antastzyklen effektiver zu gestalten.
Eine erfindungsgemäß ausgestattete Werkzeugmaschine kann aber nicht nur schaltend tasten, sie kann einen Tastkörper auch an einer Werkstückfläche kontinuierlich entlangführen, also scannend Tasten, indem sie einem Algorithmus folgt, welcher die Maschinenbewegung so steuert, dass die Antastkraft immer innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt. So wird es möglich die Maschine automatisch einer vorher unbekannten Kontur folgen zu lassen und diese gleichzeitig geometrisch zu erfassen.
Beim scannenden Tasten ist die Antastkraft nicht mehr als Wert, sondern als Wertebereich definiert. Dies bedeutet, dass Abweichungen zu der der Tastkörperkalibrierung zugrundeliegenden Referenzkraft entstehen, welche zu einer abweichenden Auslenkung des Tastkörpers und also zu einem Antastfehler führen. Ein möglicher Umgang mit diesem Problem ist, dass man den Tastkörper möglichst unnachgiebig gestaltet um den Messfehler gering zu halten. Eine andere Lösung des Problems besteht darin, während der Tastkörperkalibrierung auch dessen richtungsabhängige Steifigkeitswerte mitzuerfassen, wodurch es möglich wird, einer beliebigen am Tastkörper anliegenden Kraft einen Wert für die entsprechende elastische Auslenkung zuzuordnen und den Auslenkungsfehler so zu kompensieren.
Beim scannenden Tasten entstehen durch die Relativbewegung zwischen der abgetasteten Oberfläche und dem Tastkörper Reibungskräfte. Diese Reibungskräfte können zu Messfehlern und Störungen des Antastprozesses führen, bzw. dessen Dynamik einschränken. Außerdem führt die Reibung zwischen Tastkörper und Werkstückoberfläche zu Verschleiß und unter Umständen zu unerwünschten Spuren auf der abgetasteten Oberfläche. Um diesem Problem entgegenzuwirken kann ein rotationssymmetrischer Tastkörper verwendet werden, der während des scannenden Tastens auf der abgetasteten Oberfläche abrollt. Die dafür erforderliche Rotationsbewegung kann passiv, durch eine entsprechende Lagerung des Tastkörpers erfolgen, oder aktiv in dem die Motorspindel den Tastkörper entsprechend rotieren lässt. Dabei kann die Rotationsbewegung der Motorspindel wiederum aktiv in Abhängigkeit zu den in Bewegungsrichtung des Tastkörpers gemessenen, von der Reibung verursachten Kräften geregelt werden. Alternativ kann auch der reale Abrollradius des Tastkörpers in Abhängigkeit von der auf der abgetasteten Oberfläche zurückgelegten Strecke verwendet werden um die Rotationsbewegung zu steuern. Da es aber sowohl bei der Berechnung der zurückgelegten Strecke als auch bei der Vermessung des Abrolldurchmessers zu Abweichungen kommen kann, können bei dieser Steuerung der Abrollbewegung insbesondere bei langen Taststrecken Fehler entstehen, die sich als dauerhaft anliegende Kräfte in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Tastkörpers auswirken und wiederum zu Messfehlern führen können.
Ist zu befürchten, dass die an- oder abzutastenden Oberflächen mit Staub oder Spänen verschmutzt sind kann alternativ eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Rotationsbewegung des Tastkörpers die abzutastende Oberfläche von lose anhaftenden Partikeln reinigen. Dies vergrößert bzw. erzeugt zwar die im vorangegangenen Absatz beschriebenen Messfehler kann aber bei schmutzbehafteten Oberflächen in der Summe zu einem genaueren und verlässlicheren Tastergebnis beitragen.
Obwohl sich die vorbeschriebenen Ausführungen der Erfindung auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Werkzeugmaschine mit einem Wechselspannsystem für angetriebene Werkzeuge bezieht, ist die Erfindung auch auf andere Maschinentypen mit Wechselspannsystemen für nichtangetriebene Werkzeuge übertragbar, z.B. Drehmaschinen, Fertigungsroboter und ähnliches. Das kennzeichnende Merkmal der Erfindung ist dabei die Integration mindestens einer mehrachsigen Kraftmesseinrichtung in die Maschinenstruktur mit dem Ziel einer maßlichen Erfassung eines Objektes, welches sich zwischen beweglichen Teilen der Maschine befindet, indem die bei einer Berührung zwischen einem in das Wechselspannsystem eingesetzten Werkzeug oder Tastkörper und einem im Arbeitsraum der Maschine befindlichen Referenzkörper auftretenden Kräfte unter Berücksichtigung der Kraftrichtung und ggf. der resultierenden elastischen Verformung der Elementkette zwischen den beiden sich berührenden Teilen in einer Auswerteeinheit analysiert werden.
In den Figurenbeschreibungen und in den Ansprüchen der wird der Begriff „Verfahreinheit“ verwendet, um die universelle Verwendbarkeit des erfinderischen Prinzips zu verdeutlichen. Eine Verfahreinheit ist dabei als eine Maschine oder als Teil einer Maschine definiert, welche eine Relativbewegung zwischen einem auf der Maschine befindlichen Objekt, insbesondere einem Werkstück oder einem Referenzkörper und einem Werkzeug oder Tastkörper durch die Bewegung einer oder mehrerer motorisch angetriebener Achsen ermöglicht.
Der Begriff „Tastkörper“ wird der Einfachheit halber in den Ansprüchen synonym mit dem Begriff Werkzeug verwendet. Ein Tastkörper ist dabei ein beliebig geformtes, festes Objekt, welches in das Wechselspannsystem einer Werkzeugmaschine eingesetzt werden kann. Dies kann beispielsweise ein Taststift mit einer Rubinkugel, ein Fräswerkzeug oder ein Drehmeißel sein.
Der in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Begriff „Wechselspannsystem“ bezieht sich dabei ausdrücklich auf ein Wechselspannsystem für Bearbeitungswerkzeuge entsprechend dem Werkzeugmaschinentyp, also beispielsweise Fräswerkzeuge für eine Fräsmaschine, Drehmeißel für eine Drehmaschine oder Schleifscheiben für eine Flachschleifmaschine. Die ebenfalls häufig in Werkzeugmaschinen eingesetzten Wechselspannsysteme für Werkstücke, z.B. Palettenwechsler gelten im Erfindungssinn nicht als Wechselspannsystem.
Der Referenzkörper ist definiert als ein im Arbeitsraum der Maschine befestigter, beliebig geformter Körper, mit mindestens einer festen antastbaren Fläche, die sich mit einer zu vermessenden Fläche oder Kante des Tastkörpers in berührenden Kontakt zueinander bringen lässt. Durch den relativen Vergleich der bei dem Kontakt mit einer erfindungsgemäß eingerichteten Werkzeugmaschine gewonnen Positionsinformationen lassen sich damit Rückschlüsse auf die Position, die Ausdehnung oder die geometrische Form des Tastkörpers gewinnen. Ein Referenzkörper ist dabei selbst idealerweise ein Körper mit einer geometrisch möglichst genau bekannten Form und Ausdehnung, wie zum Beispiel eine Referenzkugel. Der Referenzkörper kann aber auch durch eine antastbare Fläche des Maschinenschraubstocks oder durch das Werkstück selbst gebildet werden, sofern dies eine geeignete antastbare Fläche aufweist. Die den Tastkörper betreffenden Positions- oder Geometrieinformation können dann wieder verwendet werden um mit dem Tastkörper die Geometrie oder relative Position eines weiteren, im Arbeitsraum der Maschine befindlichen Objektes, also zum Beispiel des Werkstückes, zu vermessen.
In allgemeiner Form wird die Erfindung weiterhin dadurch charakterisiert, dass die beim Kontakt zwischen Tastkörper/Werkzeug und dem zu vermessenden Objekt bzw. dem Referenzkörper wirkenden Kräfte mit einer Kraftmesseinrichtung erfasst werden und das Auftreten einer bestimmten Kraftwirkung zwischen Tastkörper und zu vermessendem Objekt von einer Auswerteeinheit erkannt wird. In dieser Situation wird ein Schaltsignal auslöst, welches mit einer zeitgleichen Positionsinformation aus der Maschinensteuerung der Verfahreinheit verknüpft wird. Bevorzugt erfasst die Kraftmesseinrichtung mindestens drei Kraftkomponenten innerhalb eines mehrachsigen Koordinatensystems. Weiter bevorzugt ist die signalauslösende Kraftwirkung als ein Wert oder Wertebereich mindestens einer Kraftkomponente oder ein Werteverhältnis mindestens zweier Kraftkomponenten definiert. Dabei ist die Definition der signalauslösenden Kraftwerte oder Kraftwertverhältnisse bevorzugt durch ein Programm oder einen Bediener veränderbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird einer definierten Kraftwirkung ein dimensionaler Korrekturwert zugeordnet, welcher mit den Positionsinformationen der Verfahreinheit verrechnet wird. Hierzu kann eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Werkzeugmaschine eine Auswerteeinheit oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung umfassen, die dazu konfiguriert ist, einer definierten Kraftwirkung einen dimensionaler Korrekturwert zuzuordnen und diesen mit den Positionsinformationen der Verfahreinheit zu verrechnen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird auf der Basis des Werteverhältnisses der mindestens drei zeitgleich erfassten Kraftkomponenten eine Information über die Richtung der auf den Tastkörper einwirkenden Kraft zu generiert. Diese kann über eine geeignete Ausgabeeinheit ausgegeben werden. Hierzu kann eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Einrichtung eine Auswerteeinheit umfassen, die dazu konfiguriert ist, um auf der Basis des Werteverhältnisses der mindestens drei zeitgleich erfassten Kraftkomponenten eine Information über die Richtung der auf den Tastkörper einwirkenden Kraft zu generieren, d.h. einen Kraftvektor. Weiterhin kann die Einrichtung eine Ausgabeeinheit wie ein Display umfassen, und die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, die generierte Information über die Richtung der auf den Tastkörper einwirkenden Kraft über die Ausgabeeinheit auszugeben.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird ein generierter Kraftvektor in ein anderes Koordinatensystem umgerechnet. Hierzu kann eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Einrichtung eine Auswerteeinheit oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung umfassen, die dazu konfiguriert ist, einen von der Auswerteneinheit gelieferten Kraftvektor in ein anderes Koordinatensystem umzurechnen
Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine umfasst eine Verfahreinheit mit zueinander beweglichen Teilen, die dazu vorgesehen sind, den Tastkörper bzw. das Werkzeug und den Referenzkörper aufzunehmen. Die Verfahreinheit ist dazu eingerichtet, den Tastkörper und den Referenzkörper in berührenden Kontakt zueinander zu bringen. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Referenzkörper und dem Tastkörper eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung angeordnet ist. Die Kraftmesseinheit ist mit einer Auswerteeinheit verbunden. Die Auswerteeinheit ist dazu konfiguriert, bei Auftreten einer bestimmten Kraftwirkung an der Kraftmesseinrichtung ein Schaltsignal auszulösen. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit oder ein mit der Auswerteinheit verbundene Maschinensteuerung dazu eingerichtet, dieses Schaltsignal mit mindestens einer zeitgleichen Positionsinformation der Verfahreinheit zu verknüpfen. In seiner einfachsten Ausgestaltung ermittelt die Auswerteeinheit oder die mit der Auswerteinheit verbundene Maschinensteuerung die Positionsinformation der Verfahreinheit zum Zeitpunkt des Auslösens des Schaltsignals. Diese Positionsinformation kann für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die die Verfahreinheit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine eine Motorspindel mit einem Wechselspannsystem auf, welche dem Antrieb von rotierenden Werkzeugen dient.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Motorspindel ein Wechselspannsystem zum Spannen von standardisierten Werkzeugaufnahmen auf.
Bevorzugt sind die Werkzeugaufnahmen alternativ als Tastkörperaufnahmen ausgeführt.
Weiter bevorzugt weist die Verfahreinheit Spanneinrichtungen auf, mit denen ein zu vermessendes Objekt, insbesondere ein Werkstück, festgehalten werden kann. Diese Spanneinrichtungen können beispielsweise als Aufspanntisch oder als Schraubstock ausgebildet sein.
Die Kraftmesseinrichtung ist als ein mit der Verfahreinheit fest verbundenes Teil ausgebildet, welches in der Bauteilkette der Verfahreinheit hinter dem Wechselspannsystem angeordnet ist. Weiter bevorzugt ist die Kraftmesseinrichtung in der Bauteilkette der Verfahreinheit vor den Spanneinrichtungen angeordnet, mit denen das zu vermessende Objekt festgehalten werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Verfahreinheit einen Spindelstock und eine Motorspindel auf. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Kraftmesseinrichtung zwischen Spindelstock und Motorspindel der Verfahreinheit angeordnet ist. Insbesondere kann die Kraftmesseinrichtung ringförmig ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kraftmesseinrichtung als Kraftmessplatte ausgeführt ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist nachfolgend unter der Überschrift „Kraftmessplatte“ angegeben.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist die Kraftmesseinrichtung ringförmig ausgeführt ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist nachfolgend unter der Überschrift „ringförmige Kraftmesseinrichtung“ angegeben.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Kraftmesseinrichtung zumindest einen Messkörper auf, der seinerseits eine rohrartige Verformungszone aufweist, deren Verformungen mittels darauf applizierter Verformungsaufnehmer erfasst werden. Dabei können die Verformungsaufnehmer insbesondere als Dehnmesstreifen ausgeführt sein.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung steht die rohrartige Verformungszone mindestens teilweise mit einer Flüssigkeit in thermischem, insbesondere flächigem Kontakt. Dabei ist die Kraftmesseinrichtung dazu ausgebildet, über die Flüssigkeit Wärme wenigstens von der Verformungszone abzuführen. Die Kraftmesseinrichtung weist eine Verformungszone auf, welche mindestens teilweise mit einem Fluid in flächigem Kontakt steht. Dabei ist die Kraftmesseinrichtung dazu ausgebildet, über das Fluid Wärme von der Verformungszone abzuführen. Wenigstens von der Verformungszone kann so Wärme abgeführt werden, um die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden.
Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Vorzugsweise handelt es sich um eine Flüssigkeit. Doch auch zähe oder pastöse Medien wie beispielsweise Wärmeleitpasten können zur Anwendung kommen. Auch fließfähige Granulate oder sonstige Medien aus einer Vielzahl von Einzelpartikeln sind als Fluid im Sinne der Erfindung zu bezeichnen. Der Begriff „Fluid“ ist für die vorliegende Erfindung daher in seinem weitesten Sinn auszulegen.
Neben der Verformungszone kann das Fluid dabei auch in Kontakt mit mindestens einem flanschartigen Teil der Kraftmesseinrichtung stehen. Vorzugsweise steht das Fluid mit beiden flanschartigen Teilen in Kontakt, um so eine thermische Verbindung zwischen dem ersten flanschartigen Teil und dem zweiten flanschartigen Teil herzustellen.
Das Fluid steht somit mit mindestens einem, vorzugsweise aber mit beiden flanschartigen Teilen der Kraftmesseinrichtung in thermischen Kontakt. Bei Kontakt des Fluides mit einem flanschartigen Teil kann nicht nur Wärme direkt von der Verformungszone in dieses flanschartige Teil abfließen, sondern Wärme fließt auch auf einem parallelen zweiten Weg von der Verformungszone über das Fluid in diesen flanschartigen Teil. Dies erfolgt durch Konvektion und/oder Wärmeleitung des Fluides. So wird der Wärmewiderstand des direkten Weges zwischen der Verformungszone und dem jeweiligen flanschartigen Teil vorteilhaft verringert gegenüber Lösungen ohne Wärmeabfuhr durch ein Fluid.
Stehen beide flanschartigen Teile darüber hinaus durch das Fluid miteinander in thermischen Kontakt, wird die Verformungszone von der Aufgabe entlastet, den Wärmetransport zwischen den beiden flanschartigen Teilen allein zu bewältigen. Der Gesamtwärmewiderstand zwischen diesen beiden Elementen wird ebenfalls vorteilhaft herabsetzt gegenüber Lösungen ohne Wärmeabfuhr durch ein Fluid. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn zwischen den flanschartigen Teilen aufgrund äußerer Einflüsse große Temperaturdifferenzen und/oder schnelle Temperaturänderungen zu erwarten sind. Durch diese Maßnahmen verringern sich das Temperaturniveau und der Temperaturunterschiedswert pro Längeneinheit im Bereich der Verformungszone, was zu einer geringeren Messunsicherheit führt. Gleichzeitig verringert sich die erforderliche Zeit für das thermische Einschwingen.
Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Kühlung des Fluides aufweist, um Wärme abführen zu können. Beispielsweise kann das Fluid hierzu in Berührung mit einem Wärmekoppelelement stehen, über das Wärme von dem Fluid abführbar ist. Dieses Wärmekoppelelement kann beispielsweise ein Wärmerohr sein.
Alternativ oder ergänzend kann das Fluid von einer externen Temperiereinrichtung temperiert und umgewälzt werden. Das Fluid kann auch von einer Kühlmittelleitung durchzogen sein, und das darin fließende Kühlmittel wird von einer externen Temperiereinrichtung temperiert und umgewälzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verformungszone rohrartig ausgeführt, wobei die innere oder äußere Fläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Verformungsaufnehmer dient, und die der äußeren Applikationsfläche gegenüberliegende innere Wand der rohrartigen Verformungszone oder alternativ die der inneren Applikationsfläche gegenüberliegende äußere Wand der rohrartigen Verformungszone ist mit einem Fluid beaufschlagt.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner den Gedanken, das Temperaturniveau und die Temperaturunterschiedswerte zwischen den beiden flanschartigen Teilen und ggf. auch der Verformungszone kontinuierlich mittels Temperatursensoren in der Kraftmesseinrichtung zu erfassen und das Temperaturniveau, den Temperaturunterschiedswert und den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderung aufgrund von Erfahrungswerten für eine Kompensation von Messwertfehlern heranzuziehen. Weiterhin kann die Erfassung dieser Temperaturen für eine gezielte Temperierung des Sensors genutzt werden, mit dem Ziel, ein vorgegebenes Temperaturniveau zu halten und/oder den Unterschiedswert so gering wie möglich zu halten.
In einer Ausführungsform der Erfindung besitzt die Kraftmesseinrichtung daher in ihrem ersten flanschartigen Teil und in ihrem zweiten flanschartigen Teil jeweils mindestens einen Temperatursensor, und der von einer Auswerteeinheit ermittelte Temperaturunterschiedswert wird für eine Korrektur der ermittelten Kraftwerte und/oder zur Steuerung einer die Kraftmesseinrichtung oder Teile davon temperierenden Vorrichtung herangezogen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, welche dazu dienen, dem Fachmann die Ausführung der Erfindung zu erleichtern. Sie dienen zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Die in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale von erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Einrichtungen können einzeln oder in Gruppen zum Gegenstand der unabhängigen Ansprüche hinzugefügt oder zum Gegenstand von Unteransprüchen gemacht werden.
Bezugszeichenliste 1 (bezieht sich auf die 1.1 - 1.3)

1: Tastkörper
2: Zu vermessendes Objekt
3: Verfahreinheit
4: Mehrachsige Kraftmesseinrichtung
5: Auswerteeinheit
6: Motorspindel
7: Spindelstock
8: Wechselspannsystem
9: Werkzeugaufnahme oder Tastkörperaufnahme
10: Referenzkörper
11: Aufspanntisch
12: Maschinensteuerung
Ft: Antastkraft
Fx: Kraftkomponente X
Fy: Kraftkomponente Y
Ff: Reibkraft

Bezugszeichenliste 2 (bezieht sich auf die 2.1 - 2.6)

1: Grundplatte
2: Deckplatte
3: Fester unbeweglicher Teil
4: Beweglicher Teil
5: rohrartige Verformungszone, Rohrwand
6: Dehnmessstreifen
7: Kühlmittelversorgung
8: Kühlkanal
9: Temperatursensor mit Anschlussleitung
10: Anschlag Z
11: Anschlag X
12: Anschlag Y
13: Sensorfuß
14: Messkörper
15: Mittelachse
16: Applikationsfläche
17: Fluid
18: Begrenzungsring

Bezugszeichenliste 3 (bezieht sich auf die 3.1 - 3.7)

1: Werkzeug
2: Spindelwelle
3: Spindelgehäuse
4: Spindelachse
5: Rohrartige Verformungszone
6: Dehnmessstreifen
7: Rotor
8: Stator
9: Spindelhauptlager
10: Loslager
11: Spannfutter
12: Messkörper, erste Kraftmesseinrichtung
13: Messkörper (mitdrehend), zweite Kraftmesseinrichtung
14: Maschinenständer
15: Spindelantrieb (Motor)
16: Kühlmittel
17: Innenring
18: Außenring
19: Kugel
20: Kugelkäfig
21: Flexible Dichtlippe
22: Dichtring
23: Mitnahmestift
24: Einschnürung
25: Temperatursensor

Bezugszeichenliste 4 (bezieht sich auf die 4.1 - 4.3)

1: Sensorfuß
2: Lagerstern
3: Lagerstelle
4: Werkzeugspindel
5: Werkzeug
6: Spindelwelle
7: Spindelgehäuse
8: Spindelachse
9: Rohrartige Verformungszone
10: Kühlmedium (Messkörper)
11: Kühlflüssigkeit (Temperierkreislauf)
12: Messkörper
13: Spindelstock
14: Störgrößensensor (Drehrate, Beschleunigung, Neigung)
15: Aufnahmeflansch
16: Radial elastische Zone
17: Spindelflansch
18: Tilgermasse
19: Elastisches Koppelelement
20: Kühlaggregat
21: Auswerteeinheit
22: Erster flanschartiger Teil
23: Zweiter flanschartiger Teil
24: Hohlraum
25: Verformungsaufnehmer

Ausführungsbeispiele
Werkzeugmaschine
1.1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zur dimensionalen Vermessung von Objekten. Ein auf dem Aufspanntisch 11 einer Verfahreinheit 3 befestigtes zu vermessendes Objekt 2 (zum Beispiel ein Werkstück) gerät durch Verfahren der Maschinenachsen in berührenden Kontakt mit einem Tastkörper 1. Der Tastkörper 1 ist mit Hilfe einer Tastkörperaufnahme 9 in das Wechselspannsystem 8 einer Motorspindel 6 eingesetzt. Die Motorspindel 6 ist wiederum über eine mindestens dreiachsige Kraftmesseinrichtung 4 mit dem Spindelstock 7 der Verfahreinheit 3 verbunden. Somit können alle auf den Tastkörper 1 wirkenden Kräfte von der Kraftmesseinrichtung 4 erfasst werden. Der Kraftmesseinrichtung 4 ist eine Auswerteinheit 5 zugeordnet. Die zwischen dem Antastkörper 1 und dem zu vermessenden Objekt 2 auftretenden Antastkräfte werden von der Kraftmesseinrichtung 4 in die drei Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz zerlegt. Die Auswerteeinheit berechnet aus diesen Kraftkomponenten den Kraftvektor Ft. Wenn Ft einem vorgegebenen Kraftwert entspricht wird von der Auswerteeinheit ein Schaltsignal an die Maschinensteuerung 12 weitergegeben, welches anhand des Zeitstempels dieses Schaltsignals eine Zuordnung zu den zu diesem Zeitpunkt angefahrenen Positionen der Verfahreinheit 3 ermöglicht. Eine Voraussetzung für eine exakte Bestimmung der Verfahrposition sind dabei nicht dargestellte elektronische Maßstäbe in den Verfahrachsen der Verfahreinheit 3.
Am Rande des Aufspanntisches befindet sich ein Referenzkörper 10 mit dessen Hilfe die Tastkörper in der Verfahreinheit 3 kalibriert werden können. Mit Hilfe des Referenzkörpers 10 kann nicht nur die Größe und Form des virtuellen Tastkörpers (der sich aufgrund der Nachgiebigkeit des Tasterschaftes von der realen Geometrie des Tastkörpers 1 unterscheidet) ermittelt werden kann, sondern auch die richtungsabhängige Steifheit des Tastkörpers indem die Antastkraft während des Referenzierungsvorgangs variiert wird. Dies erlaubt einen kontinuierlichen Abtastvorgang, das sogenannte scannende Tasten, bei dem die Antastkräfte während der Verfolgung der zu scannenden Kontur sich unweigerlich in gewissen Grenzen verändern. Durch die Vermessung der Antastkräfte während des scannenden Tastens und die Kenntnis der Steifheit des Tastkörpers 1 kann dennoch eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden. Gleichzeitig ermöglicht der Referenzkörper 10 die Vermessung eines hier nicht dargestellten Bearbeitungswerkzeugs, was an Stelle des Tastkörpers 1 in das Wechselspannsystem 8 eingewechselt wird.
1.2 zeigt einen Antastvorgang, bei dem die angetastete Fläche nicht lotrecht zur Antastrichtung steht. In Folge der Berührung zwischen Tastkörper 1 und der schrägstehenden Fläche des zu vermessenden Objektes 2 erfährt der Tastkörper die Antastkraft Ft. Die Kraftmesseinrichtung 4 zerlegt die Antastkraft Ft in die Kraftkomponenten Fx und Fy. Die Auswertung dieser Messwerte ermöglicht es der Auswerteeinheit 5 eine Aussage über die effektive Antastkraft Ft zu treffen und gleichzeitig über die Ausrichtung der angetasteten Fläche in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem.
1.3 zeigt wie ein Tastkörper 1 die Umfangsfläche eines zu vermessenden Objektes 2 abscannt. Dabei bemüht sich die Maschinensteuerung die Achsen der Verfahreinheit so zu steuern, dass die lotrecht zur gescannten Fläche stehende Antastkraft Ft sich immer innerhalb eines von der Auswerteeinheit vorgegebenen Wertebereichs befindet. Die der Verfahrrichtung entgegengesetzt Reibkraft Ff kann als derjenige Teilvektor des Kraftvektors Fr interpretiert werden, welcher lotrecht auf Ft steht. Zur Vermeidung der Reibkraft Ff. kann der Tastkörper 1 rotierend an der abgetasteten Fläche entlanggeführt werden und also auf diesem abrollen.
Beispiel für eine mit der Erfindung vorteilhaft verwendbare Kraftmessplatte
2.1 zeigt eine vereinfachte räumliche Darstellung einer im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine vorteilhaft einsetzbaren Kraftmessplatte. Diese besitzt eine fest mit einer Maschine verbundene Grundplatte 1, darüber eine Deckplatte 2, welche mit der Grundplatte 1 über vier rohrartige Abschnitte fest miteinander verbunden ist. In einer realen Ausführung dieser Kraftmessplatte wären die vier rohrartigen Abschnitte als eigenständige Bauteile, die sogenannten Sensorfüße 13 ausgeführt, wie sie in 2.2 näher beschrieben sind. Die rohrartigen Abschnitte besitzen jeweils einen Bereich mit einer gleichbleibenden Wandstärke, welche die rohrartigen Verformungszonen 5 bilden und auf deren Innenseite jeweils Dehnmessstreifen 6 zur Erfassung von Längs- und Querverformungen der rohrartigen Verformungszonen 5 angeordnet sind. Weiterhin erkennbar ist eine Einrichtung zur Temperierung der Deckplatte 2 bestehend aus der Kühlmittelversorgung 7 mit einem Zu- und einem Ablaufschlauch für ein flüssiges Kühlmedium, sowie den durch die Deckplatte 2 verlaufenden Kühlkanälen 8. In der Grundplatte 1 befindet sich außerdem ein Temperatursensor mit einer Anschlussleitung 9, dessen Messwerte von einer Steuerungseinrichtung dazu genutzt werden können, die Temperatur des durch die Deckplatte 2 fließenden Kühlmediums in Abhängigkeit von der Grundplattentemperatur zu regeln. Außerdem kann mindestens ein zweiter, hier nicht dargestellter Temperatursensor in der Deckplatte 2 dazu verwendet werden, zusätzlich den Unterschiedswert der Temperaturen von Grundplatte 1 und Deckplatte 2 zu ermitteln und in Abhängigkeit dieses Unterschiedswertes die Vorlauftemperatur und oder die Durchflussmenge des Kühlmediums zu regeln. Die Werte der Temperatursensoren können außerdem dazu verwendet werden, die augenblickliche Messgenauigkeit der Kraftsensoren zu beurteilen und/oder durch Berechnung der Temperaturwirkungen mittels Korrekturwerten zu erhöhen. Weiterhin dargestellt sind mechanische Anschläge 10, 11 und 12 für die Achsrichtungen X, Y und Z, welche die Bewegungen der Deckplatte 2 auf unkritische Amplituden begrenzen und so einer Zerstörung der rohrartigen Verformungszonen 5 bei einer Kollision vorbeugen.
2.2 zeigt einen Schnitt durch einen von vier Sensorfüßen 13, welche bei der gezeigten Kraftmessplatte die Grundplatte 1 und die Deckplatte 2 miteinander verbinden. Der Sensorfuß 13 besitzt einen Messkörper 14 mit zwei flanschartigen Abschnitten oben und unten und einem dünnwandigen zylindrischen Bereich in der Mitte, welcher die rohrartige Verformungszone 5 bildet, und dessen Innenseite die Applikationsfläche 16 für die Dehnmessstreifen 6 bildet. Die Außenseite der rohrartigen Verformungszone 5 ist mit einem Fluid 17 beaufschlagt, welches die von den Dehnmessstreifen erzeugte Verlustwärme, sowie die aufgrund innerer Reibung bei Wechselbelastungen entstehende Wärme von der Rohrwand 5 abführt und an die beiden massiven flanschartigen Abschnitte ober- und unterhalb der rohrartigen Verformungszone, sowie an einen äußeren Begrenzungsring 18 abgibt. Entsprechend einer vorteilhaften, nicht dargestellten Weiterbildung der Erfindung ist der Begrenzungsring 18 ebenfalls kühlmitteldurchströmt und an eine Temperiereinrichtung angeschlossen, um so einer lokalen Erwärmung der Kraftmessplatte an den Sensorfußpositionen vorzubeugen.
2.3 zeigt eine vorteilhafte Anordnung von Dehnmessstreifen auf den Sensorfüßen. Eine übereinanderliegende Anordnung in zwei Höhenebenen ist dabei nicht erforderlich, wodurch die rohrartige Verformungszone 5 der Sensorfüße kürzer gehalten werden kann. Um jeden der Sensorfüße A, B, C und D herum sind 16 DMS dargestellt, wobei die gestrichelt dargestellten Dehnmessstreifen in der einfachsten Ausbaustufe der Erfindung nicht vorhanden sind. Diese werden lediglich benötigt, wenn die Auflösung durch Erhöhung der Redundanz mittels weiterer unabhängiger Messkanäle erhöht werden soll. Somit bleiben pro Sensorfuß 8 DMS, von denen je vier die Verformungen in Z-Richtung erfassen und die anderen vier DMS eine Scherverformung der rohrartigen Verformungszone in X-Richtung (bei B und D) oder in Y-Richtung (bei A und C) erfassen. Anders als bei der Darstellung in 2.3 sind die DMS nicht durchnummeriert, sondern über die Erfassungsrichtung und eine Positionszahl von 1 bis 4 gekennzeichnet also z.B. X4. Die vier Sensorfüße sind dabei baugleich, lediglich die Einbaulage entscheidet über die Erfassungsrichtung in X und Y.
2.4 zeigt die Verschaltung der in 2.3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird jede Wheatstonebrücke nur von den DMS eines einzelnen Sensorfußes gespeist. Die Wheatstonebrücken können nicht über die erfasste Kraftrichtung eindeutig bezeichnet werden, da jede der drei Kraftrichtung F_X , F_Y und F_Z von mehreren Wheatstonebrücken erfasst wird. Stattdessen werden die Wheatstone-Brücken nach der erfassten Kraftkomponente (z.B. X) und der Position des zugeordneten Sensorfußes (A, B, C, D) benannt also zum Beispiel „ZA“.
Insgesamt werden 8 Wheatstonebrücken mit jeweils 4 DMS aufgebaut, welche entsprechend dem in 2.3 verwendeten Benennungsschema gekennzeichnet sind. Jeder Wheatstonebrücke ist ein Verstärkerkanal zugeordnet. Es ergeben sich somit vier Verstärkerkanäle für einwirkende Kräfte in Z (ZA, ZB, ZC und ZD), sowie zwei Kanäle in X (XB und XD) und zwei Kanäle in Y (YA und YC). Diese Anordnung ermöglicht es einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit die Lasten auf allen vier Sensorfüßen einzeln zu erfassen und beugt so einer lokalen Überlast vor. Durch die unabhängige Erfassung von Kräften in X und Y Richtung in diagonal gengenüberliegenden Sensorfüßen ist es auch möglich, die Ausdehnung der Deckplatte aufgrund einer Erwärmung festzustellen und den Messbereich um die so erzeugte Vorspannung zu reduzieren. Alle Vollbrücken werden innerhalb des Sensorkopfes verschaltet, wodurch nur noch 8 Litzen pro Sensorfuß erforderlich sind und so die Voraussetzung für eine effektive elektromagnetische Abschirmung geschaffen wird.
Die Kräfte FX, FY und FZ sowie die Momente M_X , M_Y und M_Z werden aus der Zusammenschau der Messwerte ermittelt. Dabei ergibt sich $F_{X} aus XB + XD$
$F_{Y} aus YA + YC$
$FZ aus ZA + ZB + ZC + ZD$
$M_{X} aus (ZA + ZB) - (ZC + ZD)$
$M_{Y} aus (ZA + ZD) - (ZB + ZC)$
$MZ aus ((XB - XD) + (YA - YC)$
Die so geschaffene mehrfache Redundanz der Messwerte führt zu einer erhöhten Auflösung. Auch liegt an allen DMS die volle Speisespannung an, was im Zusammenspiel mit der hier offenbarten Kühlung/Temperierung die Verwendung von 10V Speisespannung an allen DMS zulässt und so nochmals zu einer Erhöhung der Auflösung beiträgt. Durch die Beschaltung der in 2.3 gestrichelt dargestellten DMS ergeben sich theoretisch vier weitere Kanäle für Z (ZA2, ZB2,...) zwei weitere Kanäle für X (XA und XC) und zwei weitere Kanäle für Y (YB und YC). Diese erhöhen die Redundanz noch einmal und können für Aufbauten mit besonderen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Genauigkeit sinnvoll sein. Allerdings erhöhen sich durch die zusätzlichen Kanäle auch der Verkabelungsaufwand und die Kosten für die Verstärkung und die Auswertung der Messwerte.
2.5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Dabei werden die für die Erfassung der Scherverformungen der rohrartigen Verformungszonen 5 genutzten DMS nicht in Richtung der Achsen X oder Y ausgerichtet, sondern erfassen Verformungen aufgrund von Kraftwirkungen, welche im 45° Winkel zu den Achsrichtungen X und Y stehen. Die Eigenschaften und Vorteile dieser Lösung sind im Wesentlichen mit der in 2.3 beschriebenen Lösung identisch, jedoch ergibt sich eine andere Matrix bei der Berechnung der Kräfte F_X , F_Y und des Moments Mz. Ein Vorteil dieser Anordnung ist es, dass sie eine gleichmäßige Verteilung der DMS auf der Applikationsfläche zulässt, was insbesondere bei miniaturisierten Varianten vorteilhaft sein kann. Auch liefert sie in Bezug auf Mz gegenüber der in 2.3 dargestellten Lösung einen etwas höheren Signalpegel.
2.6 zeigt die Beschaltung der in 2.5 dargestellten Lösung. Die Wheatstonebrücken zur Erfassung der Kraftwirkungen in Z-Richtung (ZA, ZB, ZC und ZD) sind dabei identisch mit der in 2.4 beschriebenen Lösung, die Wheatstonebrücken für die Erfassung von Scherverformungen in der XY-Ebene sind mit MA, MB, MC und MD bezeichnet. Der zweite Buchstabe liefert dabei die Zuordnung zu dem entsprechenden Sensorfuß.
Die Kräfte FX, FY und FZ sowie die Momente M_X , M_Y und M_Z werden wiederum aus der Zusammenschau der Messwerte ermittelt. Dabei ergibt sich $F_{X} aus MC + MB - MA - MB$
$F_{Y} aus MA + MD - MB - MC$
$FZ aus ZA + ZB + ZC + ZD$
$M_{X} aus (ZA + ZB) - (ZC + ZD)$
$M_{Y} aus (ZA + ZD) - (ZB + ZC)$
$MZ aus MA + MB + MC + MD$
Diese Verschaltung basiert auf der Orientierung der positiven Auslenkungsrichtung, wie sie in 2.5 durch die Pfeile neben dem DMS M1 beschrieben sind.
Erstes Beispiel für eine mit der Erfindung vorteilhaft verwendbare ringförmige Kraftmesseinrichtung
3.1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung für die mehrachsige Erfassung der auf ein Werkzeug 1 einwirkenden Bearbeitungskräfte. In diesem Beispiel ist die gesamte Werkzeugspindel inklusive Spindelantrieb 15, Spindelgehäuse 3, Spindelwelle 2 und Spannfutter 11 über eine vorteilhafte erste ringförmige Kraftmesseinrichtung mit dem Maschinenständer verbunden. Die Kraftmesseinrichtung beinhaltet einen ringförmigen Messkörper 12 mit einer rohrartigen Verformungszone 5. Diese Verformungszone 5 wird durch einen nutartigen Einstich auf der Innenseite des Messkörpers gebildet. Auf der äußeren Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 sind Dehnmessstreifen 6 appliziert (in dieser Darstellung nicht sichtbar), welche die Verformungen der Zylinderfläche richtungsabhängig in elektrische Widerstandsänderungen wandeln, die von einer geeigneten Messelektronik in äquivalente Messwerte gewandelt wird. Bei einer entsprechenden Bestückung der Zylinderfläche mit Dehnmessstreifen können zu der Spindelachse 4 achsparallele Kräfte (Z) sowie lotrecht zur Spindelachse 4 einwirkende Kräfte (X, Y) erfasst werden. Durch die Bestückung mit weiteren Dehnmessstreifen sind außerdem die Erfassung der auf das Werkzeug 1 wirkenden Dreh- und Kippmomente möglich.
3.2 zeigt beispielhaft eine alternative Konfiguration einer Werkzeugspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine. Bei dieser ist die Kraftmesseinrichtung zur Erfassung der Kräfte in X, Y, und Z zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 lokalisiert. Die Kraftmesseinrichtung ist im Wesentlichen wie bei der Ausführungsform der 3.1 ausgebildet und weist auf ihrer Außenseite Dehnmessstreifen 6 auf. Dabei ist einer der beiden flanschartigen Ringe eines Messkörpers 12 dieser Kraftmesseinrichtung fest mit dem Spindelgehäuse 3 verbunden ist, während der andere flanschartige Ring fest mit dem Spindelhauptlager 9 verbunden ist. Der Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass die Kraftmesseinrichtung von der Masse des Spindelgehäuses 3 und des Stators 8 entkoppelt wird und also nur noch die Masse des Werkzeugs 1, des Spannfutters 11, der Spindelwelle 2, des Rotors 7 und den rotierenden Teilen der Spindelwälzlager trägt. Diese Massereduzierung erhöht die Eigenfrequenz und ist insbesondere bei schweren Spindelkonstruktionen und/oder schnelllaufenden Spindeln vorteilhaft. Sie hat jedoch den Nachteil, dass das auf das Werkzeug 1 einwirkende Drehmoment aufgrund des zwischenliegenden Spindellagers nicht mehr von dieser Kraftmesseinrichtung erfasst werden kann. Aus diesem Grund besitzt die in 3.2 gezeigte Konfiguration eine zweite Kraftmesseinrichtung 13, welche in dieser Darstellung zwischen dem Rotor 7 des Spindelantriebs und der Spindelwelle 2 angeordnet ist. Diese zweite, mitrotierende Kraftmesseinrichtung 13 erfasst unmittelbar das vom Spindelantrieb erzeugte Drehmoment. Eine mitdrehende Elektronik bestehend aus Messverstärker, Digitalisierungseinheit, Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung sorgt für die Weitergabe der Messergebnisse an die Auswerteeinheit.
Der Messkörper 13 der zweiten, mitrotierenden Kraftmesseinrichtung besitzt im gezeigten Beispiel ebenfalls eine rohrartige Verformungszone, auf dessen Zylinderfläche vier Dehnmessstreifen 6 so zu einer Vollbrücke verschaltet werden, dass die von der drehmomentbedingten Tordierung der rohrartigen Verformungszone verursachten Scherspannungen erfasst werden können. Diese Anordnung der Dehnmessstreifen 6 ist bezüglich Temperatureinflüssen selbstkompensierend und benötigt daher keine zusätzliche Kühlung.
Die Trennung der Kraftmesseinrichtung in einen feststehenden und einen mitdrehenden Teil hat den Vorteil, dass die feststehende Kraftmesseinrichtung einfach anschließbar und temperierbar ist, während die mitdrehende Kraftmesseinrichtung und insbesondere die mitdrehende Elektronik durch die Reduktion der Messaufgabe auf das Drehmoment sehr viel einfacher und raumsparender ausführbar ist. Dadurch, dass sie - bedingt durch Ihre Einbaulage - überdies nicht den Kraftfolgen von Kollisionen ausgesetzt ist und auch die Anforderungen an die Steifigkeit deutlich geringer sind, kann Ihre Dimensionierung sich ausschließlich an den vom Antrieb übertragenen Drehmoment orientieren und liefert so die Voraussetzung für eine sehr hohe Auflösung.
Alternativ zu einer mitdrehenden Kraftmesseinrichtung kann auf das am Werkzeug anliegende Drehmoment auch aus den auf den Stator 8 des Antriebsmotors wirkenden Reaktionskräften geschlossen werden, bei der die Kraftmesseinrichtung zwischen Stator 8 und Spindelgehäuse 3 lokalisiert ist. Diese Anordnung lässt gegenüber der mitdrehenden Lösung eine geringere Messgüte erwarten, ist demgegenüber jedoch aufgrund der nicht mehr erforderlichen mitdrehenden Elektronik sehr viel preiswerter und einfacher integrierbarer.
Das Antriebsmoment kann jedoch auch ohne Kraftmesseinrichtung auf indirekte Weise abgeschätzt werden, wie dies bereits vielfach praktiziert wird, z.B. auf Basis der Motorströme oder des Drehwinkelversatzes zwischen Drehfeld und Rotor.
Das vom Spindelantrieb gelieferte Drehmoment ist jedoch ungleich dem Drehmoment, das für die Zerspanungsarbeit aufgewendet wird, da ein Teil des Antriebsmomentes für die Überwindung der Lagerreibung aufgewendet wird. Bei geringen Zerspanungskräften und einer hohen Lagervorspannung können diese Verlustmomente sogar den überwiegenden Teil des vom Antrieb gelieferten Drehmomentes beanspruchen.
Besitzt die erste, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordnete Kraftmesseinrichtung 12 zusätzlich eine Dehnmessstreifenanordnung zur Erfassung von Torsionsmomenten, lassen sich damit mindestens die vom Spindelhauptlager 9 verursachten Verlustmomente messtechnisch erfassen. Dieser Messwert kann von einer Auswerteeinheit als Korrekturwert herangezogen und von dem Messwert der zweiten, zwischen Spindelwelle 2 und Rotor 7 angeordneten Kraftmesseinrichtung 13 abgezogen werden, um genauer auf das tatsächlich am Werkzeug anliegende Drehmoment schließen zu können.
3.3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3.2, wobei ein Mitnahmestift 22 ersichtlich ist, über welchen der Messkörper 13 der mitdrehenden Kraftmesseinrichtung mit der Spindelwelle 2 verbunden ist. Ferner ist bei der ersten, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordneten Kraftmesseinrichtung die innere Wand der rohrartigen Verformungszone 5 mit einem Kühlmittel 16 beaufschlagt oder wird aktiv davon durchströmt. Dies führt die bei der Bestromung der Dehnmessstreifen 6 entstehende Wärme ab und ermöglicht einen Wärmeausgleich zwischen den beiden flanschartigen Teilen des Messkörpers 12. Im Falle einer aktiven Durchströmung besitzt die Kühlmittelkammer hinter der rohrartigen Verformungszone 5 mindestens einen Zu- und Ablauf für das Kühlmittel (nicht dargestellt), sowie eine daran angeschlossene Temperiereinrichtung, bestehend aus einer Umwälzpumpe und einem Kühlaggregat.
Entsprechend einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann alternativ zu der direkten Beaufschlagung mit Kühlmittel 16 hinter der rohrartigen Verformungszone 5 auch ein kühlmitteldurchströmtes Rohr oder ein Wärmerohr angeordnet werden. Um die Bewegungsfreiheit des Messkörpers 12 nicht einzuschränken, ist dieses Rohr zu den Wandungen des Messkörpers 12 beabstandet, sodass zwischen diesem Rohr und der Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 ein Spalt entsteht. Dieser Spalt kann mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Medium gefüllt sein, welches den Wärmeübergang zwischen Messkörper und Rohr fördert. Dabei zeigt 3.3 eine flexible Dichtlippe 21 und einen Dichtring 22 zwischen dem ersten Messkörper 12 und einem anderen Bauteil, mit welchem der Spalt mit dem Medium 16 abgeschlossen wird.
3.4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform der Werkzeugspindel gemäß dieses Ausführungsbeispiels mit einer zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager angeordneten Kraftmesseinrichtung., Eine solche Anordnung kann hinsichtlich Ihrer Nullpunktstabilität von einer weiteren Fehlerquelle bedroht sein.
Diese Fehlerquelle ist die zweite Spindellagerung, das so genannte Loslager 10. Die Spindelwelle 2 unterliegt permanenten Temperaturschwankungen und ändert dementsprechend ihre Länge. Das Loslager 10 soll diese Längenänderungen in Achsrichtung ermöglichen. Die meisten Loslagerkonstruktionen arbeiten dabei aber in Achsrichtung nicht völlig kraftneutral, das heißt sie generieren Störkräfte in Achsrichtung, welche die Nullpunktstabilität der Kraftmesseinrichtung beeinträchtigen.
Aus diesem Grund besitzt die hier dargestellte Ausführungsform einer vorteilhaften Kraftmesseinrichtung ein Loslager 10, welches eine weitgehend kraftneutrale und hysteresefreie Längenausdehnung in Achsrichtung (Doppelpfeil) zulässt. 3.4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Wälzlagers. Diese besitzt im Wesentlichen die Form eines konventionellen Radiallagers bestehend aus Innenring 17, Außenring 18, Kugelkäfig 20 und Kugeln 19, jedoch besitzen die Kugellaufflächen beim Außen- und Innenring keinen durchgehenden, dem Kugelradius r angenäherten Querschnitt, sondern besitzen mittig einen annähernd zylindrischen Abschnitt, welche eine axiale Wälzbewegung erlaubt. Als annähernd zylindrisch wird dieser Abschnitt deshalb bezeichnet, da er in Wahrheit ebenfalls einen kreisbogenförmigen Querschnitt besitzt, dessen Radius R allerdings sehr viel größer als der Kugelradius r ist. Hierdurch entsteht in Bezug auf den Kugelkäfig 20 eine zentrierende Wirkung, welche den drehenden Kugelkäfig 20 nach einer radialen Auslenkung rasch wieder in die Mitte zurückführt. Abhängig von der Größe dieses Radius entsteht bei einer axialen Auslenkung insbesondere bei einem stillstehenden Lager eine der Auslenkungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Ist der Radius jedoch groß genug, kann diese Kraft unterhalb der Auflösungsschwelle der Kraftmesseinrichtung gehalten werden.
3.5 zeigt einen Messkörper mit einer alternativen Ausgestaltung einer rohrartigen Verformungszone 5. Die durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungsprozess entstehende Wärme kann zu einer einseitigen Vergrößerung des Durchmessers einer der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers 12 führen.
Hieraus resultiert in der rohrartigen Verformungszone 5 eine Zugspannung, welche zu einer störenden Nullpunktdrift des Z-Kanals führt. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwischen der rohrartigen Verformungszone 5 und mindestens einem der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers 12 über weitere Einschnürungen 24 verfügen, welche die Wandstärke des Rings an diesen Stellen nochmals verjüngen. Diese Verjüngungen stellen einerseits Wärmebarrieren dar, andererseits bilden sie auch elastische Barrieren für die aus den Durchmesserunterschieden resultierenden Spannungen. Eine solche Verjüngung arbeitet noch effektiver, wenn Sie ebenfalls kühlmittelumströmt ist. In dem in 3.5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass sich die Wärmequelle auf der unteren Seite des Rings befindet. Bereits die Oberseite des unteren flanschartigen Rings des Messkörpers 12 steht bedingt durch die Einschnürung 24 in großflächigem Kontakt mit dem Kühlmittel 16, so dass der Durchmesserunterschied bereits innerhalb dieses unteren Ringabschnitts zwischen Unter- und Oberseite erheblich reduziert wird. Der sich zwischen der Einschnürung 24 und der rohrartigen Verformungszone 5 befindliche massivere Ringteil ist nahezu vollständig kühlmittelumströmt und dient als weitere mechanische und thermische Barriere. Dichtungen 21 und 22 begrenzen den kühlmitteldurchströmten Raum nach oben und unten, wobei mindestens eine der beiden Dichtungen 21 radial und axial elastisch ausgeführt ist, um Druckunterschiede des Kühlmittels auszugleichen und die ungehinderte Verformung des Messkörpers 12 zuzulassen. Das Kühlmittel wird aktiv temperiert. Seine Bezugstemperatur erhält es dabei beispielsweise von einem Temperatursensor 25, welcher im oberen flanschartigen Ring des Messkörpers 12 eingelassen ist. Dabei wird angenommen, dass der obere flanschartige Ring an das Spindelgehäuse angeflanscht ist, welches selber Temperaturänderungen und damit Durchmesserschwanken erfährt. Ziel dieser Anordnung ist es, mechanische Spannungen zwischen dem Messkörper 12 und dem nicht dargestellten Spindelgehäuse 3 zu vermeiden. Die Applikationsfläche für die Dehnmessstreifen 6 liegt in diesem Ausführungsbeispiel außen.
3.6 zeigt beispielhaft die bevorzugte Bestückung der hier abgewickelt dargestellten Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 mit Dehnmessstreifen. Die so bestückte Kraftmesseinrichtung erlaubt eine Erfassung von Kräften in X, Y-, und Z-Richtung, von Kippmomenten um die X- und Y- Achse, sowie von Drehmomenten um die Z-Achse.
Hierfür werden vorzugsweise acht Kanäle aufgebaut. Jedem Kanal steht dabei eine vollbestückte Vollbrücke mit vier Dehnmessstreifen zur Verfügung, auf der Zylinderfläche sind also insgesamt 32 Messgitter angeordnet. Die Verteilung der Längs-Querkombinationen (LQ) für die Erfassung von Zug-/Druckverformungen (Z) in Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone 5 und der Scherkombinationen (V) für die Erfassung von Scherverformungen (X, Y) lotrecht zur Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone auf der Zylinderfläche ergibt sich entsprechend der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform wie folgt:

Y1 (V) bei 0°

Z1 (LQ) bei 45°

X1 (V) bei 90°

Z2 (LQ) bei 135°

Y2 (V) bei 180°

Z3 (LQ) bei 225°

X2 (V) bei 270°

Z4 (LQ) bei 315°
Steht ausreichend Platz auf der Zylinderfläche zur Verfügung, können die zu einer Vollbrücke gehörenden vier Dehnmessstreifen auch nebeneinander angeordnet werden, was die erforderliche Höhe h der rohrartigen Verformungszone halbiert und so zu einer deutlich erhöhten Steifigkeit führt.
3.7 zeigt eine beispielhafte Beschaltung von acht Wheatstone-Brücken für eine Kraftmesseinrichtung mit der in 3.6 dargestellten Anordnung von Dehnmessstreifen. Jede Wheatstonebrücke repräsentiert dabei einen Kanal.

Für diese Anordnung ergeben sich die Vergleichswerte für

1. eine einwirkende Kraft in Z-Richtung (FZ) aus	Z1 + Z2 + Z3 + Z4
2. ein einwirkendes Kippmoment um die X-Achse (MX) aus	(Z1 + Z2) - (Z3 + Z4)
3. ein einwirkendes Kippmoment um die Y-Achse (MY) aus	(Z1 + Z4) - (Z2 + Z3)
4. eine einwirkende Kraft in X-Richtung (FX) aus	X1 - X2
5. eine einwirkende Kraft in Y-Richtung (FY) aus	Y1 - Y2
6. ein Torsionsmoment (Drehmoment) um die Z-Achse (MZ) aus	X1 + X2 +Y1 + Y2

Eine vorteilhafte achtkanalige Auswertung bietet einige wesentliche Vorteile. Eine rohrartige Verformungszone verformt sich unter dem Einfluss einer in Achsrichtung einwirkenden Kraft deutlich weniger als unter dem Einfluss einer quer zur Achsrichtung einwirkenden Kraft. Zudem liefern die Längs-/Querkombinationen der Dehnmessstreifen in Achsrichtung (Z) nur etwa 65% der Signalausbeute der Scherkombinationen in Querrichtung (X/Y), so dass sich unter Umständen ein Gesamtunterschied in der Empfindlichkeit zwischen X/Y und Z von 500% und mehr ergäbe, stünde für jede Achsrichtung nur eine Vollbrücke zur Verfügung. Eine redundante Auswertung in vier Z-Kanälen reduziert diesen Empfindlichkeitsunterschied jedoch erheblich. Der Vorteil einer vierfach redundanten Auswertung ergibt sich insbesondere auch für das Torsionsmoment bzw. das Drehmoment (MZ), bei dem die Signale der vier Scherkombinationen genutzt werden können.
Zweites Beispiel für eine mit der Erfindung vorteilhaft verwendbare ringförmige Kraftmesseinrichtung
4.1 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren vorteilhaft mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine einsetzbaren 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 13 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 sind außen Verformungsaufnehmer aufgesetzt, welche die Verformung des Messkörpers 12 an dieser Stelle aufnehmen und als Kraftwirkung interpretieren. Auf der Rückseite der rohrartigen Verformungszone befindet sich ein abgeschlossener Hohlraum der mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Kühlmedium 10 gefüllt ist und die ggf. entstehende Betriebswärme des Verformungsaufnehmers abführt. Der Sensorfuß ist innen von einem Kühlmittelkanal durchflossen mit dem er einen im Spindelstock 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 über ein elastisches Koppelelement 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.
4.2 zeigt von unten eine beispielhafte Konfiguration einer vorteilhaften Kraftmesseinrichtung für die mehrachsige Erfassung der auf ein Werkzeug 1 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 in Z-Richtung einwirkenden Kräfte. Die andere Raumrichtung liegt in der XY-Ebene. Dabei ist die erfasste Raumrichtung eines Sensorfußes hier durch einen Doppelfeil dargestellt und liegt lotrecht zu einer gedachten Linie auf der XY-Ebene zwischen der Spindelachse und der Lagerstelle 3 des Sensorfußes 1. Die Lagerstellen sind dabei konzentrisch auf einem gemeinsamen Teilkreis um die Spindelachse angeordnet.
Der Winkel auf dem Teilkreis zwischen den Lagerstellen beträgt 120°. Somit ist die erfasste Raumrichtung in Z bei allen drei Sensorfüßen 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 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.
4.3 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.
Soweit in den nachfolgenden Patentansprüchen Bezugszeichen mit einer einstelligen vorangestellten Ziffer verwendet werden, die mit einem Punkt von einer nachgestellten mindesten einstelligen Ziffer getrennt sind, beziehen sich diese Bezugszeichen auf die Figuren, die dem Kapitel mit derselben Nummer in den Ausführungsbeispielen zugeordnet sind.
Der Patentanmelder behält sich vor, auch solche Merkmale, die ausschließlich im Zusammenhang mit Verfahren offenbart sind, zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung heranzuziehen, und umgekehrt. Diese Weiterbildungen werden ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0806643 B1 [0006]
WO 2006/120403 [0007]
DE 102016114193 A1 [0013]
DE 102016116179 A1 [0013]
DE 102016116180 A1 [0013]
DE 102016116181 A1 [0013]
DE 102016116182 A1 [0013]
DE 102018102327 [0013]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Geometrie oder relativen Position, insbesondere mindestens einer Kante oder Fläche, eines in das für die Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen vorgesehene Wechselspannsystem (8) einer Werkzeugmaschine eingespannten Tastkörpers (1), unter Zuhilfenahme eines Referenzkörpers (10), bei der der Tastkörper (1) und der Referenzkörper (10) an zueinander beweglichen Teilen einer Verfahreinheit (3) befestigt sind und sich mit Hilfe der Verfahreinheit (3) in berührenden Kontakt zueinander bringen lassen, wobei die beim Kontakt zwischen Tastkörper (1) und Referenzkörper (10) wirkenden Kräfte mit einer fest in die Maschinenstruktur der Verfahreinheit (3) integrierten Kraftmesseinrichtung (4) erfasst werden und das Auftreten einer bestimmten Kraftwirkung zwischen Tastkörper (1) und Referenzkörper (10) von einer Auswerteeinheit (5) erkannt und mit einer zeitgleichen Positionsinformation aus der Maschinensteuerung (12) der Verfahreinheit verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) mindestens drei Kraftkomponenten innerhalb eines mehrachsigen Koordinatensystems erfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die signalauslösende Kraftwirkung als ein Wert oder Wertebereich mindestens einer Kraftkomponente oder ein Werteverhältnis mindestens zweier Kraftkomponenten definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition der signalauslösenden Kraftwerte oder Kraftwertverhältnisse durch ein Programm oder einen Bediener veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer definierten Kraftwirkung durch die Auswerteinheit (5) oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung (12) ein dimensionaler Korrekturwert zugeordnet wird, welcher mit den Positionsinformationen der Verfahreinheit verrechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) auf der Basis des Werteverhältnisses der mindestens drei erfassten Kraftkomponenten eine Information über die Richtung der auf den Tastkörper (1) einwirkenden Kraft generiert und über eine Ausgabeeinheit ausgibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung (12) einen von der Auswerteneinheit (5) gelieferten Kraftvektor in ein anderes Koordinatensystem umrechnet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkörper (1) dazu verwendet wird, die relative Position oder Geometrie eines in die Werkstückspanneinrichtung der Verfahreinheit (1) eingespannten, beliebig geformten Objektes (2) zu bestimmen.
Werkzeugmaschine mit einem für die Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen vorgesehenen Wechselspannsystem (8), eingerichtet zur Ermittlung der Geometrie oder relativen Position, insbesondere mindestens einer Fläche oder Kante, eines in das Wechselspannsystem (8) eingespannten Tastkörpers (1) mit: a. einer Verfahreinheit (3), die zueinander bewegliche Teile aufweist, die dazu eingerichtet sind, den Tastkörper (1) und einen Referenzkörper (10) aufzunehmen, wobei die Verfahreinheit dazu eingerichtet ist, den Tastkörper (1) und den Referenzkörper (10) in berührenden Kontakt zueinander zu bringen, b. einer fest in die Maschinenstruktur der Verfahreinheit (3) integrierten Kraftmesseinrichtung (4), die dazu eingerichtet ist, die beim Kontakt zwischen Tastkörper (1) und Referenzkörper (10) wirkenden Kräfte zu erfassen, c. einer Auswerteeinheit (5), die dazu eingerichtet ist, das Auftreten einer bestimmten Kraftwirkung zwischen Tastkörper (1) und Referenzkörper (10) zu erkennen und mit einer zeitgleichen Positionsinformation aus der Maschinensteuerung (12) der Verfahreinheit (3) zu verknüpfen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine über eine Motorspindel (6) verfügt, welche dem Antrieb von rotierenden Werkzeugen dient.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannsystem (8) der Motorspindel (6) zugeordnet ist und der Tastkörper (1) mit Hilfe einer Tastkörperaufnahme (9) in das Wechselspannsystem (8) eingesetzt werden kann.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) als Kraftmessplatte ausgeführt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessplatte vier Sensorfüße (2.13) aufweist, die auf den Eckpunkten eines gedachten Rechtecks angeordnet sind und die Kraftmessplatte dazu ausgebildet ist, in Z-Richtung auf jeden einzelnen Sensorfuß (2.13) einwirkende Kräfte getrennt voneinander zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, diese Kräfte gemeinsam zu verarbeiten und zur Ermittlung der mindestens einer der Kippmomente M_X oder M_Y heranzuziehen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensorfuß (2.13) mindestens zwei jeweils mit vier Dehnmessstreifen als Vollbrücken ausgeführte Wheatstonebrücken besitzt, von denen mindestens eine zur Ermittlung der Kraftwirkungen des jeweiligen Sensorfußes (2.13) in Z-Richtung und mindestens eine weitere zur Ermittlung der Kraftwirkungen in der XY-Ebene dient, wobei sich mindestens je eine gleich ausgerichtete in der XY-Ebene wirksame Anordnung von Dehnmessstreifen auf den diagonal gegenüberliegenden Sensorfüssen (2.13) des gedachten Rechtecks befindet, und sich mindestens je eine in der XY-Ebene lotrecht zueinander ausgerichtete Anordnung von Dehnmessstreifen auf benachbarten Sensorfüssen (2.13) befindet, und dass jede Wheatstonebrücke in einem eigenen Kanal ausgewertet wird und somit eine mindestens achtkanalige Auswertung erfolgt, und dass die mindestens vier in der XY-Ebene wirksamen Anordnungen von Dehnmessstreifen zur Ermittlung der auf die Kraftmessplatte einwirkenden Kräfte in X-Richtung und in Y- Richtung dienen und bedarfsweise auch zur Ermittlung des auf die Kraftmessplatte einwirkenden Drehmomentes Mz herangezogen werden können.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessplatte einen festen, unbeweglichen Teil (2.3), zu dem eine Grundplatte (2.1) gehört, und einen beweglichen Teil (2.4), zu dem eine Deckplatte (2.2) gehört, aufweist, wobei der feste Teil (2.3) und der bewegliche Teil (2.4) über die rohrartigen Verformungszonen (2.5) der Sensorfüße (2.13) miteinander verbunden sind.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) zwischen Motorspindel (6) und Spindelstock (7) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) ringförmig ausgeführt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) einen Messkörper aufweist, der seinerseits eine rohrartige Verformungszone aufweist, deren Verformungen mittels darauf applizierter Verformungsaufnehmer erfasst werden.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartige Verformungszone mindestens teilweise mit einer Flüssigkeit in thermischem, insbesondere flächigem, Kontakt steht und die Kraftmesseinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, über die Flüssigkeit Wärme wenigstens von der Verformungszone abzuführen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungszone rohrartig ausgeführt ist, wobei die innere oder äußere Fläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Verformungsaufnehmer dient, und dass die der äußeren Applikationsfläche gegenüberliegende innere Wand der rohrartigen Verformungszone oder alternativ die der inneren Applikationsfläche gegenüberliegende äußere Wand der rohrartigen Verformungszone mit der Flüssigkeit beaufschlagt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsaufnehmer als Dehnmesstreifen ausgeführt sind.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, mindestens drei Kraftkomponenten innerhalb eines mehrachsigen Koordinatensystems zu erfassen.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-22, dadurch gekennzeichnet, dass die signalauslösende Kraftwirkung als ein Wert oder Wertebereich mindestens einer Kraftkomponente oder ein Werteverhältnis mindestens zweier Kraftkomponenten definiert ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-23, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition der signalauslösenden Kraftkomponentenwerte oder Kraftkomponentenwertverhältnisse durch ein Programm oder einen Bediener veränderbar ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-24, dadurch gekennzeichnet, dass die die Auswerteinheit (5) oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung (12) dazu eingerichtet ist, einer definierten Kraftwirkung einen dimensionalen Korrekturwert zuzuordnen, welcher zur Verrechnung mit den Positionsinformationen der Verfahreinheit vorgesehen ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 9-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu konfiguriert ist, auf der Basis des Werteverhältnisses der mindestens drei erfassten Kraftkomponenten eine Information über die Richtung der auf den Tastkörper (1) einwirkenden Kraft zu generieren.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Ausgabeeinheit vorgesehen und die Auswerteeinheit (5) dazu eingerichtet ist, die generierte Information über die Richtung der auf den Tastkörper (1) einwirkenden Kraft über die Ausgabeeinheit auszugeben.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) oder eine mit der Auswerteeinheit verbundene Maschinensteuerung (12) konfiguriert ist, einen von der Auswerteneinheit (5) gelieferten Kraftvektor in ein anderes Koordinatensystem umzurechnen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspindel (6) über ein Wechselspannsystem (8) zum Spannen von standardisierten Werkzeugaufnahmen (9) verfügt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmen (9) alternativ als Tastkörperaufnahmen (9) ausgeführt sind.