DE102020111040B3

DE102020111040B3 - Werkzeugspannvorrichtung

Info

Publication number: DE102020111040B3
Application number: DE102020111040.5A
Authority: DE
Inventors: Josef Greif; Stefan Bonerz
Original assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Current assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2040-04-24

Abstract

Werkzeugspannvorrichtung, insbesondere für eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine, mit einem Betätigungsglied, welches durch einen Antrieb zwischen einer ersten Position, in der sich die Werkzeugspannvorrichtung in Spannstellung befindet, und einer zweiten Position, in der sich die Werkzeugspannvorrichtung in Lösestellung befindet, in einer durch eine Längsachse der Werkzeugspannvorrichtung definierten Axialrichtung verschiebbar ist, mit einem induktiven Sensor zur Messung der Position des Betätigungsgliedes in Form einer Messspule mit einem magnetischen Kern, welcher sich zusammen mit dem Betätigungsglied in Axialrichtung bewegt und von dessen Position die Induktivität der Messspule abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule aus mehreren in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Planarspulen besteht, deren Windungen jeweils spiralförmig in einer senkrecht zur Axialrichtung liegenden Ebene um einen Bestandteil des Betätigungsgliedes herum verlaufen und miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Die Planarspulen können durch Leiterbahnen auf mindestens einer Leiterplatte, insbesondere einer mehrlagigen Leiterplatte gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspannvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 10 2008 058 185 A1 bekannt ist. Eine solche Werkzeugspannvorrichtung ist in eine Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine eingebaut und enthält als einen ihrer Bestandteile eine Werkzeuglösevorrichtung mit einem Werkzeuglösekolben, der sich beim Lösen und Spannen eines Werkzeugs in Axialrichtung der Arbeitsspindel bewegt. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser bekannten Vorrichtung ist im Bereich eines Abschnitts des Werkzeuglösekolbens, der die Form eines Hohlzylinders hat und aus ferromagnetischem Material besteht, sowohl innerhalb, als auch außerhalb des Hohlzylinders jeweils eine Spule in einem axialen Abstand von der jeweils anderen Spule angeordnet. Der hohlzylindrische Abschnitt weist zwei gegeneinander in axialer Richtung versetzte Stufen auf, an denen sich jeweils der Querschnitt ändert und von denen sich eine auf der Innenseite und die andere auf der Außenseite des Hohlzylinders befindet.
Bei einer Verschiebung des Werkzeuglösekolbens in axialer Richtung wird über jede der beiden Spulen hinweg eine jeweils andere der beiden Stufen bewegt, wodurch sich die Induktivitätswerte beider Spulen so ändern, dass je nach Bewegungsrichtung des Hohlzylinders einer der beiden Induktivitätswerte zunimmt und der jeweils andere abnimmt. Hierdurch wird ein induktiver Sensor zur Messung der axialen Position des Werkzeuglösekolbens bereitgestellt, anhand dessen Ausgangssignal die Steuerung der Werkzeugmaschine die korrekte Bewegung des Werkzeuglösekolbens beim Lösen und Spannen eines Werkzeugs überwachen kann.
Obgleich dieser Sensor zufriedenstellend funktioniert, ist sein Aufbau relativ aufwändig. So sind die Spulen jeweils in eigens dafür ausgebildeten ringförmigen Nuten an Teilen der Werkzeugspannvorrichtung angeordnet und müssen in diese Nuten eingebracht, d.h. gewickelt werden. Durch den nötigen axialen Abstand der beiden Spulen ergibt sich eine relativ große Länge des Sensors und die Anordnung der Spulen auf verschiedenen radialen Seiten des Hohlzylinders erschwert die Leitungsführung zum Anschluss an die Messelektronik. Zur Messung der Position eines Betätigungsgliedes einer Werkzeugspannvorrichtung, das bei der Werkstückbearbeitung rotiert, erscheint dieser Sensor im Hinblick auf die Leitungsführung zu der inneren Spule als ungeeignet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Werkzeugspannvorrichtung, die mit einem Sensor zur Messung der Position eines beim Spannen und Lösen bewegten Betätigungsgliedes ausgerüstet ist, den Aufbau des Sensors und seinen Einbau in die Werkzeugspannvorrichtung zu vereinfachen und dennoch eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Werkzeugspannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist bei einer Werkzeugspannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgesehen, dass die Messspule eines induktiven Sensors zur Messung der Position eines Betätigungsgliedes aus mehreren in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Planarspulen besteht, deren Windungen jeweils spiralförmig in einer senkrecht zur Axialrichtung liegenden Ebene um einen Bestandteil des Betätigungsgliedes herum verlaufen und miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Eine solche Realisierung einer Messspule aus einer linearen Abfolge von in Reihe geschalteten Planarspulen hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich beim Eintauchen eines Kerns, welcher die magnetische Permeabilität des Innenraumes der der Messspule erhöht, die Induktivität über einen weiten Bereich der Bewegung des Kerns annähernd linear ändert. Dies sorgt für eine gleichbleibende Messgenauigkeit über einen großen Teil des Messbereiches vereinfacht die zur Messung der Induktivität erforderliche elektronische Signalverarbeitung und die Kalibrierung des Sensors entscheidend.
Vorzugsweise werden die Planarspulen durch Leiterbahnen auf mindestens einer Leiterplatte gebildet, da Leiterplatten zur Realisierung planarer Leiterstrukturen hervorragend geeignet und kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatte eine mehrlagige Leiterplatte ist und mehrere Planarspulen in den verschiedenen Lagen der Leiterplatte realisiert und auf der Leiterplatte miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Die ermöglicht eine besonders hohe Packungsdichte zahlreicher Planarspulen in Axialrichtung der Messspule.
Die Länge der Messspule kann in vorteilhafter Weise dadurch auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, dass mehrere Leiterplatten in der Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind und die Planarspulen zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten jeweils durch eine elektrische Verbindung zwischen den zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Leiterplatten miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Hierdurch kann die Länge der Messspule nach Art eines Baukastensystems an den benötigten Messbereich der Wegmessung angepasst werden, indem die Anzahl miteinander kombinierter Leiterplatten entsprechend gewählt wird.
Besonders zweckmäßig ist es, dass ist die elektrische Verbindung eine Lötverbindung zwischen je einem Kontakt am jeweiligen Rand jeder der zwei aufeinanderfolgenden Leiterplatten ist, und dass miteinander verbundene Kontakte zweier jeweils aufeinanderfolgender Leiterplatten in Axialrichtung miteinander fluchtend angeordnet sind. Die Realisierung der Verbindungen zwischen den Leiterplatten in Form direkten Lötverbindung an den jeweiligen Rändern der Leiterplatten vereinfacht die Herstellung dieser Verbindungen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Anschlüsse einer oder mehrerer auf einer Leiterplatte realisierten Planarspule bzw. Planarspulen am Rand jeder Leiterplatte zwei Kontakte vorgesehen sind, deren Positionen sich durch eine Drehung um eine gemeinsame Achse um einen Winkel unterscheiden, der ein ganzzahliger Bruchteil von 360° ist und höchstens 120° beträgt. Dadurch wird es ermöglicht, dass Lötstellen zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Leiterplatten axial nicht miteinander fluchten, sondern um besagten Winkel versetzt angeordnet werden, wodurch zwei aufeinanderfolgende und miteinander fluchtende Lötstellen am Rand des Leiterplattenstapels dann stets durch eine oder mehrere in axialer Richtung als Isolatoren fungierende Leiterplatten getrennt sind. Dies erleichtert die Durchführung des Lötvorgangs erheblich und verbessert die elektrische Zuverlässigkeit der durch den Leiterplattenstapel realisierten Messspule.
Vorzugsweise sind die Planarspulen zueinander koaxial angeordnet. Dies vereinfacht die Herstellung, indem alle Leiterplatten untereinander identisch sein können, was Fehler bei der Anordnung und Ausrichtung der Leiterplatten weitestgehend ausschließt.
Die Messelektronik zur Messung der Induktivität der Messspule kann vorteilhafterweise auf einer Leiterplatte realisiert sein, die an die Anordnung der Leiterplatten, in welchen die Planarspulen der Messspule realisiert sind, an einem Ende angefügt ist. Durch die unmittelbare Nähe der Messelektronik zu der Messspule werden parasitäre Impedanzen von Zuleitungen, welche das Messergebnis verfälschen könnten, minimiert und es kann durch die Messelektronik eine Standardschnittstelle zur Ausgabe des Messwertes für die Übertragung zu einer Steuereinheit der Werkzeugmaschine, in deren Arbeitsspindel die Werkzeugspannvorrichtung eingebaut ist, bereitgestellt werden.
Der magnetische Kern kann an dem Bestandteil des Betätigungsgliedes befestigt sein und/oder zumindest teilweise durch einen Abschnitt mit einer Querschnittsänderung des Bestandteils des Betätigungsgliedes gebildet werden. Er weist vorzugsweise zwei axiale Abschnitte mit unterschiedlichem Volumen pro axialer Längeneinheit auf und ein Übergang zwischen diesen zwei axialen Abschnitten mit unterschiedlichem Volumen pro axialer Längeneinheit ist so angeordnet, dass er sich bei einer Bewegung des Betätigungsgliedes zwischen dessen erster und zweiter Position innerhalb der Messspule bewegt. Hierdurch wird in einfacher Weise eine Änderung der Induktivität der Messspule durch die Bewegung des Betätigungsgliedes bewirkt. Zweckmäßigerweise hat magnetische Kern eine zylindrische äußere Form und das unterschiedliche Volumen pro axialer Längeneinheit der verschiedenen axialen Abschnitte beruht auf einem unterschiedlichen Außendurchmesser hierdurch ist der Kern optimal an die üblicherweise runde Querschnittskontur des Bestandteils des Betätigungselements, welcher ihn trägt oder unmittelbar bildet, angepasst.
Eine mögliche zweckmäßige Realisierung des magnetischen Kerns, besteht darin dass er durch eine Kombination aus einem Abschnitt des Bestandteils des Betätigungsgliedes und einem an diesem befestigten Körper gebildet wird, der eine größere magnetische Permeabilität als der Abschnitt des Bestandteils des Betätigungsgliedes hat, und dass der Körper so angeordnet ist, dass sich ein axiales Ende desselben bei einer Bewegung des Betätigungsgliedes zwischen dessen erster und zweiter Position innerhalb der Messspule bewegt. Durch die Verwendung eines Materials besonders hoher magnetischer Permeabilität für den separaten Körper kann in diesem Fall ein großer Messeffekt auch bei einer vergleichsweise geringen magnetischen Permeabilität des Bestandteils des Betätigungsgliedes erzielt werden.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, dass der magnetische Kern allein durch einen Abschnitt des Bestandteils des Betätigungsgliedes gebildet wird, was eine ausreichend große magnetische Permeabilität des Materials, aus dem dieser besteht, voraussetzt. In diesem Fall wird eine Kombination verschiedener Materialien zur Realisierung des Kerns aus zwei verschiedenen Komponenten und die damit einhergehenden potentiellen Probleme der Haltbarkeit der Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zweier aus verschiedenen Materialien bestehender Komponenten vermieden. Ferner kann die den Messeffekt bewirkende Querschnittsänderung allein durch eine geeignete Formgebung des Bestandteils des Betätigungsgliedes im Zuge von dessen Herstellung realisiert werden.
Das Betätigungsglied kann insbesondere eine Zugstange sein, deren Verschiebung in Axialrichtung das Spannen oder Lösen des Werkzeugs bewirkt, und der Bestandteil des Betätigungsgliedes kann ein axialer Fortsatz der Zugstange sein, der sich in Richtung des dem Werkzeug abgewandten Endes der Werkzeugspannvorrichtung erstreckt. Die Position des axialen Fortsatzes und damit der gesamten Zugstange ist ein besonders zuverlässiges Kriterium für die Feststellung eines korrekten Ablaufs des Spannens und des Lösens des Werkzeugs und damit der entscheidenden Funktionen einer Werkzeugspannvorrichtung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung offenbart die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In diesen zeigt

1 einen Längsschnitt eines Teils einer Werkzeugspannvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines induktiven Positionssensors in Form einer Spule mit axial beweglichem Kern,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Reihenschaltung koaxial aufeinanderfolgend angeordneter spiralförmiger Planarspulen mit axial beweglichem Kern,
4 eine Planarspulenanordnung nach 3 in Form einer mehrlagigen Leiterplatte ohne Darstellung des Trägersubstrats und des Kerns,
4 die Planarspulenanordnung entsprechend 3 mit Darstellung des Trägersubstrats,
6 eine koaxial aufeinanderfolgende Anordnung mehrerer Leiterplatten nach 5,
7 die Gesamtinduktivität von Anordnungen nach 6 mit verschiedenen Anzahlen von Leiterplatten als Funktion der Position des Kerns.

1 zeigt einen hinteren Teil einer Werkzeugspannvorrichtung 1 bekannter Art mit einer Werkzeuglöseeinrichtung, die einen hydraulisch angetriebenen Lösekolben 2 aufweist, der zwischen der in 1 dargestellten Spannstellung, in welcher er sich in einer hinteren Endposition befindet, und einer nicht dargestellten Lösestellung, in welcher er sich in einer vorderen Endposition befindet, in Axialrichtung der Werkzeugspannvorrichtung 1, welche der Axialrichtung der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine entspricht, bewegbar ist. Diese Axialrichtung ist in allen Figuren wie üblich durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Mit den Ortsangaben vorne und hinten wird hier davon ausgegangen, dass sich ein gespanntes Werkzeug am vorderen Ende der Werkzeugspannvorrichtung 1, welches in 1 das obere, dort nicht sichtbare Ende ist, befindet.
Koaxial zu dem Lösekolben 2 ist eine Zugstange 3 angeordnet, die durch ein Tellerfedernpaket mit einer Kraft in Richtung des Lösekolbens 2 beaufschlagt wird und in der in 1 gezeigten Spannstellung durch einen axialen Anschlag in einem Abstand von dem Lösekolben gehalten wird. Wenn der Lösekolben 2 nach vorne, d.h. in 1 nach oben in die Lösestellung bewegt wird, gelangt seine vordere Stirnfläche in Kontakt mit einer dieser gegenüberliegenden Kontaktfläche der Zugstange 3, wodurch letztere gegen die Kraft des Tellerfedernpaketes in axialer Richtung nach vorne, d.h. in 1 nach oben bewegt wird. Diese Bewegung wird am vorderen Ende der Zugstange 3 in eine Schwenkbewegung von Spannklauen umgesetzt, welche die Lösung des Werkzeugs bewirkt. Bei einer Rückwärtsbewegung des Lösekolbens 2 in die in 1 gezeigte Spannstellung folgt ihm die Zugstange 3 angetrieben durch die Kraft des Tellerfedernpaketes, bis sie an ihren axialen Anschlag gelangt. Diese Bewegung der Zugstange 3 wird an ihrem vorderen Ende in eine Schwenkbewegung der Spannklauen umgesetzt, welche das Spannen des Werkzeugs bewirkt. Der Lösekolben 3 fährt anschließend noch etwas weiter in seine hintere Endstellung, in der seine vordere Stirnfläche einen axialen Abstand von der ihr gegenüber liegenden Kontaktfläche der Zugstange 3 hat.
Die Zugstange 3 hat einen rohrförmigen rückwärtigen Fortsatz 4, der sich nach hinten durch einen Hohlraum im Inneren des Lösekolbens 2 hindurch bis in eine Drehdurchführung 5 erstreckt, deren Funktion die Zuführung eines Kühl- und Schmiermittels für das Werkzeug in einen zum vorderen Ende der Werkzeugspannvorrichtung 1 führenden Kanal im Inneren der Zugstange 3 und ihres Fortsatzes 4 ist. Da die Zugstange 3 einschließlich ihres Fortsatzes 4 bei der Werkstückbearbeitung rotiert, ist das hintere Ende des Fortsatzes 4 in der Drehdurchführung 5 drehbar gelagert. Der Fortsatz 4 der Zugstange 3, bewegt sich beim Lösen und Spannen eines Werkzeugs genauso in axialer Richtung wie der vordere, in Richtung des Werkzeugs weisende Teil der Zugstange 3.
Der Lösekolben 2 hat einen im wesentlichen zylindrischen und nach vorne, d.h. in Richtung der Zugstange offenen Hohlraum, in dem eine Führungshülse 6 angeordnet ist, deren vorderer Teil im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders hat und an seiner Außenoberfläche die Bewegung des Lösekolbens 2 an dessen Innenoberfläche führt. Im Inneren der Führungshülse 6 ist zwischen dieser und dem Fortsatz 4 der Zugstange 3 ein induktiver Positionssensor 7 zur Messung der Position der Zugstange 3 angeordnet. Der Positionssensor 7 weist eine Messspule 8, die einen Abschnitt des Fortsatzes 4 der Zugstange 3 in einem radialen Abstand umgibt, und einen magnetischen Kern 9 auf, der durch einen Abschnitt des Fortsatzes 4 der Zugstange 3 gebildet wird oder an diesem befestigt ist. Vorzugsweise besteht der Kern 9 aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität, insbesondere aus einem ferromagnetischen Material. Aufgrund der Anordnung und der Formgebung des Kerns 9 bewirkt eine axiale Bewegung desselben eine Änderung der Induktivität der Messspule 8. Der Aufbau und die Funktionsweise des Positionssensors 7, der auf dem sogenannten Tauchankerprinzip basiert, werden nachfolgend erläutert.
Die Grundstruktur eines herkömmlichen induktiven Positionssensors nach dem Tauchankerprinzip zeigt 2. In eine Zylinderspule 10 der Gesamtlänge L ragt ein zweckmäßigerweise ebenfalls zylindrischer Körper 11 hoher magnetischer Permeabilität, dessen Querschnitt sich an einer Stelle 12 ändert, koaxial so hindurch, dass sich im Bereich einer Teillänge s der Gesamtlänge L des Innenraumes der Zylinderspule 10 ein Abschnitt 11A des Körpers 11 mit geringerem Durchmesser D₁ und im Bereich einer Teillänge L-s ein Abschnitt 11B des Körpers 11 mit größerem Durchmesser D₂ befindet. Durch den Körper 11 wird die magnetische Permeabilität des Innenraumes der Zylinderspule 10 und damit deren Induktivität im Vergleich zu einer Luftspule erhöht, d.h. er fungiert für die Zylinderspule 10 als magnetischer Kern. Das Ausmaß der Induktivitätserhöhung hängt von der axialen Position der Querschnittsänderung 12 des Körpers 11 innerhalb der Zylinderspule 10 ab. Auf diese Weise kann die Position des Körpers 11 in Axialrichtung der Zylinderspule 10 bestimmt werden, wobei der Zusammenhang zwischen der axialen Position der Querschnittsänderung 12 und der Induktivität allerdings deutlich nichtlinear ist.
Das Messprinzip umfasst auch den Fall, dass der geringere Durchmesser D₁ Null ist, d.h. dass der Körper 11 hoher magnetischer Permeabilität nur aus dem Abschnitt 11B mit dem Durchmesser D₂ besteht und der Innenraum der Zylinderspule 10 entlang der Teillänge s leer ist. In diesem Fall ergibt sich für einen nach diesem Prinzip funktionierenden Positionssensor die größtmögliche Empfindlichkeit, d.h. die größtmögliche Induktiviätsänderung in Abhängigkeit von der axialen Position des Körpers 11.
Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß als Bestandteil einer Werkzeugspannvorrichtung 1 vorgesehen Sensors 7 zeigt 3. Mehrere Planarspulen, in dem dargestellten Beispiel vier Planarspulen 13 bis 16, deren Windungen sich jeweils spiralförmig um eine gemeinsame Achse 17, welche der Mittelachse der Werkzeugspannvorrichtung 1 entspricht, herum erstrecken, sind koaxial aufeinanderfolgend angeordnet und elektrisch gleichsinnig miteinander in Reihe geschaltet. Gleichsinnig bedeutet, dass die Stromrichtung in axialer Ansichtsrichtung in allen Spulen 13 bis 16 gleich ist, d.h. entweder in allen Spulen 13 bis 16 im Uhrzeigersinn oder in allen Spulen 13 bis 16 entgegen dem Uhrzeigersinn verläuft. Hierzu sind zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Spulen entweder am inneren Ende beider Spiralen miteinander verbunden, wie es in 3 bei den Spulen 13 und 14 sowie bei den Spulen 15 und 16 der Fall ist, oder sie sind am äußeren Ende beider Spiralen miteinander verbunden, wie es in 3 bei den Spulen 14 und 15 der Fall ist.
Bis auf diejenigen Spulen, welche die beiden axialen Enden der Spulenanordnung bilden, in 3 die Spulen 13 und 16, ist jede Spule am äußeren Ende der Spirale mit dem äußeren Ende der Spirale einer der beiden ihr unmittelbar benachbarten Planarspulen verbunden und am inneren Ende der Spirale mit dem inneren Ende der Spirale der anderen ihr unmittelbar benachbarten Planarspule verbunden, wie es in 3 bei den beiden inneren Planarspulen 14 und 15 der Fall ist. Hierdurch wird eine additive Überlagerung der Beiträge der einzelnen Planarspulen 13 bis 16 zum Magnetfeld der gesamten Spulenanordnung bewirkt.
Die Reihenschaltung mehrerer Planarspulen 13 bis 16 bildet insgesamt eine Messspule 8, deren äußere Anschüsse 18 und 19 die nicht mit der jeweils benachbarten Planarspule verbundenen Enden der Spiralen der die beiden axialen Enden der Spulenanordnung bildenden Planarspulen sind. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind dies die äußeren Enden der Spiralen der Planarspulen 13 und 16. Falls eine ungerade Anzahl von Planarspulen verwendet würde, würden ein äußeres Ende einer Spirale und ein inneres Ende einer anderen Spirale die äußeren Anschlüsse der Messspule 8 bilden. Die Induktivität der Messspule 8 ändert sich, wenn ein Körper 20 hoher magnetischer Permeabilität von außen in axialer Richtung in ihren Innenraum eingeführt wird, wie es in 3 schematisch dargestellt ist. Um dies zu ermöglichen, d.h. einen solchen Innenraum zu schaffen, liegt das innere Ende jeder Planarspule 13 bis 16 nicht in ihrem radialen Zentrum, sondern hat von diesem einen bestimmten Abstand, wodurch sich die Spirale der Windungen jeweils um eine freie Fläche 21 herum erstreckt, die näherungsweise kreisförmig ist.
Erfindungsgemäß sind die einzelnen Planarspulen 13 bis 16 vorzugsweise in Form von axial voneinander beabstandeten Leiterbahnen auf einer oder mehreren Leiterplatten realisiert. Bevorzugt sind hierbei mehrere axial unmittelbar aufeinanderfolgende Planarspulen 13 bis 16 in verschiedenen aufeinanderfolgenden Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte 23 angeordnet. Schematisch ist dies in den 4 und 5 dargestellt, wobei 4 nur die Leiterbahnen 22 ohne das Trägersubstrat 24 der Leiterplatte 23 zeigt und 5 die Leiterplatte 23 mit ihrem Trägersubstrat 24 zeigt, wodurch die Leiterbahnen 22 dort überwiegend nicht sichtbar sind. Nach dem heutigen Stand der Leiterplattentechnologie kann die Anzahl der Lagen auch deutlich mehr als vier betragen, beispielsweise acht, so dass die schematische Darstellung von vier Planarspulen 13 bis 16 in 3 nur als Beispiel zu verstehen ist.
Wie in 4 erkennbar ist, erfolgt die Reihenschaltung der aufeinanderfolgenden Planarspulen innerhalb einer mehrlagigen Leiterplatte 23 mittels Durchkontaktierungen 25, die jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 22 zweier axial aufeinanderfolgender Lagen herstellen. Da sowohl innere als auch äußere Enden der spiralförmigen Planarspulen jeweils miteinander verbunden werden müssen, befinden sich Durchkontaktierungen 25 sowohl innerhalb, als auch außerhalb des von den die Planarspulen bildenden Leiterbahnen 22 belegten ringförmigen Bereiches der Leiterplatte 23, in dessen Mitte eine kreisförmige Fläche 21 ausgespart ist. Wie in 5 erkennbar ist, weist die Leiterplatte 23 innerhalb der von Leiterbahnen 22 ausgesparten Fläche 21 eine zu dieser koaxiale Öffnung 26 auf, die dazu bestimmt ist, ein Eintauchen eines magnetischen Kerns 20 in axialer Richtung zu ermöglichen, wie es in 3 dargestellt ist.
Von den nicht mit einer benachbarten Planarspule verbundenen Enden der beiden äußersten Planarspulen ist jeweils eine Leiterbahn zu einer von zwei in einem Abstand voneinander am äußeren Rand der Leiterplatte 23 angeordneten Kontakten 27 und 28 geführt. Die beiden Kontakte 27 und 28 der Leiterplatte 23 befinden sich an senkrecht zueinander verlaufenden Außenkanten der Leiterplatte 23 und haben die gleiche Form und Größe. Sie sind in Form von vergleichsweise sehr großen Durchkontaktierungen zwischen sämtlichen Lagen der Leiterplatte 23 realisiert. Hierdurch sind im Bereich der Kontakte 27 und 28 nicht nur auf der Vorderseite und auf der Rückseite der Leiterplatte 23 jeweils Kontaktflächen in Form eines halben Kreisrings vorhanden, sondern diese beiden Kontaktflächen sind am Rand der Leiterplatte auch durch eine senkrecht zur Vorder- und Rückseite der Leiterplatte 23 liegende Kontaktfläche 29 in Form eines halben Zylindermantels miteinander verbunden.
Die Kontakte 27 und 28 sind so angeordnet, dass durch eine Drehung der Leiterplatte 23 um einen vorbestimmten Winkel um die Achse 17 der Planarspulen einer der beiden Kontakte 27 oder 28 in diejenige Position versetzt werden kann, welche der jeweils andere Kontakt 28 bzw. 27 vor der Drehung hatte. Bei dem in den 4 und 5 gezeigten Beispiel befinden sich die Kontakte 27 und 28 an verschiedenen Außenkanten der Leiterplatte 23, die hier eine quadratische Form hat, so dass der nötige Winkel zur Drehung eines Kontaktes in die Position des jeweils anderen Kontaktes vor der Drehung +90° oder -90° beträgt.
Da die Dicke und die Anzahl der Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte 23 begrenzt sind, ist zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Positionsensors 7 eine axiale Kaskadierung mehrerer identischer solcher Leiterplatten 30 bis 34 vorgesehen, wie sie in 6 zu sehen ist. Die einzelnen Leiterplatten 30 bis 34 sind koaxial aufeinanderfolgend so angeordnet, dass durch die Herstellung von Lötverbindungen zwischen den Kontakten jeweils unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten deren Planarspulen in einfacher Weise miteinander in Reihe geschaltet werden können.
Bei der Anordnung von 6 befindet sich ein Kontakt 35 der ersten Leiterplatte 30 an deren unterer Kante nahe der rechten Ecke und der andere Kontakt 36 an deren rechter Kante nahe der oberen Ecke. Die zweite Leiterplatte 31 ist gegenüber der ersten um die gemeinsame Achse 17 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so dass ein Kontakt 37 dieser Leiterplatte 31 mit dem Kontakt 36 der ersten Leiterplatte 30 in axialer Richtung fluchtet, während der zweite Kontakt 38 der zweiten Leiterplatte 31 sich an deren oberer Kante nahe der linken Ecke befindet. Die dritte Leiterplatte 32 ist gegenüber der zweiten um die gemeinsame Achse 17 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so dass ein Kontakt 39 dieser Leiterplatte 32 mit dem Kontakt 38 der zweiten Leiterplatte 31 in axialer Richtung fluchtet, während der zweite Kontakt der dritten Leiterplatte 32 sich an deren linker Kante nahe der unteren Ecke befindet, wo er in der Ansicht von 6 nicht sichtbar ist.
Die vierte Leiterplatte 33 ist gegenüber der zweiten um die gemeinsame Achse 17 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so dass ein ebenfalls in 6 nicht sichtbarer Kontakt dieser Leiterplatte 33 mit dem nicht sichtbaren Kontakt der dritten Leiterplatte 32 in axialer Richtung fluchtet, während der zweite Kontakt 40 der vierten Leiterplatte 33 sich an deren unterer Kante nahe der rechten Ecke befindet. Die fünfte Leiterplatte 34 ist gegenüber der vierten um die gemeinsame Achse 17 um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so dass die Anordnung ihrer Kontakte derjenigen der ersten Leiterplatte 30 entspricht. Der dem Kontakt 35 der ersten Leiterplatte 30 entsprechende Kontakt 41 der fünften Leiterplatte 34 befindet sich demnach an deren unterer Kante nahe der rechten Ecke und der dem Kontakt 36 der ersten Leiterplatte 30 entsprechende Kontakt 42 der fünften Leiterplatte 34 befindet sich an deren rechter Kante nahe der oberen Ecke. Ab der fünften Leiterplatte 34 wiederholt sich somit die Anordnung der ersten vier Leiterplatten 30 bis 34 zyklisch, falls insgesamt noch mehr Leiterplatten hinzugefügt werden.
Die Planarspulen der ersten beiden Leiterplatten 30 und 31 werden durch eine Lötverbindung zwischen deren Kontakten 36 und 37 miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet. Die Planarspulen der zweiten und dritten Leiterplatten 31 und 32 werden durch eine Lötverbindung zwischen deren Kontakten 38 und 39 miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung der Planarspulen unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten durch eine Lötverbindung miteinander fluchtender Kontakte der unmittelbar aufeinanderfolgenden Leiterplatten an deren Randseiten setzt sich über die gesamte Länge der Leiterplattenanordnung in Richtung der gemeinsamen Achse 17 fort, wobei unmittelbar aufeinanderfolgende Lötverbindungen sich jeweils um 90° gedreht an verschiedenen Randseiten der Leiterplattenanordnung befinden.
Wie aus 6 zu ersehen ist, ist die Lötverbindung zwischen den Kontakten 36 und 37 der beiden ersten Leiterplatten 30 und 31 von der nächstgelegenen mit ihr axial fluchtenden Lötverbindung, nämlich derjenigen zwischen dem Kontakt 42 der fünften Leiterplatte 34 und dem ihm zugeordneten Kontakt der nächsten, in 6 nicht mehr gezeigten Leiterplatte durch die zwei Leiterplatten 32 und 33 getrennt, deren Kontakte sich an anderen Seiten von deren Rändern befinden. Die Leiterplatten 32 und 33 fungieren somit zusammen als ein Isolator, welcher die axial miteinander fluchtenden Lötverbindungen zwischen den Kontakten 36 und 37 einerseits und zwischen dem Kontakt 42 und dem ihm zugeordneten Kontakt der nächsten Leiterplatte andererseits voneinander trennt. Diese Trennung ist in der beschriebenen Anordnung auch bei allen anderen miteinander fluchtenden Lötverbindungen gegeben, was die Herstellung der Lötverbindungen erleichtert und Kurzschlüsse zuverlässig verhindert.
Es ist aber nicht zwingend erforderlich, die Lötverbindungen zwischen den Kontakten der einzelnen Leiterplatten 30 bis 34 an deren Randseiten herzustellen. Wie aus 6 ersichtlich ist und bereits erwähnt wurde, sind bei den Kontakten 35 bis 42 der Leiterplatten 30 bis 34 jeweils auch Kontaktflächen in Form der Hälfte eines Kreisrings sowohl auf den Vorderseiten, als auch auf den Rückseiten der Leiterplatten 30 bis 34 vorhanden. Anstatt an den Randseiten könnten die Kontakte axial zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten, beispielsweise die Kontakte 36 und 37 der Leiterplatten 30 und 31, daher auch durch Lötverbindungen zwischen besagten Kontaktflächen auf der Vorderseite einer der beiden Leiterplatten und auf der Rückseite der anderen Leiterplatte, beispielsweise auf der in 6 sichtbaren Vorderseite des Kontaktes 37 der Leiterplatte 31 und der Rückseite des Kontaktes 36 der Leiterplatte 30, hergestellt werden.
Die Herstellung der Lötverbindungen an den Randseiten ist jedoch besonders vorteilhaft, weil die Leiterplatten 30 bis 34 hierzu nur axial kongruent zueinander ausgerichtet und dann zur Ausübung einer Kraft in Axialrichtung mittels eines geeigneten Werkzeugs zusammengespannt zu werden brauchen, um sie für die Herstellung der Lötverbindungen an den Randseiten vorzubereiten, welche dann in einfacher Weise auch manuell erfolgen kann, ohne dass hierfür sehr hohe Präzisionsanforderungen bestünden.
Die Funktionsfähigkeit der Erfindung wird durch 7 belegt, die gemessene Verläufe der Induktivität einer Messspule 8 über der Position eines ferromagnetischen Kerns für verschiedene Anzahlen koaxial kaskadierter Leiterplatten mit jeweils mehreren Lagen von Planarspulen zeigt. Der in dem Diagramm angegebene Parameter n ist die Anzahl der Leiterplatten, wobei jede Leiterplatte mehrere Planarspulen enthält. Bei der Position Null beginnt ein ferromagnetischer Kern in eine Messspule 8 einzutauchen. Wie aus 7 zu ersehen ist nimmt die Induktivität erwartungsgemäß für eine gegebene Kernposition mit der Anzahl der Leiterplatten und damit der in Reihe geschalteten Planarspulen zu und sie nimmt für eine gegebene Anzahl von Leiterplatten und damit Planarspulen mit der Kernposition zu, wobei mit einer zunehmenden Kernposition eine zunehmende Eintauchtiefe des Kerns in die aus der Reihenschaltung aller Planarspulen bestehende Messspule 8 gemeint ist.
Darüber hinaus zeigt 7, dass der Zusammenhang zwischen der axialen Position eines magnetisch permeablen Kerns und der Induktivität in einem mittleren Bereich der Kernposition näherungsweise linear verläuft, wobei die Länge des näherungsweise linearen Bereichs mit zunehmender Anzahl der Leiterplatten und damit Planarspulen zunimmt. Dieser näherungsweise Kennlinienverlauf ist von großem Vorteil, da er im Vergleich zu einem herkömmlichen Sensor, wie ihn 2 zeigt, eine höhere Messgenauigkeit bietet und die erforderliche elektronische Signalverarbeitung vereinfacht. Wie 7 des Weiteren zeigt, kann die Kennlinie des Sensors im Sinne eines Baukastensystems an die zu messende Wegstrecke des Kerns und damit der Zugstange 3 zwischen deren beiden Endpositionen angepasst werden. Je länger die zu messende Wegstrecke ist, umso mehr Leiterplatten können aufeinanderfolgend angeordnet und zusammengeschaltet werden, um den Messbereich bedarfsgerecht anzupassen.
Die Messung der Induktivitätsänderung kann mit einer Messelektronik an sich bekannter Art erfolgen. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Messelektronik auf einer Leiterplatte zu realisieren, die an das Leiterplattenpaket, in welchem die Planarspulen der Messspule 8 realisiert sind, an einem Ende angefügt wird. Auf diese Weise können die Längen der Zuleitungen von der Messelektronik zu der Messspule 8 kurz gehalten und eine Verfälschung der gemessenen Induktivität durch die Zuleitungen minimiert werden.
Was den Kern anbelangt, so kann dieser durch den Fortsatz 4 der Zugstange 3 selbst gebildet werden, wenn dieser aus einem Material mit ausreichend hoher magnetischer Permeabilität besteht. In diesem Fall muss der Fortsatz 4 einen Abschnitt mit größerem Durchmesser aufweisen, der im Bereich der Messspule 8 des Sensors 7 so angeordnet ist, dass sich der Übergang zwischen diesem Abschnitt und dem anschließenden Abschnitt mit geringerem Durchmesser bei der zu messenden Bewegung der Zugstange 3 von einem axialen Ende der Messspule 8 aus in diese hinein bzw. in umgekehrter Richtung aus deren Innenraum zu ihrem axialen Ende bewegt. Das in 1 als ferromagnetischer Kern 9 gekennzeichnete Element ist in diesem Fall besagter Abschnitt des Fortsatzes 4 mit größerem Durchmesser.
Alternativ kann an der Zugstange 3 ein Ring aus einem Material mit ausreichend hoher magnetischer Permeabilität befestigt sein, der sich bei der zu messenden Bewegung der Zugstange 3 von einem axialen Ende der Messspule 8 aus in diese hinein bzw. in umgekehrter Richtung aus deren Innenraum zu ihrem axialen Ende bewegt. In diesem Fall besteht an das Material des Fortsatzes 4 der Zugstange 3 nicht die Anforderung hoher magnetischer Permeabilität. Das in 1 als ferromagnetischer Kern 9 gekennzeichnete Element ist in diesem Fall besagter Ring aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität.
Aus der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für den Fachmann eine Reihe von Variationsmöglichkeiten zur Realisierung der Erfindung. So könnte der zur Reihenschaltung der jeweiligen Planarspulen unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten vorgesehene Drehwinkel zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Leiterplatten anstatt 90° auch einen anderen ganzzahligen Bruchteil von 360° wie beispielsweise 120°, 72° oder 60° betragen. In diesem Fall wäre die Anzahl aufeinanderfolgender Leiterplatten, nach der sich die Anordnung der Kontakte zyklisch wiederholt, jeweils eine andere, beispielsweise bei 60° sechs anstatt vier.
Auch ist die quadratische Form der Leiterplatten keineswegs die einzige mögliche Form, sondern die Leiterplatten könnten in Anbetracht der kreisrunden Querschnittskonturen der meisten Komponenten der erfindungsgemäßen Werkzeugspannvorrichtung 1 beispielsweise auch kreisrund sein oder sie könnten auch polygonal sein und beispielsweise die Form eines regelmäßigen Fünfecks oder Sechsecks haben. Andererseits könnten die Planarspulen anstatt einer runden Form auch eine eckige Form haben. Beispielsweise könnten sie näherungsweise quadratisch sein und die mittig ausgesparte Fläche könnte ebenfalls quadratisch sein. Solche und vergleichbare Abwandlungen liegen im Ermessen des Fachmannes und sollen vom Schutz der Ansprüche umfasst sein.

Claims

Werkzeugspannvorrichtung (1), insbesondere für eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine, mit einem Betätigungsglied (3), welches durch einen Antrieb zwischen einer ersten Position, in der sich die Werkzeugspannvorrichtung (1) in Spannstellung befindet, und einer zweiten Position, in der sich die Werkzeugspannvorrichtung (1) in Lösestellung befindet, in einer durch eine Längsachse der Werkzeugspannvorrichtung (1) definierten Axialrichtung (17) verschiebbar ist, mit einem induktiven Sensor (7) zur Messung der Position des Betätigungsgliedes (3) in Form einer Messspule (8) mit einem magnetischen Kern (9), welcher sich zusammen mit dem Betätigungsglied (3) in Axialrichtung (17) bewegt und von dessen Position die Induktivität der Messspule (8) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (8) aus mehreren in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Planarspulen (13-16) besteht, deren Windungen jeweils spiralförmig in einer senkrecht zur Axialrichtung (17) liegenden Ebene um einen Bestandteil (4) des Betätigungsgliedes (3) herum verlaufen und miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen (13-16) durch Leiterbahnen (22) auf mindestens einer Leiterplatte (23) gebildet werden.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (23) eine mehrlagige Leiterplatte (23) ist und mehrere Planarspulen (13-16) in den verschiedenen Lagen der Leiterplatte (23) realisiert und auf der Leiterplatte (23) miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiterplatten (30-34) in der Axialrichtung (17) aufeinanderfolgend angeordnet sind und die Planarspulen (13-16) zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Leiterplatten (30-31, 31-32, 32-33, 33-34) jeweils durch eine elektrische Verbindung zwischen den zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Leiterplatten (30-31, 31-32, 32-33, 33-34) miteinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung eine Lötverbindung zwischen je einem Kontakt (35-42) am jeweiligen Rand jeder der zwei aufeinanderfolgenden Leiterplatten (30-31, 31-32, 32-33, 33-34) ist, und dass miteinander verbundene Kontakte (36-37, 38-39, 40-41) zweier jeweils aufeinanderfolgender Leiterplatten (30-31, 31-32, 32-33, 33-34) in Axialrichtung (17) miteinander fluchtend angeordnet sind.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Anschlüsse einer oder mehrerer auf einer Leiterplatte (30-34) realisierten Planarspule bzw. Planarspulen (13-16) am Rand jeder Leiterplatte (30-34) zwei Kontakte (35, 36; 37, 38; 41, 42) vorgesehen sind, deren Positionen sich durch eine Drehung um eine gemeinsame Achse (17) um einen Winkel unterscheiden, der ein ganzzahliger Bruchteil von 360° ist und höchstens 120° beträgt.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarspulen (13-16) zueinander koaxial angeordnet sind.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messelektronik zur Messung der Induktivität der Messspule (8) auf einer Leiterplatte realisiert ist, die an die Anordnung der Leiterplatten (30-34), in welchen die Planarspulen (13-16) der Messspule (8) realisiert sind, an einem Ende angefügt ist.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (9) an dem Bestandteil (4) des Betätigungsgliedes (3) befestigt ist und/oder zumindest teilweise durch einen Abschnitt mit einer Querschnittsänderung des Bestandteils (4) des Betätigungsgliedes (3) gebildet wird.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (9) zwei axiale Abschnitte mit unterschiedlichem Volumen pro axialer Längeneinheit aufweist, und dass ein Übergang zwischen diesen zwei axialen Abschnitten mit unterschiedlichem Volumen pro axialer Längeneinheit so angeordnet ist, dass er sich bei einer Bewegung des Betätigungsgliedes (3) zwischen dessen erster und zweiter Position innerhalb der Messspule (8) bewegt.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (9) eine zylindrische äußere Form hat, und dass das unterschiedliche Volumen pro axialer Längeneinheit der verschiedenen axialen Abschnitte auf einem unterschiedlichen Außendurchmesser beruht.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (9) durch eine Kombination aus einem Abschnitt des Bestandteils (4) des Betätigungsgliedes (3) und einem an diesem befestigten Körper gebildet wird, der eine größere magnetische Permeabilität als der Abschnitt des Bestandteils (4) des Betätigungsgliedes (3) hat, und dass der Körper so angeordnet ist, dass sich ein axiales Ende desselben bei einer Bewegung des Betätigungsgliedes (3) zwischen dessen erster und zweiter Position innerhalb der Messspule (8) bewegt.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (9) allein durch einen Abschnitt des Bestandteils (4) des Betätigungsgliedes (3) gebildet wird.
Werkzeugspannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsglied (3) eine Zugstange ist, deren Verschiebung in Axialrichtung (17) das Spannen oder Lösen des Werkzeugs bewirkt, und dass der Bestandteil (4) des Betätigungsgliedes (3) ein axialer Fortsatz der Zugstange ist, der sich in Richtung des dem Werkzeug abgewandten Endes der Werkzeugspannvorrichtung (1) erstreckt.