DE102020208529A1

DE102020208529A1 - Werkzeughalter und werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020208529A1
Application number: DE102020208529.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Gruber
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Ein Werkzeughalter zum Halten eines drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs weist mindestens einen elektrischen Verbraucher (26, 30, 32, 34), einen Nanogenerator (16) zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers (26, 30, 32, 34) mit elektrischer Energie und einen Energiespeicher (18, 20) auf. Eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einer drehantreibbaren Spindel weist mindestens einen Werkzeughalter auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeughalter zum Halten eines drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs und eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks.
Während eines Zerspanungsvorgangs wird ein zu zerspanendes Werkstück mit einem Schneidteil eines drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs bearbeitet, das in einem durch eine Spindel einer Werkzeugmaschine angetriebenen Werkzeughalter aufgenommen ist. Um eine erforderliche Zerspanungsqualität zu erreichen, muss das System bestehend aus Werkstück, Zerspanungswerkzeug, Werkzeughalter, Werkzeugmaschine und ggf. Kühlschmiermittel ein ausreichendes Standvermögen aufweisen, das von einer Schneidhaltigkeit bzw. einem Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs, einer Zerspanbarkeit des Werkstücks und den Standbedingungen abhängt.
Falls die am Schneidteil des Zerspanungswerkzeugs anliegenden Kräfte aufgrund eines zu geringen Standvermögens, z.B. aufgrund eines zunehmenden Verschleiß des Schneidteils, ansteigen, führt dies zu einer abnehmenden Zerspanungsqualität. Bei einem weiteren Anstieg der anliegenden Kräfte kann sogar ein Bruch des Zerspanungswerkzeugs auftreten, der wiederum Schäden am Zerspanungswerkzeug, am Werkstück, am Werkzeughalter und/oder an der Werkzeugmaschine verursachen kann.
Während eines Zerspanungsvorgangs treten zudem zwangsläufig Vibrationen auf, die durch Unwuchten verursacht werden, die im Zerspanungswerkzeug, im Werkzeughalter oder in der Werkzeugmaschine vorhanden sind. Diese Vibrationen können ebenfalls zu einer schlechten Zerspanungsqualität führen. Bei zunehmenden Verschleiß und folglich größeren Kräften am Schneidteil werden die Vibrationen weiter verstärkt und als Folge können Schäden an Lagern und Antrieben der Werkzeugmaschine oder sogar ein Bruch des Zerspanungswerkzeugs die Folge sein.
Es ist daher erforderlich den Zerspanungsvorgang zu überwachen und rechtzeitig zu unterbrechen, um geeignete Gegenmaßnahmen (z.B. Tausch/Schärfen des Zerspanungswerkzeugs) durchzuführen. In modernen Fertigungssystemen findet eine Überwachung/Steuerung des Zerspanungsvorgangs unter Verwendung eines Prozessüberwachungssystems statt. Diese Systeme werden auch unter dem Begriff Industrie 4.0 zusammengefasst. Die Prozessüberwachung bietet den Vorteil, dass eine Unterbrechung des Zerspanungsvorgangs rechtzeitig und zuverlässig ausführbar ist, bevor eine Beschädigung des Werkstücks, des Zerspanungswerkzeugs, des Werkzeughalters und/oder der Werkzeugmaschine auftritt.
Die am Zerspanungswerkzeug auftretenden Einflüsse werden im Fall einer kraftschlüssigen, festen Verbindung auch auf den Werkzeughalter übertragen und können somit dort erfasst und entsprechend verarbeitet und/oder übertragen werden. Für die Erfassung, Verarbeitung und Übertragung ist eine Energieversorgung erforderlich.
Im Stand der Technik ist dahingehend aus der DE 10 2017 109 537 A1 ein Werkzeug, insbesondere ein Bohrkopf, mit mindestens einem Sensorelement bekannt, das zum Erfassen und Übertagen von technischen Parametern von einem sog. Energy-Harvesting-Modul während eines Betriebs des Werkzeugs mit Energie versorgt wird.
Es ist jedoch bei intelligenten Fertigungssystemen erforderlich, dass elektrische Verbraucher im Werkzeughalter betreibbar sind, wenn kein Zerspanungsvorgang ausgeführt wird, um beispielsweise Daten auch in einem Stillstand zu übertragen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen.
Die Aufgabe wird durch einen Werkzeughalter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Werkzeughalter zum Halten eines drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs weist mindestens einen elektrischen Verbraucher, einen Nanogenerator zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie und einen Energiespeicher auf.
Der Werkzeughalter weist an seinem einen Ende einen Spannteil zur spannenden Aufnahme des Zerspanungswerkzeugs auf. Das Zerspanungswerkzeug kann ein Fräswerkzeug, ein Bohrwerkzeug, eine Reibahle oder dergleichen sein. Der Spannteil zum Spannen des Zerspanungswerkzeugs kann dabei als Schrumpffutter, Hydrodehnspannfutter, Spannzangenfutter oder dergleichen ausgebildet sein. Der Werkzeughalter weist an seinem anderen Ende einen Schaftteil auf, über den der Werkzeughalter an eine Spindel einer Werkzeugmaschine kraftschlüssig anschließbar ist, so dass eine Drehantrieb durchführbar ist. Der Schaftteil kann als Hohlschaftkegel, Steilkegel oder Polygonalschaft usw. ausgebildet sein. Der Schaftteil des Werkzeughalters ist direkt oder über einen Adapter indirekt an die Spindel der Werkzeugmaschine anschließbar.
Der Nanogenerator wandelt eine Zentrifugalkraft und/oder Vibrationen, die bei einem Drehantrieb des Werkzeughalters zwangsläufig auftreten/auftritt, oder einen Temperaturunterschied im Werkzeughalter in elektrische Energie um. Der Nanogenerator wandelt folglich einen mechanischen oder thermischen Einfluss auf den Werkzeughalter in elektrische Energie, um damit die elektrischen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Demzufolge sind die elektrischen Verbraucher nicht auf eine externe Energieversorgung, wie etwa eine kabelgebundene oder induktive Energieversorgung von außen angewiesen. Dieses Vorgehen ist dem Fachmann auch als Energy Harvesting bekannt. Für die genannten Zwecke sind piezoelektrische Nanogeneratoren, triboelektrische Nanogeneratoren oder pyroelektrische Nanogeneratoren einsetzbar, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
Der Energiespeicher dient zur Speicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigter Energie für eine spätere Verwendung. Der Energiespeicher ist wiederaufladbar ausgebildet und ist durch vom Nanogenerator bereitgestellte Energie aufladbar. Der Energiespeicher ist ein elektrochemischer Speicher, z.B. ein Lithium-Ionen-Akku, insbesondere ein Li-Polymer-Akku, kann aber auch ein Nickel-Metallhybrid-Akku oder ein anderer geeigneter Akkutyp sein. Durch den Energiespeicher können die elektrischen Verbraucher folglich auch bei einem Stillstand des Werkzeughalters betrieben werden. Bevorzugt wird der Energiespeicher derart ausgelegt, dass er für eine Lebensdauer des Werkzeughalters betreibbar ist, so dass ein Austausch und eine dafür benötigte Öffnung im Werkzeughalter nicht erforderlich sind.
Der erfindungsgemäße Werkzeughalter weist eine Steuereinheit und Sensoreinheiten als elektrische Verbraucher auf. Es können aber auch weitere oder andere Einheiten durch den Nanogenerator und den Energiereicher mit elektrischer Energie versorgt werden.
Gemäß einem Aspekt kann der Verbraucher mindestens eine Sensoreinheit zum Erfassen einer während eines Zerspanungsvorgangs auf den Werkzeughalter ausgeübten Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft und/oder einer Werkzeugspannkraft und/oder einer Temperatur des Werkzeughalters, des Zerspanungswerkzeugs und/oder eines dem Zerspanungswerkzeug über den Werkzeughalter zugeführten Kühlschmiermittels und Bereitstellen eines der erfassten Kraft oder Temperatur entsprechenden Messsignals aufweisen. Die Sensoreinheit liefert folglich ein der zu erfassenden Größe entsprechendes analoges Messsignal, z.B. in Form einer Spannung oder eines Stroms.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Verbraucher eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Messwerts aus einem von der Sensoreinheit bereitgestellten Messsignal aufweist. Die Steuereinheit ist als ein bekannter Mikrocontroller mit CPU und Datenspeicher ausgebildet. Im Datenspeicher ist ein durch die CPU ausführbares Softwareprogramm gespeichert, dass verursacht, dass die Steuereinheit spezifische Verarbeitungen ausführt. Die Steuereinheit weist eine Messwerterfasseinheit, die als ein Analog-/Digital-Wandler ausgebildet ist, auf, die durch einen Programmabschnitt des Softwareprogramms steuerbar ist. Die Messwerterfasseinheit wandelt das von der Sensoreinheit bereitgestellte analoge Messsignal in digitale Messwerte, die anschließend im Datenspeicher speicherbar sind, um. Die gespeicherten Messwerte können anschließend durch einen Programmabschnitt des Softwareprogramms verarbeitet werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann die Steuereinheit dazu konfiguriert sein, die Zeitspannen aufzusummieren und/oder die Häufigkeit der Zeitspannen zu ermitteln, während denen aus einem von der Sensoreinheit bereitgestellten Messsignal, der einer Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft entspricht, ein Messwert erzeugt wird, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Wenn ein Messwert einer Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft erfasst wird, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert, kann bestimmt werden, dass eine Bearbeitung mit dem Im Werkzeughalter aufgenommenen Zerspanungswerkzeug durchgeführt wird. Demzufolge kann die Zeit während derer die Messwerte erfasst werden, die größer als der Schwellwert sind, aufsummiert werden, um daraus eine Nutzungszeit des Zerspanungswerkzeugs abzuleiten. In ähnlicher Weise kann eine Nutzungshäufigkeit, für die das Zerspanungswerkzeug verwendet wird, durch Zählen der Häufigkeiten der Zeitspannen abgeleitet werden. Die ermittelte Nutzungszeit und Nutzungshäufigkeit kann mit einer für das Zerspanungswerkzeug vorhergehend ermittelte Standzeit bzw. Standmenge verglichen werden. Demzufolge kann ein Verschleiß eines Zerspanungswerkzeugs zuverlässig erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Verbraucher eine Steuereinheit zum Erzeugen eines Messwerts aus einer vom Nanogenerator bei einem Drehantrieb des Werkzeughalters gewonnenen elektrischen Energie aufweisen. Die Steuereinheit kann demzufolge die durch den Nanogenerator elektrische Energie als ein Messsignal erfassen und die Messwerterfasseinheit kann daraus Messwerte erzeugen. Der Messwert der durch den Nanogenerator erzeugten Energie kann anschließend als ein Messwert für die anliegende mechanische und/oder thermische Energie verwendet werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann die Steuereinheit eine Werkzeugidentifizierungseinheit zum Identifizieren eines eingespannten Werkzeugs aufweisen. Die Werkzeugidentifiziereinheit kann dabei das Werkzeug beispielsweise über RFID erkennen. Die Werkzeugidentifiziereinheit kann aber auch ein Speicherabschnitt sein, in dem die Kennung des Werkezugs beim Einbringen des Werkezeugs in den Spannteil des Werkzeughalters gespeichert wird. Folglich kann eine oben erwähnte Nutzungszeit und/oder Nutzungshäufigkeit für das spezifische Zerspanungswerkzeug genau ermittelt werden, so dass ein Verschleiß für das spezifische Zerspanungswerkzeug zuverlässig erkannt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Steuereinheit eine Datenübertragungseinheit zur kabellosen bidirektionalen Datenübertragung mit einer außerhalb des Werkzeughalters angeordneten Datenübertragungseinheit aufweist. Die Steuereinheit ist folglich imstande, Daten mit der außerhalb des Werkzeughalters angeordneten Datenübertragungseinheit, wie etwa einer Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit oder einer andere externen Datenübertragungseinheit, wie etwa einem Smartphone oder einem Laptop, auszutauschen. Die Steuereinheit kann folglich Messwerte, eine Nutzungszeit eines Zerspanungswerkzeugs und/oder eine Nutzungshäufigkeit eines Zerspanungswerkzeugs übertragen. Folglich ist eine genaue Überwachung des Zerspanungsvorgangs durchführbar. Zudem kann eine Konfiguration des Werkzeughalters über die außerhalb des Werkzeughalters angeordnete Datenübertragungseinheit erfolgen. Es ist anzumerken, dass die Datenübertragungseinheit auch als eine von der Steuereinheit separate Einheit ausgebildet sein kann.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt kann die Steuereinheit dazu konfiguriert sein, über die Datenübertragungseinheit ein Stopp-Steuersignal an eine Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit als die außerhalb des Werkzeughalters angeordnete Datenübertragungseinheit zum Stoppen eines Drehantriebs des Werkzeughalters zu übertragen. Das Stopp-Steuersignal wird beispielsweise übertragen, wenn ein Messwert außerhalb eines dafür vorgegebenen Bereichs liegt und/oder eine Nutzungszeit bzw. eine Nutzungshäufigkeit größer als eine für das Zerspanungswerkzeug ermittelte Standzeit bzw. Standmenge ist. Demzufolge kann ein Drehantrieb des Werkzeughalters gestoppt werden, wenn ein mechanischer oder thermischer Einfluss auf den Werkzeughalter nicht mehr in einem zulässigen Bereich liegt. Zudem kann verhindert werden, dass ein Werkstück mit einem Zerspanungswerkzeug bearbeitet wird, dessen Nutzungszeit bzw. -häufigkeit nicht mehr im zulässigen Bereich liegt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt können die Steuereinheit und die Sensoreinheit abschaltbar ausgebildet sein. Bevorzugt werden die Steuereinheit und die Sensoreinheit während eines Stilstandes des Werkzeughalters, also wenn der Nanogenerator keine Energie erzeugt, zumindest teilweise abgeschaltet. Bei der Steuereinheit wird dies beispielsweise durch eine effiziente Programmierung erreicht. Folglich muss eine geringere Anzahl an elektrischen Verbrauchern durch den Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass ein längerer Betrieb der elektrischen Verbraucher im Stillstand möglich ist. Die Steuereinheit und die Sensoreinheiten können durch ein Signal, das von der außerhalb des Werkzeughalter angeordneten Datenübertragungseinheit übertragen wird, und/oder durch eine erneute Erzeugung von Energie durch den Nanogenerator erneut gestartet werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann der Energiespeicher einen Laderegler zum Erfassen eines Ladezustands des Energiespeichers aufweisen. Die Steuereinheit kann dazu konfiguriert sein, den Ladezustand des Energiespeichers vom Laderegler zu erlangen. Folglich kann ein Ladezustand des Energiespeichers überwacht und eine Tiefentladung des Energiespeichers zuverlässig verhindert werden. Es ist anzumerken, dass der Laderegler auch als eine separate Einheit bereitstellbar ist und vom Energiespeicher, z.B. von einem Batteriemanagementsystem des Energiespeichers, Daten empfangen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Nanogenerator so konfiguriert sein, dass er elektrische Energie aus Vibrationen und/oder einer Zentrifugalkraft, die am Werkzeughalter anliegt/anliegen, gewinnt. Folglich kann der Nanogenerator durch einen mechanischen Einfluss, wie er bei einem Drehantrieb, auch bei einem Drehantrieb in einem Leerlauf, auftritt, Energie gewinnen.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann die Steuereinheit dazu konfiguriert sein, ein Leerlauf-Steuersignal über die Datenübertragungseinheit an die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit als die außerhalb des Werkzeughalters angeordnete Datenübertragungseinheit zum Betreiben des Werkzeughalters in einem Leerlauf zu übertragen, wenn der Ladezustand des Energiespeichers kleiner gleich einem vorgegebenen Ladezustand ist. Folglich wird eine Werkzeugmaschine veranlasst, den Werkzeughalter in einem Leerlauf, während dem keine Bearbeitung mit dem Werkzeughalter ausgeführt wird, zu betreiben. Folglich erzeugt der Nanogenerator Energie aufgrund einer Zentrifugalkraft und/oder Vibrationen, um den Energiespeicher aufzuladen, so dass dieser bei einem niedrigen Ladezustand wiederaufgeladen wird.
Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einer drehantreibbaren Spindel weist mindestens einen erfindungsgemäßen drehantreibbaren Werkzeughalter auf. Demzufolge können die elektrischen Verbraucher des Werkzeughalters auch in bei einem Stillstand betrieben werden, so dass beispielsweise eine Datenübertragung mit einer außerhalb des Werkzeughalters angeordneten Datenübertragungseinheit durchführbar ist, um auch im Stillstand einen Zerspanungsvorgang zu überwachen. Die Werkzeugmaschine kann darüber hinaus auch einen Werkzeugspeicher aufweisen.
Gemäß einem Aspekt kann die Werkzeugmaschine eine Werkzeugmaschinen-Steuereinheit mit einer Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit zur kabellosen bidirektionalen Datenübertragung mit der Datenübertragungseinheit des Werkzeughalters aufweisen. Demzufolge können Daten und/oder Steuerbefehle zwischen dem Werkzeughalter und der Werkzeugmaschine ausgetauscht werden. Für den Fall, dass die Werkzeugmaschine einen Werkzeugspeicher aufweist, kann die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit auch eine Kommunikation mit den im Werkzeugspeicher gelagerten Werkzeughaltern durchführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit dazu konfiguriert sein, den Spindelantrieb zu stoppen, wenn ein Stopp-Steuersignal empfangen wird. Demzufolge wird ein Zerspanungsvorgang gestoppt, wenn ein auf den Werkzeughalter wirkender Einfluss und/oder eine Nutzungszeit und/oder eine Nutzungshäufigkeit des Zerspanungswerkzeugs außerhalb eines dafür vorgegebenen Bereichs liegt. Demzufolge kann ein verschlissenes Zerspanungswerkzeug rechtzeitig getauscht werden und es können Schäden am Werkstück, am Zerspanungswerkzeug, am Werkzeughalter und an der Werkzeugmaschine zuverlässig verhindert werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt kann die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit dazu konfiguriert sein, den Spindelantrieb einzuschalten, wenn ein Leerlauf-Steuersignal empfangen wird. Demzufolge liegt am Werkzeughalter eine Zentrifugalkraft und/oder Vibrationen an, so dass der Nanogenerator Energie zum Laden des Energiespeichers erzeugt. Demzufolge wird eine Tiefenentladung des Energiespeichers zuverlässig verhindert.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeughalters; und
2 ein Blockdiagramm des Werkzeughalters, einer den Werkzeughalter aufweisenden Werkzeugmaschine und eines Prozessüberwachungssystems.

1 zeigt einen Werkzeughalter 10 zum Halten eines (nicht gezeigten) drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs, z.B. eines Fräswerkzeugs, eines Bohrwerkzeugs, einer Reibahle oder dergleichen, zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks. Der Werkzeughalter 10 weist an seinem einen Ende einen Spannteil 12 zur spannenden Aufnahme des Zerspanungswerkzeugs auf, der in der vorliegenden Ausführungsform als Schrumpffutter ausgebildet ist. Die Spannteil 12 kann aber auch als Hydrodehnspannfutter, Spannzangenfutter oder dergleichen ausgebildet sein. Der Werkzeughalter 10 weist an seinem anderen Ende einen Schaftteil 14 auf, über den der Werkzeughalter 10 an eine Spindel einer Werkzeugmaschine 50 kraftschlüssig anschließbar ist, so dass der Drehantrieb um eine Drehachse D durchführbar ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Schaftteil 14 als Hohlschaftkegel ausgebildet.
Der Schaftteil 14 kann aber auch als Steilkegel oder Polygonalschaft usw. ausgebildet sein. Der Schaftteil 14 des Werkzeughalters 10 ist direkt oder über einen Adapter indirekt an die Spindel der Werkzeugmaschine 50 anschließbar.
Der erfindungsgemäße Werkzeughalter 10 weist eine Steuereinheit 26 und Sensoreinheiten 30, 32, 34 als elektrische Verbraucher auf. Zudem weist der Werkzeughalter 10 einen Nanogenerator 16 zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 und einen Energiespeicher 20 auf.
Die Komponenten sind in geeigneter Weise im Werkzeughalter 10, z.B. in einem Hohlraum 36, der in einem Grundkörper 13 des Werkzeughalters 10 ausgebildet ist, untergebracht, um sie vor äußeren Einflüssen, z.B. Staub, Flüssigkeiten oder Spänen, zu schützen. Die Komponenten sind im Hohlraum 36 bevorzugt stoß- und schwingungsgedämpft angeordnet. Beispielsweise können die Komponenten in einem den Hohlraum 36 ausfüllenden Dämmmaterial eingebettet sein. Es ist anzumerken, dass die in 1 gezeigte Anordnung der Komponenten im Werkzeughalter 10 eine schematische Darstellung ist und die Komponenten auf eine andere Art und Weise angeordnet sein können.
Der Werkzeughalter 10 kann initial ohne den Spannteil 12 gefertigt werden. Wie in 1 gezeigt, kann der Hohlraum 36 beispielsweise auf der dem Spannteil 12 zugewandten Seite in den Grundkörper 13 eingebracht werden. Anschließend kann der Spannteil 12, nachdem die Komponenten im Hohlraum 36 angeordnet wurden, mit dem Grundkörper 13 auf geeignete Weise dreh- und axialfest verbunden, z.B. verlötet, verschweißt oder verschraubt, werden. Alternativ dazu kann der Werkzeughalter 10 durch ein generatives (additives) Fertigungsverfahren ausgebildet werden. Die generative Fertigung ermöglicht die Ausbildung komplexer Hohlstrukturen im Werkzeughalter 10. Der die Komponenten aufnehmende Hohlraum 36 kann also während der generativen Fertigung des Grundkörpers 13 zur Aufnahme der Komponenten erzeugt werden.
Selbstverständlich kann der Werkzeughalter 10 weitere Komponenten, z.B. in 1 gezeigte Sensoreinheiten 30 und 32, aufweisen, die außerhalb des Hohlraums 36 im Grundkörper 13 und/oder im Spannteil 12, beispielsweise in der Nähe einer Wirkstelle einer Kraft oder einer Temperaturerwärmung, platziert sind. Die Sensoreinheiten 30 und 32 sind, wie in 1 zu sehen, an einer Öffnung des Spannteils 12 bzw. einer axialen Anlagefläche des Schaftteils 14 angrenzend angeordnet, um dort ein entsprechendes Messsignal, z.B. von Radial- oder Axialkräften oder einer Temperatur, zu erfassen. Die Sensoreinheiten 30, 32, 34 werden in einem späteren Abschnitt beschrieben.
Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten des Werkzeughalters 10, der Werkzeugmaschine 50 und eines Prozessüberwachungssystems 70 beschrieben, wobei eine Beziehung der einzelnen Komponenten zueinander mit Bezugnahme auf 2 erläutert wird. In 2 ist eine energetische Verbindung zur Energieversorgung einer Komponente als durchgezogene Linie dargestellt. Es ist dabei anzumerken, dass unter einer energetischen Verbindung eine leitungsgebundene Verbindung zum Übertragen von elektrischer Energie zu verstehen ist. Des Weiteren ist als eine energetische Verbindung mit dem Energiespeicher 20 auch eine indirekte Verbindung über einen Laderegler 18 zu verstehen. Eine kommunikative Verbindung zur Übertragung von Daten, Messsignalen und Messwerten zwischen Komponenten wird in 2 als eine gestrichelte Linie dargestellt und ist, sofern dies nicht anders spezifiziert ist, als eine leitungsgebundene Übertragung zu verstehen.
Während eines Betriebs des Werkzeughalters 10 werden die elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 vom Nanogenerator 16 mit Energie versorgt. Der Nanogenerator 16 ist so konfiguriert, dass er eine Zentrifugalkraft und/oder Vibrationen, die bei einem Drehantrieb des Werkzeughalters 10 bzw. während eines Zerspanungsvorgangs, zwangsläufig auftreten/auftritt, oder einen Temperaturunterschied im Werkzeughalter 10 in elektrische Energie umwandelt. Der Nanogenerator 16 wandelt folglich einen mechanischen oder thermischen Einfluss auf den Werkzeughalter 10 in elektrische Energie, um damit die elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 während eines Betriebs, d.h. während des Zerspanungsvorgangs, mit Energie zu versorgen. Demzufolge sind die elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 nicht auf eine externe Energieversorgung, wie etwa eine kabelgebundene oder induktive Energieversorgung von außen angewiesen. Dieses Vorgehen ist dem Fachmann auch als Energy Harvesting bekannt. Für die genannten Zwecke sind insbesondere piezoelektrische Nanogeneratoren, triboelektrische Nanogeneratoren oder pyroelektrische Nanogeneratoren einsetzbar, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
Der Nanogenerator 16 ist, wie in 1 gezeigt, bevorzugt rotationssymmetrisch um die Drehachse D des Werkzeughalters 10 angeordnet, so dass eine Unwucht aufgrund des Gewichts des Nanogenerators 16 vermieden wird. Der Nanogenerator 16 kann auch aus mehreren Nanogeneratoren gebildet sein. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass unterschiedliche Nanogeneratortypen, z.B. ein piezoelektrischer Nanogenerator und ein pyroelektrischer Nanogenerator, zusammen in einem Werkzeughalter 10 eingesetzt werden.
Da die Spannung durch den Nanogenerator 16 fluktuierend bereitgestellt wird, weist der Nanogenerator 16 einen Gleichrichter 17 auf, der die vom Nanogenerator 16 fluktuierend bereitgestellte Spannung in eine Ausgangsspannung mit im Wesentlichen konstantem Spannungswert (z.B. im Bereich von 1,8 V bis 5 V, aber auch 12 V) umwandelt. Der Gleichrichter 17 kann zudem einen Speicherkondensator aufweisen, um die bereitgestellte elektrische Energie kurzzeitig zu puffern, so dass kurzzeitige Versorgungsschwankungen überbrückbar sind.
Die vom Nanogenerator 16 bereitgestellte elektrische Energie bzw. Spannung ist proportional zu einer am Werkzeughalter 10 anliegenden mechanischen oder thermischen Energie. Demzufolge kann die vom Nanogenerator 16 bereitgestellte Energie als Messsignal erfasst werden, so dass ein Rückschluss über am Werkzeughalter 10 anliegende mechanische oder thermische Energie möglich ist. Ein Spannungsabgriff des Nanogenerators 16 ist zu diesem Zweck mit einem Anschluss 25 verbunden, der mit der Messwerterfasseinheit 27 verbunden ist.
Der Energiespeicher 20 ist mit dem Nanogenerator 16 energetisch verbunden und so konfiguriert, dass er vom Nanogenerator 16 bereitgestellte überschüssige Energie speichert, und gespeicherte Energie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher, d.h. der Steuereinheit 26 und den Sensoreinheiten 30, 32, 34 in dem Fall bereitstellt, in dem die vom Nanogenerator 16 bereitgestellte Energie geringer als ein Energiebedarf der elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 ist. Folglich dient der Energiespeicher 20 zur Speicherung von momentan verfügbarer, aber nicht benötigter Energie für eine spätere Verwendung. Der Energiespeicher 20 ist wiederaufladbar ausgebildet und ist durch vom Nanogenerator 16 bereitgestellte Energie aufladbar. Der Energiespeicher 20 ist ein elektrochemischer Speicher, z.B. ein Lithium-Ionen-Akku, insbesondere ein Li-Polymer-Akku, kann aber auch ein Nickel-Metallhybrid-Akku oder ein anderer geeigneter Akkutyp sein. Durch den Energiespeicher können die elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 folglich auch bei einem Stillstand des Werkzeughalters 10, d.h. wenn kein Zerspanungsvorgang ausgeführt wird, betrieben werden, so dass beispielsweise eine Übertragung von Daten durchführbar ist.
Der Energiespeicher 20 weist den Laderegler 18 auf, der durch einen Mikrocontroller gebildet und so konfiguriert ist, dass er das Laden/Entladen des Energiespeichers 20 steuert. Dies ist erforderlich, da der Energiespeicher 20 in Abhängigkeit des Typs des Energiespeichers 20 mittels eines vorgegebenen Lade-/Entladeverfahrens zu laden/entladen ist. Der Laderegler 18 stellt dadurch sicher, dass ein Überladen/Tiefentladen des Energiespeichers 20 verhindert und ein Lade-/Entladestrom begrenzt wird. Der Laderegler 18 erfasst zu diesem Zweck Parameter des Energiespeichers 20, wie etwa Temperatur, Spannung, Kapazität, Zeit und Lade-/Entladestrom. Zum Erfassen der einzelnen Parameter können auch Sensoren im Energiespeicher 20 angeordnet sein, die mit dem Laderegler 18 verbunden sind.
Der Laderegler 18 ist so konfiguriert ist, dass er den Ladezustand des Energiespeichers 20 erfasst. Der Ladezustand kann dabei mittels unterschiedlicher Verfahren, wie etwa Kumulieren des Lade-/Entladestroms oder Auswerten der Spannung des Energiespeichers 20, bestimmt werden. Der Laderegler 18 ist, wie in 2 gezeigt auch auf der Platine 23 angebracht, kann aber auch in den Energiespeicher 20 integriert sein. Die Steuereinheit 26 ist mit der Laderegler 18 kommunikativ über eine digitale Verbindung, z.B. CAN, verbunden.
Die Sensoreinheiten 30, 32, 34 sind im Werkzeughalter 10 zum Erfassen von Kräften und/oder Temperaturen angeordnet. Zum Erfassen von Kräften werden Dehnungsmessstreifen und/oder piezoelektrische Sensoren als Sensoreinheiten 30, 32, 34 verwendet. Es können aber auch induktive oder kapazitive Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Zum Erfassen einer Temperatur werden bevorzugt temperaturabhängige Widerstände, sog. Thermistoren, verwendet. Um ein verwertbares analoges elektrisches Messsignal, d.h. Spannung oder Strom, bereitzustellen, weisen die Sensoreinheiten 30, 32, 34 jeweils eine (spezifische) Auswerteschaltung (nicht gezeigt), z.B. eine Brückenschaltung, und/oder eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) zum Verstärken des Messsignals auf. An diese Einrichtung ist Energie in Form einer Versorgungsspannung anzulegen.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Sensoreinheiten 30, 32 und 34 beschrieben.
Die Sensoreinheit 30 ist so ausgebildet, dass sie eine Axialkraft misst. Die Sensoreinheit 30 erfasst im Besonderen den Anpressdruck, mit dem die Anlagefläche am Schaftteil des Werkzeughalters 10 gegen eine Stützfläche an der Spindel oder einem Adapter gedrückt wird. Zu diesem Zweck ist die Sensoreinheit 30 als piezoelektrischer Kraftsensor ausgebildet. Die Sensoreinheit 30 generiert demzufolge beispielsweise ein Messsignal für die Vorschubkraft, mit der ein Bohrwerkzeug ein Werkstück bearbeitet.
Die Sensoreinheit 32 dient zum Erfassen einer Radialkraft im Bereich des Spannteils 12, um daraus eine auf das Zerspanungswerkzeug wirkende Werkzeugspannkraft zu erfassen. Die Sensoreinheit 32 ist zu diesem Zweck ebenfalls als ein piezoelektrischer Kraftsensor ausgebildet.
Alternativ kann die Sensoreinheit 32 auch als Temperatursensor ausgebildet sein, um ein Messsignal einer Temperatur des Zerspanungswerkzeugs oder im Bereich des Schafteils 12 zu erfassen.
Die Sensoreinheit 34 ist als ein Dehnungsmesstreifen zum Erfassen einer Torsionskraft im Hohlraum 36 des Werkzeughalters 10 ausgestaltet. Die Erfassung der Torsionskraft erlaubt einen Rückschluss über die Schnittkraft, die an einem Schneidteil eines Bohrers wirkt. Übersteigt die erfasste Torsionskraft einen zulässigen Schwellwert, kann beispielsweise festgestellt werden, dass eine Schnittfähigkeit des Schneidteils eines Bohrwerkzeugs oder eine Zerspanbarkeit des Werkstücks für eine spanabhebende Bearbeitung nicht ausreichend ist.
Die Steuereinheit 26 ist als ein Mikrocontroller ausgebildet und weist einen Datenspeicher 28, eine Datenübertragungseinheit 22 mit Antenne 24, eine Messwerterfasseinheit 27, eine Werkzeugidentifizierungseinheit 21, eine CPU 29 und Anschlüsse (z.B. Pins) 25 auf.
Die Steuereinheit 26 ist auf einer Platine 23 montiert, wobei die Platine 23 bevorzugt als eine flexible Platine ausgebildet ist, so dass sie in geeigneter Weise im Hohlraum 36 angeordnet werden kann.
Im Datenspeicher 28, z.B. ROM, RAM, Flash-Speicher usw., sind ein Softwareprogramm und Daten, z.B. Konfigurationsdaten, ein Typ des eingebrachten Zerspanungswerkzeugs, Standgrößen für das eingebrachte Zerspanungswerkzeug, eine Kennung des eingebrachten Zerspannungswerkzeugs, Messwerte, eine Nutzungszeit und/oder eine Nutzungshäufigkeit, speicherbar.
Das im Datenspeicher 28 gespeicherte Softwareprogramm ist durch die CPU 29 ausführbar kann mehrere Programmabschnitte, bespielsweise zur Messwerterfassung, zur Messwertspeicherung, zur Messwertverarbeitung, zur Ermittlung einer Nutzungszeit und/oder Nutzungshäufigkeit und zur Datenübertragung, aufweisen. Die einzelnen Programmabschnitte können dabei unabhängig voneinander und nur bei Bedarf ausgeführt werden. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, die Messwerterfassung auszuführen, wenn kein Zerspanungsvorgang durchgeführt wird. Zudem können die Programmabschnitte entsprechend Nutzeranforderungen konfiguriert werden.
Die Steuereinheit 26 weist mehrere Anschlüsse 25, die als digitale oder analoge Anschlüsse ausgebildet sind und über entsprechende Leiterbahnen und/oder Kabel mit den entsprechenden Komponenten verbunden sind, auf. Die Anschlüsse 25 sind mit den Sensoreinheiten 30, 32, 34, einem Spannungsabgriff des Nanogenerators 16 und einem Laderegler 18 des Energiespeichers 20 verbunden. Die Steuereinheit 26 ist mit einem Laderegler 18, der als Mikrocontroller ausgebildet ist, über eine digitale Verbindung (seriell oder parallel) zum Zweck einer Datenübertragung verbunden. Die Sensoreinheiten 30, 32, 34 und ein Spannungsabgriff des Nanogenerators 16 sind zum Erlangen von Messsignalen an analoge Anschlüsse 25 der Steuereinheit 26 angeschlossen, die mit der Messwerterfasseinheit 27 zum Zweck einer Umwandlung der analogen Messsignale in digitale Messwerte verbunden sind.
Die analogen Messsignale werden folglich durch die Messwerterfasseinheit 27, die als ein Analog/Digital-Wandler ausgebildet ist, in digitale Messwerte umgewandelt. Die Erfassung der Messwerte von den Sensoreinheiten 30, 32, 34 und dem Nanogenerator 16 durch die Messwerterfasseinheit 27 sowie von dem Laderegler 18 wird durch den Programmabschnitt zur Messwerterfassung gesteuert.
Die Messwerterfasseinheit 27 und die Sensoreinheiten 30, 32, 34 sind bevorzugt abschaltbar ausgebildet und werden beispielsweise während eines Stillstands des Werkzeughalters 10 abgeschaltet, d.h. wenn der Nanogenerator 16 Energie in nicht ausreichender Menge bereitstellt. Demzufolge werden nach einer Abschaltung der Messwerterfasseinheit 27 keine Messwerte der vom Nanogenerator 16 bereitgestellten Energie mehr erlangt. Demzufolge kann ein Energieverbrauch der elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 weiter reduziert werden. Eine Messwerterfassung wird anschließend erneut gestartet, wenn am Nanogenerator 16 wieder eine ausreichende Menge an Energie zum Betreiben der elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 bereitgestellt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfasst werden, dass die vom Gleichrichter bereitgestellte Spannung zusätzlich an einem Interrupt-Eingang der Steuereinheit 26 anliegt. Alternativ können die Steuereinheit 26 und die Sensoreinheiten 26, 30, 32, 34 durch ein übertragenes Steuersignal erneut gestartet werden.
Zudem kann die Messwerterfassung von einzelnen Sensoreinheiten 30, 32, 34 durch die Messwerterfasseinheit 27 auch im Stillstand des Werkzeughalters 10 durch Empfangen eines Steuerbefehls, der durch eine außerhalb des Werkzeughalters angeordneten Datenübertragungseinheit übertragen wird, veranlasst werden. Folglich können mechanische und/oder thermische Einflüsse, die auch im Stillstand auf den Werkzeughalter 10 wirken, erfasst werden.
Es ist anzumerken, dass auch in einem Stillstand weiterhin eine Datenübertragung zwischen der Steuereinheit 26 und dem Laderegler 18 zum Zweck einer Überwachung des Ladezustands des Energiespeichers 20 ausführbar ist. Der Laderegler 18 ermittelt dazu den Ladezustand 20 bevorzugt nur, wenn eine Änderung zu einem vorhergehenden Ladezustand größer gleich einer vorgegebenen Änderungsrate ist. Alternativ kann der Laderegler 18 auch nur einen Steuerbefehl an die Steuereinheit 18 ausgeben, wenn ein Ladezustand des Energiespeichers 20 kleiner gleich einem vorgegebenen Ladezustand ist, so dass die Steuereinheit 26 ein später beschriebenes Leerlauf-Steuersignal über die Datenübertragungseinheit 22 überträgt.
Parameter für die Messwerterfassung können über eine später beschriebene Konfigurationsoberfläche festgelegt werden. So kann beispielsweise ein gewünschtes Messintervall festgelegt werden. Es können auch unterschiedliche Messintervalle zum Erlangen von Messwerten von den Sensoreinheiten 30, 32, 34, vom Nanogenerator 16 und vom Laderegler 18 festgelegt werden. Es kann zudem festgelegt werden, dass nur Messwerte von einigen der Komponenten, z.B. von den Sensoreinheiten 30 und 32, erfasst werden.
Anschließend werden die Messwerte im Datenspeicher 28 gespeichert, so dass sie für eine Auswertung und/oder eine Datenübertragung zur Verfügung stehen. Vorteilhafterweise wird ein Messwert nur dann im Datenspeicher 28 gespeichert, wenn die Änderung zu einem vorhergehenden Messwert größer gleich einer vorgegebenen Änderungsrate ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein erforderlicher Speicherplatz im Datenspeicher 28 und eine Verarbeitungslast beim Speichern der Messwerte reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Messwerterfassung kann die Steuereinheit 26 dazu konfiguriert sein, eine Nutzungszeit und/oder eine Nutzungshäufigkeit des eingebrachten Zerspanungswerkzeugs zu ermitteln und im Datenspeicher 28 zu speichern. Zum Ermitteln der Nutzungszeit summiert die Steuereinheit 26 die Zeitspannen auf, während denen aus einem von der Sensoreinheit 30, 32, 34 bereitgestelltes Messsignal, das einer Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft entspricht, ein Messwert erzeugt wird, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. In ähnlicher Weise wird als die Nutzungshäufigkeit die Häufigkeit der Zeitspannen ermittelt, während denen aus einem von der Sensoreinheit 30, 32, 34 bereitgestellten Messsignal, das einer Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft entspricht, ein Messwert erzeugt wird, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Anschließend kann die so aufsummierte Nutzungszeit mit einer für das Zerspanungswerkzeug vorgegebene Standzeit verglichen werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die ermittelte Nutzungshäufigkeit mit einer für das Zerspanungswerkzeug vorgegebenen Standmenge verglichen werden. Wenn die Standgröße und/oder die Standmenge für ein Zerspanungswerkzeug erreicht wird, kann bestimmt werden, dass das Zerspanungswerkzeug verschlissen ist.
Vorteilhafterweise weist die Steuereinheit 26 eine Werkzeugidentifizierungseinheit 21 auf, mit der das Zerspanungswerkzeug eindeutig identifizierbar ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird dazu RFID verwendet. Im Zerspanungswerkzeug ist zu diesem Zweck ein RFID-Transponder angeordnet und die Werkzeugidentifizierungseinheit 21, die als ein RFID-Lesegerät ausgebildet ist, sendet ein entsprechendes Signal, um den RFID-Code vom Zerspanungswerkzeug zu erhalten. Der RFID-Code wird anschließend im Datenspeicher 28 als eine Kennung für das Zerspanungswerkzeug gespeichert. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Kennung eines Zerspanungswerkzeugs, die beispielsweise in das Zerspanungswerkzeug graviert ist, beim Einbringen des Zerspanungswerkzeugs in den Werkzeughalter 10 im Datenspeicher 28 gespeichert werden. Folglich kann eine tatsächliche Nutzungszeit und/oder Nutzungshäufigkeit für ein spezifisches Zerspanungswerkzeug eindeutig ermittelt werden.
Nachdem die Messwerte und/oder die Nutzungsdauer und/oder die Nutzungshäufigkeit im Datenspeicher 28 gespeichert sind, stehen sie für eine Verarbeitung durch die Steuereinheit 28 zur Verfügung. Die Steuereinheit 26 bestimmt insbesondere, ob die Messwerte und/oder die Nutzungszeit und/oder die Nutzungshäufigkeit innerhalb eines dafür vorgegebenen Bereichs liegen. Stellt die Steuereinheit 28 fest, dass beispielsweise eine Torsionskraft größer oder gleich einem vorgegeben Schwellwert für die Torsionskraft ist, kann sie ein in einem späteren Abschnitt beschriebenes Stopp-Steuersignal an die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 übertragen. In ähnlicher Weise kann die Steuereinheit 26 ein Stopp-Steuersignal übertragen, wenn beispielsweise die Nutzungszeit eine für das Zerspanungswerkzeug festgelegte Standzeit überschreitet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass eine Verarbeitung durch die Steuereinheit 26 stattfindet. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Messwerte und/oder die Nutzungsdauer und/oder die Nutzungshäufigkeit auch an die Werkzeugmaschine 52 übertragen werden und eine Verarbeitungen wird durch die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 ausgeführt.
Die Datenübertragungseinheit 22 ist zu einer bidirektionalen kabellosen Datenübertragung mit einer außerhalb des Werkzeughalters 10 angeordneten Datenübertragungseinheit 52, 90 ausgebildet. Die kabellose Übertragung kann über Bluetooth, bevorzugt Bluetooth Low Energy, ZigBEE, WLAN oder Industrial WLAN durchgeführt werden. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Datenübertragungseinheit 22 zur Datenübertragung mit einer Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 und einer externen Datenkommunikationsvorrichtung 90 ausgebildet.
Da der Werkzeughalter 10 regelmäßig aus Metall gefertigt ist, können elektromagnetische Wellen vom Hohlraum 36 nicht nach außen gelangen, so dass die Datenübertragungseinheit 22 eine Antenne 24 aufweist, die, wie in 1 gezeigt, an einem äußeren Umfang des Hauptkörpers 13 angeordnet ist. Der Hauptkörper 13 weist an dieser Stelle, an der die Antenne 24 angeordnet ist, eine Öffnung auf, so dass elektromagnetische Wellen von der Antenne 24 nach außen gelangen. Die Öffnung kann vorteilhaft mit einem Kunststoffdeckel verschlossen oder in anderer Weise dicht geschlossen sein, um einen Eintritt von Staub und/oder einer Flüssigkeit ins Innere des Hauptkörpers 13 zu verhindern.
Über die Datenübertragungseinheit 22 kann beispielsweise auf eine Konfigurationsoberfläche (z.B. eine Weboberfläche) der Steuereinheit 26, die im Datenspeicher 28 gespeichert ist, zugegriffen werden, um beispielsweise Parameter bezüglich der Messwerterfassung und -verarbeitung, z.B. ein Messintervall oder Schwellwerte, und der Datenübertragung, z.B. eine IP-Adresse und zu übertragende Daten, festzulegen.
Die Steuereinheit 26 ist dazu konfiguriert, über die Datenübertragungseinheit 22 ein Stopp-Steuersignal an eine Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 zum Stoppen eines Drehantriebs des Werkzeughalters 10 zu übertragen, wenn ein Messwert und/oder eine Nutzungszeit und/oder eine Nutzungshäufigkeit außerhalb eines dafür vorgegebenen Bereichs liegt.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Nanogenerator 16 so konfiguriert sein, dass er elektrische Energie aus Vibrationen und/oder einer Zentrifugalkraft, die am Werkzeughalter anliegt/anliegen, gewinnt. In diesem Fall kann ein vorgegebener Ladezustand des Energiespeichers 20 festgelegt werden. Der vorgegebene Ladezustand wird dabei so festgelegt, dass der Energiespeicher imstande ist, die Steuereinheit 26 für eine bestimmte Zeit (z.B. 15 Minuten) im Stillstand mit Energie zu versorgen. Der vorgegebene Ladezustand kann auch einfach auf einen bestimmten Ladezustand (z.B. 10 % der nutzbaren Kapazität des Energiespeichers 20) festgelegt werden. Wenn die Steuereinheit 26 beispielsweise aufgrund des vom Laderegler 18 erlangten Ladezustands oder eines vom Laderegler 18 übertragenen Steuerbefehls bestimmt, dass der Ladezustand des Energiespeichers 20 kleiner gleich dem vorgegebenen Ladezustand ist, veranlasst sie die Datenübertragungseinheit 22, ein Leerlauf-Steuersignal zu übertragen. Das Leerlauf-Steuersignal gibt an, dass der Werkzeughalter 10 in einem Leerlauf zu betreiben ist. Folglich wirken eine Zentrifugalkraft und/oder Vibrationen am Werkzeughalter 10, so dass der Nanogenerator 16 elektrische Energie zum Laden des Energiespeichers 20 erzeugt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Energiespeicher 20 nicht tiefenentladen wird.
Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 50 weist insbesondere den oben beschriebenen Werkzeughalter 10 auf und ist derart konfiguriert, dass sie den Werkzeughalter 10 drehantreibt und eine Position des Werkzeughalters 10 mit dem eingebrachten Zerspanungswerkzeug in Bezug auf ein zu bearbeitendes Werkstück ändert.
Die Werkzeugmaschine 50 weist regelmäßig einen Motor, ein Getriebe, eine Sicherheitskupplung, die im Überlastfall auskuppelt, und eine Spindel zum Aufnehmen des Werkzeughalters 10 auf, um einen Drehantrieb des Werkzeughalters 10 und des darin aufgenommenen Zerspanungswerkzeugs durchzuführen. Die Werkzeugmaschine 50 kann aber auch einen Direktantrieb, bei dem der Rotor des Elektromotors direkt auf der Spindel (auch als Motospindel bezeichnet) aufweisen. Die beweglichen Achsen der Werkzeugmaschine 50 weisen eigene Vorschubantriebe auf, um eine Position des im Werkzeughalter 10 eingebrachten Zerspannungswerkzeugs mit Bezug auf das Werkstück zu steuern.
Eine Werkzeugmaschine 50 ist meist mit einem Werkzeugspeicher ausgestattet, in dem mehrere Werkzeughalter 10 mit eingebrachten Zerspanungswerkzeugen gelagert sind und die Werkzeugmaschine 50 ist imstande, Werkzeughalter selbständig zu tauschen. Im Werkzeugspeicher werden auch Werkzeughalter 10 mit unterschiedlichen Zerspannungswerkzeugen, z.B. mit einem Bohrer mit einem anderen Durchmesser oder mit einem Zerspanungswerkzeug eines anderen Typs, gelagert und bei Bedarf kann ein Werkzeughalter 10, in den ein anderes Zerspannungswerkzeug eingebracht ist, getauscht und an die Spindel direkt oder über einen Adapter angeschlossen werden. Darüber hinaus ist der Werkzeugspeicher bevorzugt so konfiguriert, dass mehrere Werkzeugmaschinen 50 darauf zugreifen. Demzufolge kann die Anzahl der vorgehaltenen Werkzeughalter 10 mit eingebrachten Zerspanungswerkzeugen verringert werden, was aufgrund eines geringeren Materialeinsatzes zu einer Kostenersparnis führt.
Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 50 weist eine Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 als die außerhalb des Werkzeughalters 10 angeordnete Datenübertragungseinheit auf. Die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 ist für eine bidirektionale kabellose Datenübertragung mit der Datenübertragungseinheit 22 des Werkzeughalters 10 ausgebildet. Für den Fall, dass die Werkzeugmaschine 50 einen Werkzeugspeicher aufweist, ist die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 auch so konfiguriert, dass sie eine bidirektionale kabellose Datenübertragungseinheit 22 mit den im Werkzeugspeicher gelagerten Werkzeughaltern 10 und den Werkzeughaltern 10, die in einer anderen Werkzeugmaschine 50 eingebracht sind, durchführt. Die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 52 kann zu diesem Zweck ein von allen Werkzeughaltern 10 empfangbares Boradcast-Signal aussenden. Die Datenübertragungseinheit 22 des Werkzeughalters 10 kann in ähnlicher Weise ein Broadcast-Signal aussenden, dass von allem Werkzeugmaschinen 50 empfangen wird, die auf denselben Werkzeugspeicher zugreifen. Darüber hinaus ist ein Austausch von Daten auch mit Werkzeughaltern 10 möglich, wenn diese nicht betrieben werden, da die Steuereinheit 26 durch den Energiespeicher 20 weiterhin mit Energie versorgt wird.
Des Weiteren weist die Werkzeugmaschine 50 eine Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 mit CPU 59 und Datenspeicher 58 auf. Im Datenspeicher 58 ist ein Softwareprogramm gespeichert, das durch die CPU 59 ausführbar ist. Das Softwareprogramm weist mehrere Programmabschnitte, um beispielsweise einen Zerspanungsvorgang, eine Datenübertragung mit dem Werkzeughalter 10 und eine Datenübertragung mit dem Prozessüberwachungssystem 70 zu steuern. Es ist zudem möglich, einen Betrieb der Werkzeugmaschine 50 durch ein Steuersignal, das vom Werkzeughalters 10 oder dem Prozessüberwachungssystem 70 empfangen wird, zu steuern.
Die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 ist so konfiguriert, dass sie die Werkzeugmaschine 50 veranlasst, den Werkzeughalter 10 anzuhalten, wenn ein von der Datenübertragungseinheit 22 des Werkzeughalters 10 gesendetes Stopp-Steuersignal empfangen wird. Wenn die Steuereinheit 26 bestimmt, dass eine Kraft und/oder Temperatur, die am Werkzeughalter 10 wirkt, und/oder eine Nutzungszeit und/oder eine Nutzungshäufigkeit außerhalb eines dafür vorgegebenen Bereichs liegt, überträgt sie über die Datenübertragungseinheit 22 des Werkzeughalters 10 ein Stopp-Steuersignal an die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 54. Anschließend erlangt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 das Stopp-Steuersignal, das von der Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 54 empfangen wird, und stoppt einen Drehantrieb des Werkzeughalters 10. Demzufolge ist eine automatische Überwachung und eine Unterbrechung des Zerspanungsvorgangs zuverlässig durchführbar.
Die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 ist darüber hinaus auch so konfiguriert, dass sie die Werkzeugmaschine 50 veranlasst, den Werkzeughalter 10 im Leerlauf zu betreiben, wenn ein von der Datenübertragungseinheit 22 übertragenes Leerlauf-Steuersignal empfangen wird. Zusätzlich kann die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 so konfiguriert sein, dass sie veranlasst, einen Werkzeughalter 10 zu tauschen, um diesen im Leerlauf zu betreiben, wenn ein Leerlauf-Steuersignal von einem im Werkzeugspeicher gelagerten Werkzeughalter 10 empfangen wird. Der im Werkzeugspeicher gelagerte Werkzeughalter 10 sendet dazu ein Broadcast-Signal an die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheiten 52 von allen Werkzeugmaschinen 50, die auf den Werkzeugspeicher zugreifen. Anschließend werden der Tausch und der anschließende Leerlauf des Werkzeughalters 10 bevorzugt während einer Zeit einer geringen Auslastung von einer der Werkzeugmaschinen 50 durchgeführt. Es kann auch ein Ablauf eines Zerspanungsprozesses beim Tausch des Werkzeughalters 10 berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein Energiespeicher 20 eines im Werkzeugspeicher gelagerten Werkzeughalters 10 tiefentladen wird. Demzufolge kann ein Betrieb der elektrischen Verbraucher 26, 30, 32, 34 des Werkzeughalters 10 sichergestellt werden.
Die Werkzeugmaschine 50 weist eine Netzwerk-Datenübertragungseinheit 60 auf, die ausgebildet ist, eine Datenübertragung in einem Netzwerk 72 durchzuführen. Die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 56 ist so konfiguriert, dass sie die Datenübertragung über die Netzwerk-Datenübertragungseinheit 60 steuert. Die Netzwerk-Datenübertragungseinheit 60 ist so konfiguriert, dass sie eine kabelgebundene und/oder eine kabellose Datenübertragung durchführt. Dazu wird ein TCP/IP-Protokoll verwendet oder es kann ein anderes geeignetes Protokoll verwendet werden. Die Netzwerk-Datenübertragungseinheit 60 weist einen Hardwareanschluss für eine kabelgebundene Datenübertragung und/oder eine Antenne (nicht gezeigt) für eine kabellose Datenübertragung in einem Netzwerk 72 auf.
Ein Prozessüberwachungssystem 70 zum Überwachen eines Zerspanungsprozesses weist mindestens eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 50 auf. Das Prozessüberwachungssystem 70 dient zum Steuern eines Zerspanungsprozesses, der mit der mindestens einen Werkzeugmaschine 50 durgeführt wird, und weist aus diesem Grund ein Netzwerk 72 und eine Prozesssteuereinheit 74 auf.
Das Netzwerk 72 ist so konfiguriert, dass die Netzwerk-Datenübertragungseinheit 60 der Werkzeugmaschine 50 damit verbindbar ist. Das Netzwerk 72 kann ein kabelgebundenes und/oder kabelloses Netzwerk sein.
Die Prozesssteuereinheit 74 ist ebenfalls so konfiguriert, dass sie mit dem Netzwerk 72 verbindbar ist. Zudem ist die Prozesssteuereinheit 74 so konfiguriert, dass sie Daten von der Werkzeugmaschine 50 erlangt, speichert und/oder verarbeitet. Die Prozesssteuereinheit 74 ist dazu als Server mit einer CPU 79 und einem Datenspeicher 76, in dem ein Softwareprogramm gespeichert ist, ausgebildet. Die Prozesssteuereinheit 74 ist zu einer bidirektionalen Datenübertragung mit den einzelnen am Netzwerk 72 angeschlossenen Werkzeugmaschinen 50 imstande. Die Werkzeugmaschinen 50 können daher die von den einzelnen Werkzeughaltern 10 an die Werkzeugmaschinen 50 übertragenen Daten an die Prozesssteuereinheit 74 senden und die Prozesssteuereinheit kann ihrerseits Abfragesignale an die Werkzeugmaschinen 50 übertragen, um Daten von den Werkzeughaltern 10, z.B. einen Standort, eine Standgröße, abzufragen. Die Prozesssteuereinheit 74 ist aufgrund der von dem Werkzeughalter 10 erfassten Daten imstande, einen Zerspanungsprozess und/oder eine Beschaffung von Ersatzwerkzeugen effizienter zu planen.
Darüber hinaus kann das Prozessüberwachungssystem 70 die externe Datenkommunikationsvorrichtung 90, z.B. ein Smartphone, einen Laptop usw., aufweisen, die imstande ist, direkt mit der Datenkommunikationseinheit 22 des Werkzeughalters 10 zu kommunizieren. Die externe Datenkommunikationsvorrichtung 90 kann verwendet werden, um den Werkzeughalter 10 zu konfigurieren und einen Zerspanungsprozess manuell zu überwachen. Alternativ kann die externe Datenübertragungseinheit 90 auch über das kabellose Netzwerk 72 auf die Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit 54 und somit auf die Kommunikationseinheit 22 zugreifen.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeughalter
12: Spannteil
13: Grundkörper
14: Schaftteil
16: Nanogenerator
17: Gleichrichter
18: Laderegler
20: Energiespeicher
21: Werkzeugidentifizierungseinheit
22: Datenübertragungseinheit
23: Platine
24: Antenne
25: Anschlüsse
26: Steuereinheit
27: Messwerterfasseinheit
28: Datenspeicher
29: CPU
30: Sensoreinheit
32: Sensoreinheit
34: Sensoreinheit
36: Hohlraum
50: Werkzeugmaschine
52: Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit
54: Antenne
56: Werkzeugmaschinen-Steuereinheit
58: Datenspeicher
59: CPU
60: Netzwerk-Datenübertragungseinheit
70: Prozessüberwachungssystem
72: Netzwerk
74: Prozesssteuersteuereinheit
75: Netzwerk-Datenübertragungseinheit
76: Datenspeicher
79: CPU
90: externe Datenkommunikationsvorrichtung
D: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017109537 A1 [0007]

Claims

Werkzeughalter zum Halten eines drehend anzutreibenden Zerspanungswerkzeugs, mit: mindestens einem elektrischen Verbraucher (26, 30, 32, 34) und einem Nanogenerator (16) zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers (26, 30, 32, 34) mit elektrischer Energie, gekennzeichnet durch einen Energiespeicher (18, 20).
Werkzeughalter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (26, 30, 32, 34) mindestens eine Sensoreinheit (30, 32, 34) zum Erfassen einer während eines Zerspanungsvorgangs auf den Werkzeughalter (10) ausgeübten Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft und/oder einer Werkzeugspannkraft und/oder einer Temperatur des Werkzeughalters (10), des Zerspanungswerkzeugs und/oder eines dem Zerspanungswerkzeug über den Werkzeughalter (10) zugeführten Kühlschmiermittels und Bereitstellen eines der erfassten Kraft oder Temperatur entsprechenden Messsignals aufweist.
Werkzeughalter gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (26, 30, 32, 34) eine Steuereinheit (26) zum Erzeugen eines Messwerts aus einem von der Sensoreinheit (30, 32, 34) bereitgestellten Messsignal aufweist.
Werkzeughalter gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) dazu konfiguriert ist, die Zeitspannen aufzusummieren und/oder die Häufigkeit der Zeitspannen zu ermitteln, während denen aus einem von der Sensoreinheit (30, 32, 34) bereitgestellten Messsignal, das einer Torsions-, Axial-, Biege- und/oder Radialkraft entspricht, ein Messwert erzeugt wird, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert.
Werkzeughalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (26, 30, 32, 34) eine Steuereinheit (26) zum Erzeugen eines Messwerts aus einer vom Nanogenerator (16) bei einem Drehantrieb des Werkzeughalters gewonnenen elektrischen Energie.
Werkzeughalter gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) eine Werkzeugidentifizierungseinheit (21) zum Identifizieren eines eingespannten Werkzeugs aufweist.
Werkzeughalter gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) eine Datenübertragungseinheit (22) zur kabellosen bidirektionalen Datenübertragung mit einer außerhalb des Werkzeughalters (10) angeordneten Datenübertragungseinheit (52, 90) aufweist.
Werkzeughalter gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) und die Sensoreinheit (30, 32, 34) abschaltbar ausgebildet sind.
Werkzeughalter gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (18, 20) einen Laderegler (18) zum Erfassen eines Ladezustands des Energiespeichers (20) aufweist.
Werkzeughalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanogenerator (16) so konfiguriert ist, dass er elektrische Energie aus Vibrationen und/oder einer Zentrifugalkraft, die am Werkzeughalter anliegt/anliegen, gewinnt.
Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einer drehantreibbaren Spindel, gekennzeichnet durch mindestens einen Werkzeughalter (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Werkzeugmaschinen-Steuereinheit (56) mit einer Werkzeugmaschinen-Datenübertragungseinheit (52) zur kabellosen bidirektionalen Datenübertragung mit der Datenübertragungseinheit (22) des Werkzeughalters (10).
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit (56) dazu konfiguriert ist, den Spindelantrieb zu stoppen, wenn ein Stopp-Steuersignal empfangen wird.
Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit (56) dazu konfiguriert ist, den Spindelantrieb einzuschalten, wenn ein Leerlauf-Steuersignal empfangen wird.