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Die
Erfindung betrifft eine sensorintegrierte Werkzeugaufnahme entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
der spanenden Bearbeitung von Werkstücken treten an der Kontaktstelle
zwischen Werkzeug und Werkstück
die sog. Schnittkräfte
auf, deren kontinuierliche Erfassung zu jedem Zeitpunkt eine Aussage über den
Prozess ermöglicht.
Bestimmen lassen sich Störungen
des Prozessablaufs wie Werkzeugverschleiß, Werkzeugbruch, Ratterschwingungen
etc.
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Entscheidend
für die
exakte Bestimmung der Schnittkräfte
ist eine Erfassung mittels geeigneter Sensorik möglichst nahe am Ort ihres Auftretens.
Eine Integration dieser Sensorik in das Werkzeug verbietet sich aus
wirtschaftlichen Gründen,
es hat sich daher als Alternative die Entwicklung sensorintegrierter
Werkzeugaufnahmen durchgesetzt.
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Es
ist üblich,
die Schnittkräfte
bezüglich
eines rotierenden kartesischen Koordinatensystems zu bestimmen,
bestehend aus den Komponenten Längskraft
(Fz), Radialkräfte (Fx,
Fy) und Torsionsmoment (Mz).
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Zur
Bestimmung dieser Kraftkomponenten sind grundsätzlich zwei Messprinzipien
einsetzbar: Die direkte Kraftmessung unter Ausnutzung des piezoelektrischen
Effekts und die indirekte Kraftmessung über die Messung von Dehnungen,
die mit den durch die äußeren Kräfte verursachten
Spannungen korrelieren. Letzteres erfolgt üblicherweise unter der Verwendung
von Dehnungsmessstreifen (Dehnungsmessstreifen).
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Unter
Verwendung piezoelektrischer Kraftaufnehmer ist bereits die Erfassung
aller vier Kraftkomponenten in der Werkzeugaufnahme realisiert,
sog. Schnittkraft-Dynamometer sind seit längerem am Markt erhältlich.
Doch die Steifigkeit dieser Lösungen
lässt in
der Praxis zu wünschen übrig, trotz
in der Literatur geweckter Erwartungen auf hochsteife Sensorelemente.
Darunter leiden insbesondere die für dynamische Zerspanvorgänge wichtigen
Eigenfrequenzen. Zurückzuführen ist
dies ist unter anderem auf den geteilten Aufbau der Schnittkraft-Dynamometer, welcher
auch die Herstellkosten in die Höhe
treibt. Darüber
hinaus sind piezoelektrische Kraftaufnehmer selbst sehr kostspielig
und können
selbst in größten Stückzahlen
nicht günstiger hergestellt
werden als Dehnungsmessstreifen. Außerdem sprechen sie auf statische
Belastungen nicht an.
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Mittels
Dehnungsmessstreifen sind bislang nur zwei der vier interessierenden
Komponenten in einer Werkzeugaufnahme verwirklicht worden (Mz und Fz), die Erfassung
der Radialkräfte
erfolgt dagegen ausschließlich
auf Piezobasis, mit den angesprochenen Nachteilen.
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Daraus
ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die Bestimmung
der beim Zerspanen auftretenden Radialkräfte mit auf der Werkzeugaufnahme
applizierten Dehnungsmessstreifen zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine sensorintegrierte Werkzeugaufnahme mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
den Einsatz von Dehnungsmessstreifen zur Messung der Radialkräfte kann
die Werkzeugaufnahme ungeteilt aufgebaut werden. Dadurch werden
bei verringerten Herstellkosten um Größenordnungen höhere Steifigkeiten
möglich.
Folglich ergeben sich sehr hohe Eigenfrequenzen, was hochdynamische
Zerspanvorgänge
erlaubt. Statische Belastungen können
mit Dehnungsmessstreifen ebenfalls gemessen werden, was insbesondere
auch die Erfassung von Werkzeugunwuchten ermöglicht. Der Kostenvorteil bei
den Sensoren macht sich zudem in weiter verringerten Herstellkosten
bemerkbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1: die Wheatstone'sche Brückenschaltung
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2: das mechanische Ersatzmodell
einer eingespannten Werkzeugaufnahme
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3: die Erfassung einer Radialkraft über die
vom Biegemoment verursachten Dehnungen
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4: die Erfassung einer Radialkraft über die
vom Querkraftschub verursachten Dehnungen
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5: der Verlauf der Signalstärke bei
biegebasierter Messung in Abhängigkeit
von den Querschnittsabmessungen
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6: der Verlauf der Signalstärke bei
schubbasierter Messung in Abhängigkeit
von den Querschnittsabmessungen
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7: ein Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung von biegebasierten Messbrücken auf dem Umfang einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme
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8: ein Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung von schubbasierten Messbrücken auf dem Umfang einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme Die
Wheatstone'sche
Brückenschaltung
(
1) ist bei der Messung
mit Dehnungsmessstreifen (
1) bis (
4) von zentraler
Bedeutung. Die für
sie gültige
Messgleichung setzt die Messspannung U
M und
die Dehnungen der vier Dehnungsmessstreifen zueinander wie folgt
in Beziehung:
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Die
entscheidende Information, die dieser Gleichung zu entnehmen ist,
ist die Vorzeichenbelegung der Äste
der Wheatstone'schen
Brückenschaltung,
welche in 1 ebenfalls
dargestellt ist. Die Dehnungen je zweier Äste gehen stets positiv in
die Messspannung ein, die Dehnungen der beiden anderen stets negativ. Dies
kann je nach Anordnung der Dehnungsmessstreifen und Beanspruchung
der tragenden Struktur zur Verstärkung
oder Auslöschung
(Kompensation) von Signalen ausgenutzt werden. Nicht zu verwendende Äste können mit
unbeanspruchten Dehnungsmessstreifen oder konstanten Ersatzwiderständen beschaltet
werden.
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Die
Prinzipskizze in 2 zeigt,
dass eine radial am Werkzeug angreifende Kraft F zu einer über der Länge konstanten
inneren Querkraft Q und einem linear ansteigenden Biegemoment M
im Werkzeug (5) und der es tragenden Werkzeugaufnahme (6)
führt,
sofern diese an ihrem Ende mit einer festen Einspannung (7) befestigt
ist, wie es für
eine Spindelschnittstelle der Fall ist. Die Querkräfte Q haben
parabolisch über
dem Querschnitt der Werkzeugaufnahme (6) verteilte Schubspannungen τQ zur
Folge, die Biegemomente M linear verteilte Normalspannungen σM.
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Diese
Spannungen führen
zu Dehnungen, welche durch eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme im Fall
der Biegespannungen beispielsweise gemäß 3 bestimmt
werden können,
im Fall der Schubspannungen beispielsweise gemäß 4.
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3 zeigt beispielhaft ein
Messverfahren für
eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme,
welches auf der Messung der linear über dem Querschnitt der Werkzeugaufnahme
(6) verteilten Dehnungen εB beruht, die
aus den in 2 dargestellten
Normalspannungen σB hervorrühren.
Die Maximalwerte dieser Dehnungen εB,max treten
an der Oberfläche
der Werkzeugaufnahme (6) auf, mit einer Zugseite mit positiven
Dehnungen (+) und einer Druckseite mit negativen Dehnungen (–). Diese
Maximaldehnungen εB,max steigen jeweils linear über der
Länge der
Werkzeugaufnahme (6) an. Auf der Oberfläche der Werkzeugaufnahme (6)
lassen sich Dehnungsmessstreifen (1) bis (4) anbringen,
mit welchen unter Ausnutzung der Vorzeichen der Dehnungen und der
Dehnungsmessstreifen gemäß 1 die Steigung des Dehnungsverlaufs
ermittelt werden kann, welche proportional zu den angreifenden Radialkräften ist.
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Für die in
3 dargestellte, beispielhafte
Dehnungsmessstreifen-Anordnung gilt folgende Messgleichung:
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Hierbei
ist UM die Messspannung und UV die
Versorgungsspannung gemäß 1, F die zu messende Radialkraft,
k der k-Faktor der Dehnungsmessstreifen (1) bis (4),
a der definierte Abstand zwischen den Dehnungsmessstreifen (1)
und (2) bzw. zwischen (3) und (4), sowie
E der E-Modul des Werkstoffs und WB das Widerstandsmoment
gegen Biegung der Werkzeugaufnahme (6). Kompensiert sind
mit der Messanordnung gemäß 3 die Störgrößen Längszug/-druck, Torsion, Temperaturänderung
und Werkzeuglänge.
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4 zeigt beispielhaft ein
Messverfahren für
eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme,
welches auf der Messung der Schubverzerrungen γQ beruht.
Die Schubspannungen τQ, welche die Schubverzerrungen γQ hervorrufen,
sind aufgrund der konstanten Querkraft Q entlang der Länge der
Werkzeugaufnahme (6) überall
gleichartig über
dem Querschnitt verteilt, mit der maximalen Schubspannung in der
Mitte des Querschnitts. Die Schubverzerrungen γQ treten
unter einem Winkel von 45° als
Haupt-Normaldehnungen ε1,2 in Erscheinung. Diese sind mit Dehnungsmessstreifen
(1) bis (4) messbar, wobei erneut die Vorzeichen
der mechanischen Spannungen sowie die der messenden Dehnungsmessstreifen
gemäß 1 sinnvoll zu wählen sind.
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Für die in
4 dargestellte, beispielhafte
Dehnungsmessstreifen-Anordnung gilt folgende Messgleichung:
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Hierbei
ist UM die Messspannung und UV die
Versorgungsspannung gemäß 1, τQ,max die
in der Mitte auftretende, maximale Schubspannung, k der k-Faktor
der Dehnungsmessstreifen (1) bis (4), sowie G
der Schubmodul des Werkstoffs der Werkzeugaufnahme (6).
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Die
maximale Schubspannung τ
Q,max ist als Extremwert der folgenden Gleichung
zu bestimmen:
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Hierbei
ist S das über
der Höhe
variable Flächenmoment 1.
Ordnung und I das konstante Flächenmoment 2.
Ordnung (Flächenträgheitsmoment)
des Querschnitts der Werkzeugaufnahme (6), F die zu messende Radialkraft,
sowie b die über
der Höhe
variable Breite des Querschnitts der Werkzeugaufnahme (6).
Kompensiert sind mit der Messanordnung gemäß 4 die
Störgrößen Längszug/-druck,
Torsion, Temperaturänderung
und Werkzeuglänge.
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Die
Auswahl eines Messverfahrens für
eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme
muss anhand des Kriteriums der Signalstärke erfolgen, also der Höhe der erzielbaren
Messspannung UM in Abhängigkeit von Werkstoff und
Geometriewerten. 5 zeigt
die erzielbare, bezogene Messspannung bei einer Radialkraft von F
= 1000 N des schubbasierten Messverfahrens gemäß 3,
in Abhängigkeit
von den Parametern Wanddicke t und mittlerem Radius rm einer
Werkzeugaufnahme aus Stahl mit Kreisringquerschnitt. 6 zeigt im Vergleich dazu
die erzielbare, bezogene Messspannung bei einer Radialkraft von
F = 1000 N des biegebasierten Messverfahrens gemäß 4,
wobei ein Abstand a = 50 mm der Dehnungsmessstreifen vorgegeben
wird. Darüber
hinaus sind die Parameter für
beide Darstellungen identisch.
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7 und 8 zeigen beispielhaft je eine maßstäbliche,
erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer Werkzeugaufnahme (6) zur Erfassung der beiden Radialkraftkomponenten
Fx und Fy, jeweils
einmal in der Seitenansicht ohne Dehnungsmessstreifen und einmal
in der Seitenansicht mit abgewickeltem Verformungsbereich (9)
und dargestellten Dehnungsmessstreifen (1x )
bis (4x ) sowie (1y )
bis (4y ). Weiterhin dargestellt
sind eine Spindelschnittstelle (8) und eine Werkzeugtrennstelle
(10). Die Verschaltung der Dehnungsmessstreifen in 7 entspricht dem biegebasierten
Messverfahren gemäß 3, die in 8 dargestellte Verschaltung dem Messverfahren
gemäß 4.
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- 1
bis 4
- Dehnungsmessstreifen
- 1x bis 4x
- Dehnungsmessstreifen
zur Messung der x-Komponenten
- 1y bis 4y
- Dehnungsmessstreifen
zur Messung der y-Komponenten
- 1y bis 4y
- Dehnungsmessstreifen
zur Messung der y-Komponenten
- 5
- Werkzeug
- 6
- Werkzeugaufnahme
- 7
- Feste
Einspannung
- 8
- Spindelschnittstelle
- 9
- Verformungsbereich
- 10
- Werkzeugtrennstelle
