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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Aufnahme und zum Spannen eines Gegenstandes, wobei an der Vorrichtung
mindestens eine Auflagefläche
vorgesehen ist, auf welcher der Gegenstand für eine exakte Positionierung
aufliegt.
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Solche Vorrichtungen sind im Stand
der Technik vielfach bekannt. Insbesondere werden diese Vorrichtungen
bei spanabhebenden Bearbeitungsmaschinen wie Werkzeugmaschinen,
Bear beitungszentren, Transferstraßen, Montage- und Meßmaschinen
und so weiter vielfach benötigt.
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Prinzipiell wird hierbei der Gegenstand,
zum Beispiel ein Werkzeug oder ein Werkstück auf der Vorrichtung aufgespannt,
wofür eine
entsprechende Spannvorrichtung sorgt. Es ergibt sich aber nun, daß der Gegenstand,
zum Beispiel das Werkzeug, wieder gelöst wird, zum Beispiel weil
ein Gegenstandswechsel (Werkzeugwechsel) durchzuführen ist.
Die Vorrichtungen besitzen entsprechend exakt gebildete Auflageflächen, wodurch
sichergestellt ist, daß der Gegenstand,
wie gewünscht,
positionierbar ist.
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Während
des Wechselprozesses kann an der Schnittstelle, also dem Bereich
der Auflagefläche,
Schmutz, Späne,
Abriebe oder sonstiges gelangen, was dazu führen kann, daß der zu
spannende Gegenstand in seiner Position nicht exakt gespannt wird,
da der Span zu einer entsprechenden Maßabweichung beim Spannen führt.
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Im Stand der Technik sind hierzu
bereits verschiedene Konzepte bekannt, wie vermieden werden soll,
daß der
Gegenstand ungenau gespannt wird. Für den Fall, daß der Gegenstand
(zum Beispiel bei einem Werkzeug oder Werkstück) ungenau gespannt wird,
folgen natürlich
entsprechende Bearbeitungsfehler die, wenn diese irreparabel sind,
dazu führen, daß das gesamte
Werkstück
Ausschuß wird.
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Für
den Fall, daß als
Gegenstand ein Werkzeug an einer Werkzeugspindel zu spannen ist,
ist es bekannt, die mögliche
Unwucht bei dem Betrieb der Spindel zu messen. Der nicht richtig
gespannte Gegenstand führt
zu einer entsprechenden Exzentrität und beim Betrieb der Werkzeugspindel
zu einer meßbaren
Unwucht. Das Problem bei diesem Konzept ist, daß das Erkennen der Unwucht
bei verhältnismäßig kleinen
Werkzeugen nicht sicher festgestellt werden kann. Allerdings besteht
bei kleinen Werkzeugen die hohe Anforderung an eine höchst exakte
Bearbeitung, die eben durch dieses Konzept nicht sichergestellt
ist. Darüberhinaus
bedingt dieses Konzept einen sich drehenden Körper, das heißt, die
Werkzeugspindel muß erst
auf Touren gebracht werden und erst dann kann eine entsprechende
Unwuchtmessung durchgeführt
werden. Da gerade der Werkzeug- beziehungsweise der Gegenstandswechsel
in gewissen Anwendungen sehr zeitkritisch ist, wird unter Umständen erst
kurz vor dem eigentlichen Einsatz des Gegenstandes erkannt, daß der Gegenstand nicht
einsetzbar ist und der Wechselprozeß nochmals wiederholt werden
muß. Es
muß dann
die Werkzeugspindel abgebremst und der Wechselprozeß wiederholt
werden, was entsprechend zeitaufwendig ist. Eine solche Vorgehensweise
geht letztendlich zu Lasten der Taktzeit der Anlage der Maschine,
in welche die entsprechende Vorrichtung eingebaut ist .
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In einem anderen Konzept des Standes
der Technik wird ein optisches Verfahren eingesetzt, bei welchem
eine auf einem Laserstrahl basierende Lichtschranke eingesetzt wird.
Im Zusammenwirken mit einem entsprechenden Linearantrieb des Gegenstandes
wird die tatsächliche
Breite des Gegenstandes gemessen, wobei ein schief aufgespannter
Gegenstand einen größeren Flugkreis
besitzt als ein gerade, konzentrisch aufgespannter Gegenstand. Aus diesen
Maßunterschieden
kann darauf geschlossen werden, ob der Gegenstand richtig oder falsch
gespannt ist. Auch hier besteht das Problem, daß erst die Spindel wieder auf
Touren gebracht werden muß, wodurch
der ganze Meßvorgang
verhältnismäßig lange
dauert. Darüberhinaus
ist es notwendig, die Laserlichtschrankenanordnung in den Bereich
des zu wechselnden Gegenstandes zu bringen, was aufwendig ist, da
eine entsprechende Mimik, also Bewegung, für die Laserlichtschranke vorgesehen
werden muß.
Darüberhinaus
ist der Einsatz einer entsprechenden Optik, gerade bei spanabhebenden,
also verschmutzungsträchtigen
Anwendungen, grundsätzlich
sehr kritisch. Ausgehend von diesem Stand der Technik, hat es sich
die Erfin dung zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung, wie eingangs
beschrieben, dahingehend zu entwickeln, so daß diese zuverlässig einsetzbar
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung
eine Vorrichtung, wie eingangs beschrieben, vor, wobei in beziehungsweise
unter der Auflagefläche
zumindest ein druck-, spannungs- oder kraftsensibler Sensor vorgesehen
ist. Dies ist z.B. ein auf Druck, mechanische Spannung oder Kraft
sensibler Sensor bzw. ein Wegaufnehmer. Im Sinne dieser Anmeldung
wird auch ein Wegaufnehmer als Sensor angesehen.
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Der Gegenstand wird aufgespannt.
Dadurch entsteht ein entsprechender Kraftfluß von dem Gegenstand über die
Auflagefläche,
an welcher der Gegenstand auf- beziehungsweise anliegt, hin zu einem entsprechenden
Lager oder Gestell. Im normalen, richtig gespannten Zustand ist
der Sensor kalibriert. Klemmt sich nun etwas zwischen der Auflagefläche und
dem Gegenstand beim Spannen ein, so wird dieser kalibrierte Wert
nicht erreicht bzw. weicht der aktuell gemessene Wert vom kalibrierten
Wert ab.
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Damit ergibt sich eine auswertbare
Information über
den Erfolg des Spannens des Gegenstandes, nämlich, ob dieser richtig gespannt
ist oder aber ob dieser falsch gespannt ist. Für den Fall, daß der Gegenstand
falsch gespannt ist, wird die Wechselprozedur, einschließlich eines
Reinigungsvorganges für
die Auflagefläche,
wiederholt.
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Die Erfindung schlägt dabei
vor, daß der Sensor
entweder in der Auflagefläche
eingebettet ist, der Sensor unter Umständen also konkret Kontakt mit
dem Gegenstand hat, oder aber unter der Auflagefläche, also
in dem, die Auflagefläche
bildenden Material angeordnet ist. Es ist auch möglich, daß der Sensor in einer gewissen
Entfernung zur Auflagefläche
angeordnet ist, zum Beispiel durch entsprechende Meßspritzen,
Bolzen, Hebel, Stangen und so weiter auch in einiger Entfernung
von der Auflagefläche meßbar ist.
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Günstigerweise
sollte natürlich
der Sensor im Bereich des Spannkraftflußes angeordnet sein.
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Die Erfindung legt sich dabei nicht
auf die Art des einzusetzenden Sensors fest. Es ist möglich, entweder
einen druck-, spannungs- oder kraftsensiblen Sensor einzusetzen
oder über
einen Wegaufnehmer die der Spannung im Material proportionale Dehnung zu
erfassen. Letztendlich hat der Sensor die Aufgabe, den Spannkraftfluß aufzunehmen,
wobei je nach verwendeter konstruktiver Lösung gegebenenfalls Drucksensoren
oder auch Spannungssensoren und dergleichen einsetzbar sind.
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Das erfindungsgemäße Konzept ist auch bei einer
kinematischen Umkehr problemlos einsetzbar. In der Regel weist auch
der Gegenstand eine entsprechend mit der Auflagefläche zusammenwirkend und
exakt bearbeitete Kontaktfläche
auf, über
die die Spannkraft auf die Auflagefläche eingeleitet wird. In gleicher
Weise kann auch diese Kontaktfläche
als Auflagefläche
angesehen sein und auch hier ein Sensor alternativ, in einer erfindungsgemäßen Variante eingesetz
sein.
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Gemäß der Erfindung sind eine Vielzahl
verschiedener Varianten möglich,
wie die erfindungsgemäße Vorrichtung
realisierbar ist. Zunächst
ist es in einer erfindungsgemäßen Variante
vorgesehen, daß der
Sensor im Spindelkopf angeordnet ist. An dem vorderen Ende der Arbeitsspindel,
dem Spindelkopf, wird das Werkzeug gespannt. Der Vorteil dieser
Anordnung liegt darin, daß – unabhängig von
den sehr vielen Werkzeugen, die einsetzbar sein können – der Sensor
immer zur Verfügung
steht und somit die Vorrichtung einsetzbar ist.
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Alternativ ist es aber auch möglich, daß der Sensor
im Werkzeug angeordnet ist. Das Werkzeug gilt insofern als Gegenstand
im Sinne der Definition der Erfindung.
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Die Erfindung beschränkt sich
hierbei aber nicht nur darauf, das Spannen des Werkzeuges zu überprüfen und
zu kontrollieren, sondern es ist in gleicher Weise auch möglich, daß der Sensor
in der Aufnahme des Werkstückbearbeitungsplatzes
angeordnet ist. Für
eine hochgenaue, fehlerfreie Bearbeitung ist neben einer exakten
Positionierung und Führung
des Werkzeuges natürlich
auch eine entsprechend exakte Positionierung des Werkstückes an seinem
Werkstückbearbeitungsplatz
notwendig. Das bedeutet, daß das
unrichtige Aufspannen des Werkstückes
auch zu Ausschuß führen kann.
Es ist daher ein weiterer Aspekt der Erfindung, die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch im Bereich des Werkstückbearbeitungsplatzes
einzusetzen, wobei die Aufnahme als Oberbegriff für jedmögliche Art
von Spann- und Positioniersystemen im Bereich des Werkstückbearbeitungsplatzes
anzusehen ist. Die Erfindung erlaubt hierdurch die Überwachung
zum Beispiel der Palettenauflage auf Rundtischen, Schwenkeinrichtungen oder
linear bewegten Maschinentischen. Dadurch können Späne und Verunreinigungen in
der Auflage erkannt werden, die zu Lageabweichungen der Palette
führen
würden.
Diese Lageabweichungen würden
ansonsten zu einer entsprechenden Fehlbearbeitung führen.
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Auch hierzu umfaßt die Erfindung ein Prinzip der
kinematischen Umkehr. Hierbei ist vorgesehen, daß der Sensor in dem Vorrichtungswagen,
der Adapterplatte oder der Palette angeordnet ist. Vorrichtungswagen,
Adapterplatte oder Palette, die das zu bearbeitende Werkstück tragen,
gelten insofern auch als Gegenstand im Sinne der Erfindung.
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Selbstverständlich ist es möglich, auch
redundante Systeme vorzusehen. Das bedeutet, es ist sowohl ein Sensor
im Gegen stand wie auch ein Sensor in der Auflagefläche, gegen
welche der Gegenstand gespannt wird, vorgesehen. Solche redundante
Systeme erlauben eine gegenseitige Kontrolle der Funktionalität der Sensoren.
Eine solche Anordnung kann dabei sowohl beim Spannen des Werkstückes wie
auch beim Spannen des Werkzeuges von Vorteil sein.
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Das in dieser Erfindung beschriebene
Prinzip der Sensorik läßt sich
auf alle mechanischen Kontaktstellen auf rotatorisch oder linear
bewegte Einrichtungen in einer Maschine oder Anlage übertragen,
die im Laufe des Fertigungsprozesses gelöst und wieder gespannt werden
müssen.
Die Erfindung dient dabei zunächst
der Überwachung
der Auflage, zum Beispiel zur Spanerkennung. Die Erfindung erlaubt
aber auch eine Erweiterung auf Meßaufgaben, wie die Überwachung
der Spannkräfte,
oder die Messung der Prozeßkräfte ist
möglich.
Es können
die gleichen Meßelemente, Übertragungs-
und Auswerteinheiten verwendet werden. Damit öffnen sich weitere Anwendungsfelder,
ohne zusätzlichen
Aufwand.
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Gerade die berührungslose Übertragung der Meßsignale
ist bei drehenden Rundtischen von Vorteil, weil hier keine Schleifenkontakte
oder Kabelbeweglichkeiten stören.
Das gleiche gilt auch bei Anordnung der Erfindung im Spindelkopf.
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Die Erfindung ist dabei sowohl bei
spanabhebenden Bearbeitungsmaschinen, bei welchen eine schnelldrehende
Spindel vorgesehen ist, einsetzbar wie auch bei Drehmaschinen, bei
welchen das Werkstück
aufgespannt und schnellrotierend angeordnet ist.
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Die Erfindung löst die eingangs gestellte Aufgabe
optimal. Es wird unmittelbar nach dem Spannen des Gegenstandes geprüft, ob der
Spannprozeß des Gegenstandes
an der Vorrichtung erfolgreich gewesen ist. Im Gegensatz zu den
Verfahren nach dem Stand der Technik waren immer abgeleitete, weitere Maßnahmen
notwendig, um dies zu entscheiden. Mit der Erfindung resultiert
eine sehr schnelle Prüfmöglichkeit,
wodurch sich im Fall von auftretenden Schwierigkeiten, die notwendigen
Standzeiten deutlich verringern. Des Weiteren benötigt der
erfindungsgemäße Vorschlag
keine zusätzliche
Mimik und ist, da er gegebenenfalls in der Auflagefläche eingebettet
ist, auch betriebssicher, da der Sensor von der Auflagefäche und
so weiter geschützt
ist. Er benötigt
auch keine zusätzlichen
Mittel wie bei dem Vorschlag mit einer Laserlichtschranke.
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In einer bevorzugten Variante der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Auflagefläche
eine Vielzahl von Auflageteilflächen
aufweist und die Teilflächen
je einen Sensor besitzen. Es ist bekannt, daß zum Beispiel als Werkzeuge
ausgebildete Gegenständen
in der Vorrichtung, zum Beispiel am vorderen Spindelende (also am
Spindelkopf) auf einer Vielzahl von Wekzeugauflageflächen, aufliegen.
Diese sind exakt bearbeitet und gewährleisten eine genaue axiale
Position des Werkzeuges und Parallelität der Werkzeugachse zur Drehachse
der Spindel. Die Erfindung erstreckt sich dabei sowohl auf solche
diskrete Auflageteilfächen,
die gegebenenfalls über
ihren sonstigen Sockel im Spannbereich erhaben vorstehen, als auch
in einer planen Auflagefläche,
welche von mehreren Sensoren in Auflageflächen unterteilt ist. Der Vorteil
einer solchen Ausgestaltung mit mehreren Sensoren liegt darin, daß eine Vielzahl
von zusätzlichen
Informationen ausgewertet werden kann. Dieser überraschende Vorteil geht dabei
weit über
den eigentlichen Ausgangspunkt der Erfindung, nämlich dem Sicherstellen einer
positionsgenauen Anordnung des Gegenstandes auf der Spannvorrichtung, hinaus.
Es ist ein zusätzlicher,
vorteilhafter weiterer Effekt der Erfindung.
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Es besteht nunmehr die Möglichkeit,
während
des Einsatzes (also dynamisch) des Gegenstandes zum Beispiel eines
Werkzeuges, die auftretenden Prozeßkräfte zu messen. Hierdurch können Infor mationen über den
Zustand der Schneide des Werkzeuges während der Bearbeitung de fakto "in time" ermittelt werden.
Gleichzeitig ist es möglich, wenn
mehrere Sensoren eingesetzt werden, die axiale beziehungsweise die
radialen Kraftkomponenten zu ermitteln. Gleichzeitig dient eine
solche Anordnung für
ein zuverlässiges
Rattererkennen und beugt somit einer übermäßigen Beanspruchung eines Werkzeuges
und einer drohenden Beschädigung
von Werkzeug und/oder des Werkstückes
vor.
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Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips
ergibt sich in der Messung und Überwachung
der Werkzeugeinzugskraft. Hierdurch kann kontrolliert werden, ob
das Werkzeug mit einer ausreichenden Spannkraft auf der Spindel
gespannt ist.
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Gleichzeitig erlaubt der Einsatz
von mehreren Sensoren auch eine Unwuchterkennung, zum Beispiel weil
das Werkzeug selbst entsprechend schadhaft ist und zum Beispiel
nicht entsprechend ausgewuchtet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Vorrichtung, die während
der Bearbeitung auftretenden Kräfte
an den Sensoren mißt
und ausgibt. Dabei ist vorgesehen, daß zum Beispiel in einer vereinfachten
Ausgestaltung der Erfindung über
den Sensor ein entsprechender Spannungsabfall als Maß des Druckes
der Spannung oder der Kraft bzw. deren Änderung abgegriffen wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Vorrichtung eine Auswerteinheit besitzt. Diese Auswerteinheit wertet
die von den Sensoren ermittelten Informationen bereits aus und bereitet
diese Informationen gegebenenfalls auch auf. Dabei ist vorgesehen,
daß die
Auswerteinheit in unmittelbarer Nähe des Sensors angeordnet ist
oder aber zum Beispiel am Ende der Übertragungsstrecke von Sensor
zur Steuerung als Teil der Steuerung realisiert ist.
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Hierbei ist es günstig, daß die aufgenommenen Sensorinformationen
in karthesischen Wertepaaren, zum Beispiel in axialer und radialer
Richtung, ausgegeben werden. Diese Aufbereitung hat zum Beispiel
gerade bei schnell rotierenden Systemen eine ähnliche Aussagekraft über die
Belastung bzw. Beanspruchung des Werkstückes bzw. des Werkzeuges.
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Gemäß einer weiteren Variante der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Vorrichtung mehrere Sensoren aufweist, deren Informationen bezüglich des
jeweiligen Sensors codiert – bevorzugt über einen
Kanal – an
eine Auswerteinheit geleitet wird. In der nachgeschalteten Auswerteinheit
wird aufgrund der Lagecodierung die raumaufgelöste Druck- bzw. Kraftverteilung
ermittelt.
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Dabei erlaubt die Erfindung, daß an die
Auswerteinheit eine Steuer- bzw. Speichereinrichtung angeordnet
und Ereignistabellen oder zeitaufgelöste Messungen aufgenommen werden.
Durch das Erstellen von Ereignistabellen ist es zum Beispiel möglich, entsprechende
Fehlbedienungen an der Bearbeitungsmaschine zu diagnostizieren.
Tritt zum Beispiel ein Schlag aufgrund einer Werkzeugkollision auf,
so wird dieser Schlag ebenfalls von dem Sensor ermittelt und in
der Speichereinrichtung abgelegt. Die zeitaufgelöste Messung erlaubt es, den
Verschleiß des
Werkzeuges zu überwachen,
um rechtzeitig einen Werkzeugwechsel durchzuführen, bevor Werkzeug oder Werkstück größeren Schaden
nehmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
von dem Sensor aufgenommenen Informationen berührungslos übertragen werden. Eine berührungslose
Signalübertragung
ermöglicht
Messungen im Stillstand oder bei drehender Spindel (Vorrichtung).
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Messungen an rotierenden oder endlos drehbaren
Einheiten (z.B. Bearbeitungsspindel, Rundtische, Vorrichtungen für Werkstücke) setzen bevorzugt
berührungslose
Signalübertragungen
voraus, abgesehen von Schleifringkontakten, die jedoch in der Drehzahl
Begrenzungen auferlegen und in jedem Fall einem Verschleiß unterliegen.
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Durch die berührungslose Signalübertragung
werden ansonsten hochempfindliche und aufwendig zu schützende Kabelleitungen
vermieden beziehungsweise stark reduziert.
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Es werden hierzu zum Beispiel ringförmige Übertragungselemente
eingesetzt, die bei Nahfeldkopplung auch mehrkanalig ausgeführt sein
können. Die
Erfindung erlaubt es daher, zum Beispiel bei einer größeren Anzahl
von Sensoren (vier, acht oder noch mehr Sensoren) jedem einzelnen
Sensor einen eigenen Übertragungskanal
zuzuordnen und dann in einer externen Auswerteinheit die entsprechenden Auswertungen
vorzunehmen.
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Es bieten sich dabei verschiedene
Varianten für
die Signalübertragung
beziehungsweise Signalvorverarbeitung vor deren Übertragung.
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Zunächst ist es möglich, eine
getrennte Übertragung
und Verarbeitung der Signale jedes Sensors vorzusehen. Es ist aber
auch möglich,
eine Kopplung von Signalen verschiedener Sensoren vorzunehmen, zum
Beispiel ein Summen- oder Differenzsignal von geometrisch zueinander
korrelierten Sensoren einzusetzen. Des Weiteren ist es möglich, eine
zeitliche Staffelung der Sensorantwort vorzunehmen, wodurch es möglich ist,
zum Beispiel bei einer rotierenden Signalübertragung über einen Ausgangskanal acht
Eingangssignale beziehungsweise Kanäle (je einen Kanal pro Sensor)
auszulesen. Auch ist es möglich,
eine einkanalige Übertragung
mit geteiltem Empfangsteil vorzusehen, wobei das Meßsignal
codiert ist. Die Codierung bezieht sich dabei auf die jeweilige
Lage des Sensors, wodurch es möglich ist,
das jeweilige Meßsignal
dem entsprechenden Sensor zuzuordnen.
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Hierbei ist es günstig, daß die Sensoren mit einer entsprechenden
Auswerteinheit und/oder Steuer- beziehungsweise Speichereinrichtung
verbunden sind. Die Auswerteinheit, die zum Beispiel mikroprozessorgesteuert
ausgebildet ist, bearbeitet dabei die Signale und bereitet die Informationen
entsprechend auf und bestimmt gegebenenfalls axiale und radiale Kraftanteile.
Eine daran angeschlossene Speichereinheit vermag ein zeitliches
Abbild der Belastung des Gegenstandes in seiner Vorrichtung vorzunehmen,
indem zum Beispiel entsprechende Prozeßkräfte in einer Zeittabelle gespeichert
werden. Hieraus resultiert eine zeitauflösende Messung. Es ist aber auch
möglich,
Kollisionen im Arbeitsraum, die zu einem entsprechenden Stoß und schlagartigem
Impuls führen,
hierdurch nachvollzogen werden, hieraus resultiert eine Ereignistabelle.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß als Sensoren Oberflächenwellensensoren,
Dehnmeßstreifen,
induktive Wegaufnehmer, piezoelektrische Kraftmeßelemente, piezoelektrische
Kristalle oder dergleichen vorgesehen sind. Insbesondere Oberflächenwellensensoren, auch
als SAW-Sensoren (Surface Acustic Waves) bekannt, bieten in dem
hier beschriebenen Anwendungsfall erhebliche Vorteile. Zum einen
sind die hier vorgestellten Sensoren kleinbauend und können auch
in kleinen Anwendungen eingesetzt werden. Die Erfindung ist auf
die vorgestellten Sensoren nicht begrenzt. Es ist auch möglich, zum
Beispiel elektrisch, optisch oder auch magnetisch wirkende aber auf
eine entsprechende Druckspannung oder Kraft reagierende Sensoranordnung
im Sinne der Erfindung einzusetzen.
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Der Einsatz der sogenannten SAW-Sensoren
ist insofern von Interesse, da diese Sensoren im Gegensatz zu vielen
anderen Sensoren nicht nur ein Signal bezüglich eines physikalischen
Parameters zu liefern vermögen,
es ist bekannt, daß die
SAW-Sensoren auch
Temperaturinformationen beziehungsweise Umge bungsinformationen,
wie die Anwesenheit gewisser chemischer Substanzen und so weiter, ermittelt.
Hierdurch ist es möglich,
solche Vorrichtungen entsprechend intelligent auszugestalten, um auch
unterschiedliche zum Anwendungsfall der Vorrichtung interessierende
physikalische Parameter zusätzlich
zu der Frage, ob der Gegenstand zuverlässig, richtig gespannt ist,
zu ermitteln und auszuwerten.
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Dabei erlaubt der SAW-Sensor auch
in einfacher Weise eine Codierung des Meßsignals, wodurch hiermit in
einfacher Weise auch ein simples Übertragungskonzept realisierbar
ist.
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Ein weiterer Vorteil der SAW-Technologie liegt
darin, daß eine
einfache Realisierung von berührungslosen
Signalübertragungen
hiermit möglich
ist. Insofern verbindet die SAW-Technologie eine Vielzahl von sich
günstigerweise
ergänzenden
Vorteilen. Dieser Sensortyp ist in der Lage, mehrere unterschiedliche
physikalische Parameter zu messen. Die Codierung der Meßsignale
ist einfach möglich
und auch ist eine berührungslose
Signalübertragung
hierdurch einfach zu realisieren. Die Erfindung ist aber auf den
Einsatz dieser SAW-Sensoren nicht beschränkt.
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In einer bevorzugten Variante der
Erfindung ist vorgesehen, daß die
Vorrichtung in einer Werkzeugspindel vorgesehen ist, an der ein
Werkzeug als Gegenstand gespannt ist.
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Spanabhebende Bearbeitungsmaschinen sind
hinlänglich
bekannt. Bei diesen ist das Werkzeug von einer Werkzeugspindel gespannt,
positioniert und auch angetrieben. Bei solchen Bearbeitungsmaschinen
ist ein automatischer Werkzeugwechsel vorgesehen, bei welchem das
Werkzeug von einer Spanneinrichtung auf eine Auflagefläche (zum
Beispiel Plananlage, ringförmig
oder in Segmenten) gespannt wird. Hierbei ist es günstig, daß die Sensoren
nahe der Krafteinleitungsstelle in der Spindelwelle eingesetzt und
kraftschlüssig
befestigt sind, um zu kontrollieren, daß das Werkzeug zuverlässig und
richtig auf der Spindel befestigt ist. Gerade in diesem Anwendungsbereich
kommt zusätzlich
zu der eingangs gestellten Frage noch der Vorteil einer dynamischen
und auch komplexen Überwachung
der Kraft- beziehungsweise Druckverhältnisse während der Bearbeitung hinzu.
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Die Erfindung ist aber nicht nur
auf diesen Anwendungsbereich allein beschränkt, sie kann in gleicher Weise
aber auch derart eingesetzt werden, daß die Vorrichtung an einem
Werkstückbearbeitungsplatz
vorgesehen ist, an dem ein Werkstück beziehungsweise ein ein
Werkstück
tragender Vorrichtungswagen, Adapterwagen oder Palette gespannt wird.
Letztendlich läßt sich
das erfindungsgemäße Prinzip
auf alle mechanischen Kontaktstellen übertragen, bei welchen es auf
eine zuverlässige
und auch genaue Positionierung und genaues Spannen des jeweiligen
Gegenstandes ankommt.
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Da es letztendlich auf eine Relativpositionierung
des Werkzeuges zum Werkstück
ankommt, ist auch das Aufspannen des Werkstückes von entsprechender Wichtigkeit,
um ein hochgenaues Bearbeitungsergebnis zu erreichen. Es ist dabei
möglich, daß als Gegenstand
das Werkstück
unmittelbar dient oder aber ein das Werkstück tragender Vorführungswagen,
Adapterplatte oder Palette. In der Regel erfolgt dabei der Werkstückwechsel
automatisch, wie zum Beispiel bei einer Werkzeugmaschine mit automatischer
Palettenwechseleinrichtung. Hierbei wird die Palettenauflage auf
Rundtischen, Schwenkeinrichtungen oder linear bewegten Maschinentischen überwacht.
Dadurch können
Späne und
Verunreinigungen in der Auflage erkannt werden, die zu Lageabweichungen
der Palette und somit zu entsprechenden Fertigungsfehlern führen würden.
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Im gleichen Sinne ist es auch möglich, die Werkstückauflage
auf den Spannelementen der Werkstückspannvorrichtung zu überwachen.
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In gleicher Weise wie es möglich ist,
bei der schnellrotierenden Spindel eine berührungslose Übertragung der Meßsignale
vorzunehmen, ist auch bei einem drehbaren Rundtisch eine berührungslose Übertragung
einsetzbar. Daneben ist es auch möglich, die Erfindung in Fertigungslinien
wie Transferstraße
und so weiter einzusetzen, bei welchen die Werkstücke auf
Adapterplatten oder Werkstückträger aufgespannt
von Bearbeitungsstation zu Bearbeitungsstration transportiert werden.
Der Einsatz der Erfindung ist aber auf spanabhebende Bearbeitungsmaschinen
in keinster Weise beschränkt,
es ist auch möglich,
die Erfindung zum Beispiel bei reinen Montagemaschinen einzusetzen,
wo durch den erfindungsgemäßen Vorschlag
neben der Überwachung von
genauigkeitsrelevanten Aufspannungen auch Fügevorgänge beim Montieren durch Kraft-
oder Momentmessungen des Werkzeuges entsprechend überwacht
werden können.
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Insofern gelten auch Montagemaschinen bzw.
Fügemaschinen
als (nicht spanende) Bearbeitungsmaschinen im Sinne dieser Erfindung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß zusätzlich ein Temperatursensor
vorgesehen ist beziehungsweise der Sensor auch eine Temperaturinformation
des die Auflagefläche
bildenden Materials erzeugt. Diese Temperaturinformationen werden
dabei auch bevorzugt berührungslos
zu einer Auswerteinheit übertragen.
Dabei sieht die Erfindung vor, daß entweder ein eigenständiger Temperatursensor
eingesetzt wird oder aber daß ein
entsprechend intelligenter Sensor, wie zum Beispiel ein Oberflächenwellensensor,
auch eine Temperaturinformation erzeugt und diese für Auswertungszwecke
weiterleitet. Gewinnt man aber nun im Bereich der Werkzeugspindel
beziehungsweise in der Werkzeugspindel ein Maß für die Temperatur, so können temperaturbedingte
Längen-
und Maßänderungen
korrigiert werden. Diese Korrektureinrichtungen sind bekannt, jedoch
wurden diese Einrichtungen immer mit verhältnismäßig unzuverlässigen Temperaturinformationen
versorgt, da es nur mit großem
Aufwand, insbesondere großen Übertragungseinheiten
gelang, diese Temperaturinformationen möglichst nah an das Werkzeug
beziehungsweise die Werkzeugspindel heranzubringen. Die Erfindung
behält
es sich hierbei vor, für
diesen Gedanken eigenständigen
Schutz, unabhängig
von dem erfindungswesentlichen Gedanken, zu beanspruchen.
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Der erfindungsgemäße Vorteil liegt dabei hierin,
daß unmittelbar
in der Spindel die exakte Temperatur aufgenommen werden kann und
diese dann den entsprechenden Korrekturvorrichtungen zugeleitet
wird, um die temperaturbedingte Längenänderung zu kompensieren.
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In der Zeichnung ist die Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 in
einer perspektivischen Ansicht ein Detail der Erfindung und
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2, 3 in einem Schnitt zwei verschiedene Varianten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
schematisch dargestellt. Die Vorrichtung ist hier anhand der Situation
beim Aufspannen eines nicht dargestellten Werkzeuges auf eine Spindel 4 gezeigt. Die
in 2, 3 gewählte
Darstellung ist dabei das vordere Ende der Spindel 4. Die
Spindel 4, deren Rotationsachse mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet
ist, ist in einem Gehäuse 44 über die
Lager 40, 41 drehbar gelagert.
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An der Stirnseite der Spindel 4 befindet
sich die Anlagefläche 1,
die mit der entsprechenden Kontaktfläche des Werkzeuges (als Gegenstand)
zusammenwirkt. In der Spindel sind dabei die entsprechenden Spannmittel
vorgesehen, die sicherstellen, daß der Gegenstand beziehungsweise
das Werkzeug sicher auf der Anlagefläche 1 aufgespannt
wird.
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Die Anlagefläche 1 befindet sich
hierbei nicht direkt auf der Spindel (im Gegensatz zu der Ausgestaltung
nach 3), sondern sitzt
auf einem Abschlußflansch 43,
der endseitig auf der Spindel 4 zum Beispiel aufgeschraubt
ist. Der Abschlußflansch 43 ist
daher von der Spindel 4 trennbar.
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Der von dem Spannmittel eingeprägte Spanndruck
wird von dem Gegenstand aufgenommen und auf die Auflagefläche 1 übertragen. Äußere Kräfte (aus
Bearbeitungsprozeß oder
Kollision) gehen über
das Lager 40, 41, Werkzeugspannkräfte bleiben
in der Spindelwelle (4) und gehen zur Spanneinrichtung
im hinteren Teil der Spindel.
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Im Bereich dieses Kraftflußes ist
nun ein druck-, spannungs- oder
kraftsensibler Sensor 2 vorgesehen.
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Die Spindel 4 und daher
auch der Abschlußflansch 43 sind
gegenüber
dem Gehäuse 44 drehbar. Um
die von dem Sensor 2 aufgenommene Information in eine extern
angeordnete Auswerteinheit auszulesen, ist ein berührungsloses Übertragungsverfahren
vorgesehen. Hierzu dient die Übertragungseinrichtung 3,
die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
in dem Abschlußflansch 43 angeordnet
ist. Ein seitlicher Ring deckt diesen Bereich ab.
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Die Übertragungseinrichtung 3 besteht
hierbei aus einem Sender 31, der auf dem Abschlußflansch 43 angeordnet
ist und einem Empfänger 30, der
auf dem feststehenden, zum Spindelgehäuse 44 zählenden
Anschlußbereich 45 angeordnet
ist. Der Sender 30 ist mit dem Sensor 2 durch
eine entsprechende Sensorleitung 20 verbunden.
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Die Übertragungseinrichtung 3 ist
dabei nicht unidirektional, sondern bidirektional einsetzbar, wobei
dann der Empfänger 30 auch
Sendereigenschaften übernimmt.
Der Sender 31 wäre
dann ein Empfänger.
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In 1 ist
in einer dreidimensionalen Ansicht der Vorderbereich des Abschlußflansches 43 schematisch
dargestellt. Der Abschlußflansch 43 ist dabei
ringförmig
ausgebildet und erlaubt in seinem Inneren das Durchgreifen eines
Spannmittels. Auf dem Ring sind acht jeweils äquidistant angeordnete Auflageflächen 10 vorgesehen.
Auf diesen hochpräzise
gearbeiteten Auflageflächen
liegt der Gegenstand, also das Werkzeug, auf. Die Teilauflageflächen 10 werden
zum Beispiel durch in Bohrungen eingepaßte Bolzen gewonnen. Die Sensoren 2 nehmen
dabei die in dem Bolzen entstehende Spannung während des Spannens des Gegenstandes
auf. Die Erfindung erlaubt dabei zwei verschiedene Prinzipien. Zunächst ist
es möglich,
daß die
Sensoren in vollem Material, z.B. in der Welle oder im Abschlußflansch,
angeordnet sind und so die mechanische Spannung bzw. Kraftbeaufschlagung
aufnehmen.
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Eine alternative Lösung besteht
im Einbau von Meßstiften
oder Meßbolzen,
die geringfügig
aus der Plananlagefläche
herausragen und direkt die Planfläche des Werkzeuges antasten.
Die Sensoren setzen dann auf bzw. unter diesen Stiften. Dabei ist es
möglich,
daß eine
membranartige ausgestaltete Abdichtung zwischen dem Stift und der
Anlage vorgesehen ist.
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Unterhalb der Auflagefläche sind
jeweils Sensoren 2 vorgesehen. Insgesamt zeigt dieser Anwendungsfall
also auch acht Sensoren 2, die mit entsprechenden Sensorleitungen 20 zu
der Übertragungseinheit 3 verbunden
sind. Durch die am Umfang äquidistant
angeordneten Auflageflächen,
werden durch diese Ausgestaltung vielfältige Informationen sowohl
im stehenden als auch dynamischen Einsatz gewonnen. Ist zum Beispiel
das aufgesetzte Werkzeug unwuchtig, so führt diese Unwucht zu einer
entsprechend unterschiedlicher Belastung der Auflageflächen und
damit zu einem unterschiedlichen Signal der jeweiligen Sensoren 2.
Es können auch
Querkräfte,
also radial wirkende Kräfte,
erfaßt werden.
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In 3 ist
der Spindelkopf in einer Variante zu der Ausgestaltung nach 2 gezeigt. Im Gegensatz
zum Einsatz eines Abschlußflansches 43 ist
hier eine Abschlußmutter 46 vorgesehen, über welche
die Spindel axial auf den Lagern 40 gehalten ist. Die Anlageflächen 1 befinden
sich hier an dem vorderen Ende. Auch hier befindet sich der Sensor 2 im
Kraftfeld und nimmt die entsprechende Druckkraft von der mechanischen
Beanspruchung auf und leitet diese zu der Übertragungseinheit 3 weiter.
In diesem Fall befindet sich die Übertragungseinheit hinter dem
Lagersatz im Inneren der Spindel, wobei auf der Spindel 4 hierzu
ein Flansch 47 vorgesehen ist, der den Sender 30 trägt. Wiederum
besitzt das Gehäuse 44 einen Empfänger 31 zur
Weiterleitung der ausgeschriebenen Informationen.
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Die Übertragungseinrichtung 3 wird
dabei bevorzugt in einer Nahfeldkopplung ausgeführt, um bei der Übertragung
der Informationen möglichst
flexibel und effizient zu sein. Anstelle der vorgenannten piezoelektrischen
Kraftmeßelemente,
der Oberflächenwellensensor-Elemente
und so weiter, ist es auch möglich,
induktive Wegaufnehmer, zum Beispiel nach dem LVDT-Meßprinzip,
einzusetzen.
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Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten
Ansprüche
sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
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Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere
auch des einschlägigen
Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal
für das
Ziel der Erfindung zwar günstig,
nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon
jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere
im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.
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Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen
weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches
durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind
diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,
gegenständlichen
Schutzes für
die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Merkmale, die bislang nur in der
Beschreibung offenbart wurden, können
im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung,
zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.
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Merkmale, die nur in der Beschreibung
offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die
eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung
vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar
auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen
erwähnt wurden
beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders
günstige
Ergebnisse erreichen.