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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, Bearbeitungszentren, 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.
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Die
WO 01/04568 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ermittlung der Lage und Form von Werkstücken in einer Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise in einer Bearbeitungs- oder Prüfeinrichtung. Sensoren, die mit einer Elektronik zur Messungsauswertung verbunden sind, sind an einem Hohlzylinder angeordnet, um die Lage eines zu bearbeitenden Werkstücks zu bestimmen.
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Die
DE 43 44 264 A1 beschreibt einen Positionsdetektor, der feststellt, ob ein Werkstück auf einer Referenzfläche positioniert wurde, selbst wenn der Druck eines von einer Fluiddruckquelle zugeführten und auf das Werkstück aufgebrachten Fluids sich verändert. Hierfür sind zwei Fluiddurchgänge vorgesehen, deren Differenzdruck von einem Drucksensor erfasst wird.
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Die
DE 199 37 447 (D3) beschreibt einen Werkzeugspanner für eine rotierend antreibbare, hohle Bearbeitungsspindel, wobei zumindest ein berührungslos arbeitender Sensor zum Erfassen der Stellungen des Werkzeugspanners vorgesehen ist. Eine Zugstange dient zum Spannen und Lösen des Werkzeugspanners. Zur besseren Kontrolle der Werkzeugeinspannung ist ein den Verschiebeweg der Zugstange stufenlos oder im Wesentlichen stufenlos erfassender Sensor vorgesehen, der am hinausragenden Ende der Zugstange angeordnet ist. In erster Linie sollen die Zustände ”Werkzeug ausgestoßen”, ”Werkzeug gespannt” und ”kein Werkzeug” festgestellt werden.
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Die
DE 101 12 653 A1 beschreibt ein System zur Positionspeilung einer Vorrichtung in einem festen Bezugssystem, wobei die Vorrichtung auf einer im Wesentlichen ebenen Tragewand ruht. Die Tragewand ist mit einer Mehrzahl von integrierten interaktiven Hülsen oder Fassungen versehen, wobei jede Fassung mit einem Sendemittel versehen ist, das dazu dient, einen vorbestimmten Code zu senden, welcher es erlaubt, die betreffende Fassung zu identifizieren und daraus die Koordinaten eines assoziierten Punktes der Tragewand abzuleiten. Die dreidimensionale Vorrichtung ist mit mindestens einem Gelenkarm versehen, der an einem Positionssensor endet, wobei der Arm mit einem Empfangsmittel versehen ist, das dazu in der Lage ist, den von einer Fassung aus der Mehrzahl von Fassungen ausgesandten Code zu detektieren, während der assoziierte Positionssensor mit derselben in Kontakt gebracht wird.
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Die
US 4,588,348 A beschreibt einen Roboter mit einem bewegbaren Roboterteil zum Handhaben eines Gegenstands mit einem taktilen Sensor der im beweglichen Roboterteil angeordnet ist. Der taktile Sensor ist aus einer Vielzahl von magnetischen Widerstandssensoren aufgebaut.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, hat es sich die Erfindung 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 eingesetzt sein.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist 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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Gemäß einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass der Sensor im Werkzeug angeordnet ist.
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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 Gegenstand 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 Informationen 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 Umgebungsinformationen, 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.
