DE1773550B1 - Messeinrichtung mit Dehnungsmessstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und/oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

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phere Stellen der beiden Flansche miteinander ver- verbinden. Die Meßstreifen A und B dienen zur Er-

binden. mittlung der Biegebeanspruchung, die Meßstreifen C

Die sich parallel zur Längsachse des Hohlkörpers bis F zur Ermittlung des Drehmoments. Bei der Befeerstreckenden Dehnungsmeßstreifen sind Teilwider- stigung der Ringe Rl und Rl sollen die Meßstreistände einer mit Wechselstrom gespeisten Wheat- 5 fen A bis F leicht auf Spannung gehalten sein. Die stone'schen Brückenschaltung, deren Ausgang über Meßstreifen A und B für die Messung der Biegebean-Auswerteinrichtungen ein Anzeigegerät zur Ermitt- spruchung bilden die veränderbaren Teilwiderstände lung des Biegemoments beeinflußt. Die sich im Win- einer mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen kel zur Längsachse des Hohlkörpers erstreckenden Brücke, die als Halbbrücke mit zwei festen und den Dehnungsmeßstreifen sind Teilwiderstände einer io beiden veränderlichen Widerständen A und B ausgeweiteren mit Wechselstrom gespeisten Wheat- bildet sein kann. Die vier Dehnungsmeßstreifen C stone'schen Brückenschaltung, deren Ausgang über bis Fzur Ermittlung der Torsionsbeanspruchung sol-Auswerteinrichtungen ein Anzeigegerät zur Ermitt- len die Widerstände einer weiteren Wheatstone'schen lung des Drehmoments beeinflußt. Die Anzeigegeräte Brückenschaltung sein. In üblicher Weise wird jeweils für die Momente brauchen nicht die Endglieder der 15 in die eine Brückendiagonale eine, vorzugsweise sta-Meßkette zu sein, sondern die Meßgrößen, welche auf bilisierte, Wechselspannung eingespeist, während von sie einwirken, können überdies auch zusätzliche ent- der anderen Brückendiagonale der Istwert als Spansprechende Istwertgeber beeinflussen, welche die er- nungsgröße entnommen wird, mittelten Größen als analoge oder digitale Werte den In Anlehnung an das in Fig. 1 dargestellte Prinzip Vorschubregelkreisen des Maschinenantriebs einge- »° veranschaulicht die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel ben. für den Aufbau der Meßeinrichtung nach der Erfin-

Zur Auswertung der momentproportionalen Brük- dung. Der Meßkörper besteht aus einem zylindrischen

kenausgangsspannungen soll nach einem weiteren Hohlkörper H mit der in Achsrichtung durchgehen-

Merkmal die Auswerteinrichtung, jeweils aus einem den Bohrung /, deren Durchmesser so gewählt sein

mit der Brückenausgangsspannung modulierbaren 25 soll, daß der Hohlkörper H gleitfähig auf den nicht

Generator bestehen, dem ein Demodulator nachge- dargestellten, aber in Fig. 1 schematisch gezeigten

ordnet ist. Hierbei soll die Einkopplung der Betriebs- Werkzeugschaft Sch aufschiebbar ist. Der Hohlkör-

wechsclspannung für die Brücken und die Auskopp- per H weist mittig quer zur Achsrichtung verlaufende,

lung der modulierten Generatorfrequenz über induk- nicht durchgehende Einschnitte 5 auf, welche es er-

tive Koppelmittel (Transformatoren) erfolgen, deren 30 möglichen, daß der Hohlkörper in Längsachsrichtung

Wicklungen teils in einem den Rotationshohlkörper federn kann. An die Stirnseiten des Hohlkörpers H

bis auf einen Spalt ummantelnden Stator, teils in dem sind kraft- und stoffschlüssige Flansche Fl und Fl

Rotationshohlkörper selbst angeordnet sind. Die angearbeitet, deren Durchmesser größer sein sollte als

Brückenanordnungen und die Generatoren sind dabei der Außendurchmesser des zylindrischen Hohlkör-

räumlich dem Rotationshohlkörper, die Demodulato- 35 pers H. Die Flansche Fl und Fl bzw. (wie darge-

ren dem Stator zugeordnet. stellt) die nicht quergeschlitzten stirnseitigen Enden

Nach einem weiteren Merkmal sollen die Genera- des Hohlkörpers H weisen durchgehende Gewindetoren einerseits und die Demodulatoren andererseits bohrungen Gl bzw. Gl zur Aufnahme von Feststellais Halbleiterschaltkreise in Kleinstbauweise, vozugs- schrauben auf, welche die Flansche Fl und Fl bzw. weise als integrierte Schaltkreise, ausgebildet und in 40 die Stirnenden des Hohlkörpers H fest mit dem Schaft Hohlräumen des Rotors bzw. Stators angeordnet sein. Sch verbinden. Wie zum Prinzipbild nach Fi g. 1 er-

Durch diese Einrichtung wird eine kompakte Aus- läutert wurde, sind gegenüberliegende Randstellen werteinrichtung geschaffen, die leicht auf den Schaft der Flansche Fl bzw. Fl durch Dehnungsmeßstreifen des Bohr- bzw. Fräswerkzeugs aufgeschoben und auf überbrückt, von denen in der Fig. 2 die Meßstreidiesem befestigt werden kann. Diese Einrichtung ge- 45 fen A und B angedeutet sind. Um störende Einflüsse stattet es ferner, die interessierenden Meßwerte ohne durch Reibung des zylindrischen Hohlkörpers H auf Verwendung von Schleifringen auf induktivem Wege dem Schaft des Werkzeuges zu vermeiden, ist der geder feststehenden Auswerteinrichtung (Stator) zuzu- schlitzte Teil dieses Hohlkörpers etwas weiter aufgeführen, welche die Ausgangssignalspannungen analog bohrt, als es dem Werkzeugschaft entspricht, oder digital dem zugehörigen Meßgerät und/oder den so Um eine schleifringlose Einkopplung der Betriebsistwertgebern des Vorschubregelkreises eingibt. wechselspannung bzw. Auskopplung der Brücken-

Die Erfindung sei nachstehend an Hand von vier ausgangsspannung zu ermöglichen, ist die Meßein-

Figuren, welche als Ausführungsbeispiele anzusehen richtung in einen Rotor- und Statorteil aufgeteilt, wie

sind, erläutert. dies in der Fi g. 3 in schematischer Darstellung näher

Die Fi g. 1 veranschaulicht den Meßkörper in Ver- 55 veranschaulicht ist. Dem Rotorteil Rt, der im wesentbindung mit dem Schaft des Werkzeugs in schemati- liehen entsprechend der Fig. 2 ausgebildet ist, sind scher Darstellung. Die Einspannstelle des Schaftes Wicklungen P, Q, R zugeordnet, denen entspre-Sch des Werkzeugs W (Bohrer, Fräser) im nicht dar- chende Wicklungen O, T, U im Statorteil St gegengestellten Futter der Werkzeugmaschine ist mit E₃ überstehen, wobei Sorge getragen ist, daß eine mabezeichnet. Auf dem Schaft Sch, zwischen Einspann- So gnetische Kopplung jeweils nur zwischen den stelle E_s und Werkzeug W, sind mit Abstand vonein- Wicklungen Q-T, O-P sowie R-U wirksam ist. ander zwei Endringe Rl und Rl fest mit dem Schaft Die Einkopplung der Betriebsspannung bzw. die Sch verbunden. Periphere Stellen der beiden Ringe Auskopplung der Meßgrößen auf induktivem Wege Rl und Rl sind miteinander durch Dehnungsmeß- erfolgt gemäß der Darstellung in Fig. 4. Die Bestreifen A und F überbrückt. Die Dehnungsmeßstrei- 65 triebswechselspannung (ca. 50Hz) wird über die fer. A und B verlaufen parallel zum Schaft Sch, wäh- Wicklung O im Stator Sr in die Wicklung P im Rotor rend die Dehnungsmeßstreifen C bis Firn Winkel zur Rt eingekoppelt. Innerhalb des Rotorteils befinden Achse Sch periphere Stellen der Ringe R miteinander sich ferner die Betriebsstromversorgung V, die Brük-

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kenanordnung Bl mit den Dehnungsmeßsteifen A quenzgeneratoren enthalten, deren Ausgangsfreund B, sowie die Brückenanordnung Bl mit den Deh- quenzen voneinander abweichen und in der Größennungsmeßstreifen C bis F (Fig. 1). Der Brücke Bl Ordnung von etwa 10 bis 3OkHz liegen. Da die ist der Modulator Ml, der Brücke 52 der Modulator benötigte Hochfrequenzenergie dieser Generatoren Ml nachgeschaltet, wodurch die jeweiligen Brücken- 5 klein sein kann, empfiehlt sich die Verwendung von ausgangsspannungen moduliert werden. Die modu- Halbleiter-Ringmodulatoren bekannter Bauart. Die lierte Ausgangsfrequenz Ml speist die Wicklung Q, Modulatoren Ml und Ml sowie die Demodulatoren die modulierte Ausgangsfrequenz Ml die Wick- Dl und Dl werden zweckmäßig als Halbleiterschaltlung R. Die Modulatoren Ml und Ml sowie die kreise in Kleinstbauweise, vorzugsweise als integrierte Wicklungen Q und R sind ebenfalls dem Rotorteil zu- 10 Schaltkreise, ausgebildet und in Hohlräumen des Rogeordnet. Der Stator St enthält außer der Wicklung O tors Rt bzw. des Stators St angeordnet. Die Wicklunnoch die Wicklungen T und U, wobei die Wicklung T gen P, Q, R im Rotor Rt einerseits und O, T, U im von der Wicklung Q im Rotor Ar und die Statorwick- Stator St andererseits sind gegeneinander abzuschirlung t/von der Rotorwicklung R beeinflußt wird. Die men, um Fehleinkopplungen zu verhindern,
in die Wicklungen Tbzw. U des Stators Sf eingekop- 15 Die Auswertung der anfallenden Meßwerte kann pelten Spannungen gelangen über Demodulatoren -soweit diese nicht ausschließlich Anzeigeein rieh tun-Dl bzw. Dl auf die Anzeigevorrichtungen Al bzw. gen Al und Al, sondern über die Steuerkette Kl Al für Biegemoment bzw. Drehmoment und/oder die bzw. Kl noch den Vorschubregeleinrichtungen zugenicht näher veranschaulichte Steuerkette Kl bzw. Kl. führt werden-in üblicherweise in in Schaltschränken Die Modulatoren Ml und Ml können Hochfre- 20 untergebrachten Steuereinrichtungen erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung mit Dehnungsmeßstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und/oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen, insbesondere zur Ermittlung der Belastung von im Eingriff mit dem Werkstück befindlicher Bohr- und Fräswerkzeuge, mit einem auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylindrischen Hohlkörper, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlkörper (H) quer zur Achsrichtung verlaufende Schütze (S) angeordnet sind, daß an seinen beiden Stirnseiten kraft- bzw. stoffschlüssig angearbeitetc, je durchgehende Gewindebohrungen (Cl, Gl) zur Aufnahme von Feststellschrauben aufweisende Flan-Während der Bearbeitung von Werkstücken auf Arbeitsmaschinen, z. B. beim Kopierfräsen bzw. beim Bohren, tritt eine Beanspruchung des Werkzeugs auf, welche sowohl als Biegemoment als auch als Torsionsmoment wirkt. Beim Einsatz solcher Arbeits- bzw. Werkzeugmaschinen ist es deshalb erforderlich, die beiden vorerwähnten Momente meßtechnisch laufend unter Kontrolle /u halten, weil sie die Maßhaltigkeit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstükkes sowie die Standfestigkeit des eingespannten Werkzeugs nachhaltig beeinflussen. Die beiden Meßgrößen sind besonders bei automatisierten Arbeitsmaschinenanlagen als Istwerte im Vorschubregelkreis von großer Bedeutung.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, das am Bohr- bzw. Fräswerkzeug bei der Werkstückbearbeitung auftretende Biege- bzw. Torsionsmoment mit hinreichender Genauigkeit ausschließlich am Bohrbzw. Fräswerkzeug, vornehmlich an dessen Schaft, zu

sehe (Fl, Fl) vorgesehen sind und daß die
Dehnungsmeßstreifen (A bis F) teils parallel, teils 20 ermitteln,
im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers (H) Zur Lösung dieser Aufgabe ist es zur Messung des

periphere Stellen der beiden Flansche (Fl, Fl) von einem solchen Werkzeug während der Bearbeimiteinander verbinden. tung aufgenommenen Drehmoments (Lastmoments)

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch und zur Messung der dabei am Schaft des Werkzeugs gekennzeichnet, daß die sich parallel zur Längs- 25 durch den Bearbcitungsdruck auftretenden Biegung achse des Hohlkörpers (H) erstreckenden Deh- bekannt, einen auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylindrischen Hohlkörper vorzusehen, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist: außerdem ist es bekannt, vermittels der 30 Dehnungsmeßstreifen, die in Brückenschaltungen betrieben werden, die Verformung des Meßkörpers zu ermitteln und die Meßsignale von dem rotierenden Teil zu fest angeordneten Auswerteinrichtungen mit Schleifring-Kontaktanordnungen zu übertragen. Eine 35 solche Auswertart weist Mängel auf und hat Fehlmessungen zur Folge, welche bei rauhem Betrieb durch

nungsmeßstreifen (A, B) Teilwiderstände einer mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltung (Bl) sind, deren Ausgang über Auswerteinrichtungen (Ml, Pl) ein Anzeigegerät (Al) zur Ermittlung des Biegemoments beeinflußt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers (H) erstreckenden Dehnungsmeßstreifen (C-F) Teilwiderstände einer weiteren mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltung (Bl) sind, deren Ausgang über Auswerteinrichtungen (Ml, Dl) den Übergangswiderstand zwischen Schleifring und Bürste bedingt sind. Überdies unterliegen derartige mechanische Abnahmevorrichtungen unter Umstän-

ein Anzeigegerät (Al) zur Ermittlung des Dreh- 40 den einem erheblichen Verschleiß und sind deshalb

moments beeinflußt.

4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 2 und

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung jeweils aus einem dem Brückenausgang zugeordneten Modulator (M) besteht, dem ein Drehmodulator (D) nachgeordnet ist.

5. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung der Betriebswechselspannung für die Brücken (Bl, Bl) und die Auskopplung der Modulatorfrequenzen über induktive Koppelmittel (Transformatoren) erfolgt, deren Wicklungen (O, P; Q, T; R, U) teils in einem den Hohlkörper (H) bis auf einen Spalt ummantelnden Stator (St), teils in dem Rotationshohlkörper (Rt) angeordnet sind.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenanordnung (51, Bl) und die Modulatoren (Ml, Ml) räumlich dem Rotationshohlkörper (Ar), die Demodulatoren (Dl, Dl) dem Stator (St) zugeordnet sind.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (Ml, Ml) einerseits und die Demodulatoren (Dl, Dl) andererseits als Halbleiterschaltkreise in Kleinstnicht wartungsfrei.

Demgegenüber soll durch die Erfindung eine kompakte Auswerteinrichtung geschaffen werden, die leicht auf den Schaft des Bohr- bzw. Fräswerkzeugs aufgeschoben und auf diesem befestigt werden kann; außerdem sollen die interessierenden Meßwerte ohne Verwendung von Schleifringen auf induktivem Wege der feststehenden Auswerteinrichtung (Stator) zugeführt werden, weiche die Ausgangssignalspannungen analog oder digital dein zugehörigen Meßgerät und/ oder den Istwertgebern des Vo^schubregelkreises eingibt.

Die Erfindung besteht somit bei einer Meßeinrichtung mit Dehnungsmeßstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen, insbesondere zur Ermittlung der Belastung von im Eingriff mit dem Werkstück befindlicher Bohr- und Fräswerkzeuge, mit einem auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylindrischen Hohlkörper, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist, darin, daß im Hohlkörper quer zur Achsrichtung verlaufende Schlitze angeordnet sind, daß an seinen bei

den Stirnseiten kraft- stoffltissig angearbeitete, je bauweise, vorzugsweise als integrierte Schalt- €5 durchgehende Gewindebohrungen zur Aufnahme von kreise, ausgebildet und in Hohlräumen des Rotors Feststellschrauben aufweisende Flansche vorgesehen

sind und daß die Dehnungsmeßstreifen teils parallel, teils im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers peri-

(Rt) bzw. Stators (5/) angeordnet sind.