DE19959778A1 - System zur Überwachung des Spannzustandes von Werkzeugen in der Arbeitsspindel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Kontrollsystem zur prozeßsicheren Überwachung des Spannzustandes und der Plananlage von Werkzeugen und/oder von Werkzeugaufnahmen in der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen während des Bearbeitungsvorganges. DOLLAR A Es wurde von der Aufgabenstellung ausgegangen, in die Spindeleinheit ein besser integrierbares Überwachungs- und Kontrollsystem für den plananlagenseitigen Sitz und den Spannzustand einer HSK-Werkzeugaufnahme zu schaffen, welches im unmittelbaren Wirkbereich der Schnittstelle praxistauglich anwendbar ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß im Zusammenhang mit der Abfrage der Plananlage auch gleichzeitig der Spannzustand der Werkzeugaufnahme erfaßt und kontrolliert wird, und ferner dadurch, daß die Sensorik unmittelbar und direkt im Wirkbereich der Schnittstelle angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontrollsystem zur prozeßsicheren Überwachung des Spannzustandes und der Plananlage von Werkzeugen und/oder von Werkzeugaufnahmen in der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen während des Bearbeitungsvorganges.

Der in der spangebenden Fertigung auf Werkzeugmaschinen seit einer Reihe von Jahren anhaltende Trend zur Reduzierung der Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig gestiegenen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit führte u. a. auch zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und damit der Drehzahlen an den Maschinenspindeln.

Die bis dato zur Werkzeugaufnahme verwendete Steilkegelaufnahme stelle sich unter den genannten Bedingungen jedoch als weniger geeignete Werkzeugschnittstelle heraus, da sie nur eine relativ geringe Steifigkeit und eine für die geforderten Bearbeitungsgenauigkeiten unzureichende Wiederholgenauigkeit für die axiale Werkzeugposition aufweist. Auch die unter der Wirkung der Einzugskräfte stehende Steilkegelaufnahme weitet sich bei höheren Drehzahlen gegenüber dem Steilkegel so stark auf, daß die Steilkegelaufnahme aufgrund der konstant wirkenden Einzugskraft und gleichzeitig fehlender Plananlage weiter in die Spindel eingezogen und somit in gewissen Grenzen axial beweglich ist.

Diese Unzulänglichkeit haben schließlich zu der besser tauglichen, der HSK-Schnittstelle zwischen Werkzeug und Maschine geführt, die bei großer statischen und dynamischen Steifigkeit zugleich auch eine hohe axiale und radiale Wiederholgenauigkeit durch die ihn kennzeichnende Planflächenanlage erreichen läßt.

Die dadurch möglich gewordene Leistungssteigerung bei der spangebenden Bearbeitung, vor allem auch bei langauskragenden Werkzeugen, führt gleichzeitig zu der angestrebt höheren Prozeßstabilität, wenn es noch gelänge die prozeßbedingt angestrebte innere Stabilität insbesondere in Form einer einwandfreien und absolut sicheren Plananlage des Werkzeuges bzw. Werkzeughalters an der Werkzeugaufnahme der Arbeitsspindel zu garantieren. Dieser Forderung kommt derzeit bekanntermaßen eine besondere Bedeutung zu. Dies auch deshalb, weil unter dem Aspekt des ständig zu wiederholenden Werkzeugwechsels die damit verbundenen Einflüsse wie Schmutz, Späne und dgl. entsprechende Möglichkeiten oder Vorkehrungen erfordern, um den festen, sicheren Sitz der Werkzeugaufnahmen in der Arbeitsspindel und zugleich deren Plananlage zu kontrollieren.

Es ist schon vorgeschlagen worden die Plananlage der Werkzeugaufnahme im besagtem Sinne zu kontrollieren. Diese Kontrollhilfen arbeiten auf Basis eines pneumatischen Meßprinzips, die jedoch nach den bei den Anwendern vorhandenen Erfahrungen nicht zu befriedigen vermögen.

Bei den derzeit als Einbau- und Anbauspannern oder auch als integrierbarer Einbauspanner ausgeführten Werkzeugspanneinheiten erfolgt die Überwachung des Spannzustandes, d. h. des jeweiligen Sitzes einer Werkzeugaufnahme, der Arbeitsspindel stets auf der Basis der Wegänderung der Zugstange oder des Spannkolbens, wobei die Wegänderung durch induktiv arbeitende Initiatoren abgefragt wird und die Signale in der Maschinensteuerung weiterverarbeitet werden.

Bei einem Wegfall der Zugstange, also der Anwendung anderer Spannsysteme, ist die vorgenannte Abfrage des Spannzustandes über Wegeänderungen nicht mehr möglich und bereitet deshalb erhebliche Schwierigkeiten.

Vor allem ist die exakte Lage der Planfläche des Werkzeuges zur Planfläche der Spindel nicht bestimmbar, d. h. daß beispielsweise Werkzeugverkippungen oder dgl. Fehler nicht erkannt werden.

Auch Spannfehler infolge von Toleranzabweichungen werden nicht erkannt weil bei diesen hier zu Anwendung kommenden indirekten Messungen nicht der unmittelbare Wirkbereich der Schnittstelle erfaßt sind.

Aus diesen Umständen resultiert der Zweck und die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen. Der Zweck besteht demnach darin, diese als unbefriedigend aufzunehmende Situation zu verändern und den automatischen Werkzeugwechsel hinsichtlich der zu sichernden Plananlage des Werkzeuges an der Arbeitspindel zu vervollkommnen.

Die Aufgabe besteht dabei darin, in die Spindeleinheit ein besser integrierbares Überwachungs- und Kontrollsystem für den sicheren, plananlagenseitig garantierten Sitz einer HSK-Werkzeugaufnahme zu schaffen, welches im unmittelbaren Wirkbereich der Schnittstelle unter einer vorteilhaft anwendbaren Sensorik und der ihr nachzuordnenden Telemetrie mit einfachen technischen Mitteln praxistauglich anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß im Zusammenhang mit zunächst neben der Abfrage der Plananlage auch gleichzeitig der Spannzustand der Werkzeugaufnahme erfaßt und kontrolliert wird, und ferner darin, daß die Sensorik unmittelbar und direkt im Wirkbereich der Schnittstelle und zwar an der Spindelwelle bzw. der Nase eines in adaptiven Bauweise ausgeführten Spindeleinsatzes angeordnet ist.

Mit diesem Lösungsprinzip kann vorteilhafterweise nach vollzogener Werkzeugspannung, einerseits

• - eine entsprechende Aussage getroffen werden - Werkzeug gespannt bzw. Werkzeug nicht gespannt oder Fehlspannung - und andererseits
• - durch eine vergleichende Messung, bei denen alle Sensoren den gleichen Wert signalisieren müssen, ein sicherer Rückschluß auf die jeweils erreichte Plananlage gewonnen werden.

Bei der letztgenannten Messung sollte der Absolutwert allerdings keine bestimmende Rolle spielen. Liefert jedoch z. B. von 3 Sensoren nur einer davon einen abweichenden Meßwert, besteht kein vollständiger Planflächenkontakt.

Durch den in die Lösung der Aufgabe einbezogenen Einsatz bzw. der Anwendung eines geeigneten prinzipiell bekannten Telemetriesystems wird die Möglichkeit der berührungslosen Datenübertragung genutzt, um mit einem in sich geschlossenen Meßsystem die Überwachung des Spannzustandes und der Plananlage von Werkzeugen und Werkzeugaufnahmen zu vollziehen und jeweils an die Maschinensteuerung mit den nötigen Konsequenzen in bekannter Art und Weise weiterzugeben.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert und in der zugehörigen Zeichnung veranschaulicht werden. Die Zeichnung stellt eine Prinziplösung des erfindungsgemäßen Überwachungssystems an einer Spindeleinheit dar.

Die in üblicher Bauart gestaltete Spindelwelle 1 trägt an ihrer arbeitsseitigen Stirnseite 2 den Spindeleinsatz 3 zur passgerechten Aufnahme der als HSK ausgeführten Werkzeugaufnahme 4. An der Stirnseite 5 des Spindeleinsatzes 3 sind die mit der Spindelwelle 1 rotierenden und auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordneten, Idealerweise aus drei Einheiten bestehenden, Sensoren 6 angeordnet dessen Sensorkabel durch die Spindelwelle 1 längsseitig bzw. axial hindurchgeführt und mit der dort am anderen Ende der Spindelwelle 1 angeordneten Telemetrie Einheit 7 steuerungswirksam verbunden sind.

Claims (2)

1. Verfahren und Kontrollsystem zur prozeßsicheren Überwachung des Spannzustandes und der Plananlage von Werkzeugen und/oder von Werkzeugaufnahmen in der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen gekennzeichnet dadurch, daß unter der Anwendung einer entsprechenden abstandsmessenden Sensorik während der Abfrage der Plananlage gleichermaßen eine Abfrage des Spannzustandes der Werkzeugaufnahme vorgenommen und beide Wertgrößen über eine in die Arbeitsspindel integrierte Telemetrieeinheit der Maschinensteuerung übermittelt wird.

2. Kontrollsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsensoren (6) an der arbeitsseitigen Stirnseite (5) des Spindeleinsatzes (3) auf einem gemeinsamen Teilkreis liegend angeordnet sind.