DE202011103763U1

DE202011103763U1 - Einzugskraftmessgerät

Info

Publication number: DE202011103763U1
Application number: DE201120103763
Authority: DE
Original assignee: KELCH GmbH
Current assignee: KELCH GmbH
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2011-12-13
Anticipated expiration: 2021-07-26

Abstract

Einzugskraftmessgerät (100, 400, 500) zum Messen der Einzugskraft, die ein an einer Maschinenspindel (210) einer Werkzeugmaschine vorgesehenes Spannsystem auf ein in einer Werkzeugaufnahme (220) der Maschinenspindel aufgenommenes Bauteil bei Betätigung des Spannsystems ausübt, mit: einem Grundkörper (110, 410, 510), der einen Einspannabschnitt (110, 410, 510) zum Einspannen in der Werkzeugaufnahme aufweist, einem mit dem Einspannabschnitt gekoppelten oder koppelbaren Eingriffselement (156, 456, 556) mit einer Eingriffskontur zum Angreifen einer Greifereinrichtung (230) des Spannsystems; und einem integrierten Messsystem mit einem Messsensor (172) zur Messung einer zu der Einzugskraft proportionalen Messgröße und zur Erzeugung eines der Einzugskraft proportionalen Messsignals; gekennzeichnet durch eine in den Grundkörper integrierte Auswerteeinrichtung (180) zur Auswertung des Messsignals, wobei die Auswerteeinrichtung eine Speichereinheit (182) zur Speicherung von Sollwertinformation für die Einzugskraft und eine Vergleichseinheit (184) zum Vergleichen der Sollwertinformation mit dem Messsignal oder einer aus dem Messsignal abgeleiteten Messinformation aufweist und dafür konfiguriert...

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft ein Einzugskraftmessgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Einzugskraftmessgeräte dienen zum Messen der Einzugskraft, die ein an einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine vorgesehenes Spannsystem auf ein in einer Werkzeugaufnahme der Maschinenspindel aufgenommenes Bauteil, beispielsweise einen Werkzeughalter, bei Betätigung des Spannsystems ausübt.
Bei Werkzeugmaschinen hängt die Belastbarkeit von Werkzeugen, die beispielsweise zur spanenden Bearbeitung eingesetzt werden, wesentlich von der Sitzgenauigkeit und Sitzfestigkeit des Werkzeughalters in der Werkzeugaufnahme der Maschinenspindel ab. Diese Eigenschaften hängen wesentlich von der Einzugskraft ab, mit der das Spannsystem der Maschinenspindel den in der Werkzeugaufnahme aufgenommenen Werkzeughalter in die Werkzeugaufnahme einzieht. Ist die Einzugskraft zu niedrig, kann dies zu Vibrationen des eingespannten Werkzeugs und in der Folge davon zu schlechteren Werkzeugstandzeiten und Qualitätseinbußen an den bearbeiteten Werkstücken kommen. Es kann sogar vorkommen, dass Federpakete des Spannsystems brechen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass Teile bzw. dass Werkzeuge in der Spindel nicht mehr gehalten werden können. Daher ist es üblich, die von einem Spannsystem einer Maschinenspindel bereitgestellte Einzugskraft von Zeit zu Zeit zu messen.
Das europäische Patent EP 0 356 636 B1 beschreibt ein Einzugskraftmessgerät für Werkzeug-Spannvorrichtungen von Werkzeugmaschinen. Das Gerät hat einen Grundkörper, der einen Einspannabschnitt zum Einspannen in der Werkzeugaufnahme der Maschinenspindel aufweist. Der kegelstumpfförmige Einspannabschnitt ist an die innenkonische Kontur der Werkzeugaufnahme angepasst. Ein im zusammengebauten Zustand des Einzugskraftmessgerätes mit dem Einspannabschnitt gekoppeltes Eingriffselement hat eine Eingriffskontur zum formschlüssigen Angreifen einer Greifereinrichtung des Spannsystems. Ein Ausführungsbeispiel hat auswechselbare Eingriffselemente, die durch Verschrauben mit dem Grundkörper verbunden werden können. Ein zugehöriges Messsystem hat einen in den Grundkörper integrierten Messsensor zur Messung einer zu der Einzugskraft proportionalen Messgröße und zur Erzeugung eines der Einzugskraft proportionalen Messsignals. Als Messsensor ist eine Gruppe von Dehnmessstreifen vorgesehen, die die Längenausdehnung eines zwischen dem Einspannabschnitt und dem Eingriffselement liegenden zylindrischen Messabschnitts des Grundkörpers messen. Das in Form einer elektrischen Spannung vorliegende Messsignal wird über ein Kabel zu einem kodierten Steckerteil am rückwärtigen Stirnende des Grundkörpers geführt. Das Steckerteil dient zum Anschluss einer externen Erfassungseinrichtung, in der die elektrischen Signale des Messsystems ausgewertet werden. Die Messwerte für die Einzugskraft werden an einer Anzeigeeinrichtung der externen Erfassungseinrichtung digital angezeigt. Einzugskraftmessgeräte dieser Art sind seit Jahrzehnten vor allem im Bereich der metallverarbeitenden Industrie im Einsatz und arbeiten äußerst zuverlässig.
Das europäische Patent EP 1 087 859 B1 zeigt ein vollmechanisches Einzugskraftmessgerät. Es enthält einen zwischen einem Stützteil und einem Einzugsteil geschalteten Verformungskörper sowie eine Messeinrichtung, die die Verformung des Verformungskörpers erfasst und den Verformungsgrad anzeigt, welcher der Stärke der Einzugskraft proportional ist. Die Messeinrichtung ist als eine mechanische Messuhr ausgeführt, die die Verformung des Verformungskörpers mechanisch erfasst.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einzugskraftmessgerät der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, das kostengünstig herstellbar ist und auch in rauen Arbeitsumgebungen aufgrund seiner Robustheit funktionssicher arbeitet und dem Nutzer schnell die benötigten Informationen über den Zustand des Spannsystems liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Einzugskraftmessgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Einzugskraftmessgerät ist ein Prüfgerät, das eine schnelle und zuverlässige Überprüfung einer Kerninformation der Werkzeugmaschine erlaubt, indem es eine qualitative, leicht verständliche Aussage über den Zustand des Spannsystems gibt. Es ist erkannt worden, dass in vielen Anwendungsbereichen der exakte Wert der gemessenen Einzugskraft für den Bediener von untergeordneter Bedeutung ist. Vielmehr möchte der Bediener in der Regel lediglich wissen, ob die Maschine noch „in Ordnung” ist und weiterbenutzt werden kann oder ob Wartungs- oder sogar Reparaturbedarf besteht. Sich ankündigende Probleme sollen frühzeitig erkannt werden. Mit dem Einzugskraftmessgerät sind diese Informationen schnell und zuverlässig zu erhalten.
Das Einzugskraftmessgerät ist als Prüfgerät konfiguriert. Im Rahmen dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff „Prüfen” ein Verfahren, bei dem ein Messwert bzw. eine Messinformation mit einem Sollwert bzw. einer Sollwertinformation verglichen wird. Eine aussagekräftige Prüfung mit Hilfe des Einzugskraftmessgerätes kann auch dann erfolgen, wenn der Bediener nicht weiß, wie groß die Einzugskraft ist, die durch eine Spezifikation vorgeschrieben ist und die für einen ordnungsgemäßen Betrieb bereitgestellt werden sollte. Diese Informationen benötigt der Bediener auch nicht, da die Sollwertinformation für die Einzugskraft in der Speichereinheit der Auswerteeinrichtung des Einzugskraftmessgeräts gespeichert ist. Auf diese Weise kann das Einzugskraftmessgerät dem Bediener die Arbeit wesentlich erleichtern und es können auch weniger erfahrene Bediener den Betrieb der Werkzeugmaschine überwachen.
Eine Gemeinsamkeit des Einzugskraftmessgeräts mit herkömmlichen Einzugskraftmessgeräten besteht darin, dass die Einzugskraft gemessen und ein der Einzugskraft proportionales Messsignal erzeugt wird. Diese Messung kann mit der gleichen Genauigkeit erfolgen wie bei herkömmlichen Einzugskraftmessgeräten, gegebenenfalls sogar mit höherer Genauigkeit. Als zusätzliche Funktionalität ist jedoch auch der Vergleich mit einer vorher gespeicherten Sollwertinformation vorgesehen, so dass durch das Einzugskraftmessgerät auch eine automatische qualitative oder halb-quantitative oder quantitative Bewertung des Messergebnisses vorgenommen werden kann. Das Einzugskraftmessgerät kann daher auch als Einzugskraftprüfgerät bezeichnet werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Messsignals in den Grundkörper des Einzugskraftmessgerätes integriert ist. Somit ist keine externe Auswerteeinrichtung notwendig. Alle für die Prüfaufgabe erforderlichen Komponenten sind in das handliche Einzugskraftmessgerät integriert. Auf externe Auswerte- und Anzeigegeräte kann verzichtet werden.
Da das Messsystem ein zur Einzugskraft proportionales Messsignal erzeugt, wäre es möglich, an der Anzeigeeinrichtung ein Anzeigeelement zur Anzeige eines zu dem Messsignal proportionalen Wertes vorzusehen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist jedoch ein solches Anzeigeelement für den Messwert nicht vorgesehen. Solche als reine Prüfgeräte ausgelegten Einzugskraftmessgeräte können deutlich kostengünstiger als herkömmliche Einzugskraftmessgeräte bereitgestellt werden und zeichnen sich zudem durch Robustheit und große Funktionssicherheit auch in rauen Arbeitsumgebungen aus. Eine automatische, schnelle und zuverlässige qualitative oder halb-quantitative Bewertung des Messergebnisses kann insbesondere im Bereich der Holz verarbeitenden Industrie oder der Kunststoff verarbeitenden Industrie nützlich sein, wo Werkzeugmaschinen in vielen Fällen geringere Präzisionsanforderungen haben als im Bereich der Metallverarbeitung.
Durch die integrierte Funktionalität des Vergleichs des analogen oder digitalen Messsignals (oder einer daraus abgeleiteten analogen oder digitalen Messinformation) mit einer gespeicherten analogen oder digitalen Sollwertinformation kann das Einzugskraftmessgerät für den Bediener eine Bewertung des Messergebnisses vornehmen und das Ergebnis dieser Bewertung anzeigen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen hat die Anzeigeeinrichtung hierzu ein erstes Anzeigeelement, welches aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft innerhalb eines Toleranzbereichs um eine Normkraft, d. h. einen Normwert für die Einzugskraft, liegt. In diesem Fall wird ein eventueller Normabweichungswert, der die Abweichung von der Normkraft repräsentiert, als unkritisch angesehen. Das erste Anzeigeelement kann deaktiviert sein oder werden, wenn die Einzugskraft außerhalb des Toleranzbereichs liegt. Das erste Anzeigeelement kann somit als „Gut-Anzeige” fungieren, die dem Bediener aktiv anzeigt, wenn das Spannsystem der Werkzeugmaschine im Rahmen der Toleranzen in Ordnung ist und insoweit kein Eingriff nötig ist. Bei einer außerhalb der Toleranz liegenden Normabweichung würde das erste Anzeigelement nicht angesteuert werden bzw. deaktiviert bleiben.
Vorzugsweise weist die Anzeigeeinrichtung ein zweites Anzeigeelement auf, welches aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft um einen außerhalb der Toleranz liegenden Normabweichungswert von der Normkraft abweicht, wobei der Normabweichungswert größer ist als ein kritischer Normabweichungswert, der eine sicherheitskritische Abweichung von der Normkraft repräsentiert. Das zweite Anzeigeelement signalisiert somit, wenn die Einzugskraft in kritischer Weise außerhalb eines Toleranzbereichs um die Normkraft liegt. Das zweite Anzeigeelement kann die Funktion einer Warnanzeige ausüben, die dem Bediener anzeigt, dass es aufgrund einer nicht ausreichenden Einzugskraft zu Funktionsbeeinträchtigungen oder Gefahrensituationen kommen kann. Im Normalfall ist das zweite Anzeigeelement deaktiviert, wenn die Einzugskraft innerhalb des Toleranzbereichs liegt.
Ein zweites Anzeigeelement ist vorzugsweise zusätzlich zu einem ersten Anzeigeelement vorgesehen. In diesem Fall würde alternativ entweder eine erste Anzeige (bei Einzugskraft innerhalb des Toleranzbereichs) oder eine zweite Anzeige (bei Einzugskraft außerhalb des Toleranzbereichs) erfolgen.
Das erste Anzeigeelement und das zweite Anzeigeelement können zwei voneinander gesonderte und räumlich getrennte Anzeigeelemente sein. Es wäre auch möglich, das erste Anzeigelement und das zweite Anzeigeelement durch ein- und dasselbe Anzeigeelement zu bilden, welches beispielsweise durch unterschiedliche Farben und/oder durch unterschiedliche Symbole wechselweise als erstes Anzeigeelement oder als zweites Anzeigeelement dienen kann.
Es ist möglich, dass jegliche Normabweichung außerhalb des Toleranzbereichs als kritisch zu bewerten ist. Dann kann das Gerät so konfiguriert sein, dass die zweite Anzeigeeinheit bei jeder den Toleranzbereich verlassenden Normabweichung anspricht. Damit wäre eine zweistufige Bewertung nach einem Gut/Schlecht-Schema möglich. Es ist jedoch auch möglich, die Bewertung feiner abzustufen und drei oder mehr Einzugskraftbereiche hinsichtlich ihrer Bedeutung zu unterscheiden.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Anzeigeeinrichtung ein drittes Anzeigeelement auf, welches aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft zwar außerhalb eines Toleranzbereichs um die Normkraft liegt, wobei jedoch ein Normabweichungswert kleiner ist als ein kritischer Normabweichungswert, der eine sicherheitskritische Abweichung von der Normkraft repräsentiert. Durch das dritte Anzeigeelement würde also angezeigt, wenn die Einzugskraft zwar nicht mehr in dem unkritischen Toleranzbereich um die Normkraft liegt, wenn aber andererseits die Abweichung noch nicht so groß ist, dass sofort eine Unterbrechung der Bearbeitung aus Sicherheitsgründen nötig wäre. Das dritte Anzeigeelement würde dem Bediener also anzeigen, dass eine Wartung oder Überprüfung der Maschine bzw. des Spannsystems empfohlen.
Das dritte Anzeigeelement ist in der Regel ein von dem ersten Anzeigeelement und/oder dem zweiten Anzeigeelement gesondertes Anzeigeelement, könnte jedoch auch durch ein- und dasselbe Anzeigeelement gebildet werden, welches beispielsweise durch eine abweichende Farbgebung und/oder ein anderes Symbol als drittes Anzeigeelement fungiert.
Eine auch für ungeübte Bediener intuitiv begreifbare Anzeige wird bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass die Anzeigeeinrichtung drei Anzeigeelemente unterschiedlicher Farbe aufweist, die nach Art einer Ampel in einer Reihe angeordnet sind. Ein erstes Anzeigeelement der Reihe kann beispielsweise in einem grünen Farbton abstrahlen und als Gutanzeige dienen. Ein zweites Anzeigeelement der Reihe kann bei Aktivierung beispielsweise in einem rötlichen Farbton abstrahlen, der unmittelbar als Warnhinweis verstanden wird, dass die gemessene Einzugskraft so weit außerhalb des Toleranzbereichs liegt, dass die Abweichung als sicherheitskritisch anzusehen ist. In diesem Fall sollte der Betrieb sofort gestoppt werden. Ein drittes Anzeigeelement der Reihe, das vorzugsweise zwischen den anderen Anzeigeelementen liegt, kann beispielsweise bei Aktivierung in einem Gelbton abstrahlen und dadurch anzeigen, dass die gemessene Einzugskraft zwar nicht mehr im Toleranzbereich liegt, dass die gemessene Normabweichung aber noch nicht unbedingt einen unmittelbaren Stopp des Betriebs erfordert.
In einer Reihe von Anzeigeelementen können auch mehr als drei Anzeigeelemente vorgesehen sein, z. B. zwischen vier und zehn.
Die Anzeigeelemente können beispielsweise durch farbige Licht emittierende Dioden (LED) oder durch farbige Lämpchen gebildet werden oder ein oder mehrere dieser Elemente enthalten. Die Anzeigeelemente können gegebenenfalls auch als Symbole auf einem eingebauten Bildschirm, z. B. einem LED-Bildschirm, realisiert sein.
Mit bloßem Auge leicht wahrnehmbare optische Anzeigeelemente sind in der Regel günstig. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch akustische Anzeigeelemente vorgesehen sein.
Die Anzeigeeinrichtung ist vorzugsweise eine elektrische Anzeigeeinrichtung, wobei eine elektrische Leistungsversorgung der Anzeigeeinrichtung in den Grundkörper integriert ist. Hierzu kann im Grundkörper ein Aufnahmebereich für eine Batterie oder einen wieder aufladbaren Akkumulator vorgesehen sein, so dass das Einzugskraftmessgerät netzunabhängig arbeiten kann.
Es ist möglich, dass die Ansteuerpunkte bzw. die Schaltbedingungen zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Anzeigeelemente in der Anzeigesteuerung fest vorgegeben sind. Beispielsweise kann ein Einzugskraftmessgerät auf einen definierten Toleranzbereich um eine Normkraft eingestellt sein, ohne dass diese Einstellung später noch veränderbar ist. Solche Varianten sind besonders kostengünstig.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind jedoch die Ansteuerpunkte bzw. die Schaltbedingungen zur Aktivierung bzw. Deaktivierung der Anzeigeelemente in der Anzeigesteuerung einstellbar und können somit bei Bedarf verändert werden. Um ungewollte oder nicht fachgemäße Veränderungen an der Einstellung zu vermeiden, ist vorzugsweise aus Sicherheitsgründen vorgesehen, dass eine Veränderung der Konfiguration der Auswerteeinrichtung nicht von einem Bediener vorgenommen werden kann, sondern ausschließlich durch den Hersteller möglich ist. So ist eine sachgemäße Wartung und gegebenenfalls Neukalibrierung des Einzugskraftmessgerätes jederzeit sichergestellt, wodurch auch sichergestellt ist, dass die für die Betriebssicherheit der Werkzeugmaschine äußerst wichtige Einzugskraftmessung jederzeit mit der nötigen Präzision durchgeführt werden kann.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
1 zeigt eine schrägperspektivische Darstellung eines Einzugskraftmessgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Einzugskraftmessgeräts, welches für die Messung der Einzugskraft in die Werkzeugaufnahme einer Maschinenspindel eingespannt ist;
3 zeigt schematisch ein Funktionsschema einer Auswerteeinrichtung einer Ausführungsform;
4 zeigt Teile eines Einzugskraftmessgerätes, das zum Einspannen in eine Werkzeugaufnahme für einen Hohlschaftkegel ausgebildet ist; und
5 zeigt Teile eines Einzugskraftmessgerätes, das zum Einspannen in eine Werkzeugaufnahme für einen Polygonal-Schaft-Kegel ausgebildet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist eine schrägperspektivische Ansicht eines Einzugskraftmessgerätes 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. 2 zeigt ein solches Einzugskraftmessgerät, das für die Messung der Einzugskraft in die Werkzeugaufnahme 220 einer Maschinenspindel 210 eingespannt ist. Mit Hilfe des Einzugskraftmessgerätes ist es auf einfache Weise möglich, zu prüfen, ob ein an oder in einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine vorgesehenes Spannsystem auf ein in einer Werkzeugaufnahme der Maschinenspindel aufgenommenes Bauteil, beispielsweise einen Werkzeughalter, bei Betätigung des Spannsystems die für den Prozess vorgesehene Einzugskraft ausübt bzw. ausüben kann. Das Einzugskraftmessgerät kann auch als Einzugskraftprüfgerät bezeichnet werden.
Die Werkzeugaufnahme in der Maschinenspindel ist dabei typischerweise in Form eines Innenkonus ausgebildet, dessen Kontur an die Außenkontur des Schaftabschnitts eines Werkzeughalters angepasst ist. Der Schaftabschnitt des Werkzeughalters kann beispielsweise in Form eines massiven Steilkegels oder eines Hohlschaftkegels (HSK) oder eines Polygon-Schaft-Kegels (PSK^®) gestaltet sein und dient dazu, beim automatischen oder manuellen Werkzeugwechsel den Werkzeughalter mit dem darin gehaltenen Werkzeug in der Werkzeugaufnahme der Maschinenspindel zu zentrieren und abzustützen. Der Schaftabschnitt des Werkzeughalters wird dabei mechanisch mit Hilfe eines Greifersystems des Spannsystems formschlüssig gegriffen und z. B. durch Betätigung einer angeschlossenen Zugstange in die Werkzeugaufnahme eingezogen. Die Spannkraft kann auch über mechanische Spannglieder, z. B. ein Tellerfederpaket, aufgebracht werden, während das Lösen bzw. Aufheben der Spannkraft in der Regel über ein hydraulisches System erfolgt. Beschädigungen in der Spannvorrichtung, z. B. Brüche von Tellerfedern, veränderte Federwege und ähnliches, sind normalerweise von außen nicht erkennbar. Diese Fehler können jedoch zu einem beträchtlichen Absinken der Spannkraft führen, das eventuell so weit gehen kann, dass das Werkzeug nicht mehr mit der ausreichenden Kraft in der Werkzeugaufnahme eingespannt ist. Ein sicherer Betrieb der Werkzeugmaschine ist dann nicht mehr gewährleistet und es kann zu Beschädigungen an den Werkzeugen bis hin zum Werkzeugbruch kommen. Außerdem sind die zu bearbeitenden Werkstücke häufig nicht mehr mit der erforderlichen Präzision zu bearbeiten.
Es ist daher wichtig zu prüfen, ob die vom Spannsystem bereitgestellte Einzugskraft innerhalb eines Toleranzbereich um die durch Spezifikation vorgegebene Normkraft liegt oder in gegebenenfalls kritischer Weise davon abweicht. Das Einzugskraftmessgerät ermöglicht eine schnelle und einfache sowie sehr zuverlässige Prüfung der Einzugskraft, die auch von ungeübten Bedienern ohne Weiteres durchgeführt werden kann.
Das Einzugskraftmessgerät hat einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Grundkörper 110, der einstückig aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist. Vom hinteren Ende führt eine zentrische erste Sacklochbohrung 112 in das Innere des Grundkörpers, deren Innendurchmesser zwischen 50% und 70% des Außendurchmessers in diesem Bereich beträgt, so dass im Inneren ein zur Aufnahme von z. B. elektronischen Komponenten geeigneter Innenraum verbleibt. Von der gegenüberliegenden Seite ist eine kürzere zweite zentrische Sacklochbohrung 114 eingebracht. Zwischen den Sacklochbohrungen liegt ein massiver, nicht durchbohrter Abschnitt 140.
Der Grundkörper 110 kann in mehrere axial aufeinanderfolgende Abschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden.
Ein Einspannabschnitt 110 dient zum Einspannen des Einzugskraftmessgeräts in der als Innenkonus gestalteten Werkzeugaufnahme 220 der Maschinenspindel 210. Der Einspannabschnitt hat hierzu eine im wesentlichen konische Außenkontur, die im Wesentlichen identisch gestaltet ist wie die Außenkontur des Schaftabschnittes eines Werkzeughalters, der in die Werkzeugaufnahme eingespannt werden soll.
Die Werkzeugaufnahme 220 aus 2 ist für die Aufnahme eines Steilkegels (Abkürzung SK) ausgebildet, entsprechend hat der Einspannabschnitt eine dem Steilkegel entsprechende Außenkontur, ist jedoch axial kürzer als der entsprechende Steilkegel. Zur Rückseite des Einzugskraftmessgerätes schließt sich an den Einspannabschnitt ein Anzeigeabschnitt 120 an, in den beim fertig montierten Einzugskraftmessgerät eine Anzeigeeinrichtung 125 integriert ist. Der Anzeigeabschnitt 120 weist drei mit Abstand zueinander liegende Umfangsnuten auf. In jeder der Umfangsnuten befindet sich eine zur Durchgangsbohrung 112 durchgehende kreisrunde Radialbohrung. Die Radialbohrungen haben jeweils gleichen Durchmesser, bilden eine parallel zur Längsachse des Einzugskraftmessgeräts verlaufende gerade Reihe und dienen der Aufnahme von später erläuterten Leuchtdioden 121, 122, 123 der Anzeigeeinrichtung.
An den Anzeigeabschnitt schließt sich ein Griffabschnitt 130 an, dessen zylindrische Außenkontur mit einer Rändelung versehen ist, damit ein Bediener das Einzugskraftmessgerät sicher greifen und in die Werkzeugaufnahme einführen bzw. aus der Werkzeugaufnahme herausziehen kann.
An der gegenüberliegenden Seite schließt sich an den Einspannabschnitt ein Messabschnitt 140 an, der im Bereich einer am Grundkörper ausgebildeten Umfangsnut einen massiven, d. h. nicht durchbohrten zylindrischen Abschnitt aus dem Grundmaterial des Grundkörpers aufweist. Dieser zylindrische Abschnitt dient als Messkörper des Einzugskraftmessgeräts.
An den Messabschnitt schließt sich zum vorderen Ende ein Eingriffsabschnitt 150 an, an dem eine Eingriffskontur zum Angreifen einer Greifereinrichtung 230 des Spannsystems vorgesehen ist. im Beispielsfall ist das Einzugskraftmessgerät dafür vorgesehen, die Einzugskraft eines Spannsystems zu messen, welches zum Einziehen von Steilkegelaufnahmen in die Maschinenspindel vorgesehen ist. Solche Steilkegelaufnahmen haben an ihrem maschinenseitigen Ende einen Anzugsbolzen, bei dem mit Abstand von der endseitigen Stirnfläche eine Umfangsnut vorgesehen ist, in die Greiferelemente des Spannsystems von außen nach radial innen formschlüssig eingreifen können. Der Eingriffsabschnitt des Einzugsmessgeräts bietet eine entsprechende Eingriffskontur in Form einer Umfangsnut. Hierzu ist bei der Ausführungsform ein vom Grundkörper des Einzugskraftmessgeräts trennbares, gesondertes Einzugselement 156 vorgesehen, welches endseitig in einen einstückig mit dem Grundkörper ausgebildeten Einzugselement-Halterabschnitt 152 eingeschraubt werden kann. Das Einzugselement hat hierzu an einem Ende einen Gewindeabschnitt 157 mit einem Außengewinde, welches in ein entsprechendes Innengewinde im Endbereich des Einzugselements-Halteabschnitts passt. Zwischen dem Gewindeabschnitt 157 und einem gegenüberliegenden Kopfabschnitt 158 liegt eine Umfangsnut 155, in die die nach innen gerichteten Greifvorsprünge der als Greifzange ausgebildeten Greifeinrichtung 230 des Spannsystems eingreifen können, um sich dann beim Zurückziehen der Greifzange an den der Umfangsnut zugewandten Stirnflächen des Kopfabschnitts 158 abzustützen.
Wenn nun der Einspannabschnitt 110 vollständig in die Werkzeugaufnahme 220 eingeführt ist und dort festsitzt und das Spannsystem über die Greifzange am Einzugselement 156 angreift und dieses in das Innere der Maschinenspindel zieht, wird der zwischen dem Einspannabschnitt und dem Eingriffsabschnitt liegende massive zylindrische Messabschnitt 140 mit einer axial wirkenden Zugkraft beansprucht. Der aus massivem Stahl bestehende Messabschnitt 140 ist so dimensioniert, dass die typischerweise vorgesehenen maximalen Einzugskräfte lediglich eine elastische Verformung des Messabschnitts bewirken, so dass dieser eine zur Einzugskraft proportionale Längenänderung erfährt. Diese wird über ein geeignetes Längenmesssystem erfasst.
Beim Ausführungsform umfasst das elektro-mechanische Längenmesssystem eine Gruppe von Dehnmessstreifen 172, die am Außenumfang des Messabschnitts mittels eines nicht dehnbaren Klebstoffs fixiert sind und als Messwertwandler bzw. Messwertsensoren dienen, die die Längenänderung des Messabschnitts in ein elektrisches Messsignal umwandeln, welches der Einzugskraft proportional ist. Der Bereich der Dehnmessstreifen ist nach außen durch eine flüssigkeitsdicht schließende Abdeckung 174 geschützt.
Die Messung der Einzugskraft mit Hilfe von Dehnmessstreifen ist im Patent EP 0 356 636 B1 ausführlich beschrieben. Die dort dargestellten Varianten können auch bei dem vorliegenden Messgerät verwendet werden. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentschrift wird insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Die durch die Dehnmessstreifen gebildeten Messsensoren sind über Leitungen elektrisch mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 180 verbunden, die in den Grundkörper des Einzugskraftmessgeräts integriert ist. Im Beispielsfall sind die elektrischen Komponenten der Auswerteeinrichtung im Bereich des Griffabschnitts und/oder im Bereich des Anzeigeabschnitts des Grundkörpers in einer gegen Beschädigung und Verunreinigung geschützten, gekapselten Einheit untergebracht. Zur elektrischen Leistungsversorgung des netzunabhängig arbeitenden Ein zugskraftmessgerätes ist eine auswechselbare Batterie 182 vorgesehen, die in einer Batterieaufnahme untergebracht ist, welche durch eine endseitige Durchmessererweiterung der Durchgangsbohrung 112 im Grundkörper gebildet ist.
Die Auswerteeinrichtung 180 ist dafür eingerichtet, das elektrische Messsignal des Messsystems zu empfangen und auszuwerten. Beim Ausführungsbeispiel ist das elektrische Messsignal eine Messspannung U_M, also ein analoges Messsignal. Die Auswerteeinrichtung enthält eine Speichereinheit 182 zur Speicherung von Sollwertinformationen für die Einzugkraft und eine Vergleichseinheit 184 zum Vergleichen der Sollwertinformationen mit dem Messsignal oder einer anderen, aus dem Messsignal abgeleiteten Messinformation. Die Sollwertinformation liegt beispielsweise in Form von vorgebbaren Werten für die elektrische Spannung oder elektrisch Spannungsbereiche vor, die mit Hilfe der Vergleichseinheit mit der Messspannung verglichen werden. Als Ergebnis des Vergleichs wird ein Vergleichssignal erzeugt. Eine Anzeigesteuerung 186 (3) steuert auf Basis des Vergleichssignals die Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs an.
Die Funktion einer Ausführungsform dieser Einrichtung wird anhand von 3 erläutert. Diese zeigt schematisch die Vergleichseinheit 184, die das Messsignal U_M empfängt, sowie die Anzeigesteuerung 186, die das von der Vergleichseinheit gelieferte Vergleichssignal empfängt und auf dessen Basis eines der drei Anzeigeelemente 121, 122, 123 aktiviert bzw. ansteuert, so dass dieses aufleuchtet. Die beiden jeweils nicht angesteuerten Anzeigeelemente bleiben dunkel. Alle drei Anzeigeelemente sind im Beispielsfall durch lichtemittierende Dioden (LEDs) gebildet, wobei das erste Anzeigeelement 121 in grüner Farbe abstrahlt, das zweite Anzeigeelement 122 in roter Farbe und das dazwischen liegende dritte Anzeigeelement 123 in einem gelben Farbton.
In der Speichereinheit sind unter anderem folgende Sollwertinformationen gespeichert:

(i) die Normspannung U_N, die von dem Messsystem dann abgegeben wird, wenn die Einzugskraft der Normkraft F_N, also dem Normwert für die Einzugskraft, entspricht;
(ii) eine Spannungsdifferenz U_T, die die Breite des Toleranzbereichs um die Normspannung angibt. Bei einer innerhalb des Toleranzbereichs um die Normkraft liegenden Einzugskraft arbeitet das Spannsystem fehlerfrei.
(iii) eine kritische Spannung U_K, die zu einer kritischen Einzugskraft gehört, die gerade noch akzeptabel ist, die aber anzeigt, dass das Spannsystem nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Jede Einzugskraft jenseits der kritischen Einzugskraft erfordert einen sofortigen Stopp des Betriebs, da sie einen Hinweis auf schwerwiegende Mängel im Spannsystem sein kann.

Zur Messung wird das Einzugskraftmessgerät in die Werkzeugaufnahme eingeführt und das Spannsystem wird betätigt. Dadurch wird der Einzugsabschnitt 150 mit der Einzugskraft von dem Einspannabschnitt 110 weggezogen, so dass der Messabschnitt 140 eine entsprechende Längenänderung erfährt, die von den Dehnmessstreifen 172 erfasst wird. Dass Messsystem erzeugt dabei die Messspannung U_M. Diese wird der Vergleichseinheit 184 zugeleitet.
Wenn die Bedingung U_M = U_N ± U_T erfüllt ist, liegt die gemessene Einzugskraft innerhalb des Toleranzbereichs um die Normkraft. In diesem Fall wird das erste Anzeigeelement 121 aktiviert und leuchtet grün (GR) auf, die beiden anderen Anzeigeelemente bleiben dunkel. Der Bediener weiß, dass die Einzugskraft noch in Ordnung ist und kann den Betrieb fortsetzen.
Bei ernsten Problemen im Spannsystem, beispielsweise bei einer gebrochenen oder angebrochenen Spannfeder, kann es sein, dass die Einzugskraft deutlich unter die Normkraft absinkt. Bleibt die Einzugskraft unterhalb einer kritischen Einzugskraft F_K, so wird die Messspannung U_M kleiner als die zur kritischen Einzugskraft F_K gehörende kritische Messspannung U_K sein, so dass U_M < U_K gilt. In diesem Fall wird das zweite Anzeigeelement 122 aktiviert, das in roter Farbe (RT) leuchtet, während die beiden anderen Anzeigeelemente dunkel bleiben. Der Bediener erkennt sofort, dass beim Weiterbetrieb der Maschinenspindel Gefahr besteht und stoppt den Betrieb, um das Spannsystem zu überprüfen und gegebenenfalls zu warten oder zu reparieren.
In manchen Fällen wird die gemessene Einzugskraft zwar außerhalb des (unkritischen) Toleranzbereichs um die Normkraft liegen, wobei allerdings die Normabweichung nicht so groß ist, dass ein vordefinierter kritischer Normabweichungswert überschritten wird. In diesem Fall liegt die Messspannung U_M zwischen der zum kritischen Normabweichungswert gehörenden kritischen Spannung U_K und der Spannung, die im Toleranzbereich um die Normkraft liegt. In diesem Fall wird das dritte Anzeigeelement aktiviert und leuchtet gelb (GE) auf, während die beiden anderen Anzeigeelemente dunkel bleiben. Der Bediener kann hieraus unmittelbar ersehen, dass sich am Spannsystem möglicherweise eine Störung aufbaut, die einer baldigen Überprüfung bedarf.
Die Anzeigeeinrichtung arbeitet somit nach Art einer Ampel und ist sehr intuitiv auch durch ungeübte Bediener unmittelbar zu verstehen. Für den Bediener ist es dabei nicht notwendig, die tatsächlichen Werte für die Normeinzugskraft oder die kritischen Abweichungen davon zu kennen, denn diese Information ist in der Speichereinheit der Auswerteeinrichtung hinterlegt.
Die beschriebene Auswerteeinrichtung arbeitet analog. Eine digitale Auswertung ist bei anderen Ausführungsformen auch möglich.
Das Prüfprinzip bzw. Abwandlungen davon können unabhängig von der Arbeitsweise des Messsystems und unabhängig von der konstruktiven Ausgestaltung des Einzugsmessgerätes in unterschiedlichsten Varianten realisiert werden. So ist beispielsweise möglich, dass das Messsystem nicht wie im Ausführungsbeispiel mit Dehnmessstreifen arbeitet, sondern auf andere Weise aus der gemessenen Einzugskraft ein elektrisches Signal erzeugt. Ein Messsystem kann dementsprechend beispielsweise mit piezoelektrischen Elementen oder mit einer Kraftmessdose arbeiten.
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Einzugskraftmessgeräte bzw. Einzugskraftprüfgeräte sind selbstverständlich für unterschiedliche Typen von Werkzeugaufnahmen und Spannsystemen verfügbar. Beispielhaft zeigt hierzu 4 die zum Einspannen in eine Werkzeugaufnahme für einen Hohlschaftkegel (HSK) ausgebildeten Teile eines Einzugskraftmessgerätes 400. Ein Hohlschaftkegel hat bekanntlich einen Schaftabschnitt, bei dem die zum Angreifen eines Spannsystems vorgesehene Eingriffskontur im Inneren des Konus liegt. Entsprechende Spannsysteme haben somit eine Spreizzange, die zunächst im ungespreizten Zustand in das Innere des Hohlschaftkegels vorgeschoben und dann aufgespreizt wird, so dass die aufgespreizte Spreizzange beim Zurückziehen den Hohlschaftkegel formschlüssig ergreift und den mit Hohlschaftkegel ausgestatteten Werkzeughalter (oder ein anderes Bauteil) in die Werkzeugaufnahme einzieht. Das einstückig mit dem Grundkörper 410 ausgebildete Einzugselement 456 ist einem Hohlschaftkegel nachgebildet und hat einen Schaftabschnitt, bei dem die zum Angreifen eines Spannsystems vorgesehene Eingriffskontur im Inneren des Konus liegt. Eine von außen angreifende Auszugssicherung begrenzt mechanisch die Verlängerung des zylindrischen Messabschnitts 440 und schützt das Gerät dadurch vor Beschädigung bei zu großen Einzugskräften.
Ein ähnliches Prinzip wird auch bei sogenannten Polygonal-Schaft-Kegeln realisiert, bei denen die Außenkontur des Schaftabschnitts nicht rotationssymmetrisch ist, sondern eine nicht-rotationssymmetrische polygonale Form mit abgerundeten Kantenbereichen hat. Teile eines angepassten Einzugskraftmessgerätes 500 sind in 5 gezeigt. Auch hier ist das mit Innenkontur gestaltete Einzugselement 556 einstückig mit dem Grundkörper 510 ausgebildet.
In den 4 und 5 sind Elemente, die denjenigen der 1 und 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen (erhöht um 300 bzw. 400) bezeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0356636 B1 [0004, 0046]
EP 1087859 B1 [0005]

Claims

Einzugskraftmessgerät (100, 400, 500) zum Messen der Einzugskraft, die ein an einer Maschinenspindel (210) einer Werkzeugmaschine vorgesehenes Spannsystem auf ein in einer Werkzeugaufnahme (220) der Maschinenspindel aufgenommenes Bauteil bei Betätigung des Spannsystems ausübt, mit: einem Grundkörper (110, 410, 510), der einen Einspannabschnitt (110, 410, 510) zum Einspannen in der Werkzeugaufnahme aufweist, einem mit dem Einspannabschnitt gekoppelten oder koppelbaren Eingriffselement (156, 456, 556) mit einer Eingriffskontur zum Angreifen einer Greifereinrichtung (230) des Spannsystems; und einem integrierten Messsystem mit einem Messsensor (172) zur Messung einer zu der Einzugskraft proportionalen Messgröße und zur Erzeugung eines der Einzugskraft proportionalen Messsignals; gekennzeichnet durch eine in den Grundkörper integrierte Auswerteeinrichtung (180) zur Auswertung des Messsignals, wobei die Auswerteeinrichtung eine Speichereinheit (182) zur Speicherung von Sollwertinformation für die Einzugskraft und eine Vergleichseinheit (184) zum Vergleichen der Sollwertinformation mit dem Messsignal oder einer aus dem Messsignal abgeleiteten Messinformation aufweist und dafür konfiguriert ist, als Ergebnis des Vergleichs ein Vergleichssignal zu erzeugen, und eine in den Grundkörper integrierte Anzeigeeinrichtung (125), die durch eine Anzeigesteuerung (186) auf Basis des Vergleichsignals in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs ansteuerbar ist.
Einzugskraftmessgerät nach Anspruch 1, worin die Anzeigeeinrichtung (125) kein Anzeigeelement zur Anzeige eines zu dem Messsignal proportionalen Werts aufweist.
Einzugskraftmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, worin die Anzeigeeinrichtung (125) ein erstes Anzeigeelement (121) aufweist, das aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft innerhalb eines Toleranzbereichs um eine Normkraft liegt, wobei das erste Anzeigeelement vorzugsweise deaktiviert ist, wenn die Einzugskraft außerhalb des Toleranzbereichs liegt.
Einzugskraftmessgerät nach Anspruch 3, worin das erste Anzeigeelement (121) bei Aktivierung in einem grünen Farbton abstrahlt.
Einzugskraftmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Anzeigeeinrichtung (125) ein zweites Anzeigeelement (122) aufweist, das aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft um einen außerhalb der Toleranz liegenden Normabweichungswert von der Normkraft abweicht, wobei der Normabweichungswert größer ist als ein kritischer Normabweichungswert, der eine sicherheitskritische Abweichung von der Normkraft repräsentiert.
Einzugskraftmessgerät nach Anspruch 5, worin das zweite Anzeigeelement (122) bei Aktivierung in einem roten Farbton abstrahlt.
Einzugskraftmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Anzeigeeinrichtung (125) ein drittes Anzeigeelement (123) aufweist, das aktiviert oder aktivierbar ist, wenn die Einzugskraft außerhalb eines Toleranzbereichs um die Normkraft liegt, wobei ein Normabweichungswert kleiner ist als ein kritischer Normabweichungswert, der eine sicherheitskritische Abweichung von der Normkraft repräsentiert.
Einzugskraftmessgerät nach Anspruch 7, worin das dritte Anzeigeelement (123) bei Aktivierung in einem gelben Farbton abstrahlt.
Einzugskraftmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Anzeigeeinrichtung (125) drei Anzeigeelemente (121, 122, 123) unterschiedlicher Farbe aufweist, die nach Art einer Ampel in einer Reihe angeordnet sind.
Einzugskraftmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Ansteuerpunkte der Anzeigeelemente (121, 122, 123) an der Anzeigesteuerung (186) einstellbar sind, wobei eine Einstellung vorzugsweise nicht durch einen Bediener sondern nur herstellerseitig durchführbar ist.
Einzugskraftmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Anzeigeeinrichtung (125) eine elektrische Anzeigeeinrichtung ist und eine elektrische Leistungsversorgung der Anzeigeeinrichtung in den Grundkörper integriert ist.