DE2106703B2

DE2106703B2 - Kraftmessanordnung zur Messung von Kraftkomponenten, die an sich drehenden Werkzeugen von Werkzeugmaschinen auftreten

Info

Publication number: DE2106703B2
Application number: DE19712106703
Authority: DE
Inventors: Lyle C. Adams; William J. Seattle Wash. Whetham
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1970-02-27
Filing date: 1971-02-12
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DE2106703A1; FR2078847A5; JPS5249196B1; BE763120A; CH537251A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeßanordnung zur Messung von Kraftkomponenten, die an sich drehenden Werkzeugen von Kraftzeugmaschinen auftreten, wobei die Messung über die Verformung eines mit dem Werkzeug fest verbundenen Maschinenteils und einer Anzahl von elektrischen Gebern zur Erfassung dieser Verformung erfolgt

Eine Kraftmeßanordnung der eingangs genannten Ausbildung ist aus der DE-Z. Werkstatt und Betrieb, 1969, Heft 5, Seiten 271 —274, bekannt In der bekannten Anordnung wird nahe der Werkzeugaufnahme am Spindelende mit elektrischen Fühlern, zum Beispiel Dehntfngsmeßstreifen, das Drehmoment sowie die Abweichung der Spindel in zwei Richtungen gemessen.

Ferner ist es aus der GB-PS 6 56 926 bei Kraftmessern zur Messung der beim Betrieb an Schneidwerkzeugen auftretenden Kräfte bekannt, hierzu im Inneren eines hülsenförmigen Werkzeughalters angeordnete Spulen vorzusehen, deren Induktivität durch Bewegung von am Werkzeughalter angeordneten Magnetkernen gegen die Spulen zu oder von diesen weg verändert wird. Die Spulen liegen dabei an diametral gegenüberliegenden Stellen der Hülse, um in einer Meßschaltung einen Differenzstrom zu erzeugen.

In der Vergangenheit hat die übliche Frästechnik gefordert, daß der Bedienungsmann der Maschine eine Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks relativ zu dem Schneidwerkzeug wählte, welcher ein Kompromiß zwischen der Notwendigkeit nach maximalem Entfernen von Metall von dem Werkstück in der kürzest möglichen Zeit und dem Vermeiden eines Bruchs oder unmäßiger Abnutzung des Fräsers war. In solchen Fällen verließ sich der Bedienungsmann auf seine eigene Erfahrung und Vorsicht beim Einstellen der Vorschubgeschwindigkeit Mit dem Aufkommen numerisch gesteuerter Fräsmaschinen wurden die Operationen der verschiedenen Tisch- und Spindelmechanismen unter die direkte Steuerung eines Digitalrechners gestellt, welcher seinen Eingang von einer Datenquelle, wie z. B.

einem Papierlochstreifen oder einem Magnetband erhielt Obwohl die Kenntnis des Fräsvorgangs zu einem Punkt fortgeschritten ist, bei welchem diese Systeme die meisten Aspekte des Vorgangs berücksichtigen und steuern, war der Zusammenhang zwischen Bruch und Abnutzung des Fräsers und einem maximalen Entfernen des Metalls vom Werkstück nicht vollständig verstanden worden. Entsprechend wird die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit für eine bestimmte Operation mit bestimmten Metallen noch weitgehend von der Erfahrung und Vorsicht des Bedienungsmannes bestimmt. Bei diesen Systemen wird eine gewünschte Vorschubgeschwindigkeit entweder von Hand durch den Bedienungsmann oder mit Hilfe des vorprogrammierten Eingabebandes in die numerische Steuereinheit' voreingegeben. Zusätzlich ist gewöhnlich ein handbetätigter Übersteuerungskreis vorgesehen, welcher ein vom Bedienungsmann gesteuertes Potentiometer aufweist. Wenn eine Situation möglicher unmäßiger Abnutzung oder Beanspruchung auftritt, kann der Bedienungsmann diese Steuerung betätigen, um die voreingestellte Vorschubgeschwindigkeit zu verringern.

Obwohl die Wahl der Vorschubgeschwrindigkeit

durch den Bedienungsmann der Maschine den Bruch und die Abnutzung des Fräsers auf ein Minimum bringt, hat sich diese Wahl oft als übervorsichtig erwiesen, was für die Maschinenproduktivität abträglich war. Da Fräsmaschinen im allgemeinen sehr teure Vorrichtungen beim Kauf und im Betrieb sind, ist jede Zunahme an Produktivität der Maschinen wünschenswert. Viele automatische Steuersysteme für den Vorschub sind entworfen worden, seit dieses Problem erkannt wurde, wie die US-PS 32 59 023,32 20 315 und 32 73 182 zeigen.

Obwohl diese bekannten Versuche eine automatische

Steuerung des Vorschubs ergeben, waren sie sehr teuer in der Verwirklichung oder gingen auf Kosten schneller Reaktion. Weiter wurden die besonderen vorgeschlagenen Entwürfe nicht für die Verwendung mit beliebigen numerischen gesteuerten oder konventionellen Fräsmaschinen angepaßt oder verfügbar gemacht Trotzdem gibt es viele Fräsmaschinen, in welche viel !Capital investiert worden ist, deren Produktivität durch ein billiges Vorschubsteuersystem stark vergrößert werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßanordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie leicht an vorhandene Werkzeugmaschinen, insbesondere Fräsmaschinen mit einer Vorschubsteuerung angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der einleitend aufgeführten Kraftmeßanordnung dadurch gelöst, daß die Geber Transformatorgeber sind, deren Spulen vom ferromagnetischen Maschinenteil durch sich mit seir^r Verformung ändernde Luftspalte getrennt sind, die auf zueinander senkrechten Durchmesser-Achsen liegen und gleichen radialen Abstand von der Werkzeugspindel besitzen, daß die je zwei Spulen der Geber paarweise an einander gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Durchmessers angeordnet sind, daß die Primärwindungen von einer gemeinsamen Wechselstromquelle gespeist werden, daß die Sekundärw^;ndungen einander gegenüberliegender Geber im Gegensinn miteinander verbunden sind, so daß amplitudenmodulierte Signale geliefert werden, die ein Maß für die Spindelabweichung längs der genannten Achsen bilden, und daß ein Demodulator zur Umwandlung der amplitudenmodulierten Signale in ein Gleichstromsignal vorgesehen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung der Kraftmeßanordnung in Verbindung mit einer Fräserspindel,

F i g. 2 ein Blockschaltbild des Meßkreises für die Kraftmeßanordnung nach F i g. 1,

F i g. 3 eine Vorderansicht auf die Transformatorgeber, und

F i g. 4 einen Schnitt durch einen anderen Aufbau der Kraftmeßanordnung.

Der Aufbau und die Wirkungsweise einer selchen Kraftmeßanordnu-ng werden anschließend in Verbindung mit einer Fräseinrichtung beschrieben.

Im einzelnen umfaßt die Fräseinrichtung gemäß F i g. 1 einen stationären Teil 28 mit einem äußeren Lagerhalter 70, welcher das Ende einer längs der Queroder Z-Achse der Fräsmaschine verlaufenden Spindel 72 drehbar lagert. Am Ende der Spindel 72 ist ein relativ vergrößertes Maschinenteil 73 angeordnet, an dessen Vorderfläche eine Mehrzahl entfernbarer Klauen oder Vorspränge 76 angeordnet sind, welche in die entsprechenden Ausnehmungen in einem Werkzeugadapter eingreifen können. Eine Fräserzugstange 78 erstreckt sich über die Länge der Spindel 72 und hat ein mit Gewinde versehenes Ende 79, welches in einer durch eine Ausnehmung 74 gebildete Öffnung endet. Normalerweise können die Spindel 72, die Fräserzugstange 78 und das vergrößerte Maschinenteil 73 einen Werkzeugadapter 80 aufnehmen, welcher einen kegeligen Vorsprung 84 zum Einpassen in die kegelige Ausnehmung 74, eine Mehrzahl Ausnehmungen 82 zum Eingriff mit den Vorsprüngen 76 und eine zentral angeordnete öffnung 83 aufweist, welche für das Einschrauben des Endes 79 der Fräserzugstange 78 vorgesehen ist In einer Außenfläche des Werkzeugadapters 80 ist andererseits ein beliebiges gewünschtes Schneidwerkzeug 86 angeordnet Wie bekannt, werden solche Werkzeugadapter vorgesehen, um ein schnelles und genaues Wechseln von Schneidwerkzeugen ohne die Notwendigkeit einer erneuten Ausrichtung oder anderer Einstellungen zur Fräsmaschine zu ermöglichen. Die konischen Flächen der Ausnehmungen 74 und des Vorsprungs 84 entsprechen einander. Wenn ein Werkzeug an der Spindel angebracht werden soll, wird es erst in einen Werkzeugadapter eingeführt Der Werkzeugadapter wird dann in Kontakt mit dem Maschinenteil 73 gebracht und die Fräserzugstange wird eingeschraubt Nach dem Festziehen ergeben sich die zusammenpassenden Vorsprünge 76, und die Ausnehmungen 82 sorgen für eine wirksame Antriebsverbindung zu dem Schneidwerkzeug während der Spindeldrehung.

Die Spindelablenkung in X- und V-Richtung durch eine Mehrzahl Transformatorgeber Af₁, Af₂, Ai₃ und M» gemessen, welche um jeweils 90° verschoben am Umfang des Maschinenteils 73 angeordnet sind. In der Ausführungsform nach F i g. 1 sind die Transformatorgeber Mi — M₄ einfach an einem weggeschnittenen Teil eines äußeren Lagerhalters 70 angeschraubt Jeder Übertrager besteht aus einem Transformator mit kleinem Luftspalt. Eine Erregerwechselspannung wird den Primärwindungen der Transformatorgeber zugeführt und ist mit deren Sekundärwindungen über einen Luftspalt gekoppelt, welcher in seinem magnetischen Kreis das Maschinenteil 73 einschließt

Wenn der Abstand zwischen den Polflächen der Windungen und dem Maschinenteil 73 z. B. durch Ablenkung des Maschinenteils beim Eingriff des Schneidwerkzeugs mit dem Werkstück geändert wird, wird der magnetische Widerstand des Luftspalts entsprechend geändert und es ändern sich die in den Sekundärwindungen induzierten Spannungen.

In Fig.3 ist zu sehen, daß das Vorderteil 73 der Spindel vom Transformatorgeber M\ einen Abstand d\ und vom Transformatorgeber Af₃ einen Abstand </₃ aufweist. Es wird angenommen, daß sich das Schneidwerkzeug relativ zum Werkstück in der negativen Y- Richtung bewegt Wenn das Schneidwerkzeug in Eingriff mit dem Werkstück kommt, wird das Maschinenteil 73 nach oben abgelenkt. Da die Transformatorgeber M\ und Afc fest mit dem stationären Teil 28 verbunden sind, nimmt der Abstand d\ ab und der Abstand rfj zu. Die Sekundärwindungen der Transformatorgeber sind gegenüber in einer Wechselstrombrückenanordnung geschaltet. Wenn die Sekundärspannungen gleicher Größe bei gleichen Abständen d\ und ds aufweisen, dann tritt eine Verstimmung dieser Spannungen beim Ablenken des Schneidwerkzeugs in der Y- Richtung auf. Die resultierende Differenzspannung der Brückenschaltung kann dann dazu verwendet werden, um ein der Spindelablenkung in dieser Richtung proportionales Signal vorzusehen.

Gemäß F i g. 2 liegt eine Wechselstromquelle an den Primärwindungen der Transformatorgeber M\ — M₄, um diesen ein Erregersignal zuzuführen. Im einzelnen sind die Pnmärwindungen der Transformatorgeber Mi und Λ/3 sowie der Transformatorgeber M2 und M₄ einander unterstützend in Reihe zur Wechselstromquelle 90 geschaltet. Die Sekundärwindungen sind jedoch in Reihe einander entgegengeschaltet, so daß das gemein-

same Ausgangssignal von beiden die Differenz zwischen den zwei induzierten Sekundärspannungen darstellt. Bei der Gleichgewichtsbedingung, bei welcher die Abmessungen, wie die Abstände d\ und ds zum Vorderteil 73 der Spindel gleich sind, haben die zwei induzierten Sekundärspannungen ebenfalls eine gleiche Höhe, so daß der Differenzstrom des Wechselausgangssignals Null ist

Das Ausgangssignal von den Sekundärwindungen der Transformatorgeber M\ und M3 ist auf einen Demodulator 92 für die K-Ablenkung geschaltet und das Ausgangssignal von den Sekundärwindungen der Transformatorgeber M2 und M* ist auf einen Demodulator 98 für die ^-Ablenkung geschaltet. Da diese Demodulatoren gleich sind, wird nur der erste im einzelnen beschrieben, im einzelnen umfaßt der Demodulator 92 für y-Ablenkung einen Differenzverstärker 93, dessen Ausgang prinzipiell eine Wellenform mit einer Frequenz gleich derjenigen der Wechselstromquelle 90 aufweist, welche entsprechend der Differenz der beiden Sekundärspannungen in den Transformatorgebern M\ und My amplitudenmoduliert ist Die Funktion der verbleibenden Elemente in dem Demodulator 92 besteht darin, diese amplitudenmodulierte Komponente herauszuziehen und sie in ein Ausgangssignal umzusetzen und Rauschen und andere Störsignale auszufiltern.

In dem Ausgangssignal vom Differenzverstärker 93 tritt weiter eine unerwünschte Komponente auf, welche ein Ergebnis der Abnützung des Lagers oder der Spindel oder von Exzentrizität ist Wenn die Spindel 72, das Maschinenteil 73 oder der Lagerhalter 70 daher auch nur im geringsten unrund ist wird der Umfang des Maschinenteils 73 während deren Drehung nicht einem genauen Kreis folgen. Hierdurch wird eine Fehlerkomponente eingeführt deren Höhe sich mit dem Grad der Abnützung ändert und deren Frequenz gleich der Frequenz des Oszillators plus oder minus der Drehgeschwindigkeit der Spindel ist Durch Verbindung des Ausgangs des Differenzverstärkers 93 mit einem Bandfilter 94 kann diese Fehlerkomponente dadurch entfernt werden, daß die Mitteifrequenz gleich der Oszillatorfrequenz und die Bandbreite entsprechend der erwarteten Geschwindigkeitsänderungen der Spindel gewählt werden. Bei niedriger Spindelgeschwindigkeiten wird die Fehlerkomponente nicht so gut wie bei höheren Spindelgeschwindigkeiten unterdrückt Unter den obigen Bedingungen ist die Ablenkung der Spindel jedoch gewöhnlich groß, und so ist die Fehlerkomponente im allgemeinen sehr klein in bezug auf die amplitudenmodulierte Komponente.

Der Ausgang des Bandfilters 94 wird über einen Verstärker 95, welcher eine Amplitudenverstärkung von 10 haben kann, einen Demodulatorkreis, bestehend aus einem Einweggleichrichter 96 und einer Kombination ans einem Tiefpaßfilter und einem Verstärker 97 zugeführt In einer Ausfuhrungsform kann der Ausgang des Einweggieichrichters 96 nur die positiven Halbwellen der amplitudenmodulierten Komponenten aufweisen. Der Verstärker 97 verstärkt, glättet und filtert dann die positiven HalbweHenimpuIse zur Erzielung einer Gleichspannung, deren Größe proportional dem Grad der Ablenkung des Maschinenteils 73 in V-Richtung ist

Eine ähnliche Gleichspannung kommt aus dem Demodulator 98 für die A'-Ablenkung, deren Größe proportional dem Grad der Ablenkung des Maschinenteils 73 in der A"-Richtung zwischen den Transformatorgebern M₂ und Af» ist Diese Ablenlcungsspannungen werden den Eingängen eines Summierverstärkers 102 zugeführt, in dessen Rückführschleife ein Varisator 104 geschaltet ist. Die Ablenkungsspannungen der X- und Y- Richtungen werden summiert, um eine zusammengesetzte Ablenkungsspannung zu erhalten, welche die resultierende Ablenkung des Maschinenteils 73 und so die resultierende Fräskraft unter einem Winkel θ darstellt. Genaugenommen sollten die Ablenkungsspannungen der X- und V-Richtung erst durch einen

ίο Quadrierkreis geschickt werden, wenn ein proportionales lineares Ansprechen gewünscht wird. Die Meßschaltung nach F i g. 2 ist jedoch auf kleinere Ablenkungen und entsprechend kleine Fräskräfte abgestellt, um das Ansprechen der Schaltung auf Abweichungen von einer Bezugskraft zu vergrößern. Zu diesem Zweck ergibt der Varistor 104 in bekannter Weise eine Rückkoppelung, so daß der Ausgang des Summierverstärkers 102 die Quadratwurzel der Summe der Eingangssignale ist. Ein derartiger Ausgang vergrößert die Empfindlichkeit der Ablenkungsmessung bei kleinen Ablenkungen. Bei größeren Ablenkungen wird die Empfindlichkeit gegenüber einem linearen Ansprechen verringert. Da jedoch die durch diese großen Ablenkungssignale dargestellten Fräskräfte so viel größer sind, beeinflußt der kleine Verlust an Empfindlichkeit das Ansprechen der Kraftmeßanordnung nicht wesentlich.

Experimente haben gezeigt daß die Kraftmeßanordnung recht zufriedenstellend arbeitet mit einem Fräskraftsignal, welches durch Summieren der Ablen-

jo kungen in der X- und K-Koordinatenrichtung erhalten wurde. Dieses Fräskraftsignal ist natürlich proportional der durch das Werkstück auf das Schneidwerkzeug ausgeübten Seitenlast Wenn jedoch größere Empfindlichkeit gewünscht wird, kann dem Fräskraftsignal eine Komponente hinzugefügt werden, welche porportional der auf das Schneidwerkzeug ausgeübten Endlastkraft ist. Diese Endlastkraft wird durch Ablenkung der Spindel in der Quer- oder Z-Richtung auf folgende Weise abgetastet In F i g. 2 sind Transformatorgeber Mi und Mt in der Z-Richtung entlang beiden Seiten eines vergrößerten Durchmessers aufweisenden Ansatzes 73' des Maschinenteils 73 angeordnet. Zusammen mit dem Ansatz 73' definieren die Transformatorgeber Ms und Mt die Abmessungen ds und d%, welche bei einer endgültigen Belastungskraft Null gleich sind oder in einem bekannten Verhältnis zueinander stehen. Die Primärwindungen der Transformatorgeber Ms und AZ₆ sind mit der Wechselstromquelle 90 verbunden, und ihre Sekundärwindungen sind in Reihe einander entgegen-

so geschaltet und an die Eingänge eines Demodulators 100 für die Z-Ablenkung geführt, welcher in Aufbau und Wirkung den Demodulatoren 92 und 98 für die X- und Y-Ablenkung gleicht Wie bei den Transformatorgebern M\ — Mt für die Messung der Seitenlastkraft sind die Sekundärspannungen der Transformatorgeber Ms und Mb normalerweise im Gleichgewicht

Wenn einem Schneidwerkzeug und damit dem Fortsatz 73' des Maschinenteils 73 eine endseitige Belastung in der Z-Richtung zugeführt wird, sind die Abmessungen <h und <& verschieden, so daß die in den Sekundärkreisen der Transformatorgeber M₅ und M₆ induzierten Spannungen ungleich werden, wodurch einem Differenzverstärker im Demodulator 100 ein gemeinsames Ausgangssignal zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers hat eine Komponente, deren Frequenz gleich jener der Wechselstromquelle 90 ist, und deren Amplitude entsprechend der Differenz der induzierten Sekundärspannungen moduliert ist Der

übrige Teil des Demodulators 100 setzt diese amplitudenmodulierte Komponente in eine Gleichspannung um, welche repräsentativ für den Grad der Querablenkung und somit für die Größe der endseitigen Belastung ist. Das Ausgangssignal des Demodulators 100 wird dann in dem Summierverstärker 102 zu den Ausgangssignalen der Demodulatoren 98 und 82 summiert. Unter

bestimmten Umständen kann eine besondere Schaltung im Demodulator 100 erforderlich sein, um die normale Ablenkungen in der Z-Richtung zu kompensieren, wenn sich die Spindel bei einer endseitigen Belastung von Null dreht. Eine solche Schaltung könnte z. B. einen Schwellenwertkreis umfassen, welcher nur auf Ablenkungen oberhalb einer vorbestimmten Größe anspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kraftmeßanordnung zur Messung von Kraftkomponenten, die an sich drehenden Werkzeugen von Werkzeugmaschinen auftreten, wobei die Messung Ober die Verformung eines mit dem Werkzeug fest verbundenen Maschinenteils und einer Anzahl von elektrischen Gebern zur Erfassung dieser Verformung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber Transformatorgeber (M 1—Ai 4) sind, deren Spulen vom ferromagnetischen Maschinenteil (73) durch sich mit seiner Verformung ändernde Luftspalte getrennt sind, die auf zueinander senkrechten Durchmesser-Achsen liegen und gleichen radialen Abstand von der Werkzeugspindel besitzen, daß die je zwei Spulen der Geber paarweise an einander gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Durchmessers angeordnet sind, daß die Primärwindungen von einer gemeinsamen Wechselstromquelle (90) gespeist werden, daß die Sekundärwindungen einander gegenüberliegender Geber (Mi, M3; M2, M4) im Gegensinn miteinander verbunden sind, so daß amplitudenmodulierte Signale geliefert werden, die ein Maß für die Spindelabweichung längs der genannten Achsen bilden, und daß ein Demodulator (92, 98, 100) zur Umwandlung der amplitudenmodulierten Signale in ein Gleichstromsignal vorgesehen ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Geberpaar (Ms, M₆) im Gegensinn geschaltete Sekundärwindungen aufweist, daß die Primärwindungen durch die Wechselstromquelle (90) erregt werden, daß die Geber (M5, MS) beidseitig eines radialen Flansches (73') des Maschinenteils (73) und parallel zur Spindelachse angeordnet sind, und daß ein Demodulator (100) das Signal des dritten Geberpaares (MS, Af 6) in ein Gleichstromsignal umwandelt

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Demodulator einen Differenzverstärker (93) aufweist, mit welchem die Windungen verbunden sind, daß ein Bandfilter (94) aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers (93) Komponenten mit einer gegenüber der Wechselstromquelle unterschiedlichen Frequenz entfernt, und eine Demodulatorschaltung die amplitudenmodulierte Komponente entnimmt und aus ihr das Gleichstromsignal erzeugt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatorschaltung einen Einweggleichrichter (96), ein Bandfilter (94) und einen Verstärker (95) enthält

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Summierverstärker (102), welcher die Summe der Gleichstromsignale bildet.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierverstärker (102) eine nichtlineare Schaltung aufweist, die eine vergrößerte Empfindlichkeit für geringe Signalgrößen ergibt.