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Werkzeug-Wechselhalter
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Die Erfindung betrifft einen Werkzeug-Wechselhalter, insbesondere
für spanabhebende Schneidwerkzeuge mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches
1. Ein derartiger Wechselhalter ist aus der europäischen Offenlegungsschrift 00
10 074 bekannt. Hervorstechende Merkmale an dem bekannten Wechselhalter sind die
getrennte Ausführung von dem das Werkzeug aufnehmenden Kopfteil und dem das Kopfteil
tragenden Haltekörper, die durch Spannmittel mit gegenseitigen Anlageflächen aneinandergehalten
sind. Die Spannmittel bestehen im wesentlichen aus einem aus dem Kopf in den Haltekörper
hineinstehenden Spannschaft, auf den durch im Haltekörper angeordnete Zug- oder
Rastmittel eine in den Haltekörper hinein gerichtete Anzugskraft ausgeübt wird.
Vorteilhaft ist an diesem Wechselhalter, daß er schnell an- und abmontiert werden
kann, wobei hohe Spannkräfte zwischen Kopfteil und Haltekörper ausgeübt werden können.
Allerdings kann dieser Werkzeughalter bezüglich der Positioniergenauigkeit nach
einem Werkzeugwechsel nicht allerhöchsten Anforderungen genügen, wie sie z.B. beim
Gebrauch derartiger Werkzeug-Wechselhalter an vollautomatischen Werkzeugmaschinen
(z.B. computergesteuerten Werkzeugmaschinen) oder sogenannten Industrie-Robotern
gestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeughalter zu
schaffen, der bezüglich der Positionierungsgenauigkeit des Werkzeuges nach einem
Werkzeugwechsel hohen Anforderungen genügt, eine gute Übertragung der beim Schneidvorgang
auftretenden Kräfte, insbesondere der Quer und Torsionskräfte vom Werkzeugkopf auf
den Haltekörper gewährleistet und der weiterhin auf einfache Weise eine Überprüfung
der Positioniergenauigkeit nach einem Werkzeugwechsel durch ein im Wechselhalter
integriertes Meßsystem gestattet. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
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Durch das erste kennzeichnende Merkmal ist eine besonders gute Positionierung
des Werkzeuges nach einem Werkzeug wechsel in Axialrichtung möglich, da durch die
gegenseitige Stellung der Anlageflächen ein genauer Axialanschlag gewährleistet
ist. Die sonst üblichen Steilkegel-Halterungen können eine derartige Positioniergenauigkeit
des Werkzeuges in Axialrichtung nicht gewährleisten, weil sie mechanische Überbestimmungen
aufweisen.
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Durch die gegenseitig wirksamen Verzahnungen gemäß dem zweiten Merkmal
wird eine hohe Sicherheit gegen relative Verdrehungen zwischen Kopfteil und Halteteil
gewährleistet. Beim Schneidvorgang auftretende Drehmomente werden über die Gesamtheit
der Anlageflächen verteilt auf den Haltekörper übertragen, wodurch letztlich ein
geringerer Materialverschleiß im Anlagebereich erzielt wird. Die Verzahnungen sind
so ausgestaltet, daß das Kopfteil in mehreren Winkelstellungen am Haltekörper montierbar
ist.
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Gemäß Teilmerkmal 3 sollen die Verzahnungen derart winkelig zueinander
wirkende Schrägflächen aufweisen, daß sich die Anlageflächen bei Verspannung selbst
zentrieren, wie das beispielsweise bei einem Steilkegel der Fall ist.
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Durch das zuletzt genannte Teilmerkmal kann ein optisches oder elektrooptisches
Meßsystem derart im Wechselhalter untergebracht werden, daß die eigentliche Messung
von Verzügen oder Vibrationen, die durch Schneidkräfte auftreten, nicht im Haltekörper,
sondern im Kopfteil, d.h. in unmittelbarer Nähe des Werkzeuges selbst erfolgt.
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Dadurch ist eine sehr selektive Messung aller Kräfte, die auf den
Schneidkörper einwirken, möglich. Sekundäre Kräfte, die beispielsweise auf den Halter
einwirken und die Messung stören würden, werden zumindest teilweise eliminiert.
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Ein wichtiger Schwerpunkt der Erfindung ist also darin zu sehen, daß
bei hohen Haltekräften zwischen Kopfteil und Halteteil eine sehr genaue Wiederholgenauigkeit
der Werkzeugposition ermöglicht wird und diese Wiederholgenauigkeit durch ein im
Kopfteil wirkendes Meßsystem überprüft werden kann.
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Besonders vorteilhaft bezüglich der Selbstzentrierung ist die Ausbildung
der Anlageflächen als Plan-Kerb-Verzahnung gemäß Anspruch 2. Plan-Kerb-Verzahnungen
haben in der Regel eine mittige Durchgangsbohrung, die bei der Erfindung zum Eingriff
bzw. Austritt des Spannbolzens benutzt werden kann. Im Spannbo-lzen selbst ist dann
die Längsbohrung eingebracht, die zur Aufnahme des optischen oder elektronischen
Meßsystems dient. Weitere Längsbohrungen können gegebenenfalls zur Kühlmitteleinführung
in das Kopfteil Verwendung finden.
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Eine besonders drehsichere und zentriergenaue Ausbildung der Plan-Kerb-Verzahnung
wird durch Anspruch 3 beschrieben. Durch die radial strahlenförmig nach außen verlaufenden
Zähne wirken die Dreh- bzw Verwindungskräfte jeweils rechtwinklig zur Zahnrichtung
und werden somit besonders gut abgefangen.
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Eine vorteilhafte Anordnung des aus Lichtquelle, Reflektor und Sensor
bestehenden optischen Systems wird durch Anspruch 4 gewährt. Dadurch, daß Lichtquelle
und Sensor im Halteteil, der Reflektor jedoch in unmittelbarer Nähe des Werkzeugs
im Kopfteil angeordnet sind, kann auf elektrische Kontaktelemente im Anlagebereich
verzichtet werden. Lediglich der Lichtstrahl wirkt in den Haltekopf hinein und detektiert
die am Reflektor auftretenden Vibrationen oder durch Schnittkräfte ausgeübten Verspannungen
des Kopfteils.
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Gemäß Anspruch 5 können die empfindliche Lichtquelle und der Sensor
auch gänzlich außerhalb des Werkzeug-Wechselhalters angeordnet sein, beispielsweise
in einer völlig selbständigen Meßeinheit. Die Lichtführung erfolgt dann durch einen
Lichtleiter, der koaxial in die Längsbohrung führt und in dieser endet. Dadurch
werden thermische Belastungen des Wechselhalters durch die Lampenwärme vermieden,
außerdem werden Vibrationen und Stöße, wie sie oftmals beim Schneidvorgang auftreten,
nicht auf die Lampe übertragen, wodurch deren Lebensdauer erhöht wird.
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Eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit durch das im Wechselhalter
vorhandene Meßsystem wird durch Anspruch 6 beschrieben. Die Querbohrung gestattet
es, den Lichts t r ah Iia u s z u s p i e g e 1 n und ihn beispielsweise auf die
Werkstückoberfläche zu lenken. Mittels Reflektionsmessung (und Insich-Reflektion
des Lichtstrahls wieder zurück durch die Längsbohrung auf den Sensor) kann die Oberflächengüte
des Werkstückes nach dem Schneidvorgang mitüberprüft werden, wodurch mittelbar eine
Überwachung der Güte des Schneidvorgangs und damit auch der Werkzeugschneide möglich
ist.
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Durch die Verwendung einer Matrix von Dioden wird die Erfassung einer
Vielzahl von Daten über den Schneidvor-
gang und deren elektronische
Verwertung mittels eines Prozeßrechners ermöglicht. Werden beispielsweise auf das
Werkzeug und damit auf das Kopfteil infolge von Schneidenverschleiß derart hohe
Kräfte ausgeübt, daß eine (wenn auch minimale) Verwindung des Kopfteils erfolgt,
so wird der Lichtstrahl infolge der Reflektor-Bewegung auf der Diodenmatrix wandern,
wodurch sich das Bildmuster auf der Diodenmatrix ändert. Ein Prozeßrechner kann
diese Änderung aufnehmen, abspeichern und gegebenenfalls mit neuen Änderungen vergleichen.
Überschreiten die Änderungen ein gewisses Sollmaß, so kann beispielsweise die automatisch
gesteuerte Werkzeugmaschine über den Prozeßrechner abgeschaltet werden (sogenannte
Notabschaltung?. Eine Bildmusteränderung wird auch dann eintreten, wenn sich beispielsweise
der Oberflächenzustand des Werkstückes ändert. Es kann daraus eine Verminderung
der Reflektivität resultieren, welche von der Diodenmatrix aufgenommen und an den
Rechner zur Verwertung weitergeleitet wird.
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Möglich ist auch ein Detektieren der Werkstücktemperatur, da Metalle
in Abhängigkeit von der Temperatur ihren Reflektionskoeffizienten ändern.
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Wenn als Lichtquelle ein Laser Verwendung findet, so wirkt sich das
in mehrere Hinsicht vorteilhaft aus: - Zunächst einmal können komplizierte Linsensysteme
zur Fokussierung des Lichtstrahls im optischen Strahlengang weitgehend entfallen,
da das Laserlicht eine starke Bündelung aufweist.
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- Die monochromatischen Eigenschaften des Laserlichts lassen sich
besonders gut dann ausnutzen, wenn beispielsweise die Oberflächenreflektivität des
Werkstückes zur Temperaturmessung herangezogen werden soll.
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Gemäß Anspruch 9 ist es möglich, beispielsweise nach Abschluß eines
Schneidvorganges den Werki.eug-Wech#P.1ha1-
ter mit einem tastkopf
zu versehen, dessen Füllelemente in Wirkverbindung mit dem Reflektor des elektrooptischen
Meßsystems stehen. Dadurch können dann mit ein und derselben Maschine beispielsweise
gedrehte Wellenprofile auf Genauigkeit überprüft werden, wobei der computergesteuerte
Arm der Maschine, an dessen Ende sich der erfindungsgemäße Werkzeug-Wechselhalter
befindet, am Werkstück entlangfährt und dieses abtastet.
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Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Werkzeug-Wechselhalters,
teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine schematische Darstellung der elektrooptischen
Auswerteschaltung, Fig. 3 eine schematische Ansicht des Kopfteils von oben, teilweise
im Schnitt, Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des Wechselhalters mit aufgesetztem
Tastkopf, teilweise im Schnitt.
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Der insgesamt mit 1 bezeichnete Werkzeug-Wechselhalter - im folgenden
kurz als Halter bezeichnet - für Schneidwerkzeuge 2 besteht im wesentlichen aus
einem das Werkzeug 2 aufnehmendem Kopfteil 3 und einem das Kopfteil 3 tragenden
Haltekörper 4. Das Kopfteil 3 weist eine als Anlagefläche dienende Rückfläche 5,
der Haltekörper eine als Gegenanlagefläche dienende Stirnfläche 6 auf. Rückfläche
5 und Stirnfläche 6 werden durch Spannmittel 7 in Arbeitsstellung aneinandergehalten.
Die Spannmittel 7 bestehen im wesentlichen aus einem aus dem Kopfteil 3 in den Haltekörper
4 hineinstehenden Spannschaft 8 und im Haltekörper 4 angeordnete Zug- oder Rastmittel
9, die auf den Spannschaft 8 eine in den Haltekörper 4 hineingerichtete Anzugskraft
(Pfeil 10) ausüben.
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Rückfläche 5 und Stirnfläche 6 sind rechtwinklig zur Richtung der
Anzugskraft (Pfeil 10) ausgerichtet und
beide mit einer gegenseitig
wirkenden Verzahnung 11 versehen. Diese Verzahnung 11 ist mit mehreren winklig zueinander
wirkenden, als Flanken der Verzahnung ausgebildeten Schrägflächen 12 versehen. Die
Verzahnung 11 ist als Plan-Kerb-Verzahnung mit strahlenförmig gerade radial nach
außen verlaufenden Zähnen 13 versehen (sogenannte Hirth-Verzahnung).
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Die auf den Spannschaft 8 einwirkenden, insgesamt mit 9 bezeichneten
Zug- oder Rastmittel bestehen aus einer Schubstange 14, die sich im Zentrum des
Halters 1 im wesentlichen in Pfeilrichtung 10 erstreckt und an ihrem dem Schneidwerkzeug
2 zugewandten vorderen Ende 15 ein kelchartig gegen das Werkzeug 2 geöffnetes Vorderteil
16 trägt, an dessen sich konusartig nach hinten verjüngender Innenwandung 17 sich
eine Mehrzahl von Rastkugeln 18 abstützt. Die Rastkugeln 18 werden außerdem von
Anlageflächen 19 in einer in Pfeilrichtung 10 im wesentlichen unterschiedlichen
Lage gehalten und können im wesentlichen nur eine radiale Bewegung bezogen auf den
Spannschaft 8 ausüben. Durch die Innenwandung 17 des Vorderteils 16 wird beim Verschub
der Schubstange t4 in entgegengesetzter Pfeilrichtung 10 ein radial nach innen wirkender
Druck auf die Rastkugeln 18 ausgeübt derart, daß diese auf eine konusartige Verdickung
20 am freien Ende 21 des Spannschaftes 8 einwirken und die Anzugskraft in Pfeilrichtung
10 ausüben.
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Auf das Vorderteil 16 der Schubstange 14 wirkt eine die Schubstange
14 peripher umgreifende Druckfeder 22 derart ein, daß die Schubstange in der den
Spannschaft arretierenden Haltestellung unter Federdruck gehalten wird.
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Die zentrale Ausnehmung 23 in der Stirnfläche ó des Haltekörpers 4,
in welche der Spannschaft 8 hineinsteht, hat einen gegenüber dem Durchmesser 24
des Spannschaftes so weit vergrößerten Durchmesser, daß der Spannschaft 8
beim
Wechselvorgang mühelos in die Ausnehmung 23 einführbar ist.
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Parallel zur Pfeilrichtung 10 verläuft im Kopfteil und im Haltekörper
eine Längsbohrung 30, in welcher ein Reflektor 31 und/oder Fokussierungslinsen 32
angeordnet sind und in welche ein Lichtleiter 33 von der Rückseite 34 des Halters
1 her einmündet. Der Reflektor 31 ist im sacklochartigen Ende 35 der Längsbohrung
30 in unmittelbarer Nähe des Werkzeuges 2 angeordnet derart, daß die auf Kopfteil
3 und/oder Schneidwerkzeug 2 einwirkenden Schnittkräfte mehr oder weniger unmittelbar
auf den Reflektor einwirken und diesen - wenn auch nur geringfügig - bewegen.
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Wie in Fig. 2 näher dargestellt ist, wird durch eine Laser-Lichtquelle
36 über einen Strahlteiler 37 der Lichtstrahl 38 in den Lichtleiter 33 eingespeist
und durch das Linsensystem (Linsen 32) auf den Reflektor geworfen. Der von dort
zurückreflektierte Strahl durchläuft abermals den Lichtleiter 33, wird im Strahlteiler
37 seitlich abgelenkt und über ein weiteres Linsensystem 39 auf eine Matrix-Diodenanordnung
40 geworfen, auf welcher er ein schnittkraft- undloder vibrationsabhängiges Bildmuster
erzeugt. Dieses Bildmuster wird von einem Prozessor 41 abgerastert, über Bit-Leitungen
42 in einem Speicher 43 abgespeichert und steht dort als digitale Information zum
Vergleich mit neuen Bildmustern bereit.
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Die Information vom Speicher 43 gelangt über weitere Bit-Leitungen
44 zurück in den Prozessor 41 und kann dort mit neu von der Matrix-Diodenanordnung
40 in den Prozessor gelangenden Bildmusterinformationen in digitaler Form verglichen
werden. Ergibt der Vergleich beispielsweise ein Zuviel an Vibrationen am Schneidwerkzeug
oder zu hohe Schnittkräfte, so kann über eine Ausgangsleitung 45 am Prozessor 41
die numerisch kontrollierte Werkzeugmaschine (oder der Werkzeugroboter) notausgeschaltet
werden.
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In Fig. 3 ist eine weitere Variante des Strahlenverlaufes im Kopfteil
dargestellt. Der Strahl wird durch einen Strahlablenker 46, der im sacklochartigen
Ende 35 der Längsbohrung 30 angeordnet ist, durch eine in das Ende 35 mündende Querbohrung
47 auf die Oberfläche des Werkstücks 48 geworfen und dort in sich zurückreflektiert.
Die Auswertung des reflektierten Strahles erfolgt entsprechend der oben bereits
beschriebenen Art und Weise.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist anstatt des das Schneidwerkzeug
2 tragenden Kopfteiles 3 ein Meßfühler 49 angeordnet, dessen Fühlelemente auf einen
im Meßfühler angeordneten Reflektor einwirken.
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List of reference numbers
| Kunde || Akte Anmelder |
| Customer || case Applicant |
| Pos. Benennung / Designation Pos Benennung |
| Pos. Werkzeug-Wechselhalter Pos Benennung 1 Deslgnation Sonderposjtl |
| 2 Schneidwerkzeug 52 |
| 3 kopfteil 53 |
| 4 Haltekörper 54 |
| 5 Rückfläche von 3 55 |
| 6 Stirnfläche von 4 56 |
| 7 Spannmittel 57 |
| 8 Spannschaft 58 |
| Zug- oder Rastmittel | 59 |
| 10 Pfeil für Anzugskraft | 60 |
| 11 Verzahnung 61 |
| 12 Schragflachen 62 |
| 13 Zähne 63 |
| 14 Schubstange 64 |
| 15 Ende von 14 | 65 |
| 16 Vorderteil von 15 66 |
| 17 Innenwandung von 16 67 |
| 18 Rastkugeln 68 |
| 19 Anlageflächen |
| 20 Verdickung 70 |
| 21 freies Ende von 8 71 |
| 22 Druckfeder 72 |
| 23 Ausnehmung 73 |
| 24 DurcnmessUr des upannscnaf 't4a |
| 25 75 |
| 27 77 |
| 28 78 |
| 29 79 |
| 30 Längsbohrung -80 |
| 31 Reflektor 81 |
| 32 Linsen 82 |
| 33 Lichtleiter 83 |
| 34 Ruckseite von 1 84 |
| 35 Ende von 30 85 |
| 36 Laser-Lichtquelle 86 |
| 37 Strahlteiler 87 |
| 38 Lichtstrahl 88 |
| 39 Neiteres Linsensystem 89 |
| 40 Matrix-Diodenanordnung 90 |
| 41 Prozessor 91 |
| 42 Bit-Leitungen 92 |
| 43 Speicher 93 |
| 44 heitere Bit-Leitungen 94 |
| 45 Ausgangsleitung 95 |
| 46 trahlablenker 96 |
| 47 querbohrung 97 |
| 48 erkstück 98 |
| 49 meßfühler 99 Seite 1 von |
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