DE3437246A1

DE3437246A1 - Sensor for measuring a cutting force component in a machine tool

Info

Publication number: DE3437246A1
Application number: DE19843437246
Authority: DE
Inventors: Dieter 7307 Aichwald Gutbrod; Dietmar Franz 7061 Hohengehren Hafla
Original assignee: Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky
Current assignee: Index Werke GmbH and Co KG Hahn and Tessky
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1986-04-17

Abstract

Sensor for measuring a cutting force component in a machine tool which, for displacement of a tool borne by a slide, has a screw with a nut running on the latter and connected to the slide and has an axial support for the screw. The cutting force components in the longitudinal direction of the screw is measured by means of a space-saving sensor which takes the form of an intermediate ring passed through by the screw and via which the axial force is transmitted from the nut to the slide or from the screw to the support. This intermediate ring has at least two deformation zones, situated opposite one another with respect to the axis of the screw, mounted on each of which deformation zones is a strain gauge, the mutually opposite strain gauges being placed in mutually opposite branches of a Wheatstone bridge circuit.

Description

Sensor zur Messung einer Sensor for measuring a

Schnittkraftkomponente in einer Werkzeugmaschine Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer Schnittkraftkomponente in einer Werkzeugmaschine, welche zum Verschieben eines von einem Schlitten getragenen Werkzeugs eine Gewindespindel mit einer auf dieser laufenden und mit dem Schlitten verbundenen Mutter aufweist, durch Messung der über den Sensor geleiteten Spindelaxialkraft, wobei der Sensor zur übertragung dieser Axialkraft ein Zwischenstück aufweist, welches zumindest eine durch die Axialkraft verformbareDeformationszone besitzt, auf der ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist Ein bekannter Sensor dieser Art zur Anordnung zwischen der Gewindespindel und einem Axiallager für die letztere besitzt ein Zwischenstück in Form einer Hülse, in der durch in Umfangsrichtung verlaufende Ringnuten Deforinationszonen ausgebildet sind. Dieser bekannte Sensor ist nicht nur aufwendig in der Herstellung, sondern er benötigt auch relativ viel Platz, der an den Schlitten von Werkzeugmaschinen meist nicht zur Verfügung steht. Cutting force component in a machine tool The invention relates to a sensor for measuring a cutting force component in a machine tool, which has a threaded spindle for moving a tool carried by a slide with a nut running on this and connected to the slide, by measuring the spindle axial force passed through the sensor, the sensor has an intermediate piece for transmitting this axial force, which at least has a deformation zone which is deformable by the axial force and on which a strain gauge A known sensor of this type is attached to be arranged between the threaded spindle and a thrust bearing for the latter has an intermediate piece in the form of a sleeve, in the deforination zones formed by annular grooves extending in the circumferential direction are. This known sensor is not only expensive to manufacture, but also it also requires a relatively large amount of space on the slides of machine tools mostly not available.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfach herzustellenden und klein bauenden Sensor zu entwickeln, was sich - ausgehend von einem Sensor der eingangs erwähnten Art - erfindungsgemäß dadurch erreichen lässt, daß das Zwischenstück die Form eines zur Übertragung der Axialkräfte zwischen Schlitten und Mutter anbringbaren, flachen Zwischenrings mit einer Öffnung für den Durchtritt der Gewindespindel aufweist. Dieser Zwischenring baut in axialer Richtung außerordentlich kurz und lässt sich deshalb ohne weiteres zwischen der Mutter eines Kugelgewindetriebs und einem Schlitten anordnen.The invention was therefore based on the object of a simple to manufacture and to develop a compact sensor, which is based on a sensor of the initially mentioned type - according to the invention can be achieved in that the intermediate piece the shape of one that can be attached to transmit the axial forces between the slide and the nut, has flat intermediate ring with an opening for the passage of the threaded spindle. This intermediate ring is extremely short in the axial direction and can be therefore easily between the nut of a ball screw and a slide arrange.

Üblicherweise besitzt die Mutter eines Kugelgewindetriebs einen Befestigungsflansch, und in diesem Fall empfiehlt es sich, die radialen Abmessungen des Zwischenrings so zu wählen, daß sie denjenigen des Befestigungsflanschs entsprechen. Der Zwischenring kann dann einfach auf die Mutter aufgeschoben und zwischen deren Befestigungsflansch und dem Schlitten angeordnet werden, ohne daß er über den Befestigungsflansch in radialer Richtung übersteht.The nut of a ball screw drive usually has a mounting flange, and in this case it is advisable to use the radial dimensions of the intermediate ring to be chosen so that they correspond to those of the mounting flange. The intermediate ring can then simply be pushed onto the nut and between its mounting flange and the carriage can be arranged without it over the mounting flange in protrudes in the radial direction.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors besitzt der Zwischenring zum Aufstecken auf die Gewindespindel eine Lücke, so daß er sich sogar ohne Demontage der Gewindespindel austauschen oder nachträglich einbauen lässt.In a preferred embodiment of the sensor according to the invention the intermediate ring has a gap for plugging onto the threaded spindle, so that it can even be exchanged or retrofitted without dismantling the threaded spindle leaves.

Damit sich der Zwischenring satt sowohl an die Mutter als auch an den Schlitten anlegt, empfiehlt sich eine Ausführungsforn, bei der der Zwischenring mindestens zwei in axialer Richtung gegeneinander versetzte und ueber die Deformationszone miteinander verbundene Bereiche aufweist, von denen der eine an der Mutter und der andere am Schlitten befestigbar ist, insbesondere mittels Schrauben.So that the intermediate ring is fed up with both the mother and the to put the sled on, one is recommended Execution form in which the intermediate ring at least two offset from one another in the axial direction and has areas connected to one another via the deformation zone, of which the one can be fastened to the nut and the other to the slide, in particular by means of Screws.

Grundsätzlich käme man zur Erfassung der Axialkraft zwischen Schlitten und Mutter mit einem nur eine einzige Deformationszcne aufweisenden Zwischenring aus. Dann wird der Messwert aber nicht hinsichtlich solcher Beanspruchungen des Dehnungsmeßstreifens kompensiert, welche auf eine Biegebeanspruchung der Gewindespindel zurückzuführen sind. Deshalb wird ein Zwischenring mit mindestens zwei einander bezüglich der Gewindespindelachse gegenüberliegende Defo#tionszonen , auf denen jeweils ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist, bevorzugt, wobei dann diese beiden Dehnungsmeßstreifen in einander gegenüberliegende Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gelegt werden. Gestaltet man den Zwischenring so, daß er vier einander jeweils paarweise gegenüberliegende Bereiche aufweist, von denen diejenigen eines Paares gegenüber denjenigen des anderen Paares axial versetzt sind, und daß die auf der einen Stirnseite des Zwischen rings liegenden Flächen des einen Paares sowie die auf der anderen Stirnseite liegenden Flächen des anderen Paares jeweils in einer gemeinsamen, zur axialen Richtung senkrechten Ebene liegen, so erhält man einen Sensor, der sich satt gegen ebene Flächen der Mutter und des Schlittens anlegen lässt und zu einem optimalen Meßsignal führt, wenn die den vier so geschaffenen Deformationszonen zugeordneten Dehnungsmeßstreifen in die vier Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gelegt werden, und zwar wieder so, daß die einander am Zwischenring gegenüberliegenden Dehnungsmeßstreifen in einander gegenüberliegende Brückenzweige geschaltet werden.Basically, the axial force between the slides would be recorded and nut with an intermediate ring with only a single deformation zone the end. Then the measured value is not with regard to such stresses of the Strain gauge compensates, which is based on a bending stress on the threaded spindle are due. Therefore, an intermediate ring is made with at least two of each other with respect to the threaded spindle axis opposite defo # tion zones on which a strain gauge is attached, preferably, in which case these two Strain gauges in opposite branches of a Wheatstone bridge circuit be placed. The intermediate ring is designed in such a way that there are four of each other in pairs having opposite areas of which those of a pair are opposite those of the other pair are axially offset, and that on one end face of the surfaces lying between the rings of one pair as well as those on the other Face lying surfaces of the other pair each in a common, to axial direction perpendicular plane, you get a sensor that Lets rest against flat surfaces of the mother and the slide and become one optimal measurement signal leads when the four deformation zones created in this way assigned strain gauges in the four branches of a Wheatstone bridge circuit are placed, again so that the opposite to each other on the intermediate ring Strain gauges are connected in opposite bridge branches.

Bei einer bezüglich ihres radialen Platzbedarfs besonders günstigen Ausführungsform weist der Zwischenring an seinem Außenumfang zwischen zwei Deformationszorzen eine Abflachung auf, die, in Richtung senkrecht zu dieser Abflachung gemessen, den Durchmesser des Zwischenrings vermindert, ohne die Funktion des Sensors zu beeinträchtigen.With one that is particularly favorable in terms of its radial space requirements Embodiment, the intermediate ring has on its outer circumference between two deformation zones a flat, which, measured in the direction perpendicular to this flat, den Reduced diameter of the intermediate ring without impairing the function of the sensor.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und/oder der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors; in der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Drehmaschine mit einem Kreuzschlittensystem als Werkzeugträger und an diesem angebrachten erfindungsgemäßen Sensoren zur Messung zweier Schnittkraftkomponenten; Fig. 2 einen an einen Schlitten des Kreuzschlittensystems angebauten Kugelgewindetrieb mit zwischen dessen Mutter und dem Schlitten angebrachtem Sensor, teilweise in der Seitenansicht und teilweise im Schnitt; Fig. 3 eine Stirnansicht des Zwischenrings des erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 4 eine Seitenansicht dieses Zwischenrings, gesehen in Richtung des Pfeils "s" in Fig. 3; Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 3; Fig. 6 eine Seitenansicht einer Deformationszone des Zwischenrings, gesehen in Richtung des Pfeils C in Fig. 3; Fig. 7 eine Stirnansicht einer zweiten Ausführungsform des Zwischenrings des erfindungsgemäßen Sensors, und Fig. 8 eine Wheatstonesche Vollbrückenschaltung zur Verwendung mit einem der in den Figuren 3 und 7 dargestellten Zwischenringe.Further features, advantages and details of the invention result can be found in the accompanying drawings and / or the description below some preferred embodiments of the sensor according to the invention; in the drawing 1 shows a schematic plan view of a lathe with a compound slide system as a tool carrier and attached to this sensors according to the invention for measurement two cutting force components; 2 shows a slide of the compound slide system attached ball screw drive with attached between its nut and the slide Sensor, partly in side view and partly in section; Fig. 3 shows an end view of the intermediate ring of the sensor according to the invention; Fig. 4 a Side view of this intermediate ring, seen in the direction of the arrow "s" in Fig. 3; FIG. 5 shows a section along the line 5-5 in FIG. 3; FIG. Fig. 6 is a side view of a Deformation zone of the intermediate ring, seen in the direction of the arrow C in FIG. 3; Fig. 7 is an end view of a second embodiment of the intermediate ring of the invention Sensors, and FIG. 8 shows a Wheatstone full bridge circuit for use with one of the intermediate rings shown in FIGS.

Die in Fig. 1 gezeigte Drehmaschine besitzt eine Hauptspindel 10, welche ein Spannfutter 12 zum Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks 14 trägt. Die Hauptspindel ist in einem Spindelkasten 16 eines Maschinengestells 18 drehbar gelagert. Das letztere besitzt in Z-Richtung verlaufende Führungen 20 für einen Unterschlitten 22 eines Kreuzschlittensystems 24, und auf dem Unterschlitten 22 befinden sich in X-Richtung verlaufende Führungen 26 für einen Oberschlitten 28, an dem ein ein Werkzeug 30 tragender Werkzeughalter 32 befestigt ist.The lathe shown in Fig. 1 has a main spindle 10, which carries a chuck 12 for clamping a workpiece 14 to be machined. The main spindle can be rotated in a headstock 16 of a machine frame 18 stored. The latter has guides 20 extending in the Z direction for one Lower slide 22 of a cross slide system 24, and on the lower slide 22 are guides 26 running in the X direction for an upper slide 28, to which a tool holder 32 carrying a tool 30 is attached.

Der Verschiebung des Unterschlittens 22 dienen ein erster Kugelgewindetrieb mit einer mit dem Unterschlitten 22 fest verbundenen Mutter 34 und einer uewindespindel 36, die am Maschinengestell 18 in nicht dargestellter Weise drehbar gehalten ist und durch einen Motor 38 angetrieben werden kann. Ein zweiten Kugelgewindetrieb besitzt eine mit dem Ober schlitten 28 fest verbundene Mutter 40 und eine Gewindespindel 42, die am Unterschlitten 22 drehbar gelagert ist und sich durch einen Motor 44 antreiben lässt.A first ball screw drive is used to move the lower slide 22 with a nut 34 firmly connected to the lower slide 22 and a uewindespindel 36, which is rotatably held on the machine frame 18 in a manner not shown and can be driven by a motor 38. A second ball screw has a nut 40 firmly connected to the upper slide 28 and a threaded spindle 42, which is rotatably mounted on the lower slide 22 and is driven by a motor 44 lets drive.

Zwischen jeder der Muttern 34 und 40 sowie den zugehörigen Schlitten 22 bzw. 28 befindet sich ein erfindungsgemäßer Sensor. Erfindungsgemäß könnte dieser aber auch an der Lagerung der jeweiligen Gewindespindel. vorgesehen sein, und zwar derart, daß die axialen Kräfte von der Gewindespindel über den Sensor auf das jeweilige Lager für die betreffende Gewindespindel übertragen werden.Between each of the nuts 34 and 40 and the associated carriage 22 or 28 is a sensor according to the invention. According to the invention this could but also on the bearing of the respective threaded spindle. be provided, namely such that the axial forces from the threaded spindle via the sensor on the respective Bearings for the relevant threaded spindle are transferred.

Mit dem der Gewindespindel 42 zugeordneten. Sensor lässt sich die Schnittkraftkomponente Fx, mit dem der Gewindespindel 36 zugeordneten Sensor die Schnittkraftkomponente F erfassen, wenn das Werkstück 14 mit dem Werkzeug 30 z zerspanend bearbeitet wird.With the threaded spindle 42 assigned. Sensor can be the Cutting force component Fx, with the sensor assigned to the threaded spindle 36, the Detect cutting force component F when the workpiece 14 is machined with the tool 30 z is processed.

Der Einbau des erfindungsgemäßen Sensors soll nun anhand der Fig. 2 erläutert werden, die den in Fig. 1 mit "A" bezeichneten Ausschnitt in gröBerem Maßstab darstellt. Wesentlichster und erfindungsgemäß ausgebildeter Bestandteil des Sensors ist ein Zwischenring 50, welcher zwischen einem Montageflansch 34a der Mutter 34 und dem Unterschlitten 22 angeordnet und über den die Mutter mit dem Schlitten verbunden ist. Zu diesem Zweck besitzt der Montageflansch 34a mehrere abgestufte Bohrungen 34b für in Gewindebohrungen 50a des Zwischenrings 50 einschraubbare Schrauben 52, während der Zwischenring 50 mehrere abgestufte Bohrungen 50b für in Gewindebohrungen 22a des Unterschlittens 22 einschraubbare Schrauben 54 aufweist.The installation of the sensor according to the invention should now be based on FIG. 2 will be explained, which in Fig. 1 section marked "A" represents on a larger scale. Most essential and trained according to the invention Part of the sensor is an intermediate ring 50, which is between a mounting flange 34a of the nut 34 and the lower slide 22 arranged and over which the mother with connected to the slide. For this purpose, the mounting flange 34a has several stepped bores 34b for screwable into threaded bores 50a of the intermediate ring 50 Screws 52, while the intermediate ring 50 has several stepped holes 50b for in Has threaded bores 22a of the lower slide 22 screw-in screws 54.

Der in den Figuren 3 bis 5 näher gezeigte Zwischenring 50 ist als flacher, geschlossener Ring aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff ausgebildet, dessen maximaler Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Montageflanschs 34a und dessen Innendurchmesser dem kleineren Außendurchmesser der Mutter 34,entspricht.The intermediate ring 50 shown in more detail in Figures 3 to 5 is as flat, closed ring made of a metallic material or a plastic formed, the maximum outer diameter of which is the outer diameter of the mounting flange 34a and whose inner diameter corresponds to the smaller outer diameter of the nut 34.

Der Zwischenring 50 hat zwei einander gegenüberliegende und identisch gestaltete, die abgestuften Bohrungen 50b aufnehmende Bereiche 60 und zwei einander gleichfalls gegenüberliegende und identisch ausgebildete, die Gewindebohrungen 50a aufnehmende Bereiche 62, welche gegenüber den Bereichen 60 in Richtung der Achse der Gewindespindel 36 relativ zu den Bereichen 60 versetzt sind, und zwar liegen für den Betrachter der Fig. 3 die Bereiche 62 höher als die Bereiche 60. Auf diese Weise entstehen Stufen 64 und jeweils eine Deformationszone 66, und im Bereich einer jeden Defonnationszcne ist an der Außenumfangsfläche 68 des Zwischenrings 50 ein Dehnungsme3streifen 70 befestigt, dessen Anschlußdrähte in Fig. 6 mit 72 bezeichnet wurden.The intermediate ring 50 has two opposite and identical designed, the stepped bores 50b receiving portions 60 and two each other likewise opposite and identically designed, the threaded bores 50a receiving areas 62, which opposite the areas 60 in the direction of the axis of the threaded spindle 36 are offset relative to the areas 60, namely lie For the viewer of FIG. 3, the areas 62 are higher than the areas 60. On these In this way, steps 64 and one deformation zone 66 each arise, and in the area of one each deformation zone is on the outer circumferential surface 68 of the intermediate ring 50 a strain gauge 70 is attached, the connecting wires of which are marked 72 in FIG were designated.

Die Figuren 3 und 4 lassen schließlich noch erkennen, daß der Zwischenring 50 an seiner Außenseite mit einander gegenüberliegenden Abflachungen 74 ersehen ist, um den Durchmesser des Zwischenrings zu verringern. Diese Abflachungen beeinträchtigen die Funktion des erfindungsgemässen Schnittkraftsensors nicht.Finally, FIGS. 3 and 4 show that the intermediate ring 50 can be seen on its outside with flattened areas 74 lying opposite one another is to reduce the diameter of the intermediate ring. These flats affect the function of the cutting force sensor according to the invention does not.

Die Fig. 8 zeigt eine Wheatstonesche Vollbrückenschaltung mit vier veränderlichen Widerständen R1, R2, R3 und R4, bei denen es sich um die vier Dehnungsmeßstreifen 70 des Zwischenrings 50 handeln soll, und zwar liegen diese Dehnungsmeßstreifen in der gleichen Weise in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen, wie sie auch am Zwischenring 50 einander gegenüberliegend befestigt wurden. Eine Eingangs- oder Speisespannung für die Brückenschaltung wurde mit UE bezeichnet, die Ausgangs-oder Meßspannung der Brückenschaltung mit UA Die in Fig. 7 gezeigte Variante eines Zwischenrings 50' unterscheidet sich vom Zwischenring 50 nach den Figuren 3 bis 6 lediglich dadurch, daß der Ring nicht geschlossen ist, sondern eine Lücke 80' aufweist, deren Breite geringfügig größer als der Durchmesser der Gewindespindel 36 ist, so daß sich der Zwischenring 50' nachträglich und ohne eine Demontage der Gewindespindel auf diese aufstecken und dann auf die Mutter 34 aufschieben lässt.8 shows a Wheatstone full bridge circuit with four variable resistors R1, R2, R3 and R4, which are the four strain gauges 70 of the intermediate ring 50 is to act, namely these strain gauges in the same way in opposite branches of the bridge as they do were attached to the intermediate ring 50 opposite one another. An entrance or Supply voltage for the bridge circuit was designated with UE, the output or Measurement voltage of the bridge circuit with UA The variant of an intermediate ring shown in FIG. 7 50 'differs from the intermediate ring 50 according to Figures 3 to 6 only in that that the ring is not closed, but has a gap 80 ', the width of which is slightly larger than the diameter of the threaded spindle 36, so that the Intermediate ring 50 'subsequently and without dismantling the threaded spindle on this and then slide it onto the nut 34.

Für die dem Zwischenring 50 entsprechenden Merkmale des Zwischenrings 50' wurden dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren 3 bis 5, jedoch unter Hinzufügung eines Strichs verwendet, so daß sich eine weitere Beschreibung des in Fig. 7 gezeigten Zwischenrings erübrigt.For the features of the intermediate ring corresponding to the intermediate ring 50 50 'have the same reference numerals as in Figures 3 to 5, but with the addition of a dash is used so that a further description of that shown in FIG Intermediate ring unnecessary.

Wie sich deutlich z.B. aus Fig. 4 ergibt, fluchten die einen Stirnflächen 82 der Bereiche 62 ebenso miteinander wie die anderen Stirnflächen 84 dieser Bereiche, und die einen Stirnflächen 86 der Bereiche 60 fluchten in gleicher Weise miteinander wie die anderen Stirnflächen 88 dieser Bereiche. Hinzu kommt, daß bei der bevorzugten Ausführungsform die Bereiche 60 gleich dick sind wie die Bereiche 62. - Leerseite -As can be clearly seen, for example, from Fig. 4, the one end faces are aligned 82 of the areas 62 with one another as well as the other end faces 84 of these areas, and the one end faces 86 of the areas 60 are aligned with one another in the same way like the other end faces 88 of these areas. In addition, with the preferred In the embodiment, the areas 60 are of the same thickness as the areas 62. - Blank page -

Claims

Claims 1. Sensor for measuring a cutting force component in a Machine tool which is used to move a tool carried by a slide a threaded spindle with a running on this and connected to the slide Nut, by measuring the spindle axial force transmitted via the sensor, wherein the sensor has an intermediate piece for transmitting this axial force, which has at least one deformation zone which can be deformed by the axial force and on which a strain gauge is applied, characterized in that the intermediate piece the shape of a for the transmission of the axial forces between the slide (22) and the nut (3 #) attachable intermediate ring (50; 50 '.) With an opening for the passage the threaded spindle.

2. Sensor according to claim 1 for one having a mounting flange Nut, characterized in that the radial dimensions of the intermediate ring (50; 50 ') correspond to those of the mounting flange (34a).

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the Intermediate ring (50 ') has a gap (80') for plugging onto the threaded spindle (36).

4. Sensor according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that the intermediate ring (50; 50 ') has at least two in the axial direction offset from one another and connected to one another via the deformation zones (66) Areas (60,62), of which one (62) on the nut (34) and the other (60) can be attached to the slide (22).

5. Sensor according to one or more of claims 1 to 4, characterized characterized in that the intermediate ring (50; 50 ') at least two with respect to one another the threaded spindle axis opposite 'has deformation zones (66) on each of which has a strain gauge (70) attached.

6. Sensor according to claim 5, characterized in that the intermediate ring (50; 50 ') four each other. in pairs opposite areas (60,62; 60 ', 62') of which those of one pair (e.g. 62) versus those of the other Pair (60) are axially offset, and that on one end face of the intermediate ring lying surfaces of one pair as well as those lying on the other end face Surfaces of the other pair each in a common, perpendicular to the axial direction Lie level.

7. Sensor according to one or more of claims 1 to 6, characterized characterized in that the intermediate ring (50) on its outer circumference between two deformation zones (66) has a flat (74).