DE3834090A1 - Kraftsensor - Google Patents

Kraftsensor

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DE3834090A1
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Tomas Leif Svensson
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kraftsensor zum Überwachen des Verhaltens von Schneidwerkzeugen während des Maschinenbetriebes. Der Sensor ist auf einer Werkzeugma­ schine von der Art montiert, welche einen stabilen Trägerab­ schnitt aufweist sowie einen Werkzeughalter, an dem ein Schneid­ werkzeug befestigt ist. Der Kraftsensor ist zwischen dem stabi­ len Trägerabschnitt und dem Werkzeughalter befestigt.
Die bisher bekannten Kraftsensoren zum Überwachen des Verhal­ tens von Schneidwerkzeugen während des maschinellen Betriebes haben verschiedene Nachteile. In einer bekannten Vorrichtung sind die Kraftsensoren zwischen zwei separaten Platten ange­ ordnet, welche der Vorrichtung eine große Höhe und damit auch eine Instabilität verleihen. Weiterhin läßt sich die bekannte Vorrichtung schwierig innerhalb der Standardausrüstung der Maschine anordnen und ist empfindlich auf Temperaturgradien­ ten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftsensor vorzusehen, welcher Werkzeugverschleiß detektiert und einen Austausch des Werkzeuges veranlaßt, um einen Bruch des Werk­ zeuges zu vermeiden, was zu einer möglichen Beschädigung der Werkzeugmaschine oder zu Werkstückausschuß führen könnte.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftsensor vorzusehen, welcher nahe an der Schneidkante liegt.
Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftsensor vorgesehen werden, welcher direkt in dem Weg der Kraftübertra­ gung zwischen dem Werkzeug und dem Bett der Maschine angeordnet ist.
Außerdem soll mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftsensor vorgesehen werden, welcher in erster Linie Vorschubkräfte mißt - das genaueste Indiz für Werkzeugverschleiß.
Mit der vorliegenden Erfindung soll weiterhin ein einziger Kraftsensor für alle Schneidvorgänge vorgesehen werden.
Außerdem soll mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftsensor vorgesehen werden, welcher bezüglich einer thermischen Drift kompensiert ist.
Schließlich soll mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftsen­ sor vorgesehen werden, welcher eine Standardbefestigungsplatte zwischen einem Revolverkopf und einem Kreuzschlitten ersetzen kann.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfin­ dung werden deutlich anhand der vorliegenden Beschreibung in ihrer Gesamtheit. Die Erfindung wird im einzelnen noch genauer in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Werkzeugmaschinensystems ein­ schließlich des Kraftsensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kraftsensor,
Fig. 3 eine Seitenansicht des Kraftsensors,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 2, und
Fig. 5 eine Wheatstone-Brücke.
In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines Werkzeugmaschinensy­ stems dargestellt mit einer Grundfläche 10, einem Maschinen­ bett 11 A, einem Längsschlitten 11, einem Querschlitten 12, einem ebenen Kraftsensor 13, einem Revolverkopf 14, einem Werk­ zeughalter 15 mit einem Schneidwerkzeug 15 A in Eingriff mit einem Werkstück, einem Vorschubmotor 16, einer Vorschubspindel 17, einer Vorschubmutter 18, einem Spannfutter 19 und einer Signalverarbeitungseinrichtung 20.
Das Spannfutter 19, welches das Werkstück hält und dreht, der Längsschlitten 11 und der Vorschubmotor 16 sind auf der Grund­ fläche 10 montiert. Der Motor treibt die Vorschubspindel 17 an, welche mit der Mutter 18 zusammenwirkt, um deren axiale Bewegung vorzusehen. Die Spindel ist in dem Spannfuttergehäuse 19 A gelagert. Die Mutter 18 ist an dem Längsschlitten 11 ange­ bracht, welcher auf dem Maschinenbett 10 A gleitet. Der Längs­ schlitten trägt den Querschlitten 12, welcher durch einen Mo­ tor, eine Vorschubspindel und eine Mutter, welche nicht darge­ stellt sind, ähnlich der Bewegung des Längsschlittens aber senkrecht hierzu bewegt wird. Der Kraftsensor 13 ist zwischen dem Revolverkopf 14 und dem Querschlitten angeordnet, derart, daß die Ebene der Platte im allgemeinen senkrecht zu den Tan­ gentialkräften liegt, welche während der maschinellen Bear­ beitung eines Werkstückes auftreten. Der Kraftsensor wird wäh­ rend der maschinellen Bearbeitung durch Vorschubkräfte und Radialkräfte beeinflußt. Der Sensor setzt die mechanischen Kräfte in elektrische Signale um, welche direkt zu einer Signal­ verarbeitungseinrichtung 20 weitergeleitet werden können. Der rechteckige Kasten 19 B stellt einen Computer dar, welcher die Maschine steuert. Wenn das Werkzeug 15 A betriebsbereit ist, gibt der Computer ein Startsignal an die Signalverarbeitungs­ einrichtung 20, um sie auf Null abzugleichen und sie in eine betriebsbereite Stellung bzw. einen betriebsbereiten Zustand zu bringen. Dann beginnt das Schneidwerkzeug zu schneiden und die resultierende Schneidvorschubkraft verursacht ein elektri­ sches Spannungssignal, welches von der Verarbeitungseinrich­ tung während der Bearbeitung detektiert wird. Falls etwas ge­ schieht, wie z.B. ein Werkzeugbruch oder falls das Werkzeug außerordentlich abgenutzt ist, gibt die Einrichtung 20 einen Alarm an den Computer, welcher die Maschine stoppt.
Die Signalverarbeitungseinrichtung weist Mikroprozessoren und Anzeigen auf, welche dem Benutzer die momentane Überwachung und Steuerung bzw. Kontrolle des Schneidvorganges gewährt. Damit ist die Notwendigkeit für eine dauernde manuelle Über­ wachung des Schneidvorganges beseitigt.
In den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist eine Ausführungsform des Kraft­ sensors 13 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Sensor weist eine Platte 21 auf, welche eine allgemein recht­ eckige Grundform hat. Es versteht sich, daß die Platte 21 auch eine andere als rechteckige Form haben kann, wie z.B. eine runde, dreieckige oder quadratische Form je nach den Standards des jeweiligen Werkzeugmaschinenherstellers. Die Platte 21 ist relativ dünn, vorzugsweise weniger als 100 mm und weist eine Anzahl von Löchern auf, welche sich senkrecht durch sie hindurch erstrecken. Die Platte hat ein erstes Loch bzw. eine erste Bohrung 22 mit oder ohne Gewinde an jeder Ecke für die Aufnahme eines Bolzens zur Verbindung mit dem Querschlitten 12. Wahlweise können auch die Kanten des Plattenrandes an den Querschlitten angeschweißt sein. Die Platte 21 weist weiterhin vier zweite Bohrungen 23 mit oder ohne Gewinde auf, welche für die feste Verbindung mit dem Revolverkopf 14 vorgesehen sind. Ein Element 25′ ist gebildet, welches beweglich oder federnd relativ zu der übrigen Platte ist und welches mittig ein zweites Loch aufweist. Es versteht sich, daß mit den Worten "beweglich" oder "federnd" Abstände bzw. Wege von etwa 1 µm gemeint sind. Das federnde Element 25′ ist bewegbar in im all­ gemeinen einer Richtung F, welches die am häufigsten vorkom­ mende resultierende Richtung der Radialkraft und der Vorschub­ kraft oder axialen Kraft während eines longitudinalen Drehvor­ ganges ist. Dementsprechend wird die tangentiale Schneidkraft vorzugsweise nicht gemessen, da diese Kraft direkt durch die Platte in den Querschlitten 12 übertragen wird. Der Verschleiß des Dreheinsatzes wird kaum angezeigt durch die Tangential­ kräfte, welche auf den Einsatz wirken und weil die Tangential­ kräfte während der Bearbeitung extrem groß sind. Die Radial­ kräfte und die Vorschubkräfte verändern sich während der Ab­ nutzung des Werkzeuges etwa 20 bis 25 mal stärker als dies die Tangentialkräfte während der Abnutzung tun und daher schafft die Messung der Radialkräfte und der Vorschubkräfte die deutlichste Auflösung.
Die Platte 21 in der dargestellten Ausführungsform ist mit vier Schlitzen 24′A und 24′B versehen, welche um einen Winkel α relativ zu den Längsseiten der Platte 21 geneigt sind. Der Winkel α liegt zwischen 45 und 80°. Die Schlitze 24′A, 24′B erstrecken sich von einer Längsseite der Platte 21 zu einer anderen Längsseite. Wahlweise können die Schlitze auch auf an­ dere Arten angeordnet werden. Die Schlitze können rechtwink­ lig zu den Längsseiten der Platte verlaufen und/oder zu der Ebene P der Platte. Die Anordnung der Schlitze hängt davon ab, welche Kräfte gemessen werden sollen. Wenn die Schlitze senkrecht zu den Seiten und zur Ebene P der Platte angeordnet werden (wobei die Winkel α und β, siehe unten, 90° betragen), wird nur die Vorschubkraft gemessen. Wenn die Schlitze sich senkrecht zur Ebene P (β=90°) jedoch geneigt relativ zu den Seiten (α spitzwinklig) erstrecken, werden die Schubkraft und radiale Kräfte gemessen. Wenn, wie in den Figuren darge­ stellt, die Schlitze zu beiden Seiten und der Ebene geneigt sind, werden alle drei auftretenden Kräfte gemessen. Es ist jedoch vorteilhaft, sich auf die Vorschubkraft und die Radial­ kraft zu konzentrieren, weil sie in Bezug auf den Zustand des Werkzeuges ein besseres Signal abgeben als die Tangential­ kraft. Die Platte kann ein zentrales Loch 30′ aufweisen, wel­ che einen Lenker bzw. eine Zugstange zum Festklemmen einer Werkzeugeinheit aufnehmen soll. Die Schlitze 24′A und 24′B sind vorgesehen, um den mittleren Teil 25′ relativ zum Rest der Platte 21′ beweglich zu machen. Die Schlitze 24′A und 24′B sind auch um einen Winkel β relativ zu der Ober-oder Unterseite der Platte 21 geneigt. Der Winkel β liegt zwischen 30 und 60°. Alle vier Schlitze sind untereinander parallel in zwei Rich­ tungen und erstrecken sich von der jeweiligen Ober- und der Unterseite der Platte durch den größten Teil der Platte hin­ durch, so daß Stege 28′ erzeugt werden, welche eine relativ geringe mechanische Festigkeit haben. Dehnungsmesser (Wider­ standsdehnungsmeßstreifen) sind auf den Außenseiten der Stege 28′ angebracht, um eine komplette Wheatstone-Brücke zu erzeu­ gen, wie im einzelnen unten erläutert wird. Aussparungen 31′ sind in Verbindung mit den Enden der am weitesten außen gele­ genen Schlitze ausgebildet, um die Befestigung der Dehnungs­ messer R 1 bis R 4 zu erleichtern. Die Platte 21 kann Löcher 32 zur Durchführung eines fließenden Kühlungsmittels aufwei­ sen. Wenn der Schneidvorgang beginnt, verlaufen die Haupt­ schnittkräfte in erster Linie parallel mit der Platte 21, so daß z.B. die Dehnungsmesser R 1 und R 3 zusammengedrückt und die Dehnungsmesser R 2 und R 4 gedehnt werden. Dies bedeutet, daß die Gesamtbelastung ε tot=4 ε gemäß der Wheatstone-Glei­ chung ist. Wie man aus Fig. 4 sieht, ist das bewegliche Ele­ ment 25′ um etwa 2 mm relativ zu dem Rest der Platte abgestuft, so daß das Element während der Bearbeitung keinen stabilen Teil, wie z.B. den Revolverkopf berührt.
Das Schneidwerkzeug 15 A ist in Fig. 2 ohne den Revolverkopf 14 schematisch dargestellt. Das Schneidwerkzeug 15 A ist in Richtung der Höhe von der Platte 21 beabstandet.
Die Dehnungsmesser R 1 bis R 4, welche einander abgewandt sind, sind vorzugsweise durch Kleben an gegenüberliegenden Seiten der Stege 28′ angebracht und so miteinander verkoppelt, daß sie eine komplette Wheatstone-Brücke bilden, Fig. 5. Die Funk­ tion der Brücke ist die folgende: Die Dehnungsmesser R sind schematisch zu einem Quadrat verkoppelt, so daß die Dehnungs­ messer R 1, R 2, R 3 und R 4 im Uhrzeigersinn in dem Kreis er­ scheinen. Eine Eingangsspannung wird in den Kreis eingeführt zwischen den Dehnungsmessern R 1 und R 4 und zwischen R 2 und R3. Ein Ausgangssignal U out wird zwischen den Dehnungsmessern R 1 und R 2 und zwischen R 3 und R 4 gemessen. Die bekannte Wheat­ stone-Gleichung zum Messen der Deformation ist
ε total=+ε 1-ε 2+ε 3-ε 4,
wobei die Indizes 1, 2, 3 und 4 sich auf den entsprechenden Dehnungsmesser beziehen. Wenn die Platte über die ersten Löcher 22 mit dem Kreuzschlitten 12 und über die zweiten Löcher 23 mit dem Revolverkopf 14 verschraubt bzw. fest verbunden ist, ist der Revolverkopf etwas beweglich relativ zu dem Querschlit­ ten, da die Platte 21 eine stabile Zone, den kleineren Teil der Platte, und eine bewegliche Zone hat, welche durch das bewegliche Element 25′ vorgesehen ist. Die Schneidkraft F, welche während des Schneidvorganges auftritt, wird über die Bolzen durch die zweiten Löcher übertragen. Der Steg 28′ des Elementes 25′, welcher dem Schneidwerkzeug in horizontaler Richtung am nächsten liegt, wird gebogen, so daß die Dehnungs­ messer R 2 und R 4 verformt werden und einen positiven Wert lie­ fern, während der Steg 28′ des Elementes 25′, welcher am wei­ testen entfernt von dem Schneidwerkzeug liegt, so verbogen wird, daß die Dehnungsmesser R 1 und R 3 zusammengedrückt werden und bewirkt, daß sie ein negatives Ausgangssignal haben. Das Ausgangssignal U out ist damit also proportional zu der Gesamt­ verformung
tot=-ε 1-(+ε 2)-e 3-(+ε 4)=4 ε,
vorausgesetzt, daß die Dicke der beiden Stege 28′ gleich ist. Dieser Sensor ist nicht auf Temperaturänderungen empfindlich, da die Stege 28′ bei Temperaturänderungen dieselbe Verformung erfahren, so daß ε tot=0. Dies gilt für direkte thermische Drift des Sensors selbst und für indirekte thermische Drift des Revolverkopfes 14 und/oder des Querschlittens 12.
Bohrungen können in der Platte 21 angebracht sein, um Drähte für die Stromleitung aufzunehmen. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des beweglichen Elementes 25 über die obere oder un­ tere Ebene der Platte 21 angehoben, um die Reibung zwischen den verschraubten Teilen zu verringern. Die Platte kann zwei Positionierlöcher aufweisen, welche Stifte aufnehmen sollen, die von dem Querschlitten hervorstehen.
Das Verfahren zum Detektieren von Kräften, welche während der maschinellen Bearbeitung des Werkstückes in der Werkzeugma­ schine auftreten, kann mit den folgenden Schritten zusammenge­ faßt werden:
  • - Vorsehen eines Kraftsensors 13, welcher die Form einer im allgemeinen ebene Platte 21 hat, welche mit von einer Seite zur anderen Seite sich erstreckenden Schlitzen 24′A, 24′B versehen ist, die Zonen definieren, welche relativ zueinan­ der zumindest in der Ebene der Platte federnd angeordnet sind,
  • - Vorsehen von Meßeinrichtungen, welche voneinander abgewandt sind, an geschwächten Abschnitten 28′ zwischen diesen Zonen,
  • - Vorsehen einer Einrichtung zum Befestigen und Befestigung einer Zone 25′ der Platte an einem Werkzeughalter 14 der Maschine und einer anderen Zone der Platte an einem stabilen Trägerabschnitt 12 der Maschine,
  • - Verbinden des Kraftsensors 13 mit einer Signalverarbeitungs­ einrichtung 20,
  • - Messen zumindestens der radialen Kraft oder der axialen Schneidkraft in der Ebene der Platte, welche von dem Werk­ zeughalter auf den Sensor übertragen werden und
  • - Detektieren der Signale von dem Sensor mit Hilfe der Signal­ verarbeitungseinrichtung unter Ansprechen auf die Größe der Schneidkräfte, welche während der maschinellen Bearbeitung auftreten.
Damit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Kraft­ sensor, welcher stabil und klein in Bezug auf seine Höhe ist und welcher dicht an der Schneidkante und direkt im Kraftüber­ tragungsweg angeordnet werden kann. Weiterhin kann er für einen weiten Bereich von Schneidvorgängen verwendet werden und ist nicht empfindlich auf Temperaturänderungen.
Ausgestaltungen des Kraftsensors können entsprechend den indi­ viduellen Standards jedes Werkzeugmaschinenherstellers vorge­ nommen werden, ohne daß dadurch von dem durch die Ansprüche gegebenen Rahmen abgewichen wird.

Claims (8)

1. Kraftsensor für eine Werkzeugmaschine von der Art, welche einen stabilen Trägerabschnitt (12) und einen Werkzeug­ halter (14) aufweist, welcher ein daran befestigtes Schneid­ werkzeug (15 A) trägt, wobei der Kraftsensor (13) zwischen dem stabilen Trägerabschnitt und dem Werkzeughalter montiert ist und Seiten hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (13) die Form einer im allgemeinen ebenen Platte (21) hat, welche Schlitze (24′A, 24′B) aufweist, die sich allgemein in einer Richtung von einer Seite zur anderen Seite der Platte erstrecken und Zonen definieren, welche zumindest in der Ebene (P) der Platte federnd relativ zueinander angeordnet sind, wovon eine erste Zone (25′) mit dem Werkzeughalter (14) und eine zweite Zone mit dem stabilen Trägerabschnitt (12) verbunden sind,und daß der Sensor mit Meßeinrichtungen (R 1, R 2, R 3, R 4) versehen ist, welche an zumindest einem Teil eines Abschnittes (28′) angeordnet sind, welcher die genannten Zonen verbindet, und daß der Kraftsensor (13) beweglich zumindest in der Ebene der Platte (21) ist und daß die Meßeinrichtungen vorgesehen sind zum Detektieren von Kräften, welche hauptsächlich in der Ebene ausgerich­ tet sind.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen so angeordnet sind, daß sie ausschließ­ lich Schneidkräfte messen, welche in Richtung der Ebene (P) der Platte auftreten.
3. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (R 1, R 2, R 3, R 4) Dehnungsmesser sind, welche zu einer vollständigen Wheatstone-Brücke verkoppelt sind und daß die Dehnungsmesser (R 1, R 3 und R 2, R 4) paarwei­ se an dem geschwächten Abschnitt (28′) angeordnet sind, wobei innerhalb jedes Paares die Meßeinrichtungen so ange­ ordnet sind, daß sie identische Verformungswerte messen, wobei das eine Paar eine Dehnung und das andere der Paare eine Kompression der geschwächten Abschnitte mißt.
4. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (21) im wesentlichen von rechteckiger Form ist und Löcher aufweist, die sich durch sie hindurch erstrecken, wobei die Platte ein erstes Loch (22) an jeder ihrer Ecken hat, um einen Bolzen für die Verbindung mit einem Querschlit­ ten (12) aufzunehmen, welcher indirekt verbunden ist mit einem Querschlitten (12), der indirekt verbunden ist mit der Grundfläche (10), wobei die Platte zweite Löcher (23) hat, welche sich durch sie hindurch erstrecken, und daß die Schlitze (24′A, 24′B) sich hauptsächlich senkrecht zu der Ebene der Platte und senkrecht zu den Seiten der Platte erstrecken, wobei diese Schlitze ein federndes Element (25′) definieren, welches zwischen ihnen liegt und im allgemeinen in einer Richtung bewegbar ist.
5. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (24′A, 24′B) sich senkrecht zu der Ebene der Platte (21) erstrecken und relativ zu den Seiten der Platte geneigt sind, um Vorschubkräfte und radiale Kräfte zu mes­ sen.
6. Kraftsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platte (21′) Schlitze (24′A, 24′B) einschließt, welche sich unter einem Winkel über die oberen und unteren Flächen der Platte erstrecken, derart, daß jeder Schlitz einen ersten spitzen Winkel (α) relativ zur Ebene der Plat­ te bildet, wobei sich jeder Schlitz unter einem Winkel durch den größten Teil der Platte in Richtung ihrer Dicke er­ streckt, um so relativ schwache Stege (28′) zu erzeugen, wobei jeder Schlitz einen zweiten spitzen Winkel (β) mit den oberen oder unteren Flächen der Platte bildet, und daß alle Schlitze (24′) parallel zueinander verlaufen, so daß ein federndes Element (25′) gebildet wird, welches über die Stege (28′) mit den stabilen Elementen verbunden ist.
7. Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste spitze Winkel (α) zwischen 45° und 80° und der zweite spitze Winkel (β) zwischen 30° und 60° liegt.
8. Kraftsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element (25′) relativ zu der übrigen Platte (21) abgestuft ist, so daß ein Spiel gegenüber dem Werkzeughalter (14) oder dem stabilen Träger (12) vorgesehen ist.
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