DE3908175A1 - Wandler fuer die ermittlung einer schneidkraft oder eines schneidwiderstands und diesen verwendende belastungs-detektorvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft oder eines Schneidwiderstands, der auf ein Maschinenwerkzeug ausgeübt wird, wenn ein Werkstück bearbeitet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft oder eines Schneidwiderstands unter Verwendung eines piezoelektrischen Sensors. Schließlich betrifft die Erfindung eine Befestigungs- bzw. Anbringungsanordnung zur Befestigung bzw. Anbringung eines derartigen Wandlers an einem Maschinenwerkzeug.

In den vergangenen Jahren ist in Verbindung mit der praktischen Anwendung eines Produktionssystems, wie eines FMC-Systems, eines FMS-Systems oder dergleichen, das Maschinenwerkzeug, wie ein Bearbeitungszentrum, eine NC-Drehbank oder dergleichen, unbedient betrieben worden. Beim unbedienten Betrieb wird eine Messung des Schneidzustands im Prozeß sehr gefordert, um das Auftreten einer Abnormalität während der Bearbeitung eines Werkstücks zu überwachen. Dabei stellt insbesondere die Messung der Schneidkraft und des Schneidwiderstands - diese Größen betreffen in starkem Maße die Abnormalität des Werkzeugs - das große Thema dar.

Zur Messung der Schneidkraft oder des Schneidwiderstands ist bisher ein Verfahren angewandt worden, bei dem ein Dehnungsmeßstreifen oder ein Quarzresonator in einem Werkzeug oder dergleichen aufgebaut ist, wobei eine Belastung gemessen wird. Es ist aber auch ein Verfahren angewandt worden, durch das ein Laststrom eines Motors gemessen wurde, mit dem die Hauptantriebswelle angetrieben wurde.

Bei einem derartigen Belastungs-Meßverfahren ist jedoch der Detektor teuer, und die Stabilität des Detektors selbst ist gering, so daß bei Ausübung einer starken Kraft auf den Detektor dieser leicht zu Bruch geht. Demgegenüber ist bei jeglichem Belastungs-Meßverfahren und Motor-Laststrom-Meßverfahren im Falle der Messung einer geringen Schneidkraft oder eines geringen Schneidwiderstands eines einen geringen Durchmesser aufweisenden Bohrers, Gewindebohrers oder dergleichen die Detektor-Empfindlichkeit so gering, daß der Detektor durch Störungen oder dergleichen beeinflußt wird. Es ist schwierig, die Schneidkraft oder den Schneidwiderstand genau zu messen. Ein solches Problem stellt eine starke Behinderung dafür dar, den unbedienten bzw. unbemannten Betrieb des Maschinenwerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine zu realisieren.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Detektoranordnung zu schaffen, die eine genügende Stabilität besitzt, um eine starke Schneidkraft und einen starken Schneidwiderstand auszuhalten.

Darüber hinaus soll ein Wandler geschaffen werden, der sogar eine kleine Schneidkraft und einen kleinen Schneidwiderstand infolge einer hohen Detektor-Empfindlichkeit genau ermitteln kann und der außerdem mit einer Befestigungs- bzw. Anbringungsanordnung ausgestattet ist.

Ferner soll ein Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft und eines Schneidwiderstands unter Verwendung eines piezoelektrischen Sensors geschaffen werden, wobei außerdem eine Befestigungsanordnung eines derartigen Wandlers geschaffen werden soll.

Ferner soll ein Wandler für die Verwendung bzw. den Einsatz in einem Maschinenwerkzeug bzw. einer Werkzeugmaschine geschaffen werden, in dem eine innere Prozeßmessung für den unbemannten Betrieb richtig ausgeführt werden kann, wobei außerdem eine Befestigungsanordnung für einen derartigen Wandler bereitgestellt werden soll.

Darüber hinaus soll ein Wandler bereitgestellt werden, der integral in einen Werkzeughalter eines Maschinenwerkzeugs bzw. einer Werkzeugmaschine derart zusammengebaut ist, daß eine auf ein Schneidwerkzeug ausgeübte Last direkt und genau gemessen werden kann.

Schließlich soll ein Wandler mit einer Schaltung bereitgestellt werden, die eine Schneidlast und einen Schneidwiderstand genau ermitteln kann, ohne durch die Abweichung bzw. Drift eines piezoelektrischen Sensors beeinflußt zu werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft oder eines Schneidwiderstands eines Maschinenwerkzeugs oder einer Werkzeugmaschine geschaffen, umfassend einen piezoelektrischen Sensor vom Filmschichttyp, bei dem Elektrodenschichten auf beiden Seiten einer piezoelektrischen Materialschicht gebildet sind und eine Struktur aufweisen, bei der ein Durchgangsloch in der Mitte des piezoelektrischen Sensors gebildet ist. Dieses Durchgangsloch durchdringt eine Förderschraubenwelle oder dergleichen der Werkzeugmaschine bzw. des Maschinenwerkzeugs.

Ein derartiger Wandler ist an dem Mutternteil der Förderschraubenwelle derart angebracht, daß ein Arbeitstisch oder ein Werkstücktisch in einer Werkzeugmaschine bewegt wird, oder er ist an dem Lagerteil der Förderschraubenwelle angebracht. Der betreffende Wandler mißt die Schneidkraft und den Schneidwiderstand auf die Schneidbearbeitung hin.

Da der Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Sensor vom Filmschichttyp verwendet, wird er auch dann nicht beschädigt, wenn eine starke Schneidkraft oder ein hoher Schneidwiderstand auf den Sensor ausgeübt wird. Da die Filmdicke des piezoelektrischen Sensors dünn ist, wird andererseits sogar in dem Fall, daß eine Schneidkraft oder ein Schneidwiderstand auf den betreffenden Sensor ausgeübt wird, eine Verformung des Sensors selbst äußerst gering sein und keinen Einfluß auf die Arbeitsgenauigkeit ausüben.

Die Empfindlichkeit des Wandlers selbst kann ohne weiteres dadurch erhöht werden, daß der Bereich bzw. die Fläche des piezoelektrischen Sensors vergrößert wird. Durch Vergrößern der Fläche des piezoelektrischen Sensors wird die Last pro Einheitsfläche vermindert, und die Stabilität kann weiter gesteigert werden.

Da die Detektor-Empfindlichkeit hoch ist, ist andererseits ein weiter Meßbereich von 1 kgf bis 1000 kgf geschaffen. Sogar im Falle eines einen geringen Durchmesser aufweisenden Bohrers oder Gewindebohrers, der eine geringe Schneidkraft und einen geringen Schneidwiderstand vorfindet, kann die betreffende Schneidkraft und der betreffende Schneidwiderstand ebenfalls genau gemessen werden.

Der Wandler gemäß der Erfindung ist andererseits mit dem Werkzeughalter zusammenhängend vorgesehen bzw. ausgebildet. Dies bedeutet, daß ein Adapter zur Befestigung eines Schneidwerkzeugs, wie eines Bohrers, eines Gewindebohrers oder dergleichen, an dem Werkzeughalter angebracht ist, der an der Hauptwelle des Maschinenwerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine frei angebracht oder von dieser gelöst werden kann. Ein piezoelektrischer Sensor vom Filmschichttyp ist an dem Adapter derart angebracht, daß er einer Schneidbelastung in axialer Richtung ausgesetzt ist.

Der piezoelektrische Sensor ist an dem Lagerteil des Adapters in einem Zustand angebracht, in welchem der betreffende Sensor zwischen einem Paar von Drucklagern eingebettet ist, auf die eine Belastung in der axialen Richtung ausgeübt wird. Ferner ist ein Drehsicherungsglied vorgesehen, welches die Drehung des Drucklagers auf der bzw. die Seite stillsetzt, auf der der Wandler angebracht ist.

Der piezoelektrische Sensor ist ferner in Umfangsrichtung der Welle in vier Teile aufgeteilt; er ermittelt die Belastungen in den Richtungen der X- und Y-Achsen in den orthogonalen Koordinaten, welche zu der Welle rechtwinklig verlaufen, und zwar aus den Differenzen zwischen den Detektorsignalen aus den unterteilten Detektorbereichen, die in bezug auf die Wellenmitte symmetrisch sind.

Das Signal von dem piezoelektrischen Sensor, das bei dem Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird mittels eines Ladungs-Verstärkers in ein Spannungssignal umgesetzt und abgegeben. Wenn eine nahezu konstante Belastung auf den piezoelektrischen Sensor während einer langen Zeitspanne ausgeübt wird, tritt eine Änderung bzw. Drift auf, so daß die Ausgangsspannung des Ladungs- Verstärkers sich im Laufe der Zeit ändert.

Um die Drift des Ladungs-Verstärkers zu vermeiden, sind zwei Wandler in dem Schneid-Belastungs-Detektormechanismus vorgesehen. Wenn die auf den piezoelektrischen Sensor des einen Wandlers der beiden Wandler ausgeübte Belastung zunimmt, reduziert der Schneid-Belastungs-Detektormechanismus gleichzeitig die Schneidbelastung, die auf den piezoelektrischen Sensor des anderen Wandlers ausgeübt wird. Die Detektor-Ausgangssignale der beiden Wandler werden durch die Ladungs-Verstärker in Spannungssignale umgesetzt. Nach Umsetzung des Ausgangssignals des einen Verstärkers der Ladungs-Verstärker wird das invertierte Ausgangssignal dem Ausgangssignal des anderen Ladungs- Verstärkers hinzuaddiert, wodurch die betreffende Drift eliminiert ist.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht eine Ausführungsform eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des in Fig. 1 dargestellten Wandlers mit einem weggeschnittenen Bereich.

Fig. 3 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm eine NC-Drehbank.

Fig. 4 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm ein Vertikal-Bearbeitungszentrum.

Fig. 5 veranschaulicht in einem Explosions-Diagramm einen Lauf-Schraubenmechanismus des Bearbeitungszentrums.

Fig. 6 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm die erste Ausführungsform einer Befestigungsanordnung des Wandlers gemäß der Erfindung.

Fig. 7 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm die zweite Ausführungsform einer Befestigungsanordnung des Wandlers gemäß der Erfindung.

Fig. 8 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm einen Lagerteil bei der Anordnung gemäß Fig. 7.

Fig. 9 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm eine Befestigungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein Wandler mit einem Traglager zusammenhängend zusammengebaut ist.

Fig. 10 veranschaulicht in einem beispielhaften Diagramm einen Zustand, bei dem der Wandler mit einem Werkzeughalter integral zusammengebaut ist.

Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht eines Befestigungsteiles des Wandlers in Fig. 10.

Fig. 12 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm eine weitere Wandleranordnung, die an dem Werkzeughalter in Fig. 10 angebracht ist.

Fig. 13 zeigt einen Schaltplan einer Wandlerschaltung unter Verwendung eines piezoelektrischen Sensors und eines Ladungs-Verstärkers.

Fig. 14 veranschaulicht in einem Signaldiagramm eine Drift einer Ausgangsspannung, die in der Wandlerschaltung gemäß Fig. 13 hervorgerufen wird.

Fig. 15 veranschaulicht in einem Schaltplan eine Wandlerschaltung gemäß der Erfindung zur Vermeidung der Drift.

Fig. 16 zeigt in einem erläuternden Diagramm einen die Drift verhindernde Last-Detektormechanismus.

Fig. 17 zeigt eine Schnittansicht eines Mutternteiles der in Fig. 16 dargestellten Anordnung.

Fig. 18 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm eine weitere Ausführungsform eines Last-Detektormechanismus zur Vermeidung der Drift.

Fig. 19A, 19B, 19C und 19D veranschaulichen anhand von Signalverläufen den Betrieb der in Fig. 16 dargestellten Schaltung.

Nunmehr werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Wandler bezeichnet, mit dem eine Kraft ermittelt wird, die durch eine Schneidkraft oder einen Schneidwiderstand hervorgerufen wird. Der Wandler 10 weist in einer Mitte eine Schicht 12 aus einem piezoelektrischen Material auf, wobei zu beiden Seiten der piezoelektrischen Materialschicht 12 Elektrodenschichten 14-1 und 14-2 gebildet sind. Anschlußdrähte 15-1 und 15-2 führen von den Elektrodenschichten 14-1 und 14-2 weg. Isolierschichten 16-1 und 16-2 sind an den Außenseiten der Elektrodenschichten 14-1 und 14-2 unter Verwendung eines Klebmittels oder dergleichen angebracht. Ein piezoelektrischer Sensor vom Filmschichttyp ist durch die piezoelektrische Materialschicht 12 und die Elektrodenschichten 14-1 und 14-2 gebildet. Praktisch ausgedrückt ist es möglich, eine piezoelektrische Einrichtung zu verwenden, die durch ein hochmolekulares piezoelektrisches Material gegeben ist, wie beispielsweise durch PVDF (Polyvinylidenchlorid), das als piezoelektrischer Film bekannt ist. Die piezoelektrische Einrichtung ist vom Filmtyp und weist eine Dicke von etwa 0,2 mm auf. Sogar dann, wenn ein Young-Modul klein ist, wird andererseits eine Verformung bei Ausübung einer Belastung auf die betreffende Einrichtung extrem gering sein. Demgemäß wird, wie dies aus der nachstehenden Beschreibung noch verständlich werden wird, sogar in dem Fall, daß die piezoelektrische Einrichtung direkt in einem Förderschraubenmechanismus einer Werkzeugmaschine zusammengeschraubt ist, kein Problem in der Arbeitsgenauigkeit aufgrund der Verformung der piezoelektrischen Einrichtung auftreten. Da eine piezoelektrische Konstante (das ist die Menge der pro Einheits-Kraft erzeugten Ladungen) der piezoelektrischen Einrichtung unabhängig von der Fläche konstant ist, auf welche eine Kraft ausgeübt wird, kann ferner durch Vergrößern der Fläche die Belastung pro Einheitsfläche bzw. Flächeneinheit reduziert werden, und die Stabilität kann ohne Herabsetzung der Empfindlichkeit gesteigert werden.

Ferner ist ein Durchgangsloch 18, welches einen Durchgang einer Förderschraubenwelle oder dergleichen der Werkzeugmaschine ermöglicht, in der Mitte des Wandlers 10 gebildet. Darüber hinaus sind, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist, Bolzendurchgangslöcher 20 gebildet, an denen der Wandler 10 angebracht und befestigt ist. Die Anzahl der Bolzendurchgangslöcher 20 kann, wie erforderlich, frei festgelegt werden. Wird demgegenüber kein Bolzen verwendet, so besteht keinerlei Forderung zur Bildung von Durchgangslöchern 20.

Entsprechend dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler 10 gemäß der Erfindung kann durch Schalten einer Kapazität eines Kondensators eines Ladungs-Verstärkers zur Gewinnung eines Detektor-Ausgangssignals des Wandlers 10 die Kraft innerhalb eines weiten Bereiches von 1 kgf bis 1000 kgf gemessen werden, und die Auflösung kann in der Größenordnung von etwa 100 gf erreicht bzw. realisiert werden.

Eine Befestigungsanordnung zur Befestigung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandlers 10 gemäß der Erfindung an dem Maschinenwerkzeug bzw. der Werkzeugmaschine wird nunmehr beschrieben werden.

Zunächst werden, obwohl verschiedene Arten von NC-Maschinenwerkzeugen vorhanden sind, an denen der Wandler gemäß der Erfindung angebracht bzw. installiert wird bzw. werden kann, eine NC-Drehbank, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist, und ein Vertikal-Verarbeitungszentrum, wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist, als typische NC-Werkzeugmaschinen betrachtet.

Bei der NC-Drehbank gemäß Fig. 3 werden die zum Schneiden eines Werkstücks führenden Bewegungen in zwei Richtungen ausgeführt, und zwar in den X- und Y-Achsen, wie dies durch Pfeile veranschaulicht ist. Andererseits werden bei dem Bearbeitungszentrum gemäß Fig. 4 die Bewegungen in drei Achsenrichtungen X, Y und Z ausgeführt.

Bei der Erläuterung des Bearbeitungszentrums gemäß Fig. 4 als Beispiel werden sämtliche Bewegungen in den Achsenrichtungen X, Y und Z zum Schneiden eines Werkstücks dadurch erreicht, daß die Drehung eines Impulsmotors in geradlinige Bewegungen mittels eines Kugel-Schrauben- Mechanismus umgesetzt wird.

Dies bedeutet, daß gemäß Fig. 5 die Bewegung in der Y-Achsenrichtung eines Supportschlittens 30, der auf einem Bett 22 derart angebracht ist, daß er in der Y-Achsenrichtung bewegbar ist, in folgender Weise erzielt wird. Eine Förder- bzw. Transportschraubenwelle 26-1 wird mittels eines Impulsmotors 24-1 in Drehung versetzt, der an dem Bett 22 angebracht ist. Die geradlinige Bewegung einer Förder- bzw. Transportmutter 28-1, die gewindemäßig mit der Transportschraubenwelle 26-1 in Eingriff gelangt bzw. steht, wird auf den Supportschlitten 30 übertragen. Andererseits wird die Bewegung in der X-Achsenrichtung eines (nicht dargestellten) Werkstücktisches, der an bzw. auf dem Supportschlitten 30 angebracht ist, in folgender Art und Weise abgeleitet. Eine Transportschraubenwelle 26-2 wird mittels eines Impulsmotors 24-2 in Drehung versetzt, der an dem Supportschlitten 30 angebracht ist, und die geradlinige Bewegung einer Transportmutter 28-2, die gewindemäßig mit der Transportschraubenwelle 26-2 in Eingriff gelangt bzw. steht, wird auf den Werkstücktisch übertragen.

Darüber hinaus wird die Bewegung in der Z-Achsenrichtung eines Haupt-Wellen-Kopfes 34 in folgender Weise durch eine Säule bzw. einen Ständer 32 erhalten. Eine Transportschraubenwelle 26-3 wird durch einen Impulsmotor 24-3 in Drehung versetzt, der an dem Ständer 32 angebracht ist, und die geradlinige Bewegung einer Transport-Mutter 28-3, welche gewindemäßig mit der Transportschraubenwelle 26-3 in Anlage gelangt bzw. steht, wird auf den Haupt-Wellen- Kopf 34 übertragen, wodurch der betreffende Kopf 34 in der Z-Achsrichtung bewegt wird.

Wie aus der Umsetzung in die geradlinige Bewegung durch den Kugel-Schrauben-Mechanismus, wie er in Fig. 4 veranschaulicht ist, ohne weiteres verständlich sein dürfte, ist auf die Bearbeitung eines Werkstücks hin eine Komponentenkraft F₁ in der axialen Richtung, welche Kraft auf die Transport-Schrauben-Wellen 26-1 bis 26-3 ausgeübt wird, als Summe einer Schneidkraft F₂ in jeder Richtung und eines Reibungswiderstands F₃ auf der Gleitfläche gegeben:

F₁ = F₂ + F₃ . (1)

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler 10 gemäß der Erfindung ist die Befestigung an dem Maschinenwerkzeug bzw. der Werkzeugmaschine derart vorgesehen, daß die Komponentenkraft F₁ in der axialen Richtung der Transport- Schrauben-Welle gemäß der Gleichung (1) gemessen wird.

Obwohl die in der Gleichung (1) angegebene Schneidkraft F₂ experimentell separat gemessen werden kann, existiert ein schwieriges Problem in dem Fall, daß der Wandler 10 an einer tatsächlichen Maschine angebracht bzw. mit dieser zusammengebaut ist und daß die Kraft gemessen wird. Demgemäß wird gemäß der Erfindung die Kraft F₁, die dadurch erhalten wird, daß der Reibungswiderstand F₃ zu der Schneidkraft F₂ hinzuaddiert wird, mittels des Wandlers 10 gemessen. Wenn die Messung der Schneidkraft F₂ zusätzlich zu dem Reibungswiderstand F₃ erfolgt, wird mit Rücksicht darauf, daß der Reibungswiderstand F₃ im Verhältnis zu der Schneidkraft F₂ ebenfalls zunimmt oder abnimmt, sogar in dem Fall, daß der Reibungswiderstand F₃ eingeschlossen ist, kein Problem auftreten, wenn die Summe der Schneidkraft F₂ und des Reibungswiderstands F₃ als wesentliche Schneidkraft gemessen wird. Da die Reibungskraft F₃ ziemlich kleiner ist als die Schneidkraft F₂ tritt im übrigen kein praktisches Problem auf.

Fig. 6 veranschaulicht in einem beispielhaften Diagramm das erste Ausführungsbeispiel einer Befestigungsanordnung des Wandlers 10 gemäß der Erfindung.

In Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 26 eine Transport- Schraubenwelle bezeichnet, die mittels eines Impulsmotors gedreht wird. Die linke Seite der Transport-Schraubenwelle 26 ist von einem Kugel-Schrauben-Traglager drehbar getragen, welches ein Paar von Traglagern 36-1 und 36-2 aufweist, welche gleichzeitig sowohl eine radiale Belastung als auch eine Druckbelastung aufnehmen können. Eine Abtriebswelle des Impulsmotors ist mit dem Endbereich der Transport-Schraubenwelle 26 verbunden, die auf der Außenseite der Traglager 36-1 und 36-2 angeordnet ist. Andererseits ist das axiale Ende auf der rechten Seite der Transport-Schraubenwelle 26 von einem Kugellager 36-3 drehbar getragen. Eine Transport-Mutter 28 ist gewindemäßig mit der Transport-Schraubenwelle 26 in Eingriff bzw. gelangt in Eingriff damit.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Wandler 10 gemäß der Erfindung ist an der Transport-Mutter 28 angebracht, die gewindemäßig in Anlage mit der Transport-Schraubenwelle 26 steht. Dies bedeutet, daß der in Fig. 1 und 2 dargestellte Wandler 10 vom Ringrohrtyp an der linken Endseite der Transport-Mutter 28 angebracht ist. Ein Verbindungs- bzw. Kopplungsteil 40, der mit dem Werkstücktisch oder Bearbeitungstisch verbunden ist, ist in die Außenseite des Wandlers 10 eingepaßt, wodurch die Befestigung und Fixierung des Wandlers 10 an der Transport-Mutter 28 unter Verwendung eines Bolzens an der Stelle erfolgt, die durch eine Mittellinie gekennzeichnet ist.

Nunmehr wird die Messung der Schneidkraft beschrieben werden.

Zunächst wird in dem Zustand, in welchem der Wandler 10 mittels des Verbindungsteiles 40 an der Transport-Mutter 28 befestigt und fixiert ist, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist, eine feste Belastung auf den Wandler 10 aufgrund der Befestigung ausgeübt. Ein Detektor- Ausgangssignal des Wandlers 10 wird dem Ladungs-Verstärker eingangsseitig zugeführt. Auf die Aufnahme des Detektor-Ausgangssignals von dem Wandler 10 aufgrund der festen Belastung befindet sich der in einer Rückkopplungsschaltung des Ladungs-Verstärkers vorgesehene Kondensator in dem Ladungszustand. Im Zustand vor der Messung hat der Ladungs-Verstärker bereits das Ausgangssignal erzeugt. Demgemäß wird vor der Messung der in der Rückkopplungsschaltung des Ladungs-Verstärkers vorgesehene Kondensator entladen und zurückgesetzt, wodurch das Ausgangssignal des Ladungs-Verstärkers initialisiert ist.

Wenn in diesem Zustand die Transport-Schraubenwelle 26 durch den Impulsmotor gedreht wird und wenn die Transport- Mutter 28 in eine vorbestimmte Richtung bewegt wird, dann beginnt der Werkstücktisch oder der Werkzeugtisch, sich über den Kopplungsteil 40, der an der Transport-Mutter 28 angebracht ist, durch den Wandler 10 zu bewegen. Durch die Bewegung in der Querrichtung (rechts/links) der Transport-Mutter 28 aufgrund der Drehung der Transport- Schraubenwelle 26 wird der Schneidwiderstand von dem Werkstücktisch oder die Schneidkraft von dem Werkzeugtisch auf den Wandler 10 ausgeübt, der zwischen den Kopplungsteil 40 und die Transport-Mutter 28 eingeschichtet ist.

Im Falle der Anordnung gemäß Fig. 6 wird mit Rücksicht darauf, daß der Wandler 10 an der linken Seite der Transport-Mutter 28 festgelegt bzw. fixiert ist, bei solcher Drehung der Transport-Schraubenwelle 26, daß der Werkstücktisch oder der Werkzeugtisch durch die Transport- Mutter 28 nach rechts bewegt wird, die Druckkraft abnehmen, die von dem Kopplungsteil 40 auf den Wandler 10 ausgeübt wird. Demgegenüber wird dann, wenn die Transport- Schraubenwelle 26 derart gedreht wird, daß die Transport- Mutter 28 nach links bewegt wird, die von dem Kopplungsteil 40 auf den Wandler 10 ausgeübte Druckkraft ansteigen. Die Abnahme oder das Ansteigen der Druckkraft, die auf den Wandler 10 in einem derartigen Falle ausgeübt wird, ist proportional der Schneidkraft oder dem Schneidwiderstand. Demgemäß wird der Anstieg oder die Abnahme der Ladungsmenge, welche der auf den Wandler 10 ausgeübten Druckkraft proportional ist, durch den Ladungs-Verstärker in ein Spannungssignal umgesetzt. Das Spannungssignal, dessen Polarität unterschiedlich ist in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Transport-Mutter 28 und das proportional der Schneidkraft oder dem Schneidwiderstand ist, kann so erhalten werden.

In Fig. 7 ist in einem beispielhaften Diagramm die zweite Ausführungsform einer Wandler-Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht. Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler an einem Kugel-Schrauben-Traglager der Transport-Schraubenwelle angebracht ist.

Gemäß Fig. 7 ist die Transport-Schraubenwelle 26, die gewindemäßig mit der Transport-Mutter 28 in Eingriff gelangt bzw. steht, welche mit dem Werkstücktisch oder den Werkzeugtisch gekoppelt ist, in einer solchen Weise konstruiert, daß das axiale Ende auf der linken Seite von einem Paar von Traglagern 36-1 und 36-2 drehbar getragen ist, die in einem Lagerteil 42 zusammengebaut sind, während das axiale Ende auf der rechten Seite von dem Kugellager 36-3 drehbar getragen ist. Der Wandler 10 ist an dem Kugel-Schrauben-Traglagerteil 42 angebracht, in welchem die Traglager 36-1 und 36-2 zusammengebaut sind.

Dies bedeutet, daß der Wandler 10, wie in Fig. 8 veranschaulicht, zwischen dem Traglager 36-2 auf der Innenseite und einer Kantenseite 50 eines Lagerloches 48 auf der Fixierungsseite montiert ist. Praktisch ausgedrückt heißt dies, daß der Wandler 10 zwischen einem Außenring 46 des Traglagers 36-2 und der Kantenseite 50 des Lagerloches 48 in einem derartigen Zustand montiert ist, daß der betreffende Wandler von einem Paar von Abstandsringen 48-1 und 48-2 zusammengeschichtet ist. Ein Außenring 52 des Traglagers 36-1, welches an der Außenseite des Lagerloches 48 montiert ist, ist durch Befestigung einer Preß-Metallpassung 54 von der Außenseite unter Verwendung eines Bolzens fixiert. Demgemäß ist der Wandler 10 durch eine bestimmte Last befestigt und fixiert. Andererseits weist jeder der Abstandsringe 48-1 und 48-2, durch die der Wandler 10 von beiden Seiten zusammengestellt bzw. zusammengeschichtet ist, eine L-förmige Querschnittsform auf. O-Ringe 56 zur Abdichtung des auf der Innenseite montierten Wandlers 10 sind zwischen die Gleitflächen auf der Innenseite und der Außenseite der Abstandsringe eingefügt.

Bei einer derartigen Wandler-Befestigungsanordnung gemäß Fig. 7 und 8 wirkt der Schneidwiderstand von dem Werkstücktisch oder die Schneidkraft von dem Werkzeugtisch auf das Schneidwerkstück in der axialen Richtung der Transport-Schraubenwelle 26 durch die Bewegung in der Querrichtung der Transport-Mutter 28 aufgrund der Drehung der Transport-Schraubenwelle 26, wobei diese Kraft auf den Wandler 10 ausgeübt wird, der zwischen die Abstandsringe 48-1 und 48-2 angeordnet bzw. eingeschichtet ist, und zwar über den äußeren Ring 46 des in dem Lagerteil 42 vorgesehenen Traglagers 36-2.

Praktisch ausgedrückt heißt dies, daß bei Ausübung der Schneidkraft oder der dem Schneidwiderstand in der linken Richtung entsprechenden Belastung auf die Transport- Schraubenwelle 26 die Druckkraft des Wandlers 10 herabgesetzt ist. Wenn die der Schneidkraft oder die dem Schneidwiderstand in der rechten Richtung entsprechende Belastung auf die Transport-Schraubenwelle 26 ausgeübt wird, nimmt demgegenüber die Druckkraft des Wandlers 10 zu. Wenn der Schneid-Arbeitsvorgang begonnen wird, wird der in der Rückkopplungsschaltung des Ladungs-Verstärkers vorgesehene Kondensator zur Gewinnung des Detektor-Ausgangssignals des Wandlers 10 entladen und zurückgesetzt, und sein Spannungs-Ausgangssignal ist initialisiert. Demgemäß kann die Ausgangsspannung gewonnen werden, deren Polarität in Übereinstimmung mit der Bewegungsrichtung der Transport-Mutter 28 differiert und proportional der Schneidkraft oder dem Schneidwiderstand ist, die bzw. der auf die Transport-Schraubenwelle 26 ausgeübt wird.

In Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer weiteren Montageanordnung veranschaulicht, mittels der der Wandler 10 in dem Lagerteil 42 der in Fig. 7 und 8 dargestellten Transport-Schraubenwelle 26 angeordnet bzw. montiert ist.

Dies bedeutet, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 ein Zwischenraum zum Anbringen bzw. Montieren des Wandlers 10 erneut in dem Lagerloch 48 hinzuaddiert werden muß, um die Traglager 36-1 und 36-2 zu montieren, wobei die Anlage in Übereinstimmung lediglich mit einem derartigen Zwischenraum geändert werden muß. Demgemäß ist die Anordnung bzw. Struktur gemäß Fig. 9 so konstruiert, daß der Wandler 10 ohne Änderung des Lagerloches 48 angebracht werden kann.

Dies bedeutet, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 das rechte Ende des äußeren Ringes 46 des Traglagers 36-2 ausgeschnitten ist, um einen Wandler-Umschließungsbereich 58 zu bilden. Der Wandler 10 ist in dem Umschließungsbereich 58 montiert, und ein L-förmiger Abstandsring 60 ist von der Außenseite an dem Wandler 10 festgelegt. Die O-Ringe 56 zur Abdichtung des Wandlers 10 sind an den Kontaktflächen auf der Innen- und Außenseite des Abstandsrings 60 vorgesehen.

Bei einer derartigen Befestigungsanordnung, wie sie Fig. 9 zeigt, besteht mit Rücksicht darauf, daß der Wandler 10 integral mit dem Traglager 36-2 zusammengebaut werden kann, wie es in Fig. 8 veranschaulicht ist, keinerlei Forderung dahingehend, zusätzlich den Installationszwischenraum des Wandlers in dem Lagerloch 48 vorzusehen; eine derartige Anordnung bzw. Struktur ist praktischer.

Obwohl die obige Ausführungsform in bezug auf den Fall beschrieben worden ist, daß der Wandler in den Transport- Schraubenmechanismus des Werkstücktisches oder Werkzeugtisches montiert ist, kann der Wandler auch in entsprechender Weise an der Transport-Mutter oder einem Traglager montiert sein, welches für den Transport-Schraubenmechanismus des Hauptwellensystems vorgesehen ist.

Fig. 10 veranschaulicht in einem beispielhaften Diagramm einen Zustand, in welchem der Wandler integral mit einem Werkzeughalter zusammengebaut ist.

In Fig. 10 ist mit dem Bezugszeichen 62 ein Werkzeughalter bezeichnet. Ein Kegelwellenteil 64 ist auf der Hauptwellen- Befestigungsseite gebildet. Ein Flansch 68 mit einer Flanschnut 66 ist an der Vorderkantenseite gebildet. Ein Werkzeug-Befestigungsloch 70, welches durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, ist in der axialen Richtung von der Mitte der unteren Kantenseite des Flansches 68 aus gebildet. Der Werkzeughalter 62 weist Abmessungen und eine Form auf der Grundlage beispielsweise der MAS-Norm oder dergleichen auf; er kann an den Hauptwellen sämtlicher Maschinenwerkzeuge als Standard-Artikel angebracht und davon gelöst werden.

Nach dem Werkzeughalter 62 ist ein Adapter 72 für die Befestigung des Wandlers vorgesehen, um die Schneidlast zu ermitteln. Im oberen Bereich des Adapters 72 ist eine Befestigungswelle 74 integral gebildet, die imstande ist, in das Werkzeug-Befestigungsloch 70 des Werkzeughalters 62 befestigt zu werden. Demgegenüber ist ein Spannfutter 78 für die Anbringung bzw. Befestigung eines Schneidwerkzeugs, wie beispielsweise eines Bohrers 76, an dem unteren Bereich des Adapters 72 festgelegt bzw. fixiert. Obwohl der Adapter 72 mit dem Spannfutter 78 zusammenhängend ausgebildet sein kann, um dem betreffenden Adapter 72 zu ermöglichen, als Standard-Artikel für sämtliche Schneidwerkzeuge verwendet zu werden, ist es wünschenswert, ein Werkzeugbefestigungsglied, wie das Spannfutter 78 oder dergleichen, für den Adapter 72 lösbar vorzusehen. Es ist offensichtlich möglich, das Schneidwerkzeug, wie den Bohrer 76 oder dergleichen, unmittelbar an dem Adapter 72 ohne die Bereitstellung des Spannfutters 78 zu befestigen.

Der Adapter 72 weist einen Flansch 80 auf der Bohrerbefestigungsseite auf, und außerdem weist er einen Schaftteil 82 geringeren Durchmessers im Anschluß an den Flansch 80 auf. Ein Lagerteil zur Befestigung des Wandlers 10 ist durch den Flansch 80 und den Wellenteil 82 des Adapters 72 gebildet sowie ferner durch den Flansch 68 des Werkzeughalters 62.

Ein Paar von Drucklagern 84 und 86 ist in der axialen Richtung in dem Lagerteil 82 zwischen dem Flansch 68 des Werkzeughalters 62 und dem Flansch 80 des Adapters 72 montiert. Der Wandler 10 ist unter Verwendung des piezoelektrischen Sensors vom Filmschichttyp zusammengeschichtet und zwischen die Drucklager 84 und 86 über die Abstandsringe 88 und 90 angeordnet sowie ferner über eine Ringscheibe 92. Darüber hinaus ist an den oberen Umfängen der Abstandsringe 88 und 90 ein Drehhalteglied 94 angebracht, durch das der Wandler 10 zwischen die Drucklager 84 und 86 über die Ringscheibe 92 zusammengeschichtet und fixiert ist. Das Drehhalteglied 94 ist derart mit der Anordnung gekoppelt, daß die Bewegungen in der Drehrichtung der Abstandsringe 88 und 90 beschränkt sind und daß eine freie Bewegung der Abstandsringe 88 und 90 in der axialen Richtung ermöglicht ist.

In Fig. 11 ist in einem vergrößerten Diagramm der Wandler- Befestigungsteil gemäß Fig. 10 veranschaulicht.

In Fig. 11 sind in dem Wellenteil 82, der zwischen den Flanschen 68 und 80 aufgrund der Anbringung des Adapters 72 an dem Werkzeughalter 62 gebildet ist, die Abstandsringe 88 und 90 zwischen den Drucklagern 84 und 86 angeordnet. Der Wandler 10 ist dadurch montiert bzw. zusammengesetzt, daß er zwischen den Abstandsringen 88 und 90 über die Ringscheibe bzw. den Trommelring 92 eingeschichtet ist. O-Ringe 96 und 98 sind zu beiden Seiten des Wandlers 10 vorgesehen, der zwischen den Abstandsringen 88 und 90 über die Ringscheibe 90 eingeschichtet ist, wodurch der Wandler 10 abgedichtet ist.

Bei einer derartigen Befestigungsanordnung zur Befestigung des Wandlers 10 an dem Adapter 72 wird der Wandler 10 auch in dem Fall nicht gedreht, daß der Werkzeughalter 62 und der Adapter 72 durch die Hauptwelle der Werkzeugmaschine gedreht werden, da die Drehungen der Abstandsringe 88 und 90 durch die Drehung des Haltegliedes 94 stillgesetzt werden, wie dies in Fig. 10 veranschaulicht ist.

Andererseits wird die Schneidbelastung auf die Schneidbearbeitung durch den Bohrer oder dergleichen, der an der Spitze des Adapters 72 angebracht ist, in axialer Richtung des Adapters 72 ausgeübt. Die Schneidbelastung wird auf den Wandler 10, der zwischen den Flansch 80 des Adapters 72 und den Flansch 68 des Werkzeughalters 62 eingeschichtet ist, über die Drucklager 84 und 86 ausgeübt und ferner über die Abstandsringe 88 und 90 und den Trommelring bzw. die Ringscheibe 92, so daß die Schneidbelastung gemessen werden kann.

Dies bedeutet, daß vor dem Schneiden durch Entladen und Rücksetzen des Kondensators, der in der Rückkopplungsschaltung des Ladungs-Verstärkers vorgesehen ist, dem das Detektor-Ausgangssignal des Wandlers 10 eingangsseitig zugeführt worden ist, die der Schneidbelastung in der axialen Richtung entsprechende Signalspannung, welche von dem Ladungs-Verstärker dem Wandler 10 aufgrund des Beginns des Schneidvorgangs zugeführt worden ist, erhalten wird.

Demgemäß kann in dem Fall, daß der Schneidwiderstand aufgrund der Abnutzung der Schneide des Bohrers 76 oder infolge des Bruches des Bohrers 76 ansteigt, die geeignete Gegenmaßnahme mittels eines Prozessors oder dergleichen auf der Grundlage des Detektor-Signals getroffen werden, da das Detektor-Signal der abnormalen Schneidbelastung bzw. Schneidlast erhalten wird. Da das Detektorsignal bezüglich der Schneidlast durch den Wandler 10 eine genügende Auflösung besitzt, ist darüber hinaus ein derartiger Aufbau möglich, daß ein Bezugsmuster einer bestimmten Schneidlast in Übereinstimmung mit dem fortschreitenden Bearbeitungszustand bestimmt wird und daß eine Rückkopplungssteuerung ausgeführt wird, so daß die tatsächliche Schneidbelastung dem Bezugsmuster folgt.

In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform des Wandlers 10 veranschaulicht, der an dem Adapter 72 gemäß Fig. 10 angebracht ist. Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der in Fig. 1 und 2 dargestellte Wandler 10 in vier Wandler 10-1 bis 10-4 um den Umfang der Welle 10 herum aufgeteilt ist.

Unter der Annahme, daß die X- und Y-Koordianten, die in der axialen Richtung rechtwinklig verlaufen, in der aus Fig. 12 gezeigten Weise festgelegt sind, sind die Wandler 10-1 und 10-2 in Richtung der Y-Achse in bezug auf die Mitte angeordnet, und die Wandler 10-3 und 10-4 sind in Richtung der X-Achse in bezug auf die Mitte angeordnet.

Durch Aufteilen des Wandlers 10 in die vier Wandler 10-1 bis 10-4, wie dies zuvor erwähnt worden ist, können zusätzlich zu der Last in der axialen Richtung, das heißt in der Z-Achse die Lasten bzw. Belastungen in den Y- und X-Achsen-Richtungen ermittelt werden.

Die Last bzw. Belastung in der Z-Achsen-Richtung kann dadurch ermittelt werden, daß die Summe oder der Mittelwert der Detektor-Signale der Wandler 10-1 bis 10-4 erhalten wird. Demgegenüber kann die Last bzw. Belastung in der Y-Achsen-Richtung durch Berechnen der Differenz zwischen den Detektor-Signalen der Wandler 10-1 und 10-2 ermittelt werden. Darüber hinaus kann die Last bzw. Belastung in der X-Achsen-Richtung durch Berechnen der Differenz zwischen den Detektor-Signalen der Wandler 10-3 und 10-4 ermittelt werden.

In Fig. 13 ist eine Wandler-Detektorschaltung gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Gemäß Fig. 13 weist der Wandler 10 einen piezoelektrischen Sensor auf, wie er in Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist. Die Ladungen gemäß der Belastung, die auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübt wird, werden zwischen den Elektroden durch den Wandler 10 erzeugt. Demgemäß ist eine Ladungs-Verstärkungsschaltung 100 als externe Schaltung vorgesehen, um die erzeugten Ladungen in Übereinstimmung mit der Belastung, die auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübt wird, in ein Spannungssignal umzusetzen.

In der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100 ist ein Kondensator C mit einer Rückkopplungsschaltung eines Operationsverstärkers 102 verbunden. Da eine Ladungsmenge q _x der erzeugten Ladungen sich in Übereinstimmung mit der Belastung ändert, kann der piezoelektrische Sensor des Wandlers 10 als ein veränderbarer Kondensator C _x betrachtet werden.

Unter der Annahme, daß ein Verstärkungsfaktor A des Operationsverstärkers 102 unendlich ist, wird die erzeugte Ladungsmenge q _x des piezoelektrischen Sensors direkt auf den Rückkopplungs-Kondensator C durch eine imaginäre kurze Operation des Operationsverstärkers 102 übertragen, so daß eine Ausgangsspannung E _O erhalten werden kann, die in idealer Weise der erzeugten Ladungsmenge q _x des piezoelektrischen Sensors proportional ist. Da der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 102 tatsächlich jedoch nicht unendlich ist, wird die Ausgangsspannung E _O folgenden Wert haben:

E _O = - q _x/C .

Ferner ist ein Rücksetz-Schalter 106 mit der Rückkopplungsschaltung des Operationsverstärkers 102 verbunden, und zwar parallel zu dem Kondensator C. Das im Anfangs- bzw. Initialisierungsstand eine bestimmte Montage-Last bereits auf den piezoelektrischen Sensor des Wandlers 10 ausgeübt worden ist, und zwar vor der Ermittlung der Belastung, wird der Kondensator C entladen und zurückgesetzt, und die Ausgangsspannung wird auf Null gesetzt.

Bei einer derartigen Ladungs-Verstärkungsschaltung 100, wie sie in Fig. 14 veranschaulicht ist, wird jedoch eine Änderung bzw. Drift, mit der sich die Ausgangsspannung E _O der Ladungs-Verstärkerschaltung 100 im Laufe der Zeit ändert, zu einem Problem, so daß die Last bzw. Belastung nicht genau ermittelt werden kann.

Die Abweichung bzw. Drift bedeutet, daß in dem Fall, daß die Ladungen, welche zwischen den Elektroden des in dem Wandler 10 vorgesehenen piezoelektrischen Sensors erzeugt werden, mittels der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100 verstärkt und in ein Spannungssignal umgesetzt werden, da eine Eingangsimpedanz der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100 nicht auf unendlich eingestellt bzw. festgelegt werden kann. Die durch den piezoelektrischen Sensor erzeugten Ladungen fließen vielmehr über die Eingangsimpedanz ab, so daß das Ausgangssignal schwankt.

Obwohl eine derartige Drift kein Problem im Falle der Ermittlung der Wechselstromkomponente, wie einer Schwingung oder dergleichen, hervorruft, wird jedoch ein starkes Problem dann hervorgerufen, wenn die Gleichstromkomponente, wie eine Schneidbelastung, ermittelt wird.

Wenn die Belastung mittels des den piezoelektrischen Sensor verwendenden Wandlers ermittelt wird, wird mit Rücksicht darauf, daß ein Drift-Problem in bezug auf eine Erscheinung wie eine Schwingung oder dergleichen, mit einer sehr kurzen Periode, nicht auftritt, ein derartiger Wandler somit effektiv benutzt, um die Kraft wie eine Schwingung oder dergleichen zu messen. Die Detektor- Genauigkeit kann jedoch nicht in bezug auf eine Erscheinung garantiert werden, wie sie durch Ausübung einer nahezu konstanten Belastung über eine relativ lange Zeitspanne gegeben ist (dabei dauert diese Erscheinung während einer Sekunde oder länger an).

Fig. 15 veranschaulicht eine Ladungs-Verstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Lösung des Drift-Problems, welches dadurch auftritt, daß eine konstante Belastung auf den Wandler ausgeübt wird. Die Ladungs-Verstärkungsschaltung verwendet einen Last-Detektormechanismus mit zwei Wandlern, wie dies Fig. 16 veranschaulicht.

In Fig. 15 sind mit den Bezugszeichen 10-5 und 10-6 Wandler bezeichnet, deren jeder den in Fig. 1 und 2 dargestellten piezoelektrischen Sensor vom Filmschichttyp verwendet. Die Wandler 10-5 und 10-6 sind an einem in Fig. 16 dargestellten Last-Detektormechanismus angebracht. Wenn eine Schneidbelastung auf die Wandler beispielsweise ausgeübt wird, dann wird die Schneidbelastung auf den Wandler 10-5 in einer solchen Richtung angewandt, daß die Befestigungslast ansteigt. Demgegenüber wird die Schneidbelastung auf den Wandler 10-6 in einer solchen Richtung angewandt, daß die Befestigungslast vermindert ist.

Die Ausgangssignale der Wandler 10-5 und 10-6 werden den Ladungs-Verstärkungsschaltungen 100-1 und 100-2 eingangsseitig zugeführt. Die Ladungs-Verstärkungsschaltungen 100-1 und 100-2 weisen Operationsverstärker 102-1 bzw. 102-2 auf. Kondensatoren C 1 und C 2 sind mit den Rückkopplungskreisen der Operationsverstärker 102-1 und 102-2 verbunden. Ferner sind Rücksetzschalter 106-1 und 106-2 vorgesehen, mit deren Hilfe die dazu parallelliegenden Kondensatoren C 1 bzw. C 2 entladen und hinsichtlich der Ladung zurückgesetzt werden. Nunmehr wird unter Bezugnahme beispielsweise auf die Seite der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 das Prinzip der Ladungs-Verstärkungsschaltungen 100-1 und 100-2 erläutert werden. Da der piezoelektrische Sensor des Wandlers 10-5 die Ladungen in der Menge q _x erzeugt, welche der ausgeübten Belastung entspricht, kann er als veränderbarer Kondensator C _x betrachtet werden.

Wenn angenommen wird, daß eine Eingangsspannung des Operationsverstärkers 102-1 gegeben ist mit E _i, daß ferner eine Ausgangsspannung gegeben ist mit E _O , daß ein Verstärkungsfaktor A vorliegt und daß der Rückkopplungskondensator die Ladungsmenge q₁ hat, dann werden folgende Beziehungsgleichungen erhalten:

E _O = - A · E _i ,
E _i - E _O = q₁/C₁ ,
E _i = (q _x - q₁)/(C _x + C₃) .

C₃ bezeichnet eine Signalkabelkapazität zwischen dem Wandler 10-5 und der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1.

Aus den obigen Gleichungen erhält man:

q _x = q₁ · {1 + (C _x + C₃)/C₁(1 + A)} ,
E _i = q₁/C₁ · 1/(1 + A) ,
E _O = - q₁/(C₁ · A/(1 + A) .

Da der Verstärkungsfaktor A des Operationsverstärkers 102-1 größer als 1 ist, gilt

q _x = q₁ ,
E _i = 0 ,
E _O = - q₁/C₁ .

Demgemäß wird die Eingangsspannung E _i des Operationsverstärkers 102-1 bei nahezu 0 V gehalten. Die in dem piezoelektrischen Sensor des Wandlers 10-5 erzeugten Ladungen werden alle in dem Rückkopplungskondensator C₁ gespeichert. Die Ausgangsspannung E _O der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 ist uneingeschränkt durch das Verhältnis der Kapazität des Rückkopplungskondensators C₁ und der Ladungsmenge q _x der Ladungen bestimmt, die von dem piezoelektrischen Sensor erzeugt werden.

Das Prinzip der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 ist ebenfalls ähnlich dem bzw. entspricht dem der Ladungs- Verstärkungsschaltung 100-2, die für den Wandler 10-6 vorgegeben ist.

Ein Ausgangssignal der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1, die zur Umsetzung und Verstärkung der in dem piezoelektrischen Sensor, welcher in dem Wandler 10-1 vorgesehen ist, erzeugten Ladungen in das Spannungssignal dient, wird einer Addierschaltung 108 eingangsseitig zugeführt. Andererseits wird ein Ausgangssignal der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-2, die zur Umsetzung und Verstärkung der in dem piezoelektrischen Sensor, welcher in dem Wandler 10-6 vorgesehen ist, erzeugten Ladungen dient, mittels einer Inverterschaltung 110 invertiert. Das invertierte Ausgangssignal wird sodann der Addierschaltung 108 eingangsseitig zugeführt. Damit gibt die Addierschaltung 108 ein Signal ab, in welchem das invertierte Ausgangssignal der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-2 dem Ausgangssignal der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 hinzuaddiert ist.

Fig. 16 veranschaulicht einen Belastungs-Detektormechanismus mit den Wandlern 10-5 und 10-6, wie sie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 15 veranschaulicht sind.

Gemäß Fig. 16 ist das rechte Ende der Transport-Schraubenwelle 26 von einem Kugellager 36-3 drehbar getragen, und das linke Ende ist von einem Paar von Traglagern 36-1 und 36-2 drehbar getragen, auf die sowohl eine radiale Belastung als auch eine Druckbelastung ausgeübt werden. Eine Abtriebs- bzw. Ausgangswelle eines (nicht dargestellten) Impulsmotors ist mit dem axialen Ende der Förderschraubenwelle 26 verbunden, die auf der Seite der Traglager 36-1 und 36-2 herausgeführt ist. Die Förder- bzw. Transport-Mutter 28 gelangt gewindemäßig mit der Förderschraubenwelle 26 in Kontakt. Die Wandler 10-5 und 10-6 sind an beiden Enden der Transportmutter 28 angeordnet. Die Wandler 10-5 und 10-6 sind an dem Mutternteil 28 durch Druckmetallpassungen 112-1 und 112-2 befestigt und fixiert, wobei die Befestigung mittels Bolzen an Stellen erfolgt, die durch abwechselnde lange und kurze gestrichelte Linien angedeutet sind.

Fig. 17 veranschaulicht in einer vergrößerten Ansicht den Befestigungsteil, mit dem die Transportmutter 28 an der Förderschraubenwelle 26 gemäß Fig. 16 angebracht ist.

Gemäß Fig. 17 weist die Transportmutter 28 ein Schraubenloch 114 auf, welches gewindemäßig mit der Förderschraubenwelle 26 in Anlage gelangt. Die Wandler 10-5 und 10-6 sind in den Wellenteilen zu beiden Seiten der Transportmutter 28 befestigt. Die Druckmetallpassungen 112-1 und 112-2 sind in den Wandlern 10-5 und 10-6 von der Außenseite her befestigt, wodurch die betreffenden Wandler an der Transportmutter 28 befestigt und fixiert sind; die Befestigung erfolgt dabei mittels Bolzen an den Stellen, die durch abwechselnd aufeinanderfolgende kurze und lange Striche angedeutet sind.

Bei einem derartigen in Fig. 16 und 17 dargestellten Lastdetektormechanismus sind die Seiten der Druckmetallpassungen 112-1 und 112-2 zur Befestigung und Fixierung der Wandler 10-5 und 10-6 an der Transport- bzw. Fördermutter 28 mit dem Arbeitstisch oder Werkzeugtisch des Maschinenwerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine gekoppelt. Durch Drehen der Förderschraubenwelle 28 mittels des Impulsmotors wird somit mittels der Fördermutter 28 die Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung in der Querrichtung umgesetzt, wodurch der Werkstücktisch oder der Werkzeugtisch über die Druckmetallpassungen 112-1 und 112-2 bewegt wird.

Zu diesem Zeitpunkt sei beispielsweise angenommen, daß die Förderschraubenwelle 26 derart gedreht wird, daß die Förder- bzw. Transportmutter 28 nach rechts bewegt wird, wobei die in axialer Richtung wirkende Kraft, die auf den Wandler 10-5, der auf der rechten Seite der Fördermutter 28 angeordnet ist, über den Werkstücktisch oder den Werkzeugtisch in Übereinstimmung mit der Schneidkraft wirkt, in einer solchen Richtung wirkt, daß der Befestigungsdruck des Wandlers 10-6 erhöht ist. Zugleich wirkt ein derartiger Druck in der entgegengesetzten axialen Richtung derart, daß der Befestigungsdruck des Wandlers 10-5, der an der linken Seite der Fördermutter 28 angebracht ist, abnimmt. Demgegenüber wird bei Drehung der Förderschraubenwelle 26 in der Art, daß die Fördermutter 28 nach links bewegt wird, der Druck bzw. die Belastung, der bzw. die auf den piezoelektrischen Sensor des Wandlers 10-5 auf der linken Seite wirkt, in solcher Richtung wirksam sein, daß der Befestigungsdruck ansteigt. Zugleich wird der auf den Wandler 10-6 auf der rechten Seite in der axialen Richtung wirkende Druck derart wirksam sein, daß der Befestigungsdruck abnimmt.

In Fig. 18 ist ein Last- bzw. Belastungsdetektormechanismus veranschaulicht, der die in Fig. 15 dargestellten Wandler 10-5 und 10-6 aufweist.

In Fig. 18 sind die Wandler 10-5 und 10-6 in den Bereichen der Traglager 36-1 und 36-2 zusammengesetzt, die die Förderschraubenwelle 26 drehbar tragen und auf die die Druckbelastungen ausgeübt werden. Dies bedeutet, daß der Wandler 10-5 an der linken Seite des Traglagers 36-1 montiert ist, welches in dem Lagerloch 48 montiert ist. Der Wandler 10-6 ist an der rechten Seite des Traglagers 36-2 angebracht. Die Druck-Metallpassung 54 ist an dem Lagerloch 48 von der Außenseite her befestigt und fixiert, wobei die Befestigung mittels Bolzen erfolgt ist.

Die Druckkraft auf die Seitenflächen der Außenringe der Traglager 36-1 und 36-2 werden auf die Wandler 10-5 und 10-6 ausgeübt. Da der innere Ring in die Seite der Förderschraubenwelle 26 eingepaßt ist und gedreht wird, ist er derart angebracht, daß er mit den Wandlern 10-5 und 10-6 nicht in Kontakt gelangt. Das rechte Ende der Förderschraubenwelle 26 wird von dem Kugellager 36-3 drehbar getragen. Die Fördermutter 28, die zur Umsetzung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung dient, gelangt gewindemäßig mit der Förderschraubenwelle 26 in Eingriff.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 19A bis 19D die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 15 erläutert werden.

Fig. 19A zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung der Ladungs- Verstärkungsschaltung 100-1, die zur Umsetzung und Verstärkung der Ladungen dient, welche in dem Wandler 10-5 erzeugt werden. Fig. 19B veranschaulicht den Verlauf der Ausgangsspannung der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-2, die zur Umsetzung und Verstärkung der Ladungen dient, welche in dem Wandler 10-6 erzeugt werden. Die Fig. 19A und 19B zeigen dabei die Fälle, in denen die Schneidbelastung auf den Wandler 10-5 in einer solchen Richtung ausgeübt wird, daß die Schneidbelastung erhöht wird, und daß auf den Wandler 10-6 eine Schneidbelastung in solcher Richtung ausgeübt wird, daß die Schneidbelastung abnimmt.

Zunächst werden die in den Ladungs-Verstärkungsschaltungen 100-1 und 100-2 vorgesehenen Rücksetz-Schalter 106-1 bzw. 106-2 bis zum Zeitpunkt t₀ eingeschaltet, um die Schneid-Arbeit der Werkzeugmaschine zu beginnen. Die Rückkopplungskondensatoren C₁ und C₂ werden in den Entladungs- Rücksetzzustand gebracht bzw. eingestellt. Die durch die zusammengesetzten Belastungen der Wandler 10-5 und 10-6 erzeugten Ladungen werden abgeführt, und es erfolgt eine Rückstellung, wodurch die Ausgangsspannung auf 0 V eingestellt ist. Wenn in diesem Zustand die Rücksetz- Schalter 106-1 und 106-2 zum Zeitpunkt t₀ abgeschaltet werden, um die Schneidarbeit der Werkzeugmaschine zu beginnen, dann steigt die Ausgangsspannung aufgrund der Drift im Laufe der Zeit an. Wenn demgemäß die Schneidarbeit zum Zeitpunkt t₁ begonnen wird, wird die Schneidbelastung in einer solchen Richtung, daß die zusammengesetzte Belastung zunimmt, auf den Wandler 10-5 ausgeübt, so daß die Ausgangsspannung der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 entsprechend der Schneidbelastung zunimmt. Zugleich wird die auf den Wandler 100-2 in einer solchen Richtung ausgeübte Schneidbelastung dazu führen, daß die zusammengesetzte Belastung abnimmt und daß die Ausgangsspannung der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-2 in Übereinstimmung mit der Schneidbelastung abnimmt.

Die Ausgangsspannung der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1 wird gemäß Fig. 19 direkt der Addierschaltung 108 eingangsseitig zugeführt. Demgegenüber wird die Ausgangsspannung der Ladungsverstärkungsschaltung 100-2 mittels der Invertierungsschaltung 100 invertiert, un dieses invertierte Signal, wie es Fig. 19C veranschaulicht, wird der Addierschaltung 108 zugeführt. Die Addierschaltung 108 erzeugt somit ein Additions-Ausgangssignal, dessen Verlauf in Fig. 19D veranschaulicht ist und bei dem die Ausgangsspannung gemäß Fig. 19A und die invertierte Spannung gemäß Fig. 19C addiert sind. Die Drift-Komponenten, die auf den Ablauf der Zeit zurückgehen, sind aufgehoben. Ferner kann die Ausgangsspannung erhalten werden, zu der die Ausgangsspannung aufgrund einer Änderung in der Schneidbelastung hinzuaddiert wurde. Dies bedeutet folgendes: Da die Ladungsverstärkungsschaltungen 100-1 und 100-2 denselben Schaltungsaufbau haben, stimmen die Drift-Komponenten, die im Laufe der Zeit erzeugt werden, ebenfalls überein. Durch Invertieren einer der Drift- Komponenten und durch Addieren dieser invertierten Komponente zu der anderen Komponente, können die Drift- Komponenten nahezu vollständig aufgehoben werden.

In der Addierschaltung 108 wird das invertierte Ausgangssignal der Ladungsverstärkungsschaltung 100-2 zu dem Ausgangssignal der Ladungsverstärkungsschaltung 100-1 addiert. Es ist jedoch auch möglich, den gewichteten Mittelwert beider Ausgangssignale zu berechnen.

Andererseits sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 16 und 18 die Wandler 10-5 und 10-6 für die Fördermutter des Förderschraubenmechanismus des Arbeitstisches oder des Traglagers vorgesehen. Die Wandler können jedoch auch für die Fördermutter des Förderschraubenmechanismus des Hauptwellensystems oder des Traglagers vorgesehen sein.

Claims (11)

1. Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft oder eines Schneidwiderstands eines Maschinenwerkzeugs bzw. einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet,
daß ein piezoelektrischer Wandler (12) vom Filmschichttyp vorgesehen ist, bei dem Elektrodenschichten (14-1, 14-2) auf beiden Seiten einer piezoelektrischen Materialschicht (12) gebildet sind,
daß ein isolierendes Schichtteil (16-1, 16-2) vorgesehen ist, welches die Außenseiten der Elektrodenschichten (14-1, 14-2) des piezoelektrischen Sensors überzieht und an diesen fest angebracht ist,
und daß ein Durchgangsloch (18) vorgesehen ist, welches einer Förderschraubenwelle oder dergleichen des Maschinenwerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine ermöglicht, in der Mitte des piezoelektrischen Sensors und in der Mitte des isolierenden Schichtteiles hindurchzutreten.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an einer Mutter (28) angebracht ist, die in gewindemäßigem Eingriff mit der Förderschraubenwelle (26) eines Werkstückstisches oder eines Werkzeugtisches in dem Maschinenwerkzeug bzw. der Werkzeugmaschine steht.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zusammengeschichtet ist und an einem Ende der genannten Mutter (28) angebracht ist, die in gewindemäßigem Eingriff mit der Förderschraubenwelle dadurch steht, daß eine Befestigung mittels einer Druckmetallpassung unter Verwendung von Bolzen erfolgt ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an einem Lagerteil der Förderschraubenwelle (26) eines Werkstücktisches oder eines Werkzeugtisches in dem Bearbeitungs- bzw. Maschinenwerkzeug oder in der Werkzeugmaschine angebracht ist.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Zustand befestigt und fixiert ist, in welchem er zwischen einer Kantenfläche eines Lager-Außenringes und einer fixierten bzw. festliegenden Seite eingeschichtet ist, wobei der betreffende Lageraußenring die Förderschraubenwelle drehbar trägt und zur Aufnahme einer auf ihn ausgeübten Druckkraft dient.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Adapter zur Festlegung eines Schneidwerkzeugs, wie eines Bohrers, eines Gewindebohrers oder dergleichen, an einem Werkzeughalter befestigt ist, der an einer Hauptwelle des Bearbeitungswerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine frei anbringbar oder von dieser lösbar ist,
und daß der Wandler, auf den eine Schneidbelastung in axialer Richtung des betreffenden Adapters ausgeübt wird, an dem genannten Werkzeughalter angebracht ist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein in dem genannten Adapter gebildetes Lagerteil mit einem eine Drehung zurückhaltenden Glied vorgesehen ist, derart, daß eine Zusammenschichtung und Anbringung des betreffenden Wandlers zwischen einem Paar von Drucklagern erfolgt, auf die eine Belastung in der axialen Richtung ausgeübt wird, wobei die Drehung des betreffenden Drucklagers auf der Seite gestoppt ist, auf der der Wandler zusammengeschichtet ist.

8. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der piezoelektrische Sensor in vier Teile (10-1, 10-2, 10-3, 10-4) um den Umfang einer Welle herum aufgeteilt ist
und daß Belastungen in den X- und Y-Achsen in orthogonalen, rechtwinklig zu der Welle verlaufenden Koordinaten aus der jeweiligen Differenz zwischen den Detektorsignalen eines Paares der aufgeteilten piezoelektrischen Sensorteile (10-1, 10-2; 10-3, 10-4) ermittelt werden, die symmetrisch in bezug auf die Mitte der genannten Welle angeordnet sind.

9. Vorrichtung zum Ermitteln eines Schneidwiderstands oder einer Schneidkraft eines Bearbeitungswerkzeugs bzw. einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Wandler (10-5, 10-6) unter Verwendung von piezoelektrischen Sensoren vom Filmschichttyp vorgesehen sind,
daß ein die beiden Wandler aufweisender Last-Detektormechanismus vorgesehen ist, in welchem die betreffenden Wandler so angeordnet sind, daß eine auf den einen Wandler ausgeübte Belastung ansteigt, während die auf den anderen Wandler ausgeübte Belastung abnimmt, wenn die Last ausgeübt ist,
daß Ladungs-Verstärkungsschaltungen (102-1, 102-2) für die beiden Wandler (10-5, 10-6) vorgesehen sind, derart daß die Ladungen, welche in Übereinstimmung mit den auf die piezoelekrischen Sensoren der Wandler ausgeübten Belastungen erzeugt werden, in Spannungssignale umgesetzt werden,
und daß eine Addierschaltung (108) vorgesehen ist, die ein invertiertes Ausgangssignal der einen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-2) zum Ausgangssignal der anderen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-1) hinzuaddiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Last-Detektormechanismus in einer solchen Art und Weise aufgebaut ist, daß die beiden Wandler mittels Druckmetallpassungen an beiden Enden eines Mutternteiles angebracht und fixiert sind, welches gewindemäßig mit einer Förderschraubenwelle (26) des Bearbeitungswerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine in Eingriff steht, und daß ein Werkstücktisch oder ein Werkzeugtisch mit den Druckmetallpassungen gekoppelt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Last-Detektormechanismus so aufgebaut ist, daß die beiden Wandler auf beiden Seiten eines äußeren Ringes eines Lagers angebracht und befestigt bzw. fixiert sind, der eine Förderschraubenwelle des Bearbeitungswerkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine drehbar trägt und auf den eine Druckkraft ausgeübt wird.