DE3908175C2 - Belastungs-Detektorvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Belastungs-Detektorvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Seit einer Reihe von Jahren wird in Produktionssystemen, wie
bei einem FMC-System, einem FMS-System oder dergleichen, das
Maschinenwerkzeug, wie ein Bearbeitungszentrum, eine NC-Drehbank
oder dergleichen, unbedient betrieben. Dabei wird eine
Messung der Schneidkraft bzw. des Schneidwiderstands im Prozeß
sehr gefordert, um das Auftreten einer Abnormalität während
der Bearbeitung eines Werkstücks zu überwachen.
Zur Messung der Schneidkraft oder des Schneidwiderstands könnten
ein Dehnungsmeßstreifen oder ein Quarzresonator in einem
Werkzeug oder dergleichen verwendet werden, um eine Belastung
zu messen. Es ist aber auch vorstellbar, den Laststrom eines
Motors zu messen, mit dem eine Hauptantriebswelle angetrieben
wurde.
Die bei der vorstehend angesprochenen Vorgehensweise vorzusehenden
Detektoren sind jedoch zum einen teuer, und zum anderen
ist ihre Stabilität gering, was eine starke Behinderung
für einen unbedienten bzw. unbemannten Betrieb des Maschinenwerkzeugs
bzw. der Werkzeugmaschine darstellt.
Es ist bereits eine Piezomeßzelle mit einem Aufnahmekörper bekannt
(DE-OS 19 29 478), der im wesentlichen aus zwei Kraftübertragungsplatten
gebildet ist. Zwischen den Platten befindet
sich eine Mehrzahl von piezoelektrischen Platten, welche
auswechselbar sind und je nach Orientierung der kraftempfindlichen
Achsen zu einem Aufnehmer für Druck, Schub oder Drehmoment
montiert werden können. Diese Maßnahmen genügen jedoch
nicht zur Behebung von auf Drifts bei piezoelektrischen Sensoren
zurückgehenden Fehlern, was bedeutet, daß durch sie eine
stabile und stets genaue Belastungsermittlung nicht gewährleistet
ist.
Es ist ferner eine Vorrichtung zum Messen der Kräfte zwischen
Bauteilen innerhalb einer Baugruppe bekannt (DE-AS 11 24 729),
welche mindestens ein Bauteil in Form eines allgemein verwendbaren,
nicht ausschließlich auf die jeweilige Konstruktion zugeschnittenen
Maschinenelements aufweist oder welche ein solches
Element aufnehmen kann. Bei dieser bekannten Vorrichtung
ist zwar als Meßglied eines der Maschinenelemente mit eingebauter
piezoelektrischer Kristallanordnung vorgesehen. Dieser bekannte
Vorrichtungsaufbau gewährleistet jedoch ebensowenig eine
stets genaue Belastungsermittlung.
Es ist schließlich auch schon eine Kraftmeßanordnung zur Messung
von Kraftkomponenten, die an sich drehenden Werkzeugen
von Werkzeugmaschinen auftreten, bekannt (DE 21 06 703 B2).
Bei dieser bekannten Kraftmeßanordnung werden Positions-Sensoren
vom elektromagnetischen Induktionstyp verwendet; sie weisen
jeweils eine von einem Oszillator her gespeiste Primärwicklung
und eine Sekundärwicklung auf, die einer elektromagnetischen
Induktion von der jeweiligen Primärwicklung her ausgesetzt
ist. Wenn der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung
gering ist, wird in der jeweiligen Sekundärwicklung eine
hohe Induktionsspannung erzielt. Ist der betreffende Abstand
indessen groß, so ist die Induktionsspannung der jeweiligen
Sekundärwicklung niedrig. Die Induktionsspannung der jeweiligen
Sekundärwicklung ändert sich dabei in umgekehrtem Verhältnis
zur dritten Potenz des erwähnten Abstands. Über den Einsatz
von piezoelektrischen Sensoren ist in diesem Zusammenhang
indessen nichts bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Belastungs-Detektorvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
daß mit relativ geringem Aufwand eine insbesondere durch eine
Schneidlast gegebene Belastung genau ermittelt werden kann,
ohne daß sich auf die Meßgenauigkeit Fehler auswirken, die auf
sogenannte Drifts zurückgehen, welche für einen piezoelektrischen
Sensor eigentümlich sind.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im
Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß mit relativ
geringem Aufwand eine stets genaue Belastungsermittlung ermöglicht
ist. Die Empfindlichkeit der Belastungs-Detektorvorrichtung
gemäß der Erfindung ist hoch genau, um Belastungen
in einem weiten Bereich von 1 kg bis 1000 kg genau zu ermitteln.
Sogar im Falle eines einen geringen Durchmesser aufweisenden
Bohrers oder Gewindebohrers, der eine geringe Schneidkraft
und einen geringen Schneidwiderstand vorfindet, kann die
Schneidkraft bzw. der Schneidwiderstand als Belastungsgröße
genau ermittelt werden.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend
beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht eine Ausführungsform
eines Wandlers, wie er bei der vorliegenden
Erfindung verwendbar ist.
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
eines Wandlers, wie er bei der Erfindung verwendbar ist.
Fig. 7 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm
die zweite Ausführungsform einer Befestigungsanordnung
des Wandlers, wie er bei der Erfindung verwendbar ist.
Fig. 8 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm
einen Lagerteil bei der Anordnung gemäß Fig. 7.
Fig. 9 veranschaulicht in einem erläuternden Diagramm
eine Befestigungsanordnung, wie sie bei der vorliegenden
Erfindung verwendbar ist, 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 Belastungs-Detektorvorrichtung
gemäß der Erfindung zur Vermeidung der
Drift.
Fig. 16 zeigt in einem erläuternden Diagramm einen die
Drift verhindernden 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. 15 dargestellten Vorrichtung bzw.
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 der 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 der 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
zusammengebaut 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, durch
die 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 nach Bildung von
Durchgangslöchern 20.
Entsprechend dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Wandler 10
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 kg bis 1000 kg
gemessen werden, und die Auflösung kann in der Größenordnung
von etwa 100 g erreicht bzw. realisiert werden.
Eine Befestigungsanordnung zur Befestigung des in Fig. 1
und 2 dargestellten Wandlers 10 an
dem Maschinenwerkzeug bzw. der Werkzeugmaschine wird nunmehr
beschrieben werden.
Zunächst werden, obwohl verschiedene Arten von NC-Maschinenwerkzeugen
vorhanden sind, an denen der Wandler
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
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 bei der vorliegenden 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.
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, die 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
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, die bei
der Erfindung verwendbar ist, 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
er 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.
Im Anschluß an den 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 ein Detektor-Signal entsprechend der abnormalen Schneidbelastung
bzw. Schneidlast erhalten wird. Da das Detektor-Signal
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-Koordinaten, 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 qx der
erzeugten Ladungen sich in Übereinstimmung mit der Belastung
ändert, kann der piezoelektrische Sensor des
Wandlers 10 als veränderbarer Kondensator Cx betrachtet
werden.
Unter der Annahme, daß ein Verstärkungsfaktor A des
Operationsverstärkers 102 unendlich ist, wird die erzeugte
Ladungsmenge qx des piezoelektrischen Sensors direkt
auf den Rückkopplungs-Kondensator C durch eine imaginäre
kurze Operation des Operationsverstärkers 102 übertragen,
so daß eine Ausgangsspannung EO erhalten werden kann, die
in idealer Weise der erzeugten Ladungsmenge qx des piezoelektrischen
Sensors proportional ist. Da der Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers 102 tatsächlich jedoch
nicht unendlich ist, wird die Ausgangsspannung EO folgenden
Wert haben:
EO = - qx/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 wird jedoch,
wie in Fig. 14 veranschaulicht ist, eine
Änderung bzw. Drift, mit der sich die Ausgangsspannung EO
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, und mit Rücksicht
darauf, daß eine Eingangsimpedanz der Ladungs-Verstärkungsschaltung
100 nicht auf unendlich eingestellt bzw. festgelegt
werden kann, die durch den piezoelektrischen Sensor erzeugten
Ladungen über die Eingangsimpedanz
abfließen, 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- bzw. Detektier-
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 z. B.
eine Schneidbelastung auf die Wandler ausgeübt
wird, dann wird die Schneidbelastung auf den Wandler
10-5 in einer solchen Richtung ausgeübt, daß die
Befestigungslast ansteigt. Demgegenüber wird die Schneidbelastung
auf den Wandler 10-6 in einer solchen Richtung ausgeübt bzw.
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 C1 und C2 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 C1 bzw. C2 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 qx erzeugt, welche der ausgeübten
Belastung entspricht, kann er als veränderbarer Kondensator
Cx betrachtet werden.
Wenn angenommen wird, daß eine Eingangsspannung des Operationsverstärkers
102-1 gegeben ist mit Ei, daß ferner eine
Ausgangsspannung gegeben ist mit EO , daß ein Verstärkungsfaktor
A vorliegt und daß der Rückkopplungskondensator die
Ladungsmenge q₁ hat, dann werden folgende Beziehungsgleichungen
erhalten:
EO = - A · Ei ,
Ei - EO = q₁/C₁ ,
Ei = (qx - q₁)/(Cx + C₃) .
Ei - EO = q₁/C₁ ,
Ei = (qx - q₁)/(Cx + C₃) .
C₃ bezeichnet eine Signalkabelkapazität zwischen dem
Wandler 10-5 und der Ladungs-Verstärkungsschaltung 100-1.
Aus den obigen Gleichungen erhält man:
qx = q₁ · {1 + (Cx + C₃)/C₁(1 + A)} ,
Ei = q₁/C₁ · 1/(1 + A) ,
EO = - q₁/(C₁ · A/(1 + A) .
Ei = q₁/C₁ · 1/(1 + A) ,
EO = - q₁/(C₁ · A/(1 + A) .
Da der Verstärkungsfaktor A des Operationsverstärkers 102-1
größer als 1 ist, gilt
qx = q₁ ,
Ei = 0 ,
EO = - q₁/C₁ .
Ei = 0 ,
EO = - q₁/C₁ .
Demgemäß wird die Eingangsspannung Ei 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 EO der Ladungs-Verstärkungsschaltung
100-1 ist uneingeschränkt durch das Verhältnis der
Kapazität des Rückkopplungskondensators C₁ und der Ladungsmenge
qx 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 vorgesehen
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 ein 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- bzw. Last-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 wird.
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
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
Last-Detektormechanismus 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. Belastungs-Detektormechanismus
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, und 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 (3)
1. Belastungs-Detektorvorrichtung mit einem Wandler, der
einen piezoelektrischen Sensor (10) vom Filmschichttyp
verwendet, bei dem Elektrodenschichten (14-1, 14-2) und
Isolierschichten (16-1, 16-2) aufeinanderfolgend auf beiden
Oberflächen einer piezoelektrischen Materialschicht (12)
gebildet sind und der eine auf den betreffenden Wandler angewandte
Schneidlast oder Schneidkraft eines Bearbeitungswerkzeugs
bzw. einer Werkzeugmaschine ermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Last-Detektormechanismus mit zwei Wandlern (10-5, 10-6) vorgesehen sind, die in einer solchen Art und Weise angeordnet sind, daß bei Auftreten von Belastungen die auf den einen Wandler (10-5) ausgeübte Belastung ansteigt und die auf den anderen Wandler (10-6) ausgeübte Belastung abnimmt,
daß ein Paar von Ladungs-Verstärkungsschaltungen (102-1, 102-2) vorgesehen ist, welche Ladungen, die in Übereinstimmung mit den auf die piezoelektrischen Sensoren (10) der beiden Wandler (10-5, 10-6) ausgeübten Belastungen erzeugt werden, in elektrische Signale umsetzen,
und daß Addierschaltungen (110, 108) vorgesehen sind, welche das Ausgangssignal der einen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-2) des betreffenden Paares von Ladungs-Verstärkungsschaltungen invertieren und danach das invertierte Ausgangssignal zum Ausgangssignal der anderen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-1) addieren.
daß ein Last-Detektormechanismus mit zwei Wandlern (10-5, 10-6) vorgesehen sind, die in einer solchen Art und Weise angeordnet sind, daß bei Auftreten von Belastungen die auf den einen Wandler (10-5) ausgeübte Belastung ansteigt und die auf den anderen Wandler (10-6) ausgeübte Belastung abnimmt,
daß ein Paar von Ladungs-Verstärkungsschaltungen (102-1, 102-2) vorgesehen ist, welche Ladungen, die in Übereinstimmung mit den auf die piezoelektrischen Sensoren (10) der beiden Wandler (10-5, 10-6) ausgeübten Belastungen erzeugt werden, in elektrische Signale umsetzen,
und daß Addierschaltungen (110, 108) vorgesehen sind, welche das Ausgangssignal der einen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-2) des betreffenden Paares von Ladungs-Verstärkungsschaltungen invertieren und danach das invertierte Ausgangssignal zum Ausgangssignal der anderen Ladungs-Verstärkungsschaltung (102-1) addieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Last-Detektormechanismus
in einer solchen Art und Weise aufgebaut ist,
daß die beiden Wandler (10-5, 10-6) zusammengebaut und mittels
Druckmetallanpassungen (112-1, 112-2) an beiden Enden eines
Mutternteiles (28) festgelegt 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 (112-1, 112-2) gekoppelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Last-Detektormechanismus
so aufgebaut ist, daß die beiden Wandler (10-5, 10-6)
auf beiden Seiten eines äußeren Ringes eines Lagers (38-1,
36-2) angebracht und befestigt bzw. fixiert sind, der eine
Förderschraubenwelle (26) des Bearbeitungswerkzeugs bzw.
der Werkzeugmaschine drehbar trägt und auf den eine Druckkraft
ausgeübt wird.
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