DE4201013A1 - Einrichtung zur lageerfassung eines rotierenden werkzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Lageerfassung eines rotierenden Werkzeugs relativ zu einem das Werkzeug tragenden mitrotierenden Maschinenelement und zur Über­ tragung der Lageinformation auf ein ortsfestes Maschinen­ teil, umfassend wenigstens eine maschinenelementseitige Sensoranordnung aus wenigstens einem Lagesensor zur Erzeugung eines die Relativlage des Werkzeugs angebenden Lagesignals sowie wenigstens eine induktive Signalüber­ tragungseinrichtung zur Übertragung des Lagesignals zu einer ortsfesten Auswerteschaltung mit wenigstens einem Induktions-Spulenpaar aus einer mit der Sensoranordnung verkoppelten maschinenelementseitigen Spule und einer mit der Auswerteschaltung verkoppelten maschinenteilseitigen Spule.

Aus der EP-04 19 716-A1 ist eine Einrichtung dieser Art bekannt. Der einem Spannbacken zugeordnete Lagesensor benötigt zu seinem Betrieb elektrische Energie, die ihm über ein Induktionsspulenpaar zugeführt wird. Das vom Sensor abgegebene Analogsignal wird vor der Übertragung digitalisiert und seriell über das Induktionsspulenpaar auf die Auswerteschaltung übertragen. Die hierfür erfor­ derliche, mit dem Werkzeug rotierende elektronische Schaltung ist relativ aufwendig, was aufgrund der erfor­ derlichen hohen Drehzahlfestigkeit bei der geforderten hohen Funktionszuverlässigkeit von besonderem Nachteil ist.

Aus der DE 29 27 525-C2 ist eine Einrichtung bekannt, bei der ein an einem Maschinenkopf angebrachter Taster zur Abtastung der Lage eines Werkstücks einen Kurzschluß- Stromkreis öffnet, sobald er am Werkstück zur Anlage kommt. Der Kurzschluß-Stromkreis ist in einen Tastkopf eingebaut, der anstelle eines Werkzeugs im Maschinenkopf einzuspannen ist. Um beim Anschluß des Tastkopfes das Herstellen einer elektrischen Steckverbindung zu vermei­ den, wird das Lagesignal von einer tastkopfseitigen, von der Maschinenkopfachse entfernten Spule (mit Spulenachse senkrecht zur Maschinenkopfachse) auf eine ihr in Richtung der Maschinenkopfachse gegenüberliegende feststehende Spule übertragen. Ein Öffnen bzw. Schließen des Kurz­ schluß-Stromkreises bewirkt unmittelbar eine Änderung der gegenseitigen Induktion der Spulen des Induktionsspulenpaars und somit eine detektierbare Änderung der Parameter (Frequenz, Amplitude, Phasenlage, Dämpfung) eines die ortsfeste Spule aufweisenden Schwingkreises. Die insgesamt drei in Reihe geschalteten mechanischen Schalter des Kurzschluß-Stromkreises werden je nach Auslenkung des Tasters von diesem unmittelbar geöffnet, so daß eine Stromversorgung, insbesondere Batteriestromversorgung, der tasterkopfseitigen Sensoranordnung nicht erforderlich ist. Während der Messung ist der Tastkopf starr mit dem Ma­ schinenkopf verbunden, und zwar in einer vorgegebenen Winkellage, in der die Spulen des Induktionsspulenpaars einander genau gegenüber liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur Lageerfassung eines rotie­ renden Werkzeugs relativ zu einem das Werkzeug tragenden mitrotierenden Maschinenelement und zur Übertragung der Lageinformation auf ein ortsfestes Maschinenteil anzuge­ ben, bei welcher die mitrotierende elektrische Schaltung bei zuverlässiger Funktion vereinfachten Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch wenigstens einen Kurz­ schluß-Stromkreis, umfassend die maschinenelementseitige Spule sowie wenigstens einen von der jeweiligen Sensoran­ ordnung betätigbaren Schalter zum Öffnen oder Schließen des Kurzschluß-Stromkreises bei Erreichen einer vorgege­ benen Relativlage des Werkzeugs.

Der Kurzschluß-Stromkreis hat äußerst einfachen Aufbau, da er lediglich die Spule sowie den Schalter erfordert; eine Energieversorgung ist nicht erforderlich. Die beiden möglichen Zustände (geöffnet bzw. geschlossen) des Kurz­ schluß-Stromkreises wirken sich auf die ortsfeste Spule stark unterschiedlich aus, so daß die quasi binäre Lage­ feststellung durch die Auswerteschaltung selbst bei Rotation des Werkzeugs äußerst zuverlässig ist.

Die beiden Spulen des Spulenpaares können exzentrisch zur Rotationsachse angeordnet sein, wobei bei jeder vollen Drehung des Werkzeugs die beiden Spulen sich einmal begegnen. Die in den beiden Zuständen des Kurzschluß- Stromkreises stark unterschiedliche Induktionswirkung der rotierenden Spule auf die ortsfeste Spule ist für eine Unterscheidung beider Zustände durch die Auswerteschaltung im allgemeinen ausreichend, zumindest bei geringer Rota­ tionsgeschwindigkeit. Besonders bevorzugt ist jedoch vor­ gesehen, daß zumindest eine der beiden Spulen, vorzugs­ weise beide Spulen, des Spulenpaares die Rotationsachse konzentrisch umringen. Diese Maßnahme sichert eine konti­ nuierliche Signalübertragung unabhängig von der Bewegung des Werkzeugs, also bei Rotation auch mit hoher Geschwin­ digkeit und auch im Stillstand, und zwar unabhängig von der Drehlage des Werkzeugs.

Einfacher, gegebenenfalls auch nachträglicher Einbau der erfindungsgemäßen Einrichtung in eine Werkzeugmaschine ist dadurch gewährleistet, daß die maschinenelementseitige Spule eine das Werkzeug tragende Werkzeugmaschinen-Spindel umringt.

Um Störungen der Signalübertragung durch von außen ein­ fallende elektromagnetische Felder von vorneherein auszu­ schließen, wird vorgeschlagen, daß die äußere der beiden Spulen mit einer magnetischen Abschirmung versehen ist.

Um Schrägstellungen der Werkzeugs feststellen zu können, wird der Einsatz von zwei einander diametral zur Rotati­ onsachse gegenüberliegende Lagesensoren vorgeschlagen.

Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, daß der wenigstens eine Lagesensor von einem im Kurzschluß- Stromkreis angeordneten mechanischen Schalter gebildet ist, der in einer vorgegebenen Lage des Werkzeugs, vor­ zugsweise unmittelbar vom Werkzeug, betätigbar ist. Der mechanische Schalter, vorzugsweise Mikroschalter, erfor­ dert keine Energieversorgung. Er ist bei zuverlässiger Funktion kostengünstig erhältlich. Bei der bevorzugten unmittelbaren Betätigung des bzw. der mechanischen Schal­ ter durch das Werkzeug erhält man eine besonders verläß­ liche Lagemessung.

Einfacher Aufbau bei zuverlässiger Lagemessung wird weiterhin dadurch gefördert, daß am Maschinenelement mehrere mechanische Schalter angebracht sind, die im Kurzschlußstromkreis in Reihe geschaltet sind. Nur in der korrekten Lage und Orientierung des Werkzeugs werden sämtliche mechanischen Schalter durch das Werkzeug betä­ tigt (geschlossen), so daß der lediglich eine Kurz­ schluß-Stromkreis in seinen Schließzustand gebracht wird.

Damit die mechanischen Schalter bei entferntem Werkzeug zuverlässig ihre jeweilige Öffnungsstellung einnehmen, wird vorgeschlagen, daß die mechanischen Schalter in ihre jeweilige Öffnungsstellung federvorgespannt sind.

In manchen Anwendungsfällen, insbesondere dann, wenn Schmutz und Feuchtigkeit auftreten können, ist es von Vorteil, wenn der Lagesensor ohne mechanischen Schalter auskommt. Hierzu wird vorgeschlagen, daß der wenigstens eine Lagesensor einen Magnetfeld-Sensor umfaßt, wobei zur Vermeidung einer Batterie weiter vorgeschlagen wird, daß zur Energieversorgung des Magnetfeld-Sensors ein weiteres Induktionsspulenpaar vorgesehen ist aus einer mit einer primären Energieversorgungs-Schaltung verbundenen maschinenteilseitigen Spule und einer mit einer sekundären Energieversorgungs-Schaltung verbundenen maschinenelement­ seitigen Spule. Der Schaltungsaufwand erhöht sich nur unwesentlich. Wird beispielsweise die primäre (ortsfeste) Spule mit Wechselspannung betrieben, so kann die sekundäre (=mitrotierende) Energieversorgungs-Schaltung in diesem Falle aus einer einfachen Gleichrichter-Schaltung be­ stehen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Lagesensor einen Magneten, insbeson­ dere Permanentmagneten, umfaßt, und daß der Magnetfeld- Sensor eine bei Erreichen der vorgegebenen Relativlage des Werkzeugs hervorgerufene Magnetfeldänderungen detektiert. Der in den Lagesensor integrierte Magnet, der der Ein­ fachheit halber am besten Permanentmagnet ist, stellt das Magnetfeld bereit, welches durch das metallische Werkzeug bei Erreichen der vorgegebenen Relativlage verändert wird - diese Veränderung wird durch den Magnetfeld-Sensor detektiert. Man erspart sich hierdurch das Anbringen von Magneten am Werkzeug selbst; irgendwelche baulichen Veränderungen am Werkzeug müssen daher nicht vorgenommen werden.

Als kostengünstig erhältlicher und dabei unter geringer Energieaufnahme zuverlässig arbeitender Magnetfeld-Sensor hat sich ein Hall-Effekt-Sensor herausgestellt.

Das Sensorsignal von Magnetfeld-Sensoren, insbesondere Hall-Effekt-Sensoren, ist im allgemeinen temperatur­ abhängig. Um diese die Meßgenauigkeit beeinträchtigende Abhängigkeit zu beseitigen, wird vorgeschlagen, daß der Lagesensor eine Schaltung zur Kompensation einer temperaturabhängigen Veränderung des Sensorsignals auf­ weist.

Zur genauen Lagefeststellung, insbesondere unter Berück­ sichtigung der Werkzeugorientierung, ist, wie bereits erwähnt, der Einsatz von zwei voneinander beabstandeten Lagesensoren von Vorteil. Insbesondere bei Verwendung von Magnetfeld-Sensoren ist eine Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sensoranordnung zwei Lagesensoren umfaßt, deren Sensorsi­ gnale einem gemeinsamen UND-Glied zugeführt werden, welches den Schalter zur Öffnung und Schließung des Kurzschluß-Stromkreises betätigt. Demzufolge ist lediglich ein einziger Kurzschluß-Stromkreis mit einem einzigen Schalter erforderlich.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß wenigstens ein Magnet, vorzugsweise Permanentma­ gnet, mit dem Werkzeug bewegungsverkoppelt ist, und daß der Magnetfeld-Sensor eine bei Verlagerung des Werkzeugs auftretende Magnetfeldänderungen detektiert. Diese Maß­ nahme erlaubt eine präzise Lagefeststellung des Werkzeugs insbesondere dann, wenn wenigstens zwei, vorzugsweise vier, Magnete alternierende Polarität in Richtung der Rotationsachse aufeinanderfolgend angeordnet sind. Es läßt sich dann nicht nur eine vorbestimmte Endlage des Werk­ zeugs detektieren, sondern auch eine oder mehrere Zwi­ schenlagen.

Damit das Werkzeug selbst unverändert bleiben kann, wird vorgeschlagen, daß der wenigstens eine Magnet an einer Werkzeughalteeinrichtung, vorzugsweise einem Zangenhalter, befestigt ist.

Eine einfache, gegebenenfalls nachträgliche Anbringung der Magnete wird dadurch ermöglicht, daß der wenigstens eine Magnet als zur Rotationsachse konzentrischer Magnetring ausgebildet ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist vorgesehen, daß wenigstens zwei Sensoranordnungen aus jeweils einem Lagesensor vorgesehen sind, denen jeweils eine Signalübertragungseinrichtung mit Kurz­ schluß-Stromkreis zugeordnet ist, und daß eine Auswerte­ schaltung an die beiden Signalübertragungseinrichtungen angeschlossen ist, die aus den jeweiligen Sensorsignalen die momentane Lage des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalte­ einrichtung ermittelt. Die beiden Sensorsignale können jeweils zwei Werte annehmen (offener bzw. geschlossener Kurzschluß-Stromkreis). Für die Kombination beider Sen­ sorsignale sind demnach vier unterschiedliche Signalmuster möglich, so daß insgesamt vier unterschiedliche Werkzeug­ lagen aus dem jeweils ermittelten Signalmuster ableitbar sind. Die Auswertung der beiden Signale gestaltet sich daher besonders einfach, insbesondere ist es nicht erfor­ derlich, die Vorbeigänge von Magneten an einem Sensor aufzuaddieren.

Die jeweilige Anzahl und Anordnung sowohl der Lagesensoren als auch der werkzeugfesten Magnete hängt vom Hub des Werkzeugspanners ab. In einer bewährten Anordnung ist vorgesehen, daß wenigstens zwei, vorzugsweise vier, Magnete in Richtung der Rotationsachse aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, daß die Magnete alternierende Polarität aufweisen.

Man erhält eine Ortsauflösung entsprechend dem halben Mittelabstand unmittelbar aufeinanderfolgender Magnete, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen wird, daß die zwei Lagesensoren der beiden Sensoranord­ nungen einen gegenseitigen Mittenabstand voneinander aufweisen, der im wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen des halben Mittenabstands unmittelbar aufein­ anderfolgender Magnete entspricht.

Die Induktionsspulenpaare können gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Richtung der Rotations­ achse aufeinanderfolgen oder alternativ hierzu in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene zueinander konzent­ risch liegen.

Die Erfindung wird im folgenden an mehreren Ausführungs­ beispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Werkzeugmaschine im Spindelbereich, die mit einer ersten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Einrichtung zur Lageerfassung versehen ist;

Fig. 2 eine Prinzipschaltskizze der Einrichtung zur Lageerfassung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 1 mit einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung zur Lageerfassung;

Fig. 4 eine Prinzipschaltskizze der Einrichtung zur Lageerfassung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht entsprechend der Fig. 1 und 3 mit einer weiteren Ausführungsform der Ein­ richtung zur Lageerfassung;

Fig. 6 eine Prinzipschaltskizze der Einrichtung zur Lageerfassung gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 eine Darstellung der Sensorsignale der Einrichtung zur Lageerfassung gemäß Fig. 5 und 6.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Lageerfassung eines rotierenden Werkzeugs wird im folgenden am Anwendungs­ beispiel einer Werkzeugmaschine mit integriertem Werk­ zeugspanner erläutert; es sind jedoch auch andere Bauarten der Werkzeugmaschine möglich, bei welchen die erfindungsgemäße Einrichtung eine zuverlässige Feststel­ lung der Relativlage des Werkzeugs, insbesondere die Einhaltung einer Soll-Lage, sicherstellt und dabei auch die Lage beeinflussende Störungen, wie z. B. Werkzeugbruch, rasch anzeigt. Die Signalgewinnung im rotierenden System erfordert lediglich geringen Aufwand bei einfachem Aufbau und zuverlässiger Funktion. Die Übertragung des Lage­ signals auf das feststehende System erfolgt berührungslos. Die Signalgewinnung sowie die Signalauswertung erfolgen an räumlich getrennten Stellen, nämlich einerseits im rotie­ renden System und andererseits im feststehenden System. Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen erfolgt eine kontinuierliche Signalübertragung vom rotie­ renden auf das feststehende System, da zur Rotationsachse konzentrische Ringspulen verwendet werden. Im ersten im folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispiel ist keine Energieversorgung des rotierenden Systems erforderlich.

In Fig. 1 ist eine um eine Rotationsachse 12 rotierende Werkzeugmaschinenspindel 10 angedeutet. Diese ist über zwei Drehlageranordnungen 14, 16 in einem ortsfesten Maschinenteil 18 drehbar gelagert. Am linken freien Spindelende ist die Spindel 10 mit einem Innenkonus 20 versehen, in den ein dementsprechender Außenkonus 22 eines Werkzeugs 24 (hier beispielsweise ein Fräskopf) einsetzbar ist. Zur Fixierung des Werkzeugs 24 in der Spindel 10 ist die Spindel mit einer integrierten Spanneinrichtung 26 versehen, bestehend aus einer in der Spindel 10 in Rich­ tung der Rotationsachse 12 verschiebbaren Spannzange 28 am in Fig. 1 linken Ende einer Zugstange 29, einem die Zugstange umringenden Tellerfederpaket 30 zur Vorspannung der Spannzange 28 in ihre in Fig. 1 rechte Endstellung (Werkzeug-Spannstellung) sowie einer an das rechte Zug­ stangenende angreifenden, fluidbetätigten Betätigungsein­ richtung 32 für die Spannzange 28, um diese entgegen der Federkraft in ihre in Fig. 1 linke Endstellung (Werk­ zeug-Greifstellung) zu bewegen. In dieser Endstellung kann ein hinterschnittener Kopf 34 an der Konusspitze des Werkzeugs 24 zwischen Zangenarme 36 der Spannzange 28 geschoben werden. Wird anschließend die Betätigungsein­ richtung 32 deaktiviert, so zieht die Spannzange 28 das Werkzeug 34 unter der Kraft des Tellerfederpakets 30 in Fig. 1 nach rechts in die andere Endlage, wobei keilartige Auflaufflächen an den Zangenarmen 36 und/oder an dem die Arme 36 umgebenden Innenumfang 40 der Spindel 10 die Arme 36 radial nach innen bewegen, um den Kopf 34 zu hinter­ greifen.

Die Betätigungseinrichtung 32 kann elektromagnetisch betätigbar sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine hydraulische Betätigung vorgesehen. Man erkennt einen Betätigungs-Kolben 39 am rechten Ende der Zugstange 29, dessen in Fig. 1 rechte Stirnseite einen Fluidraum 38 innerhalb eines zylinderartigen Gehäuses 42 begrenzt. Eine in den Raum 38 mündende Fluidleitung 43 ist abgebrochen dargestellt.

Der zuverlässigen Erfassung der Lage des Werkzeugs 24 in seiner Spannstellung dient die im folgenden zu beschrei­ bende, allgemein mit 44 bezeichnete Einrichtung. Sie umfaßt einen mit dem Werkzeug mitrotierenden Bereich 46 sowie einen ortsfesten Bereich 48. Der Bereich 46 wiederum wird von einem Kurzschluß-Stromkreis 50 gebildet aus einer mit L1 bezeichneten Spule und zwei mit S1 bzw. S2 be­ zeichneten, in Reihe geschalteten Schaltern. Diese sind durch lediglich in Fig. 2 angedeutete Federn 52 in ihre jeweilige Öffnungsstellung vorgespannt. Beide Schalter S1, S2 sind gemäß Fig. 1 in bezug auf die Achse 12 einander diametral gegenüberliegend an einer werkzeugseitigen Stirnseite 53 derart angebracht, daß sie in der korrekten Spannposition des Werkzeugs 24 von einer Stirnseite eines Werkzeugflansches 54 betätigt, d. h. beide jeweils ge­ schlossen werden. Der Kurzschluß-Stromkreis 50 ist dann geschlossen. Falls das Werkzeug 24 durch die Spannzange 28 jedoch nicht weit genug in Fig. 1 nach rechts gezogen worden ist oder/und nicht genau achsparallel orientiert ist, bleibt zumindest einer der beiden Schalter S1, S2 geöffnet und somit auch der Kurzschluß-Stromkreis 50.

Obwohl der Kurzschluß-Stromkreis 50 keine eigene Span­ nungsquelle aufweist, läßt sich sein Schaltzustand (ge­ öffnet oder geschlossen) ohne weiteres induktiv ermitteln, und zwar mit Hilfe einer ortsfesten Spule L2 als Teil des ortsfesten Bereichs 48. Die Spule L2 ist gemäß Fig. 2 induktives Element eines Schwingkreises 56, dessen Kapa­ zität mit C bezeichnet ist. Der Schwingkreis wird mit Hilfe eines regelbaren Oszillators 58 in Schwingung gehalten. Da sich die beiden Spulen L1 und L2 unmittelbar einander gegenüberliegen nämlich derart, daß gemäß Fig. 1 beide Spulen zueinander konzentrisch angeordnet sind und die ortsfeste Spule L2 die rotierende Spule L1 umringt, beeinflußt die Spule L1 die Induktivität des Schwingkreises 56, und zwar unterschiedlich, je nachdem, ob der Kurzschluß-Stromkreis 50 geschlossen oder geöffnet ist. In ersterem Falle wird in dem Kurzschluß-Stromkreis Induktions-Kreisstrom induziert mit entsprechender Gegen­ induktion in der Spule L2. Bei geöffnetem Kurzschluß- Stromkreis dagegen ist die Induktionswirkung und damit auch die Gegeninduktion wesentlich reduziert. Durch Schließen des Kurzschluß-Stromkreises 50 erhält man demzufolge eine Veränderung zumindest eines der Parameter des Schwingkreises 56: Frequenz, Amplitude, Phasenlage und Dämpfung des Schwingkreises 56. Diese Parameteränderung kann meßtechnisch erfaßt werden, wie dies beispielsweise in der DE 29 27 525-C2 in bezug auf die Änderung der Schwingungsfrequenz angegeben ist.

Da der kurzgeschlossene Kurzschluß-Stromkreis 50 aufgrund der Induktionswirkung dem Schwingkreis 56 Energie ent­ zieht, kann man das Kurzschließen des Stromkreises 50 auch dadurch detektieren, daß man die dem Schwingkreis 56 zur Aufrechterhaltung einer Schwingung mit vorgegebener Amplitude erforderliche Energiezufuhr überwacht und bei einem plötzlichen Anstieg bzw. Abfall dieser Energie auf eine Änderung des Schaltzustands des Kurzschluß-Strom­ kreises 50 schließt. In Fig. 2 ist eine entsprechende Auswerteeinheit 60 angedeutet, die die Stromaufnahme des Oszillators 58 verfolgt und bei entsprechender Änderung ein Signal an einen nachgeschalteten Verstärker 62 abgibt. Dieser wiederum ist mit der die Auswertung der Signale vornehmenden und mit CPU bezeichneten Zentralrecheneinheit der Werkzeugmaschine verbunden. Die CPU gibt Alarm bzw. stellt gegebenenfalls die Werkzeugmaschine ab, falls nach Wechsel eines Werkzeuges oder während des Betriebs der Kurzschluß-Stromkreis 50 seinen Öffnungszustand beibehält bzw. falls während des Betriebes der Kurzschluß-Stromkreis 50 in seinen Öffnungszustand übergeht.

Die Überwachung der Stromaufnahme des Oszillators bei induktiven Näherungsschaltern ist an sich bekannt (s. Prospekte "Näherungsschalter induktiv Allgemeines 2/0.1" und "Induktive Analoggeber Allgemeines 2/10.1" von Pepperl und Fuchs, Postfach 31 04 40, D-6800 Mannheim 31).

Um elektromagnetische Störsignale von den Spulen L2 und L1 fernzuhalten, kann eine in Fig. 1 angedeutete magnetische Abschirmung 64 (vorzugsweise in Form eines die äußere Spule L2 umringenden magnetischen Rückschlußringes) vorgesehen sein. Die Führung der elektrischen Leitungen ist der Fig. 2 zu entnehmen. Verbindungsleitungen 66 zwischen den Schaltern S1, S2 und der Spule L1 sind in Fig. 1 mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet, ebenso wie Verbindungsleitungen 68 zwischen der Spule L2 und den übrigen Elektronikteilen (C; 58, 60, 62), die an einer Außenseite des die Spindel 10 umringenden, hohlzylinder­ förmigen Maschinenteils 18 angebracht sind.

In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform der Einrichtung 44 zur Lageerfassung dargestellt. Bauteile, die ihrer Funktion nach solchen in den Fig. 1 und 2 entsprechen, tragen dieselbe Bezugsziffer, jeweils ver­ mehrt um die Zahl 100. Auf die zugehörige Beschreibung wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen. Im folgenden wird in erster Linie auf die Unterschiede zwischen beiden Ausführungsformen eingegangen.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die mechanischen Schalter S1 und S2 durch elektromagnetisch arbeitende Lagesensoren SE1 und SE2 ersetzt, die an der gleichen Stelle der Spindel 110 positioniert sind. Jeder Lagesensor SE1, SE2 besteht jeweils aus einem Magnetfeld-Sensor B1 bzw. B2 (Hall-Effekt-Sensor), an dem ein Permanentmagnet M1 bzw. M2 angebracht ist. Zusätzlich ist eine mit T1 bzw. T2 bezeichnete Schaltung zur Kompensation von Temperatur­ einflüssen auf die analogen Sensorsignale vorgesehen. Die Signale des jeweiligen Magnetfeld-Sensors B1 bzw. B2 sowie der Temperaturkompensationsschaltung T1 bzw. T2 werden jeweils einem Differenzverstärker 70 zugeführt sowie anschließend einem Schwellwertdetektor SCHW1 bzw. SCHW2. Die Ausgänge von SCHW1 und SCHW2 sind mit einem UND-Glied 72 verbunden, welches dann, wenn die Eingangssignale beispielsweise beide hochpegelig sind, einen Schalter S1 als Teil des Kurzschluß-Stromkreises 150, der ansonsten den Kreis offen hält, schließt.

Die induktive Signalübertragung vom rotierenden System in das ortsfeste System erfolgt in gleicher Weise über die beiden Spulen L1 und L2 samt nachgeschaltetem Schwingkreis 156 und Auswerteschaltung mit Oszillator 158, Auswerte­ schaltung (Schwellwertdetektor) 160 und Verstärker 162 wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2.

Die Magnetfeldsensoren B1 und B2 bedürfen jedoch im Gegensatz zu den mechanischen Schaltern S1 und S2 einer Energieversorgung, die z. B. durch eine Batterie realisiert werden kann. In dem dargestellten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel ist anstelle der Batterie eine wiederum induktiv arbeitende Energieversorgungsschaltung 74 vorge­ sehen. Der ortsfeste Bereich 76 dieser Schaltung besteht aus einem Wechselstromgenerator G, der über einen Ver­ stärker 78 eine mit L4 bezeichnete ortsfeste Spule mit Wechselstrom versorgt. Die Spule L4 umringt entsprechend der Spule L2 eine rotierende Spule L3, wobei beide Spu­ lenpaare L1/L2 und L3/L4 gemäß Fig. 3 in Richtung der Rotationsachse 112 aufeinanderfolgende angeordnet sind. In der Spule L3 wird ein entsprechender Induktions-Wechsel­ strom induziert, der über einen in Fig. 4 angedeuteten Gleichrichter 80 des rotierenden Bereichs 77 der Schaltung 74 in eine mit U bezeichnete Gleichspannung an den Polklemmen 82, 83 umgewandelt wird. Diese Gleichspannung wird in nicht näher dargestellter Weise den Magnetfeld- Sensoren B1 und B2 zugeführt.

Auf diese Weise enthält man eine ohne mechanische und schmutz- und feuchtigkeitsempfindliche Teile auskommende Einrichtung 144 zur Lageerfassung des rotierenden Werk­ zeugs 124. Die Signalgewinnung und Signalauswertung findet räumlich getrennt statt, nämlich zum einen im rotierenden System und zum anderen im feststehenden System. Die Spulen L1 und L4 sind als zur Achse 112 konzentrische Spulen ausgebildet, so daß eine Signalübertragung unabhängig von der Bewegung des Werkzeugs und, bei Stillstand, unabhängig von der jeweiligen Rotationslage möglich ist. Die Emp­ fangs- und Auswertelogik besteht aus herkömmlichen Nähe­ rungsschalterbausteinen. Die Lageerfassung des Werkzeugs 124 setzt lediglich voraus, daß dieses aus metallischem Werkzeug besteht, da das Magnetfeld von den Permanentma­ gneten M1 bzw. M2 erzeugt wird. Die Empfindlichkeit der Magnetfeld-Sensoren B1 und B2 ist derart groß, daß die korrekte Lage des Werkzeugs 124 mit großer Genauigkeit erfaßt werden kann. So können je nach Bauart bereits Lageabweichungen im Bereich von 0,04 mm erkannt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet zuverlässig und äußerst rasch, so daß Störungen, z. B. Werkzeugbruch, schnell erkannt werden können. Aufgrund der berührungslosen Übertragung entfallen die bei herkömm­ licher Signalübertragung vom rotierenden Bauteil auf das feststehende Bauteil über Schleifkontakte oder dergleichen auftretenden Probleme.

In den Fig. 5-7 wird eine weitere mit 244 bezeichnete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Lageerfassung gezeigt. Der Aufbau des dargestellten Spindelbereichs der Werkzeugmaschine entspricht dem anhand von Fig. 1 bereits erläuterten Aufbau, so daß auf die zugehörige Beschreibung Bezug genommen wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Lageerfassung wird im folgenden auch nur insoweit im einzelnen erläutert, als sie sich von den beiden vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen unterscheidet, so daß im übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird auf die entsprechende Beschreibung. Bauelemente, die ihrer Funktion nach solchen der vorbe­ schriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen, jedoch vermehrt um die Zahl 200 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 bzw. um die Zahl 100 im Vergleich zum Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 und 4.

Die Lage des demzufolge mit 224 bezeichneten Werkzeugs wird nunmehr nicht durch unmittelbaren Kontakt des Werk­ zeugs mit den entsprechenden Sensoren erfaßt, sondern dadurch, daß die Axiallage der Spannzange 228 ermittelt wird. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Lageer­ fassung ist es möglich, nicht nur die korrekte Einnahme einer einzigen Position (Endlage) festzustellen, sondern auch weitere Lagen, die für die Spannfunktion wesentlich sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden drei Lagen detektiert, nämlich "Spannzange gelöst" (in Fig. 5 dargestellte linke Endstellung aufgrund Betätigung der Betätigungseinrichtung 232); "Spannstellung mit Werkzeug" (Betätigungseinrichtung 232 deaktiviert); "Spannstellung ohne Werkzeug" (rechte Endstellung der Spannzange 228). Um diese Lagen voneinander unterscheiden zu können, sind an der Spannzange mehrere Permanentmagnete alternierender Polarität angebracht, im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Permanentmagnete 84, 86, 88 und 90. Diese Permanentmagnete können als Magnetringe ausgebildet sein, die auf einen durchmesserverringerten Abschnitt 91 der Zugstange 229 aufgeschoben und dort fixiert sind. Diesen Permanentmagneten radial auswärts gegenüberliegend sind in der die Spannzange 228 aufnehmenden Spindel 210 zwei Magnetfeldsensoren B1 und B2 (insbesondere Hall-Effekt- Sensoren) angebracht, und zwar in einem gegenseitigen Mittenabstand a, der einem ungeradzahligen Vielfachen der Hälfte des Mittenabstand b unmittelbar aufeinanderfolgen­ der Magnete entspricht. In der Darstellung gemäß Fig. 6 beträgt der Mittenabstand a etwa das 5fache der Hälfte des Mittenabstands b. Aufgrund dieser unterschiedlichen Teilung läßt sich die Lageauflösung auf etwa die Hälfte des Mittenabstands b reduzieren; bei gleicher Teilung würde die Auflösung etwa dem Mittenabstand b entsprechen.

Dies wird auch aus Fig. 7 ersichtlich, die den Verlauf der beiden Sensorsignale der Magnetfeld-Sensoren B1 (obere Bildhälfte) und B2 (untere Bildhälfte) bei Vorbeigang der Permanentmagnete 84-90 während einer Axialverschiebung des Spannwerkzeugs (Richtung X) darstellt. Hierbei wird allerdings unterstellt, daß die alternierende Reihe der Permanentmagnete sich fortsetzt, wie durch die strichliert angedeuteten Permanentmagnete 92 und 94 in Fig. 6 darge­ stellt ist. Mit einem senkrecht nach unten zeigenden Pfeil in Fig. 7 ist die Relativposition gemäß Fig. 6 angezeigt. Mit dem Vorbeigang der Permanentmagnete mit Polarität S bzw. N ändert sich dementsprechend auch der Signalpegel. Der der Polarität S zugeordnete Signalpegel ist z. B. als hoher Pegel angedeutet und der der Polarität N zugeordnete Pegel als niedriger Pegel. Es lassen sich vier Bereiche A, B, C und D voneinander unterscheiden. Im Bereich A detektiert der Sensor B1 die Polarität S ebenso wie der Sensor B2. Sobald die Reihe der Permanentmagnete soweit weiter bewegt ist, daß die Trennungslinie zwischen den Magneten 88 und 90 am Sensor B1 soweit vorbeigewandert ist, daß der Sensor B1 nunmehr hauptsächlich das Magnet­ feld des Magneten 90 mit Polarität N erfaßt, fällt sein Signal auf den niedrigen Pegel ab, wohingegen der Sensor B2 noch im Einfluß des Magneten 84 mit Polarität S ist (Bereich B in Fig. 7). Sobald der Magnet 86 mit Polarität N vom Detektor 82 erfaßt wird, erhält man ein Niedrigpe­ gelsignal von beiden Sensoren B1, B2 (Bereich C). Es folgt der Bereich D, in welchem der Sensor B1 bereits den nächstfolgenden Magneten 92 mit Polarität S erfaßt. Es schließen sich dann die Bereiche A, B usw. zyklisch an. Auf diese Weise lassen sich vier Lagebereiche ohne weiteres unterscheiden.

Die zusätzlich eingezeichneten Permanentmagnete 92, 94 können auch entfallen, sofern der Magnetfeld-Sensor B1 auch dann ein definiertes, der Polarität S bzw. N zuge­ ordnetes Signal abgibt, wenn er keinem Magneten gegen­ überliegt. In Fig. 7 ist mit einer unterbrochenen Linie 96 der Signalverlauf angegeben, der sich ergibt, wenn der Sensor B1 bei Nichtvorhandensein eines Magneten ein Hochpegelsignal abgibt.

Der Positionsbereich D gemäß Fig. 7 kann beispielsweise der bereits angesprochenen linken Endstellung "Spannzange gelöst" (zum Werkzeugwechsel) zugeordnet werden und der "Spannstellung Werkzeug". Der Bereich A kann dann der rechten Endstellung der Spannzange "Spannstellung ohne Werkzeug" zugeordnet werden.

Die Übertragung dieser beiden binären Signale der Sensoren B1 und B2 zur Bestimmung des jeweiligen Bereichs A, B, C und D erfolgt in der bereits vorstehend beschriebenen Art und Weise unter Zuhilfenahme jeweils eines Kurzschluß-Strom­ kreises 250′ bzw. 250′′. Der Schalter S1′ im Stromkreis 250′ wird vom Sensor B1 betätigt und der Schalter S1′′ der Stromkreises 250′′ durch den Sensor B2. Jedem Kurz­ schluß-Stromkreis 250′, 250′′ ist wiederum ein ortsfester Schwingkreis 256′ bzw. 256′′ zugeordnet zur induktiven Erfassung des Schaltzustands des jeweiligen Kurzschluß- Stromkreises. Die Signalerfassung kann entsprechend den Fig. 2 und 4 wiederum mit Hilfe eines Oszillators 258′ bzw. 258′′ erfolgen mit einer nachgeschalteten Auswerte­ schaltung (Schwellwertdetektor 260′ bzw. 260′′), der die für die Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Schwingung jeweils erforderliche Energie detektiert. Über einen nachgeschalteten Verstärker 262′ bzw. 262′′ werden die beiden sich ergebenden Signale der CPU übermittelt, die dann aus dem jeweils vorliegenden Signalmuster entspre­ chend Fig. 7 die Lageinformation ableitet und ggf. Alarm auslöst bzw. die Werkzeugmaschine abstellt.

Die Energieversorgung der rotierenden Sensoren B1, B2 erfolgt in gleicher Weise wie bei Fig. 4 durch induktive Übertragung vom stationären energieliefernden Bereich 176 auf den rotierenden Bereich 177 der Energieversorgungs­ schaltung 174.

Die rotierenden Spulen L1, L2, L3 der beiden Kurzschlußkreise 250′, 250′′ sowie der Schaltung 174 haben gleichen Durch­ messer und liegen zur Rotationsachse 212 konzentrisch in Achsrichtung hintereinander. Die zugehörigen ortsfesten Spulen L6, L5 bzw. L4 sind im dargestellten Ausführungs­ beispiel nicht als zu den Spulen L1, L2, L3 konzentrische, diese außen umringende Spulen ausgebildet, sondern als relativ kleine Spulen am radial innenliegenden Ende dreier zylindrischer Bauteile 95a, 95b und 95c, deren Achsen 97 zueinander parallel und senkrecht zur Achse 212 liegen. Die Bauteile 95a und 95b beherbergen die Schaltungsteile 256′, 258′, 260′, 262′ bzw. 256′′, 258′′, 260′′ und 262′′ und können als binäre Signalgeber bezeichnet werden. Das der induktiven Energieversorgung dienende Bauteil 95c beher­ bergt wiederum neben der Spule L4 den ortsfesten Bereich 176 der Schaltung 174. Aufgrund der Empfindlichkeit der aus herkömmlichen Näherungsschalterbausteinen bestehenden binären Signalgeber reicht es aus, wenn die Spulen L5 und L6 auf einen relativ kleinen Bereich konzentriert sind. Da die Spulen L1 und L2 weiterhin als zur Achse 212 konzen­ trische Ringspulen ausgebildet sind, ergibt sich eine Lageerfassung unabhängig von der jeweiligen Drehposition der Spindel. Unter Umständen genügt es, wenn auch die Spulen L1 und L2 bzw. L3 sich entsprechend den Spulen L5, L6 und L4 auf kleinen Umfangsbereich der Spindel be­ schränken, wobei dann jedoch eine Messung im Stillstand nur dann möglich ist, wenn sich die Spulen L1, L2 und L3 bzw. L6, L5 und L4 einander gegenüberstehen.

Eine alternative Position der Spulen samt Bauteilen 95a′, 95b′ und 95c′ ist in Fig. 6 angedeutet. Hierbei sind diese Bauteile lediglich parallel zur Achse 212 versetzt angeordnet. Eine weitere, sich stärker hiervon unter­ scheidende Positionierung der Spulen sowie der Bauteile 95a′′, 95b′′, 95c′′ ist in Fig. 5 rechts angedeutet. Hier sind die rotierenden Spulen L1, L2 und L3 zueinander konzentrisch in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Rotationsachse 212 angeordnet und werden von den dement­ sprechend parallel zur Achse 212 angeordneten Bauteilen 95a′′, 95b′′ und 95c′′ abgetastet.

Die drei separaten Bauteile 95a, 95b, 95c können auch in einem gemeinsamen Bauteil 98 integriert sein, wie dies in Fig. 5 rechts oben angedeutet ist. Dieses Bauteil 98 ersetzt dann die Bauteile 95a′′, 95b′′ und 95c′′ gemäß Fig. 5, rechts. Bei entsprechender Gestaltung des Spindelgehäuses kann das Bauteil 98 auch die Bauteile 95, 96 und 97 gemäß Fig. 5, oben Mitte ersetzen.

Claims (23)

1. Einrichtung (40, 44; 144; 244) zur Lageerfassung eines rotierenden Werkzeuges relativ zu einem das Werkzeug tragenden mitrotierenden Maschinenelement und zur Übertragung der Lageinformation auf ein ortsfestes Maschinenteil (18), umfassend wenigstens eine maschinenelementseitige Sensoranordnung aus wenigstens einem Lagesensor zur Erzeugung eines die Relativlage des Werkzeugs (S1, S2; SE1, SE2; B1, B2) angebenden Lagesignals sowie wenigstens eine induktive Signalübertragungs­ einrichtung zur Übertragung des Lagesignals zu einer ortsfesten Auswerteschaltung mit wenigstens einem Induktions- Spulenpaar (L1, L2; L1, L6; L2, L5) aus einer mit der Sensor­ anordnung verkoppelten maschinenelementseitigen Spule (L1; L1; L2) und einer mit der Auswerteschaltung ver­ koppelten maschinenteilseitigen Spule (L2; L6; L5), gekennzeichnet durch wenigstens einen Kurzschluß-Stromkreis (50; 150; 250′; 250′′), umfassend die maschinenelementseitige Spule (L1; L1; L2) sowie wenigstens einen von der jeweiligen Sensoranordnung betätigbaren Schalter (S1, S2; S1; S1′, S1′′) zum Öffnen oder Schließen des Kurzschlußstromkreises bei Erreichen einer vorgegebenen Relativlage des Werkzeuges.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Spulen, vorzugsweise beide Spulen des Spulenpaares (L1, L2; L1, L6; L2, L5) die Rotations­ achse (12; 112; 212) konzentrisch umringen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maschinenelementseitige Spule (L1; L1; L2) eine das werkzeugtragende Werkzeugmaschinen-Spindel (10; 110; 210) umringt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere der beiden Spulen (L1, L2) mit einer magnetischen Abschirmung (64) versehen ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei einander diametral zur Rotationsachse (12; 112) gegenüberliegende Lagesensoren (S1; S2; SE1, SE2).

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Lagesensor von einem im Kurzschlußstromkreis (50) angeordneten mechanischen Schalter (51, 52) gebildet ist, der in einer vorgegebenen Lage des Werkzeugs, vorzugsweise unmittelbar vom Werkzeug (24; 124), betätigtbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Maschinenelement mehrere mechanische Schalter (51, 52) angebracht sind, die im Kurzschlußstromkreis (50) in Reihe geschaltet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schalter (S1, S2) in ihre jeweilige Öffnungsstellung federvorgespannt sind.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Lagesensor einen Magnetfeld-Sensor (B1, B2) umfaßt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung des Magnetfeld-Sensors ein weiteres Induktionsspulenpaar (L3, L4) vorgesehen ist aus einer mit einer primären Energieversorgungs-Schaltung (176) verbundenen maschinenteilseitigen Spule (L4) und einer mit einer sekundären Energieversorgungs-Schaltung (177) verbundenen maschinenelementseitigen Spule (L3).

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesensor einen Magneten, insbesondere Permanentmagneten (M1, M2), umfaßt, und daß der Magnetfeld-Sensor (B1, B2) eine bei Erreichen der vorgegebenen Relativlage des Werkzeugs (124) hervorgerufene Magnetfeldänderungen detektiert.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Sensor (B1, B2) ein Hall-Effekt-Sensor ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesensor eine Schaltung (T1, T2) zur Kompensation einer temperaturabhängigen Veränderung des Sensorsignals aufweist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung zwei Lagesensoren (SE1, SE2) umfaßt, deren Sensorsignale jeweils einem Schwellwertdetektor und anschließend einem gemeinsamen UND-Glied (72) zugeführt werden, welches den Schalter (S1) zum Öffnen oder Schließen des Kurzschlußstromkreises betätigt.

15. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Magnet, vorzugsweise Permanentmagnet (84, 86, 88, 90), mit dem Werkzeug bewegungsverkoppelt ist, und daß der Magnetfeld-Sensor (B1, B2) eine bei Verlagerung des Werkzeugs (224) auftretende Magnetfeldänderungen detektiert.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Magnet an einer Werkzeughalte­ einrichtung, vorzugsweise einer Spannzange (228) befestigt ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Magnet (84, 86, 88, 90) als zur Rotationsachse (212) konzentrischer Magnetring ausgebildet ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sensoranordnungen aus jeweils einem Lagesensor (B1 bzw. B2) vorgesehen sind, denen jeweils eine Signalübertragungseinrichtung mit Kurzschluß-Stromkreis (250′ bzw. 250′′) zugeordnet ist, und daß eine Auswerteschaltung an die Signalübertragungs­ einrichtungen angeschlossen ist, die aus den jeweiligen Sensorsignalen die momentane Lage des Werkzeugs bzw. der Werkzeughalteeinrichtung ermittelt.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei, vorzugsweise vier, Magnete (84, 86, 88, 90) in Richtung der Rotationsachse (212) aufeinanderfolgend angeordnet sind.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (84, 86, 88, 90) alternierende Polarität aufweisen.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Lagesensoren (B1, B2) der beiden Sensoranordnungen einen gegenseitigen Mittenabstand (a) voneinander aufweisen, der im wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen des halben Mittenabstands (b/2) unmittelbar aufeinanderfolgender Magnete entspricht.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-21, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Induktionsspulenpaaren (L1, L2; L1, L6; L2, L5) diese in Richtung der Rotationsachse (12; 112; 212) aufeinanderfolgen.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-21, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Induktionsspulenpaaren diese zueinander konzentrisch auf einer zur Rotationsachse (212) senkrechten Ebene liegen.