DE4302530A1 - Monitoring device for clamped state of tool in working spindle - contains tool holder position sensor, electronic evaluation unit storing holder clamp positions during tool changing as reference positions - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der DE-40 31 991 A1 ist eine derartige Überwachungsvorrichtung bekannt, mit der die Sicherheit eines vorzugs­ weise genormten Werkzeughalters bei seinem Einkuppeln in die kegelförmige Aufnahme der Arbeitsspindel erhöht werden soll. Zu diesem Zweck ist in der drehangetriebenen Ar­ beitsspindel ein Sensor vorgesehen, der über die Stirn­ fläche der Arbeitsspindel vorsteht und den gekuppelten Zustand des Werkzeughalters erkennt. Nach diesem Einkup­ peln wird der bis dahin drehbar in den Greiforganen des Werkzeugwechslers gelagerte Werkzeughalter in die kegel­ förmige Spindelaufnahme eingespannt. Dem Sensor soll ein an der Arbeitsspindel gelagerter Signalring zugeordnet sein, der bei in kuppelbarer Stellung befindlichem Werk­ zeughalter eine erste axiale Stellung einnimmt und mit einem ortsfesten Meßwertaufnehmer zusammenwirkt.

Bei eingekuppeltem Werkzeughalter erzeugt der Signalring mit Hilfe eines ortsfesten Meßwertaufnehmers eine zweite Signalfolge, um eine kontinuierliche Signalübertragung zwischen dem Signalgeber und einer Erfassungseinrichtung zu erzielen. Diese bekannte Überwachungseinrichtung ist lediglich für die Erfassung des Einspannzustandes des Werkzeughalters konzipiert und für derartige Werkzeug­ wechsler ausgelegt, in deren Greiforganen die Werkzeug­ halter drehbar gelagert sind.

Aus verschiedenen Druckschriften, wie z. B. US-40 19 246 und 38 74 071 sowie EP 44 886 B1 und DD 27 74 169 sind Über­ wachungseinrichtungen bekannt, bei denen über Sensoren die jeweilige Position eines Werkzeughalters in bezug auf die kegelförmige Aufnahme in der Arbeitsspindel erfaßt wird. Mit diesen bekannten Vorrichtungen soll jedoch lediglich die Winkellage des jeweiligen Werkzeughalters bzw. der Arbeitsspindel gesteuert werden.

Bei spanend abtragenden programmgesteuerten Werkzeugma­ schinen mit integriertem Werkzeugwechsel werden die mit ihrem standardisierten Werkzeughalter (Steil- oder ISO- Kegel) fest verbundenen Werkzeuge entsprechend dem vorge­ gebenen Arbeitsprogramm vom Werkzeugwechsler dem Magazin entnommen und in die hohlkegelige Öffnung der Arbeits­ spindel eingeführt. In der Spindel befindet sich eine meist hydraulisch betätigte axial verschiebbare Spannzan­ ge, welche am schmalen Endteil des in die Spindelaufnahme eingeführten Kegels angreift und den Werkzeughalter durch Zug in der Aufnahme der Arbeitsspindel fixiert. Zum Lösen des Werkzeughalters nach Beendigung eines Bearbeitungsvor­ ganges enthält die Spannzange einen Ausstoßer, der nach Öffnen der Spannorgane der Zange gegen den schmalen End­ teil des Kegels drückt und den Werkzeughalter zusammen mit dem Werkzeug um einen geringen Betrag aus seinem Spannsitz herausschiebt. Erst nach diesem Lösevorgang ist ein Ab­ ziehen des Werkzeugs mit seinem Werkzeughalter durch die jeweilige Wechselvorrichtung möglich. Für den aufeinander­ folgenden Ablauf der verschiedenen Vorgänge werden bisher Tastelemente und Nockenschalter eingesetzt, die am hinte­ ren Ende der Spannzange angeordnet und elektrisch mit der Programmsteuerung verbunden sind. Diese Elemente überwa­ chen die Bewegung der Zugstange, des Spanngetriebes oder des Hydraulikkolbens der Spannvorrichtung. Eine direkte Überwachung des Werkzeughalters selbst auf seinen Spann- oder Lösezustand in der Arbeitsspindel ist mit diesen be­ kannten Tastelementen oder Nockenschaltern nicht möglich. In der Praxis kommt es mitunter vor, daß sich die Werk­ zeughalter mit ihrem Spannkegel in der Spindelaufnahme festklemmen und nach Öffnen der Spannzange nicht von deren Ausstoßer aus ihrem Spannsitz gelöst werden können. Dies hat zur Folge, daß der automatische Werkzeugwechsler zwar den Kragen des Werkzeugkegels mit seinen Greifzangen er­ fassen kann, ohne jedoch den festgefressenen Werkzeughal­ ter aus seinem Sitz in der Arbeitsspindel herausziehen zu können. Ein Werkzeugwechsel ist somit nicht möglich. Darü­ ber hinaus können sich erhebliche Beschädigungen der be­ teiligten Baugruppen, insbesondere des Werkzeugwechslers, ergeben, die einen langfristigen Ausfall der gesamten Be­ arbeitungsmaschine zur Folge haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters beim Ein- und beim Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmge­ steuerten Werkzeugmaschine zu schaffen, die anormale Lagen und Zustände eines ein- oder ausgewechselten Werkzeughal­ ters zuverlässig erkennt und die rechtzeitige Einleitung von Steuermaßnahmen ermöglicht, bevor Beschädigungen des Werkzeugwechslers eintreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sen­ sor, der vor und nach jedem Wechselvorgang die Position des Werkzeughalters in der Arbeitsspindel erfaßt, und durch eine mit der Programmsteuerung der Bearbeitungsma­ schine verbundene Verarbeitungseinheit für die Ausgangs­ signale des Sensors, welche durch einen Sollwert-Istwert- Vergleich der Sensorsignale einen anormalen Spannzustand der Werkzeugaufnahme feststellt und entsprechende Informa­ tionen an die Maschinensteuerung abgibt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Abstandssensor an der vorderen Stirnseite des Werk­ zeugwechslers seitlich neben den Greiferzangen angeordnet sein und mit einer ebenen Stirnfläche an der Arbeitsspin­ del zusammenwirken. Bei einer derartigen Anordnung des Sensors am Werkzeugwechsler wird eine erste Messung durch­ geführt, sobald der Werkzeugwechsler das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter in die Spindelaufnahme eingeführt hat. Die­ ser erste Meßwert wird registriert und bildet die Bezugs­ größe für die folgenden Vorgänge. Nachdem die Spannzange den Kegel ergriffen und den Werkzeughalter in seine Spann­ position in der Spindelaufnahme eingezogen hat, erfolgt eine zweite Messung, deren Ergebnis mit dem zuvor ermit­ telten Bezugswert in Relation gesetzt wird und den von der Spannzange verursachten Einziehweg des Werkzeughalters kennzeichnet. Während des Einziehvorganges des Werkzeug­ halters durch die Spannzange ist der Greifer des Wechslers noch nicht gelöst, so daß der Wechsler zusammen mit dem Abstandssensor die Einziehbewegung mit ausführt. Die durch die Relationssetzung ermittelte Auslenklage des Werkzeug­ wechslers und damit des Sensors wird erfaßt und als Weg­ differenz mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt die so ermittelte Abweichung innerhalb eines vorge­ gebenen Bereiches, dann wird der Spannvorgang als korrekt durchgeführt erkannt, so daß der Werkzeugwechsler öffnet und damit das nunmehr fest in die Spindel eingespannte Werkzeug freigibt. Falls bei einem Ausstoßvorgang der Ke­ gel des Werkzeughalters in der Spindelaufnahme festge­ klemmt ist und damit der Werkzeughalter vom Ausstoßer nicht aus seiner Fixierposition herausgedrückt werden kann, wird bereits beim Ergreifen des am Werkzeughalter- Kegel ausgebildeten Kragens durch die Greiforgane des Werkzeugwechslers eine Abstandsmessung durchgeführt, die anzeigt, daß der Werkzeughalter sich nicht in seiner ge­ lösten Abziehposition befindet, sondern in der Spindelauf­ nahme festsitzt. Als Ergebnis dieses Meßvorgangs werden der Programmsteuerung der Maschine entsprechende Informa­ tionen übermittelt, um entweder die gesamte Maschine ab­ zuschalten oder den Bewegungsablauf des Werkzeugwechslers zu unterbrechen, um in dieser Zeitspanne einen weiteren Ausstoßvorgang - ggf. mit erhöhter Kraft des Ausstoßers - durchzuführen. Durch derartige Messungen der reinen Weg­ differenz zu einer jeweils vor dem Meßzyklus erfaßten Re­ ferenzlage ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit des Meßsystems von den sich im Betrieb ändernden Maschinenzu­ ständen, z. B. von der Wärmedehnung, den geometrischen Ab­ weichungen, Zykluszeiten, Verschleiß, od. dgl.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Abstandssensor als elektrischer Druckschalter mit federbe­ lastetem Taststift ausgebildet und an der vorderen Stirn­ seite der Arbeitsspindel angeordnet sein. Statt eines me­ chanischen Tastschalters können auch berührungslose Schal­ ter bzw. Abstandssensoren eingesetzt werden, die auf in­ duktiver oder optischer Basis funktionieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die in die Programmsteuerung der Werkzeugmaschine integrierte Verar­ beitungseinheit elektronische Bauelemente auf, welche aus den Sensorsignalen die Spannposition des Werkzeughalters bei jedem Wechselvorgang als Bezugsgröße für dessen Aus­ stoßposition gesondert ermitteln.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in welcher ein Werkzeugwechsler mit angebautem Sensor und die Ar­ beitsspindel einer Werkzeugmaschine während eines Wech­ selvorganges dargestellt sind.

Die Arbeitsspindel 1 ist in einem Spindelstock 2 drehbar gelagert und weist eine kegelförmige Aufnahmeöffnung 3 auf, in die ein Werkzeughalter 4 mit seinem kegelförmigen Abschnitt 5 eingesetzt wird. Am Werkzeughalter 4 ist ein Spannwerkzeug 6 befestigt. Der kegelförmige Abschnitt 5 des Werkzeughalters weist an seinem schmaleren Ende einen Greifkopf 7 auf, der von den - nicht dargestellten - Greifbacken einer im zentralen Spindelhohlraum gelagerten Spannzange umgriffen wird. Durch eine axiale Bewegung der Spannzange wird der Werkzeughalter 4 mit seinem Kegel 5 fest in die kegelige Spindelaufnahme 3 hineingezogen. Die Spannvorrichtung umfaßt ferner einen stößelförmigen Aus­ stoßer 8, der zum Lösen des Werkzeughalters 4 an dessen hinterer Stirnfläche angreift und den Kegel 5 aus der ge­ strichelt dargestellten Spannposition in die mit durchge­ zogenen Linien dargestellte Lösestellung verschiebt.

Ein - nur teilweise dargestellter - Werkzeugwechsler 10 enthält einen motorisch bewegbaren Tragholm 11, an dessen Ende ein Greiferkopf 12 mit einer Greiferzange 13 montiert ist. In dem dargestellten Betriebszustand umgreifen die beiden Backen der Greiferzange teilweise einen am Werk­ zeughalter 5 ausgebildeten Kragen 14. Am Greiferkopf 12 ist stirnseitig ein Sensor 15 befestigt, der - wie ge­ strichelt dargestellt - mit einer vorzugsweise elektroni­ schen Verarbeitungseinheit 16 verbunden ist, die in die Programmsteuerung 17 der - nicht dargestellten - Bearbei­ tungsmaschine integriert sein kann.

Die beschriebene Überwachungsvorrichtung arbeitet wie folgt:

Zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs 6 mit seinem Werk­ zeughalter 4 in die Spindelaufnahme 3 wird der Werkzeug­ halter 4 durch eine entsprechende Bewegung des Tragholms 11 bzw. einer anderen Tragkonstruktion in die Spindelauf­ nahme 3 bis etwa in die mit durchgezogenen Linien darge­ stellte Position eingeschoben. In dieser Lage erfolgt eine erste Abstandsmessung durch den Sensor 15 mit Bezug auf die gegenüberliegende Stirnfläche des Spindelstocks 2. Das Ergebnis dieser ersten Messung wird als Bezugsgröße in der Verarbeitungseinheit 16 gespeichert. Nach dem Einziehen des Werkzeugkegels 5 durch die - nicht dargestellte - Spannvorrichtung bis in die strichpunktiert dargestellte Spannstellung erfolgt durch den Sensor 15 eine zweite Mes­ sung, deren Ergebnis mit der abgespeicherten Bezugsgröße sowie ggf. einem Sollwert verglichen wird. Aus diesem Ver­ gleich mit dem abgespeicherten Sollwert wird festgestellt, ob der Werkzeughalter 4 richtig in die Spindelaufnahme eingespannt ist. Falls in diesem Vergleich eine unzulässi­ ge Abweichung vom Sollwert festgestellt wird, erzeugt die Verarbeitungseinheit 16 eine entsprechende Information für die Maschinensteuerung 17, um entweder die Maschine still­ zusetzen oder aber den Einwechsel- und Spannvorgang zu wiederholen und erst nach erfolglosem weiteren Spannver­ such die Maschine abzuschalten.

Zum Auswechseln des Werkzeugs 6 mit seinem Werkzeughalter 4 wird der Werkzeugwechsler 10 an den - noch eingespann­ ten - Werkzeughalter 4 herangefahren, so daß seine Greif­ zangen 13 den Kragen 14 umschließen können. Der Sensor 15 erfaßt diese Stellung des Werkzeugwechslers 10, die als Bezugsgröße für die weiteren Operationen in der Verarbei­ tungseinheit 16 abgelegt und gespeichert wird. Anschlies­ send erfolgt das Lösen der - nicht dargestellten - Spann­ vorrichtung von dem Greifkopf 7 des Kegels 5 und durch eine hydraulische Vorschubbewegung des Ausstoßers 8 aus seiner zurückgezogenen - strichpunktiert dargestellten - Lage in die vordere - mit durchgezogenen Linien darge­ stellte - Position wird der Werkzeughalter 4 zusammen mit dem Werkzeugwechsler 10 in die durchgezogen dargestellte Lösestellung verschoben. Dieser Zustand wird vom Abstands­ sensor 15 erfaßt, wobei durch einen Vergleich des Meßer­ gebnisses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt wird, ob sich der Werkzeughalter 4 tatsächlich in der Lö­ sestellung befindet. In diesem Fall erfolgen die weiteren Wechselvorgänge in üblicher Weise. Falls der Kegel 5 des Werkzeughalters 4 jedoch in der Spindelaufnahme 3 fest­ sitzt und vom Ausstoßer 8 nicht herausgedrückt worden ist, wird dieser Zustand durch einen Vergleich des Meßergebnis­ ses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt. Über die Maschinensteuerung kann dar Ausstoßer 8 erneut - und ggf. mit größerer Kraft - betätigt werden, um den Werk­ zeughalter 4 aus seinem Sitz in der Spindelaufnahme 3 zu lösen. Sollte auch durch eine erneute Betätigung des Aus­ stoßers 8 der Festsitz des Werkzeughalters 4 nicht gelöst werden können, wird die Maschine abgeschaltet.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt. So kann beispielsweise der Sensor 15 auch direkt am Spindelstock 2 befestigt sein und den Abstand zu einer Gegenfläche des Werkzeugwechslers erfassen. Ferner kann die Übertragung der Meßwerte des Sensors 15 zur Ver­ arbeitungseinheit 16 über elektrische Leitungen oder auch leitungsfrei erfolgen. Als Sensoren können auf der Grund­ lage von unterschiedlichen physikalischen Parametern funktionierende Meßelemente eingesetzt werden. Schließlich ist es auch möglich, den Sensor an der vorderen Stirnflä­ che der Spindel 1 anzuordnen und den Abstand zwischen die­ ser Stirnfläche und dem Kragen 14 des jeweiligen Werkzeug­ halters 4 zu erfassen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Überwachung des Spannzustandes eines Werkzeughalters beim Ein- und Auswechseln in die Ar­ beitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine mittels eines Werkzeugwechslers, wobei die Arbeitsspin­ del (1) eine motorisch betätigbare Spannzange sowie einen Ausstoßer (8) enthält und ein Sensor (15) die Position des Werkzeughalters (4) der Arbeitsspindel (1) erfaßt und eine mit der Programmsteuerung (17) der Werkzeugmaschine verbundene elektronische Verarbei­ tungseinheit (16) aus den Sensorsignalen einen anorma­ len Spannzustand der Werkzeugaufnahme (4) feststellt und entsprechende Informationen an die Programmsteue­ rung (17) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Auswechselvorgang des Werkzeughalters (4) nach Betätigung des Ausstoßers (8) der Spannzange die in Position des Werkzeughalters (4) mittels des Sensors (15) erfaßt und mit einem Bezugswert für die Lösestel­ lung verglichen wird, und
daß die Programmsteuerung (17) aktiviert wird, falls der Wert der erfaßten Position kleiner als der Bezugs­ wert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoßer (8) der Spannzange wiederholt aktiviert wird, falls der Wert der erfaßten Position des Werk­ zeughalters (4) kleiner als der seine Lösestellung kennzeichnende Bezugswert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Einwechselvorgang des Werkzeughalters der axiale Einziehweg der Spannzange bestimmt wird und
daß bei Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Soll­ wertbereich die Greifer (13) des Werkzeugwechslers vom Werkzeughalter (4) gelöst werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Abweichung des Betrags des Einziehweges vom Sollwert der Spannvorgang durch Betätigen der Spannzan­ ge wiederholt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor (15) an der vorderen Stirnseite des Werkzeugwechslers (10) seitlich neben dessen Greifer­ zangen (13) und der Stirnfläche des Spindelstocks (2) gegenüberliegend angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15) als elektrischer Druckschalter mit federbelastetem Taststift ausgebildet und an der vorderen Stirnseite des Spindelstocks (2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Programmsteuerung (17) der Werkzeugmaschine integrierte Verarbeitungseinheit (16) elektronische Bauelemente aufweist, welche aus den Meßsignalen des Sensors (15) die Spannposition des Werkzeughalters (4) bei jedem Wechselvorgang als Bezugsgröße für dessen Ausstoßposition gesondert ermitteln und speichern.