DE4432582C2 - Vorrichtung zur Radialkraftmessung an Zentrierspitzen von Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Radialkraft­ messung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden zur Radialkraftmessung an Werkstücken von Werkzeugmaschinen benötigt, die ein oder mehrere Werk­ stücke über mindestens eine Zentrierspit­ ze halten bzw. spannen. Der Einsatz eines solchen Kraft­ sensors bezieht sich hauptsächlich auf spanabhebende Werk­ zeugmaschinen, wie Drehmaschinen, Schleifmaschinen, Fräs­ maschinen, Zahnradbearbeitungsmaschinen usw. Er kann jedoch auch auf anderen Bearbeitungsmaschinen, wie Pres­ sen, Verformungsmaschinen und in Maschinen im allgemeinen überall dort eingesetzt werden, wo Kräfte über feststehen­ de oder mitlaufende Spitzen übertragen werden.

Zur Überwachung von Maschinen und/oder Werkzeugen werden heute in vielfältigster Art Kraftsensoren, Körperschall­ sensoren oder Wirkleistungssensoren eingesetzt. Die gewon­ nenen Signale werden geeigneten Überwachungsgeräten zu­ geführt, die anormale Bearbeitungs- oder Prozeßzustände erkennen und entsprechend auf die Maschine, z. B. durch Vorschubstop, Vorschubveränderung oder Maschinenstillstand einwirken.

Die DE 40 25 522 A1 steht eine Vorrichtung zur Messung von Radialkräften in Schleifmaschinen derart vor, daß berührungslose Meßwertaufnehmer an der Werkstückaufnahme und/oder an der Werkzeugantriebsspindel befestigt sind. Berührungslose Meßwertaufnehmer in einem Sensoraufnahmeteil sind im Bereich der Zentrierspitze mit festem Sitz an der Werkzeugmaschine befestigt, wobei zwischen dem Sensoraufnahmeteil und der Zentrierspitze ein Spalt frei bleibt. Die aus einem Wegsensor bestehenden Meßwertaufnehmer messen die radiale Lageveränderung der Zentrierspitze gegenüber dem Wegsensor. Zur Anbringung eines derartigen Sensors bedarf es der Herstellung einer mechanisch festen Verbindung zwischen dem Halter und dem Maschinenbett, welches zum Einbringen von Gewinden bzw. Schrauben o. ä. Befestigungselementen die mechanische Bearbeitung des Maschinenbettes erfordert.

Aufgrund der Problematik der erforderlichen mechanischen Nachbearbeitung von Maschinenbauteilen zur Unterbringung von Kraftsensoren in den Kraftfluß hinein, ist eine Nach­ rüstung derartiger Sensoren sehr aufwendig und wird daher kaum praktiziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftmessung für die o.g. Maschinen zu schaffen, die an vorhandenen Maschinen nachrüstbar ist, ohne daß diese mechanisch nachbearbeitet werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1 bzw. 4.

Die Erfindung ermöglicht es, mit sehr wenig Aufwand einen hochempfindlichen Kraftsensor für die Radial- bzw. Tangen­ tial- und Normalkraft an Spitzen in Maschinen anzubringen bzw. nachzurüsten.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der Nach­ rüstbarkeit der Kraftmeßeinrichtung, ohne daß Umbauten oder irgendeine mechanische Bearbeitung der vorhandenen Werkzeugmaschine erforderlich wären.

Nach der Erfindung kann das Sensoraufnahmeteil in einfa­ cher Weise, beispielsweise auf die Spitzenaufnahme, aufge­ steckt werden und dort in geeigneter Weise drehfest befe­ stigt werden. Ein Luftspalt zwischen der Spitze und dem Sensoraufnahmeteil gewährleistet wie beim Stand der Technik die freie Beweglichkeit der Spitze, wobei ein auf die Spitze gerichteter Wegsensor die Verlagerung der Spitze in der Ebene A unter Belastung relativ zur Einspannebene B an der Spitzenaufnahme messen kann.

Vorzugsweise ist hierzu das Sensoraufnahmeteil hülsenför­ mig gestaltet, so daß es die Spitze unter Beibehaltung eines Spaltes vollständig umschließt.

Zur Abdichtung gegen Verschmutzung und Kühlschmiermittel kann in dem Spalt ein elastischer Dichtring angeordnet sein, der die Messung überhaupt nicht oder nur vernachläs­ sigbar beeinflußt.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, das Sensoraufnahme­ teil an dem zylindrischen Teil der Spitze zu befestigen und die Messung der Lageveränderung relativ zur Spitzen­ aufnahme durchzuführen. In diesem Fall verbleibt ein Luft­ spalt zwischen dem Sensoraufnahmeteil und der Spitzenauf­ nahme. Eine derartige Lösung hätte den Vorteil, daß der Wegmeßsensor besser gegen Verschmutzung geschützt wird.

In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, daß der Sensorauf­ nahmeteil im vorderen Bereich der Spitzenaufnahme bzw. im hinteren Bereich der Spitze einen Spalt in Form eines Freistiches aufweist, der eine Empfindlichkeitssteigerung des Kraftsensors ermöglicht.

Es werden vorzugsweise zwei Wegsensoren mit einem gegen­ seitigen Winkelabstand von 90° verwendet, wobei ein Weg­ sensor vorzugsweise parallel zu der auf das Werkstück einwirkenden Normalkraft und der zweite Wegsensor parallel zu der auf das Werkstück einwirkenden Tangentialkraft ausgerichtet ist. Bevorzugt werden berührungslos arbeiten­ de Wegsensoren eingesetzt. Es besteht aber auch die Mög­ lichkeit, Wegsensoren einzusetzen, die mit einer vorbe­ stimmten Vorspannkraft gegen die sich verlagernde Umfangs­ fläche angedrückt werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein Impe­ danzwandler oder eine Verstärkeranordnung in dem Sensor­ aufnahmeteil integriert ist, wodurch das Ausgangssignal des Impedanzwandlers bzw. der Verstärkeranordnung durch elektromagnetische Störfelder praktisch nicht mehr beein­ flußbar ist.

Die Erfindung betrifft in ihrer bevorzugten Ausführungs­ form eine Lösung, bei der die Wegaufnehmer in einem die Spitze umschließenden Sensoraufnahmeteil befe­ stigt sind, welches selbst wiederum auf der Spitzenaufnah­ me befestigt ist. Dadurch, daß das Sensoraufnahmeteil die Spitze und die Spitzenaufnahme, die auch eine Pinole sein kann, um­ schließt, kann sie auf der Spitzenaufnahme ohne mechanische Nach­ bearbeitung derselben durch einfaches Klemmen mit radial angeordneten Schrauben befestigt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Befestigung des Sensor­ aufnahmeteils auf die Spitzenaufnahme bzw. Pinole wäre das Schrumpfen derart, daß das Sensoraufnahmeteil einen Preß­ sitz gegenüber der Spitzenaufnahme aufweist und daß durch vorherige Erwärmung des Bauteils dieses auf die Spitzen­ aufnahme aufgeschoben werden kann und somit eine mecha­ nisch feste Verbindung entsteht, die keinerlei Nachbear­ beitung der Spitzenaufnahme oder der Spitze erfordert.

Das die Spitze und die Spitzenaufnahme umschließende Sen­ soraufnahmeteil ist lediglich zuvor konstruktiv hinsicht­ lich seiner Abmessungen derart herzustellen, daß es dort auf die Spitze und die Spitzenaufnahme paßt, wo die Lage­ veränderung zwischen der Achse der Spitze und der Achse der Spitzenaufnahme bzw. deren Durchbiegung aufgrund der Kraftwirkung auf die Spitze gemessen werden soll.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1A, B ein erstes Ausführungsbeispiel mit berührungslos arbeitendem Wegmeßsensor in zwei Ansichten,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit berührend arbeitendem Wegmeßsensor, und

Fig. 3 eine Überwachungsschaltung für eine Werkzeugma­ schine.

Die Fig. 1 zeigt den Teil eines Werkstückes 6, welches durch das Werkzeug 5, das eine Schleifscheibe, ein Drehwerkzeug oder ein Fräswerkzeug usw. sein kann, an der Stelle 7 bearbeitet wird. Die vom Werkzeug aus wirkende Normalkraft N und/oder Tangential­ kraft T wirkt über die Zentrierung im Werkstück bzw. über die Zentrierung des Spanndornes für mehrere Werkstücke teilweise auf die Spitze 1. Der andere Teil der Normal- und Tangentialkraft wirkt über die nichtgezeichnete Werk­ stückhälfte auf eine andere Spitze oder auf eine anderwei­ tige Werkstückaufnahme.

Es muß sich hierbei nicht um ein einziges Werkstück 6 handeln, sondern das Werkstück 6 kann auch aus einer Werk­ stückaufnahme, beispielsweise einem Dorn bestehen, der wiederum ein Werkstück aufnimmt oder gar mehrere hiervon. Derartige Dorne zur Aufnahme von vielen Werkstücken werden oft auch mit Werkstückdutzend bezeichnet, und kommen sehr häufig bei der Bearbeitung von Zahnrädern zum Einsatz.

Dabei werden die Zahnflanken der auf dem Dorn aufgespann­ ten vielen Werkstücke in einer Aufspannung zwischen zwei Spitzen gemeinsam bearbeitet, wobei die Bearbeitungskräfte über die Spitzen aufgenommen werden.

Infolge der Normalkraft N und der Tangentialkraft T wird die Spitze und teilweise auch die Spitzenaufnahme 2 in den entsprechenden Richtungen verbogen und ferner wird die Spitze 1 in der Anlagefläche zwischen Spitze 1 und Spit­ zenaufnahme 2 aufgrund der veränderlichen Oberflächenpres­ sung elastisch verlagert. Die Abstandsveränderung, den die Spitze 1 gegenüber dem Wegsensor 4 oder den Wegsensoren 4, 8 in der Ebene A macht, dient als Meßsignal. Dabei ist zu berücksichtigen, daß eine Verbiegung der Spitzenaufnah­ me 2 über das die Spitze 1 mit einem freien Spalt 15 um­ schließende Sensoraufnahmeteil 3 von den Wegaufnehmern 4 oder 8 teilweise mitvollzogen und somit lediglich die relative, radiale Verlagerung bzw. Verbiegung von Spitze 1 und Spitzenaufnahme 2 zwischen den Linien A und B als Meßsignal dient. Der Spalt 15 gewährleistet die freie Beweglichkeit der Spitze 1 relativ zur Einspannebene B des Sensoraufnahmeteils 3.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das die Spitze und die Spitzenaufnahme 2 umschließende Sensoraufnahmeteil 3 durch eine Schraube 12, die hier als Madenschraube aufge­ führt ist, festgeschraubt. Der hier verwendete Wegsensor ist ein hochempfindlicher induktiver Mineraturabstands­ sensor 4, 8, der in eine radiale Bohrung des Sensoraufnah­ meteils 3 eingeschoben und verklebt ist. Die Stirnfläche des induktiven Wegsensors ist beim Kleben dabei vorzugs­ weise so gegen die Oberfläche der Spitze 1 positioniert, daß ein Luftspalt 9 entsteht, bei dem der Wegsensor seine höchste Empfindlichkeit im linearen Meßbereich hat. Das Sensoraufnahmeteil 3 kann auch durch Kleben oder Schrump­ fen montiert sein.

In Bearbeitungsmaschinen werden Materialabrieb und Kühl­ schmiermittel bzw. Öle versprüht, die, wenn sie in den Luftspalt 9 geraten, Meßsignalstörungen verursachen kön­ nen. Deshalb ist eine elastische Dichtung 16 vorgesehen, die ein Eindringen der o.g. Materialien in den Spalt 15 verhindern. Da das Sensoraufnahmeteil 3 an der Spitzen­ aufnahme 2 diese vollständig umschließt und dort kein Spalt 15 vorgesehen ist, kann der Luftspalt 9 auf Dauer von den o.g., die Messung möglicherweise störenden Mate­ rialien freigehalten werden. Die Dichtung 16 muß jedoch so elastisch ausgeführt sein, daß sie die Verlagerung und die Durchbiegung der Spitze 1 gegenüber der Spitzenaufnahme 2 nicht behindert und damit das Meßsignal nicht verfälscht.

Durch den Freistich 17 wird ein Teil der Spitzenaufnahme 2 freigelegt und durch das sie umschließende Sensoraufnah­ meteil 3 nicht versteift. Infolge dessen kann sich im Freistich 17 die Spitzenaufnahme 2 aufgrund der Kraftein­ wirkung verbiegen und führt damit zu einer Empfindlich­ keitssteigerung des Kraftsensors.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann der Wegsensor 4, 8 auch aus einem berührungslosen Wegmeßelement nach anderen physikalischen Wirkprinzipien bestehen:

Anstelle der berührungslosen Wegaufnehmer 4 können axiale Weg-, Kraft- oder Dehnungssensoren 11 mit einem anderen physikalischen Wirkprinzip oder einer anderen Technologie, wie z. B. piezoelektrisch, piezoresistiv, Dehnmeßstreifen oder Dünnfilm, verwendet werden, die die Spitzenoberfläche 10 radial berühren und zwischen dieser Spitzenoberfläche 10 und dem bereits festmontierten, die Spitze umschließen­ den Sensoraufnahmeteil 3 durch eine Vorspannschraube 13 vorgespannt werden, um in radialer Richtung zur Spitze 1 Meßsignale in positiver und negativer Richtung erhalten zu können.

Bei einem kapazitiven Sensor kann die eine Platte eines Plattenkondensators durch die Oberfläche 10 der Spitze 1 selbst gebildet sein und damit gleichzeitig den Kontakt zur elektrischen Masse herstellen. Die andere Platte steht ihr mit dem dazwischenbefindlichen Luftspalt 9 gegenüber und wäre über das Teil 4 mit dem Kabel 18 und damit mit einem Vorverstärker verbunden. Die mit dem Kabel verbunde­ ne Kondensatorplatte ist über einen hochisolierenden Kunststoffstab, der anstelle des induktiven Sensors 4 in Fig. 1 dargestellt ist, fixiert.

Bei einem optischen Wirkprinzip wäre ein Doppellichtleiter mit Sender und Empfänger anstelle des Kabels 18 in das Sensoraufnahmeteil 3 eingeführt, dessen Ende gegen die Oberfläche 10 der Spitze 1 gerichtet ist. Solche optischen Lichtleiter-Sensoren sind ebenfalls marktgängig verfügbar und messen hochempfindlich die Lageveränderung zwischen dem Ende des Lichtleiters und der Spitzenoberfläche auf­ grund der Veränderung in der Reflexion des Lichtes.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform trägt anstelle von berührungslos arbeitenden optischen, kapazitiven oder induktiven Wegsensoren berührende Weg-, Kraft- oder Deh­ nungssensoren 11. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Axialsensor, der eine Quarz­ scheibe in sich trägt, die in axialer Richtung kraft- bzw. druckempfindlich ist. Durch Vorspannung dieses piezoelek­ trischen Axialsensors über die Schraube 13 gegen die Ober­ fläche 10 der Spitze 1 wird der Axialsensor gestaucht. Eine Relativverlagerung der Spitze verringert diese Stau­ chung oder erhöht sie, wodurch eine Meßsignalveränderung in positiver und negativer Richtung möglich ist.

Werden Dehnungsmeßstreifen, piezoresistive Dehnungsmeß­ streifen oder Dünnfilmdehnungsmeßelemente an einem Bolzen appliziert, der in axialer Richtung, wie in Fig. 2 ge­ zeigt, in das Sensoraufnahmeteil 3 eingeschoben und vor­ gespannt ist, so wird auch hierdurch der gewünschte Meß­ effekt erzielt.

Ferner zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform, bei der eine Impedanzwandler- oder -Verstärkeranordnung 19 sich im Sen­ soraufnahmeteil 3 befindet. Diese Impedanzwandler- oder -Verstärkeranordnung 19 ist mit dem Wegaufnehmer 11 oder 4 innerhalb des Sensoraufnahmeteils 3 verbunden. Diese Aus­ führungsform hat gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 den großen Vorteil, daß elektromagnetische Störfelder sich auf die elektrische Verbindung zwischen Wegaufnehmer 4 bzw. 11 und der Impedanzwandler- oder -Verstärkeranordnung 19 kaum auswirken, und daß das Ausgangssignal der Impe­ danzwandler- oder -Verstärkeranordnung 19 im Kabel 23 durch elektromagnetische Störfelder aufgrund der Impedanz­ wandlung bzw. Vorverstärkung kaum noch beeinflußbar ist. Dies ist aufgrund der relativ starken Störfelder in Ma­ schinenarbeitsräumen oft von großer Bedeutung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der sich die Impedanzwandler- oder -Verstärkeranordnung 19 außerhalb des Sensoraufnahmeteils 3 jedoch in ihrer un­ mittelbaren Nähe befindet, um das gegen elektromagnetische Störfelder empfindliche Kabel 18 möglichst kurz zu halten.

Letztlich zeigt Fig. 3, daß die Vorrichtung zur Radial­ kraftmessung an Spitzen 1 von Werkzeugmaschinen mit einer elektrischen Überwachungs-Einheit 20 verbunden sein kann, um die gewonnenen Kraftsignale mit an sich bekannten Über­ wachungsstrategien, wie z. B. Schaltschwellen, zu überwa­ chen und entsprechende Schaltsignale 21 zur Weiterleitung an die Werkzeugmaschine 22 zu generieren.

Die Vorrichtung kann auch ohne die Überwachungs-Einheit 20 zu reinen Kraftmeßzwecken, z. B. für Forschungs- und Ent­ wicklungsaufgaben, dienen. Sie kann ferner dazu dienen, anstelle der Überwachungseinheit 20 mit einer Regeleinheit verbunden zu sein, welche den Bearbeitungsprozeß durch Soll/Ist-Vergleich der gemessenen Kraft über die Regel­ größe Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges derart re­ gelt, daß die Bearbeitung mit konstanter Kraft durchge­ führt wird. Derartige, an sich bekannte Regelungseinrich­ tungen bzw. -strategien, werden in der Fachsprache mit dem Begriff adaptive Regelung bzw. ACC (Adaptive Control Con­ straint) bezeichnet.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Messung von Radialkräften bei der Bearbeitung von Werkstücken (6) in Werkzeugmaschinen (22), bei der mindestens ein Werkstück (6) gegen mindestens eine, in einer Spitzenaufnahme (2) gelager­ ten Zentrierspitze (1) eingespannt ist, und ein Sensoraufnahmeteil (3) im Bereich der Spitze mit festem Sitz an der Werkzeugmaschine (22) befestigt ist, wobei zwischen dem Sensoraufnahmeteil (3) und der Spitze (1) ein Spalt (15) frei bleibt und das Sensoraufnahmeteil (3) mindestens einen in radialer Richtung gegen die Umfangsfläche (10) der Spitze (1) messenden Wegsensor (4, 8) aufnimmt, der die radiale Lageveränderung der Spitze (1) gegenüber dem Wegsensor (4, 8) mißt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Sensoraufnahmeteil (3) an der Spitzenaufnahme (2) befestigt ist und bis zu zumindest einem Teil der Spitze (1) vorsteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoraufnahmeteil (3) hülsenförmig die Spit­ ze (1) unter Beibehaltung eines für die Messung er­ forderlichen Spaltes (15) umschließt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Sensoraufnahmeteil (3) und Spitzenaufnahme (2) in dem der Spitze (1) zugewandten vorderen Bereich einen Spalt in Form eines Freistiches am Sensoraufnahmeteil (3) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung zur Messung von Radialkräften bei der Bearbeitung von Werkstücken (6) in Werkzeugmaschinen (22), bei denen mindestens ein Werkstück (6) gegen mindestens eine in einer Spitzenaufnahme (2) gelager­ ten Spitze (1) eingespannt ist, und ein Sensoraufnahmeteil (3) im Bereich der Spitze mit festem Sitz an der Werkzeugmaschine (22) befestigt ist, wobei zwischen dem Sensoraufnahmeteil (3) und der Spitzenaufnahme (2) ein Spalt (17) frei bleibt, und das Sensoraufnahmeteil (3) mindestens ein in radialer Richtung gegen die Umfangsfläche der Spitzenaufnahme (2) messenden Weg­ sensor (4, 8) aufnimmt, der die radiale Lageverände­ rung der Spitzenaufnahme (2) gegenüber dem Wegsensor (4, 8) mißt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensoraufnahmeteil (3) mit festem Sitz auf einem Teil der Spitze (1) befestigt ist und bis zur Spitzenaufnahme (2) vorsteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wegsensoren (4, 8) mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 90° in dem Sensor­ aufnahmeteil (3) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wegsensor (4, 8) derart angeordnet ist, daß seine Meßrichtung parallel zu der Richtung der auf das Werkstück (6) einwirkenden Normalkraft (N) verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrichtung des zweiten Wegsensors (8) par­ allel zu der auf das Werkstück (6) einwirkenden Tan­ gentialkraft (T) verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (4, 8) berührungs­ los messen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsensoren (4, 8) die Um­ fangsfläche (10) mit vorbestimmter Vorspannkraft berühren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mit dem Werkstück mitrotierenden Spitze (1) der Wegsensor (4, 8) auf der Tastfläche mit einem verschleißarmen harten Gleitbelag (14) versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Impedanzwandler- bzw. Verstärkeranordnung (19) in dem Sensoraufnahmeteil (3) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sensoraufnahmeteil (3) hülsenförmig die Spitzenaufnahme (2) unter Beibehal­ tung eines für die Messung erforderlichen Spaltes (17) umschließt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Spalt (15) bzw. (17) ein elastischer Dichtring (16) eingesetzt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Sensoraufnahmeteil (3) im hinteren Bereich der Spitze (1) einen Spalt in Form eines Freistiches aufweist.