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Diese
Erfindung betrifft die Übertragung
von Leistung und/oder Daten innerhalb einer Maschine, z.B. einer
Werkzeugmaschine, und betrifft im Speziellen, jedoch nicht ausschließlich, eine
Vorrichtung zur Bereitstellung von Leistung zu und Datenkommunikation
mit einem elektrischen Zubehör,
z.B. einer auf der Maschinenspindel montierten Messsonde. Eine Werkzeugmaschinenzusatzeinrichtung
ist beispielsweise aus der
EP
1114693 bekannt.
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Wenn
ein elektrisches Zubehör
wie etwa eine Messsonde in einer Werkzeugmaschinenspindel platziert
wird, die normalerweise für
Schneidwerkzeuge verwendet wird, gestaltet es sich schwierig, dieses
Zubehör
mit Leistung zu versorgen und einen Signalpfad zu und/oder von diesem
Zubehör
zu schaffen. Batterien haben eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere,
wenn eine drahtlose Übertragung
großer
Abtastdatenmengen erfolgt. Auch ist es nicht wünschenswert, zusätzliche
Stromversorgungs- oder Datenübertragungsteile
vorzusehen, die um die Spindel der Maschine herum befestigt sind, weil
diese Teile mit Schneidwerkzeugen in Kontakt kommen können, die
später
in der Spindel angebracht werden, bzw. weil diese Teile mit einem
Werkstück
oder einem automatischen Schneidwerkzeug-Wechselmechanismus zusammenstoßen können.
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Ein
Beispiel einer Maschine, die Teile umfasst, welche um die Spindel
herum befestigt sind, um die Übertragung
von Leistung zu und Signalverkehr von der Maschine zu schaffen,
ist in dem
U.S.-Patent Nr. 4
339 714 gezeigt. Andere ähnliche Vorrichtungen sind
in den
U.S.-Patenten Nr. 5 791 836 und
4 536 661 gezeigt.
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Eine
Anordnung zur Bereitstellung eines Signalpfads innerhalb einer Werkzeugmaschine
ist in
US 5109223 offenbart.
Die Offenbarung zeigt einen Werkzeugmaschinenkörper, der einen Signalpfad
zu einer rotierbaren Spindel in Form einer ersten induktiven Verbindung
aufweist. Es ist auch eine zweite induktive Verbindung zwischen
der Spindel und einer Messsonde über
den weitesten Abschnitt des konischen Schafts (5) gezeigt. Auf dem
Schaft ist eine Sonde montiert.
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Die
Anordnung der zweiten Verbindung in jenem Patent ist für moderne
Werkzeugmaschinen nicht geeignet, da der weite Bereich an der Basis
der Verjüngung
hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wenn die Schneidwerkzeuge
in Verwendung stehen, und zwar beispielsweise bedingt durch die
hohe Seitenbelastung der Schneidwerkzeuge und die hohen Spindelgeschwindigkeiten.
Das heißt,
dass bei dieser Position der zweiten Verbindung die Wahrscheinlichkeit
gegeben ist, dass Schneidwerkzeugschäfte dagegen schlagen, während diese
in den Schafthalter eingesetzt und wieder daraus entnommen werden.
Somit wäre
es schwierig für
einen Werkzeugmaschinenhersteller, seine bestehenden Maschinenausführung entsprechend
anzupassen, um die dargestellte Anordnung darin zu integrieren.
Gleichermaßen
würde eine
neue Ausführung
eine zusätzliche Verstärkung erforderlich
machen, um die durch die dargestellte, zweite induktive Verbindung
geschaffene Schwäche
zu kompensieren.
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Außerdem übertragen
die Verbindungen nicht genügend
Leistung, wenn sie zu klein sind. Es scheint daher, dass es eine
Notwendigkeit ist, die zweite Verbindung an dem größeren Ende
des konischen Schafts zu positionieren. Darüber hinaus wäre die Verwendung
an kleinen Werkzeugschäften
(mit einem Durchmesser von beispielsweise 30 mm oder weniger) kein
praktisch durchführbares
Ansinnen, da die Verbindung an dem Schaft bei weitem zu klein wäre, um genügend Leistung
zu übertragen.
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Damit
eine induktive Verbindung effektiv funktionieren kann, sollten die
in
US 5109223 erwähnten Ferritelemente
nicht durch magnetisierbares Material (z.B. die Metalloberfläche des
Schafts) getrennt sein. Eine Unterbrechung in der Oberfläche des
Schafts müsste
somit an der Verbindung auf dem Schaft geschaffen werden, um einen
effektiven Betrieb zu ermöglichen.
Eine solche Unterbrechung müsste
abgedichtet werden. Eine Abdichtung zwischen nichtmetallischen Teilen
und metallischen Teilen ist in der Werkzeugmaschinen-Betriebsumgebung
an der in
1 des
U.S.-Patents
Nr. 5 109 223 angezeigten, beanspruchten Stelle sehr schwierig
zu bewerkstelligen.
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Die
Anordnung aus 1 in jenem Dokument erfordert
eine relative Orientierung zwischen dem Maschinenschaft und der
Spindel. Eine solche Orientierung ist bei Werkzeugmaschinen nicht
immer möglich.
Die Anordnung aus 2 erfordert eine ringförmige Ausnehmung
in dem Schaft an der vorerwähnten
Stelle mit hoher Beanspruchung.
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Die Übertragung
von Leistung zu der Sonde ist in
US
5109223 nicht erwogen.
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In
der Internationalen Patentanmeldung
WO 03/089188 gezeigte
Ausführungsformen
nehmen zwar die oben erwähnten
Probleme in Angriff, zeigen jedoch nicht das Folgende.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Werkzeugmaschinenzusatzeinrichtung mit einem Schaft
zum lösbaren
Anbringen des Zubehörs
an eine Spindel einer Werkzeugmaschine geschaffen, wobei der Schaft
in einer Mehrzahl von Orientierungen an der Spindel anbringbar ist
und elektrische Kontakte zur elektrischen Kommunikation mit komplementären elektrischen
Kontakten an der Spindel aufweist, wobei das Zubehör weiter hin
einen Schaltkreis zum Bestimmen der Orientierung der Kontakte des
Schaftes relativ zu komplementären
Kontakten an der Spindel umfasst.
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In
dieser Beschreibung ist ein elektrischer Kontakt jedes beliebige
Teil, welches einen physisch leitenden Kontakt und somit einen leitenden
Pfad über
eine Verbindung für
Elektrizität
hinweg schafft. Die erste Verbindung ist in der Beschreibung als
das erste Element beschrieben und die zweite Verbindung ist als
das dritte Element beschrieben.
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Die
Erfindung erstreckt sich auf einen Werkzeugmaschinenschaft zum lösbaren Anbringen
eines Werkzeugmaschinen-Schneidwerkzeugs oder einer anderen Werkzeugmaschinenzusatzeinrichtung
an der Spindel einer Werkzeugmaschine, umfassend einen Abschnitt
einer elektrischen Verbindung in der Form einer Mehrzahl von elektrischen
Kontakten, die so angeordnet sind, dass ein jeder davon mit jedem beliebigen
aus einer Mehrzahl von komplementären Kontakten an einem Schaftaufnahmebereich
der Spindel verbindbar ist.
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Die
Erfindung erstreckt sich auf eine Werkzeugmaschine umfassend einen
feststehenden Teil, eine Spindel mit einem Schaftaufnahmebereich,
einen in dem Schaftaufnahmebereich in jeder beliebigen Orientierung
oder einer Mehrzahl von Orientierungen relativ zu der Spindel lösbar aufnehmbaren Schaft,
und eine an dem Schaft angebrachte Werkzeugmaschinenzusatzeinrichtung,
und umfassend eine erste elektrische Verbindung zwischen dem feststehenden
Teil und der Spindel und eine zweite elektrische Verbindung in dem
Schaftaufnahmebereich, die in elektrischer Kommunikation mit der
ersten Verbindung steht, um bei der Verwendung eine trennbare elektrische
Verbindung zwischen der Spindel und dem Schaft zu schaffen, um Leistung
oder ein Signal für
das Zubehör
bereitzustellen, wobei die zweite Verbindung als zwei Abschnitte
ausgebildet ist, wovon ein Abschnitt an der Spindel angebracht ist
und der andere Abschnitt an dem Schaft angebracht ist, wobei jeder
Abschnitt eine Mehrzahl von komplementären Kontakten zur elektrischen
Kommunikation zwischen den beiden Abschnitten aufweist, und einen
Schaltkreis zum Bestimmen, welcher aus der Mehrzahl von elektrischen
Kontakten des einen Abschnitts mit welchem aus der Mehrzahl von
elektrischen Kontakten des anderen Abschnitts verbunden wird.
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Die
Erfindung erstreckt sich auch auf eine Messsonde, die zur Verwendung
mit der oben erwähnten
Werkzeugmaschine bzw. dem oben erwähnten Schaft angepasst ist.
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Vorzugsweise
werden die oben erwähnten Verbindungen
dazu benutzt, um dem Zubehör
Leistung zuzuführen.
Vorzugsweise werden die Verbindungen dazu benutzt, um Signale zu
und/oder von dem Zubehör
zu übertragen.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben,
in welchen:
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1 eine
typische Anordnung einer Werkzeugmaschinenspindel ist, die für die Zuführung von Leistung
zu, und für
die Übertragung
von Daten gleichermaßen
zu und von einem an dieser montierten Zubehör angepasst ist;
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2–11 verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung
zur Zuführung
von Leistung zu der Spindel und zur Übertragung von Daten zu bzw.
zum Empfang von Daten von der Spindel zeigen;
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12 und 13 eine
Vorrichtung zum Führen
von Leistung und Signalen entlang einer Spindel zeigen;
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14a eine Vorrichtung zum Zuführen von Leistung und zum Empfangen/Übertragen
von Daten von einer Spindel zu einem in der Spindel montierten Zubehör zeigt;
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14b eine zu der in 14a gezeigten Anordnung
alternative Anordnung zeigt;
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15 einen
Teil der in 14 gezeigten Vorrichtung
sowie einen Schaltkreis zum Bestimmen der Orientierung eines Schafts
in einer Spindel zeigt;
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16 einen
Teil der in 14 gezeigten Vorrichtung
sowie einen Schaltkreis zum Einbau in ein Zubehör zeigt, welches Leistung und
Signal verwendet;
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17a eine andere Ausführungsform der Vorrichtung
zum Zuführen
von Leistung und zum Empfangen/Übertragen
von Daten von einer Spindel zu einem Zubehör zeigt;
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17b eine teilweise Draufsicht auf die in 17a gezeigte Vorrichtung zeigt;
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18 eine
Vorrichtung zum Zuführen
von Leistung oder zum Empfangen/Übertragen
von Daten von einer Spindel zu einem an der Spindel montierten Zubehör zeigt;
und
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19 eine
Dichtungsanordnung zur Verwendung mit der Erfindung zeigt.
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In 1,
auf welche nun Bezug genommen wird, ist ein Teil einer Werkzeugmaschine 200 mit
einer Spindel 210 gezeigt, die von einem Motor 220 direkt
angetrieben wird. Ein Hohlraum oder Schaftaufnahmebereich in der
Form eines konischen Gehäuses 230 in
der Spindel 210 wird dazu verwendet, um ein Schneidwerkzeug
oder, wie in dieser Darstellung, eine Messsonde 100 festzuhalten.
Moderne Werkzeugmaschinen verfügen über automatische Schneidwerkzeugwechsler.
Anstelle des Schneidwerkzeugs können
auch andere Zubehöre
verwendet werden. Diese werden alle an einem Standard-Werkzeugschaft 360 montiert.
Die meisten Standard-Werkzeugschäfte weisen
eine sich verjüngende
(kegelstumpfförmige)
Auslegung auf. Mit dieser Erfindung wird ein Karussell von Schneidwerkzeugen
zusammen mit einem oder mehreren Zubehören verwendet und die Auswahl
des korrekten Schneidwerkzeugs/Zubehörs erfolgt durch ein Programm.
Soll ein Messvorgang durchgeführt
werden, so wird ein Zubehör
in der Form einer Messsonde von dem Karussell ausgewählt und
automatisch in der Spindel befestigt. Die Maschine kann in die gewünschte Position
bewegt werden und das Werkstück
kann gemessen werden, und zwar entweder indem die Spindel eine Translationsbewegung
ausführt oder
(falls die Messsonde selber bewegt werden kann) indem die Spindel
feststehend gehalten wird und die Messsonde manipuliert wird.
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Um
Leistung und einen Signalpfad für
die Messsonde 100 bzw. für ein anderes Zubehör an der Werkzeugmaschine 200 über Drehkomponenten
(in diesem Fall eine kontinuierlich rotierbare Spindel 210)
bereitzustellen, sind drei Elemente erforderlich. Das erste Element
ist eine elektrische Verbindung zwischen der feststehenden Maschine 200 und
der Spindel 210, um Leistungs- und/oder Signalverbindungen über eine
drehbare Schnittstelle hinweg bereitzustellen, das zweite ist ein
Pfad entlang der Spindel 210, und das dritte Element ist
eine trennbare elektrische Verbindung von der Spindel zu der Sonde 100 bzw.
dem sonstigen Zubehör
an dem Schaftaufnahmebereich 230.
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Es
gibt eine Anzahl von Positionen, in denen dieses erste Element (von
welchem Varianten weiter unten eingehender beschrieben sind) positioniert sein
kann, wobei Beispiele davon in 1 als eingekreiste
Bezugszeichen 1a, 1b, 1d und 1d gezeigt sind.
Die Position 1a ist schematisch durch strichpunktierte
Linien dargestellt und schafft eine drehbare Verbindung, die einen
Signalpfad S, eine Leistungszuführung
P und (in diesem Fall) eine Gehäuse-Rückleitung
E bereitstellt.
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Die
Bezugszahl 1b zeigt eine andere mögliche Position für das erste
Element. In der Position 1b ist es wahrscheinlich, dass
die Verbindung zwischen der Maschine und der Spindel im Inneren
des Motors 220 gebildet ist und die Form einer Stator-
und einer Rotor-Spule annimmt, wie weiter unten beschrieben.
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Die
Bezugszeichen 1c und 1d zeigen andere mögliche Positionen
für das
erste Element, das die Form einer jeden beliebigen der weiter unten
beschriebenen Verbindungen annehmen kann, und zwar mit dem Nutzen
einer vollständigen
Umschließung.
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Das
Bezugszeichen 2 zeigt das zweite Element an, d.h. den Leistungs-
und Signalpfad entlang der Spindel, der das erste und das dritte
Element miteinander verbindet. Alternative Ausführungsformen für dieses
Teil sind weiter unten beschrieben.
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Das
Bezugszeichen 3 zeigt gleichermaßen die Position des dritten
Elements an, d.h. die Verbindung zwischen der Spindel 210 und
der Sonde 100 bzw. dem anderen Zubehör. Alternativen für dieses Teil
sind ebenfalls weiter unten beschrieben.
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Die 2–11 zeigen verschiedene Arten der Bereitstellung
von Leistungs- und
Signalverbindungen von einer statischen Maschine 200 zu
einem rotierenden Teil, welches in diesem Fall eine Spindel 210 ist.
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2 zeigt
eine Schleifringanordnung mit zwei Ringen 222 und zwei
Schleiffedern 225, von denen einer Leistung kombiniert
mit einem Signal (P + S) bereitstellt und eine gemeinsame Rückleitung
E bildet. Die Leistungs- und Signalzuführung soll über einen isolierten Pfad I
entlang der Spindel übertragen werden
und die gemeinsame Rückleitung
E wird durch den Rest der Spindel gebildet. Es könnten drei oder mehr Schleifringe
verwendet werden, beispielsweise um Leistungs- und Signalpfad zu
trennen.
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3 zeigt
eine andere Maschine-zu-Spindel-Verbindung in der Form eines induktiven
Drehtransformators. In dieser Variante wird ein Wechselstrom durch
die statischen Transformatorwicklungen 235 geführt und
von der Drehspule 230 aufgenommen. In dieser Anordnung
wird nur ein Satz von Windungen verwendet, es können jedoch mehr davon, z.B.
ein Paar von Sätzen,
verwendet werden. In der vorliegenden Anordnung werden Leistung
und Signal, P und S, in nur einem Wechselstrom kombiniert, welcher über die
isolierte Spindel-Leiterbahn I zu dem Zubehör 100 geleitet und über den
Spindelpfad E rückgeleitet
wird. Dieser Drehtransformator ist robuster, wenn sehr hohe Spindeldrehzahlen
verwendet werden, z.B. 50 000 U/Min, da dann die Spulen des Transformators
bei der Verwendung zentrifugal gegen die Seitenwände 250 gedrückt werden.
Diese Wände
stützen
die Spulen während
der Rotation.
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4 zeigt
eine andere Maschine-zu-Spindel-Verbindung in der Form eines Einspulen-Drehtransformators,
der in axialer Beabstandung einen Stator 245 und einen
Rotor 240 aufweist. Diese Anordnung funktioniert auf ähnliche
Weise wie der in 3 gezeigte Drehtransformator.
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5 zeigt
eine induktive Maschine-zu-Spindel-Verbindung in der Form eines
Mehrspulen-Drehtransformators, welcher jeweils rotierende und feststehende
Teile 252 bzw. 253 aufweist. Im Gebrauch können ein
Leistungs- und ein Signalpfad getrennt voneinander verwendet werden,
wobei in diesem Fall zwei isolierte Pfade IP und IS an der Spindel
benötigt
werden. Es wird hier eine gemeinsame Spindel-Rückleitung E verwendet.
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6 zeigt
eine andere Maschine-zu-Spindel-Verbindung. Diese Variante verwendet
einen Drehtransformator mit einem Stator 265 und einem Rotor 260 in
Kombination mit einer kapazitiven Verbindung, welche gleichfalls
ein Statorteil 275 und ein Rotorteil 270 aufweist.
Ein Signal S wird über
die kapazitive Verbindung geführt
und Leistung wird über den
Drehtransformator zugeführt.
Die Spindel hat zwei isolierte Pfade IS und IP sowie eine gemeinsame
Rückleitung
E.
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7 zeigt
eine Maschine-zu-Spindel-Verbindung, welche ausschließlich kapazitiv
ist. Gezeigt ist hier ein Stator 290 und ein Rotor 295.
In diesem Beispiel ist ein Leistungspfad P-IP und ein getrennter Signalpfad
S-IS sowie eine gemeinsame Rückleitung E
vorhanden. Der Leistungspfad muss eine relativ hohe Kapazität aufweisen,
weswegen die Oberfläche der
kapazitiven Platten 280 verglichen mit der Fläche der
Signalpfadplatten 285 größer sein sollte.
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8 zeigt
eine weitere kapazitive Maschine-zu-Spindel-Verbindung. Diese Variante
weist radial verlaufende Platten 297/300 auf,
um mehr Oberfläche
bereitzustellen, als dies mit den in 6 und 7 dargestellten,
sich über
den Umfang hinweg erstreckenden Platten erzielbar wäre. Dieses
Beispiel funktioniert auf dieselbe Weise wie die in 7 gezeigte
und weiter oben beschriebene, kapazitive Verbindung. Gezeigt ist
hier ein Stator 297 und ein Rotor 300.
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9 zeigt
noch eine weitere Maschine-zu-Spindel-Verbindung. In diesem Beispiel
wird ein Drehtransformator 310 zur Leistungsübertragung verwendet.
Ein Signalpfad IS wird durch eine Glasfaser 315 in der
Spindel bereitgestellt, welche mit einem optischen Maschinenmodul
(OMM) zusammenwirkt. Der Signalpfad in der Spindel verläuft über die Glasfaser 315,
welche bei der Verwendung rotiert. Ein kleiner von dem Licht zu
durchquerender Spalt ist zwischen dem statischen OMM und den rotierenden Teilen
der Spindel vorhanden. Somit wird eine drehbare Verbindung für ein Signal
gebildet. Eine optische Sende-Empfangs-Einrichtung kann in der Spindel
oder dem Zubehör
zur Zweiwege-Kommunikation entlang der Faser 315 vorgesehen
sein.
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10 und 11 zeigen Beispiele für Glasfaser-zu-OMM-Verbindungen. 10 zeigt
eine Faser 315, welche in der Lage ist, Daten über einen
statischen, axialen Emitter/Sensor 320 zu übertragen und/oder
zu empfangen. 11a zeigt eine y-förmige Faser 315,
welche in der Lage ist, über
einen Ring von statischen Emittern/Sensoren 325, die umlaufend
um die Enden der y-förmigen
Faser 315 herum angeordnet sind, Daten zu übertragen
und/oder zu empfangen. 11b zeigt
eine Faser 315, die in eine Scheibe 316 aufgeht
welche wiederum in der Lage ist, über einen Ring von statischen
Emittern/Sensoren 325 Daten zu übertragen und/oder zu empfangen.
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Bei
der in 2 gezeigten, elektrischen Verbindung handelt es
sich um eine kontaktbasierte Verbindung, wohingegen die in den 3–11b gezeigten elektrischen Verbindung durchweg
kontaktlose Verbindungen sind.
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Die 12 und 13 veranschaulichen Beispiele
des zweiten Elements und zeigen Schnitte durch die Spindel 210,
die eine Zugstangenbohrung 330 aufweisen. Jede Figur zeigt
zwei isolierte Pfade IS und IP, jeweils für Signal und Leistung, sowie
eine von dem Rest der Spindel gebildete, gemeinsame Rückleitung.
Zwei Drähte
werden in diesen Beispielen zum dynamischen Abgleichen der Spindel
verwendet. Es könnte
auch ein kombinierter Signal- und Leistungspfad verwendet werden,
so dass dann nur ein einziger Draht erforderlich wäre. Es könnte ein Gegengewicht
oder ein asymmetrischer Abschnitt verwendet werden, um einen ausgeglichenen
Schaft zu gewährleisten,
wenn nur ein Draht vorhanden wäre.
Gezeigt sind hier zwei isolierte Drähte, es können jedoch auch mehr als zwei
Drähte
verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können ein
oder mehrere Glasfasern den erforderlichen Signalpfad bilden. Es
kann aber auch gänzlich
auf Glasfasern verzichtet werden, so dass ein geradliniger Lichtpfad zwischen
der Maschine-zu-Spindel-Verbindung und der elektrischen Vorrichtung
bereitgestellt wird.
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Die
elektrischen Pfade IS und IP können
aus jeder beliebigen, separaten Leiterbahn, z.B. durch flexible,
leitende Streifen, möglichst
in einer Rille oder in Rillen, oder spiralig eingerollt im Inneren
der zentralen Zugstangenbohrung 330 gebildet sein. Der Leistungspfad
und der Signalpfad können
durch eine isolierte Zugstange, einen separaten Streifen aus einer
auf der Spindel oder der Zugstange ausgebildeten, leitenden Beschichtung,
oder durch konzentrische, isolierte Röhren innerhalb der Spindel
oder innerhalb der Zugstange gebildet sein.
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14a zeigt ein Beispiel eines dritten erfindungsgemäßen Elements,
d.h. der trennbaren Verbindung zwischen der Spindel und der elektrischen Vorrichtung.
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Die
Sonde 100 wird an dem Schaft 360 angebracht, der
(üblicherweise
automatisch) in einen Schaftaufnahmebereich einsetzbar ist, welcher
die Form eines konischen Gehäuses 230 am
Ende der Spindel 210 hat. Die Leiterbahnen 24 und 22 schaffen
Pfade für
Leistung zu und Signale zu/von der Sonde 100. Die Leiterbahnen
sind gegenüber
ihrer jeweiligen Umgebung elektrisch isoliert.
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Wenn
der Schaft in das Gehäuse 230 eingesetzt
wird, stellen gefederte Stifte 340 auf dem Schaft einen
Kontakt mit den Leiterbahnen her und schaffen die Pfade für Leistung
und Signal zu der Sonde. Die Stifte 340 sind ebenfalls
gegenüber
ihrer jeweiligen Umgebung isoliert. Die Stifte grenzen an das Gehäuse 230 an. 14b zeigt eine alternative Anordnung der Leiterbahnen 22/24 und
der Stifte 340. In diesem Fall werden drei Stifte 340 für jede Leiterbahn 22/24 bereitgestellt.
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15 zeigt
die Zuführ-Schaltkreise
zu den Leiterbahnen 24 und 22. Diese Schaltkreise
sind detailgenauer in 18 gezeigt. Die Schaltkreise
können
von den Kontakten 22/24 gespeist werden.
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Falls
nun die Steuerung der Orientierung des Schafts relativ zu der Spindel
nicht möglich
ist, oder der Schaft sich zufallsbedingt in zwei oder mehr Positionen
ausrichten lässt,
so ist die Position der Stifte relativ zu den Leiterbahnen unbekannt
bzw. ungewiss. Zur Bewältigung
dieses Problems werden die Stifte 340 mit einem Schaltkreis 365 verbunden,
der bestimmt, welche Stifte mit welchen Leiterbahnen verbunden sind.
Der Schaltkreis beschaltet dann die Stifte entsprechend, um die
korrekten Sonden-Schaltkreise
bereitzustellen.
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Jeder
Stift wird mit einem mehrwegegesteuerten Schalter 350 verbunden
(d.h. mit den Schaltern 1, 2, 3 oder 4),
in diesem Beispielfall Halbleiterschalter mit einer Testposition
und vier weiteren Positionen, zwei zur Zuführung von Leistung P1, P2 und zwei
für einen
Signalpfad S1, S2. Der Schaltkreis 365 umfasst einen Controller,
in diesem Beispielfall einen Mikroprozessor, welcher die Schalter 350 steuert
und jeden Schalter 350 in die Ausgangs-Testposition T setzt.
In dieser Position erzeugt eine Zuführung von Wechselstrom über die
Leiterbahnen 24 einen Halbwellen-Spannungsanstieg über zwei der Widerstände R1,
R2, R3 oder R4 hinweg an alternierenden Halbzyklen. Die Spannung
V über
jeden der Widerstände
hinweg wird durch den Mikroprozessor überwacht. Der Mikroprozessor
schaltet einen ersten der Schalter 1, 2, 3 oder 4 in
die P1-Position, wenn über den
ihm entsprechenden Widerstand R1, R2, R3 oder R4 hinweg eine Spannung
vorliegt. Gleichermaßen
schaltet der Mikroprozessor einen zweiten der Schalter 1, 2, 3 oder 4 in
die P2-Position, wenn über den
ihm entsprechenden Widerstand R1, R2, R3 oder R4 hinweg eine Spannung
vorliegt.
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Der
Mikroprozessor kann sodann die verbleibenden zwei Schalter in die
Positionen S1 und S2 schalten.
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16 zeigt
einen vereinfachten Sonden-Schaltkreis, in welchem die Schalter 350 von dem
Mikroprozessor korrekt geschaltet worden sind. Ein Lastschaltkreis 380 wird
durch die Schalter 1 und 2 gespeist und ein Signalpfad
wird über
die Schalter 3 und 4 zu einem Sender-Empfänger-Schaltkreis 390 geschaffen.
In 15 sei angemerkt, dass die elektrischen Verbindungen 24 und 22 jeweils
nebeneinander gezeigt sind. Würden
sie allerdings einander diagonal gegenüberliegen, so bestünde keine
Notwendigkeit für
einen Schaltkreis zur Bestimmung der Orientierung der Kontakte,
da die Kontakte so zusammen kommen würden, dass die Orientierung nicht
von Bedeutung ist.
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Die 17a und 17b zeigen
eine Verfeinerung der Vorrichtung aus 15 und 16.
Da die Möglichkeit
besteht, dass einer oder mehrere der in 15 und 16 gezeigten
Stifte auf einem Spalt 400 zwischen den Leiterbahnen 24 zu
liegen kommen, wie z.B. in 17b gezeigt,
ist es also besser, über
fünf Stifte 340 1, 2, 3, 4 und 5 zu
verfügen, wie
in 17a und 17b ge zeigt.
Dann steht zumindest ein Stift 340 mit jeder Leiterbahn 24/22 in Kontakt,
und zwar ungeachtet der Orientierung des Schafts 360 relativ
zu dem Gehäuse 230.
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Bei
dieser Verfeinerung ist die Funktionsweise des Schaltkreises 365 abzuändern. Der
Schaltkreis bestimmt, wie zuvor, welche Stifte mit der Stromversorgung
verbunden sind. Der Mikroprozessor kann dann bestimmen, welche Stifte
eine Impedanz untereinander aufweisen, die jener der Transformatorspule 55 entspricht
(was auf eine Verbindung mit dem Signalpfad S hinweist), welche
Stifte untereinander kurzgeschlossen sind (was auf zwei Stifte auf
derselben Leiterbahn hinweist) und welche Stifte einen offenen Stromkreis
haben (was darauf hinweist, dass kein Verbindungsstift sich in dem
Spalt 400 befindet). Dann kann der Mikroprozessor die Schalter 350 korrekt
schalten, so dass die richtigen Verbindungen zu den Schaltkreisen 380 und 390 hergestellt
werden. Das soeben beschriebene Verfahren funktioniert auch bei
einer Mehrzahl von Leiterbahnen und einer Mehrzahl von Stiften.
Die Anzahl der Leiterbahnen und der Stifte braucht dabei nicht dieselbe
zu sein.
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In 14–17 sind gefederte Stifte 340 auf
einem Schaft 360 und Leiterbahnen 24/22 auf
einer Spindel 210 gezeigt. Die Position der Stifte und
der Leiterbahnen könnte
auch umgekehrt sein. Anstelle der dargestellten Stifte und Leiterbahnen
könnte
jede beliebige Art von elektrischer Verbindung verwendet werden.
Jede geeignete Anzahl von Leiterbahnen und Stiften usw. könnte dabei
zum Einsatz kommen, der Einfachheit halber werden jedoch zwei für Leistung
und/oder zwei für
Signal bevorzugt, welche sich auf der Spindel befinden und mit fünf Stiften
oder Leiterbahnen usw. zusammenpassen, die auf dem Schaft montiert
sind.
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18 ist
eine schematische Darstellung des elektrischen Schaltungsprinzips,
das bei der in 14 bis 17b veranschaulichten Vorrichtung verwendet wird.
Zwei induktive Verbindungen werden verwendet, um eine Kommunikation
zwischen dem statischen Gehäuse
und den rotierenden Teilen der Spindel zu schaffen, eine davon für Leistung
und einer für
Signalgabe (das erste Element). Weiterhin sind zwei Sätze von
Kontakten 21/22, 24/25 für die Kommunikation
zwischen Spindel und Schaft gezeigt. Rotierbare Teile der Verbindung
sind innerhalb des von der gestrichelten Linie begrenzten Bereichs gezeigt.
Jede induktive Verbindung wird durch ein nahe beabstandetes Paar
von Kreisringen 40/50 (18) gebildet,
in diesem Fall Ferritringe, wobei ein jeder von ihnen eine damit
verbundene Leiterspule 45/55 aufweist. Die Ferritringe
und Spulen bilden zusammen die kontaktlose, induktive Verbindung zwischen
der feststehenden Maschine 200 und der Spindel 210.
Die Ferritringe und Spulen können
relativ zueinander rotieren. In dieser Ausführungsform haben die beiden
Sätze von
Ferritringen/Spulen verschiedene Durchmesser DP & DS, so dass ein Satz innerhalb des
anderen positioniert sein kann. Das bedeutet, dass in axialer Richtung
der Maschine Raum eingespart werden kann. Die Trennung zwischen
den induktiven Elementen wurde als zylindrisch um die Rotationsachse
der Spindel herum angeordnet gezeigt. Es ist jedoch auch eine Trennung
in einer zu der Achse senkrecht stehenden Ebene möglich.
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Die
weiter oben veranschaulichten Kontakte müssen in einer aggressiven Umgebung
funktionieren. Beispielsweise wird Maschinenkühlmittel verwendet, welches
oftmals durch das Zentrum der Spindel 330 (1)
hindurchgepresst wird. Das Kühlmittel
verursacht elektrische Kontaktprobleme an den Kontakten. Zur Milderung
dieses Problems kann eine Dichtung vorgesehen sein.
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19 zeigt
einen als BT40-Schaft bekannten, sich verjüngenden Schaft. Die Kontakte 22 und 24 sind
um den Schaft 360 herum angeordnet. Die angrenzend an die
Kontakte 340 befestigte Dichtung 362 verhindert,
dass Kühlmittel
vom Zentrum der Spindel 330 austritt und auf die Kontakte 22/24/340 gelangt.
Die Dichtung tritt in Funktion wenn der Schaft 360 in den
Spindelhohlraum 230 eingesetzt wird. In einer alternativen
Anordnung kann die Dichtung 362 an dem Schaft 360 befestigt
sein.
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Die
Vorteile der Zuführung
von Leistung und/oder der Schaffung eines Signalpfads zu einer Messsonde über die
Maschine, an welcher sie montiert ist, sind folgende:
es wird
wenig oder überhaupt
keine interne Leistung in der Sonde benötigt;
da ein Batteriefach
und ein Übertragungsmodul
nicht vorhanden sind, kann die Sonde kompakter gebaut werden;
es
ist keine Bedienperson für
einen Batteriewechsel erforderlich;
die hier beschriebenen,
kontaktbasierten, induktiven oder kapazitiven Signalverbindungen
sind weniger anfällig
für Störeinflüsse von
außen
als dies bei funk- oder lichtwellenbasierten Datenübertragungssystemen,
die außerhalb
der Maschinenspindel zum Einsatz kommen, der Fall ist; und
da
keine externen Teile an der Maschine verwendet werden, sind auch
dann, wenn die Sonde nicht in Verwendung ist, keine verbleibenden
Teile vorhanden, die eine Behinderung für andere Funktionen der Maschine
darstellen könnten.
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Die
Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf deren Anwendung mit einer
Werkzeugmaschine und einer Messsonde beschrieben, sie hat jedoch
zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten und
soll daher nicht auf dieses Gebiet beschränkt sein. Zum Beispiel kann
die Erfindung in jeder beliebigen Maschine Anwendung finden, die
entsprechend ausgelegt ist, um an einem rotierenden Maschinenteil
eine elektrische Vorrichtung aufzunehmen, und welche in der Lage
ist, Leistung oder einen Signalpfad zu oder von der Vorrichtung
bereitzustellen.
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Als
Beispiele für
andere Zusatzeinrichtungen als Sonden, die mit dem rotierenden Teil
verwendet werden können,
sind zu nennen: ein Roboter-Greifer oder
Werkstück-Manipulator;
ein Laser-Entgrater (unter Umständen
gelenkbeweglich); ein Laser-Werkzeug zum Bohren/Profilieren/Gravieren/Oberflächenhärten; eine
Kamera z.B. zum Messen der Oberflächengüte oder zur Beobachtung von Werkzeug-Bruchstellen;
Werkzeuge mit einstellbarer Größe, Werkstückreiniger
(z.B. Vakuumsauger); Elektromagneten; Schnelllaufmotoren (z.B. zur
Verwendung beim Entgraten) oder ein Werkzeug mit Zusatzausrüstung wie
Verschleiß-,
Umlenkungs-, Bruch-, Identifizierungs-, Verwendungsaufzeichnungsvorrichtungen,
oder Temperatur-, Schneid-Drehmoment- oder Vibrationsmessung.
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Als
Beispiele für
Sonden, die zum Einsatz kommen können,
sind etwa folgende zu nennen: Abtastsonden, z.B. analoge Sonden
oder Datenstrom-Sonden;
Berührungsauslöser-Sonden;
kontaktlose Sonden, z.B. Kamera- oder
Lasersonden oder Oberflächentextursonden.
Darüber
hinaus könnten
Sonden gelenkig angebracht werden, indem ein beweglicher Sondenkopf
auf dem oben erwähnten
Schaft montiert wird.
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Das
Zubehör
kann eine Datenspeicherung umfassen und die Daten können gelesen
oder rückgeschrieben
werden. Die gespeicherten Daten könnten eine Identifizierung
umfassen und, wenn ein Werkzeug oder eine Zusatzausrüstung verwendet wird,
die Werkzeuggeometrie oder Verwendungsinformationen.
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Die
Beschreibung und die Ansprüche
beziehen sich auf einen Schaft. Das Wort 'Schaft' soll hier jede beliebige Kupplung (z.B.
Stecker oder Steckerbuchse) umfassen, welche zum lösbaren Verbinden eines
rotierbaren Teils einer Maschine mit einem Zubehör geeignet ist.
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Es
existieren gegenwärtig
mehrere Standardausführungen
für einen
Werkzeugschaft, d.h. den Teil des Werkzeugs, welcher in das Ende
einer Werkzeugmaschinenspindel passt. Die in 1 & 14–23 gezeigte Sonde 100 veranschaulicht
nur zwei Schaft-Typen (HSK & BT40).
Folglich kann jedes Zubehör,
das anstelle des Werkzeugs verwendet wird, z.B. eine Sonde, mehrere
unterschiedliche Schäfte benötigen, um
auf alle Maschinen zu passen, die Spindeln aufweisen, welche für eine Leistungszufuhr oder
eine Signalführung
angepasst sind. Somit stellt der Schaft an sich ein Merkmal dieser
Erfindung dar, d.h. die Verbindung zwischen dem Zubehör und dem rotierbaren
Teil der Maschine, welche zwar in manchen Figuren als ein mit der
Sonde einstückig
ausgebildeter Schaft dargestellt ist, jedoch auch ein getrennter
Artikel sein kann, der aus einer Reihe von Auslegungsarten ausgewählt werden
kann, um auf die Maschine zu passen, an der das Zubehör verwendet
werden soll, welche jedoch Leistung zu dem Zubehör übertragen kann und/oder einen
Signalpfad bereitstellt.
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Die
hier beschriebenen und veranschaulichten Schäfte sind als Ausrüstung für eine in
Gebrauch befindliche Maschine bestimmt. Sie können jedoch auch abseits der
Maschine eingesetzt werden. Beispielsweise können die Kontakte an dem Schaft
dazu verwendet werden, um einen Vorwarmstrom bereitzustellen, der
dazu dient, eine Messsonde oder dergleichen warm zu halten, während sie
von der Maschine getrennt ist, so dass keine thermisch verursachten
Messfehler vorkommen. Ein anderes Beispiel ist das Laden von Werkzeugdaten
in ein Werkzeug über
die Kontakte, z.B. Geometrie, Werkzeugeinrichtungsdaten, voraussichtliche
Verwendung, Zahnanzahl usw., bevor es an der Maschine befestigt wird.
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Die
Ansprüche
betreffen eine Spindel. Das Wort 'Spindel' soll hier jedes beliebige, kontinuierlich rotierbare
Teil an einer Werkzeugmaschine umfassen, welches zum drehbaren Antreiben
und Festhalten eines Werkzeugs geeignet ist.
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Das
in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Wort 'Verbindung' soll alle elektrischen
Schnittstellen umfassen, und zwar ungeachtet ob es sich dabei um
serielle oder parallele, Einweg- oder Mehrweg-, kontaktbasierte
oder kontaktlose Verbindungen handelt.
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Das
Signal wird vorzugsweise mit einer Frequenz von zwischen 1 und 100
MHz übertragen.
In diesem Bereich kommt es nur zu geringen Verlusten. Die Leistung
wird vorzugsweise als Wechselstrom mit einer Frequenz von mehr als
20 kHz übertragen (wobei
ungefähr
100 kHz bevorzugt werden). Bei dieser oder einer höheren Frequenz
findet zwischen den verwendeten Kontakten nur eine geringe elektrolytische
Korrosion statt. Um die Korrosion an den Kontakten noch weiter zu
verringern, können
die Kontakte aus Wolfram gefertigt sein. Trotz der kaum vorhandenen
Korrosion bei der Verwendung von Wechselstrom mit einer Frequenz
von 20 kHz oder darüber, könnte ein
kurzer Leistungsimpuls dazu verwendet werden, um allfällige Korrosion,
insbesondere in den Signalpfaden S, während des Betriebs zu entfernen.