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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Werkzeuge,
die unter Druck stehendes Fluid zum Bedienen von Werkzeugteilen
verwenden, und insbesondere auf ein Werkzeug zum Steuern des Drucks
bzw. Fluidflusses in derartigen Werkzeugen mit einer Fluidachse.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Werkzeugmaschinen
bearbeiten ein Werkstück
im Allgemeinen durch Bewegen bzw. Schrägstellen von Werkzeugteilen
in vielen verschiedenen Richtungen. So ist zum Beispiel eine Werkzeugmaschine
ein Bearbeitungszentrum mit einem abnehmbaren Bearbeitungskopf.
Wie nachstehend besprochen und angesichts dieses Beispiels mit dem
Bearbeitungszentrum wird jede durch die Werkzeugmaschine ausgeführte Teilbewegung
hier als „Achse" bezeichnet.
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Der
Bearbeitungskopf kann sich in einer Drehrichtung um seine eigene
Achse drehen, so dass seine Klinge durch physische Einwirkung Material
von einem Werkstück
entfernt. Die Drehposition gilt als eine der Achsen des Werkzeugs
und wird hier als Drehachse bezeichnet. Natürlich steht die Drehposition
des Kopfes mit der Drehgeschwindigkeit und der Beschleunigung in
Zusammenhang, und diese Größen gelten
ebenfalls als Bestandteil der Drehachse. Allgemein gesagt, stellt
die vom Bearbeitungszentrum ausgeführte Drehkomponente der Bewegung
die Drehachse dar.
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Das
Bearbeitungszentrum kann außerdem
den Bearbeitungskopf in Längsrichtung
seiner Mittellinie entlang führen
und ihn so weiter in das Material des Werkstücks hinein oder weiter heraus
bewegen. Diese Längsbewegung
wird als zweite Achse des Werkzeugs betrachtet und hier als Längsachse
bezeichnet.
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Bei
machen Bearbeitungszentren kann das Werkstück im Bezug zum Bearbeitungskopf
in eine oder mehrere Richtungen bewegt werden. Die Bewegung (d.h.
Position, Beschleunigung etc.) des Werkstücks in diese Richtungen würde weitere
Achsen des Werkzeugs des Bearbeitungszentrums darstellen. Nachdem
nun das Konzept einer „Achse" erläutert wurde,
wird im Folgenden auf die Verwendung einer „Fluidachse" eingegangen.
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Bei
manchen herkömmlichen
Werkzeugen kann unter Druck stehendes Fluid zum Kühlen, Positionieren
oder Aufbringen von Neigungskräften
an den operativen Teilen des Werkzeugs verwendet werden. So beschreibt
zum Beispiel United States Patent Nr. 5.775.853 eine Spritzreibahle,
bei der die Längsposition
des Spritzreibahlenkopfes hydraulisch gesteuert wird.
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Ein
weiteres Beispiel, U.S. Patent 4.913.602, Peter et al., zeigt einen
Bohrkopf zum Bearbeiten oder Fräsen
von hohlen Zylinderflächen
mit einer Schneidkante, die mittels hydraulischem Druck radial verstellbar ist.
Der hydraulische Druck und die radiale Verstellung, die damit erzielt
wird, können
als Fluidachse dieses Bohrkopfwerkzeugs betrachtet werden.
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DE-3929472
und
US 5.713.703 beschreiben
ein Werkzeug mit einer Bohrspitze an einer Stange und einer verformbaren
Platte. Die verformbare Platte bildet eine Wand einer Fluidkammer
und durch Fluiddruck in der Fluidkammer kann die Platte verformt
und die Bohrspitze bewegt werden.
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EP 0055423 beschreibt ein
Werkzeug zum Bohren und Messen. Eine Schneide kann mittels einer
mechanischen Vorrichtung nach außen bewegt werden. Beim Bohren
wird eine grobe Bohrung angebracht, das Schneidwerkzeug wird an
einer vorher festgelegten Winkelstellung angehalten und die Innenmaße der Bohrung
werden anhand von Sonden ermittelt. Diese Daten werden dann zum
Anpassen der Position der Schneide verwendet, um beim abschließenden Bohrvorgang
den gewünschten
endgültigen
Bohrungsdurchmesser zu erzielen.
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DE-A
38 ZA 784 beschreibt ein Werkzeug gemäß der Präambel von Anspruch 1 beziehungsweise
ein Verfahren gemäß der Präambel von
Anspruch 18.
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Der
Begriff Referenzdaten, wie er hier verwendet wird, steht für jegliche
Informationen, die zum Steuern einer Werkzeugachse verwendet werden.
Feedback, das von der angesteuerten Achse selbst abgeleitet wird,
stellt eine Art von Referenzdaten dar. Herkömmlicherweise steuern bestimmte
Werkzeugs eine Fluidachse auf der Grundlage von Feedback-Referenzdaten
für eine
Servosteuerung der Fluidachse nach Art eines geschlossenen Kreislaufs
(z.B. Fluiddruck). Die rückgemeldeten
Referenzdaten jedoch, die für
diese Servosteuerung nach Art eines geschlossenen Kreislaufs verwendet
werden, sind im Allgemeinen auf den Fluiddruck selbst beschränkt. Natürlich können Feedback-Referenzdaten,
die auf dem tatsächlichen
Fluiddruck basieren, sinnvoll zum Steuern des Fluiddrucks und so
zum Aufrechterhalten eines bestimmten, vorher festgesetzten Druckwerts
eingesetzt werden.
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Feineinstellungen
und laufende Einstellungen an der Fluidachse können jedoch nicht auf der Grundlage
der anderen Achse des Werkzeugs vorgenommen werden, da die Werte
(z.B. Positionen, Geschwindigkeiten, etc.) in Bezug auf die anderen
Achsen des Werkzeugs nicht als Referenzdaten zum Steuern der Fluidachse
herangezogen werden.
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Es
ist vorteilhaft, nur Feedback-Daten der Fluidachse für die Servosteuerung
einer Fluidachse nach Art eines geschlossenen Kreislaufs zu verwenden.
Diese Art von Steuerung erfordert ein relativ seltenes Hin- und
Herschicken von binären
Signalen zwischen der computergesteuerten numerischen Steuerung
(CNC), die die elektromechanischen Bestandteile des Werkzeugs steuert,
und den Fluidregulierungselementen (z.B. Ventil). So kann zum Beispiel
eine langsame serielle Schnittstelle zwischen einer CNC und Fluidregulierungselementen
eingesetzt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Werkzeugs, mit dem man die in diesem Bereich bestehenden, vorstehend
genannten Verfahren und Mängel
angehen und beheben kann.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Werkzeugs zum Steuern einer Fluidachse zumindest teilweise
auf der Grundlage von Referenzdaten (z.B. Positionsdaten) von mindestens
einer anderen Achse des Werkzeugs.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Werkzeugs, das eine kontinuierliche Feineinstellung von Fluidfluss
bzw. Drucks sogar während
der Zeit, in der mit dem Werkzeug ein Werkstück bearbeitet wird, ermöglicht.
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Die
Erfindung wird in Anspruch 1 bzw. 18 definiert. Bevorzugte Ausführungen
sind Gegenstände
der abhängigen
Ansprüchen
2 bis 17 und 19 abgehandelt.
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Bei
manchen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden die Referenzdaten von der anderen Achse
von einem Steuerprogramm, das auf einem Computer ausgeführt wird,
geliefert. Bei manchen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden die Referenzdaten von der anderen
Achse auf der Grundlage von an der anderen Achse durchgeführten Messungen
bereitgestellt.
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Bei
manchen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung liefert ein Fluidachsen-Messfühler, der
die Funktion der Fluidachse misst, Feedbackdaten, die zusammen mit
Referenzdaten in Bezug auf mindestens eine andere Werkzeugachse
zum Bestimmen des Referenzsignals verwendet werden können. Die
Verwendung von Feedbackdaten von der Fluidachse selbst beim Bestimmen
des Referenzsignals ermöglicht
eine Steuerung der Fluidachse nach Art eines geschlossenen Kreislaufs.
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Gemäß gewisser
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung enthält
ein Werkzeug mit Fluidachse und Betätigung entlang einer zusätzlichen
Achse einen Referenzsignalgeber, eine Fluidleitung, eine Fluidregulierungsvorrichtung
und eine Fluidregulierungssteuerung.
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Der
Referenzsignalgeber ist so aufgebaut, dass ein Referenzsignal zumindest
teilweise auf der Grundlage der Funktion des Werkzeugs mit Bezug
auf die zusätzliche
Achse ermittelt werden kann. So kann die zusätzliche Achse zum Beispiel
die Längsposition
eines Bearbeitungskopfes sein, während
das Referenzsignal zum Steuern der Fluidachse zumindest teilweise
auf der Grundlage dieser Längsposition
bestimmt werden kann. Eine mögliche
Ausführung
dieses Beispiels ist die Verwendung einer computergesteuerten numerischen Steuerung,
die auch die Längsposition
des Bearbeitungskopfes steuert, als Referenzsignalgeber und zum
Beschaffen von Daten vom Kopfsteuerprogramm für das Bestimmen des Referenzsignals
für die
Fluidachse.
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Die
Fluidleitung ist so aufgebaut, dass sie unter Druck stehendes Fluid
enthält,
das als Fluidachse dient. Die Fluidleitung kann zum Beispiel eine
Kühlflüssigkeitsleitung
durch eine Spindel sein, die von einer Fluidzufuhr durch eine Werkzeugspindel
und einen sich drehenden Bearbeitungskopf läuft und durch einen Fluidablauf
abläuft.
Bei diesem Beispiel kann das Fluid sowohl zum Schrägstellen
als auch zum Bewegen von Teilen des Werkzeugs verwendet werden (z.B.
eine rotierende Schneidkassette) und zum Kühlen der Schnittstelle zwischen
dem Werkzeug und einem Werkstück.
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Die
Fluidregulierungsvorrichtung ist so aufgebaut, dass sie das Fluid
in der Fluidleitung reguliert und somit die Fluidachse steuert.
Die Fluidregulierungsvorrichtung kann zum Beispiel ein Ventil sein,
das graduell geöffnet
und geschlossen werden kann, um den Fluiddruck in der Fluidleitung
und damit die Fluidachse zu steuern. Ein weiteres Beispiel für die Fluidachse
kann eine drehzahlgeregelte Pumpe sein, die Fluid mit einer kontrollierten
volumetrischen Durchflussmenge durch die Fluidleitung pumpt und
damit die Fluidachse steuert.
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Die
Fluidregulierungssteuerung ist so aufgebaut, dass die Fluidregulierungsvorrichtung
auf der Grundlage des Referenzsignals gesteuert wird. Die Fluidregulierungssteuerung
kann zum Beispiel ein Servomotor sein, der ein Ventil öffnet oder
schließt.
Ein weiteres Beispiel für
die Fluidregulierungssteuerung kann die Drehzahlregelung einer drehzahlgeregelten
Pumpe sein. In jedem Fall beruht das Aussehen des Referenzsignals zumindest
teilweise auf der Funktion von mindestens einer anderen Achse des
Werkzeugs. Auf diese Weise kann die Fluidachse kontinuierlich und
gleichzeitig in Bezug auf eine oder mehrere Achsen des Werkzeugs
gesteuert werden.
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Einige
bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung weisen außerdem einen Fluidachsen-Messfühler auf,
der so aufgebaut und positioniert ist, dass eine Messung der Funktion
des Werkzeug in Bezug auf die Fluidachse möglich ist, wobei der Referenzsignalgeber
das Referenzsignal teilweise auf Grundlage der Messung des Fluidachsen-Messfühlers bestimmt.
Der Fluidachsen-Messfühler
kann zum Beispiel ein Druckmessfühler
zum Messen des Drucks in der Fluidleitung und zum Liefern von Feedbackdaten
auf der Grundlage des gemessenen Drucks sein. Diese Feedback-Informationen
unterstützen
den Referenzsignalgeber (z.B. eine computergesteuerte numerische
Steuerung) beim Bestimmen des Referenzsignals (in Verbindung mit
Daten von mindestens einer anderen Werkzeugachse) und steuern so
die Fluidachse. Da bei diesen Ausführungen Feedbackdaten von der
Fluidachse selbst verwendet werden, ermöglichen sie eine Steuerung der
Fluidachse nach Art eines geschlossenen Kreislaufs.
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Ein
weiterer Gegenstand einiger Ausführungen
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Werkzeugs
mit einer Fluidachse, die zumindest teilweise anhand einer Referenzmessung über einen
Messfühler
durchgeführt
wird der an einem Teil des Werkzeugs angeordnet ist, der sich relativ
zu den Elementen zur Steuerung der Fluidachse bewegt. Der Messfühler kann
zum Beispiel ein Dehnungsmessfühler
sein, der eine Referenzmessung einer radialen Position eines Teils
des sich drehenden Kopfes durchführt
und so zur Steuerung der Fluidachse beiträgt. Bei bevorzugten Ausführungen
wird die Messung in ein Fernsignal umgewandelt (z.B. ein Hochfrequenzsignal
oder ein Infrarotsignal), um das Hin- und Herschicken eines Signals
zwischen Teilen des Werkzeugs, die sich relativ zueinander bewegen,
zu erleichtern. Ein Fernsignal kann zum Beispiel von einem sich
drehenden Fräskopf
zu einer computergesteuerten numerischen Steuerung an einem stationären Bearbeitungszentrum
geschickt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Während die
technische Beschreibung mit den Ansprüchen übereinstimmt, in denen die
vorliegende Erfindung insbesondere dargelegt und deutlich beansprucht
wird, ist anzunehmen, dass die Erfindung durch die folgende Beschreibung
zusammen mit den angeschlossenen Zeichnungen besser verstanden wird,
in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführung eines Werkzeugs für ein Bearbeitungszentrum mit
einem Bearbeitungskopf gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ein
Schema einer alternativen Ausführung
eines Werkzeugs gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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3 ein
Schema einer weiteren alternativen Ausführung eines Werkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG VON
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Nun
wird im Detail auf die Figuren eingegangen; dabei bezeichnen gleiche
Ziffern bei allen Ansichten jeweils die gleichen Elemente. 1 zeigt
ein Bearbeitungszentrum 100 gemäß der vorliegenden Erfindung mit
einem Unterteil 102, einer computergesteuerten numerischen
Steuerung (CNC) 104 in Form eines programmierten Computers,
ein Fluidzufuhrsystem 109 mit einem Fluidtank 106 und/oder
einer Fluidpumpe 108. Ein Werkstück W wird normalerweise mit
in der Branche üblichen
Verfahren und Spannvorrichtungen an einer Spannvorrichtung oder
einem Aufspannkopf befestigt. Werkstück W ist in 1 beispielhaft
dargestellt, als es mit einem Bohrloch B oder einem ähnlichen
hohlen Innenteil versehen ist. Ein Werkzeug (z.B. 103)
zum Bearbeiten des Werkstücks
W wird im Allgemeinen mit einer Maschinenspindel (nicht abgebildet)
am Bearbeitungszentrum 100 befestigt, für ein rasches und einfaches
Aufnehmen und Befestigen vieler verschiedener Werkzeuge für verschiedene
Arbeitsvorgänge.
Das Bearbeitungszentrum 100 kann auch ein synchronisiertes
System wie zum Beispiel ein automatisches Werkzeugwechselsystem
für ein
rasches und einfaches Auswechseln und Verwenden vieler verschiedener
Werkzeuge an einem Bearbeitungszentrum 100 enthalten; dies
sorgt dafür,
dass das Bearbeitungszentrum 100 für mehrere Zwecke und Einsatzmöglichkeiten
geeignet und somit nicht auf einen einzigen Arbeitsvorgang oder
auf die Verwendung nur eines Typs von Werkzeug beschränkt ist.
Die Maschinenspindel kann durch eine Kraftquelle mit verschiedenen
Geschwindigkeiten gedreht werden.
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Die
CNC 104 kann das Unterteil 102 so steuern, dass
das rotierende Werkzeug 103 in Drehrichtung R, in Längsrichtung
L, um die radiale Achse A und/oder andere Steuerachsen betätigt wird.
Aufgrund der Drehbewegung in Richtung R kann sich das rotierende
Werkzeug 103 vorzugsweise um seine eigene Längsmittelachse
drehen, so dass die Schneide 118 Material von Werkstück W entfernen
kann. Diese Drehbewegung und die daraus resultierende Position stellen
die Drehachse eines Werkzeugs 103 dar. Aufgrund der Längsbewegung
in Richtung L bewegt sich das rotierende Werkzeug 103 in
das Werkstück
W hinein und wieder heraus, um tiefer in das Werkstück W hineinzuschneiden
und/oder um sich daraus zurückzuziehen.
Diese Längsbewegung
und die daraus resultierende Position des rotierenden Werkzeugs 103 bilden
die Längsachse
eines Werkzeugs.
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Das
Werkzeug 103 kann auch eine radiale Achse A haben, die
durch unter Druck stehendes Fluid gesteuert wird. Genauer gesagt
kann unter Druck stehendes Fluid in der Leitung 114 im
rotierenden Werkzeug 103 auf die geschlitzte Schneidkassette 120 in
der im Wesentlichen radialen Richtung A einwirken, sie schräg stellen
und betätigen.
Diese wiederum kann die Schneide 118 schräg stellen
und/oder in die radiale Richtung A betätigen und damit den Radius
von Loch B, das von einer sich drehenden Schneide 118 in
Werkstück
W angebracht wird, bestimmen. Da Achse A durch unter Druck stehendes
Fluid gesteuert wird, kann sie eine Fluidachse von Werkzeug 103 sein.
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Bei
anderen Werkzeugen gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Fluidachse mit einer radialen Richtung A übereinstimmen
oder nicht. So kann zum Beispiel unter Druck stehendes Fluid zum
Steuern der Werkzeugbewegung in Längsrichtungen oder andere Richtungen
verwendet werden.
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Der
Tank 106 der vorliegenden Erfindung kann Kühlflüssigkeit
und eine Pumpe 108 enthalten. Eine Vielzahl verschiedener
in Wasser emulgierter oder löslicher
Kühlflüssigkeiten
können
zum Bereitstellen des unter Druck stehenden Fluids in der Fluidleitung 114 verwendet
werden, solange das gewählte
Fluid mit dem gewünschten
Filterungsgrad kompatibel ist. Es wird außerdem darauf hingewiesen,
dass für
die vorliegende Erfindung ein hoher Filterungsgrad für die Kühlflüssigkeit
mit Partikelgrößen bis
hinunter in den Bereich 5 bis 10 Mikron bevorzugt wird. Es kann
auch eine proteinbasierte, wasserlösliche Kühlflüssigkeit oder normales Öl als Kühlflüssigkeit
verwendet werden.
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Die
Pumpe 108 kann zum Beispiel eine Schraubenpumpe, eine Zahnradpumpe,
eine Kolbenpumpe oder eine Membranpumpe sein. Eine Pumpe 108 mit
einer relativ hohen Arbeitsfrequenz wie zum Beispiel 300 Hz kann
sich zum Minimieren von Schwankungen der Pumprate als nützlich erweisen.
Außerdem
kann eine Dämpfungsvorrichtung
(z.B. ein Dämpfer
oder Druckflüssigkeitsspeicher)
zusammen mit verschiedenen Pumpen verwendet werden, um die Leistung
wie gewünscht
auszugleichen bzw. den Fluidausstoß zu drosseln.
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Wie
oben bereits erläutert,
können
der Kühlflüssigkeitsdruck,
die volumetrische Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit, der axiale Werkzeugdurchmesser
etc. als Fluidachsen-Feedback
an die CNC 104 herangezogen werden. Für ein Feedback des axialen
Durchmessers des Werkzeugs leitet ein Messfühler 122, wie zum Beispiel
ein Positionsgeber, ein Feedback-Referenzsignal über verschiedene
dazwischengeschaltete Bestandteile (wie zum Beispiel Fernsignalteile
(z.B. Überträger 126 und
Empfänger 128)
an die CNC 104 weiter. Für ein Feedback für den Kühlflüssigkeitsdruck
kann ein Druckmessfühler 140 in
die Kühlflüssigkeitsleitung eingebaut
werden. Dieser Messfühler 140,
zum Beispiel ein Messfühler
mit einer dünnen
Membran, hat vorzugsweise eine kurze Ansprechzeit, damit ausreichend
Daten zum Steuern des Ventils bei 125 Hz bereit gestellt werden
können.
Ein Messfühler
mit einer sehr geringen Hysterese ist zum genauen Steuern des Ventils erforderlich,
da der Kühlflüssigkeitsdruck
wahrscheinlich rasch innerhalb eines kleinen Druckbereichs schwanken
wird. Der Messfühler
sollte für
einen Bereich von 0 bis circa 1500 psi (0 bis ca. 103,42 bar) ausgelegt
sein. Es kann ein handelsüblicher
Messfühler
wie zum Beispiel Sensotec Super-TJE Serie verwendet werden.
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Die
Pumpe 108 kann Kühlflüssigkeit
durch die Förderleitung 110,
den Schlauch 112 und die Leitung 114 pumpen oder
zuführen.
Der Schlauch 112 ist vorzugsweise biegsam, damit er sich
der Längsbewegung
L des Bearbeitungskopfes 103 anpassen kann. Auf diese Weise
wird eine Kühlung
durch die Spindel (TSC) ermöglicht.
Das unter Druck stehende Fluid wirkt (wie oben erläutert) auf
die Schneidkassette 120 ein und läuft dann durch den Fluidablauf 116 in
der Nähe
der Schneide 118 ab. Zumindest eine gewisse Menge Kühlmittel ergießt sich
aus Fluidablauf 116 in Richtung des Pfeiles S und sorgt
so für
Kühlung.
Bei anderen Ausführungen der
vorliegenden Erfindung wird ein geschlossenes hydraulisches System
verwendet, so dass möglicherweise der
einen Fluidablauf 116 nicht benötigt wird. Auch muss das unter
Druck stehende Fluid der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt
eine Flüssigkeit
sein, aber unverdichtbare Fluids werden bevorzugt.
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Der
Druck des unter Druck stehenden Fluids in der Fluidleitung 114 und
im Schlauch 112 kann und sollte vorzugsweise direkt und
selektiv über
einen Durchflussregler 168, der in der Speiseleitung 110 angeordnet
oder positioniert sein kann, gesteuert werden. Bei einer bevorzugten
Ausführung
kann der Durchflussregler 168 näher am rotierenden Werkzeug 103 angebracht
werden, um die Ansprechzeit des Feedbacksystems zu verbessern. Der
Durchflussregler 168 öffnet
sich im Allgemeinen weiter, um den stromabwärtige Druck des Fluids in der
Leitung 114 zu steigern, und kann damit die Schneide 118 weiter
in radialer Richtung A herausdrücken.
Der Durchflussregler 168 schließt sich im Allgemeinen weiter,
um den stromabwärtigen
Druck des Fluids in der Fluidleitung 114 zu reduzieren,
und ermöglicht
damit der Schneide 118 sich entgegen der radialen Richtung
A zurückzuziehen.
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Der
Durchflussregler 168 der vorliegenden Erfindung, wie zum
Beispiel ein Ventil, ist vorzugsweise ein hydraulisches Dosierventil
mit einer konischen Öffnung,
aber andere Ventile wie zum Beispiel Kugelhähne und Absperrventile können ebenfalls
verwendet werden. Der Durchflussregler 168 in Form eines
Ventils kann an einem T-Stück
entfernt von der Spindelkühlflüssigkeitsleitung
montiert sein. Diese Vorrichtung 168 steuert die Durchflussmenge,
die in den Kühlflüssigkeitstank 106 zurückgeführt wird,
und damit den Druck der Kühlflüssigkeit,
die in die Fluidleitung 114 eingeleitet wird. Diese Vorrichtung
kann ein Dreiwege-Mengenregel-Schieberventil (normal geöffnet) mit
einem Nenndurchfluss von circa 20 bis 30 Gallonen pro Minute („gpm") [~91–136 l/min]
sein. Ein geringer Teil des Stroms von der Pumpe 108 wird
dazu verwendet, eine Seite des Steuerschiebers unter Druck zu setzen,
damit genügend
Federkraft überwunden
werden kann und der Steuerschieber in die Mitte des Hubs gebracht
werden kann. Wenn der Steuerschieber in Gleichgewichtslage in der Mitte
des Hubs ist, ist die zum Bewegen erforderliche Kraft minimal.
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Ein
Druckbegrenzungsventil (nicht dargestellt), das im Allgemeinen auf
circa 200 Pfund pro Quadratzoll („psi") bis circa 3000 psi [etwa 13,8 bis
206,84 bar] und vorzugsweise auf circa 200 psi bis circa 1000 psi [etwa
13,8 bis 69 bar] eingestellt ist, kann an der Spindelkühlflüssigkeitsleitung
nach dem T-Stück
zum Durchflussregler 168 angebracht sein. Ein normal offenes
Zweiwegeventil (entweder ein Tellerventil oder ein Kolbenventil,
nicht dargestellt) kann für
die Hauptkühlflüssigkeitsleitung
zur Spindel nach dem Druckbegrenzungsventil verwendet werden. Dieses
Ventil kann den Fluidfluss zur Spindel vorübergehend unterbrechen, wenn
kein Fluid benötigt
wird, zum Beispiel bei einem Wechsel des Werkzeugs oder bei einem
Trockenbearbeitungsvorgang.
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Das Öffnen und
Schließen
des Durchflussreglers 168 kann selektiv über einen
Servomotor 130 oder auch manuell erfolgen.
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Der
Servomotor 130 sollte vorzugsweise ein Motor mit geringem
Trägheitsmoment
und einem hohen Drehmoment/Trägheitsmoment-Verhältnis sein.
Der Servomotor 130 ist vorzugsweise starr mit dem Ventil 168 verbunden.
Der Servomotor 130 sollte mit der CNC 104, die
für das
betreffende Bearbeitungszentrum 100 verwendet wird, kompatibel
ausgewählt
sein. Bei einigen Ausführungsformen
muss das Signalformat des Referenzsignals 131 zwischen
einem Referenzsignalgeber 132 und dem Motor 130 umgewandelt
werden.
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Die
Art und die Größe des verwendeten
Servomotors 130 hängen
von der Art des Ventils 168 ab, das zum Steuern des Fluiddrucks
verwendet wird. Die meisten Proportionalventile arbeiten mit einem
linearen Steuerschieber, der sich vor und zurück bewegt und so den Fluss
auf verschiedene Öffnungen
aufteilt. Bei dieser Anwendung könnte
der Durchflussregler 168 (z.B. Steuerschieberventil) zum
Steuern der Durchflussmenge, die zurück in den Kühlflüssigkeitstank 106 geleitet
wird, verwendet werden. Ein Linearmotor 130 wäre zum Betätigen dieser
Art von Durchflussregler 188 geeignet, da die Energie,
die zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung verschwendet
wird, minimiert werden kann. Der Hub sollte weniger als einen Zoll
[2,54 cm] betragen und die Kraft, die zum Überwinden der Reibung aufgewendet
werden muss, sollte sehr niedrig sein, so dass ein relativ kleiner
Linear- Motor 130 verwendet werden kann. Die erforderliche
Eingangskraft hängt
fast ganz von der gewünschten
Beschleunigung des Ventils ab.
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Der
Durchflussregler 168 sollte für einen Betrieb bei Frequenzen
von bis zu 125 Hz ausgelegt sein, so dass eine starke Beschleunigung
erforderlich sein wird, damit das Gerät 168 schnell anspricht.
Die Schieberstange sollte schwerer als 8 bis 10 oz. (¼ Kgf)
sein, so dass der Linearmotor 130 eine Dauerkraft gleich
der Masse der Schieberstange + der Schiebereinheit (Kg)·9,2 m/s^2·Beschleunigung
(g) benötigt.
Der Fanuc 1500 A Linearmotor ist für eine Dauerkraft von 300 N
und ein Schiebergewicht von 8 kg ausgelegt, was für eine kontinuierliche
Beschleunigung bei 3,7 g ausreichend ist.
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Ein
Drehservomotor 130 könnte
zusammen mit Durchflussregler 188 (z.B. Steuerschieberventil)
verwendet werden, wobei mit einer Reihe von Verfahren, einschließlich Kugelgewindespindel,
Zahnstangen und Ritzel, oder Direktantrieb über einen „Exzenter" an der Motorwelle eine Drehbewegung
in eine lineare Bewegung umgewandelt wird. Die Größe des Motors 130 hängt vom
Verhältnis
der Drehbewegung des Motors 130 und der resultierenden
linearen Bewegung des Durchflussreglers 168 ab. Die Rotationsträgheit des
Motors 130, der verbindenden Teile und die entsprechende
Trägheit
der Steuerschieberstange müssen
zum Bestimmen der für
den Motor 130 erforderlichen Drehzahl für eine bestimmte Steuerschieberbeschleunigung
verwendet werden. Die Motoren, die für diese Anwendung berücksichtigt
wurden, haben ein Dauerdrehmoment von 0,6 bis 3,0 N·m und
eine Rotationsträgheit
zwischen 0,00018 und 0,014 Kgf·cm·s^2.
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Der
Servomotor 130 wiederum kann anhand von Referenzsignal 131 über einen
Referenzsignalgeber 132 in der CNC 104 gesteuert
werden. Das Referenzsignal 131 wird vorzugsweise vom Referenzsignalgeber 132 über eine
Leitung an den Servomotor 130 gesandt, um die Ansprechzeit
des Feedbacksystems zu vermitteln. Für nicht einschränkende Beispiele
könnte
eine Leitung mit einer seriellen Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle,
ein Glasfaserkabel oder Ähnliches
verwendet werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung basiert das Referenzsignal 131 zumindest
auf Referenzdaten von einer der anderen Achsen des Werkzeugs 103 außer der
Fluidachse selbst. Auf diese Weise kann die Fluidachse kontinuierlich
und gleichzeitig unter Bezugnahme auf die anderen Werkzeugachsen
gesteuert werden. So kann zum Beispiel bei dem Werkzeug 103 die
radiale Fluidachse auf der Grundlage der Längsposition des Werkzeugs 103,
der Längsachse
L gesteuert werden, um eine feine und kontinuierliche Steuerung
des Radius eines Bohrlochs (z.B. B) auf der Grundlage der Längsposition
zu ermöglichen.
Die Steuerung des Radius kann zum Steuern des Profils des Bohrlochs
(z.B. B) in die Tiefe oder zum Kompensieren von festgestellten Verformungsmustern
bei einer bestimmten Art von Werkstück W verwendet werden.
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Die
Steuerung der Fluidachse des Werkzeugs 103 wird im Folgenden
genauer beschrieben. Der Signalgeber weiterer Achsen 134 in
CNC 104 kann Werkzeugsteuersignale 135, vorzugsweise
auf der Grundlage eines Steuerprogramms 136 (auch vorzugsweise
in der CNC 104), erzeugen. Diese Steuersignale 135 können viele
weitere Faktoren wie zum Beispiel die Drehgeschwindigkeit (d.h.
die Drehachse) und die Längsposition (d.h.
die Längsachse)
des Werkzeugs 103 in Bezug auf das Werkstück W steuern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Signalgeber weiterer Achsen 134 auch
ein zusätzliches Achsenreferenzsignal 105 an
den Referenzsignalgeber 132 schicken. Das zusätzliche
Achsenreferenzsignal 105 kann der Längsposition L des Werkzeugs 103,
gesteuert durch den Signalgeber für zusätzliche Achsen 134 und
das Steuerprogramm 136, entsprechen. Alternativ könnte ein
weiteres Achsenreferenzsignal 105 durch einen Positionsgeber,
der die tatsächliche
Längsposition
des Werkzeugs 103 feststellt, bestimmt und gesendet werden.
Das zusätzliche
Achsenreferenzsignal 105 wird vorzugsweise mit einem Fernsignal 127 (z.B. einem
Infrarotsignal, einem Hochfrequenzsignal oder einem Induktivsignal) übermittelt.
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Der
Referenzsignalgeber 132 kann dieses zusätzliche Achsenreferenzsignal 105 zum
Bestimmen des Referenzsignals 131 verwenden. Das Referenzsignal 131 kann
zum Beispiel so programmiert werden, dass die Längsvertiefung des Werkzeugs 103 von
circa 0 bis circa 1 Zoll (0–2,54
cm) vergrößert, der
Radius des Bohrlochs (z.B. B) von circa 4,01 bis circa 4,00 Zoll
[10,18 bis 10,16 cm] verkleinert wird, um Materialverformungen nahe
der Oberfläche
eines Werkstücks
W zu kompensieren. Andere Arten von Steueralgorithmen sind innerhalb
der CNC möglich,
wie zum Beispiel eine radiale Steuerung mit Längsposition in Bezug auf andere Bohrlochprofile,
Spitzsenker, Stirnflächenansenkungen,
dreiflächige
Ventilsitze und Fehlstellen.
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Zusätzlich zu
den Referenzdaten von der zusätzlichen
Achse (z.B. der Längsachse)
kann der Referenzsignalgeber 132 andere Referenzdaten,
wie zum Beispiel Feedback von der Fluidachse selbst, verwenden.
Das Bearbeitungszentrum 100 ermöglicht zwei verschiedene Wege
für Feedbackdaten
für den
Referenzsignalgeber 132. Es wird darauf hingewiesen, dass
zwar bei dem in 1 beispielhaft wiedergegebenen
Zentrum 100, zwei Feedback-Wege vorgesehen sind, jedoch
ein Feedback-Weg im Allgemeinen für das Liefern von Feedback
bei der vorliegenden Erfindung ausreicht.
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Der
erste Feedback-Weg kann einen Sensor 140, wie zum Beispiel
einen Messfühler
oder Aufbereiter und vorzugsweise einen Druckmessfühler und
einen Datenwandler 142, vorzugsweise entweder einen A-Quad-B-Wandler
oder einen seriellen Wandler, umfassen.
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Das
analoge Signal von Druckmessfühler 122 (Volt
oder mA) kann in ein A-Quad-B
Format umgewandelt werden, damit die CNC 104 damit arbeiten
kann. A-Quad-B ist eine Industrienorm für Positionsrückmeldungssysteme
und kann aus einer zweiphasigen Rechteckwelle bestehen. Die CNC 104 legt
jeden Impuls so aus, dass die Maschine eine bestimmte Strecke zurückgelegt
hat, bezeichnet als Erfassungseinheit. Bei der Fluidachsen-Servosteuerung des
Werkzeugs 100 ist die Erfassungseinheit eine Änderung
des Kühlflüssigkeitsdrucks
um mehrere psi. Der Messfühler 122 gibt
entweder einen Spannungs- oder
einen Stromstärkewert proportional
zum gemessenen Fluiddruck aus.
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Der
A-Quad-B-Wandler 142 empfängt das Feedback-Referenzsignal
in der analogen Form 141 und gibt die entsprechende Anzahl
an Impulsen im A-Quad-B-Format aus. Im Idealfall sollten die Impulse
in gleichmäßigen Zeitabständen ausgegeben
werden, aber wenn es erforderlich ist, können sie auch jedes Mal, wenn der
Wandler das Feedback-Referenzsignal 141 abfragt,
gebündelt
ausgegeben werden. Spezifikationen für das Feedback-Referenzsignal im
A-Quad-B-Format sind enthalten. Es kann ein spezial-angefertigter
Wandler erforderlich sein, aber verschiedene handelsübliche Fabrikate
können
analoge Signale in solche im A-Quad-B-Format umwandeln. Einer dieser
Wandler ist das ILC Data Device Corporation Modell Nummer ADC-00300.
Der ADC-00300 emuliert A-Quad-B, wenn zwei der LSB mit einem exklusiven
ODER-Gatter verbunden sind.
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Der
Sensor 140 kann den Fluiddruck stromabwärts des Durchflussreglers 168 messen
und diesen Druck in ein Feedback-Referenzsignal 141 in
binärer
(z.B. digitaler) oder analoger Form umwandeln. Es wird darauf hingewiesen,
dass bei der vorliegenden Erfindung ein Messfühler für den Volumenstrom anstelle
eines Druckmessfühler
verwendet werden kann, auch wenn in diesem Fall eine Kompensation
für Temperaturschwankungen
erforderlich werden kann.
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Das
Feedback-Referenzsignal 141 wird zum Datenwandler 142 geschickt,
wo es je nach der gewünschten
Anwendung in ein A-Quad-B-Format oder ein serielles Format umgewandelt
werden kann. In Bearbeitungszentrum 100 befindet sich der
Datenwandler 142 vorzugsweise in der CNC 104.
Der Datenwandler 142 der vorliegenden Erfindung kann jedoch
alternativ auch eine vom Bearbeitungszentrum 100 getrennte Komponente
sein. Der Datenwandler 142 sendet das Feedback-Referenzsignal 141 im
Allgemeinen im gewünschten
Format 143 an den Referenzsignalgeber 132, damit
der Referenzsignalgeber 132 eine Steuerung nach Art eines
geschlossenen Kreislaufs ermöglichen
kann.
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Während die
zusätzlichen
Achsendaten zum Bestimmen des Nennradius eines Bohrlochs (und des entsprechenden
Fluiddrucks, der entsprechenden Position des Durchflussreglers 168,
und/oder der entsprechenden Position des Servomotors 130)
verwendet werden können,
können
die Feedback-Referenzdaten dazu beitragen, dass der Referenzsignalgeber 132 den
Bohrlochradius so nah wie möglich
an der Nennposition halten kann, ungeachtet kleinerer vorübergehender
Erscheinungen wie zum Beispiel Schwankungen der Pumpendrehzahl oder
Schwankungen bei der Fluidzufuhr, verursacht durch eine teilweise
Verstopfung der Fluidleitung und/oder durch einen Knick im Schlauch 112.
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Der
zweite Weg für
Feedback-Referenzdaten umfasst einen Sensor wie zum Beispiel einen
Dehnungsmessfühler 122,
einen Datenwandler 124, einen Fernüberträger 126 und einen
Fernempfänger 128.
Der Dehnungsmessfühler 122 misst
kleinere Verformungen in der Wand der Schneidkassette 120,
was der radialen Position A der Schneide 118 und dem Fluiddruck
entspricht. Der Dehnungsmessfühler 122 kann
das Feedback-Referenzsignal 123 in Form binärer oder
digitaler Daten an den Datenwandler 124 senden.
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Bei
anderen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung können
verschiedene Arten von Messfühlern zum
Feststellen der Positionen von Teilen des Werkzeugs verschiedene
Referenzdaten für
die Werkzeugsteuerung liefern. So könnten zum Beispiel optische
Messfühler
oder LVTD-Messfühler
zum Feststellen der Positionen der Schneide 118 oder Schneide 120 verwendet
werden. Weitere Parameter, die gemessen und als Referenzdaten verwendet
werden können,
sind z.B. das Ausmaß der
Spindelausdehnung, die Längsposition
eines Werkzeugteils, die Spindelgeschwindigkeit, die vom Werkzeug 103 erzeugte
Wärme,
die Position des Werkstücks
W und so weiter.
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Außerdem sind
die vom Messfühler
gelieferten Referenzdaten nicht unbedingt Positionsdaten in Form eines
Positionswertes innerhalb eines kontinuierlichen Bereichs. Der Messfühler kann
zum Beispiel ein Kontaktschalter sein, der sich bei einem vorher
festgelegten Ereignis öffnet
oder schließt
und entsprechend ein Block Skip Signal sendet, mit dem die CNC die
Fluidachse oder andere Achsen steuern kann.
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Der
Datenwandler 124 wandelt das Feedback-Referenzsignal je
nach Datenwandler in ein A-Quad-B oder serielles Format um, so dass
der Fernüberträger 126 das
Feedback-Referenzsignal in der Form eines Fernsignals 127 übermitteln
kann. Das Fernsignal 127 kann zum Beispiel die Form von
elektromagnetischen Wellen (wie zum Beispiel Infrarot- oder Hochfrequenzwellen)
oder die Form eines elektrischen, induktiven Signals haben. Das
Feedback-Referenzsignal in Form eines Fernsignals 127 wird
dann von Fernempfänger 128 empfangen,
der an das Unterteil 102 oder an die CNC 104 angeschlossen
ist.
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Die Übertragung
der Feedback-Referenzdaten als Fernsignal 127 kann sich
als nützlich
erweisen, da die Feedback-Messfühler,
die die Stellbewegung des Werkzeugs messen (bei dieser Ausführung zum
Beispiel die radiale Bewegung einer Schneide 118), oft
relativ zu den Steuervorrichtungen, wie zum Beispiel eine CNC 104,
in Bewegung sind. Bei diesem Beispiel bewegt sich der Dehnungsmessfühler 122 im
Allgemeinen in der Drehrichtung R und der Längsrichtung L relativ zur CNC 104.
Die Tatsache, dass das Feedback-Signal ein Fernsignal ist, erleichtert
die Übertragung
des Signals zwischen Teilen, die relativ zueinander in Bewegung sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Fernübertragung von
Referenzdaten von einem sich bewegenden Werkzeug 103 zu
den Regelkreisen des Bearbeitungszentrums (z.B. 100) nicht
auf die so an das Werkzeug 100 übermittelten Feedback-Referenzdaten
zur radialen Position beschränkt
ist.
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Nachdem
der Fernempfänger 128 das
Feedback-Referenzsignal in Form eines Fernsignals 127 empfangen
hat, kann der Empfänger 128 das
Feedback-Referenzsignal wieder in ein elektrisches Signal 129 zurück verwandeln
und schickt das Feedback-Referenzsignal 129 zum Steuern
des Servomotors 130 und des Durchflussreglers 168 an
den Referenzsignalgeber 132.
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Wie
vorstehend bereits erläutert
können
im Bearbeitungszentrum 100 die Referenzdaten von einer elektromechanischen
Drehachse und einer elektromechanischen Längsachse zum Steuern einer
radialen Fluidachse verwendet werden. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die Fluidachse, die mit
Bezug auf mindestens eine der anderen Achsen gesteuert wird, ist
nicht unbedingt eine radial gerichtete Achse. Außerdem kommen die Referenzdaten
nicht unbedingt von einer Längsachse
oder sogar einer elektromechanischen Achse. Zudem ist die vorliegende
Erfindung nicht auf Werkzeuge mit einer Fräsgeometrie mit einer sich drehenden
Schneide beschränkt.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführung eines Werkzeugs 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die CNC 204, der Servomotor 230, der
Messfühler 240,
wie zum Beispiel ein Druckmessfühler,
ein Wandler 242 sowie ein A-Quad-B-Wandler und ein Messfühler 222 wie
zum Beispiel ein Positionsgeber ähneln
den jeweils entsprechenden Teilen von Werkzeug 100 und
werden nicht näher
erläutert.
Bei der vorliegenden Ausführung
befindet sich der Wandler 224 (der auch als Fernempfänger für das Fernsignal 227 dient)
auf der anderen Seite des Fernüberträgers 226.
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Das
Werkzeug 200 kann auch einen Schalter 250 aufweisen,
damit Feedback-Referenzdaten
von dem Messfühler 240 und/oder
den Messfühlern 222 selektiv
bereit gestellt werden können.
Ein Schalter 250 wählt
Feedback-Referenzdaten von einem dieser Wege aus und schickt ein
entsprechendes Feedback-Referenzsignal 251 an die CNC 204.
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3 veranschaulicht
eine weitere alternative Ausführung
der vorliegenden Erfindung vom Werkzeug 300. Das Referenzsignal
(z.B. 331) kann an einen Wandler 342 übertragen
werden, wie zum Beispiel bei Bedarf einen Digital-Analog-Wandler,
um das digitale Signal in ein analoges Signal umzuwandeln. Dann
wird das Referenzsignal 331 an den Servomotor 330 übermittelt.
Das Feedback-Referenzsignal 329 von der Ferneinheit 370 (z.B.
Sensor, Überträger bzw.
Empfänger)
wird für
die Steuerung des Durchflussreglers 368 an die Servosteuerung 330 übertragen.
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Die
vorstehend genannten Beispiele und zahlreichen bevorzugten Ausführungen
der vorliegenden Erfindung, die hier beschrieben sind, dienen lediglich
der Veranschaulichung und stellen keine Einschränkung des Umfangs der durch
die Ansprüche
definierten Erfindung dar. Zusätzliche
Ausführungen
der vorliegenden Erfindungen und deren Vorzüge sind für Personen, die über die üblichen
Kenntnisse auf diesem Gebiet verfügen, erkennbar und gehören zum
Bereich der Erfindung gemäß den folgenden
Ansprüchen.
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DEUTSCHE ÜBERSETZUNG
DER ZEICHNUNGEN FIGUR
1
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