DE8422282U1 - Einrichtung zur ueberwachung der axialkraft an drehbaren spindeln - Google Patents

Description

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Einrichtun^ zur Überwachung der Axialkraft an drehbaren Spindeln

Die Neuerung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Axialkraft an mindestens drehbar gelagerten und axial abgestützten Spindeln, die je eine Einrichtung zur Einleitung der Axialkräfte in ein sich über eine Abstützfläche direkt oder indirekt an einem Gehäuse abstützendes Axiallager aufweisen.

Spindeln der hier beschriebenen Art sind beispielsweise Bohrspindeln an vielspindeligen Bohrköpfen. Vielspindelige Bohrköpfe sind in der Massenfertigung weitverbreitet im Einsatz und haben sich gut bewährt. Da diese vielspindeligen Bohrköpfe in der Hegel jedoch im. automatischen Betrieb eingesetzt werden, jedenfalls hierfür konzipiert sind, ist es erforderlich, daß eine Überwachung des Verschleißzustandes der in diesen vielspindeligen Bohrköpfen verwendeten Werkzeuge durchgeführt werden kann. Eine Überwachungsmöglichkeit, die eine Aussage über den Schneidkantenverschleiß eines eingesetzten Werkzeuges macht, ist die Vorschubkraft, mit der die Bohrspindel belastet wird. Wird eine bestimmte Vorschubkraft überschritten, so liegt ein unzulässiger Zustand, insbesondere ein unzulässiger Verschleißzustand des Werkzeuges, vor. Wird dieser unzulässige Zustand nicht rechtzeitig erkannt, so kommt es zum Werkzeugbruch und damit zur Produktion von Ausschuß.

Um einer solchen unkontrollierten Ausschußproduktion vorzubeugen, ist bereits versucht worden, aus Erfahrungswerten die Standzeit eines Werkzeuges herzuleiten und einem Werkzeugaustausch prophylaktisch vor Abiauf der Standzeit durchzuführen. Eine solche Vorgehensweise erfaßt jedoch keinen Werkzeugbruch im Schneidenbereich und ist

außerdem wegen der unterschiedlichen Standzeiten der unterschiedlichen Werkzeuge eines Vielspindelbohrkopfs schwierig durchführbar. Es wurde daher eine Lösung angestrebt, mit der ein Werkzeugbruch ebenso wie das Erreichen der Verschleißgrenze eines Werkzeugs erkannt werden kann, so daß dann das jeweilige Werkzeug vor dem nächsten Arbeitstakt ausgetauscht werden kann. So ist es in diesem Bereich bereits bekannt geworden, die zur Lagerung der Bohrspindeln verwendeten Wälzlager beispielsweise an einer äußeren Fläche mit einer Vertiefung zu versehen und dort Meßelemente anzuordnen, die eine Verformung dieses Elementes des Lagers erfassen, wobei dann, die Größe der Verformung als Maß für die Lagerbelastung und diese wiederum als Maß für die Werkzeugebelastung verwendet wurde. Maßnahmen dieser Art sind an sich funktionsfähig, haben jedoch den Nachteil, daß die serienmäßig hergestellten Wälzlager nachgearbeitet werden müssen und hierdurch sowohl ihre Stabilität als auch ihre Genauigkeit verlieren, sowie an Lebensdauer einbüßen. Darüber hinaus werden die so nachbehandelten Wälzlager sehr teuer und die Ersatzteilbeschaffung und Lagerhaltung wix"d kompliziert. Wegen dieser Schwierigkeiten hat sich daher auch die beschriebenen Überwachungsmethode nicht durchgesetzt.

Der Neuerung liegt somit die Aufage zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit welcher eine zuverlässige Überwachung der genannten Art mit einfachsten Mitteln möglich wird. Eine solche Einrichtung soll darüber hinaus reparaturfreundlich sein und keine Schwierigkeiten in der Lagerhaltung und Ersatzteilbeschaffung verursachen.

Ausgehend von einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens eine Planfläche des Axiallagers an einer ersten entsprechenden

Gegenfläche eines zur Achse des Axiallagers konzentrisch angeordneten Zwischenringes anliegt, dessen zweite Gegenfläche abgestützt ist, wobei der Zwischenring auf einer ersten Abflachung am Umfang ein in einer Hauptrichtung verformungsempfindliches Verformungsmeßelement mit dieser Hauptrichtung parallel zur Ringachse ausgerichtet aufweist und diametral gegenüberliegend auf einer weiteren Abflachung ein weiteres gleichartiges Verformungsmeßelement mit um 90° geschwenkter Hauptrichtung aufweist, wobei beide Verformungsmeßelemente über elektrische Anschlüsse mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, die ihrerseits in Abhängigkeit von den ankommenden Signalen ein Steuersignal abgibt.

Mit dieser neuerungsgemäßen Lösung ist somit eine nachträgliche Verletzung der Lagerelemente vermieden, so daß hier wieder standardisierte Lagerelemente und nicht Sonderkonstruktionen verwendet werden können, die problemlos in der Ersatzteilbeschaffung und Lagerhaltung sind. Die zu messende Verformung wird auf einon Zwischenring verlagert, der so angeordnet ist, daß er von den Kräften, die in axialer Richtung von der Spindel ausgehend, direkt oder über das Lagerelement beaufschlagt wird, so daß sich dieser aufgrund dieser· Krafteinleitung in an sich bekannter Weise minimal verformt. Diese Verformung wird ermittelt, mit Hilfe von sich diametral gegenüberliegend am Umfang eines solchen Ringes angeordneten Verformungsmeßelementen, die in ' einer bestimmten Hauptrichtung verformungsempfindlich und in der um 90° gedrehten Richtung zur Hauptrichtung verformungsunempfindlich sind." Beide Verformungsmeßelemente werden bei der Auswerteinrichtung, an die sie angeschlossen sind, miteinander verglichen, wodurch ' es auf einfache Weise gelingt, einen beispielsweise von der Lagertemperatur unabhängigen Nullabgleich zu erreichen, weil als Bezugspunkt das Verformungsmeßelement verwendet wird, dessen Hauptrichtung um

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90° gegenüber der erwarteten Hauptverformungsrichtung am Zwischenring verschwenkt, angeordnet ist. Dieses Verformungsmeßelement reagiert also auf eine für den vorausgesetzten Belastungfall erwartete Verformung des Zwischenringes nicht. Das andere Verformungsmeßelement, das dem erstgenannten Verformungsmeßelement diametral gegenüberliegend angeordnet ist, ist in dieser Verformungsrichtung jedoch empfindlich und gibt im Falle einer auftretenden Verformung ein entsprechendes Signal ab. Beide Verformungsmeßelemente befinden sich in der Lagerstelle in ähnlicher Umgebung, so daß ζ. B. eine sich verändernde Lagertemperatur kein nennenswertes Driften der Ausgangssignale bewirkt.

Nach einer Ausgestaltung der Neuerung ist vorgeschlagen, daß die Verformungsmeßelemente als Dehnmeßstreifen (DMS) ausgebildet sind. Diese Dehnmeßstreifen sind bewährte Bauelemente, die ausreichende empfindlich und außerordentlich zuverlässig sind. Ihre Handhabung und Auswertung ist einfach. Ihre Baugröße ist gleichzeitig genügend klein um den Einsatz in den hier relevanten Fällen zu erlauben.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Neuerung, bei der die Spindel eine Schulter aufweist und mit der Planfläche der Schulter direkt oder über einen Distanzring an der ersten Planfläche eines Axialwälzlagers anliegt, das über seine zweite Planfläche in einer Lagerbuchse abgestützt ist, die ihrerseits in einer entsprechenden Bohrung des Gehäuses geführt und am Gehäuse abgestützt ist, ist noch vorgesehen, daß der die Verformungsmeßelemente tragende Zwischenring zwischen der zweiten Planfläche des Axiallagers und einer entsprechenden inneren Planfläche der Lagerbuchse angeordnet ist, wobei die Lagerbuchse mindestens einen im wesentlichen radia] gerichteten Durchbruch zur Durchführung der elektrischen Leitungen der Verfor-

mungsmeßelemente aufweist. Es ist dies eine besonders günstige Anordnung, die in den insbesondere bei Mehrspindelköpfen verwendeten Lagerflanschen nach DIN 69001 problemlos eingesetzt werden können, wenn dieser Lagerflansch in geringfügiger Weise zerspanend nachgearbeitet wird. Auch hier ist daher die Beschaffung und Lagerhaltung von Ersatzteilen außerordentlich einfach. Die notwendigen, radial gerichteten DurchbrUche sind in diesen Normteilen bereits vorhanden.

Es ist nach einer ergänzenden Ausgestaltung der Neuerung noch vorgeschlagen, daß der Distanzring als die Verformungsmeßelemente tragender Zwischenring ausgebildet ist. Damit ist es auch möglich, die Messung direkt zwischen Wellenschulter und Lager durchzuführen.

Eine weitere Ausgestaltung der Neuerung sieht noch vor, daß am Umfang eines Zwischenringes in gleicher Relation zueinander ein zweites Paar Verformungsmeßelemente um etwa 90° gegenüber dem ersten Paar um die Lagerachse verdreht angeordnet ist. Dies ist eine einfache Methode um die Meßempfindlichkeit zu steigern.

Es ist schließlich nach einer Ausgestaltung der Neuerung noch vorgeschlagen, daß beidseitig des Axiallagers ein Verformungsmeßelemente tragender Zwischenring voigesehen ist. Neben der hierdurch gesteigerten Empfindlichkeit wird es bei einer solchen Anordnung auch möglich, die Verformungsmeßelemente in gegenseitiger Abhängigkeit auf ihre Funktion hin zu überwachen, so daß ein Fehlverhalten, Kabelbruch oder ein sonstiger Ausfall dieser Einrichtungen sofort bemerkt wird und es nicht zu unerwarteten Fehlern in der überwachten Anlage kommen muß.

Die Neuerung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, die ein AusfUhrungsbeispiel zeigt, näher erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 Längsschnitt durch eine Spindellagerung nach dem Aufbaubeispiel
DIN 69001, Seite 4, Bild 2.

Figur 2 Schnitt A-B nach Figur 1
Figur 3 Ansicht C-C nach Figur 2

Mehrspindelige Bohrköpfe, sogenannte Mehrspindelköpfe und die entsprechenden Lagerungen dieser Spindeln sind bekannt und in weiten Bereichen sogar genormt, beispielsweise nach DIN 69001, Teil 1. Seite 4 dieser Norm zeigt eii.en Längsschnitt durch einen typischen Mehrspindelkopf. In Figur 1 ist ein Ausschnitt eines solchen Längsschnittes ahn' icher Art dargestellt.

Eine Wand eines Gehäuses 18 weist eine Lagerbohrung 19

[ auf, in welcher ein Radiallager 24 und eine Lagerbuchse F

koaxial angeordnet ist. Ebenfalls koaxial und vom Radiallager 24 radial und drehbar geführt, ist eine Spindel 22 angeordnet, mit der drehfest ein Stirnrad 21 für den Drehantrieb der Spindel 20 verbunden ist. Die Spindel 20 mit der Lagerachse 6, die gleichzeitig auch Drehachse der Spindel 20 ist, weist eine Schulter 22 auf, deren Planfläche 23 an einer entsprechenden Planfläche eines Zwischenrings R¹ anliegt. Die gegenüberliegende Planfläche des Zwischenrings R¹ liegt an einer ersten Planfläche 7 eines Axiallagers 1 an. Die zweite Plan- \ fläche 8 des Axiallagers 1 liegt wiederum an einer

\ entsprechenden Planfläche eines Zwischenrings R an,

-, dessen zweite Planfläche sich an der inneren Planfläche 9

Ij der Lagerbuchse F abstützt. Die Lagerbuchse F wiederum

weist einen äußeren Flansch 25 auf, mit der sich die Lagerbuchse F am Gehäuse 18 abstützt.

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Während der Bearbeitung wirkt in der in Figur 1 angegebenen Richtung ein Bohrdruck auf die Spindel 20, der über die Schulter 22 und deren Planfläche 23 in den Zwischenring R¹, von dort in das Axiallager 1 und von dort wiederum weiter in den nächsten Zwischenring R weitergeleitet wird, der seinerseits diesen Bohrdruck über die innere Planfläche 9 in die Lagerbuchse F einleitet, die dann ihrerseits über den Flansch Γ5 diesen Bohrdruck an das Gehäuse 18 weitergibt.

Die aus dem Bohrdruck auf die Zwischenringe R, R¹ und auf das Axiallager einwirkende Kraft erzeugt die der Kraft entsprechenden Spannungen im jeweiligen Werkstoff der genannten Bauteile und bewirkt damit entsprechende, wenn auch sehr kleine, Verformungen- dieser Bauteile. Die Verformungen dieser Bauteile sind daher direkt ein Maß für die Größe des auftretenden Bohrdruckes. Zur Überwachung dieser Verformung weisen die Zwischenringe R und gegebenenfalls R¹ im Ausführungsbeispiel die Verformungsmeßelemente 2 bis 5 auf, die hier als Dehnmeßstreifen ausgebildet sind. Die Dehnmeßstreifen sind auf entsprechenden Abflachungen 26 (siehe Figur 3) in geeigneter Weise aufgebracht in sich gegenüberliegender Anordnung an diesen Zwischenringen. Solche Verformungsmeßelemente, insbesonder in der Form von Dehnmeßstreifen, weisen eine verformungsempfindliche Richtung und eine um 90° verdrehte verformungsunempfindische Richtung auf. Dies ist eine vorteilhaft ausnutzbare Eigenschaft, die es erlaubt, für den Meßvorgang.einen Bezugspunkt zu schaffen, mit dem es beispielsweise gelingt, Verformungen des Verformungsmeßelementes selbst, beispielsweise aufgrund von Temperartureinflüssen, im Meßergebnis zu kompensieren.

Zur Durchführung der Messung sine die elektrischen Leitungen 12 und 13 der Dehnmeßstreifen 3 und 2 durch

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radial gerichtete Durchbrüche 10 der Lagerbuchse F nach außen geführt und es werden diese elektrischen Leitungen 12 und 13 dann über einen Kanal K im Gehäuse 18 weiter ins Gehäuseinnere geleitet und von dort an geeigneter Stelle weitergeführt und mit einer Auswerteinrichtung 16 verbunden. Gleiches gilt für die elektrischen Leitungen

14 und 15 der Meßstreifen 5 und 4 des Zwischenringes R¹, falls dieser mit solchen Einsrichtungen bestückt ist. Es ist jedoch auch möglich, alle elektrischen Leitungen 12 -

15 außerhalb des Gehäuses 18 weiterzuführen, wie dies am Beispiel der elektrischen Leitungen 14 und 15 in Figur 1 gezeichnet ist. Auch die elektrischen Leitungen 14 und 15 weiden gegebenenfalls mit der Auswerteinrichtung 16 verbunden. Beim Auswertevorgang bildet daß Signal des Dehnmeßstreifens die Bezugsbasis, der so angeordnet ist, daß er hinsichtlich der zu messenden Verformung unempfindlich ist. Es kann hierdurch ein Driften der ganzen Einrichtung verhindert werden. Wird nun eine zulässige Verformungsgröße überschritten, so ist dies ein Signal dafür, daß Werkzeugbruch oder unzulässiger Verschleiß vorliegt. Die Auswerteinrichtung 16 kann dann ein entsprechendes Steuersignal 17 abgeben, das für eine weitere Verwertung verwendet werden kann. Aufgrund des Steuersignals 17 kann beispielsweise die gesamte Einrichtung stillgesetz werden oder auch eine andere sinnvolle Maßnahme eingeleitet werden.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, sowohl vor als auch hinter dem Axiallager 1 in axialer Richtung gesehen, einen mit Verformungsmeßelementen bestückten Zwischenring einzusetzen. Es genügt auch die Verwendung von nur einem Zwischenring R oder R¹. Die Verwendung von zwei Zwischenringen, wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 dargestellt, schafft jedoch auf einfache Weise die Möglichkeit einer gegenseitigen Funktionskontroll, der Verformungsmeßelemente und ermöglicht gleichzeitig eine

Steigerung der Empfindlichkeit der gesamten Meßeinrichtung.

Eine Steigerung der Empfindlichkeit kann auch erreicht werden durch eine Mehrfachanwendung von Verformungsmeßelementen auf einem als Träger hierfür dienenden Zwischenring R bzw. R'. Hierbei ist es denkbar, alle Verformungsmeßelemente so anzuordnen, daß sie in der zu überprüfenden Verformungsrichtung empfindlich sind. Ein einziges Verformungsmeßelemtent aber kann dann so angeordnet werden, daß es in der zu überprüfenden Verformungsrichtung unempfindlich ist, so daß dieses Verformungsmeßelement in der Auswerteinrichtung als Bezugspunkt verwendet werden kann. Es ist aber auch denkbar, jeweils einem in empfindlicher Richtung angeordneten Verformungsmeßelement in diametral gegenüberliegender Anordnung ein in unempfindlicher Richtung angeordnetes Verformungsmeßelement zuzuordnen und damit jeweils einen unabhängigen Bezugspunkt zu schaffen.

Die ne.uerungsgemäße Anordnung erlaubt auf einfachste Weise eine zuverlässige Überwachung des Bohrdurcks, ohne daß es notwendig wird, Präzisionsteile wie z. B. Wälzlager nachzuarbeiten und damit deren Standzeit und Genauigkeit nachteilig zu beeinflussen. Außerdem kann durch die Vermeidung solcher Eingriffe wieder auf Serienprodukte zurückgegriffen werden, wodurch sich wieder die Kosten senken lassen, sowohl für die Beschaffung als auch für die Lagerhaltung.

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Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Axiallager

2 Verformungsmeßelement

3 Verformungsmeßelement

4 Verformungsmeßelement

5 Verformungsmeßelement

6 Lagerachse

7 erste Pianfläche

8 zweite Planfläche

9 innere Planfläche

10 Durchbruch

11 Durchbruch

12 elektrische Leitungen

13 · elektrische Leitungen

14 elektrische Leitungen

15 elektrische Leitungen

16 Auswerteinrichtung

17 Steuersignal

18 Gehäuse

19 Lagerbohrung

20 Spindel

21 Stirnrad

22 Schulter

23 Planfläche

24 Radiallager

25 Flansch

26 Abflachung

R Zwischenring

R¹ Zwischenring

F Lagerbuchse

K Kanal

Claims (6)

PATENTANWALT MANFRED. !HERMANN .;;.: . .' '.". ' ί ί . · · ···· Telefon (0242Vi 17446 EUROPEANPATENTATTORNEY .:..·..· *..' : ·..' ' ZUGELASSENER VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT Telegramme: Llerpatent Düren Postscheck KOIn 305715-500 Düren - Josef-Schregel-StraBe 19 Patentanwalt M. Uermann, Josef-Schregel-Str. 19, D-5160 DürenEinschreiben An das Deutsche Patentamt Zweibrückenstraße 8000 München 2 (BLZ 370100 50) Deutsche Bank AQ Düren 811 0959 (BLZ 395 70061) Deutsche Bank AQ Erkelenz 774 0400 (BLZ 31070001) Ihre Zeichen Ihre Nachricht Meine Zeichen (213)/ra Düren 25. Juli 1984 GEBRAUCHSMUSTERANMELDUNG Anmelder: Ingenieur G. Quednau Erzstraße Mechernich-Kommern Titel: "Einrichtung zur Überwachung der Axialkraft an drehbaren Spindeln" Schutzansprüche:.

1. Einrichtung zur Überwachung der Axialkraft an mindestens drehbar gelagerten und axial abgestützten, Spindeln, die je eine Einrichtung zur Einleitung der Axialkräfte in ein sich über eine Abstutzfläche direkt oder indirekt an einem Gehäuse abstützendes Axiallager aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Planfläche (7,8) des Axiallagers (1) an einer ersten entsprechenden

Gegenfläche eines zur Achse (6) des Axiallagers (1) konzentrisch angeordneten Zwischenringes (R,R¹) anliegt, dessen zweite Gegenfläche abgestützt ist, wobei der Zwischenring (R₁R¹) auf einer ersten Abflachung am Umfang ein in einer Hauptrichtung verformungsempfindliches Verformungsmeßelement (3,5) mit dieser Hauptrichtung parallel zur Ringachse (6) ausgerichtet aufweist und diametral gegenüberliegend auf einer weiteren Abflachung ein weiteres gleichartiges Verformungsmeßelement (2,4) mit um 90° geschwenkter Hauptrichtung aufweist, wobei beide Verformungsmeßelemente (2,3;4,5) über elektrische Anschlüsse (12,13;14,15) mit einer Auswerteeinrichtung (16) verbunden sind, die ihrerseits in Abhängigkeit von den ankommenden Signalen ein Steuersignal (17) abgiebt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsmeßelemente (2,3;4,5) als Dehnungsmeßstreifen (DMS) ausgebildet sind.

3. Einrichtung mindestens nach Anspruch 1, bei dor die ·' Spindel eine Schulter aufweist und mit der Planfläche der Schulter direkt oder über einen Distanzring an der ersten Planfläche eines Axialwälzlagers anliegt, das über seine zweite Planfläche in einer

. Lagerbuchse abgestützt ist, die ihrerseits in einer entsprechenden Bohrung des Gehäuses geführt und am Gehäuse abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Verformungsmeßelemente (2,3) tragende Zwischenring (R) zwischen de- zweiten Planfläche (8) des Axiallagers (1) und einer entsprechenden inneren Planfläche (9) der Lagerbuchse (F) angeordnet ist, wobei die Lagerbuchse (F) mindestens einen im wesentlichen radial gerichteten Durchbruch

(10,11) zur Durchführung der elektrischen Leitungen (12,13) der Verformungsmeßelemente (3,2) aufweist.

4. Einrichtung mindestens nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Distanzring als die Verformungsmeßelemente (4,5) tragender Zwischenring (R¹) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang eines Zwischenringes (R,R¹) in gleicher Relation zueinander ein weiteres Paar Verformungsmeßelemente um etwa 90° gegenüber dem ersten Paar (2,3;4,5) um die Lagerachse (6) verdreht angeordnet ist.

6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Axiallagers (1) ein Verformungsmeßelemente (2-5) tragender Zwischenring (R,R¹) vorgesehen ist.