DE9201059U1 - Monitoring device for the clamping state of a tool in a work spindle - Google Patents
Monitoring device for the clamping state of a tool in a work spindleInfo
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29. Januar 199229 January 1992
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Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeugs in einer ArbeitsspindelMonitoring device for the clamping state of a tool in a work spindle
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters mit daran befestigtem Werkzeug beim Ein- und Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine mittels eines Werkzeugwechslers, wobei die Arbeitsspindel eine Spann- und Ausstoßvorrichtung zum Fixieren und Lösen des jeweiligen Werkzeughalters aufweist.The invention relates to a monitoring device for the clamping state of a tool holder with a tool attached to it when it is inserted and removed from the work spindle of a program-controlled machine tool by means of a tool changer, wherein the work spindle has a clamping and ejection device for fixing and releasing the respective tool holder.
12-(x2553)-Sd-E12-(x2553)-Sd-E
Bei spanend abtragenden programmgesteuerten Werkzeugmaschinen mit integriertem Werkzeugwechsel werden die mit ihrem standardisierten Werkzeughalter (Steil- oder ISO-Kegel) fest verbundenen Werkzeuge entsprechend dem vorgegebenen Arbeitsprogramm vom Werkzeugwechsler dem Magazin entnommen und in die hohlkegelige Öffnung der Arbeitsspindel eingeführt. In der Spindel befindet sich eine meist hydraulisch betätigte axial verschiebbare Spannzange, welche am schmalen Endteil des in die Spindelaufnahme eingeführten Kegels angreift und den Werkzeughalter durch Zug in der Aufnahme der Arbeitsspindel fixiert. Zum Lösen des Werkzeughalters nach Beendigung eines Bearbeitungsvorganges enthält die Spannzange einen Ausstoßer, der nach Öffnen der Spannorgane der Zange gegen den schmalen Endteil des Kegels drückt und den Werkzeughalter zusammen mit dem Werkzeug um einen geringen Betrag aus seinem Spannsitz herausschiebt. Erst nach diesem Lösevorgang ist ein Abziehen des Werkzeugs mit seinem Werkzeughalter durch die jeweilige Wechselvorrichtung möglich. Für den aufeinanderfolgenden Ablauf der verschiedenen Vorgänge werden bisher Tastelemente und Nockenschalter eingesetzt, die am hinteren Ende der Spannzange angeordnet und elektrisch mit der Programmsteuerung verbunden sind. Diese Elemente überwachen die Bewegung der Zugstange, des Spanngetriebes oder des Hydraulikkolbens der Spannvorrichtung. Eine direkte Überwachung des Werkzeughalters selbst auf seinen Spannoder Lösezustand in der Arbeitsspindel ist mit diesen bekannten Tastelementen oder Nockenschaltern nicht möglich. In der Praxis kommt es mitunter vor, daß sich die Werkzeughalter mit ihrem Spannkegel in der Spindelaufnahme festklemmen und nach Öffnen der Spannzange nicht von deren Ausstoßer aus ihrem Spannsitz gelöst werden können. DiesIn the case of program-controlled machine tools that remove material and have an integrated tool change, the tools that are firmly connected to their standardized tool holder (steep or ISO taper) are removed from the magazine by the tool changer according to the specified work program and inserted into the hollow conical opening of the work spindle. In the spindle there is a collet that is usually hydraulically operated and can be moved axially, which grips the narrow end part of the taper inserted into the spindle holder and fixes the tool holder in the holder of the work spindle by pulling. To release the tool holder after a machining process has been completed, the collet contains an ejector that presses against the narrow end part of the taper after the clamping elements of the collet have been opened and pushes the tool holder together with the tool out of its clamping seat by a small amount. Only after this release process is it possible to remove the tool with its tool holder using the respective changing device. To date, touch elements and cam switches have been used for the sequential sequence of the various processes. These are located at the rear end of the collet and are electrically connected to the program control. These elements monitor the movement of the drawbar, the clamping gear or the hydraulic piston of the clamping device. Direct monitoring of the tool holder itself for its clamping or release state in the work spindle is not possible with these known touch elements or cam switches. In practice, it sometimes happens that the tool holders get stuck with their clamping cones in the spindle holder and cannot be released from their clamping seat by the ejector after the collet is opened. This
hat zur Folge, daß der automatische Werkzeugwechsler zwar den Kragen des Werkzeugkegels mit seinen Greifzangen erfassen kann, ohne jedoch den festgefressenen Werkzeughalter aus seinem Sitz in der Arbeitsspindel herausziehen zu können. Ein Werkzeugwechsel ist somit nicht möglich. Darüber hinaus können sich erhebliche Beschädigungen der beteiligten Baugruppen, insbesondere des Werkzeugwechslers, ergeben, die einen langfristigen Ausfall der gesamten Bearbeitungsmaschine zur Folge haben.This means that the automatic tool changer can grasp the collar of the tool cone with its gripping tongs, but cannot pull the jammed tool holder out of its seat in the work spindle. A tool change is therefore not possible. In addition, considerable damage to the components involved, in particular the tool changer, can occur, resulting in a long-term failure of the entire processing machine.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters beim Ein- und beim Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine zu schaffen, die anormale Lagen und Zustände eines ein- oder ausgewechselten Werkzeughalters zuverlässig erkennt und die rechtzeitige Einleitung von Steuermaßnahmen ermöglicht, bevor Beschädigungen des Werkzeugwechslers eintreten können.The object of the invention is to create a monitoring device for the clamping state of a tool holder when it is inserted into and replaced in the work spindle of a program-controlled machine tool, which reliably detects abnormal positions and states of a tool holder that has been inserted or replaced and enables control measures to be initiated in good time before damage to the tool changer can occur.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor, der vor und nach jedem Wechselvorgang die Position des Werkzeughalters in der Arbeitsspindel erfaßt, und durch eine mit der Programmsteuerung der Bearbeitungsmaschine verbundene Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale des Sensors, welche durch einen Sollwert-Istwert-Vergleich der Sensorsignale einen anormalen Spannzustand der Werkzeugaufnahme feststellt und entsprechende Informationen an die Maschinensteuerung abgibt.This object is achieved according to the invention by a sensor, which detects the position of the tool holder in the work spindle before and after each changeover process, and by a processing unit for the output signals of the sensor, which is connected to the program control of the processing machine and which determines an abnormal clamping state of the tool holder by comparing the target value and actual value of the sensor signals and provides corresponding information to the machine control.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Abstandssensor an der vorderen Stirnseite des Werkzeugwechslers seitlich neben den Greiferzangen angeordnetAccording to an expedient embodiment of the invention, the distance sensor can be arranged on the front face of the tool changer on the side next to the gripper tongs
sein und mit einer ebenen Stirnfläche an der Arbeitsspindel zusammenwirken. Bei einer derartigen Anordnung des Sensors am Werkzeugwechsler wird eine erste Messung durchgeführt, sobald der Werkzeugwechsler das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter in die Spindelaufnahme eingeführt hat. Dieser erste Meßwert wird registriert und bildet die Bezugsgröße für die folgenden Vorgänge. Nachdem die Spannzange den Kegel ergriffen und den Werkzeughalter in seine Spannposition in der Spindelaufnahme eingezogen hat, erfolgt eine zweite Messung, deren Ergebnis mit dem zuvor ermittelten Bezugswert in Relation gesetzt wird und den von der Spannzange verursachten Einziehweg des Werkzeughalters kennzeichnet. Während des Einziehvorganges des Werkzeughalters durch die Spannzange ist der Greifer des Wechslers noch nicht gelöst, so daß der Wechsler zusammen mit dem Abstandssensor die Einziehbewegung mit ausführt. Die durch die Relationssetzung ermittelte Auslenklage des Werkzeugwechslers und damit des Sensors wird erfaßt und als Wegdifferenz mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt die so ermittelte Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, dann wird der Spannvorgang als korrekt durchgeführt erkannt, so daß der Werkzeugwechsler öffnet und damit das nunmehr fest in die Spindel eingespannte Werkzeug freigibt. Falls bei einem Ausstoßvorgang der Kegel des Werkzeughalters in der Spindelaufnahme festgeklemmt ist und damit der Werkzeughalter vom Ausstoßer nicht aus seiner Fixierposition herausgedrückt werden kann, wird bereits beim Ergreifen des am Werkzeughalter-Kegel ausgebildeten Kragens durch die Greiforgane des Werkzeugwechslers eine Abstandsmessung durchgeführt, die anzeigt, daß der Werkzeughalter sich nicht in seiner gelösten Abziehposition befindet, sondern in der Spindelauf-and interact with a flat front surface on the work spindle. With such an arrangement of the sensor on the tool changer, a first measurement is carried out as soon as the tool changer has inserted the tool or the tool holder into the spindle holder. This first measured value is recorded and forms the reference value for the following processes. After the collet has gripped the cone and pulled the tool holder into its clamping position in the spindle holder, a second measurement is carried out, the result of which is related to the previously determined reference value and indicates the retraction path of the tool holder caused by the collet. During the retraction process of the tool holder by the collet, the gripper of the changer is not yet released, so that the changer carries out the retraction movement together with the distance sensor. The deflection position of the tool changer and thus of the sensor determined by the relation is recorded and compared as a path difference with a specified target value. If the deviation determined in this way is within a specified range, the clamping process is recognized as having been carried out correctly, so that the tool changer opens and releases the tool that is now firmly clamped in the spindle. If the cone of the tool holder is clamped in the spindle holder during an ejection process and the tool holder cannot be pushed out of its fixing position by the ejector, a distance measurement is carried out when the collar formed on the tool holder cone is grasped by the gripping elements of the tool changer, which indicates that the tool holder is not in its released removal position, but in the spindle holder.
nähme festsitzt. Als Ergebnis dieses Meßvorgangs werden der Programmsteuerung der Maschine entsprechende Informationen übermittelt, um entweder die gesamte Maschine abzuschalten oder den Bewegungsablauf des Werkzeugwechslers zu unterbrechen, um in dieser Zeitspanne einen weiteren Ausstoßvorgang - ggf. mit erhöhter Kraft des Ausstoßers durchzuführen. Durch derartige Messungen der reinen Wegdifferenz zu einer jeweils vor dem Meßzyklus erfaßten Referenzlage ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit des Meßsystems von den sich im Betrieb ändernden Maschinenzuständen, z. B. von der Wärmedehnung, den geometrischen Abweichungen, Zykluszeiten, Verschleiß, od. dgl.As a result of this measuring process, the machine's program control is provided with appropriate information to either switch off the entire machine or to interrupt the movement of the tool changer in order to carry out another ejection process in this time period - possibly with increased force of the ejector. Such measurements of the pure path difference from a reference position recorded before the measuring cycle result in the measuring system being largely independent of the machine conditions that change during operation, e.g. thermal expansion, geometric deviations, cycle times, wear, etc.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Abstandssensor als elektrischer Druckschalter mit federbelastetem Taststift ausgebildet und an der vorderen Stirnseite der Arbeitsspindel angeordnet sein. Statt eines mechanischen Tastschalters können auch berührungslose Schalter bzw. Abstandssensoren eingesetzt werden, die auf induktiver oder optischer Basis funktionieren.According to another development of the invention, the distance sensor can be designed as an electrical pressure switch with a spring-loaded stylus and can be arranged on the front face of the work spindle. Instead of a mechanical push button switch, contactless switches or distance sensors can also be used that function on an inductive or optical basis.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die in die Programmsteuerung der Werkzeugmaschine integrierte Verarbeitungseinheit elektronische Bauelemente auf, welche aus den Sensorsignalen die Spannposition des Werkzeughalters bei jedem Wechselvorgang als Bezugsgröße für dessen Ausstoßposition gesondert ermitteln.According to a further development of the invention, the processing unit integrated into the program control of the machine tool has electronic components which separately determine the clamping position of the tool holder from the sensor signals during each changeover process as a reference value for its ejection position.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in welcher ein Werkzeugwechsler mit angebautem Sensor und die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine während eines Wechselvorganges dargestellt sind.In the following, an embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing, in which a tool changer with attached sensor and the work spindle of a machine tool during a change process are shown.
Die Arbeitsspindel 1 ist in einem Spindelstock 2 drehbar gelagert und weist eine kegelförmige Aufnahmeöffnung 3 auf, in die ein Werkzeughalter 4 mit seinem kegelförmigen Abschnitt 5 eingesetzt wird. Am Werkzeughalter 4 ist ein Spanwerkzeug 6 befestigt. Der kegelförmige Abschnitt 5 des Werkzeughalters weist an seinem schmaleren Ende einen Greifkopf 7 auf, der von den - nicht dargestellten Greifbacken einer im zentralen Spindelhohlraum gelagerten Spannzange umgriffen wird. Durch eine axiale Bewegung der Spannzange wird der Werkzeughalter 4 mit seinem Kegel 5 fest in die kegelige Spindelaufnahme 3 hineingezogen. Die Spannvorrichtung umfaßt ferner einen stößeiförmigen Ausstoßer 8, der zum Lösen des Werkzeughalters 4 an dessen hinterer Stirnfläche angreift und den Kegel 5 aus der gestrichelt dargestellten Spannposition in die mit durchgezogenen Linien dargestellte Lösestellung verschiebt.The work spindle 1 is rotatably mounted in a headstock 2 and has a conical receiving opening 3 into which a tool holder 4 with its conical section 5 is inserted. A cutting tool 6 is attached to the tool holder 4. The conical section 5 of the tool holder has a gripping head 7 at its narrower end, which is gripped by the gripping jaws (not shown) of a collet mounted in the central spindle cavity. By an axial movement of the collet, the tool holder 4 with its cone 5 is pulled firmly into the conical spindle holder 3. The clamping device also includes a plunger-shaped ejector 8 which, in order to release the tool holder 4, engages the rear end face of the tool holder and moves the cone 5 from the clamping position shown in dashed lines to the release position shown in solid lines.
Ein - nur teilweise dargestellter - Werkzeugwechsler 10 enthält einen motorisch bewegbaren Tragholm 11, an dessen Ende ein Greiferkopf 12 mit einer Greiferzange 13 montiert ist. In dem dargestellten Betriebszustand umgreifen die beiden Backen der Greiferzange teilweise einen am Werkzeugwechsler ausgebildeten Kragen 14. Am Wechslerkopf 12 ist stirnseitig ein Sensor 15 befestigt, der - wie gestrichelt dargestellt - mit einer vorzugsweise elektronischen Verarbeitungseinheit 16 verbunden ist, die in die Programmsteuerung 17 der - nicht dargestellten - Bearbeitungsmaschine integriert sein kann.A tool changer 10 - only partially shown - contains a motor-driven support beam 11, at the end of which a gripper head 12 with a gripper pliers 13 is mounted. In the operating state shown, the two jaws of the gripper pliers partially grip a collar 14 formed on the tool changer. A sensor 15 is attached to the front of the changer head 12, which - as shown in dashed lines - is connected to a preferably electronic processing unit 16, which can be integrated into the program control 17 of the processing machine - not shown.
Die beschriebene Überwachungsvorrichtung arbeitet wie folgt:The monitoring device described works as follows:
Zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs 6 mit seinem Werkzeughalter 4 in die Spindelaufnahme 3 wird der Werkzeughalter 4 durch eine entsprechende Bewegung des Tragholms 11 bzw. einer anderen Tragkonstruktion in die Spindelaufnahme 3 bis etwa in die mit durchgezogenen Linien dargestellte Position eingeschoben. In dieser Lage erfolgt eine erste Abstandsmessung durch den Sensor 15 mit Bezug auf die gegenüberliegende Stirnfläche des Spindelstocks 2. Das Ergebnis dieser ersten Messung wird als Bezugsgröße in der Verarbeitungseinheit 16 gespeichert. Nach dem Einziehen des Werkzeugkegels 5 durch die - nicht dargestellte Spannvorrichtung bis in die strichpunktiert dargestellte Spannstellung erfolgt durch den Sensor 15 eine zweite Messung, deren Ergebnis mit der abgespeicherten Bezugsgröße sowie ggf. einem Sollwert verglichen wird. Aus diesem Vergleich mit dem abgespeicherten Sollwert wird festgestellt, ob der Werkzeughalter 4 richtig in die Spindelaufnahme eingespannt ist. Falls in diesem Vergleich eine unzulässige Abweichung vom Sollwert festgestellt wird, erzeugt die Verarbeitungseinheit 16 eine entsprechende Information für die Maschinensteuerung 17, um entweder die Maschine stillzusetzen oder aber den Einwechsel- und Spannvorgang zu wiederholen und erst nach erfolglosem weiteren Spannversuch die Maschine abzuschalten.To exchange a new tool 6 with its tool holder 4 into the spindle holder 3, the tool holder 4 is pushed into the spindle holder 3 by a corresponding movement of the support beam 11 or another support structure until it reaches approximately the position shown in solid lines. In this position, a first distance measurement is carried out by the sensor 15 with reference to the opposite end face of the headstock 2. The result of this first measurement is stored as a reference value in the processing unit 16. After the tool cone 5 has been pulled in by the clamping device (not shown) until it reaches the clamping position shown in dash-dotted lines, a second measurement is carried out by the sensor 15, the result of which is compared with the stored reference value and, if necessary, a target value. From this comparison with the stored target value, it is determined whether the tool holder 4 is correctly clamped into the spindle holder. If an inadmissible deviation from the target value is determined in this comparison, the processing unit 16 generates corresponding information for the machine control 17 in order to either shut down the machine or to repeat the changing and clamping process and only switch off the machine after another unsuccessful clamping attempt.
Zum Auswechseln des Werkzeugs 6 mit seinem Werkzeughalter 4 wird der Werkzeugwechsler 10 an den - noch eingespannten - Werkzeughalter 4 herangefahren, so daß seine Greifzangen 13 den Kragen 14 umschließen können. Der Sensor 15 erfaßt diese Stellung des Werkzeugwechslers 10, die als Bezugsgröße für die weiteren Operationen in der Verarbeitungseinheit 16 abgelegt und gespeichert wird. An-To replace the tool 6 with its tool holder 4, the tool changer 10 is moved to the - still clamped - tool holder 4 so that its grippers 13 can enclose the collar 14. The sensor 15 detects this position of the tool changer 10, which is stored and saved as a reference value for the further operations in the processing unit 16.
schließend erfolgt das Lösen der - nicht dargestellten Spannvorrichtung von dem Greifkopf 7 des Kegels 5 und durch eine hydraulische Vorschubbewegung des Ausstoßers 8 aus seiner zurückgezogenen - strichpunktiert dargestellten - Lage in die vordere - mit durchgezogenen Linien dargestellte - Position wird der Werkzeughalter 4 zusammen mit dem Werkzeugwechsler 10 in die durchgezogen dargestellte Lösestellung verschoben. Dieser Zustand wird vom Abstandssensor 15 erfaßt, wobei durch einen Vergleich des Meßergebnisses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt wird, ob sich der Werkzeughalter 4 tatsächlich in der Lösestellung befindet. In diesem Fall erfolgen die weiteren Wechselvorgänge in üblicher Weise. Falls der Kegel 5 des Werkzeughalters 4 jedoch in der Spindelaufnahme 3 festsitzt und vom Ausstoßer 8 nicht herausgedrückt worden ist, wird dieser Zustand durch einen Vergleich des Meßergebnisses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt. Ober die Maschinensteuerung kann der Ausstoßer 8 erneut - und ggf. mit größerer Kraft - betätigt werden, um den Werkzeughalter 4 aus seinem Sitz in der Spindel aufnahme 3 zu lösen. Sollte auch durch eine erneute Betätigung des Ausstoßers 8 der Festsitz des Werkzeughalters 4 nicht gelöst werden können, wird die Maschine abgeschaltet.Finally, the clamping device (not shown) is released from the gripping head 7 of the cone 5 and, by means of a hydraulic feed movement of the ejector 8, the tool holder 4 is moved together with the tool changer 10 into the release position shown in solid lines from its retracted position (shown in dash-dotted lines) to the front position (shown in solid lines). This state is detected by the distance sensor 15, whereby a comparison of the measurement result with the stored reference value determines whether the tool holder 4 is actually in the release position. In this case, the further change processes take place in the usual way. However, if the cone 5 of the tool holder 4 is stuck in the spindle holder 3 and has not been pushed out by the ejector 8, this state is determined by comparing the measurement result with the stored reference value. The ejector 8 can be operated again via the machine control - possibly with greater force - in order to release the tool holder 4 from its seat in the spindle holder 3. If the tight fit of the tool holder 4 cannot be released by operating the ejector 8 again, the machine is switched off.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt. So kann beispielsweise der Sensor 15 auch direkt am Spindelstock 2 befestigt sein und den Abstand zu einer Gegenfläche des Werkzeugwechslers erfassen. Ferner kann die Übertragung der Meßwerte des Sensors 15 zur Verarbeitungseinheit 16 über elektrische Leitungen oder auch leitungsfrei erfolgen. Als Sensoren können auf der Grundlage von unterschiedlichen physikalischen ParameternThe invention is not limited to the embodiment shown. For example, the sensor 15 can also be attached directly to the headstock 2 and measure the distance to a counter surface of the tool changer. Furthermore, the measured values of the sensor 15 can be transmitted to the processing unit 16 via electrical lines or wirelessly. The sensors can be based on different physical parameters.
funktionierende Meßelemente eingesetzt werden. Schließlich ist es auch möglich, den Sensor an der vorderen Stirnfläche der Spindel 1 anzuordnen und den Abstand zwischen dieser Stirnfläche und dem Kragen 14 des jeweiligen Werkzeughalters 4 zu erfassen.functioning measuring elements are used. Finally, it is also possible to arrange the sensor on the front face of the spindle 1 and to measure the distance between this face and the collar 14 of the respective tool holder 4.
Claims (4)
Werkzeughalters beim Ein- und Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine mittels eines Werkzeugwechslers, wobei die Arbeitsspindel eine
motorisch betätigbare Spannzange sowie einen Ausstoßer
enthält,1. Device for monitoring the clamping state of a
Tool holder when changing into and out of the work spindle of a program-controlled machine tool by means of a tool changer, whereby the work spindle has a
Motor-operated collet and an ejector
contains,
der Werkzeugaufnahme (4) feststellt und entsprechende
Informationen an die Programmsteuerung (17) der Maschine abgibt.- a processing unit (16) connected to the program control (17) which detects an abnormal clamping state by comparing the target value and actual value of the sensor signals
the tool holder (4) and corresponding
Information is sent to the program control (17) of the machine.
dadurch gekennzeichnet,2. Device according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Device according to claim 1,
characterized,
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