JP7099733B2 - スピンドルノーズおよび工具スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の工具スピンドル用のスピンドルノーズに関する。本発明はさらに、この種のスピンドルノーズを備える工具スピンドルに関する。

材料加工および加工物製造では、工作機械で実施される加工工程の精度および寸法精度への要求がますます高くなっており、ますます狭い公差が要求される。さらに以前と同じように、工作機械の運転時には連続的な自動化、機械オペレータによる介入の必要性のさらなる低減、およびこれに伴い工作機械の作業プロセスの可及的に広範囲の監視への大きなニーズが存在する。

ここでは、工具スピンドルに収容された工具の挙動を、発生する力および／または曲げモーメントに関して、測定技術的に評価されるセンサ素子によりリアルタイムに、加工プロセス中に監視することが公知である。そのために、例えば工具ホルダの表面に取り付けられたＤＭＳセンサが使用される。これはドイツ実用新案第９０１４０３７号明細書に示され、記載されている。欧州特許出願公開第２１０３３７９号にも同等の措置が記載されている。ここではアダプタ部材が公開されており、このアダプタ部材は、工作機械の工具スピンドルに装着され、そこに固定され、そしてさらに工具を収容する。このアダプタ部材には歪み測定記録器が設けられており、この歪み測定記録器は、測定された値をステータに配置された受信装置に無線で通知する。上記２つの刊行物に示された測定装置により臨界的な力またはモーメントが検出され、これにより、例えば使用される工具の摩耗がいつ発生し、これをいつ交換しなければならないかが確定され、これにより加工品質が維持される。

工具スピンドルに配置された測定センサの別の使用が、欧州特許第１８８９６８５号明細書に記載され開示されている。そこでは相応のセンサによって、とりわけ工具スピンドルが停止している際に、工具スピンドルの工具収容部内に異物、とりわけ切り屑が存在しているか否かが確定される。このような異物は、工具スピンドル内に装着され、ロックされた工具の不正確な位置決めを引き起こす。例えば工具交換の際に工具スピンドルの領域に入り込む切り屑によって引き起され得るこの種のアライメントエラーは、例えば工具の刃の不正確なアライメントを引き起こすから、このことは、加工結果の偏差から工作機械により加工あるいは作製される加工物の完全な欠陥品までを引き起こすことがある。

従来技術に示された手段および解決策は、基本的に有効性が実証されているが、とりわけこれらは、それぞれ特定の値およびパラメータの検出のみを対象とする。特に工具スピンドルの工具収容部内での異物の存在を確定することができ、または例えば工具の摩耗およびひいては工具交換の必要性を示唆する、力または撓みモーメントに関して発生する偏差を確定することができる。ここで欧州特許出願公開第２１０３３７９号明細書から公知の力およびモーメントを測定する措置による、大きなアダプタ部材を工具スピンドルと本来の工具との間に使用する状況も欠点と解釈される。一方では、各工作機械は、そのようなアダプタ部材を設けることができるほど十分な構造空間を提供しない。他方では、このように中間接続されたアダプタ部材は、工具の正しく正確な取り付け位置に関して潜在的に拡大された不正確性を引き起こす。なぜならアダプタ部材の製造公差が、高精度に製造しなければならない工具スピンドル自体の寸法偏差に加わり、そのためここではさらに大きい公差偏差が発生し得るからである。さらに、センサ系を備える工具ホルダがモータ軸に装着されているプロセスしか監視することができない。したがって、すべての加工プロセスを完全に監視するためには、すべての工具ホルダに相応のセンサ系を装備しなくてはならず、このことは大きな手間暇と高いコストを必要とする。

ドイツ実用新案第９０１４０３７号明細書 欧州特許出願公開第２１０３３７９号明細書 欧州特許第１８８９６８５号明細書

公知の従来技術から出発し、それらの上記の問題を背景に本発明の課題は、工具スピンドルのセンサ系を、アダプタ部材を取り付ける必要なしにこのセンサ系によって、とりわけ、この工具スピンドルにより実施されるすべてのプロセスのために、多数のパラメータまたは状態を自動的に監視できるように改善することである。とりわけ、このセンサ系により、装着された工具の正しい座りの監視も、加工プロセス中に工具を負荷する横方向力あるいは撓みモーメントの記録も可能であることが望まれる。有利にはセンサ系は、スピンドルノーズに、すなわち、工具に面した、工具スピンドルのロータの前側に配置された工具スピンドルの部分要素に組み込むことが望まれる。

この課題は本発明により、請求項１の特徴を備える、工作機械の工具スピンドルのスピンドルノーズによって解決される。このようなスピンドルノーズの有利な発展形態は、請求項２から１３に示されている。さらなる解決態様は、請求項１４の特徴を備え、本発明により構成されたスピンドルノーズを有する工作機械用の工具スピンドルにより形成される。

本発明によれば、工作機械の工具スピンドル用のスピンドルノーズは、長手軸と収容端部を有する。この収容端部には、長手軸の方向に収容端部から離れるように、円錐形で先細の円錐形収容部が、工具軸円錐体を収容するために開口する。この円錐形収容部は、周囲の壁によって囲まれており、この壁は、収容端部において周回する、とりわけ円形に周回する当接縁部を形成する。ここで当接端部は平坦当接面を有し、この平坦当接面には工具軸円錐体の当接面が、工具スピンドル内に工具がクランプされる際に当接する。この点でこのスピンドルノーズの特徴は、従来技術、およびそこで公知の上述のスピンドルノーズに相当する。本発明のスピンドルノーズにおける特異性は、円錐形収容部を取り囲む壁内で収容孔部が平坦当接面に対して垂直の形で案内されており、平坦当接面の下に導かれる有底孔部が形成されており、これらの有底孔部のそれぞれ１つが、少なくとも４つの等角度のセグメントであって、当接縁部が分割されている各セグメント内に存在することである。ここで当接縁部を少なくとも８つの等角度のセグメントに分割することは、特別な構造または要素によって必ずしも顕著に決定されるわけではない。セグメントは仮想的なセグメントとして理解することもでき、これらセグメントは、編み目の形式で収容縁部の上に置くこともでき、その際にこれらセグメントが当接縁部上に直接的に物理的に形成されることはない。

さらに本発明で重要なことは、そのようにして形成された各２つの収容孔部が直径方向に対向していることである。このことはセンサが、対ごとに割り当てられている場合に生じ得るフルブリッジで評価される場合に特に当てはまる。言い替えると、収容孔部の少なくとも２つの対が存在し、各対にはそのように統合された２つの収容孔部が、円形の当接縁部の直径に沿って対向している。さらにこの収容孔部の各々には、収容孔部の伸長方向に発生する力および／または変形に対して感知性があり、この種の力および／または変形に依存して測定量の測定値を、とりわけその電気抵抗を変化するセンサが配置されている。さらに評価部が設けられている。この評価部は、例えばスピンドルノーズに組み込まれた論理回路またはそこに配置されたプロセッサ制御の計算ユニットとすることができる。しかし評価部は、原則的にスピンドルノーズの外に設けることもでき、センサの信号を、とりわけ無線で受信して加工し、長手軸に沿った方向を指すように負荷する力あるいは変形が発生する際に、センサが異なる数学的符号を備える測定値の絶対値を送出するように評価することができる。ここでとりわけ互いに対向する第１のセグメントに配置された少なくとも２つのセンサは、第１の符号＋または－を備える絶対値を送出する。互いに対向する、第１のセグメント（Ｉ，ＩＩ，Ｖ，ＶＩ）とは異なる第２のセグメントに配置された少なくとも２つのセンサは、第１の符号とは反対の第２の符号－または＋を備える絶対値を送出する。

ここでとりわけ互いに隣接する第１のセグメントに配置された少なくとも２つのセンサも、第１の符号＋または－を備える絶対値を送出する。第１のセグメントとは異なる、互いに隣接する第２のセグメントに配置された少なくとも２つのセンサは、第１の符号とは反対の第２の符号－または＋を備える絶対値を送出する。

前に述べた特別の回路により、特に可能な変形構成においても、一方ではダイナミックモードで、すなわち工具スピンドルまたはスピンドルノーズが回転している際に、長手方向に対して横に、すなわち工具長手軸に対して横に力が発生することによっても惹起される撓みモーメントを確定することができる。その結果、ここでは工具挙動のダイナミックな監視を、本発明のスピンドルノーズを有する工具スピンドルが装備された工作機械により加工物の加工過程が実施される際に得ることができる。したがって例えば発生する撓みモーメントを、例えば長期の挙動と比較して評価することにより、工具の破損または摩耗を確定することができ、工具の交換を促すことができる。このようにして要求を満たさない加工物の欠陥品が回避される。撓みモーメントはもちろん、工具スピンドルが静止している場合でも、例えば加工物と工具の衝突の結果として確定することができる。

本発明のスピンドルノーズにより検出された撓みモーメントの相応の評価は、例えば欧州特許出願公開第２９２４５２６号明細書に記載の方法に対応して行うことができる。

さらに、前に記載のセンサの特別の回路接続は、時間経過にしたがって相応に評価すれば（もちろん、工具のクランプ過程と時間的に関連して）、異物、例えば切り屑により、スピンンドルノーズまたはこれが装備された工具スピンドルの工具収容部の領域に惹起される、工具軸円錐体の当接面が平坦当接面に押圧されることにより生じる押圧力の偏差を、とりわけ典型的には形成される非対称性を検出することも可能である。このことはとりわけ、それだけではないが、工具が停止している際に、すなわち工具スピンドルが回転していないときに行うことができる。なぜなら、異なるセグメントに配置されたセンサの不均等な圧力負荷は、上に記載した評価により、センサ信号の加算的結合の際に「ゼロ」とは異なる測定値として確定されるからである。この評価によってここでは、和信号の公差限界を外れる偏位、すなわち偏差を確定することができ、この偏位が工具のクランプ過程に続いて発生する場合、「工具が正しくクランプされていない」こと、あるいは「工具スピンドル内に切り屑がある」ことの結果として評価することができる。

ここで本発明の測定技術は、平坦当接面の下に導かれる有底孔部として構成された収容孔部にセンサを配置することによってスピンドルノーズに組み込むことができる。この収容孔部は、いずれにしろ工具スピンドルの構成部分である。したがってアダプタ部材を付加的に取り付けることが省略され、付加的な構造空間も必要なく、工具クランプの寸法精度が落ちることもない。とりわけ、工具スピンドルからなる既存のスピンドルノーズにも、相応の後処理加工によって、本発明の原理にしたがい作用するセンサ系を後装備することができる。または工具スピンドルにスピンドルノーズが存在する場合には、本発明のスピンドルノーズにより置換することができる。その結果、既存の工具スピンドルおよびスピンドルノーズを備える工作機械が存在する場合でも、本発明により初めてシステムにおいて可能とされた種々の測定機能あるいは監視機能を組み込むことができる。有底孔部にセンサを特別に配置することにより、特に鋭敏なセンサ系が得られる。なぜならこれらのセンサが、力あるいは撓みモーメントにより負荷される工具の直ぐ近傍に、またはこの工具に直接案内することができ、そこで測定値を記録することができるからである。

ここで、本発明は、４つのセンサが４つのセグメントに分散された収容孔部に配置されることに限定されないことを述べておく。例えば６つ、８つまたはそれ以上、例えば１２、１６またはそれ以上のセンサを、相応に分割されたセグメントに分散された収容孔部に分散して配置することができ、対応して評価部において結合し評価することができる。

センサとしては特に、電気抵抗が可変の、ここでは特にシリンダ形状の歪み測定センサ（ＤＭＳ）が考えられる。しかし他の測定原理にしたがって動作するセンサ、例えばＳＡＷ構成素子、または容量性歪み測定センサも使用することができる。

評価はとりわけ、前述の符号条件が満たされるようにセンサが統合されるブリッジ回路によっても行うことができる。ここでは、ハーフブリッジまたはフルブリッジに電気的に接続することが考えられる。ハーフブリッジに回路接続する場合、本発明を実現するために、互いに対向する２つのセグメントに配置されたセンサがそのような１つのハーフブリッジに回路接続される。このようなブリッジ回路は、考えられるデジタル回路（例えば“仮想ブリッジ回路”）よりも原理的に有利であり、このようなブリッジ回路は、場合による線路抵抗およびそれにより計算的結合に忍び込むエラーに対して不感である。

可能であり、現在好ましい本発明の一発展形態では、当接縁部が少なくとも８つの等角度のセグメントに分割されており、各セグメントには少なくとも１つの収容孔部が、このように形成された各２つの収容孔部が対ごとに直径方向に対向するように形成されている。この収容孔部の各々には、収容孔部の伸長方向に発生する力および／または変形に対して感知性があり、この種の力および／または変形に依存して電気的測定値の出力を、とりわけその電気抵抗を変化するセンサが配置されている。評価部ではセンサの各４つが、互いに直径方向に対向する各２つの収容孔部において、対ごとに隣接するセグメントに配置されたセンサがフルブリッジの並列分岐路に接続されているようにフルブリッジに接続され評価される。言い替えると、フルブリッジ、例えばとりわけホイートストンブリッジが、隣接するセグメントの収容孔部に配置された２つのセンサと、これらの収容孔部に対してそれぞれ直径方向に対向して配置された収容孔部に配置されたセンサとから形成される。本発明によれば、センサの回路接続はフルブリッジの並列分岐路において以下のように行われる。

フルブリッジの第１の分岐路では、第１の収容孔部に配置された第１のセンサと、第１の収容孔部に直径方向に対向する第２の収容孔部に収容された第２のセンサが配置されているセグメントに隣接するセグメントにある、第３の収容孔部に配置された第３のセンサとが直列に配置されている。フルブリッジの第２の分岐路では、第１のセンサに対して並列に、第３の収容孔部に直径方向に対向する第４の収容孔部に配置された第４のセンサが第２のセンサと直列に接続されており、この第２のセンサは、フルブリッジにある第３のセンサに対して並列に配置されている。

このようにして、８つのセンサが８つの収容孔部に配置される場合、２つのフルブリッジが形成され、これらフルブリッジは４つの隣接するセグメントを上記のように回路接続することによって得られる。これらのセグメントにおいてセンサの軸方向の変形、例えば圧縮は、負の符号を備えるブリッジ回路の電圧変化に影響を与える。これに対して隣接する４つのさらなるセグメントは、同じ軸方向での変形、すなわち圧縮の際に、正の符号を備えるブリッジ回路の電圧変化を生じさせる。

とりわけ本発明のスピンドルノーズでは、収容孔部が長手方向に延在することができる。すなわちこれは、典型的には、平坦当接面がスピンドルノーズの長手方向に対して垂直に延在する場合である。ここで、概念「平坦当接面」は、多くのスピンドルノーズにおいてそうであるように個々の平坦当接面の間の物理的な分離を必ずしも前提とはしないことを強調しておく。多くのスピンドルノーズにおいては、当接縁部の周囲に沿って別個に形成された平坦当接面が存在しており、これらの平坦当接面は別の構造によって中断されている。当接縁部全体にわたって連続して形成された平坦当接面も、本発明の枠内では平坦当接面を形成し、この場合、これは、異なるセグメント内に配置された、連続する平坦当接面の一部分である。

とりわけ有利には、本発明のスピンドルノーズでは収容孔部は、その中央軸がスピンドルノーズの中央長手軸に対して同心の円（中央長手軸に対して垂直の平面内にある円）の共通の外周線を横切るように配置されている。このようにして、ブリッジ回路によるセンサの評価のために、有利にはスピンドルノーズの中央長手軸の周囲にセンサを対称に配置することが達成される。さらに収容孔部は、隣接する収容孔部の中央軸が上記外周線を同じ角度間隔の下で横切るように配置されていても特に有利である。この特別の配置によっても対称性が高められ、このことは、センサにより確定された測定結果の評価に対して特に有利である。

同様に対称性と、これにより達成される良好な実施可能性並びにセンサにより形成されるセンサ系の高い感度の理由から、センサが同じ形式であると有利である。したがってセンサは有利には同じ構造形式であり、同じ感度を有する。その結果、理想的にはブリッジ回路において、軸方向に均等に負荷される場合、センサの測定値はブリッジの離調を引き起こさず、すなわちブリッジ信号は“０”になる。

有利にはセンサは、シリンダ形の歪みセンサであり、それらの軸方向の変形、あるいはこの方向における力の印加を検知する。とりわけシリンダ形の歪みセンサは、そのシリンダ直径が、収容孔部に寸法通りに装着されるように寸法決めされている（あるいは収容孔部は、その直径がシリンダ形の歪みセンサの直径に相応するように構成されている）。これによりセンサは、収容孔部内に簡単な手段によって正しい位置に固定することができる。

スピンドルノーズが、収容孔部内に配置されたセンサの他に、さらに、平坦当接面に対して垂直に案内され、収容端部に対向する側から平坦当接面に達する有底孔部内に配置された付加的な測定プローブを有することも本発明の枠内である。この付加的な測定プローブは、センサに依存せずにさらなる測定量を検出するために用いられ、相応に接続されている。このような付加的な測定プローブにより、例えば相応の回路によって、工具を負荷する軸方向力を決定することができる。したがってこのパラメータも、本発明のスピンドルノーズを有する工作機械の運転時に検出し、例えば工具摩耗を識別するために評価することができる。

スピンドルノーズから検出されたデータを評価できるようにするため、センサおよび場合により配置されたさらなる測定プローブにより検出された測定データを、スピンドルノーズの外に配置された受信ユニットに無線伝送するための伝送手段が、スピンドルノーズに配置されていると有利である。このような無線伝送は、有線伝送と比較して、有線伝送は工具スピンドルの回転要素から回転連結部を介してステータに伝送することになるので格段に好ましい。対応のテレメトリーデータ伝送は、例えばＲＦＩＤ技術等によって行うことができる。

スピンドルノーズに配置されたセンサおよび場合によりそこに設けられたさらなる負荷のためのエネルギー供給も、有利には無線で、例えば誘導性に行うことができる。択一的にまたは付加的に、スピンドルノーズにエネルギー蓄積器を設けることもでき、このエネルギー蓄積器は、センサおよび場合により他の負荷に電気エネルギーを供給する。このようなエネルギー蓄積器は、アキュムレータまたはバッテリーまたはコンデンサ等とすることができる。

とりわけスピンドルノーズのコンセプトでは、配置されたセンサおよびさらなる要素、並びに取り付けられた収容孔部および場合によるさらなる有底孔部によって不平衡が形成されないように注意すべきである。このような不平衡は、スピンドルノーズの回転運動を、工具スピンドルの回転数が高い場合に損なうことがある。

したがってセンサを収容するための、有底孔部として構成された収容孔部は、平坦当接面を負荷する押圧力をセンサが検出できるようにしなければならない。このようなセンサは、高精度で対応の力あるいは変形を記録することができ、平坦当接面の下の近傍まで案内することができる。ここでそれぞれのセンサ、すなわち有底孔部は、裏側から平坦当接面に可及的に接近するように案内すべきである。他方では有底孔部は、平坦当接面の平面配向の安定性および精確性を妨げてはならない。平坦当接面は、とりわけ粗暴な動作条件の下でも機械的に安定していなければならない。対応して設計の際に、予期される動作条件、およびとりわけ平坦当接面の領域におけるスピンドルノーズの幾何形状を考慮すべきである。例えば収容孔部は、平坦当接面の３～１５ｍｍの下に導かれる。

最後に、上記回路接続はフルブリッジにハード的にワイヤ配線することができることを述べておく。しかし切り替え可能な回路接続も可能であり、これによりセンサは、例えばフルブリッジだけでなく、ハーフブリッジまたはクォーターブリッジに回路接続することができ、または別のやり方でセンサが結合されたブリッジ回路を得ることができ、例えばセンサにより他のパラメータ、例えば発生する軸方向力を検出し評価することができる。

本発明のさらなる利点および特徴は、添付図面に基づく実施例の以下の記載から得られる。

本発明のスピンドルノーズの可能な構成形態を収容端部から見た平面図であり、ここでは、表面の下に配置されたセンサおよび測定プローブの位置もプロットされている。 図１のスピンドルノーズの裏側図である。 半径ラインに沿って収容された図１のスピンドルノーズの詳細を示す縦断面図である。 割線に沿って収容された図１のスピンドルノーズの詳細を示す断面図である。 図１のスピンドルノーズのセンサが信号評価のために回路接続されているフルブリッジの概略図である。 例えば工具収容部に異物、例えば切り屑が存在するために工具が非正常にクランプされた場合に発生する、セグメントにあるセンサにより得られた信号の線図である。 クランプエラーのために発生した、異なるセグメントからのセンサ信号の相違をより分かり易くするために、図６の信号の絶対値を示す線図である。

図面には、とりあえず概略的かつ種々の図に、本発明のスピンドルノーズに対する可能な実施例が示されており、スピンドルノーズは一般的に参照符号１により示されている。しかしこれらの図は、このスピンドルノーズ１のすべての特徴に関して完全性を要求するものではなく、本発明の特徴およびさらなる特に有利な特徴を単に分かり易くするための概略図であると理解すべきである。

さらなる図面は、フルブリッジ（図５）への本発明の回路接続、並びにスピンドルノーズ１あるいはこれが設けられた工具スピンドルが静止している状態において、工具のクランプエラーを確定するためのセンサデータの評価を示す。

まずここで図面番号１から４を参照すると、種々の図面には本発明のスピンドルノーズ１の可能な実施例が示されている。スピンドルノーズ１は、概してリング形状に形成されており、その中央に、長手方向Ｌあるいは長手軸の方向（図３参照）に伸長する円錐形収容部２を備える。図１は、前側あるいは収容端部から見たスピンドルノーズ１の図であり、図２は、裏側から見た図を示す。図３と４は、詳細の断面を含み、これらの図にはスピンドルノーズ１の収容端部が右に配置されて図示されている。図３には、円錐形収容部２が、収容端部から裏側端部の方向に円錐形に先細になっていることがよく示されている。これは、工具スピンドルあるいはスピンドルノーズにある対応の工具収容部に対して通常のことである。

円錐形収容部２は壁３により取り囲まれており、壁３は、図示の実施例では全体として階段状の経過をたどる。この壁３は、収容端部に向かって、周回する当接縁部４を形成し、この当接縁部には、対応の当接面に当接するために平坦当接面５が成形されており、この当接面は、典型的には工具軸のカラーに、この目的のために形成されている。平坦当接面５は、図示の実施例では互いに別個に構成されており、それぞれほぼ半円形に成形されている。ここで平坦当接面５の形態は、この形状に限定されない。例えば当接縁部４全体にわたって連続して延在する平坦当接面５を設けることもできる。図１に示すように、平坦当接面５を備える当接縁部４は全体で８つのセグメントに分割されている。これらのセグメントは、図にＩからＶＩＩＩまで時計方向に回って通し番号が付されている。ここに図示した実施例では、８つのセグメントＩからＶＩＩＩの各々にそれぞれ１つの平坦当接面５がある。ここで、本発明のスピンドルノーズ１における特異性は、平坦当接面５の平面に対して垂直に延在する有底孔部として構成された収容孔部６（図３と図４参照）にセンサ７が配置されていることであり、これらのセンサ７は平坦当接面５を負荷する力、あるいは材料の変形を検出することができる。これらのセンサ７は、ここではシリンダ形に構成されており、収容孔部６に寸法通りに装着され、そこに固定されている。収容孔部６は、ここでは、収容端部に対向する裏側（図２を参照）から壁３の材料内に案内されており、例えばこれが配設されたそれぞれの平坦当接面５の下に、例えば３～１５ｍｍの間隔、とりわけ１０～１５ｍｍの間隔、特に１２ｍｍの間隔をおいて導かれている。センサ７は、とりわけ歪み測定ストリップ（ＤＭＳ）により形成することができる。ここでこれらのセンサは、その長手軸が、平坦当接面５の平面上に引かれた仮想の円に重なるように配置されている。この仮想の円は、スピンドルノーズ１の周囲に対して同心に形成されている。さらに、それぞれ２つの収容孔部６が対ごとに直径方向に互いに対向している。

本発明の任意選択によれば、ここに図示したスピンドルノーズ１の実施例は、センサ７の他に、収容孔部６と同じようにしてスピンドルノーズ１の裏側から壁３の材料内に案内されており、同様にこれらがそれぞれ配設された平坦当接面５の下に至る有底孔部９内に、付加的な有底孔部８に配置されたさらなる測定プローブ８を有する。この測定プローブ８も、センサ７と同じようにシリンダ形の測定プローブ８として構成することができ、寸法通りに有底孔部９内に配置されている。これも歪み測定ストリップ（ＤＭＳ）により形成された測定プローブ８とすることができる。これら付加的な測定プローブ８は、センサ７とは別個の接続回路において、例えば以下に記載するようなさらなる測定量を検出するために用いられる。

とりわけセンサ７はすべて同形式である。すなわち同じ形式であり、同じ感度で形成されており、測定プローブ８もセンサ７と同種の構成素子とすることができる。

本発明のスピンドルノーズ１におけるさらなる特異性は、スピンドルノーズ１がセンサ７により記録された信号のための評価部を有することである。これらの信号は、センサ７のそれぞれの電気抵抗の変化である。さらに、センサ７のそれぞれ４つがフルブリッジに回路接続されており、あるいは評価のためにそのように回路接続される。これは図５に、そこに図示されたフルブリッジ１０によって示されている。図５に図示されたフルブリッジ１０は、この種の回路では通常のように、２つの並列ブリッジ分岐路を有する。第１のブリッジ分岐路には、抵抗Ｒ１とさらなる抵抗Ｒ４が直列に接続されており、これに対して並列に、同じような接続順序で第２のブリッジ分岐路には抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ２が直列に接続されている。ここで本発明のスピンドルノーズ１ではセンサ７を、図５に示される抵抗Ｒ１からＲ４と、以下同等に扱う。このような第１のブリッジ回路においてＲ１は、セグメントＩに配置されたセンサ７を表す。Ｒ２は、セグメントＩＩに配置されたセンサ７である。Ｒ３は、セグメントＶに配置されたセンサ７であり、Ｒ４は、セグメントＶＩに配置されたセンサ７である。

第２のフルブリッジ１０では、セグメントＶＩＩにあるセンサ７が抵抗Ｒ１と同等であり、セグメントＶＩＩＩにあるセンサ７が抵抗Ｒ２を形成する。抵抗Ｒ３は、このフルブリッジでは、セグメントＩＩＩに配置されたセンサ７により形成され、最後に、セグメントＩＶにあるセンサ７が、第２のフルブリッジにある抵抗Ｒ４である。

この特別の回路接続によって、平坦当接面５に対して垂直に、当接端部とは反対の方向に力成分が印加される場合、この力成分はセンサ７の圧縮を引き起こし、ブリッジコンビネーションにあるセグメントＩ，ＩＩ，ＶＩＩおよびＶＩＩＩのセンサ７が正の符号の絶対値を発生し、セグメントＩＩＩ，ＶＩ，ＶおよびＶＩにあるセンサ７が負の符号の絶対値を発生することが達成される。

確かにこの回路接続によっては、均等に負荷する軸方向力に関しては評価することができない。なぜならそれぞれの絶対値が相殺され、ブリッジの離調を確定することができないからである。この回路接続は、作業モード、とりわけスピンドルノーズ１の回転時、または静止時でも発生する横方向力あるいは平坦当接面に対して垂直に、すなわちスピンドルの回転軸の方向に作用する軸方向力成分が不均等に分散された撓みモーメントを確定することができる。したがってこのセンサアセンブリまたはセンサ回路接続により、対応の横方向力あるいは撓みモーメントを検出すると同時に、この回路接続を、さらに公知の方法にしたがって、工具摩耗または工具破損またはその他の異常性を確定するために利用することができる。さらにこの形態により、基本的には不均衡な圧力を検知することもできる。このような不均衡な圧力は、工具クランプが不正確な場合、とりわけ傾斜した場合に発生し、このようなことは、例えば異物が工具収容部内に存在することにより、例えば切り屑がそこに達することにより生じ得る。しかし動的な静止状態でも本発明のスピンドルノーズ１により、工具の切削工程に続いて、例えば工具交換後に、不正確な工具クランプを検知することができる。

不正確な工具クランプをどのように推定できるかが、図６と７の図面に示されている。そこには、意図的に工具収容部に異物を取り込んだ実験構成において記録されたものであるが、個別のセグメントに配置されたセンサ７により得られた、センサの抵抗に対する測定値が示されている。図６では、本発明の回路接続によりフルブリッジ１０で得られた符号が考慮されている。図７にはこれらの測定値が純粋に絶対値で示されており、これらの測定値は、同種のセンサ７を対称配置したことにより予期される同一の値から偏差して種々の値を取ることが非常に良く分かる。このことは、不正確な工具クランプのため平坦当接面５が不均等に負荷されていることを指し示し、そのように評価される。

図示の実施例において（不均等に）負荷する軸方向力に関する推定も得ることができるようにするため、さらなる測定プローブ８が使用される。これらの測定プローブは、それ自体公知の回路接続で互いに結合されており、（不均等に）負荷する軸方向力が、例えば測定プローブ８により形成されたブリッジ回路の離調を引き起こし、これによりそのような軸方向力を推定することができる。このような付加的な装備によって、本発明のスピンドルノーズ１をリアルタイムで、そのパラメータも監視することができる。

例えば詳細に図示しない、スピンドルノーズ１に配置された集積チップ型計算ユニットにより行うことのできる評価の結果またはデータは、スピンドルノーズ１にあるが同様に図示しない、無線動作するテレメトリーモジュール、例えばＲＦＩＤトランスポンダを介して、スピンドルノーズ１に対して固定の受信器に通知され、受信器は、上記結果またはデータをさらなる評価および指示のために、例えば工作機械の機械制御部に伝送することができる。そして、これらのデータに基づいて機械制御部では警報を生成し、またはアクションをトリガすることができる。例えば本発明のスピンドルノーズ１とその中に組み込まれたセンサ系によって不正確な工具クランプが確定された場合、機械制御は自動的に、工具を再度交換させ、工具円錐軸および工具収容部を、例えば圧縮空気により吹き飛ばし、場合によりそこに存在する切り屑または他の異物を除去し、それから工具を再度装着することができる。そのような手順によってもクランプエラーが測定される場合、警報を出力し、これにより機械オペレータはエラーを検査し、これを除去することができる。

本発明のスピンドルノーズ１に配置された要素に対するエネルギー供給も無線で行うと有利である。これは、例えば放射される電磁波を介して、スピンドルノーズ１に配置されたインダクタンスに誘導電圧を形成することにより行われる。しかし補充的または択一的に、電気エネルギー用の蓄積器、例えばバッテリー、アキュムレータ、コンデンサ等をスピンドルノーズ１に配置することができる。

前述の実施例は、８つのセグメントが設けられており、それらのセグメントにおいて有底孔部に、フルブリッジに回路接続されたセンサが配置されている本発明の可能な実現を示す。しかし他の解決策も考えられる。したがって８未満の（または８超の）セグメントを設けることもでき、各４つのセンサをフルブリッジに回路接続するのではなく、各２つのセンサをハーフブリッジにまとめ、相応に評価することができる。

実施例の前述の説明から、再度、本発明により形成されたスピンドルノーズ１に伴う格別の有用性が明らかになる。これは、スピンドルノーズが複数の動作パラメータの監視を、スピンドルノーズ１あるいはこれが装備された工作機械の工具スピンドルの静的および動的状態において可能にするからであり、この措置のために、例えば付加的な構造空間が必要であったり、アダプタ部材の形態の別個の部材をスピンドルノーズ１あるいは工具スピンドルに取り付けなければならなかったりすることはない。

１ スピンドルノーズ
２ 円錐形収容部
３ 壁
４ 当接縁部
５ 平坦当接面
６ 収容孔部
７ センサ
８ 測定プローブ
９ 有底孔部
１０ フルブリッジ
Ｉ セグメント
ＩＩ セグメント
ＩＩＩ セグメント
ＩＶ セグメント
Ｖ セグメント
ＶＩ セグメント
ＶＩＩ セグメント
ＶＩＩＩ セグメント
Ｌ 長手方向（長手軸の方向）
Ｒ１～Ｒ４ 抵抗

Claims (13)

1. 工作機械の工具スピンドル用のスピンドルノーズであって、
   前記スピンドルノーズは、長手軸と収容端部とを有し、
   前記収容端部には、前記長手軸の方向に前記収容端部から離れるように、円錐形で先細の円錐形収容部が、工具軸円錐体を収容するために開口されており、
   前記円錐形収容部は、前記収容端部に円周状の当接縁部を形成する周囲の壁によって囲まれており、
   前記当接縁部は、前記工具スピンドル内に工具がクランプされる際に前記工具軸円錐体の当接面が当接する平坦当接面を有する、スピンドルノーズにおいて、
   前記壁内には、前記平坦当接面に対して垂直で前記平坦当接面の下に導かれる有底孔部形の収容孔部が形成されており、
   前記当接縁部は、少なくとも８つの等角度のセグメントに分割されており、
   少なくとも８つの前記セグメントには、少なくとも１つの前記収容孔部がそれぞれ形成されているとともに、このように形成される前記収容孔部の各２つが直径方向に対向されるように形成されており、
   各前記収容孔部には、前記収容孔部の伸長方向に発生する力および／または変形に対して感知性があり、このような力および／または変形に応じて電気抵抗が変化し、測定量の測定値が変化するそれぞれ１つのセンサが配置されており、
   評価の提供のために、それぞれ直径方向に対向する前記センサにより、前記長手軸に沿った方向を指す負荷の力あるいは変形が発生する際に、異なる数学的符号の値を提供する評価部が設けられており、
   前記評価部では、各４つの前記センサがフルブリッジに電気的または論理的に回路接続されており、
   対ごとに隣接するセグメントにある、直径方向に互いに対向する各２つの前記収容孔部に配置された前記センサは前記フルブリッジの並列の分岐路において、
   前記フルブリッジの第１の前記分岐路では、第１の前記収容孔部に配置された第１の前記センサが、第１の前記収容孔部に直径方向に対向する第２の前記収容孔部に収容された第２の前記センサが配置されている前記セグメントに隣接する前記セグメントにある第３の前記収容孔部に配置された第３の前記センサと直列に接続され、
   前記フルブリッジの第２の前記分岐路では、第１の前記センサに対して並列で、第３の前記収容孔部に対して直径方向に対向する第４の前記収容孔部に配置された第４の前記センサが第２の前記センサと直列に接続される、
   ように接続されている
   ことを特徴とするスピンドルノーズ。
2. 各２つの前記収容孔部は、対で直径方向に対向しており、
   前記評価部は、
   互いに隣接する第１のセグメントに配置された少なくとも２つの前記センサにより、第１の符号＋または－の値を提供し、
   前記第１のセグメントとは異なる、互いに隣接する第２のセグメントに配置された少なくとも２つの前記センサにより、前記第１の符号とは反対の第２の符号－または＋の値を提供する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスピンドルノーズ。
3. 前記収容孔部は、前記長手軸の方向に延在する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスピンドルノーズ。
4. 前記収容孔部は、それらの中央軸が前記スピンドルノーズの中央長手軸に対して同心円の共通の円周線を交差するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
5. 前記収容孔部の前記中央軸は、隣接する前記収容孔部の前記中央軸の間で同じ角度間隔で前記円周線を交差する
   ことを特徴とする請求項４に記載のスピンドルノーズ。
6. 前記センサは、同一形式である
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
7. 前記センサは、シリンダ形の歪み測定センサであり、その軸方向の変形を検知する
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
8. 前記収容孔部に加えて、さらなる有底孔部が、前記平坦当接面に対して垂直に、前記収容端部に対向する側から前記平坦当接面に設けられており、前記有底孔部には付加的な測定プローブが配置されており、前記測定プローブは、前記センサとは独立してさらなる測定量を検出するように回路接続されている
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
9. 前記センサおよび場合により配置されたさらなる前記測定プローブにより検出された測定データを、前記スピンドルノーズの外に配置された受信ユニットに無線伝送するための伝送手段を備える
   ことを特徴とする請求項８項に記載のスピンドルノーズ。
10. 前記センサおよび場合により前記スピンドルノーズに配置されたさらなる負荷に、無線で得られるエネルギーによって給電するためのエネルギー供給モジュールを備える
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
11. 前記スピンドルノーズに配置された、電気エネルギーを蓄積するためのエネルギー蓄積器を備える
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
12. 前記収容孔部は、前記平坦当接面の３～１５ｍｍの下に導かれる
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のスピンドルノーズ。
13. ステータおよびロータと、
    前記ロータの前方端部に配置された請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のスピンドルノーズと
    を備えることを特徴とする工具スピンドル。

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