TW202412991A - 具有用於檢測工具的負載的工具感測器之機床單元 - Google Patents

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Abstract

提出了一種電機驅動的機床單元，該機床單元具有定子單元(2)和包括至少一個轉子軸(105)的且能夠圍繞旋轉軸線(D)旋轉的轉子單元(3)，其中轉子單元(3)包括至少一個工具接納單元，該至少一個工具接納單元具有工具夾持裝置，該工具夾持裝置用於固定和夾持工具(50)的能夠以可鬆脫的方式被固定的工具柄部，其中設有用於檢測工具(50)的負載的至少一個工具感測器(5)，其中設有至少一個電磁驅動系統，該機床單元具有更好的精確性，和/或利用該機床單元能夠提高對應機床的加工精度。根據本發明，這藉由以下方式來實現：在工具感測器(5)與旋轉軸線(D)之間設有至少一個弱化結構(30)，以便在工具(50)受到負載時和/或在轉子單元(3)或其部分的負載情況發生變化時增大機械偏轉。

Description

具有用於檢測工具的負載的工具感測器之機床單元
本發明關於一種如請求項1的前序部分所述之電機驅動的機床單元、如多軸旋轉頭或電主軸。
在機床中存在各種可更換的裝置或工具，該等裝置或工具藉由標準化的標準介面與機床相連接。在此，這主要涉及藉由可鬆脫的錐形連接件與機床主軸或電主軸相連接的工具，並且其中藉由軸向運動來打開或閉合所謂的夾頭，使得為牢固緊固工具而所需的軸向力可以傳遞至工具或者隨後還可以再次被釋放。
從EP 1 889 685 B1已知一種機床，其中借助於千分錶來檢查主軸頭的周向表面的表面輪廓是否存在變形。然後，這樣的變形歸因於如下事實：尤其諸如切屑的異物卡在工具外表面與工具接納件的內表面之間的區域中。
然而，隨著機床對精確性和可靠性的要求越來越高，這已不再能滿足需要。
本發明之目的和優點
本發明之目的在於，提出一種電機驅動的機床單元，該機床單元具有更好的精確性，和/或利用該機床單元能夠提高對應機床的加工精度。
基於開篇所述類型的機床單元，該目的藉由請求項1的特徵來實現。藉由從屬請求項中提及的措施可以實現本發明之有利的實施方式和改進方案。
相對應地，根據本發明之機床單元的突出之處在於，在工具感測器與旋轉軸線之間設有至少一個弱化結構，以便在工具受到負載時和/或在轉子單元或其部分的負載情況發生變化時增大機械偏轉和/或減少對機械偏轉的阻尼。
借助於該弱化結構實現的是，提高了傳感裝置的靈敏度並且因此實現了更好的結果或更高的精確性。這對機床的精度有積極影響。在此，傳感裝置被理解為感測器以及感測器元件或者係要利用感測器感測或檢測的感測器元件。由於感測器元件的有利的較強的變形或要感測的傳感區域的變化和/或感測器元件與「實際的」感測器之間的要檢測的間距的變化，因此明顯改善了傳感裝置，儘管「實際的」感測器(通常)並未改變/改善。
有利地，弱化結構被設計為工具感測器和/或工具感測器的感測器元件的懸臂。由此，以有利的方式實現了對工具感測器的感測器元件的弱化，從而使得感測器元件或懸臂的偏轉或變形在對應的負載下或在變化的負載情況下受到較少阻尼並且相對應地增大。這以有利的方式提高了傳感裝置的靈敏度。
在本發明之有利的變體中，弱化結構被設計為轉子單元和/或轉子軸的凹陷和/或被設計為工具接納單元的凹陷。該凹陷弱化了對應部件的穩定性，從而實現了傳感裝置的更大變形或更高的精確性。
有利地，凹陷形成於轉子單元和/或轉子軸和/或工具接納單元的徑向向外定向的表面上，和/或凹陷形成於轉子單元和/或轉子軸和/或工具接納單元的徑向向內定向的表面上。以這種方式可以有利地製造凹陷，從而減少製造工作量和/或成本。
例如，沿徑向方向觀察，弱化結構和/或凹陷佈置在工具感測器與工具接納單元之間，和/或沿徑向方向觀察，弱化結構和/或凹陷佈置在工具感測器與旋轉軸線之間。初步試驗表明，在該區域中，這種弱化對傳感裝置的可測量的變形或更高的精確性具有非常積極的影響。
有利地，沿軸向方向觀察，弱化結構和/或凹陷佈置在工具感測器與第一滾動軸承之間，和/或沿軸向方向觀察，弱化結構和/或凹陷佈置在工具接納單元與第一滾動軸承之間。在此，這種弱化還對可實現的精確性具有積極影響。
在本發明之特別的改進方案中，凹陷被設計為轉子單元內的空腔並且尤其完全被轉子單元的材料和/或部件包圍。例如，弱化結構和/或凹陷至少包括空氣。由此可以有利地實現凹陷，從而減少製造工作量和/或成本。
有利地，弱化結構包括至少一種塑膠。替代性地或與此組合，包括至少一種金屬。弱化結構尤其不由鋼製成，而是例如由銅、鋁或對應的合金等製成。此外，這可以以有利的方式提高靈敏度並且還可以成本有效地被製造。
相對於定子單元旋轉的轉子單元通常屬於電主軸驅動裝置。實際的切削工具(銑刀、鑽頭等)又通常被保持或夾持在工具保持件中，工具保持件又佈置在工具夾持裝置中，該工具夾持裝置被視為轉子單元的主軸頭的一部分。為此目的，工具夾持裝置具有用於工具保持件的保持架。工具夾持裝置通常被施加夾持力，並且沿旋轉軸線的縱向方向被調節。在此，夾持裝置的一部分例如可以被拉入錐形的接納件中，從而尤其進而可以用徑向作用的力來夾持工具保持件或工具。藉由釋放夾持力，被夾持的工具通常可以再次鬆脫並且可以從機床上取下或更換。
在大多數情況下，實際的感測器安置在所謂的感測器頭中；感測器測量其與轉子單元和/或感測器元件的間距，其中感測器或感測器的大部分本身通常對應地佈置在定子單元中。以有利的方式用可以由電腦操控的電子單元或電子分析裝置處理或分析感測器數據。
該至少一個感測器頭通常在定子單元上佈置在工具夾持裝置的區域中的固定位置並且可以在轉子單元的轉動的主軸頭的端側和/或側向進行測量/檢測，即通常是所謂的感測器元件。
然而，感測器或感測器頭還可以被佈置成位置係可變化的。通常情況下，卡在工具與工具夾持裝置/主軸/轉子單元之間的切屑例如會導致如下情況：即，工具不再準確地圍繞旋轉軸線以居中/筆直的方式運行；或者工具夾持裝置略微(還彈性地)變形，並且無法再確保工具或工具保持件的不變的徑向偏擺、不變的軸向偏擺或角度不變的旋轉。徑向偏擺的紊亂通常表示加工的特殊缺陷。這樣的移位和/或變形通常發生在側向和端側/軸向並且在該處原則上還可以被檢測到。在端側測量平行於旋轉軸線的間距，在側向測量徑向於旋轉軸線延伸的間距。所有這樣的移位和/或變形，直至轉子單元的位移，均可以以此方式來確定。在此，利用弱化結構可以提高精確性或靈敏度。
原則上，可以在與轉子單元的表面和/或旋轉軸線成90°角的情況下進行測量，但還可以以不同的角度進行測量。
尤其在機床中對加工精確性提出了很高的要求。在加工期間，工具且因此刀刃/多個刀刃通常必須以精確限定的方式插入工具保持件以及工具夾持裝置中，並且在其中運動，以便在預先規定的公差範圍內對要加工的工件進行加工。即使機床且尤其是工具夾持裝置以所需的精度被製造，但在使用機器時，額外的因素也會發揮作用，該等因素通常可能會阻礙限定的徑向偏擺/軸向偏擺繼續存在或不發生角度誤差。在機器運行的過程中，例如在加工過程中產生的切屑可能會黏在或卡在工具上，並且導致工具不在實際的目標位置轉動。
圖1示出機床單元1的局部的示意圖，該局部具有定子單元2的一部分和轉子單元3的一部分，其中在圖1中尤其可以看到作為轉子單元3的一部分的主軸頭。定子單元2例如具有環4，在該環上例如安裝有呈軸向感測器形式的感測器頭或感測器5。轉子單元3例如包括由金屬製成的測量環或感測器元件6，該測量環在此有利地由順磁性材料製成。軸向感測器或感測器5被佈置成使得其測量距轉子單元3的端側平面的間距。然而，還可以設想徑向於旋轉軸線D進行側向測量。用於確定間距的平面位於測量環或感測器元件6上。例如，軸向感測器或感測器5被設計為渦流感測器，以便即使在可能有污染的情況下也能夠獲得盡可能準確的測量。
感測器頭/軸向感測器或感測器5例如與電子單元7相連接；這兩者共同構成檢查裝置8，該檢查裝置進而與機器操控裝置9相連接，從而在軸向偏擺誤差過大時，在必要時可以對操控裝置進行干預。
在特別的改進方案中，例如僅設有一個感測器頭或感測器5。可設想的是，額外地使用觸發感測器，例如用於識別測量環或感測器元件6上的光學參考標記，其中這樣的觸發感測器例如還可以安裝在感測器環4上。該標記還可以被設計為凹槽等。利用這樣的觸發感測器僅觸發測量的初始點，以便在分析時可以更容易地確定測量值彼此間的相位關係。觸發感測器不是必需的並且也沒有在圖1中進一步展示。
定子單元2例如包括用於感測器環4的蓋件10並且還包括軸承蓋11。在轉子單元3上安裝有工具夾持裝置12(在圖1中展示了錐形環)。
在圖2中示意性地展示了根據先前技術的主軸的三種不同的變體，其中電磁驅動系統120一方面佈置在所謂的前主軸軸承結構121與所謂的後主軸軸承結構122之間(參見圖2a))，或者佈置在所謂的後主軸軸承結構122後方(參見圖2b))，或者借助於聯接單元126進而佈置在所謂的後主軸軸承結構122後方(參見圖2c))。主軸軸承結構121、122被設置成用於對可旋轉的轉子單元3或轉子軸105或主軸軸芯105進行支承。
在圖3和圖4中展示了根據先前技術的另外兩種變體，其中以截面展示了機床的電主軸3。如在機床結構中常見的，展示了在電主軸3或夾頭101或主軸頭1未夾持的狀態下(幾乎未展示的部分)以及夾持狀態下的夾頭1的具有多個夾持段2的一側。
在圖3和圖4的電主軸3的所展示的夾持部分中，可以看到感測器104。在圖3中，感測器104具有徑向定向的有效範圍，而在圖4中，傳感器具有沿旋轉軸線D定向的有效範圍。因此，在圖3中展示了徑向感測器104，而在圖4中展示了軸向感測器104。然而，在圖3和圖4中，無法看到視需要可用的第二感測器或第三感測器，因為該等感測器如果被使用，那麼(可能)相應地沿周向方向佈置、尤其是偏移90°或180°等的方式佈置，並且因此在剖開的圖示中不可見。
主軸頭1的變化或者由於未詳細展示的工具或夾頭101的相對於旋轉軸線D而軸向和/或徑向指向的負載或施力使得電主軸103的主軸軸芯105或支座106或止擋件/環形元件106的在圖3中示意性地展示的區域X沿徑向方向R變形或變寬。在此，主軸軸芯105的元件107將夾持力F或移位和/或變形(即變化)傳遞至元件106。由此，改變或縮小了轉子單元或主軸軸芯105與具有徑向感測器104的定子單元100之間的間距A或氣隙109。區域X中的根據上述參考測量的狀態係目標狀態，並且由於主軸頭1的區域中所檢測到的實際移位的力的變化/變化所引起的變化、和/或變形或實際狀態對應地以有利的方式用於控制/操控電主軸或轉子單元3。
在圖4中，測量臂111的軸向定向的變形或間距109的軸向變化A可以用軸向感測器104檢測並作進一步處理。這種軸向變化A進而是由於工具50上的或主軸頭1上/其中的力的變化/變化F或者工具50或主軸頭1上的軸向和/或徑向的變形/變化引起的，該變形或變化傳遞至工具接納單元108和元件106並因此最後傳遞至測量臂111或其可檢測的傳感區域/間距109。
在圖5至圖8中(部分剖開地)展示了根據本發明之不同的變體。在此存在多種弱化結構30、31。感測器元件6或感測器元件6的與感測器5間隔開且可檢測的傳感區域佈置在測量環106處/其上，或者在必要時與可圍繞旋轉軸線D轉動的測量環106一件式地形成。測量環106與螺紋環125固定在一起、尤其是壓在前軸承121或前軸承的內環上。
在根據圖5的變體中設有凹陷30，該凹陷被設計為轉子軸105或主軸軸芯105的凹槽並且被測量環106所覆蓋。
在根據圖6的變體中設有凹陷30，該凹陷被設計為測量環106的凹槽並且被實現為開放的凹槽。
在根據圖7的變體中設有凹陷30，該凹陷被設計為測量環106的凹槽並且被轉子軸105或主軸軸芯105所覆蓋。
在根據圖8的變體中，測量環106設有凹陷來作為懸臂31，感測器元件6或感測器元件6的與感測器5間隔開且可檢測的傳感區域佈置在該凹陷上。
1:機床單元 2:定子單元 3:轉子單元 4:環 5:感測器 6:感測器元件 7:電子單元 8:檢查裝置 9:機器操控裝置 10:蓋件 11:軸承蓋 12:工具夾持裝置 30:弱化結構 31:弱化結構 50:工具 100:定子單元 101:工具接納單元 102:工具夾持裝置 103:電主軸 104:感測器 105:轉子軸 106:測量環 107:元件 108:工具接納單元 109:間距 111:測量臂 120:電磁驅動系統 121:第一主軸軸承 122:第二主軸軸承 125:螺紋 126:聯接單元 A:軸向變化 D:旋轉軸線 F:夾持力 R:徑向方向 X:區域
在附圖中展示了本發明之實施例並且借助附圖在下文中對其進行詳細闡釋。
在附圖中： [圖1]示出根據本發明之第一機床單元之示意圖， [圖2]示出根據先前技術的三種不同的主軸實施方式之示意圖， [圖3]示出根據先前技術的具有徑向感測器的電主軸之示意性的、剖開的局部， [圖4]示出根據先前技術的具有軸向感測器的另一電主軸之示意性的、剖開的局部， [圖5]示出根據本發明之具有第一凹陷的第一感測器單元之示意圖， [圖6]示出根據本發明之具有第二凹陷的第二感測器單元之示意圖， [圖7]示出根據本發明之具有第三凹陷的第三感測器單元之示意圖，以及 [圖8]示出根據本發明之具有第一懸臂的第四感測器單元之示意圖。
1:機床單元
2:定子單元
3:轉子單元
5:感測器
6:感測器元件
30:弱化結構
50:工具
105:轉子軸
106:測量環
121:第一主軸軸承
125:螺紋

Claims (15)

  1. 一種電機驅動的機床單元，如多軸旋轉頭或電主軸，所述機床單元具有定子單元(2)和包括至少一個轉子軸(105)的且能夠圍繞旋轉軸線(D)旋轉的轉子單元(3)，其中所述轉子單元(3)包括至少一個工具接納單元(101)，所述至少一個工具接納單元具有尤其能夠沿所述旋轉軸線(D)的縱向方向被調節的並且能夠被施加夾持力的工具夾持裝置(102)，所述工具夾持裝置用於固定和夾持工具(50)的能夠以可鬆脫的方式被固定的工具柄部，其中設有用於檢測所述工具(50)的負載的至少一個工具感測器(5)，其中在所述工具感測器(5)與所述旋轉軸線(D)之間設有間距(109)，其中在轉子單元(3)與定子單元(2)之間設有至少一個第一主軸軸承(121)、尤其是前滾動軸承，並且設有第二主軸軸承(122)、尤其是後滾動軸承，並且其中沿軸向方向觀察，所述工具感測器(5)佈置在所述第一主軸軸承(121)與所述工具夾持裝置(101)和/或所述工具柄部之間，其中設有至少一個電磁驅動系統(120)，並且尤其沿軸向方向觀察，所述至少一個電磁驅動系統佈置在所述第一主軸軸承(121)與所述第二主軸軸承(122)之間，其中，在所述工具感測器與所述旋轉軸線之間設有至少一個弱化結構(30，31)，以便在所述工具(50)受到負載時和/或在所述轉子單元(3)或其部分的負載情況發生變化時增大機械偏轉。
  2. 如請求項1所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)被設計為所述工具感測器(5)和/或所述工具感測器(5)的感測器元件(6)的懸臂(31)。
  3. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)被設計為所述轉子單元(3)和/或所述轉子軸(105)的凹陷(30)。
  4. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)被設計為所述工具接納單元(101)的凹陷(30)。
  5. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述凹陷(30)形成於所述轉子單元(3)和/或所述轉子軸(105)和/或所述工具接納單元(101)的徑向向外定向的表面上。
  6. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述凹陷(30)形成在所述轉子單元(3)和/或轉子軸(105)和/或工具接納單元(101)的徑向向內定向的表面上。
  7. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，沿徑向方向觀察，所述弱化結構(30，31)和/或所述凹陷(30)佈置在所述工具感測器(5)與所述工具接納單元(101)之間。
  8. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，沿徑向方向觀察，所述弱化結構(30，31)和/或所述凹陷(30)佈置在所述工具感測器(5)與所述旋轉軸線(D)之間。
  9. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，沿軸向方向觀察，所述弱化結構(30，31)和/或所述凹陷(30)佈置在所述工具感測器(5)與所述第一滾動軸承(121)之間。
  10. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，沿軸向方向觀察，所述弱化結構(30，31)和/或所述凹陷(30)佈置在所述工具接納單元(101)與所述第一滾動軸承(121)之間。
  11. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述凹陷(30)被設計為所述轉子單元(3)內的空腔(30)並且尤其完全被所述轉子單元(3)的材料和/或部件包圍。
  12. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)和/或所述凹陷(30)至少包括空氣。
  13. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)包括至少一種塑膠。
  14. 如前述請求項之一所述之機床單元，其中，所述弱化結構(30，31)包括至少一種金屬和/或不由鋼製成。
  15. 一種機床，所述機床具有工具(50)和如前述請求項之一所述之機床單元。
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