WO2009006982A1 - Verfahren zur betätigung einer spannvorrichtung und spannsystem zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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WO2009006982A1
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electric drive
clamping device
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PCT/EP2008/004917
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Rolf Speer
Thomas Vetter
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Mapal Fabrik Für Präzisionswerkzeuge Dr.Kress Kg
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49764—Method of mechanical manufacture with testing or indicating
    • Y10T29/49771—Quantitative measuring or gauging

Definitions

  • the invention relates to a method for actuating a clamping device and a clamping system for carrying out the method.
  • Clamping systems with clamping devices are used in various designs to clamp tools, such as drills or milling cutters.
  • the clamping devices which serve to clamp a tool in a tool space typically consist of a collet or a clamping set of clamping elements, which are distributed over the circumference of the tool space.
  • clamping devices of the type in question serve for clamping workpieces.
  • the clamping devices are usually opened or closed by mechanical actuators.
  • clamping devices in the form of collets these usually stored in an axially movable Zange genhalterung and can then be actuated by an axially displaceable conical tension rod, that is moved
  • the necessary clamping forces for clamping the tool are applied by spring assemblies that the conical tension rod press against the collets.
  • the release of the tool from the clamping device is then hydraulically by the collets are pushed back by means of a hydraulic unit against the spring forces of the spring assemblies.
  • DE 101 01 096 A1 describes a method for actuating a clamping device for tools which is attached to a rotationally drivable spindle. del is provided and having an actuating device for the actuating rod.
  • the force exerted on the actuating rod, acting on a clamped on the spindle tool axial clamping force is controlled, preferably during operation and circulation of the spindle, the size of the clamping force is set and controlled tool related.
  • the actuating rod is driven by means of an electric motor.
  • the actual values for the control generate a sensor arranged between the spindle and the tool, which measures the forces occurring there.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a clamping device and a clamping system in such a way that with little design effort high functionality in the implementation of clamping devices is given.
  • the method according to the invention serves to actuate a clamping device for clamping a tool or workpiece.
  • the tool includes an electric drive incorporating means for measuring motor currents and motor positions to control tensioning operations performed with the tensioner. Furthermore, a clamping system for carrying out the method is provided.
  • clamping system can generally be used for clamping fixed workpieces or moving, in particular rotating workpieces.
  • the clamping devices for clamping of workpieces can generally have rotationally symmetrical clamping tools whose diameter can be varied by conical reactions. Furthermore, clamping tools or the like can be used as clamping tools.
  • An essential advantage of the method and the clamping system according to the invention is that the necessary clamping forces for clamping the tool or workpiece can be applied solely by the electric drive, so that mechanical systems, such as spring pacts for closing the clamping device and hydraulic devices for opening the Clamping devices can be omitted.
  • the measured motor currents provide a measure of the occurring clamping forces.
  • the additional measurement of the motor positions enables a spatially resolved clamping force measurement, without the use of complex external sensors, since the measuring devices are integrated in the drive itself.
  • the measurements can be carried out during the clamping process itself, so that there is no additional time required for the measurements.
  • the measurements may be in one separate from the clamping operation
  • the tensioning device in the Measurement moved slower than the clamping process, so as to increase the accuracy of measurement.
  • Particularly advantageous for the operator of the clamping system is a choice whether he wants to integrate the measurement process in the clamping operation or not.
  • the measured motor currents and motor positions are used to control the electric drive so as to actively control the clamping operations to be performed.
  • the measured motor currents are a measure of the actual clamping forces, the knowledge of which is crucial for performing controlled closing and opening movements of the clamping devices.
  • the calculation of the clamping force is based on the measured motor currents based on a physical model, in which the relevant physical factors such as friction, elasticity and kinematic conditions enter.
  • the additional measurement of the motor positions continues to be a measure of the current position of the clamping device, so that there is a spatially resolved information about the current clamping forces to control the electric drive.
  • the control of the electric drive is such that when starting the clamping device to the tool, and accordingly when moving away the clamping device from the tool, a position control of the drive is performed.
  • a changeover to force regulation or torque regulation that is to say a regulation of the electric drive as a function of the measured motor currents, is carried out.
  • This control is adapted to the time course of the clamping operation and thus leads to an optimization of the clamping operations to be performed. The same applies to clamping of workpieces.
  • parameters are derived based on the measured motor currents and motor positions, based on which statements about the quality of the performed clamping operations are possible. This allows a process control such that occurring errors in the clamping process, especially existing material defects, can be revealed.
  • a first such parameter represents the effective clamping shaft diameter of the tool, which can be determined and controlled by the determination of the local course, in particular the increase of the clamping force as a function of the engine position.
  • a setpoint for example Knoxklemmun- gene can be detected, that is, it can be determined whether a tool is clamped and whether the right tool was clamped. Furthermore, it can be checked whether the tool is outside specified tolerances. It is particularly advantageously determined by measuring the local profile of the increase in the clamping force, whether the clamping shaft has defects or impurities. The same applies to clamping of workpieces.
  • additional parameters can be derived by measuring slip and static friction forces by determining the motor currents when moving the fixtures.
  • the measurement of sliding friction forces provides a measure of the amount of lubricant present within the clamping system or existing coatings whose condition can thus be determined.
  • the measurement of static friction forces provides a measure of the self-locking of the mechanical clamping system, that is, the mechanism of the clamping device.
  • Figure 1 Block diagram of a first clamping system with an electric drive in the form of a linear drive.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a second clamping system with an electric drive in the form of a rotary drive with a transmission.
  • Figure 3 Time-dependent course of the forces occurring when performing a clamping operation by means of a clamping system according to Figure 1 or Figure 2.
  • FIG. 5 Determination of defects or impurities of a stress stem from the position-dependent course of the tension force.
  • FIG. 6 Determination of sliding and static friction forces from the position-dependent course of the clamping force.
  • FIG. 7a-c model representation of a clamping system in different phases of a clamping operation.
  • FIGS 1 and 2 show schematically each a clamping system 1 for clamping a tool such as a drill or a milling cutter. Although reference is made in the figures to a clamping system for tools, the clamping system is generally also suitable for clamping workpieces.
  • an electric drive 2 is provided for actuating a tensioning device 3.
  • the clamping device 3 is in a known manner in the form of a collet or a clamping set with several Clamping elements are formed, which are arranged in a receptacle of a Malawihalte- tion.
  • the electric drive 2 according to FIG. 1 is designed as a linear drive.
  • This known example comprises a stationary arrangement of coils 4 and a stabfö '-shaped linear array of magnets 5, which are moved relative to the coils. 4 With the linear movement of the magnets 5, the clamping device 3 is actuated, that is, by means of the electric drive 2 closing and ⁇ ffhungshunten the clamping device 3 are effected.
  • the electric drive 2 according to Figure 1 is designed as a rotary drive 2 with a translation in the form of a threaded spindle 6. In this case, the electric drive 2 acts on the tensioning device 3 via the threaded spindle 6.
  • measuring devices in the form of encoders or sensors are provided within the electric drive 2, by means of which the current motor positions and motor currents can be measured.
  • the determined motor currents are evaluated as a measure of the clamping forces that occur when performed with the tensioning device 3 clamping operations.
  • the measured engine positions provide a measure of the current positions of the tensioning device 3.
  • the electric drive 2 generally consists of an electric motor and a converter, wherein advantageously the sensor system for measuring the motor positions is arranged on the engine and the sensor system for measuring the motor currents is integrated in the converter.
  • the evaluation unit is provided in the converter or in a control unit associated therewith.
  • the mechanical tensioning system according to FIG. 2 is self-locking.
  • the self-locking arises from a sufficiently large static friction, which must be overcome when starting the electric drive 2. This static friction is so great that opening the clamping device 3 without active actuation by the electric drive 2 is not possible.
  • the electric drive 2 is operated with a control, wherein the control unit provided for this purpose is integrated in the converter or in the control unit.
  • the force that must be applied by the electric drive 2 is not zero but assumes a finite value. This force corresponds to the sliding friction forces acting in the tensioning system 1. If the drive 2 is accelerated in this phase, the acceleration force is added.
  • a position control of the electric drive 2 takes place as a function of the measured values of the measuring device for determining the current motor position.
  • This position control becomes a specific Speed profile of the electric drive 2 and thus the movement of the clamping device 3 obtained.
  • the tool with the clamping device 3 is tensioned in the time interval to ⁇ t ⁇ ti.
  • the determined by measuring the motor currents force that is, the clamping force for clamping the tool, then increases very quickly to a maximum value and then drops at the end of the clamping process.
  • the tool is then held with a constant holding force by means of the clamping device 3.
  • clamping tools usually the engine is decoupled and exerts itself no more power.
  • the holding force is then applied by the frictional force.
  • the motor can remain coupled under power and so apply the holding force together with the frictional force.
  • the electric drive 2 is regulated as a function of the motor currents determined by the measuring device.
  • time t to there is a flying changeover between position and force control.
  • the measured values for the motor currents and motor positions which are determined by the measuring devices are used not only to regulate the electric drive 2 but also, as illustrated in FIGS. 4 to 6, to derive parameters relating to the clamping operation, in particular the quality of the Clamping device 3, allow.
  • the figures 4 to 6 show the path-dependent course of the forces occurring in the clamping device 3, that is, the clamping forces as a function of the current positions of the clamping device. 3 In FIG. 4, I and II show two path-dependent courses of the clamping forces when clamping two tools with different clamping shaft diameters.
  • the points x1 and x2 define the contact points of the clamping devices 3 with the respective tool. By determining these points of contact, the effective clamping shaft diameters of the individual tools can be determined. Also in the present case, a starting of the clamping device 3 to the tool takes place a position control of the electric drive 2 and during clamping of the tool, a force control. The clamping shaft diameters can then be determined, as shown in FIG. 4, by forming the tangents of the partial curves for the position and force control, the point of intersection of which determines the effective clamping shaft diameter. The clamping shaft diameter is derived from the increase in the clamping force and optionally also from the clamping path.
  • the determined clamping shaft diameters are compared in the evaluation unit with reference values of clamping shaft diameters for the individual tools stored there. By this comparison can be determined whether the clamping shaft diameter are within predetermined tolerances. Furthermore, it can be determined whether the correct tool has been clamped or whether it is tilted in the tool holder.
  • FIG. 5 once again shows the path-dependent course of the clamping force during clamping of a tool.
  • the curve marked I shows the case that the clamping shank of the tool is free of errors.
  • the curve marked II shows the case that the clamping shaft is contaminated.
  • the clamping force increases earlier than in an uncontaminated clamping shaft, but the slope of the clamping force is lower because is reduced by impurities such as chips in general, the effective modulus of elasticity of the system consisting of tool and jig 3.
  • Figure 6 shows the path-dependent clamping force curve both during clamping of the tool by means of the clamping device 3 (curve I) and when opening the clamping device 3 (curve II).
  • the existing clearance between the motor rotor and the tensioning device 3 is also advantageously used to optimize the tensioning process, as will be explained below with reference to FIGS. 7 a to c.
  • the play between the motor rotor and the tensioning device 3 is generally used to accelerate the motor rotor against the tensioning device 3 in order to additionally convert a kinetic energy of the mass of the motor rotor into tension forces in addition to the engine power in order to reliably provide the forces required for the tensioning operation to be able to.
  • These forces are particularly so great because the self-locking of the drive 2 must be overcome during the clamping process.
  • FIGS. 7 a to c show and describe components of a clamping system 1 as in FIGS. 1 and 2, in the form of a spring-mass model.
  • m Mot and V MOI the mass or speed of the motor rotor, that is, the moving masses of the drive of the clamping set
  • m sp and v sp the mass or speed of the clamping device 3 forming clamping set of the clamping system 1 described.
  • FIG. 7a shows the first phase of the tensioning process, in which, due to the existing clearance between the motor rotor and the clamping set, the motor rotor is moved onto the shaft
  • Clamping set can be accelerated. Accordingly, the motor force F Mot exerted by the drive 2 acts on the mass mmot, thereby accelerating it becomes. The mass m sp of the clamping set, however, is still in the resting state
  • Figure 7b shows the second phase of the clamping operation after impact of the motor rotor on the clamping set. After the collision of the masses m sp and m Mot they move together at a speed v, that is, there is a good approximation of an inelastic impact.
  • Figure 7c shows the third phase of the clamping process at the beginning of the actual clamping of the tool with the clamping set.
  • the engine and the clamping set have the velocity Vs and strike the tool, which can be described by an effective spring constant D and a frictional force F R according to Hooke's law.
  • the friction force FR is independent of the speed in a first approximation, but proportional to the clamping force (ie also to the clamping path) itself.
  • the additional mass of the tool itself, which is moved during clamping, is negligible due to the high ratio.
  • the friction force F R then changes its sign and also points in the positive direction. It compensates for all other attacking forces, as long as they do not become larger than the maximum static friction force. The higher the speed of the impacting masses just before the clamping of the tool and the greater the force of the motor during tensioning, the greater becomes the tensioning distance (braking distance). The resulting clamping force becomes correspondingly larger.
  • the clamping path that is to say the braking distance of the masses ni Mot and m sp , can be evaluated as a direct measure of the clamping force.
  • a damping element or spring element such as a disc spring may be provided on the motor or on the clamping set.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches zur Betätigung einer Spannvorrichtung (3) zum Spannen eines Werkzeugs oder Werkstücks dient. Die Spannvorrichtung umfasst einen elektrischen Antrieb (2), in welchem Einrichtungen zur Messung von Motorströmen und Motorpositionen zur Kontrolle von mit der Spannvorrichtung (3) durchgeführten Spannvorgängen integriert sind.

Description

ARADEX AG 73547 Lorch, DE
Verfahren zur Betätigung einer Spannvorrichtung und Spannsystem zur Durchfuhrung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung einer Spannvorrichtung sowie ein Spannsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Spannsysteme mit Spannvorrichtungen werden in unterschiedlichen Ausbildungen eingesetzt um Werkzeuge, wie zum Beispiel Bohrer oder Fräser, zu spannen. Die Spannvorrichtungen, die dazu dienen, ein Werkzeug in einer Werkzeugaumahme zu spannen, bestehen typischerweise aus einer Spannzange oder einem Spannsatz aus Spannelementen, die über den Umfang der Werk- zeugaumahme verteilt angeordnet sind. Weiterhin dienen Spannvorrichtungen der in Rede stehenden Art zum Spannen von Werkstücken.
Die Spannvorrichtungen werden üblicherweise über mechanische Stellelementen geöffnet oder geschlossen. Beispielsweise werden bei Spannvorrichtungen in Form von Spannzangen diese üblicherweise in einer axial beweglichen Zan- genhalterung gelagert und können dann durch einen axial verschiebbaren kegelförmigen Spannstab betätigt, das heißt bewegt werden Die notwendigen Spannkräfte zum Spannen des Werkzeugs werden dabei von Federpaketen aufgebracht, die den kegelförmigen Spannstab gegen die Spannzangen drücken. Das Lösen des Werkzeugs aus der Spannvorrichtung erfolgt dann hydraulisch, indem die Spannzangen mittels einer Hydraulikeinheit gegen die Federkräfte der Federpakete zurückgeschoben werden.
In der DE 101 01 096 Al wird ein Verfahren zur Betätigung einer Spannvorrichtung für Werkzeuge beschrieben, die an einer rotierend antreibbaren Spin- del vorgesehen ist und eine Betätigungseinrichtung für die Betätigungsstange aufweist. Bei diesem Verfahren wird die über die Betätigungsstange ausgeübte, auf ein an der Spindel eingespanntes Werkzeug wirkende axiale Spannkraft geregelt, vorzugsweise auch während des Betriebs und des Umlaufs der Spin- del, wobei die Größe der Spannkraft werkzeugbezogen eingestellt und geregelt wird.
Die Betätigungsstange wird mittels eines Elektromotors angetrieben. Die Ist- Werte für die Regelung generiert ein zwischen der Spindel und dem Werkzeug angeordneter Sensor, der die dort auftretenden Kräfte misst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Betätigung einer Spannvorrichtung sowie ein Spannsystem so auszubilden, dass bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität bei der Durchführung von Spannvorrichtungen gegeben ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 vorge- sehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Betätigung einer Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkzeugs oder Werkstücks. Das Werkzeug umfasst einen elektrischen Antrieb, in welchem Einrichtungen zur Messung von Motorströ- men und Motorpositionen zur Kontrolle von mit der Spannvorrichtung durchgeführten Spannvorgängen integriert sind. Weiterhin ist ein Spannsystem zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen.
Bei komplexen Werkstücken können insbesondere auch Mehrfachspannsysteme, das heißt mehrere Spannsysteme gemäß der vorliegenden Erfindung einge- setzt werden. Das erfindungsgemäße Spannsystem kann dabei generell zum Spannen feststehender Werkstücke oder sich bewegender, insbesondere rotierender Werkstücke eingesetzt werden. Die Spannvorrichtungen zum Spannen von Werkstücken können generell rotationssymmetrische Spannwerkzeuge aufweisen, deren Durchmesser durch kegelförmige Umsetzungen variiert werden können. Weiterhin können als Spannwerkzeuge auch Spannzangen oder dergleichen eingesetzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise des erfindungsgemäßen Spannsystems besteht darin, dass die notwendigen Spannkräfte zum Spannen des Werkzeugs oder Werkstücks allein durch den elektrischen Antrieb aufgebracht werden können, so dass mechanische Systeme, wie Federpakte zum Schließen der Spannvorrichtung sowie Hydraulikein- richtungen zum Öffnen der Spannvorrichtungen, entfallen können.
Um die notwendige Funktionssicherheit der Spannvorrichtung zu gewährleisten, ist es bei derartigen elektrischen Spannsystemen hilfreich, die Spannkräfte bei Durchführung der Spannvorgänge zu bestimmen. Bei dem erfindungsgemäßen Spannsystem wird dies auf konstruktiv einfache Weise dadurch gelöst, dass mittels innerhalb des elektrischen Antriebs integrierter Messeinrichtungen sowohl die Motorströme als auch die Motorpositionen bestimmt werden können.
Die gemessenen Motorströme liefern ein Maß für die auftretenden Spannkräfte. Durch die zusätzliche Messung der Motorpositionen wird eine ortsaufgelöste Spannkraftmessung ermöglicht, und zwar ohne Einsatz aufwändiger externer Sensoren, da die Messeinrichtungen im Antrieb selbst integriert sind.
Anhand dieser Messgrößen ist eine genaue und umfassende Kontrolle der mit der Spannvorrichtung durchgeführten Spannvorgänge möglich.
Generell können die Messungen während des Spannvorgangs selbst durchge- führt werden, so dass für die Messungen kein zusätzlicher Zeitbedarf besteht.
Alternativ können die Messungen in einem von den Spannvorgang getrennten
Messvorgang durchgeführt werden. Dabei wird die Spannvorrichtung bei dem Messvorgang langsamer bewegt als beim Spannvorgang, um so die Messgenauigkeit zu erhöhen. Besonders vorteilhaft besteht für den Bediener des Spannsystems eine Wahlmöglichkeit, ob er den Messvorgang in den Spannvorgang integrieren möchte oder nicht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden die gemessenen Motorströme und Motorpositionen zur Regelung des elektrischen Antriebs genutzt, um so die durchzuführenden Spannvorgänge aktiv zu kontrollieren. Wesentlich für diese Kontrolle ist, dass die gemessen Motorströme ein Maß für die aktuellen Spannkräfte sind, deren Kenntnis für ein Durchführen kontrollierter Schließ- und Öffhungsbewegungen der Spannvorrichtungen entscheidend ist. Die Berechnung der Spannkraft erfolgt anhand der gemessenen Motorströme anhand eines physikalischen Modells, in welches die relevanten physikalischen Ein- flussgrößen wie Reibung, Elastizitäten und kinematische Verhältnisse eingehen. Die zusätzliche Messung der Motorpositionen gibt weiterhin ein Maß für die aktuelle Lage der Spann Vorrichtung, so dass zur Regelung des elektrischen Antriebs eine ortsaufgelöste Information über die aktuellen Spannkräfte vorliegt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Regelung des elektrischen Antriebs derart, dass bei Anfahren der Spannvor- richtung an das Werkzeug, und entsprechend bei Wegfahren der Spannvorrichtung vom Werkzeug, eine Positionsregelung des Antriebs, durchgeführt wird. Vorteilhaft aber nicht zwingend wird bei einem bestimmten Punkt des Spannvorgangs eine Umschaltung auf eine Kraftregelung oder Momentenregelung, das heißt eine Regelung des elektrischen Antriebs in Abhängigkeit der gemes- senen Motorströme, durchgeführt. Dabei erfolgt eine fliegende Umschaltung zwischen Positions- und Kraftregelung. Diese Regelung ist an den zeitlichen Verlauf des Spannvorgangs angepasst und führt somit zu einer Optimierung der durchzuführenden Spannvorgänge. Entsprechendes gilt bei Spannen von Werkstücken. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung werden anhand der gemessenen Motorströme und Motorpositionen Kenngrößen abgeleitet, anhand derer Aussagen über die Qualität der durchgeführten Spannvorgänge möglich sind. Dies ermöglicht eine Prozesskontrolle derart, dass auftretende Fehler beim Spann- Vorgang, insbesondere auch vorhandene Materialfehler, aufgedeckt werden können.
Eine erste derartige Kenngröße stellt der effektive Spannschaftdurchmesser des Werkzeugs dar, der durch die Ermittlung des örtlichen Verlaufs, insbesondere des Anstiegs der Spannkraft in Abhängigkeit von der Motorposition, ermittelt und kontrolliert werden kann. Durch den Vergleich des gemessenen Spannschaftdurchmessers mit einem Sollwert können beispielsweise Fehlklemmun- gen detektiert werden, das heißt es kann ermittelt werden, ob ein Werkzeug eingespannt ist und ob das richtige Werkzeug eingespannt wurde. Weiterhin kann dabei kontrolliert werden, ob das Werkzeug außerhalb von vorgegebenen Toleranzen liegt. Besonders vorteilhaft wird durch Messung des örtlichen Verlaufs des Anstiegs der Spannkraft ermittelt, ob der Spannschaft Defekte oder Verunreinigungen aufweist. Entsprechendes gilt bei Spannen von Werkstücken.
Weiterhin können durch Messung von Gleit- und Haftreibungskräften durch Ermitteln der Motorströme bei Verfahren der Spannvorrichtungen zusätzliche Kenngrößen abgeleitet werden. Die Messung von Gleitreibungskräften liefert dabei ein Maß für die innerhalb des Spannsystems vorhandene Schmiermittelmenge oder für vorhandene Beschichtungen, deren Zustand man damit ermitteln kann. Demgegenüber liefert die Messung von Haftreibungskräften ein Maß für die Selbsthemmung des mechanischen Spannsystems, das heißt der Mecha- nik der Spannvorrichtung.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 : Blockschaltbild eines ersten Spannsystems mit einem elektrischen Antrieb in Form eines Linearantriebs.
Figur 2: Blockschaltbild eines zweiten Spannsystems mit einem elektrischen Antrieb in Form eines rotativen Antriebs mit einer Über- setzung.
Figur 3: Zeitabhängiger Verlauf der bei Durchführung eines Spannvorgangs mittels eines Spannsystems gemäß Figur 1 oder Figur 2 auftretenden Kräfte.
Figur 4: Bestimmung des Spannschaftdurchmessers aus dem positions- abhängigen Verlauf der Spannkräfte für zwei unterschiedliche
Werkzeuge.
Figur 5: Bestimmung von Defekten oder Verunreinigungen eines Spannschafts aus dem positionsabhängigen Verlauf der Spannkraft.
Figur 6: Bestimmung von Gleit- und Haftreibungskräften aus dem positi- onsabhängigen Verlauf der Spannkraft.
Figur 7 a - c: Modelldarstellung eines Spannsystems in unterschiedlichen Phasen eines Spannvorgangs.
Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch jeweils ein Spannsystem 1 zum Spannen eines Werkzeugs wie beispielsweise eines Bohrers oder eines Fräsers. Ob- wohl in den Figuren auf ein Spannsystem für Werkzeuge Bezug genommen wird, ist das Spannsystem generell auch zum Spannen von Werkstücken geeignet. In beiden Ausfuhrungsbeispielen ist ein elektrischer Antrieb 2 zur Betätigung einer Spannvorrichtung 3 vorgesehen. Die Spannvorrichtung 3 ist in bekannter Weise in Form einer Spannzange oder einem Spannsatz mit mehreren Spannelementen ausgebildet, welche in einer Aufnahme einer Werkzeughalte- rung angeordnet sind.
Der elektrische Antrieb 2 gemäß Figur 1 ist als Linearantrieb ausgebildet. Dieser weist bekannterweise eine stationäre Anordnung von Spulen 4 sowie eine stabfö'rmige, lineare Anordnung von Magneten 5 auf, die relativ zu den Spulen 4 bewegt werden. Mit der Linearbewegung der Magnete 5 wird die Spannvorrichtung 3 betätigt, das heißt mittels des elektrischen Antriebs 2 werden Schließ- und Öffhungsbewegungen der Spannvorrichtung 3 bewirkt. Alternativ kann auch ein Linearantrieb eingesetzt werden, bei welchem die Spulen 4 be- wegt werden und die Magnete 5 stationär sind.
Der elektrische Antrieb 2 gemäß Figur 1 ist als rotativer Antrieb 2 mit einer Übersetzung in Form einer Gewindespindel 6 ausgebildet. In diesem Fall wirkt der elektrische Antrieb 2 über die Gewindespindel 6 auf die Spannvorrichtung 3.
In beiden Ausführungsformen sind innerhalb des elektrischen Antriebs 2 Messeinrichtungen in Form von Gebern oder Sensoren vorgesehen, mittels derer die aktuellen Motorpositionen und Motorströme gemessen werden können.
Diese werden in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet. Dabei werden die ermittelten Motorströme als Maß für die Spannkräfte, die bei mit der Spannvorrichtung 3 durchgeführten Spannvorgängen auftreten, ausgewertet. Die gemessenen Motorpositionen liefern ein Maß für die aktuellen Positionen der Spannvorrichtung 3.
Der elektrische Antrieb 2 besteht generell aus einem Elektromotor und einem Umrichter, wobei vorteilhaft die Sensorik zur Messung der Motorpositionen am Motor angeordnet ist und die Sensorik zur Messung der Motorströme im Umrichter integriert ist. Die Auswerteeinheit ist im Umrichter oder in einer diesem zugeordneten Steuereinheit vorgesehen. Um beispielsweise nach einem Stromausfall das Herausfallen eines Werkzeugs aus der Spannvorrichtung 3 zu verhindern, ist das mechanische Spannsystem gemäß Figur 2 selbsthemmend ausgebildet. Die Selbsthemmung ergibt sich aus einer hinreichend großen Haftreibung, die beim Anfahren des elektrischen An- triebs 2 überwunden werden muss. Diese Haftreibung ist so groß, dass ein Öffnen der Spannvorrichtung 3 ohne aktive Betätigung durch den elektrischen Antrieb 2 nicht möglich ist.
Die Funktion des Spannsystems 1 wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 6 erläutert, wobei diese für beide Ausführungsvarianten des Spannsystems 1 gemäß Figur 1 und Figur 2 gültig sind.
Zur Durchführung der Spannvorgänge mittels des Spannsystems 1 wird der elektrische Antrieb 2 mit einer Regelung betrieben, wobei die hierfür vorgesehene Regeleinheit im Umrichter oder in der Steuereinheit integriert ist.
Der Regelungsprozess ist in Figur 3 veranschaulicht, welche den zeitlichen Verlauf der bei einem Spannvorgang auftretenden Kräfte zeigt.
Im Zeitintervall 0 < t < to erfolgt das Anfahren der Spannvorrichtung 3 an das zu spannende Werkzeug, das heißt die Spannvorrichtung 3 ist noch nicht in Kontakt mit dem Werkzeug, wobei der Begriff Kontakt die Plananlage der Spannvorrichtung 3 am Werkzeug bezeichnet. Auch in diesem Zeitintervall ist die Kraft, die vom elektrischen Antrieb 2 aufgebracht werden muss, nicht null sondern nimmt einen endlichen Wert an. Diese Kraft entspricht den im Spannsystem 1 wirkenden Gleitreibungskräften. Wird der Antrieb 2 in dieser Phase beschleunigt, kommt noch die Beschleunigungskraft dazu.
In diesem Zeitintervall erfolgt eine Positionsregelung des elektrischen Antriebs 2 in Abhängigkeit der Messwerte der Messeinrichtung zur Bestimmung der aktuellen Motorposition. Durch diese Positionsregelung wird ein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil des elektrischen Antriebs 2 und damit der Bewegung der Spannvorrichtung 3 erhalten.
Zum Zeitpunkt to erfolgt der Kontakt der Spannvorrichtung 3 mit dem Werkzeug, wonach im Zeitintervall to < t < ti das Werkzeug mit der Spannvorrich- tung 3 gespannt wird. Die durch Messung der Motorströme bestimmte Kraft, das heißt die Spannkraft zum Spannen des Werkzeugs, nimmt dann sehr schnell bis zu einem Maximalwert zu und fallt dann am Ende des Spannvorgangs ab. Im anschließenden Zeitintervall t > ti wird dann das Werkzeug mit einer konstanten Haltekraft mittels der Spannvorrichtung 3 gehalten. Beim Spannen von Werkzeugen wird üblicherweise der Motor abgekoppelt und übt selbst keine Kraft mehr aus. Die Haltekraft wird dann durch die Reibungskraft aufgebracht. Beispielsweise beim Spannen feststehender Werkstücke kann der Motor unter Kraft gekoppelt bleiben und so zusammen mit der Reibungskraft die Haltekraft aufbringen.
Für die Zeiten t > to erfolgt eine Kraftregelung des Antriebs 2, so dass mit diesem das in Figur 3 dargestellte Profil des Kraftverlaufs erhalten wird. Hierzu wird der elektrische Antrieb 2 in Abhängigkeit der mit der Messeinrichtung bestimmten Motorströme geregelt. Im Zeitpunkt t = to erfolgt eine fliegende Umschaltung zwischen Positions- und Kraftregelung.
Die mit den Messeinrichtungen bestimmten Messwerte für die Motorströme und Motorpositionen werden nicht nur zur Regelung des elektrischen Antriebs 2, sondern auch, wie in den Figuren 4 bis 6 veranschaulicht, zur Ableitung von Kenngrößen genutzt, die Aussagen über den Spannvorgang, insbesondere auch die Qualität der Spann Vorrichtung 3, erlauben. Dabei zeigen die Figuren 4 bis 6 den wegabhängigen Verlauf der bei der Spannvorrichtung 3 auftretenden Kräfte, das heißt die Spannkräfte in Abhängigkeit der aktuellen Positionen der Spannvorrichtung 3. In Figur 4 sind mit I und II zwei wegabhängige Verläufe der Spannkräfte beim Spannen zweier Werkzeuge mit unterschiedlichen Spannschaftdurchmessern dargestellt.
Die Punkte xl beziehungsweise x2 definieren die Kontaktpunkte der Spannvor- richtungen 3 mit dem jeweiligen Werkzeug. Durch Ermittlung dieser Berührungspunkte können die effektiven Spannschaftdurchmesser der einzelnen Werkzeuge ermittelt werden. Auch im vorliegenden Fall erfolgt ein Anfahren der Spannvorrichtung 3 an das Werkzeug eine Positionsregelung des elektrischen Antriebs 2 und beim Spannen des Werkzeugs eine Kraftregelung. Die Spannschaftdurchmesser können dann, wie in Figur 4 dargestellt, dadurch bestimmt werden, dass die Tangenten der Teilkurven für die Positions- und Kraftregelung gebildet werden, wobei deren Schnittpunkt den effektiven Spannschaftdurchmesser bestimmt. Der Spannschaftdurchmesser wird aus dem Anstieg der Spannkraft und gegebenenfalls zusätzlich aus dem Spannweg abgelei- tet.
Die ermittelten Spannschaftdurchmesser werden in der Auswerteeinheit mit dort hinterlegten Sollwerten von Spannschaftdurchmessern für die einzelnen Werkzeuge verglichen. Durch diesen Vergleich kann bestimmt werden, ob die Spannschaftdurchmesser innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen. Weiterhin ist feststellbar, ob das richtige Werkzeug gespannt wurde oder ob es verkantet in der Werkzeugaufhahme liegt.
In Figur 5 ist wiederum der wegabhängige Verlauf der Spannkraft bei Spannen eines Werkzeugs dargestellt. Dabei zeigt die mit I bezeichnete Kurve den Fall, dass der Spannschaft des Werkzeugs fehlerfrei ist. Die mit II bezeichnete Kur- ve zeigt dagegen den Fall, dass der Spannschaft verunreinigt ist.
Durch die Verunreinigungen steigt die Spannkraft früher an als bei einem nicht verunreinigten Spannschaft, dafür ist die Steigung der Spannkraft geringer, da durch Verunreinigungen wie Späne im Allgemeinen das effektive E-Modul des Systems, bestehend aus Werkzeug und Spannvorrichtung 3, herabgesetzt wird.
Durch die Analyse des Anstiegs der Spannkraft kann somit ermittelt werden, ob der Spannschaft des Werkzeugs mit Verunreinigungen behaftet ist oder nicht.
Figur 6 zeigt den wegabhängigen Spannkraftverlauf sowohl bei Spannen des Werkzeugs mittels der Spannvorrichtung 3 (Kurve I) als auch bei Öffnen der Spannvorrichtung 3 (Kurve II).
Während des Anfahrens der Spannvorrichtung 3 an das Werkzeug und des Öff- nens der Spannvorrichtung 3, das heißt während der Zeitintervalle innerhalb derer eine Positionsregelung des elektrischen Antriebs 2 durchgeführt wird, wird durch Messung der Motorströme ein Maß für die Gleitreibungskräfte FR beziehungsweise -FR im Spannsystem 1 erhalten. Diese wiederum bilden ein
Maß für die im System vorhandene Schmiermittelmenge. Ebenso liefern diese Kräfte Informationen von im Spannsystem vorhandenen Beschichtungen wie
Trockenschichten.
Unmittelbar bei Ablösen der Spannvorrichtung 3 vom Werkzeug wird zudem die Haftreibungskraft FH gemessen, die erforderlich ist, um die Spannvorrich- tung 3 vom Werkzeug zu lösen. Diese Haftreibungskräfte FH liefern ein Maß für die Selbsthemmung des mechanischen Spannsystems.
Beim Lösen der Spannvorrichtung 3 vom Werkzeug wird vorteilhaft ausgenutzt, dass zwischen dem Motorläufer als Aktor des elektrischen Antriebs 2, der entweder vom beweglichen Teil des Linearantriebs oder der Gewindespindel 6 beim rotativen Aufrieb gebildet ist, sowie der Mechanik der Spannvor- richtung 3 ein Spiel vorhanden ist. Beim Lösen des Werkzeugs kann zunächst das Spiel mit sanfter Bewegung überwunden werden, um dann eine große Kraft zum Lösen des Werkzeugs anzuwenden. Führt dies nicht zum Lösen des Werk- zeugs, das heißt ist das Werkzeug festgebacken, so wird das Spiel dazu verwendet, dass der Aktor Anlauf holt, um dann mit einem Hammereffekt schlagartig die Spannvorrichtung 3 zu lösen.
Das vorhandene Spiel zwischen Motorläufer und Spannvorrichtung 3 wird vor- teilhaft auch zur Optimierung des Spannvorgangs genutzt wie nachfolgend anhand der Figuren 7 a bis c erläutert wird.
Dabei wird generell das Spiel zwischen Motorläufer und Spannvorrichtung 3 dazu genutzt, den Motorläufer gegen die Spannvorrichtung 3 zu beschleunigen, um neben der Motorkraft zusätzlich eine kinetische Energie der Masse des Mo- torläufers in Spannkräfte umzusetzen, um so die für den Spannvorgang benötigten Kräfte sicher bereitstellen zu können. Diese Kräfte sind insbesondere auch deshalb so groß, weil beim Spannvorgang die Selbsthemmung des Antriebs 2 überwunden werden muss.
In den Figuren 7 a bis c sind Komponenten eines Spannsystems 1 wie in den Figuren 1 und 2, in Form eines Feder-Masse-Modells, dargestellt und beschrieben. Dabei sind mit mMot und VMOI die Masse beziehungsweise Geschwindigkeit des Motorläufers, das heißt der bewegten Massen des Antriebs des Spannsatzes, und mit msp und vsp die Masse beziehungsweise Geschwindigkeit eines die Spannvorrichtung 3 bildenden Spannsatzes des Spannsystems 1 beschrieben.
Weiterhin ist in den Figuren 7 a bis c das Werkzeug modellmäßig durch eine Federkonstante D und eine Reibungskraft FR beschrieben. Schließlich ist mit FRI eine weitere, gegen die Bewegung der Masse msp wirkende Reibungskraft beschrieben.
Figur 7a zeigt die erste Phase des Spannvorgangs, in welcher aufgrund des vor- handenen Spiels zwischen Motorläufer und Spannsatz der Motorläufer auf den
Spannsatz zu beschleunigt werden kann. Dementsprechend wirkt auf die Masse mMot die vom Antrieb 2 ausgeübte Motorkraft FMot, wodurch diese beschleunigt wird. Die Masse msp des Spannsatzes ist dagegen noch im Ruhezustand
(Vsp = 0).
Je größer der Spielbereich ist, umso mehr Schwung kann der Motorläufer in dieser Phase aufnehmen und umso größer ist die Geschwindigkeit des Motor- läufers VMot kurz vor Auftreffen auf die Masse msp.
Figur 7b zeigt die zweite Phase des Spannvorgangs nach Auftreffen des Motorläufers auf den Spannsatz. Nach dem Zusammenstoß der Massen msp und mMot bewegen sich diese gemeinsam mit einer Geschwindigkeit v weiter, das heißt es liegt in guter Näherung ein unelastischer Stoß vor.
Die Geschwindigkeit v des Gesamtsystems von Motorläufer und Spannzug unmittelbar nach deren Zusammentreffen beträgt
v = mMot " VMot / (niMot + rnsp)
Danach werden beide Massen, das heißt, m = mMot + msp, durch die Motorkraft über eine gewisse Strecke unter Einfiuss einer ersten Reibungskraft FRI weiter beschleunigt und nehmen dabei noch mehr kinetische Energie auf.
Figur 7c zeigt die dritte Phase des Spannvorgangs zu Beginn des eigentlichen Spannens des Werkzeugs mit dem Spannsatz.
Zu Beginn dieses Spannvorgangs haben Motor und Spannsatz die Geschwin- digkeit Vs und treffen auf das Werkzeug, welches durch eine effektive Feder- konstante D und eine Reibungskraft FR nach dem Hookeschen Gesetz beschrieben werden kann. Die Reibungskraft FR ist in erster Näherung unabhängig von der Geschwindigkeit, jedoch proportional zur Spannkraft (also auch zum Spannweg) selbst. Die zusätzlich Masse des Werkzeugs selbst, die beim Spannen bewegt wird, ist durch die hohe Übersetzung vernachlässigbar. Beim Spannen wirkt die Motorkraft weiter, jedoch nehmen die Gegenkräfte, nämlich Federkraft und Reibung FR stark zu und verringern die Beschleunigung bis auf O. In diesem Moment würde der Antrieb wieder beginnen, zurück zu laufen. Dies wird jedoch durch die Reibung zwischen Spannvorrichtung 3 und Werkzeug verhindert. Die Reibungskraft FR ändert dann ihr Vorzeichen und zeigt ebenfalls in die positive Richtung. Dabei kompensiert sie alle anderen angreifenden Kräfte, solange diese nicht größer werden, als die maximale Haftreibungskraft. Der Spannweg (Bremsweg) wird umso größer, je höher die Geschwindigkeit der auftreffenden Massen kurz vor dem Spannen des Werkzeugs und je größer die wirkende Motorkraft während des Spannens ist. Entsprechend größer wird auch die resultierende Spannkraft.
Wie die Modellbetrachtung gemäß Figuren 7a bis c zeigt, wird durch die Ausnutzung des Spiels zwischen Motorläufer und Spannsatz infolge der zusätzlich zur Motorkraft genutzten kinetischen Energie die Spannkraft signifikant erhöht.
Gemäß des in den Figuren 7 a bis c beschriebenen Modells kann der Spann- weg, das heißt der Bremsweg der Massen niMot und msp, als direktes Maß für die Spannkraft ausgewertet werden.
Bei Auftreffen des Motorläufers auf den Spannsatz entsteht eine hohe Spitzenkraft, die zu einem Verschleiß oder sogar einer Zerstörung von Lagerteilen und dergleichen führen kann. Zur Vermeidung derartiger Kraftspitzen kann am Mo- torläufer oder am Spannsatz ein Dämpfungselement oder Federelement wie eine Tellerfeder vorgesehen sein. ARADEX AG 73547 Lorch, DE
Bezugszeichenliste
0) Spannsystem
(2) Antrieb (3) Spannvorrichtung
(4) Spule
(5) Magnet
(6) Gewindespindel

Claims

ARADEX AG 73547 Lorch, DEPatentansprüche
1. Verfahren zur Betätigung einer Spann Vorrichtung (3) zum Spannen eines Werkzeugs oder Werkstücks mittels eines elektrischen Antriebs (2), in welchem Einrichtungen zur Messung von Motorströmen und Motorpositionen zur Kontrolle von mit der Spannvorrichtung (3) durchgeführten Spannvorgängen integriert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen jeweils während eines Spannvorgangs oder während eines Messvorgangs, bei welchem die Spannvorrichtung gegenüber dem Spannvorgang mit geringerer Geschwindigkeit bewegt wird, durchgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Motorstrom unter Anwendung eines Modells, in welches relevante physikalische Einflussparameter eingehen, die Spannkraft, mit welcher die Spann Vorrichtung (3) das Werkzeug spannt und/oder die Lösekraft, die Kraft zum Lösen des gespannten Werkzeugs, benötigt wird, bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeit- oder wegabhängige Verlauf der Spannkräfte bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannweg der Spannvorrichtung als Maß für die jeweilige Spannkraft ausgewertet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (2) mit einer Regelung betrieben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anfahren der Spannvorrichtung (3) an das Werkzeug eine Positionsregelung durchgeführt wird, und dass bei einem bestimmten Punkt des Spannvorgangs eine Umschaltung auf eine Kraftregelung oder Momentenregelung er- folgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine fliegende Umschaltung zwischen Positions- und Kraftregelung oder Momentenregelung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung des Anstiegs der Spannkraft der effektive Spannschaftdurchmesser des Werkzeugs bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Spannschaftdurchmesser mit einem Sollwert verglichen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung des örtlichen Verlaufs des Anstiegs der Spannkraft ermittelt wird, ob der Spannschaft Defekte oder Verunreinigungen aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung von Motorströmen Gleitreibungskräfte als Kenngrö- ße für die im elektrischen Antrieb (2) und der Spannvorrichtung (3) vorhandenen Schmiermittel oder Beschichtungen ermittelt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung von Motorströmen Haftreibungskräfte als Kenngrößen für die Selbsthemmung der Mechanik der Spannvorrichtung (3) er- mittelt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiel zwischen einem von bewegten Massen des Antriebs (2) gebildeten Motorläufer und der Spannvorrichtung (3) dazu genutzt wird, durch Beschleunigen des Motorläufers auf die Spannvorrichtung (3) die Spannkraft zu erhöhen.
15. Spannsystem (1) zur Betätigung einer Spann Vorrichtung (3) zum Spannen eines Werkzeugs oder Werkstücks mittels eines elektrischen Antriebs (2), in welchem Einrichtungen zur Messung von Motorströmen und Motorpositionen integriert sind, mittels derer mit der Spannvorrichtung (3) durch- geführte Spannvorgänge kontrollierbar sind.
16. Spannsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (2) ein Linearantrieb ist.
17. Spannsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (2) ein rotativer Antrieb (2) mit einer Übersetzung ist.
18. Spannsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrischen Antrieb (2) eine Gewindespindel als Übersetzung zugeordnet ist.
19. Spannsystem nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektrischen Antrieb (2) allein die Spannkräfte zum Spannen des Werkzeugs mit der Spann Vorrichtung (3) generiert werden.
20. Spannsystem nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfsfederpakete vorgesehen sind, mittels derer zusätzlich zu den mittels des elektrischen Antriebs (2) generierten Spannkräften eine Vorspannung generiert wird.
1. Spannsystem nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Motorläufer des Antriebs (2) oder der Spannvorrichtung (3) ein Dämpfungs- oder Federelement angeordnet ist.
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