WO2018095469A1 - Werkzeughalter für ein bearbeitungswerkzeug, werkzeugeinheit und messeinrichtung - Google Patents

Werkzeughalter für ein bearbeitungswerkzeug, werkzeugeinheit und messeinrichtung Download PDF

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WO2018095469A1
WO2018095469A1 PCT/DE2017/100975 DE2017100975W WO2018095469A1 WO 2018095469 A1 WO2018095469 A1 WO 2018095469A1 DE 2017100975 W DE2017100975 W DE 2017100975W WO 2018095469 A1 WO2018095469 A1 WO 2018095469A1
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WO
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tool
tool holder
interface
communication element
machining
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Application number
PCT/DE2017/100975
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Daut
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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Publication of WO2018095469A1 publication Critical patent/WO2018095469A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/0966—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring a force on parts of the machine other than a motor

Definitions

  • Tool holder for a machining tool, tool unit and
  • the invention relates to a tool holder for a machining tool of a processing machine, a tool unit and a measuring device for the tool holder.
  • a tool holder is used to hold or hold a machining tool.
  • Processing tools are e.g. Indexable inserts for turning, drilling and milling.
  • DMS strain gauges
  • the object of the invention is to improve the monitoring of tool holders.
  • the object is achieved by a tool holder according to claim 1.
  • Preferred or advantageous embodiments of the invention and other categories of invention will become apparent from the other claims, the following description and the accompanying drawings.
  • the tool holder is a tool holder for a machining tool of a processing machine.
  • the tool holder is in a designated processing state.
  • the intended processing state is that when the tool holder according to his Entthanslust. Operational instructions is operated in a processing machine provided for this purpose and a purpose-to-be-held machining tool, such as an indexable insert is held as provided in the tool holder.
  • the tool holder is embodied in particular in relation to its holder in the machine tool and the receptacle for a machining tool in one piece or continuously.
  • a section which can be clamped in the machine tool and a section of the tool holder which carries the machining tool are therefore connected in one piece or the entire corresponding structure is formed from continuous (solid) material.
  • the tool holder includes a mating interface connectable to an interface of a machining tool to be inserted into the tool holder to receive sensor information from the machining tool.
  • This sensor information comes from a sensor, in particular from a force transducer, on the machining tool.
  • the sensor is used in particular for detecting a measured variable as sensor information.
  • the sensor information is particularly correlated with the processing force on the machining tool. The correlation is in particular that a large part of the processing power is absorbed by the sensor.
  • the sensor information is proportional to the actual machining force.
  • at least one relative, in particular an absolute value of the processing force can be recalculated or re-calculated from the sensor information.
  • the tool holder contains at least one communication element.
  • the communication element is connected to the counter-interface.
  • the connection is used to transmit the sensor information from the counter-interface to the communication element.
  • the connection also serves to supply the counter interface with energy in order to supply the processing tool or its sensor system with energy via this or the interface.
  • the communication element is designed to transmit the sensor information to a remote station.
  • the sensor information can also be preprocessed information, eg preprocessed measurement data.
  • Sensor information is, in particular, any information of a sensor system present on the machining tool, in particular in the form electrical signals, measured values.
  • the sensor information may, for example, also be an ohmic resistance and / or a capacitance and / or an inductance or a current and / or voltage at the counterinterface.
  • the sensor information can also be more complex signals, eg binary data etc.
  • the (counter) interface can be implemented in any form which is suitable for transmitting the relevant sensor information.
  • it contains an electrical interface.
  • it includes a spring contact, a contact surface, a spiral spring, a coil spring, a plug or a socket, etc.
  • the sensor is in particular a force transducer, in particular a so-called SENSOTECT® 1 force transducer, ie it may contain or consist of such a coating.
  • the transmission of the sensor information from the communication element to the remote station is in particular - at least in sections - wirelessly formed.
  • the combined measurement and communication unit provides the advantage of being able to make statements about the processing force currently present on the machining tool at the machine at any time or permanently when the sensor information reflects the machining force.
  • the sensor information is correlated with the processing force, it is possible to draw conclusions about the currently measured processing force from the sensor information.
  • SENSOTECT is a registered trademark of Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 Herzogenaurach, Germany Processing machine, which is informed about the remote station on the sensor information and thus in particular on the processing force, can now stop the machine and prompt the operator to change the processing tool, such as a turning plate.
  • the mating interface includes at least one electrical contact (for contact of the interface).
  • a second contact (to build up an electric circuit) is then formed in particular by at least one conductive part of the tool holder and machining tool base ("mass" of the tool holder and the machining tool) .
  • the mating interface contains two contacts
  • the tool holder has a receptacle for the machining tool, in which the machining tool can be inserted in at least one intended receiving position, in which the interface and the mating interface automatically with each other
  • an electrical contact is established between the interface and the counter-interface by inserting the tool into the tool holder
  • a separate connection of the interface parts is provided t superfluous.
  • a particularly fast or convenient tool change can be performed.
  • such a connection is made for all intended insertion positions of the tool in the tool holder, e.g. with a quadruple indexable insert in all four turning positions.
  • the tool holder contains an energy source for supplying the counter interface (and thus, for example, via the interface for supplying a sensor to the processing tool) and / or the communication element.
  • the energy source is, for example, a battery or a rechargeable battery or a (wireless) energy receiver operating on an inductive or capacitive principle.
  • the energy source is in the Integrated communication element or combined with this to a structural unit.
  • energy is available for the supply of the electrical consumers, in particular counter-interface and / or communication element, for their operation.
  • the energy source contains an energy harvesting module.
  • Energy harvesting is a well-known procedure and will not be explained here, as it offers a variety of ways to generate energy. By way of example only, the generation of energy from rotation, acceleration, friction, light, etc. may be mentioned. There are the usual advantages of energy harvesting systems such as energy harvesting systems. Maintenance-free, wireless, etc.
  • the communication element is arranged inside the (in particular one-piece force-transmitting part of) tool holder.
  • the energy source is arranged in the interior of the tool holder, in particular if it is combined with the communication module as mentioned above.
  • the arrangement in the interior takes place, for example, by receiving in a cavity of the tool holder.
  • the cavity is particularly sealed to the outside, so that the components arranged in the interior of the tool holder are protected against environmental influences such as chips, coolant, etc.
  • the communication element (and / or the energy source, if present) is arranged in a recess introduced into the tool holder.
  • a recess is generally easier to introduce into the tool holder as a cavity.
  • the recess is in particular a blind hole or a recess which is accessible from the surface of the tool holder, in particular a bore.
  • the recess for the communication element is mounted especially where possible no or little power path runs. Thus, this recess does not disturb the force path or does not weaken the component at the location of the force path.
  • the mating interface and the communication element are connected in the interior of the tool holder via at least one connecting channel for guiding at least one electrical connecting line.
  • the bore may be e.g. serve to guide a contact spring as a connecting line, which is supported on the one hand on a contact surface of the communication element and protruding at the location of the counter-interface from the surface of the (empty) tool holder and here with its "tip” forms the counter-interface.
  • the tool holder is a tool holder for receiving an indexable insert as a machining tool.
  • Such components are particularly common or widely used and can serve according to the invention as monitored tools (combination of tool holder and machining tool).
  • the object of the invention is also achieved by a tool unit according to claim 9.
  • the tool unit contains a tool holder according to the invention and a machining tool held therein as intended.
  • the editing tool has the interface connected to the mating interface for receiving the sensor information.
  • the processing tool is inserted in the above-mentioned intended receiving position, so that the interfaces are automatically connected to each other for transmitting the sensor information.
  • the object of the invention is also achieved by a measuring device according to claim 10.
  • the measuring device is a measuring device for a tool holder of a processing machine.
  • the measuring device contains at least one tool holder according to the invention and / or a tool unit according to the invention.
  • the measuring device also contains the remote station for receiving the sensor information transmitted by one or more communication elements. Such a remote station can be installed in a fixed manner, in particular in the processing machine.
  • the measuring device and at least a part of their embodiments and the respective advantages have been explained analogously already in connection with the tool holder or the tool unit according to the invention.
  • the invention is based on the following findings, observations or considerations, wherein in this context as "invention" also embodiments of the invention are mentioned, the parts or combinations of the above embodiments correspond and / or optionally also include previously not mentioned embodiments.
  • the invention is based on the idea of showing a way in which machining tool or indexable insert loads can be monitored and the wear can be detected.
  • the holder fixes the machining tool and in particular has the same dimensions as described in the DIN.
  • the invention is based on the observation that indexable inserts or tools generally in practice with strain gauges (DMS) monitors become. These must be glued on special places of the holder. In harsh everyday life DMS are attacked by chips and cooling medium.
  • DMS strain gauges
  • the invention aims to enable economic monitoring of the cutting forces according to the Industrie 4.0 idea.
  • the force can be documented for each machining process. It should also be possible to achieve a message or a conclusion when reaching an upper limit of wear.
  • the signal flow between the sensorized insert and the software on the screen should be designed in such a way that it does not interfere with changing the tool.
  • the signal collectors must be so robust that no chips or cooling media can cause interference
  • a DIN tool holder is modified so that it can accommodate standardized indexable inserts with a sensor (e.g., SENSOTECT® coating).
  • a sensor e.g., SENSOTECT® coating
  • two mechanical spring contacts for contacting the insert are located in the region of the insert seat.
  • the spring contacts are cast in particular in an electrically non-conductive carrier material (plastic, ceramic, transformer paper).
  • the end points contacts at "open line ends" of the sensors. The position of the end points is adjusted so that the spring contacts are in the mounted state congruent with the spring contacts.
  • the spring contacts relay the signals to the energy harvesting and transmission module.
  • the transmitter module is in a kind of cartridge and is pushed into a hole in the tool holder. From here, the signal via RFID (Bluetooth) makes contact with a receiver box (remote station) which is located inside the machine. This box is hardwired to the controller. The signals are then interpreted and processed in the CNC control of the machine.
  • the sensor is designed so that it can only send. If it no longer sends the conclusion can be drawn that the sensor has been destroyed. The controller may then stop the machine and prompt the operator to change the tool.
  • a holder connection to a sensorized indexable insert, in particular for a turning, drilling and milling machining.
  • This type of insert or all sensorized processing tools, thanks to the tool holder according to the invention, the electrical contact from the sensor (SENSOTECT® layer ) to the communication or transmission module.
  • the invention is analogous to all machining tools transferable, the tools are produced and consumed a thousand times a day.
  • a sensorized tool unit (tool holder with machining tool), which is used in a processing machine.
  • tools in particular with indexable insert holders, are used in a processing machine, preferably a lathe.
  • Tool holders in particular indexable insert holders, are used to machine production parts. Usually these are procured as foreign parts and used in the machine.
  • These tool holders are standardized and are used every day around the globe to millions. The invention can thus be used in a wide range of applications.
  • FIG. 1 shows a tool holder with a processing tool in a side view
  • FIG. 2 shows the tool holder from FIG. 1 without a processing tool in front view
  • FIG. 3 shows the connecting channel from FIG. 1 without a machining tool as a detail
  • FIG. 4 shows the detail from FIG. 3 with a machining tool.
  • FIG. 1 shows a tool holder 4 in the form of an indexable insert holder in a side view in the direction of the arrow I in FIG. 2,
  • FIG. 2 shows its front view in the direction of the arrow II in FIG.
  • a machining tool 2 (omitted in Figure 2), here an indexable insert, held, namely with a screw, not shown (indicated only the axis 10) is fixed.
  • the machining tool 2 is therefore in a receiving position A
  • the tool holder 4 is held in a processing machine, not shown here, here a lathe.
  • the tool holder 4 is in a processing state B, that is, with the aid of the tool holder 4 and the machining tool 2, a workpiece, not shown, is processed.
  • a processing force F occurs, which is introduced from the workpiece into the machining tool 2 or its machining tip 6.
  • the processing tool 2 contains a sensor 14, which is indicated here only symbolically.
  • the sensor 14 detects the processing force F (or a specific proportional component thereof) in the form of symbolically indicated sensor information M, here a measured variable.
  • the sensor information M is transmitted from the sensor 14 to an interface 15 of the machining tool 2 or provided thereon.
  • the tool holder 4 contains a communication element 16 which is connected to a counter-interface 34 via a connecting line 30 (only indicated in FIG. 1) in order to receive the sensor information M from the counter-interface 34, and thus from the interface 15 or from the interface 15 Transmit sensor 14 to the communication element 16.
  • the communication element 16 is configured to transmit the sensor information M to a remote station 18. This transmission takes place wirelessly, here by means of RFID.
  • the counter-interface 34 is indicated only symbolically in FIG.
  • the latter contains a power source 20 or the communication element 16 and the power source 20 are combined to form a structural unit.
  • the energy source 20 is an energy harvesting module that receives the energy from the operation of the processing machine.
  • the communication element 16 (with its power source 20) is arranged inside the tool holder 4. The introduction into the interior of the tool holder 4 takes place in such a way that a recess 22 in the form of a (blind) bore has been introduced into the solid material of the tool holder 4. In the recess 22, the communication element 16 is introduced (with power source 20) accurately.
  • the tool holder 4 forms a measuring device 28 for the tool holder 4 of the processing machine.
  • the remote station 18 is in this case installed stationary in the processing machine. The remote station 18 thus serves to receive the transmitted from the communication element 16 sensor information M.
  • the connecting line 30 is recessed in an introduced into the surface of the tool holder 4 and its end face 33 connecting channel 32.
  • the channel is continuous to the recess 22.
  • the connecting channel 32 and the recess 22 protect the elements therein from environmental influences, in particular to protect machining chips, coolant, grease, oil, etc.
  • the connecting line 30 is introduced into the interior of the tool holder 4.
  • the connecting line 30 is here a coil spring. This is compressed by applying the processing tool 2 or the interface 15 to the communication element 16 out. The spring then lies with its two ends against contact surfaces on the interface 15 (its contact surface) and the communication element 16 (its contact surface). Overall, two connecting lines 30 are present, which is why the counter-interface 34 is formed bipolar with two contacts 36.
  • FIG. 3 shows the receptacle 8 with the connecting channel 32 from the receptacle 8 to the recess 22 or to the communication element 16 in detail.
  • the connecting line 30 here a coil spring
  • the spring is located at one end to an electrical contact surface on the communication element 16, the other end protrudes from the connecting channel 32 into the receptacle 8 and there forms a contact 36 of the counter-interface 34th
  • FIG. 4 shows the machining tool 2 in the receiving position A in the receptacle 8.
  • the interface 15 has a corresponding contact surface for abutment on each of the contacts 36. Now the connecting lines 30 (springs) are compressed and contact on both sides the contact surfaces of the interface 15 and the communication element 16.
  • the interface 15 is connected to the counter-interface 34 for transmitting the sensor information M. Corresponding to the contact surfaces continuing electrical lines in or on the machining tool 2 and in the communication element 16 are indicated.

Abstract

Ein Werkzeughalter (4) für ein Bearbeitungswerkzeug (2) einer Bearbeitungsmaschine, enthält eine Gegen-Schnittstelle (34), die mit einer Schnittstelle (15) des Bearbeitungswerkzeugs (2) verbindbar ist, um eine Sensorinformation (M) vom Bearbeitungswerkzeug (2) zu empfangen, und ein mit der Gegen-Schnittstelle (34) verbundenes Kommunikationselement (16) zum Empfang der Sensorinformation (M) und deren Übertragung an eine Gegenstelle (18). Eine Werkzeugeinheit (38) enthält den Werkzeughalter (4) mit dem Bearbeitungswerkzeug (2) mit der Schnittstelle (15), die mit der Gegen-Schnittstelle (34) zum Empfang der Sensorinformation (M) verbunden ist. Eine Messeinrichtung (28) enthält den Werkzeughalter (4) und/oder die Werkzeugeinheit (38) und die Gegenstelle (18) zum Empfang der Sensorinformation (M).

Description

Werkzeughalter für ein Bearbeitungswerkzeug, Werkzeugeinheit und
Messeinrichtung
Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für ein Bearbeitungswerkzeug einer Bearbeitungsmaschine, eine Werkzeugeinheit und eine Messeinrichtung für den Werkzeughalter.
Ein Werkzeughalter dient zum Aufnehmen bzw. Halten eines Bearbeitungswerkzeugs. Bearbeitungswerkzeuge sind z.B. Wendeschneidplatten für die Dreh-, Bohr- und Fräsbearbeitung.
Aus der Praxis ist es bekannt, Wendeschneidplatten oder Bearbeitungswerkzeuge im Allgemeinen mit Dehnmessstreifen (DMS) zu überwachen. Diese werden an speziellen Stellen des Halters aufgeklebt. Im rauen Alltag werden DMS durch Späne und Kühlmedium angegriffen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Überwachung an Werkzeughaltern zu verbessern. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Werkzeughalter gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren. Der Werkzeughalter ist ein Werkzeughalter für ein Bearbeitungswerkzeug einer Bearbeitungsmaschine. Insbesondere befindet sich der Werkzeughalter in einem bestimmungsgemäßen Bearbeitungszustand. Der bestimmungsgemäße Bearbeitungszustand ist derjenige, wenn der Werkzeughalter gemäß seiner Entwurfsbzw. Einsatzvorgaben in einer hierfür vorgesehenen Bearbeitungsmaschine betrieben wird und ein hierfür bestimmtes zu haltendes Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise eine Wendeschneidplatte wie vorgesehen im Werkzeughalter gehalten ist. Der Werkzeughalter ist dabei insbesondere in Bezug auf dessen Halterung in der Werkzeugmaschine und der Aufnahme für ein Bearbeitungswerkzeug einstückig bzw. durchgängig ausgeführt. Ein in der Bearbeitungsmaschine einspannbaren Abschnitt und ein das Bearbeitungswerkzeug tragender Abschnitt des Werkzeughalters sind also einstückig durchverbunden bzw. ist die gesamte entsprechende Struktur aus durchgängigem (Voll-)material gebildet.
Der Werkzeughalter enthält eine Gegen-Schnittstelle, die mit einer Schnittstelle eines in den Werkzeughalter einzusetzenden Bearbeitungswerkzeugs verbindbar ist, um eine Sensorinformation vom Bearbeitungswerkzeug zu empfangen. Diese Sensorinformation stammt von einem Sensor, insbesondere von einem Kraftaufnehmer, am Bearbeitungswerkzeug. Der Sensor dient insbesondere zur Erfassung einer Messgröße als Sensorinformation. Die Sensorinformation ist insbesondere mit der Bearbeitungskraft am Bearbeitungswerkzeug korreliert. Die Korrelation besteht insbesondere darin, dass ein Großteil der Bearbeitungskraft vom Sensor aufgenommen wird. Insbesondere ist bekanntermaßen (zum Beispiel durch Simulation oder Versuche) die Sensorinformation proportional zur tatsächlichen Bearbeitungskraft. So kann zumindest ein relativer, insbesondere ein absoluter Wert der Bearbeitungskraft aus der Sensorinformation rückgerechnet oder rückermittelt werden.
Der Werkzeughalter enthält mindestens ein Kommunikationselement. Das Kommunikationselement ist mit der Gegen-Schnittstelle verbunden. Die Verbindung dient der Übertragung der Sensorinformation von der Gegen-Schnittstelle an das Kommunikationselement. Insbesondere dient die Verbindung auch einer Energieversorgung der Gegen-Schnittstelle, um über diese bzw. die Schnittstelle das Bearbeitungswerkzeug bzw. dessen Sensorik mit Energie zu versorgen. Das Kommunikationselement ist zur Übertragung der Sensorinformation an eine Gegenstelle ausgebildet.
Die Sensorinformation kann auch vorverarbeitete Information sein, z.B. vorverarbeitete Messdaten. Sensorinformation ist insbesondere jegliche Information einer am Bearbeitungswerkzeug vorhandenen Sensorik, insbesondere in Form elektrischer Signale, Messwerte. Die Sensorinformation kann z.B. auch ein ohmscher Widerstand und/oder eine Kapazität und/oder eine Induktivität bzw. ein Strom und/oder Spannung an der Gegen-Schnittstelle sein. Die Sensorinformation können auch komplexere Signale sein, z.B. Binärdaten etc.
Die (Gegen-)Schnittstelle kann in jeder Form ausgeführt sein, die geeignet ist, die betreffende Sensorinformation zu übermitteln. Insbesondere enthält sie eine elektrische Schnittstelle. Insbesondere enthält sie einen Federkontakt, eine Kontaktfläche, eine Biegefeder, eine Spiralfeder, einen Stecker oder eine Buchse, usw.
Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Anbindung eines sensorisierten Bearbeitungswerkzeugs an den Werkzeughalter. Der Sensor ist insbesondere ein Kraftaufnehmer, insbesondere ein sogenannter SENSOTECT®1-Kraftaufnehmer, d.h. dieser kann eine derartige Beschichtung enthalten oder aus einer solchen bestehen. Die Übertragung der Sensorinformation vom Kommunikationselement an die Gegenstelle ist insbesondere - zumindest abschnittsweise - drahtlos ausgebildet. Durch die kombinierte Mess- und Kommunikationseinheit ergibt sich z.B. der Vorteil, jederzeit bzw. dauerhaft Aussagen über die aktuell am Bearbeitungswerkzeug vorhandene Bearbeitungskraft an der Maschine zur Verfügung zu haben, wenn die Sensorinformation die Bearbeitungskraft wiederspiegelt.
Ist die Sensorinformation mit der Bearbeitungskraft korreliert, kann von der Sensorinformation auf die aktuell gemessene Bearbeitungskraft rückgeschlossen werden.
Über die bekannte Bearbeitungskraft können verschiedene Rückschlüsse gezogen werden. Wenn beispielsweise das Bearbeitungswerkzeug (Schneidstoff) verschleißt verändern sich die Schnittkräfte und damit die Bearbeitungskraft. Eine Steuerung der
"SENSOTECT" ist eine eingetragene Marke der Schaeffler Technologies AG & Co. KG, 91074 Herzogenaurach, Deutschland Bearbeitungsmaschine, welche über die Gegenstelle über die Sensorinformation und damit insbesondere über die Bearbeitungskraft informiert ist, kann nun die Maschine anhalten und den Bediener zum Wechsel des Bearbeitungswerkzeugs, z.B. einer Wendeplatte, auffordern.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Gegen-Schnittstelle mindestens einen elektrischen Kontakt (für einen Kontakt der Schnittstelle). Ein zweiter Kontakt (um einen elektrischen Stromkreis aufzubauen) ist dann insbesondere durch zumindest einen leitenden Teil der Grundkörper von Werkzeughalter und Bearbeitungswerkzeug gebildet, die sich berühren ("Masse" des Werkzeughalters und des Bearbeitungswerkzeugs"). Insbesondere enthält die Gegen-Schnittstelle aber zwei Kontakte. So führt eine zweiadrige elektrische Leitung vom Bearbeitungswerkzeug zum Werkzeughalter. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Werkzeughalter eine Aufnahme für das Bearbeitungswerkzeug auf, in der das Bearbeitungswerkzeug in mindestens einer bestimmungsgemäßen Aufnahmeposition einlegbar ist, in der die Schnittstelle und die Gegen-Schnittstelle selbsttätig miteinander zur Übertragung der Sensorinformation verbunden sind. So wird - insbesondere ein elektrischer Kontakt - zwischen Schnittstelle und Gegen-Schnittstelle mit Einlegen des Werkzeugs in den Werkzeughalter hergestellt. Eine separate Verbindung der Schnittstellenteile ist damit überflüssig. So kann z.B. ein besonders schneller bzw. komfortabler Werkzeugwechsel durchgeführt werden. Insbesondere erfolgt eine solche Verbindung für alle bestimmungsgemäß vorgesehenen Einlegepositionen des Werkzeugs im Werkzeughalter, z.B. bei einer Vierfach-Wendeschneidplatte in allen vier Drehpositionen.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Werkzeughalter eine Energiequelle zur Versorgung der Gegen-Schnittstelle (und damit z.B. über die Schnittstelle zur Versorgung eines Sensors auf dem Bearbeitungswerkzeug) und/oder des Kommunikationselements. Die Energiequelle ist beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator oder ein auf induktivem oder kapazitivem Prinzip funktionierender (drahtloser) Energieempfänger. Insbesondere ist die Energiequelle in das Kommunikationselement integriert bzw. mit diesem zu einer baulichen Einheit kombiniert. So steht im Werkzeughalter Energie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher, insbesondere Gegen-Schnittstelle und/oder Kommunikationselement, für deren Betrieb zur Verfügung.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Energiequelle ein Energy-Harvesting-Modul. "Energy-Harvesting" ist ein bekanntes Vorgehen und soll hier nicht weiter erläutert werden, da dieses mannigfaltige Möglichkeiten zur Energiegewinnung bietet. Lediglich beispielhaft sei die Energiegewinnung aus Drehung, Beschleunigung, Reibung, Licht usw. genannt. Es ergeben sich die üblichen Vorteile von Energy-Harvesting-Systemen wie z.B. Wartungsfreiheit, Drahtlosigkeit usw.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der das Kommunikationselement im Inneren des (insbesondere einstückigen kraftübertragenden Teils des) Werkzeughalters angeordnet. Falls vorhanden, ist alternativ oder zusätzlich auch die Energiequelle im Inneren des Werkzeughalters angeordnet, insbesondere wenn diese wie oben erwähnt mit dem Kommunikationsmodul kombiniert ist. Die Anordnung im Inneren erfolgt zum Beispiel durch Aufnahme in einem Hohlraum des Werkzeughalters. Der Hohlraum ist insbesondere nach außen hin abgedichtet, sodass die im Inneren des Werkzeughalters angeordneten Komponenten vor Umwelteinflüssen wie Spänen, Kühlmittel usw. geschützt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kommunikationselement (und/oder die Energiequelle, falls vorhanden) in einer in den Werkzeughalter eingebrachten Ausnehmung angeordnet. Eine derartige Ausnehmung ist in der Regel in den Werkzeughalter einfacher einbringbar als ein Hohlraum. Die Ausnehmung ist insbesondere ein Sackloch bzw. eine Vertiefung, welche von der Oberfläche des Werkzeughalters aus zugänglich ist, insbesondere eine Bohrung. Sobald das Kommunikationselement usw. in der Ausnehmung aufgenommen ist, kann auch diese versiegelt werden, z.B. durch Verschließen mit einer Vergussmasse. Durch die Versiegelung werden die entsprechenden Teile vor Beschädigung und Umwelteinflüssen geschützt. Die Ausnehmung für das Kommunikationselement wird insbesondere dort angebracht, wo möglichst kein oder wenig Kraftpfad verläuft. So stört diese Ausnehmung den Kraftpfad nicht bzw. schwächt das Bauteil an der Stelle des Kraftpfades nicht.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Gegen-Schnittstelle und das Kommunikationselement im Inneren des Werkzeughalters über mindestens einen Verbindungskanal zur Führung mindestens einer elektrischen Verbindungsleitung verbunden sind. So kann z.B. eine einfache Bohrung vom Ort der Gegenstelle zum Ort des Kommunikationselements führen, um die elektrische Verbindungsleitung zwischen beiden Elementen zu führen. Die Bohrung kann z.B. zur Führung einer Kontaktfeder als Verbindungsleitung dienen, die sich einerseits an einer Kontaktfläche des Kommunikationselements abstützt und am Ort der Gegen-Schnittstelle aus der Oberfläche des (leeren) Werkzeughalters hervorsteht und hier mit ihrer "Spitze" die Gegen-Schnittstelle bildet. Bei Einsetzen des Bearbeitungswerkzeugs drückt dieses mit einer Kontaktfläche auf die Kontaktfeder und staucht diese zwischen den beiden Kontaktflächen elektrisch kontaktierend gegen ihre Federkraft zusammen. So entsteht ein federbelasteter elektrischer Kontakt (Verbindungsleitung) zwischen Schnittstelle und Kommunikationselement.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Werkzeughalter ein Werkzeughalter zur Aufnahme einer Wendeschneidplatte als Bearbeitungswerkzeug. Derartige Bauteile sind besonders üblich bzw. weit verbreitet und können gemäß der Erfindung als überwachte Werkzeuge (Kombination aus Werkzeughalter und Bearbeitungswerkzeug) dienen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Werkzeugeinheit gemäß Patentanspruch 9. Die Werkzeugeinheit enthält einen erfindungsgemäßen Werkzeughalter und ein darin bestimmungsgemäß gehaltenes Bearbeitungswerkzeug. Das Bearbeitungswerkzeug weist die Schnittstelle auf, die mit der Gegen-Schnittstelle zum Empfang der Sensorinformation verbunden ist. Die Werkzeugeinheit und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeughalter erläutert.
Insbesondere ist das Bearbeitungswerkzeug in der oben erwähnten bestimmungsgemäßen Aufnahmeposition eingelegt, so dass die Schnittstellen selbsttätig zur Übertragung der Sensorinformation miteinander verbunden sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Messeinrichtung gemäß Patentanspruch 10. Die Messeinrichtung ist eine Messeinrichtung für einen Werkzeughalter einer Bearbeitungsmaschine. Die Messeinrichtung enthält mindestens einen erfindungsgemäßen Werkzeughalter und/oder eine erfindungsgemäße Werkzeugeinheit. Die Messeinrichtung enthält auch die Gegenstelle zum Empfang der von einem oder mehreren Kommunikationselementen übertragenen Sensorinformation. Eine derartige Gegenstelle ist insbesondere in der Bearbeitungsmaschine ortsfest installierbar. Die Messeinrichtung und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeughalter bzw. der Werkzeugeinheit erläutert. Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen, wobei in diesem Zusammenhang als "Erfindung" auch Ausführungsformen der Erfindung genannt sind, die Teilen oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
Die Erfindung beruht auf der Idee, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie Bearbeitungswerkzeug- bzw. Wendeschneidplattenbelastungen überwacht werden können und der Verschleiß erkannt werden kann. Der Halter fixiert das Bearbeitungswerkzeug und hat insbesondere die gleichen Abmaße wie in der DIN beschrieben.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass Wendeschneidplatten oder Werkzeuge im Allgemeinen in der Praxis mit Dehnmessstreifen (DMS) überwacht werden. Diese müssen an speziellen Stellen des Halters aufgeklebt werden. Im rauen Alltag werden DMS durch Späne und Kühlmedium angegriffen.
Die Erfindung hat das Ziel, eine wirtschaftliche Überwachung der Schnittkräfte nach dem lndustrie-4.0-Gedanken zu ermöglichen. Hierbei soll z.B. für jeden zerspanenden Bearbeitungsvorgang die Kraft dokumentiert werden können. Es sollte bei der Erreichung einer Obergrenze des Verschleißes ebenfalls eine Meldung oder ein Rückschluss möglich sein. Der Signalfluss zwischen sensorisierter Wendeplatte und Software am Bildschirm sollte so gestaltet werden, dass es zu keiner Beeinträchtigung beim Wechsel des Werkzeugs kommt. Die Signalabnehmer müssen so robust sein, dass keine Späne und kein Kühlmedien Störungen verursachen können
Gemäß der Erfindung wird ein DIN Werkzeughalter so modifiziert, dass er standardisierte Wendeschneidplatten mit einer Sensorik (z.B. SENSOTECT®- Beschichtung) aufnehmen kann. Insbesondere befinden sich im Bereich des Plattensitzes zwei mechanische Federkontakte zur Kontaktaufnahme mit der Wendeplatte. Die Federkontakte sind insbesondere in einem elektrisch nicht leitfähigen Trägermaterial (Kunststoff, Keramik, Transformatorenpapier) eingegossen. Auf der Wendeschneidplatte befinden sich die Endpunkte (Kontakte an "offenen Leitungsenden") der Sensorik. Die Position der Endpunkte ist so abgestimmt, dass die Federkontakte im montierten Zustand deckungsgleich mit den Federkontakten sind.
Die Federkontakte leiten die Signale in das Energy-Harvesting- und Sendemodul weiter. Das Sendemodul befindet sich in einer Art Patrone und wird in eine Bohrung im Werkzeughalter geschoben. Von hier aus nimmt das Signal mittels RFID (Bluetooth) Kontakt zu einer Empfängerbox (Gegenstelle) auf welche sich im Inneren der Maschine befindet. Diese Box ist fest mit der Steuerung verdrahtet. Die Signale werden dann in der CNC-Steuerung der Maschine interpretiert und verarbeitet. Die Sensorik ist so aufgebaut, dass sie nur senden kann. Wenn sie nicht mehr sendet kann der Rückschluss gezogen werden, dass die Sensorik zerstört wurde. Die Steuerung kann dann die Maschine anhalten und den Bediener zum Wechsel des Werkzeugs auffordern. Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Halteranbindung an eine sensorisierte (Wendeschneidplatte, insbesondere für eine Dreh-, Bohr- und Fräsbearbeitung. Diese Art der Wendeplatte (bzw. aller sensorisierten Bearbeitungswerkzeuge) kann dank des erfindungsgemäßen Werkzeughalters den elektrischen Kontakt vom Sensor (SENSOTECT®-Schicht) zum Kommunikations- bzw. Sendemodul herstellen.
Die Erfindung ist sinngemäß auf alle Bearbeitungswerkzeuge übertragbar, der Werkzeuge wird täglich tausendfach produziert und verbraucht.
Gemäß der Erfindung ergibt sich damit eine sensorisierte Werkzeugeinheit (Werkzeughalter mit Bearbeitungswerkzeug), welches in einer Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommt. Diese Werkzeuge, insbesondere mit Wendeschneidplattenhalter, kommen in einer Bearbeitungsmaschine, vorzugsweise Drehmaschine, zum Einsatz. Werkzeughalter, insbesondere Wendeschneidplattenhalter, werden eingesetzt, um Produktionsteile zu bearbeiten. Üblicherweise werden diese als Fremdbezugsteile beschafft und in der Maschine eingesetzt. Diese Werkzeughalter sind genormt und werden täglich rund um den Globus zu Millionen eingesetzt. Die Erfindung kann damit in einem breiten Einsatzfeld genutzt werden.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze: Figur 1 einen Werkzeughalter mit Bearbeitungswerkzeug in Seitenansicht,
Figur 2 den Werkzeughalter aus Fig.1 ohne Bearbeitungswerkzeug in Frontansicht,
Figur 3 den Verbindungskanal aus Fig. 1 ohne Bearbeitungswerkzeug als Detail,
Figur 4 das Detail aus Fig. 3 mit Bearbeitungswerkzeug.
Figur 1 zeigt einen Werkzeughalter 4 in Form eines Wendeschneidplattenhalters in Seitenansicht in Richtung des Pfeils I in Fig. 2, Figur 2 zeigt dessen Frontansicht in Richtung des Pfeils II in Figur 1 . Auf dem Werkzeughalter 4 bzw. in einer Aufnahme 8 dessen ist ein Bearbeitungswerkzeug 2 (in Figur 2 weggelassen), hier eine Wendeschneidplatte, gehalten, nämlich mit einer nicht dargestellten Schraube (angedeutet ist nur deren Achse 10) fixiert. Das Bearbeitungswerkzeug 2 befindet sich daher in einer Aufnahmeposition A Der Werkzeughalter 4 ist in einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine, hier einer Drehmaschine gehalten. Der Werkzeughalter 4 befindet sich in einem Bearbeitungszustand B, das heißt mit Hilfe des Werkzeughalters 4 und des Bearbeitungswerkzeugs 2 wird ein nicht dargestelltes Werkstück bearbeitet. Bei der Bearbeitung des Werkstücks tritt eine Bearbeitungskraft F auf, die vom Werkstück in das Bearbeitungswerkzeug 2 bzw. dessen Bearbeitungsspitze 6 eingeleitet wird.
Das Bearbeitungswerkzeug 2 enthält einen hier nur symbolisch angedeuteten Sensor 14. Der Sensor 14 erfasst die Bearbeitungskraft F (bzw. einen bestimmten Proportionalanteil dieser) in Form einer symbolisch angedeuteten Sensorinformation M, hier eine Messgröße. Die Sensorinformation M wird vom Sensor 14 an eine Schnittstelle 15 des Bearbeitungswerkzeuges 2 übertragen bzw. an dieser bereitgestellt.
Der Werkzeughalter 4 enthält ein Kommunikationselement 16, das mit einer Gegen- Schnittstelle 34 über eine Verbindungsleitung 30 (in Fig. 1 nur angedeutet) verbunden ist, um die Sensorinformation M von der Gegen-Schnittstelle 34, und damit von der Schnittstelle 15 bzw. vom Sensor 14 zum Kommunikationselement 16 zu übertragen. Das Kommunikationselement 16 ist dazu ausgebildet, die Sensorinformation M an eine Gegenstelle 18 zu übertragen. Diese Übertragung erfolgt drahtlos, hier mittels RFID. Die Gegen-Schnittstelle 34 ist in Fig. 1 nur symbolisch angedeutet.
Zum Betrieb des Sensors 14 und des Kommunikationselements 16 enthält letzteres eine Energiequelle 20 bzw. sind das Kommunikationselement 16 und die Energiequelle 20 zu einer baulichen Einheit kombiniert. Im Beispiel ist die Energiequelle 20 ein Energy-Harvesting-Modul, welches die Energie aus dem Betrieb der Bearbeitungsmaschine erhält. Das Kommunikationselement 16 (mit seiner Energiequelle 20) ist im Inneren des Werkzeughalters 4 angeordnet. Die Einbringung in das Innere des Werkzeughalters 4 erfolgt derart, dass in das Vollmaterial des Werkzeughalters 4 eine Ausnehmung 22 in Form einer (Sacklock-) Bohrung eingebracht wurde. In der Ausnehmung 22 ist das Kommunikationselement 16 (mit Energiequelle 20) passgenau eingebracht.
Zusammen mit der Gegenstelle 18 bildet der Werkzeughalter 4 eine Messeinrichtung 28 für den Werkzeughalter 4 der Bearbeitungsmaschine. Die Gegenstelle 18 ist hierbei ortsfest in der Bearbeitungsmaschine installiert. Die Gegenstelle 18 dient also zum Empfang der vom Kommunikationselement 16 übertragenen Sensorinformation M.
Die Verbindung von Gegen-Schnittstelle 34 und Kommunikationselement 16 bzw. integrierter Energiequelle 20 erfolgt über eine Verbindungsleitung 30. Die Verbindungsleitung 30 ist in eine in die Oberfläche des Werkzeughalters 4 bzw. dessen Stirnfläche 33 eingebrachten Verbindungskanal 32 versenkt. Der Kanal ist durchgängig bis zur Ausnehmung 22. Der Verbindungskanal 32 sowie die Ausnehmung 22 schützen die darin befindlichen Elemente vor Umwelteinflüssen, hier insbesondere Bearbeitungsspänen, Kühlmittel, Fett, Öl etc. zu schützen. Somit ist auch die Verbindungsleitung 30 ins Innere des Werkzeughalters 4 eingebracht. Die Verbindungsleitung 30 ist hier eine Schraubenfeder. Diese wird durch Anlegen des Bearbeitungswerkzeugs 2 bzw. der Schnittstelle 15 zum Kommunikationselement 16 hin komprimiert. Die Feder liegt mit ihren beiden Enden dann an Kontaktflächen an der Schnittstelle 15 (dessen Kontaktfläche) und dem Kommunikationselement 16 (dessen Kontaktfläche) an. Insgesamt sind zwei Verbindungsleitungen 30 vorhanden, weshalb die Gegen-Schnittstelle 34 zweipolig mit zwei Kontakten 36 ausgebildet ist.
Werkzeughalter 4 und Bearbeitungswerkzeug 2 in der Aufnahmeposition A bilden zusammen eine Werkzeugeinheit 38. Dabei ist die Schnittstelle 15 mit der Gegen- Schnittstelle 34 zum Empfang der Sensorinformation M verbunden. Figur 3 zeigt die Aufnahme 8 mit dem Verbindungskanal 32 von der Aufnahme 8 zur Ausnehmung 22 bzw. zum Kommunikationselement 16 im Detail. Hier ist das Bearbeitungswerkzeug 2 nicht eingelegt. Die Verbindungsleitung 30 (hier eine Schraubenfeder) befindet sich daher im entspannten Zustand. Somit liegt die Feder mit ihrem einen Ende an einer elektrischen Kontaktfläche am Kommunikationselement 16 an, das andere Ende ragt aus dem Verbindungskanal 32 in die Aufnahme 8 hinein und bildet dort einen Kontakt 36 der Gegen-Schnittstelle 34.
Figur 4 zeigt das Bearbeitungswerkzeug 2 in der Aufnahmeposition A in der Aufnahme 8. Die Schnittstelle 15 weist eine entsprechende Kontaktfläche zur Anlage an jeweils einem der Kontakte 36 auf. Nun sind die Verbindungsleitungen 30 (Federn) komprimiert und kontaktieren jeweils beidseitig die Kontaktflächen der Schnittstelle 15 und des Kommunikationselements 16. Die Schnittstelle 15 ist mit der Gegenschnittstelle 34 zur Übertragung der Sensorinformation M verbunden. Entsprechend von den Kontaktflächen weiterführende elektrische Leitungen im oder am Bearbeitungswerkzeug 2 und im Kommunikationselement 16 sind angedeutet.
Bezuqszeichenliste Bearbeitungswerkzeug
Werkzeughalter
Bearbeitungsspitze
Aufnahme
10 Achse
14 Sensor
15 Schnittstelle
16 Kommunikationselement
18 Gegenstelle
20 Energiequelle
22 Ausnehmung
28 Messeinrichtung
30 Verbindungsleitung
32 Verbindungskanal
33 Stirnfläche
34 Gegen-Schnittstelle
36 Kontakt
38 Werkzeugeinheit
F Bearbeitungskraft
B Bearbeitungszustand
M Sensorinformation
A Aufnahmeposition

Claims

Patentansprüche
1 . Werkzeughalter (4) für ein Bearbeitungswerkzeug (2) einer Bearbeitungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (4) eine Gegen-Schnittstelle (34) enthält, die mit einer Schnittstelle (15) des in den Werkzeughalter (4) einzusetzenden Bearbeitungswerkzeugs (2) verbindbar ist, um eine Sensorinformation (M) vom Bearbeitungswerkzeug (2) zu empfangen, und der Werkzeughalter (4) ein Kommunikationselement (16) enthält, das mit der Gegen- Schnittstelle (34) zur Übertragung der Sensorinformation (M) an das Kommunikationselement (16) verbunden ist, wobei das Kommunikationselement (16) zur Übertragung der Sensorinformation (M) an eine Gegenstelle (18) ausgebildet ist.
2. Werkzeughalter (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gegen- Schnittstelle (34) mindestens einen elektrischen Kontakt (36) enthält.
3. Werkzeughalter (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (4) eine Aufnahme (8) für das Bearbeitungswerkzeug (2) aufweist, in der das Bearbeitungswerkzeug (2) in mindestens einer bestimmungsgemäßen Aufnahmeposition (A) einlegbar ist, in der die Schnittstelle (15) und die Gegen-Schnittstelle (34) selbsttätig miteinander zur Übertragung der Sensorinformation (M) verbunden sind.
4. Werkzeughalter (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (4) eine Energiequelle (20) zur Versorgung des Kommunikationselements (16) und/oder der Gegen-Schnittstelle (34) enthält.
5. Werkzeughalter (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (20) ein Energy-Harvesting-Modul enthält.
6. Werkzeughalter (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationselement (16) im Inneren des
Werkzeughalters (4) angeordnet ist.
7. Werkzeughalter (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationselement (16) in einer in den Werkzeughalter (4) eingebrachten Ausnehmung (22) angeordnet ist.
8. Werkzeughalter (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegen-Schnittstelle (34) und das Kommunikationselement (16) im Inneren des Werkzeughalters (4) über mindestens einen Verbindungskanal (32) zur Führung mindestens einer elektrischen Verbindungsleitung (30) verbunden sind.
9. Werkzeugeinheit (38), mit einem Werkzeughalter (4) und einem darin bestimmungsgemäß gehaltenen Bearbeitungswerkzeug (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (4) ein Werkzeughalter (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist, und dass das Bearbeitungswerkzeug (2) die Schnittstelle (15) aufweist, die mit der Gegen- Schnittstelle (34) zum Empfang der Sensorinformation (M) verbunden ist.
10. Messeinrichtung (28) für einen Werkzeughalter (2) einer Bearbeitungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (28) mindestens einen Werkzeughalter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine Werkzeugeinheit (38) nach Anspruch 9 enthält, und die Messeinnchtung (28) die Gegenstelle (18) zum Empfang der vom Kommunikationselement (16) übertragenen Sensorinformation (M) enthält.
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