DE19621185A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Drehmomentmessung für die Werkzeugüberwachung mit Hilfe berührunsloser Wegaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der auf Werkzeugspindeln, Werkstückspindeln, Werkzeug- oder Werkstückhalter wirkenden Drehmomente nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Es ist bekannt, daß sich Zerspanungswerkzeuge mit Hilfe von Drehmoment­ messungen hinsichtlich Schneidenverschleiß und Schneidenbruch überwachen lassen. Hierzu werden bisher Dehnungsmeßstreifen auf speziell geschwächte Stellen der Werkzeugspindeln oder Werkzeughalter (Spannfutter) appliziert. Der Meßwert wird telemetrisch übertragen. Die telemetrische Übertragung er­ fordert Übertragungselemente unmittelbar neben dem präparierten Werkzeug­ halter. Hierdurch besteht die Gefahr, daß sich Späne zwischen den Übertra­ gungsspalt setzen, oder daß das Wechseln der Werkzeuge durch die zusätzli­ chen Halterungen behindert wird. Außerdem erfordert die Dehnungsmeß­ streifentechnik Dehnungen, welche im Fall einer Kollision oder im Fall eines schweren Werkzeugbruches die Beschädigung des Halters oder das Ablösen der Dehnungsmeßstreifen zur Folge haben können. Ein weiterer Nachteil sind die hohen Kosten des elektronischen Werkzeughalters, der zudem mehrfach pro Werkzeugspindel vorgehalten werden muß, da üblicherweise die Werk­ zeuge zusammen mit voreingestellten Werkzeughaltern ausgewechselt wer­ den.

Erfindungsgemäß wird das Drehmoment dagegen ohne das Erfordernis an der Spindel oder am Werkzeughalter vorhandener elektronischer Komponenten ermittelt, indem drehmomentproportionale Verformungen mit berührungslosen Wegaufnehmern gemessen werden. Diese können sowohl im Bereich der Werkzeughalter, aber auch in der Nähe der Werkzeug- oder Werkstückspin­ deln und damit weiter vom Spänebereich entfernt angeordnet werden. Unter Wegaufnehmern werden allgemein berührungslose Sensoren verstanden, wel­ che z. B. kapazitiv, induktiv oder optisch einen dem Abstand proportionalen analogen oder digitalen Meßwert erzeugen. Eine lineare Abhängigkeit zwi­ schen dem Abstand und dem erzeugten Meßwert ist nicht erforderlich, da eine Linearisierung, falls benötigt, auch in der nachfolgenden digitalen Auswerte­ schaltung erfolgen kann. Insbesondere die heute möglichen kleinen Baugrößen der Wegaufnehmer und die Meßwertauflösung von Wegaufnehmern auf Wir­ belstrombasis und deren Auswerteschaltung im Bereich von 0,01 µm waren Grundlage und Bedingung für diese Erfindung.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung von hochempfindlichen berührungslo­ sen Wegaufnehmern zur Drehmomentmessung sind verschiedene Verfahren möglich, welche sich alle vom Stand der Technik der Werkzeugüberwachung unterscheiden und spezielle Vorteile im jeweiligen Anwendungsfall haben:

• 1.) Fig. 1 zeigt eine Werkzeug- oder Werkstückspindel 1, auf die ein Drehmo­ ment Mt wirkt. An zwei in axialer Richtung möglichst weit voneinander entfern­ ten Stellen sind gleichmäßig über den Umfang verteilte Vertiefungen bzw. Er­ hebungen 2 und 3 eingebracht oder aufgesetzt. An diesen Markierungen wer­ den mit 2 berührungslosen Wegaufnehmern 4 und 5 bei drehender Spindel periodische Abstandssignale gewonnen, die eine sinus- bis rechteckförmige Kurvenform aufweisen. Der Drehmomentmeßwert wird nun mit zwei verschie­ denen Methoden gewonnen, welche beide auf der Veränderung der Phasen­ lage zwischen beiden Abstandsmeßkurven beruhen:
• a) (s. Patentanspruch 2): Die Meßwerte der beiden Wegaufnehmer 4 und 5 werden erfindungsgemäß zunächst zur Ausfilterung des statischen Abstands­ anteils hochpaßgefiltert. Anschließend werden diese vom Gleichanteil befreiten Signale miteinander multipliziert. Das aus einem Gleich- und Wechselanteil bestehende Produkt wird mit einem Tiefpaßfilter geglättet, d. h. es wird auf den Gleichanteil reduziert. Eine Veränderung der Phasenlage infolge sich verän­ dernden Drehmoments bewirkt ebenso eine Veränderung dieses Gleichanteils, d. h. das Drehmoment ist auf diese einfache Weise meßbar. Vorzugsweise werden die Wegaufnehmer oder die Markierungen so angebracht, daß im drehmomentfreien Zustand die Phasenverschiebung zwischen den Abstands­ signalen beider Wegaufnehmer annähernd oder genau 90° beträgt. Die Multi­ plikation ergibt dann ein Signal mit einem nahe oder genau bei Null liegenden Gleichanteil. Bei einer Drehmomentbelastung der Spindel steigt bei dieser Ausgangsphasenlage der Gleichanteil des Produktes der beiden hochpaßgefil­ terten Wegaufnehmersignale besonders deutlich an.
• b) (s. Patentanspruch 3): Die Meßwerte der beiden Wegaufnehmer 4 und 5 werden wie bei vorgenanntem Verfahren hochpaßgefiltert, um den statischen Abstandsanteil auszufiltern. Daraufhin wird die drehmomentabhängige Pha­ senverschiebung der beiden hochpaßgefilterten Wegaufnehmersignale ermit­ telt, indem der Zeitunterschied zwischen den Nulldurchgängen dieser Signale gemessen wird. Zur Neuheit dieser Methode ist anzumerken, daß zwar be­ kannt ist, daß Drehmomente mit der Änderung von Zeit-, Winkel- oder Phasen­ verschiebungen gemessen werden, nur werden hierzu Feldplattenelemente, Hallelemente, induktive oder optische Schalter verwendet. Allen gemeinsam ist eine Abhängigkeit des Meßwertes von radialen und axialen Verlagerungen der Spindel infolge von Radial- und Vorschubkräften, welche in der Regel ebenfalls auf Bohrer und Fräser wirken. Der störende Einfluß dieser Kräfte auf den Drehmomentmeßwert wird erfindungsgemäß vermieden über die Verwendung eines berührungslosen Wegaufnehmers, der auf axiale Verschiebungen nicht reagiert, und der Hochpaßfilterung des Abstandsmeßwertes, welche statische Abstandsänderungen zwischen Wegaufnehmer und Spindel (d. h. in radialer Richtung der Spindel) ausfiltert.

Ein für die Verfahren a und b gemeinsamer Vorteil ist die Umsetzung dieser Meßtechnik mit sehr einfachen Mitteln. Als periodische Markierungen dienen z. B. schon vorhandene Spindelmuttern oder es können handelsübliche Sechs­ kantmuttern innen aufgedreht und entweder durch Erhitzen aufgeschrumpft oder mit Hilfe einer seitlich eingebrachten Madenschraube auf die Spindel ge­ klemmt werden.

Falls ein Motor über ein Getriebe mehrere Spindeln antreibt, so braucht nur je ein Wegaufnehmer pro Spindel vorgesehen werden. Der zweite Wegaufneh­ mer muß nicht an der jeweiligen Spindel angebracht werden, sondern er kann auch an der Antriebswelle des gemeinsamen Motors seinen Platz finden. Ein Drehzahlunterschied wird über ein entsprechendes Verhältnis der Anzahl Mar­ kierungen ausgeglichen, so daß bei allen Wegaufnehmern die gleiche Fre­ quenz gemessen wird.

• 2.) (s. Patentanspruch 4) Wenn die Spindel über ein Zahnrad oder einen Zahn- oder Keilriemen angetrieben wird, so bewirkt ein Drehmoment eine radiale und meßbare Verlagerung der Spindel in der Nähe der Antriebsstelle infolge der Spindelbiegung und der Elastizität der Spindellagerung.

Fig. 2 zeigt hierzu als Beispiel die Anordnung einer Werkzeugspindel 1 mit ei­ nem Antriebszahnradpaar 2, 3 unter Belastung mit einem Drehmoment Mt.

Erfindungsgemäß wird mit nur einem berührungslosen Wegaufnehmer 4 die radiale Auffederung der Werkzeug- oder Werkstückspindel am Ort des Spin­ delantriebs gemessen. Da der Wegaufnehmer eine Auflösung von 0,01 µm aufweist, ist die Messung sehr kleiner Drehmomente möglich.

Alternativ kann mit dem in Fig. 2 gezeigten Wegaufnehmer 5 die radiale elasti­ sche Verlagerung des Spindellager-Außenrings gemessen werden, wenn die radiale Aufnahme des Spindellagers an dieser Stelle über etwa 30° des Lager­ umfangs um mindestens 10 µm radial ausgespart wurde und somit ein radiales Federn des Spindellageraußenrings um mindestens 0,05 µm ermöglicht wird (bei einer Auflösung des Wegaufnehmers mit Meßschaltung von 0,01 µm). Je nach Höhe des Drehmoments bzw. der damit einhergehenden Radialkraft kann auf die Aussparung im Bereich der Meßstelle verzichtet werden, wenn schon die Wandung des Spindelgehäuses 8 zwischen der Klemmschraube 7 und dem Außenring des Lagers 6 eine ausreichende Elastizität aufweist.

Die Wegaufnehmer 4 und 5 in Fig. 2 können natürlich ebenso an der Spindel oder am Spindellager des Antriebszahnrades montiert werden. Die Entschei­ dung wird anhand der baulichen Begebenheiten und der Elastizität der Spin­ deln, Lager und Spindelgehäusewandungen getroffen.

• 3.) (s. Patentanspruch 5) Wenn die Werkzeug- oder Werkstückspindel über eine Schrägverzahnung angetrieben wird, so entsteht bei Drehmomenteinlei­ tung eine Axialkraft, welche aufgrund der Elastizität der Spindellagerung, der Spindel oder des schrägverzahnten Antriebszahnrades eine Axialverlagerung zur Folge hat. Fig. 2 zeigt hierzu Wegaufnehmer 9 und 10, welche diese Axial­ verlagerungen messen. Beim Wegaufnehmer 10 ist ein immer etwas vorhan­ dener unrunder Lauf des Zahnrades über einen Tiefpaßfilter wegzuglätten. Die Messung kann natürlich auch am Zahnrad 2 der Antriebsspindel oder an der Antriebsspindel selbst oder an deren Spindellager gemessen werden.
• 4.) (s. Patentanspruch 6) Erfindungsgemäß kann mit einem Wegaufnehmer unabhängig von der Antriebsart auch eine drehmomentproportionale Längen­ änderung oder die axiale Verlagerung eines Endes einer Werkzeug- oder Werkstückspindel gemessen werden, wenn diese Spindel ein Querschnitts­ profil aufweist, welches bei Drehmomentaufbringung eine Längenänderung bewirkt. Dies ist z. B. eine Wendelform, welche entweder in die Spindel einge­ bracht oder mit einer Hülse aufgesetzt bzw. zwischengeflanscht wird. Ein drehmomentbedingtes Verdrillen der Spindel bewirkt zwangsläufig auch eine Längenänderung der Spindel.

Fig. 3 zeigt hierzu beispielhaft eine mit dem Drehmoment Mt belastete Spindel 1 mit wendelförmigen Nuten 2, radialen Überständen 3, 4 zur Abstandsmes­ sung in axialer Richtung mit den Wegaufnehmern 5, 6 und 7.

Von diesen Wegaufnehmern sind entweder nur einer oder maximal 2 pro Spin­ del anzuwenden:

Wenn das in Fig. 3 gezeigt rechte Spindelende in axialer Richtung fest gelagert ist und nur das linke Spindelende eine Axialbewegung ausführen kann, dann ist die Anwendung nur des Wegaufnehmers 5 ausreichend.

Sind jedoch beide Spindelenden in axialer Richtung mit losem Spiel versehen in einer Größenordnung, welche die Meßwertqualität bei Verwendung nur ei­ nes Wegaufnehmers stören würde, so kann der Einfluß dieser Axialverschie­ bung eliminiert werden mit Verwendung von zwei Wegaufnehmern 5 und 6 oder 5 und 7 durch Addition 5 plus 6 oder Subtraktion 5 minus 7 (s. Patentan­ spruch 7).

Allen Verfahren gemein ist die besonders einfache Handhabung bei der Mon­ tage, die Unzerstörbarkeit bei Überlast ohne Einschränkung bzgl. der Verfah­ ren 1.a, 1.b, 3. und 4. Verfahren 2 ist ebenso überlastsicher, wenn nicht die Spindel selbst genutet wird, sondern eine wendelförmige genutete Hülse mit größerer Elastizität als die Spindel aufgesetzt wird. Eine Verringerung der Tor­ sionssteifigkeit der Spindel wird mit diesen Verfahren ebenso vermieden.

Claims (7)

1. Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der auf Werkzeugspindeln, Werkstückspindeln, Werkzeug- oder Werkstückhalter wirkenden Drehmomente, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Ela­ stizität dieser Maschinenteile selbst sich ergebenden drehmomentpropor­ tionalen Verdrillungen, radialen oder axialen elastischen Verlagerungen mit berührungslosen Wegaufnehmern und einer Auswerteschaltung zur hochempfindlichen Erfassung von Abständen und Abstandsänderungen erfaßt werden.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Spindel- oder Werkzeug- bzw. Werkstückhalterverdrillung proportional er Meßwert über die Multiplikation und anschließende Tief­ paßfilterung der Signale zweier berührungsloser Wegaufnehmer gewon­ nen wird, welche an zwei axial versetzten Stellen der Spindel periodische und zur Ausfilterung des statischen Signalanteils und nicht drehmoment­ abhängiger radialer Abstandsänderungen hochpaßgefilterte Signale an gleichmäßig über den Umfang der Spindel verteilten Vertiefungen oder/und Erhöhungen gewinnen.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Spindel- bzw. Werkzeug- oder Werkstückhalterverdrillung proportionaler Meßwert über die Zeitverschiebung der Signale zweier be­ rührungsloser Wegaufnehmer gewonnen wird, welche an zwei axial ver­ setzten Stellen der Spindel periodische und zur Ausfilterung des stati­ schen Signalanteils und nicht drehmomentabhängiger radialer Spindelver­ lagerungen hochpaßgefilterte Signale an gleichmäßig über den Umfang der Spindel verteilten Vertiefungen oder!und Erhöhungen gewinnen.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer nicht achsparallelen Drehmomentübertragung mit einem berührungslosen Wegaufnehmer in der Nähe der Kraftübertragung zwi­ schen Antriebsspindel und Werkzeug- oder Werkstückspindel der auf­ grund der Elastizität der Spindeln und der Spindellagerung drehmoment­ abhängige Abstand in radialer Richtung zu einer dieser Spindeln oder zum Außenring eines Spindellagers gemessen werden.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines Spindelantriebs über eine Schrägverzahnung mit einem berührungslosen Wegaufnehmer die aufgrund der Schrägverzahnung sich ergebende drehmomentproportionale elastische Axialverlagerung der Werkzeug-, Werkstück- oder Antriebsspindel gemessen wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehmomentproportionale Längenänderung einer nicht rotations­ symmetrischen, insbesondere wendelförmig genuteten Spindel, oder ei­ nes ebenso geformten Werkzeug- oder Werkstückhalters oder einer an ihren beiden Enden verdrehfest aufgebrachten, insbesondere wendelför­ mig lamellierten Hülse mit einem berührungslosen Wegaufnehmer ge­ messen wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehmomentproportionale Längenänderung einer nicht rotations­ symmetrischen, insbesondere wendelförmig genuteten Spindel, oder ei­ nes ebenso geformten Werkzeug- oder Werkstückhalters oder einer an ihren beiden Enden verdrehfest aufgebrachten, insbesondere wendelför­ mig lamellierten Hülse zur Kompensation nicht drehmomentproportiona­ ler Axialbewegungen mit 2 berührungslosen Wegaufnehmern und Addi­ tion bzw. Subtraktion deren Wegsignale gewonnen wird.