DE2648192C2 - Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Axialkraft an einer Werkzeugspindel - Google Patents

Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Axialkraft an einer Werkzeugspindel

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DE2648192C2 DE2648192A DE2648192A DE2648192C2 DE 2648192 C2 DE2648192 C2 DE 2648192C2 DE 2648192 A DE2648192 A DE 2648192A DE 2648192 A DE2648192 A DE 2648192A DE 2648192 C2 DE2648192 C2 DE 2648192C2
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Description

stehende Raum macht es erforderlich, die Meßbüchse mit geringster radialer Ausdehnung auszuführen, trotzdem aber die an sich bekannte Anordnung der Dehnungsmeßelemente im Biegebereich vorzunehmen. Die bei diesem Stand der Technik gewählte Lösung setzt jedoch voraus, daß in radiale·· Richtung ein möglichst großer Raum zur Verfügung steht, was offensichtlich nur hinter dem Spindelende, nicht aber zwischen dem Spindellager ur.1 dem Spiralgehäuse der Fall ist. Erst durch den im Patentanspruch I enthaltenen Lösungsgedanken, den die Dehnungsmeßelemente tragenden zylindrischen Ringsteg an einem im Querschnitt mäanderfönnigcn Balg auszubilden, werden die beiden gestellten Forderungen erfüllt, nämlich einerseits die Verlagerung der Meßstelle in einen Biegebereich und andererseits die Ausführung mit geringster radialer Ausdehnung.
Die im nebengeordneten Patentanspruch 2 gegebene Lösung erfüllt ebenfalls die beiden Forderungen der Dehnungsmessung im Biegebereich und der geringstmögiichen radialen Ausdehnung, so daß die Ausführung als Meßbüchse zwischen dem Spindellager ;.nd dem Spindelgehäuse ermöglicht wird. Obwohl die Forderung nach geingstmöglicher radialer Ausdehnung eigentlich einer stirnseitigen Anbringung der Dehnungsmeßelemente entgegensteht, überwindet die Lösung nach Anspruch 2 diese Schwierigkeit durch die besondere Gestaltung des Verformungsringes, wobei die stirnseitige Anbringung der Dehnungsmeßelemente erst durch Ausnehmungen im ringförmigen äußeren Meßbüchsenleil ermöglicht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispiclen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt
Fig.! eine Axialkraft-Meßbüchse für eine Spindellagerung einer Werkzeugmaschine im Längsschnitt,
F i g. 2 in schematischer Darstellungsweise die Schaltung der an der Meßbüchse nach Fig.8 angebrachten Dehnungsmeßstreifen.
F i g. 3 eint Meßbüchse ähnlich der Ausführung nach Fig. I, jedoch ohne Ringmembranen zwischen der Spindellagerhülse und dem äußeren Meßbücli^enteil.
F i g. 4 eine Werkzeugspindellagerung mit einer anderen Axialkraft-Meßbüchse,
Fig. 5 die bei der Spindellagerung nach F i g. 4 verwendete Meöbüchse im Längsschnitt.
F i g. b eine Stirnansicht der Meßbüchse nach F i g. 5. wobei der Schnittverlauf für die Darstellungen nach, den F i g. 4 und 5 mit der Linie IV-IV angedeutet ist.
F i g. 7 in der linken Hälfte einen Schnitt längs der Linie A-A und in der rechten Hälfte einen Schnitt längs der Linie B-3 in F i g. 5 und
(•'ig. 8 in vereinfachter Darstellungsweise die Schallung der bei der Meßbüchse nach den Fig. 4 —7 verwendeten Dehnungsmeßstreifen.
Zwischen einem Spindellager und einer Lagerbohrung im Spindclgehäuse einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Bohrmaschine oder einer Bohreinheit, ist eine Meßbüchse angeordnet, die in Fig. 1 in Einzelheiten dargestellt ist. Die Meßbüchse weist eine im wesentlichen zylindrische, das Spindellager aufnehmende Spindellagcrhülsc 7 auf, die sich an ihren beiden Enden über elastisch verformbare ringförmige Abschnitte 8.4 an einem vorderen, mit einem Flansch 9 versehenen King 10 und ;in einen !linieren Ring 11 abstützt. Die Ringe 10 und Il bilden mit einer äußeren Hülse 12 das \\ul.lcrc MclJbiiclisenteil.
Nahe an den beiden axialen l-.nden tier Spindcllagerhülse 7 ist diese einstückig mit Ringmembranen 14 ausgeführt, die jeweils in einer Radialebene der Spindelach · se liegen. Diese Ringmembranen 14 sowie die Ringe 10 und 11 sind mit der äußeren Hülse 12 mittels Elektronenstrahlschweißung verbunden, in F i g. 1 erkennt man, daß die dabei gebildeten Schweißnähte verhältnismäßig schmal sind und tief in das Material hineinreichen. Statt der Elektronenstrahlschweißung können andere Fügeverfahren angewendet werden, beispielsweise andere
ίο Schweißverfahren, Lötverfahren. Verschrauben, Schrumpfen o. dgl.
Die ringförmigen Abschnitte 8.4 sind jeweils Teil eines im Querschnitt mäanderförmigen Balges S3, der die Spindellagerhülse 7 mit dem Ring 10 bzw. 11 des äußeren Meßbüchsenteils verbindet. Hierbei sind am äußeren Umfang jedes der beiden ringförmigen Abschnitte 8.4 jeweils zwei aktive Dehnungemeßttreifen 15.1,15.2 bzw. 153, 15.4 angebracht, die zu einer Vollbrücke (F i g. 2) geschaltet sind.
Da der Balg 83 an beiden axialen Eivien der Spindellagerhülsc 7 vollständig geschlossen is;, sind hierbei die Hohlräume 18 gegenüber der Umgebung vollständig geschlossen. Da die Anbringung der äußeren Hülse 12 mittels Elektronenstrahlschweißung ohne wesentliche Wärmeentwicklung und ohne sonstige störende Einflüsse erfolgt, können die Dehnungsmeßstreifen 15.1... 15.4 schon vorher aufgebracht werden. Die Zuleitungen können vakuumdicht durch eine Bohrung 11.1 in dem einen Ring 11 hindurchgeführt werden. Nach dem Anschweißen der äußeren Hülse 12 sind die Dehnungsmeßstreifen dann in den Hohlräumen 18 vollständig vakuumdicht untergebracht.
Da die Dehnungsmeßstreifen bei der Meßbüchse nach Fig. 1 im Biegebereich des Verformungskörpers angebracht sind, können dgjnit verhältnismäßig geringe Kräfte erfaßt werden. Aus der in Fig.2 gezeigten Schaltung erkennt man, daß durch die Bohrung 11.1 außer den Leitungen für die Speisespannung unH die Meßleitung noch Leitungen für vier Stützpunkte zur Temperaturkompensation hindurchgeführt werden müsc^n.
F i g. 3 zeigt im Längsschnitt eine Meßbüchse, die sich von der in F i g. 1 gezeigten Meßbüchsc dadurch unterscheidet, daß die Ringmembranen 14 weggelassen sind.
Fig.4 zeigt im Längsschnitt die Spindellagerung einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Bohrmaschine oder einer Bohreinheit. Die das (nicht dargestellte) Werkzeug aufnehmende Spindel 1 ist mittels eines Spindellagers 2, beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Radial-Axial-Kegelrollenlager, in einem Spindelgehäuse 3 gelagert.
Die Spindellagerhülse 7 ist hierbei nur an ihrem einen axialen Ende mit einem Ring 10 und einem Flansch 9 verbunden, die das äußere Meßbüchsenteil bilden. Die verbindenden elasii.chen Stege sind durch Abschnitte eines axial zwischen der Spindellagerhiibe 7 und dem äußeren Meßbüchsenteil 9, 10 angeordneten Verformungsrings 8.1 derart gebildet, daß jeder Ringabschnitt an seinem einen Ende über einen Verbindungssteg 8.2 mit der Spindellagerhülse 7 und an seinem anderen Ende über einen Verbindungssteg 8.3 mit dem äußeren Meßbüchsenteil 9,10 verbunden ist. Wie mr.n aus F i g. 5 erkennt, ist die gesamte Meßbüchse einstückig ausgeführt; der Verformungsring 8.1 und die Stege 8.2, 8.3
(■5 sind zwischen schlit/fo. migcw Ausnehmungen gebildet. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausftihrungsformcn sind die Abschnitte des Verformungsnngcs 8.1 Biegefeder!!, so daß die Dehnungsmeßstreifen
15.1 ... 15.4 auf den Stirnflächen des Verformungsringes 8. 1 angebracht weiden müssen. Aus der Windungsrichtung der Dehnungsmeßstreifen in I" i g. 6 erkennt man. diiBdie Dehnungsmeßstreifen 15.1 und 15.3 aktive Dehnungsmeßstreifen sind. d. h. sie ändern bei einer Verfor- ■-, mung des Verformungsringes 8.1 ihren Widerstand. Die Dehnungsmeßstreifen 15.2 und 15.4 sind passive Dehnungsmeßstreifen, d. h. sie ändern ihren Widerstand bei einer Verformung des Ringes 8.1 nicht. Aus F i g. 6 erkennt man auch, daß in dem Ring 10 Ausnehmungen 10.1 vorgesehen sind, damit die Dehnungsmeßstreifen auf dem Verformungsring 8.1 angebracht werden kön nen.
Aus F i g. 7 erkennt man. daß die die einzelnen Biegestege bildenden Abschnitte des Verformungsringes 8.1 π jeweils von einem Verbindungssteg 8.2 über einen Umfang von 45° bis zu einem Verbindungssteg 8.3 reichen. Die in F i g. 8 gezeigte Schaltung der Dehnungsmeßstrcifcnbrücke ist eine Halbbrücke, weil die Dehnungsmeßstreifen 15.2 und 15.4 passiv sind. In die Brücke ist :o zusätzlich noch ein temperaturabhangiger Widerstand 15.5 zur Temperaturkompensation geschaltet, der an einer Stelle der Meßbüchse angebracht wird, die im allgemeinen keiner mechanischen Dehnung ausgesetzt ist, an der aber ein zeitabhängiger Temperaturverlauf herrscht, der zur Temperaturkompensation im gewünschten Maße herangezogen werden kann. Zur Einstellung der Temperaturkompensation ist dem Widerstand 15.5 ein verstellbarer Widerstand 16 parallclgeschaltet. jo
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
40
30
55
60

Claims (2)

1 2 kraft Aufschluß über die Axialkomponente der an der Patentansprüche: Schneide auftretenden Zerspankraft. Ein Anstieg der Axialkraft stellt beispielsweise einen Hinweis auf zuneh-
1. Vorrichtung zur Messung und/oder Überwa- menden Verschleiß dar. insbesondere an der Hauptchung der Axialkraft an einer Werkzeugspindel, die 5 schneide. Darüber hinaus stellt die Axialkraft aber eine mittels mindestens eines Spindellagers in einem für den Bearbeitungsvorgang kennzeichnende Größe Spindelgehäuse einer Werkzeugmaschine gelagert dar, so daß während des Bearbeitungsvorgangs gcwonist, mit einer zwischen dem Spindellager und dem nene Informationen über die Axialkraft in sogenannten Spindelgehäuse angeordneten Meßbüchse, die eine AC (Adaptive Control) — Systemen zur Optimierung äußere Hülse und eine im wesentlichen zylindrische, to der Bearbeitungsbedingungen herangezogen werden, das Spindellager aufnehmende Spindellagerhülse Die vorliegende Erfindung findet in erster Linie Anaufweist, die sich an mindestens einem axialen Ende Wendung zur Vorschubkraftmessung bei spanenden Beüber mindestens einen elastisch verformbaren, Deh- arbeitungsverfahren, bei denen der Vorschub in Richnungsmeßelemente tragenden zylindrischen Ring- tung der Spindelachse erfolgt, z. B. beim Bohren, Reiben steg an einem mit dem Spindelgehäuse verbundenen 15 mit kegeligen Werkzeugen, Senken. Weitere Anwenäußeren Meßbüchsenteil abstützt, dadurch ge- dungsgebiete sind aber auch andere Bearbeitungsverkennzeichnet, daß der verformbare zylindri- fahren, bei denen der Verlauf der Axialkraft eine für den sehe Ringsteg durch einen ringförmigen Abschnitt Bearbeitungsvorgang kennzeichnende Aussage liefen.
(8.4) eines im Querschnitt mäanderförmigen Balges Bei einer bekannten Vorrichtung (Aufsatz »Drch-
(8.5) gebildet wird, der die Spindellagerhülse (7) mit 20 üLertragungsfreier Axialkraftscnsor für Bohrmasehidem äußeren Meßbüchsenteil (10,11) verbindet. nenspindeln« in DE-Z. Industrie-Anzeiger 96. Jg. Nr. 28.
2. Vorrichtung zur Messung und/oder Überwa- S. 617) sind die Dehnungsmeßelemente an dünnwandichung der Axialkraft an einer Werkzeugspindel, die gen Hohlzylindern angebracht. Diese Hohlzylinder wermiitels mindestens eines Spindellagers in einem den nur auf Zug und Druck beansprucht, nicht jedoch Spindelgehäuse einer Werkzeugmaschine gelagert 25 auf Biegung. Sie stellen daher auch bei dünnwandiger ist, mit einer zwischen dem Spindellager und dem Ausführung verhältnismäßig steife Federn dar, mit dc-Spindelgehäuse angeordneten Meßbüchse, die eine nen nur größere Axiaikräfte mit ausreichender Genauäußere Hülse und eine im wesentlichen zylindrische, igkeit zu erfassen sind.
das Spindellager aufnehmende Spindellagerhülse Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung
aufweist, die sich an mindestens einem axialen Ende 30 der eingangs genannten Gattung zu schaffen die es er-
über mindestens einen elastisch verformbaren, Deh- möglicht, bei Ausführung mit geringstmöglicher radia-
nungsmeßelemente tr,~.gende" Ringsteg an einem ler Ausdehnung auch schon geringe Axialkräfte zu cr-
mit dem Spindelgehäi'se verbundenen äußeren fassen, um einen verbesserten Schutz der Werkzeuge,
Meßbüchsenteil abstützt, Jadu" :h gekennzeichnet, des Werkstücks und der Werkzeugmaschine zu errei-
daß der verformbare Ringsteg durch einen axial zwi- 35 chen.
sehen der Spindellagerhülse (7) und dem äußeren Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch er-
Meßbüchsenteil (10) angeordneten Verformungs- reicht, daß der verformbare zylindrische Ringsteg durch
ring (8.1) derart gebildet wird, daß jeder Ringab- einen ringförmigen Abschnitt eines im Querschnitt mä-
schniu an seinem einen Ende über einen Verbin- anderförmigen Balges gebildet wird, ucr die Spindella-
dungsstcg (8.2) mit der Spindellagcrhülsc (7) und an 40 gerhülse mit dem äußeren Meßbüchsenteil verbindet, seinem anderen Ende über einen Verbindungssteg Da die Dehnungsmeßclcmcntc im Biegebereich des
(8J) mit dem äußeren Mcßbüchscnteil (10) vcrbun- Verformungskörpers angebracht sind, lassen sich be-
den ist. daß der Verformungsring (8.1) stirnseitig die reils geringe Axialkräftc erfassen, so daß Sieucrungs-
Dehnungsmeßelementc (15.1 ... 15.4) trägt und daß eingriffe möglich sind, sobald ein vorgegebener, vcrhält-
in einem ringförmigen äußeren Meßbüchsenteil (10) 45 nismäßig geringer Wert einer Axialkraftänderung cr-
Ausnehmungen (10.1) gegenüber den Dehnungs- reicht wird. Die Dehnungsmeßelemente, insbesondere
meßelementen(15.1... 15.4) vorgesehen sind. Dehnungsmeßstreifen, können bei der erfindungsgema-
ßen Anbringung in einem vollständig geschlossenen
Hohlraum untergebracht werden, wo sie von Umgc-
50 bungseinflüssen vollständig abgeschirmt sind.
Es ist zwar eine Vorrichtung bekannt (DE-OS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung 21 05 784), bei der Dehnungsmeßclemenic im Biegebe- und/oder Überwachung der Axialkraft an einer Werk- reich einer Membran als Verformungskörper ange- zeugspindel, die mittels mindestens eines Spindellagers bracht sind. Damit wird zwar auch die Aufgabe gelöst, in einem Spindelgehäuse einer Werkzeugmaschine ge- 55 eine höhere Meßempfindlichkeit als bei der Anordnung lagert ist, mit einer zwischen dem Spindellager und dem der Dehnungsmeßelemente auf einem nur auf Zug oder Spindelgehäuse angeordneten Meßbüchse, die eine au- Druck beanspruchten Bauteil zu erreichen. Hierbei isi ßerc Hülse und eine im wesentlichen zylindrische, das jedoch keine Meßbüchse zwischen dem Spindellager Spindellager aufnehmende Spindcllagcrhülse aufweist, und dem Spindclgehätisc angeordnet. Statt dessen ist die sich iin mindestens einem axialen linde über minile- nn siirnscilig an einem Gehäuse eine flaehe MeUuW- aiij:esleiis einen elastisch verformbaren. Dchmingsmcßclc- ordnet, die die Dehnungsmeßstreifen nicht auf einem mcnle tragenden zylindrischen Ringstcg an einem mit zylindrischen Ringsteg, sondern auf einer ebenen Platte dem Spindclgchäuse verbundenen äußeren Meßbuch- oder Membran trägt. Diese Lösung, die sich aus dieser senteil abstützt. DE-OS ergibt, ist aber nicht geeignet, bei cner gat Die Messung und/oder Überwachung der auf eine hi tungsgemäßen Vorrichtung eingesct/t zu werden. Die Wcrkzciigspindel einer Werkzeugmaschine einwirken- gattungsgemäße Vorrichtung geht nämlich von der Anden Axialkraft ist für viele Anwcndungsfällc wichtig. Bei Ordnung einer Mcßbiich.sc zwischen dem Spindellager der spanende! Bearbeitung gibt der Verlauf der Axial- und dem Spindclgchause aus. Der dort zur Verfugung
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