CH714683B1 - Vorrichtung für die Auflagenkontrolle eines Werkstücks oder Werkzeugs auf einer Spindel einer Werkzeugmaschine. - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung für die Auflagenkontrolle eines Werkstücks (1) oder Werkzeugs auf einer Spindel (2) einer Werkzeugmaschine weist eine Auflagefläche (3) für das Werkstück (1) oder Werkzeug auf. Im Bereich der Auflagefläche (3) ist mindestens eine Messdüse (4) angeordnet, um einen von der Auflagefläche (3) weg gerichteten Fluidstrom zu erzeugen. Der Fluidstrom wird stromaufwärts von der Messdüse (4) durch eine Vakuumdüse geleitet, die eine Strahldüse (7c) und eine Fangdüse (7b) umfassen kann. Die Vakuumdüse erzeugt bei Durchströmung mit dem fluiden Medium einen Unterdruck in einem Unterdruckraum (9c). Ein Drucksensor oder Druckschalter erfasst einen Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c).

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auflagenkontrolle auf einer Spindel einer Werkzeugmaschine sowie ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Anwesenheit und Lage eines Werkstücks oder Werkzeugs.

STAND DER TECHNIK

[0002] Auflagenkontrollvorrichtungen werden an Werkzeugmaschinen dazu eingesetzt, die Anwesenheit und Lage eines Werkstücks auf einer Spanneinrichtung zu erfassen.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Auflagenkontrollvorrichtungen bekannt, die auf dem Prinzip der pneumatischen Längenmessung basieren. Dieses Messprinzip wird ausführlich in der Norm DIN 2271 (12.2016) beschrieben. Eine wichtige Klasse von pneumatischen Auflagenkontrollvorrichtungen basiert auf dem Prinzip der Staudruckmessung. Einer Messdüse wird ein Fluid zugeführt. Wenn ein Werkstück den Auslass der Messdüse überdeckt, verändert sich der Staudruck in der Messdüse. Diese Änderung wird gemessen. Pneumatische Auflagekontrollvorrichtungen, die auf diesem Messprinzip basieren, sind von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich. Typische Abfragedistanzen sind 0.02 bis 0.2 mm.

[0004] Auch in der Patentliteratur finden sich Beispiele für pneumatische Auflagenkontrollvorrichtungen. So offenbart DE 10 2005 002 448 A1 eine Kontrollvorrichtung zur Kontrolle der Lage eines Werkstücks vor einer Ausströmöffnung der Kontrollvorrichtung, wobei eine Fluidquelle Druckluft unter einem Vordruck über ein Blendenelement der Ausströmöffnung zuführt. Ein Differenzdrucksensor misst den Druckabfall über dem Blendenelement, d.h. den Differenzdruck zwischen dem von der Quelle gelieferten Vordruck und dem sich an der Ausströmöffnung einstellenden Staudruck. Änderungen dieses Differenzdrucks werden zur Lagebestimmung herangezogen.

[0005] Weitere Beispiele für pneumatische Auflagenkontrollvorrichtungen sind in DE 102 39 079 A1, DE 101 55 135 A1, EP 1 537 946 A1, EP 0794 035 A1, US 5,540,082, DE 10 012 216 073 A1 und WO 2012/160204 A1 offenbart.

[0006] Im Stand der Technik wurden auch andere Messprinzipien für die Auflagenkontrolle vorgeschlagen. So offenbart EP 3 085 490 A2 eine Auflagenkontrollvorrichtung, die Ultraschallmessungen einsetzt. DE 10 2014 112 116 A1 offenbart eine Auflagenkontrollvorrichtung, die als Sensor einen Mikrowellenresonator einsetzt.

[0007] Eine präzise Auflagenkontrolle ist insbesondere bei Verzahnmaschinen von grosser Bedeutung. Die Mitnahme des Werkstücks erfolgt in einer Verzahnmaschine meist durch einen Reibschluss mit der Spanneinrichtung, während das Werkstück mit einer Planseite auf einer planen Gegenfläche der Spanneinrichtung aufliegt. Kleine Späne, Schleifschlamm und andere Verunreinigungen können eine planparallele Auflage des Werkstücks auf der Gegenfläche behindern, so dass das Werkstück schief gespannt wird. Dies verschlechtert zum einen die Bearbeitungsgenauigkeit und führt zu erhöhtem Ausschuss. Zum anderen kann eine schiefe Aufspannung des Werkstücks auch einen verschlechterten Reibschluss bewirken, so dass unter Umständen keine sichere Mitnahme des Werkstücks mehr gewährleistet ist. Auch ist es wichtig, Werkstücke zu erkennen, deren Planseite fehlerhaft bearbeitet oder beschädigt wurde. Das führt zu sehr hohen Genauigkeitsanforderungen an die Auflagenkontrolle. Schon Schieflagen von wenigen Mikrometern sollten detektierbar sein. Existierende Auflagenkontrollvorrichtungen weisen hierfür oft eine ungenügende Genauigkeit auf. Eine hohe Genauigkeit ist auch bei der Auflagenkontrolle eines Werkzeugs wichtig.

[0008] Bei Verzahnmaschinen erfolgt der Werkstückwechsel in der Regel automatisiert in wenigen Sekunden. Die Auflagenkontrolle muss deshalb sehr schnell, in Bruchteilen der Wechselzeit, ausgeführt werden. Zur Erzielung kurzer Messzeiten ist es erwünscht, die Auflagenkontrollvorrichtung direkt auf der drehbaren Spindel anzuordnen. Hierfür sind existierende Auflagenkontrollvorrichtungen aber häufig nicht geeignet.

[0009] DE 100 17 556 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Einstellen eines in einer Venturidüse erzeugten Unterdrucks. Dazu wird im Austrittsbereich des Fluids hinter der Venturidüse eine Stauplatte angeordnet. Diese ist durch eine Verstelleinheit axial verschiebbar. Durch lineare Verschiebung der Stauplatte mit Hilfe der Verstelleinheit kann der von der Venturidüse erzeugte Unterdruck gezielt verändert werden. Dieses Dokument befasst sich nicht mit einer Auflagenkontrolle, sondern mit der gezielten Erzeugung eines einstellbaren Unterdrucks.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0010] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Auflagenkontrolle eines Werkstücks oder eines Werkzeugs in einer Werkzeugmaschine anzugeben, die eine hohe Genauigkeit ermöglicht und dennoch kompakt und kostengünstig realisierbar ist.

[0011] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Auflagenkontrolle nach Anspruch 1.

[0012] Es wird also eine Vorrichtung zur Auflagenkontrolle eines Werkstücks oder Werkzeugs auf einer Spindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Verzahnmaschine, mittels eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist auf: eine Auflagefläche für das Werkstück oder Werkzeug; mindestens eine Messdüse, die im Bereich der Auflagefläche angeordnet ist, um einen von der Auflagefläche weg gerichteten Fluidstrom zu erzeugen; ) eine stromaufwärts von der Messdüse angeordnete Vakuumdüse, welche dazu ausgebildet ist, bei Durchströmung mit dem fluiden Medium einen Unterdruck in einem Unterdruckraum zu erzeugen; und mindestens einen ersten Drucksensor oder Druckschalter, der dazu ausgebildet ist, einen Messdruck im Unterdruckraum zu erfassen.

[0013] Der Drucksensor oder Druckschalter ist also derart ausgebildet und angeordnet, dass er den Messdruck im Unterdruckraum erfasst. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird gegenüber bekannten Vorrichtungen das Messfenster, d.h. die Spanne, um die sich der Messdruck aufgrund der An- oder Abwesenheit des Werkstücks bzw. Werkzeugs maximal ändern kann, massiv vergrössert. Wenn die Messdüse vollständig verschlossen ist, entspricht der Messdruck im Wesentlichen dem (positiven) Speisedruck, der der Vakuumdüse zugeführt wird. Wenn die Messdüse dagegen vollständig freigegeben ist, kann der Messdruck deutlich negative Werte annehmen. Die maximale Änderung des Messdrucks ist damit betragsmässig grösser als der Speisedruck. Bei bekannten Vorrichtungen werden dagegen immer nur Druckwerte desselben Vorzeichens erzeugt. Die maximale Druckänderung, die dadurch erfasst werden kann, ist immer nur ein Bruchteil des Speisedrucks.

[0014] Aufgrund des wesentlich vergrösserten Messfensters der erfindungsgemässen Vorrichtung führen schon kleine Änderungen des Abstands zwischen Auflagefläche und Werkzeug bzw. Werkstück zu verhältnismässig grossen Änderungen des Messdrucks. Dadurch können auch sehr kleine Abstände genau und reproduzierbar erfasst werden. Die vorliegende Erfindung stellt also eine pneumatische Signalverstärkung zur Verfügung, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Auflagenkontrolle bzw. Abstandsmessung zu erhöhen.

[0015] Unter dem Begriff „Auflagenkontrolle“ wird im vorliegenden Kontext ein Verfahren zur Lageermittlung des Werkstücks bzw. Werkzeugs relativ zur Auflagefläche verstanden. Das Ergebnis des Verfahrens kann beispielsweise ein kontinuierlicher Messwert (z.B. ein Abstandswert) oder ein binärer Wert (z.B. „Auflage genügend“ vs. „Auflage ungenügend“) sein.

[0016] Unter dem Begriff „Vakuumdüse“ wird im vorliegenden Kontext eine Vorrichtung verstanden, die einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweist, wobei ein Fluidstrom, der durch den Fluideingang in die Vorrichtung eintritt, auf seinem Weg zum Fluidausgang durch eine Engstelle geführt wird, so dass er beschleunigt wird. Dadurch entsteht im Bereich der Engstelle und/oder stromabwärts von der Engstelle ein Unterdruck. Dieser Unterdruck wird gemessen. Dazu kann die Vakuumdüse einen Unterdruckanschluss aufweisen, und mit dem Unterdruckanschluss kann ein separater Unterdruckraum verbunden sein, an dem wiederum der erste Drucksensor angeordnet ist. Der Unterdruckraum kann jedoch auch ein integraler Teil der Vakuumdüse sein, und der erste Drucksensor kann insofern auch unmittelbar an der Vakuumdüse angeordnet sein, ohne dass es eines separaten Unterdruckanschlusses bedarf.

[0017] Der Unterdruckraum hat vorzugsweise keine weitere Verbindung zum Aussenraum. Er kann deshalb auch keine Aussenluft mit Verunreinigungen ansaugen. Die Vorrichtung kann dadurch insbesondere sowohl mit ölfreier als auch ölhaltiger Druckluft betrieben werden.

[0018] Eine Vakuumdüse kann insbesondere als einfache Venturidüse oder Lavaldüse ausgebildet sein. Es sind aber auch komplexere Bauformen möglich, insbesondere zwei- oder mehrstufige Bauformen. Insbesondere kann die Vakuumdüse eine Strahldüse mit einer Engstelle aufweisen, welche den Fluidstrom beschleunigt. Stromabwärts von der Strahldüse kann eine separate Fangdüse angeordnet sein, die sich allmählich wieder aufweitet, um den Fluidstrom wieder zu verlangsamen. Der Unterdruckraum kann dann als Kammer zwischen der Strahldüse und der Fangdüse ausgebildet sein bzw. mit einem Bereich zwischen Strahldüse und Fangdüse kommunizieren. In der Vakuumdüse kann ein Fluidstrom bis auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Es kann so ein Unterdruck bis z.B. ca. -0.9 bar gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt werden.

[0019] Vakuumdüsen werden auch gelegentlich als Vakuumsaugdüsen oder Vakuumejektoren bezeichnet. Vakuumdüsen sind kostengünstig in verschiedenen Ausführungen erhältlich.

[0020] Unter dem Begriff „Drucksensor“ wird im vorliegenden Kontext eine beliebige Vorrichtung verstanden, die die Messgrösse Druck in ein analoges oder digitales elektrisches Signal umwandelt. Es gibt verschiedene Messprinzipien für Drucksensoren. Ein bekanntes Messprinzip setzt z.B. einen Dehnungsmessstreifen ein, der an einer verformbaren Membran angeordnet ist. Durch Druckänderungen verformt sich die Membran. Diese Verformung wird durch den Dehnungsmessstreifen registriert. Ein anderes Messprinzip nutzt den piezoelektrischen Effekt. Dem Fachmann ist eine Vielzahl verschiedener Drucksensoren bekannt, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Drucksensor beschränkt. Beim Drucksensor kann es sich insbesondere um einen Absolutdrucksensor handeln, oder es kann sich um einen Differenzdrucksensor handeln, der den Messdruck relativ zu einem beliebigen Bezugsdruck ermittelt. Der Bezugsdruck kann z.B. der Umgebungsdruck oder der Speisedruck am Eingang der Vakuumdüse sein.

[0021] Unter einem „Druckschalter“ wird im vorliegenden Kontext eine Vorrichtung verstanden, die abhängig vom Druck einen Kontakt öffnet oder schliesst.

[0022] Im vorliegenden Kontext werden alle Druckwerte auf den Umgebungsdruck bezogen, d.h. Druckwerte, die kleiner als der Umgebungsdruck sind, erhalten ein negatives Vorzeichen. Diese Definition wird im vorliegenden Kontext unabhängig von der Art und Weise verwendet, wie die Druckwerte ermittelt werden.

[0023] Der Begriff „Messdüse“ ist im vorliegenden Kontext breit zu verstehen. Die Messdüse kann beliebige Formen annehmen. Sie weist eine Öffnung auf, die dazu führt, dass der Fluidstrom von der Auflagefläche weg strömt, wenn er aus der Messdüse austritt. Bevorzugt tritt der Fluidstrom senkrecht zur Auflagefläche aus der Messdüse aus.

[0024] Um Druckwerte über das gesamte Messfenster hinweg bestimmen zu können, ist der erste Drucksensor vorteilhaft dazu ausgebildet, sowohl positive als auch negative Werte für den Messdruck im Unterdruckraum zu erfassen. Um das gesamte Messfenster auch tatsächlich zu nutzen, ist die Vorrichtung bevorzugt derart dimensioniert, dass der Messdruck im Unterdruckraum bei Abwesenheit eines Werkstücks oder Werkzeugs an der Auflagefläche tatsächlich einen negativen Wert annimmt, wenn die Vorrichtung bestimmungsgemäss betrieben wird, d.h., wenn der Vakuumdüse das Fluid mit dem vorgesehenen Speisedruck zugeführt wird. Insbesondere sind die Abmessungen der Messdüsen und der Leitungen zwischen Vakuumdüse und Messdüse sowie die Konstruktion der Vakuumdüse in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt. Der vorgesehene Speisedruck liegt dabei vorzugsweise unterhalb von 2 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 0.8 bar bis 1.6 bar.

[0025] Die Auflagenkontrollvorrichtung kann einen Druckregler aufweisen, um einen vorbestimmten Speisedruck stromaufwärts von der Vakuumdüse zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auflagenkontrollvorrichtung einen zweiten Drucksensor aufweisen, um den Speisedruck stromaufwärts von der Vakuumdüse zu ermitteln.

[0026] Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Steuerung aufweisen. Die Steuerung ist dann dazu ausgebildet, vom ersten Drucksensor oder Druckschalter ein Signal zu empfangen, welches vom Messdruck abhängt, und eine Lage des Werkstücks oder Werkzeugs unter Berücksichtigung des empfangenen Signals zu ermitteln. Das Signal kann insbesondere ein Messsignal sein, das quasi kontinuierlich vom Messdruck abhängt; es kann aber auch ein einfaches binäres Signal sein, das anzeigt, das eine bestimmte Druckschwelle unter- oder überschritten wurde.

[0027] Die Steuerung kann ausserdem dazu ausgebildet sein, bei der Ermittlung der Lage des Werkstücks oder Werkzeugs den Speisedruck stromaufwärts von der Vakuumdüse einzubeziehen. Dazu kann die Steuerung Signale von dem schon erwähnten zweiten Drucksensor empfangen. Es ist aber auch denkbar, dass der Speisedruck durch einen Druckregler fixiert ist und der entsprechende Druck auf andere Weise als durch einen Drucksensor in die Steuerung eingegeben wird.

[0028] Die Messdüse kann derart im Bereich der Auflagefläche angeordnet sein, dass ein Werkstück oder Werkzeug bei exakt planparalleler Auflage auf der Auflagefläche die Messdüse vollständig verschliesst. Bei planparalleler Auflage entspricht der Messdruck dadurch im Wesentlichen dem Speisedruck. Auf diese Weise wird das volle Messfenster ausgenutzt.

[0029] Alternativ oder zusätzlich kann eine Messdüse aber auch derart im Bereich der Auflagefläche angeordnet sein, dass ein Werkstück oder Werkzeug bei exakt planparalleler Auflage auf der Auflagefläche in einem definierten Abstand von der Messdüse angeordnet ist, so dass das Werkstück oder Werkzeug die Messdüse nicht vollständig verschliesst. Selbst bei exakt planparalleler Auflage wird dann eine gewisse Menge Fluid durch die Vakuumdüse strömen, und der Messdruck wird folglich selbst bei exakt planparalleler Auflage kleiner als der Speisedruck sein. Auf diese Weise wird zwar nicht das volle Messfenster ausgenutzt. Dafür kann die Vorrichtung aber z.B. in einem Bereich betrieben werden, in dem die Vorrichtung maximal auf Abstandsänderungen empfindlich ist, d.h. in einem Bereich, in dem die Kennlinie, die die Abhängigkeit des Drucks vom Abstand beschreibt, am steilsten ist.

[0030] Die Vakuumdüse und die Messdüse können sehr kompakt ausgebildet sein. Dadurch können sie an einem drehbaren Teil der Spindel angeordnet werden. Die Messleitung zwischen Vakuumdüse und Messdüse kann dadurch sehr kurz ausgebildet werden. Dies verbessert das Ansprechverhalten der Vorrichtung und ermöglicht kurze Messzeiten.

[0031] Die Vorrichtung kann insbesondere eine kompakte Funktionseinheit aufweisen, die ein Gehäuse umfasst, in dem mindestens die Vakuumdüse angeordnet ist. Optional kann auch die Messdüse Teil der Funktionseinheit sein. Die Funktionseinheit kann eine Patrone bilden, die in einer Bohrung an einem drehbaren Teil der Spindel angeordnet ist, insbesondere entgegen der Strömungsrichtung in eine solche Bohrung eingesetzt, z.B. eingeschoben oder eingeschraubt ist. Die Bohrung verläuft in diesem Fall vorzugsweise parallel zur Spindelachse.

[0032] Um die Signalübertragung zur Steuerung zu erleichtern, kann der erste Drucksensor oder Druckschalter und/oder der zweite Drucksensor eine Einrichtung zur kabellosen Signalübertragung umfassen. Dabei kann es sich insbesondere um einen passiven RFID-Transponder handeln.

[0033] Um die Reinigung der Vorrichtung zu erleichtern, kann die Vorrichtung einen zusätzlichen Druckluftanschluss zum Ausblasen mindestens der Vakuumdüse und der Messdüse aufweisen. Um zu verhindern, dass die Druckluft durch den Fluideingang der Vorrichtung wieder austritt, kann am Fluideingang der Vorrichtung ein Rückschlagventil angeordnet sein, welches schliesst, wenn der Druck am zusätzlichen Druckluftanschluss den Speisedruck am Fluideingang übersteigt. Ebenso kann am zusätzlichen Druckluftanschluss ein Rückschlagventil angeordnet sein, welches verhindert, dass im Normalbetrieb das Fluid durch den zusätzlichen Druckluftanschluss entweicht.

[0034] Die Vorrichtung kann mindestens eine weitere Vakuumdüse aufweisen, wobei die Vorrichtung für eine der folgenden Aufgaben unter Einsatz der weiteren Vakuumdüse ausgebildet ist: Messung eines Abstands zwischen zwei Maschinenelementen; Messung eines Staudrucks; Messung einer Durchflussmenge; Regelung einer bzw. der Durchflussmenge; Regelung eines Drucks.

[0035] Die Erfindung stellt ausserdem ein Verfahren zur Auflagenkontrolle eines Werkstücks oder Werkzeugs auf einer Spindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Verzahnmaschine, mittels eines fluiden Mediums zur Verfügung. Die Spindel weist eine Auflagefläche für das Werkstück oder Werkzeug auf. Das Verfahren umfasst: Erzeugen eines von der Auflagefläche weg gerichteten Fluidstroms durch mindestens eine Messdüse, wobei der Fluidstrom stromaufwärts von der Messdüse durch eine Vakuumdüse geleitet wird, welche dazu ausgebildet ist, bei Durchströmung mit dem fluiden Medium einen Unterdruck in einem Unterdruckraum zu erzeugen; Erfassen eines Messdrucks im Unterdruckraum; und Ermitteln einer Lage des Werkstücks oder Werkzeugs relativ zur Auflagefläche unter Berücksichtigung des Messdrucks.

[0036] Das Verfahren wird vorzugsweise so geführt, dass der Messdruck im Unterdruckraum bei Abwesenheit eines Werkstücks oder Werkzeugs an der Auflagefläche einen negativen Wert annimmt.

[0037] Wie schon erläutert, kann das Verfahren mittels einer Steuerung ausgeführt werden, wobei die Steuerung ein Signal empfängt, das durch den Messdruck beeinflusst ist, und wobei die Steuerung die Lage des Werkstücks oder Werkzeugs unter Berücksichtigung des empfangenen Signals ermittelt. Die Steuerung kann optional ausserdem einen Speisedruck stromaufwärts von der Vakuumdüse erfassen und die Lage des Werkstücks oder Werkzeugs unter zusätzlicher Berücksichtigung des Speisedrucks ermitteln.

[0038] Das Signal, das durch den Messdruck beeinflusst ist, kann vorteilhaft kabellos an die Steuerung übertragen werden. Dasselbe gilt auch für das Signal für den Speisedruck. Insbesondere kann das jeweilige Signal mit einem passiven RFID-Transponder übertragen werden.

[0039] Das Verfahren kann ausserdem das Ausblasen der Vakuumdüse und der Messdüse mittels eines Fluids, das durch einen zusätzlichen Druckluftanschluss zugeführt wird, umfassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0040] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Spanneinrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad und mit einer Vorrichtung zur Auflagenkontrolle in einer Vorderansicht; im Ausschnitt A sind die Spanneinrichtung und das Zahnrad in einem zentralen Längsschnitt dargestellt; Fig. 1a eine vergrösserte Ansicht des Ausschnittes A; Fig. 2 eine beispielhafte Darstellung der Abhängigkeit des gemessenen Drucks von der Abfragedistanz b bei einer Auflagenkontrolle gemäss dem Stand der Technik; Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung der Abhängigkeit des gemessenen Drucks von der Abfragedistanz b bei einer erfindungsgemässen Auflagenkontrolle; Fig. 4 eine symbolische Darstellung einer erfindungsgemässen Auflagenkontrolle gemäss einer ersten Ausführungsform; Fig. 5 eine symbolische Darstellung einer erfindungsgemässen Auflagenkontrolle gemäss einer zweiten Ausführungsform; Fig. 6 eine symbolische Darstellung einer erfindungsgemässen Auflagenkontrolle gemäss einer dritten Ausführungsform; Fig. 7 eine symbolische Darstellung einer erfindungsgemässen Auflagenkontrolle gemäss einer vierten Ausführungsform; Fig. 8 einen zentralen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Auflagenkontrolle, die nach dem Prinzip der Figur 5 arbeitet; Fig. 9 eine schematische Darstellung mit erfindungsgemässen Auflagenkontrollen für ein Werkstück und ein Werkzeug an einer Verzahnmaschine ; Fig. 10 eine Detailansicht einer Werkstückspindel mit einem Ausbruch B; Fig. 10a eine vergrösserte Detailansicht des Ausbruchs B in der Fig. 10; Fig. 11 eine Detailansicht einer Werkstückspindel mit einem Ausbruch C; Fig. 11a eine vergrösserte Detailansicht des Ausbruchs C in der Fig. 11; Fig. 12 eine Detailansicht einer Schleifspindel mit einem Ausbruch D; und Fig. 12a eine vergrösserte Detailansicht des Ausbruchs D in der Fig. 12.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0041] In den Zeichnungen werden für gleiche bzw. gleichartige Flächen, Drücke, Funktionselemente oder weitere Elemente übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.

Funktionsprinzip

[0042] Die Figuren 1 und 1a zeigen ein Werkstück 1 in Form eines Zahnrads, welches auf eine automatisierte Werkstückspanneinrichtung 2 aufgelegt wurde. Das Zahnrad 1 besitzt an seiner in der Fig. 1unten liegenden Stirnseite eine plane Stirnfläche. Das Zahnrad 1 liegt mit dieser Stirnfläche auf einer Auflagefläche 3 der Spanneinrichtung 2 auf. Die Auflagefläche 3 dient als Referenzfläche für die Lage des Werkstücks 1. Zwischen der Auflagefläche 3 und der Stirnfläche des Werkstücks ist ein Messspalt b ausgebildet. In der Auflagefläche 3 sind eine oder mehrere, bevorzugt drei, Messdüsen 4 ausgebildet. Die Messdüsen 4 werden über einen schematisch dargestellten Druckluftanschluss 10a mit Druckluft mit einem Speisedruck p1 beaufschlagt.

[0043] Für eine solche pneumatische Anordnung wird im Stand der Technik meist direkt oder indirekt der Staudruck in der Messdüse bestimmt, der dadurch entsteht, dass das Werkstück das Ausströmen der Druckluft aus der Messdüse behindert. Die Figur 2 illustriert beispielhaft die Abhängigkeit des gemessenen Drucks p2 in der Messdüse von der Grösse des Messspalts b. Der gemessene Druck ist eine Funktion der Grösse des Speisedrucks und des Messspalts: p2 = f(p1, b). Wenn der Messspalt sehr gross ist (im vorliegenden Beispiel z.B. b > 1 mm), wird das Ausströmen der Druckluft aus der Messdüse durch das Werkstück nicht nennenswert behindert. Der durch das Werkstück verursachte Staudruck ist vernachlässigbar klein, und der gemessene Druck p2 in der Messdüse entspricht einem Grenzwert pmin. Wenn dagegen das Werkstück die Messdüse vollständig verschliesst (b = 0), dann wird der Staudruck maximal, und der gemessene Druck p2 in der Messdüse entspricht dem Speisedruck p1.

[0044] Statt den Absolutdruck p2 zu messen, kann auch der Differenzdruck Δp = p1 - p2 gemessen werden, der somit ebenfalls eine Funktion des Speisedrucks p1 und des Messspalts b darstellt. Der Differenzdruck Δp wird maximal, wenn das Werkstück das Ausströmen der Druckluft aus der Messdüse nicht behindert: Δpmax = p1 - pmin. Er wird Null, wenn das Werkstück die Messdüse vollständig verschliesst. Der maximale Differenzdruck Δpmax entspricht der maximalen Druckänderung durch die Anwesenheit des Werkstücks. Er definiert die Grösse des zur Verfügung stehenden Messfensters. Im Beispiel der Figur 2 beträgt der maximale Differenzdruck Δpmax ≈ 0.5 bar, bei einem Speisedruck p2 = 1.6 bar.

[0045] In der Praxis zeigt sich, dass der maximale Differenzdruck Δpmax oft nur schwach vom Speisedruck abhängt. So zeigt sich, dass z.B. bei einem Speisedruck von p1 = 0.8 bar im Beispiel der Fig. 2 die maximale Druckdifferenz ebenfalls ca. 0.5 bar beträgt. Bei dem Messprinzip gemäss dem Stand der Technik beträgt im vorliegenden Beispiel die Grösse des Messfensters also in diesem Beispiel immer ca. 0.5 bar, im Wesentlichen unabhängig von der Grösse des Speisedrucks.

[0046] Wenn dieses Messfenster vergrössert werden soll, so kann dies nur mit einem massiv höheren Speisedruck und/oder einem höheren Durchfluss erreicht werden. Allerdings würden durch einen höheren Speisedruck kleinere und leichtere Werkstücke abgedrückt und kämen nicht mehr zur sicheren Auflage. Eine Vergrösserung der Durchflussmenge ist aus wirtschaftlichen Gründen abzulehnen.

[0047] Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt dagegen eine (absolute oder relative) Messung des Drucks p3 im Unterdruckraum einer Vakuumdüse. Figur 3 illustriert beispielhaft einen Verlauf dieses Drucks in Abhängigkeit von der Grösse des Messspalts b. Wenn der Messspalt vollständig verschlossen ist (b = 0), fliesst keine Luft durch die Vakuumdüse. Entsprechend entspricht der in der Vakuumdüse gemessene Druck dem Speisedruck p1. Wenn der Messspalt vollständig geöffnet ist (im vorliegenden Beispiel b > 1 mm), kann die Luft ungehindert durch die Vakuumdüse strömen. Durch das Bernoulli-Prinzip entsteht ein Unterdruck in der Vakuumdüse, der im vorliegenden Beispiel höchstens ein Druckminimum von pmin ≈ -0.9 bar erreicht. Der maximale Differenzdruck Δpmax beträgt in diesem Beispiel Δpmax = p1 - pmin ≈ 1.6 bar - (-0.9 bar) = 2.5 bar. Die Grösse des Messfensters ist also mit ca. 2.5 bar rund fünfmal so gross wie beim Messprinzip gemäss dem Stand der Technik. Das Messfenster hängt nun allerdings stark vom Speisedruck pl ab. Es ist umso grösser, je grösser der Speisedruck ist. Einer genauen Kontrolle oder zumindest Bestimmung des Speisedrucks kommt hier also eine besondere Bedeutung zu.

Konkrete Ausführungsformen

[0048] In den Figuren 4-7 sind beispielhaft vier verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtung in stark schematischer und symbolischer Form dargestellt.

[0049] In der ersten Ausführungsform der Figur 4 ist ein Druckluftanschluss 9a mit einem Betriebsdruck p0 an einen Druckregler 5 angeschlossen. Der Druckregler 5 stellt einen definierten Speisedruck p1 zur Verfügung, wobei der Speisedruck bevorzugt im Bereich von 0.8 bis 1.6 bar liegt. Über eine Druckluftleitung 9b wird die Druckluft mit Speisedruck p1 einer Vakuumdüse 7 zugeführt. Die Vakuumdüse kommuniziert mit einem (in Fig. 4 nur symbolisch dargestellten) Unterdruckraum 9c, mit dem ein Drucksensor 6 verbunden ist. Beim Drucksensor 6 kann es sich um einen Absolut- oder Differenzdrucksensor handeln. Im Fall eines Differenzdrucksensors kann dieser insbesondere den Differenzdruck zwischen dem Speisedruck p1 und dem Druck p3 im Unterdruckraum 9c messen. Über eine Messleitung 10a gelangt die aus der Vakuumdüse 7 austretende Druckluft zu mindestens einer Messdüse 4, bevorzugt zu mindestens drei gleichmässig entlang der Umfangsrichtung verteilten Messdüsen 4 auf der ringförmigen Auflagefläche 3 der Spanneinrichtung 2.

[0050] Jede Messdüse 4 wird von der Druckluft bei einem Austrittsdruck p4 durchströmt. Die Durchflussmenge und der Austrittsdruck p4 hängen von der Lage des Werkstücks 1 relativ zur Auflagefläche 3, konkret von der Grösse des Messspaltes b ab. In der Vakuumdüse entsteht durch die strömende Druckluft ein Unterdruck, wie dies oben erläutert wurde, wobei der Betrag des Unterdrucks in der Vakuumdüse stark von der Grösse des Messspaltes b abhängt. Indem der Druck im Unterdruckraum 9c mit einem Drucksensor 6 erfasst wird, können indirekt über die Messung des Drucks p3 in der Vakuumdüse die an der Messdüse 4 ausströmende Durchflussmenge und damit die Grösse des Messspaltes b ermittelt werden. Der maximale Unterdruck zeigt dabei an, dass sich kein Werkstück in der Abfragedistanz zur Auflagefläche befindet. Verschliesst dagegen das Werkstück 1 die Messdüse 4 vollständig, dann kann keine Druckluft mehr strömen. Es gilt dann p3 = p4 = p1, d.h. der Messdruck p3 entspricht dem Speisedruck p1, und auch der Austrittdruck p4 entspricht dem Speisedruck. Für die Feststellung der Auflage des Werkstückes 1 kann ein positiver Druckwert nahe bei p1 als Schaltpunkt festgelegt werden.

[0051] Alle in Figur 4 genannten Einzelelemente 5, 6, 7, 9b und 9c können als eine gemeinsame Funktionseinheit 14a aufgebaut und am festen Basisteil einer rotierenden Spindel eingesetzt werden. Die Messdüsen 4 befinden sich dagegen an einem drehbaren Teil der Spindel. Die Druckluft wird dann der jeweiligen Messdüse 4 über eine Messleitung 10a und eine nicht dargestellte handelsübliche Drehdurchführung zugeführt.

[0052] In der Figur 5 wird eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtung illustriert. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie eine Ausblasfunktion mit Hilfe eines zusätzlichen Druckluftanschlusses 9d realisiert. Zum Ausblasen der kompletten Funktionseinheit 14a wird vom zusätzlichen Druckluftanschluss 9d her dem Einlass der Vakuumdüse 7 Druckluft mit einem höheren Druck als dem Speisedruck, insbesondere mit dem vollen Betriebsdruck p0, der am Eingang des Druckreglers 5 anliegt, zugeführt. Die Druckluft durchströmt die Vakuumdüse 7, die Messleitung 10a und die Messdüse 4, um diese Komponenten zu reinigen. Rückschlagventile 8 verhindern, dass während des Ausblasens die vom zusätzlichen Druckluftanschluss 9d zugeführte Druckluft durch den normalen Druckluftanschluss 9a entweicht, und dass während des normalen Messbetriebs die vom normalen Druckluftanschluss 9a zugeführte Druckluft durch den zusätzlichen Druckluftanschluss 9d entweicht.

[0053] Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtung illustriert Figur 6. Die Vakuumdüse ist hier in einer vorgefertigten Vakuumdüsen-Patrone 7a realisiert. Die Vakuumdüsen-Patrone 7a und die zugehörigen Drucksensoren 6 sind nun ausserhalb der Funktionseinheit 14a auf der rotierenden Spindel angeordnet. Die abgerüstete Funktionseinheit 14a mit Druckregler 5 ist dagegen weiterhin am festen Basisteil angeordnet und leitet die kalibrierte Druckluft mit Speisedruck p1 über eine Drehdurchführung zur rotierenden Spindel. Von dort gelangt die Druckluft zur Vakuumdüsen-Patrone 7a und weiter zu der mindestens einen Messdüse 4. Wegen der grösseren Entfernung des Druckreglers 5 zur Vakuumdüsen-Patrone 7a wird unmittelbar vor dieser ein zweiter Drucksensor 6 zur exakten Erfassung des Speisedrucks p1 eingesetzt. Natürlich kann auch diese Ausführungsvariante optional mit einer Ausblasfunktion nach Figur 5 ausgeführt werden.

[0054] In der Figur 7 wird eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtung illustriert. Neben der abgerüsteten Funktionseinheit 14a am festen Basisteil ist eine zweite, klein und kompakt bauende Funktionseinheit 14b auf der rotierenden Spindel angeordnet. Diese Funktionseinheit 14b ist unmittelbar vor der mindestens einen Messdüse 4 angeordnet und mit jeder Messdüse über eine kurze Messleitung 10a verbunden. Die Vakuumdüse kann in Mikro-Bauweise oder wiederum als vorgefertigte Vakuumdüsen-Patrone 7a ausgeführt sein. Der Unterdruckraum 9c ist über eine luftdichte Verbindungsleitung, z.B. eine kurze Bohrung, mit einem beabstandeten Drucksensor 6 verbunden. Als Drucksensor 6 kann ein sehr klein bauender Sensor eingesetzt werden. Sehr vorteilhaft eignen sich hierfür moderne Drucksensoren, die kabellos mit einer Steuerung verbunden sind. Der grösser bauende Druckregler 5 mit dem Druckluftanschluss 9a für den Betriebsdruck p0 wird dagegen in einem nicht beengten Bauraum am festen Basisteil der rotierenden Spindel angeordnet. Die kalibrierte Druckluft p1 wird dann vom Druckregler 5 über eine nicht dargestellte handelsübliche Drehdurchführung der Funktionseinheit 14b zugeführt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Abstände zwischen der Vakuumdüse und der Messdüse 4 einerseits und zwischen dem Unterdruckraum 9c der Vakuumdüse und dem zugehörigen Drucksensor andererseits sehr kurz ausgebildet werden können. Dadurch wird eine sehr kurze Messzeit ermöglicht.

[0055] Weitere Optionen für alle Ausführungsformen nach Figur 4 bis Figur 7 können mit gewissen Restriktionen sein: Anstelle eines Drucksensors 6 kann auch ein Druckschalter verwendet werden, welcher nicht elektronisch ausgewertet werden muss und kostengünstiger ist. Auf ein vorangestelltes Druckregelventil 5 kann verzichtet werden, wenn der Druck p1 vor der Vakuumdüse 7 erfasst und bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt wird. Insbesondere kann anstelle eines Druckreglers 5 auch ein Proportionaldruckreduzierventil oder ein einstellbares bzw. festes Druckreduzierventil zum Einsatz kommen.

Ausführungsbeispiel einer Funktionseinheit

[0056] Die Figur 8 zeigt eine komplette Funktionseinheit 14a in einer Ausführung gemäss Figur 5. Diese Ausführung kann mit handelsüblichen Elementen aufgebaut und als Standard in vielen Anwendungen auch kostengünstig eingesetzt werden.

[0057] An einem Basiskörper ist der Druckregler 5 ausgebildet. Die Druckluftleitung 9b ist in Form von Bohrungen im Basiskörper ausgeführt. Die Vakuumdüse ist als vorgefertigte Vakuumdüsen-Patrone 7a ausgebildet, wobei diese Patrone entgegen der Strömungsrichtung in eine entsprechende Bohrung des Basiskörpers eingeschoben ist. Der Unterdruckraum 9c ist als quer zur Strömungsrichtung verlaufende Bohrung im Basiskörper ausgebildet, wobei sich diese Bohrung an einen Unterdruckanschluss der Vakuumdüsen-Patrone 7a anschliesst. Der Drucksensor 6 schliesst an diese Bohrung an. Die Rückschlagventile 8 sind in den Basiskörper eingeschraubt. Die Druckluftanschlüsse 9a, 9d sind an den Rückschlagventilen 8 ausgebildet.

Einsatz an Verzahnmaschine

[0058] In der Figur 9 wird der Einsatz von erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtungen an einer Verzahnmaschine 20 schematisch und beispielhaft illustriert. Auf einem Maschinenbett 19 ist eine Werkstückspindel 15 angeordnet. An einem nicht dargestellten Maschinenständer ist eine Werkzeugspindel 16 angeordnet. Sowohl der Werkstückspindel als auch der Werkzeugspindel ist jeweils eine Funktionseinheit 14a gemäss Fig. 8 zugeordnet. Die Funktionseinheiten dienen dazu, die Anwesenheit eines Werkstückes 1 auf der Werkstückspindel bzw. eines Werkzeuges 11 auf der Werkzeugspindel zu erfassen. Die verschiedenen Funktionen der Maschine werden über eine Maschinensteuerung 17 gesteuert. Eine Bedientafel 18 dient zur Bedienung der Verzahnmaschine.

Kalibrierung

[0059] Bei der Bearbeitung von verschiedenen Werkstücklosen können die Ausströmverhältnisse zwischen den Werkstücken 1 und dem Spannmittel 2 variieren. Es kann daher erforderlich sein, für jede Kombination aus Werkstücksorte und Spannmittel eine eigene Kalibrierung durchzuführen. Dabei kann es sinnvoll sein, einen zulässigen Toleranzbereich der Messung festzulegen, da die Werkstücke selbst üblicherweise Toleranzen aufweisen, z.B. unterschiedliche Rauheitswerte der Stirnflächen und Form- und Lagetoleranzen.

[0060] Nachstehend wird ein möglicher Kalibrierungsvorgang erläutert. Dazu erfolgt typischerweise zunächst die Festlegung des Drucks p1, indem beispielsweise an der Bedientafel 18 ein definierter Wert wie p1 = 1.6 bar eingegeben wird. Mittels der CNC-Steuerung 17 kann automatisch am Druckregler 5 dieser Wert eingestellt werden. Die Ermittlung eines ersten Messwertes p3 am Drucksensor 6 erfolgt, indem ein Werkstück 1 auf der Spanneinrichtung 2 fixiert wird und typischerweise dieses Werkstück 1 auf der Referenzfläche 3 dieser Spanneinrichtung 2 ganzflächig aufliegt. Das elektrische Ausgangssignal des Drucksensors 6 wird zur CNC-Steuerung 17 übertragen, dort abgespeichert und je nach Bedarf an der Bedientafel 18 manuell quittiert. Dieser Messwert p3 ist in diesem Fall gleich oder nahe dem Druck p1. Die Ermittlung eines zweiten Messwertes p3 am Drucksensor 6 erfolgt, indem zwischen der Referenzfläche 3 der Spanneinrichtung 2 und der parallelen Auflagefläche am Werkstück 1 eine geeignete Distanzlehre 12 gelegt wird, deren Höhe der maximal zulässigen Abfragedistanz b entspricht. Dieses zweite elektrische Ausgangssignal des Drucksensors 6 wird ebenfalls zur CNC-Steuerung 17 übertragen und dort analog dem ersten Messwert p3 behandelt. Der Bediener kann an der Bedientafel 18 ebenfalls diesen Druck p3 direkt ablesen, der in diesem Fall nun typischerweise im Unterdruckbereich liegt.

Weitere Überlegungen zum Messbetrieb

[0061] Nachstehend werden einige weitergehende Überlegungen zum Messbetrieb zusammengefasst. Alle nachstehend geschilderten Massnahmen können einzeln oder gemeinsam implementiert werden.

[0062] Im Messbetrieb können die elektrischen Ausgangssignale des jeweiligen Druckreglers 5 und des Drucksensors 6 von der CNC-Steuerung 17 nach vorgegebenen Regeln ausgewertet und bei Bedarf über die Bedientafel 18 verändert werden. Bevorzugt wird unter Verwendung eines Multi-Touch-Monitors auf der Bedientafel 18 eine interaktive Präsentation der Druckwerte p1 und p3 ermöglicht, wobei diese Drücke visuell analog dem Diagramm in Figur 3 darstellbar sind. Der Bediener kann über den Multi-Touch-Monitor jeden zweiten oder weiteren Messwert bedarfsweise mit einer individuell definierten Toleranz versehen, d.h. diese Messwerte entsprechend praxiserprobter Daten bewerten und/oder diese Messwerte mit Grenzwerten sowie Offsets belegen. Je nach Erfordernis kann also ein Festwert bzw. Grenzwert mit einer zugewiesenen Toleranz belegt, ein zulässiges Messfenster festgelegt oder ein Schaltpunkt definiert werden. Diese Einstellungen werden dann über die CNC-Steuerung 17 ohne ein manuelles Zutun des Bedieners wirksam. Die Zugänglichkeit der Funktionseinheiten 14a muss somit nur für Reparaturen gewährleistet werden.

[0063] Über die CNC-Steuerung 17 kann weiterhin die Möglichkeit bestehen, die Messwertdaten einzelner Werkstücke 1 aufzuzeichnen und den zugehörigen Werkstücklosen zuzuordnen. Für ein wiederkehrendes Werkstück 1 können in der CNC-Steuerung 17 die Messwertdaten zur Abfragedistanz b als Parametersatz hinterlegt werden. Wird dasselbe Werkstück wieder gefertigt, können diese Parametersätze dafür abgerufen und verwendet werden. Mittels Datenlogging und/oder Hinterlegung von Referenz-Parametersätzen wird dies möglich. Wird ein weiteres Werkstück 1 derselben Charge auf die Referenzfläche 3 gelegt, dann erfolgt automatisiert ein Abgleich des aktuellen Messwert p3 mit dem hinterlegten Toleranzbereich der Abfragedistanz b. Damit lassen sich Vergleichsgrössen bei einer bekannten Kombination von Spannmittel 2 und Werkstück 1 einfach abrufen und anwenden. Liegt der Messwert ausserhalb der zulässigen Toleranz, dann kann die Abweichung auf der Bedientafel 18 angezeigt werden und/oder die CNC-Steuerung 17 kann angemessene Korrekturmassnahmen einleiten. Weiterhin erfolgt eine Überwachung von unzulässigen Abweichungen der Drücke pl und p3, sowie der festgelegten Abfragedistanz b. Damit leistet dieses Verfahren einen wichtigen Beitrag für die Erfassung von Prozessdaten, Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Fertigung sowie Gewährleistung der Prozesssicherheit.

[0064] Durch diese besonders gute integrative Fähigkeit in die vorhandene CNC-Steuerung 17 mit Bedientafel 18 können weitere, spezielle Funktionen angeboten werden, wie Druckluftregelung, Messluftabschaltung, Vergrösserung der elektrischen Messsignale, Controllerfunktionen mit Visualisierung und nicht zuletzt Realisierung einer wirksamen Ausblasfunktion.

[0065] Insgesamt kann also eine schnelle, kompakte und hochpräzise Ausführung einer Auflagenkontrolle auf rotierenden Spindeln 15, 16 realisiert werden.

Weitere Funktionen: Abstandsmessung, Staudruckmessung, Durchflussmessung, Durchflussregelung, Druckregelung

[0066] Mit einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art können ohne prinzipielle Änderungen weitere Funktionen realisiert werden. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung für Messungen von kleinsten Abständen, von Staudrücken oder von Durchflussmengen und zur Durchfluss- oder Druckregelung eingesetzt werden.

[0067] An einer Schleifspindel 16 gibt es z.B. im Betrieb thermische Veränderungen, die zu kleinsten Längenänderungen dieser Spindel 16 führen und dann beim Bearbeiten Fehler am Werkstück 1 verursachen können. Diese kleinsten Längenänderungen gegenüber einem festen Basisteil an der Schleifspindel 16 können mit einer pneumatischen Abstandsmessung mittels einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art erfasst und über die Steuerung 17 korrigiert werden.

[0068] Bei diesen Messverfahren erfolgt zur Kalibrierung vorzugweise ein Abfahren der gesamten Abfragedistanz b in einem Teach-Verfahren, wobei neben dem kalibrierten Druck p1 an mindestens fünf vordefinierten Abstandsschritten der Messdruck p3 an die Steuerung 17 übermittelt und den relevanten Messabständen b zugeordnet wird. Hierzu werden in der Inbetriebnahme der Verzahnmaschine 20 bzw. beim Werkstück- und Spannmittelwechsel einmalig Distanzlehren 12 mit entsprechend abgestufter Höhe zwischen Werkstück 1 und Referenzfläche 3 auf der Spanneinrichtung 2 eingelegt. Der nichtlineare Druckverlauf p3 wird für eine bessere Bedienbarkeit und präzisere Einstellung der Druckwerte mittels Steuerung 17 linearisiert.

[0069] Anhand der Messkurve und dem vorliegenden Messdruck p3 rechnet die Steuerung 17 die zugehörigen Abfragedistanzen b, die zugehörigen Staudrücke und die zugehörige Durchflussmengen aus und überträgt dies bei Bedarf auf die Bedientafel 18. Weiterhin kann für jede Funktionseinheit 14a eine nach Figur 3 analog ausgeführte Messkurve visuell auf der Bedientafel 18 dargestellt und für Vergleichszwecke in der Steuerung 17 abgespeichert werden. Das Abfahren der gesamten Abfragedistanz b, die Linearisierung und die rechnerische Ermittlung der unterschiedlichen Daten werden bevorzugt für alle Ausführungsvarianten und Applikationen realisiert.

[0070] An Verzahnmaschinen 20 werden häufig optische Messgeräte eingesetzt, die üblicherweise mit ölfreier Sperrluft betrieben werden. Die erforderlichen Luftmengen pro Messgerät betragen typischerweise 7 bis 10 l/min und werden mit einem Speisedruck von typischerweise 1 bar betrieben. Beispielsweise sind dann bei Verzahnmaschinen mit optischen Messgeräten für 8 NC-Achsen permanent ca. 80 l/min ölfreie Sperrluft bereitzustellen. Für die permanente Bereitstellung dieser Luftmenge entsteht ein nicht zu vernachlässigender Kostenfaktor. Daher ist es erwünscht, nur das exakt erforderliche Mass an Sperrluft bereitzustellen. Zur Durchflussregelung kann hier eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art dienen.

[0071] Sperrluft wird auch für das sichere Abdichten schnell drehender Werkstück- und Werkzeugspindeln benötigt. Hierfür kann jedoch auch ölhaltige Luft eingesetzt werden. Druck und Luftmenge werden je nach Spindelgrösse angepasst. Hierbei gilt ebenfalls, dass idealerweise diese Sperrluft nur im exakt erforderlichen Mass bereitzustellen ist. Auch hier kann eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art zur Durchflussregelung dienen.

[0072] Bei dem Einsatz einer solchen Vorrichtung für eine Durchflussregelung wird eine konstante Druckluftmenge sichergestellt, indem der Druck p3 am Drucksensor 6 durch ein Proportionaldruckreduzierventil geregelt wird, das vor der Vakuumdüse angeordnet ist. Dabei wird der Druck p1 so regelt, dass am Drucksensor 6 immer ein konstanter Druck p3 erfasst wird, der proportional zur gewünschten Durchflussmenge ist. Die Regelung kann durch die Steuerung 17 erfolgen.

[0073] Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung sind in der Figur 9 schematisch durch Messleitungen 10a, b, c, d, e angedeutet, wobei die Messleitung 10a eine Auflagenkontrolle, die Messleitung 10b eine beliebige Abstandsmessung, die Messleitung 10c eine beliebigen Staudruckmessung, die Messleitung 10d eine beliebige Durchflussmessung und die Messleitung 10e eine beliebige Durchflussregelung andeuten soll.

Ausführungsbeispiele in Mikrobauweise

[0074] Die Figuren 10 und 10a illustrieren die Realisierung einer Auflagenkontrolle in einer Mikrobauweise nach Figur 7. Eine Mikro-Funktionseinheit 14b ist im rotierenden Bereich einer Werkstückspindel in einem Spannmittel 2 angeordnet. Die Mikro-Funktionseinheit 14b ist als Vakuumdüsen-Patrone ausgebildet. Sie umfasst zwei Düsenelemente in Form einer Strahldüse 7c und einer Fangdüse 7b. Ein nicht dargestellter Druckregler 5 ist am festen Basisteil der Werkstückspindel 15 befestigt. Druckluft mit Druck p1 wird von dort über eine nicht dargestellte Drehdurchführung zum Druckluftanschluss 9b geleitet und gelangt von dort zur Strahldüse 7c. Die Strahldüse weist eine stetige Verjüngung auf, die die eintretende Druckluft stark beschleunigt. Die Strahldüse öffnet sich in eine Kammer, die mit einem Unterdruckraum 9c in Form einer Bohrung im Spannmittel 2 verbunden ist. Am Unterdruckraum 9c ist ein nicht dargestellter Drucksensor angeordnet. Das aus der Strahldüse 7c austretende Gas gelangt mit hoher Geschwindigkeit in die Fangdüse 7b. In dieser wird das Gas durch eine weitere stetige Verjüngung in einen sich langsam aufweitenden Auslaufbereich geleitet, wodurch sich die Gasströmung wieder verlangsamt. Das Gas gelangt von dort in eine Messdüse 4 mit Durchmesser d. Strahldüse 7c und Fangdüse 7b sind über Dichtungen 13 gasdicht in einem gemeinsamen Gehäuse der Mikro-Funktionseinheit 14b aufgenommen. Die gesamte Mikro-Funktionseinheit 14b ist über weitere Dichtungen 13 gasdicht in einer Bohrung des Spannmittels 2 der Werkstückspindel gehalten.

[0075] Für die Kalibrierung der Auflagenkontrolle können Distanzlehren 12 mit verschiedenen Dicken eingesetzt werden, um einen Messspalt mit definierter Grösse b zu erhalten.

[0076] In den Figuren 11 und 11a ist optional die Messdüse 4 gegenüber der Referenzfläche 3 um das Mass c zurückgesetzt. In dieser Ausführung wird die Auflage des Werkstückes 1 detektiert, wenn eine genau definierte Durchflussmenge durch die Funktionseinheit 14b strömt.

[0077] Die Figuren 12 und 12a illustrieren den Einsatz einer erfindungsgemässen Auflagenkontrollvorrichtung an einer Werkzeugspindel 16. Auf der Werkzeugspindel ist ein rotierendes Bearbeitungswerkzeug, hier in Form einer rotierenden Schleifscheibe 11, aufgespannt. Eine Auflagenkontrolle für die Schleifscheibe 11 erfolgt analog zur Auflagenkontrolle für das Werkstück 1 in den Ausführungsformen der Figuren 10, 10a, 11 und 11a. Es wird auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen.

[0078] Wiederum sind weitere Einsatzmöglichkeiten durch Messleitungen 10a, b, c, d, e mit unterschiedlichen Aufgaben angedeutet. Für die verschiedenen Arten von Messungen, die hierdurch angedeutet werden sollen, wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Figur 9 verwiesen.

Überlegungen zum Drucksensor und zur Signalübertragung

[0079] Für die nicht dargestellten Drucksensoren 6 können in allen Ausführungsformen kleine Sensoren zum Einsatz kommen, die z.B. kabellos mit der CNC-Steuerung 17 verbunden sein können. Hierbei kann die kabellose Signalübertragung z.B. mittels der bekannten Nahfeldkommunikation (Near Field Communication, kurz NFC) bzw. der RFID-Technik erfolgen. Wird bei der kabellosen Druckerfassung ein (vorzugsweise passiver) RFID-Drucktransponder eingesetzt, dann kann dieser beispielsweise in der metallischen Spindel 15 über eine sichere Signalübertragung mittels RFID-Technik mit der CNC-Steuerung 17 verbunden werden. Eine entsprechende Signalübertragung wird ausführlich in WO 2015/036519 A1 beschrieben, deren Offenbarung hierin durch Verweis vollständig aufgenommen wird. Mit dieser Ausführung kann eine sehr preisattraktive Lösung für geringste Toleranzen bereitgestellt werden.

Vorteile

[0080] Zusammenfassend haben die dargestellten Vorrichtungen insbesondere folgende Eigenschaften und Vorteile, wobei diese Eigenschaften und Vorteile einzeln oder in Kombination realisiert sein können: Das Messfenster ist in Relation zum Stand der Technik durch die pneumatische Signalverstärkung wesentlich grösser. Pneumatische Auflagenkontrolle und Abstandsmessung ist verschmutzungsresistent, arbeitet sehr schnell, erfasst sicher einen Messspalt von weniger als 0.01 mm, hat eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit und erkennt die sichere Auflage eines Werkstückes. Die Vorrichtung kann in Standardbauweise (wie bei der Funktionseinheit 14a) oder Mikrobauweise (wie bei der Funktionseinheit 14b) realisiert werden. Neben der Auflagenkontrolle von Werkstücken kann die dargestellte Vorrichtung auch in weiteren Applikationen wie Abstandsmessungen, Staudruck- und Durchflussmessungen, sowie Regelung von Drücken und Durchflussmengen eingesetzt werden. Anstelle von Druckluft kann als Fluid auch ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit eingesetzt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0081] 1 Werkstück 2 Spanneinrichtung 3 Auflagefläche 4 Messdüse 5 Druckregler 6 Drucksensor 7 Vakuumdüse 7a Vakuumdüsen- Patrone 7b Fangdüse 7c Strahldüse 8 Rückschlagventil 9a Druckluftanschluss für Betriebsdruck p0 9b Druckluftleitung für kalibrierten Druck p1 9c Unterdruckraum 9d Druckluftanschluss zum Ausblasen 10a Messleitung für Auflagenkontrolle u.a. 10b Messleitung für Abstandsmessung 10c Messleitung für Staudruckmessung 10d Messleitung für Durchflussmessung 10e Messleitung für Durchflussreglung 11 Werkzeug 12 Distanzlehre 13 Dichtung 14a Funktionseinheit 14b Mikro-Funktionseinheit 15 Werkstückspindel 16 Werkzeugspindel 17 CNC- Steuerung 18 Bedientafel 19 Maschinenbett 20 Verzahnmaschine A bis D Detail- oder Schnittfläche bzw. Ausbruch in den Figuren b Messspalt c Mass für Aussparung an der Messdüse d Durchmesser der Messdüse p0 Betriebsdruck p1 Speisedruck p2 Messdruck p3 Messdruck p4 Austrittsdruck pmin minimaler Messdruck Δpmax maximaler Differenzdruck

Claims (21)

1. Vorrichtung für die Auflagenkontrolle eines Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) auf einer Spindel (2; 16) einer Werkzeugmaschine (20) mittels eines fluiden Mediums, aufweisend: eine Auflagefläche (3) für das Werkstück (1) oder Werkzeug (11); mindestens eine Messdüse (4), die im Bereich der Auflagefläche (3) angeordnet ist, um einen von der Auflagefläche (3) weg gerichteten Fluidstrom zu erzeugen; und mindestens einen ersten Drucksensor (6) oder Druckschalter zur Erfassung eines Messdrucks stromaufwärts von der Messdüse (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung stromaufwärts von der Messdüse (4) eine Vakuumdüse (7) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, bei Durchströmung mit dem fluiden Medium einen Unterdruck in einem Unterdruckraum (9c) zu erzeugen, und dass der erste Drucksensor (6) oder Druckschalter dazu ausgebildet ist, den Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c) zu erfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Drucksensor (6) dazu ausgebildet ist, sowohl positive als auch negative Werte für den Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c) zu erfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass der Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c) bei Abwesenheit eines Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) an der Auflagefläche (3) einen negativen Wert annimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, welche einen Druckregler (5) aufweist, um einen vorbestimmten Speisedruck (p1) stromaufwärts von der Vakuumdüse (7) zu erzeugen, und/oder welche mindestens einen zweiten Drucksensor aufweist, um den Speisedruck (p1) stromaufwärts von der Vakuumdüse (7) zu ermitteln.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuerung (17) aufweist, wobei die Steuerung (17) dazu ausgebildet ist, vom ersten Drucksensor (6) oder Druckschalter ein Signal zu empfangen, welches vom Messdruck (p3) abhängt, und eine Lage des Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) unter Berücksichtigung des empfangenen Signals zu ermitteln.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (17) dazu ausgebildet ist, bei der Ermittlung der Lage des Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) einen Speisedruck (p1) stromaufwärts von der Vakuumdüse (7) einzubeziehen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdüse (4) derart im Bereich der Auflagefläche (3) angeordnet ist, dass ein Werkstück (1) oder Werkzeug (11) bei exakt planparalleler Auflage auf der Auflagefläche (3) die Messdüse (4) vollständig verschliesst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Messdüse (4) derart im Bereich der Auflagefläche (3) angeordnet ist, dass ein Werkstück oder Werkzeug bei exakt planparaller Auflage auf der Auflagefläche (3) in einem definierten Abstand von der Messdüse (4) angeordnet ist, so dass das Werkstück (1) oder Werkzeug (11) die Messdüse (4) nicht vollständig verschliesst.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumdüse (7) und die Messdüse (4) an einem drehbaren Teil der Spindel (2; 16) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumdüse (7) eine Strahldüse (7c) und eine stromabwärts von der Strahldüse (7c) angeordnete Fangdüse (7b) umfasst, und wobei der Unterdruckraum (9c) mit einem zwischen der Strahldüse (7c) und der Fangdüse (7b) angeordneten Bereich kommuniziert.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Funktionseinheit (14b), die ein Gehäuse umfasst, in dem mindestens die Vakuumdüse (7) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Funktionseinheit (14b) ausserdem die Messdüse (4) umfasst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Funktionseinheit (14b) als Patrone in einer Bohrung an einem drehbaren Teil der Spindel (2; 16) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Drucksensor (6) oder Druckschalter eine Einrichtung zur kabellosen Signalübertragung umfasst, insbesondere einen passiven RFID-Transponder.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen zusätzlichen Druckluftanschluss (9d) zum Ausblasen mindestens der Vakuumdüse (7) und der Messdüse (4) aufweist.

16. Verfahren zur Auflagenkontrolle eines Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) auf einer Spindel (2; 16) einer Werkzeugmaschine (20) mittels eines fluiden Mediums, wobei die Spindel eine Auflagefläche (3) für das Werkstück (1) oder Werkzeug (11) aufweist, und wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines von der Auflagefläche (3) weg gerichteten Fluidstroms durch mindestens eine Messdüse (4); Erfassen eines Messdrucks stromaufwärts von der Messdüse (4); und Ermitteln einer Lage des Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) relativ zur Auflagefläche (3) unter Berücksichtigung des Messdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom stromaufwärts von der Messdüse (4) durch eine Vakuumdüse (7) geleitet wird, welche dazu ausgebildet ist, bei Durchströmung mit dem fluiden Medium einen Unterdruck in einem Unterdruckraum (9c) zu erzeugen, und dass der Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c) erfasst wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Messdruck (p3) im Unterdruckraum (9c) bei Abwesenheit eines Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) an der Auflagefläche (3) einen negativen Wert annimmt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Verfahren mittels einer Steuerung (17) ausgeführt wird, wobei die Steuerung (17) ein Signal empfängt, das durch den Messdruck (p3) beeinflusst ist, und wobei die Steuerung die Lage des Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) unter Berücksichtigung des empfangenen Signals ermittelt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Steuerung ausserdem einen Speisedruck (p1) stromaufwärts von der Vakuumdüse (7) erfasst, und wobei die Steuerung die Lage des Werkstücks (1) oder Werkzeugs (11) unter Berücksichtigung des Speisedrucks (p1) ermittelt.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Signal, das durch den Messdruck (p3) beeinflusst ist, kabellos an die Steuerung (17) übertragen wird, insbesondere mit einem passiven RFID-Transponder.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, welches ausserdem das Ausblasen der Vakuumdüse (7) und der Messdüse (4) mittels eines zusätzlichen Druckluftanschlusses (9d) umfasst.