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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messwerkzeug zum Vermessen von Bohrungsdurchmessern sowie eine Werkzeugmaschine mit einem derartigen Messwerkzeug.
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Bei der Fertigung von Luftfahrzeugen wird typischerweise eine sehr große Anzahl von Nietverbindungen benötigt. Die hierzu notwendigen Bohrungen werden häufig mit teil- oder vollautomatisierten Bohr- bzw. Nietanlagen in die entsprechenden Luftfahrzeugstrukturen eingebracht. Um die Qualität der Bohrungen, z.B. Senkbohrungen, zu kontrollieren, können diese in sehr aufwendiger Weise manuell überprüft werden. Um diese Qualitätskontrolle zeit- und kosteneffizienter zu gestalten, wäre es erstrebenswert, den Prozess in möglichst einfacher und dennoch präziser Weise zu automatisieren.
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Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
DE 10 2005 019 875 B4 eine Bohrlehre zum Einmessen von Bohrstellen für Halter an einem Flugzeugspant, die es ermöglicht, diese Einmessung erst während der Strukturmontage vorzunehmen. Ferner beschreibt die Druckschrift eine Bohrvorrichtung zum Herstellen von Bohrungen für Halter in einem Flugzeugspant, die es ermöglicht, die Bohrungen erst während der Strukturmontage herzustellen.
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US 2015 / 0 000 151 A1 beschreibt, laut der bei Espacenet verfügbaren Übersetzung der Zusammenfassung, ein Messgerät, das ein Gehäuse umfasst und einen im Gehäuse positionierten Messschieber. Das Gehäuse hat ein proximales Ende und ein distales Ende und definiert eine Achse vom proximalen Ende zum distalen Ende. Der Messschieber umfasst eine erste Messsonde, die sich in einer ersten Richtung aus dem Gehäuse erstreckt, eine zweite Messsonde, die sich in einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, aus dem Gehäuse erstreckt, und eine Messschaltung, die zum Übertragen eines darauf basierenden Messsignals konfiguriert ist die relativen Positionen der ersten und zweiten Messsonden.
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Bore Gauge BG60: Con-rod / Bohrungsmesskopf Pleuel | Blum-Novotest. 26.05.2014, https://youtu.be/cExt2VN-8Q4 [online] zeigt einen Bohrungsmesskopf.
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US 2017 / 0 363 404 A1 beschreibt, laut der bei Espacenet verfügbaren Übersetzung der Zusammenfassung, dass eine Positionsmessvorrichtung vom Kontakttyp aus einer Messsonde für den Durchmesser eines geraden Lochs besteht, die den Durchmesser eines geraden Lochs misst, indem sie sich in einer Radiusrichtung bewegt und eine innere Umfangsfläche eines geraden Lochs kontaktiert, die sich in einer Achsenrichtung erstreckt; und eine Messsonde für den Durchmesser eines abgeschrägten Lochs, die den Durchmesser eines abgeschrägten Lochs misst, indem sie sich in der Achsenrichtung bewegt und eine Innenumfangsfläche eines abgeschrägten Lochs berührt.
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US 2016 / 0 097 687 A1 beschreibt, laut der bei Espacenet verfügbaren Übersetzung der Zusammenfassung, ein Temperaturmessverfahren und eine Temperaturmessvorrichtung, mit denen die Temperatur eines rotierenden Werkzeugs, beispielsweise eines Schneidwerkzeugs, tatsächlich ermittelt werden kann beim Schneiden oder Schweißbrenner beim Schweißen in Echtzeit, um die Kühlleistung von Schneidöl, Kühlwasser und dergleichen genauer als mit herkömmlichen Mitteln bewerten zu können. Das Temperaturmessverfahren verwendet einen rotierenden Halter, der um eine Drehachse drehbar ist und ein Hohlloch aufweist, das sich von einem vorderen Ende zu einem hinteren Ende entlang der Drehachse erstreckt, sowie ein rotierendes Werkzeug, das mit dem rotierenden Halter verbunden ist und einen koaxialen Durchgang aufweist Loch mit dem Hohlloch. Bei dem Temperaturmessverfahren umfasst es einen Schritt des Anbringens einer Temperaturmesseinheit in der Nähe des Durchgangslochs des rotierenden Werkzeugs, einen Schritt des Messens der Temperatur des rotierenden Werkzeugs, das sich koaxial mit dem rotierenden Halter dreht, unter Verwendung der Temperaturmesseinheit, und einen Schritt von Empfangen eines Messergebnisses der Temperaturmesseinheit durch ein elektronisches Substrat werden in dieser Reihenfolge durchgeführt.
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DE 10 2006 020 446 A1 beschreibt, laut Zusammenfassung, ein Bearbeitungswerkzeug für ein Werkstück mit mindestens einem Bearbeitungsabschnitt, der beim Bearbeiten mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Mindestens einen Befestigungsabschnitt des Bearbeitungswerkzeugs dient dazu, dieses an einer Bearbeitungsmaschine festzulegen. Das Bearbeitungswerkzeug hat eine Dateneinheit mit einem digital auslesbaren Speichermedium, welches Daten zu den Abmessungen und zum Typ des Bearbeitungswerkzeugs enthält.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache und praktische Lösungen mit verringertem Platzbedarf für die automatisierte Vermessung von Bohrungen zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Messwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Demgemäß ist ein Messwerkzeug zum Vermessen von Bohrungsdurchmessern vorgesehen. Das Messwerkzeug umfasst einen Bohrungsmessdorn, welcher dazu ausgebildet ist, bei Einführung in eine Bohrung eine axiale Auslenkung zu erzeugen, welche proportional zu einem Bohrungsdurchmesser der Bohrung ist; einen Wegaufnehmer, welcher axial an den Bohrungsmessdorn gekoppelt und dazu ausgebildet ist, die axiale Auslenkung in ein digitales Messsignal umzuwandeln; ein Werkzeuggehäuse, welches zur axialen Aufnahme des Wegaufnehmers und zur Lagerung des Bohrungsmessdorns an einem ersten axialen Ende des Werkzeuggehäuses ausgebildet ist; und eine Werkzeugschnittstelle, in welcher das Werkzeuggehäuse an einem zweiten axialen Ende gelagert ist.
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Ferner ist eine Werkzeugmaschine mit einem erfindungsgemäßen Messwerkzeug vorgesehen. Die Werkzeugmaschine umfasst eine Maschinenschnittstelle, in welche das Messwerkzeug über die Werkzeugschnittstelle zur Durchführung von Bohrungsvermessungen einsteckbar ist.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Messsystem für Bohrungsvermessungen als Werkzeugmodul bereitzustellen, welches kompakt ausgelegt werden kann und gleichzeitig wie typische Werkzeuge von Werkzeugmaschinen bei Bedarf über dazu vorgesehene Schnittstellen in die entsprechende Werkzeugmaschine eingesetzt und verwendet werden kann. Dies kann insbesondere während der Fertigung und in-situ innerhalb der Werkzeugmaschine erfolgen, z.B. während Bohr- und/oder Nietarbeiten an einem Flugzeugbauteil mit einer halb- oder vollautomatischen Nietanlage. Gesetzte Bohrungen können unmittelbar vermessen werden, indem das erfindungsgemäße Messwerkzeug anschließend automatisch in die Maschine eingespannt wird. Die Schnittstellen können hierbei standardisierten Vorgaben folgen, sodass dasselbe Messwerkzeug flexibel für völlig unterschiedliche Anwendungen und Maschinen einsetzbar sein kann. Insbesondere kann das Messwerkzeug innerhalb von Werkzeugwechslern zusammen mit einer Vielzahl weiterer Werkzeuge wie beispielsweise Bohrwerkzeugen, Fräswerkzeugen usw. verwaltet werden. Die erfindungsgemäße Lösung bietet somit einen flexiblen und hochgenauen „in-process“ Messansatz, mit Hilfe dessen Unterbrechungszeiträume minimiert werden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Der Bohrungsmessdorn kann insbesondere rein mechanisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Bohrungsmessdorn ein mechanischer 2-Punkt-Bohrmessdorn sein, wie er dem Fachmann zur händischen Vermessung von Bohrungsdurchmessern bekannt ist. Bei diesem Ansatz weist der Messdorn zwei als Halb- oder Vollkugel ausgebildete Auslenkglieder auf, die radial auslenkbar sind und mit einer vorgegebenen Rückstellkraft radial auf eine Mantelfläche einer Bohrung einwirken. Die Auslenkglieder werden je nach Durchmesser der Bohrung entsprechend mehr oder weniger weit radial nach innen in den Messdorn gedrückt. Axial im Innern des Messdorns sitzt eine Hubnadel auf den Auslenkgliedern derart auf, dass die radiale Bewegung der Auslenkglieder in eine hierzu proportionale axiale Auslenkung der Hubnadel umgesetzt wird, welche wiederum als Maß für den Durchmesser der Bohrung dienen kann. Prinzipiell können jedoch ebenso anders ausgestaltete Messdorne verwendet werden, z.B. mechanische Mehr-Punkt-Messdorne. Derartige mechanische Bohrungsmesser sind kostengünstig, robust und dennoch präzise.
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Als Wegaufnehmer können ebenso unterschiedliche bewährte Systeme zur Anwendung kommen, die dem Fachmann aus handgehaltenen Vorrichtungen bekannt sind. Beispielsweise kann ein hochpräziser linearer Wegaufnehmer, insbesondere ein variabler Differenzialtransformator (engl.: „Linear Variable Differential Transformer“, LVDT), verwendet werden, d.h. ein elektromechanischer Umformer, der an den Bohrungsmessdorn, z.B. an eine Hubnadel, gekoppelt ist und die geradlinige Bewegung der Hubnadel in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandeln kann. Hierbei kann der Wegaufnehmer gleichzeitig die oben erwähnte Rückstellkraft für den Bohrungsmessdorn zur Verfügung stellen.
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Der innere Aufbau eines derartigen LVDT-Transformators kann beispielsweise eine hohlzylinderförmige Spulenbaugruppe als festes Element und einen separaten stabförmigen Kern aus magnetisch permeablem Material als bewegliches Element aufweisen. Der Kern kann sich innerhalb der Spulenbaugruppe axial frei bewegen und kann ferner mechanisch an den Gegenstand gekoppelt sein, dessen Weg gemessen wird, beispielsweise also eine Hubnadel des Bohrungsmessdorns. Die Spulenbaugruppe weist normalerweise eine Primärwicklung auf, die sich in der Mitte eines Paars identisch gewickelter Sekundärwicklungen befindet, die symmetrisch um die Primärwicklung platziert sind. Im Betrieb wird die Primärwicklung des LVDT durch Wechselstrom mit entsprechender Amplitude und Frequenz gespeist. Als elektrisches Ausgangssignal des LVDT wird eine Differenzspannung zwischen den beiden sekundären Wicklungen aufgenommen, die je nach axialer Position des Kerns und somit in Abhängigkeit von der Auslenkung der Hubnadel variiert.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Messwerkzeug ferner ein Kommunikationsmodul. Das Kommunikationsmodul ist an den Wegaufnehmer gekoppelt und ist zur drahtlosen Datenübertragung der digitalen Messsignale ausgebildet. Im Falle von klassischen handgehaltenen Messvorrichtungen weist der Wegaufnehmer typischerweise eine Messanzeige auf, die das Messergebnis unmittelbar anzeigt. In der vorliegenden automatisierten Variante liegt der Fokus jedoch auf Präzision, Auflösung und Kompaktheit. Aus diesem Grund wird auf ein drahtloses Kommunikationsmodul zurückgegriffen, welches die aufgenommenen Messdaten beispielsweise per Funk an eine Steuereinheit der Werkzeugmaschine übertragen kann, z.B. an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl.: „Programmable Logic Controller“, PLC).
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Kommunikationseinrichtung über ein Flachbandkabel an den Wegaufnehmer gekoppelt sein. Ein Flachbandkabel bietet aufgrund seiner Flexibilität den Vorteil, dass die Kommunikationseinrichtung nicht nur axial und ggf. starr an den Wegaufnehmer gekoppelt, sondern auch radial bzw. seitlich versetzt zu diesem angeordnet werden kann. Hierdurch kann die Länge des Messwerkzeugs gegenüber typischen handgehaltenen Systemen reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Kommunikationsmodul mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der wiederaufladbare Energiespeicher als Knopfzelle ausgebildet sein. Grundsätzlich können je nach Anwendung zwar ebenso andere Batterieformate vorteilhaft sein. Eine Knopfzelle bietet jedoch in typischen Anwendungen ausreichend elektrische Energie bei minimalem Platzbedarf.
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Gemäß der Erfindung umfasst das Messwerkzeug ferner einen Seitenhalter. Der Seitenhalter ist radial außen auf dem Werkzeuggehäuse dazu ausgebildet, das Kommunikationsmodul aufzunehmen. Der Seitenhalter dient somit zur seitlichen Halterung des Kommunikationsmoduls an dem Werkzeuggehäuse. Der Seitenhalter kann beispielsweise mit einem 3D-Druckverfahren aus einem Kunststoff additiv gefertigt sein. Mit einem derartigen Verfahren sind auch komplexe, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Ausgestaltungen ohne großen Aufwand umsetzbar.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Kommunikationsmodul in den Seitenhalter einsteckbar ausgebildet sein. Derart kann das Kommunikationsmodul einfach montiert und ausgetauscht werden, z.B. im Fall eines Defekts.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Seitenhalter mit einer Halterungsfläche zur Ablage des Messwerkzeugs in einem Werkzeughalter ausgebildet sein. Der Werkzeughalter kann hierzu eine Gegenhalterungsfläche aufweisen, welche komplementär zu der Halterungsfläche des Messwerkzeugs ausgebildet ist. Die Halterungsflächen können derart geformt sein, dass über die Geometrie der Flächen festgelegt wird, in welcher Orientierung und/oder Ausrichtung das Messwerkzeug in dem Werkzeughalter abgelegt werden kann. Insbesondere kann über die Halterungsflächen eine eindeutige Orientierung zum Verstauen des Messwerkzeugs vorgegeben werden. Darüber hinaus können derartige Halterungsflächen das Messwerkzeug beim Ablegen auf den Werkzeughalter führen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Werkzeugschnittstelle als Hohlschaftkegel ausgebildet sein. Hohlschaftkegel (HSK) sind weit verbreitet als Werkzeugaufnahme in Werkzeugmaschinen, z.B. für Bohrwerkzeuge, und ermöglichen einen einfachen und schnellen Werkzeugwechsel bei hoher Wechselgenauigkeit. Hierbei dienen die HSK als Schnittstelle zwischen einer Motorspindel der Maschine und dem jeweiligen Werkzeug. Zum Übertragen von Drehmomenten weisen HSK typischerweise eine Kegel- bzw. Anlagefläche sowie Mitnehmernuten auf. Die Verwendung eines (standardisierten) HSK als Schnittstelle bedeutet insbesondere, dass das vorliegende Messwerkzeug in den unterschiedlichsten Werkzeugmaschinen bzw. Werkzeugwechslern zum Einsatz kommen kann, ohne dass das Messwerkzeug speziell konfiguriert werden muss. Dem Fachmann wird hierbei klar sein, dass ein Austausch der HSK-Schnittstelle durch eine andere Schnittstelle leicht möglich ist.
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In einem konkreten Beispiel kann die Werkzeugschnittstelle als HSK-E32 gemäß DIN 69893-5 ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Messwerkzeug ferner einen RFID-Transponder umfassen. Der RFID-Transponder kann in die Werkzeugschnittstelle integriert sein. Auf dem RFID-Transponder können Identifikations- und/oder Betriebsdaten des Messwerkzeugs speicherbar sein. Beispielsweise kann das Messwerkzeug über Auslesen des RFID-Transponders identifiziert werden. Darüber hinaus können weiteren Informationen auf dem RFID-Transponder abgelegt bzw. von diesem ausgelesen werden, z.B. Wartungszyklen, Batterielaufzeit, Anzahl der Einsätze usw.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Werkzeugmaschine ferner ein Bohrwerkzeug umfassen. Das Bohrwerkzeug kann in die Maschinenschnittstelle der Werkzeugmaschine zur Durchführung von Bohrungsarbeiten einsteckbar sein. Die Werkzeugmaschine kann somit Bohrarbeiten durchführen und die erzeugten Bohrungen unmittelbar und in-situ durch einfaches und schnelles Wechseln der entsprechenden Werkzeuge vermessen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Werkzeugmaschine ferner einen Werkzeugwechsler umfassen. Der Werkzeugwechsler kann mit mehreren Werkzeughaltern ausgebildet sein, in denen das Messwerkzeug und das Bohrwerkzeug jeweils außerhalb eines Verwendungszeitraums ablegbar sind.
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Gemäß einer Weiterbildung können die Werkzeughalter jeweils eine Gegenhalterungsfläche aufweisen, welche komplementär zu einer Halterungsfläche des Messwerkzeugs und/oder des Bohrwerkzeugs ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Werkzeugmaschine als automatische Bohr- und/oder Nietanlage ausgebildet sein. Insbesondere kann die Werkzeugmaschine für die Bearbeitung von Fahrzeugen und/oder Fahrzeugbauteilen, insbesondere von Flugzeugen, ausgebildet sein.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 schematische perspektivische Explosionsansicht eines Messwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 schematische Seitenansicht des Messwerkzeugs aus 1;
- 3 schematische Schnittansicht des Messwerkzeugs aus 1;
- 4 schematische Perspektivansicht des Messwerkzeugs aus 1;
- 5 schematische Schnittansicht eines Bohrungsmessdorns aus dem Messwerkzeug aus 1 bis 4; und
- 6 schematische Ansichten einer Werkzeugmaschine mit dem Messwerkzeug aus 1 bis 4.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeige eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Messwerkzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 bis 4 zeigen das Messwerkzeug 1 in weiteren Ansichten. 6 zeigt eine Werkzeugmaschine 10 mit dem Messwerkzeug 1 aus 1 bis 4.
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Die Werkzeugmaschine 10 kann beispielsweise eine automatische Bohr- und Nietanlage für die Fertigung von Flugzeugbauteilen oder anderen Fahrzeugkomponenten sein. Zu diesem Zweck umfasst die Werkzeugmaschine 10 unter anderem ein Bohrwerkzeug 16, welches in eine Maschinenschnittstelle 15 der Werkzeugmaschine 10 zur Durchführung von Bohrungsarbeiten einsteckbar ist. Diese Bestückung mit einem bestimmten Werkzeug kann hierbei in der üblichen Art und Weise vollautomatisch über einen Werkzeugwechsler 17 ablaufen, indem das Bohrwerkzeug 16 (oder ein anderes Werkzeug) von einer Verstauposition auf einem Werkzeughalter 13 des Werkzeugwechslers 17 entnommen wird und in die Maschinenschnittstelle 15 eingesteckt wird (z.B. über einen hier nicht abgebildeten Greifarm oder dergleichen). Ebenso kann die Werkzeugmaschine 10 weitere bekannte Werkzeuge wie Fräswerkzeuge etc. umfassen, die ebenfalls über die Maschinenschnittstelle 15 eingesetzt werden können.
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Die Werkzeugmaschine 10 wird hierbei von einer Steuervorrichtung 27 verwaltet, die beispielsweise eine digital programmierte SPS bzw. PLC sein bzw. umfassen kann. Die Steuervorrichtung 27 kann in der dem Fachmann bekannten Weise eine Motorspindel der Werkzeugmaschine 10 (nicht abgebildet) antreiben, welche wiederum ein Drehmoment über die Maschinenschnittstelle 15 auf das Bohrwerkzeug 16 übertragen kann. Ebenso können weitere Mittel zur Lageregelung des Bohrwerkzeugs 16 hinsichtlich Position und/oder Winkel vorhanden sein.
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Das Messwerkzeug 1 der 1 bis 4 dient zum Vermessen eines Bohrungsdurchmessers 7 einer Bohrung 6, wie sie beispielhaft rechts unten in 6 dargestellt ist. Das Messwerkzeug 1 wird von der Werkzeugmaschine 10 ebenso wie das Bohrwerkzeug 16 gehandhabt, d.h. es kann auf einem der Werkzeughalter 13 des Werkzeugwechslers 17 verstaut werden und ggf. für den Einsatz in die Maschinenschnittstelle 15 eingesteckt werden (vgl. Pfeile rechts in 6). Beispielsweise können zunächst eine oder mehrere Bohrungen 6 mit dem Bohrwerkzeug 16 angelegt werden. Im unmittelbaren Anschluss kann das Bohrwerkzeug 16 durch das Messwerkzeug 1 ersetzt werden, um die angefertigten Bohrungen zu überprüfen.
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Eine grundlegende Idee hierbei ist es, das Messwerkzeug 1 möglichst kompakt als vielseitig verwendbares Werkzeugmodul bereitzustellen, ähnlich wie in gewöhnlichen Anlagen beispielsweise Bohrwerkzeuge bereitgestellt werden. Das Messwerkzeug 1 steht hierbei in besonders vorteilhafter Weise in drahtloser Datenkommunikation mit der Steuereinheit 27, wie im Folgenden ausführlich erläutert wird, und benötigt somit keinerlei Kabelverbindung zu der Werkzeugmaschine 10. Dies ist besonders relevant im Fall von automatischen Nietanlagen für Flugzeugbauteile, da der Manövrierspielraum dort häufig sehr stark eingeschränkt ist.
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Konkret umfasst das Messwerkzeug 1 einen metallischen Bohrungsmessdorn 2, welcher dazu ausgebildet ist, bei Einführung in die Bohrung 6 eine axiale Auslenkung zu erzeugen, welche proportional zu einem Bohrungsdurchmesser 7 der Bohrung 6 ist. Hierbei bietet es sich als besonders vorteilhaft an, den Bohrungsmessdorn 2 als rein mechanischen Bohrungsmesser auszubilden, z.B. als 2-Punkt-Bohrmessdorn, wie er aus der Handmesstechnik bekannt ist. Das Funktionsprinzip eines derartigen Messdorns ist in 5 dargestellt. Der Bohrungsmessdorn 2 umfasst eine axiale Hubnadel 18, welche auf zwei radial auslenkbaren Auslenkgliedern 19 aufsitzt, die beispielsweise wie in der Figur ersichtlich mit einer halbkugelartigen Außenfläche ausgebildet sind. Je nach dem konkreten Bohrungsdurchmesser 7 der jeweiligen Bohrung 6 werden die Auslenkglieder 19 mehr oder weniger stark radial nach innen bewegt, wodurch wiederum die Hubnadel 18 in die axiale Richtung gedrückt wird (vgl. Pfeile in 5). Diese axiale Auslenkung der Hubnadel 18 steht nun in direkter Abhängigkeit mit dem Bohrungsdurchmesser 7 und kann somit zur Bestimmung desselben genutzt werden.
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Das Messwerkzeug 1 umfasst hierzu ferner einen Wegaufnehmer 3, welcher axial an den Bohrungsmessdorn 2 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, die axiale Auslenkung in ein digitales Messsignal umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann der Wegaufnehmer 3 beispielsweise als LVDT-Sensor ausgebildet sein, welcher eine Versatzinformation in eine hochfrequente Wechselspannung übersetzt. Beispielsweise kann der Wegaufnehmer 3 hierzu einen stabförmigen Kern aufweisen (nicht abgebildet), der an die Hubnadel 18 des Bohrungsmessdorns 2 gekoppelt ist und beweglich innerhalb einer hohlzylinderförmigen Spulenbaugruppe ausgebildet ist Als elektrisches Ausgangssignal des LVDT kann beispielsweise eine Wechselspannung der Spulenbaugruppe dienen, die je nach axialer Position des Kerns und somit je nach Auslenkung der Hubnadel 18 variiert.
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Der Wegaufnehmer 3 befindet sich axial in einem hohlen Werkzeuggehäuse 4 des Messwerkzeugs 1 (z.B. ein Stahlgehäuse), an dessen erstem axialen Ende 4a zudem der Bohrungsmessdorn 2 über einen Messdornhalter 25 befestigt ist. An dem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende 4b ist das Werkzeuggehäuse 4 in einer Werkzeugschnittstelle 5 gelagert. Die Werkzeugschnittstelle 5 ist in diesem konkreten Beispiel als standardisierter HSK E32, d.h. als Hohlschaftkegel, ausgebildet. Das Messwerkzeug 1 kann somit über die Werkzeugschnittstelle 5 grundsätzlich in sämtliche Maschinen eingesetzt werden, die über eine derartige Schnittstelle verfügen. Dem Fachmann wird hierbei klar sein, dass ein Wechsel von einer HSK-Schnittstelle auf eine andere Schnittstelle leicht möglich ist.
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Das Messwerkzeug 1 umfasst ferner ein Kommunikationsmodul 8 zur drahtlosen Datenkommunikation mit der Steuereinheit 27 der Werkzeugmaschine 10. Zu diesem Zweck kann die Werkzeugmaschine 10 ein entsprechendes - hier nicht abgebildetes - Empfangs- und Sendemodul umfassen, welches beispielsweise an die Steuereinheit 27 gekoppelt bzw. in diese integriert sein kann. Das Kommunikationsmodul 8 wird vorliegend über eine Knopfbatterie als Energiespeicher 11 mit elektrischer Energie versorgt. Um die Länge des Messwerkzeugs 1 so gering wie möglich zu halten, wird dieses Kommunikationsmodul 8 über einen radial außen auf dem Werkzeuggehäuse 4 aufsitzenden Seitenhalter 12 gehalten. Zu diesem Zweck ist der Seitenhalter 12 als Steckverbinder ausgebildet, in welchen das Kommunikationsmodul 8 einfach ein- und ausgesteckt werden kann (vgl. 1). Das Kommunikationsmodul 8 ist über ein Flachbandkabel 9 mit dem Wegaufnehmer 3 verbunden, sodass die digitalisierten Messsignale von diesem an die Steuereinheit 27 übertragen werden können. Der Seitenhalter 12 dient hierbei zudem als Schutzvorrichtung für das Flachbandkabel 9 und deckt dieses gegenüber der Außenwelt ab. Der Seitenhalter 12 selber kann beispielsweise als einteiliges Stück additiv mit einem 3D-Druckverfahren aus Kunststoff gefertigt werden.
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Um das Messwerkzeug 1 in den Werkzeughaltern 13 abzulegen, weisen diese beiden Komponenten komplementär geformte Halterungsflächen 12a, 13a auf (vgl. 4 und 6). Beispielsweise ist eine Halterungsfläche 12a beidseitig an dem Seitenhalter 12 ausgebildet. Die Form dieser Flächen kann derart gewählt werden, dass das Messwerkzeug 1 in einer bestimmten, eindeutigen Orientierung und Ausrichtung auf dem Werkzeughalter 13 verstaut werden kann, z.B. mit dem Kommunikationsmodul 8 und dem Energiespeicher 11 nach außen für eine optimale Zugänglichkeit (vgl. 6). Anders formuliert können diese Halterungsflächen 12a, 13a das Messwerkzeug 1 im Zusammenspiel gewissermaßen in eine Verstauposition führen.
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Das Messwerkzeug 1 umfasst ferner einen RFID-Transponder 14, welcher in eine zugehörige Öffnung in die Werkzeugschnittstelle 5 eingesteckt ist. Der RFID-Transponder 14 kann hierbei dazu genutzt werden, um Identifikations- und/oder Betriebsdaten des Messwerkzeugs 1 zu speichern. Diese Daten können von der Werkzeugmaschine 10 und/oder von einem externen Lesegerät jederzeit ausgelesen werden. Beispielsweise kann das Messwerkzeug 1 derart eindeutig identifiziert werden. Andererseits können Wartungszyklen, Akkulaufzeiten usw. überwacht werden.
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Das Messwerkzeug 1 kann nun, wie oben bereits für das Bohrwerkzeug 16 beschrieben wurde, von der Werkzeugmaschine 10 in die Maschinenschnittstelle 15 eingesteckt werden, um eine oder mehrere Bohrungen 6 zu vermessen. Ein zugehöriger Messzyklus kann in der PLC der Steuereinheit 27 programmiert bzw. ausgewählt werden. Eine Lageregelung hinsichtlich Position und/oder Ausrichtungswinkel könnte beispielsweise über die Motorspindel der Werkzeugmaschine erfolgen. Sobald die Messung beendet ist, kann das Messwerkzeug 1 durch das Bohrwerkzeug 16 ersetzt werden. Anschließend können weitere Bohrarbeiten durchgeführt werden, welche dann wiederum vermessen werden. Die Bohrungen und die sich anschließenden Messreihen können somit in vollautomatisierter Weise ohne menschlichen Eingriff schnell, präzise und hocheffizient durchgeführt werden. Eine Überwachung dieser Prozesse ist jederzeit über die drahtlose Datenkommunikation möglich, wobei Betriebsinformationen über den RFID-Transponder speicher- und abrufbar sind.
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Ein Montageablauf für das Messwerkzeug 1 könnte beispielsweise folgende Schritte aufweisen. Zunächst kann der Bohrungsmessdorn 2 in den Messdornhalter 15 eingebracht werden. Anschließend kann der Messdornhalter 15 samt Bohrungsmessdorn 2 auf das erste axiale Ende 4a des Werkzeuggehäuses 4 aufgesetzt werden, wobei der Messdornhalter 15 in das Werkzeuggehäuse 4 eingeführt wird. Hierbei können je nach den erforderlichen Gegebenheiten zusätzlich Abstandsringe 20 bzw. Zwischenlegscheiben zwischen das Werkzeuggehäuse 4 und den Bohrungsmessdorn 2 eingelegt werden. Als nächstes kann der Wegaufnehmer 3 über das zweite axiale Ende 4b bis zum Anschlag in das Werkzeuggehäuse 4 geschoben werden. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist das Werkzeuggehäuse 4 mehrere Radialbohrungen 24 auf, in welche Stellschrauben 23 zur Fixierung des Wegaufnehmers 3 eingebracht werden können.
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Anschließend kann der Seitenhalter 12 zusammen mit dem eingesteckten Kommunikationsmodul 8 über einen Gehäuseflansch 26 des Werkzeuggehäuses 4 gezogen werden. Vorliegend sind mehrere Axialbohrungen 23 in den Gehäuseflansch 26, den Seitenhalter 12 und die Werkzeugschnittstelle 5 eingebracht, sodass diese Komponenten über Lagerschrauben 21 aneinander fixiert werden können. Zu diesem Zweck kann das Werkzeuggehäuse 4 samt dem darin befindlichen Wegaufnehmer 3 und dem aufgesetzten Seitenhalter 12 in die Werkzeugschnittstelle 5 geschoben werden. Abschließend wird der RFID-Transponder 14 eingesteckt und/oder eingeklebt und die Knopfbatterie 11 in das Kommunikationsmodul 8 eingesetzt.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messwerkzeug
- 2
- Bohrungsmessdorn
- 3
- Wegaufnehmer
- 4
- Werkzeuggehäuse
- 4a
- erstes axiales Ende
- 4b
- zweites axiales Ende
- 5
- Werkzeugschnittstelle
- 6
- Bohrung
- 7
- Bohrungsdurchmesser
- 8
- Kommunikationseinrichtung
- 9
- Flachbandkabel
- 10
- Werkzeugmaschine
- 11
- wiederaufladbarer Energiespeicher
- 12
- Seitenhalter
- 12a
- Halterungsfläche
- 13
- Werkzeughalter
- 13a
- Gegenhalterungsfläche
- 14
- RFID-Transponder
- 15
- Maschinenschnittstelle
- 16
- Bohrwerkzeug
- 17
- Werkzeugwechsler
- 18
- Hubnadel
- 19
- Auslenkglied
- 20
- Abstandsring
- 21
- Lagerschraube
- 22
- Axialbohrung
- 23
- Stellschraube
- 24
- Radialbohrung
- 25
- Messdornhalter
- 26
- Gehäuseflansch
- 27
- Steuereinheit
