DE1773550C2 - Meßeinrichtung mit Dehnungsmeßstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und/oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

phere Stellen der beiden Flansche miteinander verbinden.

Die sich parallel zur Längsachse des Hohlkörpers erstreckenden Dehnungsmeßstreifen sind Teilwiderstände einer mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltun£, deren Ausgang über Auswerteinrichtungen ein Anzeigegerät zur Ermittlung des Biegemoments beeinflußt. Die sich im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers erstreckenden Dehnungsmeßstreifen sind Teilwiderstände einer ^x° weiteren mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltung, deren Ausgang über Auswerteinrichtungen ein Anzeigegerät zur Ermittlung des Drehmoments beeinflußt. Die Anzeigegeräte für die Momente brauchen nicht die Endglieder der Meßkette zu sein, sondern die Meßgrößen, welche auf sie einwirken, können überdies auch zusätzliche entsprechende Istwertgeber beeinflussen, welche die ermittelten Größen als analoge ode. digitale Werte den Vorschubregelkreisen des Maschinenantriebs eilige- *° ben.

Zur Auswertung der momentproportionalen Brükkenausgangsspannungen soll nach einem weiteren Merkmal die Auswerteinrichtung, jeweils aus einem mit der Brückenausgangsspannung modulierbaren ³S Generator bestehen, dem ein Demodulator nachgeordnet ist. Hierbei soll die Einkopplung der Betriebswechselspannung für die Brücken und die Auskopplung der modulierten Generatorfrequenz über induktive Koppelmittel (Transformatoren) erfvlgen, deren Wicklungen teils in einem den Rotationshohlkörper bis auf einen Spalt ummantelnden Stator, teils in dem Rotationshohlkörper selbst angeordnet sind. Die Brückenanordnungen und die Generatoren sind dabei räumlich dem Rotationshohlkörper, die Demodulatoren dem Stator zugeordnet.

Nach einem weiteren Merkmal sollen die Generatoren einerseits und die Demodulatoren andererseits als Halbleiterschaltkreise in Kleinstbauweisc, vozugsweise als integrierte Schaltkreise, ausgebildet und in Hohlräumen des Rotors bzw. Stators angeordnet sein.

Durch diese Einrichtung wird eine kompakte Auswerteinrichtung geschaffen, die leicht auf den Schaft des Bohr- bzw. Fräswerkzeugs aufgeschoben und auf diesem befestigt werden kann. Diese Einrichtung gestattet er ferner, die interessierenden Meßwerte ohne Verwendung von Schleifringen auf induktivem Wege der feststehenden Auswerteinrichtung (Stator) zuzuführen, welche die Ausgangssignalspannungen analog oder digital dem zugehörigen Meßgerät und/oder den Istwertgebern des Vorschubregelkreises eingibt.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand von vier Figuren, welche als Ausführungsbeispiele anzusehen sind, erläutert.

Die Fig. 1 veranschaulicht den Meßkörper in Verbindung mit dem Schaft des Werkzeugs in schematischer Darstellung. Die Einspannstelle des Schaftes Sch des Werkzeugs W (Bohrer, Fräser) im nicht dargestellten Futter der Werkzeugmaschine ist mit E₁ bezeichnet. Auf dem Schaft Sch, zwischen Einspannstelle E₁ und Werkzeug W, sind mit Abstand voneinander zwei Endringe RX und RZ fest mit dem Schaft Sch verbunden. Periphere Stellen der beiden Ringe Rl und R2 sind miteinander durch Dehnungsmeßstreifen A und F überbrückt. Die Dehnungsmeßstreifen A und B verlaufen parallel zum Schaft Sch, während die Dehnungsmeßstreifen C bis F im Winkel zur Achse Sch periphere Stellen der Ringe R miteinander verbinden. Die Meßstreifen A und B dienen zur Ermittlung der Biegebeanspruchung, die Meßstreifen C bis Fzur Ermittlung des Drehmoments. Bei der Befestigung der Ringe Al und R2 sollen die Meßstreifen A bis F leicht auf Spannung gehalten sein. Die Meßstreifen A und B für die Messung der Biegebeanspruchung bilden die veränderbaren Teilwiderstände einer mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brücke, die als Halbbrücke mit zwei festen und den beiden veränderlichen Widerständen A und B ausgebildet sein kann. Die vier Dehnungsmeßstreifen C bis F zur Ermittlung der Torsionsbeanspruchung sollen die Widerstände einer weiteren Wheatstone'schen Brückcnschaltung sein. In üblicher Weise wird jeweils in die eine Brückendiagonale eine, vorzugsweise stabilisierte, Wechselspannung eingespeist, während von der anderen Brückendiagonale der Istwert als Spannungsgröße entnommen wird.

In Anlehnung an das in Fig. 1 dargestellte Prinzip veranschaulicht die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der Meßeinrichtung nach der Erfindung. Der Mclikörper besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper H mit der in Achsrichtung durchgehenden Bohrung J, deren Durchmesser so gewählt sein soll, daß der Hohlkörper H gleitfähig auf den nicht dargestellten, aber in Fig. 1 schematisch gezeigten Werkzeugschaft Sch aufschiebbar ist. Der Hohlkörper H weist mittig quer zur Achsrichtung verlaufende, nicht durchgehende Einschnitte 5 auf, welche es ermöglichen, daß der Hohlkörper in Längsachsrichtung federn kann. An die Stirnseiten des Hohlkörpers H sind kraft- und stoffschlüssige Flansche Fl und Fl angearbeitet, deren Durchmesser größer sein sollte als der Außendurchmesser des zylindrischen Hohlkörpers H. Die Flansche Fl und Fl bzw. (wie dargestellt) die nicht quergeschlitzten stirnseitigen Enden des Hohlkörpers H weisen durchgehende Gewindebohrungen C?l bzw. Gl zur Aufnahme von Feststellschrauben auf, welche die Flansche Fl und Fl bzw. die Stirnenden des Hohlkörpers H fest mit dem Schaft ScA verbinden. Wie zum Prinzipbild nach Fig. 1 erläuteit wurde, sind gegenüberliegende Randstellen der Flansche Fl bzw. Fl durch Dehnungsmeßstreifen überbrückt, von denen in der Fig. 2 die Meßstreifen A und B angedeutet sind. Um störende Einflüsse durch Reibung des zylindrischen Hohlkörpers H auf dem Schaft des Werkzeuges zu vermeiden, ist der geschlitzte Teil dieses Hohlkörpers etwas weiter aufgebohrt, als es dem Werkzeugschaft entspricht.

Um eine schleifringlose Einkopplung der Betrieb^.-wechselspannung bzw. Auskopplung der Brückenausgangsspannung zu ermöglichen, ist die Meßeinrichtung in einen Rotor- und Statorteil aufgeteilt, wie dies in der Fi g. 3 in schematischer Darstellung näher veranschaulicht ist. Dem Rotorteil Rt, der im wesentlichen entsprechend der Fig. 2 ausgebildet ist, sind Wicklungen P, Q, R zugeordnet, denen entsprechende Wicklungen O, T, U im Statorteil Si gegenüberstehen, wobei Sorge getragen ist, daß eine magnetische Kopplung jeweils nur zwischen den Wicklungen Q-T, O-P sowie R-U wirksam ist.

Die Einkopplung-der Betriebsspannung bzw. die Auskopplung der Meßgrößen auf induktivem Wege erfolgt gemäß der Darstellung in Fig. 4. Die Betriebswechselspannung (ca. 50Hz) wird über die Wicklung O im Stator St in die Wicklung P im Rotor Rt eingekoppelt. Innerhalb des Rotorteils befinden sich ferner die Betriebsstromversorgung V, die Brük-

kenanordnung ßl mit den Dehnungsmeßsteifen A und ß, sowie die Briickenanordnung Bl mit den Dehnungsmeßstreifen C bis F (Fig. 1). Der Bnicke BI ist der Modulator Ml, der Brücke Bl der Modulator M2 nachgeschaltet, wodurch die jeweiligen Brückenausgangsspannungen moduliert werden. Die modulierte Ausgangsfrequenz MI speist die Wicklung Q, die modulierte Ausgangsfiequenz Λ/2 die Wicklung R. Die Modulatoren Ml und Ml sowie die Wicklungen Q und R sind ebenfalls dem Rotorteil zugeordnet. Der Stator Si enthalt außer der Wicklung O noch die Wicklungen 7'u.nd U, wobei die Wicklung 7" von der Wicklung Q im Rotor Rt und die Statorwicklung U von der Rotorwicklung R beeinflußt wird. Die in die Wicklungen 7"bzw. U des Stators Si eingekop- ij peltcn Spannungen gelanger über Demodulatoren Dl bzw. D2 auf die Anzeigevorrichtungen Al bzw. A1 für Biegemoment bzw. Drehmoment und oder die nicht näher veranschaulichte Steuerkette K\ bzw. Kl. Die Modulatoren Ml und Ml können Hochfrequenzgeneratoren enthalten, deren Ausgangsfrequenzen voneinander abweichen und in der Größenordnung von etwa 10 bis JOkHz liegen. Da die benötigte Hoclifrequenzenergie dieser Generatoren klein sein kann, empfiehlt sich die Verwendung von Halbleiter-Ringmodulatoren bekannter Bauart. Die Modulatoren Ml und .W2 sowie die Demodulatoren Dl und D2 werden zweckmäßig als Halbleitcrschaltkreise in Kleinstbauweisc. vorzugsweise als integrierte Schaltkreise, ausgebildet und in Hohlräumen des Rotors Rt b/w. des Stators St angeordnet. Die Wicklungen P. Q. R im Rotor Rf einerseits und O, T, U im Stator ,Vf andererseits sind gegeneinander abzuschirmen, um Fehleinkopplungen zu verhindern.

Die Auswertung der anfallenden Meßwerte kann -soweit diese nicht ausschließlich Anzeigeeinrichtungen Al und Al, sondern über die Steuerkette Kl bzw. Kl noch den Vorschubregeleinrichtungen zugeführt werden-in üblicher Weise in in Schaltschranker untergebrachten Steuereinrichtungen erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung mit Dehnungsmeßstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und/oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen, insbesondere zur Ermittlung der Belastung von im Eingriff mit dem Werkstück befindlicher Bohr- und Fräswerkzeuge, mit einem auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylin- to drischen Hohlkörper, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlkörper (H) quer zur Achsrichtung verlaufende Schlitze (S) angeordnet sind, daß an seinen beiden Stirnseiten >5 kraft- bzw. stoffschlüssig angearheitete, je durchgehende Gewindebohrungen (Gl, G2) zur Aufnahme von Feststellschrauben aufweisende Flansche (Fl, F2) vorgesehen sind und daß die Dehnungsmeßstreifen (A bis F) teils parallel, teils »<· im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers (H) periphere Stellen der beiden Flansche (Fl, F2) miteinander verbinden.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich parallel zur Längs- *5 achse des Hohlkörpers (H) erstreckenden Dehnungsmeßstreifen (A, B) Teilwiderstände einer mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltung (Bl) sind, deren Ausgang über Auswerteinrichtungen (Ml, Dl) ein Anzeigege- w rät (Al) zur Ermittlung des Biegemoments beeinflußt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers (H) erstreckenden Dehnungsmeßstreifen (C-F) Teilwiderstände einer weiteren mit Wechselstrom gespeisten Wheatstone'schen Brückenschaltung (B2) sind, deren" Ausgang über Auswerteinrichtungen (M2, D2) ein Anzeigegerät (Al) zur Ermittlung des Drehmoments beeinflußt.

4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 2 und

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung jeweils aus einem dem Brückenausgang zugeordneten Modulator (M) bestehtt, dem ein Drehmodulator (D) nachgeordnet ist.

5. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung der Betriebswechselspannung für die Brücken (Bl, B2) und die Auskopplung der Modulatorfrequenzen über induktive Koppelmittel (Transformatoren) erfolgt, deren Wicklungen (O, P; Q, T; R, U) teils in einem den Hohlkörper (W) bis auf einen Spalt ummantelnden Stator (Sr), teils in dem Rotationshohlkörper (Rr) angeordnet sind.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenanordnung (Bl, ß2) und die Modulatoren (Ml, M2) räumlich dem Rotationshohlkörper (Rf), die Demodulatoren (Dl, D2) dem Stator (St) zugeordnet sind.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (Ml, M2) einerseits und die Demodulatoren (Dl, D2) andererseits als Halbleiterschaltkreise in Kleinstbauweise, vorzugsweise als integrierte Schalt- «5 kreise, ausgebildet und in Hohlräumen des Rotors (Rt) bzw. Stators (Sr) angeordnet sind.

Während der Bearbeitung von Werkstücken auf Arbeitsmaschinen, z. B. beim Kopierfräsen bzw. beim Bohren, tritt eine Beanspruchung des Werkzeugs auf, welche sowohl als Biegemoment als auch als Torsionsmoment wirkt. Beim Einsatz solcher Arbeite- bzw. Werkzeugmaschinen ist es deshalb erforderlich, die beiden vorerwähnten Momente meßtechnisch laufend unter Kontrolle zu halten, weil sie die Maßhaltigkeit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstükkes sowie die Standfestigkeit des eingespannten Werkzeugs nachhaltig beeinflussen. Die beiden Meßgrößen sind besonders bei automatisierten Arbeitsmaschinenanlagen als Istwerte im Vorschubregelkreis von großer Bedeutung.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, das am Bohr- bzw. Fräswerkzeug bei der Werkstückbearbeitung auftretende Biege- bzw. Torsionsmoment mit hinreichender Genauigkeif ausschließlich am Bohrbzw. Fräswerkzeug, vornehmlich an dessen Schaft, zu ermitteln.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es zur Messung des von einem solchen Werkzeug während der Bearbeitung aufgenommenen Drehmoments (Lastmoments) und zur Messung der dabei am Schaft des Werkzeugs durch den Bearbeitungsdruck auftretenden Biegung bekannt, ^.inen auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylindrischen Hohlkörper vorzusehen, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet ist; außerdem ist es bekannt, vermittels der Dehnungsmeßstreifen, die in Brückenschaltungen betrieben werden, die Verformung des Meßkörpers zu ermitteln und die MeC-ägnale von dem rotierenden Teil zu fest angeordneten Auswerteinrichtungen mit Schleifring-Kontaktanordnungen zu übertragen. Eine solche Auswertart weist Mangel auf und hat Fehlmessungen zur Folge, welche bei rauhem Betrieb durch den Übergangswiderstand zwischen Schleifring und Bürste bedingt sind. Überdies unterliegen derartige mechanische Abnahmevorrichtungen unter Umständen einem erheblichen Verschleiß und sind deshalb nicht wartungsfrei.

Demgegenüber soll durch die Erfindung eine kompakte Auswerteinrichtung geschaffen werden, die leicht auf den Schaft des Bohr- bzw. Fräswerkzeugs aufgeschoben und auf diesem befestigt werden kann; außerdem sollen die interessierenden Meßwerte ohne Verwendung von Schleifringen auf induktivem Wege der feststehenden Ausweiteinrichtung (Stator) zugeführt werden, welche die Ausgangssignalspannungen analog oder digital dem zugehörigen Meßgerät und/ oder den Istwertgebern des Vorschubregelkreises eingibt.

Die Erfindung besteht somit bei einer Meßeinrichtung mit Dehnungsmeßstreifen zur laufenden Ermittlung des Dreh- und/oder Biegemoments von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen, insbesondere zur Er^: mittlung der Belastung von im Eingriff mit dem Werkstück befindlicher Bohr- und Fräswerkzeuge:, mit einem auf den Werkzeugschaft gleitend aufschiebbaren, zylindrischen Hohlkörper, dem eine Mehrzahl von Dehnungsmeßstreifen zugeordnet isit, darin, daß im Hohlkörper quer zur Achsrichtung verlaufende Schlitze angeordnet sind, daß an seinen beiden Stirnseiten kraft- stofflüssig angearbeitete, je durchgehende Gewindebohrungen zur Aufnahme von Feststellschrauben aufweisende Flansche vorgesehen sind und daß die Dehnungsmeßstreifen teils parallel, teils im Winkel zur Längsachse des Hohlkörpers peri-