DE3437246A1 - Sensor zur messung einer schnittkraftkomponente in einer werkzeugmaschine - Google Patents

Description

• Sensor zur Messung einer
• Schnittkraftkomponente in einer Werkzeugmaschine Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer Schnittkraftkomponente in einer Werkzeugmaschine, welche zum Verschieben eines von einem Schlitten getragenen Werkzeugs eine Gewindespindel mit einer auf dieser laufenden und mit dem Schlitten verbundenen Mutter aufweist, durch Messung der über den Sensor geleiteten Spindelaxialkraft, wobei der Sensor zur übertragung dieser Axialkraft ein Zwischenstück aufweist, welches zumindest eine durch die Axialkraft verformbareDeformationszone besitzt, auf der ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist Ein bekannter Sensor dieser Art zur Anordnung zwischen der Gewindespindel und einem Axiallager für die letztere besitzt ein Zwischenstück in Form einer Hülse, in der durch in Umfangsrichtung verlaufende Ringnuten Deforinationszonen ausgebildet sind. Dieser bekannte Sensor ist nicht nur aufwendig in der Herstellung, sondern er benötigt auch relativ viel Platz, der an den Schlitten von Werkzeugmaschinen meist nicht zur Verfügung steht.
• Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfach herzustellenden und klein bauenden Sensor zu entwickeln, was sich - ausgehend von einem Sensor der eingangs erwähnten Art - erfindungsgemäß dadurch erreichen lässt, daß das Zwischenstück die Form eines zur Übertragung der Axialkräfte zwischen Schlitten und Mutter anbringbaren, flachen Zwischenrings mit einer Öffnung für den Durchtritt der Gewindespindel aufweist. Dieser Zwischenring baut in axialer Richtung außerordentlich kurz und lässt sich deshalb ohne weiteres zwischen der Mutter eines Kugelgewindetriebs und einem Schlitten anordnen.
• Üblicherweise besitzt die Mutter eines Kugelgewindetriebs einen Befestigungsflansch, und in diesem Fall empfiehlt es sich, die radialen Abmessungen des Zwischenrings so zu wählen, daß sie denjenigen des Befestigungsflanschs entsprechen. Der Zwischenring kann dann einfach auf die Mutter aufgeschoben und zwischen deren Befestigungsflansch und dem Schlitten angeordnet werden, ohne daß er über den Befestigungsflansch in radialer Richtung übersteht.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors besitzt der Zwischenring zum Aufstecken auf die Gewindespindel eine Lücke, so daß er sich sogar ohne Demontage der Gewindespindel austauschen oder nachträglich einbauen lässt.
• Damit sich der Zwischenring satt sowohl an die Mutter als auch an den Schlitten anlegt, empfiehlt sich eine Ausführungsforn, bei der der Zwischenring mindestens zwei in axialer Richtung gegeneinander versetzte und ueber die Deformationszone miteinander verbundene Bereiche aufweist, von denen der eine an der Mutter und der andere am Schlitten befestigbar ist, insbesondere mittels Schrauben.
• Grundsätzlich käme man zur Erfassung der Axialkraft zwischen Schlitten und Mutter mit einem nur eine einzige Deformationszcne aufweisenden Zwischenring aus. Dann wird der Messwert aber nicht hinsichtlich solcher Beanspruchungen des Dehnungsmeßstreifens kompensiert, welche auf eine Biegebeanspruchung der Gewindespindel zurückzuführen sind. Deshalb wird ein Zwischenring mit mindestens zwei einander bezüglich der Gewindespindelachse gegenüberliegende Defo#tionszonen , auf denen jeweils ein Dehnungsmeßstreifen angebracht ist, bevorzugt, wobei dann diese beiden Dehnungsmeßstreifen in einander gegenüberliegende Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gelegt werden. Gestaltet man den Zwischenring so, daß er vier einander jeweils paarweise gegenüberliegende Bereiche aufweist, von denen diejenigen eines Paares gegenüber denjenigen des anderen Paares axial versetzt sind, und daß die auf der einen Stirnseite des Zwischen rings liegenden Flächen des einen Paares sowie die auf der anderen Stirnseite liegenden Flächen des anderen Paares jeweils in einer gemeinsamen, zur axialen Richtung senkrechten Ebene liegen, so erhält man einen Sensor, der sich satt gegen ebene Flächen der Mutter und des Schlittens anlegen lässt und zu einem optimalen Meßsignal führt, wenn die den vier so geschaffenen Deformationszonen zugeordneten Dehnungsmeßstreifen in die vier Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gelegt werden, und zwar wieder so, daß die einander am Zwischenring gegenüberliegenden Dehnungsmeßstreifen in einander gegenüberliegende Brückenzweige geschaltet werden.
• Bei einer bezüglich ihres radialen Platzbedarfs besonders günstigen Ausführungsform weist der Zwischenring an seinem Außenumfang zwischen zwei Deformationszorzen eine Abflachung auf, die, in Richtung senkrecht zu dieser Abflachung gemessen, den Durchmesser des Zwischenrings vermindert, ohne die Funktion des Sensors zu beeinträchtigen.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und/oder der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors; in der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Drehmaschine mit einem Kreuzschlittensystem als Werkzeugträger und an diesem angebrachten erfindungsgemäßen Sensoren zur Messung zweier Schnittkraftkomponenten; Fig. 2 einen an einen Schlitten des Kreuzschlittensystems angebauten Kugelgewindetrieb mit zwischen dessen Mutter und dem Schlitten angebrachtem Sensor, teilweise in der Seitenansicht und teilweise im Schnitt; Fig. 3 eine Stirnansicht des Zwischenrings des erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 4 eine Seitenansicht dieses Zwischenrings, gesehen in Richtung des Pfeils "s" in Fig. 3; Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 3; Fig. 6 eine Seitenansicht einer Deformationszone des Zwischenrings, gesehen in Richtung des Pfeils C in Fig. 3; Fig. 7 eine Stirnansicht einer zweiten Ausführungsform des Zwischenrings des erfindungsgemäßen Sensors, und Fig. 8 eine Wheatstonesche Vollbrückenschaltung zur Verwendung mit einem der in den Figuren 3 und 7 dargestellten Zwischenringe.
• Die in Fig. 1 gezeigte Drehmaschine besitzt eine Hauptspindel 10, welche ein Spannfutter 12 zum Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks 14 trägt. Die Hauptspindel ist in einem Spindelkasten 16 eines Maschinengestells 18 drehbar gelagert. Das letztere besitzt in Z-Richtung verlaufende Führungen 20 für einen Unterschlitten 22 eines Kreuzschlittensystems 24, und auf dem Unterschlitten 22 befinden sich in X-Richtung verlaufende Führungen 26 für einen Oberschlitten 28, an dem ein ein Werkzeug 30 tragender Werkzeughalter 32 befestigt ist.
• Der Verschiebung des Unterschlittens 22 dienen ein erster Kugelgewindetrieb mit einer mit dem Unterschlitten 22 fest verbundenen Mutter 34 und einer uewindespindel 36, die am Maschinengestell 18 in nicht dargestellter Weise drehbar gehalten ist und durch einen Motor 38 angetrieben werden kann. Ein zweiten Kugelgewindetrieb besitzt eine mit dem Ober schlitten 28 fest verbundene Mutter 40 und eine Gewindespindel 42, die am Unterschlitten 22 drehbar gelagert ist und sich durch einen Motor 44 antreiben lässt.
• Zwischen jeder der Muttern 34 und 40 sowie den zugehörigen Schlitten 22 bzw. 28 befindet sich ein erfindungsgemäßer Sensor. Erfindungsgemäß könnte dieser aber auch an der Lagerung der jeweiligen Gewindespindel. vorgesehen sein, und zwar derart, daß die axialen Kräfte von der Gewindespindel über den Sensor auf das jeweilige Lager für die betreffende Gewindespindel übertragen werden.
• Mit dem der Gewindespindel 42 zugeordneten. Sensor lässt sich die Schnittkraftkomponente Fx, mit dem der Gewindespindel 36 zugeordneten Sensor die Schnittkraftkomponente F erfassen, wenn das Werkstück 14 mit dem Werkzeug 30 z zerspanend bearbeitet wird.
• Der Einbau des erfindungsgemäßen Sensors soll nun anhand der Fig. 2 erläutert werden, die den in Fig. 1 mit "A" bezeichneten Ausschnitt in gröBerem Maßstab darstellt. Wesentlichster und erfindungsgemäß ausgebildeter Bestandteil des Sensors ist ein Zwischenring 50, welcher zwischen einem Montageflansch 34a der Mutter 34 und dem Unterschlitten 22 angeordnet und über den die Mutter mit dem Schlitten verbunden ist. Zu diesem Zweck besitzt der Montageflansch 34a mehrere abgestufte Bohrungen 34b für in Gewindebohrungen 50a des Zwischenrings 50 einschraubbare Schrauben 52, während der Zwischenring 50 mehrere abgestufte Bohrungen 50b für in Gewindebohrungen 22a des Unterschlittens 22 einschraubbare Schrauben 54 aufweist.
• Der in den Figuren 3 bis 5 näher gezeigte Zwischenring 50 ist als flacher, geschlossener Ring aus einem metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff ausgebildet, dessen maximaler Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Montageflanschs 34a und dessen Innendurchmesser dem kleineren Außendurchmesser der Mutter 34,entspricht.
• Der Zwischenring 50 hat zwei einander gegenüberliegende und identisch gestaltete, die abgestuften Bohrungen 50b aufnehmende Bereiche 60 und zwei einander gleichfalls gegenüberliegende und identisch ausgebildete, die Gewindebohrungen 50a aufnehmende Bereiche 62, welche gegenüber den Bereichen 60 in Richtung der Achse der Gewindespindel 36 relativ zu den Bereichen 60 versetzt sind, und zwar liegen für den Betrachter der Fig. 3 die Bereiche 62 höher als die Bereiche 60. Auf diese Weise entstehen Stufen 64 und jeweils eine Deformationszone 66, und im Bereich einer jeden Defonnationszcne ist an der Außenumfangsfläche 68 des Zwischenrings 50 ein Dehnungsme3streifen 70 befestigt, dessen Anschlußdrähte in Fig. 6 mit 72 bezeichnet wurden.
• Die Figuren 3 und 4 lassen schließlich noch erkennen, daß der Zwischenring 50 an seiner Außenseite mit einander gegenüberliegenden Abflachungen 74 ersehen ist, um den Durchmesser des Zwischenrings zu verringern. Diese Abflachungen beeinträchtigen die Funktion des erfindungsgemässen Schnittkraftsensors nicht.
• Die Fig. 8 zeigt eine Wheatstonesche Vollbrückenschaltung mit vier veränderlichen Widerständen R1, R2, R3 und R4, bei denen es sich um die vier Dehnungsmeßstreifen 70 des Zwischenrings 50 handeln soll, und zwar liegen diese Dehnungsmeßstreifen in der gleichen Weise in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen, wie sie auch am Zwischenring 50 einander gegenüberliegend befestigt wurden. Eine Eingangs- oder Speisespannung für die Brückenschaltung wurde mit UE bezeichnet, die Ausgangs-oder Meßspannung der Brückenschaltung mit UA Die in Fig. 7 gezeigte Variante eines Zwischenrings 50' unterscheidet sich vom Zwischenring 50 nach den Figuren 3 bis 6 lediglich dadurch, daß der Ring nicht geschlossen ist, sondern eine Lücke 80' aufweist, deren Breite geringfügig größer als der Durchmesser der Gewindespindel 36 ist, so daß sich der Zwischenring 50' nachträglich und ohne eine Demontage der Gewindespindel auf diese aufstecken und dann auf die Mutter 34 aufschieben lässt.
• Für die dem Zwischenring 50 entsprechenden Merkmale des Zwischenrings 50' wurden dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren 3 bis 5, jedoch unter Hinzufügung eines Strichs verwendet, so daß sich eine weitere Beschreibung des in Fig. 7 gezeigten Zwischenrings erübrigt.
• Wie sich deutlich z.B. aus Fig. 4 ergibt, fluchten die einen Stirnflächen 82 der Bereiche 62 ebenso miteinander wie die anderen Stirnflächen 84 dieser Bereiche, und die einen Stirnflächen 86 der Bereiche 60 fluchten in gleicher Weise miteinander wie die anderen Stirnflächen 88 dieser Bereiche. Hinzu kommt, daß bei der bevorzugten Ausführungsform die Bereiche 60 gleich dick sind wie die Bereiche 62. - Leerseite -

Claims (7)

1. Ansprüche 1. Sensor zur Messung einer Schnittkraftkomponente in einer Werkzeugmaschine, welche zum Verschieben eines von einem Schlitten getragenen Werkzeugs eine Gewindespindel mit einer auf dieser laufenden und mit dem Schlitten verbundenen Mutter aufweist, durch Messung der über den Sensor geleiteten Spindelaxialkraft, wobei der Sensor zur Übertragung dieser Axialkraft ein Zwischenstück aufweist, welches zumindest eine durch die Axialkraft verformbare Deformationszcne besitzt, auf der ein Dehnungsmeßstreifen aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück die Form eines zur Übertragung der Axialkräfte zwischen Schlitten (22) und Mutter (3#) anbringbaren Zwischenrings (50; 50'.) mit einer Öffnung für den Durchtritt der Gewindespindel aufweist.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1 für eine einen Befestigungsflansch aufweisende Mutter, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Abmessungen des Zwischenrings (50; 50') denjenigen des Befestigungsflanschs (34a) entsprechen.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (50') zum Aufstecken auf die Gewindespindel (36) eine Lücke (80') aufweist.
4. 4. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (50; 50') mindestens zwei in axialer Richtung gegeneinander versetzte und über die Deformationszonen (66) miteinander verbundene Bereiche (60,62) aufweist, von denen der eine (62) an der Mutter (34) und der andere (60) am Schlitten (22) befestigbar ist.
5. 5. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (50; 50') mindestens zwei einander bezüglich der Gewindespindelachse gegenüber' liegende Deformationszonen (66) aufweist, auf denen jeweils ein Dehnungsmeßstreifen (70) angebracht ist.
6. 6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (50; 50') vier einander. jeweils paarweise gegenüberliegende Bereiche (60,62; 60',62') aufweist, von denen diejenigen eines Paares (z.B. 62) gegenüber denjenigen des anderen Paares (60) axial versetzt sind, und daß die auf der einen Stirnseite des Zwischenrings liegenden Flächen des einen Paares sowie die auf der anderen Stirnseite liegenden Flächen des anderen Paares jeweils in einer gemeinsamen, zur axialen Richtung senkrechten Ebene liegen.
7. 7. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenring (50) an seinem Außenumfang zwischen zwei Deforrnationszonen (66) eine Abflachung (74) aufweist.