DE9201059U1 - Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeugs in einer Arbeitsspindel - Google Patents

Description

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Dipl.-Ing. R. BEETZ sen. (1897-1991)

Dr.-Ing. R. BEETZ jun.

Dr.-Ing. W. TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Prof. Dr.rer.nat. W. SCHMITT-FUMIAN Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. C-M. MAYR

29. Januar 1992

MAHO Aktiengesellschaft Postfach 1280
D-8962 Pfronten

Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeugs in einer Arbeitsspindel

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters mit daran befestigtem Werkzeug beim Ein- und Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine mittels eines Werkzeugwechslers, wobei die Arbeitsspindel eine Spann- und Ausstoßvorrichtung zum Fixieren und Lösen des jeweiligen Werkzeughalters aufweist.

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Bei spanend abtragenden programmgesteuerten Werkzeugmaschinen mit integriertem Werkzeugwechsel werden die mit ihrem standardisierten Werkzeughalter (Steil- oder ISO-Kegel) fest verbundenen Werkzeuge entsprechend dem vorgegebenen Arbeitsprogramm vom Werkzeugwechsler dem Magazin entnommen und in die hohlkegelige Öffnung der Arbeitsspindel eingeführt. In der Spindel befindet sich eine meist hydraulisch betätigte axial verschiebbare Spannzange, welche am schmalen Endteil des in die Spindelaufnahme eingeführten Kegels angreift und den Werkzeughalter durch Zug in der Aufnahme der Arbeitsspindel fixiert. Zum Lösen des Werkzeughalters nach Beendigung eines Bearbeitungsvorganges enthält die Spannzange einen Ausstoßer, der nach Öffnen der Spannorgane der Zange gegen den schmalen Endteil des Kegels drückt und den Werkzeughalter zusammen mit dem Werkzeug um einen geringen Betrag aus seinem Spannsitz herausschiebt. Erst nach diesem Lösevorgang ist ein Abziehen des Werkzeugs mit seinem Werkzeughalter durch die jeweilige Wechselvorrichtung möglich. Für den aufeinanderfolgenden Ablauf der verschiedenen Vorgänge werden bisher Tastelemente und Nockenschalter eingesetzt, die am hinteren Ende der Spannzange angeordnet und elektrisch mit der Programmsteuerung verbunden sind. Diese Elemente überwachen die Bewegung der Zugstange, des Spanngetriebes oder des Hydraulikkolbens der Spannvorrichtung. Eine direkte Überwachung des Werkzeughalters selbst auf seinen Spannoder Lösezustand in der Arbeitsspindel ist mit diesen bekannten Tastelementen oder Nockenschaltern nicht möglich. In der Praxis kommt es mitunter vor, daß sich die Werkzeughalter mit ihrem Spannkegel in der Spindelaufnahme festklemmen und nach Öffnen der Spannzange nicht von deren Ausstoßer aus ihrem Spannsitz gelöst werden können. Dies

hat zur Folge, daß der automatische Werkzeugwechsler zwar den Kragen des Werkzeugkegels mit seinen Greifzangen erfassen kann, ohne jedoch den festgefressenen Werkzeughalter aus seinem Sitz in der Arbeitsspindel herausziehen zu können. Ein Werkzeugwechsel ist somit nicht möglich. Darüber hinaus können sich erhebliche Beschädigungen der beteiligten Baugruppen, insbesondere des Werkzeugwechslers, ergeben, die einen langfristigen Ausfall der gesamten Bearbeitungsmaschine zur Folge haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung für den Spannzustand eines Werkzeughalters beim Ein- und beim Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine zu schaffen, die anormale Lagen und Zustände eines ein- oder ausgewechselten Werkzeughalters zuverlässig erkennt und die rechtzeitige Einleitung von Steuermaßnahmen ermöglicht, bevor Beschädigungen des Werkzeugwechslers eintreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor, der vor und nach jedem Wechselvorgang die Position des Werkzeughalters in der Arbeitsspindel erfaßt, und durch eine mit der Programmsteuerung der Bearbeitungsmaschine verbundene Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale des Sensors, welche durch einen Sollwert-Istwert-Vergleich der Sensorsignale einen anormalen Spannzustand der Werkzeugaufnahme feststellt und entsprechende Informationen an die Maschinensteuerung abgibt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Abstandssensor an der vorderen Stirnseite des Werkzeugwechslers seitlich neben den Greiferzangen angeordnet

sein und mit einer ebenen Stirnfläche an der Arbeitsspindel zusammenwirken. Bei einer derartigen Anordnung des Sensors am Werkzeugwechsler wird eine erste Messung durchgeführt, sobald der Werkzeugwechsler das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter in die Spindelaufnahme eingeführt hat. Dieser erste Meßwert wird registriert und bildet die Bezugsgröße für die folgenden Vorgänge. Nachdem die Spannzange den Kegel ergriffen und den Werkzeughalter in seine Spannposition in der Spindelaufnahme eingezogen hat, erfolgt eine zweite Messung, deren Ergebnis mit dem zuvor ermittelten Bezugswert in Relation gesetzt wird und den von der Spannzange verursachten Einziehweg des Werkzeughalters kennzeichnet. Während des Einziehvorganges des Werkzeughalters durch die Spannzange ist der Greifer des Wechslers noch nicht gelöst, so daß der Wechsler zusammen mit dem Abstandssensor die Einziehbewegung mit ausführt. Die durch die Relationssetzung ermittelte Auslenklage des Werkzeugwechslers und damit des Sensors wird erfaßt und als Wegdifferenz mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt die so ermittelte Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, dann wird der Spannvorgang als korrekt durchgeführt erkannt, so daß der Werkzeugwechsler öffnet und damit das nunmehr fest in die Spindel eingespannte Werkzeug freigibt. Falls bei einem Ausstoßvorgang der Kegel des Werkzeughalters in der Spindelaufnahme festgeklemmt ist und damit der Werkzeughalter vom Ausstoßer nicht aus seiner Fixierposition herausgedrückt werden kann, wird bereits beim Ergreifen des am Werkzeughalter-Kegel ausgebildeten Kragens durch die Greiforgane des Werkzeugwechslers eine Abstandsmessung durchgeführt, die anzeigt, daß der Werkzeughalter sich nicht in seiner gelösten Abziehposition befindet, sondern in der Spindelauf-

nähme festsitzt. Als Ergebnis dieses Meßvorgangs werden der Programmsteuerung der Maschine entsprechende Informationen übermittelt, um entweder die gesamte Maschine abzuschalten oder den Bewegungsablauf des Werkzeugwechslers zu unterbrechen, um in dieser Zeitspanne einen weiteren Ausstoßvorgang - ggf. mit erhöhter Kraft des Ausstoßers durchzuführen. Durch derartige Messungen der reinen Wegdifferenz zu einer jeweils vor dem Meßzyklus erfaßten Referenzlage ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit des Meßsystems von den sich im Betrieb ändernden Maschinenzuständen, z. B. von der Wärmedehnung, den geometrischen Abweichungen, Zykluszeiten, Verschleiß, od. dgl.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Abstandssensor als elektrischer Druckschalter mit federbelastetem Taststift ausgebildet und an der vorderen Stirnseite der Arbeitsspindel angeordnet sein. Statt eines mechanischen Tastschalters können auch berührungslose Schalter bzw. Abstandssensoren eingesetzt werden, die auf induktiver oder optischer Basis funktionieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die in die Programmsteuerung der Werkzeugmaschine integrierte Verarbeitungseinheit elektronische Bauelemente auf, welche aus den Sensorsignalen die Spannposition des Werkzeughalters bei jedem Wechselvorgang als Bezugsgröße für dessen Ausstoßposition gesondert ermitteln.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in welcher ein Werkzeugwechsler mit angebautem Sensor und die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine während eines Wechselvorganges dargestellt sind.

Die Arbeitsspindel 1 ist in einem Spindelstock 2 drehbar gelagert und weist eine kegelförmige Aufnahmeöffnung 3 auf, in die ein Werkzeughalter 4 mit seinem kegelförmigen Abschnitt 5 eingesetzt wird. Am Werkzeughalter 4 ist ein Spanwerkzeug 6 befestigt. Der kegelförmige Abschnitt 5 des Werkzeughalters weist an seinem schmaleren Ende einen Greifkopf 7 auf, der von den - nicht dargestellten Greifbacken einer im zentralen Spindelhohlraum gelagerten Spannzange umgriffen wird. Durch eine axiale Bewegung der Spannzange wird der Werkzeughalter 4 mit seinem Kegel 5 fest in die kegelige Spindelaufnahme 3 hineingezogen. Die Spannvorrichtung umfaßt ferner einen stößeiförmigen Ausstoßer 8, der zum Lösen des Werkzeughalters 4 an dessen hinterer Stirnfläche angreift und den Kegel 5 aus der gestrichelt dargestellten Spannposition in die mit durchgezogenen Linien dargestellte Lösestellung verschiebt.

Ein - nur teilweise dargestellter - Werkzeugwechsler 10 enthält einen motorisch bewegbaren Tragholm 11, an dessen Ende ein Greiferkopf 12 mit einer Greiferzange 13 montiert ist. In dem dargestellten Betriebszustand umgreifen die beiden Backen der Greiferzange teilweise einen am Werkzeugwechsler ausgebildeten Kragen 14. Am Wechslerkopf 12 ist stirnseitig ein Sensor 15 befestigt, der - wie gestrichelt dargestellt - mit einer vorzugsweise elektronischen Verarbeitungseinheit 16 verbunden ist, die in die Programmsteuerung 17 der - nicht dargestellten - Bearbeitungsmaschine integriert sein kann.

Die beschriebene Überwachungsvorrichtung arbeitet wie folgt:

Zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs 6 mit seinem Werkzeughalter 4 in die Spindelaufnahme 3 wird der Werkzeughalter 4 durch eine entsprechende Bewegung des Tragholms 11 bzw. einer anderen Tragkonstruktion in die Spindelaufnahme 3 bis etwa in die mit durchgezogenen Linien dargestellte Position eingeschoben. In dieser Lage erfolgt eine erste Abstandsmessung durch den Sensor 15 mit Bezug auf die gegenüberliegende Stirnfläche des Spindelstocks 2. Das Ergebnis dieser ersten Messung wird als Bezugsgröße in der Verarbeitungseinheit 16 gespeichert. Nach dem Einziehen des Werkzeugkegels 5 durch die - nicht dargestellte Spannvorrichtung bis in die strichpunktiert dargestellte Spannstellung erfolgt durch den Sensor 15 eine zweite Messung, deren Ergebnis mit der abgespeicherten Bezugsgröße sowie ggf. einem Sollwert verglichen wird. Aus diesem Vergleich mit dem abgespeicherten Sollwert wird festgestellt, ob der Werkzeughalter 4 richtig in die Spindelaufnahme eingespannt ist. Falls in diesem Vergleich eine unzulässige Abweichung vom Sollwert festgestellt wird, erzeugt die Verarbeitungseinheit 16 eine entsprechende Information für die Maschinensteuerung 17, um entweder die Maschine stillzusetzen oder aber den Einwechsel- und Spannvorgang zu wiederholen und erst nach erfolglosem weiteren Spannversuch die Maschine abzuschalten.

Zum Auswechseln des Werkzeugs 6 mit seinem Werkzeughalter 4 wird der Werkzeugwechsler 10 an den - noch eingespannten - Werkzeughalter 4 herangefahren, so daß seine Greifzangen 13 den Kragen 14 umschließen können. Der Sensor 15 erfaßt diese Stellung des Werkzeugwechslers 10, die als Bezugsgröße für die weiteren Operationen in der Verarbeitungseinheit 16 abgelegt und gespeichert wird. An-

schließend erfolgt das Lösen der - nicht dargestellten Spannvorrichtung von dem Greifkopf 7 des Kegels 5 und durch eine hydraulische Vorschubbewegung des Ausstoßers 8 aus seiner zurückgezogenen - strichpunktiert dargestellten - Lage in die vordere - mit durchgezogenen Linien dargestellte - Position wird der Werkzeughalter 4 zusammen mit dem Werkzeugwechsler 10 in die durchgezogen dargestellte Lösestellung verschoben. Dieser Zustand wird vom Abstandssensor 15 erfaßt, wobei durch einen Vergleich des Meßergebnisses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt wird, ob sich der Werkzeughalter 4 tatsächlich in der Lösestellung befindet. In diesem Fall erfolgen die weiteren Wechselvorgänge in üblicher Weise. Falls der Kegel 5 des Werkzeughalters 4 jedoch in der Spindelaufnahme 3 festsitzt und vom Ausstoßer 8 nicht herausgedrückt worden ist, wird dieser Zustand durch einen Vergleich des Meßergebnisses mit dem abgespeicherten Bezugswert festgestellt. Ober die Maschinensteuerung kann der Ausstoßer 8 erneut - und ggf. mit größerer Kraft - betätigt werden, um den Werkzeughalter 4 aus seinem Sitz in der Spindel aufnahme 3 zu lösen. Sollte auch durch eine erneute Betätigung des Ausstoßers 8 der Festsitz des Werkzeughalters 4 nicht gelöst werden können, wird die Maschine abgeschaltet.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt. So kann beispielsweise der Sensor 15 auch direkt am Spindelstock 2 befestigt sein und den Abstand zu einer Gegenfläche des Werkzeugwechslers erfassen. Ferner kann die Übertragung der Meßwerte des Sensors 15 zur Verarbeitungseinheit 16 über elektrische Leitungen oder auch leitungsfrei erfolgen. Als Sensoren können auf der Grundlage von unterschiedlichen physikalischen Parametern

funktionierende Meßelemente eingesetzt werden. Schließlich ist es auch möglich, den Sensor an der vorderen Stirnfläche der Spindel 1 anzuordnen und den Abstand zwischen dieser Stirnfläche und dem Kragen 14 des jeweiligen Werkzeughalters 4 zu erfassen.

Claims (4)

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Überwachung des Spannzustandes eines
Werkzeughalters beim Ein- und Auswechseln in die Arbeitsspindel einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine mittels eines Werkzeugwechslers, wobei die Arbeitsspindel eine
motorisch betätigbare Spannzange sowie einen Ausstoßer
enthält,

gekennzeichnet durch

- einen Sensor (15), der vor und nach jedem Wechselvorgang die Position des Werkzeughalters (4) in der Arbeitsspindel (1) erfaßt, und

- eine mit der Programmsteuerung (17) verbundene Verarbeitungseinheit (16), die durch einen Sollwert-Istwert-Vergleich der Sensorsignale einen anormalen Spannzustand
der Werkzeugaufnahme (4) feststellt und entsprechende
Informationen an die Programmsteuerung (17) der Maschine abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstandssensor (15) an der vorderen Stirnseite des Werkzeugwechslers (10) seitlich neben dessen Greiferzangen (13) angeordnet ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstandssensor als elektrischer Druckschalter mit federbelastetem Taststift ausgebildet und an der vorderen Stirnseite der Arbeitsspindel (1) bzw. des Spindelgehäuses (2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die in die Programmsteuerung (17) der Werkzeugmaschine integrierte Verarbeitungseinheit (16) elektronische Bauelemente aufweist, welche aus den Meßsignalen des Sensors (15) die Spannposition des Werkzeughalters (4) bei jedem Wechselvorgang als Bezugsgröße für dessen Ausstoßposition gesondert ermitteln.