WO2018024517A1 - Tool spindle having a force measuring device - Google Patents

Abstract

The invention relates to a tool spindle having a force measuring device for detecting forces or torques, which act on a rotating tool (1) connected to the spindle shaft (2) of the tool spindle. In this case, the tool spindle has a machine stand (14), and the spindle shaft (2) is mounted in one or more bearings. According to the invention, the force measuring device is arranged between the machine stand (14) and the rotating spindle shaft (2), wherein the force measuring device has a measuring element (12) which has, between two flange-like parts, a tubular deformation zone (5) which connects the flange-like parts to one another. This measuring element (12) has in the region of the tubular deformation zone (5), on the outer or inner cylindrical surface thereof, strain gauges (6) for detecting shear and/or longitudinal deformations. According to the invention, a flange-like part of the measuring element (12) is connected to the machine stand (14) directly or indirectly by means of further interposed components, whilst the other flange-like part is connected to the spindle shaft (2) indirectly by means of interposed components.

Description

We r kz e u g s p in d el mit K ra ft m e s s ei n ri c h t u n g Technisches Gebiet  R e c o n s p o in t with c o m p a n c e s e r c o n ts Technical area

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspindel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , welche die auf das rotierende Werkzeug einwirkenden Zerspanungskräfte und Momente zu erfassen in der Lage ist. Eine mit dieser Fähigkeit ausgestattete Werkzeugspindel kann die Effizienz, die Sicherheit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit von Zerspanungsmaschinen deutlich erhöhen. Die Kopplung der Kraftmesseinrichtung an die Werkzeugspindel vereinfacht bzw. ermöglicht Antastvorgänge, die Verschleißkontrolle, die Werkzeugbruchkontrolle, die Kollisionsüberwa- chung und die adaptive Vorschubanpassung.  The invention relates to a tool spindle according to the preamble of claim 1, which is capable of detecting the cutting forces and moments acting on the rotating tool. A tool spindle equipped with this capability can significantly increase the efficiency, safety and machining speed of cutting machines. The coupling of the force measuring device to the tool spindle simplifies or enables probing operations, wear control, tool breakage control, collision monitoring and adaptive feed adaptation.

Hintergrund der Erfindung Background of the invention

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugspindel mit einer vorzugsweise mehrachsigen Kraftmesseinrichtung zu schaffen, die sich insbesondere für die dynamische Erfassung von Zerspanungskräften an Fräs-, Dreh- oder Schleifmaschinen eignet. Soll eine solche Werk- zeugspindel in eine serientaugliche Bearbeitungsmaschine integriert werden, ergeben sich hohe Anforderungen, wenn einerseits die Bearbeitungsqualität durch die Kraftmesseinrichtung nicht störend beeinflusst werden darf, und andererseits die Erfassung der einwirkenden Zerspanungskräfte auch unter den Einflüssen einer im Betrieb thermisch und dynamisch hoch beanspruchten Werkzeugspindel mit ausreichender Präzision und Geschwindigkeit erfolgen muss. Die wichtigsten Anforderungen an eine solche Kraftmesseinrichtung sind: hohe Steifigkeit und hohe Eigenfrequenz  The object of the present invention is to provide a tool spindle with a preferably multi-axis force measuring device, which is particularly suitable for the dynamic detection of cutting forces on milling, turning or grinding machines. If such a tool spindle is to be integrated into a production-capable processing machine, high demands are made if, on the one hand, the machining quality by the force measuring device is not to be interfered with, and, on the other hand, the detection of the acting cutting forces is also under the influence of a thermally and dynamically highly stressed during operation Tool spindle must be done with sufficient precision and speed. The most important requirements of such a force measuring device are: high rigidity and high natural frequency

hohe Überlasttoleranz  high overload tolerance

hohe Auflösung  high resolution

hohe Messgeschwindigkeit  high measuring speed

- gute Nullpunktstabilität  - good zero stability

geringer Einbauraum  low installation space

wartungsarm  maintenance

kostengünstig  economical

Alle bekannten Technologien zur Erfassung von Kräften basieren auf der lastabhängigen, elasti- sehen Verformung eines Messkörpers. Dies führt dazu, dass in den Antriebsstrang einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel ein zusätzliches elastisches Element integriert werden muss, welches nachgiebig ist und ungewollte Schwingungen der Werkzeugspindel ermöglicht. Um den negativen Folgen dieser Nachgiebigkeit auf die Genauigkeit und die erzielbare Oberflächengüte entgegenzuwirken, wird versucht, die zur Generierung des Messsignals erforderlichen Verformungen möglichst gering zu halten oder mit anderen Worten, den Messkörper möglichst steif auszuformen. Als unkritisch kann dabei eine Nachgiebigkeit des Messkörpers gelten, die gerin- ger ist als die Nachgiebigkeit des Spindellagers unter dem Einfluss derselben Last. All known technologies for detecting forces are based on the load-dependent, elastic deformation of a measuring body. As a result, an additional elastic element has to be integrated in the drive train of a tool spindle according to the invention, which is yielding and permits unintended vibrations of the tool spindle. To the To counteract negative consequences of this compliance on the accuracy and the achievable surface quality, it is attempted to keep the deformations required to generate the measurement signal as low as possible or in other words to form the measuring body as rigid as possible. In this case, a compliance of the measuring body, which is lower than the compliance of the spindle bearing under the influence of the same load, can be considered as uncritical.

Eine hohe Überlasttoleranz ist erforderlich, um zu verhindern, dass Kollisionen z.B. aufgrund einer fehlerhaften Programmierung die Kraftmesseinrichtung zerstören. In der Regel steht diese Forderung im Konflikt mit der Forderung nach einer hohen Auflösung, da ein hoher Anteil der messbaren Verformungen als Sicherheitsreserve verwendet werden muss, sofern nicht zusätzli- che Maßnahmen zur Überlastsicherung getroffen werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass die Auslegung des Messbereichs sich naturgemäß an den höchsten Kräften orientiert, welche von der Kraftmesseinrichtung zuverlässig erfasst werden soll. Da an einem CNC- Bearbeitungszentrum üblicherweise aber ein großes Spektrum von Bearbeitungsprozessen mit sehr unterschiedlichen und auch sehr geringen Bearbeitungskräften beurteilt können werden soll, kann die erzielbare Auflösung der Kraftmesseinrichtung kaum je groß genug sein. High overload tolerance is required to prevent collisions, e.g. due to faulty programming destroy the force measuring device. As a rule, this requirement conflicts with the requirement for a high resolution, since a high proportion of the measurable deformations must be used as a safety reserve unless additional measures can be taken to protect against overloads. To make matters worse, that the interpretation of the measuring range is naturally based on the highest forces, which is to be reliably detected by the force measuring device. Since, however, a large range of machining processes with very different and even very low machining forces can usually be assessed at a CNC machining center, the achievable resolution of the force measuring device can hardly ever be large enough.

Die Forderung nach hohen Messgeschwindigkeiten ergibt sich aus dem Wunsch, eine CNC- Maschine innerhalb von Millisekunden oder sogar Mikrosekunden auf ein gemessenes Kraftereignis reagieren zu lassen, etwa beim Antasten, der Kollisionskontrolle oder der adaptiven Vorschubanpassung. Außerdem kann eine hohe Messgeschwindigkeit helfen, die Qualität des Span- bildungsprozesses beim Fräsen auch bei hohen Drehzahlen und mehrschneidigen Werkzeugen zu beurteilen oder zu dokumentieren. The demand for high measuring speeds results from the desire to have a CNC machine respond to a measured force event within milliseconds or even microseconds, for example during probing, collision control or adaptive feed adaptation. In addition, a high measuring speed can help to assess or document the quality of the chip forming process during milling, even at high speeds and with multi-bladed tools.

Für die Beurteilung der erfassten Messwerte ist es wichtig, die Größe der bewegten Massen zu kennen, um unter Berücksichtigung der aus Versuchen oder Berechnung bekannten Federrate der Spindelaufhängung Rückschlüsse auf die erwartbare Eigenfrequenz ziehen zu können. For the assessment of the recorded measured values it is important to know the size of the moving masses in order to be able to draw conclusions about the expected natural frequency taking into account the spring rate of the spindle suspension known from experiments or calculation.

Durch die Eigenfrequenzanalyse können einerseits Drehzahlen vermieden werden, die zu einem Aufschwingen des Systems führen könnten, andererseits hilft die Kenntnis der Eigenfrequenz bei der Analyse und Bewertung der Messergebnisse. On the one hand, the natural frequency analysis avoids speeds that could cause the system to oscillate, on the other hand, knowledge of the natural frequency helps in the analysis and evaluation of the measurement results.

Die Masse der Werkzeuge ist jedoch variabel, was zu einer Veränderung der Eigenfrequenz bei einem Werkzeugwechsel führt und die Beurteilung erschwert, sofern diese Masseänderung nicht erfasst werden kann. Aus diesem Grund sind Kraftmesseinrichtungen mit einem festen Bezugspunkt und einer geringen Nullpunktdrift wünschenswert, die somit gleichzeitig als Wägevorrich- tung dienen kann und Masseveränderungen auch über längere Zeiträume mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen vermögen. However, the mass of the tools is variable, which leads to a change in the natural frequency in a tool change and difficult to assess, if this mass change can not be detected. For this reason, force measuring devices with a fixed reference point and a low zero-point drift are desirable, which are thus simultaneously used as weighing devices. tion and mass changes can be detected over long periods with sufficient accuracy.

Die genaue Kenntnis der Werkzeugmasse ist jedoch auch aus einem anderen Grund von wesentlicher Bedeutung. Die unvermeidlichen Bewegungen der Werkzeugspindel führen aufgrund der Massenträgheit zu überlagerten Messausschlägen, welche die Analyse des Zerspanungsprozesses stören. Ein weiterer masseabhängiger Einfluss ist die Richtung der einwirkenden Schwerkraft, welche sich insbesondere bei schwenkbaren Werkzeugspindeln ständig ändert. However, exact knowledge of the tool mass is also essential for another reason. The inevitable movements of the tool spindle lead due to the inertia to superimposed Messausschlägen, which interfere with the analysis of the cutting process. Another mass-dependent influence is the direction of the acting force of gravity, which constantly changes, in particular with pivotable tool spindles.

Da bei vielen Zerspanungsmaschinen die Werkzeugspindel sehr dynamisch bewegt wird und sich solche Maschinen zudem üblicherweise in industriellen Umgebungen befinden, in denen von benachbarten Produktionsprozessen weitere Erschütterungen und Bewegungen zu erwarten sind, ist eine genaue Zerspanungsanalyse ohne Kenntnis der bewegten Massen nur eingeschränkt möglich. Since the tool spindle is moved very dynamically in many cutting machines and, moreover, such machines are usually located in industrial environments in which further vibrations and movements are to be expected from neighboring production processes, a precise machining analysis without knowledge of the moving masses is only possible to a limited extent.

Bearbeitungsprozesse an Fräsmaschinen können mit demselben Werkzeug gelegentlich viele Stunden dauern. In dieser Zeit sollen aber die Messergebnisse verlässlich bleiben. Deshalb ist für die Beurteilung der wirksamen Kräfte und Momente eine hohe Nullpunktstabilität des Messsystems erforderlich. Machining processes on milling machines can sometimes take many hours with the same tool. During this time, however, the measurement results should remain reliable. Therefore, a high zero-point stability of the measuring system is required for the assessment of the effective forces and moments.

Sowohl die Kraftmesseinrichtung als auch die Messelektronik sind in Bezug auf ihre Nullpunktstabilität vor allem von thermischen Einflüssen bedroht. Eine Kraftmesseinrichtung, welche an eine Werkzeugspindel gekoppelt ist, ist diesbezüglich sehr ungünstigen Bedingungen ausgesetzt, da durch den Spindelmotor, das Spindellager und den Zerspanungsprozess viel Wärme in unmittelbarer Nähe der Kraftmesseinrichtung generiert wird. Entgegenwirkende Systeme zur Kühlung des Werkzeugs und der im Spindelgehäuse entstehenden Wärme senken zwar das absolute Wärmeniveau, können jedoch durch einen räumlichen Abstand zur Wärmequelle zu mechanischen Spannungen innerhalb des Spindelgehäuses führen, welche sich ebenfalls negativ auf die Nullpunktstabilität auswirken können. Sind die Kühlsysteme nicht permanent gleichmäßig durchströmt, sondern werden - wie gemeinhin üblich - bedarfsweise zugeschaltet, ergeben sich relativ schnelle Temperaturänderungen, die eine unvorhersehbare Nullpunktdrift verursachen. Aus diesem Grund sollte eine in die Werkzeugspindel integrierte Kraftmesseinrichtung im Interesse der Nullpunktstabilität in der Lage sein, sich von diesen Einflüssen zu entkoppeln. Kraftmesseinrichtungen, welche als Standardausstattung in produktive Zerspanungsmaschinen integriert werden sollen, müssen zu den genannten Anforderungen noch wartungsarm, kosten- günstig herstellbar und einfach montierbar sein. Außerdem müssen sie unanfällig gegen Späne, Stäube und Flüssigkeiten sein. Both the force measuring device and the measuring electronics are threatened in terms of their zero stability above all by thermal influences. A force measuring device, which is coupled to a tool spindle, is exposed to very unfavorable conditions in this regard, since a lot of heat is generated in the immediate vicinity of the force measuring device by the spindle motor, the spindle bearing and the machining process. Although counteracting systems for cooling the tool and the heat generated in the spindle housing reduce the absolute level of heat, but by a spatial distance to the heat source to mechanical stresses within the spindle housing lead, which can also have a negative effect on the zero stability. If the cooling systems do not constantly flow through uniformly, but are - as usual - switched on as needed, resulting in relatively rapid temperature changes that cause an unpredictable zero point drift. For this reason, an integrated into the tool spindle force measuring device should be able to decouple from these influences in the interest of zero stability. Force measuring devices, which are to be integrated as standard equipment in productive metal cutting machines, must still be low-maintenance, cost- cheap to produce and easy to install. In addition, they must be resistant to chips, dusts and liquids.

Stand der Technik State of the art

Für die Erfassung von Zerspanungskräften an Werkzeugspindeln sind verschiedene Lösungen entwickelt worden, welche teilweise auch Eingang in den Markt gefunden haben.  Various solutions have been developed for the detection of cutting forces on tool spindles, some of which have also found their way into the market.

Die erfolgreichste Gruppe davon sind die spannfutterintegrierten Kraftmesseinrichtungen, die es in unterschiedlichen Ausführungen am Markt gibt. Besonders erfolgreich sind hier die Systeme der Kistler Holding AG, Schweiz, z. B. das piezobasierte, rotierende Mehrkomponenten- Dynamometer, Typ 9170A, welches Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung erfasst sowie das Dreh- moment Mz. The most successful group of these are the chuck-integrated force measuring devices, which are available in different versions on the market. Particularly successful here are the systems of Kistler Holding AG, Switzerland, z. For example, the piezobased rotating multicomponent dynamometer, type 9170A, which detects forces in the X, Y and Z directions as well as the torque Mz.

Der auf Dehnungsmessstreifen basierende, sogenannte sensorische Werkzeughalter "SPIKE" der Firma Pro-Mikron GmbH & Co Kg in Deutschland ist ebenfalls eine spannfutter-integrierte Kraftmesseinrichtung. Das akkugestützte, kabellose System erfasst Axial-Rräfte Fz, Biegemomente Μχγ und Drehmomente Mz. Eine Kraftmesseinrichtung, welche die Zerspanungskräfte am Werkzeug erfassen können soll, kann generell innerhalb des Maschinenkörpers an einer beliebigen Stelle auf der Strecke zwischen Werkstück und Werkzeug angeordnet werden. Im Interesse einer hohen Messgüte und auch einer hohen Überlasttoleranz ist es aber sinnvoll, die Kraftmesseinrichtung so nah wie möglich an den Zerspanungsprozess heranzuführen. Eine Integration in das Spannfutter, wie dies von den oben genannten Herstellern angeboten wird, und wie sie zum Beispiel in der DE 10 2008 015 005 AI beschrieben ist, ist deshalb eine naheliegende Lösung. Die Integration in das Spannfutter hat jedoch den Nachteil, dass die Kraftmesseinrichtungen mitdrehen und mindestens ein Teil der Signalaufbereitung in der drehenden Spindel erfolgen muss. Überdies müssen die Messdaten von mehreren Messkanälen auch bei Drehzahlen oberhalb von 10.000 U/min zuverlässig an die feststehende Auswerteeinheit übertragen werden können. Diese Bedingungen limitieren die erreichbare Genauigkeit und Zuverlässigkeit von spannfutter-integrierten Kraftmesseinrichtungen. Auch die Energieversorgung stellt eine technische Hürde dar, welche zusätzliche Kosten verursacht und die Praktikabilität des Systems einschränkt, z.B. durch erforderliche Ladezyklen oder notwendige Kabelverbindungen. Außerdem wird die Entkopplung von thermischen Einflüssen erschwert. Bei werkzeugwechselnden Maschinen ergibt sich aber vor allem die Schwierigkeit, dass jedes eingewechselte Spannfutter mit einer solchen Kraftmesseinrichtung ausgestattet sein muss, was einen Einsatz in Produktionsmaschinen praktisch aus- schließt und diese Systeme nur für die experimentelle Zerspanungsanalyse geeignet erscheinen lässt. The so-called "SPIKE" sensory tool holder based on strain gages from Pro-Mikron GmbH & Co Kg in Germany is also a chuck-integrated force measuring device. The battery-powered wireless system detects axial forces Fz, bending moments Μχγ, and torques Mz. A force measuring device that is intended to detect the cutting forces on the tool can generally be placed anywhere within the machine body on the path between the workpiece and the tool. In the interest of a high measuring quality and also a high overload tolerance, it makes sense, however, to introduce the force measuring device as close as possible to the machining process. An integration into the chuck, as offered by the above manufacturers, and as described for example in DE 10 2008 015 005 AI, is therefore an obvious solution. The integration into the chuck, however, has the disadvantage that the force measuring devices must rotate and at least part of the signal processing must be carried out in the rotating spindle. Moreover, the measurement data of several measurement channels must be reliably transmitted to the fixed evaluation unit even at speeds above 10,000 rpm. These conditions limit the achievable accuracy and reliability of chuck-integrated force measuring devices. Also, the power supply is a technical hurdle, which causes additional costs and limits the practicality of the system, for example, by required charging cycles or necessary cable connections. In addition, the decoupling of thermal influences is difficult. In the case of tool-changing machines, however, there is above all the difficulty that each loaded chuck must be equipped with such a force measuring device, which practically eliminates its use in production machines. concludes and makes these systems suitable only for experimental machining analysis.

Ein ebenfalls naheliegender, nicht mitdrehender Ort für die Integration einer Kraftmesseinrichtung in eine Werkzeugspindel liegt zwischen dem Spindelhauptlager und dem feststehendem Spindelgehäuse. Diese beispielsweise aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Anordnung bietet den Vorteil, dass die Energieversorgung und die Datenübertragung konventionell, das heißt kabelgestützt erfolgen und die Messelektronik dezentral angeordnet werden kann. Hierbei ergibt sich jedoch auch eine Einschränkung, da eine solche Kraftmesseinrichtung alle Kräfte und Momente am Werkzeug mit Ausnahme des Drehmomentes erfassen kann. Obwohl auf das Drehmoment in der Regel über die anliegenden Motorströme bzw. den Winkelversatz zwischen Drehfeld und Rotor geschlossen werden kann, sind diese Messmethoden jedoch von vielen Fehlerquellen beeinflusst und daher in ihrer Messgüte nicht mit den spannfutter-integrierten Systemen vergleichbar. An equally obvious, non-co-rotating location for the integration of a force measuring device in a tool spindle is located between the spindle main bearing and the stationary spindle housing. This known for example from DE 10 2014 204 130 B3 arrangement has the advantage that the power supply and data transmission conventionally, that is, cable-based and the measuring electronics can be arranged decentralized. However, this also results in a restriction, since such a force measuring device can detect all forces and moments on the tool with the exception of the torque. Although the torque can usually be deduced from the applied motor currents or the angular offset between the rotating field and the rotor, these measuring methods are influenced by many sources of error and are therefore not comparable in their quality of measurement with the chuck-integrated systems.

Die aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Lösung weist zwischen Spindelgehäuse und dem Wellenlager der Werkzeugspindel eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung auf. Diese Kraftmesseinrichtung ist ringförmig aufgebaut und besteht aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten flanschartigen Ringen, welche über mindestens drei, idealerweise aber sechs stegartige Messelemente miteinander verbunden sind. Diese Messelemente fungieren als Verformungskörper und übertragen die Kräfte des unteren Ringes an den oberen Ring. Zur Erfassung der eintretenden Verformungen sind sie mit Dehnmessstreifen versehen. Einer der beiden Ringe ist dabei fest mit dem Außenring des Wellenlagers verbunden, der andere mit dem Spindelgehäuse. Die stegartigen Messelemente sind so angeordnet, dass sie in der Zusammenschau der Messwerte die einwirkenden Kräfte und Momente in allen drei Raumachsen erfassen können. The solution known from DE 10 2014 204 130 130 B3 has a multi-axis force measuring device between the spindle housing and the shaft bearing of the tool spindle. This force measuring device is of annular design and consists of two axially successively arranged flange-like rings, which are connected to each other via at least three, but ideally six web-like measuring elements. These measuring elements act as deformation bodies and transfer the forces of the lower ring to the upper ring. To detect the incoming deformations they are provided with strain gauges. One of the two rings is firmly connected to the outer ring of the shaft bearing, the other with the spindle housing. The web-like measuring elements are arranged so that they can capture the acting forces and moments in all three spatial axes in the synopsis of the measured values.

Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass die stegförmigen Messelemente eine relativ große Nachgiebigkeit aufweisen, woraus sich, insbesondere im Vergleich zu piezobasierten Kraftmesseinrichtungen, bei vergleichbarer Grenzlast eine reduzierte Steifigkeit und eine niedrigere Eigenfrequenz ergibt. Temperaturunterschiede zwischen unterem und oberem Ring werden im Wesentlichen durch die stegförmigen Messelemente ausgeglichen. Diese weisen nach der aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannten Lösung aber keine Möglichkeit zur Kühlung oder Tem- perierung auf, so dass insbesondere in Achsrichtung des Rings eine starke Nullpunktdrift durch das sich erwärmende Spindellager zu erwarten ist. Darstellung der Erfindung This arrangement has the disadvantage that the web-shaped measuring elements have a relatively large compliance, resulting in a reduced stiffness and a lower natural frequency, in comparison with piezobasierten force measuring devices, at comparable load limit. Temperature differences between the lower and upper ring are substantially compensated by the web-shaped measuring elements. However, according to the solution known from DE 10 2014 204 130 130 B3, they have no possibility of cooling or tempering, so that a strong zero drift due to the heating spindle bearing is to be expected, especially in the axial direction of the ring. Presentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung zu schaffen, welche eine hohe Steifigkeit mit einer hohen Auflösung verbindet und in Bezug auf ihre Messgenauigkeit und ihre Nullpunktstabilität unempfindlich gegen Tem- peraturänderungen ist.  The object of the present invention is to provide a tool spindle with a force measuring device which combines high rigidity with high resolution and is insensitive to temperature changes with regard to its measurement accuracy and its zero-point stability.

Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugspindel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Werkzeugspindel ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-14. This object is achieved by a tool spindle according to claim 1. Advantageous embodiments of this tool spindle emerge from the dependent claims 2-14.

Die erfindungsgemäße Werkzeugspindel besitzt einen Messkörper mit einer rohrartigen Verformungszone. Diese ist elastisch ausgeführt. Der Messkörper ist dabei zwischen Maschinen- Ständer und Spindelwelle angeordnet. The tool spindle according to the invention has a measuring body with a tube-like deformation zone. This is elastic. The measuring body is arranged between the machine stand and the spindle shaft.

Erfindungsgemäß ist die Kraftmesseinrichtung somit zwischen Maschinenständer und rotierender Spindelwelle angeordnet, wobei die Kraftmesseinrichtung einen Messkörper besitzt, welcher zwischen zwei flanschartigen Teilen eine rohrartige Verformungszone aufweist, welche die flanschartigen Teile miteinander verbindet. Dieser Messkörper besitzt im Bereich der rohrarti- gen Verformungszone auf deren äußerer oder innerer Zylinderfläche Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scher- und/oder Längsverformungen. Dabei ist ein flanschartiger Teil des Messkörpers direkt oder indirekt über weitere zwischengelagerte Bauteile mit dem Maschinenständer verbunden, während der andere flanschartige Teil indirekt über zwischengelagerte Bauteile mit der Spindelwelle verbunden ist. According to the invention, the force measuring device is thus arranged between the machine stand and the rotating spindle shaft, wherein the force measuring device has a measuring body which has a tubular deformation zone between two flange-like parts, which connects the flange-like parts to one another. In the region of the tube-like deformation zone, this measuring body has strain gauges on its outer or inner cylindrical surface for detecting shear and / or longitudinal deformations. In this case, a flange-like part of the measuring body is connected directly or indirectly via other intermediately mounted components with the machine frame, while the other flange-like part is indirectly connected via intermediate components with the spindle shaft.

Eine rohrartige Verformungszone des Messkörpers besitzt ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Steifigkeit und Signalausbeute, insbesondere wenn die rohrartige Verformungszone kurz gehalten wird und einen großen Durchmesser mit einer der Messaufgabe angepassten Wandstärke verbindet. Ein großer Durchmesser bietet dabei gleich mehrere Vorteile: A tube-like deformation zone of the measuring body has a very favorable ratio between rigidity and signal yield, in particular if the tube-like deformation zone is kept short and connects a large diameter with a wall thickness adapted to the measuring task. A large diameter offers several advantages:

a) ein großer Innendurchmesser erlaubt eine ausreichend große Dimensionierung der Spindel- welle und des Spindelhauptlagers, a) a large inner diameter allows a sufficiently large dimensioning of the spindle shaft and the spindle main bearing,

b) ein großer Durchmesser bietet genug Platz für die Applikation und den Anschluss der bis zu 32 auf der Zylinderfläche nebeneinanderliegenden Dehnmessstreifen, welche für eine optimale Signalausbeute benötigt werden und b) a large diameter provides enough space for the application and connection of the up to 32 adjacent to the cylinder surface strain gauges, which are needed for optimum signal yield and

c) er erhöht die Steifigkeit in Bezug auf die Kräfte die lotrecht zur Spindelachse, also in X- und Y-Richtung, auf die rohrartige Verformungszone einwirken. c) it increases the stiffness with respect to the forces which act perpendicular to the spindle axis, ie in the X and Y directions, on the tubular deformation zone.

Die auf die Kraftmesseinrichtung maximal zulässige Krafteinwirkung in Z-Richtung, also in Achsrichtung der Spindelwelle, ist durch die Querschnittsfläche der rohrartigen Verformungs- zone und der Druckfestigkeit des verwendeten Materials bestimmt. Eine Überdimensionierung geht hier zu Lasten der Auflösung, eine Unterdimensionierung reduziert die Dauerfestigkeit und die Überlastsicherheit, so dass der Dimensionierung der Querschnittsfläche durch den Einsatzzweck enge Grenzen gesetzt sind. Die Vergrößerung des Durchmessers der rohrartigen Verfor- mungszone ist also bei vorgegebener Querschnittsfläche durch die immer weiter abnehmende Wandstärke begrenzt, da auch die Knickfestigkeit der Rohrwand ausreichend hoch bemessen sein muss. The maximum permissible force acting on the force measuring device in the Z direction, ie in the axial direction of the spindle shaft, is determined by the cross-sectional area of the tubular deformation determined zone and the compressive strength of the material used. An oversizing is at the expense of the resolution, undersizing reduces the fatigue strength and the overload safety, so that the dimensioning of the cross-sectional area by the intended use are set narrow limits. The enlargement of the diameter of the tube-shaped deformation zone is thus limited for a given cross-sectional area by the wall thickness, which decreases further and further, since the buckling strength of the tube wall must also be sufficiently high.

Dehnmessstreifen sind Widerstände und geben selbst Wärme ab. Dies führt nach dem Einschalten zu einer Nullpunktdrift, bis sich ein thermisch stabiler Zustand eingestellt hat. Um den Zeit- räum bis zur Erreichung des thermisch stabilen Zustands niedrig zu halten, wird in der Technik üblicherweise versucht, einerseits die Speisespannung der Dehnmessstreifen gering zu halten, andererseits die Wärmeabfuhr am Messkörper zu fördern. Eine sehr dünnwandige rohrartige Verformungszone kann daher unter diesem Gesichtspunkt eher ungünstig sein, insbesondere, wenn im Interesse einer hohen Auflösung mit hohen Speisespannungen gearbeitet werden soll. Aus diesem Grund ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung die Rückwand der rohrartigen Verformungszone mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Kühlmedium beaufschlagt, welches die entstehende Wärme von der Rohrwand abführt. Als Rückwand wird dabei die innere oder äußere Rohrfläche bezeichnet, auf welcher die Dehnmessstreifen nicht appliziert sind. Bei einer kühlmitteldurchströmten Rückwand wirkt sich die Dünnwandigkeit der rohrartigen Verformungszone dagegen positiv aus und führt zu einer wesentlich schnelleren Erreichung eines thermisch stabilen Zustands. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Rohrwand, bzw. die Dehnmessstreifen von der Vorderseite her durch ein Kühlmedium zu kühlen, jedoch müssen in diesem Fall die Kontakte und die Verklebung der Dehnmessstreifen so ausgeführt bzw. abgedeckt sein, dass sie durch das Kühlmedium keinen Schaden nehmen. Auch muss das Kühlmedium nichtleitend sein bzw. durch eine Versiegelung der Kontakte elektrisch entkoppelt werden. Strain gauges are resistors and give off even heat. This leads after switching to a zero point drift until a thermally stable state has set. In order to keep the time until the thermally stable state is kept low, it is usually attempted in the art, on the one hand, to keep the supply voltage of the strain gauges low and, on the other hand, to promote heat dissipation on the measuring body. A very thin-walled tube-like deformation zone may therefore be rather unfavorable from this point of view, in particular if high supply voltages are to be used in the interests of high resolution. For this reason, in one embodiment of the force measuring device according to the invention the rear wall of the tubular deformation zone is acted upon by a liquid, pasty or gel-like cooling medium, which dissipates the resulting heat from the pipe wall. The back wall is the inner or outer tube surface, on which the strain gauges are not applied. In the case of a coolant-flow-through rear wall, on the other hand, the thin-walledness of the tubular deformation zone has a positive effect and leads to a much faster achievement of a thermally stable state. In principle, it would also be possible to cool the pipe wall, or the strain gauges from the front by a cooling medium, but in this case the contacts and the bonding of the strain gauges must be executed or covered so that they take no damage by the cooling medium , Also, the cooling medium must be non-conductive or electrically decoupled by sealing the contacts.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Messkörper einstückig ausgeführt und besteht aus zwei flanschartigen Ringen, welche durch die rohrartige Verformungszone miteinander verbunden sind.Die vorteilhafte Anordnung des Messkörpers zwischen Maschinen- Ständer und Spindelwelle hängt von der Maschinenkonfiguration ab. Maschinen mit leichten, schnelllaufenden Spindeln und geringer Motorleistung werden in der Regel eine Anordnung bevorzugen, bei denen die gesamte Werkzeugspindel inklusive Spindelantrieb, Spindelgehäuse, Spindelwelle und Spannfutter über eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit dem Ma- schinenständer verbunden ist. Daher sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse, einer Spindelwelle, einem Spindelhauptlager und einem Spindelantrieb besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt über den Messkörper mit dem Maschinenständer verbunden ist. In a preferred embodiment of the invention, the measuring body is made in one piece and consists of two flange-like rings, which are interconnected by the tube-like deformation zone. The advantageous arrangement of the measuring body between the machine stand and spindle shaft depends on the machine configuration. Machines with light, high-speed spindles and low engine power will generally prefer an arrangement in which the entire tool spindle including spindle drive, spindle housing, spindle shaft and chuck via a force measuring device according to the invention with the Ma schinenständer is connected. Therefore, an embodiment of the invention provides that the tool spindle consists of at least one spindle housing, a spindle shaft, a spindle main bearing and a spindle drive and these parts form a constructive unit, which is connected in total via the measuring body with the machine stand.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist es, dass alle Kräfte und Momente, einschließlich des auf das Werkzeug wirkenden Drehmoments von dieser Kraftmesseinrichtung erfasst werden können. Sie ist außerdem leicht nachrüstbar. An essential advantage of this arrangement is that all forces and moments, including the torque acting on the tool can be detected by this force measuring device. It is also easy to retrofit.

Wird die Werkzeugspindel aber leistungsfähiger und schwerer und beinhaltet darüber hinaus Zusatzeinrichtungen wie einen Werkzeugwechsler oder eine Werkzeuginnenkühlung, kann eine andere Anordnung der Kraftmesseinrichtung sinnvoller sein. Bei dieser Anordnung ist dieHowever, if the tool spindle becomes more powerful and heavier and moreover includes additional equipment such as a tool changer or a tool cavity, another arrangement of the force measuring device may be more appropriate. In this arrangement, the

Kraftmesseinrichtung idealerweise zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager lokalisiert, wobei einer der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers fest mit dem Spindelgehäuse verbunden ist, während der andere Ring fest mit dem Spindelhauptlager verbunden ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse, einer Spindelwelle, einem Spindelhauptlager und einem Spindelantrieb besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt direkt mit dem Maschinenständer verbunden ist und der Messkörper innerhalb dieser konstruktiven Einheit fest zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordnet ist. Force measuring device ideally located between the spindle housing and spindle main bearing, wherein one of the two flange-like rings of the measuring body is firmly connected to the spindle housing, while the other ring is fixedly connected to the spindle main bearing. In another embodiment of the invention can therefore be provided that the tool spindle consists of at least one spindle housing, a spindle shaft, a spindle main bearing and a spindle drive and these parts form a constructive unit, which is connected directly to the machine frame and the entire measuring body within this constructive Unit is arranged firmly between the spindle housing and spindle main bearing.

In beiden Anordnungen entsteht durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungspro- zess Wärme, welcher zu einer Vergrößerung des Durchmessers des spindelseitigen flanschartigen Rings führt. Die einseitige Vergrößerung eines der beiden Ringe führt aber zu einer störenden Nullpunktdrift des Z-Kanals. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwischen der rohrartigen Verformungszone und eines oder beider flanschartigen Ringe über weitere Einschnürungen verfügen, welche die Wandstärke des Rings an diesen Stellen verjüngen. Diese Verjüngungen stellen einerseits Wärmebarrieren dar, andererseits bilden sie auch elastische Barrieren für die aus den Durchmesserunterschieden resultierenden Spannungen. Eine solche Verjüngung arbeitet noch effektiver, wenn sie ebenfalls kühlmittelumströmt ist. In both arrangements heat is generated by the motor, the bearing friction and the cutting process, which leads to an increase in the diameter of the spindle-side flange-like ring. However, the one-sided enlargement of one of the two rings leads to a disturbing zero drift of the Z-channel. To counter this fact, an advantageous embodiment of the invention between the tubular deformation zone and one or both flange-like rings have further constrictions, which taper the wall thickness of the ring at these locations. On the one hand, these tapers are thermal barriers, on the other hand they also form elastic barriers for the stresses resulting from the diameter differences. Such a taper works even more effectively when it is also circulated coolant.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wirkt ebenfalls temperaturbedingten Spannungen bzw. Durchmesserunterschieden entgegen. Bei dieser werden die Temperaturunterschiede und Temperaturveränderungen der beiden flanschartiger Ringe durch eine aktive Temperierung der Ringe und/oder der angeschlossenen Maschinenelemente z.B. mittels eines umgewälzten Kühlmediums möglichst gering gehalten. Die Temperierung kommt - sofern sie eine Möglichkeit der Kühlung und der Wärmeabfuhr beinhaltet - dabei nicht nur der Messgenauigkeit der Kraftmesseinrichtung zu Gute, sondern kann auch positive Auswirkungen auf die erzielbare Werkstückgenauigkeit haben und durch Verhinderung von Überhitzung eine Leistungssteigerung und/oder Lebensdauerverlängerung bewirken. Temperaturänderungen werden entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Hilfe eines oder mehrerer Temperatursensoren in örtlicher Nähe der Kraftmesseinrichtung erfasst. Die gewonnenen Messwerte dienen dazu, den thermischen Zustand der Maschine in der Umgebung der Kraftmesseinrichtung zu ermitteln, und die zeitlichen und örtlichen Temperaturunterschiede für die rechnerische Kompensation von Messfehlern und/oder die Bewertung der momentanen Messgüte zu nutzen. A further advantageous embodiment of the invention also counteracts temperature-induced stresses or diameter differences. In this, the temperature differences and temperature changes of the two flange-like rings are kept as low as possible by an active temperature control of the rings and / or the connected machine elements, for example by means of a circulated cooling medium. The tempering comes - if they have one Possibility of cooling and heat dissipation includes - not only the measurement accuracy of the force measuring device to good, but can also have a positive impact on the achievable workpiece accuracy and cause by preventing overheating performance and / or life extension. Temperature changes are detected according to an advantageous embodiment of the invention with the help of one or more temperature sensors in the local vicinity of the force measuring device. The measured values obtained are used to determine the thermal state of the machine in the vicinity of the force measuring device, and to use the temporal and local temperature differences for the computational compensation of measurement errors and / or the evaluation of the instantaneous measurement quality.

Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden für die Erfassung der Kräfte in X- Richtung zwei gleichartige DMS-Scherkombinationen verwendet, wobei ein DMS- Paar auf einer Seite der Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone und das andere DMS- Paar um 180° versetzt auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderfläche lokalisiert ist. Für die Erfassung der Kräfte in Y-Richtung sind in gleicher Weise zwei DMS-Scherkombinationen um 90° verdreht auf der Zylinderfläche des Rohrabschnitts angeordnet, so dass sich insgesamt vier DMS-Scherkombinationen auf der Zylinderfläche befinden. Die Messgitter einer DMS- Scherkombination sind dabei lotrecht zueinander als V angeordnet und so ausgerichtet, dass ein Messgitter um +45° und das andere Messgitter um -45° verdreht zur Längsachse des Rohres liegt. Eine einwirkende Kraft in X- oder Y-Richtung bewirkt dann eine Verkürzung des einen Messgitters und eine gleichgroße Verlängerung des anderen Messgitters. Werden beide Messgitter einer DMS-Scherkombination in einer Halbbrücke verschaltet, ergibt sich in bekannter Weise eine höhere Signalausbeute, eine Kompensation von Temperatureinflüssen und eine Kompensation der Dehnungsanteile, die von Zug- und Druckspannungen in Z-Richtung hervorgerufen werden. Werden die insgesamt vier Messwertgeberpaare unabhängig voneinander in vier getrennten Kanälen ausgewertet, lassen sich durch einfache Summen- bzw. Differenzwertbildun- gen seitlich einwirkende Kräfte (z.B. FX) und Torsionsmomente (MZ) voneinander unterscheiden. According to a preferred embodiment of the invention, two identical DMS shear combinations are used for detecting the forces in the X direction, wherein a DMS pair on one side of the cylindrical surface of the tubular deformation zone and the other DMS pair offset by 180 ° on the opposite side the cylindrical surface is located. For detecting the forces in the Y direction, two DMS shear combinations are arranged in the same way rotated by 90 ° on the cylindrical surface of the pipe section, so that a total of four DMS shear combinations are on the cylinder surface. The measuring grids of a strain gauge combination are arranged perpendicular to each other as V and aligned so that one measuring grid is + 45 ° and the other measuring grid is -45 ° twisted to the longitudinal axis of the tube. An acting force in the X or Y direction then causes a shortening of the one measuring grid and an equal extension of the other measuring grid. If both measuring grids of a strain gauge combination are connected in a half-bridge, a higher signal yield, a compensation of temperature influences and a compensation of the expansion components, which are caused by tensile and compressive stresses in the Z direction, result in a known manner. If the four pairs of transducers are evaluated independently of each other in four separate channels, laterally acting forces (for example FX) and torsional moments (MZ) can be distinguished from one another by simple sum or difference value formations.

Eine zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordnete Kraftmesseinrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Torsionsmomentes kann damit das auf das Werkzeug wirkende Drehmoment aufgrund des zwischenliegenden Wälzlagers nicht erfassen. Allerdings kann es das vom Wälzlager verursachte Verlustmoment erfassen und als Korrekturwert für eine Einrichtung zur Drehmomenterfassung zur Verfügung stellen, welche an der Spindelwelle angreift und z.B. das am Stator des Antriebsmotors abgenommen Reaktionsmoment misst oder eine Drehmomentschätzung auf Basis der Motorströme oder des Drehwinkelversatzes zwischen Drehfeld und Rotor vornimmt. A arranged between the spindle housing and spindle main bearing force measuring device with a device for detecting the torsional moment can thus not detect the torque acting on the tool due to the intermediate rolling bearing. However, it can detect the loss moment caused by the rolling bearing and provide it as a correction value for a device for torque detection, which acts on the spindle shaft and, for example, measures the reaction torque taken off at the stator of the drive motor or makes a torque estimation based on the motor currents or the rotational angle offset between the rotating field and the rotor.

Für das Torsionsmoment ergibt sich bei der oben beschriebenen vierkanaligen Anordnung auf- grund der vierfachen Redundanz eine besonders hohe Messgenauigkeit. Für die X-und Y- Richtung liefern jeweils zwei Kanäle redundante Signale. Ist die Erfassung von Torsionsmomenten nicht erforderlich, können die beiden jeweils gegenüberliegenden DMS- Scherkombinationen im Interesse einer höheren Signalausbeute oder eines höheren Rauschabstands zu einer Vollbrücke verschaltet werden, so dass statt vier nur noch zwei Verstärkerkanäle erforderlich sind. For the torsional moment, the four-channel arrangement described above results in a particularly high measuring accuracy due to the fourfold redundancy. Two channels each provide redundant signals for the X and Y directions. If the detection of torsion moments is not required, the two opposing strain gauge combinations can be interconnected in the interest of a higher signal yield or a higher signal to noise ratio to a full bridge, so that instead of four only two amplifier channels are required.

Ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sein, dass die Verformung des Messkörpers in Z-Richtung mindestens von zwei, vorzugsweise aber von vier unabhängigen Wheatstonebrücken parallel erfasst wird. Die hierdurch mögliche mehrkanalige Auswertung der Z-Kräfte ermöglicht in der Zusammenschau eine deutlich höhere Auflösung und verringert den bauartbedingten Empfindlichkeitsunterschied zwischen Z und X/Y. Werden vier Messgitterarrays gleichmäßig auf dem Umfang verteilt und gleichzeitig ausgewertet, ergibt sich neben der erhöhten Z- Auflösung überdies die Möglichkeit, die Kippmomente Μχ und Μγ zu erfassen. A further feature of an embodiment of the present invention may be that the deformation of the measuring body in the Z-direction is detected in parallel by at least two, but preferably four, independent Wheatstone bridges. The multichannel evaluation of the Z forces that is possible in this way allows a significantly higher resolution and reduces the design-related sensitivity difference between Z and X / Y. If four measuring grid arrays are evenly distributed on the circumference and evaluated at the same time, in addition to the increased Z resolution, it is also possible to detect the tilting moments Μχ and Μγ.

Eine hohe Auflösung ist aber nur dann sinnvoll, wenn Störeinflüsse soweit minimiert werden können, dass auch ein sehr kleines Kraftereignis eindeutig einer Krafteinwirkung auf das Werkzeug zugeordnet werden kann. Eine Werkzeugspindel ist aber üblicherweise vielfältigen Krafteinwirkungen ausgesetzt, die nicht in direktem Zusammenhang mit den am Werkzeug wirksamen Kräften stehen. Störende Krafteinwirkungen können zum Beispiel hervorgerufen werden von: - der Trägheit der beschleunigten Spindelmasse (linear und rotatorisch) However, a high resolution is only useful if disturbances can be minimized so far that even a very small force event can be clearly assigned to a force on the tool. However, a tool spindle is usually exposed to a variety of force effects that are not directly related to the forces acting on the tool. For example, disturbing forces can be caused by: - the inertia of the accelerated spindle mass (linear and rotational)

- der Präzession der rotierenden Spindelmasse (bei Kippbewegungen der Spindelachse) - the precession of the rotating spindle mass (with tilting movements of the spindle axis)

- den Bewegungen des Maschinenständers (Vibrationen, Erschütterungen, Kippbewegungen)- the movements of the machine stand (vibrations, shocks, tilting movements)

- einer veränderlichen Wirkrichtung der Schwerkraft (insbesondere bei Schwenkspindeln) a variable effective direction of gravity (in particular with swivel spindles)

Ist die Kraftmesseinrichtung an die Werkzeugspindel gekoppelt, stören die von diesen Quellen ausgehenden Kraftwirkungen die Erfassung der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte. If the force measuring device is coupled to the tool spindle, the force effects emanating from these sources interfere with the detection of the forces acting on the tool.

Um die Störeinflüsse auf das Messergebnis zu reduzieren, müssen die beschleunigten Bewegungen der Spindelwelle im Raum, deren Rotationsgeschwindigkeit und die Schwerkraftrichtung kontinuierlich erfasst werden. Aus diesem Grund ist eine Kraftmesseinrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung maschinenständerseitig mechanisch mit Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren gekoppelt. Weiterhin ist die Spindelwelle mit einem Drehgeber ausgestattet. Die Messwerte dieser Sensoren werden kontinuierlich erfasst und der Auswerteeinheit zugeführt. Unter Berücksichtigung der Spindelmasse, des Spindelschwerpunktes und des Trägheitsmoments kann die Auswerteeinheit die von den Störeinflüssen hervorgerufenen Kraftwirkungen rechentechnisch ermitteln und die Ausgabewerte für jede Messgröße (Kräfte und Momente) entsprechend korrigieren. In order to reduce the interference on the measurement result, the accelerated movements of the spindle shaft in space, their rotational speed and the direction of gravity must be recorded continuously. For this reason, a force-measuring device in an advantageous embodiment of the invention is mechanically coupled to the machine frame side with acceleration sensors and / or yaw rate sensors. Furthermore, the spindle shaft is equipped with a rotary encoder. The measured values of these sensors are continuously recorded and fed to the evaluation unit. Taking into account the spindle mass, the spindle center of gravity and the moment of inertia, the evaluation unit can computationally determine the force effects caused by the disturbing influences and correspondingly correct the output values for each measured variable (forces and moments).

Die Spindelmasse, der Spindelschwerpunkt und ggf. das Trägheitsmoment der Spindelwelle können (sofern sie nicht bekannt sind) durch die Kraftmesseinrichtung selbst erfasst werden, indem die (rotierende) Spindel einen vorgegebenen Bewegungszyklus abfährt. Die dabei entstehenden Kraftwirkungen können unter Berücksichtigung der momentanen Rotationsgeschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Beschleunigung zur Ermittlung der fraglichen Werte herangezogen werden. Ein solcher Bewegungszyklus kann zeitlich sehr kurz gestaltet werden und bei- spielweise nach jedem Werkzeugwechsel ausgeführt werden, um die Kompensation der Störeinflüsse jederzeit auf der Basis aktueller Bezugsgrößen ausführen zu können. The spindle mass, the center of gravity and possibly the moment of inertia of the spindle shaft can (if they are not known) be detected by the force measuring device itself by the (rotating) spindle moves off a predetermined cycle of movement. The resulting force effects can be used to determine the values in question, taking into account the instantaneous rotational speed, direction of movement and acceleration. Such a movement cycle can be designed to be very short in terms of time and executed, for example, after each tool change in order to be able to carry out the compensation of the disturbances at any time on the basis of current reference variables.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die beschriebene, nicht mitdrehende Kraftmesseinrichtung durch eine weitere mitdrehende Kraftmesseinrichtung ergänzt, welche zwischen dem rotierenden Werkzeug bzw. der Spannfutteraufnahme und dem Spindelantrieb angeordnet ist. Es kann dann insbesondere vorgesehen sein, dass ein erster zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordneter Messkörper durch einen zweiten Messkörper mit einer rohrartigen Verformungszone ergänzt wird, welcher zwischen dem Rotor des Spindelantriebs und einem Spannfutter der Spindelwelle angeordnet ist und somit mitrotiert und welcher Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scherverformungen seiner rohrartigen Ver- formungszone trägt, deren messtechnische Auswertung auf die auf das Werkzeug einwirkenden Drehmomente schließen lässt. According to a further advantageous embodiment of the invention, the described non-co-rotating force measuring device is supplemented by a further co-rotating force measuring device which is arranged between the rotating tool or the chuck holder and the spindle drive. It can then be provided, in particular, that a first measuring body arranged between spindle housing and spindle main bearing is supplemented by a second measuring body with a tube-like deformation zone, which is arranged between the rotor of the spindle drive and a chuck of the spindle shaft and thus co-rotates and which strain gauges for detecting shear deformations carries its tubular deformation zone whose metrological evaluation can be concluded on the acting on the tool torques.

Diese zweite Kraftmesseinrichtung hat ausschließlich die Aufgabe, die unmittelbar am Werkzeug wirkenden Drehmomente zu messen. Besitzt diese Kraftmesseinrichtung ebenfalls eine rohrartige Verformungszone, könnten auf dessen Zylinderfläche vier Dehnmessstreifen zu einer Vollbrücke verschaltet werden, welche die Scherverformungen des Zylinders erfassen. Eine mitdrehende Elektronik bestehend aus Messverstärker, Digitalisierungseinheit, Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung sorgt für die Weitergabe der Messergebnisse an die Auswerteeinheit. Es ist selbstverständlich, dass weitere mit der Werkzeugspindel verbundene Einrichtungen, wie z.B. die automatische Werkzeugwechselvorrichtung oder der Anschluss der Innenkühlung, ebenfalls kraftneutral erfolgen sollen. Hierfür existieren jedoch bereits geeignete Lösungen. This second force measuring device has only the task of measuring the torques acting directly on the tool. If this force measuring device likewise has a tube-like deformation zone, four strain gauges could be interconnected to form a full bridge on its cylindrical surface, which detect the shear deformations of the cylinder. A rotating electronics consisting of measuring amplifier, digitizing unit, transmitting and receiving unit and power supply ensures the transmission of the measurement results to the evaluation unit. It goes without saying that further devices connected to the tool spindle, such as, for example, the automatic tool changing device or the connection of the internal cooling, should also be force-neutral. However, suitable solutions already exist for this purpose.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Werkzeug  1 tool

2 Spindelwelle  2 spindle shaft

3 Spindelgehäuse  3 spindle housing

4 Spindelachse  4 spindle axis

5 Rohrartige Verformungszone  5 Pipe-like deformation zone

6 Dehnmessstreifen  6 strain gauges

7 Rotor  7 rotor

8 Stator  8 stator

9 Spindelhauptlager  9 spindle main bearings

10 Loslager  10 floating bearings

1 1 Spannfutter  1 1 chuck

12 Messkörper, erste Kraftmesseinrichtung  12 measuring body, first force measuring device

13 Messkörper (mitdrehend), zweite Kraftmesseinrichtung  13 measuring bodies (rotating), second force measuring device

14 Maschinenständer  14 machine stands

15 Spindelantrieb (Motor)  15 spindle drive (motor)

16 Kühlmittel  16 coolants

17 Innenring  17 inner ring

18 Außenring  18 outer ring

19 Kugel  19 ball

20 Kugelkäfig  20 ball cage

21 Flexible Dichtlippe  21 Flexible sealing lip

22 Dichtring  22 sealing ring

23 Mitnahmestift  23 driving pin

24 Einschnürung  24 constriction

25 Temperatursensor Figurenbeschreibung 25 temperature sensor figure description

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung für die mehrachsige Erfassung der auf ein Werkzeug 1 einwirkenden Bearbeitungskräfte. In diesem Beispiel ist die gesamte Werkzeugspindel inklusive Spindelantrieb 15, Spindelgehäuse 3, Spindelwelle 2 und Spannfutter 11 über eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit dem Maschinenständer verbunden. Die Kraftmesseinrichtung beinhaltet einen ringförmigen Messkörper 12 mit einer rohrartigen Verformungszone 5. Diese Verformungszone 5 wird durch einen nutartigen Einstich auf der Innenseite des Messkörpers gebildet. Auf der äußeren Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 sind Dehnmessstreifen 6 appliziert (in dieser Darstellung nicht sichtbar), welche die Verformungen der Zylinderfläche richtungsabhängig in elektrische Widerstandsänderungen wandeln, die von einer geeigneten Messelektronik in äquivalente Messwerte gewandelt wird. Bei einer entsprechenden Bestückung der Zylinderfläche mit Dehnmessstreifen können zu der Spindelachse 4 achsparallele Kräfte (Z) sowie lotrecht zur Spinde lachse 4 einwirkende Kräfte (X, Y) erfasst werden. Durch die Bestückung mit weiteren Dehnmessstreifen sind außerdem die Erfassung der auf das Werkzeug 1 wirkenden Dreh- und Kippmomente möglich. Figure 1 shows an exemplary configuration of a tool spindle according to the invention with a force measuring device for the multi-axis detection of the forces acting on a tool 1 machining forces. In this example, the entire tool spindle including spindle drive 15, spindle housing 3, spindle shaft 2 and chuck 11 is connected to the machine stand via a force measuring device according to the invention. The force measuring device includes an annular measuring body 12 with a tube-like deformation zone 5. This deformation zone 5 is formed by a groove-like recess on the inside of the measuring body. On the outer cylindrical surface of the tubular deformation zone 5 strain gauges 6 are applied (not visible in this illustration), which convert the deformations of the cylindrical surface depending on the direction in electrical resistance changes, which is converted by a suitable measuring electronics into equivalent measured values. With a corresponding placement of the cylinder surface with strain gauges to the spindle axis 4 axis-parallel forces (Z) and perpendicular to the lock salmon 4 acting forces (X, Y) can be detected. By fitting with further strain gauges also the detection of the forces acting on the tool 1 turning and tilting moments are possible.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine alternative Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel. Bei dieser ist die Kraftmesseinrichtung zur Erfassung der Kräfte in X, Y, und Z zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 lokalisiert. Die Kraftmesseinrichtung ist im Wesentlichen wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 ausgebildet und weist auf ihrer Außenseite Dehnmessstreifen 6 auf. Dabei ist einer der beiden flanschartigen Ringe eines Messkörpers 12 dieser Kraftmesseinrichtung fest mit dem Spindelgehäuse 3 verbunden ist, während der andere flanschartige Ring fest mit dem Spindelhauptlager 9 verbunden ist. Der Vorteil dieser Konfi- guration besteht darin, dass die Kraftmesseinrichtung von der Masse des Spindelgehäuses 3 und des Stators 8 entkoppelt wird und also nur noch die Masse des Werkzeugs 1 , des Spannfutters 11, der Spindelwelle 2, des Rotors 7 und den rotierenden Teilen der Spindelwälzlager trägt. Diese Massereduzierung erhöht die Eigenfrequenz und ist insbesondere bei schweren Spindelkonstruktionen und/oder schnelllaufenden Spindeln vorteilhaft. Sie hat jedoch den Nachteil, dass das auf das Werkzeug 1 einwirkende Drehmoment aufgrund des zwischenliegenden Spindellagers nicht mehr von dieser Kraftmesseinrichtung erfasst werden kann. Aus diesem Grund besitzt die in Figur 2 gezeigte Konfiguration eine zweite Kraftmesseinrichtung 13, welche in dieser Darstellung zwischen dem Rotor 7 des Spindelantriebs und der Spindelwelle 2 angeordnet ist. Diese zweite, mitrotierende Kraftmesseinrichtung 13 erfasst unmittelbar das vom Spindelantrieb erzeugte Drehmoment. Eine mitdrehende Elektronik bestehend aus Messverstärker, Digitalisie- rungseinheit, Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung sorgt für die Weitergabe der Messergebnisse an die Auswerteeinheit. Der Messkörper 13 der zweiten, mitrotierenden Kraftmesseinrichtung besitzt im gezeigten Beispiel ebenfalls eine rohrartige Verformungszone, auf dessen Zylinderfläche vier Dehnmessstreifen 6 so zu einer Vollbrücke verschaltet werden, dass die von der drehmomentbedingten Tordie- rung der rohrartigen Verformungszone verursachten Scherspannungen erfasst werden können. Diese Anordnung der Dehnmessstreifen 6 ist bezüglich Temperatureinflüssen selbstkompensie- rend und benötigt daher keine zusätzliche Kühlung. FIG. 2 shows by way of example an alternative configuration of a tool spindle according to the invention. In this, the force measuring device for detecting the forces in X, Y, and Z between the spindle housing 3 and spindle main bearing 9 is located. The force measuring device is designed essentially as in the embodiment of FIG. 1 and has strain gauges 6 on its outside. In this case, one of the two flange-like rings of a measuring body 12 of this force measuring device is fixedly connected to the spindle housing 3, while the other flange-like ring is fixedly connected to the spindle main bearing 9. The advantage of this configuration is that the force measuring device is decoupled from the mass of the spindle housing 3 and the stator 8 and thus only the mass of the tool 1, the chuck 11, the spindle shaft 2, the rotor 7 and the rotating parts of the Spindle roller bearing carries. This mass reduction increases the natural frequency and is particularly advantageous for heavy spindle designs and / or high-speed spindles. However, it has the disadvantage that the torque acting on the tool 1 can no longer be detected by this force measuring device due to the intermediate spindle bearing. For this reason, the configuration shown in Figure 2 has a second force measuring device 13, which is arranged in this illustration between the rotor 7 of the spindle drive and the spindle shaft 2. This second, co-rotating force measuring device 13 directly detects the torque generated by the spindle drive. A rotating electronics system consisting of measuring amplifier, digitizing unit, transmitting and receiving unit and power supply ensures that the measuring results are passed on to the evaluation unit. In the example shown, the measuring body 13 of the second, co-rotating force-measuring device likewise has a tubular deformation zone, on the cylindrical surface of which four strain gauges 6 are connected to form a full bridge, so that the shear stresses caused by the torque-related twisting of the tubular deformation zone can be detected. This arrangement of the strain gauges 6 is self-compensating with respect to temperature influences and therefore does not require additional cooling.

Die Trennung der Kraftmesseinrichtung in einen feststehenden und einen mitdrehenden Teil hat den Vorteil, dass die feststehende Kraftmesseinrichtung einfach anschließbar und temperierbar ist, während die mitdrehende Kraftmesseinrichtung und insbesondere die mitdrehende Elektronik durch die Reduktion der Messaufgabe auf das Drehmoment sehr viel einfacher und raumspa- render ausführbar ist. Dadurch, dass sie - bedingt durch Ihre Einbaulage - überdies nicht den Kraftfolgen von Kollisionen ausgesetzt ist und auch die Anforderungen an die Steifigkeit deutlich geringer sind, kann Ihre Dimensionierung sich ausschließlich an den vom Antrieb übertragenen Drehmoment orientieren und liefert so die Voraussetzung für eine sehr hohe Auflösung. The separation of the force measuring device in a fixed and a co-rotating part has the advantage that the fixed force measuring device is easy to connect and temper, while the co-rotating force measuring device and in particular the co-rotating electronics by the reduction of the measurement task on the torque much simpler and space-saving executable is. Due to the fact that - due to your installation position - it is not exposed to the force consequences of collisions and the requirements for rigidity are significantly lower, your dimensioning can only be based on the torque transmitted by the drive and thus provides the prerequisite for a very high level Resolution.

Alternativ zu einer mitdrehenden Kraftmesseinrichtung kann auf das am Werkzeug anliegende Drehmoment auch aus den auf den Stator 8 des Antriebsmotors wirkenden Reaktionskräften geschlossen werden, bei der die Kraftmesseinrichtung zwischen Stator 8 und Spindelgehäuse 3 lokalisiert ist. Diese Anordnung lässt gegenüber der mitdrehenden Lösung eine geringere Messgüte erwarten, ist demgegenüber jedoch aufgrund der nicht mehr erforderlichen mitdrehenden Elektronik sehr viel preiswerter und einfacher integrierbarer. Das Antriebsmoment kann jedoch auch ohne Kraftmesseinrichtung auf indirekte Weise abgeschätzt werden, wie dies bereits vielfach praktiziert wird, z.B. auf Basis der Motorströme oder des Drehwinkelversatzes zwischen Drehfeld und Rotor. As an alternative to a co-rotating force measuring device, the torque applied to the tool can also be deduced from the reaction forces acting on the stator 8 of the drive motor, in which the force measuring device is located between stator 8 and spindle housing 3. This arrangement can be compared to the co-rotating solution expect a lower quality of measurement, however, is much cheaper and easier integrable because of the no longer required co-rotating electronics. However, the driving torque can also be estimated indirectly without a force measuring device, as is already widely practiced, e.g. based on the motor currents or the angular displacement between the rotating field and the rotor.

Das vom Spindelantrieb gelieferte Drehmoment ist jedoch ungleich dem Drehmoment, das für die Zerspanungsarbeit aufgewendet wird, da ein Teil des Antriebsmomentes für die Überwin- dung der Lagerreibung aufgewendet wird. Bei geringen Zerspanungskräften und einer hohen Lagervorspannung können diese Verlustmomente sogar den überwiegenden Teil des vom Antrieb gelieferten Drehmomentes beanspruchen. Besitzt die erste, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordnete Kraftmesseinrichtung 12 zusätzlich eine Dehnmessstreifenanordnung zur Erfassung von Torsionsmomenten, lassen sich damit mindestens die vom Spindelhauptlager 9 verursachten Verlustmomente messtechnisch erfassen. Dieser Messwert kann von einer Auswerteeinheit als Korrekturwert herangezogen und von dem Messwert der zweiten, zwischen Spindelwelle 2 und Rotor 7 angeordneten Kraftmesseinrichtung 13 abgezogen werden, um genauer auf das tatsächlich am Werkzeug anliegende Drehmoment schließen zu können. However, the torque delivered by the spindle drive is different from the torque that is used for the cutting work, as part of the drive torque is used to overcome the bearing friction. With low cutting forces and a high bearing preload, these torque losses can even claim the majority of the torque supplied by the drive. If the first force measuring device 12 arranged between the spindle housing 3 and the spindle main bearing 9 additionally has a strain gauge arrangement for detecting torsional moments, then at least the torque losses caused by the spindle main bearing 9 can be measured. This measured value can be used by an evaluation unit as a correction value and deducted from the measured value of the second, between spindle shaft 2 and rotor 7 arranged force measuring device 13 in order to close the torque applied to the tool can more accurately.

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2, wobei ein Mitnahmestift 22 ersichtlich ist, über welchen der Messkörper 13 der mitdrehenden Kraftmesseinrichtung mit der Spindel- welle 2 verbunden ist. Ferner ist bei der ersten, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordneten Kraftmesseinrichtung die innere Wand der rohrartigen Verformungszone 5 mit einem Kühlmittel 16 beaufschlagt oder wird aktiv davon durchströmt. Dies führt die bei der Bestromung der Dehnmessstreifen 6 entstehende Wärme ab und ermöglicht einen Wärmeausgleich zwischen den beiden flanschartigen Teilen des Messkörpers 12. Im Falle einer aktiven Durchströmung besitzt die Kühlmittelkammer hinter der rohrartigen Verformungszone 5 mindestens einen Zu- und Ablauf für das Kühlmittel (nicht dargestellt), sowie eine daran angeschlossene Temperiereinrichtung, bestehend aus einer Umwälzpumpe und einem Kühlaggregat. FIG. 3 shows an enlarged detail from FIG. 2, wherein a driving pin 22 can be seen, via which the measuring body 13 of the co-rotating force measuring device is connected to the spindle shaft 2. Further, in the first, between spindle housing 3 and spindle main bearing 9 arranged force measuring device, the inner wall of the tubular deformation zone 5 is acted upon by a coolant 16 or is actively flowed through it. In the case of an active flow through the coolant chamber has behind the tubular deformation zone 5 at least one inlet and outlet for the coolant (not shown ), and a tempering device connected thereto, consisting of a circulation pump and a cooling unit.

Entsprechend einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann alternativ zu der direkten Beaufschlagung mit Kühlmittel 16 hinter der rohrartigen Verformungszone 5 auch ein kühlmitteldurchströmtes Rohr oder ein Wärmerohr angeordnet werden. Um die Bewegungsfreiheit des Messkörpers 12 nicht einzuschränken, ist dieses Rohr zu den Wandungen des Messkörpers 12 beabstandet, sodass zwischen diesem Rohr und der Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 ein Spalt entsteht. Dieser Spalt kann mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Medium gefüllt sein, welches den Wärmeübergang zwischen Messkörper und Rohr fördert. Dabei zeigt Figur 3 eine flexible Dichtlippe 21 und einen Dichtring 22 zwischen dem ersten Messkörper 12 und einem anderen Bauteil, mit welchem der Spalt mit dem Medium 16 abgeschlossen wird. According to a further embodiment of the invention, not shown, as an alternative to the direct application of coolant 16 behind the tubular deformation zone 5, a coolant-flow pipe or a heat pipe can be arranged. In order not to limit the freedom of movement of the measuring body 12, this tube is spaced from the walls of the measuring body 12, so that between this tube and the cylindrical surface of the tubular deformation zone 5, a gap is formed. This gap can be filled with a liquid, pasty or gel-like medium, which promotes the heat transfer between the measuring body and tube. In this case, Figure 3 shows a flexible sealing lip 21 and a sealing ring 22 between the first measuring body 12 and another component, with which the gap with the medium 16 is completed.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugspindel mit einer zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager angeordneten Kraft- messeinrichtung., Eine solche Anordnung kann hinsichtlich Ihrer Nullpunktstabilität von einer weiteren Fehlerquelle bedroht sein. Diese Fehlerquelle ist die zweite Spindellagerung, das so genannte Loslager 10. Die Spindelwelle 2 unterliegt permanenten Temperaturschwankungen und ändert dementsprechend ihre Länge. Das Loslager 10 soll diese Längenänderungen in Achs- richtung ermöglichen. Die meisten Loslagerkonstruktionen arbeiten dabei aber in Achsrichtung nicht völlig kraftneutral, das heißt sie generieren Störkräfte in Achsrichtung, welche die Null- punktstabilität der Kraftmesseinrichtung beeinträchtigen. Aus diesem Grund besitzt die hier dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ein Loslager 10, welches eine weitgehend kraftneutrale und hysteresefreie Längenausdehnung in Achsrichtung (Doppelpfeil) zulässt. Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Wälzlagers. Diese besitzt im Wesentlichen die Form eines konventionellen Radiallagers bestehend aus Innenring 17, Außenring 18, Kugelkäfig 20 und Kugeln 19, jedoch besitzen die Kugellaufflächen beim Außen- und Innenring keinen durchgehenden, dem Kugelradius r angenäherten Quer- schnitt, sondern besitzen mittig einen annähernd zylindrischen Abschnitt, welche eine axialeFIG. 4 shows a section of an embodiment of the tool spindle according to the invention with a force measuring device arranged between spindle housing 3 and spindle main bearing. Such an arrangement may be threatened by another source of error with respect to its zero point stability. This source of error is the second spindle bearing, the so-called floating bearing 10. The spindle shaft 2 is subject to permanent temperature fluctuations and accordingly changes their length. The floating bearing 10 is intended to accommodate these length changes in axle direction. However, most of the non-locating constructions do not work completely neutrally in the axial direction, that is, they generate disturbing forces in the axial direction, which impair the zero-point stability of the force-measuring device. For this reason, the embodiment shown here of a force measuring device according to the invention has a floating bearing 10, which permits a largely force-neutral and hysteresis-free longitudinal expansion in the axial direction (double arrow). FIG. 4 shows an exemplary embodiment of such a roller bearing. This has essentially the shape of a conventional radial bearing consisting of inner ring 17, outer ring 18, ball cage 20 and balls 19, however, have the ball raceways in the outer and inner ring no continuous, the ball radius r approximated cross-section, but have an approximately cylindrical section centrally which is an axial

Wälzbewegung erlaubt. Als annähernd zylindrisch wird dieser Abschnitt deshalb bezeichnet, da er in Wahrheit ebenfalls einen kreisbogenförmigen Querschnitt besitzt, dessen Radius R allerdings sehr viel größer als der Kugelradius r ist. Hierdurch entsteht in Bezug auf den Kugelkäfig 20 eine zentrierende Wirkung, welche den drehenden Kugelkäfig 20 nach einer radialen Aus- lenkung rasch wieder in die Mitte zurückführt. Abhängig von der Größe dieses Radius entsteht bei einer axialen Auslenkung insbesondere bei einem stillstehenden Lager eine der Auslenkungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Ist der Radius jedoch groß genug, kann diese Kraft unterhalb der Auflösungsschwelle der Kraftmesseinrichtung gehalten werden. Rolling movement allowed. As approximately cylindrical, this section is therefore called, since he has in truth also a circular arc-shaped cross-section whose radius R, however, is much larger than the ball radius r. This results in a centering effect with respect to the ball cage 20, which guides the rotating ball cage 20 back to the center quickly after a radial deflection. Depending on the size of this radius, an axial deflection, in particular in the case of a stationary bearing, produces a force which counteracts the deflection direction. However, if the radius is large enough, this force can be kept below the resolution threshold of the force measuring device.

Figur 5 zeigt einen Messkörper mit einer alternativen Ausgestaltung einer rohrartigen Verfor- mungszone 5. Die durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungsprozess entstehende Wärme kann zu einer einseitigen Vergrößerung des Durchmessers einer der beiden flanscharti- gen Ringe des Messkörpers 12 führen. Hieraus resultiert in der rohrartigen Verformungszone 5 eine Zugspannung, welche zu einer störenden Nullpunktdrift des Z-Kanals führt. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwischen der rohrartigen Verformungszone 5 und mindestens einem der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers 12 über weitere Einschnürungen 24 verfügen, welche die Wandstärke des Rings an diesen Stellen nochmals verjüngen. Diese Verjüngungen stellen einerseits Wärmebarrieren dar, andererseits bilden sie auch elastische Barrieren für die aus den Durchmesserunterschieden resultierenden Spannungen. Eine solche Verjüngung arbeitet noch effektiver, wenn Sie ebenfalls kühlmittelumströmt ist. In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass sich die Wärmequelle auf der unteren Seite des Rings befindet. Bereits die Oberseite des unteren flanschartigen Rings des Messkörpers 12 steht bedingt durch die Einschnürung 24 in großflächigem Kontakt mit dem Kühlmittel 16, so dass der Durchmesserunterschied bereits innerhalb dieses unteren Ringabschnitts zwischen Unter- und Oberseite erheblich reduziert wird. Der sich zwischen der Einschnürung 24 und der rohrartigen Verformungszone 5 befindliche massivere Ringteil ist nahezu vollständig kühlmittelumströmt und dient als weitere mechanische und thermische Barriere. Dichtungen 21 und 22 begrenzen den kühlmitteldurchströmten Raum nach oben und unten, wobei mindestens eine der beiden Dichtungen 21 radial und axial elastisch ausgeführt ist, um Druckunterschiede des Kühlmittels auszugleichen und die ungehinderte Verformung des Messkörpers 12 zuzulassen. Das Kühlmittel wird aktiv temperiert. Seine Bezugstemperatur erhält es dabei beispielsweise von einem Temperatursensor 25, welcher im oberen flanschartigen Ring des Messkörpers 12 eingelassen ist. Dabei wird angenommen, dass der obere flanschartige Ring an das Spindelgehäuse angeflanscht ist, welches selber Temperaturände- rungen und damit Durchmesserschwanken erfährt. Ziel dieser Anordnung ist es, mechanische Spannungen zwischen dem Messkörper 12 und dem nicht dargestellten Spindelgehäuse 3 zu vermeiden. Die Applikationsfläche für die Dehnmessstreifen 6 liegt in diesem Ausführungsbeispiel außen. FIG. 5 shows a measuring body with an alternative embodiment of a tubular deformation zone 5. The heat generated by the motor, the bearing friction and the cutting process can lead to a one-sided enlargement of the diameter of one of the two flange-like rings of the measuring body 12. This results in the tube-like deformation zone 5, a tensile stress, which leads to a disturbing zero drift of the Z-channel. To counteract this fact, an advantageous embodiment of the invention between the tubular deformation zone 5 and at least one of the two flange-like rings of the measuring body 12 have further constrictions 24, which further taper the wall thickness of the ring at these locations. On the one hand, these tapers are thermal barriers, on the other hand they also form elastic barriers for the stresses resulting from the diameter differences. Such rejuvenation works even more effectively when it is also circulated with coolant. In the embodiment shown in FIG. 5, it is assumed that the heat source is located on the lower side of the ring. Already the upper side of the lower flange-like ring of the measuring body 12 is due to the constriction 24 in large-area contact with the coolant 16, so that the difference in diameter is already significantly reduced within this lower ring portion between bottom and top. The located between the constriction 24 and the tubular deformation zone 5 massive ring member is almost completely coolant flows around and serves as a further mechanical and thermal barrier. Gaskets 21 and 22 define the coolant-flow space up and down, wherein at least one of the two seals 21 is designed to be radially and axially elastic to compensate for differences in pressure of the coolant and allow the unimpeded deformation of the measuring body 12. The coolant is actively tempered. It receives its reference temperature, for example, from a temperature sensor 25, which is embedded in the upper flange-like ring of the measuring body 12. It is assumed that the upper flange-like ring is flange-mounted on the spindle housing, which itself experiences temperature changes and thus diameter fluctuations. The aim of this arrangement is to avoid mechanical stresses between the measuring body 12 and the spindle housing 3, not shown. The application area for the strain gauges 6 is outside in this embodiment.

Figur 6 zeigt beispielhaft die bevorzugte Bestückung der hier abgewickelt dargestellten Zylin- derfläche der rohrartigen Verformungszone 5 mit Dehnmessstreifen. Die so bestückte Kraftmesseinrichtung erlaubt eine Erfassung von Kräften in X, Y-, und Z-Richtung, von Kippmomenten um die X- und Y- Achse, sowie von Drehmomenten um die Z- Achse. FIG. 6 shows, by way of example, the preferred configuration of the cylinder surface of the tube-like deformation zone 5 with strain gauges shown here as unwound. The force measuring device equipped in this way permits detection of forces in the X, Y and Z directions, of tilting moments about the X and Y axes, and of torques about the Z axis.

Hierfür werden vorzugsweise acht Kanäle aufgebaut. Jedem Kanal steht dabei eine vollbestückte Vollbrücke mit vier Dehnmessstreifen zur Verfügung, auf der Zylinderfläche sind also insge- samt 32 Messgitter angeordnet. Die Verteilung der Längs-Querkombinationen (LQ) für die Erfassung von Zug-/Druckverformungen (Z) in Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone 5 und der Scherkombinationen (V) für die Erfassung von Scherverformungen (X, Y) lotrecht zur Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone auf der Zylinderfläche ergibt sich entsprechend der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform wie folgt: Yl (V) bei 0° For this purpose, preferably eight channels are established. Each channel has a fully equipped full bridge with four strain gauges, so a total of 32 measuring grids are arranged on the cylinder surface. The distribution of the longitudinal transverse combinations (LQ) for the detection of tensile / compressive deformations (Z) in the axial direction of the tubular deformation zone 5 and the shear combinations (V) for the detection of shear deformations (X, Y) perpendicular to the axial direction of the tubular deformation zone on the Cylinder surface results according to the preferred embodiment shown here as follows: Yl (V) at 0 °

ZI (LQ) bei 45°  ZI (LQ) at 45 °

XI (V) bei 90° XI (V) at 90 °

Z2 (LQ) bei 135° Z2 (LQ) at 135 °

Y2 (V) bei 180° Y2 (V) at 180 °

Z3 (LQ) bei 225° Z3 (LQ) at 225 °

X2 (V) bei 270°  X2 (V) at 270 °

Z4 (LQ) bei 315° Steht ausreichend Platz auf der Zylinderfläche zur Verfügung, können die zu einer Vollbrücke gehörenden vier Dehnmessstreifen auch nebeneinander angeordnet werden, was die erforderliche Höhe h der rohrartigen Verformungszone halbiert und so zu einer deutlich erhöhten Steifigkeit führt. Figur 7 zeigt eine beispielhafte Beschaltung von acht Wheatstone-Brücken für eine Kraftmesseinrichtung mit der in Figur 6 dargestellten Anordnung von Dehnmessstreifen. Jede Wheats- tonebrücke repräsentiert dabei einen Kanal. Z4 (LQ) at 315 ° If sufficient space is available on the cylindrical surface, the four strain gauges belonging to a full bridge can also be arranged next to one another, which halves the required height h of the tubular deformation zone and thus leads to a significantly increased rigidity. FIG. 7 shows an exemplary connection of eight Wheatstone bridges for a force measuring device with the arrangement of strain gauges shown in FIG. Each Wheatseton bridge represents one channel.

Für diese Anordnung ergeben sich die Vergleichswerte für For this arrangement, the comparison values for

1. eine einwirkende Kraft in Z-Richtung (FZ) aus ZI + Z2 + Z3 + Z4 2. ein einwirkendes Kippmoment um die X-Achse (MX) aus (ZI + Z2) - (Z3 + Z4) 1. an acting force in the Z-direction (FZ) from ZI + Z2 + Z3 + Z4 2. an acting tilting moment about the X-axis (MX) from (ZI + Z2) - (Z3 + Z4)

3. ein einwirkendes Kippmoment um die Y-Achse (MY) aus (ZI + Z4) - (Z2 + Z3)3. an acting tilting moment about the Y-axis (MY) from (ZI + Z4) - (Z2 + Z3)

4. eine einwirkende Kraft in X-Richtung (FX) aus XI - X2 4. an acting force in X direction (FX) from XI - X2

5. eine einwirkende Kraft in Y-Richtung (FY) aus Yl - Y2  5. an acting force in Y-direction (FY) from Yl - Y2

6. ein Torsionsmoment (Drehmoment) um die Z- Achse (MZ) aus XI + X2 + Yl + Y2 Eine erfindungsgemäße achtkanalige Auswertung bietet einige wesentliche Vorteile. Eine rohrartige Verformungszone verformt sich unter dem Einfluss einer in Achsrichtung einwirkenden Kraft deutlich weniger als unter dem Einfluss einer quer zur Achsrichtung einwirkenden Kraft. Zudem liefern die Längs-/Querkombinationen der Dehnmessstreifen in Achsrichtung (Z) nur etwa 65% der Signalausbeute der Scherkombinationen in Querrichtung (X Y), so dass sich unter Umständen ein Gesamtunterschied in der Empfindlichkeit zwischen X/Y und Z von 500% und mehr ergäbe, stünde für jede Achsrichtung nur eine Vollbrücke zur Verfügung. Eine redundante Auswertung in vier Z-Kanälen reduziert diesen Empfindlichkeitsunterschied jedoch erheblich. Der Vorteil einer vierfach redundanten Auswertung ergibt sich insbesondere auch für das Torsionsmoment bzw. das Drehmoment (MZ), bei dem die Signale der vier Scherkombinationen ge- nutzt werden können.  6. a torsional moment (torque) about the Z axis (MZ) from XI + X2 + Yl + Y2 An eight-channel evaluation according to the invention offers some significant advantages. A tube-like deformation zone deforms significantly less under the influence of a force acting in the axial direction than under the influence of a force acting transversely to the axial direction. In addition, the longitudinal / transverse combinations of the strain gauges in the axial direction (Z) provide only about 65% of the signal yield of the shear combinations in the transverse direction (XY), so that there could be a total difference in sensitivity between X / Y and Z of 500% and more , there would be only one full bridge available for each axis direction. However, a redundant evaluation in four Z channels considerably reduces this sensitivity difference. The advantage of a quadruple redundant evaluation results in particular for the torsional moment or the torque (MZ), in which the signals of the four shearing combinations can be used.

Claims

Patentansprüche claims

1. Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Kräften oder Momenten, welche an einem mit der Spindelwelle (2) der Werkzeugspindel verbundenen rotie- renden Werkzeug (1) angreifen, wobei die Werkzeugspindel einen Maschinenständer (14) aufweist und die Spindelwelle (2) in einem oder mehreren Lagern gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass 1. Tool spindle with a force measuring device for detecting forces or moments which engage a rotating tool (1) connected to the spindle shaft (2) of the tool spindle, the tool spindle having a machine stand (14) and the spindle shaft (2) is stored in one or more bearings, characterized in that

die Kraftmesseinrichtung zwischen Maschinenständer (14) und rotierender Spindelwelle (2) angeordnet ist, wobei die Kraftmesseinrichtung einen Messkörper (12) besitzt, welcher zwi- sehen zwei flanschartigen Teilen eine rohrartige Verformungszone (5) aufweist, welche die fianschartigen Teile miteinander verbindet und dieser Messkörper (12) im Bereich der rohrartigen Verformungszone (5) auf deren äußerer oder innerer Zylinderfiäche Dehnmessstreifen (6) zur Erfassung von Scher- und/oder Längsverformungen besitzt, und dass ein fiansch- artiger Teil des Messkörpers (12) direkt oder indirekt über weitere zwischengelagerte Bau- teile mit dem Maschinenständer (14) verbunden ist, während der andere fianschartige Teil indirekt über zwischengelagerte Bauteile mit der Spindelwelle (2) verbunden ist.  the force measuring device between the machine stand (14) and rotating spindle shaft (2) is arranged, wherein the force measuring device has a measuring body (12), which see between two flange-like parts a tubular deformation zone (5) which connects the fianschartigen parts together and this measuring body (12) in the region of the tube-like deformation zone (5) has on its outer or inner Zylinderfiäche strain gauges (6) for detecting shear and / or longitudinal deformations, and that a fiansch- like part of the measuring body (12) directly or indirectly via further interposed Components with the machine stand (14) is connected, while the other fianschartige part is indirectly connected via intermediate components with the spindle shaft (2).

2. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelwelle (2) in einem oder mehreren Wälzlagern gelagert ist. 2. Tool spindle according to claim 1, characterized in that the spindle shaft (2) is mounted in one or more rolling bearings.

3. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mit Dehnmessstreifen (6) bestückte innere oder äußere Zylinderfiäche der rohrartigen Verformungszone (5) mit einem flüssigen oder pastösen Medium beaufschlagt ist, und dieses flüssige oder pas- töse Medium mit mindestens einem anderen Teil der Kraftmesseinrichtung oder der Werk- zeugspindel in thermischen Kontakt steht, so dass sich auf der Basis von Konvektion und/oder Wärmeleitung ein Temperaturausgleich zwischen der rohrartigen Verformungszone (5) und diesem anderen Teil ergibt. 3. Tool spindle according to claim 1, characterized in that the non-strain gauges (6) equipped with inner or outer Zylinderfiäche the tubular deformation zone (5) is acted upon by a liquid or pasty medium, and this liquid or pasting medium with at least one other Part of the force measuring device or the tool spindle is in thermal contact, so that on the basis of convection and / or heat conduction temperature compensation between the tubular deformation zone (5) and this other part results.

4. Werkzeugspindel nach dem vorangegangenen Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile, mit dem der thermische Kontakt hergestellt wird, die beiden fianschartigen Teile des4. Tool spindle according to the preceding claim 3, characterized in that the parts with which the thermal contact is made, the two fianschartigen parts of

Messkörpers (12) umfassen, welche durch die rohrartige Verformungszone (5) miteinander verbunden sind, sodass das flüssige oder pastöse Medium einen Wärmetransport zwischen diesen fianschartigen Teilen ermöglicht. Measuring body (12), which are interconnected by the tubular deformation zone (5), so that the liquid or pasty medium allows heat transfer between these fianschartigen parts.

5. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der rohrartigen Verformungszone (5) entstehende Wärme über eine aktiv umgewälzte Flüssigkeit und/oder über mindestens ein Wärmerohr abgeführt wird. 5. Tool spindle according to claim 1, characterized in that the heat generated at the tubular deformation zone (5) is dissipated via an actively circulated liquid and / or via at least one heat pipe.

6. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse (3), einer Spindelwelle (2), einem Spindelhauptlager (9) und einem Spindelantrieb (15) besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt über den Messkörper (12) mit dem Maschinenständer (14) verbunden ist. 6. Tool spindle according to claim 1, characterized in that the tool spindle consists of at least one spindle housing (3), a spindle shaft (2), a spindle main bearing (9) and a spindle drive (15) and these parts form a structural unit, which in total about the measuring body (12) is connected to the machine stand (14).

7. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse (3), einer Spindelwelle (2), einem Spindelhauptlager (9) und einem Spindelantrieb (15) besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt direkt mit dem Maschinenständer (14) verbunden ist und der Messkörper (12) innerhalb dieser konstruktiven Einheit fest zwischen Spindelgehäuse (3) und Spindel- hauptlager (9) angeordnet ist. 7. Tool spindle according to claim 1, characterized in that the tool spindle consists of at least one spindle housing (3), a spindle shaft (2), a spindle main bearing (9) and a spindle drive (15) and these parts form a structural unit, which in total directly is connected to the machine stand (14) and the measuring body (12) within this constructive unit between the spindle housing (3) and spindle main bearing (9) is arranged.

8. Werkzeugspindel nach dem vorangegangenen Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster zwischen Spindelgehäuse (3) und Spindelhauptlager (9) angeordneter Messkörper (12) durch einen zweiten Messkörper (13) mit einer rohrartigen Verformungszone ergänzt wird, welcher zwischen dem Rotor (7) des Spindelantriebs (15) und einem Spannfutter (11) der8. Tool spindle according to the preceding claim 7, characterized in that a first between spindle housing (3) and spindle main bearing (9) arranged measuring body (12) by a second measuring body (13) is supplemented with a tubular deformation zone which between the rotor (7 ) of the spindle drive (15) and a chuck (11) of

Spindelwelle (2) angeordnet ist und somit mitrotiert und welcher Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scherverformungen seiner rohrartigen Verformungszone trägt, deren messtechnische Auswertung auf die auf das Werkzeug einwirkenden Drehmomente schließen lässt. Spindle shaft (2) is arranged and thus co-rotated and which strain gauges carries to detect shear deformation of its tubular deformation zone, the metrological evaluation of which can close the acting on the tool torques.

9. Werkzeugspindel nach einem der vorangegangenen Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelwelle (2) an ihrem dem Werkzeug abgewandtem Ende über ein Loslager (10) verfügt, welches gemeinsam mit dem Spindelhauptlager (9) die Drehlagerung der Spindelwelle (2) bildet, und welches neben einer rotatorischen Wälzbewegung auch eine translatorische Wälzbewegung in Richtung der Spindelachse (4) zulässt. 9. Tool spindle according to one of the preceding claims 7 or 8, characterized in that the spindle shaft (2) has at its end facing away from the tool via a movable bearing (10) which, together with the spindle main bearing (9), the pivot bearing of the spindle shaft (2). forms, and in addition to a rotational rolling movement and a translational rolling movement in the direction of the spindle axis (4) permits.

10. Werkzeugspindel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf den Messkörper (12) der Kraftmesseinrichtung maschmenständerseitig ein oder mehrere Messwertgeber zur Bestimmung der Neigung und/oder der Beschleunigung und/oder der Drehrate befestigt sind und eine Auswerteeinheit die Messwerte dieser Messwertgeber zur Korrektur der ermittelten Kraft- und Momentwerte heranzieht. 10. Tool spindle according to one of the preceding claims, characterized in that with respect to the measuring body (12) of the force-measuring device on the maschmenständerseitig one or more transducers for determining the inclination and / or acceleration and / or the rotation rate are fixed and an evaluation unit uses the measured values of these transducers for the correction of the determined force and moment values.

11. Werkzeugspindel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (12) zwischen der rohrartigen Verformungszone (5) und mindestens einem der beiden fianschartigen Teile über zusätzliche rohrartige Verformungszonen mit einer an diesen Stellen gegenüber den fianschartigen Teilen reduzierten Wandstärken verfügt. 11. Tool spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring body (12) between the tubular deformation zone (5) and at least one of the two fianschartigen parts has additional tubular deformation zones with a reduced at these locations compared to the fianschartigen parts wall thicknesses.

12. Werkzeugspindel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (12) der Kraftmesseinrichtung in ihrem ersten fianschartigen Teil und in ihrem zweiten fianschartigen Teil jeweils mindestens einen Temperatursensor (25) besitzt und auf der Basis der Messwerte dieser beiden Sensoren (25) von einer Auswerteeinheit das ermittelte Temperaturniveau und/oder der ermittelte Temperaturunterschiedswert für eine Korrektur der von der Auswerteeinheit ermittelten Kraftwerte und/oder zur Steuerung einer die Kraftmesseinrichtung oder Teile davon temperierenden Einrichtung herangezogen wird. 12. Tool spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring body (12) of the force measuring device in its first fianschartigen part and in its second fianschartigen part each having at least one temperature sensor (25) and on the basis of the measured values of these two sensors (25 ), the determined temperature level and / or the determined temperature difference value are used by an evaluation unit for a correction of the force values determined by the evaluation unit and / or for controlling a device which controls the force measuring device or parts thereof.

13. Werkzeugspindel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Richtung durch die Mittelachse der rohrartigen Verformungszone (5) definiert ist, und für die Erfassung von Kräften in X-, Y- oder Z-Richtung oder für Momente um die Achsrichtungen X,Y oder Z für mindestens eine Achsrichtung mindestens zwei redundante13. Tool spindle according to one of the preceding claims, characterized in that the Z-direction is defined by the central axis of the tubular deformation zone (5), and for the detection of forces in the X, Y or Z direction or for moments around the Axial directions X, Y or Z for at least one axial direction at least two redundant

Wheatstonebrücken aufgebaut und diese in getrennten Verstärkerschaltungen ausgewertet werden und sich der reale Messwert aus der Verrechnung der Einzelmesswerte der einer Achsrichtung zugeordneten zwei oder mehr Verstärkerschaltungen in der Auswerteeinheit ergibt. Wheatstone bridges are constructed and evaluated in separate amplifier circuits and the real measured value results from the calculation of the individual measured values of the two or more amplifier circuits associated with an axis direction in the evaluation unit.

14. Werkzeugspindel nach dem vorangegangenen Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung von Kräften in Z-Richtung (FZ) oder für die Erfassung von Kippmomenten, deren Hauptachse lotrecht zur Z- Achse liegt (MX und MY), insgesamt vier Wheatstonebrücken in getrennten Verstärkerschaltungen ausgewertet werden. 14. Tool spindle according to the preceding claim 13, characterized in that for the detection of forces in the Z direction (FZ) or for the detection of tilting moments whose main axis is perpendicular to the Z axis (MX and MY), a total of four Wheatstone bridges in separated amplifier circuits are evaluated.