Die Erfindung ist gebildet durch ein Spannfutter mit einem Futterkörper und einer Mehrzahl verstellbar am Futterkörper gelagerten Spannbacken, mit Mitteln zur Bereitstellung elektrischer Energie im Futterkörper und mit Mitteln zur Übertragung, von der elektrischen Energie aus dem Futterkörper auf mindestens eine der Spannbacken. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Spannbacke sowie ein Verfahren zur Versorgung einer einem Spannfutter zugehörigen Spannbacke mit elektrischer Energie.

Spannfutter dienen dazu, Werkstücke sicher einzuspannen, um diese einer weiteren Bearbeitung zuzuführen, bzw. Werkzeuge zu spannen, um eine Bearbeitung der Werkstücke zu ermöglichen. Die Spannfutter sind dafür auf der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine montiert und werden drehend angetrieben, wobei bei modernen Spannfuttern sehr hohe Drehzahlen möglich sind, um eine hohen Schnittleistung für eine spanende Bearbeitung zu ermöglichen. Die hohen Drehzahlen sind mit entsprechend hohen Fliehkräften verbunden, die auf die Spannbacken wirken und so die durch die Spannbacken übertragene Spannkraft beeinflussen, wobei bei einer Außenspannung eine Abschwächung der Spannkraft gegeben ist, die ein sicheres Spannen gefährdet. Bei einer Innenspannung ist eine Erhöhung der Spannkraft gegeben, die insbesondere bei deformationsempfindlichen Werkstücken problematisch sein kann.

Der rein mechanische Aufbau der Spannfutter bietet nur begrenzte und aufwendige Möglichkeiten, dies zu berücksichtigen und zu kompensieren. Darüber hinaus besteht das Bedürfnis, Spannfutter genauer zu überwachen, deren Tätigkeit zu kontrollieren und zu vernetzen, so dass das Erfordernis besteht Spannfutter mit Sensoren, Aktoren oder Kommunikationseinheiten auszustatten, for deren Betrieb eine Energieversorgung erforderlich ist, insbesondere die Bereitstellung elektrischer Energie. Da die Spannfutter drehend angetrieben werden ist dies nicht trivial. Es gibt den Vorschlag, bei Spannfuttern im Stillstand eine elektrische Steckverbindung herzustellen und erforderliche elektrische Energie in dem Spannfutter zu speichern, wobei die Steckverbindung zum Ende der Stillstandphase des Spannfutters, nach dem Wechsel des Werkstücks oder der Spannbacken beispielsweise, wieder beseitigt wird. Sofern aber die elektrische Energie in der Spannbacke benötigt wird, ist es erforderlich, die elektrische Energie aus dem Futterkörper in die Spannbacke zu übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spannfutter bereitzustellen, mit der Möglichkeit, in einer Spannbacke ein elektrisch betriebenes Teil einzusetzen. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine zur Eintragung elektrischer Energie geeignete Spannbacken sowie ein Verfahren zur Versorgung einer einem Spannfutter zugehörigen Spannbacke mit elektrischer Energie bereitzustellen.

Der das Spannfutter betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Spannfutter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , der die Spannbacke betreffende Teil der Aufgabe durch eine Spannbacke mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst, der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das Spannfutter zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Futterkörper mit seiner gegenüber einer Spannbacke vergrößerten Oberfläche und seinem vergrößerten Volumen zur Bereitstellung elektrischer Energie ausgenutzt werden kann, um sodann diese elektrische Energie auf die Spannbacke zu übertragen, wobei diese elektrische Energie genutzt werden kann, um in der Spannbacke zugeordnete Sensoren, Aktoren oder Kommunikationseinheiten mit elektrischer Energie zu versorgen. Es ist also beispielsweise die Möglichkeit geschaffen, mittels eines Sensors die tatsächlich wirkende Spannkraft im Bereich der Schnittstelle zwischen der Spannbacke und eingespannten Werkstück oder Werkzeug zu messen und diese Sensordaten mittels der Kommunikationseinheit an ein externes Kontrollzentrum zu übertragen. Ein Aktor kann beispielsweise zur Beeinflussung einer Spannschneide oder einer Spannfläche genutzt werden, um die infolge der wirkenden Zentrifugalkraft modifizierte Spannkraft zu justieren. Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass die Mittel eine futterseitige Übertragungseinheit sowie eine backenseitige Empfangseinheit aufweisen, und dass der Spannbacke eine mit Empfangseinheit durch eine elektrische Leitung verbundene elektrische Speicherzelle zugeordnet ist. Dabei ist zweckmäßigerweise der Übertragungseinheit zur induktiven Kopplung der Empfangseinheit eine erste Spule und der Empfangseinheit eine zweite Spule zugeordnet, sodass die induktive Kopplung genutzt ist, um berührungslos die elektrische Energie in die Spannbacke zu übertragen. Bevorzugt ist dabei, dass die erste Spule und die zweite Spule radial zueinander angeordnet sind. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die zweite Spule zweifach vorgesehen ist, an den beiden radialen Ende der Spannbacke für die Nutzung bei der Innenspannung oder der Außenspannung, sodass unabhängig von der Nutzung der Spannbacke stets die gewünschte Übertragung der elektrischen Energie ermöglicht ist, weil stets eine zweite Spule der ersten Spule gegenüberliegend angeordnet ist. Alternativ besteht dazu die Möglichkeit, dass die Spannbacke in einer radialen Führungsaufnahme des Futterkörpers längsverschieblich gelagert ist, und dass die erste Spule im Futterkörper im Bereich der Führungsaufnahme und die zweite Spule in dem in die Führungsaufnahme aufgenommenen Teil der Spannbacke angeordnet ist.

Eine weitere Alternative ist dadurch gegeben, dass die Spannbacke in einer radialen Führungsaufgabe des Futterkörpers längsverschieblich gelagert ist, dass im Bereich der Führungsaufnahme eine Kontaktfläche an dem einen Teil von dem Futterkörper und der Spannbacke und ein Schleifkontakt an dem anderen Teil von dem Futterkörper und der Spannbacke angeordnet ist. Es ist also nicht zwingend erforderlich, eine berührungslose Übertragung der elektrischen Energie vorzusehen, sondern es kann auch ganz konventionell über elektrische Leiter elektrische Energie aus dem Futterkörper in die Spannbacke übertragen werden, wobei die Positionierung der Kontaktfläche und des Schleifkontaktes so gewählt ist, dass die im Betrieb des Spannfutters wirkenden Fliehkräfte keine Beeinträchtigung des Kontaktes bewirken.

Die Spannbacke selber ist mit einer Kontaktfläche und mit einer mit der Kontaktfläche elektrisch verbundenen elektrischen Speichereinheit versehen.

Das Verfahren zur Versorgung einer einem Spannfutter zugehörigen Spannbacke mit elektrischer Energie umfasst die Schritte der Bereitstellung elektrischer Energie in einem Futterkörper des Spannfutters und der Übertragung der elektrischen Energie von einer Übertragungseinheit des Futterkörpers auf eine Empfangseinheit der Spannbacke in der eine elektrische Speichereinheit in elektrischen Kontakt mit der Empfangseinheit angeordnet ist. Die Übertragungseinheit und die Empfangseinheit nutzen dabei Spulen zur induktiven Kopplung. Es besteht aber die Möglichkeit, dass das Laden der elektrischen Speichereinheit im Stillstand des Spannfutters erfolgt und die Nutzung der in der elektrischen Speichereinheit gespeicherten Energie bei Rotation des Spannfutters. Alternativ ist auch die Möglichkeit gegeben, dass bei der der Führungsaufnahme zugeordneten Spannbacke ein Laden unabhängig von dem Bewegungszustand des Spannfutters erfolgt, also auch während des drehenden Antriebs des Spannfutters die Energieübertragung in die Spannbacke ermöglicht ist. Alternativ zur induktiven Kopplung kann das Verfahren auch eine kontaktbehaftete Kopplung nutzen, indem Übertragungseinheit und Empfangseinheit eine Kontaktfläche und einen Schleifkontakt verwendet.

Im Folgenden wird die Erfindungen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch ein Spannfutter mit einer dem Futterkörper zugeordneten Spule und einem gegenüberliegend angeordneten Ring mit einem Magneten,

Fig. 2 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung mit einem drehbaren gegenüber dem Futterkörper gelagerten Ring mit anisotroper Massenverteilung, Fig. 2a eine Draufsicht auf ein Spannfutter zur Veranschaulichung der im Schwerefeld ausgerichteten anisotropen Massenverteilung,

Fig. 3 ein Längsschnitt durch eine beispielhaft gezeigte Spannbacke mit einer durch die Fliehkraft verstellbaren Masse, die eine Zahnstange zur Antreiben eines Ritzel bewegt, Fig. 4 das Detail IV aus Figur III,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Nutzung eines Flügelrades,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Spannbacke mit zugeordnetem Reibrad,

Fig. 7 ein Längsschnitt durch einen in der Backenführung des Futterkörpers aufgenommener Spannbacken mit zugeordnetem Ritzel, dass durch den Backenhub durch das Zusammenwirken mit einer Zahnstange verdreht wird, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Spannbacke mit zugeordneter Magnetleistung zum Zusammenwirken mit einer Spule während des Backenhubes bei der Verstellung der Spannbacke,

Fig. 9 die schematische Darstellung einer Spannbacke zugeordneten piezoelektrischen Kristall zur Speisung einer elektrischen Speicherzelle,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines in den Kühlmittelkreislauf eingebundenen Peltierelements zur Speisung der elektrischen Speicherzelle, Fig. 11 eine schematische Darstellung der einem Spannfutter zugeordneten Futterzelle. Fig. 12 eine Seitenansicht einer Spannbacke mit integrierter elektrischer Speicherzelle und zweiter Spule zur Wechselwirkung mit der dem Futterkörper zugeordneten ersten Spule, Fig. 13 eine Draufsicht auf ein Spannfutter mit der Führungsaufnahme zugeordneter erster Spule und seitlich im Körper der Spannbacke angeordneter zweiter Spulen,

Fig. 14 eine Seitenansicht der in Figur 2 genutzten Spannbacke zur Veranschaulichung der Positionierung der zweiten Spule, Fig. 15 eine Seitenansicht einer Spannbacke mit einer Kontaktfläche, und

Fig. 16 eine Ausführungsform mit einem Schleifenkontakt in der

Führungsaufnahme des Futterkörpers für die Spannbacke.

In der Figur 2a ist schematisch in einer Draufsicht ein Spannfutter 1 gezeigt, in dessen Futterkörper 2 radial verlaufende Führungsaufnahmen 3 für

Spannbacken 4 ausgebildet sind, und zwar bei dieser Ausführungsform für drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Spannbacken 4. Des Weiteren verfügt das Spannfutter 1 über in der Zeichnung nicht dargestellte Sensoren, Aktoren oder Kommunikationseinheiten, die jeder einzelnen Spannbacken 4 oder dem Futterkörper 2 zugeordnet sein können und die einer besseren Überwachung, Kontrolle und Erfassung von Eigenschaften des Spannfutters 1 oder dessen Betrieb dienen. Zur Versorgung der Sensoren, Aktoren und Kommunikationseinheiten ist dem Spannfutter ein Mittel 5 zur Generierung elektrischer Energie zugeordnet, zu dem die nachstehend erläuterten Ausführungsformen genannt sind.

So ist die Möglichkeit gegeben, dass die Mittel 5 durch einen elektrischen Generator zur Wandlung kinetischer Energie in elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion gebildet sind, wie in den Figuren 1 bis 8 gezeigt.

Figur 1 zeigt dabei eine Ausführungsform, bei der ein im Laborsystem stationärer Ring 6 mit mindestens einem Magneten 7 den Futterkörper 2 umfasst, wobei am Futterkörper 2 dem Ring 6 gegenüberliegend eine Spule 8 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Ring an der Werkzeugmaschine gehalten. Demgegenüber zeigen die Figuren 2 und 2a die Möglichkeit, dass der Ring 6 auch am Futterkörper 2 gelagert sein kann wobei dies eine drehbare Lagerung erfordert. Für eine möglichst geringe Reibung ist dazu der Ring 6 über ein Kugellager 9 oder ein Rollenlager oder ein Luftkissen am Futterkörper 2 gelagert. Der Ring selber weist eine anisotrope Massenverteilung mit einer an einer Umfangsstelle 10 erhöhten Masse auf, die sich ausweislich der in der Figur 2a gezeigten Konfiguration im Schwerefeld ausrichtet und dazu tendiert, auch bei einem drehenden Antrieb des Spannfutters 1 diese Ausrichtung beizubehalten.

Sowohl bei der Ausführungsform nach Figur 1 als auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 2a ist gegenüberliegend dem Ring 6 eine Spule 8 angeordnet.

Durch den drehenden Antrieb des Spannfutters 1 wirkt eine Fliehkraft, die gleichfalls zur Generierung der gewünschten elektrischen Energie ausgenutzt werden kann, indem in dem Futterkörper 2 oder mindestens einer der Spannbacken 4 eine durch die Fliehkraft verstellbare Masse 11 gelagert ist, deren Verstellung zur Betätigung des Generators genutzt wird. Figur 3 zeigt dazu eine Ausführungsform, bei der die Masse 11 mit einer Zahnstange 12 verbunden ist, die mit einem Ritzel 13 kämmt, dessen Verdrehung die Lageänderung des Magneten 7 gegenüber der Spule 8 des Generators bewirkt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass ein Spindeltrieb realisiert ist, bei dem die Masse 11 über eine Spindelmutter mit einer Gewindestange zusammenwirkt, deren Verdrehung die Lageänderung des Magneten 7 gegenüber der Spule 8 des Generators bewirkt.

Die Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei dem dem Futterkörper 2 ein durch ein Fluid antreibbares Flügelrad 15 zugeordnet ist, dessen Welle 16 durch ihre Verdrehung die Lageänderung des Magneten 7 gegenüber der Spule 8 bewirkt. Das Flügelrad 15 kann dabei durch ein den Futterkörper 2 durchströmendes Kühlmittel beaufschlagbar sein, so dass das Fluid durch das Kühlmittel gebildet ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das Flügelrad 15 der Oberfläche des Futterkörpers 2 und/oder der Spannbacke 4 zugeordnet ist zur Beaufschlagung durch den Fahrtwind bei dem drehenden Antrieb des Futterkörpers 2.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Verstellung der Spannbacken 4 in den Backenführungen gegenüber dem Futterkörper 2 ausgenutzt wird. In dieser Ausführungsform ist der Spannbacke 4 ein Reibrad 17 zugeordnet, das bei der Verstellung der Spannbacke 4 gegenüber dem Futterkörper 2 verdreht wird, wobei die Welle 16 des Reibrades 17 durch ihre Verdrehung die Lageänderung des Magneten 7 gegenüber der Spule 8 bewirkt.

Figur 7 zeigt eine Modifikation, bei der das Reibrad 17 ein Ritzel 13 trägt, das in einem Zahnstangenprofil kämmt.

Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 8 wird wiederum die Verstellung der Spannbacke 4 gegenüber dem Futterkörper 2 ausgenutzt, indem einem Teil von Futterkörper 2 und Spannbacke 4 ein Magnet 7 zugeordnet ist, der bei der Verstellung der Spannbacke 4 relativ zum Futterkörper 2 eine Spannung in die dem anderen Teil von Futterkörper 2 und Spannbacke 4 zugeordnete Spule 8 induziert.

Die Ausführungsform gemäß Figur 9 zeigt die Möglichkeit, dass im Futterkörper 2 oder, wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einer der Spannbacken 4 ein piezoelektrischer Kristall 18 zur Speisung der elektrischen Speicherzelle angeordnet ist.

Figur 10 zeigt die Verwendung eines Peltierelements 19 zur Speisung der elektrischen Speicherzelle 14.

Figur 11 schließlich zeigt als Mittel 5 zur Generierung elektrischer Energie eine auf der Oberfläche des Spannfutters 1 angeordnete Fotozelle 20.

Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das Mittel 5 durch eine dem Futterkörper 2 zugeordnete Brennstoffzelle gebildet ist, wobei im Futterkörper 2 eine Kavität zur Aufnahme eines Brennstoffes ausgebildet ist, der zur Versorgung der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Die Kavität kann dabei einen Tank bilden, der in Umfangsrichtung des Futterkörpers 2 verläuft. Alternativ kann die Kavität auch zur Aufnahme eines Brennstoffbehälters ausgelegt sein.

Die Nutzung der in dem Futterkörper 2 generierten elektrischen Energie ist auch in den Spannbacke 4 gewünscht, wozu Mittel 11 zur Übertragung von der elektrischen Energie aus dem Futterkörper 2 auf mindestens eine der Spannbacken 4 bereitgestellt sind. Die Mittel 21 weisen dazu eine futterseitige Übertragungseinheit 22 sowie eine backenseitige Empfangseinheit 23 auf, wobei die Spannbacke 4 eine mit Empfangseinheit 23 durch eine elektrische Leitung verbundene elektrische Speicherzelle 14 zugeordnet ist, sodass eine Versorgung der der Spannbacke 4 zugeordneten Sensoren, Aktoren oder Kommunikationseinheiten kontinuierlich möglich ist, auch wenn nicht zu jedem Zeitpunkt eine entsprechende Übertragung elektrischer Energie aus dem Futterkörper 2 erfolgt. Die Übertragungseinheit 22 weist zur induktiven Kopplung mit der Empfangseinheit 23 eine erste Spule 24 auf, während der Empfangseinheit 23 eine zweite Spule 25 zugeordnet ist, sodass berührungslose aus dem Futterkörper 2 elektrische Energie auf die Spannbacke 4 übertragen werden kann, wobei der Abstand zwischen der ersten Spule 24 und der zweiten Spule 25 durchaus variieren kann, also die Verstellung der Spannbacke 4 unkritisch ist, weil ein Abstand bis zu 20 cm toleriert werden kann.

Figur 12 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Spule 24 und die zweite Spule 25 radial zueinander angeordnet sind. Des Weiteren ist ersichtlich, dass die zweite Spule 25 zweifach vorgesehen ist, an den beiden radialen Enden der Spannbacke 4, sodass die Kopplung mit der ersten Spule

24 stets sichergestellt ist, unabhängig davon, ob die Spannbacke 4 für einen Innenspannung oder eine Außenspannung in die Führungsaufnahmen 4 des Futterkörpers 2 eingesetzt ist.

Figur 14 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Spannbacke 4 in der radialen Führungsaufnahme 3 des Futterkörpers 2 längs verschieblich gelagert ist und die erste Spule 24 im Futterkörper 2 im Bereich der Führungsaufnahme 3 und die zweite Spule 25 in dem in die Führungsaufnahme 3 aufgenommenen Teil der Spannbacke 4 angeordnet ist. Figur 16 zeigt eine Ausführungsform, bei der im Bereich der Führungsaufnahme 3 eine Kontaktfläche 26 an dem einen Teil von dem Futterkörper 2 und der Spannbacke 4 und ein Schleifkontakt 27 an dem anderen Teil von dem Futterkörper 2 und der Spannbacke 4 angeordnet ist, sodass wiederum unabhängig von der Lage der Spannbacke 2 in der Führungsaufnahme 3 oder deren Verstellung ein verlässlicher elektrischer Kontakt gewährleistet ist.

Figur 15 zeigt eine Spannbacke 4 mit einer Kontaktfläche 26, die beispielsweise genutzt werden kann, für eine berührende Energieübertragung über die Ladeeinheit oder das Werkzeug.

Mit diesem entsprechend gestalteten Spannfutter 1 und geeigneten Spannbacke 4 besteht die Möglichkeit, in einem ersten Verfahrensschritt elektrische Energie in einem Futterkörper 2 des Spannfutters 1 bereitzustellen, beispielsweise durch unmittelbare lokale Generierung, und diese elektrische Energie von einer Übertragungseinheit 22 des Futterkörpers 2 auf eine Empfangseinheit 23 der Spannbacke 4 zu übertragen, in der eine elektrische Speicherzelle 14 in elektrischem Kontakt mit der Empfangseinheit 23 angeordnet ist. Bei diesem Verfahrensschritt werden Spulen24, 25 zur induktiven Kopplung in der Übertragungseinheit 22 und der Empfangseinheit 23 genutzt.

Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Laden der elektrischen Speicherzelle 14 im Stillstand des Spannfutters 1 erfolgt und die Nutzung der in elektrischen Speicherzelle 14 gespeicherten Energie bei Rotation des Spannfutters 1. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass ein Laden unabhängig von dem Bewegungszustand des Spannfutters 1 erfolgt. Neben der berührungslosen Übertragung besteht auch die Möglichkeit, dass die Übertragungseinheit 22 und Empfangseinheit 23 über eine Kontaktfläche 26 und einen Schleifkontakt 27 zur kontaktbehafteten Kopplung nutzen.

Bezugszeichenliste

1 Spannfutter

2 Futterkörper

3 Führungsaufnahme 4 Spannbacke

5 Mittel zur Generierung elektrischer Energie

6 Ring

7 Magnet

8 Spule 9 Kugellager

10 Umfangsstelle mit erhöhter Masse

11 Masse

12 Zahnstange

13 Ritzel 14 elektrische Speicherstelle

15 Flügelrad

16 Welle

17 Reibrad

18 piezoelektrischer Kristall 19 Peltierelement

20 Fotozelle

21 Mittel zur Übertragung elektrischer Energie

22 futterseitige Übertragungseinheit

23 backenseitige Empfangseinheit 24 erste Spirale

25 zweite Spirale

26 Kontaktfläche

27 Schleifkontakt