Als Stand der Technik sind Spindeln für Werkzeugmaschinen bekannt, wobei die Spindel zur Ansteuerung des Elektromotors und zur Erfassung der Daten der Datenerfassungselemente (Sensoren) der Spindel mit einer Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine verbunden ist. Eine separate Erfassung oder Verarbeitung der Daten der Sensoren z. B. durch den Hersteller der Spindel ohne Eingriff in die Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spindel für eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Spindel für eine Werkzeugmaschine anzubieten, bei denen eine separate Erfassung der Betriebs-und/oder Zustandsdaten der Spindel ohne Eingriff in die Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird für die Spindel durch die Merkmale des kennzeichnen- den Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Spindel werden in den weiteren Patentansprüchen 2-22 beschrieben. Hinsichtlich des Ver- fahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 23 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbeg- riffs gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten werden in den weiteren Pa- tentansprüchen 24-31 beschrieben.

Im folgenden ist der Begriff"Spindel"allgemein zu verstehen und umfaßt z. B. eine Motorspindel mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines Elektro- motors sowie eine riemengetriebene Spindel mit einem externen An- triebsmotor. Ferner kann die Spindel entweder zur Werkzeugaufnahme (z. B. für Schleifmaschinen) oder zur Werkstückaufnahme (z. B. für Dreh- maschinen) verwendet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Spindel ist mindestens ein spindelintegriertes Datenspeicherelement zur Abspeicherung der aufgenommenen Daten des oder der Datenerfassungselemente (Sensoren) der Spindel vorgesehen.

Dabei ist unter dem Begriff"spindelintegriert"sowohl eine Integration des Datenspeicherelements im Gehäuse der Spindel als auch eine Anbringung an der Außenseite des Gehäuses der Spindel zu verstehen.

Im Unterschied zum Stand der Technik ist das Datenspeicherelement nicht der Motorsteuerung der Werkzeugmaschine zugeordnet oder räum- lich in die Motorsteuerung integriert. Bei einem Austausch der Spindel kann das Datenspeicherelement separat vom Servicepersonal, also vom Hersteller der Spindel, ausgelesen werden und es können geeignete Di- agnosesysteme mit dem Datenspeicherelement verbunden werden, ohne daß ein Eingriff in die Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine not- wendig ist. Damit kann auch-falls gewünscht-ein Zugriff der Maschi- nensteuerung (und damit des Herstellers oder Betreibers der Werkzeug- maschine) auf das Datenspeicherelement partiell oder völlig gesperrt wer- den, um interne und geheime Daten, die im Zusammenhang mit der Spin- del stehen, allein dem Hersteller der Spindel zugänglich zu machen. Dies kann z. B. im Zusammenhang mit Funktionsstörungen und damit verbun- denen etwaigen Garantieansprüchen des Herstellers oder Betreibers der Werkzeugmaschine gegenüber dem Hersteller der Spindel von Bedeutung sein.

Vorteilhafterweise sind in der Spindel mehrere Sensoren z. B. zur Ermitt- lung der Temperatur der Lager und des Motors, der Winkellage, des Schwingweges, der Leckage etc. vorgesehen, welche die aufgenomme- nen Betriebs-und Zustandsdaten im spindelintegrierten Datenspeicher- element abspeichern. Bei laufender Spindel, bei der Reparatur oder beim Austausch der Spindel können durch Auslesen des spindelintegrierten Da- tenspeicherelementes Rückschlüsse auf das Betriebsverhalten der Spin- del gezogen und es können die Ursachen von Funktionsstörungen ermit- telt oder untersucht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Spindel min- destens ein mit dem Datenspeicherelement verbundenes spindelintegrier- tes Datenverarbeitungselement zur Verarbeitung oder Aufbereitung der im Datenspeicherelement abgespeicherten Daten der Sensoren der Spindel.

Damit kann die Spindel eine integrierte EDV-Einheit aufweisen, in welcher die Sensordaten digitalisiert und aufbereitet werden können. Hierbei kön- nen auch einzelne Meßgrößen verschiedener Sensoren kombiniert verar- beitet werden, so daß z. B. bei Verknüpfung von Temperaturdaten mit Drehzahldaten eine entsprechende axiale Verlagerung der Spindelwelle der Spindel als Mikrometerangabe ermitteln kann. Ferner können die Sen- sordaten zur Herstellung einer Datenbusstruktur aufbereitet werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dient das Datenverar- beitungselement zur Datenkompression der vom Datenerfassungselement aufgenommenen Daten, insbesondere von aufgenommenen Schwin- gungssignalen. Diese Datenkompression kann durch einen im Datenver- arbeitungselement integrierten Encoder erreicht werden, wodurch die vom Datenerfassungselement aufgenommene Datenmenge reduziert wird, in- dem unwesentliche Anteile dieser Datenmenge vernachlässigt werden.

Damit entstehen verkleinerte Datenpakete, welche über die spindelinteg- rierte Schnittstelle zur Datenübertragung z. B. an eine externe EDV-Station weitergeleitet werden können, wobei dort eine Frequenzanalyse der auf- genommenen Schwingungssignale stattfinden kann. Durch die Datenkom- pression im Datenverarbeitungselement können die aufgenommenen Schwingungssignale innerhalb einer vertretbaren kurzen Zeitdauer vom Datenverarbeitungselement an die externe EDV-Station übertragen wer- den.

Das Datenspeicherelement und/oder das Datenverarbeitungselement der Spindel können mit der Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine ver- bunden sein, um einzelne oder eine bestimmte Anzahl gewünschter Sen- sordaten an die Maschinensteuerung weiterzuleiten. Dabei kann eine Wei- terleitung bestimmter Sensordaten, die nur für den Hersteller der Spindel bestimmt sein sollen, unterbleiben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt das Daten- speicherelement und/oder das Datenverarbeitungselement der Spindel ei- ne spindelintegrierte Schnittstelle, um eine Datenübertragung, insbeson- dere zu einer externen EDV-Station, zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang ist insbesondere ein spindelintegriertes Mo- demelement, z. B. nach Art einer Steckkarte für Personal-Computer vorge- sehen, um sich von einer externen EDV-Station (z. B. einem Personal- Computer beim Hersteller der Spindel) über einen Provider in die jeweilige Spindel einwählen zu können und eine Datenübertragung zwischen der externen EDV-Station und der Einheit aus Datenspeicherelement und/oder Datenverarbeitungselement und Modemelement möglich zu machen.

Dabei kann eine Datenübertragung zwischen Spindel und der externen EDV-Station über die spindelintegrierte Schnittstelle nach einem In-ternet- Datenprotokoll erfolgen. Die Verbindung zwischen externer EDV-Station und Spindel kann über eine Telefonleitung bei Bedarf hergestellt oder auch als Standleitung vorhanden sein. Ferner können sämtliche Leitungs- systeme (z. B. auch das Stromnetz) zur Datenübertragung verwendet wer- den.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann auch bei Bedarf von der Spindel eine Datenverbindung zu einer externen EDV-Station hergestellt werden, so daß ausgehend von der Spindel durch Anwählen der IP- Adresse der externen EDV-Station eine Datenverbindung wie zwischen zwei Personal-Computern entsteht.

Bei einer Datenübertragung nach einem Internet-Datenprotokoll können ergänzend oder alternativ ein TCP/IP-Datenprotokoll (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), ein SMTP-Datenprotokoll (Simple Mail Transfer Protocol), ein POP-Datenprotokoll (Post Office Protocol), HTTP- Datenprotokoll (Hypertext Transfer Protocol), NNTP-Datenprotokoll (Net- work News Transfer Protocol) ein FTP-Datenprotokoll (File Transfer Pro- tocol) und/oder ein WAP-Datenprotokoll (Wireless Application Protocol) verwendet werden.

Die Auswahl des jeweiligen Datenprotokolls richtet sich u. a. nach der Art und Menge der zu übertragenden Daten. Falls gewünscht ist, daß das Servicepersonal über ein Mobiltelefon bestimmte Kennwerte der Spindel aus dem Datenspeicherelement abfragen will, könnte z. B. eine Datenüber- tragung nach dem WAP-Datenprotokoll (Wireless Application Protocol) stattfinden.

Die spindelintegrierte Schnittstelle kann zur kabelgebundenen oder kabel- losen Datenübertragung (z. B. über Funksignale, Infrarotsignale etc.) aus- gebildet sein. Bei einer kabellosen Datenübertragung kann z. B. vom Ser- vicepersonal über einen geeigneten funkgesteuerten oder infrarotgesteu- erten Datenleser ein Auslesen der im spindelintegrierten Datenerfas- sungselement abgespeicherten Sensordaten stattfinden.

Die spindelintegrierte Schnittstelle kann z. B. als RS232/RS485- Schnittstelle ausgebildet sein, wodurch z. B. eine externe EDV-Station, die als Diagnosecomputer vom Servicepersonal vor Ort benutzt wird, mit dem spindelintegrierten Datenspeicherelement und/oder Datenerfassungsele- ment zum Auslesen der vorliegenden Sensordaten verbunden werden kann.

Ferner kann die Schnittstelle als Datenbus-Schnittstelle z. B. zur Übertra- gung von Datenbus-Protokollen gemäß den Standards USB (PC), PROFI- BUS-DP, INTERBUS-S, CAN-BUS und SERCOS ausgebildet sein.

Dabei kann die spindelintegrierte Schnittstelle z. B. mit der externen EDV- Station aber auch-falls gewünscht-mit dem Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine verbunden werden, um einen (begrenzten) Zugriff der Maschinensteuerung auf das spindelintegrierte Datenspeicherelement und/oder Datenerfassungselement zu ermöglichen. Die spindelintegrierte Schnittstelle kann eine Prüfungsfunktion besitzen und sowohl zur Daten- übertragung jeweils unterschiedlicher Datenströme zur Maschinensteue- rung der Werkzeugmaschine als auch z. B. zur externen EDV-Station ver- wendet werden.

Alternativ können auch zwei spindelintegrierte Schnittstellen vorgesehen sein, die eine als Verbindung zur Maschinensteuerung und die andere als Verbindung zur externen EDV-Station.

Insgesamt ist unter dem Begriff"externe EDV-Station"jedes technische Element bezeichnet, welches zum Empfang und/oder zum Aussenden von Daten zur Datenübertragung geeignet ist. Dies kann z. B. ein lokales EDV- Diagnosesystem des Servicepersonals, ein Mobiltelefon oder ein über Da- tenfernübertragung (z. B. über eine Internetverbindung) mit der Spindel verbundener Personal-Computer oder ein EDV-System des Herstellers der Spindel sein.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Spindel für eine Werkzeugmaschine erfolgt über mindestens ein spindelintegriertes Daten- speicherelement eine Abspeicherung der aufgenommenen Daten eines Datenerfassungselements (Sensors) der Spindel. Zusätzlich kann ein spindelintegriertes Datenverarbeitungselement vorgesehen sein, über welches eine Verarbeitung der im Datenspeicher abgespeicherten Sen- sordaten erfolgt.

Eine Datenübertragung und Kommunikation zwischen der Spindel und insbesondere einer externen EDV-Station wird über eine Schnittstelle der Spindel ermöglicht, über welche entweder ausgehend von der Spindel o- der ausgehend von der externen EDV-Station eine Datenverbindung auf- gebaut und aufrecht erhalten werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante findet im Daten- verarbeitungselement eine Datenkompression der vom Datenerfassungs- element aufgenommenen Schwingungssignale statt, wobei sich der Da- tenumfang erheblich verringert und eine zügige Übertragung der verblei- benden Datenmenge über die spindelintegrierte Datenschnittstelle z. B. an eine externe EDV-Station zur Frequenzanalyse oder-überwachung statt- finden kann. Dabei kann als Datenkompressionsverfahren auf Verfahren zurückgegiffen werden, welches bereits für die Datenkompression von Audiosignalen bekannt sind (z. B. Kompressionsverfahren nach dem "MPEG 1 Part 3"-Standard).

Bei einer Abwandlung eines Kompressionsverfahrens nach"MPEG-1 Part 3"-Standard wird vorteilhafterweise das dort verwendete psychoakustische Modell zur Datenkompression, welche sich am subjektiven Höreindruck des Benutzers orientiert, durch ein anderes Kompressionsmodell ersetzt wird, z. B. durch ein maschinenakustisches Modell, ein Modell der Schwin- gungserzeugung oder ein Modell der Maschinendynamik.

Somit können charakteristische Frequenzen der Lagerelemente (z. B. von Kugellagern) der Spindelwellenlagerung der Spindel erfaßt, komprimiert und weiter übertragen werden. Im Zusammenhang mit der Frequenzüber- wachung von Kugellagern treten z. B. Käfigumiauffrequenzen, Innen- /Außenring-Überrollfrequenzen sowie durch Modulation dieser Schwin- gungen verursachte Seitenbänder etc. auf. Charakteristische Frequenzen von Kugellager sind durch den konstruktiven Aufbau des Kugellagers strukturell vorgegeben und können für ein Kompressionsmodell in einem im Datenverarbeitungselement integrierten Encoder verwendet werden.

Hierdurch kann die von den Datenerfassungselementen aufgenommene Schwingungsinformation erheblich verringert werden, wodurch eine schnellere Datenübertragung über eine Datenschnittstelle der Spindel an eine externe EDV-Station, in welcher durch einen Decoder eine Dekom- pression der übertragenen Daten stattfinden kann.

In einem konkreten Beispiel kann beim Betrieb der erfindungsgemäßen Spindel bei einer Spindelwellendrehzahl von etwa 60.000 U/min eine Stör- frequenz von etwa 8 kHz des Antriebsmotors der Spindel auftreten.

Gleichzeitig können zu erfassende und zu überwachende Käfigumlauffre- quenzen der Lagerelemente der Spindelwelle in der Größe von etwa 0,4 kHz auftreten. Bei einem maschinenakustischen Kompressionsmodell kann nun die unerwünschte Störfrequenz von 8 kHz unterdrückt und bei der Datenkompression im Encoder des Datenverarbeitungselements nicht berücksichtigt werden.

Generell sind beliebig vielfältige und verfeinerte Kompressionsmodelle denkbar und können an die jeweilige Spindelkonstruktion und die jeweiii- gen Betriebsbedingungen angepaßt werden.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnungsfi- gur näher erläutert.

Die Zeichnungsfigur zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Spindel 9 mit einem Gehäuse 12, in dem ein Elektromotor 11 aufgenom- men ist, der eine in den Lagern 14,15 aufgenommene Welle 13 mit Werk- zeug 10 antreibt.

Gemäß der Zeichnungsfigur wird die beim Betrieb entstehende Wärme im Bereich des Elektromotors 11 und der Lager 14,15 durch die Kühlungen 16,17 abgeführt.

Ferner ist eine Hydraulikeinheit 18 vorgesehen, welche zum Wechsel des Werkzeugs 10 aktiviert werden kann.

Die Maschinensteuerung 4 der nicht näher abgebildeten Werkzeugma- schine, in welcher die Spindel 9 aufgenommen ist, dient zur Ansteuerung z. B. eines Werkzeugwechselelements 19, eines Schmiergeräts 20, eines Umrichters 21 und eines Kühlaggregats 22, welche jeweils-wie abgebil- det-u. a. mit der Hydraulikeinheit 18, dem Elektromotor 11 und den Kün- lungen 16,17 in Verbindung stehen.

Schließlich weist die Spindel 9 noch Datenerfassungselemente (Sensoren) 2, z. B. Temperatur-, Schwingungs-, Winkel-oder Drehzahlsensoren etc., auf.

Derartige Datenerfassungselemente 2 sind, wie z. B. das Datenerfas- sungselement 2b (Drehzahlsensor), bei Spindeln nach dem Stand der Technik direkt mit der Maschinensteuerung 4, z. B. dem Umrichter 21, zur Abspeicherung der Sensordaten verbunden (nicht abgebildet).

Erfindungsgemäß sind die Daten für Datenerfassungselemente 2, hier beispielhaft abgebildet als Temperatursensor 2a und Drehzahlsensor 2b, auch oder nur mit dem spindelintegrierten Datenspeicherelement 1 ver- bunden.

Im Datenspeicherelement 1 werden die Sensordaten der Datenerfas- sungselemente 2a, 2b sowie weiterer nicht abgebildeter Datenerfassungs- elemente abgespeichert und-falls gewünscht-im ebenfalls spindelinteg- rierten Datenverarbeitungselement 3 aufbereitet oder kombiniert.

Schließlich können das Datenspeicherelement 1 und das Datenerfas- sungselement 2 über die Schnittstelle 5 ausgelesen werden, falls ge- wünscht-unter Verwendung eines ebenfalls spindelintegrierten Mo- demelements 7.

Über die Schnittstelle 5 kann eine Datenverbindung 24 mit einer externen EDV-Station 6 oder einem Telefonanschluß 8 hergestellt werden.

Ein Datenaustausch zwischen EDV-Station 6 und Datenspeicherelement 1 und/oder Datenerfassungselement 2 kann-wie beschrieben-nach den verschiedenen (Internet-) Datenprotokollen erfolgen und kann kabellos (z. B. über Funk oder Infrarot etc.) oder kabelgebunden stattfinden.

Dabei kann sich die EDV-Station 6 in unmittelbarer Umgebung der Spindel 9 befinden und z. B. als Diagnose-Computer vom Servicepersonal einge- setzt werden. Ferner kann die EDV-Station 6 als Personal-Computer oder als EDV-System z. B. des Herstellers der Spindel 9 mittels Datenfernüber- tragung über die Datenverbindung 24 (z. B. über eine Internet-Verbindung) mit dem Datenspeicherelement 1 oder dem Datenerfassungselement 2 kommunizieren.

Erfindungsgemäß wird damit erreicht, daß die aufgenommene Daten der Datenerfassungselemente 2, also der spindelintegrierten Sensoren, sepa- rat aufgenommen und ausgelesen werden können, ohne daß ein Eingriff in die Maschinensteuerung 4 und damit eine Zustimmung des Herstellers oder des Betreibers der Werkzeugmaschine vorliegen muß.

Die Schnittstelle 5 kann auch über die Verbindung 25 mit der Motorsteue- rung 4 verbunden sein, wobei über entsprechende Codierung oder sonsti- ge Identifikation der Daten des Datenspeicherelements 1 und des Daten- erfassungselements 2 bestimmt werden kann, welche Sensordaten der Datenerfassungselemente 2 an die Maschinensteuerung 4 oder an die EDV-Station 6 weitergeleitet werden.

Insgesamt wird es durch die erfindungsgemäße Spindel 9 ermöglicht, spindelinterne aufgenommene Sensordaten der Datenerfassungselemente 2 wahlweise spindelintern im Datenspeicherelement 1 aufzunehmen (z. B. zur Weiterverarbeitung im Datenverarbeitungselement 3) oder an die Ma- schinensteuerung 4 weiterzuleiten.