Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einem Werk zeugschaft, der in eine Werkzeugaufnahme eines Werkzeughal ters aufgenommen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ei nen Kraftsensor, der eine Werkzeugkraft misst. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Werkzeugkraft mit einem solchen Werkzeug und einem solchen Kraftsensor.

Stand der Technik

[0002] Bei der Fertigung von Werkstücken mittels Werkzeug maschinen besteht oft der Wunsch, die Kräfte zu messen, die auf ein Werkzeug wirken, das in einer Werkzeughalterung der Werkzeugmaschine angeordnet ist. Diese sogenannten Werkzeug kräfte sind in der Regel mehrdimensional. Beispielsweise wirkt bei einer Drehbank auf das Schneidwerkzeug sowohl die Schneidkraft, die vom Werkstück auf das Schneidwerkzeug aus geübt wird, als auch eine Vorschubkraft.

[0003] Zum Messen solcher Werkzeugkräfte können Dynamome ter eingesetzt werden. Nachteilhaft sind jedoch deren grosse Abmessungen, sodass Dynamometer im Maschinenraum oft stören und auch nicht an jeder beliebigen Stelle in einer Werkzeug maschine eingebaut werden können. Zudem sind die Herstell- und Beschaffungskosten von Dynamometern relativ hoch.

[0004] Ebenfalls können zum Messen solcher Werkzeugkräfte Dehnmessstreifen eingesetzt werden. Prinzipbedingt erfordern Dehnmessstreifen eine gewisse Nachgiebigkeit der zu messenden Maschinenteile, insbesondere der Werkzeuge, welche in der Präzisionsbearbeitung von Werkstücken allerdings unerwünscht ist. Die Verwendung von Dehnmessstreifen führt daher zu einer geringen dynamischen Auflösung der Messungen.

[0005] Zur Bestimmung der Einspannkraft, die von einer Werkzeugaufnahme eines Werkzeughalters auf einen Werkzeug schaft ausgeübt wird, kann auch ein Drehmomentschlüssel her angezogen werden. Allerdings hängen die realen Einspannkräfte von den Reibungskoeffizienten der aufeinander bewegten Ober flächen ab und können daher von dem vom Drehmomentschlüssel angezeigten Werten abweichen, sodass eine präzise Bestimmung der Einspannkraft nicht möglich ist.

[0006] Die DE102013005555B3 offenbart eine Messplatte mit daran angebrachten Schub- und Drucksensoren, um beispielswei se die Schub-und Druckkräfte an einer Lagerfläche einer Pres se messen zu können. Dazu werden jeweils ein Schub- und ein Drucksensor übereinander angeordnet und in einer hohlzylind rischen Ausnehmung der Messplatte mithilfe eines Druckstücks gegen den Boden der Messplatte verspannt.

[0007] Nachteilhaft dabei ist, dass die Messplatte eine zusätzliche Masse, d. h. Trägheit, in das Messsystem einfügt und daher für hochdynamische Anwendungen ungeeignet ist.

[0008] Die EP0433535A1 offenbart eine Mehrkomponenten- Kraftmessanordnung ohne Messplatte zur automatischen Messung von Kräften in Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise einer Vorschubkraft, Passivkraft und Hauptschnittkraft, um Werk- zeugverschleiss oder Werkzeugbruch erkennen zu können. Dabei ist der Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer in einer taschenförmi gen Aussparung des Maschinenschlittens eines Drehautomaten oder in einer Nut zwischen zwei Maschinenteilen angeordnet. Der Kraftaufnehmer kann keilförmig sein und mittels eines An presskeils vorgespannt werden. Hierbei ist nachteilhaft, dass aufgrund der Geometrie des Maschinenschlittens Fehler bei der Kraftmessung auftreten können, und dass sich die Masse des Maschinenschlittens ebenfalls nachteilhaft auf die dynami schen Eigenschaften der Messanordnung auswirkt.

Darstellung der Erfindung

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Werkzeug und ein Verfahren zu schaffen, welche eine präzisere und dy namischere Messung der Werkzeugkräfte gestattet. Insbesondere soll eine industrietaugliche Messung der Zeitspankräfte bei Drehbänken bereitgestellt werden.

[0010] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert.

Gemäss der Erfindung umfasst ein Werkzeug einen Werkzeug schaft, der in einer Werkzeugaufnahme eines Werkzeughalters aufgenommen ist; das Werkzeug umfasst auch einen Kraftsensor, der in einer Aussparung am Werkzeugschaft angeordnet ist; und im Betrieb des Werkzeugs misst der Kraftsensor eine vom Werk zeugschaft auf den Werkzeughalter wirkende Werkzeugkraft.

[0011] Ein erfindungsgemäss angeordneter Kraftsensor ge stattet das direkte Messen von Werkzeugkräften im Betrieb des Werkzeugs. Dadurch, dass der Kraftsensor am Werkzeugschaft angeordnet ist, kann die Kraftmessung direkt erfolgen. Dadurch wird sowohl die Präzision als auch die Dynamik der Kraftmessung verbessert. Beispielsweise können Vibrationen viel genauer gemessen werden, da der Kraftsensor nur die kleine Masse des Werkzeugschafts aufnimmt und nicht auch noch die viel grössere Masse eines Werkzeughalters. Auch können so kleinere Kräfte gemessen werden.

[0012] Bevorzugt ist der Kraftsensor entweder in einer Aussparung vom Werkzeugschaft oder in einer Aussparung vom Werkzeughalter oder in einer Aussparung eines Zwischenstücks angeordnet. Das Zwischenstück ist zwischen dem Werkzeugschaft und dem Werkzeughalter angeordnet. Natürlich kann ein Krafts ensor sowohl am Werkzeugschaft als auch Werkzeughalter und auch am Zwischenstück angeordnet sein.

[0013] Im Sinne der Erfindung heisst „am Werkzeugschaft angeordnet", dass sich der Kraftsensor räumlich in nächster Nähe am Werkzeugschaft und an einer Schnittstelle zwischen dem Werkzeugschaft und dem Werkzeughalter befindet. Der Kraftsensor kann auf der Seite des Werkzeugschafts oder auf der Seite des Werkzeughalters angeordnet sein. Der Krafts ensor kann auch in einem Zwischenstück zwischen dem Werkzeug schaft und dem Werkzeughalter angeordnet sein.

[0014] Mit dem Kraftsensor ist es möglich, eine beliebige Werkzeugkraft, wie beispielsweise eine Druckkraft, eine Bie gekraft, eine Torsionskraft, eine Schnittkraft oder eine Vor schubkraft des Werkzeugschafts zu messen. Der Kraftsensor weisst eine Kontaktfläche auf und misst die auf die Kontakt fläche wirkende Werkzeugkraft. Über die Kontaktfläche ist der Kraftsensor im mechanischen Kontakt mit dem Werkzeugschaft. [0015] Bevorzugt wird ein Kraftsensor mit kleinen Abmes sungen eingesetzt. Ein Durchmesser des Kraftsensors kann kleiner als 15mm sein, bevorzugt kleiner als 10mm, und beson ders bevorzugt 7mm oder kleiner sein. Eine Dicke des Krafts ensors kann kleiner als 7mm sein, bevorzugt kleiner als 5mm sein, und besonders bevorzugt 3mm oder kleiner sein. Ein Vo lumen des Kraftsensors kann bevorzugt kleiner als 500mm ³ sein, besonders bevorzugt kleiner als 300mm ³ , und besonders bevorzugt 100mm ³ oder kleiner sein.

[0016] Ein Kraftsensor mit kleinen Abmessungen hat den Vorteil, dass er leicht am Werkzeugschaft oder am Werkzeug halter oder am Zwischenstück anbringbar ist. Ausserdem lässt sich ein solcher Kraftsensor auch bei einem Werkzeug mit ei nem kleinen Werkzeugschaft oder kleinem Werkzeughalter oder einem kleinen Zwischenstück einsetzen.

[0017] Der Werkzeugschaft oder der Werkzeughalter oder das Zwischenstück hat bevorzugt einen eckigen Querschnitt, insbe sondere einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.

[0018] Die Aussparung kann so bemessen sein, dass der Kraftsensor spannungsfrei und/oder passgenau von der Ausspa rung aufgenommen werden kann. Der Kraftsensor kann bereichs weise über die Aussparung hinaus hervorstehen, damit ein me chanischer Kontakt zwischen dem Werkzeugschaft und dem Werk zeughalter oder zwischen dem, Werkzeugschaft und dem Zwi schenstück einzig über die Kontaktfläche vom Kraftsensor er folgt und ein Kraftanteil der gemessenen Werkzeugkraft 100% beträgt. Dies hat den Vorteil einer Kraftmessung mit maximal hoher Empfindlichkeit, da kein Kraftanteil in einem Kraftne benschluss ausserhalb des Kraftsensors 30 wirkt. [0019] Der Kraftsensor kann aber auch vollständig in der Aussparung angeordnet sein, damit ein mechanischer Kontakt zwischen dem Werkzeugschaft und dem Werkzeughalter oder zwi schen dem Werkzeugschaft und dem Zwischenstück über eine ge meinsame Kontaktflache vom Kraftsensor mit dem Werkzeugschaft oder über eine gemeinsame Kontaktfläche vom Kraftsensor mit dem Werkzeughalter oder über eine gemeinsame Kontaktfläche vom Kraftsensor mit dem Zwischenstück erfolgt und ein Kraft anteil der gemessenen Werkzeugkraft weniger als 100% beträgt. Dies hat den Vorteil einer Kraftmessung mit hoher mechani scher Stabilität und hoher Eigenfrequenz, da kein mechani sches Durchbiegen vom Werkzeugschaft möglich ist.

[0020] Im Betrieb des Werkzeugs, insbesondere wenn das Werkzeug in einer Werkzeugaufnahme eines Werkzeughalters ein gespannt ist, ist der Kraftsensor selbstverständlich nicht mehr spannungsfrei, und folglich auch nicht mehr spannungs frei in einer Aussparung des Werkzeugschafts oder des Zwi schenstücks angeordnet.

[0021] In einer besonderen Ausführungsform ist das Werk zeug ein Schneidwerkzeug.

[0022] Da Schneidwerkzeuge in der Regel feststehend und rotationsfrei angeordnet sind, beispielsweise in einem rota tionsfreien Werkzeughalter, lässt sich hier eine Kraftmessung besonders einfach durchführen.

[0023] Unter Schneidwerkzeugen sind Zerspanungsdrehwerk zeuge zu verstehen, wie sie beispielsweise bei Drehmaschinen und/oder Drehbänken eingesetzt werden. Dabei rotiert das Schneidwerkzeug selbst nicht, sondern das Werkstück, das mit dem Schneidwerkzeug bearbeitet werden soll, rotiert.

[0024] Natürlich ist es auch möglich, andere Werkzeuge, wie beispielsweise Bohrer oder Fräsköpfe, einzusetzen. Solche Werkzeuge haben in der Regel einen rotationssymmetrischen Werkzeugschaft, denn solche Werkzeuge rotieren in der Regel und sind in einem Werkzeughalter angeordnet, der selbst auch rotiert. Folglich misst der Kraftsensor nicht nur die Werk zeugkraft, sondern auch noch eine durch die Rotation des Kraftsensors bedingte Zentripetalkraft.

[0025] Denkbar wäre es auch, Werkzeuge mit unbestimmter Schneide zu verwenden, wie beispielsweise Schleifwerkzeuge.

[0026] Der Werkzeughalter kann beispielsweise der Maschi nenschlitten einer Drehmaschine und/oder einer Drehbank sein, ein Bohrfutter oder eine Aufnahme für einen Fräskopf.

[0027] In einer besonderen Ausführungsform weist die Werk zeugaufnahme des Werkzeughalters eine Einspannvorrichtung zum Einspannen des Werkzeugschafts auf. Insbesondere weist die Einspannvorrichtung einen Keil auf. Damit ist es besonders einfach möglich, einen Werkzeugschaft des Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme des Werkzeughalters zu befestigen. Ein Keil hat den Vorteil, dass er beispielsweise in vertikaler Rich tung spannbar ist, und auch eine horizontale Kraft auf den Werkzeugschaft ausüben kann.

[0028] In einer besonderen Ausführungsform ist der Krafts ensor nein piezoelektrischer Kraftsensor. Piezoelektrische Kraftsensoren sind an sich bekannt und kommerziell erhält lich. Sie zeichnen sich durch hohe Dynamik und Präzision aus.

[0029] Vorteilhafterweise kann ein Kraftsensor vom Typ 9131B der Firma Kistler eingesetzt werden.

[0030] Alternativ wäre es auch möglich, Dehnmessstreifen einzusetzen oder Dynamometer, wenn es der Bauraum zulässt.

[0031] In einer besonderen Ausführungsform ist der Krafts ensor ein Mehrachsenkraftsensor.

[0032] Damit ist es möglich, Werkzeugkräfte, die in ver schiedene Richtungen wirken, gleichzeitig zu messen. Bei spielsweise können so neben den Schneidkräften bzw. Zerspan kräften, die beim Schneiden bzw. Zeitspannen von Werkstücken entstehen, auch Vorschubkräfte des Werkzeugs gemessen werden. Wenn der Werkzeugschaft in einer Werkzeugaufnahme eingespannt ist, kann beispielsweise auch eine Einspannkraft gemessen werden .

[0033] Natürlich wäre es auch möglich, mehrere Kraftsenso ren, die die Werkzeugkraft jeweils nur in eine Richtung mes sen, in verschiedenen Richtungen anzuordnen, um so die Werk zeugkräfte in verschiedene Richtungen gleichzeitig messen zu können .

[0034] In einer besonderen Ausführungsform ist der Krafts ensor derart ausgebildet, dass gemessenen Signale an eine Auswerteeinheit ableitbar sind. Beispielsweise kann der Kraftsensor ein Kabel oder eine Funkstrecke aufweisen, mit dem die gemessenen Signale an eine Auswerteeinheit ableitbar sind .

[0035] Dies ermöglicht es einer Auswerteeinheit beispiels weise zu erkennen, ob zulässige Kraftwerte überschritten wer den und damit eine Beschädigung des Werkzeugs und oder des Werkzeughalters droht. Beim plötzlichen Zurückgehen bei spielsweise von Schneidkräften kann die Auswerteeinheit auf einen Werkzeugbruch schliessen. In allen Fällen kann die Aus werteeinheit diese Informationen nutzen, um eine Werkzeugma schinensteuerung geeignet zu beeinflussen.

[0036] Auch ist es möglich, dass die Auswerteeinheit bei einem rotierenden Werkzeug eine Zentripetalkraft aus dem ge messenen Signal berechnen kann, um so die verbleibenden Werk zeugkräfte genauer bestimmen zu können. Natürlich ist es auch möglich, aus einer gemessenen Zentripetalkraft auf eine Rota tionsgeschwindigkeit des Werkzeugs zu schliessen.

[0037] In einer besonderen Ausführungsform ist der Krafts ensor derart ausgebildet, dass vom Kraftsensor gemessenen Signale in Echtzeit überwachbar. Beispielsweise kann der Kraftsensor ein Kabel oder eine Funkstrecke aufweisen, mit dem die gemessenen Signale an eine Auswerteeinheit ableitbar sind, wobei die Bandbreite des Kabels oder der Funkstrecke grösser ist als die Dynamik der gemessenen Signale, sodass die gemessenen Signale verzögerungsfrei überwachbar sind.

[0038] Dies bietet insbesondere bei einer automatisierten Fertigung den Vorteil, dass schnell auf Änderungen der Werk zeugkräfte reagiert werden kann. Beispielsweise können gebro chene Werkzeuge schnell erkannt und dann ausgetauscht werden. Aufgrund der hohen Genauigkeit und Dynamik der erfindungsge- mässen Kraftmessung können Fehlalarme reduziert werden.

[0039] Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die gemessenen Signale mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden, oder mit vordefinierten Mus tern verglichen werden, um in Echtzeit ein oder mehrere Aus gangs- und/oder Entscheidungssignale zu erzeugen. Dies kann beispielsweise von einer Auswerteeinheit erledigt werden.

[0040] Alternativ und/oder zusätzlich ist es auch möglich, die gemessenen Signale zu einem späteren Zeitpunkt zu analy sieren und auszuwerten.

[0041] Bevorzugt umfasst das Werkzeug auch eine Auswer teeinheit. Die Signale werden dann vom Kraftsensor beispiels weise über ein Kabel oder eine Funkstrecke an die Auswer teeinheit abgeleitet. Zwischen dem Kraftsensor und der Aus werteeinheit können sich noch ein Ladungsverstärker und/oder eine Digitalisierungsvorrichtung befinden.

[0042] Die Auswerteeinheit kann eine Überwachung des Werk zeugklemmprozesses gestatten. Des Weiteren können Zerspanpro zesse analysiert und optimiert werden. Verschiedene Werkzeuge können bewertet und verglichen werden. Die Überwachung von Zerspanprozessen kann auch der Qualitätssicherung dienen.

[0043] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug ist der Kraftsensor mit einer Vorspannkraft vorgespannt.

[0044] Diese Vorspannkraft ermöglicht es, dass mit dem Kraftsensor auch „negative" Kräfte gemessen werden können, d. h. Kräfte, die der Vorspannkraft entgegenwirken und ohne Vor spannkraft nicht gemessen werden könnten. Ausserdem kann die Vorspannung so eingestellt werden, dass sich der Kraftsensor über den gesamten gewünschten Messbereich in einem Bereich mit grosser Linearität befindet, d. h. in einem linearen Messbereich befindet.

[0045] Ausserdem ist es möglich, dass der Kraftsensor die Vorspannkraft misst, wenn das Werkzeug in Ruhe ist, d. h. nicht im Betrieb ist. Wenn diese Vorspannkraft bekannt ist, können im Betrieb die zuvor genannten Werkzeugkräfte wie bei spielsweise eine Druckkraft, eine Biegekraft, eine Torsions kraft, eine durch eine Werkzeugrotation bedingte Zentripetal kraft, eine Schnittkraft, eine Vorschubkraft, oder Kombinati onen davon gemessen werden.

[0046] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug ist die Vorspannkraft einstellbar.

[0047] Damit ist es beispielsweise möglich, den Kraftmess bereich einzustellen.

[0048] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug entspricht die Vorspannkraft einer Einspannkraft, die von ei ner Einspannvorrichtung der Werkzeugaufnahme auf den Krafts ensor wirkt.

[0049] Mittels einer Einspannvorrichtung der Werkzeugauf nahme kann sehr einfach eine Einspannkraft von der Werkzeug aufnahme auf den Werkzeugschaft ausgeübt werden. Da der Kraftsensor immer, und nicht nur in dieser Ausführungsform, zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Werkzeugschaft angeord- net ist, wirkt auch auf den Kraftsensor die Einspannkraft. Sofern der Kraftsensor vor dem Einspannen spannungsfrei zwi schen der Werkzeugaufnahme und dem Werkzeugschaft angeordnet war, entspricht nun die Einspannkraft der Vorspannkraft des Kraftsensors. Damit ist es möglich, dass der Kraftsensor die Einspannkraft der Einspannvorrichtung misst.

[0050] Insbesondere bei bekannter Vorspann- bzw. Einspann kraft ist es mit dem erfindungsgemässen Werkzeug möglich, die anderen zuvor genannten Werkzeugkräfte zu ermitteln.

[0051] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug weist der Kraftsensor einen Form- und/oder Kraftschluss mit dem Werkzeugschaft und/oder der Werkzeugaufnahme auf.

[0052] Ein solcher Form- und/oder Kraftschluss ist bei spielsweise mit einer Einspannvorrichtung besonders einfach herstellbar. Ausserdem ermöglicht es ein Form- und/oder Kraftschluss , dass Werkzeugkräfte in verschiedenen Richtungen gemessen werden können.

[0053] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug ist der Form- und/oder Kraftschluss reversibel.

[0054] Unter einem reversiblen Form- und/oder Kraftschluss soll insbesondere ein Form- und/oder Kraftschluss verstanden werden, der irreversibel lösbar ist.

[0055] Ein solcher reversibler Form- und/oder Kraftschluss ist beispielsweise mit einer Einspannvorrichtung besonders einfach herstellbar. Er ermöglicht beispielsweise ein schnel les Wechseln des Werkzeugs, in dem die Einspannvorrichtung geöffnet, d. h. entspannt wird, dass Werkzeug gewechselt wird, und anschliessend wird die Einspannvorrichtung wieder geschlossen, d. h. gespannt.

[0056] In einer besonderen Ausführungsform vom Werkzeug ist der Form- und/oder Kraftschluss reproduzierbar.

[0057] Ein solcher reproduzierbarer Form- und/oder Kraft schluss ist beispielsweise mit einer Einspannvorrichtung be sonders einfach herstellbar.

[0058] Unter einem reproduzierbaren Form- und/oder Kraft schluss soll insbesondere ein Form- und/oder Kraftschluss mit einer reproduzierbaren Einspannkraft verstanden werden.

[0059] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Mes sen einer Werkzeugkraft, mit einem Werkzeug, das einen Werk zeugschaft umfasst, der in einer Werkzeugaufnahme eines Werk zeughalters aufgenommen ist; das Werkzeug umfasst auch einen Kraftsensor; das Verfahren umfasst die Schritte: Anordnen ei nes Kraftsensor zwischen dem Werkzeugschaft des Werkzeugs und der Werkzeugaufnahme des Werkzeughalters; und Einspannen des Kraftsensors mithilfe einer Einspannvorrichtung der Werkzeug aufnahme; im Betrieb des Werkzeugs misst der Kraftsensor die vom Werkzeugschaft auf den Werkzeughalter wirkende Werkzeug kraft .

[0060] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ver fahren zusätzlich den Schritt des Kalibrierens auf.

[0061] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteil- hafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfin dung .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0062] Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele ver wendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die im Werkzeugschaft angeordnet ist, wobei einzig eine Kontaktflache vom Drucksensor am Werkzeughalter anliegt,

Fig. 2 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform des er- findungsgemässen Werkzeugs nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die in einem Zwischenstück angeordnet ist, wobei ein zig eine Kontaktfläche vom Drucksensor am Werkzeugschaft an liegt,

Fig. 4 eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform des er- findungsgemässen Werkzeugs nach Fig. 3,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die im Werkzeughalter angeordnet ist, wobei einzig eine Kontaktfläche vom Drucksensor am Werkzeugschaft anliegt,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck- sensor, die im Werkzeughalter angeordnet ist, wobei einzig eine Kontaktflache vom Drucksensor an einem Zwischenstück an liegt,

Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die im Werkzeugschaft angeordnet ist, wobei eine ge meinsame Kontaktflache von Drucksensor und Werkzeugschaft am Werkzeughalter anliegt,

Fig. 8 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die in einem Zwischenstück angeordnet ist, wobei eine gemeinsame Kontaktflache von Drucksensor und Zwischenstück am Werkzeugschaft anliegt,

Fig. 9 eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die im Werkzeughalter angeordnet ist, wobei eine ge meinsame Kontaktfläche von Drucksensor und Werkzeughalter am Werkzeugschaft anliegt, und

Fig. 10 eine achte Ausführungsform des erfindungsgemässen Werkzeugs im Querschnitt, mit einer Aussparung für den Druck sensor, die im Werkzeughalter angeordnet ist, wobei eine ge meinsame Kontaktfläche von Drucksensor und Werkzeughalter an einem Zwischenstück anliegt.

[0063] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wege zur Ausführung der Erfindung

[0064] Die Fig. 1 bis 10 zeigen mehrere Ausführungsformen eines Werkzeugs 10 mit einem Kraftsensor 30.

[0065] Der Kraftsensor 30 ist vorzugsweise ein piezoe lektrischer Kraftsensor. Ein piezoelektrischer Kraftsensor weist ein piezoelektrisches Element, eine Elektrode, einen elektrischen Leiter und eine Kontaktfläche auf. Der Krafts ensor 30 misst eine auf die Kontaktfläche wirkende Werkzeug kraft. Die Kontaktfläche ist aus mechanisch beständigem Mate rial und ist zylinderförmig oder hohlzylinderförmig. Das pie zoelektrische Element ist zylinderförmig oder hohlzylinder förmig und besteht aus piezoelektrischem Material wie Quarz (Si0 ₂ Einkristall) , Calcium-Gallo-Germanat (Ca3Ga2Ge40i4 oder CGG) , Langasit (La3GasSiOi4 oder LGS) , Turmalin, Galliumortho- phosphat, Piezokeramik, usw. Das piezoelektrische Element ist so orientiert, dass es eine hohe Empfindlichkeit für die auf zunehmende Werkzeugkraft hat. Vorzugsweise ist das piezoe lektrische Element so orientiert, dass auf den gleichen Ober flächen auf denen die Werkzeugkraft einwirkt, auch elektri sche Polarisationsladungen erzeugt werden. Die Elektrode ist ebenfalls zylinderförmig oder hohlzylinderförmig und ist vor zugsweise direkt auf der Oberfläche vom piezoelektrischen Element angeordnet, auf die auch die Werkzeugkraft einwirkt. Die Elektrode nimmt die elektrischen Polarisationsladungen als Signale ab. Die Signale sind proportional zur Grösse der Werkzeugkraft. Vorzugsweise ist die Elektrode gegenüber dem Werkzeug oder dem Werkzeughalter oder der Kontaktfläche elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist die Elektrode eine elektrisch isolierende Folie, die einseitig oder beidseitig mit elektrisch leitfähigem Material beschichtet ist. Der elektrische Leiter ist mit der Elektrode verbunden und leitet die Signale von der Elektrode zu einer Steckverbindung für ein Signalkabel, welches Signalkabel die Signale wiederum zu einer Auswerteeinheit ableitet. Alternativ leitet der mit der Elektrode verbundene elektrische Leiter die Signale zu einer Funkeinrichtung, welche Funkeinrichtung die Signale wiederum über eine Funkstrecke zu einer Auswerteeinheit ableitet.

[0066] Das Werkzeug 10 umfasst einen Werkzeughalter 20 und einen Werkzeugschaft 11. Der Werkzeughalter 20 umfasst eine Werkzeugaufnahme 21. Die Werkzeugaufnahme 21 ist dazu einge richtet, den Werkzeugschaft 11 aufzunehmen. Die Werkzeugauf nahme 21 weist dazu eine Vertiefung 22 sowie einen Keil 23 auf der mittels einer Einspannschraube 24 so verstellt werden kann, dass er eine Einspannkraft auf den Werkzeugschaft 11 ausüben kann, wenn dieser in der Vertiefung 22 angeordnet ist. Der Werkzeughalter 20 kann mit Befestigungsschrauben 25 an einem Werkzeugschlitten (nicht dargestellt) befestigt sein .

[0067] Der Kraftsensor 30 ist in einer Aussparung 12 am Werkzeugschaft 11 angeordnet. Die Aussparung 12 ist in einem mechanisch beständigen Material angeordnet. Bei dem Material handelt es sich entweder um den Werkzeugschaft 11 (Fig. 1, 2, 7) oder um einen Werkzeughalter 20 (Fig. 5, 6, 9, 10) oder um ein Zwischenstück 26 (Fig. 3, 4, 8) .

[0068] Die Aussparung 12 ist zylinderförmig oder hohlzy linderförmig. Der Kraftsensor 30 kann ein zylinderförmiges oder hohlzylinderförmiges Gehäuse aus mechanisch beständigem Material aufweisen, welches Gehäuse das piezoelektrische Ele ment, die Elektrode und den elektrischen Leiter aufnimmt. Mit der Kontaktflache ist das Gehäuse vorzugsweise Stoffschlüssig verschlossen. Mit dem Gehäuse ist der Kraftsensor 30 in der Aussparung 12 angeordnet. Die Steckverbindung ist am Gehäuse angeordnet, so dass das Signalkabel in der Aussparung 12 über die Steckverbindung mit dem elektrischen Leiter verbunden ist. Alternativ ist die Funkeinrichtung im Gehäuse angeord net, so dass der elektrische Leiter im Gehäuse mit der Funk einrichtung verbunden ist. Der Kraftsensor 30 kann aber auch gehäuselos sein, in dem Fall nimmt die Aussparung 12 das pie zoelektrische Element, die Elektrode und den elektrischen Leiter auf. Die Steckverbindung ist dann im Material um die Aussparung 12 angeordnet, so dass das Signalkabel über die Steckverbindung im Material um die Aussparung 12 mit dem elektrischen Leiter verbunden ist. Alternativ ist die Funk einrichtung im Material um die Aussparung 12 angeordnet, so dass der elektrische Leiter mit der Funkeinrichtung verbunden ist. Mit der Kontaktfläche ist die Aussparung 12 dann vor zugsweise stoffschlüssig verschlossen.

[0069] In der ersten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 1 und 2 ist der Kraftsensor 30 nicht vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeugschaft 11 angeordnet. Nicht vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeugschaft 11 ange ordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor 30 mit seiner Kontaktfläche bereichsweise über den Werkzeug schaft 11 hervorsteht. Eine Kontaktfläche vom Werkzeughalter 20 und die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Werkzeugschaft 11 und der Kontaktfläche vom Werkzeughalter 20 einzig über die Kon taktfläche vom Kraftsensor 30. In dieser ersten Ausführungs form des Werkzeugs 10 misst der Kraftsensor 30 100% der Werk- zeugkraft, die von der Kontaktfläche des Werkzeughalters 11 auf die Kontaktflache des Kraftsensors 30 wirkt. Ein Kraftan teil der gemessenen Werkzeugkraft beträgt 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmessung mit maximal hoher Empfindlichkeit, da kein Kraftanteil in einem Kraftnebenschluss ausserhalb des Kraftsensors 30 wirkt. Vorzugsweise hat der Werkzeugschaft 11 einen quadratischen Querschnitt. In der Draufsicht gemäss Fig. 2 ist erkennbar, dass das Werkzeug 10 auch zwei Krafts ensoren 30 aufweisen kann.

[0070] In der zweiten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 3 und 4 ist der Kraftsensor 30 nicht vollständig in der Aussparung 12 im Zwischenstück 26 angeordnet.

[0071] Im Unterschied zur ersten Ausführungsform des Werk zeugs 10 weist die zweite Ausführungsform des Werkzeugs 10 eine Werkzeugaufnahme 21 mit einer breiteren Vertiefung 22 auf. In dieser breiteren Vertiefung 22 findet nicht nur der Werkzeugschaft 11 Platz, sondern auch noch das Zwischenstück 26. Dabei ist der Kraftsensor 30 nicht vollständig in der Aussparung 12 im Zwischenstück 26 angeordnet. Nicht vollstän dig in der Aussparung 12 im Zwischenstück 26 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor 30 be reichsweise über das Zwischenstück 26 hervorsteht. Eine Kon taktfläche vom Zwischenstück 26 und die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwi schen dem Zwischenstück 26 und einer Kontaktfläche vom Werk zeugschaft 11 einzig über die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30. In dieser zweiten Ausführungsform des Werkzeugs 10 misst der Kraftsensor 30 100% der Werkzeugkraft, die von der Kon taktfläche des Werkzeugschafts 11 auf die Kontaktfläche des Kraftsensors 30 wirkt. Ein Kraftanteil der gemessenen Werk zeugkraft beträgt 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmes sung mit maximal hoher Empfindlichkeit, da kein Kraftanteil in einem Kraftnebenschluss ausserhalb des Kraftsensors 30 wirkt. In der Draufsicht gemäss Fig. 3 ist die breitere Ver tiefung 22 durch das Zwischenstück 26 teilweise verdeckt. Es ist jedoch gut zu erkennen, dass sich zwei Kraftsensoren 30, die im Zwischenstück 26 angeordnet sind, in Wirkverbindung mit dem Werkzeugschaft 11 befinden.

[0072] In der dritten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 5 ist der Kraftsensor 30 nicht vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet. Nicht voll ständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor 30 be reichsweise über den Werkzeughalter 20 hervorsteht. Eine Kon taktfläche vom Werkzeugschaft 11 und die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwi schen dem Werkzeughalter 20 und der Kontaktfläche vom Werk zeugschaft 11 einzig über die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30. In dieser dritten Ausführungsform des Werkzeugs 10 misst der Kraftsensor 30 100% der Werkzeugkraft, die von der Kon taktfläche des Werkzeugschafts 11 auf die Kontaktfläche des Kraftsensors 30 wirkt. Ein Kraftanteil der gemessenen Werk zeugkraft beträgt 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmes sung mit maximal hoher Empfindlichkeit, da kein Kraftanteil in einem Kraftnebenschluss ausserhalb des Kraftsensors 30 wirkt .

[0073] In der vierten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 6 ist der Kraftsensor 30 nicht vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet. Nicht voll ständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor 30 be reichsweise über den Werkzeughalter 20 hervorsteht. Eine Kon taktfläche von einem Zwischenstück 26 und die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Werkzeughalter 20 und der Kontaktfläche vom Zwi schenstück 26 einzig über die Kontaktfläche vom Kraftsensor 30. In dieser vierten Ausführungsform des Werkzeugs 20 misst der Kraftsensor 30 100% der Werkzeugkraft, die von der Kon taktfläche des Zwischenstücks 26 auf die Kontaktfläche des Kraftsensors 30 wirkt. Ein Kraftanteil der gemessenen Werk zeugkraft beträgt 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmes sung mit maximal hoher Empfindlichkeit, da kein Kraftanteil in einem Kraftnebenschluss ausserhalb des Kraftsensors 30 wirkt .

[0074] In der fünfte Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 7 ist der Kraftsensor 30 vollständig in der Ausspa rung 12 im Werkzeugschaft 11 angeordnet. Vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeugschaft 11 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor nicht über den Werkzeug schaft 11 hervorsteht. Der Werkzeugschaft 11 und der darin vollständig angeordnete Kraftsensor 30 bilden eine gemeinsame Kontaktfläche . Ein erster Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist eine Kontaktfläche des Werkzugschafts 11, und ein zweiter Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist die Kontaktfläche des Kraftsensors 30. Die gemeinsame Kontaktfläche ist beispiels weise plan geschliffen. Die gemeinsame Kontaktfläche vom Werkzeugschaft 11 und vom Kraftsensor 30 und eine Kontaktflä che vom Werkzeughalter 20 liegen in einer Kontaktebene 31 an- einander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Werkzeugschaft 11 und der Kontaktflache vom Werkzeughalter 20 über die gemeinsame Kontaktflache vom Werkzeugschaft 11 und vom Kraftsensor 30. In der fünften Aus führungsform des Werkzeughalters 20 misst der Kraftsensor 30 weniger als 100% der Werkzeugkraft, die auf die gemeinsame Kontaktflache wirkt, denn ein Kraftnebenschluss wirkt aus serhalb des Kraftsensors 30 von der Kontaktflache des Werk zeugschafts 11 auf die Kontaktfläche des Werkzeughalters 20. Ein Kraftanteil der gemessenen Werkzeugkraft beträgt weniger als 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmessung mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Eigenfrequenz, da kein me chanisches Durchbiegen vom Werkzeughalter 20 möglich ist, denn die gemeinsame Kontaktfläche vom Werkzeugschaft 11 und vom Kraftsensor 30 ist vorteilhafterweise weitgehend genauso gross wie die Kontaktfläche vom Werkzeughalter 20.

[0075] In der sechsten Ausführungsform des Werkzeugs 10 gemäss Fig. 8 ist der Kraftsensor 30 vollständig in der Aus sparung 12 im Zwischenstück 26 angeordnet. Vollständig in der Aussparung 12 im Zwischenstück 26 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor 30 nicht über das Zwi schenstück 26 hervorsteht. Das Zwischenstück 26 und der darin angeordnete Kraftsensor 30 bilden eine gemeinsame Kontaktflä che. Ein erster Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist eine Kontaktfläche des Zwischenstücks 26, und ein zweiter Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist die Kontaktfläche des Krafts ensors 30. Die Kontaktfläche ist beispielsweise plan ge schliffen. Die gemeinsame Kontaktfläche vom Zwischenstück 26 und vom Kraftsensor 30 und die Kontaktfläche vom Werkzeug schaft 11 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Zwischenstück 26 und der Kontaktflache vom Werkzeugschaft 11 über die gemeinsame Kontaktflache vom Zwischenstück 26 und vom Kraftsensor 30. In der sechsten Ausführungsform des Werk zeughalters 20 misst der Kraftsensor 30 weniger als 100% der Werkzeugkraft, die von der Kontaktflache des Werkzeugschafts 11 auf die gemeinsame Kontaktfläche wirkt, denn ein Kraftne benschluss wirkt ausserhalb des Kraftsensors 30 von der Kon taktfläche des Werkzeugschafts 11 auf die Kontaktfläche des Zwischenstücks 26. Ein Kraftanteil der gemessenen Werkzeug kraft beträgt weniger als 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraftmessung mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Ei genfrequenz, da kein mechanisches Durchbiegen vom Werkzeug schaft 11 möglich ist, denn die gemeinsame Kontaktfläche vom Zwischenstück 26 und vom Kraftsensor 30 ist vorteilhafter weise weitgehend genauso gross wie die Kontaktfläche vom Werkzeugschaft 11.

[0076] In der siebten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 9 ist der Kraftsensor 30 vollständig in der Ausspa rung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet. Vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor nicht über den Werkzeug halter 20 hervorsteht. Der Werkzeughalter 20 und der darin vollständig angeordnete Kraftsensor 30 bilden eine gemeinsame Kontaktfläche . Ein erster Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist eine Kontaktfläche des Werkzeughalters 20, und ein zwei ter Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist die Kontaktfläche des Kraftsensors 30. Die gemeinsame Kontaktfläche ist bei spielsweise plan geschliffen. Die gemeinsame Kontaktfläche vom Werkzeughalter 20 und vom Kraftsensor 30 und eine Kon taktfläche vom Werkzeugschaft 11 liegen in einer Kontaktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechani- scher Kontakt zwischen dem Werkzeughalter 20 und der Kontakt fläche vom Werkzeugschaft 11 über die gemeinsame Kontaktflä che vom Werkzeughalter 20 und vom Kraftsensor 30. In der siebten Ausführungsform des Werkzeughalters 20 misst der Kraftsensor 30 weniger als 100% der Werkzeugkraft, die auf die gemeinsame Kontaktfläche wirkt, denn ein Kraftneben schluss wirkt ausserhalb des Kraftsensors 30 von der Kontakt fläche des Werkzeugschafts 11 auf die Kontaktfläche des Werk zeughalters 20. Ein Kraftanteil der gemessenen Werkzeugkraft beträgt weniger als 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraft messung mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Eigenfre quenz, da kein mechanisches Durchbiegen vom Werkzeugschaft 11 möglich ist, denn die gemeinsame Kontaktfläche vom Werkzeug halter 20 und vom Kraftsensor 30 ist vorteilhafterweise weit gehend genauso gross wie die Kontaktfläche vom Werkzeugschaft 11.

[0077] In der achten Ausführungsform des Werkzeugs 10 ge mäss Fig. 10 ist der Kraftsensor 30 vollständig in der Aus sparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet. Vollständig in der Aussparung 12 im Werkzeughalter 20 angeordnet heisst im Sinne der Erfindung, dass der Kraftsensor nicht über den Werkzeughalter 20 hervorsteht. Der Werkzeughalter 20 und der darin vollständig angeordnete Kraftsensor 30 bilden eine ge meinsame Kontaktfläche . Ein erster Teil der gemeinsamen Kon taktfläche ist eine Kontaktfläche des Werkzeughalters 20, und ein zweiter Teil der gemeinsamen Kontaktfläche ist die Kon taktfläche des Kraftsensors 30. Die gemeinsame Kontaktfläche ist beispielsweise plan geschliffen. Die gemeinsame Kontakt fläche vom Werkzeughalter 20 und vom Kraftsensor 30 und eine Kontaktfläche von einem Zwischenstück 26 liegen in einer Kon taktebene 31 aneinander an. In der Kontaktebene 31 erfolgt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Werkzeughalter 20 und der Kontaktflache vom Zwischenstück 26 über die gemeinsame Kontaktflache vom Werkzeughalter 20 und vom Kraftsensor 30. In der achten Ausführungsform des Werkzeughalters 20 misst der Kraftsensor 30 weniger als 100% der Werkzeugkraft, die auf die gemeinsame Kontaktflache wirkt, denn ein Kraftneben schluss wirkt ausserhalb des Kraftsensors 30 von der Kontakt fläche des Zwischenstücks 26 auf die Kontaktflache des Werk zeughalters 20. Ein Kraftanteil der gemessenen Werkzeugkraft beträgt weniger als 100%. Dies hat den Vorteil einer Kraft messung mit hoher mechanischer Stabilität und hoher Eigenfre quenz, da kein mechanisches Durchbiegen vom Zwischenstück 26 möglich ist, denn die gemeinsame Kontaktfläche vom Werkzeug halter 20 und vom Kraftsensor 30 ist vorteilhafterweise weit gehend genauso gross wie die Kontaktfläche vom Zwischenstück

Bezugszeichenliste

10 Werkzeug

11 Werkzeugschaft

12 Aussparung

20 Werkzeughalter

21 Werkzeugaufnahme

22 Vertiefung

23 Keil

24 Einspannschraube

25 Befestigungsschrauben

26 Zwischenstück

30 Kraftsensor

31 Kontaktebene