Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs. Die Anwendung der Erfindung liegt in der Überwachung von Zerspanungs-und Umformprozessen sowie Werkzeugen und Werkzeugmaschinen durch Bestimmung der auftretenden Belastung.

Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen, welche auf der längenabhängigen Widerstandsänderung eines Materials basieren, ist bereits zur Bestimmung der Belastung einer Werkzeugaufnahme verwendet worden. Diese Messstreifen werden durch Klebung befestigt. Damit wird aus der Messung der auf die Werkzeugaufnahme einwirkenden Belastung die Bestimmung des Werkzeugzustands und der Beanspruchung möglich, ohne dass der Messwertaufnehmer im beanspruchten Bereich dem Verschleiß ausgesetzt ist. Nachteilig ist jedoch die Kriechneigung der Dehnungsmessstreifen aufgrund ihrer Klebung. Dieser Umstand beschränkt die Dynamik und die Genauigkeit der Messung erheblich. Auch ist die Empfindlichkeit eines solchen Sensors auf starren Trägern gering. Die große Bauhöhe einer solchen Anordnung führt zu notwendigen konstruktiven Änderungen an der zu überwachenden Vorrichtung.

Aus der DE 100 29 953 A1 ist ein Werkzeugspannsystem bekannt, welches einen Lagesensor als diskretes Bauteil enthält. Damit ist die Überprüfung von Fertigungstoleranzen im laufenden Betrieb der Maschine möglich.

Die EP 0 685 297 B1 beschreibt einen in Dünnschichttechnik in ein Werkzeug integrierten Sensor, welcher im spanabhebenden Bereich an der direkten Verschleißfläche des Werkzeugs angeordnet ist. Damit können Zerspanungsprozesse und Werkzeuge überwacht werden, wobei der eingesetzte Sensor über die Lebensdauer des Werkzeugs degeneriert und zusammen mit dem Werkzeug ersetzt werden muss.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Beanspruchung und/oder den Zustand eines Werkzeugs und einer Werkzeugmaschine zu bestimmen, um die Überwachung von Zerspanungs-und Umformprozessen sowie den eingesetzten Werkzeugen zu ermöglichen. Dabei soll vorzeitiger Verschleiß der aufwändigen Dünnschichtsensorik vermieden werden.

Vorteilhafterweise soll das Sensorsystem ohne großen Aufwand an vorhandenen Maschinen einsetzbar sein.

Das Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs, bei dem zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands ein Dünnschichtsensor im Bereich der Einspannung vorgesehen ist, mit welchen welchem eine Lageveränderung messbar ist sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eine Lage-Veränderung mittels eines Dünnsichtsensors gemessen wird.

Ein Werkzeug im Sinne dieser Erfindung ist ein Werkzeug mit geometrisch definierten oder geometrisch undefinierten

Schneiden, wie z. B. Schleifscheiben, Bohrer, Fräser, Reibahlen oder Drehstähle. Darüber hinaus kann die Erfindung angewendet werden bei Werkzeugen für nicht-spanende Fertigungsprozesse wie Schneiden und Umformen.

Als Zustand des Werkzeugs im Sinne dieser Erfindung wird einerseits eine Unwucht bezeichnet, welche z. B. durch eine schlechte Fertigungsqualität des Werkzeugs, aus Fehlern an der Einspannung oder auch durch Bruch des Werkzeugs bedingt sein kann. Weiterhin werden unter dem Zustand Betriebsgrößen verstanden, wie z. B. Umformkräfte, Schnittkräfte oder Vor- schubkräfte.

Bei der zu bestimmenden Beanspruchung handelt es sich um den Verschleiß des Werkzeugs, sei es durch Abnutzung oder Bruch.

Der beanspruchte Bereich ist demnach die Wirkungszone, in welcher das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung ist.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine kegelförmige Schnittstelle zwischen einem Spannwerkzeug 1 und einer Spindel 2 einer Werkzeugmaschine mit möglichen Anordnungen von Dünn- schichtsensoren 3. Die Sensoren sind dabei an beschichtungs- technisch zugänglichen Stellen der Oberfläche angeordnet.

Die Sensoren können dabei entweder zwischen dem Spannwerkzeug 1 und der Spindel 2 angeordnet werden oder aber am anderen Ende der Spindel. Ebenso können ein oder mehrere Dünnschichtsensoren zwischen dem Schaft eines Werkzeugs 13, wie z. B. einem Fräser, und dem Spannwerkzeug 1 eingesetzt werden. Die Anordnung des mindestens einen Sensors erfolgt im letzten Fall bevorzugt auf dem Spann- werkzeug.

Mögliche Spannwerkzeuge sind z. B. Spannzangen, Hydrodehn- spannfutter, Schrumpfspannsysteme oder Morsekegel. Die

Anordnung des mindestens einen Sensors erfolgt entweder an einem der beiden verbindbaren Teile oder beidseitig.

Der Sensor 3 selbst besteht aus einem Dünnschichtsystem, welches sensoraktive Strukturen und Leiterbahnen enthält.

Die laterale Dimension dieser Strukturen kann bis zu wenigen Mikrometern herab reichen. Das Schichtsystem wird unter Anwendung von bekannten Verfahren zur Schichtabscheidung, wie Physical-Vapor-Deposition (PVD), Chemical-Vapor- Deposition (CVD) und Sputterverfahren, ohne Setzfugen direkt auf das Bauteil aufgebracht und kann mittels bekannter Strukturierungsverfahren, wie z. B. Laserstrukturierung, pro- zessiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Beanspruchung und/oder der Zustand des Werkzeugs und der Werkzeugaufnahme aus einer gemessenen Lageveränderung bestimmt. Wird beispielsweise auf ein Werkzeug eine Kraft aufgebracht, so wird unter dem Einfluss dieser Kraft der Schaft in der Spannvorrichtung verschoben oder gedehnt. Eine solche Lageänderung kann nur wenige Nanometer betragen. Eine Kraft erfährt auch ein rotierendes Werkzeug, welches in Folge einer Beschädigung eine Unwucht aufweist und zu Schwingungen angeregt wird.

Dünnschichtsensoren eignen sich zur Bestimmung solcher Lageänderungen mit Genauigkeiten von wenigen Manometern.

Dazu eignet sich insbesondere die Messung mittels eines kapazitiven Sensors. Dabei wird an der beanspruchten Komponente mindestens ein metallischer Dünnschichtsensor angebracht. Der Aufbau wird in den Figuren 2a-2c gezeigt.

Die Sensorschicht 5 wird mit einer Isolatorschicht 4 vom Untergrund elektrisch isoliert und kann noch mit einer weiteren isolierenden Schutzschicht 6 bedeckt sein. Die Funktionsweise zeigt Fig. 3 : Jeweils eine Sensorfläche 5 bildet mit einer gegenüberliegenden Metallfläche einen

Plattenkondensator, dessen Kapazität mit dem Abstand 14 des Sensors variabel ist. Damit kann bei konstanter Spannung an den Sensoren der Stromfluss über die Anschlüsse gemessen und daraus ein Steuer-oder Regelsignal erzeugt werden. Wird ein solcher kapazitiver Sensor in eine konische Verbindungs- fläche integriert, so ist die Kapazität der Sensoren eine Funktion der Axialkraft und der Radialkraft.

Bei der Ausführung eines kapazitiven Sensors wird vorteilhaft die oberste Schicht des Sensors tiefer angeordnet als die Anlagefläche, mit der das zu überwachende Bauteil an einer die Lage des Bauteils vorgebenden Befestigungsfläche anliegt. Dies hat den Vorteil, dass der Sitz des zu überwachenden Bauteils nicht durch die Sensorik verändert wird. Dazu werden zunächst mittels Mikroschleifen, Mikrofräsen, Laserätzung oder lithographischer Verfahren Ausnehmungen in dem Bauteil gefertigt. In diese Ausnehmungen können der Sensor 5 und die ihn verbindenden Leiterbahnen 12 mechanisch geschützt auf einer elektrischen Isolierung 4 eingebracht werden. Zusätzlich kann eine elektrische Abschirmung 8 eingebracht werden, welche von der Leiterbahn 12 mit einem weiteren Isolator 7 getrennt ist. Zum Schutz der Struktur kann eine weitere Isolierung 6 eingebracht werden.

Wird eine Mehrzahl von Dünnschichtsensoren 3 an der Umfang- fläche einer zylindrischen oder kegelförmigen Befestigung angeordnet, lässt sich die relative Lageänderung der Bauteile mit nochmals höherer Empfindlichkeit bestimmen, siehe Fig. 1.

Die vorstehend beschriebene Verbesserung der Messung der Beanspruchung eines Werkzeugs erlaubt erstmalig auch die Kontrolle von Zerspanungsprozessen mit niedrigen Schnitt-

kräften aber hohen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten, wie z. B. in der Holzbearbeitung, ohne einen Sensor im spanabhebenden Bereich anzuordnen.

Die beschriebene Vorrichtung weist zusätzlich zu den Dünnschichtsensoren zur Erfassung der Beanspruchung und/oder des Zustands auch Mittel zur Verarbeitung des Sensorsignals auf. Diese können so ausgestaltet werden, dass eine wiederholte oder zyklische Messung der Beanspruchung erfolgt.

Die so bestimmte Änderung der Belastung mit der Zeit kann zur Regelung und/oder Steuerung eines Zerspanungsprozesses herangezogen werden. So kann beispielsweise die Vorschub- geschwindigkeit reduziert werden, wenn die Schnittkräfte am Werkzeug einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten.

Indem durch kontinuierliche Überwachung eines Werkzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein sich lösender Werkzeugschaft oder ein Bruch des Werkzeugs erkannt wird, kann die Maschine rechtzeitig in einen sicheren Betriebszustand gebracht werden. Die Sicherheit wird damit wunschgemäß erhöht.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispiels näher erläutert werden.

Die konische Oberfläche einer standardisierten Werkzeug- aufnahme 1 wird mit kapazitiv messenden Sensoren 3 beschichtet. Zunächst werden Ausnehmungen für die Leiterbahnen und die Sensorflächen gem. Fig. 1 auf der Oberfläche der Werkzeugaufnahme ausgearbeitet. Dies erfolgt bevorzugt durch Mikroschleifen, Mikrofräsen, Laserätzen, lithographische Verfahren mit anschließender nasschemischer Prozessierung oder reaktives Ionenätzen. Die Ausnehmungen können in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Tiefen

aufweisen, so dass die Leiterbahnen 12 tiefer geführt werden als der Sensor 5 oder Multilayer mit mehreren übereinander liegenden Leiterbahnen und dazwischen liegender Isolierung eingebracht werden können.

In die so gebildete Ausnehmung wird dann unter Anwendung von Masken, z. B. der zur Herstellung der Ausnehmung benutzten Masken, eine Isolationsschicht abgeschieden. Mögliche Materialien sind A1203 oder A1N oder andere Isolatoren. Die Abscheidung erfolgt mit bekannten Verfahren wie chemical vapour deposition oder physical vapor deposition.

Im gleichen Beschichtungsvorgang kann dann ohne Brechen des zur Schichtabscheidung notwendigen Vakuums eine elektrisch leitende Schicht, z. B. TiN, TiAlN, Me : C-H, ein Metall oder eine Legierung ebenfalls durch die genannten Verfahren aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann bei kapazitiver Messtechnik eine Elektrode als Sensorfläche 5 sein oder eine Leiterbahn 12.

Zum Schutz der aktiven Fläche kann eine weitere Isolations- schicht 6 aufgebracht werden. Ebenso kann eine Abschirmung 8 der Leiterbahnen 12 eingebracht werden um die elektromagnetische Verträglichkeit der Messanordnung zu erhöhen.

Insgesamt kann die vorher gefertigte Ausnehmung bis auf wenige Nanometer unter die vorherige Höhe aufgefüllt werden.

Durch die verbleibende Vertiefung wird der Sitz des Werkzeugs durch die Beschichtung nicht verändert.

Die Schichtdicke der Isolationsschichten 4,6, 7 beträgt etwa zwischen 0.5 und 1000 um. Die Leiter-und Sensordicke 12 und 5 liegt in etwa zwischen 10 nm und 100 um.

Die elektrische Ansteuerung der Sensoren und die Signalverarbeitung erfolgen in bekannter Weise durch eine elektronische Schaltung, welche zur Platzersparnis und der Vermeidung von Unwuchten ringförmig um die Werkzeugaufnahme angeordnet ist und eine telemetrische oder optische Datenübertragung der Messwerte an die Steuerung der Maschine bewirkt.

Ein handelsüblicher Fräser wird in die erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme eingespannt. Ein unrunder Lauf bzw. eine Unwucht des Fräsers kann nun durch eine zyklische Signaländerung an den Sensorschichten nachgewiesen werden.

In diesem Fall gibt die Maschine eine Warnung an den Benutzer aus oder begrenzt die Drehzahl des Fräsers. Im Falle besonders großer Unwuchten wird die Maschine gestoppt.

Hat der Fräser seine Solldrehzahl erreicht, kann dieser in gewohnter Weise gegen das Werkstück geführt werden. Durch die Belastung durch die Schnittkräfte entsteht in der Einspannung am Spannfutter eine Verschiebung. Diese wird nun während des Zerspanungsprozesses fortlaufend mit den kapazitiven Sensoren überwacht. Steigt die Verschiebung über einen Grenzwert an, wird zunächst die Vorschubge- schwindigkeit reduziert. Reicht auch dies nicht zu Reduktion der Schnittkräfte unter den Grenzwert aus, so ist der Fräser verschlissen und muss ersetzt werden. Die Maschine schaltet dann selbsttätig ab und gibt eine entsprechende Warnung an den Benutzer aus.