Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Hydraulikzylinders einer Werkzeugmaschine. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines

Hydraulikzylinders für eine Werkzeugmaschine. Weiter betrifft die Erfindung eine Hydraulikzylindereinheit für eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen

Vorrichtung sowie eine entsprechende Werkzeugmaschine. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm zum Laden in eine mit einer Werkzeugmaschine mit Hydraulikzylinder verbundene Rechenanlage, um das Verfahren zur Kolbenpositionsbestimmung an der

Werkzeugmaschine auszuführen.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen und insbesondere auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen mit Hydraulikzylindern. Zum Beispiel werden mit Hydraulik-Spannzylindern von Werkzeugmaschinen insbesondere Werkstücke, wie z.B. Zylinderblöcke oder Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren,

festgespannt. Bei derartigen Hydraulikzylindern herrschen besonders hohe Drücke von z.B. 10 bar bis 150 bar. Die Verstellwege sind klein und liegen zum Beispiel im Bereich von 0 bis 50 mm. Aufgrund der hohen Drücke werden hohe

Anforderungen an die Stabilität der Zylinder gesetzt. Daher sollten die

Zylinderwände möglichst stabil sein und Schwachstellen wie Fenster oder

Aussparungen sind unerwünscht. Außerdem schwanken die Betriebstemperaturen sehr stark.

Andererseits ist zur exakten Steuerung und/oder Überwachung des

Einspannvorgangs eine Information der Position der Kolben der Hydraulikzylinder wünschenswert. In der Literaturstelle

[1 ] DE 102 46 565 B4

wird hierzu ein Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit im Zu- oder Abfluss des Spannzylinders gemessen.

Für andere technische Anwendungen sind Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Position von Kolben mittels Ultraschall aus folgenden

Literaturstellen bekannt:

[2] DE 10 2007 035 252 A1 ,

[3] US 4 543 649 A,

[4] JP 59062705 A.

[5] DE 103 30 914 A1 ,

[6] DE 10 2006 030 761 A1 ,

[7] US 4 938 054 A,

[8] DE 30 31 980 A,

[9] DE 103 22 718 B4,

[10] DE 601 20 027 T2 und

[1 1 ] EP 1 079 1 18 A2.

Die in [2] bis [1 1 ] gezeigten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht für Hydraulikzylinder von Werkzeugmaschinen und insbesondere nicht für

Hydraulikspannzylinder für Werkzeugmaschinen geeignet, das sie allesamt Fenster oder zumindest Aussparungen an der Zylinderwand vorsehen, nicht für so hohe Drücke, wie sie bei Hydraulikzylinder für Werkzeugmaschinen vorkommen, geeignet sind und bei derartigen Betriebstemperaturschwankungen und bei derartig kleinen Verstellbereichen, wie sie Hydraulikspannzylinder von

Werkzeugmaschinen auftreten, keine brauchbaren Signale liefern.

Ausgehend von dem nächstliegenden Stand der Technik nach der DE 102 46 565 B4 hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Position eines Kolbens eines Hydraulikzylinders einer Werkzeugmaschine genauer bestimmbar ist.

Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 7. Eine Hydraulikeinheit für eine Werkzeugmaschine, eine damit versehene

Werkzeugmaschine und ein Computerprogrammprodukt bzw.

Computerprogrammmedium mit Steueranweisungen zum Durchführen des Verfahrens sind Gegenstand der weiteren Nebenansprüche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Hydraulikzylinders einer

Werkzeugmaschine, umfassend:

a) Erzeugen eines Referenzsignals durch Senden eines akustischen Signals durch eine Zylinderwand des Hydraulikzylinders hindurch auf den in einer

Referenzposition befindlichen Kolben und Erfassen eines Echosignals als

Referenzsignal und

b) Senden des akustischen Signals durch die Zylinderwand auf den Kolben zur Bestimmung dessen Position und Erfassen des Echosignals als Messsignal und

c) Erzeugen eines Vergleichssignals aus dem Messsignal und dem

Referenzsignal und

d) Bestimmen der Laufzeit aus dem Vergleichssignal, um aus der Laufzeit die Position des Kolbens zu bestimmen.

Es ist bevorzugt, dass das Senden des akustischen Signals und das Erfassen des Echosignals in den Schritten a) und b) durch einen insbesondere

piezoelektrischen Schallwandler erfolgt, der an der durchgängig aus Metall gebildeten Zylinderwand außen angebracht ist. Der Schallwandler, insbesondere Piezowandler, kann dabei direkt an der Zylinderwand angeordnet sein. Es können aber auch noch Zwischenschichten zwischen der Zylinderwand und dem

Schallwandler vorgesehen sein. Z.B. kann der Schallwandler Teil eines

mehrschichtigen Schallkopfes sein.

Bei einer alternativen Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass an der Zylinderwand, insbesondere am Zylinderboden, ein erster Schallwandler zur Erzeugung der Schallwellen (Sender) und ein zweiter Schallwandler zum Umwandeln der empfangenen Schallwellen in elektrische Signale (d.h.

Empfänger), angebracht werden, um die Sendefunktion und die Empfangsfunktion zu trennen.

Es ist bevorzugt, dass als Zylinderwand, durch die das Senden und Empfangen erfolgt, ein sich quer zu der Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckender Zylinderboden ausgewählt wird.

Es ist bevorzugt, dass Schritt c) das Bilden eines Differenzsignals aus dem Messsignal und dem Referenzsignal umfasst.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a1 ) mehrmaliges Erzeugen des Referenzsignals im Verlauf des Betriebs des Hydraulikzylinders.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a2) Verfahren des Hydraulikzylinders in die Referenzposition.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a3) Auswählen einer der Endpositionen des Kolbens als Referenzposition. Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a4) Auswählen derjenigen Position des Kolbens, die die größte Laufzeit für das Echosignal bedingt, als Referenzposition.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a5) Abspeichern des Referenzsignals oder mehrerer zu unterschiedlichen Zeiten oder unterschiedlichen Betriebsbedingungen erfasster Referenzsignale in einem Speicher.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a6) Erfassen mehrerer Referenzsignale für unterschiedliche

Betriebstem peraturen . Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a7) Speichern des Referenzsignals zusammen mit einer Information über wenigstens einen während der Erfassung des Referenzsignals vorliegenden Betriebsparameter.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a8) Erfassen des Referenzsignals, Vergleichen des erfassten Referenzsignals mit wenigstens einem zuvor gespeicherten weiteren Referenzsignal, Verwenden des oder eines gespeicherten Referenzsignals, falls dieses zu dem erfassten gleich oder ähnlich ist, und Verwenden und Speichern des erfassten

Referenzsignals, wenn dieses zu dem wenigstens einen gespeicherten

Referenzsignal unähnlich ist.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a9) Erfassen des Referenzsignals vor jeder Änderung der Position des Kolbens zu einer zu messenden Position hin oder vor oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Positionsbestimmungen oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer seit der letzten Referenzsignalbestimmung oder seit der letzten

Kolbenpositionsbestimmung oder abhängig von einer Veränderung eines

Betriebsparameters des Hydraulikzylinders oder des Hydrauliköls.

Es ist bevorzugt, dass die Position des Kolbens an einem Hydraulikzylinder bei einem Druck von oberhalb 10 Bar, insbesondere oberhalb von 50 Bar und mehr insbesondere in einem Druckbereich von 10 Bar bis 150 Bar, bestimmt wird.

Es ist bevorzugt, dass die Position des Kolbens an einem Hydraulikzylinder mit einem Kolbenhub im Bereich von 0 bis 100 mm, mehr insbesondere 0 bis 50,0 mm bestimmt wird.

Es ist bevorzugt, dass die Position des Kolbens an einem Hydraulikzylinder mit einem Abstand einer Schallsende- und -empfangsposition zu dem Kolben von weniger als 200 mm, insbesondere weniger als 100 mm und insbesondere in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm, bestimmt wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiter:

Vorsehen eines ersten Reflexionsbereichs zum Reflektieren des akustischen Signals und eines zweiten Reflexionsbereichs zum Reflektieren des akustischen Signals am Kolben derart, dass die Reflexionsbereiche einen definierten Abstand zueinander in Laufrichtung des akustischen Signals haben, und

Bestimmen einer Laufzeitdifferenz zwischen einem Echosignal von dem ersten Reflexionsbereich und einem Echosignal von dem zweiten Reflexionsbereich.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur

Bestimmung der Position eines Kolbens eines Hydraulikzylinders für eine

Werkzeugmaschine, umfassend:

eine außen an einer Zylinderwand des Hydraulikzylinders anbringbare

Schallsende- und -empfangseinrichtung zum Senden und Empfangen von akustischen Signalen durch die Zylinderwand in Richtung auf den Kolben und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung für die Schallsende- und -empfangseinrichtung,

wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist:

zum Erfassen, dass sich der Kolben in einer Referenzposition befindet, oder/und zum Ansteuern des Hydraulikzylinders, um den Kolben in eine

Referenzposition zu bewegen,

zum Ansteuern der Schallsende- und -empfangseinrichtung zum Senden eines akustischen Signals durch die Zylinderwand des Hydraulikzylinders hindurch auf den in einer Referenzposition befindlichen Kolben und zum Aufzeichnen eines daraufhin durch die Schallsende- und -empfangseinrichtung empfangenen

Echosignals als Referenzsignal,

zum Ansteuern der Schallsende- und -empfangseinrichtung zum Senden des akustischen Signals durch die Zylinderwand auf den in der zu messenden Position befindlichen Kolben und zum Erfassen des daraufhin empfangenen Echosignals als Messsignal,

zum Erzeugen eines Vergleichssignals aus dem Messsignal und dem Referenzsignal und

zum Bestimmen der Laufzeit aus dem Vergleichssignal, um aus der Laufzeit die Position des Kolbens zu bestimmen. Selbstverständlich können auch mehr als ein Kolben vorgesehen sein, und die Vorrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, die Position von mehr als einem Kolben zu erfassen. Beispielsweise können ein erster und ein zweiter

Hydraulikzylinder vorgesehen sein, für die die Position eines Kolbens durch eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinrichtung bestimmbar ist. Es kann aber auch eine Hydraulikzylindereinheit mit mehreren Kolben vorgesehen sein, z.B.

konzentrisch oder nebeneinander angeordnet, deren Position durch eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinrichtung bestimmbar ist.

Es ist bevorzugt, dass die Schallsende- und -empfangseinrichtung einen insbesondere piezoelektrischen Schallwandler aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, als Vergleichssignal ein Differenzsignal aus dem Messsignal und dem

Referenzsignal zu erzeugen.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum mehrmaligen Erzeugen des Referenzsignals im Verlauf des Betriebs des

Hydraulikzylinders.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Verfahren des Hydraulikzylinders in die Referenzposition.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Auswählen einer der Endpositionen des Kolbens als Referenzposition.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Auswählen derjenigen Position des Kolbens, die die größte Laufzeit für das Echosignal bedingt, als Referenzposition.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Speichern des Referenzsignals oder mehrerer zu unterschiedlichen Zeiten oder unterschiedlichen Betriebsbedingungen erfasster Referenzsignale in einem Speicher. Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Erfassen mehrerer Referenzsignale für unterschiedliche Betriebstemperaturen.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Speichern des Referenzsignals zusammen mit einer Information über wenigstens einen während der Erfassung des Referenzsignals vorliegenden

Betriebsparameter.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Erfassen des Referenzsignals, Vergleichen des erfassten Referenzsignals mit wenigstens einem zuvor gespeicherten weiteren Referenzsignal, Verwenden des oder eines gespeicherten Referenzsignals, falls dieses zu dem erfassten gleich oder ähnlich ist, und Verwenden und Speichern des erfassten Referenzsignals, wenn dieses zu dem wenigstens einen gespeicherten Referenzsignal unähnlich ist.

Es ist bevorzugt, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Erfassen des Referenzsignals vor jeder Bewegung des Kolbens zu einer zu messenden Position hin oder vor oder nach einer vorbestimmten Anzahl von Positionsbestimmungen oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer seit der letzten Referenzwertbestimmung oder seit der letzten Positionsbestimmung oder abhängig von einer Veränderung eines Betriebsparameters des

Hydraulikzylinders.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Hydraulikzylindereinheit für eine Werkzeugmaschine, umfassend:

einen Hydraulikzylinder, insbesondere Spannzylinder, mit einem Zylinder, dessen Zylinderwände vollständig aus einem Metall gebildet sind, und einem in dem Zylinder beweglichen Kolben; und

eine Vorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen, wobei die Schallsende- und -empfangseinrichtung außen an der Zylinderwand angebracht ist. Es ist bevorzugt, dass der Hydraulikzylinder für einen Druckbereich von 10 Bar bis 100 Bar, insbesondere 10 Bar bis 150 Bar, ausgebildet ist.

Es ist bevorzugt, dass der Kolben einen Hub, gemessen von einem

Zylinderboden, an dessen Außenseite die Schallsende- und -empfangseinrichtung angebracht ist, in einem Bereich zwischen 0 mm und 100 mm, mehr insbesondere zwischen 0 mm und 50,0 mm hat.

Es ist bevorzugt, dass am Kolben ein erster Reflexionsbereich zum Reflektieren des akustischen Signals und ein zweiter Reflexionsbereich zum Reflektieren des akustischen Signals derart vorgesehen ist, dass die Reflexionsbereiche einen definierten Abstand zueinander in Laufrichtung des akustischen Signals haben, und dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Bestimmen einer Laufzeitdifferenz zwischen einem Echosignal von dem ersten

Reflexionsbereich und einem Echosignal von dem zweiten Reflexionsbereich.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Werkzeugmaschine, umfassend eine Hydraulikzylindereinheit nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten Ausgestaltungen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein

Computerprogramm produkt (Algorithmen) oder von einer Rechenanlage lesbares Computerprogrammmedium, umfassend Steueranweisungen zum Ausführen der Schritte des Verfahrens zur Bestimmung der Position eines Kolbens einer

Werkzeugmaschine nach einer oder mehreren der zuvor erläuterten

Ausgestaltungen, wenn sie in eine Rechenanlage geladen werden.

Mit bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung lässt sich während des Vorganges einer Bearbeitung eines Werkstücks auf einer Werkzeugmaschine, z.B. einem Bearbeitungszentrum, die sichere Funktion von Hydraulikzylindern überwachen. Dies kann über die Bestimmung der Kolbenposition im Hydraulikzylinder erreicht werden. Vorzugsweise wird die aktuelle Kolbenposition auch während einer Kolbenbewegung gemeldet.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine akustische

Kolbenpositionsbestimmung mit Fingerprint-Verfahren.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des Kolbens in Hydraulikzylindern aus Metall, insbesondere Stahl, in Bearbeitungszentren auf Basis akustischer

Laufzeitmessungen.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung nutzen Ultraschall, Puls-Echo- Verfahren, Referenzbildung und/oder Laufzeitmessung.

Der Erfindung liegt die Grundidee zugrunde, die Position des Kolbens unmittelbar akustisch, insbesondere mittels Ultraschall, zu messen. Damit werden Messfehler, die bei indirekten Messungen aufgrund der nur mittelbaren Messung über andere Elemente hinweg, z.B. durch Materialausdehnungen, Spiel, oder dergleichen entstehen, vermieden. Allerdings ergibt sich bei Hydraulikzylindern von

Werkzeugmaschinen das Problem, dass möglichst kein Eingriff in den Zylinder und insbesondere kein Eingriff in die Ausbildung der Zylinderwand erfolgen sollte und zudem die Zylinderwand aus massiven metallischen Materialien gebildet ist. Insbesondere sollen Fenster oder Durchbrüche - wie sie bei den Verfahren nach [2] bis [1 1 ] vorgesehen sind - vermieden werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen daher den Weg, die Messung durch eine Zylinderwand hindurch durchzuführen.

Dabei kommt es an der Grenzfläche zwischen Zylinderwand und

Hydraulikflüssigkeit zu einem Impedanzsprung der zu Reflexionen führt. Bei nur sehr kleinen Verstellwegen lassen sich die an dem Übergang zwischen

Zylinderwand und Hydraulikflüssigkeit erzeugten Echosignale nur sehr schwer durch Laufzeitausblendungen von den zu messenden Echosignalen vom Kolben unterscheiden. Daher sehen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung eine Erzeugung eines Referenzsignals vor, das eine Art Fingerprint für den zu messenden Hydraulikzylinder darstellt und in einer Vergleichsmessung zum Erhalt des eigentlichen Messsignals verwendbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung weisen folgende technische Daten auf:

• Druckbereich des Zylinders von 10 bar bis 150 bar

• Hub des Kolbens 0 bis 50,0 mm (bei herkömmlichen Ultraschallsensoren beginnt der Messbereich erst bei ca. 200 mm)

• Temperaturbereich -10°C bis 80°C, insbesondere 0 bis 60°C

• Temperaturschwankungen können mit bevorzugten Ausgestaltungen des Fingerprint-Verfahrens eliminiert werden

• Über das Fingerprint-Verfahren wird der Sensor referiert; z.B. bei dem

eindeutigen Zustand bei der Position„Kolben komplett ausgefahren"

• Mess-Genauigkeit z.B. 0, 1 mm

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bieten einige, mehrere oder alle der folgenden Vorteile:

• Kein Eingriff in die Mechanik des Zylinders:

o Das Sensor-Element kann z.B. außen an die Zylinderwand, insbesondere an den Zylinderboden, angebracht werden, z.B.

einfach geklebt - dies ergibt eine einfache Montage

o Der Sensor kann direkt an einem Aktor zur Betätigung des Zylinders

(z.B. ein Ventil) angebracht werden; es ergibt sich ein direktes

Messen

• Anwendbar auf ganz unterschiedliche Zylindertypen

• Gegenüber bisher bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung von

Kolben von Hydraulikzylindern von Werkzeugmaschinen (siehe z.B. [1 ]) wird der Positionswert des Kolbens wesentlich schneller erfasst und an die Steuerung gemeldet - damit lässt sich eine Taktzeitverkürzung für die Werkzeugmaschine erreichen.

• Es gibt kein Nachlauf wie bei bisherigen Positionssensoren, z.B. Turbinen- Sensoren, welche den Hydraulikvolumenstrom messen • Die hohe Messgenauigkeit eröffnet die Möglichkeit einer Werkstück- Typerfassung; d.h. der Typ des durch den Zylinder eingespannten

Werkstücks kann über den Positionswert erfasst werden

• Bei vorteilhafter Ausgestaltung des Positionssensors lassen sich auch

Luftblasen im Kolbenraum erkennen

• Turbinensensoren sind entbehrlich; die Montage an der Hydraulik wird

vereinfacht und Platz im Hydraulik-System wird eingespart

• Über eine Zentral-Elektronik können mehrere Positionsmessvorrichtungen (Sensoren), z.B. über eine Multiplex-Methode, ausgewertet werden - so können z.B. 2 bis 8 Sensoren gleichzeitig betrieben werden

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einer Spanneinrichtung, die Hydraulikzylindereinheiten zum Einspannen eines Werkstückes mit Hydraulikzylindern und einer Vorrichtung zum Bestimmen der Position der Kolben der Hydraulikzylinder aufweist;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Hydraulikzylindereinheit für die

Werkzeugmaschine;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Hydraulikzylinders für eine

Hydraulikzylindereinheit zusammen mit einem Sensorelement einer Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Kolbens;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils aus Fig. 3 zur Erläuterung eines Verfahrens zur Bestimmung der Position des Kolbens mittels akustischer Signale;

Fig. 5 ein Flussdiagramm, welches eine Ausführungsform eines bei dem

Verfahren zur Bestimmung der Position des Kolbens eingesetzten Fingerprint-Verfahrens zur Referenzsignalbildung erläutert; und Fig. 6 eine Darstellung vergleichbar der Fig. 4 bei einer weiteren

Ausführungsform der Hydraulikzylindereinheit zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung der Position des Kolbens.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Werkzeugmaschine 10 stark schematisch dargestellt. Die Werkzeugmaschine 10 ist beispielsweise zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes 12 ausgebildet und weist eine stark schematisiert dargestellte Werkzeugspindel 14 mit einem Werkzeugträger, an dem mehrere z.B. aus einem Werkzeugmagazin 16 auswählbare und automatisch austauschbare Werkzeuge 18 anbringbar sind, sowie eine Spanneinrichtung 20 zum Einspannen des Werkstückes 12 auf. Die Spanneinrichtung 20 und die drehbare

Werkzeugspindel 14 sind relativ zueinander bewegbar, um die spanabhebende Bearbeitung durchzuführen. Weiter ist eine Steuervorrichtung 22 zum Steuern der Werkzeugmaschine 10 vorgesehen.

Die Werkzeugmaschine 10 kann beispielsweise als Bearbeitungszentrum oder als Teil eines Bearbeitungszentrums ausgebildet sein, wie es beispielsweise in einer der folgenden Literaturstellen [12] bis [19] beschrieben und gezeigt ist, auf die für weitere Einzelheiten der Werkzeugmaschine 10 ausdrücklich verwiesen wird:

[12] Firmenbroschüre„MODULARE SONDERMASCHINE" der GROBWERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 07/2013/D

[14] Firmenbroschüre„G-BAUREIHE - DAS FLEXIBLE

FERTIGUNGSSYSTEM" der GROB-WERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2017 / DE

[15] Firmenbroschüre„BEARBEITUNGSZENTREN FÜR

RAHMENSTRUKTURBAUTEILE" der GROB-WERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2017 / DE

[16] Firmenbroschüre„G-SERIE -

GROSSBEARBEITUNGSZENTRUM - G800" der GROB-WERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2016 / DE [17] Firmenbroschüre„G-SERIE - 5-ACHS-UNIVERSAL-

BEARBEITUNGSZENTREN - G352 - G552 - G751 " der GROBWERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2017 / DE

[18] Firmenbroschüre„G-SERIE - 5-ACHS-UNIVERSAL-

BEARBEITUNGSZENTREN - G350T - G550T - G750T" der GROB-WERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2017 / DE

[19] Firmenbroschüre„G-SERIE -

GROSSBEARBEITUNGSZENTRUM - G1050" der GROBWERKE GmbH & Co. KG mit dem Druckvermerk 09 / 2017 / DE

Demnach kann die Spanneinrichtung 20 an einem beweglichen

Werkzeugmaschinentisch angeordnet sein. Das Werkstück 12 kann zum Beispiel ein Motorblock eines Verbrennungsmotors sein, dessen Zylinder spanabhebend, z.B. durch Fräsen herzustellen oder zu bearbeiten sind. Entsprechend der bei solchen Bearbeitungen auftretenden Kräfte und der gewünschten Präzision muss das Werkstück 12 sehr fest und sehr genau positioniert eingespannt werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Spanneinrichtung 12 hierzu wenigstens eine Hydraulikzylindereinheit 24 auf, die wenigstens einen Hydraulikzylinder 26 und eine Vorrichtung 28 zur Bestimmung der Position eines Kolbens 30 des

Hydraulikzylinders 26 aufweist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Spanneinrichtung 12 sind mehrere Hydraulikzylinder 26 vorgesehen, die jeweils einen durch Zylinderwände 32 begrenzten

Zylinderinnenraum 34 und einen in dem Zylinderinnenraum 34 bewegbaren Kolben 30 aufweisen, so dass zu beiden Seiten des Kolbens 30

Hydraulikkammern 36, 38 gebildet sind. Mit Ventilen 40, 42 versehene

Hydraulikleitungen 44, 46 sind von einem Hydrauliksystem 48, das

Hydraulikflüssigkeit 50 mit hohem Druck liefert, zu den Hydraulikkammern 36, 38 geführt. So kann der Kolben 30 durch die Steuervorrichtung 22 mittels

Ansteuerung der Ventile 40, 42 bewegt und zum Spannen unter Druck gesetzt werden. Zur sensorischen Überwachung der sicheren Funktion der Hydraulikzylinder 26 während des Bearbeitungsvorganges ist die Hydraulikzylindereinheit 24 mit der Vorrichtung 28 zur Bestimmung der Position des Kolbens versehen. Die

Vorrichtung 28 zur Bestimmung der Position des Kolbens weist als Sensorelement 52 eine außen an einer Zylinderwand 32 des Hydraulikzylinders 26 anbringbare Schallsende- und -empfangseinrichtung 54 zum Senden und Empfangen von akustischen Signalen durch die Zylinderwand 32 in Richtung auf den Kolben 30 und eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 56 für die Schallsende- und -empfangseinrichtung 54 auf. Letztere ist in Fig. 1 als Teil der Steuervorrichtung 22 und zum gleichzeitigen Steuern und Auswerten mehrerer Schallsende- und

-empfangseinrichtungen 54 unterschiedlicher Hydraulikzylinder 26 ausgelegt, kann in anderen Ausführungsbeispielen, wie in Fig. 2 angedeutet, aber auch gesondert ausgebildet sein und beispielsweise an jedem Hydraulikzylinder 26, z.B. an den Ventilen 40, 42 angeordnet sein.

Bei der Ausgestaltung der Spanneinrichtung 20 von Fig. 1 sind mehrere

Hydraulikzylinder 26 derart ausgebildet, dass durch Ausfahren des Kolbens 30 das Werkstück 12 gegen Gegenlagereinrichtungen 58 gespannt wird. Derzeit mehr bevorzugt ist die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der

Spanneinrichtung 20, bei der das Werkstück 12 durch Einfahren des Kolbens 30 gegen eine Gegenlagereinrichtung 58 gespannt wird.

Im Folgenden werden Einzelheiten der Hydraulikzylindereinheiten 24, der

Hydraulikzylinder 26, der Vorrichtung 28 zur Bestimmung der Position des

Kolbens sowie eines damit durchführbaren Verfahrens zur Bestimmung der Position des Kolbens näher anhand der in den Fig. 3 und 4 gezeigten

schematischen Darstellungen erläutert.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Hydraulikzylinders 26 mit Kolben 30, einem Piezoelement, Hydraulikflüssigkeit 50 und Zylinderwänden 32. Fig. 4 ist eine Detaildarstellung akustischer Pfade sowie der relevanten Grenzflächen 68, 76 zwischen Zylinderwand 32 und Hydraulikflüssigkeit 50 und zwischen Kolben 30, insbesondere Kolbenboden 72, und Hydraulikflüssigkeit 50. Der Hydraulikzylinder 26 weist Zylinderwände 32 aus Metall und mehr

insbesondere aus Stahl auf. Als Zylinderwände 32 sind wenigstens eine sich in Bewegungsrichtung des Kolbens 30 erstreckende Zylinderwand, die z.B. bei kreiszylindrischer Ausbildung des Hydraulikzylinders 26 durch eine im Querschnitt ringförmige Zylindermantelwand 60 gebildet sein kann und bei rechteckigem Hydraulikzylinder entsprechend durch vier Zylinderseitenwände 60' gebildet sein kann, und ein Zylinderboden 62 vorgesehen.

Der Druckbereich des Hydraulikzylinders 26 beträgt 10 bis 150 bar. Der Hub des Kolbens 30 beträgt z.B. 0 bis 50,0 mm. Es treten im Betrieb des Hydraulikzylinders 26 große Temperaturschwankungen auf. Z.B. beträgt die Temperatur in dem Hydraulikzylinder 26 zwischen 0 bis 60°C. Die Wandstärke der Zylinderwände 32 beträgt z.B. 3 mm bis 20 mm. Mit der Vorrichtung 28 kann die Position des

Kolbens 30 ohne Modifikation des Hydraulikzylinders 26 und ohne Eingriff in denselben sehr genau erfolgen.

Hierzu wird ein nicht-invasives Verfahren zur Kolbenpositionsbestimmung mittels akustischer Signale oder Wellen 64 in metallischen Hydraulikzylindern 26 verwendet.

Hierzu wird bei den gezeigten Ausführungsbeispielen das Sensorelement 52 außen auf den Zylinderboden 62 aufgebracht, insbesondere aufgeklebt. Das Sensorelement 52 beinhaltet die Schallsende- und -empfangseinrichtung 54, die einen oder mehrere Schallwandler 66, insbesondere ausgebildet als

piezoelektrisches Element, aufweist. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Schallwandler 66 vorgesehen, der sowohl zum Senden von Schall, insbesondre eines Schallimpulses, mehr insbesondere eines Ultraschallimpulses, als auch zum Empfangen eines Echos, das durch den Schall an Grenzflächen erzeugt wird, ausgebildet ist. Bei anderen, hier nicht näher dargestellten

Ausführungsbeispielen können getrennte Schallwandler zum Senden und

Empfangen vorgesehen sein. Der mechanische Aufbau des Systems beinhaltet die Komponenten Zylindergehäuse 65 - mit den Zylinderwänden 32 - Kolben 30 sowie ein schallerzeugendes Piezoelement, kurz Schallwandler 66.

Das Zylindergehäuse 65 besteht aus einem metallischen Werkstoff wie

beispielsweise Stahl und weist eine Wandstärke von mehreren Millimetern auf. Im Inneren des Zylindergehäuses 65 befindet sich eine Hydraulikflüssigkeit 50.

Für den Einsatz des Verfahrens sind keine baulichen Änderungen am

Hydraulikzylinder 26, insbesondere nicht am Zylindergehäuse 65, notwendig; ebenfalls ist dieses Verfahren nicht-invasiv. Hierdurch eignet sich das Verfahren für den Einsatz in Bearbeitungszentren, wo mit erhöhten Hydraulikdrücken zu rechnen ist.

Die Erzeugung eines akustischen Signals in Form einer Kompressionswelle 64 geschieht durch einen Schallwandler 66. Die akustische Kopplung des

Schallwandlers 66 erfolgt über eine permanente kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise Klebeverbindung, mit dem Zylinderboden 62.

Regt man den Schallwandler 66 mit einer harmonischen Wechselspannung an, so kommt es aufgrund des piezoelektrischen Effektes zur Materialverdichtung- und -Verdünnung (Dickenvibration), also zur Auslenkung des Materials. Diese

Auslenkung kann sich als Kompressionswelle 64 im Zylinderboden 62 mit einer materialtypischen Geschwindigkeit ausbreiten.

Trifft diese Kompressionswelle 64 auf die erste Grenzfläche 68 zwischen

Zylinderboden 62 und Hydraulikflüssigkeit 50, erfolgt aufgrund der großen akustischen Impedanzunterschiede an dieser Stelle eine nahezu vollständige Reflexion 70 der Kompressionswelle 64. Aufgrund der geringen Schalldämpfung in Metallen ist ein mehrfaches Durchlaufen der Kompressionswelle 64 möglich.

Empfangsseitig zeigt sich dies in Mehrfachreflexionen des Zylinderbodens 62 mit hohen Amplituden. Wenige Prozente der eingebrachten Schallenergie werden an der ersten

Grenzfläche 68 Zylinderboden/Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikflüssigkeit 50 transmittiert, in der sich ebenfalls eine Schallwelle oder Kompressionswelle 64 ausbreiten kann. Diese wird nach Durchlauf der Hydraulikflüssigkeit 50 am

Kolbenboden 72 reflektiert und erreicht nach erneutem Durchtreten der ersten Grenzfläche 68 Zylinderboden / Hydraulikflüssigkeit und des Zylinderbodens 62 ebenfalls den Schallwandler 66. Dies stellt das Echosignal 74 des Kolbens 30 dar, welches zur Positionsbestimmung herangezogen wird.

Für die Detektion der Kompressionswelle 64 wird im Schallwandler 66, der nun als Empfänger dient, mittels des inversen Piezoeffekts wieder eine elektrische

Wechselspannung erzeugt, welche dann der weiteren elektronischen

Signalverarbeitung zugeführt wird.

Am nun als Empfangswandler genutzten Schallwandler 66 ergibt sich eine

Überlagerung der Metallechos - Reflexion 70 - von der ersten Grenzfläche 68 mit hoher Amplitude und des schwächeren Echosignals 74 vom Kolbenboden 72.

Zur Trennung der überlagerten Echos wird ein referenzierendes Verfahren angewendet, das im Folgenden als Fingerprint-Verfahren bezeichnet wird.

Ein Fingerprint stellt dabei das für die verwendete Zylinderkonfiguration eindeutige akustische Echosignal des gesamten Zylinders, d.h. insbesondere sämtlicher unbewegter Teile im Zylinder, dar, das ebenfalls die Mehrfachreflexionen 70 der Schallwelle im Zylinderboden 62 beinhaltet. Dieses Echosignal ist von der

Kolbenposition unabhängig, sofern keine Überlagerung der Echos im Zeitbereich auftritt.

Aus diesem Grund wird der Fingerprint des Hydraulikzylinders 26 im Zustand vollständig ausgefahrener Kolben 30 aufgenommen. Nach Positionsänderung erfolgt eine Subtraktion des Fingerprints vom aktuellen Messsignal. Während diese Subtraktion die Echos 70 des Zylinderbodens 62 auf einen Amplitudenwert von 0 reduziert, bleiben die Echosignale 74 vom Kolbenboden 72 erhalten, da diese von der Position des Kolbens 30 abhängig sind. Da das Verfahren referenzierend ist, ist es anfällig auf Änderungen in den

Schalllaufzeiten, welche durch eine Temperaturänderung hervorgerufen werden. Dies wird in bevorzugten Ausführungen des Verfahrens dadurch umgangen, dass im Einsatz eine kontinuierliche Neureferenzierung vor jedem Spannen des

Hydraulikzylinders 26 durchgeführt wird, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Fingerprint-Verfahrens mit kontinuierlicher Neu-Referenzierung und beschreibt am Beispiel eines Hydraulikzylinders 26 der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration einer Spanneinrichtung 22 den folgenden Ablauf von Schritten S1 bis S7:

51 Abspeichern des Fingerprints (Kolben vollständig gelöst)

52 Positionsveränderung (Kolben wird gespannt)

53 Differenzbildung aus Fingerprint und aktuellem Schallsignal

54 Bestimmung der Laufzeit aus dem Differenzsignal

55 Positionsveränderung (Kolben wird vollständig gelöst)

56 Kolben vollständig gelöst

57 Neureferenzierung bei Initialisierung Kolbenbewegung

Allgemein wird zur Bildung eines Fingerprints oder anders ausgedrückt

Referenzsignals, welches die Konfiguration und Parameter des Hydraulikzylinders berücksichtigt, der Kolben 30 in eine Referenzposition verfahren. Das Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens 30 eines Hydraulikzylinders 26 einer Werkzeugmaschine 10 umfasst demnach die Schritte:

a) Erzeugen eines Referenzsignals durch Senden eines akustischen Signals 64 durch eine Zylinderwand 32 des Hydraulikzylinders 26 hindurch auf den in einer Referenzposition befindlichen Kolben 30 und Erfassen eines Echosignals 70 als Referenzsignal und

b) Senden des akustischen Signals 64 durch die Zylinderwand 32 auf den Kolben 30 zur Bestimmung dessen Position und Erfassen des Echosignals 70, 74 als Messsignal und

c) Erzeugen eines Vergleichssignals 74 aus dem Messsignal 70, 74 und dem Referenzsignal 70 und d) Bestimmen der Laufzeit aus dem Vergleichssignal 74, um aus der Laufzeit die Position des Kolbens 30 zu bestimmen.

Die Schritte zum Senden und Auswerten werden insbesondere durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 56 gesteuert. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens inklusive Steuerung und Auswertung und insbesondere der dabei eingesetzten Algorithmik wird im Folgenden näher erläutert.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für das bereits erwähnte Fingerprint- Verfahren näher beschrieben, zentrale Recheneinheit bei der bevorzugten

Ausgestaltung ist ein FPGA 78 (Field Programmable Gate Array), welcher ein Ausführungsbeispiel für eine zentrale Recheneinheit der Steuer- und

Auswerteeinrichtung 56 darstellt.

Zu Beginn jeder Messung wird im FPGA 78 ein zweifaches Rechteck-Burst-Signal mit einer Frequenz von 2 MHz erzeugt. Dieses wird vorverstärkt, und der

Schallwandler 66 wird damit angeregt. Durch den inversen piezoelektrischen Effekt wird der Schallwandler 66 mit der angeregten Frequenz in Oszillation versetzt. Da der Schallwandler 66 kraftschlüssig an den Zylinderboden 62 gekoppelt ist, wird so eine Schallwelle - Kompressionswelle 64 - in diesem erzeugt, die den Zylinderboden 62 durchläuft und in die Hydraulikflüssigkeit 50 des Hydraulikzylinders 26 einkoppelt.

Die Schallwelle - Kompressionswelle 64 - durchquert die Hydraulikflüssigkeit 50, wird am Kolbenboden 72 des entsprechenden Kolbens 30 reflektiert und schlussendlich im Schallwandler 66 zurück in ein elektrisches Signal gewandelt.

Die eigentliche Position des Kolbens 30 entspricht dabei der Laufzeit des Signals durch die Hydraulikflüssigkeit 50. Das so erzeugte elektrische Signal wird auf der zentralen Elektronik mittels verschiedener Filter- und Verstärkerstufen aufbereitet, in einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und dem FPGA 78 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Die Abtastung des Signals geschieht dabei z.B. mit 50 MHz. Je nach mechanischen Aufbau des Hydraulikzylinders 26 wird das Signal dabei als ein Array von mehreren tausend Samples, z.B. mit einer Breite von je 12 Bit, im FPGA 78 abgelegt.

Beim Fingerprint-Verfahren handelt es sich vorzugsweise um ein

differenzbildendes Verfahren. Um dessen beste Funktionsweise zu liefern, wird der eigentliche Fingerprint bei voll ausgefahrenem Kolben, also z.B. bei der Ausführung von Fig. 2 im entspannten Zustand, aufgenommen und abgespeichert.

Bei einer Ausgestaltung werden im laufenden Betrieb die Samples des

Fingerprints permanent von den entsprechenden Samples des aktuell

vorliegenden Signals subtrahiert. Das so entstandene Differenzsignal weist ein eindeutiges Maximum auf, welches der Position des Kolbens 30 im

Hydraulikzylinder 26 entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine regelmäßige Aktualisierung des Fingerprints vorgesehen, um eine eventuell vorhandene Temperaturdrift des mechanischen Gesamtsystems auszugleichen. Mit Änderung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit ändert sich auch die Schallgeschwindigkeit in dieser. Ist die Temperaturänderung zu groß, führt die Differenzbildung zu Fehlstellen im

Differenzsignal. Der verwendete Fingerprint wäre dann ungültig oder zumindest weniger gut geeignet. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausgestaltung

vorgesehen, mehrere Fingerprints in einem Speicher 80 vorzuhalten, die bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen wurden. Bei einer Ausführungsform kann die Speicherung des Fingerprints zusammen mit einer Information über einen Betriebsparameter, z.B. der Zeit der Aufnahme oder einer dabei

gemessenen Betriebstemperatur erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird im laufenden Betrieb der aktuell verwendete Fingerprint mit dem aktuell vorliegenden Signal bei voll

ausgefahrenem Kolben 30 verglichen. Stellt sich dabei heraus, dass die dabei auftretende Differenz zu groß ist, wird der aktuelle Fingerprint als ungültig eingestuft, bleibt aber weiterhin im Speicher 80 bestehen. Das vorliegende Signal bei voll ausgefahrenen Kolben 30 wird mit weiteren Fingerprints, die bereits im Speicher 80 vorhanden sein können, verglichen. Wird ein Fingerprint gefunden, der mit dem aktuellen Signal übereinstimmt, wird dieser verwendet. Ist dies nicht der Fall, wird das aktuelle Signal zum neuen aktuellen Fingerprint. Auf diese Art und Weise entsteht im Laufe der Betriebszeit der Anlage eine Reihe von

Fingerprints, die bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen wurden und eine mögliche Temperaturdrift der Anlage ausgleichen können.

In Fig. 5 ist als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine ständige Neu- Referenzierung vor jedem Spannvorgang, d.h. vor jeder Bewegung des Kolbens 30 erläutert. Wie oben erläutert, können aber auch bereits vorher gespeicherte Referenzsignale verwendet werden. Das Aufnehmen neuer Referenzsignale kann bedarfsweise erfolgen. Auch denkbar ist, eine Neu-Referenzierung nach einer bestimmten Anzahl von Kolbenbewegungen oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit seit der letzten Referenzsignalbildung durchzuführen. Denkbar ist auch eine parameterabhängige Neu-Referenzierung, z.B. das Bilden eines neuen

Referenzsignals, wenn sich die Betriebstemperatur über einen zulässigen

Toleranzwertbereich hinaus ändert.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Kolben 30 mit einem ebenen Kolbenboden 72 dargestellt, wobei die daran gebildete zweite Grenzfläche 76 einen einheitlichen Reflexionsbereich zum Bilden des Echosignals 74 darstellt.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Hydraulikzylindereinheit 22 mit Hydraulikzylinder 26, Kolben 30 und Sensorelement 52 - außen angebrachter Schallwandler 66 - dargestellt, bei der definierte unterschiedliche Laufzeitstrecken bereitgestellt werden. Hierzu weist der Kolben 30, z.B. am Kolbenboden 72, einen ersten Reflexionsbereich 82 und einen zweiten Reflexionsbereich 84 auf. Der zweite Reflexionsbereich 84 kann z.B. durch eine Nut oder eine Bohrung 86 im Kolbenboden gebildet werden. In Bewegungsrichtung des Kolbens und/oder in Laufrichtung der Kompressionswelle 64 haben der erste Reflexionsbereich 82 und der zweite Reflexionsbereich 84 einen definierten Abstand A zueinander. Dadurch werden ein erstes Echosignal 74' an dem ersten Reflexionsbereich 82 und ein zweites Echosignal 74" an dem zweiten Reflexionsbereich 84 erzeugt, die aufgrund des definierten Laufabstandes (2mal A) eine definierte Laufzeitdifferenz zueinander haben und die zur Bestimmung weiterer Parameter verwendbar sind, insbesondere zur Bestimmung, ob Unstimmigkeiten, z.B. verursacht durch

Luftblasen in der Hydraulikflüssigkeit 50 auftreten.

Voranstehend ist ein Fingerprint- oder Subtraktionsverfahren zur

Kolbenpositionsbestimmung in Zylindern von Werkzeugmaschinen 10 erläutert. Das Verfahren lässt sich in einer entsprechend programmierten Rechenanlage, die an den Hydraulikzylinder 26 und ein daran befestigtes Sensorelement 52 angeschlossen ist, durchführen. Hierzu kann eine Elektronik aus angepassten Standardelementen angewandt werden. Die in der Steuer- und

Auswerteeinrichtung und/oder der Steuervorrichtung 22 zum Durchführen des Kolbenpositionsbestimmungsverfahrens durchzuführenden Steueranweisungen können als Software vorliegen, die in einem Computerprogrammprodukt oder einem Computerprogrammmedium gespeichert sein können.

Als Schallwandler 66 können ein oder mehrere Piezoelemente verwendet werden, wie sie bereits grundsätzlich bekannt sind. Es kann insoweit auf die

Literaturstellen [2] bis [1 1 ] verwiesen werden. Besonders gegenüber den bekannten Lösungen ist insbesondere die Art der Anbringung und Anwendung: der Schallwandler 66 wird außen an der ansonsten unveränderten Zylinderwand 32, insbesondere dem Zylinderboden 62, angebracht und angewendet. Im

Gegensatz zu den aus [2] bis [1 1 ] bekannten Verfahren ist das hier beschriebene Verfahren nicht-invasiv. Der Hydraulikzylinder 26 ist unverändert, es findet lediglich eine kraftschlüssige Kopplung zwischen Schallwandler 66 und

Zylinderboden 62 statt.

Neben dem bereits erwähnten FPGA 78 können angepasste Standard- Elektronikelemente verwendet werden.

Der Schallwandler 66 kann in einigen Ausführungsformen auf einer Platine aufgelötet oder aufgeklebt sein. Bei einigen Ausführungsformen können sich in unmittelbarer Nähe des Schallwandlers 66 bereits Teile einer analogen Elektronik, z.B. ein Vorverstärker befinden. Wie oben bereits erwähnt, können getrennte Schallwandler 66 zum Senden und Empfangen eingesetzt werden. Vorzugsweise ist die Schallsende- und -empfangseinrichtung 54, die den oder die Schallwandler 66 und Elektronikteile und eventuell eine Platine aufweist, in einem Gehäuse (nicht dargestellt) verpackt und am Zylinderboden 62 verschraubt.

Ein besonderer Vorteil von bevorzugten Ausgestaltungen des hier beschriebenen Verfahrens zur Kolbenpositionsbestimmung besteht darin, dass nur ein

Sensorelement 52/Schallwandler 66 benötigt wird, und das Aussenden nur einseitig vom Boden zum Kolben erfolgt.

Wie oben erwähnt ist es auch durchaus denkbar, dass an der Zylinderwand 32, insbesondere am Zylinderboden 65, zwei Schallwandler 66 angebracht sind, nämlich ein Schallwandler zur Erzeugung der Schallwellen (Sender) und ein zweiter Schallwandler zum Umwandeln der empfangenen Schallwellen in elektrische Signale (d.h. Empfänger), anstatt dies in lediglich einem Schallwandler 66, der gleichzeitig Sender und Empfänger ist, durchzuführen.

Die in Fig. 6 gezeigte und hier noch einmal zusammengefasste Ausgestaltung kann in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren größere Vorteile bringen: Am Kolbenboden 72 kann eine zusätzliche Referenzlaufstrecke mit definierter Länge A angebracht werden, z.B. durch Einbringen einer Nut oder einer Bohrung 86. Dann wird das akustische Signal - z.B. die Kompressionswelle 64, insbesondere ausgebildet als Ultraschallsignal - vom Kolbenboden 72 aufgrund der zusätzlichen Laufzeit durch die Referenzlaufstrecke A zu unterschiedlichen Zeiten reflektiert (d.h. einmal vom unveränderten Kolbenboden 72 - erster

Reflexionsbereich 82 -, und eine weitere Reflektion von der Nut o.ä. - zweiter Reflexionsbereich 84). Dadurch schafft man sich eine zusätzliche Schall- Laufstrecke mit definierter Länge (2mal A). Durch eine Bestimmung der

Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Positionen (d.h. Laufzeit bei Reflektion vom normalen Kolbenboden sowie Laufzeit bei Reflektion von der Nut o.ä.) lassen sich geänderte Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeit (insbes. Alterung, Temperatur, Luftblasen) erkennen. Luftblasen können bei, als Spannzylinder verwendeten, Hydraulikzylindern ein größeres Problem darstellen; daher ist eine Detektion z.B. mittels der zusätzlichen Referenzlaufstrecke für die geplanten

Überwachungszwecke besonders vorteilhaft. Ein Erkennen von Luftblasen in dem Kolbenraum ist auch mit den anderen dargestellten Ausführungsformen möglich; bei der Ausgestaltung nach Fig. 6 ist die Möglichkeit der Erkennung von

Luftblasen jedoch noch deutlich verbessert.

Bezugszeichenliste:

10 Werkzeugmaschine

12 Werkstück

14 Werkzeugspindel

16 Werkzeugmagazin

18 Werkzeug

20 Spanneinrichtung

22 Steuervorrichtung

24 Hydraulikzylindereinheit

26 Hydraulikzylinder

28 Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Kolbens

30 Kolben

32 Zylinderwand

34 Zylinderinnenraum

36 erste Hydraulikkammer

38 zweite Hydraulikkammer

40 erstes Ventil

42 zweites Ventil

44 erste Hydraulikleitung

46 zweite Hydraulikleitung

48 Hydrauliksystem

50 Hydraulikflüssigkeit

52 Sensorelement

54 Schallsende- und -empfangseinrichtung

56 Steuer- und Auswerteeinrichtung

58 Gegenlagereinrichtung

60 Zylindermantelwand

60' Zylinderseitenwand

62 Zylinderboden

64 Kompressionswelle (akustisches Signal/Schallwelle)

65 Zylindergehäuse

66 Schallwandler

68 erste Grenzfläche Zylinderboden/Hydraulikflüssigkeit Reflexion an erster Grenzfläche (durch erste Grenzfläche initiiertes Echo oder Echosignal)

Kolbenboden

Echosignal vom Kolbenboden

' Echosignal vom ersten Reflexionsbereich

" Echosignal vom zweiten Reflexionsbereich

zweite Grenzfläche Hydraulikflüssigkeit/Kolbenboden

FPGA

Speicher

erster Reflexionsbereich

zweiter Reflexionsbereich

Bohrung (alternativ Nut)

definierter Abstand zwischen erstem und zweitem Reflexionsbereich Abspeichern des Fingerprints (Kolben vollständig gelöst)

Positionsveränderung (Kolben wird gespannt)

Differenzbildung aus Fingerprint und aktuellem Schallsignal

Bestimmung der Laufzeit aus dem Differenzsignal

Positionsveränderung (Kolben wird vollständig gelöst)

Kolben vollständig gelöst

Neureferenzierung bei Initialisierung Kolbenbewegung