Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspindel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , welche die auf das rotierende Werkzeug einwirkenden Zerspanungskräfte und Momente zu erfassen in der Lage ist. Eine mit dieser Fähigkeit ausgestattete Werkzeugspindel kann die Effizienz, die Sicherheit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit von Zerspanungsmaschinen deutlich erhöhen. Die Kopplung der Kraftmesseinrichtung an die Werkzeugspindel vereinfacht bzw. ermöglicht Antastvorgänge, die Verschleißkontrolle, die Werkzeugbruchkontrolle, die Kollisionsüberwa- chung und die adaptive Vorschubanpassung.

Hintergrund der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugspindel mit einer vorzugsweise mehrachsigen Kraftmesseinrichtung zu schaffen, die sich insbesondere für die dynamische Erfassung von Zerspanungskräften an Fräs-, Dreh- oder Schleifmaschinen eignet. Soll eine solche Werk- zeugspindel in eine serientaugliche Bearbeitungsmaschine integriert werden, ergeben sich hohe Anforderungen, wenn einerseits die Bearbeitungsqualität durch die Kraftmesseinrichtung nicht störend beeinflusst werden darf, und andererseits die Erfassung der einwirkenden Zerspanungskräfte auch unter den Einflüssen einer im Betrieb thermisch und dynamisch hoch beanspruchten Werkzeugspindel mit ausreichender Präzision und Geschwindigkeit erfolgen muss. Die wichtigsten Anforderungen an eine solche Kraftmesseinrichtung sind: hohe Steifigkeit und hohe Eigenfrequenz

hohe Überlasttoleranz

hohe Auflösung

hohe Messgeschwindigkeit

- gute Nullpunktstabilität

geringer Einbauraum

wartungsarm

kostengünstig

Alle bekannten Technologien zur Erfassung von Kräften basieren auf der lastabhängigen, elasti- sehen Verformung eines Messkörpers. Dies führt dazu, dass in den Antriebsstrang einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel ein zusätzliches elastisches Element integriert werden muss, welches nachgiebig ist und ungewollte Schwingungen der Werkzeugspindel ermöglicht. Um den negativen Folgen dieser Nachgiebigkeit auf die Genauigkeit und die erzielbare Oberflächengüte entgegenzuwirken, wird versucht, die zur Generierung des Messsignals erforderlichen Verformungen möglichst gering zu halten oder mit anderen Worten, den Messkörper möglichst steif auszuformen. Als unkritisch kann dabei eine Nachgiebigkeit des Messkörpers gelten, die gerin- ger ist als die Nachgiebigkeit des Spindellagers unter dem Einfluss derselben Last.

Eine hohe Überlasttoleranz ist erforderlich, um zu verhindern, dass Kollisionen z.B. aufgrund einer fehlerhaften Programmierung die Kraftmesseinrichtung zerstören. In der Regel steht diese Forderung im Konflikt mit der Forderung nach einer hohen Auflösung, da ein hoher Anteil der messbaren Verformungen als Sicherheitsreserve verwendet werden muss, sofern nicht zusätzli- che Maßnahmen zur Überlastsicherung getroffen werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass die Auslegung des Messbereichs sich naturgemäß an den höchsten Kräften orientiert, welche von der Kraftmesseinrichtung zuverlässig erfasst werden soll. Da an einem CNC- Bearbeitungszentrum üblicherweise aber ein großes Spektrum von Bearbeitungsprozessen mit sehr unterschiedlichen und auch sehr geringen Bearbeitungskräften beurteilt können werden soll, kann die erzielbare Auflösung der Kraftmesseinrichtung kaum je groß genug sein.

Die Forderung nach hohen Messgeschwindigkeiten ergibt sich aus dem Wunsch, eine CNC- Maschine innerhalb von Millisekunden oder sogar Mikrosekunden auf ein gemessenes Kraftereignis reagieren zu lassen, etwa beim Antasten, der Kollisionskontrolle oder der adaptiven Vorschubanpassung. Außerdem kann eine hohe Messgeschwindigkeit helfen, die Qualität des Span- bildungsprozesses beim Fräsen auch bei hohen Drehzahlen und mehrschneidigen Werkzeugen zu beurteilen oder zu dokumentieren.

Für die Beurteilung der erfassten Messwerte ist es wichtig, die Größe der bewegten Massen zu kennen, um unter Berücksichtigung der aus Versuchen oder Berechnung bekannten Federrate der Spindelaufhängung Rückschlüsse auf die erwartbare Eigenfrequenz ziehen zu können.

Durch die Eigenfrequenzanalyse können einerseits Drehzahlen vermieden werden, die zu einem Aufschwingen des Systems führen könnten, andererseits hilft die Kenntnis der Eigenfrequenz bei der Analyse und Bewertung der Messergebnisse.

Die Masse der Werkzeuge ist jedoch variabel, was zu einer Veränderung der Eigenfrequenz bei einem Werkzeugwechsel führt und die Beurteilung erschwert, sofern diese Masseänderung nicht erfasst werden kann. Aus diesem Grund sind Kraftmesseinrichtungen mit einem festen Bezugspunkt und einer geringen Nullpunktdrift wünschenswert, die somit gleichzeitig als Wägevorrich- tung dienen kann und Masseveränderungen auch über längere Zeiträume mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen vermögen.

Die genaue Kenntnis der Werkzeugmasse ist jedoch auch aus einem anderen Grund von wesentlicher Bedeutung. Die unvermeidlichen Bewegungen der Werkzeugspindel führen aufgrund der Massenträgheit zu überlagerten Messausschlägen, welche die Analyse des Zerspanungsprozesses stören. Ein weiterer masseabhängiger Einfluss ist die Richtung der einwirkenden Schwerkraft, welche sich insbesondere bei schwenkbaren Werkzeugspindeln ständig ändert.

Da bei vielen Zerspanungsmaschinen die Werkzeugspindel sehr dynamisch bewegt wird und sich solche Maschinen zudem üblicherweise in industriellen Umgebungen befinden, in denen von benachbarten Produktionsprozessen weitere Erschütterungen und Bewegungen zu erwarten sind, ist eine genaue Zerspanungsanalyse ohne Kenntnis der bewegten Massen nur eingeschränkt möglich.

Bearbeitungsprozesse an Fräsmaschinen können mit demselben Werkzeug gelegentlich viele Stunden dauern. In dieser Zeit sollen aber die Messergebnisse verlässlich bleiben. Deshalb ist für die Beurteilung der wirksamen Kräfte und Momente eine hohe Nullpunktstabilität des Messsystems erforderlich.

Sowohl die Kraftmesseinrichtung als auch die Messelektronik sind in Bezug auf ihre Nullpunktstabilität vor allem von thermischen Einflüssen bedroht. Eine Kraftmesseinrichtung, welche an eine Werkzeugspindel gekoppelt ist, ist diesbezüglich sehr ungünstigen Bedingungen ausgesetzt, da durch den Spindelmotor, das Spindellager und den Zerspanungsprozess viel Wärme in unmittelbarer Nähe der Kraftmesseinrichtung generiert wird. Entgegenwirkende Systeme zur Kühlung des Werkzeugs und der im Spindelgehäuse entstehenden Wärme senken zwar das absolute Wärmeniveau, können jedoch durch einen räumlichen Abstand zur Wärmequelle zu mechanischen Spannungen innerhalb des Spindelgehäuses führen, welche sich ebenfalls negativ auf die Nullpunktstabilität auswirken können. Sind die Kühlsysteme nicht permanent gleichmäßig durchströmt, sondern werden - wie gemeinhin üblich - bedarfsweise zugeschaltet, ergeben sich relativ schnelle Temperaturänderungen, die eine unvorhersehbare Nullpunktdrift verursachen. Aus diesem Grund sollte eine in die Werkzeugspindel integrierte Kraftmesseinrichtung im Interesse der Nullpunktstabilität in der Lage sein, sich von diesen Einflüssen zu entkoppeln. Kraftmesseinrichtungen, welche als Standardausstattung in produktive Zerspanungsmaschinen integriert werden sollen, müssen zu den genannten Anforderungen noch wartungsarm, kosten- günstig herstellbar und einfach montierbar sein. Außerdem müssen sie unanfällig gegen Späne, Stäube und Flüssigkeiten sein.

Stand der Technik

Für die Erfassung von Zerspanungskräften an Werkzeugspindeln sind verschiedene Lösungen entwickelt worden, welche teilweise auch Eingang in den Markt gefunden haben.

Die erfolgreichste Gruppe davon sind die spannfutterintegrierten Kraftmesseinrichtungen, die es in unterschiedlichen Ausführungen am Markt gibt. Besonders erfolgreich sind hier die Systeme der Kistler Holding AG, Schweiz, z. B. das piezobasierte, rotierende Mehrkomponenten- Dynamometer, Typ 9170A, welches Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung erfasst sowie das Dreh- moment Mz.

Der auf Dehnungsmessstreifen basierende, sogenannte sensorische Werkzeughalter "SPIKE" der Firma Pro-Mikron GmbH & Co Kg in Deutschland ist ebenfalls eine spannfutter-integrierte Kraftmesseinrichtung. Das akkugestützte, kabellose System erfasst Axial-Rräfte Fz, Biegemomente Μχγ und Drehmomente Mz. Eine Kraftmesseinrichtung, welche die Zerspanungskräfte am Werkzeug erfassen können soll, kann generell innerhalb des Maschinenkörpers an einer beliebigen Stelle auf der Strecke zwischen Werkstück und Werkzeug angeordnet werden. Im Interesse einer hohen Messgüte und auch einer hohen Überlasttoleranz ist es aber sinnvoll, die Kraftmesseinrichtung so nah wie möglich an den Zerspanungsprozess heranzuführen. Eine Integration in das Spannfutter, wie dies von den oben genannten Herstellern angeboten wird, und wie sie zum Beispiel in der DE 10 2008 015 005 AI beschrieben ist, ist deshalb eine naheliegende Lösung. Die Integration in das Spannfutter hat jedoch den Nachteil, dass die Kraftmesseinrichtungen mitdrehen und mindestens ein Teil der Signalaufbereitung in der drehenden Spindel erfolgen muss. Überdies müssen die Messdaten von mehreren Messkanälen auch bei Drehzahlen oberhalb von 10.000 U/min zuverlässig an die feststehende Auswerteeinheit übertragen werden können. Diese Bedingungen limitieren die erreichbare Genauigkeit und Zuverlässigkeit von spannfutter-integrierten Kraftmesseinrichtungen. Auch die Energieversorgung stellt eine technische Hürde dar, welche zusätzliche Kosten verursacht und die Praktikabilität des Systems einschränkt, z.B. durch erforderliche Ladezyklen oder notwendige Kabelverbindungen. Außerdem wird die Entkopplung von thermischen Einflüssen erschwert. Bei werkzeugwechselnden Maschinen ergibt sich aber vor allem die Schwierigkeit, dass jedes eingewechselte Spannfutter mit einer solchen Kraftmesseinrichtung ausgestattet sein muss, was einen Einsatz in Produktionsmaschinen praktisch aus- schließt und diese Systeme nur für die experimentelle Zerspanungsanalyse geeignet erscheinen lässt.

Ein ebenfalls naheliegender, nicht mitdrehender Ort für die Integration einer Kraftmesseinrichtung in eine Werkzeugspindel liegt zwischen dem Spindelhauptlager und dem feststehendem Spindelgehäuse. Diese beispielsweise aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Anordnung bietet den Vorteil, dass die Energieversorgung und die Datenübertragung konventionell, das heißt kabelgestützt erfolgen und die Messelektronik dezentral angeordnet werden kann. Hierbei ergibt sich jedoch auch eine Einschränkung, da eine solche Kraftmesseinrichtung alle Kräfte und Momente am Werkzeug mit Ausnahme des Drehmomentes erfassen kann. Obwohl auf das Drehmoment in der Regel über die anliegenden Motorströme bzw. den Winkelversatz zwischen Drehfeld und Rotor geschlossen werden kann, sind diese Messmethoden jedoch von vielen Fehlerquellen beeinflusst und daher in ihrer Messgüte nicht mit den spannfutter-integrierten Systemen vergleichbar.

Die aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannte Lösung weist zwischen Spindelgehäuse und dem Wellenlager der Werkzeugspindel eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung auf. Diese Kraftmesseinrichtung ist ringförmig aufgebaut und besteht aus zwei in Achsrichtung hintereinander angeordneten flanschartigen Ringen, welche über mindestens drei, idealerweise aber sechs stegartige Messelemente miteinander verbunden sind. Diese Messelemente fungieren als Verformungskörper und übertragen die Kräfte des unteren Ringes an den oberen Ring. Zur Erfassung der eintretenden Verformungen sind sie mit Dehnmessstreifen versehen. Einer der beiden Ringe ist dabei fest mit dem Außenring des Wellenlagers verbunden, der andere mit dem Spindelgehäuse. Die stegartigen Messelemente sind so angeordnet, dass sie in der Zusammenschau der Messwerte die einwirkenden Kräfte und Momente in allen drei Raumachsen erfassen können.

Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass die stegförmigen Messelemente eine relativ große Nachgiebigkeit aufweisen, woraus sich, insbesondere im Vergleich zu piezobasierten Kraftmesseinrichtungen, bei vergleichbarer Grenzlast eine reduzierte Steifigkeit und eine niedrigere Eigenfrequenz ergibt. Temperaturunterschiede zwischen unterem und oberem Ring werden im Wesentlichen durch die stegförmigen Messelemente ausgeglichen. Diese weisen nach der aus der DE 10 2014 204 130 B3 bekannten Lösung aber keine Möglichkeit zur Kühlung oder Tem- perierung auf, so dass insbesondere in Achsrichtung des Rings eine starke Nullpunktdrift durch das sich erwärmende Spindellager zu erwarten ist. Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung zu schaffen, welche eine hohe Steifigkeit mit einer hohen Auflösung verbindet und in Bezug auf ihre Messgenauigkeit und ihre Nullpunktstabilität unempfindlich gegen Tem- peraturänderungen ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugspindel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Werkzeugspindel ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-14.

Die erfindungsgemäße Werkzeugspindel besitzt einen Messkörper mit einer rohrartigen Verformungszone. Diese ist elastisch ausgeführt. Der Messkörper ist dabei zwischen Maschinen- Ständer und Spindelwelle angeordnet.

Erfindungsgemäß ist die Kraftmesseinrichtung somit zwischen Maschinenständer und rotierender Spindelwelle angeordnet, wobei die Kraftmesseinrichtung einen Messkörper besitzt, welcher zwischen zwei flanschartigen Teilen eine rohrartige Verformungszone aufweist, welche die flanschartigen Teile miteinander verbindet. Dieser Messkörper besitzt im Bereich der rohrarti- gen Verformungszone auf deren äußerer oder innerer Zylinderfläche Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scher- und/oder Längsverformungen. Dabei ist ein flanschartiger Teil des Messkörpers direkt oder indirekt über weitere zwischengelagerte Bauteile mit dem Maschinenständer verbunden, während der andere flanschartige Teil indirekt über zwischengelagerte Bauteile mit der Spindelwelle verbunden ist.

Eine rohrartige Verformungszone des Messkörpers besitzt ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Steifigkeit und Signalausbeute, insbesondere wenn die rohrartige Verformungszone kurz gehalten wird und einen großen Durchmesser mit einer der Messaufgabe angepassten Wandstärke verbindet. Ein großer Durchmesser bietet dabei gleich mehrere Vorteile:

a) ein großer Innendurchmesser erlaubt eine ausreichend große Dimensionierung der Spindel- welle und des Spindelhauptlagers,

b) ein großer Durchmesser bietet genug Platz für die Applikation und den Anschluss der bis zu 32 auf der Zylinderfläche nebeneinanderliegenden Dehnmessstreifen, welche für eine optimale Signalausbeute benötigt werden und

c) er erhöht die Steifigkeit in Bezug auf die Kräfte die lotrecht zur Spindelachse, also in X- und Y-Richtung, auf die rohrartige Verformungszone einwirken.

Die auf die Kraftmesseinrichtung maximal zulässige Krafteinwirkung in Z-Richtung, also in Achsrichtung der Spindelwelle, ist durch die Querschnittsfläche der rohrartigen Verformungs- zone und der Druckfestigkeit des verwendeten Materials bestimmt. Eine Überdimensionierung geht hier zu Lasten der Auflösung, eine Unterdimensionierung reduziert die Dauerfestigkeit und die Überlastsicherheit, so dass der Dimensionierung der Querschnittsfläche durch den Einsatzzweck enge Grenzen gesetzt sind. Die Vergrößerung des Durchmessers der rohrartigen Verfor- mungszone ist also bei vorgegebener Querschnittsfläche durch die immer weiter abnehmende Wandstärke begrenzt, da auch die Knickfestigkeit der Rohrwand ausreichend hoch bemessen sein muss.

Dehnmessstreifen sind Widerstände und geben selbst Wärme ab. Dies führt nach dem Einschalten zu einer Nullpunktdrift, bis sich ein thermisch stabiler Zustand eingestellt hat. Um den Zeit- räum bis zur Erreichung des thermisch stabilen Zustands niedrig zu halten, wird in der Technik üblicherweise versucht, einerseits die Speisespannung der Dehnmessstreifen gering zu halten, andererseits die Wärmeabfuhr am Messkörper zu fördern. Eine sehr dünnwandige rohrartige Verformungszone kann daher unter diesem Gesichtspunkt eher ungünstig sein, insbesondere, wenn im Interesse einer hohen Auflösung mit hohen Speisespannungen gearbeitet werden soll. Aus diesem Grund ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung die Rückwand der rohrartigen Verformungszone mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Kühlmedium beaufschlagt, welches die entstehende Wärme von der Rohrwand abführt. Als Rückwand wird dabei die innere oder äußere Rohrfläche bezeichnet, auf welcher die Dehnmessstreifen nicht appliziert sind. Bei einer kühlmitteldurchströmten Rückwand wirkt sich die Dünnwandigkeit der rohrartigen Verformungszone dagegen positiv aus und führt zu einer wesentlich schnelleren Erreichung eines thermisch stabilen Zustands. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Rohrwand, bzw. die Dehnmessstreifen von der Vorderseite her durch ein Kühlmedium zu kühlen, jedoch müssen in diesem Fall die Kontakte und die Verklebung der Dehnmessstreifen so ausgeführt bzw. abgedeckt sein, dass sie durch das Kühlmedium keinen Schaden nehmen. Auch muss das Kühlmedium nichtleitend sein bzw. durch eine Versiegelung der Kontakte elektrisch entkoppelt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Messkörper einstückig ausgeführt und besteht aus zwei flanschartigen Ringen, welche durch die rohrartige Verformungszone miteinander verbunden sind.Die vorteilhafte Anordnung des Messkörpers zwischen Maschinen- Ständer und Spindelwelle hängt von der Maschinenkonfiguration ab. Maschinen mit leichten, schnelllaufenden Spindeln und geringer Motorleistung werden in der Regel eine Anordnung bevorzugen, bei denen die gesamte Werkzeugspindel inklusive Spindelantrieb, Spindelgehäuse, Spindelwelle und Spannfutter über eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit dem Ma- schinenständer verbunden ist. Daher sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse, einer Spindelwelle, einem Spindelhauptlager und einem Spindelantrieb besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt über den Messkörper mit dem Maschinenständer verbunden ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist es, dass alle Kräfte und Momente, einschließlich des auf das Werkzeug wirkenden Drehmoments von dieser Kraftmesseinrichtung erfasst werden können. Sie ist außerdem leicht nachrüstbar.

Wird die Werkzeugspindel aber leistungsfähiger und schwerer und beinhaltet darüber hinaus Zusatzeinrichtungen wie einen Werkzeugwechsler oder eine Werkzeuginnenkühlung, kann eine andere Anordnung der Kraftmesseinrichtung sinnvoller sein. Bei dieser Anordnung ist die

Kraftmesseinrichtung idealerweise zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager lokalisiert, wobei einer der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers fest mit dem Spindelgehäuse verbunden ist, während der andere Ring fest mit dem Spindelhauptlager verbunden ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann daher vorgesehen sein, dass die Werkzeugspindel mindestens aus einem Spindelgehäuse, einer Spindelwelle, einem Spindelhauptlager und einem Spindelantrieb besteht und diese Teile eine konstruktive Einheit bilden, welche insgesamt direkt mit dem Maschinenständer verbunden ist und der Messkörper innerhalb dieser konstruktiven Einheit fest zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordnet ist.

In beiden Anordnungen entsteht durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungspro- zess Wärme, welcher zu einer Vergrößerung des Durchmessers des spindelseitigen flanschartigen Rings führt. Die einseitige Vergrößerung eines der beiden Ringe führt aber zu einer störenden Nullpunktdrift des Z-Kanals. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwischen der rohrartigen Verformungszone und eines oder beider flanschartigen Ringe über weitere Einschnürungen verfügen, welche die Wandstärke des Rings an diesen Stellen verjüngen. Diese Verjüngungen stellen einerseits Wärmebarrieren dar, andererseits bilden sie auch elastische Barrieren für die aus den Durchmesserunterschieden resultierenden Spannungen. Eine solche Verjüngung arbeitet noch effektiver, wenn sie ebenfalls kühlmittelumströmt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wirkt ebenfalls temperaturbedingten Spannungen bzw. Durchmesserunterschieden entgegen. Bei dieser werden die Temperaturunterschiede und Temperaturveränderungen der beiden flanschartiger Ringe durch eine aktive Temperierung der Ringe und/oder der angeschlossenen Maschinenelemente z.B. mittels eines umgewälzten Kühlmediums möglichst gering gehalten. Die Temperierung kommt - sofern sie eine Möglichkeit der Kühlung und der Wärmeabfuhr beinhaltet - dabei nicht nur der Messgenauigkeit der Kraftmesseinrichtung zu Gute, sondern kann auch positive Auswirkungen auf die erzielbare Werkstückgenauigkeit haben und durch Verhinderung von Überhitzung eine Leistungssteigerung und/oder Lebensdauerverlängerung bewirken. Temperaturänderungen werden entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Hilfe eines oder mehrerer Temperatursensoren in örtlicher Nähe der Kraftmesseinrichtung erfasst. Die gewonnenen Messwerte dienen dazu, den thermischen Zustand der Maschine in der Umgebung der Kraftmesseinrichtung zu ermitteln, und die zeitlichen und örtlichen Temperaturunterschiede für die rechnerische Kompensation von Messfehlern und/oder die Bewertung der momentanen Messgüte zu nutzen.

Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden für die Erfassung der Kräfte in X- Richtung zwei gleichartige DMS-Scherkombinationen verwendet, wobei ein DMS- Paar auf einer Seite der Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone und das andere DMS- Paar um 180° versetzt auf der gegenüberliegenden Seite der Zylinderfläche lokalisiert ist. Für die Erfassung der Kräfte in Y-Richtung sind in gleicher Weise zwei DMS-Scherkombinationen um 90° verdreht auf der Zylinderfläche des Rohrabschnitts angeordnet, so dass sich insgesamt vier DMS-Scherkombinationen auf der Zylinderfläche befinden. Die Messgitter einer DMS- Scherkombination sind dabei lotrecht zueinander als V angeordnet und so ausgerichtet, dass ein Messgitter um +45° und das andere Messgitter um -45° verdreht zur Längsachse des Rohres liegt. Eine einwirkende Kraft in X- oder Y-Richtung bewirkt dann eine Verkürzung des einen Messgitters und eine gleichgroße Verlängerung des anderen Messgitters. Werden beide Messgitter einer DMS-Scherkombination in einer Halbbrücke verschaltet, ergibt sich in bekannter Weise eine höhere Signalausbeute, eine Kompensation von Temperatureinflüssen und eine Kompensation der Dehnungsanteile, die von Zug- und Druckspannungen in Z-Richtung hervorgerufen werden. Werden die insgesamt vier Messwertgeberpaare unabhängig voneinander in vier getrennten Kanälen ausgewertet, lassen sich durch einfache Summen- bzw. Differenzwertbildun- gen seitlich einwirkende Kräfte (z.B. FX) und Torsionsmomente (MZ) voneinander unterscheiden.

Eine zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordnete Kraftmesseinrichtung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Torsionsmomentes kann damit das auf das Werkzeug wirkende Drehmoment aufgrund des zwischenliegenden Wälzlagers nicht erfassen. Allerdings kann es das vom Wälzlager verursachte Verlustmoment erfassen und als Korrekturwert für eine Einrichtung zur Drehmomenterfassung zur Verfügung stellen, welche an der Spindelwelle angreift und z.B. das am Stator des Antriebsmotors abgenommen Reaktionsmoment misst oder eine Drehmomentschätzung auf Basis der Motorströme oder des Drehwinkelversatzes zwischen Drehfeld und Rotor vornimmt.

Für das Torsionsmoment ergibt sich bei der oben beschriebenen vierkanaligen Anordnung auf- grund der vierfachen Redundanz eine besonders hohe Messgenauigkeit. Für die X-und Y- Richtung liefern jeweils zwei Kanäle redundante Signale. Ist die Erfassung von Torsionsmomenten nicht erforderlich, können die beiden jeweils gegenüberliegenden DMS- Scherkombinationen im Interesse einer höheren Signalausbeute oder eines höheren Rauschabstands zu einer Vollbrücke verschaltet werden, so dass statt vier nur noch zwei Verstärkerkanäle erforderlich sind.

Ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sein, dass die Verformung des Messkörpers in Z-Richtung mindestens von zwei, vorzugsweise aber von vier unabhängigen Wheatstonebrücken parallel erfasst wird. Die hierdurch mögliche mehrkanalige Auswertung der Z-Kräfte ermöglicht in der Zusammenschau eine deutlich höhere Auflösung und verringert den bauartbedingten Empfindlichkeitsunterschied zwischen Z und X/Y. Werden vier Messgitterarrays gleichmäßig auf dem Umfang verteilt und gleichzeitig ausgewertet, ergibt sich neben der erhöhten Z- Auflösung überdies die Möglichkeit, die Kippmomente Μχ und Μγ zu erfassen.

Eine hohe Auflösung ist aber nur dann sinnvoll, wenn Störeinflüsse soweit minimiert werden können, dass auch ein sehr kleines Kraftereignis eindeutig einer Krafteinwirkung auf das Werkzeug zugeordnet werden kann. Eine Werkzeugspindel ist aber üblicherweise vielfältigen Krafteinwirkungen ausgesetzt, die nicht in direktem Zusammenhang mit den am Werkzeug wirksamen Kräften stehen. Störende Krafteinwirkungen können zum Beispiel hervorgerufen werden von: - der Trägheit der beschleunigten Spindelmasse (linear und rotatorisch)

- der Präzession der rotierenden Spindelmasse (bei Kippbewegungen der Spindelachse)

- den Bewegungen des Maschinenständers (Vibrationen, Erschütterungen, Kippbewegungen)

- einer veränderlichen Wirkrichtung der Schwerkraft (insbesondere bei Schwenkspindeln)

Ist die Kraftmesseinrichtung an die Werkzeugspindel gekoppelt, stören die von diesen Quellen ausgehenden Kraftwirkungen die Erfassung der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte.

Um die Störeinflüsse auf das Messergebnis zu reduzieren, müssen die beschleunigten Bewegungen der Spindelwelle im Raum, deren Rotationsgeschwindigkeit und die Schwerkraftrichtung kontinuierlich erfasst werden. Aus diesem Grund ist eine Kraftmesseinrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung maschinenständerseitig mechanisch mit Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren gekoppelt. Weiterhin ist die Spindelwelle mit einem Drehgeber ausgestattet. Die Messwerte dieser Sensoren werden kontinuierlich erfasst und der Auswerteeinheit zugeführt. Unter Berücksichtigung der Spindelmasse, des Spindelschwerpunktes und des Trägheitsmoments kann die Auswerteeinheit die von den Störeinflüssen hervorgerufenen Kraftwirkungen rechentechnisch ermitteln und die Ausgabewerte für jede Messgröße (Kräfte und Momente) entsprechend korrigieren.

Die Spindelmasse, der Spindelschwerpunkt und ggf. das Trägheitsmoment der Spindelwelle können (sofern sie nicht bekannt sind) durch die Kraftmesseinrichtung selbst erfasst werden, indem die (rotierende) Spindel einen vorgegebenen Bewegungszyklus abfährt. Die dabei entstehenden Kraftwirkungen können unter Berücksichtigung der momentanen Rotationsgeschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Beschleunigung zur Ermittlung der fraglichen Werte herangezogen werden. Ein solcher Bewegungszyklus kann zeitlich sehr kurz gestaltet werden und bei- spielweise nach jedem Werkzeugwechsel ausgeführt werden, um die Kompensation der Störeinflüsse jederzeit auf der Basis aktueller Bezugsgrößen ausführen zu können.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die beschriebene, nicht mitdrehende Kraftmesseinrichtung durch eine weitere mitdrehende Kraftmesseinrichtung ergänzt, welche zwischen dem rotierenden Werkzeug bzw. der Spannfutteraufnahme und dem Spindelantrieb angeordnet ist. Es kann dann insbesondere vorgesehen sein, dass ein erster zwischen Spindelgehäuse und Spindelhauptlager angeordneter Messkörper durch einen zweiten Messkörper mit einer rohrartigen Verformungszone ergänzt wird, welcher zwischen dem Rotor des Spindelantriebs und einem Spannfutter der Spindelwelle angeordnet ist und somit mitrotiert und welcher Dehnmessstreifen zur Erfassung von Scherverformungen seiner rohrartigen Ver- formungszone trägt, deren messtechnische Auswertung auf die auf das Werkzeug einwirkenden Drehmomente schließen lässt.

Diese zweite Kraftmesseinrichtung hat ausschließlich die Aufgabe, die unmittelbar am Werkzeug wirkenden Drehmomente zu messen. Besitzt diese Kraftmesseinrichtung ebenfalls eine rohrartige Verformungszone, könnten auf dessen Zylinderfläche vier Dehnmessstreifen zu einer Vollbrücke verschaltet werden, welche die Scherverformungen des Zylinders erfassen. Eine mitdrehende Elektronik bestehend aus Messverstärker, Digitalisierungseinheit, Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung sorgt für die Weitergabe der Messergebnisse an die Auswerteeinheit. Es ist selbstverständlich, dass weitere mit der Werkzeugspindel verbundene Einrichtungen, wie z.B. die automatische Werkzeugwechselvorrichtung oder der Anschluss der Innenkühlung, ebenfalls kraftneutral erfolgen sollen. Hierfür existieren jedoch bereits geeignete Lösungen.

Bezugszeichenliste

1 Werkzeug

2 Spindelwelle

3 Spindelgehäuse

4 Spindelachse

5 Rohrartige Verformungszone

6 Dehnmessstreifen

7 Rotor

8 Stator

9 Spindelhauptlager

10 Loslager

1 1 Spannfutter

12 Messkörper, erste Kraftmesseinrichtung

13 Messkörper (mitdrehend), zweite Kraftmesseinrichtung

14 Maschinenständer

15 Spindelantrieb (Motor)

16 Kühlmittel

17 Innenring

18 Außenring

19 Kugel

20 Kugelkäfig

21 Flexible Dichtlippe

22 Dichtring

23 Mitnahmestift

24 Einschnürung

25 Temperatursensor Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel mit einer Kraftmesseinrichtung für die mehrachsige Erfassung der auf ein Werkzeug 1 einwirkenden Bearbeitungskräfte. In diesem Beispiel ist die gesamte Werkzeugspindel inklusive Spindelantrieb 15, Spindelgehäuse 3, Spindelwelle 2 und Spannfutter 11 über eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung mit dem Maschinenständer verbunden. Die Kraftmesseinrichtung beinhaltet einen ringförmigen Messkörper 12 mit einer rohrartigen Verformungszone 5. Diese Verformungszone 5 wird durch einen nutartigen Einstich auf der Innenseite des Messkörpers gebildet. Auf der äußeren Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 sind Dehnmessstreifen 6 appliziert (in dieser Darstellung nicht sichtbar), welche die Verformungen der Zylinderfläche richtungsabhängig in elektrische Widerstandsänderungen wandeln, die von einer geeigneten Messelektronik in äquivalente Messwerte gewandelt wird. Bei einer entsprechenden Bestückung der Zylinderfläche mit Dehnmessstreifen können zu der Spindelachse 4 achsparallele Kräfte (Z) sowie lotrecht zur Spinde lachse 4 einwirkende Kräfte (X, Y) erfasst werden. Durch die Bestückung mit weiteren Dehnmessstreifen sind außerdem die Erfassung der auf das Werkzeug 1 wirkenden Dreh- und Kippmomente möglich.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine alternative Konfiguration einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel. Bei dieser ist die Kraftmesseinrichtung zur Erfassung der Kräfte in X, Y, und Z zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 lokalisiert. Die Kraftmesseinrichtung ist im Wesentlichen wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 ausgebildet und weist auf ihrer Außenseite Dehnmessstreifen 6 auf. Dabei ist einer der beiden flanschartigen Ringe eines Messkörpers 12 dieser Kraftmesseinrichtung fest mit dem Spindelgehäuse 3 verbunden ist, während der andere flanschartige Ring fest mit dem Spindelhauptlager 9 verbunden ist. Der Vorteil dieser Konfi- guration besteht darin, dass die Kraftmesseinrichtung von der Masse des Spindelgehäuses 3 und des Stators 8 entkoppelt wird und also nur noch die Masse des Werkzeugs 1 , des Spannfutters 11, der Spindelwelle 2, des Rotors 7 und den rotierenden Teilen der Spindelwälzlager trägt. Diese Massereduzierung erhöht die Eigenfrequenz und ist insbesondere bei schweren Spindelkonstruktionen und/oder schnelllaufenden Spindeln vorteilhaft. Sie hat jedoch den Nachteil, dass das auf das Werkzeug 1 einwirkende Drehmoment aufgrund des zwischenliegenden Spindellagers nicht mehr von dieser Kraftmesseinrichtung erfasst werden kann. Aus diesem Grund besitzt die in Figur 2 gezeigte Konfiguration eine zweite Kraftmesseinrichtung 13, welche in dieser Darstellung zwischen dem Rotor 7 des Spindelantriebs und der Spindelwelle 2 angeordnet ist. Diese zweite, mitrotierende Kraftmesseinrichtung 13 erfasst unmittelbar das vom Spindelantrieb erzeugte Drehmoment. Eine mitdrehende Elektronik bestehend aus Messverstärker, Digitalisie- rungseinheit, Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung sorgt für die Weitergabe der Messergebnisse an die Auswerteeinheit. Der Messkörper 13 der zweiten, mitrotierenden Kraftmesseinrichtung besitzt im gezeigten Beispiel ebenfalls eine rohrartige Verformungszone, auf dessen Zylinderfläche vier Dehnmessstreifen 6 so zu einer Vollbrücke verschaltet werden, dass die von der drehmomentbedingten Tordie- rung der rohrartigen Verformungszone verursachten Scherspannungen erfasst werden können. Diese Anordnung der Dehnmessstreifen 6 ist bezüglich Temperatureinflüssen selbstkompensie- rend und benötigt daher keine zusätzliche Kühlung.

Die Trennung der Kraftmesseinrichtung in einen feststehenden und einen mitdrehenden Teil hat den Vorteil, dass die feststehende Kraftmesseinrichtung einfach anschließbar und temperierbar ist, während die mitdrehende Kraftmesseinrichtung und insbesondere die mitdrehende Elektronik durch die Reduktion der Messaufgabe auf das Drehmoment sehr viel einfacher und raumspa- render ausführbar ist. Dadurch, dass sie - bedingt durch Ihre Einbaulage - überdies nicht den Kraftfolgen von Kollisionen ausgesetzt ist und auch die Anforderungen an die Steifigkeit deutlich geringer sind, kann Ihre Dimensionierung sich ausschließlich an den vom Antrieb übertragenen Drehmoment orientieren und liefert so die Voraussetzung für eine sehr hohe Auflösung.

Alternativ zu einer mitdrehenden Kraftmesseinrichtung kann auf das am Werkzeug anliegende Drehmoment auch aus den auf den Stator 8 des Antriebsmotors wirkenden Reaktionskräften geschlossen werden, bei der die Kraftmesseinrichtung zwischen Stator 8 und Spindelgehäuse 3 lokalisiert ist. Diese Anordnung lässt gegenüber der mitdrehenden Lösung eine geringere Messgüte erwarten, ist demgegenüber jedoch aufgrund der nicht mehr erforderlichen mitdrehenden Elektronik sehr viel preiswerter und einfacher integrierbarer. Das Antriebsmoment kann jedoch auch ohne Kraftmesseinrichtung auf indirekte Weise abgeschätzt werden, wie dies bereits vielfach praktiziert wird, z.B. auf Basis der Motorströme oder des Drehwinkelversatzes zwischen Drehfeld und Rotor.

Das vom Spindelantrieb gelieferte Drehmoment ist jedoch ungleich dem Drehmoment, das für die Zerspanungsarbeit aufgewendet wird, da ein Teil des Antriebsmomentes für die Überwin- dung der Lagerreibung aufgewendet wird. Bei geringen Zerspanungskräften und einer hohen Lagervorspannung können diese Verlustmomente sogar den überwiegenden Teil des vom Antrieb gelieferten Drehmomentes beanspruchen. Besitzt die erste, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordnete Kraftmesseinrichtung 12 zusätzlich eine Dehnmessstreifenanordnung zur Erfassung von Torsionsmomenten, lassen sich damit mindestens die vom Spindelhauptlager 9 verursachten Verlustmomente messtechnisch erfassen. Dieser Messwert kann von einer Auswerteeinheit als Korrekturwert herangezogen und von dem Messwert der zweiten, zwischen Spindelwelle 2 und Rotor 7 angeordneten Kraftmesseinrichtung 13 abgezogen werden, um genauer auf das tatsächlich am Werkzeug anliegende Drehmoment schließen zu können.

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2, wobei ein Mitnahmestift 22 ersichtlich ist, über welchen der Messkörper 13 der mitdrehenden Kraftmesseinrichtung mit der Spindel- welle 2 verbunden ist. Ferner ist bei der ersten, zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager 9 angeordneten Kraftmesseinrichtung die innere Wand der rohrartigen Verformungszone 5 mit einem Kühlmittel 16 beaufschlagt oder wird aktiv davon durchströmt. Dies führt die bei der Bestromung der Dehnmessstreifen 6 entstehende Wärme ab und ermöglicht einen Wärmeausgleich zwischen den beiden flanschartigen Teilen des Messkörpers 12. Im Falle einer aktiven Durchströmung besitzt die Kühlmittelkammer hinter der rohrartigen Verformungszone 5 mindestens einen Zu- und Ablauf für das Kühlmittel (nicht dargestellt), sowie eine daran angeschlossene Temperiereinrichtung, bestehend aus einer Umwälzpumpe und einem Kühlaggregat.

Entsprechend einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann alternativ zu der direkten Beaufschlagung mit Kühlmittel 16 hinter der rohrartigen Verformungszone 5 auch ein kühlmitteldurchströmtes Rohr oder ein Wärmerohr angeordnet werden. Um die Bewegungsfreiheit des Messkörpers 12 nicht einzuschränken, ist dieses Rohr zu den Wandungen des Messkörpers 12 beabstandet, sodass zwischen diesem Rohr und der Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone 5 ein Spalt entsteht. Dieser Spalt kann mit einem flüssigen, pastösen oder gelartigen Medium gefüllt sein, welches den Wärmeübergang zwischen Messkörper und Rohr fördert. Dabei zeigt Figur 3 eine flexible Dichtlippe 21 und einen Dichtring 22 zwischen dem ersten Messkörper 12 und einem anderen Bauteil, mit welchem der Spalt mit dem Medium 16 abgeschlossen wird.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugspindel mit einer zwischen Spindelgehäuse 3 und Spindelhauptlager angeordneten Kraft- messeinrichtung., Eine solche Anordnung kann hinsichtlich Ihrer Nullpunktstabilität von einer weiteren Fehlerquelle bedroht sein. Diese Fehlerquelle ist die zweite Spindellagerung, das so genannte Loslager 10. Die Spindelwelle 2 unterliegt permanenten Temperaturschwankungen und ändert dementsprechend ihre Länge. Das Loslager 10 soll diese Längenänderungen in Achs- richtung ermöglichen. Die meisten Loslagerkonstruktionen arbeiten dabei aber in Achsrichtung nicht völlig kraftneutral, das heißt sie generieren Störkräfte in Achsrichtung, welche die Null- punktstabilität der Kraftmesseinrichtung beeinträchtigen. Aus diesem Grund besitzt die hier dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ein Loslager 10, welches eine weitgehend kraftneutrale und hysteresefreie Längenausdehnung in Achsrichtung (Doppelpfeil) zulässt. Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Wälzlagers. Diese besitzt im Wesentlichen die Form eines konventionellen Radiallagers bestehend aus Innenring 17, Außenring 18, Kugelkäfig 20 und Kugeln 19, jedoch besitzen die Kugellaufflächen beim Außen- und Innenring keinen durchgehenden, dem Kugelradius r angenäherten Quer- schnitt, sondern besitzen mittig einen annähernd zylindrischen Abschnitt, welche eine axiale

Wälzbewegung erlaubt. Als annähernd zylindrisch wird dieser Abschnitt deshalb bezeichnet, da er in Wahrheit ebenfalls einen kreisbogenförmigen Querschnitt besitzt, dessen Radius R allerdings sehr viel größer als der Kugelradius r ist. Hierdurch entsteht in Bezug auf den Kugelkäfig 20 eine zentrierende Wirkung, welche den drehenden Kugelkäfig 20 nach einer radialen Aus- lenkung rasch wieder in die Mitte zurückführt. Abhängig von der Größe dieses Radius entsteht bei einer axialen Auslenkung insbesondere bei einem stillstehenden Lager eine der Auslenkungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Ist der Radius jedoch groß genug, kann diese Kraft unterhalb der Auflösungsschwelle der Kraftmesseinrichtung gehalten werden.

Figur 5 zeigt einen Messkörper mit einer alternativen Ausgestaltung einer rohrartigen Verfor- mungszone 5. Die durch den Motor, die Lagerreibung und den Zerspanungsprozess entstehende Wärme kann zu einer einseitigen Vergrößerung des Durchmessers einer der beiden flanscharti- gen Ringe des Messkörpers 12 führen. Hieraus resultiert in der rohrartigen Verformungszone 5 eine Zugspannung, welche zu einer störenden Nullpunktdrift des Z-Kanals führt. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, kann eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zwischen der rohrartigen Verformungszone 5 und mindestens einem der beiden flanschartigen Ringe des Messkörpers 12 über weitere Einschnürungen 24 verfügen, welche die Wandstärke des Rings an diesen Stellen nochmals verjüngen. Diese Verjüngungen stellen einerseits Wärmebarrieren dar, andererseits bilden sie auch elastische Barrieren für die aus den Durchmesserunterschieden resultierenden Spannungen. Eine solche Verjüngung arbeitet noch effektiver, wenn Sie ebenfalls kühlmittelumströmt ist. In dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass sich die Wärmequelle auf der unteren Seite des Rings befindet. Bereits die Oberseite des unteren flanschartigen Rings des Messkörpers 12 steht bedingt durch die Einschnürung 24 in großflächigem Kontakt mit dem Kühlmittel 16, so dass der Durchmesserunterschied bereits innerhalb dieses unteren Ringabschnitts zwischen Unter- und Oberseite erheblich reduziert wird. Der sich zwischen der Einschnürung 24 und der rohrartigen Verformungszone 5 befindliche massivere Ringteil ist nahezu vollständig kühlmittelumströmt und dient als weitere mechanische und thermische Barriere. Dichtungen 21 und 22 begrenzen den kühlmitteldurchströmten Raum nach oben und unten, wobei mindestens eine der beiden Dichtungen 21 radial und axial elastisch ausgeführt ist, um Druckunterschiede des Kühlmittels auszugleichen und die ungehinderte Verformung des Messkörpers 12 zuzulassen. Das Kühlmittel wird aktiv temperiert. Seine Bezugstemperatur erhält es dabei beispielsweise von einem Temperatursensor 25, welcher im oberen flanschartigen Ring des Messkörpers 12 eingelassen ist. Dabei wird angenommen, dass der obere flanschartige Ring an das Spindelgehäuse angeflanscht ist, welches selber Temperaturände- rungen und damit Durchmesserschwanken erfährt. Ziel dieser Anordnung ist es, mechanische Spannungen zwischen dem Messkörper 12 und dem nicht dargestellten Spindelgehäuse 3 zu vermeiden. Die Applikationsfläche für die Dehnmessstreifen 6 liegt in diesem Ausführungsbeispiel außen.

Figur 6 zeigt beispielhaft die bevorzugte Bestückung der hier abgewickelt dargestellten Zylin- derfläche der rohrartigen Verformungszone 5 mit Dehnmessstreifen. Die so bestückte Kraftmesseinrichtung erlaubt eine Erfassung von Kräften in X, Y-, und Z-Richtung, von Kippmomenten um die X- und Y- Achse, sowie von Drehmomenten um die Z- Achse.

Hierfür werden vorzugsweise acht Kanäle aufgebaut. Jedem Kanal steht dabei eine vollbestückte Vollbrücke mit vier Dehnmessstreifen zur Verfügung, auf der Zylinderfläche sind also insge- samt 32 Messgitter angeordnet. Die Verteilung der Längs-Querkombinationen (LQ) für die Erfassung von Zug-/Druckverformungen (Z) in Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone 5 und der Scherkombinationen (V) für die Erfassung von Scherverformungen (X, Y) lotrecht zur Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone auf der Zylinderfläche ergibt sich entsprechend der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform wie folgt: Yl (V) bei 0°

ZI (LQ) bei 45°

XI (V) bei 90°

Z2 (LQ) bei 135°

Y2 (V) bei 180°

Z3 (LQ) bei 225°

X2 (V) bei 270°

Z4 (LQ) bei 315° Steht ausreichend Platz auf der Zylinderfläche zur Verfügung, können die zu einer Vollbrücke gehörenden vier Dehnmessstreifen auch nebeneinander angeordnet werden, was die erforderliche Höhe h der rohrartigen Verformungszone halbiert und so zu einer deutlich erhöhten Steifigkeit führt. Figur 7 zeigt eine beispielhafte Beschaltung von acht Wheatstone-Brücken für eine Kraftmesseinrichtung mit der in Figur 6 dargestellten Anordnung von Dehnmessstreifen. Jede Wheats- tonebrücke repräsentiert dabei einen Kanal.

Für diese Anordnung ergeben sich die Vergleichswerte für

1. eine einwirkende Kraft in Z-Richtung (FZ) aus ZI + Z2 + Z3 + Z4 2. ein einwirkendes Kippmoment um die X-Achse (MX) aus (ZI + Z2) - (Z3 + Z4)

3. ein einwirkendes Kippmoment um die Y-Achse (MY) aus (ZI + Z4) - (Z2 + Z3)

4. eine einwirkende Kraft in X-Richtung (FX) aus XI - X2

5. eine einwirkende Kraft in Y-Richtung (FY) aus Yl - Y2

6. ein Torsionsmoment (Drehmoment) um die Z- Achse (MZ) aus XI + X2 + Yl + Y2 Eine erfindungsgemäße achtkanalige Auswertung bietet einige wesentliche Vorteile. Eine rohrartige Verformungszone verformt sich unter dem Einfluss einer in Achsrichtung einwirkenden Kraft deutlich weniger als unter dem Einfluss einer quer zur Achsrichtung einwirkenden Kraft. Zudem liefern die Längs-/Querkombinationen der Dehnmessstreifen in Achsrichtung (Z) nur etwa 65% der Signalausbeute der Scherkombinationen in Querrichtung (X Y), so dass sich unter Umständen ein Gesamtunterschied in der Empfindlichkeit zwischen X/Y und Z von 500% und mehr ergäbe, stünde für jede Achsrichtung nur eine Vollbrücke zur Verfügung. Eine redundante Auswertung in vier Z-Kanälen reduziert diesen Empfindlichkeitsunterschied jedoch erheblich. Der Vorteil einer vierfach redundanten Auswertung ergibt sich insbesondere auch für das Torsionsmoment bzw. das Drehmoment (MZ), bei dem die Signale der vier Scherkombinationen ge- nutzt werden können.