DE19632148A1 - Maschinenwerkzeug für die Prozeßsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Maschinenwerkzeug, insbeson­ dere einen Drehmeißel, zur automatischen Überwachung des Spa­ nungsvorganges und zur Prozeßsteuerung, bei dem die Prozeßgrößen meßtechnisch erfaßt, an Ort und Stelle ausgewertet und zur unmittelbaren Steuerung des Spanungsprozesses umgesetzt werden.

In der modernen Fertigungstechnik mit spanenden Maschinenwerkzeugen werden zur Erfüllung der vielfältigen Aufgaben nach kürzeren Bear­ beitungszeiten, nach verbesserter Bearbeitungsqualität, nach Erhöhung der Schnittleistungen, nach Einsparung von Arbeitsschritten und schließlich auch zur Vermeidung von Maschinenstillstandszeiten hohe Anforderungen gestellt.

Für den Werkzeugeinsatz bedeutet das, daß der Betrieb der Werkzeuge durchweg an der oberen Leistungsgrenze obligatorisch wird. Das wiederum bedeutet, daß das Risiko einer schnelleren Schädigung der Werkzeugschneide oder eines Werkzeugbruchs noch um ein erhebliches Maß größer wird. Das ist nachteilig und mit erhöhten Kosten verbunden. Um diesen Umständen in geeigneter Weise und in wirksamer Form zu begegnen, sind schon seit langem Methoden entwickelt worden, um möglichst rechtzeitig den jeweiligen Werkzeugzustand zu erkennen und die Werkzeuge vor ihrem totalen Leistungsende auszuwechseln bzw. austauschen zu können. In befriedigender Weise haben sich jedoch diese Verfahren noch nicht durchzusetzen vermocht, zumal diese bekannten Arten der Werkzeugüberwachung neben den wegen dem Nichterreichen der möglichen Nutzungsgrenze erhöhten Aufwand, teilweise auch funktionale Unzulänglichkeiten aufweisen bzw. kein verläßlich sicheres und umfassendes Bild vom tatsächlich vorhandenen Zustand des Werkzeuges liefern.

So wird durch die DE-OS 43 30 808 eine Vorrichtung zur Messung der Bearbeitungskräfte von Werkzeugen in Vorschlag gebracht, mit der unter Zuhilfenahme eines Wegaufnehmers eine Messung der Werkzeug­ vorschubkräfte erfolgt, und, mit einem Referenzwert verglichen, Aufschluß über den Abstumpfungsgrad des spanabhebenden Werkzeuges gibt.

Die der DE-PS 39 08 175 zugrunde liegende Erfindung betrifft einen Wandler zum Ermitteln einer Schneidkraft oder eines Schneidwiderstandes unter Verwendung eines piezoelektrischen Sensors, in einem rotierend arbeitenden Werkzeughalter, mit dem ebenfalls axial wirkende Belastungen auf das Zerspanungswerkzeug aufgenommen und einem entsprechenden Wandler zur weiteren Verarbeitung übertragen werden.

Bei weiteren bekannten technischen Lösungen zur Erfassung und Messung der Schneidkraft bzw. des Schneidwiderstandes während des Bearbei­ tungsprozesses, so wie es die Objekte nach der
DE-PS 44 26 814; DE-OS 31 07 470; DE-OS 19 29 478 DE-OS 37 24 383; DE-PS 42 33 035; DE-PS 35 94 477
vorsehen, wird u. a. mit Dehnmeßstreifen, piezoelektrischen Platten, Piezosensoren und Differenz-Thermoelementen zur Erfassung der Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit an der Schneide gearbeitet, um zumindest teilweise Aufschluß über den jeweiligen Werkzeugzustand zu erlangen und Vorkehrungen für die Steuerung des Produktionsprozesses zu veranlassen.

Obzwar mit diesen bekannten Mitteln und Methoden der Maschinen­ überwachungs- und Diagnosesysteme, die im wesentlichen auf Anwendung von Kraft-, Drehmoment- und Wegmessungen und auch auf Temperaturmessungen beruhen, bereits wesentliche Fortschritte auf dem Gebiet der Werkzeugzustandserkennung erzielt worden sind, vermögen sie die derzeitigen Ansprüche nach einer Messung und Kontrolle der hochbelasteten Bereiche an spanabhebenden Maschinenwerkzeugen zum Zwecke einer automatisierten Kontrolle und Steuerung der Produktions­ prozesse, kaum zu erfüllen.

Das hat offenbar seine Ursachen darin, daß sie keine direkten, unmittelbaren Messungen an den kritischen Belastungsstellen der Werkzeuge ermöglichen und zudem eine komplex angelegte Überwachung und Vergleichskontrolle der verschiedenen betrachtungsnotwendigen Kriterien außer Betracht stellen.

Aus diesen Umständen resultiert der Zweck und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Überwachung und meßtech­ nische Erfassung des Spanungsvorganges zu vervollkommnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit Hilfe einer schnellen Messung des auf den Schneidkörper wirkenden bzw. ausgeübten Kraftmomentes die Schneidkraft und damit die Formungsarbeit bei der Spanbildung unmittelbar und mit anspruchsvoller Genauigkeit und gleichzeitig über eine bestimmte Schnittstrecke den Verlauf bzw. die gemittelte Erhöhung der Schneidentemperatur zu messen, um diese Prozeßgrößen für die verläßliche Erkennung des Werkzeugverschleißes sicht- und nutzbar zu machen.

Gleichzeitig gehört es zur Aufgabenstellung, mit dieser Meßdatenerfassung und deren Verarbeitung innerhalb eines Signalprozessors, die Art und Größe etwaiger Kollision und Störung erkennbar dazustehen und unverzüglich wirkende Vorkehrungen für deren Beseitigung einzuleiten.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen charakterisierten technischen Merkmale und Maßnahmen gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sich fernerhin aus den Unteransprüchen ergeben.

Der mit der erfindungsgemäßen Lösung in Vorschlag gebrachten neuen Meßtechnik liegt vordergründig der Gedanke zugrunde, mit einer schnellen Messung des auf den Schneidkörper wirkenden Kraftmomentes die Schneidkraft und damit die Verformungsarbeit der Spanbildung unmittelbar zu messen. Im allgemeinen genügt die Messung des auf die Schneidplatte ausgeübten Momentes mit einem schnellen piezoelektrischen Dehnungs­ sensor zur Erfassung der Schneidkraft. Die Messung der Schneiden­ temperatur kann in einem Abstand zur Schneide langsamer erfolgen und erlaubt die Messung der über eine Schnittstrecke gemittelten Erhöhung der Schneidentemperatur.

Die Kombination eines schnell reagierenden Kraft- bzw. Dehnungs- und Beschleunigungssensors mit einem Temperatursensor ermöglicht in vollkommener Weise die angestrebte vollständige Erfassung des jeweiligen Verschleißzustandes am Schneidkörper, und schafft die Voraussetzung dafür, eine ebensolche kombinierte Auswertung der mechanischen und der Temperatursignale vorzunehmen, womit jeweils die exakte Bestimmung des zu einer bestimmten Zeit vorhandenen Arbeitszustandes des Zerspanungswerkzeuges möglich ist. Mit der gleichzeitigen Messung der Schnittkraft und der Temperatur und der daraufhin möglichen komplexen Signalverarbeitung wird eine hohe Sicherheit zur Beherrschung der technologischen Prozesse während der spangebenden Bearbeitung erreicht.

Zusammenfassend stellt sich die erfindungsgemäße kombinierte Anordnung der Sensorelemente vorteilhafterweise so dar, daß

• - kurzzeitige Änderungen im Bearbeitungsablauf während des spanenden Eingriffs des Werkzeuges, z. B. verursacht durch Verschleiß, durch Schneidenausbruch oder durch Inhomogenitäten des bearbeiteten Werkstoffs, durch die Messung und Erfassung der auftretenden Kräfte sehr gut feststellbar sind (Frequenzbereich bis zu einigen MHz);
• - langsamere Änderungen im Bearbeitungsablauf, die auf einen zunehmenden Werkzeugverschleiß zurückzuführen sind, durch Temperaturveränderungen gut zu detektieren sind (Frequenzbereich bis zu einigen KHz);
• - Veränderungen, die sich über einen längeren Bearbeitungszeitraum ankündigen, wie etwa Veränderungen an der Maschine lassen sich in der Verbindung von Kraft- und Temperaturmessung gut nachweisen, wobei durch die zusätzliche Einbindung eines Beschleunigungs- bzw. Schwingungssensors noch die Vorhersagemöglichkeit verbessert wird.

Die Erfindung soll nachstehend in der getroffenen Anordnung der Wirk­ elemente an Hand einer Zeichnung näher veranschaulicht und kurz erläutert werden.

Die Zeichnung stellt einen erfindungsgemäß ausgerüsteten Drehmeißel schematisch dar.

Im Werkzeughalter 1, dicht unterhalb des Schneidkörpers 2 sind Kraft-, Beschleunigungs- und Temperatursensoren 3 gegenüber etwaigen starken Stößen temperaturbeständig und zerstörungssicher eingebettet. Die Anordnung dieser Elemente ist in prinzipiell bekannter Weise so getroffen, daß deren maximale Empfindlichkeit gegeben ist. Die Meßdaten werden auf übliche Weise an den Signalempfänger bzw. an die Signalauswerteeinheit 4 weitergegeben und nach Verarbeitung der Signaldaten werden verstärkte Steuersignale an einen Aktor 5 weitergeleitet.

Der Aktor 5 ist hierbei in unmittelbarer Nähe des kombinierten Sensors und mit seiner Stellrichtung gegenüber der Hauptangriffsrichtung der Zerspanungskräfte orientiert angeordnet, wodurch sein maximaler Stellweg optimal nutzbar ist.

Da die Feinpositionierung der Werkzeugschneide am Schneidkörper 2 entsprechend der Kraft- und Temperaturwerte nur kleine, im µm-Bereich liegende Stellwege aber relativ große im kN-Bereich liegende Kräfte erfordert, findet als Stellglied vorteilhafterweise ein piezoelektrisch arbeitender Aktor 5 Anwendung.

Als Kraft- bzw. Dehnungssensor wird eine GaAs-Halbleiterkomponente verwendet, in der der Piezoeffekt die sensortypische Signalwandlung bewirkt. Die Temperaturmessung erfolgt in einem PTC-Halbleiterwiderstand auf SiC-Grundlage oder gegebenenfalls in derselben GaAs Halbleiterkomponente.

Die von diesen Halbleitern ertragbaren Grenztemperaturen liegen bei ca. 300°C bis 500°C, wodurch sie am Schneidkörper in eine optimale Position gesetzt werden können.

Claims (7)

1. Maschinenwerkzeug für die spanabhebende Metallbearbeitung mit einem kontinuierlich arbeitenden System zur Werkzeugüberwachung, bei dem die Prozeßgrößen meßtechnisch erfaßt, ausgewertet und zur unmittelbaren Prozeßsteuerung umgesetzt werden, gekennzeichnet durch die Anordnung eines kombinierten, oder mehrerer einzelner Kraft-, Temperatur- und Beschleunigungssensoren an sensibler Stelle und unmittelbar im Bereich der Stützfläche des Werkzeughalters (1) für den Schneidkörper (2) zur gleichzeitigen Erfassung der Meßdaten, wobei im Werkzeughalter (1) die Signalauswerteeinheit (4) zur Verar­ beitung der Signaldaten angeordnet ist, um die berechneten und verstärkten Stell- bzw. Steuersignale einen ebenfalls im Werkzeughalter (1) angeordneten Aktor (5) zuzuleiten.

2. Maschinenwerkzeug mit Aufnahmesensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittkraft, Beschleunigung und Temperatur durch den Einbau mechanischer und thermischer Sensoren gleichzeitig gemessen werden.

3. Maschinenwerkzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezosensor zur Messung der in der Werkzeugauflage wirken­ den elastischen Dehnung verwendet wird.

4. Maschinenwerkzeug mit Aufnahmesensorik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Piezosensor ein GaAs-Meßelement eingesetzt wird.

5. Maschinenwerkzeug mit Aufnahmesensorik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Piezosensor ein Si-Meßelement eingesetzt wird.

6. Maschinenwerkzeug mit Aufnahmesensorik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dehnungssensor ein magnetostrik­ tives Meßelement eingesetzt wird.

7. Maschinenwerkzeug mit Aufnahmesensorik, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische Daten der Krafteinwirkung in folge zeitlicher Alterung der Maschine durch die zeitlich ungleichmäßige Einwirkung der Schmier- und Kühlmittel und andere langzeitig wirkende Einflüsse gemessen werden und in der Datenauswertung Berücksichtigung finden.