DE3733130A1 - Universal messerkopfeinstell - und schwingungsmesssystem - Google Patents

Description

Die Entwicklung der Verfahren in der spangebenden Bearbeitung ist wesentlich durch die Verbesserung der Schneidmaterialien und Werk­ zeugmaschinen gekennzeichnet, ohne, daß die Beziehungen zwischen Schneidmaterial, Schneidenform, Werkstoff und Schnittgeschwindigkeit bisher eindeutig bestimmt sind.

Erst kürzlich wurde erkannt, daß die Oberflächengüte eines Werkstückes unter Fräsbearbeitung auch von dem Eigenschwingungsverhalten des Werk­ stückes abhängt.

Ebenfalls zeichnet sich ab, daß die vieldiskutierte ungerade Teilung des Messerkopfes keine Lösung darstellt.

Physikalisch handelt es sich um die Optimierung eines Mehrparameter- Problems, wobei mindestens ein Parameter - der Einfluß der Spindel­ lagerung - selbst ein Parameterkollektiv ist.

Bisher wird der Messerkopf von der Werkzeugmaschine getrennt bestückt und eingestellt, wobei entweder Meßuhren verwendet werden oder aber die Schneidenkontur optisch gegen eine Schablone auf einer Mattscheibe verglichen wird.

Voraussetzung für die Genauigkeit des Verfahrens ist ein hohe thermische Stabilität der Meßmaschine um Triangulationsfehler im Strahlengang zu vermeiden. Ungeachtet dessen sind diese Meßmaschinen häufig weder in klimatisierten Räumen aufgestellt, noch gibt es nachvollziehbare Eichkriterien.

Erkennbar bleiben bei diesem Verfahren sowohl die Einflüsse aus dem Spiel der Arbeitsspindel wie auch die Schlagverformung der Schneiden­ halterung unberücksichtigt.

Letztere ist nicht unbeträchtlich, da die heutzutage übliche Mehr­ achsen-Schneidenverstellung statisch weiche Messerköpfe erzeugt, welche bei hohen Schnittgeschwindigkeiten signifikante Verformungen aufweisen.

Eine optimale Einstellung muß also auch unter Last erfolgen, wobei eine Vielzahl von Meßschritten erforderlich ist, handelt es sich doch bei nahezu jedem Parameter um verteilte und nicht deterministische Größen.

Die Problemlösung muß also folgende Funktionen ermöglichen:

• a) Einbau der Schneidenhalterung in den Messerkopf und Einstellung der Schneidenwinkel.
• b) Einstellung des Planlaufes aller Schneiden - statisch -.
• c) Bestimmung der Schneidenbahnen im Umlauf bei verschiedenen Drehzahlen.
• d) Bestimmung der Schneidenbahnen im Eingriff.
• e) Beobachtung des Spanlaufes.

Flankierend dazu sind Schwingungsmessungen an Maschine und Werkstück notwendig.

Dieses recht aufwendige Verfahren ist gegen Standzeiten von vielen Monaten zu werten.

Erfindungsgemäß besteht die Problemlösung aus folgenden Geräten:

Abb. 1 Grundgerät mit Laserröhre 1, Umlenkspiegel 2, Strahlteiler 3, Zweichasenmodulator 4 und 5 mit Antrieb und Tachogenerator 6, Strichfokusoptik 7, Innenstroboskop 8, Meßoptik 9, Halterung 10, Einstellschraube 11 und Teilmengensensor 12 für die Funktionen a-e.

Abb. 2 Grundgerät mit Schneideneinstelloptik 16, Verlängerung 17, opto - elektronischem Sensor 18 und Rechner 20, für die Funktion b; mit 19 für c.

Abb. 3 Grundgerät mit Schneideneinstelloptik 16 für die Funktionen d und e.

Gemessen wird jeweils die Schneide 14 im Fokus 15

Diese Gerätetechnik bietet:

Schwingungsmessung durch Überlagerung von Punkt- und Strichsignal 13 wobei das Innenstroboskop 8 die Frequenz und die Meßoptik 9 die Amplitude mißt.

Dabei wird die dem Laser eigentümliche, die Erkennung der Fokusgrenzen behindernde Radianz im Auftreffpunkt des Strahles, durch die Strahl­ modulation mittels umlaufender Lochscheiben 4 und 5 eliminiert, so daß jeweils scharf begrenzte Punkt-Strichsignale übrigbleiben. Die Energieverteilung je Flächeneinheit läßt den Strich hierbei schwächer als den Punkt erscheinen.

Aufgrund der Strahlgeometrie Abb. 1 erscheint der Punkt bei einer Schwingung mit der Amplitude senkrecht zur betrachteten Fläche als ortsfest, wobei sich der Strich mit der Schwingungsfrequenz um diesen Punkt bewegt.

Durch Zwischenschaltung des Stroboskopes 8 mit Tachogeneraor wird diese Bewegung zum Stehen gebracht, wobei die Frequenz direkt ablesbar ist. Die Amplitude ergibt sich aus der Gradierung der Meß­ optik 9.

Das menschliche Auge erkennt Abweichungen von .01 mm, wenn diese radiant sind, es differenziert Bewegungen zwischen 4 und 13 Hz, so daß ein Schnittwinkel von 15° eine Bewegung in Richtung des Punktstrahles vierfach verstärkt, wodurch Amplituden im µm-Bereich als Unruhe des Punkt-Strichsignales sichtbar werden.

Wird die Optik durch einen Teilmengensensor - Anm. Europatent 84 105 561.9 - Strahllagewächter - ergänzt, so sind objektive Messungen sehr hoher Auflösung möglich. Teilmengensensor 12.

Messungen extrem hoher Auflösung werden durch Eigenschwingungen des Meßgerätes leicht gestört. Daher wird das Eigenschwingungsverhalten im Prozeßrechner 20 der Meßdatenverarbeitung mit dem Bildungsgesetz gespeichert und bei der Auswertung berücksichtigt. Für die überwiegende Zahl der Fälle ist diese Korrektur jedoch nicht notwendig.

Messung des dynamischen Schneidenverhaltens über die Messung derjenigen Strom- oder Spannungsänderung, welche durch die beim Durchgang der Schneide 14 durch den strichfokussierten Laserstrahl eintretende Abschattung auftreten. Hierbei bestimmt die Sensorvorspannung und Verstärkerträgheit die Grenzgeschwindigkeit des Meßobjektes.

Übliche Anstiegszeiten lassen dabei mit 300 ns Grenzgeschwindig­ keiten zu, welche bis heute in der Zerspanungstechnik noch keine Entsprechung haben.

Die Meßwertdarstellung erfolgt auf einem Oszilloskop 19, wobei die Zuordnung der den Impuls auslösenden Schneide durch eine getriggerte Blitzröhre erfolgt.

Der Trigger stützt sich auf einen im Sensor 18 vorgegebenen, einstell­ baren Grenzwert, kann aber auch mit dem Tachogenerator am Modulator 5 gekoppelt sein.

Die sehr hohe Empfindlichkeit diese Meßverfahrens findet bislang kein Equivalent in den Einstellelementen für die Schneide, welche im allgemeinen aus Feingewindeschrauben bestehen.

Das bedeutet entweder eine Umgestaltung der Einstellelemente unter Verwendung von Vorspannelementen in den Einstellrichtungen, oder aber die Korrelation von Kollektiven der Meßwertabweichungen mit den am Werkstück erzielten Oberflächengüten.

Unter Einbeziehung aller auftretenden Störgrößen wie Lagerluft, Werkstückschwingung und Werkzeugschwingung, scheint die Korrelation von Kollektiven der Forderung nach Optimierung des vorliegenden Multiparameter-Problems am besten zu entsprechen. Dieser Verfahrensweise dient der Prozeßrechner 20.

Messung der Schneidenwinkeleinstellung durch eine hochauflösende, gerätefeste Optik 16 mit systemfestem Fadenkreuz. In der Voreinstellung erfolgt dies statisch ohne Laserverwendung.

Die durch Fliehkräfte eintretende Verformung mit ihrem Einfluß auf den Schneidenwinkel wird danach unter Zuhilfenahme des strichfokussierten Lasers mit Modulation durch 5 stroboskopierend in 16 erfaßt.

Schlagmessung von Arbeitspindeln durch Abschattungsmessung mittels Oszilloskop 19 oder aber dem Punkt-Strichsignal 13 unter Ver­ wendung von Innenoptik 9 und Innenstroboskop 8.

Schwingungsmessung an Bauteilen mit Punkt-Strichsignal 13.

Spanflußuntersuchungen und deren Darstellung mittels moduliertem Laserstrahl, zu welchem ein am Modulator angebrachter Tachogenerator 6 eine Blitzlampe triggert, welche die Fotografie durch die Schneiden­ einstelloptik ermöglicht.

Bei sehr engen Schneidenabständen verlangt eine ausreichende Fokusabschattung die Verlegung des Sensors nach unten und eine Strahlumlenkung durch Spiegel hinter dem Fokuspunkt 15. Für die korrekte Phasenposition, beispielsweise an PKD-Schneiden, ist durch eine entsprechende Vorrichtung gewährleistet, daß der Strichoptikvorsatz vor dem Strahlenexpander ausgeschaltet werden kann, womit die Messung in normal fokussierten Strahl erfolgt.

Thermische Veränderungen mit Auswirkung auf den Strahlengang spielen keine Rolle, da hinter jedem Schneidendurchgang durch den Fokuspunkt 15 ein ungestörter Strahlengang den Meß-Nullpunkt bestätigt. Eine automatische Meßwertkorrektur kann dabei durch den Prozeßrechner vorgenommen werden.

Claims (12)

1. Universal Messerkopfeinstell- und Schwingungsmeßsystem bestehend aus Signalerzeuger, Signalmodulator, Strichfokusoptik, Innenstroboskop, Meßoptik, optoelektronischer Signalerfassung und -auswertung, Schneideinstelloptik, Oszilloskop und Prozeß­ rechner, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalmodulator durch frequenzvariable Strahlunterbrechungen sowohl Punkt-Strichsignale für die Schwingungsmessung, Strichsignale für die Schneiden­ stroboskopierung als auch Dauerstrich-Strichsignale für die Planlaufeinstellung der Schneiden erzeugt und mittels systemfester Optiken statisch wie dynamisch Messungen vorzunehmen gestattet.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch eine Strichfokusoptik erzeugte Laserlichtebene mit ihren Begrenzungen die Meßreferenz darstellt.

3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ werte durch Abschattung des Fokus der Laserlichtebene erzeugt werden.

4. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Schneidenformen durch Eichkurven im Prozeßrechner keinerlei Empfindlichkeitseinbußen in der Meßdatenerfassung erleiden.

5. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meßfehler durch Fremdlicht durch Interferenzfilter vor der Signalerfassung ausgeschaltet werden.

6. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fremd­ lichteinflüsse durch geeignete Signalmodulation ausgeschaltet werden.

7. Meßsytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidenkennung bei der dynamischen Messung durch Stroboskopierung mittels sensorgetriggerter Blitzröhre erfolgt.

8. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß­ werte direkt über eine Spannungsmessung am Verstärker oder abgeleitet durch Prozeßrechner hinter einem A/D Umsetzer gewonnen werden.

9. Meßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwert­ ausgabe in Kollektivmerkmalen erfolgt.

10. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein modu­ larer Geräteaufbau durch Austausch der Optikbaugruppe und Zwischen­ stücke die Anpassung an alle Abmessungen ermöglicht.

11. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden­ dynamik durch Darstellung der Sensorausgangsspannung über der Triggerspannung auf dem Oszilloskop erfaßt wird.

12. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stroboskopierung des Spanflusses durch Regelung des Modulators unter Verwendung einer systemfesten Optik erfolgt.